(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高さ方向に分極処理した圧電セラミックスから成る複数の隔壁を並設し、各隔壁の側面には駆動用電極を形成するとともに、各隔壁間をインクの流路とした流路部材と、前記隔壁の頂面に接合され、各流路を覆う天板とから成り、前記駆動用電極に通電して隔壁を屈曲変位させることにより、流路内のインクを加圧して流路に連通するインク吐出孔からインク滴を吐出するインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記天板を隔壁と同種の圧電セラミックスで形成し、かつ厚み方向に分極処理が施してある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】
【発明の属する技術分野】
本発明は、文字や画像を印刷するインクジェットプリンタに搭載されるインクジェットプリンタヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、低ランニングコストでカラー化された画像や文字等の情報を印刷するプリンタとして、インクジェット方式のプリンタが広く使用されている。
【０００３】
このインクジェット方式のプリンタに搭載されるインクジェットプリンタヘッド（以下、ヘッドと言う。）としては、インクが充填される流路内にヒータを設け、このヒータによりインクを加熱、沸騰させて気泡を発生させることにより加圧し、インク吐出孔よりインク滴を吐出させるサーマルジェット方式と、インクが充填される流路を形成する隔壁を直接的又は間接的に圧電素子によって屈曲変位させ、機械的に流路内のインクを加圧し、インク吐出孔よりインク滴を吐出させる圧電方式が一般的であるが、特に圧電方式は、耐久性及び応答性に優れるとともに、直接インクを加熱しないため、インクの種類が限定されないといった利点がある。
【０００４】
圧電方式のヘッドとしては、図３に示すように、高さ方向に分極処理された圧電セラミックスから成る複数の隔壁２１を並設し、これら隔壁２１間をインクの流路２２として成る流路部材２３と、各隔壁２１の頂面に熱硬化性の接着剤やガラスにて接合され、各流路２２へインクを導入するためのインク吐出孔２４を備えた天板２５と、前記流路部材２３の一方端側に熱硬化性の接着剤やガラスにて接合され、各流路２２と連通するインク吐出孔２６を備えたノズル板２７とから成り、各隔壁１の両側面にはその長手方向に沿ってそれぞれ駆動用電極２８を形成したものがあった。なお、流路部材２３の他方端側は閉じられた構造となっており、２９は駆動用電極２８の引き出し線である。
【０００５】
そして、特開平６−２３４２１５号公報には、隔壁２１の頂面に天板２５を熱硬化性の接着剤でもって接合する場合、接着剤を百数十℃まで加熱して硬化させる必要があり、両者の熱膨張差が大きいと、冷却時において接着層に応力が残留し、天板２５が部分的に剥離するなどヘッド３０の寿命を低下させることから、天板２５を、隔壁２１を形成する圧電セラミックスとの熱膨張差が８．５×１０-6／℃以下である、アルミナやジルコニア、あるいは圧電セラミックスにより形成することが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、本件発明者の研究によれば、特開平６−２３４２１５号公報に開示されている手段でも不十分であり、天板２５が隔壁２１より部分的に剥離するため、インクを吐出させるために隔壁２１を屈曲変位させても剥離部からインクが隣接する流路２へ流出し、所定の圧力を発生させることができず、インク滴の吐出速度が低下するとともに、各隔壁２１によって剥離の度合いが異なると、各インク吐出孔２６からのインク滴の吐出速度がばらつき、画質を劣化させるといった課題があった。
【０００７】
即ち、特開平６−２３４２１５号公報に開示されている手段は、隔壁２１を構成する圧電セラミックスが持つ０℃〜２００℃の温度域における熱膨張係数を基に、その値にできるだけ近似した熱膨張係数を有する、アルミナやジルコニア、あるいは隔壁２１と同一の圧電セラミックスを用いることを提案したものであるが、隔壁２１を構成する圧電セラミックスには、隔壁２１を剪断モード変形によって屈曲変位させるため、予め高さ方向に分極処理を施してあり、圧電セラミックスに分極処理を施すと、熱膨張の度合いが変化することを本件発明者は知見した。そして、この熱膨張の度合いの変化は、圧電セラミックスの組成にもよるが、大きいものでは本来持っている熱膨張係数の倍以上大きくなるものもあることから、天板２５に、隔壁２１と同一の圧電セラミックスを用いたとしても、隔壁２１には分極処理が施されているため、両者の熱膨張差を小さくすることができず、天板２５の接合不良を解消することができなかった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、高さ方向に分極処理した圧電セラミックスから成る複数の隔壁を並設し、各隔壁の側面には駆動用電極を形成するとともに、各隔壁間をインクの流路とした流路部材と、前記隔壁の頂面に熱硬化性の接着剤やガラスにて接合され、各流路を覆う天板とから成り、前記駆動用電極に通電して隔壁を屈曲変位させることにより、流路内のインクを加圧して流路に連通するインク吐出孔からインク滴を吐出するインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記天板を、隔壁と同種の圧電セラミックスにより形成するとともに、その厚み方向に分極処理を施したことを特徴とする。
