JP3087315B2 - インクジェットヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インク液滴を画像記録
媒体上へ選択的に付着させるインクジェットヘッドに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来のインクジェットヘッドの構造は、
特開昭６３-２５２７５０号公報、あるいは特開昭６３-
２４７０５１号公報に開示されてある。

【０００３】これらのインクジェットヘッドは図１６に
示すように、ノズルの並び方向に互いに間隔を有する多
数の平行な流路２３５を有しており、これら流路は流路
の長手方向及び長手方向とノズル並び方向の両方に垂直
に伸びる側壁２３６により区画されている。これら流路
の一端は複数のノズル３を有するノズルプレート２に接
続され、他の一端はインクを各チャンネルに補充するイ
ンク供給手段２０９に接続されている。側壁２３６はそ
の一部あるいは全体が圧電物質で構成され、電気的アク
チュエート手段により剪断モードなどのアレイ方向に平
行な変形を引き起こし、流路を圧力発生室５としてイン
クの圧力を変化させノズル３からインク滴を噴射させる
ものであった。また、その製造方法は、図１７に示すよ
うに、厚さ方向に分極された圧電セラミクス基板２２０
上に平行な流路２３５を複数加工する工程と、図１８に
示すように、隣接する流路２３５を区画する側壁２３６
に、電極層２４０を流路ごとに形成する工程と、図１６
に示すように、上記工程を施した圧電セラミクス基板か
らなる上部基板２２１と下部基板２２２を、両基板の流
路同士が対向して重なり、上部基板の電極層２４１と下
部基板の電極層２４２が両基板の表面部２４３で電気的
に接続されるように、接合・固着して、圧力発生室５を
形成する工程からなるものであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上部基板と下
部基板とに圧力発生室となる流路をそれぞれ加工し、各
圧力発生室を区画する側壁に変形を引き起こすための電
極層を形成した後、上部基板と下部基板をその流路が重
なるように接合・固着する従来技術では、次のような問
題点があった。

【０００５】（ｉ）両部材間の相対的位置精度を十分に
高くしなければならない。

【０００６】（ｉｉ）接合・固着時に強度的に弱い側壁
部の破壊が生じ易い。

【０００７】（ｉｉｉ）接合・固着時に接着材が流路を
塞いでしまう。

【０００８】（ｉｖ）上部と下部の電極を接続しなけれ
ばならない。

【０００９】そこで本発明の課題は、これらの問題点を
解決することで、その目的とするところは、流路及び電
極を形成した上部基板と下部基板とを接合する必要性を
なくすことにより、高密度、高ノズル数、そして信頼性
の高いインクジェットヘッドを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
ヘッドは、ノズルの並び方向に互いに間隔を有する多数
の平行な流路を有し、これら流路の側壁の一部または全
表面に電極が形成され、側壁はその一部または全体が圧
電物質で構成され、この側壁の電気的アクチュエート手
段による変形により流路内の圧力を変化させて、流路の
一端に形成されたノズルからインク滴を噴射せしめるイ
ンクジェットヘッドであって、流路を形成する圧電物質
は、少なくとも２枚の厚さ方向に分極された圧電基板を
接合部を挟んで分極方向が互いに反対方向となるように
対称に積層することで構成され、少なくとも一枚の圧電
基板は厚み方向に貫通されており該圧電基板の厚み全体
にわたって流路を形成していることを特徴とする。ま
た、係るインクジェットヘッドにおいて、積層された圧
電基板において、厚み方向に貫通された圧電基板は、他
の圧電基板よりも厚みが薄いことを特徴とする。また、
係るインクジェットヘッドにおいて、厚い圧電基板に
は、薄い圧電基板に形成された流路と同一の深さの流路
が、薄い圧電基板に形成された流路と対応して形成され
ていることを特徴とする。また、係るインクジェットヘ
ッドにおいて、積層された圧電基板がベース基板上に配
置され、積層された圧電基板の表面からベース基板に到
達する深さで流路が形成されていることを特徴とする。
また、係るインクジェットヘッドにおいて、ベース基板
が、圧電物質より誘電率の低い絶縁物質よりなることを
特徴とする。また、本発明のインクジェットヘッドの製
造方法は、ノズルの並び方向に互いに間隔を有する多数
の平行な流路を有し、これら流路の側壁の一部または全
表面に電極が形成され、側壁はその一部または全体が圧
電物質で構成され、この側壁の電気的アクチュエート手
段による変形により前記流路内の圧力を変化させて、流
路の一端に形成されたノズルからインク滴を噴射せしめ
るインクジェットヘッドの製造方法であって、厚さ方向
に分極された圧電物質からなる圧電基板同士を、接合部
を挟んで分極方向が互いに反対方向となるように積層
し、積層基板を形成する工程と、積層基板表面へ、互い
に間隔を有する多数の平行な流路を形成する工程と、積
層基板に形成された流路の内面に、電極層を形成する工
程と、流路及び電極層が形成された積層基板の表面へ、
基板を接合する工程とからなることを特徴とする。

