(57)【要約】【課題】高分子圧電素子材料を用いて十分なインク吐出圧力を発生でき、十分な吐出速度で必要量のインク滴を吐出できるインクジェットヘッドを提案すること。【解決手段】インクジェットヘッド１では、インク流路５の外周壁部分が高分子圧電フィルムを多層に巻いた構成の圧電体枠２から形成され、圧電体枠２に高電圧印加手段８によって高電圧を印加すると、両端の第１および第２の剛性板３、４が接近および離間する方向に変位してインク流路５の容積が変動する。単位体積当りの変位力は、ピエゾ素子に比べて高分子圧電素子材料は極めて小さいが、インク流路５の外周壁部分の全体を高分子圧電素子材料からなる圧電体枠２としてあるので、インク流路５に連通しているインクノズル６１からインク滴を吐出するために必要な圧力変動を発生することができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子圧電素子材料から形成した筒状の圧電体枠と、
この圧電体枠の一方の開口端を封鎖している第１の剛性板と、
この圧電体枠の他方の開口端を封鎖している第２の剛性板と、
これら第１および第２の剛性板によって封鎖された前記圧電体枠の内部に形成されている液体流路と、
この液体流路に液体を供給するために前記第１剛性板に形成されている液体供給孔と、
前記液体流路に供給された液体を液滴として吐出させるために前記第２剛性板に形成されている液滴吐出ヘッドとを有し、
前記圧電体枠は、その内外周面に沿った面内方向に変位することを特徴とする高分子圧電素子材料を用いた液体吐出ヘッド。
【請求項２】
請求項１において、
前記圧電体枠は、
前記高分子圧電素子材料からなる高分子圧電フィルムおよび、この高分子圧電フィルムの両面に形成した電極薄膜からなる積層体を、絶縁薄膜を挟み、筒状枠となるように多層に巻くことにより形成されたものであることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項３】
請求項２において、
前記高分子圧電フィルムの厚さが５〜２０μｍであり、
前記圧電体枠を変位させるために１００〜８００Ｖの高電圧を当該圧電体枠に印加する高電圧印加手段を有していることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項１において、
前記圧電体枠は、前記高分子圧電素子材料を用いて形成した射出成形枠であり、
この射出成形枠の内周面および外周面には、それぞれ電極が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項４において、
前記圧電体枠の外周面および内周面は絶縁薄膜で覆われていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項４または５において、
前記圧電体枠の厚さが少なくとも１ｍｍであり、
前記圧電体枠を変位させるために１００００〜４００００Ｖの高電圧を当該圧電体枠に印加する高電圧印加手段を有していることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項７】
請求項１ないし６のうちのいずれかの項において、
前記高分子圧電素子材料は、ポリフッ化ビニリデン共重合体を含むことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項８】
請求項７において、
前記ポリフッ化ビニリデン共重合体は、
ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））
ポリフッ化ビニリデン四フッ化エチレン（Ｐ（ＶＤＦ−ＴＦＥ））
ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン（ヘキサフルオロプロピレンＰ（ＶＤＥＴＦＥ−ＨＦＥ）、および、
ポリフッ化ビニリデン（ヘキサフルオロプロピレンＰ（ＶＤＦ−ＨＦＥ））
のうちのいずれか一つであることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項９】
請求項７において、
前記ポリフッ化ビニリデン共重合体は、ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子圧電素子材料を用いて、十分な吐出圧力および吐出速度でインクなどの液滴を吐出させることのできるインクジェットヘッドなどの液体吐出ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットプリンタのインクジェットヘッドとしては、圧電素子を用いてインク液滴を吐出させるように構成された圧電型のインクジェットヘッドが知られている。特許文献１、２には、ＰＺＴ素子（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いてインク液滴を吐出させるインクジェットヘッドが開示されている。また、近年においては、医療、バイオテクノロジーなどの分野においても、薬液、試液などの供給、分注などに、インクジェットヘッドと同様な構造の液体吐出ヘッドを用いる試みがなされている。
