(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行に整列した圧電セラミックスからなる複数の隔壁を有し、該隔壁の両側面にはそれぞれ駆動用電極を備え、上記隔壁間をインク流路としてなる流路部材と、上記隔壁の頂部に接合され、前記インク流路を塞ぐ蓋板と、上記インク流路と連通するインク吐出孔とからなり、上記駆動用電極に通電して前記隔壁を屈曲変位させることによりインク流路内のインクを加圧し、インク吐出孔よりインクを噴出するようにしてなるインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記複数の隔壁を構成する圧電セラミックスの表面に存在するボイドの最大気孔径が１０μｍ以下でかつボイド占有率が２．５％以下で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、記録媒体にインクを噴出して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、マルチメディアの発達と共に、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、パーソナルコンピュータの普及とともに急速に利用範囲が拡大している。
【０００３】
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（以下、ヘッドと称す）としては、図５に示すように、等間隔に並設されたジルコン酸チタン酸鉛等を主成分とする圧電セラミックスからなる複数の隔壁２１を有し、上記隔壁２１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２４を備え、各隔壁２１間をインク流路２２としてなる流路部材２３と、各隔壁２１の頂部に接合され、各インク流路２２を塞ぐ蓋板２５とからなり、上記流路部材２３の一方端側には各インク流路２２と連通するインク吐出孔２７を備えたノズル板２８を接合した、剪断モード型のヘッドがあった（特開平７−１０１０５６号公報参照）。なお、２６はインクを各インク流路２２へ供給するために蓋板２５に開口されたインク供給孔である。
【０００４】
そして、このヘッド２０により記録媒体に印刷するには、隔壁２１の両側面に形成された駆動用電極２４間に通電することにより、圧電セラミックスの剪断モード変形を利用して各隔壁２１を屈曲変位させ、各インク流路２２内におけるインクを加圧することによってインク吐出孔２７よりインクを噴出させ、記録媒体にインクを定着させるようになっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図５に示すヘッドは構造上、インク吐出孔２７よりインクを噴出するにあたり隔壁２１を屈曲変位させるため、隔壁２１の表面（側面）及び駆動用電極２４には、常に応力が加わることになる。そして、圧電セラミックスの表面及び内部には無数のボイドが存在し、前述したように隔壁２１の屈曲変位に伴う応力が加わると、圧電セラミックスの表面に存在するボイド等の欠陥を起点としてマイクロクラックが発生し、次第にクラックが進展することによって圧電セラミックスの圧電諸定数が低下するとともに、隔壁２１と駆動用電極２４との界面に微小剥離が発生し、駆動用電極２４と隔壁２１との接触面積の減少及び駆動用電極２４の隔壁２１への密着力低下に伴う誘電損失の増加によって隔壁２１の変位量が低下し、インクの吐出力が低下するといった課題があった。
【０００６】
【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、平行に整列した圧電セラミックスからなる複数の隔壁を有し、該隔壁の両側面にはそれぞれ駆動用電極を備え、各隔壁間をインク流路としてなる流路部材と、上記隔壁の頂部に接合され、各インク流路を塞ぐ蓋板と、上記インク流路と連通するインク吐出孔とからなり、上記駆動用電極に通電して前記隔壁を屈曲変位させることによりインク流路内のインクを加圧し、インク吐出孔よりインクを噴出するようにしてなるインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記複数の隔壁を構成する圧電セラミックスの表面に存在するボイドの最大気孔径を１０μｍ以下とし、かつボイド占有率を２．５％以下としたことを特徴とする。
【０００７】
【作用】
