JP4284913B2 - インクジェットヘッドおよびその製造方法ならびにインクジェット式記録装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットヘッドおよびその製造方法ならびにインクジェット式記録装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
インクジェット式記録装置のインクジェットヘッドは、インク液を収容する圧力室を持つ圧力室部品と、この圧力室からインク滴を吐出させるためのアクチュエータ部である強誘電体素子とを備えている。強誘電体素子には、強誘電体膜と、この強誘電体膜に電圧を印加して収縮及び伸張させる個別電極及び共通電極とを備えており、強誘電体膜の圧電効果により圧力室の容積を変化させてインク滴をノズル孔から吐出させるように構成されている。
【0003】
そして、多数のノズル孔から吐出されるインク滴の吐出特性を安定化させるには、強誘電体素子の変位特性、共振特性のバラツキを抑制する必要がある。
【0004】
ここで、特開2000−301715号公報には、ヘッド本体部とアクチュエータ部とが接着されてなるインクジェットにおいて、振動板の変位部に接合材が付着することを防止する技術が開示されている。その構成は、振動板のヘッド本体部側の面に振動板の変位部を圧力室に晒す窓部が設けられた中間層を形成し、中間層と本体部との区画壁とを電着層からなる接合材により接着したもので、中間層は銅より形成され、接合材のはみ出し部が振動板の変位部に付着しないよう、その厚みは5μmに設定されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した技術によれば、中間層を新たに設ける必要があるので、製造時の工数が増加し、生産性の低下や製造コストの増大を招く。
【0006】
また、このような中間層を設けずに、直接振動板と圧力室の区画壁を接合する場合には、塗布された接合材が圧力室を構成する区画壁の接着面より少なくなってその端面が接着されなかったり、端面まで接着されたりする。すると、変位特性や共振特性がばらついてインク吐出効率が悪化し、信頼性の高いインクジェットヘッドを得ることができない。
【0007】
そこで、本発明は、インク吐出効率の優れたインクジェットヘッドに関する技術を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明のインクジェットヘッドは、圧力室を形成する複数の区画壁と、圧力室を覆うようにして接合材を介して区画壁上に固定された振動板と、振動板の上に形成された強誘電体膜と、強誘電体膜の上に形成され、圧力室の容積を変化させる方向に強誘電体膜を変位させる個別電極とを有し、接合材のヤング率を1.0×E+8〜1.0×E+10N/m 2 にすると共に、圧力室内において、接合材を、振動板の平面に沿って、強誘電体膜の形成範囲の内側まではみ出すように構成したものである。
【0009】
これにより、複数の強誘電体素子の相互間における変位特性や共振特性が均一化されてインク吐出効率の優れたインクジェットヘッドを得ることが可能になる。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1に記載の発明は、圧力室を形成する複数の区画壁と、圧力室を覆うようにして接合材を介して区画壁上に固定された振動板と、振動板の上に形成された強誘電体膜と、強誘電体膜の上に形成され、圧力室の容積を変化させる方向に強誘電体膜を変位させる個別電極とを有し、接合材のヤング率を1.0×E+8〜1.0×E+10N/m 2 にすると共に、圧力室内において、接合材を、振動板の平面に沿って、強誘電体膜の形成範囲の内側まではみ出すように構成したインクジェットヘッドであり、複数の強誘電体素子の相互間における変位特性や共振特性が均一化されてインク吐出効率の優れたインクジェットヘッドを得ることが可能になるという作用を有する。
【0011】
本発明の請求項2に記載の発明は、請求項1記載の発明において、接合材における振動板の平面に沿った方向へのはみ出し幅が5μm以上であるインクジェットヘッドであり、複数の強誘電体素子の相互間における変位特性や共振特性が均一化されてインク吐出効率の優れたインクジェットヘッドを得ることが可能になるという作用を有する。
【0013】
本発明の請求項3に記載の発明は、請求項1〜2の何れか一項に記載の発明において、接合材はアクリル樹脂またはエポキシ樹脂であるインクジェットヘッドであり、これらの樹脂材料を用いることにより、振動板の変位量のばらつきを比較的小さくすることができるので、複数の強誘電体素子の相互間における変位特性や共振特性が均一化されてインク吐出効率の優れたインクジェットヘッドを得ることが可能になるという作用を有する。
【0014】
本発明の請求項4に記載の発明は、請求項1〜3の何れか一項に記載の発明において、振動板が電極を兼ねているインクジェットヘッドであり、複数の強誘電体素子の相互間における変位特性や共振特性が均一化されてインク吐出効率の優れたインクジェットヘッドを得ることが可能になるという作用を有する。
【0015】
