JP3925650B2 - インクジェットプリンタヘッド - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電層を積層して形成されるプレート型の圧電アクチュエータを備えた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】
圧電層を積層して形成されるプレート型の圧電アクチュエータとしては、先行技術のオンデマンド型のインクジェットプリンタヘッドにおいて、キャビティユニットのインク室（圧力室）に面して圧電アクチュエータを配置して、この圧電アクチュエータの伸縮変形により前記インク室の容積を小さくしてインクを噴射させるものが知られている。
【０００３】
このような圧電アクチュエータとしては、例えば特許文献１や特許文献２等に、セラミックス材料からなる圧電層の表面に電極層を形成して積層し、電極層で圧電層を挟むように構成したものが記載されている。これら特許文献１及び２では、圧電層の表面に形成される電極層として、前記各インク室毎に選択的に電圧を印加する個別電極の電極層と、前記複数のインク室に電気的に共通となるコモン電極の電極層とが、積層方向に交互に配置されており、個別電極とコモン電極とが対向するように挟んだ圧電層が、電極間に印加された電圧によって伸縮する。
【０００４】
そして、特許文献１では、個別電極は各インク室毎の領域に対応させるために、それぞれ独立させて個別に形成されているが、コモン電極は隣接する複数のインク室に共通であるため、複数のインク室に跨って覆うように広幅で形成されている。
【０００５】
一方、特許文献２では、個別電極とコモン電極のいずれもが、各インク室毎にの領域に対応させて形成されており、この領域では個別電極とコモン電極とが全く同一のパターンで上下方向に重なるように配置されている。そして、これらは外部の電極端子へ引き出される電極パターンの違いによって、個別電極とコモン電極の使い分けを行っている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１６２７９６号公報（図１参照）
【特許文献２】
特公平７−９６３０１号公報（図２参照）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載の構成では、コモン電極の面積が大きいため、個別電極とコモン電極との間の静電容量が大きくなり、その結果、消費電力が大きくなり、電源装置も大きくせざるを得なくなり、コストアップになる。また、個別電極やコモン電極に使用される電極材料には、銀―パラジウム合金が使用されることが一般的であるが、パラジウム金属は希少金属であるため、その価格が極めて高く、実際に、圧電アクチュエータにかかる材料費のうち約７０％は、パラジウム金属の材料費が占めている。従って、特許文献１のようにコモン電極を広幅形状とすると、電極面積が増え、使用する電極材料も量的に増加する。そのため、特許文献２のようにコモン電極をインク室に対応する領域では個別電極と同一形状にして電極面積を減らし、これによりパラジウムを含む電極材料のコストを削減するとともに、静電容量を下げ、圧電アクチュエータ及び電源装置のコストを下げたいという要望があった。
【０００８】
しかしながら、コモン電極をインク室に対応する領域で個別電極と同一形状にすると、個別電極に印加した電界が圧電アクチュエータ外に漏れ、その結果、インク室内のインクが帯電したり、あるいは個別電極へ給電する信号線に影響を与え、インク吐出に異常をきたすことがある。
【０００９】
さらに、圧電層の積層方向において、インク室に対応する領域のみで多数の電極層が圧電層の間に存在することになり、それ以外の領域と比べて積層方向に厚みの差が生じる。
【００１０】
圧電アクチュエータとしては、インクの噴射に必要な所定の変位量の伸縮変形を行うために、電極に挟まれた圧電層が多数積層されることが求められているため、多数積層されると、さらにインク室に対応する領域とそれ以外の領域の積層方向の厚みの差は拡大する。
【００１１】
その結果、圧電アクチュエータの積層方向の表裏面に反りやうねりが発生し、圧電アクチュエータをキャビティユニットに配置して接着する際の密着性が損なわれ、製造時の不良を引き起こすという課題が生じる。
【００１２】
本発明は、このような課題を解消し、電極材料にかかるコストを削減するとともに、電界が外部に漏れることを防ぎ、かつ全体としての反りやうねりの発生を低減することのできる圧電アクチュエータを備えたインクジェットプリンタヘッドを提供することを課題とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明におけるインクジェットプリンタヘッドは、複数の圧力室及び共通インク通路を有するキャビティユニットと、複数の圧電層と電極層とが交互に積層され、前記積層方向に対向する前記電極層の間の各圧電層がその電極に電圧を印加することにより伸縮する活性部として形成され、この活性部が前記キャビティユニットの各圧力室毎に面するように配置される圧電アクチュエータと、前記キャビティユニットの前記複数の共通インク通路を接続されたインクタンクと、を備えたインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記圧電アクチュエータは、前記積層方向に並んだ電極層を、前記積層方向において交互に、前記各圧力室毎に対応して位置し選択的に電圧を印加する個別電極と前記各圧力室毎に対応して位置しそれぞれ共通の電位に接続される第１のコモン電極とを有し、さらに、前記個別電極及び前記第１のコモン電極を有する電極層を挟む圧電層のうち、前記圧力室と対面する圧電層と、前記圧力室から前記積層方向に最も離れた位置に備えられた圧電層との双方の圧電層には、それぞれ前記複数の圧力室に跨る広幅形状をなし前記共通の電位に接続される電極層である第２のコモン電極が積層され、前記インクタンクは、前記圧電アクチュエータが接続された前記キャビティユニットの面側に配置され、前記共通インク通路を介して前記圧力室と連通されていることを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載のインクジェットプリンタヘッドにおい て、前記個別電極及び第１のコモン電極はいずれも、平面視細長形状に形成された圧力室と平面視で重複する略細長形状に形成され、個別電極の細幅方向の寸法は、圧力室の細幅方向の寸法と同じかもしくは小さく、第１のコモン電極の細幅方向の寸法は、個別電極の細幅方向の寸法よりも大きいことを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載のインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記活性部が、前記キャビティユニットの各圧力室毎に面するように配置されることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態による圧電式のインクジェットプリンタヘッドを示す分解斜視図、図２は圧電アクチュエータとキャビティユニットの一端部を示す斜視図、図３はキャビティユニットの分解斜視図、図４はキャビティユニットの部分的拡大斜視図、図５は圧電アクチュエータの部分的縦断面図、図６は圧電アクチュエータの分解斜視図、図７は他の実施形態の圧電アクチュエータとキャビティユニットの一端部を示す斜視図である。
【００１７】
図１に示すプレート型の圧電アクチュエータ２０は、キャビティユニット１０に対して接合されるものであり、圧電アクチュエータ２０の上面には、外部機器との接続のために、フレキシブルフラットケーブル４０が重ね接合されている。そして、最下層のキャビティユニット１０の下面側に開口されたノズルからは下向きにインクが噴射される。
【００１８】
前記キャビティユニット１０は、図３及び図４に示すように構成されている。すなわち、ノズルプレート１１、２枚のマニホールドプレート１２、スペーサプレート１３及びベースプレート１４の５枚の薄い板をそれぞれ積層した構造としている。
【００１９】
