JP2013193428A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】枠部材を用いないインクジェットヘッドを提供することである。
【解決手段】
少なくとも一部が圧電部材よりなる基板と、基板の一面に形成された共通流路と、第１の開口部を通して共通流路に連通する二つの圧力室と、各圧力室に流体的に接続するノズルと、各圧力室の内面に形成された二つの電極と、基板に設けられ、共通流路を挟んで第１の開口部に対向する位置に第２の開口部を有し共通流路に接続する二つの溝と、電極の一方に接続し他方が駆動回路に接続する、二つの溝の間に設けた配線電極と、その溝の少なくとも一部を封止する封止材料と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、インクジェットヘッドに関する。

圧電体のせん断変形を利用してインクを吐出させるインクジェットヘッドが知られている。そのインクジェットヘッドは、基板、基板上に設けられたせん断変形を起こす圧電部材による圧力室、圧力室にインクを供給する共通液室を構成する為の枠部材、インクを吐出させるノズルプレートによって構成されている。インクジェットヘッドは圧電部材と基板の接着、溝加工、電極形成、ノズルプレートの接着、といった加工プロセスで作られている。

上記インクジェットヘッドは次のような加工プロセスで作られる。板状に形成された分極方向が異なる２枚の圧電部材を基板上に接着する。接着された圧電部材に圧力室となる溝を複数形成し、溝の内壁に電極を形成し、合わせてその電極に接続する配線電極を形成する。圧力室を形成する圧電部材を囲み共通流路を形成する枠部材を接着する。枠部材と圧電部材の上面を覆うようにノズルプレートを接着する。ノズルプレートに圧力室に対応してノズルが形成され、インクジェットヘッドとなる。

このインクジェットヘッドの配線電極に電圧を印加すると、圧電部材が変形し圧力室内のインクに圧力を発生させる。発生した圧力によりインクはノズルから吐出される。

圧電部材と枠部材をそれぞれ作成して接着する構成では、部品点数が増え、製造工数も増えてしまう。結果として製造原価が高くなっている。

特開２０１０−１４３１７１公報

本発明が解決しようとする課題は、枠部材を用いないインクジェットヘッドを提供することである。

上記課題を解決するために、実施形態のインクジェットヘッドは、少なくとも一部が圧電部材よりなる基板と、前記基板の一面に形成された共通流路と、第１の開口部を通して前記共通流路に連通する二つの圧力室と、前記各圧力室に流体的に接続するノズルと、前記各圧力室の内面に形成された二つの電極と、前記基板に設けられ、前記共通流路を挟んで前記第１の開口部に対向する位置に第２の開口部を有し前記共通流路に接続する二つの溝と、前記電極の一方に接続し他方が駆動回路に接続する、前記二つの溝の間に設けた配線電極と、前記溝の少なくとも一部を封止する封止材料と、を有する。

第１の実施形態におけるインクジェットヘッドの製造工程を示す縦断面図。 第１の実施形態の圧電体基板の平面図。 第１の実施形態のインクジェットヘッド主要部の平面図。 第１の実施形態のインクジェットヘッドの組立図。 第１の実施形態のインクジェットヘッドを動作させる駆動回路。 第１の実施形態の動作を示す横断面図。 第２の実施形態におけるインクジェットヘッドの製造工程を示す縦断面図。 第２の実施形態の圧電体基板の平面図。

第１の実施形態のインクジェットヘッドを説明する。

このインクジェットヘッドは図１および図４に示す工程によって製造している。図２はインクジェットヘッドのノズルプレートを除き、圧力室構成を示す平面図である。図３はインクジェットヘッドの主要部をノズルプレート側から見た平面図を示している。図４はインク供給部、駆動回路を備えるインクジェットヘッド外観図を示している。

図１（ａ）〜図１（ｆ）は、インクジェットヘッドの製造工程順に示している。

図１（ａ）は圧電体基板１を示している。圧電体基板１は圧電体基板１ａ、１ｂの積層体となっている。圧電体基板１ａ、１ｂは板圧方向に分極され、その分極方向を逆にして、エポキシ接着剤で積層接着されている。圧電体基板１ａはＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）で厚さ２ｍｍ、長さ６４ｍｍ、幅１６ｍｍの板である。圧電体基板１ｂはＰＺＴで厚さ０．２ｍｍ、長さ６４ｍｍ、幅１６ｍｍの板で、圧電体基板１ａに比べ薄い板となっている。圧電体基板１ａと１ｂを接着後、圧電体基板１ｂの厚さが０．１５ｍｍになるよう研磨した。

製造性を考慮して、圧電体基板１（圧電体基板１ａと１ｂの積層体）は６４ｍｍ角の正方形のＰＺＴとした。６４ｍ角の正方形圧電体基板１から４個のインクジェットヘッドを作成するようにした。なお、６４ｍｍ角の正方形基板は切断する為の研削歯の厚さを考慮して、必要な大きさとした。

図１（ｂ）は圧電体基板１に形成されるインク供給路２（２ａ、２ｂ）、インク排出路３、圧力室を構成する圧電体１８ａ，１８ｂ（アクチュエータ）、および実装面４ａ、４ｂを示している。

