JP2015212022A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子の欠けを防止したインクジェットヘッドを提供する。
【解決手段】基板面２２を有するベース基板１３と、基板面２２に対する底面２３、上面２４、研削砥石の基板面２２上の移動による底面２３まで達しない深さまでの研削によって形成され底面２３の長辺対から立上がる一対の起立面２５，２６、およびそれぞれ起立面２５，２６に鈍角をもって交差し起立面２５，２６及び上面２４に連続する複数の傾斜端面２７，２８を有する圧電素子５５と、圧力室の壁となる複数の内壁と、を備える。
【選択図】図３

Description

一実施形態はインクジェットヘッドに関する。

インクジェットヘッドの製造工程には、ベース基板上に圧電素子を接着し、この圧電素子とベース基板とを予め決められた形状に切削して整形する工程が含まれている。従来、圧電素子を用いたインクジェットヘッドは、セラミック等からなるベース基板に圧電素子のブロックを接着剤によって接着し、研削によって圧電素子の傾斜端面の加工および溝形成加工を施している（例えば特許文献１参照）。ベース基板および圧電素子上に駆動電極及び配線となる金属膜を形成し、レーザ加工又はフォトリソグラフィによってパターン形成工程が行われている。

矩形板状を呈する圧電素子は研削後、その長辺方向には長辺方向に平行な一対の土手状の傾斜端面が形成され、圧電素子には短辺方向に沿って複数の溝が形成される。研削前の圧電素子素材は長辺方向及び短辺方向に平行な長側面の対と短側面の対との４側面を有し、ベース基板上には、薄い接着層と、この接着層上の圧電素子とが設けられており、接着層の露出面及びこの露出面に連なる圧電素子の長側面がベース基板面に直交している。研削加工時においてこれらの長側面及びベース基板面間の交差角度を拡げるようにして研削ホイールが回転移動し圧電素子、接着層及びベース基板が研削される。研削加工後、圧電素子、接着層及びベース基板の間には一続きの研削面が形成される。

圧電素子の傾斜端面の研削は加工性の点から研削ホイールが長辺方向に沿って進められる。研削ホイールは粒度の細かい研磨剤である砥粒を含有している。

特開２０１３−６３３６６号公報

しかし、研削用の砥粒がある程度の粗さを有するために、ベース基板側の研削面には研削方向に沿って概して筋状の加工痕が発生する。また、研削により圧電素子の傾斜端面が鋭角になって欠けが発生しやすくなり、この欠けが配線不良を引き起こす。

このような課題を解決するため、一実施形態によれば、基板面を有するベース基板と、このベース基板の前記基板面に対する底面、上面、研削砥石の前記基板面上の移動による前記底面まで達しない深さまでの研削によって形成され前記底面の一方の対辺から立上がる一対の起立面、およびそれぞれ前記一対の起立面に鈍角をもって交差し各起立面及び前記上面に連続する複数の傾斜端面を有する圧電素子と、この圧電素子の前記上面に形成されインクの圧力室の壁となる複数の内壁と、を備えるインクジェットヘッドが提供される。

実施の形態に係るインクジェットヘッドの斜視図である。 実施の形態に係るインクジェットヘッドの図１中のＡＡ´に沿う縦断面図である。 実施の形態に係るインクジェットヘッドの図１中のＢＢ´に沿う縦断面図である。 実施の形態に係るインクジェットヘッドに用いられる整形前のベース基板と加工前圧電素子との単体の斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は実施の形態に係るインクジェットヘッドの加工前圧電素子への研削砥石の移動方向を示す図である。 実施の形態に係るインクジェットヘッドの製造方法の一工程を説明するための図である。 実施の形態に係るインクジェットヘッドの他の一工程を説明するための図である。

以下、実施の形態に係るインクジェットヘッドについて、図１乃至図７を参照しながら説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。

