JP3826588B2 - インクジェットヘッド装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型圧電素子を用いたインクジェットヘッド装置の技術分野に属する。
【0002】
【従来の技術】
従来のインクジェットプリンタに用いられるインクジェットヘッドは、複数の仕切桁により仕切られたインク圧力室を備えたセラミック製のキャビティプレートと、該キャビティプレートに接合した圧電素子とにより構成されており、該圧電素子によりインク圧力室内に圧力変動を生じさせ、インク圧力室内のインクをキャビティプレートに形成したノズルから吐出させている。
【0003】
圧電素子には様々な種類のものが用いられるが、一例として、積層型の圧電素子が挙げられる。この積層型の圧電素子は、シート状に形成した圧電部材上に、互いに所定の間隔を有して交互に配置される正負の電極パターンをスクリーン印刷し、更にこの電極上に圧電部材を重ね、以下同様にして圧電部材と電極とを積層した後、脱バインダ・焼成処理を施し、更にその後圧電素子の変形部をそれぞれ独立させるように複数の切欠凹部を設けるという工程を経て製造される。
【0004】
このような構成により、複数のインク圧力室のそれぞれに圧電素子の複数の変位部を対応させることができ、各インク圧力室毎に良好なインク吐出を行わせることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のように、スクリーン印刷により正負の電極パターンを圧電部材上に形成した場合には各電極パターンの間隔が例えば約100μmと短いため、印刷の精度によっては正の電極パターンと負の電極パターンとが短絡する可能性が高く、圧電素子を正常に変位させることができないという問題があった。
【0006】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、正負の電極パターンの短絡の可能性のないインクジェットヘッド装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載のインクジェットヘッド装置は、前記課題を解決するために、インク圧力室に貯留されているインクに圧力変動を与えることにより当該インクを吐出させるインクジェットヘッド装置であって、2層以上に積層され積層方向に分極された圧電体層と、前記圧電体層間に形成された正及び負の電極と、インク圧力室が形成されたキャビティプレートとを備え、前記圧電体層の同一表面上には正または負の何れか一方の電極のみが所定間隔で配列するように該圧電体層の上面に形成され、前記積層方向には正の電極と負の電極が前記配列の方向に互いに所定間隔を有するように交互に形成され、最下層の前記圧電体層の電極が形成されていない表面と前記キャビティプレートとが接合されており、前記正の電極及び負の電極への電圧印加に基づく該分極の方向と直交する電界により変形する、ことを特徴とする。
【0008】
請求項1に記載のインクジェットヘッド装置によれば、圧電体層の同一表面上には、正または負の何れか一方の電極のみが所定間隔で配列されているので、電極形成時の精度にばらつきが存在する場合でも、正の電極と負の電極との短絡を生じさせない。しかも、正の電極と負の電極は、前記積層方向で見ると、各圧電体層における電極の配列の方向に互いに所定間隔を有するように交互に形成されているので、前記正の電極へ正の電圧を印加し、負の電極への負の電圧を印加することにより、前記圧電体の分極の方向と直交する方向に電界を生じさせる。その結果、圧電体はシェアモードにより変形することになる。
【0009】
請求項2に記載のインクジェットヘッド装置は、前記課題を解決するために、請求項1に記載のインクジェットヘッド装置において、前記圧電体層の最上層の表面には、正または負の共通電極が設けられていることを特徴とする。
【0010】
請求項2に記載のインクジェットヘッド装置によれば、前記圧電体層の最上層の表面には、正または負の共通電極が設けられているので、当該共通電極とは異なる極性の電極が設けられた圧電体層のうち、最上層に最も近い圧電体層は、前記共通電極と当該電極との間に形成される前記分極方向と平行な方向の電界により変位し、更に当該変位が前記共通電極により拘束されるため、この圧電体はユニモルフモードにより変形する。従って、シェアモードによる変形に加えてユニモルフモードによる変形が行われるので、圧電素子の変形量は増大することになる。このように、正の電極と負の電極の短絡を確実に防止しつつ十分に圧電体を変形させることができる。
