JP4307161B2

JP4307161B2 - 印刷ヘッド及び電子機器

Info

Publication number: JP4307161B2
Application number: JP2003183604A
Authority: JP
Inventors: 久満酒井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: JP2005014447A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、印刷ヘッド及び電子機器に関し、例えば、微細なインク吐出孔からインク滴を吐出して文字や画像を印刷する各種プリンタや記録計、ファクシミリ、あるいは捺染分野や窯業分野で文様形成等に用いられる印刷機等の記録装置に搭載される等に好適に使用される印刷ヘッド及び電子機器に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、マルチメディアの浸透に伴い、インパクト方式の記録装置に代わって、インクジェット方式や熱転写方式を利用したノンインパクト方式の記録装置が開発され、その利用範囲が各種産業分野および一般家庭分野において広がりつつある。
【０００３】
かかるノンインパクト方式の記録装置のなかでも、インクジェット方式を利用した記録装置は、多階調化やカラー化が容易で、ランニングコストが低いことから将来性が注目されている。
【０００４】
このインクジェット方式を利用した記録装置に用いられる印刷ヘッドは、例えば図４（ａ）に示したように、圧電アクチュエータ５１が、流路部材５３の上に設けられた構造を有する（例えば、特許文献１参照）。流路部材５３は、複数のインク加圧室５３ａが隔壁５３ｂによって仕切られ、インク加圧室５３ａは圧電アクチュエータ５１に当接するように並設されている。
【０００５】
圧電アクチュエータ５１は、表面に共通電極５５を具備する振動板５２上に圧電セラミック層５４が設けられ、圧電セラミック層５４の上に表面電極５６を設けている。表面電極５６は、図４（ｂ）に示したように、圧電セラミック層５４の表面に複数配列されることにより、複数の圧電変位素子５７が形成されたものである。この圧電アクチュエータ５１は、数百個もの表面電極が形成されており、インク加圧室５３ａの直上に表面電極５６がそれぞれ位置するようにして流路部材５３上に配置している。
【０００６】
そして、共通電極５５と所定の表面電極５６との間に電圧を印加して該表面電極５６直下の圧電セラミック層５４を変位させることにより、インク加圧室５３ａ内のインクを加圧して、流路部材５３の底面に開口した液体吐出口５８よりインク滴を吐出させることができる。
【０００７】
このような印刷ヘッドにおいて、圧電アクチュエータには鉛を含む圧電セラミックスが用いられ、流路部材５３には、ステンレス鋼が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−３４３２１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の圧電アクチュエータでは、圧電アクチュエータに接着剤を塗布し、加熱処理を行って流路部材に接合するが、その処理後には印刷ヘッドに形成された多数の変位素子間で変位ばらつきが生じ、その結果インクの吐出量や吐出状態にばらつきが発生し、印刷した画質が低下するという問題があった。
【００１０】
従って、本発明の目的は、変位素子間の変位ばらつきが小さい印刷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】
本発明は、アクチュエート機能を果たす圧電アクチュエータ部と、インクを吐出するための流路部材とを熱硬化接着剤からなる着層を介して接着してなる印刷ヘッドにおいて、接着時の熱処理による残留応力が変位ばらつきに悪影響し、残留応力は圧電アクチュエータと流路部材との熱膨張差にあることをつきとめ、その熱膨張係数差を２×１０^−６以下にすることによって、残留応力を小さくし、その結果変位素子間の吐出ばらつきを改善したものである。
