JPH1134327A

JPH1134327A - インクジェット記録ヘッド

Info

Publication number: JPH1134327A
Application number: JP20982497A
Authority: JP
Inventors: Shinobu Koseki; 忍小関; Yuji Suemitsu; 裕治末光
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1997-07-19
Filing date: 1997-07-19
Publication date: 1999-02-09

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、液体インクを飛翔させるインクジェ
ット記録ヘッドに関し、ノズルの詰まりがなく、インク
の吐出が安定しており、印字ドットの高解像度化が可能
で、装置の小型化が図れる簡易なインクジェット記録ヘ
ッドを提供することを目的とする。【解決手段】基板１は振動を増幅するために支点１２に
より支持板上に固定され、その上に電極３、４で挟まれ
た圧電素子２が設置されている。振動子１０上には、保
護膜９を介して、弾性部材５ａ、５ｂ、５ｃが形成され
ている。インク６の自由表面が弾性部材５の先端と底面
との間に位置するようにインクが装填されている。弾性
部材５は、その一端が固定され、他端部が自由端となる
片持ち梁構造をとる。弾性部材５ａ、５ｂ、５ｃは片持
ち梁における曲げ振動を起こし、弾性部材５の先端部表
面の薄いインク液膜層上にキャピラリ波を生じさせ、そ
の波頭を十分大きな振動振幅で断裂することによりイン
ク滴８の飛翔が生じる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体インクを飛翔
させる記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッド
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ノズルからインク滴を吐出させて印字を
行う、いわゆるオンデマンド型のインクジェット記録方
式の代表的なものとして、ピエゾ振動子型とサーマル型
がある。ピエゾ振動子型はインク室に付設された圧電素
子にパルス電圧を印加し、圧電素子を変形させることに
よりインク室内のインク液圧を変化させ、ノズルからイ
ンク滴を吐出させて記録用紙にドットを記録する。サー
マル型はインク室内に設けた加熱機構によりインクを加
熱し、発生したバブルによりノズルからインク滴を吐出
させて記録用紙にドットを記録する。

【０００３】これらインクジェット記録方式における従
来の解像度は３００ドット／インチ程度であったが、昨
今、６００から７２０ドット／インチの高解像度が要求
されるようになった。それに伴い、高解像度化による効
果を有効に発揮するためには、解像度に応じて印字する
ドット径を小さくする必要がある。かかる従来の方式に
おいて小さなドット径を得るために、ノズル径を小さく
することが考えられる。しかしながらノズル径を小さく
すると、ゴミやノズル内のインク表面の乾燥によるノズ
ル詰まりや、ノズル円周部に残滓が付着することによる
インク吐出方向の変化が発生しやすくなり、記録紙上の
画質に欠陥が発生する。このため、本来の解像度に対応
したドット径を印字するために必要なノズル径を採用で
きないという問題があった。

【０００４】これに対し、近年音響波を用いたインクジ
ェット記録方式が提案されている。この方式はインクの
自由表面からインク滴を吐出させるために、音波の放射
圧をインクの自由表面に集束することによって作動する
ものである。以下、この方式を音響波集中方式という。
例えば特開平３−２００１９９号公報では、安価でシャ
ープに焦点を合わせられるレンズとして、図２０に示す
ように、凹状レンズのかわりに薄膜平板状の位相フレネ
ルレンズ８８を基板８７上に設けた構成が開示されてい
る。位相フレネルレンズ８８は、入射した平面波をある
間隔で円環状に配置された複数の薄膜平板状部８９で一
旦回折し、発生した複数の回折波をインク自由表面８５
の一点で合成し、得られた合成波の振幅を最大とするよ
うな機能を有するレンズである。基板８７の裏面には圧
電体８１、およびこれに電圧を印加するための電極８
３、８４からなる振動子が形成されている。

【０００５】音響波集中方式においては、吐出される液
滴の大きさはノズルに規制されるのではなく、音波が集
中する領域のエネルギー密度に依存する。したがって、
上述のピエゾ振動子型やサーマル型のように、ノズル径
を小さくすることによりノズルが詰まったり、インク吐
出方向が変化するという問題は生じない。

【０００６】また近年、以下に詳細に説明するような原
理を用いたインク飛翔方式が本出願人により実証され、
新たなインクジェット記録方式として提案されている。
図２１はこの新たなインクジェット記録方式におけるイ
ンクジェット記録ヘッドの断面図である。この例では振
動発生部として基板１上に振動子１０を形成し、振動子
１０上に弾性部材５を形成して、インク６を弾性部材５
の先端と底面との間に位置するように装填し、少なくと
も弾性部材５の先端近傍をインク６と接触させる。そし
て、振動子１０を図示しない外部駆動機構によって駆動
し、弾性部材５に曲げ振動を起こさせる。

