JP2004322605A - インクジェット式記録装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】インクジェット式記録装置において、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止する。
【解決手段】インク吐出により印字を行うインクジェット式記録装置であって、インク液が充填される圧力室と、圧力室に連通して形成されたノズル孔１６と、圧力室上に形成され、機械的伸縮により圧力室を変形させて当該圧力室に圧力を発生させ、ノズル孔１６からインクを吐出させる圧電素子１３と、圧電素子１３および当該圧電素子１３の近傍雰囲気の露点を、インクジェット式記録装置が設置される環境の露点よりも低い値に保つ露点制御手段２３とを有する構成とする。露点制御手段２３は、コンプレッサ２３ａと、このコンプレッサ２３ａからの圧縮気体を乾燥して圧電素子１３に送るエアドライヤ２３ｂとからなる。
【選択図】 図３
【解決手段】インク吐出により印字を行うインクジェット式記録装置であって、インク液が充填される圧力室と、圧力室に連通して形成されたノズル孔１６と、圧力室上に形成され、機械的伸縮により圧力室を変形させて当該圧力室に圧力を発生させ、ノズル孔１６からインクを吐出させる圧電素子１３と、圧電素子１３および当該圧電素子１３の近傍雰囲気の露点を、インクジェット式記録装置が設置される環境の露点よりも低い値に保つ露点制御手段２３とを有する構成とする。露点制御手段２３は、コンプレッサ２３ａと、このコンプレッサ２３ａからの圧縮気体を乾燥して圧電素子１３に送るエアドライヤ２３ｂとからなる。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は装置内の空気の露点を制御できるインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット式記録装置は、数十ミクロン径の多数のノズル孔を通して数十ピコリットルのインクを紙などの記録媒体に向かって吐出することにより印刷を行っている。そして、インク吐出部は、多数のノズル孔の開いたノズル板、各ノズル孔に通じる圧力室、圧力室にインクを供給するための共通液室、圧力室に圧力を発生させる手段から形成されている。
【０００３】
圧力室に圧力を発生させる方式は２種類あり、１つは、ジュール熱によって圧力室内に気泡を発生させるバブルジェット（登録商標）方式、１つは、圧電素子によって圧力室を変形させるピエゾ方式がある。ピエゾ方式は、バブルジェット（登録商標）方式に比べて吐出されるインクの量や速度を制御しやすく、より精細な印字が可能であると期待されている。
【０００４】
ピエゾ方式において一層精細な印字を実現するためには、ノズル孔、圧力室、圧力室上部に設置する圧電素子の面内密度を高める必要があり、そのためには、圧電素子の面積を小さくする必要がある。所定の面積の圧電素子を形成するためには、まず基材全体に圧電膜を形成した後、フォトリソ工法によりレジストパターンを形成し、レジストの無い部分の圧電膜をエッチング除去する方法が用いられる。この方法では、圧電素子の面積は圧電膜の厚みよりも小さくすることができない。従って、より小さな面積の圧電素子を形成するためには、より薄い圧電膜を用いる必要がある。
【０００５】
インクジェット式記録装置で用いられる圧電素子は高い圧電定数を有する必要があり、鉛チタン酸化物（ＰＴ）、鉛チタンジルコニウム酸化物（ＰＺＴ）やＰＺＴにマグネシウム、マンガン、コバルト、鉄、ニッケル、ニオブ、スカンジウム、タンタル、ビスマスなどを添加したものが一般的に知られている。圧力室に圧力を発生させるには、一般的に、圧電素子に数キロＶ／ｃｍ以上の電界を印加して素子に歪みを与える必要がある。
【０００６】
ここで、圧電素子には微少な亀裂や孔などの欠陥が多数存在することが知られている。そして、水分存在下では、一般に、鉛を含む圧電素子に高電界を加えた場合、欠陥部の鉛化合物とその周辺で大電流が流れてジュール熱によってその箇所が破壊され、大きな孔ができる。
【０００７】
ジュール熱による孔の発生を防ぐために、たとえば次の２つの手段が考えられる。第１の手段は、圧電素子を厚くするというものである。圧電素子が薄いと欠陥の破壊によって素子を貫通する大きな欠陥が発生してしまい、それによって上部電極と下部電極とが電気的にショートしたり、変位特性が変化するという不具合が生じる。これに対し、素子にある程度の厚みがあると、欠陥が破壊してもそれによって素子を貫通するような孔ができることがなく、圧電特性に大きな影響を与えないからである。第２の手段は、欠陥発生の原因である水分を除去するために、圧電素子と乾燥剤を容器の中に密封するものである。
【０００８】
【特許文献１】
特開平４−３４９６７５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１の手段によれば、圧電素子の厚みを厚くすると、高湿度下でも破壊が起こらないが、変位を大きくするためには高電圧を印加する必要があり、消費電力が大きくなってしまう。さらに、膜圧が厚いと素子の面内密度を高めるのが困難になる。
【００１０】
第２の手段によれば、圧電素子を封入する場合、封入作業は水分のない低湿度環境で行う必要があり、工場で量産する場合には手間がかかり製造費が増大する。また、圧電素子を封入するためには箱を素子の上にかぶせるので、箱と素子の接触面から水分の浸入を厳密に防止する必要があり、封入には手間がかかり同様に製造費が増大する。
【００１１】
そこで、本発明は、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することのできるインクジェット式記録装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明のインクジェット式記録装置は、インク吐出により印字を行うインクジェット式記録装置であって、インク液が充填される圧力室と、前記圧力室に連通して形成されたノズル孔と、前記圧力室上に形成され、機械的伸縮により前記圧力室を変形させて当該圧力室に圧力を発生させ、前記ノズル孔からインクを吐出させる圧電素子と、前記圧電素子および当該圧電素子の近傍雰囲気の露点を、前記インクジェット式記録装置が設置される環境の露点よりも低い値に保つ露点制御手段とを有するものである。
【００１３】
これによれば、乾燥気体により圧電素子近傍の露点を下げているので、電圧印加によって圧電素子が劣化することがなくなり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、インク吐出により印字を行うインクジェット式記録装置であって、インク液が充填される圧力室と、圧力室に連通して形成されたノズル孔と、圧力室上に形成され、機械的伸縮により圧力室を変形させて当該圧力室に圧力を発生させ、ノズル孔からインクを吐出させる圧電素子と、圧電素子および当該圧電素子の近傍雰囲気の露点を、インクジェット式記録装置が設置される環境の露点よりも低い値に保つ露点制御手段とを有するインクジェット式記録装置であり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという作用を有する。
【００１５】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、露点制御手段は、圧電素子および当該圧電素子の近傍に乾燥気体を導入するインクジェット式記録装置であり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという作用を有する。
【００１６】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項２記載の発明において、露点制御手段は、エアドライヤを用いて乾燥気体を供給するインクジェット式記録装置であり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという作用を有する。
