JP6049323B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子基板を有するインクジェットヘッドに関する。

ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃：チタン酸ジルコン酸鉛）といった圧電材料を含む圧電素子基板を備えたインクジェットヘッドが知られている。

圧電素子基板を備えるインクジェットヘッドでは、インクに吐出圧力を加える圧力室が形成されており、圧力室の内面及び外面には、ヘッド基板と電気的に接続された電極が設けられている。ヘッド基板から当該電極に電圧を印加することによって圧力室の側壁が変形して圧力室の容積が変化し、圧力室内のインクに吐出圧力が加えられて当該圧力室と連通された吐出口からインク滴が吐出される。

特許文献１では、ハーモニカ型インクジェットヘッドを開示している。このハーモニカ構造では、圧力室の配列方向において、圧力室と平行する圧電素子基板の開口が各圧力室の両側に１つずつ配置されている。従って、圧力室と開口との間に位置する圧力室の２つの側壁が電気駆動によって変形できる。

特許文献２では、インクジェットヘッドの吐出口側において圧力室間の側壁が独立しており、吐出口側とは反対のインク供給口側において圧力室間の側壁が連結されている剣山型のインクジェットヘッドが開示されている。この剣山型構造において、圧力室は、側壁が独立している吐出口側において４つの側壁が電気駆動によって変形できるので、より大きな容積変化を実現できる。

特開２００８−１４３１６７号公報 特開２００７−１６８３１９号公報

しかしながら、特許文献１に記載のハーモニカ構造のインクジェットヘッドでは、各圧力室は圧力室の全長に亘って連結されているので、圧電素子基板の変形の構造的なクロストークが大きい。

特許文献２に記載の剣山構造のインクジェットヘッドでは、各圧力室は圧力室の駆動部分において独立しているので、圧電素子基板の変形の構造的なクロストークが低減されている。しかしながら、この構造では、連結部分を駆動させることができない。よって、駆動可能な部分を長くしようとすると、圧力室の独立する部分を長くするしかないので、圧力室の機械強度が弱くなる。特に、吐出口を高密度化する場合、独立する圧力室の部分はアスペクト比が高いので、機械強度が一層弱くなる。

そこで、本発明は、構造的なクロストークが抑制されつつ、機械強度が確保されたインクジェットヘッドを提供することを目的とする。

本発明のインクジェットヘッドは、圧電素子からなる圧電素子基板を有する。圧電素子基板は、一方の面から他方の面に貫通する、圧力室の一部である複数の孔および各孔の周囲に位置する貫通孔を有する板状圧電部を有する。さらに、圧電素子基板は、板状圧電部の一方の面の上に各孔に対応して配置された、両端が開口した中空の柱状をしており、内部の空間が圧力室の一部である、圧電素子からなる複数の柱状圧電部を有する。板状圧電部の各孔と各柱状圧電部の空間とで各圧力室が形成されている。各圧力室の、柱状圧電部の側に位置する一端部が、インクを吐出するための吐出口に連通し、板状圧電部の側に位置する他端部が、各圧力室にインクを供給する供給口と連通する。圧電素子の伸長または収縮による圧力室の体積変化によって、吐出口からインクが吐出される。

本発明によれば、構造的なクロストークを抑制することができ、かつ、機械強度を確保することができる。これにより、高性能、高画質な印字が可能となる。

本発明に係るインクジェットヘッドの圧電素子基板の第１の実施形態の概略構成図である。 本発明に係るインクジェットヘッドの圧電素子基板の第２の実施形態の概略構成図である。 インクジェットヘッドの圧電素子基板の製造方法を説明するための概略図である。 圧電素子基板を有するインクジェットヘッドの概略構成図である。

以下に、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態の詳細について説明する。なお、同一の機能を有する構成には添付図面中、同一の番号を付与し、その説明を省略することがある。

（第１の実施形態）
本発明に係るインクジェットヘッドの圧電素子基板の第１の実施形態の構造について、図１を用いて説明する。図１は、本発明に係るインクジェットヘッドの圧電素子基板の第１の実施形態の概略構成図であり、（ａ）および（ｂ）は（ｃ）のＤ１の範囲内の外観斜視図、（ｃ）は一端側からみた概略図、（ｄ）は他端側から見た概略図である。なお、図１（ａ）、図１（ｃ）、図１（ｄ）は電極を配置していない状態、図１（ｂ）は電極を配置した状態である。本実施形態のインクジェットヘッドの圧電素子基板では、複数の圧力室がＸ方向（行方向）、及びＹ方向（列方向）において、それぞれ周期的に配置されている。

