(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に形成された第１の溝と複数の個別電極が形成されてなる圧電体と、表面に形成された第２の溝を有する基板とにより構成されており、かつ、前記第２の溝の凹部と前記圧電体の第１の溝を有する面とによりインク室が形成され、隣り合うインク室の中間位置に前記第１の溝が１本配置されるように構成された圧電式インクジェットプリンタヘッドにおいて、
前記圧電体は、圧電材に有機高分子材料層が設けられた構造を有し、
前記第１の溝の凹部が前記圧電体の前記圧電材側の表面から前記有機高分子材料層に達するように構成されており、
前記圧電体の前記有機高分子材料層側に、前記有機高分子材料層を前記圧電材と挟持するかたちで、前記圧電材の配列を保持できる程度に自己保持能力を有する材料からなる補強部材が配置されることを特徴とする圧電式インクジェットプリンタヘッド。
【請求項２】
前記圧電体の表面に形成された第１の溝が、前記個別電極の各々を画成するように設けられた請求項１記載の圧電式インクジェットプリンタヘッド。
【請求項３】
前記圧電材が鉛系複合ペロブスカイ構造を有するセラミックスであることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の圧電式インクジェットプリンタヘッド。
【請求項４】
前記圧電体の前記個別電極が複数の電極を積層してなる層構造を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の圧電式インクジェットプリンタヘッド。
【請求項５】
前記個別電極が銀及びパラジウム、若しくは白金を含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の圧電式インクジェットプリンタヘッド。
【請求項６】
表面に形成された第１の溝と複数の個別電極が形成されてなる圧電体と、表面に形成された第２の溝を有する基板とにより構成されており、かつ、前記第２の溝の凹部と前記圧電体の第１の溝を有する面とによりインク室が形成され、隣り合うインク室の中間位置に前記第１の溝が１本配置されるように構成される圧電式インクジェットプリンタヘッドにおける前記圧電体の製造方法であって、
セラミックスグリーンシート上に電極形成することにより基板層を形成し、前記基板層を複数積層することにより形成された積層体を焼成することによって圧電材を製造した後、前記圧電材に有機高分子材料層を設けると共に、前記有機高分子材料層を前記圧電材と挟持するかたちで、前記圧電材の配列を保持できる程度に自己保持能力を有する材料からなる補強部材を配置し、前記第１の溝の凹部が前記有機高分子材料層に達するように、前記前記圧電材の表面から前記有機高分子材料層に至る前記第１の溝を形成することを特徴とする圧電式インクジェットプリンタヘッド用圧電体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電体を利用した圧電式インクジェットプリンタヘッド及び圧電式インクジェットプリンタヘッド用圧電体の製造方法に関する。
インクジェットプリンタは、ヘッドの構造を単純にできるため、プリンタを低コストにできるという利点を有している。よって、低価格のカラープリンタに用いられ、主にパソコン用の分野で広く用いられている。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットプリンタは液体のインクをドットに対応するヘッドのノズル孔から吹き出し、紙に付着させることにより印字を行うプリンタである。インクの吹き出し方法には、圧電体を使う方法と、インクをヒーターで加熱気化し、気泡を発生させてインクを押し出す方法の２通りがあり、それぞれの方法に対応したプリントヘッドが必要となる。熱を使う方法においては、ヒーターを備えたヘッドが用いられ、ヘッド内に設けられたインク室内でこのヒーターによってインクを通電加熱し、気泡を発生させ、気泡発生によって生じる圧力でインクを吐き出させる。この方法においては、インクの特性によってヘッドの特性が決まってしまい、印字速度及び印字品質に限界があり、今後求められるプリンタの高速化、高画質化に対応することが困難であるという問題を有している。
【０００３】
圧電体を使う方法においては圧電式インクジェットプリンタヘッドが用いられる。
