(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に圧電材料からなる複数の隔壁とこれを覆う平板を備え、各隔壁間を加圧室とするとともに、上記加圧室の一方端にノズル孔を有するノズル板が接合され、かつ、上記加圧質内に液体を導入する液体導入口を上記平板に備えてなり、上記隔壁の両側面に備えた駆動電極に電圧を印加して変位させることにより加圧室内の液体を上記ノズル孔から噴出するようにしたインクジェットプリンタヘッドにおいて、上記基板を、隔壁を成す圧電材料よりも高強度で、かつ該圧電材料との熱膨張係数の差が±５×１０−６／℃の範囲内である材料により形成するとともに、上記基板上で上記ノズル板とは反対側に垂直な面を持った遮蔽板と、上記液体導入口の断面積を加圧室の断面積よりも小さくし、かつ、上記遮蔽板を貫通するように電極取出部材とを備え、上記隔壁の駆動電極に上記電極取出部材を接続したことを特徴とするインクジェットプリンタヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、微細なノズル孔から液滴を噴出させるインクジェットプリンタに用いるインクジェットプリンタヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のマルチメディアの発展とともに、情報の記録装置としてのプリンタ、とりわけインクジェットプリンタはパソコンの普及とともに急速に利用範囲が拡大している。
【０００３】
このインクジェットプリンタに用いるプリンタヘッドの構造は、図３、４に示すように、基板３上に形成した複数の隔壁４上を液体導入口２ａを有する平板２で覆って、各隔壁４間に加圧室５を形成し、その一方端にノズル孔８を備えたノズル板７を備えてなるものである。そして、液体導入口２ａから加圧室５内にインクを導入し、加圧室５に圧力を発生させてインクをノズル孔８から噴出させるようになっている。
【０００４】
ここで、加圧室５に圧力を発生させる手段として、隔壁４を圧電材料で形成しその両側面に駆動電極６を形成しておき、この駆動電極６、６間に電圧を印加して隔壁４を変形させ、これによって加圧室５に圧力を発生させるようにしたものがある。
【０００５】
このようなインクジェットプリンタヘッドを製造する場合は、圧電材料からなる基板３を用いて、ダイシングマシンによる切削加工で加圧室５を形成し、形成された隔壁４の側面に駆動電極６を形成し、これと接続する電極取出部１４を形成して平板２とノズル板７を接合し、上記電極取出部１４にリード線１３を接続することによって得られる。このとき、切削加工時のツールの形状に応じて、加圧室５のノズル板７の反対側の端部は曲面部３ｄが形成されている（特開平６−４００３０号、８−３３６９７８号公報等参照）。
【０００６】
あるいは、図５に示すように、基板３に切削加工して加圧室５を形成する際に、端まで貫通させておいて、ノズル板７と反対側の端部に液体導入部材９を接合し、この液体導入部材９からインクを導入するようにした構造のものもあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、インクジェットプリンタの高密度化に伴い、上記ヘッド１の薄型化が求められている。しかし、上記のようなヘッド１では、基板３と隔壁４を一体的に形成しているため、基板３も強度の低い圧電材料で形成しなければならず、その結果、製造工程や取扱時に基板３が破損しやすく、ヘッド１の薄型化が困難であるという第１の課題があった。
【０００８】
また、図４に示す構造のヘッド１では、加圧室５のノズル板７と反対側の端部が曲面部３ｄとなっているため、隔壁４の駆動領域が狭くなり、液体の噴出効率が低下するという問題があった。この問題を解決するためには図５に示す構造のヘッド１とすればよいが、このヘッド１では、駆動電極６に通電するために、図５（ｂ）に示すような構造で液体導入部材９と平板２の間に電極取出部材１５を備える必要があり、構造が複雑になるだけでなく、長期間の使用時における信頼性が低下するという問題があった。しかも、図５の構造では、隔壁４の変形による加圧時に液体導入部材９側に液体が逆流しやすく、噴出効率が低下するという問題もあった。
【０００９】
このように、図４、５に示す従来の構造では、隔壁４の駆動領域を広くし、かつ液体の逆流を防止するとともに、簡単な電極取り出し構造のインクジェットプリンタヘッドが得られないという第２の課題があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、基板上に圧電材料からなる複数の隔壁とこれを覆う平板を備え、各隔壁間を加圧室とするとともに、上記隔壁に電圧を印加して変位させることにより加圧室内の液体を噴出するようにしたインクジェットプリンタヘッドにおいて、上記基板を、隔壁を成す圧電材料よりも高強度で、かつ該圧電材料との熱膨張係数の差が±５×１０-6／℃の範囲内である材料により形成したことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上記基板が、複数の材料を積層したものであることを特徴とする。
