JP2004082517A

JP2004082517A - 液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置

Info

Publication number: JP2004082517A
Application number: JP2002246679A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Amari; 甘利　　清志
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】圧電素子の端面電極と金属製振動板とが接合層を介して電気的に接続され、端面電極間のショートが生じて噴射不良が生じる。
【解決手段】導電性の振動板２と圧電素子１２とを接着層２６を介して接合し、圧電素子１２の＋電極側の端面には個別側外部電極２４を設けない部分１２ａを形成し、個別側外部電極２４と振動板２との間を離間させることで、個別側外部電極２４と振動板２との電気的ショートが防止されて、個別電極間や共通電極と個別電極間のショートが防止される。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像記録装置（画像形成装置）として用いるインクジェット記録装置は、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通するインク流路（吐出室、圧力室、加圧液室、加圧室、液室等とも称される。）と、このインク流路内のインクを加圧する圧力発生手段（圧力変換手段、アクチュエータ手段、駆動手段などとも称される。）とを備えた液滴吐出ヘッドとしてのインクジェットヘッドを搭載したものである。なお、液滴吐出ヘッドとしては例えば液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどもあるが、以下ではインクジェットヘッドを中心に説明する。
【０００３】
インクジェットヘッドとしては、液室内のインクを加圧する圧力を発生するための圧力発生手段として圧電体、特に圧電層と内部電極を交互に積層した積層型圧電素子を用いて、積層型圧電素子のｄ３３方向の変位で液室の壁面を形成する弾性変形可能な振動板を変形させ、液室内容積／圧力を変化させてインク滴を吐出させるいわゆるピエゾ型のものが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、積層型圧電素子をｄ３３方向で使用するヘッドにおいて、金属製振動板などの導電性を有する振動板、特に平板状振動板を用いた場合に、不安定な吐出や吐出不良が生じることが顕在化してきた。
【０００５】
そこで、その原因を究明したところ、圧電素子の端面電極と金属製振動板との間には接着層が介在するものの、接着層が薄膜であることから圧電素子の端面電極と金属製振動板との間が電気的に接続され、個別端面電極間でのショートや個別端面電極と共通端面電極との間でのショートが生じることに起因していることが判明した。
【０００６】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、安定した噴射特性が得られる液滴吐出ヘッド及びそれを用いて高画質記録を行うことができるインクジェット記録装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、圧電素子の少なくとも一方の端面には圧電素子の振動板接合面側の一部に端面電極が設けられていない部分を有する構成としたものである。
【０００８】
ここで、端面電極が駆動波形が印加される電極であることが好ましい。また、端面電極が設けられていない部分が圧電素子の最上層に対応していることが好ましい。さらに、端面電極が設けられていない部分は端面電極を形成するメッキが施されていないことが好ましい。
【０００９】
また、圧電素子の少なくとも一方の端面には振動板接合面側に段差部が設けられていることをが好ましい。さらに、圧電素子の少なくとも一方の端面には振動板接合面側が斜めにカットされた面取り部が形成されていることが好ましい。
【００１０】
本発明に係るインクジェット記録装置は、インク滴を吐出するインクジェットヘッドとして本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。本発明の液滴吐出ヘッドの第１実施形態に係るインクジェットヘッドについて図１乃至図３を参照して説明する。なお、図１は同ヘッドの分解斜視説明図、図２は同ヘッドの液室長手方向に沿う断面説明図、図３は同ヘッドの圧電素子部分の拡大説明図である。
【００１２】
このインクジェットヘッドは、単結晶シリコン基板で形成した流路基板（液室基板）１と、この流路基板１の下面に接合した平板状振動板２と、流路基板１の上面に接合したノズル板３とを有し、これらによってインク滴を吐出するノズル４がインク連通路５を介して連通する流路（インク液室）である加圧液室６、加圧液室６にインクを供給するための共通液室８に振動板２に形成したインク供給口９を介して連通する流体抵抗部となるインク供給路７を形成している。
【００１３】
ここで、流路基板１は、結晶面方位（１１０）の単結晶シリコン基板を水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）などのアルカリ性エッチング液を用いて異方性エッチングすることで、インク連通路５となる貫通孔、各加圧液室６、インク供給路７となる凹部をそれぞれ形成している。
【００１４】
振動板２は例えばニッケルの金属プレートから形成したものであるが、この他、樹脂部材（液室側面）と金属部材（液室側と反対側の面）の積層部材などで形成することもできる。
【００１５】
ノズル板３は各加圧液室６に対応して直径１０〜３０μｍのノズル４を形成し、流路基板１に接着剤接合している。このノズル板３としては、ステンレス、ニッケルなどの金属、金属とポリイミド樹脂フィルムなどの樹脂との組み合せ、、シリコン、及びそれらの組み合わせからなるものを用いることができる。また、ノズル面（吐出方向の表面：吐出面）には、インクとの撥水性を確保するため、メッキ被膜、あるいは撥水剤コーティングなどの周知の方法で撥水膜を形成している。
【００１６】
そして、振動板２の面外側（液室６と反対面側）に接着層を介して各加圧液室６に対応して駆動手段としての積層型圧電素子１２を接合している。これらの振動板２と積層型圧電素子１２によって可動部分である振動板２を変形させる圧電型アクチュエータを構成している。この積層型圧電素子１２は振動板２との接合面との反対側の面はベース（基台）１３に接着剤で接合して固定し、一端面には積層型圧電素子１２に駆動波形を与えるためのＦＰＣケーブル１６を接続している。
【００１７】
さらに、振動板２の周囲にはフレーム部材１７を接着剤で接合している。そして、このフレーム部材１７には、共通液室８及びこの共通液室８に外部からインクを供給するためのインク供給口１８を形成している。
【００１８】
このように構成したインクジェットヘッドにおいては、圧電素子１２に対して選択的に２０〜５０Ｖの駆動パルス電圧を印加することによって、パルス電圧が印加された圧電素子１２が伸び方向に変位して（ｄ３３方向の変位により）振動板２をノズル４方向に変形させ、加圧液室６の容積／体積変化によって加圧液室６内のインクが加圧され、ノズル４からインク滴が吐出（噴射）される。