【００１７】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項２記載の発明において、露点制御手段は、乾燥気体をボンベから供給するインクジェット式記録装置であり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという作用を有する。
【００１８】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項２〜４の何れか一項に記載の発明において、乾燥気体の露点は−５０℃以下であるインクジェット式記録装置であり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという作用を有する。
【００１９】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載の発明において、乾燥気体が導入される導入口および乾燥気体が排出される排出口が形成されて圧電素子を包囲するケースを備え、乾燥気体は導入口からケース１立方センチメートルの体積当たり１０ｍＬ／分以上でケース内に導入され、ケースの内圧が外圧よりも高く保持されるインクジェット式記録装置であり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという作用を有する。
【００２０】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載の発明において、圧電素子が鉛化合物を含むインクジェット式記録装置であり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという作用を有する。
【００２１】
本発明の請求項８に記載の発明は、請求項１〜７の何れか一項に記載の発明において、圧電素子の膜厚が１００μｍ以下であるインクジェット式記録装置であり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという作用を有する。
【００２２】
本発明の請求項９に記載の発明は、インク吐出により印字を行うインクジェット式記録装置であって、インク液が充填される圧力室と、圧力室に連通して形成されたノズル孔と、圧力室中に充填されたインク液をノズル孔から吐出させるインク吐出手段と、インク吐出手段の周辺の雰囲気の露点を、インクジェット式記録装置が設置される環境の露点よりも低い値に保つ露点制御手段とを有するものであり、この構成により、インク吐出手段の破壊や劣化を抑制することができる。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図１０を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。
【００２４】
図１は本発明の一実施の形態であるインクジェット式記録装置を概略的に示す斜視図、図２は図１のインクジェット式記録装置に用いられたインクジェットヘッドを示す断面図、図３は本発明の一実施の形態であるインクジェット式記録装置の要部を示す概念図、図４は本発明の他の実施の形態であるインクジェット式記録装置の要部を示す概念図、図５はヘッドベースに取り付けられたインクジェットヘッドへの乾燥気体の導入形態を示す斜視図、図６はヘッドベースを介してフレームに取り付けられたインクジェットヘッドへの乾燥気体の導入形態を示す斜視図、図７は温度６０℃、湿度８０％雰囲気下でのＰＺＴの特性評価を示す写真図、図８は温度２５℃、湿度８０％雰囲気下でのＰＺＴの印加時間と黒点数との関係を示すグラフ、図９は温度２５℃、湿度８０％雰囲気下でのアクチュエータとしての圧電素子の印加時間と黒点数との関係を示すグラフ、図１０は、インクジェットヘッドの詳細な説明図である。
【００２５】
図１に示すインクジェット式記録装置４０は、アクチュエータである圧電素子の圧電効果を利用して記録を行う本発明のインクジェットヘッド４１を備え、このインクジェットヘッド４１から吐出したインク滴を紙等の記録媒体４２に着弾させて、記録媒体４２に記録を行うものである。インクジェットヘッド４１は、主走査方向Ｘに配置したキャリッジ軸４３に設けられたキャリッジ４４に搭載されていて、キャリッジ４４がキャリッジ軸４３に沿って往復動するのに応じて、主走査方向Ｘに往復動する。さらに、インクジェット式記録装置４０は、記録媒体４２をインクジェットヘッド４１の幅方向（すなわち、主走査方向Ｘ）と略垂直方向の副走査方向Ｙに移動させる複数個のローラ（移動手段）４５を備える。
【００２６】
なお、図１では、インクジェットヘッド４１は一個であるが、２個以上の場合もある。ヘッド数が増えると、記録媒体への描画時にインクジェットヘッド４１をＸ軸方向に動かす距離を少なくすることができるので、描画速度が向上する。
【００２７】
次に、インクジェットヘッド４１の構造について、図２を用いて説明する。
【００２８】
図２は、インクジェットヘッドの断面図である。インクジェットヘッド４１は、インク液が充填される圧力室１１が形成された圧力室板１２を備えており、圧力室１１上にはアクチュエータとしてたとえばＰＺＴ膜のような圧電素子１３が形成されている。
【００２９】
圧力室板１２には、インク液供給方向に並ぶ圧力室１１内へインク液を供給する共通液室１４、共通液室１４と圧力室１１とを連通するインク流入口１５、および後述するノズル孔１６と圧力室１１とを連通する連通孔１７が形成された共通液室板１８が接着され、共通液室板１８には、圧力室１１に連通してインク滴を吐出するノズル孔１６が形成されたノズル板１９が接着されている。
【００３０】
圧力室１１上には、前述した圧電素子１３と、この圧電素子１３に電圧を印加してこれを機械的に変位（収縮・伸張）させる圧力室１１に対応した上方の個別電極２０および下方の共通電極２１とが形成され、共通電極２１と圧力室板１２との間には振動板２２が形成されている。
【００３１】
圧電素子１３は、共通電極２１と圧力室１１に対応した個別電極２０とへの電圧印加による圧電効果により変位し、この変位に追随して振動する振動板２２が圧力室１１の容積を変化させて圧力室１１内のインク液をノズル孔１６から吐出させる。
【００３２】
なお、本実施の形態では共通電極２１と振動板２２とを別体とした構造となっているが、振動板と共通電極が一体の構造であってもよい。
【００３３】
インクジェットヘッドは、上述した構造を一単位として、これと同じ構造のものが、図２の紙面の垂直方向に周期的に並んでいる。その結果、多数のノズル孔１６からそれぞれインクを吐出することができる。なお、共通液室は、各単位に対して共通であり、多数のノズルから同一の色が吐出されるようになっている。カラーの印字を行うためには４色のインクを吐出する必要があるので、共通液室は最低４個必要となる。通常、インクジェットヘッドでは、一つの色のインクを吐出するためのノズル孔１６がノズル板１９上で等間隔に直線上に配列している。インクジェットヘッドから４色の色を吐出するためには、各色を吐出するノズル列が最低で４列配置されている。個別電極２０、圧電素子１３、共通電極２１、振動板２２などの形成方法は、公知の各種の膜形成法、例えばスクリーン印刷の如き厚膜法やディッピング等の塗布法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、真空蒸着法、ゾルゲル法、メッキ等の薄膜形成法等が適宜採用され得るが、それらに何等限定されるものではない。
【００３４】
図３に示すように、本インクジェット式記録装置４０には、圧電素子１３および圧電素子１３の近傍雰囲気の露点を、インクジェット式記録装置４０が設置される環境の露点よりも低い値に保つ露点制御手段２３が設けられている。
