JP2959056B2 - インクジェット式印字ヘッド - Google Patents

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ッ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。この種の
ヘッドは、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種類のものがある。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ット
を形成するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

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
63−295269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式
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、この様な圧電素子は小形に成形するこ
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ヘッドを提供することにある。

本発明の第２の目的は、小型かつ高密度で、実用的な
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、安価で量産性に優れたインク
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〕

本発明のインクジェット式印字ヘッドは、圧電材料と
導電材料を振動方向と同一方向に層状交互に複数積層し
た軸方向に振動する複数の圧電素子と、この複数の圧電
素子の一端が自由端となるよう他端部を固定した前記圧
電素子と同等のヤング率を有する基板と、前記自由端と
キャビティとなる空間を介して対向配置された仕切ブロ
ックと、前記キャビティと連通するように前記圧電素子
の振動方向と垂直な方向に配設されたノズル開口と、前
記圧電素子間に設けられた仕切部材と、前記基板に形成
された前記キャビティと連通するスリットと、前記基板
に形成された導通電極とを備え、前記圧電素子とノズル
開口と仕切部材が、前記仕切ブロックを挟んで同様に形
成されてい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
ット式印字ヘッドを示すものであって、（ａ）図は断面
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
け材８によって基板１及びハウジング２に固定されてい
る。圧電素子はd33方向に縦振動するよう、内部電極4
0、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。圧電素子の外部電極47、48（第４図（II）参
照）は上下面に全面にわたって形成され、接着剤もしく
はろう付け材８、又は導電材を介して基板１上に形成さ
れたリード電極14、共通電極13と電気的に接続されてい
る。さらに圧電素子列はそのすき間を、ヤング率が圧電
素子のヤング率の1/5以下である仕切り部材（接着剤又
は充填剤）５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５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で形成されている。仕切りブロック３は、基板１に
固着されている。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２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ユニット、すなわち１ヘッド分
の基板１を多数取ることができる。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
て裏面まで貫通している。22は焼成により作成した道通
電極用の導通ペーストで、一般にはAg/Pd系、Au/Pd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。

プロセス２ このような基板を切断したユニットの基板１の上に仕
切りブロック３及び圧電素子ブロック34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、１ユニットの基板１上にブロック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
点で圧電素子ブロック34は各圧電素子列には分割されて
おらずブロック状態である。この圧電素子ブロック34は
上下面に夫々外部電極47、48（第４図（II）参照）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。又はフォトリソ用のレジストを流し込み固化されて
も良い。

圧電素子ブロック34を基板１に固定する際、キャビテ
ィ側と反対側の端部は、高強度（圧電素子と同等のヤン
グ率）をもつ部材にて固定する。これにより、圧電素子
の伸縮量はキャビティ側の自由端側に有効に作用するこ
ととなる。本実施例ではハウジング２（第１図参照）を
セラミック等の高ヤング率材料として圧電素子の固定端
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と圧電素子間の接着剤又はろう付け材８（第１図
参照）として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、セラミック系ペースト材等を使用し、
焼成により固着化した。ここで圧電素子について詳述す
る。第４図（ｂ）は圧電素子ブロックを示すものであっ
て、図中符号40、40、40…は、それぞれ一方の内部電極
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。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はその一端部がブロックの
表面に露出するように構成されている。これら内部電極
の露出している面には、外部電極47、48を構成する導電
層が形成されていて、各内部電極となる導電層40…、42
…が導電的にそれぞれ並列に接続されている。圧電素子
列は、このような圧電素子ブロックを後述するようにス
リット46、46、46により分離することで形成される。

上述したような圧電素子ブロックの層構造は、次のよ
うにして得ることができる。先ず、適当なペースト状圧
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
でこのシートを交互に必要枚数重ねてラミネートする。
その後、予備乾燥及びシンタリングを行ない、燒結体と
する。この状態を第４図（ａ）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夫々導電材
料47、48を塗布乾燥又は焼成して第４図（ｂ）に示す状
態となる。これが圧電素子ブロックであり、最終的には
スリット46を入れて各圧電素子列に分割し使用する。

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６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が軸方向へ
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３図に示す状態のものを
第５図の一点鎖線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
１の表面電極22も分割される様、基板表面から10〜50μ
ｍ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300DPIのヘッドを作るのであれば片側
150DPIで169.3μｍ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第１図に
示したハウジング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。

