(57)【要約】【課題】圧電インクジェットヘッドを有するインクジェットプリンタなどの装置の構造を複雑化させることなしに、インク中に混入した気泡をより確実に、しかもより効率よく排出することのできる、新規な気泡排出方法を提供する。【解決手段】圧電インクジェットヘッド内のインクに、供給路６側から圧力を、またはノズル部３側から負圧を印加しながら、駆動部Ｄを、その固有振動周期Ｔａのほぼ半分のパルス幅Ｔｂを有する駆動電圧パルスを印加して連続的に振動させる。【選択図】  図３
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【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）  加圧室に連通した、インク滴吐出のためのノズル部と、
（Ｃ）  加圧室にインクを供給するための供給路と、
（Ｄ）  圧電素子と、この圧電素子の変形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内のインクに、供給路側から圧力を、またはノズル部側から負圧を印加することで、上記インクに混入した気泡を、ノズル部を通して排出させるための方法であって、
圧力または負圧の印加時に、駆動部を、その固有振動周期のほぼ半分のパルス幅の駆動電圧パルスを印加して連続的に振動させることを特徴とする圧電インクジェットヘッドの気泡排出方法。
【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、コピア、ファクシミリ、およびそれらの複合機などに適した圧電インクジェットヘッド内のインクに気泡が混入した際に、当該気泡を、ノズル部を通してヘッド外に排出、除去するための気泡排出方法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、当該圧電素子に駆動電圧パルスを印加して変形させることによって振動板を撓ませて、加圧室の容積を減少させることで、当該加圧室内のインクを、連通するノズル部からインク滴として吐出させて、紙面にドットを形成している。
【０００３】
詳しく説明すると、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、当該加圧室を含む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。
【０００４】
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。
【０００５】
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、前記のようにインク滴を発生させて、紙面にドットを形成している。
またそのため、圧電素子に印加する駆動電圧波形のパルス幅は、インクの体積速度の固有振動周期に合わせて決定している。
ところが圧電インクジェットヘッド内、とくに加圧室内やノズル部内のインクに気泡が混入していると、振動板の変形によって発生したインク滴吐出のための圧力の一部が気泡の収縮によって吸収されるため、ノズル部から吐出されるインク滴の速度や体積が変動して印字の品質が悪くなるという問題がある。
【０００６】
しかも気泡は、上述したインク滴吐出時のインクの振動程度の、大きな周期の振動ではその位置が殆ど移動しないため、印字を続けるうちに気泡がインクとともにノズル部から吐出されて、当該気泡による圧力低下と、それに伴う印字品質の低下とが自然に解消されるということは殆ど期待できない。
そこで、このような気泡による問題を解決するため、例えばインクジェットプリンタの待機時などに、インクに混入した気泡を積極的に排出するための種々の手段が講じられている。
【０００７】
例えば特許文献１では、圧電インクジェットヘッド内のインクに、加圧室にインクを供給するための供給路側から圧力パルスを印加するか、もしくはノズル部側から負圧パルスを印加することによって、ノズル部を通して、インクに混入した気泡を排出することが提案されている。
しかし特許文献１の方法では、特に加圧室が大きい場合に、気泡を排出するのに長い時間を要するため効率が悪いという問題がある。また、特に加圧室の形状が細長い場合には、室内部のインクに圧力の定在波が発生してインクの流れが停止してしまったり、あるいはノズル部から加圧室に向かうインクの逆方向の流れが発生したりするおそれがある。そして気泡は、このインクの流れに従って移動するのでさらに排出されにくくなり、気泡排出の効率がさらに悪くなるという問題がある。
【０００８】
そこで気泡排出の効率を向上するために引用文献２では、圧電インクジェットヘッド内のインクに、供給路側から、ほぼ一定の圧力と圧力パルスとを重畳した圧力を印加するか、もしくはノズル部側から、ほぼ一定の負圧と負圧パルスとを重畳した圧力を印加することが提案されている。
また特許文献３では、供給路の外壁に加振手段を設け、この加振手段によって供給路の外壁を超音波で振動させながら、つまり圧電インクジェットヘッド内のインクに供給路側から圧力パルスを印加しながら、ノズル部からインクを吸引する、つまりノズル部側からほぼ一定の負圧を印加することが提案されている。
【０００９】
上記特許文献２、３記載の方法では、ほぼ一定の圧力または負圧を印加することで圧電インクジェットヘッド内に発生させた、供給路側からノズル部側に向かうインクの流れに、圧力パルスまたは負圧パルスを印加することで乱れを起こして、圧電インクジェットヘッド内の、インクがよどみやすい部分（気泡が溜まりやすい部分）にインクの流れを起こしたり、あるいは加圧室などの壁面に付着した気泡をはがれやすくしたりすることで、気泡排出の効率を向上している。