【００１９】
そして、インク滴の吐出に伴って加圧液室６内の液圧力が低下し、このときのインク流れの慣性によって加圧液室６内には若干の負圧が発生する。この状態の下において、圧電素子１２への電圧の印加をオフ状態にすることによって、振動板２が元の位置に戻って加圧液室６が元の形状になるため、さらに負圧が発生する。このとき、共通液室８、インク供給路７を経て加圧液室６内にインクが充填される。そこで、ノズル４のインクメニスカス面の振動が減衰して安定した後、次のインク滴吐出のために圧電素子１２にパルス電圧を印加しインク滴を吐出させる。
【００２０】
なお、上記の説明ではノズルは上向きで図示しているが、画像を形成する部材、例えば紙などに向けてインクを噴射する場合は、インクを噴射する向きは鉛直下向きである場合が多く、画像形成時、即ちインク噴射時には水平に搬送される画像形成部材（紙など）の鉛直方向上から、インク滴が画像形成部材に向かって飛翔する。
【００２１】
ここで、積層型圧電素子１２の詳細について図３をも参照して説明する。
この積層型圧電素子１２は、圧電層２１と内部電極２２及び内部電極２３とを交互に積層し、一方の端面に内部電極２２を接続した個別側（＋側）外部電極（端面電極）２４を、他方の端面に内部電極２３を接続したと共通側（−側）外部電極（端面電極）２５とを形成している。そして、最上層２１ａを振動板２と薄層の接着層２６を介して接合する。
【００２２】
この圧電素子１２においては、一方の端面（個別外部電極２４を形成する端面）には振動板２との接合面側に個別側外部電極２４を形成しない部分、すなわち端面電極を形成しない部分１２ａを設けている。この端面電極を形成しない部分１２ａを設けるには、成膜工程で外部電極２４を形成するためのメッキを施さないことで形成する。これにより、二次加工を必要とせずに端面電極を形成しない部分１２を設けることができる。
【００２３】
この端面電極を形成しない部分１２ａを設けることで、個別側外部電極２４の上端（振動板接合面側端部）と金属製振動板２との間が離間するので、個別側外部電極２４に駆動波形（駆動電圧）を印加した場合に、個別側外部電極２４と金属製振動板２とが電気的に接続された状態になることを防止でき、振動板２を介する個別側外部電極間のショートや個別側外部電極と共通側外部電極間のショートが生じないので、安定した吐出を行うことができる。
【００２４】
次に、圧電素子の振動板接合面側に端面電極を設けない部分を設ける他の異なる例について図４及び図５を参照して説明する。
図４に示す例は、圧電素子１２の両端面に外部電極２４、２５を形成した後に、外部電極２４を形成した端面の最上層２１ａに対応する部分を切削加工して段差１２ｂを設けることで、端面電極を設けない部分１２ａを形成したものである。
【００２５】
このようにすれば、切削加工は必要になるが、外部電極２４、２５の形成プロセスが簡単になり生産性が向上する。
【００２６】
図５に示す例は、圧電素子１２の両端面に外部電極２４、２５を形成した後に、外部電極２４を形成した端面の振動板接合面側にＣ面取り加工を施して斜めにカットすることで、端面電極を設けない部分１２ａを形成したものである。
【００２７】
このようにすれば、圧電素子１２の層間剥離を防止することができるとともに、外部電極２４の上端にバリ等が発生することを防止できる。
【００２８】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置の一例について図６及び図７を参照して説明する。なお、図６は同記録装置の斜視説明図、図７は同記録装置の機構部の側面説明図である。
【００２９】
このインクジェット記録装置は、記録装置本体１１１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明に係るインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部１１２等を収納し、装置本体１１１の下方部には前方側から多数枚の用紙１１３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）１１４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙１１３を手差しで給紙するための手差しトレイ１１５を開倒することができ、給紙カセット１１４或いは手差しトレイ１１５から給送される用紙１１３を取り込み、印字機構部１１２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ１１６に排紙する。
【００３０】
印字機構部１１２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド１２と従ガイドロッド１２２とでキャリッジ１２３を主走査方向（図７で紙面垂直方向）に摺動自在に保持し、このキャリッジ１２３にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドからなるヘッド１２４を複数のインク吐出口を主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ１２３にはヘッド１２４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ１２５を交換可能に装着している。
【００３１】
インクカートリッジ１２５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。
【００３２】
また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド１２４を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。
【００３３】
ここで、キャリッジ１２３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド１２１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド１２２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ１２３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ１２７で回転駆動される駆動プーリ１２８と従動プーリ１２９との間にタイミングベルト１３０を張装し、このタイミングベルト１３０をキャリッジ１２３に固定しており、主走査モーター１２７の正逆回転によりキャリッジ１２３が往復駆動される。
【００３４】
一方、給紙カセット１１４にセットした用紙１１３をヘッド１２４の下方側に搬送するために、給紙カセット１１４から用紙１１３を分離給装する給紙ローラ１３１及びフリクションパッド１３２と、用紙１１３を案内するガイド部材１３３と、給紙された用紙１１３を反転させて搬送する搬送ローラ１３４と、この搬送ローラ１３４の周面に押し付けられる搬送コロ１３５及び搬送ローラ１３４からの用紙１１３の送り出し角度を規定する先端コロ１３６とを設けている。搬送ローラ１３４は副走査モータ１３７によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００３５】
