JP5752906B2 - 液体噴射ヘッドの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、圧力室を構成する凹部の側壁上面に基板面に平行方向に分極した圧電体を接合し、厚み滑り変形を誘起させて液体を吐出する液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び液体噴射ヘッドの製造方法に関する。

近年、記録紙等にインク滴を吐出し、文字、図形を描画する、あるいは素子基板の表面に液体材料を吐出して機能性薄膜のパターンを形成するインクジェット方式の液体噴射ヘッドが利用されている。この方式は、インクや液体材料を液体タンクから供給管を介して液体噴射ヘッドに供給し、液体噴射ヘッドに形成した微小空間にこのインクを充填し、駆動信号に応じて微小空間の容積を瞬間的に縮小してこの微小空間に連通するノズルから液滴を吐出させる。

この種の液体噴射ヘッドは多くの方式が提案されてきたが、そのうち圧電素子の厚み滑りモードを利用した液体噴射ヘッドは、駆動効率がよく、高密度化が可能である。例えば特許文献１には圧電体の厚み滑りモードを利用したインクジェットヘッドが記載されている。予め板面に垂直な方向に分極処理が施された圧電体材料からなる底部シートが用意され、この底部シートの表面にダイシングブレードを用いて多数の並列する溝が形成される。各溝の側壁には駆動用の電極が形成され溝の上部開口は絶縁性の上部シートにより塞がれている。そして、電極に電圧が与えられて分極方向と直交する方向に電界が印加されると、溝を構成する側壁には剪断型の歪が発生して溝により構成される微小空間の容積が変化する。この容積変化により溝に充填された液体が溝に連通するノズルから吐出される。

特許文献２には、同じく微小空間の容積を圧電体の厚み滑り変形を利用して変化させるインク噴射ヘッドが記載されている。剛性付与プレートの上に圧力室用プレートが積層され凹部からなる圧力室が構成される。圧力室の上端開口部には圧電性プレートからなるトランスジューサが設置されている。圧電性プレートはプレート面と平行方向に分極処理が施され、分極方向は圧力室の中央部を境に互いに逆方向を向いている。圧電性プレートの圧力室側とその反対側の外側の表面には電極が形成され、この電極に電圧を与えることにより圧電性プレートの板厚方向に電界が印加される。板厚方向の電界印加により、圧電性プレートは圧力室の中央部を境に互いに逆向きの厚み滑り応力が発生し、圧電性プレートは凹部側又はその反対側に変形する剪断運動を行う。この剪断運動により圧力室に充填されたインクが圧力室に連通するオリフィスから吐出される。

特許文献３には、同じく微小空間の容積を圧電体の厚み滑り変形を利用して変化させるインクジェットプリンタヘッドが記載されている。チャンネル本体に形成された凹部の上端開口部にセラミックス薄板が設置され、チャンネルが構成されている。セラミックス薄板は、板面に対して垂直方向に分極した圧電セラミックス層と内部電極層が横方向（板面方向）に積層された構造を有している。セラミックス薄板は、内部電極層が凹部の両側壁の上部と凹部上端の中央部に位置するように凹部の側壁上端部に接着されている。従って、板面に対して垂直方向に分極された圧電セラミックス層が、凹部の上端中央部に位置する内部電極層と凹部の両側壁の上部に位置する内部電極により挟まれる構造を有している。凹部上端の中央部の内部電極と両側壁の上部の内部電極に電圧を与えて、圧電セラミックス層の分極方向と直交する方向に電界を印加する。凹部上端の中央部の両側に位置する圧電セラミックスには、セラミックス薄板の板面方向であり、凹部上端の中央部を境に互いに逆方向の電界が印加される。これにより、セラミックス薄板に滑り変形を生じさせて凹部から成るチャンネルの容積が縮小または増大し、チャンネル内に充填されたインクが吐出される。

特許文献４には、同じく微小空間の容積を圧電体の厚み滑り変形を利用して変化させるインクジェットプリンタヘッドが記載されている。凹部が形成された本体プレートの上端開口部に、非圧電性部材の間に圧電性部材が接着された駆動プレートが設置され、圧力室が構成されている。駆動プレートは、圧電性材料からなる薄板の両端が非圧電性材料により接着された薄板からなり、この接着部が凹部上端の中央部と凹部の側壁上部に位置する。そして、側壁上部の非圧電性部材は側壁の厚さと同じ幅を有し、中央部の非圧電性部材はより狭い幅を有する。凹部上端の中央部を境に左右の圧電性材料からなる薄板は板面内の同じ方向に分極されるか又は互いに逆方向に分極されている。圧電材料からなる薄板の圧力室側の裏面とその反対側の表面に対向するように一対の駆動用の電極が形成されている。この一対の電極に電圧を印加することにより、分極方向に直交する方向に電界が印加され、圧電性材料はシェアモード変形する。凹部上端開口部の中央部を境に左右の圧電性材料の分極方向が同じ場合は、左右の圧電性材料に逆方向の電界を印加し、左右の圧電性材料の分極方向が逆方向の場合は、左右の圧電性材料に同じ方向の電界を印加する。これにより駆動プレートは圧力室側又はその反対側に変形し、圧力室に充填されたインクが圧力室に連通するオリフィスから吐出される。

