JP2005153321A - インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インクジェットヘッドにおいて、圧電素子等の加圧手段とＦＰＣを熱圧着接続した後に生じる圧電素子の熱収縮に基づき、圧電素子が柱倒れすることを防止する。
【解決手段】ベース４０の上面に接合された積層型の圧電素子５０は櫛歯状に分割され、それぞれの個別電極５４にＦＰＣ８０を介して駆動電圧が印加され、圧電素子５０を変形させ、振動板を介して加圧液室内のインクを加圧し、ノズルよりインク滴を吐出する。ＦＰＣ８０は樹脂フィルムベースに電極パターン８１を施した構成で、圧電素子の並び方向の中央部にスリット８２を有するので、熱圧着後のＦＰＣ幅に対する熱収縮量が１／２になり残留応力を低減し、圧電素子に柱倒れが生じることを防止する。
【選択図】図７

Description

本発明は、インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置に関し、特に、加圧液室内のインクを加圧する加圧手段と該加圧手段に駆動信号を供給するＦＰＣとを熱圧着接続したインクジェットヘッド及び該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に関する。

微小なインク滴を吐出し、紙等の被記録媒体に付着させて文字を含む画像情報を形成するインクジェット記録装置は、複数のノズルが設けられたノズル板と、複数のインク加圧液室を有する流路板と、振動板と、各加圧液室に対応して設けた電気機械変換素子や電気熱変換体等のアクチュエータとを備えたインクジェットヘッドを用いて、画像情報に応じて加圧液室内部の圧力を変化させてインク滴をノズルから吐出することによって、高速、高密度、高品質の記録を行うものである。

アクチュエータとして、加圧液室の一部である弾性変形可能な振動板に当接した圧電素子を用いるものが広く知られている。これは、圧電素子を充放電することで変形させ、圧電素子に当接した振動板を変位させる。振動板が加圧液室の容積を収縮するように変位すると加圧液室内部の圧力が上昇し、インク滴をノズルから吐出させるものである。インク滴を吐出した後は、加圧液室の容積を膨張させるように振動板に変位を与えるべく、圧電素子を変形させる。

図１は、特許文献１に開示されたインクジェットヘッドの要部を示す断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図、図３は、インクジェットヘッドを分解して示す斜視図である。
このインクジェットヘッドは、共通液室１２となる彫り込みを形成したフレーム１０と、それぞれ流体抵抗部２１、加圧液室２２となる彫り込みとノズルに連通する連通口２３を形成した流路板２０と、複数のノズル３１によってノズル列を形成したノズル板３０と、複数の島状凸部（アイランド部）６１、ダイアフラム部６２及びインク流入口６３を有する振動板６０と、振動板６０の島状凸部６１に接着層７０を介して接合された積層型の圧電素子５０と、圧電素子５０を固定しているベース４０を備えている。ベース４０はチタン酸バリウム系セラミックからなり、圧電素子５０を２列配置して接合し、図１の左方の圧電素子上に、図示されていない同様のインクジェットヘッドが配置され、２つのノズル列が形成されている。ここで、流路板２０、ノズル板３０、振動板６０、圧電素子５０、ベース４０は流路ユニットを形成し、流路ユニットと複数のノズル３１を露出させる開口を備えたノズルカバー３２をフレーム１０に固定するようになっている。

積層型の圧電素子５０は、例えば、１層あたりの厚さが１０〜５０μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の圧電層５１と、１層あたりの厚さが数μｍの銀・パラジウム（ＡｇＰｄ）からなる内部電極層５２とが交互に積層され、１つ置きに配置された内部電極層５２同士はそれぞれ反対側の端部で外部電極５３（５４，５５）に接続されている。

圧電素子５０は、図２に示すようにハーフカットのダイシング加工により櫛歯状に分割される。櫛歯のピッチは、流路板２０に形成される加圧液室２２のピッチの２倍であって、各櫛歯を交互に駆動部５６と支持部５７（非駆動部）として使用する。一方の外部電極５３（図１において右側の外部電極５３）は、圧電素子５０をハーフカットのダイシング加工で櫛歯状に分割する際、完全に分割されるようにするため、下辺に沿って予め切り欠き等を設ける加工を行い圧電素子５０の積層方向に短い長さとされており、分割後これらは独立した複数の個別電極５４となる。他方の外部電極５３（図１において左側の外部電極５３）は、ダイシング加工では分割されずに導通しており、共通電極５５となる。

