JP3842656B2 - インクジェット記録ヘッド - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、文字や画像の印刷に用いるインクジェット記録装置に搭載されるインクジェット記録へッドに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピューターの普及やマルチメディアの発達に伴って、情報を記録媒体に出カする記録装置として、インクジェット方式の記録装置の利用が急速に拡大している。
【0003】
かかるインクジェット方式の記録装置には、インクジェット記録へッド(以下ヘッドと称す)が搭載されており、この種のヘッドには、インクが充填されたインク室内に加圧手段としてのヒーターを備え、ヒーターによりインクを加熱、沸騰させ、インク室内に発生する気泡によってインクを加圧し、インク吐出孔よりインク滴として吐出させるサーマルジェット方式と、インクが充填されるインク室の一部の壁を圧電素子によって屈曲変位させ、機械的にインク室内のインクを加圧し、インク吐出孔よりインク滴として吐出させる圧電方式が一般的に知られている。
【0004】
このうち、圧電方式のインクジェット記録ヘッド40としては、例えば、図3に示すように、複数の隔壁22で仕切られた複数のインク室21を有する流路部材26と、各インク室21内に充填されるインクを加圧するアクチュエータ部27とから構成されたものがあった。
【0005】
上記流路部材26は、複数のスリットを並設した板状体25と、複数のインク吐出孔23及びインク供給孔(不図示)をそれぞれ備えるノズル板24とからなり、ノズル板24の各インク吐出孔23及びインク供給孔と、板状体25の各スリットとの位置合わせをした状態で貼り合わせることにより複数の溝を形成し、この溝をインク室21とするとともに、溝底面にインク吐出孔23とインク供給孔が開口するようになっていた。
【0006】
また、アクチュエータ部27は、圧電セラミック層28a,28b,28c、略全面共通電極29a,29b,29c、圧電セラミック層30a,30b,30c、上記各インク室21上に位置するように配置された個別電極31a,31b,31cとをこの順序でそれぞれ複数枚積層一体化してなり、上記略全面共通電極29a,29b,29cと個別電極31a,31b,31cとの間にある圧電セラミック層28b,28c,30a,30b,30cには厚み方向に分極処理を施した積層型圧電素子32により形成され、各個別電極31a,31b,31cの幅は、積層方向において一定とし、かつインク室21の幅と同等程度に形成されていた(特開平3−274159号公報参照)。
【0007】
そして、このインクジェット記録ヘッド40によりインク滴を吐出するには、不図示のインク供給孔よりインク室21内にインクを充填した状態で、積層型圧電素子32の個別電極31a,31b,31cと略全面共通電極29a,29b,29cとの間に電圧を印加して電界を発生させると、電界が作用する圧電セラミック層28b,28c,30a,30b,30cは積層方向に対して垂直な方向に伸縮しようとするのであるが、最下層の圧電セラミック層28aには電界が作用せず振動しないため、インク室21上のアクチュエータ部27は隔壁22の拘束によって撓み振動を起こし、この撓み振動によってインク室21内のインクを加圧し、インク吐出孔23よりインク滴を吐出するようになっていた。
【0008】
このように、アクチュエータ部27として積層型圧電素子32を用いたものは、大きな撓み振動を発生させることができるといった利点があった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、積層型圧電素子の振動を大きくするためには、圧電セラミック層を挟んで配置される電極の面積を大きくし、圧電セラミック層に大きな電界が作用するようにすれば良いのであるが、図3に示すインクジェット記録ヘッド40のように、アクチュエータ部27が隔壁22と接合され、個別電極31a,31b,31cの幅がインク室21の幅と同程度であると、十分に大きな撓み振動を発生させることができないといった課題があった。
【0010】
即ち、隔壁22との接合部より離れた位置にある圧電セラミック層28b,28c,30b,30cは、その振動を隔壁22によって阻害され難いものの、隔壁22との接合部に近い圧電セラミック層30aは、その振動が隔壁22によって拘束されるため、アクチュエータ部27全体の撓み振動が小さくなっていた。
【0011】
その結果、インク室21内のインクを加圧する力が小さく、インク滴の吐出速度を高めることができなかった。
