JPH09234864A - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】構成の複雑化，大型化，コストアップなどを招
くことなく、インク滴の吐出特性が安定したインクジェ
ット記録ヘッドを提供する。 【解決手段】複数の加圧室部５が凹溝として形成された
加圧室ブロック１７と、複数の絞り孔１４により加圧室
部５に連通したインク溜め３および加圧室部に連通する
ノズル孔部６とが共に貫通孔として形成されたプラスチ
ック製のインク供給ブロック１２と、インク溜めの開口
部を覆う蓋部１８とからなり、加圧室ブロックとインク
供給ブロックが互いに高分子接着材により一体に結合さ
れる。また、加圧室ブロックを高剛性素材で構成し、か
つこの加圧室ブロックの表面に金属電極層を介して圧電
素子を直接形成すると好便である。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】この発明は、インクジェットプリ
ンタなどにおいて、圧電バイモルフ構造の圧電素子の電
界誘起歪みを駆動源としてインク流路内のインクをノズ
ルから吐出するインクジェット記録ヘッドに関する。

【従来の技術】従来、微細なノズルからインク滴を吐出
して紙などの記録媒体上に点着させ、情報の記録を行う
印字または印刷方法は、インクジェット記録方式として
知られており、その構成が簡単であるためプリンタやフ
ァックスなどの分野で広く用いられている。インクジェ
ット記録ヘッドには幾つかの方式が提案されているが、
その中で振動板の表面に接着した圧電素子に電界を印加
して圧電素子を伸縮させ（電界誘起歪みという）、この
電界誘起歪みを駆動源としてインク流路内のインクをノ
ズルから吐出させる方式は、ヘッド寿命が半永久的であ
り、かつランニングコストが低いという特徴を有するた
め、今後応用分野の拡大が期待される。図７は従来のイ
ンクジェット記録ヘッドのインク流路の一例を模式化し
て示す平面図、図８は従来のインクジェット記録ヘッド
をインク流路に沿った方向に模式化して示す断面図であ
る。図において、プラスチック成形品からなる基板２は
凹溝として形成されたインク溜め３と、このインク溜め
３から逆流防止用の複数の絞り部４を介して分岐した複
数の加圧室部５と、この加圧室部５それぞれの端末部か
ら基板２を貫通して背面側にノズル孔６Ｈが開口したノ
ズル孔部６とを備え、この基板２に凹溝を覆うよう平板
状の振動板７が気密に接合または接着されることによ
り、絞り部４によりインクの流通方向が規制された複数
条のインク流路が形成される。また、振動板７が剛性の
低いプラスチック材で構成される場合、振動板７の表面
には高剛性の金属板からなる補強板８が貼り合わされ、
この補強板を共通電極として、複数の加圧室部５に対向
する補強板の表面に電気機械変換素子としての直方体状
の圧電素子１の一方の電極（下部電極９Ｌ）が補強板８
に導電接触するよう接着剤層１０によって固定される。
このように構成されたインクジェット記録ヘッドは、圧
電素子１の上部電極９Ｕと共通電極としての補強板８と
の間に例えば方形波の駆動電圧を印加すると、圧電素子
１がその接着面に平行な面方向に伸縮（電界誘起歪み）
する。このとき、圧電素子１は接着剤層１０および補強
板８を介して振動板７に拘束された状態になっているの
で、圧電素子１の面方向の伸縮は補強板８および振動板
７を加圧室部５側に湾曲させる力に変換され、加圧室部
５の容積が瞬間的に減少または増加する。この容積変化
（呼吸作用）を駆動源として、例えば容積の減少時には
その減少分に相当する量のインクがノズル孔部６を介し
てノズル孔６Ｈから吐出され、容積の増加時にはインク
溜め３内のインクを絞り部４を介して加圧室部５に吸入
する。したがって、ノズル孔部６から吐出されたインク
はインク滴となって対向配置された記録紙に点着し、圧
電素子１に印加する駆動電圧の大きさに比例した量のイ
ンク濃度で印字または印刷が行われる。

