JPH10202862A - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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である圧電部材へのインク浸透
を防止する。 【解決手段】 本発明にかかるインクジェット記録ヘッ
ド１０は、インクキャビティ２６と、このインクキャビ
ティ２６に収容されたインク２４を電圧印加時の変形に
基づき加圧する圧電部材４２とを備え、上記インクキャ
ビティ２６に臨む圧電部材４２の表面を厚みが約３〜５
０μｍの金属層４０で被覆してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像信号に応じて
インク滴を吐出し、このインク滴を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
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、インクジェット方式の記録装
置において、インク滴を吐出させるためのアクチュエー
タに圧電部材を用いたインクジェットヘッドが知られて
いる。この種のインクジェットヘッドの一例として、米
国特許第５，２７０，７４０号に図１１に示すヘッド１
００が開示されている。このヘッド１００は流路プレー
ト１０２を備えている。流路プレート１０２には互いに
平行に延びる複数の溝状インクキャビティ１０４と、各
インクキャビティ１０４にそれぞれ連通し、インク滴吐
出口となるノズル１０６が形成されている。

【０００３】上記流路プレート１０２のインクキャビテ
ィ形成面には、圧電プレート１０８が固定されている。
この圧電プレート１０８には各インクキャビティ１０４
に沿って延びる二つの長溝１１０がそれぞれ形成されて
おり、これらの長溝１１０の間に残された部分が、イン
クキャビティ１０４に対向するアクチュエータ部１１２
となっている。また、隣接するアクチュータ部１１２の
間には、上記溝１１０に挟まれた壁部１１６が形成され
ており、その先端面が各インクキャビティ１０４間を仕
切る仕切壁１１４に固定されている。そして、上記各長
溝１１０には充填材１１８が充填されている。

【０００４】上記構成からなるインクジェットヘッド１
００では、画像信号に応じてアクチュエータ部１１２に
電圧を印加すると、アクチュエータ部１１２が矢印Ａ方
向に瞬時に変形する。この変形によってインクキャビテ
ィ１０４に収容されたインクが加圧され、ノズル１０６
からインク滴となって吐出するようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記アクチュエータ部
１１２への駆動電圧は、通常、インクキャビティ１０４
に臨む先端面１２０に設けた金属電極層と、この電極と
対をなす電極であってアクチュエータ部１１２の内部ま
たは圧電プレート１０８の底部に設けた金属電極層との
間に印加される。

【０００６】しかし、インクに接触する電極層を介して
インクが圧電部材に浸透するという問題があった。特
に、金属層の厚みが十分でなく、インクキャビティ１０
４に臨むアクチュエータ部１１２の先端面１２０の表面
粗さがそこに形成された金属電極層の厚みよりも大きい
場合には、アクチュエータ部１１２が金属電極層によっ
て完全に覆われていないため露出した部分がインクと直
に接触することになる。上記アクチュエータ部１１２を
構成する圧電材料は多結晶構造を有しており、その粒界
が高周期の電圧印加により伸縮変形することで粒子間に
ごく僅かな隙間ができる。この隙間に上記露出部分から
染み込んだインクが浸透することによりアクチュエータ
部１１２が低抵抗化し、そのために実効駆動電圧がかか
らなくなって変形量が低下するという問題があった。さ
らに、インクが導電性を有する場合には、アクチュエー
タ部１１２へのインク浸透によって電極間がショートす
ることもあった。このようなアクチュエータ部１１２の
変形量の低下や電極間のショートは安定したインク飛翔
を阻害し、画質の低下やヘッドの短寿命化を招来するこ
とになる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明のインク
ジェット記録ヘッドは、これらの問題を解消すべくなさ
れたもので、インクキャビティと、このインクキャビテ
ィに収容されたインクを電圧印加時の変形に基づき加圧
する圧電部材とを備え、上記インクキャビティに臨む圧
電部材の表面を厚みが３〜５０μｍの金属層で被覆した
ものである。

【０００８】また、上記金属層を圧電部材に電圧を印加
するための電極として使用してもよい。

【０００９】さらに、上記圧電部材のインク加圧方向に
沿った側面とこれに対向する壁部材との間に充填材を充
填するのが好ましい。

【００１０】

【発明の作用および効果】本発明のインクジェット記録
ヘッドでは、圧電部材のインクキャビティに臨む表面が
３〜５０μｍの厚みの金属層で被覆されている。この厚
みの金属層は、圧電部材の表面を完全に覆うことがで
き、かつ電圧印加時の圧電部材の変形を妨げることもな
い。したがって、圧電部材へのインク浸透を防止できる
とともに、インク滴吐出効率を低下させることもない。
よって、本発明によれば、インク浸透による変形量の低
下や電極間のショートといった問題を解消できる。これ
により、インク滴の大きさや飛翔方向のばらつきがなく
なり、安定した画質を得ることができ、ヘッドの寿命を
延ばすことができる。

