JP2003246064A - インクジェット記録ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】インクを加圧するための隔壁の剛性を確保し、
全流路にわたってインク滴の吐出性能が均質なインクジ
ェット記録ヘッドを提供する。 【解決手段】複数の隔壁を並設し、各隔壁間をインクの
流路とした流路部材と、上記流路を覆うように上記隔壁
の頂面に接合される天板と、上記流路部材の一面に接合
され各流路に連通するインク吐出孔を有するノズル板と
を備えたインクジェット記録ヘッドにおいて、上記隔壁
を構成する圧電セラミックスのヤング率を５０ＧＰａよ
り大きく、１００ＧＰａ以下とし、上記隔壁の高さＨ_W
と、隔壁の幅Ｗ_Wとの比を、 ２．５ ≦ Ｈ_W／Ｗ_W ≦ ６．０ とし、かつ上記隔壁の共振周波数をＦｃ、上記圧電セラ
ミックスの密度をρ、上記圧電セラミックスのヤング率
をＹとした時、 Ａ_C＝Ｆ_C×Ｈ_W ²×ρ^0.5／（Ｗ_W×Ｙ^0.5） ０．３０ ≦ Ａ_C ≦ ０．８０ の関係を満足するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微細なインク吐出
孔からインク滴を吐出して文字や画像を印刷する各種プ
リンターや記録計、ファクシミリ、あるいは捺染分野や
窯業分野で文様形成等に用いられる印刷機等の記録装置
に搭載されるインクジェット記録ヘッドに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、マルチメディアの浸透に伴い、イ
ンパクト方式の記録装置に代わって、インクジェット方
式や熱転写方式を利用したノンインパクト方式の記録装
置が開発され、その利用範囲が各種産業分野および一般
家庭分野において広がりつつある。

【０００３】かかるノンインパクト方式の記録装置のな
かでも、インクジェット方式を利用した記録装置は、多
階調化やカラー化が容易で、ランニングコストが低いこ
とから将来性が注目されている。

【０００４】図９にインクジェット方式を利用した記録
装置に用いられるインクジェット記録ヘッドの一例を示
すように、このインクジェット記録ヘッド４０（以下、
単にヘッドという）は、厚み方向に分極した圧電セラミ
ックス板の貼合体の側面に一端を開放した複数の溝を並
設し、各溝をインクの流路２２とするとともに、各溝間
を仕切る壁を隔壁２１とした流路部材２４と、上記各隔
壁２１の側面にそれぞれ形成された駆動用電極２３と、
上記各流路２２を覆うように各隔壁２１の頂面に接合さ
れた天板２５と、上記天板２５に設けられた各流路に連
通するインク溜２６及びインク供給孔２７と、上記流路
部材２４の側面において各流路２２と連通するインク吐
出孔２９を備えたノズル板２８とからなり、このヘッド
４０のインク供給孔２７よりインク溜２６及び各流路２
２へインクを供給した状態で、上記隔壁２１の両側面に
備える駆動用電極２３に通電して隔壁２１を屈曲変位さ
せ、流路２２内のインクを加圧することによりインク吐
出孔２９よりインク滴として吐出するようになってい
た。

【０００５】即ち、上記隔壁２１の両側面に備える駆動
用電極２３に電圧を印加すると、隔壁２１を形成する圧
電セラミックスは剪断モード変形を起こすのに対し、隔
壁２１は上下が拘束されていることから略「く」の字上
に屈曲変位するため、この隔壁２１の屈曲変位によって
流路２２内のインクを加圧し、インク吐出孔２９よりイ
ンク滴として吐出するようになっていた。なお、３１は
駆動用電極２３の引出線である。

【０００６】また、このような従来のヘッド４０におい
て、隔壁２１の変形によって流路２２内のインクを効率
よく加圧してインク滴を吐出させるために、特開平６−
２１８９２１号公報、特開平６−２３８８８６号公報、
特開平６−２３８８８７号公報、特開平８−２５７７４
０号公報には、隔壁２１と天板２５の接合部及び流路２
２の形状、隔壁２１を構成する圧電セラミックスの気孔
率並びに剛性の最適値について提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術によるこれまでの提案はヘッドの製造や部材における
制約事項を考慮したものではなく、従来技術に基づいて
設計されたヘッドにおいて、材料の剛性や隔壁２１及び
流路２２の形状が所定の設計条件を満たしていても、期
待されたインク滴の吐出性能が得られない場合があっ
た。

【０００８】例えば、隔壁２１を構成する上層と下層の
圧電セラミックス並びに隔壁２１と天板２５を接着剤に
よって接合する際に接着剤層の厚みがばらついたり、接
着剤に不均一に含まれる気泡が残留したり、接着剤の硬
化時に化学反応によって発生する気泡が接合部分に介在
すると隔壁２１の剛性がばらつき、各流路２２ごとのイ
ンクの加圧性能が不均一となるといった課題があった。

【０００９】また、接着によって形成された二層の圧電
セラミックスからなる基板に、厚みが４０〜１００μm
程度の回転砥石を用いて流路２２となる溝を研削加工に
よって等間隔に形成すると、溝を隔てる隔壁２１が形成
されるが、上記研削加工によって隔壁２１の接合部分の
接着剤層が剥離したり、隔壁１を構成する圧電セラミッ
クスにクラックが発生すると、隔壁２１の所定の剛性が
得られなくなるといった課題もあった。そして、このよ
うな接着剤層の剥離やクラックが不規則に発生し、剛性
が低下した隔壁２１に隣接する流路２２ではインクの加
圧性能が低下するため、ヘッド４０の各インク吐出孔２
９からのインク滴の吐出速度が不均一となり易いもので
あった。

