(57)【要約】【課題】  ノズルプレートにクラックが発生するのを防止しつつ、圧電部材の駆動電圧を低下させることができるインクジェットヘッドを提供する。【解決手段】  インクが吐出されるノズル（４ａ）を備えたノズルプレート（４）と、ノズルプレートとともにインクの収容スペース（７）を形成して、電圧の印加に伴う屈曲変形により収容スペース内のインクをノズルから吐出させる複数の隔壁部（３ａ）を備えた圧電部材（３）と、を有する。ノズルプレートは、ヤング率（Ｅ［Ｎ／ｍ２］）が１．０×１０１０＜Ｅ＜２．０×１０１１であり、ノズルプレートおよび圧電部材の間における熱膨張係数の差（Δα）が、０＜Δα≦４×１０−６である。【選択図】図２
2011062867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に対してインクを吐出するインクジェットヘッドであって、
インクが吐出されるノズルを備えたノズルプレートと、
前記ノズルプレートとともにインクの収容スペースを形成して、電圧の印加に伴う屈曲変形により前記収容スペース内のインクを前記ノズルから吐出させる複数の隔壁部を備えた圧電部材と、
を有し、
前記ノズルプレートは、ヤング率（Ｅ［Ｎ／ｍ２］）が１．０×１０１０＜Ｅ＜２．０×１０１１であり、
前記ノズルプレートおよび前記圧電部材の間における熱膨張係数の差（Δα）が、０＜Δα＜４×１０−６であることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記熱膨張係数の差（Δα）が、１×１０−６＜Δα＜４×１０−６であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記ノズルプレートは、前記隔壁部の端面に対して接着剤を介して固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
前記ノズルは、インクの吐出方向から見たときに、前記収容スペースに対応した領域の中央部に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記ノズルは、前記収容スペース側に位置する一端部の径が、前記収容スペースとは反対側に位置する他端部の径よりも大きく、前記一端部から前記他端部に向かって径が連続的に変化していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のインクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクをノズルから吐出して画像を形成するインクジェットヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のインクジェットヘッドとしては、例えば、特許文献１，２に記載されているように、圧電部材を屈曲変形させることにより、ノズルプレートに形成されたノズルからインクを吐出させるものがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１，２に記載されたインクジェットヘッドでは、ノズルプレートの材料として、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエステルといった低ヤング率の樹脂を用いているため、インクを吐出させる際の圧力の影響を受けやすい。このため、インクの吐出性能を確保するためには、圧電部材に対して高電圧を印加しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため、本発明の一態様は、対象物に対してインクを吐出するインクジェットヘッドであって、インクが吐出されるノズルを備えたノズルプレートと、ノズルプレートとともにインクの収容スペースを形成して、電圧の印加に伴う屈曲変形により収容スペース内のインクをノズルから吐出させる複数の隔壁部を備えた圧電部材と、を有する。ノズルプレートは、ヤング率（Ｅ［Ｎ／ｍ２］）が１．０×１０１０＜Ｅ＜２．０×１０１１であり、ノズルプレートおよび圧電部材の間における熱膨張係数の差（Δα）が、０＜Δα＜４×１０−６である。
【発明の効果】
【０００５】
本発明では、ノズルプレートのヤング率（Ｅ）を１．０×１０１０＜Ｅ＜２．０×１０１１としてノズルプレートの剛性を向上させることにより、ノズルからのインクの吐出性能を確保しつつ、圧電部材への印加電圧を低減することができる。また、圧電部材に印加する駆動電圧の周波数を高くすることができ、インクジェットヘッドの印字速度を高速化することができる。
