JP2007062325A - インクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズル毎の振動板と圧電振動子との間に位置する接着剤の量を均一にして、オリフィスから吐出されるインク滴の吐出速度と吐出体積におけるノズル毎のバラツキを小さくするインクジェットヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】一端側を支持基板１９に固定し、他端側を自由端とした複数の圧電振動子１６が列状に配設されるとともに、インク滴吐出に関与しないダミー圧電振動子が両端部に設けられた圧電アクチュエータ１５の圧電振動子１６の自由端に接着剤１４を塗布後、ダミー圧電振動子を除去してから前記振動板７に当接して固着させることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電振動子によりインクに圧力を加えてインク滴を飛翔させ、印刷媒体にインク像を形成するインクジェットヘッドの製造方法に関する。

従来から、圧電振動子を用いて圧力室内のインクの圧力を変化させ、オリフィスからインクを吐出させる圧電振動子方式のインクジェットヘッドが知られている（例えば、特許文献１参照）。圧電振動子に圧電材料と導電材料とをそれぞれ層状に交互に積層して形成された積層圧電振動子を用いたインクジェットヘッドの従来例の分解斜視図を図８に示す
図において、２は複数のオリフィス１を形成したオリフィスプレートである。オリフィス１の開口形状の加工精度はインクジェットヘッドのインク吐出特性に大きな影響を及ぼす。複数のオリフィス間において、これらの位置や穴径などのばらつきを低く押さえるため、オリフィスプレート２の製造には高い加工精度が要求される。このため、オリフィスプレート２は、ステンレスの精密プレス加工法、レーザー加工法、あるいはニッケルの電鋳加工法等で形成される。

このオリフィスプレート２に、圧力室３が形成された圧力室プレート４と、インク供給路１０と圧力室３とを連結し、圧力室３へのインク流入を制御するリストリクタ５が形成されたリストリクタプレート６を、位置決めして接合する。

さらに、圧電振動子１６の圧力を効率よく圧力室３に伝えるための弾性壁となる振動板７と、共通インク流路１２からリストリクタ５に流入するインク中のゴミ等を取り除くフィルタ部８が形成された弾性を有するダイアフラムプレート９と、共通インク流路１２を形成したハウジング１３を同じように位置決めして接合する。

上記圧力室プレート４、リストリクタプレート６、ダイアフラムプレート９は、ステンレス材の精密プレス法やエッチング加工法またはニッケル材の電鋳加工法で作られる。

ハウジング１３は、ステンレス材の切削加工等で形成され、インクを共通インク流路１２まで導くインク導入パイプ２３が接合されている。

そして、複数の圧電振動子１６と、それを固定する支持基板１９からなる圧電アクチュエータ１５をハウジング１３の開口部より、挿入し接合する。

支持基板１９の端面には、それぞれの圧力室３の一つずつに対応するように圧電振動子１６が配置され、支持基板１９の側面には個別電極２０と共通電極２１がパターン印刷されており、共通電極２１は、支持基板１９に設けられたスルーホール２２より支持基板１９の反対面に配線されている。そのため圧電振動子１６の外部電極１７は、支持基板１９の個別電極２０と共通電極２１が両側面から対となって配線できるようになっている。さらに、支持基板１９の個別電極２０及び共通電極２１と圧電振動子の外部電極１７は、導電性接着剤１８により電気的に接続されている。これにより、外部駆動回路からの電気信号は図示しない配線ケーブルより、支持基板１９の個別電極２０及び共通電極２１に送られ、さらに導電性接着剤１８を通じ、外部駆動回路から選択的な電気信号が圧電振動子１６に印加されることにより、圧電振動子１６はひずみを生じる。このひずみが振動板７に変位を与え、圧力室３の圧力が変化する。インクジェットヘッドはこうした原理によってオリフィス１からインクを吐出して、記録媒体上にインク画像を形成する装置に用いられる。

従来のインクジェトヘッドのノズル構造の概略断面を図９に示す。

図において、圧電アクチュエータ１５は、支持基板１９と圧電振動子１６とで構成されており、該支持基板１９と該圧電振動子１６は図示しないエポキシ系接着剤で接着されている。また、該圧電振動子１６の反対面は、接着剤１４を介して振動板７と固着されており、圧力室３内の圧力は振動板７が変形することにより急激に変動する。すなわち、外部駆動回路から選択的な電気信号が圧電振動子１６に印加されることにより、圧電振動子１６はオリフィス１へ向かう方向に変位を発生する。この変位により接着剤１４を介して振動板７が変形し、圧力室３内に充填されたインクは、加圧され、オリフィス１からインク滴となって吐出する。