本発明の請求項5に記載の発明は、請求項1〜4の何れか一項に記載のインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置であり、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になるという作用を有する。
【0018】
本発明の請求項6に記載の発明は、圧力室を形成する複数の区画壁に、圧力室を覆うようにして接合材を介して振動板を接着し、区画壁と振動板とを相互に圧接する方向の押圧力を付加して、圧力室内において、接合材を、振動板の平面に沿って、強誘電体膜の形成範囲の内側まではみ出すようにしたインクジェットヘッドの製造方法であって、接合材を、区画壁または、区画壁に対応する位置の振動板に塗布する際に、個々の圧力室に対応した塗布領域の端部に、端部以外の領域よりも***した状態で接合材を塗布するインクジェットヘッドの製造方法であり、確実な接合材のはみ出しと、ヘッドの接合・固定を行うことができるので、複数の強誘電体素子の相互間における変位特性や共振特性が均一化されてインク吐出効率の優れたインクジェットヘッドを得ることが可能になるという作用を有する。
【0019】
以下、本発明の実施の形態について、図1から図10を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。
【0020】
図1は本発明の一実施の形態である強誘電体素子が用いられたインクジェット式記録装置の全体概略構成を示す斜視図、図2は図1のインクジェット式記録装置におけるインクジェットヘッドの全体構成を示す断面図、図3は図2の要部を示す斜視図、図4は図2のインクジェットヘッドを示す断面図、図5は接合材のはみ出し幅と強誘電体素子の変位量との関係を示すグラフ、図6は接合材のヤング率が1.0×E+7N/m2で振動板兼共通電極の平面に沿った方向へのはみ出し幅が+10μmのときの共振特性と、接合材のヤング率が1.0×E+8N/m2で振動板兼共通電極の平面に沿った方向へのはみ出し幅が+10μmのときの共振特性とを示すグラフ、図7は本発明の一実施の形態であるインクジェットヘッドの製造方法を連続的に示す断面図、図8は本発明の一実施の形態であるインクジェットヘッドの製造過程における接合材の塗布形状を示す断面図、図9は図8における接合材の***部分の寸法の一例を示す説明図、図10は本発明の一実施の形態であるインクジェットヘッドの製造過程における接合材の塗布形状を示す断面図である。
【0021】
図1に示すインクジェット式記録装置40は、強誘電体素子の圧電効果を利用して記録を行う本発明のインクジェットヘッド41を備え、このインクジェットヘッド41から吐出したインク滴を紙等の記録媒体42に着弾させて、記録媒体42に記録を行うものである。インクジェットヘッド41は、主走査方向Xに配置したキャリッジ軸43に設けられたキャリッジ44に搭載されていて、キャリッジ44がキャリッジ軸43に沿って往復動するのに応じて、主走査方向Xに往復動する。さらに、インクジェット式記録装置40は、記録媒体42をインクジェットヘッド41の幅方向(すなわち、主走査方向X)と略垂直方向の副走査方向Yに移動させる複数個のローラ(移動手段)45を備える。
【0022】
図2は本発明の実施の形態のインクジェットヘッド41の全体構成を示し、図3はその要部の構成を示す。図2および図3において、Aは圧力室部品であって、圧力室用開口部1が形成される。Bは圧力室用開口部1の上端開口面を覆うように配置されるアクチュエータ部、Cは圧力室用開口部1の下端開口面を覆うように配置されるインク液流路部品である。圧力室部品Aの圧力室用開口部1は、その上下に位置するアクチュエータ部Bおよびインク液流路部品Cにより区画されて圧力室2となる。アクチュエータ部Bには、圧力室2の上方に位置する個別電極(第2の電極)3が配置されている。これ等圧力室2および個別電極3は、図2から判るように、千鳥状に多数配列されている。インク液流路部品Cには、インク液供給方向に並ぶ圧力室2間で共用する共通液室5と、この共通液室5を圧力室2に連通する供給口6と、圧力室2内のインク液が流出するインク流路7とが形成される。Dはノズル板であって、インク流路7に連通するノズル孔8が形成されている。また、図2において、EはICチップであって、ボンディングワイヤーBWを介して多数の個別電極3に対して電圧を供給する。
【0023】
次に、アクチュエータ部Bの構成を図4に基づいて説明する。
【0024】
図4では、直交方向に並ぶ圧力室2を持つ圧力室部品Aが参照的に描かれている。
【0025】
このアクチュエータ部は、圧力室2を形成する複数の区画壁2a、圧力室2を覆うようにして区画壁2a上に固定された振動板兼共通電極(振動板あるいは第1の電極)11、振動板兼共通電極11上に形成された強誘電体膜10、強誘電体膜10上に形成された個別電極(第2の電極)3とを有している。そして、個別電極3と振動板兼共通電極11とは、圧力室2の容積を変化させる方向に強誘電体膜10を相互に協働して変位させる。
【0026】
