JP3381791B2 - 積層型インクジェット記録ヘッドの圧力発生ユニットの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ノズル開口に連通する
圧力室の一部領域に圧電振動子を設け、この圧電振動子
により圧力室を圧縮してインク滴を発生させる記録ヘッ
ド、より詳細にはインクを加圧する圧力発生ユニットを
製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧力室を構成している振動板の一部領域
に圧電振動板を張設し、圧電振動板の変位により圧力室
の容積を変化させてインク滴を発生させるインクジェッ
ト式記録ヘッドは、圧力室の広い面積を変位させること
が可能なため、インク滴を安定して発生させることがで
きるという特徴を備えている。しかしながら振動板の変
位方向に直角な方向にインク滴を飛翔させるため、記録
用紙の紙面に垂直な方向のサイズが大きくなり、キャリ
ッジ等が大型化するという問題を抱えている。このよう
な問題を解消するために振動板を含む圧力発生部材、及
びインク流路形成部材を積層構造により構成して、振動
板の変位方向に平行にノズル開口を設けて薄型化を図っ
たインクジェット記録ヘッドが提案されている（特開昭
62-111758号公報）。このような積層構造を取ると、小
型化を図れるばかりでなく、プレス加工やエッチング加
工された板材を接着するとい簡単な方法が適用できるた
め、製造工程の簡素化を図ることが可能となる。しかし
ながら、各板材の接着を接着剤に頼っている関係上、微
細な小孔への接着剤の流れ込みによる流路抵抗の変動に
よる信頼性の低下を招いたり、振動板への圧電振動子の
取り付けを、接着剤や、エッチングやレーザー加工に頼
っているため、手間がかかるという問題を抱えている。
このような問題を解消するために半固化状態のセラミッ
ク板を所要の形状に加工して流路部材と、圧電振動子を
形成し、これらを積層して焼成することにより、圧電振
動子の取り付け作業を不要としたインクジェット記録ヘ
ッドも提案されている（特開昭63-149159号公報）。し
かしながら、これは前述したように振動板の変位方向に
直角な方向にノズル開口を設けたもので、記録ヘッドの
薄型化するためには適用できない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこれらの問題
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、流路を形成する部材や圧電振動子の接着作業をなく
して製造工程の簡素化を図ることができる薄型のインク
ジェット式記録ヘッドに適した圧力発生ユニットの製造
方法を提案することである。

【０００４】

【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、表面に圧電振動子が圧力室
に対応して形成される振動部材となるセラミックのグリ
ーンシートからなる第１の板材と、前記圧力室を形成す
る複数の通孔を有するセラミックのグリーンシートから
なる圧力室形成部材と、リザーバと前記圧力室との流路
を形成する通孔及び前記圧力室とノズル開口とを接続す
る通孔を有するセラミックのグリーンシートからなる第
２の板材とを積層して焼成により一体に接合するように
した。

【０００５】

【作用】圧力室など加圧流路を形成する複数の板材や圧
電振動子の接合を焼成により達成でき、接着作業を不要
として製造工程の簡素化を図ることができる。

【０００６】

【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１、２は本発明の一実施例を示
す断面図と、その分解斜視図であって、図中符号１は、
圧力室形成部材で、圧力室を形成するのに適した厚さ、
例えば１５０μｍのジルコニア（ＺｒＯ2）などのセラ
ミック板に、図４に拡大して示したように長軸側の端部
が丸く形成された長丸矩形状の圧力室２、２、２‥‥の
形状に一致し、一端が図３に示したようにリザーバ２１
に重なり、また他端がノズル開口３１に重なる長孔
２’、２’、２’‥‥を一定ピッチで穿設して構成され
ている。４は、圧力室形成部材１の一方の面に固定され
る振動板で、圧力室形成部材１と一体に焼成したとき相
性が良く、しかも弾性率の高い材料、この実施例では圧
力室形成部材と同様に厚さ１０μｍのジルコニアの薄板
で構成され、これの表面には図４に示したように圧力室
２に対応させて圧電振動子７の駆動信号印加電極５と、
後述する共通電極の引出電極６が設けられている。