【０００７】ここで、弾性部材５はその一端が振動子１
０側に固定され、他端が自由端となる片持ち梁構造をと
る。また弾性部材５の断面形状は固定端部（基端部）よ
り自由端部（先端部）の方の曲げこわさを小さくするこ
とが望ましい。これにより、弾性部材５の先端近傍でよ
り効率よく曲げ振動の振幅を得ることができる。曲げこ
わさは、弾性部材の（断面２次モーメント）×（ヤング
率）で表される。従って、基端部より先端部の方の曲げ
こわさを小さくするために、弾性部材５の基端部の曲げ
振動が生じる振幅方向の幅よりも先端部の曲げ振動が生
じる振幅方向の幅を小さくする、または、基端部の曲げ
振動が生じる振幅方向と垂直な方向の幅よりも先端部の
曲げ振動が生じる振幅方向と垂直な方向の幅を小さくす
ることが望ましい。同様に、弾性部材５の基端部に使用
する材質よりも柔らかい材質を先端部に使用することに
よってもこれを実現できる。

【０００８】振動発生部としては、振動子１０を担持可
能な構成とすれば、基板１を用いなくてもよい。また、
振動子１０および基板１は振動の振幅を増幅させるため
に支点１２を設けて担持するとよい。曲げ振動の振動方
向のインク厚は、弾性部材の先端近傍において、インク
と弾性部材の濡れと重力の効果により、数μｍ〜数百μ
ｍの値をとる。これによって、インクは振動の作用を強
く受け、その表面にキャピラリ波が生じるが、このキャ
ピラリ波の作用により微小滴の生成が可能となる。そし
て、振動発生部の駆動条件を所定の値に設定することに
よって、１インク滴の飛翔が可能となる。振動発生部の
励振は１画素信号に応じて１インク滴の飛翔を実現する
ために、１インク滴の飛翔に必要な所定の励振数だけ励
振を行い、その所定の励振数の励振が終了すると停止す
るという、間欠的な態様をとる。

【０００９】実際に作製したものは、黄銅の基板１上
に、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電セラ
ミック薄膜２、および、これに電圧を印加するための電
極３、４を形成した。圧電セラミック薄膜２および電極
３、４からなる振動子１０上には、ＳｉＯ２からなる保
護膜９を介して、ステンレス合金からなる弾性部材５を
形成した。インク６は弾性部材５の先端がインク表面７
から出るように装填した。ここで、保護膜９は振動子１
０とインク６との絶縁をはかるためのものである。

【００１０】圧電セラミック薄膜２と電極３、４からな
る振動子１０は、基板１の剛性や、圧電セラミック薄膜
２の厚さあるいは圧電特性、接続される弾性部材５の大
きさあるいは剛性などから決まる固有の共振周波数を有
する。図示しない外部駆動機構から振動子１０に交流電
圧を印加して振動子１０を励振するが、駆動周波数は共
振周波数またはその整数倍の周波数にすることにより、
効率よく振動させることができる。

【００１１】実際には、１９５ｋＨｚのサイン波状の交
流電圧を、１００μ秒間、バースト波として振動子１０
に印加して、基板１を図２１の上下方向に振動させ、弾
性部材５に振動を与えた。すると、弾性部材５は曲げ振
動を始め、その曲げ振動により弾性部材５の先端近傍の
インク表面にキャピラリ波が生成され、その波頭から直
径約１０μｍのインク滴が飛翔した。

【００１２】交流電圧を連続的に印加した場合には、比
較的大きな連続したインク柱が吐出され続けるが、バー
スト波として印加した場合には、微小なインク滴８が吐
出される。そこで、振動子１０はバースト波の交流電圧
で駆動する。図２２に画素信号と振動発生部を駆動する
ために印加する交流電圧との関係を示す。ここで、バー
スト波とは図２２（ｂ）に示すように１個から複数個の
波からなる交流電圧波形１０１を断続的に印加する形態
のものをいう。断続的に生じる複数個の波からなる交流
電圧波形１０１の周波数は一定で、弾性部材５の共振周
波数またはその整数倍の周波数に相当する。このような
バースト波で共振周波数またはその整数倍の周波数を維
持して、振動子に短時間だけ交流電圧を印加することが
望ましい。バースト波は方形波に限らず、サイン波や三
角波でもよい。

【００１３】この方式も特開平３−２００１９９号公報
に示された方式と同様に小径ドットを記録するのに吐出
インク滴径を規定するためのノズルを必要とせず、ゴミ
やノズル内のインク表面の乾燥によるノズル詰まりや、
ノズル円周部への残滓の付着によるインク吐出方向の変
化という問題を生じない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平３−２
００１９９号公報に示した方式においては、振動発生源
の形状の自由度が低く、インク吐出点を増やして高密度
に集積することに限界があるという問題があった。

