JP2003025572A - 圧電アクチュエータ及びその製造方法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】 長尺のインクジェットプリントヘッドにおい
ては、流路形成部材と積層圧電素子、及び積層圧電素子
を支持する部材との熱膨張係数の違いに起因する位置ず
れ及び変形により、インク吐出速度のばらつきや積層圧
電素子の寿命等のインクジェットプリントヘッド特性に
悪影響を及ぼしていた。これが、印刷物の印字ムラや、
インクジェットプリントヘッド故障の発生要因となる。 【解決手段】 ベース部材は板状に形成され、支持基板
はベース部材の両平面に、対称な位置に、同寸法形状で
固着され、更に、ベース部材と流路形成部材とを等しい
線膨張率を有する材料で構成するようにした。

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する圧電アクチュエータ及び
その製造方法に関する。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
ンク像を形成するプリンタのインクジェットプリントヘ
ッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、圧電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。この中で、
ｄ３３型積層圧電素子を用いた圧電アクチュエータの形
状に関する従来例として、積層圧電素子の振動面を、ノ
ズルの開口部に対向して配置し、印字ヘッドの大型化に
対処したことを特徴とするオンデマンド型インクジェッ
トプリントヘッドが、特許第３１５６４１１号に記載さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、低温、
あるいは高温環境下で使用されるインクジェットプリン
トヘッド、特に、長尺なインクジェットプリントヘッド
においては、流路形成部材と積層圧電素子、及び積層圧
電素子を支持する部材との熱膨張係数の違いに起因する
位置ずれ及び変形により、インク吐出速度のばらつきや
積層圧電素子の寿命等のインクジェットプリントヘッド
特性に悪影響を及ぼしていた。これにより、印刷物の印
字ムラや、インクジェットプリントヘッド故障の発生要
因となっていた。

【０００４】本発明の目的は、圧電素子を容易に、しか
も高密度で長尺に配置でき、吐出特性の良好な、長寿命
のインクジェットプリントヘッドを提供することであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、圧電材料及び導電材料を交互に積層し
て成る複数のｄ３３型積層圧電素子と、これを支持する
支持基板と、前記複数の支持基板を保持するベース部材
とで構成される圧電アクチュエータにおいて、前記ベー
ス部材は板状に形成され、前記支持基板は前記ベース部
材の両平面に、且つ対称な位置に、略同寸法形状で固着
されていることを特徴とする。

【０００６】また、隣接する前記支持基板間には隙間部
があることを特徴とする。

【０００７】また、前記支持基板間の隙間部は前記ベー
ス部材と固着しない領域であることを特徴とする。

【０００８】また、複数の前記支持基板と対向する前記
ベース部材の領域には凸部が形成されていることを特徴
とする。

【０００９】また、前記支持基板の外縁部は薄肉で、前
記ベース部材と固着しない領域であることを特徴とす
る。

【００１０】また、前記支持基板は板状に形成され、前
記積層圧電素子は前記支持基板の端面に固定されている
ことを特徴とする。

【００１１】また、前記支持基板は、絶縁性部材の両面
に配線パターンが形成されていることを特徴とする。

【００１２】また、前記支持基板はセラミックであるこ
とを特徴とする。

【００１３】また、前記支持基板と前記ベース部材はシ
ョア硬度６０（Ａスケール）以上、９０以下の接着剤で
固着されていることを特徴とする。また、前記支持基板
と前記ベース部材の固着は室温硬化の接着剤で行うこと
を特徴とする。

【００１４】また、インクを蓄える圧力室、圧力室の壁
面の少なくとも一部を形成している振動板、圧力室にイ
ンクを供給する流路であるリストリクタ、該リストリク
タにインクを供給する共通インク通路、及びインク滴を
圧力室から吐出するノズルで構成される流路形成部と、
前記振動板に連結される圧力発生手段とを有するインク
ジェットプリントヘッドにおいて、前記圧力発生手段と
して圧電アクチュエータを用いることを特徴とする。

【００１５】また、前記ベース部材と前記流路形成部
は、等しい線膨張率を有する材料で構成されることを特
徴とする。

【００１６】また、前記ベース部材と前記流路形成部は
ステンレス材料で構成されることを特徴とする。

【００１７】また、前記ベース部材と前記流路形成部材
は、対向する部分に凹部、凸部を有し、互いに嵌合して
配置されていることを特徴とする。

【００１８】また、前記ベース部材と前記流路形成部材
で構成される隙間部には、熱伝導性部材が充填されてい
ることを特徴とする。

【００１９】また、前記積層圧電素子の駆動を各支持基
板単位で時分割して駆動することを特徴とする。

【００２０】また、複数の積層圧電素子を支持基板に等
間隔で固定する工程と、２枚の支持基板を前記ベース部
材の両平面に固着する工程と、両面対称な位置で支持基
板を分割することを特徴とする。