【0012】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、複数の隔壁によって仕切られた複数のインク室を有する流路部材と、上記各インク室内のインクを加圧するアクチュエータ部とからなるインクジェット記録ヘッドにおいて、上記アクチュエータ部を、圧電セラミック層、略全面共通電極、圧電セラミック層、上記各インク室上に位置するように配置された個別電極を順次複数層積層して一体化するとともに、上記略全面共通電極と個別電極との間にある圧電セラミック層の厚み方向に分極処理を施した積層型圧電素子により形成するとともに、上記インク室に最も近い個別電極の幅を上記インク室の幅の60%〜90%とし、かつ他の個別電極の少なくとも一つの幅をインク室に最も近い個別電極の幅より大きくしたことを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【0014】
図1は本発明のインクジェット記録ヘッドの一例を示す一部を破断した斜視図である。
【0015】
このインクジェット記録ヘッド20(以下、ヘッド20と称す)は、複数の隔壁2で仕切られた複数のインク室1を有する流路部材6と、各インク室1内に充填されるインクを加圧するアクチュエータ部7とからなる。
【0016】
流路部材6は、複数のスリットを並設した板状体5と、複数のインク吐出孔3及びインク供給孔(不図示)をそれぞれ備えたノズル板4とからなり、ノズル板4の各インク吐出孔3及びインク供給孔と、板状体5の各スリットとの位置合わせをした状態で例えば接着にて貼り合わせることにより複数の溝を形成し、この溝をインク室1とするとともに、溝底面にインク吐出孔3とインク供給孔が開口するようにしてある。
【0017】
ここで、流路部材6を構成するノズル板4の材質としては、特に限定するものではなく、樹脂、石英、ガラス、シリコン、金属、セラミックスを用いることができる。また、図1では一枚の板材からなるものを示したが、上記材質からなる板材を二層以上貼り合わせた積層体を用いても良く、この場合、インク室1側の板材には、比較的剛性の高い石英、ガラス、シリコン、金属、セラミックスを用い、インク吐出側の板材には、微小なインク吐出孔3を形成し易い樹脂を用いることが好ましい。
【0018】
また、流路部材6を構成する板状体5の材質としては、ノズル板4と同様に樹脂、石英、ガラス、シリコン、金属、セラミックスを用いることができるが、アクチュエータ部7の振動により隔壁2が変形しないようにするため、適度な剛性を有する材質により形成することが好ましく、石英、ガラス、シリコン、金属、セラミックスのいずれか一種の材質を用いることが好ましい。
【0019】
なお、図1では流路部材6としてノズル板4と板状体5を別々に形成して貼り合わせた例を示したが、樹脂、石英、ガラス、シリコン、金属、セラミックスのいずれか一種からなる板状体にインク室1となる溝を形成するとともに、溝底面にインク吐出孔3とインク供給孔を穿設した流路部材を用いることもできる。
【0020】
一方、アクチュエータ部7は、圧電セラミック層8a,8b,8c、略全面共通電極9a,9b,9c、圧電セラミック層10a,10b,10c、上記各インク室1上に位置するように配置された個別電極11a,11b,11cとをこの順序で3層積層して一体化するとともに、上記略全面共通電極9a,9b,9cと個別電極11a,11b,11cとの間にある圧電セラミック層8b,8c,10a,10b,10cには予め厚み方向に図1に示す矢印の如く分極処理を施した積層型圧電素子12により形成してあり、インク室1に最も近い個別電極11aの幅W1をインク室1の幅Lの60%〜90%とするとともに、他の個別電極11b,11cの幅W2,W3を、インク室1に最も近い個別電極11aより徐々に大きくなる(W1<W2<W3)ようにしてある。
【0021】
そして、このヘッド20によりインク滴を吐出するには、上記個別電極11a,11b,11cと略全面共通電極9a,9b,9cとの間に電圧を印加して電界を発生させると、電界が作用する部分の圧電セラミック層8b,8c,10a,10b,10cは積層方向に対して垂直な方向に伸縮しようとするのに対し、電界が作用しない圧電セラミック層8aは不活性部となって振動しないため、隔壁2の間(インク室1上にある)にあるアクチュエータ部7を積層方向に撓み振動させることができる。この時、本発明のヘッド20によれば、インク室2に最も近い個別電極11aの幅W1は、インク室1の幅Lよりも小さくし、かつ他の個別電極11b,11cの幅W2,W3はインク室2に最も近い個別電極11aの幅W1よりも大きくしてあることから、インク室1上のアクチュエータ部7の撓み振動を大きくすることができる。
【0022】
即ち、アクチュエータ部7のインク室1側は、隔壁2によって拘束されていることから、インク室1に最も近い個別電極11aの幅W1をインク室1の幅Lに近似させると、個別電極11aと略全面共通電極9aとの間にある圧電セラミック層10aの伸縮が隔壁2によって阻害され、かえって撓み量が小さくなるからで、本発明のようにインク室1に最も近い個別電極11aの幅W1をインク室1の幅Lより小さくして隔壁2までの距離を長くすれば、個別電極11aと略全面共通電極9aとの間にある圧電セラミック層10aの伸縮量が若干減るものの、その振動が隔壁2によって拘束されるのを抑制することができ、結果として圧電セラミック層10aを撓み振動を大きくすることができる。
