JPH106495A - インクジェット記録ヘッドおよび圧電部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電部材のインクチャンネル対向部を傾斜変
形させ、この変形に基づきインクチャンネル内のインク
をノズル方向に押し出してインク流れを形成することに
より、ノズルからのインク吐出効率を上げる。 【解決手段】 インクジェット記録ヘッド１において、
圧電部材１５は積層された複数の圧電体層２１からな
り、各圧電体層２１がインクチャンネル対向面とその反
対面にそれぞれ電極層３１，３２を有し、各電極層３
１，３２に挟まれた圧電体層２１の部分が分極処理され
た活性部Ｂとなっており、一端部からノズル１４に向か
う方向に関する各圧電体層２１の活性部Ｂの長さを段階
的に違えてある。したがって、電圧印加時の圧電部材１
５の変形量はノズル１４から離れるにしたがって大きく
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像信号に応じて
インクドロップを飛翔させ、記録紙等の記録媒体に付着
させて画像を記録するドロップオンデマンド（ＤＯＤ）
方式のインクジェット記録ヘッドに関する。また、本発
明は上記インクジェット記録ヘッドに用いられる圧電部
材に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、圧電部材の変形によりインク
を噴出させるようにしたインクジェット記録ヘッドが知
られている。このような圧電部材を用いたインクジェッ
ト記録ヘッドの一例を図６に示す。図６に示すように、
このインクジェット記録ヘッド５１は、樹脂や金属等か
らなるチャンネルプレート５２を備えている。チャンネ
ルプレート５２には、成型またはエッチング等の方法に
より複数の凹部が形成され、この凹部形成面を覆うよう
に樹脂や金属等の薄膜からなる隔壁５３が接着されてい
る。この隔壁５３で覆われた上記各凹部の内部にはそれ
ぞれ、インクチャンネル５５と、インク供給室５８と、
各インクチャンネル５５とインク供給室５８とを連通す
るインレット５７とが形成されている。また、インクチ
ャンネル５５の端部にそれぞれ連通する複数のノズル６
０が上記チャンネルプレート５２に形成されている。な
お、上記各インクチャンネル５５、インレット５７、お
よびノズル６０は、図６の奥行き方向（図面に垂直な方
向）に沿ってそれぞれ等ピッチで形成されている。

【０００３】上記隔壁５３の下方には、スペーサ部材６
１，６２を介して基板５４が固定されている。インクチ
ャンネル５５下方の隔壁５３と基板５４との間には、上
記隔壁５３を介して各インクチャンネル５５にそれぞれ
対向するように複数の圧電部材６３が固定されている。
圧電部材６３の上，下面には、電極層６４，６５がそれ
ぞれ形成され、これら電極層６４，６５を介して圧電部
材６３に電圧が印加されるようになっている。

【０００４】上記構成からなるインクジェット記録ヘッ
ド５１において、圧電部材６３に電圧を印加すると、図
６中に破線で示すように、圧電部材６３が厚み方向、す
なわち隔壁５３と基板５４の対向方向に急激に膨張変形
して隔壁５３をインクチャンネル５５側に押し上げる。
これにより、インクチャンネル５５内のインクが瞬間的
に加圧され、ノズル６０からインクドロップが飛翔する
ようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記圧電部材６３は、
長手方向（図６の左右方向）にわたってほぼ均一に膨張
変形し、この変形によりインクがインクチャンネル５５
の上部壁面５６に向かって一様に押し上げることにな
る。一方、ノズル１４はインクチャンネル５５の端部に
形成されているため、インクはインクチャンネル５５内
をノズル６０方向に流れてノズル６０から吐出すること
になる。このため、上記インクジェット記録ヘッド５１
では、インクチャンネル５５内におけるインクの流れる
方向と、上記圧電部材６３の変形に基づくインクの移動
方向とが直交する関係にあり、必ずしもインク吐出効率
がよいとは言えなかった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は、イン
ク吐出効率を上げることを目的としてなされたものであ
り、第１発明のインクジェット記録ヘッドでは、圧電部
材の電圧印加時の変形に基づいてインクチャンネル内に
収容されたインクを加圧しノズルからインクドロップを
飛翔させるインクジェット記録ヘッドにおいて、ノズル
から離れた部分の圧電部部材の電圧印加時の変形量が、
ノズルに近い部分の圧電部材の電圧印加時の変形量より
も大きくなるようにしたものである。

【０００７】また、第２発明の圧電部材は、複数の電極
層と圧電体層とを交互に積層してなる圧電部材であっ
て、各圧電体層には上下の電極間に電圧を印加した場合
に変形する活性部が圧電部材の一方の端部から他端に向
けて設けられ、該活性部の長さが下層よりも上層のほう
が短くなるようにしたものである。

