JP3738756B2 - インクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、側壁によって仕切られた複数の圧力室の一面を圧電素子にて振動させることにより、前記圧力室内のインクの圧力を制御して、前記圧力室に連続するノズルから外部に前記インクを吐出させるインクジェットヘッドおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、圧電素子を用いたインクジェットヘッドでは、圧電素子の電極に印加される駆動電圧によって発生する電界の向きと圧電素子の分極方向とが一致しているタイプ、いわゆる圧電素子の縦振動モードを用いたものが存在する(特開平7−148921号公報)。
【0003】
この特開平7−148921号公報のインクジェットヘッドは、以前の技術では、振動板上に既に形成された下部電極上に圧電素子を印刷にて形成する場合に、圧電素子を厚く印刷しなくてはならないため、圧電素子の外縁部の形状の精度が悪くなり、振動板の変形特性が不均一になるという問題点を生じていたものを解決したものである。
【0004】
すなわち、下部電極を圧力室の幅よりも狭く形成するとともに、圧電素子を下部電極の幅よりも広く形成する方法を発明している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような方法でも、いまだ、圧電素子を下部電極の幅よりも広く形成するという印刷精度に頼っているものであり、以前の技術よりも改良されているとはいえ、圧電素子の大きさや位置がずれ易く、このことによる圧電素子の変形による振動板への影響が圧電素子毎に異なるという問題が依然として存在した。したがって、振動板の変形特性を均一にするためには未だ十分なものとは言えなかった。
【0006】
本発明は、圧電素子の厚さに関らず、振動板の変形特性を均一にすることができるインクジェットヘッドおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明の請求項1に記載のインクジェットヘッドの製造方法は、インクが噴射されるノズルと連通するキャビティを有し、前記キャビティの一面を圧電素子にて振動することで前記キャビティ内のインクが前記ノズルから外部に噴射されるインクジェットヘッドの製造方法において、キャビティプレートを提供するステップと、前記キャビティプレートの一面に複数の前記キャビティを形成するステップと、シート状の前記圧電素子を提供するステップと、前記シート状圧電素子上に、前記複数のキャビティにそれぞれ対応した複数の独立電極を形成するステップと、前記複数の独立電極が形成された前記シート状圧電素子上に、前記シート状圧電素子と類似の材質でシート状の拘束板を積層して積層体を形成するステップと、前記シート状圧電素子の下に、前記複数のキャビティに共通に用いられる共通電極を形成するステップと、接着剤を用いて前記キャビティに前記独立電極がそれぞれ対応するように前記キャビティプレートの一面に前記積層体を接着するステップとを備えることを特徴としている。
【0008】
また、請求項2に記載のインクジェットヘッドの製造方法は、前記ノズルからインクを噴射するための駆動電界の印加方向に前記シート状圧電素子が分極されるように、前記独立電極と前記共通電極とを用いて前記シート状圧電素子の分極処理を行うステップとを備えることを特徴とする。
【0009】
また、請求項3に記載のインクジェットヘッドの製造方法は、前記積層体を接着するステップが、前記キャビティプレートの一面及び前記一面に接着される前記積層体の接着面を平滑にするために研磨するステップを含んでいることを特徴とする。
【0010】
また、請求項4に記載のインクジェットヘッドの製造方法は、前記積層体を接着するステップが、前記キャビティプレートの一面に前記共通電極を接着することを特徴とする。
【0011】
また、請求項5に記載のインクジェットヘッドの製造方法は、前記積層体を接着するステップが、前記キャビティプレートの一面に前記拘束板を接着することを特徴とする。
【0012】
また、請求項6に記載のインクジェットヘッドの製造方法は、前記シート状圧電素子と前記拘束板とが、ともに全ての前記キャビティを覆い且つ同質の材料からなるPZT系セラミックスであることを特徴とする。
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
【0017】
【発明の実施の形態】
[実施の形態1]図1(a)および図2は、上述した発明のいくつかが適用されたインクジェットヘッド2の構成を示し、図2はキャビティ4の軸方向に沿って切断した縦断面図を表し、図1(a)はキャビティ4の軸方向に直角(X−X)に切断した面の一部を拡大して示す縦断面説明図である。
