JP2006076194A - インクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電素子の接合面に良好な接着剤塗布を行うことと、振動板の間の接着剤層を均一化することを目的とする。
【解決手段】 テクスチャが形成された圧電素子５８の接合面５８Ａに接着剤で振動板３４を接合してアクチュエータ５０を形成する。このとき、接着剤はテクスチャ（微細な凹凸）に入り込むので、接合面５８Ａに塗布した接着剤が流動することがなく、接着剤は均一に塗布される。これにより、圧電素子５８と振動板３４の間には均一な接着剤の層が形成されるので、良好に接合されたアクチュエータ５０を得ることができる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、記録媒体へインクを吐出するインクジェット記録ヘッド、並びにインクジェット記録ヘッドの製造方法に関する。

インクジェット記録装置は、インクジェット記録ヘッドを主走査方向に往復させ、また、記録紙を副走査方向に搬送させて、複数のノズルから選択的にインク滴を吐出することで記録紙に文字や画像を記録する。インクジェット記録ヘッドは、圧電素子を振動板に接合したアクチュエータで圧力室を加圧することで、圧力室に連通するノズルからインク滴を吐出する方法が知られている。

従来は、圧電素子材料を焼成して成形した圧電素子をラップ加工等によって薄くし、その後スパッタ等の成膜方法を用いることにより電極形成を行っていた。しかし、圧電素子をラップ加工等によって薄くする方法は、ラップ加工で削る分、余分な圧電材料が必要であり材料コストが高くなる。また、スパッタ等の方法で電極を形成することも、コストアップの要因となっている。

そこで、本出願人は、ラップ加工の必要がないグリーンシート法で圧電素子を製造する方法を提案している（特許文献１参照）。これにより、低コストでアクチュエータを製造することが可能となった。

このグリーンシート法では、圧電素子の表面は平坦加工が施されていないため、圧電素子材料、電極材料及びゴミ等が突起部となって存在する。この突起部が存在する圧電素子の表面に接着剤を塗布すると、突起部によって接着剤がはじかれて凝集してしまい均一に塗布できなかったり、あるいは、圧電素子を振動板に接合する際に突起部が振動板に噛み込まれるため、圧電素子と振動板の密着が阻害されることによって、接着剤層を均一に形成されない問題があった。また、滑らかな圧電素子の表面では、塗布された接着剤が流動してしまい、これによっても、接着剤層が均一に形成されない。従って、圧電素子と振動板の間の接着剤層には、部分的な空洞が発生し、振動板から圧電素子が剥離してしまうなどの問題が生じている。
特願２００４−００７６６２号公報

本発明は上記問題を考慮し、圧電素子の接合面に良好な接着剤塗布を行うことと、振動板の間の接着剤層を均一化することを目的とする。

請求項１に記載の本発明は、インクが充填される圧力室の一部を形成する振動板と、前記振動板に接着剤で接合される圧電素子と、で構成されたアクチュエータを有するインクジェット記録ヘッドであって、 前記振動板へ接合される圧電素子の接合面にはテクスチャが形成されていることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、テクスチャが形成された圧電素子の接合面に接着剤で振動板を接合してアクチュエータを形成する。このとき、接着剤はテクスチャ（微細な凹凸）に入り込むので、接合面に塗布した接着剤が流動することがなく、接着剤は均一に塗布される。これにより、圧電素子と振動板の間には均一な接着剤の層が形成されるので、良好に接合されたアクチュエータを得ることができる。

請求項２に記載の本発明は、前記テクスチャは、研磨加工によって形成されることを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、研磨加工で圧電素子の接合面にテクスチャを形成することで、テクスチャを形成する工程が複雑にならず、また、テクスチャを形成するために必要な時間（加工時間）が短くて済む。

