JP2009006603A - 圧電アクチュエータ及びその製造方法、液体吐出ヘッド、画像形成装置 - Google Patents

圧電アクチュエータ及びその製造方法、液体吐出ヘッド、画像形成装置 Download PDF

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Abstract

【課題】複数の圧電素子部材を隙間を空けて並べて配置した状態で溝加工を施して複数の圧電素子柱を形成するとき、圧電素子部材間の隙間を加工する時にブレードの中心と隙間の中心とのずれ量が大きくなるとブレードに対する抵抗に偏りが生じてブレードが斜めに曲がって加工される。
【解決手段】圧電アクチュエータ1は圧電素子部材PZT1〜PZT3を共通のベース部材4に隙間3を空けて列状に並べて接合配置され、隙間3の中心と溝加工用ブレードの中心とが合わされて溝5が形成され、各溝5の中心間距離と圧電素子柱11の必要数に基づいて圧電素子部材PZTに対する溝5が加工されて必要数の圧電素子柱11が形成され、圧電素子部材PZT1、PZT2、PZT3はそれぞれ異なるピッチP1、P2、P3で圧電素子柱11が形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は圧電アクチュエータ及びその製造方法、液体吐出ヘッド、画像形成装置に関する。
一般に、プリンタ/ファックス/コピア或いはこれらの機能を複合した画像形成装置としては、例えば、記録液(液体)の液滴を吐出する液体吐出ヘッドで構成した記録ヘッドを含む液体吐出装置を用いて、媒体(以下「用紙」ともいうが材質を限定するものではなく、また、被記録媒体、記録媒体、転写材、記録紙なども同義で使用する。)を搬送しながら、液体としての記録液(以下、インクともいう。)を用紙に付着させて画像形成(記録、印刷、印写、印字も同義語で用いる。)を行なうものがある。
なお、画像形成装置は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液体を吐出して画像形成を行う装置を意味し、また、「画像形成」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与することをも意味する。また、画像形成装置は単に液滴を吐出する液体吐出装置を含む意味で用いる。
液体吐出ヘッドとしては、液室内の液体であるインクを加圧する圧力を発生するための圧力発生手段(アクチュエータ手段)として圧電素子、特に圧電層と内部電極を交互に積層した積層型圧電素子を用いて、積層型圧電素子のd33又はd31方向の変位で液室の壁面を形成する弾性変形可能な振動板を変形させ、液室内容積/圧力を変化させて液滴を吐出させるいわゆる圧電アクチュエータを用いた圧電型ヘッドが知られている。
このような圧電アクチュエータを用いた液体吐出ヘッドとして、例えば、特許文献1には複数の圧電素子が溝加工で形成された複数の圧電素子部材が、複数の圧電素子の並び方向に沿って一つのベース部材に配置されている長尺ヘッドが記載されている。
特開2006−175845号公報
特許文献2には、単独でノズルアクチュエータを構成する複数のチップの側面同士を接合してライン状に形成した長尺ヘッドが記載されている。
特開2003−266711号公報
また、圧電素子部材から複数の圧電素子柱を形成する方法としては、特許文献3に記載されているように、圧電素子部材をベース部材に接合した状態でダイシングブレードなどによって溝加工を施す方法が知られている。
特開平8−142325号公報
その他、サーマル型液体吐出ヘッドに関しては特許文献4ないし6が知られている。
特開平8−127126号公報 特開平10−157148号公報 特開平8−118642号公報
上述したように、画像形成装置としての例えばインクジェット記録装置には高速印字が求められている。この場合、滴吐出周波数を高くする、ノズル数を多くするといった手段があるが、滴吐出周波数を高くすると、それに伴いキャリッジを高速で動かさなければならず、強力なモータを精度よく制御する、高周波で安定して滴吐出をおこなうといった課題を解決しなければならないことから、ヘッドを長くしてノズル数を増やすラインヘッドなどの長尺化が必要になってくる。
ここで、圧電アクチュエータを用いる液体吐出ヘッドの場合には、特許文献1に記載されているように複数の圧電素子柱が形成された複数の圧電素子部材を並べて配置することで長尺化を図ることが好ましい。
ところが、この場合、ベース部材上に接合した圧電素子部材に対してダイシングブレードなどで溝加工を施すとき、圧電素子部材間の隙間を加工する時にブレードの中心と隙間の中心とのずれ量が大きくなると、ブレードに対する抵抗に偏りが生じてブレードが斜めに曲がって加工され、隙間における加工品質が低下するという不具合が生じる。
