JP2005279965A - インクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高いインク吐出力が得られ、制御性にも優れた積層型圧電体素子を高密度に配置してプリント性能を向上させる。
【解決手段】インクを吐出するノズルが形成された圧力室と、前記圧力室の一部壁面を形成する振動板と、前記振動板の前記圧力室とは反対側に設けられた、圧電素子とこれを駆動するための電極を交互に積層して形成された積層圧電素子を有するインクジェット記録ヘッドであって、前記各圧電素子の少なくとも上面又は下面で前記電極が互いに接合されていることを特徴とするインクジェット記録ヘッドを提供することにより前記課題を解決する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、インクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置に係り、特に、積層型圧電体素子の電極引き出し構造を工夫してノズル高密度化を図ったインクジェット記録ヘッド及びこれを用いたインクジェット記録装置に関する。

従来より、画像形成装置として、多数のノズル（インク吐出口）を配列させたインクジェット記録ヘッドを有し、このインクジェット記録ヘッドと記録媒体を相対的に移動させながら、ノズルからインク（インク液滴）を吐出することにより、記録媒体上に画像を形成するインクジェット記録装置（インクジェットプリンタ）が知られている。

このようなインクジェット記録装置におけるインク吐出方法として、例えば、圧電体素子（圧電素子）の変形によって圧力室（インク室）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が知られている。

このようなインクジェット記録装置の性能を向上させ高画質の画像を記録するためには、インクジェット記録ヘッドに形成されるノズルを高密度化することが好ましい。また、記録の高速化、効率化を達成するためのページ幅ヘッドを実現するために、高密度かつ２次元にノズルを配置することが考えられている。さらに、圧電体素子を用いたインクジェット記録装置では、高いインク吐出力及び優れた制御性を得るために、積層型圧電体を用いるようにしたものも知られている。

また、圧電体素子を用いたインクジェット記録ヘッドにおいて、ノズルの高密度化、さらにはこのようなインクジェット記録ヘッドの製造を効率化するためには、引き出し電極の配線を工夫する必要があった。

例えば、圧力振動子（圧電体素子）の圧力室に対向する面に第１の電極を設け、この第１の電極と間隙を介してその一部が同じ面に設けられかつ前記圧力振動子の他方の面に至る第２の電極を設け、前記圧力室の前記圧力振動子に対向する面に第３の電極を設けるようにして、単層の圧電体素子の片面（具体的には、その圧力室側の面）から配線を引き出すようにして、圧力振動子へのリードの接続を排して生産性を高めた、圧電体の配線構造が知られている（例えば、特許文献１等参照）。

また、電極形成材料と圧電材料とを交互に積層し、中央部に活性領域を形成して積層方向に伸縮するように構成された圧電振動子を備えたインクジェット記録ヘッドにおいて、圧電振動子と固定基板とが活性領域の部分のみで当接領域を形成し、かつ当接領域だけで両者が固定されるようにすることにより、駆動信号が印加されたときに、活性領域だけが積層方向に伸長し、圧電振動子のエッジ部の応力が小さく、電極配列方向の伸長度合いが大きくなるようにして、高い効率でインク滴を吐出することができるようにしたものが知られている（例えば、特許文献２等参照）。

また、圧電体能動部の外縁部の外側に、実質的に駆動されない圧電体非能動部を設け、圧電体非能動部の端部から圧電体能動部の端部までの距離が圧電体層の厚さの略３倍以上となるように構成することで圧電体能動部への電圧印加による圧電体非能動部の端部における電界の影響を排除し、圧電体非能動部が駆動されないようにして、圧電体能動部の端部での剥離やクラック発生を防止するようにしたもので、圧電体層は積層ではないが、圧電体、電極の構造が階段状に形成されているものが知られている（例えば、特許文献３等参照）。

また、シート状圧電材料を積層して構成された圧電材料板の内部に設けられた第１の電極及び第２の電極により圧電材料板に電圧を印加して液滴を噴射する液滴噴射装置において、圧電材料板は液室全面に形成されているが、第１の電極の電極パターンは圧電材料板の厚み方向に対して下方から上方に向けて順次その面積が小さくなるように形成され、かつ第２の電極の電極パターンは圧電材料板の厚み方向に対して下方から上方に向けて順次その面積が大きくなるように形成され、第１の電極と第２の電極による電圧印加により、圧電材料板をその面方向に対して傾斜した伸縮方向に変形させて液滴を噴射させることにより、エネルギー効率を良好にし、駆動電圧が低電圧であっても圧電材料板に充分な変形量を付与することができるようにするものが知られている（例えば、特許文献４等参照）。