【００１１】また、本発明による第２のインクジェット
ヘッドは、前記積層基板の前記圧電基板が、厚さの異な
る圧電基板であり、薄い圧電基板側から前記流路が形成
され、厚い圧電基板における流路の深さが前記薄い圧電
基板の厚さに等しいことを特徴とする。

【００１２】また、本発明による第３のインクジェット
ヘッドは、前記積層基板が、ベース基板上に厚さの等し
い圧電基板２枚を分極方向が互いに反対方向となるよう
に積層してなり、前記流路が、前記圧電基板の表面から
ベース基板に到達する深さに形成されていることを特徴
とする。また第４のインクジェットヘッドは、前記ベー
ス基板が、前記圧電物質より誘電率の低い絶縁物質より
なることを特徴とする。

【００１３】さらに、本発明によるインクジェットヘッ
ドの製造方法は、ノズルの並び方向に互いに間隔を有す
る多数の平行な流路を有し、これら流路の天部、底部、
及び側壁の一部または全表面に電極が形成され、前記側
壁はその一部または全体が圧電物質で構成され、この側
壁の電気的アクチュエート手段による変形により前記流
路内の圧力を変化させて、流路の一端に形成されたノズ
ルからインク滴を噴射せしめるインクジェットヘッドの
製造方法であって、厚さ方向に分極された圧電物質から
なる圧電基板同士を、接合部を挟んで分極方向が互いに
反対方向となるように接合し、積層基板を形成する工程
と、前記積層基板表面へ、互いに間隔を有する多数の平
行な流路を形成する工程と、前記積層基板に形成された
流路の内面に、電極層を形成する工程と、前記流路及び
電極層が形成された前記積層基板の表面へ、基板を接合
する工程とからなることを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明のインクジェットヘッドの上記の構成に
よれば、圧力発生室となる流路を区画する側壁を構成す
る圧電物質が、その接合部に関して対称に構成されるた
め、側壁の変形時に力学的に効率の良いアクチュエータ
を構成できる。また、ベース基板を圧電物質より誘電率
の低い絶縁物質とすることで、各圧力発生室に形成され
る電極間の結合を押さえることができる。

【００１５】また、本発明のインクジェットヘッドの製
造方法によれば、圧力発生室となる流路を区画する側壁
が、圧電基板を接合した後に形成されるため、加工時に
相対的位置精度が自動的に保証される。また、圧電基板
の接着層が流路を塞ぐことがなく、しかも、接合・固着
時の基板強度が高く十分な接着強度を確保できる。ま
た、側壁が形成された後に電極層が形成されるため、圧
力発生室内で電極層を結合する必要がない。

【００１６】

【実施例】本発明の実施例を以下で詳細に説明する。

【００１７】以後の説明に用いる図面において、圧電材
料内の矢印は分極方向を示す。

【００１８】（第１実施例）図１において、厚さ方向に
分極されたチタン酸ジルコン酸鉛の圧電物質からなる、
厚さ４００μｍの圧電基板２０と厚さ１ｍｍの圧電基板
２１をその分極方向５０、５１が互いに反対方向である
ようにポリイミドの基板接合層３０で接着し、積層基板
１１を構成した。積層基板１１には、図２に示すよう
に、ダイヤモンドカッティング円板を用いて深さ８００
μｍ、幅１００μｍの平行溝を互いに平行に１６９μｍ
のピッチで多数加工し、多数の平行流路３５を形成し
た。カッティングを積層基板１１を構成する薄い圧電基
板２０側から行ない、溝の深さを薄い圧電基板２０の厚
さ４００μｍの２倍とすることにより、隣接する流路を
区画する側壁である変形部３６が基板接合層３０に関し
て対称となるよう形成できる。本実施例においては、ポ
リイミドの基板接合層３０は圧電基板２０の厚さに比べ
十分に薄いため、圧電基板２０の２倍の溝深さとした
が、基板接合層３０が厚い場合には基板接合層３０の厚
さを加えた溝深さとすることにより、変形部３６が基板
接合層３０に関して対称となるよう形成できる。溝を形
成した積層基板１１１には、図３に示すように、流路３
５の内面に電極層４０を蒸着形成し、不要な電極部を除
去した後、インク液密性を持つポリイミドのストリップ
シールからなる接合シール層４５を用いて、厚さ４００
μｍのアルミナ基板２５を接合し、圧力発生室５を形成
した。図１〜３のプロセスで形成された圧力発生室５を
図４に示すようにノズルプレート２に形成したノズル３
とインク供給手段９に接続し、電極層４０を図５に示す
ように電気的アクチュエート手段７０に接続することに
より、インクジェットヘッドが構成される。

