JPH1134321A

JPH1134321A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JPH1134321A
Application number: JP9192759A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Fujishima; 正之藤島; Masakatsu Hayashi; 政克林; Seiji Tsuji; 辻　　清治; Junko Yamada; 順子山田; Masatake Hayashi; 昌毅林; Naomi Nakayama; 尚美中山; Kenichi Satake; 健一佐武; Koichi Baba; 弘一馬場; Seiji Hata; 誠治畑
Original assignee: Mita Industrial Co Ltd
Current assignee: Kyocera Mita Industrial Co Ltd
Priority date: 1997-07-17
Filing date: 1997-07-17
Publication date: 1999-02-09

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の加圧室１０ａに対応させて圧電膜１２
に形成した各圧電駆動領域１２ａがいずれも撓み変形特
性にすぐれており、撓み変形の効率の低下や撓み変形量
のばらつきなどを生じるおそれのないインクジェットヘ
ッド１を提供する。【解決手段】圧電駆動領域１２ａを、圧電膜１２と平
行な面方向において、対応する加圧室１０ａよりも小さ
く形成し、かつ上記面方向において、加圧室１０ａの周
縁との間に、その全周にわたって間隔を設けて配置し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェットプ
リンタ用のインクジェットヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】いわゆるオンデマンド方式のインクジェ
ットプリンタにおいて、インク滴の吐出に用いられる従
来のインクジェットヘッド９は、たとえば図３に示すよ
うに、複数の加圧室９０ａが配列された基板９０の、各
加圧室９０ａ個々の直上にそれぞれ、少なくともその上
面が導電性とされた振動板９１を介して、各加圧室９０
ａごとに独立した圧電膜９２と上部電極９３とをこの順
に積層して構成されている。

【０００３】上記のインクジェットヘッド９において
は、振動板９１の、導電性とされた上面を下部電極とし
て、この下部電極と、複数あるうちの任意の位置の上部
電極９３との間に、印刷のデータに応じた電界を印加す
ると、両電極間の圧電膜９２が撓んで、振動板９１を介
して直下の加圧室９０ａが加圧される。そして上記の加
圧により、当該加圧室９０ａ中にあらかじめ充てんされ
ているインクの所定量が、連通されたノズル９０ｂか
ら、インク滴として吐出され、この繰り返しによって印
刷が行われる。

【０００４】上記のインクジェットヘッドに用いられる
圧電膜としては通常、たとえばジルコン酸チタン酸鉛
（ＰＺＴ）などの圧電材料の焼結体を薄板状に研磨した
チップが用いられる。そしてこのチップを、振動板９１
上の、各加圧室９０ａの直上の位置に接着して圧電膜を
形成している。しかし上記の構成では、最近の、インク
ジェットプリンタの多色化や高画質化にともなうインク
ジェットヘッドのノズル数の増加、ひいては基板上の加
圧室数の増加とその高密度化に、十分に対応しきれなく
なりつつあるのが現状である。

【０００５】すなわち、加圧室数の増加に伴ってチップ
数と、その貼りつけの工数とが増加するため、貼りつけ
などの作業時間が長くなって生産性が低下したり、ある
いはとくに、高い生産性を維持するために作業を高速化
して作業時間を短くした際などに、チップの位置ずれや
割れ、貼りわすれなどの不良が発生して、製品の歩留り
が低下したりするといった問題が生じる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで近時、圧電膜
を、基板上の全ての加圧室を覆う大きさに連続形成し、
その上の上部電極のみ、各加圧室ごとに分離形成するこ
とで、圧電膜に、各加圧室ごとの複数の圧電駆動領域を
形成して、当該圧電膜を、各圧電駆動領域ごと、つまり
各加圧室ごとに、電界の印加によって撓ませるようにし
たインクジェットヘッドについて検討が行われている。

