JP2004241669A - 圧電アクチュエータの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電アクチュエータの動作単位の複数個分が配置された大判の素材シートを焼成するとき、素材シートの中央部分と周辺部分で収縮量が異なることによる電極のピッチにバラツキを生じることを解消する。
【解決手段】圧電アクチュエータ２０の各動作単位の複数の領域がマトリックス状に配置された大判の素材シート２１０、２２０、２３０を積層して積層体を形成する工程と、この積層体の平板面に積層体の厚み方向に貫通する切り込み５０を前記動作単位を構成する領域どうしの境界の一部に穿設する工程と、その後、その積層体を全面において押圧し一体化する工程と、さらにその後積層体を焼成する工程と、焼成された積層体から圧電アクチュエータを切り離す工程とを有する。
【選択図】 図６
【解決手段】圧電アクチュエータ２０の各動作単位の複数の領域がマトリックス状に配置された大判の素材シート２１０、２２０、２３０を積層して積層体を形成する工程と、この積層体の平板面に積層体の厚み方向に貫通する切り込み５０を前記動作単位を構成する領域どうしの境界の一部に穿設する工程と、その後、その積層体を全面において押圧し一体化する工程と、さらにその後積層体を焼成する工程と、焼成された積層体から圧電アクチュエータを切り離す工程とを有する。
【選択図】 図６
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極への電圧の印加により変形動作する圧電アクチュエータの製造方法に関し、特に電極パターンが表面に形成されて複数の圧電シートが積層されて形成された圧電アクチュエータの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
先行技術のオンデマンド型の圧電式インクジェットヘッドにおいては、特許文献１に記載されているように、複数個のノズル及びこの各ノズル毎のインク室を備えたキャビティユニットと、前記各インク室毎に形成された平面状の個別電極が表面に形成された圧電シート（セラミックスグリーンシート）と隣接する複数のインク室に共通するコモン電極が形成された圧電シートとを積層したプレート型の圧電アクチュエータとからなり、この圧電アクチュエータを、前記キャビティユニットに当該圧電アクチュエータにおける個別電極が各インク室に対応するように積層したものがある。
【０００３】
このような圧電アクチュエータは、一般的に圧電アクチュエータの動作単位である圧電シートを複数個並べた大きさの素材シートを積層して積層体をつくり、この積層体を積層方向に押圧して焼成し、動作単位ごとに分割することで製造される。積層体は焼成により収縮するが、この収縮量は積層体の平板面の中央部分と周辺部分とで異なることが知られている。これは、積層体が押圧される際に、中央部分と周辺部分とで素材シートの圧電材料に密度の差が生じるためである。その結果、積層体の中央部分に配置された前記動作単位の領域と、周辺部分に配置された前記動作単位の領域では、領域内に形成された電極のピッチに差異が生じていた。従って、金属材料等で作成したキャビティユニットと圧電アクチュエータとを任意に組み合わせると、インク室のピッチと個別電極のピッチとが一致しないという問題があった。
【０００４】
そのため特許文献１では、圧電アクチュエータの表面に圧電シートに挟まれた個別電極の位置を示すマークを予め複数設けておき、マーク間のピッチを測定することにより、焼成工程後の圧電アクチュエータの収縮量を測定する。そして、その測定量を所定範囲ごとに複数のグループに分け、同様にキャビティユニットのインク室のピッチも測定して所定範囲ごとに複数のグループに分け、両ピッチがほぼ一致するグループ毎に圧電アクチュエータとキャビティユニットとを組み合わせて接合していた。
【０００５】
【特許公報１】
特開２００２−２３４１７１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成では、製造された圧電アクチュエータの収縮量をマークを用いて測定するため、測定作業自体は簡易になったが、圧電アクチュエータの収縮量を個別に測定して複数のグループに分けるという煩雑さは、改善されていなかった。
【０００７】
また、キャビティユニットは、金属製であるため本来はインク室のピッチを正確に製造できるものである。しかしながら、収縮量の異なる圧電アクチュエータの各グループに対応させて組み合わせるために、キャビティユニットもインク室のピッチの異なるものをあらかじめ複数のグループ用意しておかなければならず、キャビティユニットの製造工程での手間が増えていた。
【０００８】
さらに、近年、印字速度を高速化するために、インクジェットプリンタヘッドのノズル数を増加させた大型化が図られており、１個のインクジェットプリンタヘッドに用いられる圧電アクチュエータも大型化する傾向にある。そのため、大型化した圧電アクチュエータの場合に、従来と同様の収縮量のバラツキがあると、１つの圧電アクチュエータの中で電極のピッチにバラツキが生じることになり、これが大型化を妨げる大きな問題であった。
【０００９】
本発明は、このような問題を解消した圧電アクチュエータの製造方法を提供することを技術的課題とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記技術的課題を解決するために、請求項１に記載の発明の圧電アクチュエータの製造方法は、電極への電圧の印加により変形動作する圧電アクチュエータを、各インク室内の容積を変化させる活性部に対応して電極パターンが表面に形成された複数の圧電シートを積層し、その積層方向に押圧し、焼成により形成する製造方法において、前記圧電アクチュエータの動作単位の複数個分が一体で形成される大きさを有する大判の素材シートに、各動作単位を構成する領域毎の電極パターンを形成する工程と、前記複数の領域がマトリックス状に配置された素材シートを積層して積層体を形成する工程と、この積層体の平板面に積層体の厚み方向に貫通する切り込みを前記動作単位を構成する領域どうしの境界の一部に穿設する工程と、切り込みが設けられた積層体をその積層方向に押圧し一体化する工程とを、少なくとも有することを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項２に記載の圧電アクチュエータの製造方法は、電極への電圧の印加により変形動作する圧電アクチュエータを、各インク室内の容積を変化させる活性部に対応して電極パターンが表面に形成された複数の圧電シートを積層し、その積層方向に押圧し、焼成により形成する製造方法において、前記圧電アクチュエータの動作単位の複数個分が一体で形成される大きさを有する大判の素材シートに、各動作単位を構成する領域毎に電極パターンを形成する工程と、前記複数の領域がマトリックス状に配置された素材シートにおける前記領域どうしの境界の所定の一部に、素材シートの厚み方向に貫通する切り込みを穿設する工程と、前記各素材シートにおける切り込みの位置を上下で一致させた状態で複数枚の素材シートを積層して積層体を形成する工程と、前記積層体をその積層方向に押圧する工程とを、少なくとも有することを特徴とするものである。
【００１２】
そして、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の圧電アクチュエータの製造方法において、前記切り込みは前記素材シートの側辺に沿って略平行に少なくとも一本形成することを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法において、前記切り込みは前記積層体の平板面の中心線に対して対称形となるように配置することを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法において、前記切り込みは前記積層体の平板面の中央部で交差方向に延びるように形成することを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法において、圧電アクチュエータは、１つのインクジェットプリンタヘッドにおける複数のインク室に面するように配置された複数の活性部を有する一体のものを、１つの動作単位とすることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態による圧電式インクジェットプリンタヘッドを示す分解斜視図、図２はキャビティユニットの部分的拡大斜視図、図３は圧電アクチュエータの分解斜視図、図４は圧電アクチュエータの斜視図、図５は大判の素材シートを示す斜視図、図６は大判の素材シートの積層体を示す斜視図、図７は積層体に形成された切り込みの拡大斜視図、図８は積層体に形成されたスリットの拡大斜視図、図９は大判の素材シートにそれぞれ切り込みが形成された場合の斜視図、図１０〜図１３は切り込みの配置例を示す平面図、図１４及び図１５は圧電アクチュエータの他の実施例の斜視図、図１６は図１５の圧電アクチュエータの最上面の平面図、図１７は圧電アクチュエータの他の実施例を含むインクジェットプリントヘッドの部分的拡大断面図、図１８は図１７のインクジェットプリントヘッドの動作を示す部分的拡大断面図である。
【００１７】
図１において、金属板製のキャビティユニット１０に対して接合されるプレート型の圧電アクチュエータ２０の上面には、外部機器との接続のために、フレキシブルフラットケーブル４０が接着剤にて重ね接合されているものであり、最下層のキャビティユニット１０の下面側に開口されたノズルから下向きにインクが噴出するものとする。
【００１８】
