JP4702701B2 - 液滴噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、ノズルから液滴を噴射する液滴噴射装置に関する。

ノズルからインク滴を噴射するインクジェットヘッド（液滴噴射装置）において、ノズル内のインクの水分が蒸発することによりインクの粘度が増加し、ノズルからのインク滴の噴射速度が低下したり、ノズルからインク滴が噴射されなかったりするのを防ぐために、ノズルからインク滴を噴射するフラッシングを行っているものがある。例えば、特許文献１に記載のインクジェットヘッドでは、電源投入時、記録（印字）動作の実行期間中、記録動作終了後などに、増粘インクや固化インクなどの不要インクを効率的に排出させ得る第１駆動信号とインクの排出効率が高い第２駆動信号とを含むフラッシング駆動信号によるフラッシングなどのメンテナンスを行っている。そして、記録動作の実行期間中においては、所定量の記録を行ったときに記録動作を中断し、フラッシングなどのメンテナンスを行った後に記録動作に復帰している。

特開２００１−１０５６１３号公報（図６）

しかしながら、特許文献１に記載のインクジェットヘッドでは、印字に使用される頻度の少ないノズル内のインクの粘度が増加するのを防止するために、印字動作中に頻繁にフラッシングを行う必要があり、印字速度が低下してしまう。

本発明の目的は、ノズル内のインクの粘度が増加するのを抑制することが可能な液滴噴射装置を提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の液滴噴射装置は、複数のノズルにそれぞれ連通する複数の圧力室を含む流路ユニットと、この流路ユニットの一表面に配置された圧電アクチュエータとを備えている。圧電アクチュエータは、複数の圧力室を覆う振動板と、この振動板の圧力室と反対側に配置された圧電層と、この圧電層の一方の面の複数の圧力室と対向する位置にそれぞれ配置され、圧力室内の液体にノズルから噴射させるための噴射用圧力を付与する複数の第１電極と、同じく圧電層の一方の面の複数の圧力室と対向する位置にそれぞれ配置され、圧力室内の液体に、ノズル内のメニスカスを振動させるための振動用圧力を付与する複数の第２電極と、圧電層の他方の面に配置され、複数の第１電極及び複数の第２電極と圧電層を挟んで対向する第３電極と、圧力室内の液体に噴射用圧力を付与するために第１電極の電位を変化させるとともに、圧力室内の液体に振動用圧力を付与するために第２電極の電位を変化させる電位変更手段とを有している。そして、複数の第２電極が互いに導通している。

これによると、液体をノズルから噴射させるときには、第１電極によって圧力室内の液体に噴射用圧力が付与される。一方、ノズル内のメニスカスを振動させるときには、第２電極によって圧力室内の液体に振動用圧力が付与されることによって、ノズル内のインクが攪拌され、インクの粘度の増加が防止される。ここで、複数の第２電極が互いに導通しているため、複数の圧力室内の液体に振動用圧力を同時に付与することができるとともに、第２電極と電位変更手段との接点数を減らしてコストを低減できる。

また、本発明の液滴噴射装置においては、第２電極によって付与される振動用圧力は、圧力室内の液体をノズルから噴射させることのできる最小噴射圧力よりも小さいものとされる。これにより、液体を噴射させることなくノズル内のメニスカスを振動させることができる。

このとき、第１電極によって付与される噴射用圧力は、最小噴射圧力よりも小さく、第１電極によって付与される噴射用圧力と第２電極によって付与される振動用圧力とが合わさった圧力が、最小噴射圧力よりも大きくなるようにしてもよい。これによると、第１電極に付与する電位の変化を小さくすることができ、電力コストを低減させることができる。

また、本発明の液滴噴射装置においては、電位変更手段は、第３電極に所定の定電位を常に付与するとともに、所定の周期毎にノズルからインクが噴射される噴射機会が生じるように第１及び第２電極の電位を制御するものであり、噴射機会毎に、複数の第１電極のうち選択された第１電極の電位を変化させるとともに、複数の第２電極の電位を変化させてもよい。これによると、複数のノズルの全ては、噴射機会の度に、液滴が噴射されるか又はメニスカスが振動することとなるので、全てのノズルについてのインクの増粘が防止される。

このとき、電位変更手段は、第３電極の電位をグランド電位に設定するとともに、第１電極に所定の第１電位とグランド電位とを選択的に付与し、第２電極に所定の第２電位とグランド電位とを選択的に付与するものであってもよい。これによると、電位変更手段が設定する電位の種類が少なくなり、電位変更手段の制御が容易になる。

このとき、第１電位と第２電位が等しくてもよい。これによると、電位変更手段が設定する電位の種類がさらに少なくなり、電位変更手段の制御がさらに容易になる。

又は、このとき、第２電位は第１電位よりも小さくてもよい。これによると、振動用圧力が噴射用圧力に対して確実に小さくなるため、振動用圧力だけが付与されたときにノズルから液滴が噴射されてしまうのを確実に防止することができる。

また、本発明の液滴噴射装置においては、第１電極と第２電極の一方が、圧電層の一方の面の、圧力室の中央部と対向する位置に配置され、第１電極と第２電極の他方が、圧電層の一方の面の、一方の電極の外側に配置されていてもよい。これによると、噴射用圧力及び振動用圧力を効率よく付与することができる。

このとき、電位変更手段は、第１電極の電位を変化させるタイミングで、第２電極の電位を第１電極とは増減が逆になるように変化させてもよい。これによると、圧力室の容積を効率よく変化させることができるため、圧力室内の液体に大きな噴射用圧力を付与することが可能となる。

