JP3820589B2

JP3820589B2 - 液体吐出ヘッドとその製造方法及びインクジェット記録装置

Info

Publication number: JP3820589B2
Application number: JP2003336239A
Authority: JP
Inventors: 和男眞田
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: US20050068378A1; JP2005103772A

Description

本発明は、液体吐出ヘッドとその製造方法及びインクジェット記録装置に係り、特に、液滴を吐出する吐出口と連通する圧力室の一部を振動板で構成し、この振動板に圧電素子を設け、この圧電素子の変位により振動板を変形させ、圧力室の容積を変化させることにより圧力室内の液滴を吐出口から吐出する液体吐出ヘッドとその製造方法及びインクジェット記録装置に関する。

従来より、例えば記録ヘッドにインクを供給し、記録ヘッドのノズルから記録用紙に向けてインクを微小なインク滴として吐出させて記録を行うインクジェットヘッド等の液滴吐出ヘッドが知られている。

このような従来の液滴吐出ヘッドを図５に示す。図５は、液滴吐出ヘッドの要部を示す断面図である。図５に示すように、液滴吐出ヘッド１００は、主に、液滴を吐出する吐出口であるノズル１０２が形成されたノズルプレート１０４、隔壁１０６及び振動板１１８によって形成される圧力室１１０、及び振動板１１８に設けられた圧電素子１１２を含んで構成され、圧力室１１０はノズル１０２に連通するとともに、圧力室１１０には、図示しない液体供給流路より液体が供給されるようになっている。

そして、図示しない駆動手段により、圧電素子１１２を挟んでその上下に設けられた図示しない電極を介して、画像信号に応じた電圧が印加されると、圧電素子１１２が変位し、それによって振動板１１８が変形し、圧力室１１０の容積が変化することによって液滴がノズル１０２から吐出される。

従来、このような液体吐出ヘッド１００の製造方法としては、ノズル１０２の形成されたノズルプレート１０４、圧力室１１０の隔壁１０６となる部分が形成された流路プレート１０７、振動板１１８及び圧電素子１１２を接着剤により接合して積層して形成する方法の他、様々な製造方法が知られている。

例えば、圧電素子、振動板及び圧力室を形成するプレート等を積層して一体焼成で形成したアクチュエータユニットと、インク供給路やノズルを形成するプレート等からなる流路ユニットとを接着剤により接合するようにしたもの（例えば、特許文献１等参照）や、各プレートの表面にガラス層を成膜して重ね合わせて積層し、加熱加圧することにより各プレートの表面のガラス層を軟化させて融合し、強固に接合するようにしたもの（例えば、特許文献２等参照）等が知られている。

しかし、圧電素子は非常に薄いので、これを重ねて加圧して貼り付けようとすると割れてしまう虞があり、また広範囲で均一の膜厚を得ることが難しいという問題もあり、エアロゾル法で圧電素子を形成する方法が考えられている。エアロゾル法とは、エアロゾル式ガスデポジション法、あるいは単にガスデポジション法あるいは粉体法等とも呼ばれるものであり、超微粒子状態のＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）にアルゴン等のキャリアガスを吹き込み、このガスによって巻き上げられたＰＺＴの微粒子をキャリアガスとともにスプレーノズルを通して基板に高速噴射して堆積させ、加熱処理を施して成膜するものである。このようにエアロゾル法は、その場に直接微粒子を堆積させて焼成して膜を作るものであり、広範囲な膜厚を得ることができる。

すなわち、エアロゾル法により振動板上に圧電素子を形成する場合には、サブミクロンの圧電体粒子を加温した振動板に向かって高速に打ち出した後、６００℃前後で熱処理を行う。すると、堆積した圧電体粒子が結果としてぺロブスカイト構造をなして、全体として、いわゆるバルクの圧電体同様、逆圧電効果を示す。振動板上への圧電体形成は、圧力室の位置に開口を有するマスクを設けて行い、粉体被着後、電極をスパッタリング等でつけた後にマスクを溶解除去する。