【発明が解決しようとする課題】インクジェット記録ヘ
ッドにより等しい濃度の印字または印刷を行う為には、
一定の駆動電圧に対して複数のノズルから吐出されるイ
ンク滴の吐出初速度，インク滴量などの吐出特性が揃っ
ていることが求められる。吐出特性を揃えるためには、
まず複数の圧電素子の特性が同一であり、圧電素子の変
位が応答よく加圧室部の呼吸作用に変換されるととも
に、複数のインク流路の流路抵抗が揃っていることが求
められる。ところが、従来のインクジェット記録ヘッド
において絞り部４は、隔壁４Ａによって流路を複数分割
して流路断面積を絞る方式が採られており、かつ隔壁４
Ａの先端が振動板７に接着処理されるため、接着時に接
着面からはみ出した接着材により流路の一部が塞がれ、
複数の絞り部４間で流路断面積に差が生じ易く、絞り部
４の流路抵抗のばらつきが原因でインク滴の吐出特性が
不揃いになるという問題がある。また、圧電素子の変位
を応答よく加圧室部に伝えるために、金属製の補強板８
を貼り合わせて振動板７の剛性を高めるなどの対策が必
要であり、簡素であるべきインクジェット記録ヘッドの
構成の複雑化や加工工数の増加を招くという問題があ
る。さらに、長期間インク吐出特性を安定して保持する
ためには、充分な容積のインク溜め３を必要とするが、
インク溜め３，絞り部４，および加圧室部５が平面的に
直列配置された従来のインクジェット記録ヘッドでは、
インク溜め容積に比例してインクジェット記録ヘッドの
インク流路に沿った方向の寸法が増大するため、これが
原因でインクジェット記録ヘッドが大型化するという問
題がある。また、インク溜め３，絞り部４，加圧室部
５，およびノズル孔部６を基板２側に集中させた従来の
インクジェット記録ヘッドでは、絞り部を含めて基板２
の加工技術が複雑となり、経済的不利益を招くという欠
点もある。この発明の課題は、構成の複雑化，大型化，
加工技術の高度化，コストアップなどを招くことなく、
インク滴の吐出特性が安定したインクジェット記録ヘッ
ドを提供することにある。