特許２６６６０８７号公報 特公表Ｈ０２−５０１４６７号公報 特許２８６７４３７号公報 特開平０５−５０５９５号公報

しかし、特許文献１に記載されるインクジェットヘッドは、圧電体基板の表面にダイシングブレードを用いて溝を形成するが、ダイシングブレードの刃の形状により溝の長さの制約を受け、溝の配列ピッチやその容積と圧電材料からなる側壁の厚みなどが強く相関し、設計自由度が小さい。また、特許文献２に記載されるインク噴射ヘッドは、圧電性プレートの表裏面に駆動電極とは異なる帯状の複数の極性付与電極を形成し、基板表面の横方向に電界を印加して圧力室の中央部を境に互いに逆向きに分極する。そのため、圧電性プレートに分極用の電極領域が必要となり、圧力室の幅を狭く形成してインク吐出ノズルの配列を高密度化するのが困難であった。特許文献３に記載されるインクジェットヘッドは、積層セラミックスを形成する際に、圧電セラミックス材料とサーミスタ材料を交互に積層して一体焼成している。しかし、例えば百ノズルのインクジェットヘッドを形成するのにその２倍の２００枚の圧電セラミックス材料とサーミスタ材料を積層して焼結しなければならず、ノズルピッチを正確に制御することが困難となり、現実的に実現することができない。また、特許文献４に記載されるインクジェットプリンタヘッドは、上記特許文献３と同様に膨大な数の圧電性部材と非圧電性部材を積層しなければならず、しかも非圧電性部材は厚い層と薄い層を交互に積層形成することが必要となり、現実的に実現することが極めて難しい。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、設計自由度が大きくしかも容易に製造することができる液体噴射ヘッドを提供することを目的とする。

本発明による液体噴射ヘッドは、表面に凹部からなる圧力室を所定方向に複数配列する基体と、前記凹部の側壁上面に接合し、前記凹部の開口端を閉塞する圧電体基板と、前記圧力室に液体を供給する液体供給室と、前記圧力室から液体を吐出する吐出孔と、を備え、前記圧電体基板は前記圧電体基板の基板面と平行方向に一様に分極され、前記圧電体基板の前記圧力室とは反対側の表面及び前記圧力室側の裏面に前記圧電体基板を挟む一対の駆動電極が前記開口端の略中央部から前記凹部の側壁部まで延在するようにした。

また、隣接する凹部の開口端を閉塞する圧電体基板は、隣接する凹部の間に設置される側壁上面において分離されることとした。

また、前記吐出孔は前記凹部の側壁側に設置されることとした。

また、前記吐出孔に近接する凹部の底面は前記吐出孔の開口部に向けて深さが次第に浅くなるように傾斜し、前記吐出孔に近接する凹部の側壁は前記吐出孔の開口部に向けて幅が次第に狭くなる漏斗形状を有することとした。

また、前記液体供給室は、前記凹部の底面又は側壁面に開口する開口部を介して前記圧力室と連通し、前記所定方向に沿って前記基板に形成され、前記複数の圧力室と連通することとした。

また、前記基体の表面に、前記液体供給室に液体を供給するための液体供給口が設置されていることとした。

また、前記吐出孔は前記凹部の底部側に設置されていることとした。

また、前記吐出孔は前記凹部の略中央の底部側に設置されていることとした。

また、前記圧力室から液体を排出する液体排出室を更に備え、前記液体供給室は、前記圧力室を構成する凹部の端部に設置され、前記液体排出室は、前記圧力室に連通し、前記圧力室を挟んで前記液体供給室とは反対側の端部に設置されていることとした。

また、前記液体排出室は、前記凹部の底面又は側壁面に開口する開口部を介して前記圧力室と連通し、前記所定方向に沿って前記基板に形成され、前記複数の圧力室と連通することとした。

また、前記基体の表面に、前記液体排出室から液体を排出するための液体排出口が設置されていることとした。

また、前記基体は、前記圧電体基板の裏面に形成した駆動電極と電気的に接続する共通電極を有することとした。

また、前記共通電極は、前記所定方向に沿うように前記基板に形成された貫通孔と前記貫通孔に充填された導電材料からなることとした。

本発明による液体噴射装置は、上記いずれかに記載の液体噴射ヘッドと、前記液体噴射ヘッドを往復移動させる移動機構と、前記液体噴射ヘッドに液体を供給する液体供給管と、前記液体供給管に前記液体を供給する液体タンクと、を備える。

本発明による液体噴射ヘッドの製造方法は、板厚方向に分極された圧電体部材を板厚方向に積層接着して圧電体ブロックを形成する積層接着工程と、前記圧電体ブロックを前記分極方向が基板面に平行となる方向に切断分離して圧電体基板を得る切断工程と、前記圧電体基板の裏面に前記分極方向と直交する方向に細長い複数の帯状の裏面駆動電極を並列に形成する裏面電極形成工程と、表面に凹部から成る圧力室を所定方向に複数配列した基体を形成する基体形成工程と、前記圧電体基板の前記積層接着された接着面を前記凹部の側壁上部に配置して前記圧電体基板を前記凹部の上面に接合する接合工程と、前記圧電体基板の表面に前記分極方向と直交する方向に細長い複数の帯状の表面駆動電極を、前記圧電体基板を挟んで前記裏面駆動電極に対向する位置に並列に形成する表面電極形成工程と、前記凹部の側壁上面に接合した前記圧電体基板を分割する圧電体基板分割工程と、を備える。

また、前記接合工程の後に、前記圧電体基板を研削する研削工程を含むこととした。

本発明の液体噴射ヘッドは、表面に凹部からなる圧力室を所定方向に複数配列する基体と、凹部の側壁上面に接合し、凹部の開口端を閉塞する圧電体基板と、圧力室に液体を供給する液体供給室と、圧力室から液体を吐出する吐出孔とを備えている。圧電体基板はこの圧電体基板の基板面と平行方向に一様に分極され、圧電体基板の圧力室とは反対側の表面及び前記圧力室側の裏面に前記圧電体基板を挟む一対の駆動電極が上記開口端の略中央部から凹部の側壁部まで延在する構成とした。これにより、凹部を構成する側壁の厚さや長さに関係なく圧電体基板に厚み滑り変形を生じさせることができるので、圧力室の駆動条件や、圧力室の長さや配列ピッチの設計自由度が増大し、かつ、構造が簡単で製造の容易な液体噴射ヘッドを提供することができる。