前記キャビティユニット１０は、図２に示すように構成されている。すなわち、ノズルプレート１１、二枚のマニホールドプレート１２、スペーサプレート１３及びベースプレート１４の５枚の薄い板をそれぞれ積層した構造としている。
【００１９】
実施形態では、合成樹脂製のノズルプレート１１を除き、各プレート１２、１３、１４は、４２％ニッケル合金鋼板製で、５０μｍ〜１５０μｍ程度の厚さを有する。前記ノズルプレート１１には、微小径（実施形態では２５μｍ程度）のインク噴出用のノズル１５が微小間隔で多数個穿設されている。このノズル１５は、当該ノズルプレート１１における第１の方向（長辺方向）に沿って千鳥配列状で２列に配列されている。
【００２０】
前記２枚のマニホールドプレート１２には、図２に示すように、インク通路１２ａ、１２ｂが、前記ノズル１５の列の両側で、当該プレート１２の長辺に略沿って延びるように穿設されている。但し、下側のマニホールドプレート１２におけるインク通路１２ｂは、当該マニホールドプレート１２の上側にのみ開放するように凹み形成されている。このインク通路１２ａ、１２ｂは、この両マニホールドプレート１２に対する前記スペーサプレート１３の積層により密閉される構造になっている。
【００２１】
また、図２に示すように、前記ベースプレート１４には、複数のインク室１６がベースプレート１４の長辺（前記第１の方向）に沿って千鳥配列で２列に穿設されている。そして各インク室１６は、その長手方向がベースプレート１５の長手方向と直交するようにして細幅に形成されている。
【００２２】
各インク室１６における先端部１６ａはベースプレート１４の短辺方向の略中央部に位置しており、この各先端部１６ａは、スペーサプレート１３，二枚のマニホールドプレート１２に同じく千鳥状配列にて穿設されているインク流路としての微小径の貫通孔１７を介してノズルプレート１１における前記千鳥状配列のノズル１５に連通している。
【００２３】
一方、前記各インク室１６の他端１６ｂは、前記スペーサプレート１３における左右両側部位に穿設された貫通孔１８を介して、前記両マニホールドプレート１２におけるインク通路１２ａ、１２ｂに連通している。なお、前記他端１６ｂは、図２に示すように下側に開口するように凹み形成されているものである。また、最上層のベースプレート１４の一端部に穿設された供給孔１９（図１参照）は、その上方のインクタンク（図示せず）に接続されており、供給孔１９を介してインク通路１２ａ、１２ｂにインクが供給される。
【００２４】
これにより、前記ベースプレート１４及びスペーサプレート１３の一端部の供給孔１９から前記インク通路１２ａ、１２ｂ内に流入したインクは、このインク通路１２ａから前記各貫通孔１８を通って前記各インク室１６内に分配されたのち、この各インク室１６内から貫通孔１７を通って、当該インク室１６に対応するノズル１５に至るという構成になっている。
【００２５】
一方、前記圧電アクチュエータ２０は、図３及び図４に示すように、３枚の圧電シート２１，２２，２３を積層した構造で、前記各圧電シート２１〜２３のうち最下段の圧電シート２１の上面には、前記キャビティユニット１０における各インク室１６の箇所ごとに細幅の個別電極２４が、第１の方向（長辺方向）に沿って列状に形成され、各個別電極２４は前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って圧電シート２１の長辺の端縁部近傍まで延びている。そして、個別電極２４の一端部２４ａが前記圧電アクチュエータ２０における表裏両表面２０ａ、２０ｂと直交する左右両側面２０ｃに露出するように形成されている。
【００２６】
次段の圧電シート２２の上面には、複数個のインク室１６に対して共通のコモン電極２５が前記個別電極２４に跨るように形成されている。そして、当該コモン電極２５の一端部２５ａが前記圧電アクチュエータ２０の圧電シート２２における左右両側面２０ｃに露出する。
【００２７】
前記最上段の圧電シート２３の上面には、前記個別電極２４の各々に対する表面電極２６と、前記コモン電極２５に対する表面電極２７とが、前記圧電アクチュエータ２０の圧電シート２３における左右両側面２０ｃに沿って並ぶように設けられている。
【００２８】
なお、符号２８及び２９は、捨てパターンの電極である。
【００２９】
そして、前記圧電アクチュエータ２０における左右両側面２０ｃには、前記各個別電極２４の一端部２４ａの部位に、第１の凹み溝３０が、前記コモン電極２５の一端部２５ａの部位に、第２の凹み溝３１が各々積層方向に延びるように設けられている。図４に示すように、この各第１の凹み溝３０内には、前記各個別電極２４とその各々の表面電極２６とを電気的に接続する側面電極３２が前記第２の凹み溝３１内には、前記コモン電極２５と表面電極２７とを電気的に接続する側面電極３３が各々形成されている。
【００３０】
そして、このような構成のプレート型の圧電アクチュエータ２０は、前記キャビティユニット１０に対して、当該圧電アクチュエータ２０における各個別電極２４が前記キャビティユニット１０における各インク室１６の各々に対応するように積層される。また、この圧電アクチュエータ２０における上側の表面２０ａには、前記フレキシブルフラットケーブル４０が重ね押圧されることにより、このフレキシブルフラットケーブル４０における各種の配線パターン（図示せず）が、前記各表面電極２６、２７に電気的に接続される。
【００３１】
この構成において、前記圧電アクチュエータ２０における各個別電極２４のうち任意の個別電極２４と、コモン電極２５との間に電圧を印加することにより、圧電シート２１、２２のうち前記電圧を印加した個別電極２４の部分が活性部となって圧電による歪みが発生する。この歪みによる活性部の伸縮作用で前記個別電極２４に対応するインク室１６内の容積が変化して縮小し、このインク室１６内のインクが、ノズル１５から液滴状に噴出して、所定の印字が行われる。
【００３２】
そして、前記圧電アクチュエータ２０は、以下に述べる方法で製造される。
【００３３】
図５において、第１素材シート２１０は、圧電材料からなる素材シート（セラミックスグリーンシート）であって、前記１つの圧電アクチュエータ２０の動作単位の１つを構成する領域、すなわち圧電シート２１が、複数個分一体で形成される大きさを有している。この実施形態では、長方形の圧電シート２１の長辺側を縦とすると、縦に２個、横に６個の、計１２個の圧電シート２１が第１素材シート２１０にマトリックス状に配置されている。そして、この第１素材シート２１０の表面のうち各圧電シート２１ごとの領域には、複数個の個別電極２４と捨てパターン２８とが、その材料である導電性ペーストをスクリーン印刷したのちに乾燥することで形成される。
【００３４】
また、第２素材シート２２０は、同じく圧電材料からなる素材シート（セラミックスグリーンシート）であって、前記１つの圧電アクチュエータ２０の動作単位の１つを構成する領域、すなわち圧電シート２２が、複数個分一体で形成される大きさを有している。この第２素材シート２２０には、圧電シート２２が、第１素材シート２１０の配置と同じ配置で、マトリックス状に複数個配置されている。この第２素材シート２２０の表面のうち各圧電シート２２ごとの領域には、コモン電極２５と捨てパターンの電極２９とが、その材料である導電性ペーストをスクリーン印刷したのちに乾燥することで形成される。
【００３５】
また、第３素材シート２３０は、同じく圧電材料からなる素材シート（セラミックスグリーンシート）であって、前記１つの圧電アクチュエータ２０の動作単位の１つを構成する領域、すなわち圧電シート２３が、複数個分一体で形成される大きさを有している。この第３素材シート２３０には、圧電シート２３が、第１素材シート２１０及び第２素材シート２２０と同じ配置で、マトリックス状に複数個配置されている。この第３素材シート２３０の表面のうち各圧電シート２３を構成する領域には、表面電極２６，２７が、その材料である導電性ペーストをスクリーン印刷したのちに乾燥することで形成される。
【００３６】
なお、第１、第２及び第３素材シート２１０、２２０、２３０の各々には、４つの側辺側に余白部５１が付加されているため、実際には、第１、第２及び第３素材シート２１０、２２０、２３０の大きさは、圧電シート２１、２２、２３の各々１２個分より大きくなっている。
【００３７】
符号Ａ１，Ａ２は、第１素材シート２１０における圧電シート２１どうしの境界となる線、第２素材シート２２０における圧電シート２２どうしの境界となる線、及び第３素材シート２３０における圧電シート２３どうしの境界となる線を示している。
【００３８】
そして、これら各素材シート２１０、第２素材シート２２０及び第３素材シート２３０を、この順番で境界線Ａ１，Ａ２の位置を上下で一致させて積層することで、図６に示すように薄い直方体の積層体２００が形成される。
【００３９】
次いで、積層体２００の境界線Ａ１，Ａ２上で、かつ前記表面電極２６，２７の端部の箇所の各々に、貫通孔３００，３１０を穿設して、この貫通孔３００、３１０内に前記各個別電極２４の一端部２４ａ及びコモン電極２５の一端部２５ａを露出させる。
【００４０】
さらに、積層体２００の厚み方向に貫通するように切り込み５０が境界線Ａ１，Ａ２の一部に穿設される。上記貫通孔３００、３１０及び切り込み５０は例えば打ち抜き、レーザー加工または円板状カッターによる切削にて穿設される。
【００４１】
この実施形態では、切り込み５０は、図６及び図１０に示すように、積層体２００の平板面の中心線に対して対称形となるように配置され、積層体２００の短辺側を縦とすると、積層体２００の側辺に沿って平行に、縦に２本、横に１本形成される。縦の２本の切り込み５０、５０は、６列の圧電シート２３（２１，２２）を２列ずつに分割する位置に設けられ、横の１本の切り込み５０は２行の圧電シート２３（２１、２２）を１行ずつに分割する位置に設けられている。切り込み５０の長さは、積層体２００が切り離されないで保形性を有する程度に長く形成されている。
