JPH04125158A - インクジェット式印字ヘッド - 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、印字データの入力を受けた時点で、インクを
液滴又はミストとして飛翔させ、このインク滴又はミス
トにより記録用紙にドツトを形成するオンデマンド型イ
ンクジェット式印字ヘッドに関する。具体的分野として
コンピュータの出力端末や、カラープリンタ用等として
広く用いられているオンデマンド型インクジェット式ヘ
ッドに関するものである。

〔従来の技術〕

オンデマンド型インクジェット式印字ヘッドは、大きく
分けて３種類のものがある。第１のものはノズルの直下
又は壁面にインクを瞬間的に気化させるヒータを設け、
気化時の膨張圧力によりインク滴を生成し、飛翔させる
、いわゆるバブルジェット型である。第２のものはイン
ク溜部を形成する容器に、信号により変形する圧電素子
を設け、変形時に生じる圧力によりインクを液滴として
飛翔させるものである。第３のものは、インク溜部内に
ノズルに対向させて圧電素子を配設し、この圧電素子の
伸縮によりノズル領域に動圧を生じさせてインク滴を飛
翔させるものである。

上記第３の形式のオンデマンド型インクジェット式印字
ヘッドは、日本特許公報特公昭６０−８９５３号公報に
示されたように、インクタンクを構成する容器の壁面に
複数のノズル開口を形成するとともに、各ノズル開口と
対向するように伸縮方向を一致させて圧電素子を配設し
て構成されている。この印字ヘットは、印字信号を圧電
素子に印加して圧電素子を伸長させ、このときに発生す
るインクの動圧によりノズルからインク滴を飛出させて
印刷用紙にドツトを形成するものである。

このような形成の印字ヘッドにおいては、液層の形成効
率や飛翔力が大きいことが望ましい。しかしながら、圧
電素子の単位長さ、及び単位当りの伸縮率は極めて小さ
いため、印字に要求される液滴の形成効率と飛翔力を得
るには、インクの動圧がノズル開口に集中する構造とす
るとともに、高い電圧を印加することか必要となる。こ
のため構造及び駆動回路や電気絶縁対策が複雑化すると
いう問題がある。

上記問題を解消するために以下の提案がなされている。

まず、印字に要求される液滴の形成効率と飛翔力を？１
＃るための、インクの動圧がノズル開口に集中する構造
として、−船釣にインク溜部側のノズル開口部をインク
出口側開口部より大きくする構造が提案されている。具
体的にはノズル開口部を有する部材の厚み方向に段差ま
たはホーン型形状を設ける構造、日本特許公報特公昭６
０−８９５３号公報の中で示された円錐形、さらにまた
、インク溜部側に上記形状を突出させる方法等種々の提
案が提示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来の技術で述べた様な方法の実現に際しては
、インク溜部側のノズル開口部、すなわち容器の内壁部
に複雑な形状を形成しなければならないため、加工法及
び製作コスト面から、容器とは別体の部材にせさるを得
なかった。従って上記の形状を形成した別体の部材を容
器に結合することによって、寸法精度の累積や変形等に
よって動圧の中心とノズル開口部の上記形状の中心がず
れたり傾いたりすることによりその効果が少なくなって
しまうという問題がある。また接む等の結合などにおい
ては環境条件及び時間的経過条件等により剥離等が生じ
極めて信頼性に劣るという問題がある。

また印字に要求される飛翔力を得るために高い電圧を印
加しない方法として、［１本特許公報特開昭６３−２９
５２６９号公報に示されているように、電極と圧電材料
を交互にサンドイッチ状に積層したインクジェット印字
ヘッド用の圧電素子が提案されている。この圧電素子に
よれば電極間距離を可及的に小さくすることができるた
め、駆動信号の電圧を下げることができるという効果が
ある。しかしながら、このような圧電素子は小型に成形
することが困難であるため、その用途が限定されるとい
う問題がある。

本発明の第１の［−１的は、圧電素子の伸縮によるノズ
ル領域の動圧中心とノズル開口部の中心とのずれ等を無
くし、またノズル部材の剥離等が無く安定したインク液
滴形成を飛翔力を備えた新規なオンデマンド型インクジ
ェット式印字ヘッドを提供することにある。