また、本発明の液滴噴射装置においては、第１電極と第２電極は、ともに、圧力室の中央部と対向する位置に配置されており、第１電極の面積が第２電極の面積よりも大きくてもよい。これによると、噴射用圧力及び振動用圧力を容易に付与することができる。また、第１電極の面積が第２電極の面積よりも大きいので、振動用圧力が噴射用圧力よりも確実に小さくなり、振動用圧力を付与したときにノズルから液滴が噴射されてしまうのを確実に防止することができる。

また、本発明の液滴噴射装置においては、第１電極と第２電極は、ともに、圧力室の外周部と対向する位置に配置されており、第１電極の面積が、第２電極の面積よりも大きくてもよい。これによると、噴射用圧力及び振動用圧力を容易に付与することができる。また、第１電極の面積が第２電極の面積よりも大きいので、振動用圧力が噴射用圧力よりも確実に小さくなり、振動用圧力を付与したときにノズルから液滴が噴射されてしまうのを確実に防止することができる。

また、本発明の液滴噴射装置においては、電位変更手段は、第１電極の電位を変化させるタイミングで、第２電極の電位を第１電極と増減が同じになるように変化させてもよい。これによると、圧力室の容積を効率よく変化させることができるため、圧力室内の液体に大きな噴射用圧力を付与することが可能となる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施の形態は、本発明をノズルからインクを吐出するインクジェットヘッドに適用した一例である。

図１は、本発明に係るインクジェットヘッドを有するインクジェットプリンタの概略斜視図である。図１に示すように、インクジェットプリンタ１は、走査方向（図１の左右方向）に移動可能なキャリッジ２、キャリッジ２とともに移動し、記録用紙Ｐにインクを噴射するインクジェットヘッド３、記録用紙Ｐを紙送り方向（図１の手前方向）に搬送する用紙搬送ローラ４などを有する。インクジェットヘッド３は、キャリッジ２と一体的に走査方向に移動しながらその下面に形成されたノズル１５（図２参照）からインク滴を噴射することにより記録用紙Ｐに印字を行う。インクジェットヘッド３によって印字が行われた記録用紙Ｐは、用紙搬送ローラ４により紙送り方向に排出される。

次に、インクジェットヘッド３について図２〜図５を用いて説明する。図２は図１のインクジェットヘッド３の平面図、図３は図２の部分拡大図、図４は図３のIV−IV線断面図、図５は図３のＶ−Ｖ線断面図である。図２〜図５に示すように、インクジェットヘッド３は、圧力室１０を含む複数の個別インク流路が形成された流路ユニット３１と、流路ユニット３１の上面に配置された圧電アクチュエータ３２とを有する。

流路ユニット３１は、図４、図５に示すように、キャビティプレート２０、ベースプレート２１、マニホールドプレート２２及びノズルプレート２３を有し、これら４枚のプレートが積層されることによって形成されている。４枚のプレート２０〜２３のうち、ノズルプレート２３を除く３枚のプレート２０〜２２はステンレス鋼などの金属材料により構成されており、エッチングにより圧力室１０、マニホールド流路１１などのインク流路が形成されている。ノズルプレート２３はポリイミドなどの合成樹脂材料により構成されており、マニホールドプレート２２の下面に貼り付けられる。あるいは、ノズルプレート２３も他の３枚のプレート２０〜２２と同様、金属材料により構成されていてもよい。

キャビティプレート２０には、図２〜図５に示すように、紙送り方向（図２の上下方向）に５個ずつ、走査方向（図２の左右方向）に２列に並んだ１０個の圧力室１０が形成されている。圧力室１０は、平面視で走査方向に長い略楕円形状に構成されている。

ベースプレート２１には、平面視で圧力室１０の長手方向の両端部に重なる部分にそれぞれ平面視で略円形の連通孔１２、１３が形成されている。

マニホールドプレート２２には、紙送り方向に延びたマニホールド流路１１が形成されている。マニホールド流路１１は、平面視で図２の右側に配列された圧力室１０の略右半分に重なるとともに、図２の左側に配列された圧力室１０の略左半分に重なっている。マニホールド流路１１には、後述する振動板４０に形成されたインク供給口９からインクが供給される。また、マニホールドプレート２２には、平面視で連通孔１３に重なる部分に連通孔１４が形成されている。

ノズルプレート２３には、平面視で連通孔１４に重なる位置にノズル１５が形成されている。ノズルプレート２３が合成樹脂材料により構成されている場合には、ノズル１５はエキシマレーザ加工などにより形成することができ、ノズルプレート２３が金属材料から構成されている場合には、ノズル１５はプレス加工などにより形成することができる。

そして、マニホールド流路１１は、連通孔１２を介して圧力室１０に連通している。さらに、圧力室１０は、連通孔１３、１４を介してノズル１５に連通している。このように、流路ユニット３１には、マニホールド流路１１から圧力室１０を経てノズル１５に連通する個別インク流路が複数形成されている。

次に、圧電アクチュエータ３２について説明する。圧電アクチュエータ３２は、図２〜図５に示すように、キャビティプレート２０の表面に配置された導電性を有する振動板４０と、振動板４０の上面（圧力室と反対側）に形成された圧電層４１と、圧電層４１の上面に複数の圧力室１０に対応して形成された複数の第１電極４２及び複数の第２電極４３と、圧電層４１の上面に形成され、複数の第２電極４３同士を接続する配線４４とを有する。

