JPH05238009A - Ink jet printing head and manufacturing method therefor - Google Patents
Ink jet printing head and manufacturing method thereforInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、印字信号が入力した時
点で、圧力室のインクをノズル開口から記録媒体へ向け
て飛翔させ、このインク滴により記録媒体にドットを形
成させて印字を行うオンデマンド型のインクジェット式
印字ヘッドに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention, when a print signal is input, causes ink in a pressure chamber to fly from a nozzle opening toward a recording medium to form dots on the recording medium for printing. The present invention relates to an on-demand type inkjet print head.
【０００２】[0002]
【従来の技術】この種のインクジェット式印字ヘッド
は、従来、図６に示すように、積層型振動子１００の振
動面１０１をノズル入口開口部１０２に対向して配設
し、かつ振動子の振動面近傍をＲＴＶゴム１０３により
充填して構成されていた。（特開平１−１１５６３８
号）あるいは、図７（ａ）（ｂ）に示すように、圧電素
子１１０は、融通性のある材料１１１を介して固い部材
１１２に支持されていた。（特開昭５８−１１９８７１
号）これらの印字ヘッドは、印字信号を圧電素子に印加
して圧電素子を伸長、収縮させ、このときに発生するイ
ンクの動圧によりノズル開口からインク滴を飛翔させて
印刷用紙にドットを形成させるものである。2. Description of the Related Art In an ink jet type print head of this type, as shown in FIG. 6, a vibrating surface 101 of a laminated vibrator 100 is arranged so as to face a nozzle inlet opening 102, and the vibrating surface of the vibrator is arranged. The vicinity of the vibrating surface was filled with RTV rubber 103. (Japanese Patent Laid-Open No. 1-115638
Alternatively, as shown in FIGS. 7A and 7B, the piezoelectric element 110 was supported by the rigid member 112 via the flexible material 111. (JP-A-58-119871
These print heads apply a print signal to the piezoelectric element to expand and contract the piezoelectric element, and the dynamic pressure of the ink generated at this time causes ink droplets to fly from the nozzle openings to form dots on the printing paper. It is what makes them.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら前述の図
６に示した従来技術では、圧電素子１００の固定部は底
面１０４によって支持基板１０５に固着されていたの
で、ノズル開口を高密度に配列することが極めて困難で
あるという課題があった。すなわち、ノズル開口を高密
度に配列させるためには圧電素子１００の幅を狭くする
必要があるが、圧電素子の底面１０４のみによる固着だ
けでは固着強度が十分でなく、圧電素子の振動によって
固着部分が剥離してしまう可能性が高い。さらに、一体
の支持基板１０５に複数の圧電素子を固着することによ
り、支持基板１０５および圧電素子１００を継由して機
械的に漏話する可能性が高いという課題があった。However, in the prior art shown in FIG. 6 described above, since the fixing portion of the piezoelectric element 100 is fixed to the supporting substrate 105 by the bottom surface 104, the nozzle openings should be arranged at a high density. There was a problem that it was extremely difficult. That is, in order to arrange the nozzle openings at a high density, it is necessary to narrow the width of the piezoelectric element 100. However, fixing only by the bottom surface 104 of the piezoelectric element is not sufficient in fixing strength, and the fixing portion due to vibration of the piezoelectric element. Is likely to peel off. Furthermore, by fixing a plurality of piezoelectric elements to the integral support substrate 105, there is a problem that there is a high possibility that the support substrate 105 and the piezoelectric element 100 may be connected to cause mechanical crosstalk.
【０００４】これらの課題を解決するために、図７に示
した従来技術では圧電素子１１０周囲をシリコンゴムか
らなる融通性のある材料１１１によって支持していた。
しかしばがら、このような構成おいては、圧電素子１１
０の振動が融通性のある材料１１１に吸収される率が高
く、インクに伝達されるエネルギーの効率が低いという
課題があった。そのため圧電素子１１０を駆動するため
により大きなエネルギーの投入が必要であり、駆動回
路、電源の複雑化を招いていた。In order to solve these problems, in the prior art shown in FIG. 7, the periphery of the piezoelectric element 110 was supported by a flexible material 111 made of silicon rubber.
However, in this configuration, the piezoelectric element 11
There is a problem that the vibration of 0 is highly absorbed by the flexible material 111 and the efficiency of energy transmitted to the ink is low. Therefore, a larger amount of energy needs to be input to drive the piezoelectric element 110, and the drive circuit and the power supply are complicated.
【０００５】また、印字ヘッドを組み立てる過程におい
て圧電素子１１０が露出している部分が多いため、組立
中の破損が多発してしまう可能性が極めて高いという課
題もあった。In addition, there is a problem that the piezoelectric element 110 is exposed in many parts in the process of assembling the print head, so that there is a very high possibility that damage will occur frequently during the assembly.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
式印字ヘッドは、ノズル開口と、このノズル開口に連結
した圧力室と、圧電素子とで構成されており、前記圧電
素子を動作させ前記圧力室中のインクの圧力を高めノズ
ル開口よりインク滴を吐出させるオンデマンド型インク
ジェット式印字ヘッドにおいて、前記圧電素子は梁状に
形成され、自由に振動できる自由部分と振動の固定端を
規制する固定部分とでなっており、前記梁状圧電素子の
固定部分は梁の長さ方向に少なくとも梁状圧電素子の２
面が支持基板に固着されていることを特徴とする。ある
いは、さらには前記圧電素子は、２体の第１支持基板と
第２支持基板との間に挟まれて固着されており、第１支
持基板および第２支持基板は間隔を持つ段差部が設けら
れており、前記段差部は少なくとも圧電素子の固定端付
近を覆っていることを特徴とする。あるいは、さらには
前記第１支持基板および第２支持基板の段差部と圧電素
子の自由部分との間隔にはシリコンゴムからなる融通性
のある材料で全体あるいは一部に充填されていることを
特徴とする。あるいは、さらには前記圧電素子は積層型
圧電素子であり、前記第１支持基板または第２支持基板
のどちらか一方、あるいは両方に、前記圧電素子の固定
部分側の後端付近と間隔を持つ段差部が設けられている
ことを特徴とする。An ink jet print head according to the present invention comprises a nozzle opening, a pressure chamber connected to the nozzle opening, and a piezoelectric element. The pressure element is operated by operating the piezoelectric element. In an on-demand type ink jet print head for increasing the pressure of ink inside and ejecting ink droplets from a nozzle opening, the piezoelectric element is formed in a beam shape, and a free portion that can freely vibrate and a fixed portion that regulates a fixed end of vibration. The fixed portion of the beam-shaped piezoelectric element is at least 2 of the beam-shaped piezoelectric element in the length direction of the beam.