圧電体基板１の上面（圧電体基板１ｂの１ａと反対側の面）に、インク供給路２（インク供給路２ａ、２ｂ）、インク排出路３、実装面４（実装面４ａ、４ｂ）が形成されている。圧電体基板１の上面から研削加工によって溝を形成することで、インク供給路２ａ、２ｂ、インク排出路３を形成する。実装面４ａ、４ｂも研削加工によって形成している。研削加工は歯先がインク供給路２ａ、２ｂ、インク排出路３の形状に合うダイヤモンドブレードを用いている。インク供給路２ａ、２ｂ、インク排出路３に相当する溝は、上面側の幅が溝底の幅より広い、台形状の断面となっている。インク供給路２ａ、２ｂ、インク排出路３の台形状の溝は、溝底から上面にかけて傾斜面を有し、その傾斜角は上面から４５度になっている。インク供給路２ａ、２ｂ、インク排出路３の溝の深さ（Ｄ１）は上面から１ｍｍとなっている。溝に傾斜面を設けたのは、後述する電極パターンを断線せずに形成するためである。インク供給路２ａ、２ｂおよびインク排出路３は圧電体基板１の長手方向に直線状に形成され、かつ圧電体基板１の端部に略平行に配置されている。

インク排出路３の溝を圧電体基板１のほぼ中央部に１つ形成し、インク排出路３の溝とインク供給路２ａの溝で圧電体基板１の圧電体１８ａを挟むようにインク供給路２ａの溝を形成している。インク排出路３の溝とインク供給路２ａの溝で挟まれた圧電体１８ａには後述する圧力室５ａを形成する。インク排出路３の溝とインク供給路２ｂの溝で圧電体基板１の圧電体１８ｂを挟むようにインク供給路２ｂの溝を形成している。インク排出路３の溝とインク供給路２ｂの溝で挟まれた圧電体１８ｂには後述する圧力室５ｂを形成する。図１（ａ）〜（ｆ）におけるインクジェットヘッド断面において、インク供給路２（インク供給路２ａ、２ｂ）、インク排出路３、実装面４（実装面４ａ、４ｂ）は、インク排出路３を中心として左右対称の構成になっている。

実装面４ａは圧電体基板１の端部にその上面から圧電体基板１を研削加工によって形成されている。圧電体基板１に形成される実装面４ａの圧電体１８ａ側の端部と圧電体基板１の上面とは傾斜面で繋がり、傾斜面は上面に対して４５度となっている。実装面４ａと圧電体基板１の上面との距離（Ｄ２）は０．８ｍｍになっている。

実装面４ａとインク供給路２ａの溝との間の圧電体基板１はインク供給路２ａ内のインクが外部へ漏れないための土手１９ａとして機能する。つまり、土手１９ａはインクで満たされるインクジェットヘッドの内部と外部との境界をなす。

実装面４ａには後述する電極パターンが形成される。その電極パターンは異方性導電膜を介してＦＰＣ（Flexible Printed Circuit ）に形成された配線パターンに接続され、ＦＰＣの配線パターンはインクジェットヘッドの駆動回路１０に繋がっている。

なお、このインクジェットヘッドはインク排出路３を中心として左右対称の構成になっているので、圧力室５ｂ、インク供給路２ｂ、土手１９ｂ、実装面４ｂも上述の圧力室５ａ、インク供給路２ａ、土手１９ａ、実装面４ａと同様な構成になっている。

土手１９ａ、１９ｂ形成後、圧電体基板１の上面、インク排出路３の内面、インク供給路２ａ、２ｂの内面、実装面４ａ、４ｂに、スプレー法によって、感光性レジスト膜を塗布する。後述する電極パターンを形成する部分の感光性レジスト膜を除去し、電極パターンが形成されない部分に感光性レジスト膜が残るように、露光、現像を行って感光性レジストパターンを形成する。

図１（ｃ）は圧力室５ａ、５ｂ、捨て溝６ａ、６ｂを示している。

圧力室５ａ、５ｂ、捨て溝６ａ、６ｂを圧電体基板１に形成する。図１（ｂ）で示す圧電体基板１のインク供給路２ａとインク排出路３で挟まれる圧電体１８ａに研削加工で第１の溝を形成する。第１の溝はインク供給路２ａからインク排出路３まで連続した溝になっている。形成された第１の溝が圧力室５ａになる。同様に、圧電体基板１のインク供給路２ｂとインク排出路３で挟まれる圧電体１８ｂに研削加工で第２の溝を形成する。形成された第２の溝が圧力室５ｂになる。第１の溝、第２の溝、および捨て溝６ａ、６ｂは、直径８０ｍｍ歯幅８０μｍの円盤状のダイヤモンドブレードによる研削で、土手１９ａ、圧電体１８ａ、圧電体１８ｂ、土手１９ｂの順に連続的に加工される。捨て溝６ａ、６ｂ、第１の溝および第２の溝は圧電体基板１の上面から深さ３００μｍ、幅８０μｍである。

土手１９ａに形成される捨て溝６ａは実装面４ａの捨て溝６ａ側端部からインク供給路２ａまで連続し、実装面４ａ側に第１の開口部２１、インク供給路２ａ側に第２の開口部２２を形成する。第１の開口部２１は実装面４ａ端部から圧電体基板１の上面にかけての斜面に形成されるため、第１の開口部２１は傾斜した開口となっている。同様に、第２の開口部２２はインク供給路２ａの圧電体基板１からインク供給路２ａの底部にかけての斜面に形成されるため、第２の開口部２２は傾斜した開口となっている。

