JPH091833A - インクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 本発明のインクジェット記録装置は、それぞ
れ対向配置された基板２１と、ノズル孔２６ａを有する
ノズルプレート２６とを備え、これらの間にインク室２
７が形成されている。インク室２７の基板２１上には、
１つのインク室あたり２つ以上の圧電部材３０，３１が
互いに向かい合うようにして配置されている。電圧印加
手段であるコントローラにより画像信号に応じて、上記
圧電部材３０，３１にそれらの固有振動数以上の周波数
をもつ高周波パルス電圧をそれぞれ同期して印加し、イ
ンク室２７に充填されたインクをミスト化してノズル孔
２６ａより噴射する。 【効果】 各圧電部材により発生した高周波振動エネル
ギを、それらに挟まれた領域のほぼ中央部に集中させる
ことができ、インクを効率よくミスト化して噴射するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、画像信号に応じてイン
クミストを噴射し、記録媒体に記録するインクジェット
記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、圧電材等の高周波振動発生手
段を用いてインクをミスト化し、画像信号に応じてイン
クミストをノズルより選択的に噴射し、紙等の記録媒体
に画像を形成する技術に関して、種々の提案がなされて
いる。その一例として、特開平５−５７８９１号公報に
開示されるインクジェットヘッドは、平板状の圧電性基
板の表裏面に電極を形成し、これらの電極に共振周波数
と等しい周期で変動する電圧を印加することによって上
記圧電性基板を局部的に高周波振動させ、これと同時
に、圧電性基板に対向配置したノズルプレートも高周波
振動させ、これらの振動の干渉によってインク室に充填
されたインクをミスト化してノズルより噴射するように
している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例のインクジェットヘッドでは、インクを高周波で励
振させるための発振源である圧電材の形状が平面状であ
り、インクミストを効率よく発生させることが困難であ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明のインク
ジェット記録装置は上記問題点を解決すべくなされたも
ので、基板とノズルを有するノズルプレートとの間に形
成されたインク室と、上記インク室の基板上に互いに向
い合うように配置された２つ以上の圧電部材と、上記各
圧電部材に画像信号に応じて圧電部材の固有振動数以上
の周波数をもつ高周波パルス電圧をそれぞれ同期して印
加する電圧印加手段とを備え、上記電圧印加手段により
上記圧電部材に電圧印加して高周波振動させ、インク室
に充填されたインクをミスト化してノズルより噴射する
ようにしたものである。

【０００５】上記インクジェット記録装置では、上記ノ
ズルを上記圧電部材に挟まれるか、または、囲まれた領
域のほぼ中央部に対応するノズルプレートの位置に形成
するのが好ましい。

【０００６】

【作用】上記インクジェット記録装置によれば、上記電
圧印加手段によって各圧電部材にその固有振動数以上の
周波数をもつ高周波パルス電圧をそれぞれ同期して印加
すると、上記各圧電部材が高速に変形、復元を繰り返し
て高周波振動する。上記各圧電部材は、インク室の基板
上に互いに向かい合って配置されているため、圧電部材
の振動によって発生した高周波振動エネルギが、インク
室に充填されたインク中を伝播して各圧電部材に挟まれ
るか、または、囲まれた領域のほぼ中央部に集中したの
ち、ノズルに表面張力によって保持されているインクメ
ニスカスに伝わり、その表面を激しく振動させてインク
をミスト化して飛翔させる。また、高周波振動する圧電
部材の表面近傍ではキャビテーションが発生しており、
このキャビテーションによる衝撃波の干渉によってもイ
ンクのミスト化が促進される。

【０００７】

【実施例】以下、本発明の実施例について添付図面を参
照して説明する。図１は、本発明にかかるインクジェッ
ト記録装置１の全体構成を概略的に示したものである。
このインクジェット記録装置１は大別して、コネクタ２
ａを備えた電源部２と、駆動系３と、メカコントローラ
４と、メモリ５と、コントローラ６と、インク供給部７
と、スキャンキャリッジ８と、給紙部９と、ケース１０
と、操作パネル１１とから構成されている。上記スキャ
ンキャリッジ８は通紙方向（矢印ａ方向）に直交する方
向（図１において紙面の表裏方向）にスキャン可能にな
っており、その内部にはブラック、シアン、マゼンタお
よびイエロの各色用に４つのインクジェットヘッド１２
が通紙方向に沿い、かつインク噴射ノズルを下方に向け
て配置されている。