【００１０】また、特開平６−２３８８８８号公報に
は、隔壁２１を構成する圧電セラミックスの微細組織に
含まれる気孔の比率について規定しているが、隔壁２１
中に存在する気孔の比率が従来技術で規定される値以下
であっても、隔壁２１中の気孔が一部に偏在すると所定
の剛性が得られずインクの加圧性能が低下するといった
課題があり、このような隔壁２１がヘッド４０中に不規
則に存在すると、各流路２２ごとのインクの加圧性能が
不均一となる場合があった。

【００１１】このように、隔壁２１の空孔やその接合層
に介在する気泡または隔壁２１に生じたクラックなどに
より流路２２のインクの加圧性能にばらつきが発生する
と、流路２２に連通するインク吐出孔２９からのインク
滴の吐出速度の分布が大きくなり、印刷面へのインク滴
の着弾位置が不揃いとなるため印画品質が低下するとい
った課題があった。

【００１２】また、隔壁２１の空孔、クラック及び接合
層の気泡が著しい場合、該隔壁２１を隔てて隣接する流
路２２同士が連通し、隔壁２１を変形させてもインクが
隣接する流路２２間で移動し、インク滴を吐出できなく
なる場合もあった。

【００１３】以上のように従来技術で規定された設計に
基づくヘッド４０においても、材料やプロセスに固有の
問題により所定の性能が得られない場合があった。

【００１４】

【課題を解決するための手段】そこで、本件発明者は、
分極方向を対向させた二層の圧電セラミックスからなる
複数の隔壁を並設し、各隔壁間をインクの流路とした流
路部材と、上記流路を覆うように上記隔壁の頂面に接合
される天板を有するインクジェット記録ヘッドにおい
て、隔壁の剛性とインク滴の吐出速度の関係ついて種々
研究を繰り返したところ、有限要素法によるシミュレー
ションと実際のヘッドのインク滴の吐出結果の対比か
ら、隔壁の剛性及び形状と相関性を有する隔壁の共振周
波数が一定の範囲に揃えば良いことを突き止め、本発明
に至った。

【００１５】即ち、本発明は、異なる分極方向を有する
二層のセラミック壁を接着して隔壁となし、その側面に
駆動用電極を有する上記隔壁を並設し、各隔壁間をイン
クの流路とした流路部材と、上記流路を覆うように上記
流路部材の隔壁頂面に接着にて接合された天板と、上記
流路に連通するインク吐出孔を有するインクジェット記
録ヘッドにおいて、上記二層のセラミック壁は、ヤング
率が５０ＧＰａより大きく、１００ＧＰａ以下の同一の
圧電セラミックスにより形成するとともに、上記隔壁の
高さをＨ_W、隔壁の幅をＷ_Wとした時、両者の比が、 ２．５ ≦ Ｈ_W／Ｗ_W ≦ ６．０ で、かつ上記隔壁の共振周波数をＦｃ、上記圧電セラミ
ックスの密度をρ、上記圧電セラミックスのヤング率を
Ｙとした時、 Ａ_C＝Ｆ_C×Ｈ_W ²×ρ^0.5／（Ｗ_W×Ｙ^0.5） ０．３０ ≦ Ａ_C ≦ ０．８０ の関係を満足するようにしたことを特徴とする。

【００１６】また、本発明を上記インクジェット記録ヘ
ッドを製造するにあたり、厚み方向に分極を施した二枚
の圧電セラミック板を互いの分極方向を異ならせて接着
にて貼り合わせた後、上記接合部を横切る複数の溝加工
を施して上記溝をインクの流路、上記溝を仕切る壁を隔
壁とし、次いで上記隔壁の側面に駆動電極を形成して流
路部材を製作した後、上記駆動電極に通電して隔壁を駆
動させ、上記隔壁の一次の共振周波数をＦ_{O 、}上記隔壁を
形成する圧電セラミックスの密度をρ、上記圧電セラミ
ックスのヤング率をＹ、上記隔壁の高さをＨ_W、隔壁の
幅をＷ_Wとした時、 Ａ_O＝Ｆ_O×Ｈ_W ²×ρ^0.5／（Ｗ_W×Ｙ^0.5） ０．４０ ≦ Ａ_O ≦ １．６０ の関係を満足するようにし、しかる後、上記流路を覆う
ように流路部材の隔壁頂面に天板を接着にて接合した
後、天板を接合した後の隔壁の共振周波数をＦｃとした
時、 ０．５０ ≦ Ｆ_C／Ｆ_O ≦ ０．７５ の関係を満足するようにしたことを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００１８】図１は本発明に係る他のインクジェット記
録ヘッドの一部を破断した斜視図である。また、図２
（ａ）（ｂ）は図１に示すインクジェット記録ヘッドの
インク滴の吐出原理を説明するための断面図である。

【００１９】このインクジェット記録ヘッド２０は、流
路部材４とノズル板８及び天板５とからなり、流路部材
４は厚み方向に分極方向を対向する二層の圧電セラミッ
クスからなる複数の隔壁１と、隔壁１間に形成される流
路２が配置されており、図１に示すように隔壁１の側面
と流路２の底部にはそれぞれ駆動用電極３を形成してあ
り、流路部材４の表面に搭載されたドライバーＩＣ１０
から引出線１１を経て各駆動用電極３に通電するように
なっている。

