JPH0584907A

JPH0584907A - インクジエツト式印字ヘツド

Info

Publication number: JPH0584907A
Application number: JP3247307A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Sonehara; 秀明曽根原
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1991-09-26
Filing date: 1991-09-26
Publication date: 1993-04-06

Abstract

(57)【要約】【目的】インクジェットヘッドに搭載する圧電素子を、
所望の導電層を形成した板状の圧電素子をポリイミド系
の接着剤で層状に貼り合わせ、かつ、その接着層厚みｔ
を２μｍ以下に管理した積層型ＰＺＴにすることで、マ
イグレーションの発生しにくい信頼性の高い、高温駆動
安定性に優れた、小型化ヘッドを実現する。【構成】予め焼結した圧電素子板１４に導電層１３を所
望の形状で形成し、それぞれ層状に厚み２μｍ以下のポ
リイミド接着剤１６で貼り合わせた積層型ＰＺＴ１５を
基台１１に固定する。その後、ノズルプレート１７に形
成されたインク吐出口に対応するように積層型ＰＺＴ１
５の切削加工を行っている事を特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インクジェットプリン
ターに用いる印字ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のインクジェット式印字ヘッドは、
日本特許公報、特公昭６０−８９５３号公報に示された
ように、インクタンクを構成する容器の壁面に複数のノ
ズル開口を形成すると共に、各ノズル開口と対向するよ
うに伸縮方向を一致させて圧電素子を配設して構成され
ている。この印字ヘッドは、駆動信号を圧電素子に印加
して圧電素子を伸縮させ、この時に発生するインクの動
圧によりインク滴をノズル開口から吐出させて印刷用紙
にドットを形成するものである。

【０００３】このような形式の印字ヘッドに於いては、
液滴の形成効率や飛翔力が大きいことが望ましい。しか
しながら、圧電素子の単位長さ、及び単位電圧当りの伸
縮率は極めて小さいため、印字に要求される飛翔力を得
るには高い電圧を印加することが必要となり、駆動回路
や電気絶縁対策が複雑化するという問題がある。

【０００４】このような問題を解決するため、日本特許
公報特開昭６３−２９５２６９号公報に示されているよ
うに、電極と圧電材料とを交互にサンドイッチ状に積層
し同時焼結したインクジェット印字ヘッド用の圧電素子
が提案されている。この圧電素子によれば電極間距離を
可及的に小さくすることが出来るため、駆動信号の電圧
を下げることが出来るという効果がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな圧電素子内部の導電材料の多くはＡｇ／Ｐｄを使用
している為、導電材料を露出させると沿面部でＡｇマイ
グレーションが発生し信頼性を低下させる要因となって
いた。この問題を回避する為には、導電材料にＡｇを使
用しない事が最も有効な手段であるが、従来は以下の理
由により選択できる導電材料の種類がＡｇ／Ｐｄに限定
されていた。

【０００６】１．圧電材料と導電材料を同時に焼成する
厚膜同時焼結法では圧電材料が酸化炉で焼結される為、
導電材料も酸化されてしまう。

【０００７】２．圧電材料の焼結温度が導電材料の融点
より高いと、導電材料が圧電材料中に拡散し、絶縁抵抗
の劣化、圧電素子の変形につながる。

【０００８】以上により、導電材料は酸化しにくく、融
点が高いＡｇ／Ｐｄに限定されていた。

【０００９】又、従来から使用されているスタック型の
アクチュエーターは小型化するのが困難であった。

【００１０】本発明の目的は、低価格で信頼性が高く、
容易に小型化することができる圧電素子を用いたインク
ジェット式印字ヘッドを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に於いては、予め焼結した圧電素子の単板に導
電層を所望の形状で形成し、それぞれ層状にポリイミド
接着剤で貼り合わせた構造にした。更には、前記ポリイ
ミド接着剤の１層の厚みｔをｔ≦２μｍにした。

【００１２】

【実施例】図１に本発明に於けるインクジェット式印字
ヘッドの１例を示す。図１に於て、１１は基台、１２は
接着剤、１３は導電層、１４は圧電素子板、１５は積層
型圧電素子、１６はポリイミド接着層、１７はノズルを
形成した板材（以下、ノズルプレートと称す。）、１８
はインク流路である。

