JPH1177995A - インクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】超音波の放射圧でインク滴を飛翔させて画像を
記録するインクジェット記録装置において、インク滴飛
翔の高効率化と飛翔の安定性や信頼性の向上を図る。 【解決手段】所定間隔で配列された複数の圧電素子によ
って構成される圧電素子アレイを含む超音波を発生させ
る超音波発生手段と、圧電素子アレイを構成する圧電素
子の中から複数の同時駆動圧電素子を同時駆動グループ
として選択し、複数の同時駆動圧電素子を複数の同時駆
動サブグループに振り分け、同時駆動サブグループの各
々に位相差を与えた駆動信号を印加して同時駆動させる
ことによって同時駆動グループの同時駆動圧電素子から
発生される超音波をインク液の液面に集束させる駆動手
段と、サブグループのそれぞれの総電気的インピーダン
スを互いに均一化するインピーダンス均一化手段を備え
たインクジェット記録装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク液を液滴化
して被記録体上に飛翔させることにより画像を記録する
インクジェット記録装置に係り、特には、圧電素子によ
り放射される超音波ビームの圧力によりインク滴を吐出
させて被記録体上に飛翔させるインクジェット記録装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】インク液を液滴と呼ばれる小さな粒状に
して記録媒体上に飛翔させることにより画点を形成して
画像を記録する装置は、インクジェットプリンタとして
実用化されている。このインクジェットプリンタは他の
記録方法と比べて騒音が少なく、現像や定着などの処理
が不要であるという利点を有し、普通紙記録技術として
注目されている。

【０００３】現在までに数多くのインクジェットプリン
タの方式が考案されているが、特に、発熱体の熱により
発生する蒸気の圧力でインク滴を飛翔させる方式や圧電
体の変位による圧力パルスによりインク滴を飛翔させる
方式が代表的なものである。

【０００４】これらのインクジェットプリンタはノズル
の先端からインクを飛翔させている。そのため、インク
中の溶媒の蒸発や揮発によって局所的なインクの濃縮が
生じ、ノズルで目詰まりが生じるという問題がある。さ
らに、従来のインクジェットプリンタは、飛翔させるイ
ンク滴の粒径を小さく（例えば直径２０μｍ以下）する
ことが難しく、解像度を上げることが困難であった。

【０００５】これらの欠点を克服するため、薄膜圧電体
層により構成された圧電素子によって発生する超音波ビ
ームの圧力を用いてインク液面からインクを飛翔させる
方式が提案されている。しかし、従来の超音波ビーム方
式では、例えば、同時駆動する圧電素子の素子数が異な
ると、インク滴の飛翔効率や飛翔安定性が低下するとい
うことが見い出された。

【０００６】

【課題を解決しようとする課題】従って、本発明は、同
時駆動する圧電素子の素子数が異なる場合でも、インク
滴の飛翔効率や飛翔安定性が低下することのないインク
ジェット記録装置を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、インク液を保持するインク液保持室と、
所定間隔で配列された複数の圧電素子によって構成され
る圧電素子アレイを含み、前記インク液中を伝播する超
音波を発生させる超音波発生手段と、前記圧電素子アレ
イを構成する圧電素子の中から複数の同時駆動圧電素子
を同時駆動グループとして選択し、前記複数の同時駆動
圧電素子を複数の同時駆動サブグループに振り分け、前
記同時駆動サブグループの各々に位相差を与えた駆動信
号を印加して同時駆動させることによって前記同時駆動
グループの同時駆動圧電素子から発生される超音波を前
記インク液の液面に集束させる駆動手段と、前記サブグ
ループのそれぞれの総電気的インピーダンスを互いに均
一化するインピーダンス均一化手段を備えたことを特徴
とするインクジェット記録装置を提供する。

【０００８】上記インピーダンス均一化手段は、可変電
気容量素子を含むことができる。この場合、属する圧電
素子の数が最も多いサブグループの総静電容量と同じに
なるように少ない圧電素子数のサブグループへの駆動信
号にその静電容量の差に相当する静電容量を印加し、そ
れにより各サブグループ間のインピーダンスを均一化す
ることができる。

【０００９】また、インピーダンス均一化手段は、イン
ク液と音響的に非接続状態に設けられ、かつ前記駆動手
段により前記同時駆動圧電素子と同時に駆動信号が印加
される１またはそれ以上のダミー圧電素子を含むことが
できる。この場合、サブグループの圧電素子の数の差に
相当する数のダミー圧電素子に、より少ない数の圧電素
子からなるサブグループへの駆動信号と同一の駆動信号
を印加し、それにより各サブグループ間のインピーダン
スを均一化することができる。

