JP3038806B2 - インクジェット式印字ヘッド及びその製造方法 - 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
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、各ノズル開口を対向
するように伸縮方向を一致させて証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言う
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、かつ安価な、
オンデマンド型インクジェットヘッドの製造方法を提供
することにある。

（課題を解決するための手段） このような問題を解消するために本発明においては、
複数の圧電振動子が形成できるサイズの圧電振動板と、
電極層が表面に形成された基板とを、前記圧電振動板の
少なくとも一部が前記基板に重なり、かつ前記圧電振動
板から前記電極層の一部が露出するように固定し、前記
圧電振動板の両側にインク滴の吐出に関与しない領域を
残すようにノズル開口の配列ピッチで前記圧電振動板の
表面から前記電極層に到達し、かつ前記基板を残すよう
に切断するようにした。

（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）はノズルプレート７をは
ずした状態で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d33方向に縦振動する
よう、内部電極が交互にキャビティ11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
るいは金属等の仕切ブロック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
ーザー又は聖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
度一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、40、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、42、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、44……にサンドイッチ状に配置
され、又一方の電極30、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、42、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、46、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（ａ）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30
0DPIのヘッドを作るのであれば片側15ODPIで169,3μｍ
ピッチとなる。この時、実際のカッティングは大型基板
単位で行なう為、数10個分のヘッドユニットが一度にカ
ッティングできる。なおかつ切断ピッチさえ精度がでて
いれば良く、本方式が安価になる大きなポイントがここ
にある。第５図（ｂ）はカッティングの様子を上から見
た図であり、Ａ−Ａ′がカッティングラインである。図
のＤは圧電素子として利用しない最外側のダミーであ
る、このＤがあることにより、圧電素子ブロック及び仕
切りブロックの基板に対する接着精度はさほど重要では
なくなる。従って各ユニットの両外側の圧電素子アレイ
はダミーとすることが望ましい。場合によってはこのダ
ミーをハウジングの一部として扱うこともできる。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り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（ａ）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
ワイヤボンディングする等が可能である。

第６図（ｂ）は、導通方法の他の一例を示したもので
ある。図で2a、2bはハウジングであるが、61の電極形成
後2bを積層した構造となっている。ノズルプレートはこ
の2b上面を基準にして接着すれば良く、圧電素子４と、
電極51の導電はワイヤボンディング68等の上方に飛び出
す方法が採用できる。尚、69は個別り一ド電極用の導電
材である。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
て吹きつけ除去を行なう。こうして形成したヘッドユニ
ットの表面は、圧電素子の上面まで樹脂材料５が被覆し
ていても良い。しかし、この状態では表面が凸凹となっ
ており、上面にノズルプレートをきっちりと固着するこ
とができない。従ってハウジングも含んだ樹脂の上面を
研削して平滑にする。研削は表面研削盤やラッピング装
置、又はダイシングソーを用いて行なう。その後、ノズ
ルプレートを樹脂材料面全休及びスペーサ部６の表面に
接着剤又は溶融接着で固定する。むろん、キャビティ形
成部の上部穴とノズルプレートのノズルは１対１に対応
している。本実施例では仕切ブロック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。

ところで、インクジェットプリンタ用インクは絶縁性
の場合もあれば、導電性をもつ場合もある。特に導電性
インクを使用する場合は、圧電素子の電極はインクから
完全にシーリングされていなければならない。こうした
点をクリアする為に第８図のａ層のように両自由端に圧
電作用に関与しない層を圧電で形成しておくのが望まし
い。さらに、樹脂材料５をスリット間に流し込む前に圧
電アレイ全休を絶縁性樹脂液、例えばポリミイド溶液中
にディッピングし、薄い絶縁膜を圧電素子表面にコーテ
ィングするのも良い方法である。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明のインクジェット式印字ヘ
ッドによれば、基板上に圧電素子ブロックを固定した後
ワイヤーソーで各圧電素子に分割しているので、小型高
密度の印字ヘッドを容易に製造することができる。

また、大型基板で多数のヘッドユニットを作成すれ
ば、上記効果に加えて製造時間、コストを削減すること
が可能になり、また圧電振動板の両側に形成されたイン
ク滴の吐出に関与しない領域を、これに接続する基板の
電極層とともに導電材として使用することができ、信号
供給のための導電路の確保を容易化することができる。

【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（ａ）（ｂ）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（ａ）（ｂ）はそれぞれ圧電素子の共通電極との
電気的接続方法の２つの例を示す図である。 １……基板、４……圧電素子 34……圧電素子ブロック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055 B41J 2/16

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の圧電振動子が形成できるサイズの圧
   電振動板と、電極層が表面に形成された基板とを、前記
   圧電振動板の少なくとも一部が前記基板に重なり、かつ
   前記圧電振動板から前記電極層の一部が露出するように
   固定し、前記圧電振動板の両側にインク滴の吐出に関与
   しない領域を残すようにノズル開口の配列ピッチで前記
   圧電振動板の表面から前記電極層に到達し、かつ前記基
   板を残すように切断してなるインクジェット式印字ヘッ
   ド。
2. 【請求項２】複数の圧電振動子が形成できるサイズの圧
   電振動板と、電極層が表面に形成された基板とを、前記
   圧電振動板の少なくとも一部が前記基板に重なり、かつ
   前記圧電振動板から前記電極層の一部が露出するように
   固定する工程と、前記圧電振動板の両側にインク滴の吐
   出に関与しない領域を残すようにノズル開口の配列ピッ
   チで前記圧電振動板の表面から前記電極層に到達し、か
   つ前記基板を残すように切断する工程と、 からなるインクジェット式印字ヘッドの製造方法。