JP3175449B2 - 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
タに用いるインクジェット式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３０〜５０（ｍｍ）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号公報に示されている様な、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
に本発明のインクジェット式印字ヘッドは、ノズル開口
部を有するノズルプレートと、前記ノズル開口部と連通
するインク室を区画する隔壁板と、前記インク室の壁面
を構成する振動板とを積層して構成された流路構成ユニ
ットと、前記振動板を変形させるための圧電素子を前記
複数のインク室に対応するようにベース板に固定したベ
ース板ユニットとを備えたインクジェット式印字ヘッド
において、前記インク室にインクを供給するためのイン
ク流路は、前記ベース板ユニット及び前記振動板を固定
する支持部材と、この支持部材及び前記流路構成ユニッ
トを支持するフレーム部材とにより構成されていること
を特徴とする。

【００１０】また、前記ノズルプレートにスリットを形
成したことを特徴とする。また、前記ベース板ユニット
及び支持部材が複数配設されていることを特徴とする。

【００１１】

【００１２】

【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。

【００１３】図１〜図４に於いて、インクはフレーム部
材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。

【００１４】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、固着され、支持部材
１２０に挿入され、接着剤１１９で固着されている。こ
こで、圧電素子１０１は、ＦＰＣ１０８を介したプリン
タ本体からの電気信号による伸縮運動により、インク室
３０２を加圧し、ノズル開口部１０２よりインクを吐出
する。

【００１５】図５に於て、加工前の圧電体、即ち、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〜
５０（ｍｍ）が限界となる。本発明では３０〜５０（ｍ
ｍ）のバルク状圧電体１１０１を配置したベース板ユニ
ットを複数個配列する事でインクジェット式印字ヘッド
を構成することを特徴としている。

【００１６】以下、ヘッドの製造工程を説明する。

【００１７】まず、図６と、図６の断面図である図７に
示すように、ドライバーＩＣから圧電素子１０１への駆
動信号を与えるノズル開口部ピッチと同じピッチで形成
した圧電素子駆動用配線パターン１１０２と、プリンタ
本体からドライバーＩＣに駆動信号を与える為のＩＣ駆
動用配線パターン１１０３と、共通電極１２０１を形成
したベース板１０７上のＩＣ実装部１１０１に図８と図
８の断面図である図９に示すようにドライバーＩＣ２０
２をワイヤーボンディング方式、フリップチップ方式等
で実装した後、モールド材１４０１で保護をする。

【００１８】この後、図１０と図１０の断面図である図
１１に示すように、ベース板１０７上にバルク状圧電体
１１０１を配設、接着固定した後バルク状圧電体１１０
１とベース板上の配線パターンとを電気的に接続する為
に導電材料１５０２を塗布する。

【００１９】ここで、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、この時のバルク状圧電体１１０１のノ
ズル配列方向の長さｌは、１個のドライバーＩＣの出力
ビット数をｎ、圧電素子１０１配列ピッチＰとすると、 ｌ＝Ｐ＊ｎ とするのが望ましい。

【００２１】これは、１ベース板上のドライバーＩＣ出
力ビット数ｎと圧電素子数が異なるとベース板間で各圧
電素子への電気的導通の確保が必要になる為で、この時
のベース板間での電気的な導通は、配線が高密度になっ
てしまい困難なものとなる。

【００２２】この為、本実施例では、ノズルピッチ８／
３００インチ、３２０ノズルのラインヘッドを１ドライ
バーＩＣで６４ビットずつ５個配置する事とした。本ラ
インヘッドは、紙を固定したドラムを回転させながら、
ヘッドを長手方向に１／６００インチずつ１６回移動さ
せることで６００ｄｐｉのラインを１行形成している。

【００２３】ここで、ベース板１０７とバルク状圧電体
１１０１の張り合わせ精度を考慮し、１バルク状圧電体
の長さｌは、 ｌ＞８／３００＊２５．４＊６４ ＝４３．３４９（ｍｍ） を満たすｌ＝５０（ｍｍ）とし、後工程で、図１２に示
すようにベース板１０７とバルク状圧電体１１０１の両
端を圧電素子列形成時に同時にカットする事でベース板
１０７の端面からの圧電素子１０１の位置精度を確保し
ている。即ち、カット後の長さｌは、ｌ＝４３．３４９
（ｍｍ）となっている。

【００２４】この後、図１２と図１２のＤ部拡大図であ
る図１３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を形成する事でベース板ユニット１９０１
を得る。又、ベース板１０７を５０〜１００（μｍ）切
り込むことで導電材料１５０２を完全に電気的に分離す
る事が出来た。

