JP2000079688A - Ink jet recorder - Google Patents

Ink jet recorder

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JP2000079688A
JP2000079688A JP25107798A JP25107798A JP2000079688A JP 2000079688 A JP2000079688 A JP 2000079688A JP 25107798 A JP25107798 A JP 25107798A JP 25107798 A JP25107798 A JP 25107798A JP 2000079688 A JP2000079688 A JP 2000079688A
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JP
Japan
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ink
piezoelectric element
laminated
ink jet
recording apparatus
Prior art date
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Pending
Application number
JP25107798A
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Japanese (ja)
Inventor
Shiro Saito
史郎 斉藤
Isao Amamiya
功 雨宮
Kenichi Mori
健一 森
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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  • Ink Jet (AREA)
  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low power consumption ink jet recorder where an ink drop is made to fly by utilizing ultrasonic radiation pressure. SOLUTION: An ultrasonic wave generating source, i.e., a piezoelectric element 1, comprises a laminate of n layers (n>=2) of substantially the same thickness arranged while alternating the direction of polarization and the piezoelectric elements 1 are arranged in series acoustically. Respective piezoelectric layers are also arranged in series electrically by forming electrodes 2, 3 on the opposite end faces in the direction of lamination.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、液体インクを液滴
化して被記録体上に飛翔させることで画像を記録するイ
ンクジェット記録装置に係わり、特に圧電素子により放
射される超音波ビームの音圧によりインク滴を吐出させ
て被記録体上に飛翔させるインクジェット記録装置に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ink-jet recording apparatus for recording an image by forming liquid ink into droplets and flying on a recording medium, and more particularly to a sound pressure of an ultrasonic beam radiated by a piezoelectric element. The present invention relates to an ink jet recording apparatus that ejects ink droplets on a recording medium by ejecting ink droplets on the recording medium.

【0002】[0002]

【従来の技術】液体インクを液滴と呼ばれる小さな粒状
にして記録媒体上に飛翔させることにより画点を形成し
て画像を記録する装置は、インクジェットプリンタとし
て実用化されている。このインクジェットプリンタは、
他の記録方法と比べて騒音が少なく、現像や定着などの
処理が不要であるという利点を有し、普通紙記録技術と
して普及している。
2. Description of the Related Art An apparatus for recording an image by forming an image point by making liquid ink into small particles called droplets and flying the recording medium has been put to practical use as an ink jet printer. This inkjet printer is
Compared to other recording methods, it has the advantage of less noise and does not require processing such as development and fixing, and is widely used as plain paper recording technology.

【0003】現在までに数多くのインクジェットプリン
タの方式が考案されているが、特に発熱体の熱により発
生する蒸気の圧力でインク滴を飛翔させる方式(例えば
特公昭56-9429 や特公昭61-59911)、圧電体の変位によ
る圧力パルスによりインク滴を飛翔させる方式(例えば
特公昭53-12138など)が代表的なものである。
[0003] A number of ink jet printer systems have been devised so far. In particular, a system in which ink droplets are ejected by the pressure of steam generated by the heat of a heating element (for example, JP-B-56-9429 and JP-B-61-59911) ), And a method in which an ink droplet is caused to fly by a pressure pulse due to displacement of a piezoelectric body (for example, Japanese Patent Publication No. 53-12138).

【0004】これらのインクジェットプリンタはノズル
の先端からインクを飛翔させている。そのため、ノズル
式のインクジェットプリンタは、インク中の溶媒の蒸発
や揮発によって局所的なインクの濃縮が生じ、ノズルで
の目詰まりという問題がある。さらに従来のインクジェ
ットプリンタは、飛翔させるインク滴の粒径を小さくす
ることが困難であり(直径20μm 以下)、解像度を上げ
ることが容易ではない。
[0004] These ink jet printers fly ink from the tip of a nozzle. For this reason, the nozzle type inkjet printer has a problem that local concentration of the ink occurs due to evaporation and volatilization of the solvent in the ink, and the nozzle is clogged. Further, it is difficult for the conventional ink jet printer to reduce the particle diameter of the ink droplet to be ejected (diameter of 20 μm or less), and it is not easy to increase the resolution.

【0005】これらの欠点を克服するため、薄膜圧電体
層として構成された圧電素子によって発生する超音波ビ
ームの音圧を用いてインク液面からインクを飛翔させる
方式としてIBM TDB, Vol.16,No.4,pp.1168(1973-10) 、
USP-4308547(1981) 、特開昭63-166548 、特開昭63-312
157 、特開平2-184443などが提案されている。しかしな
がらこれらの方法は画像記録スピードを上げることがで
きないという問題があった。
In order to overcome these drawbacks, IBM TDB, Vol. 16, Vol. 16 discloses a method in which ink is ejected from an ink surface using the sound pressure of an ultrasonic beam generated by a piezoelectric element formed as a thin film piezoelectric layer. No.4, pp.1168 (1973-10),
USP-4308547 (1981), JP-A-63-166548, JP-A-63-312
157, JP-A-2-84443 and the like have been proposed. However, these methods have a problem that the image recording speed cannot be increased.

