JP2007320187A - インクジェットヘッドの製造方法およびインクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 支柱製造の際の加工性および作業性を向上することができるインクジェットヘッドの製造方法およびインクジェットヘッドを提供する。
【解決手段】 本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、積層体形成工程と、溝形成工程などを具備する。積層体形成工程では、平板状の第１のセラミックス層２２に、第１のセラミックス層２２よりも被削性の良い平板状の第２のセラミックス層２３を接着して積層基板１２を構成する。この積層基板１２に圧電部材３６，３７を接着することにより積層体３４を形成する。溝形成工程では、圧電部材３６，３７の表層３３Ａから積層基板１２の第２のセラミックス層２３に達する深さの溝３５を研削加工することにより、圧電部材３６，３７を分断してインク滴吐出用の支柱２４を複数個形成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、オンデマンド型のインクジェットヘッドの製造方法およびインクジェットヘッドに関する。

例えば、インクジェットヘッドの製造方法として、平板状の圧電部材を切断して、インクの吐出駆動用の支柱を作成する方法がある。この製造方法では、板状の圧電部材と、板状の基板とを接着剤を介して張り合わせた後、カッタを用いてこの圧電部材を所定間隔で切断して複数の支柱を作成する。このように、材質の異なる圧電部材と基板とを例えば高温接着で張り合わせる場合には、通常、圧電部材と基板との間の線膨張係数差による歪みが発生する。この歪みにより、圧電素子と基板とに反りが生ずるとともに、両者の間に内部応力が残存することになる。

この従来例では、圧電部材の表面から接着剤に至る溝や、圧電部材の表面から基板の表層に至る溝を形成して、各圧電部材同士を分割するようにする。この圧電部材の分割により、前記圧電素子と前記基板との反りを解消するとともに、これらの間の内部応力を除去するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１００４２１号公報

しかし、基板の表層に至る溝を形成するようにすると、加工性の悪い材質で基板が構成されている場合には、溝加工が困難になるのみならず、溝加工に用いる研削工具に早期に摩耗を生ずる問題がある。一方、接着剤の層まで溝を止めるには、溝の深さに対する高い加工精度が求められる。このため、前記のように圧電素子と基板とが反っている場合には、高精度の加工に時間と費用がかかり、作業効率もよくない問題がある。

本発明の目的は、支柱製造時の加工性および作業性を向上することができるインクジェットヘッドの製造方法およびインクジェットヘッドを得ることにある。

本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、第１のセラミックス層と、この第１のセラミックス層よりも被削性の良い第２のセラミックス層とを接合して積層基板を構成するとともに、この積層基板の前記第２のセラミックス層が設けられた面に圧電部材を接着して積層体を形成する積層体形成工程と、前記積層体に対して、前記圧電部材の表層から前記積層基板の前記第２のセラミックス層に達する深さの溝を研削加工することにより、前記圧電部材を分断してインク滴吐出用の支柱を複数個形成する溝形成工程と、前記支柱の表面に電極を形成する電極形成工程と、前記溝が形成された積層体に天板を接合する天板接合工程と、前記溝が開口した面にノズルプレートを接合するノズルプレート接合工程と、を具備する。

本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、第１のセラミックス層と、この第１のセラミックス層よりも被削性の良い第２のセラミックス層とを接合して積層基板を構成するとともに、この積層基板の前記第２のセラミックス層が設けられた面に、互いに分極方向が対向するように２枚の圧電部材を積層状態で接着して、積層体を形成する積層体形成工程と、前記積層体に対して、前記圧電部材の表層から前記積層基板の前記第２のセラミックス層に達する深さの溝を研削加工することにより形成するとともにこれらの溝の両側に支柱を複数個形成する溝形成工程と、前記支柱の表面に電極を形成する電極形成工程と、前記溝が形成された積層体に天板を接合する天板接合工程と、前記溝が開口した面にノズルプレートを接合するノズルプレート接合工程と、を具備する。

