(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク滴を吐出するための大径ドット用ヘッド部と、該大径ドット用ヘッド部のインク滴より小径のインク滴を吐出するための小径ドット用ヘッド部とからなるインクジェットヘッドであって、
大径ドット用ヘッド部と小径ドット用ヘッド部のそれぞれに設けられ、インクを収容するインクキャビティと、
該インクキャビティに連通するインク吐出口と、
前記インクキャビティに対向する位置に設けられ、圧電素子を含む振動板と、を備え、
前記振動板の圧電素子は、前記インクキャビティに対応して分極が施されており、
該圧電定数（ｘ）を、ｘ＝圧電素子の変位量（ｙ）／駆動電圧（Ｖ）で表わしたときに、小径ドット用ヘッド部に含まれる圧電素子の圧電定数（ｘ）を、大径ドット用ヘッド部に含まれる圧電素子の圧電定数（ｘ）よりも小さくなるように分極処理したことを特徴とする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、圧電素子を用いたインクジェット記録装置に用いられるインクジェットヘッドとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、インクキャビティと、このインクキャビティに連通するインク吐出口と、上記インクキャビティに対向する圧電素子とを備え、この圧電素子によりインクキャビティ内のインクを加圧してインク吐出口からインク滴を吐出させる方式のインクジェットヘッドが知られている。
【０００３】
近年、階調画像の再現への要請が高まっており、このようなインクジェットヘッドにおいても、階調表現が大きな課題となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、階調画像を形成するためには、大きさの異なるインク滴を吐出させる必要があり、圧電素子に電圧を印加し駆動するためのドライバの負担を増大させ、コストアップや故障の恐れを招いていた。
【０００５】
大径のノズルと小径のノズルとを備えたインクジェットヘッドも提案されているが、高い加工精度が要求されるなどの問題があり、階調画像を形成可能な新規なインクジェットヘッドが要望されていた。
【０００６】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、高い階調性を有する画像を形成することのできる新規なインクジェットヘッドを提供することである。また、圧電素子のドライバの負担を軽減させることのできるインクジェットヘッドを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、インク滴を吐出するための大径ドット用ヘッド部と、該大径ドット用ヘッド部のインク滴より小径のインク滴を吐出するための小径ドット用ヘッド部とからなるインクジェットヘッドであって、大径ドット用ヘッド部と小径ドット用ヘッド部のそれぞれに設けられ、インクを収容するインクキャビティと、該インクキャビティに連通するインク吐出口と、前記インクキャビティに対向する位置に設けられ、圧電素子を含む振動板と、を備え、前記振動板の圧電素子は、前記インクキャビティに対応して分極が施されており、該圧電定数（ｘ）を、ｘ＝圧電素子の変位量（ｙ）／駆動電圧（Ｖ）で表わしたときに、小径ドット用ヘッド部に含まれる圧電素子の圧電定数（ｘ）を、大径ドット用ヘッド部に含まれる圧電素子の圧電定数（ｘ）よりも小さくなるように分極処理したことを特徴としている。
【０００９】
請求項１に記載の発明によると、振動板の圧電素子は、インクキャビティに対応して分極が施されており、圧電定数（ｘ）を、ｘ＝圧電素子の変位量（ｙ）／駆動電圧（Ｖ）で表わしたときに、小径ドット用ヘッド部に含まれる圧電素子の圧電定数（ｘ）を、大径ドット用ヘッド部に含まれる圧電素子の圧電定数（ｘ）よりも小さくなるように分極処理をしているので、それぞれの圧電素子に同じ駆動電圧を印加した場合でも、大径ドット用ヘッド部と小径ドット用ヘッド部とで吐出されるインク滴のドットを異ならせること、すなわち、大径ドット用ヘッド部から吐出されるインク滴のドットを小径ドット用ヘッド部から吐出されるインク滴のドットよりも大きなインク滴のドットとすることができる。また、圧電素子に電圧を印加し駆動するためのドライバの負担も軽減できるとともに、コストアップや故障の恐れも防止することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態の１つである、インクジェットヘッドと、その製造方法について説明する。
