JP2006297893A - 液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出ヘッド - Google Patents

液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出ヘッド Download PDF

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Katsuhiro Nozu
克弘 野津
Shigeru Umehara
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Abstract

【課題】 部品点数が少なく、安価で大型装置に対応可能な液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出ヘッドを得る。
【解決手段】 隣接する圧電素子42間及び圧電素子42とダミー部44の間に、溝部40を設け、この溝部40の形状に沿って圧電部材群110、111、112、113を互いに接合させることで、互いの境界が入り組んだ状態で配置された圧電素子42であっても、圧電部材群同士のクリアランスをなくすこともできる。これにより、1つのインクジェット記録ヘッドの大面積化を可能にすることができる。このため、ヘッドサイズに限界が無くなり、自由に設計できるほか、部品点数も少なくなり、コストダウンを図ることができる。
【選択図】 図11

Description

本発明は、液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの製造方法及びこの製造方法で製造された液滴吐出ヘッドに関する。
主走査方向に往復移動するインクジェット記録ヘッド(以下、単に「記録ヘッド」という場合がある)の複数のノズルから選択的にインク滴を吐出し、副走査方向へ搬送される記録紙等の記録媒体に文字や画像等を印刷するインクジェット記録装置は従来から知られている。
記録ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、ノズルと連通しインクが充填されるチャンバ(いわゆる圧力室)と、チャンバの一部を構成する振動板と、振動板を介して圧力室を加減圧する単板ピエゾアクチュエータ(いわゆる圧電部材)と、で構成されている。
例えば、特許文献1では、記録ヘッドの製造方法として、図27に示すように、図示しない基板に剥離可能に接着した圧電プレート202に、長方形状を成す複数の圧電素子204が二次元的に配列された圧電素子ユニット206をパターニングした後、圧電プレート202の基板と反対側の面に振動板に接着し、基板を各圧電素子204から剥離するという方法が採られている。
ところで、厚さ35μmのチタン酸ジルコン酸鉛製の圧電プレート202に圧電素子204を配設するには、圧電プレート202の面積に限界があり、高速印字可能な大型記録装置に適用させる場合、図26(A)に示すように、最大面積の圧電プレート202で作ったヘッド216を千鳥状に配置し、記録媒体の幅よりも若干大きい幅にする必要がある。
しかしながら、この場合、複数のヘッド216を必要とするため、該ヘッド216に対応するハウジング218も必要となり、部品点数が多くなってしまう。このため、工数も大幅に掛かってしまい、大幅なコストアップとなってしまう。
特開2003−48323号公報
本発明は上記事実を考慮し、部品点数が少なく、安価で大型装置に対応可能な液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出ヘッドを得ることを目的とする。
上記の目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、液滴吐出ヘッドの製造方法において、液滴を吐出するノズルと、前記ノズルと連通し、液滴が充填される圧力室と、前記圧力室の一部を構成する振動板と、圧電プレートをマトリックス状に個別化加工して、前記振動板の表面に接合され、電圧が印加されて振動板を変位させる圧電素子から構成されている圧電部材群と、を備え、複数の前記圧電プレートで個別化加工された各圧電部材群を、互いの境界が入り組んだ状態で、かつ所定の隙間を設けて前記振動板へ互いに接合させることを特徴とする。
請求項1に記載の発明では、液滴を吐出するノズルには液滴が充填される圧力室が連通しており、圧力室の一部を構成する振動板の表面には、圧電プレートをマトリックス状に個別化加工した圧電部材群を設けている。この圧電部材群に電圧が印加されると振動板が変位する。
この圧電部材群を、互いの境界が入り組んだ状態で、かつ所定の隙間を設けて振動板へ互いに接合させることで、ノズルを高密度に配置することができ、高解像度化を実現することができる。
また、圧電部材群同士で所定の隙間を設けることで、互いの境界が入り組んだ状態で配置された圧電部材群であっても、圧電部材群を構成する圧電素子が切断されないようにしている。
さらに、複数の圧電プレートで個別化加工された各圧電部材群を互いに振動板へ接合し、つなぎ合わせることで、1つのヘッドの大面積化を可能にすることができる。これにより、ヘッドサイズに限界が無くなり、自由に設計できるほか、部品点数も少なくなり、コストダウンを図ることができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法において、複数の圧電プレートで個別化加工された前記圧電部材群を分級して前記振動板に接合する接合することを特徴とする。
請求項2に記載の発明では、複数の圧電プレートで個別化加工される圧電部材群を分級して、圧電プレート同士でバラツキの少ないものを互いに接合させることで、圧電部材群の接合部において境界を持たない(バラツキを小さくする)ような分布にすることができ、ノズルからの液滴吐出特性のヘッド内バラツキにおいて、画像においてグラデーション不良が発生しづらくなるという効果が得られる。
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記圧電部材群を前記圧電プレートの厚さで分級することを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記振動板を含む流路プレートユニット側に形成された位置決め基準に対して前記圧電部材群を位置決めさせる位置決め用マークが、圧電部材群を仮固定する固定基板に、圧電部材群と一緒にパターニングされたことを特徴とする。
請求項4に記載の発明では、位置決め基準に対して圧電部材群を位置決めさせる位置決め用マークを、圧電部材群と一緒に固定基板にパターニングすることで、圧電部材群と位置決め用マークとの相対位置関係は常に一致するため、振動板を含む流路プレートユニット側に対する圧電部材群の位置決め精度が向上する。