【００１１】また、上記金属層を圧電部材に電圧を印加
するための電極として兼用すれば、電極を別に設ける場
合に比べてコストが安くなる。

【００１２】さらに、上記圧電部材のインク加圧方向に
沿った側面とこれに対向する壁部材との間に充填材を充
填すれば、その側面からの圧電部材へのインク浸透をよ
り確実に防止できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）以下、添付図面を参照して本発明の
第１の実施形態について説明する。図１から図３は、第
１の実施形態のインクジェット記録ヘッド１０を示す。
このヘッド１０は、天板１６、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。

【００１４】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
成面には振動板２０が各凹部を覆って接着されている。
この振動板２０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３０に連通させるインクインレッ
ト３２とが形成されている。

【００１５】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、図示しないインクタンクに接続されて
いる。

【００１６】振動板２０は圧電板１４とこの圧電板１４
の天板１６側に被覆形成された保護層１２とで構成さ
れ、天板１６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。圧電板１４は周知の圧電材料（例え
ば、ジルコン酸チタン酸鉛）からなり、基板１６側の面
には導電性電極層（図示せず）が設けてある。また、保
護層１２は、例えば、ニッケル、銅、金、クロム、アル
ミ、白金等の周知の金属材料からなり、メッキ法、スパ
ッタリング法、イオンプレーティング法等の方法で形成
される。このように構成される振動板２０は、基板２２
に固定された後、図２，３に示すように、ダイシング加
工で縦方向溝５８と横方向溝６０を格子状に形成して分
断することにより、各インクキャビティ２６に対向して
配置され、インクキャビティ２６に臨む面が金属層４０
で被覆された圧電部材４２と、隣接する圧電部材４２の
間に位置する仕切壁（壁部材）４４と、これらを囲む周
囲壁（壁部材）４６とに分離されている。

【００１７】各圧電部材４２は、高温下で上下の金属層
４０と導電性電極層との間に高電圧を印加して分極処理
されている。また、各圧電部材４２の金属層４０は、イ
ンク浸透を防止する保護層であるとともに電極層も兼ね
ており、各圧電部材４２下部の導電性電極層とともに画
像信号制御回路（図示せず）にそれぞれ接続されてい
る。この画像信号制御回路によって金属層４０と導電性
電極層との間に電圧が印加されると、各圧電部材４２は
インクキャビティ２６に向かう方向（矢印Ａ方向）に瞬
時に変形し、金属層４０を介してインクキャビティ２６
内のインクを加圧するようになっている。

【００１８】圧電部材４２を覆う金属層４０の厚さは約
３〜５０μｍの範囲とする。３μｍより薄いと圧電部材
４２の表面粗さより小さくなってその表面を完全に覆う
ことができなくなるなどの理由により、そのために露出
した部分からインクが染み込む危険性がある。他方、５
０μｍを越えると圧電部材４２の変形を阻害してインク
飛翔に支障を来すためである。

【００１９】上記インク加圧方向（矢印Ａ方向）に沿う
圧電部材４２の側面とこれに対向する仕切壁（壁部材）
４４および周囲壁（壁部材）４６との間、すなわち上記
縦，横方向溝５８，６０には、充填材６２が保護部材４
０の面位置まで充填されている。充填材６２には、例え
ば接着剤が好適に用いられるが、これに限定されるもの
ではない。例えば、ウレタン系、エポキシ系、塩化ビニ
リデン、シリコーン系、アクリレート系、グラフト化シ
リコーン系等の接着剤を用いることができる。具体的に
は、クレハロンラテックスシリーズ（呉羽化学社製）、
タケラックＸＡ−３２００（武田薬品工業社製）、エイ
ブルボンドシリーズ（ＡＢＬＥＳＴＩＫ社製）、プレー
ンセットＡＥ−４０（味の素社製）、シリコーン接着剤
（東レ・ダウコーニングシリコーン社製）、塩化ビニリ
デン接着剤ＤＸ−３０５、アロニックスＵＶ−３６３
０、サイマックＵＳシリーズ（東亜合成社製）、ＵＶエ
ポキシ接着剤（長瀬チバガイギー社製）等を用いること
ができる。また、その充填方法としては溝加工後に振動
板２０の上部に充填材を塗布してブレード等で押し込む
か、または、ヘッド１０の組立後にヘッド側部から充填
材を注入して毛管現象により各溝５８，６０に充填する
等の方法がある。

