JP5707244B2 - Inkjet head - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、一般的にはインクジェットヘッドに関する。 Embodiments of the present invention generally relate to inkjet heads.
インクジェットプリンタのインクジェットヘッドにおいては、圧電部材が設けられた絶縁基板がマニホールド上に接着されている。圧電部材は、大きな誘電率、圧電性および強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）から構成され、この圧電部材には、インクを収容する圧力室が形成されている。圧電部材の上には、オリフィスが設けられたオリフィスプレートが配置される。圧電部材が変形すると圧力室の容積が変化し、圧力室が収縮することによって、オリフィスからインク滴が吐出される。 In an inkjet head of an inkjet printer, an insulating substrate provided with a piezoelectric member is bonded onto a manifold. The piezoelectric member is made of lead zirconate titanate (PZT) having a large dielectric constant, piezoelectricity and ferroelectricity, and a pressure chamber for containing ink is formed in the piezoelectric member. An orifice plate provided with an orifice is disposed on the piezoelectric member. When the piezoelectric member is deformed, the volume of the pressure chamber changes and the pressure chamber contracts, whereby ink droplets are ejected from the orifice.
絶縁基板には、圧力室にインクを供給するための流路に加えて、加工の際に用いる基準穴等が設けられている。絶縁基板は、電気的な信号を可能な限り少ない損失で圧力室に伝えることが求められるため、絶縁基板の材質としては、誘電率の低いアルミナが一般的に用いられている。こうした絶縁基板の上に、例えば熱硬化性の接着剤の硬化物からなる接着層によって圧電部材が接合されている。 In addition to the flow path for supplying ink to the pressure chamber, the insulating substrate is provided with a reference hole used for processing. Since the insulating substrate is required to transmit an electrical signal to the pressure chamber with as little loss as possible, alumina having a low dielectric constant is generally used as the material of the insulating substrate. On such an insulating substrate, for example, a piezoelectric member is bonded by an adhesive layer made of a cured product of a thermosetting adhesive.
圧電部材と絶縁基板とを接合する際には、それぞれの部材の所定の面に熱硬化性の接着剤を塗布し、両部材を接合して熱を加えて接着剤を硬化させる。熱硬化性の接着剤の層は硬化すると体積が変化する。接着される２つの部材は材質が異なるので、これらは熱膨張係数の値も異なっている。接着剤の層および接着された部材の体積変化の程度が異なることから、接着剤の硬化後には内部応力が発生する。マニホールドは、絶縁基板と同様にアルミナ製であるものの、これらが熱硬化性の接着剤で接着された際も内部応力は発生する。 When joining the piezoelectric member and the insulating substrate, a thermosetting adhesive is applied to a predetermined surface of each member, and both members are joined and heat is applied to cure the adhesive. The thermosetting adhesive layer changes volume when cured. Since the two members to be bonded are made of different materials, they also have different values of thermal expansion coefficient. Since the degree of volume change of the adhesive layer and the bonded member is different, an internal stress is generated after the adhesive is cured. Although the manifold is made of alumina like the insulating substrate, an internal stress is also generated when these are bonded with a thermosetting adhesive.
プリントヘッドの製造過程で発生した内部応力は、このヘッドからのインクの吐出性能を低下させて良好な印字を妨げるので極力低減することが要求される。 The internal stress generated in the manufacturing process of the print head is required to be reduced as much as possible because it deteriorates the ink discharge performance from the head and prevents good printing.
本発明が解決しようとする課題は、上記内部応力を低減して、良好な印字を行なうことが可能なインクジェットヘッドを提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide an ink jet head capable of reducing the internal stress and performing good printing.
実施形態のインクジェットヘッドは、接着層を介して順次接合されたマニホールド、下側部材としての絶縁基板、および上側部材としての圧電部材を有する。前記接着層は、下側部材の表面に設けられた下側緩衝層、前記上側部材の表面に設けられた上側緩衝層、および前記下側緩衝層と前記上側緩衝層とを接合する中間層を含む。前記下側部材の熱膨張率ρ1、前記下側緩衝層の熱膨張率ρbuf1、および前記中間層の熱膨張率ρmedは、ρmed＜ρbuf1＜ρ1の関係を満たし、前記上側緩衝層の熱膨張率ρbuf2 、前記上側部材の熱膨張率ρ2 、および前記中間層の熱膨張率ρmed は、ρ 2 ＜ρ buf2 ＜ρ med の関係を満たすことを特徴とする。 The ink jet head according to the embodiment includes a manifold sequentially joined via an adhesive layer, an insulating substrate as a lower member , and a piezoelectric member as an upper member . The adhesive layer includes a lower buffer layer provided on the surface of the lower member, an upper buffer layer provided on the surface of the upper member, and an intermediate layer that joins the lower buffer layer and the upper buffer layer. Including. The thermal expansion coefficient ρ 1 of the lower member, the thermal expansion coefficient ρ buf1 of the lower buffer layer, and the thermal expansion coefficient ρ med of the intermediate layer satisfy the relationship of ρ med <ρ buf1 <ρ 1 , thermal expansion coefficient [rho buf2 buffer layer, the thermal expansion coefficient [rho med of the thermal expansion coefficient [rho 2 of the upper member, and the intermediate layer is characterized by satisfying the relation ρ 2 <ρ buf2 <ρ med .
