JP2002029049A

JP2002029049A - インクジェットヘッドおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2002029049A
Application number: JP2000213831A
Authority: JP
Inventors: Yumiko Ohashi; 弓子大橋
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2002-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】インク溝を有する基板とカバー板に異なる線
膨張係数の材料を使用しても、両者の接着時に隔壁が倒
れる現象を少なくし、優れた噴射性能を発揮することが
できるインクジェットヘッドおよびその製造方法を提供
する。【解決手段】基板１０に、複数のインク溝２１と、イ
ンクを収容しない複数のダミー溝２２とを平行に交互に
形成し、両溝を覆って基板１０にカバー板３０を接着す
るものにおいて、両溝間の隔壁２４のカバー板３０がわ
端面にＳｉＯ₂の膜３５を形成し、隔壁２４とカバー板
３０との間に、加熱硬化型の接着剤を介挿して両者を加
熱しながら加圧接着する。基板１０が圧電材料、カバー
板３０がそれよりもヤング率の高いフォルステライトで
あるとき、加熱接着の際の膨張量の差によって、隔壁２
４が倒れる現象が生じるが、ＳｉＯ₂の膜３５が両材料
間に滑りを発生するため、隔壁２４が倒れる現象を少な
くし、所期の優れた噴射性能を発揮する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク滴を噴射し
て記録媒体上に記録をおこなうインクジェットヘッドお
よびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェットヘッドとして、インクを
収容するインク溝を１つの基板上に複数個備えた、いわ
ゆるマルチノズル型のものがある。そのインク溝内のイ
ンクに噴射エネルギを付与する方法として、ヒータによ
りインクを局部的に沸騰させその圧力により噴射するも
の、圧電材料等の変形によりインクに圧力を加えるもの
などがある。

【０００３】前者のヒータを使用するものでは、インク
溝を有する基板を樹脂成形し、ヒータを有する絶縁基板
をそれに重ねている。また、後者の圧電材料を使用する
ものでは、エッチング形成したインク溝や供給流路を有
する複数の金属板を重ねて基板を構成し、その上に、振
動板、圧電素子を重ねている。さらに、後者の圧電材料
を使用するもう一つのものは、インク溝の隔壁を圧電材
料で構成した基板と、そのインク溝を覆うカバー板とを
重ねたものがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらは、いずれもイ
ンク溝を有する基板と、そのインク溝を覆う板とは材料
を異にする。両者を接着する際、加熱硬化型の接着剤が
使用されるが、両材料に線膨張係数に差があるため、接
着の際の加熱によって一方の材料に変形が残ったり、接
着部に残留応力が生じる。特に、インク溝を構成する隔
壁が圧電厚みすべり効果により変形することでインク溝
の容積を増減させるものでは、圧電材料の変形が接着部
にも及ぶために、耐久性を悪くするだけでなく、隔壁の
変形効率を落とすことになり、その影響は大きい。

【０００５】本出願人は先に特開平６−２３４２１５号
公報に記載のように、接着部の残留応力を少なくするた
め、基板とカバー板とを、線膨張係数の差が８．５ｐｐ
ｍ／℃以下の材料で構成することを提案した。しかし、
基板とカバー板とを、線膨張係数の差が０、つまり同じ
圧電材料で構成することは、きわめて高価になる問題が
あった。

【０００６】また、カバー板が圧電材料等のヤング率の
低い材料であると、インク溝を構成する隔壁が圧電厚み
すべり効果により変形する際、カバー板に作用した反力
で、カバー板が変形し、その結果、隔壁の変形量が少な
くなり、インクを噴射するための十分な圧力が得られな
くなる。これを解消するには、駆動電圧を高くする方法
があるが、それにともない、回路関係の部品に高電圧用
の部品を使用しなければならず、コストを押し上げる。
これを解消するため、本出願人は、カバー板を圧電材料
の隔壁よりもヤング率の高い材料、例えばフォルステラ
イトで構成することを提案した（特願平１１−１９４５
１９号）。