また、ノズルプレート、インク流路プレート、絶縁プレート、バイモルフ型ＰＶＤＦプレート、フレキシブルプリント基板を順次積層し接着形成したインクジェットヘッドで、バイモルフ型ＰＶＤＦプレート、フレキシブルプリント基板には電気接続のためのスルーホールが設けられ、片面から電気接続したものが知られている（例えば、特許文献５等参照、特に特許文献５の図１）。

さらに、２層からなる積層型圧電部材の上下両側に共通電極を設け、２層の境界部に個別電極を配置し、各電極層を階段状にしたものが知られている（例えば、特許文献６等参照、特に特許文献６の図６）。
特開昭５７−１６７２７２号公報 特開平６−２２６９７１号公報 特開平１１−１０５２８１号公報 特開２００２−２９２８６５号公報 特階昭６１−７９６６９号公報 特階平１０−２６４３８９号公報

しかしながら、上述したようなインクジェット記録ヘッドにおいて、ノズルを高密度化するために積層型圧電体を用いた場合、例えば上記特許文献２に記載された従来技術の積層圧電体素子においては、圧電材料と電極形成材料を交互に積層して大きな寸法のものを焼成した後に、ダイヤモンドソウ等によって切断して製造するようにしているため、配線は側面から行わざるを得ず、高密度集積、特に、２次元に積層圧電体を高密度に配置するのは困難であるという問題があった。

また、このように積層されたものを短冊状に切断して製造するようにしているため、各積層圧電体は直方体のものしか作ることはできず、積層体を形成する各圧電体層は同じ形状のものしかできない。従って、圧電体の活性部面積をできるだけ大きくして、圧電体からより大きな力を引き出すには限界があった。

これは、従来一般に圧電体をインクジェット記録ヘッドに取り付けてから配線が行われるため、隣合った圧電対素子の配線同士がショートしないための隙間が必要であることと、側面の配線を行う作業が必要である事によるものである。

また、前記特許文献４に記載のものは、圧電材料板の内部に設けられる電極のサイズが順に小さくなるように形成されているが、圧電材料板のサイズは液室全面に亘っているため、圧電体の一面から配線を接続できるような構造ではなく、やはり、高密度化を達成することは困難であるという問題がある。

さらに、前記特許文献１あるいは特許文献３に記載のものは、圧電体が積層型ではなく、単層であり、積層型圧電体素子を用いたインクジェット記録ヘッドとは構造が全く異なり、積層型圧電体素子を用いて高密度化を達成しようとする技術への適用は困難であるという問題がある。

また、前記特許文献５に記載のものは、バイモルフ型ＰＶＤＦプレート、フレキシブルプリント基板にスルーホールを設け電気接続しており、高密度化を達成することは困難であるという問題がある。さらには、より多数の層からなる積層圧電体の接続方法に適した構成は前記特許文献５には開示されていない。

また、前記特許文献６に記載のものは、共通電極と個別電極を隣接して配置しており、やはり高密度化を達成することは困難であるという問題がある。さらには、前記特許文献６にも、より多数の層からなる積層圧電体の接続方法に適した構成は開示されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、圧電体活性部の面積を大きくして高いインク吐出力が得られるようにし、制御性にも優れた積層型圧電体素子を高密度に配置してプリント性能を向上させたインクジェット記録ヘッド及びこれを備えた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、インクを吐出するノズルが形成された圧力室と、前記圧力室の一部壁面を形成する振動板と、前記振動板の前記圧力室とは反対側に設けられた、圧電素子とこれを駆動するための電極を交互に積層して形成された積層圧電素子を有するインクジェット記録ヘッドであって、積層された前記電極で同一の電位を付与する電極同士を積層方向に直交する平面で互いに接合する引き出し電極を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッドを提供する。

これにより、配線を一方向から引き出すことができ、圧電素子が有効に働く活性部の面積の低減を最小限とする確実な電極引き出しが可能となるため、圧電素子の活性部の面積を大きくして、高いインク吐出力を得ることができる。なお、ここで引き出し電極とは、各電極を外部配線であるフレキシブルケーブルに接続するための、はんだあるいはフレキシブルケーブルの接続端子の双方を含むものである。

また、積層された前記電極で同一の電位を付与する電極同士の前記引き出し電極との接合部分の短手方向の寸法は、積層毎に順次大きくまたは小さくし、且つ積層された前記電極で同一の電位を付与する電極同士の前記引き出し電極との接合部分を階段状にずらして配置することが好ましい。このように積層圧電素子を構成する各圧電素子を順次小さくなるようにして階段状に形成することで、製造適正を良好にできるとともに、電極を一方向から簡単に引き出すことが可能となる。

また、前記積層圧電素子の最上面がフレキシブルケーブルと接合されていることが好ましい。これにより、上下に伸縮する圧電素子を上から押さえることで、圧電素子の駆動力を効率良く振動板に伝達することができる。

