(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
側壁によって仕切られた複数の圧力室と、
それら複数の圧力室の一面を構成する１枚のシート状圧電素子と、
前記シート状圧電素子と同質の材料から成り、前記シート状圧電素子の一面側に積層された平板状の拘束板と、
前記シート状圧電素子の前記各圧力室に対向する位置に形成された独立電極と、
前記シート状圧電素子を挟んで前記独立電極に対向した前記シート状圧電素子の面に形成された共通電極と、
を備え、
前記独立電極と前記共通電極との間への電圧印加に応じて、前記シート状圧電素子が表面に沿った方向で収縮し、前記拘束板が収縮しないことにより、前記シート状圧電素子および前記拘束板が一体に変形して前記圧力室の体積を変化させ、前記圧力室に連続するノズルから外部に前記インクを吐出させることを特徴とするインクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、側壁によって仕切られた複数の圧力室の一面を圧電素子にて振動させることにより、前記圧力室内のインクの圧力を制御して、前記圧力室に連続するノズルから外部に前記インクを吐出させるインクジェットヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電素子を用いたインクジェットヘッドでは、圧電素子の電極に印加される駆動電圧によって発生する電界の向きと圧電素子の分極方向とが一致しているタイプ、いわゆる圧電素子の縦振動モードを用いたものが存在する（特開平７−１４８９２１号公報）。
【０００３】
この特開平７−１４８９２１号公報のインクジェットヘッドは、以前の技術では、振動板上に既に形成された下部電極上に圧電素子を印刷にて形成する場合に、圧電素子を厚く印刷しなくてはならないため、圧電素子の外縁部の形状の精度が悪くなり、振動板の変形特性が不均一になるという問題点を生じていたものを解決したものである。
【０００４】
すなわち、下部電極を圧力室の幅よりも狭く形成するとともに、圧電素子を下部電極の幅よりも広く形成する方法を発明している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような方法でも、いまだ、圧電素子を下部電極の幅よりも広く形成するという印刷精度に頼っているものであり、以前の技術よりも改良されているとはいえ、圧電素子の大きさや位置がずれ易く、このことによる圧電素子の変形による振動板への影響が圧電素子毎に異なるという問題が依然として存在した。したがって、振動板の変形特性を均一にするためには未だ十分なものとは言えなかった。
【０００６】
本発明は、圧電素子の厚さに関らず、振動板の変形特性を均一にすることができるインクジェットヘッドを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
ここには、１つまたはそれ以上の発明が記載され、それぞれ以下に述べるような構成および効果を有する。
本発明のインクジェットヘッドは、側壁によって仕切られた複数の圧力室と、それら複数の圧力室の一面を構成する１枚のシート状圧電素子と、前記シート状圧電素子と同質の材料から成り、前記シート状圧電素子の一面側に積層された平板状の拘束板と、前記シート状圧電素子の前記各圧力室に対向する位置に形成された独立電極と、前記シート状圧電素子を挟んで前記独立電極に対向した前記シート状圧電素子の面に形成された共通電極と、を備え、前記独立電極と前記共通電極との間への電圧印加に応じて、前記シート状圧電素子が表面に沿った方向で収縮し、前記拘束板が収縮しないことにより、前記シート状圧電素子および前記拘束板が一体に変形して前記圧力室の体積を変化させ、前記圧力室に連続するノズルから外部に前記インクを吐出させることを特徴とする。
【０００８】
このように、圧電素子は、シート状をなして、複数の圧力室の一面を構成し、このシート状圧電素子と拘束板とが振動板の役割を果たしている。したがって、所定の形状を印刷する従来の方法とは異なり、印刷を用いなくても良く、かつ圧力室の開口の形状通りの圧電素子が、各圧力室毎に自然に形成されるので、各圧力室毎に、高精度に均一な振動板（実際にはシート状圧電素子および拘束板）の変形特性を得ることができる。
【０００９】
また、電極は元来薄くて済むので、印刷でも十分に高精度にシート状圧電素子上に形成することができ、シート状圧電素子の変形特性の均一性に悪影響を生じることはない。
なお、シート状圧電素子は複数の圧力室を覆っている一枚のシート状圧電素子であり、形成が容易で、かつすべてのノズルにおいて一層均一な吐出性能を得ることができる。
【００１０】
