JP2716389B2 - インクジェット式記録ヘッド - Google Patents

インクジェット式記録ヘッド

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JP2716389B2
JP2716389B2 JP7011580A JP1158095A JP2716389B2 JP 2716389 B2 JP2716389 B2 JP 2716389B2 JP 7011580 A JP7011580 A JP 7011580A JP 1158095 A JP1158095 A JP 1158095A JP 2716389 B2 JP2716389 B2 JP 2716389B2
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浩造 松本
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、インクジェット式記録
ヘッドに係り、とくに振動板に圧電素子が接合されて成
るインクジェット式記録ヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】インクジェット式記録ヘッドを用いたハ
ードコピー装置は、構成が簡単であるためプリンタ装
置,或いはファクシミリ装置などの分野で従来より一般
に広く用いられている。インクジェット式記録ヘッド
は、いくつかの方式が提案されているが、その中で振動
板に圧電素子を接着もしくは接合した後、圧電素子に電
界をかけることにより圧電素子を伸縮させ、その伸縮運
動によってインクを吐出させる方式は、ヘッド寿命が半
永久的であり、且つランニングコストが安いという特長
をもつため、今後の進展が期待されている。
【0003】図3に、従来より知られているインクジェ
ット式記録ヘッドの基本的な断面構成を示す。
【0004】この図3に示す従来例は、インク供給路5
1およびインク加圧室52用の凹溝を備えた基板53
と、この基板53の前述したインク供給路51,インク
加圧室52に対応して装備され且つインク供給路51,
インク加圧室52の一方の面を構成する振動板54と、
この振動板54上に装着された圧電素子55とを備えて
いる。
【0005】基板53には、その図3における左端部に
前述したインク供給路51に連通するインクタンク56
が併設されている。符号56Aはインク供給路51に連
通されたインクタンク56側のインク補給路を示す。
【0006】また、インク供給路51の図3における右
端部にはインク吐出部としてのインクノズル51Aが設
けられている。
【0007】圧電素子55は振動板54に接着され、こ
れによってバイモルフ(屈曲型振動系)としての圧電振
動部が構成されている。
【0008】そして、圧電素子55の電極にパルス状電
圧を印加すると、圧電素子55がその厚さ方向に膨張す
るとともに長さ方向に収縮し、振動板54がインク加圧
室52の内側方向に撓む。
【0009】これにより、インク加圧室52の容積が僅
かながら瞬時に減少し、振動板54の変形によって生じ
た圧力波により、インク加圧室52のインクがインク滴
となってインクノズル51Aの吐出口から図3中のa方
向に噴射され、図示しない印字媒体に着弾して記録が実
行される。
【0010】また、図4に、実際に使用されているイン
クジェット式記録ヘッドの横断面図(ハッチング省略)
を示す。この図4において、符号63Aは基板63上に
形成されたインク溜りとしてのインク池を示す。ここ
で、一つのインクジェット記録ヘッドに形成されるイン
クノズル61Aのノズル数は、その初期の目的よって決
定されるが、図4の例では、基板63の端面で一方の面
に偏った位置に24個のノズルが配置されている。この
図4において、符号61はインク供給路を示し、符号6
2はインク加圧室を示し、符号65は圧電素子を示す。
【0011】ここで、基板53,63の材料としては、
一般にシリコン,ガラス,金属などが選定されている。
そして、エッチング或いは機械加工等の手法でインク供
給路51,61やインク加圧室52,62,インクノズ
ル51A,61A,インク池63A等の溝が形成される