【００２１】更に、バルク状積層圧電素子を支持基板に
固定する工程と、２枚の支持基板を前記ベース部材の両
平面に固着する工程と、バルク状積層圧電素子をノズル
配列に対応するピッチで電気的に独立となるよう分割
し、特定の分割数毎に支持基板まで同時に分割する工程
であることを特徴とする。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づいて説
明する。図１は、本発明の第１例を示すインクジェット
ヘッドの構造及び部品構成を説明する斜視図であり、図
２は、本発明の第１例を示す圧電アクチュエータの構造
及び部品構成を説明する斜視図であり、図３は、本発明
の第１例の組み立て状態を示す断面図である。

【００２３】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に、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。また、イ
ンク中の各種溶液からの腐食に耐えることが必要なた
め、オリフィスプレート２はニッケルの電鋳加工、ステ
ンレス板等の精密プレス加工法、またはレーザ加工法等
により形成される。４は圧力室３が形成されたチャンバ
プレートである。６は共通インク供給路１２と圧力室３
とを連通し、圧力室３へのインク流入量を制御するリス
トリクタ５を形成したリストリクタプレートである。チ
ャンバプレート４、リストリクタプレート６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
法等で作られる。９は圧電素子１５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１２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であ
る。ダイアフラムプレート９は、厚みが約１０μｍのス
テンレス材で製造され、フィルタ部８はノズル１の穴径
よりも小さな無数の微細穴をレーザ加工で形成される。
その他、ダイアフラムプレート９は、ニッケル電鋳膜か
らも同様の性能のものを製造可能である。１３は共通イ
ンク通路１２を形成したハウジングであり、ステンレス
合金で作られ、外部インクタンクからインクを共通イン
ク通路１２まで導くインク導入パイプ１４が接合されて
いる。オリフィスプレート２、チャンバプレート４、リ
ストリクタプレート６、ダイアフラムプレート９、及び
ハウジング１３は個々に接着剤を適量塗布した後、位置
決めを行い、重ね合わせて圧着することにより一体化さ
せる。

【００２４】図３の断面図において、一体化した部材の
各ノズルに対応する振動板７に、別途組み立てられた圧
電アクチュエータ２１の積層圧電素子１５の自由端に接
着剤を塗布した状態で位置合わせした後、圧接する。積
層圧電素子１５の自由端に接着剤を塗布する方法は、転
写法または印刷法で行う。

【００２５】圧電アクチュエータ２１に接続されたフレ
キシブルケーブル２２は、外部駆動回路と接続されてい
る。外部駆動回路から選択的な電気信号がフレキシブル
ケーブルを介して圧電アクチュエータ２１の積層圧電素
子１５に印加されることにより、積層圧電素子１５はひ
ずみを生じる。積層圧電素子１５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
を与えて圧力室３の圧力を高め、ノズル１からインクを
吐出する。本例にて説明する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記録媒体上にインク画像を
形成する。

【００２６】次に、圧電アクチュエータ２１の構成を図
２に基づき述べる。複数個の積層圧電素子１５は、支持
基板１６に一定の間隔で並べられて、接着固定されてい
る。支持基板１６は、積層圧電素子１５の変位を振動板
７に効率よく伝えることが必要なため、剛性の高いこと
が望ましい。この例において、支持基板１６は板状に形
成され、積層圧電素子１５は支持基板１６の端面に固定
されることにより、ｄ３３型積層圧電素子１５の変位方
向に対してのみ、支持基板１６の実質的厚さが確保で
き、少ない材料で高剛性の支持基板１６が実現できる。

【００２７】更には、支持基板１６は積層圧電素子１５
の変位を振動板７に効率よく伝えるために、ヤング率の
高い材料であることが望ましい。詳しくは、材料のヤン
グ率と密度との積の１／２乗で示される固有音響インピ
ーダンスが積層圧電素子の固有音響インピーダンスより
も大きいことが望ましい。

【００２８】更には、支持基板１６の線膨張係数は積層
圧電素子１５と等しいことが、積層圧電素子１５と支持
基板１６の接着強度を長時間、温度変化に対して安定し
て維持させることに対して望ましく、ここでは支持基板
１６としてセラミック基板を用いている。