【００１２】
即ち、本発明の印刷ヘッドは、複数の液体加圧室と、該複数の液体加圧室に液体を導入するための複数の液体導入口と、前記複数の液体加圧室内の液体を外部に吐出するための複数の液体吐出口と、を具備する流路部材に、圧電アクチュエータが熱硬化接着剤の接着層を介して設けられてなる印刷ヘッドにおいて、前記圧電アクチュエータは、圧電セラミックスの振動板の上に共通電極、圧電セラミック層、複数の表面電極がこの順で、前記圧電セラミックスの振動板および前記圧電セラミック層が前記複数の液体加圧室を覆うように積層されているとともに、前記圧電セラミックスの振動板の組成と前記圧電セラミック層の組成が同一であり、且つ前記圧電アクチュエータと前記流路部材との熱膨張係数差が２×１０^−６／℃以下であることを特徴とするものである。
【００１３】
特に、前記流路部材がセラミックスからなることが好ましい。セラミックスは合成が高いので、多数の変位素子が変位しても流路部材が変形しにくく、均一で安定したインク吐出にさらなる寄与が期待できる。
【００１４】
また、前記圧電セラミック層および前記圧電セラミックスの振動板がＰｂを含むペロブスカイト型化合物からなることが好ましい。これにより、圧電性に優れた圧電アクチュエータが得られ、変位素子の変位量をより大きくすることができる。
【００１５】
上述したように前記圧電アクチュエータが、振動板の上に共通電極、セラミック層、複数の表面電極がこの順に形成されているため、高速・高精度印刷ヘッドに好適に用いることができる。
【００１７】
さらにまた、前記圧電アクチュエータの厚みが１００μｍ以下であることが好ましい。これにより、さらに大きな変位を得ることができる。
【００１８】
また、本発明の電子機器は、上記の印刷ヘッドを具備することを特徴とするものである。この印刷ヘッドをプリンタ、レコーダーや印刷機に応用した場合、高速・高精密印刷に好適となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態にかかる圧力発生装置を、圧電アクチュエータに応用した場合を例として図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１（ａ）は本実施形態の圧電アクチュエータの断面図、図１（ｂ）はその平面図である。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、この圧電アクチュエータ１は、振動板２上に、共通電極５、圧電セラミック層４および表面電極６がこの順に積層され、表面電極６が圧電セラミック層４の表面に等間隔で２次元的に複数配列されており、共通電極５、圧電セラミック層４および表面電極６により複数の圧電変位素子７が形成されている。
【００２１】
複数の表面電極６は、それぞれ外部の電子制御回路に独立して接続されている。各表面電極５に対応する圧電変位素子７は、共通電極５と表面電極６との間に電圧が印加されることにより変位領域７ａが変位する。このように、表面に複数の圧電変位素子７を配置することにより、微細に分割された空間の特定の位置にのみ液滴を吐出することができ、印刷ヘッドに用いれば、印刷用紙の所定の小さなドットに好みの色調を有するインクを被弾させることができる。
【００２２】
次に、上記の圧電アクチュエータ１を備えたインクジェット方式の印刷ヘッドについて説明する。図２は、印刷ヘッドを示す断面図である。同図に示すように、この印刷ヘッドは、図１に示した圧電アクチュエータ１を、液体吐出口８を有し、隔壁３ｂにより仕切られた複数の液体加圧室３ａが配列された流路部材３上に、液体加圧室３ａと表面電極６との位置を揃えて接着剤により接着したものである。即ち、圧電アクチュエータ１と流路部材３とが、接着層９を介して接合されている。
【００２３】
上記接合には、室温で硬化する接着剤を使用することは可能であるが、インクによる耐食性がないため、一般に１００〜２８０℃の硬化温度を有する接着剤を使用することが求められている。
