JP3166557B2 - インク噴射装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インク液滴を噴射して
印字を行なうインク噴射装置の製造方法に関し、詳しく
は、圧電厚みすべり効果を利用してインク液滴を噴射さ
せるインク噴射装置の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】今日、これまでのインパクト方式の印字
装置にとってかわり、その市場を大きく拡大しつつある
ノンインパクト方式の印字装置のなかで、原理が最も単
純で、かつ多階調化やカラー化が容易であるものとし
て、インクジェット方式の印字装置が挙げられる。なか
でも印字に使用するインク滴のみを噴射するドロップ・
オン・デマンド型が、噴射効率の良さ、ランニングコス
トの安さなどから急速に普及している。

【０００３】ドロップ・オン・デマンド型として特公昭
５３−１２１３８号公報に開示されているカイザー型、
あるいは特公昭６１−５９９１４号公報に開示されてい
るサーマルジェット型がその代表的な方式としてある。
このうち、前者は小型化が難しく、後者は高熱をインク
に加えるためにインクの耐熱性に対する要求が必要とさ
れ、それぞれに非常に困難な問題を抱えている。

【０００４】以上のような問題点を同時に解決する新た
な方式として提案されたのが、特開昭６３−２４７０５
１号公報に開示されている圧電セラミックスを利用した
せん断モード型である。

【０００５】図８に示すように、上記せん断モード型の
インク噴射装置６００は、底壁６０１、天壁６０２及び
その間のせん断モードアクチュエータ壁６０３からな
る。そのアクチュエータ壁６０３は、底壁６０１に接着
され、且つ矢印６１１方向に分極された下部壁６０７
と、天壁６０２に接着され、且つ矢印６０９方向に分極
された上部壁６０５からなっている。アクチュエータ壁
６０３は一対となって、その間にインク流路６１３を形
成し、且つ次の一対のアクチュエータ壁６０３の間に
は、インク流路６１３よりも狭い空間６１５を形成して
いる。

【０００６】各インク流路６１３の一端には、ノズル６
１８を有するノズルプレート６１７が固着され、各アク
チュエータ壁６０３の両側面には電極６１９，６２１が
金属層として設けられている。各電極６１９，６２１は
インクと絶縁するための絶縁層（図示せず）で覆われて
いる。そして、空間６１５に面している電極６２１はア
ース６２３に接続され、インク流路６１３内に設けられ
ている電極６１９はアクチュエータ駆動回路を与えるシ
リコン・チップ６２５に接続されている。

【０００７】次に、このインク噴射装置６００の製造方
法を説明する。まず、矢印６１１に分極された圧電セラ
ミックス層を底壁６０１に接着し、矢印６０９に分極さ
れた圧電セラミックス層を天壁６０２に接着する。各圧
電セラミックス層の厚みは、下部壁６０７、上部壁６０
５の高さに等しい。次に、圧電セラミックス層に、平行
な溝をダイヤモンドカッティング円板の回転等によって
形成して、下部壁６０７、上部壁６０５を形成する。そ
して、真空蒸着によって下部壁６０７の側面に電極６１
９を形成し、その電極６１９上に前記絶縁層を設ける。
同様にして上部壁６０５の側面に電極６２１を形成し、
その上に前記絶縁層を設ける。

【０００８】上部壁６０５の天頂部と下部壁６０７の天
頂部とを接着してインク流路６１３と空間６１５とを形
成する。次に、ノズル６１８が形成されているノズルプ
レート６１７を、ノズル６１８がインク流路６１３と対
応するように、インク流路６１３及び空間６１５の一端
に接着し、インク流路６１３と空間６１５との他端をシ
リコン・チップ６２５とアース６２３とに接続する。

【０００９】そして、各インク流路６１３の電極６１
９、６２１にシリコン・チップ６２５が電圧を印加する
ことによって、各アクチュエータ壁６０３がインク流路
６１３の容積を増加する方向に圧電厚みすべり変形し
て、所定時間後電圧印加が停止されてインク流路６１３
の容積が増加状態から自然状態となってインク流路６１
３内のインクに圧力が加えられ、インク滴がノズル６１
８から噴射される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た構成のインク噴射装置６００では、空間６１５に面し
ている電極６１９、６２１はアース６２３に接続され、
インク流路６１３内に設けられている電極６１９、６２
１は、アクチュエータ駆動回路を与えるシリコン・チッ
プ６２５に接続されているが、その電気接続の具体的構
成および方法が開示されていない。そこで、例えば、上
部壁６０５と下部壁６０７とを接着した後に、電極６１
９と６２１とを電気的に接続するか、または電極６１
９、６２１を別々にアクチュエータ駆動回路を与えるシ
リコン・チップ６２５に接続する必要があるが、どちら
の場合も工程に時間がかかり、大量生産性に劣るといっ
た問題点があった。

