JP2010036468A - Piezoelectric actuator, liquid droplet discharging head, and image forming apparatus - Google Patents
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Description
この発明は、例えばインク滴等の液滴を吐出するための駆動源となる圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータを使用した液滴吐出ヘッド及び記録装置に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric actuator serving as a driving source for discharging droplets such as ink droplets, a droplet discharge head using the piezoelectric actuator, and a recording apparatus.
一般に、プリンタ、ファックス、複写機、プロッタあるいはこれらの内の複数の機能を複合した画像形成装置としては、例えば、インクの液滴を吐出する液滴吐出ヘッドで構成した記録ヘッドを備え、記録媒体を搬送しながら、インク滴を記録媒体に付着させて画像形成を行うものがある。この液滴吐出ヘッドとしては、インク滴を吐出する複数の並列されたノズルに個別に対応して配置された複数の液室の少なくとも一部の壁面を振動板で形成し、この振動板を圧電素子によって変形させて液室の容積を変化させてインク滴を吐出させる圧電アクチュエータを使用した液滴吐出ヘッドが知られている。このような圧電アクチュエータは、例えば積層型圧電素子を用いて、内部電極を端面に引き出した外部電極にFPC(フレキシブルプリントケーブル)などの配線手段の電極を接合し、各圧電素子に画像信号に応じた駆動信号を与えるようにしている。この積層型圧電素子の外部電極にFPCを接続する方法が特許文献1や特許文献2に開示されている。
In general, a printer, a fax machine, a copying machine, a plotter, or an image forming apparatus that combines a plurality of these functions includes, for example, a recording head composed of a droplet discharge head that discharges ink droplets, and a recording medium In some cases, an image is formed by adhering ink droplets to a recording medium while conveying the ink. As this droplet discharge head, at least a part of wall surfaces of a plurality of liquid chambers individually arranged corresponding to a plurality of parallel nozzles for discharging ink droplets is formed by a diaphragm, and this diaphragm is piezoelectric. A droplet discharge head using a piezoelectric actuator that is deformed by an element and changes the volume of a liquid chamber to discharge an ink droplet is known. Such a piezoelectric actuator uses, for example, a multilayer piezoelectric element, and joins an electrode of a wiring means such as an FPC (flexible print cable) to an external electrode that has an internal electrode drawn out to an end face, and responds to an image signal to each piezoelectric element. The drive signal is given. Patent Document 1 and
特許文献1に示された接続方法は、圧電層と内部電極とを交互に積層し、積層方向の一方の面に個別電極用薄膜電極を形成し、他方の面に共通電極用薄膜電極を形成した素子ブロックの両端面に外部電極をスパッタリング等で形成し、この素子ブロックの個別電極用薄膜電極が形成された面を薄膜電極が片面に設けられた支持基板の薄膜電極面に半田付け等で接合し、素子ブロックと支持基板を素子ブロックの外部電極が形成された端面に垂直に切断して等ピッチで並ぶ駆動素子を形成するとともに支持基板の薄膜電極を分割して個別側外部電極を形成し、反対側の面に共通側外部電極を形成し、支持基板の個別側外部電極に個別電極用のFPCを接続し、共通側外部電極に共通電極用のFPCを接続している。 In the connection method disclosed in Patent Document 1, piezoelectric layers and internal electrodes are alternately stacked, thin film electrodes for individual electrodes are formed on one surface in the stacking direction, and thin film electrodes for common electrodes are formed on the other surface. External electrodes are formed on both end surfaces of the element block by sputtering or the like, and the surface of the element block on which the thin film electrode for individual electrodes is formed is soldered to the thin film electrode surface of the support substrate on which the thin film electrode is provided on one side. Bonding, cutting the element block and the support substrate perpendicularly to the end face where the external electrode of the element block is formed to form a drive element arranged at an equal pitch, and dividing the thin film electrode of the support substrate to form an individual side external electrode The common external electrode is formed on the opposite surface, the FPC for the individual electrode is connected to the individual external electrode of the support substrate, and the FPC for the common electrode is connected to the common external electrode.
また、特許文献2に示された接続方法は、圧電層と内部電極とを交互に積層した素子ブロックの積層方向の非駆動側の面に共通側外部電極と個別側外部電極を形成し、この素子ブロックを所定ピッチで切断して等ピッチで並ぶ駆動素子を形成し、この素子ブロックに1つの共通電極パターンと所定のピッチに配列された複数の個別電極パターンを有するFPCの共通電極パターンと素子ブロックの共通側外部電極に接続し、個別電極パターンを素子部ブロックの個別側外部電極に接続している。
積層型圧電素子の共通側外部電極には個別側外部電極からの電流が集中するため、共通側外部電極の幅を大きくして抵抗を下げる必要がある。この共通側外部電極の幅を大きくする場合、特許文献1や特許文献2に示されたように素子ブロックの一方の面に共通側外部電極を設けていると、共通側外部電極の幅を大きくするためには素子ブロックの幅を大きくする必要があり、圧電アクチュエータが大型になり、圧電アクチュエータを使用した液滴吐出ヘッドの小型化が困難である。
Since the current from the individual-side external electrode is concentrated on the common-side external electrode of the multilayer piezoelectric element, it is necessary to increase the width of the common-side external electrode to reduce the resistance. When increasing the width of the common-side external electrode, as shown in Patent Document 1 and
この発明は、このような短所を改善し、共通側外部電極の抵抗を小さくするとともに小型化した圧電アクチュエータと、それを使用した液滴吐出ヘッド及び画像形成装置を提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator that improves such disadvantages, reduces the resistance of the common-side external electrode and reduces the size, and a droplet discharge head and an image forming apparatus using the piezoelectric actuator. It is.
