JP2001105592A - インクジェット駆動部及びインクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 印加電界効率に優れ、構造が複雑でなく高速
駆動に適したユニモルフ型圧電／電歪部材をインクジェ
ットの駆動部に提供すること。 【解決手段】 金属またはセラミックの振動板の少なく
とも一方の面上に、上部の電極プレートと圧電／電歪素
子と下部の電極プレートとの組み合わせからなり、それ
らが順次重ね合わされた構造のユニモルフ型圧電／電歪
部材を有するインクジェット駆動部において、圧電／電
歪素子の配向が電極の面に対し、斜めになっていること
を特徴とするインクジェット駆動部。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェットプ
リンタに使用する印字ヘッドの圧電／電歪素子を用いた
駆動部の構造、製造法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧電／電歪素子をインク噴射の駆動源と
して用いたインクジェットヘッドにおいて、圧電／電歪
素子の歪みについては、素子の分極方向に平行方向の抗
電界内の電界を加えた場合、素子は電界、分極方向に伸
びそれと直角方向に縮む。電界、分極方向に平行で逆方
向の電界を加えた場合は電界、分極方向に縮み、それと
直角方向に伸びることが知られている。電界、分極方向
の歪みに対するそれと直角方向の歪みの比（ポアッソン
比）σは、例えばチタン酸バリウムのようなペロブスカ
イト型圧電セラミックスにおいてはσ〜０．３程度であ
り、ＰｂＺｒＯ₃とＰｂＴｉＯ₃の固溶体であるＰＺＴ系
圧電セラミックスにおいても分極方向の縮み／直交方向
の伸びの比自体はさほど大きく変らない。そして、この
ような圧電／電歪素子は、通常、インクジェット方式に
おけるヘッドのインクの加圧室壁の背面に固着されその
振動エネルギーを加圧室壁に伝播し室壁を振動させて加
圧室からインクを噴出させる。

【０００３】図１は、振動板（３）の片面に上部電極
（２）、下部電極（２’）、圧電／電歪素子（１）を図
のように設置し、インクジェットヘッドの駆動部に用い
た例を示す。この例においては、下部電極（２’）にプ
ラス、上部電極（２）にマイナスの電圧を加えることに
より上向きの電界を発生させ、同方向の分極の結果生じ
る圧電／電歪素子（１）の縦方向の伸びと横方向の縮み
のうち、特に横方向の縮みによる素子（１）の歪みを利
用し、この歪みで振動板（３）を下の方向に撓ませ、イ
ンク加圧室（４）に圧力を加えることにより、インク吐
き出しオリフィス（５）からインクを飛ばすものであ
る。非通電時には振動板は元の水平状態にもどり、イン
ク供給室（７）よりインク供給オリフィス（６）を通じ
てインクが加圧室に補給される。このように、横方向の
縮みの歪みを利用して振動板（３）を下の方向に撓ませ
ているが、上記したように、横方向の歪みは縦の方向の
歪みに比較し１／３程度であり、非常に効率が悪い。

【０００４】特開平８−１１８６６３号公報には、イン
クジェットプリンタ用の圧電部材の電気歪を大きくする
ため、互いに分極方向が逆方向の２枚のＰＺＴの両側に
それぞれ駆動用電極を形成してなるバイモルフ型の圧電
／電歪素子をインクジェットヘッドに使用することが開
示されている。すなわち同公報記載の技術においては、
図２に示されるように、インク加圧室（２０２）の上部
にガラス基盤（３１）の表面に金属膜（３２）を形成し
てなる振動板（３３）の上にバイモルフ型の圧電素子
（４０）が取り付けられ、電極部材（３５）の表面及び
裏面に互いに分極方向が電極面に垂直で分極方向が互い
に逆の圧電／電歪素子（ＰＺＴ）（４１）、（４２）を
配置し、これに駆動用電極（３６）、（３６’）を配置
している。この場合、二つの素子は互いに逆方向の電気
歪み特性を有し、例えば下側の圧電／電歪素子は伸長す
る場合、上側の圧電／電歪素子は縮小する。

【０００５】したがって、圧電／電歪部材全体として
は、下側の圧電／電歪素子の伸長力と上側の圧電／電歪
素子の縮小力とが合成された電気歪みが生じ、ユニモル
フ構造の圧電／電歪駆動部に比して大きい圧力でインク
を噴射することができる。しかし、この場合でも分極方
向は電界の方向と平行で、圧電／電歪素子の横方向の歪
みを使っていることに変りはなく、効率が悪い。更に、
バイモルフ構造の場合、ユニモルフに比較し、構造が複
雑になる。また、高速駆動性もユニモルフ構造に比して
劣る。

