JP2003039657A - 圧電アクチュエータ及びこれを用いたインクジェットプリントヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】積層圧電体素子を個々に切断し、列をなして配
置された複数個の圧電アクチュエータと、劾圧電アクチ
ュエータを用いたインクジェットプリントヘッドにおい
て、特性バラツキを小さくし、安価で、高信頼性の積層
圧電体素子を用いた圧電アクチュエータ及びインクジェ
ットプリントヘッドを提供する。 【解決手段】列の両端に位置する圧電アクチュエータあ
るいは列の両端に位置する圧電アクチュエータとその付
近の圧電アクチュエータの活性領域の長さを、残りの圧
電アクチュエータの活性領域の長さよりも小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気信号によって
発生する微弱な変位を応用した圧電アクチュエータに関
する。また、圧電アクチュエータが発生する圧力によっ
てインク滴を飛翔させ記録媒体にインク像を形成するプ
リンタのインクジェットプリントヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な積層圧電体素子の製造工程は次
の通りである。圧電セラミックスの予燃粉末に少量の有
機バインダ、可塑材、分散材を加え、分散媒中に分散さ
せてスラリーをつくる。このスラリーを成膜装置にかけ
て厚さ数１０μｍの厚膜を製作し、適当な寸法に切断加
工してグリンシートをつくる。次にグリンシートの片面
上に内部電極用金属ペースト(銀パラジウム合金等)を印
刷塗布し、これらを数百枚積み重ねてプレスで熱圧着し
生積層体をつくる。生積層体はまず４００℃程度の温度
に加熱して、内部に含まれる有機成分をすべて熱分解す
る脱バインダ工程を経た後、１０００℃以上の温度に再
び加熱して焼結する。この焼結体は内部に多数の金属電
極を含んだ圧電素子であり、これを所望の寸法、形状に
切断加工した後、各内部電極を焼結体の側面に設けた外
部電極(金属膜)により電気的に接続し、積層圧電体素子
を製造する。

【０００３】また、従来から、この圧電体素子を用いた
圧電アクチュエータにより、インクを押圧し、ノズルか
らインクを吐出させるインクジェットプリントヘッドが
知られている。このようなインクジェットプリントヘッ
ドに用いられる圧電体素子は、圧電体膜を下部電極と上
部電極で挟み込んだ構造が一般的に使用され、電極に電
圧を印加することによる圧電体膜の変位を利用してい
る。このような構造の圧電アクチュエータは最初、支持
基板に複数個の素子を形成可能な長さの積層圧電体素子
を接着し、積層圧電体素子の電極部と支持基板の配線パ
ターンとを導電接着剤等で電気的に接続する。その後ダ
イシングソー、ワイヤソー等で積層圧電体素子を個々に
切断し、一括して複数個の圧電アクチュエータを形成す
る。

【０００４】圧電アクチュエータを圧力発生手段として
用いるインクジェットヘッドにおいて、複数個のノズル
からインク滴を吐出し、記録用媒体にインクを着弾させ
る場合、高品位の画質を得るには、各ノズルより吐出さ
れるインク吐出速度が等しいことが望ましい。しかしな
がら、インクジェットプリントヘッドに用いられる圧電
アクチュエータに電気信号を与え、得られる圧電アクチ
ュエータの変位量にバラツキが生じている。これは、積
層圧電素子を製造する過程で、１０００℃以上の温度に
加熱して焼結する際、内部電極の材料である銀が拡散さ
れ、内部電極の密度分布が場所により一様でなくなるた
めである。

【０００５】変位量のバラツキは、ノズルから吐出され
るインク吐出速度のバラツキとなる。この変位量バラツ
キは、特に列の両端に位置する圧電アクチュエータとそ
の付近に位置する圧電アクチュエータの変位量がそれ以
外の圧電アクチュエータの変位量と異なっている。その
ため特開平５−２４６０２５号公報に示されるように、
列を成す圧電アクチュエータの両端に少なくとも1本ず
つ、総計２本以上のダミー圧電アクチュエータを設ける
方法等が示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしがながら、ダミ
ー圧電アクチュエータを設けることは、ノズルが列をな
し配置されたインクジェットヘッドにおいて、列をなす
圧電アクチュエータを小型化するのには不利であり、ま
た実際印刷に寄与しない圧電アクチュエータを用いるこ
とは、圧電素子の無駄であり、コストを高くする。さら
に、変位量のバラツキが大きい両端を削成して使用する
方法においても材料の無駄になり積層圧電素子のコスト
を高くする。

