JP3485296B2 - 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】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電部材の剪断変
形を利用したシェアモードタイプのインクジェットプリ
ンタヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、圧電部材の剪断変形を利用した
シェアモードタイプのインクジェットプリンタヘッド
は、比較的簡単な構造で高密度のインク吐出口の配列を
実現できると云う利点を有する。この方式によるインク
ジェットプリンタヘッドの構造を図９に基づいて説明す
る。まず、厚み方向に分極された板状の圧電部材１をア
ルミナ等による基板２に積層固定して板状部材３を形成
する。この板状部材３の上面に円盤型のカッターで多数
の溝４を切り、これらの溝４の内面にそれぞれ溝４毎に
独立した電極５を形成する。前記溝４の一端は、前記圧
電部材１の上面６に向けて傾斜した傾斜部７とされ、こ
の傾斜部７を経て前記電極５に連なる配線が前記上面６
にまで引き出されて駆動信号を与える図示しないドライ
バーチップに接続されている。前記溝４の他端は、前記
圧電部材１の端面８にまで達している。ついで、前記圧
電部材１の上面６には、下方に開口するインク供給口９
を備えた天板１０が接着固定されている。この天板１０
の前記インク供給口９の一側縁部１１を境にして前記溝
４の内部空間は、一方が圧力室１２とされ、他方が前記
傾斜部７とされている。また、前記板状部材３の前記端
面８には、前記圧力室１２毎に形成されたインク吐出口
１３を備えたノズルプレート１４が接着固定されてい
る。

【０００３】このような構成において、圧力室１２及び
傾斜部７には、インク供給口９から供給されたインクで
満たされている。そして、インク滴を吐出させたいイン
ク吐出口１３が位置する圧力室１２の電極５にドライバ
ーチップからの駆動信号に基づいて電圧パルスを印加す
ると、駆動された溝４と隣接する溝４との間に形成され
ている側壁１５が圧電効果によって剪断変形し、圧力室
１２内のインクの圧力を高める。これにより、圧力が高
まったインクは、インク吐出口１３から吐出し、記録用
紙の所定の位置に向かって飛翔する。このような動作の
繰返しにより、記録用紙上には多数のインク滴が付着
し、これらのインク滴の集合により文字や図形が描かれ
る。

【０００４】このような記録方式において、印字品質を
向上させるためには、インク滴の吐出体積を小さくする
ことが望ましい。そして、インク滴の体積が減少しても
印字速度を低下させないようにするためには、インク滴
の発生周期を短くすればよい。すなわち、ヘッドの駆動
周波数を向上させればよい。

【０００５】そこで、インク滴の吐出体積を小さくする
ためには、圧力室１２の長さを小さくすればよい。しか
しながら、駆動周波数を高めるには、インク滴の吐出動
作の際に消費されるエネルギーを小さくしなければなら
ない。すなわち、インク滴の吐出動作の際に消費される
エネルギーを小さくしなければ消費電力が大きくなり、
ドライバーチップの放熱ができなくなると云う問題があ
る。一般に、圧電部材１は高い誘電率を持っており、互
いに隣接する電極間は大きな静電容量を持つ。そして、
インク滴が充満する溝４内の領域に関しては、吐出に寄
与する圧力室１２の部分と、吐出に寄与しない傾斜部７
及び配線パターン部とに分けることができる。吐出に寄
与しない傾斜部７の容積は、円盤状のカッタにより一定
に定められてしまうため、吐出に寄与する圧力室１２の
長さを短くしてその容積を小さくすると、吐出に寄与し
ない部分の静電容量の比率が大きくなり、エネルギー効
率が低下すると云う問題がある。

【０００６】このような問題点を解決するために、特開
平７−１０１０５６号公報には、図１０に示すように、
圧力室１２以外の吐出に寄与しない部分を誘電率の小さ
い材料により形成するようにした構造が開示されてい
る。図９について説明した部分と同一部分は同一符号を
用いて説明するが、天板１０のインク供給口９の一側縁
部１１を境にして互いに板厚が等しい圧電セラミックス
基板よりなる圧電部材１６とアルミナ基板のように誘電
率の小さな低誘電部材１７とを接合面１８でエポキシ系
接着剤で接着して連設することにより板状部材１９を形
成している。すなわち、接合面１８は圧力室１２の端
部、すなわち、インク供給口９の一側縁部１１と同一面
に位置している。このような構造により、溝４の傾斜部
７や配線パターン部などの吐出に寄与しない部分の静電
容量をほぼ０にすることができる。そのため、静電容量
の発生は、圧力室１２部分のみであるため、圧力室１２
を短くしてもエネルギー効率が低下することがない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように接合面１８
が圧力室１２の端部、すなわち、インク供給口９の一側
縁部と同一面に位置している従来の構造のものにおいて
は、次のような問題点がある。すなわち、インクジェッ
トプリンタヘッドの駆動に適する高圧電定数の場合、圧
電部材１６を構成する圧電セラミックス基板のヤング率
は、多くの場合、６０ＧＰａ程度であるのに対し、低誘
電部材１７を構成するアルミナのヤング率は、４６０Ｇ
Ｐａ程度であり、この低誘電部材１７は圧電部材１６に
比較してかなり硬い材料である。また、ここで例示した
アルミナに限らず、工業的に安価に入手できて非誘電部
材として適当な材料は、圧電セラミックスよりもかなり
硬いのが普通である。

