JPH0349957A - 圧電式インクジェットプリンタヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は圧電式インクジェットプリンタヘッドに係り、
特に、圧電トランスデユーサとして積層圧電セラミック
ス素子を用いたプリンタヘッドに関するものである。

従来の技術 プリンタヘッドに圧電式インクジェットを利用したもの
が近年提案されている。これは、一対の弁で仕切られた
インク室の容積を圧電トランスデユーサのプッシュプル
作用によって変化させることにより、その容積減少時に
インク室内のインクを一方の弁を通して噴射し、容積増
大時に他方の弁からインク室内にインクを導入するよう
にしたもので、ドロップオンデマンド方式と呼ばれてい
る。そして、このような噴射装置を多数互いに近接して
配設し、所定の位置の噴射装置からインクを噴射させる
ことにより、所望する文字や画像を形成するのである。

かかる圧電式インクジェットプリンタヘッドによれば、
インパクト方式に比較して低騒音であり、熱転写方式に
比較してランニングコストが安いなどの利点がある。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記従来の圧電式インクジェットプリン
タヘッドにおいては、１つの噴射装置に１つの圧電トラ
ンスデユーサが用いられているため、高解像度で広い範
囲の印字を行うために多数の噴射装置を密集して配置し
ようとすると、その構造が複雑で製造工数が多く、高価
になるという問題があった。

また、上記圧電トランスデユーサの寸法は加工の制約上
あまり小さくできないため、１つ１つの噴射装置の小型
化が困難で解像度が制限されるという別の問題も含んで
いた。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その
目的とするところは、構造が簡単で製造コストが安く、
しかも高い解像度が得られる圧電式インクジェットプリ
ンタヘッドを提供することにある。

課題を解決するための手段 かかる目的を達成するために、本発明は、圧電トランス
デユーサを用いてインク室の容積を変化させることによ
りそのインク室内のインクを噴射する噴射装置を多数備
えた圧電式インクジェットプリンタヘッドにおいて、（
ａ）圧電セラミックスＩＺおよび内部電極層が交互に複
数積層されるとともにその圧電セラミックス層は積層方
向に対して垂直な方向に分極させられ、その内部電極層
に駆動電圧が印加されることにより滑り効果によってそ
の内部電極層の一部が積層方向に対して垂直な方向へそ
れぞれ独立に変位させられる積層圧電セラミックス素子
が、前記圧電トランスデユーサとして複数の噴射装置に
跨がって用いられているとともに、（ｂ）その積層圧電
セラミックス素子の前記内部電極層が、前記圧電セラミ
ックス層よりもキュリー温度が低く且つそのキュリー温
度以上で電気抵抗が急激に増大しで絶縁体となる正温度
特性のサーミスタ材料にて構成されていることを特徴と
する。

ここで、上記圧電セラミックス層を構成する圧電セラミ
ックス材料としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐ
ＺＴ）系、チタン酸鉛（ＰＴ）系等の強誘電性を有する
セラミックス材料が用いられる。また、内部電極層を構
成するサーミスタ材料としては、例えばチタン酸バリウ
ム系のセラミックス材料等が好適に用いられる。

作用および発明の効果 このような圧電式インクジェットプリンタヘッドにおい
ては、複数の噴射装置に跨がって配設された積層圧電セ
ラミックス素子の所定の内部電極層間に駆動電圧が印加
されることにより、その内部電極層間に位置する圧電セ
ラミックス層の滑り効果による変形に従って、一部の内
部電極層が積層方向と垂直な方向へ変位させられ、対応
する噴射装置からインクが噴射されるのであるが、１つ
の積層圧電セラミックス素子が複数の噴射装置の圧電ト
ランスデユーサとして用いられるため、構造が簡略化さ
れ、製造工数が少なくなって製造コストが低減される。

