JPH09141865A

JPH09141865A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JPH09141865A
Application number: JP7326435A
Authority: JP
Inventors: Makoto Takeuchi; 誠竹内
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1995-11-20
Filing date: 1995-11-20
Publication date: 1997-06-03

Abstract

(57)【要約】【課題】１５０°Ｃ付近の温度下で使用しても、イン
クの吐出性能が劣化し難いホットメルト型のインクジェ
ットヘッドを提供する。【解決手段】インクジェットヘッド１０に設けられた
圧電素子３６をキュリー点が３００°Ｃを超える圧電膜
４３と、電極膜４４とを積層して構成する。これによ
り、３００℃の１／２の１５０℃をインクジェットヘッ
ドの実用温度に設定しても、そのインクの吐出性能が劣
化するのを防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固形のインクを溶
融させてノズルから印刷用紙にインクを吐出して印刷を
行う、ホットメルト型のインクジェットヘッドであっ
て、そのインクジェットヘッドに用いられる圧電素子の
変位特性などを向上することができるものとして好適な
ものに関する。

【０００２】

【従来の技術】上記インクジェットヘッドとしては、ノ
ズルが形成されたインク室内に発熱素子が設けられてお
り、その発熱素子を通電して加熱することにより、気泡
を発生させ、その気泡による圧力によりインクをノズル
から吐出させる、いわゆるサーマル方式のものが知られ
ている。また、圧電材料で形成された圧電膜と、この圧
電膜に電圧を印加する電極膜とを積層した圧電素子がイ
ンク室上に設けられており、上記電極膜に電圧を印加す
ることにより、上記圧電素子に圧電効果を生じさせて変
位させ、この変位により上記インク室の容積を変化させ
てノズルからインクを吐出させる、いわゆる圧電方式の
ものが知られている。

【０００３】上記圧電方式のインクジェットヘッドに用
いられる圧電素子を構成する圧電膜には、圧電セラミッ
クスなどの圧電材料で形成されており、直流の高電圧を
印加して、セラミックスを構成している微粒子中の双極
子を強制的に一方向に揃える、いわゆる分極処理が施さ
れている。そして、その分極状態を利用して圧電効果、
または、電歪効果を圧電膜に生じさせて圧電膜を変位さ
せ、この変位を利用してインク室の容積を変化された
り、インクに圧力波を印加する。

【０００４】ところで、上記圧電膜には、温度上昇に伴
って減極が生じて変位特性などが劣化し始める性質があ
り、ついには上記分極が消失して圧電性を失う臨界温
度、いわゆるキュリー点が存在する。液体のインクを吐
出して印字記録を行う上記従来の圧電方式のインクジェ
ットヘッドに用いられる圧電素子には、インクジェット
ヘッドが高温になることもないため、百数十度Ｃのキュ
リー点を有するものが用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記圧電方
式のインクジェットヘッドのうち、固形のインクを溶融
させてノズルから印刷用紙にインクを吐出して印刷を行
う、ホットメルト型のインクジェットヘッドの場合に
は、インクの溶融状態を維持するためにインク室は、１
００°Ｃないし１５０°Ｃに加熱され、その熱は、イン
ク室上の圧電素子にも伝達するため、圧電素子の温度も
１００°Ｃないし１５０°Ｃに達する。そこで、上記キ
ュリー点が百数十度Ｃの圧電素子を用いた場合には、減
極（デポーリング）が生じるおそれがある。したがっ
て、減極が生じると、圧電素子の変位特性などが劣化し
て、インクの吐出性能が低下し、印字品質が悪くなると
いう問題がある。

【０００６】そこで、本発明は、上述した課題を解決す
るためになされたものであり、その目的とするところ
は、１５０℃付近の温度下でも減極が生じ難い圧電素子
を用いることにより、印字品質を高めることができるイ
ンクジェットヘッドを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、請求項１に記載の発明では、圧電材料及び
この圧電材料に電圧を印加して圧電効果を生じさせる電
極からなる圧電素子と、この圧電素子の変位により容積
が変化されるとともに、ノズルから溶融されたインクを
吐出するインク室と、このインク室内のインクの溶融状
態を保持する加熱手段と、が備えられたインクジェット
ヘッドにおいて、前記圧電材料のキュリー温度は、３０
０°Ｃを超えるものであるという技術的手段を採用す
る。