また、前記電極は、複数の前記積層圧電素子に共通に連結された共通電極と、複数の前記圧電素子を個別に駆動する個別電極とからなり、前記圧力室は２次元に配列され、前記共通電極が接合された引き出し電極同士を互いに隣接して対向して配置したことを特徴とする。

また、前記電極は、複数の前記積層圧電素子に共通に連結された共通電極と、複数の前記圧電素子を個別に駆動する個別電極とからなり、前記圧力室は２次元に配列され、前記個別電極が接合された引き出し電極同士を互いに隣接して対向しない位置に配置したことを特徴とする。さらに、前記電極は、複数の前記積層圧電素子に共通に連結された共通電極と、複数の前記圧電素子を個別に駆動する個別電極とからなり、前記圧力室は２次元に配列され、前記共通電極が接合された引き出し電極同士を互いに隣接して対向して配置し、且つ前記個別電極が接合された引き出し電極同士を互いに隣接して対向しない位置に配置したことを特徴とする。

このような配置にすることにより、圧電素子の共通電極側（グランド側電極）の間隔を詰め、個別電極側（アクティブ電極側）もショートすることなくぎりぎりまで近い位置に設けることができ、高密度化を達成することが可能となる。

また、前記各圧電素子の不活性部及び前記電極の接合部を前記圧力室の開口部が存在しない部分に設けたことが好ましい。特に圧力室を２次元に配置する構成の場合に、各圧力室の占める部分は正方形か菱形、六角形等の最密充填が可能な形状となるが、これらの形状の圧力室において、このように圧力室がない部分の直上で隣接する圧力室との間隔が広い部分を含むように圧電素子の不活性部や電極の接合部を設けることにより、圧電素子の発生力をより大きくすることができる。

また、同様に前記課題を解決するために、請求項８に記載の発明は、前記インクジェット記録ヘッドを備えたことを特徴とするインクジェット記録装置を提供する。このようなインクジェット記録ヘッドを備えることにより、プリント性能を向上させ、高画質の画像を高速で記録することが可能となる。

以上説明したように、本発明に係るインクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置によれば、電極からの配線引き出しを一方向から確実に行うことにより、圧電素子の有効面積の低減を最小限とし、圧電素子活性部の面積を大きくして、高いインク吐出力を得るとともに、積層型圧電素子の高密度化を達成することが可能となる。

以下、添付した図面を参照して、本発明に係るインクジェット記録ヘッド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一実施形態の概略を示す全体構成図である。図１に示したように、この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（インク吐出ヘッド）１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙを有する印字部と、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を供給する給紙部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が配置されている。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あるいは無線タグ等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癖が残り、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癖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、ローラー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に示したとおり、ローラー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ー３４が設けられており、この吸着チャンバー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ー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において、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、ある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ー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、ローラー・ニップ搬送機構を用いる態様も考えられるが、印字領域をローラー・ニップ搬送すると、印字直後に用紙の印字面にローラーが接触するので、画像が滲み易いという問題がある。したがって、本例のように、印字領域では画像面と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と直交する方向に配置した、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）に沿って上流側（図１の左側）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毎に設けられてなる印字部１２によれば、紙搬送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、一回の走査で）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、印字ヘッドが紙搬送方向と直交する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は限定されず、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、ライトマゼンタ等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等で構成される。

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、熱風を吹きつ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ー４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

このように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換える選別手段（図示省略）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とから構成されている。

また、図示を省略したが、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ーが設けられている。

次に、印字ヘッド（インク吐出ヘッド）について説明する。インク色毎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を表すものとし、図２に印字ヘッド５０の平面図を示す。

図２に示すように、本実施形態の印字ヘッド５０は、インクを吐出するノズル５１、インクを吐出する際インクに圧力を付与する圧力室５２、図示しない共通流路から圧力室５２にインクを供給するインク供給口５３を含んで構成される圧力室ユニット５４が２次元的に配列され、ノズル５１の高密度化が図られている。

図２に示すように、各圧力室５２は、上方から見ると略正方形状をしており、その対角線の一方の端にノズル５１が形成され、他方の端にインク供給口５３が設けられている。

また、図２中に示した一点鎖線III-III に沿って２つの圧力室ユニット５４を切断した断面図を図３に示す。図３に示すように、各圧力室ユニット５４は、圧力室５２の上面が振動板５６によって構成され、さらにその上に積層圧電素子５８が形成されている。積層圧電素子５８は、詳しくは後述するが、薄膜の圧電素子と電極を交互に積層して形成されており、図示しないフレキシブルケーブル等を通して各圧電素子に電圧を印加することにより、積層圧電素子５８を上下方向に伸長させ、これにより振動板５６を下方に変形させ、圧力室５２の体積を減少させることにより図示しない共通流路から供給された圧力室５２内のインクをノズル５１から吐出させる。

