JPH0445943A - オンデマンド型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、液体状イ
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させるオンデマ
ンド型インクジェット式印字ヘッドに関する。コンピュ
ータの出力端末や、カラープリンタ用として広く用いら
れている。

〔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種類のものがあり、第１のものはノズルの先端
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、飛翔させる、いわゆる
バブルジェット型であり、また第２のものはインク溜め
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、さらに第３のものは、インク溜め部内にノズ
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、各ノズル開口に
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。

この印字ヘッドは、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
形成させるものである。

このような形式の印字ヘッドにおいては、液滴の形成効
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、及び単位電圧当りの伸縮率は極めて
小さいため、印字に要求される飛翔力を得るには高い電
圧を印加することが必要となり、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。

このような問題を解消するため、日本特許公報特開昭６
３−２９５２６９号公報に示されているように、電極と
圧１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。

こうした特性を利用した特許はその後、数多く出されつ
つあるが、その利用法の１つに、インク中で圧電素子を
駆動し効果をさらに高めるものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながらこの方式では、インクそのものに導電性が
ある場合、使用不能となるという問題点を有していた。

本発明は、−に述した問題を解決することが目的であり
、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、小型高密度化が可能で、安価かつ、導電性／
絶縁性両方のインクに対応可能な、オンデマンド型イン
クジェット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〕

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
、各圧電素子の表面に絶縁性樹脂材料を被覆されたこと
を特徴とする。また、各圧電素子列間には第１の仕切り
部材を有することを特徴とする。さらに、各圧電素子に
対向する第２の仕切り部材まで第１の仕切り部材が延設
されてなることを特徴とする。さらに、前記絶縁性樹脂
材料を？８解または溶融した瀉剤中にオンデマンド型イ
ンクジェット式印字ヘッドを浸漬、引上げ、乾燥させて
形成することを特徴どする。

〔実施例〕

第１図は、本発明に於けるオンデマンド型・「ンクジエ
ッＩ〜式印字ヘッドの１例を示すものであって、第１図
（ａ）は断面図、第１図（ｂ）はノズルプレート７をは
ずした状態で上部より見た図である。

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及びハウシング２に固定されている。

圧電素子はｄ３３方向に縦振動するよう、内部電極が交
互にキャビティ１１ど対向方向に形成されている。圧電
素子の外部電極は上下面に全面にわたって形成され、８
の接着剤又はろう付は材又は導′ｆＩｉ、月を介して基
板」−に形成されたリード電極１４と電気的に接続して
いる。さらに圧電素子列はそのすき間を、ヤング率が圧
電素子のヤング率より１１５以下である接着剤又は充填
剤で埋められている。又キャビティ部は圧電素子列のす
き間を埋めた材料と同等の材料で仕切られ、各素子毎に
独立したキャビティとなっている。キャビティの圧電素
子に対向する側面はセラミック又はプラスチック、ある
いは金属等の仕切りブロック３で形成され、基板１に固
着されている。前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。

第２図は、基板１である。同時に多数個取りできるよう
図中の破線ａはそれぞれヘッドの１ユニツ）・を示して
いる。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。この基板は絶縁性材料より成り
、アルミナ等のセラミック、あるいはガラス基板等が用
いられる。図で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
焼成により作成した導通電極用の導通ペーストで一般に
はＡｇ／Ｐｄ系、Ａ　ｕ　／　Ｐ　ｄ系、Ｐ　ｔ／Ｐ　
ｄ系が用いられる。む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
。この上に（−１：　ｔＪリブロック３及び圧電素子の
ブロックを接着する。接着剤は、エポキシ系又はシリコ
ン系等の樹脂系接着剤、又はＡｇロウ等を用いる。

第３図は、ユニット基板」二にブロック３と圧電素子ブ
ロック３４を接着した図である。この時点で圧電素子３
４は各アレイには分割されておらずブロック状態である
。この圧電素子ブロックは上下面に夫々外部電極が表面
全体にカバーされている。

