JP3215789B2 - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク液滴を画像
記録媒体上へ選択的に付着させるインクジェットヘッド
の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】積層圧電素子の厚さ方向の変位を利用し
て圧力室の壁の一つを形成した振動板を変位させて圧力
室内に充填したインクを加圧し該圧力室に連通するノズ
ルよりインクを噴射するインクジェットヘッドは特公平
７−５７５４５に示されている。その構造の概要は図７
に示すように剛性部材１０９上に積層圧電材料を接着し
積層圧電材料面に溝加工を施すことで独立的に駆動可能
な複数の積層圧電素子１０７を形成し、圧力室１０２の
一つの壁を形成する振動板１０３を変位させて圧力室１
０２内に充填したインクを加圧し圧力室１０２に連通す
るノズル１１１よりインク滴を噴射するものである。こ
の構成は圧電体を積層することで厚さ方向の変位量を大
きくし結果として圧力室を高密度で配置することを目的
とするものである。更に積層圧電素子１０７は振動板１
０３上および剛性部材１０９上に形成された電極パター
ン１０８に電気的に接続されており外部から駆動を容易
にすることも目的とするものである。

【０００３】しかし、前記の構造においては積層圧電素
子１０７のピッチが溝の加工限界で決まり、よりノズル
ピッチを密にするには問題を有する。例えば高画質な１
インチあたり６００ドット（６００ｄｐｉ）相当の印字
をするノズル配列ピッチは、機械による溝加工限界を遥
かに越えているため構成できない。さらに６０ノズルを
越えるようなマルチノズルヘッドを構成すると剛性部材
１０９では中央部の振動板１０３を充分固定することが
できなくなり、また剛性部材１０９も積層圧電素子１０
７の駆動による反力に耐えられるように充分に厚く大き
いものにしなければクロストークが発生するようにな
る。

【０００４】またノズル数の多いマルチノズルヘッドを
構成すると、積層圧電体に機械加工で多数の溝を形成す
るため、積層圧電体内部の電極成分である銀（Ａｇ）等
が誘電体で形成された圧電体壁面に擦りつき絶縁抵抗が
低下する不良が発生する確率が増えることがわかった。
このため歩留りが低くなり生産性が悪くなるという問題
を有する。またさらに積層圧電素子１０７は振動板１０
３上および剛性部材１０９上に形成された電極パターン
１０８に電気的に接続されており電極パターン１０８か
らさらに外部の駆動信号線と接続されるので電気接続点
が増え信頼性低くなるという問題を有する。

【０００５】また電気エネルギーの供給路が外部環境に
露出しているので、ノズル１１１から噴射するインクが
積層圧電素子１０７または電極パターン１０８上に流れ
込み電気的短絡を起こすという問題が発生する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる問題点
を鑑みなされたものであり、その目的とするところは、
積層圧電素子を基板に並べ振動板と圧力室で印字ヘッド
を構成し積層圧電素子と基板と圧力室の並び方向の端面
からインクを噴射するインクジェット記録ヘッドにおい
て、６０から１００を越える小型で高性能なマルチノズ
ル・オンデマンド・インクジェットヘッドを可能ならし
め、さらに生産性、信頼性のあるインクジェット記録ヘ
ッドを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明のインクジェットヘッドは、下記記載の構成を採
用する。本発明による第１のインクジェットヘッドは、
絶縁性基板上に複数の積層圧電素子を接着した積層圧電
素子ユニットと、圧電素子ユニットを保持する固定部材
と、積層圧電素子の自由端平面と固定部材上に接合する
振動板と、振動板上に接着した圧力室およびインク供給
口を形成した流路基板とで構成する複数のヘッドユニッ
トを枠体に固定し、前記ヘッドユニット端面と枠体面に
ノズル板を接合したことを特徴とする。

【０００８】本発明による第２のインクジェットヘッド
は、絶縁性基板上に複数の積層圧電素子を接着した積層
圧電素子ユニットと、圧電素子ユニットを保持する固定
部材と、積層圧電素子の自由端平面と固定部材上に接合
する振動板と、振動板上に接着した圧力室およびインク
供給口を形成した流路基板と、前記固定部材と前記振動
板と前記流路基板の端面上に接着したノズル板からなる
ヘッドユニットの複数を、前記ノズル板のノズル列の間
隔が一定になるように枠体に固定したことを特徴とす
る。