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外壁を
利用する等して基板側共通電極13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２の表面に導
通ペーストで導電路61を形成している。導電路61は、圧
電素子列の上面電極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が可能である。

プロセス６ キャビティを形成する為に充填してあったスペース
（第３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11を形成
することができる。図では仕切ブロック３も圧電素子と
同時にカッティングし、樹脂材料５をそのスペースに流
してキャビティ11を形成した場合を示している。

プロセス７ 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２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７を樹脂材
料５の上面全体及び仕切りブロック３の表面に接着剤又
は溶融接着で固定する。キャビティ11の上部穴とノズル
プレート７のノズル９（第１図（ａ）参照）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
11を対向させる方式について記述してきたが、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
自由端は前面のキャビティ11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、印刷用紙にドットを形成する。

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、仕切ブロック３と圧電素子の間のキャビティ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４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８図のｂ層のように圧電素子４
の両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９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り部材たる樹脂材料５が
仕切りブロック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
ノズルプレート７を透視しており、圧電素子間は樹脂材
料５により埋められている。この実施例の場合は、第３
図の空隙31を設ける必要はなく、仕切りブロック３と圧
電素子ブロック34は密着して接着し、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、ス
リット状のキャビティ91を形成することができる。又、
仕切りブロック３は圧電素子ブロックの圧電作用に寄与
しない層を延設して、その層を後でカットし、仕切りブ
ロック３として使用することも可能である。

第７図の各キャビティ11の巾、すなわちｗが十分に狭
い場合は、ノズルプレート７を必要とせず、キャビティ
11の上部開口がそのままノズルの役めを果たすこともで
き、実施例の第３例として確認できた。

これまで述べてきたような、d33方向振動を利用した
インクジェットヘッドは、30V以下の電圧で十分な飛翔
力を備えたインク滴を発生させることができる。これは
圧電素子の内部電極積層数にもよるが、積層数を増すほ
どに電圧は下げることができる。

さらに、上述した製造方式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
とができる。かつ、高密度化にも優れた方式で、小型化
と低コスト化が同時に実現できる。

〔発明の効果〕

本発明によれぱ、圧電材料と導電材料を振動方向と同
一方向に層状に交互に複数積層した軸方向に振動する複
数の圧電素子と、この複数の圧電素子の軸方向の一端が
自由端となるよう他端部を固定した前記圧電素子と同等
のヤング率を有する基板と、前記自由端とキャビティと
なる空間を介して対向配置された仕切ブロックと、前記
キャビティと連通する様に前記圧電素子の振動方向と垂
直な方向に配設されたノズル開口と、前記圧電素子間に
設けられた仕切部材と、前記基板に形成された前記キャ
ビティと連通するスリットと、前記基板に形成された導
通電極とを備えたことにより、小型高密度で大きな飛翔
力でインク滴を飛翔させることか可能な印字ヘッドを提
供することができる。さらに、圧電素子とノズル開口と
仕切部材が、前記仕切ブロックを挟んで同様に形成され
ているため、２列のノズルを効率良く製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、第１図（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と部分省略平面図である。 第２図は製造過程における基板の部分平面図である。 第３図は製造過程を示す斜視図である。 第４図（ａ）（ｂ）は圧電素子の製造方法を示す説明図
である。 第５図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。 第８図は圧電素子の他の実施例を示す説明図である。 第９図は他の実施例に於けるキャビティ付近の斜視図で
ある。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電材料と導電材料を振動方向と同一方向
   に層状交互に複数積層した軸方向に振動する複数の圧電
   素子と、この複数の圧電素子の一端が自由端となるよう
   他端部を固定した前記圧電素子と同等のヤング率を有す
   る基板と、前記自由端とキャビティとなる空間を介して
   対向配置された仕切ブロックと、前記キャビティと連通
   するように前記圧電素子の振動方向と垂直な方向に配設
   されたノズル開口と、前記圧電素子間に設けられた仕切
   部材と、前記基板に形成された前記キャビティと連通す
   るスリットと、前記基板に形成された導通電極とを備
   え、前記圧電素子とノズル開口と仕切部材が、前記仕切
   ブロックを挟んで同様に形成されていることを特徴とす
   るインクジェット式印字ヘッド。