JPH11245401A

JPH11245401A - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置

Info

Publication number: JPH11245401A
Application number: JP4773798A
Authority: JP
Inventors: Masataka Sakaeda; 正孝榮田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 1999-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】振動板に電極を設けずに、クーロン力を利用
して振動板を振動させ液体を吐出する。【解決手段】凹部１２ａが形成されたシリコン基板１
２の表面には制御電極２１が設けられ、凹部１２ａ内に
おいて制御電極２１上には高誘電率体２２が設けられ
る。制御電極２１および高誘電率体２２が設けられたシ
リコン基板１２上に、厚み方向に分極された強誘電体層
２３が高誘電率体２２と対向する部位に設けられた振動
板１４が設置され、高誘電率体２２と強誘電体層２３と
はギャップ２４を介して対向する。振動板１４上には、
インク室１６およびノズル１３ｂが形成された構造体１
３が固定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に、オンデマン
ド型のインクジェット記録ヘッドに用いられる液体吐出
ヘッドに関する。また本発明は、インクジェット記録ヘ
ッドへの使用ばかりでなく、インクの塗布や、微量医薬
の噴霧、噴出などに用いられる液体吐出素子、さらに
は、小型かつ低電圧で変形による移動や能動を行う素子
にも適用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】静電力は、古くから知られていた自然現
象である。＋の電荷と−の電荷はクーロン力により引き
合い、逆に、−の電荷と−の電荷や、＋の電荷と＋の電
荷はクーロン力により反発しあう。また、＋の電位と−
の電位は同様にその電位を有する表面に誘発される電荷
により相互に引き合い、＋の電位と＋の電位、−の電位
と−の電位は同様に反発しあう。近年、このクーロン力
による物体の変形、変位を利用し、インクを吐出させる
静電型のインクジェットヘッドの研究がなされている。

【０００３】例えば、特開平２−２８９３５１号公報や
特開平６−５５７３２号公報には、静電力によりインク
を吐出する力を得て、オンデマンドにて印字を行うイン
クジェット記録ヘッドが開示されている。

【０００４】特開平２−２８９３５１号公報に開示され
たインクジェット記録ヘッドは、図９に示すように、上
面に共通電極１０３２が設けられた基板１０１２の上
に、下面に個別電極１０３３が設けられた振動板１０１
４が配置され、さらに、振動板１０１４の上に、共通イ
ンク室１０３４、インク流路１０１６および吐出口１０
１７を構成する天板１０１３が配置された構成となって
いる。共通電極１０３２と個別電極１０３３の間には適
宜なギャップを有し、このギャップには強誘電性液晶１
０３１が満たされている。そして、個別電極１０３３と
共通電極１０３２との間にパルス状の電圧の印加をする
ことにより、静電力により振動板１０１４が振動し、こ
れによってインク流路１０１６の容積が変化し、吐出口
１０１７からインクが吐出される。

【０００５】また、特開平６−５５７３２号公報に開示
されたインクジェット記録ヘッドは、図１０に示すよう
に、ガラス基板１１４１上に対向電極１１３３が形成さ
れ、さらにその上に、絶縁膜１１４２を介して、上面に
共通電極１１３２が形成されたシリコン基板１１１２が
配置されている。また、共通電極１１３２上には振動板
１１１４が配置され、その上にカバー１１１３が固定さ
れることによって、ノズル１１１７およびインク室１１
１６が形成される。このインクジェット記録ヘッドも、
共通電極１１３２と対向電極１１３３との間にパルス状
の電圧を印加することにより振動板１１１４が振動し、
振動板１１１４の戻りの弾性反発力によりノズル１１１
７からインクが吐出される。

【０００６】これらの技術に共通するものは、いずれも
マルチノズルの静電型インクジェットヘッドであり、１
つのインク吐出用ノズルには、２つの電極が対向配置さ
れていることである。２つの電極のうち一方は共通電極
になっている場合もあるが、これら２つの電極間に働く
クーロン力を用いて振動板を変形させ、インクを吐出し
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のインクジェット
記録ヘッドでは、振動板をシリコンのエッチングにより
形成しており、このシリコンを共通電極にしている。振
動板の大きな振動変位を得ようとすれば、電極に印加す
る電圧を高くするか、振動板を変形し易いものにする必
要がある。また、振動板が導電体であるために、インク
吐出動作時に電荷が部分的に逃げて、クロストークが発
生する。

【０００８】一般的に、ロジックＩＣやメモリなどの半
導体素子は１２Ｖや２４Ｖの電圧で動作させることが多
く、これ以上高い駆動電圧を得ようとすれば、特別な昇
圧素子や昇圧回路が必要となる。さらに、電極間でマイ
グレーションなどにより短絡する危険性も高くなる。

【０００９】従って、より変形し易い振動板が必要とな
る。振動板を変形し易くするためには、振動板の厚さを
薄くすればよい。振動板の厚さを薄くすると、振動板に
同じ力を加えた場合、弾性体の撓み量は厚さに逆比例す
る。従って、振動板の厚さを薄くすれば、それに比例し
て撓み易くなる。

【００１０】しかし、シリコンは、エッチングやその他
の処理において薄膜化できるが、機械的な強度が弱く、
長さが１００μｍ、厚さが１０μｍの基板の基板の場
合、０．５〜１μｍ以上の変位を与えると破壊してしま
う。また、変位を繰り返すことによってマイクロクラッ
クの進行が進み、１００万回の繰り返しでは０．５μｍ
以下の変位でも破壊してしまうおそれがある。

【００１１】よって、シリコンは、１０μｍ以下の厚さ
では、振動板として使用することは困難である。そこ
で、シリコン以外の材料、例えばニッケルやステンレス
などの金属で振動板を構成すると、１０ｋＨｚレベルの
振動においては、電気機械変換追従性が悪くなってしま
う。つまり、電荷移動によるクロストークが発生して、
電気信号に振動板の振動が追いつかなくなってしまう。