【００３５】
露点制御手段２３は、圧電素子１３および圧電素子１３の近傍に、たとえば乾燥した空気、窒素ガス、アルゴンガスなどの低湿度（例えば、露点が−６０℃）の気体を導入することにより露点を下げている。すなわち、露点制御手段２３は、コンプレッサ２３ａからのガスをエアドライヤ２３ｂに通すことで水分を除去し、これをケース２４の導入口２４ａから圧電素子１３およびその近傍に供給している。なお、ケース２４内に導入された乾燥気体は、同じくケース２４に形成された排出口２４ｂから外部に排出される。但し、ケース２４を設けることなく、圧電素子１３に乾燥気体を吹き付けるようにしてもよい。
【００３６】
なお、エアドライヤ２３ｂには、温度を下げることにより気体中の水分を除去する冷凍式エアドライヤ、フィルタを通すことにより気体中の水分を除去するフィルタ式エアドライヤ、シリカゲルなどの吸着剤中を通過させることにより気体中の水分を除去する吸着式エアドライヤなどを用いることができる。
【００３７】
また、露点制御手段として、図４に示すように、乾燥気体の封入されたボンベ２３を用い、ボンベ中の乾燥気体を供給してもよい。
【００３８】
さらに、乾燥気体を供給する露点制御手段としては、プラントとして建物に設置された乾燥気体の配管を利用し、ここから乾燥気体を取り出して供給することもできる。
【００３９】
ここで、より具体的には、図５に示すように、インクジェットヘッド４１の取り付けられたヘッドベース３１にケース２４を取り付けて乾燥気体を供給することができる。
【００４０】
また、インクジェットヘッドが多数個ある場合、図６に示すように、それぞれのインクジェットヘッドを固定するヘッドベース３１を複数並べてフレーム３２に固定し、このフレーム３２にケース２４を取り付けて乾燥空気を供給してもよい。
【００４１】
さて、本発明者は、乾燥雰囲気中での圧電素子１３の特性を把握するために、次のような構造の試料の素子を作製して評価した。
【００４２】
すなわち、直径３インチ、厚さ０．５ｍｍのシリコン基板上に、スパッタリング法によって下部電極として白金を１００ｎｍ、続けて圧電素子としてＰｂＺｒ０．５Ｔｉ０．５Ｏ３（以下、「ＰＺＴ」という。）を３μｍ、さらに続けて上部電極として白金を１００ｎｍ蒸着した。その後、シリコン基板を２０ｍｍ×２０ｍｍに切り出し、メタルマスクを用いてＰＺＴ上部に面積５ｍｍ×７．５ｍｍの白金を真空蒸着した。
【００４３】
また、エアドライヤには、ＣＫＤ株式会社製、スーパドライヤユニットＳＵ３０１５Ｂ７を用いた。このエアドライヤは、空気中のほこりを除去するエアフィルタ、空気中の油成分を除去するオイルミストフィルタ、空気の水分を除去するドライヤ本体、圧力を調整するレギュレータから構成されている。ドライヤ本体は特殊な樹脂でできた多数の中空糸から構成されており、この中空糸を圧縮空気が通過する仕組みとなっている。中空糸を構成する樹脂は水分のみを選択的に中空糸外部に通過させる性質を持っており、水を含んだ空気が中空糸を通過することにより、空気中の水分が除去される。本実施の形態では、乾燥空気を生成するために、エアフィルタ側から０．５Ｍｐａ程度の圧縮空気をコンプレッサ２３ａによって導入した。導入された圧縮空気は、エアフィルタ、オイルミストフィルタを通過することによりほこりと油成分が除去され、さらに、ドライヤ本体を通過することにより水分が除去され、出口からは乾燥した空気が出る。
【００４４】
評価システムとして、前述した試料を４０ｍｍ×４０ｍｍ×５０ｍｍの大きさのアクリル樹脂製のケース内に設置して上部電極と下部電極間に電圧を印加できるようにした。また、このケースには、エアドライヤ３３ｂで生成した乾燥空気をケース内に導入できるようにした。エアドライヤ３３ｂには、コンプレッサ２３ａを用いて０．５Ｍｐａの圧縮空気を導入し、流量調整バルブを調整して２Ｌ／ｍｉｎの流量で乾燥空気をケース内に導入するようにした。なお、乾燥エアを導入した時のケース内の露点は−５０℃であった。ケースは恒湿恒温槽に設置した。
【００４５】
ここで、乾燥空気の導入スピードを２Ｌ／ｍｉｎとしたのは次の理由による。すなわち、本実施の形態では、乾燥エアの生成にはドライエアシステムが用いられており、湿気を含んだ空気がドライエアシステムの中空糸を通過することにより水分が除去されて乾燥空気となる。そして、中空糸が単位時間に除去できる水分量には限りがあるので、導入流量が所定レベル以上になると乾燥エアの乾燥度が低下して露点が上昇する。本実施の形態のドライエアシステムでは、導入流量が２〜１０Ｌ／ｍｉｎの範囲であれば露点が−５０℃以下になり、これ以上の流量を流すと露点が上昇する。よって、２Ｌ／ｍｉｎの流量で乾燥空気を流すものである。なお、乾燥空気を流すことのできる最大流量はシステムの仕様により決まることから、導入スピードは２Ｌ／ｍｉｎに限定されるものではなく、生成された乾燥エアの露点が−５０℃以下になる流量で乾燥空気を導入すればよい。なお、本発明者の実験によれば、ケースに導入する乾燥エアの流量は、ケース１立方センチメートルの体積当たり１０ｍＬ／分以上であれば、ケース２４内の露点が−５０℃以下に保たれるということが分かった。
【００４６】
また、乾燥空気を導入したときのケース２４内部の圧力は一般に外気圧より高く１気圧以上となるが、使用する場所の高度や天気などによっては、外気圧よりも低くなることもある。
【００４７】
さらに、ケース２４の内部を密閉すると導入した乾燥エアによって内圧が上昇するとともに、アクチュエータに付着していた水分をケース２４の外に放出することができなくなってしまうので、本実施の形態のようにケース２４には排出口２４ｂを設けることが必要になる。
【００４８】
次に、試料の評価項目について説明する。
【００４９】
第１の評価項目は、温度６０℃、湿度８０％雰囲気下でのＰＺＴの特性の評価である。恒温恒湿槽内を温度６０℃、湿度８０％に設定した。ケースに乾燥空気を導入した状態で試料上部電極と下部電極間に、下部電極がプラスとなるように、ＤＣ３５Ｖを１６時間印加した後、顕微鏡で試料表面を観察した。次に、同じ試料を用いて、乾燥空気を導入していない状態でＤＣ３５Ｖの電圧を３時間印加した後、試料表面を顕微鏡観察した。
【００５０】
第２の評価項目は、温度２５℃、湿度５０％雰囲気下でのＰＺＴの特性の評価である。恒温恒湿槽内を温度２５℃、湿度５０％に設定した。ケースに乾燥空気を導入した状態で試料上部電極と下部電極間に、下部電極がプラスとなるように、ＤＣ３５Ｖを１５０時間印加した後、顕微鏡で試料表面を観察した。次に、同じ試料を用いて、乾燥空気を導入していない状態でＤＣ３５Ｖの電圧を１時間印加した後、試料表面を顕微鏡観察した。
【００５１】
以上の評価項目に対する結果について説明する。
【００５２】
第１の評価項目について、図７に試験後の顕微鏡写真を示す。乾燥空気を導入した状態で電圧を印加した後では、試料には際だった変化は観察されなかった（図７（ａ））。これに対し、乾燥空気を導入しない場合、試料表面には黒い点（以下、「黒点」という。）が多数観察された（図７（ｂ））。この黒点は上部電極と下部電極が溶解した箇所である。電極が溶解する原因は以下のように考えられる。すなわち、高湿度環境下でＰＺＴに電圧を印加すると、ＰＺＴに存在する欠陥中をリーク電流が流れてジュール熱が発生し、この熱によって電極が溶解するものと推測される。
【００５３】
第２の評価項目については、図８に示すように、乾燥空気を導入した場合は１５０時間電圧を印加した後でも黒点の発生はなかった。これに対して、乾燥空気を導入しない場合は、１時間の電圧印加で６個の黒点が発生した。
【００５４】
以上のように、乾燥空気を導入することによって、ＰＺＴに電圧を印加しても何らの破壊は起こらなかった。なお、第１の評価項目における黒点の発生数が第２の評価項目の場合よりも多いのは、第１の評価項目の恒温槽の空気の温度が高いため含まれる水分の絶対量が第２の評価項目のときに較べて多く、このためＰＺＴの破壊がより進んだためと推測される。