以下、図面を参照して実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
図１は、一実施形態におけるインクジェットヘッド１の構成を概略的に示す分解斜視図である。
FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing a configuration of an
インクジェットヘッド１は、主要部１０、オリフィスプレート２０、マスクプレート３０、およびマニホールド４０を有する。このインクジェットヘッド１は、第１方向Ｘを長手方向とした概略直方体形状である。なお、以下の説明において、第１方向Ｘに概ね直交する方向を第２方向Ｙとし、Ｘ−Ｙ平面に直交する方向を第３方向Ｚとする。インク滴の吐出方向は第３方向Ｚである。
The
主要部１０は、絶縁基板１１、枠体１２、および圧電部材１３などを含む。
The
絶縁基板１１は、一般的にはアルミナ製であり、第１方向Ｘに沿って延出した概略長方形の板状である。この絶縁基板１１は、オリフィスプレート２０と対向する側に上面１１Ｔを有するとともに、マニホールド４０と対向する側に下面１１Ｂを有している。このような絶縁基板１１は、インク供給口１１inおよびインク排出口１１outを有している。インク供給口１１inおよびインク排出口１１outは、絶縁基板１１の上面１１Ｔから下面１１Ｂまで貫通している。
The
枠体１２は、例えば金属製であり、矩形枠状である。この枠体１２は、絶縁基板１１の上面１１Ｔに配置されている。圧電部材１３は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと称する）製であり、絶縁基板１１の上面１１Ｔにおいて枠体１２で囲まれた内側に配置されている。各圧電部材１３は、第１方向Ｘに沿って並び、隣接する圧電部材１３の間の空間は圧力室１４となる。したがって、複数の圧力室が第１方向Ｘに沿って並んでいる。
The
図１に示した例では、第１方向Ｘに沿って並んだ圧電部材１３の列が２列（１１１および１１２）形成されている。複数のインク供給口１１inは、絶縁基板１１の略中央部、つまり、２列の圧電部材１３の間において第１方向Ｘに沿って並んでいる。複数のインク排出口１１outは、絶縁基板１１の周辺部、つまり、圧電部材１３と枠体１２との間において第１方向Ｘに沿って並んでいる。このような構成により、インク供給口１１inのそれぞれから圧力室１４に向けてインクが供給され、圧力室１４を通過したインクがインク排出口１１outのそれぞれから排出される。
In the example shown in FIG. 1, two rows (111 and 112) of
オリフィスプレート２０は、例えば、ポリイミドなどの樹脂製、あるいは、ニッケル合金やステンレスなどの耐熱性を有する金属製であり、第１方向Ｘに沿って延出した概略長方形の板状に形成されている。このオリフィスプレート２０は、第３方向Ｚに沿って主要部１０の上方に配置されている。このオリフィスプレート２０は、マスクプレート３０と対向する側に上面２０Ｔを有するとともに、主要部１０と対向する側に下面２０Ｂを有している。このオリフィスプレート２０の下面２０Ｂと、枠体１２および圧電部材１３とは、図示しない接着剤により接着されている。
The
オリフィスプレート２０は、インク滴を吐出するオリフィス２１を有している。各オリフィス２１は、それぞれの圧力室１４に対向して形成されており、各圧力室１４に連通している。複数のオリフィス２１は、概略第１方向Ｘに沿って並んでおり、オリフィス列２１１および２１２を形成している。オリフィス列は、１列であってもよく、３列以上であってもよい。
The
マスクプレート３０は、例えば、金属製であり、オリフィスプレート２０を囲む枠状に形成されている。このマスクプレート３０は、第３方向Ｚに沿って主要部１０の上方に配置されている。このマスクプレート３０は、オリフィスプレート２０の外径と略同等の四角形状の開口部３０Ｈを有している。このマスクプレート３０と枠体１２とは、接着剤により接着されている。
The
マニホールド４０は、第３方向Ｚに沿って主要部１０の下方に配置されている。このマニホールド４０は、一般的にはアルミナ製であり、インク供給口１１inに向けてインクを導入するためのインク導入路４１、および、インク排出口１１outから排出されたインクを回収するインク回収路４２を有している。インク導入路４１には、図示しないインクタンクからインクを導入するための導入用パイプ５１が接続されている。インク回収路４２には、インクをインクタンクに回収するための回収用パイプ５２が接続されている。このマニホールド４０は、主要部１０と対向する側に上面４０Ｔを有している。このマニホールド４０の上面４０Ｔと、絶縁基板１１の下面１１Ｂとは、接着剤により接着されている。
The manifold 40 is disposed below the
以上の構成に示されるように、マニホールド４０上に絶縁基板１１が接着され、絶縁基板１１上には圧電部材１３が接着されている。したがって、マニホールド４０は絶縁基板１１に対して下側部材を構成し、絶縁基板１１はマニホールド４０に対して上側部材を構成している。また、絶縁基板１１は圧電部材１３に対して下側部材を構成し、圧電部材１３は絶縁基板１１に対して上側部材を構成している。
As shown in the above configuration, the insulating
図２は、図１に示したインクジェットヘッド１を第２方向Ｙに沿って切断した構造を概略的に示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a structure in which the
