JP2006212972A

JP2006212972A - インクジェット式記録装置用ヘッド

Info

Publication number: JP2006212972A
Application number: JP2005029203A
Authority: JP
Inventors: Satoru Hida; 悟飛田; Tomohiko Koda; 智彦甲田; Ryota Matsufuji; 良太松藤
Original assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Current assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】
圧電振動子の機械的強度を低下することなく、高密度に実装したノズルを構成し、より微細なインク滴を精度良く飛翔させる飛翔特性の継続的な安定化を図る。また、圧電振動子の先端に塗布する接着剤の量の制御を容易にし、より安価で高精細かつ高速印刷分野へ適用可能なインクジェット式記録装置用ヘッドを提供する。
【解決手段】
接着剤（７０）を介して振動板（３１）に当接する圧電振動子（５１）の凸部（５１ａ）先端面から棚部までの高さが２０μｍ以上あり、接着剤（７０）の硬化後の硬度がＪＩＳ―Ｄスケールで３０°以下、かつヤング率が２．５×１０^８〜７．０×１０^８Ｐａとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、導電材料と圧電材料とを交互に積層して中央部に活性領域を形成してなる、接着剤を介して振動板に当接する先端が凸部の圧電振動子と、インクを吐出するノズルと連通し振動板に封止された圧力発生室とを備え、圧電振動子の伸縮により圧力発生室内のインクを圧縮して吐出させるインクジェット式記録装置用ヘッドに関するものである。

インクジェット式記録装置は、記録画像の解像度や画質において飛躍的に向上した。インクジェット式記録装置に対しては、高精細な印刷を行うことに加えて、印刷の高速化が要求されていた。インクジェット式記録装置に用いられるヘッドには、インク滴を飛翔させる方法として、バブルジェット（登録商標）方式や圧電方式が採用されてきた。使用されるヘッドはどちらも、印刷速度を上げるためにインク滴を飛翔させるためのノズル数を増やし、より微細なインク滴を精度良く飛翔させる高密度なノズル構成であった。

圧電方式に使用される圧電型ヘッドにおいても、上記の要求に対して種々の対策が講じられてきた。印加された電界と同方向に発生する歪の変形を利用してインクを飛翔させる圧電振動子や、印加された電界と直行する方向に発生する歪の変形を利用してインクを飛翔させる圧電振動子を備えたものであった（例えば、特許文献１及び２参照）。

また、圧電振動子と振動板のギャップが多少ばらついても圧電振動子の変位が効率よく伝わるように、固着に用いられる接着剤は、比較的固めのショア硬度Ｄスケールで４０°以上の接着剤が使用され、且つ当接部以外には接着剤がはみ出さないように工夫されていた（例えば、特許文献３参照）。

また、複数のノズルを高密度に集積させた積層圧電素子を用いるインクジェットヘッドにおいては、圧電振動子を振動板に接着する際に、ショア硬度Ｄスケールで３０°より小さい接着剤を使用することで、クロストークの低減やセカンドドロップの発生を抑制するヘッド構造が開示されていた（例えば、特許文献４参照）。

従来のインクジェット式記録装置用ヘッドの構成を図６に示す。圧電型ヘッドは、複数個のノズル１１を有するノズルプレート１０と、複数のノズル１１に対応した圧力発生室２１を有するチャンバープレート２０と、圧力発生室２１を封止するダイアフラムプレート３０とが積層に固着された流路基板５と、流路基板５を保持する固定基台４０と、圧力発生室２１に対応した圧電振動子５１群を備えた圧電アクチュエータ５０とから構成されていた。

圧電アクチュエータ５０は、圧電材料と導電材料を交互に積層してなる棒状の圧電体を支持基板５２の一端面に固着した状態で、圧電体をダイシングソー等によって所定のピッチで分割して、個々の圧電振動子５１を形成したものである。圧電振動子５１の外表面に形成された外部電極に電圧が印加されることで圧電振動子５１が伸縮する。振動板３１に当接固着された圧電振動子５１の伸縮によって、圧力発生室２１内のインクが加圧されインクが押し出されて、ノズル１１からインク滴となって飛翔するものであった。