【００１３】本ヘッドは以下の工程で製造される。

【００１４】まず、ドクターブレード法、押し出し法等
により製造されたチタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブス
カイトセラミック等のグリーンシートを焼結し圧電素子
板１４を形成する。次に、図２に示す様に圧電素子板１
４の両面に所望の形状で、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｕ等の
導電層１３を形成する。ここでの、導電層１３の形成方
法としては、スパッタ、蒸着等の薄膜手法、印刷等の厚
膜手法が考えられるが、圧電材料は脆く、割れ易いので
ハンドリングの比較的容易な薄膜手法で形成するのが望
ましい。次に、図３に示す様に、導電層１３を形成した
圧電素子板１４に接着剤３１を転写法、印刷法等で塗布
する。その後、接着剤３１を介して電界がかかるのを防
止する為に、導電層１３の同じ極性の面が向かい合うよ
うに圧電素子板１４を貼合わせ、加圧しながら高温雰囲
気に、又、必要に応じて減圧環境下で、放置し、接着材
を硬化させ図４に示す積層形状を得る。ここでの接着剤
には、以下の特性を有するものを使用するのが望まし
い。

【００１５】１．硬化後のヤング率が大きいこと。

【００１６】貼合わせタイプの積層ＰＺＴの場合、効果
的に変位量を得ようとすると接着剤はヤング率が小さ
く、ＰＺＴの動きを抑制しない物がよい。しかし、その
様な接着剤で積層したＰＺＴは接着層が柔らかい為、後
工程で機械加工する際にＰＺＴのチッピングやマイクロ
クラック発生の原因になってしまう。

【００１７】２．低粘度であること上記の様なヤング率の大きい接着剤で変位量を効果的に
得るには、接着剤は出来るだけ薄く塗布すのがよい。そ
の為には、接着剤は低粘度であることが必要である。

【００１８】３．無溶剤タイプであること溶剤を含んだ接着剤は硬化時に気泡を発生し、接着層内
部にポーラスを形成する為、後工程での機械加工時にそ
の部分を加工するとチッピング発生の原因になる。

【００１９】４．耐熱温度が高いこと積層ＰＺＴを高速駆動させる事による発熱、或は、ホッ
トメルトインクを使用したインクジェットプリントヘッ
ドを想定すると接着剤の耐熱温度は約２００℃必要とな
る。

【００２０】上記の工程の後、固定砥粒の外周刃による
切削加工方式、或は、ワイヤーソー、バンドソー等の遊
離砥粒による切削加工方式により所望の形状、大きさに
カットし図５に示す様に端部５１に１層おきに交互に導
電層１３を露出させる。その後、導電層１３を外部に引
き出すために両端部５１に導電膜５２を前記薄膜手法、
厚膜手法を用いて形成し圧電素子１５を得る。上記のよ
うにして製造した圧電素子１５を図６に示すように、個
別電極６１を形成した基台１１上に、図７に示すように
接着剤７１を用いて固定する。このようにして固定した
圧電素子１５は、図８に示すように個別電極ピッチと同
ピッチで細かく前記固定砥粒の外周刃や、遊離砥粒によ
る切削加工方法により切込みをいれる。この後、個別電
極６１と切込みの入った圧電素子列８１とを接続する。
ここでの接着剤は、導電膜５２と基台１１上に形成され
た個別電極６１とを電気的に接続する必要があるため、
半田や導電性接着剤等の導電ペースト８２を使用するの
が最適である。

【００２１】次に、図９に示すようにコモン電極１９を
接続し、更に、信頼性向上のためインクが流れ込むのを
防止するよう耐湿性材料等で圧電素子周囲を保護する。
ここで、耐湿性材料に気泡が入るのを除去するため真空
脱泡等の処理を行なうのが望ましい。次に、インク流
路、ノズルプレートを形成し、その結果、図１に示した
ヘッド構造を得る。

【００２２】次に、前記条件を満たす接着剤としてポリ
イミド系接着剤を使用した積層型ＰＺＴと、比較の為に
シリコーン系接着剤を使用した積層型ＰＺＴとを試作し
たので下記にその結果を示す。

【００２３】図１０に本試作の積層型ＰＺＴ１０１の形
状を示した。

【００２４】・試作評価結果試作仕様・厚電素子板１０２仕様厚みｔ＝３０（μｍ）圧電定数ｄ31＝３００×１０^-12（ｍ／Ｖ）駆動部長さ１０３ｌａ＝３．７（ｍｍ）・接着剤仕様使用した２種類の接着剤の仕様を表１に
示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】・導電層仕様１層目導電層１０４材料Ｃｒスパッタ厚みｔ＝１
００（Å）２層目導電層１０５材料Ｎｉスパッタ厚みｔ＝２０
００（Å）・評価結果評価結果を表２に示す。

