JP3638476B2 - Inkjet printer head - Google Patents

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Description

【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23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21によって剥離の度合いが異なると、各インク吐出孔26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21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1a,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1a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400μm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700μm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℃〜150℃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】

Figure 0003638476
【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 9,29:引き出し線
10,20,30:インクジェットプリンタヘッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an inkjet printer head mounted on an inkjet printer that prints characters and images.
[0002]
[Prior art]
In recent years, inkjet printers have been widely used as printers for printing information such as images and characters that have been colored at low running costs.
[0003]
As an ink jet printer head (hereinafter referred to as a head) mounted on the ink jet printer, a heater is provided in a flow path filled with ink, and the ink is heated and boiled to generate bubbles. The thermal jet system that pressurizes and ejects ink droplets from the ink ejection holes, and the partition that forms the flow path filled with ink is bent or displaced by a piezoelectric element directly or indirectly, and mechanically within the flow path The piezoelectric method is generally used to pressurize the ink and eject ink droplets from the ink ejection holes. However, the piezoelectric method is particularly durable and responsive, and does not heat the ink directly, so the types of ink are limited. There is an advantage that it is not.
[0004]
As shown in FIG. 3, the piezoelectric head includes a plurality of partition walls 21 made of piezoelectric ceramics polarized in the height direction, and a flow path member formed between the partition walls 21 as an ink flow path 22. 23, a top plate 25 which is bonded to the top surface of each partition wall 21 with a thermosetting adhesive or glass and has an ink discharge hole 24 for introducing ink into each flow path 22, and the flow path member. 23 is composed of a nozzle plate 27 which is joined to one end side of the wall 23 by a thermosetting adhesive or glass and has an ink discharge hole 26 communicating with each flow path 22. In some cases, the drive electrodes 28 were formed along the direction. Note that the other end side of the flow path member 23 has a closed structure, and 29 is a lead wire for the drive electrode 28.
[0005]
In JP-A-6-234215, when the top plate 25 is bonded to the top surface of the partition wall 21 with a thermosetting adhesive, it is necessary to heat and cure the adhesive to hundreds of degrees Celsius. If the difference in thermal expansion between the two is large, stress remains in the adhesive layer during cooling, and the life of the head 30 is reduced, for example, the top plate 25 is partially peeled off. It has been proposed to use alumina, zirconia, or piezoelectric ceramics having a thermal expansion difference of 8.5 × 10 −6 / ° C. or less.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the inventor's research, the means disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-234215 is insufficient, and the top plate 25 is partially peeled off from the partition wall 21 so that ink is ejected. Even if the partition wall 21 is bent and displaced, the ink flows out from the peeling portion to the adjacent flow path 2 and a predetermined pressure cannot be generated, the ink droplet ejection speed is reduced, and the degree of peeling by each partition wall 21. If they are different from each other, there is a problem in that the ejection speed of the ink droplets from the respective ink ejection holes 26 varies and the image quality is deteriorated.
[0007]
That is, the means disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-234215 is based on the thermal expansion coefficient in the temperature range of 0 ° C. to 200 ° C. possessed by the piezoelectric ceramic constituting the partition wall 21 and approximates the thermal expansion as close as possible. It has been proposed to use alumina, zirconia having the coefficient, or the same piezoelectric ceramic as that of the partition wall 21, but the piezoelectric ceramic constituting the partition wall 21 is bent in advance by shear mode deformation. The inventor of the present invention has found that the degree of thermal expansion changes when polarization treatment is applied in the height direction and the piezoelectric ceramic is subjected to polarization treatment. This change in the degree of thermal expansion depends on the composition of the piezoelectric ceramics, but some of them are larger than the inherent thermal expansion coefficient by some, so that the top plate 25 is the same as the partition wall 21. Even if the piezoelectric ceramics were used, the partition wall 21 was subjected to polarization treatment, so the difference in thermal expansion between them could not be reduced, and the bonding failure of the top plate 25 could not be eliminated.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Accordingly, in view of the above problems, the present invention has a plurality of partition walls made of piezoelectric ceramics polarized in the height direction, and a drive electrode is formed on the side surface of each partition wall, and an ink flow is provided between the partition walls. It consists of a flow path member as a path and a top plate that is bonded to the top surface of the partition wall with a thermosetting adhesive or glass and covers each flow path, and the partition wall is bent and displaced by energizing the driving electrode. In the ink jet printer head that pressurizes the ink in the flow path and discharges ink droplets from the ink discharge holes communicating with the flow path, the top plate is formed of the same kind of piezoelectric ceramic as the partition wall, and its thickness It is characterized in that the direction is polarized.
