JP2001010038A - インクジェットプリンタヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】インクの流路２を構成する圧電セラミックスか
ら成る隔壁１を屈曲変位させてインクを加圧する圧電方
式のインクジェットプリンタヘッド１０において、隔壁
１の頂面に熱硬化性の接着剤やガラスにて接合する天板
５の剥離を防ぎ、インク滴の吐出速度の低下や吐出ばら
つきを防ぐ。 【解決手段】流路部材３に備える、高さ方向に分極処理
した圧電セラミックスから成る複数の隔壁１の頂面に、
天板５を熱硬化性の接着剤やガラスにて接合するにあた
り、天板５を、厚み方向に分極処理した隔壁１と同種の
圧電セラミックスにより形成してインクジェットプリン
タヘッドを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、文字や画像を印刷
するインクジェットプリンタに搭載されるインクジェッ
トプリンタヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、低ランニングコストでカラー化さ
れた画像や文字等の情報を印刷するプリンタとして、イ
ンクジェット方式のプリンタが広く使用されている。

【０００３】このインクジェット方式のプリンタに搭載
されるインクジェットプリンタヘッド（以下、ヘッドと
言う。）としては、インクが充填される流路内にヒータ
を設け、このヒータによりインクを加熱、沸騰させて気
泡を発生させることにより加圧し、インク吐出孔よりイ
ンク滴を吐出させるサーマルジェット方式と、インクが
充填される流路を形成する隔壁を直接的又は間接的に圧
電素子によって屈曲変位させ、機械的に流路内のインク
を加圧し、インク吐出孔よりインク滴を吐出させる圧電
方式が一般的であるが、特に圧電方式は、耐久性及び応
答性に優れるとともに、直接インクを加熱しないため、
インクの種類が限定されないといった利点がある。

【０００４】圧電方式のヘッドとしては、図３に示すよ
うに、高さ方向に分極処理された圧電セラミックスから
成る複数の隔壁２１を並設し、これら隔壁２１間をイン
クの流路２２として成る流路部材２３と、各隔壁２１の
頂面に熱硬化性の接着剤やガラスにて接合され、各流路
２２へインクを導入するためのインク吐出孔２４を備え
た天板２５と、前記流路部材２３の一方端側に熱硬化性
の接着剤やガラスにて接合され、各流路２２と連通する
インク吐出孔２６を備えたノズル板２７とから成り、各
隔壁１の両側面にはその長手方向に沿ってそれぞれ駆動
用電極２８を形成したものがあった。なお、流路部材２
３の他方端側は閉じられた構造となっており、２９は駆
動用電極２８の引き出し線である。

【０００５】そして、特開平６−２３４２１５号公報に
は、隔壁２１の頂面に天板２５を熱硬化性の接着剤でも
って接合する場合、接着剤を百数十℃まで加熱して硬化
させる必要があり、両者の熱膨張差が大きいと、冷却時
において接着層に応力が残留し、天板２５が部分的に剥
離するなどヘッド３０の寿命を低下させることから、天
板２５を、隔壁２１を形成する圧電セラミックスとの熱
膨張差が８．５×１０^-6／℃以下である、アルミナやジ
ルコニア、あるいは圧電セラミックスにより形成するこ
とが提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、本件発明者
の研究によれば、特開平６−２３４２１５号公報に開示
されている手段でも不十分であり、天板２５が隔壁２１
より部分的に剥離するため、インクを吐出させるために
隔壁２１を屈曲変位させても剥離部からインクが隣接す
る流路２へ流出し、所定の圧力を発生させることができ
ず、インク滴の吐出速度が低下するとともに、各隔壁２
１によって剥離の度合いが異なると、各インク吐出孔２
６からのインク滴の吐出速度がばらつき、画質を劣化さ
せるといった課題があった。