振動板４０は、ステンレス鋼などの鉄系合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、チタン合金などの金属材料からなり、複数の圧力室１０を覆うように、キャビティプレート２０に接合されている。また、振動板４０は導電性を有しており、振動板４０と第１電極４２及び第２電極４３との間に挟まれた圧電層４１に電界を作用させる共通電極（第３電極）を兼ねており、常にグランド電位に保持されている。

振動板４０の上面には、図２の流路ユニット３１の下端部付近を除く領域にチタン酸鉛とジルコン酸鉛との固溶体であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電材料からなる圧電層４１が、複数の圧力室１０に跨って連続的に形成されている。ここで、圧電層４１は、超微粒子の圧電材料を振動板４０の上面に高速で衝突させることにより堆積させるエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）により形成される。このほか、圧電層４１は、スパッタ法、ゾルゲル法、水熱合成法、ＣＶＤ（化学蒸着）法により形成することもできる。あるいは、圧電層４１は、ＰＺＴのグリーンシートを焼成することによって得られる圧電シートを振動板４０の上面に貼り付けることによっても形成することができる。この圧電層４１は、厚み方向と平行な方向に分極されている。

圧電層４１の上面には、図２〜図５に示すように複数の圧力室１０に対応して複数の第１電極４２及び第２電極４３が形成されている。第１電極４２は、後述するように、第２電極４３とともに印字指令のあった（噴射を行う）ノズル１５に対応する圧力室１０内のインクに噴射用圧力を付与するための電極であり、図２、図３に示すように、圧力室１０よりも一回り小さい略楕円形状を有し、平面視で圧力室１０の略中央部に重なるように位置している。また、第１電極４２は、圧力室１０の長手方向にノズル１５と反対側に平面視で圧力室１０に重ならない部分まで延びており、この部分が接点４２ａとなっている。そして、第１電極４２は、接点４２ａにおいて図示しないフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）を介してドライバＩＣ（電位変更手段）５０に接続されており、ドライバＩＣ５０により複数の個別電極４２の電位は、所定の第１電位Ｖ１１（例えば、２０（Ｖ））とグランド電位の何れかに選択的に設定される。

第２電極４３は、後述するように、第１電極４２とともに印字指令のあったノズル１５に対応する圧力室１０内のインクに噴射用圧力を付与すると同時に、印字指令のない（噴射を行わない）ノズル１５に対応する圧力室１０内のインクに噴射用圧力よりも小さい振動用圧力を付与するための電極であり、図２、図３に示すように、圧力室１０の長手方向の一方（図２の右側）の端部付近を除く部分において、圧力室１０の外周部に沿って第１電極４２の外側に形成されており、略Ｕ字の平面形状を有している。

圧電層４１の上面には、さらに、配線４４が形成されている。配線４４は、各第２電極４３から図２の左右方向内側に、圧電層４１の略中央部まで延び、さらに、図２の上方に圧電層４１の上端部付近まで延びており、その上端部が接点４４ａとなっている。そして、配線４４を介して複数の第２電極４３同士が互いに導通している。さらに、配線４４は、接点４４ａにおいて、ＦＰＣを介してドライバＩＣ５０に接続されており、ドライバＩＣ５０により配線４４を介して、複数の第２電極４３の電位が同時に、所定の第２電位Ｖ１２（＜Ｖ１１、例えば、１２（Ｖ））とグランド電位の何れかに選択的に設定される。

このように、複数の第１電極４２は図２の圧電アクチュエータ３２の左右方向外側に引き出されており、複数の第２電極４３は図２の圧電アクチュエータの左右方向内側に引き出されて、配線４４に接続されている。ここで、第１電極４２、第２電極４３及び配線４４は、金、銅、銀、パラジウム、チタンなどの導電性材料からなり、スクリーン印刷、スパッタ法等により形成することができる。

次に、ドライバＩＣ５０の動作について図６（ａ）を用いて説明する。図６（ａ）は、ドライバＩＣ５０により第１電極４２、第２電極４３及び振動板（第３電極）４０に付与される電位を示す図である。ドライバＩＣ５０は、図示しない制御装置から複数のノズル１５に対応して与えられる印字指令に基づいて以下のような動作をする。

図６（ａ）に示すように、ドライバＩＣ５０は、第１電極４２に予めＶ１１（所定の第１電位、例えば、２０（Ｖ））の電位を付与しており、印字指令があったノズル１５に対応する第１電極４２の電位をグランド電位に変化させ、時間Ｔ２経過後、再び第１電極４２の電位をＶ１１に変化させる動作を所定の周期Ｔ１毎に繰り返す。これにより、ノズル１５には周期Ｔ１毎に噴射機会が与えられる。

また、ドライバＩＣ５０は、印字指令の有無に関わらず、所定の周期Ｔ１毎に時間Ｔ２だけ第２電極４３にＶ１２（＜Ｖ１１、所定の第２電位、例えば、１６（Ｖ））の電位を付与し、それ以外の時間は、第２電極４３をグランド電位に保持している。

このとき、図６（ａ）に示すように、第１電極４２の電位をＶ１１からグランド電位に変化させるタイミングと、第２電極４３の電位をグランド電位からＶ１２に変化させるタイミングとが一致しているとともに、第１電極４２の電位をグランド電位からＶ１１に変化させるタイミングと、第２電極４３の電位をＶ１２からグランド電位に変化させるタイミングとが一致している。また、振動板４０の電位は、前述したように常にグランド電位に保持されている。