また、拘束板は、シート状圧電素子と同質の材料から成る。圧電素子は、通常、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛等を主成分とする材料である。したがって、拘束板の材料をこのような材料から選択することにより、シート状圧電素子と積層すれば、シート状圧電素子と同質の圧電材料から成る拘束板をシート状圧電素子と積層させることができる。このことにより、シート状圧電素子と拘束板との親和性が高くなるので、耐久性の高いインクジェットヘッドを形成することができる。なお、同質、すなわち全くシート状圧電素子と同じ材料を用いているので、一層耐久性が高くなる。
【００１１】
【００１２】
なお、シート状圧電素子と拘束板との接触面に存在する電極は、各圧力室毎に設けられ、他の電極は全圧力室に共通に設けられていても良い。このことにより、全圧力室に共通に設けられている電極の印刷はシート状圧電素子の全面に印刷するのみで良く、容易に高精度の印刷ができる。
【００１３】
上述したインクジェットヘッドの形成方法は、例えば次のようになされる。
すなわち、未焼成のシート状圧電素子の一面に電極を形成し、該一面に対して前記シート状圧電素子と同質の材料からなる拘束板を密着させた後、
焼成して前記シート状圧電素子の他面に電極を形成し、あるいは前記シート状圧電素子の他面に電極を形成して焼成することにより、前記シート状圧電素子と前記拘束板とから成る積層体を形成し、
該積層体を、予め一面に溝状に圧力室を形成した板状体の該一面側に接合し、該接合の前または後に、前記シート状圧電素子に対して厚み方向の分極処理を行うことを特徴とするインクジェットヘッド形成方法である。
【００１４】
あるいは、未焼成のシート状圧電素子の両面に電極を形成し、該両面の内の一面に対して前記シート状圧電素子と同質の材料からなる拘束板を密着させた後、焼成することにより、前記シート状圧電素子と前記拘束板とから成る積層体を形成し、該積層体を、予め一面に溝状に圧力室を形成した板状体の該一面側に接合し、該接合の前または後に、前記シート状圧電素子に対して厚み方向の分極処理を行うこととしても良い。
【００１５】
このようにシート状圧電素子と拘束板とから成る積層体を、予め一面に溝状に圧力室を形成した板状体の該一面側に接合しているので、印刷にて圧電素子を圧力室に配置している場合とは異なり、印刷精度は問題なくなり、各圧力室にて均一の変形特性を与えることができる。しかも、シート状圧電素子の分極方向は、厚み方向であり、シート状圧電素子の両面の電極を利用して分極用の電圧を印加すれば分極処理が可能となるので、特別な電極をシート状圧電素子に設けたり、あるいは接触電極を有する特別な装置にて分極処理をする必要が無く、分極処理も低コストでかつ効率的である。
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
図１（ａ）および図２は、上述した発明のいくつかが適用されたインクジェットヘッド２の構成を示し、図２はキャビティ４の軸方向に沿って切断した縦断面図を表し、図１（ａ）はキャビティ４の軸方向に直角（Ｘ−Ｘ）に切断した面の一部を拡大して示す縦断面説明図である。
【００１９】
圧力室であるキャビティ４は、キャビティプレート６上に側壁６ａにより仕切られて、溝状に形成されている。キャビティプレート６のキャビティ４が開口している一面には、シート状圧電素子８と拘束板１０との積層体１２が、シート状圧電素子８側で接合されている。シート状圧電素子８のキャビティ４側の面には、ほぼ全面に共通電極１４が設けられている。この共通電極１４は、キャビティプレート６に形成された全てのキャビティ４に対応したマイナスの電極として共通に用いられる。
【００２０】
また、シート状圧電素子８と拘束板１０との間には、個々のキャビティ４に対応してそれぞれ独立したプラスの独立電極１６が形成されている。
シート状圧電素子８は図示矢印のごとく、シート状圧電素子８の厚み方向に、キャビティ４側に向かって、分極処理がなされている。このため、共通電極１４と独立電極１６との間に駆動電圧を印加させることにより、シート状圧電素子８の内、共通電極１４と独立電極１６とに挟まれた部分１８が図１（ａ）に示す矢印Ｆ方向、すなわちシート状圧電素子８の表面に沿った方向で収縮する。
【００２１】
このようにキャビティ４の中央に位置するシート状圧電素子８の一部が収縮すると、積層している拘束板１０は収縮しないため、拘束板１０側を凸側、シート状圧電素子８側を凹側として、図１（ｂ）に示すごとく、キャビティ４の中心付近の積層体１２が盛り上がるように変形する。このことにより、キャビティ４の体積が増加して、インク室２０からインクをキャビティ４内に吸引することができる。
【００２２】
続いて共通電極１４と独立電極１６との間の駆動電圧印加を停止すると、図１（ｂ）の状態から図１（ａ）の状態に戻り、キャビティ４の体積が減少して、キャビティ４内のインクの圧力が上昇し、ノズル２２から外部にインクが噴射する。
