JPH08290570A

JPH08290570A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JPH08290570A
Application number: JP10081695A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Muto; 満武藤
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1995-04-25
Filing date: 1995-04-25
Publication date: 1996-11-05

Abstract

(57)【要約】【目的】印字品質に優れたインクジェットヘッドを提
示すること。【構成】圧電セラミックスプレート３０２、セラミッ
クスからなるカバープレート３２０、及びセラミックス
からなるシールプレート３４０の接合物であるヘッド本
体に対して、熱膨張の異なるポリサルホン製のノズルプ
レート１をＡｕからなる金属薄膜層３４２を介して接着
する。これによりインクジェットヘッド３００を加熱及
び冷却してもノズルプレート１が前記ヘッド本体から剥
がれることなく、良好にインクを噴射することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インクが噴射される複
数のノズルが形成されたノズルプレートと、前記ノズル
に連通するインク室を有し、該インク室内のインクにエ
ネルギーを発生するヘッド本体とを備えたインクジェッ
トヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ドロップオンデマンド方式のイン
クジェットヘッドとして、例えば、圧電セラミックスの
変形によってインク流路の容積を変化させ、その容積減
少時にインク流路内のインクをノズルから液滴として噴
射し、容積増大時にインク導入口からインク流路内にイ
ンクを導入するようにしたものがある。そして、所要の
印字データに従って所要の位置のノズルからインク滴を
噴射させることにより、インクジェットヘッドと対向す
る紙面上等に所望する文字や画像を形成するものであ
る。

【０００３】この種のインクジェットヘッドとしては、
例えば特開昭６３−２４７０５１号公報に記載されてい
るものがある。このインクジェットヘッドは、圧電セラ
ミックスの隔壁によって隔てられた複数の平行なインク
流路を有し、前記インク流路の一端をノズルプレートの
前記ノズルに連通し、他の一端にインクを供給するイン
ク供給手段を接続し、前記隔壁の変形によってインク流
路の容積を変化させて前記ノズルからインクを噴射す
る。

【０００４】上記のようなインクジェットヘッドのノズ
ルプレートの製造方法としては、例えば、特開昭６１−
３２７６１号公報に開示されているように、フィルム状
のノズルプレートにエキシマレーザビームによりノズル
を形成する方法が知られている。また、特開平３−２９
７６５１号公報に開示されているように、高分子樹脂材
料の射出成形法によりノズルが形成されたノズルプレー
トを成形する方法が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】元来、インクジェット
ヘッドのノズルは、ノズル内の容積が小さいと、インク
流路内にエアーを巻き込み、良好なインク噴射が行え
ず、印字品質が低下するという問題があった。

【０００６】上述した特開昭６１−３２７６１号公報に
開示されたエキシマレーザビームによりノズルを形成す
る方法では、直線的な孔加工しかできず、ノズル内面の
テーパ角を大きくとれない。よって、形成するノズルの
オリフィス径が決まれば、その径を有する直線的な孔が
形成されるのみであり、ノズル容積を大きくすることが
できない。

【０００７】そこで、特開平３−２９７６５１号公報に
開示されたノズルプレートを射出成形で製造する方法に
よれば、ノズル内の容積を大きくし、エアーの巻き込み
を防止するなど、インク噴射に対して良好なノズル形状
にすることが容易に可能となる。例えば高分子材料であ
るポリサルホンで射出成形したノズルプレートと、圧電
セラミックスであるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で
形成されたアクチュエータプレートとを接着してなるイ
ンクジェットヘッドでは、ノズルプレートの線熱膨張係
数とアクチュエータプレートの線熱膨張係数とが大きく
異なる。そして、エポキシ系接着剤を用いてノズルプレ
ートとアクチュエータプレートとを接着する場合、比較
的高温にしてエポキシ系接着剤を加熱硬化する。一般的
な情報機器の輸送時などを考慮した保証すべき保存温度
域の低温側（例えば、−４０℃）にインクジェットヘッ
ドが曝されると、線熱膨張係数の違いからノズルプレー
トがアクチュエータプレートから剥離することがあり、
良好に噴射されなくなって、印字品質が悪いという問題
があった。

【０００８】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、印字品質に優れたインクジェッ
トヘッドを提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の請求項１では、インクが噴射される複数のノ
ズルが形成されたノズルプレートと、前記ノズルに連通
するインク室を有し、該インク室内のインクにエネルギ
ーを与えるヘッド本体とを備えたインクジェットヘッド
において、前記ノズルプレート或いは前記インク吐出エ
ネルギー発生素子のいずれか一方または両方の接合部に
金属層を設けることを特徴とする。