【００２４】
そして、上述したように、圧電アクチュエータの内部に内部電極として設けられた共通電極５と、圧電アクチュエータの表面に設けられた表面電極６は、外部の駆動回路（電子制御回路）に電気的に接続され、駆動回路より共通電極５と表面電極６との間に駆動電圧が印加されると、圧電変位素子７が液体加圧室３ａ側に凸になるように変位し、変位した圧電変位素子７に対応する液体加圧室３ａ内のインクが加圧され、流路部材３の底面に開口した液体吐出孔８よりインク滴が吐出される。
【００２５】
流路部材３は、内部に液体加圧室３ａと、液体加圧室３ａに液体を導入するための液体導入口（図示せず）と、液体加圧室３ａの液体を外部に吐出するための液体吐出口８とを具備し、一般には更に液体の通路が複雑に設けられているため、所定の位置に穿孔された複数の金属薄板を積層して用いることができる。
【００２６】
このような圧電アクチュエータを備えた印刷ヘッドは、高速で高精度な吐出が可能であり、高速・精密印刷に好適である。また、このような圧電アクチュエータを用いた印刷ヘッドは、該印刷ヘッドにインクを供給するインクタンクと、記録紙に印刷するための記録紙搬送機構とを備えたプリンタ等の電子機器として好適に用いられ、プリンタの場合には、高速・高精度印刷を容易に実現することができる。
【００２７】
本発明によれば、上記のような圧電アクチュエータ、即ち圧電セラミック層４と内部電極５とを備えた圧電アクチュエータ１と、流路部材３とが、同じ熱膨張係数を有するのがよく、具体的には両者の熱膨張係数差が２×１０^−６／℃以下であることが重要である。
【００２８】
ＰＺＴとステンレス鋼のように２×１０^−６／℃を越える大きな熱膨張係数差がある組合せでは、残留応力が発生し、吐出ばらつきが生じるが、熱膨張係数の差を小さくすると、接合工程で行われる熱処理時に、熱膨張係数差に起因して発生する残留応力を低減することができ、その結果、変位素子間の吐出ばらつきを改善することができる。
【００２９】
流路部材３を構成する材料は、圧電アクチュエータ１の材料によって異なるが、例えば、圧電アクチュエータ１を構成する振動板２と圧電セラミック層４がＰＺＴ系セラミックスであり、内部にＡｇ−Ｐｄ電極を有する場合、Ａｌ_２Ｏ_３系セラミックス、ＡｌＮ系セラミックス、ＳｉＣ系セラミックス等のセラミックス、Ｍｏ、Ｗ、及びその合金、４−２アロイ等の金属材料を用いることができる。
【００３０】
これらの中でセラミックスは剛性が高いため、多数の変位素子が一度に変形して大きな応力が流路部材３に発生しても、変形が起こり難く、均一で、安定したインク吐出を行うことができる。さらに、耐食性と剛性が高い点でアルミナが好ましく、複雑な形状を容易に作製できる点では４−２アロイが好ましい。
【００３１】
また、少なくとも２種類の熱膨張係数の異なる材料を組合せた複合材料を用い、熱膨張係数を圧電アクチュエータの熱膨張係数と略同一にすることができる。例えば、アルミナに炭化珪素、窒化珪素、ムライト又はコージェライトなどを添加して熱膨張係数を調整することができる。
【００３２】
なお、接合に用いられる接着剤としては、ゴム系、シリコーン系、エポキシ系、ビニル系、アクリル系、ポリアミド系、ポリイミド系、ポリエステル系、ポリウレタン系、ポリオレフィン系、フェノール系、レゾルシノール系、ユリア系、メラミン系、フラン系等のいずれでも使用することができる。
【００３３】
このように、上記振動板２、圧電セラミック層４又は流路部材３に用いる圧電セラミックスは、圧電性を示すものであればどのようなものでも使用できるが、Ｐｂ系セラミックスであることが好ましく、少なくともＰｂ、ＺｒおよびＴｉを含むペロブスカイト型結晶を主成分とすることが望ましい。例えば、Ａサイト構成元素としてＰｂを含有し、且つ、Ｂサイト構成元素としてＺｒおよびＴｉを含有する結晶であり、特に、チタン酸ジルコン酸鉛系化合物であるのが良い。これにより、より高いｄ定数を有する安定な圧電焼結体を容易に得ることができる。
