JP3693923B2

JP3693923B2 - 液滴噴射装置

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Publication number: JP3693923B2
Application number: JP2001005179A
Authority: JP
Inventors: 馨樋口; 宏次的場; 泰宏坂本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2021-01-12
Also published as: JP2002210954A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電部材に形成されたインク流路の容積を変化させることにより、インクを噴射する液滴噴射装置の改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の液滴噴射装置としては、例えば特開昭６３−２５２７５０号公報あるいは特開平２−１５０３５５号公報に記載されているように、インクを加圧することのできる流路が並列に多数並んだ構造のインクジェットプリンタヘッドが提案されている。
【０００３】
上記に示す従来技術は、比較的簡単な構造で高密度のノズルを持つインクジェットプリンタヘッドを実現できる点で優れた技術であるが、多数の溝からなる流路を高密度に形成し、それぞれの溝から電気的配線を行う必要から実用的には特に製造上の問題点を有していた。
【０００４】
これらを解決する方法として、特開平４−３０７２５４号公報あるいは特開平６−２１８９１８号公報又は特開平６−２１８９３４号公報に記載されているように、溝からなる流路の一方の端部をハンダ材、メッキもしくは導電性部材により封止し、該封止部材を用いて電気的配線を行う方法を提案している。
【０００５】
従来技術について、図１２乃至１５を用いて説明する。
図１２に示すように、インクジェットプリンタヘツド１は、圧電プレート２７とカバープレート３とノズルプレート３１と基板４１とから構成されている。圧電プレート２７は、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミックス材料によって形成されている。そして、その圧電プレート２７は分極方向５の方向に分極処理されている。
【０００６】
また、圧電プレート２７には、ダイヤモンドカッティング円盤の回転による切削加工等によって、溝８が複数形成されている。それらの溝８は同じ深さであり、かつ平行である。また、その溝８の側面となる側壁１１は前記分極処理により矢印５の方向に分極されている。
【０００７】
また、溝８の側面の内面には、蒸着法により、金属電極１３が形成されている。その金属電極１３の形成時には、図１３に示すように、圧電プレート２７は、図示しないターゲットまたは蒸着源からの矢印で示す蒸気放出方向に対して傾斜して配置される。そして、蒸気が放出されると側壁１１のシャドー効果により、溝８の側面の上半分及び側壁１１の上面に金属電極１３，１０が形成される。
【０００８】
次に、圧電プレート２が１８０度回転されて、同様にして、金属電極１３，１０が形成される。こうして、溝８の両側面の上半分及び側壁１１の上面に金属電極１３，１０が形成されている。その金属電極１３，１０には、アルミニウム、ニッケル等が用いられる。
【０００９】
次に、導電性部材２６がディスペンサー２５により溝８に埋め込まれる（図３参照）。その後、導電性部材２６には、図示しない装置により熱が加えられ、その熱により固化する。その導電性部材２６は圧電プレート２７の端部１５付近に形成される。また、導電性部材２６は溝８の深さ全部を満たしている。その後、導電性部材２６の余剰部分及び側壁１１の上面の金属電極１０がラッピング等によって取り除かれる。
【００１０】
次に、図１２に示すカバープレート３は、セラミックス材料または樹脂材料等から形成されている。そして、カバープレート３には、研削または切削加工等によって、インク導入口２１及びマニホールド２２が形成されている。
【００１１】
そして、図１４の溝１１部での断面形状に示すように圧電プレート２７の溝８加工側の面とカバープレート３のマニホールド２２加工側の面とがエポキシ系等の接着剤４によって接着される。従って、インクジェットプリンタヘッド１には、溝８の上面が覆われて、横方向に互いに間隔を有する複数のインク流路１２が構成される。そして、全てのインク流路内１２には、インクが充填される。
