JP2010214795A - Liquid droplet jetting apparatus, and manufacturing method for liquid droplet jetting apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、液滴を噴射する液滴噴射装置、及び、液滴噴射装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a droplet ejecting apparatus that ejects droplets and a method for manufacturing the droplet ejecting apparatus.
従来から、液滴を噴射する液滴噴射装置として、液体に噴射圧力を付与する圧電式のアクチュエータを備えたものがある。例えば、特許文献1には、液滴噴射装置としてのインクジェットヘッドが開示されており、このインクジェットヘッドは、ノズルやこのノズルに連通する圧力室等のインク流路が形成された流路ユニットと、流路ユニットに設けられて、その圧力室内のインクに圧力を付与する圧電アクチュエータを備えている。
2. Description of the Related Art Conventionally, there is a liquid droplet ejecting apparatus that ejects liquid droplets that includes a piezoelectric actuator that applies an ejection pressure to a liquid. For example,
また、この特許文献1の圧電アクチュエータは、圧力室を覆うように流路ユニットに接合された振動板と、この振動板上に配置された圧電層と、振動板と圧電層の間に介在する下部電極と、圧電層の上面の、圧力室と対向する領域に設けられた上部電極とを有する。そして、上部電極と下部電極の間に電圧が印加されて、両電極の間の圧電層に厚み方向の電界が作用したときに、圧電層に変形(圧電歪)が生じて圧力室を覆う振動板が変位することにより、圧力室の容積が変化し、その内部のインクに圧力が付与される。
In addition, the piezoelectric actuator disclosed in
ところで、圧電層を構成する圧電材料は脆性材料であるセラミックスである上、前記特許文献1に記載されているような従来の圧電アクチュエータでは、圧電層は、流路ユニットと反対側の面において露出している。そのため、圧電層に外部から衝撃が作用した時や、圧電アクチュエータの動作時(圧電層の変形時)などに、圧電層にクラック等の損傷が生じる虞がある。
Incidentally, the piezoelectric material constituting the piezoelectric layer is a ceramic that is a brittle material, and in the conventional piezoelectric actuator as described in
また、通常、圧電アクチュエータの周囲にはノズルから噴射された液体がミスト状となって浮遊する。そして、この浮遊する液体が圧電層の露出した表面に付着すると、圧電層に設けられている電極間でショートが発生したり、あるいは、付着した液体によって電極材料の圧電層内でのマイグレーションが促進されて、圧電層の絶縁破壊が生じたりするといった不具合が発生する虞がある。 In general, the liquid ejected from the nozzle floats around the piezoelectric actuator as a mist. When the floating liquid adheres to the exposed surface of the piezoelectric layer, a short circuit occurs between the electrodes provided on the piezoelectric layer, or migration of the electrode material in the piezoelectric layer is promoted by the adhered liquid. As a result, there is a possibility that a problem such as dielectric breakdown of the piezoelectric layer occurs.
本発明の目的は、圧電アクチュエータの圧電層を保護して損傷を防止するとともに、圧電層に液体が付着することによる電極間ショートや電極材料のマイグレーションを防止することも可能な、液滴噴射装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a droplet ejecting apparatus capable of protecting a piezoelectric layer of a piezoelectric actuator to prevent damage and preventing short-circuiting between electrodes and migration of electrode material due to liquid adhering to the piezoelectric layer. Is to provide.
第1の発明の液滴噴射装置は、液滴を噴射するノズルが開口する液滴噴射面、及び、前記ノズルに連通する圧力室を含む液体流路を有する流路ユニットと、前記流路ユニットに設けられるとともに、前記圧力室と対向するように配置された圧電層とこの圧電層に設けられた駆動電極とを有する圧電アクチュエータを備え、
前記流路ユニットの前記液滴噴射面には、撥液性を有する撥液膜が設けられ、
前記圧電アクチュエータの前記圧電層の表面が、前記撥液膜と同じ膜材料で形成された保護膜によって覆われていることを特徴とするものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a liquid droplet ejecting apparatus comprising: a liquid droplet ejecting surface on which a nozzle for ejecting liquid droplets opens; a flow path unit having a liquid flow path including a pressure chamber communicating with the nozzle; A piezoelectric actuator having a piezoelectric layer disposed so as to face the pressure chamber and a driving electrode provided on the piezoelectric layer,
A liquid repellent film having liquid repellency is provided on the droplet ejection surface of the flow path unit,
The surface of the piezoelectric layer of the piezoelectric actuator is covered with a protective film made of the same film material as the liquid repellent film.
この構成によれば、圧電層の表面(流路ユニットと反対側の面)が保護膜で覆われるため、外部からアクチュエータに対して衝撃が作用した時、あるいは、アクチュエータ動作時などに、圧電層にクラック等の損傷が生じることが防止される。さらに、保護膜は、液滴噴射面に付着した液体がノズル開口周囲に滞留するのを防止するために設けられる撥液膜と同じ膜材料で形成される。このような撥液性の高い膜は、一般的に、液体や水蒸気の透過性が低い(遮断性能に優れる)。そのため、アクチュエータの周囲に存在する液体と圧電層との間が保護膜で遮断されるために液体が圧電層に付着することがなく、電極間のショートや圧電層内での電極材料のマイグレーションを防止できる。尚、本発明において、「撥液性を有する膜」とは、その膜が形成されることによって、膜が形成されていない場合の基材(ここでは、流路ユニットの液滴噴射面や圧電層の表面)と比べて、表面撥液性が高くなるような材料で成膜された膜のことである。 According to this configuration, since the surface of the piezoelectric layer (the surface opposite to the flow path unit) is covered with the protective film, the piezoelectric layer is used when an impact is applied to the actuator from the outside or when the actuator is operated. It is possible to prevent the occurrence of damage such as cracks. Furthermore, the protective film is formed of the same film material as the liquid repellent film provided to prevent the liquid adhering to the droplet ejection surface from staying around the nozzle opening. Such a film having high liquid repellency generally has low permeability of liquid and water vapor (excellent blocking performance). For this reason, the protective film prevents the liquid around the actuator from being separated from the piezoelectric layer, so that the liquid does not adhere to the piezoelectric layer, causing short-circuiting between electrodes and migration of electrode material within the piezoelectric layer. Can be prevented. In the present invention, “a film having liquid repellency” means a substrate (in this case, a liquid droplet ejecting surface of a flow path unit or a piezoelectric film) when the film is not formed. It is a film formed with a material having higher surface repellency compared to the surface of the layer.
