JPS62101455A - インクジエツトヘツドとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はインクジェットヘッドに関するものである。

（従来の技術） 従来、微細なノズル孔よりインクを噴射し紙等の記録媒
体上に付着させ記録を行なうインクジェット記録から知
られている。

インクジェット記録の中でもオンディマント型インクジ
ェットヘッドは構造が単純なため小型で安価であり、ま
た騒音が小さく普通紙が使用できるという特徴を持つ。

従来このようなオンディマント型インクジェットヘッド
は第４図（ａ）　、　（ｂ）に示すようにステンレス等
からなる平板４３にノズル４４．インク通路４５゜圧力
室４６．インク供給部４７等の溝をエツチング等により
形成しく第４図（ａ））、その上に蓋板４８を重ね接着
や拡散接合等によりインク流路を形成している。さらに
圧力室４６に対応する蓋板の外部に圧電材料や電歪材料
からなる電気機械変換素子４９が接着されている（第４
図（ｂ））。この圧電材料等からなる電気機械変換素子
の上面および下面には電極が形成されておりこの電極に
駆動電圧を印加して電気機械変換素子に歪を生じさせ、
上蓋板を通して圧力室内のインクに圧力を加えこれによ
りノズルからインク滴を噴射させて記録を行なう。

他のインクジェットヘッドの例としては、特開昭５８−
８７０６０に示されているようなインク供給部、加圧室
、インク流通溝、ノズル孔等のインク噴射動作部をセラ
ミック体で形成したものが知られている。このヘッドで
は、金属の押板をグリーンシートに加圧して溝を形成し
たり、アクリルシート製押型をグリーンシートに埋入し
た後でその面上に蓋部材として他のセラミックグリーン
シートを重ねて圧着焼成して作られる。焼成後この倫部
材の外表面に機械振動を発生又は印加する手段を配置す
る。又はＭ５図に断面構造図で示したように上蓋部材５
２として圧電セラミックシートを使用しておき焼成後そ
の表面に駆動を極５２および５３を設けておくものがあ
った。

このセラミックを用いることによりインク通路溝を形成
した平板５１と上蓋部イｊ５２を容易に接合できるよう
になる。

〔発明が解決しようとする問題点Ｊ しかし従来のヘッドでｉｔインク流通路の精度が出なか
ったり、ノズル端部の状態が悪くインク滴の飛翔方向が
曲げられたりした。

例えば第１の従来例のようにインク流通路の溝をエツチ
ングで形成する場合、エツチングの精度に限界があり、
インク噴射特性に大きく影響するノズル径のバラツキが
大きくなる等の問題点があった。さらに平板４３と蓋板
４８が重ね合わされ゛てノズル孔が形成されるが、ノズ
ル端面においてこれらの板の端がそろわずにずれが生じ
ると、インク滴噴射時に先に出っばった板の方にインク
滴が曲げられる。そこで一般には平板４３と蓋材４８を
接合した後、ノズル先端を切断したり研摩したりして段
差が生じないようにしていた。しかしこの場合も材料と
して、金属を用いていると切断や研摩によりノズル内に
パリが生じてしまう等、良好なノズル端面を形成するに
は多くの問題が残っている。

第２の従来例のセラミック材料を用いるものでは、金属
の押板やプラスチックの押板を用いて流路を形成すると
きに加圧による変形などにより精度のよい流路を形成す
ることが困難であった。特に金属板を用いてグリーンシ
ートに凹部を形成する方法では、蓋部材となるグリーン
シートを重ねて圧着するときに凹部に蓋部材の一部が埋
入して流路の厚さが場所により不均一になってしまう欠
点があった。またアクリルシートを用いる場合も加圧に
よりグリーンシートに埋入させるときアクリルシート全
体を埋入させるため大きな圧力が必要で、アクリルシー
トの変形が起こり精度が悪くなる欠点があった。