図２と図３に従来の圧電式インクジェットプリンタヘッドの構造の概略を示す。従来の圧電式インクジェットプリンタヘッドは、層構造を有する複数の電極１２を有する圧電体１３と、表面に凹凸構造１４を形成された基板１５が、基板表面の凹凸構造１４と圧電体１３とが対向するように、かつ、ドライフィルム１６を介して接合された構造を有し、この凹凸構造１４の凹部がインクの流路及び貯蔵室となるインク室１７を形成する。
【０００４】
このヘッドは、電極１２に通電することで圧電体１３の電極１２近傍部位が変位し、ドライフィルム１６と対向して接合された基板１５の凹凸構造１４における凹構造により形成されたインク室１７のドライフィルム１６による壁を押し、インク共通路２０よりインク室１７に満たされたインクに押し圧を加え、インク室１７の先端に設けられたノズル１８のノズル孔１９からインクを吹き出させる。
【０００５】
このように、圧電式インクジェットプリンタヘッドはその構造が比較的に単純であるため、低コストで製造でき、また、そのインク吹き出し機構より、必要な部分にのみインクを吹き出すことが可能となり、ランニング・コストも安くできる。その結果、低価格のカラープリンタを実現できることとなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、圧電体を用いた圧電式インクジェットプリンタヘッドは、低価格のカラープリンタを実現できる点で優れているが、その構造の単純さゆえに、いくつかの課題を有している。その課題は圧電体の構造に由来し、圧電体おいて、複数の圧電素子が一体になっている構造を有していることに由来する。つまり、複数の圧電素子の一部に通電して一部の素子のみを変位させようとした場合、通電されず変位しない素子の影響により、効率よく十分な変位を得ることが困難であるという課題を有している。
【０００７】
また、隣合うインク室の壁を形成する基板表面の凹凸構造の凸部分に、ドライフィルムを介して、通電された圧電素子部分の変位が伝わり、結果的に隣接するインク室に変位を与え、高精彩な印字ができないという問題を有している。
また、圧電素子の変位を十分なものとするため、内部電極を複数積層する事が望ましいが、前記したように、圧電素子は微小であり、その製造が困難であるという課題を有している。
【０００８】
これらの課題に対して、図４に示すように、圧電体２１の内部電極２２の側面部にスリット状の溝２３を形成し、通電に対して、圧電体２１中の圧電素子２４がそれぞれ独立して変位できるようにされた、圧電式インクジェットプリンタヘッドが提案されている。確かに、提案の圧電式インクジェットプリンタヘッドは、圧電体２１中で未通電の圧電素子と通電する圧電素子２４が隣接する場合、未通電の圧電素子の影響は排除でき、通電する圧電素子２４においては、効率よく十分な変位が確保される。そして、変位が、隣合うインク室２６の壁を形成する基板表面の凹凸構造の凸部２７に、通電された圧電素子部分の変位が伝わるという問題も軽減できた。しかし、図４に示すように、圧電体２１の内部電極２２の側面部に形成されたスリット状の溝２３の先端部分には、応力が集中し、長時間の使用によって、クラック２５が発生するという問題を有している。
【０００９】
そこで、本発明は従来の圧電式インクジェットプリンタヘッドが有する上記の課題を解決した新規で有用な圧電式インクジェットプリンタヘッドを提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、圧電体の表面に形成された溝構造によって、圧電体中の各圧電素子の変位の独立性を確保しながら、スリット状の溝の先端部に有機高分子材料層を設け、応力集中によるクラックの発生しない圧電式インクジェットプリンタヘッドを提供することである。
【００１０】
更に、複数層積層された内部電極を有する圧電式インクジェットプリンタヘッドに用いる圧電体の簡便な製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１によれば、表面に形成された第１の溝と複数の個別電極が形成されてなる圧電体と、表面に形成された第２の溝を有する基板とにより構成されており、かつ、前記第２の溝の凹部と前記圧電体の第１の溝を有する面とによりインク室が形成され、隣り合うインク室の中間位置に前記第１の溝が１本配置されるように構成された圧電式インクジェットプリンタヘッドにおいて、前記圧電体は、圧電材に有機高分子材料層が設けられた構造を有し、前記第１の溝の凹部が前記圧電体の前記圧電材側の表面から前記有機高分子材料層に達するように構成されており、前記圧電体の前記有機高分子材料層側に、前記有機高分子材料層を前記圧電材と挟持するかたちで、前記圧電材の配列を保持できる程度に自己保持能力を有する材料からなる補強部材が配置されることを特徴とする圧電式インクジェットプリンタヘッドが提供される。