実施形態では、合成樹脂製のノズルプレート１１を除き、各プレート１２、１３、１４は、４２％ニッケル合金鋼板製で、５０μｍ〜１５０μｍ程度の厚さを有する。前記ノズルプレート１１には、微小径（実施形態では２５μｍ程度）のインク噴射用のノズル１５が微小間隔で多数個穿設されている。このノズル１５は、当該ノズルプレート１１における第１の方向（長辺方向）に沿って千鳥配列で２列に配列されている。
【００２０】
前記２枚のマニホールドプレート１２には、図３及び図４に示すように、共通インク通路１２ａ、１２ｂが、前記ノズル１５の列の両側で、当該マニホールドプレート１２の長辺に略沿って延びるように穿設されている。但し、下側のマニホールドプレート１２における共通インク通路１２ｂは、当該マニホールドプレート１２の上側にのみ開放するように凹み形成されている。この共通インク通路１２ａ、１２ｂは、この両マニホールドプレート１２に対する前記スペーサプレート１３の積層により密閉される構造になっている。
【００２１】
また、図３及び図４に示すように、前記ベースプレート１４には、複数のインク室１６（請求項の圧力室に相当）がベースプレート１４の長辺（前記第１の方向）に沿って千鳥配列で２列に穿設されている。そして、各インク室１６は、その長手方向がベースプレート１４の長手方向と直交するようにして細長形状に形成されている。インク室１６の細幅方向の幅寸法は中央部でＬ１となっている。
【００２２】
各インク室１６における先端部１６ａはベースプレート１４の短辺方向の略中央部に位置しており、この各先端部１６ａは、スペーサプレート１３、２枚のマニホールドプレート１２に同じく千鳥配列にて穿設されているインク流路としての微小径の貫通孔１７を介してノズルプレート１１における前記千鳥配列のノズル１５に連通している。
【００２３】
一方、前記各インク室１６の他端部１６ｂは、前記スペーサプレート１３における左右両側部位に穿設された貫通孔１８を介して、前記両マニホールドプレート１２における共通インク通路１２ａ、１２ｂに連通している。なお、前記他端部１６ｂは、図４に示すように下側に開口するように凹み形成されているものである。また、最上層のベースプレート１４の一端部に穿設された供給孔１９ａ（図３参照）の上面には、その上方のインクタンクから供給されるインク中の塵除去のためのフィルタ２９が張設されている。
【００２４】
これにより、前記ベースプレート１４及びスペーサプレート１３の一端部に穿設の供給孔１９ａ、１９ｂから前記共通インク通路１２ａ、１２ｂ内に流入したインクは、この共通インク通路１２ａから前記各貫通孔１８を通って前記各インク室１６内に分配されたのち、この各インク室１６内から前記貫通孔１７を通って、当該インク室に対応するノズル１５に至るという構成になっている。
【００２５】
前記圧電アクチュエータ２０では、複数の圧電層と電極層とが交互に積層されており、圧電層は圧電セラミックスを材料とする圧電シートにより形成されている。この実施の形態では、圧電アクチュエータ２０は、図５に示すように、１０枚の圧電シート２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ、２１ｈ、２１ｉ及び２１ｊを積層した構造としている。また、電極層は圧電シートの上面（広幅面）に後述するように金属膜の電極パターンとして形成されている。
【００２６】
これら１０枚の圧電シートのうち、キャビティユニット１０側（これを下側とする）の２枚目から７枚目の圧電シートは、各インク室１６に対応して伸縮変形可能に設けられた活性部が含まれる活性層５０を構成し、下側から８枚目から１０枚目の圧電シートは、前記活性部の上側への伸縮変形を規制する拘束部が含まれる拘束層５１を構成している。
【００２７】
活性層５０では、圧電層の間に挟まれる各電極層を、積層方向において交互に、前記各インク室１６毎に対応して位置し選択的に電圧を印加する個別電極２４の電極層と、前記各インク室１６毎に対応して位置しそれぞれ共通の電位に接続される第１のコモン電極２５ａの電極層としている。そして、活性層５０の最上層と最下層に位置する電極層を前記複数のインク室１６に跨る広幅形状をなし前記共通の電位に接続される第２のコモン電極２５ｂとしている。
【００２８】
具体的には、圧電シートのうち下側から数えて、２枚目の圧電シート２１ｂと、４枚目の圧電シート２１ｄと、６枚目の圧電シート２１ｆの各上面の電極層に前記個別電極２４を形成している。
【００２９】
また、前記各圧電シートのうち下から数えて、３枚目の圧電シート２１ｃ、５枚目の圧電シート２１ｅの各上面の電極層に、前記第１のコモン電極２５ａを形成し、１枚目の圧電シート２１ａと、７枚目の圧電シート２１ｇの各上面の電極層に、前記第２のコモン電極２５ｂを形成している。
【００３０】
実施形態においては、図６に示すように、各個別電極２４は各インク室１６に対応して細長形状に形成され、第１の方向（長辺方向）に沿って列状に独立して配置されて、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って各圧電シートの長辺の端縁部近傍まで延びている。そして、各個別電極２４の細幅方向の幅寸法Ｌ２は、図５に示すように対応するインク室１６の幅寸法より狭く（Ｌ２＜Ｌ１）設定されている。なお、個別電極２４とインク室１６の幅寸法は同じに設定してもよい（Ｌ２＝Ｌ１）。
【００３１】
前記第１のコモン電極２５ａは、各インク室１６に対応した位置が細長形状に形成され、この細長形状は第１の方向（長辺方向）に沿って列状に配置されて、前記第２の方向に沿って延びる。そして、これら細長形状の圧電シートの長辺側の各端部は、圧電シート２１の対の短辺の端縁部近傍に形成された引き出し部２５ｃ、２５ｃに至るように連結されている。すなわち、第１のコモン電極２５ａは、各インク室１６に対応した分岐形状となっているが、この電極層では、インク室１６に対応した領域各々と、引き出し部２５ｃは全体として電気的に一体化されている。そして、第１のコモン電極２５ａの細幅方向の幅寸法Ｌ３は、図５に示すように、個別電極２４の幅寸法Ｌ２よりも大きく（Ｌ３＞Ｌ２）設定されており、各インク室１６と個別電極２４及び第１のコモン電極２５ａは、平面視で重複するように形成されている。
【００３２】
一方、前記第２のコモン電極２５ｂは、インク室１６が前記ベースプレート１４の短辺の中央部側で前記第１の方向（長辺）に沿って２列状に配置されているので、その２列のインク室１６を一体的に覆うように、圧電シートの短辺方向の中央において長辺に沿って延びる平面視矩形状に形成される。そして、この第２のコモン電極２５ｂと、圧電シート２１の対の短辺の端縁部近傍の略全長にわたって延びる引き出し部２５ｃ、２５ｃとが導通するように一体的に形成されている。また、第１コモン電極２５ａと第２のコモン電極２５ｂとは、それぞれの引き出し部２５ｃに形成されたスルーホール（後述する）を介して、同電位となるように構成されている。
【００３３】
前記第１のコモン電極２５ａあるいは第２のコモン電極２５ｂが形成されている圧電シート２１ａ、２１ｃ、２１ｅ、２１ｇでは、これらの対の長辺の端縁部近傍の上面であって、前記第１のコモン電極２５ａあるいは第２のコモン電極２５ｂが形成されていない箇所には、前記各個別電極２４と同じ上下位置（対応する位置）に当該個別電極２４と略同じ幅寸法で長さの短いダミー個別電極２６を形成している。
【００３４】
また、前記個別電極２４が形成されている圧電シート２１ｂ、２１ｄ、２１ｆの上面のうち、前記引き出し部２５ｃ、２５ｃに対応する位置（同じ上下位置、圧電シートの対の短辺の端縁部近傍）には、ダミーコモン電極２７を形成している。
【００３５】
上述した個別電極２４、第１のコモン電極２５ａ及び第２のコモン電極２５ｂを有する各電極層では、圧電シートの上面に、銀―パラジウム合金を材料とする導電性ペーストをスクリーン印刷することにより、所定の箇所にそれぞれの電極パターンが形成される。
【００３６】
