JPH10772A - インクジェット記録ヘッド用圧電部材の駆動方法および圧電部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インクを絞り出すように圧電部材を変形さ
せ、圧電部材の各領域の変形によって発生した圧力波の
タイミングを重ねることにより、インクドロップの吐出
効率を上げる。 【解決手段】 インクジェット記録ヘッド用の圧電部材
１５の駆動方法であって、電圧印加時の上記圧電部材１
５の変形がノズル１４から離れた部分である領域Ａから
上記ノズルに近い部分である領域Ｃに向かって、時間の
ずれをもって順次最大Δとなるように駆動する。この駆
動方法は、圧電部材１５に電極３０とこれに対向する電
極３１とを設け、電極３１はノズル１４に向かって配列
された複数の電極部分３２，３３，３４とこれら電極部
分を電気的に接続する抵抗３５，３６とからなり、この
電極３１におけるノズル１４から最も離れた電極部分３
２にドライバ９により電圧を印加することで達成され
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、画像信号に応じて
インクドロップを飛翔させ、記録紙等の記録媒体に付着
させて画像を記録するドロップオンデマンド（ＤＯＤ）
方式のインクジェット記録ヘッドに用いる圧電部材に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、圧電部材の変形によりインク
を噴出させるようにしたインクジェット記録ヘッドが知
られている。このような圧電部材を用いたインクジェッ
ト記録ヘッドの一例を図１０に示す。図１０に示すよう
に、このインクジェット記録ヘッド５１は、樹脂や金属
等からなるチャンネルプレート５２を備えている。チャ
ンネルプレート５２には、成型またはエッチング等の方
法により複数の凹部が形成され、この凹部形成面を覆う
ように樹脂や金属等の薄膜からなる隔壁５３が接着され
ている。この隔壁５３で覆われた上記各凹部の内部にそ
れぞれ、インクチャンネル５５と、インク供給室５８
と、各インクチャンネル５５とインク供給室５８とを連
通するインレット５７とが形成されている。また、イン
クチャンネル５５の端部にそれぞれ連通する複数のノズ
ル６０が上記チャンネルプレート５２に形成されてい
る。なお、上記各インクチャンネル５５、インレット５
７、およびノズル６０は、図１０の奥行き方向（図面に
垂直な方向）に沿ってそれぞれ等ピッチで形成されてい
る。

【０００３】上記隔壁５３の下方には、スペーサ部材６
１，６２を介して基板５４が固定されている。インクチ
ャンネル５５下方の隔壁５３と基板５４との間には、上
記隔壁５３を介して各インクチャンネル５５にそれぞれ
対向するように複数の圧電部材６３が接着固定されてい
る。圧電部材６３の上，下面には、電極層６４，６５が
それぞれ形成され、これら電極層６４，６５を介して圧
電部材６３に電圧が印加されるようになっている。

【０００４】上記構成からなるインクジェット記録ヘッ
ド５１において、圧電部材６３に電圧を印加すると、図
１０中破線で示すように、圧電部材６３が厚み方向、す
なわち隔壁５３と基板５４の対向方向に急激に膨張変形
して隔壁５３をインクチャンネル５５側に押し上げる。
これにより、インクチャンネル５５内のインクが瞬間的
に加圧され、ノズル６０からインクドロップが飛翔する
ようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記圧電部材６３の変
形に基づきインクチャンネル５５内に発生した圧力波
は、音速より少し遅い速度でインク内を伝わり、ノズル
６０側端部まで到達してインクドロップ飛翔の吐出力と
なる。