本発明の液体噴射ヘッドの基本的な構成を表す断面模式図である。 本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッドの模式的な部分斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッドの縦断面模式図である。 本発明の第二実施形態に係る液体噴射ヘッドを説明するための図である。 本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッドの模式的な部分斜視図である。 本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッドの縦断面模式図である。 本発明の第四実施形態に係る液体噴射ヘッドの模式的な部分斜視図である。 本発明の第四実施形態に係る液体噴射ヘッドの縦断面模式図である。 本発明の第五実施形態に係る液体噴射ヘッドの縦断面模式図である。 本発明の液体噴射ヘッドの基本的な製造方法を表す工程図である。 本発明の第六実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法における積層接着工程を表す模式図である。 本発明の第六実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法における切断工程を表す模式図である。 本発明の第六実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法における裏面電極形成工程の後の圧電体基板の模式的な斜視図である。 本発明の第六実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法における基体形成工程の後の基体の断面模式図である。 本発明の第六実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法における接合工程の後の基体の断面模式図である。 本発明の第六実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法における表面電極形成工程の後の基体の断面模式図である。 本発明の第六実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法における圧電体基板分割工程の後の基体の断面模式図である。 本発明の第七実施形態に係る液体噴射装置の模式的な斜視図である。

＜液体噴射ヘッド＞
図１は本発明の液体噴射ヘッド１の基本的な構成を表す断面模式図である。図１（ａ）は凹部３から成る圧力室４を所定方向に複数配列した状態を表す断面模式図であり、（ｂ）は１つの圧力室４の断面模式図であり、（ｃ）は電極に電圧を印加して厚み滑り変形が生じた状態の模式図である。本発明の液体噴射ヘッド１は、表面に凹部３からなる圧力室４が所定方向であるＸ方向に複数配列する基体２と、凹部３の側壁１０の上面に接合し、凹部３の開口端を閉塞する圧電体基板５を備えている。更に、圧力室４に液体を供給するための図示しない液体供給室と、圧力室４から液体を吐出する図示しない吐出孔を備えている。

圧電体基板５は、圧電体基板５の基板面と平行な方向に一様に分極されている（分極Ｐ）。圧電体基板５の圧力室４とは反対側の表面ＦＳと圧力室４側の裏面ＢＳに、圧電体基板５を挟む一対の駆動電極９ａ、９ｂが形成されている。一対の表面駆動電極９ａ、９ｂは、凹部３開口端の略中央から凹部３の側壁１０まで延在する。つまり、一対の駆動電極９ａ、９ｂは凹部３開口端の略中央から開口端の約半分の領域の圧電体基板５を挟んでいる。図１（ｃ）に示すように、この一対の駆動電極９ａ、９ｂに電圧を与えて分極Ｐ方向に直交する方向に電界を印加する。これにより圧電体基板５に厚み滑り応力が発生して圧電体基板５が凹部３の内側に変形し（極性を反転させれば外側に変形し）、圧力室４に充填された液体が圧力室４に連通する図示しない吐出口から吐出される。

このように、側壁１０の厚さや長さに関係なく圧電体基板５に厚み滑り変形を生じさせることができるので、圧力室の駆動条件やＸ方向のピッチや長さの設計自由度が増大する。また、凹部３の開口端の圧電体基板５は一様に分極するので、分極方向を分離する電極領域や接着領域を挟む必要が無く、構造が簡単で各圧力室の駆動条件を均等化することができる。また、極性付与電極のような基板面の面内方向に分極を誘起させるための電極も必要が無いので、圧力室４を高密度に配列することができる。また、図１に示すように、隣接する凹部３に接合した圧電体基板５を分割溝２４により分離したので、隣接する圧力室４の圧電体基板５との間の容量結合が低下し、駆動信号の漏れによるクロストークを低減させることができる。

なお、圧電体基板５は、後に詳細に説明するが、板面に垂直に分極した圧電体材料を積層接着して圧電体ブロックを形成し、この圧電体ブロックを分極方向が板面に平行となる方向に切断分離して形成することができる。この場合に、圧電体基板のつなぎ目である接着面が凹部の駆動領域に入らないように圧電体基板を側壁の上面に接合するので、各圧力室の液滴吐出性能を均等化することができる。圧電体基板５として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）等の圧電体材料を使用することができる。駆動電極９ａ、９ｂは金属材料を蒸着法やスパッタリング法により堆積し、パターニングして形成することができる。基体２はセラミックス材料やガラス材料、その他の材料を使用することができる。この場合に、圧電体基板５の熱膨張係数に近似する材料を使用することが好ましい。以下、本発明の液体噴射ヘッド１の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。

（第一実施形態）
図２は、本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッド１の模式的な部分斜視図である。すでに説明した図１の縦断面模式図は図２の部分ＡＡの縦断面図である。図３は図２の部分ＢＢの縦断面模式図である。本第一実施形態はエッジシュート型の液体噴射ヘッド１である。

図２、図３及び図１（ａ）、（ｂ）に示すように、基体２は、Ｙ方向に細長く、Ｘ方向に配列する凹部３を備えている。凹部３を構成する側壁１０の上面と、基体２の−Ｙ方向側の端部（以下、基体２の後方端という。）の＋Ｚ方向の上面（以下、基体２の表面という。）に圧電体基板５が接合している。凹部３とこの凹部３の開口端を閉塞する圧電体基板５により圧力室４を構成している。圧電体基板５は、板面に平行なＸ方向に分極しており、隣接する凹部３の圧電体基板５とは分割溝２４により分離されている。圧電体基板５は、その圧力室４とは反対側の表面ＦＳと圧力室４側の裏面ＢＳに圧電体基板５を挟む一対の駆動電極９ａ、９ｂを備えている。この一対の駆動電極９ａ、９ｂは、凹部３の開口端の略中央から−Ｘ方向側の側壁１０まで延在している。一対の駆動電極９ａ、９ｂに電圧を与えることにより圧電体基板５の分極Ｐと直交する方向に電界が印加され、圧電体基板５に厚み滑り応力を生じさせる。この応力に基づいて圧電体基板５は凹部３側又はこれと反対側に変形する。

