JP2902786B2

JP2902786B2 - インクジェットヘッド用圧電アクチュエータの製造方法

Info

Publication number: JP2902786B2
Application number: JP8503005A
Authority: JP
Inventors: 三剛長嶋
Original assignee: SHICHIZUN TOKEI KK
Current assignee: SHICHIZUN TOKEI KK
Priority date: 1994-06-23
Filing date: 1995-06-21
Publication date: 1999-06-07
Anticipated expiration: 2014-06-07

Description

【発明の詳細な説明】技術分野この発明は、インクジェットヘッドの駆動用に好適な
圧電アクチュエータの製造方法に関する。

背景技術今日、その市場を大きく拡大しつつあるノンインパク
ト・プリンタの内で、原理が最も単純で、かつカラー印
刷に好適なものとしてインクジェット・プリンタがあ
る。そのうちでも、ドット形成時にのみインク液滴を吐
出する、いわゆるドロップ・オン・デマンド（DOD）型
のインクジェット・プリンタが主流となっている。

この種のプリンタ用インクジェットヘッドとして、圧
電材料と電極とを交互に積層した積層タイプの圧電アク
チュエータを駆動源に用いるものが、従来より提案され
ている。この積層タイプの圧電アクチュエータは、電極
間に駆動電圧を印加すると圧電材料が変形し、隣接する
インク室の容積を変化させる構造となっており、駆動電
圧が低くても、圧電材料の積層枚数に比例した大きな変
形が得られる利点を有している。

さて、圧電アクチュエータを用いたインクジェットヘ
ッドにおいて、高解像度で広い範囲の印字を行なう目的
から、多数のノズルを高密度で配置するための種々の試
みがなされている。

例えば、特開平４−1052号公報に示された印字ヘッド
は、積層し且つ焼成した圧電板に一定間隔で切り込みを
入れることによって圧電素子を配列しており、分極方向
に対し垂直方向の変形、すなわち圧電歪定数d₃₁に基づ
く変形を起こさせることにより、圧電素子に隣接した加
圧室内の圧力を制御している。

また、特公平４−52213号公報に記載のインクジェッ
トヘッドは、高集積化と圧電素子への電気的接続の容易
化を目的とし、インク室を形成する壁上に第１の電極を
介して圧電素子を設置するとともに、この第１の電極と
対向する面に第２の電極を設けた構造となっている。

しかしながら、これらの従来技術のうち、前者の特開
平４−1052号公報に示された印字ヘッドは、積層した圧
電板に所定の切り込みを入れることによって、交互に配
置された異なる極性の電極が切削面に露出する。このた
め、水性インクなどを用いた場合、該水性インクが切削
面に付着したり、また空気中の水分が切削面に付着する
ことによって、電極相互間が短絡する危険があった。

通常、圧電材料層の厚さは0.02mm程度、電極の厚さは
0.002mm程度と極めて薄いため、電極相互の間隔が狭
い。しかも、切削した際の加工圧力で圧電材料層が更に
圧縮されて薄くなる。その結果、製造段階においても、
電極相互の間隔がなくなり短絡する危険を有していた。

後者の特公平４−52213号公報に示されたインクジェ
ットヘッドでは、圧電素子を電気的に接続するための第
１の電極と第２の電極とが圧電素子の両面に形成されて
いるため、同一平面上にない。したがって、各電極と外
部回路との接続構造が複雑となり、実装コストが高価格
となるばかりか、ヘッド全体の構造が大形化するという
問題があった。

さらに、積層圧電素子を用いる構造にあっては、前者
の印字ヘッドと同様、切削面に電極が露出するため、隣
接する電極相互間で短絡の危険を有していた。

発明の開示この発明による製造方法で製造するインクジェットヘ
ッド用圧電アクチュエータは、上記のような従来技術の
問題を解決するものであり、各電極と外部回路との接続
が簡単で、しかも電極相互間に短絡のおそれがないとい
う特徴を備えている。

すなわち、薄板状の第１圧電材料層および第２圧電材
料層を交互に積層して形成した複数の積層圧電素子が、
基台上に一定の間隔をおいて横方向に並べて搭載してあ
る。

第１圧電材料層の平面上には、積層圧電素子における
縦方向の一方の端面のみに露出する第１内部電極が形成
してある。また、第２圧電材料層の平面上には、積層圧
電素子における縦方向の他方の端面のみに露出する第２
内部電極が形成してある。

