JPH06328685A

JPH06328685A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JPH06328685A
Application number: JP14144393A
Authority: JP
Inventors: Masanori Hirano; 政徳平野; Masanori Horiie; 正紀堀家; Kenichi Ichikawa; 憲一市川
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1993-05-19
Filing date: 1993-05-19
Publication date: 1994-11-29

Abstract

(57)【要約】【目的】部材の線膨張係数の違いから起こる工程上、
並びに運用時に発生する熱ひずみや変形が生ずるのを除
く。【構成】各々ノズル６ａを有する複数の平行流路３ａ
を圧電素子２の圧電歪により押圧して発生する圧力波に
よりインク滴を噴出するインクジェットヘッドにおい
て、駆動部となる圧電素子２を固着する基板１の基板部
材を圧電素子２と同一の圧電素子で構成して相互の熱膨
張差をなくするか、駆動部の圧電素子２の線膨張係数に
近い線膨張係数のセラミックスにする。更には、セラミ
ックスでも基板部材、例えばステンレス鋼よりも熱伝導
率が高いセラミックスとして使用中の熱放散をよくし熱
安定性を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、インクジェットヘッドに関し、
より詳細には、環境温度が変化したり、長時間使用した
場合でも形状変化や歪の発生が小さく、インク滴の噴射
が安定し、高品質の印字画像が得られるヘッドの素材構
成に関する。

【０００２】

【従来技術】オンデマンド型のインクジェットヘッド
は、噴射ノズルを有する流路内に圧力波を発生させ、こ
の圧力波により必要な量のインクを液滴として噴射させ
る原理に基づいており、記録に必要なときのみインクを
噴射させる記録用のヘッドである。

【０００３】基本的なオンデマンド型のインクジェット
ヘッド（以後単にヘッドと呼ぶ）は、複数のノズルを有
するノズル板と、このノズル板を先端に取り付け、イン
クの共通液室に連通する複数の平行な流路を有する流路
板と、流路板の平行な流路に応じて複数の溝を有し、画
像信号に従って該当する流路に対し圧電歪を与えて圧力
波を発生させノズルからインク滴を噴射させるための圧
電素子と、この圧電素子を固定し支える基板とから構成
される。近年、インクジェットプリンタにおいても小型
化、高精細が進められているが、複数の部材から構成さ
れるヘッドの製作において、部材間の接合は殆ど全てが
接着剤によるものになっている。しかし、接合する部材
の種類、及び接合強度の関係上、使用する接着剤はほと
んどがエポキシ系等の熱硬化型接着剤であり、必然的に
ヘッド製作工程の中で恒温炉等での加熱処理が行われ
る。

【０００４】図６（ａ）（ｂ）は、圧電素子と基板との
接着構造を示す図で、圧電素子１１と基板１２とは、エ
ポキシ系の熱硬化型接着剤１３で固着されている。しか
し、従来のインクジェットヘッドの基板１２は、例え
ば、ステンレス鋼（以後ＳＵＳと呼ぶ）が使用され、圧
電素子１１と基板１２とは接着前は（ａ）図のように互
いに平板状であるが、接着剤１３を熱硬化させるために
加熱すると熱膨張差のため（ｂ）図のように湾曲し、こ
の状態で固着される。このように接合する部材同士の線
膨張係数が大きく異なると、熱硬化処理の際に変形や歪
を生じ、そのまま硬化してしまう恐れがある。このよう
な歪みや変形は、製作工程において仕上り寸法の誤差と
なるばかりか、接合部の接合強度が低下し、更には剥離
するといった事態を引き起こしてしまう。

【０００５】また、ヘッドの熱的な歪発生は、ヘッド駆
動時においても生ずる。すなわち、圧電素子は駆動時の
エネルギにより熱を発し、発熱量は駆動されるノズル
数、及び駆動時間に比例し、発熱量に従って温度が高く
なっていく。図７は、ヘッド駆動時間に対する圧電素子
の表面温度およびヘッド先端の熱膨張による変位量の関
係を示すグラフであり、ヘッドの変形もこの温度上昇に
伴って大きくなっていく。インクの噴射によって生ずる
温度上昇は、ある程度の所で頭打ちとなり、加熱硬化時
に比べると変形度合いは小さくてすむが、駆動の度に変
形が起こることを考えると、インクの噴射安定性やヘッ
ドの長期信頼性の点でかなり問題となる。