【００２０】なお、流路部材４は、チタン酸ジルコン酸
鉛、ランタンチタン酸ジルコン酸鉛、マグネシウムニオ
ブ酸鉛あるいはこれらの混合物を主成分とする圧電セラ
ミックスにより形成しており、図２に示すように、矢印
方向に分極方向を対向させた二層の圧電セラミックスを
接着により接合し、隔壁１及び流路２を形成しており、
さらに流路２内には窒化珪素等の保護膜Ｓを被着し、駆
動用電極３がインクによって浸食を受けることを防止し
てある。

【００２１】また、流路部材４には各流路２を覆うよう
に、各隔壁１の頂面から引出線１１の形成部にかけて天
板５を接着にて接合してあり、天板５には各流路２と連
通するインク溜６とインク溜６を経てヘッド外部に設け
たインク容器からインクを供給するインク供給孔７が形
成されている。

【００２２】さらに、流路部材４の各流路２の端部には
ノズル板８が接着により接合されており、ノズル板８に
は各流路２と連通するインク吐出孔９を有している。

【００２３】次に、図１に示すインクジェット記録ヘッ
ド２０のインク滴の吐出原理について図２（ａ）（ｂ）
に示す断面図をもって説明する。

【００２４】このインクジェット記録ヘッド２０にてイ
ンク滴を吐出するには、まず、インクとして顔料タイプ
の油性インクや水性染料インクあるいは紫外線硬化イン
ク等のインクをインク供給孔７からインク溜６を経て各
流路２に供給する。この状態で、例えば図２（ａ）示す
ように、駆動用電極３ｂ，３ｃ及び駆動用電極３ｈ，３
ｉにそれぞれ負極の電圧を、駆動用電極３ａ，３ｄ，３
ｇ，３ｊに正極の電圧を印加すると、隔壁１ａ及び隔壁
１ｂが流路２ａ側に屈曲変位するとともに、隔壁１ｄ，
１ｅが流路２ｄ側へ屈曲変位するため、流路２ａ，２ｄ
内に充填されたインクを加圧して、インク吐出孔９より
インク滴を吐出させることができる。次に、各駆動用電
極３ａ〜３ｄ，３ｇ〜３ｊへの通電を遮断すると、屈曲
変位していた隔壁１ａ，１ｂ，１ｄ，１ｅが弾性作用に
よって元の形状に戻り、流路２ａ，２ｄ内が減圧される
結果、インク溜６からインクの導入が開始されることに
なり、さらに前述した駆動用電極３ａ〜３ｄ，３ｇ〜３
ｊの正負を逆転して電圧を印加すると、図２（ｂ）に示
すように、隔壁１ａ，１ｂが流路２ａに対して外側へ屈
曲変位するとともに、隔壁１ｄ，１ｅが流路２ｄに対し
外側へ屈曲変位するため、流路２ａ，２ｄ内がさらに減
圧されてインクが充填されることになる。そして、駆動
用電極３ａ〜３ｄ，３ｇ〜３ｊの通電を遮断すると、屈
曲変位していた隔壁１ａ，１ｂ，１ｄ，１ｅは弾性作用
によって元の形状にもどり、次のインク滴を吐出する段
階に入るようになっており、これらの動作を順次繰り返
すことによりインク吐出孔９よりインク滴を連続して吐
出することができる。

【００２５】ところで、本発明のヘッド２０では、上記
隔壁１を構成するセラミック壁を、ヤング率が５０ＧＰ
ａより大きく、１００ＧＰａ以下の同一の圧電セラミッ
クスにより形成するとともに、上記圧電セラミックスの
密度をρ、上記圧電セラミックスのヤング率をＹ、上記
隔壁１の高さをＨ_W、隔壁１の幅をＷ_W、上記隔壁１のの
共振周波数をＦｃとした時、 ２．５ ≦ Ｈ_W／Ｗ_W ≦ ６．０ で、かつ Ａ_C＝Ｆ_C×Ｈ_W ²×ρ^0.5／（Ｗ_W×Ｙ^0.5） ０．３０ ≦ Ａ_C ≦ ０．８０ の関係を満足することが重要である。

【００２６】なぜなら、隔壁１を構成する圧電セラミッ
クスのヤング率Ｙが５０ＧＰａ以下となると隔壁１の剛
性が不足して流路２内のインクを加圧する効率が低下
し、一方ヤング率Ｙが１００ＧＰａ以上となると隔壁１
が一定の電圧を印加した時の変形量が小さくなり、流路
２からインク吐出孔９に向けて移動するインクの量が不
足し、一定体積のインク滴を形成することが困難となる
ためである。

【００２７】また、隔壁１の高さと幅の比Ｈ_W／Ｗ_Wを
２．５以下とすると隔壁１の変位量が過少となり、上記
Ｈ_W／Ｗ_Wを６．０以上とすると隔壁１の剛性が低下し、
いずれの場合も流路２内のインクを加圧する効率が低下
して適正なインク滴の吐出に必要な圧力が得られなくな
る。

【００２８】さらに、本発明のヘッド２０では上記隔壁
１の頂面に天板５を接合した状態において一次の共振周
波数をＦ_Cとした場合、有限要素法によるシミュレーシ
ョンから以下の関係を満たすことが重要であることが判
明した。 Ａ_C＝Ｆ_C×Ｈ_W ²×ρ^0.5／（Ｗ_W×Ｙ^0.5） ０．３０ ≦ Ａ_C ≦ ０．５０ ここでシミュレーションから判明した天板５の接合した
状態での隔壁１の共振モードの概略図と前記のように印
加電圧の周波数に対するインピーダンスの変化を図３
（ａ）〜（ｄ）に示す。このうち図３（ａ）は正常な場
合、図３（ｂ）は隔壁１の頂面と天板の接合部の接着剤
層が厚くなり剛性が低下した場合、図３（ｃ）は天板５
が破損して隔壁１の頂面と共に変形する場合、図３
（ｄ）は隔壁１を構成する二層の圧電セラミックスの接
合部の接着剤層が剥離した場合である。

