JP4457516B2

JP4457516B2 - 液滴噴射装置

Info

Publication number: JP4457516B2
Application number: JP2001101776A
Authority: JP
Inventors: 宏人菅原
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: JP2002292865A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液室の少なくとも一部の壁面を変形させるための圧電材料板を備えた液滴噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットタイプのプリンタに用いられるインクジェットヘッドとして、圧電素子を用いたものが知られている。このようなインクジェットヘッドでは、インク圧力室を覆う壁部に圧電材料からなる板状の部材（圧電材料板）を使用する。この圧電材料板に駆動電圧を印加することにより上記壁部を変形させ、インク圧力室内のインクに圧力を誘起する。これにより、インク圧力室に連続するノズルからインクを吐出するものである。
【０００３】
このような圧電材料板を駆動変形させるモードとして、通常、ダイレクトモードと、シェアーモードとがある。ダイレクトモードでは、駆動電圧の印加にともなう電界の方向と圧電材料板の変形方向とが一致し、シェアーモードでは、上記電界の方向と圧電材料板の変形方向とが異なる。
【０００４】
これらのモードのうち、ダイレクトモードは駆動電圧を印加した際の電界の方向と圧電材料板の分極方向とが一致している。このため、駆動電圧の印加を繰り返すことで分極が弱まることに起因するインクジェットヘッドの性能劣化等の問題が発生しない。また、圧電材料板を分極させる際に、駆動電圧を印加する電極自体を利用することができるという製造上の利点もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、インク圧力室の壁部、すなわち圧電材料板にインクを吐出させるのに充分な変形量を与えるためには、駆動電圧に高電圧が必要であり、エネルギー効率が悪いという問題がある。
【０００６】
本発明は、駆動電圧が低電圧であっても圧電材料板に充分な変形量を付与することができ、エネルギー効率の良好な液滴噴射装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の液滴噴射装置は、液室（５）の少なくとも一部の壁面を変形させるための圧電材料板（１）を備え、圧電材料板（１）のダイレクトモードでの変形により液室（５）から液滴を噴射する液滴噴射装置において、圧電材料板（１）の分極方向は圧電材料板（１）の面方向に対して傾斜しており、圧電材料板への電圧の印加による分極方向への圧電材料板（１）の変形によって液滴を噴射するように構成されており、前記圧電材料板（１）の分極方向と前記圧電材料板（１）にかかる電界の方向とが略同一であることを特徴とする。
【０００８】
この液滴噴射装置によれば、圧電材料板の分極方向が圧電材料板の面方向に対して傾斜しているため、圧電材料板の変形量に比較して圧電材料板により駆動される壁面の変位幅を増大させることができるため、同じ駆動電圧を印加しても、エネルギー効率の良好な液滴噴射装置を得ることができる。
また、この場合には分極に用いる電極および駆動に用いる電極として、共通の電極を使用できる。さらに、印加される電界が圧電材料板のダイレクトモードによる変位のために効率的に働く。
【０００９】
また、請求項２の液滴噴射装置は、請求項１に記載の液滴噴射装置において、前記圧電材料板（１）には、定電位の第１の電極（２）と、前記圧電材料板（１）を変形させるための電圧が印加される第２の電極（３）とが配置されており、前記面方向に直交する方向から見て、前記第１の電極（２）と前記第２の電極（３）がずれて配置されていることを特徴とする。
【００１３】
分極方向は圧電材料板（１）の面方向に対して１０〜７０度の角度範囲で傾斜していてもよい。
【００１４】
この場合には、圧電材料板の変形量に比較して圧電材料板により駆動される壁面の変位幅を充分に増大させることができる。
【００１５】
圧電材料板（１）は、液室（５）のほぼ中央をはさんで一対の領域を有し、電圧を印加した際の各領域の変形は、互いに反対の方向であってもよい。
【００１６】
この場合は、同じ駆動電圧でも圧電材料板の変位を大きくすることができる。
【００１９】
圧電材料板に電界をかけるための電極（２，３）が、圧電材料板（１）の内部に設けられてもよい。
【００２０】
この場合には、電極が液室内の液体と接触することなどによる電極の劣化を防止できる。
【００２１】
圧電材料板（１）は複数のシート状の圧電材料（１ａ）を積層して構成されてもよい。
【００２２】
この場合には、圧電材料板の内部に容易に電極を形成することができる。
【００２３】
電極（２，３）は圧電材料板（１）の表面に形成されていてもよい。
【００２４】
この場合には、印刷法を用いる等して、電極（２，３）を容易に形成することができる。
【００２５】
なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。
【００２６】
【発明の実施の形態】
−第１の実施形態−
以下、図１〜図５を参照して、本発明の液滴噴射装置をインクジェットヘッドに適用した第１の実施形態について説明する。
【００２７】
図１は第１の実施形態の液滴噴射装置を示す断面図、図２は第１の実施形態の液滴噴射装置の液室にインクが充填された状態を示す断面図、図３は図２のIII−III線断面図、図４は駆動電圧を印加した状態を示す断面図、図５は駆動電圧の印加を停止した状態を示す断面図である。
【００２８】
図１〜図３に示すように、第１の実施形態の液滴噴射装置１００は、複数枚（この例では６枚）のグリーンシート（シート状圧電材料）１ａを積層して構成された圧電材料板１と、圧電材料板１の内部に設けられた第１の電極２と、圧電材料板１の内部に設けられた第２の電極３と、液室５に対応する複数の貫通孔が形成された第１の液室プレート６と、圧電材料板１とともに、第１の液室プレート６の液室５に対応する複数の貫通孔の開口を閉塞して液室５を形成するとともに、この液室５へのインクの供給路５ｂとしての貫通孔およびオンクの排出路としての貫通孔が液室４の所定の位置に対応して形成された第２の液室プレート７と、各液室５に対応する複数のノズル８が形成されたノズルプレート９とを備える。