【0018】
圧力室であるキャビティ4は、キャビティプレート6上に側壁6aにより仕切られて、溝状に形成されている。キャビティプレート6のキャビティ4が開口している一面には、シート状圧電素子8と拘束板10との積層体12が、シート状圧電素子8側で接合されている。シート状圧電素子8のキャビティ4側の面には、ほぼ全面に共通電極14が設けられている。この共通電極14は、キャビティプレート6に形成された全てのキャビティ4に対応したマイナスの電極として共通に用いられる。
【0019】
また、シート状圧電素子8と拘束板10との間には、個々のキャビティ4に対応してそれぞれ独立したプラスの独立電極16が形成されている。シート状圧電素子8は図示矢印のごとく、シート状圧電素子8の厚み方向に、キャビティ4側に向かって、分極処理がなされている。このため、共通電極14と独立電極16との間に駆動電圧を印加させることにより、シート状圧電素子8の内、共通電極14と独立電極16とに挟まれた部分18が図1(a)に示す矢印F方向、すなわちシート状圧電素子8の表面に沿った方向で収縮する。
【0020】
このようにキャビティ4の中央に位置するシート状圧電素子8の一部が収縮すると、積層している拘束板10は収縮しないため、拘束板10側を凸側、シート状圧電素子8側を凹側として、図1(b)に示すごとく、キャビティ4の中心付近の積層体12が盛り上がるように変形する。このことにより、キャビティ4の体積が増加して、インク室20からインクをキャビティ4内に吸引することができる。
【0021】
続いて共通電極14と独立電極16との間の駆動電圧印加を停止すると、図1(b)の状態から図1(a)の状態に戻り、キャビティ4の体積が減少して、キャビティ4内のインクの圧力が上昇し、ノズル22から外部にインクが噴射する。
【0022】
このインクジェットヘッド2の内、特に、積層体12とキャビティプレート6とについては次のような工程で製造される。まず、図3(a)に示すごとく、未焼成のPZT系セラミックスシート24の一面側に独立電極16となる導電性ペーストを独立電極16のパターン25に印刷する。
【0023】
次に、図3(b)に示すごとく、この未焼成のPZT系セラミックスシート24に対して、同じ未焼成のPZT系セラミックスシート26を、独立電極16のパターン25を形成した側の面に重ねる。重ねた状態で真空プレスを行って、2枚の未焼成のPZT系セラミックスシート24,26を密着させる。
【0024】
次にこのものを焼成して積層体12を得る。この積層体12の一面を研磨して平滑面とし、図3(c)に示すごとく、全面に共通電極14となる導電性塗料27を印刷して、共通電極14とする。一方、キャビティプレート6に対しては、図4(a)に示すごとくレジストマスク28を側壁6aとして残す部分に形成して、セラミックス粉体によるショットブラスト加工により、図4(b)に示すごとく、キャビティ4を溝状に形成し、側壁6aの先端面6bのレジストマスク28を除去して、平滑に研磨する。
【0025】
このキャビティプレート6のキャビティ4が開口している側、すなわち前記先端面6bに、図5(a)に示すごとく、積層体12の共通電極14が形成されている側を接着剤にて接合し、更に、その他の周辺の構成を組み付けて、図5(b)に示すごとくインクジェットヘッド2の構成を得る。
【0026】
そして、共通電極14と独立電極16とを利用し、共通電極14側をマイナス極、独立電極16側をプラス極として、図1の矢印のごとく厚み方向でかつキャビティ4方向に向けて分極する。このようにして製造されたインクジェットヘッド2は、共通電極14と独立電極16との間に駆動電圧を印加することにより上述した機能を果たすことができる。
【0027】
更に、このように、シート状圧電素子8は、複数のキャビティ4の開口を全面覆い、シート状圧電素子8と拘束板10とが振動板の役割を果たしている。したがって、所定の形状の圧電素子を印刷する従来の方法とは異なり、印刷を用いなくても良く、かつキャビティ4の開口の形状通りの圧電素子が、各キャビティ4毎に自然に形成されるので、各キャビティ4毎に、高精度に均一な振動板(実際にはシート状圧電素子8および拘束板10)の変形特性を得ることができる。
【0028】
また、電極14,16は薄くて済むので、印刷でも十分に高精度にシート状圧電素子8上に形成することができ、特に、独立電極16が所定のパターンに印刷されていても精度の高いパターンが形成できるので、シート状圧電素子8の均一な変形特性に悪影響を生じることはない。
【0029】