The surface is fixed to the supporting substrate. Alternatively, further, the piezoelectric element is sandwiched and fixed between two first support substrates and a second support substrate, and the first support substrate and the second support substrate are provided with a step portion having a gap. The stepped portion covers at least the vicinity of the fixed end of the piezoelectric element. Alternatively, the gap between the stepped portion of the first support substrate and the second support substrate and the free portion of the piezoelectric element is entirely or partially filled with a flexible material such as silicon rubber. And Alternatively, further, the piezoelectric element is a laminated piezoelectric element, and a step having a gap with a vicinity of a rear end of a fixed portion of the piezoelectric element on one or both of the first support substrate and the second support substrate. It is characterized in that a section is provided.
【０００７】また本発明の製造方法は、前記圧電素子と
なる圧電板と第１支持基板となる第１基板とを固着する
工程と、さらに前記圧電板と第２支持基板となる第２基
板とを固着する工程とで構成された振動ユニットを、所
望の幅に切断して梁状振動ユニットを形成する工程と、
梁状振動ユニットを保持する保持部材に梁状振動ユニッ
トを固着する工程とを有することを特徴とする。Further, the manufacturing method of the present invention comprises a step of fixing the piezoelectric plate serving as the piezoelectric element and the first substrate serving as the first supporting substrate, and further the second substrate serving as the piezoelectric plate and the second supporting substrate. And a step of forming a beam-shaped vibrating unit by cutting the vibrating unit configured by a step of fixing
And a step of fixing the beam-shaped vibrating unit to a holding member that holds the beam-shaped vibrating unit.
【０００８】[0008]
【実施例】図１（ａ）（ｂ）は、本発明のオンデマンド
型インクジェット式印字ヘッドの駆動部の一実施例を示
す部分平面図と断面図である。図面において１はノズル
プレートであり、ノズル開口２を有している。３は振動
板であり、ノズルプレート１との間で圧力室４が形成さ
れている。振動板３は、ノズル開口２と同数の振動部５
と、圧力室形成板６と、ノズルプレート１との間隙を管
理する壁７とを積層形成して構成されている。圧力室形
成板６は、耐熱性と弾性を備えた高分子材料、例えばポ
リイミド等をフィルム状に成形してなっている。圧力室
４は、上下方向だけが壁７、７、７…により隔離され、
両側は開放されていて、保持部材８に設けられたインク
流路９、９、９…からインクの供給を受けるようになっ
ている。 １０は圧力室４に圧力を印加する圧電素子で
ある。本実施例においては、圧電素子１０は圧電材料と
導電材料とをそれぞれ層状に交互に積層した圧電素子を
用いた。これは圧電素子を形成する各圧電層の厚みを小
さくすることにより、各圧電層に同時に信号を印加する
際の電圧を小さくし、インク滴を形成するのに必要な駆
動電圧を可及的に小さくして駆動回路の簡素化を図るた
めである。この圧電素子１０は図２に示すように、軸方
向で上下２つの領域に分割してあり、電界がかかると伸
縮する活性領域と、電界のかからない不活性領域とでな
っている。活性領域は、その先端が振動板３に形成され
ている振動部５に固定されている。圧電素子１０の不活
性領域は第１支持基板１１および第２支持基板１２とに
挟まれて固着され、梁状振動ユニット２８が構成されて
いる。第１支持基板１１および第２支持基板１２として
は、音響インピーダンスが大きいものを用いることによ
り、圧電素子１０の振動の逃げを少なくしてある。また
後述するように製造上快削性のものを用いている。圧電
素子１０を保持する支持基板１１、１２は圧電素子１０
を挟むように両側で支持しているので、圧電素子１０と
支持基板１１、１２との固着面積を大きくとることがで
き、十分な固着強度を得ることが可能である。さらに振
動を効率よくインクに伝達するのに有効である。実験に
よって、振動の伝達効率を評価する一例として圧電素子
１０の固有振動数を支持方法について評価した結果を下
記に示す。1 (a) and 1 (b) are a partial plan view and a sectional view showing an embodiment of a drive unit of an on-demand type ink jet print head according to the present invention. In the drawing, 1 is a nozzle plate having a nozzle opening 2. Reference numeral 3 is a vibration plate, and a pressure chamber 4 is formed between the vibration plate 3 and the nozzle plate 1. The vibrating plate 3 has the same number of vibrating portions 5 as the nozzle openings 2.
The pressure chamber forming plate 6 and the wall 7 that controls the gap between the pressure chamber forming plate 6 and the nozzle plate 1 are laminated and formed. The pressure chamber forming plate 6 is formed by film-forming a polymer material having heat resistance and elasticity, such as polyimide. The pressure chamber 4 is separated only in the vertical direction by the walls 7, 7, 7 ...
Both sides are open, and ink is supplied from the ink flow paths 9, 9, 9 ... Provided in the holding member 8. Reference numeral 10 is a piezoelectric element that applies pressure to the pressure chamber 4. In this embodiment, the piezoelectric element 10 is a piezoelectric element in which a piezoelectric material and a conductive material are alternately laminated in layers. This is because by reducing the thickness of each piezoelectric layer that forms the piezoelectric element, the voltage when signals are applied to each piezoelectric layer at the same time is reduced, and the drive voltage required to form ink droplets is minimized. This is to reduce the size and to simplify the drive circuit. As shown in FIG. 2, the piezoelectric element 10 is divided into two upper and lower regions in the axial direction, and includes an active region that expands and contracts when an electric field is applied and an inactive region where no electric field is applied. The tip of the active region is fixed to the vibrating portion 5 formed on the vibrating plate 3. The inactive region of the piezoelectric element 10 is sandwiched and fixed between the first support substrate 11 and the second support substrate 12 to form the beam-shaped vibration unit 28. As the first support substrate 11 and the second support substrate 12, those having a large acoustic impedance are used to reduce the escape of vibration of the piezoelectric element 10. Further, as will be described later, a free-cutting material is used in manufacturing. The supporting substrates 11 and 12 holding the piezoelectric element 10 are piezoelectric elements 10.