【００１０】超音波を発生する圧電素子アレイを構成す
る圧電素子の中から複数の同時駆動圧電素子を同時駆動
グループとして選択し、この複数の同時駆動圧電素子を
複数の同時駆動サブグループに振り分け、この同時駆動
サブグループの各々に位相差を与えて同時駆動させて同
時駆動グループの圧電素子から発生される超音波を前記
インク液の液面に集束させるようにした場合、サブグル
ープに属する圧電素子の数がサブグループ間で異なると
きにも、インク滴の飛翔効率や飛翔安定性が低下しない
ことが重要である。特に、圧電素子アレイの中から選択
する同時駆動圧電素子の数を奇数個あるい偶数個とする
ことにより解像度を２倍化する駆動方法を用いる場合
や、複数の圧電素子アレイをアレイ方向につなぎ合わせ
て長尺のラインヘッドを作製したときにそのつなぎ部分
を駆動する場合など、１つの画像を記録する途中で駆動
する圧電素子の素子数が異なるように変化する場合に
も、効率良く、安定にインク滴を飛翔させなければなら
ない。

【００１１】本発明者らは、このように同時駆動する各
サブグループに属する圧電素子の数がサブグループ間で
異なる場合に、インクの飛翔効率、飛翔安定性が低下す
る原因を究明した。その結果、同時駆動する各サブグル
ープに属する圧電素子の数がサブグループ間で異なる
と、駆動源から見た各同時駆動サブグループの電気的イ
ンピーダンスがサブグループ間で異なることがその原因
であることを見い出した。そこで、本発明では、前記サ
ブグループのそれぞれの電気的インピーダンスを均一化
するインピーダンス均一化手段を設けることとした。

【００１２】この手法によれば、各々の同時駆動素子グ
ループの圧電素子数が異なる場合にも、全ての圧電素子
に均一に電圧を印加することが可能となり、その結果、
焦点位置での超音波ビーム強度が向上し、インク飛翔の
安定性や信頼性を高めることができる。また、より低い
印加電圧でインク滴の安定な飛翔が実現でき、インク飛
翔の効率を向上させることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。全図にわたり、同一部材は、同一
符号で示されている。 ＜第１の実施の形態＞図１は本発明の実施の形態に係わ
るインクジェット記録装置のヘッド部の概略斜視図であ
る。図１において、超音波発生手段を構成する平板状圧
電体１２が、後述する溝１１ａを形成した支持部材１１
上に、溝１１ａを横断して設けられている。

【００１４】圧電体１２は、超音波の周波数や素子の大
きさ等によってチタン酸鉛（ＰＴ）、ジルコン・チタン
酸鉛（ＰＺＴ）等のセラミック材料、フッ化ビニリデン
と三フッ化エチレンとの共重合体等の高分子材料、ニオ
ブ酸リチウム等の単結晶材料、酸化亜鉛等の圧電性半導
体材料で形成することができる。

【００１５】支持部材１１は、ガラス等の材料で形成す
ることができる。圧電体１２の下面には、互いに分離し
た複数のストライプ状個別電極１３が形成されている。
圧電体１２は、これら個別電極１３により、機能的に複
数の圧電素子に区分される。他方、圧電体１２の上面に
は、一体の共通電極１４が全面にわたって形成されてい
る。これら電極１３および１４は、チタン、ニッケル、
アルミニウム、銅、金等の金属材料を蒸着やスパッタに
より薄膜として形成することができる。あるいは、これ
ら電極１３および１４は、ガラスフリットを銀ペースト
に混合したものをスクリーン印刷法により印刷し、これ
を焼き付けることによっても形成することができる。

【００１６】また、支持部材１１の一端部側には、圧電
体１２の下面に形成された個別電極１３と同じ間隔で複
数のアレイ電極１５が形成されており、この支持部材１
１上の各アレイ電極１５と圧電体１２下面上の各個別電
極１３とは、図示しない導電性接着剤を介して整合して
圧着され、電気的に接続されている。支持部材１１上の
アレイ電極１５は、支持部材１１の端部上に配置された
駆動回路１６にボンディングワイヤ１７によって接続さ
れ、圧電体１２の上面に形成された共通電極１４も、図
示しない配線により、駆動回路１６に接続されている。

