JP2005271544A

JP2005271544A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP2005271544A
Application number: JP2004092142A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Kawai; 克哉河合; Satoru Hida; 悟飛田
Original assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Current assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】圧力発生室の列間を近接しつつ高密度に配列し、ヘッドを大きくすることなくノズル開口の高密度化を可能とする。
【解決手段】インクを吐出する複数のノズルと、該ノズルに其々連通する圧力発生室と、該圧力発生室にインクを供給する共通インク室と、圧力発生室の１壁面を成しインクに接しない側に凸部を有する振動板と、該振動板に当接し軸方向に伸縮する圧電素子の変位を利用して前記振動板を変位させて前記圧力発生室を加圧する圧電振動子群とを有し、前記圧力発生室は一方の長手方向の端部付近に位置する前記ノズル開口を内側にして千鳥状に配置されたインクジェット記録ヘッドにおいて、前記圧電振動子群は、１本のバルク状圧電素子を歯割してなる１列状に並ぶ複数の圧電素子を有し、各圧電素子は、前記圧力発生室に対応して設置された各前記凸部と固定させる。
【選択図】図２

Description

本発明はインクジェット記録ヘッドの構造に関するものである。

近年、インクジェット式印刷装置は、写真画質に匹敵する高印刷品質が望まれている。そのためにノズル開口の高密度化が進んでいる。

インクジェット記録ヘッドには、インク滴を吐出するノズル開口とそれに連通する圧力発生室の一隔壁が振動板で封止され、前記振動板を軸方向に伸縮する縦振動モードの圧電素子の一端を振動板に当接させることにより、前記圧力発生室の容積を変化させて収縮した時の圧力発生室内の圧力上昇によって液滴を吐出するものが実用化されている。この方式の場合、圧力発生室を高密度で形成することは、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ：マイクロマシン）技術によって非常に高密度の形成をすることが可能となってきた。しかし、圧電素子はノズル開口のピッチに合わせて櫛歯状に分割するため加工が困難であったり、その後、圧力室に位置決めして固定されるため、位置合わせや接着作業等で製造工程が複雑であるという問題がある。

これを解消するため、例えば、複数の圧力発生室を長手方向の端部が交互になるように二列一組で並設することで、圧力発生室のピッチはノズル開口のピッチの２倍となり、櫛状に分割する圧電素子のピッチも２倍となり、加工の困難性を回避する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、図１０に示すように、圧力発生室が２列となっているため、当然圧電素子群も２列必要になってくる。つまり、其々の圧力発生室に対応した圧電素子群が必要となる。

そして、其々の圧力発生室の列に圧電素子群を位置決めする必要があり、製造工程については複雑性が２倍となってしまう。さらに、互いの圧力発生室間は、近接しているため、前記位置合わせも難しくなる。そのために、ノズル開口も千鳥状に配置し、圧電素子群間の距離を確保することになるが、ヘッド全体が大きくなるという問題が発生してくる。

特開２００２−２０５３９４号公報

ヘッドを大きくすることなくノズル開口の高密度化を図るためには、圧力発生室の列間を近接しつつ高密度に配列しなければならないが、圧力発生室列間を近接させることは、圧電素子群間も近接し圧力発生室との位置合わせが困難になるという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑み、ヘッドを極力大きくすることなく、かつ製造工程を容易にできるインクジェット式記録ヘッドを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明では、インクを吐出する複数のノズルと、該ノズルに其々連通する圧力発生室と、該圧力発生室にインクを供給する共通インク室と、圧力発生室の１壁面を成しインクに接しない側に凸部を有する振動板と、該振動板に当接し軸方向に伸縮する圧電素子の変位を利用して前記振動板を変位させて前記圧力発生室を加圧する圧電振動子群とを有し、前記圧力発生室は一方の長手方向の端部付近に位置する前記ノズル開口を内側にして千鳥状に配置されたインクジェット記録ヘッドにおいて、前記圧電振動子群は、１本のバルク状圧電素子を歯割してなる１列状に並ぶ複数の圧電素子を有し、各圧電素子は、前記圧力発生室に対応して設置された各前記凸部と固定させることを特徴とする。

また、前記圧電素子は、活性層と不活性層を交互に積層してなるｄ３３タイプの圧電素子であることを特徴とする。

また、前記圧電素子は、圧電材料と導電材料を所定の間隔で交互に積層してなり、前記導電材料は共通電極と個別電極が交互に配置され互いに重なりあった幅である活性部の幅Ａｐが、前記凸部の長手方向のほぼ２倍以上を有し、活性部幅Ａｐのほぼ中心位置に前記ノズルが配置されていることを特徴とする。