【０００７】かかる構成によれば、ノズルの数や密度に
関係なく、たとえば１枚のチップなどで圧電膜を形成で
きるので、前記のような問題を生じることがなく、作業
性が向上して、インクジェットヘッドのさらなる多ノズ
ル化、高密度化および微細化が可能になるものと期待さ
れている。ところが、上記のインクジェットヘッドを実
用化すべく、その具体的な構成について発明者らがさら
に検討したところ、圧電膜の、各圧電駆動領域における
撓み変形の効率が著しく低下したり、あるいは撓み変形
の量にばらつきが生じたりするなど、各圧電駆動領域の
撓み変形特性に問題を生じるおそれのあることが明らか
となった。

【０００８】本発明の目的は、複数の加圧室に対応させ
て圧電膜に形成した各圧電駆動領域がいずれも撓み変形
特性にすぐれており、撓み変形の効率の低下や撓み変形
量のばらつきなどを生じるおそれのないインクジェット
ヘッドを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、発明者らは、圧電膜の撓み変形と、インクジェット
ヘッドの構造との関係についてさらに検討した。その結
果、各加圧室に対する圧電駆動領域の大きさと位置の関
係が、圧電膜の撓み変形特性を大きく左右することを見
出した。

【００１０】すなわち、圧電膜と平行な面方向におい
て、圧電駆動領域が加圧室よりも大きかったり、あるい
は圧電駆動領域が加圧室外に少しでもはみ出したりし
て、当該圧電駆動領域と、基板の、加圧室を囲む周囲の
部分（加圧室間のリブや基板の周縁部など）とが、上記
面方向において互いに重なりあった場合には、この重な
った部分で圧電膜の撓み変形が妨げられるために、印加
した電界の強度にみあう撓み変形量がえられず、撓み変
形の効率が低下してしまう。

【００１１】また、上記圧電駆動領域と基板との重なり
の程度、つまり重なり量や重なりの形状が異なることに
よって、圧電膜の、撓み変形が妨げられる度合いが異な
るために、撓み変形量がばらついてしまう。そこで発明
者らは、圧電駆動領域を、基板の、加圧室を囲む周囲の
部分と重ならないように形成することを検討した結果、
本発明を完成するに至った。

【００１２】すなわち本発明のインクジェットヘッド
は、複数の加圧室が配列された基板上に、振動板を介し
て、２か所以上の加圧室を覆う大きさに連続形成された
圧電膜が設けられているとともに、この圧電膜を上下か
ら挟む上部および下部の電極のうちの少なくとも一方
を、各加圧室ごとに分離形成することで、当該圧電膜
に、各加圧室ごとの複数の圧電駆動領域が形成されたも
のであって、上記各圧電駆動領域を、圧電膜と平行な面
方向において、対応する加圧室よりも小さく形成し、か
つ上記面方向において、加圧室の周縁との間に、その全
周にわたって間隔を設けて配置したことを特徴としてい
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に本発明のインクジェットヘ
ッドを、その実施の形態の一例を示す図１(a)(b)および
図２を参照しつつ説明する。図の例のインクジェットヘ
ッド１は、複数の矩形状の加圧室１０ａが配列された基
板１０上に、少なくともその上面が下部電極として機能
するように導電性とされた振動板１１を介して、当該基
板１０上の全ての加圧室１０ａを覆う大きさに連続形成
された圧電膜１２と、各加圧室１０ａごとに分離形成さ
れた、これも矩形状の上部電極１３とをこの順に積層し
て、当該圧電膜１２に、上記上部電極１３の寸法、形状
に対応した、各加圧室１０ａごとの複数の圧電駆動領域
１２ａを形成したものである。また基板１０の下面に
は、各加圧室１０ａと連通させて、インク滴吐出のため
のノズル１０ｂが設けられている。