【００４２】
通常、切り込みが設けられていない積層体２００をその積層方向に平面状のジグで押圧した場合（もしくは素材シートをその厚み方向に押圧した場合）、積層体２００の平板面の周辺部分である４つの側辺のみが側縁であるので、積層体２００の平板面の中央部分では側縁に遠いため押圧されても材料粒子の逃げ場がなく、圧電材料の粒子密度が密になる。一方、周辺部分では側縁に近いため、側縁が材料粒子の開放された逃げ場となり、圧電材料の密度はそのままである。すなわち、１つの積層体２００であっても、側縁からの距離によって押圧時に粒子密度の疎密が生じ、そのためこの疎密がその後の焼成の工程で、収縮量の部分的差異を引き起こすことになる。この結果、積層体２００に形成されている電極パターンのピッチや面積が部分的に相違する。
【００４３】
しかしながら、切り込み５０を形成して積層体２００の中央部分を開放させることにより、本来の積層体２００の周辺部分の側縁に加え、積層体２００の中央部分にも切り込み５０の両側に沿って側縁が形成される。そのため、上述の積層体２００では、横に隣接する概ね２個ずつの動作単位の領域（圧電シート２１、２２、２３）ごとに側縁が設けられることになる。
【００４４】
このように押圧の前の段階で、積層体２００の中央部分にも側縁を作ることにより、材料粒子の逃げ場を増やして、押圧による粒子密度の疎密の発生を低減し、これにより収縮量の均一化を図ることができる。その結果、積層体２００の平板面の周辺部分及び中央部分であっても略同程度に収縮するので、大判の積層体２００における周辺部分及び中央部分に位置する圧電アクチュエータ２０の動作単位の領域において、その領域の位置に違いによる電極パターンのピッチのバラツキが低減される。
【００４５】
なお、切り込み５０は、図６（及び図９〜図１３）では強調して図示しているが、切り込み５０は隙間のほとんどない単なる切断線として形成している。但し、切り込み５０としては、図８に示すように細長い隙間を有するスリット５０ａの形態も含むものとする。スリット５０ａのように隙間を設ける場合には、この隙間の幅寸法Ｗ０は、後述するダイシングカッターの切削幅Ｗ１より小さくし、スリット５０ａを設けたことが切削後の圧電アクチュエータ２０の寸法に影響しないようにしておくことが望ましい。
【００４６】
次に、積層体２００は上下から平面状のジグ（図示せず）により挟まれ、全面同時に積層方向に押圧されることで一体化され、その後、所定の高い温度で焼成されたのち、高速回転するダイシングカッター（図示せず）にて境界線Ａ１、Ａ２に沿って切断されて、各圧電アクチュエータ２０の動作単位ごとに分割される。そして、この切断により圧電アクチュエータ２０の左右両側面２０ｃには、前記貫通孔３００、３１０による凹み溝３０、３１が積層方向に延びるように表れる。そして、前記圧電アクチュエータ２０の左右両側面２０ｃにおける各凹み溝３０，３１内に、側面電極３２、３３を、例えば金属の真空蒸着、スパッタリング、あるいは導電性ペーストの塗布等にて形成する。これにより、図４に示すような構造の圧電アクチュエータ２０が完成される。
【００４７】
なお、上述の工程では、積層体２００に切り込み５０を形成していたが、他の実施形態として、切り込み５０を図９に示すように前記第１、第２及び第３素材シート２１０、２２０、２３０を積層する前に所定の部位に穿設しておいて、切り込み５０の上下の位置を一致させて積層し、図６に示すような積層体２００を形成してもよい。
【００４８】
この他に、貫通孔３００、３１０の形成工程と切り込み５０の形成工程は、上述した順序を入れ替えてもよい。さらに貫通孔３００、３１０の穿設は、積層体２００の押圧工程の後に行ってもよい。
【００４９】
また、積層体２００における圧電シート２３（２１、２２）の個数、圧電シート２３（２１、２２）の領域の配置、切り込み５０の本数、及び切り込み５０の位置は、上述の形態に限定するものではない。他の実施形態として、例えば、図１１に示すように、積層体２００として８個の圧電シート２３（２１、２２）が２行４列で配置されている場合には、縦横１本ずつの切り込み５０を積層体２００の平板面の中央部で交差方向に延びるように設けてもよい。これにより、概ね隣接する２個ずつの圧電シート２３（２１，２２）の領域ごとに縁が設けられることになる。また、他の実施形態として、図１２に示すように、積層体２００として１８個の圧電シート２３（２１、２２）が３行６列で配置されている場合には、縦に１本、横に２本の切り込み５０を形成し、概ね隣接する３個ずつの圧電シート２３（２１，２２）の領域ごとに縁を設けてもよい。さらに他の実施形態として、図１３に示すように、切り込み５０を断続的に形成して積層体２００の保形性を高めてもよい。
【００５０】
また、１つの圧電アクチュエータ２０において２列の個別電極の間に切り込み５０を設けて、２列の動作単位を一体としてキャビティユニットに装着してもよい。
【００５１】
また、他の実施形態として、圧電アクチュエータ２０における個別電極２４を設けた圧電シート２１とコモン電極２２を設けた圧電シート２２とを、交互に多層に積層した構造としてもよい。
【００５２】
また、本発明は、側面電極３２、３３（図４参照）を設けない圧電アクチュエータにも適用できる。側面電極を有しない圧電アクチュエータの実施形態の一例を図１４に示す。この実施形態は、圧電アクチュエータ２０の各圧電シートの層に設けられた電極を、圧電アクチュエータ２０の内部に設けられた貫通孔（スルーホール）３４、３５に導電性材料を充填することで電気的に接続するように構成されている。そのため、貫通孔３４により各層の個別電極２４どうし及びそれと対応する表面電極２６とが電気的に接続され、貫通孔３５により各層のコモン電極２５どうし及びそれと対応する位置の表面電極２７とが電気的に接続されている。この実施形態では、図６に示した積層体２００に相当する状態で、貫通孔３４，３５は、境界線上には設けられない（貫通孔３００、３１０は穿設されない）ため、境界線Ａ１，Ａ２には、切り込み５０のみが穿設されることになる。
【００５３】
また、本発明は、例えばノズル数を多数にして大型化を図ったインクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータにも適用できる。このような圧電アクチュエータの実施形態の一例を、図１５に示す。この実施形態では、キャビティユニット６１が、図１に示すキャビティユニット１０に相当する大きさのものを縦、横に２個ずつ配置（図１５のキャビティユニット６１の長辺側を縦とする）して一体化したものとなっており、図１のキャビティユニット１０の４倍のノズル数を備えている。このキャビティユニット６１の上面には、図１に示す圧電アクチュエータ２０に相当する大きさを２個横に並べて一体化した大きさの圧電アクチュエータ６２が、縦に２つ並べられて積層されている。このとき、キャビティユニット６１の各圧力室６５に対応して、圧電アクチュエータ６２の各個別電極（図示せず）が配置されるように接着される。そして、これら圧電アクチュエータ６２の上面には、それぞれにフレキシブルフラットケーブル６３が積層されて接合されている。１つの圧電アクチュエータ６２の最上段の圧電シート６４には、多数のノズルを駆動するためにこれらノズルに対応して、図１６に示すような多数の表面電極がパターン形成されている。そして、この圧電アクチュエータ６２では図６の積層体２００に相当する状態において、圧電アクチュエー６２の動作単位である圧電シート６４（図１６参照）の複数個分が、最上段の素材シートにマトリックス状に配置されて、動作単位の領域どうしの境界の一部にスリットが穿設される。
【００５４】
このようにノズルが多数化されたインクジェットプリンタヘッドでは、従来に比べて圧電アクチュエータ６２も大きくなるため、素材シートの積層体の部分的な収縮量のバラツキが大きいと、１つの圧電アクチュエータ６２の中でも、電極間のピッチが異なってしまうことになる。そのため、本発明を適用し、収縮量の均一化を図ることは圧電アクチュエータの大型化にとってきわめて大きな効果を奏する。
【００５５】
さらに、本発明は、圧電縦効果及び圧電厚みすべり効果により変化する活性部が備えられた圧電アクチュエータにも適用できる。このような圧電アクチュエータの実施形態の一例を図１７に示す。この実施形態の圧電アクチュエータ７０は、複数枚（例えば４枚）の圧電シート７１が積層されてなっており、これら圧電シートの面に沿う方向に間隔をおき、且つこれら圧電シートの厚さ方向に間隔をおいて配置された複数の電極（内部電極）７２，７３，７４、７５とを備える。そして、この圧電アクチュエータ７０は、インク室７８の中央部に位置する第１の部位７６と、インク室７８の両側部に位置し第１の部位７６の左右に隣接する第２の部位７７という２つの部位からなっている。第１の部位７６は、電極７３、７４、７３に挟まれて形成されている。第１の部位７６内での分極方向は、電極７３、７４、７３によって矢印Ａで示すように積層方向と一致して、電極７４を介して１８０°反転するようにしている。また、第２の部位７７では、一方の電極は、第１群の電極７３、７３の両端部分が兼用され、さらに電極７３，７３の間で電極７４と同一平面で間隔をおいて位置する電極７２を含み、他方の電極は、それら電極７３、７４と圧電シートの面に沿う方向に間隔をおいて各圧電シート間に挟んで配置した電極７５からなる。そして、第２の部位７７内での分極方向は、矢印Ｂで示すように積層方向と一致している。