ようになっている。
【0012】また、振動板54の材料は、基板53との
関連で決定され、金属などの導電性材料,ガラス或いは
プラスチックなどの絶縁性材料,に分類される。後者の
絶縁性材料の場合は、圧電素子55との導通をとるため
振動板54の表面には電極を設ける必要がある。この振
動板54の電極としては、例えばガラスの場合であると
金属酸化物(ITOなど)の薄膜を蒸着又はスパッタな
どの手段で付与することが一般的に採用されている。
【0013】また、圧電素子55の両面に付される電極
層は、その材質として銀(Ag),金(Au),或いは
銀合金Ag−Pd合金などから選択される。
【0014】更に、振動板54と圧電素子55は、通
常、熱硬化型エポキシ樹脂を用いて接着される。図3に
おける振動板54と圧電素子55との接合状況の詳細
を、図5に示す。
【0015】この図5は、振動板54と圧電素子55と
を一液性もしくは二液性の熱硬化型エポキシ樹脂Nを用
いて接合した場合を示す。この図5において、符号54
Aは振動板54に形成された電極(ガラスの場合IT
O)を示し、記号Nは熱硬化型エポキシ樹脂を示す。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】上述したインクジェッ
ト式記録ヘッドは、プリンタ装置あるいはファクシミリ
装置などに搭載されて使用される。そして、これらハー
ドコピー装置は、通常、温度が5〜35℃、湿度が5〜
85%RHの範囲で正常な印字動作と長期の耐久性が要
求される。即ち、圧電素子と振動板の接着部に剥離等が
生じるとインク吐出は不可能となるので、この接着部の
接着技術には高い信頼性が求められる。
【0017】一方、従来例にあっては、前述したよう
に、振動板54圧電素子55との接着には熱硬化型エポ
キシ樹脂Nが多用されてきた。そして、一般的には、本
接着剤は常温常湿下の条件では優れた接着力を示す。
【0018】しかしながら、接着剤組成や接着条件など
を厳しく管理しないと、特に高湿度下あるいは高温高湿
の条件では接着剤自身の吸湿により接着力が低下し、振
動板と接着層の界面で剥離が発生し易いという問題があ
る。また、電圧印加の初期では剥離は生じないが、前述
した接着部の吸湿と相俟って繰り返しの電圧印加で接着
部が次第に劣化し剥離にいたるという不都合が生じる。
【0019】また、熱硬化型エポキシ樹脂Nは高分子材
料であり弾性率が一般的には低位であるため、圧電素子
の変形がその接着層に吸収され易く、このため、インク
吐出力が低位になるという不都合も内在していた。更
に、この熱硬化型エポキシ樹脂は絶縁性であるため電圧
印加時に接触抵抗によって発熱し易いという不都合もあ
った。
【0020】
【発明の目的】本発明は、かかる従来例の有する不都合
を改善し、とくに、高湿度下或いは高温高湿の条件下で
も剥離が発生せず、かつ圧電素子の繰り返し変形にも長
期にわたって耐え得ると共に、更に剛性の高い接合部を
有し、安定したインク吐出力を備えたインクジェット式
記録ヘッドを提供することを、その目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明で
は、インク供給路およびインク加圧室用の凹溝を備えた
基板と、この基板のインク供給路,インク加圧室に対応
して装備され且つインク供給路,インク加圧室の一方の
面を構成する振動板と、この振動板上に装着された圧電
素子とを有するインクジェット式記録ヘッドにおいて、
この圧電素子を、クリーム半田を用いて振動板上の導通
面に接合する、という構成を採っている。
【0022】請求項2記載の発明では、前述した圧電素
子は、振動板にリフロー半田付けの手法によりクリーム
半田を用いて接合される、という構成を採っている。
【0023】請求項3記載の発明では、前述したクリー
ム半田は、圧電素子の電極が金製の場合,Pb−63%
Sn合金(重量比)のものを使用する、という構成を採
っている。
【0024】請求項4記載の発明では、前述したクリー
ム半田は、圧電素子の電極が銀製もしくは銀合金製の場
合,Pb−62%Sn2%のAg合金(重量比)のもの
を使用する、という構成を採っている。