【０００９】
【作用】
本発明によれば、インクの流路を構成する圧電セラミックスから成る隔壁を屈曲変位させてインクを加圧する圧電方式のインクジェットプリンタヘッドにおいて、隔壁１の頂面に熱硬化性の接着剤やガラスにて接合する天板を、隔壁と同種の圧電セラミックスにより形成するとともに、その厚み方向に分極処理を施してあることから、接着剤やガラスを硬化させるために百数十℃に加熱しても、隔壁の厚み方向（幅方向）における熱膨張係数と、天板の厚み方向に垂直な方向の熱膨張係数を極めて近似させることができるため、接合層には応力が残留せず、剥離を生じることなく天板を隔壁の頂面と強固に接合することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
図１は本発明のインクジェットプリンタヘッド１０の一例を示す一部を破断した斜視図で、高さ方向に分極処理した圧電セラミックスから成る複数の隔壁１を等間隔に並設し、各隔壁１間をインクの流路２として成る流路部材３と、各隔壁１の頂面に、各流路２を覆うべく熱硬化性の接着剤やガラスにて接合され、各流路２へインクを導入するためのインク供給孔４を備えた天板５と、前記流路部材３の一方端側に、各流路２を塞ぐべく各隔壁１とともに熱硬化性の接着剤やガラスにて接合され、各流路２と連通するインク吐出孔６を備えたノズル板７とから成り、各隔壁１の両側面には、その長手方向に沿って駆動用電極８を形成してある。なお、流路部材３の他方端側は閉じた構造となっており、９は駆動用電極８の引き出し線である。
【００１２】
そして、このヘッド１０を用いてインク滴を吐出するには、インク供給孔４より各流路２へ顔料タイプの油性インクや水性染料インクあるいは紫外線硬化インク等のインクを導入するとともに、隔壁１の両側面に形成された駆動用電極３間に電圧を印加することによって行う。
【００１３】
図２（ａ）（ｂ）にその駆動原理を説明するように、例えば駆動用電極８ｂ，８ｃ及び駆動用電極８ｈ，８ｉにそれぞれ負極の電圧を、駆動用電極８ａ，８ｄ，８ｇ，８ｊに正極の電圧を印加すると、隔壁１ａ，１ｂ，１ｄ，１ｅを構成する圧電セラミックスが剪断モード変形を起こし、図２（ａ）に示すように隔壁１ａ及び隔壁１ｂが流路２ａ側へ屈曲変位するとともに、隔壁１ｄ，１ｅが流路２ｄ側へ屈曲変位するため、流路２ａ，２ｄ内に充填されたインクを加圧して、インク吐出孔６よりインク滴を吐出させることができ、この後、各駆動用電極８ａ〜８ｄ，８ｇ〜８ｊへの通電を遮断すると、屈曲変位していた隔壁１ａ，１ｂ，１ｄ，１ｅが弾性作用によって元の形状に戻り、流路２ａ，２ｄ内が減圧される結果、インク供給孔４からインクの供給が行なわれ、さらに前述した駆動用電極８ａ〜８ｄ，８ｇ〜８ｊへ正負を逆転して電圧を印加すると、図２（ｂ）に示すように隔壁１ａ，１ｂが流路２ｄに対して外側へ屈曲変位するとともに、隔壁１ｄ，１ｅが流路２ｄに対して外側へ屈曲変位するため、流路２ａ，２ｄ内がさらに減圧されてインクが充填され、次に、各駆動用電極８ａ〜８ｄ，８ｇ〜８ｊへの通電を遮断すると、屈曲変位していた隔壁１ａ，１ｂ，１ｄ，１ｅが弾性作用によって元の形状に戻り、次のインク滴の吐出段階に入ることになり、これらの動作を順次繰り返すことでインク滴の吐出を連続的に行うようになっている。
【００１４】
ところで、圧電セラミックスから成る各隔壁１には、前述したように予め高さ方向に分極処理を施してあるが、本発明は、隔壁１の頂面に熱硬化性の接着剤やガラスにて接合する天板５を、隔壁１と同種の圧電セラミックスにより形成するとともに、その厚み方向に分極処理を施し、両者の熱膨張差を極めて小さくしたことを特徴とする。
【００１５】
隔壁１を構成する圧電セラミックスとしては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ系）を主成分とする圧電セラミックス、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）を主成分とする圧電セラミックス、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）を主成分とする圧電セラミックス、あるいは上記主成分を複合した圧電セラミックスなどが用いられるが、本発明において、天板５を、隔壁１と同種の圧電セラミックスにより形成するとは、主成分をなすチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ系）、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、あるいはこれらの複合物が同一であることを言う。
