JP2002331671A - インクジェットプリントヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インク滴を吐出させ、記録媒体にインク像を
形成する記録装置に用いるインクジェットプリントヘッ
ドにおいて、積層圧電体素子と振動板の接着状態を均一
化し、インク吐出特性のばらつきを低減する。 【解決手段】 振動板の積層圧電体素子が接着される面
側に、接着剤の前記振動板上での広がりを規定する複数
の枠を設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、オフィス用並びに
産業用インクジェットプリントヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、積層圧電体素子によりインク
を押圧し、ノズルからインクを吐出させるインクジェッ
トプリントヘッドの公知技術としては、多種多様な方式
のものが知られている。例えば、特開平１−１１５６３
８号公報では、積層型振動子をクシ歯状に形成し、この
積層型振動子の振動面をノズルに対向して配置したこと
を特徴としている。更に、例えば、特開昭６０−９０７
７０号公報に開示されているように、一端が基台に固定
された圧電素子の他端に圧力室を構成する振動板が当接
するように構成され、圧電素子の伸縮によって振動板を
変形させ、圧力室の圧力を高めて、圧力室内のインクを
ノズルから液滴として吐出させる構成が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】インクジェットプリン
トヘッドによって良好な記録を行うには、複数のノズル
から吐出するインク滴の吐出速度、インク重量等のイン
ク吐出特性が均一であることが望ましい。各ノズルのイ
ンク吐出特性を揃えるためには、個々の部品を精度良く
製造することが重要であるが、加えて、個々の部品を組
み立てる際は、特に振動板と積層圧電体素子とを接着剤
で連結する工程が重要である。この連結部分は、積層圧
電体素子の変位を効率よく振動板に伝え、圧力室内に圧
力変動を発生させ、この結果として、ノズルからインク
を吐出させる働きを受け持つ。従って、振動板と積層圧
電体素子とを接着剤で連結する部分の組み立て上のばら
つきは、直ちにインク噴射特性のばらつきに反映する。
すなわち、振動板と積層圧電体素子とを連結する接着剤
は、個々の連結部で接着剤の量・硬さが均一なことが、
吐出特性安定化のために必要である。

【０００４】更には、接着後に、振動板あるいは積層圧
電体素子を変形させるような応力が残ると、電圧を積層
圧電体素子に加えた時の積層圧電体素子及び振動板の変
位量に影響を及ぼし、結果として、インク噴射特性のば
らつきに反映する。特に、多ノズル化された長尺ヘッド
においては、振動板と支持基板との熱膨張係数が異なる
場合に、前記振動板と積層圧電体素子とを加熱硬化形接
着剤で接着すると、硬化後、室温に戻った時点で、熱膨
張係数の違いにより、振動板または積層圧電体素子に歪
みが残り、インク噴射特性が不安定となる。この不具合
は、特に最両端ノズルに発生し、印字品質を低下するの
みならず、最悪の場合は、積層圧電体素子や振動板の破
損、接着剤のはがれといった、ヘッドの寿命特性にも悪
影響を及ぼす。しかしながら、前述の従来技術において
は、振動板と圧電体素子とのばらつきのない接着方法
や、熱膨張係数の違いによる歪みを緩和する方法が、一
切開示されていなかった。

【０００５】本発明は、上記した従来の問題点を解決す
るもので、その目的とするところは、インク吐出特性の
ばらつきを低減した、信頼性に優れるインクジェットプ
リントヘッドを提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、インクを蓄
える複数の圧力室と、該圧力室に1対１で対応し、電気
信号の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる
複数の積層圧電体素子と、前記圧力室の壁面の少なくと
も一部を形成して前記積層圧電体素子と接着剤で連結さ
れている振動板と、前記積層圧電体素子の端部が固定さ
れた支持基板と、前記複数の圧力室にインクを供給する
流路を形成するリストリクタと、リストリクタにインク
を供給する共通インク供給路が設けられたハウジング
と、前記圧力室からインク滴を吐出する複数個のノズル
が形成されたオリフィスプレートから構成されたインク
ジェットプリントヘッドにおいて、前記振動板の前記積
層圧電体素子が接着される面側に、前記接着剤の前記振
動板上の広がりを規定する複数の枠を設置し、振動板上
の接着剤と繋がらない様に構成されていることを特徴と
する。

