JP3668020B2

JP3668020B2 - インクジェットプリンタヘッド

Info

Publication number: JP3668020B2
Application number: JP31165498A
Authority: JP
Inventors: 泰治立山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-11-02
Filing date: 1998-11-02
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2018-11-02
Also published as: JP2000135788A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクを噴射して印刷するインクジェットプリンタに用いら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】
従来より高速でかつ安定してインクを吐出することが可能なインクジェットプリンタヘッドが要求されており、このようなヘッドとして図５及び図６に示すものがあった。
【０００３】
このインクジェットプリンタヘッドは、平行に整列する複数の隔壁１ａを有し、各隔壁１ａ間をインク流路５としてなるジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの如き圧電部材からなる基板１と、この基板１の各隔壁１ａ上に接着され、インク流路５を塞ぐ天板１４と、インク流路５の長手方向の一端に接着され、各インク流路５と連通するノズル孔７を備えたノズル板８とからなり、上記各隔壁１ａの両側面には電極２を備え、これら電極２間に通電することで図６に示すように、圧電部材からなる隔壁１ａにすべり振動を発生させて点線方向に変位させることによってインク流路５内の体積を変化させ、インク流路５内のインクをノズル孔７より吐出させて記録媒体上に印字または描画するようになっていた。なお、図５中、６はインク流路５内にインクを導くためのインク供給孔である。
【０００４】
そして、従来、このようなインクジェットプリンタヘッドを形成するにあたり、天板１４はセラミックス、ガラス、樹脂等の材質により形成され、また、天板１４を隔壁１ａ上に接着する接着剤１３として熱硬化性のエポキシ樹脂が使用されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５及び図６に示すインクジェットプリンタヘッドにおいては、長時間にわたって駆動を続けると、隔壁１ａの変位運動によって発熱現象が起こり、極端な場合は８０℃程度にまで及ぶことがある。そして、このような発熱現象が発生すると、圧電部材からなる隔壁１ａ及び隔壁１ａと接触するインクの温度が上昇し、この状態が長時間にわたると、隔壁１ａを形成する圧電材料の電気的特性が低下したり、インク特性の劣化を招くといった課題があった。即ち、隔壁１ａの温度が高くなると、変位運動特性を決める圧電部材のε（比誘電率）、Ｋｐ（電気機械結合係数）、ｄ定数（変位距離）、即答性等の電気的特性が低下する結果、インク流路５内の体積変化が不安定となるため、一定量のインクをノズル孔７より安定して吐出することができず、また、インクにあっては、インクの流動特性（例えば粘度など）が変化したり、インク特性の劣化が起こることによって、インクの噴射特性が変化し、その結果、不安定なインク吐出挙動が発生するといった課題があった。しかも、熱によるインクの乾きが早くなり、ノズル孔７内にインク内容物が堆積して目詰まりを起こし、インクの吐出特性が不安定となるといった恐れもあった。
【０００６】
【発明の目的】
本発明の目的は、隔壁の変位運動によってインク流路内の圧力を高めてインクを吐出するタイプのインクジェットプリンタヘッドにおいて、隔壁の変位運動によって発生する熱の放熱性を高め、長期にわたって安定したインクの吐出が可能なインクジェットプリンタヘッドを提供することにある。
【０００７】