マニホールド４０の上面４０Ａには、接着層４５を介して絶縁基板１１の下面１１Ｂが接着されている。絶縁基板１１の上面１１Ｔには、枠体１２が配置されている。枠体１２の内側には、圧電部材１３が配置されている。圧電部材１３は、接着層４４を介して絶縁基板１１の上面１１Ａに接着され、Ｙ−Ｚ平面内に台形状の断面を有している。枠体１２の外側には、詳述しないが圧電部材１３を駆動する電極に電気的に接続された端子Ｔが配置されている。端子Ｔには、図示しない異方性導電膜を介して配線基板１５が実装されている。この配線基板１５は、マニホールド４０の側に引き出され、図示しないプリント回路基板などに電気的に接続されている。
The
枠体１２は、Ｙ−Ｚ平面内に階段状の断面を有している。すなわち、枠体１２は、その内側にオリフィスプレート２０を受ける第１ステップ１２Ａと、その外側にマスクプレート３０を受ける第２ステップ１２Ｂとを有している。第１ステップ１２Ａの高さＨ１は、第２ステップ１２Ｂの高さＨ２より高い。
The
オリフィスプレート２０は、その下面２０Ｂが枠体１２の第１ステップ１２Ａに接着されるとともに圧電部材１３にも接着されている。マスクプレート３０は、枠体１２の第２ステップ１２Ｂに接着されている。マスクプレート３０の開口部３０Ｈには、オリフィスプレート２０が配置されている。また、このマスクプレート３０は、端子Ｔから引き出された配線基板１５を保持している。
The
マニホールド４０と絶縁基板１１とを接着する接着剤、および絶縁基板１１と圧電部材１３とを接着する接着剤としては、従来、熱硬化性の接着剤が用いられている。オリフィスプレート２０と枠体１２および圧電部材１３とを接着する接着剤、および、マスクプレート３０と枠体１２とを接着する接着剤としても、同様に熱硬化性の接着剤が用いられている。
Conventionally, a thermosetting adhesive is used as an adhesive for adhering the manifold 40 and the insulating
圧電部材１３の側面および絶縁基板１１の上面には、図３に示されるように電極１６Ｅが設けられている。図３には明確に示されていないが、紙面に直交する方向に複数の圧力室１４が存在し、各圧力室１４は側面および底面に電極を有している。こうした電極に電圧が印加されると圧電部材１３が変形し、それによって圧力室１４の容積が膨張または縮小する。
An
図４には、図２に示した断面図の一部詳細を示す。マニホールド４０にはインク導入路４１およびインク回収路４２が設けられ、絶縁基板１１にはインク供給口１１inおよびインク排出口１１outが貫通している。また、図５には、インクジェットヘッド１の第１方向Ｘに沿って切断した構造を概略的に示す。図示するように、圧電部材の列１１１には、複数の圧力室１４が存在する。
FIG. 4 shows a part of the cross-sectional view shown in FIG. The manifold 40 is provided with an
ここで、絶縁基板１１を下側部材とし、圧電部材の列１１１を上側部材とした場合について検討する。図６に示されるように、絶縁基板１１の厚さは、通常０．５ｍｍ程度であり、圧電部材の列１１１の厚さは、通常０．６ｍｍ程度である。絶縁基板１１と圧電部材の列１１１との間の接着層４４は、通常１０〜５０μｍ程度の厚さで形成される。
Here, the case where the insulating
接着層４４の硬化後には、接着された部材は図７に示すように変形する。こうした変形が生じる一つの要因は、各部材の熱膨張率の違いである。ＰＺＴの熱膨張率およびアルミナの熱膨張率は、それぞれ１×１０-6／℃程度および８×１０-5／℃程度であり、大きく異なっている。また、接着層４４を構成しているエポキシ系接着剤の硬化物の熱膨張率は、６×１０-5／℃程度である。
After the
圧電部材と絶縁基板の熱膨張率との差に起因して、エポキシ系接着剤の硬化後には、接着された部材に変形が生じる。この変形は、後の工程を経て矯正されるものの、結果的に内部応力となって個々の圧電部材１３の内部に残留する。
Due to the difference between the thermal expansion coefficient of the piezoelectric member and the insulating substrate, the bonded member is deformed after the epoxy adhesive is cured. Although this deformation is corrected through a later process, as a result, it becomes an internal stress and remains inside each
図４に示したように絶縁基板１１には、インク供給口１１inおよびインク排出口１１outが貫通しているので、絶縁基板１１には空間が存在する。このため、絶縁基板１１における加熱時の変位量は、絶縁基板の全域にわたって均一ではなく位置によって異なる。絶縁基板１１に発生する内部応力も、その位置によって異なる。したがって、圧電部材１３および絶縁基板１１には、場所によって異なる内部応力が働くことになる。絶縁基板１１の材料であるアルミナに比べて、圧電部材の材料であるＰＺＴは非常に脆いため、この内部応力は絶縁基板１１ではなく圧電部材１３に集中する。
As shown in FIG. 4, since the
この圧電部材１３に集中する内部応力について、シミュレーションを行なった結果を説明する。図８は、シミュレーションに用いたモデルであり、接着層４４を介して絶縁基板１１上に設けられた圧電部材の列１１１の斜視図を示す。絶縁基板１１上においては、圧電部材の列１１１がｘ方向に沿って延び、この圧電部材には複数の圧力室（図示せず）が設けられている。