【０００７】また、本発明では、前記接着剤は振動板の
枠内全面を覆うことを特徴とする。

【０００８】更に、本発明では、隣り合う枠の間には溝
が形成されていることを特徴とする。

【０００９】更に、本発明では、枠の一部には枠の高さ
よりも低い浅溝が形成され、該浅溝は枠と同一の高さを
有する溝に連通していることを特徴とする。

【００１０】更に、本発明では、インクを蓄える複数の
圧力室と、該圧力室に1対１で対応し、電気信号の印加
により前記圧力室内に圧力変動を発生させる複数の積層
圧電体素子と、前記圧力室の壁面の少なくとも一部を形
成して前記積層圧電体素子と接着剤で連結されている振
動板と、前記積層圧電体素子の端部が固定された支持基
板と、前記複数の圧力室にインクを供給する流路を形成
するリストリクタと、リストリクタにインクを供給する
共通インク供給路が設けられたハウジングと、前記圧力
室からインク滴を吐出する複数個のノズルが形成された
オリフィスプレートから構成されたインクジェットプリ
ントヘッドにおいて、前記振動板の前記積層圧電体素子
が接着される面側に、前記接着剤の前記振動板上の広が
りを規定する複数の枠を設置し、振動板上の接着剤と繋
がらない様に構成され、かつ、前記積層圧電体素子と前
記振動板は、室温硬化の接着剤で固定されていることを
特徴とする。

【００１１】更に、本発明では、接着剤の硬度が８０度
（ショア−Ａ）以下であることを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づいて説
明する。

【００１３】図１は、第１の発明となるインクジェット
ヘッドの構造及び部品構成を説明する分解斜視図であ
り、図２は、図１のヘッドの組み立て状態を示す部分断
面図である。

【００１４】２は複数のノズル１を形成したオリフィス
プレートである。ノズル１の開口形状の加工精度は、イ
ンクジェットプリントヘッドのインク吐出特性に大きな
影響を及ぼす。複数のノズル１間において、これらのノ
ズル精度ばらつきを低く押さえるため、オリフィスプレ
ート２の製法は高い加工精度が要求される。このためオ
リフィスプレート２は、ニッケルの電鋳加工、ステンレ
ス板等の精密プレス加工法またはレーザ加工法等により
形成される。

【００１５】４は圧力室３が形成されたチャンバプレー
トである。６は共通インク供給路１２と圧力室３とを連
通し、圧力室３へのインク流入量を制御するリストリク
タ５を形成したリストリクタプレートである。チャンバ
プレート４、リストリクタプレート６は、ステンレス材
のエッチング加工法またはニッケル材の電鋳加工法等で
作られる。

【００１６】９は積層圧電体素子１５の圧力を効率よく
圧力室に伝えるための振動板７と、共通インク通路１２
からリストリクタ５に流入するインク中のゴミ等を取り
除くフィルタ部８を形成したダイアフラムプレートであ
る。ダイアフラムプレート９は、厚さ約１０μｍのステ
ンレス材で製造され、フィルタ部８は、ノズル１の穴径
よりも小さな無数の微細穴をレーザ加工により形成す
る。その他、ダイアフラムプレート９は、ニッケル電鋳
膜やポリイミド樹脂等の高分子樹脂フィルムからも同様
の性能のものを製造可能である。

【００１７】１１は振動板７と積層圧電体素子１５とを
接着剤で固定する時に、接着箇所からはみ出た接着剤が
振動板７上で広がるのを規定する枠１０が形成されたサ
ポートプレートである。サポートプレート１１は、ステ
ンレス材のエッチング加工法またはニッケル材の電鋳加
工法等で作られる。