【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、平行に整列した圧電材料からなる複数の隔壁を有し、該隔壁間をインク流路としてなる基板と、該基板の隔壁上に接着され、各インク流路を塞ぐ天板と、上記インク流路に連通するノズル孔を備えてなるノズル板とからなり、上記各隔壁に通電して変位させることによって上記インク流路内の体積を変化させ、インク流路に連通するノズル孔よりインクを吐出するインクジェットプリンタヘッドにおいて、上記天板を熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上であるセラミックス又は金属により形成するとともに、上記天板と前記各隔壁とを平均粒子径が１μｍ以下の高熱伝導性セラミック粒子を７０〜５０体積％と、３０〜５０体積％の熱硬化性樹脂とが合計１００体積％となる接着層によって接着したことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、上記天板の放熱特性を高めるために、インク流路と反対側の表面を中心線平均粗さ（Ｒａ）で１０〜１００μｍとしたことを特徴とする。
【０００９】
【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。
【００１０】
図１は本発明のインクジェットプリンタヘッドの一例を示す斜視図、図２は図１のインク流路近傍の構造を部分的に拡大した断面図である。なお、従来例と同一部分については同一符号で示す。
【００１１】
このインクジェットプリンタヘッドは、平行に整列する複数の隔壁１ａを有し、各隔壁１ａ間をインク流路５としてなる圧電部材からなる基板１と、この基板１の各隔壁１ａ上に接着され、インク流路５を塞ぐ天板４と、インク流路５の長手方向の一端に接着され、各インク流路５と連通するノズル孔７を備えたノズル板８とからなり、上記各隔壁１ａの両側面には電極２を備え、これらの電極２間に通電することで図２に示すように、圧電部材からなる隔壁１ａにすべり振動を発生させて点線方向に変位させることによってインク流路５内の体積を変化させ、インク流路５内のインクをノズル孔７より吐出させて記録媒体上に印字または描画するようになっていた。なお、図１中、６はインク流路５内にインクを導くためのインク供給孔である。
【００１２】
そして、本発明によれば、上記天板４と隔壁１ａとを接着する接着層３が、熱硬化性樹脂と高熱伝導性セラミックス粒子（以下、セラミック粒子という）の複合材からなり、その割合はセラミック粒子を７０〜５０体積％に対して熱硬化性樹脂を３０〜５０体積％の範囲で含むことを特徴とする。
【００１３】
このような接着層３に用いるセラミックス粒子としては、アルミナ粒子、窒化アルミニウム粒子、窒化珪素粒子、炭化珪素粒子等を用いることができ、これらのセラミック粒子は隔壁１ａの両側面に形成される電極２間の導通を防ぐのに必要な絶縁性を有するとともに、熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上であることから、隔壁１ａの変位運動に伴って発生する熱を効果的に天板４に逃がすことができる。また、接着成分の樹脂として熱硬化性樹脂を用いるのは、熱に対して比較的安定で、接着強度が強く、耐薬品性に優れ、インクに対する安定性が高いためである。このような熱硬化性樹脂としては、エポキシ系、フェノール系、メラミン系、ポリエステル系等の樹脂を用いることができ、これらの中でもシール性（隣り合うインク流路５間の連通を防ぐ）、耐インク性、接着強度等の観点から、エポキシ系の樹脂が好適である。なお、エポキシ系の樹脂には一液系と、硬化剤と混合する二液系があるが、何れの系でも構わない。
【００１４】
そして、接着層３の構成比率について、セラミックス粒子の割合を７０〜５０体積％としたのは、その割合が７０体積％を越えると（熱硬化性樹脂の割合が３０体積％未満）、セラミックス粒子間やセラミックス粒子と天板４との間、さらにはセラミックス粒子と隔壁１ａとの間を接着する樹脂量が不足し、接着層３の接着強度が小さくなるために、隔壁１ａが変位運動すると接着層３から離脱し、シール性が低下してインクが漏れたり、インク流路５内の圧力を高めることができず、インクを吐出することができなくなるからであり、逆にセラミックス粒子の割合が５０体積％未満となると（熱硬化性樹脂が５０体積％を越える）、熱硬化性樹脂内で互いのセラミック粒子が浮いた状態となり易く、セラミックス粒子同士が接触する割合が少なくなるため、接着層３の熱伝導特性が低下し、十分な放熱特性が得られないからである。
【００１５】
なお、接着強度及び熱伝導特性の点でより好ましい接着層３の構成比率は、セラミックス粒子を７０〜６０体積％に対し、熱硬化性樹脂を３０〜４０体積％の割合で含んだものが良い。
【００１６】