【０００８】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載のインクジェットヘッドにおいて、前記加熱手段は、
上記インクをインクの溶融温度より１０℃〜４０℃高い
温度に加熱、保持するものであるという技術的手段を採
用する。

【０００９】請求項３に記載の発明では、請求項１また
は２に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記加熱
手段は、インクジェットヘッドを８０°Ｃ〜１５０℃の
範囲内の所定の温度に加熱、保持するものであるという
技術的手段を採用する。

【００１０】

【作用】請求項１ないし３に記載の発明では、上記圧電
材料のキュリー温度は、３００°Ｃを超えるものである
ため、その１／２の１５０°Ｃ付近の温度下で使用して
も減極が生じ難い。つまり、その圧電材料を用いて構成
された圧電素子は、１００°Ｃないし１５０°Ｃの範囲
で使用した場合であっても、変位特性などの劣化が生じ
難い。したがって、その圧電素子をインク室を加熱して
インク室内のインクを溶融された状態に維持する、ホッ
トメルト型のインクジェットヘッドに用いれば、インク
の吐出性能の低下を防止することができるため、印字品
質を高めることができる。

【００１１】特に、請求項２に記載の発明では、上記加
熱手段は、上記インクをインクの溶融温度より１０℃〜
４０℃高い温度に加熱、保持するものであるため、たと
えばインクの溶融温度が１１０℃であって、上記加熱手
段により、上記インクジェットヘッドの温度が、１５０
℃に達した場合であっても、上記圧電材料のキュリー温
度が、３００°Ｃであるため、変位特性などの劣化を防
止して印字品質を高めることができる。

【００１２】また、請求項３に記載の発明では、前記加
熱手段は、インクジェットヘッドを８０°Ｃ〜１５０℃
の範囲内の所定の温度に加熱、保持するものであるた
め、その加熱手段により、上記インクジェットヘッドの
温度が、１５０℃に達した場合であっても、上記圧電材
料のキュリー温度が、３００°Ｃであるため、変位特性
などの劣化を防止して印字品質を高めることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて図を参照して説明する。なお、本実施の形態では、
ホットメルト型のインクジェットプリンタに用いられる
インクジェットヘッドのうち、複数色のインクを吐出し
てカラー印字を行うカラーインクジェットプリンタ（以
下、プリンタと略称する）に用いられるインクジェット
ヘッド（以下、ヘッドと略称する）を代表に説明する。
まず、上記プリンタの機構について説明する。図１は、
上記プリンタの一部機構を取り出して示す外観斜視図で
ある。

【００１４】図１に示すように、上記プリンタには、印
字ヘッド１０が設けられている。この印字ヘッド１０
は、イエローインクを吐出するイエロー用ヘッド１１、
マゼンタインクを吐出するマゼンタ用ヘッド１２、シア
ンインクを吐出するシアン用ヘッド１３、およびブラッ
クインクを吐出するブラック用ヘッド１４とから構成さ
れる。また、各ヘッド１１ないし１４には、固形インク
が収容されるインクタンク（図示省略）がそれぞれ設け
られている。

【００１５】印字ヘッド１０は、キャリッジ２１の上に
搭載されており、そのキャリッジ２１には、印刷用紙２
０の幅方向に設けられたガイド軸２２が挿通されてい
る。キャリッジ２１は、ガイド軸２２に沿ってその下方
に設けられた無端ベルト２３に取り付けられており、そ
の無端ベルト２３は、モータ２４のプーリ２５に掛けら
れている。つまり、キャリッジ２１は、モータ２４の回
転により、ガイド軸２２に沿って印刷用紙２０の幅方向
に往復動するようになっている。

【００１６】また、ガイド軸２２に沿ってその下方に
は、複数のスリット（目盛）が印されたタイミングスリ
ット２６が設けられている。また、キャリッジ２１の前
面下部には、タイミングスリット２６に印されたスリッ
トの数を読み取るエンコーダ素子２７が設けられてい
る。なお、印刷用紙２０は、紙送りモータ（図示省略）
により回転される給紙ローラ（図示省略）と、この給紙
ローラと対に設けられた押さえローラ２８、２８との間
に挾まれて上下方向に送られる。