【０００７】７は、前述の圧電振動子で、駆動信号印加
電極５を覆い、図４に示したように圧力室２の長手方向
の長さとほぼ等しく、また幅が小さなサイズのＰＺＴ等
の圧電振動材料の薄板からなり、長手方向を軸とするよ
うに幅方向に湾曲するモードで振動するように構成され
ている。これら圧電振動子７、７、７‥‥、及び引出電
極６の表面は、図５、及び図６に示したように共通電極
８がスパッタリングなどの膜形成法により作り付けられ
ている。この結果、各圧電振動子７は振動板４側が駆動
信号印加電極５に、また表面側が共通電極８に接続され
ることになる。また、圧電振動子７は、図６に見られる
ように駆動信号印加電極５の幅よりも広く、かつ幅方向
の両端からそれぞれ若干Ｗ、Ｗ’張り出すように形成さ
れている。

【０００８】１０は、振動板４と協同して圧力室２を形
成する蓋部材で、圧力室形成部材１と一体に焼成したと
き相性が良い材料、この実施例では厚さ１５０μｍのジ
ルコニアの薄板からなり、後述するノズル開口３１と圧
力室２を接続する通孔１１と、リザーバ２１と圧力室２
を接続する通孔１２を穿設して構成されている。これら
各部材１、４、１０は、それぞれ一体に固定されて圧力
発生ユニット１５としてまとめ上げられている。

【０００９】２０は、流路ユニット３５を構成するリザ
ーバ形成部材で、インク流路を構成するに適した例えば
１５０μｍのステンレス鋼などの耐蝕性を備えた板材
に、リザーバ２１を形成する略Ｖ字状の通孔２１’と、
圧力室２とノズル開口３１を結ぶ連通路となる通孔２２
を穿設して構成されている。リザーバ２１となる通孔２
１’は、インク供給口部材２４から各圧力室２、２、２
‥‥の端部に平行に伸びるように構成されている。すな
わち、ノズル開口列を２列備える本実施例においては、
インク供給口部材２４を先端として「Ｖ」字状に分岐し
て、各枝から圧力室２、２、２‥‥に至る直線状の流路
が構成されている。

【００１０】２６は、前述のリザーバ形成部材２０の一
方に固定されるインク供給部材で、圧力室２とノズル開
口３１を接続する通孔２７や、リザーバ２１と圧力室２
とを接続する通孔２を穿設するとともに、図示しないイ
ンクタンクと接続するインク供給口形成部材２４を表面
に固定して構成されている。

【００１１】３０は、スペーサ部材の他方の面に固定さ
れたノズルプレートで、直径４０μｍのノズル開口を穿
設するのに適した厚さ６０μｍのステンレス鋼板からな
り、圧力室２に対向する位置にノズル開口３１，３１‥
‥が設けられている。これら部材２０，２６，３０は、
それぞれ接着剤や溶着等により一体に積層されて流路ユ
ニット３５としてまとめ上げられている。そしてこれら
部材２０，２６，３０は金属により構成されているた
め、内部にリザーバ形成用の大きな通孔２１’を有する
としても、十分な接着強度を得るための圧力を加えても
食い込みや、変形を生じることがなく、高い精度寸法精
度を維持して層状にまとめあげることができる。

【００１２】そしてこれら圧力発生ユニット１５と流路
ユニット３５は、その対向する面、つまり蓋部材１０と
インク供給部材２６との接触面に接着剤を塗布して一体
に固定されて記録ヘッドに構成される。これにより、圧
力室２は、蓋部材１０の通孔１２とインク供給部材２６
の通孔２８を介してリザーバ２１に、及び蓋部材１０の
通孔１１とインク供給部材２６の通孔２７とリザーバ形
成部材２０の通孔２２を介してノズル開口３１に接続さ
れることになる。

【００１３】図７，図８は、それぞれ本発明の積層型イ
ンクジェット式記録ヘッドの表側、及び裏側の構造を示
すものであって、表側にはノズル開口３１，３１，３１
‥‥が２列一定の間隔を隔てて配列されており、また、
裏面側には流路ユニット３５に一体に圧力発生ユニット
１５が固定されていて、各圧電振動子７，７，７‥‥に
電気信号を伝達するケーブル３７が接続されている。

【００１４】この実施例において、圧電振動子７の１つ
に駆動信号を印加すると、圧電振動子７が図９示したよ
うに長手方向を軸とするように幅方向に湾曲し、振動板
４を圧力室側に変形させる。これにより圧力室２の容積
が縮小してここに存在するインクに圧力が印加されるこ
とになる。圧力室２のインクは、蓋部材１０の通孔１１
からインク供給部材２６の通孔２７、流路ユニット３５
のリザーバ形成部材２０の通孔２２を通ってノズルプレ
ート３０のノズル開口３１に移動し、ここからインク滴
となって飛び出す。

