JP3147132B2 - インクジェット記録ヘッド、インクジェット記録ヘッド用振動板、及びインクジェット記録ヘッド用振動板の製造方法 - Google Patents

インクジェット記録ヘッド、インクジェット記録ヘッド用振動板、及びインクジェット記録ヘッド用振動板の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、複数のノズル開口のそ
れぞれに圧電振動子を対向させて配置し、圧電振動子の
伸長によりノズル開口からインク滴を噴射させるインク
ジェット記録ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】複数のノズル開口が形成されたノズルプ
レートと、圧電振動子により部分的に弾性変形可能な振
動板とを対向させて圧力室を形成し、圧電振動子を収縮
させて圧力室にインクを吸引後、圧電振動子を伸長させ
てインク滴をノズル開口から噴射させるオンデマンド形
式のインクジェット式記録ヘッドは、圧電振動子と振動
板との接合状態を改善するために例えば米国特許第4418
355号明細書に示されるように、圧電振動子と振動板と
の間に結合部材を介し、もって圧電振動子の変位を効率
的に圧力室に伝達するように構成されている。また、特
公昭６３−２５９４２号公報に記載された発明のように
圧電振動子の先端に脚部を設けることなどが知られてい
るが、この脚部は圧電振動子よりも幅が広く、チャンネ
ルと実質的に同じ幅に形成されている。
【０００３】しかしながら結合部材や脚部は別部材とし
て構成されているので、圧電振動子と振動板との間に配
設する手間を要して、製造が困難であるという問題の他
に、圧電素子の変位を効率的に圧力室に伝達できなかっ
たり、本来変形させてはならない部分にまで圧電素子の
変位が伝達されてしまい、インクメニスカスが不安定な
挙動を示すクロストークを招く等の問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような問
題に鑑みてなされたものであってその目的とするところ
は、圧電振動子と振動板との結合を担うアイランド部を
振動板に一体的に作り付けたインクジェット記録ヘッド
を提供することである。また、本発明の第２の目的は、
上記インクジェット記録ヘッドに適した振動板、及びそ
の製造方法を提供することである。
【０００５】
【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、ノズル開口構成部材に振動
板を固定して略長方形状の圧力室を形成するとともに、
前記圧力室に対向する前記振動板の領域に軸方向に伸
長、収縮する圧電振動子の先端を固定してなるインクジ
ェット記録ヘッドにおいて、前記振動板には前記圧電振
動子が当接する領域に、周囲に薄肉部を有し、長辺が前
記圧電振動子の先端部の長辺よりも長く、またその短辺
が前記圧電振動子の先端の短辺よりも短く形成されたア
イランド部が形成されていて、前記圧電振動子の先端が
前記アイランド部に固定され、また前記薄肉部の周囲を
区画するように前記アイランド部と同一材により同一の
厚さの厚肉部分が形成されている。
【０００６】
【作用】駆動された圧電振動子の振動が隣接する他の圧
力室に伝搬するが小さくなり、また駆動対象となった圧
電振動子が属する圧力室に対してはノズル開口列と直行
する方向の広い範囲にわたって圧力を均等に伝搬させ、
また圧電振動子の変位を効率的に伝達するとともに、隣
接する圧力室への変位の伝搬を抑えてメニスカスを安定
的に維持する。
【０００７】
【実施例】そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例
に基づいて説明する。図２は本発明のインクジェット式
記録ヘッドの概略を示すもので、図中符号１は、ノズル
プレートで、この実施例においては複数のノズル開口
２，２，２‥‥を備えたノズル列３，３，３‥‥を４列
備えるようにしたものである。５は、スペーサで、ノズ
ルプレート１と本発明が特徴とする振動板６との間に介
