JP3211028B2 - マルチ流路アレイ小滴付着装置 - Google Patents

マルチ流路アレイ小滴付着装置

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JP3211028B2
JP3211028B2 JP51079492A JP51079492A JP3211028B2 JP 3211028 B2 JP3211028 B2 JP 3211028B2 JP 51079492 A JP51079492 A JP 51079492A JP 51079492 A JP51079492 A JP 51079492A JP 3211028 B2 JP3211028 B2 JP 3211028B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明はマルチ流路アレイ小滴付着装置とその製造法
に関する。
欧州特許第277703号及び欧州特許第278590号に開示さ
れるマルチ流路アレイ小滴付着装置はドロップ・オン・
デマンド型インクジェットプリントヘッドとしての使用
に好適であり、配列方向に流路を横切って互いに空間を
設けられて配列した平行な流路からなるものである。こ
れらのプリントヘッドはそれぞれの流路と連絡するノズ
ルから小滴噴射をなす手段として流路分割側壁の少なく
とも一部を形成する圧電作動器を用いている。そうした
プリントヘッドの好ましい製造法の１つは基板に、それ
に垂直に分極した圧電物質の層を基板に付与し、圧電物
質が隣接する溝同士の間の流路分割側壁となるよう圧電
物質の層に平行な複数の溝を形成させ、溝によりインク
流路を付与し、作動電界が配列方向に分極方向に垂直に
適用されて適用電界の方向に側壁の変位を生じるよう、
流路に面する側壁表面に電極を設け、電気的駆動回路を
電極に接続し、上板を側壁に結合させてインク流路を閉
鎖し、各流路にノズルを付与してさらに各流路に連絡す
るインク供給手段を付与することよりなる。
ある態様において流路分割側壁は圧電物質、所謂「シ
ェブロン」作動器からなり、側壁の上部及び下部は反対
に分極していて、対応の流路に横向きにシエブロン形に
変位させる。流路及び流路分割壁作動器を形成する基板
を得る１つの方法は国際出願PCT/GB91/02093に開示され
る５層ラミネートを用いる。別の態様においては所謂
「カンチレバー」作動器が用いられ、これは欧州特許出
願第89309940.8（公表第364136号）に開示されている。
国際特許出願PCT/GB91/00720にはそれぞれが複数の平行
なインク流路を有する多数の同じモジュールからなる配
列した平行インク流路が開示されている。該モジュール
は逐次互いに隣接している。好ましい態様では２つの隣
接モジュールが隣接位置で１つのインク流路を形成して
いる。
本発明の目的は改良された構造のマルチ流路アレイ小
滴付着装置及び該装置の改良された製造法を提供するこ
とである。別の目的は流路壁作動器に所定のコンプライ
アンスのために低電圧で操作できるマルチ流路アレイ小
滴付着装置を提供することである。
本発明のある態様での目的は流路電極に接続するトラ
ックへのチップ接続の一体性がプリントヘッドの熱サイ
クルに悪影響を受けないマルチ流路アレイ小滴付着装置
及び該装置の改良された製造法を提供することである。
本発明のマルチ流路アレイ小滴付着装置の製造法は、
基板に垂直に分極した圧電物質の層を基板に付与し、圧
電物質が連続する流路を分割する直立した壁となるよう
該基板層に、１列の平行で上部の開放した小滴液流路を
形成させ、流路に面する壁表面に電極を設け、流路閉鎖
板を壁に結合させ、それぞれ流路に連絡するノズルを設
け、そして流路に小滴液供給源を接続する手段を設けて
なるマルチ流路アレイ小滴付着装置の製造法であって、
流路空間に対応する間隔をおく１列の平行な導電性トラ
ックを有する該流路閉鎖板を形成し、流路を該トラック
に平行に背中合わせに設け、各トラックをその背中合わ
せの流路の、流路に面する側壁の電極に機械的且つ電気
