(57)【要約】【課題】圧電駆動部を有する液体吐出ヘッドにおいて、圧電体の端部における電流集中を防ぎ、耐久性を向上させる。【解決手段】インクを加圧する流路１２と吐出口１１を有する円筒基材１０の外周面に、筒状の下電極２１、圧電層２２、上電極２４を積層した圧電駆動部２０を設ける。圧電材料からなる筒状の圧電層２２の両端に、圧電材料と絶縁材料を混合した混合材料からなる混合層２３を形成し、この部分の抵抗を圧電層２２より大きくすることで電流集中を防ぐ。圧電層２２および混合層２３は、ガスデポジション法を用いて成膜される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出するための吐出口に連通する流路に対応して、一対の電極と前記一対の電極にはさまれた圧電体とを有する圧電駆動部を備えた液体吐出ヘッドにおいて、前記圧電体が、圧電材料および絶縁材料が混合された混合材料からなる側縁部と、前記側縁部以外の、圧電材料からなる本体部と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記混合材料が、圧電材料と金属酸化物からなることを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記混合材料が、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）と、ＢａＴｉＯ3 、ＢａＴｉＺｒＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 、ＳｒＣＯ3 、ＺｎＯ、ＢａＯ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＴｉＯ2 、ＳｉＯ2 のうちの少なくとも１つを原料とすることを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記側縁部が、ガスデポジション法によって形成されたことを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出方式の記録装置等に用いる液体吐出ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットプリンタ等の液体吐出方式の記録装置は、材料を直接基材に描画できるため、材料利用効率や環境への負荷において、他のデバイス形成手段と比較して非常に有利な技術である。
【０００３】
液体吐出方式には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等を用いた圧電素子と金属板、セラミックスとの積層で構成される圧力発生器に電圧を印加し、圧力を発生させて液体を吐出させる方式がある。また、電気熱変換素子を用いるものも知られている。
【０００４】
前者の方式では、タンクから吐出口までの途中に直径０.１〜１ｍｍ程度の細長い円筒形の圧電体を設け、この部分を加圧ポンプとして機能させることで液滴を吐出させる方式が知られている。これは、グールド型インクジェットヘッドと呼ばれるものであり、特許文献１および特許文献２に開示されたように、円筒形状の圧電体の内面と外面に電極が形成され、駆動電圧を印加するリード線が接続されている。円筒形状の圧電体の内面電極は、この圧電素子を貫通する中空パイプと接着により固着されている。中空パイプは、円筒形状の圧電体との電気的接触を避けるため、ガラス等絶縁材料で構成され、中空パイプの一端にはインクタンク等からインクを供給するためのインクチューブが接続され、他端にはインク滴を吐出するための吐出口が形成されている。また、特許文献３に開示されているカイザー型、特許文献４に開示されている圧電セラミックスを利用したせん断モード型が広く知られている。
【０００５】
これらの圧電体を用いた液体吐出ヘッドで重要な信頼性の項目として、圧電体の抵抗がある。圧電体の抵抗が低いと、電極間に電流が流れて発熱や発煙現象が生じる。この現象は、圧電体の電極間でマイグレーションが発生し、導通状態となり、電流を流すことでジュール熱が発生するためである。
【０００６】
すなわち、圧電体の膜厚分布や膜密度等により圧電体の一部で抵抗が低下することにより、前述の諸現象が生じると考えられている。
【特許文献１】特開平７−３１７６６０号公報
【特許文献２】特開平８−３３６９６７号公報
【特許文献３】特公昭５３−１２１３８号公報
