JPH09141845A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダイアフラムとキャビティプレートとの剥離
を防止して、インクの吐出性能を高めることができるイ
ンクジェットヘッドを提供する。 【解決手段】 ダイアフラム３４とキャビティプレート
３１とを接着する接着層３５に用いる接着剤として、イ
ンクジェットヘッド１０の使用時におけるヘッド温度以
下の温度でガラス転移するエポキシ系接着剤を用いる。
これにより、熱膨張係数の異なるダイアフラム３４とキ
ャビティプレート３１とに発生する熱応力を軟化した接
着層３５によって吸収することができる。したがって、
上記剥離の主な要因を取り除くことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固形のインクを溶
融させてノズルから印刷用紙にインクを吐出して印刷を
行う、ホットメルト型のインクジェットヘッドであっ
て、そのインクジェットヘッドを構成する部材間の接着
強度を向上することができるものとして好適なものに関
する。

【０００２】

【従来の技術】上記インクジェットヘッド（以下、ヘッ
ドと略称する）としては、ノズルが形成されたインク室
内に発熱素子が設けられており、その発熱素子を通電し
て加熱することにより、気泡を発生させ、その気泡によ
る圧力によりインクをノズルから吐出させる、いわゆる
サーマル方式のものが知られている。また、圧電材料で
形成された圧電膜と、この圧電膜に電圧を印加する電極
膜とを積層した圧電素子がインク室上に設けられてお
り、上記電極膜に電圧を印加することにより、上記圧電
素子に圧電効果を生じさせて変位させ、この変位により
上記インク室の容積を変化させてノズルからインクを吐
出させる、いわゆる圧電方式のものが知られている。

【０００３】上記圧電方式のヘッドの構成について図を
参照して説明する。なお、従来のヘッドと本発明に係る
ヘッドとは、基本的な構成が同じであることら、便宜の
ために本発明に係るヘッドの構成を説明する図を用い
る。図２は、本発明に係るヘッドの部分断面説明図であ
り、図３は、図２に示すヘッドを側面方向から見た部分
断面説明図である。ダイアフラム（振動板）３４は、ア
ラミドフィルムで形成されており、その上面には、圧電
材料で形成された圧電素子３６が、接着層３７により接
着されている。ダイアフラム３４の下面には、ＰＥＳ
（ポリ・エーテル・サルフォン）で形成されたキャビテ
ィプレート３１が接着層３５により接着されている。

【０００４】キャビティプレート３１内には、複数のイ
ンク室３０が形成されており、キャビティプレート３１
の下面には、複数のノズル３３が形成されたノズルプレ
ート３２が取り付けられている。また、図３に示すよう
に、圧電素子３６の上面には、インク室３０内のインク
の溶融状態を保持するためのヒータ４２が設けられてい
る。そして、圧電素子３６を駆動させると、図２（ｂ）
に示すように、圧電素子３６の圧電効果による変位によ
り、ダイアフラム３４が下向きの凸状に変形され、この
変形によりインク室３０が加圧され、インクがノズル３
３から矢印方向へ吐出される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
に、キャビティプレート３１、ダイアフラム３４および
圧電素子３６は、それぞれ異なる材料で形成されている
ため、熱膨張係数が、それぞれ異なる。特にキャビティ
プレート３１の熱膨張係数が、２５×１０^-6であるのに
対して、ダイアフラム３４の熱膨張係数は、２×１０^-6
であり、両者には大きな差異がある。したがって、上記
ヘッドが、ヒータ４２によって加熱された場合、上記熱
膨張係数の差異により、ダイアフラム３４およびキャビ
ティプレート３１には、大きさの大きく異なる熱応力が
発生するため、ダイアフラム３４とキャビティプレート
３１とが剥離し易くなるという問題がある。つまり、上
記剥離が発生すると、上記ダイアフラム３４の振動特性
が劣化するため、インクの吐出性能が低下し、ヘッドの
印字品質が悪くなるとともに、耐久性が低下するという
問題が生じる。なお、熱膨張率を変化させた各種実験を
行った結果、接着する各部材の熱膨張率の差が約３倍以
上開くと熱応力が問題となり、接着部が剥離する虞が出
てくることが分かっている。