上記のように、個別電極２４とコモン電極（第１のコモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ）とに挟まれている圧電層では、後述するスルーホール内に導電性材料を通して、公知のようにコモン電極（第１のコモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ）を接地し、全個別電極２４に分極用の正の高電圧を印加すると、電極間に挟まれた各層の圧電シートの領域が、個別電極２４からコモン電極（第１のコモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ）に向かう方向に分極処理され、活性部となる。つまり、下から２枚目から７枚目の圧電シートは活性層５０を構成する。そして、公知のようにコモン電極（第１のコモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ）を接地し、個別電極２４に選択的に駆動用の正の低電圧を印加すると、活性部が、圧電縦効果により伸張変形する。
【００３７】
拘束層５１は、インク室１６とは反対方向への活性部の変形を抑えるためのもので、拘束層５１を構成する圧電シート２１ｈ、２１ｉ、２１ｊのうち、最上層の圧電シート２１ｊの上面には、その長辺の端縁部に沿って、個別電極２４の各々に対応する表面電極３０と、第１及び第２のコモン電極２５ａ、２５ｂに対応する表面電極３１とを設けている。圧電シート２１ｉ、２１ｈには、その下層の圧電シート２１ｇのダミー個別電極２６及び引き出し部２５ｃと、最上層の圧電シート２１ｊの表面電極３０、３１とを、後述するスルーホール内の導電性材料で接続するために、ダミー個別電極２６及び引き出し部２５ｃを設けている（図示せず）。
【００３８】
拘束層５１の３つの圧電シート２１ｈ、２１ｉ、２１ｊは、個別電極２４とコモン電極（第１コモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ）とに挟まれないので、上記のように圧電アクチュエータ２０に分極用の電圧を印加しても分極処理されないし、駆動電圧を印加しても変形しない。
【００３９】
上から２枚目の圧電シート２１ｉと３枚目の圧電シート２１ｈには、本来電極パターンを形成する必要がないが、圧電シートだけの層と、圧電シートの表面に電極が形成された層とでは、焼成時の収縮率が異なって、圧電アクチュエータ全体の反りやうねりを発生させるので、これを低減させるためにあえて圧電シート２１ｉ、２１ｈに、上述したダミー個別電極２６及び引き出し部２５ｃの他にも電極パターンを形成してもよい。この場合、圧電シート２１ｉ、２１ｈに形成する電極パターンとしては、この電極と対向する電極との間で電位差が生じると静電容量を発生してしまうため、駆動に影響しないように、圧電シート２１ｇと同じ第２のコモン電極２５ｂの電極パターンが形成されることが望ましい
が、この電極パターンに限定するものではない。
【００４０】
さらに、前記最下層の圧電シート２１ａを除き、他の全ての圧電シート２１ｂ〜２１ｊには、前記各表面電極３０と、それに対応する位置（同じ上下位置）の個別電極２４及びダミー個別電極２６とが互いに連通するように、スルーホール３２を穿設する。同様に、前記少なくとも１つの表面電極３１（実施形態では、最上層の圧電シート２１ｊの４隅の位置の表面電極３１）と、それに対応する位置（同じ上下位置）の第１及び第２コモン電極２５ａ、２５ｂの引き出し部２５ｃ並びにダミーコモン電極２７とが互いに連通するように、スルーホール３３を穿設している。そしてスルーホール３２、３３内に充填された導電性材料を介して、各層の個別電極２４どうし及びそれと対応する位置の表面電極３０とが電気的に接続されるように構成し、同じく各層の第１のコモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ及びそれと対応する位置の表面電極３１とが電気的に接続されるように構成するものである。
【００４１】
製造上においては、各圧電シートを構成するセラミックスのグリーンシートに、スルーホールを穿設し、このグリーンシートに各電極パターンを銀―パラジウム合金を材料とする導電性ペーストのスクリーン印刷等で形成すると、これと同時にスルーホール内に電極パターンを形成する導電性材料が浸入し充填される。これにより圧電シートの上下面でスルーホールを介して導通可能となる。そして、それらのグリーンシートを、下層の電極パターンまたはダミー電極と上層のスルーホールとが重なるように積層し、積層方向に加圧して一体化させ、公知のように焼成して圧電アクチュエータ２０を作る。
【００４２】
そして、このような構成のプレート型の圧電アクチュエータ２０は、前記キャビティユニット１０に対して、当該圧電アクチュエータ２０における各個別電極２４が前記キャビティユニット１０における各インク室１６に対応するように固定される（図５参照）。また、この圧電アクチュエータ２０における上側の表面には、前記フレキシブルフラットケーブル４０が重ね押圧されることにより、このフレキシブルフラットケーブル４０における各種の配線パターン（図示せず）が、前記表面電極３０、３１に電気的に接合される。
【００４３】
この構成おいて、前記圧電アクチュエータ２０における各個別電極２４と、コモン電極（第１のコモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ）のうち、任意の活性部の個別電極２４とコモン電極（第１のコモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ）との間に電圧を印加することにより、圧電シート２１ｂ〜２１ｇのうち、前記電圧を印加した個別電極２４とコモン電極（第１のコモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ）とに挟まれた圧電層に積層方向の歪みが発生する。そして、この歪みによる伸縮変形のうち上側への伸縮変形は拘束部によって規制されるため、その変位量が前記各個別電極２４に対応するインク室１６側に大きく発生し、当該インク室１６の内容積が縮小されてインクがノズル１５から液滴状に噴出して、所定の印字が行われる。
【００４４】
なお、導電性の金属で構成されているキャビティユニット１０は、コモン電極２５ａ、２５ｂと同様に接地されていることが好ましい。
【００４５】
この圧電アクチュエータ２０の構成においては、図５及び図６に示すように、圧電シート２１ｃ、２１ｅの上面の電極層には、コモン電極として、個別電極２４と対向する部分が細長形状となる第１のコモン電極２５ａが形成されているため、活性部として個別電極２４と対向する電極面積を確保しながら、圧電層の上面の電極層としては全体の電極面積を大幅に減らしているので、電極間の静電容量を低減し、電極材料にかかるコストを削減することができる。
【００４６】
また、第１のコモン電極２５ａの細幅方向の寸法Ｌ３は、個別電極２４の細幅方向の寸法Ｌ２よりも大きくしているため、圧電シートの積層時に細幅方向（第１の方向）に多少の位置ズレが生じた場合でも、個別電極２４が第１のコモン電極２５ａと平面視で完全に覆われる範囲内の位置ズレであれば、圧電層を挟んで対向する電極面積が変わらないので、活性部の変位特性に影響を与えることがない。そのため、圧電シートの積層における位置合わせの精度を緩和できる。
【００４７】
さらに、活性層５０の最上層と最下層の電極層に、複数のインク室に跨る広幅形状を備える第２のコモン電極２５ｂを配置しているため、これらの層では、インク室１６に対応していない領域でも電極が設けられている（図５参照）。そのため、個別電極に印加した電界が圧電アクチュエータ外に漏れることがなくなり、その結果、インク室内のインクが帯電したり、あるいは個別電極へ給電する信号線に影響を与えることがなくなり、インク吐出を正常に安定して行うことができる。また、圧電層が積層された積層体の電極層の厚みによる全体の厚みの差が緩和され、焼成後の圧電アクチュエータ２０の表面に生じる凹凸を軽減することができる。特に、広幅形状を備える第２のコモン電極２５ｂを、積層体の中間にではなく、積層体を上下から覆うように最上層及び最下層に設けているので、積層体の厚みの差を低減させる平坦化効果が大きく発揮される。その結果、圧電アクチュエータ２０とキャビティユニット１０との密着性が向上し、接着時の不具合を生じにくくすることができる。この第２のコモン電極２５ｂの電極層は、活性層５０の最上層及び最下層のいずれか一方でもよいが、キャビティユニット１０との密着性を向上させるために、少なくとも最下層には、第２のコモン電極２５ｂを設けることが望ましい。