さらに、接着層３を構成するセラミックス粒子は、その粒子径が大きすぎると、セラミック粒子間やセラミック粒子と天板４、及びセラミック粒子と隔壁１ａとの接触点が少なくなり、熱伝導特性が低下することになる。このことは、図４（ａ）（ｂ）に示す模式図からも判るように、同じ接着面積に対し、天板４と隔壁１ａとの間に粒径の大きなセラミック粒子１０を含む接着層３でもって接合した図４（ａ）に示す構造では、天板４と隔壁１ａとの間に粒径の小さなセラミック粒子１１を含む接着層３でもって接合した図４（ｂ）に示す構造と比較して、セラミック粒子１０間、セラミック粒子１０と天板４、及びセラミック粒子１０と隔壁１ａ間における接触点が少なくなり、熱伝導の経路が制限されることが容易に推察できる。そして、このセラミック粒子の平均粒子径が１μｍより大きくなると、接着層３の熱伝導特性が悪く、十分な放熱特性が得られなくなる。
【００１７】
従って、高熱伝導性セラミックス粒子の平均粒子径は１μｍ以下が良く、また、接着層３の接着強度を考えると、好ましくは０．５μm 以下であることが良い。
【００１８】
なお、接着層３の組成を測定する手段としては、ＸＲＤ（Ｘ線回折分析）の同定により確認することができ、セラミック粒子及び熱硬化性樹脂の占める割合は、ＳＥＭ画像による面分析によってセラミック粒子と熱硬化性樹脂の占める面積比を求め、体積比に換算することで確認することができ、さらにセラミック粒子の平均粒子径は、ＳＥＭ画像に例えば３本の線を引き、線の総長さを線上に存在するセラミック粒子の数で割った値を平均粒子径とすれば良い。
【００１９】
さらに、本発明によれば、インク流路５を塞ぐ天板４を熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上を有するセラミックス又は金属により形成することを特徴とする。
【００２０】
即ち、天板４の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ未満では、接着層３の熱伝導特性が高くても隔壁１ａに発生する熱を外部に逃がすことができず、圧電材料からなる隔壁１ａ及びインクの温度上昇を防ぐことができないからである。２０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有するセラミックスとしては、窒化アルミニウム、炭化珪素、アルミナ、窒化珪素、マグネシア、サファイアを用いることができ、また、金属としては銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）等を用いることができ、好ましくは４０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有するものが良い。
【００２１】
さらに、天板４からの放熱特性を高めるうえで、大気に曝される表面の面状態を若干粗すことが好ましく、天板４のインク流路５と反対側の表面が中心線平均粗さ（Ｒａ）で１０μｍ未満では、大気に曝される表面積が少ないために十分な放熱特性が得られない。その為、天板４のインク流路５と反対側の表面の面粗さは中心線平均粗さ（Ｒａ）で１０μｍ以上とすることが良い。
【００２２】
ただし、天板４の厚みは数ｍｍ程度であり、面粗さが中心線平均粗さ（Ｒａ）で１００μｍを越えると、特にセラミックスからなる天板４では曲げ強度が極端に低下する恐れがある。
【００２３】
従って、天板４のインク流路５と反対側の表面の面粗さは中心線平均粗さ（Ｒａ）で１０〜１００μｍの範囲とすることが良く、好ましくは中心線平均粗さ（Ｒａ）で１０〜５０μｍとすることが良い。
【００２４】
次に、図１に示すインクジェットプリンタヘッドの製法について説明する。
【００２５】
まず、複数の隔壁１ａを有する基板１を製作するために、図３（ａ）に示すように、予め矢印方向に分極処理した圧電材料からなる基板１にダイシングソーによる機械加工やブラスト加工等によってインク流路５を構成する溝を形成し、この溝を区画する壁板を隔壁１ａとする。このような基板１を形成する圧電材料としては、ジルコン酸チタン酸鉛（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）マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、チタン酸鉛などを主成分とするものあるいはこれらの複合材料を用いることができる。また、隔壁１ａを有する基板１を形成する他の手段としては、平板上に印刷にて圧電材料を順次積層して隔壁１ａを形成したり、隔壁１ａの形状をなす成形型に圧電材料のスラリーを流し込んで硬化させたものを平板上に接合したあと、一体的に焼結させても良い。なお、隔壁１ａを別体で形成する場合には、隔壁１ａに対して図３（ａ）のように鉛直方向に分極処理を施す必要がある。
【００２６】
そして、隔壁１ａの両側面に電極２として金、銀、パラジウム、銀−パラジウム、白金、ニッケル、銅、アルミニウム等の金属膜を、蒸着、無電解メッキ、印刷焼き付け等の一般的な手法によって形成する。