【００２９】
図１〜図３に示すように、圧電材料板１、第１の液室プレート６、第２の液室プレート７およびノズルプレート９を順次積層することにより、ノズル８を備える複数の液室５が配列して形成される。圧電材料板１は第１の液室プレート６の貫通孔を閉塞して液室５の壁面の一部を構成する。圧電材料板１は第１の液室プレート６により支持され、その支持位置が支点となって変形する。
【００３０】
圧電材料板１の第１の電極と第２の電極間に電圧が印加されて、圧電材料板１に変形が生じると、液室５に貯留されているインクの一部が第２の液室プレート７のインク排出路５ａとしての貫通孔を介してノズルプレート９のノズル８に供給され、このノズル８からインクが吐出する。一方、この吐出されたインク量にみあった量のインクが第２の液室プレート７のインク供給路５ｂとしての貫通孔を介して液室５に補給される。
【００３１】
第１の電極２は各液室５に対応して設けられ、液室プレート６により支持された圧電材料板１の支持位置に位置する。第１の電極２はグリーンシート１ａの中間に形成された３層の電極パターンを電気的に接続して構成される。図１等に示すように、第１の電極２の電極パターンは圧電材料板１の厚み方向に対して、図１の下方から上方に向けて順次その面積が小さくなるように形成されている。
【００３２】
第２の電極３は各液室５に対応して設けられ、各液室５のほぼ中央部分に位置する。第２の電極３はグリーンシート１ａの中間に形成された３層の電極パターンを電気的に接続して構成される。図１等に示すように、第２の電極３の電極パターンは圧電材料板１の厚み方向に対して、図１の下方から上方に向けて順次その面積が大きくなるように形成されている。また、第１の電極２が全体として図１における下方寄りに位置しているのに対して、第２の電極３は全体として図１における上方寄りに位置している。
【００３３】
なお、第１の電極２および第２の電極３を構成する電極パターンを互いに接続する構成および各電極を引き出す構成は任意に選択できる。
【００３４】
図１〜図３において圧電材料板１の内部に描かれた矢印（図１において符号「Ａ」で示す矢印）は、圧電材料板１の分極方向を示す。各図に示すように、圧電材料板１は第１の電極２と第２の電極３とを結ぶ方向に分極されている。
【００３５】
次に、図２、図４および図５を参照して、液滴を噴射する動作について説明する。
【００３６】
図２に示すように、最初に液室５の内部にインクを充填する。このとき、第１の電極２および第２の電極３はいずれもグラウンド（０Ｖ）に接続されている。次に、図４に示すように、第１の電極２をグラウンドに接続したまま、第２の電極３に正電圧を印加する。このとき、第１の電極２および第２の電極３の間に発生する電界の向きと、圧電材料板１分極方向とが一致しているため、圧電材料板１は分極方向にダイレクトモードで分極方向に伸びるように変形する。図４に示すように、圧電材料板１の変形にともない、第２の電極３が形成された領域が図４において上方に移動することにより、液室５の容積が増加するとともに、増加した容積に対応した量のインクがインクの供給槽（不図示）であるインクタンクより供給される。ここで、圧電材料板１の変形方向は第２の電極３が形成されている液室５のほぼ中央を挟んで互いに反対の方向となる。
【００３７】
次に、第１の電極２をグラウンドに接続したまま第２の電極３の電位をグラウンド（０Ｖ）に戻すと、圧電材料板１の形状が図２と同様の状態に戻り、図５に示すように、ノズル８を介して液室５から所定量のインク１０が吐出される。
【００３８】
図１〜図５に示すように、第１の実施形態の液滴噴射装置１００では、圧電材料板１の分極方向、すなわち圧電材料板の伸縮方向が圧電材料板１の面方向（図１〜図５における左右方向）に対して、わずかに傾いている。このため、圧電材料板１の分極方向への変位を液室５の容積の変化として伝えやすく、圧電材料板１の分極方向への変形量に対して、圧電材料板１の図１〜図５における上下方向の変位幅、すなわち液室５の容積変化が大きくなる。したがって、液室５に一定の容積変化を与えるために必要な圧電材料板１の分極方向への変形量を減らすことができ、必要な駆動電圧を低下させることができる。その結果として、第１の実施形態の液滴噴射装置１００では、駆動電圧の低下により、装置のコストダウンを図ることができるとともに、インクの吐出に必要なエネルギーを低下させてエネルギー効率を向上させることができる。
【００３９】
なお、圧電材料板１の面方向に対する圧電材料板１の伸縮方向の傾きは、１０度〜７０度の範囲とすることにより、変位幅を充分に増大させることができる。
【００４０】
以下、図１および図３を参照して、第１の実施形態の液滴噴射装置１００の製造方法について説明する。
【００４１】
圧電材料板１は複数枚のシート状の圧電材料であるグリーンシートを積層して焼成することにより作製することができる。このとき、第１の電極２および第２の電極３の材料（導電性のペースト）を所定のパターンでグリーンシート上に印刷しておくことにより、グリーンシートの焼成と同時に、第１の電極２および第２の電極３が形成される。
【００４２】
次に、第１の電極２および第２の電極３の間に直流電圧を印加することにより、圧電材料板１の分極を行う。具体的には、第１の電極２を負電位に、第２の電極３を正電位に接続して、第１の電極２および第２の電極３の間に電界を発生させることにより、図１および図３に示す矢印の方向に分極させる。
【００４３】
図１および図３に示すように、第１の電極２および第２の電極３は、全体として各図の上下方向にずれた位置に設けられているため、分極方向は圧電材料板１の面方向に対して若干傾いた方向となる。また、分極に用いる電極と、圧電材料板１の駆動に用いる電極とが共通するため、圧電材料板１の駆動時には、電界の方向と分極方向とが一致することになる。
【００４４】
次に、圧電材料板１、第１の液室プレート６、第２の液室プレート７およびノズルプレート９を順次積層することにより、第１の実施形態の液滴噴射装置１００が作製される。
【００４５】
なお、圧電材料板１を分極させる工程と、圧電材料１、第１の液室プレート６、第２の液室プレート７およびノズルプレート９を積層する工程との順序を入れ換えてもよい。