第2の発明の液滴噴射装置は、前記第1の発明において、前記保護膜は、前記圧電層の前記表面の、前記圧力室と対向する領域のほぼ全域を覆うように設けられていることを特徴とするものである。 In the liquid droplet ejecting apparatus according to a second aspect, in the first aspect, the protective film is provided so as to cover almost the entire region of the surface of the piezoelectric layer facing the pressure chamber. It is characterized by.
圧電層の圧力室と対向する部分は、駆動電極に電圧が印加されることによって、所定の電界が付与されることから、電極材料のマイグレーションが特に発生しやすい。そのため、この圧電層の表面の、圧力室と対向する領域のほぼ全域が保護膜で覆われていることが好ましい。 Since a predetermined electric field is applied to the portion of the piezoelectric layer facing the pressure chamber when a voltage is applied to the drive electrode, migration of the electrode material is particularly likely to occur. Therefore, it is preferable that almost the entire region of the surface of the piezoelectric layer facing the pressure chamber is covered with a protective film.
第3の発明の液滴噴射装置は、前記第1又は第2の発明において、前記圧電アクチュエータは、前記駆動電極から前記圧電層の前記表面まで引き出され、前記駆動電極の給電用の配線部材と接続される端子を有し、
前記保護膜には、前記圧電層の前記表面まで引き出された前記端子を露出させるための開口が設けられ、前記開口において露出した前記端子に、この端子と前記配線部材とを接続するための凸状のバンプが設けられていることを特徴とするものである。
In the liquid droplet ejecting apparatus according to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the piezoelectric actuator is drawn from the drive electrode to the surface of the piezoelectric layer, Having a terminal to be connected,
The protective film is provided with an opening for exposing the terminal drawn out to the surface of the piezoelectric layer, and a convex for connecting the terminal and the wiring member to the terminal exposed in the opening. It is characterized in that a shaped bump is provided.
この構成によれば、駆動電極から圧電層の表面まで引き出された端子に、流動性を有する導電性材料を端子に付着させてバンプを形成する際に、端子の周囲に設けられた撥液性を有する保護膜によって、導電性材料が端子の位置から周囲に流れにくくなるため、バンプの高さを所望の高さにすることが容易である。 According to this configuration, when the bump is formed by attaching a conductive material having fluidity to the terminal drawn from the drive electrode to the surface of the piezoelectric layer, the liquid repellency provided around the terminal is formed. Since the conductive material does not easily flow from the position of the terminal to the periphery by the protective film having, the height of the bump can be easily set to a desired height.
第4の発明の液滴噴射装置は、前記第1〜第3の何れかの発明において、前記圧電アクチュエータは、前記圧力室を覆うように前記流路ユニットに接合された振動板を有するとともに、この振動板の前記圧力室と反対側の面に前記圧電層が配置され、前記振動板は、前記圧電層よりも靭性が高い材料で形成されていることを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the piezoelectric actuator includes a diaphragm bonded to the flow path unit so as to cover the pressure chamber. The piezoelectric layer is disposed on a surface of the diaphragm opposite to the pressure chamber, and the diaphragm is formed of a material having higher toughness than the piezoelectric layer.
この構成によれば、外部から圧電アクチュエータに対して衝撃が作用したり、圧電アクチュエータの駆動を長期に継続する等で、圧電層に亀裂が発生した場合でも、その亀裂が振動板に伝播して圧力室まで伝わることが回避できる。したがって、圧力室の液体が圧電層に付着することを防止できる。 According to this configuration, even if a crack is generated in the piezoelectric layer due to an external impact on the piezoelectric actuator or the piezoelectric actuator is continuously driven, the crack propagates to the diaphragm. Transmission to the pressure chamber can be avoided. Therefore, the liquid in the pressure chamber can be prevented from adhering to the piezoelectric layer.
第5の発明の液滴噴射装置の製造方法は、液滴を噴射するノズルが開口する液滴噴射面、及び、前記ノズルに連通する圧力室を含む液体流路を有する流路ユニットと、前記流路ユニットに設けられるとともに、前記圧力室と対向するように配置された圧電層とこの圧電層に設けられた駆動電極とを有する圧電アクチュエータを備えた液滴噴射装置の製造方法であって、
前記流路ユニットの前記液滴噴射面に、撥液性を有する撥液膜を形成する撥液膜形成工程と、前記圧電アクチュエータの前記圧電層の表面に、前記撥液膜と同じ膜材料で、前記圧電層を覆う保護膜を形成する保護膜形成工程とを有することを特徴とするものである。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a manufacturing method of a liquid droplet ejecting apparatus, comprising: a liquid droplet ejecting surface on which a nozzle for ejecting liquid droplets is open; A method of manufacturing a droplet ejecting apparatus including a piezoelectric actuator provided in a flow path unit and having a piezoelectric layer disposed to face the pressure chamber and a drive electrode provided in the piezoelectric layer,
A liquid repellent film forming step for forming a liquid repellent film having liquid repellency on the droplet ejection surface of the flow path unit, and a film material same as the liquid repellent film on the surface of the piezoelectric layer of the piezoelectric actuator. And a protective film forming step of forming a protective film covering the piezoelectric layer.
このように、圧電層の表面(流路ユニットと反対側の面)に保護膜を形成することにより、外部から衝撃が作用した時やアクチュエータ動作時などに、圧電層にクラック等の損傷が生じることが防止される。さらに、本発明では、保護膜を、液滴噴射面に付着した液体がノズル開口周囲に滞留するのを防止するために設けられる撥液膜と同じ膜材料で形成する。ここで、このような撥液性の高い膜は、一般的に、液体や水蒸気の透過性が低い(遮断性能に優れる)。そのため、アクチュエータの周囲に存在する液体と圧電層との間が保護膜で遮断されるために液体が圧電層に付着することがなく、電極間のショートや圧電層内での電極材料のマイグレーションを防止できる。 Thus, by forming a protective film on the surface of the piezoelectric layer (the surface opposite to the flow path unit), damage such as cracks occurs in the piezoelectric layer when an external impact is applied or the actuator is operated. It is prevented. Furthermore, in the present invention, the protective film is formed of the same film material as the liquid repellent film provided to prevent the liquid adhering to the droplet ejection surface from staying around the nozzle opening. Here, such a highly liquid-repellent film generally has low liquid or water vapor permeability (excellent blocking performance). For this reason, the protective film prevents the liquid around the actuator from being separated from the piezoelectric layer, so that the liquid does not adhere to the piezoelectric layer, causing short-circuiting between electrodes and migration of electrode material within the piezoelectric layer. Can be prevented.