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法において、複数の前記固定基板にパターニングされた各圧電部材群をそれぞれ前記振動板へ接合するとき、二回目以降に接合する圧電部材群の位置決め用マークは、直前に接合された圧電部材群の位置決め用マークに対して略相似形状を成し、前記位置決め用マークに対して位置決めされることを特徴とする。
合同形状の位置決め用マークを用いて互いに重ね合わせて位置決めする場合、先に接合されている位置決め用マークと干渉し、二回目以降の接合が不可能となってしまうが、請求項5に記載の発明では、位置決め用マークを互いに略相似形状とすることで、位置決め用マークの外形(或いは内形)に対して位置決め用マークの内形(或いは外形)を位置合わせすることとなり、位置決め用マークが干渉することなく二回目以降複数回の接合が可能となる。
請求項6に記載の発明は、請求項4又は5に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記位置決め基準に対して位置決めされた前記位置決め用マークの位置ズレ量を測定し、該位置ズレ量分の補正を行った後、次に接合する圧電部材群を該位置決め用マークに対して位置決めさせることを特徴とする。
請求項6に記載の発明では、位置決め基準に対して位置決めされた位置決め用マークの位置ズレ量を測定し、該位置ズレ量分の補正を行った後、次に接合する圧電部材群を該位置決め用マークに対して位置決めさせることで、各圧電部材群は実質的に振動板を含む流路プレートユニット側の位置決め基準に対して位置決めされることとなる。
請求項7に記載の発明は、液滴吐出ヘッドにおいて、請求項1〜6の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法で製造されたことを特徴とする。
請求項7に記載の発明では、請求項1〜6の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法で液滴吐出ヘッドを製造することで、請求項1〜6の何れか1項に記載の効果を得ることができる。
請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、隣接する前記圧電部材群の接合面の高さが異なることを特徴とする。
請求項8に記載の発明では、隣接する圧電部材群の接合面の高さを変えることで、すでに振動板に接合された圧電部材群の隣に圧電素子群を接合させるとき、該圧電素子群を配置している基板の接着テープなどが、振動板に接合された圧電部材群に干渉しないようにすることができる。
これにより、圧電部材群同士の間隔を狭くすることができ、ノズルを高密度に配置することができる。また、圧電部材群をさらに小ピース化することができ、ハンドリングが容易になる。また、圧電部材群を小ピース化することで、圧電部材群のサイズをさらに薄層化でき、品質向上及び歩留り向上を実現することができる。
請求項9に記載の発明は、請求項8に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板が上部振動板と下部振動板の2枚で構成され、前記上部振動板と前記下部振動板に貫通孔が形成され、前記貫通孔同士が連通しないように重ねられた状態で配置されて、前記接合面が、前記上部振動板の上面と、前記上部振動板の貫通孔を通じて露出する下部振動板の上面であることを特徴とする。
請求項9に記載の発明では、振動板を上部振動板と下部振動板の2枚で構成し、上部振動板と下部振動板に貫通孔を形成する。そして、該貫通孔同士が連通しないように重ねた状態で、上部振動板の上面と、上部振動板の貫通孔を通じて露出する下部振動板の上面を、圧電部材群の接合面とすることで、該接合面の高さを振動板の肉厚分変えることができる。
請求項10に記載の発明は、請求項8に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板の上面に凹部が形成され、前記接合面が、振動板の上面と該上面に形成された凹部の底面であることを特徴とする。
請求項10に記載の発明では、振動板の上面に凹部を形成し、振動板の上面と該上面に形成された凹部の底面を接合面とすることで、該接合面の高さを凹部の深さ分変えることができる。
請求項11に記載の発明は、請求項10に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記接合面とされた振動板の上面に対応する振動板の下面に凹部が形成されたことを特徴とする。
請求項11に記載の発明では、接合面とされた振動板の上面に対応する振動板の下面に凹部を形成することで、隣接する圧電部材群で振動板への接合面の高さが異なるにも拘わらず、振動板の肉厚を同じにすることができ、振動板の変形量を略同一とすることができる。
請求項12に記載の発明は、請求項9〜11の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記接合面の高さによって変わる前記圧力室の容積を略同一にする補助プレートを圧力室内に設けたことを特徴とする。
接合面の高さを変え、かつ振動板の肉厚を同じにするため、振動板の下面側には凹部が設けられるが、凹部が設けられた箇所では、凹部が設けられていない箇所と比較して圧力室の容量が大きくなってしまう。請求項12に記載の発明では、補助プレートを設け、接合面の高さによって変わる圧力室の容積を略同一にするようにしている。
本発明は、上記構成としたので、請求項1及び7に記載の発明では、圧電部材を、互いの境界が入り組んだ状態で、マトリックス状に配設することで、ノズルを高密度に配置することができ、高解像度化を実現することができる。また、圧電部材群同士で所定の隙間を設けることで、互いの境界が入り組んだ状態で配置された圧電部材群であっても、圧電部材群を構成する圧電素子が切断されないようにしている。さらに、複数の圧電プレートで個別化加工された各圧電部材群を互いに振動板へ接合し、つなぎ合わせることで、1つのヘッドの大面積化を可能にすることができる。これにより、ヘッドサイズに限界が無くなり、自由に設計できるほか、部品点数も少なくなり、コストダウンを図ることができる。
請求項2及び3に記載の発明では、圧電プレート同士でバラツキの少ないものを互いに接合させることで、圧電部材群の接合部において境界を持たない(バラツキを小さくする)ような分布にすることができ、ノズルからの液滴吐出特性のヘッド内バラツキにおいて、画像においてグラデーション不良が発生しづらくなるという効果が得られる。