次に、圧電アクチュエータ３２の駆動方法について図６〜図８を用いて説明する。図６（ｂ）は、図６（ａ）のように電位が変化したときの、振動板４０が水平な状態に対する、振動板４０中央部の位置（以下では、単に振動板４０の位置とする）を示している。図７は、振動板４０の変形を示す図である。図８は、振動板４０の変形量とノズル１５から噴射されるインク滴の噴射速度との関係を示している。なお、図６（ｂ）では、下方を正方向としており、水平な状態から上方に変形している場合には負の値で示している。

第１電極４２には、前述したように、予めＶ１１の電位が付与されている。これにより、第１電極４２のグランド電位に保持された振動板４０との間に電位差が発生し、圧電層４１の第１電極４２と振動板４０とに挟まれた部分には、その厚み方向に電界が作用する。すると、圧電層４１の分極方向が厚み方向と平行であることから、分極方向と直交する面方向に収縮する。この圧電層４１の収縮に伴って、振動板４０は下に凸になるように下方にＤ１１だけ変形し、第２電極４３の電位がグランド電位である場合、図６（ｂ）、図７（ａ）に示すように振動板４０の位置はＰ１１となる（Ｄ１１＝｜Ｐ１１｜）。

印字を行う際には、図６（ａ）に示すように、第２電極４３の電位をグランド電位からＶ１２に変化させるとともに、同じタイミングで、印字指令のあった第１電極４２の電位を、Ｖ１１からグランド電位に変化させる。これにより、圧電層４１の第１電極４２と振動板４０とに挟まれる部分に作用していた電界による振動板４０の変形が元に戻るとともに、圧電層４１の第２電極４３と振動板４０とに挟まれる部分に厚み方向の電界が作用し、圧電層４１のこの部分が水平方向に収縮することにより、振動板４０の圧力室１０の略中央部と対向する部分が持ち上げられる。つまり、振動板４０がＤ１２だけ上方に変形し、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示すように、その位置がＰ１２（＜０）となる（Ｄ１２＝｜Ｐ１１−Ｐ１２｜）。これにより、圧力室１０の容積が増加し、圧力室１０内のインクの圧力が低下するため、マニホールド流路１１から圧力室１０にインクが流れ込む。

そして、時間Ｔ２が経過後、第２電極４３の電位をＶ１２からグランド電位に変化させるとともに、同じタイミングで、第１電極４２の電位をグランド電位からＶ１１に変化させる。これにより、圧電層４１の第１電極４２と振動板４０とに挟まれる部分に電界が作用して、振動板４０の圧力室１０の略中央部と対向する部分が下方に変形するとともに、圧電層４１の第２電極４３と振動板４０とに挟まれる部分に作用していた電界による振動板４０の変形が元に戻る。つまり、振動板４０がＤ１２だけ下方に変形して、図６（ｂ）、図７（ａ）に示すように、その位置がＰ１１となる。これにより、圧力室１０の容積は減少し、圧力室１０内のインクの圧力が増加する（噴射可能な大きさの圧力が付与される）。このように、印字を行う際には、第１電極４２と第２電極４３とで、電位の増減が逆になるように電位を変化させている。

ここで、図８に示すように、振動板４０の変形量がＤ０以上の場合にのみ、ノズル１５からインク滴が噴射される。すなわち、振動板４０の変形量がＤ０のときに圧力室１０内のインクに付与される圧力が噴射に必要な最小噴射圧力となっている。本実施の形態では、Ｖ１１及びＶ１２を、振動板４０の変形量Ｄ１２がＤ０よりも大きくなるように設定されており、上述のように印字指令のあったノズル１５に対応する第１電極４２及び第２電極４３の電位を変化させることによりノズル１５からＳ０の速度でインク滴が噴射される。

なお、このときの振動板４０の変形は、圧電層４１の第１電極４２と振動板４０とに挟まれた部分及び第２電極４３と振動板４０とに挟まれた部分に作用する電界によってもたらされたものであるが、圧電層４１の第１電極４２と振動板４０とに挟まれた部分にのみ電界が作用した場合にも、振動板４０はＤ１１だけ変形し、圧力室１０内のインクの圧力が変化する。この場合の変形量Ｄ１１はＤ０以上であってもよく、Ｄ０より小さくてもよい。つまり、第１電極４２の電位の変化のみによってノズル１５からインク滴を噴射されるように構成されていてもよく、第１電極４２の電位の変化のみではノズル１５からインク滴は噴射されず、第１電極４２の電位と第２電極４３の電位とが前述のように同時に変化したときにのみノズル１５からインク滴が噴射されるように構成されていてもよい。

これらいずれの場合においても、第１電極４２に付与される電位の変化によって生じる振動板４０の変形は、圧力室１０内のインクにノズル１５から噴射させる圧力を付与するために用いられるが、後者の場合は前者の場合と比べて第１電極４２の電位の変化量を小さくできるので、消費電力を低減させることができる。

一方、印字指令のない（噴射を行わない）ノズル１５に対応する第１電極４２の電位はＶ１１のままであり、第２電極４３の電位のみが変化している。第２電極４３の電位がグランド電位からＶ１２に変化すると、圧電層４１の第２電極４３と振動板４３とに挟まれた部分に電界が作用し、振動板の圧力室１０の略中央部に対向する部分が上方に持ち上げられる。これにより、振動板４０がＤ１３だけ上方に変形し、図６（ｂ）、図７（ｃ）に示すように、その位置がＰ１３となる（Ｄ１３＝｜Ｐ１１−Ｐ１３｜）。これにより圧力室１０内のインクの圧力が減少する。

