JP3826588B2

JP3826588B2 - インクジェットヘッド装置

Info

Publication number: JP3826588B2
Application number: JP29843698A
Authority: JP
Inventors: 純磯野; 正友小島
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1998-10-20
Filing date: 1998-10-20
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2018-10-20
Also published as: JP2000117968A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型圧電素子を用いたインクジェットヘッド装置の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のインクジェットプリンタに用いられるインクジェットヘッドは、複数の仕切桁により仕切られたインク圧力室を備えたセラミック製のキャビティプレートと、該キャビティプレートに接合した圧電素子とにより構成されており、該圧電素子によりインク圧力室内に圧力変動を生じさせ、インク圧力室内のインクをキャビティプレートに形成したノズルから吐出させている。
【０００３】
圧電素子には様々な種類のものが用いられるが、一例として、積層型の圧電素子が挙げられる。この積層型の圧電素子は、シート状に形成した圧電部材上に、互いに所定の間隔を有して交互に配置される正負の電極パターンをスクリーン印刷し、更にこの電極上に圧電部材を重ね、以下同様にして圧電部材と電極とを積層した後、脱バインダ・焼成処理を施し、更にその後圧電素子の変形部をそれぞれ独立させるように複数の切欠凹部を設けるという工程を経て製造される。
【０００４】
このような構成により、複数のインク圧力室のそれぞれに圧電素子の複数の変位部を対応させることができ、各インク圧力室毎に良好なインク吐出を行わせることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のように、スクリーン印刷により正負の電極パターンを圧電部材上に形成した場合には各電極パターンの間隔が例えば約１００μｍと短いため、印刷の精度によっては正の電極パターンと負の電極パターンとが短絡する可能性が高く、圧電素子を正常に変位させることができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、正負の電極パターンの短絡の可能性のないインクジェットヘッド装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のインクジェットヘッド装置は、前記課題を解決するために、インク圧力室に貯留されているインクに圧力変動を与えることにより当該インクを吐出させるインクジェットヘッド装置であって、２層以上に積層され積層方向に分極された圧電体層と、前記圧電体層間に形成された正及び負の電極と、インク圧力室が形成されたキャビティプレートとを備え、前記圧電体層の同一表面上には正または負の何れか一方の電極のみが所定間隔で配列するように該圧電体層の上面に形成され、前記積層方向には正の電極と負の電極が前記配列の方向に互いに所定間隔を有するように交互に形成され、最下層の前記圧電体層の電極が形成されていない表面と前記キャビティプレートとが接合されており、前記正の電極及び負の電極への電圧印加に基づく該分極の方向と直交する電界により変形する、ことを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載のインクジェットヘッド装置によれば、圧電体層の同一表面上には、正または負の何れか一方の電極のみが所定間隔で配列されているので、電極形成時の精度にばらつきが存在する場合でも、正の電極と負の電極との短絡を生じさせない。しかも、正の電極と負の電極は、前記積層方向で見ると、各圧電体層における電極の配列の方向に互いに所定間隔を有するように交互に形成されているので、前記正の電極へ正の電圧を印加し、負の電極への負の電圧を印加することにより、前記圧電体の分極の方向と直交する方向に電界を生じさせる。その結果、圧電体はシェアモードにより変形することになる。
【０００９】