【００１２】また、振動板の変位量を大きくするために
は、電極物質の表面に多くの電荷を収束させる必要があ
るが、これらの物質は、ペロブスカイト型の酸化物であ
り、これらの物質を表面に形成させて、変形させること
は基本的に不可能である。それは、金属と酸化物との接
合強度は低く、剥がれ落ち易いためである。これはシリ
コンにおいても同様である。

【００１３】これらの振動板として最も適した材料は、
Ｙｅ添加のＺｒＯ₂基板で、結晶粒が０．１〜１μｍ以
下のものである。この基板は、３μｍ程度の厚さとなっ
ても十分な強度と振動追従性を持つ。また、表面に多く
の電荷を形成させるために、上記のペロブスカイト型の
酸化物を形成しても、この酸化物との相性もよいため接
合強度も高く、剥がれにくいものである。

【００１４】しかし、従来のインクジェット記録ヘッド
の構造では振動板にも電極を設置しなければならず、Ｚ
ｒＯ₂基板にも電極を配置する必要がある。ＺｒＯ₂基板
に電極を配置するには、金属めっきや蒸着スパッタによ
り、部分電極や全面電極を形成する方法がある。しか
し、厚さ３〜８μｍの基板に０．５〜１μｍ程度の電極
層を形成すれば、ＺｒＯ₂基板の基板特性や耐破壊性は
大きく低下してしまう。また、電極の形成に伴う設備コ
ストや生産工数も考慮すると、経済的にも好ましいもの
ではない。

【００１５】一方、起動の起点となる液室枠の部分で固
定される振動板の部分は、極力、コートあるいはスパッ
タなどされている物質がないことが好ましい。それは、
安定化ジルコニア基板自体の表面が亀裂が発生しにくい
性質を有し、ここに亀裂や傷の付き易い材料をコーティ
ングしたりスパッタすると、この部分からの亀裂破壊
が、安定化ジルコニアより構成される振動板に達し、そ
の亀裂が振動板自体を破壊するためである。しかし、従
来の静電型のインクジェット記録ヘッドでは、振動板に
電極を形成する必要があるので、振動板にコーティング
やスパッタを施さないで構成することはできない。

【００１６】つまり、従来の技術によれば、振動板に電
極が必要であり、さらに言及すれば、振動板を変形させ
るためには、振動板に形成された電極、もしくは振動板
自体が電極の場合は振動体に、対向した第２の電極が必
要であるということである。そこで本発明は、振動板に
電極を設けずに、クーロン力を利用して振動板を振動さ
せ液体を吐出する液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を
提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するノズル部
と、該ノズル部に供給する液体を保持する液室と、該液
室に面して配置された振動板と、静電力を利用して前記
振動板を振動させる振動板駆動部とを有する液体吐出ヘ
ッドにおいて、前記振動板の前記液室と反対側の面には
分極処理された誘電体層が形成され、前記振動板駆動部
には、前記誘電体層の表面に電荷を発生させるために前
記誘電体層と空間を介して対向配置された制御電極が設
けられていることを特徴とするものである。また、表面
に凹部が形成された基板と、前記基板の凹部内に形成さ
れた制御電極と、前記制御電極が形成された基板上に設
置され、前記制御電極と空間を介して対向するように誘
電体層が形成された振動板と、前記振動板上に設置さ
れ、吐出用の液体を保持する液室を構成するための溝が
前記基板の凹部と対向する部位に形成されるとともに、
液体を吐出するために前記液室と連通するノズル部が一
壁面に形成された構造体とを有するものである。

【００１８】上記のとおり構成された本発明の液体吐出
ヘッドでは、振動板の制御電極との対向面に、分極され
た誘電体層が制御電極と空間を介して形成されているの
で、振動板に電極を設けなくても電荷を保持することが
でき、クーロン力による振動板の振動を制御可能とな
る。特に、制御電極に、誘電体層と対向する高誘電体材
料を形成することで、より強いクーロン力が発生する。
誘電体層としては、強誘電体材料からなるものが好まし
い。誘電体の分極により、電荷が固定されるので、クロ
ストークによる吐出追従劣化が発生しなくなる。

【００１９】本発明の液体吐出装置は、上記本発明のい
ずれかの液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドの制御
電極に電圧を印加するための信号発生手段とを有する。

【００２０】または、上記本発明のいずれかの液体吐出
ヘッドを着脱自在に保持するためのキャリッジと、前記
液体吐出ヘッドの制御電極に電圧を印加するための信号
発生手段とを有する。

【００２１】本発明の液体吐出装置においては、吐出さ
れる液体の電位を安定にするために、液体吐出ヘッド内
の液体と電気的に接続される接地電極を有することが好
ましい。

【００２２】なお、本発明の説明で用いる「強誘電体」
とは、誘電体の中でも分極特性を有するものであり、誘
電率が１００以上で、強力な外部電場により分極し、ま
た、結晶方位をそろえることでこの分極特性が強くな
る。

【００２３】また、本発明でいう「高誘電体」または
「高誘電率体」は、上記のように分極特性がなく、つま
り常誘電体で、かつ、誘電率が高いものをいう。例え
ば、ＴｉＯ₂にＺｒＯを添加したものが、誘電率が１０
０程度で、分極しない最高の常誘電体である。

【００２４】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００２５】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態であるインクジェット記録ヘッドの断面図で
ある。また、図２は、図１に示したインクジェット記録
ヘッドの振動板駆動部の近傍を拡大した図である。な
お、以下の説明では、インク室１６の長手方向に関して
吐出口１７が開口した側の端を先端といい、それと反対
側の端を後端という。

【００２６】図１において、保持体１１上には、後述す
るように静電力を利用して振動板１４を図示上下方向に
変形させる振動板駆動部１５が表面に設けられたシリコ
ン基板１２が固定されている。シリコン基板１２は、樹
脂の射出成形等で成形された構造体１３に、振動板１４
を挟んで加圧ばね１９によって押圧されている。