本発明のインクジェットヘッドは、第１のセラミックス層と、この第１のセラミックス層よりも被削性の良い第２のセラミックス層とを有する積層基板と、前記積層基板の第２のセラミックス層に接着された圧電部材と、前記圧電部材の表層から前記積層基板の前記第２のセラミックス層に達するように研削加工で形成されるとともに、前記圧電部材をインク滴吐出用の複数の支柱として分断する溝と、を具備する。

本発明のインクジェットヘッドは、第１のセラミックス層と、この第１のセラミックス層よりも被削性の良い第２のセラミックス層とを有する積層基板と、前記積層基板の第２のセラミックス層に接着され、互いに分極方向が対向するように積層された２枚の圧電部材と、前記圧電部材の表層から前記積層基板の前記第２のセラミックス層に達するように研削加工で形成されるとともに、前記圧電部材をインク滴吐出用の複数の支柱として分断する溝と、を具備する。

本発明によれば、積層基板の一部を被削性の良い平板状の第２のセラミックス層で構成し、この第２のセラミックス層の途中まで至る溝を研削して圧電部材を分断することで、支柱が形成される。これにより、積層基板と圧電部材と間に残存する内部応力を除去することができる。また、被削性の劣る第１のセラミックス層を研削するのを避けて、被削性の良い第２のセラミックス層のみを研削するようにできるため、研削工具が早期に摩耗してしまうことを回避できる。さらに、被削性の良い第２のセラミックス層に対して溝を研削すれば、溝加工が容易となり、作業効率の向上を図ることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の第１の実施形態について説明する。
図１と図２に示すように、インクジェットヘッド１１は、いわゆるシェアモードタイプのもので構成される。このインクジェットヘッド１１は、積層基板である基板１２と、基板１２の１つの面に接着された「コ」字状の側壁１３と、側壁１３に接着された天板１４と、基板１２と側壁１３と天板１４とにまたがるように接着されたノズルプレート１５と、を備えている。

インクジェットヘッド１１は、基板１２、側壁１３、天板１４、およびノズルプレート１５で囲まれる領域に、複数の支柱２４と、これら複数の支柱２４で仕切られた複数の圧力室１７とを有している。天板１４は、平板形状を有している。天板１４に、インクの供給口１８が設けられている。

ノズルプレート１５は、例えば、１０μｍから１００μｍの厚さを有している。ノズルプレート１５は、例えば一列に並んだ複数個のノズル２１を有している。各ノズル２１は、各圧力室１７に対応しており、基板１２と平行な方向に開口している。

基板１２は、第１のセラミックス層２２と、第２のセラミックス層２３とを積層して構成されている。第１のセラミックス層２２は、例えば、安価で熱伝導性に優れたセラミックスであるアルミナを主成分に構成されている。第２のセラミックス層２３は、快削性セラミックスで構成されている。この快削性セラミックスの一例としては、窒化アルミを主成分とするものがある。窒化アルミは、被削性が良好なセラミックスであり、高い熱伝導性を有している。本実施形態では、窒化アルミを主成分とするものを第２のセラミックス層２３に用いている。第２のセラミックス層２３は、例えば、１０μｍから１００μｍの厚さで形成される。

なお、第２のセラミックス層２３は、窒化アルミを主成分にするものに限定されるものではなく、例えばフッ素金雲母を主成分とするものなどであってもよい。すなわち、被削性が良好な快削性セラミックスであって、適度な熱伝導性を有していれば、どのようなセラミックスであってもよい。

熱伝導率について、より具体的には、アルミナの熱伝導率は、２４〜３９（Ｗ／ｍ・Ｋ）となっている。また、窒化アルミの熱伝導率は、９０（Ｗ／ｍ・Ｋ）となっている。さらに、フッ素金雲母の熱伝導率は、１．６（Ｗ／ｍ・Ｋ）となっている。したがって、フッ素金雲母を用いる場合には、熱伝導性がアルミナよりも劣るため、インクジェットヘッド１１の熱伝導性が低下するのを防止する観点から、第２のセラミックス層２３を第１のセラミックス層２２よりも薄く形成する。