【００４８】
なお、本発明は、前記スルーホールに替えて、図７に示す形態のように、圧電アクチュエータの積層体の側面２０ａ（表面電極３０、３１が形成される広幅面の長辺側と直交する側面）に側面電極３４、３５を形成し、表面電極３０が前記側面電極３４を介して複数層の前記個別電極２４並びにダミー個別電極２６を電気的接続する一方、表面電極３１は別の箇所の側面電極３５を介して複数層の前記コモン電極２５並びにダミーコモン電極２７を電気的に接続させるよう構成したものに適用してもよい。その場合、前記圧電アクチュエータ２０の側面２０ａに、少なくとも前記駆動電極（個別電極２４、コモン電極２５）が露出する凹み溝３６、３７を設け、この凹み溝３６、３７内に前記駆動電極と電気的に導通する側面電極３４、３５がそれぞれ形成されたものであってもよい。
【００４９】
また、本発明の圧電アクチュエータ２０は、インクジェットプリンタヘッドだけでなく、圧力室から液体を移送する他の装置にも適用できることは言うまでもない。
【００５０】
【発明の作用・効果】
以上に説明してきたように、請求項１に記載の発明におけるインクジェットプリンタヘッドは、複数の圧力室及び共通インク通路を有するキャビティユニットと、複数の圧電層と電極層とが交互に積層され、前記積層方向に対向する前記電極層の間の各圧電層がその電極に電圧を印加することにより伸縮する活性部として形成され、この活性部が前記キャビティユニットの各圧力室毎に面するように配置される圧電アクチュエータと、前記キャビティユニットの前記複数の共通インク通路を接続されたインクタンクと、を備えたインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記圧電アクチュエータは、前記積層方向に並んだ電極層を、前記積層方向において交互に、前記各圧力室毎に対応して位置し選択的に電圧を印加する個別電極と前記各圧力室毎に対応して位置しそれぞれ共通の電位に接続される第１のコモン電極とを有し、さらに、前記個別電極及び前記第１のコモン電極を有する電極層を挟む圧電層のうち、前記圧力室と対面する圧電層と、前記圧力室から前記積層方向に最も離れた位置に備えられた圧電層との双方の圧電層には、それぞれ前記複数の圧力室に跨る広幅形状をなし前記共通の電位に接続される電極層である第２のコモン電極が積層され、前記インクタンクは、前記圧電アクチュエータが接続された前記キャビティユニットの面側に配置され、前記共通インク通路を介して前記圧力室と連通されていることを特徴とするものである。これによれば、電極層のうちの第１のコモン電極は、複数の圧力室で共通の電位に接続する電極でありながら、各圧力室毎に対応して位置させているため、複数の圧力室に跨る形状とする場合と比べてその電極面積を少なくすることができる。
【００５１】
また、複数の電極層のうち前記積層方向において、前記圧力室と対面する電極層と、前記圧力室から前記積層方向に最も離れた位置に備えられた圧電層との双方の圧電層に形成された電極層を、複数の圧力室に跨る広幅形状の第２のコモン電極とすることにより、圧電層及び電極層を積層した積層体において、圧力室に対応した領域とそれ以外の領域とに生じる積層方向の厚みの差を緩和することができる。
【００５２】
このようにコモン電極を第１のコモン電極と第２のコモン電極とを組み合せて構成することで、電極間の静電容量を低減することができるとともに、電極材料の材料コストを削減することができる。また、個別電極に印加した電界が圧電アクチュエータ外に漏れることがなくなり、その結果、インク室内のインクが帯電したり、あるいは個別電極へ給電する信号線に影響を与えることがなくなり、インク吐出を正常に安定して行うことができる。さらに、焼成後の圧電アクチュエータに発生する反りやうねりが軽減され、圧力室を備える部材に圧電アクチュエータを接着する際の密着性が向上され、製造時の不良が改善できる。
【００５３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載のインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記個別電極及び第１のコモン電極はいずれも、平面視細長形状に形成された圧力室と平面視で重複する略細長形状に形成され、個別電極の細幅方向の寸法は、圧力室の細幅方向の寸法と同じかもしくは小さく、第１のコモン電極の細幅方向の寸法は、個別電極の細幅方向の寸法よりも大きいことを特徴とするものである。これによれば、個別電極の細幅方向の寸法は、圧力室の細幅方向の寸法と同じかもしくは小さいため、個別電極と第１のコモン電極（または第２のコモン電極）とで挟まれた圧電層による伸縮が確実にまた効率よく圧力室に伝達されるとともに、第１のコモン電極の細幅方向の寸法は、個別電極の細幅方向の寸法よりも大きいため、積層時に細幅方向に多少の位置ずれが生じても、個別電極と第１のコモン電極とが対向する活性部の領域が変わらないので、変位特性に影響することがない。そのため、製造における圧電シートの積層工程でその位置決め作業を容易化することができる。
【００５４】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載のインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記キャビティユニットの活性部が、インクジェットプリンタヘッドの各圧力室毎に面するように配置されることを特徴とするものである。これによれば、上述の効果により電極材料のコストを低減させ、かつ全体の反りやうねりの発生も抑制することのできる圧電アクチュエータが、その活性部を各インク室に面するように密着性よく配置されてインクジェットプリンタが構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による圧電式のインクジェットプリンタヘッドを示す分解斜
視図である。
【図２】キャビティユニットの分解斜視図である。
【図３】キャビティユニットの部分的拡大斜視図である。
【図４】圧電アクチュエータの一端部を示す斜視図である。
【図５】圧電アクチュエータの部分的縦断面図である。
【図６】圧電アクチュエータの分解斜視図である。
【図７】他の実施形態の圧電アクチュエータの一端部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０キャビティユニット
１１ノズルプレート
１２マニホールドプレート
１２ａ，１２ｂ共通インク通路
１３スペーサプレート
１４ベースプレート
１５ノズル
１６インク室
１６ａ先端部
１６ｂ他端部
１７、１８貫通孔
１９ａ、１９ｂ供給孔
２０圧電アクチュエータ
２０ａ側面
２１ａ〜２１ｊ圧電シート
２４個別電極
２５ａ第１のコモン電極
２５ｂ第２のコモン電極
２５ｃ引き出し部
２６ダミー個別電極
２７ダミーコモン電極
２９フィルタ
３０、３１表面電極
３２、３３スルーホール
３４、３５側面電極
３６、３７凹み溝
４０フレキシブルフラットケーブル
５０活性層
５１拘束層
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電層を積層して形成されるプレート型の圧電アクチュエータを備えた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】
圧電層を積層して形成されるプレート型の圧電アクチュエータとしては、先行技術のオンデマンド型のインクジェットプリンタヘッドにおいて、キャビティユニットのインク室（圧力室）に面して圧電アクチュエータを配置して、この圧電アクチュエータの伸縮変形により前記インク室の容積を小さくしてインクを噴射させるものが知られている。
【０００３】
このような圧電アクチュエータとしては、例えば特許文献１や特許文献２等に、セラミックス材料からなる圧電層の表面に電極層を形成して積層し、電極層で圧電層を挟むように構成したものが記載されている。これら特許文献１及び２では、圧電層の表面に形成される電極層として、前記各インク室毎に選択的に電圧を印加する個別電極の電極層と、前記複数のインク室に電気的に共通となるコモン電極の電極層とが、積層方向に交互に配置されており、個別電極とコモン電極とが対向するように挟んだ圧電層が、電極間に印加された電圧によって伸縮する。
