JPH07101057A

JPH07101057A - インク噴射装置

Info

Publication number: JPH07101057A
Application number: JP5246697A
Authority: JP
Inventors: Yumiko Ohashi; 弓子大橋
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1993-10-01
Filing date: 1993-10-01
Publication date: 1995-04-18
Anticipated expiration: 2015-12-25
Also published as: EP0646464A3; US5677717A; JP3120638B2; EP0646464B1; DE69402495T2; EP0646464A2; DE69402495D1

Abstract

(57)【要約】【目的】電極を完全に保護し得る安定性に優れた高品
質なインク噴射装置を提供する。【構成】セラミックス素子１上に形成された電極１３
上に、第１層目として有機系の連続膜を形成して表面凹
凸をほぼ被覆し、その円滑な表面上に第２層目の無機膜
を連続膜として形成し、さらに最終層として有機膜を形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インク液室を構成する
少なくとも１つの壁が圧電セラミックス素子からなるイ
ンク噴射装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電セラミックス素子を用いたイ
ンク噴射装置として、例えば、ドロップオンデマンド方
式のインク噴射装置が提案されている。これは、圧電セ
ラミックスの変形によって圧電セラミックス素子に設け
られた溝の容積を変化させることにより、その容積減少
時に溝内のインクをノズルから液滴として噴射し、容積
増大時にインク導入路から溝内にインクを導入するよう
にしたものである。そして、このようなノズルを多数互
いに近接して配置し、所要の印字データに従って所要の
位置のノズルからインク液滴を噴射させることにより、
ノズルと対向する紙面上等に所望する文字や画像を形成
するものである。

【０００３】この種のインク噴射装置としては、例えば
特開昭６３−２４７０５１号公報、特開昭６３−２５２
７５０号公報及び特開平２−１５０３５５号公報に記載
されているものがある。図５乃至図８にそれら従来例の
概略図を示す。

【０００４】以下、インク噴射装置の断面図を示す図５
を参照して、従来例の構成を具体的に説明する。複数の
溝１２を有し、かつ矢印４の方向に分極処理を施した圧
電セラミックス素子１と、セラミックス材料または樹脂
材料等からなるカバープレート２とを、エポキシ系接着
剤等からなる接合層３を介して接合することで、前記複
数の溝１２が複数のインク流路として構成される。イン
ク流路は長方形断面の細長い形状であり、側壁１１はイ
ンク流路の全長にわたって伸びている。側壁の両面を側
壁側面、天井部を側壁上面と称する。両方の側壁側面に
は、ほぼ中央まで駆動電界印加用の金属電極１３が形成
されている。電極１３をカバーするように保護膜２０が
形成されている。全てのインク流路内には、インクが充
填される。

【０００５】次に、インク噴射装置の断面図を示す図６
を参照して、従来例の動作を説明する。該インク噴射装
置において、所要の印字データに従って、例えば溝１２
ｂが選択されると、金属電極１３ｅと１３ｆに急速に正
の駆動電圧が印加され、金属電極１３ｄと１３ｇは接地
される。これにより側壁１１ｂには矢印１４ｂの方向の
駆動電界が、側壁１１ｃには矢印１４ｃの方向の駆動電
界が作用する。このとき駆動電界方向１４ｂ及び１４ｃ
と分極方向４とが直交しているため、側壁１１ｂ及び１
１ｃは、圧電厚みすべり効果によって溝１２ｂの内部方
向に急速に変形する。この変形によって溝１２ｂの容積
が減少してインク圧力が急速に増大し、圧力波が発生し
て、溝１２ｂに連通するノズル３２（図７）からインク
液滴が噴射される。また、駆動電圧の印加を徐々に停止
すると、側壁１１ｂ及び１１ｃが変形前の位置に戻るた
め溝１２ｂ内のインク圧力が徐々に低下し、インク供給
口２１（図７）からマニホールド２２（図７）を通して
溝１２ｂ内にインクが供給される。

【０００６】尚、実際の製品としては、上記噴射動作の
前に駆動電圧を上記と逆方向に印加することにより先に
インクを供給させ、その後この駆動電圧を急激に停止さ
せ側壁１１ｂ及び１１ｃを元の状態に戻すことによって
インクを噴射させるようにすることもある。

