(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状の圧電素子と該圧電素子に設けられた複数の電極層とが積層されて形成された積層圧電素子を含み、前記積層された電極層間に電位差を生じさせることにより生ずる前記圧電素子の歪みに基づいて、インクを収容するインクチャンネル内のインクを吐出させるインクジェットヘッドであって、
前記複数の電極層は、前記インクチャンネルに対応する部分にのみ積層され、前記積層された電極層には、前記積層方向と直交する方向にある電極間に、空隙が形成されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
シート状の圧電素子と該圧電素子に設けられた複数の電極層とが積層されて形成された積層圧電素子を含み、前記積層された電極層間に電位差を生じさせることにより生ずる前記圧電素子の歪みに基づいて、インクを収容するインクチャンネル内のインクを吐出させるインクジェットヘッドであって、
ノズルが形成されたノズルプレートと、
前記ノズルプレートと前記積層圧電素子との間に固定され、薄肉フィルムからなる振動板とをさらに備え、
前記インクチャンネルは、前記ノズルプレートと前記振動板との間に形成され、
前記ノズルプレートと前記振動板と前記積層圧電素子とを一体的に重ねて構成し、
前記複数の電極層は、前記インクチャンネルに対応する部分にのみ積層され、前記積層された電極層には、前記積層方向と直交する方向にある電極間に、空隙が形成されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記圧電素子は、前記積層された電極層間に生じる電位差により前記ノズルの方向に歪みが生じ、
該歪みに基づいて、インクを収容するインクチャンネル内のインクを吐出させることを特徴とする、請求項２記載の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、インクジェット方式のプリントヘッドに関し、特に、積層圧電素子を含むインクジェットヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、インクジェットプリンタのプリントヘッドに圧電素子（ＰＺＴ）を用いたものが知られている。このようなプリントヘッドでは、圧電素子に画像データに応じたパルス電圧が印加され、パルス電圧の印加によって生じる圧電素子の歪みにより所定の容器（インクチャンネル）内のインクが加圧され、インクチャンネルに設けられたノズルから記録シートに向かってインクドロップが飛翔される。記録シート上には、これらのインクドロップの飛翔によって、パソコン等から送信される画像データに基づいた画像が形成される。
【０００３】
上述のようなプリントヘッドには、インクチャンネルが複数設けられておりインクチャンネルの各々からインクドロップが飛翔され、また、プリントヘッドにはシート状の圧電素子が積層されて用いられる。このようなプリントヘッドに設けられる複数の積層圧電素子は、各インクチャンネルに個別に電圧を印加し、各積層圧電素子で生じる力を対応するインクチャンネルに確実に作用させるために、また、簡便に複数の積層圧電素子を得るために、通常、シート状の圧電素子と電極とが積層され、熱接合、焼結等がされた後にダイサー（あるいはワイヤーソー等）により個別にカットされることにより得られる。
【０００４】
図９は、このような従来のインクジェットヘッドの断面図である。
従来のインクジェットヘッドを製造する際には、まず、ＰＺＴ２０１とＰＺＴ柱部２０２とを含み一体となった板状の単層あるいは積層の圧電素子が、基板２０８上に接着剤により固定され、次に、ダイサー等によりＰＺＴ２０１とＰＺＴ柱部２０２とが分断され、セパレート溝２０３、２０４が形成される。
【０００５】
分断されたＰＺＴ２０１には、個別電極２１２と共通電極２１３との間で画像データに応じた電圧が印加され、これに応じた歪みがＰＺＴ２０１に生ずる。この歪みにより振動板２０２は矢印Ａ方向に押され、インクチャンネル２０７内のインクはノズル２０５よりインクドロップとなって記録シートに向かって飛翔する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、積層（あるいは単層）圧電素子のこれらのダイサー等によるカットによると、圧電素子に割れ、折れが生じ歩留まりが著しく低下し、また、ダイサー等による加工は一般に生産コストが非常にかかる。
【０００７】
