(57)【要約】【課題】  圧電素子型インクジェット記録ヘッドにおいて、圧電素子と振動板の接合は従来、主に接着剤を用いて行ってきたが、接着材の塗布のばらつきによる工程の難しさ、強度などの問題があった。【解決手段】  接合方法を改良するため、抵抗溶接により結合する方法と超音波溶接により結合する方法を用いることにより、強度を増し、工程をより確実なものにする。【選択図】  図１
2007160869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧力室と該圧力室の各々に連通するノズル開口と前記圧力室の少なくとも一部を形成する振動板の前記圧力室と反対の面に固定された突部に、一端が基台に固定された圧電変換器の他端が当接し、該圧電変換器の伸縮により該振動板を変形させてノズル開口からインク滴を吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記突部および前記圧電変換器の各々の当接部が金属材料であり、該当接部は溶融により接合されていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項２】
該当接部の接合が抵抗溶接によることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項３】
複数の圧力室と該圧力室の各々に連通するノズル開口と前記圧力室の少なくとも一部を形成する振動板の前記圧力室と反対の面に固定された突部に、一端が基台に固定された圧電変換器の他端が当接し、該圧電変換器の伸縮により該振動板を変形させてノズル開口からインク滴を吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記突部および前記圧電変換器の各々の当接部が金属材料であり、該当接部は原子が拡散された後再結晶化することにより接合されていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項４】
該当接部の接合が超音波接合によることを特徴とする請求項３に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項５】
前記圧電変換器の当接部が外部電極であることを特徴とする請求項１から請求項４に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項６】
前記突部および前記圧電変換器の各々の当接部がアルミニウム、銅、金、銀またはそれらの合金である金属材料であることを特徴とする請求項１から請求項５に記載のインクジェット記録ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、印字信号に応じてインク滴を吐出して、記録紙等の記録媒体上に画像を形成するインクジェット記録装置に用いる高密度インクジェットヘッドとその製造方法に関し、より詳しくはインク滴を吐出するための圧力室の一壁面を形成し圧電変換器の伸縮を圧力室に伝達する振動板と、圧電変換器との構成および接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開平５−１６９６５１号公報では金属薄板と絶縁部材との積層構造からなる弾性板の絶縁部材に設けられた島状部に圧電素子の先端を接合した例が開示されているが弾性板と圧電素子の接合の具体的な方法は述べられていない。
【０００３】
特開平０５−１６９６５１号公報、特開平１１−０９４１５４号公報、特開平０７−２７６６２７号公報等によれば、一端が基台に固定された圧電変換器の他端に、圧力室を形成する振動板が島状の突起（前記公報では脚部と称す）を介して当接するように構成され、圧電変換器の伸縮により、圧力室のインクをノズル開口から液滴として飛翔させるよう構成されている。
【０００４】
これら公報においては脚部を介して圧電変換器と振動板を接合させる具体的な方法に関しては接着剤を使用することが開示されている。
【０００５】
例えば、特開平３−１５５５５号公報には、振動板の凹部に振動伝達棒を挿入し有機系接着剤で固着する方法が開示されている。
【０００６】
また、特開平３−１９０７４４号公報では、振動板として良好に機能させる必要上厚さが約５０μｍと薄いガラス、またはステンレスにエポキシ系接着剤により圧電変換器を固着させる例が開示されている。
【特許文献１】特開平５−１６９６５１号公報
【特許文献２】特開平１１−９４１５４号公報
【特許文献３】特開平７−２７６６２７号公報
【特許文献４】特開平３−１５５５５号公報
【特許文献５】特開平３−１９０７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、振動板と圧電変換器とを当接させ、固定するために接着剤を用いる方法は容易ではない。