【０００３】
ここで、ＰＺＴ素子は、インク吐出圧力を決める圧電定数およびヤング率が共に他の多くの強誘電体（圧電体）の中で最も大きく、インク液滴を吐出させるための圧力発生用のアクチュエータとしては最適な材料である。ＰＺＴ素子を用いたインクジェットヘッド用のアクチュエータとしては、ＰＺＴ素子の変位を撓みに変換するユニモルフ構造のもの、ＰＺＴ素子によって直接にインク流路（インク圧力室）を加圧してインク吐出圧力を発生させる構造のもの、ピエゾ素子により形成したインク流路の側壁を面外方向に撓めてインク流路を加圧する構造のものなどが提案されている。
【０００４】
しかしながら、ＰＺＴ素子は酸化物ではあるが鉛を含有しているので、安全性および環境汚染を考慮した製造から廃棄までの処理工程が要求される。また、ＰＺＴ素子はセラミックス製であるので、１０００℃を超える高温の焼成工程を必要とし、環境負荷が大きいという問題もある。
【０００５】
このようなピエゾ素子の課題を解決するために、ポリフッ化ビニリデン共重合体などの高分子圧電素子材料を用いてアクチュエータを構成することが考えられる。例えば、フッ化ビニリデンと三フッ化エチレンの共重合体を延伸し、しかる後にキュリー温度以上の常誘電相で結晶化すると強誘電性高分子が得られ、この高分子に高電場を印加して分極すると、圧電性・焦電性高分子が得られることが知られている。特許文献３にはこのような高分子圧電素子材料を用いたプリンターヘッドが開示されている。
【特許文献１】特開２００６−３５７９１号公報
【特許文献２】特開２００５−１０４１６３号公報
【特許文献３】特開２００４−２８１７１１号公報、実施例１０、図１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、高分子圧電素子材料は、ＰＺＴ素子などの強誘電体に比べて、圧電定数およびヤング率が著しく低いという問題点がある。このため、高分子圧電素子材料を用いてインク液滴吐出圧力を発生させるためのアクチュエータを構成しても、十分な吐出圧力および吐出速度で十分な量のインク液滴を吐出できるインクジェットヘッドを得ることが困難である。
【０００７】
例えば、特許文献３に開示のプリンターヘッドにおいては、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）からなるチューブの外周面の離れた部位に一対の電極を形成し、電界を印加してインキ滴を吐出させるようにしている。すなわち、ここに開示のアクチュエータはスクイズ型と呼ばれるものであり、チューブに２ヶ所の収縮部を設け、収縮の時間差を利用してチューブ内に脈状の圧力を発生させてインキ滴を吐出している。しかしながら、この構造のアクチュエータでは十分なインク吐出圧力を得ることができず、充分な吐出速度で所望量のインク液滴を吐出させることができない。
【０００８】
本発明の課題は、この点に鑑みて、高分子圧電素子材料を用いて十分な液滴吐出圧力を発生させ、十分な吐出速度で必要量の液滴を吐出させることのできるインクジェットヘッドなどの液体吐出ヘッドを提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明の液体吐出ヘッドは、
高分子圧電素子材料から形成した筒状の圧電体枠と、
この圧電体枠の一方の開口端を封鎖している第１の剛性板と、
この圧電体枠の他方の開口端を封鎖している第２の剛性板と、
前記第１および第２の剛性板によって封鎖された前記圧電体枠の内部に形成されている液体流路と、
この液体流路に液体を供給するために前記第１剛性板に形成されている液体供給孔と、
前記液体流路に供給された液体を液滴として吐出させるために前記第２剛性板に形成されている液滴吐出ヘッドとを有し、
前記圧電体枠は、その内外周面に沿った面内方向に変位することを特徴としている。
【００１０】
本発明の液体吐出ヘッドでは、インク流路の外周壁部分が高分子圧電素子材料からなる圧電体枠から形成されており、この圧電体枠は両端の第１および第２の剛性板を接近および離間させる方向に変位するように構成されている。単位体積当りの変位力は、ピエゾ素子に比べて高分子圧電素子材料は約３００分の１と極めて小さい。しかし、本発明ではインク流路の外周壁部分の全体を高分子圧電素子材料からなる圧電体としてあるので、従来におけるピエゾ素子を用いたユニモルフ構造などのアクチュエータに比べて圧電体の体積を３００倍以上にすることができる。
【００１１】
さらに、圧電体枠はその面内方向に伸縮するので、これに伴って、両端の第１および第２の剛性板が接近および離間する方向に変位し、また、圧電体枠自体が収縮によって内方に撓むので、圧電体枠および第１および第２の剛性板によって囲まれている液体流路の容積を十分に増減させ、液滴吐出に必要な十分な圧力変動を発生させることができる。
【００１２】