【特許文献４】特開昭６３−２４７０５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の液体吐出ヘッドの圧電体形成方法としてスパッタ法、スクリーン印刷法、ガスデポジション法等により基材上に圧電層を形成する方法があるが、これらの方法では圧電層の膜厚を均一化させることが困難であった。特に圧電層の膜厚を厚くした場合は、膜厚均一化が困難になり圧電層の端部において膜厚が薄くなってしまうことがあった。その結果、圧電層の端部において電流集中が起こり、圧電層が発熱や発煙現象を生じ、さらには破損してしまうことがあった。また、液体吐出ヘッドは電圧を印加し、圧電層の変位の繰り返しによりインク等液体を吐出させるが、変位の繰り返しにより電極層が破損してしまうことがあった。
【０００８】
本発明は上記の従来技術の課題を解決するためになされたもので、電圧印加時の電流集中による圧電体の破損等を招くおそれのない液体吐出ヘッドを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するための吐出口に連通する流路に対応して、一対の電極と前記一対の電極にはさまれた圧電体とを有する圧電駆動部を備えた液体吐出ヘッドにおいて、前記圧電体が、圧電材料および絶縁材料が混合された混合材料からなる側縁部と、前記側縁部以外の、圧電材料からなる本体部と、を有することを特徴とする。
【００１０】
下電極と上電極の間に挟まれる圧電体の端縁部を構成する圧電材料と絶縁材料の混合層の製造方法としては、ガスデポジション法を利用することが好ましい。混合層の形成方法としてガスデポジション法を用いる場合は、ガスデポジション法により、圧電材料を発生させるエアロゾル化室とは別のエアロゾル化室で絶縁材料をエアロゾル化させ、圧電層の端部において基材へ向けて噴射する。これによって、圧電材料と絶縁材料の混合層が容易に形成できる。さらに、下電極と上電極の間に挟まれる圧電層や圧電材料と絶縁材料の混合層の製造方法としては、オフセット印刷法や、スクリーン印刷法も適用できる。
【００１１】
絶縁材料としては、圧電材料の特性向上のために行う分極処理等から高温に耐えられる材料を用いる。特に、絶縁材料として金属酸化物を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
圧電体の側縁部を、圧電材料と絶縁材料の混合材料によって形成することで、膜厚が薄くなりやすい側縁部の抵抗を大きくしておく。圧電体の膜厚が不均一で、特に端部が薄くなっていたとしても、絶縁材料を含む側縁部の抵抗が大きいために電流集中が起こらなくなる。また、圧電駆動部の端部において抵抗が増大することで、電圧印加時の変位が少なくなり、電極の破損を減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１に示すように、ガラス製の円筒基材１０の周囲に圧電駆動部２０を有し、圧電駆動部２０は、それぞれ円筒状の下電極２１、圧電体の本体部を構成する圧電層２２、前記圧電体の側縁部を構成する混合層２３、上電極２４を備えている。円筒基材１０は、一端に吐出口１１を有し、円筒基材１０の内部空間は、インク等液体を加圧する圧力発生室である流路１２を構成している。なお、流路１２を形成する基材は円筒基材に限らず、いかなる形状でもよい。
【００１５】
また、図２に示すように、円筒基材１０の先端に、吐出口１１に開口するテーパー形状部１３を有する構成でもよい。
【００１６】
下電極２１の形成には、アーク加熱式のガスデポジション法、スパッタ法、蒸着法等いかなる成膜方法を用いてもよい。
【００１７】
下電極２１の構成は、最下層にＴｉ、その上にＰｔを形成する場合が多いが、これらの材料に限定されることはなく、膜厚も限定されるものではない。圧電層２２および混合層２３は、エアロゾルを用いたガスデポジション法を用いて形成する（図３参照）。圧電層２２の原料粉末には、平均一次粒径が０．１〜０．５μｍのＰＺＴ粒子等の圧電材料を用いて、容器内の粉末をエアロゾル化させ上部に浮遊した粒子をノズルを通して下電極２１上に噴射する。混合層２３の原料粉末には、平均一次粒径が０．１〜０．２μｍの絶縁材料を用い、容器内の粉末をエアロゾル化し上部に浮遊した粒子を差圧によりノズルを通して圧電層２２の端部へ向けて噴射する。圧電層２２の原料粉末、混合層２３の原料粉末の粒径は、膜形成可能である粒径であればよく、これらに限定されるものではない。
【００１８】