【００４６】
−第２の実施形態−
以下、図６を参照して、本発明の液滴噴射装置をインクジェットヘッドに適用した第２の実施形態について説明する。なお、図６において第１の実施形態と同一要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４７】
第２の実施形態の液滴噴射装置２００では、第１の電極２２は各液室５に対応して設けられ、液室プレート６により支持された圧電材料板２１の支持位置に位置する。第１の電極２２はグリーンシート１ａの中間に形成された３層の電極パターンを電気的に接続して構成される。第１の電極２２の電極パターンは圧電材料板２１の厚み方向に対して、図６の下方から上方に向けて順次その面積が大きくなるように形成されている。
【００４８】
第２の実施形態の液滴噴射装置２００では、第２の電極２３が各液室５に対応して設けられ、各液室５のほぼ中央部分に位置する。第２の電極２３はグリーンシート１ａの中間に形成された３層の電極パターンを電気的に接続して構成される。第２の電極２３の電極パターンは圧電材料板２１の厚み方向に対して、図６の下方から上方に向けて順次その面積が小さくなるように形成されている。また、第１の電極２２が全体として図６における圧電材料板２１の上方寄りに位置しているのに対して、第２の電極２３は全体として図６における圧電材料板２１の下方寄りに位置している。
【００４９】
なお、第１の電極２２および第２の電極２３を構成する電極パターンを互いに接続する構成および各電極を引き出す構成は任意に選択できる。
【００５０】
図６において圧電材料板２１の内部に描かれた矢印は、圧電材料板２１の分極方向を示す。図６に示すように、圧電材料板２１は第１の電極２２と第２の電極２３とを結ぶ方向に分極されている。
【００５１】
次に、液滴を噴射する動作について説明する。
【００５２】
最初に液室５の内部にインクを充填し、図６に示すように、第１の電極２２をグラウンドに接続したまま、第２の電極２３に正電圧を印加する。このとき、第１の電極２２および第２の電極２３の間に発生する電界の向きと、圧電材料板２１分極方向とが一致しているため、圧電材料板２１は分極方向にダイレクトモードで伸びるように変形する。図６に示すように、圧電材料板２１の変形にともない、第２の電極２３が形成された領域が図６において下方に移動することになり、液室５の容積が減少する。このため、図６に示すように、ノズル８を介して液室５から所定量のインク１０が吐出される。ここで、圧電材料板２１の変形方向は第２の電極２３が形成されている液室５のほぼ中央を挟んで互いに反対の方向となる。
【００５３】
また、第２の電極２３への電圧の印加をやめることにより、圧電材料板２１はもとの状態に戻るとともに、この時の圧電材料板２１による液室５の容積変化量に対応したインクがインク供給装置１１６より補給される。
【００５４】
第２の実施形態の液滴噴射装置２００では、圧電材料板２１の分極方向、すなわち圧電材料板の伸縮方向が圧電材料板２１の面方向に対して、わずかに傾いている。このため、圧電材料板２１の分極方向への変形量に対して、圧電材料板２１の図６における上下方向の変位幅が大きくなる。したがって、液室５に一定の容積変化を与えるために必要な圧電材料板２１の分極方向への変形量を減らすことができ、必要な駆動電圧を低下させることができる。その結果として、第２の実施形態の液滴噴射装置２００では、駆動電圧の低下により、装置のコストダウンを図ることができるとともに、インクの吐出に必要なエネルギーを低下させてエネルギー効率を向上させることができる。
【００５５】
なお、第２の実施形態の液滴噴射装置２００の製造に際しては、第１の実施形態と同様の工程を用いることができるため、その説明は省略する。
【００５６】
−第３の実施形態−
以下、図７を参照して、本発明の液滴噴射装置をインクジェットヘッドに適用した第３の実施形態について説明する。なお、図７において第１の実施形態と同一要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００５７】
第３の実施形態の液滴噴射装置３００では、第１の電極３２が各液室５に対応して設けられ、液室プレート６により支持された圧電材料板３１の支持位置に位置する。第１の電極３２はグリーンシート１ａの中間に形成された同一パターンの２層の電極パターンを電気的に接続して構成される。
【００５８】
第２の電極３３は各液室５に対応して設けられ、各液室５のほぼ中央部分に位置する。第２の電極３３はグリーンシート１ａの中間に形成された同一パターンの２層の電極パターンを電気的に接続して構成される。
【００５９】
第１の電極３２が全体として図７における圧電材料板３１の下方寄りに位置しているのに対して、第２の電極３３は全体として図７における圧電材料板３１の上方寄りに位置している。しかし、第１の実施形態のように、圧電材料板３１の厚み方向での各電極面積の変化はない。
【００６０】
なお、第１の電極３２および第２の電極３３を構成する電極パターンを互いに接続する構成および各電極を引き出す構成は任意に選択できる。
【００６１】
図７において圧電材料板３１の内部に描かれた矢印は、圧電材料板３１の分極方向を示す。図７に示すように、圧電材料板３１は第１の電極３２と第２の電極３３とを結ぶ方向に分極されている。
【００６２】
次に、液滴を噴射する動作について説明する。
【００６３】
最初に液室５の内部にインクを充填し、図７に示すように、第１の電極３２をグラウンドに接続したまま、第２の電極３３に正電圧を印加する。このとき、第１の電極３２および第２の電極３３の間に発生する電界の向きと、圧電材料板３１分極方向とが一致しているため、圧電材料板３１は分極方向にダイレクトモードで分極方向に伸びるように変形する。図７に示すように、圧電材料板３１の変形にともない、第２の電極３３が形成された領域が図４において上方に移動することにより、液室５の容積が増加するとともに、インク供給装置１１６から液室５の容積の増加量に対応したインクが供給される。ここで、圧電材料板３１の変形方向は第２の電極３３が形成されている液室５のほぼ中央を挟んで互いに反対の方向となる。
【００６４】