【０００９】本発明による第３のインクジェットヘッド
は、絶縁性基板上であって積層圧電体の端面にあたる部
分に面取り、または溝加工を施したことを特徴とする。

【００１０】本発明による第４のインクジェットヘッド
は、枠体が形成する平面とノズル板の平面を治具上の平
坦面に押し当て、かつノズル板上に形成した位置決めマ
ークによってノズル列の位置を決めた後に、紫外線硬化
型の接着剤で複数のヘッドユニットを枠体に固定する製
造方法を特徴とする。

【００１１】本発明による第５のインクジェットヘッド
は、積層圧電素子の各圧電体層に電圧を印加するための
集電極部に外部からの駆動信号入力線を直接電気接続し
たことを特徴とする。

【００１２】本発明による第６のインクジェットヘッド
は、積層圧電素子の集電極部に接続する電気接点におい
て、外部からの駆動信号入力接点がＦＰＣを裸線化した
線状の電気接点であることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施例を説
明するためのインクジェット記録ヘッドの概要構成を表
わす分解斜視図であり、図２は同インクジェット記録ヘ
ッドの一部を構成するヘッドユニットの分解斜視図、図
３は同ヘッドユニットの断面図である。以下この図を用
いてインクジェット記録ヘッドの概要構成を説明する。

【００１４】図３に示すように圧電効果を有する２０μ
ｍ程度の薄いペースト状の圧電材料板３０上に銀を主成
分とするペースト状の電極層３１を積層しさらに圧電材
料板３０と電極層３１を順次複数積層した後に焼成する
ことで積層圧電体２０を形成する。尚電極層３１は一つ
一つの圧電材料板の両面に形成され一方が端面の集電極
２２ａに露出し、他方が対向する端面の集電極２２ｂに
露出している。集電極２２ａ，２２ｂは積層圧電体２０
にクロム、ニッケル、金を順次真空蒸着法等の薄膜形成
手段を施すことによって形成する。積層圧電体２０の集
電極２２ａと集電極２２ｂ間に電圧を印加すると一つ一
つの圧電材料板３０に電界が発生し一つ一つの圧電材料
板は厚さ方向に微小な寸法だけ伸び、その集積として積
層圧電体２０は厚さ方向に必要量変位する。

【００１５】図２に示すようにこの積層圧電体２０をセ
ラミック等の絶縁材料からなる絶縁性基板２１上に接着
する。さらに積層圧電体２０の上面からワイヤーソーな
どの機械加工手段で溝加工を施すことにより積層圧電体
２０を独立に駆動可能な積層圧電素子２３に分割し圧電
素子ユニット２５を形成する。外部からの電力はＦＰＣ
（フレキシブル、プリント、ケーブル）２４で供給され
端部付近で裸線化した線状の接点２４ａと集電極２２
ａ、集電極２２ｂとをハンダ付け等の方法で電気的に接
続する。積層圧電素子２３は厚み方向に変位すると同時
にその垂直方向である長さ方向および幅方向にも変位す
るので、電極パターンを積層圧電素子２３の上面や下面
または他の部材に形成し集電極２２ａ，２２ｂの面と接
続する従来の方法によるとその接続するつなき部分でよ
く断線を起こす。本発明の実施例のようにＦＰＣ２４を
積層圧電素子２３の集電極２２ａ，２２ｂに直接電気接
続する方法をとると、電極パターンを積層圧電素子２３
の上面や下面または他の部材に形成する方法に比べ、集
電極の部分だけで電気的に接続しているので電気的接点
数が減るので信頼性が向上する。またさらにはＦＰＣ２
４の先端または先端付近部を裸線化し線状の金属電気接
点としているので積層圧電素子２３の厚さ方向の変形に
対して線状の金属電気接点が伸びることで、ＦＰＣの持
つ剛性によって積層圧電素子２３の変形を規制すること
がなくなる。このため電気機械変換効率が向上する。

【００１６】また、図３に示すように積層圧電体２０の
端面に位置する集電極２２ａ、または集電極２２ｂの下
部であって、絶縁性基板２１に接合する部分で絶縁性基
板２１上に３４ａの面取り、さらに３４ｂのように溝加
工を施すと、絶縁性基板２１と積層圧電体２０との間の
接着剤が多少はみ出しても絶縁性基板２１の端面と集電
極２２ａとを平坦な面とし、絶縁性基板２１の上面と集
電極２２ｂとの面を垂直な面とすることができる。この
ため、局部的な接着剤のはみ出しによって、その部分の
ＦＰＣ２４を外側に押し出し集電極２２ａ、２２ｂとＦ
ＰＣ２４の電気的接続で導通不良を起こすことというよ
うなことがなくなり信頼性が向上する。

