JP3123299B2 - インクジェットプリンタヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インク室を構成する側
壁が圧電セラミックス素子からな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】従来、圧電セラミックス素子を用いたイ
ンク噴射装置として、例えば、ドロップオンデマンド方
式のインク噴射装置が提案されている。これは、圧電セ
ラミックスの変形によって圧電セラミックス素子に設け
られた溝の容積を変化させることにより、その容積減少
時に溝内のインクをノズルから液滴として噴射し、容積
増大時にインク導入路から溝内にインクを導入するよう
にしたものである。そして、このようなノズルを多数互
いに近接して配置し、所要の印字データに従って所要の
位置のノズルからインク液滴を噴射させることにより、
ノズルと対向する紙面上等に所望する文字や画像を形成
するものである。

【０００３】この種のインク噴射装置としては、例えば
特開昭６３−２４７０５１号公報、特開昭６３−２５２
７５０号公報及び特開平２−１５０３５５号公報に記載
されているものがある。図１乃至図４にそれら従来例の
概略図を示す。

【０００４】以下、インク噴射装置の断面図を示す図１
を参照して、従来例の構成を具体的に説明する。複数の
溝１２を有し、かつ矢印４の方向に分極処理を施した圧
電セラミックス素子１と、セラミックス材料または樹脂
材料等からなるカバープレート２とを、エポキシ系接着
剤等からなる接着層３を介して接合することで、前記複
数の溝１２が複数のインク流路として構成される。イン
ク流路は長方形断面の細長い形状であり、側壁１１はイ
ンク流路の全長にわたって伸びている。側壁１１上の接
着層３付近の側壁上部から側壁中央部までの両表面に
は、駆動電界印加用の金属電極１３が形成されている。
そして、電極１３をカバーするように保護膜２０が形成
されている。全てのインク流路内には、インクが充填さ
れる。

【０００５】次に、インク噴射装置の断面図を示す図２
を参照して、従来例の動作を説明する。該インク噴射装
置において、所要の印字データに従って例えば溝１２ｂ
が選択されると、金属電極１３ｅと１３ｆに急速に正の
駆動電圧が印加され、金属電極１３ｄと１３ｇは接地さ
れる。これにより側壁１１ｂには矢印１４ｂの方向の駆
動電界が、側壁１１ｃには矢印１４ｃの方向の駆動電界
が作用する。このとき駆動電界方向１４ｂ及び１４ｃと
分極方向４とが直交しているため、側壁１１ｂ及び１１
ｃは、圧電厚みすべり効果によって溝１２ｂの内部方向
に急速に変形する。この変形によって溝１２ｂの容積が
減少してインク圧力が急速に増大し、圧力波が発生し
て、溝１２ｂに連通するノズル３２（図３）からインク
液滴が噴射される。また、駆動電圧の印加を徐々に停止
すると、側壁１１ｂ及び１１ｃが変形前の位置に戻るた
め溝１２ｂ内のインク圧力が徐々に低下し、インク供給
口２１（図３）からマニホールド２２（図３）を通して
溝１２ｂ内にインクが供給される。

【０００６】尚、実際の製品としては、上記噴射動作の
前に駆動電圧を上記と逆方向に印加することにより先に
インクを供給させ、その後この駆動電圧を急激に停止さ
せ側壁１１ｂ及び１１ｃを元の状態に戻すことによって
インクを噴射させるようにすることもある。

【０００７】次に、インク噴射装置の斜視図を示す図３
によって、従来例の構成及び製造法を説明する。圧電セ
ラミックス素子１に、薄い円板状のダイヤモンドブレー
ド等を使用した切削加工によって、溝１２を形成する。
溝１２は圧電セラミックス素子１のほぼ全域で同じ深さ
の平行な溝であるが、端面１５に近づくにつれて徐々に
浅くなり、端面１５付近では浅く平行な浅溝部１６であ
る。その後側壁１１上に、前記金属電極１３を周知の技
術スパッタリング等によって形成する。さらに電極１３
を被覆するように溝１２の内面に保護膜２０を乾式また
は湿式に成膜する。

【０００８】他方、カバープレート加工であるが、セラ
ミックス材料または樹脂材料等からなるカバープレート
２に、研削加工または切削加工等によって、インク導入
口２１及びマニホールド２２を作製する。次に、圧電セ
ラミックス素子１の溝１２が加工されている面とカバー
プレート２のマニホールドが加工されている面とを、エ
ポキシ系接着剤等によって接着する。次に、圧電セラミ
ックス素子１及びカバープレート２の端面に、各溝１２
に対応した位置にノズル３２が設けられたノズルプレー
ト３１を接着する。さらに、圧電セラミックス素子１の
溝１２が加工された面とは反対側の面には、各溝１２に
対応した位置に導電層のパターン４２が設けられた基板
４１を、エポキシ系接着剤等によって接着する。そし
て、溝１２の浅溝部１６の底面に形成されている金属電
極１３と導電層のパターン４２を、ワイヤボンディング
によって導線４３で接続する。

