JP3757479B2 - インクジェットヘッド - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャビティプレートに形成されたインク圧力室の開放面を閉塞するように圧電層を固定し、その圧電層に設けられた所定の電極に駆動電圧を印加して圧電層を変形させることによりインク吐出口からインクを吐出するインクジェットヘッドに関し、特に、層厚方向に分極された圧電層と外側圧電層とを積層してなる圧電体を使用し、駆動電圧の印加時に圧電層の分極方向と直交する電界を発生させて圧電層をシェアモードにて変形させるとともに、外側圧電層の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、圧電層のシェアモード変形と外側圧電層の伸縮モード変形との協働に基づいて圧電体全体としての変形を大きくすることが可能であり、また、インク圧力室の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることが可能なインクジェットヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、インクジェットプリンタに搭載されるインクジェットヘッドの構成については各種の構成が提案されており、その一例として、キャビティプレートに形成されたインク圧力室の開放面に固定された圧電素子の駆動電極に対して駆動パルスを印加し、圧電素子にシェアモード変形を発生させてインク圧力室の容積を変化させことによりインク吐出口からインク滴を吐出するように構成したインクジェットヘッドが知られている。
【０００３】
例えば、米国特許第４８２５２２７号の明細書及び図面には、チャンバプレートと固定プレートとからインク圧力室を構成し、そのインク圧力室の開放面（上面）側に単層からなる圧電層を固定するとともに、圧電層の一面（上面）にてインク圧力室の周縁部に２つの電極及び圧電層の他面（下面）の全面に共通電極を形成したインクジェットヘッドが記載されている。かかるインクジェットヘッドでは、圧電層がインク圧力室の中央部から圧電層面に沿って平行に分極されており、２つの電極に駆動電圧を印加して分極方向に直交する電界を発生させることにより圧電層にシェアモード変形を発生し、これによりインク圧力室の容積を変化させてインク圧力室内のインクをインク吐出口から吐出するように構成されている。
【０００４】
また、米国特許第４５８４５９０号の明細書及び図面には、本体プレートにインク圧力室を形成し、そのインク圧力室の開放面（上面）側に単層からなる圧電層を固定するとともに、インク圧力室に対応して圧電層の両面に電極及びインク圧力室から外れた周縁位置に対応して圧電層の両面に電極を形成したインクジェットヘッドが記載されている。かかるインクジェットヘッドでは、圧電層がその層厚方向に沿って分極されており、インク圧力室に対応する各電極に駆動電圧を印加して分極方向に直交する電界を発生させることにより圧電層にシェアモード変形を発生し、これによりインク圧力室の容積を変化させてインク圧力室内のインクをインク吐出口から吐出するように構成されている。
【０００５】
このように、前記した２つのインクジェットヘッドでは、圧電層の分極方向が異なるものの、圧電層に離間形成された電極間に駆動電圧を印加することにより分極方向と直交する電界を発生して圧電層をシェアモード変形させることによりインク圧力室の容積を変化させてインク吐出口からインクを吐出するように構成した点、及び、圧電層として単層の圧電層を使用している点で共通する。
【０００６】
更に、２層以上の圧電層を積層した積層型圧電体を使用したインクジェットヘッドも知られており、この種のインクジェットヘッドに使用される積層型圧電体は、横効果モード或いは縦効果モードを利用した、所謂、伸縮モードにて変形を行う圧電体であり、かかる圧電体とインク圧力室との間に振動板等を介在させた構成を採用している。また、積層型圧電体を使用するとともに、その積層型圧電体に駆動電圧を印加し、その分極方向と実質的に垂直な方向の電界を発生させてシェアモードにて変形させることによりインクチャンネルの容積を変化してインクを吐出するインクジェットヘッドも知られている（特開平４−１２５１５７号公報等参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した各米国特許第４８２５２２７号及び第４５８４５９０号の明細書、図面に記載されたインクジェットヘッドでは、前記のようにインク吐出口からインクを吐出する際に圧電層の電極に駆動電圧を印加し、圧電層の分極方向と直交する電界を発生してシェアモード変形させることによりインク吐出口からインクを吐出するものではあるが、圧電層はシェアモード変形のみによって変形駆動されるだけである。このとき、インク吐出口から効率的にインクを吐出するためには、駆動電圧に対する圧電層の変形効率を向上する必要があるが、かかる圧電層の変形効率は、その厚さが薄ければ薄い程高くなる。このような圧電層の変形効率を勘案すれば、前記インクジェットヘッドでは、シェアモード変形のみによって変形駆動されるだけであるので、圧電層の厚さを大きくするには自ずと限界が存する。従って、圧電層自体がインク圧力室の一壁を構成しており、また、圧電層の変形効率を一定以上に保持するためには所定の厚さ以上に厚くすることができないことから、圧電層の強度が低下してしまってインク吐出時に撓んでしまい、この結果、インク圧力室内に発生する圧力の低下を招来するという問題がある。
【０００８】
更に、積層型圧電体を使用するインクジェットヘッドでは、積層型圧電体を伸縮モードにて変形させる関係上、積層型圧電体における伸縮変形をインク圧力室に伝達してインク吐出を行うにつき振動板等が必要され、インクジェットヘッドのコストが高くなってしまう。また、高解像度のマルチノズルヘッドを実現するにおいては、伸縮モードの積層圧電体を用いる場合、複数の前記圧電体を微小ピッチで配列する方法と、単一の前記圧電体に溝加工を微小ピッチで行う方法とが考えられるが、いずれにしても微小ピッチ化に限界があり、結局高解像度用のヘッドには不向きであった。
【０００９】
また、積層型圧電体をシェアモードにて変形させることによりインクを吐出するインクジェットヘッドでは、積層型圧電体が複数の圧電層を有することから、電気機械変換効率は良く、駆動電圧を低減することが可能であるが、積層型圧電体はシェアモードのみにて変形されるだけであるので、積層型圧電体の変形効率の点でまだ尚充分なものとはいえない。
【００１０】
本発明は前記従来の問題点を解消するためになされたものであり、層厚方向に分極された圧電層と外側圧電層とを積層してなる圧電体を使用し、駆動電圧の印加時に圧電層の分極方向と直交する電界を発生させて圧電層をシェアモードにて変形させるとともに、外側圧電層の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、圧電層の厚さを大きくした場合においても圧電層のシェアモード変形と外側圧電層の伸縮モード変形との協働に基づいて圧電体全体としての変形を大きくして変形効率を高く保持することが可能であるとともに、インク圧力室の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることが可能なコストの低いインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため請求項１に係るインクジェットヘッドは、一面が開放されたインク圧力室が形成されたキャビティプレートと、前記インク圧力室の一面を閉塞するように前記キャビティプレートに固定されるとともに層厚方向に分極された第１の圧電層と、前記第１の圧電層の一方面に積層されるとともに前記第１の圧電層と同じ方向に分極された第２の圧電層とを有するインクジェットヘッドにおいて、前記第１の圧電層の一方面は、前記インク圧力室に対応する位置に形成された第１電極及び前記インク圧力室の周縁位置に対応する位置に形成された第２電極を有し、前記第２の圧電層は、前記第１の圧電層に積層する積層面と反対側の表面に、前記第１電極と対向するとともに前記第２電極と電気的に接続する外側電極を有し、前記第１電極と前記第２電極との間に電源から駆動電圧を印加した際に、前記第１の圧電層にはその分極方向と直交する電界を発生することにより当該第１の圧電層をシェアモードにて変形させるとともに、前記第２の圧電層にはその分極方向と平行な電界を発生することにより当該第２の圧電層を伸縮モードにて変形させる構成を有する。
【００１２】
請求項１のインクジェットヘッドでは、その駆動時に、電源から第１、第２電極間に駆動電圧が印加され、これにより第１電極と第２電極との間で、第１の圧電層にはその分極方向と直交する電界が発生されることに基づき第１の圧電層はシェアモードにて変形されるとともに、電源の第２端子に接続された外側電極と第２の圧電層に隣接する第１の圧電層の第１電極との間で、第２の圧電層にはその分極方向と平行な電界が発生されることに基づき第２の圧電層は伸縮モードにて変形される。
【００１３】
このように、第１の圧電層をシェアモードにて変形させ、同時に、第２の圧電層の分極方向と平行な電界を発生させて第２の圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、第１の圧電層の厚さを大きくした場合においても第１の圧電層のシェアモード変形と第２の圧電層の伸縮モード変形との協働に基づいて圧電体全体としての変形を大きくして変形効率を高く保持することが可能である。また、圧電層の厚さを大きくしてもその変形効率を高く保持することが可能であるから、単層の圧電層を使用する場合に比して、インク圧力室の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることが可能である。