本発明の第２の目的は、可及的に低い電圧で十分な飛翔
力を備えたインク滴を発生させ得る新規なオンデマンド
型インクジェット式印字ヘッドを提供することにある。

本発明の第３の目的は、小型かつ高密度で、実用的なオ
ンデマンド型インクジェット式印字ヘッドを提供するに
ある。

本発明の第４の目的は、安価で量産性に優れたオンデマ
ンド型インクジェット式印字ヘッドを提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記問題を解決するため、本発明のオンデマンド型イン
クジェット式印字ヘッドは、圧電材料と導電材料とで形
成した圧電素子ブロックを所定の幅で切断し、一端を基
板に固定し、他端を自由端として配置した圧電素子列と
、前記自由端との間にインク溜め部としてのキャビティ
を形成する仕切ブロックと、前記キャビティに連通ずる
ノズル開口部を有するノズル部材と、前記圧電素子列の
間に配置した列間仕切部材から成り、前記ノズル部材と
前記列間仕切部材とを一体に形成してなることを特徴と
する。

また、前記列間仕切部材を前記キャビティをも前記圧電
素子列毎に仕切るように延設してなることを特徴とする
。

さらにまた、前記圧電素子ブロックがペースト状圧電材
料と導電材料をそれぞれ層状に交互に積層して焼成して
なることを特徴とする。

〔作　用〕

上記のように構成してなる本発明のオンデマンド型イン
クジェット式印字ヘッドは、ノズル開口部を有するノズ
ル部材と圧電素子列の間に配置した列間仕切部材とが一
体に形成されているので、従来のような貼り合わせによ
るずれや変形等、また剥離等も生じることがなくなる。

また、列間仕切部材がインク溜めを形成するキャビティ
を圧電素子毎に仕切るように延設することにより、イン
ク滴形成効率が上がり飛翔力が大きくなる。

さらにまた、圧電素子列がペースト状圧電キイ料と導電
材料をそれぞれ層状に交互に積層して焼成したものであ
ることにより、低い電圧で十分な飛翔力を得ることがで
きる。

〔実　施　例〕

以下本発明の詳細を実施例により図面を参照して説明す
る。

第１図〜第６図は本発明における第１の形成のオンデマ
ンド型インクジェット式印字ヘッドの構成を示すもので
あり、第１図は外観斜視図、第２図は平面図、第３図は
正面図、第４図は第２図におけるＡ−Ａ−断面でノズル
部中心の駆動部の断面図、第５図は第２図におけるＢ−
Ｂ　−断面で仕切部を中心とした断面図、第６図はノズ
ル開口部８を設けたノズル部材７を除去した平面図であ
る。

第４図及び第６図において、圧電素子４は強固な接着剤
（又はろう付け）１５によって基板１及びハウジング２
に固定されている。圧電素子４は圧電定数ｄ３３方向に
縦振動するように内部電極４０．４２が交互にキャビテ
ィ１１と対向する方向に形成されている。圧電素子４の
外部電極４７．４８（第９図（ｎ）参照）は上下面に全
面にわたって形成され、高ヤング率接着剤（又はろう付
は材）６．９又は導電材を介して基板１の上に形成され
た共通電極１３、リード電極１４と電気的に接続されて
いる。さらに第５図において、圧電素子４の列の間の隙
間はヤング率が圧電素子４のヤング率の２０％以下であ
る接着剤又は充填剤等の樹脂系１イ料から成る列間仕切
部材５で埋められている。また、キャビティ部は、列間
仕切部材５で仕切られ、各圧電素子４毎に独立したキャ
ビティ１１が形成されている。キャビティ１１の圧電素
子４に対向する側面はセラミックス又はプラスチックス
又は金属等の仕切りブロック３で形成されている。仕切
ブロック３は、基板１に固着されている。また、キャビ
ティ１１に連通したノズル開口部８を形成したノズル部
材７は、列間仕切部材５と同等の材料で列間仕切部材５
と一体的に形成され、仕切ブロック３及び圧電素子４及
びハウジング２のそれぞれの端面と接合している。