【００２９】更には、外部駆動回路から選択的な電気信
号を積層圧電素子１５へ伝えるための配線を備えること
が必要で、このため、支持基板１６は絶縁性部材である
ことが望ましく、図２の場合は、支持基板１６として、
両面に個別配線１７と共通配線１８の配線パターンが形
成されたセラミック基板を用いる。複数個の積層圧電素
子１５が接着された支持基板１６は、ベース部材２０の
両平面に、同寸法のものを対称な位置に位置決めして接
着固定される。このような構造とすることで、ベース部
材２０と支持基板１６との線膨張係数の差に起因する圧
電アクチュエータの変形が防止できる。

【００３０】また、ベース部材２０も、積層圧電素子１
５の変位を振動板７に効率よく伝えることが必要なた
め、積層圧電素子１５の変位方向に剛性の高いことが望
ましい。そのため、ベース部材２０は、軽く且つ変位方
向に厚くなるように、板状に形成される。

【００３１】図２において、支持基板１６がベース部材
２０の両平面に、夫々３個固定されているが、固定され
る数は本例に限定されるものではない。同じ長さ当たり
の固定数が多くなればなる程、ベース部材２０と支持基
板１６との線膨張係数の差に起因する圧電アクチュエー
タ２１の変形は少なくなる。しかし、接着の手間が掛か
り、実用的ではない。従って、インクジェットプリンタ
の使用温度や熱による変形が生じる場合において、圧電
アクチュエータの特性が、実用上、影響を受けない範囲
内で、支持基板１６の固定数は決定される。

【００３２】図３において、ベース部材２０と流路形成
部１０は、等しい線膨張率を有する材料で構成されるこ
とが、積層圧電素子１５と振動板７の安定な位置精度の
維持や、積層圧電素子１５と振動板７に発生する熱スト
レスの発生防止に望ましく、本例ではベース部材２０
を、流路形成部１０と同じステンレスで構成している。

【００３３】更には、圧電アクチュエータ２１と流路形
成部１０の間にも温度差が生じないことが、積層圧電素
子１５と振動板７の安定な位置精度の維持や、積層圧電
素子１５と振動板７に発生する熱ストレスの発生防止に
望ましい。図４の例においては、ベース部材２０と流路
形成部材１０は対向する部分に嵌合するよう凹部、凸部
を形成し、互いに微小の隙間を維持する、入り組んだ配
置とすることにより、対向する部位の表面積が増し、従
って、熱交換面積が増し、温度差が少なくなる効果が確
認されている。勿論、図５の例において、ベース部材２
０と流路形成部材１０の隙間に直接、シリコングリー
ス、シリコンゴム等の熱伝導性部材２３を充填する構成
もまた、温度差が少なくなる効果が確認されている。

【００３４】ところで、支持基板１６がベース部材２０
に固定される部位は、向かい合う面全面である必要は無
く、むしろ、実用接着強度が得られる範囲で狭いほう
が、ベース部材２０と支持基板１６との線膨張係数の差
に起因する圧電アクチュエータの変形は小さい。図６に
おいて、ベース部材２０の支持基板１６を取り付ける面
の一部には凸部が設けられ、支持基板１６の中央部での
み、ベース部材２０と接着剤３０で接着可能とする。同
様に、図８における例では、支持基板１６のベース部材
２０に取り付けられる面に段差が設けられ、支持基板１
６の中央部でのみベース部材２０と接着剤３０で接着可
能とする。

【００３５】このように、支持基板１６の中央のみ接着
領域とし、支持基板間の隙間部はベース部材２０と固着
しない領域とする構成を採ることで、線膨張係数の差に
起因する圧電アクチュエータの変形が少なくなる。更
に、図１０に示すように（図１０は誇張して描かれてい
る）、各部品精度のばらつき等により引き起こされる流
路形成部材１０の変形に対しても、複数の支持基板１６
は接着面３０のずり変形により、その積層圧電素子１５
の自由端を流路形成部材１０の振動板７の適正な位置に
配置することが出来る。この効果を得るために、隣接す
る支持基板１６間には支持基板１６が微動できる適度な
隙間が必要である。

【００３６】また、支持基板１６とベース部材２０とを
固定する接着剤３０を柔軟にすることで、このような効
果は大きくなるが、逆に柔らか過ぎると圧電アクチュエ
ータ２１の効率も低下する。実用的に圧電アクチュエー
タ２１の効率を下げることなく、流路形成部材１０の変
形に対応できるためには、支持基板１６とベース部材２
０は、ショア硬度６０（Ａスケール）以上９０以下の接
着剤で固着されることが望ましい。更に、組立工程時に
加わる温度で熱ストレスが発生しないことが望ましく、
接着面３０は室温硬化の接着剤が適する。

