JP2005103771A - インクジェットヘッドとその製造方法及びインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力室のサイズを小さくして、ノズル配置の高密度化を達成する。
【解決手段】圧電素子を含む圧力発生部によって変形され、連通するノズルからインクを吐出する圧力室が、２次元的に配置されるとともに、少なくとも、前記圧電素子が、薄膜形成技術を用いて形成された薄膜圧電素子であることを特徴とするインクジェットヘッドを提供する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、インクジェット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、圧力室の一部を振動板で構成し、振動板に設けられた圧電素子の変位により振動板を変形させて、圧力室の容積を変化させることによりインク滴を吐出するインクジェット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。

インクジェットヘッドのノズルからインク（インク液滴）を吐出、飛翔させて、記録用紙等に付着させて画像を記録する、いわゆるインクジェット方式の画像記録を行うインクジェットプリンタ（インクジェット記録装置）が知られている。インクジェット方式の記録ヘッド（インクジェットヘッド）におけるインク吐出方式には、様々なものがある。例えば、圧電素子（圧電セラミックス）の変形によって圧力室の一部を構成する振動板を変形させて圧力室の容積を変化させ、圧力室の容積増大時にインク供給路から圧力室内にインクを導入し、圧力室の容積減少時に圧力室内のインクをノズルから液滴として吐出する圧電方式や、インクを加熱して気泡を発生させ、この気泡が成長する際の膨張エネルギーでインクを吐出させるサーマルインクジェット方式などが知られている。

例えば、圧電素子を用いたインクジェットヘッドは、基板上に圧電素子、振動板、その中にインク供給路や圧力室が形成される流路板、その中にインク吐出口が形成されるノズル板（オリフィスプレート）等による積層構造を有しており、これらの基板を接着、接合して製造される。

このような基板の積層構造体であるインクジェットヘッドの製造方法として、圧電素子を薄い膜で一体焼成して形成すると、焼成時の熱応力による反りが発生するため、振動板を駆動する圧電素子からなる圧力発生機構を、少なくとも２つ以上の圧電体層の層間に金属膜を介装した状態で一体焼成した構造体から不要部分を除去して薄膜化して構成することにより、熱応力による反りを抑制するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１等参照）。

この製造方法は、次のようなものである。すなわち、まず、厚さ４０μｍのグリーンシートを未焼成の状態で１０枚重ねた厚さ４００μｍの第１の圧電体層と、厚さ４０μｍのグリーンシートである第２の圧電体層を、その間に金属薄膜を挟むとともに、第２の圧電体層の下側に電極となる金属薄膜を付けて、プレスにより一体積層した後に焼成して一体の構造体とする。これを熱発泡タイプのシートに貼り付けて、圧力発生機構として不要な部分である第１の圧電体層を、間に挟んだ金属薄膜をストッパーとしてサンドブラスト加工によって除去し、この構造体を薄膜化する。

次に、ストッパーとした金属薄膜を剥離し、第２の圧電体層の上側に電極となる金属薄膜をスパッタリング等によって形成し、上下面に電極となる金属薄膜が形成された第２の圧電体層を圧力室の位置に対応するように分割する。そして、圧力室等が形成されたインク流路板に組み込まれた振動板に、圧力室の位置に対応して分割された第２の圧電体層を圧力室の位置に合わせて接合し、最後に、熱発泡タイプのシートを加熱して剥がすことによりヘッドが完成する。
特開２００３−９４６５５号公報

しかしながら、前記従来のような圧電体形成にグリーンシート法やあるいは印刷法等の厚膜を用いる方法では、その１層の厚みに限界がある。例えば、上記特許文献１に記載のものは４０μｍのグリーンシートを用いており、これでなくともその厚みは約２０μｍが限界である。

一般的に、ｄ３１駆動のユニモルフ構造では、圧力室寸法が一定であれば圧電体層の厚みが薄いほど圧電素子の変位量が大きくなる。それは、次のような理由による。すなわち、圧電素子の変位をδｌとし、印加する電圧をＶ、圧力室の形状を正方形としてその一辺をＬ、圧電体層の厚みをｔとすると、ｄ３１を用いる場合、次の式（１) が成り立つ。