【００１４】
また、請求項２に係るインクジェットヘッドは、請求項１のインクジェットヘッドにおいて、前記第２の圧電層は前記第１の圧電層の上面に積層されていることを特徴とする。かかる請求項２のインクジェットヘッドでは、インク圧力室側の第１の圧電層がシェアモードで変形され、また、第１の圧電層の上面で第２の圧電層が伸縮モードで変形される。これにより、第１の圧電層には、第２の圧電層の変形に基づき、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形量が大きくなる。
【００１５】
更に、請求項３に係るインクジェットヘッドは、請求項１のインクジェットヘッドにおいて、前記第２の圧電層は前記第１の圧電層の下面に積層されていることを特徴とする。かかる請求項３のインクジェットヘッドでは、インク圧力室側の第２の圧電層が伸縮モードで変形され、また、第２の圧電層の上側で第１の圧電層がシェアモードで変形される。この場合において、前記請求項２のインクジェットヘッドの場合と同様、第１の圧電層には、その下面の第２の圧電層の変形に基づき、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形量が大きくなる。
【００１６】
更に、請求項４に係るインクジェットヘッドは、請求項３のインクジェットヘッドにおいて、前記第２の圧電層の下面には、インク圧力室のインクと接触する別の圧電層が設けられていることを特徴とする。請求項４のインクジェットヘッドでは、第２の圧電層の下面にインク圧力室のインクと接触する別の圧電層が設けられていることから、第２の圧電層の片面に形成された外側電極が直接インクと接触することはない。また、インクと接触する別の圧電層は、第２の圧電層の外側電極にインクが接触することを防止する絶縁層の作用を行い、これより絶縁フィルム等の特別な絶縁層や振動板等を設けることなく外側電極をインク圧力室のインクから隔絶することが可能となり、また、かかる絶縁層の作用を行う別の圧電層は前記第１の圧電層及び第２の圧電層の製造と同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することもない。
また、請求項５に係るインクジェットヘッドは、請求項１乃至請求項４のインクジェットヘッドにおいて、前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層の内、前記キャビティプレートに近い方の圧電層とキャビティプレートとの間に、前記圧電層をインク圧力室内のインクから隔絶する絶縁層が設けられていることを特徴とする。それによって、キャビティプレートに近い方の圧電層の表面に設けられた電極がインク圧力室のインクと接触することを防止することができる。
また、請求項６に係るインクジェットヘッドは、請求項１乃至請求項５のインクジェットヘッドにおいて、前記外側電極は前記第２の圧電層の表面全体に渡って形成されていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るインクジェットヘッドについて、本発明を具体化した実施形態に基づいて図面を参照しつつ詳細に説明する。先ず、第１実施形態に係るインクジェットヘッドが搭載されるインクジェットプリンタの概略について図１に基づき説明する。図１はインクジェットプリンタの要部を示す斜視図である。
【００１８】
図１において、一対のフレーム１（図１中、一方のフレーム１のみを示す）間には軸２を介してプラテン３が回転可能に取り付けられており、このプラテン３はモータ４により回転駆動される。プラテン３に対向して圧電式インクジェットヘッド５が配置されている。かかる圧電式インクジェットヘッド５は、インク供給装置６と共にキャリッジ７上に載置されている。キャリッジ７はプラテン３の軸線と平行に配設された２本のガイドロッド８に摺動可能に支持されており、また、キャリッジ７には一対のプーリ９に掛装されたタイミングベルト１０が結合されている。また、一方のプーリ９（図１中、右側のプーリ９）は、モータ１１の駆動軸に固定されており、従って、モータ１１を介して右側のプーリ９が回転されることに基づきタイミングベルト１０が送られてキャリッジ７がプラテン３に沿って往復動されるものである。
【００１９】
次に、圧電式インクジェットヘッド５の構造について図２に基づき説明する。図２は第１実施形態に係る圧電式インクジェットヘッド５のアレイ構造の一部を示す断面図である。尚、第１実施形態に係るインクジェットヘッド５は、駆動電圧を印加した時にインクを吐出する、所謂、押し打ち方式のインクジェットヘッドである。
【００２０】
図２において、圧電式インクジェットヘッド５のアレイ２０は、基本的に、上面が開放された複数個のインク圧力室２１が形成されてなるキャビティプレート２２、各インク圧力室２１の上面（開放面）を閉塞するようにキャビティプレート２２上に接着剤等により固定された圧電セラミック層２３、及び、圧電セラミック層２３の上面に積層された外側圧電セラミック層２４から構成されている。
【００２１】
ここに、各インク圧力室２１はキャビティプレート２２に切削加工等を施すことにより形成され、また、各インク圧力室２１間は区画壁２５により区画されている。
【００２２】
圧電セラミック層２３は、圧電・電歪効果を有する圧電セラミック層から形成されており、かかる圧電セラミック層２３の上面には、各インク圧力室２１に対応する位置に第１電極２６が形成されているとともに、インク圧力室２１の周縁位置にて各区画壁２５に対応して第２電極２７が形成されている。また、圧電セラミック層２３の下面には、その上面の第１電極２６及び第２電極２７に対応する位置にて、それぞれ第１電極２６、第２電極２７が形成されている。尚、圧電セラミック層２３は、外側圧電セラミック層２４の製造と同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することはない。
【００２３】
また、圧電セラミック層２３は、図２中矢印Ａにて示すように、その層厚方向に分極されている。圧電セラミック層２３の上下両面における各第１電極２６は、それぞれスイッチＳを介して駆動電源Ｖのプラス側端子に接続されており、また、各第２電極２７は、それぞれ駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されている。
【００２４】
更に、外側圧電セラミック層２４は、圧電セラミック層２３を製造する際に同時に形成されるものであり、その上面の全体に渡って外側電極２８が設けられている。かかる外側圧電セラミック層２４は、矢印Ｂにて示すように、その層厚方向に分極されている。また、外側圧電セラミック層２４の外側電極２８は、駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されている。
【００２５】
尚、前記圧電セラミック層２３、外側圧電セラミック層２４等の製造方法、及び、これらの分極処理方法については、特開平４−１２５１５７号公報等に記載されている製造方法、分極処理方法と同一であり、従って、ここでは製造方法等についての詳細な説明は省略する。
【００２６】
次に、前記のように構成されたインクジェットヘッド５におけるアレイ２０の動作について図３に基づき説明する。図３は圧電セラミック層２３を変形させて印字動作を行っているアレイ２０の一部を拡大して示す断面図である。尚、ここでは、図２に示すように、左から２番目のインク圧力室２１に対応するスイッチＳがオンされたものとして、各圧電セラミック層２３、外側圧電セラミック層２４の動作につき説明することとする。
【００２７】
図３において、所定の印字データに基づきコントローラ（図示せず）を介してスイッチＳがオンされた場合、駆動電源Ｖを介して、圧電セラミック層２３の上下両面における第１電極２６に駆動電圧が印加される。このとき、第１電極２６は駆動電源Ｖのプラス側端子に接続され、第２電極２７はマイナス側端子に接続されているので、圧電セラミック層２３の上下両面における第１電極２６と第２電極２７との間で、図３に示すように、圧電セラミック層２３の分極方向（矢印Ａにて示す）と直交する電界（矢印Ｃにて示す）が発生する。これにより、圧電セラミック層２３は、その圧電・電歪効果に基づきシェアモードにて図示のように一様に変形される。
【００２８】
また、外側圧電セラミック層２４の外側電極２８は駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されていることから、前記のようにスイッチＳがオンされた際に第１電極２６との間で、外側圧電セラミック層２４の分極方向（矢印Ｂにて示す）と平行な方向の電界（矢印Ｄにて示す）が発生する。これにより、外側圧電セラミック層２４は、その圧電・電歪効果に基づき伸縮モードにて変形される。即ち、外側圧電セラミック層２４は、その厚み方向には伸び、長手方向には縮むため、隣接する圧電セラミック層２３との間のバイモルフ効果により、図示下方向に湾曲する。
【００２９】
前記したように、スイッチＳをオンさせた際に、駆動電源Ｖから圧電セラミック層２３の上下両面における第１電極２６に駆動電圧が印加されることに基づき、圧電セラミック層２３にてその分極方向に直交する電界を発生させてシェアモードにて一様に変形させ、同時に、外側圧電セラミック層２４の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電セラミック層２４を伸縮モードにて変形させることにより、インク圧力室２１の容積が減少され、これによりインク圧力室２１内のインクがインク吐出口（図示せず）から印字用紙に向かって吐出されて文字等の印字が行われる。
