(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が充填された圧力室の内壁に固定された直方体形状の圧電素子に電圧を印加し、この電圧印加による該圧電素子の体積増加によって該流体を該圧力室に設けられたノズルから噴射する流体噴射装置において、
前記内壁との前記圧電素子の固定面及び該固定面との対向面に、前記電圧印加を行う電極を互いに対向するようにそれぞれ設けるとともに、
電極を挟んで独立した両平面を対向接続する部分に圧電効果を生じない不活性部を設けたことを特徴とする流体噴射装置。
【請求項２】
流体が充填された圧力室の内壁に固定された直方体形状の圧電素子に電圧を印加し、この電圧印加による該圧電素子の体積増加によって該流体を該圧力室に設けられたノズルから噴射する流体噴射装置において、
前記圧電素子の前記内壁との固定面の対向面に一端から対向端まで通じる２本の概略平行な溝を形成し、
該溝をヤング率が前記圧電素子のヤング率より小さな材料で充填するとともに、
前記２本の溝の間の面とこの面との対向面とに、前記電圧印加を行う電極を互いに対向するようにそれぞれ設け、
電極を挟んで独立した両平面を対向接続する部分に圧電効果を生じない不活性部を設けたことを特徴とする流体噴射装置。
【請求項３】
流体が充填された圧力室の内壁に固定された直方体形状の圧電素子に電圧を印加し、この電圧印加による該圧電素子の体積増加によって該流体を該圧力室に設けられたノズルから噴射する流体噴射装置において、
前記内壁との前記圧電素子の固定面及び該固定面との対向面に、前記電圧印加を行う電極を互いに対向するようにそれぞれ設けるとともに、
電極の周囲平面を対向接続する部分に圧電効果を生じない不活性部を設けたことを特徴とする流体噴射装置。
【請求項４】
前記圧電素子を前記圧力室の内壁に複数個固定したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の流体噴射装置。
【請求項５】
前記ノズルの代わりに、前記圧電素子の体積増加により排斥される流体により前記圧力室外部へ押し出される物体を、該圧力室に取り付けたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の流体噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流体噴射装置に関する。
この流体噴射装置は、インクジェットプリンタ、ファクシミリ、及びコピー装置等のインクを用紙等の媒体に噴射して記録を行う箇所に用いられるものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８に従来の流体噴射装置を用いたインクジェットプリンタの概略構成を示し、その説明を行う。
【０００３】
この図において、１は印字ヘッド、２はインク貯蔵部である。このインク貯蔵部２は、通路６を介して図示せぬインクタンクに接続されており、インクタンクから送られてくる流体である液体状のインクを一時貯蔵するものである。
【０００４】
３はインク貯蔵部２に通路１２で接続された複数の圧力室であり、インク１４の噴射口であるノズル４を有し、また内部に圧電素子５が設置されている。８は用紙９を矢印１６方向に搬送するローラ形状の紙搬送装置である。
【０００５】
１０は制御装置であり、１つ目には印字ヘッド１を矢印１８で示す左右方向に移動させる制御を行い、２つ目には圧電素子５に電圧を印加することによって圧電素子５を変位させる制御を行い、３つ目には紙搬送装置８を回転させることによって紙９を矢印１６方向へ搬送させる制御を行うものである。
【０００６】
インクが充填され、かつ圧電素子５が設置された圧力室３と、圧電素子５に電圧を印加することによって圧電素子５の形状を変位させる制御を行う制御装置１０とで流体噴射装置が構成されている。また、圧電素子５が流体噴射装置のアクチュエータとなっている。
【０００７】
ここで、図９を参照して流体噴射装置に用いられる圧電素子５について説明する。圧電素子５は図示するように直方体形状を成しており、その下面が圧力室３の壁面２０に固定（拘束）されている。
【０００８】
更に図１０に示すように、上面と下面との全面に電極２２と２４とが固定されており、制御装置１０によって各電極２２，２４に所定電位の電圧が印加されるようになっている。各電極２２，２４はインクに接触しないように絶縁シールドされている。また、壁面２０に拘束された下面を拘束面と呼ぶことにする。
【０００９】