次に、第１の電極３２をグラウンドに接続したまま第２の電極３３の電位をグラウンド（０Ｖ）に戻すと、圧電材料板３１の形状が最初の平らな状態に戻り、ノズル８を介して液室５から所定量のインクが吐出される。
【００６５】
第３の実施形態の液滴噴射装置３００では、圧電材料板３１の分極方向、すなわち圧電材料板の伸縮方向が圧電材料板３１の面方向に対して、わずかに傾いている。このため、圧電材料板３１の分極方向への変形量に対して、圧電材料板３１の図７における上下方向の変位幅が大きくなる。したがって、液室５に一定の容積変化を与えるために必要な圧電材料板３１の分極方向への変形量を減らすことができ、必要な駆動電圧を低下させることができる。その結果として、第３の実施形態の液滴噴射装置３００では、駆動電圧の低下により、装置のコストダウンを図ることができるとともに、インクの吐出に必要なエネルギーを低下させてエネルギー効率を向上させることができる。
【００６６】
なお、第３の実施形態の液滴噴射装置３００の製造に際しては、第１の実施形態と同様の工程を用いることができるため、その説明は省略する。
【００６７】
−第４の実施形態−
以下、図８を参照して、本発明の液滴噴射装置をインクジェットヘッドに適用した第４の実施形態について説明する。なお、図８において第１の実施形態と同一要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００６８】
第４の実施形態の液滴噴射装置４００では、第１の電極４２は各液室５に対応して設けられ、液室プレート６により支持された圧電材料板４１の支持位置に位置する。第１の電極４２はグリーンシート１ａの中間に形成された２層の電極パターンを電気的に接続して構成される。第１の電極４２の電極パターンは圧電材料板４１の厚み方向に対して、図８の下方から上方に向けて順次その面積が大きくなるように形成されている。
【００６９】
第４の実施形態の液滴噴射装置４００では、第２の電極４３が各液室５に対応して設けられ、各液室５のほぼ中央部分に位置する。第２の電極４３はグリーンシート１ａの中間に形成された３層の電極パターンを電気的に接続して構成される。第２の電極４３の電極パターンは圧電材料板４１の厚み方向に対して、図８の下方から上方に向けて順次その面積が小さくなるように形成されている。また、第１の電極４２が全体として図８における圧電材料板４１の上方寄りに位置しているのに対して、第２の電極４３は全体として図８における圧電材料板４１の下方寄りに位置している。
【００７０】
なお、第１の電極４２および第２の電極４３を構成する電極パターンを互いに接続する構成および各電極を引き出す構成は任意に選択できる。
【００７１】
図８において圧電材料板４１の内部に描かれた矢印は、圧電材料板４１の分極方向を示す。図８に示すように、圧電材料板４１は第１の電極４２と第２の電極４３とを結ぶ方向に分極されている。
【００７２】
図８に示すように、第４の実施形態の液滴噴射装置４００では、第２の電極４３が形成された領域において、圧電材料板４１の一部に切欠き４１ａが形成されている。このような切欠き４１ａを形成することにより圧電材料板４１が屈曲しやすくなり、駆動電圧を印加したときの液室５の容積変化量を拡大することができる。
【００７３】
次に、液滴を噴射する動作について説明する。
【００７４】
最初に液室５の内部にインクを充填し、図８に示すように、第１の電極４２をグラウンドに接続したまま、第２の電極４３に正電圧を印加する。このとき、第１の電極４２および第２の電極４３の間に発生する電界の向きと、圧電材料板４１分極方向とが一致しているため、圧電材料板４１は分極方向にダイレクトモードで変形する。図８に示すように、圧電材料板４１の変形にともない、第２の電極４３が形成された領域が図８において下方に移動することにより、液室５の容積が減少する。このため、図８に示すように、ノズル８を介して液室５から所定量のインク１０が吐出される。ここで、圧電材料板４１の変形方向は第２の電極４３が形成されている液室５のほぼ中央を挟んで互いに反対の方向となる。
【００７５】
第４の実施形態の液滴噴射装置４００では、圧電材料板４１の分極方向、すなわち圧電材料板４１の伸縮方向が圧電材料板４１の面方向に対して、わずかに傾いているとともに、圧電材料板４１の変形に寄与しない部分が切り欠かれている。このため、圧電材料板４１の分極方向への変形量に対して、圧電材料板４１の図８における上下方向の変位幅が大きくなる。したがって、液室５に一定の容積変化を与えるために必要な圧電材料板４１の分極方向への変形量を減らすことができ、必要な駆動電圧を一層、低下させることができる。その結果として、第４の実施形態の液滴噴射装置４００では、駆動電圧の低下により、装置のコストダウンを図ることができるとともに、インクの吐出に必要なエネルギーを低下させてエネルギー効率を向上させることができる。
【００７６】
なお、第４の実施形態の液滴噴射装置４００の製造に際しては、第１の実施形態と同様の工程を用いることができる。切欠き４１ａを形成するためには、切欠き４１ａの形状に合せてグリーンシート１ａにあらかじめ開口部を形成しておき、このようなグリーンシートを積層して焼成すればよい。もちろん、開口部のない状態でグリーンシートを積層し、その後に機械加工あるいはレーザ加工により切欠き４１ａを形成してもよい。
【００７７】
−第５の実施形態−
以下、図９を参照して、本発明の液滴噴射装置をインクジェットヘッドに適用した第５の実施形態について説明する。なお、図９において第１の実施形態と同一要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００７８】
図９に示すように、第５の実施形態の液滴噴射装置５００では、第１の電極５２および第２の電極５３が、それぞれ各液室５に対応して、圧電材料板５１の表面に設けられている。圧電材料板５１は圧電材料を一体的に焼結して形成されている。
【００７９】
第１の電極５２は第１の液室プレート６と、圧電材料板５１との間に設けられ、圧電材料板５１は第１の電極５２を介して第１の液室プレート６によって支持される。一方、第２の電極５３は各液室５のほぼ中央部分に位置している。
【００８０】
なお、第１の電極５２および第２の電極５３を引き出す構成は任意に選択できる。
【００８１】
図９において圧電材料板５１の内部に描かれた矢印は、圧電材料板５１の分極方向を示す。図９に示すように、圧電材料板５１は第１の電極５２と第２の電極５３とを結ぶ方向に分極されている。