【００１７】このように絶縁性基板２１と積層圧電体２
０とＦＰＣ２４によって構成された圧電素子ユニット２
５を、図２に示すように中央部に窓が形成された樹脂材
料からなる固定部材２６に挿入する。さらに、図２の断
面図に示すように積層圧電素子２３で絶縁性基板２１の
接着面と反対側の面である自由端面と、固定部材２６の
上面が平坦になるようにした後に、絶縁性基板２１と固
定部材２６との間の隙間に接着剤を充填して圧電素子ユ
ニットを固定部材２６に固定する。

【００１８】このようにして固定部材２６上面と積層圧
電素子２３の自由端面とで形成された平面上に、薄い振
動板２７を積層する。さらに振動板２７は積層圧電素子
２３の自由端と固定部材２６の上面と接着される。ここ
で振動板２７は電鋳法によって形成した数μｍ程度ニッ
ケル板である。さらに積層圧電素子２３の一つ一つに対
応した圧力室３２とインク供給口３３とを備え樹脂材料
で形成した流路基板２８を接着する。こうした制作した
ユニットを以下ヘッドユニット１０と記すこととする。

【００１９】前述のように積層圧電素子２３は積層圧電
体２０を絶縁性基板２１上に接着しワイヤーソーによっ
て溝加工して形成する。このためワイヤーによって切断
された電極層３１の銀−パラジウムの粉が圧電材料板３
０の切断面に擦りつけられる。対向する電極層３１は切
断面に露出しその間隔は圧電材料板３０の板厚の２０μ
ｍ程度であるので、湿気等の外部環境で容易に絶縁抵抗
が劣化する。また、よくは解らないが機械振動によって
圧電材料板３０内にマイクロクラックが発生し、この中
に水分が吸着し絶縁性が劣化することがあるようであ
る。ここで絶縁不良とは電気的な短絡を意味しているの
ではなく、数ＭΩの抵抗を有していても連続駆動によっ
てその抵抗値が徐々に低下し、駆動以外に余分な電流を
流したり、選択したインク滴噴射以外のタイミングで積
層圧電素子２３を充電または放電して余分なインク滴を
噴射してしまう現象を作り出すものをいう。このような
絶縁不良の発生は機械加工の条件や材料の改良等である
程度は改善できるが、６４チャンネルのヘッドで多数を
制作するとどうしても１から２チャンネルほどの絶縁不
良が発生するヘッドが何個かできる。このため生産の歩
留りが非常に悪いものとなっていた。

【００２０】図２では簡単のために４つの積層圧電素子
２３と４つの圧力室３２で４つのチャンネルを示したが
実際は２０から５０チャンネルでヘッドユニット１０を
構成する。この程度のチャンネル数でヘッドユニット１
０を構成すると圧電ユニットの絶縁不良の確率が６４チ
ャンネル以上の場合に比べ格段と低下し、圧電ユニット
の歩留りが向上した。

【００２１】固定部材２６は絶縁性基板２１と振動板２
７を機械的に結合し積層圧電素子２３の変形を効率良く
振動板２７の変形につなげることができるので、図７で
示した従来のような大きなコの字形の剛性部材１０９を
用いないで良く小型で軽量な印字ヘッドが構成できた。
またさらに積層圧電素子２３の前後に位置する部分の振
動板２７を固定部材２６よって固定しているのでヘッド
ユニット１０の中央部でもクロストークの発生を押さえ
ることができた。

【００２２】またさらには積層圧電素子２３の電極と、
積層圧電素子２３の集電極２２ａ，２２ｂと、集電極２
２ａ，２２ｂとＦＰＣとの電気的接合面が絶縁性基板２
１と振動板２７と固定部材２６によって取り囲まれてお
り、噴射したインク滴が回りこんでショートを起こす危
険がなくなる。さらに絶縁性基板２１と固定部材２６と
の隙間を接着剤等で埋めると湿気等の環境条件によって
積層圧電素子２３の溝加工面上に流れるリーク電流を低
減させることができる。