【００２７】構造体１３の、シリコン基板１２と対向す
る面には溝１３ａが形成されており、この溝１３ａとシ
リコン基板１２とで構成される空間がインク室１６とな
る。構造体１３の前端壁には、インク室１６の先端と連
通する吐出口１７が開口したノズル１３ｂが形成されて
いる。構造体１３の吐出口１７が開口した面は吐出口面
１３ｃといい、この吐出口面１３ｃには撥水剤が塗布さ
れている。また、構造体１３には、インクの供給源（不
図示）とインク室１６の後端部とを連通する供給路１８
が形成されており、この供給路１８を介してインク室１
６にインクが供給される。供給路１８から供給されたイ
ンクは、吐出口１７でメニスカスを形成してノズル１３
ｂおよびインク室１６を満たした状態を保つ。

【００２８】さらに、構造体１６には、インク室１６内
において、供給路１８のインク室１６への開口である供
給口１８ａと振動板駆動部１５との間に突起形フィルタ
１３ｄが形成され、これにより、供給口１８ａからイン
ク室１６に供給されたインク中の固形物や異物が進入す
るのが防止される。

【００２９】ここで、振動板駆動部１５について図２を
参照して説明する。図２に示すように、シリコン基板１
２には、その前端側の領域に凹部１２ａが形成されてお
り、この凹部１２ａからシリコン基板１２の後端にわた
って、シリコン基板１２の表面に制御電極２１が形成さ
れている。制御電極２１は、外部から電圧が印加される
電極であり、図１に示したように、その後端部におい
て、バンプ２６を介して電極リード２５と電気的に接続
される。

【００３０】さらに、シリコン基板１２の凹部１２ａ内
において、制御電極２１の上面には高誘電率体２２が設
けられる。高誘電率体２２が設けられたシリコン基板１
２の上面には、Ｙｅ（イットリウム）を添加したＺｒＯ
₂からなる振動板１４が設けられる。

【００３１】一方、振動板１４の、高誘電率体２２と対
面する部位には、厚さ方向に分極された強誘電体層２３
が設けられ、高誘電率体２２と強誘電体層２３との間に
はギャップ２４が形成されている。

【００３２】分極された強誘電体層２３は、ＢａＴｉＯ
₃やＳｒＴｉＯ₃（チタン酸ストロンチウム）やＰｂＴｉ
Ｏ₃などの誘電体を、相変態に伴う誘電率の発現点であ
るキュリー点を通過させる際に、強力な外部電界を負荷
させることで得ることができる。しかし、スパッタや蒸
着などで構成された上記の誘電体は結晶化しておらず、
また、再結晶化を行っても結晶軸などが歪んでおり、キ
ュリー点がはっきりしない。そこで、幅広い温度領域
で、強力な外部電界を負荷したまま、昇温、冷却する。
誘電体は、上記のものに限らず、分極して多くの電荷を
保持できるものであれば、どのような強誘電体材料を用
いてもよい。

【００３３】以上の構成は、１枚のシリコン基板１２お
よび１つの構造体１３に、図面と垂直な方向に複数個、
並列に配列されている。この場合、振動板１４は、各イ
ンク室１６に対応して複数設けるのではなく、シリコン
基板１２の上面全体を覆うものとすれば、構造および組
立てが簡単になる。

【００３４】次に、本実施形態のインクジェット記録ヘ
ッド１０の動作について説明する。ここでは、強誘電体
層２３はギャップ２４側の面が陰極となるように分極さ
れているとする。この状態で制御電極２１に＋２４Ｖの
電圧を印加すると、制御電極２１と高誘電率体２２との
界面に常誘電的な分極が発生し、高誘電率体２２の制御
電極２１との界面側には−の電荷が発生する。そして、
この電荷に相当する＋の電荷が、高誘電率体２２のギャ
ップ２４側の面に発生する。これにより、振動板１４
は、強誘電体層２３と高誘電率体２２との間の＋と−の
電荷によるクーロン力により引き付けられ、図示下方に
撓む。撓み量は、制御電極２１に印加する電圧により変
動する。この振動板１４の撓みにより、インク室１６の
容積が増加し、その増加分だけ供給口１８ａからインク
が供給される。

【００３５】その後、制御電極２１への電圧の印加を遮
断すると、電圧は低下するが、クーロン力によって引き
付けられている分だけ若干の電荷が高誘電率体２２に残
り、また、電圧の低下速度も遅いので、振動板１４の戻
りも遅いものとなってしまう。

【００３６】そこで、制御電極２１に−１２Ｖの電圧を
印加する。すると、高誘電率体２２のギャップ２４側の
面には−１２Ｖに相当する−の電荷が発生し、強誘電体
層２３のギャップ２４側の面に発生している−の電荷と
の反発作用により、振動板１４は強力に押し戻される。
この急峻な振動板１４の変形により、吐出口１７からイ
ンクが吐出される。また、このとき、振動板駆動部１５
の後方に存在するインクには供給口１８ａへ向かう力が
働くが、振動板駆動部１５の後方には突起形フィルタ１
３ｄが設けられているので、この突起形フィルタ１３ｄ
は供給口１８ａへ向かうインクの障壁となり、インク室
１６内のインクをより効率的に吐出口１７に導く。

【００３７】ここで、もし振動板１４が前述した従来技
術のように分極されない電気の導電体電極とした場合、
反発力を担うはずの電荷はどこかに逃げていってしまっ
て、インクは吐出されない。この点を特開平６−５５７
３２号公報に記載の記録ヘッドではシリコン板の弾性反
発力にたよっている。また、特開平２−２８９３５１号
公報にはこの点は記載されていない。従って、振動板１
４が一様な電気の導電体であれば、電荷の部分的な移動
によりクロストークが発生し、周辺のノズルまでが影響
を受けて良好な吐出が行えない。

