JPS6399954A - インクジェット記録ヘッドにおけるプレートの接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は、圧電体プレートとガラスの接合方法に関す
るものであシ、とくに微細精密品の接合方法として効果
を発揮するものである。

〔従来技術とその問題点〕

ＰｂＯ，ＺｒＯ＊、ＴｉＯｓなどｔ主要なＭ料として成
形・焼成の工程を経て製造される圧電セラミック材料は
、最近その応用が多岐にわたってきている。これを伴な
い圧電セラミック材料単体ではなく、他の部材と接着あ
るいは接合した複合構造体として使用される例が多くな
りつつある。

現状において、圧電セラミック同士および圧電セラミッ
クと異種材料（例えば金属、セラミック。

ガラスなど）の接合方法として試みられているものは以
下の通シである。

（１）有機系あるいは無機系接着剤を用いる方法（２）
ハンダ、ろう材を用いて接合する方法（３）半田ガラス
などの低融点酸化物ソルダーを用いて接合する方法 上記の方法はそれぞれ特徴をもっているので、それを活
かした用途に適用されている。しかしながら、圧電セラ
ミック材料を用いた超精密機構部品の接合方法としては
種々の問題点を有している。

例えばインクジェット記録ヘッドには第１図に示す構成
のものがある。

第１図の（Ａ）はインクジェット記録ヘッドの横断面図
、同図（Ｂ）はその縦断面図である。これらの図におい
て、１は圧電セラミックから成る一枚の平板状に成形さ
れた圧電体プレートである。この圧電体プレートには第
２図に詳細に示すようにインクキャビティ溝２およびこ
のインクキャビティ溝２に連通ずるインク供給路溝３お
よびインクノズルζ４４が複数列形成されている。イン
クキャビティ溝２は２つの深溝部５，６および両深溝部
５．６間に設けられた浅溝部７からなる。

さら忙第１図において、８は圧電体プレート１のインク
キャビティ溝およびインクノズル溝が形成された面に接
着または接合されたガラスからなるカバープレートであ
る。しかし、圧電体プレート１とカバープレート８との
間ではインクキャビティ溝２からインクキャビティ２人
が、インクノズル溝４からインクノズル４Ａがインク供
給路溝３からインク供給路３Ａがそれぞれ形成されてい
る。そして、インクキャビティ２人においては浅溝部７
を形成する圧電体膨出部９に電圧印加用電極１０がそれ
ぞれ設けられ、その電極１０に対応する圧電体プレート
１の下面に電極１１がそれぞれ設けられている。

上記のように構成されたインクジェット記録ヘッドにお
いて、電極１０．１１間に電圧を印加すると、両電極１
０．１１間の圧電体が膨張して、インクキャビティ２人
内の体積を減少させ、その結果インクキャビティ２人内
のインクが当該インクキャビティ２人に連通するインク
ノズル４Ａから液滴状に噴射され、図示していない記録
担体上にもたらされる。第１図ないし第２図に示した実
施例においては、第３図に詳細に示すように、ノズル４
Ａの大きさは４０μｍ×４０μｍ、ノズル４Ａ、４Ａの
間隔Ｃはたとえば１ｍｍに形成されている。さらに圧電
体プレートの厚さＬはＱ、　５　ｍｍ。

インクキャビティ２人の＠Ｂｏは０．７　ｍｍ、浅溝部
７つまり圧電体膨出部９の幅ＢｌはＱ、６ｍｍそして深
溝部５，６のｌ［Ｂ２は５０μｍに形成されている。

かかる微細で精密な構成においては、圧電体プレート１
とカバープレート８の接合が重要な要素技術となる。例
えば、前記の有機系接着剤を用いる場合は低温で接合で
きる利点を有するが、接着剤がノズル４Ａに侵入してイ
ンクノズルの詰まりが発生しやすいこと、さらにインク
中に金波れる溶剤によって接着剤が侵食され隣接するイ
ンクキャビティ間でインクのクロスト−７を起こしやす
いなどの問題がある。無機系接着剤も低温で硬化し、対
溶剤性は優れているが、接合部が多孔質にな９やすくイ
ンクのクロスト−７が発生しやすいことが欠点となる。