【０００６】そこで、本発明は、上述した課題を解決す
るためになされたものであり、その目的とするところ
は、ヘッドを構成する複数の構成部材のうち、熱膨張率
の差が大きい構成部材間の剥離を防止することにより、
印字品質を高めることができるインクジェットヘッドを
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、請求項１に記載の発明では、加熱溶融され
たホットメルトインクが充填されると共に前記インクを
吐出するノズルと連通するインク室が内部に形成された
キャビティプレートと、前記インク室内のインクを吐出
させる吐出エネルギーを与えるエネルギー発生素子と、
前記インク室内のインクの溶融状態を保持する加熱手段
とが含まれた複数の構成部材により構成されたインクジ
ェットヘッドにおいて、前記複数の構成部材のうち、熱
膨張率の差が大きい構成部材同士は、前記インクジェッ
トヘッドの使用時の温度以下の温度でガラス転移する接
着剤により、接着されているという技術的手段を採用す
る。

【０００８】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載のインクジェットヘッドにおいて、前記接着剤は、熱
膨張率の差が３倍程度になる構成部材間に用いられると
いう技術的手段を採用する。

【０００９】請求項３に記載の発明では、請求項１また
は２に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記接着
剤は、前記インクジェットヘッドの使用時の温度よりも
４０℃以上低いガラス転移温度を有するものであるとい
う技術的手段を採用する。

【００１０】請求項４に記載の発明では、請求項１ない
し３のいずれか１つに記載のインクジェットヘッドにお
いて、前記接着剤は、エポキシ系接着剤であるという技
術的手段を採用する。

【００１１】請求項５に記載の発明では、請求項１ない
し４のいずれか１つに記載のインクジェットヘッドにお
いて、前記接着剤により形成される接着層の厚みは、２
０μｍ以下であるという技術的手段を採用する。

【００１２】請求項６に記載の発明では、請求項１ない
し５のいずれか１つに記載のインクジェットヘッドにお
いて、前記インクジェットヘッドは、振動板を有し、前
記エネルギー発生素子は、前記振動板の一の面に取り付
けられており、圧電材料及びこの圧電材料に電圧を印加
して圧電効果を生じさせる電極からなる圧電素子であ
り、前記キャビティプレートは、前記振動板の他の面に
取り付けられており、その振動板の変位に伴って容積が
変化されるとともに、前記ノズルから溶融されたインク
を吐出するインク室が内部に形成されたキャビティプレ
ートであるという技術的手段を採用する。

【００１３】請求項７に記載の発明では、請求項６に記
載のインクジェットヘッドにおいて、前記キャビティプ
レートは、前記振動板に対して、前記接着剤により接着
されているという技術的手段を採用する。

【００１４】

【作用】請求項１ないし７に記載の発明では、上記複数
の構成部材のうち、熱膨張率の差が大きい構成部材同士
は、上記インクジェットヘッドの使用時の温度以下の温
度でガラス転移する接着剤により、接着されているた
め、上記インクジェットヘッドの使用時において、上記
熱膨張率の差が大きい構成部材間には、ガラス転移によ
り軟化された接着層が形成される。したがって、上記イ
ンクジェットヘッドの使用時において、上記熱膨張率の
差が大きい構成部材のそれぞれに大きさが大きく異なる
熱応力が発生した場合であっても、上記軟化された接着
剤により、上記それぞれの熱応力を吸収することができ
るため、上記構成部材間の剥離を防止することができ
る。つまり、ヘッドの耐久性および印字品質を高めるこ
とができる。

【００１５】特に、請求項２に記載の発明では、上記接
着剤は、熱膨張率の差が３倍程度になる構成部材間に用
いることにより、それら構成部材間の剥離を防止するこ
とができる。