【００１７】さて、共通電極１４を介して圧電体１２の
上には、音響マッチング層を兼ねた音響レンズとしての
一次元フレネルレンズ１８が設けられている。フレネル
レンズ１８は、フレネルの輪帯理論に基づいて所定のピ
ッチで複数の溝（図１においては、６個の溝１８ａ〜１
８ｆ）を形成することにより、溝の上面と底面から放射
される超音波の位相を半波長シフトさせるものであり、
溝１８ａ〜１８ｆのそれぞれは、個別電極１３により区
分された圧電素子の配列方向（主走査方向）に平行に形
成される。音響マッチング層は、圧電素子から発生した
超音波をインク液中へ伝搬させる場合、超音波の減衰を
極力少なくすべく圧電素子とインク液との音響的マッチ
ングを取るためのものであり、音響マッチング層の音響
インピーダンスＺ_m は、圧電体の音響インピーダンスＺ
_p とインク液の音響インピーダンスＺ_i との積の平方根
（Ｚ_m ＝（Ｚ_p ×Ｚ_i ）^1/2 ）に近い値の音響インピー
ダンスを有する材料で形成することが望ましい。そのよ
うな音響マッチング材料としては、エポキシ樹脂、ポリ
イミド等の高分子材料、あるいはそれら高分子材料に音
響インピーダンスを調整するために繊維またはアルミナ
もしくはタングステン等の粉末を混合したものを例示す
ることができる。図１の例では、フレネル音響レンズ１
８は、音響マッチング層としても機能するものであるか
ら、これをそのような材料で形成することが望ましい。

【００１８】また、支持部材１１上には、フレネルレン
ズ１８を底部としてインク液２０を収容・保持するイン
ク液保持室１９が設けられている。このインク液保持室
１９は、インク液２０を囲む側壁が、フレネルレンズの
両端から上方に向かって合わさるように傾斜しており、
その上部は、スリット２１ａを形成した蓋板２１により
閉じられている。なお、蓋板２１を設けることなく、イ
ンク液保持室１９の上面が直接スリットを構成するよう
にしてもよい。

【００１９】さて、図１に示すインクジェット記録装置
においては、圧電体１２の下面に形成された各個別電極
１３は、圧電体１２の幅と同等の長さを有する。しかし
ながら、圧電体１２の上面に形成された共通電極１４
は、フレネルレンズ１８の音響レンズとしての有効幅を
覆うように、圧電体１２の両端部を除いた部分にのみ形
成されている。従って、各圧電素子として機能する圧電
体１２の部分は、共通電極１４に対応する領域のみとな
る。いいかえると、圧電体１２は、圧電素子の両側に延
出していることとなり、圧電体１２は、その延出部分に
おいて支持部材１１により支持される。また、支持部材
１１に設けられた溝１１ａは、共通電極１４の幅とほぼ
整合した幅を有する。すなわち、個別電極１３と共通電
極１４とに挟まれた圧電体１１の部分からなる圧電素子
は、その下側に溝１１ａが存在することにより、つまり
圧電素子の下側は中空構造となっているため、支持部材
１１と非接触状態に置かれる。記録に際し、個別電極１
３により区分された複数の圧電素子の一部の駆動素子群
を同時駆動し、超音波をインク液面近傍に集束させて、
インク滴を飛翔させるが、このとき、圧電素子からその
裏面側へ放射された超音波は、圧電素子の裏面に位置す
る溝１１ａに通常存在する空気により打ち消され、イン
ク液２０側へ反射されることがない。もっとも、このよ
うな溝１１ａを設けなくともよい。

【００２０】次に、上記インクジェット記録装置におい
て、圧電素子から発生される超音波の集束方法および圧
電素子の駆動方法の一例を説明する。まず、個別電極１
３よりアレイ状に区分された圧電素子のアレイ配列方向
（主走査方向）における超音波の集束方法としては、フ
レネル輪帯理論に基づき、圧電素子アレイの中から所定
の同時駆動素子を同時駆動グループとして選択し、これ
らを複数の同時駆動素子サブグループに振り分け、各々
の同時駆動素子サブグループに所定の位相差を与えて同
時に駆動する駆動方法を用いる。例えば、圧電素子アレ
イの中から選択された同時駆動素子を２つの（第１およ
び第２の）同時駆動素子サブグループに振り分け、第１
の同時駆動サブグループを第２同時駆動サブグループに
対して、位相を１８０゜反転させて駆動する。このよう
に、各々の圧電素子から放射される超音波の位相を制御
することによって、インク液面近傍で超音波の強度が局
所的に強くなり、焦点を結ぶようになる。

【００２１】一方、圧電素子の配列方向に対して直交す
る方向（副走査方向）における超音波の集束は、音響レ
ンズ、ここではフレネルレンズ１８によって行う。この
ように二方向からの超音波の集束により、インク液面上
の任意の位置から超音波の圧力でインク滴を吐出、飛翔
させる。インク滴の飛翔位置は同時駆動素子を電子的に
走査することによって変化させることが可能である。さ
らに、アレイ状に配列された圧電素子の中で、前記同時
駆動素子グループを複数選択することにより、同時に複
数のインク滴を飛翔させることができる。