請求項２に記載のインクジェットヘッド装置は、前記課題を解決するために、請求項１に記載のインクジェットヘッド装置において、前記圧電体層の最上層の表面には、正または負の共通電極が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載のインクジェットヘッド装置によれば、前記圧電体層の最上層の表面には、正または負の共通電極が設けられているので、当該共通電極とは異なる極性の電極が設けられた圧電体層のうち、最上層に最も近い圧電体層は、前記共通電極と当該電極との間に形成される前記分極方向と平行な方向の電界により変位し、更に当該変位が前記共通電極により拘束されるため、この圧電体はユニモルフモードにより変形する。従って、シェアモードによる変形に加えてユニモルフモードによる変形が行われるので、圧電素子の変形量は増大することになる。このように、正の電極と負の電極の短絡を確実に防止しつつ十分に圧電体を変形させることができる。
【００１１】
請求項３に記載のインクジェットヘッド装置は、前記課題を解決するために、請求項１または請求項２に記載のインクジェットヘッド装置において、前記積層方向における前記インク圧力室位置の電極数は、前記インク圧力室を区画する区画壁位置の電極数よりも多いことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載のインクジェットヘッド装置によれば、前記積層方向における前記インク圧力室位置の電極数は、前記インク圧力室を区画する区画壁位置の電極数よりも多いので、前記分極方向に対して直交する方向の電界の力が大きくなり、圧電体の変形量が増大する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面の図１乃至図６に基づいて説明する。なお、本実施形態との比較のため従来例を示した図７をも参照する。
【００１４】
先ず、本実施形態のインクジェットヘッド装置の概略について図１に基づいて説明する。
【００１５】
図１はライン型インクジェットプリンタ用ヘッドの概略構成を示すの要部を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態のライン型インクジェットプリンタ用ヘッドは、複数の圧電式インクジェットヘッド２が第１インク流路プレート３の表面に並設されている。
【００１６】
第１インク流路プレート３は、アルミニウムまたはマグネシウムで形成された板状部材であり、表面にはステンレス鋼のパターンをポリイミドフィルムに挟持したヒータ４が取り付けられ、裏面には図示しないインクタンクから供給されるインクの往路５が形成されている。また、第１インク流路プレート３には、表面から裏面までを貫き前記往路５と連通した貫通孔７が形成されており、前記往路５に供給されたインクは該貫通孔７により表面側に供給される。更に、第１インク流路プレート３は、第２インク流路プレート９と貼り合わされる。
【００１７】
第２インク流路プレート９は、前記第１インク流路プレートと同様にアルミニウムまたはマグネシウムで形成された板状部材であり、裏面には前記インクタンクに対してインクを排出する復路８が形成されている。
【００１８】
一方、圧電式インクジェットヘッド２は、ベースプレート１０、キャビティプレート１２、ノズルプレート１６、及び圧電素子１７から構成される。
【００１９】
ベースプレート１０は、アルミニウムまたはマグネシウムで形成された板状部材であり、該ベースプレート１０には表面から裏面までを貫き、前記第１インク流路プレート３に形成された貫通孔７と一致する位置に貫通孔１１が形成されている。該ベースプレート１０は裏面が接着剤により第１インク流路プレート３に接着され、表面にはキャビティプレート１２が同じく接着剤により接着される。
【００２０】
キャビティプレート１２は、セラミックの焼結体であり、上面が開放された複数個のインク圧力室１３と、各インク圧力室１３を区画する区画壁１４と、各インク圧力室１３と連通すると共に裏面では前記貫通孔１１と連通するインク溜まり１５が形成されている。
【００２１】
ノズルプレート１６は、ポリイミドで形成されたシート状部材であり、表面から裏面までを貫くノズル１６ａが複数個形成されている。前記インク圧力室１３の前記インク溜まり１５側とは反対の先端側は、徐々に幅が狭くなり、先端面には開口が形成されている。前記ノズルプレート１６は、この先端面において、前記開口と前記ノズル１６ａの位置を一致させるように接着剤により接着されている。
【００２２】
圧電素子１７は、各インク圧力室１３の上面（開放面）が閉塞するように取り付けられる積層型の圧電素子であり、圧電・電歪効果を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミック材料からなる複数の圧電セラミック層を積層すると共に、各圧電セラミック層間にはスクリーン印刷により銀パラジウム等の陽電極及び陰電極のパターン１８が形成されている。
【００２３】
