JP2008238776A - 液体吐出ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】圧力室の高密度配置を効率よく実現する。
【解決手段】圧力室110の側面51aにオーバーハング部51が形成されたことにより、圧力室110の内部空間における流路ユニット9の上面9aに沿った長さは、上面9aからそのやや下方までが最も小さく、それより下方へと上面9aから離れるほど大きくなっている。個別電極35と電気的に接続されたランド37は平面視においてオーバーハング部51と重なり合っている。
【選択図】図6

Description

本発明は、液体吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッド及びその製造方法に関する。
インク滴を吐出して印刷を行うインクジェット式の記録装置において、高解像度の印刷を実現するには、ヘッドに形成されるノズルの数を増加し且つ当該ノズルを高密度に配置する必要がある。圧電素子を用いたヘッドでは、ノズルに対応して圧力室が形成されており、ノズル数の増加と共に圧力室の数も増加する。圧力室を高密度に配置するには圧力室の平面積を小さくすることが考えられるが、単に圧力室の平面積を小さくするだけでは駆動効率が低下してしまう。そこで、例えば特許文献1では、圧力室の平面形状を工夫することにより、圧力室の高密度配置を実現しつつ駆動効率の低下を防ぐことが提案されている。
特開2002−2487465号公報
しかしながら、特許文献1に記載のヘッドによると、駆動信号源との電気的接続が行われる電気パッド部が圧力室の側壁に対向するように、即ち圧力室と対向する領域外に配置されるため、平面視において圧力室に加えて電気パッドを形成する領域を確保する必要があり、このことによって圧力室の高密度配置が困難となっている。
本発明の目的は、圧力室の高密度配置を効率よく実現することができる液体吐出ヘッド及びその製造方法を提供することである。
上記目的を達成するため、本発明に係る液体吐出ヘッドは、液体吐出口が一端に設けられた個別液体流路の一部として形成された複数の圧力室と、前記複数の圧力室の内部空間を露出させる開口が形成された平面とを有する流路部材と、複数の前記開口を塞ぐように前記平面に固定された一又は複数の振動板と、前記平面に沿った方向に互いに離隔していると共に、それぞれ前記複数の圧力室に対向するように前記振動板上に形成された複数の圧電層と、前記複数の圧電層上にそれぞれ形成された複数の個別電極と、前記圧電層の表面からの高さが前記個別電極よりも大きく且つ前記複数の個別電極とそれぞれ電気的に接続された複数のランドとを備えており、前記圧力室の側壁には、前記平面に沿った前記内部空間の長さが前記平面から離れるほど大きくなるようにオーバーハング部が形成されており、前記平面と直交する方向から見て、前記ランドの少なくとも一部が前記オーバーハング部と重なり合っていることを特徴とする。
上記構成のようにオーバーハング部上にランドを配置した場合、圧力室と対向する領域外にランドを配置した場合に比べて、圧力室をより高密度に配置することができる。
また、圧電層が複数の圧力室に跨っている場合は電圧印加時に圧電層の個別電極及びランドに対向した領域が変形して隣接する個別電極間でクロストークが生じるが、上記構成のように各圧力室に対向する圧電層が互いに離隔している場合はクロストークがほとんど生じない。
しかも、ランドの少なくとも一部がオーバーハング部と重なり合っているため、ランドに端子を接合する際や圧電層を流路部材に固定する際等に、ランドへの加圧力がオーバーハング部に伝わり、圧電層が破損しにくい。したがって、十分な圧力で両者を強固に接合することができる。
前記平面と直交する方向から見て、前記ランドには、前記オーバーハング部と重なり合わずに前記圧力室と重なり合う部分がないことが好ましい。ランドにオーバーハング部と重なり合わずに圧力室と重なり合う部分がある場合は、ランドに端子を接合する際や圧電層を流路部材に固定する際等に、圧電層における圧力室のオーバーハング部が形成されていない領域と対向する部分が破損しやすいが、上記構成によると、圧電層がより破損しにくく、十分な力で両者をより強固に接合することができる。さらに、ランドがオーバーハング部を超えて圧力室と重なり合わないので、圧電層の変形が阻害されることがほとんどない。
前記平面と直交する方向から見て、前記ランドの全体が前記オーバーハング部と重なり合っていることが好ましい。これにより、さらなる圧力室の高密度配置が可能となる。
前記平面と直交する方向から見て、前記圧力室の全体が前記圧電層内に収まっていることが好ましい。これにより、さらなる圧力室の高密度配置が可能となる。
前記平面と直交する方向から見て、前記圧力室が四角形形状を有しており、前記ランドがその1つの頂点付近に設けられていることが好ましい。これにより、さらなる圧力室の高密度配置が可能となる。
前記オーバーハング部が、前記圧力室における液体の入口及び出口の少なくとも一方に設けられていることが好ましい。これにより、液体の圧力室への流入又は流出がスムーズになるため、圧力室内に気泡が残留しにくい、つまり気泡が発生したとしても当該気泡が圧力室からより排出されやすい。圧力室内の気泡は、各液体吐出口からの液体の吐出にばらつきを生じさせるという問題を引き起こすが、上記構成ではこのような問題を軽減することが可能である。
前記オーバーハング部が、前記圧力室における液体の入口及び出口の両方に設けられていることが好ましい。これにより、液体の圧力室への流入及び流出の両方がスムーズになるため、圧力室内に気泡が残留しにくい、つまり気泡が発生したとしても当該気泡が圧力室からより排出されやすい。
前記オーバーハング部に対応する前記圧力室の側壁が湾曲形状であることが好ましい。この構成によると、液体の圧力室への流入及び/又は流出がスムーズになるため、圧力室内に気泡が残留しにくい、つまりたとえ気泡が発生したとしても当該気泡が圧力室からより排出されやすい。