第6の発明の液滴噴射装置の製造方法は、前記第5の発明において、前記流路ユニットに前記圧電アクチュエータを設けた後に、一体化された前記流路ユニットと前記圧電アクチュエータを成膜チャンバー内に収容し、
前記成膜チャンバー内において、前記流路ユニットの前記液滴噴射面と前記圧電アクチュエータの前記圧電層の前記表面に、前記膜材料をそれぞれ堆積させることにより、前記撥液膜と前記保護膜の形成を行うことを特徴とするものである。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the manufacturing method of the droplet ejecting device according to the fifth aspect, wherein the flow path unit is integrated with the piezoelectric actuator after the piezoelectric actuator is provided in the flow path unit. Housed in,
In the film formation chamber, the liquid repellent film and the protective film are formed by depositing the film material on the droplet ejection surface of the flow path unit and the surface of the piezoelectric layer of the piezoelectric actuator, respectively. It is characterized by performing.
本発明によれば、成膜装置の同一チャンバー内で、同じ膜材料からなる撥液膜と保護膜を一度に成膜することができるため、製造工程を簡略化できる。 According to the present invention, since the liquid repellent film and the protective film made of the same film material can be formed at the same time in the same chamber of the film forming apparatus, the manufacturing process can be simplified.
第7の発明の液滴噴射装置の製造方法は、前記第6の発明において、前記撥液膜形成工程と前記保護膜形成工程において、前記撥液膜と前記保護膜を、スパッタ法、蒸着法、CVD法の何れかによってそれぞれ形成することを特徴とするものである。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the manufacturing method of the droplet ejecting apparatus according to the sixth aspect, wherein the liquid repellent film and the protective film are formed by sputtering or vapor deposition in the liquid repellent film forming step and the protective film forming step. Each of them is formed by any one of the CVD methods.
このように、スパッタ法、蒸着法、あるいは、CVD法を採用すれば、撥液膜と保護膜を、それぞれ厚みが均一な膜に形成することが容易となる。 As described above, when the sputtering method, the vapor deposition method, or the CVD method is employed, it is easy to form the liquid repellent film and the protective film in a uniform thickness.
第8の発明の液滴噴射装置の製造方法は、前記第5〜第7の何れかの発明において、前記保護膜形成工程において、前記保護膜を、前記圧電層の前記表面の、前記圧力室と対向する領域のほぼ全域を覆うように形成することを特徴とするものである。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the manufacturing method of the droplet ejecting apparatus according to any one of the fifth to seventh aspects, wherein in the protective film forming step, the protective film is formed on the surface of the piezoelectric layer. It is characterized in that it is formed so as to cover almost the whole area of the area opposite to.
圧電層の圧力室と対向する部分は、駆動電極に電圧が印加されることによって、所定の電界が付与されることから、マイグレーションが特に発生しやすい。そのため、この圧電層の表面の、圧力室と対向する領域のほぼ全域を保護膜で覆うことが好ましい。 Migration is particularly likely to occur in the portion of the piezoelectric layer facing the pressure chamber because a predetermined electric field is applied by applying a voltage to the drive electrode. Therefore, it is preferable to cover the entire surface of the surface of the piezoelectric layer with a protective film almost in the region facing the pressure chamber.
第9の発明の液滴噴射装置の製造方法は、前記第5〜第8の何れかの発明において、前記圧電アクチュエータは、前記駆動電極から前記圧電層の前記表面まで引き出され、前記駆動電極の給電用の配線部材と接続される端子を有するものであり、
前記保護膜形成工程において、前記圧電層の前記表面まで引き出された前記端子を露出させるための開口を有する、前記保護膜を形成し、
前記開口において露出した前記端子に、流動性を有する導電性材料を付着させた後、導電性材料を硬化させることで、前記端子と前記配線部材とを接続するための凸状のバンプを形成することを特徴とするものである。
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the method for manufacturing a droplet ejecting apparatus according to any one of the fifth to eighth aspects, wherein the piezoelectric actuator is drawn from the drive electrode to the surface of the piezoelectric layer. It has a terminal connected to the power supply wiring member,
In the protective film forming step, the protective film having an opening for exposing the terminal drawn to the surface of the piezoelectric layer is formed,
After a conductive material having fluidity is attached to the terminal exposed in the opening, the conductive material is cured to form a convex bump for connecting the terminal and the wiring member. It is characterized by this.
駆動電極から圧電層の表面まで引き出された端子に、流動性を有する導電性材料を端子に付着させてバンプを形成する際に、端子の周囲に設けられた撥液性を有する保護膜によって、導電性材料が端子の位置から周囲に流れにくくなるため、バンプの高さを所望の高さにすることが容易である。 When forming a bump by attaching a conductive material having fluidity to the terminal drawn from the drive electrode to the surface of the piezoelectric layer, a protective film having liquid repellency provided around the terminal, Since the conductive material does not easily flow from the position of the terminal to the periphery, it is easy to set the bump height to a desired height.