【０００４】
そして、特許文献１では、個別電極は各インク室毎の領域に対応させるために、それぞれ独立させて個別に形成されているが、コモン電極は隣接する複数のインク室に共通であるため、複数のインク室に跨って覆うように広幅で形成されている。
【０００５】
一方、特許文献２では、個別電極とコモン電極のいずれもが、各インク室毎にの領域に対応させて形成されており、この領域では個別電極とコモン電極とが全く同一のパターンで上下方向に重なるように配置されている。そして、これらは外部の電極端子へ引き出される電極パターンの違いによって、個別電極とコモン電極の使い分けを行っている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１６２７９６号公報（図１参照）
【特許文献２】
特公平７−９６３０１号公報（図２参照）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載の構成では、コモン電極の面積が大きいため、個別電極とコモン電極との間の静電容量が大きくなり、その結果、消費電力が大きくなり、電源装置も大きくせざるを得なくなり、コストアップになる。また、個別電極やコモン電極に使用される電極材料には、銀―パラジウム合金が使用されることが一般的であるが、パラジウム金属は希少金属であるため、その価格が極めて高く、実際に、圧電アクチュエータにかかる材料費のうち約７０％は、パラジウム金属の材料費が占めている。従って、特許文献１のようにコモン電極を広幅形状とすると、電極面積が増え、使用する電極材料も量的に増加する。そのため、特許文献２のようにコモン電極をインク室に対応する領域では個別電極と同一形状にして電極面積を減らし、これによりパラジウムを含む電極材料のコストを削減するとともに、静電容量を下げ、圧電アクチュエータ及び電源装置のコストを下げたいという要望があった。
【０００８】
しかしながら、コモン電極をインク室に対応する領域で個別電極と同一形状にすると、個別電極に印加した電界が圧電アクチュエータ外に漏れ、その結果、インク室内のインクが帯電したり、あるいは個別電極へ給電する信号線に影響を与え、インク吐出に異常をきたすことがある。
【０００９】
さらに、圧電層の積層方向において、インク室に対応する領域のみで多数の電極層が圧電層の間に存在することになり、それ以外の領域と比べて積層方向に厚みの差が生じる。
【００１０】
圧電アクチュエータとしては、インクの噴射に必要な所定の変位量の伸縮変形を行うために、電極に挟まれた圧電層が多数積層されることが求められているため、多数積層されると、さらにインク室に対応する領域とそれ以外の領域の積層方向の厚みの差は拡大する。
【００１１】
その結果、圧電アクチュエータの積層方向の表裏面に反りやうねりが発生し、圧電アクチュエータをキャビティユニットに配置して接着する際の密着性が損なわれ、製造時の不良を引き起こすという課題が生じる。
【００１２】
本発明は、このような課題を解消し、電極材料にかかるコストを削減するとともに、電界が外部に漏れることを防ぎ、かつ全体としての反りやうねりの発生を低減することのできる圧電アクチュエータを備えたインクジェットプリンタヘッドを提供することを課題とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明におけるインクジェットプリンタヘッドは、複数の圧力室及び共通インク通路を有するキャビティユニットと、複数の圧電層と電極層とが交互に積層され、前記積層方向に対向する前記電極層の間の各圧電層がその電極に電圧を印加することにより伸縮する活性部として形成され、この活性部が前記キャビティユニットの各圧力室毎に面するように配置される圧電アクチュエータと、前記キャビティユニットの前記複数の共通インク通路を接続されたインクタンクと、を備えたインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記圧電アクチュエータは、前記積層方向に並んだ電極層を、前記積層方向において交互に、前記各圧力室毎に対応して位置し選択的に電圧を印加する個別電極と前記各圧力室毎に対応して位置しそれぞれ共通の電位に接続される第１のコモン電極とを有し、さらに、前記個別電極及び前記第１のコモン電極を有する電極層を挟む圧電層のうち、前記圧力室と対面する圧電層と、前記圧力室から前記積層方向に最も離れた位置に備えられた圧電層との双方の圧電層には、それぞれ前記複数の圧力室に跨る広幅形状をなし前記共通の電位に接続される電極層である第２のコモン電極が積層され、前記インクタンクは、前記圧電アクチュエータが接続された前記キャビティユニットの面側に配置され、前記共通インク通路を介して前記圧力室と連通されていることを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載のインクジェットプリンタヘッドにおい て、前記個別電極及び第１のコモン電極はいずれも、平面視細長形状に形成された圧力室と平面視で重複する略細長形状に形成され、個別電極の細幅方向の寸法は、圧力室の細幅方向の寸法と同じかもしくは小さく、第１のコモン電極の細幅方向の寸法は、個別電極の細幅方向の寸法よりも大きいことを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載のインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記活性部が、前記キャビティユニットの各圧力室毎に面するように配置されることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態による圧電式のインクジェットプリンタヘッドを示す分解斜視図、図２は圧電アクチュエータとキャビティユニットの一端部を示す斜視図、図３はキャビティユニットの分解斜視図、図４はキャビティユニットの部分的拡大斜視図、図５は圧電アクチュエータの部分的縦断面図、図６は圧電アクチュエータの分解斜視図、図７は他の実施形態の圧電アクチュエータとキャビティユニットの一端部を示す斜視図である。
【００１７】
図１に示すプレート型の圧電アクチュエータ２０は、キャビティユニット１０に対して接合されるものであり、圧電アクチュエータ２０の上面には、外部機器との接続のために、フレキシブルフラットケーブル４０が重ね接合されている。そして、最下層のキャビティユニット１０の下面側に開口されたノズルからは下向きにインクが噴射される。
【００１８】
前記キャビティユニット１０は、図３及び図４に示すように構成されている。すなわち、ノズルプレート１１、２枚のマニホールドプレート１２、スペーサプレート１３及びベースプレート１４の５枚の薄い板をそれぞれ積層した構造としている。
【００１９】
実施形態では、合成樹脂製のノズルプレート１１を除き、各プレート１２、１３、１４は、４２％ニッケル合金鋼板製で、５０μｍ〜１５０μｍ程度の厚さを有する。前記ノズルプレート１１には、微小径（実施形態では２５μｍ程度）のインク噴射用のノズル１５が微小間隔で多数個穿設されている。このノズル１５は、当該ノズルプレート１１における第１の方向（長辺方向）に沿って千鳥配列で２列に配列されている。
【００２０】
前記２枚のマニホールドプレート１２には、図３及び図４に示すように、共通インク通路１２ａ、１２ｂが、前記ノズル１５の列の両側で、当該マニホールドプレート１２の長辺に略沿って延びるように穿設されている。但し、下側のマニホールドプレート１２における共通インク通路１２ｂは、当該マニホールドプレート１２の上側にのみ開放するように凹み形成されている。この共通インク通路１２ａ、１２ｂは、この両マニホールドプレート１２に対する前記スペーサプレート１３の積層により密閉される構造になっている。
【００２１】