本発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法は、液体吐出口が一端に設けられた個別液体流路の一部として形成された複数の圧力室と、前記複数の圧力室の内部空間を露出させる開口が形成された平面とを有する流路部材を作製する流路部材作製工程と、複数の前記開口を塞ぐ振動板を前記平面に固定する振動板固定工程と、前記振動板上に、前記複数の圧力室に対向する1枚の圧電層を配置する圧電層配置工程と、前記圧電層上に、前記複数の圧力室と対向する複数の個別電極を配置する個別電極配置工程と、前記圧電層の表面からの高さが前記個別電極よりも大きく且つ前記複数の個別電極と電気的に接続された複数のランドを形成するランド形成工程と、前記圧電層を、前記複数の圧力室に対向しており且つ前記平面に沿った方向に互いに離隔した複数の部分に分割する分割工程とを備えており、
前記流路部材作製工程において、前記圧力室の側壁に、前記平面に沿った前記内部空間の長さが前記平面から離れるほど大きくなるようなオーバーハング部を形成すると共に、前記複数の開口を、前記平面を格子状に区画する複数の四角形領域内に位置させ、前記ランド形成工程において、前記ランドの全体を前記四角形領域内に収容すると共に、前記平面と直交する方向から見て、前記ランドの少なくとも一部を前記オーバーハング部と重なり合わせることを特徴とする。
上記構成によると、ランドの全体が四角形領域内にあるので、分割工程において圧電層を一直線に沿って分割すればよい。そのため、圧電層をカッターを用いて容易に分割することができる。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
図1に示すように、本発明の一実施形態に係るインクジェットプリンタ101は、4つのインクジェットヘッド1を有するカラーインクジェットプリンタである。インクジェットプリンタ101には、図中左方に給紙トレイ11、図中右方に排紙トレイ12がそれぞれ設けられており、給紙トレイ11から排紙トレイ12に向かって用紙Pが搬送される用紙搬送経路が形成されている。給紙トレイ11のすぐ下流側には、用紙Pを狭持しながら給紙トレイ11から図中右方へと送り出す一対の送りローラ5a、5bが配置されている。
用紙搬送経路の中間には、ベルト搬送機構13が設けられている。ベルト搬送機構13は、2つのベルトローラ6、7と、両ローラ6、7間に巻回されたエンドレスの搬送ベルト8と、搬送ベルト8によって囲まれた領域内においてインクジェットヘッド1と対向する位置に配置されたプラテン15とを含む。プラテン15は、インクジェットヘッド1と対向する画像形成領域において搬送ベルト8が下方に撓まないように搬送ベルト8を支持する。ベルトローラ7と対向する位置には、給紙トレイ11から送りローラ5a、5bによって送り出された用紙Pを搬送ベルト8の外周面8aに押さえ付けるニップローラ4が配置されている。
搬送モータ(図示せず)によってベルトローラ6を図中時計回りに回転させると、搬送ベルト8が矢印Xに沿って走行する。これにより、ニップローラ4によって搬送ベルト8の外周面8aに押さえ付けられた用紙Pは、外周面8a上に保持されつつ、排紙トレイ12に向けて搬送される。
用紙搬送経路に沿ってベルトローラ6のすぐ下流側には、剥離板14が設けられている。剥離板14は、搬送ベルト8の外周面8a上に保持されている用紙Pを外周面8aから剥離して排紙トレイ12に向けて送る。
4つのインクジェットヘッド1は、用紙搬送方向に沿って並列されており、それぞれマゼンタ、イエロー、シアン、ブラックのインクを吐出する。つまりインクジェットプリンタ101は、ライン式プリンタである。各インクジェットヘッド1の下端には、用紙搬送方向に直交した方向に長尺な細長い直方体形状を有するヘッド本体2が設けられている。ヘッド本体2の下面が外周面8aに対向するインク吐出面2aとなっている。搬送ベルト8によって搬送される用紙Pが4つのヘッド本体2のすぐ下方を順に通過する際に、各ヘッド本体2のインク吐出面2aから用紙Pの表面に向けて各色のインクが吐出されることで、用紙Pの表面に所望のカラー画像が形成される。
次に、インクジェットヘッド1について説明する。
図2に示すように、インクジェットヘッド1の下端に設けられたヘッド本体2は、流路ユニット9及び4つのアクチュエータ群21(各領域を図3では実線、図4では二点鎖線で示す)を有している。図3及び図4に示すように、流路ユニット9の上面9aにおけるアクチュエータ群21と対応した領域には多数の圧力室110がマトリクス状に形成されている。流路ユニット9の下面、即ちインク吐出面2aにおけるアクチュエータ群21と対応した領域は、先端がインク吐出口となる多数のノズル108がマトリクス状に配列されたインク吐出領域となっている。多数のノズル108は、それぞれ圧力室110と対応して配置されている。アクチュエータ群21は、各圧力室110に個別に設けられた多数のアクチュエータ21aを含んでいる。アクチュエータ21aは、圧力室110内のインクに選択的に吐出エネルギーを付与する。各アクチュエータ21aは、対応する圧力室110の開口を塞ぐように流路ユニット9の上面に固定されている(図5参照)。
図2に戻って、各アクチュエータ群21に含まれる全アクチュエータ21aの上面に亘ってCOF(Chip On Film)50の一端近傍が固定されており、COF50の各端子(図示せず)がアクチュエータ21aとそれぞれ電気的に接続されている。COF50は、ドライバIC52が実装された平型柔軟基板である。COF50の他端は、制御基板54と電気的に接続されている。制御基板54は、ドライバIC52を介してアクチュエータ21aの駆動を制御する。ドライバIC52は、アクチュエータ21aを駆動する駆動信号を生成する。
ヘッド本体2の上面には、流路ユニット9にインクを供給するリザーバユニット71が固定されている。アクチュエータ群21、リザーバユニット71、COF50、及び制御基板54は、サイドカバー53及びヘッドカバー55によって覆われている。金属板であるサイドカバー53は、流路ユニット9の長手方向に沿って延在し、流路ユニット9の上面の幅方向両端近傍に固定されている。ヘッドカバー55は、2つのサイドカバー53の上端にこれらを跨ぐように固定されている。