この発明の圧電アクチュエータは、複数の圧電素子柱を有する圧電部材にフレキシブルプリント基板を接合して給電を行う圧電アクチュエータにおいて、前記複数の圧電素子柱は、前記圧電部材の長手方向の一方の端部を除いて溝加工して形成され、前記圧電部材の溝加工がされない長手方向の一方の端部の端面に共通電極の外部電極を有し、前記複数の圧電素子柱の個別電極に接続されたフレキシブルプリント基板の一部が折り曲げられて前記共通電極の外部電極に接続されていることを特徴とする。 The piezoelectric actuator of the present invention is a piezoelectric actuator in which a flexible printed circuit board is joined to a piezoelectric member having a plurality of piezoelectric element columns to supply power, and the plurality of piezoelectric element columns are at one end in the longitudinal direction of the piezoelectric member The piezoelectric member is formed by grooving except that the piezoelectric member has an external electrode of a common electrode on one end face in the longitudinal direction where the grooving is not performed, and is connected to the individual electrodes of the plurality of piezoelectric element columns. A part of the flexible printed circuit board is bent and connected to the external electrode of the common electrode.
この発明の第2の圧電アクチュエータは、複数の圧電素子柱を有する圧電部材にフレキシブルプリント基板を接合して給電を行う圧電アクチュエータにおいて、前記複数の圧電素子柱は、前記圧電部材の長手方向の両端部を除いて溝加工して形成され、前記圧電部材の溝加工がされない長手方向の両端部の端面に共通電極の外部電極を有し、前記複数の圧電素子柱の個別電極に接続されたフレキシブルプリント基板の一部が折り曲げられ、前記共通電極の外部電極に接続されていることを特徴とする。 The second piezoelectric actuator of the present invention is a piezoelectric actuator that feeds power by joining a flexible printed circuit board to a piezoelectric member having a plurality of piezoelectric element columns, wherein the plurality of piezoelectric element columns are at both ends in the longitudinal direction of the piezoelectric member. A flexible electrode that is formed by grooving except for the portion, has an external electrode of a common electrode on both end surfaces in the longitudinal direction where the grooving of the piezoelectric member is not performed, and is connected to individual electrodes of the plurality of piezoelectric element columns A part of the printed circuit board is bent and connected to the external electrode of the common electrode.
この発明の第3の圧電アクチュエータは、複数の圧電素子柱を有する圧電部材にフレキシブルプリント基板を接合して給電を行う圧電アクチュエータにおいて、前記複数の圧電素子柱は、前記圧電部材の長手方向の一方の端部又は両端部を除いて溝加工して形成され、前記圧電部材の溝加工がされない長手方向の一方の端部又は両端部の端面に共通電極の外部電極を有し、該共通電極の外部電極と前記複数の圧電素子柱に形成された個別電極に、それぞれフレキシブルプリント基板が接続されていることを特徴とする。 According to a third piezoelectric actuator of the present invention, in the piezoelectric actuator that supplies power by joining a flexible printed circuit board to a piezoelectric member having a plurality of piezoelectric element columns, the plurality of piezoelectric element columns are arranged in one of the longitudinal directions of the piezoelectric member. The piezoelectric member is formed by grooving except for one end or both ends, and has a common electrode external electrode at one end or both end faces in the longitudinal direction where the grooving of the piezoelectric member is not performed. A flexible printed board is connected to each of the external electrodes and the individual electrodes formed on the plurality of piezoelectric element columns.
この発明の第4の圧電アクチュエータは、複数の圧電素子柱を有する圧電部材を前記圧電素子柱の整列方向に複数配列し、圧電部材にフレキシブルプリント基板を接合して給電を行う圧電アクチュエータにおいて、前記複数の圧電素子柱は、前記複数配列された圧電部材の長手方向の一方の端部を除いて溝加工して形成され、前記圧電部材の溝加工がされない長手方向の一方の端部の端面に共通電極の外部電極を有し、前記複数の圧電素子柱の個別電極に接続されたフレキシブルプリント基板の一部が折り曲げられて前記共通電極の外部電極に接続されていることを特徴とする。 According to a fourth piezoelectric actuator of the present invention, in the piezoelectric actuator in which a plurality of piezoelectric members having a plurality of piezoelectric element columns are arranged in the alignment direction of the piezoelectric element columns, and a flexible printed board is joined to the piezoelectric members to perform power feeding, The plurality of piezoelectric element columns are formed by grooving except for one end in the longitudinal direction of the plurality of piezoelectric members arranged on the end surface of one end in the longitudinal direction where the grooving of the piezoelectric member is not performed. A flexible printed circuit board having an external electrode of a common electrode and connected to the individual electrodes of the plurality of piezoelectric element columns is bent and connected to the external electrode of the common electrode.
この発明の第5の圧電アクチュエータは、複数の圧電素子柱を有する圧電部材を前記圧電素子柱の整列方向に複数配列し、圧電部材にフレキシブルプリント基板を接合して給電を行う圧電アクチュエータにおいて、前記複数の圧電素子柱は、前記複数配列された圧電部材の長手方向の両端部を除いて溝加工して形成され、前記圧電部材の溝加工がされない長手方向の両端部の端面に共通電極の外部電極を有し、前記複数の圧電素子柱の個別電極に接続されたフレキシブルプリント基板の一部が折り曲げられて前記共通電極の外部電極に接続されていることを特徴とする。 According to a fifth piezoelectric actuator of the present invention, in the piezoelectric actuator in which a plurality of piezoelectric members having a plurality of piezoelectric element columns are arranged in the alignment direction of the piezoelectric element columns, and a flexible printed board is joined to the piezoelectric member to supply power, The plurality of piezoelectric element columns are formed by grooving except for both ends in the longitudinal direction of the plurality of arranged piezoelectric members, and the outer surfaces of the common electrodes are formed on the end surfaces of both ends in the longitudinal direction where the grooving of the piezoelectric members is not performed. A portion of the flexible printed circuit board having electrodes and connected to the individual electrodes of the plurality of piezoelectric element columns is bent and connected to the external electrode of the common electrode.