図３に示すように、支柱２４に隣接して、電極２５が設けられている。支柱２４は、研削形成された溝である圧力室１７により、完全に分断されている。電極２５は、例えば、ニッケルにより形成されている。この電極２５は、支柱２４の表面に対して、例えば無電解ニッケルメッキ法を施して形成される。本実施形態では、無電解ニッケルメッキ法を用いて電極２５を形成しているが、これに限られるものではない。電極２５は、例えば金や銅によっても形成することができる。

支柱２４は、第１の圧電素子３１と、第１の圧電素子３１と分極方向を対向するようにして第１の圧電素子３１に接着された第２の圧電素子３２と、を含んでいる。第１の圧電素子３１と、第２の圧電素子３２とは、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系の圧電セラミックス材料でそれぞれ形成されている。

インクジェットヘッド１１には、支柱２４を駆動するドライバＩＣ、インクジェットプリンタに設けられた制御部に連なるケーブルや、電源に連なる電力ケーブルが接続されている。

上記インクジェットヘッド１１を有するインクジェットプリンタを用いて印刷を行うには、予め、インクジェットヘッド１１の圧力室１７にインクを供給しておく必要がある。インクの供給は、供給口１８を介して行う。この状態で、ユーザがインクジェットプリンタに対して印刷を指示すると、制御部は、インクジェットヘッド１１に対してケーブルおよび電源ケーブルを介して印字信号をドライバＩＣに出力する。印刷信号を受けたドライバＩＣは、駆動パルス電圧を支柱２４に印加する。

これにより、左右一対の支柱２４は、第１の圧電素子３１と第２の圧電素子３２とのシェアモード変形により湾曲するように離反する。そして、これらを初期位置に復帰させて圧力室１７のインクを加圧することで、ノズル２１からインク滴が勢い良く吐出される。

図４と図５を参照して、実施形態に係るインクジェットヘッド１１の製造方法について説明する。本実施形態のインクジェットヘッド１１の製造方法は、積層体形成工程、溝形成工程、電極形成工程、天板接合工程、ノズルプレート接合工程を有している。

図４に示すように、積層体形成工程では、まず、第１のセラミックス層２２と、第２のセラミックス層２３とを接着によって積層し、積層基板である基板１２を形成する。さらに、この基板１２の第２のセラミックス層２３が設けられた面に対して、互いに分極方向が対向するように積層された２枚の圧電部材３６、３７を接着する。基板１２と圧電部材３６、３７の接着は、例えば熱硬化性の接着剤を利用して行う。この接着により、圧電部材３６、３７と基板１２とが一体になった積層体３４を形成する。

図５に示すように、溝形成工程では、積層体３４に対して、圧電部材３６、３７の表層３３Ａを起点とする溝３５を研削することにより、支柱２４を形成する。溝３５は、例えば、ＩＣウェハーの切断等に用いられているダイシングソーのダイヤモンドホイールを用いた研削加工によって形成される。この溝３５は、圧電部材３６、３７を貫いて、基板１２の第２のセラミックス層２３の途中まで至るように形成される。この溝３５により、圧電部材３６、３７が完全に分断され、複数の支柱２４が形成される。圧電部材３６、３７が完全に分断されることにより、圧電部材３６、３７と基板１２との接着部分に残存する内部応力が除去される。電極形成工程では、このように形成された基板１２および支柱２４に、電極２５を形成する。天板接合工程では、さらに、溝３５が形成された積層体３４に対して、側壁１３や天板１４を接合する。ノズルプレート接合工程では、ノズルプレート１５を接着し、インクジェットヘッド１１が完成する。

以上が、本発明の第１の実施形態である。第１の実施形態によれば、圧電部材３６、３７が溝３５によって完全に分断されるため、基板１２と圧電部材３６、３７との接着部分に残存する内部応力を除去することができる。これにより、内部応力に起因する支柱２４の変位特性への悪影響を排除することができる。基板１２の一部を被削性の良い第２のセラミックス層２３で構成しているため、溝３５を研削形成する際に加工性がよくなるのみならず、研削工具を早期に摩耗してしまうことを防止できる。また、研削加工も短時間で終了するため、作業効率も向上する。