圧電層２２および混合層２３の形成方法として、ガスデポジション法が好ましいが、スクリーン印刷法やオフセット印刷法であってもよい。また、圧電材料として代表的なものとしてＰＺＴがあり、絶縁材料としてＢａＴｉＯ3 、ＢａＴｉＺｒＯ3 、ＳｒＴｉＯ3 、ＳｒＣＯ3 、ＺｎＯ、ＢａＯ、Ａｌ２Ｏ3 、ＴｉＯ2 、ＳｉＯ2 等がある。このように、高温に耐えられる材料や誘電率の高い材料が好ましいが、上記の材料に限定されるものではない。
【００１９】
次に、上電極２４としてＴｉ、Ｐｔを下電極２１と同様にアーク加熱式のガスデポジション法で形成する。上電極２４も下電極２１と同様にアーク加熱式のガスデポジション法、スパッタ法、蒸着法等いずれの成膜方法を用いてもよい。構成も下電極２１と同様に、最下層にＴｉ、その上にＰｔを形成する場合が多いが、これらの材料に限定されることはなく、膜厚も限定されるものではない。
【００２０】
次に、ガスデポジション法について説明する。
【００２１】
ガスデポジション法は、図４に示すように、粒径数ｎｍ〜数十ｎｍの超微粒子、または数十ｎｍ〜数μｍの微粒子をノズル１００からワークＷ上に吹き付けて成膜する技術である。ガスデポジション法は、超微粒子を生成する超微粒子生成室１０１、または図５に示すように、既存の微粒子を供給するエアロゾル化室１１１を有し、膜形成室１０２、搬送管１０３等で構成される。
【００２２】
超微粒子生成室１０１において、配管１０４から供給される不活性ガス雰囲気中で、アーク電極１０５によるアーク、または抵抗加熱、高周波誘導加熱、レーザー等で蒸発材料１０６を加熱し、蒸発させて不活性ガスと衝突、冷却させ、金属超微粒子を生成する。もしくは、エアロゾル化室１１１に不活性ガスや空気などの各種ガスを導入し、振動や撹拌等により微粒子を流動化させエアロゾル化する。
【００２３】
次に、超微粒子生成室１０１またはエアロゾル化室１１１と膜形成室１０２の圧力差により、搬送管１０３を介して膜形成室１０２に導き、搬送管１０３に接続されたノズル１００から噴射させることによりワークＷ上に直接パターンを形成する。このとき、ワークＷを矢印で示すようスキャンすることで任意のパターンを描画できる。
【００２４】
特に、エアロゾルを用いたガスデポジション法は、エアロゾルデポジションと呼ばれたりもしている。
【実施例１】
【００２５】
図１に示すような内径６００μｍ、外径７００μｍの強化ガラス製の円筒基材上に下電極、圧電体、上電極を形成した。下電極はアーク加熱式のガスデポジション法で形成した。膜構成は、最下層にＴｉ：５０ｎｍ、その上にＰｔ：７００ｎｍを形成した。このとき、ノズルの下部に円筒基材を設置し、回転治具により回転させながら成膜した。ノズルは、３００μｍ×１５ｍｍの開口部を持つスリット型のノズルを用いた。また、基材は無加熱で成膜した。
【００２６】
成膜時の条件は以下のとおりである。
・超微粒子生成室圧力：７０ＫＰａ
・膜形成室圧力：１ＫＰａ
・使用ガス：Ｈｅ
・ガス流量：７Ｌ／ｍｉｎ
・基材回転速度：６ｒｐｍ
・アークパワー：３５Ａ、１８〜２８Ｖ
・ノズル開口径：３００μｍ×１５ｍｍ
【００２７】
次に、図５に示す装置を用いてエアロゾルによるガスデポジション法でＰＺＴ膜（圧電層）および混合層を形成した。ＰＺＴ膜の原料粉末には、平均一次粒径が０．１〜０．５μｍのＰＺＴ−ＬＱ(商標名：堺化学製)を用いた。加熱したエアロゾル化室に原材料を投入して撹拌流動化させ、エアロゾル化し上部に浮遊した粒子を差圧により膜形成室に導きノズルから下電極上に噴射した。混合層の原料粉末には、平均一次粒径が０．１〜０．２μｍのＳｒＴｉＯ３を用いた。エアロゾル化室に原材料を投入して粉末を撹拌流動化させ、エアロゾル化し上部に浮遊した粒子を差圧により膜形成室に導きノズルから圧電層端部へ向けて噴射した。
【００２８】
下電極作製と同様に、円筒基材を回転させ、電極上にＰＺＴ膜を長さ１０ｍｍ、厚さ１０μｍ、ＰＺＴ膜の側面に混合層を長さ２ｍｍ、厚さ１０μｍ形成した。
【００２９】
ＰＺＴ膜成膜時の条件は以下の通りである。
・エアロゾル化室圧力：４０ＫＰａ
・膜形成室圧力：１ＫＰａ
・使用ガス：乾燥空気
・基材回転速度：６ｒｐｍ
・ノズル開口径：３００μｍ×１０ｍｍ
【００３０】
混合層成膜時の条件は以下の通りである。
・エアロゾル化室圧力：４０ＫＰａ
・膜形成室圧力：１ＫＰａ
・使用ガス：乾燥空気
・基材回転速度：６ｒｐｍ
・ノズル開口径：３００μｍ×２ｍｍ
【００３１】