【００３０】
このように、第１実施形態に係るインクジェットヘッド５では、その印字駆動時に、圧電セラミック層２３がシェアモードにて変形され、同時に、外側圧電セラミック層２４が伸縮モードにて変形されるので、圧電セラミック層２３のシェアモード変形と外側圧電セラミック層２４の伸縮モード変形との協働により、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形を大きくすることができる。また、圧電セラミック層２３のシェアモード変形と外側圧電セラミック層２４の伸縮モード変形との協働作用に基づき、圧電セラミック層２３の厚さを大きくしてもその変形効率を高く保持することが可能であるから、単層の圧電層を使用する場合に比して、インク圧力室２１の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることができる。
【００３１】
また、圧電セラミック層２３は外側圧電セラミック層２４の製造と同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することもない。
【００３２】
尚、上記の第１実施形態において、圧電セラミック層２３及び外側圧電セラミック層２４の分極方向の関係を逆の関係にすれば、圧電セラミック層２３及び外側圧電セラミック層２４を逆方向、即ち、インク圧力室２１の容積を増大させる方向に変形させることが可能であり、これにより後述する引き打ち方式へも適用可能である。また、圧電セラミック層２３の下面に形成された第１電極２６をインク圧力室２１内のインクから隔絶すべく、圧電セラミック層２３の下面に有機又は無機材料から形成された保護膜を適宜形成するのが望ましい。
【００３３】
次に、第２実施形態に係るインクジェットヘッド５のアレイ構造について図４に基づき説明する。図４は第２実施形態に係る圧電式インクジェットヘッド５のアレイ構造の一部を示す断面図である。尚、第２実施形態に係るインクジェットヘッド５は、駆動電圧を印加した時にインクの吸引動作を行った後駆動電圧の印加を停止した時点でインクを吐出する、所謂、引き打ち方式のインクジェットヘッドである。
【００３４】
図４において、圧電式インクジェットヘッド５のアレイ３０は、基本的に、上面が開放された複数個のインク圧力室３１が形成されてなるキャビティプレート３２、各インク圧力室３１の上面（開放面）を閉塞するようにキャビティプレート３２上に接着剤等により固定された圧電セラミック層４０、圧電セラミック層４０の上面に積層された外側圧電セラミック層３４、及び、外側圧電セラミック層３４の上面に積層された圧電セラミック層３３から構成されている。尚、ここでは、説明上便宜的に各層に分けているが、圧電セラミック層４０、外側圧電セラミック層３４、圧電セラミック層３３は、一体に形成されている。
【００３５】
ここに、各インク圧力室３１はキャビティプレート３２に切削加工等を施すことにより形成され、また、各インク圧力室３１間は区画壁３５により区画されている。
【００３６】
外側圧電セラミック層３４の下面に配置された圧電セラミック層４０の上面には、その全体に渡って外側電極３８が形成されており、かかる外側電極３８は、後述するように、駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されて外側圧電セラミック層３４を伸縮モードで変形させるにつき必要な電極である。また、圧電セラミック層４０は、インク圧力室３１内のインクと接触する圧電層であり、外側圧電セラミック層３４及び圧電セラミック層３３をインクから隔絶する絶縁層として作用する。このように、圧電セラミック層４０に絶縁層としての機能を行わせ、この圧電セラミック層４０を介して、上側の外側圧電セラミック層３４下面における外側電極３８にインクが接触することを防止し、これより絶縁フィルム等の特別な絶縁層や振動板等を設けることなく圧電セラミック層３３をインク圧力室のインクから隔絶することを可能とするためである。また、圧電セラミック層４０は、圧電セラミック層３３の製造を行うについて、これと同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することもない。
【００３７】
外側圧電セラミック層３４の上面には、各インク圧力室３１に対応する位置に第１電極３６が形成されているとともに、インク圧力室３１の周縁位置にて各区画壁２３に対応して第２電極３７が形成されている。各第１電極３６は、それぞれスイッチＳを介して駆動電源Ｖのプラス側端子に接続され、また、各第２電極３７は、それぞれ駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されている。かかる外側圧電セラミック層３４は、矢印Ｆにて示すように、その層厚方向に分極されており、また、外側圧電セラミック層３４は、前記圧電セラミック層４０と一体に形成されることから、外側電極３８は外側圧電セラミック層３４の下面の全体に渡って形成されていることとなる。この外側電極３８は、駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されている。
【００３８】
圧電セラミック層３３は、圧電・電歪効果を有する圧電セラミック層から構成されており、その上面には、それぞれ各インク圧力室３１に対応する位置に、前記外側圧電セラミック層３４と同様、第１電極３６が形成されているとともに、インク圧力室３１の周縁位置にて各区画壁３５に対応して第２電極３７が形成されている。また、圧電セラミック層３３は、矢印Ｅにて示すように、その層厚方向に分極されている。更に、各第１電極３６は、それぞれスイッチＳを介して駆動電源Ｖのプラス側端子に接続されており、また、各第２電極３７は、それぞれ駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されている。これにより、圧電セラミック層３３の上下両面には、それぞれ対向する位置にて第１電極３６、第２電極３７が形成されることとなる。
【００３９】
尚、前記圧電セラミック層３３、外側圧電セラミック層３４等の製造方法、及び、これらの分極処理方法については、特開平４−１２５１５７号公報等に記載されている製造方法、分極処理方法と同一であり、従って、ここでは製造方法等についての詳細な説明は省略する。
【００４０】
次に、前記のように構成された第２実施形態に係るインクジェットヘッド５におけるアレイ３０の動作について図５に基づき説明する。図５は圧電セラミック層３３を変形させて印字動作を行っているアレイ３０の一部を拡大して示す断面図である。尚、ここでは、図４に示すように、左から２番目のインク圧力室３１に対応するスイッチＳがオンされたものとして、各圧電セラミック層３３、外側圧電セラミック層３４の動作につき説明することとする。
【００４１】
図５において、所定の印字データに基づきコントローラ（図示せず）を介してスイッチＳがオンされた場合、駆動電源Ｖを介して各第１電極３６に駆動電圧が印加される。このとき、各第１電極３６は駆動電源Ｖのプラス側端子に接続され、各第２電極３７はマイナス側端子に接続されているので、圧電セラミック層３３の上面において各第１電極３６と第２電極３７との間で、図５に示すように、圧電セラミック層３３の分極方向（矢印Ｅにて示す）と直交する電界（矢印Ｇにて示す）が発生する。また、同様に、圧電セラミック層３３の下面において各第１電極３６と第２電極３７との間で、圧電セラミック層３３の分極方向（矢印Ｅにて示す）と直交する電界（矢印Ｇにて示す）が発生する。これにより、圧電セラミック層３３は、その圧電・電歪効果に基づきシェアモードにて一様に変形される。
【００４２】
また、外側圧電セラミック層３４の外側電極３８は駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されていることから、前記のようにスイッチＳがオンされた際に対向する第１電極３６との間で、外側圧電セラミック層３４の分極方向（矢印Ｆにて示す）と平行な方向の電界（矢印Ｈにて示す）が発生する。これにより、外側圧電セラミック層３４は、その圧電・電歪効果に基づき伸縮モードにて変形される。即ち、外側圧電セラミック層３４は、前記第１実施形態における外側圧電セラミック層２４と同様、その厚み方向には伸び、長手方向には縮むため、隣接する圧電セラミック層３３との間のバイモルフ効果により、図示上方向に湾曲する。尚、インク圧力室３１のインクと接触する圧電セラミック層４０は、前記各圧電セラミック層３３、外側圧電セラミック層３４と同一の層（成分）より構成されていることから、基本的に、圧電セラミック層３３のシェアモード変形及び外側圧電セラミック層３４の伸縮モード変形に追随して図５に示すように変形される。
ここに、外側圧電セラミック層３４は、圧電セラミック層３３と圧電セラミック層４０との間にサンドイッチされていることから、前記のように発生するバイモルフ効果は若干弱くなるが、圧電セラミック層３３の方が厚いので図５に示すように変形する。このとき、圧電セラミック層３３、外側セラミック圧電層３４の変形効率を重視する場合には、圧電セラミック層４０は省略する方がよい。これは、外側電極３８は、図４に示すように、駆動電源Ｖのマイナス側端子（グランド）に接続されており、インク圧力室３１内のインクに悪影響を与えることが少ないからである。これに対して、外側電極３８がインク圧力室３１内のインクへ与える可能性がある悪影響を重視し、且つ、圧電セラミック層３３、外側セラミック圧電層３４の変形効率をも重視する場合には、圧電セラミック層４０に代えて外側圧電セラミック層３４の下面に可撓性のある絶縁フィルム等を配置するのがよい。前記のように圧電セラミック層３３の下面に外側圧電セラミック層３４を設ける場合には各種の変形態様が考えられるが、各変形態様には一長一短があるので、いずれの態様を採用するかは最も重視するメリットを考慮して決定すればよい。