また、上記積層圧電セラミックス素子の内部電極層は、
圧電セラミックス層よりもキュリー温度が低く且つその
キュリー温度以上で電気抵抗が象、激に増大して絶縁体
となる正温度特性のサーミスタ材料にて構成されている
ため、その積層圧電セラミックス素子自体の製造も容易
で小型化することが可能なのである。すなわち、そのサ
ーミスタ材料および圧電セラミックス材料をシート状に
成形して交互に積層した後一体焼成し、その後に、サー
ミスタ材料のキュリー温度よりも高く且つ圧電セラミッ
クス材料のキュリー温度よりも低い温度、換言すればサ
ーミスタ材料が絶縁体となる一方圧電セラミックス材料
が未だ強誘電性を有する温度で、積層方向に対して垂直
な方向に電界を印加して分極処理を行うことにより、上
述した滑り効果を有する積層圧電セラミックス素子が製
造されるのであり、予め厚さ方向に対して垂直な方向に
分極処理された圧電セラミックスの薄板に、分極方向に
対して平行な面に電極を塗布したものを接着剤で複数接
合して製造する場合に比較して、製造工数が少なくなっ
て生産性が大幅に向上するとともに、圧電セラミックス
層や内部電極層を薄くして変位部分の面積を小さくする
ことが可能で、これにより噴射装置を小型化して印字の
解像度を向上させることができるのである。なお、上記
サーミスタ材料は分極処理を行う際には絶縁体であるが
、その分極処理後にサーミスタ材料のキュリーｉ度以下
まで温度が低下すると導電体となり、内部電極層として
機能するようになる。

このように、本発明の圧電式インクジェットプリンタヘ
ッドによれば、構造が簡単で製造工数が少なく製造コス
トが低減されるとともに、噴射装置を小型化して印字の
解像度を向」ニさせることができるのである。

実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は、本実施例の圧電式インクジェットプリンタヘ
ッドに用いられるアレー１０の断面図で、このアレー１
０は、図の上方に開口する２本のインクチャンネル１２
ａおよび１２ｂが形成された矩形容器状のチャンネル本
体１４と、そのチャンネル本体１４の開口部に接着部材
１６を介して固着された積層圧電セラミックス素子１８
とを備えて構成されている。積層圧電セラミックス素子
１日は、圧電効果を有する圧電セラミックス層２０ａ、
２０ｂ、２０ｃ、２０ｄと内部電極Ｎ２２ａ。

２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅとが交互に積層された
もので、両側および中央に位置する３つの内部電極層２
２ａ、２２ｃ、２２ｅにおいて上記チャンネル本体１４
に固着されている。なお、以下の説明で特に区別しない
場合には、圧電セラミックスＮ２０．内部電極層２２と
いう。また、上記インクチャンネル１２ａ、１２ｂはイ
ンク室に相当する。

上記圧電セラミックス層２０は、強誘電性を有するチタ
ン酸ジルコン酸鉛系のセラミックスにて構成されており
、積層方向に対して垂直な方向すなわち図の上下方向に
分極させられている。また、内部電極層２２は、上記チ
タン酸ジルコン酸鉛系のセラミックスよりもキュリー温
度が低く且つそのキュリー温度以上で電気抵抗が象、激
に増大し２て絶縁体となるサーミスタ材料、具体的には
チタン酸バリウム系のセラミックスにて構成されている
。

なお、図の圧電セラミックス層２ｏに示されている矢印
は分極方向を表している。

ここで、かかる積層圧電セラミックス素子１８は、以下
の製造方法によって製造される。

すなわち、先ず、上記圧電セラミックス層２゜を構成す
るチタン酸ジルコン酸鉛系のセラミックス材料、および
内部電極Ｎ２２を構成するチタン酸バリウム系のセラミ
ックス材料を、ドクターブレード法などによりそれぞれ
所定の厚さのシート状に成形して交互に積層した後加熱
圧着し、所定の寸法形状に切断して一体焼成する。これ
により、第３図に示されているように圧電セラミックス
層２０と内部電極層２２とが交互に積層された積層セラ
ミックス２４が得られ、これを同図の一点鎖線で示され
ているように所定の厚さ、すなわち前記積層圧電セラミ
ックス素子１８と同じ厚さで切断することにより、第４
図に示されている積層セラミックス薄板２６が得られる
。