前記電極パターン１８は、図示しない電源供給端部と接続されており、該電源供給端部は、フレキシブルプリント基板２０を介してドライブＩＣ２１と接続されている。更に、該ドライブＩＣはフレキシブルプリント基板２０を介して図示しないＣＰＵ等が備えられたメイン基板と接続されている。従って、メイン基板から出力される駆動信号に応じてドライブＩＣが駆動され、更にドライブＩＣから駆動電圧が電極パターン１８に供給されることにより、前記圧電セラミック層が変位し、前記キャビティプレート１２のインク圧力室１３内の圧力を変動させ、ノズルプレート１６に形成されたノズル１６ａからインクを吐出させる。
【００２４】
このインク吐出動作は、それぞれの圧電式インクジェットヘッド２によって同時に行われ、かつ、以上のように構成されるライン型インクジェットプリンタ用ヘッドの全体は、図示しない揺動機構によって矢印Ａ方向に揺動するので、記録紙Ｐ上にはライン単位で高速な印字が行われる。
【００２５】
次に、以上のような本実施形態の圧電式インクジェットヘッド２における圧電素子１７の構成について図２及び図３を用いて更に詳しく説明する。
【００２６】
図２（Ａ）は本実施形態の圧電式インクジェットヘッド２を図１の記録紙Ｐと平行な方向に切断した場合の縦断面図、図２（Ｂ）は圧電セラミック層の第１層と第３層上の陰電極のパターンを示す平面図、図２（Ｃ）は圧電セラミック層の第２層と第４層上の陽電極のパターンを示す平面図である。
【００２７】
図２（Ａ）に示すように、圧電素子１７は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミック材料からなる圧電セラミック層が、上からトップ層１９ａ、第１層１９ｂ、第２層１９ｃ、第３層１９ｄ、第４層１９ｅ、及びボトム層１９ｆの順に積層されている。
【００２８】
トップ層１９ａは拘束層として機能する層であり、トップ層１９ａの上面には全面に亘って陰電極パターン１８ａが形成されている。
【００２９】
第１層１９ｂ及び第３層１９ｄ並びにボトム層１９ｆには、各区画壁１４に対応した位置に、図２（Ｂ）に示すように区画壁１４の長手方向に延び、隣接する電極パターンとの間にインク圧力室１３の幅に相当する間隔を有する陰電極パターン１８ａが形成されている。
【００３０】
第２層１９ｃ及び第４層１９ｅには、図２（Ａ）に示す断面視上で各インク圧力室１３の中央部に対応する位置に、図２（Ｃ）に示すようにインク圧力室１３の長手方向に延び、隣接する電極パターンとの間に各インク圧力室１３の中央部の間隔に相当する間隔を有する陽電極パターン１８ｂが形成されている。
【００３１】
このように、本実施形態の圧電式インクジェットヘッド２においては、各圧電セラミック層上には、陰電極または陽電極の何れか一方の電極パターンのみが形成されており、陰電極の電極パターンと陽電極の電極パターンとの短絡を生じさせることがない。
【００３２】
なお、各電極パターンは、圧電セラミック層の積層方向において相互に重なるように積層されており、各圧電セラミック層は図２（Ａ）に示すように積層方向に分極されている。
【００３３】
また、各陽電極の電極パターンは、図１に示すフレキシブル基板２０を介してドライバＩＣ２１に接続されており、フレキシブル基板２２を介して接続される図示しないメイン基板からの駆動信号に応じて、前記ドライバＩＣ２１からプラスの電圧が印加される。
【００３４】
各陰電極の電極パターンは、図１に示すフレキシブル基板２０を介してドライバＩＣ２１に接続されており、フレキシブル基板２２を介して接続される図示しないメイン基板と供給の接地電位が印加される。
【００３５】
次に、以上のように構成された本実施形態の圧電式インクジェットヘッド２の動作について説明する。
【００３６】
メイン基板に設けられたコントローラ（図示せず）により、フレキシブル基板２２を介して所定の印字データに基づく駆動信号が出力されると、ドライブＩＣ２１は圧電セラミック層の第２層１９ｃ及び第４層１９ｅ上の陽電極の電極パターン１８ｂに所定のプラス電圧を印加する。このとき、トップ層１９ａ及び第１層１９ｂ並びに第３層１９ｄ上に形成された陰電極の電極パターンには接地電位が印加されている。
【００３７】
その結果、陽電極の電極パターン１８ｂと陰電極の電極パターン１８ａとの間には、図２（Ａ）に矢印で示す圧電セラミック層の分極方向と略直交する電界が発生する。これにより、第１層１９ｂ、第２層１９ｃ、第３層１９ｄ、及び第４層１９ｅは、その圧電・電歪効果に基づきシェアモードにてインク圧力室１３側に凸状となるように変形する。また、トップ層１９ａ上の陰電極の電極パターンと、第２層１９ｃ上の陽電極の電極パターン１８ｂとの間に、分極方向に平行な方向の電界が発生し、第１層１９ｂはその厚さ方向に延びると共にその面方向に収縮し、更にトップ層１９ａが拘束層として作用することにより、第１層１９ｂはユニモルフモードでインク圧力室１３側に凸状となるように変形する。