しかし、エアロゾル法は、６００℃前後で熱処理を行うため、従来のような接着剤で積層されたプレートに対してエアロゾル法で圧電素子を形成しようとすると、接着剤がこの熱処理の温度に耐えられず、溶けだして液流路や液滴吐出口を塞いだりして、液滴吐出ヘッドの正常な駆動に支障をきたす虞がある。そこで、エアロゾル法を用いる場合には、例えば、流路プレート等の振動板以外の各プレートを接着剤で積層したものに対して、それとは別に振動板にエアロゾル法で圧電素子を形成し、その後、この積層プレートに対して、エアロゾル法で圧電素子の形成された振動板を接合する方法が考えられる。

あるいは、図６に示すように、シリコン基板１２２をエッチングして、圧力室１２４と振動板１２６を形成し、これにノズル１２８が形成されたノズルプレート１３０を陽極接合で接合することにより、接着剤を用いない構造とすることができ、これに対してエアロゾル法で圧電素子１３２を形成することができる。ここで、陽極接合とは、内部に稼働イオンを含むガラスとシリコンとを重ね加熱状態でシリコン側に正電位となる方向に直流電圧を加えてガラスとシリコンとを化学結合するものである。陽極接合については、例えば、流路形成基板上の圧電素子側に、圧電素子保持部を有する接合基板を陽極接合で接合するようにしたものが特許文献３等に記載されている。

しかし、流路プレートを接着剤で接着して積層するとともに、別途接着剤のない板（振動板等）上においてエアロゾル法で圧電素子を形成する方法では、圧電素子の膜厚を大面積に渡り薄く形成できるものの、信頼性の点で特段の利点はなく、また、接着剤を用いずにシリコンのウエハプロセスで圧力室を形成する方法では、短尺のヘッドの場合は良いが、長尺のヘッドを作成しようとした場合には、ウエハプロセスのための設備が大がかりとなってしまい、コストアップになるという問題がある。

そこで、様々な工夫を凝らして、圧電素子をエアロゾル法で形成するようにした液体吐出ヘッドの製造方法がいろいろ提案されている。例えば、振動板と圧力室の隔壁との間は接着剤等を介さない直接接合とし、振動板をエアロゾル法を用いて耐蝕性金属酸化物で形成したもの（例えば、特許文献４等参照）や、復合基板の層間の接合を接着剤を用いない直接接合とし、振動板を圧電材料で構成し、エアロゾル法で形成するようにしたもの（例えば、特許文献５等参照）が知られている。

また、基板上に振動板及び電極となる膜を全面に渡って積層し、レジストパターンを用いてエアロゾル法により圧電膜を形成した後、レジストパターンを除去し、基板の裏面側にエッチングで圧力室を形成し、ノズルプレートを接合するようにしたもの（例えば、特許文献６等参照）や、振動板上にエアロゾル法で圧電体を形成したもの（例えば、特許文献７等参照）が知られている。

また、シリコン基体上の鉛原子に対する反応阻止層上にエアロゾル法により圧電体を形成するもの（例えば、特許文献８等参照）や、その他圧力室の振動板表面にエアロゾル法で圧電素子を形成するもの（例えば、特許文献９あるいは特許文献１０等参照）が知られている。
特開平７−１５６３９８号公報特開２００３−６３０１７号公報特開２００２−３６５４７号公報特開２００３−１３６７１４号公報特開２００３−１３６７１５号公報特開２００３−１４２７５０号公報特開平１１−３４８２９７号公報特開２０００−３２８２２３号公報特開平８−２６７７６３号公報特開平８−２３０１８１号公報

しかしながら、前述したように、従来の振動板への圧電体（圧電素子）の形成方法は、バルクからの研磨やグリーンシートなどによっており、例えば図５あるいは図６に示すように、振動板と圧電素子との貼り合わせ面は平面であった。また、従来のエアロゾル法によって振動板上に圧電体（圧電素子）を形成する場合においても、上記各特許文献等に記載されたものでは、振動板と圧電体接合面は平面であった。

