JP2808731B2 - 圧電式インクジェットプリンタヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は圧電式インクジェットプリンタヘッドに係
り、特に、圧電トランスデューサとして積層圧電セラミ
ックス素子を用いたプリンタヘッドに関するものであ
る。

［従来技術］ プリンタヘッドに圧電式インクジェットを利用したも
のが近年提案されている。これは、一対の弁で仕切られ
たインク室の容積を圧電トランスデューサのプッシュプ
ル作用によって変化させることにより、その容積減少時
にインク室内のインクを一方の弁を通して噴射し、容積
増大時に他方の弁からインク室内にインクを導入するよ
うにしたもので、ドロップオンデマンド方式と呼ばれて
いる。そして、このような噴射装置を多数互いに近接し
て配設し、所定の位置の噴射装置からインクを噴射させ
ることにより、所望する文字や画像を形成するのであ
る。かかる圧電式インクジェットプリンタヘッドによれ
ば、インパクト方式に比較して低騒音であり、熱転写方
式に比較してランニングコストが安いなどの利点があ
る。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の圧電式インクジェットプリ
ンタヘッドにおいては、１つの噴射装置に１つの圧電ト
ランスデューサが用いられているため、高解像度で広い
範囲の印字を行うために多数の噴射装置を密集して配置
しようとすると、その構造が複雑で製造工数が多く、高
価になるという問題があった。

また、上記圧電トランスデューサの寸法は加工の制約
上あまり小さくできないため、１つ１つの噴射装置の小
型化が困難で解像度が制限されるという別の問題も含ん
でいた。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、そ
の目的とするところは、構造が簡単で製造コストが安
く、しかも高い解像度が得られる圧電式インクジェット
プリンタヘッドを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ かかる目的を達成するために、本発明は、圧電トラン
スデューサを用いてインク室の容積を変化させることに
よりそのインク室内のインクを噴射する噴射装置を多数
備えた圧電式インクジェットプリンタヘッドにおいて、
（ａ）圧電セラミックス層および内部電極層が交互に複
数積層されるとともにその圧電セラミックス層は内部電
極層に分極電圧が印加されることにより積層方向に分極
させられ、外部電極を介して分極方向と垂直方向に駆動
電圧が印加されることにより滑り効果によってその内部
電極層の一部が積層方向に対して垂直な方向へそれぞれ
独立に変位させられる積層圧電セラミックス素子が、前
記圧電トランスデューサとして複数の噴射装置に跨がっ
て用いられているとともに、（ｂ）その積層圧電セラミ
ックス素子の前記内部電極層が、前記圧電セラミックス
層のキュリー温度よりも低い所定の温度以上で電気抵抗
が減少して導電体となる負温度特性のサーミスタ材料に
て構成されていることを特徴とする。

ここで、上記圧電セラミックス層を構成する圧電セラ
ミックス材料としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛
（PZT）系、チタン酸鉛（PT）系等の強誘電性を有する
セラミックス材料が用いられる。また、内部電極層を構
成するサーミスタ材料としては、例えば酸化ニッケル
（NiO）、酸化コバルト（CoO）、酸化マンガン（MnO）
等の主成分とするスピネル系材料や酸化バナジウム（Ｖ
−０）系の急変サーミスタ材料等が好適に用いられる。

［作用および発明の効果］ このような圧電式インクジェットプリンタヘッドにお
いては、複数の噴射装置に跨がって配設された積層圧電
セラミックス素子の所定の外部電極間に駆動電圧が印加
されることにより、その外部電極間に位置する圧電セラ
ミックス層の滑り効果による変形に従って、一部の内部
電極層が積層方向と垂直な方向へ変位させられ、対応す
る噴射装置からインクが噴射されるのであるが、１つの
積層圧電セラミックス素子が複数の噴射装置のトランス
デューサとして用いられるため、構造が簡略化され、製
造工数が少なくなって製造コストが低減される。