装されて、リザーブタンク３５（図５）や圧力室３６、
及び連絡通路３７を形成する部材で、これらに対応する
部所に一致させて通孔７，８や凹部９を形成し、隣接す
る圧力室３６が壁５ａにより区画されている。
【０００８】６は、前述の振動板で、一方の表面がスペ
ーサ５を介してノズルプレート１に対向し、他方の表面
に振動子ユニット１０，１１，１２，１３の各圧電振動
子１５，１５，１５‥‥の先端が接して、振動子１５，
１５，１５‥‥の伸長、収縮を圧力室３６に伝達する部
材である。
【０００９】これら振動子ユニット１０，１１，１２，
１３は、図３に示したように圧電材料と電極材料とを交
互にサンドイッチ状に積層して低電圧駆動が可能に構成
された積層型圧電振動板２０の一部を、表面に共通電極
２１が形成された固定板２２に導電接着剤により固定し
て、固定板２２の切り欠き２３に対向する自由端部を、
図４に示したように圧力室の配列ピッチに合わせて一端
から他端に裁断して複数の振動子２５，２５，２５‥‥
に切分けられて構成されている。そしてこの裁断の際に
電極２１を透過する程度の深さにダイシングソウなどの
切削深さを設定しておくことにより、駆動信号を供給す
るためのリード２７，２７，２７‥‥を同時に形成する
ことができる。また、圧電振動子２５，２５，２５‥‥
の他方の表面には導電板を導電性接着剤により固定して
共通電極２８が形成されている。したがって、リード２
７，２７，２７‥‥と共通電極２８に駆動信号を印加す
ると、各圧電振動子２５，２５，２５‥‥がその長手方
向に伸長、収縮することになる。
【００１０】再び図２に戻って、図中符号３０は、基台
で、振動子ユニット１０，１１，１２，１３を内部に収
容するとともに、圧電振動子１５，１５，１５‥‥の先
端側となる部分に振動板６，スペーサ５，及びノズルプ
レート１を積層状態で固定してヘッドにまとめ上げるも
ので、インクタンク３２からのインクを振動板６の開口
３１を介して圧力室に供給する流路３３を備えている。
【００１１】図５は、前述のインクジェット記録ヘッド
の断面構造を示すものであって、開口３１からのインク
を受けるリザーブタンク３５と、圧力室３６と、これら
を接続する連絡通路３７を構成する空間がスペーサ５に
より確保されている。そして振動板６は、圧電振動子１
５，１５，１５‥‥が当接する部分に周囲を薄肉部から
なる凹部４０により囲まれたアイランド部４１が形成さ
れていて、このアイランド部４１の表面に圧電振動子１
５，１５，１５‥‥の先端が固定されている。
【００１２】図１は、前述の振動板６の詳細をノズル開
口部近傍の構造とともに示すものであって、振動板６
は、基本的には薄肉部、例えば２μｍとなる第１の層５
０と、アイランド部４１などの厚肉部、例えば１８μｍ
を形成する第２の層５１の２層構造として構成されてい
る。そして、スペーサ５を挟んでノズルプレート１と圧
力室３６，３６を形成しており、表面に形成された第２
の層５１からなるアイランド部４１の先端に圧電振動子
１５が当接している。ところで、アイランド部４１は、
その剛性が凹部４０の薄肉部４３を構成する第１の層５
０の剛性の１０００倍以上に設定するのが望ましい。す
なわちアイランド部４１などの厚肉部の厚さは薄肉部４
３の厚さの１０倍以上に設定されている。または厚肉部
の縦弾性率と厚さの３乗の積が薄肉部の縦弾性率と厚さ
の３乗の積の１０００倍以上に設定されている。物体の
剛性は一般に厚さの３乗に比例するため、例えば厚肉部
の厚さを薄肉部の１０倍にすると厚さ方向の力に対する
剛性は１０００倍になるといえる。また物体の剛性は一
般に弾性率に比例するため、剛性を高くしたい厚肉部に
は弾性率の高い材質を用い、剛性を低くして変形し易く
したい厚肉部には弾性率の低い材質を用いると効率的で
ある。従って、厚肉部の厚さをｔ1、弾性率をＥ1 、ま
た薄肉部の厚さをｔ2、弾性率をＥ2とすると、剛性の比
率は
【数１】 とするのが望ましい。
【００１３】圧電素子１５が縮むと凹部４０の薄肉部４
３の反力を受けつつアイランド部４１は下方に変位す
る。アイランド部４１の剛性が高い場合アイランド部４