【００２２】さて、図２は、図１に示すインクジェット
記録装置ヘッド部における駆動回路の一例を示すもので
ある。駆動回路（駆動手段）１６は、所定の周波数で所
定の出力継続時間で任意の波形のバースト波を発生する
バースト波発生装置３１を含む。このバースト発生装置
３１は、一方では、接地された共通電極１４にラインＬ
１を介して接続されているとともに、他方では、ライン
Ｌ２を介して位相反転器３２に接続されている。この位
相反転器３２からは、２つのラインＬ３およびＬ４が分
岐している。

【００２３】位相反転器３２は、一方では、ラインＬ３
を介して第１の増幅器（パワーアンプ）３３に接続さ
れ、この第１の増幅器３３は、ラインＬ５を介して対応
するスイッチＳＷ１１１〜ＳＷ１２８に接続されている
とともに、他方では、ラインＬ４を介して第２の増幅器
（パワーアンプ）３４に接続され、この第２の増幅器３
４は、ラインＬ６を介して対応するスイッチＳＷ２１１
〜ＳＷ２２８に接続されている。各一対のスイッチＳＷ
１１１とＳＷ２１１、ＳＷ１１２とＳＷ２１２……ＳＷ
１２８とＳＷ２２８は、それぞれ個別電極１３（１）〜
１３（１８）に接続されている。以下、個別電極１３
（１）〜１３（１８）によって規定される圧電素子を符
号Ｔ（１）〜Ｔ（１８）で表示する。

【００２４】各ラインＬ５およびＬ６には、各スイッチ
ＳＷ１１１〜ＳＷ１２８およびＳＷ２１１〜ＳＷ２２８
の前段側に、スイッチＳＷ３およびＳＷ４をそれぞれ介
してインピーダンス変換素子（可変電気容量素子）３５
および３６が接続されている。可変電気容量素子３５お
よび３６はそれぞれ接地されている。

【００２５】以上の構成において、両端の圧電素子Ｔ
（１）とＴ（１８）との２つを除く１６個の圧電素子を
同時駆動素子として選択し、この１６個の圧電素子をフ
レネル輪帯理論に基づいて、合計１０個の圧電素子から
なる第１のサブグループと、合計６個の圧電素子からな
る第２のサブグループとに振り分けて駆動する場合につ
いて以下説明する。

【００２６】まず、バースト波発生装置３１から発生さ
れたバースト波は、位相反転器３２により互いに位相が
１８０度反転した２つのバースト波に分離される。その
一方の第１のバースト波（この位相を０で表示し、図２
においてこの０位相バースト波が印加される個別電極に
は符号「０」が付されている）は、これを増幅器３３で
増幅した後、スイッチＳＷ１１１〜ＳＷ１２８の適宜の
開閉により、第１のサブグループに属する圧電素子Ｔ
（３）、Ｔ（４）、Ｔ（６）、Ｔ（８）〜Ｔ（１１）、
Ｔ（１３）、Ｔ（１５）およびＴ（１６）の個別電極１
３（３）、１３（４）、１３（６）、１３（８）〜１３
（１１）、１３（１３）、１３（１５）および１３（１
６）に印加する。

【００２７】他方の第２のバースト波（この位相をπで
表示し、図２においてこのπ位相バースト波が印加され
る個別電極には、符号「π」が付されている）は、これ
を増幅器３４で増幅した後、スイッチＳＷ２１１〜ＳＷ
２１８の適宜の開閉により、第２のサブグループに属す
る圧電素子Ｔ（２）、Ｔ（５）、Ｔ（７）、Ｔ（１
２）、Ｔ（１４）およびＴ（１７）の個別電極１３
（２）、１３（５）、１３（７）、１３（１２）、１３
（１４）および１３（１７）に印加する。

【００２８】このとき、第１のサブグループと第２のサ
ブグループとの圧電素子の数が異なる（本例では、第１
のサブグループの圧電素子の方が、第２のサブグループ
の圧電素子よりも４個多い）ことから、第１のサブグル
ープの圧電素子の合計静電容量は、第２のサブグループ
の圧電素子の合計静電容量よりもその圧電素子数の差
（本例では、４個）に相当する分だけ静電容量が大きく
なっている。今、１個の圧電素子の静電容量をαｐＦ
（ピコファラッド）とすると、本発明に従い、４×αｐ
Ｆの静電容量を第２の可変電気容量素子３６からライン
Ｌ６を介して第２のサブグループの圧電素子に加える。
こうして、第１のサブグループの圧電素子の総電気容量
と第２のサブグループの総電気容量とが均等化され、両
サブグループの電気的インピーダンスが均一化される結
果、全ての圧電素子に均一に電圧を印加することが可能
となり、より低い電源電圧でインク滴の安定飛翔が実現
でき、インクの飛翔効率を向上できる ＜第２の実施の形態＞図３は、図１に示すインクジェッ
ト記録装置のヘッド部における圧電素子アレイおよびフ
レネルレンズ部の代わりに使用し得る圧電素子アレイお
よびフレネルレンズ部を示す斜視図である。インク液保
持室、支持体の構造、並びに駆動回路の配置は、図１の
場合と同じである。