第２のセラミックス層２３は、快削性セラミックスで構成されている。このため、溝加工がさらに容易になって、加工時間を短縮することができる。また、研削工具を早期に摩耗してしまうことを防止することができる。この快削性セラミックスとしては、窒化アルミを主成分とするものを用いることが好ましい。

本実施形態の快削性セラミックス（窒化アルミ）は、高熱伝導性を有している。このため、支柱２４から発生した熱がインクに影響を及ぼすことを軽減できる。具体的には、基板１２において温度のムラが少なくなり、インクの吐出量、吐出速度、および着弾精度への影響を少なくすることができる。これにより、印刷結果に濃度ムラが発生するのを防止して、印刷品質の向上を図ることができる。

また、第２のセラミックス層２３を同じく快削性セラミックスであるフッ素金雲母を主成分とするものを用いる場合には、第２のセラミックス層２３を、第１のセラミックス層２２よりも薄く形成する。この構成によれば、熱伝導性に劣るフッ素金雲母を用いた場合でも、この熱伝導性が吐出性能に影響することを極力少なくできる。したがって、特に加工性および製造コストを重視する場合には、フッ素金雲母を主成分とするものを用いることも有効である。

図６と図７を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態のインクジェットヘッド４１は、圧電素子を用いた支柱を利用する点では共通するが、第１の実施形態のインクジェットヘッド１１とは基本構造が異なっている。このため、第２の実施形態では、主として第１の実施形態と異なる部分について説明し、第１の実施形態と共通の部分には、共通の符号を付して説明を省略する。

第２の実施形態のインクジェットヘッド４１は、いわゆるダイレクトモードタイプのものである。このインクジェットヘッド４１は、開口４２Ａを有するヘッドプレート４２と、この開口４２Ａを覆うようにヘッドプレート４２に接着されたノズルプレート４３と、ヘッドプレート４２に固定された側壁１３と、側壁１３に固着された振動板４４と、振動板４４に接して設けられた複数の隔壁５１と、支柱４５が固定されるとともに振動板４４が接着される積層基板である基板４６と、を具備している。支柱４５に、図示しない電極が形成されている。

インクジェットヘッド４１は、ヘッドプレート４２、ノズルプレート４３、側壁１３、および振動板４４で囲まれる領域に、複数の隔壁５１で仕切られた圧力室４７と、各圧力室４７に連なる共通液室４８と、を有している。ノズルプレート４３は、複数のノズル２１を有している。各ノズル２１は、各圧力室４７に対応しており、ヘッドプレート４２と直交する方向に開口している。複数の支柱４５は、各圧力室４７にそれぞれ対応している。

基板４６は、アルミナを主成分とする第１のセラミックス層２２と、快削性セラミックスである例えば窒化アルミを主成分とする第２のセラミックス層２３と、を備えている。第２のセラミックス層２３は、フッ素金雲母を主成分とするもので構成してもよい。

第２の実施形態のインクジェットヘッド４１を用いて印刷を行う際には、支柱４５に対して駆動パルス電圧を印加する。この電圧の印加により、支柱４５が変形し、圧力室４７の容積が減少する。これにより、圧力室４７内のインクが高圧になって、ノズル２１からインク滴が勢い良く吐出される。

続いて、図８と図９を参照して、第２の実施形態に係るインクジェットヘッド４１の製造方法について説明する。第２の実施形態に係るインクジェットヘッド４１の製造方法は、積層体形成工程と、溝形成工程、電極形成工程、天板接合接合工程、ノズルプレート接合工程を含んでいる。

