JP3156411B2 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インクジェットプリン
ターに用いる印字ヘッド及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のインクジェット式印字ヘッドは、
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
すると共に、各ノズル開口と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、駆動信号を圧電素子に印加して圧電素子を
伸縮させ、この時に発生するインクの動圧によりインク
滴をノズル開口から吐出させて印刷用紙にドットを形成
するものである。

【０００３】このような形式の印字ヘッドに於いては、
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。

【０００４】このような問題を解決するため、特開昭６
３−２９５２６９号公報に示されているように、電極と
圧電材料とを交互にサンドイッチ状に積層したインクジ
ェット式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
とが出来るため、駆動信号の電圧を下げることが出来る
という効果がある。

【０００５】しかしながら、いずれの圧電素子も焼成体
であり、特性バラツキ、焼成時のバルク状圧電体の反
り、うねり等の変形を考慮すると、焼成出来るバルク状
圧電体の長さは最大で３０〜５０ｍｍが限界であり、バ
ルク状圧電体１枚で印字ヘッドを大型化（ラインヘッド
化）するのが困難であった。

【０００６】この様な問題を回避できる構造として、特
公平３−５８９１７号公報に、ラインヘッドを複数のヘ
ッドユニットで構成する印字ヘッド構造が考えられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ヘッド
ユニットを複数個配列してラインヘッドを構成しようと
すると、ヘッドユニット間のノズル位置精度を確保する
ことが困難となり、ユニット間の継目で印刷物に縦スジ
等のムラが発生する要因となっていた。

【０００８】本発明の目的は、圧電素子を容易に高密度
に配列でき、特性バラツキの少ない高印字品質のインク
ジェット式印字ヘッドを安価に提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に於いては、圧電材料と内部電極材料を交互に
積層した複数の圧電素子と、前記圧電素子に対応する複
数のノズル開口部を有するインクジェット式印字ヘッド
において、前記圧電素子は、ベース板上に固定された複
数のバルク状圧電体を、隣接するバルク状圧電体の境目
が加工領域となる様に加工して前記複数のノズル開口部
に対応するように形成され、前記圧電素子の圧電材料層
のベース板側又はノズル開口側の厚みは各内部圧電材料
層より厚いことを特徴とする。

【００１０】更には、圧電素子への駆動信号によりイン
クがノズル開口部から外部に放出されるようにしたイン
クジェット式印字ヘッドの製造方法において、前記ノズ
ル開口部は、１枚の連続したノズルプレート上に複数個
配列されており、前記圧電素子は複数のバルク状圧電体
をノズル配列方向に配置した後に前記バルク状圧電体の
ノズル面側を研削加工することを特徴とする。

【００１１】

【実施例】図１は本発明に於けるインクジェット式印字
ヘッドの上面図で、図２は、図１に於けるＡ−Ａ断面
図、図３は、図２に於けるＣ部拡大図、図４は、図１に
於けるＢ−Ｂ断面図である。

【００１２】図１〜図４に於いて、インクはインク流路
板１０６に形成されたインク供給孔１１３よりインク流
路１１０を通って隔壁板１０４とノズルプレート１０５
と振動板１０３により構成された各インク室３０２に供
給される。

【００１３】各インク室３０２に対応して圧電素子１０
１と、インク開口部１０２が配置されており、圧電素子
１０１はベース板１０７上に配置され、ＦＰＣ１０８を
介したプリンタ本体からの電気信号により伸縮運動を繰
り返しノズル開口部１０２よりインクを吐出する。

【００１４】まず、圧電素子の製造方法を説明する。

【００１５】図５に於て、定板５０１の上にグリーンシ
ート状、又は、ペースト状に調製したチタン酸ジルコン
酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック等の圧電材料５０
２を塗布して、図６に示すようにこれの表面に一方の電
極となる第１の内部電極材料６０１を、Ａｇ、Ｐｄ等を
調整した導電ペーストを厚膜印刷法を用いて形成する。
さらに図７に於てこの内部電極材料層６０１の表面に圧
電材料５０２を塗布し、この上面に図８のように他方の
電極となる内部電極材料７０１を前記の方法で塗布す
る。後は、前記の方法で内部電極材料層と圧電材料を必
要な積層数だけ繰り返し塗布し、所望の厚みに積層した
状態、図９で乾燥させる。

