JP2015107579A - インクジェットヘッドおよびインクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電セラミックスのチッピング発生を抑制でき、アクチュエータの歩留および品質を向上できるインクジェットヘッドを提供する。
【解決手段】インクジェットヘッドは、ベースプレート２１と圧電素子２４を備える。ベースプレート２１は、厚み方向に貫通穴が形成されている。圧電素子は、分極処理が施された第１の圧電セラミックスと、ベースプレート２１よりも厚く形成され、第１の圧電セラミックスの底面に第１の接着層を介して上面が接着されるとともに、底面の位置がベースプレート２１の底面の延長上に調整された状態で下側部分が貫通穴の中に埋め込まれ、側面が第２の接着層を介してベースプレート２１に接着された第２の圧電セラミックスからなる。
【選択図】図９

Description

本実施形態は、インクジェットヘッドおよびインクジェットヘッドの製造方法に関する。

画像等のデータを出力する装置として、インクジェット方式を採用したインクジェット記録装置が知られている。インクジェット記録装置には、微小なインク滴を用紙等の記録媒体に吐出するインクジェットヘッドが用いられる。

シェアモードシェアウォール方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法においては、分極方向が向き合うように接着した２枚の圧電セラミックスをベースプレートに接着する。圧電セラミックス部分を機械加工にて台形状に形成した後、ダイシングソー等でオリフィス（吐出孔）の数と同数の溝を形成し、続いてメッキ法などで電極を形成することで、ベースプレート上にアクチュエータが形成される。インクジェットヘッドは、電極と接続されている外部回路からの指令により、溝の体積が変化し、この体積の変化によりオリフィス（吐出孔）からインクを吐出する。

特開２００４−１３６８号公報

しかしながら、従来のインクジェットヘッドの積層構造では、圧電セラミックスの材料厚や製造時の接着層厚のバラツキにより、アクチュエータを構成する上下の圧電セラミックスの厚み比が異なってしまい、アクチュエータの特性にバラツキが生じていた。また、圧電セラミックスの台形加工時に切削加工を行うが、刃物の先端がＲ形状であるため圧電セラミックスの麓部分（両端部分）が非常に薄くなってしまう。ＰＺＴなどの圧電セラミックスは脆く、肉薄部分が欠けることでチッピングが発生してしまい、アクチュエータを駆動するための電極パターンを形成する際に、チッピングを原因とするショートやオープンが発生してしまう問題があった。

そこで、本発明は、圧電セラミックスのチッピング発生を抑制でき、アクチュエータの歩留および品質を向上できるインクジェットヘッドおよびインクジェットヘッドの製造方法を提供することを解決しようとする課題とする。

本実施形態のインクジェットヘッドは、ベースプレートと圧電素子を備える。ベースプレートは、厚み方向に貫通穴が形成されている。圧電素子は、分極処理が施された第１の圧電セラミックスと、ベースプレートよりも厚く形成され、第１の圧電セラミックスの底面に第１の接着層を介して上面が接着されるとともに、底面の位置がベースプレートの底面の延長上に調整された状態で下側部分が貫通穴の中に埋め込まれ、側面が第２の接着層を介してベースプレートに接着された第２の圧電セラミックスからなる。

本実施形態に係るインクジェットヘッドの斜視図。 図１に示すＡ−Ａ’線におけるインクジェットヘッドの断面図。 図１に示すヘッド本体部の分解斜視図。 図３に示す圧電素子を接着していない状態のベースプレートの上面図。 図３に示す圧電素子を接着していない状態のベースプレートの下面図。 図３に示す圧電素子を接着した状態のベースプレートの上面図。 図６に示すＢ−Ｂ’線におけるインクジェットヘッドの断面図。 図７に示すインクジェットヘッドの切削加工後の状態を示す断面図。 図８に示すインクジェットヘッドの破線部分の拡大断面図。 インクジェットヘッドの溝形成処理後の斜視図。 図１０に示すインクジェットヘッドの電極形成処理後の状態を示す斜視図。

以下、本実施形態に係るインクジェットヘッドについて図面を参照して詳細に説明する。本実施形態のインクジェットヘッドとして、シェアモードシェアウォール方式のサイドシュータ型を例に説明する。

このインクジェットヘッドのインク吐出の原理は、板厚方向に分極された板状の２枚の圧電セラミックス（圧電素子）をその分極方向が逆向きとなるようにお互いに接着剤で貼り合わせ、その２枚の圧電セラミックスに所定の間隔で複数の溝部を形成し、これら溝部を圧力室（インク室）としてその各圧力室内にそれぞれ電極を形成し、これら電極に駆動電圧を印加することにより、各圧力室の相互間を仕切る側壁（各圧電セラミックス）を変形させて各圧力室にインク吐出用の圧力を加え、各圧力室に通じるノズルからインク滴を吐出させる方式である。