また、図３及び図４に示すように、前記ベースプレート１４には、複数のインク室１６（請求項の圧力室に相当）がベースプレート１４の長辺（前記第１の方向）に沿って千鳥配列で２列に穿設されている。そして、各インク室１６は、その長手方向がベースプレート１４の長手方向と直交するようにして細長形状に形成されている。インク室１６の細幅方向の幅寸法は中央部でＬ１となっている。
【００２２】
各インク室１６における先端部１６ａはベースプレート１４の短辺方向の略中央部に位置しており、この各先端部１６ａは、スペーサプレート１３、２枚のマニホールドプレート１２に同じく千鳥配列にて穿設されているインク流路としての微小径の貫通孔１７を介してノズルプレート１１における前記千鳥配列のノズル１５に連通している。
【００２３】
一方、前記各インク室１６の他端部１６ｂは、前記スペーサプレート１３における左右両側部位に穿設された貫通孔１８を介して、前記両マニホールドプレート１２における共通インク通路１２ａ、１２ｂに連通している。なお、前記他端部１６ｂは、図４に示すように下側に開口するように凹み形成されているものである。また、最上層のベースプレート１４の一端部に穿設された供給孔１９ａ（図３参照）の上面には、その上方のインクタンクから供給されるインク中の塵除去のためのフィルタ２９が張設されている。
【００２４】
これにより、前記ベースプレート１４及びスペーサプレート１３の一端部に穿設の供給孔１９ａ、１９ｂから前記共通インク通路１２ａ、１２ｂ内に流入したインクは、この共通インク通路１２ａから前記各貫通孔１８を通って前記各インク室１６内に分配されたのち、この各インク室１６内から前記貫通孔１７を通って、当該インク室に対応するノズル１５に至るという構成になっている。
【００２５】
前記圧電アクチュエータ２０では、複数の圧電層と電極層とが交互に積層されており、圧電層は圧電セラミックスを材料とする圧電シートにより形成されている。この実施の形態では、圧電アクチュエータ２０は、図５に示すように、１０枚の圧電シート２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ、２１ｈ、２１ｉ及び２１ｊを積層した構造としている。また、電極層は圧電シートの上面（広幅面）に後述するように金属膜の電極パターンとして形成されている。
【００２６】
これら１０枚の圧電シートのうち、キャビティユニット１０側（これを下側とする）の２枚目から７枚目の圧電シートは、各インク室１６に対応して伸縮変形可能に設けられた活性部が含まれる活性層５０を構成し、下側から８枚目から１０枚目の圧電シートは、前記活性部の上側への伸縮変形を規制する拘束部が含まれる拘束層５１を構成している。
【００２７】
活性層５０では、圧電層の間に挟まれる各電極層を、積層方向において交互に、前記各インク室１６毎に対応して位置し選択的に電圧を印加する個別電極２４の電極層と、前記各インク室１６毎に対応して位置しそれぞれ共通の電位に接続される第１のコモン電極２５ａの電極層としている。そして、活性層５０の最上層と最下層に位置する電極層を前記複数のインク室１６に跨る広幅形状をなし前記共通の電位に接続される第２のコモン電極２５ｂとしている。
【００２８】
具体的には、圧電シートのうち下側から数えて、２枚目の圧電シート２１ｂと、４枚目の圧電シート２１ｄと、６枚目の圧電シート２１ｆの各上面の電極層に前記個別電極２４を形成している。
【００２９】
また、前記各圧電シートのうち下から数えて、３枚目の圧電シート２１ｃ、５枚目の圧電シート２１ｅの各上面の電極層に、前記第１のコモン電極２５ａを形成し、１枚目の圧電シート２１ａと、７枚目の圧電シート２１ｇの各上面の電極層に、前記第２のコモン電極２５ｂを形成している。
【００３０】
実施形態においては、図６に示すように、各個別電極２４は各インク室１６に対応して細長形状に形成され、第１の方向（長辺方向）に沿って列状に独立して配置されて、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って各圧電シートの長辺の端縁部近傍まで延びている。そして、各個別電極２４の細幅方向の幅寸法Ｌ２は、図５に示すように対応するインク室１６の幅寸法より狭く（Ｌ２＜Ｌ１）設定されている。なお、個別電極２４とインク室１６の幅寸法は同じに設定してもよい（Ｌ２＝Ｌ１）。
【００３１】
前記第１のコモン電極２５ａは、各インク室１６に対応した位置が細長形状に形成され、この細長形状は第１の方向（長辺方向）に沿って列状に配置されて、前記第２の方向に沿って延びる。そして、これら細長形状の圧電シートの長辺側の各端部は、圧電シート２１の対の短辺の端縁部近傍に形成された引き出し部２５ｃ、２５ｃに至るように連結されている。すなわち、第１のコモン電極２５ａは、各インク室１６に対応した分岐形状となっているが、この電極層では、インク室１６に対応した領域各々と、引き出し部２５ｃは全体として電気的に一体化されている。そして、第１のコモン電極２５ａの細幅方向の幅寸法Ｌ３は、図５に示すように、個別電極２４の幅寸法Ｌ２よりも大きく（Ｌ３＞Ｌ２）設定されており、各インク室１６と個別電極２４及び第１のコモン電極２５ａは、平面視で重複するように形成されている。
【００３２】
一方、前記第２のコモン電極２５ｂは、インク室１６が前記ベースプレート１４の短辺の中央部側で前記第１の方向（長辺）に沿って２列状に配置されているので、その２列のインク室１６を一体的に覆うように、圧電シートの短辺方向の中央において長辺に沿って延びる平面視矩形状に形成される。そして、この第２のコモン電極２５ｂと、圧電シート２１の対の短辺の端縁部近傍の略全長にわたって延びる引き出し部２５ｃ、２５ｃとが導通するように一体的に形成されている。また、第１コモン電極２５ａと第２のコモン電極２５ｂとは、それぞれの引き出し部２５ｃに形成されたスルーホール（後述する）を介して、同電位となるように構成されている。
【００３３】
前記第１のコモン電極２５ａあるいは第２のコモン電極２５ｂが形成されている圧電シート２１ａ、２１ｃ、２１ｅ、２１ｇでは、これらの対の長辺の端縁部近傍の上面であって、前記第１のコモン電極２５ａあるいは第２のコモン電極２５ｂが形成されていない箇所には、前記各個別電極２４と同じ上下位置（対応する位置）に当該個別電極２４と略同じ幅寸法で長さの短いダミー個別電極２６を形成している。
【００３４】
また、前記個別電極２４が形成されている圧電シート２１ｂ、２１ｄ、２１ｆの上面のうち、前記引き出し部２５ｃ、２５ｃに対応する位置（同じ上下位置、圧電シートの対の短辺の端縁部近傍）には、ダミーコモン電極２７を形成している。
【００３５】
上述した個別電極２４、第１のコモン電極２５ａ及び第２のコモン電極２５ｂを有する各電極層では、圧電シートの上面に、銀―パラジウム合金を材料とする導電性ペーストをスクリーン印刷することにより、所定の箇所にそれぞれの電極パターンが形成される。
【００３６】
上記のように、個別電極２４とコモン電極（第１のコモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ）とに挟まれている圧電層では、後述するスルーホール内に導電性材料を通して、公知のようにコモン電極（第１のコモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ）を接地し、全個別電極２４に分極用の正の高電圧を印加すると、電極間に挟まれた各層の圧電シートの領域が、個別電極２４からコモン電極（第１のコモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ）に向かう方向に分極処理され、活性部となる。つまり、下から２枚目から７枚目の圧電シートは活性層５０を構成する。そして、公知のようにコモン電極（第１のコモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ）を接地し、個別電極２４に選択的に駆動用の正の低電圧を印加すると、活性部が、圧電縦効果により伸張変形する。
【００３７】