【００４３】
前記したように、スイッチＳをオンさせた際に、駆動電源Ｖから各第１電極３６に駆動電圧が印加されることに基づき、圧電セラミック層３３の両面にてその分極方向に直交する電界を発生させてシェアモードにて変形させ、同時に、外側圧電セラミック層３４の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、インク圧力室２１の容積が増大され、これによりインク圧力室２１内にインクを吸入した後、駆動電圧の印加を停止した時点でインクがインク吐出口（図示せず）から印字用紙に向かって吐出されて文字等の印字が行われる。
【００４４】
このように、第２実施形態に係るインクジェットヘッド５では、その印字駆動時に、圧電セラミック層３３がシェアモードにて変形され、同時に、外側圧電セラミック層３４が伸縮モードにて変形されるので、圧電セラミック層３３のシェアモード変形と外側圧電層３４の伸縮モード変形との協働により、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形を大きくすることができる。また、圧電セラミック層３３のシェアモード変形と外側圧電セラミック層３４の伸縮モード変形との協働作用に基づき、圧電セラミック層３３の厚さを大きくしてもその変形効率を高く保持することが可能であるから、単層の圧電層を使用する場合に比して、インク圧力室３１の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることができる。
【００４５】
また、外側圧電セラミック層３４の下面にインク圧力室３１のインクと接触する圧電セラミック層４０が設けられていることから、外側圧電セラミック層３４の下面に存在する外側電極３８が直接インクと接触することを防止する絶縁層としての作用を行い、これより絶縁フィルム等の特別な絶縁層や振動板等を設けることなく外側電極３８をインク圧力室３１のインクから隔絶することができる。また、かかる絶縁層の作用を行う圧電セラミック層４０は圧電セラミック層３３及び外側圧電セラミック層３４の製造と同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することもない。
【００４６】
更に、インク圧力室３１のインクと接触する圧電セラミック層４０は、圧電セラミック層３３、及び、外側圧電セラミック層３４と同一の層から形成されており、従って、かかる圧電セラミック層４０は圧電セラミック層３３のシェアモード変形、外側圧電セラミック層３４の伸縮モード変形に従って容易に変形されることとなり、これにより、圧電セラミック層３３、外側圧電セラミック層３４の動きを規制することなく圧電セラミック層３３の第１電極３６、外側圧電セラミック層３４の外側電極３８をインク圧力室３１内のインクから遮蔽することができる。
【００４７】
尚、本発明は前記各第１及び第２実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは勿論である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明した通り請求項１に係るインクジェットヘッドでは、その駆動時に、電源から第１、第２電極間に駆動電圧が印加され、これにより第１電極と第２電極との間で、第１の圧電層にはその分極方向と直交する電界が発生されることに基づき第１の圧電層はシェアモードにて変形されるとともに、電源の第２端子に接続された外側電極と第２の圧電層に隣接する第１の圧電層の第１電極との間で、第２の圧電層にはその分極方向と平行な電界が発生されることに基づき第２の圧電層は伸縮モードにて変形される。
【００４９】
このように、第１の圧電層をシェアモードにて変形させ、同時に、第２の圧電層の分極方向と平行な電界を発生させて第２の圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、第１の圧電層の厚さを大きくした場合においても第１の圧電層のシェアモード変形と第２の圧電層の伸縮モード変形との協働に基づいて圧電体全体としての変形を大きくして変形効率を高く保持することが可能である。また、第１の圧電層の厚さを大きくしてもその変形効率を高く保持することが可能であるから、単層の圧電層を使用する場合に比して、インク圧力室の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることが可能である。
【００５０】
また、請求項２に係るインクジェットヘッドでは、インク圧力室側の第１の圧電層がシェアモードで変形され、また、第１の圧電層の上面で第２の圧電層が伸縮モードで変形され、これにより、第１の圧電層には、第２の圧電層の変形に基づき、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形量が大きくなる。
【００５１】
更に、請求項３に係るインクジェットヘッドでは、インク圧力室側の第２の圧電層が伸縮モードで変形され、また、第２の圧電層の上側で第１の圧電層がシェアモードで変形され、この場合において、前記請求項２のインクジェットヘッドの場合と同様、第１の圧電層には、その下面の第２の圧電層の変形に基づき、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形量が大きくなる。
【００５２】
また、請求項４に係るインクジェットヘッドでは、第２の圧電層の下面にインク圧力室のインクと接触する別の圧電層が設けられていることから、第２の圧電層の片面に形成された外側電極が直接インクと接触することはない。また、インクと接触する別の圧電層は、第２の圧電層の外側電極にインクが接触することを防止する絶縁層の作用を行い、これより絶縁フィルム等の特別な絶縁層や振動板等を設けることなく外側電極をインク圧力室のインクから隔絶することが可能となり、また、かかる絶縁層の作用を行う別の圧電層は前記第１の圧電層及び第２の圧電層の製造と同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することもない。
また、請求項５に係るインクジェットヘッドでは、第１の圧電層及び第２の圧電層の内、キャビティプレートに近い方の圧電層とキャビティプレートとの間に、圧電層をインク圧力室内のインクから隔絶する絶縁層が設けられているので、キャビティプレートに近い方の圧電層の表面に設けられた電極がインク圧力室のインクと接触することを防止することができる。
【００５３】
以上の説明した通り本発明は、層厚方向に分極された圧電層と外側圧電層とを積層してなる圧電体を使用し、駆動電圧の印加時に圧電層の分極方向と直交する電界を発生させて圧電層をシェアモードにて変形させるとともに、外側圧電層の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、圧電層の厚さを大きくした場合においても圧電層のシェアモード変形と外側圧電層の伸縮モード変形との協働に基づいて圧電体全体としての変形を大きくして変形効率を高く保持することが可能であるとともに、インク圧力室の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることが可能なコストの低いインクジェットヘッドを提供することできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 インクジェットプリンタの要部を示す斜視図である。
【図２】 第１実施形態に係る圧電式インクジェットヘッドのアレイ構造の一部を示す断面図である。
【図３】 圧電セラミック層を変形させて印字動作を行っているアレイの一部を拡大して示す断面図である。
【図４】 第２実施形態に係る圧電式インクジェットヘッドのアレイ構造の一部を示す断面図である。
【図５】 圧電セラミック層を変形させて印字動作を行っているアレイの一部を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
５ インクジェットヘッド
２０、３０ アレイ
２１、３１ インク圧力室
２２、３２ キャビティプレート
２３、３３ 圧電セラミック層
２４、３４ 外側圧電セラミック層
２５、３５ 区画壁
２６、３６ 第１電極
２７、３７ 第２電極
２８、３８ 外側電極
４０ 圧電セラミック層
Ａ、Ｂ、Ｅ，Ｆ 分極方向
Ｃ、Ｄ、Ｇ、Ｈ 電界方向
Ｓ スイッチ
Ｖ 駆動電源
【発明の属する技術分野】
本発明は、キャビティプレートに形成されたインク圧力室の開放面を閉塞するように圧電層を固定し、その圧電層に設けられた所定の電極に駆動電圧を印加して圧電層を変形させることによりインク吐出口からインクを吐出するインクジェットヘッドに関し、特に、層厚方向に分極された圧電層と外側圧電層とを積層してなる圧電体を使用し、駆動電圧の印加時に圧電層の分極方向と直交する電界を発生させて圧電層をシェアモードにて変形させるとともに、外側圧電層の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、圧電層のシェアモード変形と外側圧電層の伸縮モード変形との協働に基づいて圧電体全体としての変形を大きくすることが可能であり、また、インク圧力室の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることが可能なインクジェットヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、インクジェットプリンタに搭載されるインクジェットヘッドの構成については各種の構成が提案されており、その一例として、キャビティプレートに形成されたインク圧力室の開放面に固定された圧電素子の駆動電極に対して駆動パルスを印加し、圧電素子にシェアモード変形を発生させてインク圧力室の容積を変化させことによりインク吐出口からインク滴を吐出するように構成したインクジェットヘッドが知られている。
