JP6039262B2

JP6039262B2 - 液体吐出ヘッド

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Publication number: JP6039262B2
Application number: JP2012140699A
Authority: JP
Inventors: 田村　泰之; 泰之田村; 祐志根津; 昭男齋藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2032-06-22
Also published as: JP2014004710A

Description

本発明は、圧電素子を駆動して液体を吐出する液体吐出ヘッドに関する。

圧電素子を駆動して液体を吐出するインクジェットヘッドとしては、いくつかの形態が知られている。第１の形態は液体が充てんされる圧力室の一つの壁面を振動板として該振動板を圧電素子により変形させて液体を加圧して吐出するものである。第２の形態としては、厚み方向に分極した圧電素子の板に溝と電極を形成し、その溝を圧力室として、圧電素子の分極方向と直交する方向の電界を印加して変形させるいわゆるシェアモードにより液体を加圧して吐出するものがある。この形態の場合には、圧力室を囲む４面の壁の内、２面を駆動するものが一般的である。第３の形態として、圧力室を円筒状の圧電素子で取り囲み該圧電素子を収縮させることにより液体を加圧して吐出するものがある。

前記第１の形態では変形する壁が１面だけであるので、変位量を確保することが難しく、大きな吐出力を得ることに限界があった。第２の形態では変形する壁が２面であるが、一般に圧電素子のシェアモードの変形は厚み方向の変形等に比べて変位量が小さいため、大きな吐出力を得ることが難しい。前記第３の形態は、圧力室の全周が変形するのみならず、圧電素子の分極方向に電界を印加して変形させるので、大きな吐出力を得ることができる。

一方、インクジェットヘッドでは高速度で高解像度の画像記録などを実現するため、多数のノズルを高密度で形成することが望まれる。

そこで、圧電素子の板に多数の溝を形成し、積層することで穴を多数形成し、孔の周りに切り込みを入れることで多数の中空の柱状の構造をマトリックス状に形成し、これをノズルとして用いるインクジェットヘッドが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１６８３１９号公報

特許文献１に示された構造では個々のノズルが薄肉で中空の柱状となり、柱状のノズルを長くすると強度が低くなり、短くすると変位する壁の面積が不足して大きな吐出力を得ることができないという欠点がある。ノズルの壁を厚くすれば強度が確保されるが、ノズルを高密度で配置することができないばかりでなく、圧電素子に印加される電界強度が弱くなるため、大きな吐出力を得ることができない。したがってノズルの壁の厚みの最適値に対する許容値は著しく小さい。しかし板に溝を加工するときの精度、板の張り合わせ位置精度、孔の周りに切り込みを入れる精度、のすべてがノズルの壁の厚みに精度に影響する。その結果、極めて高精度で困難な加工工程を多く必要とするという課題を有する。

本発明では、容易に製造できる構造で、インクジェットノズルの圧力室を２次元的に高密度で配置することができる液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

液体吐出ヘッドは、第１の溝と前記第１の溝に並列する第２の溝とを複数備えた第１のプレートと、前記第１のプレートと交互に積層されて前記第１の溝及び前記第２の溝を閉蓋する平板状の第２のプレートと、前記第１のプレートの前記第１の溝及び前記第２の溝がある面とは逆側の面と前記第２のプレートとの間に介在し、前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間に複数の空隙を形成するスペーサー層と、を有し、前記第１のプレート及び前記第２のプレートは圧電体から形成され、前記第１のプレートの前記第１の溝及び前記第２の溝は前記第２のプレートに閉蓋されることによってそれぞれ液体を貯留するための圧力室と開口部を形成し、前記圧力室の四方の壁面と、前記開口部の前記第２の溝側の壁面と、前記第１のプレートの前記スペーサー層側の面と、前記第２のプレートの前記スペーサー層側の面と、に電極が設けられ、前記第１のプレートに隣接する２つの前記スペーサー層のうち少なくとも１つは、前記第１のプレートの前記第１の溝から、前記第１のプレートと前記第２のプレートとの積層方向に平行な方向に変位した位置に前記空隙を有する。

本発明の液体吐出ヘッドは、比較的容易に製造できる構造でありながら、インクジェットノズルの圧力室を２次元的に高密度で配置することができる。圧力室の壁面を、液体の流れる方向を取り囲む全周にわたって駆動することが可能であるので、大きな吐出力を得ることが可能である。それにより高い粘度の液体を吐出すること、液滴の体積を高精度に制御することなどが可能となる。第１のプレートの圧力室は開口部と交互に配置され、また圧力室の積層方向上方及び下方のうち少なくとも一方には空隙が配置されているので、振動の伝搬に伴うクロストークが小さくなるという効果を有する。