振動板５６及び積層圧電素子５８の詳しい構成を図４に断面図で示す。なお、図４は、振動板５６より上の部分のみを示すものであり、図４においては図示を省略したが、振動板５６の下には、振動板５６の上に設けられた各積層圧電素子５８に対応する位置に、それぞれ圧力室５２（の開口部）が存在している。

図４に示すように、振動板５６の上に形成される積層圧電素子５８は、薄膜の圧電素子６０と電極６２（６２ａ、６２ｂ、６２ｃ）を交互に積層して構成され、積層圧電素子５８の上部には、フレキシブルケーブル６４が配置されている。電極６２ａ、６２ｃは個別電極（アクティブ電極）となっており、各電極６２ａ、６２ｃの端部上面にはそれぞれ導通部６５ａ、６５ｃが設けられている。そして電極６２ａ及び６２ｃはこの導通部６５ａ及び６５ｃを介してはんだ６６（引き出し電極）により（あるいは直接）フレキシブルケーブル６４のアクティブ側端子６４ａ（引き出し電極）と接合されている。

また、電極６２ｂ及び振動板５６は共通電極（グランド側電極）となっており、電極６２ｂの端部上面には導通部６５ｂが設けられ、また振動板５６上面の積層圧電素子５８を積層する領域（後述、図７（ａ）参照）の端部には導通部６５ｓが設けられている。そして電極６５ｂ及び振動板５６は、これらの導通部６５ｂ及び６５ｓを介してはんだ６６によりフレキシブルケーブル６４のグランド側端子６４ｂと接合されている。

なお、導通部６５は、共通電極または個別電極とはんだとの接合性を向上させるための表面処理（例えばメッキ）であるが、導通部６５を設けなくても良い。

このとき、各電極６２（６２ａ、６２ｂ、６２ｃ）は、接合する側に向かう方向（図４では、上方向）に向かって、順次寸法が小さくなるようにして階段状に形成されている。また、各圧電素子６０は共通電極（グランド側電極）としての振動板５６及び電極６２ｂと、個別電極（アクティブ電極）である電極６２ａ及び電極６２ｃによってそれぞれ挟まれている。さらに、グランド側電極とアクティブ側電極が接続されないように、アクティブ側の電極６２ａ及び６２ｃと、グランド側の電極６２ｂ及び振動板５６を接続するはんだ６６との間、及びグランド側の電極６２ｂと、アクティブ側の電極６２ａ及び６２ｃを接続するはんだ６６との間には、それぞれ絶縁部６７が設けられている。

また、このとき、はんだ６６は電極６２（６２ａ、６２ｂ、６２ｃ）と同じ材料を用い、絶縁部６７は圧電素子６０と同じ材料を用いることにより、製造を効率的に行うことができる。

このように、本実施形態では、積層する圧電素子６０及び電極６２（６２ａ、６２ｂ、６２ｃ）の寸法を、層毎に（少なくとも部分的に）異ならせて、接合する方向に順に小さくなるように階段状に積み上げるようにしているため、図４に示す積層圧電素子５８を上から見ると、各段（の電極６２の端部）が見えるように構成されている。従って、各積層圧電素子５８の電極６２（６２ａ、６２ｂ、６２ｃ）を、この上から見える階段のステップ部分を用いて、全て端部の上面から引き出すことができる。

なお、図４に示した例では、アクティブ側電極、グランド側電極いずれも積層圧電素子５８の上面から取り出しているが、これら電極からの接続部をこのような上面以外の部分に設けるようにしてもよい。

次に、振動板５６より上の積層圧電素子５８等の他の構成例について説明する。

図５は、積層圧電素子５８等の他の構成例を示す断面図である。図５に示す例では、積層圧電素子５８は、薄膜の圧電素子６０と電極６２（６２ａ〜６２ｅ）がそれぞれ５層ずつ、各層毎に寸法を異ならせ、位置をずらして階段状に積層されている。そして、アクティブ側の電極６２ａ、６２ｃ、６２ｅはそれぞれ階段状の端部の上面の導通部６５ａ、６５ｃ、６５ｅから、はんだ６６により（あるいは直接に）フレキシブルケーブル６４のアクティブ側端子６４ａに接合されている。また、グランド側の電極６２ｂ、６２ｄは、それぞれ階段状の端部の下面の導通部６５ｂ、６５ｄから、はんだ６６によりグランド側電極を兼ねる振動板５６に接合されている。

また、アクティブ側電極とグランド側電極が接続しないように、図４の例と同様に所定の部位に絶縁部６７が設けられている。さらに、図５の例では、積層圧電素子５８の最上面（アクティブ側端子６４ａと通電する部分以外の部分のフレキシブルケーブル６４側）は、接着部６８によって直接フレキシブルケーブル６４に接着させている。

このように、フレキシブルケーブル６４を積層圧電素子５８の最上面の略全面にわたって直接接合することにより、上から積層圧電素子５８を押さえるようにしたため、積層圧電素子５８の駆動力をより効率的に振動板５６に伝達することが可能になる。