エアロゾル法で圧電体を形成し、その厚みを薄くし、その変位特性や発生圧を増大させる場合には、この接合面が平面であると、実際には圧電体の変形の大小がその部位によって異なるため、それに対応できず、圧電体強度、圧電体にかかる歪み等が問題となる。特に、圧電体の膜厚を数μｍのオーダーまで薄くする場合には、圧電体にクラックが発生し易く、圧電体の耐久性や信頼性が著しく低下するという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、圧電体を薄膜化して液体吐出口を高密度化した場合であっても、高耐久性及び高信頼性を有することのできる液体吐出ヘッドとその製造方法及びインクジェット記録装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、液滴を吐出する吐出口が形成される吐出口形成基板、前記吐出口に連通する圧力室の隔壁を形成する流路形成基板、及び振動板を積層して、圧力室を形成する際、前記振動板自体の表面に凹凸構造を形成し、前記振動板表面に形成された凹凸構造に沿って電極を形成し、さらにその上に、前記振動板が厚い部分では薄く、前記振動板が薄い部分では厚く、かつその表面が平坦面となるように、前記圧力室内に圧力変化を生じさせる圧電体をエアロゾル法で形成するようにしたことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法を提供する。

このように、振動板自体の表面に凹凸構造を形成し、その上にエアロゾル法で圧電体を形成するようにしたため、部位により圧電体の変形に寄与する振動板の厚みを変更して、そのバランスを変えることにより圧電体アクチュエータの耐久性を向上させることができる。

また、前記圧電体は、前記振動板の凹凸構造に対応して、前記振動板が厚い部分では薄く、前記振動板が薄い部分では厚く、かつその表面が平坦面となるように形成したため、例えば、圧電体の変形が大の部分においては、振動板の厚みも大にして、逆に圧電体の変形が小の部分においては振動板の厚みを小とすることにより、圧電体アクチュエータの耐久性を向上させることができる。

また、さらに前記吐出口形成基板、前記流路形成基板及び振動板を積層する際、ガラス溶着接合または金属拡散接合によって接合することが好ましい。これにより、接着剤を用いた場合の様々な問題点を考慮する必要がなく、液滴吐出ヘッドに使用することのできるインクの自由度を増すことができる。

また、同様に前記目的を達成するために、本発明の請求項３に記載の発明は、液滴を吐出する吐出口が形成される吐出口形成基板と、前記吐出口に連通する圧力室の隔壁を形成する流路形成基板と、振動板を積層して圧力室を形成する際、前記振動板自体の表面に凹凸構造を形成し、前記振動板表面に形成された凹凸構造に沿って電極を形成し、さらにその上に、前記振動板が厚い部分では薄く、前記振動板が薄い部分では厚く、かつその表面が平坦面となるように、前記圧力室内に圧力変化を生じさせる圧電体をエアロゾル法で形成したことを特徴とする液滴吐出ヘッドを提供する。これにより、圧電体アクチュエータの耐久性を向上させることができる。

また、同様に前記目的を達成するために、本発明の請求項４に記載の発明は、液滴を吐出する吐出口が形成される吐出口形成基板と、前記吐出口に連通する圧力室の隔壁を形成する流路形成基板と、振動板を積層して圧力室を形成する際、前記振動板自体の表面に凹凸構造を形成し、前記振動板表面に形成された凹凸構造に沿って電極を形成し、さらにその上に、前記振動板が厚い部分では薄く、前記振動板が薄い部分では厚く、かつその表面が平坦面となるように、前記圧力室内に圧力変化を生じさせる圧電体をエアロゾル法で形成した液滴吐出ヘッドを有して構成されることを特徴とするインクジェット記録装置を提供する。これにより、圧電体アクチュエータの耐久性が向上し、インクジェット記録装置の信頼性を向上させることができる。

