JPH09277516A - インクジェット式印字ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インク室構成部材とフレームとの線膨張係数
の違いを緩衝し、信頼性の高いインクジェット式印字ヘ
ッドを提供すること。 【構成】 ノズルプレート１０１と、ノズルプレート１
０１に配設されたノズル開口部１０２を仕切る壁部材１
０３と、振動板１０４を積層して構成されるインク室１
１０と、該インク室１１０に対応するように配置された
圧力発生部材１０５を固定するベース板２０１が、フレ
ーム２０４により支持されており、電気信号により前記
圧力発生部材１０５を駆動させることで振動板１０４を
介してインク室１１０を加圧し、ノズル開口部１０２よ
りインク滴を吐出させるインクジェット式印字ヘッドに
おいて、前記フレーム材質の線膨張係数（ＣＴＥ）が、
ＣＴＥ≦１５Ｅ−６／℃である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェットプ
リンタに用いる印字ヘッドの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のインクジェット式印字ヘッドは、
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、特開昭６
３−２９５２６９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たインクジ
ェット式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。特開平４−１０５２号公報には上記
の積層型圧電素子を基台に固定した後にノズル列ピッチ
に対応するように圧電素子を加工し、この圧電素子列を
振動板に固着したインクジェット式印字ヘッドが詳細に
記されている。

【０００５】又、近年ＰＣのカラー化、環境保護による
再生紙の台頭等に伴い、プリンタにも悪い紙質への高印
字品質が要求されてきている。

【０００６】この要求に応えるべく、インクジェット式
プリンタでは、にじみの少ないインクの開発や、プラテ
ン近傍にヒーターを取り付けてインクの乾燥速度を早く
する等の対策を施してきた。しかしながらこのことは、
インクジェット式印字ヘッドの構成部品の耐インク性の
確保や、線膨張係数の違いによる熱応力の発生の回避
等、構成部品の選択の自由度や製造条件の自由度を制限
する結果となっている。特開平７−１６４６３４号公
報、特開平７−１６４６３６号公報では、熱による構成
部品間の線膨張係数の違いによる応力を緩和させる構造
が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ヘッド構造では図７に示すようにＤ部での応力発生を回
避する事は出来ない。又、Ｄ部での応力発生による信頼
性の劣化は多ノズル化に伴いヘッドが大型化するにつれ
て顕在化する課題であった。

【０００８】本発明の目的は、安価で信頼性の高いイン
クジェット式印字ヘッドを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のインクジェット式記録ヘッドは、ノズル開
口が穿設された金属製のノズルプレート、前記ノズル開
口部と連通するインク室を形成するシリコン製の壁部
材、該インク室の一壁面を構成するよう積層された振動
板とからなるインク室構成部材と、前記インク室に対応
するよう配置された圧力発生部材、該圧力発生部材の一
端を固定したベース板からなる圧電素子ユニットと、前
記インク室構成部材を固定すると共に、前記圧電素子ユ
ニットを支持するフレーム部材とを有するインクジェッ
ト式印字ヘッドであって、前記フレーム材質の線膨張係
数（ＣＴＥ）が、ＣＴＥ≦１５Ｅ−６／℃であることを
特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を図面を用
いて詳細に説明する。

【００１１】図３、図４は本発明に於けるインクジェッ
ト式印字ヘッドの斜視図である。

【００１２】図１は、本発明に於けるインクジェット式
印字ヘッドのノズル配列に直交する方向の断面図、即
ち、図３に於けるＡ−Ａ断面図である。

【００１３】図２は、本発明におけるインクジェット式
印字ヘッドのノズル配列方向の断面図、即ち、図３に於
けるＢ−Ｂ断面図である。

【００１４】図１、図２、図４に於いて、インクタンク
（図示されていない）から供給されたインクは、各イン
ク室１１０に連通する壁部材１０３に形成されたインク
流路１１１を通り、各インク室１１０に対応するように
形成されたインク供給路１０７を通って、ノズルプレー
ト１０１、壁部材１０３、振動板１０４を積層して構成
されるインク室１１０に供給される。ここで、インク室
構成部材のノズルプレート１０１、壁部材１０３、振動
板１０４は緩衝部材２２０とフレーム２０４に固定され
ている。