【０００８】上記インクジェットヘッド１２は、図２に
示すように、底板２０を有している。底板２０の上部に
は、例えばアルミナなどの剛性の高い非圧電材料からな
る基板２１と、この基板２１の両側にスペーサ２２，２
３とが固定されている。上記基板２１およびスペーサ２
２，２３の上部には、側壁２４，２５が所定の間隔をお
いてそれぞれ固定されている。また、これら側壁２４，
２５の上部に、ノズル孔２６ａを有するノズルプレート
２６が固定されており、それぞれ対向配置された上記基
板２１とノズルプレート２６との間であって上記側壁２
４，２５に挟まれた空間領域にインク室２７が形成され
ている。このインク室２７にインクを供給するために、
上記側壁２５の下部にインク供給路２８が形成されてい
る。

【０００９】上記インク室２７の基板２１上には、所定
間隔をおいて互いに向かい合うようにして、１つのイン
ク室２７あたり２つの圧電部材３０，３１が音叉状に配
置されている。これらの圧電部材３０，３１は、例えば
ＰＺＴからなる直方体でそれぞれ形成されている。ま
た、上記ノズルプレート２６のノズル孔２６ａは、上記
圧電部材３０，３１に挟まれた領域の中央部３２に対応
する位置に、インク室２７の内側で広く、その外側で狭
くなるように形成される。

【００１０】上記圧電部材３０，３１は、図３に示すよ
うに、絶縁性接着層３３，３４を介して基板２１にそれ
ぞれ固定されている。また、圧電部材３０，３１の両側
面には、メッキ法によるＡｕ／Ｎｉ膜、または、スパッ
タリングによるＡｕ／（Ｎｉ，Ｃｒ）膜であってその厚
さが０．１〜１０μｍ程度の電極層が形成されている。
圧電部材３０，３１の対向面にそれぞれ形成された第１
電極３５，３６は、配列された複数のインク室２７に連
続して基板２１上面に形成された導電性接着剤層３７に
接続され、第１電極３５，３６とは反対側面に形成され
た第２電極３８，３９は、基板２１上面に各インク室２
７ごとに形成された導電性接着剤層４０，４１にそれぞ
れ接続されている。さらに、図３中矢印で示すように、
圧電部材３０，３１は共に基板２１とは反対方向に向か
って分極処理されている。

【００１１】インク室２７にインクを充填した際に、イ
ンクと直接接触することとなる上記圧電部材３０，３１
および基板２１の表面には、例えば、ポリイミド樹脂を
スピンコート法で塗布し、１８０℃で１時間焼き付ける
などしてオーバコート膜４２を形成する。これは、イン
クが圧電部材３０，３１に浸透することによって低抵抗
化し、これにより実効電圧がかからなくなり、振動効率
が低下するのを防止するためである。

【００１２】後述するように、インクをミスト化する
際、上記圧電部材３０，３１にパルス電圧を印加して高
周波振動させるが、このミスト化を安定して行うため
に、図４に示すように、圧電部材３０，３１のそれぞれ
の幅ｗをその高さｈ以下に設定するのが好ましい。ま
た、図５に示すように、圧電部材３０，３１の間の基板
２１上に溝部２９を形成し、圧電部材の上面から上記溝
部２９の底面までの深さｄが圧電部材３０，３１の高さ
ｈ以上になるようにして、各圧電部材に挟まれた領域の
容量を大きくとれば、より安定したインクのミスト化が
達成される。

【００１３】なお、本実施例では、基板２１上に２つの
圧電部材３０，３１を接着固定して音叉状の発振源を形
成したが、図４または図５に示す形状を圧電材料で一体
的に形成してもよい。そのようにすれば、圧電部材３
０，３１の接着や上記溝部２９の加工などの工程が省略
でき、製造が容易になる。

【００１４】図６は、図２のインクジェットヘッド１２
におけるIV−IV断面を示したものである。上記インク室
２７は、複数の隔壁４４で仕切られることによって複数
形成されるとともに、各インク室２７に対応して上記ノ
ズル孔２６ａも複数形成されており、その形成ピッチは
４２．３〜２５４μｍ（画素密度：６００〜１００ｄｐ
ｉ）程度である。