この発明の第6の圧電アクチュエータは、複数の圧電素子柱を有する圧電部材を前記圧電素子柱の整列方向に複数配列し、圧電部材にフレキシブルプリント基板を接合して給電を行う圧電アクチュエータにおいて、前記複数の圧電素子柱は、前記複数配列された圧電部材の長手方向の両端部を除いて溝加工して形成され、前記圧電部材の溝加工がされない長手方向の両端部の端面に共通電極の外部電極を有し、該共通電極の外部電極と前記複数の圧電素子柱に形成された個別電極に、それぞれフレキシブルプリント基板が接続されていることを特徴とする。 According to a sixth piezoelectric actuator of the present invention, in the piezoelectric actuator in which a plurality of piezoelectric members having a plurality of piezoelectric element columns are arranged in the alignment direction of the piezoelectric element columns, and a flexible printed board is joined to the piezoelectric member to perform power feeding, The plurality of piezoelectric element columns are formed by grooving except for both ends in the longitudinal direction of the plurality of arranged piezoelectric members, and the outer surfaces of the common electrodes are formed on the end surfaces of both ends in the longitudinal direction where the grooving of the piezoelectric members is not performed. A flexible printed circuit board is connected to the external electrode of the common electrode and the individual electrodes formed on the plurality of piezoelectric element columns, respectively.
第1の圧電アクチュエータと第4のアクチュエータのフレキシブルプリント基板はL字型に折り曲げられたことを特徴とする。 The flexible printed circuit boards of the first piezoelectric actuator and the fourth actuator are bent in an L shape.
また、第2の圧電アクチュエータと第5の圧電アクチュエータのフレキシブルプリント基板はコの字型に折り曲げられたことを特徴とする。 Further, the flexible printed circuit boards of the second piezoelectric actuator and the fifth piezoelectric actuator are bent in a U shape.
第3の圧電アクチュエータと第6の圧電アクチュエータは、共通電極の外部電極にはL字型のフレキシブルプリント基板が接続され、複数の圧電素子柱に形成された個別電極には折り曲げられていないフレキシブルプリント基板が接続されていることを特徴とする。 The third piezoelectric actuator and the sixth piezoelectric actuator are flexible prints in which an L-shaped flexible printed circuit board is connected to the external electrode of the common electrode and the individual electrodes formed on the plurality of piezoelectric element columns are not bent. The substrate is connected.
この発明の液滴吐出ヘッドは、前記いずれかの圧電アクチュエータを有し、圧電アクチュエータを駆動して液滴を吐出させることを特徴とする。 A droplet discharge head according to the present invention includes any one of the piezoelectric actuators described above, and drives the piezoelectric actuator to discharge droplets.
この発明の画像形成装置は、前記液滴吐出ヘッドを有し、液滴吐出ヘッドからインク滴を吐出させて画像を形成することを特徴とする。 The image forming apparatus according to the present invention includes the droplet discharge head, and forms an image by discharging ink droplets from the droplet discharge head.
この発明は、圧電アクチュエータの複数の圧電素子柱を圧電部材の長手方向の端部を除いて溝加工して形成し、圧電部材の溝加工がされない長手方向の端面に共通電極の外部電極を設け、この外部電極にフレキシブルプリント基板を接続することにより、個別電極からの電流が集中する共通電極の外部電極の面積を十分な大きさにすることができ、圧電アクチュエータを小型化してコストダウンを図ることができる。 According to the present invention, a plurality of piezoelectric element columns of a piezoelectric actuator are formed by grooving except for the longitudinal end of the piezoelectric member, and an external electrode of a common electrode is provided on a longitudinal end surface where the grooving of the piezoelectric member is not performed. By connecting a flexible printed circuit board to this external electrode, the area of the external electrode of the common electrode where the current from the individual electrode concentrates can be made sufficiently large, and the piezoelectric actuator can be miniaturized to reduce the cost. be able to.
また、フレキシブルプリント基板に接続する共通電極の外部電極の面積を十分大きくできるから、共通電極の抵抗値を十分に小さくすることができ、圧電アクチュエータの駆動タイミングのずれや局所的に発熱による特性不良を引き起こすことを防ぐことができ、安定して駆動する長尺の圧電アクチュエータを形成することができる。 In addition, since the area of the external electrode of the common electrode connected to the flexible printed circuit board can be made sufficiently large, the resistance value of the common electrode can be made sufficiently small, resulting in poor drive characteristics of the piezoelectric actuator and poor characteristics due to local heat generation Can be prevented, and a long piezoelectric actuator that can be driven stably can be formed.
この圧電アクチュエータを使用した液滴吐出ヘッドは、安定して液滴を吐出することができるとともに小型化してコストダウンを図ることができる。 A droplet discharge head using this piezoelectric actuator can stably discharge droplets and can be miniaturized to reduce costs.
また、この液滴吐出ヘッドを使用した画像形成装置は、安定してインク滴を吐出して良質な画像を高速で形成することができる。 Also, an image forming apparatus using this droplet discharge head can stably discharge ink droplets and form a high-quality image at high speed.