δｌ＝ｄ３１×Ｖ×Ｌ／ｔ ・・・（１）
この式（１）からわかるように、Ｖ、Ｌが一定であれば、ｔが小さい程、変位δｌは大きくなる。すなわち、圧力室のサイズＬが一定なら、圧電体層の厚みｔが薄い程、変位δｌは大きくなる。逆に言うと、同じ変位δｌを得るのに、圧電体層の厚みｔが薄い程、圧力室のサイズＬを小さくできる。圧力室のサイズを小さくすることができれば、それだけ圧力室及びノズルの配置を高密度化することが可能となる。

しかし、従来の厚膜法では、圧力室のサイズを小さくしようとしても、インク滴を適切に吐出させるために必要なインク排除体積を確保するための圧力室寸法（Ｘ−Ｙ面積）には限界があり、そのため可能なノズル配置密度には限界があり、一定限度以上にはノズルの高密度化を達成することはできないという問題があった。

また、一方、結晶性、内部ポアの問題から、耐圧が低く、電圧Ｖ／厚みｔ（Ｖ／ｍｍ）を大きくできず、このとき圧力室のサイズＬをあまり小さくしては変位δｌを大きくできないという問題もある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、圧力室のサイズを小さくして、ノズル配置の高密度化を達成することのできるインクジェット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に記載の発明は、圧電素子を含む圧力発生部によって変形され、連通するノズルからインクを吐出する圧力室が、２次元的に配置されるとともに、少なくとも、前記圧電素子が、薄膜形成技術を用いて形成された薄膜圧電素子であることを特徴とするインクジェットヘッドを提供する。

これにより、圧電素子を薄膜化することで変位を大きくすることができるため圧力室のサイズを小さくでき、さらに圧力室を２次元的（マトリクス状）に配置することでノズルを高密度化することが可能となる。

また、本発明のインクジェットヘッドは、前記圧力室の一部が振動板によって構成され、前記圧力発生部は、前記薄膜圧電素子を前記振動板に接着することによって作成されることを特徴とする。これにより、圧電素子と振動板を別途作成することができ、振動板、圧力室及びノズルは従来の方法で作成することができ、製造が安定する。また、振動板の反りや薄膜形成時の内部応力による圧電素子の破壊等を低減することが可能となる。

また、本発明のインクジェットヘッドは、前記圧力発生部は、基板上に形成された前記薄膜圧電素子を前記振動板に接着した後、前記基板を除去することによって作成されることを特徴とする。これによれば、薄膜圧電素子は基板上に形成されているため、圧電素子自体は薄くても圧電素子を振動板に接合するまでのハンドリングが容易となる。

また、本発明のインクジェットヘッドは、前記振動板は、ＳＵＳを加工して、または、シリコンを用いて圧力室と一体で、作成されることが好ましい。さらに、前記圧力発生部は、前記振動板の前記薄膜圧電素子接着側に溝が形成されたことが好ましい。上述したように、圧電素子と振動板を別途作成するようにした結果、このように、振動板の材質及び形状に自由度が存在するようになる。振動板に溝を入れることにより、振動板の剛性を落とし変位を大きくすることができ、圧力室サイズのより一層の小型化につながる。

また、同様に前記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、圧電素子を含む圧力発生部によって変形され、連通するノズルからインクを吐出する圧力室を、２次元的に配置するとともに、少なくとも前記圧電素子を、薄膜形成技術を用いて形成することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法を提供する。これにより、圧力室のサイズを小さくでき、高密度ノズルに対応させることができる。

また、本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、前記圧力室の一部を振動板によって構成するとともに、前記圧力発生部を、前記薄膜圧電素子を前記振動板に接着することによって作成することを特徴とする。このように圧電素子と振動板を別途作成することにより、振動板からノズルに至る部分については従来の方法で作成することができ、これにより製造が安定する。また、振動板の反り、薄膜形成時の内部応力による圧電素子の破壊等の低減が可能となる。