次に、上電極を下電極と同様にアーク加熱式のガスデポジション法で形成した。上電極形成に用いたノズルは３００μｍ×１０ｍｍで、成膜した部分の長さは、１０ｍｍ、膜厚は５００ｎｍである。その他の成膜条件は下電極を形成した時と同様であるが、ノズル径が異なるため、膜形成室の圧力が若干異なっている。
【００３２】
このようにして円筒基材に上下電極とＰＺＴ膜および混合層を形成し、大気雰囲気で６００℃、１時間の焼成を行った。その後、下電極、上電極それぞれにリード線を取り付け、１２０℃大気雰囲気で１００Ｖ、２時間電圧を印加し、ＰＺＴ膜に分極処理した。
【００３３】
こうして得られた上下電極、圧電層および混合層を備えた液体吐出ヘッドに電圧を印加して、液体吐出ヘッドの耐久性を調べた。液体吐出ヘッドに１×１０10回電圧を印加してもヘッドが破壊されることがなかった。
【実施例２】
【００３４】
図２に示す構成で、内径６００μｍ、外径７００μｍ、先端部内径３０μｍ、先端部外径１００μｍの先端にテーパー形状部を有する強化ガラス製の円筒基材に下電極、圧電体、上電極を形成した。
【００３５】
下電極はスパッタ法を用いた。膜構成は、最下層にＴｉ：５０ｎｍ、その上にＰｔ：２００ｎｍを形成した。成膜範囲は、テーパー形状部の先端位置からインク供給側に１５ｍｍとし、回転治具に取り付けた１５ｍｍの開口部を有するメタルマスクを用い、円筒基材を回転させながら成膜を行った。
【００３６】
次に、実施例１と同様にエアロゾルを用いたガスデポジション法でＰＺＴ膜（圧電層）および混合層を形成した。ＰＺＴ膜の原料粉末には、平均一次粒径が０．１〜０．５μｍのＰＺＴ−ＬＱ（商標名：堺化学製）を用いて、容器内の粉末を撹拌流動化させ、エアロゾル化し上部に浮遊した粒子を差圧により膜形成室に導きノズルから下電極上に噴射した。混合層の原料粉末には、平均一次粒径が０．１〜０．２μｍのＢａＴｉＯ3 を用い、容器内の粉末を撹拌流動化させ、エアロゾル化し上部に浮遊した粒子を差圧により膜形成室に導きノズルを圧電層端部へ向けて噴射した。
【００３７】
下電極作製と同様に、電極の形成された基材を回転させ、電極上にＰＺＴ膜を長さ１０ｍｍ、厚さ１０μｍ、ＰＺＴ膜の側面に混合層を長さ２ｍｍ、厚さ１０μｍ形成した。
【００３８】
ＰＺＴ膜成膜時の条件は以下の通りである。
・エアロゾル化室圧力：４０ＫＰａ
・膜形成室圧力：１ＫＰａ
・使用ガス：乾燥空気
・基材回転速度：６ｒｐｍ
・ノズル開口径：３００μｍ×１０ｍｍ
【００３９】
混合層成膜時の条件は以下の通りである。
・エアロゾル化室圧力：４０ＫＰａ
・膜形成室圧力：１ＫＰａ
・使用ガス：乾燥空気
・基材回転速度：６ｒｐｍ
・ノズル開口径：３００μｍ×２ｍｍ
【００４０】
次に、上電極を下電極と同様にスパッタで形成した。成膜方法は、下電極と概ね同様であるが、開口部は円筒基材の長さ方向に１２ｍｍとしている。
【００４１】
このようにして円筒基材に上下電極とＰＺＴ膜および混合層を形成し、大気雰囲気で６００℃、１時間の焼成を行った。その後、下電極、上電極それぞれにリード線を取り付け、１２０℃大気雰囲気で１００Ｖ、２時間電圧を印加し、ＰＺＴ膜に分極処理を行った。
【００４２】
こうして得られた電極と圧電層と混合層を備えた液体吐出ヘッドに電圧を印加し、液体吐出ヘッドの耐久性を調べた。液体吐出ヘッドに１×１０10回電圧を印加してもヘッドが破壊されることがなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施例１による液体吐出ヘッドの主要部を示す模式断面図である。
【図２】実施例２による液体吐出ヘッドの主要部を示す模式断面図である。
【図３】ガスデポジション法による圧電層と混合層の成膜工程を説明する図である。
【図４】アーク式のガスデポジション装置を示す図である。
【図５】エアロゾル式のガスデポジション装置を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０    円筒基材
１１    吐出口
１２    流路
２０    圧電駆動部
２１    下電極
２２    圧電層
２３    混合層
２４    上電極
【図１】
2007296817.tif 000003
【図２】
2007296817.tif 000004
【図３】
2007296817.tif 000005
【図４】
2007296817.tif 000006
【図５】
2007296817.tif 000007