JP2001284669A - 圧電アクチュエータ並びにこれを備えたインクジェットプリントヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高効率、高信頼性の積層圧電体素子を用いた
圧電アクチュエータ及びインクジェットプリントヘッド
を提供する。 【解決手段】 支持基板の積層圧電体素子との接合部は
２種類以上の材料から成りたつことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気信号によって
発生する微弱な変位を応用した圧電アクチュエータに関
する。また、圧電アクチュエータが発生する圧力によっ
てインク滴を飛翔させ、記録媒体にインク像を形成する
インクジェットプリンタのプリントヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、圧電体素子を用いた圧電アク
チュエータにより、インクを押圧し、ノズルからインク
を吐出させるインクジェットプリントヘッドが知られて
いる。このようなインクジェットプリントヘッドに用い
られる圧電体素子は、圧電体膜を下部電極と上部電極で
挟み込んだ構造が一般的に使用され、電極に電圧を印加
することによる圧電体膜の変位を利用している。

【０００３】図３に、ｄ３３型積層圧電素子を用いた圧
電アクチュエータの形状に関する従来例を示す。図にお
いて、積層圧電素子１４の端面にセラミック部材１６を
有し、前記積層圧電素子１４の振動面をノズル１の入り
口開口部に対向して配置した構成となっている。

【０００４】このような構成のオンデマンド型インクジ
ェットプリントヘッドは、例えば特開平１−１１５６３
８号公報に示されている。更には、ｄ３３型積層圧電素
子の効率を向上させる方法について、特開平６−１８８
４７２号公報に示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】圧力発生手段としての
圧電アクチュエータは変位効率に優れていることが望ま
しい。つまり圧電アクチュエータに用いられる積層圧電
素子は、わずかな電圧で大きな変位を得られることが要
求される。そこで、一般的に、支持基板１６は剛性の高
い、またはヤング率の高い材料を用い、積層圧電体素子
１４の変位を振動板７に効率よく伝えるようにしてい
る。このような理由で、通常、支持基板はアルミナ等の
セラミック基板が多く使用されている。しかしながら、
図３の従来例の様に、支持基板１６が単一材料のセラミ
ック等から出来ている場合、積層圧電体素子、中でもｄ
３３型積層圧電素子１４は変位を発生する活性部と共に
変位を生じない不活性部を有すため、ｄ３３型積層圧電
体素子を支持基板１６に接合固定し、積層圧電素子１４
に電圧を印加して変位させた時には、前記活性部の変位
が前記不活性部に拘束され、変位効率が低下する。ま
た、前記不活性部の接合面近傍での応力が大きくなり内
部電極の境界面からの剥離といった積層圧電素子内部欠
陥の発生や接合面の剥離等が懸念される。また、前記不
活性部の接合面近傍での応力が大きくなり、内部電極の
境界面からの剥離といった積層圧電素子内部欠陥の発生
や接合面の剥離等が確認されている。

【０００６】この点を改良するため、図４に示す様に支
持基板１６を凸形状として、この部分と積層圧電体素子
１４の活性部のみを接合する方法も試みられているが、
この方法では不活性部の接合面近傍での応力は少なくな
るが、積層圧電体素子１４に電圧を供給するための導電
性接合部材１５に応力が加わり、電気的接続が途切れる
欠陥が発生する。また、積層圧電体素子１４と支持基板
１６を接合する接着面積が少なくなるため、積層圧電体
素子を各素子に切断するときに接着が剥離したり、使用
中に剥離する不良も増加する。更には高剛性のセラミッ
ク材料等に凸形状の加工を施すことは非常に困難で製造
価格も高い物となった。

【０００７】本発明は、このような従来の問題点を解決
するもので、その目的とするところは、積層圧電体素子
の変位効率を向上し、信頼性の高い積層圧電体素子を提
供することにある。また、この積層圧電体素子を用いた
圧電アクチュエータ、さらには、この圧電アクチュエー
タを用いたインクジェットプリントヘッドを提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明においては、圧電材料と導電材料を交互に積
層してなるｄ３３型積層圧電体素子と、これを支持する
支持基板とで構成される圧電アクチュエータにおいて、
前記支持基板と前記積層圧電体素子との接合部を２種類
以上の材料にて構成した。

【０００９】また、インクを蓄える圧力室と、電気信号
の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる圧電
アクチュエータと、前記圧力室の壁面の少なくとも一部
を形成し、前記圧電素子と弾性材料で連結されている振
動板と、前記圧力室にインクを供給する流路となるリス
トリクタと、該リストリクタにインクを供給する共通イ
ンク供給路と、インク液滴を加圧室から噴射するオリフ
ィスと、前記圧電素子を固定する圧電素子固定板等によ
って構成された複数のノズルを有し、該ノズルが１列も
しくは複数列に配置されたインクジェットヘッドにおい
て、前記圧電アクチュエータは、圧電材料と導電材料を
交互に積層してなるｄ３３型積層圧電体素子と、これを
支持する支持基板とで構成されており、更に前記積層圧
電体素子との接合部は２種類以上の材料にて構成するよ
うにした。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一例について図を
参照しながら説明する。