的に接続する結合を形成させて閉鎖板を流路壁にシール
密封することを特徴とする方法にある。好ましくは、各
トラックをそれに背中合わせの流路に面する側壁上の電
極に接続する該結合を形成させる以前に、駆動電流回路
をトラックに接続する。有利には、該結合をハンダ結合
として形成する。好ましくは、トラックと電極の一方ま
たは双方にハンダを付着させ、トラックに背中合わせに
流路を設け、同時に各トラックをそれに背中合わせの流
路に面する側壁上の電極に接続する結合を形成させる。
さらに好ましくは、少なくともハンダを加熱してトラッ
クと接合電極をハンダで濡らしてトラックと接合電極に
メニスカスブリッジを形成してハンダを冷却して該結合
を形成させる。有利には、該流路閉鎖板上に、流路に面
する側壁上の電極同士の空間の幅に近い幅の該トラック
を形成させる。
本発明の装置は、基板に垂直に分極した圧電物質の層
を有する基板、該層中に形成された直立する流路分割壁
により設けられた該基板中の１列の平行で上部の開放し
た小滴液流路、流路に面する壁表面に設けられた電極、
壁に結合した流路閉鎖板、それぞれ流路に連絡するノズ
ル、そして流路に小滴液を供給する手段を有するマルチ
流路アレイ小滴付着装置であって、該流路閉鎖板が、流
路空間に対応する間隔をおいて流路に平行で背中合わせ
の１列の平行な導電性トラックと、各トラックをそれに
背中合わせの流路の流路に面する側壁上の電極に機械的
且つ電気的に接続して閉鎖板を流路壁にシール密封する
する結合とを有することを特徴とするマルチ流路アレイ
小滴付着装置にある。好適には、電気的駆動電流回路は
トラックにそれぞれ接続されている。有利には、流路閉
鎖板上のトラックの幅が、流路に面する壁上の電極同士
の空間の幅に近い。好ましくは、トラックを電極に接続
する結合がハンダ結合である。有利には、該結合のハン
ダの固化線は選ばれて閉鎖板と該圧電材料の相対的熱ひ
ずみを制限する熱膨張係数を有する。ハンダは鉛及び／
又は錫及び／又はインジウムの合金であってよく、鉛と
錫とからなる合金でありうる。好ましい態様ではハンダ
は鉛と錫を含む共融合金である。別の態様ではハンダ合
金は銀を含む。
好適には、流路閉鎖板は圧電セラミックに比べて比較
的高い弾性率と及び「110」シリコンと適合する膨張係
数を有するガラス又はセラミックからなる。流路閉鎖板
の好ましい材料は硼珪ガラスである。この種の流路閉鎖
板はその上に流路配列方向に板の幅で伸びる結晶シリコ
ンの層を有して、そこに入出力端子を有するマルチプレ
クサー駆動回路を形成して該出力端子が流路閉鎖板上の
導電性トラックに接続されていてよい。
図面を参照しながら実施例により本発明をより詳しく
説明する。図１は本発明に従った構造のドロップ・オン
・デマンド型インクジェットプリントヘッドの形態の小
滴付着装置で、長尺方向断面図である。図２は図１中の
線Ｘ−Ｘでの配列方向断面図である。図３も図１中の線
Ｘ−Ｘでの配列方向断面図であるが別の態様のプリント
ヘッドである。各図中に付された番号は同一部品に対し
て共通である。
図１−３は本発明の原則に従って組み立てられたイン
クジェットアレイプリントヘッドを説明している。これ
らのプリントヘッドは流路分割壁作動器を有するドロッ
プ・オン・デマンド型である。作動器は基板に垂直な方
向に分極した圧電セラミック板中に設けられ、剪断モー
ドで操作されて、適用される電界の方向に作動器が変位
する。
図はプリントヘッド10を描いており、配列したインク
流路11（ａ）〜11（ｈ）は圧電セラミック板12中に形成
した流路分割壁作動器13（ａ）〜（ｇ）により分割され
て、基層あるいは流路閉鎖板14と結合している。流路閉
鎖板14はインク流路と同じピッチ間隔でその上に導電性
トラック16を有している。トラック16は駆動チップ27に
接続され、チップからの電気的駆動信号を作動器へ通電
する。これは欧州特許第277703号及び欧州特許第278590
号に一般的に開示されており、この種のドロップ・オン
・デマンド型インクジェットプリントヘッドに導入され
る。その内容をここに参考文献としてここに取り込む。