リザーバユニット71は、互いに積層された4枚のプレート91,92,93,94を含む。リザーバユニット71の内部には、インクタンク等のインク供給源(図示せず)からインクが流入するインク流入流路(図示せず)、インクを一時的に貯溜するインクリザーバ61、及び10個のインク流出流路62(図2には1つのみ示す)が互いに連通するように形成されている。インク流出流路62は、流路ユニット9の上面に形成された10個のインク供給口105b(図3参照)を介して流路ユニット9と連通している。インク供給源からのインクは、インク流入流路、インクリザーバ61、及びインク流出流路62を順次通過し、インク供給口105bから流路ユニット9に供給される。プレート94の下面には、プレート94とCOF50との間に間隙が形成されるように、凹凸が形成されている。
COF50は、サイドカバー53とリザーバユニット71との間に挟まれつつ上方に延在し、他端において制御基板54に実装されたコネクタ54aと接続されている。ドライバIC52は、リザーバユニット71の側面に貼り付けられたスポンジ82によってサイドカバー53に向けて付勢されると共に、ヒートシンク81を介してサイドカバー53に固定されている。
次に、図3、図4、図5、図6、図7、及び図8を参照しつつ、ヘッド本体2についてより詳細に説明する。上述のように、ヘッド本体2は、流路ユニット9及び4つのアクチュエータ群21を含む(図3参照)。なお、図3及び図4では、アクチュエータ群21に含まれる各アクチュエータ21aを示さずアクチュエータ群21の領域のみを示している。図4では、それぞれ流路ユニット9の内部及び下面に形成されていて破線で描くべきアパーチャ112及びノズル108を実線で描いている。
流路ユニット9は、リザーバユニット71のプレート94とほぼ同じ平面形状の直方体形状を有する。図3に示すように、流路ユニット9の上面9aには、リザーバユニット71のインク流出流路62(図2参照)に対応して、計10個のインク供給口105bが設けられている。流路ユニット9の内部には、インク供給口105bに連通するマニホールド流路105及びマニホールド流路105から分岐した副マニホールド流路105aが形成されている。
図4に示すように、本実施形態では、等間隔に配置された多数の圧力室110からなる流路ユニット9の長手方向に延びた圧力室110の列が、1つのアクチュエータ群21内に16列形成されている。各圧力室列に含まれる圧力室110の数は、アクチュエータ群21の台形形状の領域の長辺(下底)に近いものほど多く、短辺(上底)に近いものほど少ない。ノズル108についても同様である。
各圧力室110は、角部にアールが施された菱形の平面形状を有しており、その長い方の対角線は流路ユニット9の幅方向に平行である。圧力室110の一方の鋭角部に対応した各圧力室110の一端はノズル108に連通しており、圧力室110の他方の鋭角部に対応した他端はアパーチャ112を介して副マニホールド流路105aに連通している。
図5に示すように、流路ユニット9は、上から順に、キャビティプレート122、ベースプレート123、アパーチャプレート124、サプライプレート125、3枚のマニホールドプレート126,127,128、カバープレート129、及びノズルプレート130、という9枚のステンレス鋼等の金属プレートを含む。プレート122〜130はそれぞれ主走査方向に長尺な矩形平面形状を有する。
キャビティプレート122は、圧力室110に対応するほぼ平行四辺形の開口が多数設けられた金属プレートである。ベースプレート123は、キャビティプレート122の1つの圧力室110について、圧力室110とアパーチャ112との連絡孔及び圧力室110からノズル108への連絡孔がそれぞれ設けられた金属プレートである。アパーチャプレート124は、キャビティプレート122の1つの圧力室110について、アパーチャ112のほかに圧力室110からノズル108への連絡孔がそれぞれ設けられた金属プレートである。サプライプレート125は、キャビティプレート122の1つの圧力室110について、アパーチャ112と副マニホールド流路105aとの連絡孔及び圧力室110からノズル108への連絡孔がそれぞれ設けられた金属プレートである。マニホールドプレート126,127,128は、副マニホールド流路105aに加えて、キャビティプレート122の1つの圧力室110について、圧力室110からノズル108への連絡孔がそれぞれ設けられた金属プレートである。カバープレート129は、キャビティプレート122の1つの圧力室110について、圧力室110からノズル108への連絡孔がそれぞれ設けられた金属プレートである。ノズルプレート130は、キャビティプレート122の1つの圧力室110について、ノズル108に対応する孔がそれぞれ設けられた金属プレートである。
プレート122〜130は、流路ユニット9内にマニホールド流路105、副マニホールド流路105a、及び、副マニホールド流路105aの出口から絞りとして機能するアパーチャ112さらに圧力室110を経てノズル108に至る多数の個別インク流路132(図5参照)が形成されるように、互いに位置合わせしつつ積層されている。個別インク流路132は、圧力室110毎に個別のインク流路であって、副マニホールド流路105aからまず上方へ向かい、アパーチャ112において水平に延在し、それからさらに上方に向かい、圧力室110に連通する。そして、圧力室110において再び水平に延在し、それからしばらくアパーチャ112から離れる方向に斜め下方に向かってから垂直下方にノズル108へと向かう。
図6に示すように、キャビティプレート122において、平面視略菱形形状の圧力室110の両鋭角部近傍に対応する部分には、断面視湾曲状のオーバーハング部51が形成されている。オーバーハング部51が形成されたことにより、圧力室110の内部空間は、流路ユニット9の上面9aに沿った長さ(図6の左右方向の長さ)が、上面9aからそのやや下方までが最も小さく、それより下方へと上面9aから離れるほど大きくなっている。キャビティプレート122において、オーバーハング部51は、圧力室110の側面51aとベースプレート123との交線をキャビティプレート122の厚み方向に延長した環状曲面51bと、圧力室110の側面51aとによって挟まれたキャビティプレート122の部分である。また図7に示すように、平面視におけるオーバーハング部51の領域は、側面51aの上面9aとの交線である内縁51a1と、環状曲面51bの外縁とに囲まれた領域である。
次に、アクチュエータ群21について説明する。