以上説明したように、本発明に係る液体吐出ヘッドとその製造方法及びインクジェット記録装置によれば、圧電体を薄膜化して液体吐出口を高密度化した場合であっても、耐久性及び信頼性を向上させることが可能となる。

以下、添付図面に従って、本発明に係る液体吐出ヘッドとその製造方法及びインクジェット記録装置について詳細に説明する。

図１は、本発明に係るインクジェット記録装置の概略を示す全体構成図である。図１に示すように、インクジェット記録装置１０は、インクの色毎に設けられた複数の印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙを有する印字部１２と、各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１４と、記録紙１６を提供する給紙部１８と、記録紙１６のカールを除去するデカール処理部２０と、前記印字部１２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１６の平面性を保持しながら記録紙１６を搬送する吸着ベルト搬送部２２と、印字部１２による印字結果を読み取る印字検出部２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部２６とを備えている。

図１では、給紙部１８の一例としてロール紙（連続用紙）のマガジンが示されているが、紙幅や紙質等が異なる複数のマガジンを併設してもよい。また、ロール紙のマガジンに代えて、又はこれと併用して、カット紙が積層装填されたカセットによって用紙を供給してもよい。

ロール紙を使用する装置構成の場合、図１のように、裁断用のカッター２８が設けられており、該カッター２８によってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター２８は、記録紙１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃２８Ａと、該固定刃２８Ａに沿って移動する丸刃２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃２８Ｂが配置される。なお、カット紙を使用する場合には、カッター２８は不要である。

複数種類の記録紙を利用可能な構成にした場合、紙の種類情報を記録したバーコード或いは無線タグなどの情報記録体をマガジンに取り付け、その情報記録体の情報を所定の読取装置によって読み取ることで、使用される用紙の種類を自動的に判別し、用紙の種類に応じて適切なインク吐出を実現するようにインク吐出制御を行うことが好ましい。

給紙部１８から送り出される記録紙１６はマガジンに装填されていたことによる巻きクセが残り、カールする。このカールを除去するために、デカール処理部２０においてマガジンの巻きクセ方向と逆方向に加熱ドラム３０で記録紙１６に熱を与える。このとき、多少印字面が外側に弱いカールとなるように加熱温度を制御するとより好ましい。

デカール処理後、カットされた記録紙１６は、吸着ベルト搬送部２２へと送られる。吸着ベルト搬送部２２は、ローラ３１、３２間に無端状のベルト３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）をなすように構成されている。

ベルト３３は、記録紙１６の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（図示省略）が形成されている。図１に示したように、ローラ３１、３２間に掛け渡されたベルト３３の内側において印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ３４が設けられており、この吸着チャンバ３４をファン３５で吸引して負圧にすることによってベルト３３上の記録紙１６が吸着保持される。

ベルト３３が巻かれているローラ３１、３２の少なくとも一方にモータ（図示省略）の動力が伝達されることにより、ベルト３３は図１上の時計回り方向に駆動され、ベルト３３上に保持された記録紙１６は図１の左から右へと搬送される。

縁無しプリント等を印字するとベルト３３上にもインクが付着するので、ベルト３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部３６が設けられている。ベルト清掃部３６の構成について詳細は図示しないが、例えば、ブラシ・ロール、吸水ロール等をニップする方式、清浄エアーを吹き掛けるエアーブロー方式、或いはこれらの組み合わせなどがある。清掃用ロールをニップする方式の場合、ベルト線速度とローラ線速度を変えると清掃効果が大きい。

なお、吸着ベルト搬送部２２に代えて、ローラ・ニップ搬送機構を用いる態様も考えられるが、印字領域をローラ・ニップ搬送すると、印字直後に用紙の印字面をローラが接触するので画像が滲み易いという問題がある。従って、本例のように、印字領域では画像面を接触させない吸着ベルト搬送が好ましい。

吸着ベルト搬送部２２により形成される用紙搬送路上において印字部１２の上流側には、加熱ファン４０が設けられている。加熱ファン４０は、印字前の記録紙１６に加熱空気を吹きつけ、記録紙１６を加熱する。印字直前に記録紙１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。