さらに、基台には共通電極が形成してあり、一括導通
手段によって、この共通電極と各積層圧電素子の第１内
部電極の露出部とが、電気的に導通してある。基台に
は、積層圧電素子と対応する数の個別電極も形成してあ
り、、個別導通手段によって、一の積層圧電素子におけ
る第２内部電極の露出部と一の個別電極とが、それぞれ
電気的に導通してある。

このような構成のインクジェットヘッド用圧電アクチ
ュエータは、各積層圧電素子の内部に配置された第1,第
２内部電極が、積層圧電素子の同一端面に露出しないた
め、極性の異なる第1,第２内部電極間の絶縁性能が高
い。したがって、水性インクや空気中の水分が積層圧電
素子に付着しても、電極相互間が短絡する危険が少な
い。

また、共通電極および個別電極を、基台の同一面に並
べて形成した場合には、これら電極をフレキシブル基板
などを用いて容易に外部回路と接続することができる。

なお、一括導通手段は、基台の表面を介し、各積層圧
電素子の一方の端面乃至共通電極にかけて連続して形成
した金属薄膜で構成することができる。また、個別導通
手段は、各積層圧電素子の他方の端面乃至前記各個別電
極にかけてそれぞれ連続して形成した金属薄膜で構成す
ることができる。

そして、この発明の製造方法によれば、上記のような
特徴を備えた圧電アクチュエータを安価に歩留りよく製
造することができる。

すなわち、この発明によるインクジェットヘッド用圧
電アクチュエータの製造方法は、まず、薄板状の第１圧
電材料基板の表面に、積層圧電素子より狭い幅で且つ一
方の端縁のみが該第１圧電材料基板における縦方向の端
縁まで延びる複数の内部電極を、積層圧電素子と中心を
合わせて形成する。

次いで、薄板状の第２圧電材料基板の表面に、積層圧
電素子より狭い幅で且つ他方の端縁のみが該第２圧電材
料基板における縦方向の端縁まで延びる複数の内部電極
を、積層圧電素子と中心を合わせて形成する。

そして、第１圧電材料基板と第２圧電材料基板とをそ
れぞれ交互に複数枚積層して積層圧電ブロックを製作す
る。

このようにして製作した積層圧電ブロックを、基台上
の所定位置に接合するとともに、基台および積層圧電ブ
ロックの表面に金属薄膜を形成する。

その後、積層圧電ブロックを隣接する内部電極の間で
一定幅にわたり縦方向にそれぞれ切除して複数の積層圧
電素子を形成する。また、基台上の電極形成部に形成し
た金属薄膜を分断して、共通電極および複数の個別電極
を形成する。

ここで、共通電極は、積層圧電素子における縦方向の
一方の端面に形成した金属薄膜と導通するようにする。
また、各個別電極は、積層圧電素子における縦方向の他
方の端面に形成した金属薄膜と個別的に導通するように
する。これら共通電極および個別電極は、基台の電極形
成部で横方向に並べて形成することが好ましい。

上述の製造方法で、基台および積層圧電ブロックの表
面に金属薄膜を形成する際、積層圧電ブロックの最上面
に形成された各内部電極が、少なくとも一部露出するよ
うに金属薄膜の非形成領域を設けることが好ましい。