そこで、圧電素子部材間の隙間の幅をブレードの幅に一致させて隙間には溝加工を施さない構成、複数の圧電素子部材の長さを高精度に揃え、かつ、隙間の幅を高精度に揃える構成なども考えられるが、これらの構成では、いずれも圧電素子部材の製造やベース部材へ並べて配置するときの精度として極めて高いものが要求され、実用的ではないという問題が残る。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、圧電素子部材の寸法精度や配置時の隙間精度として高いものを要求することなく、各圧電素子柱の駆動特性のバラツキを低減しつつ、隙間におけるか高品質の低下を防止することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明に係る圧電アクチュエータは、複数の圧電素子柱が溝を介して形成された3個以上の圧電素子部材が圧電素子柱配列方向に一列に並べて配置され、
3個以上の圧電素子部材の内の少なくとも2個の圧電素子部材相互間で圧電素子柱のピッチが異なっている構成とした。
ここで、1つの圧電素子部材内では圧電素子柱のピッチが同じである構成とできる。また、1つの圧電素子部材内で圧電素子柱のピッチが異なっている構成とできる。また、隣り合う圧電素子部材間の隙間の中心とこの隙間に形成された溝の中心とが同じ位置にある構成とできる。また、3個以上の圧電素子部材が並べられた列を2列以上有し、各列の圧電素子部材の隙間が列に沿う方向で揃えられ、隙間に対して複数回の溝加工で溝が形成されている構成とできる。
本発明に係る圧電アクチュエータは、複数の圧電素子柱が溝を介して形成された3個以上の圧電素子部材が圧電素子柱配列方向に一列に並べて配置された圧電素子部材の列を複数列有し、圧電素子部材の列は、隣り合う列との間で圧電素子部材の隙間の位置が列に沿う方向にずれて配置され、1つの圧電素子部材は、当該圧電素子部材の列の隙間と隣り合う列の一方の隙間に対応する領域と、当該圧電素子部材の列の隙間と隣り合う列の他方の隙間に対応する領域とで圧電素子柱のピッチが異なっている構成とした。
ここで、一の圧電素子部材の列の圧電素子部材の隙間の中心と当該隙間に対応する他の圧電素子部材の列の溝の中心とが列に沿う方向で同じ位置にある構成とできる。
本発明に係る圧電アクチュエータの製造方法は、3個以上の圧電素子部材をベース部材上に隙間を空けて一列に並べて配置する工程と、ベース部材上の圧電素子部材の隙間間距離を計測する工程と、計測結果に基づいて各圧電素子部材に加工するそれぞれの溝のピッチを算出する工程と、圧電素子部材に当該圧電素子部材に対応する溝のピッチで溝加工を施す工程とを行う構成とした。
本発明に係る液体吐出ヘッドは、本発明に係る圧電アクチュエータを備えたものである。
本発明に係る画像形成装置は、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えたものである。
本発明に係る圧電アクチュエータによれば、複数の圧電素子柱が溝を介して形成された3個以上の圧電素子部材が圧電素子柱配列方向に一列に並べて配置され、3個以上の圧電素子部材の内の少なくとも2個の圧電素子部材相互間で圧電素子柱のピッチが異なっている構成としたので、圧電素子部材の寸法精度や配置時の隙間精度として高いものを要求することなく、各圧電素子柱の駆動特性のバラツキを低減しつつ、隙間における加工品質の低下を防止できるようになる。
本発明に係る圧電アクチュエータによれば、複数の圧電素子柱が溝を介して形成された3個以上の圧電素子部材が圧電素子柱配列方向に一列に並べて配置された圧電素子部材の列を複数列有し、圧電素子部材の列は、隣り合う列との間で圧電素子部材の隙間の位置が列に沿う方向にずれて配置され、1つの圧電素子部材は、一端部側の隙間と隣り合う列の隙間に対応する領域と、他端部側の隙間と隣り合う列の隙間に対応する領域とで圧電素子柱のピッチが異なっている構成としたので、複数の列の隙間を同時に加工する必要がなくなるとともに、圧電素子部材の寸法精度や配置時の隙間精度として高いものを要求することなく、各圧電素子柱の駆動特性のバラツキを低減しつつ、隙間における加工品質の低下を防止できるようになる。
本発明に係る圧電アクチュエータの製造方法によれば、3個以上の圧電素子部材をベース部材上に隙間を空けて一列に並べて配置する工程と、ベース部材上の圧電素子部材の隙間間距離を計測する工程と、計測結果に基づいて各圧電素子部材に加工するそれぞれの溝のピッチを算出する工程と、圧電素子部材に当該圧電素子部材に対応する溝のピッチで溝加工を施す工程とを行う構成としたので、圧電素子部材の寸法精度や配置時の隙間精度として高いものを要求することなく、各圧電素子柱の駆動特性のバラツキを低減しつつ、隙間における加工品質の低下を防止した圧電アクチュエータを得られる。
本発明に係る液体吐出ヘッドによれば、本発明に係る圧電アクチュエータを備えるので、滴吐出特性のバラツキの少ない長尺ヘッドを得ることができる。
本発明に係る画像形成装置によれば、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えているので、滴吐出特性のバラツキが少なく、高画質記録を行うことができる。
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。まず、本発明に係る圧電アクチュエータの第1実施形態について図1及び図2を参照して説明する。なお、図1は同圧電アクチュエータの模式的説明図、図2は同圧電アクチュエータの要部拡大説明図である。