【００１６】また、請求項３に記載の発明では、上記接
着剤は、上記インクジェットヘッド、の使用時の温度よ
りも４０℃以上低いガラス転移温度を有するものである
ため、上記接着剤を上記インクジェットヘッドの使用時
において容易にガラス転移させることができる。つま
り、上記インクジェットヘッドの使用時の温度が、１２
５℃の場合には、その温度より４０℃以上低い、８５℃
以下のガラス転移温度を有する接着剤を用いることによ
り、上記構成部材間に発生する熱応力差を吸収して上記
構成部材間の剥離を防止することができる。

【００１７】また、請求項４に記載の発明では、上記接
着剤は、エポキシ系接着剤であるため、上記インクと反
応し難く、たとえば、シリコン系接着剤のように、イン
クにシリコンが溶けだして、印字品質が劣化するのを防
止することができる。

【００１８】さらに、請求項５に記載の発明では、上記
接着剤により形成される接着層の厚みは、２０μｍ以下
であるため、後述する発明の実施の形態に示すように、
接着層の厚みが大きすぎることにより、上記構成部材間
の剛性が低下してインクの吐出性能を劣化させることな
く、上記熱応力を吸収することができる。

【００１９】またさらに、請求項７に記載の発明では、
上記振動板に対して上記キャビティプレートが上記接着
剤により接着されているため、上記上記キャビティプレ
ートに対する振動板の剥離を防止することができる。特
に、上記振動板の接着部分の剥離は、インクの吐出性能
に悪影響を及ぼすため、上記剥離の防止によって、高い
印字品質を維持することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて図を参照して説明する。なお、本実施の形態では、
ホットメルト型のインクジェットプリンタに用いられる
インクジェットヘッドのうち、複数色のインクを吐出し
てカラー印字を行うカラーインクジェットプリンタ（以
下、プリンタと略称する）に用いられるインクジェット
ヘッド（以下、ヘッドと略称する）を代表に説明する。
まず、上記プリンタの機構について説明する。図１は、
上記プリンタの一部機構を取り出して示す外観斜視図で
ある。

【００２１】図１に示すように、上記プリンタには、印
字ヘッド１０が設けられている。この印字ヘッド１０
は、イエローインクを吐出するイエロー用ヘッド１１、
マゼンタインクを吐出するマゼンタ用ヘッド１２、シア
ンインクを吐出するシアン用ヘッド１３、およびブラッ
クインクを吐出するブラック用ヘッド１４とから構成さ
れる。また、各ヘッド１１ないし１４には、固形インク
が収容されるインクタンク（図示省略）がそれぞれ設け
られている。

【００２２】印字ヘッド１０は、キャリッジ２１の上に
搭載されており、そのキャリッジ２１には、印刷用紙２
０の幅方向に設けられたガイド軸２２が挿通されてい
る。キャリッジ２１は、ガイド軸２２に沿ってその下方
に設けられた無端ベルト２３に取り付けられており、そ
の無端ベルト２３は、モータ２４のプーリ２５に掛けら
れている。つまり、キャリッジ２１は、モータ２４の回
転により、ガイド軸２２に沿って印刷用紙２０の幅方向
に往復動するようになっている。

【００２３】また、ガイド軸２２に沿ってその下方に
は、複数のスリット（目盛）が印されたタイミングスリ
ット２６が設けられている。また、キャリッジ２１の前
面下部には、タイミングスリット２６に印されたスリッ
トの数を読み取るエンコーダ素子２７が設けられてい
る。なお、印刷用紙２０は、紙送りモータ（図示省略）
により回転される給紙ローラ（図示省略）と、この給紙
ローラと対に設けられた押さえローラ２８、２８との間
に挾まれて上下方向に送られる。

【００２４】次に、各ヘッド１１ないし１４の構造につ
いて図２ないし図４を参照して説明する。なお、各ヘッ
ド１１ないし１４の構造は、それぞれ同じであるため、
ここではヘッド１１を代表に説明する。図２は、ヘッド
１１の部分断面説明図であり、図面下方が、印刷用紙２
０（図１参照）に対向する面である。図３は、図２に示
すヘッド１１を側面方向から見た断面図であって、圧電
素子３６上のベース部分を省略して示すものである。