また、振動板３１に当接する圧電振動子５１の先端部のみを幅狭となる凸部として圧電振動子５１の機械的強度を保つことが開示されていた（例えば、特許文献５参照）。

特開平６−１９８８７１号公報

特開平４−１０５２号公報

特開昭６２−７３９５２号公報

特開平１１−４８４７３号公報

特開２０００−９４６８２０号公報

ところで、圧電型ヘッドにおいては、圧電振動子５１の振動板３１に対する接触面積がインク滴の飛翔特性を決定付ける大きなファクターのひとつになっている。つまり、上記した従来のヘッド構成では、インク滴の吐出量を微小化するために圧電振動子５１と振動板３１の接触面積を減らす場合、圧電振動子５１のノズル１１の並び方向の幅寸法を小さくして分割したり、圧力発生室２１の長手方向と同方向の長さを短くしたりする必要があった。また、ノズル１１のピッチをさらに細かくして高密度に実装するためには、ノズル１１のピッチに対応して圧力発生室２１及び圧電振動子５１のピッチも狭くし、かつノズル１１の並び方向の幅寸法も小さくしなければならなかった。このように、圧電振動子５１を小幅に分割して構成した場合に機械的強度が劣化するという問題があった。

さらに、圧電型ヘッドにおいては、上述したように圧電振動子５１の変位量の損失を少なくして振動板３１を変位させることが重要であるため、振動板３１は適度な軟らかさを備えていなければならない。例えば、振動板３１は、ステンレス製であれば５〜１５μｍ程度、ポリイミドのような樹脂製であれば１５〜２５μｍ程度の非常に薄板で構成される。この薄板の振動板３１に圧電振動子５１の先端をショア硬度Ｄスケールで３０°より小さい非常に軟らかい接着剤で固着すると、圧電振動子５１の変位力が接着剤で吸収されてしまい変位量が少なくなり、印刷の効率が悪くなっていた。

また、振動板３１に当接する圧電振動子５１の先端部のみを幅狭となる凸部とした特許文献５においては、接着剤について詳細に検討及び記載されているものではなかった。当接部以外に接着剤がはみ出さないように固着する際は、圧電アクチュエータ５０に荷重を加える。この荷重により薄板で形成されている振動板３１が変形し、塑性変形をした状態で固着されることもあった。塑性変形を起こした状態で組立てられた圧電型ヘッドは、圧電振動子５１の繰返しの伸縮動作により塑性変形した振動板３１のへたりが加速され、インクの噴射特性に変化が生じてしまい、振動板３１が破損するという問題があった。また、隣接する圧電振動子５１同士が接着剤で繋がらないように塗布することは困難であった。

本発明は、導電材料と圧電材料とを交互に積層して中央部に活性領域を形成してなる、接着剤を介して振動板に当接する先端が凸部の圧電振動子と、該圧電振動子を固定する支持基板と、インクを吐出するノズルと連通し前記振動板に封止された圧力発生室と、共通のインク溜まりから前記インクが流入するリストリクタを備えた流路構成部材とで構成され、前記圧電振動子の伸縮により前記圧力発生室内の前記インクを圧縮して吐出させるインクジェットヘッドにおいて、前記圧電振動子の凸部先端面から棚部までの高さが２０μｍ以上あり、前記接着剤の硬化後の硬度がＪＩＳ―Ｄスケールで３０°以下、かつヤング率が２．５×１０^８〜７．０×１０^８Ｐａであることを特徴とする。

また、前記圧電振動子の凸部先端面と前記振動板を前記接着剤で接合する接着層の厚さが５μｍ以下であることを特徴とする。

また、前記接着剤は、前記圧力発生室を封止している前記振動板領域を覆うように塗布されることを特徴とする

本発明によれば、インクジェット式記録装置用ヘッドにおいて、圧電振動子の機械的強度を低下することなく、高密度に実装したノズルを構成することができる。また、より微細なインク滴を精度良く飛翔させる飛翔特性の継続的な安定化が図れる。また、圧電振動子の先端に塗布する接着剤の量の制御が容易になり、組みたて作業が簡素化し、より安価で高精細かつ高速印刷分野へ適用可能なインクジェット式記録装置用ヘッドを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明する。

図１は、本発明のインクジェット式記録装置用ヘッドにおいて、圧電振動子５１の並び方向と直行する方向の縦断面図である。図２は、圧電振動子５１の並び方向の横断面図である。図において流路基板５は、複数個のノズル１１を有するノズルプレート１０と、ノズル１１へ連通する圧力発生室２１を備えたチャンバープレート２０と、共通インク溜まり２７に連通し圧力発生室２１へのインク供給路となるリストリクタ２６を備えたリストリクタプレート２５と、圧力発生室２１を封止する振動板３１を備えたダイアフラムプレート３０とから構成される。本発明のヘッドは、流路基板５と、これを保持する固定基台４０と、圧電アクチュエータ５０とで構成される。