【００２０】上記構成からなるインクジェット記録ヘッ
ド１０では、インクタンクからインク供給室３０に供給
されたインクがインクインレット３２を介して各インク
キャビティ２６に収容されている。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、金属層４０を介してインク
キャビティ２６内のインクを加圧する。これにより、加
圧されたインクがノズル２８からインク滴となって吐出
し、このインク滴が記録媒体に付着して画像が形成され
る。

【００２１】このように本実施形態のインクジェット記
録ヘッド１０では、圧電部材４２のインクキャビティ２
６に臨む表面が所定厚みの金属層４０によって完全に覆
われており、その側面は充填材６２で覆われているた
め、圧電部材４２へのインク浸透を防止できる。また、
上記金属層４０は圧電部材４２の変形を阻害しない程度
の厚みにしてあるため、インク吐出効率を低下させるこ
ともない。したがって、上記インクジェット記録ヘッド
１０によれば、安定した画質を維持できるとともに、ヘ
ッド寿命を延ばすことができる。

【００２２】また、上記金属層４０を圧電部材４２に電
圧を印加するための電極層として兼用しているので、電
極を別に設ける場合に比べてコストが安くなる。

【００２３】ここで、本実施形態における金属層を設け
た圧電部材と、コーティングを施していない圧電部材と
について、インク中で２５Ｖ、４ｋＨｚ、５０μｓｅｃ
のパルス電圧を継続して印加したときの抵抗値Ｒの変化
を調べる比較実験を行った。金属層は厚み２、５、およ
び２０μｍのニッケルめっきとした。また、インクには
大日本インキ化学工業社製ＭＡＴ−１００１、抵抗値Ｒ
の測定にはヒューレットパッカード社製インピーダンス
メータ（ＨＰ４１９２Ａ、測定電圧１．５Ｖ、１ｋＨ
ｚ）を用いた。その結果を図４のグラフに示す。このグ
ラフから明らかなように、コーティングしない圧電部材
はインクに入れた直後に、また、２μｍのニッケルめっ
きを施した圧電部材はインク中で電圧印加して１０００
時間経過したときには、共にインク浸透によりインク滴
が飛翔しない程度にまで抵抗値が低下した。これに対
し、２０μｍのニッケルめっきを施した圧電部材では抵
抗値がほぼ一定であり、圧電部材へのインク浸透が防止
されていることが分かる。また、５μｍのニッケルめっ
きを施したものにおいても、抵抗値の減少割合が小さ
く、１０００時間後も抵抗値がインク滴飛翔可能な範囲
内にあった。

【００２４】（第２の実施形態）次に、第２の実施形態
のインクジェット記録ヘッド７０について説明するが、
特記する事項以外は上記第１の実施形態と共通するため
説明を省略する。

【００２５】本実施形態のインクジェット記録ヘッド７
０は、図５に示すように、インクキャビティ２６となる
複数の溝を形成した天板１６を備えている。各インクキ
ャビティ２６には、上面と下面にそれぞれ電極層を設け
た圧電部材４２が金属層４０を介して対向している。各
インクキャビティ２６にそれぞれ連通するインクインレ
ット３２が天板１６の上部に形成され、これらを覆って
インクサブタンク７２が固定してある。これにより、イ
ンクサブタンク７２内のインクがインクインレット３２
を介して各インクキャビティ２６に収容される。

【００２６】ノズル２８は天板１６の側壁部７４に形成
され、この側壁部７４と圧電部材４２のインク加圧方向
（矢印Ａ方向）に沿う前側面７６との間にも充填材６２
が充填されている。圧電部材４２の後端部７８は天板１
６の後壁部８０を介して突出しており、その突出部上面
の電極層（この場合、個別電極として機能する）がフレ
キシブル配線８２によって画像信号制御回路に接続され
ている。一方、圧電部材４２の下部は、インクキャビテ
ィ２６に対応する領域が導電性接着層８４で、それ以外
の後部領域が非導電性接着層８６で基板２２に固定され
ている。各圧電部材４２の下面の電極層（この場合、共
通電極として機能する）は、上記導電性接着層８４およ
び基板２２上の溝８８に充填された導電性接着剤を介し
てアースに接続されている。これにより、画像信号制御
回路から圧電部材４２に電圧が印加されると、圧電部材
４２のインクキャビティ２６に対応する領域だけが変形
し、金属層４０を介してインクキャビティ２６内のイン
クを加圧するようになっている。

