JPH10193623A - インクジェット記録ヘッド用圧電部材の分極方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インクジェット記録ヘッドにおいて、圧電部
材が加工時および接着剤硬化用の加熱時に熱履歴を受け
ることによって分極状態が一部消滅するのを回避する。 【解決手段】 分極処理された圧電部材４２をインク滴
吐出用アクチュエータとして用いたインクジェット記録
ヘッド１０において、上記ヘッドの組立に際し、圧電部
材の分極状態に悪影響を及ぼす処理を終了した後に上記
圧電部材４２に分極処理を施すようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像信号に応じて
ノズルからインク滴を吐出し、記録紙等の記録媒体に付
着させて画像を記録するインクジェット記録ヘッドにお
いて、インク滴吐出用アクチュエータとして用いる圧電
部材の分極方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、インクジェット記録ヘッドに
インク滴吐出用アクチュエータとして圧電部材を用いた
ものが知られている。この種のインクジェット記録ヘッ
ドは、通常、複数の部材を接着することにより一体的に
構成され、インクを収容した複数のインクキャビティ
と、各インクキャビティに対応して配置された複数の圧
電部材を備えている。そして、各圧電部材に画像信号に
応じて選択的に駆動電圧を印加すると、圧電部材が変形
してインクキャビティ内のインクを加圧し、インクキャ
ビティに連通するノズルからインク滴が吐出されるよう
になっている。

【０００３】上記圧電部材は、印加される電圧に応答し
て変形するように、通常、予め分極処理が施されてい
る。分極処理は、通常、圧電部材を高温に加熱しながら
高電圧を印加することにより内部の電気双極子を一方向
に揃えることによって行われる。

【０００４】ところで、インクジェット記録ヘッドから
は、通常、微小なインク滴を吐出させて画像形成を行う
ため、上記圧電部材のサイズはかなり小さい。したがっ
て、各圧電部材をヘッド内部に正確に配置するのは容易
ではない。そこで、平板状の圧電板を支持部材上に固定
した後、ダイシングソー等で切断あるいは溝形成などの
加工を施して、上記複数の圧電部材を形成する方法が提
案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ダイシ
ングソー等の工具による加工の際、各圧電部材は工具と
の摩擦によりかなりの高温となり、いわば加熱された状
態となる。このような加工時の加熱によって圧電部材の
分極状態が影響を受け、分極が一部消滅するという問題
があった。

【０００６】このように分極が一部消滅した圧電部材は
駆動電圧に対する変形量が低下するため、必要変形量を
得るには駆動電圧を上げる必要がある。ところが、駆動
電圧を上げると、比較的高価な高圧用電源およびアンプ
等が必要となる、電圧の立ち上がりに時間がかかるため
にインク滴の飛翔速度が低下して飛翔方向性が不安定に
なる、駆動電圧が圧電部材を構成する圧電材料の最大使
用電圧に近くなるため繰り返し電圧印加することにより
分極状態の劣化が加速する等の弊害が生じることにな
る。

【０００７】また、上記のような加工時の加熱以外に
も、例えば、圧電部材を支持基板上に固定する際、ある
いは、ヘッドを構成する各部材を互いに接着固定する際
に、熱硬化性接着剤を用いた場合、接着剤の硬化のため
に加熱が必要となり、圧電部材が高温に曝される恐れが
ある。このように、ヘッド組立の各工程の中の特定のも
のが圧電部材の分極状態に影響を及ぼし、圧電部材の良
好な駆動を阻害するという問題があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明にかかる
インクジェット記録ヘッド用圧電部材の分極方法は上記
問題点を解消すべくなされたもので、分極処理された圧
電部材をインク滴吐出用アクチュエータとして用いたイ
ンクジェット記録ヘッドにおいて、該ヘッドの組立に際
し、圧電部材の分極状態に影響を及ぼす処理を終了した
後に上記圧電部材に分極処理を施すものである。

【０００９】

【発明の効果】本発明にかかるインクジェット記録ヘッ
ドの圧電部材の分極方法によれば、圧電部材の分極状態
に影響を及ぼす処理（例えば、分極を一部消滅させるよ
うな加熱）を終了した後に圧電部材に分極処理を施すた
め、最適な状態に分極処理された圧電部材を得ることが
できる。これにより、圧電部材について適正な駆動電圧
で必要変形量が得られるので、比較的安価な電源および
アンプ等を使用できるとともに、インク滴の飛翔速度や
方向性を安定させることができ、しかもヘッドの寿命を
延ばすことができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態について説明する。図１から図３は、本発
明を適用した一実施形態のインクジェット記録ヘッド１
０を示す。このヘッド１０は、天板１６、隔壁１８、振
動板２０、および基板２２を一体的に組み合わせて構成
されている。