【０００７】このように、カバー板にヤング率の高い材
料を使用して変形効率を上げたとしても、上記のように
基板と線膨張係数に差があることによる問題が残る。イ
ンク溝を高集積化するために多数個並べた場合、カバー
板と基板の長さが長くなり、接着剤硬化のための加熱温
度（１５０℃）によって、圧電材料（線膨張係数１〜４
ｐｐｍ／℃）とフォルステライト（線膨張係数１０．５
ｐｐｍ／℃）を使用した場合、両者に約３０μｍ以上の
長さの差が生じる。インク溝２１の幅や隔壁２４の幅が
４０〜４５μｍであるから、その膨張量は非常に大き
く、図１１に示すように、カバー板３０の膨張にともな
い隔壁２４が倒れる現象が生じ、インクの噴射動作に支
障をきたしてしまう。

【０００８】上記場合、加熱温度を低くする方法も考え
られるが、そうすると、硬化に必要な時間が非常に長く
なり、生産性が著しく低下し、現実的でない。

【０００９】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、インク溝を有する基板とカバー
板に異なる線膨張係数の材料を使用しても、両者の接着
時に隔壁が倒れる現象を少なくし、優れた噴射性能を発
揮することができるインクジェットヘッドおよびその製
造方法を提供する。

【００１０】

【課題を解決するための手段および発明の効果】この目
的を達成するために、請求項１に記載のインクジェット
ヘッドは、噴射するインクを収容する複数のインク溝を
複数の隔壁間に形成した基板と、前記複数のインク溝の
長手方向の開放面を覆って、前記基板の隔壁に接着剤に
より接合したカバー板とを備え、前記隔壁とカバー板と
の間に、加熱硬化型の前記接着剤とその接着剤の硬化時
に前記隔壁とカバー板間に滑りを発生する層を介装した
ことを特徴とする。

【００１１】これにより、基板とカバー板に線膨張係数
の違いにより、接着時に一方の材料が他方の材料に対し
て伸縮することがあっても、接着剤が硬化する際に隔壁
がカバー板に対して滑り、倒れる現象を少なくすること
ができる。したがって、基板とカバー板に、それぞれに
要求される性質、あるいは製造のし易さなどを考慮した
最適な材料を選択することができ、所期どおりの噴射性
能を発揮することができる。

【００１２】特に、隔壁の少なくとも一部を圧電材料で
構成し電圧を印加することによりインク溝内のインクに
圧力を付与する方向に変形するものにおいて、カバー板
を圧電材料よりもヤング率の高い材料で構成すること
で、隔壁の変形にともなってカバー板が変形するのを抑
え、隔壁の変形を効率よくインク噴射に利用することが
できるようになり、しかも、上記のように、接着剤が硬
化する際の隔壁の倒れを少なくなることで、優れた噴射
性能を発揮することができる。

【００１３】この場合、隔壁は電圧を印加するための電
極を有するため、前記滑りを発生する層がこの電極も被
覆し、電極を保護することが好ましい。

【００１４】前記滑りを発生する層は、好ましくはＳｉ
Ｏ₂である。

【００１５】また、上記のインクジェットヘッドの製造
方法は、前記隔壁の、少なくともインク溝の開放面がわ
の端面に、前記滑りを発生する層の膜を形成する工程
と、前記滑りを発生する層の膜に、加熱硬化型の前記接
着剤を介して前記カバー板を重ねる工程と、前記接着剤
を加熱硬化させる工程を有するもので、上記インクジェ
ットヘッドを容易に製造することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
にしたがって説明する。本実施の形態は、噴射方法とし
て、圧電材料に分極方向と直交する方向の電界を生成す
ることによりその圧電材料を圧電厚みすべり変形させる
ものを用いた。