ノズルプレート１０は、ステンレスの薄板やシリコンウエハーによって形成される。ノズル１１の加工には、インクが飛翔する時の方向性を左右する重量な部分であるため、例えば、ステンレスの薄板に対しては精密プレス法や、シリコンウエハーに対してはエッチング法などが用いられる。チャンバープレート２０及びリストリクタプレート２５も同様に、ステンレスの薄板やシリコンウエハーによって形成される。インク流路を形成するためには、上記と同様の精密プレス法を用いることができる。また、シリコンウェハーを使用する場合は、エッチング法により、チャンバープレート２０とリストリクタプレート２５を一体化してインク流路を形成することも可能である。

振動板３１を備えたダイアフラムプレート３０は、ポリイミド製の薄板にステンレスの薄板を密着して、固着したプレートのステンレス部のエッチングを行い振動板３１部を形成する。

また、リストリクタプレート２５と、固定基台４０に備えられた共通インク溜まり２７及び２７’とは、ダイアフラムプレート３０に複数の微細穴を形成してなるフィルター３２を介して連通している。そして、圧電アクチュエータ５０の圧電振動子５１の自由端部が、接着剤７０によって振動板３１に固着されている。

次に、圧電アクチュエータ５０の製造方法について図３を用いて説明する。圧電材料６１と導電材料６２を交互に積層して、中央部に活性領域を形成した棒状の圧電体６０を支持基板５２の一端面に固着する（図３（ａ））。支持基板５２は、例えばセラミック製の基板であるとよい。圧電振動子５１の個別電極となる側及び共通電極となる側には導電パターンが印刷されている。固着された圧電体６０の先端を長手方向に沿って先端面の両端に棚部Ａを形成する（図３（ｂ））。次に、圧電体６０の短手方向に圧力発生室２１の配列ピッチと同ピッチで溝Ｂの加工を施す。これにより、振動板３１に当接する圧電振動子５１の先端に凸部５１ａが形成される（図３（ｃ））。

次に、等ピッチで形成された溝Ｂのほぼ中央の位置にダイシング法やワイヤカット法等によって溝Ｂの幅寸法より狭い切込みを入れ、櫛歯状の複数の圧電振動子５１群に分割する（図３（ｄ））。

ここで、圧電振動子５１の凸部５１ａの幅寸法Ｐｔは、圧電振動子５１の活性領域内に入り込まない程度で、圧電振動子５１の幅寸法Ｔｐよりも小さいことが望ましい。これにより圧電振動子５１の活性領域の変位を効率的に伝えることができる。また、インクの噴射特性によって寸法の微調整も行うことができる。さらに、Ｐｔは圧力発生室２１の幅寸法の１／４以上３／４以下で、かつ圧電振動子５１の幅の１／２以上が望ましい。１／２より狭いと変位効率が低下するばかりでなく、振動板３１へ当接する際に先端部のカケ等が発生しやすいためである。詳細な設計値に関しては、振動板３１の厚みや必要とされるインク滴の量によって決まることは当然のことである。

また、詳細については後述するが、凸部５１ａ先端面から棚部までの高さ、つまり溝部の深さは、２０μｍ以上であることが望ましい。最後に、ＦＰＣ５３を支持基板５２の電極部と接続して本発明における圧電アクチュエータ５０が完成する。

上述した圧電アクチュエータ５０は、その先端の凸部５１ａに接着剤７０を塗布し、振動板３１に固着される。ここで用いられる接着剤７０は、接着硬化後の硬度が、ＪＩＳ−Ｄスケールで３０°以下であることが望ましい。接着剤７０の塗布方法は、転写法が用いられる。その一例を図５に示す。

複数の圧電振動子５１に分割された圧電アクチュエータ５０を、矢印の方向へ上下移動が可能なジグ１００に保持する。段差溝１０２が形成された接着基台１０１の段差溝１０２に接着剤７０を塗布する。この際、段差溝１０２に接着剤７０が均一、且つ平坦に塗布されるように、余分な接着剤７０はへら等でかき取ることが好ましい。接着剤７０が塗布された接着基台１０１の段差溝１０２と、圧電振動子５１の凸部５１ａとが対向する様に配置し、圧電アクチュエータ５０を、ジグ１００により降下させて、接着剤７０を圧電振動子５１に転写させる。

このようして、圧電振動子５１に接着剤７０が塗布された圧電アクチュエータ５０を振動板３１に接着する。接着剤７０は振動板３１の領域を覆う程度の量とすることが好ましく、隣接する圧電素子５１が接着剤７０で繋がっても良い。

