JP2004249619A

JP2004249619A - インクジェット式記録ヘッド及びその製造方法

Info

Publication number: JP2004249619A
Application number: JP2003043439A
Authority: JP
Inventors: Satoru Hida; 悟飛田; Yoshitaka Akiyama; 佳孝秋山; Toshiji Sumiya; 利治住谷; Kenichi Hisagai; 健一久貝
Original assignee: Hitachi Printing Solutions Inc
Current assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Priority date: 2003-02-21
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】焼成体である圧電体は反りやうねり以外にも個々に特性のバラツキが生じるので、１つの記録ヘッドで複数の圧電体を用いると圧電体毎に圧電素子の特性のバラツキが生じ、結果的にインク滴の吐出特性のバラツキとなって現れてしまう。本発明の目的は、特性バラツキの少ない高印字品質の記録ヘッドを提供することである。
【解決手段】本発明においては、圧電材料と内部電極材料を交互に積層したバルク状の圧電体を分割してなる複数の圧電素子と、圧電素子に対向する位置に圧力室及びノズル開口を有するインクジェット式記録ヘッドにおいて、圧電素子のバルク状圧電体のほぼ中央付近に少なくとも１個所の切り欠き部を有し、バルク状圧電体をベース基台に固定し、切り欠き部が前記圧電素子に分割される加工領域となるように加工して圧力室及びノズル開口部に対応するように形成される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のノズル開口部からインク滴を吐出するインクジェト式記録ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のインクジェット式記録ヘッドは、ノズル開口を有する複数の圧力室と、一端が固定部材に固定され、他端が自由端となっており、バルク（ｂｕｌｋ）状圧電体を一定の幅で切断した棒状の圧電素子が配列された圧電素子列とで構成されており、圧電素子を動作させて前記圧力室のインクの圧力を高め、ノズル開口よりインク滴を吐出させて印字用紙にドットを形成するオンデマンド型インクジェット式記録ヘッドがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような形式の記録ヘッドにおいては、液滴の形成効率や飛翔力が大きいことが望ましい。そのため、電極と圧電材料を交互にサンドイッチ状に積層した積層圧電素子が用いられている。この積層圧電素子によれば電極間距離を可及的に小さくすることができるため、駆動信号の電圧を下げるという効果がある。
【０００４】
しかしながら、積層圧電素子は焼成体であるため、焼成時のバルク状圧電体の反り、うねり等の変形が生じる。そのため、焼成できるバルク状体の長さは最大で３０〜５０ｍｍが限界であり、バルク状圧電体１枚で記録ヘッドをラインヘッド等の大型化するのが困難であった。
【０００５】
このような問題を回避できる構造として、ベース基板上に固定された複数のバルク状圧電体を並べ、隣接するバルク状圧電体の境目が加工領域となるように加工して複数のノズル開口部に対向するように形成し、記録ヘッドを大型化する構造が提案されている（例えば、参考文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−１９８８７１号公報
【特許文献２】
特許第３１５６４１１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記したように圧電体は焼成体であるため、圧電体毎に反りやうねり以外にも特性のバラツキが生じる。このため、１つの記録ヘッドの中に複数の圧電体を用いると、圧電体毎に圧電素子の特性のバラツキが生じ、結果的にインク滴の吐出特性のバラツキとなって現れてしまう。そのため、予め静電容量等を測定し、クラス別に選別したり、圧電体毎に駆動電圧を調整したりする必要が生じてくる。
【０００８】
