JP2927264B2

JP2927264B2 - 液滴噴射装置

Info

Publication number: JP2927264B2
Application number: JP3527997A
Authority: JP
Inventors: 竜一小島; 泰弘大塚; 虎彦神田; 文則滝沢
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-02-19
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 1999-07-28
Anticipated expiration: 2017-02-19
Also published as: JPH10230596A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジエット用
記録ヘッドのために開発された装置であるが、インクジ
エット用記録ヘッドのほかにも、小型電気回路あるいは
集積回路の導電性被膜形成、その他微細な印刷を行うた
めの装置として広く利用することができる。本発明は、
本願出願人が先に出願した特許出願、特願平７−２１３
４４２号（本願出願時において未公開、以下「先願」と
いう）に開示した技術の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】本願出願人は、上記先願において新しい
原理に基づく液滴噴射装置を開示した。この液滴噴射装
置は、噴射液供給口および噴射開口部を有する噴射室
と、この噴射室内に充填された噴射液に圧力を印加する
加圧手段とを備えた装置であって、この噴射開口部はそ
の圧力により噴射開口部で噴射液が空気に接触する噴射
液の表面に表面波を形成させ、その表面波の作用によっ
て噴射開口部の径より小さい径の液滴を噴射させるもの
である。噴射液の表面に表面波を形成させるには、その
噴射開口部の形状として、図１４に例示するような断面
形状を開示した。図１４は液滴噴射装置の構成を示す図
である。噴射液供給口１、噴射開口部２、加圧板３、圧
電アクチュエータ４、噴射室５、インクタンク６を備え
ている。

【０００３】噴射室５内のインクに圧電アクチュエータ
４により駆動される加圧板３に機械的変位を与えると、
噴射室５に蓄えられたインクの圧力が変化し、噴射開口
部２のインク表面に表面波が発生する。その表面波は噴
射開口部２の周囲から中央部へと推移し、中央部で互い
に干渉して高い波高となりインクの液滴を離脱するに至
る。インクはインクタンク６から噴射液供給口１を通り
噴射室５に供給される。

【０００４】この現象を概念的に説明すると、静止する
水面に水滴を落とすと、その水滴の落下点を中心にリン
グ状の表面波が拡がってゆく。本発明の噴射開口部２の
インク表面ではちょうどこの逆の現象が生じているので
あって、噴射開口部２の周囲から開口中心に向かう表面
波を発生させると、これがこの噴射開口部２の中心に集
中し、インク滴が表面を離脱することになる。

【０００５】図１５〜図１７は液滴噴射装置が液滴を噴
射する過程を示す図である。図１５に示すように、圧電
アクチュエータ４により駆動される加圧板３の機械的変
位により噴射開口部２の周囲に形成された表面波は、図
１６に示すように噴射開口部２の中心部で合波されて液
柱を形成する。その液柱の形成速度および高さが液滴を
離脱させるために十分な条件に達すると、図１７に示す
ように、液滴２０が離脱する。

【０００６】図１８は液滴噴射装置のノズル配列を示す
構造図である。図１８に示すように、液滴噴射装置１４
₁〜１４_nの噴射開口部２を複数並べてそれぞれのイン
クの噴射を制御することにより、この噴射開口部２の前
面を矢印方向に通過する紙に印字を行うことができる。
これにより、印字記録装置のヘッドを構成することがで
きる。

【０００７】この新しい原理に基づく装置では、噴射開
口部の径より小さい径の液滴を噴射させることができる
から、工作精度をゆるやかに設定して口径の大きい噴射
開口部を設けても、小さい液滴を噴射させることにより
高い解像度の印字あるいは印刷を行うことが可能にな
る。すなわち、安価にかつ簡便に高い解像度の装置を提
供することができる。そのほか、噴射開口部の径を大き
くすることができることから、液づまりが発生しにく
く、周囲の環境変化に対して適応力の高い装置を得る、
すなわち利用可能な温度範囲や湿度範囲などが拡大され
る。さらに、液体の性質についてもその制約条件が緩和
され、各種のインクに対して適応可能とすることができ
るなど優れた特長がある。

