JP3603397B2 - プリンタ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子と振動板とのバイモルフ効果により圧力室に満たされる吐出媒体を、吐出ノズルより吐出させて記録媒体に画像を印画するプリンタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、いわゆるオンデマンド型インクジェットプリンタは、記録信号に応じてインク液滴をノズルより吐出して、紙やフィルムなどの記録媒体に記録するプリンタであり、小型化、低コスト化が可能なため近年急速に普及しつつある。
【０００３】
一方、近年、特にオフィスにおいて、デスクトップパブリッシングと呼ばれるコンピュータを用いた文書作成が盛んに行われるようになり、最近では文字や図形だけではなく写真等のカラーの自然画像を文字や図形とともに出力するという要求が増加してきている。このように、高品位な自然画像をプリントするためには、中間調の再現が重要である。
【０００４】
このオンデマンド型インクジェットプリンタにおいて、インク液滴を吐出するためには、例えばピエゾ素子を用いる方法や発熱素子を用いる方法が一般的である。ピエゾ素子を用いる方法というのは、ピエゾ素子の変形によりインクに圧力を与えノズルより吐出させる方法である。一方、発熱素子を用いる方法というのは、発熱素子によりインクを加熱沸騰させて発生する泡の圧力でインクを吐出させる方法である。
【０００５】
また、中間調を再現するためには、ピエゾ素子または発熱素子に与える電圧やパルス幅を変化させ、吐出する液滴サイズを制御することで印字ドットの径を可変として諧調を表現するものや、ドット径は変化させずに１画素を、例えば４×４のドットよりなるマトリクスで構成し、このマトリクス単位でいわゆるディザ法を用いて諧調表現を行うものがある。
【０００６】
ところで、ピエゾ素子の変形によりインクに圧力を与えノズルより吐出させる方法には、何層にも積層された圧電素子を直線的に変位させ振動板を押す方法と、振動板に貼り合わされた単板あるいは２層に積層された圧電素子に電圧を与えることにより振動板を湾曲させる方法がある。
【０００７】
図２７及び図２８には、単板型の圧電素子を用いたプリンタ装置におけるプリントヘッドを示す。このプリントヘッドは、例えば感光性ガラス等からなる基台１０１と、この基台１０１に取り付けられる振動板１０２と、この振動板１０２上に設けられる圧電素子１０３と、吐出ノズル１０４が形成されたオリフィスプレート１０５とからなる。
【０００８】
基台１０１には、図２７に示すように、インクを導入するためのインク導入孔１０６と、該インクを収容する圧力室１０７とが形成されている。振動板１０２は、これらインク導入孔１０６と圧力室１０７を覆うようにして、基台１０１に取り付けられている。圧電素子１０３は、図２８に示すように、厚み方向の上下面にそれぞれ電極１０８，１０９を有し、圧力室１０７と対応した位置の振動板１０２上に接着剤等によって接合されている。オリフィスプレート１０５は、基台１０１の振動板１０２が設けられる面とは反対側の面に設けられている。このオリフィスプレート１０５に設けられた吐出ノズル１０４は、圧力室１０７と連通するようになっている。
【０００９】
このプリントヘッドでは、圧電素子１０３に電圧が印加されると、バイモルフ効果によって当該圧電素子１０３が変形し、その変位が振動板１０２を介して圧力室１０７に伝達される。すると、この圧電素子１０３の変位によって、圧力室１０７の体積が減少し、該圧力室１０７内に満たされていたインクが吐出ノズル１０４より吐出される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のように、振動板に貼り合わされた単板あるいは２層に積層された圧電素子に電圧を与えることにより振動板を湾曲させる方法では、切断された圧電素子を振動板上に貼り合わせるに際して、微細ピッチを達成するのが困難であるという問題がある。また、振動板上にペースト状の圧電素子を印刷等の手段により配置し、配置後に焼成する場合には、振動板の耐熱性のために焼成温度を１０００℃以上にすることが困難であり、圧電材料の特性を十分に発揮することができないという欠点がある。さらに、振動板に圧電素子を貼り合わせた後に切断を行う方法においては、振動板を傷つけることなく、圧電素子のみを切断することが困難であるとともに、絶えず一定な深さで切断をすることは工具の摩耗および工作機械の位置精度を踏まえると容易でない。
【００１１】
この一方、何層にも積層された圧電素子を直線的に変位させ振動板を押す方法では、圧電素子自体、高価なものとなり、コストの面で不利である。
【００１２】
本発明は、上述の問題点に鑑みて提案されたものであり、単板あるいは２層に積層された圧電素子を用いてコストを抑えると共に、プロセスの安定化および圧電材料特性の発揮、さらには微細ピッチに対応したプリンタ装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、振動板を単層ではなく２層以上の積層構造とし、そのうちの１層を本来の振動板として機能させると共に、圧電素子を切断する際に機械加工により本来の振動板として機能させる振動板までは切断せず、その一歩手前の切断部分に残った他の振動板をエッチング等により除去することで、本来有する圧電材料の特性の発揮、微細ピッチの実現がなされることを見い出した。また、複数の圧電素子のうち、圧力室の圧力付与に寄与する圧電素子と、圧力室の圧力付与に寄与しない圧電素子を、当該圧力室の列方向と、これに垂直な方向に対して周期的に配置することで、解像度の向上が図れることを見い出した。
【００１４】
すなわち、本発明に係るプリンタ装置は、吐出ノズルを複数有してなるオリフィスプレートと、この吐出ノズルに連通し、各吐出ノズルに対応して設けられた圧力室を有してなる基台と、圧力室を全て覆うようにされる振動板と、圧電素子をマスクとして除去されて当該圧電素子と略同一幅とされてなる振動板とからなる２層以上の積層振動板と、この積層振動板上に配置される複数の圧電素子とを備える。そして、このプリンタ装置では、これら複数の圧電素子のうち、圧力室の圧力付与に寄与する圧電素子と、圧力室の圧力付与に寄与しない圧電素子とが、圧力室の配列方向に対して周期的に配置される。