図3に示すように、4つのアクチュエータ群21は、それぞれ台形形状の領域を有し、インク供給口105bを避けるよう主走査方向に千鳥状に配置されている。アクチュエータ群21の台形領域の平行対向辺は流路ユニット9の長手方向に延在している。隣接するアクチュエータ群21の台形領域の斜辺同士は、副走査方向に沿ってオーバーラップしている。
図6に示すように、アクチュエータ群21に含まれる各アクチュエータ21aは、4枚の圧電シート41,42,43,44、最上層の圧電シート41の上面に形成された個別電極35、圧電シート41とその下側の圧電シート42との間に全面に亘って形成された略2μmの厚みの共通電極34、及び、個別電極35と電気的に接続された円形のランド37を含む。圧電シート42と圧電シート43の間及び圧電シート43と圧電シート44との間に電極は配置されていない。
圧電シート41〜44は、共に強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系のセラミックス材料からなり、15μm程度の厚みで、図7に示すように一の圧力室110の領域に対応した平行四辺形形状を有する。平面視において、対応する圧力室110の全体が圧電シート41〜44内に収まっている。
個別電極35及び共通電極34は共に、例えばAg−Pd系などの金属材料からなる。個別電極35は、図7に示すように、圧力室110とほぼ相似でこれよりも一回り小さい略平行四辺形の平面形状を有する主電極部36、及び、主電極部36における鋭角部の一方から主電極部36の長手方向に延出した延出部38を含む。主電極部36は対応する圧力室110に対向する領域内に配置されており、延出部38は主電極部36の一端から圧力室110に対向しない領域へと延出している。主電極部36及び延出部38は略1μmの厚みを有する。
ランド37は、例えばガラスフリットを含む金からなり、略160μmの径を有する。ランド37は延出部38の先端の表面上に接着されることで圧電シート41の表面からの高さが主電極部36及び延出部38より高くなっている(図6参照)。各ランド37にはCOF50の端子(図示せず)が加圧接合される。平面視において、ランド37の全体がオーバーハング部51と重なり合っている。
共通電極34及び個別電極35はそれぞれCOF50(図2参照)に設けられた配線を介してドライバIC52と接続されている。共通電極34には、グランド電位に保持された信号がドライバIC52から供給される。個別電極35には、印字すべき画像パターンに応じてグランド電位と正電位とを交互に取る駆動信号がドライバIC52から供給される。
ここで、アクチュエータ21aの駆動方法について説明する。圧電シート41はその厚み方向に分極されている。つまり、アクチュエータ21aは、圧力室110から最も離れた圧電シート41を活性部が存在する層とし且つこれより下側の圧力室110に近い3枚の圧電シート42〜44を非活性層とした、所謂ユニモルフタイプである。個別電極35を正又は負の所定電位にして圧電シート41の個別電極35と共通電極34とに挟まれた活性部に対してその分極方向に電界を印加すると、圧電横効果により分極方向と直交する方向、即ち面方向に縮む。一方、圧電シート42〜44は電界の影響を受けないため自発的には変形しないので、上層の圧電シート41と下層の圧電シート42〜44との間で面方向への歪みに差が生じることとなり、圧電シート41〜44全体が圧力室110に向けて凸となるように変形しようとする(ユニモルフ変形)。ここで、圧電シート41〜44は圧力室110を区画するキャビティプレート122の上面に固定されているので、結果的に圧電シート41〜44の活性部に相当する領域が圧力室110に向かって凸になるように変形する。このような変形が生じることで、圧力室110の容積が低下し、圧力室110内のインクに圧力つまり吐出エネルギーが付与され、ノズル108からインク滴が吐出される。その後、個別電極35を共通電極34と同じ電位に戻すと、圧電シート41〜44は元の形状になって圧力室110の容積が元の容積に戻り、マニホールド流路105から圧力室110内にインクが吸い込まれる。
他の駆動方法として、予め個別電極35を共通電極34と異なる電位にしておき、吐出要求がある毎に個別電極35を共通電極34と一旦同じ電位とし、その後所定のタイミングにて再び個別電極35を共通電極34と異なる電位にすることもできる。この場合は、初期状態において、圧電シート41〜44の活性部に相当する領域が圧力室110に向かって凸となるように変形している。そして吐出要求の際、個別電極35が共通電極34と同じ電位になるタイミングで、圧電シート41〜44が平坦な形状になり、圧力室110の容積が初期状態と比較して増加することにより、マニホールド流路105から圧力室110内にインクが吸い込まれる。その後、再び個別電極35を共通電極34と異なる電位にしたタイミングで、圧電シート41〜44の活性部に相当する領域が圧力室110に向かって凸となるように変形し、圧力室110の容積低下によりインクへの圧力が上昇し、インクが吐出される。
図8は、アクチュエータ群21内におけるアクチュエータ21a及び圧力室110の配置を部分的に示す説明図である。平行四辺形領域10は流路ユニット9の上面9aを格子状に区画した仮想領域であり、各領域10内に圧力室110及びこれに対応するアクチュエータ21aが配置されている。アクチュエータ21aに含まれる圧電シート41〜44は領域10の外縁と略同じ平行四辺形の平面形状であって、隣接するアクチュエータ21aの圧電シート41〜44は若干の隙間を介して互いに離隔している。アクチュエータ21aは、圧力室110に対応するよう、平面視においてマトリクス状に配置されている。ランド37は、隣接する別のアクチュエータ21aの主電極部36間に位置するように配置されている。
以上に述べたように、本実施形態のインクジェットヘッド1によると、図6に示すようにオーバーハング部51上にランド37が配置されていることから、圧力室110と対向する領域外(図6の曲面51bより左側)にランド37を配置した場合に比べて、圧力室110をより高密度に配置することができる。
