JP3909540B2 - インクジェットヘッド及びその製造方法 - Google Patents
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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、及びこのインクジェットヘッドの製造方法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該圧電部材の表面を一様に覆うように電極を印刷し、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】
しかしながら、このような圧電素子は、前記切欠凹部を微細な間隔で形成しなければならないため、加工が難しく、製造コストも上昇するという問題があった。
【０００６】
そこで、スクリーン印刷の技術を用いて、予めインク圧力室の間隔に対応した間隔を有する電極を圧電部材上に印刷し、圧電素子を形成する手法が提案され、現在ではこの手法が広く用いられている。
【０００７】
【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所定の間隔を有する電極を圧電部材上に形成した場合には、脱バインダ・焼成工程において圧電部材が伸張または収縮し、それに伴って各電極間の間隔が約±０．３％程度ばらつく。その結果、キャビティプレートと圧電素子を接合した際に、電極の位置とインク圧力室の位置とにずれが生じ、インク圧力室を仕切る仕切桁が圧電素子の変形領域と接触して変形を妨げる場合があり、各インク圧力室毎に圧電素子の変形量がばらつくという問題があった。その結果、各インク圧力室毎のインクに与えられる圧力変動量が異なり、ノズルからの吐出速度にもばらつきが生じるという問題があった。
【０００８】
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、脱バインダ・焼成工程処理を施した場合でも、圧電素子の電極とキャビティプレートのインク圧力室との位置ずれを生じさせることのないインクジェットヘッド及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【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であって、前記インク圧力室が桁部材により仕切られた開口凹部として形成されたキャビティプレートと、２層以上に積層された圧電体層及び該圧電体層を挟持するように設けられた電極を有し、前記インクに圧力変動を与えるために前記圧電体層を変形させる積層型圧電素子と、前記積層型圧電素子の変形領域を規定するように前記積層型圧電素子に取り付けられた中間桁部材とを備え、前記積層型圧電素子は、積層方向に分極されると共に、前記中間桁部材の二つの中間位置で前記インク圧力室に対応して設けられた第１内部電極と、前記中間桁部材と中心線を合わせるように前記第１内部電極の二つの中間位置に設けられた第２内部電極とを有し、前記変形領域を前記インク圧力室の開口位置となるように前記桁部材に前記中間桁部材を接合したことを特徴とする。
【００１０】
請求項１に記載のインクジェットヘッドによれば、積層型圧電素子の電極に電圧が印加されると、圧電体層の分極方向に対して垂直または平行の方向の電界が発生し、圧電体層は変形する。従って、このように変形する領域に他の部材が接触する場合には、圧電素子の変形が妨げられることになるが、本発明によれば、積層型圧電素子の変形領域を規定するように、即ち、各変形領域の大きさが均一となるように各変形領域の境界位置に中間桁部材が接続されており、前記変形領域が前記インク圧力室の開口位置となるように前記中間桁部材がキャビティプレートの桁部材に接合される。その結果、脱バインダ・焼成工程を経て形成される積層型圧電素子の電極とキャビティプレートの桁部材との位置関係にずれが生じた場合であっても、桁部材によって圧電素子の変形領域が妨げられることなく、各インク圧力室における圧電素子の変形量は均一になるため、各インク圧力室から吐出されるインクの吐出速度の均一化が図られる。
【００１１】
請求項２に記載のインクジェットヘッドは、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において、前記中間桁部材の厚みは、前記積層型圧電素子の積層方向における圧電体層の２層分の層厚以下、１層分の層厚以上であることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載のインクジェットヘッドによれば、前記中間桁部材の厚みは、前記積層型圧電素子の積層方向における圧電体層の２層分の層厚以下に抑えられているので、中間桁部材を圧電素子に取り付けた状態で全体の非対称性は脱バインダ・焼成工程においても問題とならず、中間桁部材及び圧電素子の反りを発生させることがない。また、前記中間桁部材の厚みは、１層分の層厚以上を有しているので、脱バインダ・焼成工程の前後において切削加工またはプレス加工等における良好な作業性を確保する。
【００１３】
請求項３に記載のインクジェットヘッドは、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において、前記分極方向と直交する電界によりシェアモードにて変形を生じさせる圧電素子であり、前記中間桁部材の幅は、前記第２内部電極の幅の０．５倍から１．５倍の大きさに形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載のインクジェットヘッドによれば、第１内部電極と第２内部電極とに互いに極性の異なる電圧を印加すると、電界は圧電素子の分極方向に直交する方向に発生し、これにより圧電素子はシェアモードにより変形する。そして、このようにして変形する圧電素子の変形領域は前記中間桁部材により規定され各インク圧力室において均一となっている。更に前記中間桁部材の幅は、前記第２内部電極の幅の０．５倍の大きさを有しているので、充分な剛性を有し、各インク圧力室における体積変化を不安定にさせることがない。また、前記中間桁部材の幅は、前記第２内部電極の幅の１．５倍の大きさに形成されているので、圧電素子の変形領域を大幅に妨げることなく、インク吐出に充分な変形量を確保する。
【００１５】
請求項４に記載のインクジェットヘッドは、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であって、前記インク圧力室が桁部材により仕切られた開口凹部として形成されたキャビティプレートと、２層以上に積層された圧電体層及び該圧電体層を挟持するように設けられた電極を有し、前記インクに圧力変動を与えるために前記圧電体層を変形させる積層型圧電素子と、前記積層型圧電素子の変形領域を規定するように前記積層型圧電素子に取り付けられた中間桁部材とを備え、前記積層型圧電素子は、積層方向に分極されると共に、前記中間桁部材の中心線と二つの内部電極の中間位置とを合わせるように設けられた当該内部電極を有し、前記変形領域を前記インク圧力室の開口位置となるように前記桁部材に前記中間桁部材を接合し、前記分極方向と平行な電界により前記圧電体層を伸縮モードにて変形を生じさせることを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載のインクジェットヘッドによれば、対向する内部電極に互いに極性の異なる電圧を印加すると、電界は圧電素子の分極方向に平行な方向に発生し、これにより圧電素子は伸縮モードにより変形する。そして、このようにして変形する圧電素子の変形領域は前記中間桁部材により規定され各インク圧力室において均一となっており、各インク圧力室におけるインク吐出速度は均一なものとなる。
【００１７】
請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法は、前記課題を解決するために、キャビティプレートが複数の桁部材により仕切られたインク圧力室と、２層以上に積層された圧電体層及び該圧電体層を挟持するように設けられた内部電極を有する積層型圧電素子とを備え、前記圧電体層を変形させて前記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の製造方法であって、圧電体材料をシート状の前記圧電体層として形成する工程と、前記圧電体層上に前記内部電極を印刷する工程と、前記内部電極の印刷された圧電体層を積層する工程と、前記積層された圧電体層を加熱プレスする工程と、前記加熱プレス後の圧電体層を脱バインダ及び焼成する工程とを備え、前記圧電体層の変形領域を規定するように前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に中間桁部材を取り付ける工程を、前記脱バインダ及び焼成する工程の前に設けたことを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法によれば、まず、圧電体材料をシート状の圧電体層として形成し、次に、このようにして形成した圧電体層上に内部電極を印刷する。そして、この内部電極が印刷された圧電体層を積層し、積層された圧電体層を加熱プレスし、加熱プレス後の圧電体層を脱バインダ及び焼成することにより、圧電素子が得られる。この圧電素子における圧電体層の変形領域を規定する中間桁部材は、前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に取り付けられるが、この取り付け工程は、前記脱バインダ及び焼成する工程の前に設けられる。従って、脱バインダ及び焼成工程における、中間桁部材及び圧電素子全体は同一の収縮率で縮むことになる。その結果、キャビティプレートのインク圧力室に対する内部電極の位置ずれが脱バインダ及び焼成工程における収縮により生じても、中間桁部材と内部電極との互いの位置関係に変動はない。従って、圧電体層の各変形領域の大きさは何れも均一となり、この中間桁部材とキャビティプレートの桁部材とを接合することにより、各インク圧力室に均一な大きさの変形領域を対応させる。
