JP3237163B2

JP3237163B2 - インクジェット式印字ヘッド

Info

Publication number: JP3237163B2
Application number: JP772892A
Authority: JP
Inventors: 秀明曽根原
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1992-01-20
Filing date: 1992-01-20
Publication date: 2001-12-10
Anticipated expiration: 2016-12-10
Also published as: JPH05193129A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インクジェットプリン
ターに用いる印字ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のインクジェット式印字ヘッドは、
特公昭６０−８９５３号に示されたように、インクタン
クを構成する容器の壁面に複数のノズル開口を形成する
と共に、各ノズル開口と対向するように伸縮方向を一致
させて圧電素子を配設して構成されている。この印字ヘ
ッドは、駆動信号を圧電素子に印加して圧電素子を伸縮
させ、この時に発生するインクの動圧によりインク滴を
ノズル開口から吐出させて印刷用紙にドットを形成する
ものである。

【０００３】このような形式の印字ヘッドに於いては、
液滴の形成効率や飛翔力が大きいことが望ましい。しか
しながら、圧電素子の単位長さ、及び単位電圧当りの伸
縮率は極めて小さいため、印字に要求される飛翔力を得
るには高い電圧を印加することが必要となり、駆動回路
や電気絶縁対策が複雑化するという問題がある。

【０００４】このような問題を解決するため、特開昭６
３−２９５２６９号に示されているように、電極と圧電
材料とを交互にサンドイッチ状に積層し同時焼結したイ
ンクジェット印字ヘッド用の圧電素子が提案されてい
る。この圧電素子によれば電極間距離を可及的に小さく
することが出来るため、駆動信号の電圧を下げることが
出来るという効果がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな圧電素子内部の導電材料の多くはＡｇ／Ｐｄを使用
している為、小型化を実現するために圧電素子をスライ
ス加工すると、加工断面に導電材料を露出させることに
なり、圧電素子沿面部でＡｇマイグレーションが発生し
信頼性を低下させる要因となっていた。この問題を回避
する為には、導電材料にＡｇを使用しない事が最も有効
な手段であるが、以下の理由により選択できる導電材料
の種類がＡｇ／Ｐｄに限定されている。

【０００６】１．圧電材料と導電材料を同時に焼成する
厚膜同時焼結法では圧電材料が酸化炉で焼結される為、
導電材料も酸化されてしまう。

【０００７】２．圧電材料の焼結温度が導電材料の融点
より高いと、導電材料が圧電材料中に拡散し、絶縁抵抗
の劣化、圧電素子の変形につながる。

【０００８】以上により、導電材料は酸化しにくく、融
点が高いＡｇ／Ｐｄに限定されていた。

【０００９】又、従来から使用されているスタック型の
アクチュエーターは小型化するのが困難であった。

【００１０】本発明はこのような問題に鑑みなされたも
ので、その目的とするところは、信頼性が高く、容易に
小型化することができる圧電素子を用いたインクジェッ
ト式印字ヘッドを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のインクジェット式印字ヘッドは、インクを
吐出するノズル開口と、ノズル開口が複数個列設され該
ノズル開口のそれぞれに連通するインク流路と、圧電材
料と電極を交互に積層して積層方向とは直交する方向に
伸縮可能な圧電素子を複数個列設した圧電素子群とを有
し、各圧電素子の一端側の積層方向端面を基台に固着
し、他端側を自由端としてインク流路に対応して配置し
たインクジェット式印字ヘッドにおいて、圧電素子は、
第１の導電層と、該第１の導電層よりも幅広の圧電材料
と、第２の導電層とが複数交互に積層された積層型圧電
素子であり、第１の導電層は圧電材料により被覆されて
いることを特徴とする。

【００１２】

【実施例】図１に本発明に於けるインクジェット式印字
ヘッドの１例を示す。図１に於て、１１は基台、１２は
接着剤、１３、１４は導電層、１５は圧電材料、１６は
積層型圧電素子、１７はノズルを形成した板材（以下、
ノズルプレートと称す。）、１８はインク流路である。