請求項4に記載の発明では、圧電部材群と位置決め用マークとの相対位置関係は常に一致するため、振動板を含む流路プレートユニットに対する圧電部材群の位置決め精度が向上する。請求項5に記載の発明では、位置決め用マークを互いに略相似形状とすることで、位置決め用マークが干渉することなく二回目以降複数回の接合が可能となる。請求項6に記載の発明では、各圧電部材群は実質的に振動板を含む流路プレートユニット側の位置決め基準に対して位置決めされることとなる。
請求項8〜10に記載の発明では、隣接する圧電部材群の接合面の高さを変えることで、すでに振動板に接合された圧電部材群の隣に圧電素子群を接合させるとき、該圧電素子群を配置している基板の接着テープなどが、振動板に接合された圧電部材群に干渉しないようにすることができるため、圧電部材群同士の間隔を狭くすることができ、ノズルを高密度に配置することができる。また、圧電部材群をさらに小ピース化することができ、ハンドリングが容易になる。また、圧電部材群を小ピース化することで、圧電部材群のサイズをさらに薄層化でき、品質向上及び歩留り向上を実現することができる。
請求項11に記載の発明では、隣接する圧電部材群で振動板への接合面の高さが異なるにも拘わらず、振動板の肉厚を同じにすることができ、振動板の変形量を略同一とすることができる。請求項12に記載の発明では、補助プレートを設け、接合面の高さによって変わる圧力室の容積を略同一にするようにしている。
以下、本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドについての説明を行う。まず、最初に図1に示すインクジェット記録装置70の概要を説明する。
なお、記録媒体は記録紙Pとし、記録紙Pのインクジェット記録装置70における搬送方向を副走査方向として矢印Sで表し、その搬送方向と直交する方向を主走査方向として矢印Mで表す。
インクジェット記録装置70は、ブラック、イエロー、マゼンタ、シアンの各インクジェット記録ユニット72を搭載するキャリッジ76を備えている。このキャリッジ76の記録紙Pの搬送方向上流側には、一対のブラケット78が突設されており、そのブラケット78には円形状の開孔78Aが穿設されている。そして、この開孔78Aに、主走査方向に架設されたシャフト80が挿通されている。
また、主走査方向の両端側には、主走査機構82を構成する駆動プーリー84と従動プーリー86が配設されている。この駆動プーリー84と従動プーリー86にはタイミングベルト88が巻回されており、タイミングベルト88の一部にキャリッジ76に固定され、キャリッジ76が主走査方向に往復移動可能となっている。
また、このインクジェット記録装置70には、搬送ローラー90及び排出ローラー92からなる副走査機構94が設けられており、画像印刷前の記録紙Pを束にして載置する給紙トレイ96から1枚ずつ給紙された記録紙Pを所定のピッチで副走査方向へ搬送する。
さらに、図2に示すように、各色のインクジェット記録ユニット72は、インクジェット記録ヘッド74と、それにインクを供給するインクタンク98とが一体に構成されたものであり、インクジェット記録ヘッド74の下面に形成された複数のノズル10(図4(B)参照)が、記録紙Pと対向するようにキャリッジ76上に搭載されている。
したがって、インクジェット記録ヘッド74が主走査機構82(図1参照)によって主走査方向に移動しながら、記録紙Pに対してノズル10から選択的にインク滴を吐出することにより、所定のバンド領域BEに対して画像データに基づく画像の一部が記録される。
そして、主走査方向への1回の移動が終了すると、記録紙Pは、副走査機構94(図1参照)によって副走査方向に所定ピッチ搬送され、再びインクジェット記録ヘッド74(インクジェット記録ユニット72)が主走査方向(前述とは反対方向)に移動しながら、次のバンド領域に対して画像データに基づく画像の一部が記録されるようになっており、このような動作を複数回繰り返すことによって、記録紙Pに画像データに基づく全体画像がフルカラーで記録される。
次に、本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの構成について説明する。
図3(A)、(B)に示すように、インクジェット記録ヘッド74には、インクタンク98(図2参照)からインクが供給される共通インク室20が備えられている。この共通インク室20には開口部18が設けられており、インク供給路16を介して圧力室14が連通し、共通インク室20内のインクが供給されるようになっている。
また、インクジェット記録ヘッド74には、マトリックス状に配置された複数のノズル10が備えられており、ノズル連通室12を介して圧力室14と連通している。この圧力室14の上面には上下方向に弾性を有する振動板30が設けられており、圧力室14に対応する振動板30の上面には、図5に示すように、圧電素子42がマトリックス状に配置されている。
この圧電素子42は、全て略同一形状を成しており、図4(A)に示すように、略楕円状を成し略六角形状の圧力室14よりも一回り小さく形成され、圧力室14の上方に位置する楕円部42Aと、楕円部42Aと繋がり楕円部42Aの端部から楕円部42Aの同一平面状で屈曲して形成され楕円部42Aよりも小さい略五角形状を成す多角部(ハッチング領域)42Bと、で構成されている。そして、この圧電素子42は互いの境界が入り組んだ状態で、マトリックス状に配設されている。
また、図5に示すように、列方向で隣接する圧電素子42の楕円部42Aと楕円部42Aの間には、圧電素子42と同一平面上にダミー部44を設けており、隣接する圧電素子42間及び圧電素子42とダミー部44の間には、溝部40を設けている。
一方、図4(A)、(B)に示すように、多角部42Bは電気接続を行う電気パット部となり、ボール半田34を介して電気基板36が接合され、多角部42Bに電圧が印加されると、圧力室14の上方に位置する楕円部42Aは電歪作用によって変形し、圧力室14内のインクを加圧する駆動部となる。このように、圧力室14内のインクが加圧されると、ノズル10からインク滴が吐出する。
ここで、振動板30の上面にマトリックス状に配置された圧電素子42を略同一形状とすることで、圧電素子42によって変位する振動板30の変位量を各ノズル10で同一にすることができ、インク滴の吐出特性を均一化することができる。
また、ダミー部44の形状を略同一とすることで、圧電素子42を支持する支持条件を各ノズル10で略同一にすることができ、インク滴の吐出特性をさらに均一化することができる。
さらに、ダミー部44と圧電素子42との間に、溝部40を設けることで、ダミー部44は圧電素子42から完全に独立した状態となり、ダミー部44は圧電素子42の電圧の印加による影響を全く受けない。
次に、本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法について説明する。