【０００９】次に、制御部のブロック図を示す図４を参
照して、従来例の制御部の構成を説明する。基板４１に
設けられた導電層のパターン４２は各々個々にＬＳＩチ
ップ５１に接続され、クロックライン５２、データライ
ン５３、電圧ライン５４及びアースライン５５もＬＳＩ
チップ５１に接続されている。ＬＳＩチップ５１は、ク
ロックライン５２から供給された連続するクロックパル
スに基づいて、データライン５３上に現れるデータか
ら、どのノズルからインク液滴を噴射するべきかを判断
し、駆動する溝１２内の金属電極１３に導通する導電層
のパターン４２に、電圧ライン５４の電圧Ｖを印加す
る。また、前記溝１２以外の金属電極１３に導通する導
電層のパターン４２にアースライン５５の電圧０ｖを印
加する。

【００１０】このような機構を有するインクジェットヘ
ッドにおいては、電極１３を絶縁保護するためや電極自
身の腐食防止のために保護膜２０が設けられるが、この
保護膜２０としては、不活性な無機不動態膜、具体的に
はシリコンナイトライド（ＳｉＮx）およびシリコンオ
キシナイトライド（ＳｉＯＮ）の交互膜が好適であると
されていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
インクジェットプリンタヘッドにおいては、溝内の電極
上に保護膜を形成し、その後接着層を側壁上に形成し、
セラミックス基板とカバープレートを貼り合わせてい
た。すなわち接着剤形成工程は必ず必要である。また保
護膜を電極部分のみに被覆した場合、後に形成した接着
層が側壁上部の角に於て保護膜と接しない可能性が高
く、下地の金属電極の保護能力が劣る。

【００１２】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、保護膜が側壁上部角に於て連続
的に電極膜を保護しているため、ヘッドの安定性を高め
ることができる。また、接着剤形成工程を省いて低コス
ト化をはかることを目的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明のインクジェットプリントヘッドにおいては、
側壁の側面に、電極を絶縁保護するための保護膜を設け
るとともに、この保護膜を、前記接着剤の機能を持つも
のとし、前記側壁の側面から上面にわたって形成し、前
記カバープレートを前記保護膜によって前記側壁に接合
したことを特徴としている。

【００１４】

【作用】上記の構成を有する本発明のインクジェットヘ
ッドは、電極を絶縁保護するための保護膜が前記側壁の
側面から上面にわたって形成され、前記側壁とカバープ
レートとがその保護膜によって接合される。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を具体化した保護膜の一実施例
について説明する。本実施例においては、保護膜２０と
して、従来用いられた無機材料に変えて、エポキシ系あ
るいはポリイミド系の有機材料を用いている。

【００１６】保護膜２０として有機系膜を成膜する場
合、具体的には圧電セラミックスプレート１をスピンコ
ーターに真空吸着し、エポキシ樹脂ならば、例えばエポ
テック（米国エポキシ・テクノロジー社製）、ポリイミ
ド系ならば例えばパイラリン（デュポン社製）を１ｇほ
ど滴下し３０００回転で回転塗布、その後クリーンオー
ブンにて１５０℃で１時間ベークすることで１０μm以
下のエポキシ系またはポリイミド系有機膜が溝内１２及
び側壁上面に形成される。このとき該有機膜表面の凹凸
をＲａを３以下とすることで特性の優れた保護膜とな
る。理由を以下に示す。

【００１７】インク室である溝の中の圧電セラミックス
素子の表面は、金属電極１３が付着しているエリアも含
めて、全域で圧電セラミックス素子粒子の大きさに起因
するＲａ３〜８程度の凹凸を持つ。回転塗布法により形
成される有機膜表面は回転速度や、溶液粘度、滴下量等
の条件により、下地の凹凸を模倣する場合もあれば凹凸
を埋めて下地の凹凸を改善することも可能である。例え
ばＲａを３以下にするためには、粘度５００ｃｐｓのエ
ポキシ樹脂溶液を静止状態で滴下した後、４００ｒｐｍ
／ｓｅｃの加速度で回転数を増加させ、最終回転４００
０ｒｐｍを１０ｓｅｃほど保持し、１５０℃で１時間ベ
ークをすればよい。このような保護膜の表面粗さがどの
様に噴射特性に影響するかを以下に示す実験により確認
した。