第１の溝はインク供給路２ａからインク排出路３まで連続し、インク供給路２ａ側に第３の開口部２３、インク排出路３側に第４の開口部２４を形成する。第３の開口部２３およびは第４の開口部２４は圧電体１８ａの傾斜面で開口している。

第２の溝はインク排出路３からインク供給路２ｂまで連続し、インク排出路３側に第５の開口部２５、インク供給路２ｂ側に第６の開口部２６を形成する。第５の開口部２５およびは第６の開口部２６は圧電体１８ｂの傾斜面で開口している。

土手１９ｂに形成される捨て溝６ｂはインク供給路２ｂから実装面４ｂの捨て溝６ｂ側の端部まで連続し、インク供給路２ｂに第７の開口部２７、実装面４ｂ側に第８の開口部２８、を形成する。第７の開口部２７はインク供給路２ｂの圧電体基板１からインク供給路２ｂ底部にかけての斜面に形成されるため、第７の開口部２７は傾斜した開口となっている。同様に、第８の開口部２８は実装面４ｂの捨て溝６ｂ側の端部から圧電体基板１の上面にかけての斜面に形成されるため、第８の開口部２８も傾斜した開口となっている。

なお、第１の開口部２１は、圧電体基板１の上面にノズルプレート８を接着したときに、捨て溝６ａはノズルプレート８によって圧電体基板１側の上面が覆われる。第１の開口部２１は捨て溝６ａを構成する圧電体基板１の側壁とノズルプレート８で囲まれ、実装面４ａ側に開口している。第２開口部２２から第８開口部２８も同様にノズルプレートと第１、第２の溝、捨て溝６ｂを構成する側壁で囲まれ、開口している。

溝形成は、円盤状のダイヤモンドブレードで土手１９ａ、圧電体１８ａ、圧電体１８ｂ、土手１９ｂの順に連続的に行うため、インク供給路２ａに向かう第２の開口部２２と第３の開口部２３は対向した位置に形成され、インク排出路３に向かう第４の開口部２４と第５の開口部２５は対向した位置に形成され、インク供給路２ｂに向かう第６の開口部２６と第７の開口部２７は対向した位置に形成される。連続して研削しているので、捨て溝６ａ、第１の溝、第２の溝、捨て溝６ｂは一直線上に並んだ溝となる。

一直線上に並ぶ捨て溝６ａ、第１の溝、第２の溝、捨て溝６ｂは、圧電体基板１の長さ方向に複数平行に設けられている。図２は一直線上に並ぶ複数の溝の平面図を示している。一直線上に並ぶ溝と溝との圧電体基板１の長さ方向における間隔は１６９μｍピッチとし、溝は３４０本形成した。第１の溝および第２の溝はインク供給路２ａ、２ｂおよびインク排出路３に対して略直交して設けられている。

一直線上に並ぶ溝はインク供給路２ａ、２ｂ、インク排出路３に対してわずかに傾斜するように溝が配置されているので、各溝はインク供給路２ａ、２ｂ、インク排出路３に対して略直交する。圧力室５ａとなる第１の溝の中央部で、インク吐出用の第１のノズルがノズルプレートに形成され、圧力室５ｂとなる第２の溝の中央部で、インク吐出用の第２のノズルがノズルプレートに形成される。第１のノズルと第２のノズルは、圧電体基板１の長さ方向において８４μｍ（半ピッチ）ずれて配置されるように、一直線上に並ぶ溝はインク供給路２ａ、２ｂ、インク排出路３に対してわずかに傾斜している。この傾斜させて圧力室５ａ、５ｂを配置することで、インク供給路２ａ、２ｂ、インク排出路３に対して一直線上に並ぶ溝を直交させる構成の２倍の解像度で印字することが可能になる。直交させた場合には、圧力室が一列構成に比べて同一の画素に２倍のインクを付着させることが出来、画素の濃度を上げることができる。

圧電体基板１の長さ方向に設けられた複数の平行な溝によって、圧力室５ａ、５ｂは長さ方向に複数形成される。圧力室５ａに隣接する圧力室５ａとの間に残る圧電体１８ａは、圧力室５ａ中のインクに吐出圧力を発生させるアクチュエータとなる。圧力室５ａを挟む二つの圧電体１８ａ（二つのアクチュエータ）によって、圧力室５ａ内のインクに圧力を加えて、ノズルからインクを吐出させる。

複数の第１の溝がインク供給路２ａに連通するので、インク供給路２ａは共通流路となる。複数の捨て溝６ａもインク供給路２ａ、すなわち共通流路に連通する。そのため、第１の溝にできる第３の開口部２３と捨て溝６ａにできる第２の開口部２２は共通流路を挟んで対向する。

同様に、複数の第２の溝がインク供給路２ｂに連通するので、インク供給路２ｂは共通流路となる。複数の捨て溝６ｂもインク供給路２ｂ、すなわち共通流路に連通する。そのため、第２の溝にできる第６の開口部２６と捨て溝６ｂにできる第７の開口部２７は共通流路を挟んで対向する。