また、さらに他の構成例を図６に示す。図６に示す例は、積層圧電素子５８の積層部及び電極６２の引き出し方法は図４の例と同様であるが、図５の例と同様に積層圧電素子５８の最上面を接着部６８でフレキシブルケーブル６４に接合している。さらに、図６の例では、フレキシブルケーブル６４の上面（積層圧電素子５８とは反対側）に、積層圧電素子５８の駆動力の伝達効率をより向上させるために、錘７０が取り付けられている。

この錘７０は、特に限定されるものではないが、フレキシブルケーブル６４の略全面を覆うような板状をなしており、さらに、金属製の板状錘であって、電気的にアースされ、フレキシブルケーブル６４から放射される電気ノイズを遮断する働きを有するものであることが望ましい。

次に、このような積層圧電素子５８の製造方法について説明する。

図７に、製造方法の例として、図４に示す積層圧電素子５８の積層方法を示す。図７（ａ）は、各層を分解して立体的に示す斜視図であり、図７（ｂ）は、フレキシブルケーブル６４より下の部分が積層された様子を示す説明図である。

まず図７（ａ）において、一番下がステンレス等の振動板５６であり、これがベースの電極（グランド側電極、共通電極）となっている。振動板５６上に示されている領域Ａが、この上に積層圧電素子５８が積み上げられる範囲である。この領域Ａの左側の部分は、はんだ６６によって、このベースの電極としての振動板５６をフレキシブルケーブル６４の端子６４ａに接合する導通部６５ｓである。

また、領域Ａの右側上部の斜線部は（図４では特に表示されていなかったが）アクティブ側電極を接合するはんだ６６等が振動板５６に短絡（ショート）するのを防ぐための絶縁部６７ａである。

振動板５６の領域Ａ上にまず薄膜の圧電素子６０ａが積層される。このとき、圧電素子６０ａは、領域Ａ上に形成されるため、領域Ａの左側の導通部６５ｓは、圧電素子６０ａより外側にはみ出している。また、前述したように、圧電素子６０ａと絶縁部６７ａが同じ材料であることが好ましく、同一材料とすることにより同時に形成することができる。

圧電素子６０ａの上にアクティブ側の電極６２ａを形成する。このとき、電極６２ａの左側は次に絶縁部６７ｂを形成する分だけ圧電素子６０ａよりも小さく形成する。また、電極６２ａの右端の斜線部は、はんだ６６でフレキシブルケーブル６４のアクティブ側端子６４ａに接合するための導通部６５ａである。

次に、アクティブ側の電極６２ａの上に圧電素子６０ｂ及び絶縁部６７ｂを形成する。このとき、圧電素子６０ｂは、電極６２ａの右側の導通部６５ａの分だけ小さく形成するようにする。次に、圧電素子６０ｂの上にグランド側の電極６２ｂを形成する。この電極６２ｂは、次に形成する絶縁部６７ｃの分だけ小さく形成され、その左端側の斜線部はフレキシブルケーブル６４の端子６４ａと、はんだ６６によって接合するための導通部６５ｂとなっている。

次に、電極６２ｂの上に圧電素子６０ｃ及び絶縁部６７ｃを形成する。このとき、圧電素子６０ｃの左側は電極６２ｂの導通部６５ｂの分だけ小さくなるように形成する。この圧電素子６０ｃの上にアクティブ側の電極６２ｃを、その左側が次に形成される絶縁部６７ｄの分だけ小さくなるように形成する。

最後に、絶縁部６７ｄを形成し、導通部６５ａ、６５ｃを、はんだ６６でフレキシブルケーブル６４のアクティブ側端子６４ａに接合するとともに、導通部６５ｓ、６５ｂ、６５ｄを、はんだ６６でフレキシブルケーブル６４のグランド側端子６４ｂに接合する。これにより、ベースの電極である振動板５６が、直接フレキシブルケーブル６４と接合される。フレキシブルケーブル６４にはアクティブ側端子６４ａ及びグランド側端子６４ｂに接続する配線７２ａ及び７２ｂがそれぞれ設けられている。このとき、図７（ａ）に示すように、はんだ６６でそれぞれフレキシブルケーブル６４のアクティブ側端子６４ａ及びにグランド側端子６４ｂに接続される範囲はｄの範囲となる。

また、図７（ｂ）に、振動板５６上に、フレキシブルケーブル６４より下の部材が積層された様子を示す。図７（ｂ）に示すように、グランド側電極は導通部６５ｓ、６５ｂを、はんだ６６によって接合され、絶縁部６７ｄ等によってアクティブ側電極と絶縁されている。また、アクティブ側電極は、導通部６５ａ、６５ｃを、はんだ６６によって接合され、絶縁部６７ａ等によってグランド側電極と絶縁されている。