【０００６】
しかも、ノズルプレートおよび圧電部材の間における熱膨張係数の差（Δα）を、０＜Δα＜４×１０−６とすることにより、ノズルプレートにクラックが発生するのを防止したり、ノズルプレートの熱応力によって圧電部材が劣化するのを抑制したりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態であるインクジェットヘッドにおけるＸ−Ｚ平面の断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線における断面図（Ｙ−Ｚ断面）である。
【図３】本実施形態であるインクジェットヘッドの平面図である。
【図４】本実施形態であるインクジェットヘッドの一部を示す断面図である。
【図５】本実施形態におけるインク供給装置の構成を示す図である。
【図６】本実施形態において、インクジェットヘッド内におけるインクの循環流路を示す図である。
【図７】横軸をノズルプレートのヤング率とし、縦軸をインクジェットヘッドの駆動電圧およびＡＬとしたときのシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態であるインクジェットヘッドの構造について、図１から図４を用いて説明する。図１は、インクジェットヘッドの所定面（Ｘ−Ｚ平面）内における断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、インクジェットヘッドの平面図である。図４は、インクジェットヘッドの一部を拡大した断面図である。図１〜図４において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに直交する軸である。
【０００９】
インクジェットヘッド１は、基板２と、基板２の表面に固定された複数の圧電部材３と、圧電部材３上に配置されたノズルプレート４と、ノズルプレート４および基板２の間に配置された枠部材５とを有している。本実施形態では、２つの圧電部材３がＸ方向に並んで配置されている。
【００１０】
基板２は、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で形成することができる。圧電部材３は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で形成することができる。
【００１１】
ここで、圧電部材３の材料として、高圧電定数のＰＺＴを用いれば、基板２の材質としては、圧電部材３との間における熱膨張係数の差と誘電率を考慮して、例えば、ＰＺＴを用いることができる。
【００１２】
Ｘ方向で隣り合う圧電部材３の間には、インク供給路６が設けられており、インク供給路６は、基板２と、２つの圧電部材３と、ノズルプレート４とによって形成されている。インク供給路６には、基板２に形成されたインク供給口２ａからインクが供給される。また、インク供給路６は、圧力室７に接続されており、インク供給路６のインクが圧力室７に導かれる。
【００１３】
図２に示すように、圧電部材３は、Ｙ方向に並んで配置された複数の隔壁部３ａを有しており、Ｙ方向で隣り合う２つの隔壁部３ａによって、１つの圧力室７が形成されている。隔壁部３ａは、圧電部材３のベース３ｂから突出しており、矢印Ｐ１の方向に分極処理された圧電領域３ａ１と、矢印Ｐ２の方向に分極処理された圧電領域３ａ２とを有している。矢印Ｐ１の分極方向および矢印Ｐ２の分極方向は、逆方向（互いに向かい合う方向）となっている。
【００１４】
隔壁部３ａの先端面３ｃは、接着剤によってノズルプレート４と固定されている。接着剤としては、例えば、エポキシ接着剤、レゾルシノール系接着剤、フェノール系接着剤といった熱硬化型接着剤を用いることができる。また、接着剤にフィラーを含ませることができ、フィラーとしては、例えば、ガラスやセラミックスを用いることができる。
【００１５】
本実施形態において、圧電部材３は、圧電領域３ａ１を有する部材と、圧電領域３ａ２を有する部材とを積層することによって構成されている。また、隔壁部３ａの圧電領域３ａ２とベース３ｂは、一体的に形成されている。
【００１６】
なお、本実施形態において、圧力室７の深さ（Ｚ方向の長さ）は、１５０［μｍ］〜３００［μｍ］の範囲内の値に設定され、圧力室７の幅（Ｙ方向の長さ）は、４０［μｍ］〜８０［μｍ］の範囲内の値に設定されている。また、複数の圧力室７は、８４．５［μｍ］〜１６９［μｍ］の間隔を空けてＹ方向に並んで配置されている。
【００１７】