実装面４ａ、４ｂ、インク供給路２ａ、２ｂ、インク排出路３、圧電体１８ａ、１８ｂの幅を示す。図２に示す、Ｗ１は２ｍｍ、Ｗ２は１ｍｍ、Ｗ３からＷ７はそれぞれ２ｍｍ、Ｗ８は１ｍｍ、Ｗ９は２ｍｍとなっている。

図１（ｄ）は電極７ａ、７ｂを示している。

電極は無電解ニッケルメッキと電解金メッキを組み合わせて形成している。初めに、前述した感光性レジストが無い部分に無電解ニッケルメッキを施す。ニッケルメッキ後、感光性レジストを除去液によって剥離する。ニッケルメッキのパターン上に金の電解メッキを成膜する。ニッケルと金の２層膜（電極膜）により、低抵抗な電極パターンを形成している。

電極７ａは電極膜７ａ１、７ａ２、７ａ３、７ａ４の４つの部分で構成されている。図２を参照。電極膜７ａ１、７ａ２、７ａ３、７ａ４は連続して繋がっている。電極膜７ａ１は圧電体１８ａを駆動するための電極となる。電極膜７ａ２、７ａ３、７ａ４は圧電体１８ａを駆動する電極に駆動回路から送られる駆動電圧を送る配線電極となる。

電極膜７ａ１は第１の溝内の内壁に形成され、第３の開口部２３から傾斜面に繋がっている。電極膜７ａ１は圧電体１８ａを挟んで隣接する第１の溝内に形成される電極膜７ａ１とは電気的に絶縁され、また、インク排出路３内で隣接する電極７ｂ１間でも電気的に絶縁されている。隣接する電極膜７ａ１間（電極間）に駆動電圧を印加することで、圧電体１８ａは剪断変形し圧力室５ａ内のインクを加圧する。

電極膜７ａ２は第３の開口部２３から傾斜面、インク供給路２ａの底部、土手１９ａの共通液室側傾斜面に形成され、電極幅８０μｍで形成されている。

電極膜７ａ３は土手１９ａの共通液室２ａ側の傾斜面、隣接する二つの捨て溝６ａ間の土手１９ａ上部、土手１９ａの実装面４ａ側の傾斜面上に連続して形成されている。電極膜７ａ３の幅は電極膜７ａ２同様８０μｍになっている。なお、電極膜７ａ３を形成するとき、電極膜７ａ３は捨て溝６ａの内側壁および底部に形成される場合がある。底部に形成された電極膜はレーザアブレーションによって除去している。捨て溝６ａ底部の電極膜を除去することで、隣接する二つの電極膜７ａ３間の絶縁を取っている。

電極膜７ａ４は土手１９ａの実装面４ａ側傾斜面、実装面４ａに形成され、電極幅８０μｍで形成されている。実装面４ａ上に形成される電極膜７ａ４が圧力室７ａとなる第１の溝内の電極膜７ａ１に接続される。実装面４ａ上に形成される７ａ４にＦＰＣを通して外部駆動回路から圧力室５ａのアクチュエータの駆動電圧が印加される。電極７ｂは７ａと同様に７ｂ１、７ｂ２、７ｂ３、７ｂ４の４つの部分で形成されている。

このインクジェットヘッド製造の方法では、圧電体基板１は６４ｍｍ角の基板を用い、４個取りとなっている。１個のインクジェットヘッド上で一直線上に並ぶ溝は、４個取りの圧電体基板１上でも４個分一直線上に並ぶように溝を形成している。４個分の電極膜も形成している。４個分の電極７ａ、７ｂを形成後、研削によって４個のインクジェットヘッドに分割している。

インク供給路２ａ、２ｂ、インク排出路３の圧電体基板１の上面からの深さ（D１）と、実装面４ａ、４ｂの圧電体基板１の上面からの距離（D２）の関係について、説明する。このインクジェットヘッドでは深さD1が距離Ｄ２より大きくなっている。インク供給路２ａ、２ｂ、から複数の圧力室５ａ、５ｂにインクが供給され、ノズルから吐出されずに残ったインクはインク排出路３を通って回収される。そのため、インク供給路２ａ、２ｂ、インク排出路３の流体抵抗は可能な限り小さくする必要がある。実装面４ａは土手１９ａの傾斜面と繋がっているため、実装面４ａと圧電体基板１の上面との距離Ｄ２が大きくなればなるほど、実装面４ａの傾斜面が多くなり平坦部分の幅（Ｗ１）が狭くなる。実装面４ａの幅が狭くなると、ＦＰＣとの接続幅が短くなるためその接続部での抵抗が高くなる。このため、距離Ｄ２が大きくなることは好ましくはない。そのため捨て溝の深さ以上であり、ＦＰＣを接続できる程度の距離Ｄ２としている。そのため、Ｄ２に比べＤ１が大きな値となっている。