【００１５】また、新たなインクジェット記録方式で
も、吐出点を複数並べることを考慮すると、隣接する吐
出点からのクロストークの影響が問題となる。例えば、
インク滴を吐出する制御信号である画素信号が入らず、
インク滴を吐出させるべきではない位置にある弾性部材
であっても、これに隣接するインク滴を吐出させるべき
位置にある弾性部材の振動が伝播して、その影響でイン
ク滴を吐出させてしまうことがある。以上の点に鑑みる
と、新たなインクジェット記録方式でも、図２１に示す
ようにインク中に弾性部材の振動が隣接ビットに伝わら
ないように隔壁１３を設けたり、基板の振動が隣接ビッ
トに伝わらないように振動子毎に基板の支点１２を設け
るなどの構成を設ける必要がある。よって、新たなイン
クジェット記録方式でも特開平３−２００１９９号公報
に開示された方式と同様に、インク吐出点を増やし高密
度に集積することに限界がある。

【００１６】そこで、本発明は、ノズルの詰まりがな
く、インクの吐出が安定しており、印字ドットの高解像
度化が可能で、装置の小型化が図れる簡易なインクジェ
ット記録ヘッド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】上記目的は、画素信号に
対応して、所定の複数の振動周波数のいずれかで振動す
る振動発生手段と、振動発生手段からの励振により複数
の振動周波数のいずれかで共振し、且つ相互に異なる共
振周波数を有する複数の弾性部材とを備え、複数の弾性
部材のいずれかの振動によりインクの表面にキャピラリ
波を発生させ、インクを飛翔させて記録媒体に付着させ
ることを特徴とするインクジェット記録ヘッドによって
達成される。このインクジェット記録ヘッドによれば、
音響波集中方式なので、ノズルの詰まりがなく、インク
の吐出が安定しており、かつ、弾性部材が異なる共振周
波数を有するので相互にクロストークの影響を受けるこ
とがない。従って、基板を支える支点やインク中に隔壁
を設けることなく印字ドットの高解像度化が可能となる
ので、インク吐出点を増やし高密度化を図ることが可能
となる。

【００１８】また、振動発生手段が、複数の弾性部材毎
に設けられているようにしてもよい。これによって、振
動発生部を弾性部材の共振周波数と略等しい周波数で駆
動することができる。また、振動発生手段が、複数の弾
性部材で共用されるようにしてもよい。これにより、イ
ンク吐出点の一層の高密度化が可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態による
インクジェット記録ヘッドについて図１乃至図９を用い
て詳細に説明する。本実施の形態によるインクジェット
記録ヘッドは、所定の間隔で配置された複数の振動発生
部と、振動発生部に対応する複数の片持ち梁構造の弾性
部材とからなり、振動発生部は画素信号に応じて間欠的
に励振し、その励振により弾性部材は曲げ振動するもの
であって、この曲げ振動により、弾性部材の先端近傍の
インク表面にキャピラリ波を生成し、インクを飛翔させ
記録媒体に付着することによって記録する記録装置にお
いて、高解像度記録を複数の共振周波数を用いて印字す
ることによって実現するものである。そして、弾性部材
の共振周波数をわずかに変化させ、その一つの周波数で
駆動する時には、他の弾性部材に曲げ振動させないこと
を特徴としている。このようにすることで弾性部材間の
クロストークの影響が激減し、その結果、弾性部材の高
密度集積が可能になるものである。さらに、各々の弾性
部材に対して別個の振動発生部を備える必要が必ずしも
なく、クロストーク低減機構を簡略化できるので、簡単
なヘッド構成が実現され、コスト削減を達成することが
できる。

【００２０】図１は本実施の形態のインクジェット記録
ヘッドの断面図であり、図２は図１に示したインクジェ
ット記録ヘッドに形成した弾性部材のＡ−Ａ’断面図で
ある。基板１は振動を増幅するために図示しない支点に
より支持板上に固定され、その上に電極３、４で挟まれ
た例えばＰＺＴのような圧電素子２を設置する。この圧
電素子２はある周波数に対して大きな振動をする固有の
共振点が存在し、この例では特にそのピークが鋭い方が
望ましい。圧電素子２は、圧電基板で構成しても圧電薄
膜で構成してもよい。また圧電体は単層で構成されても
多層で構成されてもよい。