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、請求項１に記載の発明は、圧電バイモルフ構造の
圧電素子の電界誘起歪みを駆動源としてインク流路内の
インクをノズルから吐出するインクジェット記録ヘッド
において、表面に圧電素子を備え，この圧電素子に対向
する裏面側に複数条の加圧室部がそれぞれ凹溝として形
成された加圧室ブロックと、複数の絞り孔により前記複
数の加圧室部に連通したインク溜め、および前記複数の
加圧室部それぞれに連通するノズル孔部とが共に貫通孔
として形成されたプラスチック製のインク供給ブロック
と、前記インク溜めの反絞り孔側の開口部を覆う蓋部と
からなり、前記加圧室ブロックとインク供給ブロック、
およびインク供給ブロックと蓋部とを互いに高分子接着
材により一体に結合することとする。請求項２に記載の
発明は、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッドに
おいて、加圧室ブロックが高剛性素材からなり、この加
圧室ブロックの表面に直接形成された金属電極層と、こ
の金属電極層の表面に直接形成された圧電素子とを備え
るよう構成すると好便である。請求項３に記載の発明
は、請求項２に記載のインクジェット記録ヘッドにおい
て、高剛性素材をセラミック材とすると好便である。請
求項４に記載の発明は、請求項２に記載のインクジェッ
ト記録ヘッドにおいて、高剛性素材を金属材とすると好
便である。請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の
インクジェット記録ヘッドにおいて、高剛性素材をカー
ボン材とすると好便である。請求項６に記載の発明は、
請求項２に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、
高剛性素材をシリコンウェハ材とすると好便である。請
求項７に記載の発明は、請求項１に記載のインクジェッ
ト記録ヘッドにおいて、蓋部と一体成形されてインクジ
ェット記録ヘッドを保持するヘッドケースを備えるよう
構成すると好便である。請求項８に記載の発明は、請求
項１に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、イン
ク供給ブロックと一体成形されてインクジェット記録ヘ
ッドを保持するヘッドケースを備えるよう構成すると好
便である。請求項１に記載の発明では、加圧室部を加圧
室ブロック側に、インク溜めおよびノズル孔部をインク
供給ブロックに、それぞれ凹溝または貫通孔として分離
して形成したことにより、その加工技術が容易化される
とともに、インク溜めと加圧室部を互いに重ねて配置で
きるのでインクジェット記録ヘッドの平面寸法が小型化
されると同時にインク溜め容積の拡大が可能になる。ま
た、絞り部を絞り孔に変えたことによりその加工が容易
化されるとともに、絞り孔の位置を加圧室ブロックとイ
ンク供給ブロックの接着面から離すことが可能となり、
絞り孔への余分な接着剤の流れ込みを回避できるので、
これが原因で生ずるインク吐出特性のばらつきが排除さ
れる。請求項２に記載の発明では、加圧室ブロックを高
剛性素材で構成したことにより、凹溝として形成された
加圧室の底部の薄肉の壁が高剛性の振動板として機能す
るので、従来必要とした補強板が不要になり、インクジ
ェット記録ヘッドの構成が簡素化されるとともに、圧電
バイモルフ構造の圧電素子の変形量が加圧室部の容積変
化に応答よく変換され、インク吐出特性が改善される。
また、高剛性素材の持つ高い耐熱性や熱安定性を利用
し、例えば蒸着法，スパッタリング法，焼結法，水熱合
成法，ＭＯＣＶＤ法，などの成膜技術により、加圧室ブ
ロックの表面に直接金属電極および圧電素子を形成する
ことが可能となり、複数の圧電素子間で電界誘起歪みの
ばらつきが小さく、かつ接着層が排除されて圧電素子の
変位が応答よく安定して加圧室部の呼吸作用に変換され
る。ここで、加圧室ブロックの高剛性素材として、請求
項３に記載の発明のように例えばジルコニアなどのセラ
ミック材を用いるか、請求項４に記載の発明のようにニ
ッケルやステンレスなどの金属材を用いるか、請求項５
に記載の発明のようにカーボン材を用いるか、あるいは
請求項６に記載の発明のようにシリコンウェハ材を用い
ることにより、請求項２について記載したと同様の作用
が容易かつ安定して得られる。請求項７に記載の発明で
は、インク溜めの蓋部がヘッドケースと一体成形されて
インク溜めの開口部を気密にシールするとともに、イン
クジェット記録ヘッドを支持するので、インクジェット
記録ヘッドの構成部品点数が削減され、かつその組み立
て工数も低減される。請求項８に記載の発明では、イン
ク供給ブロックがヘッドケースに一体成形されることに
より、インクジェット記録ヘッドの構成部品点数が削減
され、かつその組み立て工数も低減される。