印字部１２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙搬送方向（副走査方向）と直交方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている。各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙは、本インクジェット記録装置１０が対象とする最大サイズの記録紙１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。

記録紙１６の搬送方向（紙搬送方向、副走査方向）に沿って上流側から黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応した印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙが配置されている。記録紙１６を搬送しつつ各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより記録紙１６上にカラー画像を形成し得る。

このように、紙幅の全域をカバーするフルラインヘッドがインク色ごとに設けられてなる印字部１２によれば、副走査方向について記録紙１６と印字部１２を相対的に移動させる動作を一回行うだけで（すなわち１回の走査で）、記録紙１６の全面に画像を記録することができる。これにより、印字ヘッドが主走査方向に往復動作するシャトル型ヘッドに比べて高速印字が可能であり、生産性を向上させることができる。

なお、本例では、ＫＣＭＹの標準色（４色）の構成を例示したが、インク色や色数の組み合わせについては本実施形態に限定はされず、必要に応じて淡インク、濃インクを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタなどのライト系インクを吐出する印字ヘッドを追加する構成も可能である。

図１に示したように、インク貯蔵／装填部１４は、各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙに対応する色のインクを貯蔵するタンクを有し、各タンクは図示を省略した管路を介して各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙと連通されている。また、インク貯蔵／装填部１４は、インク残量が少なくなるとその旨を報知する報知手段（表示手段、警告音発生手段等）を備えるとともに、色間の誤装填を防止するための機構を有している。

印字検出部２４は、印字部１２の打滴結果を撮像するためのイメージセンサ（ラインセンサ等）を含み、該イメージセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まりその他の吐出不良をチェックする手段として機能する。

本例の印字検出部２４は、少なくとも各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙによるインク吐出幅（画像記録幅）よりも幅の広い受光素子列を有するラインセンサで構成される。このラインセンサは、赤（Ｒ）の色フィルタが設けられた光電変換素子（画素）がライン状に配列されたＲセンサ列と、緑（Ｇ）の色フィルタが設けられたＧセンサ列と、青（Ｂ）の色フィルタが設けられたＢセンサ列と、からなる色分解ラインＣＣＤセンサで構成されている。なお、ラインセンサに代えて、受光素子が二次元配列されて成るエリアセンサを用いることも可能である。

印字検出部２４は、各色の印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙにより印字されたテストパターンを読み取り、各ヘッドの吐出検出を行う。吐出判定は、吐出の有無、ドットサイズの測定、ドット着弾位置の測定などで構成される。

印字検出部２４の後段には、後乾燥部４２が設けられている。後乾燥部４２は、印字された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けたほうが好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。

多孔質のペーパに染料系インクで印字した場合などでは、加圧によりペーパの孔を塞ぐことでオゾンなど、染料分子を壊す原因となるものと接触することを防ぐことで画像の耐候性がアップする効果がある。

後乾燥部４２の後段には、加熱・加圧部４４が設けられている。加熱・加圧部４４は、画像表面の光沢度を制御するための手段であり、画像面を加熱しながら所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

こうして生成されたプリント物は排紙部２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット記録装置１０では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部２６Ａ、２６Ｂへと送るために排紙経路を切り替える不図示の選別手段が設けられている。なお、大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列に形成する場合は、カッター（第２のカッター）４８によってテスト印字の部分を切り離す。カッター４８は、排紙部２６の直前に設けられており、画像余白部にテスト印字を行った場合に本画像とテスト印字部を切断するためのものである。カッター４８の構造は前述した第１のカッター２８と同様であり、固定刃４８Ａと丸刃４８Ｂとから構成される。また、図１には示さないが、本画像の排出部２６Ａには、オーダー別に画像を集積するソータが設けられている。

次に、印字ヘッド（インクジェットヘッド）について説明する。インク色ごとに設けられている各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙの構造は共通しているので、以下、これらを代表して符号５０によって印字ヘッド（インクジェットヘッド）を表すこととする。