【００１９】次に、本実施例の圧力発生室を用いたイン
クジェットヘッドの動作原理を図５、６を用いて概説す
る。図５において、圧力発生室５内に形成されている電
極４０ａ、４０ｂは電気的に接続され、各流路ごとに電
気的アクチュエート手段である駆動用ドライバ素子７０
に接続されている。ドライバ素子７０は制御部７１から
の制御信号７２に対応して、直流電源７３より高電圧出
力あるいは低電圧出力を各圧力発生室５内の電極４０に
選択的に供給する。各圧力発生室５は一つ飛ばし（偶数
番と奇数番）の２つにグループ化され、それぞれのグル
ープごとに時間で区画化され交互に駆動される。図６に
示すように、選択された圧力発生室５ａとその隣接する
圧力発生室５ｂ、５ｂとを区画する側壁である変形部３
６、３６に、圧電物質の分極方向５０、５１と直交する
ように、選択された圧力発生室５ａとその隣接する圧力
発生室５ｂ、５ｂとに接続されるドライバ素子を制御す
ると、圧電物質からなる変形部３６は剪断モードで図示
のように変形する。この変形によって、選択された圧力
発生室５ａの容積が縮小し圧力発生室５ａを満たすイン
ク６に圧力が発生する。発生した圧力は、圧力発生室５
ａ内を伝搬し、ノズル（図４参照）からインク滴を吐出
させる。

【００２０】以後に説明する実施例においても、基本動
作原理は同様である。

【００２１】（第２実施例）図７において、厚さ方向に
分極されたチタン酸ジルコン酸鉛の圧電物質からなる、
厚さ４００μｍの圧電基板２０、２２と厚さ１．５ｍｍ
の圧電基板２１をその分極方向５０、５１が接合面にお
いて互いに反対方向であるようにポリイミドの基板接合
層３０で接着し、積層基板１３を構成した。積層基板１
３には、図８に示すように、ダイヤモンドカッティング
円板を用いて、積層基板１３の両面に深さ８００μｍ、
幅１００μｍの平行溝を互いに平行に１６９μｍのピッ
チで、積層基板１３の両面で１／２ピッチ位置をずらし
て多数加工し、多数の平行流路３５を形成した。カッテ
ィング溝の深さを薄い圧電基板２０、２２の厚さ４００
μｍの２倍とすることにより、隣接する流路を区画する
側壁である変形部３６が基板接合層３０に関して対称と
なるよう形成できる。溝を形成した積層基板１１３に
は、図９に示すように、流路３５の内面に電極層４０を
蒸着形成し、不要な電極部を除去した後、インク液密性
を持つポリイミドのストリップシールからなる接合シー
ル層４５を用いて、厚さ４００μｍのアルミナ基板２５
を接合し、圧力発生室５を形成した。

【００２２】（第３実施例）図１０において、厚さ方向
に分極されたチタン酸ジルコン酸鉛の圧電物質からな
る、厚さ４００μｍの圧電基板２０、２３と厚さ６００
μｍの圧電基板２１、２２をその分極方向５０、５１が
接合面において互いに反対方向で、ベース基板であるア
ルミナ基板２６を挟んで対称になるようポリイミドの基
板接合層３０で接着し、積層基板１４を構成した。積層
基板１４には、図１１に示すように、ダイヤモンドカッ
ティング円板を用いて、積層基板１４の両面に深さ８０
０μｍ、幅１００μｍの平行溝を互いに平行に１６９μ
ｍのピッチで、積層基板１４の両面で１／２ピッチ位置
をずらして多数加工し、多数の平行流路３５を形成し
た。溝を形成した積層基板１１４には、図１２に示すよ
うに、流路３５の内面に電極層４０を蒸着形成し、不要
な電極部を除去した後、インク液密性を持つポリイミド
のストリップシールからなる接合シール層４５を用い
て、厚さ４００μｍのアルミナ基板２５を接合し、圧力
発生室５を形成した。本実施例のような積層基板１１４
の両側に圧力発生室５が形成される構成において、積層
基板１１４の両側の圧力発生室５の間に圧電物質より十
分に誘電率の低い物質をベース基板２６として積層する
ことによって、ベース基板２６の両側の圧力発生室５間
の電気的結合が小さくなり、クロストークを十分に小さ
くすることが可能となった。