【００１５】各インク室１１０に対応して圧力発生部材
１０５と、ノズル開口部１０２が配置されており、圧力
発生部材１０５はベース板２０１上に配置、固着され、
フレーム２０４に挿入され、接着剤２０３で固着されて
いる。ここで、圧力発生部材１０５は、ＦＰＣ２０２を
介したプリンタ本体からの電気信号による伸縮運動によ
り、インク室１１０を加圧し、ノズル開口部１０２より
インクを吐出する。

【００１６】以下に本ヘッドの製造方法を示す。

【００１７】図１において、ベース板２０１に固着され
た後にノズルピッチに対応するように加工された圧力発
生部材１０５にＦＰＣ２０２を実装した圧電素子ユニッ
ト５０１を作製する。

【００１８】一方、振動板１０４と壁部材１０３とノズ
ルプレート１０１を積層接着したインク室構成部材６０
１を作製する。ここで、図２に示すように、振動板１０
４は、インク室１１０に対応する位置に島状突起部２０
９と、それ以外の変形しやすい振動膜部２１０を有す
る。振動板１０４の島状突起部２０９は、圧力発生部材
１０５の端面に塗布した接着剤１１２により固定されて
おり、圧力発生部材１０５の変位によるインク室１１０
の体積変化を効率的に行う効果がある。この様な構成の
振動板１０４は、金属板上（例えばＳＵＳやＮｉ等、ｔ
＝１０〜５０μｍ）に振動膜部２１０となる薄い樹脂層
（例えばＰＩ、ＰＰＳ、ＰＥ等、ｔ＝１〜１０μｍ）を
形成し、島状突起部２０９を残して選択的に金属部分を
エッチングする事によって形成することができる。

【００１９】壁部材１０３は、インクの吐出スピード、
吐出量等を決定する重要なパーツであり、カラープリン
ト化に伴う高画質の要求に応える為には、数ミクロンの
寸法精度が要求される。

【００２０】この要求に応えるべく本実施例では、結晶
方位（１１０）面を表面に持つシリコン単結晶基板の異
方性エッチング法により製作した。

【００２１】シリコン単結晶基板の異方性エッチング法
は、結晶方位により決まる方向にエッチングが進行す
る。（１１１）結晶面は、他の結晶面に比べてエッチン
グ速度が極端に遅いため、寸法精度の必要なインク室部
分を（１１１）面で構成するようにすると、非常に高い
アスペクト比のインク室を高密度に、かつ、高精度に形
成できる。又、この事は、ＵＳＰ−４３１２００８号に
於いても公知である。

【００２２】ノズルプレート１０１はＳＵＳ材を所望の
ピッチにプレス法で穴加工する事で作製している。

【００２３】この後、上記振動板１０４、壁部材１０
３、ノズルプレート１０１を積層接着しインク室構成部
材６０１を作製した後、フレーム２０４にインク室構成
部材６０１を接着と同時に圧力発生部材１０５上面に接
着剤１１２を塗布した圧電素子ユニット５０１挿入し、
島状突起物２０９と圧力発生部材１０５上面との位置決
め及び接合を図っていた。

【００２４】ここで、フレーム２０４は圧電素子ユニッ
ト５０１と島状突起物２０９を位置合わせする機能を持
たせる為、寸法精度、平面度等の高精度が要求される。
この要求に応える材料として、従来、比較的低コスト
で、平面度を出す為の後加工、即ちラップ加工等が容易
な材料として液晶ポリマーの射出成型を採用していた。

【００２５】本実施例のヘッドの斜視図を図５に示し
た。ヘッド仕様は以下の通り。

【００２６】＜ヘッド仕様＞ ノズル配列ピッチ 0.1411(mm)(180dpi) １列当たりのノズル数 ３２（ノズル） ノズル列数 ５（列） 又、本実施例で採用したヘッド構成部品の材質、ＣＴ
Ｅ、ヤング率、板厚は表１の通りである。