Since the piezoelectric element 10 and the supporting substrates 11 and 12 are supported on both sides so as to sandwich, it is possible to obtain a large fixing area between the piezoelectric element 10 and the supporting substrates 11 and 12, and it is possible to obtain sufficient fixing strength. Further, it is effective in efficiently transmitting the vibration to the ink. As an example of evaluating the transmission efficiency of vibration by the experiment, the result of evaluating the natural frequency of the piezoelectric element 10 with respect to the supporting method is shown below.
【０００９】 支持方法 固有振動数 片側 約１６０ｋＨｚ 両側 約１８０ｋＨＺ 圧電素子の自由長さは４ｍｍに統一 この結果からわかるように、圧電素子１０を支持基板１
１、１２によって両側から挟む構成とすることにより、
圧電素子の固有振動数は増加する、つまり圧電素子の振
動が支持基板に逃げることが減少し、インクに効率よく
伝達される。圧電素子の固有振動数が大きいことは、振
動子の変位量が同じであれば振動子の変位速度が速いこ
とと等価であり、インクにインク滴が十分な速度をもっ
て飛翔するエネルギーを与えることができる。Supporting method Natural frequency One side approximately 160 kHz, both sides approximately 180 kHz The free length of the piezoelectric element is unified to 4 mm As can be seen from these results, the piezoelectric element 10 is supported by the support substrate 1
By sandwiching from both sides by 1, 12,
The natural frequency of the piezoelectric element increases, that is, the vibration of the piezoelectric element is less likely to escape to the support substrate, and is efficiently transmitted to the ink. The large natural frequency of the piezoelectric element is equivalent to the fact that the displacement speed of the vibrator is high if the displacement amount of the vibrator is the same, and the energy for the ink droplets to fly at a sufficient speed can be given to the ink. it can.
【００１０】本実施例においては、支持基板１１、１２
としてガラスセラミックスからなる電気的に絶縁物であ
る材質の表面に図２（ｂ）（ｃ）に示すように導電薄膜
層１１ａ、１２ａを形成したものを用いている。また、
第１支持基板１１および第２支持基板１２には、圧電素
子１０の活性領域すなわち自由部分が接触し、圧電素子
１０の振動が阻害されないように、圧電素子１０とある
間隔を保つ段差部２１、２２が設けられている。段差部
２１、２２は圧電素子１０の自由端のほぼ先端まであ
る。本実施例に用いた圧電素子１０の材料は、チタン酸
・ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイト構造のセラミック
スであるが、一般にこの種の材料は圧電効果による変位
量を大きくとるために、非常に脆く破壊しやすいものと
なっている。そのため製造過程において、他部品等と接
触すると破損してしまう。圧電素子が破壊する最も主な
要因は、自由部分が他部品等と接触した際、圧電素子の
固定端つまり支持基板１１、１２の段差部の端部２３、
２４に過大な応力が加わることである。これによって、
圧電材料に微小な亀裂が入ったり、あるいは電極が断線
する。そのため、圧電素子の自由部分に直接外力が加わ
らないように、支持基板１１、１２およびその段差部２
１、２２によって保護することは有効である。さらに実
験によれば、圧電素子１０と支持基板１１、１２の段差
部２１、２２との間隔は圧電素子の厚みＴの２倍以下、
かつ圧電素子の長さＬの１／２以上あることが極めて有
効であることが確認されている。このような構成によ
り、梁状振動ユニット２８に横方向から力が加わっても
支持基板１１、１２があるため、圧電素子１０が破壊す
ることを大幅に防止できる。支持基板の段差部２１、２
２の先端側の長さは、長ければ長い程効果的であり、望
ましくは圧電素子の自由長全体を支持基板１１、１２の
段差部２１、２２で保護することにより、印字ヘッドを
製造する過程においての圧電素子１０の破壊を極小にす
ることができる。本実施例においては、圧電素子１０は
第１支持基板１１および第２支持基板１２で挟まれ、圧
電素子１０のほぼ先端まで保護されている構造であるた
め、他部品等との接触を防ぐことができる。さらには、
圧電素子１０と支持基板１１、１２の段差部２１、２２
との間隔に、融通性の富んだゴム状のシリコンを充填す
ることにより、圧電素子１０の長軸方向の振動を阻害す
ることなく圧電素子１０の破壊をより確実に防止するこ
とができる。シリコンは段差部２１、２２と圧電素子１
０との間隙全体にわたって充填してもよいし、圧電素子
１０の固定端付近のみに充填してもよい。シリコンは段
差部２１、２２と圧電素子１０との間隙に充填するた
め、この間隙のみに一定量充填することは容易である。
梁状振動ユニット２８に他部品との接触等による外力が
加わっても圧電素子１０と段差部２１、２２との狭小な
間隙に充填されているシリコンによって、圧電素子への
曲げ方向の外力を圧電素子が破壊しないように十分逃が
すことができる。また、シリコンを圧電素子１０と支持
基板１１、１２の段差部２１、２２との間隔に充填する
ことは、圧電素子１０の側方方向の振動を軽減できる効
果ももっている。さらには、圧電素子に投入されたエネ
ルギーの一部は熱エネルギーとなるため、振動している
圧電素子は発熱するが、この熱を外部に放熱させる効果
もある。In this embodiment, the supporting substrates 11 and 12 are
As shown in FIG. 2B and FIG. 2C, conductive thin film layers 11a and 12a are formed on the surface of an electrically insulating material made of glass ceramics. Also,
The first support substrate 11 and the second support substrate 12 are in contact with the active region, that is, the free portion of the piezoelectric element 10, and the step portion 21 that maintains a certain distance from the piezoelectric element 10 so that the vibration of the piezoelectric element 10 is not hindered. 22 is provided. The step portions 21 and 22 extend to almost the free end of the piezoelectric element 10. The material of the piezoelectric element 10 used in this example is ceramics of a titanate / lead zirconate-based composite perovskite structure. Generally, this type of material is very brittle because it has a large displacement due to the piezoelectric effect. It is easy to do. Therefore, it will be damaged if it comes into contact with other parts in the manufacturing process. The main cause of destruction of the piezoelectric element is that when the free portion comes into contact with another component or the like, the fixed end of the piezoelectric element, that is, the end 23 of the stepped portion of the supporting substrates 11 and 12,
24 is an excessive stress. by this,
The piezoelectric material has minute cracks or the electrodes are broken. Therefore, the support substrates 11 and 12 and the step portion 2 thereof are prevented from being directly applied to the free portion of the piezoelectric element.
