JP6978160B2

JP6978160B2 - インクジェットヘッド及びインクジェットプリンタ

Info

Publication number: JP6978160B2
Application number: JP2017176051A
Authority: JP
Inventors: 正志下里
Original assignee: Toshiba Tec Corp
Current assignee: Toshiba Tec Corp
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2021-12-08
Anticipated expiration: 2037-09-13
Also published as: JP2019051624A

Description

本発明の実施形態は、インクジェットヘッド及びインクジェットプリンタに関する。

インクジェットプリンタに搭載されるインクジェットヘッドには、シア（Shear）モード・シェアウォール・サイドシュータ型のインクジェットヘッドがある。シアモード・シェアウォール・サイドシュータ型のインクジェットヘッドのアクチュエータは、例えば基板上に２枚の圧電部材を分極方向が相反するように積層した一対の側壁を有する駆動圧力室を備える。そして、圧電部材の分極軸に直交する方向に所定の駆動電界を印加して側壁にせん断歪みを生じさせ、駆動圧力室内を加圧又は減圧後に加圧することによってインクを吐出させる。

圧電部材は、通常、駆動電界の印加を止めても元の状態に戻らないヒステリシスを有する。そのため、実用的には、ヒステリシスの少ない線形領域を使用したり、ヒステリシスの少ない圧電材料を選択したりしている。ヒステリシスのために、駆動電界の印加を止めても圧電部材に事前の動作方向（加圧又は減圧）の歪みの履歴が残ってしまうためである。

一方で、ヒステリシスの大きい圧電材料は、大電界で駆動させるほど大きく歪み、且つプラスマイナスの双方向に歪ませれば、駆動圧力室を大きく加圧及び減圧できる利点がある。しかしながら、シアモード・シェアウォール・サイドシュータ型のインクジェットヘッドは、隣り合う駆動圧力室が圧電部材の側壁を共有しているため、直前の圧電部材の歪みの履歴がプラス方向の場合もあればマイナス方向の場合もある。さらに、例えば一度減圧してから加圧するようにしても、直前の動作方向の歪みの履歴がプラス方向の場合とマイナス方向の場合とでは減圧量が違ってくる為、改善はされるものの依然としてクロストークの問題が残ってしまう。

このような理由から、実用的には、インクジェットヘッドのアクチュエータの圧電部材にヒステリシスの大きい圧電材料を用いることは避けられていた。

特開２０１６−２２６４５号公報特開２００４−１３６６３４号公報特開２００４−２０２７０６号公報

本発明が解決しようとする課題は、圧電部材にヒステリシスの大きい圧電材料を用いて大きな歪みで駆動させることのできるアクチュエータを備えたインクジェットヘッド及びインクジェットプリンタを提供することにある。

上記課題を解決するために、実施形態のインクジェットヘッドは、圧電部材で形成された一対の側壁を有し、インク供給路及びノズルと連通する駆動圧力室と、前記駆動圧力室の両側に前記側壁を介して設けられた空気室と、前記圧電部材に駆動電界を印加する駆動回路と、を含む独立駆動型のアクチュエータを備える。前記駆動圧力室及び空気室は、基板の一面に間隔をあけて配列した前記圧電部材で形成された複数の側壁と、前記側壁に接して配置されるノズルプレートと、前記側壁の両端側に配置され、駆動圧力室に対応する箇所にインクの供給口及び排出口を有する一対のカバープレートにより形成されている。そして、圧電部材は、電界３００Ｖ／ｍｍのときの圧電定数ｄ_１５が１０００ｐＣ／Ｎ以上となる鉛含有圧電材料で形成されている。

他の実施形態のインクジェットヘッドは、圧電部材で形成された一対の側壁を有し、インク供給路及びノズルと連通する駆動圧力室と、前記駆動圧力室の両側に前記側壁を介して設けられた空気室と、前記圧電部材に駆動電界を印加する駆動回路と、を含む独立駆動型のアクチュエータを備える。前記駆動圧力室及び空気室は、基板の一面に間隔をあけて配列した前記圧電部材で形成された複数の側壁と、前記側壁に接して配置されるノズルプレートと、前記側壁の両端側に配置され、駆動圧力室に対応する箇所にインクの供給口及び排出口を有する一対のカバープレートにより形成されている。そして、圧電部材は、電界３００Ｖ／ｍｍのときの圧電定数ｄ_１５が４００ｐＣ／Ｎ以上となる鉛非含有圧電材料で形成されている。