このインクジェット記録ヘッド74は、図6(A)に示すように、ノズル10(図6(B)参照)が形成されるノズルプレート21と、ノズル連通室12と共通インク室20とを形成するインクプールプレート22、インクプールプレート23と、共通インク室20の開口部18とノズル連通室12とを形成するスループレート24と、インク供給路16が形成されたインク供給路プレート26と、圧力室14が形成された圧力室プレート28と、を順番に積層し接合して形成される。
ノズルプレート21の表面には、撥水コート膜を被覆すると共に、図6(B)に示すように、エキシマレーザ50によってノズル10を形成し、図6(C)に示すように、ノズル10の形成後に圧力室プレート28に振動板30を接着する。
尚、ノズルプレート21の材質はポリイミドであり、インクプールプレート22、インクプールプレート23、スループレート24、インク供給路プレート26、圧力室プレート28、振動板30の材質はSUSである。
また、これら、ノズルプレート21、インクプールプレート22、インクプールプレート23、スループレート24、インク供給路プレート26、圧力室プレート28、振動板30が接着されたものを、流路プレートユニット52という。
ここで、別途、図6(D)に示すように、電圧が印加される圧電素子42と、電圧が印加されないダミー部44と、を備えた圧電ユニット54(以下、「PA基板54」という)を作成する。
先ず、図8(A)に示すように、圧電材料ブロック(図示省略)にラップ加工を施し、圧電プレート58を作成する。圧電プレート58の厚さは、圧電素子42に必要な、たわみ変形量や駆動電圧を基に決められる。本実施の形態では、約φ15mm、肉厚約40±6μmとしている。
次に、この圧電プレート58を、短冊状にダイシング(切削加工)する。なお、ここでは、一つの圧電プレート58から一つの短冊チップ116を形成したが、一つの短冊チップ116の面積を小さくして複数の短冊チップ116を形成しても良い。
そして、ダイシングされた短冊チップ116を、図8(B)に示すように、剥離可能な接着剤、例えば熱発泡性接着フィルム57(接着後に所定の温度で加熱すると発泡して接着力が大幅に低下する性質を有する)を介して固定基板56に仮接着する。
ここで、固定基板56には、流路プレートユニット52(図6(D)参照)との接合位置のアライメント(位置合わせ)を行うため、振動板30を含む流路プレートユニット52側に形成されたマーク122を基準とするマーク124が予め形成されている。
短冊チップ116を固定基板56に接着固定後、後述するサンドブラスト加工を用いて、短冊チップ116に一定幅の溝部40を形成する(いわゆる個別化加工)ことで、図5及び図8(C)に示すように、圧電素子42、ダミー部44及び溝部40が形成されたPA基板54が作成される。
ここで、サンドブラスト加工について以下に説明する。
図8(B)に示すように、短冊チップ116を固定基板56に仮接着する際、隣り合う短冊チップ116同士の隙間をなくすように配置すると、短冊チップ116の端面と短冊チップ116の端面とが接触し、この衝撃により短冊チップ116が割れてしまったりする場合がある。このため、短冊チップ116と短冊チップ116の間には、短冊チップ配列用のクリアランスt1を設けた状態で短冊チップ116を固定基板56に仮接着する。
そして、図7に示すように(図8(C)では説明の都合上短冊チップ116を4つにしているが、図7では分かりやすくするため1つの短冊チップ116としている)、仮接着した短冊チップ116の上に、感光性を有するフィルムレジスト60を貼り付ける。本実施の形態では、厚さ50μmのウレタン系フィルムレジストを使用した。その後、圧電素子42及びダミー部44にのみ紫外線(UV)が透過するパターンを有する露光マスク62を別途作成し、上記のフィルムレジスト60に貼り付ける。
露光マスク62は、固定基板56のマーク124を基準にしてパターニングされている。この露光マスク62を介してフィルムレジスト60で被覆した短冊チップ116へUV照射を行い、その後エッチングを行う。エッチング液には、UV照射された部分を除去せず、かつ、それ以外の部分を確実に除去できる特性を有するもの、例えば、炭酸ナトリウム水溶液を用いる。
以上のプロセスによって、図5に示す圧電素子42及びダミー部44にのみフィルムレジスト60が被覆され、それ以外の部分はフィルムレジスト60が除去される。つまり、除去された部分が一定幅の溝部40となる。
続いて、サンドブラスト加工を行う。このサンドブラスト加工では、短冊チップ116のフィルムレジスト60が除去されて露出した部分(溝部40)は確実に研削除去され、かつ、フィルムレジスト60が残った部分(圧電素子42とダミー部44)には研削が行われないような条件下で行う。
一般にサンドブラスト加工では、ブラスト砥粒が圧電プレート58の側面に対しても衝突する為、短冊チップ116の厚さ方向に対する加工(垂直加工)の進行と平行して、短冊チップ116の幅方向への加工(水平加工)も進行する。この水平加工の加工速度は、短冊チップ116に形成する溝部40の幅に依存する。つまり、溝部40の幅が大きいほど、ブラスト砥粒が短冊チップ116の側面に衝突しやすくなるため、水平加工の加工速度が大きくなる。
しかし、本実施の形態では、溝部40は一定幅であるので水平加工量が同一となる。このため、圧電素子42は均一な寸法とすることができ、高精度の加工が可能となる。そしてサンドブラスト加工後、圧電プレート58の表面に残ったフィルムレジスト60を除去し洗浄を施す。
このようにサンドブラスト加工によれば、本実施の形態のような複雑な形状の圧電素子42及びダミー部44であっても、簡易的かつ短時間で精密に加工を行うことができ、また、そのため低コスト化することができる。
そして、サンドブラスト加工によって、マトリックス状に配列された圧電素子42とダミー部44とが形成された面を、図6(D)に示すように、流路プレートユニット52の振動板30に接着させる(以下、「PA接合」といい、詳しくは後述する)。
ここで、圧電素子42の周辺にダミー部44を設けることで、PA基板54を振動板30に接合する時、接合時の応力がダミー部44にも分散され、圧電素子42への応力集中が回避される。
このため、圧電素子42に応力が集中することによる楕円部42Aのクラックや割れのような、インク滴の吐出特性低下原因の発生を防止することができる。また、圧電素子42の周囲に溝部40を設けることで、PA接合時に、PA基板54と振動板30との線膨張係数の差を吸収することができる。
また、圧電プレート58の両面には、図示はしないが、電極層として第1電極層(下面)及び第2電極層(上面)がスパッタリングなどで予め形成されており、共通電極として兼用する振動板30と接着剤で接着することで、第1電極層を介して圧電素子42と振動板30とが電気的にも接続される。尚、本実施の形態では、電極層材料としてクロム、ニッケル、金を用いている。