【００１７】図１に示すように、インクを収容する溝を
有する基板１０、４０は、カバー板３０を挟んで２つ設
けられているが、両基板はほぼ同構成であるので、主と
して一方の基板１０について説明し、基板４０について
は基板１０の各部分１０ａ〜１０ｆと対応する部分を４
０ａ〜４０ｆと書き換えて説明を省略する。基板１０、
４０にはＰＺＴなどの圧電材料が使用され、カバー板３
０にはその圧電材料よりもヤング率の高い材料、例えば
フォルステライト、ベリリア、マグネシア、アルミナ、
ジルコニアなどが使用される。

【００１８】基板１０には、インクを収容する複数のイ
ンク溝２１と、空間となる複数のダミー溝２２とが交互
に平行に形成され、その両溝間は隔壁２４で隔てられて
いる。インク溝２１とダミー溝２２は、同じ幅、深さに
形成される。隔壁２４は、その高さ方向に相互に逆に分
極（図３の矢印Ｐ）した２つの圧電材料を、同じく高さ
方向に積層して構成されている。本実施の形態におい
て、隔壁２４は、高さ方向の２つの部分ともが圧電材料
である必要がなく、少なくとも一方が圧電材料であれば
よい。インク溝２１とダミー溝２２の配列方向の両端
に、インク溝およびダミー溝と同形状の溝が交互に繰り
返し形成されているが、これは、基板１０とカバー板３
０とを接着する際の接着剤の第１および第２の逃げ溝２
１ａ、２２ａとして機能するものである。

【００１９】インク溝２１は、その長手方向を基板１０
の一方の面１０ａに開放しかつ長手方向両端を基板１０
の前後両端面１０ｂ、１０ｃに開放して形成されてい
る。ダミー溝２２は、その長手方向を基板１０の一方の
面１０ａに開放し、かつ長手方向一端を基板１０の前端
面１０ｂに開放して形成されているが、長手方向他端を
基板の後端面１０ｃに対して壁２３で閉鎖されている。
基板１０の前端面１０ｂには、ダミー溝２２および第２
の逃げ溝２２ａと同じ幅の縦溝２５が連続して形成さ
れ、縦溝２５は、基板の一方の面１０ａと反対側の面１
０ｄに接続している。両溝２１、２２の長手方向の開放
面は、基板の一方の面１０ａに接着したカバー板３０に
より覆われている。

【００２０】基板１０の後端面１０ｃには、マニホール
ド３１（図２）が接続され、図示しないインク供給源か
ら供給口３１ａに供給されたインクが複数のインク溝２
１に分配供給される。ダミー溝２２の後端は壁２３によ
って覆われているので、インクは供給されない。接着剤
の逃げ溝２１ａ、２２ａの後端は、マニホールド３１両
端の壁に対向しているので、この溝にもインクは供給さ
れない。

【００２１】２つの基板１０、４０が同色のインクを使
用する場合には、１つのマニホールド３１が両基板の後
端面１０ｃ、４０ｃにまたがって接合され、両基板に共
通のインクを供給するように構成することができる。ま
た、２つの基板１０、４０が別々の色のインクを使用す
る場合には、両基板の後端面にそれぞれ別のマニホール
ドが接合される。

【００２２】基板１０の前端面１０ｂには、各インク溝
２１の前端に対向する噴射口３３を複数有するノズルプ
レート３２が接合される。

【００２３】図３に示すように、インク溝２１およびダ
ミー溝２２の内側面、すなわち隔壁２４の側面には、電
極２６ａ、２６ｂがそれぞれ形成され、ダミー溝２２の
内で対向する電極２６ｂ、２６ｂは溝底に沿って形成さ
れた分離溝２７によって相互に絶縁されている。前記一
方の面１０ａとは反対側の他方の面１０ｄには、それら
電極２６ａ、２６ｂと接続した接続端子２８ａ、２８ｂ
が整列して形成されている。１つのインク溝２１の両外
側に位置する各電極２６ｂ、２６ｂは、ダミー溝２２に
連続する縦溝２５の側面に形成された導電層を介して１
つの接続端子２８ｂに接続している。縦溝２５の側面の
導電層は、ダミー溝２２内の各電極２６ｂ、２６ｂと同
様に溝底で分割されており、ダミー溝２２内で対向する
電極２６ｂ、２６ｂは、それぞれ別の接続端子２８ｂ、
２８ｂに接続している。