１自身は殆ど変形せずに凹部４０の薄肉部４３が大きく
変形する。一方アイランド部４１の剛性が低い場合アイ
ランド部４１自身が薄肉部４３の反力を受けて変形して
しまい、薄肉部４３の変形量は小さい。すなわちアイラ
ンド部４１の剛性が凹部４０の薄肉部４３の剛性に対し
て十分に大きくない場合には、圧電振動子１５の変位を
圧力室３６の体積変化に効率的に伝えることができず、
アイランド部４１自体の変形にのみ作用して、インク吐
出には寄与せず損失となる。この損失を最小限にするた
めに、剛性の比を１０００以上にするのが実験の結果望
ましいことが判明した。
【００１４】すなわち、発明者の実験によれば、アイラ
ンド部４１と凹部４０の薄肉部４３を同一材料で構成し
たヘッドにおいて、幅が１００μｍ、深さが１００μｍ
の圧力室３６に対してアイランド部４１の厚さを１０μ
ｍ、薄肉部４３の厚さを２μｍとした場合には、圧力室
３６の容積変化が不充分で、ノズル１１からインクを吐
出させることができなかったが、アイランド部４１の厚
さを２０μｍにすることによってインクを吐出させるこ
とができるようになった。一般にアイランド部４１の厚
さが厚いほど加工上の難度が高くなるため、薄肉部４３
の厚さは薄くした方がよい。例えば薄肉部４３の厚さは
金属では５μｍ以下、樹脂では１０μｍ以下とすること
が望ましい。薄肉部４３に樹脂を用いた場合、圧電振動
子１５に印加した信号がインクに導通することがなくな
り、短絡による駆動回路等への悪影響や、電気的なイン
クの終了検出等への影響をなくすことができるという利
点もある。
【００１５】アイランド部４１は、第１の層５０と接す
る部分の長さＬが圧電振動子の２倍程度に、また幅Ｗが
１／３倍程度に選ばれていて、駆動された圧電振動子１
５の振動が隣接する他の圧力室３６への伝搬を可及的に
小さく抑える一方、駆動対象となった圧電振動子１５が
属する圧力室３６に対してはノズル開口列と直行する方
向の広い範囲にわたって圧力を均等に伝搬させるように
構成されている。そしてアイランド部４１の圧電振動子
１５に接する部分の幅は、振動を妨害しない程度に大き
く選択されている。そして凹部４０を区画している厚肉
部分４２は、スペーサ５に対向しているため、スペーサ
５の剛性とあいまって振動板６が無用にたわむのを防止
するのに役立っている。
【００１６】次にアイランド部４１の幅Ｗについて説明
する。アイランド部４１の幅Ｗは圧力室３６の幅の８割
以下に設定している。これは、薄肉部４３の圧電振動子
１５の変位に対する反力を抑え、圧力室３６の容積変化
効率を上げる。すなわち圧電振動子１５の変位を効率よ
く圧力室３６の容積変化に変えるためには、凹部４０の
幅が片側で圧力室３６の幅の１割以上必要である。これ
により圧電振動子１５のエネルギーは圧力室を区画する
壁の変形や、ノズル板１全体の変位に費やされることも
なくなり、クロストークの防止に大きく寄与する。
【００１７】すなわち発明者の実験によれば、幅１００
μｍの圧力室３６に対して、アイランド部４１の幅Ｗを
８０μｍ以下にすることによってインク吐出が可能とな
った。さらに好ましくは、アイランド部４１の幅Ｗを圧
力室３６の幅の半分以下にすることによって駆動電力を
下げることも可能となった。図５に示した実施例では、
アイランド部４１の長さＬは、圧電振動子１５の長辺よ
りも長く構成されている。また長さＬは圧力室３６の長
さの５割以上に設定されている。そして前述したように
アイランド部４１の剛性を薄肉部５０の剛性の１０００
倍以上に設定すれば、アイランド部４１自体の撓みを抑
えて、圧力室に十分な容積変化を生じさせることができ
る。なお、アイランド部４１の幅Ｗは、圧力室３６の幅
の５割以上９割以下に設定している。これは、先の説明
同様、最も効率よく圧力室の容積変化を与えるためであ
る。
【００１８】図６は、上記振動板の製造工程を示すもの
であって、可及的に平坦に仕上げられた作業用基板６０
の表面に無電解メッキにより電極を形成し、この電極を
使用してニッケルの電鋳により振動板６の第１の層５０
を、例えば２乃至１０μｍの厚みとなるように形成する
