JP3257054B2 - 液滴吐出装置とその駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液滴吐出装置に関し、更
に詳しくは複数のノズルを有し、必要に応じて各々のノ
ズルよりインク滴を射出するオンデマンド型マルチノズ
ルインクジェット記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在オンデマンドマルチノズルインクジ
ェット装置としては、圧電素子を用い電気信号を機械的
な変位に変換し流路中のインクに圧力を加えインク滴を
射出する方式と、流路中のインクに熱を加え発生する蒸
気の圧力によってインク滴を射出するいわゆるバブルジ
ェット方式とがある。従来の圧電素子を用いたインクジ
ェット記録装置は、エネルギー効率がよく、どのような
インクでも使えるといった利点が有るものの、高品質印
字をするための高密度化、多数ノズル化には不向きであ
る。また、バブルジェット方式はエネルギー効率が悪
い、インクに対する制約が大きい、耐久性が悪い等の問
題が有る。

【０００３】そこで本出願人は先に、高密度に配置され
た多数のノズルを持ち、エネルギー効率がよく耐久性の
よい新規原理，構成によるインクジェット印字装置を大
量かつ安価に提供するために、面方向と実質的に直角方
向に設けられている複数の隔壁とこの隔壁とによって区
画される流路とを有する流路基板と、厚み方向に分極さ
れた圧電素子板からなり隔壁端面上に固着されているカ
バープレートとを有する液滴吐出装置を、特願平４−１
３０４１９号により提案している。

【０００４】図７に先に本発明者が提案した液滴吐出装
置の斜視図を、図８にその断面図を示す。流路基板３に
は面方向に対して実質的に直角に複数の流路隔壁１が形
成され、この隔壁１によりインク流路２が区画されてい
る。各流路２並びに流路隔壁１の断面は概略長方形とな
っている。各流路２はノズルプレート５側においては独
立しその反対側においてはインクを供給するための共通
インク室１１に連通している。各流路２と流路隔壁１は
ノズル部から共通インク室部まで平行に伸びノズル５ａ
のピッチと等しい。このため、従来の圧電素子を用いた
インクジェットヘッドに見られたような、扇型の流路配
列を取る必要が無く、任意の数のノズルを持ったマルチ
ノズルインクジェットヘッドを作成することが可能で、
シリアルプリンタ、ラインプリンタどちらにも適用可能
といった利点を有している。

【０００５】流路基板３上には、下面に接地電極９、上
面に各流路に対応した駆動電極１０が形成された圧電素
子板４が装着される。この圧電素子板は流路隔壁１を変
形させるアクチュエータとなるとともに流路カバーとし
ての機能も有している。各駆動電極１０はフレキシブル
ケーブル等より信号を供給するための電極端子１２を有
している。ヘッド前面には、各流路に対応したノズル５
ａが形成されたノズルプレート５が装着される。

【０００６】次に上記液滴吐出装置の駆動方法を図９を
用いて説明する。ここでは流路２ｂからインク滴を射出
する動作について説明する。なお、今後の説明におい
て、インク滴を射出する流路は黒丸で、射出しない流路
は白丸で図示している。図示されている３つの駆動電極
１０ａ〜１０ｃのうち流路２ｂに対応する駆動電極１０
ｂにのみ圧電素子４が平面内で縮む方向（分極方向Ｐと
同方向に電界Ｅが発生する方向）に電圧Ｖを印加する。
圧電素子板４のうち流路２ｂの上部部分のみが縮むた
め、流路２ｂの両側の流路隔壁１ｂ、１ｃが引き寄せら
れ流路２ｂの体積は減少する。このため流路２ｂ内のイ
ンクに圧力が加えられノズルよりインク滴が射出され
る。また、非選択流路２ａについて説明すると、隣接し
た流路２ｂ上部の圧電素子板が縮むため、流路２ａ上部
の圧電素子部、更には流路隔壁１ａ、１ｂも流路２ｂ方
向に引き寄せられ変形する。しかしこの場合は同じ方向
に両側の流路隔壁が変形するために流路２ａの体積は変
化せず、流路２ａ内のインクに圧力が加えられることは
ない。このように、構造的に一体の圧電素子板４を用い
て特定の流路のみを選択してインク滴を射出することが
可能である。