振動板兼共通電極11は、たとえばアクリル樹脂またはエポキシ樹脂からなる接合材14を介して区画壁2aに固定されており、図示するように、この接合材14は圧力室2内にはみ出している。そして、接合材14のはみ出し幅は、振動板兼共通電極11の平面に沿った方向へ5μm以上となっている。また、ヤング率が1.0×E+8〜1.0×E+10N/m2となっている。
【0027】
ここで、接合材14のはみ出し幅と強誘電体素子の変位量との関係を図5に示す。
【0028】
図5に示すように、ヤング率の小さな接合材を用いた場合で、且つはみ出し幅が5μm以上であれば、変位量が安定しているのが分かる。そして、接合材のヤング率が大きくなればなるほど変位の変動が大きくなり、またはみ出し幅が5μm以下、特にはみ出し幅が−(マイナス)になると、変位の変動が大きくなる。よって、図5から、接合材14の振動板兼共通電極11の平面に沿った方向へのはみ出し幅が5μm以上で、接合材14のヤング率が1.0×E+10N/m2以下のときに強誘電体素子の変位が安定することが読み取れる。
【0029】
図6に、接合材のヤング率が1.0×E+7N/m2で振動板兼共通電極の平面に沿った方向へのはみ出し幅が+10μmのときの共振特性(図6(a))と、接合材のヤング率が1.0×E+8N/m2で振動板兼共通電極の平面に沿った方向へのはみ出し幅が+10μmのときの共振特性(図6(b))とを示す。
【0030】
図6(a)に示す場合つまり接合材のヤング率が小さい場合には共振がばらつき、図6(b)に示す場合つまり接合材のヤング率が大きい場合には共振がばらつかないことが分かる。したがって、共振特性の点からは、接合材のヤング率は1.0×E+8N/m2以上であることが望ましいことが読み取れる。
【0031】
以上説明した図5および図6から、本実施の形態では、前述したように、接合材14のはみ出し幅が、振動板兼共通電極11の平面に沿った方向へ5μm以上で、そのヤング率が1.0×E+8〜1.0×E+10N/m2となっているものである。
【0032】
なお、本実施の形態では第1の電極と振動板とを一体とした構造(振動板が第1の電極を兼ねている)となっているが、両者は別々に形成されていても良い。その場合には、区画壁2aの上に振動板を固定し、その上に第1の電極が形成されていれば良い。
【0033】
本実施の形態において、個別電極3は例えばPt(白金)で、強誘電体膜10は例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)で、振動板兼共通電極11は例えばCu(銅)で、それぞれ形成されている。また、個別電極3は例えば厚さ0.2μmに、強誘電体膜10は例えば厚さ3μmに、振動板兼共通電極11は例えば厚さ5.5μmに、各々成膜されている。
【0034】
また、個別電極3、強誘電体膜10、振動板兼共通電極11などの形成方法は、公知の各種の膜形成法、例えばスクリーン印刷の如き厚膜法やディッピング等の塗布法、スパッタリング法、CVD法、真空蒸着法、ゾルゲル法、メッキ等の薄膜形成法等が適宜採用され得るが、それらに何等限定されるものではない。
【0035】
なお、本実施の形態に示す、振動板兼共通電極11、強誘電体膜10、個別電極3のそれぞれの膜間には、例えばそれぞれの膜の接合を良くするなどの目的で、これら以外の層を介在させても構わない。
【0036】
ここで、以上説明した構成を有するインクジェットヘッドの製造方法について図7を用いて説明する。
【0037】
図7において、先ず、例えばMgO基板15上に個別電極3をエピタキシャル成長により成膜し(図7(a))、個別電極3上にペロブスカイト構造の強誘電体膜10を成膜し(図7(b))、強誘電体膜10上に振動板兼共通電極11を成膜する(図7(c))。なお、振動板を第1の電極とは別に設ける場合には、さらに第1の電極上に振動板を成膜する。
【0038】
その後、振動板兼共通電極11を接合材14がはみ出すようにして区画壁2aに固定し(図7(d))、例えばリン酸を用いたウエットエッチングによりMgO基板15を除去する(図7(e))。最後に、個別電極3および強誘電体膜10を所定の形状にパターニングすると(図7(f))、図4に示したインクジェットヘッドが得られる。
【0039】
ここで、接合材14は、図8に示すように、その塗布端部が***した状態となるように電着技術で区画壁2aに塗布すれば(図8(a))、振動板兼共通電極11と区画壁2aとを接合した際に接合材14の***部分が圧力室内にはみ出すようになるので(図8(b))、接合材14のはみ出しを容易に形成することができる。なお、接合材14は、たとえば印加電圧8.5V、電圧印加時間60SEC、なじみ時間20SECの形成条件の下、図9に示すように、全体の塗布厚を3μm、***部分の***量を1μm、***幅を30μm程度とすることができる。但し、このように塗布端部が***した接合材14は振動板兼共通電極11側に塗布することも可能である。
【0040】
