(57)【要約】【課題】インク滴の飛翔速度の低下を抑制しつつ、横振動モードの圧電素子を備えた駆動部の残留振動を確実に抑えることができる、新規な圧電インクジェットヘッドを提供する。【解決手段】駆動部の固有振動周期Ｔ２を、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期Ｔ１の１割程度またはそれ以下、より好ましくは駆動部の固有振動周期Ｔ２を、体積速度の固有振動周期Ｔ１の０．１倍以下に設定した圧電インクジェットヘッドである。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）  インクが充てんされる加圧室と、
（Ｂ）  この加圧室に連通したノズル部と、
（Ｃ）  横振動モードの圧電素子と、この圧電素子の、駆動電圧波形の印加による面方向の収縮によって撓んで加圧室の容積を減少させることで、加圧室内のインクを、ノズル部を通してインク滴として吐出させるための振動板とを含む駆動部と、
を備えた圧電インクジェットヘッドであって、
上記駆動部の固有振動周期を、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期の１割程度またはそれ以下に設定したことを特徴とする圧電インクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にプリンター、コピア、ファクシミリ、およびそれらの複合機などに好適に用いることのできる圧電インクジェットヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えばオンデマンド型のインクジェットプリンタなどに用いる、圧電素子の電歪効果を駆動源とする圧電インクジェットヘッドにおいては、当該圧電素子と、圧電素子を支持する振動板とを含む駆動部が、圧電素子が発生する力を加圧室内のインクに圧力として伝えることで、この加圧室に連通するノズル部からインク滴を吐出させるための駆動源としての役割を果たしている。それと同時に駆動部は、加圧室内のインクの圧力を受けることによって振動板が撓むため、ヘッド内のインクの振動に対して弾性体としての役割も持っている。
【０００３】
圧電素子に電圧を印加して力を発生させると、ヘッド内のインクは、振動板を介して駆動部から受けた圧力によって振動を起こす。この振動は、駆動部と加圧室とを弾性、加圧室にインクを供給する供給口、加圧室とノズル部とを繋ぐノズル流路、およびノズル部を慣性として発生する。この振動における、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期は、上記各部の寸法とインクの物性値、駆動部の寸法と物性値とによって決まる。
【０００４】
そして圧電インクジェットヘッドにおいては、かかるインクの振動による、ノズル部内でのインクメニスカスの振動を利用してインク滴を発生させている。
そのため、特許文献１で説明されているように圧電素子に印加する駆動電圧の、駆動電圧波形のパルス幅は、従来、インクの体積速度の固有振動周期に合わせて決定されていた。例えば、いわゆる引き打ち方式の駆動方法においては、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期の１／２倍を基準として、またいわゆる押し打ち方式の駆動方法においては、上記固有振動周期の１倍を基準として、それぞれ駆動電圧波形のパルス幅を設定してきた。
【０００５】
引き打ち方式の駆動方法の場合を例にとって、さらに詳しく説明する。
図５は、引き打ち方式の駆動方法において圧電素子に印加する駆動電圧ＶＰの駆動電圧波形（太線の一点鎖線で示す）と、かかる駆動電圧波形が与えられた際の、ノズル部におけるインクの体積速度（太線の実線で示す、正がインクの吐出方向）との関係を簡略化して示すグラフである。
図に見るように引き打ち方式の駆動方法では、待機時（図５中のｔ１より以前）には、たとえば横振動モードの圧電素子の場合、印加する駆動電圧ＶＰを所定値ＶＨに維持（ＶＰ＝ＶＨ）して圧電素子を面方向に収縮させつづけることによって、振動板を、加圧室の容積を減少させた状態を維持するべく撓ませ続けており、この間、ヘッド内のインクは静止状態、すなわちノズル部でのインクの体積速度は０を維持する。
【０００６】
ノズル部からインク滴を吐出させて紙面にドットを形成するには、まずその直前のｔ１の時点で、駆動電圧ＶＰを所定値ＶＨから放電（ＶＰ＝０）させて圧電素子を面方向に伸長させることによって振動板の撓みを解除する。