【００１１】図１は、本発明の圧電アクチュエータを用
いたインクジェットプリントヘッドの主要部の構造を説
明する分解斜視図である。

【００１２】図１に示す２は複数のノズル１を形成した
オリフィスプレートである。ノズル１の開口形状の加工
精度はインクジェットプリントヘッドのインク吐出特性
に大きな影響を及ぼす。複数のノズル１間において、こ
れらのノズル精度ばらつきを低く押さえるため、オリフ
ィスプレート２の製法は高い加工精度が要求される。こ
のためオリフィスプレート２はニッケルの電鋳加工、精
密プレス法、レーザ加工法等により形成される。

【００１３】このオリフィスプレート２に、圧力室３が
形成されたチャンバプレート４、及びインク供給路１０
と圧力室３とを連結し、圧力室３へのインク流入を制御
するリストリクタ５を形成したリストリクタプレート６
を、位置決めして接合する。

【００１４】更に、圧電アクチュエータ１３の圧力を効
率よく圧力室に伝えるための振動板７と、共通インク通
路１０からリストリクタ５に流入するインク中のゴミ等
を取り除くフィルタ部８とを形成したダイアフラムプレ
ート９と、共通インク通路１０を形成したハウジング１
１を、同様に位置決めして接合する。

【００１５】チャンバプレート４、リストリクタプレー
ト６及びダイアフラムプレート９はステンレス材のエッ
チング加工法、またはニッケル材の電鋳加工法で作られ
る。

【００１６】金属または樹脂で作られたハウジング１１
には、外部インクタンクからインクを共通インク通路１
０まで導くインク導入パイプ２０が接合されている。

【００１７】最後に、複数の積層圧電体素子１４と、そ
れを固定する支持基板１６からなる圧電アクチュエータ
１３を位置決めして接合する。

【００１８】なお、上述した本発明の圧電アクチュエー
タ１３を製作する順序は、以下の通りである。

【００１９】まず、メッキ、スパッタ、エッチング等に
より個別電極１７及び共通電極１８の配線が表裏に形成
された支持基板１６に棒状の積層圧電体素子を複数本並
べて接着固定する。そして、棒状の積層圧電体素子１４
と個別電極１７及び共通電極１８を導電性接合部材１５
で電気的に接続する。その後、棒状の積層圧電体素子を
ダイシングソー、ワイヤソー等を利用した切断により分
割する。この時、分割された個々の積層圧電体素子１４
は圧力室の一つずつに対応するようになっている。

【００２０】このようにして作製された上記構成の圧電
アクチュエータ１３は、図示しない外部駆動回路から選
択的な電気信号が圧電体素子１４に印加されることによ
り、積層圧電体素子１４がひずみを生じるように動作す
る。圧電体素子１４は高剛性の支持基板１６上に接合さ
れているため、振動板７に優先的に変位を与え、圧力室
３の圧力を高める。本発明のインクジェットプリントヘ
ッドはこうした原理によってノズル１からインクを吐出
して、記録媒体上にインク画像を形成する。

【００２１】なお、本例では、配列ピッチは１００分の
１インチ、約２５４μｍとしたが、ノズル数、列数、及
びユニット構成はどの様な組み合わせでも限定されるも
のではない。

【００２２】図２は本発明の第１の例となるインクジェ
トプリントヘッドの部分断面図である。

【００２３】図において、積層圧電体素子１４は弾性材
料１２を介して振動板７と接合されている。振動板７と
チャンバプレート４とで圧力室３を構成している。圧力
室３内の圧力は振動板７が変形することにより急激に変
動する。支持基板１６には個別電極１７と共通電極１８
が形成されていて、積層圧電体素子１４と導電性接合部
材１５で電気的に接続されている。図示しない外部駆動
回路から選択的な電気信号が積層圧電体素子１４に印加
されることにより、積層圧電体素子１４はノズル１へ向
かう方向に変位を発生する。この変位により弾性部材１
２を介して振動板７が変形し、圧力室３内に充填された
インクは加圧され、ノズル１からインク滴となって吐出
する。

【００２４】ここで、本発明の圧電アクチュエータ１３
は、支持基板１６と積層圧電体素子１４とで構成され
る。支持基板１６は積層圧電体素子１４を固定する固定
部材で、異なる材料からなる支持基板１６１と支持基板
１６２とで構成されている。すなわち、本発明では支持
基板１６の積層圧電体素子１４と接合する面が異なる材
料からなる２つの部品で構成されている。すなわち、支
持基板１６の中央部、つまり積層圧電体素子１４の活性
部が接合される位置には高剛性材料で作られた支持基板
１６２を配置し、その外側、つまり圧電体素子１４の不
活性部が接合される位置には圧電体素子よりも低い剛性
の材料で作られた支持基板１６１をした。

【００２５】より具体的には、支持基板１６２はアルミ
ナ等のセラミック材料やガラス等の高剛性絶縁材料で作
り、支持基板１６１はエポキシやポリイミドといった積
層圧電体素子に比較して剛性の低い樹脂材料で構成し
た。