構造について国際出願PCT/GB91/00720にもさらに開示が
あり、その内容をここに参考文献としてここに取り込
む。駆動チップ27はさらに閉鎖板14の一端でトラック18
と接続して、ここで入力クロック、電源波形及びプリン
トデータ信号を供給される。
プリントヘッドのインク流路はノズルプレート20に設
けられたノズル22によりそれぞれの末端で終結する。ノ
ズルプレート20は圧電セラミック板12に取り付けられ、
流路閉鎖版14はチップ27から隔たっている。
マニホールド21が駆動チップ27側の流路末端に取り付
けられてインクを保持し、インクを横断ダクト26を経由
して各プリントヘッド流路に供給する。
本発明に従ったプリントヘッドの構造及び操作を図２
及び図３を参照しながら詳細に説明する。図２及び図３
は異なる態様であるがいずれも図１中の線Ｘ−Ｘでの断
面図である。図２は欧州特許出願第89309940.8（公表第
364136号）に開示されるカンチレバー作動器を有するプ
リントヘッドである。その内容をここに参考文献として
ここに取り込む。そこでは圧電セラミックは圧電板に垂
直に単一方向に分極し、また壁作動器上の電極23は壁の
高さの約半分である。図３は国際出願PCT/GB91/02093に
開示される圧電ラミネートから形成したシェブロン作動
器を説明するものである。その内容をここに参考文献と
してここに取り込む。電極25は壁作動器の全高であり、
壁作動器はその厚み方向に分極した２つの圧電セラミッ
クからなる。分極の方向は図２では矢印17で、図３では
矢印19で示されている。
図２及び図３に説明される構造に不可欠なのは実質的
に電極23同志又は25同志の間に伸びるトラック16がハン
ダの層24で被覆されることである。作動器壁上の電極も
また薄いハンダの層で被覆されてもよい。この層はその
液相線（liqudus）以上に加熱されて電極を濡らしてハ
ンダを補助する。流路アレイはインク流路がハンダ付け
されたトラックのそれぞれ背中合わせにそれらと平行に
なるよう置かれ、作動器は各トラックを分割する場所に
置かれる。ハンダを熱すると溶融して流れてハンダのメ
ニスカス28を形成する。これは電気的且つ機械的に各流
路両側壁上の電極を基板あるいは閉鎖板14上のトラック
に接続し、同時にインク流路壁を閉鎖板14にインク気密
となるようシール密封する。
結合するハンダの固化線（solidus）は選ばれて、閉
鎖板と該圧電材料の相対的熱ひずみを制限する熱膨張係
数を有する。鉛及び／又は錫及び／又はインジウムの合
金を用いうる。好適な合金は鉛と錫からなり、好ましく
はその共融合金である。より好適なハンダ合金は銀を含
む。
この構造の利点はプリントヘッドの製造及び使用の両
方に改良をもたらす点である。これらは組み合わさって
プリントヘッドのコストを下げる。
別々に組み立てて試験されうる電気的基板部品とプリ
ントヘッド部品を組み合わせるので、この構造の製造は
簡便で簡略化される。両部品は満足の行くまで試験さ
れ、ついでハンダ結合により組み立てられる。これは製
造が高能率でオートメーションの可能な急速な工程であ
る。さらに組立体を試験しうる。チップは実施例では基
板部品の一部でありうるので部品数の減少が望める。
プリントヘッド部品に生じる欠陥に、割れにより又は
恐らく埃によるメッキ処理中の電極とトラックの局所的
変化により、少数の電極上のメッキの連続性が時として
中断されることである。ハンダが電極に用いられるなら
ハンダはトラックに関連の電極を濡らしてこの種の欠陥
にブリッジをかけるだろうから、本発明の構造はこの欠
点について自己修復するように見える。
従来の態様においてはチップは完成したプリントヘッ
ドに取り付けられており、従って欠陥のある接続又は欠
陥のあるチップが組み立ての効率を低下させた。また接
着剤での結合による閉鎖板の装着はまた接着剤の硬化に
時間がかかりしばしば品質にもばらつきが生じた。カバ
ー接着工程の効率が組立全体の効率に悪影響を及ぼして
いた。検査で発見が困難なメッキの破損がまた欠陥を生
じさせた。先に述べたハンダ結合工程を用いるプリント