本発明によれば、圧電層の表面(流路ユニットと反対側の面)が保護膜で覆われるため、外部からアクチュエータに対して衝撃が作用した時、あるいは、アクチュエータ動作時などに、圧電層にクラック等の損傷が生じることが防止される。さらに、保護膜は、液滴噴射面に付着した液体がノズル開口周囲に滞留するのを防止するために設けられる撥液膜と同じ膜材料で形成される。このような撥液性の高い膜は、一般的に、液体や水蒸気の透過性が低い(遮断性能に優れる)。そのため、アクチュエータの周囲に存在する液体と圧電層との間が保護膜で遮断されるために液体が圧電層に付着することがなく、電極間のショートや圧電層内での電極材料のマイグレーションを防止できる。 According to the present invention, since the surface of the piezoelectric layer (the surface opposite to the flow path unit) is covered with the protective film, the piezoelectric layer is used when an impact is applied to the actuator from the outside or when the actuator is operated. It is possible to prevent the occurrence of damage such as cracks. Furthermore, the protective film is formed of the same film material as the liquid repellent film provided to prevent the liquid adhering to the droplet ejection surface from staying around the nozzle opening. Such a film having high liquid repellency generally has low permeability of liquid and water vapor (excellent blocking performance). For this reason, the protective film prevents the liquid around the actuator from being separated from the piezoelectric layer, so that the liquid does not adhere to the piezoelectric layer, causing short-circuiting between electrodes and migration of electrode material within the piezoelectric layer. Can be prevented.
次に、本発明の実施の形態について説明する。本実施形態は、ノズルから記録用紙に対してインクの液滴を噴射して所望の画像や文字等を記録するインクジェットプリンタに本発明を適用した一例である。 Next, an embodiment of the present invention will be described. This embodiment is an example in which the present invention is applied to an ink jet printer that records desired images, characters, and the like by ejecting ink droplets from nozzles onto recording paper.
まず、インクジェットプリンタの概略構成について簡単に説明する。図1は、本実施形態に係るプリンタの概略構成図である。図1に示すように、インクジェットプリンタ100は、図1の左右方向に移動可能なキャリッジ2と、このキャリッジ2に設けられて記録用紙Pに対してインクを噴射するシリアル型のインクジェットヘッド1と、記録用紙Pを図1の前方へ搬送する搬送ローラ3などを備えている。
First, a schematic configuration of the ink jet printer will be briefly described. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a printer according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, an
そして、このプリンタ1は、インクジェットヘッド1をキャリッジ2と一体的に左右方向(走査方向)へ移動させながら、その下面に配置されたノズル20(図2〜図5参照)から、搬送ローラ3によって図中前方(紙送り方向)に搬送される記録用紙Pに対してインクを噴射させることにより、記録用紙Pに所望の文字や画像等を記録する。
Then, the
次に、インクジェットヘッド1(液滴噴射装置)について説明する。図2は、インクジェットヘッド1の平面図、図3は、図2の一部拡大図、図4は、図3のIV-IV線断面図、図5は、図3のV-V線断面図である。図2〜図5に示すように、インクジェットヘッド1は、ノズル20及びこのノズル20に連通した圧力室14を含むインク流路が形成された流路ユニット4と、圧力室14内のインクにノズル20から噴射させるための圧力を付与する圧電アクチュエータ5とを備えている。
Next, the inkjet head 1 (droplet ejecting apparatus) will be described. 2 is a plan view of the
まず、流路ユニット4について説明する。図4、図5に示すように、流路ユニット4はキャビティプレート10、ベースプレート11、マニホールドプレート12、及びノズルプレート13を備えており、これら4枚のプレート10〜13が積層状態で接合されている。このうち、キャビティプレート10、ベースプレート11及びマニホールドプレート12はステンレス鋼製の板であり、これら3枚のプレート10〜12に、後述するマニホールド17や圧力室14等のインク流路をエッチングにより容易に形成することができるようになっている。また、ノズルプレート13は、例えば、ポリイミド等の高分子合成樹脂材料により形成され、マニホールドプレート12の下面に接着される。あるいは、このノズルプレート13も、3枚のプレート10〜12と同様にステンレス鋼等の金属材料で形成されていてもよい。
First, the
図2〜図5に示すように、4枚のプレート10〜13のうち、最も上方に位置するキャビティプレート10には、平面に沿って配列された複数の圧力室14がプレート10を貫通する孔により形成されている。そして、複数の圧力室14は上下両側から後述の振動板30及びベースプレート11によりそれぞれ覆われている。また、複数の圧力室14は、紙送り方向(図2の上下方向)に沿って千鳥状に配列されて、2列の圧力室列を構成している。さらに、各圧力室14は、平面視で走査方向(図2の左右方向)に長い、略楕円形状に形成されている。
As shown in FIGS. 2 to 5, among the four
図3に示すように、ベースプレート11の、平面視で圧力室14の両端部と重なる位置には、それぞれ連通孔15,16が形成されている。また、マニホールドプレート12には、平面視で、2列に配列された圧力室14の連通孔15側の部分と重なるように、紙送り方向に延びる2つのマニホールド17が形成されている。これら2つのマニホールド17は、後述の振動板30に形成されたインク供給口18に連通しており、図示しないインクタンクからインク供給口18を介してマニホールド17へインクが供給される。さらに、マニホールドプレート12の、平面視で複数の圧力室14のマニホールド17と反対側の端部と重なる位置には、それぞれ、複数の連通孔16に連なる複数の連通孔19も形成されている。