この圧電アクチュエータ1は、3個以上(ここでは3個の例で図示)の圧電素子部材PZT1〜PZT3(区別しないときは、圧電素子部材PZTという。)を共通のベース部材4に隙間3を空けて一列に並べて接合配置されて構成されている。圧電素子部材PZTには、例えば図2に示すように、分断することのない幅Dの溝5が加工されることによって複数の圧電素子柱11が形成され、圧電素子部材PZTは圧電素子柱11の配列方向に一列に並べられている。また、圧電素子部材PZT間にも溝5が加工されている。
ここで、例えば圧電素子部材PZT1とPZT2の隙間3は幅T1、圧電素子部材PZT2とPZT3の隙間3は幅T2となっている。また、圧電素子部材PZT1の圧電素子柱11のピッチP1と、圧電素子部材PZT2の圧電素子柱11のピッチP2と、圧電素子部材PZT3の圧電素子柱11のピッチP3とは異なっている。
このように、各圧電素子部材の圧電素子柱のピッチが異なることで、各圧電素子部材PZTの長さ精度及び隙間3の寸法精度が高くない場合でも、各圧電素子柱11の駆動特性のバラツキを低減しつつ、隙間3における加工品質の低下を防止できるようになる。
この点を具体的に説明すると、図2に示すように、例えば隣り合う圧電素子部材PZT1、PZT2間の幅T1の隙間3にダイシングブレードで幅Dの溝5を加工するとき、隣り合う圧電素子部材PZT1、PZT2間の隙間3の中心とこの隙間3に形成される溝5の中心とが同じ位置になるようにダイシングブレード(加工ブレード)500の位置を定める(図2において、Da=Db,Ta=Tbとする。)。これによって、圧電素子部材PZT1、PZT2間の隙間3に加工ブレード500で溝5を加工するときに、加工ブレード500が斜めに入ることが防止されて、隙間3における加工品質の低下を防止できるようになる。同様に、図示しないが、圧電素子部材PZT2、PZT3間の幅T2の隙間3に加工ブレード500で溝5を加工するときも、隙間3の中心とこの隙間3に形成される溝5の中心とが同じ位置になるように加工ブレード500の位置を定めて溝加工を行う。
そして、1つの圧電素子部材PZT2については隙間3、3間の距離Lに基づいて各圧電素子柱11のピッチを決めて、所要数の圧電素子柱11を形成する。また、圧電素子部材PZT1、3については隙間3の中心位置からの長さに基づいて各圧電素子柱11のピッチを決めて、所要数の圧電素子柱11を形成する。そのため、複数の圧電素子部材PZT相互間では圧電素子柱11のピッチが異なるものとなる。しかしながら、圧電素子部材の長さ、隙間をある程度の範囲内で収めれば、各圧電素子部材の個々の圧電素子柱の幅による駆動特性のバラツキは実用的な許容範囲内に収めることができる。
これに対して、各圧電素子部材の圧電素子柱のピッチを等ピッチにしてダイシングブレードで溝加工を施すと、例えば図3に示すように、圧電素子部材PZT1、PZT2間の隙間でダイシングブレード500の中心Doが隙間3の中心Toからずれて、例えば仮想線で示すように斜めにブレード500が入り込んで加工され、隙間3に臨む圧電素子柱11が他の圧電素子柱11と大きく幅が異なって許容できない駆動特性のバラツキが生じることになる。そのため、圧電素子部材及び隙間を高精度に設定しなければならず、長尺ヘッドの組み立て工程が複雑になり、コストが増大することになる。
このように、複数の圧電素子柱が溝を介して形成された3個以上の圧電素子部材が圧電素子柱配列方向に一列に並べて配置され、3個以上の圧電素子部材の内の少なくとも2個の圧電素子部材相互間で圧電素子柱のピッチが異なっている構成とすることで、圧電素子部材の寸法精度や配置時の隙間精度として高いものを要求することなく、各圧電素子柱の駆動特性のバラツキを低減しつつ、隙間における加工品質の低下を防止できるようになる。
なお、ここでは、ベース部材上に3個の圧電素子部材を一列に並べて配置した例で説明しているが、これに限るものではなく、例えば図4に示すように、6個の圧電素子部材PZT1〜PZT6を配置することもできる。具体的には、長さ300mmのベース部材4に長さ50mmの圧電素子部材PZT1〜PZT6の6個を直線上に並べて配置している。すべての圧電素子部材PZT1〜PZT6の相互間の隙間3の中心と溝5の中心位置が一致しており、1本の圧電素子部材PZTには590本の溝5を形成している。この場合、圧電素子柱11の幅は場約10μmであり、溝5の幅は約30μm、溝5の深さは約640μmとしている。
次に、本発明に係る圧電アクチュエータの第2実施形態について図5を参照して説明する。なお、図5は同圧電アクチュエータの模式的説明図である。
ここでは、例えば圧電素子部材PZT2において、端部の圧電素子柱11の加工ピッチP21と中央部の圧電素子柱11の加工ピッチP22とが異なっている。なお、この場合、端部から中央部に行くに従い、加工ピッチが大きくなってもよいし、小さくなってもよい。また、圧電素子部材内で加工ピッチがランダムになっていてもよい。