【０００６】斯して、従来のユニモルフ型圧電／電歪駆
動部は圧電／電歪素子の分極方向が、電界の方向と平行
で、この方向と垂直方向の歪みを利用しているが、この
歪みは電界と分極の相互作用よって生じる電界、分極方
向の歪みに対して、約１／３となり、利用効率が悪いと
いう欠点がある。また、前記バイモルフ構造のものはユ
ニモルフ型に比較して大きな撓みを得ることができる
が、構造が複雑となる。また、電界、分極の方向と垂直
の歪みを利用することはユニモルフ型と同じであり、利
用効率の悪さは変わらない。また、バイモルフ型は高速
駆動に向かないという欠点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、上記従来技術に鑑みて、印加電界効率に優れ、
構造が複雑でなく高速駆動に適したユニモルフ型圧電／
電歪部材をインクジェットの駆動部に提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は本発明の
（１）「金属またはセラミックの振動板の少なくとも一
方の面上に、上部の電極プレートと圧電／電歪素子と下
部の電極プレートとの組み合わせからなり、それらが順
次重ね合わされた構造のユニモルフ型圧電／電歪部材を
有するインクジェット駆動部において、圧電／電歪素子
の配向が電極の面に対し、斜めになっていることを特徴
とするインクジェット駆動部」、（２）「上部電極と下
部電極の間に正及び負の電圧を印加したとき、非印加時
の水平な面に対し、上方及び下方の二方向に撓むことを
特徴とする請求項１に記載のインクジェットの圧電／電
歪部材を有するインクジェット駆動部」、（３）「下方
に撓んだときにインク室に圧力が加わり、上方に撓んだ
ときにインク室の圧力が減少し、これによりインク室か
らのインクの噴射、およびインクの供給を行なうことを
特徴とする請求項１に記載のユニモルフ型の圧電／電歪
部材を有するインクジェット駆動部を用いたインクジェ
ットヘッド」によって達成される。

【０００９】以下、本発明を詳細に説明する。本発明の
インクジェットヘッドは、圧電／電歪素子の配向が電極
の面に対し、斜めになっていることを特徴とするインク
ジェット駆動部を有するものであり、この結果、ユニモ
ルフ構造で効率よく、振動板を上下方向に撓ます力を生
み出すことができるものである。すなわち、振動板の片
面に上下の電極と共に設けられた圧電／電歪素子の分極
方向が電極面に対し、斜めになるように電界分極処理を
施したものである。

【００１０】図３ａに示されるように、本発明において
は、圧電／電歪素子の各グレン内の分極方向は、バラツ
キはあるがほぼ斜め方向になっている。これは図３ｂの
如く合成して一つのベクトル（１０）で表わすことがで
き、図３ｃに示すように分極の合成ベクトルを水平成分
ベクトル成分（１２）と垂直成分（１１）とに分解する
ことができる。

【００１１】すなわち、圧電／電歪素子の分極に平行し
て電界（Ｅ）を加えた場合の圧電／電歪素子の歪みにつ
いては、図４ｂの如く電界が同方向の場合には素子は同
図（１４）のように縦に伸び、横方向に縮む。また、逆
方向の場合に素子は縦方向に縮み、横方向に伸びる。一
方、図４ｃの如く、一端（同図では左端）がクランプさ
れた（支点が左端にある）典型的なユニモルフ型圧電／
電歪部材を例にとって見ると、分極の水平成分に対し垂
直方向の電界（Ｅ）が加わった場合に、電界（Ｅ）が上
向きのときには（１６）のように素子は上の方に歪み、
電界が下向きの場合には素子は下の方に歪むことが知ら
れているが、これは、圧電／電歪部材の振動部分の振動
方向が略斜め方向（図４ｃにおけるＤ方向）であること
を意味すると解することができる。またこのような事実
は、一端のみでなく両端がクランプされた圧電／電歪部
材の場合にも別段変るものではなく、ただ、両端クラン
プの場合には振動の節部と腹部の間隔が１／２になるだ
けであり、以下、クランプ部の数が増大したときにも同
様である。