【０００７】次に、インク噴射装置の斜視図を示す図７
を参照して、従来例の構成及び製造法を説明する。圧電
セラミックス素子１に、薄い円板状のダイヤモンドブレ
ード等を使用した切削加工によって、溝１２を形成す
る。溝１２は圧電セラミックス素子１のほぼ全域で同じ
深さの平行な溝であるが、端面１５に近づくにつれて徐
々に浅くなり、端面１５付近では浅く平行な浅溝部１６
となる。この溝１２の内面、側壁上に、前記金属電極１
３を周知の技術スパッタリング等によって形成する。さ
らに電極１３を被覆するように溝１２の内面に保護膜２
０を乾式または湿式にて成膜する。

【０００８】他方、カバープレート加工であるが、セラ
ミックス材料または樹脂材料等からなるカバープレート
２に、研削加工または切削加工等によって、インク導入
口２１及びマニホールド２２を作製する。次に、圧電セ
ラミックス素子１の溝１２が加工されている面とカバー
プレート２のマニホールドが加工されている面とを、エ
ポキシ系接着剤等によって接着する。次に、圧電セラミ
ックス素子１及びカバープレート２の端面に、各溝１２
に対応した位置にノズル３２が設けられたノズルプレー
ト３１を接着する。さらに、圧電セラミックス素子１の
溝１２が加工された面とは反対側の面には、各溝１２に
対応した位置に導電層のパターン４２が設けられた基板
４１を、エポキシ系接着剤等によって接着する。そし
て、溝１２の浅溝部１６の底面に形成されている金属電
極１３と導電層のパターン４２を、ワイヤボンディング
によって導線４３で接続する。

【０００９】次に、制御部のブロック図を示す図８を参
照して、従来例の制御部の構成を説明する。基板４１に
設けられた導電層のパターン４２は各々個々にＬＳＩチ
ップ５１に接続され、クロックライン５２、データライ
ン５３、電圧ライン５４及びアースライン５５もＬＳＩ
チップ５１に接続されている。ＬＳＩチップ５１は、ク
ロックライン５２から供給された連続するクロックパル
スに基づいて、データライン５３上に現れるデータか
ら、どのノズルからインク液滴を噴射するべきかを判断
し、駆動する溝１２内の金属電極１３に導通する導電層
のパターン４２に、電圧ライン５４の電圧Ｖを印加す
る。また、前記溝１２以外の金属電極１３に導通する導
電層のパターン４２にアースライン５５の電圧０ｖを印
加する。

【００１０】このような機構を有するインク噴射装置に
おいては、電極１３を絶縁保護するためや電極自身の腐
食防止のために保護膜２０が設けられるが、この保護膜
２０としては、不活性な無機不動態膜、具体的にはシリ
コンナイトライド（ＳｉＮx）およびシリコンオキシナ
イトライド（ＳｉＯＮ）の交互膜、またはポリイミドや
エポキシ、フェノール等の有機系が用いられていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように電極を保護する保護膜として無機系材料を用いる
と、下地の圧電セラミックス素子特有の凹凸や、その影
響を受けた金属電極の凹凸のシャドー効果により、空孔
部分には成膜できず、電極を完全に保護できないという
問題があった。そして電極が露出していると、駆動時に
付加される電圧により電流が流れ電極が腐食し、噴射が
できなくなったり、インク中の水分によっても腐食が促
進されるといった問題があった。また、保護膜を有機系
材料だけで形成した場合、上記のような凹凸部の被覆は
可能となるが、有機系の膜は空気中の水分を吸収し、マ
イクロウォーターとして膜中に水分を保持してしまうた
め、この水分が電極に達し、電極の腐食を誘引するとい
った問題があった。さらには絶縁耐圧も無機系に比べて
２桁低く、インクの噴射時に電圧印加するインク噴射装
置に於て、長期にわたり使用していると、経時変化や外
界からの刺激により電気的絶縁破壊を起こし易く、チャ
ンネル間がショートしてインクの噴射が出来なくなると
いう問題があった。