ノズルプレート２１はＹ方向に細長い凹部３の＋Ｙ方向側の端部（以下、凹部３の前方端という。）に設置されている。ノズルプレート２１は複数の吐出孔２２を有し、各吐出孔２２は各凹部３に連通するように対応している。即ち、ノズルプレート２１は凹部３の前方端において凹部３の側壁を構成し、従って吐出孔２２は凹部３の側壁に設置したものとみなすことができる。基体２は液体供給室６を備えている。Ｙ方向に細長い凹部３の−Ｙ方向側の端部（以下、凹部３の後方端という。）の底面に開口部１８が開口し、その底部に形成した液体供給室６と連通している。液体供給室６は、他の凹部３の後方端の底面下部に延在させて他の凹部３と連通している。従って、液体供給室６から各凹部３に液体を流入して各圧力室４に液体を充填させることができる。

基体２は、その後方端の近傍に貫通孔１４を備え、貫通孔１４には導電材料１５が充填されている。貫通孔１４は、基体２の−Ｚ側の下面（以下、基体２に裏面という。）に近付くにつれて直径が拡大するようにその側壁にテーパが付され、型成形を容易にしている。貫通孔１４はＸ方向に延在し、導電材料１５は他の圧電体基板５の裏面ＢＳに形成した裏面駆動電極９ｂと電気的に接続して共通電極１３を構成している。

液体噴射ヘッド１は次のように動作する。液体供給室６から圧力室４にインクなどの液体を供給して充填し、共通電極１３と表面駆動電極９ａの間に駆動信号を与える。すると、表面駆動電極９ａと裏面駆動電極９ｂに挟まれる圧電体基板５が厚み滑り変形する。例えば引き打ち法では、圧力室４の容積を一旦拡大させ、次に縮小させて液体に圧力を加え、吐出孔２２から液滴を＋Ｙ方向に吐出する。

圧電体基板５としてＰＺＴセラミック材料を使用している。基体２は絶縁性セラミックス材料を使用している。圧電体基板５は基体２の側壁１０の上面に接着材により接合している。ノズルプレート２１はポリイミドから成る薄膜を使用することができる。液体噴射ヘッド１の形状は次のとおりである。基体２に形成した凹部３のＹ方向の長さを５ｍｍ〜８ｍｍとし、Ｘ方向の幅を０．２ｍｍ〜０．３ｍｍとし、深さを略０．２ｍｍとする。凹部３の側壁１０の厚さを約８０μｍとする。圧電体基板５のＹ方向の長さを５ｍｍ〜１０ｍｍとし、幅を０．２５ｍｍ〜０．３５ｍｍとし、厚さを０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍとする。なお、これらの材料や寸法は一例であり、本発明がこれらの材料や寸法に限定されるものではない。

本実施形態では、圧力室４のピッチや駆動条件を側壁１０の厚さにほぼ独立して設定することができるので液体噴射ヘッド１の設計自由度が大きい。また、凹部３の開口端の圧電体基板５は一様に分極するので、分極方向を分離する電極領域や接着領域を挟む必要が無く、構造が簡単で各圧力室の駆動条件を均等化することができる。また、極性付与電極のような分極形成用の電極も必要が無いので、圧力室４を高密度に配列することができる。また、圧力室を駆動する駆動信号が隣接する圧力室の圧電体基板５に漏れ出し、クロストークが発生することを低減させることができる。また、各圧電体基板５の裏面に形成した裏面駆動電極９ｂを貫通孔１４に充填した導電材料１５と電気的に接続して共通電極１３として取出すので、基体２の表面に配線パターンを形成する必要が無い。

なお、基体２の後方端近傍に貫通孔１４を形成し、導電材料１５を充填して共通電極１３とすることに代えて、基体２の後方端近傍の表面に共通電極を形成しておき、圧電体基板５を基体２の表面に接合する際に各圧電体基板５の裏面に形成した各裏面駆動電極９ｂと基体２表面に形成した共通電極を電気的に接続するように構成することができる。これにより、駆動用電極を全て基体２の表面に集約的形成して駆動回路との接続を簡単化することができる。

（第二実施形態）
図４は、本発明の第二実施形態に係る液体噴射ヘッド１を説明するための図であり、（ａ）が縦断面模式図であり（ｂ）が上面模式図であり、いずれも１個の圧力室４のみ表している。第一実施形態と異なる部分は圧力室４の前端部が絞られた構造を有している点であり、その他の構成は第一実施形態と同様である。

図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、基体２の前方端から後方端にかけて細長い凹部３が延在し、凹部３の側壁の上面に凹部３の開口端を閉塞するように圧電体基板５が接着材により接合している。基体２の前方端にはノズルプレート２１が接着し、ノズルプレート２１に形成した吐出孔２２が凹部３により構成される圧力室４に連通する。凹部３の後方端の底面には開口部１８が開口し、その底部に形成された液体供給室６に連通する。基体２はその後方端の近傍に貫通孔１４を備え、貫通孔１４には導電材料１５が充填されている。導電材料１５は圧電体基板５の裏面に形成した裏面駆動電極９ｂと電気的に接続して共通電極１３を構成する。なお、±Ｘ方向には同じ構成の凹部３が配列している。

図４（ａ）に示すように、凹部３の底面は凹部３の前方端に向かって次第に浅くなるよう傾斜２３が付与されている。更に、図４（ｂ）に示すように、凹部３の幅は凹部３の前方端に向かって狭くなる漏斗形２５を有している。これにより、圧力室４内に充填した液体が滞留する滞留領域を減少させ、液体内に混入した気泡や遺物が圧力室４内に残留し、吐出不良となることを低減させている。その他の構成は第一実施形態と同様なので、説明を省略する。