【００１９】
請求項６に記載のインクジェットヘッドの製造方法は、前記課題を解決するために、請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、前記圧電体層の変形領域を規定するように前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に前記中間桁部材を取り付ける工程は、中間桁部材用の圧電体層を前記圧電体層に更に積層させ、該中間桁部材用の圧電体層における前記変形領域に相当する領域を、スライサもしくはショットブラスト加工により除去する工程であることを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載のインクジェットヘッドの製造方法によれば、前記電極が印刷された圧電体層の積層後に、中間桁部材用の圧電体層をこの積層後の圧電体層に更に積層させ、その後にスライサもしくはショットブラスト加工により、前記中間桁部材用の圧電体層の前記変形領域に相当する領域を除去し、中間桁部材を形成する。そして、加熱プレス後にこれらの全体に対して脱バインダ及び焼成処理を施すことにより、中間桁部材を備えた積層型の圧電素子が得られる。従って、脱バインダ及び焼成工程により、圧電体層が収縮しても、中間桁部材も同一の収縮率で収縮するので、電極に対する中間桁部材の位置は変動せず、各変形領域の大きさを均一にする中間桁部材が容易に形成される。
【００２１】
請求項７に記載のインクジェットヘッドの製造方法は、前記課題を解決するために、請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、前記圧電体層の変形領域を規定するように前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に前記中間桁部材を取り付ける工程は、中間桁部材用の圧電体層における前記変形領域に相当する領域をプレス加工により凹部とし、その後に前記積層された圧電体層に該中間桁部材用の圧電体層を積層させる工程であることを特徴とする。
【００２２】
請求項７に記載のインクジェットヘッドの製造方法によれば、中間桁部材用の圧電体層の前記変形領域に相当する領域に、プレス加工により凹部を形成する。その後に前記積層された圧電体層に、このような凹部の形成された中間桁部材用の圧電体層を積層させ、脱バインダ及び焼成工程を経て、中間桁部材の形成された圧電素子が得られる。従って、脱バインダ及び焼成工程により、圧電体層が収縮しても、中間桁部材も同一の収縮率で収縮するので、電極に対する中間桁部材の位置は変動せず、各変形領域の大きさを均一にする中間桁部材が容易に形成される。
【００２３】
請求項８に記載のインクジェットヘッドの製造方法は、前記課題を解決するために、請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、前記圧電体層の変形領域を規定するように前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に前記中間桁部材を取り付ける工程は、前記圧電体層に中間桁部材層を印刷する工程であることを特徴とする。
【００２４】
請求項８に記載のインクジェットヘッドの製造方法によれば、前記電極が印刷された圧電体層の積層を行う前に、例えば最下層の圧電体層の下面に、中間桁部材層を印刷する。そして、圧電体層の積層を行い、加熱プレス後にこれらの全体に対して脱バインダ及び焼成処理を施す。従って、脱バインダ及び焼成工程により、圧電体層が収縮しても、中間桁部材も同一の収縮率で収縮するので、電極に対する中間桁部材の位置は変動せず、各変形領域の大きさを均一にする中間桁部材が容易に形成される。
【００２５】
【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。
【００２６】
先ず、本実施形態の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に基づいて説明する。
【００２７】
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。図１において、一対のフレーム１（図１には一方のフレーム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に掛けら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。
【００２８】
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に基づいて説明する。図２は本実施形態にかか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、本実施形態にかか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。
【００２９】
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が形成されているキャビティプレート２２、各インク圧力室２１を区画する区画壁２５に接着剤等により接合された中間桁部材３０、各インク圧力室２１の上面（開放面）が閉塞するように中間桁部材３０を介して取り付けられた積層型圧電体２３、及び積層型圧電体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。
【００３０】
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間は桁部材としての区画壁２５により区画されている。
【００３１】
積層型圧電体２３は、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（図２では、一例として３層の圧電セラミック層）を積層して構成されている。ここで、理解を容易にするため、外側圧電セラミック層２４から下方に向かって順に第１圧電セラミック層２３Ａ、第２圧電セラミック層２３Ｂ、第３圧電セラミック層２３Ｃとする。第１圧電セラミック層２３Ａ及び第２圧電セラミック層２３Ｂには、各インク圧力室２１に対応する位置に第１内部電極２７が形成されていると共に、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内部電極２６が形成されている。また、第３圧電セラミック層２３Ｃには、各第１及び第２圧電セラミック層２３Ａ、２３Ｂと同様、各インク圧力室２１に対応する位置に第１内部電極２７が形成されていると共に、インク圧力室２１の周縁位置にて各区画壁２５に対応し第２内部電極２６が形成されている一方、インク圧力室２１内のインクと接触する側には電極等は何ら設けられていない。これは、第３圧電セラミック層２３Ｃに絶縁層として機能を行わせ、この第３圧電セラミック層２３Ｃを介して、上側の第２圧電セラミック層２３Ｂの第１内部電極２６にインクが接触することを防止し、これに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積層型圧電体２３の電極層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、第３圧電セラミック層２３Ｃは、積層型圧電体２３の製造を行うについて第２圧電セラミック層２３Ｂ、第１圧電セラミック層２３Ａ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】
また、第１圧電セラミック層２３Ａ、第２圧電セラミック層２３Ｂ、第３圧電セラミック層２３Ｃは、図２に示すように、それぞれの第１内部電極２７及び第２内部電極２６が相互に重なるように積層されており、かかる構造を有する積層型圧電体２３は、矢印Ａにて示すように、各圧電セラミック層２３Ａ等の積層方向に分極されている。各第１乃至第３圧電セラミック層２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃにおける各第１内部電極２７は、図示しないスイッチを介して図示しない駆動電源のプラス側端子に接続されており、また、各第２内部電極２６は、それぞれ駆動電源のマイナス側端子に接続されている。
【００３３】
