(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを蓄える複数の圧力室と、該圧力室に１対１で対応し、電気信号の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる複数の積層圧電体素子と、前記圧力室の壁面の少なくとも一部を形成して前記積層圧電体素子と接着剤で連結されている振動板と、前記積層圧電体素子の端部が固定された支持基板と、前記複数の圧力室にインクを供給する流路を形成するリストリクタと、リストリクタにインクを供給する共通インク流路が設けられたハウジングと、前記圧力室からインク滴を吐出する複数個のノズルが形成されたオリフィスプレートから構成されたインクジェットプリントヘッドにおいて、
前記振動板の前記積層圧電体素子が接着される面側に、前記接着剤の前記振動板上での広がりを規定する複数の枠及び該枠近傍に設けられた余剰分の接着剤を収容する溝が形成されたサポートプレートを設け、前記接着剤が前記枠内全面を覆いかつ前記溝に流出する程度塗布されてい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】
前記サポートプレートの前記枠の周囲に前記溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
【請求項３】
前記サポートプレートの隣り合う前記枠の間に前記溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
【請求項４】
前記サポートプレートの前記枠の一部には前記枠の高さよりも低い浅溝が形成され、該浅溝は枠の近傍に設けられた連通溝に繋がっていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
【請求項５】
前記接着剤は、硬度が８０度（ショア−Ａ）以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オフィス用並びに産業用インクジェットプリントヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、積層圧電体素子によりインクを押圧し、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の公知技術としては、多種多様な方式のものが知られている。例えば、特開平１−１１５６３８号公報では、積層型振動子をクシ歯状に形成し、この積層型振動子の振動面をノズルに対向して配置したことを特徴としている。更に、例えば、特開昭６０−９０７７０号公報に開示されているように、一端が基台に固定された圧電素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、圧電素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、圧力室内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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
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、個々の部品を組み立てる際は、特に振動板と積層圧電体素子とを接着剤で連結する工程が重要である。この連結部分は、積層圧電体素子の変位を効率よく振動板に伝え、圧力室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、振動板と積層圧電体素子とを接着剤で連結する部分の組み立て上のばらつきは、直ちにインク噴射特性のばらつきに反映する。すなわち、振動板と積層圧電体素子とを連結する接着剤は、個々の連結部で接着剤の量・硬さが均一なことが、吐出特性安定化のために必要である。
【０００４】
更には、接着後に、振動板あるいは積層圧電体素子を変形させるような応力が残ると、電圧を積層圧電体素子に加えた時の積層圧電体素子及び振動板の変位量に影響を及ぼし、結果として、インク噴射特性のばらつきに反映する。特に、多ノズル化された長尺ヘッドにおいては、振動板と支持基板との熱膨張係数が異なる場合に、前記振動板と積層圧電体素子とを加熱硬化形接着剤で接着すると、硬化後、室温に戻った時点で、熱膨張係数の違いにより、振動板または積層圧電体素子に歪みが残り、インク噴射特性が不安定となる。この不具合は、特に最両端ノズルに発生し、印字品質を低下するのみならず、最悪の場合は、積層圧電体素子や振動板の破損、接着剤のはがれといった、ヘッドの寿命特性にも悪影響を及ぼす。しかしながら、前述の従来技術においては、振動板と圧電体素子とのばらつきのない接着方法や、熱膨張係数の違いによる歪みを緩和する方法が、一切開示されていなかった。
【０００５】