【００２５】この後、支持部材１２０にベース板ユニッ
ト１９０１を図１４に示す様に挿入し、接着剤で固着す
る。ここで、圧電素子１０１は先にも述べたように、内
部電極を厚膜印刷した焼成体であるため内部電極印刷精
度、焼成状態、製造ロットにより特性にバラツキを生じ
る。この為、ベース板ユニット毎に、バルク状圧電体を
加工した後の各圧電素子１０１の変位特性を測定し、予
め設定された数段階のクラスに変位特性別に分類した。
この後、同じクラスのベース板ユニットを配列する事で
１つのヘッドを構成した。この事で、従来、静電容量等
の代用値で行っていた事前検査が、ベース板に固定され
た圧電素子の変位という、インク吐出特性を左右する直
接的な要因で管理出来た。これにより、ユニット間での
変位特性を精度良く揃える事が出来た為、インク吐出特
性が１ヘッド内で安定し、印字品質に優れたインクジェ
ット式印字ヘッドを得ることが出来た。

【００２６】ここで、本実施例では、先にも述べたがベ
ース板１０７の端面から各圧電素子１０１の位置精度を
確保する為、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でベース板端面とバルク状圧電体
端面を同時に加工し基準面１９０２を設けた。ここで、
ダイシング加工の切込み可能深さｌ2には限界があるの
で、基準面１９０２を作るベース板両端は図６に示すよ
うに凸形状とした。

【００２７】又、ベース板１０７上の圧電素子１０１
は、各バルク状圧電体１１０１の接着時の接着層厚みバ
ラツキ、バルク状圧電体１１０１の初期的形状等により
バルクが斜めに接着されたり、ベース板ユニット１９０
１が斜めに挿入されることにより、圧電素子１０１に高
さバラツキ（段差）を生じる恐れがある。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１０
２と圧電素子１０１とのギャップがバラつく原因にな
る。この問題を回避する為に、本実施例では圧電素子１
０１上面を支持部材１２０と共にダイヤモンドブレード
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。本方式によれ
ば、圧電素子列の周囲は支持部材により保護されている
ためベース板ユニット単体で加工するよりも圧電素子の
破損を少なく抑えることが出来た。この後、図１５に示
すようにフレーム部材１０６に上記を挿入、固着する。

【００２８】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１６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１７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。

【００２９】本実施例では、内部の圧電材料５０２の厚
み３５（μｍ）で、最外層上部１３０１及び、最外層下
部１４０１の厚みは３５（μｍ）のグリーンシートを３
枚積層し１０５（μｍ）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
を積層する事が出来る様に、最外層１３０１、及び、１
４０１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。

【００３０】又、本構造のインクジェット式印字ヘッド
で、ノズル間で安定したインク吐出特性を得るために
は、ノズルプレート１０５と振動板１０３とのギャップ
は数μｍの精度が要求される。ここで、支持部材１２０
と振動板１０３との接合面は、振動板１０３を支える基
準面である為、支持部材１２０の接合面は数μｍの面精
度を出さなければならない。

【００３１】支持部材１２０にステンレス等の金属材料
でしか耐インク性を確保出来ないインクを使用する場
合、数ｍｍの厚みを持った金属板のプレス成形法等では
上記の精度を満足することが出来ない。この場合、ステ
ンレス等の金属材料を切削加工した後に表面ラップをす
る必要が生じ、コスト的に非常に高価なものになってし
まう。又、ヘッド自体も重くなってしまいプリンタとし
ても高価なものとなってしまう問題点が生じた。

【００３２】そこで、本発明はインク室に対応しインク
吐出に寄与するベース板ユニットを固定している支持部
材１２０（精度を要求する部分）とインク吐出にほとん
ど関与しないフレーム部材１０６（比較的精度を要求し
ない部分）とを別部材で構成している。支持部材１２０
は、加工変形がしにくく寸法精度、面精度が出し易いセ
ラミクス材料で構成し、フレーム部材は、プラスッチッ
ク材料を使用した。本構造によれば、精度を要求する部
材の材料体積を小さく出来、更にフレーム部材をプラス
チックで構成出来、更に、図４に示すように、ステンレ
ス等の金属箔の振動板１０３で支持部材１２０とフレー
ム部材１０６を覆う構造とした。この為、インクが直接
支持部材１２０、フレーム部材１０６に触れないため耐
インク性に優れ、インク汎用性の高い、安価なプリンタ
を実現できた。又、本構造はセラミックとプラスチック
の熱膨張の差を接着剤１１９で吸収出来たため信頼性の
高い印字ヘッドを実現できた。

