JP4196474B2 - インク噴射装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク液滴を噴射して印字を行なうインク噴射装置およびその製造方法に関し、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およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
インク液滴を噴射して印字を行なうインク噴射装置として、インク噴射溝の両側にある側壁を、圧電厚みすべり効果により変形させて、インクを噴射するものがある。この種の構成では、側壁を「く」字状に変形させるために、側壁の上部と下部を互いに相反する方向に分極しておく必要があり、従来では、あらかじめ相反する方向に分極した2つの圧電材料の板を接着して積層体をつくり、その後、積層体にインク噴射溝を切削加工して、該溝の両側の側壁を、2層の圧電材料からなるようにしていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電材料は、高温で焼結したあとに分極処理をしなければならず、上記のインク噴射装置を製作するには、圧電材料を焼結して厚さ200μmの薄板に加工し、さらに該薄板を接着することが必要になり、これらは、非常にむずかしく、コストの高いものであった。
【0004】
特開平8−309978号公報には、この課題を解決するために、2つの圧電材料間にサーミスタ材料を挟むように積層して該積層体を焼結し、その後、サーミスタ材料が低抵抗になる高温度環境下で、サーミスタ材料を分極用の一方の電極とし、2つの圧電材料にそれぞれ他方の電極を当てて分極処理をすることが提案されている。この方法によれば、従来のように薄板の焼結材料を加工し、さらに接着するという工程が省略することができる。
【0005】
しかし、サーミスタ材料は、セラミックスを材料とするため、非常に高価であり、しかも圧電材料間にサーミスタ材料を挟んで焼結する際にサーミスタ成分が圧電材料側へ拡散しやすいため所定厚さを確保しておかなければならない。つまり、インク噴射溝の所定容積に対して、上記のように変形する側壁の中央部に、サーミスタ材料が相応の範囲を占めることになり、圧電材料の部分が小さくなってしまう。その結果、側壁の十分な量の変形が得られず、インクの噴射効率が悪いものとなる。
【0006】
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、側壁を効率よく変形させてインクの噴射特性の向上をはかるとともに、側壁を圧電材料の積層状態で焼結したり、分極処理することを可能にして、容易に製作することができるインク噴射装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この目的を達成するために本発明のインク噴射装置は、インクを噴射する溝を含む複数の溝をそれぞれ隔てる複数の側壁を、前記複数の溝の配列平面と直交する方向に積層した複数の圧電材料で構成するとともに、該圧電材料をその積層方向でかつ互いに相反する方向に分極し、前記側壁の両側面に、各圧電材料にわたって電極を備え、該両側面の電極にパルス電圧を印加することにより、前記圧電材料に分極方向とほぼ直交する電界を発生して圧電厚みすべり効果により前記側壁を変形させ、インクを噴射するインク噴射装置において、前記圧電材料間に、該圧電材料よりも良導体であって、前記両側面の電極に印加するパルス電圧に対してはほぼ絶縁体として作用し、前記各圧電材料を分極する際に印加する高電圧に対しては導電体となる高抵抗層を設ける。
【0008】
このような高抵抗層を圧電材料間に設けることにより、該高抵抗層を、圧電材料を分極するための一方の電極として高電圧を印加することができ、圧電材料を積層後でも良好に分極処理することができる。また、インクの噴射のために、側壁の両側面の電極間に印加するパルス電圧のように短時間幅の電圧に対しては、高抵抗層はほとんど電流が流れないためほぼ絶縁体として作用し、電極間が短絡することなく、良好に側壁を変形させることができる。しかも、従来のサーミスタ材料を使用するものに比して、高抵抗層は公知のように金属等の導電体もしくは導電体を含む材料により薄く形成することができるから、側壁に占める圧電材料の割合を大きくでき、側壁を効率よくかつ大きく変形させることが可能になる。
【0009】
前記高抵抗層は、側壁両側面の電極間にてほぼ2MΩ〜100MΩの抵抗を有するものであればよい。
【0010】
また、上記のように積層状態で分極処理することができるから、前記側壁は、前記複数の圧電材料と前記高抵抗層との一体焼結体で構成することができ、後述するように、これはインク噴射装置を容易に製造することが可能になる。
【0011】
