JP3666125B2

JP3666125B2 - 圧電型インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP3666125B2
Application number: JP16693996A
Authority: JP
Inventors: 芳明河野; 宏中谷
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 2005-06-29
Anticipated expiration: 2016-06-05
Also published as: JPH09323410A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電型インクジェットヘッド、特にマルチノズル型のインクジェットヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のインクジェットヘッドとしては、例えば特開昭５８−１０２７７５号公報に開示されているように、多数の加圧室を集積したマルチノズルヘッドが知られている。このヘッドは、加圧室を形成した基板上に振動板と圧電体とを積層接着したもので、圧電体にはＰＺＴ系圧電セラミックスが使用され、振動板にはＡＢＳ樹脂のような硬い材料が使用されている。
【０００３】
加圧室内のインクをノズルから吐出するには、圧電体と振動板とが一体となった屈曲変位が必要である。屈曲変位を効率よく発生させるには、振動板自体もある程度硬く、また圧電体と同程度以上の厚みが望ましい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、圧電体と振動板はエポキシ系接着剤などによる加熱接着により一体化されるものが多い。しかし、熱膨張差による変形や内部に残留応力が生じるため、屈曲変形が阻害されたり、インクの吐出方向が不安定になる等の特性劣化が発生していた。
また、振動板の厚みが厚いと、屈曲変位が基板と振動板の接合部を通して隣の加圧室まで波及したり、あるいは振動板の変形そのものが阻害される等の問題が発生した。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上記のような問題点を解消できる圧電型インクジェットヘッドを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、複数の加圧室が形成された基板と、上記各加圧室に設けられたノズルと、上記基板上に固着され、上記加圧室の１つの壁面を構成する可撓性膜と、上記可撓性膜上に接合固定された２層以上の積層構造の圧電セラミックスよりなる圧電体とを備え、上記圧電体の少なくとも１層は駆動時に電圧が印加されない層であり、他の少なくとも１層に電圧を印加することにより、上記圧電体は屈曲変位するものであり、上記可撓性膜は、そのヤング率が上記圧電体のヤング率の１／２以下の樹脂膜であり、上記圧電体の屈曲変位により各加圧室内のインクを加圧し、インクをノズルから吐出させるように構成した圧電型インクジェットヘッドを提供する。
【０００７】
本発明では、可撓性膜は振動板として機能するのではなく、インクが圧電体側へ浸透したり、圧電体への印加電圧によってインクが劣化するのを防止する保護膜として機能する。そのため、可撓性膜が圧電体の変位に追随して容易に撓み、基本的に積層構造の圧電体のみで屈曲変位が可能であるため、屈曲変位が隣の加圧室まで波及したり、あるいは圧電体の変形を阻害するといった問題がない。また、圧電体と可撓性膜とを接合した際、内部に残留応力が発生しないので、振動板と圧電体とを接合した従来構造のような特性劣化がない。
【０００８】
可撓性膜としては、圧電体に比べて柔らかい材料であればよく、樹脂膜や金属膜、ゴム膜など材料は問わない。好ましくは、膜の厚みが圧電体の１／２以下で、そのヤング率が圧電体の１／２以下のものが望ましい。
【０００９】
例えば２層の積層構造の圧電体の場合、片側は分極方向と同方向で、他方は逆方向に電圧を印加する所謂バイモルフ型の圧電体とすることも可能である。しかし、この場合には、逆方向の電圧を印加した際に分極反転が生じ、両層とも同一方向での駆動電圧となり、屈曲変位が生じなくなる、所謂分極劣化に伴う特性劣化が生じる。これに対し、圧電体の少なくとも１層を、駆動時に電圧が印加されない層とした場合には、他の層にのみ分極時と同一方向の駆動用電圧を印加し、屈曲変位を生じさせることにより、バイモルフ型に比べて分極劣化に伴う特性劣化を少なくできる。
【００１０】
可撓性膜上に圧電体を平面的に接合し、各加圧室の側壁上の圧電体に溝を設けることにより、複数の独立した変位部を形成するのが望ましい。この場合には、機械的な溝加工で変位部を形成できるので、個々の圧電体を可撓性膜に接合する場合に比べて、高精度化，低コスト化を実現できる。
【００１１】
さらに、可撓性膜上に圧電体を平面的に接合し、各加圧室の中央部上の圧電体に溝を設けることにより、複数の独立した変位部を形成した場合には、圧電体がいわば片持ち支持構造となり、圧電体の変位量を大きく取ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１，図２は本発明にかかる圧電型インクジェットヘッドの第１実施例を示す。