The results of simulation of the internal stress concentrated on the
シミュレーションにおいては、接着層４４の材質はエポキシ系接着剤の硬化物とし、絶縁基板１１および圧電部材の材質は、それぞれアルミナおよびＰＺＴとした。
In the simulation, the
図９には、シミュレーションによって求めた内部応力の状態を示す。図９（ａ）は、図８におけるｙ方向に沿った断面図における状態であり、絶縁基板１１上に接着層４４を介して圧電部材１３が配置されている。図９（ｂ）は、図８におけるｘ方向に沿った断面における状態であり、圧電部材の列１１１を構成する圧電部材１３の間には、圧力室１４が設けられている。
FIG. 9 shows the state of internal stress obtained by simulation. FIG. 9A is a state in a cross-sectional view along the y direction in FIG. 8, and the
図９（ａ）に示した領域ａにおける強度は、３０Ｎ／ｍｍ2程度と算出された。この領域ａに隣接する周囲の強度は、２０Ｎ／ｍｍ2程度であり、領域ａに内部応力が集中していることがわかる。図９（ｂ）に示した領域ｂにおける強度もまた、３０Ｎ／ｍｍ2程度と算出された。この領域ｂに隣接する周囲の強度は、２０Ｎ／ｍｍ2程度であり、領域ｂにも内部応力が集中している。内部応力は、圧力室１４の動きを変化させて、ヘッドの印字特性を低下させる。
The intensity in the region a shown in FIG. 9A was calculated to be about 30 N / mm 2 . The strength around the area a is about 20 N / mm 2 , and it can be seen that the internal stress is concentrated in the area a. The intensity in the region b shown in FIG. 9B was also calculated to be about 30 N / mm 2 . The surrounding strength adjacent to the region b is about 20 N / mm 2 , and the internal stress is concentrated also in the region b. The internal stress changes the movement of the
次に、マニホールド４０を下側部材とし、絶縁基板１１を上側部材とした場合について検討する。図１０には、接着層４５を介してマニホールド４０に接合された絶縁基板１１の部分断面図を示す。絶縁基板１１およびマニホールド４０は、いずれもアルミナ製であるので、この２つの部材の熱膨張率の違いに起因した変形は生じない。しかしながら、上述したようにエポキシ系接着剤の硬化物の熱膨張率は６×１０-5／℃程度であるのに対し、アルミナの熱膨張率は８×１０-5／℃程度である。接着層の熱膨張率がアルミナの熱膨張率に比べて小さいことから、接着層４５が収縮して図１１に示すように、インク供給口１１inおよびインク導入路４１周辺の領域ｃ1、およびインク排出口１１outおよびインク回収路４２周辺の領域ｃ2に応力が集中する。
Next, a case where the manifold 40 is a lower member and the insulating
応力集中は、接着層４５内部、絶縁基板１１およびマニホールド４０の一部に及ぶ。さらに、この応力は、絶縁基板１１を通して圧電部材に影響を与え、前述と同様に印字特性を低下させる。
The stress concentration extends to the inside of the
図１２を参照して、マニホールド４０における応力集中についてシミュレーションを行なった結果を説明する。図１２（ａ）はマニホールド４０の上面を表わし、領域ｆは、接着剤塗布領域に対応する。この領域ｆの端部ｄの拡大図を、図１２（ｂ）に示す。端部ｄの一部（領域ｅ）の強度は、６０Ｎ／ｍｍ2程度と算出された。この領域ｅに隣接する領域の最少の強度は、５Ｎ／ｍｍ2以下程度であり、領域ｅに応力が集中している。 With reference to FIG. 12, the result of the simulation of the stress concentration in the manifold 40 will be described. FIG. 12A represents the upper surface of the manifold 40, and the region f corresponds to the adhesive application region. An enlarged view of the end d of this region f is shown in FIG. The strength of a part of the end portion d (region e) was calculated to be about 60 N / mm 2 . The minimum strength of the region adjacent to the region e is about 5 N / mm 2 or less, and stress is concentrated in the region e.