そして、本発明のインク噴射装置の製造方法は、インクを噴射する溝を含む複数の溝をそれぞれ隔てる複数の側壁を、前記複数の溝の配列平面と直交する方向に積層した複数の圧電材料で構成するとともに、該圧電材料をその積層方向でかつ互いに相反する方向に分極し、前記側壁の両側面に、各圧電材料にわたって電極を備え、前記圧電材料間に、該圧電材料よりも良導体であって、前記両側面の電極に印加するパルス電圧に対してはほぼ絶縁体として作用し、前記各圧電材料を分極する際に印加する高電圧に対しては導電体となる高抵抗層を設けたインク噴射装置の製造方法において、前記高抵抗層を複数の圧電材料のグリーンシートで挟み、焼結して一体化した積層体を形成する工程と、前記高抵抗層と、それとは反対側の前記複数の圧電材料の面との間に電圧を印加して前記複数の圧電材料を互いに相反する方向に分極する工程と、前記積層体に、前記高抵抗層と複数の圧電材料とにわたって、前記複数の側壁によって隔てた複数の溝を加工する工程と、前記側壁の両側面を含む前記積層体の表面に導電性膜を形成する工程と、前記導電性膜を分割し、前記側壁の両側面に前記電極を形成する工程とからなる。
【0012】
このように、圧電材料をグリーンシートの状態で高抵抗層と積層し、焼結して一体化することができるから、従来のように、圧電材料の焼結体を薄板に形成したり、それを接着する作業がなくなり、容易にかつ安価に製造することができる。また、焼結した後で、高抵抗層と、それとは反対側の前記複数の圧電材料の面との間に電圧を印加することで、複数の圧電材料を互いに相反する方向に分極することが容易にできる。さらに、積層体の表面に導電性膜を形成し、これをを分割することで、側壁の両側面に電極を容易に形成することができる。
【0013】
前記高抵抗層は、前記複数の圧電材料のグリ−ンシートのうち少なくとも1つの表面に、公知のように金属等の導電体もしくは導電体を含む材料により容易に薄膜形成することでき、側壁に占める圧電材料の割合を大きくして、側壁を効率よくかつ大きく変形させることが可能になる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施の形態を図面を参照して説明する。
【0015】
図1に示すように、インク噴射装置は、複数のインク噴射溝21と非噴射溝22を有するアクチュエータ基板10と、その上面を覆うカバー板30と、噴射溝21に連通する複数のノズル孔33を有するノズル板32と、噴射溝21に供給源からのインクを分配するマニホ−ルド31とからなる。
【0016】
アクチュエータ基板10は、それぞれ反対方向(図5のP)に分極された圧電材料(例えばチタン酸ジルコン酸鉛系(PZT)のセラミックス材料)製の基材11,12を、その間に高抵抗層13(図5)を挟んで積層して構成されている。
【0017】
アクチュエータ基板10には、噴射溝21および非噴射溝22となる平行な多数の溝がそれぞれ側壁24によって隔てられて、両基材11,12にわたる深さで形成されている。噴射溝21および非噴射溝22間を隔てる側壁24は、その高さ方向に、分極方向が反対の圧電材料を重ねた構成となっている。
【0018】
噴射溝21は、図1に示すようにその長さ方向(すなわちインク噴射方向)の前後両端をアクチュエータ基板の前後両端に開放して形成され、非噴射溝22は、前端面10aに開放するが、後端面10bにおいて閉塞するように、立ち上げ部23を残して形成されている。噴射溝21内の側壁24側面にはその長さ方向および深さ方向にわたって図5に示すように第1の電極26aが形成され、非噴射溝22内の側壁24の両側面には同様に第2の側面電極26bがそれぞれ形成されている。非噴射溝22内の左右の第2の側面電極26bは、該溝の底に沿って溝15によって分割され、相互に独立している。
【0019】
すべての第1の電極26aは、図3、図4に示すように、アクチュエータ基板10の後端面10bを経て下面10dの共通側接続端子26a−1に接続されている。第2の側面電極26bは、非噴射溝22の前端から下面10dへ延びる縦溝15の側面を経て下面10dの複数の駆動側接続端子26b−1にそれぞれ接続されている。1つの噴射溝21を挟む一対の側壁24,24の側面電極26b,26bは、1つの駆動側接続端子26b−1に接続されている。共通側および駆動側接続端子26a−1,26b−1は、フレキシブルな配線材17をとおして制御回路に接続される。
【0020】
アクチュエータ基板10の上面10cには、噴射溝21および非噴射溝22の長さ方向に沿った開放面を覆うカバー板30が接着固定され、アクチュエータ基板10の前端面10aおよびカバー板30の前端面30aには、噴射溝21と対応するノズル孔33を有するノズル板32が接着固定され、またそれらの後端面には、マニホールド31が接着固定されている。
【0021】