【0023】
また、他の個別電極11b,11cは、隔壁2との接合部から離れているため、圧電セラミック層8b,8c,10b,10cの振動が隔壁2の拘束を受け難く、他の個別電極11b,11cの幅W2,W3を、インク室1に最も近い個別電極11aの幅W1より大きくしてあることから、電界の大きさに見合った撓み振動を発生させることができる。
【0024】
その結果、図3に示す従来のヘッド40と比較して、インク室1上のアクチュエータ部7の撓み量を大きくすることができ、インク室1内のインクの加圧力を高めてインク滴の吐出速度を向上させることができる。
【0025】
ただし、インク室1に最も近い個別電極11aの幅W1がインク室1の幅Lの60%未満となると、個別電極11aと略全面共通電極9aとの間にある圧電セラミック層10aの振動は隔壁2による拘束を受け難くなるものの、個別電極11aの幅W1が小さくなり過ぎるため、圧電セラミック層10aの伸縮量が小さくなり過ぎ、結果としてインク室1上のアクチュエータ部7の撓み量を大きくすることができない。
【0026】
逆に、インク室1に最も近い個別電極11aの幅W1がインク室1の幅Lの90%より大きくなると、個別電極11aの幅W1を小さくしたことによる効果が得られず、インク室1上のアクチュエータ部7の撓み量を十分に大きくすることができない。
【0027】
その為、インク室1に最も近い個別電極11aの幅W1は、インク室1の幅Lの60%〜90%とすることが好ましい。
【0028】
また、個別電極11aと略全面共通電極9aとの間にある圧電セラミック層10aの振動が隔壁2の拘束を受けないようにするためには、圧電セラミック層8aの厚みを厚くするなどしてアクチュエータ部7の撓み量を大きく低下させない範囲で隔壁2までの距離を長くすることが好ましい。
【0029】
一方、インク室1に最も近い個別電極11a以外の他の個別電極11b,11cの幅W2,W3は大きい方が良いのであるが、あまり大きすぎると、隣の個別電極11b,11cと接触したり、隣のインク室1へクロストークの影響を与えることになる。
【0030】
その為、個別電極11b,11cの幅W2,W3をインク室1の幅Lより大きくする場合、その突出量は隔壁2の幅Mの30%以下に抑えることが良く、好ましくは10%以下とすることが良い。
【0031】
なお、図1では、インク室1上に位置する3つの個別電極11a,11b,11cのうち、インク室1に最も近い個別電極11aの幅W1が最も小さく、かつインク室1の幅Lよりも小さくなるようにし、他の個別電極11b,11cの幅はW2,W3は順に大きくなるようにした例を示したが、本発明はこのような構造だけに限らず、例えば、図2(a)に示すように、インク室1に最も近い個別電極11aの幅W1をインク室1の幅Lの60%〜90%とし、次の個別電極11bの幅W2を個別電極11aの幅W1と同等とするとともに、インク室1より最も離れた個別電極11cの幅W3を、インク室1に最も近い個別電極11aの幅W1より大きくしたもの、図2(b)に示すように、インク室1に最も近い個別電極11aの幅W1をインク室1の幅Lの60%〜90%とし、次の個別電極11b及びインク室1より最も離れた個別電極11cの幅W2,W3を、インク室1に最も近い個別電極11aの幅W1より大きくしたもの、図2(c)に示すように、インク室1に最も近い個別電極11aの幅W1をインク室1の幅Lの60%〜90%とし、次の個別電極11bをインク室1に最も近い個別電極11aの幅W1より大きくするとともに、インク室1より最も離れた個別電極11cの幅W3を個別電極11aの幅W1より大きく、個別電極11bの幅W2より小さくしたものなど、インク室1に最も近い個別電極11aの幅W1をインク室1の幅Lの60%〜90%とし、かつ他の個別電極11b,11cの少なくとも一つの幅W2,W3をインク室1に最も近い個別電極11aの幅W1より大きくしたものであれば良い。
【0032】
ただし、圧電セラミック層8b,8c,10a,10b,10cの振動は、隔壁2との接合部に近いほど隔壁2の拘束を受けることになるため、好ましくは図1に示すように、インク室1に最も近い個別電極11aの幅W1をインク室1の幅Lの60%〜90%とし、他の個別電極11b,11cは個別電極11aより離れるにしたがって徐々に大きくなるように配置したものが良い。
【0033】
また、実施形態では積層型圧電素子12を形成する個別電極11a,11b,11cの数を3つとしたものを示したが、2つあるいは4つ以上でも構わない。ただし、コストやヘッド20が大きくなることを考慮すると、8層程度までとしておくことが好ましい。