As shown in FIG. 3, communication holes 15 and 16 are formed at positions where the
さらに、ノズルプレート13の、平面視で複数の連通孔19にそれぞれ重なる位置には、複数のノズル20が形成されている。図2に示すように、複数のノズル20は、紙送り方向に沿って2列に配列された複数の圧力室14の、マニホールド17と反対側の端部とそれぞれ重なるように千鳥状に配置されて、2列のノズル列を構成している。そして、ノズルプレート13の下面は、複数のノズル20が開口する液滴噴射面13aとなっている。
Further, a plurality of
また、図4、図5に示すように、ノズルプレート13の液滴噴射面13aは撥液膜22で覆われている。この撥液膜22は、ポリイミド等で形成されたノズルプレート13よりも、撥液性の高い材料(例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)などのフッ素系樹脂)で形成されている。そのため、ノズル20から噴射されたインクの液滴の一部が液滴噴射面13aに付着しても、撥液膜22の高い撥液性によりノズル20の周囲にインクが滞留しにくくなり、液滴噴射面13aに付着したインクが、その後にノズル20から噴射される液滴に悪影響を及ぼすこと(噴射曲がりの発生等)が防止される。
As shown in FIGS. 4 and 5, the droplet ejection surface 13 a of the
そして、図4に示すように、マニホールド17は連通孔15を介して圧力室14に連通し、さらに、圧力室14は、連通孔16,19を介してノズル20に連通している。このように、流路ユニット4内には、マニホールド17から圧力室14を経てノズル20に至る個別インク流路21が複数形成されている。
As shown in FIG. 4, the manifold 17 communicates with the
次に、圧電アクチュエータ5について説明する。図2〜図5に示すように、圧電アクチュエータ5は、流路ユニット4(キャビティプレート10)の上面に配置された振動板30と、この振動板30の上面に複数の圧力室14と対向するように形成された圧電層31と、この圧電層31の上面に配置された複数の個別電極32(駆動電極)とを備えている。
Next, the
振動板30は、平面視で略矩形状の金属板であり、例えば、ステンレス鋼等の鉄系合金、銅系合金、ニッケル系合金、あるいは、チタン系合金などからなる。この振動板30は、キャビティプレート10の上面に複数の圧力室14を覆うように接合されている。また、導電性を有する振動板30の上面は、複数の個別電極32との間で圧電層31を挟み、この圧電層31に厚み方向の電界を生じさせる共通電極を兼ねている。さらに、この共通電極としての振動板30は常にグランド電位に保持されている。
The
振動板30の上面には、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との固溶体であり強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を主成分とする、圧電材料からなる圧電層31が形成されている。この圧電層31は、複数の圧力室14を覆うように連続的に形成されている。
On the upper surface of the
圧電層31の上面には、圧力室14よりも一回り小さい略楕円形の平面形状を有する複数の個別電極32が形成されている。これら個別電極32は、対応する圧力室14の中央部と対向する位置にそれぞれ配置されている。また、個別電極32は金、銅、銀、パラジウム、白金、あるいは、チタンなどの導電性材料からなる。
On the upper surface of the
さらに、圧電層31の上面には、2列に配列された複数の個別電極32の連通孔15側(図2の左右方向外側)の端部から、圧力室14と対向しない領域までそれぞれ引き出された複数の接続端子35が設けられている。また、図4に示すように、複数の接続端子35には、導電性材料からなる凸状のバンプ39がそれぞれ設けられている。また、圧電層31の上方には、圧電アクチュエータ5を駆動するドライバIC(図示省略)が実装されて、このドライバICから個別電極32への給電を行うフレキシブルプリント配線板50(Flexible Printed Circuit(FPC):配線部材)が配置されており、複数の接続端子35は、凸状のバンプ39を介してFPC50の端子と接続されている。つまり、圧電層31の上面に設けられた複数の個別電極32は、接続端子35、バンプ39、及び、FPC50上の配線を介して、FPC50に実装されたドライバICと電気的に接続されている。そして、圧電アクチュエータ5の駆動時には、ドライバICから、インクを噴射させる所望のノズル20に対応する個別電極32に対して所定の駆動電位が付与される。
Further, the upper surface of the
これに加えて、本実施形態においては、個別電極32や接続端子35が設けられている圧電層31の上面31a(流路ユニット4と反対側の面)は、その全面が保護膜38で覆われている。この保護膜38は、前述したノズルプレート13の液滴噴射面13aを覆う撥液膜22と同じ膜材料(例えば、フッ素系樹脂)で形成されている。このように、圧電層31の上面31aが保護膜38で覆われることにより、外部から圧電アクチュエータ5に対して衝撃が作用した時、あるいは、アクチュエータ動作時などに、圧電層31にクラック等の損傷が生じることが防止される。
In addition to this, in this embodiment, the entire
また、保護膜38は、撥液膜22と同じく、フッ素系樹脂等の、撥液性に優れた材料で形成されているが、このような撥液性材料で形成された膜は、一般的に、液体や水蒸気の透過性が低い(遮断性能に優れる)ことが知られている。そのため、ノズル20から噴射されて圧電アクチュエータ5の周囲にミスト状に存在するインク(水分)と圧電層31とが保護膜38によって遮断され、インクが圧電層31の上面31aに付着することが保護膜38によって阻止される。これにより、隣接する個別電極32(接続端子35)間でのショートが防止される。また、水分が存在すると圧電層31内でのマイグレーション現象が生じやすくなる。即ち、水分によって、個別電極32を構成する電極材料のイオン化が促進されて、電極材料が陰極側(ここでは、金属製の振動板30)へ移動し、圧電層31の絶縁破壊を生じさせる虞がある。しかし、本実施形態では、保護膜38によって圧電層31の上面31aへの水分の付着が阻止されることから、上述のマイグレーションの発生による絶縁破壊も防止できる。
The
尚、図3、図4に示すように、圧電層31の上面の接続端子35が形成された領域においては、保護膜38に、接続端子35を露出させるための開口38aが形成されている。そして、この開口38aにおいて露出した接続端子35の表面に、導電性材料からなる凸状のバンプ39が配置されている。つまり、個別電極32と接続端子35は、凸状のバンプ39が形成されている領域を除いて、全て保護膜38によって覆われている。
As shown in FIGS. 3 and 4, in the region where the
さらに、保護膜38は、圧電層31の上面の、圧力室14と対向する領域の全域を覆うように設けられている。後でも説明するが、圧電層31の圧力室14と対向する部分は、個別電極32と共通電極としての振動板30との間に電圧が印加されることによって、所定の電界が付与される活性部となることから、マイグレーションが特に発生しやすい。そのため、本実施形態のように、マイグレーション防止の観点から、圧電層31の上面の、圧力室14と対向する領域の全域が保護膜38で覆われていることが好ましい。
Further, the