【００１５】ところで、圧力室２とノズル開口３１とを
接続する流路は、蓋部材１０、インク供給部材２６、及
びリザーバ形成部材２０に穿設した通孔１１、２７、２
２により構成されいて、ノズル開口側の口径が段階的に
小さくなっているため、圧力室の気泡が流路に侵入し難
くなっている。なお、圧力室２のインクは通孔１２、２
８を通ってリザーバ２１にも流れ込むが、通孔２８の口
径が小さいため、インク滴の飛翔に影響を与える程度に
までは圧力の損失はない。

【００１６】駆動信号の印加が解除されて圧電振動子７
が元の形状に復帰すると、圧力室２の容積が膨張して圧
力室２に陰圧が生じる。この結果、通孔２８，１２を通
ってリザーバ２１から圧力室２に、消費分に相当するイ
ンクが補給される。また圧力室２に発生した陰圧は、ノ
ズル開口３１にも作用するが、ノズル開口３１，３１，
３１‥‥に生じているメニスカスによりインクが圧力室
側に後退するのが阻止されてリザーバ２１からのインク
吸引に有効に作用する。

【００１７】そして、流路ユニット３５と圧力発生ユニ
ット１５は、３０μｍ程度の高分子材料製の接着剤の薄
い層を介して接続されているため、温度変化による両ユ
ニットの熱膨張差が生じたとしても、熱膨張差は接着層
により緩衝されてノズルプレートに歪みを生じさせるこ
とがなく、印刷品質の低下が接着層により防止される。

【００１８】次に上述した記録ヘッドの製造方法を図１
０に基づいて説明する。焼成したとき圧力室２を形成す
るのに適した厚みを備えたセラミック材料、この実施例
ではジルコニアの粘土状薄板、いわゆるグリーンシート
４０に、圧力室を形成すべき位置をプレスにより打ち抜
いて通孔４１，４１‥‥を穿設した第１のシートを用意
する。同様に蓋部材１０を形成するのに適した厚みのジ
ルコニアのグリーンシートにリザーバ２１とノズル開口
３１との連通孔となる通孔４３，４４をプレスにより穿
設した第２のシート４２を用意する。

【００１９】第１のシート４０を挟むように第２のシー
ト４２と、振動板４に適した厚みのジルコニアのグリー
ンシートからなる第３のシート４５とをサンドイッチ状
に積層して、均一な圧力を加えて３枚を粘着させた状態
で乾燥させる。この乾燥工程により３枚のシート４０，
４２，４５が仮接着されて半固化状態となる。ついで温
度、例えば１０００°Ｃで、反りを防止できる程度の圧
力を加えながら焼成する。これにより、各シートがセラ
ミックに変化し、同時に各シートの境界面では焼結作用
により３枚のシートが元から１枚のシートで構成されて
いたかのように一体となる（図１０ Ｉ）。

【００２０】いうまでもなく、圧力室形成部材となる第
１のシート４０には圧力室となる通孔４１が穿設されて
いるとしても、この通孔４１の横幅が極めて小さいた
め、仮接着時に振動板や蓋部材となる第３、第２のシー
ト４５、４２に無用な変形を起こさせることなく、この
通孔４１の部分に適当に圧力が集中して振動板、及び蓋
部材となるシート４５、４２を第１のシート４０に焼結
させる際に寄与し、圧力室の容積を設計基準通りに仕上
げるのに役立つ。

【００２１】焼成により各シート４０、４２、４５はそ
れぞれ圧力室形成部材５０、蓋部材５１、振動板５２と
して機能するようになる。この状態で振動板５２の表面
に圧力室５３の位置と、共通電極引出端子の位置に導電
ペーストを厚膜印刷法により形成して乾燥させる。つい
で圧力室５３の形状に合わせて通孔を形成したマスクを
用いて粘土状の圧電材料を厚膜印刷する。振動子構成材
料の焼成に適した状態に乾燥した時点で、圧電振動子及
び電極を焼成するのに適した温度、例えば１０００乃至
１２００°Ｃ程度で全体を加熱する。これにより各圧力
室５３に圧電振動子５４を形成することができる（図１
０ ＩＩ）。そして圧電振動子５４を形成した段階で、
共通電極引出端子、及び圧電振動子５４を覆うように導
電材料の層をスパッタリング等の膜形成手法により形成
すると、振動板、圧力室形成部材、及び蓋部材を同一材
料であたかもブロックとして構成したような圧力発生ユ
ニットが完成する。