【００２１】圧電素子２としては、水晶、ＰＺＴ、チタ
ン酸バリウムＢａＴｉＯ₃、ニオブ酸鉛ＰｂＮｂ₂Ｏ₆、
ビスマスゲルマネートＢｉ₁₂ＧｅＯ₂₀、ニオブ酸リチウ
ムＬｉＮｂＯ₃、タンタル酸リチウムＬｉＴａＯ₃などの
多結晶体や単結晶体、またはＺｎＯやＡｌＮなどの圧電
薄膜、またはポリ尿素、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデ
ン）やＰＶＤＦの共重合体などの圧電性高分子、または
ＰＺＴなどの無機圧電物質と圧電性高分子との複合体な
どを用いることができる。なお、振動子１０を構成する
圧電材料自体で弾性体部材５を形成してもよい。そして
ＳｉＯ₂からなる保護膜９を介して、例えば金属ＳＵＳ
からなる弾性部材５ａ〜５ｃを形成し、インク６を弾性
部材５の先端と底面との間に位置するように装填する。
このインク６は弾性部材５に対し、必ずしも均等にイン
クが装填されていなくともよく、少なくとも弾性部材５
先端近傍がインク６と接触している状態が実現できれば
よい。

【００２２】弾性部材５は、その一端が固定され、他端
部が自由端となる片持ち梁構造を形成する。そして好ま
しくはその形状を固定された基端部より先端部の方の曲
げこわさを小さくする。曲げこわさは、弾性部材の（断
面２次モーメント）×（ヤング率）で表されるものであ
り、例えば基端部より先端部の方が、弾性部材の曲げ振
動の振幅方向の幅が小さい、もしくは弾性部材の曲げ振
動の振幅と垂直方向の幅が小さい、もしくは柔らかい、
などの構造にする方法がある。そして図示しない外部の
振動手段により弾性部材５ａ〜５ｃは片持ち梁における
曲げ振動を起こし、その先端部表面にある薄いインク液
膜層上にキャピラリ波を生じさせその波頭を十分大きな
振動振幅で断裂することによりインク摘８が飛翔する。

【００２３】弾性部材としては金属ＳＵＳの他に、シア
ノアクリレート系樹脂やエポキシ系樹脂、またはフッ素
系樹脂などの各種樹脂を用いることができる。また、Ｓ
ｉＯ₂、ＳｉＯＮまたはＳｉＮや、ＡｌＮや、Ａｌ₂Ｏ₃
などといった各種無機材料で弾性部材５を形成してもよ
い。また、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｔｉ
Ｗなど、またはそれらの各種合金で弾性部材５を形成し
てもよい。ただし各種樹脂や金属と異なり、インク６と
接する間に腐食しないように、ＳｉＯ₂などの無機膜
で、それらの表面を保護することが望ましい。もちろ
ん、樹脂、無機材料および全属のうち、２つ以上の材料
を用いてもよい。また、振動エネルギーが効率的に伝搬
できるなら、弾性部材５の先端部と底部を別な材料で構
成してもよい。

【００２４】この弾性部材５ａ〜５ｃはその形状、材質
などで決まる固有の共振周波数が存在し、その周波数で
励振される場合液滴飛翔を起こさせるような強い曲げ振
動が起きる。梁の長さといった弾性部材の形状や縦弾性
係数といった材料特性などをわずかずつ変化させ、各々
の共振周波数を一致させないようにすることができる。
さらに圧電素子の共振周波数を弾性部材の共振周波数と
合わせることが望ましい。一例として、周波数１９５ｋ
Ｈｚ近辺に共振周波数を持つ圧電素子２に対し、弾性部
材の高さを変化させることで、弾性部材５ａの共振周波
数を１８５ｋＨｚ、同様に弾性部材５ｂを１９５ｋＨ
ｚ、弾性部材５ｃを２０５ｋＨｚと調整することができ
た。

【００２５】この場合例えば弾性部材５ｂを１９５ｋＨ
ｚで励振すると、図２に示すように弾性部材５ｂからイ
ンク滴８が吐出するが、その他の弾性部材はその周波数
に反応しないので、たとえ漏えい振動が弾性部材５ａ、
５ｃに伝わってもインク滴は吐出しない。逆に弾性部材
５ｂの振動を妨げるようなクロストークも隣接の弾性部
材５ａ、５ｃから生じないのでインク中の隔壁や基板１
を支える支点の数を減らすことができる。本実施の形態
では３種類の弾性部材５ａ、５ｂ、５ｃを用いる例を示
している。それぞれ同じ共振周波数をもつ弾性部材が隣
接しないように、例えば図に示すように、５ａ、５ｂ、
５ｃ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ａ、・・・のように配置す
る。本実施の形態では３種類の弾性部材を用いる例を示
したが、少なくとも２種類の別々の共振周波数を持つ弾
性部材をもち、それぞれを別の励振周波数で駆動するこ
とで、記録素子を高密度に集積することが可能になる。