【００１５】上記インクジェットヘッド１２の側面に
は、図７に示すように、インクマニホールド４５が取り
付けてある。その内部には、各インク室２７に形成され
たインク供給路２８のすべてに連通する共通インク室が
形成され、矢印ｂ方向からインクが供給されるようにな
っている。

【００１６】上記インクジェットヘッド１２は、ヘッド
基体４７上に固定されている。このヘッド基体４７上に
あって上記各ノズル孔２６ａの配列方向一端側には、ア
ースに接続された引き出し配線４８が１箇所だけ形成さ
れており、この引き出し配線４８と各インク室２７に連
続して形成された上記基板２１上の導電性接着剤層３７
とをワイヤボンディング４９等の方法で接続することに
より、すべてのインク室２７に配置された圧電部材３
０，３１の第１電極３５，３６がアースされる。一方、
上記ヘッド基体４７上にあって上記ノズル孔２６ａの配
列方向と直交する方向の両端側には、引き出し配線５
０，５１が各インク室２７にそれぞれ対応して形成され
ている。これらの引き出し配線５０，５１は、図示しな
いドライバーＩＣを介して電圧印加手段であるコントロ
ーラ６（図１参照）に接続されるとともに、ヘッド内部
においては上記圧電部材３０，３１の第２電極３８，３
９に導通する導電性接着剤層４０，４１にそれぞれ接続
されている。これにより、各圧電部材３０，３１には、
コントローラ６によって画像信号に応じて電圧が印加さ
れるようになっている。

【００１７】続いて、上記構成からなるインクジェット
ヘッド１２のインクミスト噴射動作について説明する。
インクは、インク供給部７（図１参照）からインクマニ
ホールド４５およびインク供給路２８を介して各インク
室２７に充填される。インク室２７に配置された圧電部
材３０，３１に、コントローラ６により図８（ａ）に示
すような正極性のパルス電圧が印加される。このパルス
電圧は、記録紙上に１つの画素ドットを形成するための
１つの画像信号を表しており、圧電部材３０，３１の固
有振動数よりも高い周波数ｆをもつ複数の元パルス５２
が集合して構成される。上記元パルス５２は図８（ｅ）
に示す矩形状をなし、その周波数ｆは２０ｋＨｚ（キロ
ヘルツ）〜２００ＭＨｚ（メガヘルツ）の範囲内である
ことが好ましい。また、上記範囲のうち４０ｋＨｚ〜１
００ＭＨｚの範囲では、温度依存、長期使用、休止後最
初のミスト噴射等の種々の変動要因による影響を小さく
して、インクのミスト化をより安定して行うことができ
るので、特に好ましい。

【００１８】図８（ａ）に示すパルス電圧が印加される
と、上記圧電部材３０，３１の内部には、図９に示すよ
うに、第２電極３８，３９から第１電極３５，３６に向
かう方向、すなわち、分極方向と直交する方向に電界が
それぞれ形成される。これにより、圧電部材３０，３１
は、いわゆるすべり振動モード（シェアモード）に基づ
く変形を高速で繰り返して高周波振動する。

【００１９】具体的には、上記パルス電圧を構成する元
パルス５２のオン時には、図９中破線で示すように、音
叉状に配置された圧電部材３０，３１の上部が互いに接
近する方向に瞬時に変形し、元パルス５２のオフ時には
その弾性に基づき復元する。この変形が１つの画像信号
に含まれる元パルス５２の数に応じて高速で繰り返され
て高周波振動するものである。この振動により圧電部材
３０，３１に挟まれた領域にあるインクを振動させる高
周波振動エネルギが発生する。各圧電部材３０，３１が
互いに向かい合って配置され、かつそれぞれが同期して
振動するために、上記高周波振動エネルギはそれらに挟
まれた領域のほぼ中央部３２に集中する。集中した高周
波振動エネルギは、図１０に示すように、インク中を伝
播してノズル孔２６ａに表面張力によって保持されたイ
ンクメニスカスに伝わり、その表面５３を激しく振動さ
せ、インクをミスト化して噴射させる。また、高周波振
動する圧電部材３０，３１の表面近傍ではキャビテーシ
ョンが発生しており、このキャビテーションによる衝撃
波の干渉によってもインクのミスト化が促進される。