【００１１】また、上部壁６０５と下部壁６０７とを接
着する際には、高精度な位置合わせとする必要があり、
これも大量生産性に劣る要因となる。また、現実には位
置合わせを行なっても、どうしても接合部で桁ズレが生
じてしまう。よって、作製されるインク噴射装置におい
て、耐久性及びインク噴射特性のばらつきが生じ易く、
歩留まりがよくなかった。

【００１２】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、電極の取り出しが簡易で、且つ
信頼性の高い電気的接続が行えるインク噴射装置を容易
に製造する、大量生産性に優れた製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明のインク噴射装置の製造方法は、インクが充填
されたインク液室と、前記インク液室を構成し、且つ分
極された圧電部で少なくとも一部が構成された側壁と、
前記圧電部に分極方向と略直交する駆動電界を発生する
ために前記側壁に形成された駆動電極とを備えたアクチ
ュエータを有し、前記駆動電極より印加される電界を受
けて、圧電厚みすべり効果により前記側壁が変形し、前
記インク液室内のインクに圧力を与えてインクを噴射す
るインク噴射装置を作製する方法であって、サーミスタ
材料からなる平板シートを厚さの異なる圧電材料からな
る２枚の圧電シートで挟み、前記３枚のシートを一体化
した積層体を形成する工程と、前記積層体における積層
方向両端の前記圧電シートの各面にそれぞれ電極面を設
置し、前記圧電材料のキュリー温度未満で、且つ前記サ
ーミスタ材料の電気抵抗が減少して導電体となる所定温
度以上の環境下において、前記サーミスタ材料よりなる
層と前記電極面との間に電界をかけて前記圧電シートを
分極させる工程と、前記両圧電シートの各面から前記両
電極面を除去する工程と、前記積層体に、積層方向を深
さとし、前記２枚の圧電シートのうち薄い圧電シートお
よび前記サーミスタ材料から、厚い圧電シートの厚さの
途中までおよぶ溝部を形成する工程と、前記分極工程お
よび前記溝部形成工程の後、前記溝部の少なくとも側壁
面に導電性膜を形成する工程と、前記導電性膜形成工程
の後、前記溝部の開口部を覆うように、前記積層体の上
層にカバープレートを接着する工程とを有する。

【００１４】

【作用】上記の構成を有する本発明の請求項１に係るイ
ンク噴射装置の製造方法は、先ず、サーミスタ材料から
なる平板シートを厚さの異なる圧電材料からなる２枚の
圧電シートで挟み、前記３枚のシートを一体化した積層
体を形成する。前記積層体における積層方向両端の前記
圧電シートの各面にそれぞれ電極面を設置し、前記圧電
材料のキュリー温度未満で、且つ前記サーミスタ材料の
電気抵抗が減少して導電体となる所定温度以上の環境下
において、前記サーミスタ材料よりなる層と前記電極面
との間に電界をかけて前記圧電シートを分極させる。続
いて、前記両圧電シートの各面から前記両電極面を除去
し、前記積層体に、積層方向を深さとし、２枚の圧電シ
ートのうち薄い圧電シートおよび前記サーミスタ材料を
切断し、厚い圧電シートの厚さの途中までおよぶ溝部を
形成し、前記溝部の少なくとも側壁面に導電性膜を形成
する。その後、前記溝部の開口部を覆うように、前記積
層体の上層にカバープレートを接着することによりイン
ク噴射装置を作製する。この手法では、２層の圧電シー
トに対して、同時に且つ容易に確実な分極を行なうこと
ができる。また、一体化した積層体にインク室となる溝
の加工を行なうため、各層にて桁ズレが生じない。ま
た、桁ズレが無いため駆動電極の形成が容易であると共
に、電気的接続が上下の圧電層で確実なものとなる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面を
参照して説明する。

【００１６】図１に示すように、インク噴射装置１は、
圧電セラミックスプレート２とカバープレート３とイン
クを噴射するためのノズル３１を有するノズルプレート
３０とから構成されている。

