(57)【要約】【課題】圧電アクチュエータを有するインクジェットヘッドにおいて、吐出されるインク滴の吐出速度や量の変化を小さくし、高品質の印字が出来るインクジェット記録ヘッドを提供する。【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と、複数のオリフィス開口に連通するインクを蓄える圧力室を有し、前記圧電アクチュエータの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、前記オリフィス開口からインク滴を外部に吐出させるインクジェットヘッドにおいて、前記支持基板の厚さが前記圧電振動子の厚さよりも小さくする。【選択図】          図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動子の一端が支持基板に固定され、他端を自由端とした複数の圧電アクチュエータと、複数のオリフィス及び該複数のオリフィスに連通するべく個々に対応して設けられたインクを蓄える圧力室を有する流路部材と、該流路部材を保持するハウジングを備え、前記流路部材の圧力室の一部に前記圧電振動子の自由端を当接してなるインクジェットヘッドにおいて、
前記支持基板の幅を前記圧電振動子の幅よりも小さくしたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項２】
前記圧電振動子は、圧電材料と内部電極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であって、該積層圧電振動子の活性部の幅をＷａ、不活性部の幅をそれぞれＷｎとしたとき、前記支持基板の幅Ｔを、Ｗａ≦Ｔ＜Ｗａ＋２×Ｗｎを満たすように構成されることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項３】
前記圧電振動子の支持基板との固定部分近傍に、前記支持基板の幅にほぼ等しい幅となるよう段差を設けることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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記録装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、圧電アクチュエータ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滴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）。
【０００３】
また、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が知られている（例えば、特許文献２参照）。この従来のインクジェットヘッドの一例を図８（斜視図）及び図９（部分断面図）に示す。
インクジェットヘッドは、オリフィス３１が形成されたオリフィスプレート３２と、圧力室３３が形成されたチャンバプレート３４と、リストリクタ３５が形成されたリストリクタプレート３６と、振動板３７およびフィルタ部３８が形成されたダイアフラムプレート３９と、共通インク通路４０が形成されたハウジング４１と、圧電アクチュエータ４３とを有する。圧電アクチュエータ４３は、圧電振動子４４の一端面がセラミックプレートで形成された支持基板４７と接合されており、圧電振動子４４の他端面をそれぞれオリフィス３１と対向するよう振動板３７に配置し、接着剤４２にて振動板３７と圧電振動子４４を当接したものである。また、個別電極４８及び共通電極４９が導電性接着剤４６を介して圧電振動子４４の外部電極４５にそれぞれ電気的に導通している。
【０００４】
インクはインクタンク（図示せず）からインク導入パイプ５１を経て共通インク通路４０に供給される。
【０００５】
インクジェットヘッドよりインク滴を吐出させるには、外部駆動電源（図示せず）より、スルーホール５０を経て、圧電アクチュエータ４３に設けられた個別電極４８及び共通電極４９へ電気信号を印加し、圧電振動子４４を変位させる。この圧電振動子４４の変位が振動板３７を介して圧力室３３の容積変化を生み、圧力室３３内に満たされているインクの圧力変化を生む。この圧力変化によって、インクはオリフィス３１よりインク滴として吐出する。
【０００６】
インク滴の吐出を行なうオリフィスの高密度化及び小型化を図るため、インクジェットヘッドは、薄板プレート（オリフィスプレート３２、チャンバプレート３４、リストリクタプレート３６及びダイアフラムプレート３９）の接着または接合で形成されたインク流路部材５２と、オリフィス３１の配置に合わせてダイシングされた圧電振動子４４を列状に配設した圧電アクチュエータ４３との組み合わせで製作されている。圧電アクチュエータ４３は振動板３７に当接されるため、ハウジング４１の開口部５３に挿入されている。
【０００７】