【０００７】

【解決しようとする課題】図１０は上記従来の駆動方法
にて全流路を同時に駆動した例を示す図である。図９の
様に非常に少ない数の流路を駆動する際は問題にならな
いが、全流路または多数の流路を同時に駆動した場合、
圧電素子カバープレート４が面方向に全体的に縮んでし
まう。このため圧電素子カバープレート４と流路基板３
がバイモルフ構造となり図１０に示した様に湾曲し変形
する。

【０００８】この現象を具体例を用いて説明する。Ｘ
［ｄｐｉ（ドットパーインチ）］の印字密度をｎ列の流
路で実現するとき、隣接流路ピッチＤＮは、 ＤＮ＝０．０２５４×ｎ／Ｘ ・・・（１） となる。圧電素子板の厚さをＴ０、駆動電極の幅を流路
ピッチの０．８倍（０．８×ＤＮ）、印加電圧をＶ、横
圧電定数をｄとすると１流路当たりの圧電素子板の縮み
量ωは次のようになる。 ω＝ｄ×Ｖ×０．８×ＤＮ／Ｔ０ ・・・（２） ここで３００［ｄｐｉ］の印字密度を１列の流路で実現
するとき流路ピッチＤＮは（１）式より、 ＤＮ＝８．５・１０^-5 ［ｍ］ である。横圧電歪定数ｄを１９８×１０^-12 ［ｍ／
Ｖ］、駆動電圧Ｖを２００［Ｖ］、圧電素子板の厚みＴ
０を１×１０^-4［ｍ］としたとき、１流路当たりの圧電
素子板の縮み量ω１は（２）式より、 ω１＝２．７×１０^-8 ［ｍ］ となり十分小さな値で他の流路や記録装置全体に与える
影響は無視できる。しかし、マルチノズルヘッドで多数
の流路が同時に駆動された場合、例えば１００ノズルを
もった記録装置の各流路を同時に駆動した場合の縮み量
ω２は、 ω２＝２．７×１０^-6 ［ｍ］ と大きな値となる。このため記録ヘッド全体が大きく湾
曲し騒音を発生する、流路基板３の基部や記録ヘッド支
持部に応力が発生し記録装置の耐久性が悪化するなどの
問題があった。

【０００９】また従来の方式では、流路体積を減少させ
てインクに圧力を加えインク滴を射出する際に、ノズル
とは反対側の共通インク室１１側へのインクの逆流並び
に圧力伝播が発生し、同時駆動する流路の数によって共
通インク室１１内の状態は変化していた。このため大部
分の流路を同時に駆動した場合、共通インク室内のイン
クにも大きな圧力が発生し非選択流路からもインク滴が
射出される、また同時に駆動する流路の本数によって射
出されるインク滴の速度体積等特性が変化するなど、い
わゆるクロストークと呼ばれる現象が見られた。

【００１０】以上のように、本発明者が先に開示した液
滴吐出装置は、圧電素子カバープレートをアクチュエー
タとして用いる簡単な構成で、高密度に配置された多数
のノズルと流路を持つ記録装置であるが、多数流路の同
時駆動をした場合、内部応力によって耐久性が劣化す
る、騒音が発生する、クロストークがある等の欠点を有
していた。

【００１１】そこで本発明の目的は、構成が簡単で高密
度の印字が可能で、しかも耐久性にすぐれクロストーク
が無く高品質印字可能で静かな液滴吐出装置を実現する
ことにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の液滴吐出装置は、面方向に対して実質的に
直角方向に設けられている複数の隔壁とこの隔壁によっ
て、区画される複数の流路を有する流路基板と、厚み方
向に分極されるとともに流路に対応する複数の駆動電極
が両面に設けられている圧電素子板からなり隔壁端面上
に固着されているカバープレートとを含むものであり、
流路に対応してカバープレートの一方の面に設けられて
いる駆動電極は、それと隣り合う流路に対応してカバー
プレートの他方の面に設けられている駆動電極のうち少
なくともいずれか一方と導通されており、かつ、カバー
プレートの駆動電極に対応する部分に、隣同士逆向きの
電界を生じさせるように接続されている。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の詳細を添付図面に示した好適
な実施例に添って説明する。図１は本発明の液滴吐出装
置の実施例であるインクジェット記録装置を示す図であ
る。本発明の液滴吐出装置は、面方向に対し実質的に直
角に複数の隔壁１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，
１ｇが形成されこの隔壁によりインク流路２ａ，２ｂ，
２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆが区画形成されている流路基板
３と、この流路面に固着される圧電素子カバープレート
４と、図７に示すものと同様なものであり流路端部に固
着されるノズルプレート５とからなっている。本実施例
において圧電素子カバープレート４は、プレート面に垂
直で表面から流路基板３方向に分極されている（矢印Ｐ
で示す）。圧電素子カバープレート４の両面には流路形
状に概略応じてそれぞれ分離された駆動電極（表面電極
６ａ〜６ｆおよび裏面電極７ａ〜７ｆ）が形成され、あ
る１つの流路に対応する表面電極は、その隣りの流路に
対応する裏面電極の一方と導通されている。すなわち２
ｎ番目（ｎは自然数）の流路２ｂ，２ｄ，２ｆに対応す
る表面電極６ｂ，６ｄ，６ｆは、２ｎ−１番目の流路２
ａ，２ｃ，２ｅに対応する裏面電極７ａ，７ｃ，７ｅと
導通されており、２ｎ−１番目の流路２ａ，２ｃ，２ｅ
に対応する表面電極６ａ，６ｃ，６ｅは、２ｎ番目の流
路２ｂ，２ｄ，２ｆに対応する裏面電極７ｂ，７ｄ，７
ｆと導通されている。