一方、前記の（２）項に記載したハンダ、ろう材を用い
る方法は、圧電体プレートとガラス表面にＮｉ、Ａｕま
たはＣｕなどのメッキを施す必要があり、さらにハンダ
やろう材が溶けた際にノズルに侵入して詰まりが発生し
やすいなどの欠点を有している。半田ガラスなどの低融
点酸化物ソルダーを用いる（３）項の方法も接合表面に
対する酸化物ソルダー粉末の塗布時およびその溶融時に
ノズルの詰まりを発生しやすいことが欠点となる。さら
に（２１，（３）項の方法は有機系あるいは無機系接着
剤に比べて接合時の温度が高温となるため、圧電体プレ
ートとガラスプレートの線膨張係数（α）に整合性がな
いと熱応力が発生し、それが原因となって圧電体プレー
トもしくはガラスプレートのいずれかが割れてしまうと
いう問題もある。

したがって、前記したインクジェット記録ヘッドにおい
ては、従来の接合方法ではその目的および機能を満足す
ることは困難であシ、簡便でかつ信頼性に富んだ接合方
法の考案が要請されている。

〔発明の目的〕

この発明は、以上の点に鑑みてなされ、微細で精密な構
成を可能とする圧電体プレートとガラスの接合方法の提
供を目的とする。

〔発明の要点〕

前記の目的は、圧電体プレートと接合するガラスの材質
としてソーダ石灰ガラスを選定し、接合条件を以下の範
囲に。限定することによυ達成することができる。

接合温度：　５００”〜７５０℃ 負荷荷重：　０．５〜５００　ｇ／ａｍ”加熱保持時間
：５〜５９ｍ１ｎ 〔発明の実施例〕 ガラス同士あるいはガラスとアルミナ、ジルコニウムな
どのセラミックは融接または熱圧着などの方法によって
接合される場合がある。融接はガラスをその作業点（溶
融点）近傍に加熱して半溶融状態にさせ、相手材に接合
さすものである。一方、熱圧着はガラスをその軟化点以
上かつ作業点以下の温度範囲に加熱し、この状態で加圧
負荷することによりガラス同士あるいはガラスと異種材
料を接合する方法である。これらの方法であれば、強固
な結合力をもった接合部を得ることが可能である。しか
しながら、その接合時の温度はかなりの高温となるため
、接合材同士の線膨張係数（α）が整合していないとそ
のいずれか一方にクラックが発生しやすいこと、また接
合条件が不適切であるとガラスの粘性流動（クリープ）
が大となって形状保持が困雅になるなどの問題点も有し
ている。

特に、圧電セラミックにはキュリ一点が存在し、この温
度以下ではその熱膨張はごくわずかであるが、キュリ一
点以上の温度では熱膨張が急激に大きくなるという特異
な性質をもっている。このため、圧電体プレートとガラ
スの接合に当って、融接もしくは熱圧着の方法を用いた
例は本発明者らの知る限夛では皆無である。

未発明者らは、前記の融接と熱圧着の利点とくに後者は
一種の固相接合であるため、インクジェット記録ヘッド
の接合方法に適用した場合の効果に着目し、この発想に
もとづいて一連の試験研究を行った結果本発明の要点に
記載した条件に限定すれば、圧電体プレートとガラスに
おいて良好な接合部の得られることを確認できたもので
ある。

以下、この発明を達成した経過について詳細に説明する
。本発明では、まず圧電体プレートと良好な接合性を示
すガラス材質の選定に関する試験を行った。ガラスは入
手しやすく（市販されているもの）、かつ板状に加工し
やすいものという観点から選定した。ガラス材質と、そ
の線膨張係数（α）と軟化点９作業点などを第１表に示
す。

第１表 々お、ガラスの形状は３０Ｘ５０Ｘ１〜１．２１とした
。

一方、本発明で用いた圧電体プレートの組成はＰｂＴ　
１０３−ＰｂＺｒ０３−Ｐｂ　（ＮｉＶｓ　Ｎｂ　ｖｓ
　）０３　テあり、その形状は３０Ｘ５０Ｘ０．５ｔで
ある。この圧電体プレートの一方の表面には１ｍｍ間隔
で、幅０．１　ｍｍ　、深さ０．１５　ｍｍの溝をダイ
シングソーで加工した。この両者を用いて第２表に示す
条件で接合実験を行い、接合の有無、クラック発生有無
および圧電体プレートの溝に対するガラスの詰まシなど
を観察し、その良否を判定した。その結果も第２表に示
す。

第２表 第２表に示した全てのガラス材質とも圧電体プレートと
接合は可能であった。しかしながら、ソーダ石灰ガラス
以外ではガラスの方にクラックが発生した。この傾向は
、第２表に示した接合条件だけではなく接合温度、負荷
荷重、保持時間の組合せを種々変化させた場合でも同様
であった。本発明のために選定したガラスの組成をみる
と、５ｉｎ２の含有ｆは石英ガラス→硼硅酸ガラス→バ
リウム硼硅酸ガラス→ソーダ石灰ガラスの頭に低下し、
ソーダ石灰ガラスが最も少なくなっている。