【００２５】図２に示すように、図２（ａ）に示すよう
に、ヘッド１１には、インクを収容する複数のインク室
（キャビティ）３０が設けられており、各インク室３０
は、キャビティプレート３１によってそれぞれ仕切られ
ている。各インク室３０および各キャビティプレート３
１の下面には、ノズルプレート３２が形成されており、
このノズルプレート３２には、インクを吐出する複数の
ノズル３３が貫通形成されている。各インク室３０およ
び各キャビティプレート３１の上面には、ダイアフラム
（振動板）３４が接着層３５によって接着されている。

【００２６】なお、本実施の形態では、インク室３０
は、図２（ａ）において、幅０．２２ｍｍ、高さ０．１
５ｍｍであり、キャビティプレート３１は、ＰＥＳによ
り、幅０．１１９ｍｍ、厚み２．５ｍｍに形成されてい
る。また、ノズル３３の下面は、直径５５μｍであり、
ダイアフラム３４は、アラミドフィルムにより、９μｍ
の厚みに形成されている。さらに、キャビティプレート
３１およびダイアフラム３４の熱膨張係数は、それぞれ
２５×１０^-6、２×１０^-6であり、両構成部材間には、
３倍以上の熱膨張率の開きがある。したがって、両構成
部材間には大きな熱応力差があるため、ヘッド使用時の
温度のもとでは、両構成部材間が剥離する虞がある。

【００２７】そこで、接着層３５を形成する接着剤とし
ては、エポキシ系接着剤でガラス転移温度Ｔｇが８５℃
以下のもの、たとえば、Ｔｇ＝７９°Ｃ、５５°Ｃのも
のを用い、接着層３５をヘッド使用時の温度のもとで軟
化させることにより、両構成部材間の熱応力差を吸収し
て剥離を防止する。なお、本発明者の実験によれば、接
着層３５は、ダイアフラム３４の振動特性および接着強
度の両者を高めるためには、２０μｍの厚みで形成する
のが望ましいことが分かった。

【００２８】図３に示すように、ダイアフラム３４の上
面には、板状の複数のエネルギー発生素子としての圧電
素子３６が、接着層３７によって接着されており、各圧
電素子３６の上には、インクを流入するマニホールドプ
レート３８が形成されている。このマニホールドプレー
ト３８により形成されたインク流入孔３９の下方には、
マニホールド４０が形成されており、このマニホールド
４０は、インク室３０に連通している。また、各圧電素
子３６の上面には、インク室３０内のインクの溶融状態
を保持する加熱手段としてのヒータ４２が設けられてい
る。また、図３において４１で示す部分が、活性部、つ
まり、圧電素子３６が、圧電効果を発生して変位を生じ
る部分である。

【００２９】なお、本実施の形態では、図２（ａ）にお
いて、圧電素子３６は、幅０．０８ｍｍ、厚み０．５ｍ
ｍであり、キャビティプレート３１の中心間のピッチ
は、０．３３９ｍｍである。インク流入孔３９の直径
は、２．０ｍｍであり、マニホールド４０の深さは、
１．５ｍｍ、幅は２．０ｍｍである。また、活性部４１
の幅は、４．０ｍｍである。ところで、圧電素子３６の
熱膨張係数は、２×１０^-6であり、ダイアフラム３４と
同じであるため、接着層３７には、Ｔｇ＝１２７℃のエ
ポキシ系接着剤を用い、ヘッド使用時の温度のもとでの
ガラス転移を防止して両構成部材間の剥離を防止する。

【００３０】次に、上記圧電素子３６の構造について図
４を参照して説明する。図４は、圧電素子３６の構造を
示す部分断面説明図である。図４に示すように、圧電素
子３６は、圧電材料で形成された膜状の圧電膜４３と、
膜状の電極膜（内部電極）４４とを、圧電膜４３の分極
方向を揃えて交互に積層して形成されている。図４では
省略してあるが、実際には、１０層ないし２０層の積層
構造となっており、両端面には、端面電極４５および４
６が形成されている。なお、本実施の形態では、圧電膜
４３の厚みは、約３０μｍである。また、電極膜４４、
端面電極４５および４６は、銀パラジウム（銀７０％、
パラジウム３０％）により、２ないし３μｍの厚みに形
成されている。