実施形態のインクジェットヘッドを搭載したインクジェットプリンタの概略構成を示す縦断面図である。実施形態のインクジェットヘッドの概略構成を示す斜視図である。実施形態のインクジェットヘッドの内部構造を示す部分断面図である。実施形態のインクジェットヘッドの構成を示す断面図である。実施形態のインクジェットヘッドの他の構成を示す断面図である。実施形態のインクジェットヘッドに用いる圧電部材のヒステリシス曲線である。実施形態のインクジェットヘッドの圧電部材に用いる圧電材料の圧電定数ｄ_１５を示す特性図である。圧電材料の圧電定数ｄ_１５を測定する方法を説明する説明図である。実施形態のインクジェットヘッドに印加する駆動電圧の波形図である。実施形態のインクジェットヘッドの動作を説明する説明図である。

以下、実施形態に従うインクジェットヘッド及びインクジェットプリンタについて、添付図面を参照しながら詳述する。なお、各図において、同一構成は同一の符号を付している。

実施形態のインクジェットヘッドを搭載したインクジェットプリンタとして、シートＳなどの記録媒体に画像を印刷するインクジェットプリンタ１００を例示して説明する。図１は、４つのインクジェットヘッド１０Ａ〜１０Ｄを搭載したインクジェットプリンタ１００の概略構成を示している。インクジェットプリンタ１００は、例えば外装体である箱型の筐体１０１を備えている。筐体１０１の内部には、記録媒体の一例であるシートＳを収納するカセット１０２Ａ，１０２Ｂ、シートＳの上流搬送路１０６、画像の印刷を行うシートＳを搬送自在に保持する搬送ベルト１１０、シートＳに向けてインク滴を吐出するインクジェットヘッド１０Ａ〜１０Ｄ、シートＳの下流搬送路１２０、及び排出トレイ１２３が配置されている。インクジェットプリンタ１００は、さらに、ユーザーインターフェイスである表示画面等を含む操作部１４４、制御部としての制御基板１４０を備えている。

インクジェットプリンタ１００がシートＳに形成する画像のデータは、例えばコンピュータ１５０で生成される。コンピュータ１５０で生成された画像データは、ケーブル１４３、コネクタ１４１Ａ，１４１Ｂを通してインクジェットプリンタ１００に入力される。インクジェットヘッド１０Ａ〜１０Ｄは、例えば、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックのインク滴を搬送ベルト１１０上のシートＳの所定の位置に所定量吐出して、画像データに対応する画像をシートＳに印刷する。

カセット１０２Ａ及びカセット１０２Ｂは、例えば異なるサイズのシートＳを収容する。上流搬送路１０６は、送りローラ対１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃと、シート搬送経路を規定するシート案内板１０６ａ、１０６ｂで構成されている。ピックアップローラ１０４は、カセット１０２ＡからシートＳを一枚ずつ上流搬送路１０６へ供給する。シートＳは、回転する送りローラ対１０５ａ、１０５ｂによって搬送され、送りローラ対１０５ａを通過後、シート案内板１０６ａによって搬送ベルト１１０の上面へ送られる。図中の矢印Ｒ１は、カセット１０２ＡからのシートＳの搬送経路を示す。一方、ピックアップローラ１０９は、カセット１０２ＢからシートＳを一枚ずつ上流搬送路１０６へ供給する。シートＳは、回転する送りローラ対１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃによって搬送され、送りローラ対１０５ｃを通過後、シート案内板１０６ａ、１０６ｂによって搬送ベルト１１０の上面へ送られる。図中の矢印Ｒ２は、カセット１０２ＢからのシートＳの搬送経路を示す。