【００２９】例えば、隔壁１と天板５の接合部の接着剤
層が設計値より厚くなって接合部の剛性が不足すると、
シミュレーションでは図３（ｂ）に示す共振モードを呈
し、共振周波数Ｆ_Cは正常な状態に比べて低下した。こ
のような隔壁１を変位させた場合、隔壁１に隣接する流
路２内のインクを加圧する効率が低下する。特に、共振
周波数Ｆ_Cが低下して上式で定義されるＡ_Cが０．３０よ
りも小さな値になるとインク滴の吐出速度が著しく低下
する。

【００３０】また、隔壁１の頂面と天板５の接合部の接
着層が剥離すると隔壁１の端部の拘束が弱まり、シミュ
レーションでは図３（ｃ）に示すように隔壁１の頂面が
大きく変位する共振モードとなり共振周波数Ｆ_Cが低下
した。このような隔壁１では剛性が低下するために隔壁
１に隣接する流路２内のインクを加圧する効率が低下す
る。さらに天板５と隔壁１の頂面の剥離が大きくなると
隔壁１の剛性と共に共振周波数Ｆ_Cが低下し、特に上式
で定義されるＡ_Cが０．３０よりも小さな値になるとイ
ンク滴の吐出速度が著しく低下する。

【００３１】さらに、天板５が接合された状態で隔壁１
を構成する二層の圧電セラミックスの接合部の接着剤層
が剥離すると、図３（ｄ）に示すように隔壁１を構成す
る各層の共振モードがそれぞれ現れて共振周波数Ｆ_Cが
高くなる。このような接合部の剥離によって隔壁１の剛
性が低下したり、さらに著しい場合には該剥離部を経て
隣接する流路２内のインクが相互に移動可能となるため
に流路２内のインク加圧効率が著しく低下する。特に共
振周波数Ｆ_Cが著しく高くなり、上式で定義されるＡ_Cが
０．５０よりも大きくなるとインク滴の吐出に支障をき
たす。

【００３２】次に、図１に示すインクジェット記録ヘッ
ド２０の製造方法について説明する。

【００３３】まず、厚み方向に分極を施した圧電セラミ
ックスの２枚の板を分極方向を対向させて接着剤を介し
て接合し、一方の圧電セラミックスの板をラップによっ
て厚みを落とし、該加工面にレジストマスクを貼付して
紫外線によって硬化した後、ダイヤモンドブレードにて
流路２となる複数の溝、これらに連続する引出線のパタ
ーンとなる浅い溝及び上記溝の間に複数の隔壁１を並設
して流路部材４を形成する。

【００３４】次に、上記流路部材４の流路２を形成した
面に、蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティン
グ法、ＣＶＤ法等の膜形成手段にてアルミニウム、パラ
ジウム、ニッケル、金、銅等からなる駆動用電極３及び
引出線１１を形成し、マスクを除去した後、前記膜形成
手段にて駆動用電極３及びその引出線１１に窒化珪素等
の保護膜Ｓを被着する。

【００３５】この後、インピーダンスアナライザ又はネ
ットワークアナライザ等の機器により、上記複数の全て
の隔壁１の共振周波数を測定し、全ての隔壁１において
所定の剛性が確保されているか検査する。

【００３６】具体的には、駆動電極３に通電して隔壁１
を駆動させ、隔壁１の一次の共振周波数をＦ_{O 、}隔壁１を
形成する圧電セラミックスの密度をρ、圧電セラミック
スのヤング率をＹ、隔壁１の高さをＨ_W、隔壁１の幅を
Ｗ_Wとした時、 Ａ_O＝Ｆ_O×Ｈ_W ²×ρ^0.5／（Ｗ_W×Ｙ^0.5） ０．４０ ≦ Ａ_O ≦ １．６０ の関係を満足するようにする。

【００３７】ここで、上記関係を満足するようにするの
は、隔壁１の剛性が適切な範囲となり、効率良くインク
滴を吐出させるためである。

【００３８】ここで有限要素法を用いたシミュレーショ
ンによって得られた隔壁１の共振モードと隔壁１に印加
する交流電圧の周波数に対するインピーダンスの変化を
図４（ａ）〜（ｅ）に示す。このうち図４（ａ）は正常
な隔壁１の場合、図４（ｂ）は隔壁１を構成する二層の
圧電セラミックスの接合部の接着剤層の厚み等によって
剛性が低下した場合、図４（ｃ）は隔壁１を構成する二
層の圧電セラミックスの接合部の接着剤層が部分的に不
足したり剥離が発生して各層の圧電セラミックスが独立
して共振する場合、図４（ｄ）は隔壁１を構成する二層
の圧電セラミックスのうち一層の圧電特性に不良が発生
した場合、図４（ｅ）は隔壁１を構成する圧電セラミッ
クスに集中して気孔が発生する場合である。

【００３９】例えば、隔壁１を構成する二層の圧電セラ
ミックスの層間の接合部で接着剤層が厚くなったり、接
着剤層に気泡が存在して剛性が低下するとシミュレーシ
ョンでは図（ｂ）に示す共振モードを呈し、共振周波数
Ｆ_Oは正常な状態に比べて低下する。このような隔壁１
を有する流路部材４を用いてヘッド２０を組み立てる
と、隔壁１を変位させた場合に流路２内のインクが加圧
され難くなる。特に、共振周波数Ｆ_Oが低下して上式で
定義される、Ａ_Oが０．４０よりも小さな値になるとイ
ンク滴の吐出速度が著しく低下する。