また、圧電シート41〜44が複数の圧力室110に跨っている場合は、電圧印加時に圧電シート41〜44の個別電極35及びランド37に対向した領域が変形して、隣接の圧力室110に対してクロストークが生じるが、本実施形態のように各圧力室110に対向する圧電シート41〜44が互いに離隔している場合はクロストークがほとんど生じない。したがって、隣接する圧力室110に連通したノズル108から同時にインクを吐出する場合であっても、ノズル108からのインク吐出量及びインク吐出速度が所望の値となり、印刷品質が向上する。
しかも、平面視においてランド37がオーバーハング部51と重なり合っているため、ランド37にCOF50の端子を接合する際や圧電シート41〜44を流路ユニット9に固定する際等に、ランド37への加圧力がオーバーハング部51に伝わり、圧電シート41〜44が破損しにくい。例えば、圧力室110の高密度配置を実現するために、ランド37を主電極部36に近づけてオーバーハング部51と重なり合わない位置に配置すると、ランド37と圧力室110との間には4枚の圧電シート41〜44だけが存在することになる。この場合、セラミックス材料からなる脆弱な圧電シート41〜44が、ランド37とCOF50の端子とを接合する際や圧電シート41〜44を流路ユニット9に固定する際等に加わる圧力によって破損するのを防止するために、加圧力を小さくしなければならない。そのため、ランド37及びCOF50の端子、又は、圧電シート41〜44及び流路ユニット9の高い接合強度を確保することができなくなってしまう。これに対し、本実施形態では、ランド37と圧力室110との間に圧電シート41〜44に加えてオーバーハング部51が存在するので、オーバーハング部51の厚みの分だけ剛性が高くなり、その分だけ圧電シート41〜44が破損しにくくなる。したがって、ランド37及びCOF50の端子、又は、圧電シート41〜44及び流路ユニット9を十分な圧力で強固に接合することができる。
例えばランド37にオーバーハング部51と重なり合わずに圧力室110と重なり合う部分がある場合は、ランド37にCOF50の端子を接合する際や圧電シート41〜44を流路ユニット9に固定する際等に、圧電シート41〜44における圧力室110のオーバーハング部51が形成されていない領域と対向する部分が破損しやすい。これに対し、本実施形態では、図7に示すように、平面視においてランド37にはオーバーハング部51と重なり合わずに圧力室110と重なり合う部分がないため、圧電シート41〜44がより破損しにくく、十分な力で両者をより強固に接合することができる。さらに、ランド37がオーバーハング部51を超えて圧力室110と重なり合わないので、圧電シート41〜44の変形が阻害されることがほとんどない。
また本実施形態では、平面視において、ランド37の全体がオーバーハング部51と重なり合っている。これにより、ランド37の一部がオーバーハング部51を超えた領域(図6の曲面51bより左側)にある場合に比べて、さらなる圧力室110の高密度配置が可能となっている。
さらに、平面視において圧力室110の全体が圧電シート41〜44内に収まっていること、及び、圧力室110が平行四辺形形状を有しておりランド37がその1つの頂点付近に設けられていることによって、流路ユニット9の上面9aに圧力室110を効率よく配置することができ、さらなる圧力室110の高密度配置が可能となっている。
オーバーハング部51は、圧力室110におけるインクの入口及び出口、即ちアパーチャ112及びノズル108との連絡孔が連通する圧力室110の鋭角部に形成されている。これにより、インクの圧力室110への流入及び流出がスムーズになるため、圧力室110内に気泡が残留しにくい、つまりたとえ気泡が発生したとしても当該気泡が圧力室110から排出されやすい。圧力室110内の気泡は、各ノズル108からのインクの吐出にばらつきを生じさせ、印刷品質を悪化させるという問題を引き起こすが、上記構成ではこのような問題を軽減することが可能である。
図6に示すように、オーバーハング部51に対応する圧力室110の側面51aは湾曲形状である。これにより、インクの圧力室110への流入及び流出がスムーズになるため、圧力室110内に気泡がより残留しにくい、つまりたとえ気泡が発生したとしても当該気泡が圧力室110からより排出されやすい。
続いて、図9を参照しつつ、本実施形態に係るインクジェットヘッド1の製造方法について説明する。図9は、インクジェットヘッド1に含まれるヘッド本体2の製造方法を示すフローチャートである。
先ず、流路ユニット9とアクチュエータ群21の元となる台形部材とを別々に作製する。
流路ユニット9を作製するには、先ず9枚のステンレス鋼等の金属プレートにそれぞれパターニングされたフォトレジストをマスクとしたエッチングを施して孔を形成し、プレート122〜130を作製する(S1)。このとき、キャビティプレート122となるプレートについては、面内に多数の平行四辺形領域10(図8参照)を想定し、当該領域10内にそれぞれ圧力室110に対応する開口が形成されるようにエッチングを施す。具体的には、図7に示す内縁51a1に対応した比較的小さな孔を有するマスク(レジスト膜)と、曲面51bの外縁に対応する比較的大きな孔を有するマスク(レジスト膜)との2つのマスクを用いて、一方の面から2度エッチングすることによって、オーバーハング部51を有する圧力室110の側面51aを形成する。このようにエッチングを行うことで、上述のような形状のオーバーハング部51を形成しやすい。
その後、プレート122〜130を、図5に示す個別インク流路132が形成されるように互いに位置合わせしつつエポキシ系の熱硬化性接着剤を介して積層し、熱硬化性接着剤の硬化温度以上の温度に加熱しつつ加圧する。これにより、熱硬化性接着剤が硬化してプレート122〜130が互いに固着され、流路ユニット9が得られる。
アクチュエータ群21の元となる台形部材を作製するには、先ず圧電セラミックスのグリーンシートを4枚用意する。グリーンシートは、予め焼成による収縮量を見込んで形成される。そのうちの2枚のグリーンシート上に、それぞれ個別電極35及び共通電極34のパターンで導電性ペーストをスクリーン印刷する。そして、治具を用いてグリーンシート同士を位置合わせしつつ、印刷のされていないグリーンシートを2枚重ねる。この上に、共通電極34の印刷されたパターンを上にしてグリーンシートを1枚重ね、さらに個別電極35の印刷されたパターンを上にしてグリーンシートを1枚重ねる(S3)。