【００３４】
また、圧電セラミック層４は、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｎｂ、ＺｎおよびＴｅのうち少なくとも１種を含んでいるのが好ましい。これによって、より安定した圧電焼結体を得ることができる。これらの元素を含む化合物（副成分）としては、例えばＰｂ（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）Ｏ_３およびＰｂ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）Ｏ_３とを固溶してなるものが挙げられる。
【００３５】
特に、Ａサイト構成元素として、さらにアルカリ土類元素を含有することが望ましい。アルカリ土類元素としては特にＢａ、Ｓｒが高い変位を得られる点で好ましく、Ｂａを０．０２〜０．０８モル、Ｓｒを０．０２〜０．１２モル含むことが特に正方晶組成が主体の組成の場合に大きな変位を得るのに有利である。例えば、Ｐｂ_{１−ｘ−ｙ}Ｓｒ_ｘＢａ_ｙ（Ｚｎ_１／３Ｓｂ_２／３）_ａ（Ｎｉ_１／２Ｔｅ_１／２）_ｂＺｒ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｔｉ_ｃＯ_３＋αｗｔ％Ｐｂ_１／２ＮｂＯ_３（０≧ｘ≧０．１４、０≧ｙ≧０．１４、０．０５≧ａ≧０．１、０．００２≧ｂ≧０．０１、０．４４≧ｃ≧０．５０、α＝０．１〜１．０））で表されものが挙げられる。
【００３６】
また、圧電セラミック層４は、主結晶相に３価以上の価数を有する元素を含んでいるのが好ましい。３価以上の価数を有する元素としては、イオン半径がＰｂ、ＺｒおよびＴｉと近く固溶しやすいことから、特にＬａ、ＮｂおよびＷから選ばれる少なくとも１種が好ましい。これらの元素は、圧電セラミック層中に固溶しているＡｇと同程度のモル量含有されているのがよく、具体的には０．０１〜０．５モル％であるのがよい。価数が３価以上の元素の配合量が０．０１モル％より少ないとドナー効果が発揮されず、逆に０．５モル％より多いと結晶相が菱面体結晶側へシフトし、熱的安定性が低下するため、いずれも好ましくない。
【００３７】
圧電セラミック層４の厚みｔは、上限が５０μｍ、好ましくは３０μｍ、より好ましくは１５μｍであるのがよく、下限が３μｍ、好ましくは５μｍ、より好ましくは７μｍであるのがよい。厚みｔが３〜５０μｍであることにより、大きな変位を得ることができるとともに、製造時や作動時の破壊を防止できる十分な機械的強度を備えることができ、不良率の低減に寄与することができる。
【００３８】
圧電アクチュエータ１の厚みＴは、表面電極６を含めた圧電基板２の厚みを示すものであり、Ｔが１００μｍ以下であることが好ましい。このように薄層にすることで、大きな変位を得ることができ、また低電圧で高効率の駆動を実現できる。従って、特に最近のカラープリンタの性能向上に伴う高速化及び高精度化の要求に対して、本発明においては、１００μｍ以下の厚みにすることにより、その要求に対応することができ、圧電アクチュエータ及びそれを用いた印刷ヘッドの高性能化に寄与することができる。
【００３９】
圧電アクチュエータ１としての特性をさらに高めるため、圧電アクチュエータ１の厚みＴの上限値は、特に８０μｍ以下、更には６５μｍ以下、より好適には５０μｍ以下が良い。また、下限値は、十分な機械的強度を有し、取扱い及び作動中の破壊を防止するため、３μｍ、特に５μｍ、更には１０μｍ、より好適には２０μｍであることが好ましい。
【００４０】
振動板２は、絶縁性の高いものであれば良いが、圧電体であること、特に残留応力低減のために圧電セラミック層４と略同一の熱膨張率を有するものであることが好ましく、圧電セラミック層４と略同一の組成であることがより好ましい。これにより、同時焼成が可能となり、熱膨張差に起因して焼成時に発生する熱応力によって反りや歪みが生じるのを防止することが容易となる。また、振動板２は、単層でも良いが、厚みを制御し、焼結後の組成ばらつきや特性ばらつきを抑制するため、積層体であることが好ましい。
