JPH03292146A - 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、インクジェットプリンタに用いられるインク
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る。このプリンタには
圧電アクチュエータを使用したインクジェット記録ヘッ
ドを用いたものがある。

第１３図は従来のこの種のインクジェット記録ヘッドの
断面図を示す。

同図に示すように、ノズル■１とこのノズル１１に連通
したインク室１２とが形成された基板１３上に振動板１
４が接合されており、この振動板１４には圧電アクチュ
エータ１５がとりつけられている。圧電アクチュエータ
１５は、その電極１６及び１７に信号電圧が印加される
とユニモルフ効果により図中の破線のように積層方向に
変形し、インク室１２の内壁の一部を形成する振動板１
４を押圧する。これによりインク室１２内のインクがノ
ズル１１から噴射される。

即ち、圧電アクチュエータ１５はインク室１２をインク
の噴射方向と垂直な方向に押圧する。

第１４図はインクジェット記録ヘッドの他の従来例の断
面図を示す。

同図に示すようにノズル１８とこのノズル１８に連通し
たインク室１９とがテーバ部２０を有する管２１内に形
成されており、この管２１の外側に圧電アクチュエータ
２２が巻着されている。圧電アクチュエータ２２は、そ
の電極２３及び２４に信号電圧が印加されると図中の破
線のように管２１の中心方向に変形し、インク室１９を
押圧する。

これによりインク室１９内のインクがノズル１８から噴
射される。即ち、圧電アクチュエータ２２はインク室１
９をインクの噴射方向と垂直な方向に押圧する。

第１５図はインクジェット記録ヘッドのさらに他の従来
例の断面図を示す。

同図に示すように、支持台２５上に圧電アクチユエータ
２６の基部が固定されている。この圧電アクチユエータ
２６の先端に設けたピストン２７がインク室ブロック２
８内に形成されたインク室２９内に位置している。（同
様な特許出願として米国特許出願Ｕ、　Ｓ、　Ｐ、　４
．８２３．１４９参照）インク室ブロック２８にはイン
ク室２９を塞ぐようにノズルプレート３０が取り付けら
れている。ノズルプレート３０に設けられたノズル３１
はインク室２９内に通じている。このインク室２９には
インク供給口３２からインクが供給される。圧電アクチ
ュエータ２６の両面に設けられた電極３３及び３４に信
号電圧が印加されると、この圧電アクチュエータ２６は
、圧電横効果によりその長さ方向に伸長し、ピストン２
７がインク室２９内のインクを圧縮する。これにより圧
縮されたインクはノズル３１から噴射される。

即ち、インク室２９のインクは噴射方向に押圧される。

またさらに他の従来技術として、特開昭６２−５６１５
０号公報には、ノズルに連通した溝状のインク室を圧電
アクチュエータで形成し、信号電極に電圧が印加される
とインクの噴射方向と垂直な方向に圧電アクチュエータ
を変形させることが提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、前述の公報、第１３図及び第１４図に示
したインクジェット記録ヘッドでは、インクの噴射方向
と各インク室の変形方向とが互いに垂直であるためイン
クの噴射効率が低くクロストークを生じる恐れがある。

一方、第１５図に示したインクジェット記録ヘッドでは
、高密度のマルチノズル型の記録ヘッドを得るためにノ
ズル間隔を小さくすべくピストンの断面積を小さくしな
ければならない。ピストンの断面積を小さくした場合、
インク室の体積変化量を同一に保つためにピストンのス
トロークを大きくしなければならない。換言すれば、圧
電体の長さを長くしなければならない。従って小形化が
困難であり、機械的強度が弱くなり、圧電アクチュエー
タの駆動電圧を高くしなければならない。しかも圧電ア
クチュエータの駆動周波数を高くすることができない。

従って、本発明の目的は、小型化でき、しかもインクの
噴射効率の高くすることのできる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、複数の
ノズルにそれぞれ連通する複数のインク室の内壁の一部
を形成する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、圧電アクチュエータは、少なく
とも３つの電極と少なくとも２つの圧電体とがそれぞれ
互いに交互にかつノズルからのインクの噴射方向に積層
されており、電極に信号電圧が印加された際に積層方向
に変形するように構成されていることにより達成される
。

［作用コ ノズルに連通するインク室の内壁の一部を形成する圧電
アクチュエータは、電極に信号電圧が印加されるとイン
クの噴射方向に変形する。これによりインク室が押圧さ
れインクがノズルから噴出される。