【００１２】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、電極を完全に保護することによ
って、安定性に優れた高品質なインク噴射装置を提供す
ることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明では、電極を保護するために、３層以上から成
る保護多層膜を備えるとともに、その保護多層膜の第１
層目と最終層とを有機系保護膜とし、中間層のうちの少
なくとも１層を無機系保護膜とすることを特徴としてい
る。

【００１４】

【作用】上記の構成を有する本発明では、第１層目の有
機系保護膜がセラミック素子や電極の表面凹凸を被覆
し、その円滑な表面上に直接もしくは間接的に、連続膜
として形成される無機系保護膜が絶縁効果を高めるとと
もに電極を水分から保護し、更に最終層としての有機系
保護膜が上記の有機、無機複合膜の間に生じるストレス
を吸収する。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面を
参照して説明する。尚、本実施例のインク噴射装置とし
ての基本的な構成は、上記の従来技術と同様なため、説
明を省略する。

【００１６】本実施例においては、セラミックス基板と
して、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）圧電素子を用い
ており、機械加工により形成された溝表面、即ち側壁側
面の表面は、加工時にＰＺＴ粒子の粒界破壊、粒内破壊
が生じるため、表面粗さＲａにして３ほどの凹凸が存在
するほか、ブレードの歯跡も存在するなど、平滑性はあ
まり良くない。この様なセラミックス基板１の側壁側面
の一部に形成された金属電極１３は、形成方法にもよる
が、下地のセラミックスの凹凸をほぼ模倣する形で形成
される。

【００１７】この様な電極１３の保護膜２０として、ま
ず第１層目としてエポキシ系樹脂をスピンコート、キュ
アにより、側壁側面、上面を連続的に覆うようにして有
機膜を形成する。この時エポキシの塗布溶液の粘度、硬
化剤の種類、回転スピード、キュア温度等を選ぶことに
より前述したようなセラミックス基板に起因する凹凸が
埋め込まれ、なだらかなうねりは持つものの、平滑な連
続膜表面が有機膜により形成される。より詳しくは、機
械加工により複数の溝を形成したセラミックス基板１
（厚み１ｍｍ、大きさ５０×５０ｍｍ）をスピンコータ
ーに真空吸着し、型番３７７のエポキシ（米国エポキシ
テクノロジー社製）を１ｇほど滴下し、３０００ｒｐｍ
で回転塗布、その後クリーンオーブンにて大気中１５０
℃で１時間ベークすることで１０μｍ以下の平滑な表面
を持つ有機膜が形成される。

【００１８】続いて、有機膜上に無機膜を例えばＣＶＤ
法等により真空成膜する。ＣＶＤ法の成膜装置は図１に
示すように、チャンバー１０１及び原料ガス導入管１０
２、排気装置１０３、ＲＦ電源１０４から成る。そし
て、成膜は以下のように行われる。

【００１９】チャンバーの中には電力供給電極１０５と
サンプルホルダー１０６が数ｃｍ程離れて相対するよう
に配置されている。まず圧電セラミックスプレート１を
サンプルホルダー１０６上に、溝の形成された面を電力
供給電極１０５に向けてホールドし、チャンバー１０１
内を２Ｅ−７Ｔｏｒｒまで真空引きする。次いで原料ガ
スとしてＳｉＨ₄／Ｎ₂とＮＨ₃とＮ₂とをそれぞれ６０ｓ
ｃｃｍ、１８０ｓｃｃｍ、９００ｓｃｃｍ（ｓｃｃｍは
窒素換算した、一分当たりの流量である）の流量で原料
ガス導入管１０２よりチャンバーの中へ導入し、ガスを
流しながらチャンバー内１０１を１.２Ｔｏｒｒに保
ち、電力供給電極１０５に０.８ｋＷを印加し、高周波
放電を生じさせる。すると原料ガスが化学的活性種とな
り、通常の熱励起で困難な分解及び化学反応、例えば
（１）式に示すような、非平衡な反応を起こし、約３分
の放電で基板上に１０００オングストロームのＳｉＮx
が成膜される。膜厚は放電時間により制御することがで
きる。