【００１２】
即ち、本発明によれば、隔壁と基板を別部材で形成し、基板を強度の高い材質で形成することによって、上記第１の課題を解決してヘッドをより薄型化できるようにするとともに、基板と隔壁の熱膨張係数を近似させることによって、そりの発生を防止するようにしたものである。
【００１３】
また、本発明は、基板上に圧電材料からなる複数の隔壁とこれを覆う平板を備え、各隔壁間を加圧室とするとともに、上記隔壁に電圧を印加して変位させることにより加圧室内の液体を噴出するようにしたインクジェットプリンタヘッドにおいて、上記加圧室の一端に、基板に垂直な面を持った遮蔽板を備え、かつ加圧室への液体導入口の断面積を加圧室の断面積よりも小さくしたことを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、上記遮蔽板を貫通するように電極取出部材を備え、隔壁の両側に備えた駆動電極に上記電極取出部材を接続したことを特徴とする。
【００１５】
即ち、本発明によれば、加圧室の一端に、基板に垂直な面を持った遮蔽板を備えることによって、隔壁の駆動領域を最大限にするとともに、かつ加圧室への液体導入口の断面積を加圧室の断面積よりも小さくすることによって加圧時の逆流を防止し、上記第２の課題を解決するようにしたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図によって説明する。
【００１７】
図１に示すように、本発明のインクジェットプリンタヘッド１は、基板３上に複数の隔壁４を備え、この上を平板２で覆うことによって各隔壁４間に加圧室５を形成し、この加圧室５の一方端にノズル孔８を有するノズル板７を接合したものである。
【００１８】
また、隔壁４は圧電材料からなり、その両側面には駆動電極６を備えている。さらに、平板２には液体導入部材９が備えられており、ここから加圧室５にインクを導入した状態で、不図示の電極取出部を通じて上記駆動電極６に通電することによって、隔壁４を変形させて加圧室５内を加圧し、内部のインクをノズル孔８から噴出できるようになっている。
【００１９】
ここで、隔壁４を成す圧電材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛、マグネシウムジルコン酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、チタン酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛等のうち一種以上を主成分とする圧電セラミックスを用いる。
【００２０】
一方、基板３は、この隔壁４を成す圧電材料よりも強度が大きく、かつ隔壁４を成す圧電材料との熱膨張係数との差が±５×１０-6／℃の範囲内である材質から形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム等を主成分とするセラミックスから形成されている。
【００２１】
なお、ここで、強度とはＪＩＳに規定する３点曲げ強さのことであり、本来は基板３と隔壁４自体から測定する値であるが、実際の製品から測定することが困難な場合は、基板３や隔壁４の組成を分析して同程度の組成をもつサンプルを作製し、この３点曲げ強さを測定することで、基板３や隔壁４の強度とする。そして、一般に上述した隔壁４を成す圧電材料に比べて、上述した基板３を成すセラミックスの方が強度が高くなる。
【００２２】
また、基板３と隔壁４の熱膨張係数についても同様にして、４０〜８００℃での値を測定すれば良い。
【００２３】
このように、本発明によれば、基板３を隔壁４と別体にし、強度の大きな材質を用いることによって破損を防止し、ヘッド１を薄型化することが可能となる。また、基板３と隔壁４の熱膨張係数の差を上記範囲内とすることによって、製造時や使用時にヘッド１にそりが発生することを防止できる。
【００２４】
さらに、他の実施形態として、図１（ｂ）に示すように、基板３として複数の材質を積層することもできる。この場合は、複数層のうち少なくとも一つの層を隔壁４よりも強度の大きな材質で形成し、かつ、隔壁４から最も遠い層を、隔壁４との熱膨張係数の差が±５×１０-6／℃の範囲内である材質で形成すれば良い。
【００２５】
例えば、図１（ｂ）の例では、基板３をベース基板３ａの両側に、接合面層３ｂと最裏面層３ｃを積層した構造となっており、このうち最裏面層３ｃを隔壁４との熱膨張係数の差が±５×１０-6／℃の範囲内である材質で形成する。このような材質としては、上述した各種セラミックスやあるいは隔壁４と同じ圧電材料を用いればよい。そして、ベース基板３ａや接合面層３ｂの材質としては、強度の大きい材質を用いることができ、この場合熱膨張係数が上記範囲内になくても良い。