次に、第３圧電セラミック層２３Ｃの下方には、第２内部電極２６と中心線を合わせるように複数の中間桁部材３０が設けられている。中間桁部材３０の幅は、第２内部電極２６よりも若干狭い幅に形成されており、圧電素子の変形領域Ｗを浸食しない構成となっている。そして、中間桁部材３０とキャビティプレート２２の区画壁２５とを接合することにより、圧電素子の変形領域Ｗをそれぞれのインク圧力室２１に位置決めするようになっている。このように、本実施形態のインクジェットヘッドによれば、キャビティプレート２２の区画壁２５と、積層型圧電体２３の第３圧電セラミック層２３Ｃとが直接接合されないので、脱バインダ・焼成工程により積層型圧電体２３を形成した結果、第２内部電極２６の位置と区画壁２５との位置が±０．３％程度ずれた場合でも、区画壁２５により圧電素子の変形領域の幅を狭めることがなく、積層型圧電体２３の本来の変形量を確保することができる。
【００３４】
この中間桁部材３０は、各圧電セラミック層と同様にセラミック材から形成され、圧電素子と同一工程で形成される。以下、本実施形態における圧電素子及び中間桁部材の製造方法について詳しく説明する。
【００３５】
図３に示すように、まず、第３圧電セラミック層２３Ｃの上側表面に、インク圧力室に一対一で対応するように、複数に分割された第１内部電極２７と第２内部電極２６をスクリーン印刷によって形成して、グリーンシートを作成する。そして、このようなグリーンシートを、第２圧電セラミック層２３Ｂ、第１圧電セラミック層２３Ａのそれぞれについて形成し、各グリーンシートを３層積層し、その上部には外側圧電セラミック層２４を構成するために圧電セラミック層の上側表面に内部電極層のないグリーンシートを重ね、その下部には同じく圧電セラミック層の下側表面に内部電極層のない中間桁部材用のグリーンシート３０’を重ねる。
【００３６】
次に、中間桁部材用のグリーンシート３０’に対してスライサもしくはショットブラスト加工等を施し、第２内部電極２６よりも若干狭い幅の中間桁部材３０を形成する。
【００３７】
そして、積層体の全体を加熱プレスし、脱バインダ、焼成等の工程を経て積層型圧電体を得る。
【００３８】
次に、以上のようにして得られた積層型圧電素子を１３０℃程度の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浸し、分極用の電極により積層型圧電体に対して２．５ｋＶ／ｍｍ程度の電界を印加し、分極処理を施す。以上の方法により積層型圧電体が得られる。
【００３９】
このように、中間桁部材３０の第２内部電極２６に対する位置決めは、脱バインダ・焼成工程の前に行われるので、脱バインダ・焼成工程によって圧電セラミック層が収縮した場合でも、中間桁部材３０も同一の収縮率で収縮するので、第２内部電極２６に対する中間桁部材３０の位置ずれは発生しない。従って、各内部電極がインク圧力室に対して位置ずれを生じた場合であっても、圧電素子の変形領域を浸食することのないように中間桁部材を設けることができる。例えば図２に示す例では、第２内部電極２６の中心線は、区画壁２５の中心線に対して位置ずれを生じているが、中間桁部材３０は、このように位置ずれを生じた第２内部電極２６とずれを生じないので、中間桁部材３０によって積層圧電体２３の変形領域Ｗを浸食することがない。
【００４０】
そして、このように第２内部電極２６の位置に合わせて形成された中間桁部材３０と、区画壁２５とを接合することにより、第２内部電極２６の位置と区画壁２５の位置がずれている場合でも、積層圧電体２３の変形領域Ｗに区画壁２５が接触することがなく、変形領域Ｗは区画壁２５によって拘束されることがない。従って、各インク圧力室２１における積層圧電体２３の変形量のばらつきを無くすことができる。
【００４１】
なお、本実施形態においては、中間桁部材３０の厚みを、第１圧電セラミック層２３Ａ等の圧電セラミック層の２層分の厚み以下、１層分の厚み以上とした。従って、中間桁部材３０は厚過ぎることがないので、脱バインダ・焼成処理の行われる中間桁部材及び各圧電セラミック層全体の非対称性を問題のない程度に抑えることができる。その結果、脱バインダ・焼成処理を行っても中間桁部材及び各圧電セラミック層に反りを生じさせることがない。また、中間桁部材３０の厚みを圧電セラミック層の１層分の厚み以上としたので、中間桁部材３０を形成する際のスライサもしくはショットブラスト加工等の良好な作業性を確保することができる。
【００４２】
また、中間桁部材３０の幅は、第２内部電極２６の幅の０．５〜１．５倍の大きさであるのが好ましい。これは、中間桁部材３０の幅が第２内部電極２６の幅の０．５倍未満であると、剛性が不足し、インク圧力室２１の体積変化が不安定になり吐出を不安定にさせてしまうためである。また、中間桁部材３０の幅が第２内部電極２６の幅の１．５倍を超えると、積層圧電体２３の変形領域Ｗを狭めてしまうためである。
【００４３】
次に、以上のように構成された本実施形態の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４に基づいて説明する。図４は積層型圧電体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、右から２番目のインク圧力室２１に対応するスイッチがオンされたものとして、各積層型圧電体２３の動作につき説明することとする。
【００４４】
図４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）を介して図示しないスイッチがオンされた場合、図示しない駆動電源を介して各第１内部電極２７に駆動電圧が印加される。このとき、各第１内部電極２７は駆動電源のプラス側端子に接続され、各第２内部電極２６との間で、図４に示すように、積層型厚電体２３の分極方向（矢印Ａで示す）と直交する電界（矢印Ｃで示す）が発生する。これにより、積層型圧電体２３の第１圧電セラミック層２３Ａ、第２圧電セラミック層２３Ｂ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変形する。また、外側圧電セラミック層２４及び第３圧電セラミック層２３Ｃは、各第１、第２圧電セラミック層２３Ａ，２３Ｂと同一の層（成分）より構成されていることから、第１、第２圧電セラミック層２３Ａ，２３Ｂのシェアモード変形に追随して変形される。
【００４５】
このような変形により、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。
【００４６】
そして、上述したように、積層型圧電体２３の各内部電極と区画壁２５との位置ずれが生じた場合でも、積層型圧電体２３の変形領域Ｗは中間桁部材３０により所期の大きさに確保されているので、各インク圧力室２１における積層型圧電体２３の変形量に差が生じることがなく、各インク圧力室２１における容積の変化も均一となる。従って、各インク圧力室２１に続くノズルからのインク吐出速度を均一にすることができる。
【００４７】
本実施形態のインクジェットヘッド５によるこのような優れた効果は、図７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。図７に示す従来のインクジェットヘッドは、本実施形態のインクジェットヘッド５のように中間桁部材３０が設けられておらず、積層型圧電体２３と区画壁２５は直接接合されている。従って、脱バインダ・焼成工程により、積層型圧電体２３の第２内部電極２６と区画壁２５との間に位置ずれが生じた場合には、積層型圧電体２３の変形領域Ｗの一部を、区画壁２５が浸食してしまう。図７に示す例では、領域Ｘにおいて、区画壁２５の一部が変形領域Ｗ側に位置しているため、積層型圧電体２３の変形は区画壁２５によって拘束されてしまう。従って、実際の変形領域Ｗ’は、本来の変形領域Ｗよりも幅が狭くなってしまう。その結果、インク圧力室２１内における積層型圧電体２３の変形量は減少し、これに対応してインク圧力室２１の容積の変化も減少するので、インク吐出速度は低下してしまう。一方、区画壁２５と各内部電極との位置関係によっては、変形領域Ｗが区画壁２５に浸食されないインク圧力室２１も存在する。このように、各インク圧力室２１における積層型圧電体２３の変形量にばらつきが生じ、その結果、ノズルからの吐出速度にもばらつきが生じてしまう。
【００４８】
しかしながら、本実施形態のインクジェットヘッド５は、このようなインク吐出速度のばらつきが発生せず、安定した良好な印字動作を行うことができる。
【００４９】
本実施形態においては、中間桁部材用のグリーンシートを圧電セラミック層に積層し、スライサまたはショットブラスト加工を行うことにより中間桁部材を形成し、その後に圧電セラミック層と共に脱バインダ・焼成処理を施したが、本発明はこの製造方法に限定されるものではない。
【００５０】
例えば、中間桁部材用のグリーンシートを、プレス加工により中間桁部材を形成し、その後に脱バインダ・焼成処理を行うようにしても良い。
【００５１】
また、積層型圧電体を上述のような製造方法によって得た後に、中間桁部材を個々に第２内部電極の位置に対応させて取り付けるようにしても良い。または積層型圧電体に中間桁部材用のシートを取り付け、切削加工を行うようにしても良い。この場合には、中間桁部材を形成する材料としては圧電セラミック層と異なる材料を用いることができる。
【００５２】
更に、脱バインダ・焼成工程前に、圧電セラミック層に印刷により中間桁部材を形成するようにしても良い。
【００５３】
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図５のように逆の関係にすれば、積層型圧電体２３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。
