(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、これら隔壁間を加圧室としてなる加圧部材と、上記隔壁の頂部に接合され、加圧室を塞ぐ天板とからなり、上記隔壁の少なくとも上部側両側面の長手方向に沿って電極を有するインクジェットプリンタヘッドにおいて、上記隔壁を構成する圧電セラミックス中にジルコニア繊維を含有させたことを特徴とするインクジェットプリンタヘッド。
【請求項２】
上記隔壁を構成する圧電セラミックス中におけるジルコニア繊維の占有率を、加圧室の底面側より天板側を少なく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プリンタヘッド。
【請求項３】
上記隔壁を縦断面視した時に、隔壁全体におけるジルコニア繊維の占有率を３０％以下としたことを特徴とする請求項２に記載の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、インクを噴出して印刷するインクジェットプリンタに用いら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用いるインクジェットプリンタヘッド（以下、ヘッドという）としては、図５に示すような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２３を等間隔で並設してなり、上記隔壁２３間を加圧室２４としてなる加圧部材２２と、上記隔壁２３上に接合され、各加圧室２４を塞ぐ天板２５とからなり、上記加圧室２４の一方端側には各加圧室２４と連通するインク噴出孔２７を有するノズル板２８を具備するとともに、上記各隔壁２３の上部側両側面にはその長手方向に沿って電極２６をそれぞれ備え、各隔壁２３を挟んで形成された電極２６間に通電することで、圧電セラミックスの剪断モード変形を利用して隔壁２３を屈曲変位させ、加圧室２４内の圧力を変化させることで加圧室２４内のインクをインク噴出孔２７より吐出させるようにした剪断モード型のものがあった（特開平９−１６４６７２号公報、特開平７ー１０１０５６等参照）。なお、２９は加圧室２４の他方端側にインクを導くためのインク供給孔である。
【０００４】
また、このようなヘッド２１を製造するには、まず、加圧部材２２を形成するために、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体を用意し、ダイシングソーによる切削加工やブラスト加工によって複数個の加圧室２４を形成するとともに、加圧室２４を構成する両側の壁を隔壁２３となし、この隔壁２３の上部側両側面の長手方向に沿ってそれぞれ電極２６を形成したあと、加圧室２４を塞ぐように隔壁２３の頂部にインク供給孔２９を有する天板２５を接合するとともに、加圧室２４の一方端側を塞ぐようにインク噴出孔２７を有するノズル板２８を接合することによって形成されていた（特開平６−４００３０号、８−３３６９７８号公報等参照）。
【０００５】
なお、加圧部材２２を形成する他の方法として、セラミックスやシリコン、あるいは圧電セラミックスからなる基板を用意し、この基板上に隔壁２３をなす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のペーストをスクリーン印刷によって積層し、しかるのち、焼成することで基板と隔壁２３とが接合一体化された加圧部材２２を形成するようにしたものもあった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、インクジェットプリンタヘッド２１には高精細化、高密度化が要求され、ヘッド２１を構成する加圧部材２１の隔壁２３の厚み及び隔壁２３間の間隔をそれぞれ数十μｍ程度にまで狭くすることが求められている。
【０００７】
ところが、電極２６が形成された隔壁２３は、一種のコンデンサーとしての作用を有することから、隔壁２３の厚みが薄くなると、静電容量が大きくなるため、大きな駆動電圧を加えないと隔壁２３を所定の大きさに屈曲変位させることができず、その結果、消費電力が大きくなるといった課題があった。
【０００８】
しかも、大きな駆動電圧を加えると、ヘッド２１の発熱温度が高くなるため、加圧室２４内に導入されたインクの粘度等に悪影響を及ぼし、インクの吐出速度にバラツキが発生するために、印字や画質が劣化するという課題もあった。  さらに、隔壁２３を形成する圧電セラミックスは機械的強度がそれほど高くないために、前述したような切削加工やブラスト加工、あるいはスクリーン印刷によって加圧部材２１を形成する際や、ヘッド２１の製造工程中における加圧部材２２の取り扱い時、さらにはヘッド２１の駆動時において、隔壁２３の破損、脱落、チッピングを生じることがあり、製造歩留りが悪く、また、ヘッド２１としての信頼性も低いものであった。
【０００９】