【００１２】
圧電プレート２７及びカバープレート３の端面に、各インク流路１２の位置に対応した位置にノズル３２が設けられたノズルプレート３１が接着されている。このノズルプレート３１は、ポリアルキレン（例えばエチレン）、テレフタレート、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネイト、酢酸セルロース等のプラスチックによって形成されている。
【００１３】
そして、圧電プレート２７の溝８の加工側に対して反対側の面には、基板４１が、エポキシ系接着剤等によって接着されている。その基板４１には各インク流路１２に対応した位置に導電層のパターン４２が形成されている。その導電層のパターン４２と導電性部材２６とは、ワイヤボンディング等によって電気的に接続される。
【００１４】
従って、溝８の一側面の金属電極１３と他側面の金属電極１３とが導電性部材２６によって電気的に接続される。このため、導電性部材２６に電圧が印加されると、導電性部材２６を通して溝８の両側面の金属電極１３に電圧が同時に印加され、同時に溝８の両側面である側壁１１が溝８の内部方向に変形してインク滴が噴出される。
【００１５】
図１４，図１５によって、インクジェットプリンタヘッド１の動作を説明すると、図示しない駆動制御回路が、所要のデータに従って、インクジェットプリンタへツド１のインク流路１２ｂからインクの噴出を行なうと判断する。すると、そのインク流路１２ｂに対応する導電層パターン４２及び導電性部材２６を介して金属電極１３ｅと１３ｆとに正の駆動電圧Ｖが印加され、金属電極１３ｄと１３ｇとが接地される。
【００１６】
図１５に示すように、側壁１１ｂには矢印１４ｂの方向の駆動電界が発生し、側壁１１ｃには矢印１４ｃの方向の駆動電界が発生する。すると、駆動電界方向１４ｂ及び１４ｃは、分極方向５と直交しているため、側壁１１ｂ及びｌ１ｃは、圧電厚みすべり効果により、この場合、インク流路１２ｂの内部方向に急速に変形する。この変形によって、インク流路１２ｂの容積が減少してインク圧力が急速に増大し、圧力波が発生して、インク流路１２ｂに連通するノズル３２からインク滴が噴射される。
【００１７】
また、駆動電圧Ｖの印加が停止されると、側壁１１ｂ及び１１ｃが変形前の位置に徐々に戻るためインク流路１２ｂ内のインク圧力が徐々に低下する。すると、インク供給口２１からマニホールド２２を通してインク流路１２ｂ内にインクが供給される。
【００１８】
このように、インク滴を噴出するために、溝８の両側面となる２つの側壁１１の中央部分を溝８の内部方向に同時に変形させるようにしている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したインクジェットプリンタヘッド１では、導電性部材２６によって塞がれている圧電プレート２７の端部１５は、インク流路１２にインクが充填されても端部１５からインクが排出されることがないように完全に封止する必要がある。
【００２０】
しかし、上記導電性部材２６を溝端部に形成する場合に液相状態から個相状態への相変化が必要であり、該相変化による体積変化等により導電性部材２６内にボイドが発生してしまいインクの漏れが発生していた。また、完全に封止しない場合には、溝８の端部１５を塞ぐ部材が別途必要であり製造方法が複雑になるといった問題もあった。
【００２１】
また、マニホールド２２をカバープレート３の溝接着面に設けているため、マニホールド２２によるインク供給口をインク流路途中に設けるため、インク流路が長くなると共に、インク供給口からインク流路においてほぼ直角に流れが変わるためインクの流路抵抗が高くなるといった問題があった。
【００２２】
同様に、上記インク流路が長くなるために側壁の電極部の電気抵抗が高くなり駆動回路上の負荷が大きくなる、インクジェットプリンタヘッド自体大きくなるといった問題があった。
【００２３】
本発明は、このような実情に鑑みてなされ、製作容易で、生産性に優れ、小型化が可能な液滴噴射装置を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。
【００２５】
（１）圧電部材に形成され、インク流路を構成する溝と、
前記溝の底面に対向し、前記溝の側壁と接着されるカバープレートと、