【００５４】
また、本実施形態では、シェアモードで変形する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、伸縮モードにより変形する積層型圧電体、またはシェアモードもしくは伸縮モードとバイモルフ変形モードまたはユニモルフ変形モードを複合させた複合型の積層型圧電体にも適用可能である。
【００５５】
例えば、伸縮モードで変形する積層圧電体を用いる場合には、図６に示すように、各内部電極３１，３２の中間位置に中間桁部材３０を設けるように構成すれば良い。
【００５６】
【発明の効果】
請求項１に記載のインクジェットヘッドによれば、２層以上に積層された圧電体層及び該圧電体層を挟持するように設けられた電極を有する積層型圧電素子に、当該積層型圧電素子の変形領域を規定するように中間桁部材を備え、前記変形領域をインク圧力室の開口位置となるように中間桁部材とキャビティプレートの桁部材とを接合したので、脱バインダ・焼成工程を経て形成される積層型圧電素子の電極とキャビティプレートの桁部材との位置関係にずれが生じた場合であっても、桁部材によって圧電素子の変形領域が妨げられることなく、各インク圧力室における圧電素子の変形量を均一にすることができる。その結果、各インク圧力室から吐出されるインクの吐出速度を均一化することができ、安定した良好なインク吐出を行うことができる。
【００５７】
請求項２に記載のインクジェットヘッドによれば、前記中間桁部材の厚みを、前記積層型圧電素子の積層方向における圧電体層の２層分の層厚以下、１層分の層厚以上としたので、中間桁部材を圧電素子に取り付けた状態で全体の非対称性は脱バインダ・焼成工程においても問題とならず、中間桁部材及び圧電素子の反りの発生を防止することができる。また、脱バインダ・焼成工程の前後において切削加工またはプレス加工等における良好な作業性を確保することができる。
【００５８】
請求項３に記載のインクジェットヘッドによれば、前記積層型圧電素子を、前記分極方向と直交する電界を発生させてシェアモードにて変形させる圧電素子とし、前記中間桁部材の幅を、前記第２内部電極の幅の０．５倍から１．５倍の大きさに形成したので、充分な剛性により、各インク圧力室における体積変化が不安定になることがなく、吐出を安定させることができる。また、圧電素子の変形領域を大幅に妨げることなく、インク吐出に充分な変形量を確保することができる。
【００５９】
請求項４に記載のインクジェットヘッドによれば、前記積層型圧電素子を、積層方向に分極し、前記中間桁部材の中心線と二つの内部電極の中間位置とを合わせるように設けられた当該内部電極間に電圧を印加することにより、前記分極方向と平行な電界を発生させて圧電体層を伸縮モードにて変形させ、当該圧電素子の変形領域は前記中間桁部材により規定されるので、各インク圧力室における圧電素子の変形量を均一にすることができ、各インク圧力室におけるインク吐出速度を均一にすることができる。
【００６０】
請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法によれば、内部電極を印刷した圧電体層を積層し、加熱プレスし、脱バインダ及び焼成することによって圧電素子を製造するが、当該脱バインダ及び焼成する工程の前には、前記圧電体層の変形領域を規定するように前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に前記中間桁部材を取り付ける工程を設けたので、脱バインダ及び焼成工程にて、中間桁部材及び圧電素子全体を同一の収縮率で収縮させることができ、キャビティプレートのインク圧力室に対する内部電極の位置ずれが脱バインダ及び焼成工程における収縮により生じても、中間桁部材と内部電極との互いの位置関係の変動を防止することができる。従って、圧電体層の各変形領域の大きさは何れも均一となり、この中間桁部材とキャビティプレートの桁部材とを接合することにより、各インク圧力室に均一な大きさの変形領域を対応させることができる。
【００６１】
請求項６に記載のインクジェットヘッドの製造方法によれば、中間桁部材用の圧電体層を前記圧電体層に更に積層させ、スライサもしくはショットブラスト加工により中間桁部材を形成した後に脱パインダ及び焼成工程を施すので、脱バインダ及び焼成工程により圧電体層が収縮しても、中間桁部材も同一の収縮率で収縮するので、電極に対する中間桁部材の位置の変動を防ぐことができ、各変形領域の大きさを均一にする中間桁部材を容易に形成することができる。
【００６２】
請求項７に記載のインクジェットヘッドの製造方法によれば、中間桁部材用の圧電体層における前記変形領域に相当する領域をプレス加工により凹部とし、その後に前記積層された圧電体層に該中間桁部材用の圧電体層を積層させて、前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に前記中間桁部材を取り付けるので、脱バインダ及び焼成工程により圧電体層が収縮しても、中間桁部材も同一の収縮率で収縮するので、電極に対する中間桁部材の位置の変動を防ぐことができ、各変形領域の大きさを均一にする中間桁部材を容易に形成することができる。
【００６３】
請求項８に記載のインクジェットヘッドの製造方法によれば、前記圧電体層に中間桁部材層を印刷することにより、前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に前記中間桁部材を取り付けるので、脱バインダ及び焼成工程により圧電体層が収縮しても、中間桁部材も同一の収縮率で収縮するので、電極に対する中間桁部材の位置の変動を防ぐことができ、各変形領域の大きさを均一にする中間桁部材を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態におけるインクジェットプリンタの概略構成を示す外観斜視説明図である。
【図２】 図１に示すインクジェットプリンタのインクジェットヘッドの構成を示す断面図である。
【図３】 図２に示すインクジェットヘッドの製造方法を説明するための斜視図である。
【図４】 図２に示すインクジェットヘッドの動作を説明するための断面図である。
【図５】 本発明の他の実施形態におけるインクジェットヘッドの動作を説明するための断面図である。
【図６】 本発明の他の実施形態におけるインクジェットヘッドの構成を示す断面図である。
【図７】 従来のインクジェットヘッドの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
５…インクジェットヘッド
２０…アレイ
２１…インク圧力室
２２…キャビティプレート
２３…積層型圧電体
２４…外側圧電セラミック層
２５…区画壁
２６…第２内部電極
２７…第１内部電極
３０…中間桁部材
【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、及びこのインクジェットヘッドの製造方法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該圧電部材の表面を一様に覆うように電極を印刷し、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】
しかしながら、このような圧電素子は、前記切欠凹部を微細な間隔で形成しなければならないため、加工が難しく、製造コストも上昇するという問題があった。
【０００６】
そこで、スクリーン印刷の技術を用いて、予めインク圧力室の間隔に対応した間隔を有する電極を圧電部材上に印刷し、圧電素子を形成する手法が提案され、現在ではこの手法が広く用いられている。
【０００７】
【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所定の間隔を有する電極を圧電部材上に形成した場合には、脱バインダ・焼成工程において圧電部材が伸張または収縮し、それに伴って各電極間の間隔が約±０．３％程度ばらつく。その結果、キャビティプレートと圧電素子を接合した際に、電極の位置とインク圧力室の位置とにずれが生じ、インク圧力室を仕切る仕切桁が圧電素子の変形領域と接触して変形を妨げる場合があり、各インク圧力室毎に圧電素子の変形量がばらつくという問題があった。その結果、各インク圧力室毎のインクに与えられる圧力変動量が異なり、ノズルからの吐出速度にもばらつきが生じるという問題があった。
【０００８】
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、脱バインダ・焼成工程処理を施した場合でも、圧電素子の電極とキャビティプレートのインク圧力室との位置ずれを生じさせることのないインクジェットヘッド及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【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であって、前記インク圧力室が桁部材により仕切られた開口凹部として形成されたキャビティプレートと、２層以上に積層された圧電体層及び該圧電体層を挟持するように設けられた電極を有し、前記インクに圧力変動を与えるために前記圧電体層を変形させる積層型圧電素子と、前記積層型圧電素子の変形領域を規定するように前記積層型圧電素子に取り付けられた中間桁部材とを備え、前記積層型圧電素子は、積層方向に分極されると共に、前記中間桁部材の二つの中間位置で前記インク圧力室に対応して設けられた第１内部電極と、前記中間桁部材と中心線を合わせるように前記第１内部電極の二つの中間位置に設けられた第２内部電極とを有し、前記変形領域を前記インク圧力室の開口位置となるように前記桁部材に前記中間桁部材を接合したことを特徴とする。