本発明では、容易に製造できる構造で、インクジェットノズルの圧力室を２次元的に高密度で配置することができる液体吐出ヘッドを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの主要部の拡大図である。本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの全体構成を示す斜視図と側面図である。本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの主要部の分解斜視図である。本発明の第１の実施形態に係るスペーサーの斜視図である。本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの主要部の拡大図である。本発明の第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの主要部の拡大図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの主要部の拡大図である。図１は図２に示す本発明の液体吐出ヘッドの全体構成図のうち、ヘッドブロック１０３の一部を拡大して示したものである。

図２は本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの全体構成を示す斜視図と側面図である。構成をわかりやすくするため分解した状態を図示している。（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。１０１はオリフィスプレートでシリコンやポリイミドなど作られている。１０２はオリフィスプレート１０１にあいている液体が噴出するノズル孔である。１０３はヘッドブロックで内部に液体が貯留されている圧力室などが作られている。１０４はシリコン基板で作られている後方絞り板で圧力室の圧力を共通液室側に逃がさないようにするための絞り孔１０５と駆動回路が形成されている。１０６は共通液室で液体供給部１０８より共通液室内に液体１０７が供給される。１０９は圧電素子の共通電極を引き出すＦＰＣなどの共通電極配線ケーブルである。１１０は後方絞り板上に形成されている駆動回路に駆動電圧信号や制御信号を伝達するＦＰＣなどの信号配線ケーブルである。

図１に示すように、ヘッドブロック１０３は溝を形成した圧電体よりなる第１のプレート１０と平板状の圧電体よりなる第２のプレート２０とスペーサー層３２が繰り返し積層された構造になっている。各層は第１のプレート１０の溝が形成されている面と逆側の面と第２のプレート２０の間にスペーサー層３２が介在するように配列される。第１のプレート１０の溝は第１の溝１１と第２の溝１２が交互に形成されている。第１のプレート１０に第２のプレート２０が積層することによって、第１の溝１１と第２の溝１２は閉蓋され、それぞれ圧力室４１と開口部４２を形成する。圧力室４１の四方の壁面と開口部４２の第２の溝側の三方の壁面には電極（図示せず）が形成されている。スペーサー層３２は空隙３１を介して並ぶ複数のスペーサー３０から構成されている。

図３に第１のプレート１０と第２のプレート２０とスペーサー層３２を積層方向に関して分解した状態で図示している。第１のプレート１０の圧力室となる第１の溝１１の内部と第２の溝１２の内部には各々ハッチングをして図示した。第１の溝１１の内壁には溝部駆動電極１３が、第２の溝１２の内壁には溝部共通電極１４が設けられている。また、第１のプレートのスペーサー層側の面には裏面共通電極１５が設けられている。第１のプレート１０は圧電体セラミックでできており、ほぼ溝部駆動電極１３と溝部共通電極１４及び裏面共通電極１５を結ぶ方向に分極されている。第１の溝１１及び第２の溝１２の底部の厚みは、１例として、９０μｍ程度である。また、第１の溝１１と第２の溝１２の間の壁の厚みは９０μｍ程度である。

第２のプレート２０には第２プレート駆動電極２１と第２プレート共通電極２２が設けられている。第２のプレート２０も第１のプレート１０と同様に圧電体セラミックでできており、第２プレート駆動電極２１と第２プレート共通電極２２を結ぶ方向又は厚み方向に一様に分極されている。第２のプレート２０の厚みは９０μｍ程度である。

スペーサー３０は、積層方向に沿って互いに最も近くに位置する２枚の第１のプレート１０の第１の溝１１に挟まれる位置を避けて櫛歯状に設けられている。すなわち、第１のプレート１０に隣接する２つのスペーサー層３２のうち両方が、第１のプレート１０の第１の溝１１から積層方向に平行な方向に変位した位置に空隙３１を有する。第１の溝１１を取り囲む壁面は、駆動に伴って変形する。その振動が他の圧力室に伝搬して内蔵されている液体を振動させることによりいわゆるクロストークを生じ、吐出性能の安定性に悪影響を及ぼす可能性がある。それに対して隣接する第１のプレートの第１の溝１１の間の位置に空隙３１を設けているので、振動の伝搬を防ぐことができる。尚、図４に一例を示すように、スペーサー３０の形状は大部分が溝１１の間の位置を避けていれば、一部が溝１１の間となる位置にあっても支障はない。そのような位置にある面積が比較的小さければ振動の伝搬は小さく、性能への悪影響は無視しうる。殊に、ヘッドブロック１０３の端部においてスペーサー３０が横方向につながった形状とすると、ヘッドブロック端面に不必要な孔などが無い形状となり、吐出液が侵入するなどの弊害を防ぐことができるという利点がある。