【００１７】
図１は、本実施の形態の１つであるインクジェットヘッド３を用いたインクジェット記録装置１の概略構成を示す斜視図である。
【００１８】
インクジェット記録装置１は、用紙や樹脂フィルムなどの記録媒体である記録シート２と、インクジェットヘッド３と、インクジェットヘッド３を保持するキャリッジ４と、キャリッジ４を記録シート２の記録面に平行に往復移動させるための揺動軸５、６と、キャリッジ４を揺動軸５、６に沿って往復駆動させる駆動モータ７と、駆動モータ７の回転をキャリッジの往復運動に変えるためのタイミングベルト９、アイドルプーリ８とを含んでいる。
【００１９】
また、インクジェット記録装置１は、記録シート２を搬送経路にそって案内するガイド板を兼ねるプラテン１０と、プラテン１０との間の記録シート２を押さえ浮きを防止する紙押さえ板１１と、記録シート２を排出するための排出ローラ１２、拍車ローラ１３と、インクジェットヘッド３のインク吐出不良を良好な状態に回復させる回復系１４と、記録シート２を手動で搬送するための紙送りノブ１５とを含んでいる。
【００２０】
記録シート２は、手差しあるいはカットシートフィーダ等の給紙装置によって、インクジェットヘッド３とプラテン１０とが対向する記録部へ送り込まれる。この際、図示しない紙送りローラの回転量が制御され、記録部への搬送が制御される。
【００２１】
インクジェットヘッド３には、インクの加圧手段として、ＰＺＴ等の圧電素子が用いられている。圧電素子には電圧が印加され、ひずみが生じる。このひずみは、インクで満たされたチャンネルの容積を変化させる。この容積の変化により、チャンネルに設けられたノズルからインクが吐出され、記録シート２への記録が行なわれる。これらについては、後に詳述する。
【００２２】
キャリッジ４は、駆動モータ７、アイドルプーリ８、タイミングベルト９により、記録シート２を横切る方向である記録シート２の桁方向に主走査し、キャリッジ４に取り付けられたインクジェットヘッド３は１ライン分の画像を記録する。１ラインの記録が終わる毎に、記録シート２は縦方向に送られ副走査され、次のラインが記録される。
【００２３】
図２、図３は、インクジェットヘッド３の構成を説明するための図である。図２はインクジェットヘッド３の一部を示す平面図であり、図３は、図２のＩ−Ｉ線断面図である。
【００２４】
インクジェットヘッド３は、大径のインク滴を吐出するための大径ドット用ヘッド部３０１と小径のインク滴を吐出するための小径ドット用ヘッド部３０２とからなる。後述するように、大径ドット用ヘッド部３０１に含まれる圧電素子３１５ａは圧電定数が所定の値になるように分極処理され、小径ドット用ヘッド部３０２に含まれる圧電素子３１５ｂは圧電定数が大径ドット用ヘッド部３０１の圧電素子３１５ａの圧電定数よりも小さくなるように分極処理される。これら大径ドット用ヘッド部３０１と小径ドット用ヘッド部３０２とは、チャンネルプレート３０３、隔壁３０４、振動板３０５、基板３０６とを一体に重ねた構成となっている。
【００２５】
チャンネルプレート３０３は、金属または合成樹脂などからなる。隔壁３０４との対向面は電鋳またはフォトリソグラフィ等により微細加工され、大径ドット用ヘッド部３０１と小径ドット用ヘッド部３０２とにはそれぞれインク２４を収容する複数のインクキャビティ３０８と、各インクキャビティ３０８をインク供給室３１０に連結するインクインレット３１１が形成されている。ここで、大径ドット用ヘッド部３０１のノズル３０９の径と小径ドット用ヘッド部３０２のノズル３０９の径とは同じ大きさである。
【００２６】
図３に示すように、大径ドット用ヘッド部３０１と小径ドット用ヘッド部３０２とのインクキャビティ３０８は、大径ドット用ヘッド部３０１と小径ドット用ヘッド部３０２とが対向する方向に向かって伸びる長溝状にかつ平行に形成されている。また、インク供給室３１０とインクキャビティ３０８とは中央線３１２をはさんで対称に形成されており、図示しないインクタンクに接続されている。
【００２７】