【００１０】
請求項１に記載のインクジェットヘッドによれば、積層型圧電素子の電極に電圧が印加されると、圧電体層の分極方向に対して垂直または平行の方向の電界が発生し、圧電体層は変形する。従って、このように変形する領域に他の部材が接触する場合には、圧電素子の変形が妨げられることになるが、本発明によれば、積層型圧電素子の変形領域を規定するように、即ち、各変形領域の大きさが均一となるように各変形領域の境界位置に中間桁部材が接続されており、前記変形領域が前記インク圧力室の開口位置となるように前記中間桁部材がキャビティプレートの桁部材に接合される。その結果、脱バインダ・焼成工程を経て形成される積層型圧電素子の電極とキャビティプレートの桁部材との位置関係にずれが生じた場合であっても、桁部材によって圧電素子の変形領域が妨げられることなく、各インク圧力室における圧電素子の変形量は均一になるため、各インク圧力室から吐出されるインクの吐出速度の均一化が図られる。
【００１１】
請求項２に記載のインクジェットヘッドは、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において、前記中間桁部材の厚みは、前記積層型圧電素子の積層方向における圧電体層の２層分の層厚以下、１層分の層厚以上であることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載のインクジェットヘッドによれば、前記中間桁部材の厚みは、前記積層型圧電素子の積層方向における圧電体層の２層分の層厚以下に抑えられているので、中間桁部材を圧電素子に取り付けた状態で全体の非対称性は脱バインダ・焼成工程においても問題とならず、中間桁部材及び圧電素子の反りを発生させることがない。また、前記中間桁部材の厚みは、１層分の層厚以上を有しているので、脱バインダ・焼成工程の前後において切削加工またはプレス加工等における良好な作業性を確保する。
【００１３】
請求項３に記載のインクジェットヘッドは、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において、前記分極方向と直交する電界によりシェアモードにて変形を生じさせる圧電素子であり、前記中間桁部材の幅は、前記第２内部電極の幅の０．５倍から１．５倍の大きさに形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載のインクジェットヘッドによれば、第１内部電極と第２内部電極とに互いに極性の異なる電圧を印加すると、電界は圧電素子の分極方向に直交する方向に発生し、これにより圧電素子はシェアモードにより変形する。そして、このようにして変形する圧電素子の変形領域は前記中間桁部材により規定され各インク圧力室において均一となっている。更に前記中間桁部材の幅は、前記第２内部電極の幅の０．５倍の大きさを有しているので、充分な剛性を有し、各インク圧力室における体積変化を不安定にさせることがない。また、前記中間桁部材の幅は、前記第２内部電極の幅の１．５倍の大きさに形成されているので、圧電素子の変形領域を大幅に妨げることなく、インク吐出に充分な変形量を確保する。
【００１５】
請求項４に記載のインクジェットヘッドは、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であって、前記インク圧力室が桁部材により仕切られた開口凹部として形成されたキャビティプレートと、２層以上に積層された圧電体層及び該圧電体層を挟持するように設けられた電極を有し、前記インクに圧力変動を与えるために前記圧電体層を変形させる積層型圧電素子と、前記積層型圧電素子の変形領域を規定するように前記積層型圧電素子に取り付けられた中間桁部材とを備え、前記積層型圧電素子は、積層方向に分極されると共に、前記中間桁部材の中心線と二つの内部電極の中間位置とを合わせるように設けられた当該内部電極を有し、前記変形領域を前記インク圧力室の開口位置となるように前記桁部材に前記中間桁部材を接合し、前記分極方向と平行な電界により前記圧電体層を伸縮モードにて変形を生じさせることを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載のインクジェットヘッドによれば、対向する内部電極に互いに極性の異なる電圧を印加すると、電界は圧電素子の分極方向に平行な方向に発生し、これにより圧電素子は伸縮モードにより変形する。そして、このようにして変形する圧電素子の変形領域は前記中間桁部材により規定され各インク圧力室において均一となっており、各インク圧力室におけるインク吐出速度は均一なものとなる。
【００１７】
請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法は、前記課題を解決するために、キャビティプレートが複数の桁部材により仕切られたインク圧力室と、２層以上に積層された圧電体層及び該圧電体層を挟持するように設けられた内部電極を有する積層型圧電素子とを備え、前記圧電体層を変形させて前記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の製造方法であって、圧電体材料をシート状の前記圧電体層として形成する工程と、前記圧電体層上に前記内部電極を印刷する工程と、前記内部電極の印刷された圧電体層を積層する工程と、前記積層された圧電体層を加熱プレスする工程と、前記加熱プレス後の圧電体層を脱バインダ及び焼成する工程とを備え、前記圧電体層の変形領域を規定するように前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に中間桁部材を取り付ける工程を、前記脱バインダ及び焼成する工程の前に設けたことを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法によれば、まず、圧電体材料をシート状の圧電体層として形成し、次に、このようにして形成した圧電体層上に内部電極を印刷する。そして、この内部電極が印刷された圧電体層を積層し、積層された圧電体層を加熱プレスし、加熱プレス後の圧電体層を脱バインダ及び焼成することにより、圧電素子が得られる。この圧電素子における圧電体層の変形領域を規定する中間桁部材は、前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に取り付けられるが、この取り付け工程は、前記脱バインダ及び焼成する工程の前に設けられる。従って、脱バインダ及び焼成工程における、中間桁部材及び圧電素子全体は同一の収縮率で縮むことになる。その結果、キャビティプレートのインク圧力室に対する内部電極の位置ずれが脱バインダ及び焼成工程における収縮により生じても、中間桁部材と内部電極との互いの位置関係に変動はない。従って、圧電体層の各変形領域の大きさは何れも均一となり、この中間桁部材とキャビティプレートの桁部材とを接合することにより、各インク圧力室に均一な大きさの変形領域を対応させる。
【００１９】
請求項６に記載のインクジェットヘッドの製造方法は、前記課題を解決するために、請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、前記圧電体層の変形領域を規定するように前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に前記中間桁部材を取り付ける工程は、中間桁部材用の圧電体層を前記圧電体層に更に積層させ、該中間桁部材用の圧電体層における前記変形領域に相当する領域を、スライサもしくはショットブラスト加工により除去する工程であることを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載のインクジェットヘッドの製造方法によれば、前記電極が印刷された圧電体層の積層後に、中間桁部材用の圧電体層をこの積層後の圧電体層に更に積層させ、その後にスライサもしくはショットブラスト加工により、前記中間桁部材用の圧電体層の前記変形領域に相当する領域を除去し、中間桁部材を形成する。そして、加熱プレス後にこれらの全体に対して脱バインダ及び焼成処理を施すことにより、中間桁部材を備えた積層型の圧電素子が得られる。従って、脱バインダ及び焼成工程により、圧電体層が収縮しても、中間桁部材も同一の収縮率で収縮するので、電極に対する中間桁部材の位置は変動せず、各変形領域の大きさを均一にする中間桁部材が容易に形成される。
【００２１】
請求項７に記載のインクジェットヘッドの製造方法は、前記課題を解決するために、請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、前記圧電体層の変形領域を規定するように前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に前記中間桁部材を取り付ける工程は、中間桁部材用の圧電体層における前記変形領域に相当する領域をプレス加工により凹部とし、その後に前記積層された圧電体層に該中間桁部材用の圧電体層を積層させる工程であることを特徴とする。
