JP4888303B2 - 圧電トランスデューサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電トランスデューサの製造方法に関する。

インクジェットタイプのプリンタに用いられるインクジェットヘッドとして、圧電トランスデューサを用いたものが知られている。このようなインクジェットヘッドでは、インク液室を覆う壁部に圧電材料からなる板状の部材（圧電材料板）を使用する。この圧電材料板に駆動電圧を印加することにより上記壁部を変形させ、インク液室内のインク圧力を変動させる。これにより、インク液室に連続するノズルからインクを吐出するものである。

このような圧電材料板を駆動変形させるモードとして、通常、ダイレクトモードと、シェアーモードとがある。ダイレクトモードでは、駆動電圧の印加にともなう駆動電界の方向は圧電材料板の分極方向に沿った方向であり、圧電材料板の分極方向に沿った伸縮変形を利用する。シェアーモードでは、上記駆動電界の方向と圧電材料板の分極方向とが略直交し、圧電材料板のせん断方向の変形を利用する。

これらのモードのうち、とくにシェアーモードでは、通常、各インク液室に対して繰り返しパターンとなるように分極の向きが頻繁に変化する構成が採用される。このため、分極工程が煩雑なものとなりがちである。また、分極工程を容易なものとするため、分極に利用する電極をあらかじめ圧電材料板内に形成しておく方法も考えられるが、この場合には、圧電材料板内の電極によりインク液室間のクロストークの原因となる可能性がある。

本発明は、分極工程が煩雑とならず、しかも性能面での悪影響を与えることがな圧電トランスデューサの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、圧電材料板がその面に沿う方向に対して直交する方向に変形する動作部分を、前記面方向に複数箇所有する圧電トランスデューサの製造方法において、前記圧電材料板の内部に、前記複数の動作部分に対応した位置において、前記圧電材料板の面に沿う方向と厚さ方向とに間隔を置いて複数組の分極用電極を形成する工程と、前記圧電材料板の少なくとも一方の表面に、前記分極用電極のうち前記圧電材料板のその一方の面寄り内部に位置する複数個のものをスルーホール構造を介して相互に連結する引出電極を形成する工程と、前記引出電極を通して前記複数組の分極用電極に分極用電圧を印加して、前記分極用電極間の前記圧電材料板を分極する工程と、前記引出電極を切断しその引出電極に接続していた前記分極用電極を相互に分離する工程とを備え、前記分極工程の後、前記圧電材料板の両表面に、前記複数の動作部分に対応した位置において、前記分極用電極間の分極部分を挟んで対向する駆動用電極を形成する工程をさらに備える。

この製造方法によれば、引出電極からスルーホールを介して分極用電極に分極用電圧を印加することにより圧電材料板を分極し、その後、引出電極を切断して引出電極に接続していた分極用電極を分離するするので、分極工程が煩雑とならず、また、圧電材料板の動作時に分極用電極間でクロストークが発生することを防止することができる。

さらに、この場合、前記引出電極を完全に除去後に駆動用電極を形成してもよいが、前記引出電極に重ねて前記駆動用電極を形成することもできる。また、前記複数の動作部分に対応した位置にわたって連続して駆動用電極のための電極層を形成し、その電極層を、前記引出電極を切断する工程と同時に各動作部分ごとに切断して分離することもできる。

また、前記圧電材料板を構成する複数のシート状材料を形成する工程と、その複数のシート状材料を積層する工程と、その積層体を焼成する工程とをさらに備え、前記分極用電極を形成する工程は、前記複数のシート状材料のうち前記圧電材料板の表面近くに位置するシート状材料に形成することで、圧電材料板内に分極用電極を容易に形成し、分極用電極をスルーホール構造によって表面に容易に引き出すことができる。

本発明によれば、圧電材料板の表面からスルーホールを介して内部電極に電圧を印加することにより圧電材料板の分極を行った後に、外部電極を形成することができるので、分極工程が煩雑とならず、しかもクロストークのない圧電トランスデューサを提供することができる。

−第１の実施形態−
以下、図１〜図１０を参照して、本発明の圧電トランスデューサおよびその製造方法並びに液滴噴射装置をインクジェットヘッドに適用した第１の実施形態について説明する。

図１に示すように、インクジェットヘッド２００は、圧電トランスデューサ１０３と液室形成ユニット２２０とで構成され、液室形成ユニット２２０は、液室プレート６と、スペーサプレート７と、ノズル８を有するノズルプレート９とで構成されている。