また従来の製造法では、セラミック焼成後に表面に導電
ペースト等の厚膜を印刷して電極を形成していた。第５
図の電極５４はこの方法により形成されたものである。

電圧を印加するにはこの電極５４と対になる電極５５が
必要であるか。この電極は、圧力室５３内壁に形成され
る。この電極の形成法は、無電界メッキ法等により作る
ことが可能である。このような電極構造であると、電圧
を印加しても電極ではさまれた壁が伸びるか縮むかしか
ないため、この壁が圧力室内部のインクを押し出すよう
な力はほとんど生じない。生じた場合でも座屈的な変形
で不安定となる。このように従来技術では圧力室壁の両
側にしか電極を形成できないため効率の良い圧力発生が
得られない欠点があった。

本発明の目的は、この問題点を全て解決し、精度の高い
インク流通路をセラミック中に形成し、しかも電極をセ
ラミック内部に形成することによって高性能なインクジ
ェットヘッドを提供することにある３゜ （問題を解決するための手段） 本発明は、電気機械変換特性を有するセラミック材料か
らなる平板構造を持ち、その内部にノズル孔、インク流
通路、圧力室およＯ・インク供給部等のインク流路のた
めの空孔か形成されており、かつ圧力室を形成している
平板状壁に電界を印加して変形を生じさせるための一対
の電極の少なくとも一方の電極を前曲１平板状壁の内に
埋め込んだことを特徴とするインクジェットヘッドであ
る。

さらに本発明は上記手段にさらに圧力室を形成している
平板状壁を圧力室を中心として対称な形に形成し、さら
にこれら両側の壁に電界を印加して変形を生じさせるた
めの一対の′ｉ！！極を各々配置し一対の電極の少なく
とも一方は壁の内部に埋め込んだことを特徴とするイン
クジェットヘッドである。

さらに本発明は感光性樹脂により、ノズル孔、インク流
通路、圧力室、インク供給部等のインク流路パターンを
形成する工程と、電気機械変換特性を有するセラミック
材料からなる第１のグリーンシート上に第１の電極パタ
ーンを形成する工程と同一セラミック材料からなる第２
のグリーンシート上に第２の電極パターンを形成する工
程と、前記インク流路パターンと少なくとも前記第１お
よび第２のグリーンシートを含むグリーンシートを積層
し、圧着する工程と、インク流路パターンとグリーンシ
ートを圧着した積層体を焼成する工程とを含むことを％
性とするインクジェットヘッドの製造方法である。

この製造方法は、感光性樹脂を用いることで精度の良い
、しかも微細な流路パターンを形成できる。さら（ここ
の流路パターンを一度セラミックグリーンシート中に加
圧により全体を埋め込むのではなく、他のセラミックク
リーンシートと同時に積層圧着することが重要な点であ
る。

感光性の樹脂としては、一般にレジスト用に使用されて
いるアクリル系の光硬化型樹脂をはじめとして、ナイロ
ン系、エポキシ系、ポリウレタン系、ポリブタジェン系
などで種々の感光性の樹脂を使用することができる。ま
た圧着の温度はグリーンシートに使用しているバインタ
ー樹脂のガラス転移点以上であればよい。さらに圧着時
に少量の溶媒をクリーンシートーヒに松露して圧着して
もよい。

（作　用） 電気機械変換特性を有するセラミック材料を用い、その
内部にノズル孔や圧力室等のインク流路を形成すること
により平板を８を層した時に接着剤等を用いずに同一の
セラミック材料からなるシートを重ね圧着し焼成するこ
とだけで一体化され、インクのもれ等が生じない　さら
に同一材料にて全体を形成することにより、焼成による
材料の熱変形が均一になるため湾曲やヒビワレ等が生じ
ない。さらにノズル端面も切断しただけでもパリや段差
のない端面が得られる。さらに研摩してもパリのないな
めらかでシャープなノズル端面が得られる。また圧力室
壁の内部に電極を形成し、さらに圧力室壁外部に電極を
形成することにより圧力室壁は電界の印加される層と印
加されない層に分けられる。ここで電界が印加された方
の層では圧電材料等の電気根株変換材料を用いているた
め、電界に応じて伸縮する。すると、変形の生じない層
とでバイモルフ構造となり、効率良く湾曲変形を生じさ
せることができる。