図２は、本発明に係る液滴吐出ヘッドの一実施形態としての印字ヘッド（インクジェットヘッド）の概略構成を示す断面図である。図２に示すように、本実施形態の印字ヘッド（インクジェットヘッド）５０は、インク（液体）をインク滴（液滴）として吐出するノズル（液滴吐出口）５２と、このノズル５２と連通し、インクを吐出するために加圧する圧力室５４と、圧力室５４の一面（図では上面）を封止し、圧力室５４の一部を構成する振動板５６と、振動板５６の上部に形成された圧電素子（圧電体）５８を有して構成される。また、図示は省略するが、圧力室５４に連通し、インクを供給するインク供給流路及びインク供給口が設けられている。

また、図に示すようなノズル５２、圧力室５４等が図２の紙面に垂直な方向に複数配列されており、各インク供給口は、同じく図示を省略した共通液室に連通して、共通液室からインクの供給を受けるようになっている。

また、図示を省略するが、圧電素子５８の上面及び下面には電極（上部電極及び下部電極）が薄く形成されている。インク吐出時には、この圧電素子５８の上面及び下面に形成された電極に電圧を印加することにより、圧電素子５８が変形し、振動板５６の中央を圧力室５４側へ曲げるように作用するようになっている。この圧電素子５８と振動板５６の撓み変形による体積変位により、圧力室５４の中のインクが圧縮され、圧力室５４に連通したノズル５２からインク滴として吐出されるようになっている。

また、圧電素子５８への印加電圧を元に戻すと、圧電素子５８及び振動板５６は元の状態にもどり、インクが図示しないインク供給口を通じて共通液室より圧力室５４へ補給される。

ノズル５２は、ノズルプレート（吐出口形成基板）６０に形成されており、圧力室５４の隔壁６２は、流路プレート（流路形成基板）６４によって形成され、ノズルプレート６０、流路プレート６４及び振動板５６を積層することによって圧力室５４が形成されるようになっている。

以下、この印字ヘッド（インクジェットヘッド）５０の製造方法について説明する。

まず、各プレートは金属で形成されており、これに対して、それが有する孔等の形状を加工する。ノズルプレート６０に対しては、ノズル５２となる部分を穿孔加工し、流路プレート６４に対しては、圧力室５４の隔壁６２となる部分及びノズル５２への連通孔となる部分を穿孔加工する。また、振動板５６に対しては、所定の凹凸構造を図２に示すように、その表面に形成する。この凹凸構造は、その段差が振動板５６の厚さの１／１０以上となるように形成する。この凹凸構造の形状は、特に限定されるものではなく、どのようなヘッドを作成するかを考慮して設計される。また、振動板５６上には、例えばスパッタリングや塗布法あるいは印刷法等の方法で電極を形成する。

次に、ノズルプレート６０、流路プレート６４及び振動板５６を、ガラス溶着接合あるいは金属拡散接合により接合し、各プレートを積層して圧力室５４を形成する。ガラス溶着の場合には、各プレート表面にガラス溶着用のガラス膜を形成して、これを重ねて加熱炉等内で加熱し、ガラスを溶融させ、これに対し加圧して溶融したガラス同士を接合させる。

また、金属拡散接合の場合には、それぞれ金属のプレートの表面に付着している油脂等を洗浄により除去して、各プレートを重ねて炉内を高温高圧の状態として加圧し、各プレートの接続部が合金状態となるようにし、確実に接合させるようにする。

このように、本実施形態では、ガラスあるいは金属の分子間の結合力により強く接合するものであり、接着剤を用いていないため、はみ出した接着剤がインク流路を狭めたり塞いだりという接着剤を用いた場合の弊害がなく、各プレートを確実に接合することができ、接着剤とインクの化学反応等の制約もなく、使用するインクの自由度が高くなる。