【００５６】
この圧電アクチュエータ７０では、所望のインク室に対応する電極７２、７２、７３、７３に駆動電圧が印加され、電極７４、７５が接地（ＧＮＤ）されると、第２の部位７７、７７は、分極方向Ｂと垂直な破線矢印Ｃで示す駆動電界を生じ、同時に第１の部位７６における積層方向の両端側の電極７３、７３と積層中央位置の電極７４との間には分極方向Ａと同一方向の破線矢印Ｄで示す駆動電界が生じる。これによりインク室７８に対応する第１の部位７６は圧電縦効果の変位により図１８において、上下方向に伸長し、第２の領域７７、７７には圧電厚みすべり効果の変位が発生するので、図中下方向へ平行四辺形状に変形する。これによりインク室７８は容積が減少する方向に局所変形し、液滴がノズル７９から噴射される。
【００５７】
このような圧電縦効果及び圧電厚みすべり効果を利用した圧電アクチュエータ７０でも、本発明と同様に圧電アクチュエータ７０の動作単位である圧電シート７１の複数個分の大きさの素材シートが積層された積層体を、押圧、焼成して製造されるため、本発明を適用することで、圧電アクチュエータ７０の内部電極のピッチのバラツキを低減することができる。
【００５８】
さらに、前記各実施形態は、インクジェットプリントヘッドに適用したものであったが、本発明はこれに限定されずに、素材シートを積層して製造されるプレート型の圧電アクチュエータの構造に広く適用できるものである。
【００５９】
【発明の作用・効果】
以上に説明したように、請求項１に記載の発明の圧電アクチュエータの製造方法は、電極への電圧の印加により変形動作する圧電アクチュエータを、各インク室内の容積を変化させる活性部に対応して電極パターンが表面に形成された複数の圧電シートを積層し、その積層方向に押圧し、焼成により形成する製造方法において、前記圧電アクチュエータの動作単位の複数個分が一体で形成される大きさを有する大判の素材シートに、各動作単位を構成する領域毎に電極パターンを形成する工程と、前記複数の領域がマトリックス状に配置された素材シートを積層して積層体を形成する工程と、この積層体の平板面に積層体の厚み方向に貫通する切り込みを前記動作単位を構成する領域どうしの境界の一部に穿設する工程と、切り込みが設けられた積層体をその積層方向に押圧し一体化する工程とを、少なくとも有することを特徴とするものである。これによれば、押圧前の積層体に切り込みが形成されているため、積層体の平板面の周辺部分の側縁に加えて、平板面の中央部分にも側縁が形成され、その結果、積層体の押圧時に圧電材料の逃げ場が増え、押圧による圧電材料の疎密が緩和され、焼成の際に生じていた積層体の周辺部分及び中央部分での収縮量のバラツキが低減される。
【００６０】
また、切り込みは素材シートを積層した後の積層体に形成するため、素材シート毎の切り込みの位置ズレが発生しないという効果を奏する。
【００６１】
さらに、切り込みは圧電アクチュエータの動作単位の領域の境界に設けられているため、切り込みが前記動作単位の領域内の電極パターン等の妨げになることが防止される。
【００６２】
また、請求項２に記載の圧電アクチュエータの製造方法は、電極への電圧の印加により変形動作する圧電アクチュエータを、各インク室内の容積を変化させる活性部に対応して電極パターンが表面に形成された複数の圧電シートを積層し、その積層方向に押圧し、焼成により形成する製造方法において、前記圧電アクチュエータの動作単位の複数個分が一体で形成される大きさを有する大判の素材シートに、各動作単位を構成する領域毎に電極パターンを形成する工程と、前記複数の領域がマトリックス状に配置された素材シートにおける前記領域どうしの境界の所定の一部に、素材シートの厚み方向に貫通する切り込みを穿設する工程と、前記各素材シートにおける切り込みの位置を上下で一致させた状態で複数枚の素材シートを積層して積層体を形成する工程と、前記積層体をその積層方向に押圧する工程とを、少なくとも有することを特徴とするものである。これによれば、押圧前の積層体に切り込みが形成されているため、積層体の平板面の周辺部分の側縁に加えて、平板面の中央部分にも側縁が形成され、その結果、積層体の押圧時に圧電材料の逃げ場が増え、押圧による圧電材料の疎密が緩和され、焼成の際に生じていた積層体の周辺部分及び中央部分での収縮量のバラツキが低減される。
【００６３】
また、積層体を形成する前の素材シートという薄い対象物に切り込みが施されているため、切り込みが簡易に形成できるという効果を奏する。
【００６４】
さらに、切り込みは圧電アクチュエータの動作単位の領域の境界に設けられているため、切り込みが前記動作単位の領域内の電極パターン等の妨げになることが防止される。
【００６５】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の圧電アクチュエータの製造方法において、前記切り込みは前記素材シートの側辺に沿って略平行に少なくとも一本形成することを特徴とするものであるから、切り込みを形成することで、切り込みと素材シートの側辺により囲まれた領域を、実際の素材シートよりも小さいサイズの素材シートを使用している場合に相当させることができ、大判の素材シートであっても焼成による収縮量のバラツキを、小さいサイズの素材シートと同程度に低減させることができる。
【００６６】
また、請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法において、前記切り込みは前記積層体の平板面の中心線に対して対称形となるように配置することを特徴とするものであるから、焼成による収縮のバランスが向上される。
【００６７】
また、請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法において、前記切り込みは前記積層体の平板面の中央部で交差方向に延びるように形成することを特徴とするものであるから、焼成による収縮のバランスがさらに向上される。
【００６８】
また、請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法において、圧電アクチュエータは１つのインクジェットプリンタヘッドにおける複数のインク室に面するように配置された複数の活性部を有する一体のものを、１つの動作単位とすることを特徴とするものであるから、上述の効果により収縮のバラツキが少なく製造された圧電アクチュエータが、その活性部を各インク室に面するように配置されてインクジェットプリンタが構成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による圧電式インクジェットプリンタヘッドを示す分解斜視図である。
【図２】キャビティユニットの部分的拡大斜視図である。
【図３】圧電アクチュエータの分解斜視図である。
【図４】圧電アクチュエータの斜視図である。
【図５】大判の素材シートを示す斜視図である。
【図６】大判の素材シートの積層体を示す斜視図である。
【図７】積層体に形成された切り込みの拡大斜視図である。
【図８】積層体に形成されたスリットの拡大斜視図である。
【図９】大判の素材シートにそれぞれ切り込みが形成された場合の斜視図である。
【図１０】切り込みの配置例を示す平面図である。
【図１１】切り込みの配置例を示す平面図である。
【図１２】切り込みの配置例を示す平面図である。
【図１３】切り込みの配置例を示す平面図である。
【図１４】圧電アクチュエータの他の実施例の斜視図である。
【図１５】圧電アクチュエータの他の実施例の斜視図である。
【図１６】図１５の圧電アクチュエータの最上面の平面図である。
【図１７】圧電アクチュエータの他の実施例を含むインクジェットプリントヘッドの部分的拡大断面図である。
【図１８】図１７のインクジェットプリントヘッドの動作を示す部分的拡大断面図である。
【符号の説明】
１０ キャビティユニット
１１ ノズルプレート
１２ マニホールドプレート
１２ａ、１２ｂ インク通路
１３ スペーサプレート
１４ ベースプレート
１５ ノズル
１６ インク室
１７ 貫通孔
１８ 貫通孔
１９ 供給孔
２０、６０，７０ 圧電アクチュエータ
２０ａ、２０ｂ 表裏両表面
２０ｃ 左右両側面
２１、２２ 圧電シート
２３ 圧電シート
２４ 個別電極
２４ａ 一端部
２５ コモン電極
２５ａ 一端部
２６、２７ 表面電極
２８、２９ 捨てパターン
４０ フレキシブルフラットケーブル
２００ 積層体
２１０ 第１素材シート
２２０ 第２素材シート
２３０ 第３素材シート
３００，３１０ 貫通孔
３０、３１、 溝
３２、３３ 側面電極
５０ スリット
５１ 余白部
６１ キャビティユニット
６２ 圧電アクチュエータ
６３ フレキシブルフラットケーブル
６４ 圧電シート
６５ 圧力室
６６ 表面電極
７０ 圧電アクチュエータ
７１ 圧電シート
７２〜７５ 電極
７６ 第１の部位
７７ 第２の部位
７８ インク室
７９ ノズル
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極への電圧の印加により変形動作する圧電アクチュエータの製造方法に関し、特に電極パターンが表面に形成されて複数の圧電シートが積層されて形成された圧電アクチュエータの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
先行技術のオンデマンド型の圧電式インクジェットヘッドにおいては、特許文献１に記載されているように、複数個のノズル及びこの各ノズル毎のインク室を備えたキャビティユニットと、前記各インク室毎に形成された平面状の個別電極が表面に形成された圧電シート（セラミックスグリーンシート）と隣接する複数のインク室に共通するコモン電極が形成された圧電シートとを積層したプレート型の圧電アクチュエータとからなり、この圧電アクチュエータを、前記キャビティユニットに当該圧電アクチュエータにおける個別電極が各インク室に対応するように積層したものがある。