【0034】
次に、本発明に係るインクジェット記録ヘッド20の製造方法について説明する。
【0035】
まず、流路部材6を製作するため、複数のスリットを備えた板状体5と、複数のインク吐出孔3及びインク供給孔を備えたノズル板4を用意する。
【0036】
次に、板状体5のスリットとノズル板4のインク吐出孔3及びインク供給孔の位置合わせをした後、板状体5とノズル板4とを例えば接着等にて接合し、スリットの一方がノズル板4によって塞がれることにより形成される溝をインク室1とし、各溝を仕切る壁を隔壁2とするとともに、溝底面にはインク吐出孔3及びインク供給孔が開口した流路部材6を製作する。なお、板状体5とノズル板4とがセラミックスからなる場合、未焼成の板状体5と未焼成のノズル板4とを位置合わせをして貼り合わせた後、焼成することにより両者を一体化して流路部材6を形成することもできる。
【0037】
一方、アクチュエータ部7を製作するには、未焼成の圧電セラミック層8a,8b,8c、略全面共通電極9a,9b,9c、未焼成の圧電セラミック層10a,10b,10c、個別電極11a,11b,11cをそれぞれこの順序で順次3層積層するのであるが、各個別電極11a,11b,11cの幅W1,W2,W3は、インク室1に最も近い個別電極11aの幅W1がインク室1の幅Lの60%〜90%で、かつ他の個別電極11b,11cの少なくとも一つの幅W2,W3が個別電極11aの幅W1よりも大きくなるようにする。
【0038】
しかる後、積層体を焼成した後、略全面共通電極9a,9b,9cと個別電極11a,11b,11cとの間の圧電セラミック層8b,8c,10a,10b,10cに分極処理を施することにより製作する。
【0039】
なお、圧電セラミック層8a,8b,8c,10a,10b,10cを形成する材質としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN系)、ニッケルニオブ酸鉛(PNN系)等を主成分とする圧電セラミックスを用いることができる。
【0040】
また、略全面共通電極9a,9b,9cや個別電極11a,11b,11cを形成する材質としては、圧電セラミック層8a,8b,8c,10a,10b,10cの焼成温度に耐え得るものであれば良く、例えば、Ag、Pd、Pt、Rh、Au、Niのうち1種以上を主成分とする導体を用いれば良い。
【0041】
そして、得られたアクチュエータ部7の個別電極11a,11b,11cがインク室1上に位置するとともに、個別電極11aがインク室1に最も近くなるように位置決めした後、アクチュエータ部7と流路部材6とを接着等にて貼り合わせることにより得ることができる。
【0042】
以上、本発明の実施形態について示したが、本発明はこの実施形態だけに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で改良や変更されたものであっても構わない。
【0043】
【実施例】
ここで、図1に示すインクジェット記録ヘッド20に備えるアクチュエータ部7の各個別電極11a,11b,11cの幅W1,W2,W3を異ならせ、インク滴の吐出性能について調べる実験を行った。
【0044】
アクチュエータ部7は、チタン酸ジルコン酸鉛を含むスラリーをロールコーター法にてシート状に形成して複数枚のグリーンシートを製作した後、金型を用いてグリーンシートを矩形状に打ち抜き、矩形状シートを複数枚用意した。
【0045】
次に、三枚の矩形状シートの一方の主面に各略全面共通電極9a,9b,9cとなる電極用ペーストを略全面に印刷するとともに、他方の主面に各個別電極11a,11b,11cとなる電極用ペーストを印刷した。この時、各個別電極11a,11b,11cの幅W1,W2,W3は試料に応じて異ならせるとともに、上記電極用ペーストにAg−Pdを含むペーストを用いた。
【0046】
そして、電極用ペーストを印刷した矩形状シートと、電極用ペーストを印刷していない矩形状シートとを順次積層して表1に示すような構造の積層体を製作した。なお、表1において、第1層とはインク室1の最も近くに配置される個別電極11a、第2層とは個別電極11aの次にインク室1の近くに配置される個別電極11b、第3層とはインク室1より最も離れた位置に配置される個別電極11cを示す。
【0047】
しかる後、得られた積層体を1000℃〜1200℃の範囲で焼成した後、略全面共通電極9a,9b,9cと個別電極11a,11b,11cの間に電圧を印加してその間にある圧電セラミック層8a,8b,8c,10a,10b,10cに分極処理を施すことによりアクチュエータ部7を作製した。なお、アクチュエータ部7を形成する各圧電セラミック層8a,8b,8c,10a,10b,10cの厚みは15μm、略全面共通電極層9a,9b,9c及び個別電極11a,11b,11cの厚みはそのバラツキ範囲が2〜5μmとなるように設定した。
