JPH0592560A - インクジエツト式印字ヘツド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数の単層圧電素子または積層圧電素子を並
列に配置し、これらの間隙に間隙形成部材を挟み込む形
で圧電変換器を構成することで、インク吐出能力を低消
費電力状態で安定して確保する。 【構成】 圧電素子３４を複数有し、各々が平行となる
ように間隙形成部材３６を介在して積層された圧電変換
器１２が、複数個のノズル開口を有するノズルプレート
に対し、インクが充された間隔を有してノズル開口と一
対一に配置されている。圧電変換器１２は、電気信号に
より伸縮し、ノズル開口近傍のインクをノズル開口より
吐出させる。

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ト
記録に係わるもので、ノズル開口に対向した圧電変換器
を電気信号により伸縮させることでインクに圧力を加
え、ノズル開口よりインク滴を吐出させて、記録紙等の
媒体上にインク像を形成するインクジェット式の印字ヘ
ッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット式印字ヘッドは、主なる
ものに３種類がある。第１のものはノズルの延長にイン
クを瞬間的に気化させるヒータを設け、気化時の膨張圧
力によりインク滴を生成、飛翔させる、いわゆるバブル
ジェット型である。また第２のものはインク溜部を形成
する容器に、信号により変形する圧電素子を設け、変形
時に生じる圧力によりインクを液滴として飛翔させるも
のである。さらに第３のものは、インク溜部内にノズル
に対向させて圧電素子を配設し、この圧電素子の伸縮に
よりノズル領域に動圧を生じさせてインク滴を飛翔させ
るものである。

【０００３】上記第３の形式のインクジェット式印字ヘ
ッドは、日本特許公報 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ともに、各ノズル開口に
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。

【０００４】この印字ヘッドは、印字信号を圧電素子に
印加して圧電素子を伸縮させ、このときに発生するイン
クの動圧によりノズルからインク滴を飛出させて印刷用
紙にドットを形成させるものである。

【０００５】このような形式の印字ヘッドにおいては、
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。

【０００６】このような問題を解消するため、日本特許
公報特開昭６３−２９５２６９号公報に示されているよ
うに、電極と圧電材料を交互にサンドイッチ状に積層し
たインクジェット式印字ヘッド用の圧電素子が提案され
ている。この圧電素子によれば電極間距離を可及的に小
さくすることができるため、駆動信号の電圧を下げるこ
とができるという効果がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記インクジェット式
印字ヘッドの圧電素子は、積層圧電素子であり、これに
より必要十分な駆動変位量およびインク吐出圧力を低電
圧で得ることが出来る。ところが、インクドット量確保
においては、ノズル開口へ対向したインクを直接加圧す
る加圧面積を大きく有することが有効であり、これを満
足させて構造化するには、前記積層圧電素子の振動部面
積（断面積）では不十分なところがある。ここで、振動
部面積増大のために、積層圧電素子の層数あるいは圧電
素子の層厚の増大を行うと、高電流、高電圧を要するこ
ととなる。また、高周波駆動では静電容量成分に比例し
た高温なる発熱、さらに、入力信号に対しては応答性の
悪化が生ずることとなる。

【０００８】そこで本発明はこの様な問題点を解決する
もので、その目的とするところは、低電流、低電圧駆動
で十分なインクの動圧を発生でき、またインクドット量
確保に十分な振動部面積を有していながら、低消費電力
で、入力信号に対する高い応答性を有する、安定したイ
ンク滴吐出の行える圧電変換器を用いたインクジェット
式印字ヘッドを得ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、インク吐出能
力を低消費電力状態で確保するという目的を、複数の単
層圧電素子および／または積層圧電素子を並列に配置
し、これら間隙に絶縁材料を挟み込む形で圧電変換器を
構成することにより、圧電素子本来の特性を損なう事な
く実現した。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明のインクジェット式印字ヘッ
ドを示すものである。図中符号２は支持板であり、イン
ク流路１と筒状連続体３とを形成している。支持板２は
剛性の高いセラミックス、金属等により造られる。支持
板２は、両端に開口２ａ、２ｂを備えており、一方の開
口２ａには弾性板４を介してノズル開口６が形成された
ノズルプレート８が接着により固定されている。また他
方の開口２ｂには後述する基板１０により固定される圧
電変換器列１２が配設されている。これら圧電変換器列
の各圧電変換器１２は、その伸縮方向をノズル開口６に
対向させて配置され、ケーブル１６、１８からの電気信
号が印加されるようになっている。