次に、このようにして形成された圧力室５４の上面を形成する振動板５６の上にエアロゾル法で圧電素子５８を形成する。これには、例えば、振動板５６の圧力室５４の部分だけが露出されるようなマスクを用いて、そこへ超微粒子状態のＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）の微粒子をキャリアガスとともにスプレーノズルを通して振動板５６表面に高速噴射して堆積させ、加熱処理を施して成膜することによって圧電素子５８を形成する。

このとき、図２に示すように、圧電素子５８の表面５９は、平坦面となるようにし、最終的に、振動板５６が厚い部分では、圧電素子５８は薄く、振動板５６が薄い部分では、圧電素子５８は厚くなるように形成する。これにより、圧電素子５８は、振動板５６に形成された凹凸構造とは逆の凹凸構造が形成される。

圧電素子５８を形成した後、マスクを除去することにより、インクジェットヘッド５０が作成される。このように本実施形態では、流路プレート６４等の各プレートを、ガラス溶着接合あるいは金属拡散接合等の接着剤を用いない接合方法で接合して積層するようにしたため、その後振動板５６上に圧電素子５８を、エアロゾル法で形成することが可能となった。

また、このように各プレート積層後に、エアロゾル法で圧電素子５８を形成するため、各プレートを積層して接合する際、確実に押圧することができる。また、圧電素子５８をエアロゾル法で形成するようにしたため、別途作成した薄い圧電素子５８を加圧して振動板５６に接合するような必要はなく、圧電素子５８を接合時の加圧で割ってしまうというような虞もない。

また、図３に、このようにして形成された振動板５６と圧電素子５８の部分を拡大して示す。図３（ａ）の場合、振動板５６は、中央部５６ａが薄く、両端部５６ｂが厚い凹凸構造を有しており、これに対して、圧電素子５８は、その中央部５８ａが厚く、両端部５８ｂが薄くなっており、振動板５６とは逆の凹凸構造を有している。

また、図３（ｂ）に示す例の場合は、振動板５６は、中央部５６ｃが厚く、その両側に薄い部分５６ｄを有しており、これに対して、圧電素子５８は、その中央部５８ｃが薄く、両端部５８ｄが厚くなっており、振動板５６とは逆の凹凸構造を有している。

圧電素子５８は、薄い部分において面内の変形に寄与する歪みが大であり、厚い部分においては小である。これに対して、振動板５６は、薄い部分において面内に変形し易く、厚い部分において変形しにくい。

そこで、本実施形態においては、このように振動板５６に凹凸構造を形成し、それに対応させて圧電素子５８を形成したため、圧電素子５８と振動板５６の変形に寄与する、振動板５６の厚みと、圧電素子５８の厚みとのバランスを変えることにより、圧電体アクチュエータの耐久性の向上を図ることが可能となる。

例えば、圧電素子５８の歪みを防止したい部分に対しては、振動板５６の剛性が弱い部分を対応させ、それ以外の部分に対しては、圧電素子５８の変形量が大の部分を対応させるようにする。

また、図４に、本実施形態において形成された圧電素子の変形時の応力の様子を示す。インク吐出時において圧電素子５８に電圧を印加した時、圧電素子５８の内部には、図４に矢印で示したように応力が働く。このとき、図４に示すように、凹凸構造の段差部（角の部分）においては、等電位面が斜めとなり、図に矢印Ｆで示す、この斜めに発生した圧電素子５８の歪みによる力の垂直成分が振動板５６下面に垂直な方向に直接働くため、変形の即応性が改善される。

以上説明したように、本実施形態によれば、振動板を凹凸構造としたため、下電極面が凹凸構造となり、エアロゾル法でその凹凸構造を有する振動板上に圧電素子を形成したため、凹凸構造を有する振動板の面に対して密着して圧電素子（及び下部電極）を形成することができた。このとき、圧電素子の下部電極側の等電位面が平坦ではなくなった。