拘束層５１は、インク室１６とは反対方向への活性部の変形を抑えるためのもので、拘束層５１を構成する圧電シート２１ｈ、２１ｉ、２１ｊのうち、最上層の圧電シート２１ｊの上面には、その長辺の端縁部に沿って、個別電極２４の各々に対応する表面電極３０と、第１及び第２のコモン電極２５ａ、２５ｂに対応する表面電極３１とを設けている。圧電シート２１ｉ、２１ｈには、その下層の圧電シート２１ｇのダミー個別電極２６及び引き出し部２５ｃと、最上層の圧電シート２１ｊの表面電極３０、３１とを、後述するスルーホール内の導電性材料で接続するために、ダミー個別電極２６及び引き出し部２５ｃを設けている（図示せず）。
【００３８】
拘束層５１の３つの圧電シート２１ｈ、２１ｉ、２１ｊは、個別電極２４とコモン電極（第１コモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ）とに挟まれないので、上記のように圧電アクチュエータ２０に分極用の電圧を印加しても分極処理されないし、駆動電圧を印加しても変形しない。
【００３９】
上から２枚目の圧電シート２１ｉと３枚目の圧電シート２１ｈには、本来電極パターンを形成する必要がないが、圧電シートだけの層と、圧電シートの表面に電極が形成された層とでは、焼成時の収縮率が異なって、圧電アクチュエータ全体の反りやうねりを発生させるので、これを低減させるためにあえて圧電シート２１ｉ、２１ｈに、上述したダミー個別電極２６及び引き出し部２５ｃの他にも電極パターンを形成してもよい。この場合、圧電シート２１ｉ、２１ｈに形成する電極パターンとしては、この電極と対向する電極との間で電位差が生じると静電容量を発生してしまうため、駆動に影響しないように、圧電シート２１ｇと同じ第２のコモン電極２５ｂの電極パターンが形成されることが望ましい
が、この電極パターンに限定するものではない。
【００４０】
さらに、前記最下層の圧電シート２１ａを除き、他の全ての圧電シート２１ｂ〜２１ｊには、前記各表面電極３０と、それに対応する位置（同じ上下位置）の個別電極２４及びダミー個別電極２６とが互いに連通するように、スルーホール３２を穿設する。同様に、前記少なくとも１つの表面電極３１（実施形態では、最上層の圧電シート２１ｊの４隅の位置の表面電極３１）と、それに対応する位置（同じ上下位置）の第１及び第２コモン電極２５ａ、２５ｂの引き出し部２５ｃ並びにダミーコモン電極２７とが互いに連通するように、スルーホール３３を穿設している。そしてスルーホール３２、３３内に充填された導電性材料を介して、各層の個別電極２４どうし及びそれと対応する位置の表面電極３０とが電気的に接続されるように構成し、同じく各層の第１のコモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ及びそれと対応する位置の表面電極３１とが電気的に接続されるように構成するものである。
【００４１】
製造上においては、各圧電シートを構成するセラミックスのグリーンシートに、スルーホールを穿設し、このグリーンシートに各電極パターンを銀―パラジウム合金を材料とする導電性ペーストのスクリーン印刷等で形成すると、これと同時にスルーホール内に電極パターンを形成する導電性材料が浸入し充填される。これにより圧電シートの上下面でスルーホールを介して導通可能となる。そして、それらのグリーンシートを、下層の電極パターンまたはダミー電極と上層のスルーホールとが重なるように積層し、積層方向に加圧して一体化させ、公知のように焼成して圧電アクチュエータ２０を作る。
【００４２】
そして、このような構成のプレート型の圧電アクチュエータ２０は、前記キャビティユニット１０に対して、当該圧電アクチュエータ２０における各個別電極２４が前記キャビティユニット１０における各インク室１６に対応するように固定される（図５参照）。また、この圧電アクチュエータ２０における上側の表面には、前記フレキシブルフラットケーブル４０が重ね押圧されることにより、このフレキシブルフラットケーブル４０における各種の配線パターン（図示せず）が、前記表面電極３０、３１に電気的に接合される。
【００４３】
この構成おいて、前記圧電アクチュエータ２０における各個別電極２４と、コモン電極（第１のコモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ）のうち、任意の活性部の個別電極２４とコモン電極（第１のコモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ）との間に電圧を印加することにより、圧電シート２１ｂ〜２１ｇのうち、前記電圧を印加した個別電極２４とコモン電極（第１のコモン電極２５ａ、第２のコモン電極２５ｂ）とに挟まれた圧電層に積層方向の歪みが発生する。そして、この歪みによる伸縮変形のうち上側への伸縮変形は拘束部によって規制されるため、その変位量が前記各個別電極２４に対応するインク室１６側に大きく発生し、当該インク室１６の内容積が縮小されてインクがノズル１５から液滴状に噴出して、所定の印字が行われる。
【００４４】
なお、導電性の金属で構成されているキャビティユニット１０は、コモン電極２５ａ、２５ｂと同様に接地されていることが好ましい。
【００４５】
この圧電アクチュエータ２０の構成においては、図５及び図６に示すように、圧電シート２１ｃ、２１ｅの上面の電極層には、コモン電極として、個別電極２４と対向する部分が細長形状となる第１のコモン電極２５ａが形成されているため、活性部として個別電極２４と対向する電極面積を確保しながら、圧電層の上面の電極層としては全体の電極面積を大幅に減らしているので、電極間の静電容量を低減し、電極材料にかかるコストを削減することができる。
【００４６】
また、第１のコモン電極２５ａの細幅方向の寸法Ｌ３は、個別電極２４の細幅方向の寸法Ｌ２よりも大きくしているため、圧電シートの積層時に細幅方向（第１の方向）に多少の位置ズレが生じた場合でも、個別電極２４が第１のコモン電極２５ａと平面視で完全に覆われる範囲内の位置ズレであれば、圧電層を挟んで対向する電極面積が変わらないので、活性部の変位特性に影響を与えることがない。そのため、圧電シートの積層における位置合わせの精度を緩和できる。
【００４７】
さらに、活性層５０の最上層と最下層の電極層に、複数のインク室に跨る広幅形状を備える第２のコモン電極２５ｂを配置しているため、これらの層では、インク室１６に対応していない領域でも電極が設けられている（図５参照）。そのため、個別電極に印加した電界が圧電アクチュエータ外に漏れることがなくなり、その結果、インク室内のインクが帯電したり、あるいは個別電極へ給電する信号線に影響を与えることがなくなり、インク吐出を正常に安定して行うことができる。また、圧電層が積層された積層体の電極層の厚みによる全体の厚みの差が緩和され、焼成後の圧電アクチュエータ２０の表面に生じる凹凸を軽減することができる。特に、広幅形状を備える第２のコモン電極２５ｂを、積層体の中間にではなく、積層体を上下から覆うように最上層及び最下層に設けているので、積層体の厚みの差を低減させる平坦化効果が大きく発揮される。その結果、圧電アクチュエータ２０とキャビティユニット１０との密着性が向上し、接着時の不具合を生じにくくすることができる。この第２のコモン電極２５ｂの電極層は、活性層５０の最上層及び最下層のいずれか一方でもよいが、キャビティユニット１０との密着性を向上させるために、少なくとも最下層には、第２のコモン電極２５ｂを設けることが望ましい。
【００４８】
なお、本発明は、前記スルーホールに替えて、図７に示す形態のように、圧電アクチュエータの積層体の側面２０ａ（表面電極３０、３１が形成される広幅面の長辺側と直交する側面）に側面電極３４、３５を形成し、表面電極３０が前記側面電極３４を介して複数層の前記個別電極２４並びにダミー個別電極２６を電気的接続する一方、表面電極３１は別の箇所の側面電極３５を介して複数層の前記コモン電極２５並びにダミーコモン電極２７を電気的に接続させるよう構成したものに適用してもよい。その場合、前記圧電アクチュエータ２０の側面２０ａに、少なくとも前記駆動電極（個別電極２４、コモン電極２５）が露出する凹み溝３６、３７を設け、この凹み溝３６、３７内に前記駆動電極と電気的に導通する側面電極３４、３５がそれぞれ形成されたものであってもよい。
【００４９】
また、本発明の圧電アクチュエータ２０は、インクジェットプリンタヘッドだけでなく、圧力室から液体を移送する他の装置にも適用できることは言うまでもない。