【００５５】
次に、前述した第２の評価項目の場合と同様にして、インクジェットヘッドに組み込まれたＰＺＴをを評価した（図２参照）。このインクジェットヘッドには、２００個の圧力室と、それに対応するアクチュエータであるＰＺＴを形成した。
【００５６】
図１０（ａ）〜（ｃ）は、評価で用いたインクジェットヘッドの説明図であり、図２のヘッドの断面図をさらに詳しく示したものである。図１０（ａ）は、ノズル孔１６とその近傍の説明図である。ノズル孔１６は圧力室１１に通じており、圧力室１１上部には振動板２２と圧電素子１３であるＰＺＴが形成されている。この図では、圧電素子１３を挟む共通電極と個別電極は省略されている。圧力室１１にはインクが満たされており、インクは共通液室１４からインク流入口１５を通って供給される。圧電素子１３に電圧を印加すると圧電素子１３と振動板２２がたわみ、圧力室１１の圧力が上がってノズル１６からインクが吐出される。なお、インクがノズル孔１６から一定の方向に吐出されるように、ノズル板１９の表面は撥水処理がほどこされている。
【００５７】
圧電素子１３は、評価１と評価２に用いたＰＺＴと基本的には同一であり、膜厚は３μｍであり、面積は１００μｍ×１２００μｍである。振動板２２の厚みは３μｍである。
【００５８】
図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の点線を通って紙面に垂直な面で切断した時の説明図である。ここでは、およそ２個のノズル孔１６近傍の構造のみを示しているが、実際は、これと同じ構造のものが多数一列に並んでいる。図では、左側の圧電素子１３と振動板２２がたわんでノズル孔１６からインクが吐出されている様子を示している。なお、図から分かるように、それぞれのノズル孔１６に対して一個の圧力室１１と圧電素子１３が割り当てられているが、インクを供給する共通液室１４は多数個のノズル孔１６に対して共通であり、インクは、共通液室１４からそれぞれの圧力室１１に開けられたインク流入口１５を通して供給される（図では、左側の圧力室１１のインク流入口１５は、二つの圧力室１１を区切る壁に隠れて見えない）。
【００５９】
図１０（ｃ）は、ノズル板１９の上部から見た説明図である。この例では、間隔３４０μｍ幅で左右一列に４０個並んだノズル孔１６が上下２二列ある。図中、それぞれのノズル孔１６を囲む破線はノズル板１９こう側にある圧電素子１３、略長方形の破線は共通液室１４を示している。一つの共通液室１４から左右に４０個並んだノズル孔１６へインクが供給されるので、左右４０個のノズル孔１６からは同一色のインクが吐出されることになる。本実施の形態では、ノズル孔１６を２００個有するインクジェットヘッドを用いた。従って、ノズル孔１６の列が合計５列ある。
【００６０】
インクジェットヘッドをアクリル性のケースに入れ、このケースにドライエアで発生した乾燥空気を導入できるようにし、２５℃、５０％の恒温高湿槽に設置した。そして、乾燥空気を導入した状態で、共通電極がプラス、個別電極がマイナスとなるようにした。また、乾燥空気を導入しない状態でも同様に電圧を印加した。図９に評価結果を示す。乾燥エアを導入したものは、２００時間以上たっても全く黒点が発生しなかった。これに対して、乾燥空気を導入しない場合、５０時間で６０個以上のアクチュエータであるＰＺＴで黒点が発生した。
【００６１】
以上のように、アクチュエータにしたＰＺＴにおいても、乾燥空気などの乾燥気体を導入することによって、電圧印加を行ってもＰＺＴの破壊が全く起こらないことが示された。
【００６２】
本実施の形態では、圧電素子をスパッタリング法で作製しているので、結晶配向性が優れた薄い圧電素子が再現性良く得ることができる。従って、圧電素子に印加する電圧が小さくても大きな変位を生じるので、低電圧でインクを吐出でき、プリンタの消費電力を少なくすることができる。また、今回用いた圧電素子の面積は１００μｍ×１２００μｍであったが、原理的には、面積は圧電素子の膜厚である３μｍ程度まで小さくすることが可能である。圧電素子の面積を小さくすれば、ノズルの面内密度を向上できるので、より精細な印字を行うことが可能となる。
【００６３】
このように、本実施の形態によれば、乾燥気体により圧電素子近傍の露点を下げているので、電圧印加によって圧電素子が劣化することがなくなる。これにより、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になる。
【００６４】
なお、以上の説明では圧電素子に３５ＶのＤＣ電圧を印加して特性を調べたが、インクを吐出する場合には、一般にこれほど高い電圧を印加する必要はなく、また、矩形の波形をした電圧を印加する。そして、このような電圧印加状態でも、乾燥気体を導入することにより圧電素子の劣化が防げることはいうまでもない。
【００６５】
また、本実施の形態では圧電素子としてＰＺＴを用いたが、これに限る必要はなく、鉛を含有するたの圧電素子でも同様な作用効果が得られることはいうまでもない。さらに、本実施の形態では、スパッタリング法によって圧電素子を形成したが、これに限る必要はなく、焼結体、ゾル−ゲル法により作製した圧電素子でも同様な効果が得られることはいうまでもない。
【００６６】
以上のように、本発明によれば、乾燥気体により圧電素子近傍の露点を下げているので、電圧印加によって圧電素子が劣化することがなくなる。これにより、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという有効な効果が得られる。
【００６７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、乾燥気体によりインク吐出手段近傍の露点を下げているので、電圧印加によってインク吐出手段が劣化することがなくなる。これにより、インク吐出手段の薄型化を達成しつつこのインク吐出手段への電圧印加による破壊や劣化を簡便に防止することが可能になるという有効な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態であるインクジェット式記録装置を概略的に示す斜視図
【図２】図１のインクジェット式記録装置に用いられたインクジェットヘッドを示す断面図
【図３】本発明の一実施の形態であるインクジェット式記録装置の要部を示す概念図
【図４】本発明の他の実施の形態であるインクジェット式記録装置の要部を示す概念図
【図５】ヘッドベースに取り付けられたインクジェットヘッドへの乾燥気体の導入形態を示す斜視図
【図６】ヘッドベースを介してフレームに取り付けられたインクジェットヘッドへの乾燥気体の導入形態を示す斜視図
【図７】温度６０℃、湿度８０％雰囲気下でＤＣ３５Ｖの電圧を所定の時間印加した後ののＰＺＴの特性評価を示す写真図
【図８】温度２５℃、湿度５０％雰囲気下でのＰＺＴの印加時間と黒点数との関係を示すグラフ
【図９】温度２５℃、湿度５０％雰囲気下でのアクチュエータとしての圧電素子の印加時間と黒点数との関係を示すグラフ
【図１０】インクジェットヘッドの詳細な説明図
【符号の説明】
１１ 圧力室
１２ 圧力室板
１３ 圧電素子
１４ 共通液室
１５ インク流入口
１６ ノズル孔
１７ 連通孔
１８ 共通液室板
１９ ノズル板
２０ 個別電極
２１ 共通電極
２２ 振動板
２３ 露点制御手段
２３ａ コンプレッサ
２３ｂ エアドライヤ
２４ ケース
２４ａ 導入口
２４ｂ 排出口
３１ ヘッドベース
３２ フレーム
４０ インクジェット式記録装置
４１ インクジェットヘッド
４２ 記録媒体
【発明の属する技術分野】
本発明は装置内の空気の露点を制御できるインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット式記録装置は、数十ミクロン径の多数のノズル孔を通して数十ピコリットルのインクを紙などの記録媒体に向かって吐出することにより印刷を行っている。そして、インク吐出部は、多数のノズル孔の開いたノズル板、各ノズル孔に通じる圧力室、圧力室にインクを供給するための共通液室、圧力室に圧力を発生させる手段から形成されている。