【0006】そこで本発明者らは複数の個別電極により
形成された圧電素子アレイの一部の複数素子群を順次電
子的スイッチの切り替えにより移動することで印字速度
の高速化を図ったインクジェット記録装置として、特願
平6-238102他を提案した。しかし超音波送信効率の高い
圧電素子は概して誘電率が大きく、液滴飛翔に必要な一
定の電圧を印加する際に大電流が流れて消費電力が大き
くなり、場合によっては発熱で超音波送信部が破損して
しまうという問題があった。
Therefore, the present inventors have attempted to increase the printing speed by sequentially moving a plurality of element groups of a piezoelectric element array formed by a plurality of individual electrodes by switching electronic switches. He proposed Japanese Patent Application No. Hei 6-238102 and others. However, a piezoelectric element with high ultrasonic transmission efficiency generally has a large dielectric constant, and a large current flows when a constant voltage necessary for flying a droplet is applied, resulting in increased power consumption. However, there was a problem that it was damaged.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上述したように超音波
を用いたインクジェット記録装置は、ノズル目詰まりが
なく高画質を達成でき、さらに本発明者らの提案によれ
ば印字スピードの高速化を達成できるものの、液滴飛翔
に必要な一定電圧印加の際に消費電力が大きい、とりわ
け圧電素子アレイの場合は消費電力が大きいという問題
があった。
As described above, the ink jet recording apparatus using ultrasonic waves can achieve high image quality without nozzle clogging, and according to the proposal of the present inventors, it is possible to increase the printing speed. Although it can be achieved, there is a problem that the power consumption is large when applying a constant voltage necessary for flying a droplet, and particularly in the case of a piezoelectric element array, the power consumption is large.

【0008】本発明はこのような問題を解決しようとす
るものであり、圧電素子を積層することにより消費電力
を低減したインクジェット記録装置を提供することを目
的とする。
An object of the present invention is to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide an ink jet recording apparatus in which power consumption is reduced by laminating piezoelectric elements.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、ほぼ同じ厚さ
の複数の圧電体層を厚さ方向に隣接する前記圧電体層の
分極方向が互いに逆になるように積層し、厚さ方向の一
端面が共通電極、他端面が個別電極を形成した積層圧電
素子アレイと、インクと、前記積層圧電素子アレイの少
なくとも一部の積層電極アレイから放射された超音波を
前記インク液面近傍に集束させるための集束手段を具備
したインクジェット記録装置である。また本発明はほぼ
同じ厚さの複数の圧電体層を厚さ方向に隣接する前記圧
電体層の分極方向が互いに逆になるように積層し、厚さ
方向の一端面が共通電極、他端面が個別電極を形成した
積層圧電素子アレイと、インクと、前記積層圧電素子ア
レイの少なくとも一部の積層電極アレイから放射された
超音波を前記インク液面近傍に集束させるための集束手
段を具備したインクジェット記録装置である。さらに本
発明は積層圧電素子が厚さ方向に垂直に所定のピッチで
配列された積層圧電素子アレイと、インクと、前記積層
圧電素子アレイの少なくとも一部の積層電極アレイから
放射された超音波を前記インク液面近傍に集束させるた
めの集束手段を具備したインクジェット記録装置であ
る。さらに積層圧電素子もしくは積層圧電素子アレイと
インクとの音響マッチングをとる音響マッチング層が形
成されていてもよい。
According to the present invention, a plurality of piezoelectric layers having substantially the same thickness are stacked so that the polarization directions of the adjacent piezoelectric layers in the thickness direction are opposite to each other. One end face of the multilayer piezoelectric element array having a common electrode and the other end face forming an individual electrode, ink, and ultrasonic waves radiated from at least a part of the multilayer electrode array of the multilayer piezoelectric element array near the ink liquid level. This is an inkjet recording apparatus provided with a converging means for converging. Further, according to the present invention, a plurality of piezoelectric layers having substantially the same thickness are stacked so that the polarization directions of the adjacent piezoelectric layers in the thickness direction are opposite to each other, and one end surface in the thickness direction is a common electrode, and the other end surface. Provided with a laminated piezoelectric element array having individual electrodes formed thereon, ink, and a focusing means for focusing ultrasonic waves radiated from at least a part of the laminated electrode array of the laminated piezoelectric element array in the vicinity of the ink liquid surface. This is an inkjet recording apparatus. Further, the present invention provides a laminated piezoelectric element array in which laminated piezoelectric elements are arranged at a predetermined pitch perpendicular to the thickness direction, ink, and ultrasonic waves radiated from at least a part of the laminated electrode array of the laminated piezoelectric element array. An ink jet recording apparatus comprising a converging means for converging near the ink liquid surface. Further, an acoustic matching layer for acoustic matching between the laminated piezoelectric element or the laminated piezoelectric element array and the ink may be formed.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
用いて説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0011】図1は本発明に係わる積層圧電素子アレイ
によるインクジェット記録装置を示す斜視図であり、こ
の構造を説明する。図1では2層の積層圧電体層の両端
面に形成した電極をアレイ状に配置した複数の超音波発
生素子から形成されており、このうちの一部の複数素子
を用いて1滴のインクを飛翔させる。この時の複数素子
を同時駆動素子群とする。この同時駆動素子群は一ヵ所
ではなく複数箇所設けても良い。2層の圧電体層1の積
層体の両端面には共通電極2と個別電極3が形成され、
これがバッキング材8の上に形成されている。この積層
体と共通電極2、個別電極3を合わせて積層圧電素子と
呼ぶ。積層方法はジルコン・チタン酸鉛やチタン酸鉛等
の圧電セラミックの場合、圧電セラミックのグリーンシ
ートに内部電極(図示せず)をスクリーン印刷等により
形成して複数枚を重ねてから焼成する一体焼成法や接着
剤(図示せず)により接合する方法が主として用いられ
るが、半導体性圧電結晶のZnO などではスパッタ法やCV
D 法等により順次積層していっても良い。図1では一体
焼成法もしくは接着法により作製した積層圧電素子を接
着剤(図示せず)を用いて、個別電極7を形成したバッ
キング材8の上に形成している。従って圧電体層1に形
成した個別電極3とバッキング材8に形成した個別電極
7の両者を位置合わせして接着し、個別電極3と個別電
極7の導通を取る。スパッタ法やCVD 法で積層圧電素子
を形成する場合は、バッキング材8に形成した個別電極
7に直接圧電素子を形成するので、個別電極3は不要と
なる。共通電極2上には音響マッチング層兼音響レンズ
4が形成されており、フレネル輪帯理論に基づく溝が主
走査方向に平行に形成されることにより音響レンズを兼
ねている。インク液室5はこの音響マッチング層兼音響
レンズ4と側壁、スリットで囲まれた部分で形成され、
インク6が満たされている。また駆動回路9はバッキン
グ材8の上に形成され、配線パターン(図示せず)を介
して、共通電極2と個別電極7、すなわち個別電極3に
接続されている。
FIG. 1 is a perspective view showing an ink jet recording apparatus using a laminated piezoelectric element array according to the present invention, and its structure will be described. In FIG. 1, a plurality of ultrasonic wave generating elements in which electrodes formed on both end surfaces of two laminated piezoelectric layers are arranged in an array form are used. To fly. The plurality of elements at this time are referred to as a simultaneous drive element group. This group of simultaneous driving elements may be provided at a plurality of places instead of one place. A common electrode 2 and an individual electrode 3 are formed on both end surfaces of the laminate of the two piezoelectric layers 1,
This is formed on the backing material 8. The laminate, the common electrode 2 and the individual electrodes 3 are collectively referred to as a laminated piezoelectric element. In the case of piezoelectric ceramics such as zircon / lead titanate or lead titanate, the laminating method is an integral firing in which an internal electrode (not shown) is formed on a green sheet of the piezoelectric ceramic by screen printing or the like and a plurality of sheets are stacked and fired. The method is mainly used for bonding with a bonding method using an adhesive (not shown).
The layers may be sequentially laminated by the D method or the like. In FIG. 1, a laminated piezoelectric element manufactured by an integral firing method or an adhesive method is formed on a backing material 8 on which individual electrodes 7 are formed, using an adhesive (not shown). Accordingly, both the individual electrode 3 formed on the piezoelectric layer 1 and the individual electrode 7 formed on the backing material 8 are aligned and adhered, and the individual electrode 3 and the individual electrode 7 are conducted. When a laminated piezoelectric element is formed by a sputtering method or a CVD method, since the piezoelectric element is formed directly on the individual electrode 7 formed on the backing material 8, the individual electrode 3 becomes unnecessary. An acoustic matching layer / acoustic lens 4 is formed on the common electrode 2, and a groove based on the Fresnel zone theory is formed in parallel with the main scanning direction to also serve as an acoustic lens. The ink liquid chamber 5 is formed by the acoustic matching layer / acoustic lens 4, the side wall, and a portion surrounded by a slit.
Ink 6 is full. The drive circuit 9 is formed on the backing material 8 and is connected to the common electrode 2 and the individual electrodes 7, that is, the individual electrodes 3 via a wiring pattern (not shown).

