JP4395582B2 - 圧電式インクジェットプリンターヘッドとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電式インクジェットプリンターヘッドとその製造方法に関し、より詳しくは、インクジェットヘッドの内部にチャンバーとインク貯蔵部を一体型にしたインクジェットヘッドに関する。

一般に、インクジェット方式は、液状のインクを紙面に吹き付けて印刷をするものである。インクジェットヘッドには、針の先端の大きさくらいのノズルが並べられていて、これらからインクが噴射される。このような基本的な原理は同一であるが、インクを噴射する方法によって下記のように類別される。

バブルジェット噴射方式は、微細な管の側壁に配置されたヒーターを使用してノズル内の気泡の大きさをコントロールしてインクを噴出する。ヒーターを加熱するとノズルの内部で気泡が発生し、気泡が最大に膨脹するとインクが噴出される。噴出後にヒーターの加熱を停止させると、泡が消えてインクが補充される。

この方式の最大の長所は、インク貯蔵部を必要とせず、管およびヒーターの大きさが極小であるため、ヘッドの大きさを大いに縮小できることにあるが、その反面、ノズルの配列を２次元的にするのがきわめて難しい。

サーマルジェット方式もバブルジェット方式と類似しているが、加熱ヒーターの位置によって区別されている。インク室のノズルとは反対、あるいは同じ面に発熱ヒーターを配置し、加熱されたインクが気化される際の水蒸気圧でインクを噴出する。

この方式の最大の長所は、ヒーターとノズルの配列を２次元的にすることができることから、ノズルの数を増やすことが相対的に容易であるということにある。
ピエゾ(piezo)ジェット噴射方式は、ありふれた注射器のように、ノズルの裏面から入
力された信号によって、衝撃を与えてインクを噴射する。

インクを噴出する原動力として、電圧によって形状が変化する圧電素子を使用していることを特徴とする。電圧を印加して圧電素子が変形されて、ノズルの先端の液面が膨れ上がる瞬間、電圧を制御して急激に液面を引っ張ると、ノズル面より前方にあるインクが慣性によって噴出される。

これらのうち、バブルジェット方式とサーマルジェット方式では、インクの噴射力を作るためのヒーターの面積が、ピエゾ方式におけるアクチュエーターの面積に比べて相対的に小さく、さらに、インクチャンバーとインク貯蔵部を同一面上に配置されることから、ノズルの数量密度がきわめて高くなる。

一方、ピエゾジェット方式は、その仕組みが複雑であるので、ノズルの数量密度を高めたり、ノズルの数を増加することが相対的に困難である。
従来のピエゾジェット噴射方式によるインクジェットヘッドについて、図１に示す米国特許第５、７４８、２１４号公報を参照しつつ説明する。

インクジェットヘッドは、インクを供給されるポート（図示せず）と、前記ポート（図示せず）を通して供給されたインクを貯蔵するインク貯蔵部４２と、前記インク貯蔵部４２からインクを供給されるチャンバー１５と、前記チャンバー１５からインクを排出する
ノズル２１と、前記チャンバー１５に圧力を加えて、インクをノズル連結部２０を通して、前記ノズル２１に排出させるアクチュエーターと、を含んでいる。

前記アクチュエーターは、弾性板１３と、前記弾性板１３の上側に配置される下部電極１６と、前記下部電極１６の上側に配置される圧電板１７と、前記圧電板１７の上側に配置される上部電極１８と、からなる。

前記チャンバー１５は、上側の弾性板１３と、側面のスペーサー１２と、下側の密封板１１と、によって形成される。
さらに、前記インク貯蔵部４２は、貫通孔２６、４０が穿設された上側のインク供給板２４と、側面のインク貯蔵部形成板２３と、下側のノズル板３０と、によって形成される。この際、インクを噴射するノズル部もともに形成される。

このように構成された従来のインクジェットヘッドは、前記アクチュエーターに電気が加えられると、圧電板１７が変形されるようになり、この際、発生される圧力によってチャンバー１５内のインクがノズル２１に排出されるようになる。

一方、米国特許第６、２１７、１５８Ｂ１号公報のインクジェットヘッド（図示せず）は、下部電極の下側に弾性板が設けられていないこと以外は、前記インクジェットヘッドとほぼ同一である。

このような従来のインクジェットヘッドは、別途のインク貯蔵部を必要とする。このため、空間および面積上の配置効率が劣り、その結果、ノズルの数量密度が著しく低下するという不具合がある。

