JPH10181016A

JPH10181016A - インクジェット記録装置とその製造方法

Info

Publication number: JPH10181016A
Application number: JP9294486A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Takayama; 良一高山; 祐二 ▲たか▼島; Yuuji Takashima; Eiichiro Tanaka; 栄一郎田中; Koji Ikeda; 浩二池田; Osamu Kawasaki; 修川▲さき▼; Masayoshi Miura; 眞芳三浦
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-10-29
Filing date: 1997-10-27
Publication date: 1998-07-07
Anticipated expiration: 2017-10-27
Also published as: JP3384958B2

Abstract

(57)【要約】【課題】インク吐出口からのインクのタレを防止で
き、ノズルの高密度化が可能であり、ノズル間のクロス
トークを抑制できるインクジェット記録装置の実現。【解決手段】インク液体を収容する圧力室１と、その圧
力室１に連通し、前記インク液体を吐出する吐出口２
と、圧力室１に圧力を印加する圧力印加手段とを備え、
その圧力印加手段は、圧力室１に形成された振動板６
と、その振動板６を振動させ、チタン酸ジルコン酸鉛系
又はチタン酸バリウム系を主成分としたペロブスカイト
構造を示す単結晶あるいは分極軸方向に優先配向した多
結晶のものを圧電部材とする圧電素子５とを有し、前記
吐出口２の前面に配置された記録媒体にインク液体を吐
出するときは、少なくとも圧電素子５に所定の電圧を印
加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微小ノズルからイ
ンクなどの液体を吐出させ、記録紙やシート上に液体パ
ターンを形成することにより文字や図形を描くプリンタ
などに用いられるインクジェット記録装置及びその製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、パソコンなどの印刷装置としてイ
ンクジェット記録装置を用いたプリンタが、取り扱いが
簡単、印字性能がよい、低コストなどの理由から広く普
及している。このインクジェット記録装置には、熱エネ
ルギーによってインク中に気泡を発生させ、その気泡に
よる圧力波によりインク滴を吐出させるもの、静電力に
よりインク滴を吸引吐出させるもの、ピエゾ素子のよう
な振動子による圧力波を利用したもの等、種々の方式が
ある。

【０００３】一般に、ピエゾ素子を用いたものは、例え
ば、インク吐出口に連通したインク供給室と、そのイン
ク供給室に連通した圧力室と、その圧力室に設けられ、
ピエゾ素子が接合された振動板等により構成されてい
る。従来、インクの吐出方向とピエゾ素子の振動方向は
同方向である。このような構成において、ピエゾ素子に
所定の電圧を印加すると、ピエゾ素子が伸縮することに
よって、ピエゾ素子と振動板が太鼓状の振動を起こして
圧力室内のインクが圧縮され、それによりインク吐出口
からインク液滴が吐出する。ところで、一般にピエゾ素
子の仕事量Ｗは、Ｗ∝Ｅ_p・ｄ₃₁ ²（Ｖ／ｔ）²ν_p（但
し、Ｅ_p：ピエゾ素子のヤング率、ｄ₃₁：ピエゾ素子の
圧電定数、Ｖ：ピエゾ素子に印加する電圧、ｔ：ピエゾ
素子の厚さ、ν_p:ピエゾ素子の体積）の関係があり、ノ
ズルの密度を高くする（圧力室の幅を小さくする）とν
_pが小さくなる。従って、インクを吐出させるのに必要
な仕事量を得るには、ピエゾ素子の厚さを薄くし、且つ
ピエゾ素子の耐電圧を高くする必要がある。しかし、従
来のインクジェットヘッドに用いられていたピエゾ素子
は厚膜もしくはバルクであり、ピエゾ素子の薄膜化と高
耐電圧化を両立させることが困難であった。よって、ピ
エゾ素子の体積を小さくすると、ピエゾ素子による振動
板の変位量が小さくなり、十分な吐出力が得られない。
そこで、仕事量Ｗを大きくしてこの変位量を大きくしよ
うとすると、マルチノズルヘッドの小型化、マルチノズ
ルの高密度化、さらにはヘッドの長尺化の実現が困難で
あり、ヘッドの小型化と高速記録化とを両立させること
が困難であった。具体的には、従来の厚膜もしくはバル
クのピエゾ素子では２〜３ノズル／ｍｍのノズル密度が
限界であった。

【０００４】そこで、その問題を解決するために、例え
ば、特願平６−２７３６５０に示されるように、ピエゾ
素子の振動方向をその振動方向に対して垂直な方向に振
動板を振動させる構成とし、ピエゾ素子により生じた小
さな振動を大きな振動に増幅して、同じサイズで変位量
を大きくする方法や、インク吐出口の対向する位置に対
向電極を設けて、その対向電極と圧力室のインクとの間
に所定の高電圧、例えば１．５ｋＶ程度を印加し、その
静電力によりインクを対向電極側（すなわち、シート等
の記録媒体側）に膨らませた状態とし、小さな圧力を印
加しただけでインクが吐出できるように構成したもの等
が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来のインクジェット記録装置では、対向電極に
電圧を印加してインクを小さな圧力で吐出しやすくして
いる場合は、インクが吐出口先端部へ前進した状態とな
り、インク吐出口の先端部からインクのタレを生じる。
また、インクのタレを防止するために吐出口先端部を金
属部材で構成すると（図２（ａ）参照、詳細は後述）、
インクの飛翔する速度が小さくなり、逆にインクの飛翔
する速度を大きくするために吐出口先端部を絶縁体で構
成すると（図２（ｂ）参照、詳細は後述）、インクのタ
レを生じるという相反する関係があり、その結果、ノズ
ルの高密度化が困難、又、小型化によりマルチノズルヘ
ッドとした場合は、ノズル間のクロストークが生じると
いう課題がある。