逆に、ＮａｚＯ，ＫｚＯなどのアルカリ成分はソーダ石
灰ガラスが最も多く含有している。したがって、クラッ
クの発生は圧電体プレートのｐｂイオンがガラスの方に
移行し、５ｉ０２と結合し、それが結晶化したために発
生したのではないかと推定した。

つまり、ソーダ石灰ガラスは５ｉＯｚの含有量が少ない
ため、クラックが発生しなかったと考えられた。

上記の結果から、インクジェット記録ヘッドの圧電体プ
レートと接合するガラス材質としてはソーダ石灰ガラス
が最適であることを確認した。

次に、ガラス材質としてソーダ石灰ガラスを使用して、
圧電体プレートとの最適接合条件を見出すための実験を
行い、以下の範囲が最適であることを確認した。

０接合温度：　ｓ　ｏ　ｏ”〜７５０℃０負荷荷重：０
．５〜５００ｇ／ｃｍ”Ｏ加熱保持時間：５〜６９ｍ１
ｎ 上記の範囲に限定した理由は次の通りである。圧電体プ
レートとソーダ石英ガラスを接合するに当って、接合温
度が高く、負荷荷重が大で、保持時間の長い方が両者の
接合部の強度は向上してくる。

しかし、接合温度が７５０℃以上になるとソーダ石灰ガ
ラスの粘性流動が大となって負荷荷重が小さく、かつ保
持時間が短かい場合でも溝に対してガラスが侵入してし
まい、ノズルの詰ｔ）の原因と々るため不可であった。

一方、５００℃以下ではソーダ石灰ガラスの軟化が不十
分で、強固に接合させるためＫはその負荷荷重を５００
　ｇ／ａｍ”以上にすることが必要であった。しかし、
負荷荷重が５００　ｇ／ｃｍ２以上になるとソーダ石灰
ガラスが破壊する確率が大きくなるため、接合温度とし
ては５００℃以上が必要であった。

負荷荷重は５００°〜７５０℃の接合温度において０．
５ｇ／Ｃｒｎ”以下では、圧電体プレートとソーダ石灰
ガラスとの接合が不十分で、インクのクロストークが発
生しやすいため、これ以上の負荷荷重が必要であった。

逆に５００　ｇ／ｃｍ”以上になると、接合温度が低い
場合はソーダ石灰ガラスが割９やすく、さらに接合温度
が高い場合はソーダ石灰ガラスのクリープが大となって
溝に対する侵入が多くなるため、不可であった。加熱保
持時間も、５ｍ１ｎ以下で拡圧電体プレートとソーダ石
灰ガラスの表面拡散およびガラスの変形が小さすぎて、
強固な場合を得ることはできない。逆に５Ｑｍｉｎ以上
になるとソーダ石灰ガラスのクリープ変形が大となって
、溝に対して侵入し、ノズルの詰まシ原因になる丸め、
加熱保持時間はこれ以下でなければならないことを実験
的に確認した。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は圧電体プレートとガラス
を接合するに当り、ガラス材質としてソーダ石灰ガラス
を選定し、かつその接合条件を限定することにより、従
来の接合方法に比べて強固で信頼性に富んだ接合部を得
ることができるので、マルチノズル式インクジェット記
録ヘッドの接合方法として最適であり、さらに圧電体を
用いた精密機構部品の接合方法としても適用可能である
という効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に関するマルチノズル式インクジェット
記録ヘッドの構成の一例を示す横断面図および縦断面図
、第２図は第１図の圧電体プレートを示す平面図、横断
面図および縦断面図、第３図は第１図の構成の一部拡大
断面図である。 １：圧電体プレート、２：インクキャビティ溝、２人：
インクキャビティ、３：インク供給路溝、３Ａ：インク
供給路、４：インクノズル溝、４Ａ：インクノズル、５
，６：インクキャビティ深溝部、７：インクキャビティ
浅溝部、８：カバープレート、９：圧電体膨出部、１０
，１１：電圧印加用電極。 揺　ｌｒｉＪ Φ 第　２　図 第　、５　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）圧電体プレートとガラスを重ね合せ加熱、加圧する
   ことにより接合する方法において、前記ガラスの材質と
   してソーダ石灰ガラスを使用し、加熱温度が５００°〜
   ７５０℃、負荷荷重が０．５〜５００ｇ／ｃｍ＾２、加
   熱保持時間が５〜６０分間の範囲であることを特徴とす
   る圧電体プレートとガラスの接合方法。