【０００３】
圧力室に圧力を発生させる方式は２種類あり、１つは、ジュール熱によって圧力室内に気泡を発生させるバブルジェット（登録商標）方式、１つは、圧電素子によって圧力室を変形させるピエゾ方式がある。ピエゾ方式は、バブルジェット（登録商標）方式に比べて吐出されるインクの量や速度を制御しやすく、より精細な印字が可能であると期待されている。
【０００４】
ピエゾ方式において一層精細な印字を実現するためには、ノズル孔、圧力室、圧力室上部に設置する圧電素子の面内密度を高める必要があり、そのためには、圧電素子の面積を小さくする必要がある。所定の面積の圧電素子を形成するためには、まず基材全体に圧電膜を形成した後、フォトリソ工法によりレジストパターンを形成し、レジストの無い部分の圧電膜をエッチング除去する方法が用いられる。この方法では、圧電素子の面積は圧電膜の厚みよりも小さくすることができない。従って、より小さな面積の圧電素子を形成するためには、より薄い圧電膜を用いる必要がある。
【０００５】
インクジェット式記録装置で用いられる圧電素子は高い圧電定数を有する必要があり、鉛チタン酸化物（ＰＴ）、鉛チタンジルコニウム酸化物（ＰＺＴ）やＰＺＴにマグネシウム、マンガン、コバルト、鉄、ニッケル、ニオブ、スカンジウム、タンタル、ビスマスなどを添加したものが一般的に知られている。圧力室に圧力を発生させるには、一般的に、圧電素子に数キロＶ／ｃｍ以上の電界を印加して素子に歪みを与える必要がある。
【０００６】
ここで、圧電素子には微少な亀裂や孔などの欠陥が多数存在することが知られている。そして、水分存在下では、一般に、鉛を含む圧電素子に高電界を加えた場合、欠陥部の鉛化合物とその周辺で大電流が流れてジュール熱によってその箇所が破壊され、大きな孔ができる。
【０００７】
ジュール熱による孔の発生を防ぐために、たとえば次の２つの手段が考えられる。第１の手段は、圧電素子を厚くするというものである。圧電素子が薄いと欠陥の破壊によって素子を貫通する大きな欠陥が発生してしまい、それによって上部電極と下部電極とが電気的にショートしたり、変位特性が変化するという不具合が生じる。これに対し、素子にある程度の厚みがあると、欠陥が破壊してもそれによって素子を貫通するような孔ができることがなく、圧電特性に大きな影響を与えないからである。第２の手段は、欠陥発生の原因である水分を除去するために、圧電素子と乾燥剤を容器の中に密封するものである。
【０００８】
【特許文献１】
特開平４−３４９６７５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１の手段によれば、圧電素子の厚みを厚くすると、高湿度下でも破壊が起こらないが、変位を大きくするためには高電圧を印加する必要があり、消費電力が大きくなってしまう。さらに、膜圧が厚いと素子の面内密度を高めるのが困難になる。
【００１０】
第２の手段によれば、圧電素子を封入する場合、封入作業は水分のない低湿度環境で行う必要があり、工場で量産する場合には手間がかかり製造費が増大する。また、圧電素子を封入するためには箱を素子の上にかぶせるので、箱と素子の接触面から水分の浸入を厳密に防止する必要があり、封入には手間がかかり同様に製造費が増大する。
【００１１】
そこで、本発明は、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することのできるインクジェット式記録装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明のインクジェット式記録装置は、インク吐出により印字を行うインクジェット式記録装置であって、インク液が充填される圧力室と、前記圧力室に連通して形成されたノズル孔と、前記圧力室上に形成され、機械的伸縮により前記圧力室を変形させて当該圧力室に圧力を発生させ、前記ノズル孔からインクを吐出させる圧電素子と、前記圧電素子および当該圧電素子の近傍雰囲気の露点を、前記インクジェット式記録装置が設置される環境の露点よりも低い値に保つ露点制御手段とを有するものである。
【００１３】
これによれば、乾燥気体により圧電素子近傍の露点を下げているので、電圧印加によって圧電素子が劣化することがなくなり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、インク吐出により印字を行うインクジェット式記録装置であって、インク液が充填される圧力室と、圧力室に連通して形成されたノズル孔と、圧力室上に形成され、機械的伸縮により圧力室を変形させて当該圧力室に圧力を発生させ、ノズル孔からインクを吐出させる圧電素子と、圧電素子および当該圧電素子の近傍雰囲気の露点を、インクジェット式記録装置が設置される環境の露点よりも低い値に保つ露点制御手段とを有するインクジェット式記録装置であり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという作用を有する。
【００１５】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、露点制御手段は、圧電素子および当該圧電素子の近傍に乾燥気体を導入するインクジェット式記録装置であり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという作用を有する。
【００１６】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項２記載の発明において、露点制御手段は、エアドライヤを用いて乾燥気体を供給するインクジェット式記録装置であり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという作用を有する。
【００１７】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項２記載の発明において、露点制御手段は、乾燥気体をボンベから供給するインクジェット式記録装置であり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという作用を有する。
【００１８】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項２〜４の何れか一項に記載の発明において、乾燥気体の露点は−５０℃以下であるインクジェット式記録装置であり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという作用を有する。
【００１９】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載の発明において、乾燥気体が導入される導入口および乾燥気体が排出される排出口が形成されて圧電素子を包囲するケースを備え、乾燥気体は導入口からケース１立方センチメートルの体積当たり１０ｍＬ／分以上でケース内に導入され、ケースの内圧が外圧よりも高く保持されるインクジェット式記録装置であり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという作用を有する。
【００２０】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載の発明において、圧電素子が鉛化合物を含むインクジェット式記録装置であり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという作用を有する。
【００２１】
本発明の請求項８に記載の発明は、請求項１〜７の何れか一項に記載の発明において、圧電素子の膜厚が１００μｍ以下であるインクジェット式記録装置であり、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという作用を有する。