［実施例］ 以下、本発明による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。

第工図は本発明の一実施例としてのインクジェット記録
ヘッドの断面図を示し、第２図は第１図に示したインク
ジェット記録ヘッドのインク室ブロックの正面図を示す
。第３図は第１図に示したインクジェット記録ヘッドの
圧電アクチュエータの正面図を示し、第４図は第一１図
に示したインクジェット記録ヘッドの斜視図を示す。

第１図及び第４図に示すように、本実施例のインクジェ
ット記録ヘッドはインク室ブロック４２とこのインク室
ブロック４２の前面（図の左側）に設けたノズルプレー
ト４３とインク室ブロック４２の後側に設けた圧電アク
チユエータ４１とから主として構成されている。

ノズルプレート４３は感光性ガラス、例えばＰＥＧ３（
微細な２珪酸リチユウムの結晶が析出した気孔の無い均
質なガラスセラミック）やシリコンウェハからなり、こ
のノズルプレート４３には複数のノズル４４（図では４
つ）が所定の間隔で設けられている。これらノズル４４
はノズルプレート４３をエツチング加工することにより
形成される。

インク室ブロック４２にはインクを貯蔵する複数のイン
ク室４５として用いられる複数の空間が設けられており
、この空間はノズル４４に連通している。

このインク室ブロック４２の上面にはインク室４５に連
通したインク供給口４６が設けられている。

このインク室ブロック４２も感光性ガラスやシリコンか
らなり、インク供給口４６もこのインク室ブロック４２
をエツチング加工することにより形成される。インク供
給口４６は、図では開口状態となっているが図示しない
供給路により外部のインクカートリッジに連通している
。

インク室ブロック４２の後面（図の右側）には圧電アク
チュエータ４１の歯部４９がインク室ブロック４２のイ
ンク室４５を塞ぐように接合されている。インク室ブロ
ック４２とインク室４５を塞ぐノズルプレート４３との
接合は低融点ガラス又はエレクトロフォーミング（電鋳
）により行われる。

第２図に示すように複数（図では４つ）のインク室４５
は、インク室ブロック４２の上部４２ａに所定の間隔で
平行に形成されている。このインク室４５は、圧電アク
チュエータの歯部がインク室４５の内壁の一部を形成す
るように形成されている。４つのインク室４５はインク
室ブロック４２の上面の４つのインク供給口４６にそれ
ぞれ連通している。

各インク室４５の底面はインク室ブロック４２の上部４
２ａと下部４２ｂとの境界線になるように形成されてい
るが、これに限らずインク室ブロック４２の上部４２ａ
と下部４２ｂとの境界線より上であってもよい。

インク室ブロック４２の上部４２ａは、それの下部４２
ｂより圧電アクチュエータの厚さだけ厚く形成されてお
り、上部４２ｇは４つのインク室４１を仕切るためのチ
ャンネル隔壁４７の一部を形成している。

チャンネル隔壁４７の高さ方向（図の上下方向）の長さ
は圧電アクチユエータの歯部の長手方向の長さよりは短
くなっている。

このインク室ブロック４２のインク室４５及びインク供
給口４６も、感光性ガラスやシリコンウェハからなるイ
ンク室ブロック４２をエツチング加工することにより形
成される。インク室４５及びインク供給口４６の数は図
では４つであるが、これに限らずノズルの数とともに増
減してもよい。

第３図に示すように、圧電アクチュエータ４１は櫛歯状
の形状を有しており、櫛歯状の圧電体の４つの歯部４９
の表面と裏面との両面にはそれぞれ４つの信号電極５０
が設けられている。歯部４９の内部には幅が信号電極５
０に等しい４つの共通電極（例えばＧＮＤ　（グランド
）電極）がそれぞれ設けられており内部で接続されてい
る。各信号電極５０は配線パターン５１を介して駆動回
路５２、例えば集積回路チップにそれぞれ接続されてい
る。共通電極は圧電アクチュエータ４１の底面に設けら
れた導電体層５８と圧電アクチユエータ４１の下部の配
線パターン５１を介して駆動回路５２に接続されている
。駆動回路５２は外部の図示しない制御回路に接続され
るように構成されている。

歯部４９の数も図では４つであるが、これに限らずイン
ク室の数とともに増減してもよい。また駆動回路５２は
本インクジェット記録ヘッドの外部に設けてもよい。

第５図は圧電アクチュエータの斜視図である。

但し、同図においては歯部の数が３つの場合を示す。

同図に示すように圧電アクチュエータの各歯部４９の両
面の信号電極５０は歯部４９の上面でそれぞれ互いに接
続されている。圧電アクチユエータの各歯部４９の内部
に設けられた共通電極６ｏは信号電極５０と離隔するよ
うに形成されており、共通電極６゜は圧電アクチュエー
タの底面に導電体層５８に接続されている。これらの信
号電極５０と共通電極６０と駆動回路とを接続するため
の同図には示されない配線パターンが圧電アクチュエー
タの表面に無電解メツキ及びエツチングすることにより
形成される。