このようにすれば、露出して見える内部電極を目安に
して、適正な位置で積層圧電ブロックを切除することが
でき、製造の容易化を図ることができる。

図面の簡単な説明第１図は、この発明による製造方法で製造するインク
ジェットヘッド用圧電アクチュエータを背面側から見た
斜視図である。

第２図は、第１図に示す圧電アクチュエータにおける
積層圧電素子の正面図である。

第３図は、同じく背面図である。

第４図は、同じく側面図である。

第５図は、図１乃至第４に示した圧電アクチュエータ
を装着したインクジェットヘッドを一部切欠いて示す斜
視図である。

第６図は、この発明による圧電アクチュエータの製造
方法の中間工程において製作した積層圧電ブロックの斜
視図である。

第７図は、同製造方法においてまず製作する第１圧電
材料基板および第２圧電材料基板を示す斜視図である。

第８図は、同製造方法の中間工程において基台上に積
層圧電ブロックを接合した状態を示す斜視図である。

第９図は、同製造方法の中間工程において基台および
積層圧電ブロックの表面に金属薄膜を形成した状態を示
す斜視図である。

第10図は、同製造方法の中間工程において積層圧電ブ
ロックを溝加工した状態を示す斜視図である。

発明を実施するための最良の形態次に、この発明の最適な実施例について、図面を参照
して具体的に説明する。

第１図は、この発明による製造方法で製造するインク
ジェットヘッド用圧電アクチュエータを背面側から見た
斜視図である。また、第２図は第１図に示す圧電アクチ
ュエータにおける積層圧電素子の正面図、第３図は同じ
く背面図、第４図は同じく側面図である。

矩形のブロック状をしたセラミック製の基台１の上面
には、積層圧電素子２が一定間隔をあけて横方向に複数
個並べて搭載されており、さらにその両側方に支柱3,3
が配設されている。これら積層圧電素子２および支柱3,
3の前端面は、それぞれ基台１の前端面と同一平面とな
るように配置してある。

各積層圧電素子２は、第２図〜第４図に示すように、
薄板状の第１圧電材料層４および第２圧電材料層５を交
互に積層した構造となっている。各圧電材料層とも圧電
歪定数d₃₃を有しており、電圧印加によって厚さ方向
（分極方向）に変形する。

第１圧電材料層４の平面上には、第１内部電極4aが形
成してあり、一方、第２圧電材料層５の平面状には、第
２内部電極5aが形成してある。

ここで、第１内部電極4aは積層圧電素子２の内部で一
定の幅をもって延在している。この第１内部電極4aは、
同素子２の前端面2aに露出しており、他の面（後端面2b
および両側端面2c）には露出していない。一方、第２内
部電極5aは積層圧電素子２の内部で一定の幅をもって延
在している。この第２内部電極5aは、同素子２の後端面
2bに露出しており、他の面（前端面2aおよび両側面2c）
には露出していない。

積層圧電素子２の後端面2bには、金属薄膜６が形成し
てある。各第２内部電極5aは、この金属薄膜６（個別導
通手段）と電気的に導通している。

基台１の上面（積層圧電素子２の搭載面）における、
各積層圧電素子２の後方側には、それぞれ個別電極７が
形成してある。これら個別電極７は、各積層圧電素子２
と個別的に対応しており、それぞれの間は絶縁されてい
る。これら個別電極７は、積層圧電素子２の後端面2bに
形成した金属薄膜６（一括導通手段）と電気的に導通し
ている。

また、支柱３の後方側には共通電極８が形成してあ
る。なお、支柱３の後端面にも金属薄膜が形成されてい
るが、該金属薄膜は必ずしも必要ではない。

上記の個別電極７および共通電極８は、基台１の上面
後部に並んだ配置になっているので、後述するようにフ
レキシブル基板16を使用して外部回路と容易に接続する
ことができる（第５図参照）。

積層圧電素子２の前端面2a,基台１の前端面，基台一
の両側面にも金属薄膜６が形成してあり、これら金属薄
膜６を介して積層圧電素子２の各第１内部電極4aが、共
通電極７と電気的に導通している。

第５図は、上述の圧電アクチュエータを装着したイン
クジェットヘッドを一部切欠いて示す斜視図である。

このインクジェットヘッドは、圧電歪定数d₃₃を有す
るこの実施例に係る圧電アクチュエータ10によって、イ
ンク室13を変形させる構成となっている。圧電アクチュ
エータ10の上面には薄い振動板11が接着してあり、さら
に振動板11の上面には、流路部材12が接着してある。流
路部材12には、一定間隔ごとにインク室13が形成してあ
り、振動板11を介してこれらインク室13が圧電アクチュ
エータ10と対向している。また、各インク室13にはそれ
ぞれインク供給口13aが形成してあり、このインク供給
口13aにインク供給源としてのインクカートリッジ（図
示せず）が接続してある。

圧電アクチュエータ10の前端面には、ノズル取付部材
14が設けてあり、このノズル取付部材14および振動板1
1,流路部材12の前端面を同一平面とし、該平面にノズル
板15を設けてある。ノズル板15には、インク液滴を噴射
するためのノズル孔15aが形成してあり、これらノズル
孔15aがそれぞれインク室13に連通している。