【００２３】（第４実施例）図１３において、厚さ方向
に分極されたチタン酸ジルコン酸鉛の圧電物質からなる
厚さの等しい圧電基板２０、２１、２２、２３とベース
基板であるアルミナ基板２６とを、その分極方向５０、
５１が圧電物質どうしの接合面において互いに反対方向
であるようにポリイミドの基板接合層３０で接着し、積
層基板１５を構成した。積層基板１５には、図１４に示
すように、ダイヤモンドカッティング円板を用いて、ア
ルミナ基板２６に達する深さに、積層基板１５の両面に
平行溝を互いに平行に、積層基板１５の両面で１／２ピ
ッチ位置をずらして多数加工し、多数の平行流路３５を
形成した。互いに接合された圧電物質からなる圧電基板
２０、２１、２２、２３の厚さを等しくし、圧電基板２
０、２１、２２、２３の厚さにわたってカッティングす
ることにより、隣接する流路を区画する側壁の一部であ
る変形部３６が基板接合層３０に関して対称となるよう
形成できる。溝を形成した積層基板１１５には、図１５
に示すように、流路の内面に電極層４０を蒸着形成し、
不要な電極部を除去した後、インク液密性を持つポリイ
ミドのストリップシールからなる接合シール層４５を用
いてアルミナ基板２５を接合し、圧力発生室５を形成し
た。本実施例のような積層基板１１５の両側に圧力発生
室５が形成される構成において、ベース基板２６の材料
を圧電物質より十分に誘電率の低いアルミナとすること
によって、ベース基板２６の両側の圧力発生室５間の電
気的結合が小さくなり、クロストークを十分に小さくす
ることが可能となった。また、圧電物質が変形部３６に
のみ使用されているため経済的で、強度と加工安定性を
もたらす事ができた。また、圧力発生室５の体積変化量
と独立に流路深さを設計できるため、流路抵抗設計の自
由度が増え、最適化設計が容易となった。

【００２４】

【発明の効果】本発明のインクジェットヘッドは、ノズ
ルの並び方向に互いに間隔を有する多数の平行な流路を
有し、これら流路の側壁の一部または全表面に電極が形
成され、側壁はその一部または全体が圧電物質で構成さ
れ、この側壁の電気的アクチュエート手段による変形に
より流路内の圧力を変化させて、流路の一端に形成され
たノズルからインク滴を噴射せしめるインクジェットヘ
ッドであって、流路を形成する圧電物質は、少なくとも
２枚の厚さ方向に分極された圧電基板を接合部を挟んで
分極方向が互いに反対方向となるように対称に積層する
ことで構成され、少なくとも一枚の圧電基板は厚み方向
に貫通されており該圧電基板の厚み全体にわたって流路
を形成していることにより、厚さ方向に分極された圧電
基板同士を接合した後に流路を形成することが可能とな
るため、従来の如く一方の圧電基板と他方の圧電基板の
流路の相対的位置合わせの必要がなく、且つ接着剤のは
み出しによって流路を塞ぐようなことがないため、相対
位置精度の高い精密な流路を形成できることから、高密
度、高ノズル数、そして信頼性の高いインクジェットヘ
ッドを提供できるという効果を有する。また、係るイン
クジェットヘッドにおいて、厚みの異なる圧電基板を積
層させて、厚い方の圧電基板には、薄い方の圧電基板に
形成された流路と同一の深さの流路が、薄い方の圧電基
板に形成された流路と対応して形成されていることによ
り、圧力発生室となる流路を区画する側壁の圧電物質
が、接合部に関して対称である構造を容易に形成できる
という効果を有する。また、係るインクジェットヘッド
において、積層された圧電基板が、ベース基板上に配置
され、流路が、積層された圧電基板の表面からベース基
板に到達する深さで形成されていることにより、圧力発
生室となる流路を区画する側壁の圧電物質が、接合部に
関して対称である構造を容易に形成できるという効果を
有する。また、係るインクジェットヘッドにおいて、ベ
ース基板が、圧電物質より誘電率の低い絶縁物質よりな
ることにより、各圧力発生室に形成される電極間の電気
的結合を抑えることができるという効果を有する。