ヘッド組み立てはこれらの欠点を回避してそれゆえに効
率を改善する。
プリントヘッドが配列する同型のモジュールからなる
場合、基板流路閉鎖板は一般に配列の全幅が１つの片と
して形成されることが好ましい。しかし圧電部品は供給
される圧電物質（PZT）ウエハー及び流路形成とメッキ
工程に適当な幅で形成してもよい。基板閉鎖板上の各チ
ップにより操作されるトラックの数とそこに接続される
圧電部品の幅は今や独立したものとなり、隣接接合部位
でのチップと活性部品との間のそれぞれの幅に無関係で
ある。これは国際特許出願PCT/GB91/00720の特徴であ
る。配列中の複数のチップは、チップごとに１組のトラ
ックによってではなく、１組の入力信号トラック18によ
り簡便に操作されうる。
ハンダ結合の別の利点は壁を基板流路閉鎖板に剛直に
保持して、作動器の屈曲時のねじれ方向と剪断字の横方
向の動きを押さえることである。さらにトラックが剛直
な基板上に形成されている場合は壁上部の回転が可能と
なりチップの屈曲が避けられる。接着剤で壁を流路閉鎖
板に接着した場合は作動器壁の上部が変形してピン接合
が壁上部に形成される。これはハンダと作動器の合成に
比べて接着剤が比較的低剛性であることによる。
ピン接合に対する剛直接合の利点は図３のようなシェ
ブロン作動器について計算した次の表に示される。
計算によれば所定のコンプライアンス比を得るのに剛
直接合ではピン接合に対して作動器の壁高さを約13％高
くできる。また電圧も約27％も減らせる。
作動電圧がより低いので、より少ない作動エネルギー
で働かせることが可能であり、チップもより廉価な工程
で製造したチップを使用できる。
プリントヘッドのこれらの利点を最大限に得るために
は基層流路閉鎖板14は比較的剛直な弾性率を持ちそして
圧電セラミック部品とシリコンチップの双方と密接に適
合する熱膨張係数を有する材料から形成されることが望
ましい。PZTの弾性率が約50GPaでありハンダの率も同等
であれば基板の率はより高いことが望ましい。PZTの熱
膨張係数はその供給源及び処理経歴に依存する傾向があ
るが基板の約1ppm/℃と適合することが望ましい。これ
ら熱膨張の目標値はパイレックス（コーニング7740）等
の硼珪ガラス又は等価の材料を用いてなされる。このガ
ラスの弾性率は200GPaを越えるので基板は十分剛直であ
る。
基板流路閉鎖板が硼珪ガラスである場合、その熱膨張
係数はシリコンの「110」方向の係数と適合し、チップ
を基板上に集積しうる。まず結晶シリコンの層をチップ
27の領域にガラス基板の幅に渡って付着させる。マルチ
プレクサー駆動回路の論理及びパワートランジスタをシ
リコン層上に直接形成させる。トラック16及び18を付着
させて駆動回路の入出力端子を接続する。この駆動回路
は実質的に欧州特許出願第89309940.8（公表第364136
号）に開示されてるマルチプレクサー回路である。こう
してシリコンウエハー上に形成されるチップに変えてガ
ラス基板上に直接駆動回路を形成し、さいの目に分離し
たチップとして基板上のトラックに結合させる。
ガラスにチップを付着させることはディスプレイ製造
等他の用途でなされており、ガラス上チップの生産効率
は著しく高く、別々のチップ組立による部品組立及び製
造は合理的でない。
この圧電セラミック板の製造の更なる利点は分割した
基板流理路閉鎖板上にトラックを形成した場合の機械加
工許容度を緩められることである。流路深さの許容度
は、従来の浅い接続溝を流路と共に配列して形成して各
架橋部分によりそこから分割した技術で可能とされてい
たものより大きい。個々に開示される構造の流路は深さ
が均一なのでPZT層の厚さ制御の許容度を緩めることが
できる。従って圧電板の上面のみ研磨して結合に適した
平面にすればよい。向かい合うPZT間の平行の制御もま
た緩和できる。１面を研磨するコストは平行な両面をラ
ップ盤で磨くよりも低い。組立時の別の利点は基板と圧
電板を低温ハンダで接続することはハンダの溶融固化を
含む工程が急速にできることである。従来技術では結合