【００４０】また、隔壁１を構成する二層の圧電セラミ
ックスの接合部において接着剤層によって接合される領
域を減らし、該接合部において接着剤が不足したり該接
着剤層が剥離した場合のシミュレーションを行ったとこ
ろ、図４（ｃ）に示すように隔壁１を構成する各層の共
振モードがそれぞれ現れて共振周波数Ｆ_Oが高くなっ
た。このような隔壁１でも隔壁１の剛性が低下するため
隣接する流路２内のインクを加圧する効率が低下する。
特に隔壁１を上記接合領域が減少して共振周波数Ｆ_Oが
高くなり、上記Ａ_Oが１．６０よりも大きくなるとイン
ク滴の吐出速度が著しく低下する。

【００４１】さらに、隔壁１を構成する二層の圧電セラ
ミックスのうち一層の圧電特性が著しく低下すると、隔
壁１の変形は残る一層に依存することとなる。この場
合、シミュレーションでは図４（ｄ）に示すように長周
期の共振モードを呈し隔壁１の共振周波数Ｆ_Oが低下し
た。このような隔壁１では変位が半減するため、隣接す
る流路２内のインクを加圧する効率が著しく低下する。
特にＦ_Oの低下によって上記Ａ_Oが０．４０よりも小さく
なると流路２内のインクを加圧する効率が低下し、イン
ク滴の吐出速度が著しく低下する。

【００４２】また、隔壁１を構成する圧電セラミックス
に気孔が集中して存在し、隔壁１の剛性が低下して、該
隔壁１に隣接する流路２内のインクを加圧する効率が低
下すると、シミュレーションでは図４（ｅ）に示す共振
モードを呈し、共振周波数Ｆ _Oは正常な状態に比べて低
下する。このような隔壁１を有する流路部材４を用いて
ヘッド２０を組み立てると、隔壁１を変位させた場合に
流路２内のインクが加圧され難くなる。特に、共振周波
数Ｆ_Oが低下して上式で定義される、Ａ_Oが０．４０より
も小さな値になるとインク滴の吐出速度が著しく低下す
る。

【００４３】次いで、インク溜６となる空間を内部に設
けた天板５を流路２を覆うように流路部材４にエポキシ
系等の接着剤を介して接合し、接着剤の硬化後に再度全
ての隔壁１の共振周波数を測定して天板５を接合した状
態で隔壁１の剛性を検査する。

【００４４】具体的には、天板５を接合した後の隔壁１
の共振周波数をＦ_Cとした時、 ０．５０ ≦ Ｆ_C／Ｆ_O ≦ ０．７５ の関係を満足するようにする。

【００４５】なぜなら図３（ａ）及び図４（ａ）に示す
ように、隔壁１の頂面を天板５に接合すると、隔壁１の
共振モードにおける節同士の距離が長くなり共振周波数
は低下するが、特に共振周波数の比Ｆ_C／Ｆ_Oが上記範囲
となる場合に隔壁１と天板５の接合状態は良好となって
おり、隔壁１の剛性が隣接する流路２内のインクを加圧
するために特に適した範囲となるためである。

【００４６】さらにポリイミド等の樹脂フィルムに流路
２と同じ間隔でインク吐出孔９をエキシマレーザー等で
開口してノズル板８を形成し、流路２の端部が開口して
いる流路部材４の端面にエポキシ系接着剤等で接合す
る。

【００４７】そして引出線１１が形成された流路部材４
上にドライバーＩＣ１０を搭載し、ワイヤーボンディン
グによって結線を行い、ＩＣ及び結線部を樹脂にて封止
して本発明のヘッド２０を得ることができる。

【００４８】なお、本発明は図１に示したものだけに限
らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、変更や
改良できることは言うまでもない。

【００４９】

【実施例】（実施例１）図１に示すインクジェット記録
ヘッドについて具体的に説明する。

【００５０】まず、流路部材４として２１×１５×０．
９ｍｍの厚み方向に分極を施した２枚の圧電セラミック
スの基板を分極方向を互いに対向させてエポキシ系接着
剤によって接合し、接着剤が硬化した後、ラップによっ
て一方の基板の厚みを０．１５ｍｍまで研磨する。

【００５１】研磨後、加工面にレジストフィルムを貼付
した後、該レジストフィルムを紫外線の照射によって硬
化させ、流路部材４の長辺側の一端面から厚みが７０μ
mのダイヤモンドブレードによって深さ３００μm、長さ
１０ｍｍの流路２とこれにつながって他の端面まで連通
する深さ７μmの溝をレジストフィルムを貼付した流路
部材４の一面に１４１μmピッチで１３０本形成した。

【００５２】流路２を形成した後、流路部材４の流路２
を形成した面にスパッタリングによって厚み０．１〜５
μmのアルミニウムの薄膜を形成し、さらに流路部材４
の表面に残った上記レジストフィルムをエッチングによ
って除去することにより駆動電極３及び引出線１１のパ
ターンを形成した。

【００５３】ここで、各隔壁１の両側面に形成された駆
動用電極３にそれぞれ導通する引出線１１を介して、ア
ジレントテクノロジー社製インピーダンスアナライザＡ
４１９４を用いて各隔壁１の共振周波数の測定し、隔壁
１の剛性の良否判定を行った。

