JPH05198861A - 積層形圧電変位素子及びインクジェット式印字ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低電圧で必要な変位量が得られ、歪が少な
く、またそのため内部層と最外層との境目での電極のは
がれが起きにくい積層形圧電変位素子を提供する。 【構成】 一方の電極を構成する導電層１と、他方の電
極を構成する導電層２とが互いに平行になるように交互
に圧電体３をサンドイッチ状に配設する。各導電層１、
２にはさまれた部位が活性部６であり、はさまれない部
位５、５ａが活性部である。最外層４にも電界が加わる
ように、導電層１、２と平行に最外電極１０ｂ、１０ａ
を最外層端面に構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インクジェットプリン
ターの印字ヘッドなどに用いられる積層形圧電変位素子
およびそれを用いたインクジェット印字ヘッドに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のインクジェット式印字ヘッドは、
特公昭６０−８９５３号公報に示されたように、インク
タンクを構成する容器の壁面に複数のノズル開口を形成
すると共に、各ノズル開口と対向するように伸縮方向を
一致させて圧電素子を配設して構成されている。この印
字ヘッドは、駆動信号を圧電素子に印加して圧電素子を
伸縮させ、この時に発生するインクの動圧によりインク
滴をノズル開口から吐出させて印刷用紙にドットを形成
するものである。

【０００３】このような形式の印字ヘッドに於いては、
液滴の形成効率や飛翔力が大きいことが望ましい。しか
しながら、圧電素子の単位長さ、及び単位電圧当りの伸
縮率は極めて小さいため、印字に要求される飛翔力を得
るには高い電圧を印加することが必要となり、駆動回路
や電気絶縁対策が複雑化するという問題がある。

【０００４】このような問題を解決するため、特開昭６
３−２９５２６９号公報に示されているように、電極と
圧電材料とを交互にサンドイッチ状に積層したインクジ
ェット印字ヘッド用の積層形圧電変位素子が提案されて
いる。この積層形圧電変位素子によれば電極間距離を可
及的に小さくすることが出来るため、駆動信号の電圧を
下げることが出来るという効果がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな積層形圧電変位素子は小型に成形することが困難で
あり、その用途が限定されるという問題がある。

【０００６】本発明の目的は、動作効率が高く、信頼性
の高い積層形圧電変位素子を提供すること及び、圧電素
子を容易に小型化することのできるインクジェット式印
字ヘッドを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】圧電体と電極とが交互に
積層された積層形圧電変位素子であって、最外層にも電
界が加わるように、内部電極と平行に最外層端面にも電
極を構成したことを特徴とする。

【０００８】ノズル開口に対応させて圧電素子が配置さ
れ、圧電素子への駆動信号によりインクがノズル開口か
ら外部に放出されるようにしたインクジェット式印字ヘ
ッドにおいて、前記圧電素子が少なくとも圧電体と電極
とが交互に積層された積層形圧電変位素子であって、最
外層にも電界が加わるように、内部電極と平行に最外層
端面にも電極を構成したことを特徴とする。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明の積層形圧電変位素子の一実
施例を示す斜視図である。図中１は、それぞれ一方の電
極を構成する導電層である。２は、他方の電極を構成す
る導電層で、各導電層は互いに平行となるように交互に
圧電体３例えばチタン酸・ジルコン酸鉛系複合ペロブス
カイトセラミックス内にサンドイッチ状に配置されてい
る。この導電層１、２に挟まれている部位が内部層であ
る。９０はダミー電極層であり、積層形圧電変位素子を
変位させる電界を発生させることはなく、積層形圧電変
位素子を製造するときに、活性部６と不活性部５の層数
を同じにし、反りなどの歪みを防止するために必要であ
る。また、一方の電極となる導電層１およびダミー電極
層９０は最外電極１０ａにつながっていて、他方の電極
となる導電層２は他方の最外電極１０ｂにつながるよう
に構成されている。最外電極１０ａ、１０ｂが正または
負となり、それにともなって導電層１、２は電気的に並
列となる。不活性部５は固定するときに必要であり、そ
の長さは固定条件によって決まる。活性部６は電界が加
わり実際に変位方向の端面７方向に変位をする部位であ
る。不活性部５ａは導電層１と最外電極１０ｂがつなが
らないようにするために必要である。

【００１０】少なくとも活性部６で最外層４が、最外電
極１０ａと導電層２もしくは最外電極１０ｂと導電層１
に挟まれるように構成されている。このため最外層にも
電界が加わり最外層も変位をするので、低電圧で必要な
変位量が得られ、歪の少ない変位が得られ、またそのた
め最外層と内部層との境目でのはがれも生じにくくな
る。

