JP3266893B2 - 圧電式インクジェットプリンタヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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、圧電アクチュエータとし
て積層圧電素子を用いたプリンタヘッドに関するもので
ある。

【０００２】

【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、圧電ア
クチュエータの寸法変位によって一対の弁で仕切られた
インク室の容積を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。

【０００３】しかしながら従来の圧電式インクジェット
プリンタヘッドは一つの噴射装置に一つの圧電アクチュ
エータ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。この問題を解決するため同一出願
人は先に特願平2ー75858号(特開平3-274159号)の願書に
添付した明細書及び図面に記載された構成を提案した。
この圧電式インクジェットプリンタヘッドでは噴射装置
のインク室の容積を変化させるために圧電セラミックス
層と内部電極層とを交互に積層してなり、かつその内部
電極層を構成する内部正電極層と内部負電極層のうち、
少なくとも一方の内部電極層を前記した複数の噴射装置
に対応するように分割した圧電アクチュエータを、複数
の噴射装置に跨って設けることで、構造が簡単で製造コ
ストが安く、しかも高解像度化と低電圧駆動化を実現し
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、構造が簡単
で製造コストが安く、高い解像度が得られ、しかも低電
圧で駆動され、絶縁性劣化がなく耐久性耐湿性の優れた
圧電式インクジェットプリンタヘッドを提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に請求項１にかかる発明の圧電式インクジェットプリン
タヘッドは、圧電セラミックス層と内部電極層とを交互
に積層してなる圧電アクチュエータの作用によりインク
チャンネルの容積を変化させ、該インク室内のインクを
噴射する複数の噴射装置を配列して備えた圧電式インク
ジェットプリンタヘッドにおいて、前記圧電セラミック
ス層は複数の噴射装置に跨って連続して設けられ、前記
内部電極層を構成する内部正電極層と内部負電極層のう
ち少なくとも一方の内部電極層が前記複数の噴射装置に
対して１対１となるように前記圧電セラミックス層上に
分割して形成され、前記圧電アクチュエータが、一方の
面に前記内部電極層を形成した複数の圧電セラミックス
層を積層し、その積層体の圧電セラミックス層の内部電
極層を形成した面に重ねて、内部電極層のない圧電セラ
ミックス層をさらに積層して構成され、また、前記圧電
アクチュエータが、前記内部正電極層と内部負電極層に
挟まれ、前記複数の噴射装置の各インクチャンネルに対
応する圧電活性部と、前記内部正電極層と内部負電極層
に挟まれていない圧電不活性部とを前記複数の噴射装置
の配列方向に交互に複数個連続して一体に有し、前記圧
電アクチュエータが前記インクチャンネルを覆って、前
記圧電不活性部において前記インクチャンネル間の壁に
固着されていることを特徴とする。

【０００６】なお好ましくは、前記圧電アクチュエータ
は、前記一方の内部電極層に連接された電極取り出し部
と他方の内部電極層に連接された電極取り出し部のそれ
ぞれに対して外部電極が前記圧電アクチュエータの外面
の異なる位置に設けられる。

【０００７】また、積層方向の上下面を、内部電極層を
露出しない圧電セラミックス層とし、前記各電極層は、
前記電極取り出し部においてのみ前記圧電アクチュエー
タから露出し、その露出している箇所にそれぞれ前記外
部電極が設けられる。

【０００８】さらに、前記他方の内部電極層は、前記複
数の噴射装置にわたって連続して形成される。また、前
記インクチャンネルの幅は、前記複数の噴射装置の配列
方向において、前記分割された一方の内部電極層のそれ
ぞれの幅よりも大きくする。

【０００９】

【作用】上記の構成を有する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、複数の噴射装置に跨って
設けられた圧電アクチュエータの外面の外部電極におい
て所定の噴射装置に対応する外部電極に駆動電圧が印加
されると、それに対応する圧電活性部の圧電セラミック
ス層が変形し、対応する噴射装置からインクが噴射され
る。