【００１６】これに圧力を加えた状態で焼成し、導電層
６０１、７０１が露出している面に図１０に示す様に外
部電極１００１を形成して乾燥することで、直方体状の
バルク状圧電体１１０１が形成される。ここでの外部電
極の形成方法は、厚膜プロセスでも薄膜プロセスでも良
いが、膜厚の均一性、密着強度の点で薄膜プロセスの方
が適している。又、ここで、印刷時厚み寸法は、焼成時
に収縮する為、予め収縮率を加味して各層を所望の寸法
より厚く印刷しなくてはならない。この収縮率は、選定
する内部電極材料、圧電材料、焼成条件により異なる
が、約１０〜５０％程度である。

【００１７】ここで、バルク状圧電体１１０１は、焼成
時の収縮バラツキ等により反り、うねり等の変形が発生
してしまい次工程でベース板１０７に加圧、接着する際
の割れ、クラックの原因となる。この為、バルク状圧電
体１１０１の長さは３０〜５０ｍｍが限界となる。本発
明では３０〜５０ｍｍのバルク状圧電体１１０１を複数
個配列する事でラインヘッドを構成することを特徴とし
ている。

【００１８】以下、ラインヘッドの製造工程を説明す
る。

【００１９】上記の様にして製造したバルク状圧電体１
１０１は内部電極材料層６０１、７０１の印刷精度、焼
成バラツキ等で圧電定数等の特性にバラツキが生じる。
この為、予め静電容量等を測定し、クラス別に選別す
る。その後、図１１、図１２に示すように圧電素子１０
１へプリンタ本体からの駆動信号を与える為の配線パタ
ーン１１０２をノズル開口部ピッチと同じピッチで形成
したベース板１０７上にバルク状圧電体１１０１を配
設、接着固定する。ここでの、ベース板１０７の材質
は、圧電素子１０１の振動特性を劣化させない材質、即
ち、材料のヤング率Ｅと材料の密度ρとの積の１／２乗
で表される固有音響インピーダンス （ρ×Ｅ）＾１／２ が圧電素子の固有音響インピーダンスより大きい事が望
ましい。

【００２０】又、本実施例では、ヘッドの小型化、電気
回路の簡素化（遅延回路等を必要としない）を図る為に
ベース板１０７上にバルク状圧電体１１０１を１列に配
列した。

【００２１】又、この時のバルク状圧電体１１０１のノ
ズル配列方向の長さは、バルク状圧電体の境目１１０３
がバルク状圧電体１１０１をピッチ加工するときに無く
なる位置、即ち、バルク状圧電体１１０１の長さＬは、
ノズル配列ピッチＰ、ノズル数ｎとすると、 Ｌ＝Ｐ×ｎ となるように設定しなくてはならない。これは、圧電素
子１０１の部分にバルク状圧電体１１０１を配列すると
きの境目が来てしまうと１圧電素子内で変位特性バラツ
キが生じてしまう。更に、変位特性が異なるために境目
に応力が集中し破壊する恐れがある為である。

【００２２】本実施例では、ノズルピッチ８／３００イ
ンチ、５１２ノズルのラインヘッドを１バルク状圧電体
で６４ノズルずつ８個配置した為、１バルク状圧電体の
長さＬは、以下の通りとした。

【００２３】Ｌ＝８／３００×２５．４×６４ ＝４３．３４９（ｍｍ） ここで、バルク状圧電体の境目３０１の隙間は、切削す
る加工領域幅３０３によって管理しなくてはならない
が、加工歯側面がバルク状圧電体１１０１の側面に僅か
に触れる程度であるとバルク状圧電体１１０１の側面に
チッピングが発生してしまう。この為、バルク状圧電体
の境目３０１の隙間は加工領域幅３０３の１／４以下に
設定するのが望ましい。

【００２４】又、この時、ベース板１０７上の各バルク
状圧電体１１０１は接着時の接着層厚みバラツキ、初期
的なバルク状圧電体１１０１の厚みバラツキによりバル
ク間で高さバラツキが生じてしまう。この高さバラツキ
は、インクの飛翔特性を左右するノズル開口部１０２と
圧電素子１０１とのギャップがバラつくことになる。こ
の問題を回避する為に、本実施例では図１１に示すよう
にバルク状圧電素子１１０１の上面をダイヤモンドブレ
ード１１０４を利用したダイシングソーで上面を研削し
高さを均一にした。他に、高さを均一にする方法として
は、上面研削の他に、上面ラッピングが有効である。