このようにマニホールドの一部に内部応力が発生すると、圧電部材に及ぼされる影響は不均一なものとなる。圧電部材における複数の圧力室に対応したオリフィス全てから、均一にインクを吐出することは困難となり、これによって、濃度むらと呼ばれる現象が生じる。図１３を参照して、印字精度結果について説明する。図１３（ａ）はドット径誤差を示し、図１３（ｂ）は直線性誤差を示している。図１３（ａ）および図１３（ｂ）における横軸は、インクジェットヘッドのノズル番号である。ドット径誤差は、次のような手法により求めた。具体的には、インクジェットヘッドの全ノズルからインクを吐出して紙に印字し、紙に着弾したインクのドットの大きさ（ｄn）を測定した。全ドットの大きさの平均値（ｄav）を基準として、各ドットについて（１００×ｄn／ｄav）を求め、ドット径誤差とした。また、直線性誤差は、着弾位置の紙送り方向のズレ量をさす。この直線性誤差は、ドット径誤差同様に、紙に印字した各ドットに関して紙送り方向のズレ量のことである。図１３（ａ）から吐出量の周期的なムラが生じていることがわかり、図１３（ｂ）からは着弾位置の周期的な変化が生じていることがわかる。 When internal stress is generated in a part of the manifold in this manner, the influence exerted on the piezoelectric member becomes non-uniform. It becomes difficult to uniformly eject ink from all the orifices corresponding to the plurality of pressure chambers in the piezoelectric member, and this causes a phenomenon called uneven density. The print accuracy result will be described with reference to FIG. FIG. 13A shows a dot diameter error, and FIG. 13B shows a linearity error. The horizontal axis in FIGS. 13A and 13B is the nozzle number of the inkjet head. The dot diameter error was determined by the following method. Specifically, printed on paper by ejecting ink from all the nozzles of the inkjet head was measured size of dots of ink deposited on the paper a (d n). Based on the average value (d av ) of the size of all dots, (100 × d n / d av ) was obtained for each dot, and was taken as a dot diameter error. Further, the linearity error indicates the amount of deviation of the landing position in the paper feeding direction. This linearity error is the amount of deviation in the paper feed direction with respect to each dot printed on the paper, like the dot diameter error. From FIG. 13 (a), it can be seen that periodic unevenness in the discharge amount occurs, and from FIG. 13 (b), it can be seen that a periodic change in the landing position has occurred.
図１３（ｃ）は、マニホールド４０の平面を表わす概略図である。領域ｆは、図１２（ａ）を参照して説明したように、接着剤塗布領域に対応し、内部応力が集中する領域ｅも示してある。図１３（ａ）に示したドット径誤差、および図１３（ｂ）に示した直線性誤差は、いずれも極小点を有する。ドット径誤差および直線性誤差の極小点の発生する位置は、マニホールド４０における内部応力が集中する領域ｅに一致している。 FIG. 13C is a schematic diagram showing a plane of the manifold 40. As described with reference to FIG. 12A, the region f corresponds to the adhesive application region and also shows a region e where the internal stress is concentrated. Each of the dot diameter error shown in FIG. 13A and the linearity error shown in FIG. 13B has a minimum point. The position where the minimum point of the dot diameter error and the linearity error occurs coincides with the area e where the internal stress in the manifold 40 is concentrated.
ここで、吐出量の周期的なムラが発生する原因に関して、図１４を参照して説明する。シェアモード型のインクジェットヘッドは、通常、圧電部材に形成される圧力室が変形することによって、オリフィスからインク滴が吐出される。図１４（ａ）に示す静止状態においては、圧電部材１３の材質であるＰＺＴは矢印ｇで表わされる方向に分極している。なお、隣接する圧電部材１３の間の圧力室１４の側面および底面には、電極１６Ｅが形成されている。
Here, the cause of the occurrence of periodic unevenness in the discharge amount will be described with reference to FIG. In a share mode type ink jet head, an ink droplet is normally ejected from an orifice when a pressure chamber formed in a piezoelectric member is deformed. In the stationary state shown in FIG. 14A, PZT, which is the material of the
圧力室１４内にインク４８が流入されると、ＰＺＴにおいては図１４（ｂ）に示されるように矢印ｈ方向に電場が発生する。インクが加圧されることにより、電場方向は図１４（ｃ）に示されるように矢印ｊ方向に変化して、オリフィスプレート２０のオリフィス２１にインク柱４９が形成される。その後、インク柱４９が切断されて、図１４（ｄ）に示すようにインク滴５０がオリフィス２１から吐出される。
When the
ＰＺＴは圧電体であるので、力が与えられると電場が生じる。したがって、インクを収容した圧力室１４の周りに応力が発生すると、その応力を打ち消すように電場が発生する。この電場によって、駆動時の圧力室の変形が阻害されて駆動に影響が及ぼされ、オリフィス２１からのインク滴５０の吐出が不均一となって印字特性が低下する。インクジェットヘッドの製造過程で生じる内部応力によって良好な印字が妨げられるのは、これが原因である。
Since PZT is a piezoelectric body, an electric field is generated when a force is applied. Therefore, when a stress is generated around the
本実施形態においては、インクジェットヘッドに生じるこうした内部応力の影響を低減することを可能とした。 In the present embodiment, it is possible to reduce the influence of such internal stress generated in the ink jet head.