このように電圧を印加することによって、圧電素子５は、拘束面に対してｄ３３で示す直交方向において伸び、これによって体積が増加する。そして、この体積増加によって圧力室３が加圧されてインク１４が紙９に噴射されるようになっている。ここで、変位した時点の体積を変位体積と呼ぶことにする。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の流体噴射装置においては、圧電素子５は、電圧を印加することによって、拘束面に対してｄ３３で示す直交方向に伸びるが、ｄ３１で示す拘束面と平行方向において縮む変位が生じる。
【００１１】
従って、全体の体積変化を考えると、ｄ３１方向とｄ３３方向とでは変位方向が逆なので、拘束されていない底面以外の自由面での変位体積はそれほど大きな増加量ではない。
【００１２】
ここで、変位体積増加によってインク１４を紙９に噴射させる場合を考えると、インク１４を少量噴射させる場合は低電圧印加で済むが、多量に噴射させる場合は変位体積増加を大きくしなければならない。
【００１３】
印加電圧と変位体積の増加率とは比例するので、変位体積増加を大きくしなければならない場合は、その分、高電圧を印加しなければならない問題があった。このように高電圧を印加するためには制御装置１０が大きく、高価となる。
【００１４】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、低電圧印加によっても圧電素子の変位体積を大きく増加させることができる流体噴射装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
図１に本発明の流体噴射装置の原理図を示す。この図に示す流体噴射装置は、流体１４が充填された圧力室３の内壁２０に固定された直方体形状の圧電素子３０に電圧を印加し、この電圧印加による圧電素子３０の体積増加によって流体１４を圧力室３に設けられたノズル４から噴射するものであり、本発明の特徴は、内壁２０への圧電素子３０の固定面とこの固定面の対向面とに、電圧印加を行う電極２２と２４を互いに対向するように、かつ電極２２及び２４を挟んで独立した両平面を対向接続する部分に圧電効果を生じない不活性部３２及び３４ができるように固定して構成したことにある。
【００１６】
このような構成によれば、圧電素子３０への電圧印加時に、不活性部３２及び３４に挟まれた活性部３１に圧電効果が生じ、活性部３１が、その固定面と法線方向及び、その法線方向と直交し、かつ不活性部３２，３４との境界面と平行な方向に変位し、この変位によって活性部３１の体積が増加する。
【００１７】
この体積増加は圧電素子３０の一面が固定された場合の変位体積の増加よりも大きいので、活性部３１の体積が従来と等しければ、その分、同電位の電圧で従来よりも多く流体を排斥することが可能となる。
【００１８】
請求項２記載の発明によれば、電極を挟んで形成された溝中を、圧電素子より小さなヤング率を有する物質で充填しているため、この溝部分が流体と接触することが防止される。
【００１９】
よって、溝が露出している場合には圧電効果により溝と垂直な方向が縮むため圧電素子の体積が減少し、これが流体に影響するが、充填物によりこの体積減少が流体に影響することはない。故に、固定面と垂直方向の体積増加のみが流体に影響するために、請求項１の発明に比較してより多くの流体を排斥することが可能となる。
【００２０】
請求項３の発明によれば、電極の周囲を不活性部で包囲しているため、電極の固定面と垂直方向のみ圧電素子が変形でき他の方向は変位が拘束される。よって、同電位の電圧が印加された場合、電極固定面と垂直方向の変位は請求項１及び２の発明に比較してより大きくなる。
【００２１】
請求項４の発明では、圧電素子を圧力室の内壁に複数個固定したため、体積の増加量を圧電素子の個数に応じて増加させることができる。
請求項５に記載の発明では、圧電素子の体積増加により排斥される流体により圧力室外部へ押し出される物体を圧力室に取り付けているため、流体噴射装置をアクチュエータとして利用することができる。
【００２２】
【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について説明する。図２は本発明の第１実施形態による流体噴射装置のアクチュエータに用いられる圧電素子の構造を示す図である。
【００２３】
但し、図２に符号３０で示す第１実施形態の圧電素子は、図９に示した従来例の圧電素子５と同様に、図８に示した圧力室３の内壁２０に固定されているものとする。
【００２４】
図２に示す圧電素子３０が図９に示した圧電素子５と異なる点は、圧電素子５よりも細長い直方体形状の圧電素子３０を、圧電素子５と同形状の圧電効果を示す活性部３１が、圧電効果を示さない不活性部３２と３４により挟まれる構造としたことにある。