上述したインクジェットヘッドの構成において、圧電アクチュエータ４３の安定した駆動を確保するためには、圧電振動子４４の外部電極４５と、支持基板の個別電極４８及び共通電極４９との電気的接続を確保することが非常に重要である。しかしながら、上述の圧電アクチュエータ４３は、圧電振動子４４を支持基板４７の端面に接着されている関係で、外部電極４５と支持基板の個別電極４８及び共通電極４９との電気接続には大量の導電性接着剤４６を塗布する必要があり、しかも導通を維持させるのが困難であった。これを解決する方法として、支持基板の端面に圧電振動子を接着する際に、接着面と垂直な面で圧電振動子と支持基板の一面が連続するように接着し、その連続面に電極を形成することを提案している（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１−１１５６３８号公報  （第２頁、図２）
【特許文献２】
特開２００２−９６４６４号公報  （第５頁、図１、図２）
【特許文献３】
特許第３２０６２１４号  （第７頁、図７）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電振動子と支持基板の一面が連続するように接着し、その連続面に電極を形成する方法を採用した場合、圧電振動子４４と支持基板４７の厚さに加え、圧電素子の外部電極４５と支持基板４７の電極（４８、４９）を導通させる導電性接着剤４６の厚さの分だけ余計に幅広となり、結果的に圧電アクチュエータ４３全体の幅が広くなってしまう。そのため、ハウジング４１の開口部５３は、圧電アクチュエータ４３をハウジング４１に挿入する際のハウジングとの接触、更には圧電アクチュエータ４３をハウジングに組み込んだ後のハウジング４１と各電極（４５、４８、４９、）や導電性接着材４６との接触を避けるために、できるだけハウジング４１の開口部５３の間口（図９に示すＡの幅）を広く形成なくてはならない。しかし、開口部５３が広くなると、開口部５３に対向する位置にあるオリフィスプレート３２、チャンバプレート３４、リストリクタプレート３６など流路を形成するインク流路部材５２の剛性が弱くなり、圧電振動子４４が変位すると、これらのプレートが変形し、圧電振動子４４の変位が十分圧力室３３に伝わらず、更には隣接する圧力室へも圧電振動子の変位が伝わり、吐出するインク滴の速度や量がオリフィス毎に異なってしまうという問題が生じる。
【００１０】
また、支持基板４７の幅（図９に示すＢの幅）が圧電アクチュエータ４３の圧電振動子４４の幅（図９に示すＣの幅）より大きいと、圧電アクチュエータ４３の圧電振動子４４を支持基板４７に接着するために、支持基板４７の端面につきあてる際、不用意に扱うと角部にカケを発生させることが多くあった。圧電振動子４４の一部にカケが生じると、その部分の圧電振動子４４の質量、形状が変化し、圧電振動子４４の変位方向の機械的な振動モードが変化する。これにより、カケが生じた圧電アクチュエータ４３のオリフィス３１より連続的に吐出されるインク滴の速度や量が、他の正常なオリフィス３１より吐出されるインク滴の速度や量と異なり、インクジェットヘッド内のばらつきを発生させる原因となっていた。更に、カケが発生すると外部電極４５が剥がれるため、外部電極４５との接続を確実に行なうためには、より多くの導電性接着剤４６を塗布する必要が生じる。このため圧電アクチュエータ４３の全体の幅はますます厚くなるという問題があった。
【００１１】
本発明はこのような問題点を解決するもので、その目的とするところは、圧電アクチュエータを有するインクジェットヘッドにおいて、インクジェットヘッドのオリフィス毎に吐出されるインク滴の吐出速度や、量の変化を小さくすることができるインクジェット記録ヘッドを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１記載の発明は、圧電振動子の一端が支持基板に固定され、他端を自由端とした複数の圧電アクチュエータと、複数のオリフィス及び該複数のオリフィスに連通するべく個々に対応して設けられたインクを蓄える圧力室を有する流路部材と、該流路部材を保持するハウジングを備え、前記流路部材の圧力室の一部に前記圧電振動子の自由端を当接してなるインクジェットヘッドにおいて、前記支持基板の幅を前記圧電振動子の幅よりも小さくしたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記圧電振動子を、圧電材料と内部電極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とし、該積層圧電振動子の活性部の幅をＷａ、不活性部の幅をそれぞれＷｎとしたとき、前記支持基板の幅Ｔを、Ｗａ≦Ｔ＜Ｗａ＋２×Ｗｎを満たすように構成されることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記圧電振動子の支持基板との固定部分近傍に、前記支持基板の幅にほぼ等しい幅となるよう段差を設けることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明のインクジェットヘッドの主要部の構造を説明するための分解斜視図である。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ことになる。複数のオリフィス１間においてこれらのオリフィス精度ばらつきを低く押さえるため、オリフィスプレート２の製法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。
【００１６】
このオリフィスプレート２に圧力室３が形成されたチャンバプレート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、位置決めして接合する。