圧電素子基板１は、独立部５と独立部５とつながる連続部６とを有する。

独立部５において、両端が開口した、圧電素子からなる中空の四角柱状の柱状圧電４１が複数形成されており、柱状圧電部４１の内部の空間は圧力室２ａとなっている。また、隣接する柱状圧電部４１同士は間隔を有しており、したがって、柱状圧電部４１同士の間には空間４を有している。

連続部６においては、板状の圧電素子からなる板状圧電部４２の厚さ方向に複数の孔からなる圧力室２ｂが設けられている。連続部６の圧力室２ｂと独立部５の圧力室２ａとで１つの圧力室２が形成されるように、板状圧電部４２上に柱状圧電部４１が配置されている。

圧力室２の一端部（独立部５の、連続部６とは反対の端部）は、圧力室２からインクを吐出する吐出口（不図示）に連通し、圧力室２の他端部（連続部６の、独立部５とは反対の端部）は、圧力室にインクを供給する供給口（不図示）に連通する。

独立部５において、柱状圧電部４１の各外面４１ａであって、圧力室２と対向する位置に、柱状圧電部４１の高さ方向に向かう溝部２３が設けられている。これにより、柱状圧電部４１の、高さ方向と直交する方向の断面で角には、突起部１２が形成される。

圧力室２の一端側からみて、連結部６には、隣接する圧力室２を挟むように、板状圧電部４２の一方の面から一方の面に対向する他方の面に向かって貫通する貫通孔７が形成されている。この貫通孔７の内面７ａは、独立部５における柱状圧電部４１の溝部２３の底面２３ａと一致するようになっている。つまり、溝部２３の底面２３ａと貫通孔７の内面７ａとで連続した平面が形成される。

本実施形態において、圧力室２は、一端側からみて、Ｘ方向（行方向）及びＹ方向（列方向）においてそれぞれ周期的に配置されている。連結部６において、各圧力室２ｂの周囲に、それぞれ４つの貫通孔７が位置するようになっている。また、圧力室２のＸ方向またはＹ方向において、貫通孔７の幅は、その貫通孔７を挟む隣接した圧力室２の突起部１２同士の間の最短距離よりも大きい。このような構造では、柱状圧電部４１の厚みは、柱状圧電部４１の高さ方向（Ｚ方向）において、圧力室２ｂと貫通孔７との間の距離と同じである。

圧力室２の側面２’（つまり柱状圧電部４１の内面）には、第１の電極８が配置されている。独立部５における柱状圧電部４１の外面４１の溝部２３に、第２の電極９が配置されている。また、連続部６の貫通孔７の内面７ａには、第３の電極１０が配置されている。第１の電極８と、第２の電極９および第３の電極１０とは電気的に絶縁している。一方、第２の電極９と第３の電極１０とは、独立してもよく、電気的に接続されてもよい。

以上に示したインクジェットヘッドの圧電素子基板１では、独立部５の柱状圧電部４１は、外面４１ａと圧力室２の側面２’とが向かい合う方向（図１のＸ方向、及びＹ方向）に分極されている。同様に、連続部６の板状圧電部４２は、貫通孔７の内面７ａと圧力室２の内面２’とが向かい合う方向（図１のＸ方向、及びＹ方向）に分極されている。

圧電素子からなる柱状圧電部４１および板状圧電部４２は、第１の電極８と、第２の電極９及び第３の電極１０との間に印加される駆動信号よって、伸長及び収縮し、圧力室２に貯留されるインクを吐出することができる。つまり、本発明のインクジェットヘッドは、いわゆるグールド型のインクジェットヘッドである。第２の電極９と第３の電極１０とに印加される駆動信号は、まったく同じでも可能で、それぞれ独立でも可能である。第２の電極９と第３の電極１０に独立した駆動信号を印加すれば、柱状圧電部４１と板状圧電部４２をそれぞれ独立に変位させることができ、いわゆるダブルアクチュエータ駆動ができる。