【００２５】ここで、積層型圧電素子の変位量は内部電
極１層にかかる電界強度に比例する為、低電圧で大きな
変位を得る為には、内部圧電材料層厚みを薄くすること
が有効である。しかしながら、最外層も内部電極層と同
様に薄くしていってしまうと各バルク状圧電素子の高さ
バラツキを最外層の厚み以下に抑えていないと上面研削
時に内部電極が露出してしまう。この為、この時のバル
ク状圧電素子１１０１は研削時、或は、ラッピング時に
内部電極６０１、７０１が露出しないように、予め高さ
バラツキ分以上を加味して図１３に示すように、バルク
状圧電体１１０１のノズル開口部側（上部最外層）１３
０１を、或は、図１４に示すようにバルク状圧電体１１
０１の上部最外層１３０１及び圧電素子固定部側１４０
１（下部最外層）を内部圧電材料層より厚くしておくこ
とが望ましい。

【００２６】本実施例では、内部の圧電材料５０２の厚
み３５μｍで、最外層上部１３０１及び、最外層下部１
４０１の厚みは３５μｍのグリーンシートを３枚積層し
１０５μｍとした。この様にグリーンシート製造工程の
簡略化を図るため、内部の圧電材料５０２を積層する出
来る様に、最外層１３０１、及び、１４０１の厚みは内
部の圧電材料層厚みの整数倍に設定する事が望ましい。

【００２７】更に、図２に示すようにベース板の両端に
振動板１０３、隔壁板１０４、ノズルプレート１０５を
積層接着する時の位置合わせ時の基準とする柱１１４の
原料１５０１を図１５、図１６に示すように接着する。
この後、図１７、図１８に示すように、バルク状圧電体
１１０１の外部電極１００１とベース板１０７上の配線
パターン１１０２、コモン電極１２０１とを銀ペースト
等の導電材料１７０１を塗布し導通を取る。この後、図
１９、図２０に示すように配線パターン１１０２に合わ
せてバルク状圧電体を加工して圧電素子１０１、ダミー
圧電素子１１５、基準柱１１４を形成する事でベース板
ユニット１９０１を得る。

【００２８】本実施例では、加工方法としてダイヤモン
ドブレードを利用したダイシングソーを使用した為、圧
電素子１０１の配列加工と基準柱１１４の形成加工を同
時に行うことで基準柱１１４に対する圧電素子１０１が
高精度に配列出来た。又、ベース板１０７を５０〜１０
０μｍ切り込むことで導電材料１７０１を完全に電気的
に分離する事が出来た。

【００２９】次に、図２１に示すようにインク流路板１
０６にベース板ユニット１９０１を挿入し接着剤１１１
で固定し流路板ユニット２１０２を得る。ここで、イン
ク流路板１０６上面と圧電素子１１１上面の平坦度を確
保する為、基台２１０１を使用した。

【００３０】次に、図２２に示すように基台２２０１に
上面に接着剤を塗布した流路板ユニット２１０２を固定
し、基準柱１１４に振動板１０３に予め設けた基準穴を
挿入し位置合わせする。この後、重り２２０２で加圧し
必要に応じて高温雰囲気で接着固定する。ここで、ダミ
ー圧電素子１１５は隔壁板１０４の受けとして残してい
る。この作業を、隔壁板１０４、ノズル開口部１０２を
形成したノズルプレート１０１と繰り返し積層、接着す
る。その後、ＦＰＣ１０８を実装し図１〜図４に示すイ
ンクジェット式印字ヘッドを得る。

【００３１】ここで、プリンタ本体からのドライバ信号
を各圧電素子にＦＰＣ１０８を介して伝達しようとする
とＦＰＣ実装は多ピンの高密度実装が要求される。

【００３２】これを、回避する方式として図２３に示す
ようにベース板にドライバーＩＣ１１２を実装する構造
とした。これによれば、ＦＰＣはドライバーＩＣ駆動用
の信号ラインだけで良くなりＦＰＣ実装が飛躍的に容易
になった。