（第三実施形態）
図５及び図６は、本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッド１を説明するための図である。図５は液体噴射ヘッド１の模式的な部分斜視図であり、図６（ａ）、（ｂ）は部分ＣＣの縦断面模式図であり、（ｃ）は部分ＤＤの縦断面模式図である。本第三実施形態はサイドシュート型の液体噴射ヘッド１である。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。

図５及び図６に示すように、基体２は、Ｙ方向に細長い凹部３からなり、Ｘ方向に配列する複数の圧力室４を備えている。凹部３のＹ方向の両端部は基体２の側壁１０により囲まれている。各凹部３を構成する側壁１０の上面と基体２の後方端側の表面に圧電体基板５を接合し、各凹部３の開口端を閉塞して圧力室４を構成している。各凹部３の上端開口部に設置した圧電体基板５は、板面に平行なＸ方向に分極しており（分極Ｐ）、更に隣接する凹部３の上部に接合した圧電体基板５とは分割溝２４により分離している。圧電体基板５は、凹部３とは反対側の表面ＦＳと凹部３側の裏面ＢＳに圧電体基板５を挟むように一対の表面駆動電極９ａと裏面駆動電極９ｂを備えている。この一対の表面及び裏面駆動電極９ａ、９ｂは、凹部３の開口端の略中央から−Ｘ方向の側壁１０まで延在する。この一対の表面及び裏面駆動電極９ａ、９ｂに電圧を与えることにより圧電体基板５の分極Ｐと直交する方向に電界が印加され、圧電体基板５に厚み滑り応力が発生し、この応力に基づいて圧電体基板５は凹部３側又はこれと反対側に変形する。

基体２は、圧電体基板５を接合した表面とは反対側の裏面に接着材により接着したノズルプレート２１を備えている。基体２は、凹部３の後方端近傍の底面に開口部１８を有し、前方端近傍の底面に他の開口部１８’を有している。開口部１８はその下部のノズルプレート２１と基体２に囲まれる液体供給室６に連通し、開口部１８’はその下部のノズルプレート２１に形成した吐出孔２２に連通している。従って、吐出孔２２は、凹部３の前方端近傍であり凹部３の短手方向の幅の中央部の位置のノズルプレート２１に設置されている。液体供給室６は他の凹部３の後方端近傍の底面下部に延設して他の圧力室４と連通し、基体２の−Ｘ方向の端部近傍の表面に形成した液体供給口２０に連通している。これにより、基体２の表面側から液体の供給を可能としている。

基体２は後方端近傍に貫通孔１４を備えている。貫通孔１４には導電材料１５が充填され、圧電体基板５の裏面ＢＳに形成した裏面駆動電極９ｂに電気的に接続して共通電極１３を構成している。貫通孔１４の側壁は基体２の裏面側に直径が拡大するようにテーパを付されている。貫通孔１４はＸ方向に延在し、導電材料１５が他の圧電体基板５の裏面ＢＳに形成した裏面駆動電極９ｂと電気的に接続して共通電極１３を構成し、基体２の−Ｘ方向の端部近傍の表面に表出している。従って、共通電極１３に基体２の表面側から駆動信号を供給することができる。

液体噴射ヘッド１は次のように動作する。基体２の表面に設けた液体供給口２０にインク等から成る液体を供給し、液体供給室６を介して圧力室４に充填する。共通電極１３と各圧電体基板５に形成した個別の表面駆動電極９ａとの間に駆動信号を与える。表面駆動電極９ａと裏面駆動電極９ｂに挟まれる圧電体基板５が厚み滑り変形し、圧力室４の容積が瞬間的に変化して吐出孔２２から液滴が吐出される。液滴は凹部３の長さ方向に直交する基体２の裏面側の−Ｚ方向に吐出される。その他、圧電体基板５や基体２の材料や凹部３や圧電体基板５の形状は第一実施形態と同様なので説明を省略する。

この構成により、側壁１０の厚さや長さに関係なく圧電体基板５に厚み滑り変形を生じさせることができるので、駆動条件の設定やＸ方向のピッチや長さ設計の自由度が大きい。また、凹部３の開口端の圧電体基板５は一様に分極するので、分極方向を分離する電極領域や接着領域を挟む必要が無く、構造が簡単で各圧力室の駆動条件を均等化することができる。また、極性付与電極のような分極形成用の電極も必要が無いので、圧力室４を高密度に配列することができる。また、隣接する圧力室４に設置した圧電体基板５は分割溝２４により分離したので駆動信号が隣接する圧力室側に漏れ出すクロストークを低減させることができる。また、液体供給口２０や共通電極１３を基体２の表面に配置したので基体２の裏面を平坦化し、被記録媒体との間の距離を接近させることができる。

（第四実施形態）
図７及び図８は本発明の第四実施形態に係る液体噴射ヘッド１を説明するための図である。図７は液体噴射ヘッド１の模式的な部分斜視図であり、図８は部分ＥＥの縦断面模式図である。第三実施形態と異なる部分は、吐出孔２２を圧力室４の長手方向の略中央の下部に設置し、凹部３の前方端近傍の底部に開口部１８ｂと液体排出室１７を設置し、液体供給室６から圧力室４に流入した液体を液体排出室１７から排出するスルーフロー型の液体噴射ヘッド１を構成した点であり、その他の構成はほぼ第三実施形態と同様である。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。