【０００３】
このような圧電アクチュエータは、一般的に圧電アクチュエータの動作単位である圧電シートを複数個並べた大きさの素材シートを積層して積層体をつくり、この積層体を積層方向に押圧して焼成し、動作単位ごとに分割することで製造される。積層体は焼成により収縮するが、この収縮量は積層体の平板面の中央部分と周辺部分とで異なることが知られている。これは、積層体が押圧される際に、中央部分と周辺部分とで素材シートの圧電材料に密度の差が生じるためである。その結果、積層体の中央部分に配置された前記動作単位の領域と、周辺部分に配置された前記動作単位の領域では、領域内に形成された電極のピッチに差異が生じていた。従って、金属材料等で作成したキャビティユニットと圧電アクチュエータとを任意に組み合わせると、インク室のピッチと個別電極のピッチとが一致しないという問題があった。
【０００４】
そのため特許文献１では、圧電アクチュエータの表面に圧電シートに挟まれた個別電極の位置を示すマークを予め複数設けておき、マーク間のピッチを測定することにより、焼成工程後の圧電アクチュエータの収縮量を測定する。そして、その測定量を所定範囲ごとに複数のグループに分け、同様にキャビティユニットのインク室のピッチも測定して所定範囲ごとに複数のグループに分け、両ピッチがほぼ一致するグループ毎に圧電アクチュエータとキャビティユニットとを組み合わせて接合していた。
【０００５】
【特許公報１】
特開２００２−２３４１７１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成では、製造された圧電アクチュエータの収縮量をマークを用いて測定するため、測定作業自体は簡易になったが、圧電アクチュエータの収縮量を個別に測定して複数のグループに分けるという煩雑さは、改善されていなかった。
【０００７】
また、キャビティユニットは、金属製であるため本来はインク室のピッチを正確に製造できるものである。しかしながら、収縮量の異なる圧電アクチュエータの各グループに対応させて組み合わせるために、キャビティユニットもインク室のピッチの異なるものをあらかじめ複数のグループ用意しておかなければならず、キャビティユニットの製造工程での手間が増えていた。
【０００８】
さらに、近年、印字速度を高速化するために、インクジェットプリンタヘッドのノズル数を増加させた大型化が図られており、１個のインクジェットプリンタヘッドに用いられる圧電アクチュエータも大型化する傾向にある。そのため、大型化した圧電アクチュエータの場合に、従来と同様の収縮量のバラツキがあると、１つの圧電アクチュエータの中で電極のピッチにバラツキが生じることになり、これが大型化を妨げる大きな問題であった。
【０００９】
本発明は、このような問題を解消した圧電アクチュエータの製造方法を提供することを技術的課題とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記技術的課題を解決するために、請求項１に記載の発明の圧電アクチュエータの製造方法は、電極への電圧の印加により変形動作する圧電アクチュエータを、各インク室内の容積を変化させる活性部に対応して電極パターンが表面に形成された複数の圧電シートを積層し、その積層方向に押圧し、焼成により形成する製造方法において、前記圧電アクチュエータの動作単位の複数個分が一体で形成される大きさを有する大判の素材シートに、各動作単位を構成する領域毎の電極パターンを形成する工程と、前記複数の領域がマトリックス状に配置された素材シートを積層して積層体を形成する工程と、この積層体の平板面に積層体の厚み方向に貫通する切り込みを前記動作単位を構成する領域どうしの境界の一部に穿設する工程と、切り込みが設けられた積層体をその積層方向に押圧し一体化する工程とを、少なくとも有することを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項２に記載の圧電アクチュエータの製造方法は、電極への電圧の印加により変形動作する圧電アクチュエータを、各インク室内の容積を変化させる活性部に対応して電極パターンが表面に形成された複数の圧電シートを積層し、その積層方向に押圧し、焼成により形成する製造方法において、前記圧電アクチュエータの動作単位の複数個分が一体で形成される大きさを有する大判の素材シートに、各動作単位を構成する領域毎に電極パターンを形成する工程と、前記複数の領域がマトリックス状に配置された素材シートにおける前記領域どうしの境界の所定の一部に、素材シートの厚み方向に貫通する切り込みを穿設する工程と、前記各素材シートにおける切り込みの位置を上下で一致させた状態で複数枚の素材シートを積層して積層体を形成する工程と、前記積層体をその積層方向に押圧する工程とを、少なくとも有することを特徴とするものである。
【００１２】
そして、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の圧電アクチュエータの製造方法において、前記切り込みは前記素材シートの側辺に沿って略平行に少なくとも一本形成することを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法において、前記切り込みは前記積層体の平板面の中心線に対して対称形となるように配置することを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法において、前記切り込みは前記積層体の平板面の中央部で交差方向に延びるように形成することを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法において、圧電アクチュエータは、１つのインクジェットプリンタヘッドにおける複数のインク室に面するように配置された複数の活性部を有する一体のものを、１つの動作単位とすることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態による圧電式インクジェットプリンタヘッドを示す分解斜視図、図２はキャビティユニットの部分的拡大斜視図、図３は圧電アクチュエータの分解斜視図、図４は圧電アクチュエータの斜視図、図５は大判の素材シートを示す斜視図、図６は大判の素材シートの積層体を示す斜視図、図７は積層体に形成された切り込みの拡大斜視図、図８は積層体に形成されたスリットの拡大斜視図、図９は大判の素材シートにそれぞれ切り込みが形成された場合の斜視図、図１０〜図１３は切り込みの配置例を示す平面図、図１４及び図１５は圧電アクチュエータの他の実施例の斜視図、図１６は図１５の圧電アクチュエータの最上面の平面図、図１７は圧電アクチュエータの他の実施例を含むインクジェットプリントヘッドの部分的拡大断面図、図１８は図１７のインクジェットプリントヘッドの動作を示す部分的拡大断面図である。
【００１７】
図１において、金属板製のキャビティユニット１０に対して接合されるプレート型の圧電アクチュエータ２０の上面には、外部機器との接続のために、フレキシブルフラットケーブル４０が接着剤にて重ね接合されているものであり、最下層のキャビティユニット１０の下面側に開口されたノズルから下向きにインクが噴出するものとする。
【００１８】
前記キャビティユニット１０は、図２に示すように構成されている。すなわち、ノズルプレート１１、二枚のマニホールドプレート１２、スペーサプレート１３及びベースプレート１４の５枚の薄い板をそれぞれ積層した構造としている。
【００１９】
実施形態では、合成樹脂製のノズルプレート１１を除き、各プレート１２、１３、１４は、４２％ニッケル合金鋼板製で、５０μｍ〜１５０μｍ程度の厚さを有する。前記ノズルプレート１１には、微小径（実施形態では２５μｍ程度）のインク噴出用のノズル１５が微小間隔で多数個穿設されている。このノズル１５は、当該ノズルプレート１１における第１の方向（長辺方向）に沿って千鳥配列状で２列に配列されている。
【００２０】
前記２枚のマニホールドプレート１２には、図２に示すように、インク通路１２ａ、１２ｂが、前記ノズル１５の列の両側で、当該プレート１２の長辺に略沿って延びるように穿設されている。但し、下側のマニホールドプレート１２におけるインク通路１２ｂは、当該マニホールドプレート１２の上側にのみ開放するように凹み形成されている。このインク通路１２ａ、１２ｂは、この両マニホールドプレート１２に対する前記スペーサプレート１３の積層により密閉される構造になっている。
【００２１】
また、図２に示すように、前記ベースプレート１４には、複数のインク室１６がベースプレート１４の長辺（前記第１の方向）に沿って千鳥配列で２列に穿設されている。そして各インク室１６は、その長手方向がベースプレート１５の長手方向と直交するようにして細幅に形成されている。
【００２２】
各インク室１６における先端部１６ａはベースプレート１４の短辺方向の略中央部に位置しており、この各先端部１６ａは、スペーサプレート１３，二枚のマニホールドプレート１２に同じく千鳥状配列にて穿設されているインク流路としての微小径の貫通孔１７を介してノズルプレート１１における前記千鳥状配列のノズル１５に連通している。
【００２３】
一方、前記各インク室１６の他端１６ｂは、前記スペーサプレート１３における左右両側部位に穿設された貫通孔１８を介して、前記両マニホールドプレート１２におけるインク通路１２ａ、１２ｂに連通している。なお、前記他端１６ｂは、図２に示すように下側に開口するように凹み形成されているものである。また、最上層のベースプレート１４の一端部に穿設された供給孔１９（図１参照）は、その上方のインクタンク（図示せず）に接続されており、供給孔１９を介してインク通路１２ａ、１２ｂにインクが供給される。