前記溝の両側壁の側面における前記カバープレート側に形成され、前記インク流路の容積を変化させるために電圧が印加される駆動電極と、
前記駆動電極に電圧を印加するための配線パターンと、
前記駆動電極と前記配線パターンを電気的に接続するために前記溝の一方の端部側の内部に設けられた導電性部材であって高さが前記溝の深さと略等しい導電性部材と、を有し、
前記インク流路の容積を変化させることにより、そのインク流路内のインクを噴射する液滴噴射装置において、
接着された状態の前記圧電部材及び前記カバープレートに、前記溝の一方の端部側から前記配線パターンの一部を前記圧電部材との間に挟持した状態で接着したマニホールドと、
前記マニホールドを前記溝に接続し、前記カバープレートにおける前記溝の一方の端部側に位置するインク供給口と、を備えたことを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、圧電部材に形成された溝の一方の端部側の内部に、高さが溝の深さと略等しい導電性部材が設けられている。また、カバープレートにおける一方の端部側にのみインクを供給するインク供給口が設けられている。また、インク供給口に、接着された状態の圧電部材及びカバープレートに溝の一方の端部側から配線パターンの一部が圧電部材との間に挟持された状態で接着されたマニホールドが接続されている。
したがって、マニホールドからインク供給口を介し、そのカバープレートに沿って、各インク流路内にインクをストレートに導入することができる。
【００２７】
また、インク流路途中にインクの供給口を設けないためインク流路長を短くすることができ、インクジェットプリンタヘッドの小型化が実現できると共に、駆動電極部の電気抵抗を低減し駆動回路の負荷を低減できる。
【００２８】
そして、インクの流れが供給口からインク流路までほぼ一直線となり抵抗のない流れを形成することができ、安定したインク吐出ができる。
【００３１】
（２）少なくとも前記導電性部材を介して前記駆動電極と前記配線パターンを電気的に接続した接続部に保護膜が設けられていることを特徴とする。
【００３２】
この構成によれば、接続部を保護膜で絶縁保護することにより、導電性インクを用いた場合に、その接続部を保護することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態に係る液滴噴射装置を、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の各実施形態にて、従来例と同一部材（又は均等部材）には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３４】
（第１の実施形態）
図１ないし図６および図１１は第１の実施形態を示し、図１に示すように、インクジェットプリンタヘッド（液滴噴射装置）１は、圧電プレート（圧電部材）２７とカバープレート３とノズルプレート３１と基板４１とから構成されている。図２に示す圧電プレート２７は、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミックス材料で製造されている。
【００３５】
その圧電プレート２７は、矢印５の方向に分極処理が施された厚さ約１ｍｍ程度の板である。また、圧電プレート２７には、ダイヤモンドカッティング円盤の回転による切削加工によって、複数の溝８が形成されている。それらの溝８は平行、且つ同じ深さである。その溝８の深さは約３００μｍであり、幅は約７０μｍ、ピッチは１４０μｍである。
【００３６】
そして、溝８の両側面の上半分及び側壁１１の上面に金属電極（駆動電極）１３，１０が形成される。その金属電極１３，１０には、アルミニウム、ニッケル、銅、金等が用いられる。
【００３７】
そして、図３に示すように、導電性部材２６がディスベンサー２５により溝８に幅５００乃至６００μｍで高さ１６０乃至２００μｍの位置まで埋め込まれる。このように、溝８の一部を残して導電性部材２６を充填することにより、溝８の空隙部分がインク供給路の役割を果たすようにしている。
【００３８】
図４に導電性部材２６での断面形状を示しているように、導電性部材２６と金属電極１３の接触面積は、導電性部材２６は側壁１１との濡れ性により上面が凹型に形成されているため、凸型に形成される場合に比べて増大し、側壁１１の電極１３と導電性部材２６との接続が確実となり、駆動に問題はない。
【００３９】