このように、振動板に凹凸構造を形成したため、振動板の剛性を不均一にすることができ、例えば、図３（ａ）に示すように、振動板中央部の剛性を小さくすることができる。これにより、圧電素子の変位、圧力が大であり、また圧電素子の歪みが小となるように、振動板の剛性及び圧電素子への電圧印加を設計することができるようになる。

その結果、圧電素子を薄膜化して、記録ヘッドを高密度化した場合であっても、高耐久性、及び高信頼性を得ることが可能となった。さらに、凹凸構造を形成したため、その凹凸の角部において斜めに発生する力の垂直成分により、圧電体アクチュエータの即応性を改善することができるようになった。

以上、本発明の液体吐出ヘッドとその製造方法及びインクジェット記録装置について詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、凹凸構造の変形や多段化、曲面化を行ってもよいのはもちろんである。

本発明に係るインクジェット記録装置の概略を示す全体構成図である。本発明に係る液滴吐出ヘッドの一実施形態としてのインクジェット記録ヘッドの概略構成を示す断面図である。本実施形態において形成された振動板と圧電素子の部分を拡大して示す断面図であり、（ａ）は圧電素子の中央が厚い場合、（ｂ）は圧電素子の中央が薄い場合を示す。本実施形態において形成された圧電素子の変形時の応力の様子を示す説明図である。従来の、プレートを積層して形成した液体吐出ヘッドの概略を示す断面図である。従来の、シリコンプロセスで形成した液体吐出ヘッドの概略を示す断面図である。

符号の説明

１０…インクジェット記録装置、１２…印字部、１４…インク貯蔵／装填部、１６…記録紙、１８…給紙部、２０…デカール処理部、２２…吸着ベルト搬送部、２４…印字検出部、２６…排紙部、２８…カッター、３０…加熱ドラム、３１、３２…ローラ、３３…ベルト、３４…吸着チャンバ、３５…ファン、３６…ベルト清掃部、４０…加熱ファン、４８…カッター、５０…液体吐出ヘッド（印字ヘッド、インクジェットヘッド）、５２…ノズル、５４…圧力室、５６…振動板、５８…圧電素子、６０…ノズルプレート、６２…隔壁、６４…流路プレート

Claims

液滴を吐出する吐出口が形成される吐出口形成基板、前記吐出口に連通する圧力室の隔壁を形成する流路形成基板、及び振動板を積層して、圧力室を形成する際、前記振動板自体の表面に凹凸構造を形成し、前記振動板表面に形成された凹凸構造に沿って電極を形成し、さらにその上に、前記振動板が厚い部分では薄く、前記振動板が薄い部分では厚く、かつその表面が平坦面となるように、前記圧力室内に圧力変化を生じさせる圧電体をエアロゾル法で形成するようにしたことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
前記吐出口形成基板、前記流路形成基板及び振動板を積層する際、ガラス溶着接合または金属拡散接合によって接合することを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
液滴を吐出する吐出口が形成される吐出口形成基板と、前記吐出口に連通する圧力室の隔壁を形成する流路形成基板と、振動板を積層して圧力室を形成する際、前記振動板自体の表面に凹凸構造を形成し、前記振動板表面に形成された凹凸構造に沿って電極を形成し、さらにその上に、前記振動板が厚い部分では薄く、前記振動板が薄い部分では厚く、かつその表面が平坦面となるように、前記圧力室内に圧力変化を生じさせる圧電体をエアロゾル法で形成したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
液滴を吐出する吐出口が形成される吐出口形成基板と、前記吐出口に連通する圧力室の隔壁を形成する流路形成基板と、振動板を積層して圧力室を形成する際、前記振動板自体の表面に凹凸構造を形成し、前記振動板表面に形成された凹凸構造に沿って電極を形成し、さらにその上に、前記振動板が厚い部分では薄く、前記振動板が薄い部分では厚く、かつその表面が平坦面となるように、前記圧力室内に圧力変化を生じさせる圧電体をエアロゾル法で形成した液滴吐出ヘッドを有して構成されることを特徴とするインクジェット記録装置。