【0011】
請求項3に記載のインクジェットヘッド装置は、前記課題を解決するために、請求項1または請求項2に記載のインクジェットヘッド装置において、前記積層方向における前記インク圧力室位置の電極数は、前記インク圧力室を区画する区画壁位置の電極数よりも多いことを特徴とする。
【0012】
請求項3に記載のインクジェットヘッド装置によれば、前記積層方向における前記インク圧力室位置の電極数は、前記インク圧力室を区画する区画壁位置の電極数よりも多いので、前記分極方向に対して直交する方向の電界の力が大きくなり、圧電体の変形量が増大する。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面の図1乃至図6に基づいて説明する。なお、本実施形態との比較のため従来例を示した図7をも参照する。
【0014】
先ず、本実施形態のインクジェットヘッド装置の概略について図1に基づいて説明する。
【0015】
図1はライン型インクジェットプリンタ用ヘッドの概略構成を示すの要部を示す斜視図である。図1に示すように、本実施形態のライン型インクジェットプリンタ用ヘッドは、複数の圧電式インクジェットヘッド2が第1インク流路プレート3の表面に並設されている。
【0016】
第1インク流路プレート3は、アルミニウムまたはマグネシウムで形成された板状部材であり、表面にはステンレス鋼のパターンをポリイミドフィルムに挟持したヒータ4が取り付けられ、裏面には図示しないインクタンクから供給されるインクの往路5が形成されている。また、第1インク流路プレート3には、表面から裏面までを貫き前記往路5と連通した貫通孔7が形成されており、前記往路5に供給されたインクは該貫通孔7により表面側に供給される。更に、第1インク流路プレート3は、第2インク流路プレート9と貼り合わされる。
【0017】
第2インク流路プレート9は、前記第1インク流路プレートと同様にアルミニウムまたはマグネシウムで形成された板状部材であり、裏面には前記インクタンクに対してインクを排出する復路8が形成されている。
【0018】
一方、圧電式インクジェットヘッド2は、ベースプレート10、キャビティプレート12、ノズルプレート16、及び圧電素子17から構成される。
【0019】
ベースプレート10は、アルミニウムまたはマグネシウムで形成された板状部材であり、該ベースプレート10には表面から裏面までを貫き、前記第1インク流路プレート3に形成された貫通孔7と一致する位置に貫通孔11が形成されている。該ベースプレート10は裏面が接着剤により第1インク流路プレート3に接着され、表面にはキャビティプレート12が同じく接着剤により接着される。
【0020】
キャビティプレート12は、セラミックの焼結体であり、上面が開放された複数個のインク圧力室13と、各インク圧力室13を区画する区画壁14と、各インク圧力室13と連通すると共に裏面では前記貫通孔11と連通するインク溜まり15が形成されている。
【0021】
ノズルプレート16は、ポリイミドで形成されたシート状部材であり、表面から裏面までを貫くノズル16aが複数個形成されている。前記インク圧力室13の前記インク溜まり15側とは反対の先端側は、徐々に幅が狭くなり、先端面には開口が形成されている。前記ノズルプレート16は、この先端面において、前記開口と前記ノズル16aの位置を一致させるように接着剤により接着されている。
【0022】
圧電素子17は、各インク圧力室13の上面(開放面)が閉塞するように取り付けられる積層型の圧電素子であり、圧電・電歪効果を有するチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系のセラミック材料からなる複数の圧電セラミック層を積層すると共に、各圧電セラミック層間にはスクリーン印刷により銀パラジウム等の陽電極及び陰電極のパターン18が形成されている。
【0023】
前記電極パターン18は、図示しない電源供給端部と接続されており、該電源供給端部は、フレキシブルプリント基板20を介してドライブIC21と接続されている。更に、該ドライブICはフレキシブルプリント基板20を介して図示しないCPU等が備えられたメイン基板と接続されている。従って、メイン基板から出力される駆動信号に応じてドライブICが駆動され、更にドライブICから駆動電圧が電極パターン18に供給されることにより、前記圧電セラミック層が変位し、前記キャビティプレート12のインク圧力室13内の圧力を変動させ、ノズルプレート16に形成されたノズル16aからインクを吐出させる。