圧電素子５０の駆動部５６と接続された個別電極５４にはＦＰＣ（flexible printed circuits）８０の電極パターン８１が半田接合されている。また、共通電極５５は圧電素子５０の端部に電極層を設け、圧電素子５０の周囲を回し込んでＦＰＣ８０の接地電極（Ｇｎｄ）に接合している。ＦＰＣ８０には図示しないドライバＩＣが実装されており、このドライバＩＣにより駆動部５６の個別電極５４への駆動電圧印加を制御している。

以上のような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において、画像情報に応じた画像を形成する際にドライバＩＣから出力される駆動信号は、ＦＰＣ８０を介してＰＺＴ等からなる圧電素子５０に個別に入力される。現在、ＦＰＣと圧電素子の電気的接続は、半田付けまたは熱圧着によって行っている。

また、関連した他の技術として、特許文献２には、圧電部材を変形させて加圧液室内のインクを加圧するインクジェットプリンタヘッドにおいて、積層型の圧電素子の内部電極のパターンと、内部電極の二つの極性をそれぞれつなぐ外部電極のパターン、及び駆動単位に分離する加工を工夫することにより、外部電極の片方のみにＦＰＣを接続することで両極に電圧を印加させることが開示され、特許文献３には、加圧液室内のインクを静電力により加圧するインクジェットプリンタヘッドにおいて、静電アクチュエータとドライバＩＣ付きのＦＰＣケーブルを接着して電気的接続をとることが開示されている。
特開２００３−２６６６８３号公報 特開平１０−２８６９５１号公報 特開２００２−２４０２８３号公報

前記したような従来技術において、圧電素子等の加圧手段とＦＰＣを電気的に接続する際の問題点について説明する。
図４は、従来技術において、圧電素子とＦＰＣを電気的に接続する際の圧電素子とＦＰＣの関係を示す斜視図である。
図４に示すように、ベース４０に接着接合された圧電素子５０をダイシングにより分割加工を施し、分割した個々の圧電素子５０の端部に形成した外部電極５３に、外部電極５３と同寸の電極パターン８１が形成されたＦＰＣ８０を熱圧着することにより電気的接続を行う。

図５は、圧電素子等とＦＰＣを熱圧着接続する際の様子を示す図である。
圧電素子とＦＰＣを電気的に接続する際の熱圧着工程において、ＦＰＣ８０が樹脂フィルムベースに金属からなる電極パターン８１を施した構成になっていることから、熱圧着接合時には、ヒータチップ８５が接触する付近であるＦＰＣ８０の熱圧着部が熱膨張して、図５に示すように複数の圧電素子５０の配列方向（チャンネル方向）に延びる。ＦＰＣ８０が延びることにより、圧電素子５０の外部電極５３のピッチとＦＰＣ８０の電極パターン８１のピッチにズレが生じるが、従来はＦＰＣ８０の電極パターン８１のピッチをＦＰＣ８０の熱膨張率から予め小さくしておくことで対応している。

図６は、圧電素子とＦＰＣを熱圧着接続した後の様子を模式的に示す図である。
熱圧着工程により圧電素子とＦＰＣが接合した後は、図６に示すように、ＦＰＣの収縮により圧電素子５０が倒れる方向に応力が働く。これにより、圧電素子５０が柱倒れする等の不良が発生する。
したがって、本発明は、圧電素子等の加圧手段とＦＰＣを熱圧着した後の圧電素子の熱収縮による圧電素子の柱倒れによる不良品の発生を防止することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１の発明は、ノズル板に設けられた複数のノズル孔から該ノズル孔に対応する加圧手段により加圧されたインクを吐出する流路ユニットをフレームに固定したインクジェットヘッドにおいて、前記加圧手段には駆動信号を供給するＦＰＣが熱圧着接続され、前記ＦＰＣの熱圧着部はスリットが設けられていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載のインクジェットヘッドにおいて、前記スリットは前記加圧手段の並び方向に複数設けられていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２記載のインクジェットヘッドにおいて、前記スリットはスリットの幅方向で連結されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３いずれかに記載された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であることを特徴とする。