【００２４】複数の接続端子２８ｂの外側に位置する、
他方の面１０ｄ上の導電層は、接続端子２８ａを構成す
る。この接続端子２８ａは、基板１０の後端面１０ｃ上
の導電層を介してすべてのインク溝２１内の電極２６ａ
と接続している。端子２８ａと端子２８ｂ間、および端
子２８ｂどうしの間は、分離溝２９によって絶縁されて
いる。

【００２５】端子２８ａ、２８ｂには、図示しないフレ
キシブルな配線材がハンダ接合され、外部の噴射パルス
信号発生源に接続される。

【００２６】接続端子２８ａすなわちすべてのインク溝
２１内の電極２６ａをアースし、インクを噴射しようと
するインク溝２１に対応する端子２８ｂを介して電極２
６ｂ、２６ｂにパルス信号を印加すると、図４に示すよ
うに、そのインク溝２１の両側の隔壁２４、２４に分極
方向Ｐと直交する電界Ｅが生じる。その結果、隔壁にお
いて分極方向が異なる各部がそれぞれ圧電厚みすべり変
形し、全体としてインク溝の２１の容積を拡大する。そ
れにより、マニホールド３１からインク溝２１内にイン
クを吸引する。その後、パルス信号の印加を停止する
と、隔壁２４が復帰して、インクに圧力が加えられる。
その結果、インクは、噴射口３３からインク滴として噴
射される。

【００２７】カバー板３０は隔壁２４を構成する圧電材
料よりもヤング率の高い材料が使用されているため、隔
壁２４が上記のように圧電厚みすべり変形する際、その
反力でカバー板３０が変形することが少なく、隔壁２４
を所期どおり十分に変形させ、高い噴射圧力を得ること
ができる。実験によれば、カバー板３０に隔壁２４と同
じ圧電材料を使用した場合、インク溝に所定の容積変化
を生じるために１６Ｖの電圧が必要であったが、カバー
板３０にフォルステライトを使用した場合、１４．７Ｖ
の電圧でよいことがわかった。

【００２８】以下に、上記インクジェットヘッドの製造
方法を説明する。

【００２９】まず、基板１０を形成するために、予め厚
さ方向に分極された圧電材料１１、１２を接着する。そ
して、図５に示すように、両圧電材料１１、１２にわた
ってインク溝２１、ダミー溝２２、逃げ溝２１ａ、２２
ａおよび縦溝２５となる溝を、ダイヤモンドブレード５
１によって研削すなわち機械加工する。このダイヤモン
ドブレード５１は、特開平１−１４０９７０号公報およ
び特開平３−１１７５６５号公報に開示されているよう
に、各溝に対応する複数のブレード部を一体に有するも
のを使用するが、本実施の形態の場合、インク溝２１と
ダミー溝２２（逃げ溝２１ａ、２２ａを含む）は、後端
の壁２３の有無において形状が異なり、それらを同時に
加工することができないので、その一方のグループのみ
に対応する複数のブレード部を、そのグループの列方向
にわたって備える。つまり、図８に示すように、複数の
ダミー溝２２と第２逃げ溝２２ａを同時に加工した後、
その溝間にブレード部を相対移動して、それらの溝の間
に、複数のインク溝２１と第１の逃げ溝２１ａを同時に
加工する。本実施の形態の場合、インク溝２１とダミー
溝２２の幅、深さを同じ寸法に設定することで、ダイヤ
モンドブレード５１や加工条件等を共通にできる。縦溝
２５も、同じダイヤモンドブレード５１によって加工す
ることができる。