【００１８】まずサンプルは、側壁の厚み８０μｍ、高
さ５００μｍ、溝幅９０μｍが１０チャンネル形成され
たセラミックス基板に側壁半分に電極膜が蒸着形成した
ものに、保護膜としてエポキシ樹脂溶液をアセトン等の
有機溶剤で希釈し、溶液粘度と回転条件を変えることで
圧電セラミックス素子または電極膜を被覆した有機膜表
面の凹凸状態が異なる有機保護膜を作製した。続いて接
着層を側壁上面に形成しカバープレートを貼り合わせ、
しかるべき回路基板とのワイヤーボンディングを施し、
噴射のためのパルスを供給できるヘッドユニットを作製
した。インクは顔料インクを用いた。一定電圧を一定時
間印加し、噴射されたインクの液滴の大きさをＣＣＤで
捕らえてモニター上で測定し、凹凸状態は、噴射試験が
終了した後サンプルを破壊し表面粗さ計で求めた。この
ような噴射実験の結果、図５に示すように、Ｒａが３よ
り大きいと噴射される液滴のばらつきが大きく、平均体
積値も小さくなる傾向がみられる。これには以下のよう
なメカニズムが考えられる。

【００１９】有機保護膜はインクと接するため、有機膜
の表面凹凸が大きいと、顔料インクに含まれるカーボン
等のインク成分が凹部に吸着される。わずかでも吸着が
起きるとその分子が核となり次々に成長していく。しか
しこの吸着分子の結合力は比較的弱いため、分子間或は
一番根元の分子と有機保護膜の接合が容易に断ち切ら
れ、カーボン分子クラスターはインク溶液中に多数存在
し、インクの噴射部であるオリフィスプレートのノズル
に達してインクの噴射を遮り、インクの噴射量が減少し
たと思われる。さらには噴射方向が変えられたり、最悪
噴射が行われないという重大な欠陥をもたらすことが考
えられる。またノズル付近に達しなくともも存在するだ
けでインクの粘性等物理常数が変化しインクの流れが妨
げられ噴射特性が劣化する。従って有機膜の表面粗さＲ
ａを３以下とすることで噴射特性が良好で、安定した品
質のインクジェットプリンタヘッドが作製できる。

【００２０】本発明のインクジェットプリンタヘッドの
品質保持は他の様態でも実施できる。保護膜２０の材料
と、圧電セラミックスプレート１とカバープレート２を
貼り合わせる工程で用いる接着剤の材料とを有機系材料
とする。その優位性は以下のような実験を行い確認し
た。

【００２１】まずサンプルとして側壁の厚み８０μｍ、
高さ５００μｍ、溝幅９０μｍの溝を１０チャンネル形
成したセラミックス基板に上述したようなスピンコート
法を用い保護膜２０として有機系のポリイミド樹脂溶液
をスピンコートし１５０℃で１時間ベークすることで溝
１２の中だけでなく、インク室を隔てる側壁の上面にも
１０μｍ以下のポリイミド系有機膜が形成される。より
完全なポリイミド膜を得るためにベーク中に赤外照射を
行なうと良い。次の工程で接着剤として２液性エポキシ
樹脂を用い、主剤と硬化剤を混ぜて撹拌し、有機保護膜
付きの側壁の上面を押しつけることにより接着層を数μ
ｍ程度形成し、カバープレートをしかるべき位置に合わ
せて置き、ベークを行うことによりエポキシ樹脂が硬化
して圧電セラミックスプレート１とカバープレート２が
接着される。

【００２２】比較サンプルとしては、エポキシ接着剤と
比べて線熱膨張係数が約２桁小さい無機膜のＳｉＯ ₂ 膜
を用いることにした。すなわち、上述の形状を持つセラ
ミックス基板に周知の技術（図示しない）スパッタリン
グ法を用いて、溝１２の中だけでなく、インク室を隔て
る側壁の上面にも１０μｍ以下のＳｉＯ ₂ を成膜する。
その後ポリイミド膜サンプルと同様な手順でカバープレ
ートを貼り合わせた。これらのサンプルをそれぞれ３個
づつ作製し引張試験機を用いて、カバープレート２と圧
電セラミックスプレート１との接着強度を測定し、比較
した。試験としては保護膜が有機系のもの、無機系のも
のについて、徐々に荷重を付加して破断したときの荷重
値の測定を行った。その結果は図６に示す。横軸は時間
の経過で、縦軸に荷重が示してある。図６（ａ）より有
機保護膜サンプルの平均破壊荷重は約５１ｋｇ／ｃ
ｍ ² 、図６（ｂ）より無機保護膜サンプルの平均破壊荷
重は約２５ｋｇ／ｃｍ ² であり、有機保護膜の方が密着
性に優れていることが判明した。