第２電極４３の電位がＶ１２からグランド電位に変化すると、圧電層４１の第２電極４３と振動板４０とに挟まれた部分に作用していた電界による振動板４０の変形が元に戻る。これにより、振動板４０が下方にＤ１３だけ変形して図６（ｂ）、図７（ａ）に示すように、その位置がＰ１１になる。これにより、圧力室１０内のインクの圧力が増加する。

ここで、図８に示すように、振動板４０の変形量がＤ０以下である場合には、ノズル１５からインク滴は噴射されない。本実施の形態では、Ｖ１２は、振動板４０の変形量Ｄ１３がＤ０よりも小さくなるように設定されており、ノズル１５からインク滴は噴射されることなく、上述したように圧力室１０内のインクの圧力が変化する（振動用圧力が付与される）ことにより、圧力室１０に連通するノズル１５内のインクのメニスカスが振動し、ノズル１５内のインクが攪拌される。すなわち、第２電極４３の電位に付与される電位の変化によって生じる振動板４０の変形は、圧力室１０内のインクにノズル１５内のメニスカスを振動させる圧力を付与するために用いられる。これにより、ノズル１５内のインクの粘度の増加が防止される。したがって、ノズル１５が目詰まりしにくくなり、印字中にノズル１５の目詰まりを防止するためのフラッシングを行う頻度が少なくなり、印字速度が向上する。

以上に説明した実施の形態によると、所定の周期Ｔ１毎に第２電極４３の電位を同時にＶ１２及びグランド電位に設定し、振動板４０を変形させることによって、圧力室１０内のインクに振動用圧力を付与してノズル１５内のインクのメニスカスを振動させているため、印字指令の有無に関わらず、ノズル１５内のインクの粘度が増加するのを防止することができる。これにより、印字中にノズル１５の目詰まりを解消するためのフラッシングを行う頻度を減らすことができ、印字速度を向上させることができる。さらに、複数の第２電極４３が配線４４を介して互いに導通していることから、複数の圧力室１０内のインクに同時に振動用圧力を付与することができる。さらに、ドライバＩＣ５０は１つの接点４４ａを介して複数の第２電極４３と接続されていればよく、接点数を減らしてコストを低減できる。

また、圧力室１０の略中央部に重なる位置に形成された第１電極４２と圧力室１０の外周部に沿って形成された第２電極４３とで、その増減が互いに逆になるように電位を変化させているので、第１電極４２及び第２電極４３に付与する電位を大きくすることなく振動板４０の変形量を大きくすることができ、圧力室１０内のインクに大きな噴射用圧力を付与することができる。また、このとき、印字指令のあったノズル１５に対応する第１電極４２の電位を変化させるとともに、印字のタイミングに合わせて第２電極４３の電位を変化させることにより、印字指令のないノズル１５内のインクのメニスカスを振動させてノズル１５内のインクの粘度の増加を防止することができるので、ドライバＩＣ５０による第２電極４３の電位の制御が容易になる。

また、第２電極４３に供給される電位Ｖ１２が第１電極４２に供給される電位Ｖ１１よりも小さいため、印字を行わないときに、ノズル１５からインク滴が噴射されてしまうのを確実に防止することができる。

また、第１電極４２の電位をＶ１１及びグランド電位の何れかに設定し、第２電極４３の電位をＶ１２及びグランド電位の何れかに設定することにより圧電アクチュエータ３２を駆動させているため、ドライバＩＣ５０により供給される電位の種類を少なくすることができる。

なお、本実施の形態の場合のように、圧電層４１の表面に第１電極４２及び第２電極４３の両方を形成せずに、圧電層４１の表面に第１電極４２のみを形成しておき、周期Ｔ１毎に、振動用圧力を付与するために全ての第１電極４２の電位を変化させた後、噴射用圧力を付与するためにインク滴の噴射を行うノズル１５に対応する第１電極４２の電位を変化させる、又は、噴射用圧力を付与するためにインク滴の噴射を行うノズル１５に対応する第１電極４２の電位を変化させた後、振動用圧力を付与するために全ての第１電極４２の電位を変化させることも考えられる。しかし、この場合には、インク滴を噴射するノズル１５に対応する第１電極４２においては、周期Ｔ１の間に、振動用圧力を付与するための時間及び噴射用圧力を付与するための時間の両方が必要となるため、周期Ｔ１を大きくする必要がある。本実施の形態では、周期Ｔ１毎に、振動用圧力を付与するために全ての第２電極４３の電位を変化させておき、同じタイミングで、噴射用圧力を付与するためにインク滴の噴射を行うノズル１５に対応する第１電極４２の電位を変化させることにより、振動用圧力と噴射用圧力とを同時に付与しているので周期Ｔ１を小さくすることができる。

次に、本実施の形態に種々の変更を加えた変形例について説明する。ただし、本実施の形態と同様の構成を有するものについては同じ符号を付し、適宜その説明を省略する。

図９に示すように、第１電極４２（図２参照）に供給する電位（第１電位）と第２電極４３（図２参照）に供給する電位（第２電位）とが同じ電位Ｖ２１（例えば、１６（Ｖ））であってもよい（変形例１）。

この場合、第１電極４２には、予めＶ２１の電位が付与されており、図８（ｂ）に示すように、振動板４０は下方にＤ２１だけ変形しており、その位置がＰ２１となっている（Ｄ２１＝｜Ｐ２１｜）。