隔壁３０４は導電材料からなる薄肉フィルムが使用されており、チャンネルプレート３０３と振動板３０５との間に固定されている。なお、隔壁３０４は所定の張力が加わった状態で固定される。
【００２８】
振動板３０５は圧電素子３１５ａ、ｂを含んでおり、その上面と下面にはそれぞれ共通電極、個別電極として利用される導電性金属層が設けられている。振動板３０５は、例えば、板状の圧電体（以下、圧電板という）を基板３０６に導電性接着剤で固定した後、ダイシング加工により横方向溝３１９とこれに直交する縦方向溝（図示せず）とを形成するように分断し、各インクキャビティ３０８に対応する圧電素子３１５ａ、ｂと、隣接する圧電素子の間に位置する仕切り壁３１６と、これらを囲む周囲壁３１７とに分離することにより形成される。
【００２９】
また、上記のダイシング加工により圧電素子３１５ａ、ｂの上下に設けられた導電性金属層もそれぞれ縦方向溝と横方向溝３１９とにより分断され、隔壁３０４に対向する金属層が共通電極３１３、基板３０６に対向する金属層が個別電極３１４とされる。
【００３０】
基板３０６は、セラミック、金属または合成樹脂等からなる。振動板３０５との対向面には、圧電素子３１５ａ、ｂに対応して導電リード部がスパッタリングまたは蒸着等の周知の技術により形成されている。このように形成された個別電極３１４は、対応する導電リード部に導電性接着剤を介して電気的に導通する。また、これら共通電極３１３と個別電極３１４とが対向する領域においては、圧電素子３１５ａ、ｂは、後述するように、接着、ダイシング加工の後、それぞれ異なる圧電定数を有するように高温下で分極処理されて活性化されている。
【００３１】
以上のような構成のインクジェットヘッド３では、図示しないインクタンクからインク供給室３１０にインク３０７が供給される。インク供給室３１０のインク３０７は、インクインレット３１１を介して各インクキャビティ３０８に分配される。
【００３２】
後述するヘッドドライバ５６から共通電極３１３と個別電極３１４との間に所定の電圧が印加されると圧電素子３１５ａ、ｂは変形する。この所定の電圧は、印字信号であり圧電素子の駆動電圧である。
【００３３】
圧電素子３１５ａ、ｂの変形は隔壁３０４に伝えられ、これによりインクキャビティ３０８内のインク３０７が加圧され、ノズル３０９を介してインク滴が記録シート２に向かって飛翔する。このとき、圧電素子３１５ａと圧電素子３１５ｂとで分極の程度が違えてあるので圧電素子の変形量が異なる。したがって、圧電素子３１５ａ、ｂに同じ駆動電圧を印加しても、大径ドット用ヘッド部３０１と小径ドット用ヘッド部３０２とで吐出されるインク滴のドットが異なる。
【００３４】
図４は、インクジェット記録装置１の制御部を説明するためのブロック図である。
【００３５】
メインコントローラ５１は、コンピュータ等からの画像データを受け取り、画像データは１フレーム単位でバッファ用のフレームメモリ５２に格納される。記録シート２への印字の際には、メインコントローラ５１は、モータドライバ５４、５５を通じて、キャリッジ４の駆動モータ７と紙送りモータとを駆動制御する。
【００３６】
これらの駆動制御とともに、メインコントローラ５１は、フレームメモリ５２から読み出した画像データをもとに、ドライバコントローラ５３、ヘッドドライバ５６とを介して、インクジェットヘッド３の大径ドット用ヘッド部３０１、小径ドット用ヘッド部３０２の圧電素子３１５ａ、ｂが駆動される。
【００３７】
次に、上記インクジェットヘッドの製造方法の一例について説明する。この製造方法は下記（１）〜（４）の工程を含む。
（１）  未分極の圧電板を基板に固定する。圧電板の固定には接着剤を用いることができる。
（２）  基板に接着された圧電板を、各インクキャビティに対応するようにダイサー等を用いて切断する。なお、ダイシング加工を行なう代わりに、複数の圧電体素子を個別に配置してもよい。
（３）  こうして加工された圧電板に対向するようにインクキャビティを配置し、ヘッドを組み立てる。
（４）  配置が完了した後、各圧電素子に対して分極処理を行なう。分極処理は、必要に応じて加熱を行なうなどして圧電素子を適当な温度に保つとともに高電圧を印加することにより行なう。そして、圧電素子に加える温度・電圧・電圧印加時間等を調整することにより、その分極の程度を変えることができる。特に、電圧の大きさを調整することが分極の程度を変えるのに有効である。