【００１５】
また、本発明に係るプリンタ装置は、吐出ノズルが２列以上に複数配置されたオリフィスプレートと、この吐出ノズルに連通し、各吐出ノズルに対応して２列以上に配列して設けられた圧力室を有してなる基台と、圧力室を全て覆うようにされる振動板と、圧電素子をマスクとして除去されて当該圧電素子と略同一幅とされてなる振動板とからなる２層以上の積層振動板と、この積層振動板上に所定間隔で配置される複数の圧電素子とを備える。そして、このプリンタ装置では、これら複数の圧電素子のうち、圧力室の圧力付与に寄与する圧電素子と、圧力室の圧力付与に寄与しない圧電素子とが、当該圧力室の列方向と、これに垂直な方向に対して周期的に配置される。
【００１６】
本発明に係るプリンタ装置においては、振動板を２層以上とし、そのうちの１層を圧力室を全て覆うようにし、残りの層の振動板を圧電素子をマスクとして除去して、当該圧電素子と同一幅としているので、変位力を発生する領域に対して、負荷として働く領域は少なくなり、少ない電圧の印加により大きな変位が得られる。
【００１７】
また、このプリンタ装置では、圧力室の圧力付与に寄与する圧電素子と、圧力室の圧力付与に寄与しない圧電素子とが、圧力室の配列方向に対して周期的に配置されているので、この圧力付与に寄与しない圧電素子が、機械的強度を高める役目をする。
【００１８】
さらに、このプリンタ装置では、これら複数の圧電素子のうち、圧力室の圧力付与に寄与する圧電素子と、圧力室の圧力付与に寄与しない圧電素子とが、当該圧力室の列方向と、これに垂直な方向に対して周期的に配置されるので、解像度の高い印画が望める。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用したプリンタ装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
実施の形態１
図１及び図２に、本発明に係るプリンタ装置におけるプリントヘッド部分の縦断面図と横断面図を示す。
【００２１】
このプリントヘッドは、複数の吐出ノズル１を有してなるオリフィスプレート２と、この吐出ノズル１に連通し、該吐出ノズル１に対応して設けられた圧力室３を有してなる基台４と、この基台４に取り付けられる振動板５，６と、この振動板５，６上に配置される複数の圧電素子７とを備えてなる。
【００２２】
オリフィスプレート２は、図１及び図２に示すように、吐出媒体であるインクを吐出する吐出ノズル１を複数有した基板として形成され、基台４の振動板５が設けられる面とは反対側の面に取り付けられている。このオリフィスプレート２に設けられる吐出ノズル１は、基台４に形成された各圧力室３にそれぞれ相対向して設けられると共に、それぞれの圧力室３に連通するようになっている。吐出ノズル１の出口形状は、インクの表面張力により球形になろうとするので、丸形または長方形のどちらでもよい。この例では、図３に示すように、吐出ノズル１の出口形状を円形としている。
【００２３】
基台４には、図１及び図２に示すように、インクを吐出ノズル１へと導くための流路が形成されている。かかる流路は、主として図３に示すように、平面長方形をなすインク収容部である圧力室３と、この圧力室３に連通するインク供給路８とからなる。圧力室３には、インク導入部９から分岐されるインク供給路８を介してインクが導入されるようになっている。
【００２４】
振動板５，６は、図１及び図２に示すように、２つの振動板が重ね合わされた２層構造とされている。一方の振動板５は、基台４に設けられた全ての圧力室３を覆うようにして、該基台４のオリフィスプレート２が設けられる面とは反対側の面に設けられている。他方の振動板６は、後述の製造プロセスで示すように、圧電素子７をマスクとして除去されることにより、当該圧電素子７と略同一幅とされている。
【００２５】
圧電素子７は、焼成されたセラミックの上下面に電極を形成したバイモルフ素子からなり、電圧の印加による変形で圧力室３内の圧力を可変し、吐出媒体であるインクを吐出ノズル１より吐出させる役目をするものである。この圧電素子７は、図３に示すように、平面長方形として形成され、振動板６に対して接着層１０を介して接合されている。
【００２６】
振動板５，６上に所定間隔で配置された複数の圧電素子７のうち、図１及び図３中、斜線で示す圧力室３と対応する位置に設けられた圧電素子７は、インクを吐出させる際の当該圧力室３の圧力付与に寄与する本来の圧電素子７（以下、これを本圧電素子７と称する。）として機能する。これに対して、圧力室３と対応しない位置に設けられる圧電素子７は、当該圧力室３の圧力付与に寄与しない，いわゆるダミーの圧電素子（以下、これをダミー圧電素子７と称する。）として機能する。このダミー圧電素子７は、後述する製造プロセスで述べるように、基台４やオリフィスプレート２を振動板５，６に接合する際の接合信頼性及び機械的強度を高める役目をする。なお、この例では、本圧電素子７とダミー圧電素子７は、交互に配列されている。
【００２７】
このように構成されたプリントヘッドにおけるインクの吐出動作は、次の通りである。図４に示す初期状態から図５に示すように、本圧電素子７に電圧を与えると、該本圧電素子７と積層された振動板５，６とのバイモルフ効果により、これら本圧電素子７と振動板５，６が湾曲する。このため、本圧電素子７に対応した圧力室３に圧力が加わり、該圧力室３に満たされていたインク１１が吐出ノズル１より吐出することとなる。
【００２８】
このプリントヘッドでは、バイモルフ効果は、積層された２層の振動板５，６と本圧電素子７によって発生される。そして、圧力室３の圧力を高めるために必要な変位を得るにあたる負荷としては、当該圧力室３を覆って設けられる最下層の振動板５のみとなっている。図示すると、図４（ａ）に示すように、図中Ｃで示す部分が変位力を発生し、同図中Ｄで示す部分が負荷として働く。
【００２９】
したがって、従来のインクジェットヘッドの構成において変位強度を弱くするために広く設けられていた圧力室３の幅Ｂを、圧電素子７の幅Ａに比較して狭くすることができる。その結果、このプリントヘッドにおいては、圧力室３の大きさを小さくすることが可能となり、当該圧力室３の配置密度を高めることができ、最終的に圧力室３に連通する吐出ノズル１の間隔を小さくすることができることとなる。