【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、これら隔壁間を加圧室としてなる加圧部材と、上記隔壁の頂部に接合され、加圧室を塞ぐ天板とからなり、上記隔壁の少なくとも上部側両側面の長手方向に沿って電極を有するインクジェットプリンタヘッドにおいて、上記隔壁を構成する圧電セラミックス中にジルコニア繊維を含有させることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、上記隔壁を構成する圧電セラミックス中におけるジルコニア繊維の占有率が、加圧室の底面側より天板側の方が少なくなるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上記隔壁を縦断面視した時の隔壁全体におけるジルコニア繊維の占有率を３０％以下としたことを特徴とする。
【００１２】
なお、上記隔壁において、天板側とは、隔壁の高さの半分より天板側の部分を言い、加圧室の底面側とは、隔壁の高さの半分より加圧室の底面側の部分のことを言う。
【００１３】
【作用】
本発明によれば、加圧部材の隔壁を形成する圧電セラミックス中に、比誘電率が上記圧電セラミックスより低く、かつ圧電セラミックスとの反応が少ないジルコニア繊維を含有させるようにしたことから、隔壁の静電容量を小さくすることができるため、加圧室が高密度化されたヘッドにおいて、消費電力を低減することができるとともに、ヘッドの発熱を抑えることができ、さらには圧電セラミックスと比較して機械的強度の大きいジルコニア繊維を分散させてあることから、隔壁の機械的強度を高め、ヘッドの製造工程中や駆動時における隔壁の破損、脱粒、チッピングを防止することができる。
【００１４】
また、隔壁は、電極が形成された天板側をなす圧電セラミックス中におけるジルコニア繊維の占有率を、加圧室の底面側より少なくすることにより、隔壁の変位特性の劣化を防ぎ、インクの吐出特性の低下を防止することができる。
【００１５】
特に、上記隔壁を縦断面視した時に、隔壁全体におけるジルコニア繊維の占有率を３０％以下とすることによって、インクの吐出に必要な隔壁の変位量を保ちつつ、静電容量を小さくできるので、消費電極を大幅に抑えることができるとともに、それに伴うヘッドの発熱も抑制できることから、優れた印字特性を安定して提供することができる。
【００１６】
【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。
【００１７】
図１は本発明のインクジェットプリンタヘッド１の一例を示す一部を破断した斜視図である。
【００１８】
このインクジェットプリンタヘッド１（以下、ヘッドという）は、複数の隔壁３を等間隔で並設してなり、上記隔壁３間を加圧室４としてなる加圧部材２と、上記隔壁３上に接合され、各加圧室４を閉じる天板５とからなり、上記加圧室４の一方端側には各加圧室４と連通するインク噴出孔７を有するノズル板８を備えるとともに、上記各隔壁３の上部側両側面にはその長手方向に沿って電極６をそれぞれ形成してある。なお、９は加圧室４の他方端側にインクを導くためのインク供給孔である。
【００１９】
また、上記加圧部材２は、ジルコニア繊維を含有した圧電セラミックス１２により形成してあり、隔壁３を形成する圧電セラミックス中におけるジルコニア繊維の占有率は、加圧室４の底面側より天板５側の方が少なくなるようにしてある。
【００２０】
そして、このヘッド１を駆動させるには、図２（ａ）に示すように、隔壁３の両壁面に形成された電極６間に通電し、一つの加圧室４を拡げるように隔壁３をそれぞれ屈曲変位させることによってインク供給孔９からインクを加圧室４内に導き、次に、図２（ｂ）に示すように、各隔壁３の両側面に形成された電極６間への通電を止めると、屈曲変位していた隔壁３は弾性回復して元の状態に戻るため、加圧室４内を加圧し、インク噴出孔７よりインクを吐出することができる。かくして、これらの動作を繰り返すことによって、記録媒体（不図示）上に印字することができる。
【００２１】
そして、本発明によれば、図２（ａ）（ｂ）に示すように、隔壁３を形成する圧電セラミックス１２中に、比誘電率が上記圧電セラミックスより低くかつ圧電セラミックスとの反応の少ないジルコニア繊維１３を含有させてあることから、隔壁３の厚みを数十μｍと薄肉としても静電容量を小さくすることができる。その為、隔壁３の変位量を低下させることなく、消費電力を低減することができるとともに、大きな駆動電圧を加える必要がないことから、ヘッド１自体の発熱を抑えることができ、インクが加熱されることによる吐出特性の劣化を生じることがない。
【００２２】
また、ジルコニア繊維１３は圧電セラミックス１２より機械的強度が大きく、しかもその形態が繊維状であることから、圧電セラミックス中において様々な方向に絡み合った状態で分散させることができるため、隔壁３の機械的強度を高めることができ、ヘッド１の製造工程中やヘッド１の駆動時における隔壁３の破損、脱粒、チッピングを防止することがきる。