【００１４】上記したような電極の接続方法としては、
流路基板３上に圧電素子カバープレート４裏面の電極パ
ターンに対応した電極パターンを形成しておき、半田、
異方導電性ゴム、導電性接着剤等で裏面電極を一旦流路
基板上の電極に接続し、その後フレキシブルケーブル、
ワイヤーボンディング等を用い流路基板上の電極と圧電
素子カバープレート４上の電極を接続する方法がある。
しかしこれらの方法では製造工程が複雑になる。そこで
圧電素子カバープレート４単部品のみで上記電極の接続
を実現する方法として図２に示したように圧電素子カバ
ープレート４にコンタクトホール８を形成することによ
って電極表面６ａ〜６ｆと裏面電極７ａ〜７ｆを接続す
る事ができる。コンタクトホール８を用いることによっ
て簡単な構造で駆動信号を受けるための電極端子９を圧
電素子カバープレート４の表面のみに形成することがで
きる。

【００１５】次に１流路のみよりインク滴を射出する動
作について図１を用いて説明する。流路２ｄよりインク
滴を射出させるためには、流路２ｄの容積を所定の量だ
け減少させて流路中のインクに圧力を加えなければいけ
ない。本実施例の圧電素子カバープレート４は、プレー
ト面に垂直で表面電極６ａ〜６ｆから裏面電極７ａ〜７
ｆに向かう方向（矢印Ｐ方向）に分極されているため、
裏面電極７ｄを接地レベルにし表面電極６ｄに正電圧を
印加することによって分極方向Ｐと同方向の電界Ｅが印
加され、圧電素子カバープレート４の表面電極６ｄに対
応する部分はプレート面内方向で縮む。

【００１６】このとき表面電極６ｃは電極７ｄと導通さ
れているため０Ｖ、裏面電極７ｃは電極６ｄと導通され
ているため正電圧となり、圧電素子カバープレート４の
表面電極６ｃに対応した部分には分極方向Ｐとは逆方向
の電界Ｅ´が印加されプレート面内方向で伸びる。この
伸びの量は表面電極６ｄ部分の縮みの量と概略同じであ
るため、これらの歪みは流路２ｃと流路２ｄ間の流路隔
壁１ｄを変形させるのみで、その他の流路基板部分や記
録ヘッド全体に変形や応力を及ぼすことはない。よって
圧電素子カバープレート４に接着された流路２ｃと流路
２ｄ間の流路隔壁１ｄのみが流路２ｄ方向に変形され、
流路２ｄの容積は減少し内部のインクが加圧されインク
滴が射出される。逆に流路２ｃよりインク滴を射出する
には表面電極６ｄを接地レベルに導通し表面電極６ｃに
正電圧を印加すれば良い。

【００１７】また複数流路を同時駆動する際の動作を図
３に示す。上記した１流路射出の場合と同じように、２
ｎ番目の電極群と２ｎ−１番目の電極群を交互に接地レ
ベルに導通し時分割駆動することにより圧電素子カバー
プレート４中に交互に伸縮部分を作るので、圧電素子カ
バープレート４さらには流路基板３全体に変形や応力が
及ぶことなく、複数流路を同時駆動することができ、耐
久性の低下や騒音といった問題は起らない。