[0009]
[Action]
According to the present invention, in a piezoelectric ink jet printer head that pressurizes ink by bending and displacing a partition made of piezoelectric ceramic constituting an ink flow path, a thermosetting adhesive or glass is applied to the top surface of the partition 1. The top plate to be joined is formed of the same kind of piezoelectric ceramics as the partition walls, and since the polarization treatment is applied in the thickness direction, even if heated to hundreds of degrees Celsius to cure the adhesive and glass, Since the thermal expansion coefficient in the thickness direction (width direction) of the partition wall and the thermal expansion coefficient in the direction perpendicular to the thickness direction of the top plate can be very approximated, no stress remains in the bonding layer and peeling occurs. The top plate can be firmly joined to the top surface of the partition.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0011]
FIG. 1 is a partially broken perspective view showing an example of an ink jet printer head 10 of the present invention. A plurality of partition walls 1 made of piezoelectric ceramics polarized in the height direction are arranged in parallel at equal intervals. Is bonded to the top surface of each partition wall 1 with a thermosetting adhesive or glass so as to cover each channel 2, and ink is introduced into each channel 2. And a top plate 5 provided with ink supply holes 4 and one end side of the flow channel member 3 are joined together with the partition walls 1 with a thermosetting adhesive or glass so as to block the flow channels 2. It consists of a nozzle plate 7 having ink discharge holes 6 communicating with each flow path 2, and driving electrodes 8 are formed on both side surfaces of each partition wall 1 along the longitudinal direction thereof. In addition, the other end side of the flow path member 3 has a closed structure, and 9 is a lead wire for the driving electrode 8.
[0012]
In order to eject ink droplets using the head 10, ink such as pigment-type oil-based ink, water-based dye ink, or ultraviolet curable ink is introduced into each flow path 2 from the ink supply hole 4, and the partition 1 This is performed by applying a voltage between the drive electrodes 3 formed on both side surfaces.
[0013]
As illustrated in FIGS. 2A and 2B, the driving principle is described. For example, negative voltages are applied to the driving electrodes 8b and 8c and the driving electrodes 8h and 8i, and negative voltages are applied to the driving electrodes 8a, 8d, 8g, and 8j. When a positive voltage is applied, the piezoelectric ceramics constituting the partition walls 1a, 1b, 1d, and 1e undergo shear mode deformation, and the partition walls 1a and 1b are bent and displaced toward the flow path 2a as shown in FIG. At the same time, since the partition walls 1d and 1e are bent and displaced toward the flow path 2d, the ink filled in the flow paths 2a and 2d can be pressurized to discharge ink droplets from the ink discharge holes 6, and thereafter When the energization to the drive electrodes 8a to 8d and 8g to 8j is interrupted, the partition walls 1a, 1b, 1d, and 1e that have been bent and displaced return to their original shapes by elastic action, and the flow paths 2a and 2d are decompressed. As a result, the ink supply hole 4 Then, when ink is supplied and a voltage is applied to the drive electrodes 8a to 8d and 8g to 8j described above by reversing the polarity, the partition walls 1a and 1b are supplied to the flow path 2d as shown in FIG. On the other hand, since the partition walls 1d and 1e are bent and displaced outward with respect to the flow path 2d, the flow paths 2a and 2d are further depressurized and filled with ink. When the power supply to 8a to 8d and 8g to 8j is cut off, the partition walls 1a, 1b, 1d, and 1e that have been bent and displaced return to their original shapes due to the elastic action, and the next ink droplet ejection stage starts. By sequentially repeating these operations, ink droplets are ejected continuously.
[0014]
By the way, as described above, each partition wall 1 made of piezoelectric ceramic is previously polarized in the height direction. In the present invention, the top surface of the partition wall 1 is bonded with a thermosetting adhesive or glass. The top plate 5 is made of the same kind of piezoelectric ceramic as the partition wall 1 and is polarized in the thickness direction so that the difference in thermal expansion between them is extremely small.
[0015]
Piezoelectric ceramics constituting the partition wall 1 include piezoelectric ceramics mainly composed of lead zirconate titanate (PZT), piezoelectric ceramics mainly composed of lead magnesium niobate (PMN), and lead nickel niobate (PNN). In the present invention, the top plate 5 is formed of the same kind of piezoelectric ceramic as that of the partition wall 1 in order to form titanium as a main component. This means that lead zirconate (PZT), lead magnesium niobate (PMN), lead nickel niobate (PNN), or a composite thereof is the same.
[0016]
Then, the present inventor has found that when the piezoelectric ceramic is subjected to polarization treatment, the thermal expansion coefficient is different between the polarization direction and the direction perpendicular to the polarization direction. The reason for this is that piezoelectric ceramics that have not been polarized are usually random in crystal arrangement and do not exhibit piezoelectricity, and there is almost no difference in thermal expansion coefficient in the vertical and horizontal directions. When polarization is applied to the crystal, the crystal arrangement is oriented in the direction of the polarized electric field on average, and has a polarity close to that of a single crystal, so that large piezoelectricity is exhibited and the crystal arrangement changes. Therefore, it is considered that the thermal expansion coefficient also differs between the polarization direction and the direction perpendicular to the polarization direction.