【０００８】そこで、圧電部材１６と低誘電部材１７と
を接着固定する接合面１８の接着剤の厚さによって、イ
ンク滴の吐出性能に大きな差異が生じる。まず、圧電部
材１６と低誘電部材１７とが、薄い接着層を介して良好
に接着された場合、電界が与えられても低誘電部材１７
が変形しないため、接合面１８の付近の圧電部材１６に
よる側壁１５も変形することがない。この変形しない部
分は、圧力室１２の中にあるためインクに圧力を与える
ことができず、特に、圧力室１２が短い場合には、吐出
性能を大きく低下させることになる。また逆に、圧電部
材１６と低誘電部材１７との接合面１８の接着層の厚さ
が大きい場合、接着剤として使用されるエポキシ系接着
剤のヤング率は、圧電セラミックスよりもかなり小さい
ので、側壁１５の変形は阻害されない。

【０００９】このようなことから、圧電部材１６と低誘
電部材１７とを接着固定する接合面１８の接着層の厚さ
にばらつきが生じると、その接着層の厚さに応じて各イ
ンク吐出口１３でのインク滴吐出の特性がばらついてし
まうと云う問題がある。

【００１０】図１１は、接合面１８の接着層の厚さによ
って、溝深さの中心部での側壁１５の変位量がどの程度
変化するかを示したものである。すなわち、接着厚１０
μｍと接着厚５０μｍとの場合を示している。この図１
１でわかるように、接合面１８からある程度（０.３ｍ
ｍ） 以上の距離があれば、側壁１５の変位量は接合面
１８の接着層の厚さに係らず一定である。しかしなが
ら、接合面１８に近い側壁１５の部分では、接着層の厚
さによってその変位量が変化している。一方、接着層の
厚さを十分に厚くすれば、圧電部材１６の側壁１５の変
形が阻害されないため、接着層の厚みのばらつきによる
各インク吐出口１３でのインク滴吐出の特性の変化は小
さくなるが、厚い接着層で圧電部材１６と低誘電部材１
７とを接着固定することは、製造上困難である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
圧電部材と低誘電部材とが接合された板状部材を形成
し、この板状部材の上面に前記圧電部材と前記低誘電部
材とにまたがる複数の溝を形成し、これらの溝の間に形
成された側壁にそれぞれ個別に電界を印加する電極を形
成し、下方に開口して前記溝に連通するインク供給口を
備える封止部材を前記板状部材の上面に固定し、この封
止部材と前記板状部材との端面に前記溝に対応するイン
ク吐出口を備えたノズルプレートを固定し、このノズル
プレートに近い方の前記インク供給口の一側縁部から前
記板状部材の端面側までの前記ノズルプレートと前記封
止部材とに囲まれた前記溝部分を圧力室とし、前記圧電
部材と前記低誘電部材との接合面を前記圧力室より外側
に位置させたものである。

