JPH03264360A - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、インクジェット記録ヘッドに関する。

［従来の技術］ ワードプロセッサ、パーソナルコンピュータ等の電子機
器の出力装置としてプリンタがあり、このプリンタに用
いられるヘッドの１つとしてインクジェット記録ヘッド
が知られている。

第９図は従来のインクジェット記録ヘッドの断面図を示
す。

同図において、支持台１１の支持部１１ａには単層の圧
電体１２の基部が取り付けられている。この圧電体１２
の上面及び下面には電極１３及び１４がそれぞれ設けら
れており、これらの圧電体１２と電極１３及び１４によ
って圧電アクチュエータ１５が構成されている。

支持台１１上にはインク室１６を内部に有するインク室
ブロック１７か設けられており、インク室１６内には、
圧電アクチュエータ１５の先端部１５ａが挿入されてい
る。

インク室ブロック１７の側面にインク室１６に連通ずる
ノズル１８を有するオリフィスプレート１９が設けられ
ており、以上でインクジェット記録ヘッドが構成される
。

外部の図示しない駆動回路から電極１３及び１４間に電
圧が印加されると圧電体１２は横方向に縮み、次に電圧
が解除されると復元する。これにより圧電アクチュエー
タ１５の先端部１５ａがインク室１６の容積を減少させ
る。インク室１６の内部のインクは、その圧縮圧を受け
て、ノズル１８から噴射され、用紙等の上に印字が行わ
れる。

［発明が解決しようとする課題］ 上述した従来のインクジェット記録ヘッドでは、圧電体
１２が単層である。このため、所定の変位量及び機械強
度を得るためには、圧電体を厚い長尺状にしかつ印加さ
れる電圧を高電圧にしなければならない。

さらにこの種の記録ヘッドを用いてマルチノズル型の記
録ヘッドを製作する場合、複数の圧電アクチュエータ１
５を、個別に支持台１１上及びインク室ブロック１７の
インク室１６に挿着しなければならず、ノズル部だけを
高密度に集積してもノズル数が増加するにつれて圧電素
子の装着が困難になり、記録ヘッド全体が大きくなり、
工程が複雑になる。

従って本発明の目的は、小型であり、低電圧で作動し、
かつ製作が容易なインクジェット記録ヘッドを提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段］ 上述の目的は本発明によれば、複数のノズルと、ノズル
にそれぞれ連通した複数のインク室と、インク室をそれ
ぞれ圧縮可能な複数の圧電アクチュエータとを備えたイ
ンクジェット記録ヘッドであって、各圧電アクチュエー
タは電極と圧電体とを交互に積層して構成されており、
電圧が印加されると電極面に平行な方向に変位する圧電
横変位効果を利用していることにより達成される。

［作用］ 電極と交互に厚さ方向に積層された圧電アクチュエータ
に電圧が印加されると圧電横変位効果により圧電体が電
極面に平行な方向に変位する。圧電アクチュエータに印
加された電圧が解除されると復元する。これによりイン
ク室が圧縮されインク室内に圧力が発生し、ノズルを介
してインクが噴射され、用紙等に印字される。

［実施例］ 以下本発明のインクジェット記録ヘッドを実施例により
詳細に説明する。

第１図は本発明のインクジェット記録ヘッドの一実施例
を示す斜視図である。

同図において、支持台２１の支持部２２に圧電アクチュ
エータ２３の基部が取り付けられており、支持台２１の
前部にはインク室ブロック２４が取り付けられている。

圧電アクチュエータ２３には、その前方に複数の（本実
施例では３つの）歯部’１３ａ　ｓ　２３ｂ　％２３ｃ
が設けられている。これらの歯部２３ａ　、　２３ｂ　
。

２３ｃは、インク室ブロック２４の３つの溝穴（２５ａ
　。

２５ｂ　、　２５ｃ　　（第３図））にそれぞれ挿入さ
れて各インク室（３ｈ　、　３０ｂ　、　３０ｃ　　（
第３図））が形成される。支持台２１及びインク室ブロ
ック２４の前面にはオリフィスプレート２６が接合され
ており、インクパス２７がインク室ブロック２４の上面
に取り付けられている。