【０００８】

【発明の作用および効果】上記第１発明のインクジェッ
ト記録ヘッドによれば、圧電部材に電圧を印加すると、
ノズルから離れた部分の圧電部材の変形量が大きくなる
ように変形する。この変形は、インクチャンネル内のイ
ンクをノズル方向に向かって押し出すように作用する。
この作用に基づきインクはインクチャンネル内をノズル
方向に流れてノズルから吐出し、インクドロップとなっ
て飛翔する。このように、インクチャンネル内のインク
についてノズル方向への流れを形成するように圧電部材
を変形させることで、インク吐出効率を上げることがで
きる。

【０００９】また、上記第２発明の圧電部材によれば、
この圧電部材に各電極層を介して電圧を印加すると、各
圧電体層の活性部がそれぞれ膨張変形する。圧電体層の
上層の活性部は、圧電部材の一端部からの長さが下層よ
りも短くしてある。そのため、上記圧電部材では下層に
なるほど活性部の積層数が多くなり、その分、各活性部
の変形の累積である圧電部材の変形量も大きくなる。こ
れにより、圧電部材は、一方の端部から他端に近づくに
したがって変形量が大きくなるような変形をする。この
ため、上記圧電部材をインクジェット記録ヘッドのイン
ク加圧手段として用いた場合、変形量の大きい部分がノ
ズルから離れるように圧電部材を配置することにより、
圧電部材の変形に基づきインクチャンネル内のインクに
ノズル方向へ向かう流れを形成することができ、インク
吐出効率を上げることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面を参照して説明する。図１，２は、本発明にかかる
圧電部材を用いたインクジェット記録ヘッド１を示した
ものである。このインクジェット記録ヘッド１は、第１
ヘッド部１０と第２ヘッド部２０を有している。この第
１，第２ヘッド部１０，２０は、チャンネルプレート
２、隔壁３、および基板４によって一体的に形成され、
上記ヘッド１の中央断面Ｘに関して対称に構成されてい
るため、以下、第１ヘッド部１０を主として説明する。

【００１１】上記チャンネルプレート２は樹脂、金属等
の平板からなり、その下面には一体成型、エッチング、
フォトリソグラフィや電鋳などの微細加工などによって
複数の凹部が形成されている。また、上記隔壁３は金
属、樹脂等の薄膜からなり、チャンネルプレート２の凹
部形成面を覆うように接着されている。この隔壁３で覆
われたチャンネルプレート２の各凹部の内部がそれぞれ
インクチャンネル１１、インレット１２、インク供給室
１３となっている。

【００１２】上記複数のインクチャンネル１１は等ピッ
チで平行に配置されている。各インクチャンネル１１に
は、それぞれ対応するインレット１２を介してインク供
給室１３からインクが収容されるようになっている。ま
た、チャンネルプレート２には、各インクチャンネル１
１の端部近傍にそれぞれ連通する複数のノズル１４が１
つの直線上に形成されている。このノズル１４はインク
チャンネル１１側が大径で、外部に面した吐出側が小径
となったテーパ状円形断面を有している。

【００１３】上記チャンネルプレート２と隔壁３とは、
スペーサ部材６，７，８を介して、セラミック等の高剛
性材料からなる基板４に固定されている。この基板４上
には、隔壁３を介してそれぞれインクチャンネル１１に
対向するように配置された複数の圧電部材１５が固定さ
れている。圧電部材１５は、電圧印加時の変形に基づき
隔壁３を介してインクチャンネル１１内のインクを加圧
し、ノズル１４からインクドロップを飛翔させる加圧手
段である。

【００１４】上記圧電部材１５は、図３に示すように、
例えばジルコン酸鉛やチタン酸鉛などの圧電材料からな
る複数の圧電体層２１をインクチャンネル１１対向方向
（矢印Ａ方向）に積層して構成され、インクチャンネル
１１よりも長さと幅が少し小さい直方体に形成されてい
る。

【００１５】各圧電体層２１は、インクチャンネル１１
に対向する面とその反対側の面に第１の電極層３１と第
２の電極層３２とをそれぞれ有している。第２の電極層
３２は、圧電部材１５のノズル１４側の側面２６に設け
た第２の共通電極２７からそれぞれ延び、その先端部が
圧電部材１５のノズルから離れた方の側面２２の近傍に
位置するように同じ長さにそれぞれ形成されており、第
２の共通電極２７を介してアースに接続されている。他
方、各第１の電極層３１は、圧電部材１５の側面２２に
設けた第１の共通電極２４から延びており、第１の共通
電極２４を介してドライバ２３にそれぞれ接続されてい
る。そして、第１と第２の電極層３１，３２に挟まれた
各圧電層２１の部分が、後述するように分極処理された
活性部となっている。