【0024】
このインク吐出動作は、それぞれの圧電式インクジェットヘッド2によって同時に行われ、かつ、以上のように構成されるライン型インクジェットプリンタ用ヘッドの全体は、図示しない揺動機構によって矢印A方向に揺動するので、記録紙P上にはライン単位で高速な印字が行われる。
【0025】
次に、以上のような本実施形態の圧電式インクジェットヘッド2における圧電素子17の構成について図2及び図3を用いて更に詳しく説明する。
【0026】
図2(A)は本実施形態の圧電式インクジェットヘッド2を図1の記録紙Pと平行な方向に切断した場合の縦断面図、図2(B)は圧電セラミック層の第1層と第3層上の陰電極のパターンを示す平面図、図2(C)は圧電セラミック層の第2層と第4層上の陽電極のパターンを示す平面図である。
【0027】
図2(A)に示すように、圧電素子17は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系のセラミック材料からなる圧電セラミック層が、上からトップ層19a、第1層19b、第2層19c、第3層19d、第4層19e、及びボトム層19fの順に積層されている。
【0028】
トップ層19aは拘束層として機能する層であり、トップ層19aの上面には全面に亘って陰電極パターン18aが形成されている。
【0029】
第1層19b及び第3層19d並びにボトム層19fには、各区画壁14に対応した位置に、図2(B)に示すように区画壁14の長手方向に延び、隣接する電極パターンとの間にインク圧力室13の幅に相当する間隔を有する陰電極パターン18aが形成されている。
【0030】
第2層19c及び第4層19eには、図2(A)に示す断面視上で各インク圧力室13の中央部に対応する位置に、図2(C)に示すようにインク圧力室13の長手方向に延び、隣接する電極パターンとの間に各インク圧力室13の中央部の間隔に相当する間隔を有する陽電極パターン18bが形成されている。
【0031】
このように、本実施形態の圧電式インクジェットヘッド2においては、各圧電セラミック層上には、陰電極または陽電極の何れか一方の電極パターンのみが形成されており、陰電極の電極パターンと陽電極の電極パターンとの短絡を生じさせることがない。
【0032】
なお、各電極パターンは、圧電セラミック層の積層方向において相互に重なるように積層されており、各圧電セラミック層は図2(A)に示すように積層方向に分極されている。
【0033】
また、各陽電極の電極パターンは、図1に示すフレキシブル基板20を介してドライバIC21に接続されており、フレキシブル基板22を介して接続される図示しないメイン基板からの駆動信号に応じて、前記ドライバIC21からプラスの電圧が印加される。
【0034】
各陰電極の電極パターンは、図1に示すフレキシブル基板20を介してドライバIC21に接続されており、フレキシブル基板22を介して接続される図示しないメイン基板と供給の接地電位が印加される。
【0035】
次に、以上のように構成された本実施形態の圧電式インクジェットヘッド2の動作について説明する。
【0036】
メイン基板に設けられたコントローラ(図示せず)により、フレキシブル基板22を介して所定の印字データに基づく駆動信号が出力されると、ドライブIC21は圧電セラミック層の第2層19c及び第4層19e上の陽電極の電極パターン18bに所定のプラス電圧を印加する。このとき、トップ層19a及び第1層19b並びに第3層19d上に形成された陰電極の電極パターンには接地電位が印加されている。
【0037】
その結果、陽電極の電極パターン18bと陰電極の電極パターン18aとの間には、図2(A)に矢印で示す圧電セラミック層の分極方向と略直交する電界が発生する。これにより、第1層19b、第2層19c、第3層19d、及び第4層19eは、その圧電・電歪効果に基づきシェアモードにてインク圧力室13側に凸状となるように変形する。また、トップ層19a上の陰電極の電極パターンと、第2層19c上の陽電極の電極パターン18bとの間に、分極方向に平行な方向の電界が発生し、第1層19bはその厚さ方向に延びると共にその面方向に収縮し、更にトップ層19aが拘束層として作用することにより、第1層19bはユニモルフモードでインク圧力室13側に凸状となるように変形する。