【００２９】しかしながら、フレネルレンズの両端に
は、個別電極１３（１）〜１３（１８）の長手方向（副
走査方向）に矩形の切欠部４１および４２が設けられて
おり、各切欠部４１、４２とその下地の共通電極の各端
部との間に形成される溝には、音響非マッチング層４
３、４４が設けられており、その下側に位置する個別電
極１３（１）〜１３（３）および１３（１６）〜１３
（１８）により規定される圧電素子（Ｔ（１）〜Ｔ
（３）およびＴ（１６）〜Ｔ（１８））から発生される
超音波は、インク液と音響的に接続されないようにな
る。すなわち、これら圧電素子は、これに駆動信号を印
加してもその超音波はインク液に伝播されず、これら圧
電素子は、ダミーとなる（図中、ダミー圧電素子の個別
電極には、符号「Ｄ」が付されている）。音響非マッチ
ング層４３、４４は、圧電体の音響インピーダンスとイ
ンク液の音響インピーダンスとの積の平方根の値からで
きるだかかけ離れた値の音響インピーダンスを有する材
料で形成することが好ましいこととなる。音響非マッチ
ング層４３、４４は、例えば、シリコーンゴムで形成す
ることができる。

【００３０】図４は、図２に関して説明したインクジェ
ット記録装置ヘッド部の図１における駆動回路１６を示
すものであり、この駆動回路は、インピーダンス変換素
子３５、３６を設けず、従って、スイッチＳＷ３および
ＳＷ４をも設けていない以外は、図２に示す構成と同様
のものである。

【００３１】以上の構成において、圧電素子Ｔ（１）〜
Ｔ（１８）のうち中央部の１０個の圧電素子Ｔ（５）〜
Ｔ（１４）を同時駆動素子として選択し、この１０個の
圧電素子をフレネル輪帯理論に基づいて、合計６個の圧
電素子からなる第１のサブグループと、合計４個の圧電
素子からなる第１のサブグループとに振り分けて駆動す
る場合について以下説明する。

【００３２】まず、第１の実施の形態について説明した
ように、バースト波発生装置３１から発生されたバース
ト波は、位相反転器３２により互いに位相が１８０度反
転した２つのバースト波に分離される。その一方の第１
のバースト波（この位相を０で表示し、図４においてこ
の０位相バースト波が印加される個別電極には符号
「０」が付されている）は、これを増幅器３３で増幅し
た後、スイッチＳＷ１１１〜ＳＷ１２８の適宜の開閉に
より、第１のサブグループに属する圧電素子Ｔ（６）、
Ｔ（８）〜Ｔ（１１）およびＴ（１３）の個別電極１３
（６）、１３（８）〜１３（１１）および１３（１３）
に印加する。

【００３３】他方の第２のバースト波（この位相をπで
表示し、図４においてこのπ位相バースト波が印加され
る個別電極には、符号「π」が付されている）は、これ
を増幅器３４で増幅した後、スイッチＳＷ２１１〜ＳＷ
２２８の適宜の開閉により、第２のサブグループに属す
る圧電素子Ｔ（５）、Ｔ（７）、Ｔ（１２）およびＴ
（１４）の個別電極１３（５）、１３（７）、１３（１
２）および１３（１４）に印加する。

【００３４】このとき、第１のサブグループと第２のサ
ブグループとの圧電素子の数が異なる（本例では、第１
のサブグループの圧電素子の方が、第２のサブグループ
の圧電素子よりも２個多い）ことから、第１のサブグル
ープの電気的インピーダンスは、第２のサブグループの
圧電素子の電気的インピーダンスよりもその２個の圧電
素子分だけ大きくなっている。そこで、本発明に従い、
ダミー圧電素子Ｔ（１）〜Ｔ（３）から１つの素子（例
えば、Ｔ（２））、およびダミー圧電素子Ｔ（１６）〜
Ｔ（１８）から１つの素子（例えば、Ｔ（１７）にそれ
ぞれ第２のバースト波であるπ位相バースト波信号を印
加する。その場合、ダミー圧電素子Ｔ（２）およびＴ
（１７）は音響非マッチング層４３、４４による超音波
遮蔽効果によってインク液中には超音波を殆ど放射しな
いが、第１同時駆動サブグループと第２同時駆動サブグ
ループの駆動素子数を等しくし、電気的インピーダンス
を均一化させる。かくして、第２の実施の形態において
も、インク滴は効率的に安定に飛翔することとなる。そ
して、第１の実施の形態と同様、電気的インピーダンス
を等しくした結果、圧電素子への印加電圧が均一化する
ことにより、焦点位置における超音波ビームの強度が強
くなり、インク滴の安定飛翔に要する電源電圧が低くな
る。