本発明によれば、隔壁を構成する圧電セラミックスの表面に存在するボイドの最大気孔径を１０μｍ以下とするとともに、ボイド占有率を２．５％以下としたことにより、繰り返される屈曲変位によって応力が加わっても、マイクロクラックを発生させる原因の一つであるボイドの占める割合が少なく、また、ボイドを起点としてクラックが発生し難いため、マイクロクラックの発生及び進展を低減することができる。その為、屈曲変位を繰り返しても圧電セラミックスの圧電諸定数等の特性劣化が殆どなく、また、駆動用電極の微小剥離を防ぐことができるため、長期間の駆動においても、インク吐出力の低下が殆どない、信頼性の高いインクジェットプリンタトヘッドを提供することができる。
【０００８】
【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。
【０００９】
図１は本発明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、等間隔に並設されたジルコン酸チタン酸鉛等を主成分とする圧電セラミックスからなる複数の隔壁１を有し、各隔壁１間をインク流路２としてなる流路部材３と、各隔壁１の頂部に接合され、各インク流路２を塞ぐ蓋板５と、上記流路部材３の一方端側を塞ぐように接合され、各インク流路２と連通するインク吐出孔７を備えたノズル板８とからなり、各隔壁１の両側面の上部にはその長手方向に沿って駆動用電極４をそれぞれ形成してある。
【００１０】
なお、上記流路部材３において、インク流路２の他方端側は閉じられた構造となっており、前記蓋板５に穿孔されたインク供給孔６から各インク流路２へインクが導入されるようになっており、インク供給孔６は、インクタンク（不図示）と接続されている。また、上記隔壁１の両側面に形成された駆動用電極３はインク流路２を越えて流路部材３の後方に延設してあり、駆動用回路（不図示）と電気的に接続されるようになっている。
【００１１】
そして、このヘッド１０を用いて記録媒体に印刷するには、まず、インクタンク内のインクをインク供給孔４より各インク流路２へ供給し、例えば図２に示すようにインク流路２ａ、２ｄを構成する隔壁１ａ，１ｄの両側面に形成された駆動用電極３ａ，３ｄ間に各々正極の電圧を通電して隔壁１ａ，１ｄを逆く字状に屈曲変位させるとともに、インク流路２ａ、２ｄを構成する隔壁１ｂ，１ｅの両側面に形成された駆動用電極３ｂ，３ｅ間に各々負極の電圧を通電して隔壁１ｂ，１ｅをく字状に屈曲変位させることにより、インク流路２ａ、２ｄ内のインクを加圧してインク吐出孔６より噴出し、記録媒体に定着させるようになっている。この時、インク流路２ｂ、２ｃではその体積を増加するように隔壁１ｂ，１ｄが屈曲変位し、インク流路２ｂ、２ｃ内の圧力が減圧することから、インク流路２ｂ，２ｄ内にはインク供給孔４よりインクが導入されるようになっている。
【００１２】
次に、隔壁１ａ，１ｄの駆動用電極３ａ，３ｄ及び隔壁１ｂ，１ｅの駆動用電極３ｂ，３ｅへの通電を止め、さらに逆に電圧を駆けると、各隔壁１ａ，１ｂ，１ｄ，１ｅはインク流路２ａ，２ｄ内の体積が増加するように図２とは逆の方向にそれぞれ屈曲変位し、インク流路２ａ、２ｄ内の圧力が減圧することから、インク流路２ａ，２ｄ内にはインク供給孔４よりインクが導入されるようになっている。
【００１３】
ところで、この隔壁１の屈曲は、通常５０〜１３０ｋＨｚといった非常に速い速度で変位しており、ヘッド１０の駆動中、圧電セラミックスからなる隔壁１には、常に屈曲変位による応力が加えられている。そして、この応力は圧電セラミックスの表面（隔壁１の側面）に存在するボイドの内側に引っ張り応力を発生させるため、ボイドを起点としてマイクロクラックが発生し、各ボイド間を繋ぐようにマイクロクラックが進展することによって、圧電セラミックスの圧電諸定数等の特性を劣化させることになる。また、マイクロクラックの発生による二次的な問題として、圧電セラミックスの表面上にできた複数のマイクロクラック同士が互いに繋がると、圧電セラミックスの表面の一部に剥離が発生することになり、この剥離によって、駆動用電極４との接触面積が少なくなり、圧電セラミックスと駆動用電極４との間の誘電損失の増加が起こることになる。
【００１４】
そこで、本件発明者は、長期間駆動させても、隔壁１の特性劣化が殆どないヘッド１０を得るために研究を重ねたところ、隔壁１を構成する圧電セラミックスの表面に存在するボイドの最大気孔径を１０μｍ以下にまで小さくするとともに、その表面に存在するボイドが占める割合、即ちボイド占有率を２．５％以下にまで減少させることで、マイクロクラックの発生量及びボイド内に発生する引っ張り応力を小さくすることができ、さらにはマイクロクラックの進展を抑制することができるため、屈曲変位を繰り返しても圧電セラミックスの圧電諸定数等の特性劣化が殆どなく、また、駆動用電極の微小剥離を防ぐことができるため、インク吐出量及びインク吐出速度の低下を防止し、ヘッド１０としての寿命を長くすることができる。
【００１５】