【００１４】上記のうち圧電駆動領域１２ａは、本発明
では、圧電膜１２と平行な面方向において、対応する加
圧室１０ａよりも小さく形成されているとともに、上記
面方向において、加圧室１０ａの周縁との間に、その全
周にわたって間隔を設けて配置されている必要がある。
この理由は前述したとおりである。上記両者の、大きさ
の比率についてはとくに限定されないが、圧電駆動領域
１２ａの縦および横の寸法Ｗ１、Ｗ３がそれぞれ、下記
式(i)(ii) に示すように、対応する加圧室１０ａの縦お
よび横の寸法Ｗ２、Ｗ４の０．９倍以下であるのが好ま
しい。

【００１５】Ｗ１／Ｗ２≦０．９（ｉ）Ｗ３／Ｗ４≦０．９（ii）寸法比が上記の範囲を超えた場合には、圧電駆動領域１
２ａの、加圧室１０ａを囲む周囲の部分（たとえばリブ
１０ｃなど）との間隔が小さくなって、これらの部分の
影響により、電界の印加による撓み変形の効率が低下す
るおそれがある。

【００１６】また上部電極１３の、圧電膜１２上への積
層時の誤差などによって、圧電駆動領域１２ａが、基板
１０の、加圧室１０ａを囲む周囲の部分（たとえばリブ
１０ｃなど）と重なってしまって、前記のような従来と
同じ問題を生じるおそれもある。なお寸法比Ｗ１／Ｗ
２、Ｗ３／Ｗ４はともに、上記の範囲内でもとくに０．
４〜０．９であるのが好ましく、０．６〜０．８である
のがさらに好ましい。

【００１７】寸法比がこの範囲未満では、圧電駆動領域
１２ａが小さくなりすぎてかえって、電界の印加による
撓み変形の効率が低下するおそれがある。圧電駆動領域
１２ａの大きさと位置を調整するには、この例の場合、
前述したように圧電駆動領域１２ａが上部電極１３によ
って規定されるため、当該上部電極１３の大きさと位置
を調整すればよい。

【００１８】上記の圧電駆動領域１２ａが形成される圧
電膜１２は、従来同様に、ＰＺＴなどの圧電材料の焼結
体を薄板状に研磨したチップを振動板１１上に接着して
形成される他、上記圧電材料の粉末をペースト化したものを、スク
リーン印刷などの方法によって振動板１１上の所定の位
置に、所定の形状となるように塗布、乾燥し、仮焼成し
たのち、およそ１０００〜１２００℃の温度で焼結し
て、圧電材料の薄膜を形成する、圧電材料のもとになる各金属を含有する有機金属化
合物から形成したゾルペーストを、やはりスクリーン印
刷などの方法によって振動板１１上に塗布、乾燥し、有
機物を除去するために仮焼成したのち、およそ４００〜
９００℃の温度で焼成して、いわゆるゾル−ゲル法、ま
たはＭＯＤ法（有機金属化合物の熱分解法）により、圧
電材料の薄膜を形成する、振動板１１上に、気相成長法によって、圧電材料の
薄膜を形成する、などの方法によっても形成することが
できる。

【００１９】圧電膜１２の厚みはとくに限定されない
が、１か所の圧電駆動領域１２ａでの撓みが、その周囲
の圧電駆動領域１２ａでの撓み特性に影響を及ぼす、い
わゆるクロストークが発生するのを防止するためには、
当該圧電膜１２の厚みは３０μｍ以下であるのが好まし
い。圧電膜１２を構成する圧電材料としては、前述した
ＰＺＴを主要成分とするＰＺＴ系の材料の他、たとえば
マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸
鉛（ＰＮＮ）、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、
アンチモン鈴酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなど
を主要成分とする材料があげられる。また、これらの成
分の２種以上を含む複合材料も使用できる。また、上記
ＰＺＴ系の圧電材料としてはＰＺＴそのものの他、ＰＺ
Ｔにランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マ
ンガンなどの酸化物の１種または２種以上を添加したも
の、たとえばＰＬＺＴなどがあげられる。