【００８２】
次に、液滴を噴射する動作について説明する。
【００８３】
最初に液室５の内部にインクを充填し、図９に示すように、第１の電極５２をグラウンドに接続したまま、第２の電極５３に正電圧を印加する。このとき、第１の電極５２および第２の電極５３の間に発生する電界の向きと、圧電材料板５１の分極方向とが一致しているため、圧電材料板５１は分極方向にダイレクトモードで変形する。図９に示すように、圧電材料板５１の変形にともない、第２の電極５３が形成された領域が図９において上方に移動することにより、液室５の容積が増加するとともに、インク供給装置１１６より液室５の容積増加量に対応したインクが供給される。ここで、圧電材料板５１の変形方向は第２の電極５３が形成されている液室５のほぼ中央を挟んで互いに反対の方向となる。
【００８４】
次に、第１の電極５２をグラウンドに接続したまま第２の電極５３の電位をグラウンド（０Ｖ）に戻すと、圧電材料板５１の形状が最初の平らな状態に戻り、ノズル８を介して液室５から所定量のインクが吐出される。
【００８５】
第５の実施形態の液滴噴射装置５００では、圧電材料板５１の分極方向、すなわち圧電材料板の伸縮方向が圧電材料板５１の面方向に対して、わずかに傾いている。このため、圧電材料板５１の分極方向への変形量に対して、圧電材料板５１の図９における上下方向の変位幅が大きくなる。したがって、液室５に一定の容積変化を与えるために必要な圧電材料板５１の分極方向への変形量を減らすことができ、必要な駆動電圧を低下させることができる。その結果として、第５の実施形態の液滴噴射装置５００では、駆動電圧の低下により、装置のコストダウンを図ることができるとともに、インクの吐出に必要なエネルギーを低下させてエネルギー効率を向上させることができる。
【００８６】
なお、第５の実施形態の液滴噴射装置５００における第１の電極５２および第２の電極５３は、圧電材料板５１の表面に第１の電極５２および第２の電極５３の材料を印刷や蒸着法を用いて所定形状にパターニングすることにより形成できる。このうち、第１の電極５２は、圧電材料板５１の表面に形成するのではなく、第１の液室プレート上に形成してもよい。
【００８７】
−第６の実施形態−
以下、図１０を参照して、本発明の液滴噴射装置をインクジェットヘッドに適用した第６の実施形態について説明する。なお、図１０において第５の実施形態と同一要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００８８】
図１０に示すように、第６の実施形態の液滴噴射装置６００では、圧電材料板６１が圧電材料を一体的に焼結して形成されている。
【００８９】
図１０に示すように、第６の実施形態の液滴噴射装置６００では、第１の電極６２および第２の電極６３が、それぞれ各液室５に対応して設けられる。第１の電極６２は圧電材料板６１の表面に形成された引出部６２ａと、引出部６２ａに接続され、圧電材料板６１の内部に収容された収容部６２ｂとを備える。第２の電極６３は圧電材料板６１の表面に形成された引出部６３ａと、引出部６３ａに接続され、圧電材料板６１の内部に収容された収容部６３ｂとを備える。
【００９０】
第１の電極６２の引出部６２ａは第１の液室プレート６と、圧電材料板６１との間に設けられ、圧電材料板６１は引出部６２ａを介して第１の液室プレート６によって支持される。一方、第２の電極６３は各液室５のほぼ中央部分に位置している。
【００９１】
なお、第１の電極６２および第２の電極６３を引き出す構成は任意に選択できる。
【００９２】
図１０において圧電材料板６１の内部に描かれた矢印は、圧電材料板６１の分極方向を示す。図１０に示すように、圧電材料板６１は第１の電極６２と第２の電極６３とを結ぶ方向に分極されている。
【００９３】
次に、液滴を噴射する動作について説明する。
【００９４】
最初に液室５の内部にインクを充填し、図１０に示すように、第１の電極６２をグラウンドに接続したまま、第２の電極６３に正電圧を印加する。このとき、第１の電極６２および第２の電極６３の間に発生する電界の向きと、圧電材料板６１の分極方向とが一致しているため、圧電材料板６１は分極方向にダイレクトモードで伸びるように変形する。図１０に示すように、圧電材料板６１の変形にともない、第２の電極６３が形成された領域が図１０において上方に移動することにより、液室５の容積が増加するとともに、インクが供給される。ここで、圧電材料板６１の変形方向は第２の電極６３が形成されている液室５のほぼ中央を挟んで互いに反対の方向となる。
【００９５】
次に、第１の電極６２をグラウンドに接続したまま第２の電極６３の電位をグラウンド（０Ｖ）に戻すと、圧電材料板６１の形状が最初の平らな状態に戻り、ノズル８を介して液室５から所定量のインクが吐出される。
【００９６】
第６の実施形態の液滴噴射装置６００では、圧電材料板６１の分極方向、すなわち圧電材料板の伸縮方向が圧電材料板６１の面方向に対して、わずかに傾いている。このため、圧電材料板６１の分極方向への変形量に対して、圧電材料板６１の図１０における上下方向の変位幅が大きくなる。したがって、液室５に一定の容積変化を与えるために必要な圧電材料板６１の分極方向への変形量を減らすことができ、必要な駆動電圧を低下させることができる。その結果として、第６の実施形態の液滴噴射装置６００では、駆動電圧の低下により、装置のコストダウンを図ることができるとともに、インクの吐出に必要なエネルギーを低下させてエネルギー効率を向上させることができる。
【００９７】
なお、第６の実施形態の液滴噴射装置６００における第１の電極６２の収容部６２ｂおよび第２の電極６３の収容部６３ｂは、例えば、圧電材料板６１に切欠きを形成し、この切欠きに電極材料を充填することにより形成できる。また、第１の電極６２の引出部６２ａおよび第２の電極６３の引出部６３ａは、圧電材料板６１の表面に電極材料を印刷や蒸着法を用いて所定形状にパターニングすることにより形成できる。
【００９８】
−第７の実施形態−
以下、図１１を参照して、本発明の液滴噴射装置をインクジェットヘッドに適用した第７の実施形態について説明する。なお、図１１において第１の実施形態と同一要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００９９】