【００１６】各圧電体層２１のインクチャンネル側の面
であって第１の電極層３１の延長線上には、電極層が形
成されていない分断領域３４を挟んでダミー電極層３５
（図３において一点鎖線で示す。）がそれぞれ形成され
ている。また、各第１の電極層３１の長さは、分断領域
３４の位置を変えることによって、圧電部材１５の下部
から上部に向かって段階的に短くなるように形成されて
いる。第１の電極層３１の長さをこのように形成するこ
とで、図３において斜線領域Ｂで示すように、第２の電
極層３２の先端を基準位置として、この基準位置からノ
ズル１４に向かう方向に関する各圧電体層２１の活性部
の長さを、インクチャンネル１１に向かう方向に沿って
段階的に短くなるように違えてある。

【００１７】上記構成を有する圧電部材１５は、例えば
つぎのようにして形成される。まず、グリーンシート法
により基板４上に第１層目の圧電体層２１を形成し、そ
の表面にスパッタリング法やめっき法などで金属薄膜を
付着させて第２の電極層３２を形成する。つぎに、その
上部に同様の方法によって２層目の圧電体層２１を積層
し、この第２層目の表面に上記方法により第１の電極層
３１を形成するが、その表面の一部にマスクをしておく
ことにより、金属薄膜が付着しない分断領域３４と、こ
の領域の存在によって第１の電極層３１と導通しないダ
ミー電極層３５とが第１の電極層３１と同時に形成され
る。このような工程を順次繰り返すことで圧電部材１５
が形成されるが、第１の電極層３１を形成する際のマス
ク位置をノズル１４から離れる方向に少しづつずらすこ
とで、各第１の電極層３１の長さが段階的に短くなるよ
うに形成される。

【００１８】圧電体層２１を積層し、さらに焼成し終わ
った後に、圧電部材１５の両側面２２，２６に導電性接
着層または金属薄膜などにより第１と第２の共通電極２
４，２７をそれぞれ設ける。そして、第１と第２の共通
電極２４，２７を介して各電極層３１，３２に高温下で
高電圧を印加すると、各圧電体層２１の各電極層３１，
３２に挟まれた部分のみが分極処理され、上記のように
長さが異なる活性部がそれぞれ形成される。なお、第１
の電極層３１を挟む２つの圧電体層２１の活性部は互い
に相反する方向に分極処理されるが、ドライバ２３によ
って第１の電極層３１に電圧を印加したとき、各活性部
には互いに逆方向に電界が生じるので、いずれの活性部
も上下方向に膨張変形し、結果的に各活性部がインクチ
ャンネル１１に向かう方向に膨張変形することになる。

【００１９】第１ヘッド部１０は、以上の構成を有して
いる。他方、第２ヘッド部２０のインクチャンネル１
１、インレット１２、および圧電部材１５も第１ヘッド
部１０のものとそれぞれ同一サイズに形成されている。
また、ノズル１４も同一径に形成してある。インクチャ
ンネル１１、インレット１２、圧電部材１５、ノズル１
４等の大きさを各ヘッド部ごとに異ならせて、各ヘッド
部から異なる径のインクドロップを吐出するようにして
もよい。

【００２０】つぎに、上記構成からなるインクジェット
記録ヘッド１の圧電部材１５の駆動方法とインク吐出動
作について説明する。上記各インクチャンネル１１に
は、インク供給室１３からインレット１２を介して供給
されたインクが収容されている。この状態でドライバ２
３によって第１の共通電極２４に電圧が印加されると、
第１と第２の電極３１，３２間に電界が形成され、この
電界に基づき各圧電体層２１の活性部が矢印Ａ方向に瞬
時に膨張変形する。

【００２１】このように変形する各活性部の積層数は、
圧電部材１５のノズル１４に近い領域では少なく、ノズ
ル１４から離れた領域ほど多くなるように構成されてい
る。圧電部材１５の変形は各圧電体層２１の変形の累積
として現れるため、図３において点線で示すように、ノ
ズル１４から離れるにしたがってその変形量が連続的に
大きくなり、圧電部材１５の上部はノズル１４から離れ
る方向に向かって上るように傾斜した変形を示す。

【００２２】この傾斜変形によって隔壁３がインクチャ
ンネル１１内に瞬間的に押し込まれる。これにより、イ
ンクチャンネル１１内のインクが矢印Ｃ方向に押し出さ
れ、ノズル１４に向かって流れてノズル１４から吐出
し、インクドロップとなって飛翔する。