【００２７】図６は図５におけるVI−VI線断面の部分拡
大図である。図６に示すように、本実施形態ではインク
キャビティ２６を仕切る仕切壁９０が隣接する圧電部材
４２間に延びており、その先端面が基板２２に接着固定
されている。また、圧電部材４２のインク加圧方向（矢
印Ａ方向）に沿う側面と仕切壁９０との間には充填材６
２がそれぞれ充填されている。

【００２８】上記構成からなるインクジェット記録ヘッ
ド７０においても、金属層４０および充填材６２によっ
て圧電部材４２へのインク浸透が防止されるので、第１
の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、金
属層４０として厚みがそれぞれ２０，５５μｍのニッケ
ルめっきを施した圧電部材４２を用いて実験を行ったと
ころ、厚み２０μｍのニッケルめっきを施したものでは
インクが飛翔したのに対して、厚み５５μｍのものでは
変形量不足によりインク滴が飛翔しないことが確認され
た。一方、上記インクジェット記録ヘッド７０では、第
１の実施形態とは異なり圧電部材４２間に位置する仕切
壁４４（図３参照）が存在しないので、圧電部材４２を
分割形成する際の溝加工が容易となり、圧電部材４２を
高密度に配置するうえで有利となる。なお、本実施形態
においても圧電部材４２と金属層４０の間に電極層を設
けることなく、金属層４０を電極として兼用してもよ
い。

【００２９】以上に説明した実施形態では、圧電部材４
２として単層タイプのものを用いたが、圧電層と内部電
極層とを交互に積層してなる積層型圧電部材を用いても
よい。

【００３０】（その他の実施形態）本発明は、上述した
第１，第２の実施形態のような直方体形状の圧電部材４
２に限らず、各種形状の圧電部材を備えたインクジェッ
ト記録ヘッドに適用できる。例えば、図７，８に示すイ
ンクジェット記録ヘッド２１０では、圧電部材４２が円
筒状に形成されており、その内部空間がインク２４を収
容したインクキャビティ２６となっている。この場合に
は、圧電部材４２の内周面を電極層を兼ねた金属層４０
で被覆して圧電部材４２へのインク浸透を防止する。ま
た、図９，１０に示すインクジェット記録ヘッド３１０
では、断面ブラケット状に形成された圧電部材４２が基
板２２に固定されており、基板２２によって一壁が形成
された圧電部材４２の内部空間がインク２４を収容する
インクキャビティ２６となっている。この場合には、イ
ンクキャビティ２６の三方の壁面を形成する圧電部材４
２の内壁面を電極層を兼ねた金属層４０で被覆して、圧
電部材４２へのインク浸透を防止する。なお、これらの
変形例では金属層４０だけで圧電部材４２へのインク浸
透が防止されるので、充填材６２は不要となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の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】 インク中における圧電部材の抵抗値の変化を
調べた比較実験の結果を示すグラフである。

【図５】 第２の実施形態のインクジェット記録ヘッド
を示す断面図である。

【図６】 図５のVI−VI線断面における部分拡大図であ
る。

【図７】 別の実施形態のインクジェット記録ヘッドの
断面図である。

【図８】 図７におけるVIII−VIII線断面図である。

【図９】 さらに別の実施形態のインクジェット記録ヘ
ッドを示す断面図である。

【図１０】 図９におけるX−X線断面図である。

【図１１】 従来のインクジェット記録ヘッドの一例を
示す部分断面図である。

【符号の説明】

１０…インクジェット記録ヘッド、２６…インクキャビ
ティ、４０…金属層、４２…圧電部材、４４…仕切壁
（壁部材）、４６…周囲壁（壁部材）、６２…充填材。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクキャビティと、このインクキャビ
   ティに収容されたインクを電圧印加時の変形に基づき加
   圧する圧電部材とを備え、上記インクキャビティに臨む
   圧電部材の表面を厚みが３〜５０μｍの金属層で被覆し
   た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】 上記金属層が圧電部材に電圧を印加する
   ための電極を兼ねていることを特徴とする請求項１に記
   載のインクジェット記録ヘッド。
3. 【請求項３】 上記圧電部材のインク加圧方向に沿った
   側面とこれに対向する壁部材との間に充填材を充填した
   ことを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録
   ヘッド。