【００２２】一方、所定の厚みを備えた金属板材に連通
孔２７や流路制限孔２８に対応する通孔６１，６２をプ
レスにより穿設したインク供給部材６０と、リザーバ２
１や連通孔２２となる通孔６４，６５をプレスにより穿
設したリザーバ形成部材６６と、ノズル開口３１となる
通孔６８をプレスにより穿設したノズルプレート６９を
用意し、図１１に示したように部材６０，６６，６９間
に，各部材の通孔６１，６２，６４，６５，６８を塞が
ない程度の接着代を見込んだ通孔７０，７０，‥‥、７
１、７２，７２，７２‥‥、７３を穿設した接着フィル
ム７５，７６を介装して熱圧着して流路ユニットを構成
する（図１０ ＩＩＩ）。

【００２３】このようにして構成された圧力発生ユニッ
トと流路ユニットとの接合面に図１２（イ）したように
一方のユニット、例えば流路ユニットのインク供給部材
６０の表面に、接着剤を塗布したり、熱溶着フィルムに
より接着剤層８０を形成して（図１０ ＩＶ）、これに
圧力発生ユニットの蓋部材５１を、その通孔５６，５７
が同心円状に位置するように位置合わせして接合すると
（図１０ Ｖ）、流路ユニットと圧力発生ユニットとの
間に異種材料間の熱膨張差を吸収する緩衝材となる接着
層８１を介した記録ヘッドが完成する。なお、接着剤層
８０は、２つの被接合部材から圧力を受けると横に広が
るため、通孔外周に接着剤を塗布しない領域８２を設け
て、蓋部材５１とインク供給部材６０の通孔に流れ込む
のを防止されている。

【００２４】この実施例によれば圧力発生部材を金属に
比較して密度の小さなセラミックにより構成しているか
ら、減衰度が大きく隣接する圧電振動子から伝搬してく
る振動を可及的に減衰させることができ、クロストーク
を防止することができる。また、振動により常に変形を
受ける部材が中間に異材を介することなく一体に構成で
きるため、接合不良に起因するインク漏れを確実に防止
することができる。さらには圧力発生ユニットの基体
と、振動発生ユニットを構成するセラミックをそれぞれ
に適した温度で焼成することができるため、信頼性の向
上を図ることができる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、圧
力室など加圧流路を形成する複数の板材や圧電振動子の
接合を焼成により達成でき、接着作業を不要として製造
工程の簡素化を図ることがで

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面図である。

【図２】本発明の一実施例を示す分解斜視図である。

【図３】圧力室の相対位置関係を示す図である。

【図４】圧電振動子の取り付け位置を示す図である。

【図５】圧電振動子と各電極との位置関係を示す斜視図
である。

【図６】振動板に取り付けられた圧電振動子の構造を図
５の線Ａ−Ａの断面で示す図である。

【図７】本発明の積層型インクジェット記録ヘッドの概
観を示す斜視図である。

【図８】本発明の積層型インクジェット記録ヘッドの裏
面構造を示す斜視図である。

【図９】同図（イ）（ロ）は、同上記録ヘッドのインク
滴発生時の状態を長手方向の断面と、幅方向（線Ｂ−
Ｂ）の断面とで示す断面図である。

【図１０】同図（Ｉ）乃至（Ｖ）は、それぞれ本発明の
積層型インクジェット記録ヘッドの製造方法を示す図で
ある。

【図１１】流路ユニットを構成する各板の接着工程を示
す図である。

【図１２】同図（イ）（ロ）は、それぞれ流路ユニット
と圧力発生ユニットとを接着する接着層を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 圧力室を形成するスペーサ部材 ２ 圧力室となる通孔 ４ 振動板 ５ 信号印加電極 ６ 共通電極引出電極 ７ 圧電振動子 ８ 共通電極

───────────────────────────────────────────────────── 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】 表面に圧電振動子が圧力室に対応して形
   成される振動部材となるセラミックのグリーンシートか
   らなる第１の板材と、前記圧力室を形成する複数の通孔
   を有するセラミックのグリーンシートからなる圧力室形
   成部材と、リザーバと前記圧力室との流路を形成する通
   孔及び前記圧力室とノズル開口とを接続する通孔を有す
   るセラミックのグリーンシートからなる第２の板材とを
   積層して焼成により一体に接合する積層型インクジェッ
   ト記録ヘッドの圧力発生ユニットの製造方法。
2. 【請求項２】 前記焼成の後、導電材料のペースト、及
   び圧電材料を塗布して焼成し、前記圧電振動子を形成す
   る工程を含む請求項１に記載の積層型インクジェット記
   録ヘッドの圧力発生ユニットの製造方法。