JP3815285B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

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Landscapes

  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットヘッドに関し、詳しくは、積層された圧電アクチュエータプレートと複数のインク流路プレートとを備えたインクジェットヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、紙等の記録媒体に記録を行う記録装置として、インクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタが知られている。このインクジェットプリンタのインクジェットヘッド145では、図4に示すように、圧電アクチュエータプレート150とエッチングによりインク流路165が形成された複数の金属材料製薄板160とが積層され、加熱硬化型の接着剤により接着固定される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
このような構造では、圧電アクチュエータプレート150と各薄板160は、間に加熱硬化型の接着剤を介挿して積層した状態で、加熱しながら圧力をかけて相互に接着されることになる。このとき、各薄板160を構成する金属材料は、一般に圧電アクチュエータプレート150よりも線膨張係数が大きいため、加熱によって大きく膨張しており、接着後、常温に戻したとき、各薄板160は、圧電アクチュエータプレート150よりも大きく収縮することになる。このため、インクジェットヘッド145は、図4に2点鎖線で示すように、圧電アクチュエータプレート150側に凸型に反ってしまい、セラミックス製である圧電アクチュエータプレート150が破損してしまうことがあった。それを防止するために、線膨張係数が比較的小さい金属板(例えば、Ni42%−Fe合金)を用いて薄板160を構成し、圧電アクチュエータプレート150の線膨張係数と薄板160の線膨張係数との差をできるだけ小さくして、各部材同士の接着後の温度降下時に各部材の変形量即ち収縮量の差を小さくするという方法も考えられる。
【0004】
しかしながら、上記のような従来技術では、上記の線膨張係数が比較的小さい金属板で成形された薄板160は、一般にインクに対する耐食性に優れていないため、インクジェットヘッド145の寿命が短くなるという問題点があった。また、インクに対する耐食性に優れた金属板は、一般に線膨張係数が大きいため、上記のように接着後にインクジェットヘッド145が反ったり破損したりして、その製造工程で歩留まりが悪くなるという問題点があった。
【0005】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、インクに対する耐食性に優れたインク流路プレートでインク流路を形成でき、かつ各プレートの接着後に変形することのないインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための請求項1に係る発明のインクジェットヘッドは、駆動回路で発生した駆動電圧により駆動される圧電アクチュエータプレートと、インクが通るためのインク流路を形成する少なくとも第1乃至第2のインク流路プレートとを備え、前記圧電アクチュエータプレートと前記第1のインク流路プレートとが加熱硬化性接着剤を介して重ね合わされて接合されたものであって、前記圧電アクチュエータプレートには前記第1のインク流路プレートが隣接し、当該第1のインク流路プレートには前記第2のインク流路プレートが隣接して前記圧電アクチュエータプレート及び第1乃至第2のインク流路プレートが積層されており、積層された部材の内、前記第1のインク流路プレートの材料の線膨張係数が、その他何れの部材の材料の線膨張係数よりも大きいことと、前記第1のインク流路プレートは、選択的に噴射するためのインクを収容する複数の圧力室を平面状に配列して有し、前記圧電アクチュエータプレートは、前記複数の圧力室に渡って延びた形状であって、各圧力室と対応する位置に各圧力室内のインクに噴射のための圧力を選択的に付与する複数の活性部を有することを特徴とする。
【0007】