【００１７】
更に、圧電アクチュエータ１３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７と、共通インク通路１０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、共通インク通路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。
【００１８】
チャンバプレート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。
【００１９】
ハウジング１１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１０まで導くインク導入パイプ２１が接合されている。
【００２０】
複数の圧電振動子１４と、それを固定する支持基板１７からなる圧電アクチュエータ１３はハウジング１１の開口部２３から挿入され、接合される。
【００２１】
ここで、本発明においては、圧電アクチュエータ１３の支持基板１７の厚さを圧電振動子１４の厚さよりも小さくし、全体の幅を小さくする。支持基板１７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１４が配置され、支持基板１７の側面には個別電極１８と共通電極１９がパターン印刷されており、そのうち共通電極１９は支持基板１７に設けられたスルーホール２０により支持基板１７の反対側面に配線されいる。そのため圧電振動子１４の外部電極１５は、支持基板１４の個別電極１８と共通電極１９が両側面から対となって配線できるようになっている。更に、支持基板１７の個別電極１８及び共通電極１９と圧電振動子の外部電極１５とは、導電性接着剤１６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（図示せず）から独立した電気信号は電気配線ケーブル（図示せず）より、支持基板１７の個別電極１８及び共通電極１９に送られ、さらに導電性接着剤１６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１４に印加されることにより、圧電振動子１４は変位を生じる。圧電振動子１４は堅牢な支持基台１７上に接合されているため、振動板７に優先的に変位を与え、圧力室３の圧力を高め、オリフィス１よりインク滴が吐出される。本例にて説明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。
【００２２】
図２はインクジェトヘッドの部分断面図である。
図において、圧電アクチュエータ１３は支持基板１７と圧電振動子１４とで構成される。圧電振動子１４は接着剤１２を介して振動板７と接合されている。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１４に印加されることにより圧電振動子１４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１２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。ここで、吐出されるインク滴の速度や量のばらつきを小さくするため、流路を形成する構造部材の剛性を高くなるように、ハウジング１１の開口部２３を出来るだけ小さくしている。このため導電性接着剤１６はできるだけ均一に塗布する。
【００２３】
なお、本例の圧電アクチュエータ１３は面方位ｄ３３型の圧電振動子を用いた場合の例であり、ここに示している支持基板１７は例えばアルミナやジルコニアなどのセラミックスであり、電気的には絶縁体である。該支持基板の両面に圧電振動子に電気信号を送るための個別電極１８及び共通電極１９がパターン印刷されている。
【００２４】
前述した本発明の圧電アクチュエータの拡大断面図を図３に示す。圧電アクチュエータは、圧電材料と内部電極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ており、支持基板１７の中央部を圧電振動子１４の内部電極が重なり合う活性部領域Ｗａの中心線と一致させるように接合されている。また、活性領域Ｗａと両端にある不活性領域Ｗｎの総幅、つまり圧電振動子の幅（Ｗａ＋２Ｗｎ）よりも支持基板１３の幅Ｔを小さくしている。これにより、導電性接着剤１６を塗布する際、圧電振動子１４の幅よりわずかにはみ出す程度の量で接着することができ、  圧電アクチュエータ１３の全体の幅を狭くすることができる。このように製作した圧電アクチュエータを用いることにより、ハウジング１９の圧電アクチュエータ１３の開口部２３を狭くすることができ、オリフィスプレート２、チャンバプレート４、リストリクタプレート６などの流路を形成するインク流路部材の剛性を高く保つことができ、更には隣接する圧電振動子の変位の影響、いわゆるクロストークの影響を低減することができ、結果として圧電振動子の変位を効率よく圧力室に伝えることができる。これにより、吐出するインク滴のインク速度や量を一定にすることができ、高品質の印字ができるインクジェット記録ヘッドが得られることとなる。
【００２５】