[0017]
Therefore, the present inventor performs the polarization treatment in the same direction on the piezoelectric ceramic constituting the top plate 5, that is, the thickness direction of the top plate 5, so that the thermal expansion difference between the partition wall 1 and the top plate 5, In particular, in a temperature range of 0 ° C. to 200 ° C. between a thermal expansion coefficient in a direction perpendicular to the thickness direction of the top plate 5 and a thermal expansion coefficient in a direction perpendicular to the polarization direction of the partition wall 1 (thickness direction). The inventors have found that the difference in thermal expansion can be extremely approximated to 3 × 10 −6 / ° C. or less, and have reached the present invention.
[0018]
Therefore, according to the present invention, when the top plate 5 is bonded to the top surface of the partition wall 1 with a thermosetting adhesive or glass, even if the adhesive or glass is heated and cured, Residual stress hardly occurs, and it is possible to join firmly. Thus, if the partition wall 1 is displaced, a predetermined pressure can be generated in each flow path 2 without variation, and the ink droplet ejection speed can be reduced and the ink droplets ejected from the ink ejection holes 6 can be dispersed at different speeds. Since each can be prevented, it is possible to obtain a highly reliable inkjet printer head 10 that has a long life and can perform high-quality printing.
[0019]
Next, a method for manufacturing the ink jet printer head 10 shown in FIG. 1 will be described. First, in order to form the flow path member 3, a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PZT), a piezoelectric ceramic mainly composed of lead magnesium niobate (PMN), and lead nickel niobate are used. A substrate made of a piezoelectric ceramic having a main component or a piezoelectric ceramic having a composite of the main component is prepared. Next, polarization electrodes are attached to the upper and lower surfaces of the substrate, polarized by applying a voltage, and then subjected to polarization treatment in the thickness direction by removing the electrodes.
[0020]
Next, a plurality of grooves are arranged in parallel by cutting or blasting using a dicing saw or the like from the upper surface of the substrate, and the grooves are used as ink flow paths 2, and walls constituting the flow paths 2 are defined as partition walls. The flow path member 3 formed as 1 is manufactured.
[0021]
Next, after masking the both side surfaces of each partition wall 1 by a photolithography technique or the like, a metal such as platinum, gold, palladium, rhodium, silver, nickel, aluminum or the like is formed by film forming means such as vapor deposition, sputtering, plating, etc. A driving electrode 8 made of an alloy mainly composed of platinum-gold, palladium-silver, platinum-palladium or the like is deposited along the longitudinal direction thereof. The drive electrode 8 is electrically connected to a lead wire 9 extending from the terminal end of the flow channel 2 to the rear end of the flow channel member 3 so that the drive electrode 8 is energized through the lead wire 9. It has become.
[0022]
On the other hand, in order to form the top plate 5, a substrate made of piezoelectric ceramics having the same main component as the piezoelectric ceramics constituting the partition walls 1 is prepared, and the ink supply holes 4 are formed by grinding and processed to a predetermined size. . The ink supply hole 4 may be formed by cutting during molding.
[0023]
Next, polarization electrodes are attached to the upper and lower surfaces of the substrate, a voltage is applied for polarization, and then the electrodes are removed, whereby the top plate 5 subjected to polarization treatment in the thickness direction is manufactured.
[0024]
Thereafter, in order to cover the flow path 2 of the flow path member 3, a thermosetting adhesive or glass paste is applied to the top surface of the partition wall 1 and the open end surface of the flow path member 3, respectively. Is bonded to the top plate 5 provided with the ink supply holes 4 and the resin nozzle plate 7 to the open end of the flow path member 3 and bonded to each other by heating at hundreds of degrees Celsius, followed by laser processing. The head 10 shown in FIG. 1 can be obtained by perforating the ink discharge holes 6 communicating with the respective flow paths 2 in the nozzle plate 7.
[0025]
The present invention is not limited to the head 10 shown in FIG. 1, and it goes without saying that improvements and design changes can be made without departing from the present invention.
[0026]
【Example】
Here, an ink jet printer head according to the present invention and a conventional ink jet printer head were prototyped, and an experiment was conducted to check the joining condition between the top plate and the partition wall by examining the ink droplet discharge speed and the discharge variation. .