また、振動板３１と圧電振動子５１の凸部５１ａ先端との接着層の厚みは、５μｍ以下となることが望ましく、更に圧電振動子５１の変動の効率を向上させるためには３μｍ以下であると良い。

図４に、圧電アクチュエータ５０、接着剤７０および振動板３１をばね系としてモデル化して示す。振動板３１のばね及びばね定数をＫｄ、接着剤７０のばね及びばね定数をＫｃ、圧電振動子５１のばね及びばね定数をＫｐとし、ばねＫｐの一端が支持基板５２に固定され、ばねＫｄの一端がダイアフラムプレート３０のステンレス板で保持されていると仮定する。圧電振動子５１に電圧が印加されると圧電振動子５１が収縮する。つまり、ばねＫｐに所定量の変位力Ｆが発生し、δｐだけ変位する。そして、変位力ＦによってばねＫｃがδｃだけ変位する。さらに、ばねＫｄがδｄだけ変位する。これらを式に展開すると、
Ｆ＝Ｋｐ×δｐ＝Ｋｃ×δｃ＝Ｋｄ×δｄ・・・・（１）
δ＝δｐ+δｃ+δｄ・・・・（２）
Ｆ＝Ｋ’×δ・・・・（３）（Ｋ’は、合成ばね定数）
これから、
Ｋ’＝（Ｋｐ×Ｋｃ×Ｋｄ）／（Ｋｃ×Ｋｄ＋Ｋｐ×Ｋｄ＋Ｋｐ×Ｋｃ）・・・（４）
となる。

上述したように、変位量δｄは、振動板３１の変位量であってインク滴の噴射特性を左右する。つまりは、δｄを限りなくδに近づけることが圧電振動子５１の変位量の損失が最も少ない設計となる。
従って、式（１）〜（４）より
δｄ＝Ｆ／Ｋｄ＝δ×（Ｋｐ×Ｋｃ）／（Ｋｃ×Ｋｄ＋Ｋｐ×Ｋｄ＋Ｋｐ×Ｋｃ）・・（５）となり、
ここで、
Ｂ＝（Ｋｐ×Ｋｃ）／（Ｋｃ×Ｋｄ＋Ｋｐ×Ｋｄ＋Ｋｐ×Ｋｃ）・・（６）
Ｂ＝１／｛（Ｋｄ/Ｋｐ）+（Ｋｄ/Ｋｃ）+１｝・・（７）
つまり、Ｋｐ＞Ｋｄ、Ｋｃ＞Ｋｄであることが望ましく、ばね定数Ｋｐ及びばね定数Ｋｃを大きくすることが重要であることがわかる。ばね定数Ｋｐは圧電振動子５１を設計した時点でほぼ決定されるので、ばね定数Ｋｃをいかに大きくできるかが重要となる。また、ばね定数Ｋｃは、下式で定義される。

Ｋｃ＝Ａｃ×Ｅ／ｔｃ・・・・（８）
ここで、それぞれＡｃは接着面積、つまりは圧電振動子５１の凸部５１ａの面積、Ｅは接着剤７０のヤング率を示す。さらに、ｔｃは圧電振動子５１の先端凸部５１ａと振動板３１間の接着層の厚み、つまり圧電振動子５１の先端面と振動板３１のギャップとなる。

上記したように、接着剤７０は、硬化後の硬度がＪＩＳ−Ｄスケールで３０°以下と軟らかく、ヤング率Ｅが大きい方が好ましく、接着剤７０の接着層の厚みｔｃは薄くすることが望ましい。

表１〜３は、接着剤７０のヤング率を変えたときの接着層の厚み（ｔｃ）を試算したものである。ここで、ノズル１１のピッチを０．３３８ｍｍ、Ｋｐ＝５．９×１０^６（Ｎ／ｍ）、Ｋｄ＝２．９６×１０^６（Ｎ／ｍ）、Ａｃ＝１．１×１０^−７（ｍ^２）とした。

さらに、Ｋｃ∞は、接着剤７０が限りなく硬い条件を表し、Ｂ/Ｋｃ∞は、変位効率を表す。変位効率（Ｂ／Ｋｃ∞）は、およそ７０％以上、つまり変位量の損失は３０％以下であることが望ましい。また、接着層の厚み（ｔｃ）は、（８）式より薄い方がよいことがわかるが、５μｍ以下、より好ましくは１〜３μｍであると、接着の作業が容易になり効率が上がるため望ましい。なお、本発明で使用した接着剤７０のヤング率は、実測で６．８５×１０^８（Ｐａ）であった。

