液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置
【課題】エネルギー効率の高いグールドタイプの液体吐出ヘッドのマルチノズル化を促進する。
【解決手段】筒状の加圧室２は、平板状の圧電体に加工された半筒状溝によって、ベースプレート１との間に形成され、加圧室２の反対側に分離溝４を加工することで、隣接する加圧室２を分離させた圧電素子層７が形成される。２つの電極層６、８によって圧電素子層７の厚み方向すなわち加圧室２の径方向にポーリングを与えておき、周方向に駆動電圧を印加することで、圧電素子層７をノーマル変形させ、径方向および周方向の寸法変化によって加圧室２内のインク等液体を加圧し、ノズルから吐出する。
【解決手段】筒状の加圧室２は、平板状の圧電体に加工された半筒状溝によって、ベースプレート１との間に形成され、加圧室２の反対側に分離溝４を加工することで、隣接する加圧室２を分離させた圧電素子層７が形成される。２つの電極層６、８によって圧電素子層７の厚み方向すなわち加圧室２の径方向にポーリングを与えておき、周方向に駆動電圧を印加することで、圧電素子層７をノーマル変形させ、径方向および周方向の寸法変化によって加圧室２内のインク等液体を加圧し、ノズルから吐出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットプリンタ等の記録装置に適用される液体吐出装置において、インク等の液滴を発生するための液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置に関するものである。
【０００２】
なお「記録装置」とは、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の被記録媒体に対し記録を行う、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサ等の装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業用記録装置を含むものである。
【０００３】
また、「記録」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を付与することをも意味するものである。
【背景技術】
【０００４】
電気信号により作動する圧電性のトランスデューサ（電気−機械変換素子）を有するインクジェットプリンタ等に用いるプリントヘッド、詳しくはドロップ−オン−デマンド（ｄｒｏｐ−ｏｎ−ｄｅｍａｎｄ）型の液体吐出ヘッドは当該分野においてはよく知られている。なかでも典型的なものは、インクチャンバ（加圧室）に機械的に接続されたトランスデューサを有し、このトランスデューサに電気信号が加えられると、インクチャンバ内またはそれに対してトランスデューサの形状や寸法が変化し、それにより、オリフィス（ノズル）からインク（液滴）が吐出される。
【０００５】
このような圧電方式の液体吐出ヘッドにはいくつかの種類があるが、特許文献１に開示されたようにザールタイプと呼ばれている、圧電素子に溝を加工し液体流路やインクチャンバとしたヘッドにおいては、容易にマルチノズルを構成することができ、小型で、高密度にノズルを配置した安価な液体吐出ヘッドを提供することができる。
【０００６】
ところが、このタイプのヘッドは、インクチャンバ内またはそれに対してトランスデューサの形状または寸法の変化は、圧電素子のｄ35モードのいわゆるシェアモードの変形によってなされる。
【０００７】
シェアモードの変形は、ノーマルモードの変形に比べて電気−機械変換効率が低く、このため、ザールタイプのヘッドはエネルギー効率の悪いヘッドになっている。そして、エネルギー効率が悪いため発熱が大きく、従って蓄熱が問題となるために、高い繰返し周期での吐出や、さらなるノズル数の増加は困難となっている。
【０００８】
さらに、このタイプのヘッドでは、圧電素子のポーリング方向と駆動時の電界方向が垂直であるため、再分極処理によりポーリングの劣化を修正することが困難で、ヘッドの温度が上がると、ポーリングの劣化が加速するため、より問題が深刻になっている。特に、ホットメルトインクを用いた記録装置ではヘッドが高温となるため、このザールタイプのヘッドは現在実用化されていない。
【０００９】
他方、特許文献２に開示されたグールドタイプと呼ばれている円筒形圧電素子を用いる液体吐出ヘッドにおいては、インクチャンバ内またはそれに対するトランスデューサの形状または寸法の変化は、圧電素子の円筒壁の圧縮や膨張によるノーマルモードの変形（ノーマル変形）によってなされる。
【００１０】
一般にノーマルモードの変形は、前述の剪断によるシェアモードの変形に比べて、電気−機械変換効率が高く、しかも、グールドタイプの液体吐出ヘッドでは、径方向振動モード（ｄ33モード）と周方向振動モード（ｄ31モード）による両方の変形がインクチャンバの形状または寸法の変化に寄与している。
【００１１】
このため、グールドタイプの液体吐出ヘッドは極めてエネルギー効率のよいヘッドになっている。