【０００６】

【目的】本発明は、上述の実情に鑑みてなされたもの
で、ヘッドを構成する部材の線膨張係数の違いから起こ
る工程上、並びに運用時に生ずる不都合を除くことを目
的としている。具体的には、最も変形が問題となる圧電
素子と基板、並びに圧電素子と流路板に注目し、圧電素
子に近い線膨張係数を持った部材を使用することによっ
て、変形や歪を低減させ、ヘッドの品質並びに、噴射安
定性の向上を図るものである。

【０００７】

【構成】本発明は、上記目的を達成するために、（１）
各々にノズルが接続された流路の長手方向に対し、互い
に間隔を有して平行に配設された複数の流路を有する流
路板と、該流路板と接合し、圧電変位によって前記流路
の容積を変化させ、インクを前記ノズルから噴射させる
駆動部となる圧電素子と、この圧電素子を接合固定する
基板とから成るインクジェットヘッドにおいて、前記基
板は、線膨張係数が前記圧電素子の線膨張係数と同等若
しくはそれに近い線膨張係数の基板部材としたこと、更
には、（２）前記（１）において、前記基板部材をセラ
ミック材としたこと、更には、（３）前記（２）におい
て、前記基板部材としてのセラミック材の熱伝導率を常
温付近で２〜７ｋｃａｌ／ｍｈ℃としたこと、更には、
（４）前記（１）において、前記基板部材を前記駆動部
の圧電素子と同じ素材としたこと、更には、（５）前記
（４）において、前記基板部材と圧電素子とを同一素材
で一体成形し、一体成形した前記基板部材と圧電素子を
焼成したこと、或いは、（６）各々にノズルが接続され
た流路の長手方向に対し、互いに間隔を有して平行に配
設された複数の流路を有する流路板と、該流路板と接合
し、圧電変位によって前記流路の容積を変化させ、イン
クを前記ノズルから噴射させる駆動部となる圧電素子
と、この圧電素子を接合固定する基板とから成るインク
ジェットヘッドにおいて、前記流路を構成する流路部材
の線膨張係数を、駆動部の圧電素子と同等若しくはそれ
に近い線膨張係数としたこと、更には、（７）前記
（６）において、前記流路部材をシリコンとしたこと、
更には、（８）前記（６）において、前記流路部材と基
板部材の線膨張係数を圧電素子に近い線膨張係数とした
こと、更には、（９）前記（７）において、前記流路部
材と基板部材を同一素材としたことを特徴とするもので
ある。以下、本発明の実施例に基づいて説明する。

【０００８】図１（ａ）,（ｂ）は、本発明に係るイン
クジェットヘッドの構造の一例を説明するための図で、
図（ａ）は側断面図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線矢
視断面図の部分図を示し、図中、１は基板、２は圧電素
子、３は流路板、４は共通液室、５はインク供給口、６
はノズルプレート、７はプリント基板（ＦＰＣ）、８は
上部隔壁、９は保護板である。

【０００９】図１に示したヘッドは、圧電素子２の線膨
張係数と等しいか、或いは略等しい線膨張係数の素材か
らなる基板１とを熱硬化性のエポキシ系樹脂により熱圧
着して接合したものである。圧電素子２は、長手方向に
平行な複数の溝（空間）２ｄにより非駆動圧電素子２ａ
と駆動圧電素子２ｂとに区切られている。圧電素子２
は、積層型のもので予め基板１と平行な並列接続された
電極２ｃを有し駆動される圧電素子の厚さを薄くするこ
とで同一の印加電圧に対して歪量が大きくなるようにし
ている。圧電素子２には、駆動圧電素子２ｂの電極２ｃ
にのみ駆動電源が印加されるようにＦＰＣ７が接続され
る。

【００１０】各々の駆動圧電素子２ｂは、流路板３の長
手方向に平行な複数の各々の流路３ａと対向し上部隔壁
８を介して接合される。流路３ａの一端は、インク供給
口５を有する共通液室４に連通してインクの供給を受
け、他端は各々の流路３ａに対応するノズル６ａを有す
るノズルプレート６が保護板９とともに接合されてい
る。

【００１１】このように構成されたヘッドは、画像信号
に従った駆動電源からＦＰＣ７を介して印加される電圧
により駆動圧電素子２ｂが駆動され圧電歪が生ずると、
対応する流路３ａは圧縮されて圧力波が発生し、ノズル
６ａよりインク滴が噴射される。次に、このように構成
されたヘッドが熱歪の受けないようにする本発明の構成
及び図示した実施例について、比較のために、従来行わ
れた対策を含めて説明する。