尚、本実施形態では、圧電層31の下面は、金属製の振動板30で覆われている。一般に、金属材料は、圧電層31を構成する圧電材料よりも靭性がかなり高いため、外部から圧電アクチュエータ5に対して衝撃が作用したり、圧電アクチュエータ5の駆動を長期に継続する等で、圧電層31に亀裂が発生した場合でも、その亀裂が振動板30に伝播して圧力室14まで伝わることが回避できる。したがって、このような場合であっても、金属製の振動板30によって、流路ユニット4(圧力室14)側からの圧電層31へのインクの浸入は確実に阻止される。つまり、圧電層31の下面を覆う金属製の振動板30と、圧電層31の上面31aを覆う保護膜38とにより、圧電層31へのインクの浸入がほぼ完全に防止される。
In the present embodiment, the lower surface of the
次に、インク噴射時における圧電アクチュエータ5の作用について説明する。複数の個別電極32に対してドライバICから選択的に所定の駆動電位が印加されると、駆動電位が印加された圧電層31上側の個別電極32と、グランド電位に保持されている圧電層31下側の共通電極としての振動板30の電位が互いに異なった状態となることから、個別電極32と振動板30の間に挟まれた圧電層31に厚み方向の電界が生じる。そして、圧電層31の分極方向と電界の方向とが同じ場合には、圧電層31はその分極方向である厚み方向に伸びて水平方向に収縮し(圧電横効果)、この圧電層31の収縮変形に伴って、振動板30の圧力室14と対向する部分が圧力室14側に凸となるように撓む。このとき、圧力室14の容積が減少することからその内部のインクに圧力が付与され、圧力室14に連通するノズル20からインクの液滴が噴射される。
Next, the operation of the
次に、本実施形態のインクジェットヘッド1の製造方法について説明する。図6、図7は、インクジェットヘッド1の製造工程を示す図である。まず、流路ユニット4を構成するプレートのうちの、キャビティプレート10、ベースプレート11、及び、マニホールドプレート12に、圧力室14やマニホールド17等のインク流路を構成する孔を形成する。これらのプレート10〜12は金属材料からなるため、エッチングによりインク流路を構成する孔を容易に形成することができる。
Next, the manufacturing method of the
そして、図6(a)に示すように、振動板30、キャビティプレート10、ベースプレート11、及び、マニホールドプレート12の4枚の金属プレートを積層して接合する。このときの接合方法は特に限定されるものではないが、例えば、積層したプレートを所定温度(例えば、1000℃)以上に加熱しながら加圧することにより、4枚の金属プレートを金属拡散接合により接合することができる。あるいは、接着剤を用いて4枚のプレートを接合することもできる。
Then, as shown in FIG. 6A, the four metal plates of the
次に、図6(b)に示すように、振動板30の上面に圧電層31を形成する。ここで、圧電層31の形成方法は特に限定されるものではないが、例えば、成膜材料(ここでは圧電材料)の粒子とキャリアガスを含むエアロゾルを成膜対象の基板(ここでは振動板30)に吹きつけて、基板上に粒子を堆積させる、エアロゾルデポジション法(AD法)を採用することができる。その他にも、スパッタ法、蒸着法、CVD法、ゾルゲル法、水熱合成法等の公知の方法により圧電層31を形成してもよい。さらには、グリーンシートを焼成して得られた圧電シートを接着剤で振動板30に貼り付けることにより、圧電層31を形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 6B, the
次に、図6(c)に示すように、圧電層31の上面31aに個別電極32及び接続端子35を形成する。ここで、圧電層31を、前述したAD法やスパッタ法等の成膜方法を用いて形成する場合には、圧電層31の上面31aに、個別電極32と接続端子35を、スクリーン印刷、スパッタ法、蒸着法等により一度に形成する。また、焼成した圧電シートを振動板30に貼り付けて圧電層31を形成する場合には、焼成前のグリーンシートに、スクリーン印刷等によって先に個別電極32と接続端子35を形成しておき、焼成後に得られた、圧電シートと個別電極32及び接続端子35とが一体化されたものを、振動板30に貼り付ける。つまり、図6(b)、(c)の工程を同時に行うことになる。
Next, as illustrated in FIG. 6C, the
次に、合成樹脂製のノズルプレート13に複数のノズル20をレーザー加工等で形成した後に、図6(d)に示すように、このノズルプレート13をマニホールドプレート12の下面に接着剤等で接合する。これにより、プレート10〜13で構成される流路ユニット4と、振動板30、圧電層31、及び、個別電極32を有する圧電アクチュエータ5とが一体化された、積層体60が完成する。
Next, after a plurality of
尚、ノズルプレート13を、流路ユニット4を構成する他の3枚のプレート10〜12と同様に、ステンレス鋼等の金属材料で形成されてもよく、その場合には、図6(a)に示すプレート接合工程において、プレート10〜12及び振動板30と、ノズルプレート13を、金属拡散接合で一度に接合してもよい。
Note that the
次に、図7(a)に示すように、図6(d)で得られた流路ユニット4と圧電アクチュエータ5とからなる積層体60の上下両面、即ち、ノズルプレート13の下面(液滴噴射面13a)と圧電層31の上面に、フッ素系樹脂等の撥液性を有する同じ膜材料で、撥液膜22と保護膜38をそれぞれ形成する(撥液膜形成工程、保護膜形成工程)。
Next, as shown in FIG. 7A, the upper and lower surfaces of the laminate 60 composed of the
ここで、撥液膜22と保護膜38は、それぞれ、フッ素系樹脂等の膜材料を積層体60の上下面にそれぞれ塗布することによって形成することができる。あるいは、スパッタ法、CVD法、蒸着法、あるいは、AD法など、膜材料を堆積させる方法を採用することもできる。その中でも、均一な厚みの膜を形成するという観点からは、スパッタ法、蒸着法、CVD法の何れかによって、撥液膜22と保護膜38とを形成することが好ましい。
Here, each of the
また、撥液膜22と保護膜38とを別々の工程で形成してもよいが、製造工程の簡略化という観点からは、同じ膜材料からなる撥液膜22と保護膜38を1つの工程で一度に形成することが好ましい。このことは、上述した、スパッタ法、蒸着法、CVD法、あるいは、AD法等の、成膜方法を採用すれば、容易に実現できる。
In addition, the
図8は、蒸着法を用いて撥液膜22と保護膜38とを成膜する成膜装置70の概略構成図である。図8に示すように、成膜装置70は、成膜チャンバー71と、この成膜チャンバー71内を真空にするための真空ポンプ72と、成膜チャンバー71内で成膜対象である積層体60を保持する保持部材73と、保持部材73に保持された積層体60の両面を覆うように上下に移動するシャッター74と、膜材料78を収容する坩堝75等を備えている。成膜チャンバー71内において、積層体60の両面側に2つの坩堝75がそれぞれ設置され、各坩堝75には収容された、PTFE等の膜材料78を溶融させるヒーター76が設けられている。また、保持部材73には、この保持部材73に保持されている積層体60を加熱するヒーター77が設けられている。
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a
まず、成膜チャンバー71内に積層体60を収容して保持部材73に保持させ、真空ポンプ72により成膜チャンバー71内を真空状態にする。また、シャッター74が上限位置(図中二点鎖線で示された位置)にあって積層体60の両面を覆った状態で、2つの坩堝75をヒーター76で600〜800℃程度に加熱して、それらの内部のPTFE等の膜材料78を溶融させる。また、保持部材73に設けられたヒーター77により積層体60を200〜250℃程度に加熱する。この状態で、シャッター74を下方へ移動させて下限位置(図中実線で示された位置)に保持することで、2つの坩堝75内の膜材料78を積層体60の両面にそれぞれ堆積させ、撥液膜22と保護膜38を同時に形成する。