本発明は、上記した従来の問題点を解決するもので、その目的とするところは、インク吐出特性のばらつきを低減した、信頼性に優れるインクジェットプリントヘッドを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、インクを蓄える複数の圧力室と、該圧力室に１対１で対応し、電気信号の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる複数の積層圧電体素子と、前記圧力室の壁面の少なくとも一部を形成して前記積層圧電体素子と接着剤で連結されている振動板と、前記積層圧電体素子の端部が固定された支持基板と、前記複数の圧力室にインクを供給する流路を形成するリストリクタと、リストリクタにインクを供給する共通インク流路が設けられたハウジングと、前記圧力室からインク滴を吐出する複数個のノズルが形成されたオリフィスプレートから構成されたインクジェットプリントヘッドにおいて、前記振動板の前記積層圧電体素子が接着される面側に、前記接着剤の前記振動板上での広がりを規定する複数の枠及び該枠近傍に設けられた余剰分の接着剤を収容する溝が形成されたサポートプレートを設け、前記接着剤が前記枠内全面を覆いかつ前記溝に流出する程度塗布されていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明では、前記サポートプレートの前記枠の周囲に前記溝が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
更に、本発明では、前記サポートプレートの隣り合う前記枠の間に前記溝が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
更に、本発明では、前記サポートプレートの前記枠の一部には前記枠の高さよりも低い浅溝が形成され、該浅溝は枠の近傍に設けられた連通溝に繋がっていることを特徴とする。
【００１１】
更に、本発明では、接着剤の硬度が８０度（ショア−Ａ）以下であることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、第１の発明となるインクジェットヘッドの構造及び部品構成を説明する分解斜視図であり、図２は、図１のヘッドの組み立て状態を示す部分断面図である。
【００１４】
２は複数のノズル１を形成したオリフィスプレートである。ノズル１の開口形状の加工精度は、インクジェットプリントヘッドのインク吐出特性に大きな影響を及ぼす。複数のノズル１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、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、ニッケルの電鋳加工、ステンレス板等の精密プレス加工法またはレーザ加工法等により形成される。
【００１５】
４は圧力室３が形成されたチャンバプレートである。６は共通インク供給路１２と圧力室３とを連通し、圧力室３へのインク流入量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である。チャンバプレート４、リストリクタプレート６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等で作られる。
【００１６】
９は積層圧電体素子１５の圧力を効率よく圧力室に伝えるための振動板７と、共通インク通路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を形成したダイアフラムプレートである。ダイアフラムプレート９は、厚さ約１０μｍのステンレス材で製造され、フィルタ部８は、ノズル１の穴径よりも小さな無数の微細穴をレーザ加工により形成する。その他、ダイアフラムプレート９は、ニッケル電鋳膜やポリイミド樹脂等の高分子樹脂フィルムからも同様の性能のものを製造可能である。
【００１７】
１１は振動板７と積層圧電体素子１５とを接着剤で固定する時に、接着箇所からはみ出た接着剤が振動板７上で広がるのを規定する枠１０が形成されたサポートプレートである。サポートプレート１１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等で作られる。
【００１８】
１３は共通インク通路１２を形成したハウジングであり、金属または樹脂で作られ、外部インクタンクから、インクを共通インク通路１２まで導くインク導入パイプ１４が接合されている。
【００１９】
図１において、オリフィスプレート２と、チャンバプレート４と、リストリクタプレート６と、ダイアフラムプレート９と、サポートプレート１１及びハウジング１３とから構成される流路形成部材の組立方法は次のように行う。ここで、前記各プレートは、基準ピン２１が嵌合する1個の基準穴２２、及び長穴２３を有する。
【００２０】
まず、ハウジング１３の２個の基準穴２４に、２個の基準ピン２１を圧入する。その後、この２個の基準ピン２１を位置あわせとして、順次、エポキシ樹脂等の接着剤を適量塗布した前記各プレートを重ね合わせて圧着する。
【００２１】
次に、複数の積層圧電体素子１５と、該積層圧電体素子を固定する支持基板１６とからなる圧力発生手段１８の組み立て方法を示す。
【００２２】
まず、支持基板１６に、棒状の積層圧電体素子を複数本並べて接着固定する。支持基板１６には、積層圧電体素子１５の変位を振動板７に効率よく伝える目的で、剛性の高い、又はヤング率の高い素材としてセラミック基板を用いた。その後、複数の棒状の積層圧電体素子を、ダイシングソー、ワイヤソー等を利用した切断により分割する。この時、分割された各々の積層圧電体素子１５は、圧力室の１つずつに対応する。更に、外部駆動回路から各々の積層圧電体素子１５に、独立した電気信号を送る目的で、複数の電極１７が支持基板１６に形成される。電極１７は、フレキシブルケーブル１９と一括して接続される。
【００２３】