【００２０】３ＳｉＨ₄＋４ＮＨ₃→Ｓｉ₃Ｎ₄＋１２Ｈ₂ ・・・（１）この様にして形成される無機膜は、下地に上述した滑ら
かな有機表面があることにより連続膜となり、基板表面
全てを被覆することが可能となる。この無機膜は、下地
に有機膜が存在せずＰＺＴ固有の凹凸が激しい場合に形
成された無機膜と比べると、粒状の異常成長部や、非被
覆部のないなだらかな連続膜であり、故に絶縁特性も良
好である。

【００２１】絶縁特性は次のような耐久試験を行い確認
した。まず試験サンプルとして厚み１ｍｍで５ｍｍ×４
６ｍｍのセラミックス片に溝を１０本機械加工により形
成し、次に斜め蒸着法により、自らのシャドー効果を利
用して、側壁上面および側壁側面の上半分に金属電極と
してアルミニウム（Ａｌ）膜を１μｍほど形成する。傾
きを逆にして蒸着することで両側の側壁側面にＡｌ電極
が形成できる。続いて側壁上面のＡｌ膜を研磨により除
去し、有機溶剤等により洗浄した後、１００℃で２０分
乾燥ベークしてから、保護膜として上述したスピンコー
ト法によりエポキシ系有機膜を形成したものと、さらに
続いて保護膜第２層目として上述したようなＣＶＤ法に
よりＳｉＮ_xの無機膜を作製し、電極の上に有機膜、無
機膜の順で積層したものと、エポキシの有機膜を作製す
ることなくＳｉＮ_xの無機膜を電極直上に形成したもの
を作製した。

【００２２】そしてそれぞれを導電率５．７２ｍＳ／ｃ
ｍの水溶液中に浸せきさせながら、図２に示すように、
５本の溝４００に交互に、プラスの電圧、グランドの順
でプルーブ４０１を介して３０分間電圧を印加した後、
水溶液を除去してＡｌの抵抗値を測定し、耐久試験前の
それと比較した。

【００２３】印加電圧を１０、２０、３０と増加させた
ときの結果を図３に示す。図から判るように、保護膜が
エポキシ系有機膜のみや電極直上に無機膜を形成したも
のは、容易に保護膜の絶縁破壊が起きて電極のＡｌをプ
ロテクトできず、Ａｌが断線して抵抗値が無限大を示し
た。これに対し有機と無機の順で積層したものは、実駆
動電圧である３０Ｖを印加しても電極がほとんど劣化す
ることがなかった。従って水系インクを用いる場合、保
護膜としてエポキシ系有機膜のみや電極直上に無機膜を
形成したヘッドは１０Ｖ以上の電圧が付加できず、しか
しながら１０Ｖ以下ではインクの噴射が非常に困難であ
るため、インク噴射装置としては適さない。これに対し
保護膜として有機と無機の順で積層することで、電気的
に優れた耐久性を持つヘッドの作製が可能となった。

【００２４】さらに保護膜として有機と無機の順で積層
した後に保護膜の第３層目以降に、上述したスピンコー
ト法で有機膜を形成すると、ヘッドの長期安定性に優れ
ることが判明した。通常、保護膜１層目の有機膜の上に
第２層目の無機膜を積層する際に両者の表面強度や線熱
膨張係数等物理的性質の違いにより、界面もしくは両膜
中にストレスが生じやすい。また、温度湿度などのヒー
トサイクル等、外界からの刺激によりストレスが助長さ
れ、経時的に保護膜の剥離やクラック発生が起こる可能
性がある。このとき、第３層目以降に有機膜が存在すれ
ば該ストレスを吸収し、剥離やクラック発生が抑えられ
るのである。

【００２５】上記の事を次のような耐久試験を行い確認
した。保護膜第２層目までは上述した耐久試験サンプル
と同様のものを作製し、第３層目に再び上述したスピン
コート法でエポキシ系有機膜を形成したものとしないも
のを５個づつ作製し、湿度８０％、温度６０℃の環境に
８時間さらし、次に８時間通常の大気にさらすサイクル
を繰り返したところ、保護層が２層のものは５個全てが
サイクル２回目において保護膜の剥離を起こした。３層
目に有機保護膜があるものは、一部ゴミを核として有機
膜が損傷している部分を持つサンプル１個に於てそのゴ
ミを中心にクラックが発生したにとどまり、残りの４個
は光学顕微鏡レベルで剥離やクラックは観察されなかっ
た。