インクジェットヘッドによって良好な記録を行うには、複数のノズルから吐出されるインク滴の吐出速度と吐出体積が均一であることが望ましい。各ノズルのインク吐出特性を揃えるためには、個々の部品を精度良く製造することが重要であるが、加えて、個々の部品を組み立てる際は、特に振動板と圧電振動子とを接着剤で固着させる工程も重要となる。この固着部分には、圧電振動子の変位を効率よく振動板に伝えて、圧力室内に発生した圧力変動によりノズルからインクを吐出させる働きを助長する役割がある。従って、圧電振動子の変位による振動板の動きは、圧力室の圧力変化と密接に関係する。ノズル毎に接着剤の量が異なり、振動板のコンプライアンスが異なると、振動板の動きがノズル毎に異なり、直ちにインク吐出特性のばらつきに反映される。すなわち、振動板と圧電振動子とを連結する接着は、ノズル毎の振動板のコンプライアンスを均一にすることが、吐出特性安定化のために必要である。

このため、一端が支持基板に固定された圧電振動子の他端の自由端面に圧力室を構成する振動板が当接するように構成されたインクジェットヘッドにおいて、圧電振動子と振動板とを接着剤を用いて当接させる際、接着状態を均一化するため、振動板の圧電振動子が接着される面側に、接着剤の振動板上での広がりを規定する複数の枠を設置する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−９６４６４号公報

特開２００２−３３１６７１号公報

しかし、上記した方法では、接着剤の振動板上での広がりを規定する複数の枠を設置するために、複雑な形状の複数枚のプレートを用いることになる。さらには、圧電振動子を挿入し振動板に当接する際、複数の複雑な枠の中に圧電振動子を挿入するため、該枠に圧電振動子が接触しない様にする必要が有り、高い部品精度と組立精度が必要とされる。このため、インクジェットヘッドの製造において、コスト高の要因になっていた。

振動板のコンプライアンスが異なること、つまりは、振動板と圧電振動子との間に位置する接着剤の量が異なることがインク吐出特性のばらつきの原因となるため、接着剤の量を均一にすることが重要である。

本発明では、ノズル毎の振動板と圧電振動子との間に位置する接着剤の量を均一にして、オリフィスから吐出されるインク滴の吐出速度と吐出体積におけるノズル毎のバラツキを小さくして、高品質の画質が得られる信頼性の高いインクジェットヘッドの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のインクジェットヘッドの製造方法では、自由端を有する複数の圧電振動子が列状に配設されるとともに、インク滴吐出に関与しないダミー圧電振動子が両端部に設けられた圧電アクチュエータと、インクを吐出するオリフィスに連通して壁面の一部を弾性材料の振動板から形成されてインクを蓄える圧力室を複数有するとともに前記圧力室にインクを供給する流路が形成されたインク流路ユニットとから構成されるインクジェットヘッドの製造方法において、
前記圧電アクチュエータの圧電振動子の自由端に接着剤を塗布する工程と、
前記ダミー圧電振動子を除去する工程と、
前記振動板に当接して固着させる工程とを有することを特徴とする。

また、本発明のインクジェットヘッドの製造方法では、前記ダミー圧電振動子が、前記圧電アクチュエータに配設された前記圧電振動子の幅、間隔と等しく、かつ、両端部にそれぞれ２個以上設けられることを特徴とする。

そして、本発明のインクジェットヘッドは、上記した製造方法で形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、振動板に圧電振動子を接着剤にて当接する際に、予め設けておいたダミー圧電振動子を事前に除去することで、ノズル毎の振動板と圧電振動子との間に位置する接着剤の量が均一となり、振動板のコンプライアンスが均一化され、インク滴の吐出速度と吐出体積におけるノズル毎のバラツキを小さくして、印字品質の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。