【0048】
一方、流路部材6は、薄肉のステンレス板にインク室1となるスリットをエッチング法によって形成して板状体5を製作するとともに、別の薄肉ステンレス板にインク吐出孔3とインク供給孔(不図示)をエッチング法によって穿孔してノズル板4を製作した。そして、板状体5のスリットとノズル板4のインク吐出孔3及びインク供給孔との位置合わせを行った後、両者をエポキシ接着剤にて接着し、スリットとノズル板4とで形成される溝をインク室1とするとともに、各溝を仕切る壁を隔壁2とする流路部材6を製作した。なお、インク室1の幅Lは0.5mm、インク室1の長さは0.7mmとなるように設定した。
【0049】
しかる後、製作したアクチュエータ部7と流路部材6の位置合わせを行った後、エポキシ接着剤にて接着することにより実験用のインクジェット記録ヘッド20を得た。
【0050】
そして、得られた実験用のインクジェット記録ヘッド20のインク室1内にインクを充填した後、アクチュエータ部7の略全面共通電極9a,9b,9cと個別電極11a,11b,11cの間に20Vの電圧を周波数20KHzで印加してアクチュエータ部7を駆動させ、インク吐出孔3より吐出されるインク滴の吐出速度を測定し評価した。
【0051】
ただし、インク滴の吐出速度の測定は、高速度のストロボ撮影装置を有したカメラを用い、得られた画像を画像処理することにより得た。
【0052】
結果は表1に示す通りである。
【0053】
【表1】
【0054】
この結果、表1より判るように、インク室1に最も近い個別電極11aの幅W1をインク室1の幅Lの60%〜90%とし、かつ他の個別電極11b,11cのうち少なくとも一つの幅W2、W3をインク室1に最も近い個別電極11aの幅W1より大きくしたことによりインク滴の吐出速度を大きくすることができる。
【0055】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、複数の隔壁によって仕切られた複数のインク室を有する流路部材と、上記各インク室内のインクを加圧するアクチュエータ部とからなるインクジェット記録ヘッドにおいて、上記アクチュエータ部を、圧電セラミック層、略全面共通電極、圧電セラミック層、上記各インク室上に位置するように配置された個別電極を順次複数枚積層一体化してなり、上記略全面共通電極と個別電極との間にある圧電セラミック層の厚み方向に分極処理を施した積層型圧電素子により形成するとともに、上記インク室に最も近い個別電極の幅を上記インク室の幅の60%〜90%とし、かつ他の個別電極の少なくとも一つの幅をインク室に最も近い個別電極の幅より大きくしたことによって、アクチュエータ部の振動が隔壁によって拘束されるのを抑制することができるため、より大きな振動が得られ、インク室内のインクの加圧力を高めることができるため、インク滴の吐出速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のインクジェット記録ヘッドの一例を示す一部を破断した斜視図である。
【図2】(a)〜(c)はそれぞれ本発明のインクジェット記録ヘッドの他の例であるアクチュエータ部の個別電極配列状態を示す部分拡大断面図である。
【図3】従来のインクジェット記録ヘッドの一例を示す一部を破断した斜視図である。
【符号の説明】
1,21 インク室
2,22 隔壁
3,23 インク吐出孔
4,24 ノズル板
5,25 板状体
6,26 流路部材
7,27 アクチュエータ部
8a,8,8c,28a,28b,28c, 圧電セラミック層
9a,9b,9c,29a,29b,29c 略全面共通電極
10a,10b,10c,30a,30b,30c 圧電セラミック層
11a,11b,11c,31a,31b,31c 個別電極
12,32 積層型圧電素子
20,40 インクジェット記録ヘッド
Claims (1)
- 複数の隔壁によって仕切られた複数のインク室を有する流路部材と、上記各インク室内のインクを加圧するアクチュエータ部とからなるインクジェット記録ヘッドにおいて、上記アクチュエータ部は、圧電セラミック層、略全面共通電極、圧電セラミック層、上記各インク室上に位置するように配置された個別電極を順次複数層積層して一体化してなり、上記略全面共通電極と個別電極との間にある圧電セラミック層の厚み方向に分極処理を施した積層型圧電素子からなり、上記インク室に最も近い個別電極の幅を上記インク室の幅の60%〜90%とするとともに、他の個別電極の少なくとも一つの幅をインク室に最も近い個別電極の幅より大きくしたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
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