（一実施形態）
図１は実施の形態に係るインクジェットヘッドの斜視図である。図２は図１中のＡＡ´に沿うインクジェットヘッドの縦断面図である。複数の吐出口１０を有するヘッド本体１１は、インクを供給排出するマニフォールド１２と、このマニフォールド１２からのインクを加圧する圧電アクチュエータを設けたベース基板１３とを備えており、ベース基板１３上にはインクの圧力室の壁となる複数の内壁１４（図２ではそのうち１つが表示されている）が形成された圧電素子１５と、この圧電素子１５と同じ構成を持つ圧電素子５５とが接着されている。圧電素子１５、５５は枠部材１６により囲まれており、この枠部材１６、ノズル基板１７及びベース基板１３によってインクの共通液室１８、１９、２０が形成され、これらの共通液室１８、１９、２０と、各内壁１４との間でインクが流動可能になっている。内壁１４毎に圧力室２１が形成されており、電極配線層２９からの電圧信号による圧力室２１の容積の変化によってインクが吐出口１０から吐出可能になっている。

図３は図１中のＢＢ´に沿うインクジェットヘッドの縦断面図である。ベース基板１３及び圧電素子５５のそれぞれを単体で抜き出して表示し、ベース基板１３のインク孔等の図示を省略する。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。本実施形態に係るインクジェットヘッドは、基板面２２を有するベース基板１３と、このベース基板１３の基板面２２に対して矩形状の底面２３、この底面２３に対する上面２４、研削砥石の基板面２２上の移動による底面２３まで達しない深さまでの研削によって形成され底面２３の長辺対から立上がる一対の起立面２５、２６、およびそれぞれ起立面２５、２６に鈍角をもって交差し起立面２５、２６及び上面２４に連続する傾斜端面２７、２８を有する圧電素子５５と、圧力室２１の壁となる複数の上記内壁１４とを備えている。インクジェットヘッドは更にこの圧電素子５５と同じ構成を有する圧電素子１５と、ベース基板１３および圧電素子１５間を接着させる接着剤層３０とを備えている。

ベース基板１３は絶縁性基板であり例えばアルミナセラミックス製である。ベース基板１３は、電気絶縁性、高い硬度による耐摩耗性、及び高い剛性による変形のしにくさ等を有してもよい。

圧電素子５５には例えば圧電定数が高いＰＺＴ（ｌｅａｄ ｚｉｒｃｏｎａｔｅ ｔｉｔａｎａｔｅ：チタン酸ジルコン酸鉛）等が用いられている。起立面２５、２６は何れも基板面２２に直交する垂直端面であり、これらの起立面２５、２６は端面研磨後において残される部分である。各起立面２５、２６の上下辺間の垂直高さＨは、研削砥石に含まれる砥粒の砥粒径の３倍、４倍といった整数倍の寸法を有する。

図４は整形加工前のベース基板１３と２本の加工前圧電素子との単体の斜視図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。加工前圧電素子３１は圧電素子５５の元となる圧電素材であり、加工前圧電素子３２は圧電素子１５に対応するものである。加工前圧電素子３１は、長辺及び短辺を有する長方形の底面２３のほかに、起立面２５、２６（図３）に対応する長手の側面３３、３４を有し、これらの側面３３、３４の上部にはそれぞれ未だ角部が存在したままである。加工前圧電素子３２も加工前圧電素子３１と実質同じである。加工前圧電素子３１、３２は互いに平行にベース基板１３上に接着されている。

基板面２２上を長辺方向に沿って砥石進行方向（矢印Ｐ参照）に移動する研削砥石により基板面２２とともに研削加工により図３の傾斜端面２８が整形される。傾斜端面２７も傾斜端面２８の例と同様である。図３の傾斜端面２７、２８の整形後、加工前圧電素子３１への内壁１４の切削加工により複数の隔壁が底面２３の長辺方向に列設される。長辺方向から見た各隔壁の形状は台形であり、全ての隔壁は同じ構造を有する。

