JP2006315323A - 液滴吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電素子の圧電横効果を妨げることなく、圧電素子の圧力損失を低減すると共に、圧電素子の静電容量を低減する
【解決手段】 インクジェット記録ヘッド７４では、振動板３０の圧力室１６の壁面の一部を形成する領域Ａにおける圧電素子４２の面積が、該領域Ａの面積よりも狭くなっている。振動板３０の該領域Ａには、圧電素子４２の周縁部に沿って補強部材４４が形成されており、振動板３０の該領域Ａの圧電素子４２を囲む部分が補強されている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、圧電素子の圧電横効果により振動板を変形させて圧力室内の液体に圧力を作用させ、圧力室に連通されたノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドに関する。

インクジェット記録ヘッド等の液滴吐出ヘッドでは、振動板の圧力室に重なる領域に設けられた圧電素子の圧電効果により、振動板が変形されて圧力室内の液体に圧力が作用し、圧力室に連通されたノズルから液滴が吐出される。

図８、図９に示すように、圧電素子１０２の面積は、振動板１０６の圧力室１０４に重なる領域Ａの面積より狭いか又は同等以上となっている。図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、圧電素子１０２の面積が、振動板１０６の領域Ａの面積より狭い場合には、圧電素子１０２の静電容量が小さくなるという利点を有する。しかし、その反面、図中矢印で示すように、圧力室１０４に作用する圧力波が圧電素子１０２の周囲に逃げてしまい、振動板１０６が、圧電素子１０２の周囲で圧電素子１０２の変位方向の逆方向へ撓み、振動板１０６の変位量が全体的に減少するという欠点を有する。また、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、圧電素子１０２の面積が、振動板１０６の領域Ａの面積と同等又はそれ以上の場合には、上述したような振動板１０６の変位量の損失が発生しない反面、圧電素子１０２の静電容量が大きくなり、圧電素子１０２へ供給される電流値が高くなることで、電源のコストが上昇してしまう。

一方、振動板の圧力室の壁面の一部を形成する領域より面積が広い圧電体に対して、該領域より面積が狭い圧電活性部が形成された液滴吐出ヘッドが考案されている（例えば、特許文献１、２参照）。この特許文献１、２の液滴吐出ヘッドでは、圧電素子の静電容量を小さくすることができる。

ここで、特許文献１、２の液滴吐出ヘッドでは、圧電素子が該領域の外側まで広がっている。即ち、圧電素子が振動板の変形不能な位置に接合されていることで、圧電素子の横方向（厚さ方向と直交する方向）への伸縮が妨げられる。この特許文献１、２の液滴吐出ヘッドでは、圧電素子の圧電縦効果により圧力室に圧力波を作用させているので特に問題にはならないが、圧電素子の圧電横効果により圧力室に圧力波を作用させる液滴吐出ヘッドにおいては、圧電素子の横方向への伸縮が妨げられることによって、圧電素子の屈曲変位量が小さくなり、圧力室に作用する圧力波が小さくなるという問題があった。
特開２００３−３２０６６８号公報 特開２００４−１４８５９１号公報

本発明は上記事実を考慮し、圧電素子の圧電横効果を妨げることなく、圧電素子の変位量の損失を低減すると共に、圧電素子の静電容量を低減することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、圧電素子が、ノズルに連通された圧力室の壁面の一部を形成する前記振動板上に前記圧力室に重ねて設けられ、前記圧電素子の圧電横効果により前記振動板を変形させて前記圧力室内の液体に圧力を作用させ、前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドであって、前記振動板の前記圧力室の壁面の一部を形成する領域における前記圧電素子の面積を該領域の面積よりも狭くし、該領域に前記圧電素子の周縁部に沿って設けられ、前記振動板を補強する補強部材を有することを特徴とする。

請求項１に記載の発明では、振動板が、ノズルに連通された圧力室の壁面の一部を形成しており、圧電素子が、振動板上に圧力室に重ねて設けられている。この圧電素子は、圧電横効果により振動板を変形させて圧力室内の液体に圧力を作用させ、圧力室に連通されたノズルから液滴を吐出させる。

ここで、振動板の圧力室の壁面の一部を形成する領域における圧電素子の面積が該領域の面積よりも狭くなっており、圧電素子の静電容量が抑制され、電源のコストが低減されている。