そして、S3で得られた積層体を公知のセラミックスと同様に脱脂し、所定の温度で焼成する(S4)。これにより、4枚のグリーンシートが圧電シート41〜44となり、導電性ペーストが個別電極35及び共通電極34となる。その後、各個別電極35の延出部38上にガラスフリットを含む金を印刷し、多数のランド37を形成する(S5)。これにより、最上面に多数の個別電極35及びランド37が形成され且つ内部に共通電極34が形成された板状体が得られる。しかる後、アクチュエータ群21の領域である台形形状に沿って、板状体を切断する(S6)。こうして、アクチュエータ群21の元となる台形部材が4つ得られる。
次に、流路ユニット9の上面9aに、熱硬化性接着剤を介して4つの台形部材をそれぞれ図3に示すアクチュエータ群21の領域に配置する(S7)。このとき各台形部材は、個別電極35が圧力室110と対向するように、ランド37の全体が平行四辺形領域10内に収容されるように、且つ、ランド37がオーバーハング部51と重なり合うように、位置合わせされる。
そして、ランド37によって支持されるようにセラミックヒータ等の加熱・加圧装置を台形部材上に載置し、流路ユニット9と台形部材との積層体を熱硬化性接着剤の硬化温度以上に加熱しながら加圧する(S8)。S9においてこの積層体を自然冷却し、その後、カッターを用いて台形部材を図8に示す多数の平行四辺形領域10に区画するように切断する(S10)。これにより、台形部材はアクチュエータ群21に含まれる多数のアクチュエータ21aに分割される。このようにして形成されたアクチュエータ21aはそれぞれ、圧力室110に対向してその開口を塞ぐと共に、平面方向に互いに離隔している。
以上の工程によってヘッド本体2が完成する。その後、ランド37上に熱硬化性の導電性接着剤を塗布し、COF50に形成された端子とランド37とが重なり合うように位置合わせした状態でCOF50をヘッド本体2に向けて加圧しつつ加熱することによって、両者を接合する。さらに、リザーバユニット71を流路ユニット9の上面9aに固定することにより、インクジェットヘッド1が完成する。
以上に述べたように、本実施形態のインクジェットヘッド1の製造方法によると、図8に示すようにランド37の全体が平行四辺形領域10内にあるので、S10において台形部材を一直線に沿って格子状に分割すればよい。例えばランド37が隣接する平行四辺形領域10に跨って配置されている場合には、一直線に沿って格子状に分割することができず、S10の工程が困難になるが、本実施形態によると、台形部材をカッターを用いて容易に分割することができる。
なお、流路ユニット9の作製工程と、アクチュエータ群21の元となる台形部材の作製工程は、独立に行われるものであるため、いずれを先に行ってもよいし、並行して行ってもよい。
製造方法の変形例として、流路ユニット9上に台形部材を固定した後に、圧電シート41上に個別電極35及び/又はランド37を形成してよい。また、流路ユニット9上に圧電シート41〜44を順次積層・焼成してよい。流路ユニット9上に固定する前に台形部材を予め分割し、分割により得られたアクチュエータ21aをそれぞれ流路ユニット9上に固定してよい。
続いて、図10、図11、及び図12を参照しつつ、オーバーハング部の変形例について説明する。なお、上述したものと同じ構成要素については同じ参照符号を付して説明を省略する。
図10に示す変形例において、オーバーハング部151は、流路ユニット9の上面9aのやや下方で突出量が最大となっており、それより下方へと上面9aから離れるほど突出量が減少している。オーバーハング部151を有する圧力室110は、副マニホールド流路105aに連通する連絡孔とノズル108に連通する連絡孔とに跨った大きさの孔151aが形成されるようにキャビティプレート122の下面からエッチングし、且つ、孔151aより小さく且つこれと相似形状な孔151bが形成されるようにキャビティプレート122の上面からエッチングすることにより、形成されてよい。このようにキャビティプレート122の両面からエッチングを施すことで、キャビティプレート122の正確な位置に圧力室110を形成することができ、圧力室110の位置精度が高いインクジェットヘッドを製造することができる。これは、圧力室110を形成する2つの孔151a,151bをキャビティプレート122の両面からそれぞれ位置決めしつつ形成することができるからである。
図11に示す変形例は、キャビティプレート122が2枚のシート22a,22bを含む点を除いて、図10に示す変形例と同様である。それぞれ孔151a,151bが形成されたシート22a,22bを、孔151a,151bが連通して1つの孔となるように接着剤で貼り合わせることで、キャビティプレート122が形成されている。このようにキャビティプレート122が2枚のシート22a,22bを含むことで、圧力室110の側壁形状を高い自由度で決めることができる。したがって、圧力室110の側壁を図11に示す形状以外にも容易に形成することができる。
図12に示す変形例において、キャビティプレート222は3枚のシート222a,222b,222cを含む。シート222a〜222cは、それぞれ孔251a,251b,251cを有し、孔251a〜251cが重なり合うように互いに積層されている。孔251a〜251cは互いに相似な略平行四辺形形状であって、孔251aは孔251bより小さく且つ孔251cより大きい。オーバーハング部251は、最上層のシート222aにおけるシート222bからの突出部に相当する。シート222cもシート222aと同じ方向に突出しているが、シート222aとシート222cとの間に空隙があるために、ランド37への加圧力はシート222aの突出部に伝達され、COF50の端子との接合圧又は圧電シート41〜44の流路ユニット9への接合圧を増大させることにシート222cは寄与しない。図12に示す変形例に類似の例として、キャビティプレートが3枚のシートを含み、最上層に位置するシートの孔が一番大きく形成され、下位に位置するシートの孔が互いに同じサイズか或いは下位のシートほど大きなサイズの孔が形成されていてもよい。いずれにしても、圧力室の内側に突出した部分がアクチュエータやCOFの積層固定時の加圧力を受け止め、この加圧力によるアクチュエータの破損が防止される。