このヘッドは、基板１０上に可撓性膜２０と圧電体２１とをエポキシ系接着剤などを用いて接合一体化したものである。基板１０は圧電体２１と近似した熱膨張率を有する４２Ｎｉ合金などの材料で構成されており、その上面にはフォトエッチングなどの手法で複数の略短冊形状の加圧室１１が形成されている。各加圧室１１の一端側の底部にはノズル１２が形成されており、これらノズル１２が一列に並んでいる。
なお、加圧室１１とノズル１２の配列や形状は図１に限定されるものではなく、種々変更可能である。
【００１３】
可撓性膜２０は例えば１０μｍ以下のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムで構成されており、加圧室１１の１つの壁面を構成している。圧電体２１は層厚が例えば１５μｍの上層２１ａと下層２１ｂとを積層した後、一体焼成したものである。これら圧電体２１ａ，２１ｂはいずれもＰＺＴ系セラミックスで構成されており、加圧室１１上の可撓性膜２０上に接合されている。圧電体２１の幅寸法は加圧室１１の幅よりやや幅狭であり、圧電体２１の長手方向の両端部は、膜２０を介して基板１０で支持されている。圧電体２１の上層２１ａの上面と、上下層２１ａ，２１ｂの間には、駆動用電極２３，２４が形成されている。
【００１４】
上記実施例では、上層２１ａを圧電体として使用し、下層２１ｂを振動板として利用しているため、少なくとも上層２１ａを分極してあればよいが、下層２１ｂも分極処理してもよい。また、下層２１ｂを圧電体として使用し、上層２１ａを振動板として利用することもできる。この場合には、駆動用電極２３，２４を下層２１ｂの上下面に形成すればよい。
【００１５】
この実施例の圧電体２１の形成方法としては、予め個別に形成した圧電体２１を可撓性膜２０上に接合固定する方法、膜２０上に平面的に接合された圧電体２１を溝加工により分離する方法、グリーンシート状態の圧電体２１の溝に相当する部分を打ち抜く方法などがある。
【００１６】
電極２３，２４間に上層２１ａの分極方向と同一方向の電圧を印加すると、上層２１ａが屈曲変位し、これに伴って積層構造の圧電体２１が加圧室１１の幅方向（図２に破線で示す）および長手方向に屈曲変位し、加圧室１１内のインクをノズル１２から吐出することができる。このとき、幅方向に隣合う圧電体２１間や加圧室１１間で相互干渉が起こりやすいが、圧電体２１の間に可撓性膜２０が介在しているので、歪みが可撓性膜２０で吸収され、隣合う圧電体２１間や加圧室１１間で相互干渉が起こりにくい。しかも、可撓性膜２０が圧電体２１の変位に追随して容易に撓むので、圧電体２１の変位を阻害せず、変位効率が良好である。また、上層２１ａにのみ電圧を印加して屈曲変位を発生させた場合、片側は分極方向と同方向で、他方は逆方向に電圧を印加する所謂バイモルフ型の圧電体に比べて、分極劣化に伴う特性劣化が少ないという特徴がある。
【００１７】
図３は本発明の第２実施例を示し、図２と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
この実施例は圧電体２１を分割形成せず、可撓性膜２０上の全面に平面的に接合したものである。上層２１ａの上面と、上下層２１ａ，２１ｂの中間層には、それぞれ加圧室１１に対応する位置に駆動用電極２３，２４が形成されている。中間電極２４を共通電極とし、上面電極２３を個別電極として外部に引き出してもよいし、上面電極２３を共通電極とし、中間電極２４を個別電極として外部に引き出してもよい。
また、電極２３，２４を下層２１ｂの上下面に形成してもよい。
【００１８】
中間電極２４を外部に接続する手段としては、スルーホールを用いたり、側面から電極を引き出す方法が考えられる。この場合も、上下層２１ａ，２１ｂのうち、上層２１ａのみを分極してもよいし、両方の層を分極してもよい。
また、可撓性膜２０に予め薄膜電極を形成しておくことによって、電極の引出方法や駆動方法の自由度を広げることが可能である。例えば、下層側の圧電体２１ｂにスルーホールを形成し、中間電極２４を可撓性膜２０上の薄膜電極より引き出すことも可能である。
【００１９】
この実施例も、第１実施例と同様な効果を有するだけでなく、圧電体２１を可撓性膜２０の全面に形成することにより、電極２３，２４の引出しが容易になるとともに、溝加工が不要となり、ヘッドの製作が容易となる。しかも、可撓性膜２０の全面が圧電体２１で覆われるので、膜２０の耐久性を向上させることができる。
【００２０】
図４は本発明の第３実施例を示し、図２と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
この実施例は、第２実施例と同様に圧電体２１を可撓性膜２０上の全面に平面的に形成した後、加圧室１１の側壁１３上の圧電体２１に溝２５を形成することにより、変位部を分割形成したものである。
【００２１】