図７及び図８に示すように、基体２はＹ方向に細長い凹部３からなりＸ方向に配列した複数の圧力室４を備えている。凹部３は、Ｙ方向の両端部が基体２の側壁１０ａ、１０ｂにより囲まれている。各凹部３を構成する側壁１０の上端開口部に圧電体基板５が接合され、圧電体基板５は板面に平行なＸ方向に分極し、隣接する凹部３に設置した圧電体基板５とは分割溝２４により分離されている。圧電体基板５は、凹部３とは反対側の表面ＦＳと凹部３側の裏面ＢＳに圧電体基板を挟むように一対の表面駆動電極９ａと裏面駆動電極９ｂを備えている。この一対の表面及び裏面駆動電極９ａ、９ｂは、凹部３の開口端の略中央から−Ｘ方向の側壁１０まで延在する。この一対の表面及び裏面駆動電極９ａ、９ｂに電圧を与えることで圧電体基板５の分極Ｐと直交する方向に電界が印加され、圧電体基板５に厚み滑り応力が発生してこの応力に基づいて圧電体基板５は凹部３側又はこれと反対側に変形する。

基体２は、その裏面に接着されたノズルプレート２１を備えている。基体２は、凹部３の後方端の底部に開口部１８ａを、凹部３の前方端の底部に開口部１８ｂを、更に凹部３の長手方向の中央部の底部に開口部１８’を有している。開口部１８ａはその下部のノズルプレート２１と基体２に囲まれる液体供給室６に連通し、開口部１８ｂはその下部のノズルプレート２１と基体２に囲まれる液体排出室１７に連通し、開口部１８’はその下部のノズルプレート２１に形成した吐出孔２２に連通している。液体供給室６と液体排出室１７は、他の凹部３の後方端及び前方端のそれぞれの底部に延在して他の凹部３と連通し、更に基体２の−Ｘ方向の端部近傍の表面に形成した液体供給口２０及び液体排出口１９にそれぞれ連通している。これにより、基体２の表面側から供給した液体は、液体供給室６を介して圧力室４に流入し、圧力室４から液体排出室１７に流出した液体は液体排出口１９から排出される。基体２の後方端近傍に形成した貫通孔１４に導電材料１５を充填して各圧電体基板５の裏面に形成した裏面駆動電極９ｂに電気的に接続し、更に、基体２の−Ｘ方向の端部近傍の表面に表出させた共通電極１３に電気的に接続する。

液体噴射ヘッド１は次のように動作する。液体供給口２０から供給した液体は液体供給室６を介して全ての圧力室４に流入する。そして、各圧力室４から液体排出室１７に流出した液体は液体排出口１９から排出される。このように、全ての圧力室４を液体が循環するように構成した。共通電極１３と各圧電体基板５に形成した個別の表面駆動電極９ａとの間に駆動信号を与えると、表面及び裏面駆動電極９ａ、９ｂに挟まれる圧電体基板５が厚み滑り変形し、圧力室４の容積が瞬間的に変化して吐出孔２２から液滴が吐出される。

このように圧力室４内を液体が循環するので気泡が滞留し難く新鮮な液体が常に供給されるので、信頼性の高く高品位の記録を行うことができる液体噴射ヘッド１を構成することができる。加えて、圧力室４のピッチや駆動条件を側壁１０の厚さにほぼ独立して設定することができるので液体噴射ヘッド１の設計自由度が大きい。また、凹部３の開口端の圧電体基板５は一様に分極するので、分極方向を分離する電極領域や接着領域を挟む必要が無く、構造が簡単で各圧力室の駆動条件を均等化することができる。また、極性付与電極のような分極形成用の電極も必要が無いので、圧力室４を高密度に配列することができる。また、隣接する圧力室４に設置した圧電体基板５は分割溝２４により分離したので容量結合が低減し、駆動信号の漏れによるクロストークを低減させることができる。

（第五実施形態）
図９は、本発明の第五実施形態に係る液体噴射ヘッド１の縦断面模式図である。第四実施形態と異なる部分は、液体供給室６と液体排出室１７の容積を拡大した点であり、その他の構成は第四実施形態と同様である。従って、以下、液体供給室６及び液体排出室１７について説明し、その他は説明を省略する。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付した。

図９に示すとおり、液体供給室６は凹部３の後方端の底部に、液体排出室１７は凹部３の前方端の底部にそれぞれ位置する。液体供給室６は、凹部３の後方端側の側壁１０ａが裏面側に抉られた領域と凹部３の後方端側の底面が裏面側に貫通する領域を加えた領域であり、ノズルプレート２１により囲まれている。液体排出室１７は、同様に、凹部３の前方端側の側壁１０ｂが裏面側に抉られた領域と凹部３の前方端側の底面が裏面側に貫通する領域を加えた領域であり、ノズルプレート２１により囲まれている。液体供給室６は開口部１８ａを介して圧力室４と連通し、液体排出室１７は開口部１８ｂを介して圧力室４と連通し、吐出孔２２は開口部１８’を介して圧力室４と連通している。

このように、基体２の厚さを利用して凹部３の後方端及び前方端を構成する側壁１０ａ、１０ｂの一部を刳り抜いて液体供給室６と液体排出室１７を形成した。そのため、液体供給室６及び液体排出室１７の容積が拡大し、全ての圧力室４にほぼ同じ条件で液体の流入出を行うことができる。そのため、複数の吐出孔２２の吐出条件を均等化することができる。

＜液体噴射ヘッドの製造方法＞
図１０は本発明の液体噴射ヘッド１の基本的な製造方法を表す工程図である。本発明の液体噴射ヘッド１の製造方法は、板厚方向に分極された圧電体部材を板厚方向、つまり分極方向に積層接着して圧電体ブロックを形成する積層接着工程Ｓ１と、この圧電体ブロックを分極方向が基板面に平行となる方向に切断分離して圧電体基板を得る切断工程Ｓ２と、圧電体基板の裏面に分極方向と直交する方向に細長い複数の帯状の裏面駆動電極を並列に形成する裏面電極形成工程Ｓ３と、表面に凹部から成る圧力室を所定方向に複数配列した基体を形成する基体形成工程Ｓ４と、圧電体基板の積層接着工程Ｓ１において積層接着した接着面を凹部の側壁上部に配置して圧電体基板を凹部の上面に接合する接合工程Ｓ５と、圧電体基板の表面に分極方向と直交する方向に細長い複数の帯状の表面駆動電極を、圧電体基板を挟んで裏面駆動電極に対向する位置に並列に形成する表面電極形成工程Ｓ６と、凹部の側壁上面に接合した圧電体基板を分割する圧電体基板分割工程Ｓ７とを備えている。