さらに、ノズル部は多数の板を積み重ねて構成され、板を積み重ねて形成される構造の内部にノズル部と、インク貯蔵部をともに備える必要があることから、工程が複雑になるばかりか、空間の活用度も劣るという問題点がある。

さらに、チャンバーからノズル部までの端面積が急激に変更されるため、微細なインクの滴をつくるのに限界が生じてしまうという問題点がある。
さらに、インクを供給されるポートからチャンバーまで、インク供給経路の屈曲が大きいため、インクの流通経路に気泡Ｆがたまりやすいとう問題がある。
米国特許第５、７４８、２１４号公報 米国特許第６、２１７、１５８Ｂ１号公報

本発明の目的は、インク貯蔵部とチャンバーを一体型にして、より簡単な構造のインクジェットヘッドを提供することにある。
本発明の他の目的は、ノズルを一つの板で形成して工程を単純化するとともに、空間活用度を高められるインクジェットヘッドを提供することにある。

本発明の他の目的は、チャンバーからノズルに至るまでの端面を漸次変化させることにより、インクの噴射量の調節を容易にし、より微細なインク滴の噴射を可能にするインクジェットヘッドを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、インクタンクから個々のチャンバーまで、別途のインク貯蔵部を経由せずに、個々の貫通孔とチャンバー側面のインク通路を通してインクを直接供給することにより、従来のインク貯蔵部が占めていた空間と面積を極めて縮小することはもとより、アクチュエーターとノズル部を２次元的に配列して、ノズルの面積上の数量密度を高められるインクジェットヘッドを提供することにある。

さらに、インクタンクから個々のチャンバーまで、別途のインク貯蔵部を経由せずに、個々の貫通孔とチャンバー側面のインク通路を通して、インクを直接供給することにより、チャンバーのサイズを縮小し、インクの流通経路を単純化して、インク流通部の内部に気泡がたまることを大幅に減らすインクジェットヘッドを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のインクジェットヘッドは、複数の板を積み重ねて構成されるインクジェットヘッドであって、
上下部電極およびその間に挿入される圧電板と、前記上部電極の上側に位置する保護層と、前記下部電極の下側に配置される弾性板と、からなるアクチュエーター部と、
前記弾性板の下側に配置されてチャンバーの側面部を形成するスペーサーと、前記スペーサーの下側に配置されてチャンバーを延長するとともに、前記チャンバーの一側にインク通路を形成させるチャンネル板と、前記チャンネル板の下側に配置されて前記チャンバーの下側部を形成し、前記チャンバーに連結されるノズルが備えられたノズル板と、からなるインク流通部と、
前記アクチュエーター部およびスペーサーを貫通して前記チャンネル板のインク通路に到達する貫通孔によって形成されるインク供給部とを備え、
前記チャンバーは、上面の前記弾性板と、側面の前記スペーサーおよび前記チャンネル板により形成される直方体状の空間と、下面の前記ノズル板により形成されるすり鉢状の空間とから構成され、
前記ノズルは、その上側部に、上方へ向けて直線状に拡径のテーパー部が形成されて、これにより前記チャンバーの直方体状の空間から前記ノズルの開始部までの前記チャンバーの端面積が漸次小さくなるように構成され、
前記インクジェットヘッドは、前記保護層の上側にインクタンクを備え、
前記アクチュエーター部と前記インク流通部と前記インク供給部とを一つのモジュールとして構成し、縦横に複数個のモジュールを同一平面上に配置するとともに、
前記インクタンクからそれぞれの貫通孔およびインク通路を通してそれぞれのモジュール内のチャンバーにインクを供給するように構成され、 前記弾性板は、その材料がＺｒＯ_２、ＢａＴｉＯ_３、またはＡｌ_２Ｏ_３であることを特徴とする。

ここで、前記ノズルは、その上側部にテーパーが形成されて、前記チャンバーの直方体状の空間から前記ノズルの開始部までの前記チャンバーの端面積が漸次小さくなるようにすることが好ましい。

前記インクジェットヘッドは、前記保護層の上側にインクタンクを備え、前記アクチュエーター部と前記インク流通部と前記インク供給部とを一つのモジュールとして構成し、縦横に複数個のモジュールを同一平面上に配置するとともに、前記インクタンクからそれぞれの貫通孔およびインク通路を通してそれぞれのモジュール内のチャンバーにインクを供給することができる。