図１は、本発明のインクジェットヘッドの一実施例を示す分解斜視図である。図において、１はオリフィス、２はオリフィスプレート、３は圧力室、４は圧力室プレート、５はリストリクタ、６はリストリクタプレート、７は振動板、８はフィルタ、９はダイアフラムプレート、１０は穴部、１１はサポートプレート、１２は共通インク流路、１３はハウジング、１４は接着剤、１５は圧電アクチュエータ、１６は圧電振動子、１７は外部電極、１８は導電性接着剤、１９は支持基板、２０は個別電極、２１は共通電極、２２はスルーホール、２３はインク導入パイプ、２６はインク流路ユニットである。オリフィスプレート２は、インクを吐出するオリフィス１が複数個列状に設けられている。このオリフィス１に対応して圧力室３が形成された圧力室プレート４、及びインク供給路１０と圧力室３とを連結し、圧力室３へのインク流入を制御するリストリクタ５を形成したリストリクタプレート６を、位置決めして接合している。さらに、圧電振動子１６の圧力を圧力室に伝えるための振動板７と、フィルタ部８とを形成した弾性を有するダイアフラムプレート９と、共通インク流路１０を形成したハウジング１１を同じように位置決めして接合する。ここで、前記した各プレートとハウジングの接合体をインク流路ユニット２６と呼ぶ。

そして、複数の圧電振動子１６と、それを固定するために圧電振動子１６と支持基板１９からなる圧電アクチュエータ１５を、インク流路ユニット２６のハウジング１３の開口部より挿入し、振動板７に当接して固着することにより、インクジェットヘッドが完成される。

図２は、本発明によるインクジェトヘッドのノズル構造を示した概略断面図である。図において、圧電アクチュエータ１５は支持基板１９と圧電振動子１６とで構成される。圧電振動子１６は接着剤１４を介して振動板７と固着されている。従って、圧力室３内の圧力は振動板７が変形することにより急激に変動する。すなわち、外部駆動回路から選択的な電気信号が圧電振動子１６に印加されることにより圧電振動子１６は、オリフィス１へ向かう方向に変位を発生する。この変位により接着剤１４を介して振動板７が変形し、圧力室３内に充填されたインクは、加圧され、オリフィス１からインク滴となって吐出する。

図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。複数のノズルよりインクを吐出させるために、複数個のオリフィス１が横一列に配置され、これらのオリフィス１に個々に連通する圧力室３によりノズルが形成されている。これらの圧力室３には、振動板７がそれぞれに設けられており、その振動板７には、圧電アクチュエータ１５の圧電振動子１６の自由端面が接着剤１４にて当接されている。この当接部分は、圧電振動子１６の変位を効率よく振動板７に伝え、圧力室３内に圧力変動を発生させ、この結果として、ノズルからインクを吐出させる働きを受け持つ。従って、圧電振動子１６の変位による振動板７の動きは、圧力室の圧力変化と密接に関係する。ノズル毎に接着剤１４の量が異なり、振動板７のコンプライアンスが異なると、振動板７の動きがノズル毎に異なり、インク吐出特性のばらつきに反映することになる。

本発明に用いた圧電アクチュエータ１５を製作する工程は以下の通りである。

まず、支持基板１９の圧電振動子１６の接着面に、棒状の積層圧電振動子をエポキシ系接着剤にて接合する。この積層圧電振動子の長さは、列状に配設される吐出用ノズル数よりは多くて、少なくとも４ノズル分の圧電振動子が余剰で形成される長さのものを用いる。

次に、支持基板１９の側面に設けられた個別電極２０、共通電極２１とを、棒状の圧電振動子の両面にある個別電極、共通電極それぞれに、ペースト状の導電性接着剤１８をディスペンサーで塗布し、電気的に導通するように接着する。この時、支持基板の個別電極は該導電性接着がつながって塗布されているため、電気的に全て導通している。

その後、ダイシングソーやワイヤソー等を利用して棒状の積層圧電振動子を切断して分割する。この時、分割された各々の圧電振動子１６は、圧力室の一つずつに対応するように切断されるが、その両端においても、インク滴吐出に関与しないダミー圧電振動子が設けられるように切断する。また、支持基板１９上の導電性接着剤にて導通していた個別電極２０は、各電極が分離する深さまで切断することにより、個別電極として分割される。