【００３５】以上、本発明の実施の形態を説明したが、
本発明は、それらに限定されるものではない。例えば、
圧電素子アレイは、個別に作製した圧電素子により構成
することができる。また、個別電極を圧電体の上に、共
通電極を圧電体の下に配置することもできる。さらに第
２の実施の形態において、音響非マッチング層は音響マ
ッチング層兼音響レンズの上に形成してもよい。また、
音響非マッチング層の代わりに空隙を設けてもよい。実
際上、空隙を設けるのは作製プロセスが難しくなるが、
超音波の遮断効果としては非常に優れている。要する
に、第２の実施の形態においては、インク液と音響的に
非接続状態に設けられ、かつ前記駆動手段により同時駆
動圧電素子グループと同時に駆動信号が印加される１ま
たはそれ以上のダミー圧電素子が存在していればよい。

【００３６】

【実施例】以下に、本発明の実施例について具体的に説
明する。 実施例１ 本実施例では、図１および図２に示す構造のヘッドを有
するインクジェット記録装置を作製した。

【００３７】まず、平板状チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃ ）
系セラミック圧電体の片面にＴｉおよびＡｕをそれぞれ
厚さ０．０５μｍおよび０．５μｍにスパッタ法で形成
してＴｉ／Ａｕ電極を作製した。引き続き４ｋＶ／ｍｍ
の電界を印加して分極処理を行うことにより、強誘電性
を有する圧電セラミック素子を作製した。分極後の比誘
電率は約２１５であった。その後、化学エッチングによ
り幅６０μｍ、電極間隔２５μｍ（配列ピッチは８５μ
ｍ）の個別電極１３を形成した。一方、ガラス製の基板
１１にも幅６０μｍ、電極間隔２５μｍのＴｉ／Ａｕの
アレイ電極を形成した後、圧電素子との間に中空構造を
形成するために、機械加工により深さ０．２ｍｍ、幅
２．２ｍｍのサイズの溝１１ａを形成した。その後、顕
微鏡下でセラミック圧電体上に形成した個別電極１３と
ガラス上に形成したアレイ電極との位置合わせを行いな
がら、エポキシ樹脂で接着し、両電極を導通させた。次
に、超音波の周波数を５０ＭＨｚとするために、セラミ
ック圧電体を厚さ４５μｍまで研磨し、さらにＡｌを電
子ビーム蒸着することにより共通電極１４を形成した。
この時、副走査方向の電極の長さ、すなわち口径は２ｍ
ｍとした。

【００３８】音響マッチング層兼音響レンズ１８にはエ
ポキシ樹脂とアルミナ粉末との混合物を用いた。まず、
音速が３×１０³ ｍ／秒近傍になるように混合比を調整
し、密度２．２０×１０³ ｋｇ／ｍ³ 、音速２．９５×
１０³ ｍ／ｓを得た。これを共通電極１４の表面に塗布
して硬化させ、厚さが約４５μｍになるように研磨し
た。その後、焦点距離が１．８ｍｍになるように深さ１
／２波長（約３０μｍ）の溝を主走査方向に平行に形成
してフレネルレンズ１８を形成した。そして、超音波放
射面とインク液面との距離がほぼ１．８ｍｍなる側壁
（インク液保持室１９）を形成し、さらに駆動回路１６
を構成してインクジェット記録装置を完成した。

【００３９】こうして作製したインクジェット記録装置
を用いて、本発明に係わる駆動方法によるインク飛翔実
験を実施した。すなわち、１つの記録ドットを形成する
ために、第１の実施の形態に関して説明した通り、中央
の１６個の圧電素子を選択し、フレネル輪帯理論に基づ
いて、主走査方向に超音波ビームが集束するよう、これ
ら選択された１６個の圧電素子をスイッチＳＷ１１１〜
ＳＷ１２８、ＳＷ２１１〜ＳＷ２２８を用いて１０個の
圧電素子からなる第１同時駆動サブグループと、６個の
圧電素子からなる第２同時駆動サブグループに振り分け
た。