【００１０】請求項２では、前記ノズルプレートは射出
成形法により形成され、前記ヘッド本体は圧電セラミッ
クスで形成されることを特徴とする。

【００１１】請求項３では、−４０℃〜８０℃の環境に
おいて使用されることを特徴とする。

【００１２】

【作用】上記の構成を有する本発明のインクジェットヘ
ッドでは、ノズルプレートとヘッド本体との間に形成さ
れる金属層が、前記ノズルプレートと前記ヘッド本体と
の接合強度を向上させる。また、前記金属層は前記ノズ
ルプレートと前記ヘッド本体との間に発生した熱歪み緩
衝材として作用する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。

【００１４】図２、図３及び図４に示すように、インク
ジェットヘッド３００は、圧電セラミックスプレート３
０２とカバープレート３２０とノズルプレート１とマニ
ホールド部材３０１とシールプレート３４０とから構成
されている。

【００１５】その圧電セラミックスプレート３０２は、
チタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）等のセラミックス材
料で形成され、圧電セラミックスプレート３０２には、
ダイヤモンドブレード等により切削加工された複数の横
溝３０３が形成されている。また、その横溝３０３の側
面となる隔壁３０６は矢印３０５の方向に分極されてい
る。それらの横溝３０３は同じ深さであり、かつ平行で
あり、圧電セラミックスプレート３０２の対向する端面
３０２ａ，３０２ｂに開口して加工されている。

【００１６】また、圧電セラミックスプレート３０２の
端面３０２ａには、縦溝３１１ａが横溝３０３に連通す
るように１つ置きに形成されている。圧電セラミックス
プレート３０２の端面３０２ｂには、縦溝３１１ｂが横
溝３０３に連通するように１つ置きに形成されている。
そして、縦溝３１１ａ，３１１ｂは交互に形成されてお
り、縦溝３１１ａと縦溝３１１ｂとは、隣合う横溝３０
３に形成されている。尚、縦溝３１１ａは、両外側の横
溝３０３に設けられている。また、圧電セラミックプレ
ート３０２の横溝３０３加工側に対して反対側の面３０
２ｃには、導電材料によるパターン３２４，３２５が形
成されている。

【００１７】そして、圧電セラミックスプレート３０２
の溝加工面、且つ端面３０２ａに対して斜め上方の位置
に配置されたスパッタリング等の蒸着源（図示せず）か
ら金属電極３０８，３０９，３１０が形成される（図２
における矢印３３０ａ，３３０ｂの方向から蒸着され
る）。尚、その際、圧電セラミックスプレート３０２の
端面３０２ａ及び隔壁３０６の天頂部には金属電極が形
成されないようにマスクしておく。すると、図２に示す
ように、金属電極３０８は、横溝３０３の両側面の上半
分の領域に形成され、金属電極３０９は、縦溝３１１ａ
が形成されていない横溝３０３の端面３０２ａ側の側面
の一部及び底面の一部に形成され、金属電極３１０は、
縦溝３１１ａの側面のうち端面３０２ａ側に形成され
る。尚、金属電極３０８と金属電極３０９とは電気的に
接続され、金属電極３０８と金属電極３１０とは電気的
に接続されている。

【００１８】次に、圧電セラミックスプレート３０２の
面３０２ｃ、且つ端面３０２ｂに対して斜め上方の位置
に配置されたスパッタリング等の蒸着源（図示せず）か
ら金属電極３１６，３１７が形成される（図４における
矢印３３１ａ，３３１ｂの方向から蒸着される）。尚、
圧電セラミックスプレート３０２の端面３０２ｂ及び面
３０２ｃのパターン３２４，３２５が形成された領域に
金属電極が形成されないようにマスクしておく。する
と、図４に示すように、その金属電極３１６は、圧電セ
ラミックスプレート３０２の面３０２ｃにおいて縦溝３
１１ａの底面より端面３０２ａ側の領域及び縦溝３１１
ａ内面の側面の一部に形成される。このとき、縦溝３１
１ａに形成された金属電極３１０上にも金属電極３１６
が形成されて、縦溝３１１ａの側面に形成された金属電
極３１６が金属電極３１０を介して金属電極３０８と電
気的に接続される。このため、縦溝３１１ａが形成され
た横溝３０３ａの片側の隔壁３０６に形成された金属電
極３０８が、その隔壁３０６によって構成される横溝３
０３ｂを挟む他の横溝３０３ａにおいて、前記横溝３０
３ｂを構成するもう一つの隔壁３０６に形成された金属
電極３０８と電気的に接続される。また、金属電極３１
６はパターン３２４に電気的に接続される。