図１（ｅ）はノズルプレート８の接着を示している。４分割された圧電体基板１にノズルプレート８をエポキシ接着剤で接着する。同時に捨て溝６ａ、６ｂの上部でノズルプレートと接着される。
ノズルプレート８は圧電体１８ａ、１８ｂの上面、および捨て溝６ａと隣接する捨て溝６ａ間に残る圧電体基板１の部分の上面で接着される。捨て溝６ａと隣接する捨て溝６ａ間に残る圧電体基板１の部分の上面は土手１９ａ上面に相当する。圧電体１８ａにノズルプレートを接着すると、第１の溝は第３の開口部２３および第４の開口部２４を有し、圧電体１８ａの溝内壁とノズルプレート８で囲まれた領域が圧力室５ａとなる。同様に、圧電体１８ｂにノズルプレートが接着され、第２の溝は第５の開口部２５および第６の開口部２６を有し、圧電体１８ｂとノズルプレート８で囲まれた領域が圧力室５ｂとなる。

ノズルプレート８は厚さ５０μｍのポリイミドフィルムを用いている。ノズルが形成されていないポリイミドフィルムを圧電体基板１の表面に接着した後、レーザー加工によって圧力室５ａ、５ｂのほぼ中央にノズル９ａ、９ｂを形成する。ノズル９ａ、９ｂの位置は前述したように、圧電体基板１の長さ方向に８４μｍずれた位置に形成する。ノズルプレート上のノズル配置は図３に示している。複数の圧力室５ａ内で３分割駆動しているため、ノズル９ａは３個おきに圧電体基板１の幅方向にずれた位置に配されている。ノズル９ｂも同様に３個おきに圧電体基板１の幅方向にずれた位置に配されている。

図１（ｆ）は電極７ａ、７ｂと駆動回路１０との接続を示している。実装面４ａ上の電極膜７ａ４に駆動回路１０を搭載したＦＰＣの配線を、異方性導電フィルム（ＡＣＦ（Anisotropic Contact Film））を介して接続させている。ＦＰＣの配線パターンは各圧力室を駆動する為の駆動波形を発生させる駆動回路１０（駆動ＩＣ）に接続されている。

ＡＣＦを介してＦＰＣを電極膜７ａ４に接続した後、ＦＰＣを固定する。捨て溝６ａに封止部材１１を充填するときに合わせて、封止部材１１でＦＰＣを固定した。封止部材１１はエポキシ接着剤であるため、ＦＰＣの固定と捨て溝６ａの充填をあわせておこなうことが出来る。土手１９ａに形成される捨て溝６ａが封止部材１１で充填されると、土手１９ａの共通液室２ａ側の壁面と、封止部材１１で充填された捨て溝６ａによって、インクが外部へ漏れることを防止する。土手１９ｂ、捨て溝６ｂも同様となる。封止部材１１は一般に硬化に伴う応力が発生する。そのため、エポキシ接着剤のなかでも、硬化後の弾性率が低い材料を選択した。さらに、捨て溝６ａは第２の開口部２２を通してインク供給路２ａと連通するため、封止部材１１はインクと接液する。そのため、インクに長期間接しても劣化しないエポキシ接着剤を選んだ。捨て溝６ｂについても同様である。

捨て溝６ａ，６ｂに対する封止部材１１の充填は、ノズルプレート８の接着する前に行うこともできる。この場合、封止部材１１はノズルプレート８を接着するためのエポキシ接着剤を利用する。捨て溝６ａ、６ｂに封止部材１１を充填することで、インク供給路２ａ、２ｂからインクが外部へ漏れるのを防止する。

図４に、インク供給手段を含むインクジェットヘッド構造体１２を示す。

インクジェットヘッドのノズルプレート８上にマスクプレート１６を接着している。マスクプレート１６はインクを吐出するノズル部分では開口しノズルプレート８の端部を覆う形状になっている。マスクプレート１６はノズルプレート８上に形成された撥水膜およびノズルプレート８を保護し、またインク供給路２ａ、２ｂおよびインク排出路３の端部からインクが漏れないようにインク供給路２ａ、２ｂおよびインク排出路３の端部を覆っている。インク供給手段１３はインク供給管１３ａ、インク排出管１３ｂを備えている。インク供給管１３ａはインク供給ポート１４ａおよびインク供給ポート１４ｂにインク供給手段の内部で連通している。インクジェットヘッドをインク供給手段１３に嵌めると、インク供給ポート１４ａはインクジェットヘッドのインク供給路２ａに嵌って接続し、インク供給ポート１４ｂはインクジェットヘッドのインク供給路２ｂに嵌って接続するようになっている。インク供給路２ａには両端にノズルプレート８と圧電体基板１で囲まれるインク供給路開口ができる。この二つのインク供給路開口が、インク供給手段１３に設けられた二つのインク供給ポート１４ａに繋がる。インク供給路２ｂにも同様に二つのインク供給路開口ができ二つのインク供給ポート１４ｂに繋がっている。インク排出管１３ｂはインク供給手段１３内部でインク排出ポート１５に流体的に連通している。インクジェットヘッドをインク供給手段１３に嵌めたときに、インク排出ポート１５とインク排出路３が繋がる。そして、マスクプレート１６によって、インク供給路２ａ、２ｂ、インク排出路３は覆われ、インクが漏れないようになる。