【００４０】より具体的には、バースト波発生装置３１
から周波数５０ＭＨｚ、出力継続時間３０μｓの正弦波
のバースト波を発生させ、これを位相反転器３２を用い
て、互いに位相が１８０゜反転した２つのバースト波に
分離した。これらのバースト波をパワーアンプ３３、３
４で増幅した後、第１および第２の同時駆動サブグルー
プヘ印加することにより、インク滴の飛翔実験を行っ
た。

【００４１】本実施例のインクジェット記録装置におい
ては、１つの圧電素子の静電容量が実測値で約１０ｐＦ
であった。従って、第２同時駆動サブグループを駆動す
る回路のスイッチＳＷ４をオンしてインピーダンス変換
素子（可変電気容量素子）３６を稼働し、静電容量で約
４０ｐＦ分だけ加算することにより、駆動源から見た同
時駆動サブグループ間のインピーダンスの均一化を図っ
た。

【００４２】超高速度カメラで飛翔状態を観察したとこ
ろ、インク滴が安定に飛翔するためには、バースト発生
装置３１の出力電圧は約１．８Ｖ必要であり、この場
合、同時駆動した全１６個の圧電素子へは均一に約１５
Ｖの電圧が印加されていることを確認した。

【００４３】比較例１ 可変電気容量素子３６からの静電容量を印加しなかった
以外は、実施例１と全く同様にしてインク滴の飛翔実験
を行った。その結果、インク滴が安定に飛翔するために
は、バースト波発生装置３１の出力電圧は２．２Ｖ必要
であり、この場合、第１同時駆動サブグループへの印加
電圧は、約１２Ｖであり、第２同時駆動サブグループへ
の印加電圧は約２０Ｖであった。

【００４４】比較例２ 第１の同時駆動サブグループと第２の同時駆動サブグル
ープとの圧電素子の数を等しく８個とした以外は、比較
例１と全く同様にしてインク滴の飛翔実験を行った。そ
の結果、インク滴が安定に飛翔するためには、バースト
波発生装置３１の出力電圧は１．４Ｖで十分であり、こ
の場合、実施例１の場合と同様に同時駆動した全１６個
の圧電素子へは均一に約１５Ｖの電圧が印加されてい
た。

【００４５】以上の実施例１、比較例１〜２の結果か
ら、比較例１の場合のように位相差を与えて同時駆動す
る同時駆動素子グループの素子数が異なり、駆動源から
見た電気的ンピーダンスに差違がある場合には、各々の
圧電素子への印加電圧のばらつきが生じるため、インク
滴を安定飛翔させるには電源電圧をより高める必要があ
ることが分かった。これに対し、実施例１のように、電
気的インピーダンスに差違がある場合に、インピーダン
ス変換素子を稼働させて電気的インピーダンスの均一化
を図ることにより、インク滴の安定飛翔を達成するため
の電源電圧を低減できることを確認できた。実施例１に
おいてインク滴の安定飛翔に要する電源電圧が低くなる
のは、圧電素子への印加電圧が均一化することにより、
焦点位置における超音波ビームの強度が強くなることに
起因すると考えられる。尚、比較例２の場合は、位相差
を与えて同時駆動する同時駆動素子グループの素子数が
等しく、元々駆動源から見た電気的インピーダンスが等
しいため、本実施例と同等の印加電圧でインク滴の安定
飛翔が確認された。 実施例２ 本実施例では、図３および図４に関して説明した構成の
インクジェット記録装置を作製した。

【００４６】このインクジェット記録装置は、共通電極
１４を形成した後に、音響非マッチング層４３、４４を
作製し、音響マッチング層兼音響レンズ１８を形成した
以外は、実施例１のものと同様のものであった。

【００４７】なお、本実施例に用いた圧電体とインク液
の音響インピーダンスはそれぞれ約３５×１０⁶ ｋｇ／
ｍ² ・ｓと約１．５×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ・ｓであり、積
の平方根は７．２×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ・ｓとなる。一
方、本実施例において音響マッチング層兼音響レンズと
して用いたエポキシ樹脂とアルミナ粉末との混合物の音
響インピーダンスは約６．５×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ・ｓで
あり、理想値に近い値となっている。また、音響非マッ
チング層４３、４４の材料として、音響インピーダンス
が約１．４×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ・ｓであるシリコーンゴ
ムを用い、約２０μｍの厚さとした。