本発明は、これらのような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、従来より生産コストを低減させることのできるインクジェットヘッドを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、シート状の圧電素子と該圧電素子に設けられた複数の電極層とが積層されて形成された積層圧電素子を含み、積層された電極層間に電位差を生じさせることにより生ずる圧電素子の歪みに基づいて、インクを収容するインクチャンネル内のインクを吐出させるインクジェットヘッドであって、複数の電極層は、インクチャンネルに対応する部分にのみ積層され、積層された電極層には、積層方向と直交する方向にある電極間に、空隙が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載の発明によると、複数の電極層は、インクチャンネルに対応する部分にのみ積層されているので、従来のインクジェットヘッドのようにダイサー等により圧電素子をカットする必要がなくなり、歩留まりを向上させ生産コストを低減させることができるとともに、積層された電極層には、積層方向と直交する方向にある電極間に、空隙が形成されているので、積層された電極層間による圧電素子の歪みが、隣り合う積層された電極層部分の圧電素子への変位に伝わることが緩和される。
すなわち、空隙部の幅を大きくしていくほど、積層された電極層部分（駆動部）のインクチャンネルの変形は増大し、隣り合う駆動部に対応するインクチャンネルの変形は減少していくが、ある条件下での実験によると、ほぼ１５０μｍまでは空隙部の幅を大きくしていくほどインクドロップ体積は増加するが、これ以上では空隙部の幅に関わらずインクドロップ体積はほぼ一定となり安定した。
特に、インクドロップが安定して飛翔するためには、インクドロップ体積は最小でも１０ｐｌ程度（このときの空隙部の幅は５０ｍｍ）は必要であるが、空隙部が存在しない場合にはインクドロップ体積は約８ｐｌであり、容易にノズル面にインクだまりを形成し、インクドロップを安定して飛翔させることができないものであった。
【００１０】
請求項２に記載の本発明は、シート状の圧電素子と該圧電素子に設けられた複数の電極層とが積層されて形成された積層圧電素子を含み、積層された電極層間に電位差を生じさせることにより生ずる圧電素子の歪みに基づいて、インクを収容するインクチャンネル内のインクを吐出させるインクジェットヘッドであって、ノズルが形成されたノズルプレートと、ノズルプレートと積層圧電素子との間に固定され、薄肉フィルムからなる振動板とをさらに備え、インクチャンネルは、ノズルプレートと振動板との間に形成され、ノズルプレートと振動板と積層圧電素子とを一体的に重ねて構成し、上記した複数の電極層は、インクチャンネルに対応する部分にのみ積層され、積層された電極層には、積層方向と直交する方向にある電極間に、空隙が形成されていることを特徴とする。
また、請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の本発明において、圧電素子は、積層された電極層間に生じる電位差によりノズルの方向に歪みが生じ、該歪みに基づいて、インクを収容するインクチャンネル内のインクを吐出させることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態であるインクジェットヘッドについて説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施の形態であるインクジェットヘッド３を有するインクジェットプリンタ１の概略構成を示す斜視図である。
【００１３】
インクジェットプリンタ１は、用紙やＯＨＰシート等の記録媒体である記録シート２に印字を行なう、インクジェット方式のプリントヘッドであるインクジェットヘッド３と、インクジェットヘッド３を保持し図示しないモータによって駆動されるキャリッジ４と、キャリッジ４を記録シート２の記録面に平行に往復移動させるための揺動軸５、６と、モータの回転をキャリッジ４の往復運動に変えるためのアイドルプーリ７、８、タイミングベルト９とを含んでいる。
【００１４】
また、インクジェットプリンタ１は、記録シート２を給紙するための給紙トレイ１０と、駆動モータ１１によって駆動される歯車１２〜１５により回転され、記録シート２を搬送する送りローラ１６と、記録シート２を搬送経路に沿って案内するガイド板を兼ねインクジェットヘッド３と対向することによって記録部を形成するプラテン１７と、記録を終えた記録シートを排出する排出ローラ１８とを含んでいる。
【００１５】
インクジェットヘッド３には、インク飛翔用のエネルギ発生源として圧電素子（ＰＺＴ）が用いられる。圧電素子には電圧が印加され、歪みが生じる。この歪みは、インクで満たされたチャンネルの容積を変化させる。このチャンネルの容積の変化により、チャンネルに設けられたノズルからインクが吐出され、記録シート２への記録が行なわれる。
【００１６】