接着剤７０は、硬化後の硬度がＪＩＳ−Ｄスケールで３０°以下であっても硬度や配合によってヤング率に違いがあるため、接着剤７０のヤング率を振って試算した。表１〜３に、接着剤７０のヤング率をそれぞれ７．０×１０^８（Ｐａ）、２．５×１０^８（Ｐａ）及び０．５×１０^８（Ｐａ）とした場合の接着層の厚み（ｔｃ）を示す。

表１〜３より、接着剤７０のヤング率が、２．５×１０^８（Ｐａ）以上であれば、接着層の厚み（ｔｃ）を４μｍ以下にすれば良いことがわかる。ヤング率が小さい場合（表３）は、接着層の厚み（ｔｃ）を極端に小さくすれば良いが、現実的でなく上記範囲が適当である。

また、接着層の厚み（ｔｃ）が２０μｍ以上になると、変位効率が７０％以下に低下し、変位量の損失が大きくなる。つまり、接着剤７０を、振動板３１に当接する圧電振動子５１の凸部５１ａの先端にのみ塗布するのではなく、振動板３１の全面を覆うように塗布した場合においても、圧電振動子５１の凸部５１ａ先端面から棚部までの高さが２０μｍ以上あれば、インク滴の吐出特性への影響は殆どないことを計算及び実験で確認した。

一方で、前記課題で述べたように振動板３１は非常に薄いので圧電振動子５１を接着する際の荷重で変形を生じる。しかし、本実施例では接着剤７０が振動板３１のほぼ全領域を覆っているので、前記変形による振動板３１のへたり等の機械的強度を補強することができる。

また、圧電振動子５１の先端面の稜線部に働く変位時の応力を分散させることもできるので、振動板３１の信頼性の向上が図れる。そして、圧電振動子５１の凸部５１ａ先端以外の領域での振動板３１とのギャップは２０μｍと十分に広くしているので、直接の変位δｄは、圧電振動子５１のほぼ直下にのみ働くことになる。また、接着剤７０によって隣接する圧電振動子５１同士が繋がっても十分な距離が確保されているので、前記同様に隣接する圧電振動子５１へ影響を与えることはなかった。

上記した実施形態においては圧電振動子５１は、変位方向に積層されたｄ３３タイプの圧電体６０を用いたが、ｄ３１タイプの積層圧電体６０であっても同じ効果が得られる。

さらに、圧電振動子５１の先端形状は、棚部となるようにしているが、Ｃ面取りのように傾斜させた形状であっても良い。本実施形態においては、先端部を凸形状とし、圧電振動子５１の周囲に段差ができるようにしているが、圧電振動子５１の列方向のみに段差部或いは傾斜部ができるように形成しても良い。

本発明となるインクジェットヘッドの縦断面図。本発明となるインクジェットヘッドの横断面図。本発明となるインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの製造工程図。本発明となるインクジェットヘッドの振動板から支持基板間のばねモデル図。圧電振動子への接着剤転写方法を示すジグ図。従来のインクジェットヘッドの縦断面図。

符号の説明

１０オリフィスプレート
１１ノズル
２０チャンバープレート
２１圧力発生室
２５リストリクタプレート
２６リストリクタ
２７共通インク溜まり
２７’ 共通インク溜まり
３０ダイアフラムプレート
３１振動板
３２フィルター
４０固定基台
５０圧電アクチュエータ
５１圧電振動子
５１ａ凸部
５２支持基板
６０圧電体
６１圧電材料
６２導電材料
７０接着剤

Claims

導電材料と圧電材料とを交互に積層して中央部に活性領域を形成してなる、接着剤を介して振動板に当接する先端が凸部の圧電振動子と、該圧電振動子を固定する支持基板と、インクを吐出するノズルと連通し前記振動板に封止された圧力発生室と、共通のインク溜まりから前記インクが流入するリストリクタを備えた流路構成部材とで構成され、前記圧電振動子の伸縮により前記圧力発生室内の前記インクを圧縮して吐出させるインクジェットヘッドにおいて、前記圧電振動子の凸部先端面から棚部までの高さが２０μｍ以上あり、前記接着剤の硬化後の硬度がＪＩＳ―Ｄスケールで３０°以下、かつヤング率が２．５×１０^８〜７．０×１０^８Ｐａであることを特徴とするインクジェット式記録装置用ヘッド。
前記圧電振動子の凸部先端面と前記振動板を前記接着剤で接合する接着層の厚さが５μｍ以下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記録装置用ヘッド。
前記接着剤は、前記圧力発生室を封止している前記振動板領域を覆うように塗布されることを特徴とする請求項１記載のインクジェット式記録装置用ヘッド。