【０００６】本発明は、従来のこのような液滴吐出装置
の課題を考慮し、インク吐出口の先端部からのインクの
タレを防止でき、ノズルの高密度化が可能であり、ノズ
ル間のクロストークを抑制できるインクジェット記録装
置を提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の本発明は、イ
ンク液体を収容する圧力室と、その圧力室に連通し、イ
ンク液体を吐出する吐出口と、圧力室に圧力を印加する
ための圧力印加手段とを備え、圧力印加手段は、圧力室
に形成された振動板と、その振動板を振動させ、チタン
酸ジルコン酸鉛系又はチタン酸バリウム系を主成分とし
たペロブスカイト構造を示す単結晶あるいは分極軸方向
に優先配向した多結晶のものを圧電部材とする圧電素子
とを有するものであって、吐出口の前面に配置された記
録媒体にインク液体を吐出するときは、少なくとも圧電
素子に所定の電圧を印加することを特徴とするインクジ
ェット記録装置である。

【０００８】請求項３の本発明は、インク液体を収容す
る圧力室と、その圧力室に連通し、インク液体を吐出す
る吐出口と、圧力室に圧力を印加するための圧力印加手
段とを備え、圧力印加手段は、圧力室に形成された振動
板と、その振動板を振動させ、ＬiＮbＯ₃又はＬiＴaＯ₃
を圧電部材とする圧電素子とを有するものであって、吐
出口の前面に配置された記録媒体にインク液体を吐出す
るときは、少なくとも圧電素子に所定の電圧を印加する
インクジェット記録装置である。

【０００９】請求項４の本発明は、インク液体を収容す
る第１の圧力室と、その第１の圧力室に圧力を印加する
ための第１の圧力印加手段と、第１の圧力室に連通し、
インク液体を吐出する吐出口をそれぞれ有する複数の第
２の圧力室と、その複数の第２の圧力室に圧力をそれぞ
れ印加するための第２の圧力印加手段とを備え、第１の
圧力印加手段による第１の圧力室への印加圧力及び、第
２の圧力印加手段による第２の圧力室への印加圧力を調
節することにより、吐出口の前面に配置された記録媒体
へのインク液体の吐出及び、吐出停止を制御するインク
ジェット記録装置である。

【００１０】上記の構成のように、２つの圧力印加手段
による圧力の印加を独立して制御することにより、吐出
口におけるインク液体の膨れが均一となる。また、圧力
印加手段の印加圧力のばらつきが大きくても影響が少な
い。その結果、ノズルヘッドの高密度化、多ノズル化、
小型化が容易になる。

【００１１】請求項８の本発明は、インク液体を収容す
るインク液室と、そのインク液室に連通し、インク液体
を吐出する吐出口と、インク液室に圧力波を発射するた
めの圧力波発生手段とを備え、圧力波発生手段は、イン
ク液室に形成された振動板と、その振動板を振動させる
圧電素子とを有するものであって、吐出口の前面に配置
された記録媒体にインク液体を吐出するときは、少なく
とも圧電素子に所定の高周波電圧を印加するインクジェ
ット記録装置である。

【００１２】この構成により、圧電素子に印加する電圧
を小さくできるので、ノズルヘッドの小型化が可能にな
る。

【００１３】請求項１１の本発明は、ＭgＯ基板上に個
別電極を形成し、その個別電極上にチタン酸ジルコン酸
鉛系又はチタン酸バリウム系を主成分としたペロブスカ
イト構造を示す単結晶層あるいは分極軸方向に優先配向
した多結晶の層を形成し、その単結晶層あるいは結晶配
向性の層上に共通電極を形成し、その共通電極上にＮ
i、Ｃr、あるいはジルコニアからなる材料で振動板を形
成し、その振動板の上にインク液体を収容するための圧
力室を形成し、ＭgＯ基板をエッチングで除去すること
により、圧力室に圧力を印加するための圧力印加手段を
作製するインクジェット記録装置の製造方法である。

【００１４】上記のような工程は、半導体製造における
工程を用いることになるので、ノズルヘッドの高密度
化、多ノズル化、長尺化が可能になる。

【００１５】請求項１２の本発明は、インク液体を収納
するための圧力室の所定の面に、振動板Ｓi 部材により
圧力室と一体に作製し、その振動板上に共通電極を形成
し、その共通電極上に形成したＳiＯ₂とＬiＮbＯ₃ 又は
ＬiＴaＯ₃ を直接接合し、そのＬiＮbＯ₃ 又はＬiＴaＯ
₃ の上に更に個別電極を形成することにより圧力室に圧
力を印加するための圧力印加手段を作製するインクジェ
ット記録装置の製造方法である。