つまり、前述したように、圧電素子部材PZTの隙間3に隣接する圧電素子柱11は、隙間3の幅のばらつき、圧電素子部材PZTとベース部材4の接合に使用する接着剤の這い上がり等によって加工ブレードを変形させ、その結果、圧電素子柱11の形状にばらつきが発生する。そこで、このばらつきを低減するため、1つの圧電素子部材PZT内における圧電素子柱11のピッチを不等ピッチにすることにより、隙間3に隣り合う圧電素子柱11のみが他の圧電素子柱11の幅と異なってばらつきが目立つことを防止する。これにより、1つの圧電素子部材PZT内における複数の圧電素子柱11間での駆動特性のバラツキを低減することができる。
次に、本発明に係る圧電アクチュエータの第3実施形態について図6及び図7を参照して説明する。なお、図6は同圧電アクチュエータの模式的斜視説明図、図7は図6の要部平面説明図である。
ここでは、1つのベース部材4上に3個以上の圧電素子部材を一列に並べた圧電素子部材PZTの列を2列配置している。例えば、3個の圧電素子部材PZT11〜PZT13を並べた列と3個の圧電素子部材PZT21〜23を並べた列を配置している。
この場合、各圧電素子部材PZTの長さばらつき、圧電素子部材PZTの配列位置ばらつきにより、例えば、図7に示すように、各圧電素子部材の列間の隙間位置が揃わないことがある。そこで、図7に示すように、各列の圧電素子部材PZTの隙間3の幅の平均に加工溝5の中心Do位置合わせる。ここでは、一方の列の圧電素子部材PZT11、PZ12の隙間31の中心位置To1(Ta1=Tb1)と他方の列の圧電素子部材PZT21、PZ22の隙間32の中心位置To2(Ta2=Tb2)との中心位置を加工溝(加工ブレード)の中心Do(Da=Db)として、溝加工を施す。これによって、1つの圧電素子部材の列の位置ずれ量を最低限に抑え、加工品質の向上を図ることができる。
この場合、図8(a)に示すように、例えば圧電素子部材PZT11、12の隙間31及び圧電素子部材PZT21、22間の隙間32を加工するとき、同図(b)に示すように途中まで溝5aを加工した後、加工ブレードを一旦溝5aから退避させ、再度同図(b)に示すように加工ブレードを進入させて溝5を加工することができる。このように、隙間の部分についての溝加工は、深さ方向に複数回に分けて行うことにより、一度に深く加工する場合に比べて、加工品質が向上する。特に、圧電素子部材の列を複数列有して、各列の列方向にずれた隙間を同時に加工する場合の加工品質の向上を図れる。
次に、本発明に係る圧電アクチュエータの製造方法について図9及び図10を参照して説明する。なお、図9は同製造方法におけるモニタ画面のモニタ結果の説明図、図10は同製造方法の説明に供する説明図である。
図10に示すように、ベース部材4上に圧電素子部材PZT1〜PZT3を、隙間3を空けて一列に並べて接合配置する。そして、圧電素子部材PZT1とPZT2の隙間3をCCD、撮像カメラなどの撮像手段で撮像して、例えば図9に示すようにモニタ画面40上に表示させ、隙間位置を加工基準位置41として指定する。同様に、圧電素子部材PZT2とPZT3の隙間3を同様に加工基準位置42として指定する。そして、指定した基準位置間41、42間の距離Lを測長(計測)する。
次いで、前述した圧電アクチュエータの第1実施形態の構成であれば、基準位置間距離Lを例えば等ピッチになるように圧電素子部材PZT2を指定溝本数分加工する。また、圧電アクチュエータの第2実施形態の構成であれば、基準位置間距離Lを部分的に不等ピッチになるように圧電素子部材PZT2を指定溝本数分加工する。この場合、圧電素子端部から中央部に行くに従い、加工ピッチが大きくなってもよいし、小さくなってもよい。また、圧電素子内の加工ピッチがランダムになっていてもよい。なお、位置合わせ、測長及び演算はマニュアルでもオートでもよい。
このように、3個以上の圧電素子部材をベース部材上に隙間を空けて一列に並べて配置する工程と、ベース部材上の圧電素子部材の隙間間距離を計測する工程と、計測結果に基づいて各圧電素子部材に加工するそれぞれの溝のピッチを算出する工程と、圧電素子部材に当該圧電素子部材に対応する溝のピッチで溝加工を施す工程とを行う構成としたので、圧電素子部材の寸法精度や配置時の隙間精度として高いものを要求することなく、各圧電素子柱の駆動特性のバラツキを低減しつつ、隙間における加工品質の低下を防止した圧電アクチュエータを得られる。
次に、本発明に係る圧電アクチュエータの第4実施形態について図11を参照して説明する。なお、図11は同アクチュエータの溝加工前の平面説明図である。
ここでは、ベース部材4上に、3個の圧電素子部材PZT11〜PZT13を、隙間31を空けて一列に並べて配置するとともに、5個の圧電素子部材PZT21〜PZT25を、隙間32を空けて一列に並べて配置している。このとき、一方の圧電素子部材の列の隙間31と他方の圧電素子部材の列の隙間32とは位置をずらしている。また、各隙間31、各隙間32はそれぞれ同じでも異なってもよい。
そして、これらの圧電素子部材PZTを加工するとき、圧電素子部材PZT11、PZT12の隙間31と圧電素子部材21、PZT22の隙間32を検出し、例えば圧電素子部材PZT12について言えば、隙間間距離L1、L2をそれぞれ測長後、隙間間距離L1に対応する領域は距離L1に基づいて等ピッチあるいは不等ピッチに溝加工を施し、また隙間間距離L2に対応する領域は距離L2に基づいて等ピッチあるいは不等ピッチに溝加工を施している。