第６図は本実施例の圧電アクチュエータの製造工程を示
す説明図である。

例えばＰＺＴ　（ジルコンチタン酸鉛）を有する圧電体
ブロック５４は、その両面（図の上下の面）に電極５５
及び５６が取り付けられ、これらの電極５５及び５６に
直流電圧が印加される。これにより圧電体ブロック５４
は矢印Ａ方向に分極する（同図（Ａ））。次に、圧電体
ブロック５４から電極５５及び５６が除去され、圧電体
ブロック５４は分極方向に平行な方向に圧電アクチュエ
ータの１／２の厚さの板状にスライスされる（同図（Ｂ
））。板状にスライスされた圧電体板５７は、両面に例
えば無電解メツキにより導電体層が一様に形成される。

両面に導電体層が形成された圧電体板５７ａ及び５７ｂ
は、エツチングにより導電体層の一部が除去される。即
ち、同図（Ｃ）に示すように、圧電体板５７ａは、図の
左面の下方部分の導電体層５９が一部残り右面の下方部
分の導電体層５８が一部除去されるようにエツチングさ
れる。また、圧電体板５７ｂは、図の左面の上方部分の
導電体層５８が一部除去され、右面の上方部分の導電体
８５９が・一部残るようにエツチングされる。

このようにエツチングされた２つの圧電体板５７ａ及び
５７ｂは、分極方向がそれぞれ互いに逆方向でありかつ
２つの圧電体板５７ａ及び５７ｂの導電体層５８がそれ
ぞれ互いに接続するように接合される。

２つの圧電体板５７ａ及び５７ｂの導電体７１５９が、
例えば無電解メツキによりそれぞれ互いに接続されて信
号電極５０となる。一方接合された導電体層５８は圧電
体板５７の側面（図の底面）に無電解メツキが施される
ことで外部と接続されて共通電極６０となる（同図（Ｄ
））。

接合された圧電体は、その先端部（図の上部）がグイシ
ングされることにより複数の歯部４９が形成され、これ
により圧電アクチュエータが得られる（同図（Ｅ））。

なお図では歯部４９の数は３つであるが、これに限らず
インク室の数とともに増減してもよい。

このようにして製造された圧電アクチュエータ４１は、
第１図に示すようにインク室ブロック４２に接合され、
さらにシリコンゴム等のシール部材５３が圧電アクチュ
エータ４１とインク室ブロック４２とを封止するように
取り付けられている。

次に本実施例の圧電アクチュエータの動作について第工
図を参照して説明する。

第１図において、図示しない外部の制御回路より駆動回
路５２に信号が印加される。これにより駆動回路５２か
ら配線パターン５１を介して圧電アクチュエータ４１の
歯部４９の両面の電極５０及び６０へ信号電圧が印加さ
れる。信号電圧が印加されると、圧電アクチュエータ４
１の歯部４９には図中の矢印り。

の方向に変位力が発生する。従って歯部４９は、点鎖線
で示すように菱形状に変形する。つまり圧電アクチ二エ
ータ４工の歯部４９は剪断変形する。

これによりインク室４５内のインクは噴射方向に圧縮さ
れてノズル４４から噴射され、用紙等に印字がなされる
。

第７図はこの圧電アクチュエータの歯部の剪断変形を説
明するための説明図である。

同図（Ａ）は信号電圧が印加される前の状態を示す断面
図であり、同図（Ｂ）は信号電極５０と共通電極６０と
の間に信号電圧■が印加された状態を示す断面図である
。

同図に示すように信号電極５０が正となるように信号電
圧Ｖが印加されると２つの圧電体には分極方向に対して
互いに逆方向の電圧■が同時に印加されることとなる。

図の左側の圧電体には右向きに電界が印加されるが、こ
の圧電体が下向方向に分極されているので剪断変形は左
方向となる。−方右側の圧電体には左向きに電界が印加
され上向方向に分極されているので剪断変形は左方向と
なる。これら２つの圧電体は厚さが等しく、同一の電圧
■が印加されているため、同一量の剪断変形が生じる。

従って全体として歯部４９はその断面が菱形状となるよ
うに変形し、図のように左側に傾く。従って圧電アクチ
ュエータは断面が直線状からくの字状となるように変形
する。