【００３８】また、インクの吐出量を制御するために
は、インクを押し出す方向に変形した振動板１４を、再
び急激にインクを引き戻す方向に変形させるように制御
電極２１に電圧を印加する。これにより、吐出方向に移
動しているインクの一部分がインクの凝集力によって引
き戻され、インクの吐出量を制御することが可能とな
る。

【００３９】振動板１４を振動させるためには、高誘電
率体２２と強誘電体層２３とが接触せず、ギャップ２４
で分断されていることが重要である。強誘電体や高誘電
体に働くクーロン力は、空間的にこれらが分離されてい
る場合に働くのであって、接触した場合には働かない。
というよりはむしろ、接触した場合は、その状態を維持
するだけの引力が働き、それ以上の変位を起こす引力は
働かないのである。また、引力を得るためには、電荷の
移動を阻む空間、つまり、極力誘電率の低い分極しない
空間が必要である。従って、ギャップ２４は真空である
ことが望ましい。接触した場合は、電荷は打ち消し合っ
てゼロとなるが、分極されていれば、電荷は固定されて
残存することとなる。

【００４０】以上説明したように、分極された強誘電体
層２３を振動板１４に設けることで、振動板１４に電極
を設けず、シリコン基板１２に設けた制御電極２１への
電圧印加だけで振動板１４の振動を制御することが可能
となる。このように振動板１４に電極を設けなくてよく
なることにより、振動板１４の厚さを薄くすることがで
き、より低い電圧で振動板１４を駆動させることができ
るようになる。また、振動板１４の厚さを薄くできるこ
とにより、ノズル１７の配列ピッチを小さくすることが
できるようになり、例えば１００μｍピッチの集積度を
持つインクジェット記録ヘッドを得ることができる。さ
らに、制御電極２１上に高誘電率体２２を設けることに
より、より強いクーロン力を発揮させ、より低い電圧で
インクを吐出することができるようになる。

【００４１】従って、分極され、かつ、分割された誘電
体部を有する振動板であれば、振動板自体が電気の導電
体であってもよい。若干ながらの電気移動によるクロス
トークがわずかに発生するが、これによるわずかな振動
追従性の低下を無視できるのであれば、振動板１４は導
電体であってもよい。

【００４２】ここで、本実施形態のインクジェット記録
ヘッド１０の具体的な例について説明する。

【００４３】まず、インク室１６を構成するために、ポ
リサルホン樹脂を材料とした射出成形により構造体１３
の原形を作成した。次いで、この構造体１３の原形に対
し、エキシマレーザ加工により、インク室１６となる溝
１３ａの部分を除去するとともに、吐出口１７の部分を
開口し、長さが１８００μｍ、幅が７０μｍ、高さが１
００μｍ、隣接するインク室１６間の壁厚が３０μｍの
インク室１６、および直径が５０μｍの吐出口１７を形
成した。また、吐出口１７が開口する部分での構造体１
３の壁厚すなわちノズル１３ｂの長さは５０μｍとし
た。なお、エキシマレーザ加工によれば、４０μｍピッ
チで、高さ約１００μｍ、インク室１６間の壁厚が１５
μｍ程度まで精度良く加工することが可能である。

【００４４】一方、シリコン基板１２については、振動
板駆動部１２となる部分に、部分エッチング処理にて深
さ６μｍの凹部１２ａを形成した。凹部１２ａが形成さ
れたシリコン基板１２の表面に酸化パッシベーションに
より絶縁膜であるＳｉＯ₂層を形成し、さらにこの上
に、制御電極２１となる導電膜を蒸着スパッタにより形
成した。導電膜は、シリコン、もしくはシリコンとアル
ミとニッケルの複合膜であり、厚さ１．５μｍで形成し
た。そして、これをエッチング処理して所定の形状の制
御電極２１を形成し、さらにこの上に、高誘電率体２２
として、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を０．５μｍの厚さ
でスパッタ蒸着した。このような制御電極２１の形成方
法は、特開平２−２５３３７号公報に開示されている。
酸化タンタルは、タンタルコンデンサとして知られてい
るように、誘電率が５０〜１００の良好な常誘電性高誘
電体である。

【００４５】次に、イットリウム添加の安定化ＺｒＯ₂
基板（安定化ジルコニア基板）を厚さ約２０μｍのプレ
ート状態に切削により切り出し、これを研磨して厚さ約
６μｍの振動板１４を作製した。この安定化ジルコニア
基板は、結晶粒径が０．３〜０．７μｍのものを用い
た。

【００４６】次に、この振動板１４の上に、シリコン基
板１２の凹部１２ａの形状に対応した金属マスクを被
せ、ＢａＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃、およびＺｒＯ₂を比率
を変えながらスパッタし、強誘電体層２３を形成した。
より具体的には、まず、ＺｒＯ ₂とＰｂＴｉＯ₃を０．０
３μｍ、次にＺｒＯ₂の比率を下げて同様な組成で０．
０３μｍ、次にＰｂＴｉＯ₃とＢａＴｉＯ₃を同比率で、
最後にＢａＴｉＯ₃のみを１．５μｍの厚さで形成し
た。このようにすることで、強誘電体となる膜を、凹部
１２ａすなわち振動板駆動部１５の形状に合わせて成形
することが可能となる。

【００４７】この段階では、強誘電体層２３は、スパッ
タによる電界のために若干の分極を形成している。しか
し、スパッタによる形成では強誘電体層２３がまだ非結
晶状態でペロブスカイト型の結晶となっていない。そこ
で、強誘電体層２３が形成された振動板１４を白金の電
極で挟んで強誘電体層２３が−極となるように１００Ｖ
の電圧を印加し、温度が４００℃となるまで５℃／分の
割合で加熱し、その後、電圧を印加したまま自然冷却し
た。この処理により、最も電荷変位を起こし易い最外層
のＢａＴｉＯ₃の膜が、ペロブスカイト型の結晶化を起
こし、強誘電体として分極し、ギャップ２４に面する側
に−の電荷を持った状態の振動板１４となる。