【００３８】
従って、インク圧力室１３に対応する位置においては、圧電セラミック層がシェアモードとユニモルフモードにより大きな変位が得られ、インク圧力室２１の容積が減少するため、インク圧力室１３内のインクがノズル１６ａ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。
【００３９】
以上のように、本実施形態の圧電式インクジェットヘッド２によれば、各圧電セラミック層上に陰電極または陽電極の電極パターンのみを形成することにより、陰電極の電極パターンと陽電極の電極パターンとの製造時における短絡を確実に防止しつつ、シェアモードとユニモルフモードによる複合型の変形により、大きな変位を得ることができる。
【００４０】
本実施形態の圧電式インクジェットヘッド２によるこのような優れた効果は、図４（Ａ），（Ｂ）に示す従来のインクジェットヘッドと比較することにより、より一層明らかになる。この従来のインクジェットヘッドは、図４（Ａ）に示すように、各圧電セラミック層に、陰電極の電極パターン１８ａと陽電極の電極パターン１８ｂの双方が形成されており、これらの電極パターンは図４（Ｂ）に示すように微小な間隙を有して交互に配置されている。従って、スクリーン印刷の手法により銀パラジウム等でこのような形状及び配置の電極パターンを圧電セラミック層に形成する場合には、銀パラジウム等の電極形成材料が圧電セラミック層上で流れ出し、陰電極の電極パターンと陽電極の電極パターンに短絡が発生することがあった。
【００４１】
これに対し、本実施形態の圧電式インクジェットヘッド２によれば、各圧電セラミック層上で銀パラジウム等の電極形成材料が流れ出したとしても、隣接する電極パターンの間隔は従来に比べて十分確保されており、しかも、同一の圧電セラミック層上には極性の等しい電極パターンのみが形成されているので、従来のような陰電極の電極パターンと陽電極の電極パターンの短絡を確実に防止することができる。
【００４２】
また、このように本実施形態の圧電式インクジェットヘッド２によれば、短絡の危険性がないため、陰電極の電極パターンと陽電極の電極パターンの間隔を従来よりも短くすることができ、ノズルピッチの短い高解像度のインクジェットヘッドを提供することが可能である。
【００４３】
なお、図２（Ａ）と図４（Ａ）を比較すれば判るように、圧電セラミック層の積層方向における電極パターンの密度は、本実施形態の方が従来に比べて少なくなり、圧電素子の変位が低下する。しかし、解析の結果、変位の低下率は６〜７％に止まり、実用上全く問題のないことが確認された。
【００４４】
なお、前記の例では、第２層１９ｃと第４層１９ｅに陽電極の電極パターン１８ｂを形成したので、インク圧力室１３の位置においては２つの陽電極の電極パターン１８ｂが備えられた構成となっているが、図３に示すように構成して陽電極の電極パターン１８ｂの数を増加させることもできる。
【００４５】
図３に示す圧電式インクジェットヘッド２は、第１層１９ｂと第３層１９ｄとボトム層１９ｆに図３（Ｂ）に示すような陽電極の電極パターン１８ｂを形成し、第２層１９ｃと第４層１９ｅには３（Ｃ）に示すような陰電極の電極パターン１８ａを形成した。その結果、図３（Ａ）に示すように、インク圧力室１３の位置の陽電極の電極パターン１８ｂの数は３つになり、図２の場合よりも増加させることができる。従って、圧電素子１７の変位を増加させることができ、より一層良好にインク吐出を行うことが可能である。
【００４６】
また、本実施形態では、押し打ち方式のインクジェットヘッドについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、積層型圧電体２３の分極方向の関係を逆の関係にすれば、圧電セラミック層を逆方向、即ち、インク圧力室１３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、これにより引き打ち方式のインクジェットヘッドとすることもできる。
【００４７】
また、本実施形態では、シェアモードとユニモルフモードとの複合型の圧電素子を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、シェアモードとバイモルフモードの複合型の圧電素子にも適用可能である。
【００４８】
【発明の効果】