これにより、2つの隙間31、32を同時に加工する必要がなくなるため、隙間31、32の加工品質が向上する。なお、ここでは一方の圧電素子部材の列の隙間31と他方の圧電素子部材の列の隙間32とが千鳥状になるように圧電素子部材を配置しているが、隙間位置が加工方向に対してずれていればよい。
この場合、一方の圧電素子部材の列の隙間31と他方の圧電素子部材の列の圧電素子部材の溝5の中心位置を合わせることによって、2つの圧電素子部材の列に同時に溝加工を施すことができる。
このように、複数の圧電素子柱が溝を介して形成された3個以上の圧電素子部材が圧電素子配列方向に一列に並べて配置された圧電素子部材の列を複数列有し、圧電素子部材の列は、隣り合う列との間で圧電素子部材の隙間の位置が列に沿う方向にずれて配置され、1つの圧電素子部材は、一端部側の隙間と隣り合う列の隙間に対応する領域と、他端部側の隙間と隣り合う列の隙間に対応する領域とで圧電素子柱のピッチが異なっていることで、複数列の隙間を同時に加工する必要がなくなるとともに、圧電素子部材の寸法精度や配置時の隙間精度として高いものを要求することなく、各圧電素子柱の駆動特性のバラツキを低減しつつ、隙間における加工品質の低下を防止できるようになる。
次に、本発明に係る液体吐出ヘッドの一実施形態について図12及び図13を参照して説明する。なお、図12は同液体吐出ヘッドの液室長手方向(液室の並び方向と直交する方向)に沿う断面説明図、図13は同じく液室短手方向(液室の並び方向)に沿う断面説明図である。
この液体吐出ヘッドは、SUS基板で形成した流路基板(液室基板)101と、この流路基板1の下面に接合した振動板部材102と、流路基板101の上面に接合したノズル板103とを有し、これらによって液滴(液体の滴)を吐出するノズル104が連通する個別流路としての液室(以下「加圧液室」というが、圧力室、加圧室、流路などとも称される。)106、加圧液室106に液体であるインク(記録液)を供給する供給路を兼ねた流体抵抗部107、複数の加圧液室106に記録液を供給する共通液室108を形成している。なお、共通液室108には図示しない液体タンクから供給路を介して記録液が供給される。
ここで、流路基板101は、リストリクタプレート101Aとチャンバーブレート101Bとを接着して構成している。この流路基板101は、SUS基板を、酸性エッチング液を用いてエッチング、あるいは打ち抜き(プレス)などの機械加工することで、各加圧液室6、流体抵抗部7、共通液室8などの開口をそれぞれ形成している。なお、流体抵抗部107は、リストリクタプレート101Aの部分を開口し、チャンバーブレート101Bの部分を開口しないことで形成している。
振動板部材102は、流路基板101を構成するチャンバーブレート101Bに接着接合している。この振動板部材2は、例えば、SUS基板などの金属部材121に金属部材21よりも線膨張係数を大きく調製した樹脂を直接塗布(塗工)して加熱、固化させた樹脂層(樹脂部材)122を直接成膜して形成したものであり、樹脂層122で液室106の壁面となる変形可能な部分(振動板領域)102Aを形成し、この振動板領域102Aの液室106と反対側には金属部材121からなる島状の突起部(以下「島状凸部」ともいう。)102Bを形成している。また、この振動板部材102には流路基板101の液室間隔壁部106Aに対応する位置には金属部材121による厚肉部102Dが形成(残存)されている。この他、振動板部材102は、樹脂層と金属部材とを接着剤で接合したもの、Niなどの電鋳で形成したものなどを用いることもできる。
ノズル板103は、各加圧液室106に対応して直径10〜30μmの多数のノズル104を形成し、流路基板101のリストリクタプレート101Aに接着剤接合している。このノズル板103としては、ステンレス、ニッケルなどの金属、ポリイミド樹脂フィルムなどの樹脂、シリコン、及びそれらの組み合わせからなるものを用いることができる。また、ノズル面(吐出方向の表面:吐出面)には、インクとの撥水性を確保するため、メッキ被膜、あるいは撥水剤コーティングなどの周知の方法で撥水膜を形成している。
そして、振動板部材102の面外側(加圧液室106と反対面側)に本発明に係る圧電アクチュエータ110を配置している。この圧電アクチュエータ110は、前述した圧電アクチュエータ1と同様に、複数個(3個以上)の圧電素子部材112を共通のベース部材114に一列に並べて接合配置され、各圧電素子部材112には分断することのないスリット加工(溝加工)によるスリット溝115が形成されることで、複数の圧電素子柱111が形成されている。そして、前述したように、例えば第1実施形態の圧電アクチュエータの構成であれば、圧電素子部材112間で圧電素子柱111のピッチが異なっている。また、圧電素子部材112の各圧電素子柱111は、1つおきに駆動する圧電素子柱(駆動圧電素子柱)111Aと駆動しない圧電素子柱(非駆動圧電素子柱)111Bとして使用する。