第７の実施形態の液滴噴射装置７００では、第１の実施形態の液滴噴射装置１００と同様の第１の電極２および第２の電極３に加えて、各液室５に対応して第３の電極７４が設けられる。図１１に示すように、第３の電極７４はグリーンシート１ａの中間に形成された５層の電極パターンを電気的に接続して構成される。これらの電極パターンは圧電材料板７１の面方向に順次ずれて配置され、等価的に、第３の電極７４が第１の電極２および第２の電極３の間で圧電材料板７１の面方向に対して斜めに配置された状態となる。
【０１００】
なお、第１の電極２、第２の電極３および第３の電極７４を構成する電極パターンを互いに接続する構成および各電極を引き出す構成は任意に選択できる。
【０１０１】
図１１において圧電材料板７１の内部に描かれた矢印は、圧電材料板７１の分極方向を示す。図１１に示すように、圧電材料板７１は第１の電極２と第２の電極３とを結ぶ方向に分極され、その分極方向は第３の電極７４を境界として反転している。
【０１０２】
次に、液滴を噴射する動作について説明する。
【０１０３】
最初に液室５の内部にインクを充填し、図１１に示すように、第１の電極２および第２の電極３をグラウンドに接続したまま、第３の電極７４に正電圧を印加する。このとき、第１の電極２と第３の電極７４との間、および第２の電極３と第３の電極７４との間に発生する電界の向きと、圧電材料板７１の分極方向とが一致しているため、圧電材料板７１は分極方向にダイレクトモードで変形する。図１１に示すように、圧電材料板７１の変形にともない、第２の電極３が形成された領域が図１１において上方に移動することにより、液室５の容積が増加する。ここで、圧電材料板７１の変形方向は第２の電極３が形成されている液室５のほぼ中央を挟んで互いに反対の方向となる。
【０１０４】
次に、第１の電極２および第２の電極３をグラウンドに接続したまま第３の電極７４の電位をグラウンド（０Ｖ）に戻すと、圧電材料板７１の形状が最初の平面形状に戻り、ノズル８を介して液室５から所定量のインクが吐出される。
【０１０５】
第７の実施形態の液滴噴射装置７００では、圧電材料板７１の分極方向、すなわち圧電材料板の伸縮方向が圧電材料板７１の面方向に対して、わずかに傾いている。このため、圧電材料板７１の分極方向への変形量に対して、圧電材料板７１の図１１における上下方向の変位幅が大きくなる。したがって、液室５に一定の容積変化を与えるために必要な圧電材料板７１の分極方向への変形量を減らすことができ、必要な駆動電圧を低下させることができる。その結果として、第７の実施形態の液滴噴射装置７００では、駆動電圧の低下により、装置のコストダウンを図ることができるとともに、インクの吐出に必要なエネルギーを低下させてエネルギー効率を向上させることができる。
【０１０６】
また、第７の実施形態の液滴噴射装置７００では、第３の電極７４を第１の電極２および第２の電極３の間に挿入しているので、第１の実施形態の装置１００と比較して、より低い駆動電圧で同一の電界強度を得ることができる。したがって、より一層、駆動電圧を低下できる。
【０１０７】
なお、第７の実施形態の液滴噴射装置７００の製造に際しては、第１の実施形態と同様の工程を用いることができるため、その説明は省略する。
【０１０８】
−第８の実施形態−
以下、図１２および図１３を参照して、本発明の液滴噴射装置をインクジェットヘッドに適用した第８の実施形態について説明する。
【０１０９】
図１２および図１３は第８の実施形態の液滴噴射装置を示す断面図であり、図１２は駆動電圧を印加した状態を示す図、図１３は駆動電圧を印加しない状態を示す図である。
【０１１０】
図１２および図１３に示すように、第１の実施形態の液滴噴射装置８００は、複数枚（この例では６枚）のグリーンシート（シート状圧電材料）１ａを積層して構成された圧電材料板８１と、圧電材料板８１の内部に設けられた第１の電極８２と、圧電材料板８１の内部に設けられた第２の電極８３と、圧電材料板８１の内部に設けられた第３の電極８４と、液室８５に対応する複数の貫通孔が形成された第１の液室プレート８６と、第１の液室プレート６よりも小径の貫通孔が形成された第２の液室プレート８７と、各液室８５に対応する複数のノズル８８が形成されたノズルプレート８９とを備える。
【０１１１】
図１２および図１３に示すように、圧電材料板８１、第１の液室プレート８６、第２の液室プレート８７およびノズルプレート８９を順次積層することにより、ノズル８８を備える複数の液室８５が配列して形成される。圧電材料板８１は第１の液室プレート８６により支持され、その支持位置が支点となって変形する。
【０１１２】
第１の電極８２は各液室８５に対応して設けられ、液室プレート８６により支持された圧電材料板８１の支持位置に位置する。第１の電極８２はグリーンシート１ａの中間に形成された３層の電極パターンを電気的に接続して構成される。図１２および図１３に示すように、第１の電極８２は圧電材料板８１の厚み方向に同一パターンの電極パターンを重ね合わせて形成されている。
【０１１３】
第２の電極８３は各液室８５に対応して設けられ、各液室８５のほぼ中央部分に位置する。第２の電極８３はグリーンシート１ａの中間に形成された３層の電極パターンを電気的に接続して構成される。図１２および図１３に示すように、第２の電極８３は圧電材料板８１の厚み方向に同一パターンの電極パターンを重ね合わせて形成されている。
【０１１４】
また、第１の電極８２が全体として図１１における圧電材料板８１の下方寄りに位置しているのに対して、第２の電極８３は全体として図１１における圧電材料板８１の上方寄りに位置している。
【０１１５】
第３の電極８４は、各液室８５に対応して設けられ、第１の電極８２および第２の電極８３の間に配置される。第３の電極８４はグリーンシート１ａの中間に形成された５層の電極パターンを電気的に接続して構成される。図１２および図１３に示すように、第３の電極８４は圧電材料板８１の厚み方向に同一パターンの電極パターンを重ね合わせて形成されている。
【０１１６】
なお、第１の電極８２、第２の電極８３および第３の電極８４を構成する電極パターンを互いに接続する構成および各電極を引き出す構成は任意に選択できる。
【０１１７】