【００２７】

【表１】

【００２８】しかしながら、従来の構成では、悪い紙質
への高速印字、高印字品質の要求に応えるべく、ヘッド
の多ノズル化に伴うヘッドの大型化や、にじみの少ない
インクの開発、プラテン近傍にヒーターを取り付けてイ
ンクの乾燥速度を早くする等の対策を施してきたこと
で、インクジェット式印字ヘッドの、構成部品の耐イン
ク性の劣化や、線膨張係数の違いによる熱応力の発生に
よる信頼性の劣化等の課題が顕在化してきた。特に、線
膨張係数の違いによる熱応力の発生は、接着硬化等ヘッ
ド製造工程中にさらされる環境温度の高温化、ヘッド使
用環境の高温化等により顕在化してきた。

【００２９】具体的には、本実施例のヘッドのフレーム
２０４を従来の液晶ポリマーで構成すると、振動板１０
４とフレーム２０４の界面、即ち、図５Ｃ部に剥離が発
生してしまった。

【００３０】この剥離は、インク室構成部材６０１とフ
レーム２０４との線膨張係数の違いにより接着界面に発
生する応力によるものである。

【００３１】これを回避する対策として、特開平７−１
６４６３４号公報、特開平７−１６４６３６号公報で
は、熱による構成部材間の線膨張係数の違いによる応力
を構造的に緩和させる方法が開示されている。

【００３２】しかしながら、上記のヘッド構造では図７
に示すようにＤ部での応力発生を回避する事は出来な
い。

【００３３】これに対して、本発明のヘッドは、フレー
ム２０４材料の線膨張係数ＣＴＥをインク室構成部材６
０１の線膨張係数に近づける事で、応力発生を小さくす
ることを狙いとして、フレーム２０４のＣＴＥをインク
室構成部材６０１のＣＴＥに近づける比較実験を行っ
た。

【００３４】いかに実験結果を示す。

【００３５】実験方法 表２のフレーム材質で図５の形態のヘッドを試作し、熱
衝撃試験に放置した後の破壊発生率を比較した。

【００３６】熱衝撃試験条件：−２０℃→常温→６０℃
→常温 各１時間 のサイクルを１０サイクル。

【００３７】実験結果 表２に実験結果を示した。

【００３８】本結果により、図５のヘッド形態ではフレ
ーム２０４のＣＴＥが１５Ｅ−６以下であれば、インク
室構成部材６０１とフレーム２０４の界面に発生する応
力を小さくすることが出来、ヘッド製造工程上の温度上
昇、使用環境温度の変化に対して信頼性が高く出来る事
が判った。

【００３９】ここで、フレーム２０４は先にも述べた
が、圧電素子ユニット５０１と島状突起物２０９を位置
合わせする機能を持たせる為、寸法精度、平面度等の高
精度が要求される。

【００４０】

【表２】

【００４１】本発明では、この機能を低コストで満足す
る材料としてフェノール樹脂を採用した。

【００４２】フェノール樹脂等の熱硬化樹脂は、射出成
型により複雑な形状を高精度に成型でき、ＣＴＥも表２
の様にＳＵＳ並に小さい材料が多いので有効である。

【００４３】この後、図２に示すように、フレーム２０
４とインク室構成部材６０１を接着すると同時に、圧力
発生部材１０５上面に接着剤１１２を塗布した圧電素子
ユニットを挿入し、島状突起物２０９と圧力発生部材１
０５上面との位置決め及び接合を行い、インクジェット
式印字ヘッドを得る。

【００４４】本発明のヘッド構造は水平方向の線膨張係
数の違いにより発生する応力を小さくするだけでなく、
垂直方向、即ち、インク吐出方向の圧力発生部材１０５
とフレーム２０４との熱による変形の差を小さくでき
る。