【００４８】こうして作製したインクジェット記録装置
を用いて、本発明に係わる駆動方法によるインク飛翔実
験を行った。すなわち、第２の実施の形態に関して説明
した通り、１つの記録ドットを形成するために１８個の
圧電素子中から中央の１０個の圧電素子を選択し、フレ
ネル輪帯理論に基づいて、主走査方向に超音波ビームが
集束するよう、スイッチＳＷ１１１〜ＳＷ１２８、ＳＷ
２１１〜ＳＷ２２８を用いて選択された１０個の圧電素
子を６個の圧電素子からなる第１の同時駆動サブグルー
プと、４個の圧電素子からなる第２の同時駆動サブグル
ープに振り分けた。バースト波発生装置３１から周波数
５０ＭＨｚ、出力継続時間３５μｓの正弦波のバースト
波を発生させ、これを位相反転器３２を用いて、互いに
位相が１８０゜反転した２つのバースト波に分離した。
これらのバースト波をパワーアンプ３３、３４で増幅し
た後、上記の第１および第２の同時駆動サブグループヘ
印加することにより、インク滴の飛翔実験を行った。

【００４９】ここで、圧電素子アレイの両端部から各２
番目のダミー圧電素子を第２同時駆動サブグループと同
一位相で同時駆動した。超高速度カメラで飛翔状態を観
察したところ、インク滴が安定に飛翔するためにはバー
スト波発生装置の出力電圧は１．６Ｖで十分であった。
この場合、同時駆動した全１２個の圧電素子へは均一に
約１８Ｖの電圧が印加されていることが確認できた。

【００５０】比較例３ ２個のダミー圧電素子への駆動信号を印加しなかった以
外は、実施例２と全く同様にしてインク滴の飛翔実験を
行った。その結果、インク滴が安定に飛翔するために
は、バースト波発装置の出力電圧は２．１Ｖ必要であ
り、この場合、第１同時駆動サブグループヘの印加電圧
は約１６Ｖ、第２同時駆動サブグループへの印加電圧は
２３Ｖであった。

【００５１】このように比較例３に比べて、実施例２に
おいてもインク滴の安定飛翔に要する電源電圧が低くな
るのは、電気的インピーダンス等しくした結果、圧電素
子への印加電圧が均一化することにより、焦点位置にお
ける超音波ビームの強度が強くなることに起因すると考
えられる。

【００５２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明では、主走査
方向に超音波ビームを集束させるため、圧電素子アレイ
の中から所定の同時駆動素子を選択し、これらを複数の
同時駆動素子グループに振り分け、これら複数の同時駆
動素子グループに所定の位相差を与えて駆動する場合、
駆動源から見た各々の同時駆動素子グループの電気的イ
ンピーダンスを均一化することにより、各々の同時駆動
素子グループの圧電素子数が異なる場合にも、全ての圧
電素子に均一に電圧を印加するとが可能となる。その結
果、焦点位置での超音波ビーム強度が向上し、インク飛
翔の安定性や信頼性を高められる。また、印加電圧の均
一化によって、より低い印加電圧でインク滴の安定な飛
翔が実現でき、インク飛翔の効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るインクジェッ
ト記録装置のヘッド部の概略斜視図。

【図２】図１に示すヘッド部の駆動回路の構成を示す
図。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係るインクジェッ
ト記録装置記録装置のヘッド部の一部を示す斜視図。

【図４】図２に示すヘッド部の駆動回路の構成を示す
図。

【符号の説明】

１１…支持部材 １１ａ…溝 １２…圧電体 １３…個別電極 １４…共通電極 １５…アレイ電極 １６…駆動回路 １８…超音波集束手段 １９…インク液保持室 ２１ａ…スリット ２０…インク液 ３１…バースト波発生装置 ３２…位相反転器 ３５，３６…可変電気容量素子 ３３、３４…増幅器 ４３、４４…音響非マッチング層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 雨宮 功 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 山本 紀子 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 森 健一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インク液を保持するインク液保持室と、 所定間隔で配列された複数の圧電素子によって構成され
   る圧電素子アレイを含み、前記インク液中を伝播する超
   音波を発生させる超音波発生手段と、 前記圧電素子アレイを構成する圧電素子の中から複数の
   同時駆動圧電素子を同時駆動グループとして選択し、前
   記複数の同時駆動圧電素子を複数の同時駆動サブグルー
   プに振り分け、前記同時駆動サブグループの各々に位相
   差を与えた駆動信号を印加して同時駆動させることによ
   って前記同時駆動グループの同時駆動圧電素子から発生
   される超音波を前記インク液の液面に集束させる駆動手
   段と、 前記サブグループのそれぞれの総電気的インピーダンス
   を互いに均一化するインピーダンス均一化手段を備えた
   ことを特徴とするインクジェット記録装置。
2. 【請求項２】 前記インピーダンス均一化手段が、可変
   電気容量素子を含む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。
3. 【請求項３】 前記インピーダンス均一化手段が、前記
   インク液と音響的に非接続状態に設けられ、かつ前記駆
   動手段により前記同時駆動圧電素子と同時に駆動信号が
   印加される１またはそれ以上のダミー圧電素子を含むこ
   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。