インクパス２７には１つのインク注入孔２８が設けられ
ており、このインク注入孔２８がインク室ブロック２４
内の３つの溝穴２５ａ　ｓ　２５ｂ　ｓ　２５ｃ　％即
ち３つのインク室に連通している。３つのインク室はま
たオリフィスプレート２６の３つのノズル２９ａ１２９
ｂ　、　２９Ｃにそれぞれ連通している。

圧電アクチュエータ２３の各歯部の電極は図示しない外
部の駆動回路に接続されている。なお、駆動回路は圧電
アクチュエータ２３の上に載置されていてもよい。

インク注入孔２８から注入されたインクは各インク室に
蓄えられる。圧電アクチュエータ２３が作動すると、オ
リフィスプレート２６の３つのノズル２９１　Ｎ　２９
ｂ　％　２９Ｃからインクが噴射され、印字がなされる
。

第２図は第１図に示した圧電アクチュエータ２３の斜視
図である。

同図に示すように圧電アクチュエータ２３は、板状の導
電体層と圧電体層とを互いに交互に積層し、２つの溝が
設けられて櫛状に加工した一体構造となっており圧電効
果を利用した積層圧電横変位効果素子の一種である。

ここで圧電横変位効果を利用した圧電横変位効果素子を
複数枚積層したものを積層圧電横変位効果素子と定義す
る。圧電横変位効果とは、厚さＴの圧電体の両面に電圧
が印加されるとＰで示す如くこの厚さＴ方向に分極され
て、矢印Ｄ１、Ｄ２に示す如く電極に平行な方向、即ち
長さ方向に変位することである（第４図）。

導電体層には長さが互いに異なる２種類のものが用いら
れており、短い導電体層と長い導電体層とが交互に圧電
体層を挟んで積層されている。導電体層は２つの溝によ
って圧電体層とともに分断されるので、短い導電体層は
３つのそれぞれ独立した長尺状に分断され、長い導電体
層は櫛状に形成される。３つの独立した部分はそれぞれ
信号電極３３ｇ　、　３３ｂ　、　３３ｃとして用いら
れ、櫛状の部分は共通電極３４ｇ　、　３４ｂ　、　３
４ｃ　　（例えばＧＮＤ　（グランド）電極）として用
いられる。

各層の３つの信号電極３３ａ　ｓ　３３ｂ　ｓ　３３ｃ
は圧電アクチュエータ２３の前面において無電解メツキ
によって形成された接続層でそれぞれ歯部２３ａ　、　
２３ｂ　、　２３ｃ毎に共通に接続されている。

各層の共通電極３４ａ　ｓ　３４ｂ　％　３４ｃは圧電
アクチュエータ２３の後部において無電解メツキによっ
て形成された接続層でそれぞれ互いに共通に接続されて
いる。これら共通電極３４ａ　ｓ　３４ｂ　％　３４ｃ
と信号電極３３ａ　、　３３ｂ　、　３３ｃとは図示し
ない駆動回路に接続されている。

なお、信号電極３３ａ　、　３３ｂ　、　３３ｃの前面
には樹脂等でコーティングされていてもよい。

このような圧電アクチュエータ２３の製造方法について
説明する。

まず、圧電材としての圧電セラミック材料の粉末、有機
バインダ、可塑材などからなるグリーンシートと、互い
に長さの異なる長短２種類の導電体層とが圧電アクチュ
エータ２３の厚さになるまで夫々交互に積層される。圧
電セラミックの材料には好ましくはＰＺＴ　（ジルコン
チタン酸鉛）が用いられる。