そうするとノズル部内のインクは、加圧室の容積が増加する分、インクメニスカスが加圧室の側に引き込まれた状態となる。その際の体積速度は、図５のｔ１とｔ２の間の部分に示すように一旦、負の側に大きくなった後、徐々に低下してやがて０に近づく。これは、太線の実線で示すインクの体積速度の固有振動周期Ｔ１の、ほぼ半周期分に相当する。
【０００７】
そして、ノズル部でのインクの体積速度が限りなく０に近づいた時点で、駆動電圧ＶＰを再び所定値ＶＨまで充電（ＶＰ＝ＶＨ）して圧電素子を面方向に収縮させて振動板を撓ませる。この操作は、太線の一点鎖線で示すように、パルス幅Ｔ３が固有振動周期Ｔ１の１／２倍である駆動電圧波形を有する駆動電圧ＶＰを、圧電素子に印加していることに相当する。
このとき、ノズル部内のインクは、インクメニスカスが加圧室の側に最も大きく引き込まれた静止状態（体積速度が０の状態）から、逆に正の方向へ戻ろうとする状態であるところに、振動板を撓ませて加圧室の容積を減少させることによって当該加圧室から押し出されたインクが加わることになる。このためインクは、ノズル部の先端から大きく正の側に突出し、その先端からインク滴が分離する。そして分離したインク滴が飛翔して紙面に到達することで、紙面にドットを形成する。
【０００８】
また特許文献２では、上記引き打ち方式の駆動方法において、駆動部の残留振動を抑えるために、駆動電圧波形の立ち下がり時の時定数を駆動部の固有振動周期の０．９倍以上、立ち上がり時の時定数を駆動部の固有振動周期の０．９倍から１．２倍にするのが好ましいとしている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平２−１９２９４７号公報（第３頁左上欄第８行〜同頁左下欄第１２行、第１６図（ａ）〜（ｃ））
【特許文献２】
特開平５−３１８７３１号公報（請求項３、４、第００３５欄）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
圧電インクジェットヘッドにおいて、駆動部の固有振動の周期は、駆動電圧波形のパルス幅に比して数十分の１から数分の１という小さな値である。しかし図６に示したように、インク滴形成時の、インクの体積速度の振動に、上記の固有振動が残留振動として乗ってしまう。そして駆動電圧波形の立ち上がりのタイミングと残留振動の位相とがずれることによって、形成されるインク滴の体積や飛翔速度が変動してしまうという問題を生じる。
【００１１】
すなわち残留振動の振動速度が加圧室方向に増加している際に、駆動電圧波形が立ち上がると、インク滴の体積は大きく、飛翔速度は大きくなる。逆に残留振動の振動速度が加圧室方向に減少している際に駆動電圧波形が立ち上がると、インク滴の体積は小さく、飛翔速度は小さくなる。
このため、例えば駆動電圧波形のパルス幅がごく僅かでも変動すると、インク滴の体積、飛翔速度が大きく変動する。
【００１２】
また、圧電インクジェットヘッド上に複数個、配置されている圧電素子ごとに、厚みや振動板に接着される際の条件などがどうしてもばらついてしまうため、それぞれの駆動部ごとの固有振動周期にばらつきを生じる。このため、駆動電圧波形のパルス幅をすべて一定に保っても、ノズル部ごとにインク滴の体積や飛翔速度がばらついてしまう。
そのため、駆動部の残留振動を抑えるべく特許文献２では、前記のように駆動電圧波形の立ち下がり時の時定数を駆動部の固有振動周期の０．９倍以上、立ち上がり時の時定数を駆動部の固有振動周期の０．９倍から１．２倍にするとしている。
【００１３】
確かに、立ち下がり／立ち上がりの時定数を大きくすることで駆動部の残留振動を抑えることはできる。
しかし、立ち下がり／立ち上がりの時定数を大きくすると、インク滴の飛翔速度が低下してしまう。とりわけ特許文献２では縦振動モードの圧電素子を使っているために駆動部の固有振動周期が小さいが、横振動モードの圧電素子の場合は駆動部の固有振動周期が大きいため、駆動電圧波形の立ち下がり／立ち上がりの時定数を駆動部の固有振動周期と同じくらいに長くすると、インク滴の飛翔速度が著しく低下してしまう。
【００１４】
このように、駆動電圧波形の調整だけでは、最適なインク吐出を実現することができないのが現状である。
本発明の目的は、インク滴の飛翔速度の低下を抑制しつつ、横振動モードの圧電素子を備えた駆動部の残留振動を確実に抑えることができる、新規な圧電インクジェットヘッドを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記課題を解決するため、発明者は、駆動部の固有振動周期（Ｔ２とする）と、前述したヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期Ｔ１との関係について検討した。