【0012】図2は図1の積層圧電素子アレイの配列方
向(主走査方向)に垂直な方向(副走査方向)の断面図
を示している。図2(a)、(b) はそれぞれ2層と3層の積
層構成で音響マッチング層がない場合、(c) 、(d) は音
響マッチング層が形成されている場合を示す。また図3
と図4は副走査方向の超音波集束手段の変形例で、図3
は凹面圧電素子、図4は凹面音響レンズの場合である。
図5と図6は主走査方向の積層圧電素子と音響レンズ部
分のみの断面図で、図5は電極のみ分割されて圧電体が
一体構成のアレイ型、図6は圧電素子も分離されている
構成である。図7と図8は本発明に係わるインクジェッ
ト記録装置の別の構成を示す斜視図で、一つの圧電素子
から一滴のインクを飛翔させる構成のものである。図7
(a)、(b)は支持基板(バッキング材)上に圧電素子を構
成したもので、(a) はフレネルレンズ、(b) は凹面レン
ズの場合である。図8(a)、(b) は音響レンズ構成材が支
持基板を兼ねるもので、(a) はフレネルレンズ構成、
(b) は凹面レンズ構成の場合である。図9は図7、8に
示すような一つの圧電素子から一滴のインクを飛翔させ
る構成のインクジェット記録装置の断面図で、図9(a)、
(b) は図8(a)のフレネルレンズ構成のB-B'、図9(c)、
(d) は図8 (b) の凹面レンズ構成のC-C'で切った面を示
す。なお図7(b)は図4のA-A'で切った断面図を示す。
FIG. 2 is a sectional view in a direction (sub-scanning direction) perpendicular to the arrangement direction (main scanning direction) of the laminated piezoelectric element array of FIG. FIGS. 2 (a) and 2 (b) show the case where there is no acoustic matching layer in a laminated structure of two layers and three layers, respectively, and FIGS. 2 (c) and 2 (d) show the case where the acoustic matching layer is formed. FIG.
And FIG. 4 show a modified example of the ultrasonic focusing means in the sub-scanning direction.
Represents a concave piezoelectric element, and FIG. 4 represents a concave acoustic lens.
5 and 6 are cross-sectional views of only the laminated piezoelectric element and the acoustic lens portion in the main scanning direction. FIG. 5 shows an array type in which only the electrodes are divided and the piezoelectric body is integrated, and FIG. 6 also separates the piezoelectric element. Configuration. FIGS. 7 and 8 are perspective views showing another configuration of the ink jet recording apparatus according to the present invention, in which one droplet of ink is ejected from one piezoelectric element. Fig. 7
(a) and (b) show a case where a piezoelectric element is formed on a supporting substrate (backing material), (a) shows a case of a Fresnel lens, and (b) shows a case of a concave lens. 8 (a) and 8 (b) show an acoustic lens component also serving as a support substrate, and FIG. 8 (a) shows a Fresnel lens configuration,
(b) shows the case of a concave lens configuration. FIG. 9 is a cross-sectional view of an ink jet recording apparatus configured to fly one drop of ink from one piezoelectric element as shown in FIGS.
(b) is BB ′ of the Fresnel lens configuration of FIG. 8 (a), FIG. 9 (c),
(d) shows a surface cut by CC ′ of the concave lens configuration of FIG. 8 (b). FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG.