【００１１】天板１６は、金属、合成樹脂、またはセラ
ミック等からなり、その裏面をフォトリソグラフィ等の
方法で微細加工して、その中央線３４に関して対称に複
数の溝状凹部が形成されている。この天板１６の凹部形
成面には、金属や合成樹脂等の薄膜からなる隔壁１８が
各凹部を覆って接着されている。この隔壁１８で覆われ
た各凹部の内部にそれぞれ、インク２４を収容するイン
クキャビティ２６と、補給用インクを収容するインク供
給室３０と、各インクキャビティ２６をインク供給室３
０に連通させるインクインレット３２とが形成されてい
る。

【００１２】インクキャビティ２６は、中央線３４と直
交する方向に平行に延びる長溝状であって、中央線３４
に沿う方向に配列されている。また、天板１６にはエキ
シマレーザ加工等の方法により複数のノズル２８が形成
されている。ノズル２８は中央線３４に沿う直線上に等
ピッチで形成され、各インクキャビティ２６の中央線３
４側の端部近傍にそれぞれ連通している。インク供給室
３０は、インクキャビティ２６を挟んで中央線３４の反
対側に形成されている。

【００１３】振動板２０は周知の圧電材料からなり、隔
壁１８とセラミック等からなる基板２２との間に固定さ
れている。また、振動板２０は、基板２２上に接着固定
された状態でダイシング加工により縦方向溝５８と横方
向溝６０を形成して分断し、各インクキャビティ２６に
対応する圧電部材４２と、隣接する圧電部材４２の間に
位置する仕切壁４４と、これらを囲む周囲壁４６とに分
離されている。上記圧電部材４２が、後述するように電
圧印加時の変形に基づきノズル２８からインク滴を吐出
させるアクチュエータとして機能する。

【００１４】図４は、図２における圧電部材４２の拡大
断面を示す。圧電部材４２は複数の圧電薄層を積層して
なる積層型圧電部材であり、各圧電薄層の間に導電性金
属層からなる共通電極４８および個別電極５０が両端部
から交互に延びている。圧電部材４２の両端部には、溝
加工後にスパッタリングや導電性接着剤などで形成され
た外部電極５２，５４が形成されており、各共通電極４
８が外部電極５２に、各個別電極５０が外部電極５４に
それぞれ導通している。

【００１５】次に、上記構成を有するヘッド１０の組立
と圧電部材４２の分極処理について説明する。まず、基
板２２上に未分極圧電板を接着し、上述したようにダイ
シングソーで溝加工を施して圧電部材４２を形成する。
その加工の際、各圧電部材４２はダイシングソーとの摩
擦によりかなりの高温となり、一種の加熱状態となる。
その後、圧電部材４２や仕切壁４４等からなる振動板２
０の上部に接着剤を塗布し、その上に天板１６と隔壁１
８を予め接着したものを、各圧電部材４２が隔壁１８を
介してインクキャビティ２６にそれぞれ対向するように
位置合わせして接着する。各部材の接着に熱硬化性接着
剤を用いた場合には、接着剤を硬化させるためにその都
度加熱するか、あるいはヘッド１０の組み立て終了後に
一括して加熱する（例えば、１００〜１７０℃で３０〜
１２０分間加熱する）。

【００１６】上記のようにヘッド１０の組立に際し、圧
電部材４２の分極処理に悪影響を及ぼす加工や加熱等の
処理を終了した後に、各圧電部材４２に分極処理を施
す。その手順は、まず、各圧電部材４２の共通電極４８
と個別電極５０を、直流電源（図示せず）のマイナス
側、プラス側にそれぞれ接続する。この接続方法として
は、例えば図４に示すように、各共通電極４８に導通す
る外部電極５２の上部を導電性の隔壁１８を介して直流
電源のマイナス側端子に一括して接続する。 一方、各
個別電極５０については外部電極５４の下部を各圧電部
材４２に対応して基板２２上に形成されたパターン配線
５６に導通させ、この配線５６をヘッド１０の側部まで
それぞれ引き出し、そこからリード線を介して直流電源
のプラス側端子に接続する。

【００１７】そして、ヘッド１０をオーブンに入れて所
定温度に加熱するとともに、直流電源により各圧電部材
４２に所定値の直流電圧を印加し、この状態を所定時間
継続して分極処理する。下記の表１に、良好な分極処理
状態が得られた加熱温度、電圧値、および電圧印加時間
の具体例を示す。なお、この具体例の数値は、一層の厚
みが３５μｍの圧電薄層を２０層積層した圧電部材の分
極処理に用いた条件である。