本実施形態では、圧電素子基板１は、独立部５において、柱状圧電部４１同士が互いに接触しておらず、独立しているので、構造的なクロストークが小さい。また、連続部６においても、圧力室２の周囲に４つの貫通孔７があるため、２つの開口（貫通孔）を有するハーモニカ構造より、構造的なクロストークが小さい。

本実施形態の圧電素子基板１は、連続部６の板状圧電部４２を駆動させることができるので、必要となる圧力室２の長さが長くても、独立部５の柱状圧電部４１と連結部６の板状圧電部４２とで圧力室２の長さを分担できる。その結果、独立部５の圧力室２ａ（柱状圧電部４１）のアスペクト比を無理に高くする必要がないので、従来の単純な剣山構造よりも高い、圧電素子基板１の機械強度が確保できる。

さらに、独立部５において、柱状圧電部４１には突起部１２があるため、独立部５の機械強度が単純な剣山構造より強い。さらに、突起部１２があるために、独立部５の剛性が強くなり、同じ駆動信号では、突起部１２がない構造に比べて、突起部１２がある圧力室２はより大きい体積変化を得られることが、シミュレーションによって分かった。

（第２の実施形態）
本発明に係るインクジェットヘッドの圧電素子基板の第２の実施形態の構造について、図２を用いて説明する。図２は、本発明に係るインクジェットヘッドの圧電素子基板の第２の実施形態の概略構成図であり、（ａ）および（ｂ）は（ｃ）のＤ２の範囲内の外観斜視図、（ｃ）は一端側からみた概略図、（ｄ）は他端側から見た概略図である。なお、図２（ａ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）は電極を配置していない状態、図２（ｂ）は電極を配置した状態である。本実施形態のインクジェットヘッドの圧電素子基板では、複数の圧力室がＸ方向（行方向）、及びＹ方向（列方向）において、それぞれ周期的に配置されている。

なお、上述の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付与し、その説明を省略する。以降では、第１の実施形態と異なる点のみ説明する。

本実施形態の圧電素子基板１は、Ｘ方向（行方向）及びＹ方向（列方向）にそれぞれ周期的に配置されている圧力室２を有する。独立部５において、柱状圧電部４１の外面４１ａは平坦であり、溝部２３や突起部１２がない。また、連結部６において、貫通孔７の幅は、貫通孔７を挟む隣接した圧力室２の柱状圧電部４１同士間の最短距離より狭い。つまり、柱状圧電部４１の、板状圧電部４２とは接していない端の側から見て、柱状圧電部４１の外縁と貫通孔７とが重なっていない。このような構造では、独立部５における柱状圧電部４１の厚さは、連結部６における圧力室２と貫通孔７との間の最短距離よりも小さい。

本実施形態では、柱状圧電部４１の外面４１ａに第２の電極が配置されている。圧電素子基板１を駆動する第１の電極８と、第２の電極９および第３の電極１０とは電気的に絶縁されている。一方、第２の電極９と第３の電極１０とは、独立してもよく、電気的に接続されてもよい。図２（ｂ）では、第２の電極９と第３の電極１０とは、独立している。第２の電極９と第３の電極１０を電気的に接続する場合、例えば、連結部６の表面１１を介して第２の電極９と第３の電極１０とを接続できる。

本実施形態でも、圧電素子基板１は、独立部５において、隣接する柱状圧電部４１同士が接触しておらず、互いに独立しているので、構造的なクロストークが小さい。また、連続部６においても、圧力室２の周囲に４つの貫通孔７があるため、２つの開口（貫通孔）を有するハーモニカ構造より、構造的なクロストークが小さい。本実施形態の圧電素子基板１は、連続部６の板状圧電部４２を駆動させることができるので、必要となる圧力室２の長さが長くても、独立部５の柱状圧電部４１と連結部６の板状圧電部４２とで圧力室２の長さを分担できる。その結果、独立部５の圧力室２ａ（柱状圧電部４１）のアスペクト比を無理に高くする必要がないので、従来の単純な剣山構造よりも高い、圧電素子基板１の機械強度が確保できる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係るインクジェットヘッドの圧電素子基板の製造方法について、図３を用いて説明する。図３は本実施形態に係るインクジェットヘッドの圧電素子基板の製造方法を説明するための概略図である。なお、上述の実施形態と同一の構成については、同一の符号を付与し、その説明を省略する。