【００１０】
【特許文献１】
特開昭５９−２１４６５５号公報（特許請求の範囲、第２頁左上欄第６行〜同頁左下欄第１１行、第２図〜第４図）
【特許文献２】
特開平５−１３１６４３号公報（特許請求の範囲、第０００８欄〜第００１５欄、図１〜図５）
【特許文献３】
特開平１０−１１９２６５号公報（特許請求の範囲、第０００７欄〜第００１２欄、第００１３欄〜第００１６欄、図１〜図３）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら特許文献２、３の方法を実施するためには、インクに圧力パルスまたは負圧パルスを印加する手段と、インクにほぼ一定の圧力または負圧を印加する手段とを併設しなければならず、装置が複雑化するという問題がある。
本発明の目的は、装置を複雑化させることなしに、インク中に混入した気泡をより確実に、しかもより効率よく排出することのできる、新規な気泡排出方法を提供することにある。
【００１２】
【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、特許文献２、３における圧力パルス、負圧パルスの印加に代えて、圧電インクジェットヘッドの駆動部の振動を利用することを検討した。
すなわち圧電インクジェットヘッドにおいては、先に説明したように圧電素子と、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。
【００１３】
この駆動部の固有振動周期は、前述したインク滴吐出時の、インクの振動の周期、つまりヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期に対して数十分の１から数分の１という小さな値である。
気泡は、前記のようにインク滴吐出時の、インクの振動程度の大きな周期の振動では殆ど動くことがない。
しかし駆動部に、その固有振動周期Ｔａのほぼ半分のパルス幅Ｔｂを有する駆動電圧パルスを印加することによって、当該駆動部を、固有振動周期付近の小さな周期で連続的に振動させてやると、圧力または負圧によって発生させたインクの流れに乱れを起こして、圧電インクジェットヘッド内のインクがよどみやすい部分にインクの流れを起こしたり、あるいは加圧室などの壁面に付着した気泡をはがれやすくしたりすることができる。
【００１４】
つまり駆動部に、特許文献２、３における圧力パルス、負圧パルス印加の代用をさせることができるため、かかる圧力パルス、負圧パルス印加のための手段を省略して装置が複雑化するのを防止することができる。
しかも振動の振幅は、上記のように駆動部に、その固有振動周期Ｔａのほぼ半分のパルス幅Ｔｂを有する駆動電圧パルスを印加して、固有振動周期付近の周期で振動させたときが最も大きくなる。このためインク滴吐出時と駆動電圧パルスの電圧値は同じで、そのパルス幅のみ調整するだけで、上述した駆動部の振動による、インクの流れに乱れを起こしたり、壁面に付着した気泡をはがれやすくしたりする効果を最も効果的に発揮させることもできる。
【００１５】
またこのため、駆動部を駆動する回路を２つ用意する必要がなく、通常の、インク滴吐出用の回路を用いて発生させる駆動電圧パルスのパルス幅のみ調整するだけでよいので、装置が複雑化するのを防止することもできる。
そして供給路側から圧力、またはノズル部側から負圧を印加するのと同時に、駆動部を、その固有振動周期付近の周期で振動させるだけで、装置を複雑化することなしに、気泡をより確実に、しかもより効率よく排出させることが可能となる。
【００１６】
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）  加圧室に連通した、インク滴吐出のためのノズル部と、
（Ｃ）  加圧室にインクを供給するための供給路と、
（Ｄ）  圧電素子と、この圧電素子の変形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内のインクに、供給路側から圧力を、またはノズル部側から負圧を印加することで、上記インクに混入した気泡を、ノズル部を通して排出させるための方法であって、
圧力または負圧の印加時に、駆動部を、その固有振動周期のほぼ半分のパルス幅の駆動電圧パルスを印加して連続的に振動させることを特徴とする圧電インクジェットヘッドの気泡排出方法である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を説明する。
図１は、本発明の気泡排出方法を実施するため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Ｄ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Ｄ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から正の駆動電圧パルス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、当該ノズル部３内のインクメニスカスが外部へと押し出されて、いわゆる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、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。
例えば図３（ａ）に示すように、インクカートリッジＴ１からジョイント部１１に到るインクカートリッジの配管Ｌ１の途中には、共通供給路６側から圧電インクジェットヘッド内のインクに圧力を印加するための送出ポンプＰ１を設けてある。