【００３３】本実施例では、圧電素子１０１は電界方向
と同じ方向の変位を利用したｄ３３方向の積層型圧電素
子を使用した例を示したが、図２４に示すように電界方
向と垂直方向の変位を利用したｄ３１方向圧電素子２４
０１を使用しても良い。

【００３４】

【発明の効果】以上説明してきたように、圧電素子への
駆動信号によりインクがノズル開口部から外部に放出さ
れるようにしたインクジェット式印字ヘッドにおいて、
前記ノズル開口部は、１枚の連続したノズルプレート上
に複数個配列し、前記圧電素子は複数のバルク状圧電体
を加工してノズル開口部に対応するように配置した。こ
の時の、隣接する前記バルク状圧電体の境目を加工領域
とする事で、圧電素子につなぎ目を無くし、かつ、複数
のバルク状圧電体をノズル配列方向に配置した後に、前
記バルク状圧電体のノズル面側を研削、或は、ラップ加
工してノズル開口部と圧電素子とのギャップを管理する
ことにより、多ノズルでも、信頼性が高く、特性バラツ
キの少ない高印字品質のインクジェット式印字ヘッドを
安価に提供出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット式印字ヘッドの構造を
示す上面図。

【図２】本発明のインクジェット式印字ヘッドの構造を
示す図１のＡ−Ａ断面図。

【図３】本発明のインクジェット式印字ヘッドの構造を
示す図２のＣ部拡大図。

【図４】本発明のインクジェット式印字ヘッドの構造を
示す図１のＢ−Ｂ断面図。

【図５】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す断面図。

【図６】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す断面図。

【図７】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す断面図。

【図８】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す断面図。

【図９】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す断面図。

【図１０】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す断面図。

【図１１】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す図。

【図１２】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す断面図。

【図１３】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す断面図。

【図１４】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す断面図。

【図１５】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す図。

【図１６】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す断面図。

【図１７】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す図。

【図１８】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す断面図。

【図１９】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す図。

【図２０】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す断面図。

【図２１】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す断面図。

【図２２】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す断面図。

【図２３】本発明のインクジェット式印字ヘッドの実施
例を示す断面図。

【図２４】本発明のインクジェット式印字ヘッドの実施
例を示す断面図。

【符号の説明】

１０１ 圧電素子 １０２ ノズル開口部 １０３ 振動板 １０４ 隔壁板 １０５ ノズルプレート １０６ インク流路板 １０７ ベース板 １０８ ＦＰＣ １０９ 電極 １１０ インク流路 ３０１ バルク状圧電体の境目 ３０２ インク室 ３０３ 加工領域

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電材料と内部電極材料を交互に積層し
   た複数の圧電素子と、前記圧電素子に対応する複数のノ
   ズル開口部を有するインクジェット式印字ヘッドにおい
   て、 前記圧電素子は、ベース板上に固定された複数のバルク
   状圧電体を、隣接するバルク状圧電体の境目が加工領域
   となる様に加工して前記複数のノズル開口部に対応する
   ように形成され、 前記圧電素子の圧電材料層のベース板側又はノズル開口
   側の厚みは各内部圧電材料層より厚いことを特徴とする
   インクジェット式印字ヘッド。
2. 【請求項２】 前記積層型圧電素子の最外層圧電材料厚
   みは、前記内部圧電材料層厚みの整数倍になっているこ
   とを特徴とする請求項１記載のインクジェット式印字ヘ
   ッド。
3. 【請求項３】 圧電素子への駆動信号によりインクがノ
   ズル開口部から外部に放出されるようにしたインクジェ
   ット式印字ヘッドの製造方法において、前記ノズル開口
   部は、１枚の連続したノズルプレート上に複数個配列さ
   れており、前記圧電素子は複数のバルク状圧電体をノズ
   ル配列方向に配置した後に前記バルク状圧電体のノズル
   面側を研削加工することを特徴とするインクジェット式
   印字ヘッドの製造方法。
4. 【請求項４】 前記圧電素子は複数のバルク状圧電体を
   ノズル配列方向に配置した後に前記バルク状圧電体のノ
   ズル面側をラップ加工することを特徴とする請求項３記
   載のインクジェット式印字ヘッドの製造方法。