【００２０】ノズルプレート２６に対してほぼ垂直方向
に噴射されたインクミストは、図示しない記録紙上に付
着する。一方、ミスト噴射でインク量が僅かに減少した
インク室２７には、インク供給路２８を介して毛管現象
によりインクが補充される。このようなインクミスト噴
射動作が画像信号に応じて各インク室２７ごとに独立し
て行われるとともにスキャンキャリッジ８のスキャン移
動によりノズル数のライン分の画像が描かれ、これが記
録紙の通紙方向への移動に同期して繰り返されること
で、記録紙上に画像が形成される。

【００２１】このように本実施例によれば、発振源であ
る２つの圧電部材３０，３１を音叉状に互いに向かい合
うようにして配置し、かつそれぞれを同期して振動させ
ているので、高周波振動エネルギを各圧電部材３０，３
１に挟まれた領域のほぼ中央部３２に集中させることが
でき、小さなエネルギで効率よくインクをミスト化する
ことができる。また、ノズル孔２６ａを上記中央部３２
に対応するノズルプレート２６の位置に形成しているの
で、集中した高周波振動エネルギをロスすることなくイ
ンクのミスト化に用いることができ、さらに効率のよい
ミスト噴射が可能になる。さらに、ミスト噴射の高効率
化により装置の低電圧駆動が可能になり低電力化を図れ
る。その結果、圧電部材３０，３１の発熱を低く抑える
ことができるとともに、キャビテーションをできるだけ
抑えることでインクへのダメージを小さくでき、これに
よりインクの組成分離やインク成分が圧電部材表面に付
着するのを少なくできる。よって、圧電部材３０，３１
の振動やインクのミスト化を安定した状態で維持するこ
とができる。加えて、発振源である２つの圧電部材３
０，３１をインク室２７ごとに独立して設けているの
で、隣接するインク室間で振動が影響し合ってクロスト
ークが発生することもなく、インク室２７ごとに安定し
たミスト噴射が行える。

【００２２】ところで、上記実施例では図８（ａ）に示
すパルス電圧を圧電部材３０，３１に印加するようにし
たが、パルス電圧を構成する元パルス５２の数、電圧
値、周波数などを調節することでインクミストの発生量
や粒径を変化させることができ、これにより中間調再現
が可能になる。例えば、図８（ｂ）に示すパルス電圧を
印加すれば、図８（ａ）に示すパルス電圧と比べると含
まれる元パルス５２の数が多く、圧電部材３０，３１の
振動回数も増えるので、インクミスト量が多くなり、記
録紙上に付着するインク濃度が濃くなる。また、図８
（ｃ）に示すパルス電圧によれば、中間にある元パルス
５４のボトムラインの電圧を上げておくことで低電圧駆
動が可能になり、ドライバーコストを低減できる。さら
に、図８（ｄ）に示すように、その極性が交番的に変化
するパルス電圧（交流電圧も可）によれば、圧電部材３
０，３１の振幅幅が大きくなり、より大きな振動エネル
ギを得ることができる。

【００２３】上記各パルス電圧を構成する元パルスの形
状としては、図８（ｅ）に示すもの以外に、図８（ｆ）
に示す立ち下げ部５５に傾斜をもたせたものを用いても
よい。この形状の元パルスによれば、圧電部材３０，３
１の復元動作がやや遅くなり、ノズル孔２６ａにおいて
インクメニスカス表面５３が過度に引き込まれてインク
室２７に気泡が吸引されるのを防止する効果がある。ま
た、図８（ｇ）に示すように、オフ時の電圧ラインを常
に上げた元パルスを用いれば、低電圧駆動によるドライ
バーコストの低減を図れる。なお、図８（ｅ），（ｆ）
に示す元パルスに対して、図８（ｈ），（ｉ）に示すよ
うな逆極性のものを用いてもよい。これらの元パルスに
よれば、圧電部材３０，３１は、電圧オン時にその上部
が互いに離れる方向にすべり変形し、電圧オフ時に弾性
復元する動作を繰り返して振動することになる。ここ
で、図８（ｉ）に示すパルス形状の立ち下げ部５６を傾
斜させてある理由は、図８（ｆ）の場合と同様である。

【００２４】次に、上記実施例の変形例について図１１
〜１４を参照して説明する。上記実施例では、圧電部材
３０，３１について電極が形成されていない面を基板２
１に接着固定したが、図１１に示すように、圧電部材３
０，３１の第２電極３８，３９の形成面を導電性接着剤
層５７を介して基板２１に接着固定し、上記接着剤層５
７にパルス電圧を印加しても、圧電部材３０，３１につ
いて上記実施と同様の振動が得られる。