そこで、本発明は、圧電素子を容易に高密度に配列でき、特性バラツキの少ない高印字品質のインクジェト式記録ヘッドを安価に提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の請求項１記載の発明は、圧電素子の変位により圧力室の容積を変化させ、これによりノズル開口よりインクを吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおいて、圧電材料と内部電極材料とが交互に積層され、少なくとも一個所の切り欠きを有するバルク状圧電体と、該バルク状圧電体が固定されたベース基台より、前記切り欠き部が加工領域となるように分割された複数の圧電素子と、該圧電素子の対向する位置毎に形成された圧力室及びノズル開口を具備することを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項２記載の発明は、前記バルク状圧電体に形成された切り欠き部は、複数配設されたノズル開口の配列方向のほぼ中央に位置することを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項３記載の発明は、前記圧電素子のバルク状圧電体の切り欠き幅は、複数に分割される圧電素子間の幅より小さいことを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項４記載の発明は、圧電素子の変位により圧力室の容積を変化させ、これによりノズル開口よりインクを吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおいて、圧電材料と内部電極材料とが交互に積層されたバルク状圧電体をベース基台に固定し、前記バルク状圧電体の少なくとも一箇所を切り欠きし、前記切り欠き部が分割される加工領域となるように圧電素子を分割加工し、該分割された圧電素子と前記圧力室及びノズル開口部を夫々対応するように形成することを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項５に記載の発明は、前記バルク状圧電体の分割加工は、前記切り欠き部から開始することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明におけるインクジェット式記録ヘッドにおいて、ノズル配列方向の断面図、図２はノズル配列に対して垂直方向の断面図である。
【００１５】
図１及び図２において、インクはハウジング１２及び圧力室プレート６に形成された共通のインク溜り１１から、個別に形成されたリストリクタ７を通って、振動板９及びノズルプレート３により形成された圧力室４へ供給される。
【００１６】
各圧力室４に対応して、圧電素子１３と、ノズル開口部２が配置されており、圧電素子１３は固定基板なるベース基板１８上に一端を固定し、他端を自由端として振動板９に当接固定され、ＦＰＣ（フレキシブルプリントケーブル）１９を介した記録装置本体からの電気信号により伸縮運動を繰り返してノズル開口部２よりインク滴を吐出する。
【００１７】
圧電振動子１３は、圧電材料層２２と導電材料層２３、２４を交互に積層して形成したバルク状圧電体２０をベース基板１８に一端を固定し、ダイヤモンドブレードを利用したダイシングソーもしくはワイヤーカット技術を用いたワイヤソーにより、複数の圧電素子群２１として櫛状に完全に分離分割する。そして、一方の側面を共通電極として他方を個別電極として、ＦＰＣ１９に接続されている。詳細は後述するが、図１中のＡ部が、本発明に関する圧電素子１３に加工前する前のバルク状圧電体２１の切り欠き部の位置を示す部分である。
【００１８】
ここで、インク滴の吐出方法について説明する。
【００１９】
圧力室４に対向した圧電素子１３は、図３に示す駆動波形が印加される。圧電素子１３の方位がｄ_３３の場合、初期ホールド工程（電圧Ｖｍａｘが印加された状態）において圧電素子１３は伸長状態にあり、保持整定している。次に、時間Ｔ１において圧電素子１３の放電が行われると圧電素子１３が収縮し（放電工程）、圧電素子１３先端の固着されている振動板９もノズルプレート３に対して弾性変形をして圧力室４の容積が膨張し、共通のインク室１１からインク１４が流入すると同時にノズル先端部のインクメニスカスが圧力室４内に引き込まれる。そして、その状態をある期間（図において時間Ｔ２）だけ維持すると（保持工程）、圧力室４のインクは慣性によりノズル開口２に向かう流れが生じる。このメニスカスがほぼ最下点まで到達した近傍で、圧電素子１３に電荷を再度充電（時間Ｔ３）し、圧電素子１３を伸長させると（充電工程）、振動板９が圧電素子１３の押されて弾性変形をして圧力室４を縮小する。これにより発生した圧力室４内の圧力によりノズル開口部２よりインクが吐出される。圧電素子１３が伸長する時にもリストリクタ７から共通インク室１１への流れも発生するが、先の放電工程で発生した慣性による流れが残っているため、ある程度戻りを阻止されるため、ノズル開口２からのインクの吐出が実現できる。従って、記録ヘッド１を設計するにあたり、ノズル開口部２とリストリクタ７の持つイナータンスやレジスタンスの関係は重要なファクタである。このような放電工程、保持工程及び充電工程を必要な印字タイミングに応じて駆動させてインク滴を吐出していくことで、オンデマンド型インクジェット式記録ヘッドとして使われる。
【００２０】
次に、圧電素子１３の製造方法を説明する。
【００２１】