【００１１】図２は、前述の圧電変換器列を構成する圧
電変換器１２の一例で、単層の圧電素子を用いた場合を
示すものである。図中符号３４は、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の圧電素
子であり、各々が平行となるように絶縁材料である間隙
形成部材３６を介在し複数層積層されている。図中符号
３０は、それぞれの圧電素子３４の一方の電極を構成す
る導電層であり、また図中符号３２は、他方の電極を構
成する導電層である。一方の電極３０は、振動部分を制
限するため基板１０への固定部以外の自由端部（Ｆ）に
のみ形成され、その自由端先端側面に電極の端部が露出
されている。また他方の電極３２は、他方の側面にその
端部が露出されるように配設されている。圧電素子３４
間の間隙形成部材３６は、電気絶縁性、固定接着性を有
する反面、圧電素子３４の電歪特性を制止しないことを
特徴としている。例えば、厚さ３５μｍの圧電素子（ｄ
₃₁＝３００×１０^-6 m/v）を使用している場合で間隙形
成部材厚が ０.１ｍｍの時、粘弾性率が１０⁸ Ｎ/mm²以
下であることを必要とする。これは、例えばシリコーン
ゴム、天然ゴム、合成ゴム等を主成分とする接着性を有
する化合物で得ることが出来る。

【００１２】図４は、前述の圧電変換器列を構成する圧
電変換器１２の他の実施例で、積層圧電素子４６を用い
た場合を説明するものである。図３は積層圧電素子４６
の拡大図である。図３中符号４０は、それぞれ一方の電
極を構成する導電層であり、また４２は、他方の電極を
構成する導電層である。各導電層は互いに平行となるよ
うに交互に圧電材料４４、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、振動部とし
て必要な位置に電界が加えられるように、サンドイッチ
状に配置され、一方の電極４０となる導電層は一方の側
面４６ａに露出され、また他方の電極４２となる導電層
は他方の側面４６ｂに露出するように構成されている。
このような層構造は、ペースト状圧電素子材料と蒸着や
導電性塗料により成形される導電層とを、必要とする積
層数だけ繰返し積層し、これを焼成することにより板状
の積層圧電素子として得ることができる。また導電層で
ある電極を有する単層の圧電素子を接着積層することで
も板状の積層圧電素子を得ることが出来る。

【００１３】積層圧電素子４６により、駆動電圧を維持
した状態でインク吐出圧力を上げることが出来、同時に
圧電素子の座屈強度補強が行える。この積層圧電素子４
６を用い、図２と同様、図４に示すように間隙形成部材
３６を介在させ圧電変換器を形成する。

【００１４】図５は、前述の圧電変換器列を構成する圧
電変換器１２の第３の実施例で、単層圧電素子３４と積
層圧電素子４６を併用して用いた場合を示すものであ
る。用途により併用の仕方は様々考えられるが、例えば
圧電変換器のたわみ方向に負荷が心配される場合、図５
のように両端面に座屈応力に強い積層圧電素子４６を、
その間の間隙形成部材３６内部に単層圧電素子３４を使
用する。この実施例による圧電変換器は、単に金属等の
補強部材を使用した場合比べ、両端面の積層圧電素子が
内部圧電素子の補助として振動するため、強度の信頼性
を有した状態で、低消費電力にて安定駆動することが出
来る。

【００１５】図６、図７は第４、第５の実施例を示して
いる。前述の図２、図４、図５に示した実施例に対し
て、補強を目的に剛性の高いセラミックス、鉄系合金等
の材料を間隙形成部材の任意の位置に挿入することで座
屈を防止し、機械的強度を向上させる。例えば図６のよ
うに両端面に補強板７２を配設し、これと平行に単層ま
たは積層圧電素子７０を間隙形成部材３６により固着す
ることで補強効果を有する圧電変換器を構成する。ま
た、図７のように両端面と間隙形成部材内に単層または
積層の圧電素子７０を配設し、間隙形成部材内の任意の
位置に補強板７２を配設することでも補強効果を有する
圧電変換器を構成できる。これらのように補強板を挿入
する場合、補強板７２により各圧電素子７０の伸縮が抑
制されない間隔を有して間隙形成部材３６を充填するこ
とが必要である。