【００１７】次に、各ヘッド１１ないし１４の構造につ
いて図２および図３を参照して説明する。なお、各ヘッ
ド１１ないし１４の構造は、それぞれ同じであるため、
ここではヘッド１１を代表に説明する。図２は、ヘッド
１１の部分断面説明図であり、図面下方が、印刷用紙２
０（図１参照）に対向する面である。図３は、図２に示
すヘッド１１の圧電素子３８上のベースプレート部分を
省略して示す縦断面図である。

【００１８】図２（ａ）に示すように、ヘッド１１に
は、インクを収容する複数のインク室（キャビティ）３
０が設けられており、各インク室３０は、キャビティプ
レート３１によってそれぞれ仕切られている。各インク
室３０および各キャビティプレート３１の下面には、ノ
ズルプレート３２が形成されており、このノズルプレー
ト３２には、インクを吐出する複数のノズル３３が貫通
形成されている。各インク室３０および各キャビティプ
レート３１の上面には、ダイアフラム（振動板）３４が
接着剤３５によって接着されている。

【００１９】なお、本実施の形態では、インク室３０
は、図２（ａ）において、幅０．２２ｍｍ、高さ２．５
ｍｍ（図３のインク室３０の中央においては、幅０．２
２ｍｍ、高さ０．１５ｍｍ）であり、キャビティプレー
ト３１は、アルミナの射出成形により、幅０．１１９ｍ
ｍ、厚み２．５ｍｍに形成されている。また、ノズル３
３の下面は、直径５５μｍであり、ダイアフラム３４
は、アラミドフィルムにより、９μｍの厚みに形成され
ている。

【００２０】図３に示すように、ダイアフラム３４の上
面には、板状の複数の圧電素子３６が、接着剤３７によ
って接着されており、各圧電素子３６の上には、インク
を流入するマニホールドプレート３８が形成されてい
る。このマニホールドプレート３８により形成されたイ
ンク流入孔３９の下方には、マニホールド４０が形成さ
れており、このマニホールド４０は、インク室３０に連
通している。また、各圧電素子３６の上面には、インク
室３０内のインクの溶融状態を保持する加熱手段として
のヒータ４２が設けられている。また、図３において４
１で示す部分が、活性部、つまり、圧電素子３６が、圧
電効果を発生して変位を生じる部分である。

【００２１】なお、本実施の形態では、図２（ａ）にお
いて、圧電素子３６は、幅０．０８ｍｍ、厚み０．５ｍ
ｍであり、キャビティプレート３１の中心間のピッチ
は、０．３３９ｍｍである。また、インク流入孔３９の
直径は、２．０ｍｍであり、マニホールド４０の深さ
は、１．５ｍｍ、幅は２．０ｍｍである。さらに、活性
部４１の幅は、４．０ｍｍであり、接着剤３５および３
７は、エポキシ系接着剤である。

【００２２】次に、上記圧電素子３６の構造について図
４を参照して説明する。図４は、圧電素子３６の構造を
示す部分断面説明図である。図４に示すように、圧電素
子３６は、圧電材料で形成された膜状の圧電膜４３と、
膜状の電極膜（内部電極）４４とを、圧電膜４３の分極
方向を揃えて交互に積層して形成されている。図４では
省略してあるが、実際には、１０層ないし２０層の積層
構造となっており、両端面には、端面電極４５および４
６が形成されている。なお、本実施の形態では、圧電膜
４３の厚みは、約３０μｍである。また、電極膜４４、
端面電極４５および４６は、銀パラジウム（銀７０％、
パラジウム３０％）により、２ないし３μｍの厚みに形
成されている。

【００２３】さらに、本実施の形態では、上記インクと
して、マイクロクリスタリンワックスを主成分とし、
Ａ：軟化点５６°Ｃないし５８°Ｃ、融点６９°Ｃない
し７１℃、Ｂ：軟化点６２°Ｃないし６４°Ｃ、融点７
６°Ｃないし７８℃、Ｃ：軟化点８１°Ｃないし８６°
Ｃ、融点９２°Ｃないし９４℃のうちのいずれかを、プ
リンタの使用温度での粘度（たとえば、２〜５０ｃｐ
ｓ）、表面張力、印字後の色度、彩度などを考慮して選
択して用いる。