【００２４】
これにより、前記ベースプレート１４及びスペーサプレート１３の一端部の供給孔１９から前記インク通路１２ａ、１２ｂ内に流入したインクは、このインク通路１２ａから前記各貫通孔１８を通って前記各インク室１６内に分配されたのち、この各インク室１６内から貫通孔１７を通って、当該インク室１６に対応するノズル１５に至るという構成になっている。
【００２５】
一方、前記圧電アクチュエータ２０は、図３及び図４に示すように、３枚の圧電シート２１，２２，２３を積層した構造で、前記各圧電シート２１〜２３のうち最下段の圧電シート２１の上面には、前記キャビティユニット１０における各インク室１６の箇所ごとに細幅の個別電極２４が、第１の方向（長辺方向）に沿って列状に形成され、各個別電極２４は前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って圧電シート２１の長辺の端縁部近傍まで延びている。そして、個別電極２４の一端部２４ａが前記圧電アクチュエータ２０における表裏両表面２０ａ、２０ｂと直交する左右両側面２０ｃに露出するように形成されている。
【００２６】
次段の圧電シート２２の上面には、複数個のインク室１６に対して共通のコモン電極２５が前記個別電極２４に跨るように形成されている。そして、当該コモン電極２５の一端部２５ａが前記圧電アクチュエータ２０の圧電シート２２における左右両側面２０ｃに露出する。
【００２７】
前記最上段の圧電シート２３の上面には、前記個別電極２４の各々に対する表面電極２６と、前記コモン電極２５に対する表面電極２７とが、前記圧電アクチュエータ２０の圧電シート２３における左右両側面２０ｃに沿って並ぶように設けられている。
【００２８】
なお、符号２８及び２９は、捨てパターンの電極である。
【００２９】
そして、前記圧電アクチュエータ２０における左右両側面２０ｃには、前記各個別電極２４の一端部２４ａの部位に、第１の凹み溝３０が、前記コモン電極２５の一端部２５ａの部位に、第２の凹み溝３１が各々積層方向に延びるように設けられている。図４に示すように、この各第１の凹み溝３０内には、前記各個別電極２４とその各々の表面電極２６とを電気的に接続する側面電極３２が前記第２の凹み溝３１内には、前記コモン電極２５と表面電極２７とを電気的に接続する側面電極３３が各々形成されている。
【００３０】
そして、このような構成のプレート型の圧電アクチュエータ２０は、前記キャビティユニット１０に対して、当該圧電アクチュエータ２０における各個別電極２４が前記キャビティユニット１０における各インク室１６の各々に対応するように積層される。また、この圧電アクチュエータ２０における上側の表面２０ａには、前記フレキシブルフラットケーブル４０が重ね押圧されることにより、このフレキシブルフラットケーブル４０における各種の配線パターン（図示せず）が、前記各表面電極２６、２７に電気的に接続される。
【００３１】
この構成において、前記圧電アクチュエータ２０における各個別電極２４のうち任意の個別電極２４と、コモン電極２５との間に電圧を印加することにより、圧電シート２１、２２のうち前記電圧を印加した個別電極２４の部分が活性部となって圧電による歪みが発生する。この歪みによる活性部の伸縮作用で前記個別電極２４に対応するインク室１６内の容積が変化して縮小し、このインク室１６内のインクが、ノズル１５から液滴状に噴出して、所定の印字が行われる。
【００３２】
そして、前記圧電アクチュエータ２０は、以下に述べる方法で製造される。
【００３３】
図５において、第１素材シート２１０は、圧電材料からなる素材シート（セラミックスグリーンシート）であって、前記１つの圧電アクチュエータ２０の動作単位の１つを構成する領域、すなわち圧電シート２１が、複数個分一体で形成される大きさを有している。この実施形態では、長方形の圧電シート２１の長辺側を縦とすると、縦に２個、横に６個の、計１２個の圧電シート２１が第１素材シート２１０にマトリックス状に配置されている。そして、この第１素材シート２１０の表面のうち各圧電シート２１ごとの領域には、複数個の個別電極２４と捨てパターン２８とが、その材料である導電性ペーストをスクリーン印刷したのちに乾燥することで形成される。
【００３４】
また、第２素材シート２２０は、同じく圧電材料からなる素材シート（セラミックスグリーンシート）であって、前記１つの圧電アクチュエータ２０の動作単位の１つを構成する領域、すなわち圧電シート２２が、複数個分一体で形成される大きさを有している。この第２素材シート２２０には、圧電シート２２が、第１素材シート２１０の配置と同じ配置で、マトリックス状に複数個配置されている。この第２素材シート２２０の表面のうち各圧電シート２２ごとの領域には、コモン電極２５と捨てパターンの電極２９とが、その材料である導電性ペーストをスクリーン印刷したのちに乾燥することで形成される。
【００３５】
また、第３素材シート２３０は、同じく圧電材料からなる素材シート（セラミックスグリーンシート）であって、前記１つの圧電アクチュエータ２０の動作単位の１つを構成する領域、すなわち圧電シート２３が、複数個分一体で形成される大きさを有している。この第３素材シート２３０には、圧電シート２３が、第１素材シート２１０及び第２素材シート２２０と同じ配置で、マトリックス状に複数個配置されている。この第３素材シート２３０の表面のうち各圧電シート２３を構成する領域には、表面電極２６，２７が、その材料である導電性ペーストをスクリーン印刷したのちに乾燥することで形成される。
【００３６】
なお、第１、第２及び第３素材シート２１０、２２０、２３０の各々には、４つの側辺側に余白部５１が付加されているため、実際には、第１、第２及び第３素材シート２１０、２２０、２３０の大きさは、圧電シート２１、２２、２３の各々１２個分より大きくなっている。
【００３７】
符号Ａ１，Ａ２は、第１素材シート２１０における圧電シート２１どうしの境界となる線、第２素材シート２２０における圧電シート２２どうしの境界となる線、及び第３素材シート２３０における圧電シート２３どうしの境界となる線を示している。
【００３８】
そして、これら各素材シート２１０、第２素材シート２２０及び第３素材シート２３０を、この順番で境界線Ａ１，Ａ２の位置を上下で一致させて積層することで、図６に示すように薄い直方体の積層体２００が形成される。
【００３９】
次いで、積層体２００の境界線Ａ１，Ａ２上で、かつ前記表面電極２６，２７の端部の箇所の各々に、貫通孔３００，３１０を穿設して、この貫通孔３００、３１０内に前記各個別電極２４の一端部２４ａ及びコモン電極２５の一端部２５ａを露出させる。
【００４０】
さらに、積層体２００の厚み方向に貫通するように切り込み５０が境界線Ａ１，Ａ２の一部に穿設される。上記貫通孔３００、３１０及び切り込み５０は例えば打ち抜き、レーザー加工または円板状カッターによる切削にて穿設される。
【００４１】
この実施形態では、切り込み５０は、図６及び図１０に示すように、積層体２００の平板面の中心線に対して対称形となるように配置され、積層体２００の短辺側を縦とすると、積層体２００の側辺に沿って平行に、縦に２本、横に１本形成される。縦の２本の切り込み５０、５０は、６列の圧電シート２３（２１，２２）を２列ずつに分割する位置に設けられ、横の１本の切り込み５０は２行の圧電シート２３（２１、２２）を１行ずつに分割する位置に設けられている。切り込み５０の長さは、積層体２００が切り離されないで保形性を有する程度に長く形成されている。
【００４２】
通常、切り込みが設けられていない積層体２００をその積層方向に平面状のジグで押圧した場合（もしくは素材シートをその厚み方向に押圧した場合）、積層体２００の平板面の周辺部分である４つの側辺のみが側縁であるので、積層体２００の平板面の中央部分では側縁に遠いため押圧されても材料粒子の逃げ場がなく、圧電材料の粒子密度が密になる。一方、周辺部分では側縁に近いため、側縁が材料粒子の開放された逃げ場となり、圧電材料の密度はそのままである。すなわち、１つの積層体２００であっても、側縁からの距離によって押圧時に粒子密度の疎密が生じ、そのためこの疎密がその後の焼成の工程で、収縮量の部分的差異を引き起こすことになる。この結果、積層体２００に形成されている電極パターンのピッチや面積が部分的に相違する。
【００４３】
しかしながら、切り込み５０を形成して積層体２００の中央部分を開放させることにより、本来の積層体２００の周辺部分の側縁に加え、積層体２００の中央部分にも切り込み５０の両側に沿って側縁が形成される。そのため、上述の積層体２００では、横に隣接する概ね２個ずつの動作単位の領域（圧電シート２１、２２、２３）ごとに側縁が設けられることになる。
【００４４】
このように押圧の前の段階で、積層体２００の中央部分にも側縁を作ることにより、材料粒子の逃げ場を増やして、押圧による粒子密度の疎密の発生を低減し、これにより収縮量の均一化を図ることができる。その結果、積層体２００の平板面の周辺部分及び中央部分であっても略同程度に収縮するので、大判の積層体２００における周辺部分及び中央部分に位置する圧電アクチュエータ２０の動作単位の領域において、その領域の位置に違いによる電極パターンのピッチのバラツキが低減される。
【００４５】
