JP2004017284A

JP2004017284A - 液体吐出機構

Info

Publication number: JP2004017284A
Application number: JP2002170888A
Authority: JP
Inventors: Koji Sone; 曽根　浩二; Masatomo Matsui; 松井　昌朋; Toshihiro Yamanishi; 山西　敏弘
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】水及び導電性液体が電極を劣化させることなく印字させることができる液体吐出機構及びその製造方法を提供する。
【解決手段】アクチュエータ隔壁の両側面に配置されたの第１の電極と前記隔壁の内部に配置された第２の電極を設け、前記第１の電極をＧＮＤ、前記第２の電極を信号電極としてあることを特徴とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電セラミックスの隔壁により隔てられた互いに並行する複数のチャンネルを有し、前記チャンネルの隔壁に形成された信号電極への電圧印加の有無に応じて、前記隔壁を変形せしめ、その変形にともなって前記チャンネル内に充填されているインクをそのチャンネルに連通したノズルより選択的に突出せしめる液体吐出機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液体吐出機構として、例えば特開昭６３−２５２７５０号公報に開示のようにインク吐出原理として圧電素子のせん断モード変形を利用したインクジェット記録装置が考えられている。この構成は図１０に示すように、大きく圧電セラミックスのアクチュエータ部材１とカバープレート３とノズルプレート２とプリント配線板７とから構成されている。そのアクチュエータ部材１には、ダイヤモンドプレード等により切削加工された複数のチャンネル１０が形成されている。また、そのチャンネル１０間の隔壁１２は溝深さ方向に分極処理を施されている。
【０００３】
それらのチャンネル１０は同じ深さであり、かつ平行で、チャンネル１０の深さは、図１１に示すようにアクチュエータ部材１の後端面１３に近づくにつれて次第に浅くなっており、後端面１３付近にはチャンネル浅溝１４が形成されている。そして、各チャンネル１０の両側面の上側半分には信号電極４が蒸着等によって形成されている。また、チャンネル浅溝１４においても同様に側面及び底面に信号電極４が蒸着等によって形成されている。これによりチャンネル１０の両側面に形成された信号電極４はチャンネル浅溝１４の底面に形成された信号電極４によって電気的に接続されている。
【０００４】
次に、カバープレート３は、セラミックス材料または樹脂材料等から形成されている。また、カバープレート３には、研削または切削加工等によって、インク供給口９及びマニホールド８が形成されている。そして、アクチュエータ部材１のチャンネル１０の加工側面とカバープレート３のマニホールド８の加工側面とをエポキシ系接着剤１５によって接着されている（図１１）。このようにして、インクジェットヘッドにはチャンネル１０の上面が覆われて横方向に同じ間隔を有する複数のインク流路としてのチャンネル１０が構成される。
【０００５】
図１０に示すように、アクチュエータ部材１及びカバープレート３の端面に、各チャンネル１０の位置に対応した位置にノズル５が位置するようにノズルプレート２が接着されている。このノズルプレート２はポリイミド等のプラスチックによって形成されている。そして、アクチュエータ部材１のチャンネル１０と反対側の面には、プリント配線板７がエポキシ系接着剤等によって接着されている。そのプリント配線板７には各チャンネルの位置に対応した位置に導電性パターン１１が形成されている。その導電性パターン１１とチャンネル浅溝１４の底面の信号電極４はボンディングワイヤ６で接続される。
【０００６】