実際の製造上では、ディスペンサー２５は複数設けられており、それらディスペンサー２５は各溝８の上方に配置されている。その後、導電性部材２６には、図示しない装置により熱が加えられ、その熱により固化する。尚、導電性部材２６としては、エポキシ系の樹脂成分を含有した金ペースト，銀ペースト，銅ペーストもしくはメッキ液をベースとした金メッキ、ニッケルメッキなどが用いられる。
【００４０】
図５に示すように、その導電性部材２６は圧電プレート２７の端部１５付近に形成される。その後、導電性部材２６の余剰部分及び側壁１１の上面の金属電極１０がラッピング等によって取り除かれる。そして、圧電プレート２７の溝８加工側の面とカバープレート３とがエポキシ系等の接着剤によって接着される。
【００４１】
図６に示しているインクジェットプリンタヘッド１のインク流路１２に沿った断面図のように、インクジェットプリンタヘッド１には、溝８の上面が覆われて横方向に互いに間隔を有する複数のインク流路１２が構成され、インク充填時には、全てのインク流路１２内に、導電性部材２６とカバープレート３との間（図４では導電性部材２６の上部に形成される空間）を通りインクが充填される。
【００４２】
すなわち、矢印６７で示すように、圧電プレート２７およびカバープレート３の導電性部材２６が設けられている端部側に、インク供給口６８が形成される。そのインク供給口６８は、カバープレート３側に形成されるため、インクをストレートにインク流路１２内に導入することができる。従って、インク流路１２内でインクの流れが安定化し、吐出状態が安定化する。
【００４３】
次に、各インク流路１２の位置に対応した位置に導電層のパターン（配線パターン）４２が形成されている基板４１を圧電プレート２７の端部１５に形成された導電性部材２６に接続する。その導電層のパターン４２と導電性部材２６とは、異方導電性接着剤もしくはパターン４２上にバンプ（図示せず）を形成し該バンプを導電性部材２６に挿入することによって接続される。
【００４４】
この後、導電性インクを用いる場合には、ポリパラキシリレン（商標名：パリレン）等の有機保護膜により上記接合部を絶縁保護する。但し、使用するインク及び異方導電性接着剤を含む該インクジェットプリンタヘッドを作成するために使用した接着剤の特性によっては保護膜は必要ない。
【００４５】
次に、導電性部材２６が設けられていない側の圧電プレート２７とカバープレート３の端面に、各インク流路１２に対応するノズル３２を形成したノズルプレート３１が接着される。
【００４６】
最後に、導電性部材２６が設けられている側の圧電プレート２７とカバープレート３の端面に、基板４１を挟んだ状態でマニホールド２２を接合する。このとき、接合部分からインクの漏れのないよう樹脂で封止すると信頼性が向上する。
【００４７】
上記構成により、溝８の一側面の金属電極１３と他側面の金属電極１３とが導電性部材２６によって電気的に接続される。このため、導電性部材２６に電圧が印加されると、導電性部材２６を通して溝８の両側面の金属電極１３に電圧が同時に印加され、同時に溝８の両側面である側壁１１が溝８の内部方向に変形してインク滴が噴出される。
【００４８】
以上説明したように、圧電プレート２７の端部１５を導電性部材２６で完全に封止する必要がないため、信頼性及び生産性が高い。同時に、カバープレート３にインク供給用の穴等を加工する必要がないため簡単な構造となり、かつカバープレート３と圧電プレート２７の貼合わせが容易となり、生産性が向上する。
【００４９】
また、インク流路１２途中にインクの供給口を設けないためインク流路長を短くすることができ、かつ図６の矢印６７に示すインクの流れ経路のように、流れがほぼ一直線になるためインクの流路抵抗を低く押さえることができた。
【００５０】
（第２の実施形態）
図７ないし図１１は第２の実施形態を示し、前実施形態では、カバープレート３が平板状であったのに対し、本実施形態では、マニホールド２２が形成される端部に、インク供給を行うための段差が形成されている点である。また、図８に示すように、溝８をほぼ埋めるように導電性部材２６が充填されている。この場合、従来例のように、溝８を完全に封止することは要求されない。
【００５１】
図７に示すように、インクジェットプリンタヘッド１は、圧電プレート２７とカバープレート３とノズルプレート３１と基板４１とから構成されている。圧電プレート２７は、矢印５の方向に分極処理が施された厚さ約１ｍｍ程度の板である。また、圧電プレート２７には、溝８が複数形成されている。それらの溝８は平行、且つ同じ深さである。その溝８の深さは約３００μｍであり、幅は約７０μｍ、ピッチは１４０μｍである。