【００１８】流路からインク滴を射出する際の実際の駆
動電圧波形例を図４に示した。偶数（２ｎ）流路からイ
ンク滴を射出する際は奇数（２ｎ−１）流路上の表面電
極（以下「２ｎ−１電極」という。）を接地レベルに導
通させ、２ｎ流路上の表面電極（以下「２ｎ電極」とい
う。）を０［Ｖ］から所定の正駆動電圧＋ｖ［Ｖ］に短
い立上がり時間で変更する。このため流路２ｃと流路２
ｄ間の流路隔壁１ｄは、急激に流路２ｄ側に変形し流路
２ｄ中のインクに大きな圧力が加わりインク滴が射出さ
れる。所定の時間その電圧値を保った後に、２ｎ電極電
圧値は長い立ち下がり時間で０（Ｖ）に戻される。この
とき前記流路壁は、ゆっくりと２ｎ−１流路側へ戻って
くるため２ｎ−１流路中に大きな圧力が発生することは
無く、この過程で２ｎ−１流路よりインク滴が射出され
ることはない。

【００１９】２ｎ−１流路よりインク滴を射出するに
は、２ｎ流路よりインク滴を射出するのとは別のタイミ
ングで、２ｎ流路を接地レベルに導通し２ｎ−１流路に
所定の電圧波形を印加すれば良い。

【００２０】本発明を適用した他の駆動例を図５に示し
た。図５の駆動波形は、２ｎ流路からインク滴を射出す
る際に一旦２ｎ流路と２ｎ−１流路間の流路隔壁をゆっ
くりと２ｎ−１流路側に変形させ２ｎ流路の体積を増加
させておき、その後電圧を０Ｖに短い立ち下がり時間で
戻し流路隔壁を急激に元の状態にすることによって、２
ｎ流路に圧力を発生させ２ｎ流路よりインク滴を射出す
るものである。この駆動法では、初めに流路壁をゆっく
りと変形させたときに流路内に生じるインクの圧力振動
に合わせて流路壁を変形させることにより極めて効率的
な駆動を行なうことができる。

【００２１】図６の駆動方法は奇数流路上の表面電極
（２ｎ−１電極）は常に接地レベルに導通させておき２
ｎ電極にのみ駆動波形を印加し、波形の立ち上がり時間
と立ち下がり時間を調整することによって各流路の選択
射出を行なうものである。前述したように２ｎ−１電極
を接地レベルに導通し２ｎ電極に正電圧を印加した場
合、２ｎ流路と２ｎ−１流路間の流路隔壁は２ｎ流路側
に変形する。よって２ｎ電極の電位を短い立ち上がり時
間で０Ｖから所定の正電圧に変化させた場合２ｎ流路よ
りインク滴が射出される。次に所定の時間後短い立ち下
がり時間で０Ｖに変化させると前記流路隔壁は２ｎ流路
側より２ｎ−１流路側の初期位置に急激に戻り２ｎ−１
流路よりインク滴が射出される。

【００２２】また図中に点線で示したように２ｎ電極電
位の立ち上がり時間を長くした場合は、流路隔壁の動き
が遅くなるため２ｎ流路よりインク滴は射出されず、立
ち下がり時間を遅くした場合は２ｎ−１流路よりインク
滴が射出されなくなる。この駆動方法では流路本数の半
分の電極に駆動波形を供給すればよいので、駆動回路を
半減できる、回路部から印字ヘッド部への接続ケーブル
を節約できるなど印字装置のコストを削減することがで
きる。

【００２３】ここで本発明による印字装置では、偶数流
路と奇数流路を時分割駆動するため印字装置全体の最大
射出周波数の低下が懸念される。しかし例えば奇数流路
の射出後偶数流路を射出する際に、奇数流路中のインク
圧力振動の減衰やインク再充填が完全に終了するのを待
つ必要はないため、印字装置全体の最大射出周波数は１
流路の最大射出周波数に比べ若干低下するにすぎない。

【００２４】次にクロストークについて説明する。本発
明の記録装置では、射出選択された流路の体積減少量と
概略同じだけ隣接流路の体積が増加する。従って、射出
選択された流路より共通インク室側にインクが逆流する
液量と概略同じだけその隣接した流路に共通インク室よ
りインクが流入する。また圧力波も概略逆波形のものが
隣接流路より共通インク室に伝播してくるため打ち消し
あい、共通インク室状態にはほとんど変化が生じること
はない。このことは、同時に駆動する流路本数が増えて
もいえるため、射出パターンによって液滴速度や体積な
ど射出特性が変化するといったいわゆるクロストークが
生じることはない。