【００２７】

【表２】

【００２８】ＰＺＴの変位量δは、以下の式の様に、電
圧Ｖ、駆動部長さｌａ、圧電定数ｄ31に比例し、厚みｔ
に反比例する。

【００２９】δ＝ｄ31・ｌａ・Ｖ／ｔここで、今試作ＰＺＴの仕様を上記式に代入し、電圧３
０Ｖ印加時の変位量を算出すると、 δ＝３００×１０
^-12・３．７×１０^-3・３０／（３０×１０^-6）＝１．１１×１０^-6（ｍ）となる。

【００３０】ここで、表２の評価結果によれば、ポリイ
ミド系接着剤厚みを３〜６μｍ塗布したサンプルの変位
量が０．８μｍと計算値より小さいものとなった。これ
は、ヤング率の大きいポリイミド接着剤を厚く塗布した
ため変位が抑制された為である。又、ヤング率の小さい
シリコーン系接着剤では、接着層を３〜８μｍと厚くし
てもほぼ計算値通りの変位量を得ることが出来た。ここ
で、図１１（ａ）、（ｂ）に接着剤のヤング率と接着剤
厚みが変位に及ぼす影響をそれぞれ例示した。図１１に
於て、縦軸は接着剤を塗布しなかった時を１とし、横軸
の接着層厚みを変化させて行った時の変位比率を示した
物である。例えば、ヤング率１×１０¹¹の接着剤が厚み
約４μｍ塗布された場合、塗布していない場合の約８０
％の変位に抑制される事を示している。

【００３１】上記結果により、耐熱温度が高く、製造時
にチッピングやマイクロクラックが発生し難く、更に、
効率的（接着層の無い時の変位に対して９０％以上）に
変位を得ようとすると、接着剤は、ヤング率の大きいポ
リイミド系接着剤で接着層厚みは、２μｍ以下にするの
が望ましいことがわかる。

【００３２】又、ＰＺＴの様な焼結体は結晶粒サイズが
２〜３μｍと比較的大きいので、この結晶粒がギャップ
剤の役目を果たし、接着層厚みを２μｍ以下に制御する
ことが困難な場合がある。この様な時には、導電層形成
前にＰＺＴ板両面をラップ処理し、凹凸を滑らかにする
と効果的である。

【００３３】又、エポキシ系接着剤は、耐熱温度が低い
為、今回の評価からは除外している。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、板状の圧電素子をポリ
イミド系の接着剤で層状に貼り合わせた積層型圧電素子
を、インクジェットヘッドに搭載したことで、マイグレ
ーションの発生しにくい高信頼性の高温駆動安定性に優
れた、インクジェット式印字ヘッドが実現出来る。ま
た、接着層の厚みを２μｍ以下とすることにより変位効
率の良い圧電素子が可能となり、ヘッドの小型化が図る
事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット式印字ヘッドの一実施
例の構造を示す断面図。

【図２】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す図。

【図３】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す断面図。

【図４】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す断面図。

【図５】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す断面図。

【図６】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す図。

【図７】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す図。

【図８】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す図。

【図９】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す図。

【図１０】本発明の積層型圧電素子の試作例を示す断面
図。

【図１１】接着剤のヤング率と厚みが積層型ＰＺＴの変
位に及ぼす影響を示すグラフ。

【符号の説明】

１１基台１２接着剤１３導電層１４圧電素子板１５積層型圧電素子１６ポリイミド接着剤１７ノズルプレート１８インク流路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ノズル開口に対応させて圧電素子が配置
され、圧電素子への駆動信号によりインクがノズル開口
から外部に放出されるようにしたインクジェット式印字
ヘッドにおいて、前記圧電素子は導電層が形成された圧
電材料を、絶縁材料で複数枚、層状に接着した積層型圧
電素子であり、前記絶縁材料がポリイミド樹脂であるこ
とを特徴とするインクジェット式印字ヘッド。
【請求項２】ポリイミド樹脂の厚みｔがｔ≦２μｍで
あることを特徴とする請求項１記載のインクジェット式
印字ヘッド。