JP3815285B2

JP3815285B2 - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP3815285B2
Application number: JP2001311726A
Authority: JP
Inventors: 宏人菅原
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2021-10-09
Also published as: US6796639B2; US20030067515A1; JP2003118103A

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３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４に係る発明のインクジェットヘッドでは、請求項３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５に係る発明のインクジェットヘッドでは、請求項３又は４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

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。
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。
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。
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３に記載のインクジェットヘッド。
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３又は４に記載のインクジェットヘッド。
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。
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。