【００２０】上記の圧電膜１２とともにインクジェット
ヘッド１を構成する基板１０、振動板１１および上部電
極１３としては、従来と同様のものが使用できる。すな
わち基板１０としては、金属あるいはセラミックスから
なる板体が使用される。かかる基板１０に形成される加
圧室１０ａやノズル１０ｂの寸法、形状などは、インク
ジェットヘッドの仕様にあわせて適宜、変更すればよ
く、たとえば印字ドット数が６００〜７２０ｄｐｉ程度
のインクジェットプリンタ用の場合には、加圧室１０ａ
の大きさが縦１〜３ｍｍ、横０．０５〜１ｍｍ、深さ
０．０５〜０．３ｍｍ程度、隣接する加圧室１０ａ間の
リブ１０ｃの幅が０．０５〜０．３ｍｍ程度、ノズル１
０ｂの直径が３０〜７０μｍ程度、ノズル１０ｂの間隔
が０．０７〜１．３ｍｍ程度に形成される。

【００２１】基板１０に上記の各部を形成するには、そ
の寸法精度等を考慮して、いわゆるフォトリソグラフ法
を利用したエッチングなどが採用される。また振動板１
１としては、これも金属あるいはセラミックスからな
る、厚みおよそ０．０１〜０．２ｍｍ程度の薄板が使用
される。振動板１１は、前記のように少なくともその上
面が、下部電極として機能するように導電性とされる。
具体的にはたとえば、振動板１１の全体を、導電性にす
ぐれた金属材料にて形成するか、または金属製あるいは
セラミックス製の振動板１１の表面に、導電性にすぐれ
た金属材料の薄膜や薄板を積層することにより、振動板
１１の少なくとも上面が導電性とされる。

【００２２】さらに上部電極１３としては、これも導電
性にすぐれた金属材料の薄膜や薄板などが使用される。
上部電極１３の、圧電膜１２と平行な面方向の大きさと
形状は、前記のように規定される。また上部電極１３の
厚みは、当該上部電極１３の形成方法などにもよるが、
圧電膜１２の、圧電駆動領域１２ａの撓みを阻害せず、
しかも上記圧電駆動領域１２ａに十分な電界を印加する
ために０．２〜４μｍ程度であるのが好ましい。

【００２３】なおこの例では、前記のように上部電極１
３を、各加圧室１０ａごとに分離形成しているが、振動
板１１の表面に形成される下部電極を、各加圧室１０ａ
ごとに分離形成して、上部電極１３は、全ての加圧室１
０ａを覆う大きさに連続形成してもよい。この場合には
圧電駆動領域１２ａが、当該下部電極によって規定され
るので、下部電極の大きさと位置を調整して、加圧室１
０ａに対する圧電駆動領域１２ａの大きさと位置を調整
すればよい。

【００２４】また上下両電極をともに、各加圧室１０ａ
ごとに分離形成してもよい。この場合には、圧電膜１２
と平行な面方向において、両電極の重なった部分が、圧
電駆動領域１２ａとなる。したがって両電極の大きさと
位置と両者の重なり具合とを調整して、加圧室１０ａに
対する圧電駆動領域１２ａの大きさと位置を調整すれば
よい。

【００２５】なお後２者の場合には、各下部電極間を絶
縁するために、振動板１１として導電性のないセラミッ
クスを使用するか、または振動板１１と下部電極との間
に絶縁層を形成すればよい。また図の例では、加圧室１
０ａと圧電駆動領域１２ａとがともに、圧電膜１２と平
行な面方向において矩形状に形成されていたが、このい
ずれの形状も矩形状には限定されない。両者が全く違う
形状であってもよい。

【００２６】さらに図の例では、圧電膜１２を、基板上
の全ての加圧室を覆う大きさに連続形成していたが、少
なくとも２か所以上の加圧室１０ａを覆う大きさに形成
してもよい。この場合でも、各加圧室１０ａごとに独立
した圧電膜を形成する場合に比べれば、作業性はよい。
要するに、圧電駆動領域が、圧電膜と平行な面方向にお
いて、対応する加圧室よりも小さく形成されているとと
もに、加圧室の周縁との間に、その全周にわたって間隔
を設けて配置されていれば、その他の構成はとくに限定
されないのである。