【００１６】上記のように、共通電極上に形成したＳi
Ｏ₂とＬiＮbＯ₃ 又はＬiＴaＯ₃ を直接接合することに
より、圧電効果が向上する。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明をその実施の形態
を示す図面に基づいて説明する。（第１の実施の形態）図１は、本発明にかかる第１の実
施の形態のインクジェット記録装置におけるノズルヘッ
ドの断面図である。

【００１８】図１において、本実施の形態のノズルヘッ
ドは、インクを吐出する吐出口２、その吐出口２に連通
し、インクを収容する圧力室１、その圧力室１に小穴１
６を介してインクを流入させる共通液室９、圧力室１に
圧力を印加するための圧電素子５及びその圧電素子５で
振動する振動板６から構成されている。尚、図１は断面
図であり、圧力室１は隔壁により分離された複数個が、
この断面と垂直方向に並んだ構成になっており、従っ
て、吐出口２も圧力室１と同数が同様に並んでいる。
又、共通液室９はそれら複数個の圧力室１の全てにわた
って設けられた１室で構成されている。上記の圧電素子
５及び振動板６が圧力印加手段を構成している。

【００１９】圧力室１は、３層の感光性ガラス７ａ，７
ｂ，７ｃの３層構造の圧力室構造体７と、感光性ガラス
７ａの上に形成されたＮｉ製の振動板６と、圧力室１に
インクを流入させるための小穴１６を有するステンレス
製の供給側ノズル板８とから構成されている。吐出口２
は、絶縁性部材１５に吐出口２の孔から半径方向に所定
の距離離れた部位に制御電極１３が形成された吐出ノズ
ル板１２、感光性ガラス７ａの一端部、感光性ガラス７
ｃの一端部などにより構成され、共通液室９は、供給側
ノズル板８と、共通液室構造板９ａと、インク供給口１
０を有するインク供給口平板１１とから構成されてい
る。ここで、共通液室構造板９ａ及びインク供給口平板
１１はステンレス製である。また、振動板６の上には圧
電素子５が形成され、その圧電素子５は、図示していな
いが、一方の電極となるＡu 層、圧電部材であるＰＺＴ
層、もう一方の電極となるＰt層から形成されている。

【００２０】また、このノズルヘッドの吐出口２の対向
する位置にはインクを吐出させやすくするための対向電
極３が設けられ、この対向電極３と圧力室１内のインク
との間に電圧を印加するための電圧源４が接続され、ま
た、吐出口２の制御電極１３と圧力室１内のインクとの
間に制御電圧を印加するための電圧源１４が接続されて
いる。

【００２１】次に、上記第１の実施の形態におけるノズ
ルヘッドの動作について、図面を参照しながら説明す
る。

【００２２】まず、図２（ａ）は、吐出口２の先端面が
すべて金属（導電体）の場合の従来例を示す図である。
吐出口２と対向電極３との間に電圧源４により電圧が印
加された場合、電界分布はほぼ平行となってインクに対
する静電引力が小さくなり、インクの対向電極３側への
膨らみが小さく、インクの吐出口２先端からのタレはほ
とんど生じない。但し、この場合は、静電引力が小さく
なるためインクの飛び出す速度は遅くなる。

【００２３】また、図２（ｂ）は、吐出口２の先端面が
すべて絶縁体２０で覆われた場合の従来例を示す図であ
る。吐出口２と対向電極３との間に電圧源４により電圧
が印加された場合、電界は吐出口２先端のインクに集中
するためインクに対する静電引力が大きくなり、インク
の飛び出す速度を速くできる。但し、この場合は、前述
とは逆に、インクを対向電極３側へ引く力が大きくなる
ので、インクが対向電極３側へ大きく膨らみ、吐出口２
先端部でインクのタレを生じる。

【００２４】一方、図２（ｃ）は、本実施の形態におけ
るノズルの場合を示し、前述の２つの従来例の場合の中
間的な作用を呈する。制御電極１３と吐出口２先端のイ
ンクとの間に絶縁体１５が存在するため、対向電極３と
インクとの間に電圧源４により電圧を印加した場合、電
界の集中が制御電極１３側とインク側に分散されるた
め、インクに対する電界の集中は、その程度が図２
（ｂ）の場合ほど大きくはなく、又、図２（ａ）の場合
ほど小さくない。その結果、インクの飛び出す速度をあ
る程度大きくできて、尚且つインクのタレも抑制でき
る。

【００２５】更に、本実施の形態の構成によれば、イン
クと制御電極１３との間に電圧源４の電圧よりも小さい
逆の電圧を電圧源１４により印加しているため、対向電
極３への電圧印加により生じたメニスカスを吐出口２の
途中でそのまま保持しておくことが可能となり、インク
のタレを防止することができる。また、この場合、制御
電極１３の領域及び絶縁体１５の領域を調節したり、電
圧源１４の電圧を調節すれば、インクへの電界の集中の
程度、すなわち、インクの飛び出す速度、及び吐出口２
におけるインクの保持力等を制御できるので、最適な条
件が選択可能である。

【００２６】次に図３は、本実施の形態において、対向
電極３への電圧印加が行われていない状態（スイッチ３
１がオフ）を示し、インクと制御電極１３との間に電圧
が印加されているのみである。この場合、対向電極３に
よるインクの膨れがなく、その印加電圧によりインクの
先端は吐出口２の途中の位置で保持されているため、吐
出口先端部からのインクのタレを生じない。