上述の如き構成を成すオンデマンド型インクジェット式
印字ヘッドについて製造プロセスを追いながら詳述する
。

プロセス１ 第７図は、基板の平面図である。図示のものは同時に多
数個取りができるようにしたもので、図中の破線ａで切
断することにより、１ユニツト、すなわち１ヘッド分の
基板１を多数取ることできる。取り枚数は各ヘッドのノ
ズル数及び製造装置の能力によって決定される。この基
板は絶縁材料より成り、アルミナ等のセラミックス、あ
るいはガラス基板等が用いられる。２１はインク導入用
のスルーホールでレーザー又は型取りによって裏面と貫
通している。２２は表面電極であり焼成により作成した
導通電極用の導通ペーストである。

一般にはＡｇ／Ｐｄ系、Ａ　ｕ　／　Ｐ　ｄ系、Ｐｔ／
Ｐｄ系が用いられる。もちろんその他の導通ペーストも
用いることができ、厚さは３μｍ〜２０μｍまでが好ま
しい。

プロセス２ このような基板を切断した１ユニツトの基板１の上に仕
切ブロック３及び圧電素子ブロック３４を接着剤１５て
回着する。接着剤１５は、エポキシ系又はシリコン系等
の樹脂系接着剤又はＡｇろう等を用いる。

第８図は、基板１の上に仕切プロ・ツク３と圧電素子ブ
ロック３４を接着した状態を示す図である。

この時点て圧電素子ブロック３４は各圧電素子列に分割
されておらず、ブロックの状態である。この圧電素子ブ
ロック３４は、上下面にそれぞれ外部電極４７．４８（
第９図（ＩＩ）参照）が表面全体にカバーされている。

また、図中３１は、将来キャビティ１１を形成する空隙
である。この空隙３１にはレジストフィルム等の後で除
去可能な膜が張り付けられている。又はフォトリソ川の
レジストを流し込み固化させても良い。

圧電素子ブロック３４を基板ｌに固定する際、キャビテ
ィ１１側と反対側の端部は、高強度の圧電素子４と同等
のヤング率を有する部材にて固定する。これにより、圧
電素子４の伸縮量はキャビティ１１側の自由端側に有効
に作用することとなる。本実施例では／Ｘウジング２を
セラミ・ノクス等の高ヤング率材料として圧電素子４の
固定端に密着するよう当接配置した。更に固定を確実に
するために、基板１と圧電素子４及びハウジング２と圧
電素子４間の部分を高ヤング率接着剤６．９を使用して
固着した。例えば、ガラスフリット材、セラミックス系
ペースト材等を使用し、焼成により同着化可能である。

さらに圧電素子４について詳述する。

第９図（ＩＩ）は圧電素子ブロック３４を示すもので、
図中符号４０．４０．４０・・・はそれぞれの一方の内
部電極を構成する導電層である。また４２．４２．４２
・・・は他方の内部電極を構成する導電層である。各導
電層４０．４２は互いに平行となるように交互に圧電材
料４４．４４、・・・にサンドイッチ状に配設されてい
る。また一方の内部電極となる導電層４０は一方の端部
がブロックの裏面に露出され、また他方の内部電極とな
る導電層４２はその端部がブロックの表面に露出するよ
うに構成されている。このような層構造は、適当な圧電
素子材料、例えば、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をグリーンシート状とし、
この表面に印刷法により内部電極材料を印刷する。次い
てこのシートを交互に必要枚数ｍねてラミネートする。

こうして所定枚数を形成し、予備乾燥及びンンタリング
を行い、焼結体とする。この状態を第９図（１）に示す
。この直方体状のものの内部電極４２及び４０が露出し
ている面にそれぞれ外部電極を構成する導電材料４７．
４８を塗布乾燥又は焼成して第９図（ＩＩ）に示す状態
となる。これが圧電素子ブロック３４であり、最終的に
はスリット４６を入れて各アレイに分割し使用する。