【０００８】
すなわち、従来例のインクジェットヘッドの圧力発生素子は軸方向に伸縮し、その伸縮に関する固有振動数は非常に高いため、高速度変位であり、速いインク滴吐出速度を可能とする。変位量は数μｍである。
【０００９】
接着部分は数〜数百ミクロン単位の微細領域であるにも関わらず、数十KHzにも達する圧電素子の振動に耐えられる強度を備えていなくてはならない、と同時に個々の圧電素子の振動を妨げることのない自由度を持たなければならない。また、個々の振動にばらつきが生じない様、接着剤を均等に塗布しなくてはならない。さらに、接着剤の性質として必要なことは、環境、経時的に安定した強度と柔軟性を備えていること、余分なはみ出しをさせないで塗布、組み立て、硬化などが可能な物性を持つことが必要になる。従って、脚部と軸受けを高精度に多数組み立てるには高度な技術を必要とする。
【００１０】
また、接着剤の硬化の種類も温度、反応系、紫外線等の種類があり、どの種類を選択するかが重要になる。
【００１１】
温度硬化型や反応系の接着剤の場合、接着剤の硬化に時間を要するために、接着剤が硬化するまでに振動板と圧電変換器の位置決めをどう維持するかが問題となる。また、温度硬化型の接着剤は一般に、工業的に十分な強度を持たせるためには百数十℃の高温で数時間から十数時間程度硬化させなくてはならないため、接着剤だけでなく他の部分の材料の選択や組み立て精度への影響も考慮しなくてはならない。
【００１２】
また、紫外線硬化型の接着剤の場合は、短時間で固まるため作業性が良いという長所はあるが、紫外線硬化の反応基を持たせるのと相反して接着強度を満足するものが少ないため、仮止めに用いてその後に温度硬化型や反応系の接着剤で本接着を行うことが一般的となっている。
【００１３】
従って、これら従来例の様な接着剤を用いる方法では圧電変換器をさらに高速度で伸縮させ、より高密度に圧力室を配置させたインクジェットヘッドを実現して行くことは難しい。
【００１４】
尚、前述の各公報からわかるように、優れた吐出特性と信頼性を有するインクジェットヘッドのための適した製造方法がまだ詳しく開示されていない。
【００１５】
本発明では上記した課題を解決して、高密度化に適するとともに、高いインク滴吐出速度と高信頼性を有し、さらには容易に量産できるインクジェットヘッドの構成と製造方法を開示するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
そこで本発明では、複数の圧力室と該圧力室の各々に連通するノズル開口と前記圧力室の少なくとも一部を形成する振動板の前記圧力室と反対の面に固定された突部に、一端が基台に固定された圧電変換器の他端が当接し、該圧電変換器の伸縮により該振動板を変形させてノズル開口からインク滴を吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記突部および前記圧電変換器の各々の当接部が金属材料であり、該当接部の接合を抵抗溶接により結合することを特徴とする。また該当接部の接合を超音波溶接により結合することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上に説明したように本発明によるインクジェットヘッドおよびその製造方法では、複数の圧力室と該圧力室の各々に連通するノズル開口と圧力室の少なくとも一部を形成し、薄部と一端が基台に固定された圧電変換器の他端が当接する突部をもつ振動板を備え、該圧電変換器の伸縮によりノズル開口からインク滴を吐出するインクジェットヘッドであって、該突部が金属部材であり、該圧電変換器の端部が金属から成り、該圧電変換器の端部と該突部との接合を抵抗溶接により結合する。または超音波溶接により結合することにより結合部を強化し大きな密着力を得た。また、高密度化に適するとともに、高いインク滴吐出速度と高信頼性を有し、さらには容易に量産できるインクジェットヘッドの構成と製造方法を示した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施例）
以下、本発明を実施例に沿って詳細に説明する。図１は本発明によるインクジェットヘッドの特徴を示す１実施例である。積層圧電素子１０は基材１１上に固定され、電極１０ｃを備えている。積層圧電素子１０の長手方向の先端面には、突部１２が形成され、振動板１３に接合されている。オリフィス１４aをもつオリフィス板１４と振動板１３、複数の流路板１５とを順に積層することで、流路１５a、１５bおよび１５cは形成されている。圧力室１６は、流路板１５と振動板１３で取り囲むことによって形成されている。
【００１９】