（図 Ｉ）。第１の層５０の表面にアイランド部４１の
底部の形状に一致する窓５２を備えたパターン５３を、
非導電性のフォトレジスト層として形成する（ＩＩ）。
このパターン５３は、その厚さが５乃至１０μｍ程度に
選択されている。
【００１９】このように構成された中間体５５をニッケ
ルイオンを含んだ電鋳用電解液に浸漬し、第１の層５０
をマイナス極として所定の電流密度で電鋳を行うと、窓
５２などフォトレジスト層が形成されていない部分に選
択的に電解液中のニッケルが堆積してこの部分の厚みが
大きくなり、また薄肉部として仕上げるべきパターン５
３，５３の領域は第１の層５０のままの厚みを維持する
（図６（III））。このような電解液としてはスルファ
ミン酸ニッケル ３０Ｗ％、塩化ニッケル０．５Ｗ％、
ホウ酸 ４Ｗ％、光沢剤 １Ｗ％、ピット防止剤 ０．
５Ｗ％の水溶液が用いられ、電流密度としては１〜２ミ
リアンペア／平方センチメートル程度が選択される。
【００２０】そして窓５２から突出するまで成長する
と、エッジ効果によりパターン５３，５３の表面方向に
も肥大してオーバハング部５６ａが生じる（図６（I
V））。このプロセスを継続していくと、厚み方向と平
面方向にさらに伸長する。そしてパターン５３，５３の
表面から１３μｍ程度飛び出して、第２層の厚さが１８
乃至２５μｍまで成長した段階で通電を停止し（図６
（V））、基板６０、及びパターン５３，５４を除去す
ると（図６（VI））、凹部４０により囲まれた断面鋲型
のアイランド部４１を備えた振動板を得ることができ
る。
【００２１】第１の層５０を樹脂によって、またアイラ
ンド部４１を金属によって形成した振動板の場合には、
アイランド部４１を切削加工やプレス加工等によって形
成し、樹脂膜上に接合する方法が考えられる。他の方法
としては樹脂膜上に金属板を接合した後に、金属板を切
削加工やエッチング等によってアイランド状に成形する
こともできる。金属板上に樹脂をキャスティングして、
金属板をエッチングしてアイランド部４１を作り、さら
に樹脂板をエッチングして第１の層５０と圧力室の隔壁
を一体的に成形することができる。
【００２２】このアイランド部４１の先端に接着剤を塗
布して圧電振動子１５の先端を図７に示したように当接
させると、圧電振動子１５とアイランド部１５とで形成
される空間６０に余った接着剤６１が流れ込んで不要な
箇所への流れ出しを防止するとともに、両者を強固に固
定することになる。
【００２３】この実施例において圧電振動子１５に駆動
電圧を印加してこれを伸長させると、圧電振動子１５の
先端の変位は、アイランド部４１を介して振動板６に伝
達されるが、この過程において、アイランド部４１は、
その根元部、つまり第１の層５０との境界部におけるサ
イズの内、ノズル開口列方向、つまり幅方向は圧電振動
子１５よりも小さく、またノズル開口列と直行する方向
には長く構成されていて、さらにアイランド周辺は凹部
４０が形成されているため、圧電振動子１５の変位は、
ノズル開口列方向には可及的に狭い領域である一方、ノ
ズル開口列に直行する方向には圧電振動子１５よりも広
い範囲に拡大されて振動板６を押圧することになる。
【００２４】この結果、同一ノズル開口列の隣接する他
の圧力室３６に圧力を伝搬させることなく、音響インピ
ーダンスをマッチングさせて高い伝達効率で、しかも圧
力室３６を局所的に変化させることなく、圧力室３６に
圧電振動子の変位を伝達することができことになって、
圧電振動子１５のエネルギをインク滴飛翔に効率的に使
用することができる。
【００２５】なお、上述の実施例においては振動板１５
のアイランド部４１に圧電振動子１５を直接当接させる
ようにしているが、図９に示したように圧電振動子１５
と振動板６のアイランド部４１の間に中間材６３を介し
て当接させることもできる。すなわち、圧電振動子１５
の先端には圧電振動子を駆動するための電極を束ねる外
電極が形成されていて、また振動板がニッケルのような
導電材料で形成されているため、電極の構造の選び方に
よっては振動板６を介して圧電振動子同士が短絡する恐