【００２３】図１は上述のようにして形成した複数のヘ
ッドユニット１０を用いて構成するインクジェット記録
ヘッドの分解斜視図を示している。３つのヘッドユニッ
ト１０を樹脂材料で形成した枠体１１の窓部に挿入しヘ
ッドユニット端面１０ａと枠体１１の端面１１ａが同一
平面となるようにして位置決めし、図示していない枠体
１１内部のリブとヘッドユニット１０との隙間に接着を
充填して固定する。この後に３列のノズル１２を形成し
たノズル板１３をヘッドユニット端面１０ａと枠体１１
の端面１１ａ上に接着しインクジェット記録ヘッドを形
成する。

【００２４】ノズル１２の各列のノズル間ピッチはヘッ
ドユニット１０と同じであるが、ヘッドの記録用紙に対
する走査方向（ノズル列と直角方向）を基準とする線か
らノズル間ピッチの１／３ピッチずつずらして３つのヘ
ッドユニット１０を配列している。このため印字密度は
ヘッドユニット１０のピッチの３倍の密度で構成するこ
とができる。実際にはヘッドユニット１０の積層圧電素
子２３または圧力室３２の並びを１２０ｄｐｉで形成
し、インクジェット記録ヘッドの印字密度をこの３倍の
３６０ｄｐｉで制作した。また、ヘッドユニット１０の
積層圧電素子２３または圧力室３２の並びを２００ｄｐ
ｉで形成し、インクジェット記録ヘッドの印字密度を６
００ｄｐｉとすることも可能である。

【００２５】図４は本発明の第２の実施例を説明するた
めのインクジェット記録ヘッドの概要構成を表わす分解
斜視図であり、図５は本実施例のノズルの配置を示す図
であり図６はヘッドユニットと枠体との関係を示す断面
図である。図４で示すように実施例２は実施例１で説明
したヘッドユニット１０を用いて形成する。ヘッドユニ
ット１０の固定部材２６と振動板２７と流路基板２８の
端面をラップ等の機械加工によって平坦にし、この平面
にノズル４１が形成さらたノズル板４３を接着する。こ
のノズル付きヘッドユニットを新たにヘッドユニット４
０と記す。本実施例と実施例１と違いはヘッドユニット
４０の状態でインク噴射が可能かどうかの点である。

【００２６】このようにして形成した３つのヘッドユニ
ット４０を図４に示すように枠体４２の窓部に挿入す
る。図５に示すように隣接するヘッドユニット４０のノ
ズル４１位置をノズル間ピッチの１／３だけずらす。位
置決めにはノズル板上に設けた位置決めマーク５０を利
用して行う。このようにすると実施例１と同様にヘッド
ユニット４０のノズル間ピッチの３倍の印字密度のイン
クジェット記録ヘッドが形成できる。次に図６に示すよ
うにノズル板４３と枠体４２の端面を治具等の高平坦な
面に押し当て裏側から紫外線硬化型の接着剤６１でヘッ
ドユニット４０と枠体４２を固定しインクジェット記録
ヘッドを形成する。また、枠体４２の表面でヘッドユニ
ット４０との接触部は面取り４２が施されおり、この空
間に樹脂系またはゴム系の接着剤６３を流しインクが内
部に進入しないようにシールする。

【００２７】実施例２のように印字ヘッドを形成してい
くと、実施例１と同様に比較的ノズル数の少ないヘッド
ユニットを用いることで、クロストークがなく、積層圧
電素子２３の絶縁不良が少なく、印字密度の高いインク
ジェット記録ヘッドが構成できるが、さらに次のような
利点も生じる。

【００２８】第１に一つ一つのヘッドユニット４０にお
いてインク噴射が可能である点があげられる。インクジ
ェット記録ヘッド技術は構成が簡単である反面、各構成
要素に要求される機能が多い。例えばノズル板４３にお
いてはノズル４１の穴形状、寸法精度、表面粗さ、ヘッ
ドユニット４０内でのインクとの親水性（表面とインク
の接触角）、インク噴射側の表面の撥水性、ノズル４１
上で前記親水性を有する面と前記疎水性を有する面との
境界条件等複雑であり、さらに他の構成要素も同様に多
岐にわたる機能が要求される。さらに、数量を生産する
と材料の組成や制作工程でのばらつきによって積層圧電
体の圧電定数が５％から１０％変動するため、インクの
噴射速度やインク滴の径などの性能がばらつきを生じ
る。このためヘッド完成後に実際にインクまたは他の液
体を充填して品質や性能を確認する必要がある。比較的
ノズル数が少ないユニット構成で一つ一つの性能を確認
できるようにすると、不良ヘッドを採用しないことや性
能のばらつきの等しいヘッドユニット４０どうしを組み
合わせてインクジェット記録ヘッドを形成できるので品
質が向上できとともに生産性が向上する。