【００２５】また圧電素子カバープレート材料としてＰ
ＺＴなどの圧電セラミクスを用いた場合、これらの材料
に抗電界といわれるあるしきい値以上の大きな電界を印
加すると分極方向がその電界方向に変化することが知ら
れている。上記したように圧電素子カバープレート４に
は、その分極方向Ｐと同じ向きの電界Ｅと逆向きの電界
Ｅ´が交互に印加されるため、分極方向が変化してしま
うことが無いよう印加する電界は抗電界以下でなければ
いけない。

【００２６】また、本実施例では圧電素子カバープレー
ト４が表面電極側から裏面電極方向に分極されている場
合を示したが、裏面電極側から表面電極方向に分極され
ている場合でも印加する電界がそれぞれ逆向きになるよ
うに駆動波形を印加することによって全く同じように駆
動できる事は言うまでもない。

【００２７】本発明の印字装置は流路隔壁が変形し流路
中の液体に圧力を与え液滴をノズルより射出するもので
あるので、液体の物性には何ら制限を与えずどのような
液体、インクでも使用することができる。従って、本発
明はコンピュータ端末としての印字装置に限定されるも
のではなく、あらゆる液体を吐出するような用途、例え
ば工業用印字装置、試薬の微量吐出、ファクシミリなど
幅広い用途に適用可能である。

【００２８】上記実施例では１つの表面電極と隣り合う
裏面電極のうちの一方のみとを導通させているが、両隣
の裏面電極とそれぞれ導通させる構成とすることも可能
である。

【００２９】

【発明の効果】以上の様に本発明によれば、エネルギー
効率が良く、耐久性に優れ、クロストークが無く高印字
品質の静かな記録装置を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の断面図

【図２】一実施例の要部平面図

【図３】一実施例の作動を説明する断面図

【図４】本発明の駆動方法の第１の例を示す電圧波形図

【図５】駆動方法の第２の例を示す電圧波形図

【図６】駆動方法の第３の例を示す電圧波形図

【図７】従来例の斜視図

【図８】従来例の断面図

【図９】従来例の作動を説明する断面図

【図１０】従来例の他の作動状態を示す断面図 １ａ〜１ｇ・・・流路隔壁 ２ａ〜２ｆ・・・流路 ３・・・流路基板 ４・・・圧電素子カバープレート ５・・・ノズルプレート ５ａ・・・ノズル ６ａ〜６ｆ・・・表面電極 ７ａ〜７ｆ・・・裏面電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 面方向に対して実質的に直角方向に設け
   られている複数の隔壁と、前記隔壁によって区画される
   複数の流路とを有する流路基板と、厚み方向に分極され
   るとともに前記流路に対応する複数の駆動電極が両面に
   設けられている圧電素子板からなり、前記隔壁端面上に
   固着されているカバープレートとを含み、 前記流路に対応して前記カバープレートの一方の面に設
   けられている前記駆動電極は、それと隣り合う前記流路
   に対応して前記カバープレートの他方の面に設けられて
   いる前記駆動電極のうち少なくともいずれか一方と導通
   されており、かつ、前記カバープレートの前記駆動電極
   に対応する部分に、隣同士逆向きの電界を生じさせるよ
   うに接続されていることを特徴とする液滴吐出装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記流路と連通する
   ノズルが穿設されており、前記流路基板および前記カバ
   ープレートの端面に固着されるノズルプレートを含むこ
   とを特徴とする液滴吐出装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、互いに導通
   される前記駆動電極はそれぞれコンタクトホールを介し
   て電気的に導通されていることを特徴とする液滴吐出装
   置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項に記載の液
   滴吐出装置の駆動方法であって、前記カバープレートの
   一方の面の２ｎ番目の電極群と２ｎ−１番目の電極群を
   交互に接地レベルに導通させることによって、偶数流路
   群と奇数流路群を時分割駆動することを特徴とする液滴
   吐出装置の駆動方法。
5. 【請求項５】 請求項１〜３のいずれか１項に記載の液
   滴吐出装置の駆動方法であって、前記カバープレート表
   面の２ｎ番目の電極群または２ｎ−１番目の電極群のど
   ちらか一方の電圧を常に接地レベルとし、その逆の電極
   群中の駆動電極に印加する電圧波形の立上がり時定数と
   立ち下がり時定数を変化させることによって、偶数流路
   と奇数流路を時分割駆動することを特徴とする液滴吐出
   装置の駆動方法。