【００５２】
そして、上述したように、溝８の両側面の上半分及び側壁１１の上面に金属電極１３，１０が形成される。そして、導電性部材２６がディスペンサー２５により溝８に幅５００乃至６００μｍで高さほぼ溝８の深さ全部を満たしている。その後、導電性部材２６は、図示しない装置により加熱され、その熱により固化する。
【００５３】
図８に示すように、その導電性部材２６は圧電プレート２７の端部１５付近に形成される。その後、導電性部材２６の余剰部分及び側壁１１の上面の金属電極１０（図２参照）がラッピング等によって取り除かれる。次に、カバープレート３は、図９に示すように、厚さ１ｍｍのセラミックス材料または樹脂材料等から形成されている。
【００５４】
そして、カバープレート３には、研削または切削加工等によって、導電性部材２６に対向する面が深さ５００μｍの凹部６６が形成されている。前実施形態においては、インク供給に寄与する導電性部材２６とカバープレート３との間隙は、１００μｍ乃至１４０μｍ程度であったのに対し、カバープレート３に加工を施す結果、上記距離を５００μｍに設定することが可能となる。
【００５５】
これにより、図１０に示すように、導電性部材２６とカバープレート３の凹部６６の底面との間に形成されるインク供給口６９の開口面積をより大きく形成することができる。
【００５６】
従って、溝８がカバープレート３によって覆われることにより、横方向に互いに間隔を有して形成された複数のインク流路１２内へのインクの供給量をより増加させることができ、高速印字および多ノズル化に伴いインクの消費が多量になっても、インクを確実に供給することができる。
【００５７】
なお、該凹部６６は少なくとも全溝をカバーできる幅とインクの供給として流路抵抗を軽減するため端部より１０００μｍ乃至１５００μｍの長さで形成されていることが好ましい。
【００５８】
そして、各インク流路１２の位置に対応した位置に導電層のパターン４２が形成されている基板４１を圧電プレート２７の端部１５に形成された導電性部材２６に接続する。その導電層のパターン４２と導電性部材２６とは、異方導電性接着剤もしくはパターン上にバンプを形成し該バンプを導電性部材２６に挿入することによって接続される。
【００５９】
この後、ポリパラキシリレン（パリレン）等の有機保護膜により上記接合部を保護する。但し、使用するインク及び異方導電性接着剤を含む該インクジェットプリンタヘッド１を作成するために使用した接着剤の特性によっては保護膜は必要ない。
【００６０】
次に、導電性部材２６が設けられていない側の圧電プレート２７とカバープレート３の端面に、各インク流路１２に対応したノズル３２が形成されたノズルプレート３１が接着される。
【００６１】
最後に、導電性部材２６が設けられている側の圧電プレート２７とカバープレート３の端面に基板４１をはさんだ状態でマニホールド２２を接合する。このとき、接合部分からインクの漏れのないよう周りを樹脂等で封止すると信頼性が向上する。
【００６２】
上記構成により、溝８の一側面の金属電極１３と他側面の金属電極１３とが導電性部材２６によって電気的に接続される。このため、導電性部材２６に電圧が印加されると、導電性部材２６を通して溝８の両側面の金属電極１３に電圧が同時に印加され、同時に溝８の両側面である側壁１１が、上述したように、溝８の内部方向に変形してインク滴が噴出される。
【００６３】
以上説明したように、インクの供給側の流路抵抗が低いため、インク吐出における高速駆動時の安定性が高い。また、導電性部材２６と金属電極１３，１０の接触面積が大きいため電気抵抗を低減することができ、駆動回路の負荷を軽減することができた。
【００６４】
また、上記第１及び第２の実施形態においては、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば、圧電プレート２７に形成される溝８のピッチ、幅、深さは特に特定するものではなく、使用条件等に応じて適切な値に設定されてよい。
【００６５】
さらに、本実施形態では、側壁に形成する金属電極を側面の上半分に行ったが、流路全面に金属メッキ等で形成した後、レーザー光を上半分に照射することにより該金属メッキを除去し、下半分及び底面に金属電極を形成した構成でも構わない。