【００１８】１３は共通インク通路１２を形成したハウ
ジングであり、金属または樹脂で作られ、外部インクタ
ンクから、インクを共通インク通路１２まで導くインク
導入パイプ１４が接合されている。

【００１９】図１において、オリフィスプレート２と、
チャンバプレート４と、リストリクタプレート６と、ダ
イアフラムプレート９と、サポートプレート１１及びハ
ウジング１３とから構成される流路形成部材の組立方法
は次のように行う。ここで、前記各プレートは、基準ピ
ン２１が嵌合する1個の基準穴２２、及び長穴２３を有
する。

【００２０】まず、ハウジング１３の２個の基準穴２４
に、２個の基準ピン２１を圧入する。その後、この２個
の基準ピン２１を位置あわせとして、順次、エポキシ樹
脂等の接着剤を適量塗布した前記各プレートを重ね合わ
せて圧着する。

【００２１】次に、複数の積層圧電体素子１５と、該積
層圧電体素子を固定する支持基板１６とからなる圧力発
生手段１８の組み立て方法を示す。

【００２２】まず、支持基板１６に、棒状の積層圧電体
素子を複数本並べて接着固定する。支持基板１６には、
積層圧電体素子１５の変位を振動板７に効率よく伝える
目的で、剛性の高い、又はヤング率の高い素材としてセ
ラミック基板を用いた。その後、複数の棒状の積層圧電
体素子を、ダイシングソー、ワイヤソー等を利用した切
断により分割する。この時、分割された各々の積層圧電
体素子１５は、圧力室の１つずつに対応する。更に、外
部駆動回路から各々の積層圧電体素子１５に、独立した
電気信号を送る目的で、複数の電極１７が支持基板１６
に形成される。電極１７は、フレキシブルケーブル１９
と一括して接続される。

【００２３】フレキシブルケーブル１９の端末は、外部
駆動回路に接続されている。選択的な電気信号が、外部
駆動回路から積層圧電体素子１５に印加されることによ
り、積層圧電体素子１５はひずみを生じる。積層圧電体
素子１５は、高剛性の支持基板１６上に接合されている
ため、振動板７に優先的に変位を与え、圧力室３の圧力
を高める。

【００２４】本例にて説明するインクジェットプリント
ヘッドは、こうした原理により、ノズル１からインクを
吐出して、記録媒体上にインク画像を形成する装置に用
いられる。なお、本例では、配列ピッチを１００分の１
インチ、約２５４μｍとしたが、ノズル数、列数及びユ
ニット構成は、どの様な組み合わせでも限定されるもの
ではない。

【００２５】図２を用いて、組立方法をより詳細に説明
する。

【００２６】流路形成部材の振動板７と、圧力発生手段
１８の積層圧電体素子１５の自由端とを、自由端に接着
剤が塗布された状態で、最適な位置に合わせ、圧着す
る。ここで、接着剤を積層圧電体素子１５の自由端に塗
布する方法は、転写法または印刷法で行った。組立は、
通常、図２に示す状態で、接着剤の硬化前に行われる。

【００２７】図３は、この状態を示した図２の部分拡大
図である。図３において、振動板７には、接着剤の広が
りを規定する枠１０が、各圧力室に対応して設置されて
いるため、接着剤３０は、振動板７上の各々の枠１０内
に収まり、硬化する。実用的な接着剤の量は、枠１０の
幅や高さ、及び、枠１０と積層圧電体素子１５との間隔
により、決定することが出来る。