【００５０】
【発明の作用・効果】
以上に説明してきたように、請求項１に記載の発明におけるインクジェットプリンタヘッドは、複数の圧力室及び共通インク通路を有するキャビティユニットと、複数の圧電層と電極層とが交互に積層され、前記積層方向に対向する前記電極層の間の各圧電層がその電極に電圧を印加することにより伸縮する活性部として形成され、この活性部が前記キャビティユニットの各圧力室毎に面するように配置される圧電アクチュエータと、前記キャビティユニットの前記複数の共通インク通路を接続されたインクタンクと、を備えたインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記圧電アクチュエータは、前記積層方向に並んだ電極層を、前記積層方向において交互に、前記各圧力室毎に対応して位置し選択的に電圧を印加する個別電極と前記各圧力室毎に対応して位置しそれぞれ共通の電位に接続される第１のコモン電極とを有し、さらに、前記個別電極及び前記第１のコモン電極を有する電極層を挟む圧電層のうち、前記圧力室と対面する圧電層と、前記圧力室から前記積層方向に最も離れた位置に備えられた圧電層との双方の圧電層には、それぞれ前記複数の圧力室に跨る広幅形状をなし前記共通の電位に接続される電極層である第２のコモン電極が積層され、前記インクタンクは、前記圧電アクチュエータが接続された前記キャビティユニットの面側に配置され、前記共通インク通路を介して前記圧力室と連通されていることを特徴とするものである。これによれば、電極層のうちの第１のコモン電極は、複数の圧力室で共通の電位に接続する電極でありながら、各圧力室毎に対応して位置させているため、複数の圧力室に跨る形状とする場合と比べてその電極面積を少なくすることができる。
【００５１】
また、複数の電極層のうち前記積層方向において、前記圧力室と対面する電極層と、前記圧力室から前記積層方向に最も離れた位置に備えられた圧電層との双方の圧電層に形成された電極層を、複数の圧力室に跨る広幅形状の第２のコモン電極とすることにより、圧電層及び電極層を積層した積層体において、圧力室に対応した領域とそれ以外の領域とに生じる積層方向の厚みの差を緩和することができる。
【００５２】
このようにコモン電極を第１のコモン電極と第２のコモン電極とを組み合せて構成することで、電極間の静電容量を低減することができるとともに、電極材料の材料コストを削減することができる。また、個別電極に印加した電界が圧電アクチュエータ外に漏れることがなくなり、その結果、インク室内のインクが帯電したり、あるいは個別電極へ給電する信号線に影響を与えることがなくなり、インク吐出を正常に安定して行うことができる。さらに、焼成後の圧電アクチュエータに発生する反りやうねりが軽減され、圧力室を備える部材に圧電アクチュエータを接着する際の密着性が向上され、製造時の不良が改善できる。
【００５３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載のインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記個別電極及び第１のコモン電極はいずれも、平面視細長形状に形成された圧力室と平面視で重複する略細長形状に形成され、個別電極の細幅方向の寸法は、圧力室の細幅方向の寸法と同じかもしくは小さく、第１のコモン電極の細幅方向の寸法は、個別電極の細幅方向の寸法よりも大きいことを特徴とするものである。これによれば、個別電極の細幅方向の寸法は、圧力室の細幅方向の寸法と同じかもしくは小さいため、個別電極と第１のコモン電極（または第２のコモン電極）とで挟まれた圧電層による伸縮が確実にまた効率よく圧力室に伝達されるとともに、第１のコモン電極の細幅方向の寸法は、個別電極の細幅方向の寸法よりも大きいため、積層時に細幅方向に多少の位置ずれが生じても、個別電極と第１のコモン電極とが対向する活性部の領域が変わらないので、変位特性に影響することがない。そのため、製造における圧電シートの積層工程でその位置決め作業を容易化することができる。
【００５４】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載のインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記キャビティユニットの活性部が、インクジェットプリンタヘッドの各圧力室毎に面するように配置されることを特徴とするものである。これによれば、上述の効果により電極材料のコストを低減させ、かつ全体の反りやうねりの発生も抑制することのできる圧電アクチュエータが、その活性部を各インク室に面するように密着性よく配置されてインクジェットプリンタが構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による圧電式のインクジェットプリンタヘッドを示す分解斜
視図である。
【図２】キャビティユニットの分解斜視図である。
【図３】キャビティユニットの部分的拡大斜視図である。
【図４】圧電アクチュエータの一端部を示す斜視図である。
【図５】圧電アクチュエータの部分的縦断面図である。
【図６】圧電アクチュエータの分解斜視図である。
【図７】他の実施形態の圧電アクチュエータの一端部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０キャビティユニット
１１ノズルプレート
１２マニホールドプレート
１２ａ，１２ｂ共通インク通路
１３スペーサプレート
１４ベースプレート
１５ノズル
１６インク室
１６ａ先端部
１６ｂ他端部
１７、１８貫通孔
１９ａ、１９ｂ供給孔
２０圧電アクチュエータ
２０ａ側面
２１ａ〜２１ｊ圧電シート
２４個別電極
２５ａ第１のコモン電極
２５ｂ第２のコモン電極
２５ｃ引き出し部
２６ダミー個別電極
２７ダミーコモン電極
２９フィルタ
３０、３１表面電極
３２、３３スルーホール
３４、３５側面電極
３６、３７凹み溝
４０フレキシブルフラットケーブル
５０活性層
５１拘束層
Claims (3)
- 複数の圧力室及び共通インク通路を有するキャビティユニットと、
複数の圧電層と電極層とが交互に積層され、前記積層方向に対向する前記電極層の間の各圧電層がその電極に電圧を印加することにより伸縮する活性部として形成され、この活性部が前記キャビティユニットの各圧力室毎に面するように配置される圧電アクチュエータと、
前記キャビティユニットの前記複数の共通インク通路を接続されたインクタンクと、を備えたインクジェットプリンタヘッドにおいて、
前記圧電アクチュエータにおける前記積層方向に並んだ電極層は、前記積層方向において交互に、前記各圧力室毎に対応して位置し選択的に電圧を印加する個別電極と前記各圧力室毎に対応して位置しそれぞれ共通の電位に接続される第１のコモン電極とを有し、
さらに、前記個別電極及び前記第１のコモン電極を有する電極層を挟む圧電層のうち、前記圧力室と対面する圧電層と、前記圧力室から前記積層方向に最も離れた位置に備えられた圧電層との双方の圧電層には、それぞれ前記複数の圧力室に跨る広幅形状をなし前記共通の電位に接続される電極層である第２のコモン電極が積層され、
前記インクタンクは、前記圧電アクチュエータが接続された前記キャビティユニットの面側に配置され、前記共通インク通路を介して前記圧力室と連通されていることを特徴とするインクジェットプリンタヘッド。 - 前記個別電極及び第１のコモン電極はいずれも、平面視細長形状に形成された圧力室と平面視で重複する略細長形状に形成され、個別電極の細幅方向の寸法は、圧力室の細幅方向の寸法と同じかもしくは小さく、第１のコモン電極の細幅方向の寸法は、個別電極の細幅方向の寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリンタヘッド。
- 前記活性部が、前記キャビティユニットの各圧力室毎に面するように配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェットプリンタヘッド。
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