なお、切り込み５０は、図６（及び図９〜図１３）では強調して図示しているが、切り込み５０は隙間のほとんどない単なる切断線として形成している。但し、切り込み５０としては、図８に示すように細長い隙間を有するスリット５０ａの形態も含むものとする。スリット５０ａのように隙間を設ける場合には、この隙間の幅寸法Ｗ０は、後述するダイシングカッターの切削幅Ｗ１より小さくし、スリット５０ａを設けたことが切削後の圧電アクチュエータ２０の寸法に影響しないようにしておくことが望ましい。
【００４６】
次に、積層体２００は上下から平面状のジグ（図示せず）により挟まれ、全面同時に積層方向に押圧されることで一体化され、その後、所定の高い温度で焼成されたのち、高速回転するダイシングカッター（図示せず）にて境界線Ａ１、Ａ２に沿って切断されて、各圧電アクチュエータ２０の動作単位ごとに分割される。そして、この切断により圧電アクチュエータ２０の左右両側面２０ｃには、前記貫通孔３００、３１０による凹み溝３０、３１が積層方向に延びるように表れる。そして、前記圧電アクチュエータ２０の左右両側面２０ｃにおける各凹み溝３０，３１内に、側面電極３２、３３を、例えば金属の真空蒸着、スパッタリング、あるいは導電性ペーストの塗布等にて形成する。これにより、図４に示すような構造の圧電アクチュエータ２０が完成される。
【００４７】
なお、上述の工程では、積層体２００に切り込み５０を形成していたが、他の実施形態として、切り込み５０を図９に示すように前記第１、第２及び第３素材シート２１０、２２０、２３０を積層する前に所定の部位に穿設しておいて、切り込み５０の上下の位置を一致させて積層し、図６に示すような積層体２００を形成してもよい。
【００４８】
この他に、貫通孔３００、３１０の形成工程と切り込み５０の形成工程は、上述した順序を入れ替えてもよい。さらに貫通孔３００、３１０の穿設は、積層体２００の押圧工程の後に行ってもよい。
【００４９】
また、積層体２００における圧電シート２３（２１、２２）の個数、圧電シート２３（２１、２２）の領域の配置、切り込み５０の本数、及び切り込み５０の位置は、上述の形態に限定するものではない。他の実施形態として、例えば、図１１に示すように、積層体２００として８個の圧電シート２３（２１、２２）が２行４列で配置されている場合には、縦横１本ずつの切り込み５０を積層体２００の平板面の中央部で交差方向に延びるように設けてもよい。これにより、概ね隣接する２個ずつの圧電シート２３（２１，２２）の領域ごとに縁が設けられることになる。また、他の実施形態として、図１２に示すように、積層体２００として１８個の圧電シート２３（２１、２２）が３行６列で配置されている場合には、縦に１本、横に２本の切り込み５０を形成し、概ね隣接する３個ずつの圧電シート２３（２１，２２）の領域ごとに縁を設けてもよい。さらに他の実施形態として、図１３に示すように、切り込み５０を断続的に形成して積層体２００の保形性を高めてもよい。
【００５０】
また、１つの圧電アクチュエータ２０において２列の個別電極の間に切り込み５０を設けて、２列の動作単位を一体としてキャビティユニットに装着してもよい。
【００５１】
また、他の実施形態として、圧電アクチュエータ２０における個別電極２４を設けた圧電シート２１とコモン電極２２を設けた圧電シート２２とを、交互に多層に積層した構造としてもよい。
【００５２】
また、本発明は、側面電極３２、３３（図４参照）を設けない圧電アクチュエータにも適用できる。側面電極を有しない圧電アクチュエータの実施形態の一例を図１４に示す。この実施形態は、圧電アクチュエータ２０の各圧電シートの層に設けられた電極を、圧電アクチュエータ２０の内部に設けられた貫通孔（スルーホール）３４、３５に導電性材料を充填することで電気的に接続するように構成されている。そのため、貫通孔３４により各層の個別電極２４どうし及びそれと対応する表面電極２６とが電気的に接続され、貫通孔３５により各層のコモン電極２５どうし及びそれと対応する位置の表面電極２７とが電気的に接続されている。この実施形態では、図６に示した積層体２００に相当する状態で、貫通孔３４，３５は、境界線上には設けられない（貫通孔３００、３１０は穿設されない）ため、境界線Ａ１，Ａ２には、切り込み５０のみが穿設されることになる。
【００５３】
また、本発明は、例えばノズル数を多数にして大型化を図ったインクジェットプリンタヘッドの圧電アクチュエータにも適用できる。このような圧電アクチュエータの実施形態の一例を、図１５に示す。この実施形態では、キャビティユニット６１が、図１に示すキャビティユニット１０に相当する大きさのものを縦、横に２個ずつ配置（図１５のキャビティユニット６１の長辺側を縦とする）して一体化したものとなっており、図１のキャビティユニット１０の４倍のノズル数を備えている。このキャビティユニット６１の上面には、図１に示す圧電アクチュエータ２０に相当する大きさを２個横に並べて一体化した大きさの圧電アクチュエータ６２が、縦に２つ並べられて積層されている。このとき、キャビティユニット６１の各圧力室６５に対応して、圧電アクチュエータ６２の各個別電極（図示せず）が配置されるように接着される。そして、これら圧電アクチュエータ６２の上面には、それぞれにフレキシブルフラットケーブル６３が積層されて接合されている。１つの圧電アクチュエータ６２の最上段の圧電シート６４には、多数のノズルを駆動するためにこれらノズルに対応して、図１６に示すような多数の表面電極がパターン形成されている。そして、この圧電アクチュエータ６２では図６の積層体２００に相当する状態において、圧電アクチュエー６２の動作単位である圧電シート６４（図１６参照）の複数個分が、最上段の素材シートにマトリックス状に配置されて、動作単位の領域どうしの境界の一部にスリットが穿設される。
【００５４】
このようにノズルが多数化されたインクジェットプリンタヘッドでは、従来に比べて圧電アクチュエータ６２も大きくなるため、素材シートの積層体の部分的な収縮量のバラツキが大きいと、１つの圧電アクチュエータ６２の中でも、電極間のピッチが異なってしまうことになる。そのため、本発明を適用し、収縮量の均一化を図ることは圧電アクチュエータの大型化にとってきわめて大きな効果を奏する。
【００５５】
さらに、本発明は、圧電縦効果及び圧電厚みすべり効果により変化する活性部が備えられた圧電アクチュエータにも適用できる。このような圧電アクチュエータの実施形態の一例を図１７に示す。この実施形態の圧電アクチュエータ７０は、複数枚（例えば４枚）の圧電シート７１が積層されてなっており、これら圧電シートの面に沿う方向に間隔をおき、且つこれら圧電シートの厚さ方向に間隔をおいて配置された複数の電極（内部電極）７２，７３，７４、７５とを備える。そして、この圧電アクチュエータ７０は、インク室７８の中央部に位置する第１の部位７６と、インク室７８の両側部に位置し第１の部位７６の左右に隣接する第２の部位７７という２つの部位からなっている。第１の部位７６は、電極７３、７４、７３に挟まれて形成されている。第１の部位７６内での分極方向は、電極７３、７４、７３によって矢印Ａで示すように積層方向と一致して、電極７４を介して１８０°反転するようにしている。また、第２の部位７７では、一方の電極は、第１群の電極７３、７３の両端部分が兼用され、さらに電極７３，７３の間で電極７４と同一平面で間隔をおいて位置する電極７２を含み、他方の電極は、それら電極７３、７４と圧電シートの面に沿う方向に間隔をおいて各圧電シート間に挟んで配置した電極７５からなる。そして、第２の部位７７内での分極方向は、矢印Ｂで示すように積層方向と一致している。
【００５６】
この圧電アクチュエータ７０では、所望のインク室に対応する電極７２、７２、７３、７３に駆動電圧が印加され、電極７４、７５が接地（ＧＮＤ）されると、第２の部位７７、７７は、分極方向Ｂと垂直な破線矢印Ｃで示す駆動電界を生じ、同時に第１の部位７６における積層方向の両端側の電極７３、７３と積層中央位置の電極７４との間には分極方向Ａと同一方向の破線矢印Ｄで示す駆動電界が生じる。これによりインク室７８に対応する第１の部位７６は圧電縦効果の変位により図１８において、上下方向に伸長し、第２の領域７７、７７には圧電厚みすべり効果の変位が発生するので、図中下方向へ平行四辺形状に変形する。これによりインク室７８は容積が減少する方向に局所変形し、液滴がノズル７９から噴射される。
【００５７】
このような圧電縦効果及び圧電厚みすべり効果を利用した圧電アクチュエータ７０でも、本発明と同様に圧電アクチュエータ７０の動作単位である圧電シート７１の複数個分の大きさの素材シートが積層された積層体を、押圧、焼成して製造されるため、本発明を適用することで、圧電アクチュエータ７０の内部電極のピッチのバラツキを低減することができる。
【００５８】
さらに、前記各実施形態は、インクジェットプリントヘッドに適用したものであったが、本発明はこれに限定されずに、素材シートを積層して製造されるプレート型の圧電アクチュエータの構造に広く適用できるものである。
【００５９】
【発明の作用・効果】
以上に説明したように、請求項１に記載の発明の圧電アクチュエータの製造方法は、電極への電圧の印加により変形動作する圧電アクチュエータを、各インク室内の容積を変化させる活性部に対応して電極パターンが表面に形成された複数の圧電シートを積層し、その積層方向に押圧し、焼成により形成する製造方法において、前記圧電アクチュエータの動作単位の複数個分が一体で形成される大きさを有する大判の素材シートに、各動作単位を構成する領域毎に電極パターンを形成する工程と、前記複数の領域がマトリックス状に配置された素材シートを積層して積層体を形成する工程と、この積層体の平板面に積層体の厚み方向に貫通する切り込みを前記動作単位を構成する領域どうしの境界の一部に穿設する工程と、切り込みが設けられた積層体をその積層方向に押圧し一体化する工程とを、少なくとも有することを特徴とするものである。これによれば、押圧前の積層体に切り込みが形成されているため、積層体の平板面の周辺部分の側縁に加えて、平板面の中央部分にも側縁が形成され、その結果、積層体の押圧時に圧電材料の逃げ場が増え、押圧による圧電材料の疎密が緩和され、焼成の際に生じていた積層体の周辺部分及び中央部分での収縮量のバラツキが低減される。