なお、シート状圧電素子8はキャビティ4のすべてを覆っている一枚のシートであることから、一層性能の均一性を高めることができ、すべてのノズル22において、均一な吐出性能を得ることができる。また、拘束板10は、シート状圧電素子8と同質の材料から成るものを用いているので、シート状圧電素子8と拘束板10との親和性が高く、耐久性の極めて高いインクジェットヘッドを形成することができる。
【0030】
また、分極処理も共通電極14と独立電極16とをそのまま利用してできるので、特別な分極装置を用いる必要が無く、効率的であり、製造コストも低くて済む。なお、本実施の形態1は、駆動電圧によって発生する電界の向きと圧電素子の分極方向とが一致しているタイプ、いわゆる圧電素子の縦振動モードであり、駆動電圧の電界の向きと圧電素子の分極方向とが直交しているシェアモードではないので、特に、電極を細かく分けて、積層体12に印刷する必要が無く、精度的にも製造効率的にも好ましいものである。
【0031】
[実施の形態2]図6に実施の形態2としてのインクジェットヘッド32を示す。本実施の形態2のインクジェットヘッド32が、前記実施の形態1と異なる点は、拘束板10の外面に更に共通電極34が設けられている点である。この共通電極34は、例えば、実施の形態1の製造工程の例で言えば、積層体12を焼成した後に行われる、積層体12の一面に対する研磨および共通電極14の印刷の工程の代りに、積層体12の両面を研磨して平滑面とし、その両面それぞれに共通電極14,34となる導電性塗料を全面印刷する工程とすることにより形成される。
【0032】
なお、分極処理は、共通電極14,34を利用し、共通電極14側をマイナス極、共通電極34側をプラス極として、シート状圧電素子8も拘束板10も共に、図示矢印のごとく厚み方向でかつキャビティ4方向に向けて分極する。このように、形成されたインクジェットヘッド32は、独立電極16をプラス極とし、共通電極14をマイナス極として、駆動電圧を印加することにより、シート状圧電素子8を実施の形態1と同様に収縮させることができるとともに、同時に独立電極16をプラス極とし、共通電極34をマイナス極(例えば共通電極14と同電位)とすることにより、拘束板10については伸長させることができる。このため、独立電極16周辺の積層体12の湾曲度が、実施の形態1の場合に比較して、より一層大きいものとなる。したがって、インクジェットヘッド32において、実施の形態1の効果とともに、より高い吐出能力を得ることができる。
【0033】
また、プラス電極は、独立電極16を共通して用いることができ、拘束板10の外面の共通電極34も拘束板10の全体に印刷されるので、均一で高精度な変形特性を維持することができる。また、実施の形態2の場合も、分極処理も共通電極14,34と独立電極16とをそのまま利用してできるので、特別な分極装置を用いる必要が無く、効率的であり製造コストも低くて済む。
【0034】
[その他]前記各実施の形態では、駆動電圧印加により、積層体12がキャビティ4とは反対側に凸となるように湾曲するため、キャビティ4の体積が増加することにより、インクをインク室20からキャビティ4内に吸引し、駆動電圧印加を停止すると、積層体12が平板状に戻り、キャビティ4の体積が元に戻ることにより、インクの圧力が上がって、ノズル22から外部にインクが噴射されたが、積層体12を、逆に拘束板10側をキャビティプレート6に接合させることにより、駆動電圧印加により、積層体12がキャビティ4側に凸となるように湾曲させて、キャビティ4の体積を減少させることにより、インクをノズル22から外部へ噴射させ、駆動電圧印加を停止させると、積層体12が平板状に戻り、キャビティ4の体積が元に戻ることにより、インクの圧力が下がって、インクをインク室20からキャビティ4へ吸引させるようにしても良い。
【0035】
また、シート状圧電素子8と拘束板10とは同質のものを用いたが、類似の材料として、他の種類の圧電性のセラミックスでも良い。また、実施の形態1の場合には、拘束板10は、シート状圧電素子8の拘束の役目のみであるので、類似の材料として、非圧電性のセラミックスでも良いし、セラミックス以外の材料でも良い。
【0036】
また、前記実施の形態では、分極処理をキャビティプレート6と接合した後に、行っていたが、接合前に分極処理を行っても良い。前記実施の形態では、図3(b)に示したものを焼成してから共通電極14を導電性塗料27にて形成していたが、焼成前の図3(b)の状態で、導電性塗料27の代りに導電性ペーストをシート状圧電素子8の外面全体に塗布して(実施の形態2の場合は更にセラミックス系の導電性ペーストを拘束板10の外面全体に塗布して)、その後、焼成して共通電極14としても良い。ただしこの場合、共通電極14を研磨して平滑にしてから、キャビティプレート6と接合する。また、実施の形態2については、共通電極34は、積層体12とキャビティプレート6とを接合してから拘束板10の外面全体に形成しても良く、またインクジェットヘッド32が組み立てられてから拘束板10の外面全体に形成しても良い。