【００３０】なお、１つのフレードのみからなるダイヤ
モンドブレード５１で、インク溝とダミー溝、および第
１の逃げ溝と第２の逃げ溝を交互に連続して加工した
り、インク溝と第１の逃げ溝を順次加工した後、ダミー
溝と第２の逃げ溝を順次加工することもできる。

【００３１】そして図６に示すように、上記のように溝
を加工した基板１０、４０に、各溝の内面を含む全面に
わたって導電層５２を、メッキ等によって形成する。次
に図７に示すように、基板の前記一方の面１０ａを平面
研削することによって、その面１０ａ上の導電層を除去
する。さらにダミー溝２２および縦溝２５の溝底に沿っ
て、レーザ照射機５３から発射したＹＡＧレーザ光を照
射して、その溝底の導電層をアブレーション加工により
除去し、分割溝２７を形成する。

【００３２】その後、図８に示すように基板１０、４０
の溝加工側の面１０ａ、４０ａに、ＳｉＯ₂の膜３５を
ＣＶＤ法により１〜２μｍの厚さで形成し、その膜３５
の上にエポキシ樹脂等の加熱硬化型の接着剤３６の層
（図９）を形成する。膜３５は、図８では溝２１、２２
に内面にもあるが、接着剤３６が加熱硬化する際にすべ
りを生じさせる目的だけなら、接着剤３６の必要な面、
すなわち溝２１、２２、２１ａ、２２ａの内面をのぞく
上面１０ａ、４０ａにのみあればよい。しかし、ＳｉＯ
₂の膜３５は、インクに対する電極２６ａ、２６ｂの保
護膜としても機能するので、溝の内面にも形成しその電
極を被覆している。

【００３３】そして、図９、１０に示すように、基板１
０、４０を、カバー板３０の両面に接着剤３６により接
合する。接着剤３６は加熱硬化型のエポキシ樹脂系接着
剤であるから、基板１０、４０、カバー板３０の三者を
重ねて圧力をかけた状態で、例えば１５０℃に加熱す
る。このときカバー板３０にフォルステライト（線膨張
係数１０．５ｐｐｍ／℃）を使用した場合、基板１０、
４０の圧電材料（線膨張係数１〜４ｐｐｍ／℃）と膨張
に差を生じる。例えば、インク溝２１の数が多数になる
場合、基板１０、４０とカバー板３０とに約３０μｍの
長さの差が生じる。インク溝２１の幅や隔壁２４の幅が
４０〜４５μｍであるから、その膨張量は非常に大き
い。実験によれば、ＳｉＯ₂の膜３５が存在しない場
合、温度を上げたとき、図１１に示すように、カバー板
３０の膨張にともない隔壁２４が倒れる現象が生じ、イ
ンクの噴射動作に支障をきたしてしまうことが確かめら
れた。しかし、ＳｉＯ₂の膜３５を設けた場合、接着剤
３６が収縮硬化するとき、ＳｉＯ₂の膜３５がすべり作
用をし、隔壁２４の倒れが少なくなることが確かめら
れ、所期のインク噴射性能を達成することができた。

【００３４】また、基板１０、４０とカバー板３０間に
はさまれた接着剤は、ダミー溝２２、逃げ溝２１ａ、２
２ａに逃げ、インク溝２１を詰まらせることがなくな
る。とくに、本実施の形態では、逃げ溝２１ａ、２２ａ
がインク溝とダミー溝のピッチで細かく形成されている
ので、接着剤を確実に逃がすことができるだけでなく、
接合時にはさむ空気塊を良好に逃がし、強固に接合する
ことができる。

【００３５】そして、両基板１０、４０の前端面１０
ｂ、４０ｂをカバー板３０とともに１つの平面に揃える
ために、その面を平面研削する。このとき同時に前端面
１０ｂ、４０ｂの導電層を除去することで、インク溝２
１内の導電層とダミー溝２２内の導電層は、分離され
て、それぞれ電極２６ａ、２６ｂとして形成される。