スペーサー３０は、エポキシ樹脂等の反応硬化型樹脂を用いることにより、第２のプレート１０と第１のプレート２０の間を固定する接着剤を兼ねることもできる。スペーサー３０の厚みは、第１のプレート１０と第２のプレート２０が接触しない程度の厚みが有ればよい。第１のプレート１０及び第２のプレート２０を駆動することによる変形量は一般的には各々数１０ｎｍ程度であるから、数１００ｎｍ程度以上の厚みが有ればよい。スペーサー３０の材質としては、前述のエポキシ樹脂等の反応硬化型樹脂の他、各種樹脂、ゴム、金属箔等に接着剤層を設けたもの等を用いることができる。また、反応硬化型樹脂等を所定の厚みとするために、該樹脂に所定の大きさの粒子などを入れたものを用いることも有効である。また、接着可能な感光性フィルムを用いて、露光、現像をして形成すれば高精度で制作することができる。

スペーサー３０の材質としてヤング率が第１のプレート１０及び第２のプレート２０のヤング率よりも低いものを用いると、スペーサー３０が僅かに変形することにより駆動に伴う変形が伝わりにくく、クロストークを防止するうえで有効である。

スペーサー３０の材質として音響インピーダンスを考慮することも有効である。すなわち、音響インピーダンスが第１のプレート１０及び第２のプレート２０と異なる材質を用いることにより高周波振動が伝わり難くなり、クロストークをさらに確実に防止することができる。音響インピーダンスは材質の音速と密度との積で表される物理量である。スペーサー３０の音響インピーダンスは第１のプレート１０及び第２のプレート２０より高くても低くても高周波振動を伝えにくく、１０倍程度以上の違いがあると殊に有効である。スペーサー３０の厚みは厚いほど変形や振動を伝えにくくなるが、過度に厚くするとインクジェットヘッドの大きさが大きくなるという問題が有り、おおむね１００ｎｍ以上１００μｍ以下が好適である。

図１における寸法の一例として横方向（以下ｘ方向と記す）に並んだ第１の溝１１のピッチを４２３μｍ、すなわち６００ｄｐｉの画像の画素ピッチの１０倍としている。縦方向（以下ｙ方向と記す）に隣接する第１のプレート１０の第１の溝１１はｘ方向に４２．３μｍ、すなわち６００ｄｐｉの画像の画素ピッチだけずらして配置している。このようにして第１のプレート１０を１０層積層し、各々の第１の溝１１に対応するノズル孔を設ければ、インクジェットヘッドのｘ方向のノズルピッチを６００ｄｐｉとすることができる。

本実施形態のヘッドブロック１０３を製造するには、一例として以下の工程で製造することができる。

第２のプレート２０の素材として、予め厚さ方向に分極したＰＺＴ基板を用意する。このＰＺＴ基板の片面にメッキ及びフォトリソグラフィーにより第２プレート駆動電極２１を形成する。次に、剥離可能な接着層を設けた治具基板に第２プレート駆動電極２１側の面を接着する。この状態で、ＰＺＴ基板を研磨し、所定の厚み、例えば９０μｍとする。次に、メッキにより第２プレート共通電極２２を設ける。次にその表面にスペーサー３０の形状に従って熱硬化型接着剤を印刷する。これをヘッドブロック１０３の上端となる厚いセラミック基板に接着した後、前述の治具基板を剥離する。

別の方法として、予め厚さ方向に分極したＰＺＴ基板に代えて分極処理をしていないＰＺＴ基板を用いて、電極を形成した後に分極をしても良い。すなわち第２プレート駆動電極２１及び第２プレート共通電極２２を設けた後に、加熱すると同時に第２プレート駆動電極２１と第２プレート共通電極２２の間に高電圧を印加して分極することができる。