【００２６】従って、本実施例のインク噴射装置におい
ては、図４に示すように、セラミックス素子の側壁１１
上に形成された電極１３を、第１層目がエポキシ系有機
膜、２層目がＳｉＮ_xの無機膜、最終層がエポキシ系有
機膜からなる複合層の連続膜である保護膜２０で被覆し
た。これにより、上述したような、絶縁特性や耐水性に
優れ、かつ経時的なストレスにも耐え得る保護膜を得る
ことが出来た。更に、本実施例では、図４に示すよう
に、最終層にエポキシ系有機膜を有する保護膜２０の連
続膜にて、側壁１１上面も被覆する構成としている。こ
のような構成とすることによって、保護膜２０付きのセ
ラミックス基板１上に、カバープレート２をしかるべき
位置合わせをして載置し、適度の圧力を加えながらキュ
アし、側壁上面の保護膜２０の最終層のエポキシ樹脂を
硬化させることにより、セラミックス基板１とカバープ
レート２とを接着することが出来る。即ち、保護膜２０
の最終層のエポキシ系有機膜は、上述したストレスの吸
収の機能とともに、接着剤としても機能することができ
るため、著しく工程の簡略化を図ることが出来る。

【００２７】なお有機膜としては、実施例にあげたエポ
キシ系以外にも、上述したような特性を有するものであ
ればよい。例えば、シリコン樹脂、フッ素樹脂、芳香族
ポリアミド、付加重合型ポリイミド、フタル酸樹脂等が
上げられる。またこの他にポリキシリレン樹脂等を化学
気相的に形成してもよい。

【００２８】また無機膜としては、実施例にあげたＳｉ
Ｎ_x以外にも、酸化シリコン、酸化バナジウム、酸化ニ
オブ等の酸化物、窒化物と酸化物の混合物等があげられ
る。また作製法もＣＶＤに限らず、ソルゲル法や、真空
蒸着、スパッタリング等をもちいてもよい。

【００２９】更に、本実施例では、保護膜２０を有機、
無機、有機の順の３層構造としていたが、４層以上の複
合膜としてもよい。その場合、電極１３側から見て１層
目及び最終層が有機膜であり、その中間層に無機膜を設
ければ、上記実施例と同様の効果が得られる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、保護膜を多層構造
にして、第１層目の有機系保護膜がセラミック素子や電
極の表面凹凸を被覆し、その円滑な表面上に直接もしく
は間接的に、連続膜として形成される無機系保護膜が絶
縁効果を高めるとともに電極を水分から保護し、更に最
終層としての有機系保護膜が上記の有機、無機複合膜の
間に生じるストレスを吸収するため、あらゆる状況にお
いても電極を完全に保護することができる。従って、高
品質なインク噴射装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に用いたＣＶＤ成膜装置の概略
図である。

【図２】上記実施例における保護膜の耐久試験の電圧印
加の様子を示す図である。

【図３】上記実施例における保護膜の耐久試験の結果を
示すグラフである。

【図４】上記実施例におけるインク噴射装置の一部を拡
大した断面図である。

【図５】従来技術のインク噴射装置の構成を示す断面図
である。

【図６】従来技術のインク噴射装置の構成を示す断面図
である。

【図７】従来技術のインク噴射装置の構成を示す斜視図
である。

【図８】従来技術のインク噴射装置の制御部のブロック
図である。

【符号の説明】

１圧電セラミックス素子２カバープレート１１側壁１２溝１３金属電極２０保護膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インク液室を構成する少なくとも１つの
壁が圧電セラミックス素子からなり、その圧電セラミッ
クス素子を駆動する電極が前記インク液室内に設けられ
たインク噴射装置において、前記電極を保護するために、３層以上から成る保護多層
膜を備えるとともに、その保護多層膜の第１層目と最終
層とを有機系保護膜とし、中間層のうちの少なくとも１
層を無機系保護膜とすることを特徴とするインク噴射装
置。
【請求項２】前記最終層の有機系保護膜が前記電極以
外の部位にも形成され、その有機系保護膜により、前記
圧電セラミックス素子と、前記インク液室を構成する他
の部材とが接着されることを特徴とする請求項１記載の
インク噴射装置。