搬送ベルト１１０は、表面に多数の貫通孔が形成された網状の無端ベルトである。搬送ベルト１１０は、駆動ローラ１１２ａ、従動ローラ１１２ｂ、１１２ｃの３本のローラによって回転自在に支持されている。駆動ローラ１１２ａは、駆動装置の一例であるモータ１１１によって回転される。図中Ｒ３は、搬送ベルト１１０の回転方向を示す。搬送ベルト１１０の裏面側には、負圧容器１１３が配置されている。負圧容器１１３の上面は、搬送ベルト１１０の裏面に接している。負圧容器１１３上面には、多数の微細孔１１４が形成されている。負圧容器１１３は、減圧用のファン１１５と連結しており、ファン１１５が形成する気流によって容器内が減圧される。図中Ｒ４は、気流の流れを示している。シートＳは、負圧容器１１３が減圧されることによって搬送ベルト１１０の上面に吸着保持される。カセット１０２Ａ、１０２Ｂ、上流搬送路１０６、及び搬送ベルト１１０によって、シートＳをインクジェットヘッド１０Ａ〜１０Ｄと対向する位置まで搬送する記録媒体搬送装置が構成されている。搬送ベルト１１０の上面に吸着保持されたシートＳは、インクジェットヘッド１０Ａ〜１０Ｄの下方を通過する際に、画像が形成される。

インクジェットヘッド１０Ａ〜１０Ｄは、搬送ベルト１１０上に吸着保持されたシートＳに対して例えば１ｍｍの僅かな隙間を介して対向するように配置されている。インクジェットヘッド１０Ａ〜１０Ｄは、吐出するインクの色が異なることを除けば、同じ構造になっている。インクジェットヘッド１０Ａ〜１０Ｄの詳細な構造は後述する。

各インクジェットヘッド１０Ａ〜１０Ｄには、インクの流路１３５を介してインクタンク１３０Ａ〜１３０Ｄ及びインク供給圧力調整装置１３１Ａ〜１３１Ｄが夫々連結されている。インクを循環式で供給する場合は、インクの流路１３５に往路と復路が設けられる。インクの流路１３５は、例えば樹脂製チューブである。インクジェットヘッド１０Ｂ〜１０Ｄも同様である。インクタンク１３０Ａ〜１３０Ｄは、インクを貯留した容器である。さらに、各インクジェットヘッド１０Ａ〜１０Ｄの近傍に、メンテナンスユニット１３２Ａ〜１３２Ｄが配置されている。例えばインクジェットヘッド１０Ａのメンテナンスユニット１３２Ａは、インクジェットヘッド１０Ａのノズル２５の表面を保護するキャップ１３３、ノズル２５の表面に残留する付着物を除去するブレード１３４を備えている。他のインクジェットヘッド１０Ｂ〜１０Ｄのメンテナンスユニット１３２Ｂ〜１３２Ｄも、同様の構成である。

各インクタンク１３０Ａ〜１３０Ｄは、各インクジェットヘッド１０Ａ〜１０Ｄの上方に配置されている。待機時に、インクジェットヘッド１０Ａ〜１０Ｄのノズル２５からインクが漏れ出ないようにするために、各インク供給圧力調整装置１３１Ａ〜１３１Ｄは、各インクジェットヘッド１０Ａ〜１０Ｄ内を、大気圧に対して負圧になるようにしている。負圧は、例えば−１ｋＰａに設定している。画像形成時においては、各インクタンク１３０Ａ〜１３０Ｄのインクは、インク供給圧力調整装置１３１Ａ〜１３１Ｄによって各インクジェットヘッド１０Ａ〜１０Ｄに循環供給される。

画像が形成されたシートＳは、搬送ベルト１１０から下流搬送路１２０へ送られる。下流搬送路１２０は、送りローラ対１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄと、シートＳの搬送経路を規定するシート案内板１２１ａ、１２１ｂで構成されている。シートＳは、送りローラ対１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄによって、排出口１２２から排出トレイ１２３へ送られる。図中矢印Ｒ５は、シートＳの搬送経路を示す。

続いて、図２〜図５を参照しながら、インクジェットヘッド１０Ａ〜１０Ｄの構成について説明する。なお、以下は、インクジェットヘッド１０Ａについて説明しているが、インクジェットヘッド１０Ｂ〜１０Ｄは、インクジェットヘッド１０Ａと同じ構造になっている。