【００２２】
本発明の請求項９に記載の発明は、インク吐出により印字を行うインクジェット式記録装置であって、インク液が充填される圧力室と、圧力室に連通して形成されたノズル孔と、圧力室中に充填されたインク液をノズル孔から吐出させるインク吐出手段と、インク吐出手段の周辺の雰囲気の露点を、インクジェット式記録装置が設置される環境の露点よりも低い値に保つ露点制御手段とを有するものであり、この構成により、インク吐出手段の破壊や劣化を抑制することができる。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図１０を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。
【００２４】
図１は本発明の一実施の形態であるインクジェット式記録装置を概略的に示す斜視図、図２は図１のインクジェット式記録装置に用いられたインクジェットヘッドを示す断面図、図３は本発明の一実施の形態であるインクジェット式記録装置の要部を示す概念図、図４は本発明の他の実施の形態であるインクジェット式記録装置の要部を示す概念図、図５はヘッドベースに取り付けられたインクジェットヘッドへの乾燥気体の導入形態を示す斜視図、図６はヘッドベースを介してフレームに取り付けられたインクジェットヘッドへの乾燥気体の導入形態を示す斜視図、図７は温度６０℃、湿度８０％雰囲気下でのＰＺＴの特性評価を示す写真図、図８は温度２５℃、湿度８０％雰囲気下でのＰＺＴの印加時間と黒点数との関係を示すグラフ、図９は温度２５℃、湿度８０％雰囲気下でのアクチュエータとしての圧電素子の印加時間と黒点数との関係を示すグラフ、図１０は、インクジェットヘッドの詳細な説明図である。
【００２５】
図１に示すインクジェット式記録装置４０は、アクチュエータである圧電素子の圧電効果を利用して記録を行う本発明のインクジェットヘッド４１を備え、このインクジェットヘッド４１から吐出したインク滴を紙等の記録媒体４２に着弾させて、記録媒体４２に記録を行うものである。インクジェットヘッド４１は、主走査方向Ｘに配置したキャリッジ軸４３に設けられたキャリッジ４４に搭載されていて、キャリッジ４４がキャリッジ軸４３に沿って往復動するのに応じて、主走査方向Ｘに往復動する。さらに、インクジェット式記録装置４０は、記録媒体４２をインクジェットヘッド４１の幅方向（すなわち、主走査方向Ｘ）と略垂直方向の副走査方向Ｙに移動させる複数個のローラ（移動手段）４５を備える。
【００２６】
なお、図１では、インクジェットヘッド４１は一個であるが、２個以上の場合もある。ヘッド数が増えると、記録媒体への描画時にインクジェットヘッド４１をＸ軸方向に動かす距離を少なくすることができるので、描画速度が向上する。
【００２７】
次に、インクジェットヘッド４１の構造について、図２を用いて説明する。
【００２８】
図２は、インクジェットヘッドの断面図である。インクジェットヘッド４１は、インク液が充填される圧力室１１が形成された圧力室板１２を備えており、圧力室１１上にはアクチュエータとしてたとえばＰＺＴ膜のような圧電素子１３が形成されている。
【００２９】
圧力室板１２には、インク液供給方向に並ぶ圧力室１１内へインク液を供給する共通液室１４、共通液室１４と圧力室１１とを連通するインク流入口１５、および後述するノズル孔１６と圧力室１１とを連通する連通孔１７が形成された共通液室板１８が接着され、共通液室板１８には、圧力室１１に連通してインク滴を吐出するノズル孔１６が形成されたノズル板１９が接着されている。
【００３０】
圧力室１１上には、前述した圧電素子１３と、この圧電素子１３に電圧を印加してこれを機械的に変位（収縮・伸張）させる圧力室１１に対応した上方の個別電極２０および下方の共通電極２１とが形成され、共通電極２１と圧力室板１２との間には振動板２２が形成されている。
【００３１】
圧電素子１３は、共通電極２１と圧力室１１に対応した個別電極２０とへの電圧印加による圧電効果により変位し、この変位に追随して振動する振動板２２が圧力室１１の容積を変化させて圧力室１１内のインク液をノズル孔１６から吐出させる。
【００３２】
なお、本実施の形態では共通電極２１と振動板２２とを別体とした構造となっているが、振動板と共通電極が一体の構造であってもよい。
【００３３】
インクジェットヘッドは、上述した構造を一単位として、これと同じ構造のものが、図２の紙面の垂直方向に周期的に並んでいる。その結果、多数のノズル孔１６からそれぞれインクを吐出することができる。なお、共通液室は、各単位に対して共通であり、多数のノズルから同一の色が吐出されるようになっている。カラーの印字を行うためには４色のインクを吐出する必要があるので、共通液室は最低４個必要となる。通常、インクジェットヘッドでは、一つの色のインクを吐出するためのノズル孔１６がノズル板１９上で等間隔に直線上に配列している。インクジェットヘッドから４色の色を吐出するためには、各色を吐出するノズル列が最低で４列配置されている。個別電極２０、圧電素子１３、共通電極２１、振動板２２などの形成方法は、公知の各種の膜形成法、例えばスクリーン印刷の如き厚膜法やディッピング等の塗布法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、真空蒸着法、ゾルゲル法、メッキ等の薄膜形成法等が適宜採用され得るが、それらに何等限定されるものではない。
【００３４】
図３に示すように、本インクジェット式記録装置４０には、圧電素子１３および圧電素子１３の近傍雰囲気の露点を、インクジェット式記録装置４０が設置される環境の露点よりも低い値に保つ露点制御手段２３が設けられている。
【００３５】
露点制御手段２３は、圧電素子１３および圧電素子１３の近傍に、たとえば乾燥した空気、窒素ガス、アルゴンガスなどの低湿度（例えば、露点が−６０℃）の気体を導入することにより露点を下げている。すなわち、露点制御手段２３は、コンプレッサ２３ａからのガスをエアドライヤ２３ｂに通すことで水分を除去し、これをケース２４の導入口２４ａから圧電素子１３およびその近傍に供給している。なお、ケース２４内に導入された乾燥気体は、同じくケース２４に形成された排出口２４ｂから外部に排出される。但し、ケース２４を設けることなく、圧電素子１３に乾燥気体を吹き付けるようにしてもよい。
【００３６】
なお、エアドライヤ２３ｂには、温度を下げることにより気体中の水分を除去する冷凍式エアドライヤ、フィルタを通すことにより気体中の水分を除去するフィルタ式エアドライヤ、シリカゲルなどの吸着剤中を通過させることにより気体中の水分を除去する吸着式エアドライヤなどを用いることができる。
【００３７】
また、露点制御手段として、図４に示すように、乾燥気体の封入されたボンベ２３を用い、ボンベ中の乾燥気体を供給してもよい。
【００３８】
さらに、乾燥気体を供給する露点制御手段としては、プラントとして建物に設置された乾燥気体の配管を利用し、ここから乾燥気体を取り出して供給することもできる。
【００３９】
ここで、より具体的には、図５に示すように、インクジェットヘッド４１の取り付けられたヘッドベース３１にケース２４を取り付けて乾燥気体を供給することができる。
【００４０】
また、インクジェットヘッドが多数個ある場合、図６に示すように、それぞれのインクジェットヘッドを固定するヘッドベース３１を複数並べてフレーム３２に固定し、このフレーム３２にケース２４を取り付けて乾燥空気を供給してもよい。
【００４１】
さて、本発明者は、乾燥雰囲気中での圧電素子１３の特性を把握するために、次のような構造の試料の素子を作製して評価した。
【００４２】