【００４８】強誘電体層２３が形成された振動板１４
を、制御電極２１および高誘電率体２２が形成されアル
ミ板金よりなる保持体１１に接着剤により接着されたシ
リコン基板１２上に、強誘電体層２３が形成された面を
シリコン基板１２に向けて載置し、構造体１３に保持体
１１を介して加圧ばね１９で固定した。また、制御電極
２１の後端部は、バンプ２６を介して電極リード２５と
電気的に接続される。以上で本実施形態の静電型のイン
クジェット記録ヘッド１０が作製される。

【００４９】このようにして作製されたインクジェット
記録ヘッド１０において、電極リード２５に＋２４Ｖの
電圧を印加し、その後、−１２Ｖの電圧を印加した。こ
の印加の周期は８０μ秒とした。また、＋２４Ｖから−
１２Ｖへの電圧の切替えは５μ秒で行ったが、１０％程
度の遅延が生じるため、実際には５．５μ秒となった。

【００５０】これにより、吐出口１７よりインク液滴が
吐出された。ノズル１３ｂの断面積は振動板駆動部１５
の面積の約１／１００であるので、ノズル１３ｂにかか
る液面の変位は非常に急速で、衝撃的な変化であり、こ
の加速により、インクの凝集力とノズル内壁面との濡れ
力（界面結合力）を振り切って、インクは飛び出す。そ
の後、再び電極リード２５に＋２４Ｖの電圧を印加して
振動板１４をギャップ２４側に変位させ、インク液面を
急激に引き戻すと、吐出するインクと引き戻されるイン
クとの間にくびれが発生する。一旦くびれが発生する
と、インクはインクの凝集力によってくびれの部分で分
離し易くなり、吐出するインクと引き戻されるインクと
に分離する。従って、インクの特性は、インクの凝集力
つまり表面張力を適当にある範囲内に調整する必要が生
じる。

【００５１】上述した電圧の印加のプロセスは、基本的
には、インクをノズル先端から後方に引き込み、その
後、インクを押し出す操作である。このようなプロセス
は、インクジェットヘッドにおけるインク吐出信号処理
として、特開昭６０−２３７２号公報に紹介されてい
る。このようにすることで、ノズル１３ｂの先端にある
インクがノズル１３ｂ内に引き込まれ、引き込まれた距
離の分だけ、吐出する際に一方向に加速される距離をか
せぐことが可能となる。これにより、インクの吐出方向
が安定し、かつ、インクの吐出速度も向上する。本例で
は、約１０ｋＨｚの周波数で、８０ｎｇ程度のインク液
滴を吐出することが可能となった。

【００５２】本実施形態では、振動板駆動部１５を形成
する基板としてシリコン基板１２を用いた例を示した
が、そのような基板としてはシリコン基板１２に限られ
るものではなく、電極形成やその他のスパッタリング等
の加工に適しているものであれば、どのような材料を用
いることもできる。

【００５３】また、振動板１４の材料についても、高い
振動特性や、高い耐破壊特性、強誘電体層２３との接合
性、その他加工特性を満足するものであれば、Ｙｅ添加
の安定化ジルコニアに限らず、どのような材料を使用し
ても構わない。例えば、安定化ジルコニアには、ＣａＯ
やＭｇＯによる安定化ジルコニアもあり、それらの複合
ジルコニアもある。さらに、ＺｒＯ₂とＡ₂ｌＯ₃（酸化
アルミ）やＴｉＯ₂（酸化チタン）などとの複合安定化
ジルコニア化合物などもある。これらは、ＺｒＯ ₂の含
有量が２５〜６５％程度のものまであり、その種類や特
性は多種多様である。本発明のごとく、厚さが３〜１５
μｍ程度で、静電型のインクジェット記録ヘッド１０の
振動板１４として使用できるものであれば何でもよい。

【００５４】ただし、振動板１４は、絶縁体からなるこ
とが望ましい。なぜならば、導電性を有するものであれ
ば、部分的に振動させようとするときに、その部分に付
加される制御電極２１からの電荷付加が別の部分に逃げ
ていってしまうからである。この現象は特に、複数のイ
ンク室１６およびノズル１３ｂを有するインクジェット
記録ヘッドの場合に、隣接するインク室へのクロストー
クとして問題となり、クロストークが大きくなると、各
吐出口１７からの正常なインク吐出が行えなくなってし
まう。

【００５５】そのようになった場合に、常に振動板１４
を電気的に一定の電位に保持する必要があり、何かしら
の電極で振動板１４を一定電位に固定しなければならな
い。たとえ、一定電圧に固定したとしても、電極が部分
的に分極されていない場合は、電極内部で電荷の移動が
発生し、特に反発力の低下を招いてしまう。ただし、導
電体の上に部分的に分極された誘電体部が存在すれば、
この現象はかなり解消される。しかし、わずかには発生
するので、絶縁体であることが好ましい。

【００５６】従って、振動板１４としては、絶縁体で、
かつ部分的に強誘電体の材料を保持できる材料が望まし
い。また、分極処理の過程で、破損したり異常な相変態
を起こさないこと、さらに、形成した強誘電体と不要な
反応を起こさないことも重要なことである。

【００５７】絶縁体からなる振動板１４としては、ゴム
状の弾性体で部分的に分極された強誘電体部が配置され
たものであってもよい。この方が、材料の柔らかさによ
る変位追従性の低下が懸念されるものの、振動追従性が
必要条件を満たすものであれば、振動板１４の変位量ひ
いてはインクの吐出量が大きくとれるので有利であり、
望ましい。

【００５８】さらに、本実施形態では制御電極２１上
に、強誘電体ではなく高誘電率体２２を設けているが、
その理由は以下のとおりである。ここに強誘電体を用い
ると、振動板１４の電界に誘起されて、引力方向の電界
を自発分極により発生させ、外部信号を変化させる場合
に、余分な電荷の注入を行わなければならず、電気的な
応答特性が低下するためである。従って、応答特性につ
いて特に問題にしなければ、制御電極２１上に強誘電体
を設けてもよい。