フレキシブルケーブル１９の端末は、外部駆動回路に接続されている。選択的な電気信号が、外部駆動回路から積層圧電体素子１５に印加されることにより、積層圧電体素子１５はひずみを生じる。積層圧電体素子１５は、高剛性の支持基板１６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の圧力を高める。
【００２４】
本例にて説明するインクジェットプリントヘッドは、こうした原理により、ノズル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。なお、本例では、配列ピッチを１００分の１インチ、約２５４μｍとしたが、ノズル数、列数及びユニット構成は、どの様な組み合わせでも限定されるものではない。
【００２５】
図２を用いて、組立方法をより詳細に説明する。
【００２６】
流路形成部材の振動板７と、圧力発生手段１８の積層圧電体素子１５の自由端とを、自由端に接着剤が塗布された状態で、最適な位置に合わせ、圧着する。ここで、接着剤を積層圧電体素子１５の自由端に塗布する方法は、転写法または印刷法で行った。組立は、通常、図２に示す状態で、接着剤の硬化前に行われる。
【００２７】
図３は、この状態を示した図２の部分拡大図である。図３において、振動板７には、接着剤の広がりを規定する枠１０が、各圧力室に対応して設置されているため、接着剤３０は、振動板７上の各々の枠１０内に収まり、硬化する。実用的な接着剤の量は、枠１０の幅や高さ、及び、枠１０と積層圧電体素子１５との間隔により、決定することが出来る。
【００２８】
ここで、図４に、従来の積層圧電体素子１５と振動板７との接着状態の一例を示す。
【００２９】
図４では、振動板７の積層圧電体素子１５と接合する面側に、枠１０が無いため、接着剤は振動板上の接着剤と繋がる。このような場合、接着剤の表面張力や毛管現象により、接着剤は硬化前に移動し、偏りが発生する。特に、積層圧電体素子１５が高密度に配置されている場合、接着剤は中央部に集まり易く、外周部では接着剤が薄くなる。この結果、振動板７上にある接着剤量に、ばらつきが発生し、結果として、振動板７の変位特性が変化し、インクの吐出特性も各ノズルで不均一なものとなる。更に、この場合、積層圧電体素子１５の駆動時に生じる振動が、弾性体である接着剤を伝わる事で、積層圧電体素子１５同士でクロストークを発生するという問題があった。
【００３０】
本発明においては、振動板７上に枠１０を設けた結果、接着剤を媒体とする上記振動が、枠１０で遮断されることになり、その結果、積層圧電体素子１５のクロストークを防止することが出来る。
【００３１】
図５に、従来の積層圧電体素子１５と振動板７との接着状態の他の例を示す。
【００３２】
接着剤の量を減らした図５の場合でも、接着剤は、積層圧電体素子と振動板との当接面の範囲から、完全にはみ出さないことは実用上出来ず、若干の接着剤が振動板７上にはみ出し、結果として振動板のコンプライアンスに差が生じて、インクの吐出特性も各ノズルで不均一であった。
【００３３】
本発明において、接着剤の量を、枠１０内全体を覆う程度とした場合には、該接着剤は該枠内で全体に一様に広がり、各振動板７上の接着剤厚さは均一となるので、振動板７におけるコンプライアンス等の圧力に対する変位特性は、それぞれの圧力室に対し均一となり、インクの吐出特性も、ばらつきが少なくなる。
【００３４】
以上より、本発明の構成は、従来の枠が無い構成に比べ、吐出特性を向上させる事が可能となる。
【００３５】
図６は、第１の発明の第１変形例となるインクジェットヘッドの部分拡大図、図７は、枠１０と溝１０１が形成されたサポートプレート１１を積層圧電体素子の接着方向から見た斜視図である。
【００３６】
図６で示すように、隣り合う枠１０の間に溝１０１を配置することにより、枠１０の上面を越える量の接着剤を積層圧電体素子１５に塗布して、枠内に収まらない余剰分の接着剤を、枠１０の上面を越えた後に溝１０１に流し込むことにより、振動板上の他の枠内の接着剤と直接繋がることを防止することが出来るばかりか、振動板７上の接着剤の厚さは、枠１０の高さで規定され、各流路間で均一となり、インク吐出特性も格段に向上させることが可能となる。実用的な接着剤の量は、溝１０１の幅や長さにより決定することが出来る。
【００３７】
図８と図９に、第１の発明の第２変形例及び第３変形例として、サポートプレート１１を積層圧電体素子の接着方向からみた斜視図を示す。
【００３８】
図８は、共通溝１０４が枠１０を取り巻いているような形状であり、この形状においても、同様な効果を得ることが出来る。
【００３９】
図９は、枠１０の一部に、枠１０の高さよりも低い浅溝１０２が各インク流路に均一な形状で形成され、他の枠１０と同一の連通溝１０３を介して連通している本発明の他の例である。このような構造でも、過剰な接着剤は浅溝１０２を通って連通溝１０３に流れ込み、結果として、個々の枠内の接着剤が振動板上の他の枠内の接着剤と、連通溝１０３を介さずに直接繋がってしまうことを防止することが出来るばかりか、振動板７上の接着剤厚さが、より均一になり、インク吐出特性も向上する。
【００４０】
次に、第２の発明について、図１０〜１１及び表１を用いて説明する。本発明は、特に、端部近傍のノズルの吐出特性を向上させ、ばらつきを低減するためのものである。
【００４１】
図１０は、積層圧電体素子１５と振動板７とを固定する接着剤として、１５０℃で加熱硬化する１液性エポキシ接着剤、または、室温硬化型の２液性エポキシ接着剤を用いて組み立てたインクジェットプリントヘッドの、インク吐出速度ばらつきをを比較したものである。
【００４２】