この構成のインクジェットヘッドでは、積層された圧電アクチュエータプレート及び第1乃至第2のインク流路プレートの内、第1のインク流路プレートの材料の線膨張係数がその他何れの部材の材料の線膨張係数よりも大きくなっており、前記第1のインク流路プレートは、選択的に噴射するためのインクを収容する複数の圧力室を平面状に配列して有し、前記圧電アクチュエータプレートは、前記複数の圧力室に渡って延びた形状であって、各圧力室と対応する位置に各圧力室内のインクに噴射のための圧力を選択的に付与する複数の活性部を有するので、圧電アクチュエータプレートと第1のインク流路プレートとを加熱硬化性接着剤を介して重ね合わされて接合した後、温度の降下に伴って中間部に挟まれた第1のインク流路プレートが最も大きな変位量で収縮する。それに伴い両側の各プレートに反る力が作用するが、それぞれ反対方向の力であるので、ほぼ相殺され、インクジェットヘッドが全体的に極端に反って破損するのを防ぐことができ、それによりインクジェットヘッドの製造工程での歩留まりを良くすることができる。
【0008】
また、請求項2に係る発明のインクジェットヘッドでは、請求項1に記載のインクジェットヘッドの構成に加えて、前記圧電アクチュエータプレートの材料の線膨張係数が、その他何れの部材の材料の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする。
【0009】
【0010】
また、請求項に係る発明のインクジェットヘッドでは、請求項1又は2に記載のインクジェットヘッドの構成に加えて、前記第2のインク流路プレートの第1のインク流路プレートとは反対側に、第3のインク流路プレートをさらに備え、その第3のインク流路プレートは、前記複数の圧力室にインクを供給するマニホールドを有し、かつ前記第2のインク流路プレートは、そのマニホールドと前記複数の圧力室とを連通する複数の連通孔を有するものであって、前記第3のインク流路プレートの線膨張係数は前記第1のインク流路プレートの線膨張係数よりも小さく構成されている。
【0011】
また、請求項に係る発明のインクジェットヘッドでは、請求項に記載のインクジェットヘッドの構成に加えて、前記第1乃至第3のインク流路プレートは、それぞれインクに対する耐食性を備えた材料で成形されている。
【0012】
また、請求項に係る発明のインクジェットヘッドでは、請求項又はに記載のインクジェットヘッドの構成に加えて、前記第1のインク流路プレートは金属材料で、前記第2及び第3のインク流路プレートは金属材料もしくはセラミックス材料で成形されている。
また、請求項6に係る発明のインクジェットヘッドでは、請求項3乃至5の何れかに記載のインクジェットヘッドの構成に加えて、前記第1のインク流路プレートの線膨張係数は、前記第2及び第3のインク流路プレートの線膨張係数の1.3倍以上であることを特徴とする。
また、請求項7に係る発明のインクジェットヘッドでは、請求項3乃至5の何れかに記載のインクジェットヘッドの構成に加えて、前記圧電アクチュエータプレートの線膨張係数は、前記第1乃至第3のインク流路プレートの何れの線膨張係数よりも小さく、前記第1のインク流路プレートの線膨張係数は、前記第2及び前記第3のインク流路プレートの線膨張係数の1.7倍以上であることを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のインクジェットヘッドの一実施の形態について図面を参照して説明する。図1に示すように、インクジェットヘッド30は、後述するインク流路を形成するための平面視略長方形の薄い金属板である第1のインク流路プレート11、第2のインク流路プレート12及び第3のインク流路プレート13が図1での上方から下方に向かって順に積層されている。そして、第1のインク流路プレート11の直上には、圧電アクチュエータプレート10が、第3のインク流路プレート13の直下には、インクを噴射するノズル25を備えたポリイミド等の合成樹脂製のノズルプレート24がそれぞれ隣接して、計5枚のプレートが上下に積層されている。
【0014】
また、これらのプレートは、エポキシ系の熱硬化性の接着剤を介して接合されている。さらに、圧電アクチュエータプレート10の上面に、該圧電アクチュエータプレート10に図示外の駆動回路で発生した駆動電圧を印加するためにフレキシブル配線基板(図示外)等が接合されてインクジェットヘッド30が構成される。尚、本実施の形態では、圧電アクチュエータプレート10、第1のインク流路プレート11及び第2のインク流路プレート12は、何れも75μm程度の厚さを有し、第3のインク流路プレート13は150μm程度の厚さを有している。各プレートの材料等については後述する。