すなわち、直径３インチ、厚さ０．５ｍｍのシリコン基板上に、スパッタリング法によって下部電極として白金を１００ｎｍ、続けて圧電素子としてＰｂＺｒ０．５Ｔｉ０．５Ｏ３（以下、「ＰＺＴ」という。）を３μｍ、さらに続けて上部電極として白金を１００ｎｍ蒸着した。その後、シリコン基板を２０ｍｍ×２０ｍｍに切り出し、メタルマスクを用いてＰＺＴ上部に面積５ｍｍ×７．５ｍｍの白金を真空蒸着した。
【００４３】
また、エアドライヤには、ＣＫＤ株式会社製、スーパドライヤユニットＳＵ３０１５Ｂ７を用いた。このエアドライヤは、空気中のほこりを除去するエアフィルタ、空気中の油成分を除去するオイルミストフィルタ、空気の水分を除去するドライヤ本体、圧力を調整するレギュレータから構成されている。ドライヤ本体は特殊な樹脂でできた多数の中空糸から構成されており、この中空糸を圧縮空気が通過する仕組みとなっている。中空糸を構成する樹脂は水分のみを選択的に中空糸外部に通過させる性質を持っており、水を含んだ空気が中空糸を通過することにより、空気中の水分が除去される。本実施の形態では、乾燥空気を生成するために、エアフィルタ側から０．５Ｍｐａ程度の圧縮空気をコンプレッサ２３ａによって導入した。導入された圧縮空気は、エアフィルタ、オイルミストフィルタを通過することによりほこりと油成分が除去され、さらに、ドライヤ本体を通過することにより水分が除去され、出口からは乾燥した空気が出る。
【００４４】
評価システムとして、前述した試料を４０ｍｍ×４０ｍｍ×５０ｍｍの大きさのアクリル樹脂製のケース内に設置して上部電極と下部電極間に電圧を印加できるようにした。また、このケースには、エアドライヤ３３ｂで生成した乾燥空気をケース内に導入できるようにした。エアドライヤ３３ｂには、コンプレッサ２３ａを用いて０．５Ｍｐａの圧縮空気を導入し、流量調整バルブを調整して２Ｌ／ｍｉｎの流量で乾燥空気をケース内に導入するようにした。なお、乾燥エアを導入した時のケース内の露点は−５０℃であった。ケースは恒湿恒温槽に設置した。
【００４５】
ここで、乾燥空気の導入スピードを２Ｌ／ｍｉｎとしたのは次の理由による。すなわち、本実施の形態では、乾燥エアの生成にはドライエアシステムが用いられており、湿気を含んだ空気がドライエアシステムの中空糸を通過することにより水分が除去されて乾燥空気となる。そして、中空糸が単位時間に除去できる水分量には限りがあるので、導入流量が所定レベル以上になると乾燥エアの乾燥度が低下して露点が上昇する。本実施の形態のドライエアシステムでは、導入流量が２〜１０Ｌ／ｍｉｎの範囲であれば露点が−５０℃以下になり、これ以上の流量を流すと露点が上昇する。よって、２Ｌ／ｍｉｎの流量で乾燥空気を流すものである。なお、乾燥空気を流すことのできる最大流量はシステムの仕様により決まることから、導入スピードは２Ｌ／ｍｉｎに限定されるものではなく、生成された乾燥エアの露点が−５０℃以下になる流量で乾燥空気を導入すればよい。なお、本発明者の実験によれば、ケースに導入する乾燥エアの流量は、ケース１立方センチメートルの体積当たり１０ｍＬ／分以上であれば、ケース２４内の露点が−５０℃以下に保たれるということが分かった。
【００４６】
また、乾燥空気を導入したときのケース２４内部の圧力は一般に外気圧より高く１気圧以上となるが、使用する場所の高度や天気などによっては、外気圧よりも低くなることもある。
【００４７】
さらに、ケース２４の内部を密閉すると導入した乾燥エアによって内圧が上昇するとともに、アクチュエータに付着していた水分をケース２４の外に放出することができなくなってしまうので、本実施の形態のようにケース２４には排出口２４ｂを設けることが必要になる。
【００４８】
次に、試料の評価項目について説明する。
【００４９】
第１の評価項目は、温度６０℃、湿度８０％雰囲気下でのＰＺＴの特性の評価である。恒温恒湿槽内を温度６０℃、湿度８０％に設定した。ケースに乾燥空気を導入した状態で試料上部電極と下部電極間に、下部電極がプラスとなるように、ＤＣ３５Ｖを１６時間印加した後、顕微鏡で試料表面を観察した。次に、同じ試料を用いて、乾燥空気を導入していない状態でＤＣ３５Ｖの電圧を３時間印加した後、試料表面を顕微鏡観察した。
【００５０】
第２の評価項目は、温度２５℃、湿度５０％雰囲気下でのＰＺＴの特性の評価である。恒温恒湿槽内を温度２５℃、湿度５０％に設定した。ケースに乾燥空気を導入した状態で試料上部電極と下部電極間に、下部電極がプラスとなるように、ＤＣ３５Ｖを１５０時間印加した後、顕微鏡で試料表面を観察した。次に、同じ試料を用いて、乾燥空気を導入していない状態でＤＣ３５Ｖの電圧を１時間印加した後、試料表面を顕微鏡観察した。
【００５１】
以上の評価項目に対する結果について説明する。
【００５２】
第１の評価項目について、図７に試験後の顕微鏡写真を示す。乾燥空気を導入した状態で電圧を印加した後では、試料には際だった変化は観察されなかった（図７（ａ））。これに対し、乾燥空気を導入しない場合、試料表面には黒い点（以下、「黒点」という。）が多数観察された（図７（ｂ））。この黒点は上部電極と下部電極が溶解した箇所である。電極が溶解する原因は以下のように考えられる。すなわち、高湿度環境下でＰＺＴに電圧を印加すると、ＰＺＴに存在する欠陥中をリーク電流が流れてジュール熱が発生し、この熱によって電極が溶解するものと推測される。
【００５３】
第２の評価項目については、図８に示すように、乾燥空気を導入した場合は１５０時間電圧を印加した後でも黒点の発生はなかった。これに対して、乾燥空気を導入しない場合は、１時間の電圧印加で６個の黒点が発生した。
【００５４】
以上のように、乾燥空気を導入することによって、ＰＺＴに電圧を印加しても何らの破壊は起こらなかった。なお、第１の評価項目における黒点の発生数が第２の評価項目の場合よりも多いのは、第１の評価項目の恒温槽の空気の温度が高いため含まれる水分の絶対量が第２の評価項目のときに較べて多く、このためＰＺＴの破壊がより進んだためと推測される。
【００５５】
次に、前述した第２の評価項目の場合と同様にして、インクジェットヘッドに組み込まれたＰＺＴをを評価した（図２参照）。このインクジェットヘッドには、２００個の圧力室と、それに対応するアクチュエータであるＰＺＴを形成した。
【００５６】
図１０（ａ）〜（ｃ）は、評価で用いたインクジェットヘッドの説明図であり、図２のヘッドの断面図をさらに詳しく示したものである。図１０（ａ）は、ノズル孔１６とその近傍の説明図である。ノズル孔１６は圧力室１１に通じており、圧力室１１上部には振動板２２と圧電素子１３であるＰＺＴが形成されている。この図では、圧電素子１３を挟む共通電極と個別電極は省略されている。圧力室１１にはインクが満たされており、インクは共通液室１４からインク流入口１５を通って供給される。圧電素子１３に電圧を印加すると圧電素子１３と振動板２２がたわみ、圧力室１１の圧力が上がってノズル１６からインクが吐出される。なお、インクがノズル孔１６から一定の方向に吐出されるように、ノズル板１９の表面は撥水処理がほどこされている。
【００５７】
圧電素子１３は、評価１と評価２に用いたＰＺＴと基本的には同一であり、膜厚は３μｍであり、面積は１００μｍ×１２００μｍである。振動板２２の厚みは３μｍである。
【００５８】
図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の点線を通って紙面に垂直な面で切断した時の説明図である。ここでは、およそ２個のノズル孔１６近傍の構造のみを示しているが、実際は、これと同じ構造のものが多数一列に並んでいる。図では、左側の圧電素子１３と振動板２２がたわんでノズル孔１６からインクが吐出されている様子を示している。なお、図から分かるように、それぞれのノズル孔１６に対して一個の圧力室１１と圧電素子１３が割り当てられているが、インクを供給する共通液室１４は多数個のノズル孔１６に対して共通であり、インクは、共通液室１４からそれぞれの圧力室１１に開けられたインク流入口１５を通して供給される（図では、左側の圧力室１１のインク流入口１５は、二つの圧力室１１を区切る壁に隠れて見えない）。