一方、振動板の圧力室の壁面の一部を形成する領域には、補強部材が、圧電素子の周縁部に沿って設けられており、この補強部材によって、振動板の該領域内の圧電素子を囲む部分が補強されている。このため、振動板が圧電素子の周囲で圧電素子の変位方向の逆方向へ撓む量が抑制され、振動板の全体的な変位量の損失が抑制される。従って、圧電素子の圧電横効果を圧力室内に効率的に伝えることができる。

さらに、補強部材を振動板の該領域内、即ち、振動板の変形自在な領域内に収めたことによって、圧電素子が横方向（厚さ方向と直交する方向）への伸縮を妨げられることがないので、圧電素子の圧電横効果による屈曲変位量の減少を抑制でき、圧力室に作用する圧力の減少を抑制できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液滴吐出ヘッドであって、前記補強部材を圧電材料で形成したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、補強部材を圧電材料で形成することで、圧電素子と補強部材の製造工程の一部を同じくし、補強部材の形成を容易にしている。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の液滴吐出ヘッドであって、前記補強部材を前記圧電素子と一体で形成したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明では、圧電素子と補強部材を圧電材料により一体で形成し、圧電素子と補強部材の製造工程の大半を同じくしている。これによって、補強部材の製造工程を低減できる。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の液滴吐出ヘッドであって、前記補強部材が圧電不活性であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明では、補強部材を圧電不活性とし、圧電材料により圧電素子と一体で形成された補強部材の誘電率を抑制することで、補強部材の静電容量を抑制している。

請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の液滴吐出ヘッドであって、前記活性圧電素子にのみ個別電極を形成したことを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、圧電素子にのみ個別電極を形成することで、圧電材料によって圧電素子と一体で形成された補強部材の静電容量を抑制している。

本発明は、上記構成としたので、圧電素子の圧電横効果を妨げることなく、圧電素子の圧力損失を低減できると共に、圧電素子の静電容量を低減できる。また、補強部材を容易に形成できる。

以下、本発明の実施の形態に係る記録ヘッドノズルの製造方法についての説明を行う。まず、最初に図１に示すインクジェット記録装置７０の概要を説明する。

なお、記録媒体は記録紙Ｐとし、記録紙Ｐのインクジェット記録装置７０における搬送方向を副走査方向として矢印Ｓで表し、その搬送方向と直交する方向を主走査方向として矢印Ｍで表す。

インクジェット記録装置７０は、ブラック、イエロー、マゼンタ、シアンの各インクジェット記録ユニット７２を搭載するキャリッジ７６を備えている。このキャリッジ７６の記録紙Ｐの搬送方向上流側には、一対のブラケット７８が突設されており、そのブラケット７８には円形状の開孔７８Ａが穿設されている。そして、この開孔７８Ａに、主走査方向に架設されたシャフト８０が挿通されている。

また、主走査方向の両端側には、主走査機構８２を構成する駆動プーリー８４と従動プーリー８６が配設されている。この駆動プーリー８４と従動プーリー８６にはタイミングベルト８８が巻回されており、タイミングベルト８８の一部にキャリッジ７６に固定され、キャリッジ７６が主走査方向に往復移動可能となっている。

また、このインクジェット記録装置７０には、搬送ローラー９０及び排出ローラー９２からなる副走査機構９４が設けられており、画像印刷前の記録紙Ｐを束にして載置する給紙トレイ９６から１枚ずつ給紙された記録紙Ｐを所定のピッチで副走査方向へ搬送する。

さらに、図２に示すように、各色のインクジェット記録ユニット７２は、インクジェット記録ヘッド７４と、それにインクを供給するインクタンク９８とが一体に構成されたものであり、インクジェット記録ヘッド７４の下面に形成された複数のノズル１０（図３参照、なお、図３ではマトリックス状に配置されたノズル１０のうちの一部を図示したものである）が、記録紙Ｐと対向するようにキャリッジ７６上に搭載されている。

したがって、インクジェット記録ヘッド７４が主走査機構８２（図１参照）によって主走査方向に移動しながら、記録紙Ｐに対してノズル１０から選択的にインク滴を吐出することにより、所定のバンド領域ＢＥに対して画像データに基づく画像の一部が記録される。