【００１９】そして、図３及び図４に示すように、金属
電極３１７は、圧電セラミックスプレート３０２の面３
０２ｃにおいて縦溝３１１ｂの底面より圧電セラミック
スプレート３０２の中央側から端面３０２ｂ側の領域、
縦溝３１１ｂ内面の側面の全部及び縦溝３１１ｂの端面
３０２ｂ側に形成される。このとき、縦溝３１１ｂと連
通する横溝３０３ｂの金属電極３０８上にも金属電極３
１７が形成されて、縦溝３１１ｂの側面に形成された金
属電極３１７と電気的に接続される。このため、縦溝３
１１ｂが形成された横溝３０３ｂの全ての金属電極３０
８が金属電極３１７によって電気的に接続される。ま
た、金属電極３１７はパターン３２５に電気的に接続さ
れる。

【００２０】次に、前記圧電セラミックスプレート３０
２の少なくとも金属電極３０８、３０９、３１７をスピ
ンコート法によりエポキシ樹脂の保護膜７７（図６）で
被覆する。さらに、この保護膜７７は絶縁膜としての機
能も有する。

【００２１】尚、スピンコート法によるエポキシ樹脂膜
のほか、ディッピング法、ＣＶＤ法、などによりアクリ
ル樹脂などの他の有機材質或はＳｉＯ₂などの無機材質
の保護膜７７で被覆してもよい。

【００２２】尚、金属電極３１０及び後述する空気室３
２７を形成する横溝３０３ａに形成されている金属電極
３０８はインクに接しないので、保護膜７７により必ず
しも被覆する必要はない。

【００２３】次に、カバープレート３２０は、セラミッ
クス材料等から形成されており、圧電セラミックスプレ
ート３０２の横溝３０３加工側の面と、カバープレート
３２０とをエポキシ系接着剤１２０（図６）によって接
着する。従って、インクジェットヘッド３００には、横
溝３０３の上面が覆われて、縦溝３１１ｂと連通するイ
ンク室３０４（図６参照）及び縦溝３１１ａと連通する
非噴射領域としての空気室３２７（図６参照）が構成さ
れる。尚、インク室３０４は横溝３０３ｂに対応してお
り、空気室３２７は横溝３０３ａに対応している。イン
ク室３０４及び空気室３２７は長方形断面の細長い形状
であり、全てのインク室３０４はインクが充填され、空
気室３２７は空気が充填される領域である。

【００２４】次に、圧電セラミックスプレート３０２の
端面３０２ａ及びカバープレート３２０の端面に、各イ
ンク室３０４の位置に対応した位置に開口部３４１が設
けられ、且つチタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）のセラ
ミックス材料等から形成されたシールプレート３４０を
エポキシ系接着剤などで接着する。

【００２５】そして、シールプレート３４０の、後述す
るノズルプレート１との接着面に、蒸着法によりＡｕの
金属薄膜層３４２を形成する。このとき、形成する金属
薄膜層３４２が各金属電極３０９と電気的に接続しない
ようにする。なお、シートプレート３４０にあらかじめ
金属薄膜層３４２を形成しておけば、金属薄膜層３４２
が各金属電極３０９と電気的に接続することがないの
で、より好ましい。

【００２６】形成する膜はＡｕのほか、Ａｇ、Ａｌ、Ｃ
ｕなどを用いることができる。また、蒸着法のほか、ス
パッタリング法によってもよい。

【００２７】次に、シールプレートの３４０の開口部３
４１に対応した位置（インク室３０４の位置に対応した
位置）に、ノズル２が設けられたノズルプレート１を接
着する。図１に示すように、このノズルプレート１に
は、オリフィス部４及びテーパ部３を有するノズル２が
形成されている。

【００２８】このノズルプレート１の製造方法として
は、まず、射出成形によりテーパ部３が形成された成形
品を樹脂材料であるポリサルホンで形成する。そして、
エキシマレーザビームによりオリフィス部４を加工する
ことによりノズルプレート１が得られる。

【００２９】ノズルプレート１の材質としては、ポリサ
ルホンのほか、液晶ポリマー、ポリアセタール、ポリフ
ェニルサルホン、ポリフタルアミド、ポリフェニレンオ
キサイド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルホ
ン、ポリカーボネートなどの樹脂材料を用いることがで
きる。