図1と図2は、この発明の圧電アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドの構成を示し、図1は分解斜視図、図2はノズル配列方向と直交する方向(液室長手方向)に沿う断面図である。図に示すように、液滴吐出ヘッド1はノズル板2と、連通板3aと流路板3bを有する流路基板(液室基板)3と、振動板4と2列の圧電素子群5とベース部材6とが重ねられ、かつ2つの圧電素子群5にFPC7が接合された状態でフレーム8内に収容されて構成されている。ノズル板2にはインクが吐出されるノズル9が2列に設けられている。
1 and 2 show a configuration of a droplet discharge head having a piezoelectric actuator according to the present invention, FIG. 1 is an exploded perspective view, and FIG. 2 is a cross-sectional view along a direction perpendicular to a nozzle arrangement direction (liquid chamber longitudinal direction). It is. As shown in the figure, the droplet discharge head 1 includes a
流路基板3及び流路基板3の上面に接合したノズル板2と下面に接合した振動板4により加圧液室10と、加圧液室10にインクを供給する供給路を兼ねた流体抵抗部11及び加圧液室10とインク滴を吐出するノズル9を連通する連通孔12を形成している。ノズル板2のノズル9は各加圧液室10に対応して直径10〜30μmで形成されている。
Fluid resistance that also serves as a
ノズル板2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、吐出面(吐出方向の表面)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。流路基板3の流路板3bはSUS基板を酸性エッチング液によるエッチングあるいはプレスなどの機械加工により各加圧液室10と流体抵抗部11をそれぞれ形成され、連通板3aは各加圧液室10とノズル9を連通する複数の連通孔12が形成されている。この各加圧液室10のピッチは、例えば150dpiで並んでいる。振動板4は、例えばニッケルの金属プレートから形成されているが、樹脂部材あるいは樹脂部材と金属部材の積層部材などで形成することもできる。
The
2つの圧電素子群5は、ベース部材6に取り付けられており、流路板3bの各加圧液室10においてエネルギー発生手段として機能する。すなわち、図2に示すように、FPC7がそれぞれ接続された2つの圧電素子群5とベース部材6とで圧電アクチュエータ13を構成し、加圧液室10の1つの壁を形成する振動板4に接合される。この各圧電素子群5は、駆動制御のための制御部(図示せず)にFPC7を介して電気的に接続される。FPC7は柔軟性があり大きく変形させることが可能な薄膜状の部材で形成されており、図示しないが内方に複数の電路が設けられている。
The two
圧電素子群5を構成する圧電素子部材14は、図3(a)の断面図に示すように、圧電層(圧電材料層)15と内部電極16aと内部電極16bとを交互に積層して形成される。内部電極16aと内部電極16bを有する内部電極層は、図4(a),(b)の平面図に示すように、それぞれ電極のない部分17が異なるパターン形状で形成されている。この圧電素子部材14のベース部材6の接合面と内部電極16bの端部がある側面に金属膜18を成膜し、内部電極16aの端部がある他方の側面に金属膜19を成膜する。金属膜18,19としてはAg、Au、Cuなどを用いるのが良く、例えばAuをスパッタにより0.4μm成膜する。その後、図3(b)の部分断面図に示すように、圧電素子14の長さ方向の両側面に金属膜をスパッタにより成膜して外部電極20を形成する。この金属膜20を成膜する金属としては膜厚が厚いほうがよく、例えばAlを4μm成膜する。この金属膜20はAl以外にもCuやAu、Ag、Niなどの導電性の金属でも良く、また半田等の低融点合金などでも良い。次に圧電素子部材14のベース部材6の接合面に成膜した金属膜18と内部電極16aの端部がある側面に成膜した金属膜19が交叉する角部をカットして金属膜18と金属膜19を分離する。この圧電素子部材14を、図5の斜視図に示すように、ベース部材6に接合して溝加工(スリット加工)して複数の圧電素子柱21を有する圧電素子群5を形成する。この溝加工するとき、内部電極16bのコ字状をしたパターン部分17より外側電極部161に対応する部分は溝加工しないでおき、コ字状をしたパターン部分17の内部で短冊状に分割した圧電素子柱21bを各加圧液室10に対応させる。この外側電極部161に対応する圧電素子柱21aは加圧液室10には対応していなく金属膜18と外部電極20及び長手方向の両端の圧電素子柱21aの側面に形成された金属膜19とで共通電極22を形成し、長手方向の両端の圧電素子柱21a以外の各加圧液室10に対応する圧電素子柱21bの側面に形成された金属膜19で個別電極23を形成する。
The
FPC7には各加圧液室10に対応する各チャンネルを駆動する駆動波形(電気信号)を印加するためのドライバICを複数搭載している。このようにFPC7に複数のドライバICを搭載することで、各ドライバIC毎に電気信号を設定することができるようになる。
The
このFPC7を圧電素子群5に接続する場合、FPC7を圧電素子群5の各圧電素子柱21bの個別電極23と共通電極22を形成する各圧電素子柱21bの長手方向の両端の外部電極20に接続する。この圧電素子柱21とFPC7との接続構造について図6と図7及び図8の斜視図を参照して説明する。図6〜図7は圧電素子群5の一方の圧電素子柱21にFPC7を接続した状態を示し、図6はコの字状に形成した1種類のFPC7aを使用した場合、図7はL字状に形成した1種類のFPC7bを使用した場合を示す。いずれの場合も個別電極23と接続する個別電極用接続部71と共通電極22の外部電極20と接続する共通電極接続部72は直角に折り曲げた状態になっている。この曲げ方は直角でなくてもよく、曲面で折り曲げても良い。このようにFPC7をL字型に折り曲げたりあるいはコの字型に折り曲げることにより、使用するFPC7を1種類にでき、部品のコストダウンを図ることができる。また、図8に示すように、折り曲げられていなくフラットに形成された2種類のFPC7c,7dを使用し、個別電極23と共通電極22の外部電極20に異なるFPC7c,7dを接続しても良い。このように2種類のFPC7c、7dを使用することにより、FPC7に曲げ応力を加えないで安定して接続することができるとともにFPC7を接続するときのアライメントを容易に行うことができる。
When this
共通電極22は個別電極23からの電流が集中するため、共通電極22はある程度の面積が必要であるが、長手方向の両端の圧電素子柱21aの端面に形成された外部電極20は十分な大きさの面積を得ることができ、この外部電極20にFPC7a,7bの共通電極接続部72又はFPC7dを接続することにより、圧電アクチュエータ13を小型化して液滴吐出ヘッド1を小型に形成することができ、コストダウンを図ることができる。
Since the current from the