【０００８】本願発明者らは、この新しい原理に基づく
液滴噴射装置についてさまざまな試験を行った。そして
この原理の液滴噴射装置はかなり有効であることを試験
により確認した。実用的な印字記録装置の規格は、読み
やすい日本語の活字を印刷するためには少なくとも約３
００ｄｐｉ(dots per inch) 以上の解像度が必要とされ
る。以下、本発明では、３００ｄｐｉ以上の実用的な印
字記録装置を開発することを目標として研究を進めた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ここで実用的な装置を
得るために最も重要な課題は、噴射開口部から噴射液が
そのまま突出するのではなく、その開口部の表面に表面
波を形成させることである。しかもその表面波を実用的
な温度や湿度などの環境条件下でつねに安定に形成させ
るにはどのようにすればよいか、ということである。こ
れには、（１）開口部の機械的な構造あるいは形状が大
きく影響するとともに、（２）噴射液の粘度、表面張
力、密度その他液体としての物理的性質が関係し、さら
に（３）噴射室に印加する圧力を制御する技術が必要で
ある。

【００１０】本発明はこのうち上記（３）噴射室に印加
する圧力を制御する技術について、数多くの試験を行っ
た中から達成された条件およびそれに基づく装置構造を
開示するものである。すなわち、本発明は、噴射液供給
口および噴射開口部を有する噴射室と、この噴射室内に
充填された噴射液に圧力を印加する加圧手段とを備え、
前記噴射開口部はこの圧力により前記噴射開口部の噴射
液表面に表面波を形成させ前記噴射開口部の径より小さ
い径の液滴を噴射させる形状に形成された液滴噴射装置
において、実用的な安定な装置を得るために、前記加圧
手段として有効なものを提供することを目的とする。本
発明は、小型かつ簡便であり、解像度の高い液滴噴射装
置を提供することを目的とする。本発明は３００ｄｐｉ
以上の実用的な印字記録装置を得ることを目的とする。
本発明は安価な印字記録装置を得ることを目的とする。
本発明は信頼性の高い印字記録装置を得ることを目的と
する。本発明は、小型電気回路あるいは集積回路の導電
性被膜形成、その他微細な印刷を行うための装置として
広く利用することができる液滴噴射装置を提供すること
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は液滴噴射装置で
あって、噴射液供給口および噴射開口部を有する噴射室
と、この噴射室内に充填された噴射液に圧力を印加する
加圧手段とを備え、前記噴射開口部はこの圧力により前
記噴射開口部の噴射液表面に表面波を形成させ前記噴射
開口部の径より小さい径の液滴を噴射させる形状に形成
された液滴噴射装置である。本発明の特徴とするところ
は、前記加圧手段は、電気信号発生回路と、この電気信
号発生回路の出力により駆動され機械的変位出力が前記
噴射室内の噴射液に印加される圧電アクチュエータとを
備え、前記電気信号発生回路の出力と前記圧電アクチュ
エータとの間の回路に前記表面波を形成するに適する周
波数成分を選択的に通過させるフィルタ回路が挿入され
たところにある。この周波数成分は正弦波パルスである
ことが望ましい。

【００１２】ここで、正弦波パルスとは、パルス幅の中
に含まれる周波数分布がきわめて狭いパルス波形をいう
ことにする。

【００１３】前記電気信号発生回路は、三角波パルス、
矩形波パルスまたは台形波パルスを発生するパルス発生
回路であり、前記フィルタ回路はローパス・フィルタで
あることが望ましい。このローパス・フィルタは、例え
ば、ＣＲフィルタにより実現することができる。

【００１４】発明者らは、先願の液滴噴射装置について
実用的な装置を開発するにあたり、噴射室内のインクを
加圧するための波形には正弦波パルスが最も適している
ことに気付いた。これは、正弦波パルスの周波数成分が
単一であるため、位相の揃った表面波を中心で干渉させ
ることができ、滴径、滴速に関し最も安定吐出が可能で
あることを実験的に確認したものである。

【００１５】そこで、電気信号発生回路により直接に正
弦波パルスを発生させることを試みたが、単発的に正弦
波パルスを発生させるにはシンセサイザ回路などが必要
であり高価になってしまうから、直接的に正弦波パルス
を発生させるのではなく、電気信号発生回路で適当な三
角波パルス、矩形波パルスまたは台形波パルスを発生さ
せておき、これをローパス・フィルタからなるフィルタ
回路を通過させることによって、その基本波である正弦
波パルスに近い波形を取り出すことができる。これによ
り、正弦波パルスを電気信号発生回路により直接に発生
させる場合と比較して簡単かつ低価格な回路により構成
することができることになった。