さらに、前記圧電素子が、前記振動板の凸部に当接する領域は、活性部幅Ａｐのほぼ中心部から両端１／４の範囲内で当接固着されることを特徴とする。

以上説明したように、本発明では、圧電材料と導電材料を所定の間隔で交互に積層してなる圧電素子を、前記導電材料は共通電極と個別電極が交互に配置され互いに重なりあった幅である活性部の幅Ａｐが、前記振動板の凸部の長手方向のほぼ２倍以上となるようにしたことで、圧力発生室がノズル側の一端が互いに重なるように交互に配設した２列一組の圧力発生室を１色のヘッドとしてなるヘッドを一本のバルク状圧電素子で構成できるようにしたので、製造工程が一列のみの圧力発生室で構成されたヘッドとほぼ同じ工程と工数で製作が可能となる。さらに、一本の圧電素子で構成することが可能となるので二本の圧電素子を使用する場合の圧電素子間の変位特性バラツキを無くし、隣接するノズルの液滴吐出特性を均一にすることが出来る。

また、圧電素子が、前記振動板の凸部に当接する領域は、活性部幅Ａｐの中心部から各両側Ａｐの１／４の範囲内（活性部幅Ａｐを４等分した際の内側２つの領域内）であるようにしたので特性の均一化が出来る。

ノズル開口の高密度化を図るため、圧力発生室の列間を近接しつつ高密度に配列するという目的を、ヘッドを極力大きくすることなく、かつ容易な製造工程で可能とした。

以下、本発明の一例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の一例となるインクジェット記録ヘッドを示す斜視図である。インク滴を吐出する複数のノズル１を有するノズルプレート１１と、ノズル１と連通する圧力発生室３と、該圧力発生室３にインクを供給する共通インク室２とが形成された流路基板１２と、圧力発生室３の一壁面をなす振動板１３とから流路基板クミ１０が形成される。流路基板１２は、圧力発生室３の長手方向の一端部にノズル１が配設され、ノズル１が一列になるように、圧力発生室３が交互に重なるように配置されている。流路基板１２は、ＭＥＭＳ技術によってシリコンウェハーをドライエッチング技術で高密、高精度加工することができる。振動板１３は、インクと接する側と反対の面に凸部を有するアイランド１４が配設され、軸方向に伸縮する圧電素子１６の一端が支持基板１７に当接固着され、他方がアイランド１４に当接固着されている。前記アイランド１４は、樹脂、例えばポリイミドとステンレス材の薄板を密着接合した積層板をアイランド１４部をマスクしてステンレス部をエッチングにすることにより容易に形成できる。そのほかにも、ニッケル（Ｎｉ）のエレクトロフォーミングにより形成できることも知られている。流路基板クミ１０は、左右に共通のインク溜まり４を持つ高剛性部材１９に接着保持される。さらに、高剛性部材１９のほぼ中央に細長く空けられた開口穴５より、支持基板１７の一端に複数の圧電素子１６が配設された圧電素子群１８が挿入され、前記圧電素子１６の自由端面に前記アイランド１４が固着され、インクジェットヘッドとして完成される。

次に、圧電素子１６の形成方法について説明する。本実施例は、圧電素子のタイプとしては導電材料と圧電材料を交互に積層してなる圧電素子に適用されるもので、一例としてｄ３３タイプの圧電素子に適用して説明する。

図３から図７に、圧電材料の形成方法の説明図を示す。

図３において、定板３０の上にグリーンシー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２２を塗布して、図４に示すように、これの表面に一方の電極となる第一の内部電極材料層２３を、Ａｇ、Ｐｂ等を調製した導電ペーストを圧膜印刷法を用いて、一定間隔をおいて形成する。さらに、図５において、この内部電極材料層２３の表面に圧電材料２２を塗布し、この上に、図６のように、他方の電極となる内部電極材料層２４を前記方法で塗布する。後は、前記の方法で内部電極材料層２３、２４と圧電材料２２を必要な積層数だけ繰り返し塗布し、目的の厚みに積層した状態（図７）で乾燥させる。これに圧力を加えた状態で焼成する。そして、交互に積層された導電材料層である内部電極材料層２３、２４が露出している面に共通電極用と個別電極用としての外部電極２５、２６を形成して乾燥することで、図８の直方体状のバルク圧電体２０が形成される。その後、支持基板１７に固着後、ワイヤーソーやダイサー等によって櫛歯状に複数の圧電素子１６に分割され、圧電素子群１８が形成される。このように形成された圧電素子１６の断面は、内部電極材料層２３と２４がオーバーラップした幅Ａｐが活性部として主に変位する領域となる。

図９に、前記圧電素子１６に一定電圧を印加した時の変位カーブを示す。図のように、活性部両端は、不活性部があるため拘束されるので変位が一様ではないが、以下に述べる様に、不都合とはならない。

図２に、本発明の一例となる図１の断面Ｘ−Ｘを示す。圧力発生室３は、ノズル１の開口側が互いに重なるように交互に配設されているので、断面は、その一方の流路のみが現され、千鳥状に配置された対向する圧力発生室３は、点線で示される。

また、アイランド１４ａが、圧電素子１６に固着されており、対向するアイランド１４ｂは隣接した他の圧電素子１６に固着されている。アイランド１４は、圧電素子１６側のみが他よりも突出した形状をしているので前記圧電素子１６は、アイランド１４に当接している以外の先端面は非接触状態となる。