【００３７】更なる効果として、積層圧電素子１５の駆
動を別々の各支持基板１６単位で、時分割して行うこと
により、駆動時の振動が直接、支持基板１６を経由して
他の積層圧電素子１５へ伝わることが無くなり、吐出特
性が大幅に改善される。

【００３８】次に、圧電アクチュエータ２１の本発明に
よる製造方法を、図１１に基づき詳細に述べる。図１１
（ａ）及び（ｂ）において、１枚の支持基板１６の端部
に積層圧電素子１５を複数個、一定の間隔で並べて接着
固定する。尚、図１１においては、支持基板１６と配線
パターンを省略している。次に、図１１（ｃ）におい
て、ベース部材２０の両平面に、図１１（ｂ）において
製造された積層圧電素子１５が固定された支持基板１６
を接着剤３０で固着する。次に、図１１（ｄ）におい
て、ベース部材２０の両平面に固着した支持基板１６
を、両平面に対称な位置で切断、分割する。両平面に対
称な位置で分割したことにより、ベース部材２０と支持
基板１６との線膨張係数の差に起因する圧電アクチュエ
ータの変形は完全に防止できた。切断にはダイヤモンド
製のダイサードブレード４０を利用したダイシングソー
を用いる。ダイサードブレード４０で支持基板１６を切
断することにより、ダイサードブレード４０の厚さ分だ
け分割された各支持基板１６間には隙間が正確に形成さ
れる。本例では、ベース部材２０の両平面に固着した支
持基板１６を、ダイサードブレード４０により３分割し
たが、分割数はこれに限定されるものでは勿論無い。

【００３９】更に、本発明の他の例による圧電アクチュ
エータの製造方法を図１２に基づき詳細に述べる。図１
２（ａ）及び（ｂ）において、１枚の支持基板１６の端
部にバルク状積層圧電素子２５を接着固定する。図１２
（ｃ）において、ベース部材２０の両平面に、前工程に
おいて製造されたバルク状積層圧電素子２５が固着され
た支持基板１６を接着剤３０で固着する。次に図１２
（ｄ）において、バルク状積層圧電素子２５をノズル配
列に対応したピッチで、電気的に独立した積層圧電素子
１５となるようダイサードブレード４０で分割する。図
１２（ｅ）において、バルク状積層圧電素子２５を分割
する同じダイサードブレード４０でバルク状積層圧電素
子２５を分割する時の特定の分割数毎に、ベース部材２
０の両平面の対称な位置で支持基板１６まで同時に分割
する。この製造方法により、個々の支持基板１６を後か
ら精密に位置決めして接着する煩雑な工程が無くなり、
且つ、より正確にベース部材２０に対して支持基板１６
を構成することが出来る。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、積層圧電素子を支持基板に固定し、更に、支持基板
をベース部材に固定した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において、ベース部材は板
状に形成され、支持基板はベース部材の両平面に、対称
な位置に、同寸法形状で固着され、更に、ベース部材と
流路形成部材とを等しい線膨張率を有する材料で構成す
るようにした。これにより積層圧電素子を容易に高密度
で長尺に配置でき、吐出特性の良好な、長寿命のインク
ジェットプリントヘッドを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第一例を示すインクジェットプリン
トヘッドの構造及び部品構成を説明する斜視図である。

【図２】 本発明の第一例を示す圧電アクチュエータの
構造及び部品構成を説明する斜視図である。

【図３】 本発明の第一例によるインクジェットプリン
トヘッドの組み立て状態を示す断面図である。

【図４】 本発明の他の例によるインクジェットプリン
トヘッドの組み立て状態を示す断面図である。

【図５】 本発明の他の例によるインクジェットプリン
トヘッドの組み立て状態を示す断面図である。

【図６】 本発明の第一例による圧電アクチュエータの
組み立て状態を示す上面図である。

【図７】 図６の平面図である。

【図８】 本発明の他の例による圧電アクチュエータの
組み立て状態を示す上面図である。

【図９】 図８の平面図である。

【図１０】 圧電アクチュエータと流路形成部材の組み
立て状態を示す断面図である。

【図１１】 本発明になる圧電アクチュエータの第一例
となる製造工程を示す図である。

【図１２】 本発明になる圧電アクチュエータの第ニ例
となる製造工程を示す図である。

【符号の説明】

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は流路形成部材、１１は流路形
成部材凸部、１２は共通インク供給路、１３はハウジン
グ、１４はインク導入パイプ、１５は積層圧電素子、１
６は支持基板、１７は個別配線、１８は共通配線、１９
はベース部材凹部、２０はベース部材、２１は圧電アク
チュエータ、２２はフレキシブルケーブル、２３は熱伝
導性部材、２５はバルク状積層圧電素子、３０は接着
剤、４０はダイサーブレード。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 41/22 (72)発明者 高萩 浩 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 (72)発明者 久貝 健一 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 Ｆターム(参考） 2C057 AF37 AF65 AG12 AG47 AG99 AM19 AP22 AP25

