JP2004202814A

JP2004202814A - 液滴吐出装置

Info

Publication number: JP2004202814A
Application number: JP2002373766A
Authority: JP
Inventors: Yoshibumi Suzuki; 義文鈴木
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2004-07-22
Also published as: US7156505B2; US20040135852A1

Abstract

【課題】分極処理が簡単で安価な圧電体を提供することができると共に、所定の駆動電圧に対する圧電体の変形効率を向上させることができる液滴吐出装置を提供すること。
【解決手段】両内部電極３０，３１の間の圧電体を挟むように分極用電極３２，３３が配置されているので、両分極用電極間に分極用電圧を印加すれば、積層型圧電体２０は、矢印Ａ方向に分極される。その後、両分極用電極３２，３３は第２内部電極３２と電気的に接続される。よって、両分極用電極３２，３３をを取り除くことなく、積層型圧電体２０を製造できる。また、両内部電極３０，３１間に駆動電圧が印加されると、中間層の圧電シートが所謂シェアモードにてインク圧力室１１に向かって湾曲するように変形するのに加え、第８圧電シート２８には、分極方向と平行な電界が発生するので、第８圧電シート２８は積層方向に延び、積層型圧電体２０の変形を一層大きくすることができる。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液滴吐出装置に関し、特に、分極処理が簡単で安価な圧電体を提供することができると共に、所定の駆動電圧に対する圧電体の変形効率を向上させることができる液滴吐出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、インクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドには各種構成のものが知られている。その一例として、特許第２９１３８０６号公報には、キャビティプレートに形成されたインク圧力室の開放面を閉塞するように積層圧電素子を固定して構成されるインクジェットヘッドが記載されている。このインクジェットヘッドは、積層方向に分極された積層圧電素子の内部電極間に駆動電圧を印加することで、分極方向と直交する電界を発生させ、積層圧電素子を所謂シェアモード変形させるものであり、この積層圧電素子のシェアモード変形によりインク圧力室の容積が変化して、インク圧力室と連通するインク吐出口からインク滴が吐出される。
【０００３】
また、同公報には、積層圧電素子の製造方法として、積層圧電素子を積層方向に分極するために、所定パターンの内部電極が印刷されたグリーンシートを積層して構成される積層体の上下面に分極用外部電極をスパッタ法等の方法で形成し、その分極用外部電極間に分極用電圧を印加する分極工程と、その分極工程によって積層体が積層方向に分極されると、分極用外部電極をエッチング法等により取り除く除去工程とを備えた積層圧電素子の製造方法が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２９１３８０６号公報（第３頁後段〜第４頁前段、図１等）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した積層圧電体の製造方法のうち、特に、分極用外部電極をエッチング法等により取り除く除去工程には非常に手間が掛かり、積層型圧電体の製造コストの増加を招来するという問題点があった。また、単に分極方向と直交方向に電界を発生させることによって積層圧電素子を変形させるタイプのものでは、所定の駆動電圧に対する積層圧電体の変形効率が十分に得られないという問題点があった。
【０００６】
本発明は、このような問題を解消すべくなされたものであって、分極処理が簡単で安価な圧電体を提供することができると共に、所定の駆動電圧に対する圧電体の変形効率を向上させることができる液滴吐出装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成すべく、請求項１に記載の液滴吐出装置は、液滴吐出口に連通する液体圧力室内に圧電体の変形によって容積変化を生じさせることにより、液体圧力室内の液体を液滴吐出口から吐出するものであって、前記圧電体は、前記液体圧力室に対応する位置に配置された第１内部電極と、その第１内部電極と前記液体圧力室と平行な方向に間隔をおいた第２