れがある。このような場合には中間体６３を介在させる
のが望ましい。
【００２６】また、上述の実施例においては、圧電振動
子に対向させてノズル開口を形成しているが、他の形
式、例えば図１０に示したように圧力室，連絡通路，及
びリザーブタンクを形成するための各凹部７０，７１，
７２が形成された基板７３の側端にノズル開口７４を形
成し、各凹部７０，７１，７２の開口面側を振動板７５
により封止して、インク滴の飛翔方向と圧電振動子７６
の振動方向が直交する形式のヘッドに対しても、やはり
圧力室となる凹部７０と対向する領域に薄肉部８０によ
りアイランド部８１を他の領域８２と分離させて、この
アイランド部８１を介して圧電振動子７６を固定するよ
うにしても同様の作用を奏することは明らかである。そ
ればかりでなく、前述の実施例と同様にアイランド部８
１とアイランド部８１間に存在する薄肉部を区画してい
る厚肉部分８３は、圧力室を形成している壁に対向する
ことになるから、振動板７５の圧力室に対向する領域以
外の剛性を高めることになって変形などによるクロスト
ークの防止に寄与することも明らかである。
【００２７】図１１は、上述した本発明の振動板を使用
したインクジェット記録ヘッドの一実施例を示すもので
あって、図中符号９０は、駆動回路などが実装される基
板９１に固定された基台で、複数の振動子を備えた振動
ユニット９３，９３をユニット収容室９２，９２に収容
し、また貫通孔にインクカートリッジからのインクを供
給するインク供給管９３を収容して構成されている。イ
ンク供給管９３は、一端がリザーブタンクを形成する通
孔１０１に連通する開口９５を、また他端がインクカー
トリッジに接続する接続針９６に連通している。１００
は、上述した本発明が特徴とする振動板で、基台９０に
対向する側には圧電振動子の先端に当接する図示しない
アイランド部４１（図５）と、インク供給管９３の開口
９５に連通する通孔１０１とを設けて構成されている。
１０５は、スペーサで、通孔１０１に連通するリザーブ
タンクや圧力室を形成する通孔１０６，１０７が設けら
れている。１１０は、ノズルプレートで、圧力室となる
通孔１０７に対向する位置にノズル開口１１１、１１１
を穿設して構成されている。これら振動板１００、スペ
ーサ１０５、及びノズルプレート１１０は、基台９０に
積層された上で、金属製の枠体１１５により基台９０に
気密を保持できるように固定されてまとめ上げられ、ま
た枠体１１５から延びるリード片１１６を基板９１の駆
動回路のアースに接続されて接地されている。これによ
り、ノズルプレート１１０が無用に帯電して塵埃がノズ
ル開口に付着するのを防止することができる。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
ノズル開口構成部材に振動板を固定して略長方形状の圧
力室を形成するとともに、圧力室に対向する振動板の領
域に軸方向に伸長、収縮する圧電振動子の先端を固定し
てなるインクジェット記録ヘッドにおいて、振動板には
圧電振動子が当接する領域に、周囲に薄肉部を有し、長
辺が圧電振動子の先端部の長辺よりも長く、またその短
辺が圧電振動子の先端の短辺よりも短く形成されたアイ
ランド部が形成されていて、圧電振動子の先端がアイラ
ンド部に固定され、また薄肉部の周囲を区画するように
アイランド部と同一材により同一の厚さの厚肉部分が形
成されているので、圧電振動子の変位をアイランド部を
介して細長く形成された圧力室を封止する振動板に伝達
して、圧力室の容積を効率的に変化させることができ
る。また、薄肉部の周囲を区画するようにアイランド部
と同一材により同一の厚さの厚肉部分が形成されている
ため、圧力室の剛性を高めることができ、圧電振動子の
変位による圧力室の無用な変形を防止することができ
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振動板近
傍の構造を示す断面図である。
【図２】本発明のインクジェット記録ヘッドの一実施例
の要部を示す分解斜視図である。