【特許文献１】特開２００２−１９１１４号公報
【特許文献２】特開平９−２４６１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、上記従来技術によるグールドタイプの液体吐出ヘッドは、円筒形圧電素子を個別に製作して組み合わせる構成であるため、ノズル数を増やしていくことが非常に困難となっており、マルチノズルで実用化されたヘッドは、せいぜい１０ノズル程度までとなっている。
【００１３】
また、このような組み合わせによるマルチノズルヘッドは、全体寸法が大きく、その結果、密に充填されたアレイに一体に配置することができない。このため、得られる出力ドットの密度が減少し、これが、例えばプリンタの印字の鮮明度を減らすことになる。
【００１４】
さらに、このような組み合わせによるマルチノズルヘッドに関するもう１つの問題点は、デバイス内に多くの部品が存在することによってコストが増え、また、製造が困難になるという点である。
【００１５】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、エネルギー効率の高いグールドタイプの液体吐出ヘッドであって、しかもザールタイプと同様に、マルチノズル化が容易であり、記録装置の小型化、高密度化および低価格化に大きく貢献できる液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドは、溝を備えた圧電体と、該圧電体の両面に形成された、前記圧電体に対して電圧を印加する一対の電極層と、を有し、前記溝によって筒状加圧室が形成されており、前記筒状加圧室の径方向および周方向に関する前記圧電体の寸法変化によって前記筒状加圧室の液体を加圧し、前記筒状加圧室に連通する吐出口から液体を吐出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
電気−機械変換効率の高いノーマル変形を行うグールドタイプの円筒形圧電素子を、ザールタイプと同様にフォトリソグラフィー技術を用いた溝加工によって高密度で一括して形成することができるため、円筒形圧電素子を個別に製作してマニホルド等に組み付ける場合に比べて、グールドタイプの液体吐出ヘッドのマルチノズル化を低価格で実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１に示すように、平板状のベースプレート１上に配列された複数の筒状加圧室である加圧室２を有する液体吐出ヘッドにおいて、加圧室２は、半筒状の湾曲した内壁面３を有し、互に隣接する加圧室２の間には分離溝４が設けられている。加圧室２の内壁面３には接地側電極層６が積層され、加圧室２の半筒状壁を形成する圧電素子層７は、平板状の圧電体の両面にそれぞれ、加圧室２となる溝と分離溝４を交互に形成するようにダイシング加工することによって形成される。
【００１９】
ダイシング加工後の加圧室２の内壁面３に、Ａｕの真空成膜による接地側電極層６を積層したうえで、ベースプレート１に圧電素子層７を接合する。次いで、分離溝４の外壁に、Ａｕの真空成膜による駆動側電極層８を積層する。そして、接地側電極層６とともに電極手段を構成する駆動側電極層８を、各加圧室２ごとにレーザアブレーションによる分離帯９で分割して、図示しない圧電素子駆動ドライバに接続する。このようにして、吐出手段である個々のノズルからの液滴吐出を制御することができる、ドロップ−オン−デマンドの記録が可能となる。
【００２０】
液体吐出装置は、圧電素子層７の半筒状溝の径方向すなわち、加圧室２の中心軸に対して略放射方向の電界を印加し、圧電素子層７にｄ31、ｄ33モードのノーマル変形を発生させることで、加圧室２内のインク等液体を加圧し、加圧室２に連通して配設されたノズルから液滴を噴射し、被記録媒体に記録を行う。
【００２１】
（実施例）
図１は、一実施例による液体吐出ヘッドの吐出駆動部の断面構成を示すもので、ベースプレート１上に一般的にインクチャンネルと呼ばれる筒状の加圧室２を有し、各加圧室２の筒状壁は、圧電素子層７によって形成される。各加圧室２の、軸方向の一端面には、インク等液体を吐出するための図示しない吐出口（ノズル）が形成され、また、加圧室２の軸方向の他端には、図示しないインクタンク等液体供給手段に連通する液体供給室が接続されている。
【００２２】
加圧室２の内壁面３には接地側電極層６が配設され、圧電素子層７の外側には、Ａｕからなる駆動側電極層８が形成されている。この駆動側電極層８は分離帯９によって各加圧室２ごとに分割され、個別の圧電素子を構成し、駆動ドライバに接続されている。これによって、個々のノズルからのインク等液滴の吐出を制御することができ、ドロップ−オン−デマンドの記録を可能としている。
【００２３】
図２は、単一の加圧室２に電界を印加した際の、圧電素子層７の機械的な動きを説明するもので、あらかじめ２つの電極層６、８の間に電圧を加え、圧電素子層７に矢印Ｒ1 で示す径方向にポーリング（径方向分極）を与えておく。