【００１３】図２及至図９は、本発明のヘッドの製造過
程を説明するものであり、以下図をもとに説明する。

【００１４】（第１過程）まずドクターブレード法、押
し出し法等によりチタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブス
カイトセラミック等のグリーンシート状の圧電材料１５
を形成する。次に、図２に示す様に圧電材料１５の上面
にノズル開口に対応するピッチでプラス側（マイナス
側）導電層１３をスクリーン印刷法等で形成する。図２
中（ａ）は第１過程による形成状態を示す平面図、
（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は横断面図である。（第２過
程）さらにその上面に図３に示すように圧電材料１５を
形成し、更にその上面にマイナス側（プラス側）導電層
１４を形成する。図３中（ａ）は第２過程による形成状
態を示す平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は横断面図
である。

【００１５】（第３過程）同様にして、１５、１３、１
５、１４、１５、１３、・・・・・１５と積層した後に
焼成する事で、図４に示す積層構造の圧電素子を得る。
図４中（ａ）は第３過程による形成状態を示す平面図、
（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は横断面図である。

【００１６】（第４過程）その後、導電層１３、１４を
外部に引き出すために図５に示す様に両端部５１に導電
膜５２をスパッタ、蒸着等の薄膜手法や、スクリーン印
刷等の厚膜手法を用いて形成し積層型圧電素子１６を得
る。図５中（ａ）は第４過程による形成状態を示す平面
図、（ｂ）は縦断面図である。

【００１７】（第５過程）上記のようにして製造した積
層型圧電素子１６を図６に示すように、個別電極６１を
形成した基台１１上に、図７に示すように接着剤７１を
用いて固定する。図６中（ａ）は個別電極６１を形成し
た基台１１を示す平面図、（ｂ）は縦断面図であり、図
７中（ａ）は第５過程による形成状態を示す平面図、
（ｂ）は縦断面図である。

【００１８】（第６過程）このようにして固定した圧電
素子１６は、図８に示すように個別電極ピッチと同ピッ
チで細かく前記固定砥粒の外周刃や、遊離砥粒による切
削加工方法により切込みをいれる。ここで、圧電素子の
残し幅Ｗ、導電層１３、１４の幅Ｗ１とすると、Ｗ＝Ｗ１＋６０〜１００μｍとなる様に切削加工を行い、切削断面に導電層１３、１
４が露出しない構造にする必要がある。

【００１９】この後、個別電極６１と切込みの入った圧
電素子列８１とを接続する。ここでの接着剤は、導電膜
５２と基台１１上に形成された個別電極６１とを電気的
に接続する必要があるため、半田や導電性接着剤等の導
電ペースト８２を使用するのが最適である。図８中
（ａ）は第６過程による形成状態を示す平面図、（ｂ）
は縦断面図である。

【００２０】（第７過程）次に、図９に示すようにコモ
ン電極９１を接続し、更に、信頼性向上のためインクが
流れ込むのを防止するよう耐湿性材料等で圧電素子周囲
を保護する。ここで、耐湿性材料に気泡が入るのを除去
するため真空脱泡等の処理を行なうのが望ましい。図９
中（ａ）は第７過程による形成状態を示す平面図、
（ｂ）は縦断面図である。

【００２１】次に、インク流路、ノズルプレートを形成
し、その結果、図１に示したヘッド構造を得る。

【００２２】次に、本発明のヘッドにおいて絶縁抵抗評
価をした結果を述べる。図１０は、評価用に上記工程に
基づき試作した、導電層をパターニングして沿面に導電
層が露出していない積層型圧電素子の形状を示す図で、
（ａ）はその平面図、（ｂ）は縦（Ａ−Ａ’）断面図で
ある。図１１は、従来の沿面に導電層が露出した積層型
圧電素子の形状を示す図で、（ａ）はその平面図、
（ｂ）は縦断面図である。仕様は以下の通りである。