【００１６】
そして、本件発明者は、圧電セラミックスに分極処理を施すと、熱膨張係数が分極方向と分極方向に対して垂直な方向で異なることを知見した。この理由としては、通常、分極処理していない圧電セラミックスは、結晶の配列がランダムで圧電性を示さず、また、熱膨張係数も縦横方向での差は殆ど見られないのであるが、ある方向に分極処理を施すと、結晶の配列が平均して分極された電界の方向に配向し、単結晶に近い極性を持つため、大きな圧電性を示すようになり、また、結晶の配列が変わることにより、熱膨張係数も分極方向と分極方向に対して垂直な方向とで異なるようになるものと思われる。
【００１７】
そこで、本件発明者は、天板５を構成する圧電セラミックスに対しても同じ方向、即ち、天板５の厚み方向に分極処理を施すことで、隔壁１と天板５との熱膨張差、特に、天板５の厚み方向に対して垂直な方向の熱膨張係数と、隔壁１の分極方向に対して垂直な方向（厚み方向）の熱膨張係数との０℃〜２００℃の温度域における熱膨張差を、３×１０-6／℃以下と極めて近似させることができることを見出し、本発明に至った。
【００１８】
その為、本発明によれば、天板５を隔壁１の頂面に熱硬化性の接着剤やガラスにて接合するにあたり、接着剤やガラスを加熱して硬化させても、接合層には残留応力が殆ど生じず、強固に接合することができる。かくして、隔壁１を変位させれば各流路２内に所定の圧力をばらつきなく発生させることができ、インク滴の吐出速度の低下及び各インク吐出孔６から吐出されるインク滴の速度ばらつきをそれぞれ防止できるため、長寿命で、高画質の印刷が可能な信頼性の高いインクジェットプリンタヘッド１０を得ることができる。
【００１９】
次に、図１に示すインクジェットプリンタヘッド１０の製造方法を説明する。まず、流路部材３を形成するために、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ系）を主成分とする圧電セラミックス、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）を主成分とする圧電セラミックス、ニッケルニオブ酸鉛を主成分とする圧電セラミックス、あるいは上記主成分を複合した圧電セラミックスからなる基板を用意する。次に、基板の上下面に分極用の電極を被着し、電圧を印加して分極したあと、電極を除去することにより、板厚方向に分極処理を施す。
【００２０】
次に、基板の上面よりダイシングソーなどを用いた切削加工やブラスト加工等によって、複数の溝を並設し、該溝をインクの流路２とするとともに、流路２を構成する壁を隔壁１として成る流路部材３を製作する。
【００２１】
次いで、各隔壁１の両側面に、フォトリソグラフィ技術等によりマスキングを施したあと、蒸着、スパッタリング、メッキ等の膜形成手段によって、白金、金、パラジウム、ロジウム、銀、ニッケル、アルミニウム等の金属や白金−金、パラジウム−銀、白金−パラジウム等を主体とする合金からなる駆動用電極８をその長手方向に沿って被着する。なお、駆動用電極８は、流路２の終端から流路部材３の後端まで延びる引き出し線９と電気的に接続してあり、この引き出し線９を介して駆動用電極８へ通電するようになっている。
【００２２】
一方、天板５を形成するために、隔壁１を構成する圧電セラミックスと主成分が同じ圧電セラミックスからなる基板を用意し、研削加工によりインク供給孔４を形成するとともに、所定の寸法に加工する。なお、インク供給孔４は成形時に切削加工にて形成しておいても良い。
【００２３】
次に、基板の上下面に分極用の電極を被着し、電圧を印加して分極したあと、電極を除去することにより、板厚方向に分極処理を施した天板５を製作する。
【００２４】
しかるのち、前記流路部材３の流路２を覆うべく、隔壁１の頂面及び流路部材３の開放端面にそれぞれ熱硬化性の接着剤あるいはガラスペーストを塗布し、隔壁１の頂面にはインク供給孔４を備えた天板５を、流路部材３の開放端部には樹脂製のノズル板７をそれぞれ貼り合わせ、百数十℃で加熱することでそれぞれ接合したあと、レーザー加工にてノズル板７に各流路２と連通するインク吐出孔６を穿孔することにより、図１に示すヘッド１０を得ることができる。
【００２５】
なお、本発明は図１に示すヘッド１０にのみ限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲で改良や設計変更できることは言うまでもない。
【００２６】
【実施例】
ここで、本発明に係るインクジェットプリンタヘッドと、従来のインクジェットプリンタヘッドとを試作し、天板と隔壁との接合具合をインク滴の吐出速度と、吐出バラツキを調べることにより確認する実験を行った。