【０００３】
例えば、米国特許第４８２５２２７号の明細書及び図面には、チャンバプレートと固定プレートとからインク圧力室を構成し、そのインク圧力室の開放面（上面）側に単層からなる圧電層を固定するとともに、圧電層の一面（上面）にてインク圧力室の周縁部に２つの電極及び圧電層の他面（下面）の全面に共通電極を形成したインクジェットヘッドが記載されている。かかるインクジェットヘッドでは、圧電層がインク圧力室の中央部から圧電層面に沿って平行に分極されており、２つの電極に駆動電圧を印加して分極方向に直交する電界を発生させることにより圧電層にシェアモード変形を発生し、これによりインク圧力室の容積を変化させてインク圧力室内のインクをインク吐出口から吐出するように構成されている。
【０００４】
また、米国特許第４５８４５９０号の明細書及び図面には、本体プレートにインク圧力室を形成し、そのインク圧力室の開放面（上面）側に単層からなる圧電層を固定するとともに、インク圧力室に対応して圧電層の両面に電極及びインク圧力室から外れた周縁位置に対応して圧電層の両面に電極を形成したインクジェットヘッドが記載されている。かかるインクジェットヘッドでは、圧電層がその層厚方向に沿って分極されており、インク圧力室に対応する各電極に駆動電圧を印加して分極方向に直交する電界を発生させることにより圧電層にシェアモード変形を発生し、これによりインク圧力室の容積を変化させてインク圧力室内のインクをインク吐出口から吐出するように構成されている。
【０００５】
このように、前記した２つのインクジェットヘッドでは、圧電層の分極方向が異なるものの、圧電層に離間形成された電極間に駆動電圧を印加することにより分極方向と直交する電界を発生して圧電層をシェアモード変形させることによりインク圧力室の容積を変化させてインク吐出口からインクを吐出するように構成した点、及び、圧電層として単層の圧電層を使用している点で共通する。
【０００６】
更に、２層以上の圧電層を積層した積層型圧電体を使用したインクジェットヘッドも知られており、この種のインクジェットヘッドに使用される積層型圧電体は、横効果モード或いは縦効果モードを利用した、所謂、伸縮モードにて変形を行う圧電体であり、かかる圧電体とインク圧力室との間に振動板等を介在させた構成を採用している。また、積層型圧電体を使用するとともに、その積層型圧電体に駆動電圧を印加し、その分極方向と実質的に垂直な方向の電界を発生させてシェアモードにて変形させることによりインクチャンネルの容積を変化してインクを吐出するインクジェットヘッドも知られている（特開平４−１２５１５７号公報等参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した各米国特許第４８２５２２７号及び第４５８４５９０号の明細書、図面に記載されたインクジェットヘッドでは、前記のようにインク吐出口からインクを吐出する際に圧電層の電極に駆動電圧を印加し、圧電層の分極方向と直交する電界を発生してシェアモード変形させることによりインク吐出口からインクを吐出するものではあるが、圧電層はシェアモード変形のみによって変形駆動されるだけである。このとき、インク吐出口から効率的にインクを吐出するためには、駆動電圧に対する圧電層の変形効率を向上する必要があるが、かかる圧電層の変形効率は、その厚さが薄ければ薄い程高くなる。このような圧電層の変形効率を勘案すれば、前記インクジェットヘッドでは、シェアモード変形のみによって変形駆動されるだけであるので、圧電層の厚さを大きくするには自ずと限界が存する。従って、圧電層自体がインク圧力室の一壁を構成しており、また、圧電層の変形効率を一定以上に保持するためには所定の厚さ以上に厚くすることができないことから、圧電層の強度が低下してしまってインク吐出時に撓んでしまい、この結果、インク圧力室内に発生する圧力の低下を招来するという問題がある。
【０００８】
更に、積層型圧電体を使用するインクジェットヘッドでは、積層型圧電体を伸縮モードにて変形させる関係上、積層型圧電体における伸縮変形をインク圧力室に伝達してインク吐出を行うにつき振動板等が必要され、インクジェットヘッドのコストが高くなってしまう。また、高解像度のマルチノズルヘッドを実現するにおいては、伸縮モードの積層圧電体を用いる場合、複数の前記圧電体を微小ピッチで配列する方法と、単一の前記圧電体に溝加工を微小ピッチで行う方法とが考えられるが、いずれにしても微小ピッチ化に限界があり、結局高解像度用のヘッドには不向きであった。
【０００９】
また、積層型圧電体をシェアモードにて変形させることによりインクを吐出するインクジェットヘッドでは、積層型圧電体が複数の圧電層を有することから、電気機械変換効率は良く、駆動電圧を低減することが可能であるが、積層型圧電体はシェアモードのみにて変形されるだけであるので、積層型圧電体の変形効率の点でまだ尚充分なものとはいえない。
【００１０】
本発明は前記従来の問題点を解消するためになされたものであり、層厚方向に分極された圧電層と外側圧電層とを積層してなる圧電体を使用し、駆動電圧の印加時に圧電層の分極方向と直交する電界を発生させて圧電層をシェアモードにて変形させるとともに、外側圧電層の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、圧電層の厚さを大きくした場合においても圧電層のシェアモード変形と外側圧電層の伸縮モード変形との協働に基づいて圧電体全体としての変形を大きくして変形効率を高く保持することが可能であるとともに、インク圧力室の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることが可能なコストの低いインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため請求項１に係るインクジェットヘッドは、一面が開放されたインク圧力室が形成されたキャビティプレートと、前記インク圧力室の一面を閉塞するように前記キャビティプレートに固定されるとともに層厚方向に分極された第１の圧電層と、前記第１の圧電層の一方面に積層されるとともに前記第１の圧電層と同じ方向に分極された第２の圧電層とを有するインクジェットヘッドにおいて、前記第１の圧電層の一方面は、前記インク圧力室に対応する位置に形成された第１電極及び前記インク圧力室の周縁位置に対応する位置に形成された第２電極を有し、前記第２の圧電層は、前記第１の圧電層に積層する積層面と反対側の表面に、前記第１電極と対向するとともに前記第２電極と電気的に接続する外側電極を有し、前記第１電極と前記第２電極との間に電源から駆動電圧を印加した際に、前記第１の圧電層にはその分極方向と直交する電界を発生することにより当該第１の圧電層をシェアモードにて変形させるとともに、前記第２の圧電層にはその分極方向と平行な電界を発生することにより当該第２の圧電層を伸縮モードにて変形させる構成を有する。
【００１２】
請求項１のインクジェットヘッドでは、その駆動時に、電源から第１、第２電極間に駆動電圧が印加され、これにより第１電極と第２電極との間で、第１の圧電層にはその分極方向と直交する電界が発生されることに基づき第１の圧電層はシェアモードにて変形されるとともに、電源の第２端子に接続された外側電極と第２の圧電層に隣接する第１の圧電層の第１電極との間で、第２の圧電層にはその分極方向と平行な電界が発生されることに基づき第２の圧電層は伸縮モードにて変形される。
【００１３】
このように、第１の圧電層をシェアモードにて変形させ、同時に、第２の圧電層の分極方向と平行な電界を発生させて第２の圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、第１の圧電層の厚さを大きくした場合においても第１の圧電層のシェアモード変形と第２の圧電層の伸縮モード変形との協働に基づいて圧電体全体としての変形を大きくして変形効率を高く保持することが可能である。また、圧電層の厚さを大きくしてもその変形効率を高く保持することが可能であるから、単層の圧電層を使用する場合に比して、インク圧力室の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることが可能である。
【００１４】
また、請求項２に係るインクジェットヘッドは、請求項１のインクジェットヘッドにおいて、前記第２の圧電層は前記第１の圧電層の上面に積層されていることを特徴とする。かかる請求項２のインクジェットヘッドでは、インク圧力室側の第１の圧電層がシェアモードで変形され、また、第１の圧電層の上面で第２の圧電層が伸縮モードで変形される。これにより、第１の圧電層には、第２の圧電層の変形に基づき、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形量が大きくなる。
【００１５】
更に、請求項３に係るインクジェットヘッドは、請求項１のインクジェットヘッドにおいて、前記第２の圧電層は前記第１の圧電層の下面に積層されていることを特徴とする。かかる請求項３のインクジェットヘッドでは、インク圧力室側の第２の圧電層が伸縮モードで変形され、また、第２の圧電層の上側で第１の圧電層がシェアモードで変形される。この場合において、前記請求項２のインクジェットヘッドの場合と同様、第１の圧電層には、その下面の第２の圧電層の変形に基づき、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形量が大きくなる。