また、大きな面積を有する金属膜18と外部電極20で共通電極22を形成することにより、共通電極22の抵抗値を十分に小さくすることができる。すなわち抵抗値が大きいと、圧電素子群5の中央付近の圧電素子柱21と端部付近の圧電素子柱21の間で抵抗差が生じ、圧電アクチュエータ13の駆動タイミングがずれるという問題が生じる。さらに、長い圧電素子群5又は複数の圧電素子群5を用いる場合など、共通電極22を流れる電流が増大した場合には、流れる電流が膨大になるに伴い局所的に発熱を起こし特性不良を引き起こすため使用することができなくなる。これに対して供給電極22の抵抗値を十分小さくすることにより、このような弊害が生じることを防止でき、安定して駆動する長尺の圧電アクチュエータ13を形成することができる。
In addition, by forming the
なお、圧電素子柱21の圧電方向としてd33方向の変位を用いて加圧液室10内のインクを加圧する構成とすることも、圧電素子柱21の圧電方向としてd31方向の変位を用いて加圧液室10内インクを加圧する構成とすることもできる。
Note that a configuration in which the ink in the pressurized
この圧電素子群5の共通電極22の外部電極20と個別電極23をFPC7に接続するための加熱方法としては、ヒーター等を用いた接触加熱方法とレーザ等を用いた非接触加熱方法がある。レーザによる加熱の際は、ガラス等の剛性部材でFPC7と圧電素子柱21を密着させて接合させてもよいが、エアー圧によってFPC7と圧電素子柱21を密着させながらレーザによって接合する方が好ましい。
As a heating method for connecting the
圧電素子群5にFPC7をレーザにより接合する接合装置を図9の構成図を参照して説明する。接合装置50は、FPC7を保持する第1部材保持機構51と、ベース部材6に接合した圧電素子群5を保持する第2部材保持機構52と、第1部材保持機構51と第2部材保持機構52の上部に設けられたレーザ照射機構53とエアー抑え機構54及び撮像装置55とを有する。第1部材保持機構51はFPC7を保持して位置を調整する調整ステージ56を有する。レーザ照射機構53とエアー抑え機構54及び撮像装置55はてXY方向調整部57aとZ軸方向調整部57bを有するレーザ照射位置調整機構57に設けられている。エアー抑え機構54は、円筒状の筒体の先端部がテーパ状に形成され、この先端部は局所的な気体の吹き付けが可能な口径とされ、後端部近傍が不図示の圧縮空気供給手段に連結されている。このエアー抑え機構54は中心軸線がレーザ照射機構53から出射されるレーザ光と同軸となるように、レーザ照射機構53の下面に気密的に取り付けられレーザ照射機構53と一体化しており、レーザ照射機構53と協働して後端部から先端部に通じる局所押圧風路を形成している。
A joining apparatus for joining the
この接合装置50で第2部材保持機構52に保持した圧電素子群5に第1部材保持機構51で保持したFPC7を接合するとき、まず、破線で示すように、レーザ照射位置調整機構57によりレーザ照射機構53とエアー抑え機構54及び撮像装置55を移動して撮像装置55をFPC7の電極の上方に位置させて、FPC7の電極と圧電素子群5の例えば個別電極23とが適切な状態で対向するように、撮像装置55からの映像に基づいて第1部材保持機構51の調整ステージ56の位置調整を行う。この位置調整の後、実線で示すように、レーザ照射位置調整機構57によりレーザ照射機構53とエアー抑え機構54及び撮像装置55を移動して適切に対向されたFPC7の電極と圧電素子群5の個別電極23とを接合すべくレーザ光を照射できる位置にレーザ照射機構53を位置合わせする。その後、エアー抑え機構54に圧縮空気供給手段から加圧空気を供給して局所押圧風路へ送り込みながらレーザ照射機構53でレーザ光を照射する。エアー抑え機構54の先端部から噴出した加圧空気はレーザ光の軸線と一致する位置で局所的にFPC7の上面に当たり、レーザ光により照射される個所の周辺を圧電素子群5へ向けて局所的に押圧し、FPC7の電極と圧電素子群5の個別電極23を密着させ、照射されているレーザ光でFPC7の電極と圧電素子群5の個別電極23を接合する。この状態でレーザ照射位置調整機構57によりレーザ照射機構53とエアー抑え機構54及び撮像装置55をX軸方向に移動してレーザ光の照射位置を走査してFPC7の電極と圧電素子群5の個別電極23の全体を順次密着させて接合する。
When the
次に複数、例えば片列6個、2列で12個の圧電素子群5を圧電素子柱21の整列方向に並べて構成した長尺の圧電アクチュエータ13aを図10の斜視図を参照して説明する。圧電アクチュエータ13aの端部に位置する圧電素子群5aを構成する圧電素子部材14aは、図11(a)に示すように、圧電層(圧電材料層)15と内部電極16aと内部電極16bとを交互に積層されて形成されている。内部電極16aと内部電極16bを有する内部電極層は、図12(a),(b)の平面図に示すように、電極のない部分17を異なるパターン形状で形成されている。この圧電素子部材14aには共通電極22を形成する金属膜18と内部電極16bの電極のない部分17で分離された電極部161の端部がある長手方向の端面に設けられた外部電極20と、個別電極23を形成する金属膜19が成膜されている。また、圧電アクチュエータ13aの中央部に位置する圧電素子群5bを構成する圧電素子部材14bは、図11(b)に示すように、圧電層(圧電材料層)15と、図12(c),(d)に示すように、長手方向に沿った一方の端部に電極のない部分17を有する内部電極16aと内部電極16bとを交互に積層されて形成されている。この圧電素子部材14bには共通電極22を形成する金属膜18と内部電極23を形成する金属膜19が成膜されている。
Next, a long
この圧電素子部材14aと複数の圧電素子部材14bをベース部材6に圧電素子柱21を形成する溝加工の幅、例えばダイシングなどで形成する0.03mm幅と同じ幅だけ隙間をあけて配置して、振動板4を接合する面とは反対側に形成された金属膜18とベース部材6とを例えば導電性の接着剤30により接合する。この接合は導電性の接着剤30以外でも良く、例えば金属溶融接合など導電性があれば良い。また、ベース部材6としては導電性のものが望ましく、ステンレスや鉄、銅、アルミなどが好適である。また、セラミック等の非導電性の材料の表面に導電性の膜を形成しても良い。このように金属膜18とベース部材6を接合することにより、圧電素子部材14aの外部電極20とベース部材6とを電気的に導通させ、圧電素子部材14bの共通電極22を構成する金属膜18とベース部材6とを導通させることができる。その後、圧電素子部材14aと圧電素子部材14bをそれぞれ溝加工して圧電素子柱21を形成する。この溝加工するとき、ベース部材6には溝(スリット)を入れずに架橋部を残しておく。また、圧電素子部材14aの電極のない部分17で分離された電極部161に対応する部分には溝加工をしないでおく。
The piezoelectric element member 14a and the plurality of piezoelectric element members 14b are arranged with a gap of the same width as a groove processing width for forming the
ベース部材6に接合されて溝加工により圧電素子柱21が形成された圧電素子群5aと圧電素子群5bにFPC7を接合して長尺の圧電アクチュエータ13aを形成する。この圧電素子群5aと接合するFPC7としては、図10に示すようにL字型のFPC7bを使用し、圧電素子群5bと接合するFPC7としては折り曲げられていないフラットなFPC7cを使用している。このFPC7bは、圧電素子群5a,5bの並び方向の面で個別電極23を引き出しており、圧電素子群5aの端面で共通電極22を引き出している。一方、FPC14bは、圧電素子並び方向の面から個別電極を引き出し、共通電極は接着剤30とベース部材6を通して圧電素子群5bの側面から引き出している。