【００２５】
即ち、図３に示すように、図１０に示した電極２２及び２４を互いに対向関係となり、圧電素子３０の内壁２０への拘束面と、この拘束面の対向面との中央部分に、両側の不活性部３２，３４の面が互いに独立するように固定して構成した。但し、電極２２，２４は圧力室３内のインクに触れないように絶縁材料でシールドされているものとする。
【００２６】
このようにすることによって、電極２２，２４を介した圧電素子３０への電圧印加時に、電極２２，２４間の部分のみに圧電効果が生じることになるので、活性部３１の両側に不活性部３２，３４ができることになる。
【００２７】
圧電素子としては、例えば水晶、ロッシュル塩、チタン酸バリウム等が採用可能である。尚、活性部３１及び不活性部３２，３４は同一材料からなり、電極２２，２４間の部分にのみ圧電効果が生じて活性部３１となり、電極の無い部分が不活性部３２，３４となる。
【００２８】
また、圧電素子３０は、図２に示す座標軸ｘ，ｙ，ｚに対比させて見ると、ｚ軸方向、ｘ軸方向に活性部３１の開放面が存在し、活性部３１のｙ軸方向の両面は不活性部３２，３４との拘束面となっている。
【００２９】
ここで、拘束条件によって、どのような応力場が生じるかを、次に記述する等方性の圧電方程式▲１▼を参照して説明する。
【００３０】
【数１】
0003711548.tif 000002
【００３１】
ここでは、圧電素子の活性部として直方体を考えるものとし、その寸法をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の順番にｂ〔ｍ〕、ｌ〔ｍ〕、ｔ〔ｍ〕とし、ｚ軸方向に電圧を印加することとする。
【００３２】
また圧電素子のｄ３３方向はその電圧の印加方向と同じ、ｚ軸方向であるとする。但し、ここでは、座標軸としてｘｙｚ方向を取ったが特にこの座標系に限定するものではない。更に電界はｚ軸方向に働いているとしたが、それに限るものではない。
【００３３】
式▲１▼を元に以下の条件で各方向の歪を求める。
（１）圧電素子が図９に示したように、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各方向で拘束されない場合は、各方向の応力は無視できるので、
σx ＝σy ＝σz ＝０    …▲２▼
よって、
【００３４】
【数２】
0003711548.tif 000003
【００３５】
（２）圧電素子が図２に示したように、ｙ軸方向には拘束されるが、ｘ軸、ｚ軸の方向には拘束されない場合、
ｙ軸方向には拘束されているので、
εy ＝０    …▲４▼
ｘ軸、ｚ軸方向には拘束されていないので、
σx ＝σz ＝０    …▲５▼
よって、
【００３６】
【数３】
0003711548.tif 000004
【００３７】
（３）圧電素子が後述で説明する図  に示すようにｘ軸、ｙ軸方向には拘束されるが、ｚ軸方向には拘束されない場合、
ｘ軸、ｙ軸方向には拘束されているので、
εx ＝εy ＝０    …▲７▼
ｚ軸方向には拘束されていないので、
σz ＝０    …▲８▼
よって、
【００３８】
【数４】
0003711548.tif 000005
【００３９】
以上の結果を用いて、直方体の圧電素子の単位の変位体積を求めると、（１）〜（３）で説明した各種拘束条件と圧電素子単体の変位体積との関係は、図４に示すようになる。
【００４０】
特に、圧電素子のポアソン比νが０．３４の時、圧電素子単体の変位体積は、図４に示した結果より図５に示すようになる。
つまり、この場合、図５に示すように、従来例が（１）の拘束条件に該当するのに対して、（２）の拘束条件では従来の約２．５倍、（３）の拘束条件では従来の約５．６倍の変位体積が得られる。
【００４１】
従って、図２に示した第１実施形態の圧電素子３０に電圧を印加した場合、従来の約２．５倍体積が増加することになる。
これによって、従来よりも低電圧印加で変位体積の増加量を大きくすることができるので、その分、電圧を印加するための制御装置１０（図８参照）を小型、安価にすることができる。
【００４２】
次に、第２実施形態を図６を参照して説明する。
第２実施形態の圧電素子３８は、ｙ方向に伸長する２本の溝４０，４２を有しており、これらの溝中は樹脂等の充填物４５で充填されている。充填物４５は圧電素子３８のヤング率よりも概略２桁小さいヤング率（例えば６×１０8 Ｎ／ｍ2 ）を有しているのが望ましい。
【００４３】