ここでは一対の電極の場合を示したが、さらに壁内の電
極と圧力室内壁までの間にもう一つの電極を形成し、中
央電極と外壁の電極とには圧電材料が収縮する方向の電
界を印加し、中央電極と新たに追加した電極には圧電材
料が伸びる方向の電界を印加することにより、さらに効
率の良い湾曲変形を生じさせることができる。

また平板形のヘッドでは圧力室を形成している壁の一方
に電極を形成してインクを押し出す圧力を発生させる場
合、壁の変形により生じた振動が平板形の水全体に伝播
して大きな音を発生してしまう。またこの振動は圧力室
内のインクには伝わるためインク噴射速度がインク滴を
噴射する時間間隔を変えると変化してしまう等があった
。これを防止する方法としては、ヘッド全体を振動しな
いように強固に固定するとか、ヘッド全体に振動吸収材
でモールドする等があるが、ヘッドが大きくなるとか充
分に振動をおさえることができない等があった。これを
解決する為に一例として本発明では、圧力室を形成する
壁板を対称に配置し、この一対の壁板の両方に電界を印
加する電極を設けた。これにより電圧を印加した時に壁
は、互いに対称に湾曲するためヘッド本体に伝わる振動
は互いに逆相となり打消し合っでヘッド全体の振動はほ
とんど無くなる。

次に以上のようなインクジェットヘッドを製造する方法
について説明する。

本発明によれば、第１に感光性樹脂により流路パターン
を形成するため、ノズル孔パターンのような巾３０μｍ
〜７０μｎ１とい・う微細なパターンを精度良く形成す
ることができる。さらにインク流路の厚さに相当する感
光性樹脂の厚さも最高数韻のものも実現できインクジェ
ットヘッドにおける１００μｍ前後のｊ！メさのものは
容易である。またパターンの幅と厚さの比も１以上が実
現できノズル孔もほぼ正方形のものが得られる。

さらにインク流路を形成する工程で従来のようにグリー
ンシートの中に流路パターンを圧力により埋め込む場合
には、その深さに限界があり、数十ミクロン程度であっ
た。また深く埋め込むには高い圧力が必要で、パターン
が変形して精度を保つことができない。

本発明では、セラミックグリーンシートと感光性樹脂か
らなる流路パターンを同時に圧着することによりグリー
ンシートに埋め込まれる流路パターンの深さが上下方向
に２分割されるため、空孔パターンの変形が起りにくく
、さらに複数のセラミックグリーンシートが流路パター
ンと同時に圧着するため、加圧時に流路パターンの間を
多層のグリーンシート全体で埋めるように変形するため
流路パターンに大きな圧力が作用せず、その変形はほと
んど認められず精度の高いパターンを形成することがで
きる。

さらに積層する前にグリーンシートの表面に電極や配線
パターンを形成することにより、焼結後セラミックスの
内部やセラミックスの表面などに電極および配線を形成
できる。またセラミックグリーンシートにあらかじめ孔
をあけておけば、この孔を通して、セラミックス内部、
セラミックス表面に形成した電極を三次元的に配線する
ことも可能となる。

〔実施例〕

以下図面を用いて実施例を説明する。

第１図（ａ）は本発明によるインクジェットヘッドの第
１の実施例を説明するための部分断面を含む斜視図であ
る。同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−ＡＩにおける断面図
である。

本実施例に示したヘッドは、圧電材料や電歪材料からな
るセラミックスからなる基板１０上蓋（Ｉ）１５および
上蓋（ＩＩ）　１７を積層した構造となっている。ただ
し、この基板１０．」二蓋（１）１５および上蓋（…）
１７の互いに接する部分は、完全に一体化されている。