The long
この圧電素子群5a,5bを接合するベース部材6は金属材料で形成することが好ましい。ベース部材6の材質が金属であれば、圧電素子群5a,5bの自己発熱による蓄熱を防止することができる。圧電素子群5a,5bとベース部材6は接着剤により接着接合しているが、チャンネル数が増えると、圧電素子群5a,5bの自己発熱により100℃近くまで温度が上昇し、接合強度が著しく低下することになる。また、自己発熱により液滴吐出ヘッド1内部の温度上昇が発生してインク温度が上昇するが、インクの温度が上昇するとインク粘度が低下し、噴射特性に大きな影響を与える。したがってベース部材6を金属材料で形成して圧電素子群5a,5bの自己発熱による蓄熱を防止することにより、接合強度の低下やインク粘度の低下による噴射特性の劣化を防止することができる。
The
さらに、ベース部材6の線膨張係数が大きいと、高温または低温でベース部材6と圧電素子群5a,5bの接合界面で接着剤の剥離が発生することがある。すなわち、従来は圧電アクチュエータ13の全長が長くなかったため、環境変動による温度差で圧電素子群5ベース部材6が剥離するという問題はほとんどなかったが、300dpiで約400ノズル程度を有する全体で30〜40mm以上の長さの圧電素子群5a,5bを用いることでこの問題が顕在化するようになった。したがってベース部材6の材料としては線膨張係数が10E−6/℃以下の材質を用いることが好ましく、この線膨張係数の範囲にすることにより、環境変動による温度差で圧電素子群5a,5bとの接合界面が剥離することを防止できる。特に、圧電素子群5a,5bに接着接合される部品の線膨張係数を全て10E−6/℃以下にすると、接合界面の剥離に対して非常に効果的であることが確認された。
Further, when the linear expansion coefficient of the
また、FPC7には各加圧液室10に対応する各チャンネルを駆動する駆動波形(電気信号)を印加するためのドライバICを複数搭載している。このように、FPC7に複数のドライバICを搭載することにより、各ドライバIC毎に電気信号を設定することができ、圧電素子群5a,5bの各駆動チャンネルの変位特性のばらつきを容易に補正することができる。
The
次に、前記のように構成した液滴吐出ヘッド1と、液滴吐出ヘッド1にインクを供給するインクタンクとを一体化したヘッド一体型インクカートリッジ31を図13に示す。図に示すように、液滴吐出ヘッド1とインクタンク32を一体化すると、小型化と低コスト化を図ることができるとともに信頼性を向上することができる。
Next, FIG. 13 shows a head-integrated
この液滴吐出ユニット1を搭載した画像形成装置を図14の斜視図と図15の機構部の構成を示す側面図と図16の機構部の要部を示す平面図を参照して説明する。 An image forming apparatus equipped with the droplet discharge unit 1 will be described with reference to a perspective view of FIG. 14, a side view of the structure of the mechanism part of FIG. 15, and a plan view of the main part of the mechanism part of FIG.
図14に示すように、画像形成装置は、装置本体101と、装置本体101に装着された記録用紙を装填するための給紙トレイ102と、装置本体101に着脱自在に装着されて画像が記録(形成)された記録用紙をストックするための排紙トレイ103とを備えている。また、装置本体101の前面の一端部側(給排紙トレイ部の側方)には、前面から装置本体101の前方側に突き出し、上面よりも低くなったインクカートリッジを装填するためのカートリッジ装填部104を有し、このカートリッジ装填部104の上面は操作ボタンや表示器などを設ける操作/表示部105を配置している。
As shown in FIG. 14, the image forming apparatus includes an apparatus
このカートリッジ装填部104には、色の異なる記録液(インク)、例えば黒(K)インク、シアン(C)インク、マゼンタ(M)インク、イエロー(Y)インクをそれぞれ収容した複数の記録液カートリッジであるインクカートリッジ110k、110c、110m、110yを、装置本体101の前面側から後方側に向って挿入して装填可能とし、このカートリッジ装填部104の前面側には、インクカートリッジ110を着脱するときに開く前カバー106を開閉可能に設けている。
The
操作/表示部105には、各色のインクカートリッジ110k、110c、110m、110yの装着位置(配置位置)に対応する配置位置で、各色のインクカートリッジ110k、110c、110m、110yの残量がニアーエンド及びエンドになったことを表示するための各色の残量表示部111k、111c、111m、111yを配置している。また、操作/表示部105には、電源ボタン112と用紙送り/印刷再開ボタン113及びキャンセルボタン114も配置している。
In the operation / display unit 105, the remaining amounts of the
この画像形成装置の機構部は、図14に示すように、ガイドロッド121とステー122とでキャリッジ123を主走査方向に摺動自在に保持してキャリッジ走査方向に移動走査する。このキャリッジ123には、ブラック(K)、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)の各色のインク滴をそれぞれ吐出するノズル列を有する各色毎の液滴吐出ヘッド1を複数のノズルを主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。また、キャリッジ123には、図16に示すように、液滴吐出ヘッド1に各色のインクを供給するための各色のサブタンク131k、131c、131m、131yを搭載している。この各色のサブタンク131には各色のインク供給チューブ108を介して、カートリッジ装填部104に装着された各色のインクカートリッジ110から供給ポンプユニット107を介して各色のインクが補充供給される。
As shown in FIG. 14, the mechanism section of this image forming apparatus holds the
また、給紙トレイ102の用紙積載部(圧板)141上に積載した記録用紙142を給紙するための給送手段である給紙部として、用紙積載部141から記録用紙142を1枚ずつ分離給送する半月コロ(給紙コロ)143及び給紙コロ143に対向し、摩擦係数の大きな材質からなる分離パッド144を備え、この分離パッド144は給紙コロ143側に付勢されている。そして、給紙部から給紙された記録用紙142を液滴吐出1の下方側に送り込むために、記録用紙142を案内するガイド部材145とカウンタローラ146と搬送ガイド部材147と先端加圧コロ149を有する押さえ部材148とを備えるとともに、給送された記録用紙142を静電吸着して液滴吐出1に対向する位置で搬送するための搬送手段である搬送ベルト151を備えている。
In addition, the