【００１６】

【発明の実施の形態】

【００１７】

【実施例】

（第一実施例）本発明第一実施例の構成を図１を参照し
て説明する。図１は本発明第一実施例装置のブロック構
成図である。

【００１８】本発明は液滴噴射装置であって、噴射液供
給口１および噴射開口部２を有する噴射室５と、この噴
射室５内に充填された噴射液に圧力を印加する加圧手段
としての加圧板３とを備え、噴射開口部２はこの圧力に
より噴射開口部２の噴射液表面に表面波を形成させ噴射
開口部２の径より小さい径の液滴を噴射させる形状に形
成された液滴噴射装置である。

【００１９】ここで、本発明の特徴とするところは、加
圧板３は、電気信号発生回路１０と、この電気信号発生
回路１０の出力により駆動され機械的変位出力が噴射室
５内の噴射液に印加される圧電アクチュエータ４とを備
え、電気信号発生回路１０の出力と圧電アクチュエータ
４との間の回路に前記表面波を形成するに適する正弦波
周波数成分を選択的に通過させるフィルタ回路１１が挿
入されたところにある。

【００２０】圧電アクチュエータ４はピエゾアクチュエ
ータにより実現される。電気信号発生回路１０は、簡便
な単発パルスを発生する安価なパルス発生回路であり、
その出力周波数成分は多重成分であり、この出力信号波
形を観測すると三角波パルスに見える。電気信号発生回
路１０はワンショットマルチバイブレータにより簡単に
実現することができる。フィルタ回路１１はローパス・
フィルタである。図２にフィルタ回路１０の典型的な回
路図を示す。このローパス・フィルタは単純かつ安価な
ＣＲフィルタを採用した例である。図２では、周波数ｆ
とするとき、ｆ＝１／（２πＣＲ）であるから、例えば、ｆ＝１００ｋＨｚ、Ｒ＝７５Ω、
Ｃ≒２０ｎＦとなる。

【００２１】噴射開口部２の直径は約１００μｍであ
り、圧電アクチュエータ４に供給する駆動信号のパルス
幅として１０μｓｅｃを選んだ。このためフィルタ回路
１１の遮断周波数として、このパルス幅に相当する周波
数である１００ｋＨｚを選択した。図３は本発明第一実
施例のフィルタ回路１０のローパス・フィルタの特性を
示す図である。横軸に周波数（Ｈｚ）をとり、縦軸に利
得（ｄＢ）をとる。１００ｋＨｚで約３ｄＢの減衰にな
る。

【００２２】本発明第一実施例の動作を説明する。入力
端子９には、噴射開口部２よりインクの噴射を指令する
トリガ信号が入力される。電気信号発生回路１０は、こ
のトリガ信号を受けてパルスを発生する。このパルスは
上述のように一見三角波パルスであり、さまざまな周波
数成分を含んでいる。このパルスはフィルタ回路１１に
入力されて正弦波成分のみが透過される。フィルタ回路
１１は、単純なＣＲフィルタによるローパス・フィルタ
である。この正弦波パルスは増幅器１２によって振幅
（パルス高さ）が増幅される。この正弦波パルスは圧電
アクチュエータ４により機械的変位に変換される。この
機械的変位は加圧板３の位置を変位させ、噴射室５内の
インクを加圧する。噴射室５内のインクは加圧され、先
願により開示し、かつ上に説明した原理によって噴射開
口部２の表面に表面波を発生させ、その表面波が収束す
る中心部分から液滴が噴射される。

【００２３】前述したように、電気信号発生回路１０で
は三角波パルスなど適当なパルスを発生させておき、こ
れをローパス・フィルタからなるフィルタ回路１１を通
過させることによって正弦波パルスを得るから、正弦波
パルスを電気信号発生回路１０により直接に発生させる
場合と比較して簡単かつ低価格な回路により正弦波パル
スを発生させることができる。

【００２４】ここで、圧電アクチュエータ４の駆動波形
として正弦波パルスが最適であるとの結論を得た根拠に
ついて説明する。図４はパルス幅と滴径との関係を示す
図であり、横軸にパルス幅（μｓｅｃ）をとり、縦軸に
滴径（μｍ）をとる。ここでは正弦波パルスと矩形波パ
ルスとを比較している。図４により、矩形波パルスで
は、パルス幅による滴径の制御性が低いことが分かる。
その原因は、矩形波パルスは多様な周波数成分を有する
ことから、その影響が単純でなく、滴径を単純に制御で
きないものと考えられる。