この平板状の積層体の中には、ノズル孔１１、インク流
通路１２．圧力室１３および外部からインクが供給され
ている共通インク室１４等のインク流路の空孔が形成さ
れている。さらに上蓋（１）１５および上蓋（ｉｆ）　
１７にはさまれた部分には電極１８が埋め込まれている
。この内部の電極は、同じく埋め込まれた配線パターン
１９および上蓋（ＩＩ）１７にあけられたスルーホール
２０により外部に導ひかれ端子２１に接続されている。

さらに上蓋（１）　１７の外表面にも別の電極１６から
形成され同じく配線パターン２２により他の端子２３に
接線されている。これらの電＆１６および１８は第１図
（ｂ）に示すように圧力室１６を形成している壁の一部
に形成されており電極に電圧が印加されると電極１６お
よび１８にはさまれた部分のか収縮しその結果壁が圧力
室側に湾曲して内部のインクに圧力を作用する。電極形
状は特に制限は無いが圧力室の形状に概略等しくするこ
とが効率の上で望ましい。また電極の巾としては、電極
１６又は１８のいずれか一方は、圧力室の巾より狭いこ
とが望ましい。

またノズル端は、ワイヤーソーやダイヤモンドカッター
等の一般的な方法を用いて切断することにより仕上がる
。これはヘッドかセラミックス材料で作られているため
切断した時にパリが生じずシャープなノズルエツジが得
られる。また切断した後、研摩してさらになめらかな端
面に仕上げることにより良好なノズルが得られる。この
ときもパリ等が生じない利点がある。

次に本発明のヘッドを製造する方法ｉこついて説明する
。

第２図（、］）〜（ｅ）に本発明による製造法の１実施
例の流路パターンの形成から焼結までの工程の説明図で
ある。才ず流路パターンは、ポリエステルフσ５） ィルム等のキャリアフィルム２５上に感光性樹脂２６を
所定の厚さに均一にコーディングする。この上に流路パ
ターンが形成されたフォトマスクを重ね光を照射して露
光する（１ｇ２図（ａ）　）。その後現像処理を行ない
所定の流路パターン２８を形成する（第２図（ｂ））。

セラミックグリーンシートは、一般的な方法に従ってセ
ラミック粉末と有機バインター、可塑剤溶剤を混合有数
することにより泥漿状態とし、これをドクターブレード
法、＝１−ヤスティング法等により、プラスチックフィ
ルム、ガラス板金属シートなどの上にコーティングし乾
燥することにより作成する。乾燥後フィルムや板から剥
離し、所定の寸法に打ち抜いたり、切断したりする。こ
のグリーンシート上に電圧を印加するための電極パター
ンや配線パターンをスクリーン印刷法を用いて導電ペー
ストを塗布する等により形成する。ここでは第１のグリ
ーンシート２９に外部の電極パターン３０を第２のクリ
ーンシート３１に内部の電極パターン３２を形成した例
を示した。また内部の配線を外部に引出す部分にはグリ
ーンシートにスルーホールを形成しておく。

その後、流路パターン２８はキャリアフィルム２５から
剥離し、電極パターンを形成したグリーンシート２９や
３１さらに流路を作るための他のグリーンシート３３等
（第２図（Ｃ））と共に圧着用の金型の中へ、空孔、電
極その他の印刷されたパターンが所定の三次元的配置と
なるように積層して圧力を加え一体化する。ここで必要
に応じて圧力とともに熱を加えてもよい。圧着すると各
々分離していたグリーンシートは流路パターン２８を包
み込むように流動し互いに接触し一体化する（第２図（
ｄ））。