この搬送ベルト151は、無端状ベルトであり、搬送ローラ152とテンションローラ153との間に掛け渡されて、ベルト搬送方向(副走査方向)に周回するように構成している。この搬送ベルト151は、例えば、抵抗制御を行っていない純粋な厚さ40μm程度の樹脂材、例えばETFEピュア材で形成した用紙吸着面となる表層と、この表層と同材質でカーボンによる抵抗制御を行った裏層(中抵抗層、アース層)とを有している。そして、搬送ベルト151の表面を帯電させるための帯電手段である帯電ローラ156を備えている。帯電ローラ156は、搬送ベルト151の表層に接触し、搬送ベルト151の回動に従動して回転するように配置され、加圧力として軸の両端に所定の押圧力をかけている。また、搬送ベルト151の裏側には、液滴吐出ヘッド1による印写領域に対応してガイド部材157を配置している。この搬送ベルト151は、副走査モータによって搬送ローラ152が回転駆動されることによってベルト搬送方向(副走査方向)に周回移動する。
The
さらに、液滴吐出ヘッド1で記録された記録用紙142を排紙するための排紙部として、搬送ベルト151から記録用紙142を分離するための分離爪161と、排紙ローラ162及び排紙コロ163とを備え、排紙ローラ162の下方に排紙トレイ103を備えている。
Further, as a paper discharge unit for discharging the
また、装置本体101の背面部には両面ユニット171が着脱自在に装着されている。この両面ユニット171は搬送ベルト151の逆方向回転で戻される記録用紙142を取り込んで反転させて再度カウンタローラ146と搬送ベルト151との間に給紙する。また、この両面ユニット171の上面には手差しトレイ172を設けている。
A double-
さらに、図16に示すように、キャリッジ123の走査方向一方側の非印字領域には、液滴吐出ヘッド1のノズルの状態を維持し、回復するための回復手段を含む維持回復機構81を配置している。この維持回復機構181には、各色毎の液滴吐出ヘッド1のノズル面をキャピングするためのキャップ部材182とノズル面をワイピングするワイパーブレード183と空吐出したインクを受ける空吐出受け部184などを備えている。また、キャリッジ123の走査方向の他方側の非印字領域には、同様に、空吐出時の液滴を受けるための空吐出受け185を配置している。
Further, as shown in FIG. 16, a maintenance / recovery mechanism 81 including a recovery means for maintaining and recovering the nozzle state of the droplet discharge head 1 is arranged in the non-printing area on one side of the
このように構成した画像形成装置においては、給紙トレイ102から記録用紙142が1枚ずつ分離給紙され、略鉛直上方に給紙された記録用紙142はガイド部材145で案内され、搬送ベルト151とカウンタローラ146との間に挟まれて搬送され、更に先端を搬送ガイド部材147で案内されて先端加圧コロ149で搬送ベルト151に押し付けられ、略90度搬送方向を転換される。このとき、図示しない制御部によって高圧電源から帯電ローラ156に対してプラス出力とマイナス出力とが交互に繰り返すように、つまり交番する電圧が印加され、搬送ベルト151が交番する帯電電圧パターン、すなわち、周回方向である副走査方向に、プラスとマイナスが所定の幅で帯状に交互に帯電されたものとなる。このプラスとマイナス交互に帯電した搬送ベルト151上に記録用紙142が給送されると、記録用紙142が搬送ベルト151に吸着され、搬送ベルト151の周回移動によって記録用紙142が副走査方向に搬送される。そこで、キャリッジ123を移動させながら画像信号に応じて液滴吐出ヘッド1を駆動することにより、停止している記録用紙142にインク滴を吐出して1行分を記録し、記録用紙142を所定量搬送後、次の行の記録を行う。記録終了信号又は記録用紙142の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了して、記録用紙142を排紙トレイ103に排紙する。
In the image forming apparatus configured as described above, the
このようにこの画像形成装置においては液滴吐出ヘッド1を備えるので、高密度でインク吐出が可能であり、小型で印字速度が速く、かつ高画質の画像を形成することができる。 As described above, since the image forming apparatus includes the droplet discharge head 1, it is possible to discharge ink with high density, and it is possible to form a high-quality image with a small size and high printing speed.
前記説明では液滴吐出ヘッド1をインクジェット方式の画像形成装置に適用した場合について示したが、インク以外の液滴、例えばパターニング用の液体レジストの吐出や遺伝子分析試料を吐出するためなどにも適用することできる。 In the above description, the case where the droplet discharge head 1 is applied to an ink jet image forming apparatus has been described. However, the droplet discharge head 1 is also applied to discharge droplets other than ink, for example, a liquid resist for patterning or a gene analysis sample. Can do.
1;液滴吐出ヘッド、2;ノズル板、3;流路基板(液室基板)、4;振動板、
5;圧電素子群、6;ベース部材、7;FPC、8;フレーム、9;ノズル、
10;加圧液室、11;流体抵抗部、12;連通孔、13;圧電アクチュエータ、
14;圧電素子部材、15;圧電層(圧電材料層)、16;内部電極、
17;電極のない部分、18;金属膜、19;金属膜、20;外部電極、
21;圧電素子柱、22;共通電極、23;個別電極、30;導電性の接着剤、
31;一体型インクカートリッジ、32;インクタンク、
101;画像形成装置の装置本体。
1; droplet discharge head, 2; nozzle plate, 3; flow path substrate (liquid chamber substrate), 4; vibration plate,
5; Piezoelectric element group, 6; Base member, 7; FPC, 8; Frame, 9;
10: Pressurized liquid chamber, 11: Fluid resistance portion, 12: Communication hole, 13: Piezoelectric actuator,
14; piezoelectric element member, 15; piezoelectric layer (piezoelectric material layer), 16; internal electrode,
17; part without electrode, 18; metal film, 19; metal film, 20; external electrode,
21; Piezoelectric element column; 22; Common electrode; 23; Individual electrode; 30; Conductive adhesive;
31; integrated ink cartridge, 32; ink tank,
101: an apparatus main body of the image forming apparatus.