圧電部材３のうち、圧力室７を形成する面、具体的には、Ｙ方向で向かい合う２つの側面（隔壁部３ａの側面）と底面には、電極層８が形成されている。電極層８は、ニッケル（Ｎｉ）で形成された層と金（Ａｕ）で形成された層が重なった２層構造となっている。電極層８は、例えば、メッキ法、スパッタ法、蒸着法といった乾式成膜方法によって形成することができ、略均一（製造誤差を含む）の厚さに成膜されている。
【００１８】
なお、電極層８は、上述した構成に限るものではない。例えば、電極層８を、銅（Ｃｕ）とニッケル（Ｎｉ）の２層構造、銅（Ｃｕ）とニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）の３層構造、銅（Ｃｕ）とニッケル（Ｎｉ）とプラチナ（Ｐｔ）と金（Ａｕ）の４層構造とすることができる。
【００１９】
また、隔壁部３ａに設けられた２つの電極層８が短絡してしまうのを防止するために、ノズルプレート９および隔壁部３ａの接着部分を絶縁層で形成することができる。例えば、絶縁層としてのシリコン酸化膜を成膜したり、接着剤の層の厚みを所定値以上にしたりすることができる。
【００２０】
各隔壁部３ａに設けられた２つの電極層８に電圧を印加すると、隔壁部３ａをせん断変形（屈曲変形）させることができる。具体的には、Ｙ方向で隣り合う２つの隔壁部３ａを、互いに近づく方向に変形させたり、互いに離れる方向に変形させたりすることができる。Ｙ方向で隣り合う２つの隔壁部３ａを互いに近づく方向に変形させれば、圧力室７の容積を減少させて、圧力室７内のインクを押し出すことができる。また、Ｙ方向で隣り合う２つの隔壁部３ａを互いに離れる方向に変形させれば、圧力室７の容積を増加させることができる。
【００２１】
各電極層８には、図３に示すように、配線電極２１の一端部が接続されており、配線電極２１は、基板２に固定されている。配線電極２１の他端部は、フレキシブルケーブル２２に接続されており、フレキシブルケーブル２２は、駆動回路２３に接続されている。
【００２２】
図３では、ノズルプレート４を省略しているが、ノズルプレート４に形成される複数のノズル４ａについては、位置関係が分かるように示している。ノズル４ａは、各圧力室７において、Ｘ方向およびＹ方向における中央部分に設けられている。
【００２３】
駆動回路２３で生成された駆動信号は、フレキシブルケーブル２２および配線電極２１を介して、電極層８に入力される。これにより、圧電部材３の隔壁部３ａを、上述したように変形させることができる。
【００２４】
ノズルプレート４のうち、各圧力室７に対応した位置には、ノズル４ａが形成されている。ノズル４ａは、例えば、ドライエッチング又はウェットエッチングによって形成したり、エキシマレーザを用いて形成したりすることができる。ここで、ノズル４ａの形成方法は、ノズルプレート９の材料やノズル４ａのサイズ等に応じて、適宜選択することができる。
【００２５】
ノズル４ａは、テーパ面で構成されており、一端側から他端側に向かって径が連続的に変化している。ここで、Ｙ−Ｚ平面において、ノズル４ａのテーパ面に沿った直線Ｌ１と、ノズルプレート４の表面と直交する直線Ｌ２との間の角度θ１（図２参照）は、０度よりも大きく、９０度よりも小さくなっている。角度θ１は、ノズル４ａからインクを吐出させる性能等を考慮して適宜設定することができる。
【００２６】
また、図４に示すように、ノズル４ａのうち、圧力室７側の一端部における径Ｒ１は最も大きくなっており、圧力室７側とは反対側の他端部における径Ｒ２は最も小さくなっている。そして、一端部から他端部に向かって、ノズル４ａの径が連続的に変化している。本実施形態において、径Ｒ１は、４０〜６０［μｍ］の範囲内の値となるように設定され、径Ｒ２は、２０〜３０［μｍ］の範囲内の値となるように設定される。
【００２７】
圧力室７では、図４の矢印Ｘ１で示す方向にインクが移動する。圧力室７内に位置するインクは、上述したように隔壁部３ａが変形することに応じて、ノズル４ａからインクジェットヘッド１の外部に吐出される。
【００２８】
圧力室７は、インク供給路６側とは反対側において、インク排出路９と接続されており、圧力室７内のインクは、インク排出路９に導かれる。インク排出路９は、基板２と、圧電部材３と、ノズルプレート４と、枠部材５とによって構成されている。インク排出路９に導かれたインクは、基板２に形成されたインク排出口２ｂから、インクジェットヘッド１の外部に排出される。
【００２９】