そして、主走査方向への１回の移動が終了すると、記録紙Ｐは、副走査機構９４（図１参照）によって副走査方向に所定ピッチ搬送され、再びインクジェット記録ヘッド７４（インクジェット記録ユニット７２）が主走査方向（前述とは反対方向）に移動しながら、次のバンド領域に対して画像データに基づく画像の一部が記録されるようになっており、このような動作を複数回繰り返すことによって、記録紙Ｐに画像データに基づく全体画像がフルカラーで記録される。

次に、インクジェット記録ヘッド７４について説明する。図４に示すように、インクジェット記録ヘッド７４には、インクタンク９８（図２参照）からインクが供給される共通インク室２０が備えられている。この共通インク室２０には開口部１８が設けられており、インク供給路１６を介して圧力室１４が連通し、共通インク室２０内のインクが供給されるようになっている。

また、インクジェット記録ヘッド７４には、マトリックス状に配置された複数のノズル１０（図３参照）が備えられており、ノズル連通室１２を介して圧力室１４と連通している。圧力室１４の上面には上下方向に弾性を有する振動板３０が設けられており、圧力室１４に対応する振動板３０の上面には圧電素子４２が配設されている。

この圧電素子４２の上には上部個別電極５６が形成され、この上部電極５６がボール半田３４を介して電気基板３６が接合され、圧電素子４２に通電されると（電圧が印加されると）、圧電素子４２が左右方向に伸縮して上下方向に撓み変形する。この圧電素子４２の圧電横効果により、振動板３０が撓み変形し、圧力室１４内のインクが加圧されると、ノズル１０からインク滴が吐出する構成となっている。なお、振動板３０が下部個別電極として機能している。

また、インクジェット記録ヘッド７４は、ノズル１０が形成されるノズルプレート２１と、ノズル連通室１２及び共通インク室２０を構成するインクプールプレート２２、２３と、共通インク室２０の開口部１８及びノズル連通室１２を構成するスループレート２４と、インク供給路１６が形成されたインク供給路プレート２６と、圧力室１４が形成された圧力室プレート２８と、が順番に積層され接合される。

ここで、圧電素子４２の取付構造の第１実施形態について説明する。

図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、矩形状の圧電素子４２は、振動板３０の圧力室１４の壁面の一部を形成する矩形状の領域Ａの図中下端部の外側から該領域Ａの内側へ延びている。振動板３０の領域Ａにおける圧電素子４２の面積は、振動板３０の領域Ａの面積よりも狭くなっており、振動板３０の領域Ａの図中左右両端部及び上端部には、圧電素子４２が存在しない。

そして、振動板３０の領域Ａの圧電素子４２が存在しない部分には、圧電素子４２の周縁部に沿ってコ字状の補強部材４４がエポキシ等の樹脂で形成されており、この補強部材４４によって、振動板３０の領域Ａ内の圧電素子４２を囲む部分が補強されている。このため、振動板３０が圧電素子４２の周囲で圧電素子４２の変位方向の逆方向へ撓む量が抑制され、振動板３０の全体的な変位量の損失が抑制される。

従って、圧電素子４２の圧電横効果を圧力室１６内に効率的に伝えることができる。また、圧電素子４２の面積を抑制でき、圧電素子４２の静電容量を抑制できるので、圧電素子４２を駆動させる電源（図示省略）の電流値を低減でき、電源のコストを低減できる。

また、補強部材４４を振動板３０の領域Ａ内、即ち、振動板３０の変形自在な領域内に収めたことによって、圧電素子４２が補強部材４４によって横方向（厚さ方向と直交する方向）への伸縮を妨げられることがないので、圧電素子４２の圧電横効果による屈曲変位量の減少を抑制でき、圧力室１６に作用する圧力の減少を抑制できる。

なお、本実施形態では、補強部材４４を振動板３０と別部材としたが、振動板３０上に一体的に突起を形成して、この突起を補強部材４４としても良い。

次に、圧電素子４２の取付構造の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成には同一の符号を付し、説明は省略する。

図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、インクジェット記録ヘッド５０では、補強部材４４が圧電素子４２と同様に圧電材料で形成されている。この補強部材４４は、まず、振動板３０の領域Ａ内に圧電素子４２と一体で形成され、その後、圧電素子４２と補強部材４４との間にエッチング等により溝５２を形成することで、圧電素子４２から分離される。そして、圧電素子４２上に上部個別電極５６が形成される。