圧電体部材としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛などの強誘電性のセラミックス材料を使用することができる。本発明の液体噴射ヘッドの製造方法では、積層する圧電体部材の１枚が複数の凹部、即ち複数の圧力室に対応するので、吐出孔数が増大し吐出孔ピッチが狭くなる場合でも圧電体部材の積層枚数がそれほど増えない。例えば１枚の圧電体部材の厚さを１５ｍｍとし、吐出孔ピッチ、即ち凹部形成ピッチを０．２８ｍｍとすれば、１枚の圧電体部材が５０数個の凹部に対応する。つまりピッチ０．２８ｍｍの吐出孔を５２０個形成するのに１５ｍｍの圧電体部材を１０枚積層すればよい。このように、圧電体部材の積層枚数を従来例と比較して大幅に低減することができる。

なお、上記製造工程のステップＳ１・・・Ｓ７は必ずしも工程順である必要はない。基体形成工程Ｓ４は最初の工程であってもよい。表面電極形成工程Ｓ６は裏面電極形成工程Ｓ３の前であってもよいし圧電体基板分割工程Ｓ７の後であってもよい。また、基体形成工程Ｓ４において、液体供給室や液体排出室、或いは共通電極用の貫通孔を形成してもよい。また、接合工程Ｓ５の後に、圧電体基板を研削して薄膜化し、その後表面電極形成工程Ｓ６により表面駆動電極を形成することができる。これにより、圧電体基板のハンドリング等が容易となる。以下、本発明について図面を用いて具体的に説明する。

（第六実施形態）
図１１〜図１７は、本発明の第六実施形態に係る液体噴射ヘッド１の製造方法を説明するための図である。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。

図１１は積層接着工程Ｓ１を表す模式図である。板厚方向の下側方向に分極した５枚のＰＺＴセラミックスからなる圧電体部材１２を板厚方向に積層接着して圧電体ブロック２６を形成する。１枚の圧電体部材１２の厚さは１５ｍｍであり、厚みは±５μｍ以下の精度で研磨してある。各圧電体部材１２は接着材を介在させ加圧しながら接着する。

図１２は切断工程Ｓ２を表す模式図である。積層接着工程Ｓ１において５枚の圧電体部材１２を積層接着して形成した圧電体ブロック２６を分極Ｐ方向が基板面に平行となる方向に切断分離する。ダイサーやワイヤーソーにより圧電体ブロック２６を切断分離して圧電体基板５を得る。切断分離後に表面を研削及び研磨して、板厚が０．２５ｍｍ以上の平坦な表面の圧電体基板５とする。板厚を０．２５ｍｍ以上として、この後の電極形成、パターニング、基体２への接合の際の割れや欠けを防ぎ、作業性を向上させている。

図１３は裏面電極形成工程Ｓ３の後の圧電体基板５の模式的な斜視図である。スパッタリング法や蒸着法により圧電体基板５の裏面に金属膜を形成する。次に、フォトリソグラフィ及びエッチング法により分極方向Ｐに直交する方向に細長い複数の帯状の裏面駆動電極９ｂを並列に形成する。１本の裏面駆動電極９ｂは基体２に形成する１つの凹部３に対応する。本実施形態では５枚の圧電体部材１２を積層接着したので、１枚の圧電体基板５には４つの接着面２７が形成されている。１枚の圧電体部材１２の厚さは１５ｍｍなので１枚の圧電体基板５の長さは７５ｍｍであり、例えば吐出孔ピッチが０．２８２ｍｍである場合、１枚の圧電体基板５の上には約２６０本の裏面駆動電極９ｂが形成される。なお、裏面駆動電極９ｂは、予めレジスト等により電極パターンを形成し、次に金属膜を堆積し、次に金属膜と同時にレジスト膜を剥離するリフトオフ法により形成してもよい。

図１４は基体形成工程Ｓ４の後の基体２の断面模式図である。基体２としてセラミックス材料を使用している。基体２の表面にレジスト膜のパターンを形成し、サンドブラストやエッチング法により基体２の表面に凹部３を分極方向に沿って複数配列して形成する。凹部３の深さを０．２ｍｍ、ピッチを０．２８２ｍｍとし、凹部３の側壁１０の厚さは０．０８ｍｍとする。また、凹部３の長手方向の端部の底部や端部の側壁に図示しない液体供給室や共通電極用の貫通孔を形成する。

図１５は接合工程Ｓ５後の基体２の断面模式図である。圧電体基板５の接着面２７を凹部３の側壁１０の上部に配置して、圧電体基板５を凹部３の上面に、裏面駆動電極９ｂが凹部３側に位置するように接着材により接合する。各裏面駆動電極９ｂは凹部３の開口端の略中央部から凹部３の側壁１０まで延在している。次に、研削工程により、圧電体基板５の表面を研磨して圧電体基板５の厚さを０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍと薄膜化する。圧電体基板５の接着面２７を側壁１０の上面に合わせたので、圧電体基板５のつなぎ目が凹部３の駆動領域に入らず、各圧力室４の液滴吐出性能を均等化することができる。