請求項３に記載の本発明は、前記研磨加工は、前記圧電素子の接合面の所定サイズの突起部を除去するまで行うことを特徴とする特徴としている。

請求項３に記載の発明によれば、平坦加工が施されていない圧電素子の接合面には、圧電素子材料、電極材料及びゴミ等による所定サイズの突起部が存在する。そこで、この所定サイズの突起部を研磨加工によって除去する。これにより、圧電素子の接合面に塗布した接着剤が、所定サイズの突起部によってはじかれることがないので、接合面には接着剤が均一に塗布される。また、圧電素子を振動板に接合する際に、所定サイズの突起部が振動板に噛み込むことが防止できるので、圧電素子と振動板を密着させることができる。

請求項４に記載の本発明は、前記テクスチャの深さは、前記圧電素子に形成された電極膜の厚さよりも小さいことを特徴としている。

請求項４に記載の発明によれば、テクスチャの深さは、圧電素子に形成された電極膜の厚さより小さくする。これにより、テクスチャを形成することで、圧電素子に電極膜が形成されている場合、この電極膜が剥離したり破損することがない。

請求項５に記載の本発明は、前記研磨加工は、粒径が５μｍ以下の研磨剤を用いることを特徴とする特徴としている。

請求項５に記載の発明によれば、粒径５μｍ以下の研磨剤を用いて研磨加工を行う。すなわち、微細な研磨剤で圧電素子の接合面にテクスチャを形成する。これにより、圧電素子に電極が形成されている場合、この電極がテクスチャを形成することによって破損したり剥離することがない。

請求項６に記載の本発明は、前記研磨加工は、弾性材料で構成された研磨工具で研磨されることを特徴としている。

請求項６に記載の発明によれば、弾性材料で構成された研磨工具で研磨することで、圧電素子の接合面にうねりが生じている場合でも、うねりに沿ってテクスチャが形成される。すなわち、圧電素子の接合面には、均一な深さの微細な凹凸が形成される。これにより、圧電素子の接合面にうねりが生じている場合でも、圧電素子と振動板の間には均一な接着剤の層が形成される。

請求項７に記載の本発明は、前記研磨加工は、前記圧電素子と前記振動板を接合する前工程で行われることを特徴としている。

請求項７に記載の発明によれば、圧電素子と振動板を接合する前工程で、圧電素子の接合面にテクスチャを形成する。すなわち、圧電素子の接合面にテクスチャを形成してから接着剤を塗布するので、接着剤が流動することがなく、圧電素子と振動板の間には均一な接着剤の層が形成される。

請求項８に記載の本発明は、前記圧電素子は、圧電素子材料をシート化した後に焼成し、テクスチャが形成されたことを特徴としている。

請求項８に記載の発明によれば、シート化された圧電素子材料を焼成してテクスチャを形成することで、厚く焼いた圧電素子をラップ加工等によって薄くする方法と比較して、ラップ加工等で削る余分な圧電素子材料がなく、材料コストが低い。

請求項９に記載の本発明は、インクが充填される圧力室の一部を形成する振動板と、前記振動板に接着剤で接合される圧電素子と、で構成されたアクチュエータを有するインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、前記圧電素子の接合面にテクスチャを形成する第１の工程と、前記圧電素子の接合面又は前記振動板に接着剤を塗布する第２の工程と、前記振動板と前記圧電素子の接合面を接合する第３の工程と、を有することを特徴としている。

請求項９に記載の発明によれば、圧電素子の接合面にテクスチャを形成することで、圧電素子の所定サイズの突起物を除去することができる。これにより、振動板と圧電素子の接合面を接着剤で接合する際に、接着剤がはじかれることがない。また、テクスチャに接着剤が入り込むので、圧電素子の接合面で接着剤が流動することも防止できる。従って、圧電素子と振動板の間には均一な接着剤の層を形成することができ、圧電素子と振動板が剥離しにくい圧電アクチュエータを製造することができる。