そして、印字を行う場合には、第２電極４３の電位をグランド電位からＶ２１に変化させるとともに、同じタイミングで、印字指令をあったノズル１５に対応する第１電極４２の電位をＶ２１からグランド電位に変化させる。これにより、振動板４０がＤ２２だけ上方に変形してその位置がＰ２２になり（Ｄ２２＝｜Ｐ２１−Ｐ２２｜）、圧力室１０の容積が増加することにより圧力室１０内のインクの圧力が低下するため、マニホールド流路１１から圧力室１０にインクが流れ込む。さらに、時間Ｔ２経過後、第２電極４３の電位をＶ２１からグランド電位に変化させるとともに、同じタイミングで、第２電極４３の電位をＶ２１からグランド電位に変化させる。これにより、振動板４０を上方にＤ２２だけ変形させてその位置をＰ２１に戻す。これにより、圧力室１０の容積が減少し、圧力室１０内のインクに噴射可能な大きさの圧力が付与されるため、圧力室１０に連通するノズル１５からインク滴が噴射される。

一方、印字指令のないノズル１５に対応する第１電極４２の電位はＶ２１のままであり、第２電極４３の電位のみが変化している。第２電極４３の電位グランド電位からＶ２１に変化すると、図９（ｂ）に示すように、振動板４０がＤ２１だけ上方に変形してその位置が０になり、第２電極４３の電位がＶ２１からグランド電位に変化すると、振動板４０がＤ２１だけ下方に変形してその位置がＰ２１に戻る。これにより、圧力室１０内のインクに振動用圧力が付与され、圧力室１０内に連通するノズル１５内のインクのメニスカスが振動し、ノズル１５内のインクが攪拌される。したがって、ノズル１５（図４参照）内のインクの粘度の増加が防止される。

この場合には、第１電極４２及び第２電極４３の電位はＶ２１及びグランド電位の何れかに設定されるので、ドライバＩＣ５０（図２参照）により供給する電位の種類をさらに少なくすることができる。なお、第１電極４２及び第２電極４３に供給される電位Ｖ２１は、振動板４０の変形量Ｄ２１がＤ０（図８参照）よりも小さく且つ変形量Ｄ２２がＤ０よりも大きくなるように設定されている。

図１０に示すように、第２電極６３が圧力室１０の長手方向の一方（図１０の左側）の端部付近の外周部に沿ってのみ配置されていてもよい（変形例２）。この場合でも、第１電極４２及び第２電極６３の電位を、実施の形態と同様に変化させて、印字指令のあったノズル１５に対応する圧力室１０内のインクに噴射可能な大きさの圧力を付与することにより、ノズル１５からインク滴をすることができるとともに、印字指令のないノズル１５に対応する圧力室１０内のインクに振動用圧力を付与することにより、ノズル１５内のインクのメニスカスを振動させ、ノズル１５内のインクを攪拌させて、ノズル１５内のインクの粘度の増加を防止することができる。

図１１に示すように、第１電極７２が、圧力室１０の長手方向の一方（図１１の左側）の端部を除く領域においてその外周部に沿って第２の電極７３の外側に形成されており、第２電極７３が、圧力室１０の略中央部に重なるように配置されていてもよい（変形例３）。この場合、第１電極７２は、第１電極７２の一方（図１１の右側）の端部から圧力室１０に対向しない位置まで延びた接点７２ａによりドライバＩＣ５０（図２参照）に接続されており、第２電極７３は、実施の形態と同様、配線４４（図２参照）を介してドライバＩＣ５０に接続されている。

この場合には、実施の形態における第１電極４２（図４参照）及び第２電極４３（図４参照）の電位の変化（図６参照）とは、その増減が逆になるように、第１電極７２及び第２電極７３の電位を変化させる。つまり、実施の形態において第１電極４２及び第２電極４３の電位を増加させるのと同じタイミングで、第１電極７２及び第２電極７３の電位を減少させ、第１電極４２及び第２電極４３の電位を減少させるのと同じタイミングで、第１電極７２及び第２電極７３の電位を増加させる。これにより、実施の形態と同様、印字を行うノズル１５に対応する圧力室１０内のインクに噴射可能な大きさの圧力を付与することによってノズル１５からインク滴を噴射させることができるとともに、印字を行わないノズル１５に対応する圧力室内のインクに振動用圧力を付与することによって、ノズル１５内のインクのメニスカスを振動させ、ノズル１５内のインクを攪拌させて、ノズル１５内のインクの粘度の増加を防止することができる。

図１２に示すように、圧力室１０の略中央部に対向する位置に、圧力室１０の長手方向に隣接して第１電極８２と第２電極８３とが配置されていてもよい（変形例４）。ここで、第１電極８２は第２電極８３よりも面積が大きくなるように形成されている。また、第１電極８２は、その一方（図１２の右側）の端部から図１１の右側に延びた接点８２ａによりドライバＩＣ５０（図２参照）に接続され、第２電極８３は、実施の形態と同様、配線４４を介してドライバＩ５０に接続されている。

この場合には、図１３（ａ）に示すように、第１電極８２には予めＶ３１（第１電位）の電位が付与されるとともに、第２電極８３にはＶ３２（＜Ｖ３１、第２電位）の電位が付与されている。これにより、図１３（ｂ）に示すように、振動板４０（図４参照）を下方にＤ３１だけ変形してその位置がＰ３１になる（Ｄ３１＝｜Ｐ３１｜）。