【００２６】
あるいは、最裏面層３ｃから接合面層３ｂに向かって、次第に隔壁４を成す圧電材料の熱膨張係数に近ずくようにしておくこともできる。
【００２７】
なお、このようなヘッド１は、型部材を用いて基板３上に隔壁４を形成することによって、容易に製造することができる。
【００２８】
即ち、予め隔壁４の形状に合致した凹部を有する型部材をシリコン樹脂等で形成し、圧電材料に溶媒、有機溶剤を添加混合した混合物を上記型部材の凹部に注入充填する。その後、充填した混合物の表面に、予め用意した基板３を載置し、成形型と基板３を１００ｇ／ｃｍ2 程度の圧力で加圧しながら加熱炉に収容し、１００℃で２０分程度保持して加熱硬化させる。
【００２９】
その後、成形型から基板３と密着した隔壁４を離型し、全体を脱バインダー処理した後、焼成すればよい。このようにすれば、型部材の凹部の形状がそのまま転写されて隔壁４を形成できるため、高精度の成形が可能となる。
【００３０】
次に、本発明の他の実施形態を図によって説明する。
【００３１】
図２に示すヘッド１は、基板３上に複数の隔壁４を備え、この上を平板２で覆うことによって各隔壁４間に加圧室５を形成し、この加圧室５の一方端にノズル孔８を有するノズル板７を接合したものである。
【００３２】
また、隔壁４は圧電材料からなり、その両側面には駆動電極６を備え、この駆動電極６に通電することによって隔壁４を変形させ、加圧室５を加圧してインクをノズル孔８から噴出できるようになっている。
【００３３】
また、加圧室５のノズル板７と反対側の端部には基板３と垂直な面を持った遮蔽板１０を接合し、この遮蔽板１０を貫通するように電極取出部材１１を備え、該電極取出部材１１は駆動電極６に接続するとともに、その後端部にはリード線１３を接続してある。さらに、平板２には加圧室５に連通する液体導入口２ａを備え、その外部には液体導入部材９を配置してある。
【００３４】
このように、加圧室５は基板３の全長にわたって形成し、そのノズル板７と反対側の端部に遮蔽板１０を接合した構造であるため、隔壁４の駆動領域を最大限にすることができ、噴出効率を向上できる。なお、隔壁４の駆動を良好にするためには、遮蔽板１０として基板３よりも剛性の低い材質を用いるか、又は遮蔽板１０と基板３の間に基板３よりも剛性の低い接着層１２を介在させることが好ましい。
【００３５】
また、平板２に液体導入口２ａを設けることにより、この液体導入口２ａの断面積を加圧室５の隔壁４に垂直な断面の断面積よりも小さくしておくことができる。そのため、隔壁４の変形による加圧時に液体が液体導入口２ａから逆流することを防止できる。
【００３６】
さらに、電極取出部材１１は先端がテーパ状となった円柱状体を遮蔽板１０に形成した貫通孔から挿入し、駆動電極６に接触させた状態で接合したものであり、簡単な構造で製造が容易であり、長期使用時の信頼性も高くすることができる。
【００３７】
なお、上記隔壁４を成す圧電材料は上述したものと同様であり、基板３や平板の材質としては同様の圧電材料や、あるいは前述したような各種セラミックス又はガラスを用いる。
【００３８】
また、このヘッド１を製造する場合は、圧電材料からなる基板３を切削加工して加圧室５と隔壁４を形成したり、あるいは上述したように型部材を用いて基板３上に隔壁４を形成すればよく、その後、平板２、ノズル板７、遮蔽板１０等を接合することによって得ることができる。
【００３９】
なお、以上の図１、２に示す実施形態では、ノズル孔８を一列に形成したヘッド１を示したが、このヘッド１を積層することによって、縦横にノズル孔８を配列したヘッド１を得ることもできる。
【００４０】
【実施例】
実施例１
まず、図１に示すインクジェットプリンタヘッド１の実施例を説明する。
【００４１】
基板３として、表１に示す各種材質からなり、８０×２０×０．３ｍｍの寸法でそり平均が０．１８ｍｍのものを用いた。また隔壁４を成す圧電材料はＰｂＺｒＯ3 −ＰｂＴｉＯ3 系（ＰＺＴ系）の圧電セラミックス（熱膨脹係数７．５×１０-6／℃）を用いた。
【００４２】
上述した型部材を用いる方法で、基板３上に隔壁４を形成し、最高焼成温度１２００℃で一体焼成した後、基板３のそり量を表面粗さ計で測定した。
【００４３】
その結果を表１に示すように、基板３の熱膨脹係数と隔壁４の熱膨脹係数（７．５×１０-6／℃）の差が±５×１０-6／℃の範囲外のもの（Ｎｏ．２、３、９）は基板３のそりが０．３ｍｍを越えており、しかも加圧室５の容積のばらつきも大きかった。これらに対し、基板３の熱膨脹係数と隔壁４の熱膨脹係数の差が±５×１０-6／℃の範囲内もの（Ｎｏ．４〜８）は基板３のそりを０．３ｍｍ以下と小さくすることができた。
【００４４】
また、Ｎｏ．１，２では、基板３の強度が低いためにハンドリング中の破損が多く発生したが、Ｎｏ．３以降では破損は発生しなかった。