【００２８】ここで、図４に、従来の積層圧電体素子１
５と振動板７との接着状態の一例を示す。

【００２９】図４では、振動板７の積層圧電体素子１５
と接合する面側に、枠１０が無いため、接着剤は振動板
上の接着剤と繋がる。このような場合、接着剤の表面張
力や毛管現象により、接着剤は硬化前に移動し、偏りが
発生する。特に、積層圧電体素子１５が高密度に配置さ
れている場合、接着剤は中央部に集まり易く、外周部で
は接着剤が薄くなる。この結果、振動板７上にある接着
剤量に、ばらつきが発生し、結果として、振動板７の変
位特性が変化し、インクの吐出特性も各ノズルで不均一
なものとなる。更に、この場合、積層圧電体素子１５の
駆動時に生じる振動が、弾性体である接着剤を伝わる事
で、積層圧電体素子１５同士でクロストークを発生する
という問題があった。

【００３０】本発明においては、振動板７上に枠１０を
設けた結果、接着剤を媒体とする上記振動が、枠１０で
遮断されることになり、その結果、積層圧電体素子１５
のクロストークを防止することが出来る。

【００３１】図５に、従来の積層圧電体素子１５と振動
板７との接着状態の他の例を示す。

【００３２】接着剤の量を減らした図５の場合でも、接
着剤は、積層圧電体素子と振動板との当接面の範囲か
ら、完全にはみ出さないことは実用上出来ず、若干の接
着剤が振動板７上にはみ出し、結果として振動板のコン
プライアンスに差が生じて、インクの吐出特性も各ノズ
ルで不均一であった。

【００３３】本発明において、接着剤の量を、枠１０内
全体を覆う程度とした場合には、該接着剤は該枠内で全
体に一様に広がり、各振動板７上の接着剤厚さは均一と
なるので、振動板７におけるコンプライアンス等の圧力
に対する変位特性は、それぞれの圧力室に対し均一とな
り、インクの吐出特性も、ばらつきが少なくなる。

【００３４】以上より、本発明の構成は、従来の枠が無
い構成に比べ、吐出特性を向上させる事が可能となる。

【００３５】図６は、第１の発明の第１変形例となるイ
ンクジェットヘッドの部分拡大図、図７は、枠１０と溝
１０１が形成されたサポートプレート１１を積層圧電体
素子の接着方向から見た斜視図である。

【００３６】図６で示すように、隣り合う枠１０の間に
溝１０１を配置することにより、枠１０の上面を越える
量の接着剤を積層圧電体素子１５に塗布して、枠内に収
まらない余剰分の接着剤を、枠１０の上面を越えた後に
溝１０１に流し込むことにより、振動板上の他の枠内の
接着剤と直接繋がることを防止することが出来るばかり
か、振動板７上の接着剤の厚さは、枠１０の高さで規定
され、各流路間で均一となり、インク吐出特性も格段に
向上させることが可能となる。実用的な接着剤の量は、
溝１０１の幅や長さにより決定することが出来る。

【００３７】図８と図９に、第１の発明の第２変形例及
び第３変形例として、サポートプレート１１を積層圧電
体素子の接着方向からみた斜視図を示す。

【００３８】図８は、共通溝１０４が枠１０を取り巻い
ているような形状であり、この形状においても、同様な
効果を得ることが出来る。

【００３９】図９は、枠１０の一部に、枠１０の高さよ
りも低い浅溝１０２が各インク流路に均一な形状で形成
され、他の枠１０と同一の連通溝１０３を介して連通し
ている本発明の他の例である。このような構造でも、過
剰な接着剤は浅溝１０２を通って連通溝１０３に流れ込
み、結果として、個々の枠内の接着剤が振動板上の他の
枠内の接着剤と、連通溝１０３を介さずに直接繋がって
しまうことを防止することが出来るばかりか、振動板７
上の接着剤厚さが、より均一になり、インク吐出特性も
向上する。

【００４０】次に、第２の発明について、図１０〜１１
及び表１を用いて説明する。本発明は、特に、端部近傍
のノズルの吐出特性を向上させ、ばらつきを低減するた
めのものである。

【００４１】図１０は、積層圧電体素子１５と振動板７
とを固定する接着剤として、１５０℃で加熱硬化する１
液性エポキシ接着剤、または、室温硬化型の２液性エポ
キシ接着剤を用いて組み立てたインクジェットプリント
ヘッドの、インク吐出速度ばらつきをを比較したもので
ある。