キャリッジ４は、モータ、アイドルプーリ７、８、タイミングベルト９により、揺動軸５、６に沿って記録シート２を横方向に主走査し、キャリッジ４に取り付けられたインクジェットヘッド３は１ライン分の画像を記録する。１ライン分の記録が終わる毎に、給紙トレイ１０から給紙される記録シート２は駆動モータ１１、歯車１２〜１５、送りローラ１６により縦方向に副走査され、次のラインが記録される。
【００１７】
記録シート２にはこのようにして画像が記録され、記録部を通過した記録シート２はその搬送方向下流側に配置された排出ローラ１８によって排出される。
【００１８】
次に、図２〜図４を用いて、インクジェットヘッド３の構成と動作とを説明する。
【００１９】
図２はインクジェットヘッド３のノズル３０５を含む主走査方向への面での断面図であり、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【００２０】
図２に示すように、インクジェットヘッド３は、ノズルプレート３０１、振動板３０２、ＰＺＴ３０３、基板３０４を一体に重ねた構成となっている。
【００２１】
ノズルプレート３０１は、金属またはセラミック等からなり、ノズル３０５を有し、表面には撥インク層を有する。振動板３０２には、薄肉フィルムが使用されており、ノズルプレート３０１とＰＺＴ３０３との間に固定されている。
【００２２】
また、ノズルプレート３０１と振動板３０２との間には、インク３０６を収容する複数のインクチャンネル３０７と、各インクチャンネル３０７をインク供給室３０８に連結するインクインレット３０９が形成されている。インク供給室３０８は図示しないインクカートリッジに接続されており、インク供給室３０８内のインク３０６はインクチャンネル３０７へと供給される。
【００２３】
ＰＺＴ３０３の振動板３０２に接する面には、フレキシブル配線３１１を介してドライバ回路３１０に接続されインクジェットヘッド３内の複数のＰＺＴ３０３に個別に接続される個別電極側配線部３１２が設けられ、基板３０４上には、アースに接続されインクジェットヘッド３内の複数のＰＺＴ３０３に共通に接続される共通電極側配線部３１３が設けられる。この個別電極側配線部３１２はＰＺＴ３０３内の個別電極４０１（図３参照）に接続され、共通電極側配線部３１３はＰＺＴ３０３内の共通電極４０３（図３参照）に接続される。
【００２４】
図３に示すように、ＰＺＴ３０３は、個別電極４０１、グリーンシート４０２、共通電極４０３、グリーンシート４０２、…の順で交互に重ねられていくことにより形成される。（図内では特に区別していないが、個別電極と共通電極とは交互に重ねられていくものとする。）ここで、各層のグリーンシート４０２は複数のインクチャンネル３０７にわたって用いられるのに対して、個別電極４０２、共通電極４０３はインクチャンネルに対応する部分にのみ積層され、各層の電極間には空隙４０５が形成される。
【００２５】
これらのようなインクジェットヘッド３の動作を説明する。図４は、インクジェットヘッド３の動作を説明するための図である。
【００２６】
インクジェットヘッド３では、ＰＺＴ３０３内部に設けられた駆動部４００で画像データに対応する所定の電圧が印加され、駆動部４００はインクチャンネル３０７を押す方向に変形する。駆動部４００の変形によりインクチャンネル３０７内のインク３０６は加圧され、ノズル３０５を介してインクドロップ４５０が記録シート２（図１参照）に向かって飛翔する。
【００２７】
駆動部（アクチュエータ）４００の歪みによる変形に際しては、この空隙４０５によって、駆動部４００に隣り合う駆動部への変位の伝わり（連動変位）が緩和され、連動変位が減少する。
【００２８】
このようなＰＺＴ３０３を用いることによって、（図９を用いて説明した）従来のインクジェットヘッドのようにダイサー等により圧電素子（ＰＺＴ）をカットする必要がなくなり、また、カットによる圧電素子の割れ、折れ等の発生により歩留まりが低下することなく、生産コストを低減させることができる。
【００２９】
続いて、一定条件の下、空隙部（図３の空隙４０５）の幅を変化させつつ、インクチャンネルの有効変位体積（ＰＺＴ３０３の変形により減少するインクチャンネルの体積であり、変形前のインクチャンネルの体積−変形後のインクチャンネルの体積とする）と吐出されるインクドロップ体積とを測定する実験を行なうことにより、空隙の幅について検討する。
【００３０】
この実験は次のような条件の下で行なった。
チャンネルのピッチ：  ２８２μｍ（９０ｄｐｉに相当する）
グリーンシート一層の厚み：  ５０μｍ
グリーンシートの積層数：  ２０層
電極の厚み：  ３μｍ
インクチャンネルの長さ：  ２．０ｍｍ
印加電圧：  １００Ｖ（０Ｖから１００Ｖへの立ち上がり時間１０μｓ、１００Ｖの振幅の継続時間２０μｓ、１００Ｖから０Ｖへの立ち下がり時間１５０μｓ、駆動周波数５ｋＨｚのパルス電圧）
また、実験に用いたＰＺＴの特性は次の通りである。
【００３１】
ヤング率Ｅ＝６０００ｋｇｆ／ｍｍ2 
圧電定数ｄ３３＝５００×１０-12 ｍ／Ｖ