【００４１】
表面電極６の材質としては、導電性を有するものならば何れでも良く、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌやそれらの合金などが用いられる。表面電極６の厚みは、導電性を有しかつ変位を妨げない程度である必要があり、一般に、０．５〜５μｍ程度であり、特に１〜４μｍが好ましい。
【００４２】
共通電極５は、Ａｇを含有しているのが好ましく、特にＡｇ−Ｐｄ合金であるのがより好ましい。Ａｇ−Ｐｄ合金の場合には、電極材料中のＡｇの比率が９０体積％以上であり、残部がＰｄであるのがよい。これにより、電極の収縮が抑制され、圧電アクチュエータ焼成時の圧縮残留応力を抑制することができる。また、Ａｇの比率を高くすることにより、圧電セラミック層４中にＡｇを適度に拡散させて圧電セラミック層４の焼成温度を低下させて圧電セラミック層４の密度を向上させることができる。共通電極５の厚みとしては、導電性を有しかつ変位を妨げない程度である必要があり、一般に、０．５〜５μｍ程度であり、好ましくは１〜４μｍであるのがよい。
【００４３】
圧電セラミック層４と共通電極５とは、同時に焼成されるのが好ましい。同時焼成することにより、共通電極５中のＡｇが圧電セラミック層４のＰｂ等の成分と置換固溶し、共通電極５の密着力が増大し、電極剥離を抑制できる。
【００４４】
本発明の圧電アクチュエータをインクジェットプリンタの印刷ヘッドとして用いる場合、圧電歪定数として、例えばｄ_３１モードを利用することができる。インクジェットプリンタの印刷ヘッドとして十分な吐出能力を発揮し、高速で精細な印刷を実現するために、ｄ_３１が２００ｐｍ／Ｖ以上、特に２２５ｐｍ／Ｖ以上、更には２５０ｐｍ／Ｖ以上であることが好ましい。
【００４５】
本発明によれば、図１に示したように圧電セラミック層４からなる活性層が単層からなる圧電アクチュエータの場合以外にも、図３のように、圧電セラミック層と内部電極とが交互に複数設けられたものを用いても良い。このような積層体は、単層の場合に比べて変異量を大きくすることができる。
【００４７】
上記のような圧電アクチュエータ１は、圧電変位素子７の各々において、変位の大きさを独立してかつ十分に制御できる。したがって、この圧電アクチュエータをインクジェット記録ヘッドに適用することによりインクの吐出量を精密に制御することができるため、高精度な位置合せが可能となり、その結果、吐出ムラの少ない、高品位な印刷が可能となる。
【００４８】
以上のような構成を有する印刷ヘッドは、接着剤を用いた接合を行う際の熱処理工程を行っても、発生する残留応力を顕著に低減でき、印刷ヘッド内の多数の変位素子において変位ばらつきを小さくすることができるという特長を有し、インクジェット方式を利用したプリンタや印刷装置、内部に電極を有する他方式のプリンタや印刷装置等の電子機器として、上記圧電アクチュエータを好適に利用することができる。
【００４９】
【実施例】
まず、原料として、純度９９．９％以上のチタン酸ジルコン酸鉛を含有する圧電体粉末を準備し、φ２ｍｍのジルコニアボールにてミル粉砕を行い平均粒子径が０．３〜０．５μｍとなるように調整し、乾燥後、メッシュパスすることによって原料粉末を得た。
【００５０】
次に、得られた原料粉末を成形してグリーンシートを作製した。また、内部電極ペーストを作製した。得られた内部電極ペーストを、一部のグリーンシートの表面に厚さ４μｍで印刷し、内部電極を形成した。更に、内部電極が印刷された面を上向きにしてグリーンシートの２枚の間に内部電極ペーストを印刷しないグリーンシート１枚づつ積層し、加圧プレスして得られた積層成形体を焼成した。
【００５１】
この圧電積層体の表面に、複数の表面電極を形成した。表面電極は、スクリーン印刷にてＡｕペーストを塗布し、６００個の矩形状の表面電極を形成した。これを６００〜８００℃の大気中で焼付けた。