【００１０】

【実施例】本発明を具体化した一実施例を、図１〜図６
を参照して詳細に説明する。

【００１１】図６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を搭載するインクジェット
プリンタの要部を示す図であり、１１は紙であり、１０
はプラテンである。このプラテン１０は、軸１２により
フレーム１３に回転可能に取り付けられており、モータ
１４によって駆動される。プラテン１０に対向して圧電
式インクジェットプリンタヘッド１５が設けられてい
る。圧電式インクジェットプリンタヘッド１５は、イン
ク供給装置１６と共にキャリッジ１８上に載置されてい
る。キャリッジ１８はプラテン１０の軸線に平行に配設
された２本のガイドロッド２０に摺動可能に支持される
と共に、一対のプーリ２２に巻き掛けられたタイミング
ベルト２４が結合させらている。そして、一方のプーリ
２２がモータ２３によって回転させられ、タイミングベ
ルト２４が送られることによりキャリッジ１８はプラテ
ン１０に沿って移動させられる。

【００１２】図１は、前記圧電式インクジェットプリン
タヘッド１５に用いられるアレイ３０の断面図である。
このアレイ３０は、アレイ方向３１における幅が１．２
ｍｍ、アレイ方向３１に垂直方向の長さ（図中紙面に垂
直な方向）が１５ｍｍである３本のインクチャンネル３
２ａ，３２ｂ，３２ｃが形成されたチャンネル本体３４
と、該チャンネル本体３４に固着された積層圧電素子３
８と、同じく該チャンネル本体３４に前記積層圧電素子
３８とは反対側に固着されたオリフィス３７を有するオ
リフィスプレート３６とを備えて構成されている。上記
インクチャンネル３２ａ〜３２ｃによりインク室が構成
される。

【００１３】積層圧電素子３８は、圧電・電歪効果を有
する圧電セラミックス層４０と、内部負電極層４２と、
前記インクチャンネル３２ａ〜３２ｃに対して１対１で
対応するように分割され、かつアレイ方向３１における
幅が１．０ｍｍである内部正電極層４４ａ，４４ｂ，４
４ｃとを複数枚積層し、厚さ約０．５ｍｍとしたもので
ある。そして、積層圧電素子３８は、内部負電極層４２
と内部正電極層４４ａ〜４４ｃとに挟まれ、かつアレイ
方向３１における幅が１．０ｍｍである圧電活性部４６
ａ，４６ｂ，４６ｃと、両内部電極層４２，４４ａ〜４
４ｃに挟まれていない圧電不活性部４８を有している。
前記圧電セラミックス層４０は、強誘電性を有するチタ
ン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミックス材料にて
厚さ４０μｍに構成されており、積層方向に分極させら
れている。同図の圧電セラミックス層４０の各圧電活性
部４６ａ〜４６ｃに示されている矢印は分極方向を示し
ている。前記内部負電極層４２と前記内部正電極層４４
ａ〜４４ｃは、Ａｇ−Ｐｄ系の金属材料からなり、厚さ
約２μｍである。

【００１４】前記積層圧電素子３８は、４つの圧電不活
性部４８の中央部において前記チャンネル本体３４に固
着されている。

【００１５】前記積層圧電素子３８は、以下の製造方法
によって製造される。

【００１６】図４に示すように、先ず、圧電セラミック
ス層４０の上側表面に、前記インクチャネル３２ａ〜３
２ｃに１対１で対応するように３つに分割された内部正
電極層４４ａ〜４４ｃと各々の電極取り出し部４５ａ，
４５ｂ，４５ｃをスクリーン印刷によって形成して、グ
リーンシート５０を作成する。