【００２３】
ただし、隔壁３において、電極６が形成された天板５側をなす圧電セラミックス１２中におけるジルコニア繊維１３の占有率が大きくなり過ぎると、圧電セラミックス１２の圧電特性を劣化させることになるのであるが、本発明では、ジルコニア繊維１３の占有率が加圧室４の底面側より天板５側の方が少なくなるように構成してあることから、隔壁２の天板５側における圧電特性を大きく劣化させることがない。その結果、電極６間に通電すれば、隔壁３を大きく屈曲変位させることができる。
【００２４】
このような効果を奏するにあたっては、隔壁３を縦断面視した時に、隔壁３全体におけるジルコニア繊維１３の占有率が３０％以下の範囲にあるものが良く、好ましくは５〜１０重量％の範囲にあるものが良い。
【００２５】
即ち、ジルコニア繊維の占有率が３０％より多くなると、隔壁３の強度が高くなり過ぎるために大きな変位量が得られなくなるとともに、ヘッド１の製作工程中おける隔壁３の破損、脱粒、チッピング等が生じ易くなるからである。
【００２６】
かくして、ジルコニア繊維１３の占有率を３０％以下とすることでインクの吐出に必要な隔壁３の変位量を保ちつつ、静電容量を小さくできるので、消費電力を低減することができるとともに、ヘッド１の発熱を抑制できることからインクの吐出特性を劣化することがなく、優れた印字特性を安定して得ることができる。
【００２７】
なお、ここで、ジルコニア繊維１３の占有率とは、隔壁３を縦断面視した時の隔壁３の全面積に対し、断面に現れるジルコニア繊維１３が占める面積比率のことである。
【００２８】
ところで、上記隔壁３を有する加圧部材２を形成する圧電セラミックスとしては、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、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、アンチモンスズ酸鉛を主成分とする圧電セラミックス、チタン酸鉛を主成分とする圧電セラミックス、チタン酸バリウム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、好ましくはマグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛を主成分とする圧電セラミックスもしくはニッケルニオブ酸鉛とマグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛を主成分とする圧電セラミックスにより形成することが良い。
【００２９】
また、隔壁３の両側面に形成する電極６の材質としては、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属や、Ｐｔ−Ａｕ、Ｐｂ−Ａｇ、Ｐｔ−Ｐｂ等を主体とする合金を用いることができる。
【００３０】
次に、このインクジェットプリンタヘッド１の製造方法を説明する。
【００３１】
図３に示す方法は、まず、図３（ａ) に示すような凹部を有する成形型１１を用意し、この成形型１１の凹部中に、隔壁３をなす前記圧電セラミック粒子１４とジルコニア繊維１３、及び有機性バインダー並びに分散剤からなる混合物１０を充填する。この時、圧電セラミック粒子１４は、ジルコニア繊維１３と比較して比重が大きいために徐々に沈降を始め、最終的には圧電セラミック粒子１４とジルコニア繊維１３は分離されることになる。その為、この沈降途中の段階にある混合物１０を反応硬化もしくは乾燥固化させることにより、成形型１１の凹部開口側におけるジルコニア繊維１３の割合が成形型１１の凹部底面側に比べて多い板状成形体を形成し、しかるのち、成形型１１を離型した板状成形体を焼成して図３（ｂ）に示す板状焼結体１５を形成する。
【００３２】
次に、この板状焼結体１５に対して矢印の方向に分極処理を施したあと、ジルコニア繊維１３の割合が少ない方の面に、ダイシングソーによる切削加工やブラスト加工によって複数の溝を並設し、該溝を加圧室４とするとともに、加圧室４を形成する壁を隔壁３としてなる図３（ｃ）に示す加圧部材２を形成する。
【００３３】
このようにして製作された加圧部材２は、隔壁３を形成する圧電セラミックス中におけるジルコニア繊維１３の占有率が、加圧室４の底面側よりも天板５側が少なくなるようにすることができる。
【００３４】
また、隔壁３を形成する圧電セラミックス中にはジルコニア繊維１３を含有させてあることから、切削加工時やブラスト加工時における隔壁３の破損、脱粒、チッピングを大幅に抑えることができるため、歩留りを高めることができる。
【００３５】
次に、図３（ｄ）に示すように、蒸着、スパッタ、メッキ等によって隔壁３の上部側両壁面の長手方向に沿って前述した金属材料からなる電極６を形成する。