【００２３】（試作仕様）・厚電素子板仕様厚みｔ1＝３０（μｍ）圧電定数ｄ31＝３００×１０^-12（ｍ／Ｖ）駆動部長さ１０３ｌａ＝３．７（ｍｍ）・導電層仕様導電層材料Ａｇ／Ｐｄ＝８０／２０ WT.% 導電層厚みｔ2＝２（μｍ）（評価条件）・評価内容高温高湿駆動試験における絶縁抵抗劣化評
価・条件温度６０℃ 湿度９０％Ｒ．Ｈ駆動電圧ＤＣ３０Ｖ図１２は、評価結果を示す図である。図１２の評価結果
によれば、絶縁抵抗劣化のモードは以下の２つに分けら
れる。

【００２４】モード・・・一時的に絶縁抵抗が下がり
再び復帰するモードモード・・・経時的に絶縁抵抗が下がり復帰しないモ
ード積層型圧電素子の加工断面部から導電層が露出していな
い本発明の積層型圧電素子の劣化モードはだけである
のに対し、従来の加工断面部に導電層が露出している構
造の積層型圧電素子の劣化モードはとの両方が発生
している。図１３及び図１４はこの劣化モード、の
発生原因を説明する図であり、各モードの発生理由を図
をもとに説明する。

【００２５】（モードの発生理由）図１３に示す様
に、圧電素子焼結時に有機ガス等の抜け道として発生す
るＰＺＴ内部のポーラス１３１に沿ってＡｇマイグレー
ションが成長し、プラス側導電層とマイナス側導電層を
短絡させる。しかし、通常このポーラスは、非常に微小
な為、成長したマイグレーションは短絡直後に焼き切れ
ると考えられる。

【００２６】（モードの発生理由）図１４に示す様
に、圧電素子沿面部をＡｇマイグレーション１４１が成
長し、プラス側導電層とマイナス側導電層を短絡させ積
層型圧電素子を破壊する。ここでの短絡は、モードと
同様の微小部分での短絡と、比較的広い部分での短絡が
考えられる。特に従来構造の積層型ＰＺＴは、加工断面
の導電層が外気と接している為、沿面汚染、湿度等の影
響を受け易く、マイグレーション１４１は経時的に横方
向にも成長する（太くなる）為、それに従い絶縁抵抗も
経時的に劣化して行くと考えられる。

【００２７】ここで、インクジェット式印字ヘッドに用
いる圧電素子として問題となるのは、モードの積層型
圧電素子の破壊であり、モードの不良はインク吐出特
性上、問題無いことが確認されている。

【００２８】図１５は、本発明の別の実施例を示す図
で、（ａ）はその平面図、（ｂ）は縦断面図である。プ
ラス側導電層、或は、マイナス側導電層のどちらか一方
の導電層をパターニングして、加工断面に片方の電極だ
け露出しない構造にしたものである。このような構造に
おいても、図１０の積層型圧電素子と同等の信頼性が確
保出来た。これは、Ａｇマイグレーションが一種の電解
作用であり、大気中の水分とＡｇ電極間に直流を印加し
た時にＡｇが溶出し、成長して絶縁抵抗が下がる現象で
ある為、一方の電極が保護されていれば電極間に電流は
流れない事により、信頼性が確保出来たと考えられる。

【００２９】この構造は図１０の構造に比較して、プラ
ス側導電層とマイナス側導電層との位置合わせをする必
要が無い為、量産性に優れた積層型圧電素子を確保でき
る。又、図８に於て、導電層１３、１４の幅Ｗ１に対し
て圧電素子の残し幅Ｗを６０〜１００μｍ多く取るの
は、導電層の保護層の厚みｔ３が３０〜５０μｍ必要な
為である。図１６は、保護層厚みｔ３の最適化実験をし
た結果を示す図である。本結果によれば、ｔ３が１０〜
２０μｍ程度であると従来の導電層が露出した構造より
は、信頼性は向上するものの経時的な絶縁抵抗の劣化は
避けられなかった。しかし、ｔ３を３０〜５０μｍと厚
くすると、経時的な絶縁抵抗の劣化は発生せず良好な信
頼性が確保できる。