【０００７】即ち、特開平６−２３４２１５号公報に開
示されている手段は、隔壁２１を構成する圧電セラミッ
クスが持つ０℃〜２００℃の温度域における熱膨張係数
を基に、その値にできるだけ近似した熱膨張係数を有す
る、アルミナやジルコニア、あるいは隔壁２１と同一の
圧電セラミックスを用いることを提案したものである
が、隔壁２１を構成する圧電セラミックスには、隔壁２
１を剪断モード変形によって屈曲変位させるため、予め
高さ方向に分極処理を施してあり、圧電セラミックスに
分極処理を施すと、熱膨張の度合いが変化することを本
件発明者は知見した。そして、この熱膨張の度合いの変
化は、圧電セラミックスの組成にもよるが、大きいもの
では本来持っている熱膨張係数の倍以上大きくなるもの
もあることから、天板２５に、隔壁２１と同一の圧電セ
ラミックスを用いたとしても、隔壁２１には分極処理が
施されているため、両者の熱膨張差を小さくすることが
できず、天板２５の接合不良を解消することができなか
った。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、高さ方向に分極処理した圧電セラミックスか
ら成る複数の隔壁を並設し、各隔壁の側面には駆動用電
極を形成するとともに、各隔壁間をインクの流路とした
流路部材と、前記隔壁の頂面に熱硬化性の接着剤やガラ
スにて接合され、各流路を覆う天板とから成り、前記駆
動用電極に通電して隔壁を屈曲変位させることにより、
流路内のインクを加圧して流路に連通するインク吐出孔
からインク滴を吐出するインクジェットプリンタヘッド
において、前記天板を、隔壁と同種の圧電セラミックス
により形成するとともに、その厚み方向に分極処理を施
したことを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明によれば、インクの流路を構成する圧電
セラミックスから成る隔壁を屈曲変位させてインクを加
圧する圧電方式のインクジェットプリンタヘッドにおい
て、隔壁１の頂面に熱硬化性の接着剤やガラスにて接合
する天板を、隔壁と同種の圧電セラミックスにより形成
するとともに、その厚み方向に分極処理を施してあるこ
とから、接着剤やガラスを硬化させるために百数十℃に
加熱しても、隔壁の厚み方向（幅方向）における熱膨張
係数と、天板の厚み方向に垂直な方向の熱膨張係数を極
めて近似させることができるため、接合層には応力が残
留せず、剥離を生じることなく天板を隔壁の頂面と強固
に接合することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１１】図１は本発明のインクジェットプリンタヘ
ッド１０の一例を示す一部を破断した斜視図で、高さ方
向に分極処理した圧電セラミックスから成る複数の隔壁
１を等間隔に並設し、各隔壁１間をインクの流路２とし
て成る流路部材３と、各隔壁１の頂面に、各流路２を覆
うべく熱硬化性の接着剤やガラスにて接合され、各流路
２へインクを導入するためのインク供給孔４を備えた天
板５と、前記流路部材３の一方端側に、各流路２を塞ぐ
べく各隔壁１とともに熱硬化性の接着剤やガラスにて接
合され、各流路２と連通するインク吐出孔６を備えたノ
ズル板７とから成り、各隔壁１の両側面には、その長手
方向に沿って駆動用電極８を形成してある。なお、流路
部材３の他方端側は閉じた構造となっており、９は駆動
用電極８の引き出し線である。

【００１２】そして、このヘッド１０を用いてインク滴
を吐出するには、インク供給孔４より各流路２へ顔料タ
イプの油性インクや水性染料インクあるいは紫外線硬化
インク等のインクを導入するとともに、隔壁１の両側面
に形成された駆動用電極３間に電圧を印加することによ
って行う。