【００２３】
このインクジェットヘッド２の内、特に、積層体１２とキャビティプレート６とについては次のような工程で製造される。
まず、図３（ａ）に示すごとく、未焼成のＰＺＴ系セラミックスシート２４の一面側に独立電極１６となる導電性ペーストを独立電極１６のパターン２５に印刷する。
【００２４】
次に、図３（ｂ）に示すごとく、この未焼成のＰＺＴ系セラミックスシート２４に対して、同じ未焼成のＰＺＴ系セラミックスシート２６を、独立電極１６のパターン２５を形成した側の面に重ねる。重ねた状態で真空プレスを行って、２枚の未焼成のＰＺＴ系セラミックスシート２４，２６を密着させる。
【００２５】
次にこのものを焼成して積層体１２を得る。この積層体１２の一面を研磨して平滑面とし、図３（ｃ）に示すごとく、全面に共通電極１４となる導電性塗料２７を印刷して、共通電極１４とする。
一方、キャビティプレート６に対しては、図４（ａ）に示すごとくレジストマスク２８を側壁６ａとして残す部分に形成して、セラミックス粉体によるショットブラスト加工により、図４（ｂ）に示すごとく、キャビティ４を溝状に形成し、側壁６ａの先端面６ｂのレジストマスク２８を除去して、平滑に研磨する。
【００２６】
このキャビティプレート６のキャビティ４が開口している側、すなわち前記先端面６ｂに、図５（ａ）に示すごとく、積層体１２の共通電極１４が形成されている側を接着剤にて接合し、更に、その他の周辺の構成を組み付けて、図５（ｂ）に示すごとくインクジェットヘッド２の構成を得る。
【００２７】
そして、共通電極１４と独立電極１６とを利用し、共通電極１４側をマイナス極、独立電極１６側をプラス極として、図１の矢印のごとく厚み方向でかつキャビティ４方向に向けて分極する。
このようにして製造されたインクジェットヘッド２は、共通電極１４と独立電極１６との間に駆動電圧を印加することにより上述した機能を果たすことができる。
【００２８】
更に、このように、シート状圧電素子８は、複数のキャビティ４の開口を全面覆い、シート状圧電素子８と拘束板１０とが振動板の役割を果たしている。したがって、所定の形状の圧電素子を印刷する従来の方法とは異なり、印刷を用いなくても良く、かつキャビティ４の開口の形状通りの圧電素子が、各キャビティ４毎に自然に形成されるので、各キャビティ４毎に、高精度に均一な振動板（実際にはシート状圧電素子８および拘束板１０）の変形特性を得ることができる。
【００２９】
また、電極１４，１６は薄くて済むので、印刷でも十分に高精度にシート状圧電素子８上に形成することができ、特に、独立電極１６が所定のパターンに印刷されていても精度の高いパターンが形成できるので、シート状圧電素子８の均一な変形特性に悪影響を生じることはない。
【００３０】
なお、シート状圧電素子８はキャビティ４のすべてを覆っている一枚のシートであることから、一層性能の均一性を高めることができ、すべてのノズル２２において、均一な吐出性能を得ることができる。
また、拘束板１０は、シート状圧電素子８と同質の材料から成るものを用いているので、シート状圧電素子８と拘束板１０との親和性が高く、耐久性の極めて高いインクジェットヘッドを形成することができる。
【００３１】
また、分極処理も共通電極１４と独立電極１６とをそのまま利用してできるので、特別な分極装置を用いる必要が無く、効率的であり、製造コストも低くて済む。
なお、本実施の形態１は、駆動電圧によって発生する電界の向きと圧電素子の分極方向とが一致しているタイプ、いわゆる圧電素子の縦振動モードであり、駆動電圧の電界の向きと圧電素子の分極方向とが直交しているシェアモードではないので、特に、電極を細かく分けて、積層体１２に印刷する必要が無く、精度的にも製造効率的にも好ましいものである。
【００３２】
［参考例］
図６に参考例としてのインクジェットヘッド３２を示す。本参考例のインクジェットヘッド３２が、前記実施の形態１と異なる点は、拘束板１０の外面に更に共通電極３４が設けられている点である。この共通電極３４は、例えば、実施の形態１の製造工程の例で言えば、積層体１２を焼成した後に行われる、積層体１２の一面に対する研磨および共通電極１４の印刷の工程の代りに、積層体１２の両面を研磨して平滑面とし、その両面それぞれに共通電極１４，３４となる導電性塗料を全面印刷する工程とすることにより形成される。
【００３３】
なお、分極処理は、共通電極１４，３４を利用し、共通電極１４側をマイナス極、共通電極３４側をプラス極として、シート状圧電素子８も拘束板１０も共に、図示矢印のごとく厚み方向でかつキャビティ４方向に向けて分極する。