続いて、図13及び図14を参照しつつ、ランド37の位置の変形例について説明する。なお、上述したものと同じ構成要素については同じ参照符号を付して説明を省略する。
図13及び図14に示す変形例において、ランド37は、全体ではなく一部のみがオーバーハング部51と重なり合っている。図13に示すランド37は図7の実施形態よりも圧力室110から離れる方向に配置されており、図14に示すランド37は図7の実施形態よりも圧力室110に近づく方向に配置されている。図13に示す延出部38は図7の延出部38よりも長く、図14に示す延出部38は図7の延出部よりも短い。このように、ランド37は平面視において少なくとも一部がオーバーハング部51と重なり合うように配置されればよい。なお、図14に示す構成の場合、ランド37の一部は圧力室110の開口上に位置することになる。アクチュエータやCOFの積層固定時に、アクチュエータの破損を防ぐためには、少なくともランド37の中心がオーバーハング部51と重なる位置にあるとよい。
続いて、図15(a),(b)を参照しつつ、個別電極の変形例について説明する。なお、上述したものと同じ構成要素については同じ参照符号を付して説明を省略する。
図15(a),(b)に示す変形例において、個別電極135は、圧力室110の長手方向に沿って延在したU字型の主電極部136、及び、主電極部136における圧力室110の一方の鋭角部に対応する部分から延出した延出部138を有する。主電極部136は圧力室110の中央を避けるように配置されている。ランド137は、延出部138の先端の表面上に形成されており、上述の実施形態と同様に平面視においてその全体がオーバーハング部51と重なり合っている。
個別電極135に駆動電圧が供給されると、圧電シート41において主電極部136と共通電極34とで挟まれた活性部(図15(b)に示す領域A1に相当する部分)に、分極方向即ち厚み方向に電界が印加される。すると、圧電シート41の活性部は圧電横効果により分極方向と直交する方向、即ち面方向に縮む。一方、圧電シート42〜44の領域A1に相当する部分は自発的に変形しないので、上層の圧電シート41と下層の圧電シート42〜44との間で面方向への歪みに差が生じることとなり、圧電シート41〜44の領域A1に相当する部分が圧力室110に向けて凸となるように変形しようとする。しかし、圧電シート41〜44の領域A3に相当する部分がキャビティプレート122の上面に固定されているので、結果的に圧電シート41〜44の領域A1に相当する部分は圧力室110とは反対側に反るように変形する。これに伴って、自発的に変形しない圧電シート41〜44の領域A2に相当する部分も圧力室110とは反対側に反るように変形し、図15(b)に示すように、圧電シート41〜44の圧力室110に対向する部分が圧力室110と反対側に凸となるように変形する。これにより、圧力室110の容積が増加し、圧力室110内に負の圧力波が発生する。そして、当該圧力波が圧力室110の長手方向に沿って片道伝搬して正の圧力波に転じたタイミングで個別電極135への電圧供給を停止すると、圧電シート41〜44が元の平坦な状態となり、圧力室110の容積が減少する。このとき、圧力室110の容積増加に伴って発生した圧力波と圧電シート41〜44の復元に伴って発生する圧力波とが合成されることにより、圧力室110内のインクに大きな圧力が付与され、ノズル108からインク滴が吐出される。
図15(a),(b)に示す変形例によると、圧力室110の容積を効率よく変化させることができ、比較的低い駆動電圧によってアクチュエータ21aを駆動することが可能である。
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。
例えば、オーバーハング部は、流路ユニット9の上面9aに沿った内部空間の長さが上面9aから離れるほど大きくなるように形成されている限り、その形状は上述したものに限定されない。また、オーバーハング部は、圧力室110におけるインクの入口及び出口の一方のみに設けてもよいし、入口及び出口のいずれでもない位置に設けてもよい。
上述した実施形態では、共通電極34及び圧電シート42〜44が振動板として機能するが、振動板を上記以外の様々な形態とすることが可能である。例えば、4圧電シート43,44を導電性材料からなる平板と置換してよい。この場合、圧電シート42が絶縁体であるため、共通電極34と金属板とが電気的に接続されない。また、共通電極34及び圧電シート42,43を省略し、圧電シート44を共通電極として機能する振動板である導電性材料からなる平板に置換してよい。上記平板は、複数の圧力室110に跨って配置されてよい。また、圧電シート43、44を省略し、圧電シート42を複数の圧力室110に跨るように形成してもよい。このとき、共通電極34は、圧力室110毎に形成されていても、複数の圧力室110に跨って形成されていてもよい。
アクチュエータ21aに含まれる圧電シートや電極の材料は、上述したものに限らず、その他の公知の材料に変更してもよい。また、非活性層として、圧電シート以外の絶縁シートを用いてよい。活性部を含む層の数、非活性層の数等も適宜変更してもよく、圧電シートの積層数に伴って、個別電極及び共通電極の数も適宜変更してよい。また、上述の実施形態では共通電極34をグランド電位に保つものとしているが、各圧力室110に共通の電位であればこれに限定されるものではない。上述の実施形態では活性部を含む層よりも圧力室110に近い側に非活性層が配置されているが、非活性層よりも圧力室110に近い側に活性部を含む層を配置してよいし、非活性層を設けなくてもよい。ただし、上述の実施形態のように活性部を含む層よりも圧力室110に近い側に非活性層を設けることで、アクチュエータ21aの変形効率の向上を期待することができる。
上述の実施形態では、アクチュエータ21aを多数含むアクチュエータ群21が千鳥状に配置されているが、1列に配置されてもよいし、3列以上に千鳥状に配置されてもよい。また、アクチュエータ群21の領域は台形に限定されない。さらに、アクチュエータ21aは群状に配置されることに限定されない。
圧力室110及びこれに対応する個別電極35は、マトリクス状に配置されることに限定されず、1列に配置されてもよい。