【0013】本発明者らは試作したインクジェット記録
装置を用いて、印字品質や印字スピードを始めとする様
々な評価を行ってきた。その結果、単層構成の圧電素子
の例えば図1に示すようなアレイ型構成の場合、圧電素
子での消費電力が大きくなり、場合によっては音響マッ
チング層兼音響レンズが熱で剥離したり、インク滴飛翔
の不安定性が顕著になることが認められた。これまでは
比誘電率が200 程度のチタン酸鉛系圧電セラミックを用
いてきたが、消費電力を減らすべく、誘電率の小さなニ
オブ酸リチウムや圧電高分子等を検討した。しかしイン
ク滴の飛翔効率が悪くなり、駆動電圧を上げなければな
らない等駆動回路への負担が増すことがわかった。そこ
でインク滴の飛翔条件を改めて検討したところ、インク
滴の飛翔効率は焦点近傍でのビーム幅と駆動周波数を固
定した場合、インク中に放射される超音波の音圧に依存
することが分かった。さらに検討を進め、圧電素子での
低消費電力化とインク滴飛翔に必要な放射音圧の両者を
兼ね備える構成として、以下に示す積層圧電素子が有効
なことを見出した。その構成は全圧電体層をほぼ同じ厚
さにして、互いに隣接する層の分極方向を逆になるよう
にし、さらに電極は両端面に形成するというものであ
る。すなわち、ほぼ同じ厚さtのn層の圧電体を電気的
にも音響的にも直列構成とする。このようにすると厚さ
tの1層圧電体の場合と共振周波数が等しいのに対し、
インピーダンスはn倍になる。この積層圧電素子で構成
したインクジェット記録装置に図10に示すような駆動
信号を印加すると、同じ駆動電圧で1層構成の場合とほ
ぼ同じ音圧になることを確認した。つまり圧電素子での
消費電力が1/nになったのにもかかわらず、インク滴
の飛翔効率は変わらないことがわかった。
The present inventors have made various evaluations, such as printing quality and printing speed, using a prototype ink jet recording apparatus. As a result, in the case of a single-layer piezoelectric element, for example, in the case of an array configuration as shown in FIG. 1, the power consumption of the piezoelectric element increases, and in some cases, the acoustic matching layer / acoustic lens is peeled off by heat, ink It was recognized that the instability of the droplet flight became remarkable. So far, lead titanate-based piezoelectric ceramics with a relative dielectric constant of about 200 have been used, but in order to reduce power consumption, lithium niobate and piezoelectric polymers with a small dielectric constant have been studied. However, it has been found that the flying efficiency of the ink droplets is deteriorated and the load on the drive circuit is increased, for example, the drive voltage must be increased. Therefore, we examined the flight conditions of the ink droplets again, and found that the flight efficiency of the ink droplets depends on the sound pressure of the ultrasonic waves radiated into the ink when the beam width and the driving frequency near the focal point are fixed. . Further studies have led to the discovery that the multilayer piezoelectric element shown below is effective as a configuration having both low power consumption in the piezoelectric element and radiation sound pressure required for ink droplet flying. The configuration is such that all the piezoelectric layers have substantially the same thickness, the polarization directions of the adjacent layers are reversed, and electrodes are formed on both end surfaces. That is, an n-layer piezoelectric body having substantially the same thickness t is electrically and acoustically connected in series. In this case, the resonance frequency is equal to that of a single-layer piezoelectric body having a thickness t, whereas
The impedance becomes n times. It was confirmed that when a drive signal as shown in FIG. 10 was applied to the ink jet recording apparatus composed of the laminated piezoelectric elements, the same drive voltage would produce almost the same sound pressure as in the case of the one-layer configuration. That is, it was found that the flying efficiency of ink droplets did not change even though the power consumption of the piezoelectric element was reduced to 1 / n.