インクは、図示しないインク溜めから、同じく図示しないインク供給管、流路１５a、１５bの順に通り、圧力室１６内で積層圧電素子１０によって発生した機械的エネルギーで振動板１３を加圧することにより、１５cを通りオリフィス１４aから吐出される。
【００２０】
より詳しく述べれば、インク滴の吐出原理は以下の様である。積層圧電素子１０は予め図で上下方向に分極されて作成されているため、吐出に先だって積層圧電素子１０に電圧が印加されると振動板１３を引っ張るように積層圧電素子１０は収縮する。この電界を解除し、貯まった電荷を急速に放電するに伴い積層圧電素子１０は高速度で復元し、圧力室１６内の図示しないインクの圧力を高めてオリフィス１４aより吐出させ再び待機状態に戻る。
【００２１】
尚、積層圧電素子１０は一般にチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなる圧電体１０aを多層化した構造である。各層の間には、Ａｇ、またはＡuなどを主体としたペーストを印刷する形で、内部電極１０bが形成され、積層圧電素子１０の側面で同じくＡｇ、またはＡuなどを主体としたペーストを印刷、または蒸着した外部電極１０cと接続される。
【００２２】
このような軸方向に伸縮する縦型且つ積層型振動子を用いることにより、たわみ変形では得られない高い変位速度と複雑な所要の変位を、低い電圧で得ることができ、結果として高い吐出速度と高い応答周波数のインクジェットヘッドを可能にしている。
【００２３】
本発明の特徴としては、突部１２の材料として抵抗溶接あるいは超音波接合に適した、アルミニウム、銅、金、銀またはそれらの合金である比較的柔らかい金属を用いることが望ましい。
【００２４】
また、振動板１３は、図２の例の様に抵抗溶接を製法とする場合には、金属板を用いるか、流路板１５側はインクに強い樹脂製の薄部１３ａ、突部１２の側の金属薄膜１３bとの積層体としても良い。
【００２５】
図３の例の様に超音波接合を製法とする場合には、金属板単品か、樹脂製の薄部１３ａと金属薄膜１３bとの積層体、樹脂板単品のいずれを用いても良い。
【００２６】
金属板、あるいは金属薄膜１３bの材質としては、突部１２と同様、アルミニウム、銅、金、銀またはそれらの合金である比較的柔らかい金属が適している。
【００２７】
図２は、本発明における、抵抗溶接によって積層圧電素子１０と突部１２とを結合させる方法を示すものである。
【００２８】
図２において、棒状電極２５は純銅または銅合金で作られている。積層圧電素子２０と突部２２とを結合させるためには、振動板１３が金属板の場合には棒状電極２５と、台座２４で支持された基材２１が予め固定された積層圧電素子２０との間に、振動板１３を樹脂製の薄部１３ａと金属薄膜１３bとの積層体とした場合には金属薄膜１３bと、台座２４で支持された基材２１が予め固定された積層圧電素子２０との間に、振動板２３が予め固定された突部２２をはさんで垂直加圧を与えながら短時間大電流を通し、溶接部をジュール発熱により溶融させて、積層圧電素子２０と突部２２との界面を治金的に結合する。これによって抵抗溶接が成され積層圧電素子２０と突部２２とが結合される。
【００２９】
図３は、本発明におけるもう１つの、超音波接合によって積層圧電素子３０と突部３２とを結合させる方法を示すものである。
【００３０】
図３において、積層圧電素子３０と突部３２とを結合させるためには超音波振動子３５と、台座３４で支持された、基材３１が予め固定された積層圧電素子３０との間に、振動板３３が予め固定された突部３２をはさんで加圧しながら短時間超音波振動子３５を振動させ、積層圧電素子３０と突部３２との界面を振動させる。
【００３１】
これによって超音波接合が成され積層圧電素子３０と突部３２とが結合される。すなわち、接合される部分に高周波振動を与えることにより 金属の原子が拡散され、更に再結晶することで機械的な接合が達成される。
【００３２】
また、接合時に高い温度に達することはなく、 接合面の最高温度は通常融点の５０％以下程度であるため、高温溶接にみられる母材の溶融や脆い鋳造組織を形成することはない。
【００３３】
超音波のエネルギーはトランスデューサーによる電気的高周波をその同じ周波数で機械振動に変換され、この機械的振動が カップリングシステムを通して超音波振動子３５の先端に伝達される。振動子先端先端の振動は図３の様に必ず平行振動でなければならない。 一方加圧は垂直に与えられる。
【００３４】
溶接中部材に加える圧力は、接合面の密着性を良くするため部材に変形が起きない程度の圧力を与える。溶接前の表面処理は最小限で良く、また溶接後の処理も必要ない。
【００３５】
第２の実施例では厚さ方向に伸縮する積層型振動子を用いることにより、軸方向に伸縮する縦型振動子に比べ、変位量は少ないが高い応答周波数のインクジェットヘッドを可能にしている。
【００３６】