短い導電体層の長さは歯部２３ａ　、　２３ｂ　、　２
３ｃの長さ、即ち溝の長さにほぼ等しく、歯部２３ａ　
、　２３ｂ％　２３ｃとなる部分において一端が圧電ア
クチュエータ２３の前面に露出するように積層される。

長い導電体層の長さはほぼ圧電アクチュエータ２３の長
さよりやや短く、歯部２３ａ　、　２３ｂ　％　２３ｃ
の前面には露出せず圧電アクチュエータ２３の後部には
露出するように積層される。

このグリーンシートと導電体層との積層体が焼成するこ
とにより硬化される。

次に硬化された積層体の表面に無電解メツキによる接続
層を形成する。これにより各導電体層が接続される。

次いで表面に無電解メツキされた積層体はダイシングソ
ーによって２つの溝が施され、櫛状に形成される。

なお、積層体はダイシングソーで切削加工が行われるが
レーザで加工してもよく、焼成前にプレス、射出成型等
を施してもよい。

そして櫛状に形成された積層体の表面をホトエツチング
によって両側面の接続層を除去するとともに上面及び下
面に駆動回路と各導電体層とを接続するための配線パタ
ーン３５ａ　、　３５ｂ　、　３５ｃを形成する。

このようにして形成された圧電アクチュエータ２３は、
外部の図示しない制御回路より駆動回路を介して共通電
極３４ａ　、　３４ｂ　、　３４ｃと３つのいずれかの
信号電極３３ａ　、　３３ｂ　、　３３ｃ　　（図では
信号電極３３ａ）とに信号電圧■が印加される。信号電
圧Ｖが印加されと対応する圧電アクチュエータ２３の歯
部２３ｇ　、　２３ｂ　、　２３ｃ　　（図では２３ａ
）が圧電横変位効果により図中矢印Ａ方向に変位した後
、電圧が解除されると復元するように構成されている。

なお、本実施例においては歯部の数は３つであるがこれ
に限定されるものではなく、ノズルの数と共に増減して
もよい。

第３図は第１図のインク室ブロック２４と圧電アクチュ
エータ２３との関係を説明するための説明図である。

同図において、インク室ブロック２４には３つのインク
室３Ｇａ　％　３０ｂ　Ｎ　３ｈとインク室ブロック２
４の内部で連通しているインク供給路３１とが設けられ
ている。

インク室ブロック２４の３つの溝穴２５ａ　ｓ　２５ｂ
　５２５ｃには圧電アクチュエータ２３の歯部２３ａ　
ｓ　２３ｂ　５２３ｃの先端部分がそれぞれ挿入されて
おり、これらの歯部２３ａ　％　２３ｂ　％　２３ｃと
溝穴２５！　、　２５ｂ　、　２５Ｃとオリフィスプレ
ート２６とでインク室３０ａ　、　３０ｂ　、　３０ｃ
が形成される。

なお、本実施例では圧電アクチュエータ２３の歯部２３
ａ　、　２３ｂ　、　２３ｃの先端部でインク室３（ｌ
ａ　、　３（１ｂ　ｓ　３０ｃの内壁を形成しているが
、これに限らずピストンとなる部材でインク室３０ｇ　
、　３０ｂ　、、　３０ｃの内壁を形成し、このピスト
ンを歯部２３ａ　、　２３ｂ　−２３ｃで押圧してもよ
い。

さらに、インク室３０ａ　、、　３０ｂ　％　３０ｃは
金属板のインク室ブロック２４中に設ける場合、円形以
外の形状の微小精密加工は困難である。しかし複数のノ
ズルの間隔を縮めることができないので、例えば珪酸塩
ガラスなどの感光性ガラス（例えばＨＯＹＡ感光性ガラ
スＰＥＧ３）にエツチングを施すことで形成される。