圧電定数ｄ３１＝−２４０×１０-12 ｍ／Ｖ
電極のヤング率＝８８００ｋｇｆ／ｍｍ2 
以上のような条件の下、空隙部の幅を、０μｍ（空隙部が存在しない）、８２μｍ、１４１μｍ、２００μｍ（それぞれ、条件０、１、２、３とする）と変化させて、有効変位体積、インクドロップ体積を測定する。［表１］はこの測定の結果を示している。
【００３２】
【表１】
0003948001.tif 000002
【００３３】
ここで、片面押しとは、インクチャンネルに変位を与える駆動部がインクチャンネルの片面にのみ存在することを意味している（第２の実施の形態のインクジェットヘッドでは、両面押しとしている）。また、変位体積として示した表中の欄のうち、' 駆動部' はインクドロップを吐出させるための駆動部に対応するインクチャンネルの変形を表し、' 隣ＣＨ' はインクドロップを吐出させるための駆動部に隣り合う駆動部に対応するインクチャンネルの減少する変形を表し、' 隣への影響' の値は' 隣ＣＨ' の値を' 駆動部' の値で割り百分率で表したものであり、隣り合う駆動部に対応するインクチャンネルへの影響を表している。
【００３４】
表１によると、実験に用いたインクジェットヘッドでは、変位体積の約５５％がインクドロップ体積になっていることがわかる。また、隣り合う駆動部に対応するインクチャンネルの変形（' 片面押し隣ＣＨ' の欄の値）は負となっており、隣り合う駆動部に対応するインクチャンネルの体積は増加する。
【００３５】
［表１］の関係をグラフに表す。図５は、この実験によって得られた空隙部の幅と、有効変位体積、インクドロップ体積との関係を示す図である。図５（ａ）は空隙部の幅と有効変位体積との関係を示す図であり、図５（ｂ）は空隙部の幅とインクドロップ体積との関係を示す図である。
【００３６】
図５（ａ）に示すように、空隙部の幅を大きくしていくほど、駆動部のインクチャンネルの変形は増大し、隣り合う駆動部に対応するインクチャンネルの変形は減少していく。また、図５（ｂ）に示すように、ほぼ１５０μｍまでは空隙部の幅を大きくしていくほどインクドロップ体積は増加するが、これ以上では空隙部の幅に関わらずインクドロップ体積はほぼ一定となり安定する。
【００３７】
特に、インクドロップが安定して飛翔するためには、インクドロップ体積は最小でも１０ｐｌ程度（このときの空隙部の幅は５０ｍｍ）は必要であるが、空隙部が存在しない場合にはインクドロップ体積は約８ｐｌであり、容易にノズル面にインクだまりを形成し、インクドロップを安定して飛翔させることができない。
【００３８】
以上より、上述のようなインクジェットヘッドでは、空隙部の幅を１５０μｍ以上とするとき、特に良好な効果が得られることがわかる。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施の形態であるインクジェットヘッドについて説明する。
【００４０】
図６は第２の実施の形態のインクジェットヘッドのノズルを含む主走査方向への面での断面図であり、図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。図６、図７は、第１の実施の形態のインクジェットヘッド３の図２、図３にそれぞれ対応する。また、第２の実施の形態のインクジェットヘッドが設けられるインクジェットプリンタの全体構成等は第１の実施の形態のインクジェットヘッドに準ずるものとする。
【００４１】
図６に示すように、本インクジェットヘッドでは個別電極側配線部５１２と、共通電極側配線部５１３ａ、５１３ｂとの間に画像データに対応する所定の電圧が印加され、これに応じてＰＺＴ５０３ａ、５０３ｂがそれぞれ振動板５０２ａ、５０２ｂを押す方向に変形する。ＰＺＴ５０３ａ、５０３ｂの変形は振動板５０２ａ、５０２ｂに伝えられ、振動板５０２ａ、５０２ｂが上下両面からインクチャンネル５０７を加圧することにより、ノズル５０５を介してインクドロップが記録シート２（図１参照）に向かって飛翔する。
【００４２】
また、図７に示すように、ＰＺＴ５０３ａ、５０３ｂ内の駆動部６００は、個別電極５５１、グリーンシート５５２、共通電極５５３、グリーンシート５５２、…の順で交互に重ねられていくことにより形成される。（図内では特に区別していないが、個別電極と共通電極とは交互に重ねられていくものとする。）ここで、各層のグリーンシート５５２は複数のインクチャンネル５０７にわたって用いられるのに対して、個別電極５５１、共通電極５５３はインクチャンネルに対応する部分にのみ積層され、各層の電極間には空隙５５５が形成される。
【００４３】
駆動部６００のの歪みによる変形に際しては、この空隙５５５によって、駆動部６００に隣り合う駆動部６００で生じる変位の伝わり（連動変位）が緩和され、連動変位が減少する。
【００４４】
