JP5930866B2 - 液体吐出ヘッド - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第1の実施例に係る液体吐出ヘッドの全体構成を示す斜視図と側面図であり、構成をわかりやすくするため、分解した状態を図示している。シリコンやポリイミドなど作られているオリフィスプレート101に、液体が吐出されるノズル孔102が開口している。圧電ブロック体103は、溝が加工された圧電基板を複数枚積層して形成され、内部に電極が形成され液体が充填される圧力室と、内部に電極が形成された開口部と、が設けられている。圧電ブロック体103には、圧電ブロック体103の共通電極を引き出すため、FPCなどの共通電極配線ケーブル109が設けられている。後方絞り板104はシリコン基板などで作られており、圧力室で発生した圧力を共通液室側に逃がさないための絞り孔105と、圧力室の内壁にある個別電極を引き出す配線と、が形成されている。後方絞り板104上に形成されている個別電極を引き出す配線には、FPCなどの個別電極配線ケーブル110が接続されている。液体107は、インク供給口108から共通液室106内に供給される。
本実施例の液体吐出ヘッドは、ノズル孔101が斜めに並んで二次元に配列されている。液体吐出ヘッドは、圧電基板が積層された方向に搬送される記録媒体に画像を形成する。
図4に、圧電基板301に溝加工と電極の形成を行う工程を説明する斜視図を示す。見やすいように、溝の幅と間隔、及び電極の幅と間隔を実際の数倍に拡大して図示している。圧電基板301としては、例えば、57mm×74mm×約0.24mmのPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)基板が挙げられる。
まず、図4(a)の工程で、所望の厚さと形状を有する平板状の圧電基板301を準備する。
図4(c)の工程で、圧電基板301の溝形成面(第1の主面S1)に溝を加工するとともに、表面アライメントマーク404を形成する。表面アライメントマーク404は金属膜で構成され、溝加工時と積層時の位置合わせに使用される。パターニング方法や金属膜の形成方法は、個別電極307及び共通電極306と同じである。
溝加工は、先の工程で形成した表面のアライメントマーク404を基準に、溝の位置決めをして行う。具体的には、図4(d)の工程で、平板状の圧電基板301に、複数の第1の溝302を形成する。形成された第1の溝302の一部が圧力室を形成する。本実施例では、切削加工の際、超砥粒ホイールを圧電基板上の途中で引き上げることによって、片方の側面に連通しない溝を形成する。図4(d)で示すように、第1の溝302は第1の端面405と連通し、第2の端面406とは連通しない。圧力室となる溝に加え、その両外側に溝を形成することで、後の接合工程における接着剤の逃げ溝として機能させることができる(図4には不図示)。
図4(e)の工程で、第1の溝302を形成した圧電基板301に、複数の第2の溝303を形成する。形成された第2の溝303の一部が、上述した開口部を形成する。第2の溝303は第1の溝302の間に形成される。第2の溝303も、切削加工の際に超砥粒ホイールを圧電基板上の途中で引き上げることによって、片方の側面に連通しない溝となる。図4(e)で示すように、第2の溝303は第2の端面406と連通し、第1の端面405とは連通しない。
図4(f)の工程で、形成された第1の溝302の内面に個別電極304を、第2の溝303の内面に共通電極305を形成する。電極のパターニングは、リフトオフ、レーザーや研磨でのパターニングなどで形成することができる。一例として、リフトオフによる電極パターニング方法を図5に示す。図5(a)〜(d)は図4(e)のA−A’断面であり、図5(e)は図4(e)のB−B’断面である。溝加工により基板表面に凹凸が生じているため、通常のスピンコーターによる塗布方法では、均一なレジスト膜を形成することが難しい。そこで、フィルムレジストのラミネートやスプレーコータによる塗布が好適に利用される。溝の内部を均一に露光することは困難であるため、溝の外部だけを露光すればよいネガタイプのレジストを用いるのが好ましい。
図6(a)に示す様に、共通電極305,306を接地電位とし、個別電極304,307にプラス電圧をかけることにより、圧電基板301の分極処理を行う。図6(b)に圧電基板301に加えられる電界を示している。分極は、100〜150℃程度に加熱した状態で、圧電体に1〜2kV/mm程度の高電界を所定の時間印加することによって行われる。
以上の様に加工した圧電基板301を複数枚、ここでは図7(a)に示すようにn+2=39枚を積層し、圧電ブロック体103を形成する。圧電ブロック体103の機械的強度を増すため、圧電基板301の積層体の上下にさらに厚さ1〜5mm程度の圧電体やセラミックの補強板(図示せず)を接合するのが好ましい。圧電ブロック体103は、圧力室と圧力室の周囲の開口部とを結ぶ方向に分極されている。