又、図中３１は、将来キャビティを形成する空隙である
。この空隙にはレジストフィルム等の、後で除去可（Ｉ
Ｆな膜が張すイ＝Ｊけられている。あるいはフォトリソ
グラフィー用の１／シストを流し込み固化させて空間を
埋めていてもよい。圧電素子ブロックを基板に固定する
際、キャビティ側と反対側の自由端は、高強度−圧電素
子と同等のヤング率をもつ部材にて固定される必要があ
る。これにより、圧電素子の伸縮量はキャビティ側自山
端側に有効に作用できる。その為、本実施例では後述す
るハウジング（第１図２）をセラミック等の高ヤング率
材料どし、圧電素子の固定端に密着するように配置し、
基板１ど圧電素子及びハウジング２ど圧電素子間の第１
図の８の部分に高ヤング率の接着剤を使用した。例えば
ガラスフリット材、セラミック系ベースト祠等であり、
焼成により固着化している。

ここで圧電素子について詳述する。第３図（ＩＩ）は圧
電素子ブロックを示すものであって図中符号４０、　４
０．　４０．　　・・・・・・は、それぞれ一方の電極
を構成する導電層であり、また４２．　４２．　４２゜
・・・・・・は他方の電極を構成する導電層で、各導電
層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、又一
方の電極３０．　３０．　３０．　　・・・・・・とな
る導電層は一方の側面に露出され、また他方の電極４２
，４２゜４２、・・・・・・となる導電層は他方の側面
に露出するように構成されている。これら電極の露出し
ている面は、導電層が形成されていて、多極となる導電
層が導電的に並列に接続され、各圧電素子はスリット４
６．４６．４６により分離する。

このような層）Ｉ♂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どし、この表面に印刷法に
より内部７１ｉ極月料を印刷、このシートを交互に必要
枚数重ねてラミネートする。

こうして所定枚数を形成し、予備乾燥及びシンタリング
を行ない、焼結体とする。この状態が第４図（ａ）であ
る。この直方体状のものの内部電極４２及び４０が露出
している面に夫々導電材料４７．４８を塗布乾燥又は焼
成して第４図（ｂ）となる。これが圧電素子ブロックで
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素子の一方の電極を接続している
導電層４７には、それぞれ独立のリード部材を接続し、
また他方の電極を接続している導電層４８には共通のリ
ード部材を接続する。これにより、独立のリード部材と
共通のリード部材との間に電気信号を印加すると、独立
のリード部材により選択的に信号が印加された圧電素子
は、導電層を介して電極間に同一の電圧を同時に印加さ
れることになるから、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が軸方向へ変位
する。もとより、各導電層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。

この圧電素子ブロックは、導電剤により基板１上の電極
と導通している。導通方式は種々あるが、一般にはＡｇ
ロウ拐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、ある部分がき
ちんと導通されていればよい。ただし前述したように圧
電素子ブロックはカッティングして使用される為、各ア
レイ毎に導通しているよう配慮する必要はある。

次に、この状態のものを第５図（ａ）の−点鎖線Ａ−Ａ
’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、基板表面電極２２も分割され
る様、基板表面から１０〜５０μｍの深さまでカッティ
ングを行なう。ピッチはむろん所望の数値で良い。例え
ば３００ＤＰ工のヘッドを作るのであれば片側１５０Ｄ
ＰＩで１６９．３μｍピッチとなる。この時、実際のカ
ッティングは大型基板単位で行なう為、数１０個分のヘ
ッドユニットが一度にカッティングできる。

なおかつ切断ピッチさえ精度がでていれば良く、本方式
が安価になる大きなポイントがここにある。

第５図（ｂ）はカッティングの様子を上から見た図であ
り、Ａ−Ａ’がカッティングラインである。

図のＤは圧電素子として利用しない最外側のダミーであ
る。このＤがあることにより、圧電素子ブロック及び仕
切りブロックの基板に対する接着精度はさほど重要でな
くなる。この時点で、カットされた圧電素子の側面は、
内部電極がむき出しの状態になっている。この状態でイ
ンク中に浸した場合、インクが導電性の場合圧電素子は
駆動できないばかりでなく、漏電や破壊の危険性も発生
することになる。これを防止する為に、絶縁性の薄膜を
圧電素子」二全体に塗布する。塗布する材料は、ポリイ
ミド柿脂系、ポリエステル樹脂系、フッ素樹脂系、シリ
コン樹脂系、エポキシ樹脂系等のプラスチック材料やそ
の混合物及びゴム系材料がある。これらの樹脂又はゴム
をそれぞれに適合する溶剤にて希釈した温液中に、基板
面を上にして、圧電素子部分を浸漬し、乾燥して密着さ
せ絶縁膜を形成させる。膜厚はＭい程好ましいが、信頼
性を確保する為には、３〜１５μｍ程度が望ましい。