通常のピエゾジェット噴射方式のインクジェットヘッドは、２列まで配置することができるのに比べて、本発明のインクジェットヘッドは、このような限界がなく、所望の行と列に配置することができる。

さらに、前記弾性板の材料としては、弾性と材料的な特性に優れたＺｒＯ₂、または薄
板の加工に有用なＢａＴｉＯ₃を使用することが好ましい。そのほかＡｌ₂Ｏ₃を使用して
も良い。

一方、本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、弾性をもつ弾性板とノズル付きのノズル板など複数の板を積み重ねて構成されるインクジェットヘッドの製造方法であって、
前記弾性板を配置する段階と、
前記弾性板上側に下部電極をプリンティングする段階と、
前記弾性板の下側にスペーサーをプリンティングする段階と、
前記スペーサーの下側にチャンネル板をプリンティングする段階と、
前記弾性板、下部電極とスペーサーおよびチャンネル板の組合体を焼結(sintering)す
る段階と、
前記下部電極の上側に圧電板を形成する段階と、
前記圧電板の上側に上部電極を形成する段階と、
前記上部電極の上側に保護層を形成する段階と、
前記保護層からスペーサーまで貫通孔を設ける段階と、
前記ノズル板にテーパー部を設ける段階と、
前記ノズル板のテーパー部の頂点に微細な噴射孔を設ける段階と、
前記ノズル板とチャンネル板を接合する段階と、
を含む。

本発明に係る圧電式インクジェットプリンターヘッドとその製造方法によれば、ヘッドの内部にチャンバーとインク貯蔵部を一体型にすることにより、より簡単な構造のインクジェットヘッドを提供することができる。

さらに、ノズルを一つの板で形成することにより、製造工程を単純化して製造コストダウンを図るともに、空間活用度を高められるインクジェットヘッドを提供することができる。

さらに、チャンバーからノズルに至るまで端面を漸次変化させることにより、噴射量の調節が容易であり、一層微細なインク滴を噴射することができる。
さらに、インクタンクから個々のチャンバーまで、別途のインク貯蔵部を経由せずに、個々の貫通孔とチャンバー側面のインク通路を通して、インクを直接供給することにより、従来のインク貯蔵部が占めていた空間と面積を極めて減縮させることはもとより、アクチュエーターとノズル部を２次元的に配列して、ノズルの面積上での数量密度を高めることができる。

さらに、インクタンクから個々のチャンバーまで、別途のインク貯蔵部を経由せずに、個々の貫通孔とチャンバー側面のインク通路を通して、インクを直接供給することにより、チャンバーのサイズを減らし、インクの流通経路を単純化して、インク流通部の内部に気泡がたまるのを大幅に減らすことができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明に係るインクジェットヘッド及びその製造方法の好適な一実施例について詳細に説明する。
図２は、本発明に係るインクジェットヘッドを示す平面図と断面図である。

同図を参照すると、本発明に係るインクジェットヘッドは、インクを供給されてノズルを通して噴射するまでインクが流通される構造物であるインク流通部と、前記インクに圧力を加えてノズルを通して排出させるアクチュエーター部と、インクを貫通孔を通して供給するインク供給部と、からなる。

前記インク流通部は、最下側に配置されるノズル板５２と、前記ノズル板５２の上側に配置されるチャンネル板５６と、前記チャンネル板５６の上側に配置されるスペーサー７２と、からなる。

前記ノズル板５２には、上下に貫通されているノズル５２ａが形成され、前記ノズル５２ａの上方へ向けて漸次拡径のテーパー部５４を形成する。
前記チャンネル板５６は、上側は前記スペーサー７２に連結され、下側は前記テーパー部５４に連結されてチャンバー７８の内部空間を延長させ、一側にはインク通路５８が形成される。

前記アクチュエーター部は、下側に配置される弾性板７０と、前記弾性板７０の上側に配置される下部電極６０と、前記下部電極６０の上側に配置される圧電板６２と、前記圧電板６２の上側に配置される上部電極６８と、前記上部電極の上側に配置される保護層６６と、からなる。

ここで、前記インク供給部の最上端のスペーサー７２と前記アクチュエーター部の最下端の弾性板７０とが結合されることで、その内部には、上面の弾性板７０と、側面のスペーサー７２およびチャンネル板５６と、下面の前記ノズル板５２とによってチャンバー７８が形成される。