図２〜図５は、シアモード・サイドシューター型のインクジェットヘッド１０Ａを示している。インクジェットヘッド１０Ａは、独立駆動型のアクチュエータを備える。図２〜図５に示すように、インクジェットヘッド１０Ａは、ノズルヘッド部２、フレキシブルプリント配線板３、駆動回路基板４を備えている。さらに、ノズルヘッド部２は、ノズルプレート２１、基板２２、共通インク室を形成する枠部材２３、共通インク室にインクを供給するインク供給部２４を備えている。

ノズルプレート２１は、例えばポリイミドなどの樹脂又はステンレスなどの金属で形成された矩形状のプレートである。ノズルプレート２１の表面には、インク滴を吐出する吐出孔であるノズル２５が複数穿設されている。ノズルプレート２１のノズル密度は、例えば１５０〜１２００ｄｐｉの範囲内に設定されている。基板２２は、例えば絶縁性のセラミックスで形成された矩形状の基板である。

枠部材２３は、基板２２の下方部分の周囲を例えば左右対称に囲う箱状に形成されている。枠部材２３の下方面の開口は、ノズルプレート２１によって封止されている。枠部材２３、基板２２及びノズルプレート２１によって区画された空間は、共通インク室２６（２６Ａ，２６Ｂ）となる。共通インク室２６は、基板２２を挟んで２つの共通インク室２６Ａ，２６Ｂを形成している。共通インク室２６Ａ側の枠部材２３には、例えば円形の開口部であるインク供給口２７が形成されている。インク供給口２７が形成されている供給インク室２６Ａは、後述する複数の駆動圧力室５にインクを供給するインク供給路となる。インク供給口２７は、インク供給部２４に設けられたインク供給管２８と連通している。インク供給管２８は、さらにインク供給圧力調整装置１３１Ａと連通している。一方、共通インク室２６Ｂ側の枠部材２３には、図示は省略するが、インク供給口２７と同様に例えば円形の開口部であるインク排出口が形成されている。インク排出口は、インク供給部２４に設けられたインク排出管２９と連通している。インク排出管２９は、循環供給のためさらにインク供給圧力調整装置１３１Ａと連通している。枠部材２３、インク供給部２４、インク供給管２８及びインク排出管２９は、例えば樹脂で形成されている。また、インク供給管２８及びインク排出管２９を設けないことを除けばインク供給部２４と対称構造の支持部材２４ａが基板２２を挟んで対称位置に配置されている。インク供給部２４及び支持部材２４ａには、インクジェットヘッド１０Ａを、インクジェットプリンタ１００に取り付ける際に使用する固定部材２４ｂが夫々設けられている

インクの吐出チャネルを構成する駆動圧力室５、及び、ダミーチャネルを構成する空気室５１は、共通インク室２６（２６Ａ，２６Ｂ）内に位置する基板２２の表面に複数配置されている。駆動圧力室５と空気室５１は、ノズルプレート２１の表面と接する高さに形成された側壁である圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）によって仕切られている。駆動圧力室５及び空気室５１は、基板２２の表面に積層した２枚の圧電部材６Ａ，６Ｂを、基板幅方向に矩形状に切欠いた溝によって形成される。２枚の圧電部材６Ａ，６Ｂは、分極方向が相反する方向（一例として対向方向）に積層されている。圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）には、後述するヒステリシスの大きい圧電材料が用いられる。駆動圧力室５及び空気室５１は、駆動圧力室５の両側に空気室５１が位置するように配列されている。各駆動圧力室５は、各ノズル２５と１対１で連通するように配置されている。