【００２５】一方、図１２に示す変形例は、圧電部材３
０，３１の基板２１に対する接着方向及び電圧印加によ
る電界形成方向は図１１に示す変形例と同様であるが、
図１２中矢印で示すように、圧電部材３０，３１につい
て第２電極３８，３９から第１電極３５，３６へ向かう
方向にそれぞれ分極処理が施されている。この場合、各
圧電部材３０，３１はいわゆる厚み方向振動モードに基
づき変形し、電圧印加によって幅方向に収縮変形すると
ともに、厚み方向に膨張変形する。このような変形が高
速で繰り返されることでも高周波振動エネルギが発生
し、インクをミスト化して噴射することができる。

【００２６】また、上記実施例では、１つのインク室２
７あたり２つの圧電部材３０，３１を配置したが、これ
に限るものではなく、例えば図１３または図１４に示す
ように、１つのインク室２７あたり３つまたは４つの圧
電部材６０〜６２，６３〜６６を基板２１上に互いに向
かい合うようにして配置してもよく、これによっても上
記実施例と同様の効果を奏することができる。この場合
にも、上記各圧電部材によって囲まれた三角状または矩
形状の領域のほぼ中央部に対応してノズル孔２６ａを形
成する。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のインクジェット記録装置によれば、インク室の基板上
に発振源である２つ以上の圧電部材を互いに向かい合っ
て配置し、かつ、それぞれを同期して振動させることに
より、高周波振動エネルギを各圧電部材に挟まれるか、
または、囲まれた領域のほぼ中央部に集中させることが
でき、インクを効率よくミスト化して噴射することがで
きる。この場合、上記中央部に対応するノズルプレート
上の位置にノズルを形成すれば、集中した高周波振動エ
ネルギをロスすることなくインクのミスト化に用いるこ
とができ、さらに効率のよいインクミスト噴射が可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 インクジェット記録装置の概略構成図であ
る。

【図２】 インクジェットヘッドの断面図である。

【図３】 図２に示すインクジェットヘッド断面の部分
拡大図である。

【図４】 圧電部材に関する好ましい寸法条件を説明す
るための図である。

【図５】 図４と同様に、圧電部材に関する好ましい寸
法条件を説明するための図である。

【図６】 図２の示すインクジェットヘッドのIV−IV断
面図である。

【図７】 ヘッド基体上に固定したインクジェットヘッ
ドの部分斜視図である。

【図８】 圧電部材に印加するパルス電圧と、そのパル
ス電圧を構成する元パルスの形状を例示する図である。

【図９】 電圧印加による圧電部材の変形状態を説明す
るための図である。

【図１０】 ノズル孔よりインクミストが噴射されてい
る状態を示すインクジェットヘッドの断面図である。

【図１１】 基板に対する圧電部材の接着方向について
の変形例を示す図である。

【図１２】 図１１の変形例に対して圧電部材の分極方
向が異なった別の変形例を示す図である。

【図１３】 １つのインク室あたり３つ圧電部材を配置
した変形例を示す図である。

【図１４】 １つのインク室あたり４つの圧電部材を配
置した変形例を示す図である。

【符号の説明】

１…インクジェット記録装置、６…コントローラ（電圧
印加手段）、２１…基板、２６…ノズルプレート、２６
ａ…ノズル孔（ノズル）、２７…インク室、３０，３１
…圧電部材。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板とノズルを有するノズルプレートと
   の間に形成されたインク室と、 上記インク室の基板上に互いに向い合うように配置され
   た２つ以上の圧電部材と、 上記各圧電部材に画像信号に応じて圧電部材の固有振動
   数以上の周波数をもつ高周波パルス電圧をそれぞれ同期
   して印加する電圧印加手段とを備え、 上記電圧印加手段により上記圧電部材に電圧印加して高
   周波振動させ、インク室に充填されたインクをミスト化
   してノズルより噴射するようにしたインクジェット記録
   装置。
2. 【請求項２】 上記ノズルが上記圧電部材に挟まれる
   か、または、囲まれた領域のほぼ中央部に対応するノズ
   ルプレートの位置に形成されている請求項１に記載のイ
   ンクジェット記録装置。