【００３０】
また、このプリントヘッドでは、接着層１０の厚さ誤差は負荷に影響しないという利点がある。図４（ａ）中、圧電素子７の厚みをｔ（ｐｉｅｚｏ） 、接着層１０の厚みをｔ（ａｄｈ） 、上層の振動板６の厚みをｔ_１ 、下層の振動板５の厚みをｔ_２ としたときに、負荷の影響の度合いは、Δｔ（ａｄｈ） ／（ｔ（ｐｉｅｚｏ） ＋ｔ（ａｄｈ） ＋ｔ_１ ）で表せる。つまり、接着剤の厚さの誤差は、ほぼ１乗でしか影響しない。
【００３１】
以上のように構成されたプリントヘッドを製造するには、次のようなプロセスに従って行う。
【００３２】
先ず、図６に示すように、２層構造を有する振動板５，６と圧電素子７を準備する。２層よりなる振動板５，６としては、上層の振動板６を溶解する溶液に対して、下層の振動板５がエッチングされない材料を選択する。また、下層の振動板５は、ピット（微小な穴）が存在し難い材料を選択する。さらに、上層及び下層の振動板５，６は、共に導電性であることが望ましい。
【００３３】
より具体的には、上層の振動板６を板厚２０μｍ以上の銅を主成分とする金属箔とし、下層の振動板５を板厚１５μｍ以下のニッケルを主成分とする。また、これら振動板５，６の積層方法としては、これらが強固に接合していればよく、上層の振動板６に下層の振動板５をメッキにより形成する方法、あるいは下層の振動板５に上層の振動板６をメッキにより形成する方法、さらには上層の振動板６と下層の振動板５を接合する方法、より具体的には真空雰囲気中において荷重を加えることにより接合する方法等が存在する。
【００３４】
一方、圧電素子７は、焼成したセラミックの上下面にそれぞれ電極を形成したものである。図６には、電極を省略して示してある。この圧電素子７の厚みとしては、板厚が２００μｍ以下とすることが望ましい。なお、この例では、圧電素子７は単層のものについて説明を行うが、積層された圧電素子であっても構わない。
【００３５】
また、下層の振動板５には、メッキにより形成された材料よりも圧延により形成された材料の方が後のピットが存在する可能性が少ないので、圧延により形成された材料を用いることが望ましい。さらには、振動板５，６を構成する全ての材料が圧延箔により形成されていることがより望ましい。
【００３６】
次に、図７に示すように、積層された振動板５，６のうち上層の振動板６に接着剤１０を塗布する。あるいは、圧電素子７の表面、さらには圧電素子７と振動板６の両側に接着剤１０を塗布してもよい。接着剤１０は、後の圧電素子５，６の切断プロセスにおいて、剥離することがないように耐え得る強度を有していれば良い。さらにこの接着剤１０は、導電性を有していることが望ましい。より具体的には、エポキシ接着剤に、金属などの導電性粒子を混合したものでよい。
【００３７】
続いて、図８に示すように、振動板５，６と圧電素子７をより強固に接着できるように、および接着剤１０の厚さを薄くして接着ができるように、圧電素子７側より圧力Ｐを加えてプレスを行う。なお、この例では、プレスを加えているが、プレスを行わなくても接着剤１０の厚さが安定し、さらに強固に圧電素子７と振動板５，６とが固定される方法を用いた場合には、プレス工程は必要でない。
【００３８】
またここで、接着剤１０の塗布を安定させるために、上層の振動板６の上にさらに下地層を設けてもよい。例えば、酸化シリコンなどを数１０ｎｍ設けることにより、塗布時に接着剤中に含まれる可能性のある泡を減らすことも有効である。
【００３９】
次に、図９に示すように、接着剤１０としてエポキシ系を用いた場合においては、接着剤の熱硬化を行う。
【００４０】
次いで、図１０に示すように、振動板５，６上に固定された圧電素子７を回転ブレードによるダイシングにより切断する。ここで、切断を行うピッチは、吐出ノズルに連通する圧力室の大きさに対応した大きさとなるように切断加工を行うこととする。また、圧力室３に対応しない部分にもダミー圧電素子７を残すようにする。この圧電素子７の切断工程において、切断手段は、ダイシングの代わりにダイヤモンド粒子を含む砥石加工とすることが可能である。
【００４１】
切断を行うに際しては、圧電素子７は完全に切断し、刃物の底が下層の振動板５までには至らないようにする。つまり、下層の振動板５の直前で切断を止める。下層の振動板５の直前というのは、例えば上層の振動板６を５〜１０μｍ残す程度とする。
【００４２】
次に、図１１に示すように、振動板５，６に接合した圧電素子７を、上層の振動板６のみを溶解あるいはエッチングし、下層の振動板５および圧電素子７は溶解あるいはエッチングしない溶液に浸す。すると、切断されて残った圧電素子７をマスクとして、切断部分に残された下層の振動板５以外の振動板６が除去される。この結果、切断部分に残された上層の振動板６が除去され、底面には下層の振動板５が露出することになる。
【００４３】
ここで、上層の振動板６として銅を主成分とする材料を用い、下層の振動板５として、ニッケルを主成分とした材料を用いた場合においては、５〜４０％の塩化第２鉄水溶液に数分あるいは数１０秒浸すことにより、図１１に示すごとく、切断されることにより残された圧電素子７をマスクとしてエッチングを行うことができる。このようにすることで、ダイシングによる振動板の板厚誤差を無くすことができ、厚み精度の高い振動板を得ることができる。
【００４４】
次に、図１２に示すように、先の工程で得られた圧電素子７と振動板５，６の接合体を、圧力室３とインク供給路が形成された基台であるインク流路形成部材１２に接合する。接合するに際しては、本圧電素子７に相対向する位置に、圧力室３が対応するようにする。このとき、上記接合体には本圧電素子７の他にダミー圧電素子７が設けられているため、接着する際に加える圧力を均等なものとすることができる。したがって、接合信頼性が向上するとともに、機械的強度が高まる。
【００４５】
そしてさらに、圧力室３に連通し、この圧力室３と対応して設けられた吐出ノズル１を有してなるオリフィスプレート（図示は省略する）を圧力室３と対応する位置に取り付ける。これにより、図１及び図２に示すプリントヘッドが完成する。
【００４６】