【００２６】支持基板１６を上記の構成とすることで、
電圧を印加して積層圧電体素子１４が大きく変位する活
性部は高剛性の支持基板１６２で支持されているため、
効率よく変位を振動板７に伝えることが出来る。しか
も、不活性部は低剛性、つまりは柔らかい材料で出来て
いる支持基板１６１で支持されているため、自由に移動
でき、活性部の変位が不活性部に拘束され変位効率が低
下することも無くなった。 更には、不活性部の接合面
近傍での応力も緩和され、内部電極の境界面からの剥離
といった積層圧電素子内部欠陥の発生や接合面の剥離等
も無くなった。また、支持基板１６１と積層圧電体素子
１４の剥離も無くなったため、この境界に形成される導
電性接合部材１５には応力が加わることがなく、電気的
接続が途切れる様な欠陥の発生が無くなった。更には、
加工に多大の費用がかかるセラミック材料を支持基板１
６全体に用いる必要もなくなり、安価なエポキシ材料等
で支持基板１６１を作り、ごく一部の支持基板１６２の
みをセラミック材料で作ることにより、安価な支持基板
１６が形成することができた。

【００２７】図５は本発明の第２の例を説明する圧電ア
クチュエータ１３の断面図である。

【００２８】圧電アクチュエータ１３は支持基板１６と
積層圧電体素子１４とで構成される。支持基板１６は異
なる材料からなる支持基板２６１と支持基板２６２と支
持基板２６３で構成されている。各々の材料の剛性をＡ
（支持基板２６１）、Ｂ（支持基板２６２）、Ｃ（支持
基板２６３）としたとき、Ａ＜Ｂ＜Ｃなる材料を選択す
ることにより、積層圧電体素子１４に加わる応力は第１
の例における構成よりも更に緩和することが出来る。

【００２９】図６は本発明の第３の例を説明する圧電ア
クチュエータ１３の断面図である。

【００３０】圧電アクチュエータ１３は支持基板１６と
積層圧電体素子１４とで構成される。支持基板１６は異
なる材料からなる支持基板３６１と支持基板３６２とで
構成されている。この様な構成とすることで、第１の例
とほぼ同様の効果を得ることが出来る上に、支持基板３
６２の材料は第１の例と比べて節約でき、安価な圧電ア
クチュエータ１３を得ることが出来る。

【００３１】

【発明の効果】上記のように圧電アクチュエータを構成
することにより効率が良く、信頼性に優れた安価な圧電
アクチュエータを提供することが出来る。更に、これを
用いたインクジェットプリントヘッドを構成することに
より、インク吐出特性に優れ、信頼性が高く、安価なイ
ンクジェットプリントヘッドを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の圧電アクチュエータを用いたインク
ジェットプリントヘッドの主要部の分解斜視図である。

【図２】 本実施の第１の例を示すインクジェトプリン
トヘッドの部分断面図である。

【図３】 従来の技術となるインクジェットプリントヘ
ッドの部分断面図である。

【図４】 従来の技術となるインクジェットプリントヘ
ッドの部分断面図である。

【図５】 本発明の第２の例を示す圧電アクチュエータ
の断面図である。

【図６】 本発明の第３の例を示す圧電アクチュエータ
の断面図である。

【符号の説明】

図において、１はノズル、２はオリフィスプレート、３
は圧力室、４はチャンバプレート、５はリストリクタ、
６はリストリクタプレート、７は振動板、８はフィルタ
部、９はダイアフラムプレート、１０は共通インク通
路、１１はハウジング、１２は弾性材料、１３は圧電ア
クチュエータ、１４は積層圧電体素子、１５は導電性接
合部材、１６は支持基板、１７は個別電極、１８共通電
極、２０はインク導入パイプである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電材料と導電材料を交互に積層してなる
   ｄ３３型積層圧電体素子と、これを支持する支持基板と
   で構成される圧電アクチュエータにおいて、 前記支持基板と前記積層圧電体素子との接合部は２種類
   以上の材料からなりたつことを特徴とする圧電アクチュ
   エータ。
2. 【請求項２】インクを蓄える圧力室と、電気信号の印加
   により前記圧力室内に圧力変動を発生させる圧電アクチ
   ュエータと、前記圧力室の壁面の少なくとも一部を形成
   し、前記圧電素子と弾性材料で連結されている振動板
   と、前記圧力室にインクを供給する流路となるリストリ
   クタと、該リストリクタにインクを供給する共通インク
   供給路と、インク液滴を加圧室から噴射するオリフィス
   と、前記圧電素子を固定する圧電素子固定板等によって
   構成された複数のノズルを有し、該ノズルが１列もしく
   は複数列に配置されたインクジェットヘッドにおいて、 前記圧電アクチュエータは、圧電材料と導電材料を交互
   に積層してなるｄ３３型積層圧電体素子と、これを支持
   する支持基板とで構成されており、更に前記積層圧電体
   素子との接合部は２種類以上の材料よりなりたつことを
   特徴とするインクジェットプリントヘッド。