【発明の実施の形態】以下この発明を実施例に基づいて
説明する。なお、従来例と同じ参照符号を付けた部材は
従来例のそれと同じ機能をもつので、その説明を省略す
る。図１は請求項１に記載した発明の一実施例になるイ
ンクジェット記録ヘッドを模式化して示す断面図であ
る。図において、プラスチック成形品からなるインク供
給ブロック１２には、複数の絞り孔１４を有するインク
溜め３と、ノズル孔６Ｈが背面側に開口した複数のノズ
ル孔部６とが共に貫通孔として形成され、インク溜め３
の反絞り孔側の開口部はプラスチック製の蓋部１８をイ
ンク供給ブロック１２に気密に接着することにより封止
される。また、加圧室ブロック１７はプチスチック成形
品からなり、絞り孔１４およびノズル孔部６に対応して
複数条の加圧室部５がそれぞれ凹溝として成形され、加
圧室ブロック１７とインク供給ブロック１２とを高分子
接着剤１０を用いて気密に接着することにより、絞り孔
１４によりインク溜め３から分岐した複数条の加圧室部
５およびノズル孔部６からなるインク流路が形成され
る。この実施例の場合、加圧室ブロック１７の表面には
従来例と同様に、補強板８が接合または接着され、さら
にその表面に予め下部電極９Ｌおよび上部電極９Ｕが形
成された圧電素子１が少量の高分子接着材１０を用いて
接着される。このように構成されたインクジェット記録
ヘッドでは、加圧室部５を加圧室ブロック１７側に、イ
ンク溜め３およびノズル孔部６をインク供給ブロック１
２側に、それぞれ凹溝または貫通孔として分離して形成
し、かつ従来の絞り部を絞り孔１４に置き換えたことに
より、インク供給ブロック１２および加圧室ブロック１
７の成形加工が容易化されるとともに、インク溜めと加
圧室部を互いに重ねて配置できるのでインクジェット記
録ヘッドの平面寸法の小型化、およびインク溜め容積の
拡大が同時に可能になる。また、絞り孔１４の位置を加
圧室ブロック１７とインク供給ブロック１２の接着面か
ら離すことが可能となり、絞り孔への余分な接着剤の流
れ込みを回避できるので、これが原因で生ずるインク吐
出特性のばらつきを排除できる利点が得られる。図２は
請求項２および請求項３に記載した発明の一実施例を模
式化して示す断面図である。この実施例が図１に示す実
施例と異なるところは、加圧室ブロック２７が高剛性素
材としてのセラミック材で構成されるとともに、この加
圧室ブロック２７の表面に直接形成された金属電極層２
２と、この金属電極層２２の表面に直接形成された圧電
素子２１とを備えた点にある。すなわち、セラミック材
としてジルコニア平板を用いた場合、ジルコニア平板の
機械研削あるいはレーザー加工によって加圧室部５を容
易に形成できる。また、ジルコニアペーストの射出成形
や打ち抜きグリーンシートの積層焼結により加圧室部５
を備えた加圧室ブロック２７を製作することも可能であ
り、その加工技術が容易化される。さらに、剛性の高い
ジルコニアからなる加圧室部の壁が振動板として機能す
るので、従来必要とした補強板を用いないでも圧電バイ
モルフ構造の圧電素子の電界誘起歪みを加圧室の容積変
化に効率よく変換するので、インク滴の吐出特性を向上
できる利点が得られる。そして、加圧室ブロック２７の
表面に白金ペーストおよびＰＺＴペーストをスクリーン
印刷した後、全体を１２００°Ｃ程度の高温の鉛蒸気雰
囲気中で加熱してバインダーを焼成除去することによ
り、ジルコニアの高耐熱性を利用して加圧室ブロック２
７の表面に直接焼結された金属電極層としての白金電極
２２およびＰＺＴ圧電素子２１が形成され、圧電素子２
１の電界誘起歪みを加圧室部５の容積変化により効率よ
く変換して、インク滴の吐出特性を向上できる利点が得
られる。図３は請求項４に記載した発明の一実施例を模
式化して示す断面図である。この実施例が図２に示す実
施例と異なるところは、加圧室ブロック３７が高剛性素
材としてのニッケル，ステンレス等，高剛性の金属材で
構成されるとともに、この加圧室ブロック３７の表面に
直接形成された金属電極層３２と、この金属電極層３２
の表面に直接形成された圧電素子３１とを備えた点にあ
る。また、圧電素子３１の形成方法としては水熱合成法
が適している。即ち、例えば加圧室ブロック３７の表面
に金属電極層３２としてＰＺＴの一成分であるチタン薄
膜を形成した後、予め定まる鉛：ジルコニウムのモル比
を有する硝酸鉛水溶液とオキシ塩化ジルコニウム水溶液
の混合液に水酸化カリウム８規定水溶液を加えた混合液
を処理液とし、この処理液中に加圧室ブロック３７を浸
し、１５０°Ｃ前後の密閉雰囲気中で一定時間チタン薄
膜の表面にチタン酸ジルコン酸鉛の核形成を行う核形成
工程と、予め定まる鉛：ジルコニウム：チタンのモル比
を有する硝酸鉛水溶液とオキシ塩化ジルコニウム水溶液
と四塩化チタン水溶液の混合液に水酸化カリウム４規定
水溶液を加えた混合液を処理液とし、この処理液中に核
形成済金属円筒を浸し、１２０°Ｃ前後の密閉雰囲気中
で一定時間チタン酸ジルコン酸鉛の結晶成長を行う結晶
成長工程とを経て圧電素子３１が形成される。また、圧
電体微粉末を加圧室ブロックの表面に吹きつけた後、数
１００°Ｃの雰囲気中でアンニール処理するガスデポジ
ッション法によっても、加圧室ブロック３７の表面に圧
電素子３１を直接形成することができる。一方、請求項
５に記載した発明のように、加圧室ブロックをカーボン
材で形成しようとする場合、まず加圧室ブロックをフェ
ノール樹脂やポリイミド樹脂の成形品として製作し、こ
れを酸素遮断雰囲気中で１５００°Ｃ程度に加熱するこ
とにより、アモルファスカーボン化した加圧室ブロック
が得られる。この場合、金属電極層および圧電素子の形
成方法としては、図２について説明した水熱合成法が適
しており、加圧室ブロックの表面に金属電極層および圧
電素子を直接形成することができる。図４は請求項６に
記載した発明の一実施例を模式化して示す断面図であ
る。この実施例が図２に示す実施例と異なるところは、
加圧室ブロック４７にシリコンウェハ材を用いた点にあ
る。この実施例の場合、加圧室部５はエッチング加工に
よりミクロンオーダの精密加工が可能である。また、金
属電極層４２は蒸着膜，スパッタ膜，あるいはスクリー
ン印刷膜として形成可能である。さらに、圧電素子４１
はＭＯＣＶＤ法やスパッタリング法により形成可能であ
り、この場合圧電素子４１を低電圧で駆動できる利点が
得られる。図５は請求項７に記載した発明の一実施例を
模式化して示す断面図であり、インク供給ブロック１２
に形成されたインク溜め３の開口部を気密にシールする
蓋部８と一体成形されてインクジェット記録ヘッドを保
持するヘッドケース５１を備えており、ヘッドケース５
１を図示しないプリンターの要部に連結することによ
り、インクジェット記録ヘッドが定位置保持されるとと
もに、インクジェット記録ヘッドの部品点数および組み
立て工数を低減できる利点が得られる。図６は請求項８
に記載した発明の一実施例を模式化して示す断面図であ
り、インク供給ブロック１２と一体成形されてインクジ
ェット記録ヘッドを保持するヘッドケース６１を備えて
おり、ヘッドケース６１を図示しないプリンターの要部
に連結することにより、インクジェット記録ヘッドが定
位置保持されるとともに、インクジェット記録ヘッドの
部品点数および組み立て工数を低減できる利点が得られ
る。