内部電極と、少なくとも前記第１内部電極と第２内部電極との間の圧電体の部分を、その両内部電極が対向する方向と直交する方向に挟む第１及び第２分極用電極とを備え、前記第１内部電極と第２内部電極との間の圧電体の部分は、前記第１及び第２分極用電極への分極用電圧の印加によって前記両内部電極が対向する方向と直交する方向に分極され、前記第１又は第２分極用電極は、前記第１内部電極と第２内部電極の一方に電気的に接続されており、前記第１内部電極と第２内部電極との間に駆動電圧を印加することにより、その両内部電極間に挟まれる圧電体の部分に、分極方向と直交する電界を発生し、かつ前記第１内部電極と第２内部電極の一方と前記第１又は第２分極用電極との間に分極方向と平行な電界を発生する。
【０００８】
この請求項１記載の液滴吐出装置によれば、液体圧力室に対応する位置に配置された第１内部電極と、その第１内部電極と液体圧力室と平行な方向に間隔をおいた第２内部電極との間の圧電体の部分は、少なくとも該圧電体の部分を挟むように両内部電極が対向する方向と直交する方向に配置された第１及び第２分極用電極との間に分極用電圧を印加することによって、両内部電極が対向する方向と直交する方向に分極されている。
【０００９】
第１及び第２分極用電極が第１内部電極と第２内部電極の一方に電気的に接続されている。その状態で第１内部電極と第２内部電極との間に駆動電圧を印加すると、両内部電極間に挟まれた圧電体の部分には、分極方向と直交する電界が発生し、その圧電体の部分をシェアモードで変形させることができる。更に、第１内部電極と第２内部電極の一方と第１又は第２分極用電極との間に分極方向と平行な電界が発生し、上記変形にさらに重畳させて変形させることができる。
【００１０】
請求項２に記載の液滴吐出装置は、請求項１に記載の液滴吐出装置において、前記圧電体は、積層された複数の圧電シートからなり、前記第１内部電極と第２内部電極は、複数の圧電シート間に、その積層方向にそれぞれ複数配置され、前記第１及び第２分極用電極は、前記第１内部電極と第２内部電極を間に有する複数の圧電シートを挟んで配置されている。
【００１１】
請求項３に記載の液滴吐出装置は、請求項１又は２に記載の液滴吐出装置において、前記第１分極用電極と第２分極用電極の一方は、前記液体圧力室と反対側の前記圧電体の面上に延出され、その延出端部が他方の分極用電極とほぼ同一平面上に配置されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の液滴吐出装置としての圧電式インクジェットヘッド６を搭載したインクジェット記録装置１００を示す斜視図である。まず、このインクジェット記録装置１００について略述する。圧電式インクジェットヘッド６は、用紙６２に印字をするものであり、インクカートリッジ６１と共にキャリッジ６４に搭載されている。
【００１３】
キャリッジ６４は、エンドレスベルト７５に接合されており、プーリ７３がモータの駆動により正逆回転されると、そのプーリ７３の正逆回転に伴って、キャリッジ軸７１およびガイド板７２に沿って直線方向に往復移動する。この往復移動中に圧電式インクジェットヘッド６に穿設されたノズルから、インクが用紙６２に向けて吐出される。用紙６２は、インクジェット記録装置１００の側方に設けられた給紙カセット（図示せず）から、圧電式インクジェットヘッド６と、プラテンローラ６６との間に給紙され、圧電式インクジェットヘッド６によって所定の印字がなされた後に排紙される。尚、用紙６２の給紙、排紙機構については図示を省略する。
【００１４】
また、プラテンローラ６６の側方にはパージ装置６７が設けられている。パージ装置６７は、圧電式インクジェットヘッド６の内部に溜まっている不良インクを排出するための装置である。キャリッジ６４がリセット位置にある場合に、圧電式インクジェットヘッド６のノズル形成面をパージキャップ８１で覆い密閉空間を形成する。その密閉空間は、パージキャップ８１と連通し、カム８３により作動するポンプ８２によって減圧される。こうして圧電式インクジェットヘッド６の内部に溜まっている不良インクは排出される。
【００１５】
次に、図２乃至図４を参照して、圧電式インクジェットヘッド６の構成について説明する。図２は、積層型圧電体２０の分解斜視図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ方向における圧電式インクジェットヘッド６の断面図であり、図４は、図２のＩＶ−ＩＶ方向における圧電式インクジェットヘッド６の断面図である。
【００１６】