このようなプロセスを経て製造されたプリントヘッドにおいては、バイモルフ効果は、上下の振動板５，６と本圧電素子７によって発生されることとなっており、圧力室３の圧力を高めるために必要な変位を得るにあたる負荷としては下層の振動板５のみとすることができる。
【００４７】
さらに、このバイモルフ効果により振動板５，６を変形させる場合において、負荷として働くものは、下層の振動板５の断面２次モーメントであり、振動板の厚さの３乗に比例する負荷となる。ここで、上記したプロセスにおいては、図１１に示した如く溶解あるいはエッチングにより、この断面２次モーメントを規定することとなる。したがって、多数存在する吐出ノズル１に対して、対応して存在する圧力室３に対して、均一な圧力を発生させることができることとなる。
【００４８】
ここで例えば、上記プロセスにおいて、圧電素子７をマスクとした溶解あるいはエッチングによる除去を行わず切断工程が終了したのみで、振動板を構成した場合においては、切断時における刃物の摩耗、および切断機の性能に起因する刃物の高さ精度により、振動板の厚さが決定されることとなる。仮に、その精度が例えば１μｍ以下であったとしても、振動板の板厚の目標値が１０μｍの場合には、該振動板の厚さが１０％程度にばらついてしまうこととなり、結果的に断面２次モーメントは厚さの３乗に比例するので、３０％程度のばらつきを有してしまうこととなる。つまり３０％のばらつきが振動板の負荷として存在する場合には、結果的にプリンタ装置を構成した場合において、インクの吐出量が著しくばらついてしまうこととなる。
【００４９】
しかしながら、上記プロセスを採用することにより、インク吐出時の振動板を変位させる場合の負荷となる振動板５の厚さを薄く、さらに安定に製造することができる。したがって、このプロセスによって製造されたプリントヘッドにおいては、圧力室３の大きさを小さくすることが可能となり、当該圧力室３の配置密度を高めることができ、結果的に圧力室３に連通する吐出ノズル１の間隔を小さくすることができることとなる。
【００５０】
さらに、振動板５，６として導電性を有する材料を用いることにより、本圧電素子７に電圧を与える場合において、この振動板５，６を共通電極とすることが可能となる。すなわち、共通電極の端子を設ける場所の節約と端子数の省略に効果を発揮することができる。またさらに、導電性の接着剤１０を用いることにより、結果的に圧電素子７の表面に直接電界を与えることができることとなるので、接着剤１０の厚さに応じた量の電圧を低くすることができる。
【００５１】
またさらに、複数個に分割された圧電素子７を、圧力室３の圧力付与に寄与する本圧電素子７と、圧力室３の圧力付与に寄与しないダミー圧電素子７とが、圧力室３の配列方向に対して周期性をもって配置することにより、図１２に示すインク流路形成部材１２との固着工程において、圧力の付与を容易にすることができる。
【００５２】
そしてさらに、複数個に分割された圧電素子７を、圧力室３の圧力付与に寄与する本圧電素子７と、圧力室３の圧力付与に寄与しないダミー圧電素子７とが、圧力室３の配列方向に対して周期性をもって配置することにより、圧電素子７の切断工程において、切削抵抗の少ない幅の狭い刃を使用することができ、切削条件が安定する。より具体的には、吐出ノズル１のノズルピッチが０．６ｍｍ程度であり、本圧電素子７の幅が０．２ｍｍ程度である場合においては、約０．１ｍｍ程度の刃物を用いればよい。これに対して、本圧電素子７とダミー圧電素子７が圧力室３の配列方向に対して周期性をもって配置しない場合には、０．４ｍｍ程度の刃物を用いる必要があり、切削により除去する体積が大きくなり、切断加工が面倒となる。
【００５３】
以上が、図１及び図２に示したプリントヘッドの製造方法であるが、この他、次のように製造することもできる。
【００５４】
先ず、図１３に示すように、２層構造を有する振動板５，６と圧電素子７を準備する。２層よりなる振動板５，６としては、上層の振動板６を溶解する溶液に対して、下層の振動板５がエッチングされない材料を選択する。また、下層の振動板５は、ピット（微小な穴）が存在しにくい材料を選択する。さらに、下層及び上層の振動板５，６は、共に導電性であることが望ましい。
【００５５】
より具体的には、上層の振動板６を板厚２０μｍ以上の銅を主成分とする金属箔とし、下層の振動板５を板厚１５μｍ以下のニッケルを主成分とする。また、これら振動板５，６の積層方法としては、これらが強固に接合していればよく、上層の振動板６に下層の振動板５をメッキにより形成する方法、あるいは下層の振動板５に上層の振動板６をメッキにより形成する方法、さらには上層の振動板６と下層の振動板５を接合する方法、より具体的には真空雰囲気中において荷重を加えることにより接合する方法等が存在する。
【００５６】
また、圧電素子７は、焼成したセラミックの上下面にそれぞれ電極を形成したものである。図１３には、電極を省略して示してある。この圧電素子７の厚みとしては、板厚が２００μｍ以下とすることが望ましい。なお、この例では、圧電素子７は単層のものについて説明を行うが、積層された圧電素子であっても構わない。また、下層の振動板５には、メッキにより形成された材料よりも圧延により形成された材料の方が後のピットが存在する可能性が少ないので、圧延により形成された材料を用いることが望ましい。さらには、振動板５，６を構成する全ての材料が圧延箔により形成されていることがより望ましい。
【００５７】
次に、図１４に示すように、積層された振動板５，６のうち上層の振動板６にガリウムを成分とする液体金属接着剤１３を塗布する。あるいは、圧電素子７の表面、さらには圧電素子７と振動板６の両側に液体金属接着剤１３を塗布してもよい。この液体金属接着剤１３は、ガリウムと、インジウムあるいは錫あるいは亜鉛の１つ以上を有する２元以上の成分を有し、室温近傍あるいは１００℃以下の温度において液体となり、さらに上層の振動板６に対して、拡散反応を生じ、合金化がなされるものである。あるいは、上記液体金属に、金、銀、パラジウムのうち１種以上を成分として有する金属粉末を添加した金属接着剤を用い、室温近傍あるいは１００℃以下の温度において、上層の振動板６に対して、拡散反応を生じ、合金化がなされるものである。
【００５８】
