JP3185434B2 - インクジェット式印字ヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インクジェットプリン
ターに用いる印字ヘッド及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のインクジェット式印字ヘッドは、
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
すると共に、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、駆動信号を圧電素子に印加して圧電素子を
伸縮させ、この時に発生するインクの動圧によりインク
滴をノズル開口から吐出させて印刷用紙にドットを形成
するものである。

【０００３】このような形式の印字ヘッドに於いては、
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。

【０００４】このような問題を解決するため、特開昭６
３−２９５２６９号公報に示されているように、電極と
圧電材料と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
とが出来るため、駆動信号の電圧を下げることが出来る
という効果がある。

【０００５】しかしながら、いずれの圧電素子も焼成体
であり、特性バラツキ、焼成時のバルク状圧電体の反
り、うねり等の変形を考慮すると、焼成出来るバルク状
圧電体の長さは最大で３０〜５０ｍｍが限界であり、バ
ルク状圧電体１枚で印字ヘッドを大型化（ラインヘッド
化）するのが困難であった。

【０００６】この様な問題を回避できる構造として、特
公平３−５８９１７号公報に、ラインヘッドを複数のヘ
ッドユニットで構成する印字ヘッド構造が考えられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ヘッド
ユニットを複数個配列してラインヘッドを構成しようと
すると、ヘッドユニット間のノズル位置精度を確保する
ことが困難となり、ユニット間の継目で印刷物に縦スジ
等のムラが発生する要因となっていた。

【０００８】本発明の目的は、圧電素子を容易に高密度
に配列でき、特性バラツキの少ない高印字品質のインク
ジェット式印字ヘッドを安価に提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に於いては、インク滴を吐出するノズル開口が
複数穿設されたノズルプレートを有し、ノズル開口と連
通するインク室及びインク室と連通するインク流路を構
成する流路構成部材と、インク室に圧力を発生させる圧
電素子をベース板上にインク室に対応するように複数配
列させたベース板ユニットとを具備したインクジェット
式印字ヘッドにおいて、流路構成部材と複数のベース板
ユニットの位置を決め、且つ該ベース板ユニットを包囲
するケース状の基台を更に有しており、各ベース板に
は、圧電素子を駆動する圧電素子駆動用ＩＣを備えてい
ることを特徴とする。

【００１０】また、係るインクジェット式印字ヘッドに
おいて、ベース板ユニットは、圧電素子の変位特性がユ
ニット毎に分類され、同等の変位特性を有するベース板
ユニットが複数個配列されている事を特徴とする。

【００１１】また、係るインクジェット式印字ヘッドに
おいて、圧電素子は積層型圧電素子であり、ノズル開口
部側の最外層圧電材料、或は、ノズル開口部側及び圧電
素子固定部側の両方の最外層圧電材料の厚みが内部圧電
材料層厚みより厚くなっていることを特徴とする。

【００１２】また、係るインクジェット式印字ヘッドに
おいて、積層型圧電素子の最外層圧電材料厚みは、内部
圧電材料層厚みの整数倍になっていることを特徴とす
る。

【００１３】また、係るインクジェット式印字ヘッドに
おいて、インクジェット式印字ヘッドは、記録媒体の記
録幅とほぼ同じ長さを有するラインヘッドであることを
特徴とする。

【００１４】

【実施例】図１は本発明に於けるインクジェット式印字
ヘッドの上面図で、図２は、図１に於けるＡ−Ａ断面
図、図３は、図２に於けるＣ部拡大図、図４は、図１に
於けるＢ−Ｂ断面図である。

【００１５】図１〜図４に於いて、インク流路板１０
６、振動板１０３、隔壁板１０４、及びノズルプレート
１０５とで流路構成部材を構成し、圧電素子１０１、ベ
ース板１０７とでベース板ユニットを構成している。上
記流路構成部材において、インク流路板１０６に形成さ
れたインク供給孔１１３よりインク流路１１０を通って
隔壁板１０４とノズルプレート１０５と振動板１０３に
より構成された各インク室３０２に供給される。

【００１６】各インク室３０２に対応して圧電素子１０
１と、インク開口部１０２が配置されており、圧電素子
１０１はベース板１０７上に配置され、ＦＰＣ１０８を
介したプリンタ本体からの電気信号により伸縮運動を繰
り返しノズル開口部１０２よりインクを吐出する。