信号電極５０に印加された信号電圧Ｖが解除されると圧
電アクチュエータは復元し、その断面がくの字状から直
線状となるように変形する。

第８図は第７図に示した圧電アクチュエータの歯部４９
の剪断変形量を説明するための説明図である。

同図に示すように歯部４９の長さを１１厚さをｔ１電極
５０及び６０に印加する電圧をＶとすると、発生する剪
断変形量δは、 δ＝ｌ−ｄ、、、・Ｖ／ｌ・・・・・・（１）から求め
られる。但し、ｄ１５は剪断変形定数とする。

従って、１　＝＝２ｍｍ、ｄｔｓ＝８Ｈ×１Ｏ−１２ｍ
／■、ｔ　＝１００　μｍ、　Ｖ＝５０Ｖとして第（１
）式に代入すると、剪断変形量δは δ＝２ｍｍＸＢ（１（１×１Ｏ−１２ｍ／ＶＸ５０Ｖ／
１００　　μｍ ＝０．８　　μｍ となる。このときの体積変化量ΔＶを、第２図に示す寸
法を代入して求める。即ちインク室４５の幅が０．２５
ｍｍであるから体積変化量ΔＶは、Δｖ＝０．２５ｍｍ
ｘ２ｍｍｘδ×ｌ／２＝２Ｘ１０−１３ｍ３ となる。この値は半径２０μｍの球部の約６倍であり、
圧電アクチュエータがインクを噴射するのに充分な大き
さとなる。

なお、第９図から第１１図は剪断変形に類似した現象を
説明するための説明図である。

第９図はユニモルフ効果を説明する説明図である。

同図において矢印Ｐ方向に分極された圧電体が２つの電
極に挟まれて圧電素子を形成しており、この圧電素子は
弾性体に接合されている。電極に電圧が印加されると圧
電素子は矢印Ｄ１及びＤ２方向に変位する。ところが圧
電素子は弾性体に接合されているので全体として圧電素
子と弾性体との接合体は矢印Ｄ３方向に撓む。圧電素子
への電圧が解除されると圧電素子と弾性体との接合体は
矢印Ｄ４方向に変位し復元する。この現象がユニモルフ
効果である。

第１０図は圧電横変位効果を説明する説明図である。

同図において矢印Ｐ方向に分極された厚さＴの圧電体は
、その両面に電極が設けられて圧電素子を形成している
。電極に電圧が印加されると圧電素子は矢印り、方向に
変位し、電極の電圧が解除されると圧電素子は矢印Ｄ６
方向に復元する。この現象が圧電横変位効果である。

第１１図は圧電縦方向効果を説明する説明図である。

同図において矢印ＰもしくはＰ方向に分極した複数の圧
電体と電極とがそれぞれ互いに積層されて積層圧電素子
が形成されている。圧電体の分極方向はそれぞれ互いに
交互に逆向きに積層されており、電極は１つおきに接続
されている。これらの電極間に電圧が印加されると積層
圧電素子は電極面に沿って変形するとともに積層方向（
矢印Ｄ７）にも変形する。電圧が解除されると積層圧電
素子は矢印Ｄ８に復元する。この現象が圧電縦方向効果
である。しかしながらこれらの現象はいずれも前述した
剪断変形とは異なる。

第１２図は本発明のインクジェット記録ヘッドの他の実
施例に用いられる圧電アクチュエータの断面図を示す。

前述の実施例との相違点は、圧電アクチュエータの変形
にバイモルフ効果を利用している点である。

同図（Ａ）は圧電アクチュエータに電圧が印加される前
の状態を示す。

同図に示すように厚さ方向に分極された２つの圧電体６
１及び６２と３つの電極６３．６４及び６５がそれぞれ
互いに交互に接合されている。２つの圧電体６１及び６
２は同一方向に分極されており、電極６３と電極６５と
は２つの圧電体６１及び６２を挟むように設けられてい
る。電極６３と電極６５との長手方向の長さは圧電アク
チュエータの歯部の長さに等しい。

一方、電極６４は２つの圧電体６１及び６２に挟まれて
おり図の底面に設けられた導電体層に接続されている。

同図（Ｂ）はこの圧電アクチュエータの電極６４と電極
６５との間に信号電圧Ｖを印加した場合の状態を示す。

同図に示すように圧電体６１には右向きに電界が印加さ
れるので矢印Ｄ９及びＤＩＯ方向に変位する。

圧電体６２は左向きに電界が印加されるので圧電体６１
とは逆方向の矢印Ｄｌｌ及びＤ１□に変位する。しかし
圧電体６１及び６２は互いに接合されているので全体と
しては矢印Ｄ１３方向に変位し、図中の一点鎖線のよう
に撓む（前述の実施例では断面が菱形に変形する）。こ
れによりインク室４５のインクが噴射方向に押圧され、
インクがノズル４４より噴射される（第１図）。