【００１２】請求項２記載の発明は、低誘電部材の端面
側の上部に圧電部材を接着固定して板状部材を形成した
ものである。

【００１３】請求項３記載の発明は、互いに板厚の等し
い圧電部材と低誘電部材とを連設固定して板状部材を形
成したものである。

【００１４】請求項４記載の発明は、互いに板厚の等し
い圧電部材と低誘電部材とを連設固定して基板に積層固
定することにより板状部材を形成したものである。

【００１５】請求項５記載の発明は、板状部材の上面に
接着固定されるスペーサとこのスペーサに接着固定され
る天板とにより封止部材を形成したものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の第一の実施の形態を図１
乃至図４に基づいて説明する。まず、互いに反対方向に
分極された２枚のＰＺＴ２１ａ，２１ｂが張り合わされ
た板状の圧電部材２１が設けられ、この圧電部材２１に
段部状の凹部２２が形成され、この凹部２２に非誘電材
料のアルミナによる低誘電部材２３が埋め込まれて接着
固定されることにより板状部材２４が形成されている。
この板状部材２４の上面２５には、前記圧電部材２１と
前記低誘電部材２３とにまたがって例えば直径５０ｍｍ
程度の円形のカッターで複数の溝２６が平行に切られて
いる。これらの溝２６の内面には、無電解ニッケルメッ
キにより電極２７が各溝２６毎に形成されており、これ
らの溝２６の傾斜部２８を通じて低誘電部材２３の上面
２５に配線パターン２９が引き出されている。これらの
配線パターン２９には、各電極２７に電圧を印加するド
ライバーチップ（図示せず）が接続されている。また、
互いに隣合う前記溝２６の間には側壁３０が形成されて
いる。この側壁３０は、前記圧電部材２１と前記低誘電
部材２３との接合面３１を境にして圧電部材２１により
構成される部分と低誘電部材２３により構成される部分
とに別れている。

【００１７】ついで、前記板状部材２４の上面には、下
方に開口するインク供給口３２を備えた天板３３による
封止部材３４が接着固定されている。前記インク供給口
３２の一側縁部３５から前記板状部材２４の端面３６側
の前記溝２６部分は、圧力室３７とされている。この圧
力室３７は前記圧電部材２１のみにより形成されている
ものであり、前記接合面３１は前記圧力室３７より外側
に位置している。

【００１８】さらに、前記板状部材２４及び前記封止部
材３４の前記端面３６には、前記圧力室３７毎に開口す
るインク吐出口３８を備えたノズルプレート３９が接着
固定されている。

【００１９】このような構成において、圧力室３７及び
傾斜部２８よりなる溝２６内には、インク供給口３２か
ら供給されたインクで満たされている。そして、インク
滴を吐出させたいインク吐出口３８が位置する圧力室３
７の電極２７にドライバーチップからの駆動信号に基づ
いて電圧パルスを印加すると、駆動された溝２６と隣接
する溝２６との間に形成されている側壁３０が圧電効果
によって剪断変形し、圧力室３７内のインクの圧力を高
める。これにより、圧力が高まったインクは、インク吐
出口３８から吐出し、記録用紙の所定の位置に向かって
飛翔する。このような動作の繰返しにより、記録用紙上
には多数のインク滴が付着し、これらのインク滴の集合
により文字や図形が描かれる。

【００２０】この時、側壁３０の圧電部材２１と低誘電
部材２３との接合面３１の付近の変形量は、接合面３１
の接着層の厚さのばらつきや接着状態によってばらつく
が、この影響を受ける部分は圧力室３７の外側に位置し
ているため、吐出性能への影響を及ぼさない。また、圧
力室３７を構成する内部の側壁３０は、圧電部材２１と
低誘電部材２３との接合面３１から離れているので、接
合面３１の状態に関係なく均一な状態で十分に変形する
ことができる。そのため、各インク吐出口３８からのイ
ンク滴の吐出性能が均一である。

【００２１】次に、図５に基づいて本発明の第二の実施
の形態を説明する。前述の第一の実施の形態について説
明した部分と同一部分は同一符号を用い説明を省略する
（以下、同じ）。本実施の形態においては、低誘電部材
２３の端面３６側の上部に凹部２２を形成し、この凹部
２２に圧電部材２１を接着固定して板状部材２４を形成
したものである。したがって、高価な圧電部材２１の使
用量を少なくすることができてコスト的に有利である。

【００２２】本発明の第三の実施の形態を図６に基づい
て説明する。本実施の形態においては、互いに板厚の等
しい圧電部材２１と低誘電部材２３とを連設固定して板
状部材２４を形成したものである。

【００２３】本発明の第四の実施の形態を図７に基づい
て説明する。本実施の形態においては、前記第三の実施
の形態と同様に、互いに板厚の等しい圧電部材２１と低
誘電部材２３とを連設固定するものであるが、これを薄
く形成して機械的に強い板状の基板４０に積層固定する
ことにより板状部材２４を形成するようにしたものであ
る。

【００２４】本発明の第五の実施の形態を図８に基づい
て説明する。本実施の形態は、封止部材３４をスペーサ
４１とこのスペーサ４１に接着固定される天板４２とに
より形成したものである。従って、インク供給口３２を
機械加工によらずに形成することができ、製作が容易で
ある。