以上述べたように積層圧電素子５８の各層が順次形成されるが、その具体的形成方法としては、ＡＤ法、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等が好適に例示される。すなわち、これらＡＤ法、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等の製法を用いることにより、積層圧電素子５８の各層の圧電素子６０や電極６２を一層毎に一つずつ作成できるため、上述したような層毎に寸法を異ならせて階段状とする形状を容易に形成することができる。

また、これより各層間の配線を同時に形成し、かつ最終的な配線を一方向（例えば、図４の例では上面）から引き出すことができるようになるため、従来のように後から側面での配線作業を行う必要がなく、さらに積層圧電素子の密度も向上させることができる。

また、本実施形態においては、各圧電素子６０の各層の実際の厚みは、１０μｍ以下、例えば５μｍ程度、電極６２の各層の厚みは、１〜３μｍ程度であるため、フレキシブルケーブル６４の端子６４ａとの、はんだ６６による接着も容易に行うことができる。

また、図７（ａ）に示すように、例えば最下層の電極６２ａの一辺の長さＬを５００μｍとすると、導通部６５ａの幅εは、２０μｍを見込めばよい。すなわち、この導通部６５ａの幅２０μｍ以外の電極６２ａの部分は全て積層圧電素子５８を駆動するための電極として用いられる。

なお、積層圧電素子５８を積層する際、各層毎に寸法を異ならせて階段状に形成する場合に、各層において寸法の異なる部分は、図７に示すように、各層の端面全幅である必要はない。例えば、図８に示すように、各層の角部等を切り欠いて部分的に電極（の導通部）が露出するように形成してもよい。

図８（ａ）は、図７（ａ）と同様に積層圧電素子５８を各層毎に分解して立体的に表示したものである。図８（ａ）において、ベースの電極（グランド側電極）としての振動板５６上の領域Ａ上に積層圧電素子５８が積層される。ただし、図８に示す例では、各層の対角上の角部でのみ電極が接合される。

まず、振動板５６の領域Ａ上に圧電素子６０ａが形成される。圧電素子６０ａは、領域Ａの左手前側の角部に設けられた振動板５６の導通部６５ｓを露出するように、また右奥側の角部に絶縁部６７ａを圧電素子６０ａと同一材料で同時に形成するようにして積層される。

次に、圧電素子６０ａ上にアクティブ側の電極６２ａが、左手前側を絶縁部６７ｂの分だけ切り欠いて形成される。電極６２ａ上には、圧電素子６０ｂが、圧電素子６０ｂの右奥側の角部を電極６２ａの導通部６５ａを露出するように切り欠いて、絶縁部６７ｂと同時に形成される。

圧電素子６０ｂ上には、グランド側の電極６２ｂが右奥側を絶縁部６７ｃの分だけ切り欠いて形成される。電極６２ｂ上には、圧電素子６０ｃが左手前側を、電極６２ｂの導通部６５ｂを露出させるように切り欠いて、絶縁部６７ｃと同時に形成される。そして、その上に、左手前側を絶縁部６７ｄの分だけ切り欠き、右奥側を圧電素子６０ｃにあわせて切り欠いて形成する。

最後に、左手前側の導通部６５ｓ、６５ｂを、はんだ６６でフレキシブルケーブル６４の端子６４ａに接合するとともに、右奥側の導通部６５ａ、６５ｃを、はんだ６６でフレキシブルケーブル６４の端子６４ａに接合する。フレキシブルケーブル６４上には端子６４ａに接続する配線７２が形成されている。

また、図８（ｂ）に、振動板５６上に、フレキシブルケーブル６４より下の部材が積層された様子を示す。図８（ｂ）に示すように、グランド側電極は左手前側において導通部６５ｓ、６５ｂを、はんだ６６によって接合され、絶縁部６７ｄ等によってアクティブ側電極と絶縁されている。また、アクティブ側電極は、右奥側において導通部６５ａ、６５ｃを、はんだ６６によって接合され、絶縁部６７ａ等によってグランド側電極と絶縁されている。

このように、各層毎に端面全幅でなくとも、部分的に電極（導通部）が露出するように形成したり、あるいは層毎に異なる位置に配置するようにして形成した場合には、電極引き出しによる積層圧電素子５８の有効部分である活性部の寸法減少を抑えることができ、積層圧電素子５８の活性部面積を大きくとり、より大きな吐出力を得ることができる。

このようにして、積層形成された積層圧電素子５８の電極６２がショートしないようにして、できるだけ素子間を詰め、高密度化を達成するためには、ショートの問題のないグランド側電極を一箇所に集中させて接続するのが、特に２次元の場合には有効となる。