そして、図6(E)では、固定基板56を加熱し、熱発泡性接着フィルムの接着力を低減させて固定基板56を剥離する。
ところで、図8(C)に示すように、各短冊チップ116上に、複数の圧電素子42、ダミー部44及び溝部40(図5参照)をパターニングすると、圧電素子42の形状が直線的でないため、各短冊チップ116の端部では、圧電素子42が分断されてしまうこととなる。このため、各短冊チップ116の端部においては、予めパターニングされない領域が生じる(パターンのクリアランスt2)。
従って、図9に示すように、各短冊チップ116によって形成された圧電部材群110と圧電部材群112の間には、クリアランスt2(左側の短冊チップ116)、クリアランスt1及びクリアランスt2(右側の短冊チップ116)を合わせた無駄な領域が生じることとなり、この領域には、ノズル10を配置することができない。
このため、本発明では、PA接合において、図10に示すように、固定基板56上の圧電部材群110、111、112、113を各グループに分け、各グループ別に固定基板56A、56B、56C、56Dにそれぞれ接着した後、各固定基板56A、56B、56C、56Dの圧電部材群110、111、112、113を順番に振動板30へ接合させる。
また、ここでは、4つの圧電部材群110、111、112、113で説明したが、複数の圧電部材群であればいくつでも良い。さらに、一つの固定基板に対して一つの圧電部材群を仮接着させたが、一つの固定基板に複数の圧電部材群を仮接着させても良い。
一方、各固定基板56A、56B、56C、56Dには、固定基板56に形成されたマーク124に対する位置合わせのマーク120(120A、120B、120C、120D)がそれぞれ形成されている。
このマーク120A、120B、120C、120Dは、振動板30へ各圧電部材群110、111、112、113を接合させる際、振動板30を含む流路プレートユニット52側に対する位置決め基準として、それぞれ形成されたものであり、これにより、各圧電部材群110、111、112、113が振動板30の所定の位置に位置合わせされることとなる。
ここで、図11及び図12に示すように、各マーク120A、120B、120C、120Dで構成されたマーク120は、図8(C)に示すように、複数の圧電素子42、ダミー部44及び溝部40が各短冊チップ116上にパターニングされる際に、一緒に形成され、固定基板56上の圧電部材群110、111、112、113がそれぞれ固定基板56A、56B、56C、56Dに仮接着されるとき、各マーク120A、120B、120C、120Dも固定基板56A、56B、56C、56Dにそれぞれ仮接着される。
図10及び図12に示すように、振動板30を含む流路プレートユニット52側に形成されたマーク122は十字形状を成しており、圧電部材群の接合順に、固定基板56Dにはマーク122の外縁を僅かに大きくした白抜きの十字形を成すマーク120Dが形成され、固定基板56Cにはマーク120Dを僅かに大きくした略相似形状のマーク120Cが形成されている。
そして、固定基板56Bにはマーク120Cを僅かに大きくした略相似形状のマーク120Bが形成され、固定基板56Aにはマーク120Bを僅かに大きくした略相似形状のマーク120Aが形成されており、各圧電部材群110、111、112、113の接合時には、直前に接合されたマークに対してアライメント(位置合わせ)を実施する。
つまり、固定基板56Dは振動板30を含む流路プレートユニット52側のマーク122に対してアライメントを実施するが、固定基板56Cは固定基板56Dのマーク120Dに対してアライメントを行い、固定基板56Bはマーク120C、固定基板56Aはマーク120Bに対してそれぞれアライメントを行う。
一方、直前に接合された圧電部材群のマークに対してアライメントを行うとなると、位置ズレが積算されてしまうことになる。圧電素子42は、圧力室14に対する位置が重要となるので、流路プレートユニット52側のマーク122と、マーク120Dとの位置ズレ量を図示しない顕微鏡で測定する。そして、この測定結果を基に、位置ズレ量をキャンセルする方向に補正をかける。
なお、ここでは、各固定基板56A、56B、56C、56Dにそれぞれ一つのマーク120A、120B、120C、120Dを形成したが、振動板30を含む流路プレートユニット52に対して固定基板56A、56B、56C、56Dを精度良く位置決めすることができれば良いため、これに限るものではない。
例えば、図13(B)、(C)に示すように、固定基板56A、56Bにそれぞれ二つずつマーク126A、128A及びマーク126B、128Bを形成しても良い。この場合、図14(A)に示すように、マーク126Aは流路プレートユニット52(図13(A)参照)のマーク122に対してアライメントを行うためのマークであり、図14(A)、(B)に示すように、マーク128Aは次に接合を行う圧電部材群のマーク126Bに対して基準となるマークである。
また、ここでは、マーク126A、128A、126B、128Bの形状を略十字形状としたが、アライメント用の基準点となれば良いため、これに限るものではなく、略相似形状であれば円状でも三角状でも良い。
ところで、圧電プレート58は各々肉厚にバラツキがあるため、複数の圧電プレート58を使用する場合、圧電プレート58の肉厚によって圧電部材群110、111、112、113を分級し、各圧電プレート58でバラツキの少ないものが隣同士となるように接合させる。肉厚は直接測定する以外にも、圧電チップ(図示省略)を同じ面積に加工し、該圧電チップの重量を計測し、圧電チップの比重から肉厚を換算する方法もある。
そして、複数の圧電部材群110、111、112、113を互いに接合させることで形成された圧電体104において、各圧電素子42の多角部42Bは電気接続を行う電気パット部となり、図6(F)に示すように、各圧電素子42毎にボール半田34を形成して、ボール半田34を介して電気基板36が接合される。
尚、圧電プレート58の上面には、第2電極層が形成されているため、第2電極層を介して圧電素子42と電気基板36とが電気的に接続される。また、電気基板36と振動板30とは図示しない接点にて接続される。
最後に図示しないインク供給部材等を取り付けることにより、本実施の形態のインクジェット記録ヘッド74が完成する。
このようにして完成したインクジェット記録ヘッド74には、インクタンク98(図2参照)からインクが導入され、図3(B)及び図4(B)に示すように、矢印Yに沿って流動し、共通インク室20、インク供給路16、圧力室14、ノズル連通室12に充填される。