【００１１】図１では積層数が奇数であるために、最外
層４は最外電極１０ａと導電層２もしくは最外電極１０
ｂと導電層１に挟まれるように構成した。しかし図２の
ように積層数が偶数となると、少なくとも活性部６で両
最外層４が、最外電極１０ｂと導電層２に挟まれるよう
に構成することができる。同様に層数によって、両最外
層４が、最外電極１０ａと導電層１に挟まれるように構
成することもできる。最外電極１０ａ、１０ｂは金や銅
などを蒸着などにより形成したもので、導通も良く加工
時の欠けも少なく、高密度化のために薄く切断すること
が可能になる。最外電極１０ａ、１０ｂをメッキなど厚
いものにより形成すると、切断加工時に引きずられて欠
けたりバリが出ることが多かった。積層形圧電変位素子
との密着力を上げるために、まずニッケル・クロムを約
０．１２５μｍ蒸着し、その上にシート抵抗が１Ω以下
になるだけの金を蒸着する。銅の蒸着には、ニッケル・
クロムの代わりにクロムを用いる。金及び銅の厚みは、
抵抗値を下げるためにあまり厚くすると、メッキなどと
同様に加工時の欠けやバリが多くなった。約０．５μｍ
位が適当と思われる。

【００１２】図３（ａ）のように、このような積層形圧
電変位素子ブロック２０を基台８と接着する。こうして
接合した積層形圧電変位素子ブロック２０を所定の幅で
切断し、一定間隔で配列して図３（ｂ）のように積層形
圧電変位素子列２１を構成する。そして、最外電極１０
ａには独立のリード部材３２を接続し、最外電極１０ｂ
には共通のリード部材３１を接続する。なお、この図４
（ａ）で独立のリード部材３２は最外電極１０ａに直接
接合されているが、基台８に配線をし、積層形圧電変位
素子ブロック２０と基台８の間の接着剤に導電性の物を
用いたり、接着剤を薄くして圧着し導通が取れるように
すれば、独立のリード部材３２は基台８と接合すればよ
く、積層形圧電変位素子と直接接合しようとして積層形
圧電変位素子を倒したり傷を付けたりすることもなく、
作業性も大変よくなった。また最外電極１０ｂは最外層
端面に電極がなければ、変位方向の端面７に共通のリー
ド部材３１を接続することになる。この変位方向の端面
７には図６のようにバネ板材４５が接着されるところで
あり、リード部材３１を接続するのに適していない。さ
らに言うならば、積層形圧電変位素子が実際に変位をす
る活性部６に共通のリード部材を接続すると、変位を阻
害するために接続には適していない。これを逃れるため
に、最外電極１０ｂを不活性部５の部分まで延ばし、不
活性部５で接続を行う。

【００１３】図４を用いて積層形圧電変位素子の動作を
説明する。図４（ａ）のように充電のスイッチ６１を入
れると、活性部６の導電層１、２間、最外電極１０ａと
導電層２の間、最外電極１０ｂと導電層１の間それぞれ
に電界が加わる。すると、活性部６の圧電体３が矢印５
１の方向に縮む。図４（ｂ）のように放電のスイッチ６
２を入れると、電極間の電界が解除され活性部６の圧電
体３は矢印５２の方向に伸び、電界を加える前の長さに
戻る。

【００１４】一方、最外層端面に最外電極が構成されて
いない場合を図５を用いて説明する。図５（ａ）のよう
に導電層７１、７２が平行になるように交互に圧電体７
３内にサンドイッチ状に配置されているのは、同様であ
る。しかし、最外電極８０（ａ）、８０（ｂ）は最外層
端面には構成されていない。

【００１５】このような積層形圧電変位素子に電圧を印
加すると、図５（ｂ）のように導電層７１、７２に挟ま
れた圧電体７３は矢印９１の方向に縮むが、最外層は電
界が加わっていないので引きずられるだけで変位形は歪
んだ形となる。このように歪んだ変位をすると、変位方
向の端面７とバネ板材４５（図６）の間の接着力が弱り
はがれてしまったり、最外層と内部層との境目の電極で
はがれが生じたりする。

【００１６】前記積層形圧電変位素子を図６（ａ）に示
すインクジェット記録装置であるカイザータイプの積層
形圧電変位素子縦振動型ヘッドに適用した場合、低電圧
で必要な変位量が得られ、また歪の少ない変位を得るこ
とができる。そこで、図６（ａ）を平面Ａで切りＺ方向
から見た場合の駆動部の拡大図を図６（ｂ）に示し、ノ
ズル開口部４４からインク滴が吐出するまでの過程を説
明する。