一方、第１のプレート１０の素材として予め所定の厚みに加工したとなるＰＺＴ基板を用意し、その片面にメッキにより裏面共通電極１５を設ける。剥離可能な接着層を設けた治具基板に該ＰＺＴ基板を裏面共通電極１５側の面で接着する。この状態で超砥粒ホイールを用いて該ＰＺＴ基板に第１の溝１１及び第２の溝１２を形成する。次に、メッキ及びフォトリソグラフィーの手法で溝部駆動電極１３と溝部共通電極１４を形成する。より具体的には、フィルム状レジストを張り付け、露光、現像により第１の溝１１及と第２の溝１２の間の壁の上部に線状のパターンを形成する。次にメッキのシード層となる導電膜をスパッタにより形成した後、フィルム状レジストを除去する。次に電気メッキを行うことにより、溝部駆動電極１３と溝部共通電極１４を形成することができる。

溝部駆動電極１３と溝部共通電極１４を形成した後、該ＰＺＴ基板を分極処理する。加熱と同時に溝部共通電極１４及び裏面共通電極１５と溝部駆動電極１３の間に高電圧を印加することで両電極間の電界の方向に分極することができる。

次に、作成された第１のプレート１０を前述の第２のプレート２０に接着剤を用いて接着し、その後、前述の治具基板を剥離する。

前述の第２のプレート２０となるＰＺＴ基板を用意する工程から、第１のプレート１０を第２のプレート２０に接着し治具基盤を剥離する工程までを繰り返すことにより、所定の数のプレート及びスペーサー３０を積層することができる。これにヘッドブロック１０３の下端となる厚いセラミック基板を接着する。この積層したＰＺＴのブロックの端面を研磨し、メッキなどの方法により駆動電極及び共通電極と駆動回路を接続するための端子を形成することにより、ヘッドブロック１０３が完成する。

前述の積層したＰＺＴのブロックの大きさをヘッドブロック１０３の数倍の大きさに作成し切断することにより、多数のヘッドブロックを効率よく作成することもできる。

図５は本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの主要部の拡大図である。第１の実施形態と異なる点として、第１の溝１１のｘ方向のピッチは第１の実施形態と同様にインクジェットヘッド全体のノズルピッチの１１倍として、ｙ方向に隣接する第１のプレート１０の第１の溝１１はｘ方向に画素ピッチの６倍だけずらして配置している。この様にして第１のプレート１０を１１層積層し、各々の第１の溝１１に対応するノズル孔を設ければ、インクジェットヘッドのｘ方向のノズルピッチを所定の値とすることができる。

スペーサー３０は、隣接する第１のプレート１０の一方の第１の溝１１に対応する位置に対応し他方の第２の溝１２に対応する位置に、櫛歯状に設けられている。一方の第１のプレート１０の第１の溝１１に対応する位置は、変形と振動がスペーサー３０に伝わり易いのであるが、他方の第１のプレートにおいては第２の溝１１の位置であるから問題は無い。さらに、スペーサー３０が第１の溝１１に対応する位置において、駆動時に厚み方向に変形する圧電体を背面から支持する効果があるので、圧電体が圧力室内部の方向に変形する変形量を大きくし、低い駆動電圧で高い吐出能力を得る効果を生じる。この効果を大きくするためには、スペーサー３０として比較的ヤング率の高い材料を用いることが望ましい。また、第１のプレート１０及び第２のプレート２０の材料に比べて音響インピーダンスが大きいものを用いることが効果的である。第１のプレート１０及び第２のプレート２０として好適なＰＺＴに比べてヤング率が高く音響インピーダンスの大きい材料としては、ＳＵＳ（ＳｔｅｅｌＵｓｅＳｔａｉｎｌｅｓｓ）、タングステンなどの金属材料があげられる。

一般に、第１の溝１１のｘ方向のピッチをインクジェットヘッドのノズルピッチのｎ倍として、第１のプレート１０をｎ層積層して各々の第１の溝１１に対応するノズル孔を設けてインクジェットヘッドを構成するとき、以下の条件を満たすと良い。すなわち、ｙ方向に隣接する第１のプレート１０の第１の溝１１をｘ方向にインクジェットヘッドのノズルピッチのｍ倍だけずらす。ここで、ｎとｍは互いに素な自然数で、ｍは前記条件を満たす数の内ｎの１／２に最も近い数とする。このようにすると、ｙ方向に隣接する第１の溝１１が、一枚の第１のプレート１０内の隣接する第１の溝１１の中央付近になる。その結果、スペーサー３０を隣接する第１のプレート１０の一方の第１の溝１１に対応する位置に配置すれば他方の第２の溝１１に対応する位置となり、クロストークを小さくすることができる。