圧電式インクジェットヘッド６は、上面が開放された複数個のインク圧力室１１が形成されてなるキャビティユニット１０と、そのキャビティユニット１０上に各インク圧力室１１の上面（開放面）を閉塞するように接着剤４０により固定された積層型圧電体２０とによって構成されている。
【００１７】
キャビティユニット１０には、用紙６２と対峙する面にインクを吐出する複数のノズル１３が列状に穿設されており、その複数のノズル１３が穿設された面とは反対の面には、各ノズル１３と連通するインク圧力室１１が列状に形成されている。各インク圧力室１１の間は、区画壁１２によって区画されている。各インク圧力室１１には、共通インク室１４からそれぞれインクが供給される。
【００１８】
積層型圧電体２０は、８枚の圧電セラミックスを含むシート材料（以下、単に圧電シートという）を積層し、焼成し、一体化し構成されている。ここで、理解を容易にするため、キャビティユニット１０側から上方に向かって順に第１圧電シート２１から第８圧電シート２８とする。
【００１９】
第１圧電シート２１と第８圧電シート２８とによって挟まれる第２圧電シート２２〜第７圧電シート２７のうち、第２，第４，第６圧電シート２２，２４，２６上には、インク圧力室１１の幅方向略中央部に対応するように、矩形状に形成された第１内部電極３０が列状に並べて配置されている。第１内部電極３０は、インク圧力室１１の幅よりも狭く、そのインク圧力室１１の長手方向に延びている。各圧電シート２２，２４，２６の積層方向に対応する複数の第１内部電極３０は、各圧電シート２２等を貫通するスルーホール３４に充填された導電性材料を介して接続されつつ、第８圧電シート２８上まで延出され、第８圧電シート２８の長手方向の端部に配置された第１内部電極用表面電極３５と接続されている。
【００２０】
これに対し、第３，第５，第７圧電シート２３，２５，２７上には、第１内部電極３０とインク圧力室１１と平行な方向に間隔をおいて、区画壁１２に対応するように、矩形状に形成された第２内部電極３１が列状に並べて配置されている。各圧電シート２３，２５，２７の積層方向に対応する複数の第２内部電極３１は、各圧電シートを貫通するスルーホール３６に充填された導電性材料を介して接続されつつ、第８圧電シート２８上まで延出され、第８圧電シート２８の長手方向の端部に配置された第２内部電極用表面電極３７と接続されている。
【００２１】
このように、第１内部電極３０配置した圧電シート２２等と第２内部電極３１を配置した圧電シート２３等とは交互に積層されている。よって、両内部電極３０，３１を同一の圧電シート上に交互に並べて配置する場合に比べて、隣合う両内部電極３０，３１間での電気的な短絡（ショート）が発生するのを防止することができる。
【００２２】
一方、第１圧電シート２１上面と第８圧電シート２８上面とには、分極用電極３２，３３が、インク圧力室１１の長手方向と略対応する幅を有し、全インク圧力室１１にわたって延びるように帯状に形成されている。この分極用電極３２，３３は、インク圧力室１１の配列と平行な方向における少なくとも第１内部電極３０と第２内部電極３１との間の圧電シートを上下から挟む位置にあれば良いが、分極を効率よく行うため上記のように帯状に配置されている。即ち、両分極用電極３２，３３は、第１内部電極３０と第２内部電極３１との間の圧電シートを、その両内部電極３０，３１が対向する方向と直交する方向に挟むように配置されている。また、第１圧電シート２１上の第１分極用電極３２は、第２圧電シート２２から第８圧電シート２８上までを貫通するスルーホール３８に充填された導電性材料を介して第８圧電シート２８上まで延出され、第８圧電シート２８上の端部に配置された第１分極用表面電極３９と接続されている。
【００２３】
積層型圧電素子２０の分極処理は、図６に示すようにシリコンオイルなどの絶縁オイル５０が満たされたオイルバス５１中に積層圧電素子２０を浸し、分極用電極３２，３３間に分極用電源５２より分極用の高電圧を印加することで、圧電シートの積層方向（矢印Ａ）になされる。このとき、インク圧力室の配列方向における第１内部電極３０と第２内部電極３１との間の圧電シートは、その両内部電極３０，３１が対向する方向と直交する方向に分極される。また、内部電極３０，３１が存在する部分も、分極用電極３２，３３間で同方向に分極される。
【００２４】
上述の通り構成された積層型圧電体２０は、第１内部電極３０がインク圧力室１１の略中央部にくるように第１圧電シート２１の下面をキャビティユニット１０に接着剤４０で固定されている。また、第８圧電シート２８上には第８圧電シート２８上に配置された各表面電極３３，３５，３６，３９と、インクジェット記録装置１００に備えられた駆動電源４１とを接続するための配線パターンが印刷されたフレキシブルフラットケーブル４２が積層されている。