次に、図１２を用いて隔壁１２の動作を説明する。図１２に２つの隔壁１２に挟まれたチャンネル１０ｃを示す。ここでは、隔壁１２ａ、１２ｂには下向きの分極１６ａ、１６ｂが設けられている。隣接チャンネル１０ａ，１０ｂの電極４ａと４ｂをＯＦＦ電圧となるＧＮＤに、吐出チャンネル１０ｃの電極４ｃにＯＮ電圧となるＶを印加すると、電極４ａ，４ｂと電極４ｃとの間に挟まれた圧電セラミックス部分に電界１７ａ、１７ｂが発生し、せん断力により吐出チャンネル１０ｃの容積を収縮する方向へ隔壁１２ａ、１２ｂが変形する。このようにして、吐出チャンネル１０ｃの内部に充填されているインクに正の圧力が加えられてノズルからインク吐出がおこなわれる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のような従来の構成では、吐出チャンネルの電極に電圧を印加したとき、非吐出チャンネルの電極との間に電位差が発生しインクに電気が流れるため、水性インクなどの導電性インクを使用すると電気・化学的な反応により電極が劣化されて、前記隔壁の変形が十分に行われなくなり、印字品質が悪くなるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、水及び導電性インクが電極を劣化させることなく印字させることができる液体吐出機構を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の液体吐出機構は、前記隔壁の両側面に第１の電極に配置し、隔壁内部に第２の電極を配置して、前記第１の電極をＧＮＤとし、前記第２の電極をインク吐出用の信号電極として用いることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の液体吐出機構は、圧電セラミックスの隔壁により隔てられたチャンネルあるいは前記チャンネルが平行に複数配置されており、前記チャンネルの隔壁に形成された信号電極への電圧印加の有無に応じて、前記隔壁を変形せしめ、その変形にともなって前記チャンネル内に充填されている液体をそのチャンネルに連通したノズルにより選択的に吐出せしめ、前記隔壁の内部に電極が配置してあることを特徴とする液体吐出機構であり、隔壁内部に電極を配置することで水及び導電性液体で電極を劣化させることなく良好な印字を実現しうるものである。
【００１１】
次に、本発明の請求項２に記載の液体吐出機構は、前記隔壁の両側面に配置された第１の電極と、前記隔壁の内部に配置された第２の電極とを設け、前記隔壁の圧電セラミックスの分極方向が前記第１の電極の一方から前記第１の電極の他方に向かう方向に配置されることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出機構であり、前記隔壁内部の電極を用いて効率の良いバイモルフ変形を実現しうるものである。
【００１２】
次に、本発明の請求項３に記載の液体吐出機構は、前記第１の電極を共通電極とし、前記第２の電極を各チャンネルの信号電極として構成したことを特徴とする請求項第２に記載の液体吐出機構であり、インクに接する第１の電極を全て同電位にすることでチャンネルの電極同士で電位が発生しなくなるため、水及び導電性インクにおいても電極の劣化が防止される。
【００１３】
次に、本発明の請求項４に記載の液体吐出機構は、前記チャンネルを構成している圧電セラミック領域全面に前記第１の電極が形成してあることを特徴とする請求項第２に記載の液体吐出機構であり、圧電セラミック成分の鉛などの金属イオンが水及び導電性液体に溶出しインク物性に悪影響を与えることを防ぐものである。
【００１４】
次に、本発明の請求項５に記載の液体吐出機構は、前記隔壁を構成する圧電セラミックス部材が積層セラミックスであることを特徴とする請求項第２に記載の液体吐出機構であり、内部電極を有する前記隔壁の形成を実現しうるものである。
【００１５】
次に、本発明の請求項６に記載の液体吐出機構は、前記第２の電極の長さが隔壁の高さより短いことを特徴とした請求項第２に記載の液体吐出機構であり、前記隔壁を効率よく変形せしめるものである。
【００１６】
（実施の形態１）
以下図１〜９を参照して本発明の実施例を説明する。なお、図１０〜１２で示した従来例と実質的に同一な構成部品には同一符号を付している。
【００１７】
