JP2959051B2 - インクジェット式印字ヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、印字データの入力を受けた時点で、液体状
インクを液滴又はミストとして飛翔させ、このインク滴
又はミストにより記録用紙にドットを形成させるオンデ
マンド型インクジェット式印字ヘッドに関する。コンピ
ュータの出力端末や、カラープリンタ用として広く用い
られている。

〔従来の技術〕

オンデマンド型インクジェット式印字ヘッドは、大き
く分けて３種類のものがあり、第１のものはノズルの先
端にインクを瞬間的に気化させるヒータを設け、気化時
の膨張圧力によりインク滴を生成、飛翔させる、いわゆ
るバブルジェット型であり、また第２のものはインク溜
め部を形成する容器に信号により変形する圧電素子を設
け、変形時に生じる圧力によりインクを液滴として飛翔
させるもの、さらに第３のものは、インク溜め部内にノ
ズルに対向させて圧電素子を配設し、この圧電素子の伸
縮によりノズル領域に動圧を生じさせてインク滴を飛翔
させるものである。

上記第３の形式のオンデマンド型インクジェット式印
字ヘッドは、日本特許公報特公昭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ともに、各ノズル開口に対向
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、印字信号を圧電素子に印加して圧
電素子を伸長させ、このときに発生するインクの動圧に
よりノズルからインク滴を飛出させて印刷用紙にドット
を形成させるものである。

このような形式の印字ヘッドにおいては、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。

このような問題を解消するため、日本特許公報特開昭
63−295269号公報に示されているように、電極と圧電材
料を交互にサンドイッチ状に積層したインクジェット印
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できる
ため、駆動信号の電圧を下げることができるという効果
がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、この様な圧電素子を利用したインクジ
ェットヘッドは、１ヘッドユニット毎に作り込むため、
コストが高くなり、又小型化も容易ではないという問題
点があった。

本発明は、上述した問題を解決することが目的であ
り、小型高密度化が可能で、かつ安価で信頼性の高いオ
ンデマンド型インクジェット式印字ヘッドを提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

圧電材料と導電材料により形成された複数の圧電素子
と、この複数の圧電素子を列設すると共に圧電素子の一
端が自由端となるよう他端を固定した基台と、前記自由
端とキャビティとなる空間を介して対向配置された第１
の仕切部材と、前記圧電素子間に配設された第２の仕切
部材とを備え、前記圧電素子と第２の仕切部材が、前記
第１の仕切部材を挟んで同様に形成され、前記圧電素子
の自由端、前記第１の仕切部材、前記第２の仕切部材で
囲まれた空間の一方の開口部をノズル開口としたことを
特徴とする。

〔実施例〕

第１図は、本発明に於けるオンデマンド型インクジェ
ット式印字ヘッドの１例を示すものであって、第１図
（ａ）は断面図、第１図（ｂ）は上部より見た図であ
る。

圧電素子４は強固な接着剤又はろう付け15によって基
板１及びハウジング２に固定されている。圧電素子はd3
3方向に縦振動するよう、内部電極が交互にキャビティ1
1と対向方向に形成されている。圧電素子の外部電極は
上下面に全面にわたって形成され、８の接着剤又はろう
付け材又は導電材を介して基板上に形成されたリード電
極14と電気的に接続している。さらに圧電素子列はその
すき間を、ヤング率が圧電素子のヤング率より1/5以下
である接着剤又は充填剤で埋められている。又キャビテ
ィ部は圧電素子列のすき間を埋めた材料と同等の材料で
仕切られ、各素子毎に独立したキャビティとなってい
る。キャビティの圧電素子に対向する側面はセラミック
又はプラスチック、あるいは金属等の第１の仕切り部材
である仕切りブロック３で形成され、基板１に固着され
ている。前述の如き構成を成すオンデマンド型インクジ
ェット式印字ヘッドについて製造プロセスを追いながら
詳述する。

第２図は、基板１である。同時に多数個取りできるよ
う図中の破線ａはそれぞれヘッドの１ユニットを示して
いる。取り枚数は各ヘッドのノズル数及び製造装置の能
力によって決定される。この基板は絶縁性材料より成
り、アルミナ等のセラミック、あるいはガラス基板等が
用いられる。図で21はインク導入用のスルーホールでレ
ーザー又は型取りによって裏面と貫通している。22は焼
成により作成した導通電極用の導通ペーストで一般には
Ag/Pd系、Au/Pd系、Pt/Pd系が用いられる。むろんその
他の導通ペーストも用いることができ、厚さは３μｍ〜
20μｍまでが好ましい。この上に仕切りブロック３及び
圧電素子のブロックを接着する。接着剤は、エポキシ系
又はシリコン系等の樹脂系接着剤、又はAgロウ等を用い
る。