このように構成した各圧電素子列の一方の内部電極４０
を接続している外部電極４８には、第１１図に示すよう
にそれぞれ独立のリード電極１４を接続し、また他方の
内部電極４２を接続している外部電極４７には共通電極
１３を接続する。これにより、独立のリード電極１４と
共通電極１３との間に電気信号を印加すると、独立のリ
ード電極１４により選択的に信号が印加された圧電素子
は、外部電極４７．４８を介して内部電極４０、４２間
に同一の電圧を同時に印加されることになるから、内部
電極間の圧電材料が同時に伸長し、各層の変位が足し合
わされて自由端側か軸方向へ変位する。もとより、各内
部電極間の圧電材料は、極めて薄く形成されているから
、最大限の伸長を行わせるための電圧は極めて小さな値
で済むことになる。

圧電素子ブロック３４を、導電剤により基板１上の電極
と導通させている。導通方式は種々あるが、一般にはＡ
ｇロウ材や導電ペーストを用いる。

又、金属ボウルを基板と圧電素子の間で押しつぶして用
いる場合もある。導電スペースは電極面全体である必要
はなく、ある部分が確実に導通されていればよい。ただ
し前述したように圧電素子ブロック３４はカッティング
して使用される為、各圧電素子列毎に導通しているよう
配慮する必要はある。

プロセス３ プロセス２により得られた第８図に示す状態のものを第
１０図の一点鎖線Ｃ−Ｃ″の方向に、ダイシングソーや
ワイヤーソーを用いてスリットを入れる。この時、基板
１の表面電極２２も分割される様、基板１の表面から１
０〜５０μｍの深さまでカッティングを行なう。ピッチ
は所望の数値で良い。例えば３００Ｄｏｔ　Ｐｅｒ　Ｉ
ｎｃｈのヘッドを作るのであれば片側１５０Ｄｏｔ　Ｐ
ｅｒ　Ｉｎｃｈで１６９８３μｍピッチとなる。こうし
てカットされた圧電素子ブロック３４の周囲を囲い込む
ようにハウジング２を設置する。ハウジング２は基板１
及び各圧電素子列のキャビティ１１側と逆の端面と強力
に固着する。ここで用いる接着剤はヤング率ができるだ
け大きいことが望ましい。

プロセス４ ワイヤーソー等によりカッティングしてできたスリット
空間に列間仕切部材５をなす樹脂系材料を注入充填し硬
化する。

樹脂系材料はエポキシ系、シリコン系等が適当であるが
、硬化膜が適度な硬度と密着性及び強度をもっていれば
これにこだわる必要はない。

プロセス５ 各圧電素子列の上面に形成されている電極を導通させ共
通電極を取り出す。既に基板１側と各圧電素子列下面の
電極はプロセス３によるカッティングで個別リード電極
として構成されている。上面は例えばハウジング２の外
壁を利用する等して基板１側共通電極１３に導通させる
。第１１図はその１例を示すものであり、ハウジング２
の表面に導電ペーストで導電路６１を形成している。

導電路６１は、圧電素子４の上面電極４７と導電ペース
ト６２で導通している。又、導電路６１は基板上の共通
電極１３とも導電ペースト６３で導通している。この電
気的接合方式はいろいろとあり、例えばフレキシブルケ
ーブルを利用したり、ワイヤボンディングする等も可能
である。

プロセス６ ノズル部材７及びノズル開口部８について詳述する。第
１２図はその１例を示すもので、ハウジング２の外側を
囲むように、さらにノズル部材７の厚さの予定の位置り
よりＥ寸法高い枠１６を基板１に仮接着し、前述の列間
仕切部材５と同等の材料を枠１６の上面まで注入充填し
硬化させる。

次に枠１６を外してノズル部材７の厚さの予定の位置り
の位置まで研削して平滑にする。研削は表面研削盤やラ
ッピング装置、またはダイシングソーを用いて行なう。

その後、レーザーまたはドリルによりキャビティ１１を
形成する為に可溶性樹脂を充填してあったスペースの真
中にノズル部材７の厚さを貫いた穴であるノズル開口部
８を正確に穴明けする。ノズル部材７の厚さは０．０５
〜０．５程度の薄さであるため、透明な樹脂系材料を使
用し、キャビティ１１を形成する為の可溶性樹脂を若色
することにより仕切りブロック３と圧電素子４との識別
が画像処理技術等により簡単にできる。したがって傾き
の無い正確な位置に穴明けが可能である。また、枠１６
は外さないで同時に研削しても良く、その場合は基板１
に確実に接管する必要がある。このようにノズル部材７
と圧電素子列の列間仕切部材５とが同じ樹脂系材料であ
るため、ノズル部材７の形成時に注入した材料が列間仕
切部材５と一体になり、十分な強度が保証され、変形、
剥離等が生じることが無くなる。