このようにして作成した積層体は必要に応じて所定の寸
法に切断した後、まず流路パターン樹脂や、セラミック
グリーンシート中にある有機物を脱バインダ一工程で酸
化雰囲気中でゆっくり加熱し、分Ｗｒ消失させる。通常
これらの有機物は、５００℃〜６００℃の温度で完全に
分解、酸化するが急激な温度上昇を行なうと積層体が破
損するため２５℃／時間あるいはこれよりもゆっくりと
した温度上昇スピードで温度を上げ、５００℃〜６００
　Ｔ；に充分長い時間保持することで有機物を完全に消
失させる。このように脱バインダ一工程を行な−）た後
は積層体３５の中にｉＪ流流路ツタ−ン樹脂の部分は空
孔となり流路パターン３６が形成される。

また積層体３５の外部や内部に電極パターン３０゜３２
が形成される。この積層体を所定の温度で焼成して磁器
化する（ｉ２Ｌ・祖ｅ））。その体必要に応じて、所定
の寸法に切断したり、ノズル端面を切断して仕上げてイ
ンクジＪ：　ｊ／トヘッドが得られる。

ここで使用するセラミック粉体としては、Ｐｂ’ｌ’ｉ
０゜−ＰｂＺｒＯ，系のものを用いた。電極材料として
はＡｇ／Ｐｄの比率が７０／３０　（重量比）の導電ベ
ーストを用いた。流路パターン用の感光性相脂はアクリ
ル系光硬化性樹脂を使用し、紫外線を露光しメチルエチ
ルケトンを用いて現像した。

セラミックグリーンシートと流路パターン樹脂の圧着は
２５０＆ｙ／−の圧力を印加し、１１０℃の温度に加熱
し、３０分行−）だ。

積層化は、５℃／時間の昇温速度で空気中で加熱し、５
００℃に３時間保持して有機分を分解消失した。焼結は
同じく空気中で１，１５０℃で２時間保持して行った。

グリーンシートの厚さは、各々約１００μｍで、感光性
樹脂の厚さは約１００μｍのものを用いた。

焼成後は、１２μｍ部分の形状は約８０μｍ角となった
。またその他の流路の高さも８０μｍの厚となった。こ
のように形成したヘッドに約５０ｙｏｘｔのパルス状の
電圧を印加した所ノズルよりインク滴が噴射された。

第３図は本発明によるインクジェットヘッドの第２の実
施例を説明するため圧力室部分での断面図である。

本実施例では同一でＢ−Ｂ′で示した面で上下対称とな
るように圧力室壁を形成しである。また圧力室壁の内部
および外部には駆動用の電圧を印加するための電極３９
，４０．４１および４２がＢ−Ｂ’に対し対称となる位
置に形成しである。そして電極３９と電極４１および電
極４０と電極４２は、接続されており、外部より駆動用
の電圧が印加される。すると上側の壁と下側の壁は、Ｂ
−Ｈ’に対し対称に変形して、圧力室３８内のインクを
押し出し、圧力室に連通しているノズル（図示していな
い）からインクを噴射する。このとき圧力室の壁の変形
に伴なう振動が平板状のヘッド本体３７に伝搬し、他の
圧力室に振動を加えたりして他のインク噴射ｌこ干渉を
与えたり、平板３７が振動するため大きな音が発生する
。しかじなあＳら本実施例のように対称に電極を配置す
るため上下の壁で発生する振動は互いに逆相となり互い
に打消すためヘッド本体３７にはほとんど振動が発生し
ない。

振動を測定した所、片側に比べ振巾が約１０分の１以下
に減少させることができた。このように対称配置するこ
とによりヘッドを薄く作成してもヘッド全体の振動がほ
とんど無い騒音の小さなヘッドが得られる。また２か所
で壁が変形するため、片側駆動の場合に比べ圧力室を約
半分の大きさにすることができる。また同じ圧力室の大
きさの場合には駆動電圧が約半分になる利点がある。

この実施例によるヘッドの製造方法は８２図に示した工
程図（Ｃ）における積層工程においてグリーンシート３
３の代りに、電極パターンを形成したグリーンシート２
９および３１を上下逆転させて積層することにより得ら
れる。