本実施形態では、図１に示すように、２つの圧電部材３の間にインク供給路６を設け、各圧電部材３に対してインク供給路６側とは反対側にインク排出路９を設けているが、これに限るものではない。例えば、２つの圧電部材３の間にインク排出路を設け、各圧電部材３に対してインク排出路側とは反対側にインク供給路を設けることができる。また、Ｙ方向（又はＸ方向）に並んで配置される圧電部材３の数は、適宜設定することができる。
【００３０】
次に、インクジェットヘッド１にインクを供給するインク供給装置３０について、図５を用いて説明する。
【００３１】
インクジェットヘッド１のインク供給口２ａには、チューブ３１ａを介して第１インクタンク３２が接続されている。第１インクタンク３２には、インク４０が収容されており、第１圧力調整ポンプ３３の動作によって、第１インクタンク３２内のインク４０がチューブ３１ａを介してインク供給口２ａに供給される。
【００３２】
ここで、第１圧力調整ポンプ３３は、チューブ３１ｂを介して第１インクタンク３２と接続されている。第１インクタンク３２内の気圧は、第１圧力調整ポンプ３３により調整されており、大気圧よりも高い状態に保たれている。これにより、第１インクタンク３２内のインク４０を、チューブ３１ａを介してインクジェットヘッド１に供給することができる。第１圧力調整ポンプ３３に付した矢印は、第１圧力調整ポンプ３３の動作による空気の移動方向を示している。
【００３３】
インクジェットヘッド１のインク排出口２ｂには、チューブ３１ｃを介して第２インクタンク３４が接続されており、インク排出口２ｂから排出されたインクが第２インクタンク３４に収容される。第２インクタンク３４内のインク４０は、輸送ポンプ３５の動作によって、チューブ３１ｄを通過して第１インクタンク３２に導かれる。すなわち、インク４０は、第１インクタンク３２、インクジェットヘッド１および第２インクタンク３４の経路で循環している。輸送ポンプ３５に付した矢印は、輸送ポンプ３５の動作に伴うインク４０の移動方向を示している。
【００３４】
ここで、第２インクタンク３４には、チューブ３１ｅを介して第２圧力調整ポンプ３６が接続されている。第２圧力調整ポンプ３６は、第２インクタンク３４内の気圧を大気圧よりも低い状態に保つように調整している。第２圧力調整ポンプ３６に付した矢印は、第２圧力調整ポンプ３６の動作による空気の移動方向を示している。
【００３５】
本実施形態において、第１インクタンク３２および第２インクタンク３４の内部の気圧は、第１圧力調整ポンプ３３および第２圧力調整ポンプ３６により、圧力室７の中央、すなわちノズル４ａと連通する位置において、静圧力が大気圧に対して−１０００Ｐａ程度となっている。また、圧力室７において、インク供給路６側からインク排出路９側に向かうインクの流量は、ノズル４ａから吐出するインクの最大量に対して略１０倍になるように調整されている。
【００３６】
インクジェットヘッド１が印字動作を長時間行っていると、図６に示すように、大気中の空気がノズル４ａ内に進入して気泡５０が発生するおそれがある。そして、気泡５０によって、ノズル４ａからインク４０を吐出させる性能が低下してしまうおそれがある。
【００３７】
本実施形態では、上述したようにインク供給装置３０を用いて、インク４０を循環させているため、ノズル４ａから気泡５０が発生したとしても、インク４０の流れによって気泡５０をインク排出路９から排出させることができる。ここで、図６の点線で示す矢印は、圧力室７内におけるインクの主な移動経路を示している。
【００３８】
次に、本実施形態の特徴部分について説明する。具体的には、ノズルプレート４および圧電部材３の材料について説明する。
【００３９】
図７は、横軸をノズルプレート４のヤング率とし、縦軸をインクジェットヘッド１の駆動電圧およびＡＬとしたときのシミュレーション結果を示す図である。ここで、１ＡＬは、圧力室７内におけるインクの固有振動周期の１／２としている。
【００４０】
図７に示すように、ノズルプレート４のヤング率とインクジェットヘッド１の駆動電圧は、ほぼ比例関係にあり、ヤング率が高くなるにつれて駆動電圧が低くなる。また、ノズルプレート４のヤング率とＡＬは、ほぼ比例関係にあり、ヤング率が高くなるにつれてＡＬが短くなる。
【００４１】
図７から分かるように、ノズルプレート４の剛性を高くすれば、ノズル４ａからのインクの吐出性能を維持しつつ、隔壁部３ａを屈曲変形させるための駆動電圧を減少させることができ、インクジェットヘッド１の消費電力を低減させることができる。また、ノズルプレート４の剛性を高くすることにより、ＡＬが短くなり、駆動波形の周波数を高くすることができる。これにより、インクジェットヘッド１の印字速度を高速化することができる。
【００４２】