続いて、図１５に示すように、振動板５，６と圧電素子７をより強固に接着できるように、および液体金属接着剤１３の厚さを薄くして接着できるように、プレスあるいはローラー処理を行う。
【００５９】
なお、この例においては、プレスあるいはローラー処理を行い、液体金属接着剤１３の厚さを５μｍ以下とした。さらに、強固に圧電素子７と振動板５，６とが固定される方法を用いた場合には、プレス工程あるいはローラー工程は必要でない。
【００６０】
またここで、液体金属接着剤１３の塗布を安定させるために、上層の振動板６の上にさらに下地層を設けてもよい。例えば、酸化シリコンなどを数１０ｎｍ設けることにより、塗布時に接着剤中に含まれる可能性のある泡を減らすことも有効である。
【００６１】
次に、図１６に示すように、液体金属接着剤１３の拡散合金化反応を終了させるまで室温あるいは２００℃以下の温度にて保持する。なおここで、上層の振動板６として銅を主成分とする金属を用いた場合においては、拡散合金化反応により、融点が３００℃以上の銅とガリウムの合金が徐々に生成される。さらに保持時間を十分に設けた場合においては、液体金属が完全に固体金属中に拡散し、全てが高融点の合金となり、圧電素子と振動板が強固に接合される。このように、振動板５の表面の領域においては合金層１４が生成されるため、圧電素子７と振動板５とが強固に固定されることになる。
【００６２】
次いで、図１７に示すように、振動板５，６上に固定された圧電素子７を回転ブレードによるダイシングにより切断する。ここで、切断を行うピッチは、吐出ノズルに連通する圧力室の大きさに対応した圧電素子７の大きさとなるように切断加工を行うこととする。この圧電素子７の切断工程において、切断手段は、ダイシングの代わりにダイヤモンド粒子を含む砥石加工とすることが可能である。
【００６３】
切断を行うに際しては、圧電素子７は完全に切断し、刃物の底が下層の振動板５までには至らないようにする。つまり、下層の振動板５の直前で切断を止める。下層の振動板５の直前というのは、例えば上層の振動板６を５〜１０μｍ残す程度とする。
【００６４】
次に、図１８に示すように、振動板５，６に接合した圧電素子７を、上層の振動板６のみを溶解あるいはエッチングし、下層の振動板５および圧電素子７は溶解あるいはエッチングしない溶液に浸す。すると、切断されて残った圧電素子７をマスクとして、切断部分に残された下層の振動板５以外の振動板６が除去される。この結果、切断部分に残された上層の振動板６が除去され、底面には下層の振動板５が露出することになる。
【００６５】
ここで、上層の振動板６として銅を主成分とする材料を用い、下層の振動板５として、ニッケルを主成分とした材料を用いた場合においては、５〜４０％の塩化第２鉄水溶液に数分あるいは数１０秒浸すことにより、図１８に示すごとく、切断されることにより残された圧電素子７をマスクとしてエッチングを行うことができる。このようにすることで、ダイシングによる振動板の板厚誤差を無くすことができ、厚み精度の高い振動板を得ることができる。
【００６６】
次に、図１９に示すように、先の工程で得られた圧電素子７と振動板５，６の接合体を、圧力室３とインク供給路が形成された基台であるインク流路形成部材１２に接合する。接合するに際しては、圧電素子７に相対向する位置に、圧力室３が対応するようにする。そしてさらに、圧力室３に連通し、この圧力室３と対応して設けられた吐出ノズル１を有してなるオリフィスプレート（図示は省略する）を圧力室３と対応する位置に取り付ける。これにより、図１及び図２に示すプリントヘッドが完成する。
【００６７】
このようにして製造されたプリントヘッドにおいては、先の方法で製造されたものと同一の効果が得られることはもちろんのこと、次のような点において有利である。すなわち、液体金属接着剤１３として強固な合金層１４が存在するので、エポキシ等の樹脂系の接着剤１１を用いた場合に比較して、より高いバイモルフ効果が得られることとなる。さらに、合金層１４は、樹脂系の接着剤１１と比較して、変位を吸収し難いので、より高く得られたバイモルフ効果を有効に圧力室３に伝達することができる。すなわち、樹脂系の接着剤１１を用いた場合に比較して、圧電素子７に与える電圧を低くしても、インクを吐出することができることとなる。
【００６８】
さらに、この場合には、接着層として加熱処理を必要とすることなく室温状態を保った状態を継続するのみであっても、強固な合金層１４を形成することができるので、圧電素子７を形成する材料との熱膨張率が大きく異なる振動板の材料を選択したとしても、振動板５，６あるいは圧電素子７にそり等を発生させることがない。つまり、圧電素子７あるいは振動板５，６の材料を選定する場合において、その自由度を高める効果が得られることとなる。
【００６９】
なお、この例のプリントヘッドでは、基台４に圧力室３を形成したが、振動板自体に圧力室３を形成するようにしても構わない。すなわち、積層振動板として３層以上の構成を有する振動板を用い、そのうち最下層の振動板にエッチング等の方法により圧力室を形成し、これにオリフィスプレートを固着する等して構成するようにしても構わない。
【００７０】
実施の形態２
この例におけるプリントヘッドは、図２０に示すように、本圧電素子７とダミー圧電素子７を、圧力室３の列方向Ｘのみならず、これに垂直な方向Ｙに対しても周期的に配置したものである。
【００７１】
このプリントヘッドでは、図１及び図２に示したプリントヘッドと同様の構成であり、圧電素子７の配列のみが異なる。したがって、ここでは先の例のプリントヘッドと同じ部材には同一の符号を付し、異なる部材には別の符号を付するものとし、同一部分の説明は省略する。また、本例のプリントヘッドにおけるインク吐出動作及び製造方法は、先のプリントヘッドと同じであるのでその説明は省略する。
【００７２】
このプリントヘッドは、図２０に示すように、中央に設けられるインク導入部９を幹として、このインク導入部９から上下にそれぞれ分岐して設けられるインク供給路８に接続される複数の圧力室３を有し、この圧力室３と対向して設けられる本圧電素子７と、圧力室３に対向しないダミー圧電素子７とが周期的に配列された構成とされている。
【００７３】