給電部材113は、FPCで構成し、圧電素子部材112の1つおきの駆動圧電素子柱111Aに対応して配置された図示しない電極を有している。
この圧電アクチュエータ110の駆動圧電素子柱111Aは振動板部材102の島状凸部102Bに接着剤接合し、非駆動圧電素子柱111Bは液室間隔壁部106Aに対応する厚肉部102Dに接着剤接合している。
なお、圧電素子部材112は、厚さ10〜50μm/1層のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の圧電層と、厚さ数μm/1層の銀・パラジューム(AgPd)からなる内部電極層とを交互に積層したものであり、内部電極を交互に端面の端面電極(外部電極)である図示しない個別電極及び共通電極にそれぞれ電気的に接続し、これらの個別電極及び共通電極に前述した給電部材113をはんだ接合している。この圧電定数がd33(d33は内部電極面に垂直(厚み方向)の伸び縮みを指す。)である圧電素子部材112の駆動圧電素子柱111Aの伸縮により振動板領域102Aを変位させて液室106を収縮、膨張させるようになっている。圧電素子柱111Aに駆動信号が印加され充電が行われると伸長し、また圧電素子柱111Aに充電された電荷が放電すると反対方向に収縮する。
なお、圧電素子部材112(駆動圧電素子柱111A)の圧電方向としてd33方向の変位を用いて加圧液室106内インクを加圧する構成とすることも、圧電素子部材112の圧電方向としてd31方向の変位を用いて加圧液室106内インクを加圧する構成とすることもできる。本実施形態ではd33方向の変位を用いた構成をとっている。
ベース部材114は金属材料で形成することが好ましい。ベース部材114の材質(材料)が金属であれば、圧電素子部材112の自己発熱による蓄熱を防止することができる。
さらに、振動板部材102の周囲にはフレーム部材117を接着剤で接合している。そして、このフレーム部材117には、振動板部材102の樹脂層122で構成した変形可能な部分としてのダイアフラム部102Cを介して共通液室108に隣接するバッファ室118を形成している。ダイアフラム部102Cは共通液室108及びバッファ室118の壁面を形成する。なお、バッファ室118は連通路120を介して大気と連通させている。
また、この液体吐出ヘッドでは、圧電素子部材112の圧電素子柱111は300dpiの間隔で形成し、それが対向して2列に並んでいる構成としている。また、加圧液室106及びノズル104は1列150dpiの間隔で2列を千鳥状に並べて配置しており、300dpiの解像度を1スキャンで得ることができる。
また、上述したようにこの液体吐出ヘッドは、ほとんどの部材をSUSから形成し、その熱膨張係数を揃えているので、ヘッドの組立中、あるいは、使用中における熱膨張による種々の不具合を避けることができる。
このように構成した液体吐出ヘッドにおいては、例えば圧電素子部材112の駆動圧電素子柱111Aに印加する電圧を基準電位から下げることによって駆動圧電素子柱111Aが収縮し、振動板部材102の振動板領域102Aが下降して加圧液室106の容積が膨張することで、加圧液室106内にインクが流入し、その後駆動圧電素子柱111Aに印加する電圧を上げて駆動圧電素子柱111Aを積層方向に伸長させ、振動板領域102Aをノズル104方向に変形させて加圧液室106の容積/体積を収縮させることにより、加圧液室106内の記録液が加圧され、ノズル104から記録液の滴が吐出(噴射)される。
そして、駆動圧電素子柱111Aに印加する電圧を基準電位に戻すことによって振動板領域102Aが初期位置に復元し、加圧液室106が膨張して負圧が発生するので、このとき、共通液室108から加圧液室106内に記録液が充填される。そこで、ノズル104のメニスカス面の振動が減衰して安定した後、次の液滴吐出のための動作に移行する。
なお、このヘッドの駆動方法については上記の例(引き−押し打ち)に限るものではなく、駆動波形の与えた方によって引き打ちや押し打ちなどを行うこともできる。
このように、この液体吐出ヘッドは本発明に係る圧電アクチュエータを備えているので、滴吐出特性のバラツキの少ない長尺ヘッドとすることができる。
次に、本発明に係る液体吐出装置を含む本発明に係る画像形成装置の一例について図14を参照して説明する。なお、図14は同装置の機構部全体の概略構成図である。
この画像形成装置は、装置本体201の内部に画像形成部202等を有し、装置本体201の下方側に多数枚の記録媒体(用紙)203を積載可能な給紙トレイ204を備え、この給紙トレイ204から給紙される用紙203を取り込み、搬送機構205によって用紙203を搬送しながら画像形成部202によって所要の画像を記録した後、装置本体201の側方に装着された排紙トレイ206に用紙203を排紙する。
また、装置本体201に対して着脱可能な両面ユニット207を備え、両面印刷を行うときには、一面(表面)印刷終了後、搬送機構205によって用紙203を逆方向に搬送しながら両面ユニット207内に取り込み、反転させて他面(裏面)を印刷可能面として再度搬送機構205に送り込み、他面(裏面)印刷終了後排紙トレイ206に用紙203を排紙する。