インクを収容する液室５は、液室プレート６に穿設した開口の上下を圧電トランスデューサ１０３とスペーサプレート７とで覆って作られ、図４に示すように、複数行、複数列をなして平面状に配列され、隣接する液室５とは隔壁５１で隔てられている。液室５の長さ方向の一端は、スペーサプレート７に穿設した連通孔７１を介してノズルプレート９のノズル８に連通し、他端は、図示しないインク供給源に連通している。液室５は、例えば幅（図において左右方向）０．３７５ｍｍ、長さ（図において紙面と直交する方向）２．０００ｍｍの大きさで、図において左右方向に０．５０８ｍｍのピッチ（５０ＤＰＩ）で形成されている。

圧電トランスデューサ１０３は、チタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）のセラミックス材料からなる圧電材料板３１からなる。さらに、圧電材料板３１は、複数のシート状の圧電セラミックス層１ａ〜１ｆを積層して構成され、その圧電材料板３１の液室５側の表面（図１において下面）上に第１の駆動用電極２と、液室５と反対側の表面（図１において上面）上に第２の駆動用電極３とが形成されている。第１の駆動用電極２は、圧電材料板３１下面全体に沿って延び各液室５に共通に設けられる。第２の駆動用電極３は各液室５に対応して設けられ、各液室５の形状にほぼ対応した形状に形成される。圧電セラミックス層１ａ〜１ｄの１層の厚みは０．０１５ｍｍである。第１および第２の駆動用電極２，３はＡｇ−Ｐｄ系の金属材料からなり、厚みは約０．００２ｍｍである。

圧電材料板３１の最上層のシート状材料１ｅと２番目のシート状材料１ａとの間には第１の分極用電極１１が、最下層のシート状材料１ｆとその上のシート状材料１ｄとの間には第２の分極用電極１２が配置され、第１の分極用電極１１は、各液室５の中央の上方に、かつ第２の分極用電極１２は液室間の隔壁５１の上方にそれぞれ対応して位置する。両電極１１，１２は、圧電材料板３１の面に沿う方向と厚さ方向とに相互に間隔をおいて位置する。両電極１１，１２に分極用電圧を印加することにより、圧電材料板３１は、両電極１１，１２の対向する方向（矢印Ａ）に分極されている。つまり、圧電材料板３１は各液室５の中央部分から両側の隔壁５１に向かう方向にすなわち中央部分に対して対称に分極されている。それぞれの分極方向は、圧電材料板３１の上面および下面に沿う方向つまり面方向の成分を有し、厚み方向に対して傾いている。第１の駆動用電極２と第２の駆動用電極３は、この各液室５に対応する２つの分極部分を上下から挟むように対向している。したがって、圧電材料板３１の各液室５に対応する部分が、後述するように変形する部分すなわち動作部分を構成する。

第１の駆動用電極２と第２の駆動用電極３は、この各分極部分のみに対応して分割して設けられていてもよいが、上記のように第１の駆動用電極２はすべて連続して、第２の駆動用電極３は同時に電圧を印加する単位つまり液室ごとに形成することが製造上好ましい。

次に、図１〜図３を参照して、液滴を噴射する動作について説明する。図１に示すように、最初に液室５の内部にインクを充填する。このとき、第１の駆動用電極２および第２の駆動用電極３はいずれもグランドＧＮＤ（０Ｖ）に接続されている。次に、図２に示すように、第１の駆動用電極２をグランドＧＮＤに接続したまま、液滴を噴射しようとする液室５の第２の駆動用電極３に正の駆動電圧（例えば２０Ｖ〜３０Ｖ）を印加する。このとき、第１の駆動用電極２および第２の駆動用電極３の間に発生する電界Ｅの向きと、圧電材料板３１の分極方向Ａとがほぼ直交しているため、液室５に対応する２つの分極部分はそれぞれシェアモードで変形する。つまり、両分極部分は、それぞれ隔壁５１の上方部分をほぼ支点とし、かつ液室５の中央を挟んで対称にそれぞれ平行四辺形状に変形して、第２の駆動用電極３が形成された圧電材料板３１の領域が圧電材料板３１の面方向に対して直交する方向、すなわち図２において上方に膨らむように移動し、液室５の容積が増加する。この状態を、このとき生じた圧力波の液室５内での片道伝播時間Ｔだけ維持する。この容積の増加によって、図示しないインク供給源から液室５にインクが供給される。なお、上記片道伝播時間Ｔは液室５内の圧力波が、液室５の長手方向（図中、紙面に垂直な方向）に伝播するのに必要な時間であり、液室５の長さＬとこの液室５内部のインク中での音速ａによりＴ＝Ｌ／ａと決まる。