本発明は上記構成としたので、圧電素子の接合面に良好な接着剤塗布を行うことができると共に、振動板の間の接着剤層を均一化できる。

以下、本発明に係るインクジェット記録ヘッドの第１実施形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド１２を備えたインクジェット記録装置１０が示されている。

インクジェット記録装置１０には、キャリッジ１４が設けられており、キャリッジ１４には、ノズル３６（図２参照）を有するインクジェット記録ヘッド１２が、ノズル３６が用紙Ｐと対向するようにして搭載されている。キャリッジ１４は、走査位置信号に基づき主走査機構１８によって主走査方向（矢印Ｘで示す）に移動される。これにより、インクジェット記録ヘッド１２は、副走査機構２０によって副走査方向（矢印Ｙで示す）へ搬送される用紙Ｐへ、画像情報に応じてインク滴を吐出することにより、用紙Ｐの全面に画像の記録を行う。
（インクジェット記録ヘッドの概略説明）
図２に示すように、インクジェット記録ヘッド１２は、ノズルプレート２２、連通孔プレート２４、２６、供給路プレート２８、３０、圧力発生室プレート３２、および振動板３４の合計７枚のプレートを位置合わせして積層し、接着剤等の接合手段によって接合することにより形成されている。

ノズルプレート２２には、インクを吐出するノズル３６が設けられており、連通孔プレート２４、２６には、連通孔３８、４０がそれぞれ形成されている。また、供給路プレート２８、３０には供給孔４２、４４が形成されている。これらのノズル３６、連通孔３８、４０、供給孔４２、４４は連通孔プレート２４、２６、供給路プレート２８、３０が積層された状態で連通し、圧力発生室プレート３２に形成された圧力発生室４８に繋がっている。

一方、連通孔プレート２４、２６には、それぞれインクプール５１、５２が形成され、図示しないインク供給孔から供給されたインクが貯留されている。また、供給路プレート２８には、このインクプール５２と連結するように供給孔５４が形成されている。さらに、供給路プレート３０には供給溝５６が形成されて、連通孔プレート２４、２６、供給路プレート２８、３０が積層された状態で、インクプール５１、５２と圧力発生室４８とを連通させている。

圧力発生室プレート３２上には振動板３４が積層され、振動板３４の上には圧電素子５８が取り付けられている。圧電素子５８は、圧力発生室４８に相当する領域に接着されており、ハンダ６２を介して配線基板６０と接続されている。なお、圧力発生室４８に対応する振動板３４と圧電素子５８とを、アクチュエータ５０とする。

この構成により、駆動電圧波形が圧電素子５８に印加されると、圧電素子５８と共に振動板３４が点線で示すようにたわみ変形して圧力発生室４８のインクを加圧し、ノズル３６からインク滴を吐出させる構成となっている。
（インクジェット記録ヘッドの製造方法）
次に、このインクジェット記録ヘッド１２の製造方法について説明する。

図３（Ａ）に示すように、ノズルプレート２２の一方の面（裏面）に連通孔プレート２４を接合する。そして、この連通孔プレート２４に、連通孔プレート２６、供給路プレート２８、供給路プレート３０、圧力発生室プレート３２を接合する。次に、ノズルプレート２２の他方の面（表面）に、スピンコート法を用いて撥水膜（図示省略）を成膜すると共に、図３（Ｂ）に示すように、エキシマレーザＢでノズル３６を穿設する。そして、図３（Ｃ）に示すように、圧力発生室プレート３２の開口を覆うようにして振動板３４を接合する。

次に、図３（Ｄ）に示すように、圧電素子５８が形成された中間保持部材８２を、圧電素子５８の接合面５８Ａを下側に向けて、振動板３４に接着する。このようにして、圧電素子５８と振動板３４からなるアクチュエータ５０が形成される。なお、アクチュエータ５０の作成方法については後述する。