なお、この圧電アクチュエータの変位量δは、δ＝３・
　（Ｌ／Ｔ）　２　・ｄ３１・Ｖ・・・・・・（２）か
ら求められる。但し、ｄ３１は圧電横変位効果定数とす
る。

従ってＬ＝２ｍｍ、Ｔ＝３００　ｕｍｓ　Ｖ＝５ＧＶ。

ｄ３ｔ＝　　３００ＸＩＯ−１２ｍ／Ｖとして第２図に
示した寸法を第（２）式に代入すると、 δ＝３Ｘ　（２ｍｍ／３００μｍ）　２Ｘ　（−３００
ｘｌＯ”　ｍ／Ｖ）Ｘ５０Ｖ ＝１．４　μｍとなる。

インク室４５の体積変化量ΔＶは、 Δｖ＝０．２５ｍｍＸ２ｍｍｘｌ、４　μｍＸ１／２＝
０．３５Ｘ　１０−１２ｍ’ となる。これは半径２０μｍのインク滴の体積の１０倍
であり、充分に噴射することができる。なお、このとき
の共振周波数ｆは約４１ｋ　Ｈｚとなり、従来より高速
になっている。

このように本実施例のインクジェット記録ヘッドによれ
ば、インク室内の押圧方向とインク噴射方向とが同一で
あり、圧電アクチユエータからノズルまでの距離が短い
ため噴射効率が高く、応答周波数も高い。

またさらに従来のインクジェット記録ヘッドの駆動電圧
よりも低い電圧で駆動することができ、クロストークの
ないインクジェット記録ヘッドを実現することができる
。

なお、圧電体の数は２つで電極の数は３つであるが、圧
電体の変形方向と変形量が同一であるならばこれに限ら
ず多くてもよい。

［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、複数のノズルにそれぞれ連通する複数のインク室
の内壁の一部を形成する圧電アクチユエータとを備えた
インクジェット記録ヘッドであって、圧電アクチュエー
タは、少なくとも３つの電極と少なくとも２つの圧電体
とがそれぞれ互いに交互にかつノズルからのインクの噴
射方向に積層されており、電極に信号電圧が印加された
際に積層方向に変形するように構成されているため、圧
電アクチュエータのノズル密度を高くすることができる
。

また、インク室のインクの歯部によって押圧される方向
とノズルからのインク噴射方吋が同一であり、歯部から
ノズルまでの距離も短縮できるため、小型であり、機械
的強度に優れており、インクの噴射効率を高くでき、駆
動回路に印加される信号パルスの周波数に対する応答周
波数を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としてのインクジェット記録
ヘッドの断面図、第２図は、第１図に示したインク室ブ
ロックの正面図、第３図は、第１図に示した圧電アクチ
ュエータの正面図、第４図は第１図に示したインクジェ
ット記録ヘッドの斜視図、第５図は圧電アクチュエータ
の斜視図、第６図は本実施例の圧電アクチュエータの製
造工程を示す説明図、第７図は圧電アクチユエータの歯
部の剪断変形を説明するための説明図、第８図は第７図
に示した圧電アクチュエータの歯部の剪断変形量を説明
するための断面図、第９図から第１１図は剪断変形に類
似した現象を説明するための説明図、第１２図は本発明
のインクジェット記録ヘッドの他の実施例に用いられる
圧電アクチュエータの断面図、第１３図から第１５図は
インクジェット記録ヘッドの従来例の断面図である。 ４１・・・・・・圧電アクチュエータ、４２・・・・・
・インク室ブロック、４３・・・・・・ノズルプレート
、４４・・・・・・ノズル、４５・・・・・・インク室
、４６・・・・・・インク供給口、４９・・・・・・歯
部、５０・・・・・・信号電極、５２・・・・・・駆動
回路、６０・・・・・・共通電極。 第３図 第２図 第４図 （Ａ） （Ｂ） 第９図 りち ６ （Ａ） （Ｂ） 第 （Ｂ） 第１１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数のノズルと、該複数のノズルにそれぞれ連通する複
   数のインク室の内壁の一部を形成する圧電アクチュエー
   タとを備えたインクジェット記録ヘッドであって、前記
   圧電アクチュエータは、少なくとも３つの電極と少なく
   とも２つの圧電体とがそれぞれ互いに交互にかつ前記ノ
   ズルからのインクの噴射方向に積層されており、該電極
   に信号電圧が印加された際に該積層方向に変形するよう
   に構成されていることを特徴とするインクジェット記録
   ヘッド。