【００２２】
請求項７に記載のインクジェットヘッドの製造方法によれば、中間桁部材用の圧電体層の前記変形領域に相当する領域に、プレス加工により凹部を形成する。その後に前記積層された圧電体層に、このような凹部の形成された中間桁部材用の圧電体層を積層させ、脱バインダ及び焼成工程を経て、中間桁部材の形成された圧電素子が得られる。従って、脱バインダ及び焼成工程により、圧電体層が収縮しても、中間桁部材も同一の収縮率で収縮するので、電極に対する中間桁部材の位置は変動せず、各変形領域の大きさを均一にする中間桁部材が容易に形成される。
【００２３】
請求項８に記載のインクジェットヘッドの製造方法は、前記課題を解決するために、請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、前記圧電体層の変形領域を規定するように前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に前記中間桁部材を取り付ける工程は、前記圧電体層に中間桁部材層を印刷する工程であることを特徴とする。
【００２４】
請求項８に記載のインクジェットヘッドの製造方法によれば、前記電極が印刷された圧電体層の積層を行う前に、例えば最下層の圧電体層の下面に、中間桁部材層を印刷する。そして、圧電体層の積層を行い、加熱プレス後にこれらの全体に対して脱バインダ及び焼成処理を施す。従って、脱バインダ及び焼成工程により、圧電体層が収縮しても、中間桁部材も同一の収縮率で収縮するので、電極に対する中間桁部材の位置は変動せず、各変形領域の大きさを均一にする中間桁部材が容易に形成される。
【００２５】
【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。
【００２６】
先ず、本実施形態の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に基づいて説明する。
【００２７】
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。図１において、一対のフレーム１（図１には一方のフレーム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に掛けら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。
【００２８】
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に基づいて説明する。図２は本実施形態にかか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、本実施形態にかか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。
【００２９】
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が形成されているキャビティプレート２２、各インク圧力室２１を区画する区画壁２５に接着剤等により接合された中間桁部材３０、各インク圧力室２１の上面（開放面）が閉塞するように中間桁部材３０を介して取り付けられた積層型圧電体２３、及び積層型圧電体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。
【００３０】
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間は桁部材としての区画壁２５により区画されている。
【００３１】
積層型圧電体２３は、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（図２では、一例として３層の圧電セラミック層）を積層して構成されている。ここで、理解を容易にするため、外側圧電セラミック層２４から下方に向かって順に第１圧電セラミック層２３Ａ、第２圧電セラミック層２３Ｂ、第３圧電セラミック層２３Ｃとする。第１圧電セラミック層２３Ａ及び第２圧電セラミック層２３Ｂには、各インク圧力室２１に対応する位置に第１内部電極２７が形成されていると共に、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内部電極２６が形成されている。また、第３圧電セラミック層２３Ｃには、各第１及び第２圧電セラミック層２３Ａ、２３Ｂと同様、各インク圧力室２１に対応する位置に第１内部電極２７が形成されていると共に、インク圧力室２１の周縁位置にて各区画壁２５に対応し第２内部電極２６が形成されている一方、インク圧力室２１内のインクと接触する側には電極等は何ら設けられていない。これは、第３圧電セラミック層２３Ｃに絶縁層として機能を行わせ、この第３圧電セラミック層２３Ｃを介して、上側の第２圧電セラミック層２３Ｂの第１内部電極２６にインクが接触することを防止し、これに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積層型圧電体２３の電極層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、第３圧電セラミック層２３Ｃは、積層型圧電体２３の製造を行うについて第２圧電セラミック層２３Ｂ、第１圧電セラミック層２３Ａ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】
また、第１圧電セラミック層２３Ａ、第２圧電セラミック層２３Ｂ、第３圧電セラミック層２３Ｃは、図２に示すように、それぞれの第１内部電極２７及び第２内部電極２６が相互に重なるように積層されており、かかる構造を有する積層型圧電体２３は、矢印Ａにて示すように、各圧電セラミック層２３Ａ等の積層方向に分極されている。各第１乃至第３圧電セラミック層２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃにおける各第１内部電極２７は、図示しないスイッチを介して図示しない駆動電源のプラス側端子に接続されており、また、各第２内部電極２６は、それぞれ駆動電源のマイナス側端子に接続されている。
【００３３】
次に、第３圧電セラミック層２３Ｃの下方には、第２内部電極２６と中心線を合わせるように複数の中間桁部材３０が設けられている。中間桁部材３０の幅は、第２内部電極２６よりも若干狭い幅に形成されており、圧電素子の変形領域Ｗを浸食しない構成となっている。そして、中間桁部材３０とキャビティプレート２２の区画壁２５とを接合することにより、圧電素子の変形領域Ｗをそれぞれのインク圧力室２１に位置決めするようになっている。このように、本実施形態のインクジェットヘッドによれば、キャビティプレート２２の区画壁２５と、積層型圧電体２３の第３圧電セラミック層２３Ｃとが直接接合されないので、脱バインダ・焼成工程により積層型圧電体２３を形成した結果、第２内部電極２６の位置と区画壁２５との位置が±０．３％程度ずれた場合でも、区画壁２５により圧電素子の変形領域の幅を狭めることがなく、積層型圧電体２３の本来の変形量を確保することができる。
【００３４】
この中間桁部材３０は、各圧電セラミック層と同様にセラミック材から形成され、圧電素子と同一工程で形成される。以下、本実施形態における圧電素子及び中間桁部材の製造方法について詳しく説明する。
【００３５】
図３に示すように、まず、第３圧電セラミック層２３Ｃの上側表面に、インク圧力室に一対一で対応するように、複数に分割された第１内部電極２７と第２内部電極２６をスクリーン印刷によって形成して、グリーンシートを作成する。そして、このようなグリーンシートを、第２圧電セラミック層２３Ｂ、第１圧電セラミック層２３Ａのそれぞれについて形成し、各グリーンシートを３層積層し、その上部には外側圧電セラミック層２４を構成するために圧電セラミック層の上側表面に内部電極層のないグリーンシートを重ね、その下部には同じく圧電セラミック層の下側表面に内部電極層のない中間桁部材用のグリーンシート３０’を重ねる。
【００３６】
次に、中間桁部材用のグリーンシート３０’に対してスライサもしくはショットブラスト加工等を施し、第２内部電極２６よりも若干狭い幅の中間桁部材３０を形成する。
【００３７】
そして、積層体の全体を加熱プレスし、脱バインダ、焼成等の工程を経て積層型圧電体を得る。
【００３８】
次に、以上のようにして得られた積層型圧電素子を１３０℃程度の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浸し、分極用の電極により積層型圧電体に対して２．５ｋＶ／ｍｍ程度の電界を印加し、分極処理を施す。以上の方法により積層型圧電体が得られる。
【００３９】
このように、中間桁部材３０の第２内部電極２６に対する位置決めは、脱バインダ・焼成工程の前に行われるので、脱バインダ・焼成工程によって圧電セラミック層が収縮した場合でも、中間桁部材３０も同一の収縮率で収縮するので、第２内部電極２６に対する中間桁部材３０の位置ずれは発生しない。従って、各内部電極がインク圧力室に対して位置ずれを生じた場合であっても、圧電素子の変形領域を浸食することのないように中間桁部材を設けることができる。例えば図２に示す例では、第２内部電極２６の中心線は、区画壁２５の中心線に対して位置ずれを生じているが、中間桁部材３０は、このように位置ずれを生じた第２内部電極２６とずれを生じないので、中間桁部材３０によって積層圧電体２３の変形領域Ｗを浸食することがない。