【００２６】本実施の形態によるインクジェット記録ヘ
ッドの駆動について図３乃至図９を用いて説明する。図
３は本実施の形態によるインクジェット記録ヘッドを用
いて記録する際の概念図を示す。インクジェット記録ヘ
ッド２１は記録媒体２５の紙送り方向２６と垂直な方向
２４に往復運動しながらインクを記録媒体２５に着弾さ
せる。図４は本実施の形態によるインクジェット記録へ
ッドを拡大した斜視図である。インクジェット記録へッ
ド３１には異なる共振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３を持つ複
数の弾性部材５ａ、５ｂ、５ｃよりなる記録素子群３２
から構成され、方向３５に沿ってスキャニングされる。
図１および図２に示したのと同様に、同じ共振周波数を
もつ弾性部材が隣接しないように配置してある。駆動電
圧はそれぞれの周波数に対して３種類用意し、共通電極
３３ａ、３３ｂ、３３ｃよりｆ１、ｆ２、ｆ３の共振周
波数を持つそれぞれの圧電素子３６ａ、３６ｂ、３６ｃ
に供給される。実際にインク滴を吐出させたい記録素子
を選択するには、個別電極３４ａ、３４ｂ、３４ｃによ
り、回路をオン／オフすることで行う。一例としては接
地とフロート状態を切り替えることにより実現する。

【００２７】図５に駆動電圧を共通電極に供給するタイ
ミング図を示す。図５に示すように共通電極には所定の
周波数の電圧を連続的に印加し、インク滴８を吐出させ
るタイミングで個別電極を一定の時間オン状態にする。
このようにすることで圧電素子に駆動電圧がバースト的
に供給される。例えば、共通電極３３ｂに周波数ｆ２が
供給されている状態で個別電極３４ｂをオンにすると弾
性部材５ｂに対応したインク滴８が吐出する。また図６
乃至図８に別の電圧印加方法を示す。図６は個別電極に
共通電極と同様な電圧を加える方法である。この場合同
位相の交流電圧が両端の電極に印加されている間は、圧
電素子にかかる電界は０なのでインク滴は吐出しない。
インク滴を飛ばす場合は、個別電極にかかる電圧を図９
に示すような反転回路に通して位相を１８０度ずらし、
共通電極と個別電極の電界を重畳させて圧電素子を駆動
する。

【００２８】図６のタイミング図では、太線で示した３
個所でインク滴を吐出する様子を示している。この駆動
方式だと、両電極の電界を重畳して駆動するので、吐出
に必要な電圧振幅は半分ですむという利点がある。図７
のタイミング図では、図６のタイミング図と同様に個別
電極にも共通電極と同様な電圧を印加させるが、インク
滴を吐出させるにはその電圧を一定時間オフにする。図
６の電圧波形に比べると反転回路を必要としないが、電
圧振幅は図５に示したものと同じだけ必要になる。

【００２９】図８のタイミング図は、図５に示したと同
様な駆動方式であるが、個別電極をオンにする方法とし
て、共通電極と逆位相の交流電圧を印加する。この方式
では両電極の電界を重畳して駆動するので、吐出に必要
な電圧振幅は半分ですむという利点がある。一例とし
て、ｆ１＝１８５ｋＨｚ、ｆ２＝１９５ｋＨｚ、ｆ３＝
２０５ｋＨｚと設定したとき、バースト波駆動で個別駆
動が実現した。またこのとき吐出するインク滴により、
記録媒体に記録されたドットの大きさは約３０μｍであ
った。一般的にインク滴の大きさは駆動周波数に依存す
ることが知られているが、今回の結果のような５％程度
の周波数のずれに関してドット径のずれは無視できるこ
とが確認できた。

【００３０】次に、本発明の第２の実施の形態によるイ
ンクジェット記録ヘッドについて図１０乃至図１７を用
いて詳細に説明する。第１の実施の形態ではそれぞれの
記録ヘッドを同時に駆動する方式を示したが、インク表
面は自由液面であるために、隣接した記録ヘッドが駆動
することによって液面状態が乱される懸念がある。そこ
で図１０に示すような構成にすることで、より確実な液
面管理が可能になる。本実施の形態においては、ある記
録ヘッドのまとまり毎にインク中に隔壁を設け、インク
表面の乱れを押さえる点に特徴を有している。この場合
でも記録へッドは異なる共振周波数を持つ複数種類の弾
性部材からなるので、従来の例のようにすべての記録ヘ
ッド毎に隔壁を設ける必要はない。