第３図は、ユニット基板上に仕切りブロック３と圧電
素子ブロック34を接着した図である。この時点で圧電素
子34は各アレイには分割されておらずブロック状態であ
る。この圧電素子ブロックは上下面に夫々外部電極が表
面全体にカバーされている。

又、図中31は、将来キャビティを形成する空隙であ
る。この空隙にはレジストフィルム等の、後で除去可能
な膜が張り付けられている。あるいはフォトリソグラフ
ィー用のレジストを流し込み固化させて空間を埋めてい
てもよい。圧電素子ブロックを基板に固定する際、キャ
ビティ側と反対側の自由端は、高強度−圧電素子と同等
のヤング率をもつ部材にて固定される必要がある。これ
により、圧電素子の伸縮量はキャビティ側自由端側に有
効に作用できる。その為、本実施例では後述するハウジ
ング（第１図２）をセラミック等の高ヤング率材料と
し、圧電素子の固定端に密着するように配置し、基板１
と圧電素子及びハウジング２と圧電素子間の第１図の８
の部分に高ヤング率の接着剤を使用した。例えばガラス
フリット材、セラミック系ペースト材等であり、焼成に
より固着化している。

ここで圧電素子について詳述する。第３図（II）は圧
電素子ブロックを示すものであって図中符号40は、それ
ぞれ一方の電極を構成する導電層であり、また42は他方
の電極を構成する導電層で、各導電層は互いに平行とな
るように交互に圧電材料44にサンドイッチ状に配設さ
れ、又一方の電極30となる導電層は一方の側面に露出さ
れ、また他方の電極42となる導電層は他方の側面に露出
するように構成されている。これら電極の露出している
面は、導電層が形成されていて、各極となる導電層が導
電的に並列に接続され、各圧電素子はスリット46により
分離する。

このような層構造は、適当な圧電素子材料、例えばチ
タン酸・ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック
ス材料をグリーンシート状とし、この表面に印刷法によ
り内部電極材料を印刷、このシートを交互に必要枚数重
ねてラミネートする。こうして所定枚数を形成し、予備
乾燥及びシンタリングを行ない、焼結体とする。この状
態が第４図（ａ）である。この直方体状のものの内部電
極42及び40が露出している面に夫々導電材料47,48を塗
布乾燥又は焼成して第４図（ｂ）となる。これが圧電素
子ブロックであり、最終的にはスリット46を入れて各ア
レイに分割し使用する。

このように構成した各素子の一方の電極を接続してい
る導電層47には、それぞれ独立のリード部材を接続し、
また他方の電極を接続している導電層48には共通のリー
ド部材を接続する。これにより、独立のリード部材と共
通のリード部材との間に電気信号を印加すると、独立の
リード部材により選択的に信号が印加された圧電素子
は、導電層を介して電極間に同一の電圧を同時に印加さ
れることになるから、電極間の圧電材料が同時に伸長
し、各層の変位が足し合わされて自由端側が軸方向へ変
位する。もとより、各導電層は、極めて薄く形成されて
いるから、最大限の伸長を行わせるための電圧は極めて
小さな値で済むことになる。

この圧電素子ブロックは、導電剤により基板１上の電
極と導通している。導通方式は種々あるが、一般にはAg
ロウ材や導電ペーストを用いる。又、金属ボウルを基板
と圧電素子の間で押しつぶして用いる場合もある。導電
スペースは電極面全体である必要はなく、ある部分がき
ちんと導通されていればよい。ただし前述したように圧
電素子ブロックはカッティングして使用される為、各ア
レイ毎に導通しているよう配慮する必要はある。

次に、この状態のものを第５図の一点鎖線Ａ−Ａの方
向に、ダイシングソーやワイヤーソーを用いてスリット
を入れる。この時、基板表面電極22も分割される様、基
板表面から10〜50μｍの深さまでカッティングを行な
う。ピッチはむろん所望の数値で良い。例えば300DPIの
ヘッドを作るのであれば片側150DPIで169.3μｍピッチ
となる。こうしてカットされた圧電素子の周囲を囲い込
むように第１図２のハウジングを設置する。ハウジング
２は基板１及び圧電素子各アレイのキャビティ側の逆端
面と強力に固着されている。ここで用いる接着剤はヤン
グ率ができるだけ大きいことが望ましい。

次に、ワイヤーソー等によりカッティングしてできた
スリット空間に樹脂系材料を充填し硬化する。樹脂系材
料はエポキシ系、シリコン系等が適当であるが、硬化膜
が適度な硬度と密着性及び強度をもっていればこれにこ
だわる必要はない。