材料の硬化が処理時間を延ばしていた。同時にハンダが
濡れることにより各部分のトラックと電極を自動的に整
列させて保持し、大気より僅かに低い圧力でそれらを引
っ張り、組立治具を不要とする。この態様は自動組立を
可能にする。
本構造はさらに製造時の効率を改善し、操作時の信頼
性を改善する。基板部分と圧電作動器部分の双方を予め
試験することが可能であり、組立前に正常に働くかどう
か確認できる。
結合または接続材料としてハンダを用いることはさら
に利点があり、第一にハンダは多くの接着剤のようにイ
ンク中で加水分解も溶解もしない。またハンダ接続が適
切になされなかった場合、再加熱して修復可能である。
本構造によりプリントヘッド流路とそれらの閉鎖板か
らなるユニットを必要なチップ27の交換なしに交換しう
ることは注目に値する。チップは構造の中でもコストに
ついて重要な要素であり、またプリントヘッド流路より
消耗や損傷に弱いのでプリントヘッド流路と別に交換で
きることが望ましい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−18054（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−247051（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−150355（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B41J 2/16 B41J 2/045 B41J 2/055

Claims (19)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板に垂直に分極した圧電物質の層を有す
    る基板を準備し、当該圧電物質が複数の流路を分離形成
    する為の直立した壁を提供する様に、該基板内に、複数
    の互いに平行で、上部が開放された小滴液流路の列を形
    成させ、当該壁の互いに対向している２つの内壁表面に
    それぞれ電極を設け、流路閉鎖板を当該壁に結合させ、
    それぞれ流路に連絡するノズルを個別に設け、そして当
    該流路に小滴漉供給源を接続する手段を設けてなるマル
    チ流路アレイ小滴付着装置の製造法であって、当該製造
    方法は、更に、当該流路閉鎖板を当該流路閉鎖板上に当
    該流路の間隔と対応する間隔を有して配置されている互
    いに平行な複数の導電性トラックの列が形成される様に
    構成し、当該個々の流路を当該複数のトラックのそれぞ
    れと平行な状態で且つ互いに対向する様な状態に配置さ
    せ、各トラックを、当該トラックと対向している個々の
    流路の互いに対向している流路内壁面に設けられている
    それぞれの電極と機械的且つ電気的に接続する結合部を
    形成させる事によって当該閉鎖板を流路壁に密着させる
    ことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】各トラックを、当該トラックと対向してい
    る個々の流路の互いに対向している流路内壁面に設けら
    れているそれぞれの電極と接続する結合部を形成させる
    以前に、駆動電流回路をトラックに接続することを特徴
    とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】該結合をハンダ結合として形成することを
    特徴とする請求項１又は２記載の方法。
  4. 【請求項４】当該トラックと当該電極の一方または双方
    にハンダを付着させ、当該各流路を当該それぞれのトラ
    ックと対向して配置させ同時に、各トラックを、当該ト
    ラックと対向している個々の流路の互いに対向している
    流路内壁面に設けられているそれぞれの電極と接続させ
    て結合部を形成することを特徴とする請求項３記載の方
    法。
  5. 【請求項５】少なくともハンダを加熱してトラックと接