【０００６】しかし、上記インクチャンネル５５の長さ
Ｌは、通常、１〜１０ｍｍ程度あり、これに対応する圧
電部材６３もほぼ同等の長さを有している。また、電圧
が印加された圧電部材６３は、長手方向（図１０の左右
方向）にわたってほぼ一様に変形するため、圧電部材６
３に対応するインクチャンネル５５内の各領域において
上記圧力波が同時に発生することになる。したがって、
インクチャンネル５５内のノズル６０に近い領域で発生
した圧力波と、ノズル６０から最も離れた領域で発生し
た圧力波とでは、ノズル６０までの到達時間にずれを生
じる。具体的には、上記圧力波の速度を１５００ｍ／ｓ
ｅｃとした場合、上記インクチャンネル５５の長さＬ
（１〜１０ｍｍ）に対応する圧力波到達時間のずれは
０．７〜７μｓ（マイクロセカンド）になる。このよう
な時間のずれは、上記圧力波のピークがインク吐出時に
集中しないことを意味する。よって、充分なインク吐出
効率が得られておらず、ドライバー回路に負担がかかる
などの問題があった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題を解決すべくなされたもので、第１発明の圧電部材の
駆動方法は、インクが収容されたインクチャンネルに対
応して配置され、電圧印加時の変形に基づき上記インク
チャンネル内のインクを加圧してノズルからインクドロ
ップを飛翔させるインクジェット記録ヘッド用圧電部材
において、上記圧電部材の変形が上記ノズルから離れた
部分から上記ノズルに近い部分に向かって時間のずれを
もって順次最大となるように駆動するものである。

【０００８】また、第２発明のインクジェット記録ヘッ
ド用圧電部材は、インクを収容するインクチャンネルに
対応して配置され、電圧印加時の変形に基づき上記イン
クチャンネルに収容したインクを加圧してインクチャン
ネルに連通するノズルからインクドロップを飛翔させる
インクジェット記録ヘッド用圧電部材において、上記圧
電部材には第１の電極と該圧電部材を挟んで上記電極に
対向する第２の電極とを設け、上記第１の電極はノズル
に向かって配列された複数の電極部分とこれら電極部分
を電気的に接続する抵抗とからなり、上記第１の電極に
おけるノズルから最も離れた電極部分と上記第２の電極
とを電圧印加手段に接続したものである。

【０００９】

【発明の作用および効果】上記第１発明の圧電部材の駆
動方法によれば、圧電部材に電圧を印加すると、まず、
ノズルから最も離れた圧電部材の端部近傍部分が最大の
変形を示し、この部分の変形によってインクチャンネル
のインク内に発生した圧力波がノズル方向に伝播する。
ついで、時間のずれをもって上記部分よりノズル側に位
置する圧電部材の部分の変形が最大となる。この部分の
変形によって発生した圧力波が上記端部近傍部分で発生
した圧力波に重なってノズル方向に伝播する。このよう
な変形を圧電部材のノズル側端部まで行わせ、各部分で
発生した圧力波を順次重ねることにより、圧力波のピー
クをインクドロップの吐出時に合わせることができ、イ
ンクドロップの吐出効率を上げることができる。

【００１０】また、上記第２発明のインクジェット記録
ヘッド用圧電部材によれば、上記第１発明の駆動方法を
実現できる。すなわち、圧電部材の第１の電極につい
て、ノズルから最も離れた電極部分に電圧印加手段によ
り電圧が印加される。この電圧印加によって、まず、圧
電部材のノズルから最も離れた部分が印加電圧に応じた
最大変形量を示す。つづいて、抵抗を挟んで隣接する電
極部分の電圧が、抵抗を介して接続されているために、
上記電圧印加時から時間のずれをもって最大電圧値とな
り、この電極部分が位置する圧電部材の部分、すなわ
ち、よりノズルに近い部分がその電圧値に応じた最大変
形量を示す。このように、圧電部材の各部分に印加され
る電圧が、抵抗を境に時間のずれをもって最大値とな
り、圧電部材の各部分の変形がノズル側に向かって順次
最大となる。これにより、圧電部材の各部分の変形に基
づきインクチャンネル内に発生した圧力波がノズル近傍
に到達するタイミングをインク吐出時に合わせることが
でき、インクドロップの吐出効率を上げることができ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面を参照して説明する。図１，２は、本発明にかかる
第１実施形態の圧電部材を用いたインクジェット記録ヘ
ッド１を示したものである。このインクジェット記録ヘ
ッド１は、第１ヘッド部１０と第２ヘッド部２０を有し
ている。この第１，第２ヘッド部１０，２０は、チャン
ネルプレート２、隔壁３、および基板４によって一体的
に形成され、上記ヘッド１の中央断面Ｘに関して対称に
構成されているため、以下、第１ヘッド部１０について
のみ説明する。