【００２４】
インク等液滴の吐出時には、駆動側電極層８に正の電圧を印加すると、圧電素子層７にはポーリングの向きと平行な径方向の電界が与えられるので、ノーマルモードで振動する。このときポーリングの方向と電界の方向は同一であり、圧電素子層７はｄ33モードの変形を起こし、矢印Ｒ2 で示すように厚み（径方向の寸法）を増し、加圧室２内のインク等液体を加圧する方向に動く。同時にｄ31モードの変形により、矢印Ｒ3 で示す周方向への収縮が発生し、その結果、加圧室２が破線で示すように周方向に収縮し、内部のインク等液体を効果的に加圧する。
【００２５】
このようにｄ31とｄ33の両モードの変形を有効に加圧作用に変換できるので、エネルギー効率のよい液滴吐出を行うことができる。
【００２６】
上述した圧電材料のポーリング方向または電圧極性は逆であってもかまわない。また、加圧室および圧電素子層の材料、形状、寸法等は、目的とするトランスデューサの動作を達成するために任意に変更自在である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】一実施例による液体吐出ヘッドを示すもので、（ａ）は複数の加圧室を含む主要部の模式部分断面図、（ｂ）は（ａ）の単一の加圧室を拡大して示す拡大断面図である。
【図２】単一の加圧室に電界を印加した際の、圧電素子層の動作を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１ ベースプレート
２ 加圧室
３ 内壁面
４ 分離溝
６ 接地側電極層
７ 圧電素子層
８ 駆動側電極層
９ 分離帯
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットプリンタ等の記録装置に適用される液体吐出装置において、インク等の液滴を発生するための液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置に関するものである。
【０００２】
なお「記録装置」とは、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の被記録媒体に対し記録を行う、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサ等の装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業用記録装置を含むものである。
【０００３】
また、「記録」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を付与することをも意味するものである。
【背景技術】
【０００４】
電気信号により作動する圧電性のトランスデューサ（電気−機械変換素子）を有するインクジェットプリンタ等に用いるプリントヘッド、詳しくはドロップ−オン−デマンド（ｄｒｏｐ−ｏｎ−ｄｅｍａｎｄ）型の液体吐出ヘッドは当該分野においてはよく知られている。なかでも典型的なものは、インクチャンバ（加圧室）に機械的に接続されたトランスデューサを有し、このトランスデューサに電気信号が加えられると、インクチャンバ内またはそれに対してトランスデューサの形状や寸法が変化し、それにより、オリフィス（ノズル）からインク（液滴）が吐出される。
【０００５】
このような圧電方式の液体吐出ヘッドにはいくつかの種類があるが、特許文献１に開示されたようにザールタイプと呼ばれている、圧電素子に溝を加工し液体流路やインクチャンバとしたヘッドにおいては、容易にマルチノズルを構成することができ、小型で、高密度にノズルを配置した安価な液体吐出ヘッドを提供することができる。
【０００６】
ところが、このタイプのヘッドは、インクチャンバ内またはそれに対してトランスデューサの形状または寸法の変化は、圧電素子のｄ35モードのいわゆるシェアモードの変形によってなされる。
【０００７】
シェアモードの変形は、ノーマルモードの変形に比べて電気−機械変換効率が低く、このため、ザールタイプのヘッドはエネルギー効率の悪いヘッドになっている。そして、エネルギー効率が悪いため発熱が大きく、従って蓄熱が問題となるために、高い繰返し周期での吐出や、さらなるノズル数の増加は困難となっている。
【０００８】
さらに、このタイプのヘッドでは、圧電素子のポーリング方向と駆動時の電界方向が垂直であるため、再分極処理によりポーリングの劣化を修正することが困難で、ヘッドの温度が上がると、ポーリングの劣化が加速するため、より問題が深刻になっている。特に、ホットメルトインクを用いた記録装置ではヘッドが高温となるため、このザールタイプのヘッドは現在実用化されていない。
【０００９】
他方、特許文献２に開示されたグールドタイプと呼ばれている円筒形圧電素子を用いる液体吐出ヘッドにおいては、インクチャンバ内またはそれに対するトランスデューサの形状または寸法の変化は、圧電素子の円筒壁の圧縮や膨張によるノーマルモードの変形（ノーマル変形）によってなされる。
【００１０】