【００１２】
請求項２によれば、前記圧電体の表面に形成された第１の溝が、前記個別電極の各々を画成するように設けられた請求項１記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドが提供される。請求項３によれば、前記圧電材が鉛系複合ペロブスカイ構造を有するセラミックスであることを特徴とする請求項１乃至２の何れか１項記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドが提供される。
【００１３】
請求項４によれば、前記圧電体の前記個別電極が複数の電極を積層してなる層構造を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドが提供される。
請求項５によれば、前記個別電極が銀及びパラジウム、若しくは白金を含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の圧電式インクジェットプリンタヘッドが提供される。
【００１５】
請求項６によれば、表面に形成された第１の溝と複数の個別電極が形成されてなる圧電体と、表面に形成された第２の溝を有する基板とにより構成されており、かつ、前記第２の溝の凹部と前記圧電体の第１の溝を有する面とによりインク室が形成され、隣り合うインク室の中間位置に前記第１の溝が１本配置されるように構成される圧電式インクジェットプリンタヘッドにおける前記圧電体の製造方法であって、セラミックスグリーンシート上に電極形成することにより基板層を形成し、前記基板層を複数積層することにより形成された積層体を焼成することによって圧電材を製造した後、前記圧電材に有機高分子材料層を設けると共に、前記有機高分子材料層を前記圧電材と挟持するかたちで、前記圧電材の配列を保持できる程度に自己保持能力を有する材料からなる補強部材を配置し、前記第１の溝の凹部が前記有機高分子材料層に達するように、前記前記圧電材の表面から前記有機高分子材料層に至る前記第１の溝を形成することを特徴とする圧電式インクジェットプリンタヘッド用圧電体の製造方法が提供される。
【００１６】
請求項１によれば、従来圧電式インクジェットプリントヘッドにおいて存在した問題であり、具体的には、圧電体の内部電極の側面部に形成されたスリット状の溝の先端部分に応力が集中し、長時間の使用によって、クラック等が発生するという問題については、応力の集中する溝部の先端を圧電体に形成された有機高分子材料表面若しくは有機高分子材料中に設けることにより回避できる。つまり、圧電体中の圧電素子部位で生じた応力を、応力の集中による破壊に対して強い耐性を有する有機高分子材料によって吸収してしまうことにより、圧電体に破壊によるクラックが生じることを防止できる。
【００１７】
また、圧電体表面に形成された溝部は隣接する圧電素子からの圧電素子の独立を確保し、通電に対して、圧電素子の圧電体中での独立した変位を可能とする。よって、圧電体中で未通電の圧電素子と通電する圧電素子が溝を介して隣接する場合、未通電の圧電素子の影響は排除でき、通電する圧電素子においては、変位の効率が向上する。
【００１８】
請求項２によれば、圧電体中の圧電素子部位で生じた応力を、有機高分子材料によって吸収してしまうことにより、圧電体に破壊によるクラックが生じることを防止できるとともに、溝をそれそれの個別電極の側面に形成することによって、各々の圧電素子の完全な独立を確保している。隣接する圧電素子からの圧電素子の独立を確保し、通電に対して、圧電素子の圧電体中での独立した変位を可能とするという圧電体表面の溝の作用は、設けられた溝各々について発現する。よって、請求項１に従って一つ以上の溝を表面に設けられた圧電体は、圧電体表面に溝を有しない従来の圧電式インクジェットプリンタヘッドの圧電体に比べ、通電する圧電素子の変位の効率は向上する。そして、溝をそれそれの個別電極の側面に形成するとき、各々の圧電素子が全て他の圧電素子から独立していることとなり、圧電素子の変位の効率は最大とすることができる。