圧電アクチュエータ１３の個別電極１８及び共通電極１９にに外部駆動回路から電気信号を印加すると、圧電振動子１４は図４に示す通り、活性領域Ｗａを中心に変位する。圧電振動子１４の変位を効率的に発生させ、インク滴を吐出させるために利用するには、圧電振動子１４と支持基板１７の支持領域が重要となる。支持領域が活性領域Ｗａより小さい場合、圧電振動子１４の変位は振動板７側のみならず支持基板１７の方向へも変位が発生し、変位効率が低下する。このため、圧電アクチュエータ１３の変位を振動板７に効率良く伝えるためには、少なくとも活性領域幅Ｗａ以上であることが良い。
従って、支持基板１７の幅Ｔは
Ｗａ≦Ｔ＜Ｗａ＋２×Ｗｎ
の範囲であれば、よいことになる。
【００２６】
また、支持基板１７の質量が小さく、支持基板１７と圧電振動子１４との固定が緩いと、圧電アクチュエータ１３は圧電振動子１４の変位により圧力室３の反対側にも変位し始め、圧電振動子１４の変位を効果的に振動板７に伝えることができなくなる。よって、支持基板１７の質量をかせぐために、支持基板１７の質量、及び支持基板１７として適用される材料のヤング率は、圧電振動子の質量及びヤング率よりも大きいことが望ましい。
【００２７】
次に、圧電振動子の面方位ｄ３１方向の変位を使用する場合の圧電アクチュエータの断面図を図５に示す。面方位ｄ３１方向の圧電アクチュエータを用いた場合でも、圧電振動子の支持領域つまり、支持基板２７の幅と圧電振動子１４の幅をＷａ≦Ｔ＜Ｗａ＋２×Ｗｎと定めることにより、圧電アクチュエータは振動板に効率的に変位を伝えることができるようになる。
【００２８】
図６は、本発明の他の例を示す圧電アクチュエータの拡大断面図である。本例の特徴は、圧電振動子６４の支持基板６７との接合部分に予めダイシングソー等を用いて角取りを行なって、圧電振動子６４の一部を支持基板６５とほぼ同じ幅にした後、支持基板６７と接着を行なったことにある。圧電振動子６４の一部及び支持基板６７の幅が圧電振動子６４の幅より小さいため、外部電極６５と共通電極６９及び個別電極６８との導通をするために塗布される導電性接着剤６６は圧電振動子の幅よりわずかにはみ出す程度の量で接着することができ、圧電アクチュエータ全体の幅を狭くすることができる。また、本形状において圧電振動子６４の支持基板６７との支持部に段差を設けているため、圧電振動子の角部にも導電性接着剤を塗布することができるため、導電性接着剤１６の量を減らすことなく塗布でき、電気的接続の信頼性を保つことができる。
【００２９】
図６は、本発明の他の例を示す圧電アクチュエータの拡大断面図である。本例の特徴は、圧電振動子７４の支持基板７７との接合部分に予めＣ面の段差を設けた後、支持基板７７と接着を行なったことにある。圧電振動子７４と支持基板７７との接着の際の取扱い等によっては圧電振動子７４の角部を損傷させることがある。そこで、本形状にすることにより、角部との接触が少なくなり、圧電振動子７４のカケを低下することができ、信頼性の高い圧電アクチュエータを提供することができるようになる。また、本形状において圧電振動子７４の支持基板７７との支持部に段差を設けているため、圧電振動子の角部にも導電性接着剤を塗布することができるため、導電性接着剤７６の量を減らすことなく塗布でき、電気的接続の信頼性を保つことができる。
【００３０】
【発明の効果】
圧電アクチュエータの支持基板の形状は平板のままで、厚さを圧電振動子の幅より小さくすることにより、信頼性の高い圧電アクチュエータを提供することができる。また、流路を形成する構造部材の剛性を上げることができるため、吐出されるインク滴の吐出速度や、量の変化が小さくなり、高品質の印字ができるインクジェット記録ヘッドを提供することできる。更に、本発明においては支持基板の厚みを圧電振動子より小さくしたので、支持基板と圧電振動子をつき当てて接着する際に角部が突き当て面に接触することが少なくなり角部のカケを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例となるインクジェットヘッドの分解斜視図。
【図２】本発明の一例となるインクジェットヘッドの縦部分断面図。
【図３】本発明のｄ３３型圧電アクチュエータの拡大断面図。
【図４】本発明のｄ３３型圧電アクチュエータの変位状態を示す拡大断面図。
【図５】本発明のｄ３１型圧電アクチュエータの拡大断面図。
【図６】本発明の他の例となる圧電アクチュエータの拡大断面図。
【図７】本発明の他の例となる圧電アクチュエータの拡大断面図。
【図８】従来の構成の一例となるインクジェットヘッドの分解斜視図。
【図９】従来の構成の一例となるインクジェットヘッドの縦部分断面図。
【符号の説明】
１はオリフィス、２はオリフィスプレート、３は圧力室、４はチャンバプレート、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はフィルタ部、９はダイアフラムプレート、１０は共通インク通路、１１はハウジング、１２は接着剤、１３は圧電アクチュエータ、１４は圧電振動子、１５は外部電極、１６は導電性部材、１７は支持基板、１８は個別電極、１９は共通電極、２０はスルーホール、２１はインク導入パイプである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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