Protecting with 1, 22 is effective. Further, according to the experiment, the distance between the piezoelectric element 10 and the step portions 21, 22 of the supporting substrates 11, 12 is not more than twice the thickness T of the piezoelectric element,
It has been confirmed that it is extremely effective that the length L of the piezoelectric element is 1/2 or more. With such a configuration, even if a force is applied to the beam-shaped vibrating unit 28 from the lateral direction, the supporting substrates 11 and 12 are provided, so that the piezoelectric element 10 can be largely prevented from being broken. Steps 21, 2 of the supporting substrate
The longer the length of the tip side of 2 is, the more effective it is. Preferably, the process of manufacturing the print head by protecting the entire free length of the piezoelectric element with the step portions 21 and 22 of the supporting substrates 11 and 12. It is possible to minimize the breakage of the piezoelectric element 10 at. In this embodiment, the piezoelectric element 10 is sandwiched between the first support substrate 11 and the second support substrate 12 and is protected up to almost the tip of the piezoelectric element 10. Therefore, contact with other components is prevented. You can Moreover,
Steps 21, 22 between the piezoelectric element 10 and the supporting substrates 11, 12
By filling the space between and with rubber-like silicon having high flexibility, the piezoelectric element 10 can be more reliably prevented from being broken without inhibiting vibration of the piezoelectric element 10 in the long axis direction. Silicon is the step portion 21, 22 and the piezoelectric element 1
It may be filled over the entire gap with 0, or may be filled only near the fixed end of the piezoelectric element 10. Since silicon is filled in the gap between the step portions 21 and 22 and the piezoelectric element 10, it is easy to fill a certain amount only in this gap.
Even if an external force is applied to the beam-shaped vibrating unit 28 due to contact with other components, the silicon filled in the narrow gap between the piezoelectric element 10 and the step portions 21 and 22 causes the external force in the bending direction to be applied to the piezoelectric element. The element can be released sufficiently so as not to be destroyed. Filling the gap between the piezoelectric element 10 and the stepped portions 21, 22 of the support substrates 11, 12 with silicon also has an effect of reducing lateral vibration of the piezoelectric element 10. Furthermore, since part of the energy input to the piezoelectric element becomes thermal energy, the vibrating piezoelectric element generates heat, but this heat is also radiated to the outside.
【００１１】圧電素子１０は、圧電素子材料であるチタ
ン酸・ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック材
料よりなる圧電層１５と、第２の電極１４とを複数層交
互に積層して構成されている。一方の電極、この実施例
では電極１４は、ほぼ中央部１６で途切れており、２ヶ
所に分散されている。また第１の電極１３は一方の端面
に、第２の電極１４は他方の端面に露出し、各端面には
導電層１７、１８が形成されている。これにより、同一
極の電極１３、１３、１３…は導電層１７により、また
電極１４、１４、１４…は導電層１８により並列に接続
されている。また、外部電極１９、２０が導電層１７、
１８と各々導通するように形成されている。電極２０は
圧電素子１０の活性領域、すなわち自由長さ全体を覆う
ように形成されている。これは、圧電材料層の数が偶数
の時に、圧電素子の最も外側にある圧電材料層（以下最
外圧電層と呼ぶ）にも電界がかかり、歪が発生するよう
にするためである。最外圧電層に歪が発生しないと、最
外圧電層が圧電素子の振動を阻害するように働く。その
ため、圧電素子に投入する電力を大きくしないと所定の
変位量を得ることができなくなり、エネルギーの効率が
悪くなってしまう。さらに、最外圧電層とその内部との
界面に応力が加わり、界面剥離が発生する可能性が高い
という問題がある。図３には圧電材料層の層数が奇数の
ときの圧電素子の電極構成と支持基板の構成を示す。The piezoelectric element 10 is formed by alternately stacking a plurality of layers of a piezoelectric layer 15 made of a composite material of perovskite titanate / zirconate titanate, which is a piezoelectric element material, and a second electrode 14. One of the electrodes, that is, the electrode 14 in this embodiment, is interrupted at a substantially central portion 16 and is dispersed at two places. The first electrode 13 is exposed on one end face, the second electrode 14 is exposed on the other end face, and conductive layers 17 and 18 are formed on each end face. Thus, the electrodes 13, 13, 13, ... Of the same polarity are connected in parallel by the conductive layer 17, and the electrodes 14, 14, 14, ... Are connected in parallel by the conductive layer 18. In addition, the external electrodes 19 and 20 are the conductive layers 17,
18 is formed so as to be electrically connected to each. The electrode 20 is formed so as to cover the active region of the piezoelectric element 10, that is, the entire free length. This is because when the number of piezoelectric material layers is even, an electric field is also applied to the outermost piezoelectric material layer of the piezoelectric element (hereinafter referred to as the outermost piezoelectric layer), and strain is generated. When no strain is generated in the outermost piezoelectric layer, the outermost piezoelectric layer acts so as to hinder the vibration of the piezoelectric element. Therefore, unless the electric power applied to the piezoelectric element is increased, a predetermined amount of displacement cannot be obtained, resulting in poor energy efficiency. Further, there is a problem that stress is applied to the interface between the outermost piezoelectric layer and its inside, and interface peeling is likely to occur. FIG. 3 shows the electrode configuration of the piezoelectric element and the configuration of the supporting substrate when the number of piezoelectric material layers is odd.