そして、キャリッジ１２３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１３４から送り出された用紙１１３を記録ヘッド１２４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材１３９を設けている。この印写受け部材１３９の用紙搬送方向下流側には、用紙１１３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１４１、拍車１４２を設け、さらに用紙１１３を排紙トレイ１１６に送り出す排紙ローラ１４３及び拍車１４４と、排紙経路を形成するガイド部材１４５，１４６とを配設している。
【００３６】
記録時には、キャリッジ１２３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド１２４を駆動することにより、停止している用紙１１３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙１１３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙１１３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙１１３を排紙する。この場合、ヘッド１２４を構成する本発明に係るインクジェットヘッドは気泡排出性が高く、加圧液室への十分な流量を確保でき、共通液室を伝搬する圧力波を低減できるので、高効率の噴射特性を長期間安定して得ることができる。
【００３７】
また、キャリッジ１２３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド１２４の吐出不良を回復するための回復装置１４７を配置している。回復装置１４７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ１２３は印字待機中にはこの回復装置１４７側に移動されてキャッピング手段でヘッド１２４をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
【００３８】
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド１２４の吐出口を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【００３９】
このようにこのインクジェット記録装置においては、本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドを備えているので、安定した噴射特性が得られるので、高画質記録を行うことができる。
【００４０】
なお、上記実施形態においては、液滴吐出ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドとして、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどの他の液滴吐出ヘッドにも適用できる。また、上記実施形態においては、本発明を振動板変位方向と液滴吐出方向が同じになるサイドシュータ方式のヘッドに適用したが、振動板変位方向とインク滴吐出方向とが直交するエッジシュータ方式のヘッドにも同様に適用することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、圧電素子の少なくとも一方の端面には圧電素子の振動板接合面側の一部に端面電極が設けられていない部分を有する構成としたので、振動板を介した端面電極間のショートを防止できて安定した噴射を行うことができる。
【００４２】
本発明に係るインクジェット記録装置によれば、インク滴を吐出するインクジェットヘッドとして本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載したので、安定した噴射特性が得られて高品質画像を向上できるとともに信頼性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視説明図
【図２】同ヘッドの液室長手方向に沿う断面説明図
【図３】同ヘッドの圧電素子部分の拡大断面説明図
【図４】同ヘッドの圧電素子の他の例を示す拡大断面説明図
【図５】同ヘッドの圧電素子の更に他の例を示す拡大断面説明図
【図６】本発明に係るインクジェット記録装置の一例を示す斜視説明図
【図７】同記録装置の側面説明図
【符号の説明】
１…流路形成基板、２…振動板、３…ノズル板、４…ノズル、６…加圧液室、７…インク供給路、８…共通液室、１２…圧電素子、１２ａ…端面電極を設けない部分、１３…支持基板、１７…フレーム部材、２４、２５…端面電極（外部電極）。

Claims

液滴を吐出するノズルが連通する加圧液室の少なくとも１つの壁面を構成する導電性の振動板と、この振動板に接合された積層型の圧電素子とを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電素子の少なくとも一方の端面には圧電素子の振動板接合面側の一部に端面電極が設けられていない部分を有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記端面電極が駆動波形が印加される電極であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記端面電極が設けられていない部分が前記圧電素子の最上層に対応していることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項１ないし３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記端面電極が設けられていない部分は前記端面電極を形成するメッキが施されていないことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項１ないし３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電素子の少なくとも一方の端面には前記振動板接合面側に段差部が設けられていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項１ないし３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電素子の少なくとも一方の端面には前記振動板接合面側が斜めにカットされた面取り部が形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
インク滴を吐出インクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置において、前記インクジェットヘッドが請求項１ないし６のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とするインクジェット記録装置。