【００２３】これは、線熱膨張係数が異なる材料を貼合
わせベークにより硬化させるとき、保護膜２０と接着層
との界面において線熱膨張係数の違いに起因するストレ
スが生じ、破壊接着強度が低下するためと思われる。有
機膜であるのポリイミド膜の線熱膨張係数はスピンコー
トする溶液の種類で若干異なるがおおよそ２〜５×１０
^-5 ℃ ^{ー 1} 、接着剤のエポキシ樹脂は約２×１０ ^-5 ℃ ^{ー 1} であ
り、無機膜は保護膜としての絶縁保護性に優れるＳｉＯ
₂ 、ＳｉＮxはともに約５×１０ ^-7 ℃ ^{ー 1} である。従って側
壁上面の保護膜２０と接着剤とが同じオーダーの線熱膨
張係数を持つ有機系膜で形成されているサンプルでは、
圧電セラミックスプレートとカバープレートの接着性が
良好で、噴射時の壁の変形に対して耐久性に優れる。ま
た、無機保護膜と有機接着剤は濡れ性が悪く、ベーク硬
化時に両者がなじみにくいため、更に接着力の低下を招
くおそれがある。すなわち保護膜と接着剤に有機膜を用
いることで本発明のインクジェットプリンタヘッドにお
いて、接着強度が増しインク噴射時のインク室の変形に
対し噴射安定性、耐久性に優れた製品が作製できる。

【００２４】本発明のインクジェットプリンタヘッドの
品質保持は他の様態でも実施できる。保護膜２０の材料
として例えば有機系、なかでもエポキシ樹脂を用いるこ
とで、保護膜２０に圧電セラミックスプレート１とカバ
ープレート２を接合するための接着剤としての機能を持
たせる。例えばエポテック３７７（米国エポキシ・テク
ノロジー社製）をセラミックプレート１に適量滴下し３
０００回転で回転塗布を行うと、溝１２の中だけでな
く、インク室を隔てる側壁の上面にも１０μｍ以下の有
機膜が形成される。その後すばやくカバープレート２を
しかるべき位置に乗せ軽く圧力を加え、貼合わせた状態
でクリーンオーブンにて１５０℃で１時間ベークするこ
とで硬化が完了する。

【００２５】従って、従来技術では、保護膜形成の後に
薄く延ばした接着剤を側壁の上面に形成し、カバープレ
ートを接着させていたのに比べ、本実施例では、保護膜
形成と接着剤形成が同時に行われ、図７に示すように溝
１２の中に有機膜の保護膜が形成されるとともに圧電セ
ラミックスプレート１とカバープレート２の接合が完了
し、著しく工程の簡略化がはかれる。さらには、保護膜
が接着層であり側壁上部角に於て連続的に電極膜を保護
しているため、ヘッドの安定性を高めることができる。
従って、工程の簡略化と同時に安定性の高いヘッドの作
製が可能となる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明によれば、電極を絶縁保護するための保護膜が前記
側壁の側面から上面にわたって形成され、前記側壁とカ
バープレートとがその保護膜によって接合されるので、
工程が簡略化され、かつ保護膜が側壁上部角に於て連続
的に形成されて電極膜が保護され、その結果、安定性に
優れたインクジェットプリンタヘッドが低コストで作製
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来及び本発明のインクジェットプリンタヘッ
ドの構成を示す断面図である。

【図２】従来及び本発明のインクジェットプリンタヘッ
ドの構成を示す断面図である。

【図３】従来及び本発明のインクジェットプリンタヘッ
ドの構成を示す斜視図である。

【図４】従来及び本発明のインクジェットプリンタヘッ
ドの制御部のブロック図である。

【図５】保護膜の表面粗さＲａと液滴の体積及びそのば
らつきを示すグラフである。

【図６】有機系接着剤に対する有機膜と無機膜の接着強
度の測定結果を示すグラフである。

【図７】本発明のインクジェットプリンタヘッドの構成
を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 圧電セラミックス素子 ２ カバープレート ３ 接着層 １２ 溝 １３ 金属電極 ２０ 保護膜

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電セラミックス素子からなる複数の側
   壁と、その側壁の側面に設けられ前記圧電セラミックス
   素子を駆動するための電極と、前記複数の側壁の上部に
   接着剤により接合されることにより複数のインク室を構
   成するカバープレートとを備えたインクジェットプリン
   タヘッドにおいて、 前記側壁の側面に、前記電極を絶縁保護するための保護
   膜を設けるとともに、この保護膜を、前記接着剤の機能
   を持つものとし、前記側壁の側面から上面にわたって形
   成し、前記カバープレートを前記保護膜によって前記側
   壁に接合したことを特徴とするインクジェットプリンタ
   ヘッド。