【００２７】
本実験にあたっては、０℃〜２００℃の温度域における熱膨張係数が２．２３×１０-6／℃であるチタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミックスからなる基板を用意し、この基板の両面にスクリーン印刷法にてパラジウム（Ｐｂ）−銀（Ａｇ）を被着して分極用の電極を形成し、電圧を印加して基板の厚み方向に分極処理を施したあと、切削加工にて分極用の電極を除去し、しかるのちダイシングソーにて、溝幅７０μｍ、溝深さ４００μｍの溝を１４１μｍのピッチで複数切削し、溝を構成する壁を隔壁１，２１として成る流路部材３，２３を複数個製作した。なお、分極後における隔壁１，２１の厚み方向、即ち分極方向に対して垂直な方向の熱膨張係数を測定したところ、５．８８×１０-6／℃であった。
【００２８】
次に、フォトリソグラフィ技術を用いて隔壁１，２１の両側面にマスキングを施したあと、スパッタリング法にて白金から成る駆動用電極８と引き出し線９を形成したあと、マスクを除去した。
【００２９】
しかるのち、隔壁１，２１の頂面に、インク供給孔４を備えた天板５を、流路部材３の開放端部に、ポリイミド樹脂製のノズル板７をそれぞれエポキシ系の接着剤にて接合するのであるが、本発明においては、隔壁１を構成する圧電セラミックスと同一の圧電セラミックス及び同種の圧電セラミックスにより形成し、その厚み方向に分極処理を施したものを用い、従来例として、天板２５を、隔壁２１を構成する圧電セラミックスと同一の圧電セラミックス及び同種の圧電セラミックスにより形成し、その厚み方向に分極処理していないもの、さらにはジルコニアセラミックスにより形成したものを用いた。なお、天板５，２５の厚みはいずれも７００μｍとした。
【００３０】
そして、流路部材３，２３に天板５，２５とノズル板７，２７を貼り合わせたあと、１００℃〜１５０℃に加熱して接着剤を硬化させて接合したあと、レーザーにてノズル板７，２７にインク吐出孔６，２６を穿孔することによって、本発明及び従来のインクジェットプリンタヘッド１０，３０をそれぞれ製作した。
【００３１】
そして、各へッド１０, ３０の駆動用電極８，２８に通電して隔壁１，２１を屈曲変位させ、インク吐出孔６，２６からインク滴を吐出させた時の速度を、放電管を光源とし、フィルム上にインク滴の吐出状況を記録させる高速度写真撮影装置によって測定するとともに、速度をばらつきを求めた。
【００３２】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００３３】
【表１】
0003638476.tif 000002
【００３４】
この結果、天板５に隔壁１と同種の圧電セラミックスを用い、厚み方向に分極処理を施した本発明のインクジェットプリンタヘッドは、隔壁１との熱膨張差を３×１０-6／℃以下にまで近似させることができ、インク滴の吐出速度を高めることができるとともに、吐出速度のばらつきを５％以下に抑えることができ、安定した特性が得られることが判った。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、高さ方向に分極処理した圧電セラミックスから成る複数の隔壁を並設し、各隔壁の側面には駆動用電極を形成するとともに、各隔壁間をインクの流路とした流路部材と、前記隔壁の頂面に熱硬化性の接着剤やガラスにて接合され、各流路を覆う天板とから成り、前記駆動用電極に通電して隔壁を屈曲変位させることにより、流路内のインクを加圧して流路に連通するインク吐出孔からインク滴を吐出するインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記天板を、隔壁と同種の圧電セラミックスにより形成するとともに、その厚み方向に分極処理を施すようにしたことによって、熱硬化性の接着剤やガラスとの接合において、隔壁との熱膨張差を極めて小さくすることができるため、接合層に応力が殆ど残留せず、剥離を生じることなく強固に両者を接合することができ、インク滴の吐出速度の低下や吐出ばらつきを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るインクジェットプリンタヘッドの一例を示す一部を破断した斜視図である。
【図２】図１におけるインクジェットプリンタヘッドの駆動原理を説明するための部分断面図である。
【図３】従来例のインクジェットプリンタヘッドの一例を示す一部を破断した斜視図である。
【符号の説明】
１，２１：隔壁  ２，２２：流路  ３，２３：流路部材
４，２４：インク供給孔  ５，２５：天板  ６，２６：インク吐出孔
７，２７：ノズル板  ８，２８：駆動用電極  ９，２９：引き出し線
１０，２０，３０：インクジェットプリンタヘッド
【図１】
0003638476.tif 000003
【図２】
0003638476.tif 000004
【図３】
0003638476.tif 000005