【００１２】圧電素子１０の外部電極２０側の面を第１
支持基板１１に接着剤により固着し、さらに外部電極１
９側の面を第２支持基板１２に同様に接着剤によって固
着して梁状振動ユニット２８が構成されている。圧電素
子１０の表面および第１、第２支持基板１１、１２表面
は適度に凹凸を持っており、電気絶縁性の接着剤、たと
えば熱硬化性ポリイミド系接着剤を用いても、圧電素子
１０表面の外部電極１９、２０と第１、第２支持基板１
１、１２上の導電薄層とは各々点接触し良好な導通性を
得ることができる。圧電素子１０の端面電極１８はすべ
ての電極１４、１４、１４、…と導通させるために端面
全体を覆うように形成されている。第２支持基板１２は
圧電素子１０の固定端側の端面付近には、端面電極１８
と接触しないように第２の段差部２６が設けられてい
る。これにより端面電極１８と第２支持基板１２上の導
電薄層との電気的短絡を防ぐことができる。第２の段差
部２６は第１支持基板１１だけに設けてもよいし、第２
支持基板１２にも設けてもよい。第２の段差部２６の上
面にも導電薄層は形成されており、外部電極１９との導
通が得られている。さらに、圧電素子の厚みはインクを
所定の速度およびインク量で飛翔させるのに必要最小限
であることが望まれるが、圧電素子の厚みが薄い時に
は、プリント配線板との接続が困難である。そのため、
第２の段差部２６を設けることにより第１支持基板１１
と第２支持基板１２との間隔を広げることができ、各々
の導電薄層間の電気的短絡の発生を軽減できる。第２の
段差部２６の段の端の部分２７を、滑らかなアール、あ
るいはテーパー形状にすることは、段の端の部分２７で
の導電薄層の断線を防ぐのに効果的である。図２に示す
実施例においては、第２支持基板１２の段差部２４の端
部付近には導電薄層を配置しないようにしてある。第２
支持基板１２は電気絶縁物でなっているため、圧電素子
１０の外部電極１７と電気的には短絡しないが、圧電素
子１０の固定端を規定することができる。The surface of the piezoelectric element 10 on the external electrode 20 side is first
It is fixed to the supporting substrate 11 with an adhesive, and further the external electrode 1
The beam-shaped vibrating unit 28 is formed by similarly fixing the surface on the 9 side to the second support substrate 12 with an adhesive. The surface of the piezoelectric element 10 and the surfaces of the first and second support substrates 11 and 12 have appropriate irregularities, and even if an electrically insulating adhesive such as a thermosetting polyimide adhesive is used, the surface of the piezoelectric element 10 External electrodes 19 and 20 and the first and second support substrates 1
The conductive thin layers on the layers 1 and 12 are in point contact with each other, and good conductivity can be obtained. The end face electrode 18 of the piezoelectric element 10 is formed so as to cover the entire end face so as to be electrically connected to all the electrodes 14, 14, 14, .... The second support substrate 12 has an end face electrode 18 near the end face on the fixed end side of the piezoelectric element 10.
The second step portion 26 is provided so as not to contact with. This can prevent an electrical short circuit between the end face electrode 18 and the conductive thin layer on the second support substrate 12. The second step portion 26 may be provided only on the first support substrate 11, or the second step portion 26 may be provided.
It may also be provided on the support substrate 12. A conductive thin layer is also formed on the upper surface of the second step portion 26, and conduction with the external electrode 19 is obtained. Further, it is desired that the thickness of the piezoelectric element is the minimum necessary for causing the ink to fly at a predetermined speed and the amount of ink, but when the thickness of the piezoelectric element is thin, it is difficult to connect to the printed wiring board. for that reason,
By providing the second step portion 26, the first support substrate 11
The distance between the second support substrate 12 and the second support substrate 12 can be increased, and the occurrence of electrical shorts between the conductive thin layers can be reduced. It is effective to prevent disconnection of the conductive thin layer at the step end portion 27 by making the step end portion 27 of the second step portion 26 have a smooth rounded shape or a tapered shape. In the embodiment shown in FIG. 2, the conductive thin layer is not arranged near the end of the step portion 24 of the second supporting substrate 12. Second
Since the support substrate 12 is made of an electrical insulator, it does not electrically short-circuit with the external electrode 17 of the piezoelectric element 10, but can define the fixed end of the piezoelectric element 10.
【００１３】梁状振動ユニット２８は、これを保持する
保持部材８に固定されている。保持部材８は図４に示さ
れるように梁状振動ユニット２８を位置決めするための
穴３０が形成されており、その穴３０に梁状振動ユニッ
ト２８を挿入する。保持部材８の穴３０には、圧電素子
１０の側面と接触しないように溝３１が形成されてい
る。これにより、圧電素子１０の自由部分が保持部材８
に接触して梁状振動ユニット２８の振動を阻害すること
を防止できると同時に、挿入時の圧電素子１０の自由部
分が保持部材８に接触して梁状振動ユニット２８が破壊
することを防止することができる。さらに、このような
構成をとることにより、梁状振動ユニット２８と比べて
極めて剛性の高い保持部材８を介して梁状振動ユニット
２８が配列されているため、梁状振動ユニット２８間の
機械的漏話を著しく軽減させることができる。保持部材
８と梁状振動ユニット２８との固着は強固にする程、機
械的漏話に対して効果的である。また、梁状振動ユニッ
ト２８を保持部材８に挿入する前に１つずつ検査し良否
判定をすることができる、あるいは動作不良を起こした
梁状振動ユニット２８を１つずつ交換することも可能で
あるため、メンテナンスや製造のコストを引き下げるこ
とができる。The beam-shaped vibrating unit 28 is fixed to a holding member 8 that holds the vibrating unit 28. As shown in FIG. 4, the holding member 8 is formed with a hole 30 for positioning the beam-shaped vibration unit 28, and the beam-shaped vibration unit 28 is inserted into the hole 30. A groove 31 is formed in the hole 30 of the holding member 8 so as not to contact the side surface of the piezoelectric element 10. As a result, the free portion of the piezoelectric element 10 is moved to the holding member 8
It is possible to prevent the vibration of the beam-shaped vibrating unit 28 from being hindered by the contact with the holding member 8, and at the same time to prevent the beam-shaped vibrating unit 28 from being broken due to the free portion of the piezoelectric element 10 coming into contact with the holding member 8 during insertion. be able to. Further, by adopting such a configuration, the beam-shaped vibration units 28 are arranged via the holding member 8 having extremely high rigidity as compared with the beam-shaped vibration units 28, so that the mechanical vibration between the beam-shaped vibration units 28 is increased. Crosstalk can be significantly reduced. The stronger the fixation between the holding member 8 and the beam-shaped vibrating unit 28, the more effective it is against mechanical crosstalk. In addition, the beam-shaped vibrating units 28 can be inspected one by one before being inserted into the holding member 8 to determine pass / fail, or the beam-shaped vibrating units 28 that have malfunctioned can be replaced one by one. Therefore, maintenance and manufacturing costs can be reduced.
