(57)【要約】【課題】  圧電アクチュエータを用いたインクジェットプリントヘッドにおいて、前記圧電アクチュエータの振動モード（共振周波数）のばらつきを小さくし、安価で高品質の印刷が可能な信頼性の高いインクジェットプリントヘッドを提供する。【解決手段】  圧電振動子の一端側が支持基板に固定され他端側を自由端とした複数の圧電アクチュエータを有し、該圧電アクチュエータに電圧を印加することで圧力室の容積を膨張、収縮させ、ノズル開口からインク滴を外部に吐出させるインクジェットプリントヘッドにおいて、前記支持基板の前記圧電振動子との接着面の表面粗さが算術表面粗さで０．８μｍ以上６．３μｍ以下とするでことを特徴とする。【選択図】図１
2006001164.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動子の一端側が支持基板に固定され他端側を自由端とした複数の圧電アクチュエータと、複数のノズル開口に連通するインクを蓄える圧力室を有し、該圧力室は弾性壁を有し、該弾性壁には電圧を印加することで収縮するアクチュエータの自由端が前記圧力室に対応して当接され、流路形成部材と該流路部材を固定するハウジングを備え、ノズル開口に対応して配列された前記圧電アクチュエータに電気信号が印加される事により、前記圧電アクチュエータの前記自由端側の先端により前記圧力室の容積を膨張、収縮させ、前記ノズル開口からインク滴を外部に吐出させるインクジェットプリントヘッドにおいて、前記支持基板の前記圧電振動子との接着面の表面粗さが算術表面粗さで０．８μｍ以上６．３μｍ以下であることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。
【請求項２】
前記支持基板の接着面の表面粗さが算術表面粗さで０．８μｍ以上６．３μｍ以下であり、且つ二乗平均表面粗さＲＭＳ値が、１．５μｍ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プリントヘッド。
【請求項３】
圧電振動子の一端側が支持基板に固定され他端側を自由端とした複数の圧電アクチュエータと、複数のノズル開口に連通するインクを蓄える圧力室を有し、該圧力室は弾性壁を有し、該弾性壁には電圧を印加することで収縮するアクチュエータの自由端が前記圧力室に対応して当接され、流路形成部材と該流路部材を固定するハウジングを備え、ノズル開口に対応して配列された前記圧電アクチュエータに電気信号が印加される事により、前記圧電アクチュエータの前記自由端側の先端により前記圧力室の容積を膨張、収縮させ、前記ノズル開口からインク滴を外部に吐出させるインクジェットプリントヘッドにおいて、前記支持基板の接着面の表面は、算術表面粗さで０．８μｍ以下に除去加工を行った後、表面を荒らすことを特徴とする請求項１記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項４】
前記支持基板の接着面の表面を塩酸によって荒らすことを特徴とする請求項３記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項５】
前記支持基板の接着面の表面をサンドブラストによって荒らすことを特徴とする請求項３記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータが発生する変位によってインク滴を飛翔させ、記録媒体にインク像を形成するインクジェットプリントヘッド及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、ノズルからインクを吐出させる、圧電アクチュエータ方式のインクジェットプリントヘッドが知られている。例えば、積層型圧電振動子を櫛歯状に形成し、この積層型圧電振動子の振動面をノズルに対向して配置したインクジェットがある。
【０００３】
また、一端が支持基板に固定された圧電振動子の他端に圧力室を構成する振動板が当接するように構成され、圧電振動子の伸縮によって振動板を変形させ、圧力室の圧力を高めて、圧力室のインクをノズルから液滴として吐出させる構成が知られている。
【０００４】
圧電材料と導伝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を図５に示す。
【０００５】
図５において、ノズル１を有するノズルプレート２、圧力室３を形成するチャンバプレート４、及び共通インク通路１２と圧力室３とを連通して圧力室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とを位置決めして接合する。更に、圧電アクチュエータ１５の変位を圧力室３に伝えるための振動板７及びフィルタ部８を形成したダイアフラムプレート９と、振動板７の振動領域を規定する穴部１０を有するサポートプレート１１とを位置決めして接合する。これらの薄板を貼り合わせることでインク流路を形成し、さらに共通インク流路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。また、ハウジングにはヒータ２３を貼り付けることにより、共通インク流路１２及び各プレートより形成された流路内のインクを加熱することができるようになる。これにより、室温で固体であるホットメルトインクや、室温では粘度が高いインクをヒータ２３で加熱し粘度を下げることで、インクをノズル１より吐出することができる。