【００１２】上記チャンネルプレート２は樹脂、金属等
の平板からなり、その下面には一体成型、エッチング、
フォトレジストや電鋳などの微細加工などによって複数
の凹部が形成されている。また、上記隔壁３は金属、樹
脂等の薄膜からなり、チャンネルプレート２の凹部形成
面を覆うように接着されている。この隔壁３で覆われた
チャンネルプレート２の各凹部の内部にそれぞれインク
チャンネル１１、インレット１２、インク供給室１３が
形成されている。

【００１３】上記複数のインクチャンネル１１は等ピッ
チで並列に配置されている。各インクチャンネル１１に
は、それぞれ対応するインレット１２を介してインク供
給室１３からインクが収容されるようになっている。ま
た、チャンネルプレート２には、各インクチャンネル１
１の端部近傍にそれぞれ連通する複数のノズル１４が１
つの直線上に形成されている。このノズル１４はインク
チャンネル１１側が大径で、外部に面した吐出側が小径
となったテーパ状円形断面を有している。

【００１４】上記チャンネルプレート２と隔壁３とは、
スペーサ部材６，７，８を介して、セラミック等の高剛
性材料からなる基板４に固定されている。この基板４上
には、隔壁３を介してそれぞれインクチャンネル１１に
対向するように配置された複数の圧電部材１５が固定さ
れている。圧電部材１５は、電圧印加時の変形に基づき
隔壁３を介してインクチャンネル１１内のインクを加圧
し、ノズル１４からインクドロップを飛翔させる加圧手
段である。

【００１５】上記圧電部材１５は、例えばジルコン酸鉛
やチタン酸鉛などの圧電材料からなり、インクチャンネ
ル１１よりも長さと幅が少し小さい直方体に形成されて
いる。各圧電部材１５の上，下面には、図３に示すよう
に、上記インクチャンネル１１と同じ長手方向に沿って
延在し、かつ圧電部材１５を介して互いに対向する電極
３０，３１がスパッタリング法やめっき法などによりそ
れぞれ形成されている。そのうち上部電極３０は、これ
と接触する導電性の隔壁３を介してアースされている。

【００１６】他方、下部電極３１は、ノズル１４に向か
って配列された３つの電極部分３２，３３，３４と、こ
れら電極部分３２，３３，３４を電気的に接続する抵抗
３５，３６とからなっている。これら抵抗３５，３６
は、スパッタリング等により下部電極３１を形成する際
にマスクされていた領域に、印刷により抵抗材料を塗布
することで各圧電部材１５について同時に形成すること
ができる。以下、上記抵抗３５，３６の各中央部を境と
する圧電部材１５の各部分を、ノズル１４から離れた方
から順に、領域Ａ，Ｂ，Ｃという。この領域Ａの電極部
分３２は、図２に示すように、基板４上にパターン印刷
された個別リード線３７に導通している。この個別リー
ド線３７は、各圧電部材１５に対応して形成され、基板
４の側部からドライバ９にそれぞれ接続されている。こ
れら個別リード線３７とドライバ９、および、上記電極
３０をアースする隔壁３とにより、上記圧電部材１５に
電圧を印加する電圧印加手段が構成されている。

【００１７】なお、各ヘッド部１０，２０のインクチャ
ンネル１１，１１、インレット１２，１２、圧電部材１
５，１５はそれぞれ同一サイズに形成されている。ま
た、ノズル１４，１４も同一径に形成してある。インク
チャンネル１１、インレット１２、圧電部材１５、ノズ
ル１４等の大きさを各ヘッド部ごとに異ならせて、各ヘ
ッド部から異なる径のインク滴を吐出するようにしても
よい。