また、上記積層圧電セラミックス素子の内部電極層
は、圧電セラミックス層のキュリー温度より低い所定の
温度以上で電気抵抗が減少して導電体となる負温度特性
のサーミスタ材料にて構成されているため、その積層圧
電セラミックス素子自体の製造も容易で小型化すること
が可能なのである。すなわち、そのサーミスタ材料およ
び圧電セラミックス材料をシート状に成形して交互に積
層した後一体焼成し、その後に、サーミスタ材料の導電
体となる温度よりも高く且つ圧電セラミックス材料のキ
ュリー温度よりも低い温度、換言すればサーミスタ材料
が導電体となる一方圧電セラミックス材料が未だ強誘電
性を有する温度で、積層方向にサーミスタ材料からなる
内部電極層に電圧を印加して分極処理を行い、その後分
極方向と平行な面に駆動用の外部電極を形成することに
より、上述した滑り効果を有する積層圧電セラミックス
素子が製造されるのであり、予め厚さ方向に分極処理さ
れた圧電セラミックスの薄板に、分極方向に対して平行
な面に電極を塗布したものを接着剤で複数接合して製造
する場合に比較して、製造工数が少なくなって生産性が
大幅に向上するとともに、圧電セラミックス層や内部電
極層を薄くして変位部分の面積を小さくすることが可能
でこれにより噴射装置を小型化して印字の解像度を向上
させることができるのである。なお、上記サーミスタ材
料は分極処理を行う際には誘電体であるが、その分極処
理後にサーミスタ材料のキュリー温度以下まで温度が低
下すると絶縁体となり、上記圧電セラミックス層の接合
層としてのみ機能するようになる。

このように本発明の圧電式インクジェットプリンタヘ
ッドによれば、構造が簡単で製造工数が少なく製造コス
トが低減されるとともに、噴射装置を小型化して印字の
解像度を向上させることができるのである。

［実施例］ 第１図は、本実施例の圧電式インクジェットプリンタ
ヘッドに用いられるアレー10の断面図で、このアレー10
は、図の上方に開口する２本のインクチャンネル12aお
よび12bが形成された矩形容器状のチャンネル本体14
と、そのチャンネル本体14の開口部に接着部材16を介し
て固着された積層圧電セラミックス素子18とを備えて構
成されている。積層圧電セラミックス素子18は、圧電効
果を有する圧電セラミックス層20a,20b,20c,20dと内部
電極層22a,22b,22c,22d,22eとが交互に積層され、積層
方向に対して平行な面に外部電極28a,28b,28cが形成さ
れたもので、両側および中央に位置する３つの内部電極
層22a,22c,22e位置において上記チャンネル本体14に固
着されている。なお、以下の説明で特に区別しない場合
には、圧電セラミックス層20,内部電極層22,外部電極28
という。また、上記インクチャンネル12a,12bはインク
室に相当する。

上記圧電セラミックス層20は、強誘電性を有するチタ
ン酸シルコン酸鉛系のセラミックスにて構成されてお
り、積層方向すなわち図の左右方向に分極させられてい
る。また、内部電極層22は、上記チタン酸ジルコン酸鉛
系のセラミックスのキュリー温度よりも低い所定の温度
以上で電気抵抗が急激に減少して導電体となる急変サー
ミスタ材料、具体的には酸化バナジウム系のセラミック
スにて構成されている。なお、図の圧電セラミックス層
20に示されている矢印は分極方向を表している。

ここで、かかる積層圧電セラミックス素子18は、以下
の製造方法によって製造される。

すなわち、先ず、上記圧電セラミックス層20を構成す
るチタン酸ジルコン酸鉛系のセラミックス材料、および
内部電極層22を構成する酸化バナジウム系のセラミック
ス材料を、ドクターブレード法などによりそれぞれ所定
の厚さのシート状に成形して交互に積層した後加熱圧着
し、所定の寸法形状に切断して一体焼成する。これによ
り、第３図に示されているように圧電セラミックス層20
と内部電極層22とが交互に積層された積層セラミックス
24が得られ、これを同図の一点鎖線で示されているよう
に所定の厚さ、すなわち前記積層圧電セラミックス素子
18と同じ厚さで切断することにより、第４図に示されて
いる積層セラミックス薄板26が得られる。