次に、高密度化を達成するために具体的に素子をどのように並べればよいかについて図９を用いて説明する。

図９（ａ）は、その並べ方の基本形であり、それぞれの辺にアクティブ側電極（＋）とグランド側電極（−）を有する積層圧電素子が形成された圧力室ユニットを４つ正方形状に並べたものである。

この基本形を図９（ｂ）に示すように、右側に反転させ、同様に図９（ｃ）に示すように、この基本形を図９（ｂ）に引き続いて上にも左にも下にも反転( 展開）する。次に、図９（ｄ）に示すように、図９（ｃ）のように展開した部分をさらに上、左、下及び右に展開する。

このような操作を続け図９（ｅ）に示すような素子の配列が形成される。図９（ｅ）において、各積層圧電素子５８の各辺上に＋の記号で表されるアクティブ側電極６２_AC、および−の記号で表されるグランド側電極６２_GRが存在し、符号７４で示す丸印は、グランド側電極６２_GRの一体配線部である。なお、アクティブ側電極６２_ACは、例えば前述した図４あるいは図７に示した例におけるアクティブ電極６２ａ、６２ｃが接合されたフレキシブルケーブル６４のアクティブ側端子６４ａに相当し、またグランド側電極６２_GRは同様に図４あるいは図７のグランド電極６２ｂ（及びグランド電極としての振動板５６）が接合されたフレキシブルケーブル６４のグランド側端子６４ｂに相当する。

また、このように素子を配列する方法は、これに限定されるものではなく、様々なバリエーションが可能である。

例えば、図１０（ａ）に示すものは、中央部に太く示した３つ並んだ積層圧電素子５８が基本形であり、これを左右に折り返す等の操作を繰り返すことによって得られるものである。また、図１０（ｂ）に示すものは、中央部に太く示したＬ字型に並んだ４つの積層圧電素子５８が基本形であり、これを右斜め上、左斜め下に単純に一つずつずらして配置していくことによって得られるものである。

このように、２次元に配列した複数の圧電素子の近接した２つ以上のグランド側電極を互いに対向して設け、さらにこのグランド側電極を一体で配線する。また、アクティブ側電極は、近接した素子間の電極が隣合わない位置に配置するようにする。この際、好ましくは、各圧電素子、内部電極の形状は線対称を含め、略合同な形状とするとよい。また、このような複数の圧電素子を１次元に配置するようにしてもよい。

このような配置により、圧電素子のグランド側電極を詰め、アクティブ側電極もショートすることなくぎりぎりまで近い位置に設けることが可能となる。また、各圧電素子形状（さらには、圧力室の形状、インク入り口、出口の配置）を合同とすることで、吐出特性をそろえることができる。

このような構造は、上で説明したような積層圧電素子を用いた場合に限らず、単層の圧電素子を用いた場合にも好適に適用可能である。また、このような構造は、上に述べたように、ＡＤ法やスパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等を用い、積層圧電素子や電極を順次形成する方法によって作成することができる。

また、１次元または２次元に配列した複数の圧電素子の不活性部と電極取り出し位置を、各圧電素子に対応したインク圧力室の形状に対し、圧力室がない部分（その下に圧力室の開口部が存在しない部分）の直上で、隣接した圧力室との間隔が広い部分を含むように設けることが好ましく、さらにこの部分に寄せて不活性部、各電極を設けるようにすることがより好ましい。

また、インクジェット記録ヘッドの圧力室は、インクの流れを良くするために、正方形のような四角い形状よりはインクの入り口から出口までのインクの流れがスムーズで澱む部分が無くなるように長四角や菱形、六角形、楕円形等にすることが多い。特に、圧力室を２次元に配置する構成をとる場合は、各圧力室の占める部分は正方形か菱形、六角形等の最密充填が可能な形状がとられる。

そこで、これらの形状の圧力室において、圧力室がない部分の直上で、隣接する圧力室との間隔が広い部分を含むように不活性部、電極を設けると、圧電素子の発生力をより大きくすることができる。

例えば、図１１において、実線で示す１つ１つの四角形が積層圧電素子５８であり、斜線部が不活性部５９であり、その中に記号＋で示しているのがアクティブ側電極６２_AC、記号−で示したのがグランド側電極６２_GRである。また、圧電素子５８の中央に左上から右下にのびている破線で示した六角形が活性部であり、その下に圧力室５２（の開口部）が存在している。

また、右下に記号ＩＮで示したものがインク供給口５３であり、左上に破線の円で示したものがノズル５１である。従って、この場合、インクは右下から左上に向かって流れる。このように図１１の場合、不活性部である角部に電極を配置してなるべく配線間を詰めやすいようにしている。

このような構造は、積層圧電素子を用いても、単層圧電素子を用いてもいずれの場合でも適用可能であり、このような構造は、ＡＤ法やスパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等を用いて、圧電素子や電極を順次形成することによって作ることができる。