【００１６】
更に、請求項４に係るインクジェットヘッドは、請求項３のインクジェットヘッドにおいて、前記第２の圧電層の下面には、インク圧力室のインクと接触する別の圧電層が設けられていることを特徴とする。請求項４のインクジェットヘッドでは、第２の圧電層の下面にインク圧力室のインクと接触する別の圧電層が設けられていることから、第２の圧電層の片面に形成された外側電極が直接インクと接触することはない。また、インクと接触する別の圧電層は、第２の圧電層の外側電極にインクが接触することを防止する絶縁層の作用を行い、これより絶縁フィルム等の特別な絶縁層や振動板等を設けることなく外側電極をインク圧力室のインクから隔絶することが可能となり、また、かかる絶縁層の作用を行う別の圧電層は前記第１の圧電層及び第２の圧電層の製造と同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することもない。
また、請求項５に係るインクジェットヘッドは、請求項１乃至請求項４のインクジェットヘッドにおいて、前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層の内、前記キャビティプレートに近い方の圧電層とキャビティプレートとの間に、前記圧電層をインク圧力室内のインクから隔絶する絶縁層が設けられていることを特徴とする。それによって、キャビティプレートに近い方の圧電層の表面に設けられた電極がインク圧力室のインクと接触することを防止することができる。
また、請求項６に係るインクジェットヘッドは、請求項１乃至請求項５のインクジェットヘッドにおいて、前記外側電極は前記第２の圧電層の表面全体に渡って形成されていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るインクジェットヘッドについて、本発明を具体化した実施形態に基づいて図面を参照しつつ詳細に説明する。先ず、第１実施形態に係るインクジェットヘッドが搭載されるインクジェットプリンタの概略について図１に基づき説明する。図１はインクジェットプリンタの要部を示す斜視図である。
【００１８】
図１において、一対のフレーム１（図１中、一方のフレーム１のみを示す）間には軸２を介してプラテン３が回転可能に取り付けられており、このプラテン３はモータ４により回転駆動される。プラテン３に対向して圧電式インクジェットヘッド５が配置されている。かかる圧電式インクジェットヘッド５は、インク供給装置６と共にキャリッジ７上に載置されている。キャリッジ７はプラテン３の軸線と平行に配設された２本のガイドロッド８に摺動可能に支持されており、また、キャリッジ７には一対のプーリ９に掛装されたタイミングベルト１０が結合されている。また、一方のプーリ９（図１中、右側のプーリ９）は、モータ１１の駆動軸に固定されており、従って、モータ１１を介して右側のプーリ９が回転されることに基づきタイミングベルト１０が送られてキャリッジ７がプラテン３に沿って往復動されるものである。
【００１９】
次に、圧電式インクジェットヘッド５の構造について図２に基づき説明する。図２は第１実施形態に係る圧電式インクジェットヘッド５のアレイ構造の一部を示す断面図である。尚、第１実施形態に係るインクジェットヘッド５は、駆動電圧を印加した時にインクを吐出する、所謂、押し打ち方式のインクジェットヘッドである。
【００２０】
図２において、圧電式インクジェットヘッド５のアレイ２０は、基本的に、上面が開放された複数個のインク圧力室２１が形成されてなるキャビティプレート２２、各インク圧力室２１の上面（開放面）を閉塞するようにキャビティプレート２２上に接着剤等により固定された圧電セラミック層２３、及び、圧電セラミック層２３の上面に積層された外側圧電セラミック層２４から構成されている。
【００２１】
ここに、各インク圧力室２１はキャビティプレート２２に切削加工等を施すことにより形成され、また、各インク圧力室２１間は区画壁２５により区画されている。
【００２２】
圧電セラミック層２３は、圧電・電歪効果を有する圧電セラミック層から形成されており、かかる圧電セラミック層２３の上面には、各インク圧力室２１に対応する位置に第１電極２６が形成されているとともに、インク圧力室２１の周縁位置にて各区画壁２５に対応して第２電極２７が形成されている。また、圧電セラミック層２３の下面には、その上面の第１電極２６及び第２電極２７に対応する位置にて、それぞれ第１電極２６、第２電極２７が形成されている。尚、圧電セラミック層２３は、外側圧電セラミック層２４の製造と同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することはない。
【００２３】
また、圧電セラミック層２３は、図２中矢印Ａにて示すように、その層厚方向に分極されている。圧電セラミック層２３の上下両面における各第１電極２６は、それぞれスイッチＳを介して駆動電源Ｖのプラス側端子に接続されており、また、各第２電極２７は、それぞれ駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されている。
【００２４】
更に、外側圧電セラミック層２４は、圧電セラミック層２３を製造する際に同時に形成されるものであり、その上面の全体に渡って外側電極２８が設けられている。かかる外側圧電セラミック層２４は、矢印Ｂにて示すように、その層厚方向に分極されている。また、外側圧電セラミック層２４の外側電極２８は、駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されている。
【００２５】
尚、前記圧電セラミック層２３、外側圧電セラミック層２４等の製造方法、及び、これらの分極処理方法については、特開平４−１２５１５７号公報等に記載されている製造方法、分極処理方法と同一であり、従って、ここでは製造方法等についての詳細な説明は省略する。
【００２６】
次に、前記のように構成されたインクジェットヘッド５におけるアレイ２０の動作について図３に基づき説明する。図３は圧電セラミック層２３を変形させて印字動作を行っているアレイ２０の一部を拡大して示す断面図である。尚、ここでは、図２に示すように、左から２番目のインク圧力室２１に対応するスイッチＳがオンされたものとして、各圧電セラミック層２３、外側圧電セラミック層２４の動作につき説明することとする。
【００２７】
図３において、所定の印字データに基づきコントローラ（図示せず）を介してスイッチＳがオンされた場合、駆動電源Ｖを介して、圧電セラミック層２３の上下両面における第１電極２６に駆動電圧が印加される。このとき、第１電極２６は駆動電源Ｖのプラス側端子に接続され、第２電極２７はマイナス側端子に接続されているので、圧電セラミック層２３の上下両面における第１電極２６と第２電極２７との間で、図３に示すように、圧電セラミック層２３の分極方向（矢印Ａにて示す）と直交する電界（矢印Ｃにて示す）が発生する。これにより、圧電セラミック層２３は、その圧電・電歪効果に基づきシェアモードにて図示のように一様に変形される。
【００２８】
また、外側圧電セラミック層２４の外側電極２８は駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されていることから、前記のようにスイッチＳがオンされた際に第１電極２６との間で、外側圧電セラミック層２４の分極方向（矢印Ｂにて示す）と平行な方向の電界（矢印Ｄにて示す）が発生する。これにより、外側圧電セラミック層２４は、その圧電・電歪効果に基づき伸縮モードにて変形される。即ち、外側圧電セラミック層２４は、その厚み方向には伸び、長手方向には縮むため、隣接する圧電セラミック層２３との間のバイモルフ効果により、図示下方向に湾曲する。
【００２９】
前記したように、スイッチＳをオンさせた際に、駆動電源Ｖから圧電セラミック層２３の上下両面における第１電極２６に駆動電圧が印加されることに基づき、圧電セラミック層２３にてその分極方向に直交する電界を発生させてシェアモードにて一様に変形させ、同時に、外側圧電セラミック層２４の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電セラミック層２４を伸縮モードにて変形させることにより、インク圧力室２１の容積が減少され、これによりインク圧力室２１内のインクがインク吐出口（図示せず）から印字用紙に向かって吐出されて文字等の印字が行われる。
【００３０】
このように、第１実施形態に係るインクジェットヘッド５では、その印字駆動時に、圧電セラミック層２３がシェアモードにて変形され、同時に、外側圧電セラミック層２４が伸縮モードにて変形されるので、圧電セラミック層２３のシェアモード変形と外側圧電セラミック層２４の伸縮モード変形との協働により、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形を大きくすることができる。また、圧電セラミック層２３のシェアモード変形と外側圧電セラミック層２４の伸縮モード変形との協働作用に基づき、圧電セラミック層２３の厚さを大きくしてもその変形効率を高く保持することが可能であるから、単層の圧電層を使用する場合に比して、インク圧力室２１の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることができる。
【００３１】
また、圧電セラミック層２３は外側圧電セラミック層２４の製造と同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することもない。
【００３２】