【0014】圧電体層1は、特に材料の限定はないが、
例えば超音波周波数や素子の大きさなどによって、誘電
率、周波数定数、加工性、製造方法(育成方法)などを
考慮して決める。具体的には、ジルコン・チタン酸鉛(P
ZT) やチタン酸鉛(PT)などのセラミックや、フッ化ビニ
リデンと三フッ化エチレンとの共重合体などの高分子、
ニオブ酸リチウムなどの単結晶、酸化亜鉛などの圧電性
半導体などが用いられる。この圧電素子に形成する電極
は、通常Ti、Ni、Al、Cu、Auなどを蒸着やスパッタによ
る薄膜法、ガラスフリットを銀ペーストなどに混合した
スクリーン印刷による焼き付け法などで形成すれば良
い。圧電セラミックを一体焼成で積層化する場合、内部
電極を形成する必要があるが、基本的には高融点金属、
具体的にはPtを始めとする貴金属、Ag-Pd 系、Ni、W な
どが用いられる。また接着で形成する場合は、接着層厚
の影響を少なくするため低粘度接着剤の方が望ましく、
エポキシ樹脂などが用いられる。
The material of the piezoelectric layer 1 is not particularly limited.
For example, the dielectric constant, the frequency constant, the workability, the manufacturing method (growing method), etc. are determined in consideration of the ultrasonic frequency and the size of the element. Specifically, zircon / lead titanate (P
Ceramics such as ZT) and lead titanate (PT), and polymers such as copolymers of vinylidene fluoride and ethylene trifluoride;
Single crystals such as lithium niobate and piezoelectric semiconductors such as zinc oxide are used. The electrodes formed on the piezoelectric element may be formed by a thin film method using Ti, Ni, Al, Cu, Au, or the like by vapor deposition or sputtering, or a printing method using screen printing in which glass frit is mixed with a silver paste or the like. When stacking piezoelectric ceramics by integral firing, it is necessary to form internal electrodes, but basically, a high melting point metal,
Specifically, noble metals such as Pt, Ag-Pd, Ni, W and the like are used. In the case of forming by adhesion, a low-viscosity adhesive is more desirable in order to reduce the influence of the adhesive layer thickness,
Epoxy resin or the like is used.

【0015】圧電素子とインクとの音響的マッチングを
取るために、音響マッチング層を形成することが望まし
い。音響マッチング層の音響インピーダンスは、圧電素
子の音響インピーダンスZpとインクのそれZiとの積の平
方根に近いものを用いる。マッチング材料として、エポ
キシ樹脂やポリイミド、それらに音響インピーダンスを
変化させるために繊維などを混入したもの、もしくはア
ルミナ粉末やタングステン粉末との混合物が用いられ
る。さらにSiO2膜などをスパッタ法やCVD 法などで形成
しても良い。厚さtmは以下の式で与えられ、その前後は
本発明の趣旨を逸脱しない範囲、具体的には±20%以内
で許される。
In order to achieve acoustic matching between the piezoelectric element and the ink, it is desirable to form an acoustic matching layer. The acoustic impedance of the acoustic matching layer is close to the square root of the product of the acoustic impedance Zp of the piezoelectric element and the ink Zi. As the matching material, an epoxy resin, a polyimide, a material mixed with fibers for changing the acoustic impedance, or a mixture with an alumina powder or a tungsten powder is used. Further, a SiO2 film or the like may be formed by a sputtering method, a CVD method, or the like. The thickness tm is given by the following equation, and before and after the thickness tm is allowed within a range not departing from the gist of the present invention, specifically, within ± 20%.

【0016】[0016]

【数1】 ここでnはゼロ以上の整数、λm は超音波周波数で決ま
る音響マッチング層内の波長である。ただしフレネルレ
ンズを構成するマッチング層の場合は、次式もほぼ満足
するようにする。
(Equation 1) Here, n is an integer equal to or greater than zero, and λm is a wavelength in the acoustic matching layer determined by the ultrasonic frequency. However, in the case of the matching layer constituting the Fresnel lens, the following expression is almost satisfied.

【0017】[0017]

【数2】 ここでλink はインク中での超音波の波長である。(Equation 2) Where λink is the wavelength of the ultrasonic wave in the ink.