【0037】
前記実施の形態では、インクジェットヘッド2,32を組み立ててから、電極14,16,34を利用して分極処理を行っていたが、キャビティプレート6と積層体12とを接合した後に、電極14,16,34を利用して分極処理しても良く、また。積層体12にすべての電極14,16,34が形成された時点で、電極14,16,34を利用して分極処理しても良い。
【0038】
【発明の効果】
本発明は、振動板がないので構造が簡単になる。また、製造工程が簡単となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施の形態1としてのインクジェットヘッドの一部の構成を示す縦断面説明図であり、(a)は駆動電圧非印加時の状態、(b)は駆動電圧印加時の状態を示す。
【図2】 実施の形態1としてのインクジェットヘッド縦断面図である。
【図3】 実施の形態1としてのインクジェットヘッドの製造工程説明図である。
【図4】 実施の形態1としてのインクジェットヘッドの製造工程説明図である。
【図5】 実施の形態1としてのインクジェットヘッドの製造工程説明図である。
【図6】 実施の形態2としてのインクジェットヘッドの一部の構成を示す縦断面説明図であり、(a)は駆動電圧非印加時の状態、(b)は駆動電圧印加時の状態を示す。
【符号の説明】
2…インクジェットヘッド
4…キャビティ
6…キャビティプレート
6a…側壁
6b…側壁の先端面
8…シート状圧電素子
10…拘束板
12…積層体
14…共通電極
16…独立電極
20…インク室
22…ノズル
24…未焼成のPZT系セラミックスシート
25…独立電極のパターン
26…未焼成のPZT系セラミックスシート
27…導電性塗料
28…レジストマスク
32…インクジェットヘッド
34…共通電極
Claims (6)
- インクが噴射されるノズルと連通するキャビティを有し、前記キャビティの一面を圧電素子にて振動することで前記キャビティ内のインクが前記ノズルから外部に噴射されるインクジェットヘッドの製造方法において、
キャビティプレートを提供するステップと、
前記キャビティプレートの一面に複数の前記キャビティを形成するステップと、
シート状の前記圧電素子を提供するステップと、
前記シート状圧電素子上に、前記複数のキャビティにそれぞれ対応した複数の独立電極を形成するステップと、
前記複数の独立電極が形成された前記シート状圧電素子上に、前記シート状圧電素子と類似の材質でシート状の拘束板を積層して積層体を形成するステップと、
前記シート状圧電素子の下に、前記複数のキャビティに共通に用いられる共通電極を形成するステップと、
接着剤を用いて前記キャビティに前記独立電極がそれぞれ対応するように前記キャビティプレートの一面に前記積層体を接着するステップとを備えるインクジェットヘッドの製造方法。 - 前記ノズルからインクを噴射するための駆動電界の印加方向に前記シート状圧電素子が分極されるように、前記独立電極と前記共通電極とを用いて前記シート状圧電素子の分極処理を行うステップとを備え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の製造方法。
- 前記積層体を接着するステップが、前記キャビティプレートの一面及び前記一面に接着される前記積層体の接着面を平滑にするために研磨するステップを含んでいることを特徴とする請求項1又は2記載のインクジェットヘッドの製造方法。
- 前記積層体を接着するステップが、前記キャビティプレートの一面に前記共通電極を接着することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載のインクジェットヘッドの製造方法。
- 前記積層体を接着するステップが、前記キャビティプレートの一面に前記拘束板を接着することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載のインクジェットヘッドの製造方法。
- 前記シート状圧電素子と前記拘束板とが、ともに全ての前記キャビティを覆い且つ同質の材料からなるPZT系セラミックスであることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項記載のインクジェットヘッドの製造方法。
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