【００２５】図５は滴径と必要振幅との関係を示す図で
あり、横軸に滴径（μｍ）をとり、縦軸に振幅（μｍ）
をとる。ここでは正弦波パルスと三角波パルスとを比較
している。図５により、同じ大きさの滴を作るとき、三
角波パルスでは正弦波パルスよりも大きい入力振幅を必
要とすることが分かる。この振幅は、アクチュエータや
その駆動回路への負荷を考慮すると、より低振幅である
ことが望まれる。したがって、三角波パルスよりも正弦
波パルスの方が駆動波形として適していることが分か
る。

【００２６】本発明第一実施例装置の全体構成を図６に
示す。実際には、複数の液滴射出装置１４₁〜１４_nが
設けられ、制御回路１５により制御されたスイッチ回路
１３により、増幅器１２の出力に現れる正弦波パルスを
所望の液滴噴射装置１４_i(i=1,2, …n)に供給する。こ
れにより、所望の文字、数字、図形その他を描くための
印字記録装置として動作することができる。

【００２７】（第二実施例）本発明第二実施例を図７を
参照して説明する。図７は本発明第二実施例装置の全体
構成図である。本発明第二実施例は、増幅器１２を電気
信号発生回路１０とフィルタ回路１１との間に介挿し
た。電気信号発生回路１０により発生した三角波パルス
を増幅器１２により増幅した後にフィルタ回路１１によ
り正弦波パルスとする。これにより、増幅器１２で発生
した高調波歪をフィルタ回路１１により除去することが
できる。他の動作は本発明第一実施例と同様である。

【００２８】（第三実施例）本発明第三実施例を図８を
参照して説明する。図８は本発明第三実施例装置の全体
構成図である。本発明第三実施例は、本発明第一および
第二実施例装置の構成から増幅器１２を排した構成であ
る。電気信号発生回路１０から出力される三角波パルス
の振幅を液滴噴射装置１４₁〜１４_nを駆動するために
充分な振幅としておくことにより、増幅器１２を排する
ことができる。

【００２９】（第四実施例）本発明第一〜第三実施例で
は、電気信号発生回路１０はワンショットマルチバイブ
レータであり、その出力波形は三角波パルスであるとし
て説明したが、三角波パルスの他に、台形波パルス、矩
形波パルスによっても同様に動作させることができる。
図９は、三角波パルスおよび台形波パルスを発生する回
路の例を示す図である。また、図１０および図１１は、
図９に示した回路の動作を示す図であり、図１０は三角
波パルスの発生手順を示し、図１１は台形波パルスの発
生手順を示す。

【００３０】図９に示す回路では、波形発生制御部１８
の制御にしたがって三角波パルスまたは台形波パルスあ
るいは矩形波パルスを発生させることができる。

【００３１】波形発生制御部１８は、スイッチＳＷ１お
よびＳＷ２を制御することにより、図１０に示すよう
に、三角波パルスを発生させる。または、図１１に示す
ように、台形波パルスを発生させる。チャージ用コンデ
ンサＣの時定数を適当に設定することにより、三角波パ
ルスおよび台形波パルスの傾きθを設定することができ
る。したがって、チャージ用コンデンサＣを取り去るこ
とにより矩形波パルスを発生させることができる。な
お、定電流回路１７₁および１７₂は、トランジスタを
用いた簡単な回路により実現することができる。

【００３２】このように、三角波パルス、台形波パル
ス、矩形波パルスは単純で安価な回路により発生させる
ことができる。したがって、これらをローパスフィルタ
に透過させることにより正弦波パルスを得ることは、装
置コストの低下、信頼性の向上などについて有用であ
る。

【００３３】（第五実施例）本発明第五実施例を図１２
および図１３を参照して説明する。図１２は本発明第五
実施例の概念図である。図１３は本発明第五実施例で用
いる液滴噴射装置の構成図である。本発明第五実施例で
は、本発明の液滴噴射装置を半導体の接続等で用いる微
細バンプの形成装置に応用した例を示す。液滴噴射装置
は、図１３に示すように、噴射室５の内壁にヒータ３０
を設置した構成である。図１２を参照して本発明第五実
施例を説明する。導電性を有する液体としては融点が約
１１０°Ｃのインジウムを用い、８０μｍピッチで形成
されたフレキシブル基板２８の先端接続部に直径５０μ
ｍのインジウムバンプ２９の形成を試みた。ヒータ３０
により噴射室５内を約１２５°Ｃに加熱し、圧電アクチ
ュエータ４に変位量２．４μｍ、パルス幅２０μｓｅｃ
の変位を与え、フレキシブル基板２８に向け液滴吐出を
行ったところ、接続部に直径５０μｍのインジウムバン
プ２９を形成することができた。インジウムバンプ２９
が形成されたフレキシブル基板２８を液晶パネルの接続
に用いたところ、接続用のバンプとしての十分な機能を
果たし、信頼性の高い良好な接続が可能なことを確認し
た。なお、本発明第五実施例では、バンプ材料としてイ
ンジウムを用いた例について示したが、ハンダ等の低融
点金属を用いても、あるいは溶剤にＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ等
の導電性粒子を分散させたバンプ材料を用いてもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
小型かつ簡便であり、解像度の高い液滴噴射装置を実現
することができる。本発明では、噴射開口部の径より小
さい径の液滴を噴射することができるから、噴射開口部
の工作精度は低くすることができ、安価に製造すること
ができる。また、噴射開口部が大きいことからインクが
固まりにくく、インク詰まりによる不良が激減する。本
発明により、３００ｄｐｉ以上の解像度を有する実用的
な印字記録装置を市場で安価に販売することができる。
さらに、小型電気回路あるいは集積回路の導電性被膜形
成、その他微細な印刷を行うための装置として広く利用
することができる液滴噴射装置を実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第一実施例装置のブロック構成図。