【００３８】
こうして、印加電圧を大きくしたり電圧印加時間を長くしたりして、大径のインク滴を吐出させるヘッド部の圧電素子の分極量を大きくする。また、印加電圧を小さくしたり電圧印加時間を短くしたりして小径のインク滴を吐出させるヘッド部の圧電素子の分極量を小さくする。
【００３９】
また、基板への接着工程、圧電板の切断工程、ヘッドの組み立て工程がすべて終了した後に、分極処理を行なうことにより、圧電素子のキュリー点以上の温度で硬化するような熱硬化性接着剤を用いて基板やヘッドを構成する他の部材の接着を行なう際の温度上昇や、圧電板を切断する際の摩擦による温度上昇により、各圧電素子の分極状態が損なわれるということがない。このため、各圧電素子の変位にバラツキを生じることがなく、精度よくインクジェットヘッドを作成することができる。また、温度上昇を伴う工程を経た後に分極処理を行なうので、使用する接着剤に制約がなくなり製造がより容易になる。
【００４０】
なお、圧電素子のキュリー点より低い温度で硬化する接着剤を用いて、圧電素子の接着やヘッドの組み立てを行なう場合には、ダイシング加工の後であれば圧電素子にいつ分極処理を施してもよい。
【００４１】
上記実施形態で示したような、圧電素子の上面と下面に設けられた個別電極と共通電極とを用いて分極処理を行なうと処理が容易である。
【００４２】
次に、具体的な実験例について説明する。
圧電素子として、幅１１０μｍ、電極間距離３００μｍのＰＺＴ（トーキン製Ｎ−１０）を用い、この圧電素子を、活性部の長さが１０ｍｍとなるように分極処理した。
【００４３】
２０℃で、４００Ｖを１分間印加して分極処理を行なったところ、圧電定数ｘ＝６３５×１０-12 ［Ｃ／Ｎ］となった。また、２０℃で、３２０Ｖを１分間印加して分極処理したところ、圧電定数ｘ’＝５０８×１０-12 ［Ｃ／Ｎ］となった。圧電定数は圧電素子の分極する程度を表わしており、圧電定数をｘ、駆動電圧をＶ、圧電素子の変位量をｙとすると、ｙ＝Ｖ・ｘで表わされる。
【００４４】
上記各圧電素子をノズル径直径３２μｍのインクジェットヘッドに装着し、駆動電圧を変えてインク滴の吐出実験を行なったところ、表１の結果が得られた。
【００４５】
【表１】
0003785714.tif 000002
【００４６】
上記のインクジェットヘッドでは、１つのインクジェットヘッドに複数の互いに異なる圧電定数を持つ圧電素子が設けられることとなる。これにより、圧電素子のドライバの負担を軽減させることができる。
【００４７】
本実施の形態では、圧電素子は単層のものを用いたが、圧電体層と電極層とを交互に積層してなる積層型のものを用いてもよい。
【００４８】
また、本実施の形態では、インクジェットヘッド内のノズル径は同一としているが、ノズル径の大きさを複数用いることにより、階調の制御幅を拡大することができる。
【００４９】
なお、本実施の形態では、分極は２種類としているが、全てのチャンネルに対して異なる分極量に分極させることも可能である。
【００５０】
さらに、上記実施形態においては、隔壁３０４として導電性のものを用いているが、積層型圧電板を用いたり、電極の引き出し線を別に設けるなどして、隔壁３０４を電極の引き出しとして使用しない場合は、合成樹脂等の非道伝性材料からなる隔壁を用いても構わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の１つであるインクジェットヘッド３を用いたインクジェット記録装置１の概略構成を示す斜視図である。
【図２】インクジェットヘッド３の構成を説明するための第１の図である。
【図３】インクジェットヘッド３の構成を説明するための第２の図である。
【図４】インクジェット記録装置１の制御部を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
１  インクジェット記録装置
３  インクジェットヘッド
５６  ヘッドドライバ
３０１  大径ドット用ヘッド部
３０２  小径ドット用ヘッド部
３０６  基板
３１５ａ、ｂ  圧電素子
【図１】
0003785714.tif 000003
【図２】
0003785714.tif 000004
【図３】
0003785714.tif 000005
【図４】
0003785714.tif 000006