ここで、画像形成部202は、例えばブラック(K)、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)の各色の液滴を吐出する、フルライン型の4個の本発明に係る液体吐出ヘッドで構成した記録ヘッド211k、211c、211m、211y(色を区別しないときには「記録ヘッド211」という。)を備え、各記録ヘッド211は液滴を吐出するノズルを形成したノズル面を下方に向けてヘッドホルダ213に装着している。
また、各記録ヘッド211に対応してヘッドの性能を維持回復するための維持回復機構212k、212c、212m、212y(色を区別しないときには「維持回復機構212」という。)を備え、パージ処理、ワイピング処理などのヘッドの性能維持動作時には、記録ヘッド211と維持回復機構212とを相対的に移動させて、記録ヘッド211のノズル面に維持回復機構212を構成するキャッピング部材などを対向させる。
なお、ここでは、記録ヘッド211は、用紙搬送方向上流側から、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの順に各色の液滴を吐出する配置としているが、配置及び色数はこれに限るものではない。また、ライン型ヘッドとしては、各色の液滴を吐出する複数のノズル列を所定間隔で設けた1又は複数のヘッドを用いることもできるし、ヘッドとこのヘッドに記録液を供給する記録液カートリッジを一体とすることも別体とすることもできる。
給紙トレイ204の用紙203は、給紙コロ(半月コロ)221と図示しない分離パッドによって1枚ずつ分離され装置本体201内に給紙され、搬送ガイド部材223のガイド面223aに沿ってレジストローラ225と搬送ベルト233との間に送り込まれ、所定のタイミングでガイド部材226を介して搬送機構205の搬送ベルト233に送り込まれる。
また、搬送ガイド部材223には両面ユニット207から送り出される用紙203を案内するガイド面223bも形成されている。更に、両面印刷時に搬送機構205から戻される用紙203を両面ユニット207に案内するガイド部材227も配置している。
搬送機構205は、駆動ローラである搬送ローラ231と従動ローラ232との間に掛け渡した無端状の搬送ベルト233と、この搬送ベルト233を帯電させるための帯電ローラ234と、画像形成部202に対向する部分で搬送ベルト233の平面性を維持するプラテン部材235と、搬送ベルト233から送り出す用紙203を搬送ローラ231側に押し付ける押さえコロ236と、その他図示しないが、搬送ベルト233に付着した記録液(インク)を除去するためのクリーニング手段である多孔質体などからなるクリーニングローラなどを有している。
この搬送機構205の下流側には、画像が記録された用紙203を排紙トレイ206に送り出すための排紙ローラ238及び拍車239を備えている。
このように構成した画像形成装置において、搬送ベルト233は矢示方向に周回移動し、高電位の印加電圧が印加される帯電ローラ334と接触することで正に帯電される。この場合、帯電ローラ234の帯電電圧は所定の時間間隔で極性を切り替えることによって、搬送ベルト233を所定の帯電ピッチで帯電させる。
ここで、この高電位に帯電した搬送ベルト233上に用紙203が給送されると、用紙203内部が分極状態になり、搬送ベルト233上の電荷と逆極性の電荷が用紙203の搬送ベルト233と接触している面に誘電され、搬送ベルト233上の電荷と搬送される用紙203上に誘電された電荷同士が互いに静電的に引っ張り合い、用紙203は搬送ベルト233に静電的に吸着される。このようにして、搬送ベルト233に強力に吸着した用紙203は反りや凹凸が校正され、高度に平らな面が形成される。
そして、搬送ベルト233を周回させて用紙203を移動させ、記録ヘッド211から液滴を吐出することで、用紙203上に所要の画像が形成され、画像が記録された用紙203は排紙ローラ238によって排紙トレイ206に排紙される。
このように、この画像形成装置においては本発明に係る液体吐出ヘッドからなる記録ヘッドを備えているので、低コストで、高い信頼性が得られる記録ヘッドを用いて高速で画像を形成することができる。また、この画像形成装置における記録ヘッド及びこの記録ヘッドを駆動する部分で構成される液体吐出装置においても、本発明に係る液体吐出ヘッドからなる記録ヘッドを備えているので、低コストで、高い信頼性が得られる液体吐出を行うことができる。
なお、上記実施形態では本発明に係る液体吐出装置をプリンタ構成の画像形成装置に適用した例で説明したが、これに限るものではなく、例えば、プリンタ/ファックス/コピア複合機などの画像形成装置に適用することができる。また、インク以外の液体である記録液や定着処理液などを用いる画像形成装置にも適用することができる。