すなわち、図２０中、インク導入部９を境として上方に配列される本圧電素子７（同図中、斜線で示す。）とダミー圧電素子７は、左から順に本圧電素子７、ダミー圧電素子７、本圧電素子７、ダミー圧電素子７と、交互に所定間隔をもって配列されている。一方、インク導入部９を境として下方に配列される本圧電素子７とダミー圧電素子７は、左から順にダミー圧電素子７、本圧電素子７、ダミー圧電素子７、本圧電素子７と、交互に所定間隔をもって配列されている。これを全体から見ると、上方に配列される本圧電素子７の間に下方に配列される本圧電素子７が位置するようにされた，いわゆる千鳥状パターンとして配列されている。
【００７４】
これを逆の見方をすると、インク導入部９を境として上方に配列されるノズル列ａにおけるダミー圧電素子７の長手方向の延長線上に、下方に配列されるノズル列ｂにおける本圧電素子７が配置された形とされている。
【００７５】
このように配列することにより、ノズル列ａに関する圧電素子の分割工程において、ノズル列ｂに関する圧電素子の分割が同時に行うことが可能となる。さらに、ノズル列ａ，ｂの吐出ノズル１は交互に配置されているために、当該吐出ノズル１の高密度化がなされることとなる。
【００７６】
なお、図２１に示すように、ノズル列ａ，ｂに関して圧力上昇に寄与する圧電素子列Ａ，Ｂの他に、圧力上昇に寄与しない圧電素子列Ｘ，Ｙ，Ｚが存在しても構わない。
【００７７】
この他、本圧電素子７とダミー圧電素子７の配列としては、例えば図２２に示すようなパターンが考えられる。ここでは、インク導入部９からそれぞれ分岐して設けられるインク供給路８に接続されてなる圧力室３に対向して設けられる本圧電素子７と、圧力室３に対向しないダミー圧電素子７を配列したノズル群を、縦方向に３つ並べ、これら３つのノズル群の本圧電素子７とダミー圧電素子７を、圧力室３の列方向Ｘと、これに垂直な方向Ｙに対して周期的に配置したものである。
【００７８】
具体的には、図２２中上段に位置するノズル群の本圧電素子７とダミー圧電素子７は、左から順に本圧電素子７、ダミー圧電素子７、ダミー圧電素子７、本圧電素子７、ダミー圧電素子７、ダミー圧電素子７、本圧電素子７と、２つおきに本圧電素子７が所定間隔をもって配列されている。
【００７９】
一方、中段に位置するノズル群の本圧電素子７とダミー圧電素子７は、左から順にダミー圧電素子７、本圧電素子７、ダミー圧電素子７、ダミー圧電素子７、本圧電素子７と、やはり２つおきに本圧電素子７が所定間隔をもって配列されている。
【００８０】
そして、下段に位置するノズル群の本圧電素子７とダミー圧電素子７は、左から順にダミー圧電素子７、ダミー圧電素子７、本圧電素子７、ダミー圧電素子７、ダミー圧電素子７、本圧電素子７と、やはり２つおきに本圧電素子７が所定間隔をもって配列されている。
【００８１】
これを全体から見ると、上段に配列される２つの本圧電素子７の間に、中段と下段にそれぞれ設けられる本圧電素子７が互い違いとなるように配置された，いわゆる千鳥状パターンとして配列されている。
【００８２】
これを逆の見方をすると、上段と中段のノズル列ａ、ｂにおけるダミー圧電素子７の長手方向の延長線上に、下段に配列されるノズル列ｃにおける本圧電素子７が配置されると共に、上段と下段のノズル列ａ、ｃにおけるダミー圧電素子７の長手方向の延長線上に、中段に配列されるノズル列ｂにおける本圧電素子７が配置された形とされている。
【００８３】
このように配列することにより、ノズル列ａに関する圧電素子の分割工程において、ノズル列ｂおよびノズル列ｃに関する圧電素子の分割が同時に行うことが可能となる。さらに、ノズル列ａ，ｂ，ｃの吐出ノズル１は交互に配置されているために、当該吐出ノズル１のさらなる高密度化がなされることとなる。
【００８４】
またこの他、図２３に示すように、各ノズル群の吐出ノズル１を千鳥状となすと共に、１つの圧力室３に２つの本圧電素子７を配置するようにしてもよい。なお、上述の例ではノズル列の数を３列としたが、４列以上としても同様に吐出ノズル１のさらなる高密度化を図ることができる。
【００８５】
実施の形態３
ここでは、上述したプリントヘッドを実際に搭載したプリンタ装置について説明する。
【００８６】
プリントヘッドは、例えば図２４に示すようなシリアル型のプリンタ装置に搭載される。被印刷物としてのプリント紙１５は、ドラム軸方向に平行に設けられた紙圧着ローラ１６により、ドラム１７に圧着保持されている。そのドラム１７の外周近傍には、送りネジ１８がドラム軸方向に平行に設けられている。そして、この送りネジ１８には、プリントヘッド１９が保持されている。かかるプリントヘッド１９は、送りネジ１８の回転によってドラム１７の軸方向に移動するようになされている。
【００８７】
一方、ドラム１７は、プーリ２０、ベルト２１、プーリ２２を介してモータ２３により回転駆動される。さらに、送りネジ１８及びモータ２３の回転とプリントヘッド１９の駆動は、駆動制御部２４により印画データ及び制御信号２５に基づいて駆動制御される。
【００８８】
上記の構成においては、プリントヘッド１９が移動して１行分の印字を行うと、ドラム１７を１行分だけ回転させて次の印字を行う。プリントヘッド１９が移動し印画する場合は、一方向の場合と往復方向の場合とがある。
【００８９】
図２５は、ライン型の構成例である。この場合は、図２４に示すシリアル型のプリントヘッド１９及び送りネジ１８の代わりに多数のヘッドがライン状に配置されたラインヘッド２６が軸方向に固定して設けられている。この構成では、ラインヘッド２６で１行分の印字が同時に行われ、印字が完了するとドラム１７を１行分だけ回転させて次の行の印字を行う。この場合、全ラインを一括して印字したり、複数ブロックに分割したり、１行おきに交互に印字する方法も考えられる。
【００９０】
図２６には、印字及び制御系のブロック図を示す。印字データなどの信号２６は、信号処理制御回路２７に入力され、この信号処理制御回路２７において印字順番に揃えられて、ドライバ２８を介してヘッド２９に送られる。印字順番は、ヘッド２９や印字部の構成で異なり、また印字データの入力順番との関係もあり、必要に応じてラインバッファメモリや１画面メモリなどのメモリ３０に一旦記録してから取り出す。ヘッド２９には、諧調信号や吐出信号を入力する。
【００９１】