そして、２本の溝４０と４２の間の中央部分に図２及び図３に示した圧電素子３０と同様に電極２２，２４を設けることによって活性部４８を画成し、活性部４８の両側を不活性部４４，４６としたものである。第１実施形態と同様に、電極２２，２４は圧力室３内のインクに触れないように絶縁材料でシールドされている。
【００４４】
本実施形態によれば、溝４０，４２がヤング率の小さな充填剤４５で充填されているため、溝４０，４２に露出した圧電素子が圧力室３内のインクに接触することはない。
【００４５】
よって、電極２２，２４に電圧を印加すると、ｘ方向の体積は縮小するが、溝４０，４２中に充填物４５が充填されているため、この体積減少がインクに影響を及ぼすことはない。
【００４６】
よって、ｙ方向の変位は不活性部４４，４６により拘束され、ｘ方向の体積減少がインクに影響を及ぼすことがないため、ｚ方向の体積増加のみが圧力室内のインクに影響を及ぼすことになる。
【００４７】
従って、ｘ方向の縮小変位がインクに影響を及ぼす第１実施形態に比較して、本実施形態ではインクに影響を及ぼす圧電素子の体積増加量をより大きくすることができる。
【００４８】
次に、第３実施形態を図７を参照して説明する。
図７に符号５０で示す第３実施形態の圧電素子は、直方体形状の圧電素子を、内壁２０への固定面とこの固定面の対向面との中央部分に、電極２２，２４を互いに対向するように固定し、この部分に活性部５２が形成され、この電極２２，２４の周囲平面を対向接続する周回部分に圧電効果を生じない不活性部５４ができるようにしたものである。但し、電極２２，２４は圧力室３内のインクに触れないように絶縁材料でシールドされているものとする。
【００４９】
このような構造の圧電素子５０に、電圧を印加した場合、圧電素子５０がｘ軸及びｙ軸方向に拘束されるため、図５に示すように従来の約５．６倍体積が増加することになる。
【００５０】
これによって、第１及び第２実施形態よりも更に低電圧印加で変位体積の増加量を大きくすることができるので、その分、電圧を印加するための制御装置１０（図８参照）を更に小型、安価にすることができる。
【００５１】
また、第１〜第３実施形態の圧電素子３０，３８，５０を各々複数個用いて、圧力室３内の内壁２０に固定すれば、変位体積の増加量をより増加させることが可能となる。
【００５２】
上述した各実施形態では、インクジエットプリンタの流体噴射装置に、各圧電素子３０，３８，５０を適用したが、圧力室内に油が充填され、その油を圧電素子３０，３８，５０の何れかの変位体積の増加量によって排斥し、この時、生じる油圧でピストン等を圧力室の外部に押し出す機構にも本発明は使用可能である。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低電圧印加によっても圧電素子の変位体積を大きく増加させることができる流体噴射装置を提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理図である。
【図２】本発明の第１実施形態による流体噴射装置のアクチュエータに用いられる圧電素子の構造を示す図である。
【図３】図２に示す圧電素子への電極固定状態を示す側面図である。
【図４】各種拘束条件と圧電素子単位の変位体積との関係図である。
【図５】圧電素子のポアソン比ν＝０．３４の時の各種拘束条件と圧電素子単位の変位体積との関係図である。
【図６】本発明の第２実施形態による流体噴射装置のアクチュエータに用いられる圧電素子の構造を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態による流体噴射装置のアクチュエータに用いられる圧電素子の構造を示す図である。
【図８】流体噴射装置を用いたインクジエットプリンタの概略構成図である。
【図９】従来の流体噴射装置のアクチュエータに用いられる圧電素子の構造を示す図である。
【図１０】図９に示す圧電素子への電極固定状態を示す側面図である。
【符号の説明】
３    圧力室
４    ノズル
１４    充填インク
２０    圧力室の内壁
２２，２４    電極
３０    圧電素子
３１    活性部
３２，３４    不活性部
【図１】
0003711548.tif 000006
【図２】
0003711548.tif 000007
【図３】
0003711548.tif 000008
【図４】
0003711548.tif 000009
【図５】
0003711548.tif 000010
【図６】
0003711548.tif 000011
【図７】
0003711548.tif 000012
【図８】
0003711548.tif 000013
【図９】
0003711548.tif 000014
【図１０】
0003711548.tif 000015