【００１２】図２（ａ）,（ｂ）,（ｃ）は、従来と本発
明との圧電素子と基板との加熱硬化時の対策の相違を説
明するための図であり、（ａ）図は従来の対策、（ｂ）
図は本発明による対策、（ｃ）図は本発明による歪の発
生状況を説明するものである。

【００１３】（ａ）図に示す従来の加熱硬化時の変形対
策では、ＳＵＳ基板１２の上面に熱硬化性エポキシ樹脂
を塗布して圧電素子２を載せ、更に、上面に弾性材でエ
ポキシ樹脂と接着しにくい高融点のシリコンゴムシート
１４を敷き、治具１５の押え板１７をねじ１６を回動し
一定の締め付け圧で均等に加圧して、弾性的に変形を防
ごうとしている。しかし、この方法では、治具に固定さ
れているために外見的には変形は見られないものの、内
部的に相当なストレスがかかったまま接合されるため、
治具１５を外した途端に変形し、場合によっては圧電素
子２とＳＵＳ基板１ａとの接合部分の剥離が生じること
もある。

【００１４】これに対し、本発明による（ｂ）図は、基
板部材１にセラミックを使用した時の例である。セラミ
ックは、用途によってアルミナやチタン酸バリウム、あ
るいは窒化珪素等様々な成分のものがあるが、線膨張係
数は０.５〜１０×１０^-6／℃であり、ＳＵＳ等金属の
１０〜２０×１０^-6／℃に比べてかなり圧電素子２の線
膨張係数２〜４×１０^-6／℃に近い値を示す。こういっ
た中から、使用する圧電素子２の線膨張係数との差が最
も小さくなるものを選ぶことによって、（ｃ）図に示す
様に線膨張係数の差から来る歪や変形を最小に抑えるこ
とができる。すなわち、圧電素子２とセラミック基板１
とが、各々矢印Ｌ₁とＬ₂方向に単位長さに対し略々等し
い長さの熱膨張が生ずるので、圧電素子２とセラミック
ス基板１との接合面でずり応力が殆んど発生せず、従っ
て湾曲することもない。

【００１５】更に、線膨張係数が駆動用の圧電素子２に
近く、基板として使用するに充分な強度や剛性を備えて
さえいるならば、他の部材でも可能である。例えば、シ
リコンなどは線膨張係数２.８〜７.３×１０^-6／℃であ
り、セラミックよりも更に圧電素子２の線膨張係数に近
い値を示している。更にまた線膨張係数の差を完全に零
にしたいのならば、基板１を圧電素子２と同一の素材に
することである。

【００１６】図３（ａ）,（ｂ）は、本発明によるイン
クジェットヘッドの他の実施例を説明するための図で、
（ａ）図は基板、圧電素子別体型、（ｂ）図は基板、圧
電素子一体型であり、図１と同じ作用する部分には図１
と同一の参照番号を付している。

【００１７】（ａ）図は基板１の材質を駆動部である圧
電素子２と同一の圧電素子として別体に形成して各々を
接合したもので、線膨張係数差はない。この様に、駆動
部に使用した圧電素子２を基板１の素材としても使用す
ることによって実現することができるが、この場合に
は、駆動部の圧電素子２と基板１とを熱硬化エポキシ樹
脂で加熱接合しなければならない。しかし、加熱接合し
なくても、（ｂ）図に示す様に圧電素子２を焼成する段
階で基板１の部材に相当する部分も一緒に作り出すこと
が可能である。

【００１８】以上、セラミックを基板１の素材とするこ
とにより圧電素子２との線膨張係数差を小さくして、接
合時および使用時の熱変形を防止することを説明した
が、線膨張係数が圧電素子２と各々等しくこのセラミッ
クス基板１の熱伝導率が、従来の基板材であるＳＵＳの
熱伝導率よりも高ければ基板１からの放熱が促進される
のでより安定したヘッドとすることができる。

【００１９】図４は、各種材料の熱伝導率を示す図で、
常温近傍でＳＵＳよりも高い熱伝導率のセラミックスで
あれば放熱効果が大きい。常温で熱伝導率の高いセラミ
ックスとして、例えば、炭化珪素やアルミナを主成分と
したものを選んでこれを使用することにより、金属基板
と同じようにヘッド駆動時の発熱を基板の放熱によって
抑制することが出来る。更には、接液性等の問題から材
料は格られるが、流路板３についても同様のことが言え
る。