また、本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、前記薄膜圧電素子を基板上に形成し、該基板上に形成された薄膜圧電素子を前記振動板に接着した後、前記基板を除去することによって前記圧力発生部を作成するようにしたことを特徴とする。これにより、薄膜圧電素子のハンドリングが容易となる。

また、本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、前記振動板を、ＳＵＳを加工して、または、シリコンを用いて圧力室と一体で、作成するようにしたことが好ましく、さらに、前記圧力発生部は、前記振動板の前記薄膜圧電素子接着側に溝を形成したことが好ましい。これにより、振動板の材質や形状に自由度が存在し、振動板に溝を設けることで変位を大きくすることができる。

さらに、同様に前記目的を達成するために、本発明の請求項１１に記載の発明は、圧電素子を含む圧力発生部によって変形され、連通するノズルからインクを吐出する圧力室を、２次元的に配置するとともに、少なくとも前記圧電素子を薄膜形成技術を用いて形成したインクジェットヘッドを有す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、薄膜圧電素子を用い、マトリクスに対応した高集積インクジェット記録装置が実現される。

以上説明したように、本発明に係るインクジェット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、２次元的に配置される圧力室のサイズを小さくすることができ、ノズルの高密度化を達成することができる。

以下、添付図面に従って本発明に係るインクジェット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（ａ）は、印字ヘッド（インクジェットヘッド）５０の構造例を示す平面図であり、図２（ｂ）は、その一部の拡大図である。記録紙面上に印字されるドットピッチを高密度化するためには、印字ヘッド５０におけるノズルピッチを高密度化する必要がある。本例の印字ヘッド５０は、図２（ａ）に示すように、インク滴が吐出するノズル５１と、各ノズル５１に対応する圧力室５２等からなる複数のインク室ユニット５３を千鳥で２次元的（マトリクス状）に配置させた構造を有し、これにより見かけ上のノズルピッチの高密度化を達成している。

各ノズル５１に対応して設けられている圧力室５２は、その平面形状が概略正方形となっており、対角線上の両隅部にノズル５１と供給口５４が設けられている。各圧力室５２は供給口５４を介して共通流路５５と連通されている。

圧力室５２の天面を構成している振動板（加圧板）５６には上部（個別）電極５７を備えた圧電素子（圧電アクチュエータ）５８が接合されており、上部電極５７に駆動電圧を印加することによって圧電素子５８が変形してノズル５１からインクが吐出される。インクが吐出されると、共通流路５５から供給口５４を通って新しいインクが圧力室５２に供給される。

このような構造を有する多数のインク室ユニット５３を図３に示すように、主走査方向に沿う行方向、及び主走査方向に対して直交しない一定の角度θを有する斜めの列方向とに沿って一定の配列パターンで格子状に配列させた構造になっている。主走査方向に対してある角度θの方向に沿ってインク室ユニット５３を一定のピッチｄで複数配列する構造により、主走査方向に並ぶように投影されたノズルのピッチＰはｄ×cos θとなる。

すなわち、主走査方向については、各ノズル５１（５１−11、５１−12、５１−13、５１−14、５１−15、５１−16、・・・) が一定のピッチＰで単一直線状に配列されたものと等価的に取り扱うことができる。このような構成により、主走査方向に並ぶように投影されるノズル列が１インチ当たり２４００個（２４００ノズル／インチ）におよぶ高密度の単ラインノズル配列を実現することが可能になる。以下、説明の便宜上、ヘッドの長手方向（主走査方向）に沿って各ノズル５１が一定の間隔（ピッチＰ）で直線状に配列されているものとして説明する。

なお、用紙の全幅に対応したノズル列を有するフルラインヘッドで、ノズルを駆動する時には、（１）全ノズルを同時に駆動する、（２）ノズルを片方から他方に向かって順次駆動する、（３）ノズルをブロックに分割して、ブロックごとに片方から他方に向かって順次駆動する等が行われ、用紙の幅方向（用紙の搬送方向と直交する方向）に１ライン又は１個の帯状を印字するようなノズルの駆動を主走査と定義する。