    合電極をハンダで濡らしてトラックと接合電極にメニス
    カスブリッジを形成してハンダを冷却して該結合を形成
    させることを特徴とする請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】該流路閉鎖板上に、流路に面する側壁上の
    電極同士の空間の幅に近い幅の該トラックを形成させる
    ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の方
    法。
  7. 【請求項７】該流路閉鎖板上に位置する駆動チップに該
    駆動電流回路を付与することを特徴とする請求項２から
    ５のいずれかに記載の方法。
  8. 【請求項８】該流路閉鎖板上に付着により駆動チップを
    形成させて、該トラックと接続している駆動回路を付与
    することを特徴とする請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】基板に垂直に分極した圧電物質の層を有す
    る基板、該基板中に形成された直立する流路分割壁によ
    り設けられた、複数の互いに平行で、上部が開放された
    小滴液流路の列、当該流路の互いに対向している２つの
    内壁表面にそれぞれ設けられている電極、当該流路壁に
    結合した流路閉鎖板、それぞれ流路に連絡する個々のノ
    ズル、及び当該流路に小滴液を供給する手段を有するマ
    ルチ流路アレイ小滴付着装置であって、該流路閉鎖板
    は、当該流路閉鎖板上に当該流路の間隔と対応する間隔
    を有して配置されている、互いに平行な複数の導電性ト
    ラックの列を有しており、且つ、当該各トラックを、当
    該トラックと対向している個々の流路の互いに対向して
    いる流路内壁面に設けられているそれぞれの電極と機械
    的且つ電気的に接続すると共に当該閉鎖板を流路壁に密
    着させる結合部を有している事を特徴とするマルチ流路
    アレイ小滴付着装置。
  10. 【請求項１０】電気的駆動電流回路がトラックにそれぞ
    れ接続されていることを特徴とする請求項９記載の装
    置。
  11. 【請求項１１】流路閉鎖板上のトラックの幅が、流路に
    面する壁上の電極同士の空間の幅に近いことを特徴とす
    る請求項９又は10記載の装置。
  12. 【請求項１２】トラックを電極に接続する結合がハンダ
    結合であることを特徴とする請求項９から11のいずれか
    に記載の装置。
  13. 【請求項１３】該結合のハンダの固化線が選ばれて閉鎖
    板と該圧電材料の相対的熱ひずみを制限する熱膨張係数
    を有することを特徴とする請求項12記載の装置。
  14. 【請求項１４】該結合のハンダが鉛及び／又は錫及び／
    又はインジウムの合金であることを特徴とする請求項12
    又は13記載の装置。
  15. 【請求項１５】該結合のハンダが鉛と錫を含む共融合金
    であることを特徴とする請求項12又は13記載の装置。
  16. 【請求項１６】該結合のハンダが銀を含む合金であるこ
    とを特徴とする請求項12又は13記載の装置。
  17. 【請求項１７】流路閉鎖板が圧電セラミックに比べて比
    較的高い弾性率と及び「110」シリコンと適合する膨張
    係数を有するガラス又はセラミックからなることを特徴
    とする請求項９から16のいずれかに記載の装置。
  18. 【請求項１８】流路閉鎖板が硼珪ガラスであることを特
    徴とする請求項17記載の装置。
  19. 【請求項１９】該流路閉鎖板がその上に流路配列方向に
    基板の幅で伸びる結晶シリコンの層を付着させ、そこに
    入出力端子を有するマルチプレクサー駆動回路を形成し
    て該出力端子が流路閉鎖板上の導電性トラックに接続さ
    れていることを特徴とする請求項18記載の装置。
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