【００３１】図１０は本実施の形態のインクジェット記
録ヘッドの断面図であり、図１１は図１０に示したイン
クジェット記録ヘッドに形成した弾性部材のＡ−Ａ’断
面図である。基板１は振動を増幅するために支点１２に
より支持板上に固定され、その上に電極３、４で挟まれ
た圧電素子２が設置されている。圧電素子２はある周波
数に対して大きな振動をする固有の共振点を有する。固
有の共振点のピークは鋭い方が望ましい。

【００３２】図示しない外部の振動機構により弾性部材
５ａ、５ｂ、５ｃは片持ち梁における曲げ振動を起こ
し、弾性部材５の先端部表面の薄いインク液膜層上にキ
ャピラリ波を生じさせ、その波頭を十分大きな振動振幅
で断裂することによりインク滴８の飛翔が生じる。

【００３３】弾性部材５ａ、５ｂ、５ｃはその形状、材
質などで決まる固有の共振周波数を有し、共振周波数で
励振される場合に液滴の飛翔を生じさせる強い曲げ振動
が起きる。梁の長さ、弾性部材の形状、縦弾性係数等の
材料特性などのパラメータをわずかずつ変化させれば、
各々の弾性部材の共振周波数を一致させないようにする
ことができる。さらに、圧電素子の共振周波数を弾性部
材の共振周波数と合わせることが望ましい。一例とし
て、周波数１９５ｋＨｚ近辺に共振周波数を持つ圧電素
子２に対し、弾性部材の高さを変化させることで、弾性
部材５ａ、５ｂ、５ｃの共振周波数をそれぞれ１８５ｋ
Ｈｚ、１９５ｋＨｚ、２０５ｋＨｚと設定することがで
きた。この場合、例えば弾性部材５ｂを１９５ｋＨｚで
励振すると、図１に示すように弾性部材５ｂからインク
滴８が吐出するが、その他の弾性部材はその周波数に反
応しないので、たとえ漏洩振動が５ａ、５ｃに伝わって
もインク滴は吐出しない。逆に弾性部材５ｂの振動を妨
げるようなクロストークも隣接の弾性部材５ａ、５ｃか
ら生じないのでインク中の隔壁１３や基板１を支える支
点１２の数を減らすことができる。本実施の形態では３
種類の弾性部材を用いる例を示したが、少なくとも２種
類の別々の共振周波数を持つ弾性部材をもち、それぞれ
を別の励振周波数で駆動することで、記録素子を高密度
に集積することが可能になる。

【００３４】本実施の形態によるインクジェット記録ヘ
ッドの駆動について図１２乃至図１５を用いて説明す
る。図１２は本実施の形態によるインクジェット記録ヘ
ッドを用いて記録する際の概念図を示す。インクジェッ
ト記録ヘッド２１は記録媒体２５の紙送り方向２６と垂
直な方向２４に往復運動しながらインクを記録媒体２５
に着弾させる。図１３は本実施の形態によるインクジェ
ット記録ヘッドを拡大した斜視図である。インクジェッ
ト記録ヘッド３１には異なる共振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ
３を持つ複数の弾性部材５ａ、５ｂ、５ｃよりなる記録
素子群３２から構成され、方向３５に沿ってスキャニン
グされる。駆動電圧はそれぞれの周波数に対して３種類
用意し、共通電極３３ａ、３３ｂ、３３ｃよりｆ１、ｆ
２、ｆ３の共振周波数を持つそれぞれの圧電素子３６
ａ、３６ｂ、３６ｃに供給される。実際にインク滴を吐
出させたい記録素子を選択するには、個別電極３４ａ、
３４ｂ、３４ｃにより回路をオン／オフすることで行
う。この選択は、例えば、接地とフロート状態を切り替
えることにより実現する。

【００３５】図１４及び図１５に駆動電圧を共通電極に
供給するタイミング図を示す。隣接する記録素子の振動
に起因するインク液面の乱れの影響をより低減させるた
めに、３種類の弾性部材はいずれも同時に駆動されない
ものとし、図１４に示すように駆動のタイミングを時間
的にずらしながら駆動電圧をバースト的にそれぞれの共
通電極３３ａ、３３ｂ、３３ｃに供給する。共通電極３
３ｂに周波数ｆ２が供給されているタイミングで個別電
極３４ｂをオンにすると弾性部材５ｂに対応したインク
滴８が吐出する。また、図１５に示したように、個別電
極３４に共通電極３３に加えるものと同様な交流電圧を
加えてもよい。この場合、同位相の交流電圧が両端の電
極に印加されている間は、圧電素子にかかる電界は０な
のでインク滴は吐出しない。インク滴を飛ばす場合は、
個別電極にかかる電圧を、例えば、図９に示したような
反転回路に通して位相を１８０度ずらし、共通電極と個
別電極の電界を重畳させて圧電素子を駆動する。図１５
でも図１４と同様に弾性部材５ｂからインク滴を吐出す
る場合を示している。この駆動方式だと、両電極の電界
を重畳して駆動するので、吐出に必要な電圧振幅は半分
ですむという利点がある。