【００２７】次に、図４に示すように、スイッチ３１を
オンして電圧源４により、対向電極３とインクとの間に
電圧を印加すると、インクは静電引力によって対向電極
３側へ引っ張られ、メニスカスが生じて吐出口２から飛
び出しやすい状態になる。このとき、対向電極３に印加
される電圧は、インクが吐出口２から飛び出さない程度
の電圧、例えば、約１．５ｋＶ位である。その後、圧電
素子に電圧が加えられて圧力室に圧力が印加されると
（図示省略）、図５に示すように、吐出口２からインク
液滴３２が飛び出し、対向電極３の静電引力に吸引され
て途中に配置されたシート３０に付着する。この場合、
先に圧力室に圧力を印加し、その後に対向電極３へ電圧
を印加しても同様な動作になる。その後、圧力の印加を
停止し、スイッチ３１をオフにして対向電極３への電圧
印加を停止すると、図３の状態に戻る。

【００２８】このように、本実施の形態によれば、イン
クの吐出口２近傍に制御電極１３を設けて、その制御電
極１３と吐出口２のインクとの間に絶縁性を持たせてい
るので、電界がインクに集中し過ぎることもなく、又、
対向電極３による静電引力も余り小さくならずに、イン
クの吐出口２からのタレを防止でき、ノズル間のクロス
トークも抑制できる。以上のように、対向電極３とイン
クとの間の電界の集中が緩和されるため、クロストーク
の影響が少なくなるので、例えば図６に示すように、制
御電極を電極６０により構成して共通とし、吐出口２を
複数個一列に配置して、電極６０とそれぞれの吐出口２
との間を絶縁体６１で取り囲むように構成すれば、多ノ
ズル化が容易になる。

【００２９】ここで、本実施の形態では、制御電極１３
を用いて吐出口２におけるインクの先端部をその位置に
保持することによりインクのタレを防止したが、更に、
インクを後述のような方法を用いて圧力室側へ後退させ
ることによりインクのタレを防止すれば、より効果的で
ある。例えば、図７（ａ）、あるいは図７（ｂ）に示す
ように、吐出口２の先端部分から内側の所定の距離ま
で、更には吐出口２の先端部を、フッ素系膜でできた撥
水性を有する撥水膜７０により被覆する構成としてもよ
い。この場合は、制御電極が無くてもインクが撥水膜７
０により圧力室側へ弾かれて後退し、タレ防止の効果が
得られる。このとき、制御電極１３を併用することによ
り、インクの後退と同時にその後退位置での保持ができ
るので相乗効果によって、制御電極１３に印加する電圧
が小さくてすみ、対向電極３への印加電圧の低下が小さ
くなるので、インクのタレを防止しながらインクの飛び
出す速度を大きくできる。

【００３０】図８は、吐出口におけるインクの後退を実
現するための別の一例を示す図である。図８に示す方法
は、圧力室１に負圧を印加することにより、吐出口２を
通じて大気圧でインクを圧力室１側へ後退させるもので
ある。この構成により、圧力室１に負圧が印加されるよ
うに、圧電素子５に電圧を印加すると、吐出口２のイン
クは圧力室１側へ後退する。このとき、インク流入口１
６からも負圧によりインクが流入しようとするが、吐出
口２の内径はインク流入口１６の内径よりも大きく形成
されているため、インク流入口１６からのインクの流入
は抑制される。前述の撥水膜を用いた場合と同様に、こ
の場合も、制御電極１３が無くてもタレ防止の効果が得
られるが、制御電極１３を併用することにより、インク
の後退とその後退位置での保持の相乗効果が期待でき
る。従って、前述の撥水膜を用いた方法と同様に、制御
電極１３に印加する電圧が小さくてすみ、対向電極３へ
の印加電圧の低下が小さくなるので、インクのタレを防
止しながらインクの飛び出す速度を大きくできる。

【００３１】なお、上記実施の形態では、制御電極１３
に電圧を印加する構成としたが、これに限らず、制御電
極１３をインクと同電位としても良いし、あるいは又、
インクから電気的に浮いた状態にしてもよい。これらの
場合も、対向電極３とインクとの間の電界の集中が緩和
されるので、前述と同様の効果が得られる。

【００３２】また、上記実施の形態では、制御電極１３
に印加する電圧を対向電極３に印加する電圧に対して極
性を逆にしたが、これに限らず、同極性の電圧を印加し
てもよい。

【００３３】次に、本実施の形態に用いた圧力室及び圧
電素子の製造方法について説明する図１０は、上記第１
の実施の形態における圧電素子及び圧力室の製造方法を
説明する図である。