本実施形態で示した方法によれば、多数ノズルの高密度化ヘッドの構成において、高密度化及び配線が容易になり、特に２次元に積層圧電素子を配置する場合に有効であり、また配線構造の薄型化を図ることができる。

以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、積層圧電素子の積層において、各層の寸法、形状あるいは位置を異ならせて階段状に形成して、一方向（片面）から各層の配線引き出しを行うようにしたため、組み立てが容易となり、隣接素子間に電極が位置しないため高密度化にとって有利である。

また、各層は積み上げで形成するようにした場合には、片面から形成できる構成であるため、例えばＡＤ法を用いて圧電素子、電極、絶縁体を連続的に形成可能である。また、圧電素子の反駆動面側の固定にフレキシブルケーブルに取り付けた金属板を用いるようにした場合には、これで電気ノイズ対策も同時に行うことができる。

また、グランド側電極を隣合わせて近接させて接続し、アクティブ側電極を隣合わないように設け、隣の圧電素子を近接させて配置することによって、１次元あるいは２次元の圧電素子を高密度に配置することができる。さらに、各圧電素子の不活性部、電極を圧力室がない部分に寄せて設けるようにした場合には、積層圧電素子の発生力をより大きくすることができる。

以上、本発明のインクジェット記録ヘッド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一実施形態の概略を示す全体構成図である。 印字ヘッドの概略を示す平面図である。 図２のIII-III 線に沿った断面図である。 図３における積層圧電素子部を拡大してその概略構成を示す断面図である。 積層圧電素子部の概略構成の他の例を示す断面図である。 積層圧電素子部の概略構成のさらに他の例を示す断面図である。 積層圧電素子の積層方法を示す説明図であり、図７（ａ）は、各層を分解して立体的に示す斜視図であり、図７（ｂ）は、フレキシブルケーブルより下の部分が積層された様子を示す説明図である。 積層圧電素子の他の積層方法を示す説明図であり、図８（ａ）は、各層を分解して立体的に示す斜視図であり、図８（ｂ）は、フレキシブルケーブルより下の部分が積層された様子を示す説明図である。 （ａ）〜（ｅ）は、圧電素子の配列方法を示す説明図である。 （ａ）及び（ｂ）は、圧電素子の配列方法の他の例を示す説明図である。 圧電素子の不活性部に電極等を設置した例を示す説明図である。

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…ローラー、３３…ベルト、３４…吸着チャンバー、３５…ファン、３６…ベルト清掃部、４０…加熱ファン、４２…後乾燥部、４４…加熱・加圧部、４５…加圧ローラー、４８…カッター、５０…印字ヘッド、５１…ノズル、５２…圧力室、５３…インク供給口、５４…圧力室ユニット、５６…振動板、５８…積層圧電素子、５９…不活性部、６０…圧電素子、６２…電極、６４…フレキシブルケーブル、６４ａ…端子、６５…導通部、６６…はんだ、６７…絶縁部、６８…接着部、７０…錘、７２…配線

Claims (8)

1. インクを吐出するノズルが形成された圧力室と、前記圧力室の一部壁面を形成する振動板と、前記振動板の前記圧力室とは反対側に設けられた、圧電素子とこれを駆動するための電極を交互に積層して形成された積層圧電素子を有するインクジェット記録ヘッドであって、
   積層された前記電極で同一の電位を付与する電極同士を積層方向に直交する平面で互いに接合する引き出し電極を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 積層された前記電極で同一の電位を付与する電極同士の前記引き出し電極との接合部分の短手方向の寸法は、積層毎に順次大きくまたは小さくし、且つ積層された前記電極で同一の電位を付与する電極同士の前記引き出し電極との接合部分を階段状にずらして配置することを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 前記積層圧電素子の最上面がフレキシブルケーブルと接合されていることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記電極は、複数の前記積層圧電素子に共通に連結された共通電極と、複数の前記圧電素子を個別に駆動する個別電極とからなり、前記圧力室は２次元に配列され、前記共通電極が接合された引き出し電極同士を互いに隣接して対向して配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 前記電極は、複数の前記積層圧電素子に共通に連結された共通電極と、複数の前記圧電素子を個別に駆動する個別電極とからなり、前記圧力室は２次元に配列され、前記個別電極が接合された引き出し電極同士を互いに隣接して対向しない位置に配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 前記電極は、複数の前記積層圧電素子に共通に連結された共通電極と、複数の前記圧電素子を個別に駆動する個別電極とからなり、前記圧力室は２次元に配列され、前記共通電極が接合された引き出し電極同士を互いに隣接して対向して配置し、且つ前記個別電極が接合された引き出し電極同士を互いに隣接して対向しない位置に配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
7. 前記各圧電素子の不活性部及び前記電極の接合部を前記圧力室の開口部が存在しない部分に設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドを備えたことを特徴とするインクジェット記録装置。
   

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