【0038】
従って、インク圧力室13に対応する位置においては、圧電セラミック層がシェアモードとユニモルフモードにより大きな変位が得られ、インク圧力室21の容積が減少するため、インク圧力室13内のインクがノズル16aから印字用紙に向かって吐出されて文字等の印字が行われる。
【0039】
以上のように、本実施形態の圧電式インクジェットヘッド2によれば、各圧電セラミック層上に陰電極または陽電極の電極パターンのみを形成することにより、陰電極の電極パターンと陽電極の電極パターンとの製造時における短絡を確実に防止しつつ、シェアモードとユニモルフモードによる複合型の変形により、大きな変位を得ることができる。
【0040】
本実施形態の圧電式インクジェットヘッド2によるこのような優れた効果は、図4(A),(B)に示す従来のインクジェットヘッドと比較することにより、より一層明らかになる。この従来のインクジェットヘッドは、図4(A)に示すように、各圧電セラミック層に、陰電極の電極パターン18aと陽電極の電極パターン18bの双方が形成されており、これらの電極パターンは図4(B)に示すように微小な間隙を有して交互に配置されている。従って、スクリーン印刷の手法により銀パラジウム等でこのような形状及び配置の電極パターンを圧電セラミック層に形成する場合には、銀パラジウム等の電極形成材料が圧電セラミック層上で流れ出し、陰電極の電極パターンと陽電極の電極パターンに短絡が発生することがあった。
【0041】
これに対し、本実施形態の圧電式インクジェットヘッド2によれば、各圧電セラミック層上で銀パラジウム等の電極形成材料が流れ出したとしても、隣接する電極パターンの間隔は従来に比べて十分確保されており、しかも、同一の圧電セラミック層上には極性の等しい電極パターンのみが形成されているので、従来のような陰電極の電極パターンと陽電極の電極パターンの短絡を確実に防止することができる。
【0042】
また、このように本実施形態の圧電式インクジェットヘッド2によれば、短絡の危険性がないため、陰電極の電極パターンと陽電極の電極パターンの間隔を従来よりも短くすることができ、ノズルピッチの短い高解像度のインクジェットヘッドを提供することが可能である。
【0043】
なお、図2(A)と図4(A)を比較すれば判るように、圧電セラミック層の積層方向における電極パターンの密度は、本実施形態の方が従来に比べて少なくなり、圧電素子の変位が低下する。しかし、解析の結果、変位の低下率は6〜7%に止まり、実用上全く問題のないことが確認された。
【0044】
なお、前記の例では、第2層19cと第4層19eに陽電極の電極パターン18bを形成したので、インク圧力室13の位置においては2つの陽電極の電極パターン18bが備えられた構成となっているが、図3に示すように構成して陽電極の電極パターン18bの数を増加させることもできる。
【0045】
図3に示す圧電式インクジェットヘッド2は、第1層19bと第3層19dとボトム層19fに図3(B)に示すような陽電極の電極パターン18bを形成し、第2層19cと第4層19eには3(C)に示すような陰電極の電極パターン18aを形成した。その結果、図3(A)に示すように、インク圧力室13の位置の陽電極の電極パターン18bの数は3つになり、図2の場合よりも増加させることができる。従って、圧電素子17の変位を増加させることができ、より一層良好にインク吐出を行うことが可能である。
【0046】
また、本実施形態では、押し打ち方式のインクジェットヘッドについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、積層型圧電体23の分極方向の関係を逆の関係にすれば、圧電セラミック層を逆方向、即ち、インク圧力室13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、これにより引き打ち方式のインクジェットヘッドとすることもできる。
【0047】
また、本実施形態では、シェアモードとユニモルフモードとの複合型の圧電素子を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、シェアモードとバイモルフモードの複合型の圧電素子にも適用可能である。
【0048】
【発明の効果】