そして、塗布端部が***するように接合材14を塗布(図8(a))したならば(図8(a))、図10に示すように、区画壁2aと振動板兼共通電極11とを相互に圧接する方向の押圧力たとえば7kg/cm2程度付加して接合材14を圧力室2内にはみ出させ、押圧力を付加したまま、接合材14の粘度が低下するとともにこの接合材14の硬化が発生しない温度(たとえば80℃)で60分〜120分程度にわたって加熱する第1の加熱処理を行う。この第1の加熱処理後には、常温でたとえば30分間冷却する。冷却後、押圧力を除去した状態で接合材が硬化する温度(たとえば180℃)で120分程度にわたって加熱する第2の加熱処理を行い、インクジェットヘッドを形成する。第2の加熱処理における昇温時間はたとえば240分、降温時間はたとえば60分とする。
【0041】
なお、第1の加熱処理後、冷却を行うことなく、第2の加熱処理を行ってもよい。
【0042】
以上説明したように、本実施の形態によれば、インクを吐出するすべての圧力室において接合材を振動板の少なくとも面内方向の圧力室内にはみ出させることにより複数の強誘電体素子の相互間における変位特性や共振特性が均一化されるので、インク吐出効率の優れたインクジェットヘッドを得ることが可能になる。
【0043】
そして、このようなインクジェットヘッドを備えたインクジェット式記録装置によれば、安定したインク吐出により高画質の印字を行うことが可能になる。
【0044】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、接合材を圧力室内にはみ出させることによって、複数の強誘電体素子の相互間における変位特性や共振特性が均一化されるので、インク吐出効率の優れたインクジェットヘッドを得ることが可能になるという有効な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態である強誘電体素子が用いられたインクジェット式記録装置の全体概略構成を示す斜視図
【図2】図1のインクジェット式記録装置におけるインクジェットヘッドの全体構成を示す断面図
【図3】図2の要部を示す斜視図
【図4】図2のインクジェットヘッドを示す断面図
【図5】接合材のはみ出し幅と強誘電体素子の変位量との関係を示すグラフ
【図6】接合材のヤング率が1.0×E+7N/m2で振動板兼共通電極の平面に沿った方向へのはみ出し幅が+10μmのときの共振特性と、接合材のヤング率が1.0×E+8N/m2で振動板兼共通電極の平面に沿った方向へのはみ出し幅が+10μmのときの共振特性とを示すグラフ
【図7】本発明の一実施の形態であるインクジェットヘッドの製造方法を連続的に示す断面図
【図8】本発明の一実施の形態であるインクジェットヘッドの製造過程における接合材の塗布形状を示す断面図
【図9】図8における接合材の***部分の寸法の一例を示す説明図
【図10】本発明の一実施の形態であるインクジェットヘッドの製造過程における接合材の塗布形状を示す断面図
【符号の説明】
2 圧力室
2a 区画壁
3 個別電極(第2の電極)
10 強誘電体膜
11 振動板兼共通電極(振動板、第1の電極)
14 接合材
41 インクジェットヘッド
40 インクジェット式記録装置
Claims (6)
- 圧力室を形成する複数の区画壁と、
前記圧力室を覆うようにして接合材を介して前記区画壁上に固定された振動板と、
前記振動板の上に形成された強誘電体膜と、
前記強誘電体膜の上に形成され、前記圧力室の容積を変化させる方向に前記強誘電体膜を変位させる個別電極とを有し、
前記接合材のヤング率を1.0×E+8〜1.0×E+10N/m 2 にすると共に、
前記圧力室内において、前記接合材を、前記振動板の平面に沿って、前記強誘電体膜の形成範囲の内側まではみ出すように構成したことを特徴とするインクジェットヘッド。 - 前記接合材における前記振動板の平面に沿った方向へのはみ出し幅が5μm以上であることを特徴とする請求項1記載のインクジェットヘッド。
- 前記接合材はアクリル樹脂またはエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項1〜2の何れか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 前記振動板が電極を兼ねていることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 請求項1〜4の何れか一項に記載のインクジェットヘッドを備えたことを特徴とするインクジェット式記録装置。
- 圧力室を形成する複数の区画壁に、前記圧力室を覆うようにして接合材を介して振動板を接着し、
前記区画壁と前記振動板とを相互に圧接する方向の押圧力を付加して、前記圧力室内において、前記接合材を、前記振動板の平面に沿って、前記強誘電体膜の形成範囲の内側まではみ出すようにしたインクジェットヘッドの製造方法であって、
前記接合材を、前記区画壁または、前記区画壁に対応する位置の前記振動板に塗布する際に、
個々の圧力室に対応した塗布領域の端部に、端部以外の領域よりも***した状態で、前記接合材を塗布すること特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
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