上記積層セラミックス薄板２６は目的とする積層圧電セ
ラミックス素子１８と同一形状であるが、この段階では
圧電セラミックス層２０の自発分極の方向はランダムで
あり、次に、その圧電セラミックス層２０の分極処理を
行う。これは、第５図に示されているように、上記積層
セラミックス薄板２６の両側面に一対の分極用電極２８
を形成するとともに、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おいて、その分極
用電極２８間に電圧を印加することによって行われるが
、上記絶縁オイルの温度は、内部電極層２２のキュリー
温度よりも高く且つ圧電セラミックス層２０のキュリー
温度よりも低い温度、例えば１３０°Ｃ程度に定められ
ている。このため、内部電極Ｎ２２は絶縁体となるのに
対し圧電セラミックスＮ２０は未だ強誘電性を有し、積
層セラミックス薄板２６にはその積層方向に対して垂直
な方向に電界が印加され、圧電セラミックス層２０はそ
の積層方向に対して垂直な方向に分極させられる。そし
て、上記積層セラミックス薄板２６から分極用電極２８
を取り外すことにより、前記積層圧電セラミックス素子
１８が得られるのである。

一方、このような積層圧電セラミックス素子１８を備え
た前記アレー１０が多数用意され、互いに近接する状態
で一体的に組み付けられることにより、本実施例の圧電
式インクジェットプリンタヘッドが構成され、各アレー
１０のインクチャンネル１２ａ、１２ｂはそれぞれ弁を
介してインク溜めに連通させられる。また、各アレー１
０には、それぞれ第２図に示されている電気回路が設け
られ、スイッチ３０ａ、３０ｂが図示しないコントロー
ラによって接続されることにより、駆動電源３２から所
定の内部電極層２２間に駆動電圧が印加される。この場
合に、かかるプリンタヘッドの通常の使用温度は内部電
極層２２のキュリー温度よりも充分に低く、その内部電
極層２２は導電体となって駆動用の電極として機能する
。

例えばスイッチ３０ａが接続され、前記チャンネル本体
１４に固着された内部電極層２２ａおよび２２ｃとその
間の内部電極層２２ｂとの間に電圧が印加されると、そ
れ等の間に位置する圧電セラミックス層２０ａ、２０ｂ
には分極方向と直角なバイアス電界が印加され、上記内
部電極層２２ｂはそれ等の圧電セラミックス層２０ａ、
２０ｂの滑り効果による変形に従ってインクチャンネル
１２ａ内へ押し込まれる。これにより、インクチャンネ
ル１２ａの容積が減少し、そのインクチャンネル１２ａ
内のインクが図示しない弁を経てノズルから噴射される
。また、スイッチ３０ａの接続が遮断されて内部電極層
２２ｂが元の位置まで戻されると、その時のインクチャ
ンネル１２ａの容積増加に伴って図示しない別の弁から
インクが導入される。なお、他方のスイッチ３０ｂが接
続された場合には、内部電極層２２ｄが変位させられて
他方のインクチャンネル１２ｂからインクが噴射される
。

すなわち、本実施例のアレー１０は２つの噴射装置３４
ａおよび３４ｂを構成しているのであり、積層圧電セラ
ミックス素子１８はその２つの噴射装置３４ａおよび３
４ｂの圧電トランスデユーサとして機能するのである。

このように、本実施例の圧電式インクジェットプリンタ
ヘッドにおいては、１つの積層圧電セラミックス素子１
８が２つの噴射装置３４ａおよび３４ｂのトランスデユ
ーサとして機能するため、アレー１０、更にはそのアレ
ー１０を多数組み付けることによって構成されるプリン
タヘッドの構造が簡略化され、製造工数が少なくなって
製造コストが低減されるのである。

また、上記積層圧電セラミックス素子１８は、圧電セラ
ミックス層２０を構成する圧電セラミックス材料と内部
電極層２２を構成するサーミスタ材料とを交互に積層し
て一体焼成した後分極処理を行うことにより製造されて
いるため、予め厚さ方向に対して垂直な方向に分極処理
された圧電セラミックスの薄板に、分極方向に対して平
行な面に電極を塗布したものを接着剤で複数接合して製
造する場合に比較して、製造工数が少なくなり、積層圧
電セラミックス素子１８自体の生産性も大幅に向上し、
この点においてもプリンタヘッドのコストダウンを図る
ことができるのである。