印字を行う場合には、第２電極８３の電位をＶ３２からグランド電位に変化させるとともに、同じタイミングで、印字指令のあったノズル１５に対応する第１電極８２の電位をＶ３１からグランド電位に変化させる。これにより、振動板４０の変形が元に戻る、つまり、図１３（ｂ）に示すように、振動板４０が上方にＤ３１だけ変形し、その位置が０になる。このとき、圧力室１０の容積は増加し、圧力室１０内の圧力が低下するため、マニホールド流路１１から圧力室１０にインクが流れ込む。そして、時間Ｔ２経過後、第２電極８３の電位をグランド電位からＶ３２に変化させるとともに、同じタイミングで、この第１電極８２の電位をグランド電位からＶ３１に変化させる。これにより、図１３（ｂ）に示すように、振動板４０が下方にＤ３２だけ変形してその位置がＰ３１となる。このとき、圧力室１０の容積は減少し、圧力室１０内のインクの圧力が増加する（噴射可能な大きさの圧力が付与される）ため、ノズル１５からインク滴が噴射される。

このように、変形例４においては、印字を行う際、第１電極８２の電位を増加させるときに第２電極８３の電位も増加させ、第１電極８２の電位を減少させときには第２電極８３の電位も減少させる。つまり、第１電極８２の電位を変化させるタイミングで第２電極８３の電位を第１電極８２とその増減が同じになるように変化させている。

一方、印字指令のないノズル１５に対応する第１電極８２の電位はＶ３１のままであり第２電極８３の電位のみが変化する。第２電極８３の電位をＶ３２からグランド電位に変化させると、振動板４０が上方にＤ３２だけ変形し、その位置がＰ３２になり（Ｄ３２＝｜Ｐ３１−Ｐ３２｜）、第２電極８２の電位をグランド電位からＶ３２に変化させると、図１３（ｂ）に示すように、この変形が元に戻り（振動板４０が下方にＤ３２だけ変形し）、振動板４０の位置がＰ３１になる。これにより、圧力室１０内のインクの圧力が変化し（振動用圧力が付与され）、ノズル１５内のインクのメニスカスが攪拌されるため、ノズル１５内のインクの粘度が増加するのが防止される。

ここで、第１電極８２の面積は、第２電極８３の面積よりも大きくなっているため、振動用圧力は噴射用可能な大きさの圧力よりも確実に小さくなり、圧力室１０内のインクに振動用圧力を付与したときにノズル１５からインク滴が噴射されてしまうのを確実に防止することができる。

なお、変形例４では、図１３（ｂ）に示す振動板４０の変形量Ｄ３１がノズル１５からインク滴を噴射するのに最低必要な変形量Ｄ０（図７参照）よりも小さく、変形量Ｄ３２が変形量Ｄ０よりも大きくなるように、Ｖ３１及びＶ３２が設定されている。

図１４に示すように、第１電極９２が圧力室１０の長手方向の一方（図１４の右側）の端部及び圧力室１０の短手方向の両端部の一部に圧力室１０の外周部に沿って配置されており、第２電極９３が、圧力室１０の短手方向の一方（図１４の上側）の端部の一部に圧力室１０の外周部に沿って圧力室１０の長手方向に延びて配置されていてもよい（変形例５）。このとき、第１電極９２は、第２電極９３よりも面積が大きくなるように形成されている。また、第１電極９２は、その一方（図１４の右側）の端部から図１４の右側に延びた接点９２ａによりドライバＩＣ５０（図２参照）に接続され、第２電極９３は、実施の形態と同様、配線４４を介してドライバＩＣ５０に接続されている。

この場合には、変形例４における第１電極８２及び第２電極８３（図１２参照）の電位の変化（図１３（ａ）参照）とはその増減が逆になるように、第１電極９２及び第２電極９３の電位を変化させる。つまり、変形例４において第１電極８２及び第２電極８３の電位を増加させるのと同じタイミングで、第１電極９２及び第２電極９３の電位を減少させ、第１電極８２及び第２電極８３の電位を減少させるのと同じタイミングで、第１電極９２及び第２電極９３の電位を増加させる。これにより、実施の形態と同様、印字を行うノズル１５に対応する圧力室１０内のインクに噴射可能な大きさの圧力を付与することによってノズル１５からインク滴を噴射するとともに、印字を行わないノズル１５に対応する圧力室１０内のインクに振動用圧力を付与することにより、ノズル１５内のインクのメニスカスを振動させて、ノズル１５内のインクの粘度の増加を防止することができる。また、この場合、第１電極９２の面積が第２電極９３の面積よりも大きくなっているため、振動用圧力は噴射可能な大きさの圧力よりも確実に小さくなり、振動用圧力を付与したときに、ノズル１５からインク滴が噴射されてしまうのを確実に防止することができる。

図１５に示すように、振動板４０と圧電層４１との間に絶縁層１０５が形成され、絶縁層１０５の上面の平面視で圧力室１０の略中央部と対向する位置に複数の第１電極１０２が形成され、圧力室１０の外周部に対向する位置に複数の第２電極１０３が形成されており、圧電層４１の上面全体に共通電極（第３電極）１０４が形成されていてもよい（変形例６）。ここで、複数の第２電極１０３同士は、絶縁層１０４の上面の平面視で配線４４（図２参照）が形成されているのと対応する位置に形成された図示しない配線によって互いに導通している。この場合も、実施の形態と同様に、第１電極１０２及び第２電極１０３の電位を変化させて、印字を行うノズル１５に対応する圧力室１０内のインクに噴射用圧力を付与することにより、ノズル１５からインク滴を噴射することができるとともに、印字を行わないノズル１５に対応する圧力室１０内のインクに振動用圧力を付与することにより、ノズル１５内のインクのメニスカスを振動させ、ノズル１５内のインクを攪拌させて、ノズル１５内のインクの粘度の増加を防止することができる。