次に、本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの作用について説明する。
図5に示すように、圧電部材群110、111、112、113を構成する圧電素子42は互いの境界が入り組んだ状態で、マトリックス状に配設され、列方向で隣接する圧電素子42の楕円部42Aと楕円部42Aの間に、圧電素子42と同一平面上にダミー部44を設けている。このように、圧電素子42を、互いの境界が入り組んだ状態でマトリックス状に配設することで、ノズル10を高密度に配置することができ、高解像度化を実現することができる。
また、本発明では、図10に示すように、固定基板56上の圧電部材群110、111、112、113を各グループに分け、各グループ別に固定基板56A、56B、56C、56Dにそれぞれ接着した後、各固定基板56A、56B、56C、56Dの圧電部材群110、111、112、113を順番に振動板30へ接合させる。
これにより、少なくとも短冊チップ配列用のクリアランスt1は不要となり、隣り合う圧電部材群同士(例えば、圧電部材群110と圧電部材群111)のクリアランスを小さくすることができる。
また、隣接する圧電素子42間及び圧電素子42とダミー部44の間に、溝部40を設け、この溝部40の形状に沿って圧電部材群110、111、112、113を互いに接合させることで、互いの境界が入り組んだ状態で配置された圧電素子42であっても、図11に示すように、圧電部材群同士のクリアランスをなくすこともできる。
これにより、図16及び図18(B)に示すように、1つのインクジェット記録ヘッド74の大面積化を可能にすることができる。このため、ヘッドサイズに限界が無くなり、自由に設計できるほか、部品点数も少なくなり、コストダウンを図ることができる。
また、図10及び図12に示すように、振動板30を含む流路プレートユニット52側に形成されたマーク122に対して、圧電部材群の接合順に、マーク120A、120B、120C、120Dが互いに略相似形状となるようにしている。
例えば、合同形状のマークを用いて互いに重ね合わせて位置決めを行う場合、先に接合されている位置決め用マークと干渉し、二回目以降の接合が不可能となってしまうが、位置決め用マークを互いに略相似形状とすることで、位置決め用マークの外形(或いは内形)に対して位置決め用マークの内形(或いは外形)を位置合わせすることとなり、位置決め用マークが干渉することなく二回目以降複数回の接合が可能となる。
さらに、流路プレートユニット52のマーク122と、マーク120Dとの位置ズレ量を顕微鏡で測定し、この測定結果を基に、位置ズレ量をキャンセルする方向に補正をかけることで、直前に接合された圧電部材群のマークに対して各固定基板をアライメントするにも拘わらず、実質的には流路プレートユニット52のマーク122に対してアライメントが成されることとなり、圧力室14に対する各圧電部材群の位置ズレ量を小さくすることができる。
一方、図15(A)に示す圧電部材群110、111をそれぞれ異なる圧電プレート58A、圧電プレート58Bで形成し、振動板30に接合させた場合、大面積の圧電部材群110と圧電部材群111との接合部114において、圧電プレート58Aと圧電プレート58Bの肉厚の差が顕著になってしまう。
つまり、図17(A)に示すように、圧電部材群110と圧電部材群111の接合部114において境界が顕著となり、ノズル10からのインク滴吐出特性(例えば、滴体積)のインクジェット記録ヘッド74内のバラツキが大きく見られ、画像においてグラデーション不良が発生する。
このように、各圧電プレートでは、肉厚にバラツキがあるため、圧電プレートの肉厚によって圧電部材群を分級し、各圧電プレートで肉厚の差が小さいもの同士を隣接させることで、圧電部材群の接合部におけるバラツキを小さくすることができる。
さらに、図15(B)及び図16に示すように、小面積で構成された複数の圧電部材群110、111(ここでは、図15(A)との比較のため、圧電部材群110、111のみとする)を互いに接合させて大面積の圧電体104を形成することで、各圧電プレート58A、58B毎のバラツキを目立たなくすることができ、図17(B)に示すように、吐出特性のインクジェット記録ヘッド74内バラツキにおいて、接合部108における境界を持たないような分布にすることができる。このため、画像においてグラデーション不良が発生しづらくなるという効果が得られる。
つまり、圧電プレート58Aと圧電プレート58Bの吐出特性において、図15(A)の場合、圧電部材群110と圧電部材群111との接合部114において、境界が顕著となるため、吐出特性のバラツキが5%以上になると、画像にグラデーションが鮮明に表れてしまう。
しかし、図15(B)の場合、圧電部材群110と圧電部材群111との接合部108において、境界を持たないような分布にすることができるため、吐出特性のバラツキが8%以下(圧電素子の肉厚のバラツキが±0.6μm以内)であれば、画像のグラデーションは目立たない。このため、インクジェット記録ヘッド74の歩留まりを上げることができ、コストダウンに繋がる。
なお、ここでは、圧電プレート58の肉厚によって、圧電部材群110、111を分級したが、複数の圧電部材群110、111を接合させた後、吐出特性のヘッド内バラツキが、接合部108において境界を持たないようにすることができれば良いため、これに限るものではない。例えば、圧電素子42の静電容量を測定し、この測定結果により圧電部材群110、111を分級しても良い。
ところで、各圧電部材群110、111、112、113は、仮接着テープ130を介して各固定基板56A、56B、56C、56Dに仮接着されているが、例えば、図18に示すように、圧電部材群111の後に圧電部材群110を接合させるとき、仮接着テープ130の端面が、直接或いは、クリーンルーム中に存在するミクロンオーダーの微粒子の介在によって、すでに振動板30に接合された圧電部材群111の一部と干渉してしまう恐れがある。
この場合、脆弱な圧電素子42がクラック等、機能を損なうダメージを受ける可能性があるため仮接着テープ130の端面が干渉しないよう、隣接する圧電部材群間で所定の隙間を設けなければならない。
このため、例えば、図19及び図20に示すように、互いに隣接する圧電部材群110の接合面Pの高さと、圧電部材群111の接合面Qの高さを変えるようにする(便宜上、圧電部材群110と圧電部材群111で説明する)。
具体的には、図21に示すように、振動板30を振動板30A、30Bの2枚で構成する。この振動板30A、30Bには、圧電部材群110又は圧電部材群110を構成する圧電素子42のピッチに合わせて、貫通孔132、貫通孔134がそれぞれ形成されている。