【００３６】基板４０の面４０ｄ上の導電層を、接続端
子２８ａ、２８ｂに分割するために、レーザ照射機５３
からＹＡＧレーザ光を分離溝２７と連続した位置に照射
し、面４０ｄ上の導電層をアブレーション加工により除
去して、分離溝２９を形成し、接続端子２８ａ、２８ｂ
を分割することができる。また、基板１０にも同様に、
接続端子２８ａ、２８ｂを形成する。

【００３７】そして、基板１０、４０の積層体の後端面
にマニホールド３１を接着剤により接合し、前端面にノ
ズルプレート３２を接着剤により接合し、さらに、両基
板１０、４０の端子２８ａ、２８ｂに、図示しないフレ
キシブルな配線材をンダ接合することで、インクジェッ
トヘッドは完成する。ノズルプレート３２を接合する
際、前記カバー板３０の接合の場合と同様に、ダミー溝
２２、逃げ溝２１ａ、２２ａおよび縦溝２５が接着剤の
逃げとして働き、良好に接合することができる。

【００３８】なお、上記実施の形態では、２つの基板を
カバー板の両面に接合したが、１つの基板をカバー板に
接合するものであってもよい。また、本発明は、基板に
圧電材料を用いるものだけでなく、各種の噴射方法のイ
ンクジェットヘッドに適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示すインクジェットヘッ
ドの分解斜視図である。

【図２】図１の一部水平断面図である。

【図３】図１の一部縦断面図である。

【図４】図３の動作説明図である。

【図５】本実施の形態のインクジェットヘッドの製造過
程を説明する斜視図である。

【図６】本実施の形態のインクジェットヘッドの製造過
程を説明する斜視図である。

【図７】本実施の形態のインクジェットヘッドの製造過
程を説明する斜視図である。

【図８】本実施の形態のインクジェットヘッドの製造過
程を説明する斜視図である。

【図９】本実施の形態のインクジェットヘッドの製造過
程を説明する斜視図である。

【図１０】本実施の形態のインクジェットヘッドの製造
過程を説明する斜視図である。

【図１１】従来の構成を説明する図３相当の断面図であ
る。

【符号の説明】

１０、４０基板２１、２２溝３０カバー板３５ＳｉＯ₂膜３６接着剤

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】噴射するインクを収容する複数のインク
溝を複数の隔壁間に形成した基板と、前記複数のインク溝の長手方向の開放面を覆って、前記
基板の隔壁に接着剤により接合したカバー板とを備え、前記隔壁とカバー板との間に、加熱硬化型の前記接着剤
とその接着剤の硬化時に前記隔壁とカバー板間に滑りを
発生する層を介装したことを特徴とするインクジェット
ヘッド。
【請求項２】請求項１において、前記滑りを発生する
層は、ＳｉＯ₂であることを特徴とするインクジェット
ヘッド。
【請求項３】請求項１において、前記隔壁の少なくと
も一部は圧電セラミクッスで構成され、電圧を印加する
ことにより、前記インク溝内のインクに圧力を付与する
方向に変形するものであり、前記カバー板は、前記圧電
材料よりもヤング率の高い材料で構成されていることを
特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項４】請求項３において、前記隔壁は側面に電
極を有し、前記滑りを発生する層はその電極を保護する
ように電極を被覆していることを特徴とするインクジェ
ットヘッド。
【請求項５】請求項１のインクジェットヘッドの製造
方法であって、前記隔壁の、少なくともインク溝の開放面がわの端面
に、前記滑りを発生する層の膜を形成する工程、前記滑りを発生する層の膜に、加熱硬化型の前記接着剤
を介して前記カバー板を重ねる工程、前記接着剤を加熱硬化させる工程を有するインクジェッ
トヘッドの製造方法。