【００２５】
具体的には、図４に示すように、このフレキシブルフラットケーブル４２に印刷された配線パターンによって、積層方向に対応する各第１内部電極３０はスイッチＳを介して駆動電源４１のプラス側端子に接続され、積層方向に対応する各第２内部電極３１は駆動電源４１の接地側端子に接続されている。また、第１および第２分極用電極３０，３１は駆動電源４１の接地側端子に接続されている。
【００２６】
次に、上述の通り構成された圧電式インクジェットヘッド６の動作について図５を参照して説明する。図５は積層型圧電体２０の両内部電極３０，３１間に駆動電源４１から所定の駆動電圧を印加した状態を示す拡大断面図である。
【００２７】
所定の印字データに基づきコントローラ（図示せず）を介して任意のスイッチＳがオンされると、対応する第１内部電極３０に駆動電圧が印加される。このとき、第１内部電極３０は駆動電源４１のプラス側端子に接続され、第２内部電極３１は接地側端子に接続されているので、第１内部電極３０と第２内部電極３１との間で、積層型圧電体２０の分極方向（矢印Ａ）と直交する電界（矢印Ｂ）が発生する。これにより、第１内部電極３０の両側に位置する積層型圧電体２０の第２圧電シート２２〜第７圧電シート２７は、第１内部電極３０を中心として対称に、それぞれシェアモード変形し、第１内部電極３０を含む部分をインク圧力室１１に向けて移動させる。
【００２８】
また、上面の分極用電極３３は駆動電源４１の接地側端子に接続されていることから、第１内部電極３０との間で、第７，８圧電シート２７，２８における分極方向（矢印Ａ）と平行な方向の電界（矢印Ｃ）が発生する。これにより、第７，８圧電シート２７，２８は、その厚み方向には伸び、面方向には縮む。
【００２９】
この厚み方向の伸びによって、第１内部電極３０が存在する部分は、インク圧力室１１に向けて押され、また、面方向の縮みによって、他の隣接する圧電シート２６との所謂バイメタル的な動作を発生して、積層体全体がインク圧力室１１に向って湾曲される。このように、前述のシェアモード変形によって、インク圧力室１１に向かって移動した第１内部電極３０が存在する部分は、さらにインク圧力室１１に向けて移動することになり、所定の駆動電圧に対する変形効率を向上させることができる。
【００３０】
こうして、積層型圧電素子２０が変形するとインク圧力室１１の容積が減少し、これによりインク圧力室１１内のインクがノズルから用紙６２に向かって吐出されて文字等の印字が行われる。
【００３１】
上記実施例では、積層型圧電素子２０を単にシェアモード変形させるだけでなく、従来の装置では取り除いていた分極用外部電極を利用してさらに大きく変形させることができ、安価にかつ吐出効率のよいインクジェットヘッドを提供することができる。また、実施例のように、内部電極３０，３１とキャビティユニット１０の間の分極用電極３２を接地することで、内部電極３０，３１間に駆動電圧を印加してもその電流がキャビティユニット内のインクに漏れることがなく、インクに対する電気的な影響を排除してインクを安定して吐出することができる。さらに、分極用電極に接続するフレキシブルフラットケーブル４２上の配線パターンを駆動用電源と切り離すことができるようにしておくことで、インクジェットヘッドの完成後、積層型圧電素子２０の再分極のために分極用電極に高電圧を印加することができる。
【００３２】
以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は、上記実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。
【００３３】
本実施例では、積層型圧電体２０を積層方向に分極する方向として、キャビティユニット１０側の第１圧電シート２１から第８圧電シート２８に向けて分極する場合について説明した。しかしながら、その積層型圧電体２０の分極方向は、第８圧電シート２８から第１圧電シート２１に向かう方向であっても良い。この場合は、積層型圧電体２０をインク圧力室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、これにより所謂引き打ち方式への適用も可能である。