【００６０】
また、切り込みは素材シートを積層した後の積層体に形成するため、素材シート毎の切り込みの位置ズレが発生しないという効果を奏する。
【００６１】
さらに、切り込みは圧電アクチュエータの動作単位の領域の境界に設けられているため、切り込みが前記動作単位の領域内の電極パターン等の妨げになることが防止される。
【００６２】
また、請求項２に記載の圧電アクチュエータの製造方法は、電極への電圧の印加により変形動作する圧電アクチュエータを、各インク室内の容積を変化させる活性部に対応して電極パターンが表面に形成された複数の圧電シートを積層し、その積層方向に押圧し、焼成により形成する製造方法において、前記圧電アクチュエータの動作単位の複数個分が一体で形成される大きさを有する大判の素材シートに、各動作単位を構成する領域毎に電極パターンを形成する工程と、前記複数の領域がマトリックス状に配置された素材シートにおける前記領域どうしの境界の所定の一部に、素材シートの厚み方向に貫通する切り込みを穿設する工程と、前記各素材シートにおける切り込みの位置を上下で一致させた状態で複数枚の素材シートを積層して積層体を形成する工程と、前記積層体をその積層方向に押圧する工程とを、少なくとも有することを特徴とするものである。これによれば、押圧前の積層体に切り込みが形成されているため、積層体の平板面の周辺部分の側縁に加えて、平板面の中央部分にも側縁が形成され、その結果、積層体の押圧時に圧電材料の逃げ場が増え、押圧による圧電材料の疎密が緩和され、焼成の際に生じていた積層体の周辺部分及び中央部分での収縮量のバラツキが低減される。
【００６３】
また、積層体を形成する前の素材シートという薄い対象物に切り込みが施されているため、切り込みが簡易に形成できるという効果を奏する。
【００６４】
さらに、切り込みは圧電アクチュエータの動作単位の領域の境界に設けられているため、切り込みが前記動作単位の領域内の電極パターン等の妨げになることが防止される。
【００６５】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の圧電アクチュエータの製造方法において、前記切り込みは前記素材シートの側辺に沿って略平行に少なくとも一本形成することを特徴とするものであるから、切り込みを形成することで、切り込みと素材シートの側辺により囲まれた領域を、実際の素材シートよりも小さいサイズの素材シートを使用している場合に相当させることができ、大判の素材シートであっても焼成による収縮量のバラツキを、小さいサイズの素材シートと同程度に低減させることができる。
【００６６】
また、請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法において、前記切り込みは前記積層体の平板面の中心線に対して対称形となるように配置することを特徴とするものであるから、焼成による収縮のバランスが向上される。
【００６７】
また、請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法において、前記切り込みは前記積層体の平板面の中央部で交差方向に延びるように形成することを特徴とするものであるから、焼成による収縮のバランスがさらに向上される。
【００６８】
また、請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法において、圧電アクチュエータは１つのインクジェットプリンタヘッドにおける複数のインク室に面するように配置された複数の活性部を有する一体のものを、１つの動作単位とすることを特徴とするものであるから、上述の効果により収縮のバラツキが少なく製造された圧電アクチュエータが、その活性部を各インク室に面するように配置されてインクジェットプリンタが構成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による圧電式インクジェットプリンタヘッドを示す分解斜視図である。
【図２】キャビティユニットの部分的拡大斜視図である。
【図３】圧電アクチュエータの分解斜視図である。
【図４】圧電アクチュエータの斜視図である。
【図５】大判の素材シートを示す斜視図である。
【図６】大判の素材シートの積層体を示す斜視図である。
【図７】積層体に形成された切り込みの拡大斜視図である。
【図８】積層体に形成されたスリットの拡大斜視図である。
【図９】大判の素材シートにそれぞれ切り込みが形成された場合の斜視図である。
【図１０】切り込みの配置例を示す平面図である。
【図１１】切り込みの配置例を示す平面図である。
【図１２】切り込みの配置例を示す平面図である。
【図１３】切り込みの配置例を示す平面図である。
【図１４】圧電アクチュエータの他の実施例の斜視図である。
【図１５】圧電アクチュエータの他の実施例の斜視図である。
【図１６】図１５の圧電アクチュエータの最上面の平面図である。
【図１７】圧電アクチュエータの他の実施例を含むインクジェットプリントヘッドの部分的拡大断面図である。
【図１８】図１７のインクジェットプリントヘッドの動作を示す部分的拡大断面図である。
【符号の説明】
１０ キャビティユニット
１１ ノズルプレート
１２ マニホールドプレート
１２ａ、１２ｂ インク通路
１３ スペーサプレート
１４ ベースプレート
１５ ノズル
１６ インク室
１７ 貫通孔
１８ 貫通孔
１９ 供給孔
２０、６０，７０ 圧電アクチュエータ
２０ａ、２０ｂ 表裏両表面
２０ｃ 左右両側面
２１、２２ 圧電シート
２３ 圧電シート
２４ 個別電極
２４ａ 一端部
２５ コモン電極
２５ａ 一端部
２６、２７ 表面電極
２８、２９ 捨てパターン
４０ フレキシブルフラットケーブル
２００ 積層体
２１０ 第１素材シート
２２０ 第２素材シート
２３０ 第３素材シート
３００，３１０ 貫通孔
３０、３１、 溝
３２、３３ 側面電極
５０ スリット
５１ 余白部
６１ キャビティユニット
６２ 圧電アクチュエータ
６３ フレキシブルフラットケーブル
６４ 圧電シート
６５ 圧力室
６６ 表面電極
７０ 圧電アクチュエータ
７１ 圧電シート
７２〜７５ 電極
７６ 第１の部位
７７ 第２の部位
７８ インク室
７９ ノズル
Claims (6)
- 電極への電圧の印加により変形動作する圧電アクチュエータを、各インク室内の容積を変化させる活性部に対応して電極パターンが表面に形成された複数の圧電シートを積層し、その積層方向に押圧し、焼成により形成する製造方法において、
前記圧電アクチュエータの動作単位の複数個分が一体で形成される大きさを有する大判の素材シートに、各動作単位を構成する領域毎の電極パターンを形成する工程と、
前記複数の領域がマトリックス状に配置された素材シートを積層して積層体を形成する工程と、
この積層体の平板面に積層体の厚み方向に貫通する切り込みを前記動作単位を構成する領域どうしの境界の一部に穿設する工程と、
切り込みが設けられた積層体をその積層方向に押圧し一体化する工程とを、少なくとも有することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。 - 電極への電圧の印加により変形動作する圧電アクチュエータを、各インク室内の容積を変化させる活性部に対応して電極パターンが表面に形成された複数の圧電シートを積層し、その積層方向に押圧し、焼成により形成する製造方法において、
前記圧電アクチュエータの動作単位の複数個分が一体で形成される大きさを有する大判の素材シートに、各動作単位を構成する領域毎に電極パターンを形成する工程と、
前記複数の領域がマトリックス状に配置された素材シートにおける前記領域どうしの境界の所定の一部に、素材シートの厚み方向に貫通する切り込みを穿設する工程と、
前記各素材シートにおける切り込みの位置を上下で一致させた状態で複数枚の素材シートを積層して積層体を形成する工程と、
前記積層体をその積層方向に押圧する工程とを、少なくとも有することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。 - 前記切り込みは前記素材シートの側辺に沿って略平行に少なくとも一本形成することを特徴とする請求項１または２記載の圧電アクチュエータの製造方法。
- 前記切り込みは前記積層体の平板面の中心線に対して対称形となるように配置することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法。
- 前記切り込みは前記積層体の平板面の中央部で交差方向に延びるように形成することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法。
- 圧電アクチュエータは、１つのインクジェットプリンタヘッドにおける複数のインク室に面するように配置された複数の活性部を有する一体のものを、１つの動作単位とすることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法。
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|---|---|---|---|
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