【0018】次に、本発明を実施例に基づき説明する。Next, the present invention will be described based on embodiments.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】 以下に具体的実施例について述
べる。圧電材料は比誘電率200 のチタン酸鉛系セラミッ
クを用い、周波数は50MHz(1層の厚さ50μm)とし、2
層構成とした。まず長さ11cm、厚さ約0.3mm の圧電材料
の両面にTi/Au電極をスパッタでそれぞれの厚さが0.05
μm 、0.5 μm になるように形成し、2kV/mmの電界を印
加して分極処理を行った。同じものを2枚用意して分極
方向が反対になるように、エポキシ樹脂にて接着した。
その後1方の層を厚さが50μmになるように研磨した。
続いてTi/Au 電極をスパッタで形成して、さらにエッチ
ング処理により個別電極を形成し、1素子の幅65μm 、
電極間隔20μm(個別電極の配列ピッチ85μm)になるよう
にした。個別電極の個数はA6サイズ横相当の1250素子
である。この積層体をガラスからなるバッキング材8に
エポキシ樹脂で接着した。その後厚い方の圧電体を厚さ
が50μm になるように研磨して、有効口径が2mmでTi/A
u の共通電極をそれぞれの厚さが0.05μm 、0.5 μm に
なるようにスパッタ法で形成した。共通電極のリード引
き出しは、主走査方向の両端でバッキング材(ガラス)
に形成してある配線パターンと接続して導通をとった。
次のステップで形成する音響マッチング層兼音響レンズ
にはエポキシ樹脂とアルミナ粉末の混合物を用いた。ま
ず音速が3×103 m/s 近傍になるように混合比を調整
し、密度2.20×103 kg/m3 、音速2.95×1
3 m/sを得た。これを共通電極面に塗布して硬化さ
せ、厚さが45μmになるように研磨した。その後、焦点
距離が2.7mm になるように深さ1/2 波長(約30μm)の溝
を主走査方向に入れてフレネルレンズを形成した。さら
に図1に示すように超音波放射面とインク液面との距離
がほぼ2.7mm になるようにインク室を形成した後、駆動
回路を構成してインクジェット記録装置を完成した。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Specific examples will be described below. The piezoelectric material is a lead titanate-based ceramic having a relative dielectric constant of 200, and the frequency is 50 MHz (the thickness of one layer is 50 μm).
A layer structure was adopted. First, a Ti / Au electrode was sputtered on both sides of a piezoelectric material with a length of 11 cm and a thickness of about 0.3 mm to a thickness of 0.05 mm.
μm and 0.5 μm, and polarization treatment was performed by applying an electric field of 2 kV / mm. Two identical products were prepared and bonded with an epoxy resin so that the polarization directions were opposite.
Thereafter, one of the layers was polished to a thickness of 50 μm.
Subsequently, a Ti / Au electrode was formed by sputtering, and an individual electrode was formed by etching, and the width of one element was 65 μm,
The electrode spacing was set to 20 μm (the arrangement pitch of the individual electrodes was 85 μm). The number of individual electrodes is 1250 elements corresponding to A6 size horizontal. This laminate was bonded to a backing material 8 made of glass with an epoxy resin. Then, the thicker piezoelectric body is polished to a thickness of 50 μm, and the effective aperture is 2 mm and the Ti / A
The u common electrodes were formed by sputtering so that their thicknesses were 0.05 μm and 0.5 μm, respectively. Backing material (glass) at both ends in the main scanning direction
Was connected to the wiring pattern formed on the substrate to conduct electricity.
A mixture of epoxy resin and alumina powder was used for the acoustic matching layer and acoustic lens formed in the next step. First, the mixing ratio was adjusted so that the sound speed was around 3 × 10 3 m / s, the density was 2.20 × 10 3 kg / m 3 , and the sound speed was 2.95 × 1.
0 3 m / s was obtained. This was applied to the common electrode surface, cured, and polished to a thickness of 45 μm. Thereafter, a groove having a depth of 1/2 wavelength (about 30 μm) was formed in the main scanning direction so as to have a focal length of 2.7 mm, thereby forming a Fresnel lens. Further, as shown in FIG. 1, an ink chamber was formed so that the distance between the ultrasonic wave emitting surface and the ink liquid surface was approximately 2.7 mm, and a drive circuit was formed to complete an ink jet recording apparatus.

【0020】このインクジェット記録装置を用いて、印
字実験を行った。同時駆動素子数を16、焦点距離を2.7m
m とすると、そのグルーピングは0とπでそれぞれ逆位
相の信号を表わせば、「π0 π0 ππ0000ππ0 π0
π」となる。A6サイズ大のベタ印字を行ったところ、
圧電素子での消費電力は約9Wで、問題無く印字できた。
一方、比較例として単層構成のインクジェット記録装置
を作製して同様な印字実験を行った。同じ印字速度では
音響マッチング層兼音響レンズの一部が電極から剥離し
て印字できなくなった。この時の圧電素子の消費電力は
約20W であった。同様に作製した別の単層構成型インク
ジェット記録装置を用いて、印字速度を約1/2 に遅くす
ることによりベタ印字は可能であった。
A printing experiment was performed using this ink jet recording apparatus. 16 simultaneous driving elements, 2.7m focal length
Assuming m, the grouping can be expressed as 0 and π, representing signals with opposite phases, respectively, as “π0 π0 ππ0000ππ0 π0
π ”. When A6 size large solid printing was performed,
The power consumption of the piezoelectric element was about 9W, and printing was possible without any problem.
On the other hand, as a comparative example, a single-layer ink jet recording apparatus was manufactured and a similar printing experiment was performed. At the same printing speed, part of the acoustic matching layer / acoustic lens was peeled off from the electrode, making it impossible to print. The power consumption of the piezoelectric element at this time was about 20 W. Solid printing was possible by using another single-layer type ink jet recording apparatus produced in the same manner and reducing the printing speed to about 1/2.