First, the
また、図7(a)に示すように、保護膜形成工程において、保護膜38には、圧電層31の上面に形成された接続端子35を露出させるための開口38aを形成する。この開口38aは、先に保護膜38を圧電層31の上面31a全域に形成してから、レーザー加工等により接続端子35を覆っている部分の保護膜38を除去することによって形成してもよい。あるいは、接続端子35の表面にマスキング材を設置してから圧電層31の上面31aに保護膜38を形成した後、マスキング材を除去することで、マスキング材が設置されていた領域に開口38aを形成するようにしてもよい。
Further, as shown in FIG. 7A, in the protective film forming step, an
その後、図7(b)に示すように、保護膜38の開口38aにおいて露出した接続端子35に、導電ペーストやハンダ、あるいは、導電性接着剤等の、流動性を有する導電性材料を付着させた後、この導電性材料を硬化させることにより、凸状のバンプ39を形成する。ここで、接続端子35に導電性材料を付着させたときに、この接続端子35の周囲に設けられた撥液性を有する保護膜38によって、流動性を有する導電性材料が周囲に流れにくくなる。これにより、凸状のバンプ39の高さを所望の高さにすることが容易であり、複数の接続端子35間でのバンプ39のばらつきが小さくなる。このように、バンプ39の高さが所定の高さに管理されていると、その後の工程でFPC50が圧電アクチュエータ5に接合されたときに、両者の端子間における接続不良が生じにくい。また、接続端子35やこれに繋がる個別電極32の、電極材料の表面の撥液性は低い(濡れ性が高い)ため、従来では、バンプを形成する流動性を有する導電性材料が接続端子35の表面から個別電極32へ流れてしまい、圧力室14上での圧電層31の変形を阻害してしまう虞があったが、本発明を適用することにより、そのような問題も解消される。
Thereafter, as shown in FIG. 7B, a conductive material having fluidity such as conductive paste, solder, or conductive adhesive is attached to the
次に、前記実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記実施形態とほぼ同じ構成を有するものについては同じ符号を付して適宜その説明を省略する。 Next, modified embodiments in which various modifications are made to the embodiment will be described. However, components having substantially the same configuration as those of the above embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted as appropriate.
1]前記実施形態でも少し述べたが、撥液膜22と保護膜38とを同時に形成する必要はなく、別々の工程で形成してもよい。また、前記実施形態の図8では、1つの成膜チャンバー71内において、撥液膜22と保護膜38とを同時に形成しているが、まず、成膜チャンバー71内で一方の膜のみを成膜した後に、積層体60の姿勢を変更してから他方の膜を成膜するというように、成膜チャンバー71から積層体60を出すことなく、両方の膜を順番に形成する方法を採用してもよい。
1] As described in the above embodiment, it is not necessary to form the
2]前記実施形態の圧電アクチュエータ5は、流路ユニット4の圧力室14を覆う振動板30と、この振動板30上に配置された1層の圧電層31とを有する、いわゆる、ユニモルフ型の圧電アクチュエータであったが、本発明の適用対象となるアクチュエータはこれに限られない。例えば、図9に示すインクジェットヘッド1Aの圧電アクチュエータ5Aのように、積層された複数枚の圧電層81を有し、これら複数枚の圧電層81の間に、駆動電位が付与される個別電極82とグランド電位に保持される共通電極84が交互に配置された、いわゆる、積層型のアクチュエータであってもよい。尚、この図9のような積層型の圧電アクチュエータは、個別電極82と共通電極84に挟まれた、各々の圧電層81自体の厚み方向の変形(圧電縦効果)を主に利用して圧力室14の容積を変化させるため、前記実施形態のユニモルフ型の圧電アクチュエータでは必要であった、圧電層の変形に応じて撓む振動板を設ける必要はない。しかし、圧電層81が圧力室14内のインクに直接触れていると、インクが圧電層81内に容易に浸入してしまうことになるから、圧力室14内のインクが圧電層81内に浸入するのを防止するという観点からは、図9のように、金属材料等のインク透過性の低い材料で形成された、透過防止膜80が設けられていることが好ましい。
2] The
3]前記実施形態の圧電アクチュエータ5においては、所定の駆動電位が付与される個別電極32(駆動電極)が、保護膜38によって覆われる圧電層31の上面31aに配置されていたが、個別電極が圧電層の上面に位置している必要は必ずしもなく、上述した図9のアクチュエータ5Aのように、個別電極82が圧電層81の間(内部)に配置されていてもよい。尚、図9のように、個別電極82が内部に位置している場合には、最上層の圧電層81の上方に位置するFPC50と個別電極82とを接続するときには、例えば、以下のような構成にする。まず、個別電極82よりも上に位置する圧電層81にはスルーホール86が形成され、その内部には導電性材料が充填される。また、スルーホール86内の導電性材料は、内部に位置する個別電極82、及び、最上層の圧電層81の上面81aに形成された接続端子85と、それぞれ電気的に導通する。これにより、個別電極82からスルーホール86内の導電性材料を介して最上層の圧電層81の上面81aまで、FPC50と接続される接続端子85が引き出された構成となる。
3] In the
以上、本発明の実施の形態として、インク流路内のインクに圧力を付与してノズルから噴射させる、インクジェットヘッドに本発明を適用した例を挙げて説明したが、本発明の適用対象は、画像印刷用のインク以外の液体(例えば、導電ペーストや、薬液、あるいは、化学溶液等)をノズルから噴射する、様々な技術分野で使用される液滴噴射装置に本発明を適用することもできる。 As described above, as an embodiment of the present invention, an example in which the present invention is applied to an inkjet head that applies pressure to ink in an ink flow path and ejects the ink from a nozzle has been described. The present invention can also be applied to a liquid droplet ejecting apparatus used in various technical fields that ejects a liquid other than ink for image printing (for example, a conductive paste, a chemical liquid, or a chemical solution) from a nozzle. .