【００１３】図２（ａ）（ｂ）にその駆動原理を説明す
るように、例えば駆動用電極８ｂ，８ｃ及び駆動用電極
８ｈ，８ｉにそれぞれ負極の電圧を、駆動用電極８ａ，
８ｄ，８ｇ，８ｊに正極の電圧を印加すると、隔壁１
ａ，１ｂ，１ｄ，１ｅを構成する圧電セラミックスが剪
断モード変形を起こし、図２（ａ）に示すように隔壁１
ａ及び隔壁１ｂが流路２ａ側へ屈曲変位するとともに、
隔壁１ｄ，１ｅが流路２ｄ側へ屈曲変位するため、流路
２ａ，２ｄ内に充填されたインクを加圧して、インク吐
出孔６よりインク滴を吐出させることができ、この後、
各駆動用電極８ａ〜８ｄ，８ｇ〜８ｊへの通電を遮断す
ると、屈曲変位していた隔壁１ａ，１ｂ，１ｄ，１ｅが
弾性作用によって元の形状に戻り、流路２ａ，２ｄ内が
減圧される結果、インク供給孔４からインクの供給が行
なわれ、さらに前述した駆動用電極８ａ〜８ｄ，８ｇ〜
８ｊへ正負を逆転して電圧を印加すると、図２（ｂ）に
示すように隔壁１ａ，１ｂが流路２ｄに対して外側へ屈
曲変位するとともに、隔壁１ｄ，１ｅが流路２ｄに対し
て外側へ屈曲変位するため、流路２ａ，２ｄ内がさらに
減圧されてインクが充填され、次に、各駆動用電極８ａ
〜８ｄ，８ｇ〜８ｊへの通電を遮断すると、屈曲変位し
ていた隔壁１ａ，１ｂ，１ｄ，１ｅが弾性作用によって
元の形状に戻り、次のインク滴の吐出段階に入ることに
なり、これらの動作を順次繰り返すことでインク滴の吐
出を連続的に行うようになっている。

【００１４】ところで、圧電セラミックスから成る各隔
壁１には、前述したように予め高さ方向に分極処理を施
してあるが、本発明は、隔壁１の頂面に熱硬化性の接着
剤やガラスにて接合する天板５を、隔壁１と同種の圧電
セラミックスにより形成するとともに、その厚み方向に
分極処理を施し、両者の熱膨張差を極めて小さくしたこ
とを特徴とする。

【００１５】隔壁１を構成する圧電セラミックスとして
は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ系）を主成分とする
圧電セラミックス、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ
系）を主成分とする圧電セラミックス、ニッケルニオブ
酸鉛（ＰＮＮ系）を主成分とする圧電セラミックス、あ
るいは上記主成分を複合した圧電セラミックスなどが用
いられるが、本発明において、天板５を、隔壁１と同種
の圧電セラミックスにより形成するとは、主成分をなす
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ系）、マグネシウムニオ
ブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ
系）、あるいはこれらの複合物が同一であることを言
う。

【００１６】そして、本件発明者は、圧電セラミックス
に分極処理を施すと、熱膨張係数が分極方向と分極方向
に対して垂直な方向で異なることを知見した。この理由
としては、通常、分極処理していない圧電セラミックス
は、結晶の配列がランダムで圧電性を示さず、また、熱
膨張係数も縦横方向での差は殆ど見られないのである
が、ある方向に分極処理を施すと、結晶の配列が平均し
て分極された電界の方向に配向し、単結晶に近い極性を
持つため、大きな圧電性を示すようになり、また、結晶
の配列が変わることにより、熱膨張係数も分極方向と分
極方向に対して垂直な方向とで異なるようになるものと
思われる。

【００１７】そこで、本件発明者は、天板５を構成する
圧電セラミックスに対しても同じ方向、即ち、天板５の
厚み方向に分極処理を施すことで、隔壁１と天板５との
熱膨張差、特に、天板５の厚み方向に対して垂直な方向
の熱膨張係数と、隔壁１の分極方向に対して垂直な方向
（厚み方向）の熱膨張係数との０℃〜２００℃の温度域
における熱膨張差を、３×１０^-6／℃以下と極めて近似
させることができることを見出し、本発明に至った。

【００１８】その為、本発明によれば、天板５を隔壁１
の頂面に熱硬化性の接着剤やガラスにて接合するにあた
り、接着剤やガラスを加熱して硬化させても、接合層に
は残留応力が殆ど生じず、強固に接合することができ
る。かくして、隔壁１を変位させれば各流路２内に所定
の圧力をばらつきなく発生させることができ、インク滴
の吐出速度の低下及び各インク吐出孔６から吐出される
インク滴の速度ばらつきをそれぞれ防止できるため、長
寿命で、高画質の印刷が可能な信頼性の高いインクジェ
ットプリンタヘッド１０を得ることができる。