【0025】これによって前述した目的を達成しようと
するものである。
【0026】
【作用】圧電素子を振動板上の導通面にクリーム半田を
用いて接合することにより、従来の高分子材料の熱硬化
型エポキシ樹脂に比較して、耐熱性,耐湿性,および電
気伝導性に優れ、かつ機械的剛性も高くなり、インクジ
ェット式記録ヘッドの耐久性,耐候性およびインク吐出
性能等の著しい向上を図り得る。
【0027】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図1乃至図2に基
づいて説明する。
【0028】図1は本実施例におけるインクジェット式
記録ヘッドの圧電素子と振動板との接合関係を示す部分
断面図である。
【0029】この図1において、インクジェット式記録
ヘッドは、前述した従来例と同様にインク供給路1およ
びインク加圧室2用の凹溝3Aを備えた基板3と、この
基板3の前述したインク供給路1,インク加圧室2に対
応して装備され且つインク供給路1,インク加圧室2の
一方の面を構成する振動板4と、この振動板4上に装着
された圧電素子5とを備えている。そして、圧電素子5
は、クリーム半田Kにより、リフロー半田付けの手法に
て前述した振動板4上の電極面4A上に載置され接合さ
れている。
【0030】基板3は本実施例ではシリコン製のものが
使用され、また、振動板4はガラス製のものが使用され
ている。
【0031】これを更に詳述すると、まず、表面が鏡面
加工されたシリコン製の基板3にフォトプロセス工程に
より各インク流路のパータニングを行い、その後プラズ
マエッチング加工によって、前述した図3に於ける従来
例と同一構造のインク供給路1,インク加圧室2,イン
クノズル等が形成される。また、前述したガラス製の振
動板4には、表面に1000〜3000オングストロー
ムの厚さの金属酸化膜(ITO)が電極面4Aとして設
けられている。また、この振動板4は、その下部が静電
接合にて前述した基板3に一体的に接合されている。
【0032】そして、この工程で一体化された振動板4
への圧電素子5の貼着は下記の条件で実行される。
【0033】インク加圧室2に対応した振動板4に対す
る圧電素子5の貼着位置に、クリーム半田Kをスクリー
ン印刷にて塗布する。この場合、半田組成は、圧電素子
5の電極5Aが金(Au)である場合は「Pb−63%
Sn合金(重量比)」が、電極5Aが銀(Ag)もしく
はAg−Pd合金である場合は「Pb−62%Sn−2
%Ag(重量比)」が好ましい組成である。
【0034】半田粉末の粒度およびフラックス含有量
は、本実施例の場合、それぞれ10〜50μm、10%
(重量比)が最適であった。
【0035】塗布量は、図1に示すように、リフロー時
に圧電素子5の上部電極5A部分へ吸い上がらない量で
且つ下部電極5A部分の全周を前述した振動板4とまん
べんなく接合し得る量にしてある。そして、前述した条
件のクリーム半田Kを塗布した後、所定位置に圧電素子
5を搭載し、これを所定の条件に設定された電気炉に挿
入してリフロー半田付けを行った。これにより、圧電素
子5は振動板4に有効に接合される。
【0036】ここで、リフローの温度としてはクリーム
半田の共晶点より30〜40〔℃〕高く設定する必要が
あり、本実施例では、接合保持時間として、220
〔℃〕で約5秒間に設定して接合した。
【0037】リフローの加熱方法としては電気抵抗熱方
式(電気炉)、遠赤外線加熱方式(IR)、飽和蒸気加
熱方式(VPS)、熱風加熱方式(エアリフロー)等が
実用化されており、今回は電気炉での加熱方式を採用し
た。
【0038】以上の条件で製作したインクジェット式記
録ヘッドを各種の環境で評価した。比較品としては同様
な形状品を二液性の熱硬化型エポキシ樹脂(主剤:硬化
剤=100:30)を用いて120〔℃〕、三時間の条
件で接着して成るインクジェット式記録ヘッドを供試し
た。
【0039】この場合、評価試験は以下の条件で行っ
た。 .剥離試験:45℃,90%RHに16H保持後に1
00Vを印加する。 .耐久試験:23℃,50%RHで100V(周波数
=4kHz)を印加して20億ドットまで繰り返し作動
させる(前後でのインク速度も測定)。