【0021】(実施例2)次に比誘電率が1300のジルコ
ン酸・チタン酸鉛系圧電セラミックを6層構成した一体
焼成型積層圧電体を用いた。作製では焼成後の収縮率を
考慮した厚みのグリーンシートを用いた。内部電極には
Ptに共生地(ジルコン酸・チタン酸鉛の粉末)を約10%
混ぜたペーストを印刷した。外部電極は実施例1の場合
と同様にTi/Au をスパッタにより形成した。外部電極と
内部電極の構成は図11に示すように、端部を導電ペース
トで導通を取り、各層が電気的に並列接続になるように
した。この状態で分極処理を行い、その後端部を切断す
ることにより、各圧電体層が電気的に直列接続されるよ
うにした。この積層圧電体の厚さは約0.3mm であった。
その後、実施例1の場合と同様に個別電極を形成して、
ガラスから成るバッキング材にエポキシ樹脂で接着し
た。引き続き実施例1と同様のプロセスで、インクジェ
ット記録装置を作製した。
Example 2 Next, an integrally fired laminated piezoelectric material comprising six layers of zirconate / lead titanate piezoelectric ceramics having a relative dielectric constant of 1300 was used. In manufacturing, a green sheet having a thickness in consideration of a shrinkage ratio after firing was used. For the internal electrode
About 10% of co-fabric (zirconic acid / lead titanate powder) in Pt
The mixed paste was printed. The external electrodes were formed by sputtering Ti / Au in the same manner as in Example 1. As shown in FIG. 11, the configuration of the external electrode and the internal electrode was such that the end portions were electrically connected with a conductive paste, and the respective layers were electrically connected in parallel. Polarization was performed in this state, and the rear end was cut so that the piezoelectric layers were electrically connected in series. The thickness of the laminated piezoelectric body was about 0.3 mm.
After that, individual electrodes are formed in the same manner as in the first embodiment,
It was bonded to a backing material made of glass with an epoxy resin. Subsequently, an inkjet recording apparatus was manufactured in the same process as in Example 1.

【0022】次に印字実験を行った。同時駆動素子数と
焦点距離は実施例1の場合と同様に、それぞれ16、2.7m
m とした。A6サイズのベタ印字を行ったところ、圧電
素子は約10W の消費電力で、良好に印字することができ
た。
Next, a printing experiment was performed. The number of simultaneous driving elements and the focal length were 16 and 2.7 m, respectively, as in the case of the first embodiment.
m. When solid printing of A6 size was performed, the piezoelectric element was able to print well with power consumption of about 10 W.

【0023】以上本発明の有効性が確認されたが、本発
明の変形例である凹面圧電体、凹面レンズ、音響マッチ
ング層がない場合、電極のみの分離ではなく圧電素子も
分離してギャップに樹脂を充填した場合も同様な効果が
得られる。
Although the effectiveness of the present invention has been confirmed as described above, when there is no concave piezoelectric body, concave lens, or acoustic matching layer which is a modification of the present invention, not only the electrodes but also the piezoelectric elements are separated to form a gap. Similar effects can be obtained when resin is filled.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上述べたように、本発明においてはほ
ぼ同じ厚さの複数(n個)の圧電体を隣接する層の分極
方向が逆になるように積層して両端面に電極を形成して
電気的に直列構成とすることにより、単層構成と同じ共
振周波数の積層圧電体を形成できる。さらにこの積層圧
電体を用いて単層構成と同じ駆動電圧でほぼ同じ送信音
圧が得られる。従ってインピーダンスがn倍で同じ飛翔
効率のインクジェット記録装置を提供できるので、低消
費電力化に極めて有効である。別の表現をすれば同じ周
波数の単層構成に比べて、インク滴吐出周期を短くでき
るので印字スピードの高速化が図られる。
As described above, in the present invention, a plurality of (n) piezoelectric bodies having substantially the same thickness are stacked so that the polarization directions of adjacent layers are reversed, and electrodes are formed on both end faces. In this case, a laminated piezoelectric body having the same resonance frequency as that of the single-layer configuration can be formed by electrically forming the series configuration. Further, by using this laminated piezoelectric material, substantially the same transmission sound pressure can be obtained at the same driving voltage as in the single-layer structure. Therefore, it is possible to provide an ink jet recording apparatus having the same flying efficiency with n times the impedance, which is extremely effective in reducing power consumption. In other words, as compared with a single-layer structure having the same frequency, the ink droplet ejection cycle can be shortened, so that the printing speed can be increased.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係わるインクジェット記録装置の構成
を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an ink jet recording apparatus according to the present invention.

【図2】図1に示すインクジェット記録装置の副走査方
向の断面図である。
FIG. 2 is a sectional view in the sub-scanning direction of the ink jet recording apparatus shown in FIG.

【図3】図2に示す副走査方向超音波集束手段の変形例
である。
FIG. 3 is a modification of the sub-scanning direction ultrasonic focusing means shown in FIG. 2;

【図4】図2に示す副走査方向超音波集束手段の変形例
である。
FIG. 4 is a modification of the sub-scanning direction ultrasonic focusing means shown in FIG. 2;

【図5】図1に示すインクジェット記録装置の主走査方
向の断面図(積層圧電素子と超音波集束手段のみ)であ
る。
5 is a cross-sectional view of the inkjet recording apparatus shown in FIG. 1 in the main scanning direction (only a laminated piezoelectric element and an ultrasonic focusing unit).

【図6】図5に示す主走査方向断面の変形例(積層圧電
素子と超音波集束手段のみ)である。
6 is a modification of the cross section in the main scanning direction shown in FIG. 5 (only the laminated piezoelectric element and the ultrasonic focusing means).

【図7】本発明に係わる別のインクジェット記録装置の
斜視図である。
FIG. 7 is a perspective view of another ink jet recording apparatus according to the present invention.

【図8】本発明に係わる別のインクジェット記録装置の
斜視図である。
FIG. 8 is a perspective view of another ink jet recording apparatus according to the present invention.

【図9】本発明に係わる別のインクジェット記録装置の
副走査方向断面図である。
FIG. 9 is a sectional view in the sub-scanning direction of another inkjet recording apparatus according to the present invention.

【図10】本発明に係わる駆動信号の一例を示す図であ
る。
FIG. 10 is a diagram showing an example of a drive signal according to the present invention.