中間保持部材８２と圧電素子５８は、所定の温度で加熱したとき、発泡して接着力が大幅に低下する性質を有する熱発泡性接着フィルムを用いて接着されている。また、圧電素子５８の両面には電極膜７６（図５（Ａ）参照）が予め形成されており、共通電極として兼用する振動板３４と導電性接着剤で接着することで、圧電素子５８と振動板３４とは電気的に接続される。

そして、図３（Ｅ）に示すように、中間保持部材８２を加熱して熱発泡性接着フィルムの接着力を低減させて中間保持部材８２を剥離し、図３（Ｆ）に示すように、各圧電素子５８毎にハンダ６２を介して配線基板６０を接合する。

最後に、図示しないインク供給装置等を取付けることにより、本実施形態のインクジェット記録ヘッド１２が完成する。

ここで、アクチュエータ５０の製造方法について説明する。まず、アクチュエータ５０を構成する圧電素子５８の作成方法について説明する。

図４（Ａ）に示すように、粉末、バインダ、溶剤を混合して、スラリー６６とする。次に、図４（Ｂ）に示すように、ＰＥＴフィルム６８上にローラコーター７０を用いてスラリー６６を塗布してシート状とする。そして、ヒーター７２でシート状のスラリー６６を加熱する。これにより、スラリー６６の溶剤が蒸発して、ＰＥＴフィルム６８上にグリーンシート７４が形成される。そして、ＰＥＴフィルム６８からグリーンシート７４を剥離する。

次に、グリーンシート７４の両面に電極膜７６を形成する。そして、この電極膜７６が形成されたグリーンシート７４を、図５（Ａ）に示すように、直径Ｄ（最大長）が約１２ｍｍ、厚さｔが約４０μｍの円形状に打ち抜き、焼成して圧電プレート７８を作成する。このように、円形状に打ち抜いて焼成することで、反りが小さく安定した形状の圧電プレート７８が作成できる。

なお、図５（Ａ）では、電極膜７６は判り易くするために、厚く描いている。また、図５（Ａ）以外では、電極膜７６は図示を省略している。

次に、図５（Ｂ）に示すように、圧電プレート７８を、一辺Ｈが約７．０ｍｍの正方形状に切り出して（この切り出したものを圧電プレート７８Ａとする）、中間保持部材８２に接着する。このとき、圧電プレート７８Ａを中間保持部材８２を接着する部材として、所定の温度で加熱すると発泡して接着力が大幅に低下する性質を有する熱発泡性接着フィルム８４が用いられる。

本実施形態の場合は、図５（Ｃ）に示すように、４列×２行、合計８枚の圧電プレート７８Ａを中間保持部材８２に並べて接着している。このように、薄くて小さな圧電プレート７８Ａを４列×２行と並べて構成することで、圧電プレート７８Ａを長尺化している。また、圧電プレート７８Ａの焼成後の厚みを調整しないで使用できるので、従来のように、圧電プレートをラップ加工等で削って薄くする必要がなく、低コストで製造できる。

また、厚く焼いた圧電プレートをラップ加工等によって薄くする工法と比べ、ラップ加工等で削る余分な圧電材料がなく、材料コストが低い。更に、削って廃棄する圧電材料がないので、環境問題にも対応している。

次に、図６（Ａ）に示すように、サンドブラスト加工で、各圧電プレート７８Ａを、圧力発生室４８（図２参照）に対応させて分断し、複数の圧電素子５８とする。なお、本実施形態では、サンドブラスト加工等の機械的加工で圧電プレート７８Ａを分断したが、エッチング加工等の化学的加工で圧電プレート７８Ａを複数の圧電素子５８に分割しても良い。

このようにして形成した圧電素子５８の表面（後に振動板３４と接合する接合面、以後、「接合面」とする）に、図７に示すように、研磨液を吐出しながら研磨工具で研磨加工を施す。これにより、図８（Ｂ）に示すように、接合面５８Ａには微細な凹凸（テクスチャ）が形成される。接合面５８Ａには、電極膜７６が形成されているので、実際には、この電極膜７６にテクスチャが形成される。