【０００６】
最後に、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を位置決めして接合する。圧電アクチュエータ１５は複数の圧電振動子１６からなり、各々の圧電振動子１６は圧力室３の一つずつに対応するようになっている。各圧電振動子１６は、個別電極２０及び図の裏側にある共通電極の外部電極２２が導電性接着剤１８により接続されており、個別電極２０に選択的な電気信号を加えることで、圧電振動子１６を変形させる。圧電振動子１６の変形が振動板８を介して圧力室４に伝わり、インク導入パイプ２２より流入したインクはノズル１からインク滴として吐出する。
【０００７】
インクジェットプリン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するインク滴の吐出速度、インク重量等のインク吐出特性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、各ノズル毎の圧電アクチュエータの変位および振動モードのばらつきを抑えることが重要である。
【０００８】
圧電アクチュエータ１５の製作方法は次の通りである。棒状の圧電振動子１６を支持基板１９の端面に接着した後、圧電振動子１６の個別電極２０および共通電極部を支持基盤１９９の側面にあらかじめ形成された電極部に導電性接着剤１８を用いて電気的に接続する。この際、支持基板１９に形成された個別電極２０は導電性接着剤１８で全て電気的につながった状態になる。次に接着された棒状の圧電振動子１６および支持基板１９を各ノズルに対応するようにダイシングソーやワイヤソーを利用して切断する。この際、導電性接着剤１８でつながった支持基板１９の個別電極２０も同時に切断されそれぞれの個別電極として機能することになる。このようにして各ノズル１に対応した圧電アクチュエータ１５が形成される。また、インクジェットプリントヘッドを加熱しホットメルトインクや室温では粘度が高いインクを用いる場合、圧電アクチュエータ１５とインク流路形成部材の熱膨張を考慮し支持基板１９にステンレス材を用いた場合の組み立て方法が知られている。
【０００９】
圧電アクチュエータ１５は圧電振動子１６が支持基板１９の端面に列状に並んで、各ノズル１の振動板７に変位を伝えるが、該振動板７に伝達される変位がノズル毎に異なると、圧力室３で発生するインクの圧力変化がノズル毎に異なり、ノズル１から吐出されるインクの速度や吐出量にばらつきを発生させることになる。インク滴を吐出させるのに必要な圧電振動子１６の変位量は０．２から０．５μｍ程度とごく小さいため、ばらつきを小さくするためには、支持基板１９の端面は平らな方が良いとされている。しかし、圧電アクチュエータ１５は上記のごとく、棒状の圧電振動子１６を支持基板１９の端面に接着し製作するが、この際、支持基板１９の接着面が鏡面状態に近い状態では接着力が弱く、各ノズル１に対応するように切断する際、圧電振動子１６１６が剥がれることがあった。また、一般に硬化前後の体積変化が小さい高温硬化型の接着剤で接着する際は、棒状の圧電振動子と特にステンレス材の支持基板１９を用いた場合、棒状の圧電振動子１６との熱膨張の差により中央部と端部の伸びが異なるため、圧電アクチュエータ１５の端の接着力が特に弱くる。この状態で、各ノズル１に対応するように切断すると圧電アクチュエータ１５の振動モード（共振周波数）が端部のノズル１で低下するような、ノズル毎にばらついた圧電アクチュエータ１５となった。圧電アクチュエータ１５の共振周波数は、圧電振動子１６が変位する際の変位速度や圧電振動子１６の残留振動に影響を与え、振動板７を介して吐出されるインク吐出に影響を与える。このため複数のノズル１から吐出するインク滴の吐出特性が均一化を行うためには、圧電アクチュエータ１５の共振周波数のばらつきは出来るだけ小さくする必要があった。
【００１０】
【特許文献１】特開平１−１１５６３８号公報
【００１１】
【特許文献２】特開２００３−３９６７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