圧力波の伝播理論によると、上記の電圧の印加からほぼＴ時間がたつと液室５内の圧力が逆転し、正の圧力に転じるが、このタイミングに合わせてに第１の駆動用電極２をグランドＧＮＤに接続したまま第２の駆動用電極３の電位をグランドＧＮＤ（０Ｖ）に戻すと、圧電材料板３１の形状が図１と同様の変形前の状態に戻り、液室５内のインクに圧力が加えられる。そのとき、前記正に転じた圧力と、圧電材料板３１が変形前の状態に戻ることにより発生した圧力とが加え合わされ、比較的高い圧力が液室５に連通するノズル８付近の部分に生じて、図３に示すように、液室５内のインクがノズル８からインク滴１０として噴射される。

次に、図５〜図９を参照して、上記インクジェットヘッドの製造方法について説明する。

図５に示すように、上記の圧電材料板３１を構成する６枚のセラミックス材料のグリーンシート１ａ〜１ｆが積層され、最表面のグリーンシート１ｅ，１ｆとその内側のグリーンシート１ａ，１ｄの間には、第１の分極用電極１１および第２の分極用電極１２がそれぞれ形成される。

具体的には、図６に示すように、上から２番目のグリーンシート１ａに、第１の分極用電極１１は、各液室５の中央部分に対応する位置に、導電性ペースト材料を使用してスクリーン印刷または導電材料の蒸着により形成する。また、最上層のグリーンシート１ｅには、各第１の分極用電極１１を圧電材料板の３１の上面にスルーホール構造１１ａを介して引き出すための貫通孔を各分極用電極１１に対応する位置にそれぞれ形成し、その貫通孔には導電性ペースト材料を充填する。グリーンシート１ｅをグリーンシート１ａに積層したとき、各スルーホール構造１１ａは各第１の分極用電極１１とそれぞれ接続する。

最下層のグリーンシート１ｆに、図７に示すように第２の分極用電極１２を、各液室５に対応した部分を開口１２ａとして除いて、隔壁５１と対応する位置に上記のようにスクリーン印刷または蒸着により形成する。また、このグリーンシート１ｆにスルーホール構造１２ａを形成して、第２の分極用電極１２をグリーンシート１ｆの下面に引き出す。スルーホール構造１２ｂは、グリーンシート１ｆに分極用電極１２を形成する際に、そのグリーンシート１ｆにあらかじめ形成した貫通孔に導電性ペースト材料を充填して形成する。上記各分極用電極１１，１２はいずれもＡｇ−Ｐｄ系の金属材料からなり、厚みは約０．００２ｍｍである。

これらの分極用電極１１，１２および引出電極１１ｂを形成したグリーンシート１ａ，１ｅ，１ｆを、電極のない他のグリーンシート１ｂ，１ｃ，１ｄを間に挟んで積層して焼成し、一体化する。次に、図８に示すように、圧電材料板３１の上面に、複数のスルーホール構造１１ａを相互に接続する引出電極１１ｂを形成し、また、圧電材料板３１の下面に、スルーホール構造１２ｂに接続した引出電極（図示せず）を形成する。これらの引出電極は、グリーンシートを積層する前に、最上層のグリーンシート１ｅの上面、最下層のグリーンシート１ｆの下面にそれぞれ形成しておくこともできる。

そして、上記の圧電トランスデューサを、１３０℃程度のシリコンオイルなどの絶縁オイルが満たされた図示しないオイルバス中に浸し、最下面の引出電極、スルーホール構造１２ａを介して第２の分極用電極１２をグランドＧＮＤ（０Ｖ）に接続し、最上面の引出電極１１ｂ、スルーホール構造１１ａを介して第１の分極用電極１１に正の分極用電圧を印加して、第１の分極用電極１１と第２の分極用電極１２との間には、圧電材料板の面方向および厚み方向に対して斜め方向に２．５ｋV/mm程度の電界を発生させる。その結果、図５に示すように、圧電材料板３１はこの電界方向にしたがった方向（矢印Ａ）に分極される。

その後、図９に示すように、圧電材料板３１の上下両面にそれぞれ全体にわたって電極層３Ａ，２Ａを、前記引出電極に重ねてスクリーン印刷または蒸着により形成する。そして、図１０に示すように、電極層３Ａを引出電極１１ｂとともにレーザー等で分割し、第２の駆動用電極３を形成する。つまり、液室５間の隔壁５１に対応する位置の電極層３Ａを除去することによって、駆動用電極３は各液室５ごとに分離される。電極層２Ａも各液室５ごとに分割してもよいが、分割することなく電極層２Ａをそのまま第１の駆動用電極２とし第１の電極２を全液室５にわたって連続した状態にしておくことが好ましい。