【００４２】１５０℃で加熱硬化する接着剤を用いたも
のでは、両端のノズルにおいて、吐出速度が低下してい
る。これは、ダイアフラムプレート９等からなる流路形
成部材が、インクとの耐食性、加工の容易性等の理由
で、ステンレス等の金属材料を用いており、一方、積層
圧電体素子１５と、それを固定する支持基板１６とから
なる圧力発生手段１８は、セラミックが主体の無機材料
を用いているため、両者の熱膨張係数の差により、接着
加熱硬化後、残留応力と残留ひずみとが発生することが
原因である。

【００４３】例えば、０．２５４ｍｍピッチ、１２８ノ
ズルであるインクジェットプリントヘッドの場合、積層
圧電体素子の最大間隔は３２．５ｍｍとなり、ステンレ
ス及びアルミナセラミックの熱膨張係数は、各々１７×
１０^-6、８×１０^-6である。従って、１５０℃で加熱硬
化する接着剤を用いた組立では、組立後、両端の積層圧
電体素子１５または振動板７には、約１５μｍのひずみ
が生じる。

【００４４】このため、図１１に示すヘッド端部の部分
断面図のように、積層圧電体素子１５または振動板７
は、熱膨張係数の差に起因するひずみにより配列方向に
変形し、積層圧電体素子の駆動効率、及び振動板の変位
特性を悪化させ、結果として吐出特性を落とすことにな
った。これを解決するために、室温硬化の接着剤を用い
ることにより、熱膨張係数の差に起因する問題は無くな
り、良好な吐出特性を達成することが出来る。

【００４５】表１は、室温硬化形２液性エポキシ接着剤
であるセメダイン社製のＥＰ００１を用い、主剤と硬化
剤の混合比を種々変化させ、結果として、硬化後の硬度
を変化させた時の、インク吐出速度のばらつきを調査し
た結果である。

【００４６】

【表１】

【００４７】表１から、接着剤硬度は、高くなるほど速
度ばらつきが大きくなる傾向にある。これは、振動板７
上に同じ厚さばらつきの接着剤が形成されていても、硬
度が高い接着剤ほど、厚さのばらつきに対して振動板の
コンプライアンスに与える影響が大きいためである。接
着剤３０の硬度は８０度以下にすることにより、ほぼ一
定となり、インクジェットプリントヘッドの実用上の速
度ばらつき限度である、±１０％以内が達成出来る。

【００４８】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、振動板と積層圧電体素子とを連結する接着剤が、振
動板上に広がることを、振動板に設置された枠で規定す
る様にしたので、振動板の変位特性を均一化出来て、イ
ンク吐出速度、インク吐出体積等の特性が安定し、寿命
が向上し、結果として、印字品質が向上したインクジェ
ットヘッドを提供出来る。

【００４９】更には、積層圧電体素子と振動板とは室温
硬化の接着剤で結合され、硬度が８０度（ショア−Ａ）
以下であることにより、端部ノズルの速度ばらつきをほ
ぼ一定とする事ができ、結果として、印字品質が向上し
たインクジェットヘッドを提供出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の発明の例を示すインクジェットプリン
トヘッドの構造及び部品構成を説明する斜視図である。