また、このような積層圧電セラミックス素子１８は、そ
の圧電セラミックス層２０．内部電極層２２の膜厚を極
めて薄くすることが可能で、２つの噴射装置３４ａ、３
４ｂを備えたアレー１０を小型化することにより印字の
解像度を向上させることができる。これにより、高解像
度で広い範囲に印字を行うことができるプリンタヘッド
が実現されるのである。なお、圧電セラミックス層２０
の膜厚が薄くなることにより、内部電極層２２へ印加す
る駆動電圧が低減される。

更に、本実施例の積層圧電セラミックス素子１８は、圧
電セラミックス層２０としてチタン酸ジルコン酸鉛系の
セラミックスが用いられているとともに、内部電極層２
２としてチタン酸バリウム系のセラミックスが用いられ
ているため、それ等の焼成温度や焼成時の収縮率が比較
的近似しており、且つ結晶構造が共にペロブスカイト型
であるところから焼成後の結合強度が高く、接着剤で接
合していた従来品に比較して接合強度の劣化が少なくな
り、優れた耐久性を得られる利点がある。

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明し
たが、本発明は他の態様で実施することもできる。

例えば、前記実施例では２個の噴射装置３４ａおよび３
４ｂの圧電トランスデユーサとして積層圧電セラミック
ス素子１８が用いられているが、更に積層数の多い積層
圧電セラミックス素子を採用することにより、３個以上
の噴射装置の圧電トランスデユーサとして機能するよう
にすることもできる。

また、上記積層圧電セラミックス素子１日の圧電セラミ
ックス材料やサーミスタ材料を適宜変更したり、それ等
の材料に必要に応じてバインダ等を加えたりしても差支
えない。

また、前記実施例では積層セラミック２４を薄く切断し
て積層圧電セラミックス素子１８と同一形状の積層セラ
ミックス薄板２６を得るようになっているが、この積層
セラミックス薄板２６を最初から作製するなど、積層圧
電セラミックス素子１８の製造方法は適宜変更すること
ができる。

その他−々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基
づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である圧電式インクジェット
プリンタヘッドの一部を構成するアレーの断面図である
。第２図は第１図のアレーに電気回路が設けられた状態
を示す図である。第３図乃至第５図は第１図のアレーの
積層圧電セラミックス素子の製造工程を説明する図で、
第３図は圧電セラミックス材料とサーミスタ材料とを積
層して一体焼成した積層セラミックスの斜視図であり、
第４図は第３図の積層セラミックスを薄く切断した積層
セラミックス薄板の斜視図であり、第５図は第４図の積
層セラミックス薄板に分極用の電極が取り付けられたも
のの斜視図である。 １２ａ、１２ｂ：インクチャンネル（インク室）１８：
積層圧電セラミックス素子 ２０：圧電セラミックス層 ２２：内部電極層 ３４ａ、３４ｂ：噴射装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 圧電トランスデューサを用いてインク室の容積を変化さ
   せることにより該インク室内のインクを噴射する噴射装
   置を多数備えた圧電式インクジェットプリンタヘッドに
   おいて、 圧電セラミックス層および内部電極層が交互に複数積層
   されるとともに該圧電セラミックス層は積層方向に対し
   て垂直な方向に分極させられ、該内部電極層に駆動電圧
   が印加されることにより滑り効果によって該内部電極層
   の一部が積層方向に対して垂直な方向へそれぞれ独立に
   変位させられる積層圧電セラミックス素子が、前記圧電
   トランスデューサとして複数の噴射装置に跨がって用い
   られているとともに、該積層圧電セラミックス素子の前
   記内部電極層が、前記圧電セラミックス層よりもキュリ
   ー温度が低く且つ該キュリー温度以上で電気抵抗が急激
   に増大して絶縁体となる正温度特性のサーミスタ材料に
   て構成されていることを特徴とする圧電式インクジェッ
   トプリンタヘッド。