【００１２】したがって、圧電／電歪部材がそのような
斜め方向に分極していることにより、水平、及び垂直の
分極成分と電界との間に働く力それぞれの力の合成力を
圧電／電歪素子に加えることができる。図５はこの斜め
方向に分極した圧電／電歪素子に振動板及び上下の電極
を配置したものであり、電圧を加えた場合の素子及び電
極の変形の状況を模式的に示したものである。下の電極
は金属の振動板（１９）を兼用する。図５ａは上部電極
（１８）にマイナス、下部の電極（１９）をプラスにし
て電圧を加えた場合で、素子及び振動板は振動板の一端
を支点とすると、点線の如く変形する。また、図５ｂは
電圧を逆に加えた場合であり、同じく点線の如く変形す
る。図５は振動板の一端を支点として固定した場合であ
るが、この図より容易に推測できるように、振動板の両
端を固定した場合を考えると図５ａの場合、振動板は下
の方向に撓み、図５ｂの場合、上の方向に撓む、従って
電圧の加え方により、素子に密着した振動板を上下方向
に撓ますことができる。これは、従来のユニモルフ構造
のものに比較し、電界と分極の水平成分との相互作用の
ところは効率が改善されているので、より強く振動板を
振動させることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照し、詳細に説明する。図６に示されるよう
な本発明のユニモルフ型圧電／電歪駆動部を有するイン
クジェットヘッドは、圧電／電歪素子のような多結晶体
に電界を加え、配向処理を行なうという一般に知られて
いる技術の適用により容易に製作することができる。つ
まり多結晶体に加える電界を徐々に強めていくと抗電界
にいたり、これを越して更に電界を強めると各グレン内
の分極が反転を始め、反転し得る分極はすべて反転し電
界と分極方向が一致し、電界を取り除いても分極方向が
変わらないとき、一定の方向に分極されたことになる。
この分極の方向は加える電界の方向、強さ、時間などで
変えることができる。本発明では図３ａの如く各グレイ
ン（９）内の分極（８）を電極の面に対し例えば約４５
度の斜めに配向したものを用いることができる。

【００１４】また他に、圧電／電歪素子の多結晶体を製
作する際、結晶の成長方向を制御することにより斜めに
配向したものを得ることができる。圧電／電歪素子の分
極方向は、圧電／電歪素子を構成する多結晶体の各結晶
の成長方向と逆に表われるので、例えば、水熱合成法に
より電極基板上にＰＺＴの結晶体を析出させる際に断面
Ｖ形の多数の微細溝を予め設け、基板を斜めに配置する
ことにより、各溝を構成する両側の斜め壁のうち、その
１方向の斜め溝壁のみに該壁面の垂直方向、即ち基板面
に対して斜めの方向に結晶を成長させ、或いはＣＶＤ
法、スパッタリング法等の結晶核析出技術を用いること
により傾斜配置された基板上に結晶核を該傾斜面に対し
て垂直方向、即ち水平にした基板面上に対して斜めに析
出させ、つぎにこの斜め結晶核にＰＺＴの結晶を成長さ
せることにより、本発明のユニモルフ型圧電／電歪駆動
部を有するインクジェットヘッドを製作することができ
る。つまり、結晶核析出は結晶析出面の表面エネルギー
に支配されるので、活性化された１方向の斜め溝壁面を
有す基板を、該斜め溝壁面が結晶核の析出方向になるよ
うに傾斜して配置することにより本発明のユニモルフ型
圧電／電歪駆動部を有するインクジェットヘッドを製作
することができる。

【００１５】図６は、本発明のユニモルフ型圧電／電歪
駆動部を有するインクジェットヘッドの１構造例を示し
たものである。この例においては、振動板（２２）の一
面に取り付けた上部電極（２０）、下部電極（２２）、
その間に入るチタン酸バリウム、ＰＺＴなどの圧電／電
歪素子（２１）によりユニモルフ構造の圧電／電歪素
子、及び素子に密着した振動板より成る圧電電歪駆動部
を構成し、その下に位置するインク加圧室（２３）、イ
ンク供給室（２５）、インク吐き出しオリフィス（２
４）、インク供給オリフィス（２６）から成るインクハ
ウジングより構成される。下部電極にプラス、上部電極
にマイナスの電圧を印加し、抗電界内の電界Ｅを圧電／
電歪素子（２１）に加えた場合、前で説明したように振
動板（２２）は下の方向に撓む。逆に上部電極にプラ
ス、下部電極にマイナスの電圧を印加した場合、振動板
（２２）は上の方向に撓むことになる。このようにして
上下電極にプラス、マイナスの電圧を交互に印加するこ
とにより振動板（２２）を上下に効果的に撓ますことが
可能となる。振動板（２２）が下の方向に撓んだとき、
インク加圧室（２３）に圧力が加わり、インクをインク
吐き出しオリフィス（２４）から噴射する。また、上の
方向に撓んだとき、インク加圧室（２３）の圧力が下が
り、インクがインク供給室（２５）よりインク供給オリ
フィス（２６）を通じインク加圧室（２３）に供給され
る。