【００１８】つぎに、上記構成からなるインクジェット
記録ヘッド１における圧電部材１５の駆動方法とインク
吐出動作について説明する。上記各インクチャンネル１
１には、インク供給室１３から供給されたインクが収容
されている。この状態で、上記下部電極３１の電極部分
３２に、ドライバ９により所定電圧を印加して圧電部材
１５を駆動する。このときの下部電極３１の各電極部分
３２，３３，３４の電圧値の推移を、これらに対応する
各領域Ａ，Ｂ，Ｃごとに示したのが図４のグラフであ
る。このグラフは、横軸に時間ｔ、縦軸に電圧値Ｖをと
ってある。このグラフに示すように、上記領域Ａの電圧
は、ドライバ９によって印加された電圧と同じ波形とな
る。すなわち、所定の立ち上がり勾配をもち、ｔ₁時に
最大電圧値Ｖ₁となる。これに対して、上記領域Ｂの電
圧は、電極３１に一時的に流れる電流が抵抗３５を通る
ことにより、領域Ｂの圧電部材の容量（コンデンサ）成
分に充電が行われる時定数分、上記領域Ａの電圧に比べ
て立ち上がり勾配が緩やかになる。そのため、上記領域
Ｂでは、上記領域Ａよりも時間的に若干遅れてｔ₂時に
最大電圧値Ｖ₁に達する。上記領域Ｃの電圧についても
同様に、抵抗３６の存在によって上記領域Ｂよりもさら
に遅れてｔ₃時に最大電圧値Ｖ₁に達する。

【００１９】上記のように圧電部材１５の各領域Ａ，
Ｂ，Ｃの電圧が時間のずれをもってそれぞれ最大電圧値
Ｖ₁となる。そのため、図５に示すように、まず圧電部
材１５の領域Ａの部分が電圧値Ｖ₁に応じた最大変形量
Δ（デルタ）となる。この領域Ａの部分の変形によって
隔壁３がインクチャンネル１１内に瞬間的に押し上げら
れ、インク内に圧力波が発生する。この圧力波がインク
チャンネル１１内に広がり、ノズル１４方向（図５にお
いて左側）に伝播する。つづいて、圧電部材１５の領域
Ｂの部分が若干遅れて最大変形量Δとなる。この領域Ｂ
の部分の変形により発生した圧力波が、上記領域Ａで発
生した圧力波に重なるようにしてノズル１４方向に伝播
する。そして、さらに若干遅れて圧電部材１５の領域Ｃ
の部分が最大変形量Δとなり、この領域Ｃの部分で発生
した圧力波が上記圧力波に重なってノズル１４近傍まで
達し、ノズル１４からインクドロップが吐出される。

【００２０】このように、インクチャンネル１１内のイ
ンクをノズル１４に向かって絞り出すように圧電部材１
５の各領域Ａ，Ｂ，Ｃの最大変形時期をずらせば、各領
域Ａ，Ｂ，Ｃで発生した圧力波を順次重ねることがで
き、圧力波のピークをインクドロップの吐出時に合わせ
ることができる。その結果、インクチャンネル１１の長
さや圧力波を重ねるタイミングにもよるが、インクドロ
ップの吐出効率を約１０〜２０％程度上げることができ
る。

【００２１】また、圧電部材１５に印加される電圧の立
ち上がりを、急峻（上記ｔ₁が約１〜１０μｓ）にした
り、あるいは、緩やか（上記ｔ₁が約１０〜５０μｓ）
にするように制御すれば、ドライバ９の回路変更を伴う
ことなくインク吐出力を変えることができ、インクドロ
ップの大きさや吐出速度などを調節することもできる。

【００２２】一方、ドライバ９による電圧印加が解除さ
れると、圧電部材１５は元の状態に復帰し、その際にイ
ンクチャンネル１１内に生じる負圧に基づきインク供給
室１３からインレット１２を介してインクが補充され
る。この圧電部材１５の復元動作は、上記インク加圧時
の変形とは逆の原理によって逆の方向性を示す。すなわ
ち、電極部分３２への電圧印加が解除されると、まず、
圧電部材１５の領域Ａの部分がいち早く復元し、ついで
若干の時間のずれをもって領域Ｂの部分が、つづいて領
域Ｃの部分が順次復元することになる。このような復元
動作をすることで、圧電部材１５が全長にわたって同時
に復元する場合に比べ、インクチャンネル１１に緩やか
にインクが補充されるため、ノズル１４からの気泡の吸
引や、インク補充直後のインクチャンネル１１内のイン
クの揺れを抑えることができる。