特に、図３に示すような２次元（マトリクス）状に配置されたノズル５１を駆動する場合は、上記（３）のような主走査が好ましい。すなわち、ノズル５１−11 、５１−12 、５１−13 、５１−14 、５１−15 、５１−16 を１つのブロックとし（他にはノズル５１−21 、・・・、５１−26 を１つのブロック、ノズル５１−31 、・・・、５１−36 を１つのブロック、・・・として）記録紙１６の搬送速度に応じてノズル５１−11 、５１−12 、・・・ 、５１−16 を順次駆動することで記録紙１６の幅方向に１ラインを印字する。

一方、上述したフルラインヘッドと用紙とを相対移動することによって、上述した主走査で形成された１ライン又は１個の帯状の印字を繰り返し行うことを副走査と定義する。

また、図４は、図２（ｂ）中のIV−IV線に沿った断面図であり、本発明のインクジェットヘッドの一つのインク室ユニットの概略を示すものである。図４に示すように、本実施形態のインクジェットヘッド５０の各インク室ユニット５３は、インクをインク滴として吐出するノズル５１と、このノズル５１と連通し、インクを吐出するために加圧する圧力室５２と、圧力室５２の一面（図では上面）を封止し、圧力室５２の一部を構成する振動板（加圧板）５６と、振動板５６の上部に形成された圧電素子（圧電アクチュエータ）５８を有して構成される。

また、ここでは図示は省略するが上述したように、圧力室５２に連通し、圧力室５２にインクを供給する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５１、圧力室５２等が図４の横方向及び紙面に垂直な方向に複数、２次元マトリクス状に配列されており、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、圧電素子５８の下面及び上面にはそれぞれ下部電極５９及び上部（個別）電極５７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の下面及び上面にそれぞれ形成された下部電極５９及び上部電極５７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５２側へ曲げ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５２の中のインクが圧縮され、圧力室５２に連通したノズル５１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は元の状態に戻り、インクが図示しないインク供給口を通じて共通液室から圧力室５２へ補給される。

このように、下部電極５９と上部電極５７で挟まれた圧電素子５８及び振動板５６が圧力室５２に圧力を加える圧力発生部６０を構成している。

ノズル５１は、ノズルプレート６２に形成されており、圧力室５２の隔壁６３は、流路プレート６４によって形成され、ノズルプレート６２、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５２が形成されるようになっている。

以下、このようなインク室ユニット５３によって形成されるインクジェットヘッド５０の製造方法について説明する。

図５に、本実施形態におけるインクジェットヘッド５０（インク室ユニット５３）の製造方法の工程を順を追って示す。まず、図５（ａ）に示すように、Ｓｉ（シリコン）あるいはＭｇＯの基板６６上に上部電極５７、圧電素子５８及び下部電極５９を薄膜形成技術で形成する。図５（ａ）は断面図であるが、図６にこれの斜視図を示す。図６に示すように、ＳｉあるいはＭｇＯの円形の基板６６の表面上に、矩形状の上部電極５７、圧電素子５８及び下部電極５９が形成される。

まず、基板６６上にスパッタリングで上部電極５７を形成し、その上にスパッタリングあるいはゾルゲル法により薄膜の圧電素子５８を形成し、さらにその上に同様にスパッタリングで下部電極５９を形成する。このようにして、ＳｉあるいはＭｇＯの基板６６上に、上部電極５７と下部電極５９で圧電素子５８の上下面を挟んで構成される３層構造が、熱処理により焼き固められて形成される。

なお、このとき、下部電極５９は、圧電素子５８に対して、例えば１／１０以下等の薄いものとする。これは熱処理を加えたときに、電極が結晶化することによって応力が生じるのを防ぐために、できるだけ薄い方が望ましいからである。