【００１７】その圧電セラミックスプレート２は、下部
圧電セラミックス層４と上部圧電セラミックス層５とが
サーミスタ層８を挟んで積層してなり、複数の側壁１１
により隔てられた複数の噴射溝１２及び非噴射溝１３が
設けられている。噴射溝１２及び非噴射溝１３は、圧電
セラミックプレート２の積層方向を深さとし、図中上方
より下部圧電セラミックスプレート４にまでおよんでい
る。また、側壁１１の表面には駆動電極９が形成されて
いる。

【００１８】下部圧電セラミックス層４及び上部圧電セ
ラミックス層５は、強誘電性を有するチタン酸ジルコン
酸鉛系（ＰＺＴ）の圧電セラミックス材料で形成されて
おり、それぞれ図中矢印６，７で示すように、積層方向
で且つ互いに相反する方向に分極されている。

【００１９】一方、サーミスタ層８は、酸化バナジウム
系の負温度特性のサーミスタ材料（ＣＴＲサーミスタ材
料）で形成されている。このサーミスタ層８は、常温に
おいては絶縁体であるが、上記チタン酸ジルコン酸鉛系
（ＰＺＴ）の圧電材料の強誘電性を失う温度、すなわち
キュリー温度（例えば２５０℃）よりも低い所定の温度
Ｔｃ（例えば７０℃）以上で、図２に示すように電気抵
抗が急激に減少して導電体となる。

【００２０】尚、前記サーミスタ層８は、酸化バナジウ
ム系のサーミスタ材料だけでなく、硫化銀系のサーミス
タ材料でも使用可能である。しかし、耐久性や温度特性
の信頼性を求めれば、酸化バナジウム系のサーミスタ材
料が好ましい。

【００２１】上記圧電セラミックスプレート２の製造方
法を図３乃至図５を用いて以下に説明する。

【００２２】まず、下部圧電セラミックス層４及び上部
圧電セラミックス層５を構成するチタン酸ジルコン酸鉛
系（ＰＺＴ）の圧電材料と、サーミスタ層８を構成する
ＣＴＲサーミスタ材料とを用意し、それらをそれぞれド
クターブレード法、スクリーン印刷法などの手法を用い
て、所定の厚さのシート状に成形する。そして、成形さ
れたサーミスタ材料からなる平板シートを圧電材料から
なる２枚の圧電シートで挟むようにして積層し、加圧圧
着、脱脂、および焼結工程を経て一体焼結体である圧電
積層体２０とする（図３参照）。この段階では下部圧電
セラミックス層４と上部圧電セラミックス層５との自発
分極方向はランダムであり、圧電特性を有さない。

【００２３】次に、得られた圧電積層体２０の上下両面
に、図４に示すように、分極用電極１４を焼付法、スパ
ッタ法、蒸着法等の既知の方法にて形成する。そして、
前記サーミスタ層８が導電体となり、且つ前記下部圧電
セラミックス層４及び前記上部圧電セラミックス層５が
強誘電性を失わない温度（即ち、キュリー温度以下）に
された、例えば１５０℃の図示しないシリコンオイルな
どの絶縁オイル中にて分極処理を行なう。この温度環境
下ではサーミスタ層８は導体となり、圧電積層体２０内
部に設けられた電極となる。分極処理は、サーミスタ層
８及び前記分極用電極１４の３つの電極を介して、分極
用電源１５により、上部圧電セラミックス層５及び下部
圧電セラミックス層４に１０〜３５ｋＶ／ｃｍ程度の電
界を印加する。このとき、上部圧電セラミックス層５
は、矢印６方向に分極され、下部圧電セラミックス層４
は矢印７方向に分極される。これにより、下部圧電セラ
ミックス層４と上部圧電セラミックス層５とが逆向きの
分極方向を有する圧電積層体２０となる。尚、分極処理
完了後には分極用電極１４を研削加工により除去する。

【００２４】次に、前記圧電積層体２０は分極用電極１
４を除去した後に、ダイヤモンドブレード等により切削
加工され、例えば深さ３００μｍ、幅５０μｍの複数の
溝２２が形成される。また、その溝２２を構成する側面
となる側壁１１は、例えば幅６０μｍである。側壁１１
の表面には、電極２３が、蒸着等の方法により形成され
る。但し、前記溝２２の底部には前記電極２３は形成し
ない。そして、溝２２は交互に並ぶ噴射溝１２と非噴射
溝１３とに分類され、また、電極２３は前記噴射溝１２
内に形成された接地電極１０と、前記非噴射溝１３内に
形成された駆動電極９とに分類される。