図４において、定板２６の上にグリーンシート状に調製したチタン酸ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミック等の圧電材料２２を塗布して、図５に示すように、これの表面に一方の電極となる第一の内部電極材料２３を、Ａｇ、Ｐｂ等を調製した導電ペーストを圧膜印刷法を用いて、一定間隔をおいて形成する。
さらに、図６に示すように、この内部電極材料層２３の表面に圧電材料２２を塗布し、この上に他方の電極となる内部電極材料２４を前記方法で塗布する。後は、前記の方法で、図７に示すように内部電極材料層２３、２４と圧電材料２２を必要な積層数だけ繰り返し塗布し、図８に示すように、目的の厚みに積層した状態で乾燥させる。
【００２２】
続いて、乾燥させた状態の圧電体に圧力を加えた状態で焼成する。そして、交互に積層された導電材料層２３、２４の一端が端面に露出するように分割し、導電層２３、２４が露出している面に外部電極２５を形成して乾燥することで、図９の直方体状のバルク圧電体２０が形成される。このように、各材料を積層する際に、複数の導電材料を並べることで一度に複数のバルク状圧電体２０を製作可能となり効率が良い。
【００２３】
また、最外部層の圧電材料層２２は、ベース基板１８や振動板９に接着する際の平面度が重要であるため研削やラッピング加工を必要とするため、内部の圧電材料層２２の厚みに対し、最外部層の厚みを厚くしておいた方が良い。
【００２４】
ここで、バルク状体圧電体２０は焼成時の収縮時のバラツキにより反り、うねり等の変形が発生してしまう。バルク状圧電体２０の長くなればなるほど大きくなる。このため、記録ヘッド１を製作する工程でベース基板１８に加圧、接着する際に割れ、クラックの原因となる。このため、バルク状圧電体２０の長さを長くすることは可能であるが、割れ等をなくすためには、反りを少なくとも０．１ｍｍ以下安定させる必要があり、その長さは３０〜５０ｍｍが限界と言われている。そのため、ラインヘッドを構成する場合は、バルク状圧電体２０を複数配列することでを構成する必要があった。
【００２５】
以下、５０ｍｍを超えるような長尺な圧電素子を用いたヘッドの製造工程を説明する。
【００２６】
図１０は、インクジェト式記録ヘッド１の組立て方法を説明する部品構成図である。ノズルプレート３、圧力室プレート６、振動板９の各プレートを接着し、チャンバープレート１０が形成されハウジング１２に接着固定される。ハウジング１２に設けられた開口部には、ベース基板１８に固定され複数の圧電素子１３に分割された圧電素子群２１が挿入され、前記振動板９に当接固定される。ハウジング１２の材質は、ステンレス等の金属が好ましいが、セラミックや樹脂成形品であっても良い。また、ハウジング１２及び各プレートに設けられた位置決め穴を基準にすることで複数枚のプレートを積層しても比較的容易に組立てることができる。
【００２７】
本例では、ノズルピッチ８／３００インチ、９６ノズルのラインヘッドを１バルク状圧電体２０でで形成することを特徴としている。本例の場合、バルク状圧電体２０の長さＬは、ノズル配列ピッチをＮｐ、ノズル数をｎとすると、
Ｌ＝Ｎｐｘｎ
となり、６５．０２４ｍｍの長さのバルク状圧電体２０が必要となる。このため、前述したようにヘッド１を製作する工程で、圧電体を破損してしまう恐れがある。しかし、圧電体を少なくとも２本以上並べるため１ヘッド内で特性のバラツキが生じてしまう。
【００２８】
それを解決するため、あえて長さの長いバルク状圧電体２０を製作する。しかし、前記したように長くすることで反りやうねりは増加する。その形状は、図１１に示すように中央部に反りδｏが発生する。従って、ベース基板１８に接着する際の圧力で割れが発生してしまう。そこで、本発明者らの実験は、図１２に示す如く、予めバルク状圧電体２０の中央部付近に切り欠き部Ａを設けておくことで、前記接着工程で発生する割れやクラックが前記切り欠きＡを基点に発生させることが出来た。つまり、いつも同じ場所で発生させることが可能となった。例えば、長さ約７０ｍｍのバルク状圧電体２０の中央部反りδｏが０．４ｍｍあった場合、切り欠き部Ａで割れ、割れた２つの圧電体２０（約３５ｍｍ長さ）の中央部反りδ１は０．１ｍｍ以下になる。
【００２９】
ここで切り欠き部幅Ｗ１は、次工程で複数の圧電素子１３に分割する時に加工領域３０となるようにし、その加工幅（図１に示すＷｏ）よりも小さくしておくと良い。可能であれば、前記溝幅の１／３以下でその切り込みは、圧電素子１３の伸縮方向長さの１／３以上であることが望ましい。また、その形状は、図１２に示すように先端が先細りとなるような鋭角形状であることが良く、より安定してクラック等を発生させることが可能となる。このような工程で製作することで、前記バルク状圧電体２０を複数の圧電素子１３に分割加工において、前記切り欠き部を加工する際に切り欠き部の側面や角部でのチッピング等の発生を防止することができる。
【００３０】
また、前記バルク状圧電体２０を複数に分割する時には、中央部に設けた切り欠き部Ａから加工を開始することで、ダイサー等の送りピッチ誤差による切り欠き部での寸法ずれを防止でき、前記チッピング等の不良を発生することもなくなる。