【図２】フィルタ回路のブロック構成図。

【図３】本発明第一実施例のフィルタ回路のローパス・
フィルタの特性を示す図。

【図４】パルス幅と滴径との関係を示す図。

【図５】滴径と必要振幅との関係を示す図。

【図６】本発明第一実施例装置の構成図。

【図７】本発明第二実施例装置の構成図。

【図８】本発明第三実施例装置の構成図。

【図９】三角波パルスおよび台形波パルスを発生する回
路の例を示す図。

【図１０】三角波パルスの発生手順を示す図。

【図１１】台形波パルスの発生手順を示す図。

【図１２】本発明第五実施例の概念図。

【図１３】本発明第五実施例で用いる液滴噴射装置の構
成図。

【図１４】従来例装置の構造図。

【図１５】液滴噴射装置が液滴を噴射する過程を示す
図。

【図１６】液滴噴射装置が液滴を噴射する過程を示す
図。

【図１７】液滴噴射装置が液滴を噴射する過程を示す
図。

【図１８】液滴噴射装置のノズル配列を示す構造図。

【符号の説明】

１噴射液供給口２噴射開口部３加圧板４圧電アクチュエータ５噴射室６インクタンク９入力端子１０電気信号発生回路１１フィルタ回路１２増幅器１３スイッチ回路１４₁〜１４_n 液滴噴射装置１５制御回路１７₁、１７₂ 定電流回路１８波形発生制御部２０液滴２８フレキシブル基板２９インジウムバンプ３０ヒータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者滝沢文則東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内 (56)参考文献特開平４−168050（ＪＰ，Ａ) 特開平８−290587（ＪＰ，Ａ) 特開平３−155948（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】噴射液供給口および噴射開口部を有する
噴射室と、この噴射室内に充填された噴射液に圧力を印
加する加圧手段とを備え、前記噴射開口部はこの圧力に
より前記噴射開口部の噴射液表面に表面波を形成し、こ
の表面波を前記噴射開口部の中央にむかって集中させ、
前記表面波の作用によって前記噴射開口部の径より小さ
い径の液滴を噴射させる形状に形成された液滴噴射装置
であって、前記加圧手段は、電気信号発生回路と、この電気信号発
生回路の出力により駆動され機械的変位出力が前記噴射
室内の噴射液に印加される圧電アクチュエータとを備
え、前記電気信号発生回路の出力と前記圧電アクチュエ
ータとの間の回路に前記表面波を形成するに適する周波
数成分を選択的に通過させるフィルタ回路が挿入された
ことを特徴とする液滴噴射装置。
【請求項２】前記周波数成分は正弦波パルスである請
求項１記載の液滴噴射装置。
【請求項３】前記電気信号発生回路は、三角波パルス
を発生するパルス発生回路であり、前記フィルタ回路は
ローパス・フィルタである請求項１または２記載の液滴
噴射装置。
【請求項４】前記電気信号発生回路は、矩形波パルス
を発生するパルス発生回路であり、前記フィルタ回路は
ローパス・フィルタである請求項１または２記載の液滴
噴射装置。
【請求項５】前記電気信号発生回路は、台形波パルス
を発生するパルス発生回路であり、前記フィルタ回路は
ローパス・フィルタである請求項１または２記載の液滴
噴射装置。
【請求項６】前記ローパス・フィルタはＣＲフィルタ
である請求項３ないし５のいずれかに記載の液滴噴射装
置。