【００２７】
次に、図３（ｂ）に示すように、隔壁１ａの頂部に前述した熱硬化性樹脂とセラミック粒子とからなる接着層３を１０μｍ以下の範囲で均一にかつ薄く塗布する。接着層３を塗布する方法としては、スクリーン印刷法や、有機物フィルムなどの上に印刷や成膜した後、隔壁１ａの頂部に転写する方法をとっても良い。
【００２８】
そして、図３（ｃ）に示すように、隔壁１ａの頂部に熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上のセラミックス又は金属からなる天板４を載せ、熱を加えて接着層３を形成する熱硬化性樹脂を硬化させることで接着する。
【００２９】
しかるのち、インク流路５の一方端にセラミックス、ガラス、樹脂等からなるノズル板８を熱硬化性樹脂により接着したあと、例えば、エキシマレーザー等のレーザー加工によって各インク流路５と連通するノズル孔７を穿孔することにより得ることができる。
【００３０】
【実施例】
ここで、接着層３を構成する高熱伝導性セラミック粒子の材質、高熱伝導性セラミック粒子の平均粒子径、及び高熱伝導性セラミック粒子と樹脂との割合を異ならせて図１，２に示すインクジェットプリンタヘッドを製作し、このインクジェットプリンタヘッドの放熱特性を調べる実験を行った。
【００３１】
本実験に用いるインクジェットプリンタヘッドは、図３（ａ）に示すように、あらかじめ板厚方向（矢印方向）に３〜５ｋＶ／ｍｉｎ×１５〜３０ｍｉｎにてシリコンオイル中で分極処理したジルコン酸チタン酸鉛を主体とする圧電材料からなる基板１にダイシングソーで溝を加工することにより、平行に整列した複数の隔壁１ａを有する基板１を製作した。そして、上記基板１の各隔壁１ａの両側面１ｂにそれぞれ銀からなる電極２を蒸着により形成した。次に、図３（ｂ）に示すように、隔壁１ａの上部に、高熱伝導性セラミック粒子の材質、高熱伝導性セラミック粒子の平均粒子径、及び高熱伝導性セラミック粒子と樹脂との割合を異ならせた接着層３を５μｍ程度の厚みに均一に塗布した後、図３（ｃ）に示すように、基板１の隔壁１ａ上に天板４を張り合わせ、大気雰囲気下で１２０℃に加熱硬化させて天板４を接着した。しかるのち、エポキシ樹脂からなるノズル板８をインク流路５の一方端側を塞ぐように接着剤にて接着し、次いで各インク流路５と連通するノズル孔７をレーザにて穿孔してインクジェットプリンタヘッドを製作した。なお、天板４には熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫ、密度３．２ｇ／ｃｍ³、インク流路５と反対側の表面を中心線平均粗さ（Ｒａ）で１０μｍに仕上げた窒化アルミニウムセラミックスを用いた。
【００３２】
そして、これらのインクジェットプリンタヘッドをインクジェットプリンタ本体に組み込んで、１時間の印字処理を施したあと、インクの温度を測定することで放熱特性を調べ、インクの温度が３０℃以下のものを優れたものとして評価した。
【００３３】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００３４】
【表１】

【００３５】
この結果、試料Ｎｏ．１〜８に見られるように、接着層３を構成する熱硬化性樹脂の割合が３０〜５０体積％、高熱伝導性セラミック粒子の割合が７０〜５０体積％の範囲にあり、高熱伝導性セラミック粒子の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上でかつ平均粒子径が１μｍ以下であるインクジェットプリンタヘッドは、優れた放熱性を有し、インク温度を３０℃未満に抑えることができ、優れていることが判った。
【００３６】
（実施例２）
次に、接着層３として、エポキシ系の樹脂を５０体積％と平均粒子径が０．７μｍのアルミナ粒子を５０体積％の割合で含むものを使用し、天板４の材料、天板４のインク流路５と反対側の表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）を異ならせたインクジェットプリンタヘッドを製作し、実施例１と同様の条件にて放熱特性について調べる実験を行った。
【００３７】
それぞれの結果は表２に示す通りである。
【００３８】
【表２】

【００３９】
この結果、試料Ｎｏ．２１〜２７に見られるように、天板４を熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上を有するセラミックスにより形成したインクジェットプリンタヘッドは、高い放熱性を有し、インク温度を３０℃未満に抑えることができ、優れていた。