【００２５】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、圧電部材と低誘
電部材とが接合された板状部材を形成し、この板状部材
の上面に前記圧電部材と前記低誘電部材とにまたがる複
数の溝を形成し、これらの溝の間に形成された側壁にそ
れぞれ個別に電界を印加する電極を形成し、下方に開口
して前記溝に連通するインク供給口を備える封止部材を
前記板状部材の上面に固定し、この封止部材と前記板状
部材との端面に前記溝に対応するインク吐出口を備えた
ノズルプレートを固定し、このノズルプレートに近い方
の前記インク供給口の一側縁部から前記板状部材の端面
側までの前記ノズルプレートと前記封止部材とに囲まれ
た前記溝部分を圧力室とし、前記圧電部材と前記低誘電
部材との接合面を前記圧力室より外側に位置させたもの
である。従って、圧電部材と低誘電部材との接合面の接
着層の厚さ等にばらつきがあってもその接合面は圧力室
の外側に位置しているため、圧力室の圧電部材は均一な
状態で効率よく変形し、これにより、各インク吐出口か
らのインク滴吐出性能を均一にすることができ、また、
圧力室の長さを短くしても静電容量の比率はほとんど圧
力室部分のものとすることができるため、エネルギー効
率を低下させることがなく、しかも、１ドット当たりの
インクの付着量の少ない高印字品質の画像を高速な印字
速度で得ることができると云う効果を有する。

【００２６】請求項２記載の発明は、低誘電部材の端面
側の上部に圧電部材を接着固定して板状部材を形成した
ので、比較的高価な圧電部材の使用量を少なくすること
ができると云う効果を有する。

【００２７】請求項３記載の発明は、互いに板厚の等し
い圧電部材と低誘電部材とを連設固定して板状部材を形
成したので、板状部材の製造が容易であると云う効果を
有する。

【００２８】請求項４記載の発明は、互いに板厚の等し
い圧電部材と低誘電部材とを連設固定して基板に積層固
定することにより板状部材を形成したので、機械的強度
の高いヘッドを簡単に得ることができる。

【００２９】請求項５記載の発明は、板状部材の上面に
接着固定されるスペーサとこのスペーサに接着固定され
る天板とにより封止部材を形成したので、インク供給口
の機械加工を省略することができ、簡単に製造すること
ができると云う効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態を示す縦断側面図で
ある。

【図２】その縦断背面図である。

【図３】溝加工を終了した状態の板状部材の斜視図であ
る。

【図４】板状部材に封止部材を接着するとともに接着前
のノズルプレートをも示す分解斜視図である。

【図５】本発明の第二の実施の形態を示す縦断側面図で
ある。

【図６】本発明の第三の実施の形態を示す縦断側面図で
ある。

【図７】本発明の第四の実施の形態を示す縦断側面図で
ある。

【図８】本発明の第五の実施の形態を示す縦断側面図で
ある。

【図９】従来の一例を示す縦断側面図である。

【図１０】従来の他の例を示す縦断側面図である。

【図１１】側壁の接合面からの距離と変位量との関係を
示すグラフである。

【符号の説明】

２１ 圧電部材 ２３ 低誘電部材 ２４ 板状部材 ２５ 上面 ２６ 溝 ２７ 電極 ３０ 側壁 ３１ 接合面 ３２ インク供給口 ３４ 封止部材 ３６ 端面 ３８ インク吐出口 ３９ ノズルプレート ４１ スペーサ ４２ 天板

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電部材と低誘電部材とが接合された板
   状部材を形成し、この板状部材の上面に前記圧電部材と
   前記低誘電部材とにまたがる複数の溝を形成し、これら
   の溝の間に形成された側壁にそれぞれ個別に電界を印加
   する電極を形成し、下方に開口して前記溝に連通するイ
   ンク供給口を備える封止部材を前記板状部材の上面に固
   定し、この封止部材と前記板状部材との端面に前記溝に
   対応するインク吐出口を備えたノズルプレートを固定
   し、このノズルプレートに近い方の前記インク供給口の
   一側縁部から前記板状部材の端面側までの前記ノズルプ
   レートと前記封止部材とに囲まれた前記溝部分を圧力室
   とし、前記圧電部材と前記低誘電部材との接合面を前記
   圧力室より外側に位置させたことを特徴とするインクジ
   ェットプリンタヘッド。
2. 【請求項２】 低誘電部材の端面側の上部に圧電部材を
   接着固定して板状部材を形成したことを特徴とする請求
   項１記載のインクジェットプリンタヘッド。
3. 【請求項３】 互いに板厚の等しい圧電部材と低誘電部
   材とを連設固定して板状部材を形成したことを特徴とす
   る請求項１記載のインクジェットプリンタヘッド。
4. 【請求項４】 互いに板厚の等しい圧電部材と低誘電部
   材とを連設固定して基板に積層固定することにより板状
   部材を形成したことを特徴とする請求項１記載のインク
   ジェットプリンタヘッド。
5. 【請求項５】 板状部材の上面に接着固定されるスペー
   サとこのスペーサに接着固定される天板とにより封止部
   材を形成したことを特徴とする請求項１記載のインクジ
   ェットプリンタヘッド。