まず、図１を用いて請求項１、２、３、５及び本発明の液体吐出機構の構造と駆動原理を説明する。図１に２つの隔壁１２ａ、１２ｂに挟まれたチャンネル１０ｃを示す。各隔壁１２ａ、１２ｂの分極１６ａ、１６ｂは、第１の電極１８ａから１８ｃの方向に設けてある。隔壁１２ａ，１２ｂの表面には、吐出チャンネル１０ｃ側の第１の電極１８ｃと隣接チャンネル１０ａ，１０ｂ側の第１の電極１８ａ，１８ｂが設けられており、各々共通電極となってＧＮＤに接地してある。一方、隔壁１２ａ，１２ｂの内部に信号電極として第２の電極１９ａ，１９ｂが設けられている。
【００１８】
以上の構成で、第２の電極１９ａ，１９ｂに正の電圧Ｖが印加されると隔壁１２ａ，１２ｂの圧電セラミックスに電界１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄが発生する。第１の電極１８ａ、１８ｂと第２の電極１９ａ，１９ｂとの間の圧電セラミックスには分極１６ａ，１６ｂと電界１７ａ、１７ｄが各々対向するので、縦方向に収縮する。一方、第１の電極１８ｃと第２の電極１９ａ，１９ｂとの間の圧電セラミックスには分極１６ａ，１６ｂと電界１７ｂ、１７ｃが同方向となるので縦方向に伸びる。従って、隔壁１２ａ，１２ｂはバイモルフ型アクチュエータとなって、吐出チャンネル１０ｃの容積を収縮する方向へ両隔壁１２ａ，１２ｂが変形する。このようにして、吐出チャンネル１０ｃの内部に充填されているインクに正の圧力が加えられてノズルからインク吐出が行われる。
【００１９】
上記構成によれば、信号電極はインクと接触しない隔壁内部に配置され、インクと接する隔壁表面の電極は、全てＧＮＤの共通電極となっており、インクへの電位差が発生しないので、インクとの電気・化学的反応による電極劣化が発生しない。また、隔壁の分極を第１の電極の一方から第１の電極の他方に向かう方向にすることで第２の電極に電圧が印加された時に隔壁の半分は収縮動作をもう一方の半分は膨張動作が行われバイモルフ効果による変形を発生させることができる。
【００２０】
なお、第２の電極１９は、隔壁の長さより短くしてある。これは、隔壁の中心付近がバイモルフ効果によって変形するとき、その根元付近では中心付近と反対方向の変形になるためで変形効率を上げる効果がある。
つぎに、図２〜図９を用いて、請求項４、５及び本発明のインクジェットヘッドの製造方法を説明する。
【００２１】
まず、図２に示す様に、圧電セラミック粉とバインダーを混練した材料から焼成後厚さ約１６０μｍのグリーンシートからなるアクチュエータ部材１を形成する。
【００２２】
次に、図３に示す様にＮｉ等の導電性ペーストを印刷して長さ約１９０μｍの第２の電極１９を形成する。
【００２３】
次に図４に示す様に各アクチュエータ部材１の導電性ペースト同士を精度良く位置合わせして加圧焼成処理し、第２の電極１９ａ，１９ｂを内臓する積層圧電セラミックを形成する。
【００２４】
次に図５に示す様に第２の電極１９の間の圧電セラミックスに幅約８０μｍで長さ約５００μｍのチャンネル１０ａ，１０ｂ，１０ｃを切削加工にて形成する。この様に積層圧電セラミックスを用いることで、容易に第２の電極１９ａ，１９ｂを内臓する隔壁１２ａ，１２ｂを製作できる。
【００２５】
次に、第６図に示す様にチャンネル１０ａ，１０ｂ，１０ｃ内部全面に無電解法などによりＡｕ電極鍍金を施し第１の電極１８ａ，１８ｂ，１８ｃを形成する。電極をチャンネルの圧電セラミックス露出部分に被覆することによって、圧電材料に含まれる不安定なＰｂＯからＰｂイオンが、水などの導電性インクに溶出することを防ぎ電極及びインクの劣化を防止する。
【００２６】
次に図７に示す様にアクチュエータ部材１のチャンネル上端面にカバープレート３を、チャンネルの前面にノズルプレート２をノズル５がチャンネル１０ｃの中心に位置するよう調整して接着する。
【００２７】
次に図８に示す様に第１の電極１８ａ、１８ｂ、１８ｃを分極電源２０に接続して約２ｋＶ／ｍｍの分極電圧を印加し、隔壁１２ａ，１２ｂの分極処理を行う。第１の電極１８ａ、１８ｂを正の電圧にした場合、第１の電極１８ａ，１８ｂから第１の電極１８ｃの方向に向かって分極１７ａ１７ｂが形成される。
【００２８】
次に、図９に示す様に第１の電極１８ａ、１８ｂ、１８ｃをＧＮＤへ、第２の電極１９ａ，１９ｂを信号電極電源２１に接続する。