以上の説明では、印字を行うノズル１５に対応する第１電極の電位と第２電極の電位とを同時に変化させることにより噴射用圧力を付与していたが、第１電極の電位のみを変化させることにより噴射用圧力を付与してもよい。この場合には、インク滴の噴射を行わないタイミングで、第２電極の電位を変化させて、振動用圧力を付与する。

以上の説明では、本発明をノズルからインクを噴射するインクジェットヘッドに適用した例について説明したが、このほか、試薬、生体溶液、配線材料溶液、電子材料溶液、冷媒用、燃料用などインク以外の液体を噴射する液滴噴射装置に本発明を適用することも可能である。

本発明における実施の形態に係るインクジェットプリンタの概略斜視図である。 図１のインクジェットヘッドの平面図である。 図２の部分拡大図である。 図３のIV−IV線断面図である。 図３のＶ−Ｖ線断面図である。 （ａ）は図２の第１電極及び第２電極の電位の変化を示した図であり、（ｂ）は（ａ）に対応する振動板の位置を示す図である。 振動板の変形を表す断面図である。 振動板の変形量とインク滴の噴射速度との関係を示す図である。 変形例１の図６相当の図である。 変形例２の図３相当の平面図である。 変形例３の図３相当の平面図である。 変形例４の図３相当の図である。 変形例４の図６-相当の平面図である。 変形例５の図３相当の平面図である。 変形例６の図５相当の断面図である。

符号の説明

３ インクジェットヘッド
１５ ノズル
３１ 流路ユニット
３２ 圧電アクチュエータ
４０ 振動板
４１ 圧電層
４２ 第１電極
４３ 第２電極
５０ ドライバＩＣ
８２ 第１電極
８３ 第２電極

Claims (12)

1. 複数のノズルにそれぞれ連通する複数の圧力室を含む流路ユニットと、この流路ユニットの一表面に配置された圧電アクチュエータとを備え、
   前記圧電アクチュエータは、
   前記複数の圧力室を覆う振動板と、
   この振動板の前記圧力室と反対側に配置された圧電層と、
   この圧電層の一方の面の前記複数の圧力室と対向する位置にそれぞれ配置され、前記圧力室内の液体に前記ノズルから噴射させるための噴射用圧力を付与する複数の第１電極と、
   同じく前記圧電層の前記一方の面の前記複数の圧力室と対向する位置にそれぞれ配置され、前記圧力室内の液体に、前記ノズル内のメニスカスを振動させるための振動用圧力を付与する複数の第２電極と、
   前記圧電層の他方の面に配置され、前記複数の第１電極及び前記複数の第２電極と前記圧電層を挟んで対向する第３電極と、
   前記圧力室内の液体に前記噴射用圧力を付与するために前記第１電極の電位を変化させるとともに、前記圧力室内の液体に前記振動用圧力を付与するために前記第２電極の電位を変化させる電位変更手段とを有し、
   前記複数の第２電極が互いに導通していることを特徴とする液滴噴射装置。
2. 前記第２電極によって付与される前記振動用圧力は、前記圧力室内の液体を前記ノズルから噴射させることのできる最小噴射圧力よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の液滴噴射装置。
3. 前記第１電極によって付与される前記噴射用圧力は、前記最小噴射用圧力よりも小さく、前記第１電極によって付与される前記噴射用圧力と前記第２電極によって付与される前記振動用圧力とが合わさった圧力が、前記最小噴射用圧力よりも大きくなることを特徴とする請求項２に記載の液滴噴射装置。
4. 前記電位変更手段は、前記第３電極に所定の定電位を常に付与するとともに、所定の周期毎に前記ノズルからインクが噴射される噴射機会が生じるように前記第１及び第２電極の電位を制御するものであり、
   前記噴射機会毎に、前記複数の第１電極のうちの選択された前記第１電極の電位を変化させるとともに、前記複数の第２電極の電位を変化させることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の液滴噴射装置。
5. 前記電位変更手段は、前記第３電極の電位をグランド電位に設定するとともに、前記第１電極に所定の第１電位とグランド電位とを選択的に付与し、前記第２電極に所定の第２電位とグランド電位とを選択的に付与するものであることを特徴とする請求項４に記載の液滴噴射装置。
6. 前記第１電位と前記第２電位が等しいことを特徴とする請求項５に記載の液滴噴射装置。
7. 前記第２電位は前記第１電位よりも小さいことを特徴とする請求項５に記載の液滴噴射装置。
8. 前記第１電極と前記第２電極の一方が、前記圧電層の前記一方の面の、前記圧力室の中央部と対向する位置に配置され、
   前記第１電極と前記第２電極の他方が、前記圧電層の前記一方の面の、前記一方の電極の外側に配置されていることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の液滴噴射装置。
9. 前記電位変更手段は、前記第１電極の電位を変化させるタイミングで、前記第２電極の電位を前記第１電極とは増減が逆になるように変化させることを特徴とする請求項８に記載の液滴噴射装置。
10. 前記第１電極と前記第２電極は、ともに、前記圧力室の中央部と対向する位置に配置されており、前記第１電極の面積が前記第２電極の面積よりも大きいことを特徴とすることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の液滴噴射装置。
11. 前記第１電極と前記第２電極は、ともに、前記圧力室の外周部と対向する位置に配置されており、前記第１電極の面積が、前記第２電極の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の液滴噴射装置。
12. 前記電位変更手段は、前記第１電極の電位を変化させるタイミングで、前記第２電極の電位を前記第１電極と増減が同じになるように変化させることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の液滴噴射装置。

Images