【図２】 第１の発明の例の組み立て状態を示す断面図
である。

【図３】 第１の発明の例の組み立て状態を示す部分断
面拡大図である。

【図４】 従来のインクジェットプリントヘッドの組み
立て状態を示す部分断面拡大図である。

【図５】 従来のインクジェットプリントヘッドの組み
立て状態を示す部分断面拡大図である。

【図６】 第１の発明の第１変形例での組み立て状態を
示す部分断面拡大図である。

【図７】 第１の発明の第１変形例になるサポートプレ
ートの構造を説明する斜視図である。

【図８】 第１の発明の第２変形例になるサポートプレ
ートの構造を説明する斜視図である。

【図９】 第１の発明の第３変形例になるサポートプレ
ートの構造を説明する斜視図である。

【図１０】 第２の発明と従来とのインクジェットプリ
ントヘッドインク吐出速度のばらつき測定を比較したグ
ラフである。

【図１１】 従来のインクジェットプリントヘッドの組
み立て状態を示す部分断面拡大図である。

【符号の説明】

１はノズル、２はオリフィスプレート、３は圧力室、４
はチャンバプレート、５はリストリクタ、６はリストリ
クタプレート、７は振動板、８はフィルタ部、９はダイ
アフラムプレート、１０は枠、１０１は溝、１０２は浅
溝、１０３は連通溝、１０４は共通溝、１１はサポート
プレート、１２は共通インク供給路、１３はハウジン
グ、１４はインク導入パイプ、１５は積層圧電体素子、
１６は支持基板、１７は電極、１８は圧力発生手段、１
９はフレキシブルケーブル、２１は基準ピン、２２は基
準穴、２３は長穴、２４は基準穴、３０は接着剤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 能登 信博 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 (72)発明者 久貝 健一 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 Ｆターム(参考） 2C057 AF23 AF93 AG53 AP02 AP25 BA04 BA14

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インクを蓄える複数の圧力室と、該圧力室
   に1対１で対応し、電気信号の印加により前記圧力室内
   に圧力変動を発生させる複数の積層圧電体素子と、前記
   圧力室の壁面の少なくとも一部を形成して前記積層圧電
   体素子と接着剤で連結されている振動板と、前記積層圧
   電体素子の端部が固定された支持基板と、前記複数の圧
   力室にインクを供給する流路を形成するリストリクタ
   と、リストリクタにインクを供給する共通インク流路が
   設けられたハウジングと、前記圧力室からインク滴を吐
   出する複数個のノズルが形成されたオリフィスプレート
   から構成されたインクジェットプリントヘッドにおい
   て、前記振動板の前記積層圧電体素子が接着される面側
   に、前記接着剤の前記振動板上での広がりを規定する複
   数の枠を設置することを特徴とするインクジェットプリ
   ントヘッド。
2. 【請求項２】前記接着剤は前記振動板の前記枠内全面を
   覆うことを特徴とする請求項１に記載のインクジェット
   プリントヘッド。
3. 【請求項３】隣り合う前記枠の間には溝が形成されてい
   ることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプ
   リントヘッド。
4. 【請求項４】前記枠の一部には前記枠の高さよりも低い
   浅溝が形成され、該浅溝は枠の近傍に設けられた連通溝
   に繋がっていることを特徴とする請求項１に記載のイン
   クジェットプリントヘッド。
5. 【請求項５】インクを蓄える複数の圧力室と、該圧力室
   に1対１で対応し、電気信号の印加により前記圧力室内
   に圧力変動を発生させる複数の積層圧電体素子と、前記
   圧力室の壁面の少なくとも一部を形成して前記積層圧電
   体素子と接着剤で連結されている振動板と、前記積層圧
   電体素子の端部が固定された支持基板と、前記複数の圧
   力室にインクを供給する流路を形成するリストリクタ
   と、リストリクタにインクを供給する共通インク流路が
   設けられたハウジングと、前記圧力室からインク滴を吐
   出する複数個のノズルが形成されたオリフィスプレート
   から構成されたインクジェットプリントヘッドにおい
   て、前記振動板の前記積層圧電体素子が接着される面側
   に、前記接着剤の前記振動板上での広がりを規定する複
   数の枠を設置し、かつ、前記積層圧電体素子と前記振動
   板は、室温硬化の接着剤で固定されていることを特徴と
   するインクジェットプリントヘッド。
6. 【請求項６】前記接着剤は、硬度が８０度（ショア−
   Ａ）以下であることを特徴とする請求項５に記載のイン
   クジェットプリントヘッド。