駆動電圧の減少させることと駆動周波数を高くすることを考慮すると、ノズルプレート４のヤング率は高いことが好ましい。具体的には、ノズルプレート４のヤング率の上限値として、２．０×１０１１とすることができる。また、従来では、ノズルプレート４として、ポリイミドといった樹脂材料を用いているため、この樹脂材料よりも剛性の高い材料を用いることが好ましい。具体的には、ノズルプレート４のヤング率として、１．０×１０１０よりも大きな値にすることが好ましい。
【００４３】
ノズルプレート９の熱応力（σＴ）は、下記式（１）から算出される。
【数１】
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【００４４】
上記式（１）において、νＦはノズルプレート４のポアソン比、ＥＦはノズルプレート４のヤング率、αＦはノズルプレート４の熱膨張係数、αＳは圧電部材３の熱膨張係数、ΔＴは加熱温度差である。
【００４５】
ここで、圧電部材３の熱膨張係数を４．０×１０−６とし、圧電部材３の加熱温度差を１７３℃、ノズルプレート４のポアソン比を−１〜０．５とした。そして、ノズルプレート４のヤング率と熱膨張係数を変化させながら、ノズルプレート４の熱応力を算出した。この結果を下記表１に示す。
【表１】
2011062867.tif 000004
【００４６】
表１に示すように、圧電部材３およびノズルプレート４の間における熱膨張係数の差（Δα＝αＳ−αＦ）が負である場合（No.1-3,7-9,13-15）は、熱応力（σＴ）が正の値を示し、ノズルプレート４に引張り応力がかかることによってノズルプレート４にクラックが生じてしまう。
【００４７】
一方、熱膨張係数の差（Δα）が正である場合（No.4-6,10-12,16-18）は、熱応力（σＴ）が負の値を示し、ノズルプレート４に圧縮応力がかかる。この場合には、ノズルプレート４にクラックが発生することはない。このため、ノズルプレート４にクラックが発生するのを防止するためには、熱膨張係数の差（Δα）が正の値を示すことが好ましい。ここで、熱膨張係数の差（Δα）がゼロに近づくほど、ノズルプレート４に作用する応力を低減することができるが、熱膨張係数の差（Δα）が１．０×１０−６以下であればよい。
【００４８】
また、熱膨張係数の差（Δα）が４．０×１０−６よりも大きい場合は、ノズルプレート４の熱応力が強くなりすぎてしまい、圧電部材３を変形させてしまう。このため、熱膨張係数の差（Δα）は、４．０×１０−６以下であることが好ましい。
【００４９】
上述したヤング率および熱膨張係数の差（Δα）を考慮すると、ノズルプレート４の材料としては、例えば、シリコン、ニッケル、ステンレス鋼、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いることができる。また、圧電部材３としては、例えば、ＰＺＴ、ＢａＴｉＯ３、（Ｂｉ，ＮＡ）ＴｉＯ３、（Ｂｉ，Ｋ）ＴｉＯ３、ＫＮｂＯ３、Ｋ０．０５Ｎａ０．５ＮｂＯ３、Ｎａ０．８８Ｌｉ０．１２ＮｂＯ３、ＢｉＦｅＯ３、ＡｌＮを用いることができる。
【００５０】
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、すべて本発明の範囲内のものである。
【符号の説明】
【００５１】
１：インクジェットヘッド、２：基板、３：圧電部材、３ａ：隔壁部、
３ａ１，３ａ２：圧電領域、３ｂ：ベース、３ｃ：先端面、４：ノズルプレート、
４ａ：ノズル、５：枠部材、６：インク供給路、７：圧力室、８：電極層、
９：インク排出路、２１：配線電極、２２：フレキシブルケーブル、２３：駆動回路、
３０：インク供給装置、３１ａ〜３１ｅ：チューブ、３２：第１インクタンク、
３３：第１圧力調整ポンプ、３４：第２インクタンク、３５：輸送ポンプ、
３６：第２圧力調整ポンプ、４０：インク、５０：気泡
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５２】
【特許文献１】特表２０００−５１２２３３号公報
【００５３】
【特許文献２】特開２００４−１８８６８７号公報
【図１】
2011062867.tif 000005
【図２】
2011062867.tif 000006
【図３】
2011062867.tif 000007
【図４】
2011062867.tif 000008
【図５】
2011062867.tif 000009
【図６】
2011062867.tif 000010
【図７】
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