このとき、駆動用電極２，３は、それぞれ分極用極１２，１１とスルーホール構造１２ａ，１１ａを介して接続したままであってもよいが、電極層２Ａ，３Ａをスルーホール構造１１ａ，１２ｂの周囲において除去することによって、電気的に分離してもよい。前者の場合、内部電極１１は第２の電極３と、内部電極１２は第１の電極２とそれぞれ同電位となる。

なお、上記の電極層３Ａ，２Ａを形成する前に、圧電材料板３１の上下両面の引出電極を研磨等によって除去するようにしてもよい。また、個別の電極３を各液室５に対応する位置にのみに形成するようにしてもよい。しかし、上記のように電極層３Ａを圧電材料板３１の上面全体にわたって形成し、各液室５ごとに分離する方法をとることにより、引出電極１１ｂの切断作業も同時に行うことができる。

上記のように形成された圧電トランスデューサ１０３と、あらかじめ積層した液室プレート６、スペーサプレート７およびノズルプレート９からなる液室ユニット２２０とを、第２の駆動用電極３および分極部分が液室５に対応するように、接合することにより、インクジェットヘッド２００が作製される。

−第２の実施の形態−
以下、図１１〜図１２を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、前記第１の実施の形態と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。この実施の形態の圧電トランスデューサ１０４においては、図１２に示すように、分極時にグランドＧＮＤに接続される第２の分極用電極１１２は、各液室５を囲むようにリング状に形成される。したがってグリーンシート１ｆには、各電極１１２ごとにスルーホール構造１１２ｂが設けられ、そのグリーンシート１ｆの下面に形成された引出電極（図示せず）により、全電極１１２がスルーホール構造１１２ｂを介して相互に接続される。分極方法を含む製造方法は、前記第３の実施の形態とほぼ同じであり、また、変形動作も同様である。

上記のように、各実施の形態のインクジェットヘッド２００では、各液室５に対応する各第１の分極用電極１１を引出電極１１ｂで相互に接続し、第１の分極用電極１１および第２の分極用電極１２，１１２を用いて、圧電材料板３１の分極を行っている。このため、複雑な操作を要することなく、各液室について同時に分極を行うことができる。そして、圧電材料板３１の分極後に、分極用電極１１を相互に接続していた引出電極１１ｂを切断するので、圧電トランスデューサ１０３の駆動に際して、隣の分極用電極に駆動電界が漏れるなどして所定の液室５の駆動が他の液室に影響を与える（クロストーク）ことを排除することができる。また、圧電材料板３１の上下両面に電極層２Ａ，３Ａを形成し、少なくとも一方の電極層３Ａを分割して個別の駆動電極を形成すると同時に、上記のように引出電極１１ｂを切断するので、作業工数を低減することができる。

また、上記実施の形態では、引出電極の形成と、電極層２Ａあるいは電極層３Ａの形成とを別工程としてるが、電極層２Ａあるいは電極層３Ａを引出電極として利用してもよい。この場合には、引出電極の形成とは別に、再度、上記第１の電極２あるいは第２の電極３の電極層を形成する必要がないため、工程数を削減できる。ただし、分極に際して必要な電界が得られ、かつ分割によって適切な第１の電極２および第２の電極３を形成できるような電極層２Ａあるいは電極層３Ａの形状を選択する必要がある。

そして、上記のように圧電材料板３１の面方向および厚み方向に対して傾斜して分極しているので、圧電材料板３１の両表面近くに分極用電極１１，１２を、圧電材料板３１の厚さ方向に互いに重ならないようにして傾斜方向に対向配置して分極を行うことができる。そして、駆動用電極２，３を圧電材料板の両面に対向配置することで、傾斜した分極方向に対して実質的に直交する電界をかけ、少ない電極数で効率よく変形させることができる。

なお、第１の分極用電極１１と第２の分極用電極１２に印加する分極用の直流電圧の向きを逆にして分極方向を逆にし、あるいは駆動用電極２，３の位置を上下逆に入れ替えて駆動電圧の向きを逆にすることで、圧電材料板３１を液室５の容積を減少させるように変形してインクを噴射することも可能である。

さらに、上記各実施の形態においては、圧電材料板はシェアーモードで駆動されていたが、電極の配列のしかたによってはダイレクトモードでも駆動しうる。すなわち、図１において、第１の駆動用電極２を、第１の液室プレート６の隔壁５１の上面に相当する位置にのみ設け、第２の電極３の幅を狭くすることにより、駆動電界と分極との交差角は小さくなり、ダイレクトモードで動作する。