【０００７】本発明は、このような従来の問題点を解決
するもので、その目的とするところは、列の両端に位置
する圧電アクチュエータ、或いは列の両端に位置する圧
電アクチュエータとその付近の圧電アクチュエータの活
性領域の長さをそれ以外の圧電アクチュエータの変位量
とほぼ等しくする積層圧電体素子を提供することにあ
る。また、積層圧電体素子を用いたインクジェットプリ
ントヘッドにおいてインク吐出速度のバラツキを小さく
し、高品位の画質を得ることのできるインクジェットプ
リントヘッドを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、圧電材量
と導電材量を交互に積層し、活性領域と非活性領域とか
ら成る積層圧電体素子を個々に切断し、列をなして配置
された複数個の圧電アクチュエータにおいて、列の両端
に位置する圧電アクチュエータあるいは列の両端に位置
する圧電アクチュエータとその付近の圧電アクチュエー
タの活性領域の長さを、残りの圧電アクチュエータの活
性領域の長さよりも小さくすることにより達成される。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図を参考
にしながら説明する。

【００１０】図１は、ｄ３１型積層圧電体素子を用いた
圧電アクチュエータを用いたインクジェットプリントヘ
ッドの主要部の構造説明斜視図である。図１に示す２は
複数のノズル１を形成したオリフィスプレートである。
ノズル１の開口形状の加工精度はインクジェットプリン
トヘッドのインク吐出特性に大きな影響を及ぼす。複数
のノズル１間においてこれらのノズル精度ばらつきを低
く押さえるためオリフィスプレート２の製法は高い加工
精度が要求される。このためオリフィスプレート２はニ
ッケルの電鋳加工やステンレスの精密プレス法、レーザ
加工法等により形成される。このオリフィスプレート２
に圧力室３が形成されたチャンバプレート４、及びイン
ク供給路１０と圧力室３とを連結し圧力室３へのインク
流入を制御するリストリクタ５を形成したリストリクタ
プレート６を、位置決めして接合する。

【００１１】さらに、圧電アクチュエータ１３の圧力を
効率よく圧力室に伝えるための振動板７と共通インク通
路１０からリストリクタ５に流入するインク中のゴミ等
を取り除くフィルタ部８を形成したダイアフラムプレー
ト９と共通インク通路１０を形成したハウジング１１を
同じように位置決めして接合する。チャンバプレート
４、リストリクタプレート６、ダイアフラムプレート９
はステンレス材のエッチング加工法またはニッケル材の
電鋳加工法で作られる。金属または樹脂で作られたハウ
ジング１１には外部インクタンクからインクを共通イン
ク通路１０まで導くインク導入パイプ１９が接合されて
いる。

【００１２】次に本発明の圧電アクチュエータ１３を製
作する順序を説明する。まず支持基板１６の厚さ方向と
は垂直方向の末端部面に積層圧電体素子棒を複数本並べ
て接着固定する。次に積層圧電体素子棒の電極部と支持
基板の配線パターンとを導電接着剤等で電気的に接続す
る。その後、積層圧電体素子棒をダイシングソー、ワイ
ヤソー等を利用した切断により分割する。この時、分割
された各々の積層圧電体素子１４は圧力室の一つずつに
対応するようになっている。さらには支持基板１６には
それぞれの積層圧電体素子１４に外部駆動回路から独立
した電気信号を送るための個別電極１７及び共通電極１
８が形成されている。外部駆動回路から選択的な電気信
号が圧電体素子１４に印可されることにより圧電体素子
１４はひずみを生じる。圧電体素子１４は高剛性の支持
基板１６上に接合されているため、振動板７に優先的に
変位を与え圧力室３の圧力を高める。

【００１３】最後に、複数の積層圧電体素子１４とそれ
を固定する支持基板１６からなる圧電アクチュエータ１
３を前記のハウジングとプレート類の接着組立品に接着
剤１２により位置決めして接合する。

【００１４】図２は本発明の実施例を説明するインクジ
ェトプリントヘッドの部分断面図である。圧電アクチュ
エータ１３は支持基板１６と積層圧電体素子１４とで構
成される。支持基板１６は積層圧電体素子１４を固定す
る固定部材である。積層圧電体素子１４は接着剤１２を
介して振動板７と接合されている。振動板７とチャンバ
プレート４とで圧力室３を構成している。圧力室３内の
圧力は振動板７が変形する事により急激に変動する。支
持基板１６には個別電極１７と共通電極１８が形成され
ていて、積層圧電体素子１４と導電性接合部材１５で電
気的に接続されている。外部駆動回路から選択的な電気
信号が積層圧電体素子１４に印可されることにより積層
圧電体素子１４はノズル１へ向かう方向に変位を発生す
る。この変位により接着剤１２を介して振動板７が変形
し圧力室３内に充填されたインクは加圧され、ノズル１
からインク滴となって吐出する。本実施例にて説明する
インクジェットプリントヘッドは、こうした原理によっ
てノズル１からインクを吐出して記録媒体上にインク画
像を形成する装置に用いられる。