本実施形態では、研磨液は、砥粒の粒径が５μｍ以下の微細なものが用いられる。つまり、電極膜７６の厚み以下の深さのテクスチャを接合面５８Ａに形成するためである。これにより、接合面５８Ａに研磨加工を施しても、電極膜７６が破損したり剥離することがない。なお、電極膜７６の厚みは、焼成後の状態で２μｍとした。ここで、比較のため、粒径が１０μｍの砥粒を用いて研磨加工を施した。このとき、電極膜７６の厚さに対して砥粒の切削力が過剰となり、テクスチャの深さが２μｍを超え、電極膜７６が頻繁に破損した。

また、研磨工具は、弾性体樹脂、ゴム、布などから形成された弾性を有する工具を用いる。これにより、接合面５８Ａに沿ってテクスチャが形成される。すなわち、圧電素子５８にうねりが生じている場合でも、研磨工具８６はうねりに沿って接合面５８Ａを研磨加工するので、接合面５８Ａには均一な深さでテクスチャが形成される。

図８には、圧電素子５８の接合面５８Ａの粗さのプロファイルが示されている。研磨加工を施す前の圧電素子５８の接合面５８Ａは、平坦化加工を経ていない。このため、図８（Ａ）に示すように、突起状の圧電素子材料、電極材料及びゴミ等が突起物８８となって存在する。この状態で、圧電素子５８の接合面５８Ａに振動板３４を接合すると、突起物８８が振動板３４に噛み込まれ、圧電素子５８と振動板３４を密着させることができない。また、ゴミ等の上に塗布された接着剤は、はじかれたり、ゴミ等と一緒に接合面５８Ａからはがれてしまう。すなわち、接合面５８Ａには、均一に接着剤の層を形成することができない。

一方、突起物８８以外の部分は、図８（Ａ）の拡大図のように滑らかな状態となっている。この滑らかな状態のところに接着剤を塗布すると、接着剤が流動してしまう。これによっても、接合面５８Ａに、均一な接着剤の層を形成することができない。

そこで、接合面５８Ａに研磨加工を施すことで、図８（Ｂ）に示すように、突起物８８を除去すると共に、滑らかな状態の面にテクスチャを形成する。

そして、図８（Ｃ）に示すように、接合面５８Ａに接着剤を塗布して均一な接着層を形成し、図６（Ｂ）及び図８（Ｄ）に示すように、振動板３４に接合する。接着剤は、フィラーや導電粒子等の微粒子を一切含有しない熱硬化性のエポキシ接着剤を用いる。この接着剤を、接合面５８Ａに２〜５μｍの厚さで塗布し、振動板３４に接合して加圧加熱して、圧電素子５８と振動板３４を接着固定する。

そして、先にも述べたが、図３（Ｅ）及び図６（Ｃ）に示すように、中間保持部材８２を剥離する。以上のようにして、アクチュエータ５０を製造する。

なお、本実施形態では、電極膜７６が形成された圧電素子５８の接合面５８Ａに研磨加工でテクスチャを形成したが、圧電素子５８の接合面５８Ａにテクスチャを形成してから、スパッタ法等で電極膜を形成してもよい。

次に、本発明の実施形態の作用について説明する。

圧電素子５８の接合面５８Ａに研磨加工でテクスチャを形成する。そして、この接合面５８Ａに接着剤を塗布して振動板３４に接合し、アクチュエータ５０を形成する。このとき、接着剤は、研磨加工によって接合面５８Ａに形成されたテクスチャに入り込むので、接着剤が流動することがなく、接合面５８Ａに均一に塗布される。

また、接合面５８Ａに研磨加工を施す際に、接合面５８Ａの圧電素子材料や電極材料、ゴミ等の突起物８８を除去する。これにより、接着剤の凝集や流動が防止できるので、圧電素子５８と振動板３４の間に均一な接着剤層が形成され、良好に接合されたアクチュエータ５０を得ることができる。さらに、圧電素子５８を振動板３４に接合する際に、突起物８８が振動板３４に噛み込むことが防止できるので、圧電素子５８と振動板３４を密着させることができる。

