JPH06198876A

JPH06198876A - インクジェット式印字ヘッド及びその製造方法

Info

Publication number: JPH06198876A
Application number: JP5000662A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Sonehara; 秀明曽根原
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1993-01-06
Filing date: 1993-01-06
Publication date: 1994-07-19
Anticipated expiration: 2016-07-09
Also published as: JP3185434B2

Abstract

(57)【要約】【目的】多ノズルでも、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。【構成】圧電素子１０１への駆動信号によりインクが
ノズル開口部１０２から外部に放出されるようにしたイ
ンクジェット式印字ヘッドにおいて、前記ノズル開口部
１０２は、１枚の連続したノズルプレート１０５上に複
数個配列し、圧電素子１０１列は、ノズル開口部１０２
に対応するようにバルク状圧電体を加工した圧電素子１
０１とドライバーＩＣ２０２を載置したベース板ユニッ
トを変位特性分類を行った後に複数個配列することで構
成している。製造方法は、バルク状圧電体をベース板１
０７に配置した後に、前記バルク状圧電体のノズル面側
を研削、或は、ラップ加工する。

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、圧電素子への駆動信号によりイン
クがノズル開口部から外部に放出されるようにしたイン
クジェット式印字ヘッドにおいて、前記ノズル開口部
は、１枚の連続したノズルプレート上に複数個配列され
ており、前記圧電素子は、圧電素子ドライバーＩＣを搭
載したベース板上にバルク状圧電体をノズル開口部に対
応するように加工して配置されており、前記圧電素子、
前記ドライバーＩＣ、前記ベース板により構成されるベ
ース板ユニットを複数個配列していることを特徴として
いる。

【００１０】更に、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
を特徴としている。

【００１１】更には、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
特徴としている。更には、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している。更には、前記圧電素子
はバルク状圧電体をベース板上に配置した後に前記バル
ク状圧電体のノズル面側を研削加工、或は、ラップ加工
することを特徴としている。

【００１２】

【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。

【００１３】図１〜図４に於いて、インクはインク流路
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。

【００１４】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。

【００１５】まず、圧電素子の製造方法を説明する。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】以下、ラインヘッドの製造工程を説明す
る。

【００２０】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ＩＣ２０２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。

【００２１】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。

【００２２】ここで、ベース板１０７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。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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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と繰り返し積層、接着す
る。その後、ＦＰＣ１０８を実装し図１〜図４に示すイ
ンクジェット式印字ヘッドを得る。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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Ｉ
Ｃ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
（ＴａｐｅＡｕｔｏｍａｔｅｄＢｏｎｄｉｎｇ）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、圧電素子への
駆動信号によりインクがノズル開口部から外部に放出さ
れるようにしたインクジェット式印字ヘッドにおいて、
前記ノズル開口部は、１枚の連続したノズルプレート上
に複数個配列し、前記圧電素子は、圧電素子ドライバー
ＩＣを搭載したベース板上にバルク状圧電体をノズル開
口部に対応するように加工して配置し、前記圧電素子、
前記ドライバーＩＣ、前記ベース板により構成されるベ
ース板ユニットを特性分類を行なった後に複数個配列し
た。

【００４２】更には、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し、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
みの整数倍とした。このバルク状圧電体をベース板上に
配置した後に前記バルク状圧電体のノズル面側を研削加
工、或は、ラップ加工することとした。この事で、多ノ
ズルでも、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出来
た。

【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１０８ＦＰＣ１０９電極１１０インク流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 41/08 9274−4ＭＨ０１Ｌ 41/08 Ｄ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子への駆動信号によりインクがノ
ズル開口部から外部に放出されるようにしたインクジェ
ット式印字ヘッドにおいて、前記ノズル開口部は、１枚
の連続したノズルプレート上に複数個配列されており、
前記圧電素子は、圧電素子駆動用ＩＣを搭載したベース
板上にノズル開口部に対応するように分割されて配置さ
れており、前記圧電素子、前記駆動用ＩＣ、前記ベース
板により構成されるベース板ユニットを複数個配列して
いることを特徴とするインクジェット式印字ヘッド。
【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。
【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。
【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。
【請求項５】圧電素子への駆動信号によりインクがノ
ズル開口部から外部に放出されるようにしたインクジェ
ット式印字ヘッドの製造方法において、前記ノズル開口
部は、１枚の連続したノズルプレート上に複数個配列さ
れており、前記圧電素子はバルク状圧電体を前記ベース
板上に配置した後に前記バルク状圧電体のノズル面側を
研削加工することを特徴とするインクジェット式印字ヘ
ッドの製造方法。
【請求項６】前記圧電素子は前記バルク状圧電体を前
記ベース板上に配置した後に前記バルク状圧電体のノズ
ル面側をラップ加工することを特徴とする請求項５記載
のインクジェット式印字ヘッドの製造方法。
【請求項７】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。