【００１９】次に、図１に示すインクジェットプリンタ
ヘッド１０の製造方法を説明する。まず、流路部材３を
形成するために、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ系）を
主成分とする圧電セラミックス、マグネシウムニオブ酸
鉛（ＰＭＮ系）を主成分とする圧電セラミックス、ニッ
ケルニオブ酸鉛を主成分とする圧電セラミックス、ある
いは上記主成分を複合した圧電セラミックスからなる基
板を用意する。次に、基板の上下面に分極用の電極を被
着し、電圧を印加して分極したあと、電極を除去するこ
とにより、板厚方向に分極処理を施す。

【００２０】次に、基板の上面よりダイシングソーなど
を用いた切削加工やブラスト加工等によって、複数の溝
を並設し、該溝をインクの流路２とするとともに、流路
２を構成する壁を隔壁１として成る流路部材３を製作す
る。

【００２１】次いで、各隔壁１の両側面に、フォトリソ
グラフィ技術等によりマスキングを施したあと、蒸着、
スパッタリング、メッキ等の膜形成手段によって、白
金、金、パラジウム、ロジウム、銀、ニッケル、アルミ
ニウム等の金属や白金−金、パラジウム−銀、白金−パ
ラジウム等を主体とする合金からなる駆動用電極８をそ
の長手方向に沿って被着する。なお、駆動用電極８は、
流路２の終端から流路部材３の後端まで延びる引き出し
線９と電気的に接続してあり、この引き出し線９を介し
て駆動用電極８へ通電するようになっている。

【００２２】一方、天板５を形成するために、隔壁１を
構成する圧電セラミックスと主成分が同じ圧電セラミッ
クスからなる基板を用意し、研削加工によりインク供給
孔４を形成するとともに、所定の寸法に加工する。な
お、インク供給孔４は成形時に切削加工にて形成してお
いても良い。

【００２３】次に、基板の上下面に分極用の電極を被着
し、電圧を印加して分極したあと、電極を除去すること
により、板厚方向に分極処理を施した天板５を製作す
る。

【００２４】しかるのち、前記流路部材３の流路２を覆
うべく、隔壁１の頂面及び流路部材３の開放端面にそれ
ぞれ熱硬化性の接着剤あるいはガラスペーストを塗布
し、隔壁１の頂面にはインク供給孔４を備えた天板５
を、流路部材３の開放端部には樹脂製のノズル板７をそ
れぞれ貼り合わせ、百数十℃で加熱することでそれぞれ
接合したあと、レーザー加工にてノズル板７に各流路２
と連通するインク吐出孔６を穿孔することにより、図１
に示すヘッド１０を得ることができる。

【００２５】なお、本発明は図１に示すヘッド１０にの
み限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲で
改良や設計変更できることは言うまでもない。

【００２６】

【実施例】ここで、本発明に係るインクジェットプリン
タヘッドと、従来のインクジェットプリンタヘッドとを
試作し、天板と隔壁との接合具合をインク滴の吐出速度
と、吐出バラツキを調べることにより確認する実験を行
った。

【００２７】本実験にあたっては、０℃〜２００℃の温
度域における熱膨張係数が２．２３×１０^-6／℃である
チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミックスからなる基
板を用意し、この基板の両面にスクリーン印刷法にてパ
ラジウム（Ｐｂ）−銀（Ａｇ）を被着して分極用の電極
を形成し、電圧を印加して基板の厚み方向に分極処理を
施したあと、切削加工にて分極用の電極を除去し、しか
るのちダイシングソーにて、溝幅７０μｍ、溝深さ４０
０μｍの溝を１４１μｍのピッチで複数切削し、溝を構
成する壁を隔壁１，２１として成る流路部材３，２３を
複数個製作した。なお、分極後における隔壁１，２１の
厚み方向、即ち分極方向に対して垂直な方向の熱膨張係
数を測定したところ、５．８８×１０^-6／℃であった。

【００２８】次に、フォトリソグラフィ技術を用いて隔
壁１，２１の両側面にマスキングを施したあと、スパッ
タリング法にて白金から成る駆動用電極８と引き出し線
９を形成したあと、マスクを除去した。