図１２において圧電材料板８１の内部に描かれた矢印（図１において符号「Ａ」で示す矢印に相当）は、圧電材料板８１の分極方向を示す。各図に示すように、圧電材料板８１は、第１の電極８２と第３の電極８４との間、および第２の電極８３と第３の電極８４との間を結ぶ方向に分極されている。
【０１１８】
次に、図１２および図１３を参照して、液滴を噴射する動作について説明する。
【０１１９】
最初に液室８５の内部にインクを充填し、図１２に示すように、第１の電極８２および第２の電極８３をグラウンドに接続したまま、第３の電極８４に正電圧を印加する。このとき、第１の電極８２と第３の電極８４との間、および第２の電極８３と第３の電極８４との間に発生する電界の向きと、圧電材料板８１の分極方向とが一致しているため、圧電材料板８１はいずれの領域も分極方向にダイレクトモードで伸びるように変形する。図１２に示すように、圧電材料板８１の変形にともない、第２の電極８３が形成された領域が図１２において上方に移動することにより、液室５の容積が増加する。ここで、圧電材料板８１の変形方向は第２の電極８３が形成されている液室５のほぼ中央を挟んで互いに反対の方向となる。
【０１２０】
次に、第１の電極８２および第２の電極８３をグラウンドに接続したまま第３の電極８４の電位をグラウンド（０Ｖ）に戻すと、図１３に示すように、圧電材料板８１が平面状のもとの状態に戻り、ノズル８８を介して液室８５から所定量のインク１０が吐出される。
【０１２１】
図１２および図１３に示すように、第８の実施形態の液滴噴射装置８００では、圧電材料板８１の分極方向、すなわち圧電材料板８１の伸縮方向が、全体として実質的に圧電材料板８１の面方向（図１２および図１３における左右方向）に対して、わずかに傾いている。このため、圧電材料板８１の分極方向への変形量に対して、圧電材料板８１の図１２および図１３における上下方向の変位幅が大きくなる。したがって、液室５に一定の容積変化を与えるために必要な圧電材料板８１の分極方向への変形量を減らすことができ、必要な駆動電圧を低下させることができる。その結果として、第８の実施形態の液滴噴射装置８００では、駆動電圧の低下により、装置のコストダウンを図ることができるとともに、インクの吐出に必要なエネルギーを低下させてエネルギー効率を向上させることができる。
【０１２２】
以下、第８の実施形態の液滴噴射装置８００の製造方法について説明する。
【０１２３】
圧電材料板８１は複数枚のシート状の圧電材料であるグリーンシート１ａを積層して焼成することにより作製することができる。このとき、第１の電極２および第２の電極３の材料（導電性のペースト材料）を所定のパターンでグリーンシート状に印刷しておくことにより、グリーンシート１ａの焼成と同時に、第１の電極８２、第２の電極８３および第３の電極８４が形成される。
【０１２４】
次に、第１の電極８２と第３の電極８４との間、および第２の電極８３と第３の電極８４との間に直流電圧を印加することにより、圧電材料板８１の分極を行う。具体的には、第１の電極８２および第２の電極８３を負電位に、第３の電極８３を正電位に接続して、第１の電極８２と第３の電極８４との間、および第２の電極８３と第３の電極８４との間に電界を発生させることにより、図１２および図１３に示す矢印の方向に分極させる。
【０１２５】
図１２および図１３に示すように、第１の電極８２および第２の電極８３は、全体として各図の上下方向にずれた位置に設けられており、第３の電極８４は第１の電極８２および第２の電極８３の中間に位置しているため、分極方向は圧電材料板８１の面方向に対して若干傾いた方向となる。また、分極に用いる電極と、圧電材料板８１の駆動に用いる電極とが共通するため、圧電材料板８１の駆動時には、電界の方向と分極方向とが一致することになる。
【０１２６】
次に、圧電材料板８１、第１の液室プレート８６、第２の液室プレート８７およびノズルプレート８９を順次積層することにより、第８の実施形態の液滴噴射装置８００が作製される。
【０１２７】
なお、圧電材料板８１を分極させる工程と、圧電材料板８１、第１の液室プレート８６、第２の液室プレート８７およびノズルプレート８９を積層する工程との順序を入れ換えてもよい。
【０１２８】
なお、上記第１〜第８の実施形態では、液室の壁面の一部を圧電材料板自体により構成しているが、液室の壁面を別の部材で構成し、その壁面を圧電材料板の変形を利用して駆動してもよい。
【０１２９】
−インクジェットプリンタ−
以下、図１４を参照して、本発明の液滴噴射装置を搭載したインクジェットプリンタについて説明する。図１４はインクジェットプリンタの要部を示す斜視図である。
【０１３０】
図１４に示すプラテン１１０は、被記録媒体である用紙を搬送する用紙搬送手段として働き、軸１１２によりフレーム１１３に回転可能に取り付けられており、モータ１１４によって駆動される。このモータ１１４はプラテン１１０の駆動手段として働き、その駆動力は図１４に示すように、いくつかのギヤを介してプラテン１１０に伝えられる。プラテン１１０には用紙１１１がセットされており、プラテン１１０に対向してインクジェット式印字ヘッドが設けられている。インクジェット式印字ヘッドとしての液滴噴射装置１００等は、インクが充填され、インク供給槽として働くインクタンクや、液滴噴射装置１００にインクをインクタンクから供給するためのインク供給路を含み、液滴噴射装置とインクタンクとを連結している連結部から構成されるインク供給装置１１６とともにキャリッジ１１８上に載置されている。キャリッジ１１８はプラテン１１０の軸線に平行に配設された２本のガイドロッド１２０に摺動可能に支持されるとともに、一対のプーリ１２２に巻き掛けられたタイミングベルト１２４が結合させられ、プーリ１２２が駆動力を伝達するモータ１２３とともに、キャリッジ搬送手段を構成している。そして、一方のプーリ１２２がモータ１２３によって回転させられ、タイミングベルト１２４が送られることによりキャリッジ１１８へプラテン１１０に沿って移動させられる。
【０１３１】
なお、本発明の液滴噴射装置は、インクジェットプリンタへの適用に限定されず、各種印字装置や各種塗布装置に対しても適用できる。
【０１３２】
また、キャリッジに載置されるインクジェット式印字ヘッドは、液滴噴射装置１００、インクタンクおよびインク供給路を含む連結部とが一体に形成されていても、互いに着脱可能に形成されていてもよい。さらに、液滴噴射装置１００のみがキャリッジに載置されていても、液滴噴射装置１００と連結部とが載置される構成であってもよい。