さらに、空気室５１の短辺側の側壁を形成する２枚のカバープレート７が、基板２２の両側面に夫々配置されている。カバープレート７の下端面は、側壁を形成している圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）の先端面と同じ高さであり、カバープレート７の上端面は、共通インク室２６（２６Ａ，２６Ｂ）の外にまで延びている。空気室５１は、カバープレート７によって共通インク室２６（２６Ａ，２６Ｂ）とは遮断された密閉空間を形成している。カバープレート７は、例えば厚さ５０μｍ程度のジルコニア板で形成される。一方、カバープレート７には、駆動圧力室５と左右の共通インク室２６Ａ，２６Ｂとが連通するように、駆動圧力室５の形状に対応する溝状の開口７１が形成されている。共通インク室２６Ａ側のカバープレート７の開口７１はインク供給口であり、共通インク室２６Ｂ側のカバープレート７の開口７１はインク排出口であり、インクは循環式で駆動圧力室５に供給される。

使用するインクが例えば絶縁性インクの場合、図４に示すように、駆動圧力室５の上面及び両側面に一体的に電極６１が形成され、空気室５１の上面及び両側面にも同様に一体的に電極６２が形成される。駆動圧力室５の電極６１及び空気室５１の電極６２には、基板２２の側面に沿って共通インク室２６（２６Ａ，２６Ｂ）の外にまで延びる配線電極６３，６４が夫々接続されている。電極６１，６２及び配線電極６３，６４は、例えばニッケル薄膜で形成される。この場合、駆動圧力室５に接続された電極６１を個別電極として駆動電界を印加し、空気室５１に接続された電極６２を共通電極として例えば接地する。

使用するインクが例えば導電性を有する水性インクの場合、図５に示すように、駆動圧力室５の上面及び両側面に一体的に電極６１が形成され、空気室５１の側面には電気的に切り離された電極６２が夫々形成される。駆動圧力室５の電極６１及び空気室５１の電極６２には、基板２２の側面に沿って共通インク室２６（２６Ａ，２６Ｂ）の外にまで延びる配線電極６３，６４が夫々接続されている。電極６１，６２及び配線電極６３，６４は、例えばニッケル薄膜で形成される。この場合、駆動圧力室５に接続された電極６１を共通電極として例えば接地し、空気室５１に接続された電極６２を個別電極として駆動電界を印加する。

説明を図２に戻すと、駆動圧力室５からの配線電極６３及び空気室５１からの配線電極６４は、フレキシブルプリント配線板３に接続され、さらに吐出動作の駆動回路となる駆動回路基板４と電気的に接続されている。フレキシブルプリント配線板３には、駆動用のＩＣ（Integrated Circuit）３１が搭載されている。駆動回路基板４は、インクジェットプリンタ１００の制御基板１４０からの画像データを一時的にバッファに保存し、画像を形成する所定のタイミングでインク滴が吐出されるように電気信号を出力する。電気信号は、駆動電圧であるパルス電圧である。

上記構成により、圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）の分極軸と交差（望ましくは、直交）する方向に駆動電界が印加されて圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）がシアモード変形し、ノズル２５からインク滴を吐出する独立駆動型のアクチュエータが構成される。

続いて、圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）に用いる圧電材料について説明する。
図６は、高ヒステリシス材料、中ヒステリシス材料、及び低ヒステリシス材料で圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）を形成したときの駆動電界Ｅ（Ｖ／ｍｍ）と歪量εの関係を示している。例えば実線で示した高ヒステリシス材料について駆動電界Ｅ（Ｖ／ｍｍ）と歪量εの関係をみると、例えばインクジェットヘッド１０Ａの製造後の初期状態では歪量εはゼロ（Ａ０）であるが、駆動圧力室５を加圧するために駆動電界Ｅをプラス方向（＋）に印加していくと歪量εが押し方向に増加して最大値（歪みＡ１）に達する。ヒステリシスを有しなければ駆動電界Ｅ（Ｖ／ｍｍ）をゼロにすると歪量εは元のゼロ（Ａ０）に戻るが、ヒステリシスを有しているので、元のゼロ（Ａ０）には戻らず押し方向の歪みの履歴が残る（歪みＡ２）。

反対に、駆動圧力室５を減圧するために駆動電界Ｅをマイナス方向（−）に印加していくと歪量εが引き方向に増加して最大値（歪みＡ３）に達する。引き方向の場合も、ヒステリシスを有しているので、駆動電界Ｅ（Ｖ／ｍｍ）をゼロにしても歪量εはゼロ（Ａ０）には戻らず引き方向の歪みの履歴が残る（歪みＡ４）。中ヒステリシス材料及び低ヒステリシス材料も、歪量ε及び歪みの履歴は相対的に小さくなるが、高ヒステリシス材料と同様のヒステリシス特性を示す。