圧電基板301の接合には、例えばエポキシ系の接着剤を用いることができる。この際、溝内が接着剤で埋まってしまうのを防ぐために接着剤量を適切にコントロールする必要がある。接着剤の塗布方法としては、別の平坦な基板上にスピンコートやスクリーン印刷などで薄い均一な接着剤層を形成しておき、これに接着する面を押し付けた後、離すことで、圧電基板上に薄く均一な接着剤層を形成することができる。接着剤塗布後、微小な間隔がある状態で、圧電基板301の位置決めを行い、加圧接着する。接着剤の厚さの目安としては、接着前の接着層の厚さが4μm程度、接着後の厚さが2μm程度となることが適切である。
上記の様に、圧電ブロック体103は圧電基板301をずらしながら積層して形成されているため、側面が平坦でない。そこで側面を平坦にするため、図8に示す様に両側面を切り取る。切り取る方法としては切削加工が一般的である。
圧電ブロック体103の両端を切り離した後、図9に示すように、必要な圧力室の長さを持つ複数個の圧電ブロック体103のチップに切り分ける。切り分ける方法としては切削加工が一般的である。圧力室の長さは、長いほど駆動電圧を加えた時の圧力室の体積変化が増え吐出力が増すが、駆動電圧波形に対する圧力の応答性が悪くなるので、吐出する液体の粘度や吐出液滴量によって最適値を決める。本実施例では吐出力を優先し、圧力室の長さが10mmになる様に圧電ブロック体103を切り分け、両端の約8mmを切り捨てた。液体の粘度がそれほど高くなく小液滴を吐出する場合には、圧力室の長さを2〜5mmと短くする方が好ましい。
圧電ブロック体103の圧力室701と開口部702が露出している両側端面を研磨により平坦にする。研磨には砥石を用いることができる。後の電極形成工程のために、表面粗さは算術平均粗さRaを0.4μm程度とするのが好ましい。また、オリフィスプレート101や後方絞り板104を精度よく貼りつけるために、各端面の平面度は10μm以内、端面間の平行度は30μm以内とすることが好ましい。
次に、圧電ブロック体103の前端面711に開口部702に設けられた共通電極305,306の配線を引き出す電極を形成する。図10に配線を引き出す前端面電極712を示す。前端面電極712は圧電ブロック体103の前端面711から上端面713と下端面714に引き回され、後に示す工程により共通電極接続部715,716において共通電極配線ケーブル109に接続される。
次に、図11(a)に示すように、圧電ブロック体103の後端面721に、各圧力室701に設けられた個別電極304,307の配線を引き出す後端面電極722を形成する。圧力室701や開口部702などの凹凸があるため、後端面721の電極パターニングは、前端面711と同様に、フィルムレジストのラミネートを用いたリフトオフで形成する。
次に、図12を用いて、後方絞り板104について説明する。図12(a)に示すように、後方絞り板104には、貫通孔の形状の絞り孔105が、各圧力室701に対応した位置に設けられている。絞り孔105は、圧電ブロック体の駆動によって生じるインクの流動が吐出口側で効率的に生じるように、インクの逆流を制限する。後方絞り板104は、Si基板のエッチング加工などで形成可能である。絞り孔105は圧力室701の入口開口よりも小さく、例えば、圧力室701の断面が120μm×120μmの正方形の場合、直径60μm程度、厚さを200μm程度とすることができる。
次に、圧力室の内面に形成された個別電極及び開口部の内面に形成された共通電極の表面に絶縁膜を形成する。但し、電極配線のうち、FPCなどの配線ケーブルに接続される部分(共通電極接続部715,716と後方絞り板104の上下端部に露出している引き出し配線733との接続部分)には絶縁膜を形成しない。そのために、成膜時にはテープなどでマスクを施しておく。
次に、オリフィスプレート101を圧電ブロック体103の前端面711に接合する。オリフィスプレートは、例えば接着剤を用いて圧電ブロック体103と接合される。オリフィスプレート102は平板の形状を有しており、圧電ブロック体103の各圧力室701に対応する位置に、貫通孔の形状のノズル孔102が形成されている。一例として、ノズル孔102は直径10μmの円孔であり、円孔の厚さは20μmである。接着剤が圧電ブロック体103の出口開口に侵入することを防止するため、図12(b)の後方絞り板104の絞り孔105と同様に、逃がし溝が設けられている(図示せず)。逃がし溝はインク中の泡の滞留を防ぐため、圧力室701の断面よりも小さいことが好ましく、例えば、直径80μm、厚さ60μmとすることができる。この場合、オリフィスプレート101全体の厚さとしては80μmとなる。オリフィスプレート101は、例えば、Niの電鋳加工で作成することができる。オリフィスプレート101の前端面711と接しない側の面に、撥インク処理が施されている。撥インク材料としては、シラン系、フッ素系の材料を用いることができ、蒸着などでコーティング処理をすることができる。
次に、FPCなどの配線ケーブルを配線電極に圧着する。図1(b)に示すように、個別配線を後方絞り板104の上下端部から引き出し、共通電極配線ケーブル109に圧着する。同様に、共通電極を圧電ブロック体103の上端面713と下端面714から引き出し、個別電極配線ケーブル110に圧着する。圧着には異方性導電フィルム(ACF;Anisotropic Conductive Film)を用いる。圧着条件としては150℃、3MPa、10秒程度が適当である。圧着後、FPCとの接合部付近を接着剤で補強する。