【発明の効果】請求項１に記載した発明のインクジェッ
ト記録ヘッドは前述のように、インク溜めおよびノズル
孔部をインク供給ブロック側に、加圧室部を加圧室ブロ
ック側に分離し、絞り孔を介して加圧室部とインク溜め
とを重層配置するよう構成した。その結果、インクジェ
ット記録ヘッドの面方向寸法の小型化を阻害することな
く充分な容量のインク溜めを形成できるとともに、絞り
孔への接着樹脂の垂れ込みが排除されて流路抵抗のばら
つきが排除されるので、加工工数の低減効果と併せてイ
ンク吐出性能を長期間安定して保持できるインクジェッ
ト記録ヘッドを経済的にも有利に提供することができ
る。請求項２に記載した発明のインクジェット記録ヘッ
ドは前述のように、加圧室ブロックに高剛性素材（例え
ば請求項３に記載のセラミック材，請求項４に記載の金
属材，請求項５に記載のカーボン材，請求項６に記載の
シリコンウェハ材）を用いるよう構成した。その結果、
加圧室ブロックが従来の振動板および補強板の機能を兼
ねることによってインクジェット記録ヘッドの構成が簡
素化されるとともに、それぞれの高剛性素材に適した成
膜技術により金属電極層および圧電素子を加圧室ブロッ
クの表面に直接形成できるので、圧電素子間で電界誘起
歪み量のばらつきが少なく、かつ電界誘起歪みを加圧室
部の呼吸作用に効率よく変換でき、したがって優れたイ
ンク吐出性能を有するインクジェット記録ヘッドを提供
することができる。さらに、請求項７に記載の発明のよ
うに、インク溜めの蓋部をヘッドケースと一体成形する
か、あるいは請求項８に記載の発明のように、インク供
給ブロックをヘッドケースと一体成形するよう構成すれ
ば、部品定数を低減できるとともに、インクジェット記
録ヘッドの組み立て工数を低減できる利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に記載した発明の一実施例になるイン
クジェット記録ヘッドを模式化して示す断面図