【００４０】
そして、このように第２内部電極２６の位置に合わせて形成された中間桁部材３０と、区画壁２５とを接合することにより、第２内部電極２６の位置と区画壁２５の位置がずれている場合でも、積層圧電体２３の変形領域Ｗに区画壁２５が接触することがなく、変形領域Ｗは区画壁２５によって拘束されることがない。従って、各インク圧力室２１における積層圧電体２３の変形量のばらつきを無くすことができる。
【００４１】
なお、本実施形態においては、中間桁部材３０の厚みを、第１圧電セラミック層２３Ａ等の圧電セラミック層の２層分の厚み以下、１層分の厚み以上とした。従って、中間桁部材３０は厚過ぎることがないので、脱バインダ・焼成処理の行われる中間桁部材及び各圧電セラミック層全体の非対称性を問題のない程度に抑えることができる。その結果、脱バインダ・焼成処理を行っても中間桁部材及び各圧電セラミック層に反りを生じさせることがない。また、中間桁部材３０の厚みを圧電セラミック層の１層分の厚み以上としたので、中間桁部材３０を形成する際のスライサもしくはショットブラスト加工等の良好な作業性を確保することができる。
【００４２】
また、中間桁部材３０の幅は、第２内部電極２６の幅の０．５〜１．５倍の大きさであるのが好ましい。これは、中間桁部材３０の幅が第２内部電極２６の幅の０．５倍未満であると、剛性が不足し、インク圧力室２１の体積変化が不安定になり吐出を不安定にさせてしまうためである。また、中間桁部材３０の幅が第２内部電極２６の幅の１．５倍を超えると、積層圧電体２３の変形領域Ｗを狭めてしまうためである。
【００４３】
次に、以上のように構成された本実施形態の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４に基づいて説明する。図４は積層型圧電体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、右から２番目のインク圧力室２１に対応するスイッチがオンされたものとして、各積層型圧電体２３の動作につき説明することとする。
【００４４】
図４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）を介して図示しないスイッチがオンされた場合、図示しない駆動電源を介して各第１内部電極２７に駆動電圧が印加される。このとき、各第１内部電極２７は駆動電源のプラス側端子に接続され、各第２内部電極２６との間で、図４に示すように、積層型厚電体２３の分極方向（矢印Ａで示す）と直交する電界（矢印Ｃで示す）が発生する。これにより、積層型圧電体２３の第１圧電セラミック層２３Ａ、第２圧電セラミック層２３Ｂ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変形する。また、外側圧電セラミック層２４及び第３圧電セラミック層２３Ｃは、各第１、第２圧電セラミック層２３Ａ，２３Ｂと同一の層（成分）より構成されていることから、第１、第２圧電セラミック層２３Ａ，２３Ｂのシェアモード変形に追随して変形される。
【００４５】
このような変形により、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。
【００４６】
そして、上述したように、積層型圧電体２３の各内部電極と区画壁２５との位置ずれが生じた場合でも、積層型圧電体２３の変形領域Ｗは中間桁部材３０により所期の大きさに確保されているので、各インク圧力室２１における積層型圧電体２３の変形量に差が生じることがなく、各インク圧力室２１における容積の変化も均一となる。従って、各インク圧力室２１に続くノズルからのインク吐出速度を均一にすることができる。
【００４７】
本実施形態のインクジェットヘッド５によるこのような優れた効果は、図７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。図７に示す従来のインクジェットヘッドは、本実施形態のインクジェットヘッド５のように中間桁部材３０が設けられておらず、積層型圧電体２３と区画壁２５は直接接合されている。従って、脱バインダ・焼成工程により、積層型圧電体２３の第２内部電極２６と区画壁２５との間に位置ずれが生じた場合には、積層型圧電体２３の変形領域Ｗの一部を、区画壁２５が浸食してしまう。図７に示す例では、領域Ｘにおいて、区画壁２５の一部が変形領域Ｗ側に位置しているため、積層型圧電体２３の変形は区画壁２５によって拘束されてしまう。従って、実際の変形領域Ｗ’は、本来の変形領域Ｗよりも幅が狭くなってしまう。その結果、インク圧力室２１内における積層型圧電体２３の変形量は減少し、これに対応してインク圧力室２１の容積の変化も減少するので、インク吐出速度は低下してしまう。一方、区画壁２５と各内部電極との位置関係によっては、変形領域Ｗが区画壁２５に浸食されないインク圧力室２１も存在する。このように、各インク圧力室２１における積層型圧電体２３の変形量にばらつきが生じ、その結果、ノズルからの吐出速度にもばらつきが生じてしまう。
【００４８】
しかしながら、本実施形態のインクジェットヘッド５は、このようなインク吐出速度のばらつきが発生せず、安定した良好な印字動作を行うことができる。
【００４９】
本実施形態においては、中間桁部材用のグリーンシートを圧電セラミック層に積層し、スライサまたはショットブラスト加工を行うことにより中間桁部材を形成し、その後に圧電セラミック層と共に脱バインダ・焼成処理を施したが、本発明はこの製造方法に限定されるものではない。
【００５０】
例えば、中間桁部材用のグリーンシートを、プレス加工により中間桁部材を形成し、その後に脱バインダ・焼成処理を行うようにしても良い。
【００５１】
また、積層型圧電体を上述のような製造方法によって得た後に、中間桁部材を個々に第２内部電極の位置に対応させて取り付けるようにしても良い。または積層型圧電体に中間桁部材用のシートを取り付け、切削加工を行うようにしても良い。この場合には、中間桁部材を形成する材料としては圧電セラミック層と異なる材料を用いることができる。
【００５２】
更に、脱バインダ・焼成工程前に、圧電セラミック層に印刷により中間桁部材を形成するようにしても良い。
【００５３】
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図５のように逆の関係にすれば、積層型圧電体２３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。
【００５４】
また、本実施形態では、シェアモードで変形する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、伸縮モードにより変形する積層型圧電体、またはシェアモードもしくは伸縮モードとバイモルフ変形モードまたはユニモルフ変形モードを複合させた複合型の積層型圧電体にも適用可能である。
【００５５】
例えば、伸縮モードで変形する積層圧電体を用いる場合には、図６に示すように、各内部電極３１，３２の中間位置に中間桁部材３０を設けるように構成すれば良い。
【００５６】
【発明の効果】
請求項１に記載のインクジェットヘッドによれば、２層以上に積層された圧電体層及び該圧電体層を挟持するように設けられた電極を有する積層型圧電素子に、当該積層型圧電素子の変形領域を規定するように中間桁部材を備え、前記変形領域をインク圧力室の開口位置となるように中間桁部材とキャビティプレートの桁部材とを接合したので、脱バインダ・焼成工程を経て形成される積層型圧電素子の電極とキャビティプレートの桁部材との位置関係にずれが生じた場合であっても、桁部材によって圧電素子の変形領域が妨げられることなく、各インク圧力室における圧電素子の変形量を均一にすることができる。その結果、各インク圧力室から吐出されるインクの吐出速度を均一化することができ、安定した良好なインク吐出を行うことができる。
【００５７】
請求項２に記載のインクジェットヘッドによれば、前記中間桁部材の厚みを、前記積層型圧電素子の積層方向における圧電体層の２層分の層厚以下、１層分の層厚以上としたので、中間桁部材を圧電素子に取り付けた状態で全体の非対称性は脱バインダ・焼成工程においても問題とならず、中間桁部材及び圧電素子の反りの発生を防止することができる。また、脱バインダ・焼成工程の前後において切削加工またはプレス加工等における良好な作業性を確保することができる。
【００５８】
請求項３に記載のインクジェットヘッドによれば、前記積層型圧電素子を、前記分極方向と直交する電界を発生させてシェアモードにて変形させる圧電素子とし、前記中間桁部材の幅を、前記第２内部電極の幅の０．５倍から１．５倍の大きさに形成したので、充分な剛性により、各インク圧力室における体積変化が不安定になることがなく、吐出を安定させることができる。また、圧電素子の変形領域を大幅に妨げることなく、インク吐出に充分な変形量を確保することができる。
【００５９】