図６を見れば明らかなように、高ヒステリシス材料を用いれば、最大で、引き方向の最大値（歪みＡ３）から押し方向の最大値（歪みＡ１）までの大きな歪量ε_Ｔでインクの吐出を行える利点がある。その反面、駆動電界Ｅ（Ｖ／ｍｍ）をゼロにしたときに残る歪みの履歴（歪みＡ２，歪みＡ４）も大きい。従来のシアモード・シェアウォール・サイドシュータ型のインクジェットヘッドは、隣り合う駆動圧力室が圧電部材の側壁を共有しているため、直前の圧電部材の歪みの履歴がプラス方向（歪みＡ２）の場合もあればマイナス方向（歪みＡ４）の場合もある。そのため、例えば一度減圧（歪みＡ３）してから駆動するようにしても直前の動作方向の歪みの履歴がプラス方向（歪みＡ２）の場合とマイナス方向（歪みＡ４）の場合とでは減圧量（歪みＡ２−Ａ３又は歪みＡ４−Ａ３）が違ってくる為、改善はされるものの依然として例えば圧力伝播に起因するクロストークの問題が残ってしまう。そのため、低ヒステリシス材料が選択され、大ヒステリシス材料や中ヒステリシス材料は避けられていた。

一方、図２〜図５に示したシアモード・サイドシューター型のインクジェットヘッド１０Ａには、鉛含有圧電材料又は鉛非含有圧電材料の中からヒステリシスの大きい材料を選択して用いる。具体的には、図７に示すように、電界３００Ｖ／ｍｍのときの圧電定数ｄ_１５が１０００ｐＣ／Ｎ以上となる鉛含有圧電材料を用いる。なお、「ｐ」は、ＳＩ単位系の接頭辞picoである。鉛含有圧電材料は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である。チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の混晶であるチタン酸ジルコン酸鉛は、鉛（Ｐｂ）に対するジルコニウム（Ｚｒ）やチタン（Ｔｉ）の組成比やドープ金属の種類や組成比などによってヒステリシスの大きさは異なる。その中から、電界３００Ｖ／ｍｍのときの圧電定数ｄ_１５が１０００ｐＣ／Ｎ以上のチタン酸ジルコン酸鉛を、高ヒステリシス材料及び中ヒステリシス材料として選択する。勿論、鉛含有圧電材料は、チタン酸ジルコン酸鉛に限らない。

圧電定数ｄ_１５は、例えば市販の圧電材料の場合はメーカーが示す値を用いてもよい。或いは、実際に測定してもよい。図７には、高ヒステリシス材料（Ａ−１）、中ヒステリシス材料（Ａ−２）及び低ヒステリシス材料（Ａ−３）について、実際に測定して求めた圧電定数ｄ_１５の一例を示している。測定方法としては、図８に概略を示すように、例えば長さ１．５ｍｍ、幅１ｍｍ、高さ０．２ｍｍの試験片８に電極８０を形成し、固定台８１に固定して電極８０に駆動電界Ｅを印加する。駆動電界Ｅは、５Ｖ／ｍｍ、３００Ｖ／ｍｍ、７５０Ｖ／ｍｍとなるように印加し、そのときの傾き（せん断歪み）を、レーザードップラー振動計センサー８２で測定する。せん断歪みを示す圧電定数ｄ_１５は、歪量を電界で除して求めることができる。計算式と単位は、圧電定数ｄ_１５（m／V）＝［生じた歪み（ｍ／ｍ）／与えられた電界（Ｖ／ｍ）］である。