【０１３３】
要するに、本発明の各請求項にかかる液滴噴射装置は、印字ヘッドを搭載したキャリッジと、用紙を搬送する用紙搬送手段と、その用紙搬送手段の用紙搬送方向に交差する方向に前記キャリッジを搬送するキャリッジ搬送手段とからなるインクジェットプリンタの印字ヘッドとして採用することができる。
【０１３４】
また、印字ヘッドにインクを供給するためにインクを貯蔵したインクタンクを設ける必要があるが、このインクタンクは着脱交換可能にキャリッジ上に装着される。この交換形態は、印字ヘッドがキャリッジに交換不能に固定されている場合にはインクタンクのみが交換される形態である。この交換形態の場合には液滴噴射装置をインクタンク交換後も継続使用することとなるため、液滴噴射装置の耐久性が高くなければならない。一方、液滴噴射装置と前記インクタンクとをインクユニットとして一体化し、そのインクユニットに各ノズル駆動用の信号線をそれぞれ露出させた駆動信号被伝達コネクタ部を設け、キャリッジにプリンタ制御装置のヘッド駆動信号を出力する信号線を露出させた駆動信号伝達コネクタ部を設け、インクユニットをキャリッジに装着したときにその駆動信号被伝達コネクタ部の各信号線がキャリッジの駆動信号伝達コネクタ部の各信号線と接続されて各ノズルがプリンタ制御装置からのヘッド駆動信号により各々駆動されるようにする形態も採用できる。このインクユニットにした場合には、インクを消費しきってしまうとインクユニットごとの交換をすることになる。そのため、液滴噴射装置は、インクユニットのインクタンクのインク量についてのみ確実に動作すればよいので、インクタンク交換型にした場合に比べその耐久性は小さいもので済むし、液滴噴射装置のコストも小さくて済む。また、インクユニットとして具体化した場合にはインクタンクと液滴噴射装置との間のインク供給路の構造を簡単にできるので、インクユニットの構造としても簡単になり安価にできる。
【０１３５】
インクタンクを交換式にした場合には液滴噴射装置とインクタンクとの間のインク供給路は交換時に外気に触れることとなり、交換時に外気が混入してインク吐出能力が損なわれたりするが、インクユニットを上述した一体構造に具体化すればこのような問題も発生しない。
【０１３６】
なお、用紙搬送手段としては、プラテンを駆動するタイプの他に、平板状のプラテンを搬送路上に固定し、そのプラテンの上流と下流にそれぞれ一対の搬送ローラを設け、これら二対の搬送ローラで用紙を搬送するタイプのものでもよい。また、以上で説明した印字ヘッドは、キャリッジにより搬送されるタイプの印字ヘッドであったが、用紙幅全域を同時に印字できるタイプのものであってもよい。
【０１３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の液滴噴射装置によれば、圧電材料板の伸縮方向が圧電材料板の面方向に対して傾斜しているため、圧電材料板の変形量に比較して圧電材料板により駆動される壁面の変位幅を増大させることができるため、駆動電圧を低下させることができ、エネルギー効率の良好な液滴噴射装置を得ることができる。また、本発明の液滴噴射装置によれば、圧電材料板の分極方向が圧電材料板の面方向に対して傾斜しているため、圧電材料板の変形量に比較して圧電材料板により駆動される壁面の変位幅を増大させることができるため、駆動電圧を低下させることができ、エネルギー効率の良好な液滴噴射装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の液滴噴射装置を示す断面図。
【図２】第１の実施形態の液滴噴射装置の液室にインクが充填された状態を示す断面図。
【図３】図２のIII−III線断面図。
【図４】駆動電圧を印加した状態を示す断面図。
【図５】駆動電圧の印加を停止した状態を示す断面図。
【図６】第２の実施形態の液滴噴射装置を示す断面図。
【図７】第３の実施形態の液滴噴射装置を示す断面図。
【図８】第４の実施形態の液滴噴射装置を示す断面図。
【図９】第５の実施形態の液滴噴射装置を示す断面図。
【図１０】第６の実施形態の液滴噴射装置を示す断面図。
【図１１】第７の実施形態の液滴噴射装置を示す断面図。
【図１２】第８の実施形態の液滴噴射装置を示す断面図。
【図１３】第８の実施形態の液滴噴射装置を示す断面図。
【図１４】インクジェットプリンタの要部を示す斜視図。
【符号の説明】
１圧電材料板
１ａシート状圧電材料
２第１の電極（電極）
３第２の電極（電極）
５液室

Claims

液室の少なくとも一部の壁面を変形させるための圧電材料板を備え、前記圧電材料板のダイレクトモードでの変形により前記液室から液滴を噴射する液滴噴射装置において、
前記圧電材料板の分極方向は前記圧電材料板の面方向に対して傾斜しており、前記圧電材料板への電圧の印加による分極方向への前記圧電材料板の変形によって前記液滴を噴射するように構成されており、
前記圧電材料板の分極方向と前記圧電材料板にかかる電界の方向とが略同一であることを特徴とする液滴噴射装置。
前記圧電材料板には、定電位の第１の電極と、前記圧電材料板を変形させるための電圧が印加される第２の電極とが配置されており、
前記面方向に直交する方向から見て、前記第１の電極と前記第２の電極がずれて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の液滴噴射装置。
前記圧電材料板は、前記液室のほぼ中央を挟んで一対の領域を有し、前記電圧を印加した際の各領域の前記変形は、互いに反対の方向であることを特徴とする請求項１または２に記載の液滴噴射装置。
前記分極方向は前記圧電材料板の面方向に対して１０〜７０度の角度範囲で傾斜していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の液滴噴射装置。
前記圧電材料板に電界をかけるための電極が、前記圧電材料板の内部に設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の液滴噴射装置。
前記電極は前記圧電材料板の表面に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の液滴噴射装置。
前記圧電材料板は複数のシート状の圧電材料を積層して構成されていることを特徴とする請求項５、又は６に記載の液滴噴射装置。