【００２７】

【実施例】以下に本発明を、実施例、比較例に基づいて
説明する。実施例１〈ゾル−ゲル法用のゾルペーストの作製〉下記の溶液１
〜３を個別に作製し、混合して溶液４をえた。

【００２８】（溶液１）Ｔｉ（Ｏ−ｎＢｕ）₄ アセチルアセトン２−メトキシエタノール（溶液２）Ｚｒ（Ｏ−ｎＢｕ）₄ アセチルアセトン２−メトキシエタノール（溶液３）酢酸鉛・３水和物モノエタノールアミン２−メトキシエタノールなお上記各成分の、溶液４における含有量は下記の通り
であった。

【００２９】（成分）（重量部）Ｔｉ（Ｏ−ｎＢｕ）₄ １２Ｚｒ（Ｏ−ｎＢｕ）₄ １５酢酸鉛・３水和物３１アセチルアセトン５２−メトキシエタノール２９モノエタノールアミン５ついで、この溶液４の１００重量部に、増粘剤としての
エチルセルロース２５重量部を混合してゾルペーストを
作製した。

【００３０】〈インクジェットヘッドの製造〉厚み３０
μｍのチタニウム製で、かつその表面に下部電極となる
白金製の薄膜が形成された振動板１１上に、スクリーン
印刷法によって、上記のゾルペーストを、基板上の全て
の加圧室を覆う大きさに印刷し、乾燥したのち仮焼成し
た。この工程を１０回、繰り返したのち、６００℃で１
０時間、焼成して厚み４μｍの圧電膜１２を形成した。

【００３１】つぎにこの圧電膜１２上に、スクリーン印
刷法によって、図１(a)(b)に示す寸法が縦Ｗ１＝１．０
４ｍｍ、横Ｗ３＝０．５２ｍｍの矩形状で、かつ厚み
０．３μｍの金製の上部電極１３を、各加圧室１０ａご
とに分離形成し、それによって圧電膜１２に、各加圧室
１０ａごとの複数の圧電駆動領域１２ａを形成した。そ
してこの振動板１１と圧電膜１２と上部電極１３との積
層体を、縦Ｗ２＝１．３ｍｍ、横Ｗ４＝０．６５ｍｍの
矩形状でかつ深さ２００μｍの加圧室１０ａが２０列×
２６桁の計５２０か所、配列された、それ自体の寸法が
縦８０ｍｍ、横２０ｍｍ、厚み０．２ｍｍであるステン
レス鋼製の基板上に、接着剤によって固定して、インク
ジェットヘッドを製造した。

【００３２】なお上部電極１３は、その形成位置を、圧
電膜１２と平行な面方向の中心位置が、加圧室１０ａの
中心位置と一致するように調整した。そしてそれによっ
て、当該上部電極１３により規定される圧電駆動領域１
２ａを、対応する加圧室１０ａの周縁との間に、その全
周にわたって間隔を設けて配置した。圧電駆動領域１２
ａと、対応する加圧室１０ａとの縦および横の寸法比Ｗ
１／Ｗ２、およびＷ３／Ｗ４はそれぞれ０．８であっ
た。

【００３３】実施例２〜４、比較例１、２圧電膜１２上に形成する上部電極１３の大きさを調整し
て、圧電駆動領域１２ａと、対応する加圧室１０ａとの
縦および横の寸法比Ｗ１／Ｗ２、およびＷ３／Ｗ４をと
もに０．４（実施例２）、０．６（実施例３）、０．９
（実施例４）、１．０（比較例１）および１．３（比較
例２）としたこと以外は実施例１と同様にしてインクジ
ェットヘッドを製造した。