【００２９】
以上の製造方法によれば、インクに接するチャンネルの電極同士で電位差を生ずることなく、隔壁内部の信号電極により隔壁を変形せしめ、電極の劣化なく導電性インクでの印字が実現できる。
【００３０】
本実施例において、積層圧電セラミックスはグリーンシートによる焼成工法で形成したが、ＨＩＰ処理して形成したバルクをスライス、研磨して圧電セラミックスの薄板を形成し、電極を印刷した後、接着剤による接合工法にて形成しても良い。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本願発明によれば、信号電極を吐出する液体と接触しない隔壁内部に配置しており、前記液体と接する隔壁表面の電極は全て共通電極として接地しているため、前記液体への電位差が発生しない。従って、吐出する液体との電気・化学的反応による信号電極を劣化させることなく長期間に渡り安定した高品質の印字が可能となる。また、隔壁の分極を第１の電極の一方から第１の電極の他方に向かう方向にすることで第２の電極に電圧が印加された時に隔壁の半分は収縮動作をもう一方の半分は膨張動作が行われバイモルフ効果による変形を行うことにより、電圧効率の高い液体吐出機構を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体吐出機構の構造と動作説明図
【図２】本発明の液体吐出機構の製造方法におけるアクチュエータ部材製作工程を示す図
【図３】本発明の液体吐出機構の製造方法における導電性パターン形成工程を示す図
【図４】本発明の液体吐出機構の製造方法におけるアクチュエータ部材の接合工程を示す図
【図５】本発明の液体吐出機構の製造方法におけるチャンネルの形成工程を示す図
【図６】本発明の液体吐出機構の製造方法におけるチャンネルへの電極形成工程を示す図
【図７】本発明の液体吐出機構の製造方法におけるカバーとノズル板の接着工程を示す図
【図８】本発明の液体吐出機構の製造方法における分極処理工程を示す図
【図９】本発明の液体吐出機構の製造方法における電極接続工程を示す図
【図１０】従来のせん断モード型インクジェットヘッドの分解斜視図
【図１１】従来のせん断モード型インクジェットヘッドの側断面図
【図１２】従来のせん断モード型インクジェットヘッドの構造と動作説明図
【符号の説明】
１　アクチュエータ部材
２　　ノズルプレート
３　　カバープレート
４　　信号電極
５　　ノズル
６　ボンディングワイヤ
７　プリント配線板
８　マニホールド
９　　インク供給口
１０　　チャンネル
１１　　導電性パターン
１２　　隔壁
１３　　アクチュエータ部材後端面
１４　　チャンネル浅溝
１５　　エポキシ系接着剤
１６　　分極
１７　　電界
１８　　第１の電極
１９　第２の電極
２０　分極用電源
２１　信号電極電源

Claims

圧電セラミックスの隔壁により隔てられたチャンネルあるいは前記チャンネルが平行に複数配置されており、前記チャンネルの隔壁に形成された信号電極への電圧印加の有無に応じて、前記隔壁を変形せしめ、その変形にともなって前記チャンネル内に充填されている液体をそのチャンネルに連通したノズルにより選択的に吐出せしめ、前記隔壁の内部に電極が配置してあることを特徴とする液体吐出機構。
前記隔壁の両側面に配置された第１の電極と、前記隔壁の内部に配置された第２の電極とを設け、前記隔壁の圧電セラミックスの分極方向が前記第１の電極の一方から前記第１の電極の他方に向かう方向に配置されることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出機構。
前記第１の電極を共通電極とし、前記第２の電極を各チャンネルの信号電極として構成したことを特徴とする請求項第２に記載の液体吐出機構。
前記チャンネルを構成している圧電セラミック領域全面に前記第１の電極が形成してあることを特徴とする請求項第２に記載の液体吐出機構。
前記隔壁を構成する圧電セラミックス部材が積層セラミックスであることを特徴とする請求項第２に記載の液体吐出機構。
前記第２の電極の長さが隔壁の高さより短いことを特徴とした請求項第２に記載の液体吐出機構。