圧電素子基板は、まず、圧電板に対して、電極形成、溝加工、分極などの処理を施し、以上の処理を施した複数枚の圧電板を積層して、２次元的に配列する圧力室（または吐出口）を有する圧電板の積層体を用意する。そして、積層体の吐出口につながる面において、圧力室間に分割溝形成して、独立部を形成する。以下、具体的に説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、第１の圧電板１３を用意する。第１の圧電板１３としては、例えば、５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．２５ｍｍのＰＺＴ板が挙げられる。

そして、第１の圧電板１３の第１の主面１３ａ上に、位置合せマークとして第１のマークＭ１を形成する。第１のマークＭ１は、機械加工やレーザ加工等によって第１の圧電板１３の第１の主面１３ａにパターンを作製することによって形成できる。また、フォトリソグラフィ工程を含む金属膜のリフトオフ技術やエッチング技術によって形成した金属膜のパターンを第１のマークＭ１としてもよい。

そして、第１の主面１３ａ上に、第２の電極９を形成する。第２の電極９の位置は、第１のマークＭ１を基準に定める。第２の電極９の形成方法としては、フォトリソグラフィ、金属の成膜、レジストの剥離工程を含む金属膜のリフトオフ技術が挙げられる。金属膜の形成方法としては、スパッタ法や化学気相堆積（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などが好適である。金属膜のリフトオフによって薄いシード膜を第１の圧電板１３に形成してから、めっきで比較的厚い金属膜を形成して第２の電極９としてもよい。シード層としては、例えばＰｄ／Ｃｒの２層膜が挙げられ、比較的厚い金属膜としては、例えばＡｕ／Ｎｉが挙げられる。

第１のマークＭ１が金属のパターンから構成される場合、第２の電極９は、第１のマークＭ１の形成と同時に第１のマークＭ１を形成する方法と同じ方法で形成することが好ましい。この同時形成によって、第１のマークＭ１に対する第２の電極９の位置を、より高い精度で定めることができる。

次に、図３（ｂ）に示すように、第１の圧電板１３の第１の主面１３ａと対向する第２の主面１３ｂ上に第２の電極パッド９’を形成する。また、第１の圧電板１３の側面１３ｃ（図３（ａ）参照）を含む第１の圧電板１３の面上に電極配線９ａを形成して、第１の主面１３ａ上に形成された第２の電極９と、第２の電極パッド９’とを電気的に接続する。

さらに、第２のマークＭ２を、第２の主面１３ｂ上の、第１の主面１３ａ上に形成された第１のマークＭ１を基準に定められた位置に形成する。電極配線９ａ、第２の電極パッド９’及び第２のマークＭ２については、下記の方法で同時に形成する。

まず、フォトリソグラフィ工程を含む金属膜のリフトオフ技術で、第２の電極パッド９’、電極配線９ａ及び第２のマークＭ２を形成するためのシード層を第１の圧電基板１３に形成する。より具体的には、スパッタ法で２０ｎｍ厚のＣｒ層と１５０ｎｍ厚のＰｄ層を順に第１の圧電基板１３の第２の主面１３ｂ及び側面１３ｃに形成してシード層とする。スパッタ時、第２の主面１３ｂをスパッタのターゲットと対面するように配置する。しかしながら、スパッタの被覆性を利用して、第２のマークＭ２と第２の電極パッド９’を形成するためのシード層を成膜すると同時に、電極配線９ａのシード層を第１の圧電板１３の側面１３ｃに成膜することができる。

続いて、上記のシード層を利用して、無電解めっき法で約１μｍ厚のＮｉと約０．１μｍ厚のＡｕの薄膜を順番に形成し、第２の電極パッド９’、電極配線９ａ及び第２のマークＭ２とする。これで、第１の圧電板１３の第１の主面１３ａ上に形成された第２の電極９は、電極配線９ａ及び第２の電極パッド９’を用いて第１の圧電板１３の第２の主面１３ｂ上に引出される。また、第１のマークＭ１を基準にした第２のマークＭ２が形成される。

次に、図３（ｃ）に示すように、第２のマークＭ２を基準に、第１の圧電板１３の第２の主面１３ｂ上に、圧力室２の一部を構成する第１の溝１５ａと、貫通部７の一部を構成する第２の溝１５ｂとを、第１の溝１５ａを挟むように並列して加工する。第２の電極９の位置は第１のマークＭ１を基準に定められており、第２のマークＭ２の位置は第１のマークＭ１を基準に定められている。そのため、第２のマークＭ２を基準に第１の溝１５ａ及び第２の溝１５ｂの位置を定めることによって、第１の溝１５ａと第２の電極９との位置を対応させることができる。