【００２３】なお、本実施形態の構成によれば、１つの
ドライバによって、圧電部材１５の各領域に印加される
電圧が時間差をもって最大となるように駆動できるの
で、回路を簡単で、かつ安価にできる。しかしながら、
本実施形態の構成に限らず、上記のような圧電部材１５
の変形動作をより正確に制御するために、抵抗３５，３
６を設けることなく、それぞれ導通していない各電極部
分３２，３３，３４のみで下部電極３１を構成するとと
もに、各電極部分３２，３３，３４ごとに対応するドラ
イバを接続し、各ドライバによって各電極部分３２，３
３，３４に時間のずれをもたせて電圧の印加および解除
を行うようにしてもよい。

【００２４】ところで、上記圧電部材１５には単層のも
のを用いたが、図６に示すように、長手方向に沿って平
行に延びる複数の電極を内部に有する積層タイプの圧電
部材４０を用いてもよい。この圧電部材４０は、複数の
薄い圧電層４１が積層されて構成されている。圧電部材
４０のノズル１４から離れた方の端面（図６における右
側端面）には共通電極部４２が設けてあり、そこから抵
抗３５，３６により接続された各電極部分３２，３３，
３４からなる電極３１が上記圧電層４１間に延びてい
る。他方、圧電部材４０のノズル１４側の端面（図６に
おける左側端面）にも共通電極部４３が設けてあり、そ
こから複数の電極３０が上記電極３１に挟まれて位置す
る圧電層４１間にそれぞれ延びている。上記各電極３０
は共通電極部４３を介してアースされるとともに、上記
各電極３１には共通電極部４２を介して駆動電圧が印加
されるようになっている。また、各電極３０，３１は互
いに導通しないように形成されている。

【００２５】上記構成を有する圧電部材４０の共通電極
部４２に電圧を印加したときの各領域Ａ，Ｂ，Ｃの変形
動作は、上記単層の圧電部材１５と同様である。ただ
し、積層タイプの圧電部材４０は、単層のものに比べて
同一電圧を印加したときの変形効率がよく、大きな変形
量が得られるので、上記圧電部材１５を用いて得られる
ものと同等の効果を、より低い駆動電圧で達成できる。

【００２６】また、上記圧電部材１５は、インクチャン
ネル１１の長手方向に沿うように細長く形成してある
が、その形状はインクチャンネル１１に対応して種々変
形可能である。例えば、インクチャンネルを円柱状空間
に形成し、これに応じて圧電部材を円筒状に形成する。
この円筒状圧電部材の一方の面に、それぞれ所定幅をも
った環状をなす複数の電極部分３２，３３，３４および
抵抗３５，３６を同心的に配置して上記電極３１を形成
し、他方の全面に電極３０を形成する。また、ノズルは
この円筒状圧電部材の中心部に対向して設ける。

【００２７】上記構成において、ノズルから最も離れて
位置する電極部分３２に電圧を印加すれば、圧電部材の
変形が外周部分から中心部に向かって時間のずれをもっ
て順次最大となり、圧力波のピークをノズルが位置する
上記中心部に集中させることができる。

【００２８】なお、上記インクジェット記録ヘッド１で
は、隔壁３により圧電部材１５をインクチャンネル１１
から隔離したが、圧電部材１５等の表面に防湿コートを
施してインクチャンネル１１に直接臨ませるようにして
もよい。

【００２９】つぎに、第２の実施形態の圧電部材４６に
ついて図７〜９を参照して説明する。図７に示すよう
に、この圧電部材４６も積層タイプであり、上記圧電部
材４０とほぼ同様の構成を有している。したがって、同
一部材には同一符号を付して、詳細な説明を省略する。
ただし、各電極３１の先端部が抵抗４７を介して共通電
極部４３にそれぞれ導通している点において構成が異な
る。