（発明の効果） このように本発明によれば、ヘッド全体を同一の電気機
械変換特性を有するセラミック材料で形成しているため
、接合部が無くはがれ、ひびわれ等が生じない。また、
セシミンク内部に電極を形成しているため、圧力室壁が
バイモルフ又はモノモルフ構造となり効率良く変形を発
生させることが可能となる。

さらにセラミック材料を用いているためノズル端面もパ
リの生じることがなく、良好なインク噴射が得られるよ
うになる。

また本発明の製造法により、従来各部分を別別に加工し
組立接合していたのに対し、部品の工数が大幅に減少し
、さらに精度の高い流路が得られるようになった。

さらに、駆動用の電極を圧力室壁の両側に形成すること
により他の圧力室への干渉の少なく、騒音の低いヘッド
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明によるインクジェットヘッドの第
１の実施例を説明するための部分断面を含む斜視図、同
図（ｂ）は同図（ａ）のＡ　−Ａ′断面図、第２図（ａ
）〜（ｅ）は本発明による製造方法の実施例の工程図第
３図は、本発明による第２の実施例を説明するための断
面図、第４図（ａ）　、　（ｂ）は従来のインクジ互ッ
トヘッドの斜視図、第５図は従来のインクジェットヘッ
ドの他の例の断面図である。 なお図中において、１０は基板、１１はノ女ル孔、１２
はインク流通路、１３は圧力室、１４は共通インク室、
１５は土俗（Ｉ）、１６は電極、１７は上蓋（Ｉｌｌ、
１８は電極、１９は配線パターン、２０はスルーホール
、２１は端子、２２は配線パターン、２３は端子、２４
はヘッド本体、２５はキャリアフィルム、２６は感光性
樹脂、２７はフォトマスク、２８は流路パターン、２９
は第１のグリーンシート、３０は外部の電極パターン、
３１は第２のグリーンシート、３２は内部の電極パター
ン、３３はクリーンシート、３４および３５は積層体、
３６は流路パターンの空孔、３７はヘッド本体、３８は
圧力室、３９，４０．４１および４２は電極、４３は平
板、４４はノズル、４５はインク通路、４６は圧力室、
４７はインク供給部、４８は蓋板、４９は圧電素子、５
０はインク供給口、５１は基板、５２は上蓋部材、５３
は圧力室、５４および５５は電極を示す。 代献弁理士　内厚　　　晋　　　。 第１図 （ａ） （ｂ） 第２図 先 ロゴ　ＥＺ　口ゴー−２ｓ 第３図 第４図 ４６圧力室 第５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）電気機械変換特性を有するセラミックス体の内部
   にノズル孔、インク流通路、圧力室およびインク供給部
   等のインク流路となる空間が形成されており、かつ前記
   空間のうち圧力室に相当する部分に面する１個所のセラ
   ミックス体部分の内部に少なくとも一つの電極が形成さ
   れていることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. （２）電気機械変換特性を有するセラミックス体の内部
   にノズル孔、インク流通路、圧力室およびインク供給部
   等のインク流路となる空間が形成されており、かつ前記
   空間のうち圧力室に相当する部分を介して対向する２個
   所のセラミックス体部分のそれぞれの内部に少なくとも
   一つの電極が形成されていることを特徴とするインクジ
   ェットヘッド。
3. （３）感光性樹脂によりノズル孔、インク流通路、圧力
   室、インク供給部等のインク流路パターンを基体上に形
   成する工程と、電気機械変換特性を有するセラミック材
   料からなる第１のグリーンシート上に第１の電極パター
   ンを形成する工程と、同一セラミックス材料からなる第
   ２のグリーンシート上に第２の電極パターンを形成する
   工程と、前記感光性樹脂からなるインク流路パターンと
   少なくとも前記第１および第２のグリーンシートを含む
   グリーンシートを積層し圧着する工程と、該積層体を焼
   成する工程とを含むことを特徴とするインクジェットヘ
   ッドの製造方法。