プロセス７ キャビティ１１を形成するために充填してあったスペー
ス（第１０図の空隙３１）の可溶性樹脂を除去する。ポ
ジ系のフォトレジストであれば、アセトンまたはアンモ
ニア水にて除去するのが好適であり、ネガ系フォトレジ
ストであれば強酸系の水溶液を加温して吹きつけて除去
する。これにより第１３図に示す如きキャビティ１１を
形成することができる。第１３図では仕切ブロック３も
圧電素子４と同時にカッティングし、列間仕切部材５を
なす樹脂系材料をそのスペースに注入充填し硬化させて
キャビティ１１を形成した場合を示している。なお、図
では、ノズル部材７及びノズル開口部８を省略しである
。

本実施例では仕切ブロック３をはさんでキャビティ１１
を対向させる方式について記述してきたが、ノズル開口
は１列でも良いし、あるいは更に多列化することも容易
である。

このように構成された印字ヘッドは、ケーブル１２を介
して電気信号が圧電素子４に印加すると、圧電素子４は
電極の積層方向に伸長するから、圧電素子４の自由端は
前面のキャビティ内にあるインクを仕切ブロック３に向
けて押出すことになる。

これにより、インクは、動圧を受けてノズル開口部８に
突入し、インク滴となって外部空間を飛翔し、印刷用紙
にドツトを形成する。

電気信号の印加がなくなると、圧電素子４は元の状態に
縮小し、仕切ブロック３と圧電素子４の間のキャビティ
１１にインクがスルーホール２１を通じて流入して次の
インク滴発生に倫えることになる。

ところで、インクジェットプリンタ用インクは絶縁性の
場合もあれば、導電性をもつ場合もある。

特に導電性インクを使用する場合は、圧電素子の電極は
インクから完全にシーリングされていなければならない
。こうした点をクリアする為に第１４図のｂ層のように
両自由端に圧電作用に関′ｊしない層を圧電材料で形成
しておくのが望ましい。

さらに、列間仕切部材（樹脂系材料）５をスリットに流
し込む前に圧電素子列全体を絶縁性樹脂液、例えばポリ
イミド溶液中にディッピングし、薄い絶縁膜を圧電素子
表面にコーティングするのも良い方法である。

第１５図は第２の実施例を示す部分斜視図である。この
実施例では、各キャビティの仕切部材でもある列間仕切
部材５が仕切ブロック部３まで延設されていない。第１
の実施例は高密度形ヘッドである為、クロストークの問
題がある。本実施例は比較的、隣接するノズル開口部の
密度が高くない場合は有効であり、十分に実用性がある
。図はノズル部材７を透視しており、圧電素子間は列間
仕切部材５により埋められている。この実施例の場合は
、第１θ図の空隙３１を設ける必要はなく、仕切ブロッ
ク３と圧電素子ブロック３４は密着して接着し、圧電素
子列間に樹脂を埋めた後、ダイシングソー等で空隙３１
に相当する部分を切断し、可溶性レジストを注入充填硬
化させキャビティを形成することができる。第１５図９
１はこのようにして形成したキャビティである。また、
仕切ブロック３は圧電素子ブロックの圧電作用に寄ｒｐ
　Ｌない層を延設して、その層を後でカットし、仕切ブ
ロック３として使用することも可能である。

また、前述までの実施例において、圧電素子列のスリッ
ト空間に樹脂系材料を注入充填し硬化させた後ハウジン
グ２の表面導電路６１に圧電素子４の上面の電極を導通
させ共通電極として取り出し、そのあとでノズル部材７
及びノズル開口部８を形成するための樹脂系材料５と同
等の材料を注入充填し硬化させることにより圧電素子列
の列間仕切部材５とノズル部材７とを一体にするという
ことで説明したが、この方法に限定されるものではなく
、その他種々の方法も採用し得る。たとえば、前述の共
通電極の取り出しを先にし、そのあとで圧電素子列の列
間仕切部材５とノズル部材７を同時に樹脂系材料を注入
充填し硬化させて一体に形成することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ノズル部材と圧電素子列の間に配置し
た列間仕切部材とを一体に形成することにより、ずれや
変形、剥離等が無くなり、信頼性の高い安定したインク
液滴形成と飛翔力を得ることができる。