【００３０】ここで、積層型圧電素子の変位量δは、以
下の式の様に、電圧Ｖ、駆動部長さｌａ、圧電定数ｄ31
に比例し、厚みｔに反比例する。 δ＝ｄ31・ｌａ・Ｖ／ｔ今試作圧電素子の仕様を上記式に代入し、電圧３０Ｖ印
加時の変位量を算出すると、 δ＝３００×１０^-12・３．７×１０^-3・３０／（３０×１０^-6）＝１．１１×１０^-6（ｍ）となるはずであるが、本発明の積層型圧電素子の加工断
面はヤング率の高いＰＺＴ材料で被覆した構造になる
為、ｔ３＝３０〜５０μｍの時、変位量δが約２０％抑
制されδ≒０．９になってしまう。この為、同等の変位
を得る為には、駆動部長さｌａ、或は、駆動電圧Ｖを２
０％大きくする必要がある。又、ｔ３の厚みと変位量に
は相関関係（ｔ３が厚くなれば、変位量は減少する。）
があるので、信頼性が確保できる最小の厚みｔ３を選ぶ
必要があり、その値は、上記で説明したようにｔ３＝３
０〜５０μｍである。

【００３１】

【発明の効果】本発明のインクジェット式記録ヘッド
は、インクを吐出するノズル開口と、ノズル開口が複数
個列設され該ノズル開口のそれぞれに連通するインク流
路と、圧電材料と電極を交互に積層して積層方向とは直
交する方向に伸縮可能な圧電素子を複数個列設した圧電
素子群とを有し、各圧電素子の一端側の積層方向端面を
基台に固着し、他端側を自由端としてインク流路に対応
して配置したインクジェット式印字ヘッドにおいて、圧
電素子は、第１の導電層と、該第１の導電層よりも幅広
の圧電材料と、第２の導電層とが複数交互に積層された
積層型圧電素子であり、第１の導電層は圧電材料により
被覆されていることにより、複数のインク流路に対応し
て存在する圧電素子の、圧電材料と導電層の積層方向と
平行な方向の面において、少なくとも第１の電極層が表
面に露出していないことによってマイグレーションの発
生を低減することができる。従って、信頼性が高く、小
型化が可能なインクジェット式記録ヘッドを実現できる
という効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット式印字ヘッドの一実施
例の構造を示す断面図。

【図２】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す図。

【図３】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す断面図。

【図４】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す断面図。

【図５】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す断面図。

【図６】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す図。

【図７】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す図。

【図８】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す図。

【図９】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す図。

【図１０】本発明の積層型圧電素子の試作例を示す断面
図。

【図１１】従来構造の積層型圧電素子の構造を示す断面
図。

【図１２】積層型圧電素子の高温高湿環境駆動での不良
モードを示すグラフ。

【図１３】積層型圧電素子の高温高湿環境駆動での不良
モード１の原因を説明する断面図。

【図１４】積層型圧電素子の高温高湿環境駆動での不良
モード２の原因を説明する断面図。

【図１５】本発明の実施例を示す断面図。

【図１６】導電層の保護層の厚みが高温高湿環境駆動で
の信頼性に及ぼす影響を示すグラフ。

【符号の説明】

１１基台１２接着剤１３プラス側（マイナス側）導電層１４マイナス側（プラス側）導電層１５圧電材料１６積層型圧電素子１７ノズルプレート１８インク流路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】インクを吐出するノズル開口と、前記ノ
ズル開口が複数個列設され該ノズル開口のそれぞれに連
通するインク流路と、圧電材料と電極を交互に積層して
積層方向とは直交する方向に伸縮可能な圧電素子を複数
個独立して列設した圧電素子群とを有し、前記各圧電素
子の伸縮方向における一端側の前記積層方向端面を基台
に固着し、他端側を自由端として前記インク流路に対応
して配置したインクジェット式印字ヘッドにおいて、前記圧電素子は、第１の導電層と、該第１の導電層より
も幅広の圧電材料と、第２の導電層とが複数交互に積層
された積層型圧電素子であり、前記第１の導電層は前記
圧電材料により被覆されていることを特徴とするインク
ジェット式印字ヘッド。
【請求項２】前記第２の導電層も前記圧電材料により
被覆されていることを特徴とする請求項１記載のインク
ジェット式印字ヘッド。