その結果、駆動部の固有振動周期Ｔ２を、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期Ｔ１に対してできるだけ小さくするのが、インク滴の飛翔速度の低下を抑制しつつ、駆動部の残留振動を抑制するために有効であることを見出した。
【００１６】
具体的には、駆動部の固有振動周期Ｔ２が、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期Ｔ１の１割程度またはそれ以下になるように駆動部の設計を行うと、駆動部の残留振動の影響を小さくできる。そしてパルス幅が変動しても、またノズルごとに駆動部の固有振動周期Ｔ２が多少ばらついても、インク滴の飛翔速度や体積をばらつきにくくすることが可能となる。
したがって請求項１記載の発明は、
（Ａ）  インクが充てんされる加圧室と、
（Ｂ）  この加圧室に連通したノズル部と、
（Ｃ）  横振動モードの圧電素子と、この圧電素子の、駆動電圧波形の印加による面方向の収縮によって撓んで加圧室の容積を減少させることで、加圧室内のインクを、ノズル部を通してインク滴として吐出させるための振動板とを含む駆動部と、
を備えた圧電インクジェットヘッドであって、
上記駆動部の固有振動周期を、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期の１割程度またはそれ以下に設定したことを特徴とする圧電インクジェットヘッドである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を説明する。
図１は、本発明の圧電インクジェットヘッドの一例において、圧電素子と振動板とを含む駆動部を取り付ける前の状態を示す平面図である。
図の例の圧電インクジェットヘッドは、１枚の基板１上に、加圧室２とそれに連通するノズル部３とを含むドット形成部を複数個、配列したものである。
【００１８】
また図２（ａ）は、上記例の圧電インクジェットヘッドにおいて、駆動部を取り付けた状態での、１つのドット形成部を拡大して示す断面図、図２（ｂ）は１つのドット形成部を構成する各部の重なり状態を示す透視図である。
各ドット形成部のノズル部３は、図１に白矢印で示す主走査方向に複数列並んでいる。図の例では４列に並んでおり、同一列内のドット形成部間のピッチは９０ｄｐｉであって、圧電インクジェットヘッドの全体として３６０ｄｐｉを実現している。
【００１９】
各ドット形成部は、基板１の、図２（ａ）において上面側に形成した、矩形状の中央部の両端に半円形の端部を接続した平面形状を有する加圧室２と、上記基板１の下面側の、加圧室２の一端側の端部の、半円の中心と重なる位置に形成したノズル部３とを、上記端部の半円と同径の、断面円形のノズル流路４で繋ぐとともに、上記加圧室２の他端側の端部の、半円の中心と重なる位置に形成した供給口５を介して、加圧室２を、基板１内に、各ドット形成部を繋ぐように形成した共通供給路６（図１に破線で示す）に繋ぐことで構成してある。
【００２０】
また上記各部は、図の例では、加圧室２を形成した第１基板１ａと、ノズル流路４の上部４ａと供給口５とを形成した第２基板１ｂと、ノズル流路４の下部４ｂと共通供給路６とを形成した第３基板１ｃと、ノズル部３を形成した第４基板１ｄとを、この順に積層、一体化することで形成してある。
また第１基板１ａと第２基板１ｂには、図１に示すように、第３基板１ｃに形成した共通供給路６を、基板１の上面側で、図示していないインクカートリッジからの配管と接続するためのジョイント部１１を構成するための通孔１１ａを形成してある。
【００２１】
さらに各基板１ａ〜１ｄは、例えば樹脂や金属などからなり、フォトリソグラフ法を利用したエッチングなどによって上記各部となる通孔を設けた、所定の厚みを有する板体にて形成してある。
基板１の上面側には、当該基板１と同じ大きさを有する１枚の振動板７と、少なくとも各ドット形成部を覆う大きさを有する１枚の薄膜状の共通電極８と、図１中に一点鎖線で示すように各ドット形成部の加圧室２の中央部と重なる位置に個別に設けた、略矩形状の平面形状を有する横振動モードの薄板状の圧電素子９と、各圧電素子９上に形成した、同じ平面形状を有する個別電極１０とを、この順に積層することで駆動部を構成してある。
【００２２】
なお圧電素子９を、いくつかのドット形成部の加圧室２にまたがる大きさに一体形成して、個別電極１０のみ、図１中に一点鎖線で示すように各ドット形成部の加圧室２の中央部と重なる位置に個別に設けてもよい。
上記のうち振動板７は、例えばモリブデン、タングステン、タンタル、チタン、白金、鉄、ニッケルなどの単体金属や、これら金属の合金、あるいはステンレス鋼などの金属材料にて、所定の厚みを有する板状に形成してある。また振動板７には、先の基板１の通孔１１ａとともにジョイント部１１を構成する通孔１１ｂを形成してある。