【００１９】
請求項３によれば、圧電体に用いる圧電材料として鉛系複合ペロブスカイ構造を有するセラミックスを使用することにより、圧電素子の通電に対する変位を、効率よくかつ十分なものとしている。
請求項４によれば、圧電体中の内部電極が複数の電極を積層してなる層構造を有していることにより、圧電素子の通電に対する変位を、効率よくかつ十分なものとしている。
【００２０】
請求項５によれば、内部電極として、銀及びパラジウム、若しくは白金を含有したものを用いることにより、導電性等電極として必要な特性を十分に満たすとともに、電極を形成する際にペースト状の電極材料を用いることができる。ペースト状の電極材料を使用すれば、その形成及びパターニングを、スクリーン印刷等により簡便にかつ迅速に行うことができ、その電極を用いた圧電素子の生産性の向上が達成できる。
【００２１】
請求項６によれば、以下に示すように、通電に対する変位等の性能の良い圧電式インクジェットプリンタヘッドに用いる圧電体を簡便に製造することができる。つまり、所望の組成のセラミックスグリーンシート上に所定の電極をペースト状の電極材料を用い、スクリーン印刷等で形成する。そして、その電極面に新たなセラミックスグリーンシートを積層し、その新たなセラミックスグリーンシート上に所定の電極をペースト状の電極材料を用い、スクリーン印刷等で形成する。こうした積層工程を数回繰り返し、電極とセラミックスグリーンシートの一体化した積層体を形成する。一体化した積層体を焼成した後、この積層体の電極と平行をなす面の一方に有機高分子材料層を設け、さらに、有機高分子材料層を設けられた面の裏面に溝をその先端が有機高分子材料に達するように形成して、所望の圧電体を製造する。こうして、通電に対する変位等の性能の良い圧電式インクジェットプリンタヘッドに用いる圧電体を簡便に製造することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図にもとずいて説明する。
図１は本発明による圧電式インクジェットプリンタヘッドの正面図である。
図１を参照するに、本発明による圧電式インクジェットプリンタヘッドにおいては、ＰＮＮ−ＰＴ−ＰＺ組成のセラミックスである圧電材１と有機高分子材料２からなる圧電体３において、有機高分子材料２の設けられた面と裏面をなすもう一方の表面に溝４が形成されている。この時、溝４の先端は有機高分子材料２に達している。そして、溝４が形成されることにより相対的に形成される圧電体３の凸部５の内部に複数の積層された銀−パラジウムからなる個別電極６（以下、単に電極という）を有しており、その凸部５の各々が独立した圧電素子７を形成している。そして、石英ガラスからなる基板８もその一方の表面に電極６にそれぞれ対応するように溝９が形成されており、この圧電体３と基板８を接合し、電極に対向する位置にインク室１０を形成している。従って、このインク室１０は圧電体３をひとつの壁面とし、圧電体３と基板８の溝９とから成っており、図２及び図３に示す従来圧電式インクジェットプリンタヘッドのインク室１７と同様に、インクの流路及び貯蔵庫となる。そして、圧電素子７の電極６に通電がなされると、圧電素子７が変位し、従って、前記インク室１０の圧電体３で形成されたひとつの壁がインク室１０を狭くするように変形し、インク室１０に貯められたインクをインク室１０の外に押し出すことになる。
【００２３】
本発明によれば、圧電体３の表面に形成された溝４が、図４に示す従来の圧電式インクジェットプリンタヘッドのスリット状の溝２３と同様に、通電に対して、圧電体３の圧電素子７がそれぞれ独立して変位できるようにされ、圧電体３で未通電の圧電素子と通電する圧電素子が隣接する場合、未通電の圧電素子の影響は排除でき、通電する圧電素子においては、効率よく十分な変位が確保される。そして、隣合うインク室の壁を形成する基板表面の凸部１１に、通電された圧電素子部分の変位が伝わることも少なく、高精彩な印字を可能とする。また、応力の集中する可能性のある溝４の先端を圧電体３に備えられた有機高分子材料２の中に設けることにより応力集中の防止及び緩和することができる。つまり、圧電体３中の圧電素子７で生じた応力を、応力の集中による破壊に対して強い耐性を有する有機高分子材料２によって吸収してしまうことにより、図４に示した圧電体３の破壊によるクラック２５が生じることを防止できる。
【００２４】