図１は、本実施形態に係るインクジェットヘッド１の斜視図である。図２は、図１に示すＡ−Ａ’線におけるインクジェットヘッド１の断面図である。図３は、インクジェットヘッド１のヘッド本体部２の分解斜視図である。

図１に示すように、本実施形態に係るインクジェットヘッド１は、ヘッド本体部２と、ユニット部３と、一対の回路基板４とを備えている。インクジェットヘッド１は、インクジェットプリンタ（図示省略する）に搭載され、例えばチューブのような部品を介してインクタンク（図示省略する）に接続されている。

ヘッド本体部２は、インクを吐出するための装置である。ヘッド本体部２は、ユニット部３に取り付けられている。ユニット部３は、ヘッド本体部２とインクタンクとの間の経路の一部を形成するマニホールドや、インクジェットプリンタ内部に取り付けるための部材を備える。一対の回路基板４は、ヘッド本体部２にそれぞれ取り付けられている。

ヘッド本体部２は、図２および図３に示すように、ベースプレート２１と、オリフィスプレート２２と、枠部材２３と、一対の圧電素子２４を備えている。ヘッド本体部２の内部には、インクが供給されるインク室２５が形成されている。

ベースプレート２１は、例えばアルミナのようなセラミックスによって矩形の板状に形成されている。ベースプレート２１は、平坦な実装面２１ａを有している。実装面２１ａには、複数の供給孔２６および排出孔２７が開口している。

また、図３に示すように、供給孔２６は、ベースプレート２１の中央部において、ベースプレート２１の長手方向に所定の間隔で並んで設けられている。 供給孔２６は、図２に示すように、ユニット部３のインク供給部３ａに連通している。供給孔２６は、インク供給部３ａを介してインクタンクに接続されている。インクタンクのインクは、供給孔２６からインク室２５に供給される。

排出孔２７は、供給孔２６を挟むように二列に所定の間隔で並んで設けられている。図２に示すように、排出孔２７は、ユニット部３のインク排出部３ｂに連通している。排出孔２７は、インク排出部３ｂを介してインクタンクに接続されている。インク室２５のインクは、排出孔２７からインクタンクに回収される。このように、インクはインクタンクとインク室２５との間で循環する。

オリフィスプレート２２は、耐熱性の部材であり、例えばポリエステル製、ポリイミド製の矩形状のフィルムによって形成されている。オリフィスプレート２２は、図２および図３に示すように、ベースプレート２１の実装面２１ａに対向し、圧電素子２４および枠材２３と接着している。オリフィスプレート２２には、複数のオリフィス２２ａが設けられている。複数のオリフィス２２ａは、オリフィスプレート２２の長手方向に沿って二列に並んでいる。

枠部材２３は、例えばニッケル合金によって矩形の枠状に形成されている。枠部材２３は、ベースプレート２１の実装面２１ａとオリフィスプレート２２との間に配置されている。オリフィスプレート２２は、枠部材２３を介してベースプレート２１に取り付けられている。

圧電素子２４は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）によって形成された板状の二つの圧電セラミックスによって形成されている。この二つの圧電セラミックスは、分極方向がその厚さ方向に互いに逆向きになるように貼り合わされている。

圧電素子２４は、実装面２１ａより突出して接着されている。そして、圧電素子２４は、二列に並ぶオリフィス２２ａに対応して、インク室２５の中に平行に配置されている。図２に示すように、圧電素子２４の頂部は、オリフィスプレート２２に接着されている。

図３に示すように、圧電素子２４には、インクの流路を形成する複数の溝部２４ａが設けられている。溝部２４ａは、圧電素子２４の長手方向と交差する方向にそれぞれ延びており、圧電素子２４の長手方向に並んでいる。複数の溝部２４ａは、オリフィスプレート２２の複数のオリフィス２２ａに対向している。

溝部２４ａには、それぞれ電極２８が設けられている。電極２８は、溝部２４ａの内面を覆っている。ベースプレート２１の実装面２１ａには、複数の配線パターン２９が設けられている。配線パターン２９は、圧電素子２４の長手方向と交差する方向にベースプレート２１の両側端から延びており、対応する電極２８とそれぞれ電気的に接続している。電極２８および配線パターン２９は、例えば無電解メッキ法によりニッケル薄膜などの金属膜を形成した後に、レーザーパターニングを施すことによって形成されている。