第５図は第１図に示したインクジェット記録ヘッドの組
み立てを説明する側面図である。

同図において支持台２１の支持部２２に取り付けられた
圧電アクチュエータ２３の歯部２３ａ　、　２３ｂ　、
　２３Ｃの先端がインク室ブロック２４のインク室３０
ａ１３０ｂ１３０Ｃの一内壁を構成している。インク室
ブロック２４の上にインクパス２７が接合されており、
そのインク注入孔２８はインク室３Ｑａ　ｓ　３［１１
＋　％　３０ｃに連通している。このように構成された
支持部２２とインク室ブロック２４との前面にオリフィ
スプレート２６が取り付けられる。オリフィスプレート
２６にはテーバ状のノズル２９ａ　％　２９ｂ　％　２
９ｃが設けられておりインク室３ｈ　、　３０ｂ　、　
３０ｃに連通している。

オリフィスプレート２６はエレクトロフォーミング技術
を用いることにより形成することができる。

エレクトロフォーミング技術とはメツキを利用した精密
加工技術である。第６図のエレクトロフォーミング技術
の説明図に示すようにベース部材にレジスト３２を塗布
し、ホトリソグラフィ技術によりノズルとなる部分を残
し、次にそのレジストの周辺を覆うように全体にメツキ
（例えばＮｉにッケル））を施す（同図（Ａ））。メツ
キを施した後、レジストを洗い落し、ベース部材から剥
がすことにより得られる（同図（Ｂ））。なお、Ｓｉ（
シリコン）ウェハをオリフィスプレート２６として、こ
れにエツチングを施してノズル２９を形成してもよい。

次に本実施例のインクジェット記録ヘッドの動作につい
て説明する。

駆動回路から圧電アクチュエータ２３の各信号電極３３
Ｍ　、３３ｂ　％　３３ｃに信号電圧が印加されると、
圧電体層が圧電横変位効果により電極面に平行な方向（
長さ方向）に収縮する。このときインク供給口よりイン
クが流入し、次に電圧を解除すると圧電アクチュエータ
２３ｇ元の長さに復元する。これによりあらかじめイン
ク室ブロック２４内のインク室３ｈ　、　３０ｂ　、　
３０ｃの一内壁を構成する歯部２３ａ　、　２３ｂ　、
　２３ｃが変位してインク室３０ａ　、　３０ｂ　。

３０ｃを圧縮する。

このため、インク室３ｈ　、　３（ｌｂ　、　３［１ｃ
に圧力が発生して、インク室３０ａ　％　３０ｂ　％　
３０ｃに連通するノズル２９ａ　、　２９ｂ　、　２９
ｃから噴射され印字が行われる。

なお、第２図の圧電アクチュエータ２３の横方向（同図
中矢印へ方向）の変位量△ｌは、から求めることができ
る。

この第（１）式において長さＬを１０ｍｍ、−層の厚さ
Ｔを５０μｍ１印加電圧Ｖを５０Ｖ１圧電横変位効果定
数をｄ　とすると、△ｌ　＝　３　Ｘ　１Ｇ−６ｍと１ なる。

圧電アクチュエータの歯部２３＋１とインク室３ｈの寸
法が第７図の如く設定されているとする。

同図はインク室付近を表わしている。ノズルピッチを３
００μｍ１歯部２３ａの変位を△ｌとするとインク室３
０ａの容積変位△Ｖは、５００μｍ　Ｘ　２００μｍ×
△ｌとなる。歯部２３ｇの変位△ｌを２×１０−６ｍと
するとインク室３０！の容積変位△Ｖは２×１０−１３
ｍ３　となる。

これは例えば半径２０μｍのインク球体積３．２×１０
−１４ｍ３と比較して十分大きく滴噴射可能である。つ
まり、上記の寸法をとれば、ノズルピッチは従来の１ｍ
ｍに比べて十分に小さい３００μｍ−以下にすることも
可能になり、印字を高密度化できる。