【００１７】まず、圧電素子の製造方法を説明する。

【００１８】図５に於て、定板５０１の上にグリーンシ
ート状、又は、ペースト状に調製したチタン酸ジルコン
酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック等の圧電材料５０
２を塗布して、この表面に図６に示すように一方の電極
となる第１の内部電極材料６０１を、Ａｇ、Ｐｄ等を調
整した導電ペーストを厚膜印刷法を用いて形成する。さ
らに図７に於てこの内部電極材料層６０１の表面に圧電
材料５０２を塗布し、この上面に図８のように他方の電
極となる内部電極材料７０１を前記の方法で塗布する。
後は、前記の方法で内部電極材料層と圧電材料を必要な
積層数だけ繰り返し塗布し、所望の厚みに積層した状
態、図９で乾燥させる。

【００１９】これに圧力を加えた状態で焼成し、導電層
６０１、７０１が露出している面に図１０に示す様に外
部電極１００１を形成して乾燥することで、直方体状の
バルク状圧電体１１０１が形成される。ここでの外部電
極の形成方法は、厚膜プロセスでも薄膜プロセスでも良
いが、膜厚の均一性、密着強度の点で薄膜プロセスの方
が適している。又、ここで、印刷時厚み寸法は、焼成時
に収縮する為、予め収縮率を加味して各層を所望の寸法
より厚く印刷しなくてはならない。この収縮率は、選定
する内部電極材料、圧電材料、焼成条件により異なる
が、約１０〜５０％程度である。

【００２０】ここで、バルク状圧電体１１０１は、焼成
時の収縮バラツキ等により反り、うねり等の変形が発生
してしまい次工程でベース板１０７に加圧、接着する際
の割れ、クラックの原因となる。この為、バルク状圧電
体１１０１の長さは３０〜５０ｍｍが限界となる。本発
明では３０〜５０ｍｍのバルク状圧電体１１０１を配置
したベース板ユニットを複数個配列する事でラインヘッ
ドを構成することを特徴としている。

【００２１】以下、ラインヘッドの製造工程を説明す
る。まず、図１１と、図１１の断面図である図１２に示
すように、ノズル開口部ピッチと同じピッチで形成した
ドライバーＩＣから圧電素子１０１への駆動信号を与え
る圧電素子駆動用配線パターン１１０２と、プリンタ本
体からドライバーＩＣに駆動信号を与える為のＩＣ駆動
用配線パターン１１０３と、共通電極１２０１を形成し
たベース板１０７上のＩＣ実装部１１０１に図１３と図
１３の断面図である図１４に示すようにドライバーＩＣ
２０２をワイヤーボンディング方式、フリップチップ方
式等で実装した後、モールド材１４０１で保護をする。

【００２２】この後、図１５と図１５の断面図である図
１６に示すように、ベース板１０７上にバルク状圧電体
１１０１を配設、接着固定した後バルク状圧電体１１０
１とベース板上の配線パターンとを電気的に接続する為
に導電材料１５０２を塗布する。ここで、ベース板１０
７の材質は、圧電素子１０１の振動特性を劣化させない
材質、即ち、材料のヤング率Ｅと材料の密度ρとの積の
１／２乗で表される固有音響インピーダンス （ρ×Ｅ）＾１／２ が圧電素子の固有音響インピーダンスより大きい事が望
ましい。

【００２３】又、この時のバルク状圧電体１１０１のノ
ズル配列方向の長さＬは、１個のドライバーＩＣの出力
ビット数ｎと、ドライバーＩＣの個数ｍと、圧電素子１
０１配列ピッチＰとすると、 Ｌ＝Ｐ×ｎ×ｍ とするのが望ましい。

【００２４】これは、１ベース板上のドライバーＩＣ出
力ビット数ｎと圧電素子数が異なるとベース板間で各圧
電素子への電気的導通の確保が必要になる為で、この時
のベース板間での電気的な導通は、配線が高密度になっ
てしまい困難なものとなる。