【００３３】次に、隔壁板１０４、ノズル開口部１０２
を形成したノズルプレート１０５を圧電素子１０１の位
置に対応させて積層、接着する。ここで、フレーム部材
１０６はプラスチックで製造した為部分的に変形が発生
してしまう。この時、支持部材１２０とフレーム部材１
０６の隔壁板１０４接着側に部分的に段差が発生する。
こうなると、隔壁板１０４、ノズルプレート１０５が変
形し継続的に接着部に応力がかかり、接着部に剥離が発
生する。これを回避する策として本発明は、図４に示す
ように、ノズルプレート１０５、隔壁板１０３の両方に
スリットを設けたり、図２３に示すように隔壁板１０４
のみにスリット１２１を形成し、接着後にスリット部か
らのインク漏れた防止するカバー１２２を接着した。こ
れにより、接着部にかかる応力を緩和出来、信頼性の高
い印字ヘッドを実現できた。

【００３４】その後、ベース板１０７上に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。

【００３５】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
図１８に示すようにノズル列２７０１を１列配列とした
が図１９に示すようにベース板ユニット毎に第１のノズ
ル列２８０１、第２のノズル列２８０２と千鳥配列にす
る事も可能である。この構造であっても、本発明はノズ
ルプレートを１枚で構成している為、ベース板ユニット
の境目のノズル位置精度はノズルプレート製造時に保証
される為、縦筋の発生しない高印字品質のインクジェッ
トヘッドを得る事が出来る。図２５に図１９のヘッド断
面図を示した。

【００３６】又、本実施例ではベース板上へのＩＣ実装
方法としてワイヤーボンディング方式、フリップチップ
方式を紹介したが、図２０に示すようにＴＡＢ（Ｔａｐ
ｅＡｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）方式で実装し
たＴＡＢユニット２９０１をベース板１０７に接続する
構造をとっても良い。ＴＡＢ方式はＩＣ実装時点での検
査が容易な為、製造歩留まりの向上が期待できる。

【００３７】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１０１を使用した例を示したが、本発明は、これに限
定されるものではなく、図２１に示すように電界方向と
垂直方向の変位を利用したｄ３１方向の変位を利用した
圧電素子９０１や、駆動信号によりインク吐出発生力を
生じる圧力発生部材であれば同等の効果を有する事が出
来る。

【００３８】又、図２２では、インク供給を片側にした
例を、図２４では振動板１０３を筒状に折り曲げてノズ
ルプレート１０５と接合する事で、隔壁板１０４とノズ
ルプレート１０５の面積を小さくし隔壁板１０４とノズ
ルプレート１０５製造時のマスターシートからの取り数
を増やすことでコストダウンを図った例を示した。

【００３９】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明に於い
て、ノズル開口部を有するノズルプレートと、前記ノズ
ル開口部と連通するインク室を区画する隔壁板と、前記
インク室の壁面を構成する振動板とを積層して構成され
た流路構成ユニットと、前記振動板を変形させるための
圧電素子を前記複数のインク室に対応するようにベース
板に固定したベース板ユニットとを備えたインクジェッ
ト式印字ヘッドにおいて、前記インク室にインクを供給
するためのインク流路は、前記ベース板ユニット及び前
記振動板を固定する支持部材と、この支持部材及び流路
構成ユニットを支持するフレーム部材とで構成すること
により、精度が要求される部分（支持部材）の体積を小
さくし、複数の圧電素子を容易に高密度に配列すること
を可能としたため、複数の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た。

【００４０】

【００４１】

【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部詳細断面図。

【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圧電素
子を示す断面図。

【図６】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す上面図。

【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
程を示す上面図。

【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
工程を示す上面図。

【図１１】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す断面図。

【図１２】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す上面図。

【図１３】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す上面図。

【図１４】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す斜視図。

【図１５】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す斜視図。

【図１６】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１７】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１８】本発明のインクジェット式印字ヘッドの実施
例を示す上面図。

【図１９】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す上面図。

【図２０】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す上面図。

【図２１】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２２】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。

【図２５】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 フレーム部材 １０７ ベース板 １０９ 電極 １１０ インク流路 １２０ 支持部材

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズル開口部を有するノズルプレート
   と、前記ノズル開口部と連通するインク室を区画する隔
   壁板と、前記インク室の壁面を構成する振動板とを積層
   して構成された流路構成ユニットと、前記振動板を変形
   させるための複数の圧電素子を前記複数のインク室にそ
   れぞれ対応するようにベース板に固定したベース板ユニ
   ットとを備えたインクジェット式印字ヘッドにおいて、 前記インク室にインクを供給するためのインク流路は、
   前記ベース板ユニット及び前記振動板を固定する支持部
   材と、この支持部材及び前記流路構成ユニットを支持す
   るフレーム部材とにより構成されていることを特徴とす
   るインクジェット式印字ヘッド。
2. 【請求項２】 前記ノズルプレートにスリットを形成し
   た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】 前記ベース板ユニット及び支持部材が複
   数配設された請求項１記載のインクジェット式印字ヘッ
   ド。