このように、形成されたインクジェットヘッド３２は、独立電極１６をプラス極とし、共通電極１４をマイナス極として、駆動電圧を印加することにより、シート状圧電素子８を実施の形態１と同様に収縮させることができるとともに、同時に独立電極１６をプラス極とし、共通電極３４をマイナス極（例えば共通電極１４と同電位）とすることにより、拘束板１０については伸長させることができる。このため、独立電極１６周辺の積層体１２の湾曲度が、実施の形態１の場合に比較して、より一層大きいものとなる。したがって、インクジェットヘッド３２において、実施の形態１の効果とともに、より高い吐出能力を得ることができる。
【００３４】
また、プラス電極は、独立電極１６を共通して用いることができ、拘束板１０の外面の共通電極３４も拘束板１０の全体に印刷されるので、均一で高精度な変形特性を維持することができる。
また、参考例の場合も、分極処理も共通電極１４，３４と独立電極１６とをそのまま利用してできるので、特別な分極装置を用いる必要が無く、効率的であり製造コストも低くて済む。
【００３５】
［その他］
前記実施の形態では、駆動電圧印加により、積層体１２がキャビティ４とは反対側に凸となるように湾曲するため、キャビティ４の体積が増加することにより、インクをインク室２０からキャビティ４内に吸引し、駆動電圧印加を停止すると、積層体１２が平板状に戻り、キャビティ４の体積が元に戻ることにより、インクの圧力が上がって、ノズル２２から外部にインクが噴射されたが、積層体１２を、逆に拘束板１０側をキャビティプレート６に接合させることにより、駆動電圧印加により、積層体１２がキャビティ４側に凸となるように湾曲させて、キャビティ４の体積を減少させることにより、インクをノズル２２から外部へ噴射させ、駆動電圧印加を停止させると、積層体１２が平板状に戻り、キャビティ４の体積が元に戻ることにより、インクの圧力が下がって、インクをインク室２０からキャビティ４へ吸引させるようにしても良い。
【００３６】
【００３７】
また、前記実施の形態では、分極処理をキャビティプレート６と接合した後に、行っていたが、接合前に分極処理を行っても良い。
前記実施の形態では、図３（ｂ）に示したものを焼成してから共通電極１４を導電性塗料２７にて形成していたが、焼成前の図３（ｂ）の状態で、導電性塗料２７の代りに導電性ペーストをシート状圧電素子８の外面全体に塗布して（参考例の場合は更にセラミックス系の導電性ペーストを拘束板１０の外面全体に塗布して）、その後、焼成して共通電極１４としても良い。ただしこの場合、共通電極１４を研磨して平滑にしてから、キャビティプレート６と接合する。また、参考例については、共通電極３４は、積層体１２とキャビティプレート６とを接合してから拘束板１０の外面全体に形成しても良く、またインクジェットヘッド３２が組み立てられてから拘束板１０の外面全体に形成しても良い。
【００３８】
前記実施の形態および参考例では、インクジェットヘッド２，３２を組み立ててから、電極１４，１６，３４を利用して分極処理を行っていたが、キャビティプレート６と積層体１２とを接合した後に、電極１４，１６，３４を利用して分極処理しても良く、また、積層体１２にすべての電極１４，１６，３４が形成された時点で、電極１４，１６，３４を利用して分極処理しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１としてのインクジェットヘッドの一部の構成を示す縦断面説明図であり、（ａ）は駆動電圧非印加時の状態、（ｂ）は駆動電圧印加時の状態を示す。
【図２】実施の形態１としてのインクジェットヘッド縦断面図である。
【図３】実施の形態１としてのインクジェットヘッドの製造工程説明図である。
【図４】実施の形態１としてのインクジェットヘッドの製造工程説明図である。
【図５】実施の形態１としてのインクジェットヘッドの製造工程説明図である。
【図６】参考例としてのインクジェットヘッドの一部の構成を示す縦断面説明図であり、（ａ）は駆動電圧非印加時の状態、（ｂ）は駆動電圧印加時の状態を示す。
【符号の説明】
２…インクジェットヘッド      ４…キャビティ
６…キャビティプレート      ６ａ…側壁      ６ｂ…側壁の先端面
８…シート状圧電素子    １０…拘束板    １２…積層体
１４…共通電極    １６…独立電極    ２０…インク室
２２…ノズル    ２４…未焼成のＰＺＴ系セラミックスシート
２５…独立電極のパターン  ２６…未焼成のＰＺＴ系セラミックスシート
２７…導電性塗料    ２８…レジストマスク
３２…インクジェットヘッド    ３４…共通電極
【図１】
0003555355.tif 000002
【図２】
0003555355.tif 000003
【図３】
0003555355.tif 000004
【図４】
0003555355.tif 000005
【図５】
0003555355.tif 000006
【図６】
0003555355.tif 000007