図５はインクジェットヘッドの駆動回路１０を示す。ヘッド駆動回路１０は、メモリ３１、制御回路３２、シフトレジスタ３３、ラッチ回路３４と、波形発生手段３５で構成されている。メモリ３１に記憶されている画像データは制御回路３２を介してシフトレジスタ３３に転送される。転送されたデータはラッチ回路３４でラッチされ、波形発生手段３５で画像データに合わせてアクチュエータを駆動させる駆動パルスを生成する。

図６はインクジェットヘッド構造体１２の動作を示す。インクはインク供給管１３ａからインク供給手段１３に供給され、インク供給ポート１４ａ、１４ｂからインク供給路２ａ、２ｂを経て圧力室５ａ、５ｂ、ノズル９ａ、９ｂに充填される。さらに、インク排出路３とインク排出ポート１５を経て、インク供給手段１３のインク排出管１３ｂにインクは排出される。

駆動回路１０で生成した駆動信号が圧力室５ａの内面に形成された隣接する二つの電極７ａ１に伝達されると、圧電体１８ａ（アクチュエータ）には分極方向に直交する方向に電界が発生する。電界が発生すると、圧電体基板１ａ１ｂは逆向きに分極されているので、圧電体１８ａは「く」の字形にせん断変形する。圧力室５ａを構成する隣接する二つの圧電体１８ａが図示するように圧力室５ａを拡張するように変形すると、インクは圧力室５ａに流れ込む。その隣接する二つの圧電体１８ａが逆の「く」の字形に変形すると、圧力室は収縮する。その結果、圧力室５ａ内のインクに圧力振動が発生し、ノズル９ａからインク滴が吐出する。圧電体１８ｂ、圧力室５ｂ、ノズル９ｂも同様に駆動される。

従来のインクジェットヘッドでは、基板上に接着された圧電部材と基板上に接着された枠部材とは異なる部材となっている。そのため二つの部材の高さがわずかに異なると、ノズルプレートを接着した時に圧電部材とノズルプレート間または枠部材とノズルプレート間で接着しない部分が発生することがある。また、その高さの違いによって、ノズルプレートが変形し、インクの吐出方向がばらつくことがある。

これに対して、本実施形態では、枠部材を用いていないため、ノズルプレートの変形が抑制され、インク吐出方向のばらつきを減少させることが可能になった。

また、枠部材が不要になったので、部品点数と組立工数を削減できた。結果として、製造原価を低減することが可能になった。

本実施形態のインクジェットヘッドは、隣接する二つの捨て溝６ａ間の土手１９ａ上面に配線電極（電極膜７ａ３）が設けられている。土手１９ａ上面の第１の配線電極７ａ３は、隣接する第２の配線電極７ａ３から離間し、電気的に絶縁されている。電極膜は捨て溝６ａの内壁にも部分的に形成されるが、第１の配線電極７ａ３と第２の配線電極７ａ３とは第１第２配線電極７ａ３間にある捨て溝６ａの底部で離間している。

土手１９ａ上面に形成された電極膜７ａ３を通して、駆動回路１０から圧電体１８ａを駆動する電圧を電極７ａ１に印加している。この理由を説明する。

仮に、電極膜７ａ３を土手１９ａ上面に形成せず、電極膜７ａ３を捨て溝６ａ内部の側壁および底面に形成したとする。捨て溝６ａ内部に電極膜７ａ３を形成すると、第１の捨て溝６ａ内の第１電極膜７ａ３と第１の捨て溝に隣接する第２の捨て溝６ａ内の第２電極膜７ａ３で土手１９ａの圧電体を挟む構成となる。土手１９ａの圧電体は誘電体である。圧電体１８ａを駆動するために電極７ａ１に駆動信号を与えると、第１第２電極膜で挟まれた土手１９ａの誘電体部分は静電容量を有することになる。この静電容量の増加は駆動回路の消費電力を増加させることになる。また、土手１９ａは圧電体であるため、インクを吐出させるために電極７ａ１に電圧を印加したときに、捨て溝６ａを挟んだ二つの土手１９ａ側壁も同時に剪断変形する。この土手１９ａ部の剪断変形はインク吐出には関係なく不要な動作となる。

本実施形態では、電極膜７ａ３を土手１９ａ上面に形成する、または、捨て溝６ａの底部で隣接電極膜７ａ３が離間している。そのため、前段落で説明した不要な静電容量の増加を防ぐことができる。静電容量が大きくなると、圧電体を駆動する駆動回路の消費電力も増大する。本実施形態の土手１９ａでの静電容量を減じることは駆動回路の消費電力を低減する。もちろん土手１９ｂについても同様である。

本実施形態では、電極膜７ａ３は土手１９ａに形成される第１の捨て溝６ａおよび第１の捨て溝６ａに隣接する第２の捨て溝６ａの間に設けられている。電極膜７ａ３を隣接する捨て溝６ａ間に形成することに代えて、第１の捨て溝６ａから二つ以上の捨て溝６ａを空けて、土手１９ａ上面に電極膜７ａ３を設けることも可能である。言い換えれば、２つの電極膜７ａ３が土手１９ａの圧電体を挟まず、電極膜７ａ３部で静電容量の発生を抑制した構成であれば、電極膜７ａ３は配置可能である。

なお、上記した部材や製法は以下に示すような、他の材料製法で適宜置き換えることも可能である。

圧電体基板の材料として、上記インクジェットヘッドではＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いた。他の材料として、ＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ_３：チタン酸鉛）ＰＭＮＴ（Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＺＮＴ（Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、などを用いることも可能である。