【００１７】また、他の圧電セラミックス層４０の上側
表面に、内部負電極層４２とその電極取り出し部４３を
スクリーン印刷によって形成して、グリーンシート５１
を作成する。なお、電極取り出し部４３の位置は、上記
内部正電極層の電極取り出し部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ
の位置とは、図４において明らかなように平面視におい
て異なっている。そして、両グリーンシート５０，５１
を交互に合計１０枚積層し、その上部には圧電セラミッ
クス層４０の上側表面に内部電極層のないグリーンシー
ト（図示しない）を重ねて、全体を加熱プレスし、脱
脂、焼結等の必要な手段を施すことにより、積層圧電素
子３８を得る。かくして得られた積層圧電素子３８の電
極取り出し部４３，４５ａ〜４５ｃが露出している箇所
に外部負電極５２、外部正電極５４ａ，５４ｂ，５４ｃ
を取り付ける。そして、この積層圧電素子３８を１３０
℃程度のシリコンオイルなど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、その外部負電極５２と
外部正電極５４ａ〜５４ｃとの間に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
積層圧電素子３８が得られるのである。

【００１８】このようにして得られた積層圧電素子３８
と、幅１．２ｍｍで長さが１５ｍｍである３本のインク
チャンネル３２を有するチャンネル本体３４と、３個の
オリフィス３７を有するオリフィスプレート３６とを図
５に示すように組み付けることにより前記アレイ３０が
構成される。

【００１９】アレイ３０には、それぞれ図２に示されて
いる電気回路が設けられている。この電気回路におい
て、駆動電源６０の負極側と積層圧電素子３８の外部負
電極５２とは接地されており、前記駆動電源６０の正極
側は開閉スイッチ６２ａ，６２ｂ，６２ｃを介して前記
積層圧電素子３８の外部正電極５４ａ〜５４ｃに接続さ
れている。この各スイッチ６２ａ〜６２ｃが図示しない
コントローラによって閉じられることにより、駆動電源
６０から所定の圧電活性部４６ａ〜４６ｃに位置する内
部負電極層４２と内部正電極層４４間に駆動電圧が印加
される。

【００２０】以上のように構成された圧電式インクジェ
ットプリンタヘッド１５の動作について説明する。

【００２１】所定の印字データに従って、前記コントロ
ーラが例えばスイッチ６２ａを閉じると、前記圧電活性
部４６ａの内部負電極層４２と内部正電極層４４ａとの
間に電圧が印加され、それらの間に位置する圧電セラミ
ックス層４０にバイアス電界が印加され、圧電・電歪縦
効果の寸法歪に従い前記圧電活性部４６ａが図１の上下
方向に伸張し、前記インクチャンネル３２ａの容積を減
少させる。そして、インクチャンネル３２ａ内のインク
がオリフィス３７ａから液滴３９となって噴射される。
また、スイッチ６２ａが開いて電圧の印加が遮断され圧
電活性部４６ａが元の位置まで戻されると、その時のイ
ンクチャンネル３２ａの容積増加に伴って図示しない別
の弁を経て前記インク供給装置１６からインクが補充さ
れる。尚、例えば他のスイッチ６２ｂが閉じられた場合
には、圧電活性部４６ｂが変位させられてインクチャン
ネル３２ｂからインクが噴射される。

【００２２】すなわち、本実施例のアレイ３０は圧電式
インクジェットプリンタヘッド１５の３つの噴射装置７
０ａ，７０ｂ，７０ｃを構成しているのであり、１つの
積層圧電素子３８はその３つの噴射装置７０ａ〜７０ｃ
に跨って設けられた圧電アクチュエータとして機能する
のである。

【００２３】ここで、積層圧電素子３８の電圧印加時の
アレイ方向３１における変形分布を測定したデータを図
３に示す。圧電活性部４６に電圧２５Ｖを印加したとき
該圧電活性部４６の部分は９０ｎｍ以上の変位をし、該
圧電活性部４６からはずれた部分（圧電不活性部４８）
ではほとんど変位しないことが分かる。この結果から積
層圧電素子３８のインクチャンネル３２内への変形を効
率よくさせるには、該インクチャンネル３２のアレイ方
向３１における幅が圧電活性部４６の幅よりも大きいこ
とが必要であることが分かる。本実施例においてはアレ
イ方向３１においてインクチャンネル３２の幅を１．２
ｍｍと、積層圧電素子３８の圧電活性部４６の幅よりも
大きくしたので、液滴３９を噴射するためにはわずか３
０Ｖという低駆動電圧でよいことが分かった。