1,1A インクジェットヘッド
4 流路ユニット
5,5A 圧電アクチュエータ
13a 液滴噴射面
14 圧力室
20 ノズル
22 撥液膜
30 振動板
31 圧電層
32 個別電極
35 接続端子
38 保護膜
38a 開口
39 バンプ
50 フレキシブルプリント配線板
60 積層体
70 成膜装置
71 成膜チャンバー
81 圧電層
82 個別電極
84 共通電極
85 接続端子
1,
Claims (9)
前記流路ユニットに設けられるとともに、前記圧力室と対向するように配置された圧電層とこの圧電層に設けられた駆動電極とを有する圧電アクチュエータを備え、
前記流路ユニットの前記液滴噴射面には、撥液性を有する撥液膜が設けられ、
前記圧電アクチュエータの前記圧電層の表面が、前記撥液膜と同じ膜材料で形成された保護膜によって覆われていることを特徴とする液滴噴射装置。 A flow path unit having a liquid flow path including a liquid droplet ejection surface where a nozzle for ejecting liquid droplets opens, and a pressure chamber communicating with the nozzle;
A piezoelectric actuator provided in the flow path unit and having a piezoelectric layer disposed to face the pressure chamber and a drive electrode provided in the piezoelectric layer,
A liquid repellent film having liquid repellency is provided on the droplet ejection surface of the flow path unit,
The droplet ejecting apparatus, wherein the surface of the piezoelectric layer of the piezoelectric actuator is covered with a protective film made of the same film material as the liquid repellent film.
前記駆動電極から前記圧電層の前記表面まで引き出され、前記駆動電極の給電用の配線部材と接続される端子を有し、
前記保護膜には、前記圧電層の前記表面まで引き出された前記端子を露出させるための開口が設けられ、
前記開口において露出した前記端子に、この端子と前記配線部材とを接続するための凸状のバンプが設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の液滴噴射装置。 The piezoelectric actuator is
A terminal that is drawn from the drive electrode to the surface of the piezoelectric layer and connected to a power supply wiring member of the drive electrode;
The protective film is provided with an opening for exposing the terminal drawn to the surface of the piezoelectric layer,
The droplet ejecting apparatus according to claim 1, wherein a convex bump for connecting the terminal and the wiring member is provided on the terminal exposed in the opening.
前記圧力室を覆うように前記流路ユニットに接合された振動板を有するとともに、この振動板の前記圧力室と反対側の面に前記圧電層が配置され、
前記振動板は、前記圧電層よりも靭性が高い材料で形成されていることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の液滴噴射装置。 The piezoelectric actuator is
While having a diaphragm joined to the flow path unit so as to cover the pressure chamber, the piezoelectric layer is disposed on the surface of the diaphragm opposite to the pressure chamber,
The droplet ejecting apparatus according to claim 1, wherein the diaphragm is made of a material having higher toughness than the piezoelectric layer.
前記流路ユニットの前記液滴噴射面に、撥液性を有する撥液膜を形成する撥液膜形成工程と、
前記圧電アクチュエータの前記圧電層の表面に、前記撥液膜と同じ膜材料で、前記圧電層を覆う保護膜を形成する保護膜形成工程と、
を有することを特徴とする液滴噴射装置の製造方法。 A liquid droplet ejecting surface on which a nozzle for ejecting liquid droplets opens, a flow path unit having a liquid flow path including a pressure chamber communicating with the nozzle, and provided in the flow path unit and facing the pressure chamber. A method of manufacturing a droplet ejecting apparatus including a piezoelectric actuator having a piezoelectric layer arranged in this manner and a drive electrode provided on the piezoelectric layer,
A liquid repellent film forming step of forming a liquid repellent film having liquid repellency on the droplet ejection surface of the flow path unit;
A protective film forming step of forming a protective film covering the piezoelectric layer with the same film material as the liquid repellent film on the surface of the piezoelectric layer of the piezoelectric actuator;
A method for manufacturing a liquid droplet ejecting apparatus.
前記成膜チャンバー内において、前記流路ユニットの前記液滴噴射面と前記圧電アクチュエータの前記圧電層の前記表面に、前記膜材料をそれぞれ堆積させることにより、前記撥液膜と前記保護膜の形成を行うことを特徴とする請求項5に記載の液滴噴射装置の製造方法。 After providing the piezoelectric actuator in the flow path unit, the integrated flow path unit and the piezoelectric actuator are accommodated in a film forming chamber,
In the film formation chamber, the liquid repellent film and the protective film are formed by depositing the film material on the droplet ejection surface of the flow path unit and the surface of the piezoelectric layer of the piezoelectric actuator, respectively. The method for manufacturing a droplet ejecting apparatus according to claim 5, wherein:
前記保護膜形成工程において、前記圧電層の前記表面まで引き出された前記端子を露出させるための開口を有する、前記保護膜を形成し、
前記開口において露出した前記端子に、流動性を有する導電性材料を付着させた後、導電性材料を硬化させることで、前記端子と前記配線部材とを接続するための凸状のバンプを形成することを特徴とする請求項5〜8の何れかに記載の液滴噴射装置の製造方法。
The piezoelectric actuator has a terminal that is drawn from the drive electrode to the surface of the piezoelectric layer and connected to a power supply wiring member of the drive electrode,
In the protective film forming step, the protective film having an opening for exposing the terminal drawn to the surface of the piezoelectric layer is formed,
After a conductive material having fluidity is attached to the terminal exposed in the opening, the conductive material is cured to form a convex bump for connecting the terminal and the wiring member. A method for manufacturing a droplet ejecting apparatus according to claim 5.
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