【００２４】そして、図示しないヘッド駆動回路から上
記各電極膜４４に電圧が印加されると、各圧電膜４３に
圧電効果が生じ、図２（ｂ）に示すように、ダイアフラ
ム３４が下向きの凸状に湾曲し、インク室３０が加圧さ
れてインクがノズル３３から吐出される。なお、各ヘッ
ド１１ないし１４を単独で駆動させて単色の印字を行う
他、各ヘッド１１ないし１４を適宜選択して駆動させ
て、複数のインクを重ねて吐出することにより、中間色
の印字を行う。

【００２５】次に、上記圧電素子３６の特性を知るた
め、圧電膜４３について行った実験結果について図５な
いし図９を参照して説明する。上記圧電素子を構成する
圧電膜４３としては、キュリー点が３００℃を超えるも
のが用いられる。図５は、キュリー点が３１５℃、比誘
電率が２４００、電気機械結合係数Ｋ₃₁が３４．５％、
Ｋ₃₃が７０．０％、圧電定数ｄ₃₁が−２１０×１０^-12
ｍ／Ｖ、ｄ₃₃３が４９０×１０^-12ｍ／Ｖの特性を有す
る圧電膜のサーマルサイクルの耐久試験の結果を示すグ
ラフである。

【００２６】本耐久試験は、圧電膜４３に対して１５０
℃で３０分の保持と、−１０℃で３０分の保持とを１０
０回繰り返すサーマルサイクル条件で、サーマルサイク
ル前と後における圧電膜４３の変位量および静電容量を
測定して行った。なお、圧電膜４３の変位量は、８ＫＨ
ｚ、２０Ｖ_P-P正弦波を圧電膜４３に印加したときの変
位量をレーザドップラー式変位測定システムにより測定
した。図５のグラフに示すように、サーマルサイクル前
の変位量は、約１０２μｍであり、サーマルサイクル後
の変位量は、約８２μｍである。つまり、圧電膜４３
は、１５０℃に加熱された場合であっても、サーマルサ
イクルの前後で、変位量に大きな変化はなく、安定した
変位特性を示す。したがって、上記圧電膜４３により構
成された圧電素子３６を用いれば、１５０℃付近の温度
下で使用しても、安定してインクを吐出することができ
るヘッドを実現することができる。

【００２７】次に、図６に示すグラフは、上記圧電膜４
３を加熱してから自然冷却した場合の圧電膜４３の電気
機械結合係数Ｋ₃₁と冷却（放置）時間との関係を示す。
ここで、電気機械結合係数Ｋとは、エネルギーの変換能
力を表す数値であり、概念として圧電膜４３に付与され
た電気的エネルギーに対して蓄積された機械的エネルギ
ーの比の平方根で定義される。そして、Ｋ₃₁とは、電気
機械結合係数Ｋのうち、逆圧電効果（電歪効果）を発生
させる場合の電気機械結合係数を示すものであり、次の
式により求められる。

【００２８】

【数式１】１／Ｋ₃₁ ²＝（０．４０５・ｆｒ／Δｆ）＋０．５９５

【００２９】なお、Δｆ＝ｆａ−ｆｒであり、ｆａは、
反共振周波数、ｆｒは、共振周波数である。また、本特
性を求める実験では、キュリー点が３３０℃、比誘電率
が１８００、電気機械結合係数Ｋ₃₁が３８．０％、Ｋ₃₃
が７３．０％、圧電定数ｄ₃₁が−１９８×１０^-12ｍ／
Ｖ、ｄ₃₃が４１７×１０^-12ｍ／Ｖの特性を有する圧電
膜を用いた。この図６のグラフに示すように、圧電膜４
３を１２５℃に加熱した場合の８時間放置後のＫ₃₁の変
化率は、約１．５％であり、非常に変化の少ないことが
分る。つまり、上記圧電膜４３によれば、ヘッドの実用
的使用温度である１２５℃においては、エネルギーの変
換能力は、ほとんど低下しないことが分る。

【００３０】次に、図７に示すグラフは、上記圧電膜４
３を加熱してから自然冷却した場合の圧電膜４３の比誘
電率ε₃₃ ^T／ε₀と冷却（放置）時間との関係を示す。
なお、本特性を求める実験には、上記図６に示す特性を
求めるために用いた圧電膜と同じ性質のものを用いた。
図７に示すグラフに示すように、圧電膜４３を１２５℃
に加熱した場合の８時間放置後の比誘電率ε₃₃ ^T／ε₀
の変化率は、ほとんど０であり、非常に変化の少ないこ
とが分る。つまり、上記圧電膜４３によれば、ヘッドの
実用的使用温度である１２５℃においては、比誘電率の
変化が少なく、安定した変位を行うことができることが
分る。