次に上述の構成を有する本実施形態に係るインクジェットヘッド（図２）の作用動作について述べる。インクジェットヘッドは電極配線層２９から何れかの内壁１４へのパルス電圧信号によって圧力室２１に電界を発生させると、この圧力室２１が変形し、電界の消滅によってこの変形を元に戻す。圧力室２１の容積を拡張又は縮小することにより、インクが加圧され、インクジェットヘッドは液滴を吐出口１０から吐出する。

次に本実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法について述べると、最初に、ベース基板１３上に接着剤層３０及び加工前圧電素子３１、３２を積層させる工程を行ってから図４に示すように、ベース基板１３上に平行に設けられた加工前圧電素子３１、３２に対して、研削ホイールを用いて溝加工工程を行う。加工前圧電素子３１だけを抜き出して図５に示す。

図５（ａ）、図５（ｂ）は加工前圧電素子３１への研削砥石の移動方向を示す図であり、図４の例と斜視方向を適宜変えてある。研削ホイール５６はその外周部に、平坦研削部５７と、それぞれこの平坦研削部５７の両側に設けられた２つの傾斜研削部５８とを有し、これらの平坦研削部５７及び傾斜研削部５８に多数の砥粒が含まれている。研削ホイール５６が砥石進行方向Pに回転すると、一方の傾斜研削部５８は加工前圧電素子３１の図５（ａ）中の角部を研削する。図５（ｂ）に示す垂直高さＨは、例えば研削砥石に含まれる砥粒の砥粒径を５μｍとすると、２０μｍである。加工前圧電素子３２も加工前圧電素子３１と同様に研削加工を施される。研削ホイール５６の進行及び後退によって、基板面２２も研削される。

このように圧電素子５５の傾斜端面２７、２８が基板面２２に対して概ね４５度の傾斜角をもって研削される。基材表面（基板面２２）は１０μｍ削り込まれる。圧電素子１５も同様である。傾斜端面２７と起立面２６とは鈍角をもって面交差する。鈍角の面交差角度を得られるため、圧電素子１５、５５の何れの部分にも、鋭角部分が生じない。圧電素子１５、５５には鋭角的な研削端面が残存せず、圧電素子素材の欠けが発生することが生じない。傾斜端面２８も同様である。

図６はインクジェットヘッドの製造方法の一工程を説明するための図である。引き続き、研削された部分はコーティング剤によってコーティングされる。コーティング剤は、エポキシ系樹脂有機膜が用いられる。コーティング剤は熱硬化性を有する。コーティング剤には、有機系又は無機系のプライマ（下地処理剤）が用いられてもよい。傾斜端面２８の下部、起立面２６、接着剤層３９及び基板面２２の段差部分が、圧電素子５５の素子長に亘ってコーティングされる。対称側についても、傾斜端面２７の下部、起立面２５、接着剤層３９及び基板面２２の段差部分が圧電素子５５の素子長に亘ってコーティングされる。圧電素子１５もこの圧電素子５５の例と同じである。コーティング剤によるコーティングによってインクに対する耐性が増す。耐性とは腐食性を指す。また、プライマを前処理に使うことで、ベース基板１３及び圧電素子５５の材質によって密着性が十分でない場合であっても、下地処理を十分に行うことによってコーティング剤によるコーティング効果を確実にすることができる。

また、コーティング剤のコーティング方法は、例えばエッジを有するコーティングブレードを用いてコーティング剤をエッジに取り、これを段差部に直接転写することにより行われる。コーティング方法は、コーティング剤を封入したタンクと、このタンクから引出しされたスプレーとによって、段差部にスプレー塗布することによって行ってもよい。あるいはコーティング方法はディスペンサを用いてコーティング剤を段差部に塗布してもよい。

図７はインクジェットヘッドの製造方法の他の一工程を説明するための図である。コーティングに引き続き、コーティング剤は加熱処理を施される。同図のように、加熱によって硬化したコーティング剤３６は傾斜端面２８及び基板面２２の間を滑らかにし、圧電素子５５及びベース基板１３間の段差が平滑化される。