【００２５】そして、カバープレート３を接着層２４を
介して前記側壁１１上部にて接合し、ノズル３１を有す
るノズルプレート３０を前記噴射溝１２長手方向の一端
面に接合することで、図１に示したインク噴射装置１が
得られる。

【００２６】次に、制御部のブロック図を示す図７によ
って、本実施例の制御部の構成を説明する。同図に示す
ように、前記インク噴射装置１の駆動電極９、接地電極
１０は、各々個々にＬＳＩチップ５１に接続され、クロ
ックライン５２、データライン５３、電圧ライン５４及
びアースライン５５もＬＳＩチップ５１に接続されてい
る。尚、全ての接地電極１０はアースライン５５に接続
されている。ＬＳＩチップ５１は、クロックライン５２
から供給された連続するクロックパルスに基づいて、デ
ータライン５３上に現れるデータから、どの噴射溝１２
からインク液滴の噴射を行うべきかを判断する。そし
て、ＬＳＩチップ５１は、駆動する噴射溝１２に対応す
るの駆動電極９に、電圧ライン５４の電圧Ｖを印加し、
前記噴射溝１２以外の噴射溝１２に対応する駆動電極９
にアースライン５５を接続して接地する。

【００２７】次に、本実施例によるインク噴射装置１の
動作を図６を用いて説明する。噴射溝１２ｂからインク
液滴を噴射するために、当噴射溝１２ｂに対応する駆動
電極９ｄ、９ｅに対し電圧を印加する（ここで、ある駆
動電極９に対して電圧を印加することは、その駆動電極
９に電圧を印加し、指示しない駆動電極９を接地するこ
とを言う）。すると、側壁１１ｃ、１１ｄには矢印２
５、２６方向の電界が発生し、側壁１１ｃ、１１ｄが圧
電厚みすべり効果により、噴射溝１２ｂの容積が増大す
る方向に動く。すると、噴射溝１２ｂ内の圧力が減少す
る。これにより、噴射溝１２ｂ内に図示しないインク供
給源から図示しないマニホールドを介してインクが供給
される。

【００２８】次に、前記駆動電圧９ｄ、９ｅへの電圧の
印加が除去されると噴射溝１２ｂの容積を前記増加状態
から自然状態へと減少させ、噴射溝１２ｂ内の圧力が増
加する。これにより噴射溝１２ｂ内のインクがインク液
滴となり図示しないノズルから噴射される。

【００２９】また、前記実施例においては、まず、駆動
電圧を噴射溝１２の容積が増加する方向に印加しインク
を供給し、次に駆動電圧の印加を停止し噴射溝１２の容
積を自然状態に減少して噴射溝１２からインク液滴を噴
射していたが、まず駆動電圧を噴射溝１２の容積が減少
するように印加して噴射溝１２からインク液滴を噴射し
てから、駆動電圧の印加を停止して、噴射溝１２の容積
を前記減少状態から自然状態へと増加させ、噴射溝１２
内にインクを供給してもよい。

【００３０】上述したように、本実施例の製造方法によ
るインク噴射装置１は、２層の圧電材料と、前記各圧電
材料に挟まれ、且つ前記圧電材料のキュリー温度よりも
低い所定の温度以上で電気抵抗が減少して導電体となる
負温度特性のサーミスタ材料とを焼結して一体化してい
る。各層は強固に接着され、接合面でのエネルギー損失
も小さい。よって、耐久性及び駆動精度の高いアクチュ
エータとなり、このアクチュエータを備えたインク噴射
装置は高い印字品質を呈する。

【００３１】更に、本実施例では、サーミスタ材料の電
気抵抗が減少して導電体となる温度環境下で分極処理を
行なうため、サーミスタ層８を１枚の電極として使用
し、下部圧電セラミック層４及び上部圧電セラミック層
５を同時に且つ容易に、それぞれ相反する方向に分極を
行なうことが出来る。

【００３２】また、本実施例では、焼結一体化された圧
電積層体２０に対して溝加工を行なうことで、インク液
室となる噴射溝１２及び空気室となる非噴射溝１３とを
形成する。よって、側壁１１は、各層の接合面で桁ズレ
を起こすことなく、高い寸法精度を形成できる。

【００３３】更に、本実施例では、その寸法精度の高い
側壁１１に電極２３を形成するため、上部圧電セラミッ
クス層５と下部圧電セラミックス層４とで電極が分離す
ることなく、従来例に比べて電極の取り出しが簡易で、
且つ電気的接続の信頼性が高い圧電セラミックスプレー
ト２を容易に作製できる。