尚、上記の第１実施形態において、圧電セラミック層２３及び外側圧電セラミック層２４の分極方向の関係を逆の関係にすれば、圧電セラミック層２３及び外側圧電セラミック層２４を逆方向、即ち、インク圧力室２１の容積を増大させる方向に変形させることが可能であり、これにより後述する引き打ち方式へも適用可能である。また、圧電セラミック層２３の下面に形成された第１電極２６をインク圧力室２１内のインクから隔絶すべく、圧電セラミック層２３の下面に有機又は無機材料から形成された保護膜を適宜形成するのが望ましい。
【００３３】
次に、第２実施形態に係るインクジェットヘッド５のアレイ構造について図４に基づき説明する。図４は第２実施形態に係る圧電式インクジェットヘッド５のアレイ構造の一部を示す断面図である。尚、第２実施形態に係るインクジェットヘッド５は、駆動電圧を印加した時にインクの吸引動作を行った後駆動電圧の印加を停止した時点でインクを吐出する、所謂、引き打ち方式のインクジェットヘッドである。
【００３４】
図４において、圧電式インクジェットヘッド５のアレイ３０は、基本的に、上面が開放された複数個のインク圧力室３１が形成されてなるキャビティプレート３２、各インク圧力室３１の上面（開放面）を閉塞するようにキャビティプレート３２上に接着剤等により固定された圧電セラミック層４０、圧電セラミック層４０の上面に積層された外側圧電セラミック層３４、及び、外側圧電セラミック層３４の上面に積層された圧電セラミック層３３から構成されている。尚、ここでは、説明上便宜的に各層に分けているが、圧電セラミック層４０、外側圧電セラミック層３４、圧電セラミック層３３は、一体に形成されている。
【００３５】
ここに、各インク圧力室３１はキャビティプレート３２に切削加工等を施すことにより形成され、また、各インク圧力室３１間は区画壁３５により区画されている。
【００３６】
外側圧電セラミック層３４の下面に配置された圧電セラミック層４０の上面には、その全体に渡って外側電極３８が形成されており、かかる外側電極３８は、後述するように、駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されて外側圧電セラミック層３４を伸縮モードで変形させるにつき必要な電極である。また、圧電セラミック層４０は、インク圧力室３１内のインクと接触する圧電層であり、外側圧電セラミック層３４及び圧電セラミック層３３をインクから隔絶する絶縁層として作用する。このように、圧電セラミック層４０に絶縁層としての機能を行わせ、この圧電セラミック層４０を介して、上側の外側圧電セラミック層３４下面における外側電極３８にインクが接触することを防止し、これより絶縁フィルム等の特別な絶縁層や振動板等を設けることなく圧電セラミック層３３をインク圧力室のインクから隔絶することを可能とするためである。また、圧電セラミック層４０は、圧電セラミック層３３の製造を行うについて、これと同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することもない。
【００３７】
外側圧電セラミック層３４の上面には、各インク圧力室３１に対応する位置に第１電極３６が形成されているとともに、インク圧力室３１の周縁位置にて各区画壁２３に対応して第２電極３７が形成されている。各第１電極３６は、それぞれスイッチＳを介して駆動電源Ｖのプラス側端子に接続され、また、各第２電極３７は、それぞれ駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されている。かかる外側圧電セラミック層３４は、矢印Ｆにて示すように、その層厚方向に分極されており、また、外側圧電セラミック層３４は、前記圧電セラミック層４０と一体に形成されることから、外側電極３８は外側圧電セラミック層３４の下面の全体に渡って形成されていることとなる。この外側電極３８は、駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されている。
【００３８】
圧電セラミック層３３は、圧電・電歪効果を有する圧電セラミック層から構成されており、その上面には、それぞれ各インク圧力室３１に対応する位置に、前記外側圧電セラミック層３４と同様、第１電極３６が形成されているとともに、インク圧力室３１の周縁位置にて各区画壁３５に対応して第２電極３７が形成されている。また、圧電セラミック層３３は、矢印Ｅにて示すように、その層厚方向に分極されている。更に、各第１電極３６は、それぞれスイッチＳを介して駆動電源Ｖのプラス側端子に接続されており、また、各第２電極３７は、それぞれ駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されている。これにより、圧電セラミック層３３の上下両面には、それぞれ対向する位置にて第１電極３６、第２電極３７が形成されることとなる。
【００３９】
尚、前記圧電セラミック層３３、外側圧電セラミック層３４等の製造方法、及び、これらの分極処理方法については、特開平４−１２５１５７号公報等に記載されている製造方法、分極処理方法と同一であり、従って、ここでは製造方法等についての詳細な説明は省略する。
【００４０】
次に、前記のように構成された第２実施形態に係るインクジェットヘッド５におけるアレイ３０の動作について図５に基づき説明する。図５は圧電セラミック層３３を変形させて印字動作を行っているアレイ３０の一部を拡大して示す断面図である。尚、ここでは、図４に示すように、左から２番目のインク圧力室３１に対応するスイッチＳがオンされたものとして、各圧電セラミック層３３、外側圧電セラミック層３４の動作につき説明することとする。
【００４１】
図５において、所定の印字データに基づきコントローラ（図示せず）を介してスイッチＳがオンされた場合、駆動電源Ｖを介して各第１電極３６に駆動電圧が印加される。このとき、各第１電極３６は駆動電源Ｖのプラス側端子に接続され、各第２電極３７はマイナス側端子に接続されているので、圧電セラミック層３３の上面において各第１電極３６と第２電極３７との間で、図５に示すように、圧電セラミック層３３の分極方向（矢印Ｅにて示す）と直交する電界（矢印Ｇにて示す）が発生する。また、同様に、圧電セラミック層３３の下面において各第１電極３６と第２電極３７との間で、圧電セラミック層３３の分極方向（矢印Ｅにて示す）と直交する電界（矢印Ｇにて示す）が発生する。これにより、圧電セラミック層３３は、その圧電・電歪効果に基づきシェアモードにて一様に変形される。
【００４２】
また、外側圧電セラミック層３４の外側電極３８は駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されていることから、前記のようにスイッチＳがオンされた際に対向する第１電極３６との間で、外側圧電セラミック層３４の分極方向（矢印Ｆにて示す）と平行な方向の電界（矢印Ｈにて示す）が発生する。これにより、外側圧電セラミック層３４は、その圧電・電歪効果に基づき伸縮モードにて変形される。即ち、外側圧電セラミック層３４は、前記第１実施形態における外側圧電セラミック層２４と同様、その厚み方向には伸び、長手方向には縮むため、隣接する圧電セラミック層３３との間のバイモルフ効果により、図示上方向に湾曲する。尚、インク圧力室３１のインクと接触する圧電セラミック層４０は、前記各圧電セラミック層３３、外側圧電セラミック層３４と同一の層（成分）より構成されていることから、基本的に、圧電セラミック層３３のシェアモード変形及び外側圧電セラミック層３４の伸縮モード変形に追随して図５に示すように変形される。
ここに、外側圧電セラミック層３４は、圧電セラミック層３３と圧電セラミック層４０との間にサンドイッチされていることから、前記のように発生するバイモルフ効果は若干弱くなるが、圧電セラミック層３３の方が厚いので図５に示すように変形する。このとき、圧電セラミック層３３、外側セラミック圧電層３４の変形効率を重視する場合には、圧電セラミック層４０は省略する方がよい。これは、外側電極３８は、図４に示すように、駆動電源Ｖのマイナス側端子（グランド）に接続されており、インク圧力室３１内のインクに悪影響を与えることが少ないからである。これに対して、外側電極３８がインク圧力室３１内のインクへ与える可能性がある悪影響を重視し、且つ、圧電セラミック層３３、外側セラミック圧電層３４の変形効率をも重視する場合には、圧電セラミック層４０に代えて外側圧電セラミック層３４の下面に可撓性のある絶縁フィルム等を配置するのがよい。前記のように圧電セラミック層３３の下面に外側圧電セラミック層３４を設ける場合には各種の変形態様が考えられるが、各変形態様には一長一短があるので、いずれの態様を採用するかは最も重視するメリットを考慮して決定すればよい。
【００４３】
前記したように、スイッチＳをオンさせた際に、駆動電源Ｖから各第１電極３６に駆動電圧が印加されることに基づき、圧電セラミック層３３の両面にてその分極方向に直交する電界を発生させてシェアモードにて変形させ、同時に、外側圧電セラミック層３４の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、インク圧力室２１の容積が増大され、これによりインク圧力室２１内にインクを吸入した後、駆動電圧の印加を停止した時点でインクがインク吐出口（図示せず）から印字用紙に向かって吐出されて文字等の印字が行われる。
【００４４】