【００３１】さらに、本実施の形態では、上記インクと
して、パラフィン系のワックスを主成分とし、Ａ：軟化
点５６°Ｃないし５８°Ｃ、融点６９°Ｃないし７１
℃、Ｂ：軟化点６２°Ｃないし６４°Ｃ、融点７６°Ｃ
ないし７８℃、Ｃ：軟化点８１°Ｃないし８６°Ｃ、融
点９２°Ｃないし９４℃のうちのいずれかを、プリンタ
の使用温度での粘度、表面張力、印字後の色度、彩度な
どを考慮して選択して用いる。

【００３２】そして、図示しないヘッド駆動回路から上
記各電極膜４４に電圧が印加されると、各圧電膜４３に
圧電効果が生じ、図２（ｂ）に示すように、ダイアフラ
ム３４が下向きの凸状に湾曲し、インク室３０が加圧さ
れてインクがノズル３３から吐出される。なお、各ヘッ
ド１１ないし１４を単独で駆動させて単色の印字を行う
他、各ヘッド１１ないし１４を適宜選択して駆動させ
て、複数のインクを重ねて吐出することにより、中間色
の印字を行う。

【００３３】次に、上記ヘッド１１を構成するダイアフ
ラム３７とキャビティプレート３１との剥離試験の結果
について図５に示す表を参照して説明する。なお、本剥
離試験は、２０ｍｍ×２０ｍｍのキャビティプレート上
の中央に、５×４０ｍｍのダイアフラムを接着し、その
キャビティプレートの四隅にワイヤーを取付け、そのワ
イヤーを引張りばね秤により、７０ｇの引っ張り荷重を
加えて行った。また、接着剤としては、Ｔｇ＝１２５℃
以上のもの（高Ｔｇ）、８５°Ｃないし１２５℃のもの
（中Ｔｇ）、８５℃以下のもの（低Ｔｇ）の３種類を厚
み２０μｍでスタンピングして用い、１２５℃の温度を
１３２．５時間保持した場合と、１２５℃の加熱と室温
２５℃への自然冷却とを数分の間隔で数十回行うサーマ
ルサイクルとをそれぞれ試験した。

【００３４】図５の表において、○は、剥離がほとんど
発生しなかった結果、△は、剥離が発生する場合がある
が品質としては満足できるという結果、×は、剥離した
ものが多かった結果をそれぞれ示す。この結果から明ら
かなように、高Ｔｇのものおよび中Ｔｇのものは、共に
サーマルサイクルの試験において、剥離し易いが、低Ｔ
ｇのものは、ほとんど剥離しないことが分る。また、低
Ｔｇのものは、１２５°Ｃ保持の試験においても、高Ｔ
ｇのものよりは劣るが、品質としては満足できることが
分る。

【００３５】これは、ヘッド使用時において、ダイアフ
ラム３４とキャビティプレート３１に異なる大きさの熱
応力がそれぞれ発生した場合であっても、上記低Ｔｇの
接着層３５がガラス転移して軟化することにより、その
接着層３５により上記熱応力を吸収することができたこ
とを実証するものである。このように、上記接着剤によ
り接着層３５を形成すれば、ダイアフラム３４とキャビ
ティプレート３１との剥離を防止することができるた
め、ヘッドのインク吐出性能の劣化を防止することがで
きる。したがって、そのヘッドをプリンタに適用するこ
とにより、印字品質の高いプリンタを実現することがで
きる。

【００３６】

【発明の効果】以上記述したように請求項１ないし８に
記載の発明によれば、ヘッドを構成する複数の構成部材
のうち、熱膨張率の差が大きい構成部材同士を、上記イ
ンクジェットヘッドの使用時の温度以下の温度でガラス
転移する接着剤により、接着することにより、上記構成
部材間の剥離を防止してヘッドの耐久性および印字品質
を高めることができる。