【００４５】このことは、ヘッド製造時の接着剤硬化温
度で釣り合った圧力発生部材１０５上面とフレーム２０
４上面が、常温に戻ることで発生する圧力発生部材１０
５のインク室側への突出を抑える効果があり、これによ
り、インク吐出バラツキを小さくすることが出来た。

【００４６】本実施例では、圧力発生部材として電界方
向と垂直方向の変位を利用したｄ３１方向の積層型圧電
素子を使用した例を示したが、本発明は、これに限定さ
れるものではなく、図６に示すように、電界方向と同方
向の変位を利用したｄ３３方向の変位を利用した圧電素
子であっても同等の効果を有する事が出来る。

【００４７】

【発明の効果】以上説明してきたように、ノズルプレー
ト１０１と、ノズルプレート１０１に配設されたノズル
開口部１０２を仕切る壁部材１０３と、振動板１０４を
積層して構成されるインク室１１０と、該インク室１１
０に対応するように配置された圧力発生部材１０５を固
定するベース板２０１が、フレーム２０４により支持さ
れており、電気信号により前記圧力発生部材１０５を駆
動させることで振動板１０４を介してインク室１１０を
加圧し、ノズル開口部１０２よりインク滴を吐出させる
インクジェット式印字ヘッドにおいて、前記フレーム材
質の線膨張係数（ＣＴＥ）が ＣＴＥ≦１５Ｅ−６／℃ である事を特徴としている。

【００４８】更には、前記フレーム材質が熱硬化型樹脂
である事を特徴としている。

【００４９】更には、前記フレーム材質がフェノール樹
脂である事を特徴としている。

【００５０】この事で、インク室構成部材６０１とフレ
ーム２０４との線膨張係数の違いを緩衝し、信頼性の高
いインクジェット式印字ヘッドを提供出来た。

【００５１】更には、ヘッド製造時の接着剤硬化温度で
釣り合った圧力発生部材１０５上面とフレーム２０４上
面が、常温に戻ることで発生する圧力発生部材１０５の
インク室側への突出を抑える効果があり、これにより、
インク吐出バラツキを小さくすることが出来た。

【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
例を示す図３に於けるＡ−Ａ断面図。

【図２】本発明のインクジェット式印字ヘッドの一実施
例を示す図３に於けるＢ−Ｂ断面図。

【図３】本発明のインクジェット式印字ヘッドの一実施
例を示す斜視図。

【図４】本発明のインクジェット式印字ヘッドの一実施
例を示す斜視図。

【図５】本発明のインクジェット式印字ヘッドの一実施
例を示す斜視図。

【図６】本発明のインクジェット式印字ヘッドの一実施
例を示す断面図。

【図７】従来のインクジェット式印字ヘッドを示す断面
図。

【符号の説明】

１０１ ノズルプレート １０２ ノズル開口部 １０３ 壁部材 １０４ 振動板 １０５ 圧力発生部材 ２０４ フレーム ２０９ 島状突起物 ２１０ 振動膜部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズル開口が穿設された金属製のノズル
   プレート、前記ノズル開口部と連通するインク室を形成
   するシリコン製の壁部材、該インク室の一壁面を構成す
   るよう積層された振動板とからなるインク室構成部材
   と、 前記インク室に対応するよう配置された圧力発生部材、
   該圧力発生部材の一端を固定したベース板からなる圧電
   素子ユニットと、 前記インク室構成部材を固定すると共に、前記圧電素子
   ユニットを支持するフレーム部材とを有するインクジェ
   ット式印字ヘッドであって、 前記フレーム材質の線膨張係数（ＣＴＥ）が、ＣＴＥ≦
   １５Ｅ−６／℃であるインクジェット式印字ヘッド。
2. 【請求項２】 前記フレーム材質が熱硬化型樹脂である
   請求項１記載のインクジェット式印字ヘッド。
3. 【請求項３】 前記フレーム材質がフェノール樹脂であ
   る請求項１記載のインクジェット式印字ヘッド。