【００１６】図８は、圧電素子導電層の配設について考
慮した第６の実施例で、導電層として例えば銀電極を使
用した場合について説明する。銀電極は、図２のように
間隙形成部材３６を介して異なる電極３０、３２が配設
されていると、電界が加わることでマイグレーションを
起こし電気的短絡を生ずるおそれがある。そこで、図８
のように間隙形成部材３６を介して隣接する電極を同電
位電極３０（または３２）にすることで、このマイグレ
ーションを防ぐことが出来る。また、図５、図６、図７
の構造についても銀電極を使用した場合、間隙形成部材
を介して隣接する電極を同電位電極とすることが必要と
なる。しかし、この構造は電極が銀である場合に限るも
のではない。

【００１７】ここで圧電変換器１２の製造方法を説明す
る。一例として積層圧電素子４６と間隙形成部材３６と
をサンドイッチ状に複数回積層する場合を説明する。圧
電変換器１２は、製造時には圧電変換器１２の連続体で
ある一枚の板状で作製される。まず板状積層圧電素子４
６Ａは、図３の断面図に示すように活性部分として必要
な位置に電界が加えられるように、一方の電極４０と他
方の電極４２とが部分的に重なり合うように、また各々
の電極が異なる側面へと露出するように構成されてい
る。この板状積層圧電素子４６Ａを複数枚用い、圧電変
換器として活性部分が重なるように配設して間隙形成部
材３６を各間隙に挿入する。間隙形成部材としては、例
えばブチルゴム（ＩＩＲ）、エチエン・プロピレンゴム
（ＥＰＭ、ＥＰＤＭ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、イ
ソプレンゴム（ＩＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ，ＡＮ
Ｍ）、シリコンゴム、フッ素ゴム（ＦＫＭ）等ペースト
状の間隙形成部材の素材に加硫促進剤、架橋剤を混合し
たものを用いる。これを板状積層圧電素子４６Ａ間にス
クリーン印刷、ロール・コーターまたはタコ印刷等によ
り充填し、硬化させて硬化体とすることで、複数の板状
積層圧電素子４６Ａが間隙形成部材３６で固定された図
９（ａ）に示す板状サンドイッチ体を形成する。間隙形
成部材は、特に圧電素子の振動特性に対して抑止するこ
との無い剛性であることを必要としているが、間隙形成
部材材料の選定と架橋剤の選択により剛性の制御は広い
範囲で得ることが出来る。

【００１８】次に板状積層圧電素子４６Ａと間隙形成部
材３６との板状サンドイッチ体に表面電極を形成する。
板状サンドイッチ体両側面（図９（ａ）中符号Ｒ，Ｌ）
にそれぞれ異なる電極が露出しており、これを外部の電
気信号伝達リード部材と接続するため、必要な位置に表
面電極配設を行う。まず板状積層圧電素子と間隙形成部
材との板状サンドイッチ体側面を必要なる形状に切断し
揃える（図中符号Ｒ，Ｌ点線部）。そして、マスク部と
露出部とを治工具等により設けて、スパッタ、蒸着、メ
ッキ等の方法により電極（例えば図９（ｂ）図中符号６
０，６２）を形成することで図９（ｂ）に示す板状圧電
変換器が作られる。また、同製造方法にて、前記積層圧
電素子配設部位を、単層圧電素子にしたり補強板との組
合せとすることで目的に合う構造の板状圧電変換器を得
ることが出来る。

【００１９】圧電変換器周りの電極構成を図９（ｂ）を
用い説明する。外部へのリード部材と接続するための各
電極が露出している板状圧電変換器の各々の側面に、導
電材を必要な形状に蒸着や導電性塗料塗布等により、例
えば図中符号６０、６２のように成形する。そして、こ
の板状圧電変換器を基板１０の基板上電極１１と電気的
に接続するように接着や半田付け等により固定する。こ
こまでの電極形成は、板状圧電変換器のままで行う。そ
して、図９（ｂ）に示す図中符号５０の位置に、所定幅
で基板１０の表面までダイヤモンドカッタ等により板状
圧電変換器をカットすると、切削により生じたスリット
で、図２，図４，図５，図６のように相互が分離された
圧電変換器１２が複数個形成されることになる。図中符
号６０、６２は基板上電極１１と共に相互が分離された
独立した電極となる。このように成形された各圧電変換
器１２の一方の電極６０は、ここでは共通電極として使
用するため共通のリード部材を圧電変換器の活性部分外
で接続する。また他方の導電層６２には、基板１０上の
電極を介してそれぞれに独立のリード部材を接続する。