【0015】
また、図1及び図2に示すように、第1のインク流路プレート11には、複数の圧力室15が設けられている。複数の圧力室15は、その長手方向を平行に並べて平面状に配列されている。第2及び第3のインク流路プレート12,13には、圧力室15の一端をノズル25に連通させる連通孔17,19が穿設されている。さらに、第2のインク流路プレート12には、圧力室15の他端を後述するマニホールド20に連通させる連通孔18が穿設されている。また、第3のインク流路プレート13には、インクを圧力室15に供給するマニホールド20が複数の圧力室15がなす列の下方においてその列方向に長く形成されている。マニホールド20の一端は、公知のようにインク供給源に接続される。上記マニホールド20、連通孔18、圧力室15、連通孔17,19及びノズル25は、インク流路を形成する。尚、第2及び第3のインク流路プレート12,13は一体にして、1枚の材料にマニホールド20と連通孔19を形成してもよい。
【0016】
圧電アクチュエータプレート10は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のセラミックス材料からなる圧電セラミックス材料からなり、圧電・電歪効果を有する複数の圧電セラミックス層7と、その層間に複数の内部電極37,38,39,40とを備えている。圧電アクチュエータプレート10は、全圧力室15に渡って延びており、その各内部電極37,38,39,40は各圧力室15に対応して位置している。内部電極37,38,39,40に挟まれる圧電セラミックス層7の部分は、公知のように分極処理されており、この内部電極に分極方向と同方向の電圧が印加されると、その電極に挟まれた部分(以下、活性部)が積層方向に伸張し、圧力室15内のインクに噴射のための圧力が選択的に付与されることになる。
【0017】
以上のように構成されたインクジェットヘッド30は、インク流路を構成する各プレート11〜13,24がそれらの間に加熱硬化性の接着剤を介して積層して接着され、そしてそれらの上に圧電アクチュエータプレート10が加熱硬化性の接着剤を介して積層して接着される。このとき、これらの積層体に対して圧力と共にかけられた熱によって、プレート11〜13を構成する金属材料は、圧電アクチュエータプレート10との線膨張係数の違いから大きく膨張しており、接着後、常温に戻したとき、各プレート11〜13は、圧電アクチュエータプレート10よりも大きく収縮することになる。その結果、インクジェットヘッド30は全体として変形する可能性がある。また、各プレートの材料の組み合わせ方によっては、インクジェットヘッド30が極端に反ったり、変形して破損したりする可能性もある。
【0018】
ここで、インクジェットヘッド30の変形を抑えるために、各プレートを、線膨張係数が小さい即ち温度変化に対しての変形量が小さいという条件のみを満たす材料で成形した場合、一般にインクに対する耐食性が劣り、それによりインクジェットヘッド30の寿命が短くなってしまう可能性がある。そのため、本実施の形態では、インクに対する耐食性に優れた複数の材料の線膨張係数の組み合わせを工夫することで、インクジェットヘッド30の変形を最小限に抑えるようにした。以下、図3を参照して各プレートの材料の組み合わせについて説明する。
【0019】
前述のように、圧電アクチュエータプレート10、第1のインク流路プレート11及び第2のインク流路プレート12は、何れも75μmの板厚を有し、第3のインク流路プレート13は150μmの板厚を有している。また、インクジェットヘッド30最上部の圧電アクチュエータプレート10は、他の何れのプレートよりも小さい線膨張係数を持つチタン酸ジルコン酸鉛(線膨張係数=1×10−6/℃)で成形されている(以下「/℃」省略)。そして、「第1のインク流路プレート11、第2のインク流路プレート12、第3のインク流路プレート13」(以下、「各流路プレート」という。)の組み合わせが、「アルミニウム合金(線膨張係数=23×10−6)、オーステナイト系ステンレス鋼(線膨張係数=17×10−6)、オーステナイト系ステンレス鋼」である場合は、熱硬化性接着剤で各プレートを接合した後、温度降下によってインクジェットヘッド30には軽い反りが発生するが、機能上問題のないインクジェットヘッド30を形成することができる。
【0020】