図１６は表面電極形成工程Ｓ６の後の基体２の断面模式図である。スパッタリング法又は蒸着法により圧電体基板５の表面に金属膜を堆積し、次にフォトリソグラフィ及びエッチング法により金属膜をパターニングし、圧電体基板５を挟んで裏面駆動電極９ｂに対応する位置に表面駆動電極９ａを形成する。つまり表面駆動電極９ａは分極Ｐ方向に直交する方向に細長い複数の帯状の形状を有している。また、フォトリソグラフィ及びエッチング法に代えてリフトオフ法により表面駆動電極９ａを形成することができる。

図１７は圧電体基板分割工程Ｓ７の後の基体２の断面模式図である。凹部３の側壁１０の上面に接合した圧電体基板５を、ダイシングブレード等を用いて分割する。これにより、圧力室を駆動する駆動信号が容量結合により圧電体基板５を伝達して隣接する圧力室の駆動に影響を与えるクロストークが低減する。

以上の通り、本発明の液体噴射ヘッド１の製造方法によれば、圧力室の数の分の枚数、或いはその２倍の枚数の圧電体部材１２を積層接着する必要が無いので、吐出孔数が１００以上の高密度の多数吐出孔の液体噴射ヘッド１であっても容易に製造することができる。また、凹部３の開口端の圧電体基板５は一様に分極するので、分極方向を分離する電極領域や接着領域を挟む必要が無く、構造が簡単で各圧力室の駆動条件を均等化することができる。また、極性付与電極のような分極形成用の電極も必要が無いので、圧力室４を高密度に配列することができる。また、圧力室を駆動する駆動信号が隣接する圧力室の圧電体基板５に漏れ出し、クロストークが発生することを低減させることができる。また、圧力室４の配列ピッチやその駆動条件を側壁１０の厚さから独立して設定できるので、設計自由度が拡大する。

＜液体噴射装置＞
（第七実施形態）
図１８は本発明の第七実施形態に係る液体噴射装置３０の模式的な斜視図である。
液体噴射装置３０は、液体噴射ヘッド１、１’を搭載したキャリッジユニット３８を往復移動させる移動機構４３と、液体噴射ヘッド１、１’に液体を供給する液体供給管３３、３３’と、液体供給管３３、３３’に液体を供給する液体タンク３１、３１’を備えている。各液体噴射ヘッド１、１’は、本発明に係る第一〜第五実施形態に係る液体噴射ヘッド、又は第六実施形態の製造方法により製造される液体噴射ヘッドである。

具体的に説明する。液体噴射装置３０は、紙等の被記録媒体３４を主走査方向に搬送する一対の搬送手段４１、４２と、被記録媒体３４に液体を吐出する液体噴射ヘッド１、１’と、液体タンク３１、３１’に貯留した液体を液体供給管３３、３３’に押圧して供給するポンプ３２、３２’と、液体噴射ヘッド１を主走査方向と直交する副走査方向に走査する移動機構４３等を備えている。

一対の搬送手段４１、４２は副走査方向に延び、ローラ面を接触しながら回転するグリッドローラとピンチローラを備えている。図示しないモータによりグリッドローラとピンチローラを軸周りに移転させてローラ間に挟み込んだ被記録媒体３４を主走査方向に搬送する。移動機構４３は、副走査方向に延びた一対のガイドレール３６、３７と、一対のガイドレール３６、３７に沿って摺動可能なキャリッジユニット３８と、キャリッジユニット３８を連結し副走査方向に移動させる無端ベルト３９と、この無端ベルト３９を図示しないプーリを介して周回させるモータ４０を備えている。

キャリッジユニット３８は、複数の液体噴射ヘッド１、１’を載置し、例えばイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの４種類の液滴を吐出する。液体タンク３１、３１’は対応する色の液体を貯留し、ポンプ３２、３２’、液体供給管３３、３３’を介して液体噴射ヘッド１、１’に供給する。各液体噴射ヘッド１、１’は駆動信号に応じて各色の液滴を吐出する。液体噴射ヘッド１、１’から液体を吐出させるタイミング、キャリッジユニット３８を駆動するモータ４０の回転及び被記録媒体３４の搬送速度を制御することにより、被記録媒体３４上に任意のパターンを記録することできる。

１ 液体噴射ヘッド
２ 基体
３ 凹部
４ 圧力室
５ 圧電体基板
６ 液体供給室
７ 吐出孔
９ａ 表面駆動電極、９ｂ 裏面駆動電極
１０ 側壁
１２ 圧電体部材
１３ 共通電極
１４ 貫通孔
１５ 導電材料
１７ 液体排出室
１８、１８ａ、１８ｂ、１８’ 開口部
１９ 液体排出口
２０ 液体供給口
３０ 液体噴射装置

Claims (2)

  1. 板厚方向に分極された圧電体部材を板厚方向に積層接着して圧電体ブロックを形成する積層接着工程と、
    前記圧電体ブロックを前記圧電体部材の前記積層接着した接着面と直交する方向に切断分離して圧電体基板を得る切断工程と、
    前記圧電体基板の裏面に前記分極方向と直交する方向に細長い複数の帯状の裏面駆動電極を並列に形成する裏面電極形成工程と、
    表面に凹部から成る圧力室を所定方向に複数配列した基体を形成する基体形成工程と、
    前記接着面を前記凹部の側壁の立設方向と平行にして前記接着面が前記凹部の駆動領域に入らないように前記接着面を前記凹部の側壁上部に配置して前記圧電体基板を前記凹部の上面に接合する接合工程と、
    前記圧電体基板の表面に前記分極方向と直交する方向に細長い複数の帯状の表面駆動電極を、前記圧電体基板を挟んで前記裏面駆動電極に対向する位置に並列に形成する表面電極形成工程と、
    前記凹部の側壁上面に接合した前記圧電体基板を分割する圧電体基板分割工程と、を備える液体噴射ヘッドの製造方法。
  2. 前記接合工程の後に、前記圧電体基板を研削する研削工程を含む請求項１に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
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