【００１４】保持部材８に保持された梁状振動ユニット
２８の圧電素子１０の自由端は振動板３に形成された振
動部５に固着されている。支持基板１１、１２は振動部
５とある間隔をもった振動板３の部分と固着されてもよ
く、また振動板３と固着されていなくてもよい。The free end of the piezoelectric element 10 of the beam-shaped vibrating unit 28 held by the holding member 8 is fixed to the vibrating portion 5 formed on the vibrating plate 3. The support substrates 11 and 12 may or may not be fixed to the vibrating plate 3 and a part of the vibrating plate 3 that is spaced from the vibrating part 5.
【００１５】第１支持基板１１、第２支持基板１２上の
導電薄層は、プリント回路基板２９に電気的接続がなさ
れている。The conductive thin layers on the first support substrate 11 and the second support substrate 12 are electrically connected to the printed circuit board 29.
【００１６】次に以上のようなインクジェット式印字ヘ
ッドの製造方法の一実施例について説明する。Next, an embodiment of a method for manufacturing the above ink jet type print head will be described.
【００１７】先ず圧電板を作る。図５（ａ）に示すよう
に、定板１２０の上にペースト状に調整した銀−パラジ
ウム（Ａｇ−Ｐｄ）系、または白金（Ｐｔ）系導電性塗
料により第１の電極１３となる層１３’を、またペース
ト状に調整した圧電素子材料であるチタン酸・ジルコン
酸鉛系複合ペロブスカイトセラミックス材料により圧電
層１５となる第２層１５’を、さらに銀−パラジウム
（Ａｇ−Ｐｄ）系、または白金（Ｐｔ）系導電性塗料に
より第２の電極１４となる第３層１４’を交互に薄く塗
布する。このとき、一方の電極層１４’を構成する場合
に、ほぼ中央部１６で途切れさせて２ヶ所に分散させ
る。また第１の電極層１３’は一方の端面１０’ａか
ら、第２の電極層１４’は他方の端面１０’ｂから露出
させるように電極構成材料を塗布する。このようにして
所定の層数でもって板状に形成したものを乾燥させた
後、圧力を加えながら温度１０００乃至１２００℃で１
時間程度焼成して図５（ｂ）に示すような圧電板１０’
を形成する。First, a piezoelectric plate is made. As shown in FIG. 5A, a layer 13 to be the first electrode 13 is formed on the surface plate 120 by using a silver-palladium (Ag-Pd) -based or platinum (Pt) -based conductive coating material prepared in a paste form. 'And a second layer 15' which is a piezoelectric layer 15 made of a lead titanate / zirconate-based composite perovskite ceramics material which is a piezoelectric element material prepared in a paste form, and a silver-palladium (Ag-Pd) -based material, or A third layer 14 ′ serving as the second electrode 14 is alternately thinly applied with a platinum (Pt) -based conductive paint. At this time, when one of the electrode layers 14 ′ is formed, the electrode layer 14 ′ is interrupted at approximately the central portion 16 and dispersed in two places. Further, the electrode constituent material is applied so that the first electrode layer 13 'is exposed from one end face 10'a and the second electrode layer 14' is exposed from the other end face 10'b. After the plate-shaped product having a predetermined number of layers is dried, the pressure is applied to the plate at a temperature of 1000 to 1200 ° C. for 1 hour.
Piezoelectric plate 10 ′ as shown in FIG.
To form.
【００１８】このようにして形成された圧電板１０’
は、その一方の極となる第１の電極層１３’、１３’、
１３’…の一端が一方の端面１０’ａに露出し、他端は
圧電材料層１５’により被覆され、また第２の電極層１
４’、１４’、１４’…の一端は他方の端面１０’ｂに
露出し、他端は圧電材料層１５’により被覆されてい
る。The piezoelectric plate 10 'thus formed
Is the first electrode layer 13 ', 13', which is one of the electrodes,
One end of 13 '... Is exposed to one end face 10'a, the other end is covered with a piezoelectric material layer 15', and the second electrode layer 1
One end of 4 ', 14', 14 '... Is exposed to the other end face 10'b and the other end is covered with a piezoelectric material layer 15'.
【００１９】次いで同図（ｃ）に示すように圧電板１
０’の各端面に導電層１７’、１８’を形成することに
より、同一極の電極層１３’、１３’、１３’…を導電
層１７’により、また電極層１４’、１４’、１４’…
を導電層１８により並列に接続する。同時に、圧電板１
０’の表面に外部電極層１９’、２０’を導電層１
７’、１８’と各々導通するように形成する。この時、
最外層の圧電材料層の端面１５ａ’を予め面取りしてお
くことは、電極層１７’と１９’、１８’と２０’の各
々の導通を信頼性の高いものにすることに有効である。Next, as shown in FIG. 1C, the piezoelectric plate 1
By forming the conductive layers 17 ', 18' on the respective end faces of 0 ', the electrode layers 13', 13 ', 13', ... Of the same polarity are formed by the conductive layers 17 ', and the electrode layers 14', 14 ', 14'. '...
Are connected in parallel by the conductive layer 18. At the same time, piezoelectric plate 1
External electrode layers 19 'and 20' are formed on the surface of 0 '
It is formed so as to be electrically connected to each of 7'and 18 '. At this time,
It is effective to chamfer the end surface 15a 'of the outermost piezoelectric material layer in advance so that the conduction of each of the electrode layers 17' and 19 'and 18' and 20 'can be made highly reliable.
【００２０】同図（ｄ）に示すように、圧電板１０’の
外部電極層２０’側の面を第１支持基板１１となる第１
基板１１’に接着剤により固着し、さらに外部電極層１
９’側の面を第２支持基板１２となる第２基板１２’に
同様に接着剤によって固着して振動ユニット２８’を構
成する。As shown in FIG. 3D, the surface of the piezoelectric plate 10 ′ on the side of the external electrode layer 20 ′ serves as the first supporting substrate 11.
The external electrode layer 1 is fixed to the substrate 11 'with an adhesive.