【００１８】

【表１】 加熱温度 電圧値 電圧印加時間 具体例１ １５０℃ ７５Ｖ １５分 具体例２ １４０℃ ８０Ｖ １０分 具体例３ １６０℃ ７０Ｖ １０分

【００１９】また、上述の分極処理は大気中で行ってい
るが、圧電部材４２の周囲に高沸点絶縁性溶液を満たし
た状態で分極処理を行ってもよい。この場合には、電源
に接続されたリード線との結線部におけるリークの発生
が防止され、圧電部材の分極にムラが生じるのを防止す
ることができる。これにより、高圧の直流電圧印加によ
る電極の破損を少なくできる。具体的には、絶縁オイル
を収容したオイルバスにヘッド１０を浸して圧電部材４
２の周囲の溝５８，６０にオイルを満たす。そして、こ
のオイルを所定温度に保持しつつ圧電部材４２に直流電
圧を所定時間印加して分極処理する。下記の表２は、絶
縁オイル中で分極処理を行った場合に良好な分極状態が
得られたオイル温度、電圧値、および電圧印加時間の具
体例を示したものである。この具体例では、上記表１の
場合と同様に一層の厚みが３５μｍの圧電薄層を２０層
積層した圧電部材を使用した。また、絶縁オイルにはジ
メチルシリコーンオイル（ＳＨ２００）を用いたが、こ
れ以外のシリコーンオイルを用いてもよいし、アイソパ
ーシリーズ（エッソ社製）、灯油等の飽和炭化水素系オ
イルを用いてもよい。なお、分極処理終了後にオイル中
から取り出したヘッド１０はアルコール等の溶剤で洗浄
すればよい。

【００２０】

【表２】 オイル温度 電圧値 電圧印加時間 具体例１ １４５℃ ７５Ｖ １０分 具体例２ １５５℃ ７５Ｖ １２分 具体例３ １５０℃ ８０Ｖ １５分

【００２１】上記のようにして圧電部材４２の分極処理
を行った後、ヘッド１０のインク供給室３０を図示しな
いインクタンクに接続するとともに、共通電極５０に導
通する外部電極５２を接地し、さらに、各圧電部材４２
に対応するパターン配線５６を図示しない画像信号制御
回路に接続する。インクタンクからインク供給室３０に
供給されたインクは、インクインレット３２を介して各
インクキャビティ２６に収容される。この状態で、圧電
部材４２に像信号制御回路から駆動電圧が印加される
と、圧電部材４２が瞬時に変形して隔壁１８をインクキ
ャビティ２６に向かって押し込む。これにより加圧され
たインクキャビティ２６内のインクがノズル２８からイ
ンク滴となって吐出し、記録媒体に付着して画像が形成
される。

【００２２】以上に説明したように、本実施形態の圧電
部材４２の分極方法によれば、圧電板からの加工や接着
剤を硬化させる際の加熱等の圧電部材の分極状態に悪影
響を及ぼす処理を終了した後に圧電部材４２に分極処理
を施している。そのため、予め分極処理した圧電板から
圧電部材４２を加工し、接着剤を硬化させるために加熱
してヘッドを組み立てる場合のように、加工時や接着剤
硬化時の加熱によって圧電部材の分極が消滅することが
ない。したがって、圧電部材４２を圧電特性を十分に発
揮できる最適な分極状態にすることができる。これによ
り、圧電部材４２について適正な駆動電圧で必要変形量
が得られるので、比較的安価な電源およびアンプ等を使
用でき、インク滴飛翔の速度や方向性を安定させること
ができ、しかもヘッドの寿命を延ばすことができる。

【００２３】なお、上記ヘッド１０を構成する各部材の
接着に熱硬化性接着剤以外の接着剤を用いた場合には、
接着剤を硬化させるための加熱が不要になるので、圧電
板から圧電部材を分割する加工工程のつぎに分極処理を
行ってもよい。また、本実施形態では未分極の圧電板か
ら圧電部材４２を加工するようにしたが、予め分極処理
を施した圧電板から圧電部材を加工し、この加工やその
後の加熱によって一部消滅した分極状態を回復させるた
めに、ヘッド組立後に再度分極処理を行ってもよい。

【００２４】また、本実施形態では積層型の圧電部材４
２を使用したが、上下面のみに電極を設けた単層の圧電
部材を用いてもよい。さらに、本発明は、隔壁を設ける
ことなく圧電部材をインクキャビティに直接臨ませたタ
イプのインクジェット記録ヘッドにも適用できるが、こ
の場合には直に接触するインクが圧電部材に浸透して変
形能力を低下させるのを防止するため、圧電部材の表面
に皮膜を形成するのが好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの記
録媒体対向面を部分的に示す正面図である。

【図２】 図１におけるII−II線部分断面図である。

【図３】 図２におけるIII−III線部分断面図である。

【図４】 図２における圧電部材の拡大断面図である。

【符号の説明】

１０…インクジェット記録ヘッド、１６…天板、１８…
隔壁、２２…基板、２６…インクキャビティ、２８…ノ
ズル、４２…圧電部材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 分極処理された圧電部材をインク滴吐出
   用アクチュエータとして用いたインクジェット記録ヘッ
   ドにおいて、 該ヘッドの組立に際し、圧電部材の分極状態に影響を及
   ぼす処理を終了した後に上記圧電部材に分極処理を施す
   ことを特徴とするインクジェット記録ヘッド用圧電部材
   の分極方法。