その後、インクジェットヘッドの製造方法は、台形状の圧電素子１５、５５に対して、複数の内壁１４を研削加工によって整形する工程を行い、これらの内壁１４、傾斜端面２７、２８、ベース基板１３の基板面２２間にパターン電極を形成する工程を行って、更にノズル基板１７をベース基板１３に接合する工程を行う。インクジェットヘッドが得られる。

以上のように、圧電素子１５、５５には鋭角部が発生しないような研削量の研削によって、鋭角部分の欠けの発生を製造工程から除くことができる。

従来、圧電素子の研削では鋭角的な部分を持つ傾斜端部が形成されるため、研削途中で、圧電素子の素材の欠けが生じる。フォトリソグラフィによって行う場合、研削の加工痕や欠けが存在すると、露光パターン不良を引き起こす。配線パターンの短絡や断線を生じる可能性があった。この問題を解決するために、平坦化膜をスプレー塗布若しくは転写により形成する方法を用いた場合、スプレー塗布による方法やスタンパを用いた方法を用いることができる。しかしこのスプレー塗布方法では、マスキングの手間や、マスク下部へのミスト付着の問題が存在し、塗布領域が不安定であり、工程作業性が悪化し、またスプレー塗布装置も大型化する。スタンパを用いた転写についても脆弱なエッジ部を破壊しないようにほぼ非接触で行う必要があり、作業性が悪化する。本実施形態に係るインクジェットヘッドによれば、圧電素子１５、５５に鋭角的な稜線が発生しないような研削量とし、圧電素子１５、５５及びベース基板１３間の段差部を平坦化することによってベース基板１３上に研削溝が形成されないため、枠部材１６の接着時のリークも防止される。

なお上記実施形態では、図５の研削方法例は一例であり、この例に限定されるものではなく、研削方法には種々の方法を用いてもよいことは言うまでもない。また、起立面２５、２６からそれぞれ傾斜端面２７、２８に連続していたが、例えば起立面２５及び傾斜端面２７間に異なる傾度の傾斜や、湾曲又は屈曲状の他の端面を形成してもよい。起立面２６及び傾斜端面２８間についても同様に、異なる傾度の傾斜や、湾曲又は屈曲する他の端面を形成してもよい。これらの変形をしたに過ぎない実施品に対して本実施形態に係るインクジェットヘッドの優位性は何ら損なわれるものではない。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１３…ベース基板、１４…内壁、１５、５５…圧電素子、２２…基板面、２３…底面、２４…上面、２５、２６…一対の起立面、２７、２８…複数の傾斜端面、３０…接着剤層。

Claims (5)

1. 基板面を有するベース基板と、
   このベース基板の前記基板面に対する底面、上面、研削砥石の前記基板面上の移動による前記底面まで達しない深さまでの研削によって形成され前記底面の一方の対辺から立上がる一対の起立面、およびそれぞれ前記一対の起立面に鈍角をもって交差し各起立面及び前記上面に連続する複数の傾斜端面を有する圧電素子と、
   この圧電素子の前記上面に形成されインクの圧力室の壁となる複数の内壁と、
   を備えるインクジェットヘッド。
2. 前記ベース基板および前記圧電素子間の接着剤層と、
   前記複数の傾斜端面の傾斜下部、前記一対の起立面、前記接着剤層および前記基板面を、前記一方の対辺の辺方向の前記圧電素子の素子長に亘ってコーティングするコーティング剤と、を更に備え、
   前記コーティング剤は、エポキシ系樹脂有機膜である請求項１記載のインクジェットヘッド。
3. 前記コーティング剤によるコーティングでは、有機系又は無機系の下地処理剤を用いる請求項２記載のインクジェットヘッド。
4. 前記一対の起立面は前記基板面に直交し、各起立面の上下辺間の垂直高さは、前記研削砥石に含まれる砥粒の砥粒径の整数倍の寸法を有する請求項１記載のインクジェットヘッド。
5. 前記傾斜端面は、前記基板面上を前記一方の対辺の方向に沿って移動する研削砥石により前記基板面とともに研削加工される請求項１記載のインクジェットヘッド。

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