解決しようとする問題は、複数のノズルからインクを吐出させるインクジェットプリントヘッドにおいて、圧電アクチュエータの歩留りを上げることであり、さらに圧電アクチュエータの各ノズル毎の共振周波数ばらつきを抑えることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、インクジェットプリントヘッドにおいて、支持基板の圧電振動子との接着面の表面粗さを算術表面粗さ（Ｒａ）で０．８μｍ以上６．３μｍ以下とすることを最も重要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、支持基板の圧電振動子との接着面の表面粗さを算術表面粗さ（Ｒａ）で０．８μｍ以上６．３μｍ以下とすることで、圧電振動子と支持基板の接着力が増し圧電アクチュエータの歩留りが向上し結果的に安価なインクジェットヘッドとなり、更に圧電アクチュエータの共振周波数のばらつきが小さくなり、ノズルから吐出されるインク滴の特性ばらつきの小さく信頼性が高いインクジェットヘッドが提供出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
安価で、ノズルから吐出されるインク滴の特性ばらつきを小さくするという目的を、簡単な構成で実現した。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明のインクジェットプリントヘッドの主要部の部分断面図である。
【００１７】
図１において、１０２は複数のノズル１０１を形成したノズルプレートである。ノズル１０１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ことになる。複数のノズル１０１間においてこれらのノズル精度ばらつきを低く押さえるため、ノズルプレート１０２の製法は高い加工精度が要求される。このためノズルプレート１０２はステンレスの精密プレス法、レーザー加工法あるいはニッケルの電鋳加工等により形成される。
【００１８】
このノズルプレート１０２に圧力室１０３が形成されたチャンバプレート１０４、及び共通インク流路１１２と圧力室１０３とを連結し、圧力室１０３へのインク流入を制御するリストリクタ１０５を形成したリストリクタプレート１０６を、位置決めして接合する。
【００１９】
更に、圧電アクチュエータ１１５の圧力を効率よく圧力室に伝えるための弾性壁となる振動板１０７と、共通インク流路１１２からリストリクタ１０５に流入するインク中のゴミ等を取り除くフィルタ１０８とを形成した弾性を有するダイアフラムプレート１０９と、振動板１０８の振動領域を規定する穴部１１０を有するサポートプレート１１１と、共通インク流路１１２を形成したハウジング１１３を同じように位置決めして接合する。
【００２０】
上記チャンバプレート１０４、リストリクタプレート１０６、ダイアフラムプレート１０９、サポートプレート１１１は、ステンレス材のエッチング加工法または精密プレス法、ニッケル材の電鋳加工法等で作られる。
【００２１】
ハウジング１１３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通路１１２まで導くインク導入パイプが接合されている。
【００２２】
最後に、複数の圧電振動子１１６と、それを固定する絶縁性のセラミックスやジルコニア製の支持基板１１９からなる圧電アクチュエータ１１５をハウジング１１３の開口部より挿入し、圧電振動子１１６の自由端と振動板１０７とを接着剤１１４にて当接する。支持基板１１９の端面にはそれぞれの圧力室１０３の一つずつに対応するように圧電振動子１１６が配置され、支持基板１１９の側面には個別電極１２０と共通電極１２１がパターン印刷に配線されている。更に、支持基板１１９の個別電極１２０及び共通電極１２１と圧電振動子１１６の外部電極は、導電性接着剤１１８により電気的に接続されている。これにより、外部駆動回路から独立した電気信号は図示しないフラットケーブルより、支持基板１１９の個別電極１２０及び共通電極１２１に送られ、さらに導電性接着剤１１８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１１６に印加されることにより、圧電振動子１１６はひずみを生じる。圧電振動子１１６は支持基台１１９上に接着されているため、圧電振動子１１６の自由端面に当接する振動板１０７に優先的に変位を与え圧力室１０３の圧力を高めることができる。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１１６に印加されることにより圧電振動子１１６はノズル１０１へ向かう方向に変位を発生する。この変位により接着剤１１４を介して振動板１０７が変形し、圧力室１０３内に充填されたインクは加圧され、ノズル１０１からインク滴となって吐出する。本例にて説明するインクジェットプリントヘッドはこうした原理によってノズル１０１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。
【００２３】