また、圧電アクチュエータ10の個別電極７および共通
電極８には、フレキシブル基板16が接続してあり、この
フレキシブル基板16を介して図示しない外部回路から電
圧が印加される。これにより、圧電アクチュエータ10の
第１内部電極4a,第２内部電極5a間に電位差が生じ、そ
の間に挟まれた第１、第２圧電材料層4,5が厚さ方向に
変形する。

この変形に伴い振動板11が変形し、インク室13内の容
積を変化させる。その結果、インク室13内に供給された
インクがノズル孔15aから噴射される。

圧電アクチュエータ10の第１内部電極4aと第２内部電
極5aは、積層圧電素子の異なった端面に露出するのみで
あるため、水性インクや大気中の水分が圧電アクチュエ
ータ10に付着しても、各電極4a,5a間に短絡の危険はな
い。

次に、上述した圧電アクチュエータのこの発明による
製造方法について、第１図および第６〜10図を参照して
説明する。

まず、第７図に示すように、圧電歪定数d₃₃を有する
第１圧電材料基板４′の平面上に、第１内部電極4aと端
部電極4bを形成する。各電極は、スパッタリングや真空
蒸着等の既存手段によって形成することができる。な
お、第１圧電材料基板４′は、第１図に示した基台の横
幅とほぼ等しい幅で、積層圧電素子２の長さとほぼ等し
い長さを有している。

第１内部電極4aは、第１図に示した積層圧電素子２よ
り狭い幅ａで、長さｂを同素子２よりも短くする。この
ような寸法の第１内部電極4aを、基台１上に搭載された
積層圧電素子２と中心が合致する複数の位置にそれぞれ
形成する。ここで、第１内部電極4aは、長さ方向（縦方
向）の一端が、積層圧電素子２の前端面2aを構成する端
縁まで到達している。

端部電極4bは、第１圧電材料基板４′における横方向
の両端部に任意の幅で形成すればよい。この端部電極
は、後述のように第1,第２圧電材料基板４′,5′を積層
したとき、積層基板の全体にわたり高さを均一にするた
めに形成する。

また、第７図に示すように、圧電歪定数d₃₃を有する
第２圧電材料基板５′の平面上に、第２内部電極5aと端
部電極5bを形成する。第２圧電材料基板５′，第２内部
電極5a,端部電極5bの材質，寸法，形成方法等は先に説
明した第１圧電材料基板４′と同じである。

ただし、第２内部電極5aは、長さ方向（縦方向）の一
端が、積層圧電素子２の後端面2bを構成する端縁まで到
達している点において、先の第１内部電極4aと異なる。

次いで、第６図に示すように、第１圧電材料基板４′
と第２圧電材料基板５′とを交互に積層していき、焼成
等によって各基板４′,5′間を固着する。このようにし
て、積層圧電ブロック20を製作する。この積層圧電ブロ
ック20の前端面20aには第１内部電極4aが露出してお
り、一方、後端面には第２内部電極5aが露出している。

上記のような積層圧電ブロック20を、第８図に示すよ
うに、セラミック製の基台１の上面に接合する。このと
き、積層圧電ブロック20の前端面20aは、基台１の前端
面と同一の平面となるように位置決めする。基台１の長
さは、積層圧電ブロック20よりも長くしておく。これに
より、基台１の上面後部には一定の長さの平坦部が残
り、この平坦部を電極形成面1aとする。

第９図に示すように、基台１および積層圧電ブロック
20の接合体の表面を、金等の金属材料を用い、スパッタ
リングや真空蒸着等によってメタライズし、該表面に金
属薄膜６を形成する。

ここで、積層圧電ブロック20の最上面に形成された内
部電極（図では第１内部電極4a）および端部電極（4b）
はダミーパターンとし、金属薄膜６を形成する際、これ
ら電極4a,4bを通過する領域にマスキングを施してお
く。金属薄膜６を形成後、このマスキングを除去する
と、ダミーパターンとしての電極4a,4bが露出する。