また、各流路プレートの組み合わせが、「アルミニウム合金(線膨張係数=23×10−6)、フェライト系ステンレス鋼(線膨張係数=10×10−6)、フェライト系ステンレス鋼」である場合は、熱硬化性接着剤で各プレートを接合した後にもインクジェットヘッド30に反りは発生せず、問題なく良好な状態のインクジェットヘッド30が形成される。
【0021】
また、各流路プレートの組み合わせが、「オーステナイト系ステンレス鋼(線膨張係数=17×10−6)、フェライト系ステンレス鋼(線膨張係数=10×10−6)、フェライト系ステンレス鋼」または、「オーステナイト系ステンレス鋼(線膨張係数=17×10−6)、チタン合金(線膨張係数=8×10−6)、チタン合金」の場合も、インクジェットヘッド30には反りが発生せず、良好な状態のインクジェットヘッドが形成される。さらに、各流路プレートの組み合わせが、「オーステナイト系ステンレス鋼(線膨張係数=17×10−6)、フェライト系ステンレス鋼(線膨張係数=10×10−6)、チタン合金(線膨張係数=8×10−6)」の場合も、インクジェットヘッド30には反りが発生せず、良好な状態でインクジェットヘッドが形成される。また、このとき、第2及び第3のインク流路プレート12,13の材料(フェライト系ステンレス鋼とチタン合金)を入れ替えても、同様に良好な状態のインクジェットヘッドが形成される。
【0022】
加えて、各流路プレートの組み合わせが、「オーステナイト系ステンレス鋼(線膨張係数=17×10−6)、チタン合金(線膨張係数=8×10−6)、ガラス(線膨張係数=8×10−6)」の場合も、インクジェットヘッド30には反りが発生せず、良好な状態のインクジェットヘッドが形成される。このとき、第2及び第3のインク流路プレート12,13の材料(チタン合金とガラス)を入れ替えても、同様に良好な状態のインクジェットヘッドが形成される。尚、ガラスはセラミックス材料であるので、他のセラミックス材料に置き換えても同等の結果が得られることはいうまでもない。
【0023】
以上説明したように、本実施の形態のインクジェットヘッド30では、好ましくは、第1のインク流路プレート11の線膨張係数は、第2及び第3のインク流路プレート12,13の線膨張係数の約1.3倍以上とし、より好ましくは1.7倍以上としている。このように、圧電アクチュエータプレート10を何れのプレートの線膨張係数よりも十分小さい線膨張係数を持つ材料で成形し、3つのインク流路プレートの内、圧電アクチュエータプレート10の直下の第1のインク流路プレート11を何れのプレートの材料の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を持つ材料で成形する。これにより、加熱硬化性の接着剤で接着後、常温に戻したとき、中央の第1のインク流路プレート11がその両側の各プレート10と12,13に対して大きく収縮するので、それに伴い両側の各プレート10と12,13を反らせる力が作用するが、それぞれ反対方向の力であるのでほぼ相殺され、インクジェットヘッド30が全体的に反って変形してしまうのを防止することができる。また、各インク流路プレートは、インクに対する耐食性を備えた材料であるオーステナイト系ステンレス鋼、チタン合金及びアルミニウム合金等で成形されているので、インクジェットヘッド30の寿命を長くすることができる。
【0024】
尚、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能である。例えば、アルミニウム合金で成形した第1のインク流路プレート11に対して、第2及び第3のインク流路プレート12,13をチタン合金又はガラスで成形したものを組み合わせてもよい。また、各インク流路プレートは、金属やガラスに限られず樹脂等で成形してもよい。さらに、インク流路プレートの枚数は本実施例のように3枚に限られず、2枚又は4枚以上の何枚でもよい。圧電アクチュエータプレートは、積層方向に伸張するものに限らず、ユニモルフ方式、バイモルフ方式のようにプレートの面外方向に屈曲変形するものや、シェアモードで変形するものでもよい。また、圧電アクチュエータプレートは、積層したものに限らず一体のプレートでもよい。
【0025】
【発明の効果】