【００３６】一例として、ｆ１＝１８５ｋＨｚ、ｆ２＝
１９５ｋＨｚ、ｆ３＝２０５ｋＨｚと設定したとき、バ
ースト波駆動で個別駆動が実現した。このとき吐出する
インク滴により、記録媒体に記録されたドットの大きさ
は約３０μｍであった。一般的にインク滴の大きさは駆
動周波数に依存することが知られているが、今回のよう
に５％程度の周波数のずれについてはドット径のばらつ
きは無視できることが確認できた。

【００３７】次に、本発明の第３の実施の形態によるイ
ンクジェット記録ヘッドについて図１６乃至図１９を用
いて説明する。図１６は本実施の形態によるインクジェ
ット記録ヘッドを拡大した断面図であり、図中の各要素
に対する符号は図１０と共通になっている。第２の実施
の形態によるインクジェット記録ヘッドとは異なり、図
１６では弾性部材５ａ、５ｂ、５ｃは共通の振動子１０
上に設置されている。振動子１０を構成する圧電素子２
は第２の実施の形態の場合と異なり、ある範囲の複数の
周波数でほぼ同様の振動を行うものが望ましい。すなわ
ち、振動子１０上に設置する複数の弾性部材５ａ、５
ｂ、５ｃの共振周波数のいずれでも同じように振動する
振動子１０を作製する。このような構成にすることで、
弾性部材をより近接して設置でき、第２の実施の形態に
よるインクジェット記録ヘッドに比べ、より高密度に記
録素子を集積することが可能になる。また、圧電素子の
数も減り、圧電素子自体の大きさも第２の実施の形態に
よるインクジェット記録ヘッドに比べ、大きくてよいの
でコスト削減、品質向上につながる。

【００３８】本実施の形態によるインクジェット記録ヘ
ッドの駆動を図１７乃至図１９を用いて説明する。図１
７は本実施の形態におけるインクジェット記録ヘッドの
斜視図である。インクジェット記録ヘッド３１には異な
る共振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３を持つ複数の弾性部材５
ａ、５ｂ、５ｃよりなる記録素子群３２から構成され、
方向３５に沿ってスキャニングされる。駆動電圧はそれ
ぞれの周波数に対して３種類用意し、共通電極３３より
ｆ１、ｆ２、ｆ３いずれの周波数においてもほぼ同様に
振動する圧電素子３６に供給される。実際にインク滴を
吐出させたい記録素子を選択するには、個別電極３４の
オン／オフで行う。クロストークを避けるために３種類
の弾性部材はいずれも同時に駆動されないものとし、図
１８に示すように駆動のタイミングをｆ１、ｆ２、ｆ３
のような順序で周波数をずらしながらバースト的に共通
電極３３に交流電圧を供給する。共通電極３３に周波数
ｆ２が供給されているタイミングで個別電極３４をオン
にすると弾性部材５ｂに対応したインク滴８が吐出す
る。また、図１９に示したように、個別電極に共通電極
と同様な電圧を加えてもよい。この場合、同位相の交流
電圧が両端の電極に印加されている間は、圧電素子にか
かる電界は０なのでインク滴は吐出しない。インク滴を
飛ばす場合は、個別電極にかかる電圧を図９に示したよ
うな反転回路に通して位相を１８０度ずらし、共通電極
と個別電極の電界を重畳させて圧電素子を駆動する。図
１９は図１８と同様に弾性部材５ｂからインク滴を吐出
する場合を示している。この駆動方式だと、両電極の電
界を重畳して駆動するので、吐出に必要な電圧振幅は半
分ですむという利点がある。

【００３９】この例でも、ｆ１＝１８５ｋＨｚ、ｆ２＝
１９５ｋＨｚ、ｆ３＝２０５ｋＨｚと設定したとき、バ
ースト波駆動で個別駆動が実現した。またこのとき吐出
するインク滴により、記録媒体に記録されたドットの大
きさは約３０μｍであった。

【００４０】本発明は、上記実施の形態に限らず種々の
変形が可能である。例えば、弾性部材５の片持ち梁構造
の自由端の先端部近傍における曲げ振動の振動方向に対
して垂直な面の幅Ｗが、ほぼＷ＝２λの長さとなる領域
を有するようにしてもよい。但し、λは以下の式で与え
られる。 λ＝｛８πσ／（ρｆｅ²）｝^1/3×１０⁴（μｍ）ここで、σは、インク表面張力（ｍＮ／ｍ） ρは、インク密度（ｇ／ｃｍ³）ｆｅは、励振周波数（Ｈｚ）である。こうすることにより、幅Ｗにおいて２山のキャ
ピラリ波を生成でき、その後１山のインク隆起部が形成
されて次の瞬間これが分離してより正確に１インク滴を
飛翔させることができるようになる。