【００６６】
この場合、金属電極の形成は複雑となるが、導電性部材と金属電極の密着面積が大きいため、該接続部の電気抵抗を押さえることができると共に、接続部の信頼性が向上する。また、導電性部材の充填量を溝深さの半分以下に押さえることができるため、インク供給口での流路抵抗を軽減することができ、インク供給及び吐出駆動が安定する。
【００６７】
そして、上述の第１及び第２の実施形態では、圧電プレート２７を一体構成としたが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、図１１に示すように、圧電プレート２７を上部圧電部材６１と下部圧電部材６２の２枚構成として、各々の圧電プレート２７の分極方向が各々矢印６３，６４に示すように厚さ方向に反対向きに接着し、溝１１を高さの約半分の位置で分極方向が反対となるように形成した後、溝１１の全面に電極６５を形成してもよい。この場合にも、前記各実施形態と同様の効果が得られる。
【００６８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、以下の効果を奏する。
【００７０】
また、インク流路途中にインクの供給口を設けないため、インク流路長を短くすることができ、インクジェットプリンタヘッドの小型化が実現できると共に、駆動電極部の電気抵抗を低減し駆動回路の負荷を低減することができる。
【００７１】
また、インクの流れが供給口からインク流路までほぼ一直線となり抵抗のない流れを形成することができ、安定したインク吐出ができる。
【００７２】
請求項１によれば、カバープレートにのみインク供給口を開設することにより、そのカバープレートに沿って、各インク流路内にインクをストレートに導入することができ、インクの流れが安定し、インクの吐出状態が安定化する。
【００７３】
請求項２によれば、接続部を保護膜で絶縁保護することにより、導電性インクを用いた場合に、その接続部を保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る液滴噴射装置の要部断面斜視図である。
【図２】同圧電部材の形成過程の斜視図である。
【図３】同導電性部材の塗布工程を説明するための断面図である。
【図４】同圧電部材の導電性部材形成部の断面図である。
【図５】同導電性部材が形成された状態の圧電部材の斜視図である。
【図６】同液滴噴射装置の断面図である。
【図７】同第２の実施形態に係る液滴噴射装置の要部断面斜視図である。
【図８】同導電性部材が形成された状態の圧電部材の斜視図である。
【図９】同カバープレートの斜視図である。
【図１０】同液滴噴射装置の断面図である。
【図１１】同異なる圧電部材の断面図である。
【図１２】従来技術の液滴噴射装置の構成を示す分解斜視図である。
【図１３】同電極形成過程の説明図である。
【図１４】同液滴噴射装置の断面図である。
【図１５】同作動状態を示す説明図である。
【符号の説明】
３−カバープレート
８−溝
１０、１３−駆動電極
１２−インク流路
２６−導電性部材
２７−圧電部材
４２−配線パターン
６８，６９−インク供給口

Claims

圧電部材に形成され、インク流路を構成する溝と、
前記溝の底面に対向し、前記溝の側壁と接着されるカバープレートと、
前記溝の両側壁の側面における前記カバープレート側に形成され、前記インク流路の容積を変化させるために電圧が印加される駆動電極と、
前記駆動電極に電圧を印加するための配線パターンと、
前記駆動電極と前記配線パターンを電気的に接続するために前記溝の一方の端部側の内部に設けられた導電性部材であって高さが前記溝の深さと略等しい導電性部材と、を有し、
前記インク流路の容積を変化させることにより、そのインク流路内のインクを噴射する液滴噴射装置において、
接着された状態の前記圧電部材及び前記カバープレートに、前記溝の一方の端部側から前記配線パターンの一部を前記圧電部材との間に挟持した状態で接着したマニホールドと、
前記マニホールドを前記溝に接続し、前記カバープレートにおける前記溝の一方の端部側に位置するインク供給口と、を備えたことを特徴とする液滴噴射装置。
少なくとも前記導電性部材を介して前記駆動電極と前記配線パターンを電気的に接続した接続部に保護膜が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液滴噴射装置。