【００２８】
なお図は、インクジェットプリンタの待機時などに圧電インクジェットヘッドが待機位置に移動した状態を示しており、この待機位置においてノズル部３は、ノズル受け部Ｆと対向配置される。そして気泡の排出時やヘッドのクリーニング時などにポンプＰ１を駆動してノズル部３から排出されたインクは、このノズル受け部Ｆで受けられて、配管Ｌ２を通してタンクＴ２に収容される。
また、例えば図３（ｂ）に示すように、ノズル受け部ＦからタンクＴ２に到る配管Ｌ２の途中に、ノズル部３側から圧電インクジェットヘッド内のインクに負圧を印加するための吸引ポンプＰ２を設けるとともに、送出ポンプＰ１を省略してもよい。
【００２９】
なおこの際、圧電インクジェットヘッド内のインクに、吸引ポンプＰ２による負圧をより効率よく印加するためには、ノズル受け部Ｆを、ノズル部３とできるだけ気密に接続できるように構成するのが好ましい。
またこれらの図では、共通供給路６に接続した多数の供給口５から先を省略して、１つの供給口５だけ、加圧室２、駆動部Ｄ、ノズル流路４、およびノズル部３を記載しているが、記載を省略した他の供給口５の先にも同様の各部が接続されていることは言うまでもない。
【００３０】
そして上記いずれかの装置を用いて、例えばインクジェットプリンタの待機時などに、本発明の気泡排出方法によって、圧電インクジェットヘッド内のインクに混入した気泡を排出、除去するためには、まずインクに、送出ポンプＰ１を駆動して共通供給路６側から圧力を印加するか、もしくは吸引ポンプＰ２を駆動してノズル部３側から負圧を印加する。
そしてそれによって圧電インクジェットヘッド内に、共通供給路６側からノズル部３側に向かうインクの流れを発生させながら、駆動部Ｄに、インク滴吐出時と同じ駆動回路を用いて、その固有振動周期Ｔａのほぼ半分のパルス幅Ｔｂを有する駆動電圧パルスを連続的に印加することで、当該駆動部Ｄを、その固有振動周期付近の小さな周期で連続的に振動させる。
【００３１】
そうすると上記インクの流れに、駆動部Ｄの微小な振動によって乱れを起こして、圧電インクジェットヘッド内のインクがよどみやすい部分にインクの流れを起こしたり、あるいは加圧室などの壁面に付着した気泡をはがれやすくしたりすることができるため、気泡の除去効率を向上することができる。
なおこの操作は、混入した気泡を完全に除去することを考慮して、１枚の基板１上に配列され、同じ１本の共通供給路６でつながれた複数個のドット形成部について同時に、つまりベタの印字を行う際と同様にして一斉に行うようにする。
【００３２】
また駆動電圧パルスの印加条件は、駆動電圧パルスのパルス幅を小さくすること以外は印字時と同様に設定するのがよい。つまりベタの印字を行う際と同様の条件で、駆動電圧パルスのパルス幅のみ小さくして駆動部Ｄを駆動させればよい。
【００３３】
【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。
【００３４】
ヘッド内のインクの、体積速度の固有振動周期は７．２μｓｅｃであり、駆動部の固有振動周期Ｔａは０．６３μｓｅｃであった。
インクジェットプリンタの構成
上記の圧電インクジェットヘッドを、図３（ｂ）に示すように、ノズル受け部ＦからタンクＴ２に到る配管Ｌ２の途中に、ノズル部３側から圧電インクジェットヘッド内のインクに負圧を印加するための吸引ポンプＰ２を設けたインクジェットプリンタに組み込んだ。
【００３５】
また圧電インクジェットヘッドの駆動部Ｄの共通電極８と個別電極１０とを駆動回路に接続した。
駆動回路は、駆動部Ｄに印加する駆動電圧パルスの最高駆動周波数を１０ｋＨｚ、電圧値を２０Ｖ、印字時のパルス幅を４．５μｓｅｃ、気泡排出時のパルス幅Ｔｂを０．３５μｓｅｃに設定した。
気泡排出試験
印字をするとカケやかすれなどの、気泡の混入による印字不良が発生する状態になった上記のインクジェットプリンタについて、下記の気泡排出試験を行った。
【００３６】
すなわち、圧電インクジェットヘッドを待機位置に移動させ、次いで吸引ポンプを作動させて、ノズル部側から圧電インクジェットヘッド内のインクに負圧を印加しながら、駆動回路から、駆動周波数１０ｋＨｚ、電圧値２０Ｖ、パルス幅Ｔｂ＝０．３５μｓｅｃの駆動電圧パルスを駆動部に印加して駆動部を振動させて、インク中に混入した気泡を排出する操作を１０秒間行った。
そして再び印字をすると、カケやかすれなどが全く見られなくなったことから、インク中に混入した気泡が確実に排出されているのが確認された。
【００３７】
また比較のため、駆動部を振動させずに、吸引ポンプのみを作動させて気泡を排出する操作を１０秒間行った後、再び印字をしたところ、カケやかすれなどは、操作前よりは少なくなっていたが依然として見られることから、吸引ポンプによる負圧だけでは、インク中に混入した気泡を完全に排出できていないことが判った。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気泡排出方法を実施する、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】同図（ａ）（ｂ）はそれぞれ、上記圧電インクジェットヘッドを組み込んで、本発明の気泡排出方法を実施するインクジェットプリンタの構成の一例を説明するブロック図である。
【符号の説明】
２  加圧室
３  ノズル部
６  共通供給路
７  振動板
９  圧電素子
Ｄ  駆動部
【図１】
2004338348.tif 000003
【図２】
2004338348.tif 000004
【図３】
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