さらに圧電アクチュエータ２３の歯部２３ａ　％　２３
ｂ　５２３ｃの長さも短縮することができる。

第８図は本発明における圧電横変位効果を説明するため
の圧電横変位効果と圧電縦変位効果との比較説明図であ
る。

同図において両面に電極が設けられた厚さＴの圧電体に
電圧Ｖが印加されているとする。この場合に電極面に垂
直な方向、即ち縦方向に変位すると共に電極に平行な方
向、即ち横方向にも変位する。

横効果定数をｄ３１とすると横方向の変位量△ｌは、第
（１）式より求められ、縦効果定数をｄ３３とすると縦
方向の変位量△ｔは、 △ｔ＝ｄ３３×Ｖ・・・・・・（２） となるので寸法変位を大きくとりたい場合、圧電縦変位
効果を利用した圧電縦変位効果素子の場合は電圧■を大
きくするか、圧電体を積層するしか方法がないが、圧電
横変位効果素子の場合は圧電体素子の長さＬを長くして
、厚さＴを薄くすれば寸法変位を大きくすることができ
るという利点がある。

このように、圧電横変位効果を利用した圧電体層を積層
した圧電アクチュエータを用いることにより、圧電アク
チュエータを小型化することができ、所定の変位量及び
゛機械強度を得ることができ、個別に製作する工程が省
け、しかも低電圧で作動することができる。さらに、イ
ンク室は圧電体層アクチュエータにより個別に押圧され
るのでクロストークを回避することもできる。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明によれば複数のノズ
ルと、ノズルにそれぞれ連通した複数のインク室と、イ
ンク室をそれぞれ圧縮可能な複数の圧電アクチュエータ
とを備えたインクジェット記録ヘッドであって、各圧電
アクチュエータは電極と圧電体層とを交互に積層して構
成されており、電圧が印加されると電極面に平行な方向
に変位する圧電横変位効果を利用していることで、所定
の変位量及び機械強度が得られ、小型であり、組み立て
工程数が少なく、かつ低電圧で動作できるインクジェッ
ト記録ヘッドを製作することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のインクジェット記録ヘッドの一実施例
を示す斜視図、第２図は第１図に示した圧電アクチュエ
ータの斜視図、第３図は第１図のインク室ブロックと圧
電アクチュエータとの関係を説明するための説明図、第
４図は圧電横変位効果を説明するための説明図、第５図
は第１図に示した同記録ヘッドの組み立てを説明する側
面図、第６図はエレクトロフォーミング技術の説明図、
第７図はインク室付近を表わす図、第８図は本発明にお
いて圧電横変位効果を説明するための圧電横変位効果と
圧電縦変位効果との比較説明図、第９図はインクジェッ
ト記録ヘッドの従来例を示す断面図である。 ２１・・・・・・支持台、２２・・・・・・支持部、２
３・旧・・圧電アクチュエータ、２３ａ　ｓ　２３ｂ　
ｓ　２３ｃ・・・・・・歯部、２４・・・・・・インク
室ブロック、２ｒ’ａ　％　２５ｂ　％　２５ｃ・・・
・・・溝穴、２６・・・・・・オリフィスプレート、２
７・・・・・・インクパス、２９・・・・・・ノズル、
３０ａ　、　３０ｂ　、　３０ｃ・・・・・・インク室
、３３ｇ　、　３３ｂ　、　３３ｃｍ−−−−−信号電
極、３４ａ　、　３４ｂ　、　３４Ｃ・・・・・・共通
電極、３５ａ　ｓ　３５ｂ　ｓ　３５ｃ・・・・・・配
線バタン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数のノズルと、該ノズルにそれぞれ連通した複数のイ
   ンク室と、該インク室をそれぞれ圧縮可能な複数の圧電
   アクチュエータとを備えたインクジェット記録ヘッドで
   あって、前記各圧電アクチュエータは電極と圧電体とを
   交互に積層して構成されており、電圧が印加されると電
   極面に平行な方向に変位する圧電横変位効果を利用して
   いることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。