【００５４】一方、２１×９×１ｍｍの未分極の圧電セ
ラミックス基板の一面に、深さ０．４ｍｍ、幅３ｍｍ、
長さ１８ｍｍの丸長溝をエンドミルによって削り込んで
インク溜６を形成し、さらにインク溜６の底部から直径
１．５ｍｍの貫通孔を削り込んでインク供給孔７として
天板５を形成する。

【００５５】次に上記天板５と、全ての隔壁１の共振周
波数が良品と判定された流路部材４とを、流路２を遮蔽
するようにエポキシ系接着剤を介して接合し、接着剤の
硬化後に再度各隔壁１の共振周波数の測定し隔壁１の剛
性の良否判定を行った。

【００５６】そして、エキシマレーザーによって厚み５
０μmのポリイミドのシートに直径２７μmのインク吐出
孔９を流路２と同じく１４１μmピッチで１．２０８個
開口し、該インク吐出孔９の列が中心に配置されるよう
にポリイミドシートを１．３×２０ｍｍの長方形に切断
してノズル板８を形成した後、上記の流路部材４と天板
５の接合体の端面において上記ノズル板８をインク吐出
孔９と流路２の中心を揃えて流路２の開口部を遮蔽する
ようにエポキシ系接着剤を用いて接合する。

【００５７】さらに、上記流路部材４の表面にドライバ
ーＩＣ１０を搭載してエポキシ系樹脂にて固定した後、
該ドライバーＩＣ１０と引出線１１をワイヤーボンディ
ングによって結線し、本発明のヘッド２０は完成した。

【００５８】ここで種々のヤング率Ｙを有する圧電セラ
ミックスの基板用いて、上記工程によって隔壁１の高さ
Ｈ_Wと幅Ｗ_Wの比を変更した複数のヘッド２０を作製し、
これらのヘッド２０を用いてインク滴の吐出速度の計測
を行った。

【００５９】なお、上記計測では外部のインクタンクか
らインク供給孔７にインクを導入しており、ヘッド２０
のドライバーＩＣ１０に引出線１１を経て外部から信号
を入力するＦＰＣ回路を溶着してヘッド２０の制御を可
能とし、さらに駆動信号電圧のピーク値を２０Ｖに固定
し、インク吐出孔９から１ｍｍの区間におけるインク滴
の吐出速度を高速度カメラによって計測した。

【００６０】図５にヤング率Ｙの異なる圧電セラミック
スを用いて隔壁１の高さＨ_Wと幅Ｗ_Wの比を変更した複数
のヘッド２０のインク滴の吐出速度の比較を示す。な
お、ここでは流路部材４と天板５の接合前と接合後に隔
壁１の共振周波数Ｆ_O及びＦ_Cをそれぞれ測定して、以下
の関係を満たした隔壁１に挟まれた流路２に連通するイ
ンク吐出孔９から吐出されたインク滴の吐出速度を計測
した。

【００６１】図５に示すように隔壁１を構成する圧電セ
ラミックスのヤング率Ｙが５０ＧＰａ以上、１００ＧＰ
ａ以下であり、かつ隔壁１の高さと幅の比Ｈ_W／Ｗ_Wが
２．５以上６．０以下の場合にインク滴の吐出速度が
５．０ｍ／ｓ以上で安定する傾向がみられた。 （実施例２）次に、実施例１に示すヘッド２０において
流路部材４にヤング率Ｙが８０ＧＰａの圧電セラミック
スを使用し、該圧電セラミックスの基板を接合する接着
剤の量を増減させて、隔壁１の高さと幅の比Ｈ_W／Ｗ_Wが
２．５以上６．０以下複数のヘッド２０を作製した。こ
こで流路部材４と天板５の接合前に測定された隔壁１の
共振周波数Ｆ_O、隔壁１の高さＨ_W、幅Ｗ_W、隔壁１を構
成する圧電セラミックスのヤング率Ｙ及び密度ρによっ
て次式で定義されるＡ_Oと、得られたヘッド２０のイン
ク滴の平均吐出速度との関係を図６に示す。 Ａ_O＝Ｆ_O・Ｈ_W ²・ρ^0.5／（Ｗ_W・Ｙ^0.5） 図６に示すようにＡ_Oが０．４０以上、１．６０以下の
場合にインク滴の吐出速度５．５ｍ／ｓ以上で安定する
傾向がみられた。

【００６２】ここでヘッド２０の製造工程において、流
路部材４を構成する圧電セラミックス基板を接合する接
着剤の量を増やした場合、共振周波数Ｆ_Oが低下してＡ_O
が減少する傾向がみられた。特にＡ_Oが０．４０未満と
なった場合、ヘッド２０のインク滴の吐出速度が全イン
ク吐出孔９に渡って一様に低下した。

【００６３】また、ヘッド２０の製造工程において、流
路部材４を構成する圧電セラミックス基板を接合する接
着剤の量を減らした場合、隔壁１の各層間の接合状態に
分布が発生し、流路部材４に形成された全隔壁１に渡っ
て共振周波数Ｆ_Oが上下に変動してＡ_Oの値がばらつく傾
向がみられた。特にＡ_Oが０．４０未満または１．６０
より大きくなった場合インク滴の吐出速度が低下し、ヘ
ッド２０の各インク吐出孔９からのインク滴の吐出速度
がばらついた。

【００６４】また、ヘッド２０の上記製造工程におい
て、流路部材４を構成する圧電セラミックスの基板の一
方に未分極の基板を使用したところ、共振周波数Ｆ_Oが
低下してＡ_Oが０．４０未満となり、ヘッド２０のイン
ク滴の吐出速度が全インク吐出孔９に渡って一様に低下
した。