【００３４】なお各実施例、比較例においてはいずれ
も、上部電極１３の形成位置を、圧電膜１２と平行な面
方向の中心位置が、加圧室１０ａの中心位置と一致する
ように調整した。そしてそれによって実施例２〜４にお
いては、実施例１と同様に圧電駆動領域１２ａを、対応
する加圧室１０ａの周縁との間に、その全周にわたって
間隔を設けて配置した。また比較例１においては、圧電
駆動領域１２ａの周縁と、対応する加圧室１０ａの周縁
とを、その全周にわたってほぼ一致させた。さらに比較
例２においては、圧電駆動領域１２ａが、対応する加圧
室１０ａの周縁から、その全周にわたってはみ出すよう
に配置した。

【００３５】上記各実施例、比較例のインクジェットヘ
ッドの下部電極と、１か所の加圧室に対応した上部電極
との間に２５Ｖの直流電界を印加して圧電駆動領域を撓
ませたときの、加圧室の中心位置での垂直方向の撓み量
を、レーザードップラーメータを用いて測定した。そし
て、実施例３における撓み量を１としたときの、各実施
例、比較例の撓み量比Ａを求めた。なお比較例２は、不
均一に撓んだために測定できなかった。

【００３６】結果を表１に示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】上記表の結果より、圧電駆動領域を、圧電
膜と平行な面方向において、対応する加圧室よりも小さ
く形成し、かつ上記面方向において、加圧室の周縁との
間に、その全周にわたって間隔を設けて配置した実施例
１〜４のインクジェットヘッドはいずれも撓みが均一
で、しかも比較例１に比べて撓み量が大きいことから、
圧電駆動領域の撓み変形特性にすぐれることがわかっ
た。

【００３９】

【発明の効果】以上、詳述したように本発明によれば、
複数の加圧室に対応させて圧電膜に形成した各圧電駆動
領域がいずれも撓み変形特性にすぐれており、撓み変形
の効率の低下や撓み変形量のばらつきなどを生じるおそ
れのないインクジェットヘッドを提供できるという特有
の作用効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェットヘッドの、実施の形態
の一例を示す図であって、同図(a) はその要部を拡大し
た断面図、同図(b) は平面図である。

【図２】上記例のインクジェットヘッドの、全体を示す
斜視図である。

【図３】従来のインクジェットヘッドの拡大断面図であ
る。

【符号の説明】

１インクジェットヘッド１０基板１０ａ加圧室１１振動板１２圧電膜１２ａ圧電駆動領域１３上部電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山田順子大阪府大阪市中央区玉造１丁目２番28号三田工業株式会社内 (72)発明者林昌毅大阪府大阪市中央区玉造１丁目２番28号三田工業株式会社内 (72)発明者中山尚美大阪府大阪市中央区玉造１丁目２番28号三田工業株式会社内 (72)発明者佐武健一大阪府大阪市中央区玉造１丁目２番28号三田工業株式会社内 (72)発明者馬場弘一大阪府大阪市中央区玉造１丁目２番28号三田工業株式会社内 (72)発明者畑誠治大阪府大阪市中央区玉造１丁目２番28号三田工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の加圧室が配列された基板上に、振動
板を介して、２か所以上の加圧室を覆う大きさに連続形
成された圧電膜が設けられているとともに、この圧電膜
を上下から挟む上部および下部の電極のうちの少なくと
も一方を、各加圧室ごとに分離形成することで、当該圧
電膜に、各加圧室ごとの複数の圧電駆動領域が形成され
たインクジェットヘッドであって、上記各圧電駆動領域
を、圧電膜と平行な面方向において、対応する加圧室よ
りも小さく形成し、かつ上記面方向において、加圧室の
周縁との間に、その全周にわたって間隔を設けて配置し
たことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】圧電駆動領域および加圧室がともに、圧電
膜と平行な面方向において矩形状に形成され、かつ圧電
駆動領域の縦および横の寸法がそれぞれ、対応する加圧
室の縦および横の寸法の０．９倍以下である請求項１記
載のインクジェットヘッド。
【請求項３】圧電膜が、基板上の全ての加圧室を覆う大
きさに連続形成されている請求項１記載のインクジェッ
トヘッド。