図８に示すように、積層体形成工程では、第１のセラミックス層２２に対して、第２のセラミックス層２３を積層して基板４６を形成する。また、この基板４６の第２のセラミックス層２３に対して、板状の圧電部材４９を例えば熱硬化性の接着剤を介した接着によって積層し、積層体５２を形成する。第２の実施形態の圧電部材４９は、分極方向が異なる２枚を接着するのではなく、単一の圧電部材を用いている。なお、圧電部材４９は、積層圧電部材を用いてもよい。

溝形成工程では、研削工具である例えばダイヤモンドホイールを用いて溝３５を研削加工する。溝３５は、圧電部材４９の表面４９Ａを起点とし圧電部材４９を貫くとともに基板４６の第２のセラミックス層２３の途中まで至るように形成される。この溝３５により、圧電部材４９が支柱４５として完全に分断され、接着時に発生する内部応力が除去される。

電極形成工程では、このように溝３５が形成された積層体５２に、電極を形成する。天板接合接合工程では、溝３５が形成された積層体５２に振動板４４、隔壁５１、天板１４を接合する。ノズルプレート接合工程では、これらにさらにノズルプレート４３を接合し、インクジェットヘッド４１を完成させる。

第２の実施形態によれば、溝３５によって圧電部材４９が完全に支柱４５として分断されるため、基板４６と圧電部材４９との接着時に生ずる内部応力を除去できる。また、被削性の優れる第２のセラミックス層２３を設けたため、溝加工が容易になり、研削工具の早期摩耗も防止できる。以上により、インクジェットヘッド４１の製造にかかるコストを削減することができる。

図１０と図１１を参照して、第３の実施形態に係るインクジェットヘッド６１について説明する。第３の実施形態のインクジェットヘッド６１は、圧電素子を用いた支柱を利用する点では共通するが、第１の実施形態や第２の実施形態のインクジェットヘッド１１、４１とは基本構造が異なっている。このため、第３の実施形態では、主としてこれらと異なる部分について説明し、これらと共通の部分には、共通の符号を付して説明を省略する。

第３の実施形態のインクジェットヘッド６１は、いわゆるシェアモードタイプのものであって、サイドシュータ型のインクジェットヘッドである。このインクジェットヘッド６１は、積層基板である基板６２と、基板６２に接着された側壁１３と、側壁１３に固定されたノズルプレート６３と、を備えている。ノズルプレート６３は、基板６２と直交する方向に開口する複数のノズル２１を有している。

インクジェットヘッド６１は、基板６２、側壁１３、およびノズルプレート６３で囲まれる領域に、複数の支柱２４で仕切られた圧力室６４を有している。基板６２は、インクの供給口６５を有している。支柱２４の表面に例えば無電解ニッケルメッキ法でメッキ加工された電極２５が設けられている。

基板６２は、アルミナを主成分とする第１のセラミックス層２２と、第１のセラミックス層２２に接着される第２のセラミックス層２３と、を備えている。第２のセラミックス層２３は、例えば窒化アルミを主成分としているが、フッ素金雲母であってもよい。

第３の実施形態のインクジェットヘッド６１を用いて印刷を行う場合には、圧力室６４に予めインクを供給した状態で、支柱２４に駆動パルス電圧を印加する。これにより、左右一対の支柱２４は、第１の圧電素子３１と第２の圧電素子３２とのシェアモード変形により湾曲するように離反する。そして、これらを初期位置に復帰させて圧力室６４のインクを加圧することで、ノズル２１からインク滴が勢い良く吐出される。

第３の実施形態のインクジェットヘッド６１は、第１の実施形態で説明した製造方法によって製造することができる。

第３の実施形態のインクジェットヘッド６１によれば、溝３５を第２のセラミックス層２３まで加工することにより、圧電部材が支柱２４として完全に分断される。これにより、圧電部材と基板６２との間に残存する応力を完全に除去でき、溝３５の加工も容易にできる。よってインクジェットヘッド６１の製造にかかるコストを低減させることができる。

本発明は、前記実施の形態に限定されるものではない。このほか、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