図１５は、一実施形態にかかるインクジェットヘッドにおける上側部材、下側部材、および接着層の構成を概略的に示す断面図である。インクジェットヘッドの詳細な構成は、図２、図４および図５に示したとおりである。下側部材６１と上側部材６２とは、接着層６３（図２等における接着層４４および／または接着層４５に相当する）により接着されている。下側部材６１および上側部材６２の熱膨張率を、それぞれρ1およびρ2とする。下側部材６１が絶縁基板の場合には、上側部材６２は圧電部材である。また、下側部材６１がマニホールドの場合には、上側部材６２は絶縁基板である。
FIG. 15 is a cross-sectional view schematically illustrating configurations of an upper member, a lower member, and an adhesive layer in the inkjet head according to the embodiment. The detailed configuration of the inkjet head is as shown in FIGS. 2, 4 and 5. The
接着層６３は、下側部材６１表面に設けられた下側緩衝層６４と、上側部材６２表面に設けられた上側緩衝層６５と、２つの緩衝層を接合する中間層６６とから構成される。下側緩衝層６４は熱膨張率ρbuf1を有し、第１の接着剤の硬化物からなる。上側緩衝層６５は熱膨張率ρbuf2を有し、第２の接着剤の硬化物からなる。下側緩衝層６４および上側緩衝層６５の端面は、いずれも接着層６３の端面に達して露出している。また、中間層６６は熱膨張率ρmedを有し、第３の接着剤の硬化物からなる。
The
本実施形態においては、中間層６６の熱膨張率ρmed、下側緩衝層６４の熱膨張率ρbuf1、および下側部材６１の熱膨張率ρ1は、下記数式（１）の関係を満たす。
In the present embodiment, the thermal expansion coefficient ρ med of the
ρmed＜ρbuf1＜ρ1 （１）
さらに、上側緩衝層６５の熱膨張率buf2は、上側部材６２の熱膨張率ρ2と中間層６６の熱膨張率ρmedとの間の値である。
ρ med <ρ buf1 <ρ 1 (1)
Further, the thermal expansion coefficient buf2 of the
例えば、アルミナ製の絶縁基板を下側部材６１とし、ＰＺＴからなる圧電部材を上側部材６２とする場合には、下側部材６１の熱膨張率ρ1は８×１０-5／℃程度であり、上側部材６２の熱膨張率ρ2は１×１０-6／℃程度である。中間層６６の熱膨張率ρmedは４×１０-5／℃程度とすることができる。下側緩衝層６４の熱膨張率ρbuf1、および上側緩衝層６５の熱膨張率ρbuf2は、以下の範囲で選択される。
For example, when an insulating substrate made of alumina is used as the
４×１０-5／℃＜ρbuf1＜８×１０-5／℃
１×１０-6／℃＜ρbuf2＜４×１０-5／℃
熱膨張率の値は、下側部材６１、下側緩衝層６４、中間層６６、上側緩衝層６５、および上側部材６２の順に小さくなる。このため、下側部材６１と中間層６６との熱膨張率の違いによる影響を緩和するとともに、上側部材６２と中間層６６との熱膨張率の違いによる影響も緩和することができる。
4 × 10 −5 / ° C <ρ buf1 <8 × 10 −5 / ° C
1 × 10 −6 / ° C <ρ buf2 <4 × 10 −5 / ° C
The value of the thermal expansion coefficient decreases in the order of the
図示する構成のインクジェットヘッドは、例えば、次の手順で製造することができる。まず、図１６に示すように、下側部材６１の表面に第１の接着剤を塗布して下側塗膜６４’を形成し、上側部材６２の表面には第２の接着剤を塗布して上側塗膜６５’を形成する。
The inkjet head having the illustrated configuration can be manufactured, for example, by the following procedure. First, as shown in FIG. 16, a first adhesive is applied to the surface of the
具体的には、スクリーン印刷機やディスペンサ等を用いて下側部材６１の表面に第１の接着剤を塗布し、オーブン等により硬化させて下側緩衝層６４が得られる。硬化の条件は、用いる接着剤の種類に応じて適宜選択すればよい。上側緩衝層６５も同様の手法により、形成することができる。
Specifically, the first buffer is applied to the surface of the
下側部材６１と上側部材６２との間の接着層６３の厚さは、通常、１０〜５０μｍ程度であるので、下側緩衝層６４および上側緩衝層６５の厚さは、４〜２０μｍ程度とすることが好ましい。
Since the thickness of the
下側緩衝層６４と上側緩衝層６５との間の中間層６６は、第３の接着剤を用いて形成される。例えば、下側緩衝層６４の上に、スクリーン印刷機やディスペンサ等を用いて第３の接着剤を塗布し、その上に上側緩衝層６５を配置する。オーブン等により第３の接着剤の層を硬化させて中間層６６が得られる。下側緩衝層６４、中間層６６および上側緩衝層６５の積層体によって、接着層６３が構成される。中間層６６の厚さは、２〜１０μｍの範囲内で適宜選択することができる。
The
下側緩衝層６４の熱膨張率ρbuf1は、下側部材６１の熱膨張率ρ1より小さく、中間層６６の熱膨張率ρmedより大きい。上側緩衝層６５の熱膨張率ρbuf2は、中間層６６の熱膨張率ρmedより小さく、上側部材６２の熱膨張率ρ2より大きい。こうした関係が満たされるように、下側緩衝層６４を形成するための第１の接着剤、および上側緩衝層６５を形成するための第２の接着剤を選択する。
The thermal expansion coefficient ρ buf1 of the