【００３０】そして、図４に示すように、マニホールド
部材３０１が、圧電セラミックスプレート３０２の端面
３０２ｂ及び圧電セラミックスプレート３０２の面３０
２ｃにおける縦溝３１１ｂ側に接着される。マニホール
ド部材３０１にはマニホールド３２２が形成されてお
り、そのマニホールド３２２は縦溝３１１ｂを包囲して
いる。

【００３１】圧電セラミックスプレート３０２の面３０
２ｃに形成されたパターン３２４、３２５は、図示しな
いフレキシブルプリント基板の配線パターンと接続され
る。そのフレキシブルプリント基板の配線パターンは、
後述する制御部に接続された図示しないリジット基板に
接続されている。

【００３２】次に、制御部のブロック図を示す図５によ
って、制御部の構成を説明する。圧電セラミックスプレ
ート３０２の面３０２ｃに形成されたパターン３２４，
３２５は、前記フレキシブルプリント基板、前記リジッ
ト基板を介して各々個々にＬＳＩチップ１５１に接続さ
れ、クロックライン１５２、データライン１５３、電圧
ライン１５４及びアースライン１５５もＬＳＩチップ１
５１に接続されている。ＬＳＩチップ１５１は、クロッ
クライン１５２から供給された連続するクロックパルス
に基づいて、データライン１５３上に現れるデータか
ら、どのノズル２からインク滴の噴射を行うべきかを判
断し、噴射するインク室３０４の両側の空気室３２７の
金属電極３０８に導通するパターン３２４に、電圧ライ
ン１５４の電圧Ｖを印加する。また、他のパターン３２
４及びインク室３０４の金属電極３０８に導通するパタ
ーン３２５をアースライン１５５に接続する。

【００３３】次に、本実施例のインクジェットヘッド３
００の動作を説明する。図６（ｂ）のインク室３０４ｂ
からインク滴を噴射するために、当該インク室３０４ｂ
の両側の空気室３２７ｂ、３２７ｃのインク室３０４ｂ
側の金属電極３０８ｃ、３０８ｆに対し電圧パルスをパ
ターン３２４を介して与え、他の金属電極３０８には、
他のパターン３２４、パターン３２５を介して接地す
る。すると、隔壁３０６ｂには矢印１１３ｂ方向の電界
が発生し、隔壁３０６ｃには矢印１１３ｃ方向の電界が
発生して、隔壁３０６ｂと３０６ｃとが互いに離れるよ
うに動く。インク室３０４ｂの容積が増えて、ノズル２
付近を含むインク室３０４ｂ内の圧力が減少する。この
状態をＬ／ａで示される時間だけ維持する。すると、そ
の間縦溝３１１ｂを介してマニホールド３２２からイン
クがインク室３０４ｂに供給される。なお、上記Ｌ／ａ
は、インク室３０４内の圧力波が、インク室３０４の長
手方向（縦溝３１１ｂからノズルプレート１４まで、ま
たはその逆）に対して、片道伝播するに必要な時間であ
り、インク室３０４の長さＬとインク中での音速ａによ
って決まる。

【００３４】圧力波の伝播理論によると、前記の立ち上
げからちょうどＬ／ａの時間経つとインク室３０４ｂ内
の圧力が逆転し、正の圧力に転じるが、このタイミング
に合わせて電極３０８ｃ、３０８ｆに印加されている電
圧を０Ｖに戻す。すると、隔壁３０６ｂと３０６ｃは変
形前の状態（図６（ａ））に戻り、インクに圧力が加え
られる。その時、前記正に転じた圧力と隔壁３０６ｂ、
３０６ｃが変形前の状態に戻って、発生した圧力とがた
し合わされ、比較的高い圧力がインク室３０４ｂ内のイ
ンクに与えられて、インク滴がノズル２から噴出され
る。

【００３５】以上説明したような、本実施例のインクジ
ェットヘッド３００では、圧電セラミックスプレート３
０２、カバープレート３２０及びシールプレート３４０
の熱膨張係数は略２×１０^-6／℃であり、ノズルプレー
ト１の熱膨張係数は略５６×１０^-6／℃であり、かなり
異なる。そして、熱膨張係数が略１４×１０^-6／℃であ
るＡｕを介して、ノズルプレート１とシールプレート３
４０とが接合されているので、−４０℃〜７０℃の熱サ
イクル試験を行った後もノズルプレート１がシールプレ
ート３４０から剥離することなく、良好なインク噴射が
行われた。