【００３４】図１０において、まず、ＮａＣｌ型の結晶
構造を持つ、例えばＭgＯ基板１００１上に個別電極１
００２となるＰｔ層を形成し、その個別電極１００２の
上に圧電材料のＰＺＴ結晶配向性層１００３を形成す
る。このＰＺＴ結晶配向性層１００３は、チタン酸ジル
コン酸鉛系又はチタン酸バリウム系を主成分としたペロ
ブスカイト構造を示す、ＰＺＴ系の単結晶層あるいは分
極軸の揃った多結晶の結晶配向層であればよい。また、
十分な吐出力を得るためには、その層の膜厚は０．１μ
ｍ以上とし、高密度化のために、その層の膜厚は１０μ
ｍ以下が望ましい。従って、ノズル密度に応じて、この
範囲で膜厚を設定すればよい。次にそのＰＺＴ結晶配向
性層１００３の上に共通電極１００５となるＡu 層を形
成する。その共通電極１００５の上にＮi、Ｃr、あるい
は、ジルコニアからなる材料で共通振動板１００４をス
パッタリングにより形成する。次に共通振動板１００４
の上に圧力室の構造体を感光性ガラス１１０１（図１１
参照）により形成し、最後にＭgＯ基板１００１をリン
酸でエッチングを行い除去する。図１１に上記の方法で
製作したものの断面図を示す。従来、例えば、特開平６
−０４００３０に示されているような、スクリーン印刷
によって、圧電素子と個別電極とを製作すると高密度化
が困難であったが、本実施の形態に示すように、半導体
製造の工程を用いることにより、高密度化が可能で、図
１２に示すような多ノズル化、ヘッドの長尺化を簡単に
実施できる。図１２に示す多ノズルヘッドは、幅５０ｍ
ｍの間にノズルが２００ｄｐｉの密度で形成されたヘッ
ドである。従って、２〜３ノズル／ｍｍのノズル密度が
限界であったものが、本発明によれば、６あるいは７ノ
ズル／ｍｍ以上のノズル密度が容易に実現できる。な
お、ＭｇＯ基板は、ＮａＣｌ型の結晶構造を持つもので
あれば、他の材料でも適用可能である。

【００３５】（第２の実施の形態）図９は、本発明の第
２の実施の形態における圧電素子及び圧力室の一部を示
す構成図である。

【００３６】図９において、まず、圧力室構造体９０１
及び振動板９０２をＳi 部材により一体として作製し、
その振動板９０２の上にスパッタリングによってＰt 、
あるいはＡu の共通電極９０３を形成する。次に、その
共通電極９０３の上に形成したＳiＯ₂９０４と圧電材料
のＬiＮbＯ₃ ９０５を直接接合する。更に、このＬiＮb
Ｏ₃ ９０５の上にＡu の個別電極９０６を形成する。こ
こで、例えば、振動板９０２の厚さは１０μｍ、ＳiＯ₂
９０４の厚さは３０００オンク゛ストロームであり、また、Ｓi
Ｏ₂９０４とＬiＮbＯ₃ ９０５とを直接接合（信学技報
テクニカルレポートオブＩＥＩＣＥ，ＵＳ９５−２４，
ＥＭＤ９５−２０，ＣＰＭ９５−３２、１９９５−０
７、Ｐ３１−３８参照）したことにより、圧電効果が向
上する。なお、圧電材料としてＬｉＮｂＯ₃の代わりに
ＬｉＴａＯ₃を用いてもよい。（第３の実施の形態）図１３は、本発明にかかる第３の
実施の形態におけるノズルヘッドの平面図である。

【００３７】本実施の形態は、図１３に示すように、圧
電素子をインクを飛ばす方向に２段に設けてインクの飛
翔を制御する構成としている（以後、２段ピエゾ方式と
呼ぶ）。すなわち、インクが収納される圧力室が、第１
の圧力室としての共通液室１３０５とその共通液室１３
０５に連通する複数の第２の圧力室としての個別液室１
３０６とが櫛状に設けられ、複数の個別液室１３０６は
それぞれ隔壁１３０４により分離されている。また、個
別液室１３０６の一端には、それぞれノズル（吐出口）
１３０３が連通されている。また、共通液室１３０５と
個別液室１３０６との連絡部分１３０７は、他のノズル
１３０３、特に隣接するノズル１３０３のオン、オフに
よる影響を小さくするために狭くしぼられている。

【００３８】共通液室１３０５の上部には、共通液室全
体に圧力を印加するためのメニスカス生成用ピエゾ（以
後、共通ピエゾと呼ぶ）１３０１が設けられ、もう一方
の個別液室１３０６の上部には、インクの飛翔を制御す
るためのインク飛翔・停止用ピエゾ（以後、個別ピエゾ
と呼ぶ）１３０２がそれぞれ設けられている。また、図
１４に示すように、共通ピエゾ１３０１の下側には共通
振動板１４０１が形成され、個別ピエゾ１３０２の下側
には個別振動板１４０２が形成されている。従って、共
通液室１３０５への圧力印加と個別液室１３０６への圧
力印加とは、共通ピエゾ１３０１及び個別ピエゾ１３０
２によりそれぞれ別に独立して行うことができる。ここ
で、共通ピエゾ１３０１及び共通振動板１４０１が第１
の圧力印加手段を構成し、個別ピエゾ１３０２及び個別
振動板１４０２が第２の圧力印加手段を構成している。