また、圧電材料の他の例として、図７に示すように、電界３００Ｖ／ｍｍのときの圧電定数ｄ_１５が４００ｐＣ／Ｎ以上となる鉛非含有圧電材料を用いる。鉛非含有圧電材料は、例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）である。他のニオブ酸系の圧電材料であってもよい。また、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）などのニオブ酸系以外でもよい。鉛非含有圧電材料の場合も、圧電定数ｄ_１５は、例えば市販の圧電材料の場合はメーカーが示す値を用いてもよい。或いは、実際に測定してもよい。図７には、高ヒステリシス材料（Ｂ−１）、中ヒステリシス材料（Ｂ−２）及び低ヒステリシス材料（Ｂ−３）について、実際に測定して求めた圧電定数ｄ_１５の一例を示している。その中から、電界３００Ｖ／ｍｍのときの圧電定数ｄ_１５が４００ｐＣ／Ｎ以上の鉛非含有圧電材料を選択する。

続いて、インクを吐出させるために駆動電圧として印加するパルス電圧の波形について説明する。図９には、（ａ）押し打ち、（ｂ）プリ波形付き押し打ち、（ｃ）引き打ち、（ｄ）プリ波形付き引き打ちのパルス電圧の波形を示している。さらに、図９には、電圧波形に対応する圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）の歪みの変位を示している。同図のＡ１〜Ａ４の符号は、図６の歪みＡ１〜Ａ４に対応している。

（ａ）押し打ちは、プラス方向（＋）に電圧を印加した後、グランド電位に戻す。この場合、圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）が歪みＡ２から歪みＡ１の押し方向に変形して駆動圧力室５を加圧し、ノズル２５からインクが吐出される。その後、電圧がグランド電位に戻ると圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）も歪みＡ１から歪みＡ２に戻る。押し打ちは、歪みＡ１から歪みＡ２までの線形の範囲で駆動圧力室５の加圧を繰り返し行うので、駆動周波数を最も早くすることができる。

（ｂ）プリ波形付き押し打ちは、一旦インクが吐出しない程度の小さい波形でマイナス方向（−）に電圧を印加してからプラス方向（＋）に電圧を印加した後、電圧をグランド電位に戻す。この場合、圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）は、一旦歪みＡ３方向に向けて変形してから歪みＡ１の押し方向に変形して、駆動圧力室５を加圧する。その後、電圧がグランド電位に戻ると圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）も歪みＡ１から歪みＡ２に戻る。プリ波形付き押し打ちは、一旦歪みＡ３方向に向けて変形させる分、押し打ちに比べて歪量を大きくすることができる。

（ｃ）引き打ちは、先ずマイナス方向（−）に電圧を印加し、次にプラス方向（＋）に電圧を印加した後、電圧をグランド電位に戻す。この場合、圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）は、歪みＡ３の引き方向に十分に変形してから歪みＡ１の押し方向に変形して、駆動圧力室５を加圧する。その後、電圧がグランド電位に戻ると圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）も歪みＡ１から歪みＡ２に戻る。引き打ちは、引き方向の最大値（歪みＡ３）から押し方向の最大値（歪みＡ１）までの大きな歪量ε_Ｔでインクの吐出を行うことができる。引き打ちは、大きな歪量が得られ、駆動周波数も比較的早くすることができる好ましい駆動方法である。

（ｄ）プリ波形付き引き打ちは、一旦インクが吐出しない程度の小さい波形でプラス方向（＋）に電圧を印加してからマイナス方向（−）に電圧を印加し、再びプラス方向（＋）に電圧を印加した後、電圧をグランド電位に戻す。この場合、圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）は、一旦歪みＡ１方向に向けて変形してから歪みＡ３の引き方向に変形して駆動圧力室５を減圧する。そして歪みＡ１の押し方向に変形して駆動圧力室５を加圧する。その後、電圧がグランド電位に戻ると圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）も歪みＡ１から歪みＡ２に戻る。

次に、好ましい駆動方法である引き打ちを行ったときのアクチュエータの動きについて、図１０を参照しながら説明する。駆動電圧を印加する前のグランド電位のとき、圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）には直前の吐出動作の履歴が残っている。すなわち、駆動圧力室５からみると押し方向の歪みの履歴が残っている。この状態からマイナス方向（−）に電圧を印加すると、圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）に引き方向の変形が生じて駆動圧力室５が減圧される。続いてプラス方向（＋）に電圧を印加すると、圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）に押し方向の変形が生じて駆動圧力室５が加圧され、ノズル２５からインク滴が吐出される。

