JPS634959A - セラミツク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） この発明は、各種のプリンタやファクシミリ装置におい
て使用されるインクジェットヘッドとその製造方法に関
し、特に、電気機械変換材料を用いてインクにパルス圧
力を作用させ、インク噴射を行うドロップオンデイマン
ト型のインクジェットヘッドとその製造方法に関する。

（従来の技術） オンデイマント型インクジェットにおいてインクにパル
ス圧力を作用させる方法としては、ダイヤフラム方式が
広く知られている。すなわち、インクジェットヘッド内
にあるインク室の壁を構成している金属もしくはガラス
等の板に、矩形もしくは円形に形成された平板状の電気
機械変換素子を貼り付けてダイヤフラムを形成する。前
記電気機械変換素子を、その厚み方向への電圧印加によ
り面方向に収縮変形させると、ダイヤプラムを形成して
いるインク室の壁はインク室内に向って湾曲する。その
結果、パルス圧力が作用してインク室内のインクはイン
ク室外に押し出される。

（発明が解決しようとする問題点） 前記のパルス圧力発生手段においては、電気機械変換素
子をインク室壁の所定の位置に精密にがつ十分な接着強
度をもって貼り付けることが重要である。しかし、電気
機械変換素子はインク室の壁の外側に固定させるため、
壁の内側のインク室に対応した位置に電気機械変換素子
を精度よく固定することは困難であった。また、接着部
分の接着層の厚みや接着強度を常に指定範囲内に再現す
るために厳しい工程管理が実施されるが、それでも接着
状態のばらつきによるインク噴射特性のばらつきを押え
ることは困難であり、このような接着工程は除去するこ
とが強く望まれていた。

また、前記のパルス圧力発生手段によりインクに作用す
る圧力やノズルから噴射するインクの体積は電気機械変
換素子に印加する電圧値に依存している。従来のオンデ
イマント型インクジ豊ットヘッドにおいては、十分な大
きさの圧力をインクに作用させ必要なインク体積をノズ
ルより噴射させるために、印加パルスの電圧値は５０Ｖ
ないし３００ｖといった高い値にする必要があった。し
かし、駆動回路の高信頼化あるいは低価格化という観点
からは５０Ｖ以下の低電圧化が強く望まれていた。

前記低電圧化を実現するものとして、厚みを薄くし厚み
方向の電極間隔を挟めた電気機械変換素子を厚み方向に
多数積層した、いわゆる積層アクチュエータが知られて
いる。この積層アクチュエータをインク室の壁の外部に
接着することにより低電圧駆動が可能なドロップオンデ
イマント型インクジェットヘッドの実現が期待されるが
、この場合でも、インク室形状に対して定められた接着
位置に積層アクチュエータを常に精度よく固定すること
の困難性や、接着状態に依存したインク噴射特性のばら
つきといった問題は未解決のままであった。

（問題点を解決するための手段） 本願第１の発明によれば、電気機械変換特性を有するセ
ラミック材料からなりかつ内部にインク供給口から圧力
室を通ってノズルに連通ずるインク流路が形成された平
板セラミック体で構成され、前記圧力室の壁の内部に一
定間隔で少なくとも３層以上積層された複数の電極を有
し、かつ前記複数電極の内の奇数番目同志および偶数番
目同志が前記電極の積層方向に形成されたスルーホール
を通して電気的に接続できるように構成された電極端子
部を有することを特徴としたインクジェットヘッドが得
られる。

また、本願第２の発明によれば、感光性樹脂シートをイ
ンク供給口から圧力室を通ってノズルに連通ずるインク
流路の平面形状に合わせて成形１空孔母型を作成する工
程と、電気機械変換特性を有するセラミック材料から成
るグリーンシート上にスルーホールを有する電極端子部
を持った第１の電極を導電ペーストを用いて形成する工
程と、前記グリーンシート上にスルーホールを有する電
極端子部を持った第２の電極を導電ペーストを用いて形
成する工程と、前記第１および第２の電極が形成された
２種のグリーンシートを交互に少なくとも３層以上積層
して成る多層電極層に前記空孔母型および前記グリーン
シートを積層圧着した積層体を形成する工程と、前記電
極端子部に形成された前記スルーホールに導電ペースト
を充填しそれぞれ前記第１の電極同志および前記第２の
電極同志を積層方向に電気的に接続する工程と、前記積
層体を焼結する工程とから成ることを特徴としたセラミ
ックインクジェットヘッドの製造方法が得られる。