【００４０】
さらに、試料Ｎｏ．２１〜２５を比較すると、天板４のインク流路５と反対側の表面の面粗さを粗くすることによりインク温度が低くなり、放熱性を向上させることができることが判る。そして、試料Ｎｏ．２１〜２３，２５のように、天板４のインク流路５と反対側の表面の面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で１０μｍ以上とすることで、インクの温度を２８℃以下にまで下げることができ、特に好ましかった。
【００４１】
以上の結果より、接着層３を構成する熱硬化性樹脂の割合を３０〜５０体積％とし、かつ平均粒子径が１μｍ以下の高熱伝導性セラミック粒子の割合を７０〜５０体積％とし、合計１００体積％とするとともに、天板４を熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上を有するセラミックスにより形成したインクジェットプリンタヘッドは、高い放熱性を有し、インク温度を３０℃未満に抑えることができ、優れていた。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、平行に整列した圧電材料からなる複数の隔壁を有し、該隔壁間をインク流路としてなる基板と、該基板の隔壁上に接着され、各インク流路を塞ぐ天板と、上記インク流路に連通するノズル孔を備えたノズル板とからなり、上記各隔壁に通電して変位させることによって上記インク流路内の体積を変化させ、インク流路に連通するノズル孔よりインクを吐出するインクジェットプリンタヘッドにおいて、上記天板を熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上であるセラミックス又は金属により形成するとともに、上記天板と前記各隔壁とを平均粒子径が１μｍ以下の高熱伝導性セラミック粒子を７０〜５０体積％と３０〜５０体積％の熱硬化性樹脂とからなる接着層によって接合したことによって、圧電材料からなる隔壁の変位運動に伴って熱が発生しても、上記接着層は熱伝導に優れることから天板まで効率良く熱を伝達し、さらに大気に曝された天板によって効率良く冷却することができるため、隔壁及びインクの温度上昇を防ぐことができる。その為、長期使用においても隔壁の駆動特性やインク特性を変化させたり劣化させることがないため、高速でかつ安定してインクを吐出することができる。
【００４３】
また、本発明によれば、天板の大気に曝される表面を中心線平均粗さ（Ｒａ）で１０〜１００μｍとすることによって、天板での放熱特性をより一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェットプリンタヘッドの一例を示す斜視図である。
【図２】図１のインク流路近傍の構造を部分的に拡大した断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は本発明のインクジェットプリンタヘッドの製造工程を説明するための図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は本発明の接合層における熱伝導特性を説明するための模式図である。
【図５】従来のインクジェットプリンタヘッドの一例を示す斜視図である。
【図６】図５のインク流路近傍の構造を部分的に拡大した断面図である。
【符号の説明】
１・・・基板
１ａ・・・側壁
２・・・電極
３・・・接着剤
４・・・天板
５・・・インク流路
７・・・ノズル孔
８・・・ノズル板

Claims

平行に整列した圧電材料からなる複数の隔壁を有し、該隔壁間をインク流路としてなる基板と、該基板の隔壁上に接着され、各インク流路を塞ぐ天板と、上記インク流路に連通するノズル孔を備えたノズル板とからなり、上記各隔壁に通電して変位させることによって上記インク流路内の体積を変化させ、インク流路に連通するノズル孔よりインクを吐出するインクジェットプリンタヘッドにおいて、上記天板を熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫ以上であるセラミックス又は金属により形成するとともに、上記天板と前記各隔壁とを平均粒子径が１μｍ以下の高熱伝導性セラミック粒子を７０〜５０体積％と、３０〜５０体積％の熱硬化性樹脂とが合計１００体積％となる接着層によって接着したことを特徴とするインクジェットプリンタヘッド。
上記天板のインク流路と反対側の表面を中心線平均粗さ（Ｒａ）で１０〜１００μｍとしたことを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリンタヘッド。