JP4670378B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動子によりインクに圧力を加えてインク滴を飛翔させ、印刷媒体にインク像を形成するインクジェットヘッドに関する。

従来から、圧電振動子を用いて圧力室内のインクの圧力を変化させ、オリフィスからインクを吐出させる圧電振動子方式のインクジェットヘッドが知られている。圧電振動子に圧電材料と導伝材料とをそれぞれ層状に交互に積層して形成された積層圧電振動子を用いたインクジェットヘッドの従来例の斜視図を図７に示す（例えば、参考文献１参照）。

図において、２は複数のオリフィス１を形成したオリフィスプレートである。オリフィス１の開口形状の加工精度はインクジェットヘッドのインク吐出特性に大きな影響を及ぼす。複数のオリフィス間において、これらの位置や穴径などのオリフィス精度ばらつきを低く押さえるため、オリフィスプレート２の製造には高い加工精度が要求される。このため、オリフィスプレート２は、ステンレスの精密プレス加工法、レーザー加工法、あるいはニッケルの電鋳加工法等で形成される。

このオリフィスプレート２に、圧力室３が形成された圧力室プレート４と、インク供給路１０と圧力室３とを連結し、圧力室３へのインク流入を制御するリストリクタ５が形成されたリストリクタプレート６を、位置決めして接合する。

さらに、圧電アクチュエータ１５の圧力を効率よく圧力室３に伝えるための弾性壁となる振動板７と、共通インク通路１２からリストリクタ５に流入するインク中のゴミ等を取り除くフィルタ部８が形成された弾性を有するダイアフラムプレート９と、共通インク通路１２を形成したハウジング１１を同じように位置決めして接合する。

上記圧力室プレート４、リストリクタプレート６、ダイアフラムプレート９は、ステンレス材の精密プレス法やエッチング加工法またはニッケル材の電鋳加工法で作られる。

ハウジング１３は、ステンレス材の切削加工等で形成され、インクを共通インク通路１２まで導くインク導入パイプ２２が接合されている。
最後に、複数の圧電振動子１６と、それを固定する支持基板１９からなる圧電アクチュエータ１５をハウジング１３の開口部より、挿入し接合する。
支持基板１９の端面には、それぞれの圧力室３の一つずつに対応するように圧電振動子１６が配置され、支持基板１９の側面には個別電極２０と共通電極２１がパターン印刷されており、共通電極２１は、支持基板１９に設けられたスルーホール２４により支持基板１９の反対面に配線されている。そのため圧電振動子１６の外部電極１７は、支持基板１９の個別電極２０と共通電極２１が両側面から対となって配線できるようになっている。さらに、支持基板１９の個別電極２０及び共通電極２１と圧電振動子の外部電極１７は、導電性接着剤１８により電気的に接続されている。これにより、外部駆動回路からの電気信号は図示しない配線ケーブルより、支持基板１９の個別電極２０及び共通電極２１に送られ、さらに導電性接着剤１８を通じ、外部駆動回路から選択的な電気信号が圧電振動子１６に印加されることにより、圧電振動子１６はひずみを生じる。このひずみが振動板７に変位を与え、圧力室３の圧力が変化する。インクジェットヘッドはこうした原理によってオリフィス１からインクを吐出して、記録媒体上にインク画像を形成する装置に用いられる。

図８は従来のインクジェトヘッドの部分断面図である（例えば、参考文献２参照）。
図において、圧電アクチュエータ１５は支持基板１９と圧電振動子１６とで構成されており、該支持基板１９と該圧電振動子１６は図示しないエポキシ系の接着剤にて接合されている。また、該圧電振動子１６の反対面は、接着剤１４を介して振動板７と接合されており、圧力室３内の圧力は振動板７が変形することにより急激に変動する。すなわち、外部駆動回路から選択的な電気信号が圧電振動子１６に印加されることにより、圧電振動子１６はオリフィス１へ向かう方向に変位を発生する。この変位により接着剤１２を介して振動板７が変形し、圧力室３内に充填されたインクは、加圧され、オリフィス１からインク滴となって吐出する。

特開平１−１１５６３８号公報

特開２００２−９６４６４号公報

しかしながら、圧電振動子１６のひずみを利用したインクジェットヘッドは、長時間使用していると、圧電アクチュエータ１５の圧電振動子１６と支持基板１９とを接合しているエポキシ系接着剤がもろくなり、接合面が剥がれることがある。また、圧電振動子１６の支持基板１９との接合部付近にクラックなどが発生することもある。この場合、圧電振動子１６のひずみを振動板７に正確に伝えることが出来にくくなり、 オリフィスから吐出されるインク滴の吐出速度が低下したり、吐出しなくなる現象が発生し、インクジェットヘッドの寿命を短くするという課題を有している。これは、圧電振動子１６のひずみにおいて、圧電材料と導電材料とをそれぞれ交互に積層して形成された積層部の活性領域が最も変位するが、この領域が支持基板１９にエポキシ系接着剤で固定されているため、接合面に応力が発生し、繰り返しの変位によってエポキシ系接着剤や圧電振動子が破断を起こすためである。

解決しようとする問題点は、圧電アクチュエータを用いたインクジェットヘッドにおいて、圧電アクチュエータの圧電振動子と支持基板との接合部が剥がれたり、圧電振動子内にクラックが発生して圧電振動子で発生したひずみの振動板への伝達が不可能になってインクジェットヘッドの寿命が短くなることである。

本発明では、圧電振動子と支持基板を接合した後，各ノズル毎に圧電振動子を切断して製作される圧電アクチュエータを用いた長寿命で信頼性の高いインクジェットヘッドを提供することを目的とする。

本発明では上記目的を達成するために、インク滴を吐出するオリフィスが複数個列状に配列されるオリフィスプレートと、前記オリフィスに対応してインクを蓄える圧力室を備える圧力室プレートと、前記圧力室の壁面の一部を形成する振動板と、前記圧力室にインクを供給する流路のリストリクタを備えるリストリクタプレートと、前記圧力室に対向し前記振動板と接着剤で接合され、電気信号の印加により圧力室内に圧力変動を発生させる圧電アクチュエータと、リストリクタにインクを供給する共通インク流路及び前記圧電アクチュエータが挿入される開口部を有するハウジングとを有するインクジェットヘッドにおいて、
前記圧電アクチュエータが、圧電材料と内部電極とをそれぞれ交互に積層して形成された積層部の前記内部電極が交差する活性領域、並びに該活性領域の両端に前記内部電極が交差しない不活性領域を有する複数の圧電振動子と、該複数の圧電振動子を支持する支持基板を備え、
該支持基板には、
前記圧電振動子の不活性領域−活性領域−不活性領域の方向にわたって凹型の溝が形成され、該溝の幅は、前記不活性領域−活性領域−不活性領域の方向での活性領域の幅よりも広くなっており、当該支持基板が前記不活性領域と接合しているとともに、
前記圧電振動子の不活性領域−活性領域−不活性領域の方向と直交する方向においては、前記溝の長さは、前記圧電振動子の不活性領域−活性領域−不活性領域の方向と直交する方向での圧電振動子の活性領域と同じであることを特徴とする。

本発明によれば、圧電アクチュエータの支持基板の断面形状を凹型にすることで、圧電振動子を変位させても、接合によって発生していた内部応力は発生しないため、圧電振動子や接着部は長時間使用しても接着剤の剥がれや、圧電振動子内部のクラックなどの発生は無くなり、圧電振動子と支持基板の接合力が保持され、長寿命の信頼性の高いインクジェットヘッドが提供できる。また、共振周波数を約2倍に高められ、高周波駆動にも対応できる高性能なインクジェットヘッドが提供出来る。

長寿命で高性能なインクジェットヘッドを提供するという目的を、簡単な構成で実現した。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。
図１は、本発明のインクジェットヘッドの一実施例を示す斜視図である。
図において、１はオリフィス、２はオリフィスプレート、３は圧力室、４は圧力室プレート、５はリストリクタ、６はリストリクタプレート、７は振動板、８はフィルタ、９はダイアフラムプレート、１０は穴部、１１はサポートプレート、１２は共通インク通路、１３はハウジング、１４は接着剤、１５は圧電アクチュエータ、１６は圧電振動子、１７は外部電極、１８は導電性接着剤、１９は支持基板、２０は個別電極、２１は共通電極、２２はインク導入パイプ、２３はスルーホール、２４は内部電極である。オリフィスプレート２は、インクを吐出するオリフィス１が複数個列状に設けられている。このオリフィス１に対応して圧力室３が形成された圧力室プレート４、及びインク供給路１０と圧力室３とを連結し、圧力室３へのインク流入を制御するリストリクタ５を形成したリストリクタプレート６を、位置決めして接合している。さらに、圧電アクチュエータ１３の圧力を圧力室に伝えるための振動板７と、フィルタ部８とを形成した弾性を有するダイアフラムプレート９と、共通インク通路１０を形成したハウジング１１を同じように位置決めして接合する。

最後に、複数の圧電振動子１６と、それを固定するために圧電振動子１６との接着面の形状を凹型にした支持基板１９からなる圧電アクチュエータ１５をハウジング１１の開口部より、挿入し接合する。

図２は、本発明のインクジェトヘッドの部分断面図である。
図において、圧電アクチュエータ１５は支持基板１７と圧電振動子１６とで構成される。圧電振動子１６は接着剤１４を介して振動板７と接合されている。従って、圧力室３内の圧力は振動板７が変形することにより急激に変動する。すなわち、外部駆動回路から選択的な電気信号が圧電振動子１６に印加されることにより圧電振動子１６は、オリフィス１へ向かう方向に変位を発生する。この変位により接着剤１４を介して振動板７が変形し、圧力室３内に充填されたインクは加圧され、オリフィス１からインク滴となって吐出する。

圧電アクチュエータ１５を製作する順序は、まず支持基板１９を圧電振動子１６と接合する面に断面形状が凹型になるようにダイシングソー等を利用して切り込む。支持基板１９の材質にセラミック等を用いる場合は、予め凹状に成るように金型を成型しても良い。次に、該支持基板１９の凹部を設けた面に、棒状の積層圧電振動子をエポキシ系接着剤にて接合する。更に支持基板１９の側面に設けられた個別電極２０、共通電極２１とを、棒状の圧電振動子の両面にある個別電極、共通電極それぞれに、ペースト状の導電性接着剤１８をディスペンサーで塗布し、電気的に導通するように接着する。この時、支持基板の個別電極は該導電性接着がつながって塗布されているため、電気的に全て導通している。その後、棒状の積層圧電振動子をダイシングソー、ワイヤソー等を利用した切断により分割する。この時、分割された各々の圧電振動子１６は、圧力室の一つずつに対応するようになっている。また、支持基板１９上の導電性接着剤にて導通していた個別電極は、各電極が分離する深さまで切断することにより、個別電極として分割される。

本発明による支持基板１９の圧電振動子１６との接合面の形状は、図３に示すようにすると良い。圧電材料と導電材料とをそれぞれ層状に交互に積層して形成された積層圧電振動子の面方位ｄ33型の圧電振動子１６は、内部電極２４が共通電極と個別電極側の両側より変位方向と垂直な方向に積層されており、該内部電極２４が交差する活性領域と、内部電極２４が交差しない不活性領域が形成されている。外部駆動回路から電気信号が圧電振動子に印加されると、活性領域は、電極間に電界が発生し圧電振動子は変位する。しかし、非活性領域では、内部電極は交差しておらず、電界が発生しないため圧電振動子は変位しない。このため、活性領域、不活性領域をもつ積層圧電振動子１６が変位するときは、両端部の変位が小さく、中央部は最も変位する山型の形状となる。

図４は、従来の圧電アクチュエータの部分断面図である。

従来は、この圧電振動子１６を支持基板１９上の平らな面に接合させて用いていた。この場合、圧電振動子１６の接着面の変位は、エポキシ系接着剤にて固定され、内部に応力が発生していた。この状態で長時間使用すると、エポキシ系接着剤がもろくなり、接合面が剥がれることがあったり、圧電振動子１６の支持基板１９との接合部付近にクラックなどが発生することがあった。このため圧電振動子１６のひずみを振動板７に正確に伝えることが出来にくくなり、 オリフィスから吐出されるインク滴の吐出速度が低下したり、吐出しなくなる現象が発生していた。

そこで、本発明では図３に示すように、圧電振動子の活性領域よりも広い範囲で、支持基板との接合面を逃がして、圧電振動子１６の変位が支持基板１９に接しないように凹型にした。この結果、圧電振動子１６を変位させても、接合によって発生していた内部応力は発生しないため、圧電振動子や接着部は長時間使用しても接着剤の剥がれや、圧電振動子内部のクラックなどの発生は無くなった。

また、従来の圧電振動子は、支持基板との接着面が固定端、振動面が自由端の１点支持での固有振動となるが、本発明では両端とも自由端となる固有振動となり、共振周波数は従来の約２倍に高くなる。このため、圧電振動子の変位にかかる応答時間を高速に制御することが出来るようになるため、インク滴を高い周波数で吐出することが出来るようになる。

さらに図５には、圧電材料と導電材料とをそれぞれ層状に交互に積層して形成された積層圧電振動子の面方位ｄ31型の圧電振動子を用いた場合の圧電アクチュエータを示している。内部電極２４が共通電極と個別電極側の両側より変位方向と水平な方向に積層されており、該内部電極２４が交差する活性領域と、内部電極２４が交差しない不活性領域が形成されている。この場合でも圧電振動子の活性領域よりも広い範囲で、支持基板の接着面をへこませ、圧電振動子１６の変位が支持基板１９に接しないように凹型とすることで、同様の効果が得られる。