このように、第２実施形態に係るインクジェットヘッド５では、その印字駆動時に、圧電セラミック層３３がシェアモードにて変形され、同時に、外側圧電セラミック層３４が伸縮モードにて変形されるので、圧電セラミック層３３のシェアモード変形と外側圧電層３４の伸縮モード変形との協働により、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形を大きくすることができる。また、圧電セラミック層３３のシェアモード変形と外側圧電セラミック層３４の伸縮モード変形との協働作用に基づき、圧電セラミック層３３の厚さを大きくしてもその変形効率を高く保持することが可能であるから、単層の圧電層を使用する場合に比して、インク圧力室３１の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることができる。
【００４５】
また、外側圧電セラミック層３４の下面にインク圧力室３１のインクと接触する圧電セラミック層４０が設けられていることから、外側圧電セラミック層３４の下面に存在する外側電極３８が直接インクと接触することを防止する絶縁層としての作用を行い、これより絶縁フィルム等の特別な絶縁層や振動板等を設けることなく外側電極３８をインク圧力室３１のインクから隔絶することができる。また、かかる絶縁層の作用を行う圧電セラミック層４０は圧電セラミック層３３及び外側圧電セラミック層３４の製造と同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することもない。
【００４６】
更に、インク圧力室３１のインクと接触する圧電セラミック層４０は、圧電セラミック層３３、及び、外側圧電セラミック層３４と同一の層から形成されており、従って、かかる圧電セラミック層４０は圧電セラミック層３３のシェアモード変形、外側圧電セラミック層３４の伸縮モード変形に従って容易に変形されることとなり、これにより、圧電セラミック層３３、外側圧電セラミック層３４の動きを規制することなく圧電セラミック層３３の第１電極３６、外側圧電セラミック層３４の外側電極３８をインク圧力室３１内のインクから遮蔽することができる。
【００４７】
尚、本発明は前記各第１及び第２実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは勿論である。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明した通り請求項１に係るインクジェットヘッドでは、その駆動時に、電源から第１、第２電極間に駆動電圧が印加され、これにより第１電極と第２電極との間で、第１の圧電層にはその分極方向と直交する電界が発生されることに基づき第１の圧電層はシェアモードにて変形されるとともに、電源の第２端子に接続された外側電極と第２の圧電層に隣接する第１の圧電層の第１電極との間で、第２の圧電層にはその分極方向と平行な電界が発生されることに基づき第２の圧電層は伸縮モードにて変形される。
【００４９】
このように、第１の圧電層をシェアモードにて変形させ、同時に、第２の圧電層の分極方向と平行な電界を発生させて第２の圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、第１の圧電層の厚さを大きくした場合においても第１の圧電層のシェアモード変形と第２の圧電層の伸縮モード変形との協働に基づいて圧電体全体としての変形を大きくして変形効率を高く保持することが可能である。また、第１の圧電層の厚さを大きくしてもその変形効率を高く保持することが可能であるから、単層の圧電層を使用する場合に比して、インク圧力室の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることが可能である。
【００５０】
また、請求項２に係るインクジェットヘッドでは、インク圧力室側の第１の圧電層がシェアモードで変形され、また、第１の圧電層の上面で第２の圧電層が伸縮モードで変形され、これにより、第１の圧電層には、第２の圧電層の変形に基づき、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形量が大きくなる。
【００５１】
更に、請求項３に係るインクジェットヘッドでは、インク圧力室側の第２の圧電層が伸縮モードで変形され、また、第２の圧電層の上側で第１の圧電層がシェアモードで変形され、この場合において、前記請求項２のインクジェットヘッドの場合と同様、第１の圧電層には、その下面の第２の圧電層の変形に基づき、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形量が大きくなる。
【００５２】
また、請求項４に係るインクジェットヘッドでは、第２の圧電層の下面にインク圧力室のインクと接触する別の圧電層が設けられていることから、第２の圧電層の片面に形成された外側電極が直接インクと接触することはない。また、インクと接触する別の圧電層は、第２の圧電層の外側電極にインクが接触することを防止する絶縁層の作用を行い、これより絶縁フィルム等の特別な絶縁層や振動板等を設けることなく外側電極をインク圧力室のインクから隔絶することが可能となり、また、かかる絶縁層の作用を行う別の圧電層は前記第１の圧電層及び第２の圧電層の製造と同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することもない。
また、請求項５に係るインクジェットヘッドでは、第１の圧電層及び第２の圧電層の内、キャビティプレートに近い方の圧電層とキャビティプレートとの間に、圧電層をインク圧力室内のインクから隔絶する絶縁層が設けられているので、キャビティプレートに近い方の圧電層の表面に設けられた電極がインク圧力室のインクと接触することを防止することができる。
【００５３】
以上の説明した通り本発明は、層厚方向に分極された圧電層と外側圧電層とを積層してなる圧電体を使用し、駆動電圧の印加時に圧電層の分極方向と直交する電界を発生させて圧電層をシェアモードにて変形させるとともに、外側圧電層の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、圧電層の厚さを大きくした場合においても圧電層のシェアモード変形と外側圧電層の伸縮モード変形との協働に基づいて圧電体全体としての変形を大きくして変形効率を高く保持することが可能であるとともに、インク圧力室の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることが可能なコストの低いインクジェットヘッドを提供することできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 インクジェットプリンタの要部を示す斜視図である。
【図２】 第１実施形態に係る圧電式インクジェットヘッドのアレイ構造の一部を示す断面図である。
【図３】 圧電セラミック層を変形させて印字動作を行っているアレイの一部を拡大して示す断面図である。
【図４】 第２実施形態に係る圧電式インクジェットヘッドのアレイ構造の一部を示す断面図である。
【図５】 圧電セラミック層を変形させて印字動作を行っているアレイの一部を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
５ インクジェットヘッド
２０、３０ アレイ
２１、３１ インク圧力室
２２、３２ キャビティプレート
２３、３３ 圧電セラミック層
２４、３４ 外側圧電セラミック層
２５、３５ 区画壁
２６、３６ 第１電極
２７、３７ 第２電極
２８、３８ 外側電極
４０ 圧電セラミック層
Ａ、Ｂ、Ｅ，Ｆ 分極方向
Ｃ、Ｄ、Ｇ、Ｈ 電界方向
Ｓ スイッチ
Ｖ 駆動電源
Claims (6)
- 一面が開放されたインク圧力室が形成されたキャビティプレートと、前記インク圧力室の一面を閉塞するように前記キャビティプレートに固定されるとともに層厚方向に分極された第１の圧電層と、前記第１の圧電層の一方面に積層されるとともに前記第１の圧電層と同じ方向に分極された第２の圧電層とを有するインクジェットヘッドにおいて、
前記第１の圧電層の上下両面は、前記インク圧力室に対応する位置に形成された第１電極及び前記インク圧力室の周縁位置に対応する位置に形成された第２電極を有し、
前記第２の圧電層は、前記第１の圧電層に積層する積層面と反対側の表面に、前記第１電極と対向するとともに前記第２電極と電気的に接続する外側電極を有し、
前記第１電極と前記第２電極との間に電源から駆動電圧を印加した際に、前記第１の圧電層にはその分極方向と直交する電界を発生することにより当該第１の圧電層をシェアモードにて変形させるとともに、前記第２の圧電層にはその分極方向と平行な電界を発生することにより当該第２の圧電層を伸縮モードにて変形させることを特徴とするインクジェットヘッド。 - 前記第２の圧電層は前記第１の圧電層の上面に積層されていることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
- 前記第２の圧電層は前記第１の圧電層の下面に積層されていることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
- 前記第２の圧電層の下面には、インク圧力室のインクと接触する別の圧電層が設けられていることを特徴とする請求項３記載のインクジェットヘッド。
- 前記第１の圧電層及び前記第２の圧電層の内、前記キャビティプレートに近い方の圧電層とキャビティプレートとの間に、前記圧電層をインク圧力室内のインクから隔絶する絶縁層が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
- 前記外側電極は前記第２の圧電層の表面全体に渡って形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
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