本発明に係る圧電アクチュエータの第1実施形態の模式的説明図である。 同じく要部拡大説明図である。 同じく比較例の説明に供する模式的拡大説明図である。 圧電アクチュエータの他の例を示す模式的説明図である。 本発明に係る圧電アクチュエータの第2実施形態の模式的説明図である。 本発明に係る圧電アクチュエータの第3実施形態の斜視説明図である。 同じく要部平面説明図である。 同じく複数回の溝加工の例の説明に供する説明図である。 本発明に係る圧電アクチュエータの製造方法の説明に供するモニタ画面の説明図である。 同じく模式的説明図である。 本発明に係る圧電アクチュエータの第4実施形態の斜視説明図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの一例を示す液室長手方向(液室の並び方向と直交する方向)に沿う断面説明図である。 同じく液室短手方向(液室の並び方向)に沿う断面説明図である。 本発明に係る液体吐出装置を含む本発明に係る画像形成装置の一例を示す全体構成説明図である。
符号の説明
1…圧電アクチュエータ
PZT…圧電素子部材
3…隙間
4…ベース部材
5…溝
11…圧電素子柱
101…流路基板
102…振動板部材
103…ノズル板
104…ノズル
106…加圧液室
110…圧電アクチュエータ
211k、211c、211m、211y…記録ヘッド(液体吐出ヘッド)

Claims (10)

  1. 複数の圧電素子柱が溝を介して形成された3個以上の圧電素子部材が前記圧電素子柱配列方向に一列に並べて配置され、
    前記3個以上の圧電素子部材の内の少なくとも2個の圧電素子部材相互間で前記圧電素子柱のピッチが異なっている
    ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
  2. 請求項1に記載の圧電アクチュエータにおいて、1つの圧電素子部材内では前記圧電素子柱のピッチが同じであることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  3. 請求項1に記載の圧電アクチュエータにおいて、1つの圧電素子部材内で前記圧電素子柱のピッチが異なっていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  4. 請求項1ないし3のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、隣り合う圧電素子部材間の隙間の中心とこの隙間に形成された前記溝の中心とが同じ位置にあることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  5. 請求項1ないし4のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記3個以上の圧電素子部材が並べられた列を2列以上有し、各列の圧電素子部材の隙間が列に沿う方向で揃えられ、前記隙間に対して複数回の溝加工で前記溝が形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  6. 複数の圧電素子柱が溝を介して形成された3個以上の圧電素子部材が前記圧電素子柱配列方向に一列に並べられた圧電素子部材の列を複数列有し、
    前記圧電素子部材の列は、隣り合う列との間で前記圧電素子部材の隙間の位置が列に沿う方向にずれて配置され、
    1つの圧電素子部材は、一端部側の隙間と隣り合う列の隙間に対応する領域と、他端部側の隙間と隣り合う列の隙間に対応する領域とで圧電素子柱のピッチが異なっている
    ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
  7. 請求項6に記載の圧電アクチュエータにおいて、一の圧電素子部材の列の圧電素子部材の隙間の中心と当該隙間に対応する他の圧電素子部材の列の前記溝の中心とが列に沿う方向で同じ位置にあることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  8. 請求項1に記載の圧電アクチュエータを製造する製造方法であって、
    3個以上の圧電素子部材をベース部材上に隙間を空けて一列に配置する工程と、
    前記ベース部材上の圧電素子部材の隙間間距離を計測する工程と、
    前記計測結果に基づいて各圧電素子部材に加工するそれぞれの溝のピッチを算出する工程と、
    前記圧電素子部材に当該圧電素子部材に対応する前記溝のピッチで溝加工を施す工程と
    を行うことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
  9. 液滴を吐出するノズルが連通する液室の壁面を形成する振動板を圧電アクチュエータで変位させることで前記ノズルから液滴が吐出される液体吐出ヘッドにおいて、前記圧電アクチュエータが請求項1ないし7のいずれかに記載の圧電アクチュエータであることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  10. 液滴を吐出する液体吐出ヘッドを備えて画像を形成する画像形成装置において、前記液体吐出ヘッドが請求項9に記載の液体吐出ヘッドであることを特徴とする画像形成装置。
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