次に、図５（ｂ）に示すように（図５（ｂ）では図５（ａ）とは上下を逆にしているが）、上部電極５７、圧電素子５８及び下部電極５９の３層構造に対して個別加工を行い、後述するように振動板５６と接着したときに圧力室５２の位置に対応するように、この３層構造を分割する。この分割の方法は特に限定はされず、例えばマスクを用いてエッチングを行ってもよいし、サンドブラスト加工やダイシング、Ａｒガスを使用したイオンミリング、あるいはレーザ加工等でもよい。

次に、図５（ｃ）に示すように、一方で振動板５６、圧力室５２及びノズル５１を別途形成する。これは、従来よく知られているように、ノズルプレート６２、流路プレート６４、振動板５６の各プレートを接着剤等で接着し、積層して形成される。

まず、各プレートに対してそれぞれ必要な形状を加工する。ノズルプレート６２に対しては、ノズル５１を穿孔加工し、流路プレート６４に対しては圧力室５２となるべき空間を穿孔加工し、圧力室５２の隔壁６３となるべき形状を形成する。また、振動板５６に対しては、後で圧電素子５８と接着する側の面に溝６５をエッチング等により形成する。

なお、振動板５６は、例えばＳＵＳ等の金属を加工して、ハーフエッチング等により所望の厚みに作成するのが望ましい。

また、この溝６５は、これにより振動板５６のこの部分の剛性を少し落として、振動板５６及び圧電素子５８の変位を大きくして、圧力室５２内部に掛かる圧力を大きくするために設けられるものである。このように、振動板５６等を圧電素子５８とは一体で作成せず、別途に従来の方法で作成するようにしたため、その材質や形状に自由度が広がり、ＳＵＳを所望の厚みに形成したり、このような溝６５の加工が可能となった。

なお、今説明した例では、各プレートを積層して圧力室５２、振動板５６を作成したが、これ以外にも、例えば、Ｓｉを用いた半導体技術を使って、Ｓｉの裏側からエッチング等により圧力室部分をくり抜いて圧力室及びその上面に振動板となる部分を形成するようにしてもよい。このとき、下側（の空洞部）に、ノズルが穿孔されたノズルプレートを貼り付けて閉塞し、圧力室（及び振動板）を形成するようにしてもよい。

次に、図５（ｂ）に示す基板６６上に形成された上部電極５７と下部電極５９と圧電素子５８からなる３層構造と、図５（ｃ）に示す圧力室５２に形成された振動板５６とを、圧力室５２の位置に対応させて、図５（ｄ）に示すように接着部材を利用して接合する。このように、薄膜に形成された圧電素子５８は基板６６上に形成されているため、振動板５６に接合する際のハンドリングが容易であり、振動板５６に貼り付けることによる反りも生じない。

最後に、図５（ｅ）に示すように、圧電素子５８（の３層構造）から基板６６をエッチングで除去して、インク室ユニット５３を配列して構成されるインクジェットヘッド５０が完成する。図では、左右方向に複数の圧力室５２（インク室ユニット５３）が並んでいるが、紙面に直交する方向にも圧力室５２を配列して、２次元マトリクス型の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、振動板、圧力室及びノズルは、圧電素子とは別個に従来のプレートを積層して形成する方法、あるいはＳｉをエッチングして形成する半導体技術を利用した方法等によって形成し、これを基板上に薄膜形成技術を用いて形成した１０μｍ以下の薄膜圧電素子と貼り合わせることにより、振動板の反りや歪みのない、マトリクスに対応した高集積インクジェットヘッドの作成が可能となった。

また、圧電素子を薄膜形成技術により作成することにより、厚膜法におけるバルクと比較して、結晶方位性が良好であり、ポアの少ない耐圧、坑電界の高い素子が作成可能である。すなわち、一般的に坑電界は１０ｋＶ／ｍｍより大となる。また、ヤング率もバルクと比べて大きく、発生力も大きく取れる可能性があり、さらに、負電圧を掛けても分極が反転せず、負極性駆動も可能であり、駆動波形の自由度が増す。従って前述したように、同じ変位体積、発生圧を確保するためには、圧電素子の厚みｔが薄い分、圧力室のサイズＬを短くでき、ノズル配置を高密度化することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、圧力室（ノズル）をマトリクス状に配列するとともに、圧電素子を薄膜形成技術を用いて形成したことにより、圧力室サイズを小さくでき、ノズル配置の高密度化を達成することが可能となった。