【００３９】上記構成の本実施の形態の２段ピエゾ方式
における駆動方法は次の３通りの方式がある。（ａ）共通ピエゾ１３０１による印加圧力を強とするこ
とによりインクを吐出する。このとき個別ピエゾ１３０
２による圧力の印加は行わず、共通ピエゾ１３０１のみ
によりインクの吐出を行う。インク吐出の停止は、個別
ピエゾ１３０２により負圧を印加することにより、共通
ピエゾ１３０１の印加圧力を弱めて行う。以後、これを
引き上げ方式と呼ぶ。（ｂ）共通ピエゾ１３０１による印加圧力を弱にしてお
き、インクを吐出するときは個別ピエゾ１３０２による
圧力印加を行い、共通ピエゾ１３０１と個別ピエゾ１３
０２の両者の印加圧力によりインクの吐出を行う。イン
ク吐出の停止は、個別ピエゾ１３０２による圧力印加を
やめることにより行う。従って、共通ピエゾ１３０１の
印加圧力が弱のときは、インクを吐出させるだけの圧力
はない。以後、これをバイアス方式と呼ぶ。（ｃ）前述のバイアス方式を改良した方式であり、共通
ピエゾ１３０１による印加圧力を弱にしておき、インク
を吐出するときは個別ピエゾ１３０２による圧力印加を
行い、共通ピエゾ１３０１と個別ピエゾ１３０２の両者
の印加圧力によりインクの吐出を行うことは同じであ
る。インク吐出の停止は、個別ピエゾ１３０２による圧
力印加を負圧の印加とすることにより行う。この場合
は、共通ピエゾ１３０１による印加圧力が負圧相当分キ
ャンセルされる。以後、これを改良型バイアス方式と呼
ぶ。

【００４０】以上の駆動方法を用いることにより、上述
の（ａ）の引き上げ方式においては、同一の共通ピエゾ
１３０１により各ノズルにおけるメニスカスを形成する
ので、均一なメニスカスが形成でき、ドットが均一にな
る。また、インク吐出時は個別ピエゾ１３０２を用いな
いので、個別ピエゾ１３０２のばらつきの影響がなくド
ットが均一になる。更にインクの吐出制御を個別ピエゾ
１３０２により停止するのみであるので圧電パワーが小
さくてよく、個別ピエゾ１３０２を小型化できるため高
密度化が可能である。

【００４１】一方、（ｂ）のバイアス方式においては、
共通ピエゾ１３０１による印加圧力がバイアスの状態を
作るので、この効果により個別ピエゾ１３０２の圧電パ
ワーを小さくできる。従って、個別ピエゾ１３０２を小
型化できるため高密度化が可能である。

【００４２】また、（ｃ）の改良型バイアス方式におい
ては、個別ピエゾ１３０２の制御による印加圧力の差が
吐出時と停止時とで大きくとれるので、共通ピエゾ１３
０１によるバイアスのばらつきが大きくても影響を受け
ない。

【００４３】以上のように、本実施の形態の２段ピエゾ
方式を用いることによって、均一なメニスカスが作りや
すく、個別ピエゾ１３０２の圧電パワーを小さくでき、
更にばらつきが大きくても良いため、高密度化が可能と
なる。また、共通ピエゾ１３０１及び個別ピエゾ１３０
２により、ともに最大の圧力印加を行えば、ヘッドクリ
ーニング時等における強力な吐出も可能である。（第４の実施の形態）図１５は、本発明にかかる第４の
実施の形態におけるノズルヘッドの断面図である。

【００４４】図１５において、インクを収容する個別液
室１５０６は振動板１５０１も含めてＳ_i 部材で形成さ
れており、その振動板１５０１の部分の厚さは、例えば
１００μｍである。この振動板１５０１の上には圧電素
子の一方の電極である共通電極１５０３がＡ_u により形
成され、その共通電極１５０３の上には圧電素子である
ＰＺＴ１５０２が形成されている。更に、ＰＺＴ１５０
２の上にはもう一方の電極である個別電極１５０４がＡ
_u により形成されている。また、個別液室１５０６には
インクの吐出口であるノズル１５０５及びインクを供給
するためのインク供給口１５０７が設けられている。ま
た、ＰＺＴ１５０２の厚さも、例えば１００μｍであ
る。

【００４５】本実施の形態の特徴は、前述までの実施の
形態のように圧力室に圧力を印加して、その圧力でイン
クを飛翔させるものではなく、ＰＺＴ１５０２に高周波
電圧、ここでは例えば、２〜３ボルト、１０ＭＨｚの交
流電圧を印加し、それにより振動板１５０１が振動して
圧力波１５０８が生じ、その圧力波１５０８が個別液室
１５０６内のインク中をノズル１５０５の方向に向かっ
て進行し、その進行する圧力波１５０８の衝撃によって
インクを吐出させるものである。従って、本実施の形態
の構成を用いれば、上述したような数ボルト足らずの電
圧を印加するだけでインクをノズル１５０５から吐出さ
せることが可能になる。尚、その場合、圧力波１５０８
の進行方向は、できるだけノズル１５０５の方向へ進行
するように構成しておく必要がある。（第５の実施の形態）図１６は、本発明にかかる第５の
実施の形態におけるノズルヘッドの断面図である。

【００４６】本実施の形態も上記第４の実施の形態と同
様に圧力波を利用するものである。図１６において、厚
さ１００μｍのＳ_i 部材で形成された振動板１６０１に
は、ノズル１６０６に対向する部分に凹面部１６０５が
形成されており、その凹面部１６０５が形成されたＳ_i
部材の裏側には、圧電素子であるＰＺＴ１６０２が設け
られている。ここで、凹面部１６０５の形状は、ノズル
１６０６近傍が焦点位置となるような形状とすれば効果
的である。また、ＰＺＴ１６０２の両表面には電圧印加
用の共通電極１６０３及び個別電極１６０４が形成され
ている。本実施の形態も前述の第４の実施の形態と同様
に、ＰＺＴ１６０２に高周波電圧を印加して振動板１６
０１を振動させ、その時発生する圧力波１６０７の衝撃
によりインクをノズル１６０６から吐出させるものであ
る。