【００２３】
共通電極８、個別電極１０は、ともに金、銀、白金、銅、アルミニウムなどの導電性に優れた金属の箔や、これらの金属からなるめっき被膜、真空蒸着被膜などで形成してある。なお振動板７を、例えば白金などの導電性の高い金属で形成して共通電極８を省略してもよい。
圧電素子９を形成する圧電材料としては、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）や、当該ＰＺＴにランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガンなどの酸化物の１種または２種以上を添加したもの、例えばＰＬＺＴなどの、ＰＺＴ系の圧電材料を挙げることができる。また、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどを主要成分とするものを挙げることもできる。
【００２４】
薄板状の圧電素子９は、従来と同様にして形成することができる。
例えば上記の圧電材料を焼結して形成した焼結体を薄板状に研磨した所定の平面形状を有するチップを、共通電極８上の所定の位置に接着、固定したり、いわゆるゾル−ゲル法（またはＭＯＤ法）によって、共通電極８上に、圧電材料のもとになる有機金属化合物から形成したペーストを所定の平面形状に印刷し、乾燥、仮焼成、焼成の工程を経て形成したり、あるいは共通電極８上に、反応性スパッタリング法、反応性真空蒸着法、反応性イオンプレーティング法などの気相成長法によって、圧電材料の薄膜を所定の平面形状に形成したりすることによって、圧電素子９を形成することができる。
【００２５】
圧電素子９を横振動モードとするためには、圧電材料の分極方向を、当該圧電素子９の厚み方向、より詳しくは個別電極１０から共通電極８に向かう方向に配向させる。そのためには、例えば高温分極法、室温分極法、交流電界重畳法、電界冷却法などの従来公知の分極法を採用することができる。また、分極後の圧電素子９をエージング処理してもよい。
圧電材料の分極方向を上記の方向に配向させた圧電素子９は、共通電極８を接地した状態で、個別電極１０から正の駆動電圧ＶＰを印加することによって、分極方向と直交する面内で収縮する。しかし圧電素子９は、共通電極８を介して振動板７に固定されているため、結果的に、圧電素子９と振動板７とが加圧室方向に撓むことになる。
【００２６】
このため、撓みが発生する際の力が加圧室２内のインクに圧力変化として伝えられ、この圧力変化によって、供給口５、加圧室２、ノズル流路４、およびノズル部３内のインクが振動を起こす。そして振動の速度が、結果的にノズル部３の外に向かうことによって、ノズル部３内のインクメニスカスが外部へと押し出されて、インク柱が形成される。
インク柱は、やがて振動の速度がノズル部内方向に向かうことによってノズル部３内のインクメニスカスに吸収されるが、その際、前記のようにインク柱の先端部が切り離されて、インク滴となって紙面の方向に飛翔して、紙面にドットを形成する。
【００２７】
インク滴が飛翔して減少した分のインクは、ノズル部３内のインクメニスカスの表面張力によって、インクカートリッジから、当該インクカートリッジの配管、ジョイント部１１、共通供給路６、供給口５、加圧室２、およびノズル流路４を介してノズル部３に再充てんされる。
この例では、上記各部のうち振動板７、共通電極８、圧電素子９および個別電極１０にて構成される駆動部の固有振動周期Ｔ２を、前記のようにヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期Ｔ１の１割程度またはそれ以下に設定する。
【００２８】
そしてこれにより、前記のようにインク滴の飛翔速度の低下を抑制しながら、駆動部の残留振動を確実に抑制することが可能となる。
なお駆動部の残留振動をより確実に抑制するためには、駆動部の固有振動周期Ｔ２を、上記の範囲内でもとくに、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期Ｔ１の０．１倍以下に設定するのがさらに好ましい。
駆動部の固有振動周期Ｔ２を上記の範囲に調整するためには、当該駆動部を構成する各部の材質や寸法、形状などを変更すればよい。
【００２９】
本発明の圧電インクジェットヘッドは、前述した引き打ち方式、および押し打ち方式のいずれの駆動方法によって駆動してもよい。
【００３０】
【実施例】
以下に本発明を、実施例に基づいて説明する。
圧電インクジェットヘッドの作製
図１および図２（ａ）（ｂ）に示す構造を有し、なおかつ加圧室２の面積が０．２ｍｍ２、幅が２００μｍ、深さが１００μｍ、ノズル部３の直径が２５μｍ、長さが３０μｍ、ノズル流路４の直径が２００μｍ、長さが８００μｍ、供給口５の直径が２５μｍ、長さが３０μｍである圧電インクジェットヘッドを作製した。