なお、マルチヘッドでノズル数が非常に多い場合には、ヘッド２９にＩＣを搭載して、当該ヘッド２９に接続する配線数を減らすようにする。また、信号処理制御回路２７には、補正回路３１が接続されており、γ補正、カラーの場合の色補正、各ヘッドのばらつき補正などを行う。
【００９２】
補正回路３１には、予め決められた補正データをＲＯＭマップ形式で格納しておき、外部条件、例えばノズル番号、温度、入力信号などに応じて取り出すようにするのが一般的である。信号処理制御回路２７は、ＣＰＵやＤＳＰ構成としてソフトウエアで処理することが一般的であり、処理された信号は各種制御部３２に送られる。
【００９３】
各種制御部３２では、ドラム１７及び送りネジ１８を回転駆動するモータの駆動、同期、ヘッド１９，２６のクリーニング、プリント紙１５の供給、排出などの制御を行う。また、信号には、印字データ以外の操作部信号や外部制御信号が含まれることは言うまでもない。
【００９４】
【発明の効果】
以上の説明からも明かなように、本発明によれば、バイモルフ効果を用いて、インクを吐出する際に圧力室の圧力を高めるために必要な変位を得るにあたり、負荷として存在する振動板の薄板部分を、エッチングあるいは溶解により形成し、さらに薄板部分の板厚を規定できるため、この断面２次モーメントを規定することができ、多数存在するノズルに対応して存在するインク室に対して、均一な圧力を発生させることができる。
【００９５】
すなわち、従来の薄板部分の形成をダイシングのみにより行う従来の工程と比較して、薄板部分の板厚制御の精度を高めることができ、結果的に高精度のダイシング装置を用いることなく、高精度の板厚管理を行うことができる。つまり、本発明により、インク吐出時の振動板を変位させる場合の負荷となる振動板の厚さを薄く、さらに安定に製造することが可能となるので、圧力室の大きさを小さくすることが可能となり、当該圧力室の配置密度を高めることができ、結果的に圧力室に連通するノズル間隔を小さくすることができることとなる。したがって本発明のプリンタ装置では、安価な単板あるいは２層に積層された圧電素子を用いて、微細ピッチのノズル配置を実現することができることとなる。
【００９６】
また、本発明によれば、焼成された圧電素子を用いることができるので、圧電材料の特性を十分に発揮することができる。またさらに、振動板として３層以上の材料よりなる振動板を用いることにより、圧力室さらには吐出ノズルをもエッチングあるいは溶解工程により形成することができるので、圧力室さらには吐出ノズルと圧電素子との位置合わせ精度を格段に向上させることができ、結果的に振動板を変形させる場合において、負荷として働く振動板の断面２次モーメントの値のみでなく、振動板の変形がなされる長さまでも安定に形成することができ、さらに吐出ノズルの形成も位置合わせ精度よく形成することができることとなる。
【００９７】
さらに、接着層として液体金属を用いた場合においては、接着層に強固な合金が存在するので、高いバイモルフ効果が得られることとなる。さらに、合金層は樹脂系の接着剤と比較して、変位を吸収しにくいので、より高く得られたバイモルフ効果を有効に圧力室に伝達することができる。すなわち、接着剤として樹脂系の接着剤を用いた場合に比較して、圧電素子に与える電圧を低くしても、インクを吐出することができることとなる。
【００９８】
さらに、加熱処理を必要とすることなく室温状態を保った状態を継続するのみであっても強固な合金層を形成することができるので、圧電素子を形成する材料との熱膨張率が大きく異なる振動板の材料を選択したとしても、振動板あるいは圧電素子にそりなどを発生させることがない。つまり、圧電素子あるいは振動板の材料を選定する場合においてその自由度を高める効果が得られることとなる。
【００９９】
さらに、本発明によれば、振動板として導電性の材質を用いることにより、圧電素子に電圧を与える場合において、振動板を共通電極とすることが可能となり、共通電極の端子を設ける場所の節約と端子数の省略に効果を発揮することができる。
【０１００】
またさらに、本発明によれば、圧力室の圧力付与に寄与する圧電素子と、圧力室の圧力付与に寄与しない圧電素子とが、圧力室の配列方向に対して周期性をもって配置されているので、基台との固着工程において圧力の付与を容易にすることができると共に、圧電素子の切断工程において切削抵抗の少ない幅の狭い刃を使用することができ、切削条件を安定なものとすることができる。
【０１０１】
さらに、複数のノズル列を有するプリンタ装置においては、ノズル列が単列である場合と比較して工程数をさほど増加させることなく、他のノズル列に関する圧電素子の分割が同時に行え、ノズル列を増加させることによるノズルの高密度化、多数化が容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したプリントヘッドの横断面図である。
【図２】本発明を適用したプリントヘッドの縦断面図である。
【図３】本発明を適用したプリントヘッドの平面図である。
【図４】本発明を適用したプリントヘッドのインク吐出待機状態を示す断面図である。
【図５】本発明を適用したプリントヘッドのインク吐出状態を示す断面図である。
【図６】本発明を適用したプリントヘッドの製造方法を示すもので、振動板に圧電素子を接合する前の状態を示す断面図である。
【図７】本発明を適用したプリントヘッドの製造方法を示すもので、振動板に接着剤を塗布した状態を示す断面図である。
【図８】本発明を適用したプリントヘッドの製造方法を示すもので、振動板に圧電素子を接着した状態を示す断面図である。
【図９】本発明を適用したプリントヘッドの製造方法を示すもので、接着剤を熱硬化した状態を示す断面図である。
【図１０】本発明を適用したプリントヘッドの製造方法を示すもので、圧電素子をダイシングした状態を示す断面図である。
【図１１】本発明を適用したプリントヘッドの製造方法を示すもので、エッチングにより振動板の厚みを規定した状態を示す断面図である。
【図１２】本発明を適用したプリントヘッドの製造方法を示すもので、インク流路形成部材を接合した状態を示す断面図である。
【図１３】本発明を適用したプリントヘッドの他の製造方法を示すもので、振動板に圧電素子を接合する前の状態を示す断面図である。