Similarly, the 9'-side surface is fixed to the second substrate 12 'serving as the second support substrate 12 with an adhesive to form the vibration unit 28'.
【００２１】振動ユニット２８’を同図（ｅ）に示すよ
うに金属ワイヤーに吐粒を分散させた研削液をかけて切
削するいわゆるワイヤーソーにより同時に所定の幅にな
るように仮想線で示すように短冊状に切断し、梁状振動
ユニット２８を形成する。本実施例において圧電素子１
０に用いたチタン酸・ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイ
トセラミックスは研削性に優れる。異種材料を積層した
ものを研削により切断加工する際には、研削性に極端な
違いがある場合、研削速度が異なるため、積層界面にお
いて良研削性の材質が研削方向と直角方向に削れてしま
い、所定の寸法を得ることができない。このため第１、
第２支持基板１１、１２は圧電素子１０と同等以上の快
削性であることが望まれる。本実施例の支持基板１１、
１２に用いたガラスセラミックスは非常に研削性に富ん
でいるため、所定の寸法を容易に得ることができる。ま
た、支持基板材料として、圧電素子１０に用いた圧電材
料と同材質のものを使用することでも同様な効果が得ら
れる。The vibrating unit 28 'is shown by phantom lines at the same time so as to have a predetermined width by a so-called wire saw for cutting by applying a grinding liquid in which spouted particles are dispersed to a metal wire as shown in FIG. Then, the beam-shaped vibrating unit 28 is formed by cutting it into strips. In this embodiment, the piezoelectric element 1
The composite titanate / lead zirconate perovskite ceramics used in No. 0 has excellent grindability. When cutting and laminating different materials laminated by grinding, if there is an extreme difference in grindability, the grinding speed will be different and the material with good grindability will be scraped in the direction perpendicular to the grinding direction at the laminating interface. , I can't get a certain size. Therefore, the first
It is desired that the second support substrates 11 and 12 have free-cutting properties equal to or higher than those of the piezoelectric element 10. The supporting substrate 11 of the present embodiment,
The glass-ceramics used in No. 12 has a very high grindability, so that a predetermined size can be easily obtained. The same effect can be obtained by using the same material as the piezoelectric material used for the piezoelectric element 10 as the supporting substrate material.
【００２２】梁状振動ユニット２８を保持部材８（図４
参照）の穴３０に挿入して固定する。第１、第２支持基
板１１、１２は強固であり、保持部材８と接触しても破
壊しないため、精密に位置決めをしなくても良く、製造
の簡便化を図ることができる。The beam-shaped vibrating unit 28 is attached to the holding member 8 (see FIG. 4).
(See) and insert into the hole 30 to fix. Since the first and second support substrates 11 and 12 are strong and do not break even if they come into contact with the holding member 8, it is not necessary to perform precise positioning, and the manufacturing can be simplified.
【００２３】その後、ノズルプレート１を固着し、第１
支持基板１１、第２支持基板１２上の導電薄層をプリン
ト回路基板２９に電気的に接続して、インクジェット式
印字ヘッドの駆動部が完成する。Thereafter, the nozzle plate 1 is fixed, and the first
The conductive thin layers on the support substrate 11 and the second support substrate 12 are electrically connected to the printed circuit board 29 to complete the driving unit of the inkjet print head.
【００２４】[0024]
【発明の効果】本発明のインクジェット式印字ヘッドに
おいては、圧電素子の振動方向と同方向において圧電素
子の固定部分の少なくとも２面を固着するため、圧電素
子の固定に十分な強度を得ることができ、また、インク
に高効率に振動エネルギーを伝達することができる。さ
らに圧電素子を支持する２体の基板に圧電素子を挟むよ
うに固着し、適度な間隔をもって段差部をもたせ、圧電
素子の固定端付近を保護し、あるいはさらにその間隔に
ゴム状のシリコンを充填することにより、インクジェッ
ト式印字ヘッドの製造過程における圧電素子の破壊を防
止することができる。また、ゴム状のシリコンを充填し
た場合には、圧電素子の側方方向の振動を軽減できると
同時に、発熱した圧電素子を放熱できる効果もある。さ
らに、本製造方法は梁状振動ユニットを保持部材に挿
入、固着する工程を有しているので、保持部材に挿入す
る前に良否判定を一本ずつ行え、メンテナンスや製造の
コストを引き下げることができる。In the ink jet type print head of the present invention, since at least two surfaces of the fixed portion of the piezoelectric element are fixed in the same direction as the vibration direction of the piezoelectric element, sufficient strength for fixing the piezoelectric element can be obtained. In addition, vibration energy can be transmitted to the ink with high efficiency. Further, the piezoelectric element is fixed to two substrates that support the piezoelectric element so as to sandwich the piezoelectric element, and a step is provided at an appropriate interval to protect the vicinity of the fixed end of the piezoelectric element, or the interval is filled with rubber-like silicon. By doing so, it is possible to prevent breakage of the piezoelectric element in the manufacturing process of the ink jet print head. In addition, when rubber-like silicon is filled, the vibration of the piezoelectric element in the lateral direction can be reduced, and at the same time, the generated piezoelectric element can be radiated. Furthermore, since this manufacturing method has a step of inserting and fixing the beam-shaped vibrating unit into the holding member, it is possible to perform a pass / fail judgment one by one before inserting the beam-shaped vibrating unit into the holding member, which can reduce maintenance and manufacturing costs. it can.
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図１】本発明のインクジェット式印字ヘッドの要部を
示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。FIG. 1 is a diagram showing a main part of an inkjet print head of the present invention, in which (a) is a plan view and (b) is a sectional view.
【図２】（ａ）は本発明の圧電素子と支持基板との接続
構造を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ視図、（ｃ）は
（ａ）のｃ視図である。2A is a sectional view showing a connection structure between a piezoelectric element and a support substrate of the present invention, FIG. 2B is a view b of FIG. 2A, and FIG. 2C is a view c of FIG. 2A. ..
【図３】本発明の圧電素子と支持基板との他の接続構造
を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing another connection structure of the piezoelectric element of the present invention and a supporting substrate.
【図４】（ａ）は本発明の保持基板を示す斜視図、
（ｂ）は部分拡大図である。FIG. 4A is a perspective view showing a holding substrate of the present invention,
(B) is a partially enlarged view.