図６は本発明の他の実施例を示す図である。
圧電振動子１６と支持基板１９は不活性領域で接合されているが、圧電振動子１６内の活性領域割合の幅が広い場合、支持基板１９のへこみ領域も広くなり、圧電振動子１６と支持基板１９との接する面が狭くなるため、接着力が弱くなることがある。この場合、圧電振動子の支持基板との接合面の形状を凸型にすると良い。

本発明の圧電アクチュエータは、次の方法で製作することが出来る。先ず、棒状の積層圧電振動子の支持基板との接合面をダイシングソーを用いて凸型に切断する。次に、この圧電振動子の凸部を実施例１で製作した方法で凹部を設けた支持基板１９にはめ込み、圧電振動子１６をエポキシ系接着剤で接合する。この際、支持基板１９の凹部の深さ、及び圧電振動子１６の凸部の高さは、はめ込み時に圧電振動子１６の変位以上の間隙とする寸法関係にすることが必要である。なお、エポキシ系接着剤は、支持基板１９の圧電振動子接着面及び凹面全体に塗布して良い。後は、上記実施例１に記した方法と同じ手順で導電性接着剤を塗布し、各圧力室に対応するように圧電振動子を分割する。これにより、圧電振動子１６と支持基板１９の接合面が多くなり、接着力が下がることがない圧電アクチュエータとなる。

また、支持基板の凹部と圧電振動子の凸部の幅や位置を精度良く製作することで、支持基板の凹部と圧電振動子の凸部をはめ込むだけで、支持基板上に精度良く配置された圧電振動子の並ぶ圧電アクチュエータとなり、組み立て時間を短くすることができる。

本発明インクジェットヘッドの一実施例を示した斜視図である。 本発明インクジェットヘッドの一実施例を示した部分断面図である。 本発明のインクジェットの圧電アクチュエータを示した部分断面図である。 従来の圧電アクチュエータを示した部分断面図である。 本発明の別の実施例を示す圧電アクチュエータを示した部分断面図である。 本発明の別の実施例を示す圧電アクチュエータを示した部分断面図である。 従来例を示した斜視図である。 従来例を示した部分断面図である。

符号の説明

１ オリフィス
２ オリフィスプレート
３ 圧力室
４ 圧力室プレート
５ リストリクタ
６ リストリクタプレート
７ 振動板
８ フィルタ
９ ダイアフラムプレート
１０ 穴部
１１ サポートプレート
１２ 共通インク通路
１３ ハウジング
１４ 接着剤
１５ 圧電アクチュエータ
１６ 圧電振動子
１７ 外部電極
１８ 導電性接着剤
１９ 支持基板
２０ 個別電極
２１ 共通電極
２２ インク導入パイプ
２３ スルーホール
２４ 内部電極

Claims (1)

1. インク滴を吐出するオリフィスが複数個列状に配列されるオリフィスプレートと、前記オリフィスに対応してインクを蓄える圧力室と、該圧力室の壁面の一部を形成する振動板と、前記圧力室にインクを供給する流路のリストリクタと、前記圧力室に対向し前記振動板と接着剤で接合されて電気信号の印加により圧力室内に圧力変動を発生させる圧電アクチュエータと、リストリクタにインクを供給する共通インク流路及び前記圧電アクチュエータが挿入される開口部を有するハウジングからなるインクジェットヘッドにおいて、
   前記圧電アクチュエータが、圧電材料と内部電極とをそれぞれ交互に積層して形成された積層部の前記内部電極が交差する活性領域、並びに該活性領域の両端に前記内部電極が交差しない不活性領域を有する複数の圧電振動子と、該複数の圧電振動子を支持する支持基板を備え、
   該支持基板には、
   前記圧電振動子の不活性領域−活性領域−不活性領域の方向にわたって凹型の溝が形成され、該溝の幅は、前記不活性領域−活性領域−不活性領域の方向での活性領域の幅よりも広くなっており、当該支持基板が前記不活性領域と接合しているとともに、
   前記圧電振動子の不活性領域−活性領域−不活性領域の方向と直交する方向においては、前記溝の長さは、前記圧電振動子の不活性領域−活性領域−不活性領域の方向と直交する方向での圧電振動子の活性領域と同じであることを特徴とするインクジェットヘッド。

Images