ノズル１０１から吐出されるインク滴の吐出速度、吐出量がノズル毎のばらつきは、記録媒体にインク画を形成した際の印刷品質を下げることになる。このためノズル毎のインク滴の吐出特性のばらつきは小さいほうがよい。このため上記のごとく、部品精度、及び組み立て精度を高める必要がある。しかし、インク滴を吐出するために振動板１０７を介して圧力室１０３の圧力を高める働きをする圧電アクチュエータ１１５の変位量及び振動モード（共振周波数）のばらつきも吐出特性に大きく影響を及ぼす。圧電アクチュエータ１１５の変位量のばらつきは、圧力室１０３の圧力変化のばらつきを生じるため吐出されるインク滴の速度及び吐出量のばらつきとなる。また、圧電アクチュエータ１１５の振動モード（共振周波数）のばらつきは、圧電振動子１６が変位する際の変位速度や圧電振動子１１６の残留振動に影響を与え、振動板１０７を介して伝達される圧力室１０３内のインク圧力変化のばらつきとなり、ノズル毎に吐出されるインク滴速度及びインク滴量の吐出周波数によるばらつきとなって現れる。
【００２４】
圧電アクチュエータ１１５の変位のばらつきは、各ノズル毎に対応するように圧電振動子１１６を切断する前の棒状の圧電振動子１１６の構成材料である圧電材料、導電材料の均一化及びこれらの積層によって形成される活性領域の均一化等により変位量のばらつきを小さくすることが出来る。また逆に、両端の活性領域の面積を変えることで圧電振動子１１６の変位ばらつきを小さくする方法がある。
【００２５】
前記の方法などにより変位量のばらつきを小さくした圧電振動子１１６を用いて、振動モードのばらつきが小さい圧電アクチュエータ１１５の製作するには、支持基板１１９と圧電振動子１１６との接着面の表面粗さが重要になってくる。固定基板１１９の端面に棒状の積層圧振動子を接着剤１１４にて接着する際、該接着剤１１４は、圧電振動子１１６の変位を有効に振動板１０７に伝達させるため硬化後の硬度が硬いものを選択し、さらには薄く塗布する必要がある。また、圧電アクチュエータ１１５の振動モード（共振周波数）のばらつきを小さくするには接着面全体が均一になるような厚さに塗布する必要がある。このため支持基板１１９の端面の表面粗さは出来るだけ小さいほうが良い。しかし鏡面もしくはそれに近い状態では、接着強度が弱くなり、圧電振動子１１６を切断する際、圧電振動子１１６が剥がれ落ちることがあった。このため、支持基板１１９の接着面は、ある程度の粗さが必要である。一方、ノズルよりインク滴を吐出させるのに必要な圧電振動子１１６の変位量は０．２から０．５μｍ程度である。このため、表面粗さが大きすぎると、振動板７に伝達される変位のばらつきの原因となる。このばらつきを最小限にし、接着力を高める支持基板１１９の接着面の表面粗さは、算術表面粗さ（Ｒａ）で０．８μｍ以上６．３μｍ以下であれば良いことがわかった。以下に、その理由を示す。
【００２６】
図２に、算術表面粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ、０．８μｍ、３．５μｍの支持基板１１９を用いた圧電アクチュエータ１１５の共振周波数を測定した結果を示す。
【００２７】
本結果は、長さ１．４５ｍｍ、幅０．２８５ｍｍ、高さ２．１５ｍｍの圧電振動が９６個並んだ圧電アクチュエータ１１５の例である。表面粗さ（Ｒａ）０．５μｍの両端（約６ノズルずつ）の共振周波数が低下しているが、これは支持基板１１９と圧電振動子１１６との接着の際、支持基板１１９の接着面の表面が滑らかであるため、接着力が弱くなり、特に両端部の接着力が弱くなっているために起こっている。最悪の場合、圧電振動子１６が剥がれ落ちる場合もある。一方、表面粗さ（Ｒａ）３．５μｍの共振周波数はノミナル値が高くなっている。また、０．８μｍの場合にあっても、両端の共振周波数の低下は極わずかに抑えられており、従って、Ｒａ≧０．８μｍであれば、変位ばらつきを抑えられることが分かった。これは、支持基板１１９の凹凸部に接着剤が入り込み支持基板１１９と圧電振動子１１６が強固に接着されているためである。また、支持基板１１９と圧電振動子１１６の接着が強固になるため、圧電振動子１１６を変位させインクを吐出させる際、該接着面の剥れが発生しづらくなり、インクジェットプリントヘッドの寿命を長くすることが出来る。
【００２８】
図６に、各ノズルに対応する個々の圧電素子の変位量を測定したグラフを示す。
【００２９】
各ノズル毎の圧電振動子の変位を均一にするためには、出来るだけ接着面が均一であるほうが良いが、上記の如く鏡面では接着力不足となる。そこで、表面粗さＲａ＝３．５、６．３、６．８μｍ品で圧電振動子の変位を測定した結果、平均値はそれぞれ、０．３８６、０．３７９、０．３８１となり、変位のばらつき（標準偏差）はそれぞれ、０．０４、０．０４、０．０７μｍとなり、Ｒａ＝６．８μｍ品において、変位のばらつきが大きくなるという結果が得られた。従って、表面粗さＲａは、６．３μｍ以下が良いことが分かった。
【００３０】