【図５】本発明製造方法の説明図で、（ａ）〜（ｅ）は
各工程を示す図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of the production method of the present invention, in which (a) to (e) are diagrams showing respective steps.
【図６】従来のヘッドの断面図である。FIG. 6 is a sectional view of a conventional head.
【図７】（ａ）は従来のヘッドの部分平面図、（ｂ）は
（ａ）図のｂ−ｂ断面図である。7A is a partial plan view of a conventional head, and FIG. 7B is a sectional view taken along line bb of FIG. 7A.
１ ノズルプレート ２ ノズル開口 ３ 振動板 ４ 圧力室 ５ 振動部 ６ 圧力室形成板 ７ 壁 ８ 保持部材 ９ インク流路 １０ 圧電素子 １１ 第１支持基板 １２ 第２支持基板 １３ 圧電素子の第１の電極 １４ 圧電素子の第２の電極 １５ 圧電材料層 １７、１８ 圧電素子の端面電極 １９、２０ 圧電素子の外部電極 ２１ 第１支持基板の段差部 ２２ 第２支持基板の段差部 ２３、２４ 支持基板段差部の端部 ２６ 支持基板の第２の段差部 ２７ 第２の段差部の端の部分 ２８ 梁状振動ユニット ２９ プリント回路基板 ３０ 保持部材の穴 1 Nozzle Plate 2 Nozzle Opening 3 Vibrating Plate 4 Pressure Chamber 5 Vibrating Section 6 Pressure Chamber Forming Plate 7 Wall 8 Holding Member 9 Ink Flow Path 10 Piezoelectric Element 11 First Support Substrate 12 Second Support Substrate 13 First Electrode of Piezoelectric Element 14 Second Electrode of Piezoelectric Element 15 Piezoelectric Material Layer 17, 18 End Surface Electrode of Piezoelectric Element 19, 20 External Electrode of Piezoelectric Element 21 Step Part of First Support Substrate 22 Step Part of Second Support Substrate 23, 24 Support Substrate Step End portion 26 of the second step portion of the support substrate 27 end portion of the second step portion 28 beam-like vibration unit 29 printed circuit board 30 hole of the holding member
Claims (5)
圧力室と、圧電素子とで構成され、この圧電素子を動作
させ前記圧力室のインクの圧力を高めノズル開口よりイ
ンク滴を吐出させるオンデマンド型インクジェット式印
字ヘッドにおいて、前記圧電素子は梁状に形成され、自
由に振動できる自由部分と振動の固定端を規制する固定
部分とでなっており、前記梁状圧電素子の固定部分は梁
の長さ方向に少なくとも梁状圧電素子の２面が支持基板
に固着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。1. A nozzle opening, a pressure chamber connected to the nozzle opening, and a piezoelectric element. The piezoelectric element is operated to increase the pressure of ink in the pressure chamber and eject an ink droplet from the nozzle opening. In the demand-type inkjet print head, the piezoelectric element is formed in a beam shape, and includes a free portion that can freely vibrate and a fixed portion that regulates a fixed end of vibration. The fixed portion of the beam-shaped piezoelectric element is a beam. An ink jet type print head, wherein at least two surfaces of the beam-shaped piezoelectric element are fixed to a supporting substrate in the length direction of the.
２支持基板との間に挟まれて固着されており、第１支持
基板および第２支持基板には圧電素子の自由部分と間隔
を持つ段差部が設けられており、この段差部は少なくと
も圧電素子の固定端付近を覆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。2. The piezoelectric element is fixed by being sandwiched between two first support substrates and a second support substrate, and the first support substrate and the second support substrate have free portions of the piezoelectric element. 2. The ink jet print head according to claim 1, wherein a step portion having a space is provided, and the step portion covers at least the vicinity of the fixed end of the piezoelectric element.
差部と圧電素子の自由部分との間隔にはシリコンゴムか
らなる融通性のある材料で全体あるいは一部に充填され
ていることを特徴とする請求項２記載のインクジェット
式印字ヘッド。3. A flexible material such as silicon rubber is wholly or partially filled in a space between the step portion of the first support substrate and the second support substrate and a free portion of the piezoelectric element. The ink jet print head according to claim 2, which is characterized in that.
記第１支持基板または第２支持基板のどちらか一方、あ
るいは両方に、前記圧電素子の固定部分側の後端付近と
間隔を持つ第２の段差部が設けられていることを特徴と
する請求項２または３記載のインクジェット式印字ヘッ
ド。4. The piezoelectric element is a multi-layer piezoelectric element, and has a gap with a vicinity of a rear end of a fixed portion of the piezoelectric element on one or both of the first supporting substrate and the second supporting substrate. The inkjet print head according to claim 2 or 3, wherein a second step portion is provided.
となる第１基板とを固着する工程と、さらに前記圧電板
と第２支持基板となる第２基板とを固着する工程とで構
成された振動ユニットを、所望の幅に切断して梁状振動
ユニットを形成する工程と、梁状振動ユニットを保持す
る保持部材に梁状振動ユニットを固着する工程とを有す
ることを特徴とする請求項２または３または４記載のイ
ンクジェット式印字ヘッドの製造方法。5. A step of fixing a piezoelectric plate serving as the piezoelectric element and a first substrate serving as a first supporting substrate, and a step of further bonding the piezoelectric plate and a second substrate serving as a second supporting substrate. It has a step of cutting the constituted vibration unit into a desired width to form a beam-shaped vibration unit, and a step of fixing the beam-shaped vibration unit to a holding member that holds the beam-shaped vibration unit. The method for manufacturing an ink jet print head according to claim 2, 3, or 4.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP4448992A JP3160997B2 (en) | 1992-03-02 | 1992-03-02 | Ink jet print head and method of manufacturing the same |
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| JPH05238009A true JPH05238009A (en) | 1993-09-17 |
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| EP0819527A1 (en) * | 1996-07-18 | 1998-01-21 | Océ-Technologies B.V. | Ink jet nozzle head with multiple block structure |
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| JP2011083706A (en) * | 2009-10-15 | 2011-04-28 | Ulvac Japan Ltd | Printing head and discharge device |
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1992
- 1992-03-02 JP JP4448992A patent/JP3160997B2/en not_active Expired - Fee Related
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