また、圧電素子１６のインク流路方向の長さＡｏは、交互に対向するアイランド１４ａ、１４ｂの長手方向の長さＬｉの２倍以上にほぼ相当する長さを持ち、より良い関係は、前記活性部幅Ａｐがアイランド１４の長手方向の長さＬｉの２倍以上であることが良い。

また、列方向のピッチはノズル開口のピッチに同じとしている。これにより、２列に並んだ圧力発生室３に応じて圧電素子１６もそれにならって千鳥状配列とする必要が無くなり、圧電素子１６の加工及び組立ての工数を大幅に低減できる効果がある。

また、前記圧電素子１６の活性部の幅をＡｐとしたとき、アイランド１４の長手方向のほぼ１／２（中央）に位置する個所に、前記圧電素子１６の活性部長さＡｐの１／４に位置する個所が、ほぼ合致するように構成することである。このように構成することで、図２に示す如く、一方の圧力発生室３に当接する圧電素子１６の固着領域と他方の圧力発生室３に当接する他の圧電素子１６の固着領域が、交互に位置することになる。

一方で、圧電素子１６の変位は、外部電極２５の近傍は不活性部が形成されているので、図９に示すような変位を示す。活性部の両端は、いわゆる不活性部の拘束により中央部に対し変位量は少ない。しかし、活性部幅Ａｐの両端の略１／４付近より、中央部とほぼ同等の変位を示す。

従って、其々のアイランド１４に当接する領域は、活性幅Ａｐの中央位置から両端の１／４の範囲内で固着されることが望ましい。

上記のように構成することで、互いに交互に対向するように圧力発生室３を二列一組でノズル列を構成するようなヘッドを１本のバルク状圧電素子を用いることで製作が可能となり、一列で構成された圧電素子を用いたヘッドと製造工程をほぼ同一にすることが可能となる。

また、従来であれば二本のバルク状圧電素子を使用する場合は、製造上のバラツキにより圧電素子間で変位特性にバラツキを持つため駆動電圧の設定の相違が発生する。その場合、極力同変位特性を示す圧電素子を選別するか、或いは圧電素子へ印加する電圧を其々に換えられるように制御する必要があったが、そのような複雑な制御が不要となる。

また、同一の圧電素子で構成できるので対向する二列で構成するような圧電素子間のバラツキを排除でき、ノズル特性のバラツキも低減する効果がある。

ヘッドを大きくすることなくノズル開口の高密度化ができ、製造工程も容易であり、高密度印刷のインクジェット式印刷装置に適用できる。

本発明の一例となるインクジェット記録ヘッドを示す斜視図である。図１の断面Ｘ−Ｘを示す断面図である。圧電素子の形成方法を示した説明図である。（圧電材料塗布工程）圧電素子の形成方法を示した説明図である。（内部電極形成工程）圧電素子の形成方法を示した説明図である。（圧電材料塗布工程）圧電素子の形成方法を示した説明図である。（内部電極材料塗布工程）圧電素子の形成方法を示した説明図である。（積層状態）本発明によるバルク圧電体を示す説明図である。本発明による圧電素子に一定電圧を印加した時の変位カーブである。従来例を示した説明図である。

符号の説明

１はノズル、２は共通インク室、３は圧力発生室、４は共通インク溜まり、５は開口穴、１０は流路基板クミ、１１はノズルプレート、１２は流路基板、１３は振動板、１４，１４ａ，１４ｂはアイランド、１６は圧電素子、１７は支持基板、１８は圧電素子群、１９は高剛性部材、２０はバルク圧電体、２２は圧電材料、２３は内部電極材料層、２４は内部電極材料層、２５，２６，２７は外部電極、３０は定板である。

Claims

インクを吐出する複数のノズルと、該ノズルに其々連通する圧力発生室と、該圧力発生室にインクを供給する共通インク室と、圧力発生室の１壁面を成しインクに接しない側に凸部を有する振動板と、該振動板に当接し軸方向に伸縮する圧電素子の変位を利用して前記振動板を変位させて前記圧力発生室を加圧する圧電振動子群とを有し、前記圧力発生室は一方の長手方向の端部付近に位置する前記ノズル開口を内側にして千鳥状に配置されたインクジェット記録ヘッドにおいて、
前記圧電振動子群は、１本のバルク状圧電素子を歯割してなる１列状に並ぶ複数の圧電素子を有し、各圧電素子は、前記圧力発生室に対応して設置された各前記凸部と固定させることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
前記圧電素子は、活性層と不活性層を交互に積層してなるｄ３３タイプの圧電素子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記録ヘッド。
前記圧電素子は、圧電材料と導電材料を所定の間隔で交互に積層してなり、前記導電材料は共通電極と個別電極が交互に配置され互いに重なりあった幅である活性部の幅Ａｐが、前記凸部の長手方向のほぼ２倍以上を有し、活性部幅Ａｐのほぼ中心位置に前記ノズルが配置されていることを特徴とする請求項２記載のインクジェット記録ヘッド。
前記圧電素子が、前記振動板の凸部に当接する領域は、活性部幅Ａｐのほぼ中心部から両端１／４の範囲内で当接固着されることを特徴とする請求項３記載のインクジェット記録ヘッド。