【００６５】さらにＡ_Oの値が０．４０から１．６０の
間から著しく外れた隔壁１を含むヘッド２０を解体し
て、該当する隔壁１を顕微鏡によって観察したところ、
隔壁１自体にクラックなどの破損が認められた。

【００６６】以上のように、本発明のヘッド２０では流
路部材４と天板５の接合前に測定された隔壁１の共振周
波数Ｆ_O、隔壁１の高さＨ_W、幅Ｗ_W、隔壁１を構成する
圧電セラミックスのヤング率Ｙ及び密度ρによって次式
で定義されるＡ_Oが０．４０以上、１．６０以下の場合
にインク滴の吐出速度が５．５ｍ／ｓで安定した。 （実施例３）次に、実施例１に示すヘッド２０の製造工
程においてＡ_Oが０．４０以上、１．６０以下の流路部
材４を使用して、流路部材４と天板５を接合する接着剤
の量を増減させて、隔壁１の高さと幅の比Ｈ_W／Ｗ_Wが
２．５以上６．０以下複数のヘッド２０を作製した。こ
こで流路部材４と天板５の接合後に測定された隔壁１の
共振周波数Ｆ_C、隔壁１の高さＨ_W、幅Ｗ_W、隔壁１を構
成する圧電セラミックスのヤング率Ｙ及び密度ρによっ
て次式で定義されるＡ_Cと、得られたヘッド２０のイン
ク滴の平均吐出速度との関係を図７に示す。 Ａ_C＝Ｆ_C・Ｈ_W ²・ρ^0.5／（Ｗ_W・Ｙ^0.5） 図７に示すようにＡ_Cが０．３０以上、０．５０以下の
場合にインク滴の吐出速度が６．０ｍ／ｓ以上となり安
定する傾向がみられた。

【００６７】ここでヘッド２０の製造工程において、流
路部材４と天板５を接合する接着剤の量を増やした場
合、共振周波数Ｆ_Cが低下してＡ_Cが減少する傾向がみら
れた。特にＡ_Cが０．３０未満となった場合、ヘッド２
０のインク滴の吐出速度が全インク吐出孔９に渡って一
様に低下した。

【００６８】また、ヘッド２０の製造工程において、流
路部材４と天板５を接合する接着剤の量を減らした場
合、隔壁１の各層間の接合状態に分布が発生し、流路部
材４に形成された全隔壁１に渡って共振周波数Ｆ_Cが上
下に変動してＡ_Cの値がばらつく傾向がみられた。特に
Ａ_Cが０．３０未満または０．５０より大きくなった隔
壁１に隣接する流路２に連通するインク吐出孔９ではイ
ンク滴の吐出速度が低下するために、ヘッド２０の各イ
ンク吐出孔９からのインク滴の吐出速度がばらついた。

【００６９】さらにＡ_oの値が０．３０から０．５０の
間から著しく外れた隔壁１を含むヘッド２０を解体し
て、該当する隔壁１を顕微鏡で観察したところ、隔壁１
や天板５にクラックなどの破損が認められたり、隔壁１
を構成する二層の圧電セラミックスの接合部において接
着剤層の剥離が認められた。

【００７０】さらに、上記測定においてＡ_Cが０．３０
以上、０．５０以下となった複数のヘッド２０に関し
て、流路部材４と天板５の接合後と接合前の隔壁１の共
振周波数Ｆ_CとＦ_Oの比Ｆ_C／Ｆ_oと各ヘッド２０の全イン
ク吐出孔９からのインク滴の吐出速度の平均値の関係を
図８に示す。図示されるように共振周波数の比が０．５
０以上、０．７５以下の場合にインク滴の吐出速度が
６．５ｍ／ｓ以上となり特にインク滴の吐出性能に優れ
たヘッドが得られた。

【００７１】以上のように、本発明のヘッド２０では流
路部材４と天板５の接合後に測定された隔壁１の共振周
波数Ｆ_C、隔壁１の高さＨ_W、幅Ｗ_W、隔壁１を構成する
圧電セラミックスのヤング率Ｙ及び密度ρによって次式
で定義されるＡ_Cが０．３０以上、０．５０以下の場合
にインク滴の吐出性能が優れており、さらに流路部材４
と天板５の接合前後の隔壁１の共振周波数Ｆ_CとＦ_Oの比
Ｆ_C／Ｆ_Oが０．５０以上、０．７５以下の場合に特にイ
ンク滴の吐出効率が高いヘッドが得られた。