【００２４】このように本実施例の圧電式インクジェッ
トプリンタ１５においては、１つの積層圧電素子３８が
３つの噴射装置７０ａ〜７０ｃの圧電アクチュエータと
して機能するため、アレイ３０、更にはそのアレイ３０
を多数組み付けることによって圧電式インクジェットプ
リンタヘッド１５の構造が簡略化され、製造工数も少な
くなって製造コストが低減されるのである。そして圧電
アクチュエータが積層圧電素子３８であることに加え
て、アレイ方向３１においてインクチャンネル３２の幅
を圧電活性部４６よりも大きくしたため、効率のよい変
形が得られるので、駆動電圧が大幅に低減できた。また
前記積層圧電素子３８は、スクリーン印刷により内部電
極層４２，４４を形成しているので、圧電活性部４６ａ
〜４６ｃと圧電不活性部４８の幅を極めて小さくするこ
とが容易で、例えば３つの噴射装置７０ａ〜７０ｃを備
えたアレイ３０を小型化することにより印字の解像度を
向上することができる。これにより、高解像度で広い範
囲に印字を行なうことができるプリンタヘッドが実現さ
れるのである。

【００２５】さらに、本実施例の積層圧電素子３８の内
部負電極層４２と内部正電極層４４は電極取り出し部４
３，４５を除いて外部に露出していないので、銀のマイ
グレーション等による、絶縁性劣化がなくなり、優れた
耐久性、耐湿性を得られる利点がある。

【００２６】尚、本発明は上記実施例に限定されるもの
ではなくその趣旨を逸脱しない範囲において数々の変形
を加えることもできる。

【００２７】例えば、前記実施例では３つの噴射装置７
０ａ〜７０ｃに跨って設けられた圧電アクチュエータと
して１つの積層圧電素子３８が用いられているが、例え
ば、更に多数に分割した内部正電極層４４を採用するこ
とにより、更に多数の噴射装置に跨った圧電アクチュエ
ータを設けることもできる。

【００２８】また、前記実施例では内部正電極層４４が
各インクチャンネル３２ａ〜３２ｃに１対１で対応する
ように分割されていたが、内部負電極層４２を各インク
チャンネル３２ａ〜３２ｃに１対１で対応するように分
割しても良いし、また、内部正電極層４４と内部負電極
層４２の両方を各インクチャンネル３２ａ〜３２ｃに１
対１で対応するように分割しても良い。即ち、正または
負の少なくともどちらか一方の内部電極層が各インクチ
ャンネル３２ａ〜３２ｃに１対１で対応するように分割
されていれば良い。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したことから明らかなように、
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、圧電アクチュエータが複数の噴射装置に跨って設け
られ、内部正電極層と内部負電極層との一方の内部電極
層が複数の噴射装置に対して１対１となるように分割さ
れ、また、その積層した圧電アクチュエータをインクチ
ャンネルを覆うように該インクチャンネル間の壁に圧電
不活性部を固着するので、構造が簡略化され、多くの機
械加工等を必要とせず製造工数が少なくなって容易にイ
ンクジェットヘッドを製作できる。また、内部電極層の
パターンを細かく分割して形成し、積層圧電素子の局所
変位部分の面積を小さくすることが容易で、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。

【００３０】また、圧電アクチュエータが、一方の面に
前記内部電極層を形成した複数の圧電セラミックス層を
積層し、その積層体の圧電セラミックス層の内部電極層
を形成した面に重ねて、内部電極層のない圧電セラミッ
クス層をさらに積層した構成であることで、積層方向の
上下面が、内部電極層を露出することがないため、絶縁
性劣化がなくなり、優れた耐久性、耐湿性を得られる利
点がある。