電極７ａ、７ｂの形成方法として、電極を形成する部分にのみニッケルメッキと金メッキを成膜するアディティブ法を用いている。アディティブ法に替えて、サブトラクティブ法で電極７ａ、７ｂを形成することも可能である。サブトラクティブ法では、圧電体基板１上にインク供給路２ａ、２ｂ、インク排出路３、実装面４ａ、４ｂ、第１第２の溝、捨て溝６ａ、６ｂを加工した後、全面に無電解ニッケルメッキと電解金メッキを施す。メッキ後、電極７ａ１、配線電極（電極膜７ａ２、７ａ３、７ａ４）、電極７ｂ１、配線電極（電極膜７ｂ２、７ｂ３、７ｂ４）となる部分以外のメッキを除去する。除去する方法は、感光性レジストでメッキ膜を残す部分を被覆し、それ以外を金とニッケルの溶解液で溶かし取る。その後レジストを剥離して、電極７ａ１、７ｂ１および配線電極を形成する。感光性レジストでパターニングする代わりに、電着レジストを利用してパターニングすることも可能である。また、レジストを使わず、レーザーパターニングで不要なメッキ膜を除去する方法でも、電極形成できる。

無電解ニッケルメッキ、電解金メッキの２層膜に替えて、金、ニッケル、銅といった低抵抗電極材を単独または積層膜とすることもできる。また、成膜法は真空蒸着やスパッタリングを適用することも可能である。

このインクジェットヘッドは２列の圧力室５ａ、５ｂの外側にインク供給路２ａ、２ｂを配置し、２列の圧力室５ａ、５ｂの内側にインク排出路３を配置した構成となっている。この構成に替えて、インク供給路２ａ、２ｂをインク排出路とし、インク排出路３をインク供給路として用いることも可能である。

ポリイミドのノズルプレート８の替りに、予めノズル９を形成したニッケル、ステンレスや単結晶シリコンのノズルプレートを用いることも可能である。

実装面４ａ上の電極膜と駆動回路１０はＡＣＦ（異方性導電膜）を介して結線しているが、これに替えて、ワイヤボンディングを利用することも可能である。

第２の実施形態のインクジェットヘッドを説明する。

第７図は圧力室を構成する圧電体と、その圧電体を埋め込んだセラミックス基板との組合せによる、インクジェットヘッドを示している。第８図は圧電体基板の平面図であり、第１第２溝および土手１９ａ、１９ｂを示している。第１の実施形態と同じ部分は同じ番号を付している。

圧力室５ａ、５ｂおよびアクチュエータ（圧電体１８ａ、１８ｂ）を構成する圧電体基板１は圧電体基板１ａ、１ｂの積層体となっている。圧電体基板１ａ、１ｂは板圧方向に分極され、その分極方向を逆にして、エポキシ接着剤で積層接着されている。圧電体基板１ａはＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）で厚さ１ｍｍ、長さ６４ｍｍ、幅８ｍｍの板である。圧電体基板１ｂはＰＺＴで厚さ０．２ｍｍ、長さ６４ｍｍ、幅８ｍｍの板で、圧電体基板１ａに比べ薄い板となっている。

積層された圧電体基板１ａ、１ｂを酸化アルミニウム基板１ｃ（アルミナ基板１ｃ）内に埋め込んでいる。アルミナ基板１ｃは厚さ２．２ｍｍ、長さ６４ｍｍ、幅1６ｍｍの板であり、中央に上面から深さ１．２ｍｍ、長さ６４ｍｍ、幅８ｍｍの凹部が形成されている。アルミナ基板１ｃの凹部に圧電体基板１ａ、１ｂをエポキシ接着剤で埋め込んでいる。

積層された圧電体基板１ａ、１ｂをアルミナ基板１ｃの凹部に埋め込んだ後、圧電体基板１ａと１ｂとアルミナとの段差をなくすように、圧電体基板１ｂの表面とアルミナ基板表面を同時研磨する。圧電体基板１ｂの厚さが０．１５ｍｍになるよう研磨した。

製造性を考慮して、第１の実施形態と同様、アルミナ基板は６４ｍｍ角の正方形の基板を用いた。アルミナ基板表面に幅８ｍｍ長さ６４ｍｍの前述した積層圧電体基板１ａ、１ｂを４個、１６ｍｍ間隔で埋め込んだ。６４ｍｍ角の正方形の基板からインクジェットヘッドを４個できるようにした。なお、６４ｍｍ角の正方形基板は切断する為の研削歯の厚さを考慮して、必要な大きさとした。

アルミナ基板に圧電体基板１ａ、１ｂを埋め込んだ後、第１の実施形態と同じ加工プロセスでインクジェットヘッドを製造した。

アルミナ基板に圧電体基板１ａ、１ｂを埋め込んだ基材１ｃにインク供給路２ａ、２ｂ、インク排出路３を研削で形成する。その後、基材１ｃ上面の土手１９ａ、１９ｂに捨て溝６ａ、６ｂを、圧電体基板１ａ、１ｂ部に圧力室５ａ、５ｂとなる第１溝、第２の溝を形成する。次に圧電体１８ａ、１８ｂを駆動する電極（７ａ１、７ｂ１）、および配線電極（電極膜７ａ２、７ａ３、７ａ４、７ｂ２、７ｂ３、７ｂ４）を形成する。