【００１５】図３は積層圧電体素子１４の構造説斜視図
である。外部駆動回路から選択的な電気信号が積層圧電
体素子１４に印可されることにより積層圧電体素子１４
はノズル１へ向かう方向に変位を発生するが、この変位
量δは次の式で得られる。δ＝ｄ３１・Ｌ・Ｅ／ｔここ
で、ｄ３１は圧電材料により決まる圧電定数、Ｌは共通
電極の内部電極２１と個別電極の内部電極２２が各々に
交わる活性部の長さ２３、Ｅは電気信号の印加電圧、ｔ
は内部電極の層間距離２４である。

【００１６】前記の積層圧電体素子を用い、支持基板に
複数個の素子を形成可能な長さの積層圧電体素子を接着
し、積層圧電体素子の電極部と支持基板の配線パターン
とを導電接着剤で電気的に接続、さらに、該積層圧電体
素子を個々に切断し、一括して複数個の圧電アクチュエ
ータを１列に並べられた様に形成したものを、外部駆動
回路から一定の電圧を該圧電アクチュエータに印可し、
得られる圧電アクチュエータの変位量を測定した結果を
図４に示す。図において圧電アクチュエータＮｏ．１及
びＮｏ．１２８は列内の両端に位置している。この図よ
り、 列内の両端及びその付近に位置する圧電アクチュ
エータの変位量がそれ以外よりも大きいのが分かる。

【００１７】次に、前記圧電アクチュエータを圧力発生
手段として用いたインクジェットプリントヘッドにおい
て、外部駆動回路から一定の電圧を圧電アクチュエータ
に印可し、ノズル１からインクを吐出させた場合のイン
ク吐出速度を測定した結果を図５に示す。この図におい
て、ノズルＮｏ．と図４の圧電アクチュエータＮｏ．は
各々に対応しており、ノズルＮｏ．１及びＮｏ．１２８
は列内の両端に位置している。この図より、 列内の両
端にあるノズルのインク吐出速度がそれ以外よりも速い
のが分かる。さらに、図４と図５を見比べると、アクチ
ュエータの変位量と、インク吐出速度に相関がり、イン
ク吐出速度が速いものは、アクチュエータの変位量が大
きく、遅いものは変位量が小さくなっている。言いかえ
ると、インク吐出速度のバラツキは圧電アクチュエータ
の変位のバラツキであるといえる。印字品質を低下させ
るインク吐出速度のバラツキを抑えるためには、圧電ア
クチュエータの変位のバラツキを抑えることであり、そ
のバラツキは、列の両端に位置する圧電アクチュエータ
の変位、或いは列の両端に位置する圧電アクチュエータ
とその付近の圧電アクチュエータの変位を小さくし、そ
れ以外と同じにすることである。

【００１８】圧電アクチュエータの変位量を小さくする
には、上記式より変位量δと活性部の長さＬとは比例関
係にあるため、本発明では、共通電極の内部電極２１と
個別電極の内部電極２２が各々に交わる活性部の長さ２
３を小さくした。積層圧電体素子内で両端とその近辺の
活性部の長さ２３を小さくするには、積層圧電体素子の
製造工程においてグリーンシートの片面上に内部電極用
金属ペーストを塗布印刷する際、両端とその近辺の内部
電極用金属ペーストをそれ以外のものより細く塗布印刷
すればよく、製造工程で一括して行なえ、容易であるた
めである。図４において圧電アクチュエータＮｏ１から
Ｎｏ４の変位量が中央部変位より約５乃至６％大きい。
これを中央部と等しくするには、内部電極用金属ペース
トの塗布面積を中央部より約５乃至６％細くし、活性部
長さ２３を小さくすると、中央部の変位量とほぼ等しく
なり、圧電アクチュエータの変位量のバラツキが小さく
なる。

【００１９】また、図４において圧電アクチュエータの
変位量は、両端から中央に向かって徐々に変化してい
る。このため活性部長さ２３を両端から中央に向かって
徐々に小さくすると中央部の変位量とほぼ等しくなり、
圧電アクチュエータの変位量のバラツキが小さくでき
る。

【００２０】さらに、図４において圧電アクチュエータ
の変位量が大きい範囲は、全長（ノズルＮｏ．１からＮ
ｏ．１２８）の１／３程度内（ノズルＮｏ．１からＮ
ｏ．４２、ノズルＮｏ．８６からＮｏ．１２８）の範囲
である。活性領域の長さ２３をこの範囲内において小さ
くすると中央部の変位量とほぼ等しくなり、圧電アクチ
ュエータの変位量のバラツキが小さくできる。