上記積層セラミックス薄板26は目的とする積層圧電セ
ラミックス素子18と同一形状であるが、この段階では圧
電セラミックス層20の自発分極の方向はランダムであ
り、次に、その圧電セラミックス層20の分極処理を行
う。これは、上記積層セラミックス薄板26をシリコンオ
イル等の絶縁オイルが満たされた図示しないオイルバス
中において、その上部内部電極層22間に電圧を印加する
ことによって行われるが、上記絶縁オイルの温度は、内
部電極層22の導電体となる温度よりも高く且つ圧電セラ
ミックス層20のキュリー温度よりも低い温度、例えば70
℃程度に定められている。このため、内部電極層22は導
電体となるのに対し圧電セラミックス層20は未だ強誘電
性を有し、積層セラミックス薄板26にはその積層方向に
電圧が印加され、圧電セラミックス層20はその積層方向
に分極させられる。そして、第５図に示されているよう
に上記積層セラミックス薄板26の両側面に駆動用の外部
電極28を形成することにより、前記積層圧電セラミック
ス素子18が得られるのである。

一方、このような積層圧電セラミックス素子18を備え
た前記アレー10が多数用意され、互いに近接する状態で
一体的に組み付けれられることにより、本実施例の圧電
式インクジェットプリンタヘッドが構成され、各アレー
10のインクチャンネル12a,12bはそれぞれ弁を介してイ
ンク溜めに連通させられる。また、各アレー10には、そ
れぞれ第２図に示されている電気回路が設けられ、スイ
ッチ30a,30bが図示しないコントローラによって接続さ
れることにより、駆動電源32から所定の外部電極28間に
駆動電圧が印加される。この場合に、かかるプリンタヘ
ッドの通常の使用温度は内部電極層22の導電体となる温
度よりも十分に低く、その内部電極層22は絶縁体となっ
て上記圧電セラミックス層20の接合層としてのみ機能す
る。

例えばスイッチ30aが接続され、前記チャンネル本体1
4に固着された外部電極28cおよび外部電極28aとの間に
電圧が印加されると、それ等の間に位置する圧電セラミ
ックス層20a,20bには分極方向と直角なバイアス電圧が
印加され、上記内部電極層22bはそれ等の圧電セラミッ
クス層20a,20bの滑り効果による変形に従ってインクチ
ャンネル12a内へ押し込まれる。これにより、インクチ
ャンネル12aの容積が減少し、そのインクチャンネル12a
内に充填されないインクが図示しない弁を経てノズルか
ら噴射される。また、スイッチ30aの接続が遮断されて
内部電極層22aが元の位置まで戻されると、その時のイ
ンクチャンネル12aの容積増加に伴って図示しない別の
弁からインクが導入される。なお、他方のスイッチ30b
が接続された場合には、内部電極層22dが変位させられ
て他方のインクチャンネル12bからインクが噴射され
る。

すなわち、本実施例のアレー10は２つの噴射装置34a
および34bを構成しているのであり、積層圧電セラミッ
クス素子18はその２つの噴射装置34aおよび34bの圧電ト
ランスデューサとして機能するのである。

このように、本実施例の圧電式インクジェットプリン
タヘッドにおいては、１つの積層の圧電セラミックス素
子18が２つの噴射装置34aおよび34bのトランスデューサ
として機能するため、アレー10、更にはそのアレー10を
多数組み付けることによって構成されるプリンタヘッド
の構造が簡略化され、製造工数が少なくなって製造コス
トが低減されるのである。

また、上記積層圧電セラミックス素子18は、圧電セラ
ミックス層20を構成する圧電セラミックス材料と内部電
極層22を構成するサーミスタ材料とを交互に積層して一
体焼成した後分極処理を行った後駆動用外部電極を所定
の位置に形成することにより製造されているため、予め
厚さ方向に分極処理された圧電セラミックスの薄板に、
分極方向に対して平行な面に電極を塗布したものを接着
剤で複数接合して製造する場合に比較して、製造工数が
少なくなり、積層圧電セラミックス素子18自体の生産性
も大幅に向上し、この点においてもプリンタヘッドのコ
ストダウンを図ることができるのである。