【００３１】また、その他の特性を図８および図９に示
す。図８に示すグラフは、加熱してから自然冷却した場
合の静電容量Ｃ_fの変化率と冷却時間との関係を示す。
図９は、圧電定数（電界を与えたときに生ずる歪率で定
義され、変位の大きさなどを知ることができる定数）ｄ
₃₁と、冷却時間との関係を示す。なお、図８および図９
に示す特性を求める実験では、キュリー点が３２０℃、
比誘電率が２１００、電気機械結合係数Ｋ₃₁が３５．０
％、Ｋ₃₃が７０．０％、圧電定数ｄ₃₁が−１９５×１０
^-12ｍ／Ｖ、ｄ₃₃が３６０×１０^-12ｍ／Ｖの特性を有
する圧電膜を用いた。

【００３２】上記図８および図９に示すグラフから分る
ように、圧電膜４３は、１２５℃に加熱して自然冷却し
てからの静電容量Ｃ_f変化率が収束するまでの時間が短
く、圧電定数ｄ₃₁の変化率は非常に少ないことが分る。
したがって、上記圧電膜４３によれば、ヘッドの実用的
使用温度である１２５℃においては、静電容量Ｃ_fおよ
び圧電定数ｄ₃₁の変化が少なく、安定した変位を行うこ
とができることが分る。

【００３３】以上のように、上記圧電膜４３は、３００
℃を超えるキュリー点を有するものであるため、１２５
℃の実用的温度では、その変位特性の低下は非常に少な
い。したがって、上記圧電膜４３により圧電素子３６を
構成すれば、１２５℃の実用的温度において、変位特
性、つまり、インクの吐出性能の安定したヘッド１１を
実現することができる。また、上記圧電素子３６を他の
ヘッド１２ないし１４に用いてプリンタを構成すれば、
プリンタの印字品質を高めることができる。なお、図示
しないが、２５０℃のキュリー点を有する圧電膜を用い
た場合であっても、上記１２５℃は、その圧電膜の実用
範囲に含まれるため、上記３００℃のキュリー点を有す
るものと、ほぼ同様の安定した変位特性を得ることがで
きる。

【００３４】

【発明の効果】以上記述したように本発明によれば、１
５０°Ｃ付近で使用した場合であっても、安定したイン
クの吐出特性を有するヘッドを実現することができる。
また、そのヘッドを用いることにより、プリンタの印字
品質を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施の形態に係るプリンタの一部機構を
取り出して示す外観斜視図である。

【図２】図１に示すヘッド１１の部分断面説明図であ
る。

【図３】図２に示すヘッド１１の縦断面図である。

【図４】圧電素子３６の構造を示す部分断面説明図であ
る。

【図５】圧電膜４３のサーマルサイクルの耐久試験の結
果を示すグラフである。

【図６】圧電膜４３の電気機械結合係数と冷却（放置）
時間との関係を示すグラフである。

【図７】圧電膜４３の比誘電率と冷却（放置）時間との
関係を示すグラフである。

【図８】圧電膜４３の静電容量Ｃ_fの変化率と冷却時間
との関係を示すグラフである。

【図９】圧電膜４３の圧電定数ｄ₃₁と、冷却時間との関
係を示すグラフである。

【符号の説明】

１０ヘッド３０インク室３３ノズル３６圧電素子４２ヒータ４３圧電膜４４電極膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電材料及びこの圧電材料に電圧を印加
して圧電効果を生じさせる電極からなる圧電素子と、この圧電素子の変位により容積が変化されるとともに、
ノズルから溶融されたインクを吐出するインク室と、このインク室内のインクの溶融状態を保持する加熱手段
と、が備えられたインクジェットヘッドにおいて、前記圧電材料のキュリー温度は、３００°Ｃを超えるも
のであることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】前記加熱手段は、上記インクをインクの
溶融温度より１０℃〜４０℃高い温度に加熱、保持する
ものである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。
【請求項３】前記加熱手段は、インクジェットヘッド
を８０°Ｃ〜１５０℃の範囲内の所定の温度に加熱、保
持するものであることを特徴とする請求項１または２に
記載のインクジェットヘッド。