回路基板４は、図１に示すように、基板本体４１と、一対のフィルムキャリアパッケージ（ＦＣＰ）４２とをそれぞれ有している。基板本体４１は、矩形状に形成された剛性を有するプリント配線板である。基板本体４１に、種々の電子部品やコネクタが実装される。また、基板本体４１に、一対のＦＣＰ４２がそれぞれ取り付けられている。

ＦＣＰ４２は、複数の配線が形成されるとともに柔軟性を有する樹脂製のフィルム４３と、複数の配線に接続されたＩＣ４４とをそれぞれ有している。フィルム４３は、テープオートメーテッドボンディング（ＴＡＢ ）である。ＩＣ４４は、電極２８に電圧を印加するためのものである。ＩＣ４４は、樹脂によってフィルム４３に固定されている。

ＦＣＰ４２の端部は、図２に示すように、異方性導電性フィルム（ＡＣＦ）４５によって、配線パターン２９に熱圧着接続されている。これにより、ＦＣＰ４２の複数の配線は、配線パターン２９に電気的に接続される。ＩＣ４４は、ＦＣＰ４２の配線を介して電極２８に電気的に接続され、電極２８に電圧を印加する。

ＩＣ４４が電極２８に電圧を印加すると、圧電素子２４の側壁がシェアモード変形することにより、電極２８が設けられた溝部２４ａの容積が増減させられる。これにより、溝２２ａの中のインクの圧力が変化し、インクがオリフィス２２ａから吐出される。

以下、上記のように構成されたインクジェットヘッド１の製造方法を図面に基づいて説明する。

図４は、図３に示す圧電素子２４を接着していない状態のベースプレート２１の上面図であり、図５は、図４の下面図である。また、図６は、図３に示す圧電素子２４を接着した状態のベースプレート２１の上面図である。

先ず、図４に示すように、ベースプレート２１の実装面２１ａ側から底面２１ｄ側へ貫通する貫通穴２１ｂを圧電素子２４の大きさに合わせて機械加工により形成するとともに、図５に示すように、貫通穴２１ｂの外周に沿って、底面２１ｄから貫通穴２１ｂに向けて傾斜する傾斜面２１ｃを機械加工により形成し、一次加工体を得る。

次に、図６に示すように、貫通穴２１ｂの中に圧電素子２４を埋め込み、ベースプレート２１に接着することで二次加工体を得る。このとき、圧電素子２４の底面とベースプレート２１の底面２１ｄはフラットとなるように位置決めされ、ベースプレート２１と圧電素子２４の周囲の隙間部分に接着剤を流し込むことで接着する。図７は、図６に示すＢ−Ｂ’線におけるインクジェットヘッド１の断面図である。同図に示されるように、圧電素子２４は、分極処理が施された上部圧電セラミックス２４２と、ベースプレート２１よりも厚く形成され、上部圧電セラミックス２４２の底面に接着層２４４を介して上面が接着された下部圧電セラミックス２４３からなる。また、下部圧電セラミックス２４３の側面とベースプレート２１の貫通穴２１ｂの側壁の間には接着層２４１が形成され、接着されている。ベースプレート２１には、貫通穴２１ｂの外周に傾斜面２１ｃが形成され、圧電素子２４が挿入される部分が底面２１ｄの他の部分より凹んだ構造となっているため、圧電素子２４の接着時に表面から流し込まれた接着剤の逃げ溝が形成されている。このため、接着剤の流入時における圧電素子２４の浮き上がりが防止され、圧電素子２４の底面とベースプレート２１の底面２１ｄとの垂直方向における位置関係も維持される。

次に、ベースプレート２１に接着された圧電素子２４の上面および角部に対して切削加工を施し、三次加工体を得る。図８は、図７に示すインクジェットヘッド１の切削加工後の状態を示す断面図であり、図９は、図８に示すインクジェットヘッド１の破線部分の拡大断面図である。これらの図に示されるように、ベースプレート２１に接着された圧電素子２４の上面部分および角部部分に対して切削加工を施すと、ベースプレート２１から短手方向から見て、実装面２１ａより突出した部分は台形形状、断面形状は５角形状に形成される。ベースプレート２１の中に圧電素子２４の下側部分を埋め込んだ構造になるため、従来構造では切削加工後に薄くなっていた圧電素子２４の台形麓部（図９の破線部分）の厚さが薄くならず、強度を保つことができる。このため、圧電素子２４の台形麓部におけるチッピングの発生が抑制され、チッピングを原因とする配線パターンのショートやオープンといった問題が発生しにくくなっている。