【００３６】これに対して、金属薄膜層３４２を形成し
ていないインクジェットヘッドでは前記の熱サイクル試
験を実施したところ、ノズルプレートと接着剤の界面ま
たはシートプレートの表層から剥離して、インク吐出が
曲がり、印字品質が悪化した。また、硬化温度を上げて
接着すれば、接着強度が向上するものの、−４０℃に曝
された場合の熱歪みが大きく、圧電セラミックスプレー
トの表層から破壊し、印字品質が劣化した。

【００３７】これに対して、本実施例のインクジェット
ヘッド３００においては接着温度を上げて、ノズルプレ
ート１とシールプレート３４０とを接着しても、−４０
℃に曝された場合にノズルプレート１が剥離することな
く、印字品質は劣化しなかった。

【００３８】なお、本実施例ではシールプレート３４０
を設けて、その端面に金属薄膜層３４２を形成すること
によって、電極３０８、３０９、３１０の電気的な接続
を防いでいるが、端面３０２ａに直接、金属薄膜層３４
２を形成した後、端面３０２ａにダイシングブレードで
溝入れ加工するなどして、金属薄膜層３４２によって電
極３０８、３０９、３１０が電気的に接続されるのをを
防ぐこともできる。このとき、溝入れ加工を施した部分
だけ圧電セラミックスプレート３０２及びカバープレー
ト３２０と、ノズルプレート１との間に金属薄膜層３４
２が存在しないことになるが、機能上問題ない。

【００３９】また、前記実施例においては、まず駆動電
圧をインク室３０４ｂの容積が増加する方向に印加し、
次に駆動電圧の印加を停止しインク室３０４ｂの容積を
自然状態に減少してインク室３０４ｂからインク滴を噴
射していたが、まず駆動電圧をインク室３０４ｂの容積
が減少するように印加してインク室３０４ｂからインク
滴を噴射し、次に駆動電圧の印加を停止してインク室３
０４ｂの容積を前記減少状態から自然状態へと増加させ
てインク室３０４ｂ内にインクを供給してもよい。

【００４０】また、本実施例では、隔壁３０６は、圧電
セラミックスで形成されていたが、隔壁の上半分の領域
を圧電セラミックスで形成し、下半分をアルミナ等の圧
電セラミックスでない材料で形成してもよい。

【００４１】更に、本実施例では、隔壁３０６の上半分
の領域による圧電変形によって、インク室３０４からイ
ンクを噴射していたが、隔壁の上半分の領域の圧電セラ
ミックスの分極方向と反対方向の分極方向である圧電セ
ラミックスで隔壁の下半分の領域を形成し、隔壁の側面
全面に金属電極を形成して、隔壁全体の圧電変形によっ
て、インク室からインクを噴射させてもよい。

【００４２】また、本実施例では、圧電セラミックスを
用いたインクジェットヘッドであったが、周知のバブル
ジェット式やコンティニュアスジェット式等の様々な印
字方式のインクジェットヘッドに適応可能である。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように本発
明のインクジェットヘッドによれば、ノズルプレート或
いはヘッド本体のいずれか一方または両方の接合部に金
属層が設けられているので、前記ノズルプレートと前記
ヘッド本体との熱膨張差が大きい場合でも、ノズルプレ
ートがヘッド本体から剥がれることなく、良好にインク
噴射が行え、印字品質に優れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のノズル部を示す断面図であ
る。

【図２】前記実施例のインクジェットヘッドを示す斜視
図である。

【図３】前記実施例の圧電セラミックスプレートを示す
斜視図である。

【図４】前記実施例のインクジェットヘッドを示す斜視
図である。

【図５】前記実施例のインクジェットヘッドの制御部を
示すブロック図である。

【図６】前記実施例のインクジェットヘッドの作動状態
を示す説明図である。

【符号の説明】

１ノズルプレート２ノズル３テーパ部４オリフィス部３００インクジェットヘッド３０２圧電セラミックスプレート３２０カバープレート３４０シールプレート３４２金属薄膜層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インクが噴射される複数のノズルが形成
されたノズルプレートと、前記ノズルに連通するインク
室を有し、該インク室内のインクにエネルギーを与える
ヘッド本体とを備えたインクジェットヘッドにおいて、前記ノズルプレート或いは前記ヘッド本体のいずれか一
方または両方の接合部に金属層を設けることを特徴とす
るインクジェットヘッド。
【請求項２】前記ノズルプレートは射出成形法により
形成され、前記ヘッド本体は圧電セラミックスで形成さ
れることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘ
ッド。
【請求項３】 −４０℃〜８０℃の環境において使用さ
れることを特徴とする請求項１及び２記載のインクジェ
ットヘッド。