【００３０】上記圧電部材４６の共通電極部４２に所定
の立ち上がり勾配をもった電圧を印加すると、アースさ
れた共通電極部４３に上記抵抗４７を介して導通してい
るために、電圧印加中は電極３１に電流が流れることに
なる。そのため、圧電部材４６の各領域Ａ，Ｂ，Ｃに対
応する電極部分３２，３３，３４の電圧は、図８のグラ
フに示すように推移する。すなわち、領域Ａにおける電
圧は印加電圧と同じ波形によってｔ₁時に最大電圧値Ｖ₁
に達するが、領域Ｂの電圧は立ち上がりが緩やかになる
ともに抵抗３５での電圧降下によってｔ₂時に上記Ｖ₁よ
りも低い最大電圧値Ｖ₂に達する。また、領域Ｃの電圧
の立ち上がりはさらに緩やかになり、抵抗３６での電圧
降下によってｔ₃時に上記Ｖ₂よりも低い最大電圧値Ｖ₃
に達する。

【００３１】上記のように各領域の電圧が推移する圧電
部材４６の変形は、図９に示すように、まず領域Ａが電
圧値Ｖ₁に応じた最大変形量Δ₁となり、これに若干遅れ
て領域Ｂが電圧値Ｖ₂に応じた最大変形量Δ₂となり、さ
らに若干遅れて領域Ｃが電圧値Ｖ₃に応じた最大変形量
Δ₃となる。このような圧電部材４６の階段状の変形に
よっても、上記圧電部材１５の場合と同様に、各領域
Ａ，Ｂ，Ｃで発生した圧力波を順次重ねることができ、
インクドロップの吐出効率を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明にかかる圧電部材を用いたインクジェ
ット記録ヘッドの平面図である。

【図２】 図１に示すヘッドのII−II線断面図である。

【図３】 第１実施形態の圧電部材の側面図である。

【図４】 図３の圧電部材の各領域に印加される電圧の
推移を示すグラフである。

【図５】 図３の圧電部材の各領域における厚み方向の
変形量を経時的に説明するための側面図である。

【図６】 本発明にかかる積層型圧電部材の側面図であ
る。

【図７】 第２実施形態の積層型圧電部材の側面図であ
る。

【図８】 図７の圧電部材に電圧を印加したときの各領
域の電圧の推移を示すグラフである。

【図９】 図７の圧電部材の各領域における厚み方向の
変形量を経時的に説明するための側面図である。

【図１０】 圧電部材を用いた従来のインクジェット記
録ヘッドの一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１…インクジェット記録ヘッド、２…チャンネルプレー
ト、３…隔壁、４…基板、１１…インクチャンネル、１
４…ノズル、１５…圧電部材、３０…電極（第２の電
極）３１…電極（第１の電極）、３２，３３，３４…電
極部分、３５，３６…抵抗。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクが収容されたインクチャンネルに
   対応して配置され、電圧印加時の変形に基づき上記イン
   クチャンネル内のインクを加圧してノズルからインクド
   ロップを飛翔させるインクジェット記録ヘッド用圧電部
   材において、 上記圧電部材の変形が上記ノズルから離れた部分から上
   記ノズルに近い部分に向かって時間のずれをもって順次
   最大となるように駆動する上記圧電部材の駆動方法。
2. 【請求項２】 インクを収容するインクチャンネルに対
   応して配置され、電圧印加時の変形に基づき上記インク
   チャンネルに収容したインクを加圧してインクチャンネ
   ルに連通するノズルからインクドロップを飛翔させるイ
   ンクジェット記録ヘッド用圧電部材において、 上記圧電部材には第１の電極と該圧電部材を挟んで上記
   電極と対向する第２の電極とを設け、上記第１の電極は
   ノズルに向かって配列された複数の電極部分とこれら電
   極部分を電気的に接続する抵抗とからなり、上記第１の
   電極におけるノズルから最も離れた電極部分と上記第２
   の電極とを電圧印加手段に接続したことを特徴とするイ
   ンクジェット記録ヘッド用圧電部材。