貫通孔132と貫通孔134が互いに連通しないように、振動板30Aと振動板30Bを重ね合わせた状態が図19に示す状態である。この状態で、図22(A)に示すように、貫通孔132を通じて、振動板30Bの上面(接合面Q)に圧電素子42を接合させ、圧電部材群111を構成する。次に、図22(B)に示すように、振動板30Aの上面(接合面P)に圧電素子42を接合させ、圧電部材群110を構成する。
このように、互いに隣接する圧電部材群110の接合面Pの高さと圧電部材群111の接合面Qの高さを変えることで、すでに振動板30Bの上面に接合された圧電部材群111の隣に圧電部材群110を接合させるときに、仮接着テープ130の端面が圧電部材群111の一部と干渉する恐れはなくなり、隣接する圧電部材群110、111間の隙間を小さくすることができ、ノズルを高密度に配置することができる。
また、圧電部材群110、111をさらに小ピース化することができ、ハンドリングが容易になる。また、圧電部材群110、111を小ピース化することで、圧電部材群110、111のサイズをさらに薄層化でき、品質向上及び歩留り向上を実現することができる。
また、2枚の振動板30A、30Bを用い、圧電素子42のピッチに合わせて形成された貫通孔132と貫通孔134が互いに連通しないように、振動板30Aと振動板30Bを重ね合わせて、接合面P、Qを設けることで、隣接する圧電部材群110、111で、振動板30への接合面の高さが異なるにも拘わらず、振動板30の肉厚を同じにすることができ、振動板30の変形量を略同一とすることができる。
なお、ここでは、振動板30を振動板30A、30Bの2枚で構成し、振動板30A、30Bに貫通孔132、貫通孔134をそれぞれ形成したが、圧電部材群110、111の振動板30への接合面P、Qの高さを変えることができればよいため、これに限るものではない。
例えば、図23に示すように、1枚の振動板125で、図19に示す貫通孔132、貫通孔134に対応して、振動板125の上面に凹部125A、振動板125の下面に凹部125Bをそれぞれ凹設しても良い。
また、図24に示すように、1枚の振動板127をプレス加工により塑性変形させて、高さの異なる接合面P、Qを設けるようにしても良いが、この場合、圧力室プレート28(図4参照)の形状も振動板127の形状に合わせて変える必要が生じる。さらに、図19及び図23では、各圧電素子42に対応して貫通孔132、又は凹部125Aを設けたが、圧電部材群単位で一つの凹部127Aとしても良い。
ところで、以上のように、圧電部材群110の接合面Pの高さと、圧電部材群111の接合面Qの高さを変えた場合、圧力室14の容積が異なってしまう。このため、図25に示すように、ノズルプレート21とインクプールプレート22(図4(B)参照)の間に振動板30A、30Bと略同一の肉厚を有する補助圧力室板136を設けて、圧力室14の容積を同じにするようにしても良い。この補助圧力室板136に、圧力室14からノズル10へ通じる大きさの異なる貫通孔136A、136Bを設け、圧力室14の容積を同じにする。
具体的には、圧電部材群110側は、振動板30Bに形成された貫通孔134によって圧電部材群111側と比較して圧力室14の容量が大きくなっている。このため、貫通孔136Bの大きさを貫通孔136Aよりも小さくして、貫通孔134による圧力室14の容量の差を相殺する。
このように、圧電部材群110と圧電部材群111とで、圧力室14の容積を略同一にすることで、ノズル10から吐出するインク滴の吐出特性に影響を与えなくて済む。
なお、上記実施例のインクジェット記録装置70では、ブラック、イエロー、マゼンタ、シアンの各色のインクジェット記録ユニット72がそれぞれキャリッジ76に搭載され、それら各色のインクジェット記録ヘッド74から画像データに基づいて選択的にインク滴が吐出されてフルカラーの画像が記録紙Pに記録されるようになっているが、本発明におけるインクジェット記録は、記録紙P上への文字や画像の記録に限定されるものではない。
すなわち、記録媒体は紙に限定されるものでなく、また、吐出する液体もインクに限定されるものではない。例えば、高分子フィルムやガラス上にインク滴を吐出してディスプレイ用カラーフィルターを作成したり、溶接状態の半田を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成するなど、工業的に用いられる液滴噴射装置全般に対して、本発明に係るインクジェット記録ヘッド74を適用することができる。
また、上記実施例のインクジェット記録装置70では、主走査機構82と副走査機構94を有するPartial Width Array(PWA)の例で説明したが、本発明におけるインクジェット記録は、これに限定されず、紙幅対応のいわゆるFull Width Array(FWA)であってもよい。むしろ、本発明は、高密度ノズル配列を実現するのに有効なものであるため、1パス印字を必要とするFWAには好適である。
本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドが適用されたインクジェット記録装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドが適用されたインクジェット記録ユニット示す斜視図である。 (A)は、本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの構成を示す斜視図であり、(B)は(A)の部分拡大図である。 (A)は、本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの圧電素子を示す拡大図であり、(B)は(A)のA−A断面図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの圧電素子を示す平面図である。 (A)〜(F)は、本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造工程を模式的に表す工程図である。 本実施の形態のインクジェット記録ヘッドの圧電プレートへのサンドブラスト加工の工程を模式的に表す工程図である。 (A)〜(C)は、本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法を示す説明図である。 図8(C)の部分拡大図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法の圧電体を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造時に使用する位置決めマークを示す平面図である。 (A)〜(C)は、本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造時に使用する位置決めマークの他の例を示す平面図である。 (A)、(B)は図13の作用を説明する説明図である。 (A)は、2枚の圧電プレートを接合させる方法を示し、(B)は圧電プレートを分割し接合させた方法を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの圧電体を示す平面図である。 (A)は図15の(A)に対応するインク滴の吐出特性を示し、(B)は図15の(B)に対応するインク滴の吐出特性を示すグラフである。 インクジェット記録ヘッドの圧電素子を振動板に接合するときの問題を説明する断面図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの流路プレートユニットの変形例を示す断面図である。 図19の流路プレートユニットに圧電素子を接合した状態を示す断面図である。 図19の流路プレートユニットの一部分解断面図である。 (A)、(B)は、本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの圧電部材群を振動板に接合するときの断面図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの流路プレートユニットの他の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの流路プレートユニットのその他の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドの流路プレートユニットに補助圧力室板を設けた状態を示す断面図である。 (A)は従来のインクジェット記録ヘッドを示す平面図であり、(B)は本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す平面図である。 従来のインクジェット記録ヘッドを示す平面図である。
符号の説明
10 ノズル
14 圧力室
30 振動板
40 溝部(隙間)
42 圧電素子
58 圧電プレート
70 インクジェット記録装置
72 インクジェット記録ユニット
74 インクジェット記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)
110 圧電部材群
111 圧電部材群
112 圧電部材群
113 圧電部材群
104 圧電体
108 接合部
120D マーク(位置決め用マーク)
120C マーク(位置決め用マーク)
120B マーク(位置決め用マーク)
120A マーク(位置決め用マーク)
122 マーク(位置決め基準)
126A マーク(位置決め用マーク)
126B マーク(位置決め用マーク)
128A マーク(位置決め用マーク)
128B マーク(位置決め用マーク)
125 振動板
125A 凹部
127 振動板
127A 凹部
132 貫通孔
134 貫通孔
136 補助圧力室板(補助プレート)
136A 貫通孔
136B 貫通孔
P 接合面
Q 接合面

Claims (12)

  1. 液滴を吐出するノズルと、
    前記ノズルと連通し、液滴が充填される圧力室と、
    前記圧力室の一部を構成する振動板と、
    圧電プレートをマトリックス状に個別化加工して、前記振動板の表面に接合され、電圧が印加されて振動板を変位させる圧電素子から構成されている圧電部材群と、
    を備え、
    複数の前記圧電プレートで個別化加工された各圧電部材群を、互いの境界が入り組んだ状態で、かつ所定の隙間を設けて前記振動板へ互いに接合させることを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
  2. 複数の前記圧電プレートで個別化加工された前記圧電部材群を分級して前記振動板に接合することを特徴とする請求項1に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
  3. 前記圧電部材群を前記圧電プレートの厚さで分級することを特徴とする請求項2に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
  4. 前記振動板を含む流路プレートユニット側に形成された位置決め基準に対して前記圧電部材群を位置決めさせる位置決め用マークが、圧電部材群を仮固定する固定基板に、圧電部材群と一緒にパターニングされたことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
  5. 複数の前記固定基板にパターニングされた各圧電部材群をそれぞれ前記振動板へ接合するとき、二回目以降に接合する圧電部材群の位置決め用マークは、直前に接合された圧電部材群の位置決め用マークに対して略相似形状を成し、前記位置決め用マークに対して位置決めされることを特徴とする請求項4に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
  6. 前記位置決め基準に対して位置決めされた前記位置決め用マークの位置ズレ量を測定し、該位置ズレ量分の補正を行った後、次に接合する圧電部材群を該位置決め用マークに対して位置決めさせることを特徴とする請求項4又は5に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
  7. 請求項1〜6の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法で製造されたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  8. 隣接する前記圧電部材群の接合面の高さが異なることを特徴とする請求項7に記載の液滴吐出ヘッド。
  9. 前記振動板が上部振動板と下部振動板の2枚で構成され、前記上部振動板と前記下部振動板に貫通孔が形成され、前記貫通孔同士が連通しないように重ねられた状態で配置されて、前記接合面が、前記上部振動板の上面と、前記上部振動板の貫通孔を通じて露出する下部振動板の上面であることを特徴とする請求項8に記載の液滴吐出ヘッド。
  10. 前記振動板の上面に凹部が形成され、前記接合面が、振動板の上面と該上面に形成された凹部の底面であることを特徴とする請求項8に記載の液滴吐出ヘッド。
  11. 前記接合面とされた振動板の上面に対応する振動板の下面に凹部が形成されたことを特徴とする請求項10に記載の液滴吐出ヘッド。
  12. 前記接合面の高さによって変わる前記圧力室の容積を略同一にする補助プレートを圧力室内に設けたことを特徴とする請求項9〜11の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッド。
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