−インクジェットプリンタ−
以下、図１３を参照して、本発明の液滴噴射装置を搭載したインクジェットプリンタについて説明する。図１３はインクジェットプリンタの要部を示す斜視図である。

図１３に示すプラテン１１０は、軸１１２によりフレーム１１３に回転可能に取り付けられており、モータ１１４によって駆動される。プラテン１１０には紙１１１がセットされており、プラテン１１０に対向してインクジェットヘッド２００が設けられている。インクジェットヘッド２００は、インク供給装置１１６とともにキャリッジ１１８上に載置されている。キャリッジ１１８はプラテン１１０の軸線に平行に配設された２本のガイドロッド１２０に摺動可能に支持されるとともに、一対のプーリ１２２に巻き掛けられたタイミングベルト１２４が結合させられている。そして、一方のプーリ１２２がモータ１２３によって回転させられ、タイミングベルト１２４が送られることによりキャリッジ１１８へプラテン１１０に沿って移動させられる。

なお、本発明の液滴噴射装置は、インクジェットプリンタへの適用に限定されず、各種印字装置や各種塗布装置に対しても適用できる。

本発明の第１の実施の形態のインクジェットヘッドを示す断面図で、図４のＸ−Ｘ線位置の断面に相当する。 上記第１の実施の形態のインクジェットヘッドの動作状態を説明する断面図である。 上記第１の実施の形態のインクジェットヘッドの動作状態を説明する断面図である。 上記第１の実施の形態のインクジェットヘッドの液室の配置状態を説明する平面図である。 上記第１の実施の形態のインクジェットヘッドの圧電トランスデューサの製造工程を示す断面図である。 上記第１の実施の形態の圧電トランスデューサの製造工程を示す図で、グリーンシートの１つの平面図である。 上記第１の実施の形態の圧電トランスデューサの製造工程を示す図で、グリーンシートの他の１つの平面図である。 上記第１の実施の形態の圧電トランスデューサの製造工程を示す断面図である。 上記第１の実施の形態の圧電トランスデューサの製造工程を示す断面図である。 上記第１の実施の形態の圧電トランスデューサの製造工程を示す断面図である。 上記第２の実施の形態のインクジェットヘッドを示す断面図である。 上記第２の実施の形態のインクジェットヘッドの圧電トランスデューサの製造工程を示す図で、グリーンシートの１つの平面図である。 インクジェットプリンタの要部を示す斜視図。

１ 圧電材料板
１ａ〜１ｆ グリーンシート（シート状材料）
２ 第１の駆動用電極 ３ 第２の駆動用電極
５ 液室
１１ 分極用電極
１１ａ スルーホール構造
１１ｂ 引出電極
１２ 分極用電極
１２ｂ スルーホール構造

Claims (3)

1. 圧電材料板がその面に沿う方向に対して直交する方向に変形する動作部分を、前記面方向に複数箇所有する圧電トランスデューサの製造方法において、
   前記圧電材料板の内部に、前記複数の動作部分に対応した位置において、前記圧電材料板の面に沿う方向と厚さ方向とに間隔を置いて複数組の分極用電極を形成する工程と、
   前記圧電材料板の少なくとも一方の表面に、前記分極用電極のうち前記圧電材料板のその一方の面寄り内部に位置する複数個のものをスルーホール構造を介して相互に連結する引出電極を形成する工程と、
   前記引出電極を通して前記複数組の分極用電極に分極用電圧を印加して、前記分極用電極間の前記圧電材料板を分極する工程と、
   前記引出電極を切断しその引出電極に接続していた前記分極用電極を相互に分離する工程とを備え、
   前記分極工程の後、前記圧電材料板の両表面に、前記複数の動作部分に対応した位置において、前記分極用電極間の分極部分を挟んで対向する駆動用電極を形成する工程をさらに備える
   ことを特徴とする圧電トランスデューサの製造方法。
2. 前記駆動用電極を形成する工程は、前記引出電極に重ねて前記駆動用電極を形成することを特徴とする請求項１に記載の圧電トランスデューサの製造方法。
3. 前記駆動用電極を形成する工程は、前記複数の動作部分に対応した位置にわたって連続して電極層を形成し、その電極層を、前記引出電極を切断する工程と同時に各動作部分ごとに切断して分離することを特徴とする請求項２に記載の圧電トランスデューサの製造方法。
   

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