【図１４】本発明を適用したプリントヘッドの他の製造方法を示すもので、振動板に液体金属接着剤を塗布した状態を示す断面図である。
【図１５】本発明を適用したプリントヘッドの他の製造方法を示すもので、振動板に圧電素子を接着した状態を示す断面図である。
【図１６】本発明を適用したプリントヘッドの他の製造方法を示すもので、液体金属接着剤の拡散合金化反応が終了した状態を示す断面図である。
【図１７】本発明を適用したプリントヘッドの他の製造方法を示すもので、圧電素子をダイシングした状態を示す断面図である。
【図１８】本発明を適用したプリントヘッドの他の製造方法を示すもので、エッチングにより振動板の厚みを規定した状態を示す断面図である。
【図１９】本発明を適用したプリントヘッドの他の製造方法を示すもので、インク流路形成部材を接合した状態を示す断面図である。
【図２０】本発明を適用したプリントヘッドの他の例を示す平面図である。
【図２１】本発明を適用したプリントヘッドのさらに他の例を示す平面図である。
【図２２】本発明を適用したプリントヘッドのさらに他の例を示す平面図である。
【図２３】本発明を適用したプリントヘッドのさらに他の例を示す平面図である。
【図２４】シリアル型プリンタ装置の概略構成図である。
【図２５】ライン型プリンタ装置の概略構成図である。
【図２６】制御系のブロック図である。
【図２７】従来のプリントヘッドの縦断面図である。
【図２８】従来のプリントヘッドの横断面図である。
【符号の説明】
１ 吐出ノズル
３ 圧力室
５，６ 振動板
７ 圧電素子
１０ 接着剤
１３ 液体金属接着剤
１４ 合金層

Claims (21)

1. 吐出ノズルを複数有してなるオリフィスプレートと、
   この吐出ノズルに連通し、各吐出ノズルに対応して設けられた圧力室を有してなる基台と、
   圧力室を全て覆うようにされる振動板と、圧電素子をマスクとして除去されて当該圧電素子と略同一幅とされてなる振動板とからなる２層以上の積層振動板と、
   この積層振動板上に配置される複数の圧電素子とを備え、
   これら複数の圧電素子のうち、圧力室の圧力付与に寄与する圧電素子と、圧力室の圧力付与に寄与しない圧電素子とが、圧力室の配列方向に対して周期的に配置されていることを特徴とするプリンタ装置。
2. 圧力室の圧力付与に寄与する圧電素子と、圧力室の圧力付与に寄与しない圧電素子が、交互に配置されていることを特徴とする請求項１記載のプリンタ装置。
3. 圧電素子は、単板のピエゾ素子であることを特徴とする請求項１記載のプリンタ装置。
4. ２層以上よりなる積層振動板のうち、１層以上を金属材料としたことを特徴とする請求項１記載のプリンタ装置。
5. ２層以上よりなる積層振動板のうち、除去される振動板を、銅を主成分とする金属材料とすることを特徴とする請求項１記載のプリンタ装置。
6. ２層以上よりなる積層振動板のうち、圧力室を全て覆うようにされる振動板を、ニッケルを主成分とする金属材料とすることを特徴とする請求項１記載のプリンタ装置。
7. ２層以上よりなる積層振動板を、それぞれ別個に圧延された素材を真空中における接合により形成した材料とすることを特徴とする請求項１記載のプリンタ装置。
8. ２層以上よりなる積層振動板と圧電素子との界面に、導電性の接着剤が配置されていることを特徴とする請求項１記載のプリンタ装置。
9. ２層以上よりなる積層振動板と圧電素子との界面に、ガリウムを成分として有する合金層が存在することを特徴とする請求項１記載のプリンタ装置。
10. ２層以上よりなる積層振動板と圧電素子との界面に、ガリウムと、インジウムあるいは錫のうち１成分以上を成分として有する合金層が存在することを特徴とする請求項１記載のプリンタ装置。
11. ２層以上よりなる積層振動板と圧電素子との界面に、ガリウムと、銅、銀、金、パラジウムのうち１成分以上を成分として有する合金層が存在することを特徴とする請求項１記載のプリンタ装置。
12. 吐出ノズルが２列以上に複数配置されたオリフィスプレートと、
    この吐出ノズルに連通し、各吐出ノズルに対応して２列以上に配列して設けられた圧力室を有してなる基台と、
    圧力室を全て覆うようにされる振動板と、圧電素子をマスクとして除去されて当該圧電素子と略同一幅とされてなる振動板とからなる２層以上の積層振動板と、
    この積層振動板上に所定間隔で配置される複数の圧電素子とを備え、
    これら複数の圧電素子のうち、圧力室の圧力付与に寄与する圧電素子と、圧力室の圧力付与に寄与しない圧電素子とが、当該圧力室の列方向と、これに垂直な方向に対して周期的に配置されていることを特徴とするプリンタ装置。
13. 圧電素子は、単板のピエゾ素子であることを特徴とする請求項１２記載のプリンタ装置。
14. ２層以上よりなる積層振動板のうち、１層以上を金属材料としたことを特徴とする請求項１２記載のプリンタ装置。
15. ２層以上よりなる積層振動板のうち、除去される振動板を、銅を主成分とする金属材料とすることを特徴とする請求項１２記載のプリンタ装置。
16. ２層以上よりなる積層振動板のうち、圧力室を全て覆うようにされる振動板を、ニッケルを主成分とする金属材料とすることを特徴とする請求項１２記載のプリンタ装置。
17. ２層以上よりなる積層振動板を、それぞれ別個に圧延された素材を真空中における接合により形成した材料とすることを特徴とする請求項１２記載のプリンタ装置。
18. ２層以上よりなる積層振動板と圧電素子との界面に、導電性の接着剤が配置されていることを特徴とする請求項１２記載のプリンタ装置。
19. ２層以上よりなる積層振動板と圧電素子との界面に、ガリウムを成分として有する合金層が存在することを特徴とする請求項１２記載のプリンタ装置。
20. ２層以上よりなる積層振動板と圧電素子との界面に、ガリウムと、インジウムあるいは錫のうち１成分以上を成分として有する合金層が存在することを特徴とする請求項１２記載のプリンタ装置。
21. ２層以上よりなる積層振動板と圧電素子との界面に、ガリウムと、銅、銀、金、パラジウムのうち１成分以上を成分として有する合金層が存在することを特徴とする請求項１２記載のプリンタ装置。

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