【0040】その結果を表1(図2)に示す。本発明品
は、上記の剥離試験において、高湿環境下の放置でも
問題がなく、また、の耐久試験においても耐久試験後
のインク速度も劣化せず、良好な結果を得た。
【0041】一方、比較品(従来例)の場合は、の剥
離試験において、高湿環境下の放置後の電圧印加テスト
では貼着した圧電素子の70%が接着部で剥離を生じて
いることが確認された。また、の耐久試験において
も、23℃,50%RHの環境で、20億回の変形を繰
り返すと、インク速度が大幅に低下した。これは、23
〔℃〕でも、変形の繰り返しによって接着部の吸湿の進
行とそれによる接着剤の疲労からくる微小な亀裂が発生
したためと推定することができる。
【0042】なお、上記の試験以外にも種々の印字試験
を実施したが、本発明品が従来方法品に比べて性能が劣
化する現象は皆無であった。
【0043】また、上記実施例は、シリコン基板とガラ
ス振動板の組合せについて実施した場合の例であるが、
振動板4が金属であっても、本発明は同様に適用するこ
とができる。
【0044】
【発明の効果】以上のように、本発明によると、クリー
ム半田を用いてリフロー半田付けの方法で振動板と圧電
素子とを接合するようにしたので、その接着部は耐湿
性,耐熱性,耐久性および導電性に優れ、更には機械的
剛性に優れており、このため、インクジェット式記録ヘ
ッドとしての高品位印字と高信頼性とを長期にわたって
維持し得るという従来にない優れたインクジェット式記
録ヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示すインクジェット式記録
ヘッドの振動板と圧電素子の接着部分の状況を示す縦断
面図である。
【図2】図1に示す実施例の試験結果(従来例との比
較)を示す図表である。
【図3】従来例を示す縦断面図である。
【図4】他の従来例における振動板を取り除いた場合の
状態を示す一部省略した平面図である。
【図5】図3の従来例に於ける振動板と圧電素子の接着
部を示す拡大説明図である。
【符号の説明】
1 インク供給路 2 インク加圧室 3 基板 3A 凹溝 4 振動板 4A 電極面 5 圧電素子 K クリーム半田
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−155069(JP,A) 特開 平5−337679(JP,A) 特開 平5−318170(JP,A) 特開 平5−318169(JP,A) 特開 平5−228685(JP,A) 特開 平5−185278(JP,A) 特開 平4−22595(JP,A) 特開 平2−117794(JP,A) 特開 平2−117793(JP,A)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 インク供給路およびインク加圧室用の凹
    溝を備えた基板と、この基板の前記インク供給路とイン
    ク加圧室に対応して装備され且つ前記インク供給路とイ
    ンク加圧室の一方の面を構成する振動板と、この振動板
    上に装着された圧電素子とを有するインクジェット式記
    録ヘッドにおいて、 この圧電素子を、クリーム半田を用いて前記振動板上の
    電極面に接合したことを特徴とするインクジェット式記
    録ヘッド。
  2. 【請求項2】 前記圧電素子は、前記振動板にリフロー
    半田付けの手法によりクリーム半田を用いて接合されて
    いることを特徴とした請求項1記載のインクジェット式
    記録ヘッド。
  3. 【請求項3】 前記クリーム半田は、前記圧電素子の電
    極が金製の場合,Pb−63%Sn合金(重量比)のも
    のを使用することを特徴とした請求項1又は2記載のイ
    ンクジェット式記録ヘッド。
  4. 【請求項4】 前記クリーム半田は、前記圧電素子の電
    極が銀製もしくは銀合金製の場合,Pb−62%Sn2
    %のAg合金(重量比)のものを使用することを特徴と
    した請求項1又は2記載のインクジェット式記録ヘッ
    ド。
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