一般的には、接着剤の硬化物の熱膨張率は、接着剤に含まれる不純物の濃度に依存する。例えば、ガラスなどの熱膨張率の低い不純物を接着剤に添加することによって、硬化物の熱膨張率が所定の範囲となるように調節することができる。 In general, the coefficient of thermal expansion of a cured product of the adhesive depends on the concentration of impurities contained in the adhesive. For example, the thermal expansion coefficient of the cured product can be adjusted to be within a predetermined range by adding an impurity having a low thermal expansion coefficient such as glass to the adhesive.
熱膨張率が上述の関係となるような接着剤を適宜選択して、下側緩衝層および上側緩衝層を形成すればよい。いずれの緩衝層も、隣接する層（または部材）との間の熱膨張率の違いは、２×１０-5／℃程度であることが望まれる。 The lower buffer layer and the upper buffer layer may be formed by appropriately selecting an adhesive having a thermal expansion coefficient as described above. In any buffer layer, the difference in coefficient of thermal expansion between adjacent layers (or members) is desirably about 2 × 10 −5 / ° C.
図１５に示した構造においては、下側緩衝層６４および上側緩衝層６５の端面は、接着層６３の端面に達して露出しているので、これらの緩衝層は中間層とともにインクに接触することになる。インクに接触しても劣化しないように、緩衝層および中間層は、いずれもある程度のインク耐性を有することが求められる。
In the structure shown in FIG. 15, since the end surfaces of the
下側緩衝層６４および上側緩衝層６５のインク耐性が十分でない場合には、中間層６６がインク耐性を有していればよい。この際には、図１７に示すような構成で接着層６３を形成することができる。図１７においては、下側緩衝層５４および上側緩衝層６５の端面が接着層６３の端面で露出せずに、中間層６６で覆われている。こうした点が異なる以外は、図１５に示した構造と同様である。
If the ink resistance of the
図示する構造を得るにあたって、例えば、図１８に示すように、下側部材６１上に下側塗膜６４’を形成し、上側部材６２上に上側塗膜６５’を形成する。塗膜６４’、６５’のいずれも、部材６１，６２の外周に達しないように設ける。部材の外周から塗膜の端面までの距離Ｌは、特に規定されない。接着層６３の端面から緩衝層６４，６５までの間における中間層６６の厚さが１ｍｍ程度以上確保されるように、塗膜の領域を決定すればよい。塗膜を形成する領域は、例えばマスキングによって制御することができる。
In obtaining the structure shown in the figure, for example, as shown in FIG. 18, a
以上、下側部材６１として絶縁基板を用い、上側部材６２として圧電部材を用いた例について説明したが、アルミナ製のマニホールドを下側部材６１とし、アルミナ製の絶縁基板を上側部材６２とすることもできる。この場合、中間層６６の熱膨張率ρmedは、４×１０-5／℃程度とすることができ、下側緩衝層６４の熱膨張率ρbuf1は、以下の範囲で選択される。
The example in which an insulating substrate is used as the
４×１０-5／℃＜ρbuf1＜８×１０-5／℃
上側部材６２の熱膨張率ρ2が下側部材６１の熱膨張率ρ1と等しい場合には、上側緩衝層６５の熱膨張率ρbuf2は下側緩衝層６４の熱膨張率ρbuf1と等しくするのが一般的である。したがって、上側緩衝層６５の熱膨張率ρbuf2は、下側緩衝層６４の場合と同様に以下の範囲で選択される。
4 × 10 −5 / ° C <ρ buf1 <8 × 10 −5 / ° C
When the thermal expansion coefficient [rho 2 of the
４×１０-5／℃＜ρbuf2＜８×１０-5／℃
第１の接着剤および第２の接着剤を適切に選択し、絶縁基板上に圧電部材を接合する場合と同様の方法によって、下側部材としてのマニホールド上に上側部材としての絶縁基板を接合することができる。マニホールドと絶縁基板との間に設けられる接着層の厚さは、絶縁基板と圧電部材との間に設けられる接着層の場合と同様に、通常１０〜５０μｍである。したがって、各緩衝層および中間層の好ましい厚さは、前述と同様とすることができる。
4 × 10 −5 / ° C <ρ buf2 <8 × 10 −5 / ° C
By appropriately selecting the first adhesive and the second adhesive and bonding the piezoelectric member on the insulating substrate, the insulating substrate as the upper member is bonded onto the manifold as the lower member. be able to. The thickness of the adhesive layer provided between the manifold and the insulating substrate is usually 10 to 50 μm, as in the case of the adhesive layer provided between the insulating substrate and the piezoelectric member. Therefore, the preferable thickness of each buffer layer and intermediate layer can be the same as described above.