【００４７】本実施の形態において、ＰＺＴ１６０２に
高周波電圧として、例えば、１ボルト、１０ＭＨｚの交
流電圧を印加すると、振動板１６０１が振動して圧力波
１６０７が発生する。振動板１６０１には凹面部１６０
５が形成されているので、圧力波１６０７がその凹面部
１６０５の作用によりノズル１６０６近傍に収束し、圧
力波１６０７による吐出力が増してインクの吐出が、よ
り効果的に行われる。従って、前述の第４の実施の形態
より、更に、小さい電圧によりインクの吐出が可能とな
る。

【００４８】なお、上記第４及び第５の実施の形態で
は、ＰＺＴに印加する高周波電圧の周波数は１０ＭＨｚ
としたが、低い電圧でインクを飛び出させるだけの圧力
波が発生できれば、これに限定されるものではない。

【００４９】また、上記第４及び第５の実施の形態で
は、圧電素子にＰＺＴを用いたが、これに限らず、第２
の実施の形態で説明したＬiＮbＯ₃ など、他の圧電材料
を用いてもよい。

【００５０】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように本
発明は、ＮａＣｌ型の結晶構造をもつ基板上に個別電極
を形成し、その個別電極上にチタン酸ジルコン酸鉛系又
はチタン酸バリウム系を主成分としたペロブスカイト構
造を示す単結晶層あるいは分極軸方向に優先配向した多
結晶の層を形成し、その単結晶層あるいは多結晶の層上
に共通電極を形成し、その共通電極上に振動板を形成
し、その振動板の上にインク液体を収容するための圧力
室を形成し、基板をエッチングで除去することにより、
圧力室に圧力を印加するための圧力印加手段を作製する
ので、ノズルの高密度化が可能であり、ノズル間のクロ
ストークを抑制できるという長所を有する。

【００５１】また、吐出口近傍に制御電極を配置すれ
ば、インク吐出口の先端部からのインクのタレを防止で
きるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる第１の実施の形態のインクジェ
ット記録装置におけるノズルヘッドの断面図である。