（作用） 本願発明によれば、セラミックグリーンシートと空孔母
型とを積層してインクジェットヘッドを作成する過程で
、電極パターンを形成したセラミックグリーンシートを
多数積層することにより。低電圧駆動が可能な積層アク
チュエータを一体に内蔵したインクジェットヘッドを得
ることができる。内蔵された積層アクチュエータは、イ
ンク室の壁と一体となってパルス圧力発生用のダイヤフ
ラムを形成する。このような構造のダイヤフラムは、応
答性が極めて速くなり、圧力パルスも強力なものが得ら
れるため、インクジェット動作の高速化および安定化の
ために極めて有効であることが確認された。さらに、積
層アクチュエータを一体に内蔵させることにより、接着
状態のばらつきとか接着位置のずれ等の問題を考慮する
必要が殆んどなくなり、インク噴射特性が揃ったインク
ジェットヘッドを得ることが可能になった。

（実施例） 以下に、この発明について図面を参照しながら詳細に説
明する。

第１図は、本願第１の発明によるセラミックインクジェ
ットヘッドの一実施例の部分断面図を含む斜視図である
。インクは、図示されていない外部インク溜めより導管
等によって接続口１０５に導かれ、共通インク室１０４
を経てインク供給口１０１、圧力室１０２を通ってノズ
ル１０３より外部に噴射される。この実施例では、共通
インク室１０４よりノズル１０３に至るインク経路が４
水平行に形成された４−ノズルヘッドが示されているが
、ノズル数の選択は所要の記録速度を満足するように任
意に行なわれる。このインクジェットヘッドは電極材料
を除いて全体が電気機械変換特性を有するセラミック材
料から成っている。第１図では、ヘッドは薄いセラミッ
ク板の積層構造を有することが示されており、電気機械
変換特性を有する複数種のセラミック材料を用いて複合
化することができる。全体を同一のセラミック材料で構
成した場合は、各層間のセラミック材料間の境界は一体
化して識別できない。第１図において、インク室１０２
の上側の壁は複数のセラミック層１０６から成っている
。この実施例では４層の場合を示しであるが、これに限
定されるものではなく、層の厚みや電極面積に応じて積
層数は任意に選択される。各セラミック層１０６の上面
には電極が形成されている。これらの電極は、インク室
の壁を変形させるための駆動電極１０７と、前記駆動電
極１０７を図示されていない駆動回路に接続するための
引き出し電極とがら成っている。駆動電極１０７はどの
セラミック層１０６の表面においても、全く同一のパタ
ーンで形成され、上下方向に重なるように配置されてい
る。−方、前記引き出し電極は奇数層との間ではそれぞ
れ第２図（ａ）および（ｂ）に示したように異なってい
る。すなわち、インク室に近い側から教えて第１層目お
よび第３層目の電極パターンは第２図（ａ）に示すよう
に、各駆動電極１０７を電気的に接続しさらに外部駆動
回路に接続するだめの引き出し電極１０８および１０９
を有するものになっている。また、第２図（ｂ）は第２
層目および第４層目の電極パターンを示したもので、駆
動電極１０７より個々に外部駆動回路に接続するための
引き出し電極１１０が伸びた形状になっている。第２図
で示した２つの電極パターンは、第３図に示すように、
交互に上下方向に積層される。奇数層および偶数層の電
極はそれぞれ引き出し線１０９および１１０の先端の電
極端子部１１１および１１２において電気的に接続され
ている。この接続は本実施例においては次のように積層
方向に行なわれる。すなわち、電極端子部１１１および
１１２には吊央部分にセラミック層を貫通するスルーホ
ール１１３を形成しておき、これらをセラミック層の積
層体を焼結する前か焼結した後に前記スルーホールに導
電ペーストを充填することにより電気的な接続を得てい
る。

前記の電極積層部分を積層アクチュエーターとして機能
させるためには、電極間のセラミック層を予め分極して
おく必要がある。この分極は、従来の積層アクチュエー
ターの場合と同様な方法に従って行なわれるが、本実施
例の場合、二つの電極端子部１１１と１１２との間に所
定の高電圧を短時間印加することにより行なわれる。こ
の結果、駆動電極１０７に挟まれた部分のセラミック層
は電極に垂直な方向に分極され、かつ分極の向きは層毎
に逆向きとなる。