ここで、支持基板１１９の接着面の算術表面粗さ（Ｒａ）を０．８μｍ以上６．３μｍ以下となるようにするには、支持基板１１９の接着面である端面をＲａで０．８μｍ以下に加工除去した後、ラッピングフィルム等によって表面を荒らすと良い。これは支持基板１１９の高さ精度が保たれるためである。支持基板１１９の高さが異なると圧電アクチュエータ１１６を振動板１７に接着する際、均一に加圧できなるほか、圧電振動子１１６が振動板１０７に傾いた状態で接着される恐れがある。
【実施例２】
【００３１】
図３、図４は、支持基板２１９に導電性を有するステンレス材を用いた場合の圧電アクチュエータ２１５を示す。先ず、棒状の圧電振動子２１６を接着面の表面を表面粗さ（Ｒａ）で０．８μｍ以上６．３μｍ以下に機械加工した支持基板２１９にエポキシ系の接着剤２１４で接着する。つぎにフラットケーブル２２５を支持基板２１９の側面にエポキシ系の接着剤で接着する。該フラットケーブル２２５は圧電振動子２１６の個別電極２２０に接続するケーブル２２０とその両端に共通電極と接続するケーブル２２１が形成されている。共通電極用のケーブルはフラットケーブル２２５の両側に設けられたスルーホール２２４に導電性接着剤を注入することで、導体である支持基板２１９と電気的に接続される。個別電極は、棒状の圧電振動子２１６の個別電極に導電性接着剤２１８を用いて電気的に接着する。また、棒状の圧電振動子２１６の共通電極は支持基板２１９と導電性接着剤２１８を用いて電気的に接続する。その後、ダイシングソーやワイヤソー等を用いて各ノズルに対応するように切断する。この際、個別電極に塗られた導電性接着剤よりも深く切断することで、個別電極が形成される。この様にして支持基板２１９にステンレス材を用いた圧電アクチュエータ２１５は製造することが出来る。
【００３２】
しかし、始めに棒状の圧電振動子２１６とステンレス材の支持基板２１９とを接着剤で接着する際は、実施例１で記したように、接着剤は、圧電振動子２１６の変位を有効に振動板２０７に伝達させるため硬化後の高度が硬いものを選択し、薄く、かつ、均一に塗布する必要がある。特に、接着剤に高温硬化型接着剤を使用でする際は、セラミック製の棒状の圧電振動子２１６とステンレス材の支持基板２１９の熱膨張の差により両端部の接着が極端に弱くなり、最悪の場合、圧電振動子２１６が剥がれ落ちる場合がある。これを防ぐには、表面に微小な孔を点在させると良い。該孔が接着する際、アンカー効果となり、接着力を更に強くすることが出来る。接着面に孔を形成させるには、支持基板２１９の接着面を塩酸に浸し、表面を荒らすと良い。塩酸による処理で表面粗さは算術表面粗さ（Ｒａ）で０．８μｍ以上６．３μｍ以下の範囲であるが、更に二乗平均表面粗さＲＭＳ値を、１．５μｍ以上に荒らすことが出来る。これは、支持基板２１９の接着面に微細な孔が形成されていることを示し、圧電振動子２１６との接着力を増すことが出来る。この手法は、ステンレス材と酸の化学反応を利用するものであるが、酸の濃度や浸す時間、温度等条件を管理する必要がある。さらに、砂状の物質を支持基板２１９の接着面に吹き付け、物理的に表面を荒らすサンドブラストを用いても良い。また、塩酸処理とサンドブラスト処理を組み合わせた方法でも良い。
【００３３】
上記の方法により、支持基板２１９にステンレス材を用いた場合でも支持基板２１９の接着面を二乗平均表面粗さＲＭＳ値で１．５μｍ以上に荒らすことにより、接着強度が増し、振動子２１６が剥がれずに、共振周波数のばらつきが小さい圧電アクチュエータ２１５を製造することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係るインクジェットプリントヘッドの縦部分断面図である。（実施例１）
【図２】本発明における圧電アクチュエータのノズル毎の共振周波数の示す図である。（実施例１）
【図３】本発明に係るインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータの正面図である。（実施例２）
【図４】本発明に係るインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータの側面図である。（実施例２）
【図５】従来例を示したインクジェットヘッドの分解斜視図である。
【図６】各ノズルに対応する個々の圧電素子の変位量を示すグラフである。（実施例１）
【符号の説明】
【００３５】
１０１、１０２  ノズル
１０３、２０３  圧力室、
１１３、２１３  ハウジング
１１５          圧電アクチュエータ
１１６、２１６  圧電振動子
１１９、２１９  支持基板
【図１】
2006001164.tif 000003
【図２】
2006001164.tif 000004
【図３】
2006001164.tif 000005
【図４】
2006001164.tif 000006
【図５】
2006001164.tif 000007
【図６】
2006001164.tif 000008