請求項1に記載のインクジェットヘッド装置によれば、2層以上に積層され積層方向に分極された圧電体層に形成する正及び負の電極は、圧電体層の同一表面上には正または負の何れか一方の電極のみが所定間隔で配列され、前記積層方向には正の電極と負の電極が前記配列の方向に互いに所定間隔を有するように交互に形成したので、電極形成時の精度にばらつきが存在する場合でも、正の電極と負の電極との短絡を確実に防止することができる。しかも、正の電極と負の電極は、前記積層方向で見ると、各圧電体層における電極の配列の方向に互いに所定間隔を有するように交互に形成したので、前記正の電極へ正の電圧を印加し、負の電極への負の電圧を印加することにより、前記圧電体の分極の方向と直交する方向に電界を生じさせ、圧電体をシェアモードにより変形させることができる。また、正の電極と負の電極との短絡の危険性がないため、正の電極と負の電極のピッチを短くすることができ、ノズルピッチの短い高解像度のインクジェットヘッド装置を提供することができる。
【0049】
請求項2に記載のインクジェットヘッド装置によれば、前記圧電体層の最上層の表面に、正または負の共通電極を設けたので、圧電体をシェアモードによる変形に加えてユニモルフモードで変形させることができ、圧電体の変形量を増大させることができる。
【0050】
請求項3に記載のインクジェットヘッド装置によれば、圧電体の積層方向におけるインク圧力室位置の電極数を、インク圧力室を区画する区画壁位置の電極数よりも多くしたので、圧電体の分極方向に対して直交する方向の電界の力を大きくすることができ、圧電体の変形量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態におけるライン型インクジェットプリンタ用ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【図2】 (A)は図1に示すライン型インクジェットプリンタ用ヘッドに用いられるインクジェットヘッド装置の構成を示す断面図、(B)は(A)のインクジェットヘッド装置の圧電セラミック層に形成された陰電極の電極パターンを示す平面図、(B)は(A)のインクジェットヘッド装置の圧電セラミック層に形成された陽電極の電極パターンを示す平面図である。
【図3】 (A)は図1に示すライン型インクジェットプリンタ用ヘッドに用いられるインクジェットヘッド装置の他の例の構成を示す断面図、(B)は(A)のインクジェットヘッド装置の圧電セラミック層に形成された陽電極の電極パターンを示す平面図、(B)は(A)のインクジェットヘッド装置の圧電セラミック層に形成された陰電極の電極パターンを示す平面図である。
【図4】 (A)は従来のインクジェットプリンタ用ヘッドに用いられるインクジェットヘッド装置の構成を示す断面図、(B)は(A)のインクジェットヘッド装置の圧電セラミック層に形成された陽電極及び陰電極の電極パターンを示す平面図である。
【符号の説明】
2…圧電式インクジェットヘッド
12…キャビティプレート
13…インク圧力室
14…区画壁
17…圧電素子
18a…陰電極の電極パターン
18b…陽電極の電極パターン
19a…トップ層
19b…第1層
19c…第2層
19d…第3層
19e…第4層
19f…ボトム層
Claims (3)
- インク圧力室に貯留されているインクに圧力変動を与えることにより当該インクを吐出させるインクジェットヘッド装置であって、
2層以上に積層され積層方向に分極された圧電体層と、
前記圧電体層間に形成された正及び負の電極と、
インク圧力室が形成されたキャビティプレートとを備え、
前記圧電体層の同一表面上には正または負の何れか一方の電極のみが所定間隔で配列するように該圧電体層の上面に形成され、前記積層方向には正の電極と負の電極が前記配列の方向に互いに所定間隔を有するように交互に形成され、
最下層の前記圧電体層の電極が形成されていない表面と前記キャビティプレートとが接合されており、
前記正の電極及び負の電極への電圧印加に基づく該分極の方向と直交する電界により変形する、
ことを特徴とするインクジェットヘッド装置。 - 前記圧電体層の最上層の表面には、正または負の共通電極が設けられていることを特徴とする請求項1に記載のインクジェットヘッド装置。
- 前記積層方向における前記インク圧力室位置の電極数は、前記インク圧力室を区画する区画壁位置の電極数よりも多いことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のインクジェットヘッド装置。
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