【００５９】
図１０（ｃ）は、ノズル板１９の上部から見た説明図である。この例では、間隔３４０μｍ幅で左右一列に４０個並んだノズル孔１６が上下２二列ある。図中、それぞれのノズル孔１６を囲む破線はノズル板１９こう側にある圧電素子１３、略長方形の破線は共通液室１４を示している。一つの共通液室１４から左右に４０個並んだノズル孔１６へインクが供給されるので、左右４０個のノズル孔１６からは同一色のインクが吐出されることになる。本実施の形態では、ノズル孔１６を２００個有するインクジェットヘッドを用いた。従って、ノズル孔１６の列が合計５列ある。
【００６０】
インクジェットヘッドをアクリル性のケースに入れ、このケースにドライエアで発生した乾燥空気を導入できるようにし、２５℃、５０％の恒温高湿槽に設置した。そして、乾燥空気を導入した状態で、共通電極がプラス、個別電極がマイナスとなるようにした。また、乾燥空気を導入しない状態でも同様に電圧を印加した。図９に評価結果を示す。乾燥エアを導入したものは、２００時間以上たっても全く黒点が発生しなかった。これに対して、乾燥空気を導入しない場合、５０時間で６０個以上のアクチュエータであるＰＺＴで黒点が発生した。
【００６１】
以上のように、アクチュエータにしたＰＺＴにおいても、乾燥空気などの乾燥気体を導入することによって、電圧印加を行ってもＰＺＴの破壊が全く起こらないことが示された。
【００６２】
本実施の形態では、圧電素子をスパッタリング法で作製しているので、結晶配向性が優れた薄い圧電素子が再現性良く得ることができる。従って、圧電素子に印加する電圧が小さくても大きな変位を生じるので、低電圧でインクを吐出でき、プリンタの消費電力を少なくすることができる。また、今回用いた圧電素子の面積は１００μｍ×１２００μｍであったが、原理的には、面積は圧電素子の膜厚である３μｍ程度まで小さくすることが可能である。圧電素子の面積を小さくすれば、ノズルの面内密度を向上できるので、より精細な印字を行うことが可能となる。
【００６３】
このように、本実施の形態によれば、乾燥気体により圧電素子近傍の露点を下げているので、電圧印加によって圧電素子が劣化することがなくなる。これにより、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になる。
【００６４】
なお、以上の説明では圧電素子に３５ＶのＤＣ電圧を印加して特性を調べたが、インクを吐出する場合には、一般にこれほど高い電圧を印加する必要はなく、また、矩形の波形をした電圧を印加する。そして、このような電圧印加状態でも、乾燥気体を導入することにより圧電素子の劣化が防げることはいうまでもない。
【００６５】
また、本実施の形態では圧電素子としてＰＺＴを用いたが、これに限る必要はなく、鉛を含有するたの圧電素子でも同様な作用効果が得られることはいうまでもない。さらに、本実施の形態では、スパッタリング法によって圧電素子を形成したが、これに限る必要はなく、焼結体、ゾル−ゲル法により作製した圧電素子でも同様な効果が得られることはいうまでもない。
【００６６】
以上のように、本発明によれば、乾燥気体により圧電素子近傍の露点を下げているので、電圧印加によって圧電素子が劣化することがなくなる。これにより、圧電素子の薄膜化を達成しつつこの圧電素子への電圧印加による素子破壊を簡便に防止することが可能になるという有効な効果が得られる。
【００６７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、乾燥気体によりインク吐出手段近傍の露点を下げているので、電圧印加によってインク吐出手段が劣化することがなくなる。これにより、インク吐出手段の薄型化を達成しつつこのインク吐出手段への電圧印加による破壊や劣化を簡便に防止することが可能になるという有効な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態であるインクジェット式記録装置を概略的に示す斜視図
【図２】図１のインクジェット式記録装置に用いられたインクジェットヘッドを示す断面図
【図３】本発明の一実施の形態であるインクジェット式記録装置の要部を示す概念図
【図４】本発明の他の実施の形態であるインクジェット式記録装置の要部を示す概念図
【図５】ヘッドベースに取り付けられたインクジェットヘッドへの乾燥気体の導入形態を示す斜視図
【図６】ヘッドベースを介してフレームに取り付けられたインクジェットヘッドへの乾燥気体の導入形態を示す斜視図
【図７】温度６０℃、湿度８０％雰囲気下でＤＣ３５Ｖの電圧を所定の時間印加した後ののＰＺＴの特性評価を示す写真図
【図８】温度２５℃、湿度５０％雰囲気下でのＰＺＴの印加時間と黒点数との関係を示すグラフ
【図９】温度２５℃、湿度５０％雰囲気下でのアクチュエータとしての圧電素子の印加時間と黒点数との関係を示すグラフ
【図１０】インクジェットヘッドの詳細な説明図
【符号の説明】
１１ 圧力室
１２ 圧力室板
１３ 圧電素子
１４ 共通液室
１５ インク流入口
１６ ノズル孔
１７ 連通孔
１８ 共通液室板
１９ ノズル板
２０ 個別電極
２１ 共通電極
２２ 振動板
２３ 露点制御手段
２３ａ コンプレッサ
２３ｂ エアドライヤ
２４ ケース
２４ａ 導入口
２４ｂ 排出口
３１ ヘッドベース
３２ フレーム
４０ インクジェット式記録装置
４１ インクジェットヘッド
４２ 記録媒体
Claims (9)
- インク吐出により印字を行うインクジェット式記録装置であって、
インク液が充填される圧力室と、
前記圧力室に連通して形成されたノズル孔と、
前記圧力室上に形成され、機械的伸縮により前記圧力室を変形させて当該圧力室に圧力を発生させ、前記ノズル孔からインクを吐出させる圧電素子と、
前記圧電素子および当該圧電素子の近傍雰囲気の露点を、前記インクジェット式記録装置が設置される環境の露点よりも低い値に保つ露点制御手段とを有することを特徴とするインクジェット式記録装置。 - 前記露点制御手段は、前記圧電素子および当該圧電素子の近傍に乾燥気体を導入することを特徴とする請求項１記載のインクジェット式記録装置。
- 前記露点制御手段は、エアドライヤを用いて前記乾燥気体を供給することを特徴とする請求項２記載のインクジェット式記録装置。
- 前記露点制御手段は、前記乾燥気体をボンベから供給することを特徴とする請求項２記載のインクジェット式記録装置。
- 前記乾燥気体の露点は−５０℃以下であることを特徴とする請求項２〜４の何れか一項に記載のインクジェット式記録装置。
- 前記乾燥気体が導入される導入口および前記乾燥気体が排出される排出口が形成されて前記圧電素子を包囲するケースを備え、
前記乾燥気体は前記導入口からケース１立方センチメートルの体積当たり１０ｍＬ／分以上で前記ケース内に導入され、前記ケースの内圧が外圧よりも高く保持されることを特徴とする請求項２〜５の何れか一項に記載のインクジェット式記録装置。 - 前記圧電素子が鉛化合物を含むことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のインクジェット式記録装置。
- 前記圧電素子の膜厚が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載のインクジェット式記録装置。
- インク吐出により印字を行うインクジェット式記録装置であって、インク液が充填される圧力室と、
前記圧力室に連通して形成されたノズル孔と、
前記圧力室中に充填された前記インク液をノズル孔から吐出させるインク吐出手段と、
前記インク吐出手段の周辺の雰囲気の露点を、前記インクジェット式記録装置が設置される環境の露点よりも低い値に保つ露点制御手段とを有することを特徴とするインクジェット式記録装置。
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