次に、各圧電素子アレイ上面に形成されている電極を
導通させ共通電極を取り出す。既に基板側と各圧電素子
アレイ下面の電極は個別リード電極として構成されてお
り、上面は例えばハウジング外壁を利用する等して基板
側共通電極端子に導通させる。第６図はその１例を示す
ものであり、ハウジング表面に導電ペーストで導電路を
形成している。図で61がハウジング表面導電路であり、
圧電素子アレイの上面電極と導電ペースト62で導通して
いる。又、導電路61は基板上の共通電極13とも導電ペー
スト63で導通している。この電気的接合方式はいろいろ
とあり、例えばフレキシブルケーブルを利用したり、ワ
イヤボンディングする等が可能である。

次に、キャビティを形成する為に充填してあった（第
２図31のスペース）スペースの可溶性樹脂を除去する。
ポジ系のフォトレジストであれば、アセトン又はアンモ
ニア水にて除去するのが好適であり、ネガ系フォトレジ
ストフィルムであれば強酸系の水溶液を加温して吹きつ
けて除去する。

これにより第７図に示す如きキャビティを形成するこ
とができる。図ではスペーサーも圧電素子と同時にカッ
ティングし、第２の仕切り部材である樹脂材料５をその
スペースに流してキャビティ71を形成した場合を示して
いる。

こうして形成したヘッドユニットは、開口部がそのま
まノズル開口として使用することができる。例えば、切
断後の圧電素子の幅を60μｍ、圧電素子と対向する仕切
り部材との距離を60μｍになるよう設計してやれば、イ
ンクは比重1.2で0.2μｇ程度飛翔し、１ドット分を形成
するのに好適な量となる。又、圧電素子の切断幅は自由
に設定できる為、いろいろな飛翔量を容易に設定でき
る。圧電素子と対向する仕切り部材との距離についても
同様である。

又、仕切り部材や圧電素子の先端に、所望の形状を加
工しておくのも良い方法である。基板に接着する前に、
仕切りブロック又は圧電素子に切り込みを入れる等の加
工をしておけば良い。第８図はその１例であり、仕切り
ブロック３に、三角形のスリットを入れたものを上から
見た図である。同様の形状を圧電素子４側に行なっても
良い。

本実施例では仕切りブロック３をはさんでキャビティ
を対向させる方式について記述してきたが、むろんノズ
ル開口は１列でも構わないし、あるいは４列化すること
も容易である。

このように構成された印字ヘッド（第１図）は、ケー
ブル12を介して電気信号が圧電素子４に印加すると、圧
電素子4,4,4,……は電極の積層方向に伸長するから、圧
電素子の自由端は前面のインクをスペーサ６に向けて押
出すことになる。これによりインクは、動圧を受けてノ
ズル開口９に突入し、インク滴となって外部空間を飛翔
し、印刷用紙にドットを形成する。

電気信号の印加がなくなると、圧電素子は元の状態に
縮小し、スペーサ６と圧電素子４の間の間隙にインクが
流入して次のインク滴発生に備えることになる。

〔発明の効果〕

本発明のオンデマンド型インクジェット式印字ヘッド
は同時多数個取りが可能であり、かつ、ノズルプレート
を省略することができる為、安価で、信頼性の高いイン
クジェットヘッドを提供することができ、きわめて効果
の大きい発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明の第１の実施
例によるオンデマンド型インクジェット式印字ヘッドの
構成を示す断面図である。 第２図は第１図の装置に用いられている基板の実施例を
示す図である。 第３図は第１図装置に於ける製造過程を示す斜視図であ
る。 第４図（ａ），（ｂ）は第１図装置に用いられている圧
電素子の製造方法及び使用方法を示す説明図である。 第５図は圧電素子列のカッティング方法を示す説明図で
ある。 第６図は圧電素子への電気的接続方法を示す実施例の説
明図である。 第７図はキャビティ付近を上部より見た斜視図である。 第８図は仕切り部材に加工を加えた他の実施例を示す図
である。 ３……仕切りブロック ５……樹脂材料

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電材料と導電材料により形成された複数
   の圧電素子と、この複数の圧電素子を列設すると共に圧
   電素子の一端が自由端となるよう他端を固定した基台
   と、前記自由端とキャビティとなる空間を介して対向配
   置された第１の仕切部材と、前記圧電素子間に配設され
   た第２の仕切部材とを備え、前記圧電素子と第２の仕切
   部材が、前記第１の仕切部材を挟んで同様に形成され、
   前記圧電素子の自由端、前記第１の仕切部材、前記第２
   の仕切部材で囲まれた空間の一方の開口部をノズル開口
   としたインクジェット式印字ヘッド。
2. 【請求項２】前記圧電素子が圧電材料と導電材料を層状
   に交互に複数積層して形成されてなる特許請求の範囲第
   １項記載のインクジェット式印字ヘッド。
3. 【請求項３】前記圧電素子の自由端、前記第１の仕切部
   材、前記第２の仕切部材で囲まれた空間の他方がインク
   導入用のスルーホールと連通した特許請求の範囲第１項
   記載のインクジェット式印字ヘッド。