一般にノーマルモードの変形は、前述の剪断によるシェアモードの変形に比べて、電気−機械変換効率が高く、しかも、グールドタイプの液体吐出ヘッドでは、径方向振動モード（ｄ33モード）と周方向振動モード（ｄ31モード）による両方の変形がインクチャンバの形状または寸法の変化に寄与している。
【００１１】
このため、グールドタイプの液体吐出ヘッドは極めてエネルギー効率のよいヘッドになっている。
【特許文献１】特開２００２−１９１１４号公報
【特許文献２】特開平９−２４６１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、上記従来技術によるグールドタイプの液体吐出ヘッドは、円筒形圧電素子を個別に製作して組み合わせる構成であるため、ノズル数を増やしていくことが非常に困難となっており、マルチノズルで実用化されたヘッドは、せいぜい１０ノズル程度までとなっている。
【００１３】
また、このような組み合わせによるマルチノズルヘッドは、全体寸法が大きく、その結果、密に充填されたアレイに一体に配置することができない。このため、得られる出力ドットの密度が減少し、これが、例えばプリンタの印字の鮮明度を減らすことになる。
【００１４】
さらに、このような組み合わせによるマルチノズルヘッドに関するもう１つの問題点は、デバイス内に多くの部品が存在することによってコストが増え、また、製造が困難になるという点である。
【００１５】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、エネルギー効率の高いグールドタイプの液体吐出ヘッドであって、しかもザールタイプと同様に、マルチノズル化が容易であり、記録装置の小型化、高密度化および低価格化に大きく貢献できる液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドは、溝を備えた圧電体と、該圧電体の両面に形成された、前記圧電体に対して電圧を印加する一対の電極層と、を有し、前記溝によって筒状加圧室が形成されており、前記筒状加圧室の径方向および周方向に関する前記圧電体の寸法変化によって前記筒状加圧室の液体を加圧し、前記筒状加圧室に連通する吐出口から液体を吐出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
電気−機械変換効率の高いノーマル変形を行うグールドタイプの円筒形圧電素子を、ザールタイプと同様にフォトリソグラフィー技術を用いた溝加工によって高密度で一括して形成することができるため、円筒形圧電素子を個別に製作してマニホルド等に組み付ける場合に比べて、グールドタイプの液体吐出ヘッドのマルチノズル化を低価格で実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１に示すように、平板状のベースプレート１上に配列された複数の筒状加圧室である加圧室２を有する液体吐出ヘッドにおいて、加圧室２は、半筒状の湾曲した内壁面３を有し、互に隣接する加圧室２の間には分離溝４が設けられている。加圧室２の内壁面３には接地側電極層６が積層され、加圧室２の半筒状壁を形成する圧電素子層７は、平板状の圧電体の両面にそれぞれ、加圧室２となる溝と分離溝４を交互に形成するようにダイシング加工することによって形成される。
【００１９】
ダイシング加工後の加圧室２の内壁面３に、Ａｕの真空成膜による接地側電極層６を積層したうえで、ベースプレート１に圧電素子層７を接合する。次いで、分離溝４の外壁に、Ａｕの真空成膜による駆動側電極層８を積層する。そして、接地側電極層６とともに電極手段を構成する駆動側電極層８を、各加圧室２ごとにレーザアブレーションによる分離帯９で分割して、図示しない圧電素子駆動ドライバに接続する。このようにして、吐出手段である個々のノズルからの液滴吐出を制御することができる、ドロップ−オン−デマンドの記録が可能となる。
【００２０】
液体吐出装置は、圧電素子層７の半筒状溝の径方向すなわち、加圧室２の中心軸に対して略放射方向の電界を印加し、圧電素子層７にｄ31、ｄ33モードのノーマル変形を発生させることで、加圧室２内のインク等液体を加圧し、加圧室２に連通して配設されたノズルから液滴を噴射し、被記録媒体に記録を行う。
【００２１】
（実施例）
図１は、一実施例による液体吐出ヘッドの吐出駆動部の断面構成を示すもので、ベースプレート１上に一般的にインクチャンネルと呼ばれる筒状の加圧室２を有し、各加圧室２の筒状壁は、圧電素子層７によって形成される。各加圧室２の、軸方向の一端面には、インク等液体を吐出するための図示しない吐出口（ノズル）が形成され、また、加圧室２の軸方向の他端には、図示しないインクタンク等液体供給手段に連通する液体供給室が接続されている。
【００２２】
加圧室２の内壁面３には接地側電極層６が配設され、圧電素子層７の外側には、Ａｕからなる駆動側電極層８が形成されている。この駆動側電極層８は分離帯９によって各加圧室２ごとに分割され、個別の圧電素子を構成し、駆動ドライバに接続されている。これによって、個々のノズルからのインク等液滴の吐出を制御することができ、ドロップ−オン−デマンドの記録を可能としている。