【００２０】図５は、本発明によるインクジェットヘッ
ドの他の実施例を説明するための図で、図に示すように
流路板３と基板１を同一の素材、例えば、シリコンで作
成すれば、圧電素子２と流路板２および基板１の熱膨張
影響が小さくなるだけでなく、圧電素子２の振動による
歪や変形をかなり抑えることができる。

【００２１】

【効果】以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、以下の効果がある。（１）請求項１〜９に対応する効果：部材の線膨張係数
の違いから起こる歪や変形が抑制されるので、ヘッドの
精度や歩留まりが良くなる。また、インク噴射安定性も
良くなるため、高電圧や高周波数での駆動、高温度での
駆動といった厳しい駆動条件でもインクの安定噴射が可
能になる。（２）請求項２に対応する効果：セラミックは圧電素子
に非常に近い線膨張係数を示すため、上記効果を期待し
やすく、また、金属よりも軽量のため、ヘッドそのもの
の軽量化が図れる。（３）請求項３に対応する効果：ヘッド駆動時の圧電素
子の発熱をインクの循環と基板からの放熱の両面から緩
和し、駆動発熱のヘッド構成部材への影響を小さくする
ことができる。（４）請求項４に対応する効果：ヘッド制作工程におけ
る圧電素子と基板の接合工程が省け、より少ない部品数
でヘッドを作成することができる。（５）請求項９に対応する効果：圧電素子をまったく同
じ材質のもので挟み込むため、流路板もしくは基板だけ
の時よりも歪や変形を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るインクジェットヘッドの構造の
一例を説明するための図である。

【図２】従来と本発明との圧電素子と基板との加熱硬
化時の対策の相違を説明するための図である。

【図３】本発明によるインクジェットヘッドの他の実
施例を説明するための図である。

【図４】各種材料の熱伝導率を示す図である。

【図５】本発明によるインクジェットヘッドの他の実
施例を説明するための図である。

【図６】圧電素子と基板との接着構造を示す図であ
る。

【図７】ヘッド駆動時間に対する圧電素子の表面温度
およびヘッド先端の熱膨張による変位量の関係を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１…基板、２…圧電素子、３…流路板、４…共通液室、
５…インク供給口、６…ノズルプレート、７…プリント
基板（ＦＰＣ）、８…上部隔壁、９…保護板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】各々にノズルが接続された流路の長手方
向に対し、互いに間隔を有して平行に配設された複数の
流路を有する流路板と、該流路板と接合し、圧電変位に
よって前記流路の容積を変化させ、インクを前記ノズル
から噴射させる駆動部となる圧電素子と、この圧電素子
を接合固定する基板とから成るインクジェットヘッドに
おいて、前記基板は、線膨張係数が前記圧電素子の線膨
張係数と同等若しくはそれに近い線膨張係数の基板部材
としたことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】前記基板部材をセラミック材としたこと
を特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】前記基板部材としてのセラミック材の熱
伝導率を常温付近で２〜７ｋｃａｌ／ｍｈ℃としたこと
を特徴とする請求項２記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】前記基板部材を前記駆動部の圧電素子と
同じ素材としたことを特徴とする請求項１記載のインク
ジェットヘッド。
【請求項５】前記基板部材と圧電素子とを同一素材で
一体成形し、一体成形した前記基板部材と圧電素子を焼
成したことを特徴とする請求項４記載のインクジェット
ヘッド。
【請求項６】各々にノズルが接続された流路の長手方
向に対し、互いに間隔を有して平行に配設された複数の
流路を有する流路板と、該流路板と接合し、圧電変位に
よって前記流路の容積を変化させ、インクを前記ノズル
から噴射させる駆動部となる圧電素子と、この圧電素子
を接合固定する基板とから成るインクジェットヘッドに
おいて、前記流路を構成する流路部材の線膨張係数を、
駆動部の圧電素子と同等若しくはそれに近い線膨張係数
としたことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項７】前記流路部材をシリコンとしたことを特
徴とする請求項６記載のインクジェットヘッド。
【請求項８】前記流路部材と基板部材の線膨張係数を
圧電素子に近い線膨張係数としたことを特徴とする請求
項６記載のインクジェットヘッド。
【請求項９】前記流路部材と基板部材を同一素材とし
たことを特徴とする請求項７記載のインクジェットヘッ
ド。