【００３１】なお、好ましくは、一方の内部電極層に連
接された電極取り出し部と他方の内部電極層に連接され
た電極取り出し部のそれぞれに対して外部電極が圧電ア
クチュエータの外面の異なる位置に設けられることで、
内部電極層が制御回路に容易に接続され、かつその接続
のために圧電アクチュエータの一部を延長等する必要が
なく、装置全体を小型に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧電式インクジェットプリンタヘッドの一部を
構成するアレイの断面図である。

【図２】アレイに電気回路が設けられた状態を示す説明
図である。

【図３】積層圧電素子の変位分布の測定結果を示す図で
ある。

【図４】グリーンシートの斜視図である。

【図５】アレイの組立行程を示す斜視図である。

【図６】圧電式インクジェットプリンタヘッドを搭載す
るインクジェットプリンタの要部を示す斜視図である。

【符号の説明】

１５ 圧電式インクジェットプリンタヘッド ３１ アレイ方向 ３２ インクチャンネル（インク室） ３８ 積層圧電素子（圧電アクチュエータ） ４０ 圧電セラミックス層 ４２ 内部負電極層 ４４ 内部正電極層 ７０ 噴射装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電セラミックス層と内部電極層とを交
   互に積層してなる圧電アクチュエータの作用によりイン
   クチャンネルの容積を変化させ、該インク室内のインク
   を噴射する複数の噴射装置を配列して備えた圧電式イン
   クジェットプリンタヘッドにおいて、 前記圧電セラミックス層は複数の噴射装置に跨って連続
   して設けられ、前記内部電極層を構成する内部正電極層
   と内部負電極層のうち少なくとも一方の内部電極層が前
   記複数の噴射装置に対して１対１となるように前記圧電
   セラミックス層上に分割して形成され、 前記圧電アクチュエータが、一方の面に前記内部電極層
   を形成した複数の圧電セラミックス層を積層し、その積
   層体の圧電セラミックス層の内部電極層を形成した面に
   重ねて、内部電極層のない圧電セラミックス層をさらに
   積層して構成され、 また、前記圧電アクチュエータが、前記内部正電極層と
   内部負電極層に挟まれ、前記複数の噴射装置の各インク
   チャンネルに対応する圧電活性部と、前記内部正電極層
   と内部負電極層に挟まれていない圧電不活性部とを前記
   複数の噴射装置の配列方向に交互に複数個連続して一体
   に有し、 前記圧電アクチュエータが前記インクチャンネルを覆っ
   て、前記圧電不活性部において前記インクチャンネル間
   の壁に固着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。
2. 【請求項２】 前記一方の内部電極層に連接された電極
   取り出し部と他方の内部電極層に連接された電極取り出
   し部のそれぞれに対して外部電極が前記圧電アクチュエ
   ータの外面の異なる位置に設けられていることを特徴と
   する請求項１に記載の圧電式インクジェットプリンタヘ
   ッド。
3. 【請求項３】 前記圧電アクチュエータは、積層方向の
   上下面を、内部電極層を露出しない圧電セラミックス層
   とし、前記各電極層は、前記電極取り出し部においての
   み前記圧電アクチュエータから露出し、その露出してい
   る箇所にそれぞれ前記外部電極が設けられていることを
   特徴とする請求項２に記載の圧電式インクジェットプリ
   ンタヘッド。
4. 【請求項４】 前記他方の内部電極層は、前記複数の噴
   射装置にわたって連続して形成されていることを特徴と
   する請求項１に記載の圧電式インクジェットプリンタヘ
   ッド。
5. 【請求項５】 前記インクチャンネルの幅は、前記複数
   の噴射装置の配列方向において、前記分割された一方の
   内部電極層のそれぞれの幅よりも大きいことを特徴とす
   る請求項１に記載の圧電式インクジェットプリンタヘッ
   ド。