第１の実施形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図。 図１に示されたＦ２―Ｆ２線の位置で切断して示す断面図。 図２に示されたＦ３−Ｆ３線の位置で切断して示す断面図。 第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造工程を示す断面図。 図４に示された状態の次の工程を示す断面図。 第２の実施形態に係るインクジェットヘッドを示す断面図。 図６に示されたＦ７―Ｆ７線の位置で切断して示す断面図。 第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造工程を示す断面図。 図８に示される状態の次の工程を示す断面図。 第３の実施形態に係るインクジェットヘッドを示す断面図。 図１０に示されたＦ１１−Ｆ１１の線の位置で切断して示す断面図。

符号の説明

１１、４１、６１…インクジェットヘッド、１２、４６、６２…基板、２２…第１のセラミックス層、２３…第２のセラミックス層、２４、４５…支柱、３３Ａ、４９Ａ…表層、３４、５２…積層体、３５…溝、３６、３７、４９…圧電部材

Claims (9)

1. 第１のセラミックス層と、この第１のセラミックス層よりも被削性の良い第２のセラミックス層とを接合して積層基板を構成するとともに、この積層基板の前記第２のセラミックス層が設けられた面に圧電部材を接着して積層体を形成する積層体形成工程と、
   前記積層体に対して、前記圧電部材の表層から前記積層基板の前記第２のセラミックス層に達する深さの溝を研削加工することにより形成するとともにこれらの溝の両側に支柱を複数個形成する溝形成工程と、
   前記支柱の表面に電極を形成する電極形成工程と、
   前記溝が形成された積層体に天板を接合する天板接合工程と、
   前記溝が開口した面にノズルプレートを接合するノズルプレート接合工程と、
   を具備することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
2. 第１のセラミックス層と、この第１のセラミックス層よりも被削性の良い第２のセラミックス層とを接合して積層基板を構成するとともに、この積層基板の前記第２のセラミックス層が設けられた面に、互いに分極方向が対向するように２枚の圧電部材を積層状態で接着して、積層体を形成する積層体形成工程と、
   前記積層体に対して、前記圧電部材の表層から前記積層基板の前記第２のセラミックス層に達する深さの溝を研削加工することにより形成するとともにこれらの溝の両側に支柱を複数個形成する溝形成工程と、
   前記支柱の表面に電極を形成する電極形成工程と、
   前記溝が形成された積層体に天板を接合する天板接合工程と、
   前記溝が開口した面にノズルプレートを接合するノズルプレート接合工程と、
   を具備することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
3. 第１のセラミックス層と、この第１のセラミックス層よりも被削性の良い第２のセラミックス層とを有する積層基板と、
   前記積層基板の第２のセラミックス層に接着された圧電部材と、
   前記圧電部材の表層から前記積層基板の前記第２のセラミックス層に達するように研削加工で形成されるとともに、前記圧電部材をインク滴吐出用の複数の支柱として分断する溝と、
   を具備することを特徴とするインクジェットヘッド。
4. 第１のセラミックス層と、この第１のセラミックス層よりも被削性の良い第２のセラミックス層とを有する積層基板と、
   前記積層基板の第２のセラミックス層に接着され、互いに分極方向が対向するように積層された２枚の圧電部材と、
   前記圧電部材の表層から前記積層基板の前記第２のセラミックス層に達するように研削加工で形成されるとともに、前記圧電部材をインク滴吐出用の複数の支柱として分断する溝と、
   を具備することを特徴とするインクジェットヘッド。
5. 前記第２のセラミックス層は、快削性セラミックスで構成されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のインクジェットヘッド。
6. 前記快削性セラミックスは、高熱伝導性を有することを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッド。
7. 前記快削性セラミックスは、窒化アルミを主成分とすることを特徴とする請求項６に記載のインクジェットヘッド。
8. 前記快削性セラミックスは、フッ素金雲母を主成分とすることを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッド。
9. 前記第２のセラミックス層は、前記第１のセラミックス層よりも薄く形成されることを特徴とする請求項８に記載のインクジェットヘッド。

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