次に、本願第２の発明によるインクジェットヘッドの製
造方法について図面を参照しながら詳細に説明する。

第４図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、こ
の発明による製造方法の一実施例として、流路形状に合
わせた空孔母型の形成から焼結に至るまでの工程を説明
するための工程図である。空孔母型の形成は、まず第４
図（ａ）に示したように、ポリエステルフィルム等のキ
ャリアフィルム１１４上に感光性樹脂１１５を所定の厚
さに均一に塗布して作成した感光性樹脂シート１１６の
上に、流路形状と同一のパターンが形成されたフォトマ
スク１１７を重ね、光を照射して露光を行なう。次に、
第４図（ｂ）に示したように、現像処理を行なって所定
の空孔母型１１８を形成する。

次の第４図（ｅ）に示した積層工程においては、空孔母
型１１８を内部に挟み込むようにセラミックグリーンシ
ートを積層する。ここで使用するセラミックグリーンシ
ートは、−般的な方法に従ってセラミック粉末と有機バ
インダー、可塑剤、溶剤等とを混合分散することにより
泥漿状態としたものを、ドクターブレード法、キャステ
ィング法等の広く知られた塗布方法により、プラスチッ
クフィルムガラス板、金属シート等の基板上に所定の厚
さに塗布し乾燥することによって作成する。乾燥後、基
板から剥離したセラミックグリーンシートは、打ち抜き
或いは切断等により所定の寸法形状に仕上げられ、さら
に必要に応じてパンチング等によるスルーホールの形成
や導電ペーストを用いた印刷による表面電極の形成を行
なう。この実施例においては、先に第２図（ａ）および
（ｂ）に示した異なった電極パターン１１９ａおよび１
１９ｂが表面に形成された２種のグリーンシー）　１２
０ａおよび１２０ｂが各々２枚ずつ交互に積層されてい
る。これ等の表面に電極を有するグリーンシートはさら
に、先に第３図に示しく１１） たように、電極端子部１１１および１１２の中央に対応
する位置にスルーホール１１３が形成されている。

第４図（ｅ）において、グリーンシート１２１は表面電
極やスルーホールを持たないが、外形寸法はグリーンシ
ー）　１２０ａおよび１２０ｂと同一に作られる。

これ等のグリーンシート１２０ａ、　１２０ｂおよび１
２１はキャリアフィルムから剥離した空孔母型１１８と
共に、圧着用の金型の中に所定の順番で積層されさらに
圧力が加えられ、第４図（ｄ）に示すように一体化する
。この圧着工程ｐは必要に応じて圧力とともに熱が加え
られる。この圧着により、グリーンシートは局部的に流
動し、空孔母型を完全に包み込むように変形し、第４図
（ｅ）に示す形となる。

このようにして作られた積層体１２２は必要に応じて所
定の寸法に切断した後、脱バインダー処理を施こす。す
なわち、酸化雰囲気中でゆっくり加熱することにより、
空孔母型を形成する樹脂や、セラミックグリーンシート
中にある有機物を分解消失させる。通常これ等の有機物
は５００°Ｃないし６００°Ｃの温度で完全に分解し酸
化するが、急激な温度上昇を行なうと積層体が破損する
。このため、温度上昇速度を２５６Ｃ／時間以下に抑え
、さらに、５００°Ｃないし６００°Ｃ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。この結果、
積層体１２２内部の空孔母型１１８は消滅し、その跡は
空孔となってインク流路が形成される。

脱バインダー処理が行なわれた積層体１２２は、続いて
所定の温度で焼成して磁器化し、その後必要に応じて所
定の外形寸法に切断し、またノズル端面の研磨仕上げを
施こしてインクジェットヘッドが得られる。

グリーンシートを構成するセラミック粉体としては、Ｐ
ｂＴｉＯ３−ＰｂＺｒＯ３系の圧電材料を用いた。電極
材料としては、Ａｇ／Ｐｄの比率が７０／３０（重量比
）の導電ペーストを用いた。空孔母型用の感光性樹脂に
はアクリル系光硬化性のものを使用し、紫外線による露
光の後、メチルエチルケトンを用いて現像した。

セリミックグリーンシートと空孔母型との圧着は、１１
０°Ｃの加熱温度のもとで、２５０ｋｇ／ｃｍ２の圧力
を３０分間印加して行なった。

脱バインダー処理は、空気中で５°ＣＩ時間の昇温速度
で加熱した後、５００°Ｃに３時間保持して行なった。

この処理に続く焼結は空気中で１１５０°Ｃに２時間保
持して行なった。

グリーンシート及び感光性樹脂は、厚さがいずれも約１
１００ｐのものを用いた。焼結後、ノズルの寸法は約８
０ｐｍ角となり、また、焼結体内部の流路の高さも約８
０ｐｍとなった。以上の条件のもとて先に第１図に示し
た構造のヘッドを試作した結果、安定なインク噴射動作
が得られた。また、４つの各ノズルから噴射したインク
滴の体積および飛翔速度が揃うようにパルス電圧を調整
した結果電圧値のばらつきは３４Ｖから３７Ｖの範囲に
収まり、各ノズル間の噴射特性の均一性が非常によいこ
とが確認された。