【００２９】しかるのち、隔壁１，２１の頂面に、イン
ク供給孔４を備えた天板５を、流路部材３の開放端部
に、ポリイミド樹脂製のノズル板７をそれぞれエポキシ
系の接着剤にて接合するのであるが、本発明において
は、隔壁１を構成する圧電セラミックスと同一の圧電セ
ラミックス及び同種の圧電セラミックスにより形成し、
その厚み方向に分極処理を施したものを用い、従来例と
して、天板２５を、隔壁２１を構成する圧電セラミック
スと同一の圧電セラミックス及び同種の圧電セラミック
スにより形成し、その厚み方向に分極処理していないも
の、さらにはジルコニアセラミックスにより形成したも
のを用いた。なお、天板５，２５の厚みはいずれも７０
０μｍとした。

【００３０】そして、流路部材３，２３に天板５，２５
とノズル板７，２７を貼り合わせたあと、１００℃〜１
５０℃に加熱して接着剤を硬化させて接合したあと、レ
ーザーにてノズル板７，２７にインク吐出孔６，２６を
穿孔することによって、本発明及び従来のインクジェッ
トプリンタヘッド１０，３０をそれぞれ製作した。

【００３１】そして、各へッド１０, ３０の駆動用電極
８，２８に通電して隔壁１，２１を屈曲変位させ、イン
ク吐出孔６，２６からインク滴を吐出させた時の速度
を、放電管を光源とし、フィルム上にインク滴の吐出状
況を記録させる高速度写真撮影装置によって測定すると
ともに、速度をばらつきを求めた。

【００３２】それぞれの結果は表１に示す通りである。

【００３３】

【表１】

【００３４】この結果、天板５に隔壁１と同種の圧電セ
ラミックスを用い、厚み方向に分極処理を施した本発明
のインクジェットプリンタヘッドは、隔壁１との熱膨張
差を３×１０^-6／℃以下にまで近似させることができ、
インク滴の吐出速度を高めることができるとともに、吐
出速度のばらつきを５％以下に抑えることができ、安定
した特性が得られることが判った。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、高さ方
向に分極処理した圧電セラミックスから成る複数の隔壁
を並設し、各隔壁の側面には駆動用電極を形成するとと
もに、各隔壁間をインクの流路とした流路部材と、前記
隔壁の頂面に熱硬化性の接着剤やガラスにて接合され、
各流路を覆う天板とから成り、前記駆動用電極に通電し
て隔壁を屈曲変位させることにより、流路内のインクを
加圧して流路に連通するインク吐出孔からインク滴を吐
出するインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記天
板を、隔壁と同種の圧電セラミックスにより形成すると
ともに、その厚み方向に分極処理を施すようにしたこと
によって、熱硬化性の接着剤やガラスとの接合におい
て、隔壁との熱膨張差を極めて小さくすることができる
ため、接合層に応力が殆ど残留せず、剥離を生じること
なく強固に両者を接合することができ、インク滴の吐出
速度の低下や吐出ばらつきを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るインクジェットプリンタヘッドの
一例を示す一部を破断した斜視図である。

【図２】図１におけるインクジェットプリンタヘッドの
駆動原理を説明するための部分断面図である。

【図３】従来例のインクジェットプリンタヘッドの一例
を示す一部を破断した斜視図である。

【符号の説明】

１，２１：隔壁 ２，２２：流路 ３，２３：流路部材 ４，２４：インク供給孔 ５，２５：天板 ６，２６：
インク吐出孔 ７，２７：ノズル板 ８，２８：駆動用電極 ９，２
９：引き出し線 １０，２０，３０：インクジェットプリンタヘッド

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高さ方向に分極処理した圧電セラミックス
   から成る複数の隔壁を並設し、各隔壁の側面には駆動用
   電極を形成するとともに、各隔壁間をインクの流路とし
   た流路部材と、前記隔壁の頂面に接合され、各流路を覆
   う天板とから成り、前記駆動用電極に通電して隔壁を屈
   曲変位させることにより、流路内のインクを加圧して流
   路に連通するインク吐出孔からインク滴を吐出するイン
   クジェットプリンタヘッドにおいて、前記天板を隔壁と
   同種の圧電セラミックスで形成し、かつ厚み方向に分極
   処理が施してあることを特徴とするインクジェットプリ
   ンタヘッド。