【００５９】（第２の実施形態）図３は、本発明の第２
の実施形態であるインクジェット記録ヘッドの断面図で
ある。

【００６０】本実施形態では、振動板駆動部において、
互いに独立して電圧を印加可能な複数の制御電極４１
ａ，４１ｂ，４１ｃがインクの吐出方向すなわちインク
室３６の長手方向に沿って配列されている点が、第１の
実施形態と異なっている。その他、制御電極４１ａ，４
１ｂ、４１ｃ上に高誘電率体４２が形成されている点
や、強誘電体層４３が設けられた振動板３４が、高誘電
率体４２と強誘電体層４３との間にギャップ４４が形成
されるように配置されている点などは、第１の実施形態
と同様であるので、詳細な説明は省略する。

【００６１】このように、複数の制御電極４１ａ，４１
ｂ，４１ｃを設け、振動板３４を押し上げる向きに電圧
を印加する際に、電圧の印加が吐出口３７から遠い位置
にあるものから順に印加されるように各制御電極４１
ａ，４１ｂ，４１ｃへの電圧印加タイミングをずらすこ
とで、吐出口３７からのインクの吐出量を増加させるこ
とができる。

【００６２】例えば、全ての制御電極４１ａ，４１ｂ，
４１ｃに＋２４Ｖの電圧を印加して振動板３４をギャッ
プに向けて変形させた後、吐出口３７から最も離れた位
置にある制御電極４１ａに−１２Ｖの電圧を印加すると
ともに他の制御電極４１ｂ，４１ｃを０Ｖとし、その３
μ秒後に中央の制御電極４１ｂに−１２Ｖの電圧を印加
し、さらにその２μ秒後に、最も吐出口３７に近い位置
にある制御電極４１ｃに−１２Ｖの電圧を印加する。

【００６３】これにより、振動板３４は、吐出口３７か
ら離れた位置から吐出口３７に向かう位置へ向かって順
に押し上げられ、振動板駆動部上のインクは吐出口３７
に向かって流れていく。その結果、振動板駆動部上のイ
ンクが効率的に吐出に利用され、インクの吐出量が増加
する。上記の電圧印加条件では、インク吐出量は第１の
実施形態の場合に比べて約１．２倍となった。

【００６４】ただし、上述の制御ではインク引き戻しの
処理を行っていないので、インクの吐出の際に、インク
が分離した部分で、引き戻されるべきインクの一部が吐
出インクの凝集力により引き出され、微小液滴となって
飛翔することがある。このような場合には、制御電極４
１ａ，４１ｂ，４１ｃに−１２Ｖの電圧を印加した後、
この制御電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃへの電圧の印加を
解除して振動板３４の先端部分の変形を戻すことで、微
小液滴の飛翔を抑制することができる。例えば、制御電
極４１ｃに−１２Ｖの電圧を印加した４μ秒後に、この
制御電極４１ｃを０Ｖとすることで、インクの吐出量は
減少するが、調整効果が現れた。

【００６５】（第３の実施形態）図４は、本発明の第３
の実施形態であるインクジェット記録ヘッドの振動板駆
動部近傍の断面図である。

【００６６】本実施形態では、シリコン基板５２に形成
された凹部５２ａの中で、制御電極６１の厚さが、吐出
口５７に近い領域では薄く、そこから遠くなるにつれて
厚くなるように変化している点が第１の実施形態と異な
る。これにより、高誘電率体６２と強誘電体層６３との
間のギャップ６４の大きさ（高さ）が、吐出口５７に近
い領域では大きく、そこから遠くなるにつれて小さくな
っている。その他の構成は、第１の実施形態と同様であ
る。このような制御電極６１の形状は、制御電極６１を
形成するときのマスクパターンの制御により、例えば約
０．１μｍ程度の段差を作りながら行うことで可能とな
る。

【００６７】このように、ギャップ６４の大きさを吐出
口５７からの距離が遠くなるにつれて小さくなるように
することで、高誘電率体６２と強誘電体層６３との間に
静電エネルギーによる反発力が作用する際に、振動板５
４は、吐出口５７からの距離が遠いほうがより強く反発
する。その結果、第２の実施形態と同様にインクの吐出
量を増加させることができる。本実施形態では、複数の
制御電極を設けることなくインクの吐出量を増加させる
ことができるので、シリコン基板５２の構造も複雑にな
ることはないし、制御電極６１に印加する電圧の制御も
第１の実施形態と同様に行うことができる。

【００６８】本実施形態では、制御電極６１の厚みを変
えてギャップ６４の大きさを変化させている例を示した
が、それに限らず、高誘電率体６２、強誘電体層６３、
および振動板５４の少なくとも１つの厚みを変えること
で変化させてもよい。

【００６９】（第４の実施形態）図５は、本発明の第４
の実施形態であるインクジェット記録ヘッドの要部平面
図である。また、図６は図５に示したインクジェット記
録ヘッドのＡ−Ａ線断面図であり、図７は図５に示した
インクジェット記録ヘッドのＢ−Ｂ線断面図である。

【００７０】図５〜図７に示すように、本実施形態のイ
ンクジェット記録ヘッドは、吐出口７７が、構造体７３
の側壁ではなくインク室７６となる溝７３ａの底壁にあ
たる部分に開口している、いわゆるサイドシュータタイ
プのインクジェット記録ヘッドである。その他の構成
は、第１の実施形態と同様である。この位置に吐出口７
７を開口させることで、制御電極８１への電圧の印加に
より振動板７４を振動させると、インク室７６内のイン
クは図示上方に吐出される。すなわち本実施形態では、
振動板７４の振動方向とインクの吐出方向とが合致して
おり、インクがより安定して吐出されることになる。な
お、第１の実施形態で示したインクジェット記録ヘッド
とインクの吐出速度を比較したところ、特に有為差は見
られなかった。