【００２５】この為、本実施例では、ノズルピッチ８／
３００インチ、５１２ノズルのラインヘッドを１ドライ
バーＩＣで６４ビットずつ８個配置する事とした。

【００２６】ここで、ベース板１０７とバルク状圧電体
１１０１の張り合わせ精度を考慮し、１バルク状圧電体
の長さＬは、 Ｌ＞８／３００×２５．４×６４ ＝４３．３４９（ｍｍ） を満たすＬ＝５０ｍｍとし、後工程で、図１９に示すよ
うにベース板１０７とバルク状圧電体１１０１の両端を
圧電素子列形成時に同時にカットする事でベース板１０
７の端面からの圧電素子１０１の位置精度を確保してい
る。即ち、カット後の長さＬは、Ｌ＝４３．３４９ｍｍ
となっている。

【００２７】又、ベース板１０７上の各バルク状圧電体
１１０１は接着時の接着層厚みバラツキ、バルク状圧電
体１１０１の初期的形状等によりバルクが斜めに接着さ
れ、圧電素子１０１を形成した時に高さバラツキ（段
差）を生じる恐れがある。この高さバラツキは、インク
の飛翔特性を左右するノズル開口部１０２と圧電素子１
０１とのギャップがバラつく原因になる。

【００２８】この問題を回避する為に、本実施例ではバ
ルク状圧電素子１１０１の上面をダイヤモンドブレード
を利用したダイシングソーで上面を研削し高さを均一に
した。他に、高さを均一にする方法としては、上面研削
の他に、上面ラッピングが有効である。

【００２９】ここで、積層型圧電素子の変位量は内部電
極１層にかかる電界強度に比例する為、低電圧で大きな
変位を得る為には、内部圧電材料層厚みを薄くすること
が有効である。しかしながら、最外層も内部電極層と同
様に薄くしていってしまうと各バルク状圧電素子の高さ
バラツキを最外層の厚み以下に抑えていないと上面研削
時に内部電極が露出してしまう。この為、この時のバル
ク状圧電素子１１０１は研削時、或は、ラッピング時に
内部電極６０１、７０１が露出しないように、予め高さ
バラツキ分以上を加味して図１７に示すように、バルク
状圧電体１１０１のノズル開口部側（上部最外層）１７
０１を、或は、図１８に示すようにバルク状圧電体１１
０１の上部最外層１７０１及び圧電素子固定部側１８０
１（下部最外層）を内部圧電材料層より厚くしておくこ
とが望ましい。

【００３０】本実施例では、内部の圧電材料５０２の厚
み３５μｍで、最外層上部１７０１及び、最外層下部１
８０１の厚みは３５μｍのグリーンシートを３枚積層し
１０５μｍとした。この様にグリーンシート製造工程の
簡略化を図るため、内部の圧電材料５０２を積層する事
が出来る様に、最外層１７０１、及び、１８０１の厚み
は内部の圧電材料層厚みの整数倍に設定する事が望まし
い。

【００３１】この後、図１９と図１９のＤ部拡大図であ
る図２０に示すように、配線パターン１１０２に合わせ
てバルク状圧電体を加工して圧電素子１０１、ダミー圧
電素子１１５を形成する事でベース板ユニット１９０１
を得る。又、ベース板１０７を５０〜１００μｍ切り込
むことで導電材料１５０２を完全に電気的に分離する事
が出来た。ここで、本実施例では、先にも述べたがベー
ス板１０７の端面から各圧電素子１０１の位置精度を確
保する為、加工方法としてダイヤモンドブレードを利用
したダイシングソーでベース板端面とバルク状圧電体端
面を同時に加工し基準面１９０２を設けた。ここで、ダ
イシング加工の切込み可能深さＬ2には限界があるの
で、基準面１９０２を作るベース板両端は図１９に示す
ように凸形状とした。

【００３２】本実施例では、ノズルピッチ８／３００イ
ンチ、５１２ノズルのラインヘッドを１ドライバーＩＣ
で６４ビットずつ、即ち、ベース板ユニットを８個配置
する事とした。ここで、後工程での振動板１０３、隔壁
板１０４、ノズルプレート１０５と各圧電素子１０１と
の位置精度を確保する為、図２４に示すように８個配列
したベース板ユニットの両端に来るユニット２１０１、
２２０１に、図２１、図２２に示す様にバルク状圧電体
及び、ベース板加工時に同時に基準柱材料を加工するこ
とで基準柱１１４を形成した。