【００２３】
図２は、単一の加圧室２に電界を印加した際の、圧電素子層７の機械的な動きを説明するもので、あらかじめ２つの電極層６、８の間に電圧を加え、圧電素子層７に矢印Ｒ1 で示す径方向にポーリング（径方向分極）を与えておく。
【００２４】
インク等液滴の吐出時には、駆動側電極層８に正の電圧を印加すると、圧電素子層７にはポーリングの向きと平行な径方向の電界が与えられるので、ノーマルモードで振動する。このときポーリングの方向と電界の方向は同一であり、圧電素子層７はｄ33モードの変形を起こし、矢印Ｒ2 で示すように厚み（径方向の寸法）を増し、加圧室２内のインク等液体を加圧する方向に動く。同時にｄ31モードの変形により、矢印Ｒ3 で示す周方向への収縮が発生し、その結果、加圧室２が破線で示すように周方向に収縮し、内部のインク等液体を効果的に加圧する。
【００２５】
このようにｄ31とｄ33の両モードの変形を有効に加圧作用に変換できるので、エネルギー効率のよい液滴吐出を行うことができる。
【００２６】
上述した圧電材料のポーリング方向または電圧極性は逆であってもかまわない。また、加圧室および圧電素子層の材料、形状、寸法等は、目的とするトランスデューサの動作を達成するために任意に変更自在である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】一実施例による液体吐出ヘッドを示すもので、（ａ）は複数の加圧室を含む主要部の模式部分断面図、（ｂ）は（ａ）の単一の加圧室を拡大して示す拡大断面図である。
【図２】単一の加圧室に電界を印加した際の、圧電素子層の動作を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１ ベースプレート
２ 加圧室
３ 内壁面
４ 分離溝
６ 接地側電極層
７ 圧電素子層
８ 駆動側電極層
９ 分離帯
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溝を備えた圧電体と、該圧電体の両面に形成された、前記圧電体に対して電圧を印加する一対の電極層と、を有し、前記溝によって筒状加圧室が形成されており、前記筒状加圧室の径方向および周方向に関する前記圧電体の寸法変化によって前記筒状加圧室の液体を加圧し、前記筒状加圧室に連通する吐出口から液体を吐出することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記圧電体は、前記溝を複数有し、該溝を有する面と反対側に前記複数の溝を互いに分離するための分離溝を備えていることを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記圧電体は、前記筒状加圧室の径方向に分極していることを特徴とする請求項１または２記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項１記載の液体吐出ヘッドを搭載し、前記液体吐出ヘッドから吐出される液体によって被記録媒体に記録を行うことを特徴とする液体吐出装置。
【請求項１】
溝を備えた圧電体と、該圧電体の両面に形成された、前記圧電体に対して電圧を印加する一対の電極層と、を有し、前記溝によって筒状加圧室が形成されており、前記筒状加圧室の径方向および周方向に関する前記圧電体の寸法変化によって前記筒状加圧室の液体を加圧し、前記筒状加圧室に連通する吐出口から液体を吐出することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記圧電体は、前記溝を複数有し、該溝を有する面と反対側に前記複数の溝を互いに分離するための分離溝を備えていることを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記圧電体は、前記筒状加圧室の径方向に分極していることを特徴とする請求項１または２記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項１記載の液体吐出ヘッドを搭載し、前記液体吐出ヘッドから吐出される液体によって被記録媒体に記録を行うことを特徴とする液体吐出装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００６−１５９５９３（Ｐ２００６−１５９５９３Ａ）
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３５３６９１（Ｐ２００４−３５３６９１）
【出願日】平成１６年１２月７日（２００４．１２．７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月７日（２００４．１２．７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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