１５０℃で加熱硬化する接着剤を用いたものでは、両端のノズルにおいて、吐出速度が低下している。これは、ダイアフラムプレート９等からなる流路形成部材が、インクとの耐食性、加工の容易性等の理由で、ステンレス等の金属材料を用いており、一方、積層圧電体素子１５と、それを固定する支持基板１６とからなる圧力発生手段１８は、セラミックが主体の無機材料を用いているため、両者の熱膨張係数の差により、接着加熱硬化後、残留応力と残留ひずみとが発生することが原因である。
【００４３】
例えば、０．２５４ｍｍピッチ、１２８ノズルであるインクジェットプリントヘッドの場合、積層圧電体素子の最大間隔は３２．５ｍｍとなり、ステンレス及びアルミナセラミックの熱膨張係数は、各々１７×１０-6、８×１０-6である。従って、１５０℃で加熱硬化する接着剤を用いた組立では、組立後、両端の積層圧電体素子１５または振動板７には、約１５μｍのひずみが生じる。
【００４４】
このため、図１１に示すヘッド端部の部分断面図のように、積層圧電体素子１５または振動板７は、熱膨張係数の差に起因するひずみにより配列方向に変形し、積層圧電体素子の駆動効率、及び振動板の変位特性を悪化させ、結果として吐出特性を落とすことになった。これを解決するために、室温硬化の接着剤を用いることにより、熱膨張係数の差に起因する問題は無くなり、良好な吐出特性を達成することが出来る。
【００４５】
表１は、室温硬化形２液性エポキシ接着剤であるセメダイン社製のＥＰ００１を用い、主剤と硬化剤の混合比を種々変化させ、結果として、硬化後の硬度を変化させた時の、インク吐出速度のばらつきを調査した結果である。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
表１から、接着剤硬度は、高くなるほど速度ばらつきが大きくなる傾向にある。これは、振動板７上に同じ厚さばらつきの接着剤が形成されていても、硬度が高い接着剤ほど、厚さのばらつきに対して振動板のコンプライアンスに与える影響が大きいためである。接着剤３０の硬度は８０度以下にすることにより、ほぼ一定となり、インクジェットプリントヘッドの実用上の速度ばらつき限度である、±１０％以内が達成出来る。
【００４８】
以上、説明したように、本発明によれば、振動板と積層圧電体素子とを連結する接着剤が、振動板上に広がることを、振動板に設置された枠で規定するようにしたので、振動板の変位特性を均一化出来る。また、隣り合う枠の近傍に溝を配置することにより、枠の上面を越える量の接着剤を積層圧電体素子に塗布して、枠内に収まらない余剰分の接着剤を、枠の上面を越えた後に溝に流し込むことにより、振動板上の他の枠の接着剤と直接繋がることを防止することができるばかりか、振動板上の接着剤の厚さを枠の高さで規制するので、各流路間で均一となり、インク吐出特性も格段に向上させることが可能となる。これにより、インク吐出速度、インク吐出体積等の特性が安定し、寿命が向上し、結果として、印字品質が向上したインクジェットヘッドを提供できる。
【００４９】
更には、積層圧電体素子と振動板とは室温硬化の接着剤で結合され、硬度が８０度（ショア−Ａ）以下であることにより、端部ノズルの速度ばらつきをほぼ一定とする事ができ、結果として、印字品質が向上したインクジェットヘッドを提供出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１の発明の例を示すインクジェットプリントヘッドの構造及び部品構成を説明する斜視図である。
【図２】  第１の発明の例の組み立て状態を示す断面図である。
【図３】  第１の発明の例の組み立て状態を示す部分断面拡大図である。
【図４】  従来のインクジェットプリントヘッドの組み立て状態を示す部分断面拡大図である。
【図５】  従来のインクジェットプリントヘッドの組み立て状態を示す部分断面拡大図である。
【図６】  第１の発明の第１変形例での組み立て状態を示す部分断面拡大図である。
【図７】  第１の発明の第１変形例になるサポートプレートの構造を説明する斜視図である。
【図８】  第１の発明の第２変形例になるサポートプレートの構造を説明する斜視図である。
【図９】  第１の発明の第３変形例になるサポートプレートの構造を説明する斜視図である。
【図１０】  第２の発明と従来とのインクジェットプリントヘッドインク吐出速度のばらつき測定を比較したグラフである。
【図１１】  従来のインクジェットプリントヘッドの組み立て状態を示す部分断面拡大図である。
【符号の説明】
１はノズル、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は枠、１０１は溝、１０２は浅溝、１０３は連通溝、１０４は共通溝、１１はサポートプレート、１２は共通インク供給路、１３はハウジング、１４はインク導入パイプ、１５は積層圧電体素子、１６は支持基板、１７は電極、１８は圧力発生手段、１９はフレキシブルケーブル、２１は基準ピン、２２は基準穴、２３は長穴、２４は基準穴、３０は接着剤
【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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【図１０】
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【図１１】
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