【００２９】別の例として３つのヘッドユニット４０に
種類の異なったインクを充填しカラーインクジェット記
録ヘッドを構成する場合がある。この場合、インクの物
性である粘度、表面張力等はＹＭＣ各色で異なるため、
インクジェット記録ヘッド内でインク噴射性能を揃える
ためには、性能の異なるヘッドユニットを用いる必要が
ある。このような要求に対しては実施例２の構成が有効
であり、事前に確認した異なった性能のヘッドユニット
４０を３つ組み合わせてインクジェット記録ヘッドを構
成すると良い。

【００３０】第２の利点としてノズル板４３がインク噴
射平面でそれぞれ分割されているのでカラーインクジェ
ット記録ヘッドを構成する場合、ＹＭＣ各色がノズル４
１面で混色することが無くなる点である。一般的にイン
ク噴射平面はワイピング機構等でメンテナンスするが、
拭き取り操作で隣接ノズルからの他のインクが混じりノ
ズル４１上で混色する危険があった。各色でノズル板４
３を別々に持ち各色間にインクの回りこみを防止する撥
水面４５を形成すれば混色を防ぐことができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明の実施例１と実施例２におけるイ
ンクジェットヘッドの構成によると、絶縁性基板上に適
当な数量の積層圧電素子を並べたヘッドユニットの複数
を用いて、積層圧電素子における機械加工面でのリーク
電流がなくクロストークがない６０ノズル以上さらには
１００ノズルを越えるマルチノズルヘッドを形成でき
る。

【００３２】さらに実施例２におけるインクジェットヘ
ッドの構成によるとヘッドユニットの性能にあわせてイ
ンクジェット記録ヘッドを構成できるので、カラーイン
クの各色に対して最適化した印字ヘッドを制作できると
ともにインクの各色がノズル板上で交じり合うことがな
くなった。また、ヘッドユニットの品質が管理できので
生産性が向上した。

【００３３】また、積層圧電素子の集電極にＦＰＣの先
端付近を裸線化した線状の電気接点を直接接合すること
で、信頼性の高いインクジェット記録ヘッドが形成でき
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のインクジェット記録ヘッド全
体の構成を表わす分解斜視図。

【図２】本発明の実施例のヘッドユニットを表わす分解
斜視図。

【図３】本発明の実施例のヘッドユニットを表わす断面
図。

【図４】本発明の実施例のインクジェット記録ヘッド全
体の構成を表わす分解斜視図。

【図５】本発明の実施例のノズル配列を示す部分図。

【図６】本発明の実施例のヘッドユニットと枠体の関係
を示す部分断面図。

【図７】従来技術を表わす分解斜視図。

【符号の説明】

１０、４０ヘッドユニット １１、４１枠体 １３、４３ノズル板 ２１ 絶縁性基板 ２２ａ，２２ｂ集電極 ２３、４３積層圧電素子 ２４ＦＰＣ ２５圧電ユニット ２６固定部材 ２７振動板 ２８流路板

フロントページの続き (72)発明者 三ッ橋 正 埼玉県所沢市大字下富字武野840番地 シチズン時計株式会社技術研究所内 審査官 尾崎 俊彦 (56)参考文献 特開 平５−270099（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−186388（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−226971（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−108681（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−88245（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−285219（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−186386（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−238003（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−316066（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−141432（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−9681（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−285223（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−338154（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−195688（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/045 - 2/055 B41J 2/16

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ノズル板を有するインクジェット記録ヘッ
   ドにおいて、前記ノズル板を有しない複数のヘッドユニ
   ットを枠体に固定し、前記ヘッドユニット端面と前記枠
   体面に前記ノズル板を接着したことを特徴とするインク
   ジェット記録ヘッド。
2. 【請求項２】前記ノズル板は前記複数のヘッドユニット
   に対し、共通のものとしたことを特徴とする請求項１に
   記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 【請求項３】積層圧電素子を利用するインクジェットヘ
   ッドにおいて、積層圧電素子の各圧電体層に電圧を印加
   するための一方の集電極と他方の集電極の両方を、それ
   ぞれ前記積層圧電素子の互いに対向する端面上に於いて
   共通のＦＰＣに接続し、該ＦＰＣを用いて直接外部と電
   気接続することを特徴とするインクジェット記録ヘッ
   ド。