このように、補強部材４４を圧電材料で形成することで、圧電素子４２と補強部材４４の製造工程の一部を同じくし、補強部材４４の形成を容易にしている。

次に、圧電素子４２の取付構造の第３実施形態について説明する。なお、第１、第２実施形態と同様の構成にはどういつの符号を付し、説明は省略する。

図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、インクジェット記録ヘッド６０では、補強部材４４と圧電素子４２が圧電材料により一体で形成されている。圧電素子４２には圧電活性化処理が施されており、補強部材４４には圧電活性化処理が施されていない。また、圧電素子４２上にのみ上部個別電極５６が形成されている。

即ち、圧電素子４２と補強部材４４を圧電材料により一体で形成し、圧電素子４２と補強部材４４の製造工程の大半を同じくしている。これによって、補強部材４４の製造工程を低減できる。

また、補強部材４４を圧電不活性とし、圧電材料により圧電素子４２と一体で形成された補強部材４４の誘電率を抑制することで、補強部材４４の静電容量を抑制している。

さらに、圧電素子４２にのみ上部個別電極５６を形成することで、圧電材料によって圧電素子４２と一体で形成された補強部材４４の静電容量を抑制している。

なお、上記実施例のインクジェット記録装置７０では、ブラック、イエロー、マゼンタ、シアンの各色のインクジェット記録ユニット７２がそれぞれキャリッジ７６に搭載され、それら各色のインクジェット記録ヘッド７４から画像データに基づいて選択的にインク滴が吐出されてフルカラーの画像が記録紙Ｐに記録されるようになっているが、本発明におけるインクジェット記録は、記録紙Ｐ上への文字や画像の記録に限定されるものではない。

すなわち、記録媒体は紙に限定されるものでなく、また、吐出する液体もインクに限定されるものではない。例えば、高分子フィルムやガラス上にインクを吐出してディスプレイ用カラーフィルターを作成したり、溶接状態の半田を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成するなど、工業的に用いられる液滴噴射装置全般に対して、本発明に係るインクジェット記録ヘッド７４を適用することができる。

また、上記実施例のインクジェット記録装置７０では、主走査機構８２と副走査機構９４を有するＰａｒｔｉａｌ Ｗｉｄｔｈ Ａｒｒａｙ（ＰＷＡ）の例で説明したが、本発明におけるインクジェット記録は、これに限定されず、紙幅対応のいわゆるＦｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ａｒｒａｙ（ＦＷＡ）であってもよい。むしろ、本発明は、高密度ノズル配列を実現するのに有効なものであるため、１パス印字を必要とするＦＷＡには好適である。

本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドが適用されたインクジェット記録装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドが適用されたインクジェット記録ユニット示す斜視図である。 本発明の実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズルがマトリックス状に配置された状態を表す説明図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。 インクジェット記録ヘッドの圧電素子の取付構造の第１実施形態を示す（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 インクジェット記録ヘッドの圧電素子の取付構造の第２実施形態を示す（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 インクジェット記録ヘッドの圧電素子の取付構造の第３実施形態を示す（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 インクジェット記録ヘッドの圧電素子の取付構造の従来例を示す（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 インクジェット記録ヘッドの圧電素子の取付構造の従来例を示す（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。

符号の説明

１０ ノズル
４２ 圧電素子
４４ 補強部材
５０ インクジェット記録ヘッド
５６ 上部個別電極（個別電極）
６０ インクジェット記録ヘッド
７４ インクジェット記録ヘッド

Claims (5)

1. 圧電素子が、ノズルに連通された圧力室の壁面の一部を形成する前記振動板上に前記圧力室に重ねて設けられ、前記圧電素子の圧電横効果により前記振動板を変形させて前記圧力室内の液体に圧力を作用させ、前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドであって、
   前記振動板の前記圧力室の壁面の一部を形成する領域における前記圧電素子の面積を該領域の面積よりも狭くし、
   該領域に前記圧電素子の周縁部に沿って設けられ、前記振動板を補強する補強部材を有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 前記補強部材を圧電材料で形成したことを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
3. 前記補強部材を前記圧電素子と一体で形成したことを特徴とする請求項２に記載の液滴吐出ヘッド。
4. 前記補強部材が圧電不活性であることを特徴とする請求項２又は３に記載の液滴吐出ヘッド。
5. 前記圧電素子にのみ個別電極を形成したことを特徴とする請求項３又は４に記載の液滴吐出ヘッド。

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