次に、図８および図９のように成形された圧電素子２４に対して例えばダイシングソー等を用いた切削加工によって、長手方向において所定の間隔を有するように複数の溝部２４ａを形成し、四次加工体を得る。図１０は、インクジェットヘッド１の溝形成処理後の斜視図である。同図に示されるように、複数の溝部２４ａは、側壁により仕切られており、溝幅は例えば８０μｍ、長手方向に１６９μｍのピッチで溝を形成した場合には、側壁の厚さは例えば８９μｍと非常に薄く形成される。

そして、図１０のように加工された四次加工体に対して電極生成処理を行う。図１１は、図１０に示すインクジェットヘッド１の電極形成処理後の状態を示す斜視図である。電極形成処理は、例えば無電解メッキ法を用いて少なくとも圧電素子２４の四次加工体の表面に金属膜を形成し、五次加工体を得る。溝部２４ａおよびベースプレート２１の表面に金属膜による電極２８および配線パターン２９がそれぞれ形成され、アクチュエータ列を得る。金属膜を形成する手法としてスパッタ法、ＣＶＤ法、メッキ法等があるが、本実施形態では溝部２４ａの内部まで金属膜を確実に形成し得るために、無電解メッキ法を選択しているが、成膜方法はこれに限られない。

また、必要に応じて、図１０のように形成した金属膜に対してレーザ光の照射により、金属膜の不要部分を除去する電極分離除去（レーザパターニング処理）を行う。レーザパターニング処理の前の工程として、ベースプレート２１の表面における各電極２８の形成予定部位を予めレーザ光の照射により滑らかにし、金属膜がベースプレート２１の深さ方向に析出するのを未然に防ぐようにすると好適である。

このように、本実施形態によれば、ベースプレート２１に圧電素子２４を埋め込んだ構造になるため、圧電素子２４の実装面２１ａから突出する台形麓部の厚さが従来の積層構造のように薄くなることは無く、切削加工後も強度が保たれる。すなわち、チッピングの発生が抑制されるため、チッピングを原因とする配線パターンのショートやオープンといった問題が回避される。また、チッピングの発生が抑制される結果、圧電素子２４の補修作業が生じ無くなるため、インクジェットヘッドの歩留を向上させることもできる。

更に、従来の積層構造では、アクチュエータ特性のバラツキ要因は、ベースプレート２１と下部圧電セラミックス２４３の材料厚およびベースプレート２１と下部圧電セラミックス２４３との間の接着層厚の誤差に起因していたが、本実施形態の積層構造では、下部圧電セラミックス２４３の材料厚のみに限定されるため、アクチュエータ特性のバラツキを格段に軽減することができ、アクチュエータの品質を向上させることもできる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。本実施形態およびその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２１…ベースプレート、
２１ａ…実装面、
２１ｂ…貫通穴、
２１ｃ…傾斜面、
２４…圧電素子、
２４ａ…溝部、
２４１…接着層、
２４２…上部圧電セラミックス、
２４３…下部圧電セラミックス、
２４４…接着層。

Claims (4)

1. 厚み方向に貫通穴が形成されたベースプレートと、
   分極処理が施された第１の圧電セラミックスと、前記ベースプレートよりも厚く形成され、前記第１の圧電セラミックスの底面に第１の接着層を介して上面が接着されるとともに、底面の位置が前記ベースプレートの底面の延長上に調整された状態で下側部分が前記貫通穴の中に埋め込まれ、側面が第２の接着層を介して前記ベースプレートに接着された第２の圧電セラミックスからなる圧電素子と、
   を備えることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記貫通穴の下端部の周りに、前記ベースプレートの底面から前記貫通穴に向けて傾斜した傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
3. ベースプレート内に厚み方向で貫通穴を形成するステップと、
   分極処理が施された第１の圧電セラミックスの底面に、前記ベースプレートよりも厚く形成された第２の圧電セラミックスが第１の接着層を介して接着されている圧電素子の下側部分を、前記第２の圧電セラミックスの底面の位置が前記ベースプレートの底面の延長上に調整された状態で前記貫通穴の中に埋め込むステップと、
   前記第２の圧電セラミックスの側面と前記ベースプレートの隙間に第２の接着層を形成して接着するステップと、
   を有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。
4. 前記貫通穴の下端部の周りに、前記ベースプレートの底面から前記貫通穴に向けて傾斜した傾斜面を形成するステップを更に有することを特徴とする請求項３記載のインクジェットヘッドの製造方法。

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