前記インク供給部は、前記チャンバー７８にインクを供給する上側のインクタンク（図示せず）と、前記インクタンク（図示せず）から、前記アクチュエーター部およびスペーサー７２を貫通して、前記インク通路５８に到達する貫通孔６４と、から構成される。

一方、前記保護層６６の一側には、外部制御回路（図示せず）と電気的に接続させる電極パッド７４が形成される。
図３は、本発明に係るインクジェットヘッドの配置の一実施例を示す平面図と断面図である。

同図を参照すると、本発明のインクジェットヘッドは、図２のインクジェットヘッドを一つのモジュールとして、９個のモジュールが３×３行列で同一平面上に配置されている。

これは、単に、一つの実施例にすぎず、２０×２０、３０×４０などの種々の変形が可能である。通常のピエゾジェット方式のインクジェットヘッドでは、２列まで配置できるのに対して、本発明のインクジェットヘッドでは、このような限界がなく、所望の行と列に配置することができる。

図４は、本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法を示すブロック図である。
まず、テープキャスティング法またはダクターブレード法によって得られた肉厚３μｍのＺｒＯ₂グリーンシート(green sheet)を配置する（Ｓ１１０）。

前記ＺｒＯ₂グリーンシートは、弾性板としての役割を果すためのものである。弾性板
の材質としては、ＺｒＯ₂のほかに薄膜化しやすいＢａＴｉＯ₃、さらに熱的特性に優れたＡｌ₂Ｏ₃を使用することもできる。

さらに、前記グリーンシートの上側に下部電極をプリンティングする（Ｓ１１２）。
次に、前記グリーンシートの下側に、スペーサーを１２０μｍの厚さにプリンティングする（Ｓ１１４）。

さらに、前記スペーサーの下側に、チャンネル板を４０μｍの厚さにプリンティングする（Ｓ１１６）。好ましくは、スペーサーおよびチャンネル板の材料は、弾性板と同様にする。

このような過程を経た結合物を、１２００℃で焼結して、構造物を堅固にし、各層間の接着力を確保する（Ｓ１１８）。
次に、前記下部電極の上側に 圧電板を１．５〜６μｍの厚さに形成する（Ｓ１２０）
。

前記圧電板の材料としては、ＰＺＴが好ましい。さらに、前記圧電板の形成方法として
は、スパッタリング、ソルーゼル、有機金属化学気相蒸着法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；ＭＯＣＶＤ）が挙げられる。

特に、肉厚が２μｍを超えると、ＭＯＣＶＤ法を適用することが最も好ましい。
一方、前記圧電板は、前記下部電極を外部制御回路（図示せず）に接続させるために、必要な部分がエッチングされることもある。

その後、前記圧電板の上側に上部電極を形成する（Ｓ１２２）。
前記上部電極の形成方法としては、スパッタリング、ＭＯＣＶＤ、蒸発法なをが挙げられる。

一方、前記上部電極に適切なパターニング（例：リソグラフィー、リフトオフ工程）を行うことにより、一つのインクジェットヘッドを構成するそれぞれの前記アクチュエーターを区分し、前記上部電極は、外部制御回路（図示せず）に電気的に接続するためのパッド７４を含む。

その後、前記上部電極の上側に保護層を形成する（Ｓ１２４）。
これは、ＳｉＯ₂を化学気相蒸着法（chemical vapor deposition；ＣＶＤ）を採用することができる。

次いで、水素による圧電層の劣化を補償するために、圧電層熱処理を行っても良い。
一方、前記保護層は、前記上部電極からパッド部分を露出させるために、必要な部分がエッチングされることもある。前記保護層は、インク溶液からアクチュエーターを電気的および化学的に保護する役割を果し、その真上にインクタンク（図示せず）が設けられる。

この際、適切なシーリング(sealing)手段、たとえば、インクに耐食性のある油輪を締
結部に挿入するか、エポキシのごとき接着剤を使用することが好ましい。
一方、前記インクタンク（図示せず）は、それ自体に予めインクを入れておくこともできるし、自体の内部空間を備えるとともに、外部機器接続用のポートを備えることもできる。

その後、前記保護層、圧電板、下部電極、弾性板およびスペーサーを貫通する貫通孔を設ける（Ｓ１２６）。
設ける方法としては、超音波加工、マイクロドリリング、研摩剤によるマイクロブラスティング(micro blasting)などが挙げられる。ここで、好ましくは、貫通孔の直径は３０μｍにし、孔の深さは１５０μｍ以下にする。