【００３３】上記の様にして得られたベース板ユニット
１９０１、２１０１、２２０１を図２３に示す様にイン
ク流路板１０６に各ユニットに形成されている基準面を
接触させながら挿入する。その後、図２４に示す様に基
台２４０１に押し付け、インク流路板１０６の上面と圧
電素子１０１の上面が均一になる様に接着し、図２４、
図２５に示す様な流路板ユニット２４０２を得る。

【００３４】ここで、圧電素子１０１は先にも述べたよ
うに、内部電極を厚膜印刷した焼成体であるため内部電
極印刷精度、焼成状態、製造ロットにより特性にバラツ
キを生じる。この為、ベース板ユニット毎に、バルク状
圧電体を加工した後の各圧電素子１０１の変位特性を測
定し、予め設定された数段階のクラスに変位特性別に分
類した。この後、同じクラスのベース板ユニットを配列
する事で１つのヘッドを構成した。この事で、従来、静
電容量等の代用値で行っていた事前検査が、ベース板に
固定された圧電素子の変位という、インク吐出特性を左
右する直接的な要因で管理出来た。

【００３５】これにより、ユニット間での変位特性を精
度良く揃える事が出来た為、インク吐出特性が１ヘッド
内で安定し、印字品質に優れたインクジェット式印字ヘ
ッドを得ることが出来た。

【００３６】次に、図２６に示すように基台２６０１に
上面に接着剤を塗布した流路板ユニット２１０２を固定
し、基準柱１１４に振動板１０３に予め設けた基準穴を
挿入し位置合わせする。この後、重り２６０２で加圧し
必要に応じて高温雰囲気で接着固定する。ここで、ダミ
ー圧電素子１１５は隔壁板１０４の受けとして残してい
る。この作業を、隔壁板１０４、ノズル開口部１０２を
形成したノズルプレート１０１を繰り返し積層、接着す
ることで、流路構成部材、ベース板ユニット、及び両者
の位置を決め、且つベース板ユニットを包囲する基台と
を有するインクジェット式印字ヘッドを得る。

【００３７】又、本実施例では、ヘッドの小型化、電気
回路の簡素化（遅延回路等を必要としない）を図る為に
図２７に示すようにノズル列２７０１を１列配列とした
が図２８に示すようにベース板ユニット毎に第１のノズ
ル列２８０１、第２のノズル列２８０２と千鳥配列にす
る事も可能である。この構造であっても、本発明はノズ
ルプレートを１枚で構成している為、ベース板ユニット
の境目のノズル位置精度はノズルプレート製造時に保証
される為、縦筋の発生しない高印字品質のインクジェッ
トヘッドを得る事が出来る。

【００３８】本実施例では、１枚のベース板に１個のド
ライバーＩＣを搭載した例を示した。しかし、ドライバ
ーＩＣの出力ビット数、バルク状圧電体の製造可能長さ
に応じて、特性バラツキを許容できる限り１枚のベース
板に複数のドライバーＩＣを実装する事も可能である。

【００３９】又、本実施例ではベース板上へのＩＣ実装
方法としてワイヤーボンディング方式、フリップチップ
方式を紹介したが、図２９、図３０に示すようにＴＡＢ
（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）方
式で実装したＴＡＢユニット２９０１をベース板１０７
に接続する構造をとっても良い。ＴＡＢ方式はＩＣ実装
時点での検査が容易な為、製造歩留まりの向上が期待で
きる。

【００４０】本実施例では、圧電素子１０１は電界方向
と同じ方向の変位を利用したｄ３３方向の積層型圧電素
子を使用した例を示したが、図３１に示すように電界方
向と垂直方向の変位を利用したｄ３１方向圧電素子３１
０１を使用しても良い。

【００４１】

【発明の効果】以上説明してきたように、インク滴を吐
出するノズル開口が複数穿設されたノズルプレートを有
し、ノズル開口と連通するインク室及びインク室と連通
するインク流路を構成する流路構成部材と、インク室に
圧力を発生させる圧電素子をベース板上にインク室に対
応するように複数配列させたベース板ユニットとを具備
したインクジェット式印字ヘッドにおいて、流路構成部
材と複数のベース板ユニットの位置を決め、且つ該ベー
ス板ユニットを包囲するケース状の基台を更に有してお
り、各ベース板には、圧電素子を駆動する圧電素子駆動
用ＩＣを備えていることにより、特性バラツキの少ない
長尺のヘッドを得ることができるばかりでなく、流路構
成部材とベース板ユニットの位置合わせが容易であり、
さらに精密な駆動回路である圧電素子駆動用ＩＣを基台
により外乱から保護することができる。