【図３】振動子ユニットを構成する圧電振動板と固定板
を示す斜視図である。
【図４】振動子ユニットの一実施例を示す斜視図であ
る。
【図５】流路構造を示す断面斜視図である。
【図６】図（Ｉ）乃至（ＶＩ）は、それぞれ本発明の振
動板の製造方法を示す説明図である。
【図７】振動板と圧電振動子の取り付け状態を示す斜視
図である。
【図８】振動板と圧電振動子との固着状態を示す断面図
である。
【図９】本発明の他の実施例を示す断面図である。
【図１０】本発明の他の実施例を示す斜視断面図であ
る。
【図１１】本発明のインクジェット記録ヘッド全体を示
す組み立て分解斜視図である。
【符号の説明】
１ ノズルプレート ２，２ ノズル開口 ３，３ ノズル開口列 ５ スペーサ ６ 振動板 １０，１０ 振動子ユニット １５，１５ 圧電振動子 ３６ 圧力室 ４０ 凹部 ４１ アイランド部 ５０ 第１の層 ５１ 第２の層
フロントページの続き (72)発明者 品田 聡 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイ コ−エプソン株式会社内 (72)発明者 碓井 稔 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイ コ−エプソン株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−284950（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−119872（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−15555（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−255863（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055 B41J 2/16

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ノズル開口構成部材に振動板を固定して
    略長方形状の圧力室を形成するとともに、前記圧力室に
    対向する前記振動板の領域に軸方向に伸長、収縮する圧
    電振動子の先端を固定してなるインクジェット記録ヘッ
    ドにおいて、前記振動板には前記圧電振動子が当接する
    領域に、周囲に薄肉部を有し、長辺が前記圧電振動子の
    先端部の長辺よりも長く、またその短辺が前記圧電振動
    子の先端の短辺よりも短く形成されたアイランド部が形
    成されていて、前記圧電振動子の先端が前記アイランド
    部に固定され、また前記薄肉部の周囲を区画するように
    前記アイランド部と同一材により同一の厚さの厚肉部分
    が形成されているインクジェット記録ヘッド。
  2. 【請求項２】 前記アイランド部は、前記圧電振動子と
    当接する領域側が前記振動板よりも張り出した形状に構
    成されている請求項１に記載のインクジェット記録ヘッ
    ド。
  3. 【請求項３】 振動板の本体となる薄肉部の表面に、軸
    方向に伸長、収縮する圧電振動子の先端が固定され、か
    つ圧電振動子と当接する領域側が前記振動板側に張り出
    した形状のアイランド部が電鋳層により形成されたイン
    クジェット記録ヘッド用振動板。
  4. 【請求項４】 振動板の本体となる薄肉部の第１の層の
    表面に、軸方向に伸長、収縮する圧電振動子の先端が固
    定されるアイランド部に対応する窓を備えた非導電性材
    料からなるパターン層を形成する工程と、前記パターン
    層の前記窓から電鋳層が突出して、少なくとも前記パタ
    ーンの表面の一部を覆うまで電鋳を行う工程と、前記パ
    ターン層を剥離する工程とからなるインクジェット記録
    ヘッド用振動板の製造方法。
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