【００３７】特に、請求項３に記載の発明では、上記接
着剤は、上記インクジェットヘッド、の使用時の温度よ
りも４０℃以上低いガラス転移温度を有するものである
ため、上記接着剤を上記インクジェットヘッドの使用時
において容易にガラス転移させることができるため、ヘ
ッドの使用時の温度が、１２５℃の場合には、その温度
より４０℃以上低い、８５℃以下のガラス転移温度を有
する接着剤を用いることにより、上記熱膨張率の差が大
きい構成部材間に発生する熱応力差を吸収してそれら構
成部材間の剥離を防止することができる。

【００３８】また、請求項４に記載の発明では、上記接
着剤は、エポキシ系接着剤であるため、上記インクと反
応し難く、たとえば、シリコン系接着剤のように、イン
クにシリコンが溶けだして、印字品質が劣化するのを防
止することができる。

【００３９】さらに、請求項５に記載の発明では、上記
接着剤により形成される接着層の厚みは、２０μｍ以下
であるため、接着層の厚みが大きすぎることにより、上
記構成部材間の剛性が低下してインクの吐出性能を劣化
させることなく、上記熱応力を吸収することができる。

【００４０】またさらに、請求項７に記載の発明では、
上記振動板に対して上記キャビティプレートが上記接着
剤により接着されているため、上記キャビティプレート
に対する振動板の剥離を防止することができる。特に、
上記振動板の接着部分の剥離は、インクの吐出性能に悪
影響を及ぼすため、上記剥離の防止によって、高い印字
品質を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施の形態に係るプリンタの一部機構を
取り出して示す外観斜視図である。

【図２】図１に示すヘッド１１の部分断面説明図であ
る。

【図３】図２に示すヘッド１１の縦断面図である。

【図４】圧電素子３６の構造を示す部分断面説明図であ
る。

【図５】ダイアフラム３４とキャビティプレート３１と
の剥離試験の結果を示す表である。

【符号の説明】

１０ ヘッド ３０ インク室 ３１ キャビティプレート ３２ ノズルプレート ３３ ノズル ３４ ダイアフラム ３５ 接着層 ３６ 圧電素子 ３７ 接着層 ４２ ヒータ ４３ 圧電膜 ４４ 電極膜

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱溶融されたホットメルトインクが充
   填されると共に前記インクを吐出するノズルと連通する
   インク室が内部に形成されたキャビティプレートと、前
   記インク室内のインクを吐出させる吐出エネルギーを与
   えるエネルギー発生素子と、前記インク室内のインクの
   溶融状態を保持する加熱手段とが含まれた複数の構成部
   材により構成されたインクジェットヘッドにおいて、 前記複数の構成部材のうち、熱膨張率の差が大きい構成
   部材同士は、前記インクジェットヘッドの使用時の温度
   以下の温度でガラス転移する接着剤により、接着されて
   いることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 【請求項２】 前記接着剤は、熱膨張率の差が３倍程度
   になる構成部材間に用いられることを特徴とする請求項
   １に記載のインクジェットヘッド。
3. 【請求項３】 前記接着剤は、前記インクジェットヘッ
   ドの使用時の温度よりも４０℃以上低いガラス転移温度
   を有するものであることを特徴とする請求項１または２
   に記載のインクジェットヘッド。
4. 【請求項４】 前記接着剤は、エポキシ系接着剤である
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記
   載のインクジェットヘッド。
5. 【請求項５】 前記接着剤により形成される接着層の厚
   みは、２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１な
   いし４のいずれか１つに記載のインクジェットヘッド。
6. 【請求項６】 前記インクジェットヘッドは、振動板を
   有し、 前記エネルギー発生素子は、前記振動板の一の面に取り
   付けられており、圧電材料及びこの圧電材料に電圧を印
   加して圧電効果を生じさせる電極からなる圧電素子であ
   り、 前記キャビティプレートは、前記振動板の他の面に取り
   付けられており、その振動板の変位に伴って容積が変化
   されるとともに、前記ノズルから溶融されたインクを吐
   出するインク室が内部に形成されたキャビティプレート
   であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１
   つに記載のインクジェットヘッド。
7. 【請求項７】 前記キャビティプレートは、前記振動板
   に対して、前記接着剤により接着されていることを特徴
   とする請求項６に記載のインクジェットヘッド。