インクの供給源からマニホールド31に導入されたインクは、噴射溝21に供給されるが、非噴射溝22には、立ち上がり部23によって供給されない。1つの噴射溝21、その両側の側壁24,24、該側壁上の側面電極26a,26bは、1組のアクチュエータを構成する。噴射溝内の第1の側面電極26aを共通の電位例えばアースに共通側接続端子26a−1をとおして接続し、両側壁24,24の非噴射溝22側の第2の側面電極26b,26bに駆動側接続端子26b−1をとおしてパルス電圧を印加すると、第1および第2側面電極26a,26b間に圧電材料の分極方向と直角方向の電界が発生し、図5に示すように、側壁24,24の上下各部の圧電材料がそれぞれ反対方向に圧電厚みすべり効果により変形して、噴射溝21内の容積を拡大する。そして、電圧の印加を停止すると、側壁24、24が復帰する際に噴射溝21内のインクに圧力を加え、インクをノズル孔33から噴射することができる。
【0022】
上記基材11,12間の高抵抗層13は、該基材11,12の圧電材料よりも良導体であって、側面電極に印加するパルス電圧に対してはほぼ絶縁体として作用し、圧電材料を分極処理する際に印加する高電圧に対しては導電体となるものである。たとえば、上記パルス電圧によって圧電材料に発生する電界は約4.7kV/cm、分極処理するための高電圧によって発生する電界は約10〜35kV/cm、高抵抗層13の抵抗値は、側壁両側面の電極間にて2MΩ〜100MΩ、好ましくは2MΩ〜9MΩとする。
【0023】
上記アクチュエータ基板10製造方法を以下に説明する。
【0024】
まず図6に示すように、下側の基材11を構成するチタン酸ジルコン酸鉛系(PZT)の圧電材料を用意し、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(たとえば2mm)のグリーンシート11aに成形する。該グリーンシート11aの上に、高抵抗層13となる導電体として例えば耐熱ガラスやセラミックスに、シリコンなど半導体の粉末、カーボン粉末などを混合したものを使用し、スクリーン印刷法、インクジェット印刷法などによって薄膜に形成する。高抵抗層13の厚さは、1000Å〜50μm程度でよい。
【0025】
そして、高抵抗層13の上に、上側の基材12を構成するチタン酸ジルコン酸鉛系(PZT)の圧電材料を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(たとえば約200μm)のグリーンシート12aに成形する。このように高抵抗層13の上に上側の基材12を直接形成してもよいが、別のところで成形した基材のグリーンシート12aを、高抵抗層13の上に重ねてもよい。
【0026】
このように得られた積層体を、加圧圧着、脱脂、焼結工程を経て、一体焼結体とする。この段階では、上下両側の基材11,12の自発分極方向は、ランダムであり、圧電特性を有しない。
【0027】
次に、上記の積層体の上下両面(すなわち両基材11,12の高抵抗層13とは反対側の面)に、図7に示すように、分極用電極14をスパッタリング、蒸着法等の手法にて形成する。そして、圧電材料が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。分極処理は、高抵抗層13と分極用電極14,14との間に、分極用電源19により、下側の基材11と上側の基材12に10〜35kV/cm程度の電界を印加する。これにより、下側の基材11と上側の基材12は、それぞれ高抵抗層13から分極用電極14,14に向かう方向(矢印P方向)、すなわち互いに相反する方向に分極される。分極処理の温度は、圧電材料の特性に応じて決定されるもので、常温であっても差し支えない。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。なお、分極用電極14は、積層体の上下両面に当接するだけでもよい。
【0028】
次に、図8に示すように、積層体に、ダイヤモンドブレード18等により、深さ約400μm、幅約20〜40μmの複数のインク噴射溝21と非噴射溝22を切削加工し、各溝間に側壁24を形成する。側壁24の両側面を含む積層体の全表面に、図9に示すように、側面電極および接続端子となる導電層26を、蒸着、無電解メッキ等の方法により形成する。そして、積層体の上面10cおよび前面10aを研磨する等の方法により、図1に示すように、該面10c,10aの導電層26を除去し、さらに、非噴射溝22の底面に沿ってレーザ光を照射して、該底面の導電層を溝状に除去する(溝を25で示す)ことで、側壁24の側面の導電層を側面電極26a,26bとして独立させる。また、縦溝15の底面および下面10dに、溝25に連続する溝27を同様にレーザ光により加工し、接続端子26a−1,26b−1を形成する。なお、上面10cおよび前面10a等の電極を形成しない部分には、予めマスク処理しておいて導電層26を除去する方法をとることもできる。
【0029】
前記下側の基材11は、圧電特性を有しない安価なセラミックス等の剛体材料の上に、圧電特性を有するセラミックスの薄い材料を重ねた構成とし、さらにその上に上記のように高抵抗層13および上側の基材12を積層した構成をとることができる。
【0030】