Claims (11)
前記複数の圧電素子柱は、前記圧電部材の長手方向の一方の端部を除いて溝加工して形成され、
前記圧電部材の溝加工がされない長手方向の一方の端部の端面に共通電極の外部電極を有し、前記複数の圧電素子柱の個別電極に接続されたフレキシブルプリント基板の一部が折り曲げられて前記共通電極の外部電極に接続されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 In a piezoelectric actuator that feeds power by joining a flexible printed circuit board to a piezoelectric member having a plurality of piezoelectric element columns,
The plurality of piezoelectric element columns are formed by grooving except for one end in the longitudinal direction of the piezoelectric member,
A portion of the flexible printed circuit board having a common electrode external electrode on one end surface in the longitudinal direction where the groove processing of the piezoelectric member is not performed and connected to the individual electrodes of the plurality of piezoelectric element columns is bent. A piezoelectric actuator, wherein the piezoelectric actuator is connected to an external electrode of the common electrode.
前記複数の圧電素子柱は、前記圧電部材の長手方向の両端部を除いて溝加工して形成され、
前記圧電部材の溝加工がされない長手方向の両端部の端面に共通電極の外部電極を有し、前記複数の圧電素子柱の個別電極に接続されたフレキシブルプリント基板の一部が折り曲げられ、前記共通電極の外部電極に接続されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 In a piezoelectric actuator that feeds power by joining a flexible printed circuit board to a piezoelectric member having a plurality of piezoelectric element columns,
The plurality of piezoelectric element columns are formed by grooving except for both ends in the longitudinal direction of the piezoelectric member,
The piezoelectric member has a common electrode external electrode on both end faces in the longitudinal direction where grooves are not formed, and a part of the flexible printed circuit board connected to the individual electrodes of the plurality of piezoelectric element columns is bent, and the common A piezoelectric actuator characterized by being connected to an external electrode of an electrode.
前記複数の圧電素子柱は、前記圧電部材の長手方向の一方の端部又は両端部を除いて溝加工して形成され、
前記圧電部材の溝加工がされない長手方向の一方の端部又は両端部の端面に共通電極の外部電極を有し、該共通電極の外部電極と前記複数の圧電素子柱に形成された個別電極に、それぞれフレキシブルプリント基板が接続されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 In a piezoelectric actuator that feeds power by joining a flexible printed circuit board to a piezoelectric member having a plurality of piezoelectric element columns,
The plurality of piezoelectric element columns are formed by grooving except for one end or both ends in the longitudinal direction of the piezoelectric member,
The piezoelectric member has an external electrode of a common electrode on one or both end faces in the longitudinal direction where the groove processing is not performed, and the external electrode of the common electrode and individual electrodes formed on the plurality of piezoelectric element columns Each of the piezoelectric actuators is connected to a flexible printed circuit board.
前記複数の圧電素子柱は、前記複数配列された圧電部材の長手方向の一方の端部を除いて溝加工して形成され、
前記圧電部材の溝加工がされない長手方向の一方の端部の端面に共通電極の外部電極を有し、前記複数の圧電素子柱の個別電極に接続されたフレキシブルプリント基板の一部が折り曲げられて前記共通電極の外部電極に接続されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 In a piezoelectric actuator that feeds power by arranging a plurality of piezoelectric members having a plurality of piezoelectric element columns in an alignment direction of the piezoelectric element columns and joining a flexible printed circuit board to the piezoelectric members,
The plurality of piezoelectric element columns are formed by grooving except for one end in the longitudinal direction of the plurality of arranged piezoelectric members,
A portion of the flexible printed circuit board having a common electrode external electrode on one end surface in the longitudinal direction where the groove processing of the piezoelectric member is not performed and connected to the individual electrodes of the plurality of piezoelectric element columns is bent. A piezoelectric actuator, wherein the piezoelectric actuator is connected to an external electrode of the common electrode.
前記複数の圧電素子柱は、前記複数配列された圧電部材の長手方向の両端部を除いて溝加工して形成され、
前記圧電部材の溝加工がされない長手方向の両端部の端面に共通電極の外部電極を有し、前記複数の圧電素子柱の個別電極に接続されたフレキシブルプリント基板の一部が折り曲げられて前記共通電極の外部電極に接続されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 In a piezoelectric actuator that feeds power by arranging a plurality of piezoelectric members having a plurality of piezoelectric element columns in an alignment direction of the piezoelectric element columns and joining a flexible printed circuit board to the piezoelectric members,
The plurality of piezoelectric element columns are formed by grooving except for both ends in the longitudinal direction of the plurality of arranged piezoelectric members,
The piezoelectric member has an external electrode of a common electrode on both end faces in the longitudinal direction where the groove processing is not performed, and a part of the flexible printed circuit board connected to the individual electrodes of the plurality of piezoelectric element columns is bent and the common A piezoelectric actuator characterized by being connected to an external electrode of an electrode.
前記複数の圧電素子柱は、前記複数配列された圧電部材の長手方向の両端部を除いて溝加工して形成され、
前記圧電部材の溝加工がされない長手方向の両端部の端面に共通電極の外部電極を有し、該共通電極の外部電極と前記複数の圧電素子柱に形成された個別電極に、それぞれフレキシブルプリント基板が接続されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 In a piezoelectric actuator that feeds power by arranging a plurality of piezoelectric members having a plurality of piezoelectric element columns in an alignment direction of the piezoelectric element columns and joining a flexible printed circuit board to the piezoelectric members,
The plurality of piezoelectric element columns are formed by grooving except for both ends in the longitudinal direction of the plurality of arranged piezoelectric members,
An external electrode of a common electrode is provided on both end faces in the longitudinal direction where the groove processing of the piezoelectric member is not performed. Is connected to the piezoelectric actuator.
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