【００２１】図６に前記積層圧電体素子を用い、支持基
板に接着し、該積層圧電体素子を個々に切断し、一括し
て複数個の圧電アクチュエータを１列に並べられた様に
形成した、圧電アクチュエータを示す。列の端に位置す
る圧電アクチュエータとその付近の圧電アクチュエータ
の活性部長さ２３１、２３２をそれ以外の活性部長さ２
３ｎより小さく（活性部長さ２３１≦２３２≦…＜２３
ｎ）したものである。本構成により、列の両端に位置す
る圧電アクチュエータ、或いは列の両端に位置する圧電
アクチュエータとその付近の圧電アクチュエータの変位
量をそれ以外の圧電アクチュエータの変位量とほぼ等し
くすることができる。また、この積層圧電体素子を用い
た圧電アクチュエータにより、ノズルより吐出するイン
クの吐出速度も列内のバラツキが小さくなり、高品位の
画質を得ることのできるインクジェットプリントヘッド
となる。

【００２２】なお、本実施例はｄ３１型積層圧電体素子
としたが、ほかの面方位を用いた積層圧電体素子におい
ても同様の効果が得られる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、積層圧電体素子を個々
に切断し、列をなして配置された複数個の圧電アクチュ
エータにおいて、積層圧電体素子の製造工程段階で、内
部電極用金属ペーストの塗布印刷幅を一部変更すること
で、個々の変位量のバラツキが小さくなり、特性の安定
した積層圧電体素子を提供することができる。更に上記
積層圧電体素子を用いたインクジェットプリントヘッド
を構成することにより、小型で、インク吐出特性に優
れ、安価なインクジェットプリントヘッドを提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧電アクチュエータを用いたインクジェットプ
リントヘッドの主要部の構造説明斜視図。

【図２】圧電アクチュエータを用いたインクジェトプリ
ントヘッドの部分断面図。

【図３】積層圧電体素子の主要部の構造説明斜視図。

【図４】従来技術における圧電アクチュエータの位置と
その変位を示すグラフ。

【図５】従来技術におけるノズルの位置とインク滴吐出
速度を示すグラフ。

【図６】本発明の圧電アクチュエータの主要部の構造説
明斜視図。

【符号の説明】 １…ノズル、２…オリフィスプレート、３…圧力室、４
…チャンバプレート、５…リストリクタ、６…リストリ
クタプレート、７…振動板、８…フィルタ部、９…ダイ
アフラムプレート、１０…共通インク通路、１１…ハウ
ジング、１２…接着剤、１３…圧電アクチュエータ、１
４…積層圧電体素子、１５…導電性接合部材、１６…支
持基板、１７…個別電極、１８…共通電極、１９…イン
ク導入パイプ、２０…外部電極、２１…共通電極側の内
部電圧、２２…個別電極側の内部電圧、２３,２３１,２
３２〜２３ｎ…活性部の長さ、２４…層間距離。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2C057 AF21 AG12 AG47 AP02 AP25 BA04 BA14

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電材量と導電材量を交互に積層し、活性
   領域と非活性領域とからなる積層圧電体素子を個々に切
   断し、列をなして配置された複数個の圧電アクチュエー
   タにおいて、列の両端に位置する圧電アクチュエータあ
   るいは列の両端に位置する圧電アクチュエータとその付
   近の圧電アクチュエータの活性領域の長さを、残りの圧
   電アクチュエータの活性領域の長さよりも小さくしたこ
   とを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】前記積層圧電体素子において、活性領域の
   長さを列の両端から中央に向かって徐々に小さくしたこ
   とを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 【請求項３】前記積層圧電体素子において、活性領域の
   長さを小さくする範囲は、積層圧電体素子の両端から積
   層圧電体素子全長の１／３程度内とすることを特徴とす
   る請求項１又は２記載の圧電アクチュエータ。
4. 【請求項４】インクを蓄える圧力室、及びこれらの圧力
   室に個々に連通する電気信号の印加により圧力室内に圧
   力変動を発生させる圧力発生手段と、前記圧力室の壁面
   の少なくとの一部を形成し、前記圧力発生手段に対し接
   着剤で連結されている振動板と、前記圧力室にインクを
   供給する流路であるリストリクタと、前記リストリクタ
   にインクを供給する共通インク通路と、インク滴を前記
   圧力室から吐出するノズルとを有し、前記ノズルが1列
   もしくは複数列に配置されたインクジェットプリントヘ
   ッドにおいて、前記圧力発生手段として請求項１、２又
   は３記載の圧電アクチュエータを用いたことを特徴とす
   るインクジェットプリントヘッド。