しかるのち、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９を備えた天板５を、加圧室４を塞ぐように隔壁３の頂部に接着剤やガラスにて接合するとともに、加圧室４の一方端側を塞ぐようにセラミックス、ガラス、シリコンからなるインク噴出孔７を有するノズル板８を接着剤やガラスにて接合することにより、図１に示すインクジェットプリンタヘッド１を得ることができる。
【００３６】
また、インクジェットプリンタヘッド１を製作する他の方法としては、図４（ａ）に示すように、凹部底面に隔壁３を形成するための溝を備えてなる成形型１５を用意し、この成形型１５の凹部内に、隔壁３をなす圧電セラミック粒子１４とジルコニア繊維１３、及び有機性バインダー並びに分散剤からなる混合物１０を充填し、圧電セラミック粒子１４とジルコニア繊維１３との分離途中の段階で混合物１０を反応硬化させるかあるいは乾燥固化させたあと成形型１６を離型し、しかるのち、焼成することによって、図４（ｂ）に示すような隔壁３が一体的に形成された加圧部材２を形成する。
【００３７】
しかるのち、この加圧部材２に対して矢印の方向に分極処理を施したあと、図４（ｃ）に示すように、加圧部材２の隔壁３の両壁面に電極６を形成し、さらに天板５とノズル板８をそれぞれ接合することによって、図１に示すインクジェットプリンタヘッド１を得ることもできる。
【００３８】
なお、本発明のインクジェットプリンタヘッド１を製造するにあたり、図３，４に示す方法だけに限定されるものではなく、加圧部材２の隔壁３を縦断面視した時に、隔壁３を形成する圧電セラミックス１２中にジルコニア繊維１３を含有するとともに、上記ジルコニア繊維１３の占有率が隔壁３の下部側より上部側の方が少なければ、どのような製法を用いて製作したものでも構わない。
【００３９】
さらに、本発明のインクジェットプリンタヘッド１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、インク噴出孔７を加圧部材２の加圧室４底面に備えたものや天板５に備えたものでも良く、また、隔壁３の両壁面に形成する電極６も、隔壁３の上部側だけでなく、隔壁３の両壁面全面に電極６をそれぞれ備えたものであっも良いというように、本発明の範囲を逸脱しない範囲で形成されたものであれば良い。
【００４０】
【実施例】
ここで、隔壁３を形成する圧電セラミックス１２中にジルコニア繊維１３を含有させた加圧部材２と、隔壁２３を形成する圧電セラミックス１２中にジルコニア繊維１３を含有させていない加圧部材２２をそれぞれ形成し、この時の隔壁３，２３の破損状況について確認するとともに、これらの加圧部材２，２２に備える隔壁３，２３の両壁面にそれぞれ電極６，２６を形成し、隔壁３，２３の静電容量と、隔壁３，２３を駆動させた時の変位量について調べる実験を行った。
【００４１】
まず、隔壁３を形成する圧電セラミックス１２中にジルコニア繊維１３を含有させた加圧部材２を形成するにあたっては、シリコンからなる凹部を有する成形型１１を用意し、この成形型１１の凹部内に、ジルコン酸チタン酸鉛からなる圧電セラミック粒子１４、直径が１０μｍでかつアスペクト比１０程度のジルコニア繊維１３、アクリル系のバインダー、リン酸エステル系の分散剤からなる混合物１０を充填し、真空脱泡を行った後、真空中１００℃にて硬化させた。この時、真空脱泡の保持時間を変化させることで、圧電セラミック粒子１４の沈降状態を異ならせた板状成形体を作製した。
【００４２】
次に、得られた板状成形体に対してバインダー処理を施したあと、１２００℃の温度にて焼成することにより、ジルコニア繊維１３の占有率が異なる板状焼結体１５を製作した。
【００４３】
なお、このようにして製作された板状焼結体１５はいずれもジルコニア繊維１３の占有率が順次増加する構造を有していた。
【００４４】
一方、隔壁２３を形成する圧電セラミックス１２中にジルコニア繊維１３を含有していない加圧部材２２を形成するにあたっては、混合物１０にジルコニア繊維を添加しない以外は同様の条件にて圧電セラミックスからなる板状成形体を得た。
【００４５】
そして、これらの板状成形体１５に対して分極処理を施したあと、ダイシングソーを用いて幅１００μｍ、深さ５００μｍ、ピッチ２００μｍで溝加工を施した加圧部材２，２２を形成し、１万本の溝を加工した時に発生する隔壁３，２３の破損率を測定した。
【００４６】
この結果、表１に示す通り、圧電セラミックス１２中にジルコニア繊維１３を含有した隔壁３を有する加圧部材２は、切削加工時における隔壁３の破損を抑えられることが判る。ただし、ジルコニア繊維１３を含有したものであっても、隔壁３を縦断面視した時に、隔壁３全体におけるジルコニア繊維１３の占有率が３０％を越えると、切削加工時における隔壁３の破損が増加した。