また、圧電素子と振動板を別個に作成するようにし、特に振動板、圧力室及びノズルを従来方法で作成するようにしたため、製造が安定し、振動板の材質と形状に自由度が増した。また、振動板の反りや薄膜形成時の内部応力による圧電素子の破壊等の低減が可能となった。さらに、圧電素子は、基板上に薄膜形成技術で形成されているため、振動板に接合するまでのハンドリングが容易となった。

以上、本発明のインクジェット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、各種の改良や変形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。 （ａ）は、印字ヘッド（インクジェットヘッド）の構造例を示す平面図であり、（ｂ）は、その一部の拡大図である。 図２に示した印字ヘッドのノズル配列を示す拡大図である。 本発明のインクジェットヘッドの一実施形態の概略を示す図２（ｂ）中のIV−IV線に沿った断面図である。 本実施形態のインクジェットヘッドの製造方法の工程を示す説明図であり、（ａ）は基板上に電極と圧電素子の３層構造を形成した様子、（ｂ）は電極と圧電素子の３層構造を圧力室に対応させて分割した様子、（ｃ）は振動板、圧力室、ノズルを形成した様子、（ｄ）は振動板に圧電素子の３層構造を接合した様子、（ｅ）は圧電素子の３層構造から基板を除去してヘッドを完成した様子をそれぞれ示す。 基板上に電極と圧電素子の３層構造を形成した様子を示す斜視図である。

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…印字ヘッド（インクジェットヘッド）、５１…ノズル、５２…圧力室、５３…インク室ユニット、５４…供給口、５５…共通流路、５６…振動板（加圧板）、５７…上部（個別）電極、５８…圧電素子（圧電アクチュエータ）、５９…下部電極、６０…圧力発生部、６２…ノズルプレート、６４…流路プレート、６５…溝、６６…基板

Claims (11)

1. 圧電素子を含む圧力発生部によって変形され、連通するノズルからインクを吐出する圧力室が、２次元的に配置されるとともに、
   少なくとも、前記圧電素子が、薄膜形成技術を用いて形成された薄膜圧電素子であることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記圧力室の一部が振動板によって構成され、前記圧力発生部は、前記薄膜圧電素子を前記振動板に接着することによって作成されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記圧力発生部は、基板上に形成された前記薄膜圧電素子を前記振動板に接着した後、前記基板を除去することによって作成されることを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記振動板は、ＳＵＳを加工して、または、シリコンを用いて圧力室と一体で、作成されることを特徴とする請求項２または３に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記圧力発生部は、前記振動板の前記薄膜圧電素子接着側に溝が形成されたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
6. 圧電素子を含む圧力発生部によって変形され、連通するノズルからインクを吐出する圧力室を、２次元的に配置するとともに、
   少なくとも前記圧電素子を、薄膜形成技術を用いて形成することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
7. 前記圧力室の一部を振動板によって構成するとともに、前記圧力発生部を、前記薄膜圧電素子を前記振動板に接着することによって作成することを特徴とする請求項６に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
8. 前記薄膜圧電素子を基板上に形成し、該基板上に形成された薄膜圧電素子を前記振動板に接着した後、前記基板を除去することによって前記圧力発生部を作成するようにしたことを特徴とする請求項７に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
9. 前記振動板を、ＳＵＳを加工して、または、シリコンを用いて圧力室と一体で、作成するようにしたことを特徴とする請求項７または８に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
10. 前記圧力発生部は、前記振動板の前記薄膜圧電素子接着側に溝を形成したことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
11. 圧電素子を含む圧力発生部によって変形され、連通するノズルからインクを吐出する圧力室を、２次元的に配置するとともに、少なくとも前記圧電素子を薄膜形成技術を用いて形成したインクジェットヘッドを有することを特徴とするインクジェット記録装置。

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