また積層圧電素子より低い電圧で十分な飛翔力も備えた
インク滴を発生させることができる。積層数を増すほど
に電圧は下げることができる。

さらに、本発明のヘッドを製造する際には同時多数個取
りが可能であり、非常に安価なインクジェットヘッドを
製造することができ、かつ高密度化と高信頼性にも優れ
た方式で、小型化と低コスト化が同時に実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は本発明における第１の形式のオンデマ
ンド型インクジェット式印字ヘッドの構成を示すもので
あり、 第１図は外観斜視図、 第２図は平面図、 第３図は正面図、 第４図は第２図におけるＡ−Ａ−断面でノズル部中心の
駆動部の断面図、 第５図は第２図におけるＢ−Ｂ　−断面で仕切部を中心
とした断面図、 第６図は第２図におけるノズル部関係を除去した平面図
。 第７〜第１３図は本発明における製造プロセス説明図で
あり、 第７図は基板の詳細図、 第８図は基板上に仕切ブロックと圧電素子ブロックを接
着した図、 第９図（１）は圧電素子ブロックの焼結体の状態図、 第９図（ＩＩ）は圧電素子ブロックの外部型極付の状態
図、 第１０図は圧電素子ブロックの分割カッティングの状態
図、 第１１図は共通電極の取り出し状態の一例を示す図、 第１２図はノズル部材及びノズル開口部の形成状態の一
例を示す図、 第１３図はキャビティ形成状態の他の例を示す図、 第１４図は絶縁シーリング用としての圧電素子の構造の
一例を示す図、 第１５図はキャビティの仕切部材が仕切ブロックまで延
設されていない実施例を示す図。 １　・ ２　・ ３　・ ４　・ ５　命 ７　・ ８　・ １１　・ １２　・ ・・基板 ・・ハウジング ・・仕切りブロック ・・圧電素子 ・・列間仕切部材 ・・ノズル部材 ・φノズル開口部 ・・キャビティ ・・ケーブル 以 上 出願人　セイコーエプソン株式会社 代理人　弁理士　鈴　木　喜三部（他１名）第１図 第２図 第４図 第６図 １−・基核 ２１−ｍ−スルーホール ２２−・表面電格 ａ−ｔユニット轍 ３−−・イ１ｔ７７’ｌプ’ｒｈ７３４−Ｅ中未＋１０
．７【１） ［） 第９図 第１２図 １１・−・キｆヒティ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電材料と導電材料とで形成した圧電素子ブロッ
   クを所定の幅で切断し、一端を基板に固定し、他端を自
   由端として配置した圧電素子列と、前記自由端との間に
   インク溜め部としてのキャビティを形成する仕切ブロッ
   クと、前記キャビティに連通するノズル開口部を有する
   ノズル部材と、前記圧電素子列の間に配置した列間仕切
   部材とから成り、前記ノズル部材と前記列間仕切部材と
   を一体に形成してなることを特徴とするオンデマンド型
   インクジェット式印字ヘッド。
2. （２）前記列間仕切部材を前記キャビティをも前記圧電
   素子列毎に仕切るように延設してなることを特徴とする
   請求項１記載のオンデマンド型インクジェット式印字ヘ
   ッド。
3. （３）前記列間仕切部材が、前記圧電素子列の間に注入
   充填されて硬化する材料であることを特徴とする請求項
   １又は２記載のオンデマンド型インクジェット式印字ヘ
   ッド。
4. （４）前記ノズル部材が前記列間仕切部材と同等の材料
   であることを特徴とする請求項１又は２又は３記載のオ
   ンデマンド型インクジェット式印字ヘッド。
5. （５）前記圧電素子ブロックがペースト状圧電材料と導
   電材料をそれぞれ層状に交互に積層して焼成してなるこ
   とを特徴とする請求項１又は２又は３又は４記載のオン
   デマンド型インクジェット式印字ヘッド。