なお、ボイドの最大気孔径及びボイド占有率の分析は、隔壁１の側面に鏡面加工を施したあと、画像処理装置にて測定することができる。画像処理装置及びデータの処理方法は一般的なセラミックの測定方法に基づけばよい。
【００１６】
このような隔壁１を有する流路部材３を形成する圧電セラミックスとしては、前述したジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ系）を主成分とする圧電セラミックス以外に、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、さらにはこれら主成分を複合した圧電セラミックスを用いることができる。
【００１７】
また、隔壁１の両側面に形成する駆動用電極４の材質としては、白金、金、パラジウム、ロジウム、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を用いることができる。
【００１８】
なお、図１では、隔壁１が流路部材３に一体的に形成され、流路部材３全体を圧電セラミックスにて形成した例を示したが、隔壁１のみを圧電セラミックスにより形成し、別の基板に接合して構成した流路部材３でも同様の作用効果が得られることは言うまでもない。
【００１９】
また、本発明のヘッド１０は、図１に示すものだけに限定されるものではなく、例えば、図３に示すように、流路部材３の下部に各インク流路２に開口するインク供給孔６を設けるとともに、蓋板５に各インク流路２と連通するインク吐出孔７を穿孔したものや、あるいは図示していないが、図１のヘッド１０のうち、流路部材３の下部に各インク流路２と連通するインク吐出孔７を設けたものでも構わない。さらに図４に示すように、隔壁１を長手方向に分割した２層構造とし、相対する方向にそれぞれ分極処理を施すとともに、隔壁１の両側面全面に駆動用電極４を形成しても良く、この構造の場合、駆動用電極に通電すると、隔壁１の接合部を中心にく字状に大きく屈曲変位させることができ、同じ駆動電圧を印加した場合、図１に示すヘッド１０と比較して隔壁１の屈曲変位量を大きくすることができる。なお、図１乃至３以外に本発明の範囲を逸脱しない範囲であれば、改良や変更を加えることができることは言うまでもない。
【００２０】
次に、図１に示すヘッド１０の製法について説明する。
【００２１】
まず、流路部材３を形成するために、焼結された圧電セラミック板を用意し、その厚み方向に分極処理したあと、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、該溝をインク流路２とするとともに、このインク流路２を構成する壁を隔壁１としてなる流路部材３を形成する。
【００２２】
次に、各隔壁１の両側面に、蒸着、スパッタリング、メッキ等の膜形成手段によって前記金属材料からなる駆動用電極４を形成するのであるが、駆動用電極４は隔壁１の長手方向に沿ってインク流路２の終端まで形成し、インク流路２の終端から流路部材３の後端まで延びるリード線９と接続してあり、このリード線９を介して駆動用電極４へ通電するようになっている。
【００２３】
さらに、駆動用電極４への通電方法としては、後述する蓋板５内に導体を埋設しておき、この蓋板５を流路部材３の隔壁１上に接合する際に、蓋板５内の埋設された導体と駆動用電極４とを直接当接させて導通させるようにしても良い。
【００２４】
しかるのち、流路部材３のインク流路２を塞ぐべく、隔壁１の頂部に、セラミックス、ガラス、シリコン等の絶縁材料からなるインク供給孔６を備えた蓋板５を接着材やガラスにて接合するとともに、流路部材３の一方端側を塞ぐべく、セラミックス、ガラス、シリコンからなるインク吐出孔７を備えたノズル板８を接着材やガラスにて接合することにより、図１に示すヘッド１０を得ることができる。
【００２５】
【実施例】
ジルコン酸チタン酸鉛の粉末（平均粉砕粒度０．５μｍ）に対し水溶性ポリビニルアルコール（ＰＶＡ) 系のバインダーを添加するとともに、ボイド量及びボイド径を調整するために、ある試料にはアクリル樹脂製のビーズを添加し、脱脂、焼成を行い、ボイド量及びボイド占有率を異ならせたジルコン酸チタン酸鉛からなる圧電セラミック板を用意し、厚み方向に分極処理を施したあと、ダイシングソーにて溝幅７０μｍ、溝深さ４００μｍ、ピッチ１４１μｍの溝加工を施して複数のインク流路２と隔壁１を有する流路部材３を形成した。
【００２６】
次に、隔壁１の両側面にスパッタリングにてＡｕからなる駆動用電極４を形成した。駆動用電極４の大きさはインク流路２の深さ方向の長さが２００μｍ、インク流路２の長手方向の長さが１０ｍｍの帯状とした。
【００２７】
しかるのち、隔壁１の頂部に、インク供給孔６を備えたアルミナセラミック製の蓋板５をエポキシ接着剤にて接合するとともに、流路部材３の一方端側にインク吐出孔７を備えたポリイミド樹脂製のノズル板８をエポキシ接着剤にて接合して図１に示すヘッド１０を製作した。