また、研磨加工によって圧電素子５８の接合面５８Ａにテクスチャを形成するので、製造工程が複雑にならない。また、加工時間が短くて済む。

なお、本実施形態では、研磨加工によってテクスチャを形成した圧電素子５８の接合面５８Ａに接着剤を塗布して圧電素子５８と振動板３４を接着する構成としたが、振動板３４に接着剤を塗布して、テクスチャを形成した圧電素子５８の接合面５８Ａに接合してもよい。このとき、振動板３４に塗布した接着剤が、圧電素子５８の接合面５８Ａに形成されたテクスチャに入り込むので、振動板３４に圧電素子５８を接合して加圧加熱しても、接着剤が流動することがない。従って、圧電素子５８と振動板３４の間に、隙間なく接着剤の層が形成されるので、圧電素子５８と振動板３４が良好に接合される。

また、本実施形態では、インクジェット記録ヘッド１２をキャリッジ１４で走査しながら用紙Ｐに記録を行うタイプのインクジェット記録装置１０を用いて説明したが、本発明のインクジェット記録ヘッドは、このインクジェット記録装置１０に限定されて使用されるものではない。例えば、用紙Ｐの幅方向（主走査方向）に渡ってノズルが配置されたインクジェット記録ヘッドを固定して、用紙Ｐのみを搬送しながら用紙Ｐに記録を行う、いわゆるＦＷＡ（Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ａｒｒａｙ）方式のインクジェット記録装置に、本発明のインクジェット記録ヘッドを搭載してもよい。

本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを搭載したインクジェット記録装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造工程を（Ａ）から（Ｆ）へと順番に模式的に示した図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの圧電プレートの製造工程、中間保持部材に接合する工程を（Ａ）から（Ｂ）へと順番に模式的に示した図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの圧電プレートの製造工程、中間保持部材に接合する工程を（Ａ）から（Ｃ）へと順番に模式的に示した図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造工程を（Ａ）から（Ｃ）へと順番に模式的に示した図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの圧電プレートにテクスチャを形成する工程を模式的に示した図である。 本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの圧電プレートの表面の粗さのプロファイルを示す図である。

符号の説明

１２ インクジェット記録ヘッド
１４ キャリッジ
３４ 振動板
３６ ノズル
４８ 圧力発生室
５０ アクチュエータ
５８ 圧電素子
７６ 電極膜
８８ 突起物

Claims (9)

1. インクが充填される圧力室の一部を形成する振動板と、前記振動板に接着剤で接合される圧電素子と、で構成されたアクチュエータを有するインクジェット記録ヘッドであって、
   前記振動板へ接合される前記圧電素子の接合面にはテクスチャが形成されていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記テクスチャは、研磨加工によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 前記研磨加工は、前記圧電素子の接合面の所定サイズの突起部を除去するまで行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記テクスチャの深さは、前記圧電素子に形成された電極膜の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 前記研磨加工は、粒径が５μｍ以下の研磨剤を用いることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 前記研磨加工は、弾性材料で構成された研磨工具で研磨されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
7. 前記研磨加工は、前記圧電素子と前記振動板を接合する前工程で行われることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
8. 前記圧電素子は、圧電素子材料をシート化した後に焼成し、テクスチャが形成されたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
9. インクが充填される圧力室の一部を形成する振動板と、前記振動板に接着剤で接合される圧電素子と、で構成されたアクチュエータを有するインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、
   前記圧電素子の接合面にテクスチャを形成する第１の工程と、
   前記圧電素子の接合面又は前記振動板に接着剤を塗布する第２の工程と、
   前記振動板と前記圧電素子の接合面を接合する第３の工程と、
   を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。

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