これに加えて、従来のピエゾ素子を用いたアクチュエータの場合には、ピエゾ素子の微小な変位をロス無く確実にインク流路の容積変化を引き起こすように伝達するために、ピエゾ素子を支持し、その変位に伴う反力を受けるための支持構造が必要であったが、本発明によればそのような支持構造が不要である。
【００１３】
ここで、圧電体枠は、高分子圧電素子材料からなる高分子圧電フィルムを枠状に多重に巻くことにより構成することができる。この場合には、高分子圧電フィルムの両面にそれぞれ電極薄膜を積層したものを、絶縁薄膜を挟み、筒状枠となるように多重に巻きつければよい。
【００１４】
本発明では、筒状枠を変位させるために１００〜８００Ｖの高電圧を当該圧電体枠に印加する高電圧印加手段を有していることを特徴としている。高電圧を印加することにより十分な変位を発生させることができ、これによって、十分な液滴吐出圧力を確保できる。
【００１５】
すなわち、高分子圧電素子材料、例えば、Ｐ（ＶＤＦ／ＴｒＦＥ）の坑電界は４００〜４５０ＫＶ／ｃｍである。高分子圧電フィルムの厚みを５μｍとすると、印加電圧を２００Ｖ以下とする必要がある。高分子圧電フィルムの厚みを２０μｍとすると、坑電界を超えないためには８００Ｖ以下の印加電圧で駆動する必要がある。ここで、十分な量の液滴を吐出させるための駆動力を発生させるためには圧電体枠の厚みを１ｍｍ以上とすることが望ましい。したがって、２０μｍ厚の高分子圧電フィルムを５０回巻きつけて、厚さ１ｍｍの圧電体枠を形成した場合には８００Ｖ以下で駆動し、５μｍ厚の高分子圧電フィルムを２００回巻きつけて、厚さ１ｍｍの圧電体枠を形成した場合には２００Ｖ以下で駆動すればよい。大きな駆動力を得るためには、圧電体枠を、坑電界４００〜４５０ＫＶ／ｃｍを超えない範囲内においてなるべく高い電界で駆動すればよい。
【００１６】
圧電体枠を高分子圧電フィルムから形成する代わりに、圧電体枠を高分子圧電素子材料からなる射出成形枠とすることもできる。この場合には、射出成形枠の内周面および外周面に、それぞれ電極を形成すればよい。この場合、圧電体枠の外周面および内周面を絶縁薄膜で覆うことが望ましい。
【００１７】
ここで、圧電体枠の厚さを少なくとも１ｍｍとした場合には、圧電体枠を変位させるために１００００〜４００００Ｖの高電圧を当該圧電体枠に印加する高電圧印加手段を有していることが望ましい。高電圧を印加することにより十分な変位を発生させることができ、これによって、十分な液滴吐出圧力を確保できる。
【００１８】
一方、本発明で用いる高分子圧電素子材料はポリフッ化ビニリデン共重合体を含むものとすることができる。ポリフッ化ビニリデン共重合体としては次のいずれかを用いることができる。
ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））
ポリフッ化ビニリデン四フッ化エチレン（Ｐ（ＶＤＦ−ＴＦＥ））
ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン
（ヘキサフルオロプロピレンＰ（ＶＤＥＴＦＥ−ＨＦＥ）
ポリフッ化ビニリデン（ヘキサフルオロプロピレンＰ（ＶＤＦ−ＨＦＥ））
【００１９】
特に、ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））は、延伸処理を行うことなく圧電効果を発揮するので、製造が容易であるという利点がある。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の液体吐出ヘッドでは、インク流路の外周壁部分の全体を、高分子圧電素子材料からなる面内方向に伸縮する圧電体枠によって形成し、この圧電体枠の両端に、インク供給穴が形成された第１の剛性体および液滴吐出ノズルが形成された第２の剛性体を貼り付けてある。したがって、従来の圧電素子を用いた液滴吐出力を発生するためのアクチュエータに比べて圧電素子の体積を格段に増加させることができる。よって、圧電定数およびヤング率が極めて小さな高分子圧電材料からなる圧電素子を用いて、十分な液滴吐出圧力を発生することができるので、充分な液滴吐出速度で所望量の液滴を吐出可能な液体吐出ヘッドを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、図面を参照して本発明を適用した液体吐出ヘッドの実施の形態を説明する。
【００２２】
図１は本実施の形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図であり、図２はそのＡ−Ａ線で切断した部分を示す縦断面図であり、図３はその分解斜視図である。本実施の形態に係るインクジェットヘッド１は、高分子圧電素子材料から形成した細長い矩形筒状の圧電体枠２と、この圧電体枠２の一方の開口端２ａを封鎖している矩形の第１の剛性板３と、圧電体枠２の反対側の開口端２ｂを封鎖している矩形の第２の剛性板４とを備えている。これら圧電体枠２および第１、第２の剛性板３、４の内部には、液密状態のインク流路５が区画形成されている。