【００２３】このように、上記圧電部材１５によれば、
その傾斜変形に基づきインクを押し出す方向とインクチ
ャンネル１１内のインクの流れる方向とをほぼ一致させ
ることで、インク吐出効率を上げることができる。

【００２４】また、ノズル１４から離れた部分の圧電部
材１５の変形量をノズル１４に近い部分の圧電部材１５
の変形量より大きくしたことにより、ノズル１４から離
れた部分で発生した圧力波とノズル１４に近い部分で発
生した圧力波との重なりを大きくすることができる。こ
れにより、圧力波のピークをインクドロップのと吐出時
に集中させることができ、インクドロップの吐出効率が
向上する。さらに、ノズル１４に近い部分の圧電部材１
５の変形量が相対的に小さいために、圧電部分１５の振
動がノズル１４に直接伝わるのが抑制され、インク吐出
方向の精度向上にも有利である。さらにまた、圧電部材
１５は長手方向に沿って徐々に大きくなるように、すな
わち傾斜変形するようにしてあるので、安定したインク
吐出動作を確保するのに有利である。

【００２５】また、図４に示すように、ノズル中心軸Ｙ
が圧電部材１５の上部と平行になるようにノズル１４を
配置すれば、圧電部材１５の傾斜変形によって生じたイ
ンクチャンネル１１内のインクの流れ方向と、インクド
ロップ吐出方向とがより正確に一致するので、インク吐
出効率を一層向上させることができる。

【００２６】さらに、上記圧電部材１５では、それぞれ
の第１の電極層３１の先端がほぼ１つの直線にのるよう
に各電極３１の長さが設定されているため、電圧印加時
の圧電部材１５の上部もほぼ平面状に傾斜変形するが、
図５において２点鎖線で示すように、第１の電極層３１
の先端をつなぐ線Ｚが曲線となるように各電極層３１の
長さを設定した圧電部材４０によれば、各共通電極２
４，２７間に電圧を印加したとき、圧電部材４０の上部
はノズル１４方向に傾斜するとともに、インクチャンネ
ル１１側に凸状に湾曲した曲面状に変形させることがで
きる。

【００２７】なお、上記圧電部材１５，４０は、上下反
転させて配置してもよいし、第１の共通電極２４をアー
スに接続するとともに第２の共通電極２７に電圧を印加
するようにしてもよい。これらいずれの場合にも、上記
と同様の傾斜変形を得ることができる。また、上記各圧
電部材１５，４０では、ダミー電極層３５を設けなくて
も同様の効果を達成できるが、このダミー電極層３５が
ないと圧電部材１５，４０の厚みがその分薄くなるた
め、これを回避するためダミー電極層３５を形成するの
が好ましい。

【００２８】また、上記インクジェット記録ヘッド１で
は、隔壁３により圧電部材１５をインクチャンネル１１
から隔離したが、圧電部材１５等の表面に防湿コートを
施してインクチャンネル１１に直接臨ませるようにして
もよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明にかかる圧電部材を用いたインクジェ
ット記録ヘッドの平面図である。

【図２】 図１に示すヘッドのII−II線断面図である。

【図３】 本実施形態にかかる圧電部材の側面図であ
る。

【図４】 ノズル位置の変形例を示す図である。

【図５】 圧電部材の変形例を示す側面図である。

【図６】 圧電部材を用いた従来のインクジェット記録
ヘッドの一例を示す断面図である。

【符号の説明】 １…インクジェット記録ヘッド、２…チャンネルプレー
ト、３…隔壁、４…基板、１１…インクチャンネル、１
４…ノズル、１５，４０…圧電部材、２１…圧電体層、
３１…第１の電極層、３２…第２の電極層、Ｂ…各圧電
体層の活性部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電部材の電圧印加時の変形に基づいて
   インクチャンネル内に収容されたインクを加圧しノズル
   からインクドロップを飛翔させるインクジェット記録ヘ
   ッドにおいて、 ノズルから離れた部分の圧電部材の電圧印加時の変形量
   が、ノズルに近い部分の圧電部材の電圧印加時の変形量
   よりも大きくなるようにしたインクジェット記録ヘッ
   ド。
2. 【請求項２】 複数の電極層と圧電体層とを交互に積層
   してなる圧電部材であって、各圧電体層には上下の電極
   間に電圧を印加した場合に変形する活性部が圧電部材の
   一方の端部から他端に向けて設けられ、該活性部の長さ
   が下層よりも上層のほうが短くしてあることを特徴とす
   る圧電部材。