【００４２】従って、多ノズルであるライン型ヘッドに
おいても、長期で信頼性が高く、特性バラツキの少ない
高印字品質のインクジェット式印字ヘッドを安価に提供
することができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット式印字ヘッドの構造を
示す上面図。

【図２】本発明のインクジェット式印字ヘッドの構造を
示す図１のＡ−Ａ断面図。

【図３】本発明のインクジェット式印字ヘッドの構造を
示す図２のＣ部拡大図。

【図４】本発明のインクジェット式印字ヘッドの構造を
示す図１のＢ−Ｂ断面図。

【図５】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す断面図。

【図６】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す断面図。

【図７】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す断面図。

【図８】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す断面図。

【図９】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造工
程を示す断面図。

【図１０】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す断面図。

【図１１】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す図。

【図１２】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す断面図。

【図１３】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す断面図。

【図１４】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す断面図。

【図１５】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す図。

【図１６】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す断面図。

【図１７】本発明のインクジェット式印字ヘッドの実施
例を示す断面図。

【図１８】本発明のインクジェット式印字ヘッドの実施
例を示す断面図。

【図１９】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す図。

【図２０】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す図。

【図２１】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す図。

【図２２】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す図。

【図２３】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す斜視図。

【図２４】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す断面図。

【図２５】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す図。

【図２６】本発明のインクジェット式印字ヘッドの製造
工程を示す断面図。

【図２７】本発明のインクジェット式印字ヘッドの実施
例を示す図。

【図２８】本発明のインクジェット式印字ヘッドの実施
例を示す図。

【図２９】本発明のインクジェット式印字ヘッドの実施
例を示す図。

【図３０】本発明のインクジェット式印字ヘッドの実施
例を示す断面図。

【図３１】本発明のインクジェット式印字ヘッドの実施
例を示す断面図。

【符号の説明】

１０１ 圧電素子 １０２ ノズル開口部 １０３ 振動板 １０４ 隔壁板 １０５ ノズルプレート １０６ インク流路板 １０７ ベース板 １０８ ＦＰＣ １０９ 電極 １１０ インク流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055 B41J 2/16

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インク滴を吐出するノズル開口が複数穿
   設されたノズルプレートを有し、前記ノズル開口と連通
   するインク室及び前記インク室と連通するインク流路を
   構成する流路構成部材と、前記インク室に圧力を発生さ
   せる圧電素子をベース板上に前記インク室に対応するよ
   うに複数配列させたベース板ユニットとを具備したイン
   クジェット式印字ヘッドにおいて、 前記流路構成部材と複数のベース板ユニットの位置を決
   め、且つ該ベース板ユニットを包囲するケース状の基台
   を更に有しており、 前記各ベース板には、前記圧電素子を駆動する圧電素子
   駆動用ＩＣを備えていることを特徴とするインクジェッ
   ト印字ヘッド。
2. 【請求項２】 前記ベース板ユニットは、前記圧電素子
   の変位特性がユニット毎に分類され、同等の変位特性を
   有するベース板ユニットが複数個配列されている事を特
   徴とする請求項１記載のインクジェット式印字ヘッド。
3. 【請求項３】 前記圧電素子は積層型圧電素子であり、
   ノズル開口部側の最外層圧電材料、或は、ノズル開口部
   側及び圧電素子固定部側の両方の最外層圧電材料の厚み
   が内部圧電材料層厚みより厚くなっていることを特徴と
   する請求項１記載のインクジェット式印字ヘッド。
4. 【請求項４】 前記積層型圧電素子の最外層圧電材料厚
   みは、前記内部圧電材料層厚みの整数倍になっているこ
   とを特徴とする請求項３記載のインクジェット式印字ヘ
   ッド。
5. 【請求項５】 前記インクジェット式印字ヘッドは、記
   録媒体の記録幅とほぼ同じ長さを有するラインヘッドで
   あることを特徴とする請求項１記載のインクジェット式
   印字ヘッド。