請求項１、２の発明は、圧電素子の個別電極とＦＰＣの個別電極の電気的接合を熱圧着接合により行う接続構造において、ＦＰＣの熱圧着部はスリットを有するので、熱圧着後におけるＦＰＣの熱収縮量（力）が低減し、圧電素子とＦＰＣの熱圧着品質の向上を図ることができる。
請求項３の発明は、圧電素子とＦＰＣの熱圧着工程における部品間位置合わせ品質の向上を図ることができる。
また、請求項４の発明は、インクジェット記録装置に請求項１〜３の発明のインクジェットヘッドを搭載することにより、高品質な画像を安価に提供することができる。

本発明は、ノズル板に設けられた複数のノズル孔から該ノズル孔に対応する加圧手段により加圧されたインクを吐出する流路ユニットと、前記複数のノズル孔を露出させる開口部を有するノズルカバーとをフレームに固定したインクジェットヘッドにおいて、圧電素子とＦＰＣを熱圧着した後の圧電素子の熱収縮による圧電素子の柱倒れによる不良品の発生を防止することを目的とするもので、加圧手段には駆動信号を供給するＦＰＣが熱圧着接続され、ＦＰＣの熱圧着部はスリットが設けられていることを特徴とする。

以下、本発明の実施例１のインクジェットヘッドを図７〜図９に基づいて説明する
図７は、実施例１のインクジェットヘッドにおいて、圧電素子とＦＰＣを電気的に接続する際の圧電素子とＦＰＣの関係を示す斜視図である。
インクジェットヘッドにおいて、ベース４０の上面に接合された積層型の圧電素子５０はダイシング加工により櫛歯状に分割され、それぞれの圧電素子端面は個別電極５４とされている。一方、ドライバＩＣからの画像情報に応じた駆動電圧は、ＦＰＣ８０を介して個々の圧電素子５０に印加され、圧電素子５０を変形させ、振動板を介して加圧液室内のインクを加圧し、ノズルよりインク滴を吐出する。
ＦＰＣ８０は、樹脂フィルムベースに電極パターン８１を施した構成で、電極パターン８１の配列ピッチは圧電素子５０の配列ピッチと等しく形成されている。これらの圧電素子５０とＦＰＣ８０とは従来技術と同様に熱圧着工程を経て電気的接合が行われる。

ここで、図７及び図４に示す圧電素子５０とＦＰＣ８０の接続部において、圧電素子５０とＦＰＣ８０を熱圧着する際の条件を次の通りとする。
◇ＦＰＣチャンネル方向幅：３０〜７０ｍｍ
◇ＦＰＣ樹脂フィルム厚さ：０.０１〜０.０５ｍｍ
◇熱圧着用ヒータチップ温度：１００〜５００℃
図４に示す接続部の構造において、上記条件で熱圧着を行うと、ＦＰＣ８０の熱圧着部をヒータチップにより加熱している状態では、ＦＰＣ８０が４０〜７０μｍ熱膨張による変形を起こす。前記したように、この状態でＦＰＣ８０の熱圧着部を常温に戻すと、ＦＰＣ８０の収縮力により、特に両端の圧電素子柱部に倒れが生じる。

図８は、実施例１のインクジェットヘッドに用いるＦＰＣの要部を示す図である。
前記した問題の対策案として、本発明では、図８に示すようにＦＰＣ８０の熱圧着部における圧電素子の並び方向の中央部にスリット８２を設ける。ＦＰＣ８０がスリット８２を有することにより、ＦＰＣ幅に対する熱収縮量が１／２になるので残留応力の低減を図ることができ、圧電素子に柱倒れが生じることを防止することができる。
なお、スリット８２を定間隔で複数設けることにより、より一層残留応力を低減することができる。

また、ＦＰＣの熱圧着部にスリットを入れるのは構成上問題が発生する場合がある。櫛歯状に分割加工を施した圧電素子５０の端面である個別電極５４にＦＰＣ８０の電極パターン８１を規定の位置精度で熱圧着する工程において、ＦＰＣ８０の熱圧着部がスリット８２により分割されていると、ＦＰＣ８０の剛性が低下し、分割されているブロック毎の相対的な位置関係が崩れてしまう。その理由としては、ＦＰＣ８０のベースが薄膜フィルム（厚さ０.０１〜０.０５ｍｍ）の樹脂で構成されているため、ブロック毎の部分が変形（ソリ、ねじれ）を起こし、チャンネル間ピッチ等に関する機械的精度を維持することができず、結果的に接合不良を発生させる。