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１に記載の液滴吐出装置によれば、第１および第２内部電極の間の圧電体に対し、その両内部電極が対向する方向と直交する方向に挟んで第１および第２分極用電極が配置され、第１および第２内部電極の間の圧電体が、その両内部電極が対向する方向と直交する方向に分極され、第１又は第２分極用電極が第１内部電極と第２内部電極との一方に電気的に接続されているので、両内部電極間に駆動電圧を印加すると、その両内部電極間に挟まれた圧電体部分に、分極方向と直交する電界を発生し、シェアモード変形をさせることができ、さらに、第１内部電極と第２内部電極との一方と第１および第２分極用電極との間に、分極方向と平行な電界を発生し、シェアモード変形した圧電体部分をさらに変形させることができる。従って、所定の駆動電圧に対する圧電体の変形効率を向上させることができるのみならず、従来の装置のように分極用電極を取り除くことなく、その分極用電極を利用してこれを実現できるので、製造工程においても有利である。
【００３５】
請求項２に記載の液滴吐出装置によれば、請求項１記載の液滴吐出装置の奏する効果に加え、圧電体は積層された複数の圧電シートからなり、第１内部電極と第２内部電極は複数の圧電シート間に、その積層方向にそれぞれ複数配置され、第１及び第２分極用電極は、第１内部電極と第２内部電極を間に有する複数の圧電シートを挟んで配置されている。よって、内部電極を圧電体内に容易に且つ複数配置することができ、所定の駆動電圧に対する圧電体の変形効率を向上させることができるという効果がある。
【００３６】
請求項３に記載の液滴吐出装置によれば、請求項１又は２に記載の液滴吐出装置の奏する効果に加え、第１分極用電極と第２分極用電極の一方は、液体圧力室と反対側の圧電体の面上に延出され、その延出端部が他方の分極用電極とほぼ同一平面上に配置されている。よって、両分極用電極を分極用電源または駆動用電源に容易に接続することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例としての圧電式インクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置を示す斜視図である。
【図２】図２は積層型圧電体の分解斜視図であり、
【図３】図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ方向における圧電式インクジェットヘッド６の断面図である。
【図４】図４は、図２のＩＶ−ＩＶ方向における圧電式インクジェットヘッド６の断面図である。
【図５】図５は、積層型圧電体の両内部電極間に所定の駆動電圧印加した状態を示す拡大断面図である。
【図６】図６は、積層型圧電体を積層方向に分極する分極工程を説明するための図である。
【符号の説明】
６圧電式インクジェットヘッド（液滴吐出装置）
１１インク圧力室（液体圧力室）
２１〜２８第１圧電シートから第８圧電シート（圧電シート）
３０第１内部電極
３１第２内部電極
３２第１分極用電極
３３第２分極用電極

Claims

液滴吐出口に連通する液体圧力室内に圧電体の変形によって容積変化を生じさせることにより、液体圧力室内の液体を液滴吐出口から吐出する液滴吐出装置において、
前記圧電体は、前記液体圧力室に対応する位置に配置された第１内部電極と、その第１内部電極と前記液体圧力室と平行な方向に間隔をおいた第２内部電極と、少なくとも前記第１内部電極と第２内部電極との間の圧電体の部分を、その両内部電極が対向する方向と直交する方向に挟む第１及び第２分極用電極とを備え、
前記第１内部電極と第２内部電極との間の圧電体の部分は、前記第１及び第２分極用電極への分極用電圧の印加によって前記両内部電極が対向する方向と直交する方向に分極され、
前記第１又は第２分極用電極は、前記第１内部電極と第２内部電極の一方に電気的に接続されており、前記第１内部電極と第２内部電極との間に駆動電圧を印加することにより、その両内部電極間に挟まれる圧電体の部分に、分極方向と直交する電界を発生し、かつ前記第１内部電極と第２内部電極の一方と前記第１又は第２分極用電極との間に分極方向と平行な電界を発生することを特徴とする液滴吐出装置。
前記圧電体は、積層された複数の圧電シートからなり、前記第１内部電極と第２内部電極は、複数の圧電シート間に、その積層方向にそれぞれ複数配置され、前記第１及び第２分極用電極は、前記第１内部電極と第２内部電極を間に有する複数の圧電シートを挟んで配置されていることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
前記第１分極用電極と第２分極用電極の一方は、前記液体圧力室と反対側の前記圧電体の面上に延出され、その延出端部が他方の分極用電極とほぼ同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液滴吐出装置。