JPH0445951A - インクジェット式印字ヘッド及びその製造方法 - 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−］二の利用分野〕 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種類のものかあ）バ　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
バブルシェラｌ−５１４であり、また第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
ｙ羽させるもの、さらに第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。

」二記第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、Ｅ１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
口を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、日本時ｄ′［公報特開
昭６３−２９５２６９号公報に示されているように、電
極と圧′Ｆ！月料材料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、駆動信号の電圧を一トげることか
できるという効果がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、この様な圧電素子を利用したインクシェ
ツトヘッドは、１ヘツドユニツト毎に作り込むため、コ
ストが高くなり、又小型化も容易ではないと言う問題点
があった。本発明は」二連した問題を解決することが目
的であり、小型、高密度化が可自しで、かつ安価な、オ
ンデマンド型インクジェットヘッドの製造方法を提供す
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の
製造方法は、ＩＥ１ｖｉ祠料シー材料導電材料をそれぞ
れ層状に交互に積層して焼成した圧電素子ブロックを、
絶縁性基板上に電気的リード部を形成して成る人形基板
上に複数個以」二装置し、必要な圧電素子形状を機械的
切断又は切削又はエツチング方式により同時に多数個加
工を行ない、複数個以１のインクジェットユニッ１〜を
同一基板Ｊｚに形成し、人形基板をヘッド毎に切断する
ことを１、テ微とする。さらに、１）１１記圧電素子ブ
ロツクのカッティングと基板−１−の電極パターン形成
は、ワイヤーソーにより複数個以上同時に行なわれるこ
とを特徴とする。

〔実施例〕

第１図は、本発明に於けるオンデマンド型インクジェッ
ト式印字ヘッドの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Ｗ、振動す
るよう、内部電極が交互にキャビティ１１と対向力向に
形成されている。圧電素子の外部電極は」二下面に全ｉ
ａＩにわたって形成され、８の接着剤又はろう（＝Ｊけ
月又は導電材を介して基板上に形成されたリード電極１
４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ブロック３で形
成され、基板１に固着されている。前述の１ｌＬＩ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ユニットを示してい
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。この基板は絶縁性拐籾より成り、
アルミナ等のセラミック、あるいはツノラス基板等が用
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Ａ、ｇ／Ｐｄ系、Ａ　ｕ　／　Ｐ　ｄ系、Ｐｔ／Ｐｄ
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−にに仕切りブロック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
ット基板上にブロック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＋丁、電素子３４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
てｌ（ぷム可能な膜が張すイリけられている。あるいは
フォトリソグラフィー用のレジ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、キャビティ側と反則側の自由端は、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
ィ側自由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く第１図２）をセラミック等の高
ヤング率材料とし、圧電素子の固定端に密着するように
配置し、基板１と圧電素子及びハウジング２と圧電素子
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
。例えばカラスフリット材、セラミック系ペースト材等
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（ＩＮは圧電素子ブロックを示すものであって図
中ｉ’１４０．　４０．　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どなるように交
互に圧電飼料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−・方の側面に露出さ
れ、また他方の７１極４２．　４２．　４２．　　・・
・・・・となるＮ４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、各層となる導電層が導電的に並列
に接続され、各圧電素子はスリブ１−４６．４６．４６
により分離する。

このような層樽造は、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
ｉ−ｔ　Ｉ４をグリーンシート状とし、この表面に印刷
法により内部電極月利を印刷、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７１ｉＮ４７には、それぞれ独立のリード部材を接続
し、また他方の？Ｉｔ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相が印加された
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、電極間の圧電飼料が同時
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■のヘッドを作るのであれば片側１５
０ＤＰＩで１６９．３μｍピッチとなる。この時、実際
のカッティングは人望、！ｉ（板単位で行なう為、数１
０個分のへッドユニッｉ・が−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
が安仙Ｉ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
切ブロックの基板に対する接着精度はさほど重要ではな
くなる。従って各ユニットの円外側の圧電素子アレイは
ダミーとすることが望ましい。場合によってはこのダミ
ーをハウジングの一部として扱うこともできる。こうし
てカットされた圧電素子の周囲を囲い込むように第１図
２のハウジングを設置する。ハウジング２は基板１及び
圧電素子台アレイのキャビティ側の逆端面と強力に固着
されている。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。

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
ット空間に樹脂系月利を充填し硬化する。

樹脂系飼料はエポキシ系、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」二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
、−に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（ａ）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がハウシング表面導電路
であり、圧電素子アレイの上面電極と導電ペースト６２
で導通している。又、導電路６１は基板上の共通電極１
３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能である
。

第６図（ｂ）は、導通方法の他の一例を示したものであ
る。図で２ａ、２ｂはハウジングであるが、６１の電極
形成後２ｂを積層した構造となっている。ノズルプレー
トはこの２ｂ上面を基準にして接着すれば良く、圧電素
子４と、電極６１の導電はワイヤボンディング６８等の
」二方に飛び出ず方法が採用てきる。尚、６９は個別リ
ード電極用の導電祠である。欣に、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＝１２− 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除去を行なう
。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、」二面にノズル
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
プレートのノズルは１対１に対応している。本実施例で
は仕切ブロック３をはさんでキャビティを列内させる方
式について記述してきたが、むろんノズル開口は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く第１図）は、ケーブ
ル１２を介して電気信号が圧電素子４に印加するど、圧
電索−７−４，，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間口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
ドツトを形成する。

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ど圧電素子４の間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。

ところで、インクジェットプリンタ用インクは絶縁性の
場合もあれは、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７！！
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８図のａ層のよう
に両自由端に圧電作用に関与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、樹脂拐料５をスリット
間に流し込む前に圧電アレイ全体を絶縁性樹脂液、例え
ばポリイミド＝１５− 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。

〔発明の効果〕

これまで述べてきたように、本発明の如き構成及び製造
方法によるインクジェット式印字ヘッドは、多数個同時
製道が可ｒｊにであり、非常に安価でかつ高密度化にも
優れたヘッドである。小型化、高密度化、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（ａ）、（ｂ）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（ａ）、　　（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（ａＬ　　（ｂ）はそれぞれ圧電素子の共通電極
との電気的接続方法の２つの例を示す図である。 １・・・基板 ４・・・圧電素子 ３４・・・圧電素子ブロック 以　　上 出願人　セイコーエプソン株式会社 代理人　ブ↑理士　鈴本　喜三部　他１名（ｂ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電材料シートと導電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ブロックを、絶縁性基板上
   に電気的リード部を形成して成る大形基板上に複数個以
   上配置し、必要な圧電素子形状を機械的切断又は切削又
   はエッチング方式により同時に多数個加工を行ない、複
   数個以上のインクジェットユニットを同一基板上に形成
   し、大形基板をヘッドユニット毎に切断することを特徴
   とするオンデマンド型インクジェット式印字ヘッドの製
   造方法。
2. （２）前記圧電素子ブロックのカッティングと基板上の
   電極パターン形成は、ワイヤーソーにより複数個以上同
   時に行なわれ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の製造方法。