図９は、実施例１のインクジェットヘッドに用いる図８と異なるＦＰＣの要部を示す図である。
前記問題の対策案として、スリット８２先端部の一部を連結部８３によって連結しておく。連結部８３を設ける位置は、図９に示すように、ＦＰＣ８０の縁部に限られるものではなく、スリット８１の中間部に設けることもできる。
このようにすることにより、ＦＰＣ８０先端部付近の剛性が高まり、本来の熱収縮に対するスリット機能を満足しつつ、機械的位置合わせ精度を確保することが可能となる。

図１０は、本発明の実施例２のインクジェット記録装置を示す斜視図、図１１は、図１０のインクジェット記録装置の機構部を示す断面図である。
実施例２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１２３、キャリッジ１２３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１２４、記録ヘッド１２４へインクを供給するインクカートリッジ１２５等で構成される印字機構部１１２等を収納し、記録装置本体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（ある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あるいは手差しトレイ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。

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１２１と従ガイドロッド１２２とでキャリッジ１２３を主走査方向（図１１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前記実施例のインクジェットヘッドからなる記録ヘッド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には記録ヘッド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。記録ヘッド１２４として、ここでは各色の記録ヘッドを用いているが、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。

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１２７の正逆回転によりキャリッジ１２３が往復駆動される。

一方、給紙カセット１１４にセットした用紙１１３を記録ヘッド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を分離給送する給紙ローラ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。

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１４１，１４２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。

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、記録ヘッド１２４を構成する本発明に係るインクジェットヘッドは、圧電素子が柱倒れを起こしているようなことがなく、均一な圧電素子が形成されているので、複数の加圧液室間でインクの吐出圧力がばらつくことがなく、インク滴噴射の制御性が向上し特性変動が抑制されているので、安定して高い画像品質の画像を記録することができる。

インクジェットヘッドの要部を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１、図２に示すインクジェットヘッドを分解して示す斜視図である。 インクジェットヘッドにおいて、圧電素子とＦＰＣを電気的に接続する際の圧電素子とＦＰＣの関係を示す斜視図である。 圧電素子とＦＰＣを熱圧着接続する際の様子を示す図である。 圧電素子とＦＰＣを熱圧着接続した後の様子を模式的に示す図である。 実施例１のインクジェットヘッドにおいて、圧電素子とＦＰＣを電気的に接続する際の圧電素子とＦＰＣの関係を示す斜視図である。 本発明の実施例１のインクジェットヘッドに用いるＦＰＣの要部を示す図である。 本発明の実施例１のインクジェットヘッドに用いる図８と異なるＦＰＣの要部を示す図である。 本発明の実施例２のインクジェット記録装置を示す斜視図である。 図１０のインクジェット記録装置の機構部を示す断面図である。

符号の説明

１０…フレーム、１２…共通液室、２０…流路板、２２…加圧液室、２３…連通口、３０…ノズル板、３１…ノズル、３２ノズルカバー、４０…ベース、５０…圧電素子、５１…圧電層、５２…内部電極層、５３…外部電極、５４…個別電極、５５…共通電極、５６…駆動部、５７…支持部、６０…振動板、６１…島状凸部（アイランド部）、６２…ダイアフラム部、６３…インク流入口、７０…接着層、８０…ＦＰＣ、８１…電極パターン、８２…スリット、８３…連結部、１１１…記録装置本体、１１２…印字機構部、１１３…用紙、１１４…給紙カセット、１１５…手差しトレイ、１１６…排紙トレイ、１２１…主ガイドロッド、１２２…従ガイドロッド、１２３…キャリッジ、１２４…記録ヘッド、１２５…インクカートリッジ、１２７…主走査モータ、１３４…搬送ローラ、１３５，１４１，１４２…搬送コロ、１３９…印写受け部材。

Claims (4)

1. ノズル板に設けられた複数のノズル孔から該ノズル孔に対応する加圧手段により加圧されたインクを吐出する流路ユニットをフレームに固定したインクジェットヘッドにおいて、前記加圧手段には駆動信号を供給するＦＰＣが熱圧着接続され、前記ＦＰＣの熱圧着部はスリットが設けられていることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 請求項１記載のインクジェットヘッドにおいて、前記スリットは前記加圧手段の並び方向に複数設けられていることを特徴とするインクジェットヘッド。
3. 請求項１または２記載のインクジェットヘッドにおいて、前記スリットはスリットの幅方向で連結されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載されたインクジェットヘッドを搭載したことを特徴とするインクジェット記録装置。

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