上記圧電アクチュエータ１５の圧電振動子１６の自由端側に接着剤１４を塗布する方法として、転写法を用いた。転写法の手順を図４（ａ）〜（ｄ）に示す。
まず、平らな硬い板２５（例えばガラスプレート）上に、均一な厚さのスペーサ２６（例えば粘着テープ）を２列平行に接着した(図４（ａ）)。該スペーサの厚みにより塗布される接着剤の量をコントロールできる。次に、この２列のスペーサ間に接着剤を盛り、この接着剤をガラスプレート等でスペーサと同じ厚さになるように平らにならし、余分な接着剤をかき取った。これにより、スペーサと同じ厚さの均一な接着剤１４の層ができる(図４（ｂ）)。そして、該接着剤の層に垂直な方向から圧電アクチュエータ１５の圧電振動子１６の自由端面を平行に当接した(図４（ｃ）)。その後、一定角度かつ一定速度で、圧電アクチュエータ１５を引き上げ、これにより均一な厚さの接着剤１４を圧電振動子１６の自由端面に塗布することができた(図４（ｄ）)。

近年、インクジェットヘッドには小型化、高密度化が求められ、ノズルピッチは狭くなる傾向にある。そのため、圧電振動子の間隔も狭くなり、その結果、図５に示す圧電アクチュエータ１５の断面図のように、圧電振動子１６の自由端に接着剤１４を塗布する際、接着剤１４が、毛細管現象により圧電振動子１６の間隙に入り込み、更には表面張力により、両端部の圧電振動子の間隙に多く入り込み、その自由端面側に多く溜まる形状となる。この状態にある両端部の圧電振動子を振動板に当接すると、両端部に多く溜まった接着剤１４や圧電振動子の間隙に入り込んだ接着剤が振動板上に広がり、振動板上の接着剤の量は、両端ほど多くなる。圧電振動子１６の変位によってもたらさられる振動板の動きは、該振動板上に広がる接着剤によって拘束される。このため、見かけ上、振動板のコンプライアンスは、振動板自身のコンプライアンスと、振動板上に広がる接着剤によって構成される。上記の如く、振動板上の接着剤の広がる量に両端と中央部と差が生じるため、結果的に、振動板のコンプライアンスが異なることになる。振動板のコンプライアンスが、ノズル毎に異なると、振動板の変形が異なり、インク滴の吐出速度や吐出体積のばらつきとなる。

上記の現象を抑えるためには、接着剤の量を均一にする必要があるが、接着剤の粘性、表面張力により、両端の圧電振動子に近いほど、圧電振動子に塗布される接着剤の量は増加する。このため、圧電アクチュエータの両端部にダミー圧電振動子を設け、転写法により接着剤を塗布する。そして、圧電振動子の自由端面を振動板に当接する前に不要なダミー圧電振動子を、例えば、ピンセット等を用いて除去してから振動板に当接する。この結果、振動板上に広がる接着剤の量が均一なノズルのみを形成することができ、各ノズルの振動板のコンプライアンスは均一化される。また、ダミー圧電振動子を除去することで、圧電振動子の長さは従来のものと同じで、ハウジング１３の開口部の長さも変えることなく、従来の剛性を維持したインクジェットヘッドとすることができる。

また、図５に示す通り、圧電振動子間に入り込む接着剤は端ほど徐々に増加し、両端部に位置する圧電振動子は、側面に多く張り出す接着剤と圧電振動子の間隙に入り込む接着剤が表面張力により引き合い、隣接の２個目の圧電振動子間まで接着剤が多く入り込んだ状態になる。このため、使用する圧電振動子の間に入り込む接着剤の量を均一にするには、ダミー圧電素子数を２個以上とするのが良く、さらには、ダミー圧電振動子の形状、間隔は実際にインク滴吐出に用いる圧電振動子群と等しくするのが良い。これは、実際にインク滴吐出に用いる圧電振動子と同じ間隔で切断することで、製造方法が統一され、容易に切断できるほか、同じ条件で圧電振動子を配置することで、接着剤の量が均一にし易く、ダミー圧電振動子数を最小限にすることができる。

図６は、本発明で製作した複数個の圧電振動子が並ぶ圧電アクチュエータ１５に、外部駆動回路から一定の電圧を該圧電アクチュエータ１５に印加し、得られる圧電振動子の変位量を測定した結果である。図において、圧電振動子Ｎｏ．１及びＮｏ．１２８は列内の両端に位置している。この図より、列内の両端及びその付近に位置する圧電振動子の変位量がそれ以外よりも大きいのが分かる。変位量のばらつきは、圧力室に発生する圧力のばらつきとなり、ノズルから吐出されるインク吐出速度と吐出体積のばらつきとなる。なお、図において、圧電振動子Ｎｏ．は圧電アクチュエータ１５の端からの順に付けられた番号であり、ここでは圧電振動子の数は１２８個の例を示しているが、ノズルの数に限定されるものではなく、圧電振動子の両端部分の変位量が大きいことを示している。このため、圧電アクチュエータ１５の両端部の圧電振動子は使用されないことがある。この使用されない部分の圧電振動子を上記したダミー圧電振動子として用いると、無駄のない圧電振動子として使用することができる。