【００２３】
第１の剛性板３は、その長辺方向の一方の端部が厚肉となっており、この部分には、その内側表面３１から厚さ方向に垂直に延びる円形の孔３２が形成されている。この孔３２は、第１の剛性板３の端面３３から突出しているインク導入管３４に連通している。本例では、孔３２には、インク供給用のオリフィス３５が形成されている挿入管３６が圧入されており、外部のインク供給源（図示せず）からのインクが、インク導入管３４およびオリフィス３５を介してインク流路５に供給されるようになっている。
【００２４】
圧電体枠２の反対側の開口端２ｂに取付けられている第２の剛性板４には、その内側表面に一定深さのインク流路溝４１が形成されている。このインク流路溝４１は、インク供給用のオリフィス３５とは反対側の端部分の底部が深くなっており、当該部分の底面にはインク供給孔４２が形成されている。インク供給孔４２の外側開口が位置している第２の剛性板４の突出端面４３にはノズルプレート６が貼り付けられており、このノズルプレート６を貫通する状態に形成したインクノズル６１の後端開口がインク供給孔４２に同軸状態で連通している。
【００２５】
第１および第２の剛性板３、４としてはプラスチックの射出成形品を用いることができる。例えば、ＰＳＦ、ＰＥＳ、ＰＯＭ、ＡＢＳ、ＰＣなどの素材を用いることができる。ノズルプレート６にはシリコンなどの半導体基板、プラスチック板などを用いることができる。半導体基板にはエッチングによりインクノズル６１を形成すればよく、プラスチック板の場合にはレーザー加工によってインクノズル６１を形成すればよい。
【００２６】
圧電体枠２は次に述べるように高分子圧電フィルムを多層に巻くことにより形成されたものであり、その外周側の端部分は外方に引き出されて電極端子部７とされている。この電極端子部７には、高電圧発生回路等からなる高電圧印加手段８によって８００〜１０００Ｖの高電圧が印加されるようになっている。
【００２７】
図４（ａ）および（ｂ）は高分子圧電素子材料から形成されている圧電体枠２を示す斜視図および部分断面図である。本例の圧電体枠２は、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）共重合体からなる高分子圧電フィルム２１の内側面および外側面に内側電極薄膜２２および外側電極薄膜２３が積層された構造の積層体を、絶縁薄膜２４を挟み矩形枠状に多重に巻きつけて形成したものである。例えば、高分子圧電フィルム２１の両面に内側電極薄膜２２および外側電極薄膜２３を形成し、さらに、外側電極薄膜２３の表面に絶縁薄膜２４を積層した構成の積層体２０を多重に巻き付けて接着固定することにより得られたものである。
【００２８】
このようにして積層体２０からなる矩形筒状の枠体を、加熱して再結晶化させ、しかる後に、電極間に直流高電圧を印加して分極処理を行うことにより圧電体枠２が得られる。本例では、この圧電体枠２の内周面を絶縁薄膜２５によって覆うようにしている。
【００２９】
電極薄膜材料としては、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｒなどの金属材料を用いることができ、かかる金属材料をスパッタリング、蒸着、ＣＶＤ法などによって高分子圧電フィルム２１の表面に積層することができる。絶縁薄膜としてはＳｉＯ２などの金属酸化膜、有機材料からなる薄膜を用いることができる。
【００３０】
このように構成した圧電体枠２の最も外周側に巻き付けられている積層体２０の端部は、上述のように外方に引き出されて電極端子部７とされている。この電極端子部７の部分では高分子圧電フィルム２１の両側の電極薄膜２２、２３が露出しており、当該露出部分に、高電圧印加手段８によって高電圧が印加されるようになっている。高分子圧電フィルム２１は、電界印加方向に垂直な方向に収縮する。すなわち、高分子圧電フィルム２１の表面に垂直な方向に電界が印加されるので、当該高分子圧電フィルム２１はその面内方向に収縮し、圧電体枠２は図４（ａ）において矢印ａ〜ｈで示すように、その内外周面に沿った面内方向に収縮する。
【００３１】
本発明の発明者等は、５μｍの厚さのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）共重合体からなる高分子圧電フィルム２１の両面にＡｕからなる内側電極薄膜２２および外側電極薄膜２３を形成し、外側電極薄膜２３をＳｉＯ２からなる絶縁薄膜２４で覆った構成の積層体２０（厚さが略５．１μｍ）を、矩形枠状に１２０回巻きつけることにより、厚さＴが略０．６１２ｍｍの圧電体枠２を作製した。また、図４（ａ）に示すように、圧電体枠２の高さＨを５〜８ｍｍとし、その内側のインク流路５の長さＬを８ｍｍ、幅Ｗを１．５ｍｍとした。
【００３２】
この寸法の圧電体枠２を約１４０℃で過熱して再結晶化させた。次に、内側電極２２および外側電極２３に４０００Ｖ前後の直流高電圧を印加して分極処理を行った。この後に、圧電体枠２の内周面に絶縁薄膜２５を形成した。最後に、圧電体枠２に第１の剛性板３と、ノズルプレート６が貼り付けられている第２の剛性板４を取付けて、インクジェットヘッド１を得た。