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電材料及び導電材料を交互に積層して成
   る複数のｄ３３型積層圧電素子と、これを支持する支持
   基板と、前記複数の支持基板を保持するベース部材とで
   構成される圧電アクチュエータにおいて、 前記ベース部材は板状に形成され、前記支持基板は前記
   ベース部材の両平面に、且つ対称な位置に、略同寸法形
   状で固着されていることを特徴とする圧電アクチュエー
   タ。
2. 【請求項２】隣接する前記支持基板間には隙間部がある
   ことを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 【請求項３】前記支持基板間の隙間部は前記ベース部材
   と固着しない領域であることを特徴とする請求項２記載
   の圧電アクチュエータ。
4. 【請求項４】複数の前記支持基板と対向する前記ベース
   部材の領域には凸部が形成されていることを特徴とする
   請求項１記載の圧電アクチュエータ。
5. 【請求項５】前記支持基板の外縁部は薄肉で、前記ベー
   ス部材と固着しない領域であることを特徴とする請求項
   １記載の圧電アクチュエータ。
6. 【請求項６】前記支持基板は板状に形成され、前記積層
   圧電素子は前記支持基板の端面に固定されていることを
   特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
7. 【請求項７】前記支持基板は、絶縁性部材の両面に配線
   パターンが形成されていることを特徴とする請求項１記
   載の圧電アクチュエータ。
8. 【請求項８】前記支持基板はセラミックであることを特
   徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
9. 【請求項９】前記支持基板と前記ベース部材はショア硬
   度６０（Ａスケール）以上、９０以下の接着剤で固着さ
   れていることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュ
   エータ。
10. 【請求項１０】前記支持基板と前記ベース部材の固着は
    室温硬化の接着剤で行うことを特徴とする請求項１記載
    の圧電アクチュエータ。
11. 【請求項１１】インクを蓄える圧力室、圧力室の壁面の
    少なくとも一部を形成している振動板、圧力室にインク
    を供給する流路であるリストリクタ、該リストリクタに
    インクを供給する共通インク通路、及びインク滴を圧力
    室から吐出するノズルで構成される流路形成部と、前記
    振動板に連結される圧力発生手段とを有するインクジェ
    ットプリントヘッドにおいて、前記圧力発生手段として
    請求項１記載の圧電アクチュエータを用いることを特徴
    とするインクジェットプリントヘッド。
12. 【請求項１２】前記ベース部材と前記流路形成部は、等
    しい線膨張率を有する材料で構成されることを特徴とす
    る請求項１１記載のインクジェットプリントヘッド。
13. 【請求項１３】前記ベース部材と前記流路形成部はステ
    ンレス材料で構成されることを特徴とする請求項１１記
    載のインクジェットプリントヘッド。
14. 【請求項１４】前記ベース部材と前記流路形成部材は、
    対向する部分に凹部、凸部を有し、互いに嵌合して配置
    されていることを特徴とする請求項１１記載のインクジ
    ェットプリントヘッド。
15. 【請求項１５】前記ベース部材と前記流路形成部材で構
    成される隙間部には、熱伝導性部材が充填されているこ
    とを特徴とする請求項１１記載のインクジェットプリン
    トヘッド。
16. 【請求項１６】前記積層圧電素子の駆動を各支持基板単
    位で時分割して駆動することを特徴とする請求項１１記
    載のインクジェットプリントヘッド。
17. 【請求項１７】複数の積層圧電素子を支持基板に等間隔
    で固定する工程と、２枚の支持基板を前記ベース部材の
    両平面に固着する工程と、両面対称な位置で支持基板を
    分割することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方
    法。
18. 【請求項１８】バルク状積層圧電素子を支持基板に固定
    する工程と、２枚の支持基板を前記ベース部材の両平面
    に固着する工程と、バルク状積層圧電素子をノズル配列
    に対応するピッチで電気的に独立となるよう分割し、特
    定の分割数毎に支持基板まで同時に分割する工程である
    ことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。