以上に記したように本実施形態ではスペーサー３０が第１の溝に対応する位置に有るものの、隣接する第１のプレートの第１の溝の間の位置ではないので、有害な振動の伝搬が無く、良好な吐出特性が得られる。

図６は本発明の第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの主要部の拡大図である。第２の実施形態同様に、第１の溝１１のｘ方向のピッチはインクジェットヘッド全体のノズルピッチの１１倍として、ｙ方向に隣接する第１のプレート１０の第１の溝１１はｘ方向に画素ピッチの６倍だけずらして配置している。図示していないが、第１のプレート１０を１１層積層し、ヘッドブロック１０３を構成している点も第２の実施形態と同様である。

本実施形態が、第１の実施形態及び第２の実施形態と異なる点として、スペーサー３０は第１のプレート１０と第２のプレート２０の間の全域に設けてある。第２の実施形態で示したように、第１のプレート１０の第１の溝１１の位置が隣接する第１のプレート１０の第１の溝１１とｘ方向に関して大きくずれており、第２の溝１２の位置に対応するように配置すれば、クロストークを大幅に低減することができる。そこで隣接する第１のプレートの第１の溝をこの例のように配置すれば、スペーサー３０は第１のプレート１０と第２のプレート２０の間の全域に設けることが可能となる。スペーサー３０の形状を制御する必要が無いので、製造が容易であるという利点がある。さらに、スペーサー３０を全域に設ける場合、外力などによりヘッドブロックの厚み方向の変形、せん断方向の変形等が生じにくいので、第１の実施形態及び第２の実施形態等に比べて柔軟な材料を用いることができる。その結果、駆動に伴う振動、変形が伝わることを防ぐことができ、クロストークを防止することができる。駆動に伴ってスペーサー３０にはずり応力が加わる。ずり応力は図４におけるｘ方向の変形に伴うものだけでなく、図の面に垂直の方向への変形に伴うものもある。そこで、スペーサー３０としてゴム系材料などの柔軟で減衰作用の大きい材質を適用すると、不必要な残留振動が減衰しクロストークを防止する効果が大きい。さらに、吐出特性の周波数依存性を小さくできるなどの効果もある。

以上に記したように本実施形態ではスペーサー３０が全域に設けて有るにもかかわらず、隣接する第１のプレートの第１の溝の位置が異なるだけでなく、ヤング率の低い材質を用いているので有害な振動の伝搬が無く、良好な吐出特性が得られる。

１０第１のプレート
１１第１の溝
１２第２の溝
２０第２のプレート
３０スペーサー

Claims

第１の溝と前記第１の溝に並列する第２の溝とを複数備えた第１のプレートと、前記第１のプレートと交互に積層されて前記第１の溝及び前記第２の溝を閉蓋する平板状の第２のプレートと、前記第１のプレートの前記第１の溝及び前記第２の溝がある面とは逆側の面と前記第２のプレートとの間に介在し、前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間に複数の空隙を形成するスペーサー層と、を有し、
前記第１のプレート及び前記第２のプレートは圧電体から形成され、前記第１のプレートの前記第１の溝及び前記第２の溝は前記第２のプレートに閉蓋されることによってそれぞれ液体を貯留するための圧力室と開口部を形成し、前記圧力室の四方の壁面と、前記開口部の前記第２の溝側の壁面と、前記第１のプレートの前記スペーサー層側の面と、前記第２のプレートの前記スペーサー層側の面と、に電極が設けられ、前記第１のプレートに隣接する２つの前記スペーサー層のうち少なくとも１つは、前記第１のプレートの前記第１の溝から、前記第１のプレートと前記第２のプレートとの積層方向に平行な方向に変位した位置に前記空隙を有する、液体吐出ヘッド。
前記積層方向に隣接する前記第１のプレートの前記第１の溝は前記積層方向において少なくとも一部が互いに重なるように配置されており、隣接する前記第１のプレートの間にある前記スペーサー層は隣接する前記第１の溝の間に前記空隙を有する、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
前記スペーサー層が前記第１のプレート及び前記第２のプレートよりもヤング率の低い材料から形成されている、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
前記スペーサー層を形成する材料の音響インピーダンスが前記第１のプレート及び前記第２のプレートを形成する材料の音響インピーダンスと異なる、請求項１から３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。