以上説明した実施形態によれば、インクに比べて圧力伝播の小さい空気室５１を駆動圧力室５の両側に配置した独立駆動型のアクチュエータを備えたシアモード・サイドシューター型のインクジェットヘッド１０Ａであるので、電界３００Ｖ／ｍｍのときの圧電定数ｄ_１５が１０００ｐＣ／Ｎ以上となる鉛含有圧電材料を用いることができる。すなわち、ヒステリシスの大きい圧電材料を用いて大きな歪みで駆動させても、クロストークを抑えたインクの吐出動作を行うことができる。同様の理由により、電界３００Ｖ／ｍｍのときの圧電定数ｄ_１５が４００ｐＣ／Ｎ以上となる鉛非含有圧電材料を用いることができる。

さらに、上述の実施形態によれば、圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）の駆動終了時の状態はいつも同じ歪みＡ２となるので、シェアウォール型のような直前の歪みの履歴のバラツキをなくすための予備駆動が必要ない。その結果、クロストークが抑えられるだけでなく、駆動周波数も速くすることができる。

さらに、上述の実施形態によれば、一例であるが、低ヒステリシス材料を用いた圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）で所望の性能を満たす駆動電圧が３０Ｖであったのに対し、高ヒステリシス材料を用いた圧電部材６（６Ａ，６Ｂ）では駆動電圧が２１Ｖで同じ性能を満たすことを確認した。

なお、上述の実施形態は、インク循環式のインクジェットヘッド１０Ａを一例に挙げて説明したが、インク非循環式のインクジェットヘッドであってもよい。また、インクジェットヘッド１０Ａは、３Ｄプリンタに搭載してもよい。この場合、液体状の造形材やサポート材をインクとして吐出する。

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０Ａインクジェットヘッド
２ノズルヘッド部
２１ノズルプレート
２５ノズル
２６共通インク室
３フレキシブル配線板
４駆動回路基板
５駆動圧力室
５１空気室
６圧電部材
７カバープレート
１００インクジェットプリンタ

Claims

圧電部材で形成された一対の側壁を有し、インク供給路及びノズルと連通する駆動圧力室と、前記駆動圧力室の両側に前記側壁を介して設けられた空気室と、前記圧電部材に駆動電界を印加する駆動回路と、を含む独立駆動型のアクチュエータを備え、
前記駆動圧力室及び空気室は、基板の一面に間隔をあけて配列した前記圧電部材で形成された複数の側壁と、前記側壁に接して配置されるノズルプレートと、前記側壁の両端側に配置され、駆動圧力室に対応する箇所にインクの供給口及び排出口を有する一対のカバープレートにより形成されており、
前記圧電部材は、電界３００Ｖ／ｍｍのときの圧電定数ｄ_１５が１０００ｐＣ／Ｎ以上となる鉛含有圧電材料で形成されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
圧電部材で形成された一対の側壁を有し、インク供給路及びノズルと連通する駆動圧力室と、前記駆動圧力室の両側に前記側壁を介して設けられた空気室と、前記圧電部材に駆動電界を印加する駆動回路と、を含む独立駆動型のアクチュエータを備え、
前記駆動圧力室及び空気室は、基板の一面に間隔をあけて配列した前記圧電部材で形成された複数の側壁と、前記側壁に接して配置されるノズルプレートと、前記側壁の両端側に配置され、駆動圧力室に対応する箇所にインクの供給口及び排出口を有する一対のカバープレートにより形成されており、
前記圧電部材は、電界３００Ｖ／ｍｍのときの圧電定数ｄ_１５が４００ｐＣ／Ｎ以上となる鉛非含有圧電材料で形成されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
前記駆動回路は、前記駆動圧力室を減圧する駆動電界を印加した後に、前記駆動圧力室を加圧する駆動電界を印加することを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジェットヘッド。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドと、
前記インクジェットヘッドと対向する位置に記録媒体を搬送する記録媒体搬送装置と、
前記記録媒体の所定の位置にインクを吐出するように前記インクジェットヘッドを制御する制御部と、を備えるインクジェットプリンタ。