【００３３】
このインクジェットヘッド１の圧電体枠２に高電圧印加手段８によって１００〜２００Ｖの高電圧を印加した。この結果、圧電体枠２の収縮により第１および第２の剛性板３、４が相互に接近する方向に変位し、インク流路５の容積が減少して内圧が上昇して、インクノズル６１から約１０００ピコリットルのインク液滴を吐出できることが確認された。また、圧電体枠２の厚みＴを１ｍｍ以上とすることにより、十分なインク液滴の吐出量を確保できることが確認された。
【００３４】
（圧電体枠の別の例）
図５（ａ）および（ｂ）は圧電体枠２の別の例を示す斜視図および部分断面図である。本例の圧電体枠２Ａは、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）共重合体からなる高分子圧電素子材料を用いた射出成形品である。この場合には、圧電体枠２Ａの枠本体２０Ａを射出成形により製作した後に、その内周面および外周面を覆う状態に、内側電極薄膜２２Ａおよび外側電極薄膜２３Ａを形成する。しかる後に、高温で加熱して再結晶化させた後に、電極間に直流高電圧を印加して分極処理を行う。次に、内側電極２２Ａおよび外側電極２３Ａを覆う状態に内側絶縁薄膜２５Ａおよび外側絶縁薄膜２４Ａを形成する。最後に、圧電体枠２Ａの両端に第１および第２の剛性板３、４を取付けることでインクジェットヘッドが得られる。
【００３５】
ここで、圧電体枠２Ａとして厚さが１ｍｍのものを製造し、圧電体枠２Ａを変位させるために１００００〜４００００Ｖの高電圧を当該圧電体枠に印加したところ、十分な変位を発生させることができ、これによって、十分な液滴吐出圧力を確保できることが確認された。
【００３６】
なお、電極材料、絶縁材料は圧電体枠２の場合と同様な材料を用いることができ、それらの成膜方法も圧電体枠２の場合と同様な方法を用いることができる。
【００３７】
また、第１および第２の剛性板３、４の一方あるいは両方を、射出成形により、圧電体枠２Ａの枠本体２０と一体に成形することも可能である。この場合には、枠本体２０と同一材料を用いて射出成形することができる。あるいは、異なる材料を用いて二色成形によりこれらの部分を一体に成形することもできる。
【００３８】
（その他の実施の形態）
なお、上記の各例では、圧電体枠２、２Ａの内周面および外周面が絶縁薄膜で覆われている。例えば、使い捨て式の場合には内側の絶縁薄膜を省略することができる。
【００３９】
また、高分子圧電素子材料としては、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）共重合体以外に、次のようなポリフッ化ビニリデン共重合体を用いることができる。
ポリフッ化ビニリデン四フッ化エチレン（Ｐ（ＶＤＦ−ＴＦＥ））
ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン
（ヘキサフルオロプロピレンＰ（ＶＤＥＴＦＥ−ＨＦＥ）
ポリフッ化ビニリデン（ヘキサフルオロプロピレンＰ（ＶＤＦ−ＨＦＥ））
【００４０】
さらに、上記の例は本発明をインクジェットヘッドに適用したものであるが、本発明は薬液、試液などのインク以外の液体を供給するための液体吐出ヘッドにも同様に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明を適用したインクジェットヘッドを示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線で切断した部分を示す縦断面図である。
【図３】インクジェットヘッドの分解斜視図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は圧電体枠の斜視図および部分断面図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は圧電体枠の別の例を示す斜視図および部分断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  インクジェットヘッド、２  圧電体枠、２ａ，２ｂ  開口端、３  第１の剛性板、４  第２の剛性板、５  インク流路、６  ノズルプレート、７  電極端子部、８  高電圧印加手段、２０  枠本体、２０Ａ  枠本体、２１  高分子圧電フィルム、２２，２２Ａ  内側電極薄膜、２３，２３Ａ  外側電極薄膜、２４，２４Ａ，２５，２５Ａ  絶縁薄膜、３１  内側表面、３２  穴、３３  端面、３４  インク導入管、３５  オリフィス、３６  挿入管、４１  インク流路溝、４２  インク供給孔、４３  突出端面、６１  インクノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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