【００１７】図６（ｂ）において、ドットを形成すべき
ノズルプレート４４ａに形成されたノズル開口部に対向
する積層形圧電変位素子４１に電圧を印加すると、積層
圧電変位素子４１が弾性に富むバネ板材４５を変形しな
がら伸長して、積層形圧電変位素子の対向面に配置した
隔壁４２と隔壁中のインク４３を押し出し、ノズル開口
部からインク滴として吐出させることができる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明してきたように、圧電材料と導
電材料をそれぞれに交互に層状に積層した圧電素子の、
内部電極と平行に最外層端面にも電極を構成することに
より、最外層にも電界が加わるので、低電圧で必要な変
位量が得られ、歪の少ない変位が得られ、またそのため
最外層と内部層との境目でのはがれも生じにくくなっ
た。

【００１９】圧電材料と導電材料をそれぞれに交互に層
状に積層した圧電素子を、一端を基台に固定し、また他
端を自由端としてノズル開口に対応させて配置すると共
に、内部電極と平行に最外層端面にも電極を構成するこ
とにより、最外層にも電界が加わるので、低電圧で必要
な変位量が得られ、歪の少ない変位が得られ、またその
ため最外層と内部層との境目でのはがれも生じにくく、
さらには、リード部材のとりまわしが容易になり、変位
を阻害せずに接続ができる上に、作業性がよくなったた
め、インクジェット式印字ヘッド内に配置するのに好適
な圧電素子列が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の積層形圧電変位素子の一実施
例を示す斜視図。

【図２】図２は、本発明の積層形圧電変位素子の他の実
施例を示す斜視図。

【図３】（ａ）は、図１の層構造を持つ積層形圧電変位
素子ブロックの固定構造の一実施例を示す斜視図。
（ｂ）は、図３（ａ）の積層形圧電変位素子ブロックを
切断した積層形圧電変位素子列とリード部材を示す部分
斜視図。

【図４】（ａ）乃至（ｂ）は、図１の層構造を持つ積層
形圧電変位素子の動作の説明図。

【図５】（ａ）は、最外層端面に電極が構成されていな
い積層形圧電変位素子の一実施例を示す斜視図。（ｂ）
は、最外層端面に電極が構成されていない積層形圧電変
位素子の動作の説明図。

【図６】（ａ）は、図１の層構造を持つ積層形圧電変位
素子を使ったカイザータイプの積層形圧電変位素子縦振
動型のインクジェットヘッド部を表した構造図。（ｂ）
は、図６（ａ）のカイザータイプの積層形圧電変位素子
縦振動型のインクジェットヘッド構造図を平面Ａで切り
Ｚ方向から見たときの駆動部拡大図。

【符号の説明】

１ ・・・・ 一方の電極を構成する導電層 ２ ・・・・ 他方の電極を構成する導電層 ３ ・・・・ 圧電体 ４ ・・・・ 最外層 ５ ・・・・ 不活性部 ５ａ・・・・ 不活性部 ６ ・・・・ 活性部 ７ ・・・・ 変位方向の端面 ８ ・・・・ 基台 １０ａ・・・・ 最外電極 １０ｂ・・・・ 最外電極 ２０ ・・・・ 積層形圧電変位素子ブロック ２１ ・・・・ 積層形圧電変位素子列 ３１ ・・・・ 共通のリード部材 ３２ ・・・・ 独立のリード部材 ４１ ・・・・ 積層形圧電変位素子 ４２ ・・・・ 隔壁 ４３ ・・・・ インク ４４ ・・・・ ノズル開口部 ４４ａ・・・・ ノズルプレート ４５ ・・・・ バネ板材 ５１ ・・・・ 矢印 ５２ ・・・・ 矢印 ６１ ・・・・ 充電のスイッチ ６２ ・・・・ 放電のスイッチ ７１ ・・・・ 導電層 ７２ ・・・・ 導電層 ７３ ・・・・ 圧電体 ７４ ・・・・ 最外層 ８０ａ・・・・ 最外電極 ８０ｂ・・・・ 最外電極 ９０ ・・・・ ダミー電極層

フロントページの続き (72)発明者 金谷 宗秀 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも圧電体と電極とが交互に積
   層された積層形圧電変位素子であって、最外層にも電界
   が加わるように、内部電極と平行に最外層端面にも電極
   を構成したことを特徴とする積層形圧電変位素子。
2. 【請求項２】 ノズル開口に対応させて圧電素子が配
   置され、圧電素子への駆動信号によりインクがノズル開
   口から外部に放出されるようにしたインクジェット式印
   字ヘッドにおいて、前記圧電素子が少なくとも圧電体と
   電極とが交互に積層された積層形圧電変位素子であっ
   て、最外層にも電界が加わるように、内部電極と平行に
   最外層端面にも電極を構成したことを特徴とするインク
   ジェット式印字ヘッド。