【００４７】
次に、これらの加圧部材２，２２に備える隔壁３，２３の上部側両側面の長手方向に沿って２５０μｍ幅のＡｕ膜をスパッタリングにて被覆して電極６，２６を形成し、隔壁３，２３の静電容量をインピーダンスアナライザーを用いて１ＫＨｚの周波数にて測定するとともに、電極６，２６に通電して隔壁３，２３を駆動させたときの変位量をレーザードップラー振動計を用いて測定を行った。
【００４８】
結果は表１にそれぞれ示す通りである。
【００４９】
【表１】
0003638457.tif 000002
【００５０】
この結果、試料Ａに示す、隔壁２３を形成する圧電セラミックス１２中にジルコニア繊維１３を含有していない加圧部材２２は、切削加工時における隔壁３の破損が多く、また、静電容量も０．８ｎＦと最も大きいものであった。この結果、この加圧部材２２を用いてインクジェットプリンタヘッド２１を形成すると、消費電力が多くまたヘッド２１の発熱が大きくなることが判る。
【００５１】
これに対し、試料Ｂ〜Ｇに示す、隔壁３を形成する圧電セラミックス１２中にジルコニア繊維１３を含有する加圧部材２は、切削加工時における隔壁３の破損を抑えることができるとともに、隔壁３の静電容量を下げることができた。この結果、この加圧部材２を用いてインクジェットプリンタヘッド１を形成すれば、ヘッド１の信頼性を高めることができるとともに、製造歩留りを向上させることができ、さらに隔壁３の静電容量を小さくできるので、消費電力を抑えることができるとともに、それに伴うヘッドの発熱も抑制できることが判る。
【００５２】
特に、試料Ｂ〜Ｆに示すように、隔壁３を縦断面視した時に、ジルコニア繊維１３の占有率が３０％以下となるようにすることで、切削加工時における隔壁３の破損を大幅に抑えることができ、ヘッドの製造歩留りをより一層向上させることができ、さらに試料Ｃ〜Ｆに示すように、ジルコニア繊維１３の占有率を５〜３０％とすれば、隔壁３の静電容量を０．７ｎＦ以下にまで下げることができるため、インクの吐出に必要な隔壁の変位量を保ちつつ、消費電力をより一層低減することができることが判る。
【００５３】
従って、隔壁３を縦断面視した時に、隔壁３を形成する圧電セラミックス中における好ましいジルコニア繊維１３の占有率は５〜３０％が良いことが判る。
【００５４】
【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、これら隔壁間を加圧室としてなる加圧部材と、上記隔壁の頂部に接合され、加圧室を塞ぐ天板とからなり、上記隔壁の少なくとも上部側両側面の長手方向に沿って電極を有するインクジェットプリンタヘッドにおいて、上記隔壁を構成する圧電セラミックス中にジルコニア繊維を含有させるとともに、上記ジルコニア繊維の占有率が加圧室の底面側より天板側の方が少なくなるようにしたことによって、加圧室が高密度化されたヘッドにおいて、インクの吐出に必要な隔壁の変位量を保ちつつ、静電容量を小さくできるので、消費電極を大幅に抑えることができるとともに、それに伴うヘッドの発熱も抑制できることから、優れた印字特性を安定して提供することが可能となる。
【００５５】
また、隔壁の機械的強度を高めることができるため、ヘッドの製造工程中や駆動中における隔壁の破損、脱粒、チッピングを防ぐことができ、製造歩留りを向上させることができるとともに、ヘッドの信頼性を高めることができる。
【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】（ａ）（ｂ）はそれぞれ本発明に係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断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明に係るインクジェットプリンタヘッドの製造工程を示す説明図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ本発明に係るインクジェットプリンタヘッドの他の製造工程を示す説明図である。
【図５】従来のインクジェットプリンタヘッドの一例示す一部を破断した斜視図である。
【符号の説明】
１，２１：インクジェットプリンタヘッド  ２，２２：加圧部材
３，２３：隔壁  ４，２４：加圧室  ５，２５：天板  ６，２６：電極
７，２７：インク噴出孔  ８，２８：ノズル板  ９，２９：インク供給孔
１０：混合物  １１，１５：成形型  １２：圧電セラミックス
１３：ジルコニア繊維  １４：圧電セラミック粒子  １５：板状焼結体
【図１】
0003638457.tif 000003
【図２】
0003638457.tif 000004
【図３】
0003638457.tif 000005
【図４】
0003638457.tif 000006
【図５】
0003638457.tif 000007