図７は、両端の２個の圧電振動子をダミー圧電振動子とした前記圧電アクチュエータ１５を用い、先端に接着剤１４を塗布した後に、ダミー圧電振動子を除去し、振動板に接着する手順で作成した圧電アクチュエータ１５で、配設された圧電振動子を変位させた時の振動板７の変位を測定した結果である。図６において、配設された圧電振動子の中で最も変位が大きかった両端をダミー圧電振動子として除去して使用しないで、更に接着剤１４が均一塗布されたため、変位のばらつきが小さい圧電アクチュエータとなっている。

以上のようにしてダミー圧電振動子を設けた圧電アクチュエータ１５において、圧電振動子群の自由端面に接着剤１４を転写法により接着剤を塗布することによって、該接着剤は、接着剤の毛細管現象、及び表面張力により、圧電振動子群の両端部のダミー圧電振動子部に多く塗布されることになるが、この多く塗布されたダミー圧電振動子を削除した後、圧電アクチュエータ１５を振動板１４に当接した結果、各圧電振動子における振動板上の接着剤の厚さがほぼ等しくなるため、振動板７のコンプライアンスは均一化され、振動板７の動きのばらつきが小さくなる。したがって、本発明によれば、ノズルから吐出されるインク吐出速度、及び吐出体積のばらつきが小さいインクジェットヘッドを製造できる。

本発明の製造方法によるインクジェットヘッドの一実施例を示した分解斜視図である。 本発明の製造方法によるインクジェットヘッドのノズル構造を示した概略断面図である。 本発明の製造方法によるインクジェットヘッドで、図２のＡ−Ａ部分断面図である。 本発明の製造方法における圧電アクチュエータに接着剤を塗布する転写法の説明図である。 本発明の製造方法において圧電振動子に接着剤を塗布した圧電アクチュエータの断面図である。 本発明の製造方法によるインクジェットヘッドの圧電振動子の位置とその変位量を示す図である。 本発明の製造方法によるインクジェットヘッドの振動板との位置とその変位量を示す図である。 従来例を示した斜視図である。 従来例を示した部分断面図である

符号の説明

１ オリフィス
２ オリフィスプレート
３ 圧力室
４ 圧力室プレート
５ リストリクタ
６ リストリクタプレート
７ 振動板
８ フィルタ
９ ダイアフラムプレート
１０ 穴部
１１ サポートプレート
１２ 共通インク流路
１３ ハウジング
１４ 接着剤
１５ 圧電アクチュエータ
１６ 圧電振動子
１７ 外部電極
１８ 導電性接着剤
１９ 支持基板
２０ 個別電極
２１ 共通電極
２２ インク導入パイプ
２３ スルーホール
２４ 板
２５ スペーサ
２６ インク流路ユニット
２７ ダミー圧電振動子

Claims (3)

1. 自由端を有する複数の圧電振動子が列状に配設されるとともに、インク滴吐出に関与しないダミー圧電振動子が両端部に設けられた圧電アクチュエータと、インクを吐出するオリフィスに連通して壁面の一部を弾性材料の振動板から形成されてインクを蓄える圧力室を複数有するとともに前記圧力室にインクを供給する流路が形成されたインク流路ユニットから構成されるインクジェットヘッドの製造方法において、
   前記圧電アクチュエータの圧電振動子の自由端に接着剤を塗布する工程と、
   前記ダミー圧電振動子を除去する工程と、
   前記振動板に当接して固着させる工程とを有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。
2. 前記ダミー圧電振動子が、前記圧電アクチュエータに配設された前記圧電振動子の幅、間隔と等しく、かつ、両端部にそれぞれ２個以上設けられている請求項１記載のインクジェットヘッドの製造方法。
3. 前記請求項２に記載のインクジェットヘッドの製造方法で形成されているインクジェットヘッド。
   

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