請求項１に記載のインクジェットヘッド装置によれば、２層以上に積層され積層方向に分極された圧電体層に形成する正及び負の電極は、圧電体層の同一表面上には正または負の何れか一方の電極のみが所定間隔で配列され、前記積層方向には正の電極と負の電極が前記配列の方向に互いに所定間隔を有するように交互に形成したので、電極形成時の精度にばらつきが存在する場合でも、正の電極と負の電極との短絡を確実に防止することができる。しかも、正の電極と負の電極は、前記積層方向で見ると、各圧電体層における電極の配列の方向に互いに所定間隔を有するように交互に形成したので、前記正の電極へ正の電圧を印加し、負の電極への負の電圧を印加することにより、前記圧電体の分極の方向と直交する方向に電界を生じさせ、圧電体をシェアモードにより変形させることができる。また、正の電極と負の電極との短絡の危険性がないため、正の電極と負の電極のピッチを短くすることができ、ノズルピッチの短い高解像度のインクジェットヘッド装置を提供することができる。
【００４９】
請求項２に記載のインクジェットヘッド装置によれば、前記圧電体層の最上層の表面に、正または負の共通電極を設けたので、圧電体をシェアモードによる変形に加えてユニモルフモードで変形させることができ、圧電体の変形量を増大させることができる。
【００５０】
請求項３に記載のインクジェットヘッド装置によれば、圧電体の積層方向におけるインク圧力室位置の電極数を、インク圧力室を区画する区画壁位置の電極数よりも多くしたので、圧電体の分極方向に対して直交する方向の電界の力を大きくすることができ、圧電体の変形量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるライン型インクジェットプリンタ用ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【図２】（Ａ）は図１に示すライン型インクジェットプリンタ用ヘッドに用いられるインクジェットヘッド装置の構成を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）のインクジェットヘッド装置の圧電セラミック層に形成された陰電極の電極パターンを示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のインクジェットヘッド装置の圧電セラミック層に形成された陽電極の電極パターンを示す平面図である。
【図３】（Ａ）は図１に示すライン型インクジェットプリンタ用ヘッドに用いられるインクジェットヘッド装置の他の例の構成を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）のインクジェットヘッド装置の圧電セラミック層に形成された陽電極の電極パターンを示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のインクジェットヘッド装置の圧電セラミック層に形成された陰電極の電極パターンを示す平面図である。
【図４】（Ａ）は従来のインクジェットプリンタ用ヘッドに用いられるインクジェットヘッド装置の構成を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）のインクジェットヘッド装置の圧電セラミック層に形成された陽電極及び陰電極の電極パターンを示す平面図である。
【符号の説明】
２…圧電式インクジェットヘッド
１２…キャビティプレート
１３…インク圧力室
１４…区画壁
１７…圧電素子
１８ａ…陰電極の電極パターン
１８ｂ…陽電極の電極パターン
１９ａ…トップ層
１９ｂ…第１層
１９ｃ…第２層
１９ｄ…第３層
１９ｅ…第４層
１９ｆ…ボトム層

Claims

インク圧力室に貯留されているインクに圧力変動を与えることにより当該インクを吐出させるインクジェットヘッド装置であって、
２層以上に積層され積層方向に分極された圧電体層と、
前記圧電体層間に形成された正及び負の電極と、
インク圧力室が形成されたキャビティプレートとを備え、
前記圧電体層の同一表面上には正または負の何れか一方の電極のみが所定間隔で配列するように該圧電体層の上面に形成され、前記積層方向には正の電極と負の電極が前記配列の方向に互いに所定間隔を有するように交互に形成され、
最下層の前記圧電体層の電極が形成されていない表面と前記キャビティプレートとが接合されており、
前記正の電極及び負の電極への電圧印加に基づく該分極の方向と直交する電界により変形する、
ことを特徴とするインクジェットヘッド装置。
前記圧電体層の最上層の表面には、正または負の共通電極が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド装置。
前記積層方向における前記インク圧力室位置の電極数は、前記インク圧力室を区画する区画壁位置の電極数よりも多いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインクジェットヘッド装置。