【００１６】振動板（２２）はセラミック、または金
属、例えばチタンでもよい。金属の場合、下部の電極は
振動板（２２）が兼ねてもよく、金属の上に絶縁皮膜を
コートし、その上に電極板を入れた構造でもよい。チタ
ンなどの金属を使用する場合、下部のセラミックから成
るインク加圧室と接着剤を用いて接合する。この場合、
図６の如く両端の支点の強化、及び接着性をよくするた
め、振動板（２２）の両端を中に折り込んだ構造とし
た。

【００１７】

【発明の効果】以上、詳細かつ具体的な説明から明らか
なように、本発明はインクジェットプリンタヘッド部に
使用する圧電／電歪素子の分極を電極板に対し斜めに配
向することにより、ユニモルフでありながら、振動板を
上下に効率よく振動させる。この振動により、インクの
強い吐き出し力、吸入力を得ることができるという優れ
た効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術における圧電／電歪素子を使用したユ
ニモルフ型のインクジェットヘッドの断面図である。

【図２】従来技術における圧電／電歪素子を使用したバ
イモルフ型のインクジェットヘッドの断面図である。

【図３】本発明における圧電／電歪素子の各グレーン内
の分極の方向、その合成ベクトル及び合成ベクトルの水
平、垂直方向への分解ベクトルを示した図である。

【図４】本発明における圧電／電歪素子の分極の斜め方
向成分とこれを垂直、水平成分に分割したものと、上向
きの電界Ｅとの相互作用による圧電／電歪素子の歪みを
示した図である。

【図５】本発明における斜め配向の圧電／電歪素子と振
動板、上下の電極に電圧を加えた場合の素子、及び振動
板の変形を示した図である。

【図６】本発明のユニモルフ型の圧電／電歪素子を有す
るインクジェットヘッドの断面図である。

【符号の説明】

１ 圧電／電歪素子 ２ 上部電極 ２’下部電極 ３ 振動板 ４ インク加圧室 ５ インク吐き出しオリフィス ６ インク供給オリフィス ７ インク供給室 ８ 圧電／電歪素子のグレイン ９ 各グレイン内の配向の方向 １０ 圧電／電歪素子の各グレイン内ベクトルの合成 １１ ベクトルの垂直成分 １２ ベクトルの水平成分 １３ 分極合成ベクトルの垂直成分を取り出したもの １４ 圧電／電歪素子の歪んだ状態 １５ 分極合成ベクトルの水平成分を取り出したもの １６ 圧電／電歪素子の歪んだ状態 １７ 圧電／電歪素子 １８ 上部電極 １９ 振動板（下部電極） ２０ 上部電極 ２１ 圧電／電歪素子 ２２ 振動板（下部電極） ２３ インク加圧室 ２４ インク吐き出しオリフィス ２５ インク供給室 ２６ インク供給オリフィス ３３ 振動板 ３１ ガラス基盤 ３２ 金属膜 ３５ 電極部材 ３６ 駆動用電極 ３６’駆動用電極 ４０ 圧電素子部 ４１ ＰＺＴ ４２ ＰＺＴ ２０２ インク加圧室 Ｄ 圧電／電歪部材の振動方向

フロントページの続き (72)発明者 藤村 忠正 東京都世田谷区奥沢６丁目28番18号株式会 社技研内 Ｆターム(参考） 2C057 AF51 AG44 AP14 AP58 BA04 BA14

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属またはセラミックの振動板の少なく
   とも一方の面上に、上部の電極プレートと圧電／電歪素
   子と下部の電極プレートとの組み合わせからなり、それ
   らが順次重ね合わされた構造のユニモルフ型圧電／電歪
   部材を有するインクジェット駆動部において、圧電／電
   歪素子の配向が電極の面に対し、斜めになっていること
   を特徴とするインクジェット駆動部。
2. 【請求項２】 上部電極と下部電極の間に正及び負の電
   圧を印加したとき、非印加時の水平な面に対し、上方及
   び下方の二方向に撓むことを特徴とする請求項１に記載
   の圧電／電歪部材を有するインクジェット駆動部。
3. 【請求項３】 下方に撓んだときにインク室に圧力が加
   わり、上方に撓んだときにインク室の圧力が減少し、こ
   れによりインク室からのインクの噴射、およびインクの
   供給を行なうことを特徴とする請求項１に記載のユニモ
   ルフ型の圧電／電歪部材を有するインクジェット駆動部
   を用いたインクジェットヘッド。