【図２】請求項２および請求項３に記載した発明の一実
施例を模式化して示す断面図

【図３】請求項４に記載した発明の一実施例を模式化し
て示す断面図

【図４】請求項６に記載した発明の一実施例を模式化し
て示す断面図

【図５】請求項７に記載した発明の一実施例を模式化し
て示す断面図

【図６】請求項８に記載した発明の一実施例を模式化し
て示す断面図

【図７】従来のインクジェット記録ヘッドのインク流路
の一例を模式化して示す平面図

【図８】従来のインクジェット記録ヘッドをインク流路
に沿った方向に模式化して示す断面図

【符号の説明】

１・・・圧電素子、２・・・基板、３・・・インク溜
め、４・・・絞り部、５・・・加圧室部、６・・・ノズ
ル孔部、６Ｈ・・・ノズル孔、７・・・振動板、８・・
・補強板、１０・・・接着剤、１２・・・インク供給ブ
ロック、１４・・・絞り孔、１７・・・加圧室ブロッ
ク、１８・・・蓋部、２１・・・圧電素子、２２・・・
金属電極層、２７・・・加圧室ブロック（セラミック
材）、３１・・・圧電素子、３２・・・金属電極層、３
７・・・加圧室ブロック（金属材）、４１・・・圧電素
子、４２・・・金属電極層、４７・・・加圧室ブロック
（シリコンウェハ材）、５１・・・ヘッドケース、６１
・・・ヘッドケース。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電バイモルフ構造の圧電素子の電界誘起
   歪みを駆動源としてインク流路内のインクをノズルから
   吐出するインクジェット記録ヘッドにおいて、表面に圧
   電素子を備え，この圧電素子に対向する裏面側に複数条
   の加圧室部がそれぞれ凹溝として形成された加圧室ブロ
   ックと、複数の絞り孔により前記複数の加圧室部に連通
   したインク溜め、および前記複数の加圧室部それぞれに
   連通するノズル孔部とが共に貫通孔として形成されたプ
   ラスチック製のインク供給ブロックと、前記インク溜め
   の反絞り孔側の開口部を覆う蓋部とからなり、前記加圧
   室ブロックとインク供給ブロック、およびインク供給ブ
   ロックと蓋部とが互いに高分子接着材により一体に結合
   されてなることを特徴とするインクジェット記録ヘッ
   ド。
2. 【請求項２】請求項１に記載のインクジェット記録ヘッ
   ドにおいて、加圧室ブロックが高剛性素材からなり、こ
   の加圧室ブロックの表面に直接形成された金属電極層
   と、この金属電極層の表面に直接形成された圧電素子と
   を備えたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
3. 【請求項３】請求項２に記載のインクジェット記録ヘッ
   ドにおいて、高剛性素材がセラミック材であることを特
   徴とするインクジェット記録ヘッド。
4. 【請求項４】請求項２に記載のインクジェット記録ヘッ
   ドにおいて、高剛性素材が金属材であることを特徴とす
   るインクジェット記録ヘッド。
5. 【請求項５】請求項２に記載のインクジェット記録ヘッ
   ドにおいて、高剛性素材がカーボン材であることを特徴
   とするインクジェット記録ヘッド。
6. 【請求項６】請求項２に記載のインクジェット記録ヘッ
   ドにおいて、高剛性素材がシリコンウェハ材であること
   を特徴とするインクジェット記録ヘッド。
7. 【請求項７】請求項１に記載のインクジェット記録ヘッ
   ドにおいて、蓋部と一体成形されてインクジェット記録
   ヘッドを保持するヘッドケースを備えたことを特徴とす
   るインクジェット記録ヘッド。
8. 【請求項８】請求項１に記載のインクジェット記録ヘッ
   ドにおいて、インク供給ブロックと一体成形されてイン
   クジェット記録ヘッドを保持するヘッドケースを備えた
   ことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。