請求項４に記載のインクジェットヘッドによれば、前記積層型圧電素子を、積層方向に分極し、前記中間桁部材の中心線と二つの内部電極の中間位置とを合わせるように設けられた当該内部電極間に電圧を印加することにより、前記分極方向と平行な電界を発生させて圧電体層を伸縮モードにて変形させ、当該圧電素子の変形領域は前記中間桁部材により規定されるので、各インク圧力室における圧電素子の変形量を均一にすることができ、各インク圧力室におけるインク吐出速度を均一にすることができる。
【００６０】
請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法によれば、内部電極を印刷した圧電体層を積層し、加熱プレスし、脱バインダ及び焼成することによって圧電素子を製造するが、当該脱バインダ及び焼成する工程の前には、前記圧電体層の変形領域を規定するように前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に前記中間桁部材を取り付ける工程を設けたので、脱バインダ及び焼成工程にて、中間桁部材及び圧電素子全体を同一の収縮率で収縮させることができ、キャビティプレートのインク圧力室に対する内部電極の位置ずれが脱バインダ及び焼成工程における収縮により生じても、中間桁部材と内部電極との互いの位置関係の変動を防止することができる。従って、圧電体層の各変形領域の大きさは何れも均一となり、この中間桁部材とキャビティプレートの桁部材とを接合することにより、各インク圧力室に均一な大きさの変形領域を対応させることができる。
【００６１】
請求項６に記載のインクジェットヘッドの製造方法によれば、中間桁部材用の圧電体層を前記圧電体層に更に積層させ、スライサもしくはショットブラスト加工により中間桁部材を形成した後に脱パインダ及び焼成工程を施すので、脱バインダ及び焼成工程により圧電体層が収縮しても、中間桁部材も同一の収縮率で収縮するので、電極に対する中間桁部材の位置の変動を防ぐことができ、各変形領域の大きさを均一にする中間桁部材を容易に形成することができる。
【００６２】
請求項７に記載のインクジェットヘッドの製造方法によれば、中間桁部材用の圧電体層における前記変形領域に相当する領域をプレス加工により凹部とし、その後に前記積層された圧電体層に該中間桁部材用の圧電体層を積層させて、前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に前記中間桁部材を取り付けるので、脱バインダ及び焼成工程により圧電体層が収縮しても、中間桁部材も同一の収縮率で収縮するので、電極に対する中間桁部材の位置の変動を防ぐことができ、各変形領域の大きさを均一にする中間桁部材を容易に形成することができる。
【００６３】
請求項８に記載のインクジェットヘッドの製造方法によれば、前記圧電体層に中間桁部材層を印刷することにより、前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に前記中間桁部材を取り付けるので、脱バインダ及び焼成工程により圧電体層が収縮しても、中間桁部材も同一の収縮率で収縮するので、電極に対する中間桁部材の位置の変動を防ぐことができ、各変形領域の大きさを均一にする中間桁部材を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態におけるインクジェットプリンタの概略構成を示す外観斜視説明図である。
【図２】 図１に示すインクジェットプリンタのインクジェットヘッドの構成を示す断面図である。
【図３】 図２に示すインクジェットヘッドの製造方法を説明するための斜視図である。
【図４】 図２に示すインクジェットヘッドの動作を説明するための断面図である。
【図５】 本発明の他の実施形態におけるインクジェットヘッドの動作を説明するための断面図である。
【図６】 本発明の他の実施形態におけるインクジェットヘッドの構成を示す断面図である。
【図７】 従来のインクジェットヘッドの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
５…インクジェットヘッド
２０…アレイ
２１…インク圧力室
２２…キャビティプレート
２３…積層型圧電体
２４…外側圧電セラミック層
２５…区画壁
２６…第２内部電極
２７…第１内部電極
３０…中間桁部材
Claims (8)
- 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であって、
前記インク圧力室が桁部材により仕切られた開口凹部として形成されたキャビティプレートと、
２層以上に積層された圧電体層及び該圧電体層を挟持するように設けられた電極を有し、前記インクに圧力変動を与えるために前記圧電体層を変形させる積層型圧電素子と、
前記積層型圧電素子の変形領域を規定するように前記積層型圧電素子に取り付けられた中間桁部材とを備え、
前記積層型圧電素子は、積層方向に分極されると共に、前記中間桁部材の二つの中間位置で前記インク圧力室に対応して設けられた第１内部電極と、前記中間桁部材と中心線を合わせるように前記第１内部電極の二つの中間位置に設けられた第２内部電極とを有し、前記変形領域を前記インク圧力室の開口位置となるように前記桁部材に前記中間桁部材を接合したことを特徴とするインクジェットヘッド。 - 前記中間桁部材の厚みは、前記積層型圧電素子の積層方向における圧電体層の２層分の層厚以下、１層分の層厚以上であ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。
- 前記積層型圧電素子は、前記分極方向と直交する電界によりシェアモードにて変形を生じさせる圧電素子であり、前記中間桁部材の幅は、前記第２内部電極の幅の０．５倍から１．５倍の大きさに形成されている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。
- 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であって、
前記インク圧力室が桁部材により仕切られた開口凹部として形成されたキャビティプレートと、
２層以上に積層された圧電体層及び該圧電体層を挟持するように設けられた電極を有し、前記インクに圧力変動を与えるために前記圧電体層を変形させる積層型圧電素子と、
前記積層型圧電素子の変形領域を規定するように前記積層型圧電素子に取り付けられた中間桁部材とを備え、
前記積層型圧電素子は、積層方向に分極されると共に、前記中間桁部材の中心線と二つの内部電極の中間位置とを合わせるように設けられた当該内部電極を有し、前記変形領域を前記インク圧力室の開口位置となるように前記桁部材に前記中間桁部材を接合し、前記分極方向と平行な電界により前記圧電体層を伸縮モードにて変形を生じさせることを特徴とするインクジェットヘッド。 - キャビティプレートが複数の桁部材により仕切られたインク圧力室と、２層以上に積層された圧電体層及び該圧電体層を挟持するように設けられた内部電極を有する積層型圧電素子とを備え、前記圧電体層を変形させて前記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の製造方法であって、
圧電体材料をシート状の前記圧電体層として形成する工程と、
前記圧電体層上に前記内部電極を印刷する工程と、
前記内部電極の印刷された圧電体層を積層する工程と、
前記積層された圧電体層を加熱プレスする工程と、
前記加熱プレス後の圧電体層を脱バインダ及び焼成する工程とを備え、
前記圧電体層の変形領域を規定するように前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に前記中間桁部材を取り付ける工程を、前記脱バインダ及び焼成する工程の前に設けた、
ことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。 - 前記圧電体層の変形領域を規定するように前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に前記中間桁部材を取り付ける工程は、中間桁部材用の圧電体層を前記圧電体層に更に積層させ、該中間桁部材用の圧電体層における前記変形領域に相当する領域を、スライサもしくはショットブラスト加工により除去する工程であることを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
- 前記圧電体層の変形領域を規定するように前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に前記中間桁部材を取り付ける工程は、中間桁部材用の圧電体層における前記変形領域に相当する領域をプレス加工により凹部とし、その後に前記積層された圧電体層に該中間桁部材用の圧電体層を積層させる工程であることを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
- 前記圧電体層の変形領域を規定するように前記内部電極の二つの中間位置と中間桁部材の中心線とを合わせるように前記圧電体層に前記中間桁部材を取り付ける工程は、前記圧電体層に中間桁部材層を印刷する工程であることを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
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