溶接される部材について付け加えると、超音波溶接は殆ど全ての金属が同種でも異種でも溶接に適している。軟質な金属、アルミニウム，銅、貴金属の金、銀、 プラチナ、パラジウム等は、最も接合し易い金属であり望ましい。
【００３７】
図４は本発明による第２の実施例であり、第１の例とは異なり積層圧電素子４０は図で上下方向に積層されていることを図４（a）で示しており、図４（a）に対する側面図、図４（ｂ）では、個々のオリフィス４４aに対応する櫛状積層圧電素子４０を示している。
【００３８】
しかし、積層圧電素子４０は同じく図で予め上下方向に分極されて作成されているため、電圧が印加されると振動板４３を引っ張るように収縮する。この電界を解除し、貯まった電荷を急速に放電するに伴い積層圧電素子４０は高速度で復元し、図示しないインクの圧力を高めてオリフィス４４aより吐出させ再び待機状態に戻る。
【００３９】
図５は図４に示した本発明の第２の実施例の抵抗溶接による製法の一例を示す図であり、図６は同じく本発明の第２の実施例の超音波接合による製法の一例を示す図である。
【００４０】
図５および図６においては、第１の実施例と同様、突部５２および６２の材料として抵抗溶接あるいは超音波接合に適した、アルミニウム、銅、金、銀またはそれらの合金である比較的柔らかい金属を用いることが望ましい。
【００４１】
図５は、本発明における、抵抗溶接によって積層圧電素子５０と突部５２とを結合させる方法を示すものである。
【００４２】
図５において、棒状電極５５は純銅または銅合金で作られている。積層圧電素子５０と突部５２とを結合させるためには、棒状電極５５と、台座５４で支持された基材５１が予め固定された積層圧電素子５０との間に、振動板５３が予め固定された突部５２をはさんで垂直加圧を与えながら短時間大電流を通し、溶接部をジュール発熱により溶融させて、積層圧電素子５０と突部５２との界面を治金的に結合する。これによって抵抗溶接が成され積層圧電素子５０と突部５２とが結合される。
【００４３】
図６において、積層圧電素子６０と突部６２とを結合させるためには超音波振動子６５と、台座６４で支持された、基材６１が予め固定された積層圧電素子６０との間に、振動板６３が予め固定された突部６２をはさんで加圧しながら短時間超音波振動子６５を振動させ、積層圧電素子６０と突部６２との界面を振動させる。
【００４４】
これによって超音波接合が成され積層圧電素子６０と突部６２とが結合される。すなわち、接合される部分に高周波振動を与えることにより 金属の原子が拡散され、更に再結晶することで機械的な接合が達成される。
【００４５】
また、接合時に高い温度に達することはなく、 接合面の最高温度は通常融点の５０％以下程度であるため、高温溶接にみられる母材の溶融や脆い鋳造組織を形成することはない。
【００４６】
超音波のエネルギーはトランスデューサーによる電気的高周波をその同じ周波数で機械振動に変換され、この機械的振動が カップリングシステムを通して超音波振動子６５の先端に伝達される。振動子先端先端の振動は図６の様に必ず平行振動でなければならない。 一方加圧は垂直に与えられる。
【００４７】
溶接中部材に加える圧力は、接合面の密着性を良くするため部材に変形が起きない程度の圧力を与える。溶接前の表面処理は最小限で良く、また溶接後の処理も必要ない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施例を示す図
【図２】本発明の第１の実施例の抵抗溶接による製法の一例を示す図
【図３】本発明の第１の実施例の超音波接合による製法の一例を示す図
【図４】本発明の第２の実施例を示す図
【図５】本発明の第２の実施例の抵抗溶接による製法の一例を示す図
【図６】本発明の第２の実施例の超音波接合による製法の一例を示す図
【符号の説明】
【００４９】
１０、２０、３０、４０、５０、６０  積層圧電素子
１０a、２０a、３０a、４０a  圧電体
１０b、２０b、３０b、４０b  内部電極
１０c、２０ｃ、３０ｃ、４０ｃ  外部電極
１１、２１、３１、４１、５１、６１  基材
１２、２２、３２、４２、５２、６２  突部
１３、２３、３３、４３、５３、６３  振動板
１４、２４、３４、４４、５４、６４  オリフィス板
１４a、４４a オリフィス
１５、４５  流路板
１５a、１５b、１５c  流路
２５、５５  棒状電極
１６、４６  圧力室
２４、３４、５４、６４  台座
２５、５５  棒状電極
３５、６５  超音波振動子
【図１】
2007160869.tif 000003
【図２】
2007160869.tif 000004
【図３】
2007160869.tif 000005
【図４】
2007160869.tif 000006
【図５】
2007160869.tif 000007
【図６】
2007160869.tif 000008