比較のため、電極積層数が第１図の実施例の場合の半分
すなわち２層のインクジェットヘッドも試作した結果、
安定かつ特性の揃ったインク噴射を行なわせるために必
要な印加電圧は、５５Ｖから７０Ｖと大きく、ばはらつ
きの範囲も広がった。

（発明の効果） 以上のように発明の製造法によれば電気機械変換素子を
厚み方向に多数積層した積層アクチュエーターを一体的
に内蔵したセラミックインクジェットヘッドが得られた
。従来法における個別部品としての積層アクチュエータ
ーを組み付ける場合と比べると、積層アクチュエーター
の位置精度をより高くでき、噴射特性の均一性に優れた
インクジェットヘッドが得られた。その上、製造技術的
には何らの熟練を必要とするものではなく、容易に製造
でき、しかも量産性に優れている。このためデバイスコ
ストの大巾な低減が可能となった。さらに、積層アクチ
ュエーターの使用により駆動電圧を大巾に小さくするこ
とができ、駆動回路が簡単になり信頼性が向上するとと
もに、−層のコスト低減が可能になった。

【図面の簡単な説明】

“（込 第１図は本願箱１の発明によるセラミックインクジェッ
トヘッドの一実施例部分断面図を含む斜視図、第２図は
本願箱１の発明によるインクジェットヘッドの積層電極
層の奇数層および偶数層における電極パターンの一実施
例を示す斜視図、第３図は本願箱１の発明によるインク
ジェットヘッドにおける電極の積層状態の一実施例を示
す斜視図、第４図は本願箱２の発明による製造方法の製
造工程の一実施例を示す工程図であり、それぞれ、 １０１・・・インク供給口、１０２・・・圧力室、１０
３・・・ノズル、１０４・・・共通インク室、１０５・
・・接続口、１０６・・・セラミック層、１０７・・・
駆動電極、１０８，１０９および１１０・・・引き出し
電極、１１１および１１２・・−電極端子部、１１３・
・・スルーホール、１１４・、・キャリアフィルム、１
１５・・・感光性樹脂、１１６・・・感光性樹脂シート
、１１７・・・フォトマスク、１１８・・・空孔母型、
１１９ａおよび１１９ｂ・−・電極パターン、１２０ａ
および１２０ｂ・・・グリーンシート、１２１・・・グ
リーンシート、１２２−・・積層体、 （廂

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）電気機械変換特性を有するセラミック材料からなり
   かつ内部にインク供給口から圧力室を通ってノズルに連
   通するインク流路が形成された平板セラミック体で構成
   され、前記圧力室の壁の内部に一定間隔で少なくとも３
   層以上積層された複数の電極を有し、かつ前記複数電極
   の内の奇数番目同志および偶数番目同志が前記電極の積
   層方向に形成されたスルーホールを通して電気的に接続
   できるように構成された電極端子部を有することを特徴
   としたインクジェットヘッド。 ２）感光性樹脂シートをインク供給口から圧力室を通っ
   てノズルに連通するインク流路の平面形状に合わせて成
   形し空孔母型を作成する工程と、電気機械変換特性を有
   するセラミック材料から成るグリーンシート上にスルー
   ホールを有する電極端子部を持った第１の電極を導電ペ
   ーストを用いて形成する工程と、前記グリーンシート上
   にスルーホールを有する電極端子部を持った第２の電極
   を導電ペーストを用いて形成する工程と、前記第１およ
   び第２の電極が形成された２種のグリーンシートを交互
   に少なくとも３層以上積層して成る多層電極層に前記空
   孔母型および前記グリーンシートを積層圧着した積層体
   を形成する工程と、前記電極端子部に形成された前記ス
   ルーホールに導電ペーストを充填しそれぞれ前記第１の
   電極同志および前記第２の電極同志を積層方向に電気的
   に接続する工程と、前記積層体を焼結する工程とから成
   ることを特徴としたセラミックインクジェットヘッドの
   製造方法。