【００７１】（第５の実施形態）図８は、本発明の第５
の実施形態であるインクジェット記録装置の概略斜視図
である。

【００７２】このインクジェット記録装置１００は、キ
ャリッジ１０３の往復移動と、キャリッジ１０３の移動
方向と垂直な方向への記録紙１２０のピッチ送りとを繰
り返しながら記録紙１２０に記録を行うシリアル型のイ
ンクジェット記録装置であり、キャリッジ１０３は、装
置フレーム１０１に固定されたガイド軸１０２に摺動自
在に支持され、不図示の駆動機構によりガイド軸１０２
に沿って矢印Ｃ方向に往復移動される。

【００７３】キャリッジ１０３には、インクジェット記
録ヘッド１０４と、このインクジェット記録ヘッド１０
４に供給するインクを収容するインクタンク１０５とが
搭載されている。インクジェット記録ヘッド１０４は、
キャリッジ１０３と一体のものでもよいし、キャリッジ
１０３に着脱可能に設けられたものでもよい。また、イ
ンクジェット記録ヘッド１０３とインクタンク１０５と
を一体としたカートリッジとし、このカートリッジをキ
ャリッジ１０３に着脱可能とした構成でもよい。

【００７４】インクジェット記録ヘッド１０４は、前述
した第４の実施形態で述べたのと同様の構成のサイドシ
ュータタイプのヘッドであり、インクが下方に向けて吐
出され、かつ、複数の吐出口（不図示）がキャリッジ１
０３の移動方向と垂直な方向に配列されるように搭載さ
れる。インクジェット記録ヘッド１０４の制御電極（不
図示）への電圧の印加は、信号線１１１を介して接続さ
れた信号発生装置１０６により行われる。

【００７５】キャリッジ１０３の両側端面にはそれぞ
れ、インクタンク１０５内のインクに接触する導電ピン
１０７が取り付けられている。導電ピン１０７の先端部
はキャリッジ１０３の側方に延出されており、導電ピン
１０７の先端には接触端子１０８が取り付けられてい
る。

【００７６】一方、装置フレーム１０１の内壁面の、キ
ャリッジ１０３の移動方向における接触端子１０８の延
長線上には、接地電極１０９が設けられている。接地電
極１０９は、接続リード１１０を介して信号発生装置１
０６のグランドと接続されており、キャリッジ１０３の
往復移動に伴って接触端子１０８が当接される。

【００７７】上記のとおり構成されたインクジェット記
録装置１００では、キャリッジ１０３を一方向に移動さ
せながら、信号発生装置１０６からの信号に基づいてイ
ンクジェット記録ヘッド１０４からインクを吐出させ、
キャリッジ１０３の戻し移動とともに記録紙１２０を所
定ピッチだけ送るという動作を繰り返すことで、記録紙
１２０に記録が行われる。この際、キャリッジ１０３の
移動範囲の両端では、接触端子１０８が接地電極１０９
と当接する。接触端子１０８は、導電ピン１０７を介し
てインクタンク１０５内のインクと接触しているので、
インクタンク１０５内のインクは、キャリッジ１０３が
その移動範囲の両端に移動する度毎に接地されることに
なる。

【００７８】静電型のインクジェット記録ヘッド１０４
では、インクを絶縁したままインク吐出動作を行ってい
くと、次第にインクが吐出されなくなってくる現象が生
じることがある。これは、インクジェット記録に用いら
れるインクは一般的に良好な導電体であり、おおよそ２
〜１０ｍＳ／ｃｍの電気伝導度を有するので、インクが
絶縁されていると、インクジェット記録ヘッド１０４の
制御電極に電圧を印加することにより生じた浮遊電荷
が、非常に薄い振動板を介して次第に蓄積され、インク
と制御電極との電位差が接近してくるため、振動板が良
好に変形しなくなる結果生じるものであると考えられ
る。

【００７９】そこで、インクを接地することにより、振
動板のギャップとの界面の電位が安定し、結果的に、制
御電極への電圧印加を繰り返しても静電力による振動板
の動作が良好に行われることになる。

【００８０】基本的には、常時インクを接地しておくこ
とが好ましいが、浮遊電荷の発生によるインクの電位上
昇が振動板の駆動に影響を与えない程度であれば、一定
のタイミングでインクを接地させるだけで良い。本実施
形態では、一方向への移動につき１回だけインクが接地
されるが、これで十分にインクの電位が安定し、良好な
インク吐出を行える。特に、接地のタイミングが、キャ
リッジ１０３の移動範囲の両端であるのでインクを接地
させるための構造も簡単であり、しかも、この位置では
インクが吐出されないので、振動板の動作中にインクの
電位が変動することもなく、安定した振動板の動作がな
される。インクの接地は、インクの吐出の合間でもよ
く、インクの吐出を行った直後でもよい。

【００８１】本実施形態ではインクを接地させた場合を
例に挙げたが、これに限らず、振動板の駆動に影響を与
えない程度の基準電位を与えてもよい。

【００８２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、振動板の
制御電極と対向する面に、分極された誘電体層を設ける
ことで、振動板に電極を配置しなくても振動板の振動を
制御して液体を吐出させることができるようになる。そ
の結果、振動板の厚さを薄くすることができ、より低い
電圧で振動板を駆動することができる。さらに、振動板
の厚さが薄くなることで、ノズルの配列ピッチが小さい
液体吐出ヘッドを得ることができる。また、制御電極に
誘電体層と対向して高誘電率材料を形成することによ
り、さらに強いクーロン力を発生させることができるの
で、より低い電圧で液体を吐出することができる。

【００８３】また、制御電極を振動板の長手方向に沿っ
て複数個形成するとともにノズル部を制御電極の配列方
向と平行に形成し、振動板が分極されて電荷を保持して
いるので、振動板を液室に向けて押し上げる際の各制御
電極への電圧の印加をノズル部から遠い位置にあるもの
から順に印加したり、あるいは、ノズル部を振動板の長
手方向に沿って形成し、空間の高さをノズル部からの距
離が遠くなるにつれて小さくなるように形成すること
で、吐出する液体の量を向上させることができる。さら
に、ノズルを、振動板の振動方向と液体の吐出方向とが
合致するように形成することで、インクの吐出を安定さ
せることができる。