第２の実施形態では土手１９ａはアルミナ基板１ｃ上に形成される。捨て溝６ａもアルミナ基板１ｃの土手１９ａに形成される。電極膜７ａ３はインク供給路２ａ側の傾斜部、第１の捨て溝６ａと第１の捨て溝６ａに隣接する捨て溝６ａ間の土手１９ａ上面、土手１９ａの実装面４ａ側傾斜面上を通って形成される。これにより、実装面４ａ上の電極膜７ａ４、電極膜７ａ３、インク供給路２ａ内に設けられた電極膜７ａ２を通して、圧電体１８ａを駆動する電極７ａ１が電気的に接続される。

基板１ｃとしては、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、等を用いることもできる。

この構成においても、枠部材が不要になったので、部品点数と組立工数を削減できた。結果として、製造原価を低減することが可能になった。

近年、鉛の使用量を減らすことが望まれている。ＰＺＴには構成元素として鉛が含まれている。第２の実施形態のようにＰＺＴをアクチュエータとなる部分に限定することで、鉛使用量を低減することが可能になる。

第２の実施形態ではインクを吐出させるアクチュエータとなる部分がＰＺＴで、それ以外アルミナ基板となっている。第１の実施形態で用いたＰＺＴ基板に比べアルミナ基板にすることで誘電率が下がり、電気的な損失を一層低減することができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態のインクジェットヘッドによれば、少なくとも一部が圧電部材よりなる基板と、基板の一面に形成された共通流路と、第１の開口部を通して共通流路に連通する二つの圧力室と、各圧力室の内面に形成された二つの電極と、基板に設けられ、共通流路を挟んで第１の開口部に対向する位置に第２の開口部を有し前記共通流路に接続する二つの溝と、電極の一方に接続し他方が駆動回路に接続する二つの溝の間に設けた配線電極とを備えることで、従来のインクジェットヘッドで用いていた枠部材をなくしかつ配線電極部での静電容量を減じることができる。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 圧電体基板
２ａ、２ｂ インク供給路
３ インク排出路
４ａ、４ｂ 実装面
５ａ、５ｂ 圧力室
６ａ、６ｂ 捨て溝
７ａ１、７ｂ１ 電極
７ａ２、７ａ３、７ａ４、７ｂ２、７ｂ３、７ｂ４ 配線電極
８ ノズルプレート
９ａ、９ｂ ノズル
１０ 駆動回路
１１ 封止部材
１２ ヘッド構造体
１３ インク供給手段
１４ａ、１４ｂ インク供給ポート
１５ インク排出ポート
１６ マスクプレート
１８ａ、１８ｂ アクチュエータ
１９ａ、１９ｂ 土手
２１ 第１の開口部
２２ 第２の開口部
２３ 第３の開口部

Claims (10)

1. 少なくとも一部が圧電部材よりなる基板と、
   前記基板の一面に形成された共通流路と、
   第１の開口部を通して前記共通流路に連通する二つの圧力室と、
   前記各圧力室に流体的に接続するノズルと、
   前記各圧力室の内面に形成された二つの電極と、
   前記基板に設けられ、前記共通流路を挟んで前記第１の開口部に対向する位置に第２の開口部を有し前記共通流路に接続する二つの溝と、
   前記電極の一方に接続し他方が駆動回路に接続する、前記二つの溝の間に設けた配線電極と、
   前記溝の少なくとも一部を封止する封止材料と、を有するインクジェットヘッド。
2. 基板と、
   圧電部材よりなるアクチュエータと、
   前記基板の一面に形成された共通流路と、
   前記アクチュエータを備え第１の開口部を通して前記共通流路に連通する二つの圧力室と、
   前記圧力室に流体的に接続するノズルと、
   前記各圧力室の内面に形成された二つの電極と、
   前記基板に設けられ、前記共通流路を挟んで前記第１の開口部に対向する位置に第２の開口部を有し前記共通流路に接続する二つの溝と、
   前記電極の一方に接続し他方が駆動回路に接続する、前記二つの溝の間に設けた配線電極と、
   前記溝の少なくとも一部を封止する封止部材と、を有するインクジェットヘッド。
3. 前記圧力室は前記基板上に複数形成され、各圧力室は互いに平行に形成されている請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記各溝は前記基板上に複数形成され、互いに平行に形成されている請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記圧力室は前記共通流路に略直交して形成されている請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
6. 複数の前記圧力室は前記圧電部材に形成された複数の溝で構成されている請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
7. 前記溝の内部で、前記配線電極は他の配線電極と離間している請求項４に記載のインクジェットヘッド。
8. 前記配線電極は隣接する前記二つの溝間に形成されている請求項４に記載のインクジェットヘッド。
9. 前記溝の第２の開口部は前記基板に対して傾斜した面に設けられている請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
10. 前記溝は前記封止材料によって封止された封止部を挟んで第２の開口部と反対側に第３の開口部を有し、前記第３の開口部は前記基板に対して傾斜した面に設けられている請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。

Images