【００３１】
なお、本例において、圧電素子１３の方位はｄ_３３型圧電素子を採用しているが、ｄ_３１型圧電素子であっても良い。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧電材料と内部電極材料を交互に積層したバルク状の圧電体を分割してなる複数の圧電素子と、前記圧電素子に対向する位置に圧力室及びノズル開口を有するインクジェット式記録ヘッドにおいて、少なくとも一個所の切り欠きを有する前記圧電素子のバルク状圧電体を、ベース基台に固定し、前記切り欠き部が前記圧電素子に分割される加工領域となるように加工して前記圧力室及びノズル開口部に対応するように形成するようにしたので、多ノズルにおける同一ヘッド内での特性のバラツキを少なくでき、これを用いた記録装置や液滴吐出装置における液滴着地位置精度の向上が図れる。
【００３３】
また、圧電素子を成形する際の反りやうねりの許容値を拡大することが可能となり、安価なインクジェット式記録ヘッドを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェット式記録ヘッドのノズル配列方向の断面図である。
【図２】本発明のインクジェット式記録ヘッドのノズル配列方向と垂直方向の断面図である。
【図３】インクジェット式記録ヘッドの圧電素子に適用される駆動波形の一例である。
【図４】本発明のインクジェト式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明のインクジェト式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明のインクジェト式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図７】本発明のインクジェト式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図８】本発明のインクジェト式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図９】本発明のインクジェト式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図１０】本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造工程を説明する分解斜視図である。
【図１１】本発明のインクジェト式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図１２】本発明のインクジェト式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１は記録ヘッド、２はノズル開口、３はノズルプレート、４は圧力室、６は圧力室プレート、７はリストリクタ、９は振動板、１３は圧電素子、１８はベース基板、１９はＦＰＣ、２０はバルク状圧電体、２２は圧電材料、２３及び２４は導電材料、３０は加工領域、Ａはバルク状圧電体の切り欠き部である。

Claims

圧電素子の変位により圧力室の容積を変化させ、これによりノズル開口よりインクを吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおいて、
圧電材料と内部電極材料とが交互に積層され、少なくとも一個所の切り欠きを有するバルク状圧電体と、該バルク状圧電体が固定されたベース基台より、前記切り欠き部が加工領域となるように分割された複数の圧電素子と、該圧電素子の対向する位置毎に形成された圧力室及びノズル開口を具備することを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
前記バルク状圧電体に形成された切り欠き部は、複数配設されたノズル開口の配列方向のほぼ中央に位置することを特徴とする請求項１記載のインクジェット式記録ヘッド。
前記圧電素子のバルク状圧電体の切り欠き幅は、複数に分割される圧電素子間の幅より小さいことを特徴とする請求項１記載のインクジェット式記録ヘッド。
圧電素子の変位により圧力室の容積を変化させ、これによりノズル開口よりインクを吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおいて、
圧電材料と内部電極材料とが交互に積層されたバルク状圧電体をベース基台に固定し、前記バルク状圧電体の少なくとも一箇所を切り欠きし、前記切り欠き部が分割される加工領域となるように圧電素子を分割加工し、該分割された圧電素子と前記圧力室及びノズル開口部を夫々対応するように形成することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
前記バルク状圧電体の分割加工は、前記切り欠き部から開始することを特徴とする請求項４記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。