このようなＰＺＴ５０３ａ、５０３ｂを用いることによって、第１の実施の形態のインクジェットヘッドと同様、（図９を用いて説明した）従来のインクジェットヘッドのようにダイサー等により圧電素子（ＰＺＴ）をカットする必要がなくなり、また、カットによる圧電素子の割れ、折れ等の発生により歩留まりが低下することなく、生産コストを低減させることができる。
【００４５】
続いて、第１の実施の形態のインクジェットヘッドと同様、一定条件の下、空隙部（図７の空隙５５５）の幅を変化させつつ、インクチャンネルの有効変位体積と吐出されるインクドロップ体積とを測定する実験を行なうことにより、空隙の幅について検討する。
【００４６】
本実験では、インクチャンネルの構成、ＰＺＴの特性、変化させる空隙部の幅等は、上述の第１の実施の形態のインクジェットヘッドでの実験と同様であるものとする。［表２］はこの測定の結果を示している。
【００４７】
【表２】
0003948001.tif 000003
【００４８】
ここで、両面押しとは、インクチャンネルに変位を与える駆動部がインクチャンネルの両面に存在することを意味し、また、' 駆動部' 、' 隣ＣＨ' 、' 隣への影響' 等は第１の実施の形態のインクジェットヘッドでの実験と同様である。
【００４９】
［表２］の関係をグラフに表す。図８は、この実験によって得られた空隙部の幅と、有効変位体積、インクドロップ体積との関係を示す図である。図８（ａ）は空隙部の幅と有効変位体積との関係を示す図であり、図８（ｂ）は空隙部の幅とインクドロップ体積との関係を示す図である。
【００５０】
図８（ａ）、［表２］に示すように、空隙部の幅を大きくしていくほど、駆動部のインクチャンネルの変形は増大し、隣り合う駆動部に対応するインクチャンネルの変形、隣り合う駆動部に対応するインクチャンネルへの影響は減少していき、（隣り合う駆動部に対応するインクチャンネルの変形が大きいことは、隣り合う駆動部に対応するインクチャンネルからインクドロップが飛翔する可能性があることを意味するため）空隙部の幅を大きくしていくほど良好な結果を示していることが分かる。また、図８（ｂ）に示すように、インクドロップ体積は条件２（空隙の幅：１４１μｍ）のときに最大値をとることがわかる。
【００５１】
さらに、本インクジェットヘッドでは、上下両面からインクチャンネルが押圧されるため、インクチャンネルそのものの変位による圧力の損失がほとんどなくなり、第１の実施の形態のインクジェットヘッドのような片面押しの場合に比べて有効変位体積、インクドロップ体積が大きな値をとり、また、インクドロップ体積は空隙部の幅を変化させても常に１０ｐｌ以上でありインクドロップは安定して飛翔することがわかる。
【００５２】
以上より、上述のようなインクジェットヘッドでは、空隙部の幅を１００〜２００μｍとするとき、良好な効果が得られることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態であるインクジェットヘッド３を有するインクジェットプリンタ１の概略構成を示す斜視図である。
【図２】インクジェットヘッド３のノズル３０５を含む主走査方向への面での断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】インクジェットヘッド３の動作を説明するための図である。
【図５】実験によって得られた空隙部の幅と、有効変位体積、インクドロップ体積との関係を示す図である。
【図６】第２の実施の形態のインクジェットヘッドのノズルを含む主走査方向への面での断面図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】実験によって得られた空隙部の幅と、有効変位体積、インクドロップ体積との関係を示す図である。
【図９】従来のインクジェットヘッドの断面図である。
【符号の説明】
１  インクジェットプリンタ
２  記録シート
３  インクジェットヘッド
３０１  ノズルプレート
３０２  振動板
３０３  ＰＺＴ
３０４  基板
３０５  ノズル
３０６  インク
３０７  インクチャンネル
３０８  共通インク室
３０９  インクインレット
３１０  ドライバ回路
３１１  フレキシブル配線
３１２  個別電極側配線部
３１３  共通電極側配線部
４００  駆動部
４０１  個別電極
４０２  グリーンシート
４０３  共通電極
４０５  空隙
４５０  インクドロップ
【図１】
0003948001.tif 000004
【図２】
0003948001.tif 000005
【図３】
0003948001.tif 000006
【図４】
0003948001.tif 000007
【図５】
0003948001.tif 000008
【図６】
0003948001.tif 000009
【図７】
0003948001.tif 000010
【図８】
0003948001.tif 000011
【図９】
0003948001.tif 000012