【００２０】上記製法により作製された圧電変換器列を
用いて構成された印字ヘッド（図１）は、独立のリード
部材１８と共通のリード部材１６との間に電気信号を印
加すると、独立のリード部材１６により選択的に信号が
印加された圧電変換器１２は、導電層６０、６２を介し
て圧電変換器１２内の単層圧電素子の電極を形成する導
電層３０、３２に、または積層圧電素子を形成する導電
層４０、４２に同一の電圧が同時に印加されることにな
るから、電極間の圧電素子３４、または４４が同時に伸
縮し、各層の変位が総合され自由端側が軸方向へ変位す
るようになり、圧電変換器１２の自由端は前面のインク
をノズル開口６に向けて押出すことになる。これによ
り、インクは、動圧を受けてノズル開口６に突入し、イ
ンク滴となって外部空間を飛翔し、印刷用紙にドットを
形成する。電気信号の印加がなくなると、圧電変換器１
２は元の状態に復帰し、ノズルプレート８と圧電変換器
１２の間の間隙にインクが流入して次のインク滴発生に
備えることになる。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、大きな駆動断面積を有
する、低消費電力で高いインク吐出動圧を発生する、応
答性、信頼性の高い圧電変換器が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるインクジェットヘッド
のインクを吐出させるインクジェット部の部分断面図。

【図２】本発明のヘッドに用いる圧電変換器の実施例を
説明するための斜視図。

【図３】積層圧電素子を説明するための断面図。

【図４】圧電変換器の他の実施例を説明するための斜視
図。

【図５】圧電変換器の他の実施例を説明するための斜視
図。

【図６】圧電変換器の他の実施例を説明するための斜視
図。

【図７】圧電変換器の他の実施例を説明するための斜視
図。

【図８】圧電変換器の他の実施例を説明するための斜視
図。

【図９】圧電変換器の製造方法を説明するための斜視
図。

【符号の説明】

１ インク流路 ２ 支持板 ６ ノズル開口 ８ ノズルプレート １０ 基板 １１ 基板上電極 １２ 圧電変換器 １６ 共通電極側リード線 １８ 独立電極側リード線 ３０ 共通電極側電極（単層圧電素子） ３２ 独立電極側電極（単層圧電素子） ３４ 単層圧電素子 ３６ 間隙形成部材（絶縁材料） ４０ 共通電極側電極（積層圧電素子） ４２ 独立電極側電極（積層圧電素子） ４４ 単層圧電素子（積層圧電素子内） ４６ 積層圧電素子 ６０ 圧電変換器共通電極側電極 ６２ 圧電変換器独立電極側電極 ７２ 補強板

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数個のノズル開口を有するノズルプレ
   ートに対し、インクが充された間隔を有して前記ノズル
   開口と一対一に圧電変換器が配置されており、前記圧電
   変換器が、電気信号により伸縮し、前記ノズル開口近傍
   のインクを前記ノズル開口より吐出させるインクジェッ
   ト式印字ヘッドにおいて、前記圧電変換器が、少なくと
   も２枚以上の平行配置した圧電素子の間隙を、絶縁材料
   により充填した構成を有することを特徴とするインクジ
   ェット式印字ヘッド。
2. 【請求項２】 前記圧電変換器の圧電素子が、単層圧電
   素子であることを特徴とする請求項１記載のインクジェ
   ット式印字ヘッド。
3. 【請求項３】 前記圧電変換器の圧電素子が、圧電材料
   と電極材料とを交互に複数層焼成成形もしくは接着成形
   された積層圧電素子であることを特徴とする請求項１記
   載のインクジェット式印字ヘッド。
4. 【請求項４】 前記圧電変換器の圧電素子として、単層
   圧電素子と積層圧電素子とが併用して用いられているこ
   とを特徴とする請求項１記載のインクジェット式印字ヘ
   ッド。
5. 【請求項５】 前記圧電変換器の圧電素子と平行に、剛
   性の大なる材質の補強板を圧電変換器内両端に配設して
   いることを特徴とする請求項１または２または３または
   ４記載のインクジェット式印字ヘッド。
6. 【請求項６】 前記圧電変換器の絶縁材料内に、剛性の
   大なる材質の補強板を挿入していることを特徴とする請
   求項１または２または３または４記載のインクジェット
   式印字ヘッド。