【００８４】加えて、吐出する液体として導電性を有す
るものを用いた場合、液体を接地させることで、液体の
電位を安定させ、連続吐出においても安定した吐出を行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態であるインクジェット
記録ヘッドの断面図である。

【図２】図１に示したインクジェット記録ヘッドの振動
板駆動部を拡大した図である。

【図３】本発明の第２の実施形態であるインクジェット
記録ヘッドの振動板駆動部近傍の断面図である。

【図４】本発明の第３の実施形態であるインクジェット
記録ヘッドの振動板駆動部近傍の断面図である。

【図５】本発明の第４の実施形態であるインクジェット
記録ヘッドの要部平面図である。

【図６】図５に示したインクジェット記録ヘッドのＡ−
Ａ線断面図である。

【図７】図５に示したインクジェット記録ヘッドのＢ−
Ｂ線断面図である。

【図８】本発明の第５の実施形態であるインクジェット
記録装置の概略斜視図である。

【図９】従来の静電型のインクジェット記録ヘッドの一
例の断面図である。

【図１０】従来の静電型のインクジェット記録ヘッドの
他の例の断面図である。

【符号の説明】

１０，１０４インクジェット記録ヘッド１１保持体１２，５２シリコン基板１２ａ，５２ａ凹部１３，７３構造体１３ａ，７３ａ溝１３ｂノズル１３ｃ吐出口面１３ｄ突起形フィルタ１４，３４，５４，７４振動板１５振動板駆動部１６，３６，７６インク室１７，３７，５７，７７吐出口１８供給路１９加圧ばね２１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，６１，８１制御電
極２２，４２，６２高誘電率体２３，４３，６３強誘電体層２４，４４，６４ギャップ１００インクジェット記録装置１０１装置フレーム１０２ガイド軸１０３キャリッジ１０５インクタンク１０６信号発生装置１０７導電ピン１０８接触端子１０９接地電極１１０接続リード１１１信号線１２０記録紙

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体を吐出するノズル部と、該ノズル部
に供給する液体を保持する液室と、該液室に面して配置
された振動板と、静電力を利用して前記振動板を振動さ
せる振動板駆動部とを有する液体吐出ヘッドにおいて、前記振動板の前記液室と反対側の面には分極処理された
誘電体層が形成され、前記振動板駆動部には、前記誘電体層の表面に電荷を発
生させるために前記誘電体層と空間を介して対向配置さ
れた制御電極が設けられていることを特徴とする液体吐
出ヘッド。
【請求項２】前記制御電極の前記誘電体層との対向面
には、高誘電体材料が形成され、前記高誘電体材料と前
記誘電体層とが空間を介して対向配置されている請求項
１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】前記誘電体層は、強誘電体材料からなる
請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】前記振動板は絶縁材料からなる請求項
１、２または３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】表面に凹部が形成された基板と、前記基板の凹部内に形成された制御電極と、前記制御電極が形成された基板上に設置され、前記制御
電極と空間を介して対向するように誘電体層が形成され
た振動板と、前記振動板上に設置され、吐出用の液体を保持する液室
を構成するための溝が前記基板の凹部と対向する部位に
形成されるとともに、液体を吐出するために前記液室と
連通するノズル部が一壁面に形成された構造体とを有す
る液体吐出ヘッド。
【請求項６】前記凹部内での前記制御電極の表面には
高誘電体材料が形成され、前記高誘電体材料と前記誘電
体層とが空間を介して対向する請求項５に記載の液体吐
出ヘッド。
【請求項７】前記誘電体層は、強誘電体材料からなる
請求項６に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項８】前記制御電極は前記振動板の長手方向に
沿って複数個形成されるとともに、前記ノズル部は前記
制御電極の配列方向と平行に形成され、前記各制御電極は、前記振動板を前記液室に向けて押し
上げるように変形させる際に、前記ノズル部から遠い位
置にあるものから順に電圧が印加される請求項１ないし
７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項９】前記ノズル部は前記振動板の長手方向に
沿って形成され、前記空間の高さは前記ノズル部からの距離が遠くなるに
つれて小さくなるように形成されている請求項１ないし
７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１０】前記制御電極の厚みが、前記ノズル部
からの距離が遠くなるにつれて厚くなるように形成され
ることによって、前記空間の高さが変化している請求項
９に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１１】前記ノズルは、前記振動板の振動方向
と液体の吐出方向とが合致するように形成されている請
求項１ないし７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッ
ド。
【請求項１２】前記液体はインクであり、該インクが
接地されている請求項１ないし１１のいずれか１項に記
載の液体吐出ヘッド。
【請求項１３】前記インクが接地されるのは、前記ノ
ズルからインクが吐出されないときである請求項１２に
記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１４】請求項１ないし１１のいずれか１項に
記載の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドの制御電極に電圧を印加するための
信号発生手段とを有する液体吐出装置。
【請求項１５】前記液体吐出ヘッド内の液体と接触さ
れる接地電極を有する請求項１４に記載の液体吐出装
置。
【請求項１６】請求項１ないし１１のいずれか１項に
記載の液体吐出ヘッドを着脱自在に保持するためのキャ
リッジと、前記液体吐出ヘッドの制御電極に電圧を印加するための
信号発生手段とを有する液体吐出装置。
【請求項１７】前記液体吐出ヘッド内の液体と電気的
に接続される接地電極を有する請求項１６に記載の液体
吐出装置。
【請求項１８】前記キャリッジは往復移動可能に支持
されるとともに、前記キャリッジの移動方向における側
部には前記液体吐出ヘッド内の液体と接触し前記キャリ
ッジの側方に突出した端子が設けられ、前記接地電極は前記キャリッジの移動範囲端で前記端子
と接触される請求項１７に記載の液体吐出装置。