【図11】一本発明に係わる別のインクジェット記録装
置の体焼成型積層圧電体作製時の電極構成例を示す図で
ある。
FIG. 11 is a diagram showing an example of an electrode configuration when a body-fired laminated piezoelectric body is manufactured in another ink jet recording apparatus according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…圧電体層、2…共通電極、3…圧電素子に形成した
個別電極、4…音響マッチング層兼音響レンズ、5…イ
ンク室、6…インク、7…バッキング材に形成した個別
電極、8…バッキング材、9…駆動回路、10…分極方
向、11…音響マッチング層、12…フレネル型音響レ
ンズ、13…充填材、14…凹面型音響レンズ、15…
凹面型音響レンズ兼支持材、16…フレネルレンズ型シ
ングルヘッド、17…凹面レンズ型シングルヘッド、1
8…フレネルレンズ型音響レンズ兼支持材、19…積層
圧電素子、20…一体焼成型圧電体の内外電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric layer, 2 ... Common electrode, 3 ... Individual electrode formed in piezoelectric element, 4 ... Sound matching layer and acoustic lens, 5 ... Ink chamber, 6 ... Ink, 7 ... Individual electrode formed in backing material, 8 ... Backing material, 9 ... Drive circuit, 10 ... Polarization direction, 11 ... Acoustic matching layer, 12 ... Fresnel type acoustic lens, 13 ... Filling material, 14 ... Concave surface acoustic lens, 15 ...
Concave surface acoustic lens and support material, 16 ... Fresnel lens type single head, 17 ... Concave lens type single head, 1
8: Fresnel lens type acoustic lens and support material, 19: laminated piezoelectric element, 20: inner and outer electrodes of integrally fired piezoelectric body

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 健一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Fターム(参考) 2C056 EA01 EA25 FA04 2C057 AF03 AF54 AG44 AG48 AG62 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing from the front page (72) Inventor Kenichi Mori 1st address, Komukai Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa F-term (reference) 2C056 EA01 EA25 FA04 2C057 AF03 AF54 AG44 AG48 AG62

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ほぼ同じ厚さの複数の圧電体層を厚さ方
向に隣接する前記圧電体層の分極方向が互いに逆になる
ように積層し、厚さ方向の両端面に電極を形成した積層
圧電素子と、インクと、前記積層圧電素子から放射され
た超音波を前記インク液面近傍に集束させるための集束
手段を具備したことを特徴とするインクジェット記録装
置。
1. A plurality of piezoelectric layers having substantially the same thickness are stacked so that the polarization directions of the adjacent piezoelectric layers in the thickness direction are opposite to each other, and electrodes are formed on both end surfaces in the thickness direction. An ink jet recording apparatus comprising: a laminated piezoelectric element; ink; and a focusing unit for focusing ultrasonic waves radiated from the laminated piezoelectric element in the vicinity of the ink liquid level.
【請求項2】 ほぼ同じ厚さの複数の圧電体層を厚さ方
向に隣接する前記圧電体層の分極方向が互いに逆になる
ように積層し、厚さ方向の一端面が共通電極、他端面が
個別電極を形成した積層圧電素子アレイと、インクと、
前記積層圧電素子アレイの少なくとも一部の積層電極ア
レイから放射された超音波を前記インク液面近傍に集束
させるための集束手段を具備したことを特徴とするイン
クジェット記録装置。
2. A plurality of piezoelectric layers having substantially the same thickness are stacked so that the directions of polarization of the adjacent piezoelectric layers in the thickness direction are opposite to each other, and one end face in the thickness direction has a common electrode, etc. A laminated piezoelectric element array having individual electrodes on the end faces, ink,
An ink jet recording apparatus, comprising: focusing means for focusing ultrasonic waves radiated from at least a part of the laminated electrode array of the laminated piezoelectric element array near the ink liquid surface.
【請求項3】 請求項1に記載の積層圧電素子が厚さ方
向に垂直な主走査方向に所定のピッチで配列された積層
圧電素子アレイと、インクと、前記積層圧電素子アレイ
の少なくとも一部の積層電極アレイから放射された超音
波を前記インク液面近傍に集束させるための集束手段を
具備したことを特徴とするインクジェット記録装置。
3. A multilayer piezoelectric element array in which the multilayer piezoelectric elements according to claim 1 are arranged at a predetermined pitch in a main scanning direction perpendicular to a thickness direction, ink, and at least a part of the multilayer piezoelectric element array. An ink jet recording apparatus comprising a focusing means for focusing ultrasonic waves radiated from the laminated electrode array in the vicinity of the ink liquid level.
【請求項4】 請求項1から3に記載の積層圧電素子も
しくは積層圧電素子アレイとインクとの音響マッチング
をとる音響マッチング層が前記積層圧電素子上もしくは
前記積層圧電素子上に形成されていることを特徴とする
請求項1から3に記載のインクジェット記録装置。
4. An acoustic matching layer for performing acoustic matching between the laminated piezoelectric element or the laminated piezoelectric element array according to claim 1 and ink and ink is formed on the laminated piezoelectric element or on the laminated piezoelectric element. The ink jet recording apparatus according to claim 1, wherein:
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7607763B2 (en) 2006-03-24 2009-10-27 Seiko Epson Corporation Droplet discharging head and droplet discharging device
CN112571955A (en) * 2019-09-30 2021-03-30 精工爱普生株式会社 Liquid ejecting apparatus, drive circuit, and circuit board

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