【００３１】
ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期Ｔ１は７．２μｓｅｃであった。
また駆動部としては、前記のように当該駆動部を構成する各部の材質や寸法、形状などを変更することによって、固有振動周期Ｔ２が１．２６μｓｅｃ（Ｔ１の０．１８倍）であるものと、固有振動周期Ｔ２が０．６３μｓｅｃ（Ｔ１の０．０９倍）であるものの２種を用いた。
【００３２】
そして固有振動周期Ｔ２が１．２６μｓｅｃである駆動部を用いた圧電インクジェットヘッドをヘッドＡ、固有振動周期Ｔ２が０．６３μｓｅｃである駆動部を用いた圧電インクジェットヘッドをヘッドＢとした。
電気等価回路の作成
上記ヘッドＡ、Ｂについて、上記各部を集中定数で近似して、図３に示す音響系の電気等価回路を作成した。
【００３３】
図の電気等価回路において駆動部は、等価的に音響容量ＣａとイナータンスＭａと音響抵抗Ｒａで表すことができ、加圧室２は音響容量Ｃｃで表すことができる。
また供給口５は、イナータンスＭｓと音響抵抗Ｒｓで表すことができるとともに、ノズル部３のインクメニスカスの液面と、図示しないインクカートリッジ内のインクの液面との高低差に基づく水頭圧が作用している。
【００３４】
さらにノズル部３は、イナータンスＭｎと音響抵抗Ｒｎで表すことができるとともに、当該ノズル部３のインクメニスカスの表面張力が作用している。
上記の電気等価回路においては、駆動部に駆動電圧ＶＰを印加して圧を発生させると、ノズル部３に、図中に矢印で示す方向のインクの流れが発生する。そしてその体積速度を求めることができる。また求めた体積速度と、ノズル部３の直径やインクの表面張力などから、インク滴の飛翔速度と、インク滴の体積とを、演算により求めることができる。
【００３５】
インク滴の飛翔速度、および体積の演算
ヘッドＡ、Ｂをそれぞれ引き打ち方式の駆動方法で駆動することとし、図５に示す駆動電圧波形を有し、かつ駆動電圧ＶＰの所定値ＶＨが２０Ｖである駆動電圧を、パルス幅Ｔ３を２μｓｅｃから５μｓｅｃの間（前記固有振動周期Ｔ１の０．２８倍〜０．７倍の間）で振った状態で印加した際の、インク滴の飛翔速度〔ｍ／ｓ〕の変化、およびインク滴の体積〔ｐｌ（ピコリットル）〕の変化を、前記の電気等価回路を用いて演算した。インク滴の飛翔速度の変化を図４（ａ）、体積の変化を図４（ｂ）に示す。
【００３６】
結論
図４（ａ）（ｂ）の結果から、ヘッドＡ、Ｂはともに、駆動電圧のパルス幅Ｔ３が変動しても、インクの飛翔速度と体積の変動を抑制できることが判った。また両ヘッドを比較すると、駆動部の固有振動周期Ｔ２を、ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期Ｔ１の０．１倍以下にしたヘッドＢの方が、ヘッドＡに比べて、インクの飛翔速度と体積の変動をより一層、確実に抑制できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電インクジェットヘッドの一例における、圧電素子と振動板とを含む駆動部を取り付ける前の状態を示す平面図である。
【図２】同図（ａ）は、図１の例の圧電インクジェットヘッドにおいて、駆動部を取り付けた状態での、１つのドット形成部を拡大して示す断面図、同図（ｂ）は、１つのドット形成部を構成する各部の重なり状態を示す透視図である。
【図３】本発明の、実施例で作製した圧電インクジェットヘッドを構成する各部を集中定数で近似して作成した電気等価回路を示す回路図である。
【図４】本発明の、実施例で作製した２種の圧電インクジェットヘッドについて、駆動電圧のパルス幅を変動させた際の、インク滴の飛翔状態の変化をシミュレートした結果を示すグラフであって、同図（ａ）は、インク滴の飛翔速度の変化を示すグラフ、同図（ｂ）は、インク滴の体積の変化を示すグラフである。
【図５】引き打ち方式の駆動方法において圧電素子に印加する駆動電圧ＶＰの駆動電圧波形と、かかる駆動電圧波形が与えられた際の、ノズル部におけるインクの体積速度との関係を簡略化して示すグラフである。
【図６】従来の圧電インクジェットヘッドにおいて、ノズル部におけるインクの体積速度の振動に、駆動部の固有振動が、残留振動として乗っている状態を示すグラフである。
【符号の説明】
２  加圧室
３  ノズル部
７  振動板
９  横振動モードの圧電素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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