【００５２】
次に、得られた圧電アクチュエータを、流路部材に接着した。流路部材として、アルミナ積層体、炭化珪素（２０質量％）含有アルミナ積層体、窒化アルミニウム積層体、Ｍｏ、４−２アロイを用いた。また、比較として、耐食性に優れるＳＵＳ３１６鋼を用いた。
【００５３】
なお、接着は、接着剤としてエポキシ系接着剤を用い、１５０℃、４時間の加熱処理を行った。
【００５４】
その結果、流路部材にアルミナ積層体、炭化珪素（２０質量％）含有アルミナ積層体、窒化アルミニウム積層体、Ｍｏ、４−２アロイを用いた本発明の印刷ヘッドは、６００個の変位素子の変位ばらつきが、１０％以下であった。これに対して、ＳＵＳ３１６鋼を用いた本発明の範囲外の印刷ヘッドは、変位ばらつきが２５％であった。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の印刷ヘッドによれば、複数の液体加圧室と、該複数の液体加圧室に液体を導入するための複数の液体導入口と、前記複数の液体加圧室内の液体を外部に吐出するための複数の液体吐出口と、を具備する流路部材に、圧電アクチュエータが熱硬化接着剤からなる接着層を介して設けられてなる印刷ヘッドにおいて、前記圧電アクチュエータは、圧電セラミックスの振動板の上に共通電極、圧電セラミック層、複数の表面電極がこの順で、前記圧電セラミックスの振動板および前記圧電セラミック層が前記複数の液体加圧室を覆うように積層されているとともに、前記圧電セラミックスの振動板の組成と前記圧電セラミック層の組成が同一であり、且つ前記圧電アクチュエータと前記流路部材との熱膨張係数差が２×１０ ^−６／℃以下であることにより、圧電アクチュエータと流路部材との接着時の熱処理工程で発生する残留応力を制御することができ、圧電アクチュエータに設けられた数百個の変位素子の変位ばらつきを低減することができる。
【００５６】
また、本発明の印刷ヘッドは、プリンタや工業用印刷機等の電子機器に好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の印刷ヘッドに用いる圧電アクチュエータの構造を示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】本発明の印刷ヘッドの構造を示す概略断面図である。
【図３】本発明の印刷ヘッドに用いる他の圧電アクチュエータの構造を示す概略断面図である。
【図４】従来の印刷ヘッドの構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１、２１・・・圧電アクチュエータ
２・・・振動板
３・・・流路部材
３ａ・・・液体加圧室
３ｂ・・・隔壁
４、２４・・・圧電セラミック層
５、２５・・・共通電極
６、２６・・・表面電極
７、２７・・・圧電変位素子
８・・・液体吐出口
Ｔ・・・圧電アクチュエータの厚み

Claims

複数の液体加圧室と、該複数の液体加圧室に液体を導入するための複数の液体導入口と、前記複数の液体加圧室内の液体を外部に吐出するための複数の液体吐出口と、を具備する流路部材に、圧電アクチュエータが熱硬化接着剤からなる接着層を介して設けられてなる印刷ヘッドにおいて、前記圧電アクチュエータは、圧電セラミックスの振動板の上に共通電極、圧電セラミック層、複数の表面電極がこの順で、前記圧電セラミックスの振動板および前記圧電セラミック層が前記複数の液体加圧室を覆うように積層されているとともに、前記圧電セラミックスの振動板の組成と前記圧電セラミック層の組成が同一であり、且つ前記圧電アクチュエータと前記流路部材との熱膨張係数差が２×１０^−６／℃以下であることを特徴とする印刷ヘッド。
前記流路部材がセラミックスからなることを特徴とする請求項１記載の印刷ヘッド。
前記圧電セラミック層および前記圧電セラミックスの振動板がＰｂを含むペロブスカイト型化合物からなることを特徴とする請求項１又は２記載の印刷ヘッド。
請求項１〜３のいずれかに記載の印刷ヘッドを具備することを特徴とする電子機器。