上記溝２５は例えばダイシングによる機械加工により形成されており、加圧室１１の側壁１３の厚みより幅広で、その深さ（例えば２５μｍ）は上層２１ａの厚みより深く、上下層２１ａ，２１ｂの厚みの和（例えば３０μｍ）より浅い。そのため、溝２５の底部には下層２１ｂの一部が残るが、可撓性膜２０は十分薄くて柔らかいので、下層２１ｂの一部が残っていても、隣合う加圧室１１間の相互干渉の心配はなく、かつ変位効率を低下させる恐れはない。本発明者らの実験によれば、溝２５が圧電体２１の１／２以上の深さまで切り込まれておれば、十分な効果があった。
【００２２】
従来の場合には、圧電体に比べて加工性の悪い振動板へもダイシング等で溝加工する必要があり、多大に時間を必要としていたのに対し、上記のように可撓性膜２０に至らない程度の溝２５を形成する方法では、溝加工が比較的簡単になり、かつ短時間で加工できる。
【００２３】
図５は本発明の第４実施例を示し、図２と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
この実施例は、第２実施例と同様に圧電体２１を可撓性膜２０上の全面に平面的に形成した後、加圧室１１の中央部上の圧電体２１に溝２６を形成することにより、変位部を分割形成したものである。なお、この実施例の溝１６は可撓性膜２０まで至る深さに形成され、２層の圧電体２１全体を完全に分割しているが、図４と同様に一部を残してもよい。圧電体２１の上層２１ａの上面と、上下層２１ａ，２１ｂの間には駆動用電極２３，２４が形成されているが、これら電極２３，２４も上記溝２６によって左右に分割されている。溝１６により分割された左右一組の上面電極２３同士、中間電極２４同士はそれぞれ短絡されている。
【００２４】
この実施例の場合、溝２６により分割された加圧室１１上の一組の圧電体２１は、加圧室１１の側壁１３上に片持ち支持されており、可撓性膜２０を介して柔らかく結合されている。ここで、溝２６により分割された左右一組の上面電極２３と中間電極２４間に分極方向と同一方向の電圧を印加すると、左右一組の圧電体２１が同一方向に屈曲変位する。このとき、圧電体２１は加圧室１１の側壁１３上に片持ち支持され、しかも可撓性膜２０が圧電体２１の変位を制限しないので、加圧室１１の中央部の変位量が両端支持構造に比べて約２倍程度になり、加圧室１１内のインクを効率よく吐出させることができる。
【００２５】
本発明は上記実施例に限定されるものではない。
可撓性膜は、インクが圧電体に浸透するのを遮蔽でき、十分な可撓性を有するものであれば、樹脂膜に限らず、金属膜など如何なる材料を用いてもよい。
また、圧電体は２層構造に限らず、３層以上であってもよい。圧電体は一体焼成型積層圧電体に限らないが、一体焼成型の場合には圧電体の強度が高く、取扱が容易である。
さらに、圧電体と可撓性膜との接合方法は、エポキシ系接着剤などによる加熱接着に限らず、他の接合方法を用いることも勿論可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、可撓性膜に積層構造の圧電体を接合固定することにより変位部を構成したので、可撓性膜が内部応力を吸収して伸縮し、接合時の残留応力などによる特性劣化がない。
また、可撓性膜が圧電体の変位に追随して容易に撓むので、屈曲変位が隣の加圧室まで波及するのを防止するとともに、圧電体の変位効率が良好となり、高性能のインクジェットヘッドを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるインクジェットヘッドの第１実施例の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明にかかるインクジェットヘッドの第２実施例の断面図である。
【図４】本発明にかかるインクジェットヘッドの第３実施例の断面図である。
【図５】本発明にかかるインクジェットヘッドの第４実施例の断面図である。
【符号の説明】
1 ０基板
１１加圧室
１２ノズル
２０可撓性膜
２１圧電体
２３，２４電極

Claims

複数の加圧室が形成された基板と、
上記各加圧室に設けられたノズルと、
上記基板上に固着され、上記加圧室の１つの壁面を構成する可撓性膜と、
上記可撓性膜上に接合固定された２層以上の積層構造の圧電セラミックスよりなる圧電体とを備え、
上記圧電体の少なくとも１層は駆動時に電圧が印加されない層であり、他の層に電圧を印加することにより、上記圧電体は屈曲変位するものであり、
上記可撓性膜は、そのヤング率が上記圧電体のヤング率の１／２以下の樹脂膜であり、
上記圧電体の屈曲変位により各加圧室内のインクを加圧し、インクをノズルから吐出させるように構成した圧電型インクジェットヘッド。
請求項１に記載の圧電型インクジェットヘッドにおいて、
上記可撓性膜上には上記圧電体のうち駆動時に電圧が印加されない層が接合され、
上記電圧が印加されない層の上に電圧が印加される層が積層されていることを特徴とする圧電型インクジェットヘッド。
請求項１または２に記載の圧電型インクジェットヘッドにおいて、
上記可撓性膜上には圧電体が平面的に接合され、
各加圧室の側壁上の圧電体に溝を設けることにより、複数の独立した変位部を形成したことを特徴とする圧電型インクジェットヘッド。
請求項１または２に記載の圧電型インクジェットヘッドにおいて、
上記可撓性膜上には圧電体が平面的に接合され、
各加圧室の中央部上の圧電体に溝を設けることにより、複数の独立した変位部を形成したことを特徴とする圧電型インクジェットヘッド。