[0027]
In this experiment, a substrate made of piezoelectric zirconate titanate-based piezoelectric ceramics having a thermal expansion coefficient of 2.23 × 10 −6 / ° C. in a temperature range of 0 ° C. to 200 ° C. was prepared on both surfaces of this substrate. Applying palladium (Pb) -silver (Ag) by screen printing method to form electrodes for polarization, applying voltage in the thickness direction of the substrate and then applying polarization treatment by cutting After that, a plurality of grooves having a groove width of 70 μm and a groove depth of 400 μm are cut at a pitch of 141 μm with a dicing saw, and the flow path members 3 and 23 are formed with the walls constituting the grooves as the partition walls 1 and 21. I made several. The coefficient of thermal expansion in the thickness direction of the partition walls 1 and 21 after polarization, that is, the direction perpendicular to the polarization direction was measured and found to be 5.88 × 10 −6 / ° C.
[0028]
Next, after masking both side surfaces of the partition walls 1 and 21 using a photolithography technique, a driving electrode 8 and a lead line 9 made of platinum were formed by a sputtering method, and then the mask was removed.
[0029]
After that, the top plate 5 provided with the ink supply holes 4 is formed on the top surfaces of the partition walls 1 and 21, and the nozzle plate 7 made of polyimide resin is formed on the open end of the flow path member 3 with an epoxy-based adhesive. In the present invention, a piezoelectric ceramic that is the same as the piezoelectric ceramic constituting the partition wall 1 and the same kind of piezoelectric ceramic and that has been subjected to polarization treatment in the thickness direction is used as a conventional example. The plate 25 is formed of the same piezoelectric ceramic as the piezoelectric ceramic constituting the partition wall 21 and the same kind of piezoelectric ceramic, and is not polarized in the thickness direction, and further is formed of zirconia ceramic. The thickness of the top plates 5 and 25 was 700 μm.
[0030]
After the top plates 5 and 25 and the nozzle plates 7 and 27 are bonded to the flow path members 3 and 23, the adhesive is cured by heating to 100 ° C. to 150 ° C. The present invention and the conventional inkjet printer heads 10 and 30 were manufactured by punching the ink discharge holes 6 and 26 in the holes 7 and 27, respectively.
[0031]
Then, the drive electrodes 8 and 28 of the heads 10 and 30 are energized to bend and displace the partition walls 1 and 21, and the speed when the ink droplets are ejected from the ink ejection holes 6 and 26 is determined by the discharge tube. The measurement was performed by a high-speed photography apparatus that records the discharge state of ink droplets on a film as a light source, and the variation in speed was obtained.
[0032]
Each result is as shown in Table 1.
[0033]
[Table 1]
Figure 0003638476
[0034]
As a result, the inkjet printer head of the present invention using the same kind of piezoelectric ceramic as the partition wall 1 for the top plate 5 and polarized in the thickness direction has a thermal expansion difference of 3 × 10 −6 / ° C. or less with respect to the partition wall 1. It was found that the discharge speed of the ink droplets can be increased, the variation in the discharge speed can be suppressed to 5% or less, and stable characteristics can be obtained.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a plurality of partition walls made of piezoelectric ceramics polarized in the height direction are arranged side by side, drive electrodes are formed on the side surfaces of each partition wall, and ink is provided between the partition walls. It consists of a flow path member that is a flow path, and a top plate that is bonded to the top surface of the partition wall with a thermosetting adhesive or glass, and covers each flow path. The drive electrode is energized to bend the partition wall. In the inkjet printer head that discharges ink droplets from the ink discharge holes communicating with the flow path by pressurizing the ink in the flow path, the top plate is formed of the same kind of piezoelectric ceramic as the partition wall, and By applying the polarization treatment in the thickness direction, the difference in thermal expansion from the partition wall can be made extremely small in joining with a thermosetting adhesive or glass, so that almost no stress remains in the joining layer. Peeling firmly be joined to each other without causing, it is possible to prevent the lowering and ejection irregularity in the discharge speed of the ink droplet.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view showing an example of an ink jet printer head according to the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view for explaining the principle of driving the ink jet printer head in FIG.
FIG. 3 is a partially cutaway perspective view showing an example of a conventional inkjet printer head.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,21: Partition 2,22: Flow path 3, 23: Flow path member 4, 24: Ink supply hole 5, 25: Top plate 6, 26: Ink discharge hole 7, 27: Nozzle plate 8, 28: For drive Electrodes 9, 29: Lead wires 10, 20, 30: Inkjet printer head

Claims (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。A plurality of partition walls made of piezoelectric ceramics polarized in the height direction are arranged side by side, a drive electrode is formed on a side surface of each partition wall, and a channel member having an ink channel between each partition wall, and the partition wall Ink ejection that pressurizes ink in the flow path and communicates with the flow path by energizing the drive electrode to bend and displace the partition wall. An ink jet printer head for ejecting ink droplets from a hole, wherein the top plate is formed of the same kind of piezoelectric ceramic as that of the partition walls and is subjected to polarization treatment in the thickness direction.
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