以上、詳述したとおり、本発明のインクジェットヘッドでは、積層された圧電アクチュエータプレート及び第1乃至第2のインク流路プレートの内、第1のインク流路プレートの材料の線膨張係数をその他何れの部材の材料の線膨張係数よりも大きくしているので、圧電アクチュエータプレートと第1のインク流路プレートとを加熱硬化性接着剤を介して重ね合わされて接合した後、温度の下降に伴って中間部に挟まれた第1のインク流路プレートが最も大きな変位量で収縮するので、インクジェットヘッドが全体的に極端に反って破損するのを防ぐことができ、それによりインクジェットヘッドの製造工程での歩留まりを良くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、インクジェットヘッド30の長手方向に略平行な断面図である。
【図2】 図2は、インクジェットヘッド30の長手方向に対して略垂直な断面図である。
【図3】 図3は、圧電アクチュエータプレート10及び第1乃至第3のインク流路プレート11〜13の各プレートの材料の組み合わせを示す表である。
【図4】 従来のインクジェットヘッド145の長手方向に対して略垂直な断面図である。
【符号の説明】
7 圧電セラミックス層
10 圧電アクチュエータプレート
11 第1のインク流路プレート
12 第2のインク流路プレート
13 第3のインク流路プレート
15 圧力室
17,18,19 連通孔
20 マニホールド
21 貫通孔
24 ノズルプレート
30 インクジェットヘッド
37,38,39,40 内部電極層

Claims (7)

  1. 駆動回路で発生した駆動電圧により駆動される圧電アクチュエータプレートと、インクが通るためのインク流路を形成する少なくとも第1乃至第2のインク流路プレートとを備え、前記圧電アクチュエータプレートと前記第1のインク流路プレートとが加熱硬化性接着剤を介して重ね合わされて接合されたインクジェットヘッドであって、
    前記圧電アクチュエータプレートには前記第1のインク流路プレートが隣接し、当該第1のインク流路プレートには前記第2のインク流路プレートが隣接して前記圧電アクチュエータプレート及び第1乃至第2のインク流路プレートが積層されており、
    積層された部材の内、前記第1のインク流路プレートの材料の線膨張係数が、その他何れの部材の材料の線膨張係数よりも大きいことと、
    前記第1のインク流路プレートは、選択的に噴射するためのインクを収容する複数の圧力室を平面状に配列して有し、
    前記圧電アクチュエータプレートは、前記複数の圧力室に渡って延びた形状であって、各圧力室と対応する位置に各圧力室内のインクに噴射のための圧力を選択的に付与する複数の活性部を有すること
    を特徴とするインクジェットヘッド。
  2. 前記圧電アクチュエータプレートの材料の線膨張係数が、その他何れの部材の材料の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載のインクジェットヘッド。
  3. 前記第2のインク流路プレートの第1のインク流路プレートとは反対側に、第3のインク流路プレートをさらに備え、その第3のインク流路プレートは、前記複数の圧力室にインクを供給するマニホールドを有し、かつ前記第2のインク流路プレートは、そのマニホールドと前記複数の圧力室とを連通する複数の連通孔を有するものであって、前記第3のインク流路プレートの線膨張係数は前記第1のインク流路プレートの線膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項1又2に記載のインクジェットヘッド。
  4. 前記第1乃至第3のインク流路プレートは、それぞれインクに対する耐食性を備えた材料で成形されていることを特徴とする請求項に記載のインクジェットヘッド。
  5. 前記第1のインク流路プレートは金属材料で、前記第2及び第3のインク流路プレートは金属材料もしくはセラミックス材料で成形されていることを特徴とする請求項又はに記載のインクジェットヘッド。
  6. 前記第1のインク流路プレートの線膨張係数は、前記第2及び第3のインク流路プレートの線膨張係数の1.3倍以上であることを特徴とする請求項3乃至5の何れかに記載のインクジェットヘッド。
  7. 前記圧電アクチュエータプレートの線膨張係数は、前記第1乃至第3のインク流路プレートの何れの線膨張係数よりも小さく、
    前記第1のインク流路プレートの線膨張係数は、前記第2及び前記第3のインク流路プレートの線膨張係数の1.7倍以上であることを特徴とする請求項3乃至5の何れかに記載のインクジェットヘッド。
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