次に、ノズル板にテーパー部を形成する（Ｓ１２８）。
前記ノズル板の材質は、ステンレススチールや硅素が好ましい。テーパー部の形成方法としては、超音波加工、マイクロドリリング、非等方エッチング（硅素材質の場合）などが挙げられる。

次いで、前記形成されたテーパー部の頂点に微細な噴射孔を設けてノズルを形成する（Ｓ１３０）。
前記微細な噴射孔の形成方法としては、集積されたイオンビーム法が好ましい。

最後に、前記ノズル板とチャンネル板を接合剤で接合させる（Ｓ１３２）。
前記接着剤としては、弾性エポキシのような材料が好ましい。
このような接合過程を終えることで、インクジェットヘッドの製造工程が終了される。

次に、上記の構成の本発明の実施例に係るインクジェットヘッドの動作を説明する。
まず、インクが上側の貫通孔６４を通して注入されると、重力によって下側へ落下し、インク通路５８を経てチャンバー７８に溜まるようになる。

前記チャンバー７８に溜まっているインクは、分子間に相互の引力の働きのため、外力が加わらない限りノズル５２ａに排出されない。
ここで、上下部電極６８、６０に電流が供給されると、圧電板６２が収縮し、前記圧電板６２に付着している弾性板７０が下方へ膨脹してしまい、その結果、ヘッド内部のチャンバーに圧力が加えられる。

この圧力によって、チャンバー７８のインクが、ノズル５２ａを通して外部へ排出され噴射される。
以上、本発明の具体的な実施例について説明したが、ここに記載した本発明の実施例は単なる一例であり、本発明の技術的範囲を逸脱せずに、種々の変形が可能であることは明らかである。

よって、本発明の範囲は上述した実施例に限定されなく、特許請求の範囲のみならず、この特許請求の範囲と均等なものによって決められるべきである。

従来技術に係るインクジェットヘッドを示す断面図である。 本発明に係るインクジェットヘッドを示す平面図、断面図である。 本発明に係るインクジェットヘッドの配置の一実施例を示す平面図、断面図である。 本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法を示すブロック図である。

符号の説明

５２ ノズル板
５６ チャンネル板
５８ インク通路
６０ 下部電極
６２ 圧電板
６４ 貫通孔
６６ 保護層
６８ 上部電極
７０ 弾性板
７２ スペーサー
７４ 電極パッド
７８ チャンバー

Claims (1)

1. 複数の板を積み重ねて構成されるインクジェットヘッドであって、
   上下部電極およびその間に挿入される圧電板と、前記上部電極の上側に位置する保護層と、前記下部電極の下側に配置される弾性板と、からなるアクチュエーター部と、
   前記弾性板の下側に配置されてチャンバーの側面部を形成するスペーサーと、前記スペーサーの下側に配置されてチャンバーを延長するとともに、前記チャンバーの一側にインク通路を形成させるチャンネル板と、前記チャンネル板の下側に配置されて前記チャンバーの下側部を形成し、前記チャンバーに連結されるノズルが備えられたノズル板とからなるインク流通部と、
   前記アクチュエーター部およびスペーサーを貫通して前記チャンネル板のインク通路に到達する貫通孔によって形成されるインク供給部とを備え、
   前記チャンバーは、上面の前記弾性板と、側面の前記スペーサーおよび前記チャンネル板により形成される直方体状の空間と、下面の前記ノズル板により形成されるすり鉢状の空間とから構成され、
   前記ノズルは、その上側部に、上方へ向けて直線状に拡径のテーパー部が形成されて、これにより前記チャンバーの直方体状の空間から前記ノズルの開始部までの前記チャンバーの端面積が漸次小さくなるように構成され、
   前記インクジェットヘッドは、前記保護層の上側にインクタンクを備え、
   前記アクチュエーター部と前記インク流通部と前記インク供給部とを一つのモジュールとして構成し、縦横に複数個のモジュールを同一平面上に配置するとともに、
   前記インクタンクからそれぞれの貫通孔およびインク通路を通してそれぞれのモジュール内のチャンバーにインクを供給するように構成され、
   前記弾性板は、その材料がＺｒＯ_２、ＢａＴｉＯ_３、またはＡｌ_２Ｏ_３であることを特徴とする圧電式インクジェットプリンターヘッド。

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