又、後述するように、圧電素子上面からは共通電極の取
り出しが必要な為、この部分は、テープやレジスト膜に
より保護し、絶縁膜形成後、剥離して導電性を確保する
必要がある。第６図のｄ部が、圧電素子電極上のその部
分に相当する。

次に、ワイヤーソー等によりカッティングしてできたス
リット空間に樹脂系材料を充填し硬化する。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。

次に、各圧電素子アレイ上面に形成されている電極を導
通させ共通１極を取り出す。既に基板側と各圧電素子ア
レイ下面の電極は個別リード電極として構成されており
、上面は例えばハウジング外壁を利用する等して基板側
共通電極端子に導通させる。第６図はその１例を示すも
のであり、ハウジング表面に導電ペーストで導電路を形
成している。図で６１がハウジング表面導電路であり、
圧電素子アレイの」二面電極と３４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が可ＩＮＦである
。

次に、キャビティを形成する為に充填してあった（第２
図３１のスペース）スペース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、アセトン又はアンモ
ニア水にて除去するのが好適であり、ネガ系フォトレジ
ストフィルム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７図に示す如きキャビティを形成すること
ができる。図ではスペーサーも圧電素子と同時にカッテ
ィングし、樹脂材料５をそのスペ−スに流してキャビテ
ィ７１を形成した場合を示している。

こうして形成したヘッドユニットの表面は、圧電素子の
上面まで樹脂材料５が被覆していても良い。しかし、こ
の状態では表面が凸凹となっており、上面にノズルプレ
ートをきっちりと固着することができない。従ってハウ
ジングも含んだ樹脂の上面を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、又はダイシングソーを
用いて行なう。その後、ノズルプレートを樹脂材料面全
体及びスペーサ部６の表面に接着剤又は溶融接着で固定
する。むろん、キャビティ形成部の上部穴とノズルブ１
ノー↑・のノズルは１対１に対応している。

本実施例では仕切りブロック３をはさんでキャビティを
対向させる方式について記述してきたが、むろんノズル
開Ｌ１は１列でも構わないし、あるいは４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（第１図）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．　４．　４．　　・・・・・・は電極の積層
方向に伸長するから、圧電素子の自由端は前面のインク
をスペーサ６に向（・プ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９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
ラＩ・を形成する。

電気信号の印加がなくなると、圧電素子は元の状態に縮
小し、スペーサ６と圧電素子４の間隙にインクが流入し
て次のインク滴発生に備えることになる。

〔発明の効果〕

これまで述べてきたように、本発明の如き構成で、ｄ３
３方向の振動を利用したヘッドは、十分な飛翔力を備え
、小型、高性能なヘッドを安価に供給することができ、
インクの導電性、絶縁性にかかわらず使用することがで
きる。この様にきわめて効果の大きい発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、第１図（１つ）は、それぞれ本発明の第
１の実施例による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断面図である。 第２図は第１図の装置に用いられている基板の実施例を
示す図である。 第３図は第１図装置に於ける製造過程を示す斜視図であ
る。 第４図（ａ）、　　（ｂ）は第１図装置に用いられてい
る圧電素子の製造方法及び使用方法を示す説明図である
。 第５図（ａＬ　　（ｂ）は圧電素子列のカッティング方
法を示す説明図である。 第６図は圧電素子への電気的接続方法を示す実施例の説
明図であり、第７図はキャビティ付近の斜視図である。 ４・・・圧電素子 ５・・・樹脂材料 以　　上 出願人　セイコーエプソン株式会社

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電材料シート、又はペースト状材料と導電性材
   料をそれぞれ層状に交互に積層して焼成した圧電素子列
   を、一端を基台に固定し、又他端を自由端としてインク
   溜めを形成する空間を設けて仕切り部材を対向させて配
   置すると共に、前記空間に対向するようにノズル部を設
   けて成るインクジェットヘッドに於いて、各圧電素子は
   、その表面が絶縁性樹脂材料により被覆されていること
   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）各圧電素子列間には第１の仕切り部材が配置され
   てい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）各圧電素子列間の第１の仕切り部材が、インク溜
   め空間も各圧電素子毎に対応するように、対向する第２
   の仕切り部材まで延設され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
   。
4. （４）前記絶縁性樹脂材料は、絶縁性樹脂を溶解又は溶
   融した溶剤中にオンデマンド型インクジェット式印字ヘ
   ッドを浸漬し、引き上げ後乾燥させて形成させることを
   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。