マニホールド上に絶縁基板が接合される場合には、熱膨張率の値は、下側部材（上側部材）、下側緩衝層（上側緩衝層）、および中間層の順に小さくなる。このため、下側部材と中間層との熱膨張率の違いによる影響は緩和され、上側部材と中間層との熱膨張率の違いによる影響も緩和される。 When the insulating substrate is bonded on the manifold, the value of the coefficient of thermal expansion decreases in the order of the lower member (upper member), the lower buffer layer (upper buffer layer), and the intermediate layer. For this reason, the influence by the difference in thermal expansion coefficient of a lower member and an intermediate | middle layer is relieve | moderated, and the influence by the difference in thermal expansion coefficient of an upper member and an intermediate | middle layer is also reduced.
本実施形態により、製造過程で生じる内部応力を低減して、良好な印字を行なうことが可能なインクジェットヘッドが得られる。 According to this embodiment, an ink jet head capable of reducing the internal stress generated in the manufacturing process and performing good printing can be obtained.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
１…インクジェットヘッド； １０…主要部； １１…絶縁基板； １１Ｔ…上面
１１Ｂ…下面； １１in…インク供給口； １１out…インク排出口； １２…枠体
１２Ａ…第１ステップ； １２Ｂ…第２ステップ； １３…圧電部材
１１１…圧電部材の列； １１２…圧電部材の列； １４…圧力室； １６Ｅ…電極
２０…オリフィスプレート； ２０Ｔ…上面； ２０Ｂ…下面； ２１…オリフィス
２１１…オリフィス列； ２１２…オリフィス列； ３０…マスクプレート
３０Ｈ…開口部； ４０…マニホールド； ４１…インク導入路
４２…インク回収路； ５１…導入用パイプ； ５２…回収用パイプ
４４…接着層； ４５…接着層； ４８…インク； ４９…インク柱
５０…インク滴； ａ…応力集中領域； ｂ…応力集中領域； ｃ１…応力集中領域
ｃ２…応力集中領域； ｄ…端部； ｅ…応力集中領域
ｆ…接着剤塗布領域； ６１…下側部材； ６２…上側部材
６３…接着層； ６４…下側緩衝層； ６５…上側緩衝層； ６６…中間層
６４’…下側塗膜； ６５’…上側塗膜。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
下側部材の表面に設けられた下側緩衝層、
前記上側部材の表面に設けられた上側緩衝層、および
前記下側緩衝層と前記上側緩衝層とを接合する中間層を含み、
前記下側部材の熱膨張率ρ1、前記下側緩衝層の熱膨張率ρbuf1、および前記中間層の熱膨張率ρmedは、
ρmed＜ρbuf1＜ρ1
の関係を満たし、前記上側緩衝層の熱膨張率ρbuf2 、前記上側部材の熱膨張率ρ2 、および前記中間層の熱膨張率ρmed は、
ρ 2 ＜ρ buf2 ＜ρ med
の関係を満たすことを特徴とするインクジェットヘッド。 An inkjet head having a manifold sequentially joined through an adhesive layer, an insulating substrate as a lower member , and a piezoelectric member as an upper member ,
A lower buffer layer provided on the surface of the lower member;
An upper buffer layer provided on a surface of the upper member, and an intermediate layer that joins the lower buffer layer and the upper buffer layer,
The thermal expansion coefficient ρ 1 of the lower member, the thermal expansion coefficient ρ buf1 of the lower buffer layer, and the thermal expansion coefficient ρ med of the intermediate layer are:
ρ med <ρ buf1 <ρ 1
Satisfies the relationship, the upper cushioning layer of thermal expansion [rho buf2, thermal expansion coefficient [rho med of the thermal expansion coefficient [rho 2 of the upper member, and the intermediate layer,
ρ 2 <ρ buf2 <ρ med
An inkjet head characterized by satisfying the above relationship .
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