また、高抵抗層13を形成する方法として、カーボン、銀などの導電金属を含むペースト層を一方のグリーンシート11aまたは12aの上に印刷法などによって形成し、両クリーンシート11a,12aを重ねて高温焼成するとき、ペーストの導電金属を上下基材11,12の境界部分に拡散させることで、圧電材料の中間に高抵抗層13を形成することもできる。この場合、高抵抗層13を形成する材料としては、高温焼成で拡散する金属、導電材ならば、なんでも良い。
【0031】
本実施の形態のインク噴射装置は、上述したように、高抵抗層13が、基材11,12の圧電材料よりも良導体であって、圧電材料を分極する際に印加する高電圧に対しては導電体であるので、従来の焼結体の薄板を形成し接着する場合に比して、圧電材料のグリーンシートをドクターブレード法、スクリーン印刷法などの手法で形成し、かつ高抵抗層を印刷法などによってグリーンシートの上に薄膜に形成して焼結することができるため、安価にかつ容易に製作することができる。しかも、焼結後であっても、高抵抗層を分極用の電極とすることで、両基材11,12を容易に分極することができる。
【0032】
また、高抵抗層13が、側面電極に印加するパルス電圧に対してはほとんど電流を流さないので、パルス電圧によって側面電極26a,26b間が高抵抗層13によって短絡することがなく、側壁24を効率よく変形させることができる。そして、高抵抗層13は上記のように薄膜に形成できるから、側壁24に高抵抗層13の占める範囲を小さくし、圧電材料の占める範囲を大きくでき、その結果、側壁24を効率よくかつ大きく変形させ、インクの噴射特性を向上することができた。
【0033】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態のインク噴射装置を分解して示す斜視図である。
【図2】同インク噴射装置の水平断面図である。
【図3】同インク噴射装置を下方から見た斜視図である。
【図4】同インク噴射装置を下方から見た斜視図である。
【図5】同インク噴射装置の縦断面図である。
【図6】同インク噴射装置の製造工程を示す斜視図である。
【図7】同インク噴射装置の分極工程を示す断面図である。
【図8】同インク噴射装置の製造工程を示す斜視図である。
【図9】同インク噴射装置の製造工程を示す斜視図である。
【符号の説明】
10 アクチュエータ基板
11 下側の基板
12 上側の基板
13 高抵抗層
22 噴射溝
23 非噴射溝
24 側壁
26a,16b 電極
Claims (5)
- インクを噴射する溝を含む複数の溝をそれぞれ隔てる複数の側壁を、前記複数の溝の配列平面と直交する方向に積層した複数の圧電材料で構成するとともに、該圧電材料をその積層方向でかつ互いに相反する方向に分極し、
前記側壁の両側面に、各圧電材料にわたって電極を備え、
該両側面の電極間にパルス電圧を印加することにより、前記圧電材料に分極方向とほぼ直交する電界を発生して圧電厚みすべり効果により前記側壁を変形させ、インクを噴射するインク噴射装置において、
前記圧電材料間に、該圧電材料よりも良導体であって、前記両側面の電極に印加するパルス電圧に対してはほぼ絶縁体として作用し、前記各圧電材料を分極する際に印加する高電圧に対しては導電体となる高抵抗層を設けたことを特徴とするインク噴射装置。 - 前記高抵抗層は、前記側壁両側面の電極間にてほぼ2MΩ〜100MΩの抵抗を有するものであることを特徴とする請求項1に記載のインク噴射装置。
- 前記側壁は、前記複数の圧電材料と前記高抵抗層との一体焼結体であることを特徴とする請求項1に記載のインク噴射装置。
- インクを噴射する溝を含む複数の溝をそれぞれ隔てる複数の側壁を、前記複数の溝の配列平面と直交する方向に積層した複数の圧電材料で構成するとともに、該圧電材料をその積層方向でかつ互いに相反する方向に分極し、
前記側壁の両側面に、各圧電材料にわたって電極を備え、
前記圧電材料間に、該圧電材料よりも良導体であって、前記両側面の電極に印加するパルス電圧に対してはほぼ絶縁体として作用し、前記各圧電材料を分極する際に印加する高電圧に対しては導電体となる高抵抗層を設けたインク噴射装置の製造方法において、
前記高抵抗層を複数の圧電材料のグリーンシートで挟み、焼結して一体化した積層体を形成する工程と、
前記高抵抗層と、それとは反対側の前記複数の圧電材料の面との間に電圧を印加して前記複数の圧電材料を互いに相反する方向に分極する工程と、
前記積層体に、前記高抵抗層と複数の圧電材料とにわたって、前記複数の側壁によって隔てた複数の溝を加工する工程と、
前記側壁の両側面を含む前記積層体の表面に導電性膜を形成する工程と、
前記導電性膜を分割し、前記側壁の両側面に前記電極を形成する工程と
からなることを特徴とするインク噴射装置の製造方法。 - 前記高抵抗層は、前記複数の圧電材料のグリ−ンシートのうち少なくとも1つの表面に、薄膜形成することを特徴とする請求項4に記載のインク噴射装置の製造方法。
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