【００３４】即ち、本実施例の製造方法は、従来あった
圧電材料の位置合わせや、内部電極の形成、その電極の
取り出し等の問題を解消するものであり、大量生産性に
優れている。

【００３５】また、上記実施例においては、噴射溝１２
内に形成された全ての電極が常に接地されており、各噴
射溝１２との間に電圧差が生じることが無い。よって、
インクに電界がかからず、電気的効果による噴射溝１２
内のインクの変質や接地電極１０の劣化を引き起こすこ
とが無い。ひいては、接地電極１０に従来設けていた絶
縁層を形成する必要もなくなる。尚、上記駆動方法を取
らなくとも、本発明の主旨には影響しない。例えば、従
来例のように、常に全ての非噴射溝１３に形成した電極
を接地し、平常は全ての噴射溝１２内に形成した電極１
２５を接地し、印刷時には所望の噴射溝１２の電極に電
圧Ｖをかけるものでもよい。

【００３６】

【発明の効果】上述したように、本発明によるインク噴
射装置の製造方法では、２層の圧電シートに対して、同
時に且つ容易に確実な分極を行なうことができる。ま
た、一体化した積層体にインク室となる溝の加工を行な
うため、各層にて桁ズレが生じない。また、桁ズレが無
いため駆動電極の形成が容易であると共に、電気的接続
が上下の圧電層で確実なものとなる。よって、大量生産
性に優れる。

【００４４】また、作製されたインク噴射装置は、電気
的接続の信頼性が向上すると共に、耐久性に優れ、噴射
特性のばらつき等の不具合を生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のインク噴射装置の構成を示す
断面図である。

【図２】本実施例のサーミスタ材料の電気抵抗の温度特
性を示す図である。

【図３】本発明の実施例のインク噴射装置の製造工程を
示す斜視図である。

【図４】同インク噴射装置の分極工程を示す断面図であ
る。

【図５】同インク噴射装置の製造工程を示す断面図であ
る。

【図６】同インク噴射装置の動作を示す説明図である。

【図７】本発明の実施例のインク噴射装置の制御部を示
すブロック図である。

【図８】従来例のインク噴射装置を示す図である。

【符号の説明】

１ インク噴射装置 ２ 圧電セラミックスプレート ３ カバープレート ４ 下部圧電セラミックス層 ５ 上部圧電セラミックス層 ６ 分極方向 ７ 分極方向 ８ サーミスタ層 ９ 駆動電極 １０ 接地電極 １１ 側壁 １２ 噴射溝（インク液室） １３ 非噴射溝 ２５ 電界方向 ２６ 電界方向

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクが充填されたインク液室と、前記
   インク液室を構成し、且つ分極された圧電部で少なくと
   も一部が構成された側壁と、前記圧電部に分極方向と略
   直交する駆動電界を発生するために前記側壁に形成され
   た駆動電極とを備えたアクチュエータを有し、前記駆動
   電極より印加される電界を受けて、圧電厚みすべり効果
   により前記側壁が変形し、前記インク液室内のインクに
   圧力を与えてインクを噴射するインク噴射装置の製造方
   法にであって、 サーミスタ材料からなる平板シートを厚さの異なる圧電
   材料からなる２枚の圧電シートで挟み、前記３枚のシー
   トを一体化した積層体を形成する工程と、 前記積層体における積層方向両端の前記圧電シートの各
   面にそれぞれ電極面を設置し、前記圧電材料のキュリー
   温度未満で、且つ前記サーミスタ材料の電気抵抗が減少
   して導電体となる所定温度以上の環境下において、前記
   サーミスタ材料よりなる層と前記電極面との間に電界を
   かけて前記圧電シートを分極させる工程と、前記両圧電シートの各面から前記両電極面を除去する工
   程と、 前記積層体に、積層方向を深さとし、前記２枚の圧電シ
   ートのうち薄い圧電シートおよび前記サーミスタ材料か
   ら、厚い圧電シートの厚さの途中までおよぶ溝部を形成
   する工程と、前記分極工程および前記溝部形成工程の後、 前記溝部の
   少なくとも側壁面に導電性膜を形成する工程と、前記導電性膜形成工程の後、 前記溝部の開口部を覆うよ
   うに、前記積層体の上層にカバープレートを接着する工
   程とを有することを特徴とするインク噴射装置の製造方
   法。