その後、インク供給口108を有する共通液室106を用意し、後方絞り板104に接合する。共通液室部材は、例えば、SUS基板を機械加工で作成し、接着剤を用いて後方絞り板と接合される。最後に、その他の必要な部品をさらに組み立てて、液体吐出ヘッドが完成する。
液体は、圧電ブロック体103の圧力室701の入口開口から圧力室に供給され、圧力室に貯留される。圧電ブロック体が圧電効果により変形することで、圧力室が収縮し、圧力室に貯留されている液体は出口開口から吐出される。図13に、すべての圧力室701の個別電極に、液体吐出のための駆動電圧を印加した場合の電界分布を示す。ここでは、圧力室701の個別電極にプラス電圧が印加されている。圧力室701内の「+」の表示は圧力室701内の個別電極304,307にプラスの駆動電圧が印加されていることを示す。同様に開口部702内の「GND」の表示は、開口部701内の共通電極305,306に接地電位の0Vが印加されていることを示す。
この実施例で示した圧電ブロック体103では、圧電基板301の圧力室701とその両側の圧電体の側壁は、その上下の圧電基板301の開口部702の間に収まっている(W1+W2+W3<W4)。このため、近傍の圧力室701の個別電極に印加される電圧によっては、圧力室701周囲の圧電体の変形が妨げられにくい。また、圧力室701の周囲4面の圧電体が変位するので吐出力の高い液体吐出ヘッドが構成できる。さらに、各圧力室701はその周囲の開口部702と圧電体でつながっている。すなわち、各圧力室701の周囲に4つの独立した開口部702が設けられ、各圧力室701と各開口部702の周囲は圧電基板(圧電材料)で充填されているので、圧電ブロック体103、特に圧力室701を周辺部の剛性を高めることが可能となる。
L=P×(k+1/m)=0.0212×(k+1/2)mm
ここで、Pは記録ドット格子寸法、kは設計や製法に応じて決められる任意の自然数、mは分割数である。
302 第1の溝
303 第2の溝
701 圧力室
702 開口部
Claims (6)
- 第1及び第2の主面を有し前記第1の主面に第1の溝と第2の溝が交互に形成された圧電基板を、複数枚積層して形成される圧電ブロック体を有し、
前記圧電基板は、前記第1の溝の内面に第1の溝内電極を、前記第2の主面の前記第2の溝に対応する位置に前記第1の溝内電極と同一の電位に規定される第1の裏面電極を、前記第2の溝の内面に第2の溝内電極を、前記第2の主面の前記第1の溝に対応する位置に前記第2の溝内電極と同一の電位に規定される第2の裏面電極を有し、
前記第1の溝は、前記第1の溝内電極と前記第1の裏面電極とが内面に形成された圧力室であって、液体の入口開口と出口開口とを備え、前記入口開口から供給された前記液体を貯留し、前記圧電ブロック体が圧電効果により変形することで前記液体を前記出口開口から吐出する圧力室を形成し、前記第2の溝は、前記第2の溝内電極と前記第2の裏面電極とが内面に形成された開口部を形成する、液体吐出ヘッド。 - 前記第1の溝の幅と、前記第2の溝の幅と、前記第1の溝と前記第2の溝とを仕切る側壁の幅とが等しい、請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記圧電ブロック体は、前記圧力室と該圧力室の周囲の前記開口部とを結ぶ方向に分極されている、請求項1または2に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記圧電ブロック体の駆動時に、前記圧電基板の前記第1の溝内電極及び前記第1の裏面電極に、プラス電位と接地電位が周期的に繰り返すように第1の電位が印加され、前記圧電基板に隣接する他の前記圧電基板の前記第1の溝内電極及び前記第1の裏面電極に、プラス電位と接地電位が周期的に繰り返すように第2の電位が印加され、前記第1の電位がプラス電位のときに前記第2の電位が接地電位であり、前記第1の電位が接地電位のときに前記第2の電位がプラス電位である、請求項1から3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記第2の溝内電極と前記第2の裏面電極を接地電位とし、前記第1の溝内電極にプラス電位を、前記第1の裏面電極にマイナス電位を印加して分極された前記圧電基板である第1の圧電基板と、前記第2の溝内電極と前記第2の裏面電極を接地電位とし、前記第1の溝内電極にマイナス電位を、前記第1の裏面電極にプラス電位を印加して分極された前記圧電基板である第2の圧電基板と、が交互に積層されている、請求項1または2に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記圧電ブロック体の駆動時に、前記第1の圧電基板の前記第1の溝内電極及び前記第1の裏面電極に、プラス電位と接地電位が周期的に繰り返すように第1の電位が印加され、前記第2の圧電基板の前記第1の溝内電極及び前記第1の裏面電極に、マイナス電位と接地電位が周期的に繰り返すように第2の電位が印加され、前記第1の電位がプラス電位のときに前記第2の電位が接地電位であり、前記第1の電位が接地電位のときに前記第2の電位がマイナス電位である、請求項5に記載の液体吐出ヘッド。
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