次に、第10図に示すように、積層圧電ブロック20を横
方向に隣接する第１内部電極4aおよび端部電極4bの間
で、一定の幅にわたり縦方向に溝加工して切除する。溝
加工は研削，ワイヤカット等の既存の加工手段で行なう
ことができる。この加工作業にあたり、積層圧電ブロッ
ク20の最上面に露出させたダミーパターンとしての電極
4a,4bを目印とし、その中間位置に工具を合わせれば、
容易且つ確実に溝加工を行なうことができる。この溝加
工によって、積層圧電ブロック20から複数の積層圧電素
子２および支柱３が切り出される。

各内部電極4a,5aは、上記のとおり積層圧電素子２の
幅より狭いため、切り出された積層圧電素子２の側面に
露出することはない。

溝21は、積層圧電ブロック20を切断して基台１の表面
に達し、電極形成面1a上の金属薄膜６（第９図）を縦方
向に分断する。分断された電極形成面1a上の金属薄膜６
は、個別電極７および共通電極８を形成する。

各積層圧電素子２の最上面を研削加工し、金属薄膜６
およびダミーパターンとしての電極4a,4bを除去する。
そして、第１図に示すように、基台１の電極形成面1aと
後端面との境界に位置する角部1bを研削して面取りを行
い、該部分の金属薄膜６を除去する。その結果、電極形
成面1aに、それぞれ独立した個別電極７および共通電極
８が並んで形成される。

各個別電極７は、対応する積層圧電素子２の後端面2b
に形成した金属薄膜６を介して第２内部電極5aと電気的
に導通し、共通電極８は、基台１の側面，前端面および
積層圧電素子２の前端面2aに形成した金属薄膜６を介し
て第１内部電極4aと電気的に導通する。

なお、この発明は上述した実施例に限定されるもので
はない。

産業上の利用可能性この発明による製造方法で製造した圧電アクチュエー
タは、各種のインクジェット・プリンタにおけるインク
噴射用のプリンタヘッドの駆動に利用することができ、
各電極と外部回路との接続が簡単で、しかも電極相互間
に短絡のおそれがない。

そして、このようなインクジェットヘッド用圧電アク
チュエータを安価に歩留りよく製造することができる。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基台上に複数の積層圧電素子を一定の間隔
をあけて横方向に並べて搭載してあり、且つ基台におけ
る該積層圧電素子の搭載面に電極形成部を有するインク
ジェットヘッド用圧電アクチュエータの製造方法であっ
て、薄板状の第１圧電材料基板の表面に、前記積層圧電素子
より狭い幅で且つ一方の端縁のみが該第１圧電材料基板
における縦方向の端縁まで延びる複数の内部電極を、前
記積層圧電素子と中心を合わせて形成する工程と、薄板状の第２圧電材料基板の表面に、前記積層圧電素子
より狭い幅で且つ他方の端縁のみが該第２圧電材料基板
における縦方向の端縁まで延びる複数の内部電極を、前
記積層圧電素子と中心を合わせて形成する工程と、前記第１圧電材料基板と第２圧電材料基板とをそれぞれ
交互に複数枚積層して積層圧電ブロックを製作する工程
と、前記積層圧電ブロックを前記基台上の所定位置に接合す
る工程と、前記基台および積層圧電ブロックの表面に金属薄膜を形
成する工程と、前記積層圧電ブロックを前記隣接する内部電極の間で一
定幅にわたり縦方向にそれぞれ切除して複数の積層圧電
素子を形成するとともに、前記基台上の電極形成部に形
成した金属薄膜を分断して、前記積層圧電素子における
縦方向の一方の端面に形成した金属薄膜と導通する共通
電極、および前記積層圧電素子における縦方向の他方の
端面に形成した金属薄膜と個別的に導通する複数の個別
電極を形成する工程とを含むことを特徴とするインクジ
ェットヘッド用圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項２】前記共通電極および個別電極は、前記基台
の電極形成部で横方向に並べて形成することを特徴とす
る請求の範囲第１項記載のインクジェットヘッド用圧電
アクチュエータの製造方法。
【請求項３】前記基台および積層圧電ブロックの表面に
金属薄膜を形成する工程において、前記積層圧電ブロックの最上面に形成された前記各内部
電極が、少なくとも一部露出するように金属薄膜の非形
成領域を設けることを特徴とする請求の範囲第１項記載
のインクジェットヘッド用圧電アクチュエータの製造方
法。