【００４１】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、弾性部材
の曲げ振動により液滴を飛翔させるインクジェット記録
において、駆動周波数の異なる弾性部材を複数備えたイ
ンクジェット記録ヘッドを用いることにより、クロスト
ークの心配がなく、インクの滴吐出点を高密度に集積す
ることができる。また、圧電素子やインク室を区切る隔
壁などの部品点数を削減することにより低コストで高品
質なインクジェット記録ヘッドを提供することができ
る。さらに、記録素子のマトリクス駆動が可能になり、
高速高密度記録が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態によるインクジェッ
ト記録ヘッドの断面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態によるインクジェッ
ト記録ヘッドの弾性部材のＡ−Ａ’線断面図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態によるインクジェッ
ト記録ヘッドのキャリッジ方式を説明する図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態によるインクジェッ
ト記録ヘッドの斜視図と電極の配線を示した図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態によるインクジェッ
ト記録ヘッドの駆動電圧の供給タイミングを示す図であ
る。

【図６】本発明の第１の実施の形態によるインクジェッ
ト記録ヘッドの駆動電圧の供給タイミングを示す図であ
る。

【図７】本発明の第１の実施の形態によるインクジェッ
ト記録ヘッドの駆動電圧の供給タイミングを示す図であ
る。

【図８】本発明の第１の実施の形態によるインクジェッ
ト記録ヘッドの駆動電圧の供給タイミングを示す図であ
る。

【図９】本発明の第１の実施の形態による電圧反転の方
法を示す図である。

【図１０】本発明の第２の実施の形態によるインクジェ
ット記録ヘッドの断面図である。

【図１１】本発明の第２の実施の形態によるインクジェ
ット記録ヘッドの弾性部材のＡ−Ａ’線断面図である。

【図１２】本発明の第２の実施の形態によるインクジェ
ット記録ヘッドのキャリッジ方式を説明する図である。

【図１３】本発明の第２の実施の形態によるインクジェ
ット記録ヘッドの斜視図と電極の配線を示した図であ
る。

【図１４】本発明の第２の実施の形態によるインクジェ
ット記録ヘッドの駆動電圧の供給タイミングを示す図で
ある。

【図１５】本発明の第２の実施の形態によるインクジェ
ット記録ヘッドの駆動電圧の供給タイミングを示す図で
ある。

【図１６】本発明の第３の実施の形態によるインクジェ
ット記録ヘッドの断面図である。

【図１７】本発明の第３の実施の形態によるインクジェ
ット記録ヘッドの斜視図と電極の配線を示した図であ
る。

【図１８】本発明の第３の実施の形態によるインクジェ
ット記録ヘッド駆動電圧の供給タイミングを示す図であ
る。

【図１９】本発明の第３の実施の形態によるインクジェ
ット記録ヘッド駆動電圧の供給タイミングを示す図であ
る。

【図２０】従来の記録ヘッドの構成を示す図である。

【図２１】提案されたインクジェット記録ヘッドの概略
の構成を示す図である。

【図２２】バースト波による駆動を画素信号との関係で
説明するためのタイミング図である。

【符号の説明】１、８７基板２、３６圧電素子３、４、８３，８４電極５、５ａ、５ｂ、５ｃ、３２弾性部材６、８２インク７、８５インク表面８、８６インク滴９保護膜１０振動子１１支持板１２支点１３隔壁２１、３１インクジェット記録ヘッド２２ガイドバー２３キャリッジ機構２４キャリッジ方向２５記録媒体２６紙送り方向３２記録素子部３３共通電極３４個別電極３５キャリッジ方向８１圧電体８８位相フレネルレンズ８９薄膜平板状部１０１交流電圧波形

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】画素信号に対応して、所定の複数の振動周
波数のいずれかで振動する振動発生手段と、前記振動発生手段からの励振により前記複数の振動周波
数のいずれかで共振し、且つ相互に異なる共振周波数を
有する複数の弾性部材とを備え、前記複数の弾性部材のいずれかの振動によりインクの表
面にキャピラリ波を発生させ、前記インクを飛翔させて
記録媒体に付着させることを特徴とするインクジェット
記録ヘッド。
【請求項２】請求項１記載のインクジェット記録ヘッド
において、前記振動発生手段は、前記複数の弾性部材毎に設けられ
ていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項３】請求項１記載のインクジェット記録ヘッド
において、前記振動発生手段は、前記複数の弾性部材で共用される
ことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。