【００２８】
次に、これらのヘッド１０を、インク流路２に対して平行にダイシングソーにて切断し、隔壁１を観察可能な状態とし、各ヘッド１０の隔壁１を駆動させ、屈曲変位量の時間経過による変化を確認するとともに、切断した残りのヘッド１０から隔壁１を切り出し、駆動用電極４を薬品あるいは研磨して除去し、さらに鏡面加工を施したあと、画像処理して隔壁１の側面に存在するボイドの最大気孔径、平均気孔径、及びボイド占有率を測定した。
【００２９】
なお、ヘッド１０の隔壁１を駆動させるにあたっては、駆動周波数を正弦波１２０ｋＨｚとし、マイナス側の入力はカットしてプラス側のみの波形を電圧３０Ｖで駆動用電極４に印加した。そして、屈曲変位量が初期値の７０％に低下した時間を、ヘッド１０の寿命とした。
【００３０】
ただし、ヘッド１０の寿命の測定は、各試料別に５個の測定を行い、その最長寿命、最短寿命のデータを削除し、残った３個のヘッド１０の寿命の平均値をヘッド１０の寿命とした。
【００３１】
それぞれの結果は表１に示す通りである。
【００３２】
【表１】
0003638463.tif 000002
【００３３】
この結果、隔壁１の側面に存在するボイドの最大気孔径が１０μｍ以下でかつボイド占有率が２．５％以下の範囲にあればヘッド１０を１０００分以上連続駆動させても隔壁１の屈曲変位に劣化が見られなかった。
【００３４】
これより、隔壁１の側面に存在するボイドの最大気孔径を１０μｍ以下としかつボイド占有率を２．５％以下とすれば、ヘッド１０の寿命を高められることが判る。
【００３５】
なお、本実験は、インクを充填せずに高速連続運転で隔壁１を屈曲変位をさせた時のヘッド１０寿命であるが、インクを導入しての吐出においては、インク流路２内のインクの流路抵抗による隔壁１の屈曲変位の吸収効果により、隔壁１への応力負荷は低減されるため、より長寿命が期待できる。
【００３６】
また、本実験では、隔壁１を構成する圧電セラミックスとしてジルコン酸チタン酸鉛系のものを用いたが、他の圧電セラミックスを用いても同様の傾向であった。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、平行に整列した圧電セラミックスからなる複数の隔壁を有し、該隔壁の両側面にはそれぞれ駆動用電極を備え、各隔壁間をインク流路としてなる流路部材と、上記隔壁の頂部に接合され、各インク流路を塞ぐ蓋板と、上記インク流路と連通するインク吐出孔とからなり、上記駆動用電極に通電して前記隔壁を屈曲変位させることによりインク流路内のインクを加圧し、インク吐出孔よりインクを噴出するようにしてなるインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記複数の隔壁を構成する圧電セラミックスの表面に存在するボイドの最大気孔径を１０μｍ以下とし、かつボイド占有率を２．５％以下としたことで、繰り返し隔壁を屈曲変位させても圧電セラミックスの表面にマイクロクラックの発生及び進展を低減することができ圧電セラミックスの圧電諸定数等の特性劣化を防ぐことができるとともに、マイクロクラックの進展に伴う隔壁からの駆動電極の微小剥離を防ぐことができるため、長期間の駆動においても、インクの吐出特性の低下が殆どない、信頼性の高いヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明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。
【図２】本発明の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断面図である。
【図３】本発明のインクジェットプリンタヘッドの他の例を示す一部を破断した斜視図である。
【図４】本発明のインクジェットプリンタヘッドのさらに他の例を示す一部を破断した斜視図である。
【図５】従来例のインクジェットプリンタヘッド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：インク流路
３，２３：流路部材
４，２４：駆動用電極
５，２５：蓋板
６，２６：インク供給孔
７，２７：インク吐出孔
８，２８：ノズル板
９：リード線
１０，２０：インクジェットプリンタヘッド
【図１】
0003638463.tif 000003
【図２】
0003638463.tif 000004
【図３】
0003638463.tif 000005
【図４】
0003638463.tif 000006
【図５】
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