【図２】同図（ａ）及び（ｂ）は、従来のノズルにおけ
る電界分布の状態を示す図、同図（ｃ）は、同第１の実
施の形態のノズルにおける電界分布の状態を示す図であ
る。

【図３】同第１の実施の形態におけるインクの状態を説
明する図である。

【図４】同第１の実施の形態におけるインクの状態を説
明する図である。

【図５】同第１の実施の形態におけるインクの状態を説
明する図である。

【図６】同第１の実施の形態におけるノズルをマルチノ
ズル化した例を示す図である。

【図７】同図（ａ）、（ｂ）は、同第１の実施の形態に
おけるノズルに、撥水膜を形成した例を示す図である。

【図８】同第１の実施の形態におけるインクのタレ防止
を実現するための一例を示す図である。

【図９】本発明の第２の実施の形態における圧電素子及
び圧力室の一部を示す構成図である。

【図１０】同第１の実施の形態における圧電素子及び圧
力室の製造方法を説明する図である。

【図１１】同第１の実施の形態における圧電素子及び圧
力室の一部を示す断面図である。

【図１２】同第１の実施の形態による多ノズルヘッドの
例を示す斜視図である。

【図１３】本発明にかかる第３の実施の形態におけるノ
ズルヘッドの平面図である。

【図１４】同第３の実施の形態におけるノズルヘッドの
断面図である。

【図１５】本発明にかかる第４の実施の形態におけるノ
ズルヘッドの断面図である。

【図１６】本発明にかかる第５の実施の形態におけるノ
ズルヘッドの断面図である。

【符号の説明】

１圧力室２吐出口３対向電極５圧電素子６振動板１３制御電極７０撥水膜９０３共通電極９０６個別電極１００１Ｍ_gＯ基板１１０１感光性ガラス１３０１メニスカス生成用ピエゾ（共通ピエゾ）１３０２インク飛翔・停止用ピエゾ（個別ピエゾ）１４０１共通振動板１４０２個別振動板１５０８圧力波１６０５凹面部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者池田浩二大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者川▲さき▼ 修大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者三浦眞芳神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インク液体を収容する圧力室と、その圧
力室に連通し、前記インク液体を吐出する吐出口と、前
記圧力室に圧力を印加するための圧力印加手段とを備
え、前記圧力印加手段は、前記圧力室に形成された振動板
と、その振動板を振動させ、チタン酸ジルコン酸鉛系又
はチタン酸バリウム系を主成分としたペロブスカイト構
造を示す単結晶あるいは分極軸方向に優先配向した多結
晶のものを圧電部材とする圧電素子とを有するものであ
って、前記吐出口の前面に配置された記録媒体に前記イ
ンク液体を吐出するときは、少なくとも前記圧電素子に
所定の電圧を印加することを特徴とするインクジェット
記録装置。
【請求項２】前記圧力印加手段に用いる圧電素子の部
材の膜厚が０．１μｍ以上１０μｍ以下であることを特
徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
【請求項３】インク液体を収容する圧力室と、その圧
力室に連通し、前記インク液体を吐出する吐出口と、前
記圧力室に圧力を印加するための圧力印加手段とを備
え、前記圧力印加手段は、前記圧力室に形成された振動板
と、その振動板を振動させ、ＬiＮbＯ₃又はＬiＴaＯ₃を
圧電部材とする圧電素子とを有するものであって、前記
吐出口の前面に配置された記録媒体に前記インク液体を
吐出するときは、少なくとも前記圧電素子に所定の電圧
を印加することを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項４】インク液体を収容する第１の圧力室と、
その第１の圧力室に圧力を印加するための第１の圧力印
加手段と、前記第１の圧力室に連通し、前記インク液体
を吐出する吐出口をそれぞれ有する複数の第２の圧力室
と、その複数の第２の圧力室に圧力をそれぞれ印加する
ための第２の圧力印加手段とを備え、前記第１の圧力印加手段による前記第１の圧力室への印
加圧力及び、前記第２の圧力印加手段による前記第２の
圧力室への印加圧力を調節することにより、前記吐出口
の前面に配置された記録媒体への前記インク液体の吐出
及び、吐出停止を制御することを特徴とするインクジェ
ット記録装置。
【請求項５】前記印加圧力の調節が、前記記録媒体に
前記インク液体を吐出するときは、前記第１の圧力印加
手段により前記第１の圧力室に所定圧力を印加し、前記
記録媒体への前記インク液体の吐出を停止するときは、
前記第２の圧力印加手段により前記第２の圧力室へ前記
所定圧力とは逆方向の圧力を印加することを特徴とする
請求項４記載のインクジェット記録装置。
【請求項６】前記印加圧力の調節が、前記記録媒体に
前記インク液体を吐出するときは、前記第１の圧力印加
手段により前記第１の圧力室に第１の圧力を印加すると
ともに、前記第２の圧力印加手段により前記第２の圧力
室へ第２の圧力を印加し、前記記録媒体への前記インク
液体の吐出を停止するときは、前記第１の圧力印加手段
による前記第１の圧力の印加を行ったまま、前記第２の
圧力印加手段による前記第２の圧力の印加を停止するこ
とを特徴とする請求項４記載のインクジェット記録装
置。
【請求項７】前記印加圧力の調節が、前記記録媒体に
前記インク液体を吐出するときは、前記第１の圧力印加
手段により前記第１の圧力室に第１の圧力を印加すると
ともに、前記第２の圧力印加手段により前記第２の圧力
室へ第２の圧力を印加し、前記記録媒体への前記インク
液体の吐出を停止するときは、前記第１の圧力印加手段
による前記第１の圧力の印加を行ったまま、前記第２の
圧力印加手段により前記第２の圧力室へ前記第２の圧力
とは逆方向の第３の圧力を印加することを特徴とする請
求項４記載のインクジェット記録装置。
【請求項８】インク液体を収容するインク液室と、そ
のインク液室に連通し、前記インク液体を吐出する吐出
口と、前記インク液室に圧力波を発射するための圧力波
発生手段とを備え、前記圧力波発生手段は、前記インク液室に形成された振
動板と、その振動板を振動させる圧電素子とを有するも
のであって、前記吐出口の前面に配置された記録媒体に
前記インク液体を吐出するときは、少なくとも前記圧電
素子に所定の高周波電圧を印加することを特徴とするイ
ンクジェット記録装置。
【請求項９】前記振動板の前記インク液側の所定面
に、発生した圧力波を前記吐出口近傍に収束させるため
の凹面部が形成されていることを特徴とする請求項８記
載のインクジェット記録装置。
【請求項１０】前記吐出口に対向した位置に配置され
た対向電極と、その対向電極と前記インク液体との間に
所定電圧を印加可能な電圧源と、前記吐出口近傍に配置
され、前記電圧源により前記所定電圧が印加された時の
電界分布を変え得る制御電極とを備えたことを特徴とす
る請求項１〜９のいずれかに記載のインクジェット記録
装置。
【請求項１１】ＮaＣl型の結晶構造をもつ基板上に個
別電極を形成し、その個別電極上に、チタン酸ジルコン
酸鉛系又はチタン酸バリウム系を主成分としたペロブス
カイト構造を示す単結晶層あるいは分極軸方向に優先配
向した多結晶の層を形成し、その単結晶層あるいは多結
晶層上に共通電極を形成し、その共通電極上に振動板を
形成し、その振動板の上にインク液体を収容するための
圧力室を形成し、前記基板を除去することにより、前記
圧力室に圧力を印加するための圧力印加手段を作製する
ことを特徴とするインクジェット記録装置の製造方法。
【請求項１２】インク液体を収納するための圧力室の
所定の面に、振動板をＳi 部材により前記圧力室と一体
に作製し、その振動板上に共通電極を形成し、その共通
電極上に形成したＳiＯ₂とＬiＮbＯ₃ 又はＬiＴaＯ₃ と
を直接接合し、そのＬiＮbＯ₃ 又はＬiＴaＯ₃ の上に更
に個別電極を形成することにより前記圧力室に圧力を印
加するための圧力印加手段を作製することを特徴とする
インクジェット記録装置の製造方法。