【００７２】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、厚
み方向に分極を施した二枚の圧電セラミック板を互いの
分極方向を異ならせて接着にて貼り合わせた後、上記接
合部を横切る複数の溝加工を施して上記溝をインクの流
路、上記溝を仕切る壁を隔壁とし、次いで上記隔壁の側
面に駆動電極を形成して流路部材を製作した後、上記駆
動電極に通電して隔壁を駆動させ、上記隔壁の一次の共
振周波数をＦ_{O 、}上記隔壁を形成する圧電セラミックスの
密度をρ、上記圧電セラミックスのヤング率をＹ、上記
隔壁の高さをＨ_W、隔壁の幅をＷ_Wとした時、 Ａ_O＝Ｆ_O×Ｈ_W ²×ρ^0.5／（Ｗ_W×Ｙ^0.5） ０．４０ ≦ Ａ_O ≦ １．６０ の関係を満足するようにし、しかる後、上記流路を覆う
ように流路部材の隔壁頂面に天板を接着にて接合した
後、天板を接合した後の隔壁の共振周波数をＦｃとした
時、 ０．５０ ≦ Ｆ_C／Ｆ_O ≦ ０．７５ の関係を満足するようにして、異なる分極方向を有する
二層のセラミック壁を接着して隔壁となし、その側面に
駆動用電極を有する上記隔壁を並設し、各隔壁間をイン
クの流路とした流路部材と、上記流路を覆うように上記
流路部材の隔壁頂面に接着にて接合された天板と、上記
流路に連通するインク吐出孔を有するインクジェット記
録ヘッドを製造し、上記二層のセラミック壁は、ヤング
率が５０ＧＰａより大きく、１００ＧＰａ以下の同一の
圧電セラミックスにより形成するとともに、上記隔壁の
高さをＨ_W、隔壁の幅をＷ_Wとした時、両者の比が、 ２．５ ≦ Ｈ_W／Ｗ_W ≦ ６．０ で、かつ上記隔壁の共振周波数をＦｃ、上記圧電セラミ
ックスの密度をρ、上記圧電セラミックスのヤング率を
Ｙとした時、 Ａ_C＝Ｆ_C×Ｈ_W ²×ρ^0.5／（Ｗ_W×Ｙ^0.5） ０．３０ ≦ Ａ_C ≦ ０．８０ の関係を満足するようにしたことによって、全隔壁の剛
性がインク滴の吐出に適した範囲で揃えられ、優れたイ
ンク滴の吐出性能が全インク吐出孔に渡って均質なイン
クジェット記録ヘッドを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット記録ヘッドの一部を破
断した斜視図である。

【図２】（ａ）（ｂ）は本発明のインクジェット記録ヘ
ッドの駆動原理を説明するための断面図である。

【図３】（ａ）〜（ｄ）は本発明のインクジェット記録
ヘッドの隔壁と天板を接合した状態での各種共振モード
を示すための断面図である。

【図４】（ａ）〜（ｅ）は本発明のインクジェット記録
ヘッドの隔壁の各種共振モードを示すための断面図であ
る。

【図５】隔壁の高さＨ_Wと幅Ｗ_Wとの比に対するインク滴
吐出速度の変化を示す線図である。

【図６】天板を接合しない状態における隔壁の特性Ａｏ
とインク滴吐出速度との関係を示す線図である。

【図７】天板を接合した状態における隔壁の特性Ａｏと
インク滴吐出速度との関係を示す線図である。

【図８】天板を接合した時の隔壁の共振周波数Ｆ_Cと、
天板を接合していない時の隔壁の共振周波数Ｆ_Oとの比
に対するインク滴の吐出速度との関係を示す線図であ
る。

【図９】従来のインクジェット記録ヘッドの一部を破断
した斜視図である。

【符号の説明】

１：隔壁、２：流路、３：駆動用電極、４：流路部材、
５：天板、６：インク溜、７：インク供給孔、８：ノズ
ル板、９：インク吐出孔、１０：ドライバーＩＣ、２
０：インクジェット記録ヘッド、２１：隔壁、２２：流
路、２３：駆動用電極、２４：流路部材、２５：天板、
２６：インク溜、２７：インク供給孔、２８：ノズル
板、２９：インク吐出孔、３０：ドライバーＩＣ、３
１：インクジェット記録ヘッド

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】異なる分極方向を有する二層のセラミック
   壁を接着して隔壁となし、その側面に駆動用電極を有す
   る上記隔壁を並設し、各隔壁間をインクの流路とした流
   路部材と、上記流路を覆うように上記流路部材の隔壁頂
   面に接着にて接合された天板と、上記流路に連通するイ
   ンク吐出孔を有するインクジェット記録ヘッドにおい
   て、上記二層のセラミック壁は、ヤング率が５０ＧＰａ
   より大きく、１００ＧＰａ以下の同一の圧電セラミック
   スにより形成するとともに、上記隔壁の高さをＨ_W、隔
   壁の幅をＷ_Wとした時、両者の比が、 ２．５ ≦ Ｈ_W／Ｗ_W ≦ ６．０ で、かつ上記隔壁の共振周波数をＦｃ、上記圧電セラミ
   ックスの密度をρ、上記圧電セラミックスのヤング率を
   Ｙとした時、 Ａ_C＝Ｆ_C×Ｈ_W ²×ρ^0.5／（Ｗ_W×Ｙ^0.5） ０．３０ ≦ Ａ_C ≦ ０．８０ の関係を満足することを特徴とするインクジェット記録
   ヘッド。
2. 【請求項２】厚み方向に分極を施した二枚の圧電セラミ
   ック板を互いの分極方向を異ならせて接着にて貼り合わ
   せた後、上記接合部を横切る複数の溝加工を施して上記
   溝をインクの流路、上記溝を仕切る壁を隔壁とし、次い
   で上記隔壁の側面に駆動電極を形成して流路部材を製作
   した後、上記駆動電極に通電して隔壁を駆動させ、上記
   隔壁の一次の共振周波数をＦ_{O 、}上記隔壁を形成する圧電
   セラミックスの密度をρ、上記圧電セラミックスのヤン
   グ率をＹ、上記隔壁の高さをＨ_W、隔壁の幅をＷ_Wとした
   時、 Ａ_O＝Ｆ_O×Ｈ_W ²×ρ^0.5／（Ｗ_W×Ｙ^0.5） ０．４０ ≦ Ａ_O ≦ １．６０ の関係を満足するようにし、しかる後、上記流路を覆う
   ように流路部材の隔壁頂面に天板を接着にて接合した
   後、該天板を接合した後の隔壁の共振周波数をＦｃとし
   た時、 ０．５０ ≦ Ｆ_C／Ｆ_O ≦ ０．７５ の関係を満足するようにしたことを特徴とするインクジ
   ェット記録ヘッドの製造方法。