圧力室110及び個別電極35の平面形状は平行四辺形に限定されず、様々な形状であってよい。また、圧力室110が収容される領域10は、平行四辺形に限定されず、様々な形状であってよい。
本発明に係るインクジェットヘッドは、ラインプリンタに限定されず、ヘッドが往復移動するシリアルプリンタにも適用可能である。また、プリンタに限定されず、インクジェット式のファクシミリやコピー機等にも適用可能である。
本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッドを含むインクジェットプリンタの全体的な構成を示す概略側面図である。 図1に示すインクジェットヘッドの幅方向に沿った断面図である。 図2に示すヘッド本体の平面図である。 図3に示す一点鎖線で囲まれた領域の拡大図である。 図4に示すV―V線断面図である。 図5に示す一点鎖線で囲まれた領域の拡大図である。 図6に示すアクチュエータの平面図である。 1のアクチュエータ群内におけるアクチュエータ及び圧力室の配置を部分的に示す説明図である。 ヘッド本体の製造方法を示すフローチャートである。 オーバーハング部の第1変形例を示す、図6に対応した図である。 オーバーハング部の第2変形例を示す、図6に対応した図である。 オーバーハング部の第3変形例を示す、図6に対応した図である。 ランドの位置に関する第1変形例を示す、図7に対応した図である。 ランドの位置に関する第2変形例を示す、図7に対応した図である。 (a)は、個別電極の変形例を示す平面図である。(b)が、(a)に示すB―B線断面図である。
符号の説明
1 インクジェットヘッド
2 ヘッド本体
9 流路ユニット(流路部材)
10 四角形領域
21 アクチュエータ群
21a アクチュエータ
34 共通電極(振動板)
35,135 個別電極
36 主電極部
37 ランド
38 延出部
41 圧電シート(圧電層)
42,43,44 圧電シート(振動板)
51,151,251 オーバーハング部
51a 側壁
101 インクジェットプリンタ
108 ノズル
110 圧力室
122 キャビティプレート(流路部材)
132 個別インク流路(個別液体流路)

Claims (9)

  1. 液体吐出口が一端に設けられた個別液体流路の一部として形成された複数の圧力室と、前記複数の圧力室の内部空間を露出させる開口が形成された平面とを有する流路部材と、
    複数の前記開口を塞ぐように前記平面に固定された一又は複数の振動板と、
    前記平面に沿った方向に互いに離隔していると共に、前記複数の圧力室のそれぞれに対向するように前記振動板上に形成された複数の圧電層と、
    前記複数の圧電層上にそれぞれ形成された複数の個別電極と、
    前記圧電層の表面からの高さが前記個別電極よりも大きく且つ前記複数の個別電極とそれぞれ電気的に接続された複数のランドとを備えており、
    前記圧力室の側壁には、前記平面に沿った前記内部空間の長さが前記平面から離れるほど大きくなるようにオーバーハング部が形成されており、
    前記平面と直交する方向から見て、前記ランドの少なくとも一部が前記オーバーハング部と重なり合っていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  2. 前記平面と直交する方向から見て、前記ランドには、前記オーバーハング部と重なり合わずに前記圧力室と重なり合う部分がないことを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
  3. 前記平面と直交する方向から見て、前記ランドの全体が前記オーバーハング部と重なり合っていることを特徴とする請求項2に記載の液体吐出ヘッド。
  4. 前記平面と直交する方向から見て、前記圧力室の全体が前記圧電層内に収まっていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  5. 前記平面と直交する方向から見て、前記圧力室が四角形形状を有しており、前記ランドがその1つの頂点付近に設けられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  6. 前記オーバーハング部が、前記圧力室における液体の入口及び出口の少なくとも一方に設けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  7. 前記オーバーハング部が、前記圧力室における液体の入口及び出口の両方に設けられていることを特徴とする請求項6に記載の液体吐出ヘッド。
  8. 前記オーバーハング部に対応する前記圧力室の側壁が湾曲形状であることを特徴とする請求項6又は7に記載の液体吐出ヘッド。
  9. 液体吐出口が一端に設けられた個別液体流路の一部として形成された複数の圧力室と、前記複数の圧力室の内部空間を露出させる開口が形成された平面とを有する流路部材を作製する流路部材作製工程と、
    複数の前記開口を塞ぐ振動板を前記平面に固定する振動板固定工程と、
    前記振動板上に、前記複数の圧力室に対向する1枚の圧電層を配置する圧電層配置工程と、
    前記圧電層上に、前記複数の圧力室と対向する複数の個別電極を配置する個別電極配置工程と、
    前記圧電層の表面からの高さが前記個別電極よりも大きく且つ前記複数の個別電極と電気的に接続された複数のランドを形成するランド形成工程と、
    前記圧電層を、前記複数の圧力室に対向しており且つ前記平面に沿った方向に互いに離隔した複数の部分に分割する分割工程とを備えており、
    前記流路部材作製工程において、前記圧力室の側壁に、前記平面に沿った前記内部空間の長さが前記平面から離れるほど大きくなるようなオーバーハング部を形成すると共に、前記複数の開口を、前記平面を格子状に区画する複数の四角形領域内に位置させ、
    前記ランド形成工程において、前記ランドの全体を前記四角形領域内に収容すると共に、前記平面と直交する方向から見て、前記ランドの少なくとも一部を前記オーバーハング部と重なり合わせることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
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