【００４５】
したがって、基板３として、隔壁４との熱膨脹係数の差が±５×１０-6／℃の範囲内であり、かつ強度が隔壁４を成す圧電材料よりも高いものを用いれば良いことがわかる。
【００４６】
【表１】
0003667970.tif 000002
【００４７】
次に、表２に示す二種類の材質を積層して基板３を形成し、上記と同様の実験を行った。結果を表２に示すように、基板３を成す最裏面層の材質として、隔壁４との熱膨脹係数の差が±５×１０-6／℃の範囲内のものを用いれば、そりを小さくできることがわかる。特に、Ｎｏ．１０〜１２のように、基板３を成す最裏面層の材質として、隔壁４との熱膨脹係数の差が±３×１０-6／℃の範囲内のものを用いれば好適である。
【００４８】
【表２】
0003667970.tif 000003
【００４９】
実施例２
次に、図２に示すインクジェッットプリンタヘッドの実施例を説明する。
【００５０】
まず、５０×１２ｍｍで厚み１ｍｍの圧電材料からなる基板３の一面に、厚み３０μｍの熱可塑性樹脂層を形成した後、この面に幅１６０μｍ、深さ３２０μｍの溝を２４０μｍピッチで２１０本、ダイシングにより切削加工して加圧室５と隔壁４を形成した。次に、加工面に駆動電極６を成す金を蒸着した後、有機溶剤中で洗浄して隔壁４上に残った樹脂を除去した。
【００５１】
一方、上記基板３と同一材料で、６６×１４×１．５ｍｍの成形体に、直径７０μｍの円孔を２１０個、３００μｍピッチで形成した後、脱脂、焼成することによって、液体導入口２ａを成す直径５６μｍの円孔を２４０μｍピッチで有する平板２を得た。
【００５２】
上記基板３の隔壁４上に平板２を接着した後、基板３の厚み方向に分極を施した。
【００５３】
また、遮蔽板１０として厚み１．０ｍｍの樹脂製の板を用い、その所定箇所に直径１７０μｍの金属材からなる電極取出部材１１を貫通させて接合し、この電極取出部材１１が駆動電極６に接触するように、遮蔽板１０を基板３に接合した。さらに、これと反対側に、同じ材質からなるノズル板７を接合した後、加圧室５に対応する位置に開口するようにレーザ加工でノズル孔８を形成した。
【００５４】
このようにして得られたヘッド１を実装基板上に配置し、電極取出部材１１に制御回路からの配線を接続し、液体導入口２ａ上に液体導入部材９を接合して、インクを供給しながら電圧を印加すれば、インクの噴出を制御しながら行うことができた。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、基板上に圧電材料からなる複数の隔壁とこれを覆う平板を備え、各隔壁間を加圧室とするとともに、上記隔壁に電圧を印加して変位させることにより、加圧室内の液体を噴出するようにしたインクジェットプリンタヘッドにおいて、上記基板を、隔壁を成す圧電材料よりも高強度で、かつ該圧電材料との熱膨張係数の差が±５×１０-6／℃の範囲内である材料により形成したことによって、そりが小さくかつ強度の高いインクジェットプリンタヘッドが得られ、薄型化が可能でより高密度記録に対応することができる。
【００５６】
また、本発明によれば、上記インクジェットプリンタヘッドにおいて、加圧室の一端に、基板に垂直な面を持った遮蔽板を備え、かつ加圧室への液体導入口の断面積を加圧室の断面積よりも小さくしたことによって、噴出効率が高く、構造の簡単なインクジェットプリンタヘッドを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明のインクジェットプリンタヘッドを示す分解斜視図、（ｂ）は基板と隔壁のみを示す断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の他の実施形態を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）中のＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）は破断斜視図である。
【図３】従来のインクジェットプリンタヘッド示す斜視図である。
【図４】（ａ）は図３中のＹ−Ｙ線断面図、（ｂ）は基板と隔壁の斜視図である。
【図５】（ａ）は他の従来例を示す縦断面図、（ｂ）は電極取出部の破断斜視図である。
【符号の説明】
１：ヘッド
２：平板
２ａ：液体導入口
３：基板
４：隔壁
５：加圧室
６：駆動電極
７：ノズル板
８：ノズル孔
９：液体導入部材
１０：遮蔽板
１１：電極取出部材
１２：接着層
１３：リード線
【図１】
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【図２】
0003667970.tif 000005
【図３】
0003667970.tif 000006
【図４】
0003667970.tif 000007
【図５】
0003667970.tif 000008