なお、有機高分子材料としては、木材、合成樹脂、ゴム、紙、繊維、皮革、塗料、接着剤等を使用することが可能であるが、応力の集中による破壊に対して圧電材料に比べ、強い耐性を有することが必要である。そして、さらに、溝を介して配列している圧電材の配列を保持できる程度に自己保持能力を有する必要がある。このような特性を有する材料であれば無機材料でも、前記有機高分子材料にかえて用いることが可能である。また、自己保持能が不十分な部材を用いる際は、前記部材を前記圧電材と挟持するかたちで、ガラス等の高い自己保持能を有する材料を配置し、前記部材を、ひいては前記圧電材を備える圧電体を補強しても良い。
【００２５】
次に、本発明の圧電式インクジェットプリンタヘッド用圧電体３の製造方法を説明する。まず、ＰＮＮ−ＰＴ−ＰＺ組成のセラミックグリーンシート上に銀−パラジウムペーストをスクリーン印刷法で印刷して電極を形成する。この電極を形成したグリーンシートを１００°Ｃ、１０ＭPaの条件下で積層し、電極とセラミックスグリーンシートが一体化した積層体を形成する。この積層体を大気中１１００°Ｃで４時間焼成する。
【００２６】
次に、この積層体をアラルタイドアクリル系の液体状の有機高分子材料で満たされた樹脂液浴に浸す。その後、有機高分子材料を硬化させ、全面に有機高分子材料をコートする。液体状の有機高分子材料は積層体表面の微小凹凸構造内にしみ込み、硬化するとともに、硬化時に体積収縮による圧縮応力を積層体表面に及ぼすため、硬化後の有機高分子材料と積層体の密着を強固に保つことができる。
【００２７】
そして、この積層体を研磨し、電極と平行をなす積層体の一方の表面上の有機高分子材料と、他の部位の不要な有機高分子材料を除くとともに、積層体の前記表面を露出させ、さらに平滑化させる。
こうして、有機高分子材料２を形成した後、この研磨面からダイシングソーを用いてその先端が有機高分子材料層に達するように溝４を形成する。以上より、図１に示す、圧電体３が得られる。
【００２８】
本発明によれば、銀−パラジウムを含有する多層の電極６を有し、圧電素子７が他の圧電素子の変位から独立していながら、応力集中による破壊クラック発生のない圧電体３が、簡便に製造できる。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１によれば圧電体中の圧電素子部位で生じた応力を、応力の集中による破壊に対して強い耐性を有する有機高分子材料によって吸収してしまうことにより、圧電体に破壊によるクラックが生じることを防止できる。また、未通電の圧電素子の影響は排除でき、通電する圧電素子においては、効率よく変位が確保される。
【００３０】
請求項２によれば、圧電体に応力集中によるクラックが生じることを防止でき、なおかつ、圧電素子の完全な独立を確保し、より効率良く十分な圧電素子の変位が確保できる。
請求項３によれば、圧電素子の通電に対する変位を、効率よくかつ十分なものとしている。
【００３１】
請求項４によれば、圧電素子の通電に対する変位を、効率よくかつ十分なものとしている。
請求項５によれば、導電性等電極として必要な特性を十分に満たすとともに、電極を形成する際にペースト状の電極材料を用いることができ、その形成及びパターニングを、スクリーン印刷等により簡便にかつ迅速に行うことができる。
【００３２】
請求項６によれば、通電に対する変位等の性能が良く、応力集中による破壊に対して耐性の強い圧電式インクジェットプリンタヘッドに用いる圧電体を簡便に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例で圧電式インクジェットプリンタヘッドの正面図である。
【図２】従来の圧電式インクジェットプリンタヘッドの正面図である。
【図３】従来の圧電式インクジェットプリンタヘッドの分解斜視図とその縦断面図である。
【図４】圧電体の内部電極の側面部にスリット状の溝を有した従来の圧電式インクジェットプリンタヘッドの正面図である。
【符号の説明】
１  圧電材
２  有機高分子材料
３  圧電体
４  溝
５  凸部
６  電極
７  圧電素子
８  基板
９  溝
１０  インク室
１１  凸部
【図１】
0003800258.tif 000002
【図２】
0003800258.tif 000003
【図３】
0003800258.tif 000004
【図４】
0003800258.tif 000005