また、このような積層圧電セラミックス素子18は、そ
の圧電セラミックス層20,内部電極層22の膜厚を極めて
薄くすることが可能で、２つの噴射装置34a,34bを備え
たアレー10を小型化することにより印字の解像度を向上
させることができる。これにより、高解像度で広い範囲
に印字を行うことができるプリンタヘッドが実現される
のである。なお、圧電セラミックス層20の膜厚が薄くな
ることにより、内部電極層22へ印加する分極電圧が低減
され、分極時における圧電セラミックス層20の絶縁破壊
を抑制できる。

更に、本実施例の積層圧電セラミックス素子18は、圧
電セラミックス層20としてチタン酸ジルコン酸鉛系のセ
ラミックスと、内部電極層22としての酸化バナジウム系
のセラミックスとが一体焼成にて作製されるため、それ
等の結合強度が高く、接着剤で接合していた従来品に比
較して接合強度の劣化が少なくなり、優れた耐久性を得
られる利点がある。

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明
したが、本発明は他の態様で実施することもできる。

例えば、前記実施例では２個の噴射装置34aおよび34b
の圧電トランスデューサとして積層圧電セラミックス素
子18が用いられているが、更に積層数の多い積層圧電セ
ラミックス素子を採用することにより、３個以上の噴射
装置の圧電トランスデューサとして機能するようにする
こともできる。

また、上記圧電セラミックス素子18の圧電セラミック
ス材料やサーミスタ材料を適宜変更したり、それ等の材
料に必要に応じてバインダ等を加えたりしても差支えな
い。

また、前記実施例では積層セラミックス24を薄く切断
して積層圧電セラミックス素子18と同一形状の積層セラ
ミックス薄板26を得るようになっているが、この積層セ
ラミックス薄板26を最初から作製するなど、積層圧電セ
ラミックス素子18の製造方法は適宜変更することができ
る。

その他一々例示はしないが、本発明は当業者の知識に
基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である圧電式インクジェット
プリンタヘッドの一部を構成するアレーの断面図、第２
図は第１図のアレーに電気回路が設けられた状態を示す
図、第３図乃至第５図は第１図のアレーの積層圧電セラ
ミックス素子の製造工程を説明する図で、第３図は圧電
セラミックス材料とサーミスタ材料とを積層して一体焼
成した積層セラミックスの斜視図、第４図は第３図の積
層セラミックスを薄く切断した積層セラミックス薄板の
斜視図、第５図は第４図の積層セラミックス薄板に駆動
用の電極が取り付けられたものの斜視図である。 図中、12a,12bはインクチャンネル（インク室）、18は
積層圧電セラミックス素子、20は圧電セラミックス層、
22は内部電極層、28は外部電極、34a,34bは噴射装置で
ある。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電トランスデューサを用いてインク室の
   容積を変化させることにより該インク室内のインクを噴
   射する噴射装置を多数備えた圧電式インクジェットプリ
   ンタヘッドにおいて、 圧電セラミックス層および内部電極層が交互に複数積層
   されるとともに該圧電セラミックス層は積層方向に分極
   させられ、分極方向に対して垂直な方向に外部電極を介
   して駆動電圧が印加されることにより滑り効果によって
   該内部電極層の一部が積層方向に対して垂直な方向へそ
   れぞれ独立に変位させられる積層圧電セラミックス素子
   が、前記圧電トランスデューサとして複数の噴射装置に
   跨がって用いられているとともに、該積層圧電セラミッ
   クス素子の前記内部電極層が前記圧電セラミックス層の
   キュリー温度よりも低い所定の温度以上で電気抵抗が減
   少して導電体となる負温度特性のサーミスタ材料にて構
   成されていることを特徴とする圧電式インクジェットプ
   リンタヘッド。