【００２５】また、厚さの異なる圧電基板を接合し、厚
い圧電基板の流路の深さが薄い圧電基板の厚さと等しく
なるよう薄い圧電基板側から流路を形成する、あるい
は、ベース基板上に厚さの等しい圧電基板２枚を積層
し、圧電基板の表面からベース基板に到達する深さに流
路を形成することにより、圧力発生室となる流路を区画
する側壁の圧電物質が、接合部に関して対称である構造
を容易に形成できる。

【００２６】さらに、ベース基板の材料を圧電物質より
誘電率の低い絶縁物質とすることにより、各圧力発生室
に形成される電極間の電気的結合を押さえることができ
るという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるインクジェットヘッド及びその製
造方法の第１実施例を示す工程図。

【図２】同じく工程図。

【図３】同じく工程図。

【図４】同じく工程図。

【図５】本発明によるインクジェットヘッドの作動原理
説明図。

【図６】同じく作動原理説明図。

【図７】本発明によるインクジェットヘッド及びその製
造方法の第２実施例を示す工程図。

【図８】同じく工程図。

【図９】同じく工程図。

【図１０】本発明によるインクジェットヘッド及びその
製造方法の第３実施例を示す工程図。

【図１１】同じく工程図。

【図１２】同じく工程図。

【図１３】本発明によるインクジェットヘッド及びその
製造方法の第４実施例を示す工程図。

【図１４】同じく工程図。

【図１５】同じく工程図。

【図１６】従来のインクジェットヘッド及びその製造方
法を示す工程図。

【図１７】同じく工程図。

【図１８】同じく工程図。

【符号の説明】

２ ノズルプレート ３ ノズル ５ 圧力発生室 ９ インク供給手段 ２０、２１、２２、２３ 圧電基板 ２６ ベース基板 ３０ 基板接合層 ３５ 流路 ３６ 側壁（変形部） ４０ 電極層 ５０、５１ 分極方向

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

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズルの並び方向に互いに間隔を有する
   多数の平行な流路を有し、これら流路の側壁の一部また
   は全表面に電極が形成され、前記側壁はその一部または
   全体が圧電物質で構成され、この側壁の電気的アクチュ
   エート手段による変形により前記流路内の圧力を変化さ
   せて、流路の一端に形成されたノズルからインク滴を噴
   射せしめるインクジェットヘッドであって、 前記流路を形成する圧電物質は、少なくとも２枚の厚さ
   方向に分極された圧電基板を接合部を挟んで分極方向が
   互いに反対方向となるように対称に積層することで構成
   され、少なくとも一枚の圧電基板は厚み方向に貫通され
   ており該圧電基板の厚み全体にわたって流路を形成して
   いることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 【請求項２】 前記積層された圧電基板において、前記
   厚み方向に貫通された圧電基板は、他の圧電基板よりも
   厚みが薄いことを特徴とする請求項１記載のインクジェ
   ットヘッド。
3. 【請求項３】 前記厚い圧電基板には、前記薄い圧電基
   板に形成された流路と同一の深さの流路が、前記薄い圧
   電基板に形成された流路と対応して形成されていること
   を特徴とする請求項２記載のインクジェットヘッド。
4. 【請求項４】 前記積層された圧電基板がベース基板上
   に配置され、前記積層された圧電基板の表面からベース
   基板に到達する深さで流路が形成されていることを特徴
   とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
5. 【請求項５】 前記ベース基板が、前記圧電物質より誘
   電率の低い絶縁物質よりなることを特徴とする請求項４
   記載のインクジェットヘッド。
6. 【請求項６】 ノズルの並び方向に互いに間隔を有する
   多数の平行な流路を有し、これら流路の側壁の一部また
   は全表面に電極が形成され、前記側壁はその一部または
   全体が圧電物質で構成され、この側壁の電気的アクチュ
   エート手段による変形により前記流路内の圧力を変化さ
   せて、流路の一端に形成されたノズルからインク滴を噴
   射せしめるインクジェットヘッドの製造方法であって、
   厚さ方向に分極された圧電物質からなる圧電基板同士
   を、接合部を挟んで分極方向が互いに反対方向となるよ
   うに積層し、積層基板を形成する工程と、前記積層基板
   表面へ、互いに間隔を有する多数の平行な流路を形成す
   る工程と、前記積層基板に形成された流路の内面に、電
   極層を形成する工程と、前記流路及び電極層が形成され
   た前記積層基板の表面へ、基板を接合する工程とからな
   ることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。