第１の溝１５ａと第２の溝１５ｂは、厚み方向Ｙに関する各溝の寸法（以下、「溝深さ」と称する）や、溝が延びる長さ方向（図面で奥行き方向）Ｚ及び厚み方向Ｙと交わる幅方向Ｘに関する各溝の寸法（以下、「溝幅」と称する）がそれぞれ異なっていてもよい。第１の溝１５ａと第２の溝１５ｂの形成方法としては、超砥粒ホイールによる研削加工が好適である。一例として、第１の溝１５ａと第２の溝１５ｂは、寸法と周期が同様で、互いに並列かつ等間隔に配置され、各溝の長さ（Ｚに関する寸法）が５０ｍｍ、溝幅が０．１ｍｍ、溝深さを０．１５ｍｍ、隣り合う溝間の間隔が０．２１２ｍｍとした周期溝である。

次に、図３（ｃ）および図３（ｄ）に示すように、第１の溝１５ａの内面１５ａ’、及び溝を形成した後に残存した第２の主面１３ｂの上に、第１の電極８を形成する。同時に、第２の溝１５ｂの内面１５ｂ’に第２の電極９を、溝を形成した後に残存した第２の主面１３ｂの上に、第１の電極パッド８’を形成する。

また、第１の電極８の形成と同時に第２の主面１３ｂ上に複数の電極配線（不図示）を形成する。当該複数の電極配線のうちのいくつかを用いて、第１の溝１５ａの内面１５ａ’に形成された電極８を第１の電極パッド８’と電気的に接続する。当該複数の電極配線のうちの、第１の電極８と接続されていない電極配線を用いて、第２の電極９のうち、溝１５ｂの内面１５ｂ’に形成された第２の電極９を第２の電極パッド９’と電気的に接続する。ただし、第１の電極パッド８’と第２の電極パッド９’とは、電気的に分離されている。

第１の電極８、第１の電極パッド８’、第２の電極９及び第２の主面１３ｂ上の電極配線（不図示）の形成方法は、図３（ａ）で説明した、第１の主面１３ａ上の第２の電極９の形成方法と同じでよい。但し、第２の主面１３ｂ上に溝１５ａおよび溝１５ｂがある場合、フォトリソグラフィの際、レジストとして、ドライフィルムレジストを使用することが好適である。

続いて、第１の電極パッド８’と第２の電極パッド９’の間に電界をかけて、第１の溝１５ａの側面及び溝面に分極処理を施す。分極の主方向は、図３（ｄ）の矢印１６で示されている方向である。分極処理を施す際、第１の圧電板１３の材料の特性に合わせて、電界強度及び温度を設定する。例えば、電界強度を１．５ｋＶ／ｍｍに設定する。必要に応じて、第１の圧電板１３を昇温した状態で分極処理を施す。例えば、第１の圧電板１３を１００℃に保った状態で電界をかける。第１の圧電板１３に分極処理を施す際の電界による電極間の絶縁破壊（縁面放電）を防ぐために、第１の圧電板１３を絶縁性液体（例えば、シリコンオイル）に浸漬した状態で分極処理を施してもよい。

第１の圧電板１３の分極後、必要に応じてエージング処理を行う。つまり、分極処理が施された第１の圧電板１３を昇温した状態で一定の時間に保持することによって、その圧電特性を安定化させる。エージング処理は、例えば、１００℃のオーブンに、分極処理が施された第１の圧電板１３を１０時間放置する。エージングの際、必要に応じて、すべての電極を短絡してもよい。

次に、図３（ｅ）に示すように、第２の圧電板１４に対して下記の加工を行う。第２の圧電板１４に、第３のマークＭ３、第４のマークＭ４、第１の電極８、第２の電極９、第１の電極パッド８’、第２の電極パッド９’、第１の電極８と第１の電極パッド８’を接続する電極配線（不図示）を形成する。さらに、第２の電極９と第２の電極パッド９’を接続する電極配線（不図示）、及び第３の溝１５ｃを形成する。形成方法は、第１の圧電板１３と同様である。さらに、第１の電極パッド８’と第２の電極パッド９’の間に電界をかけて、第３の溝１５ｃの底面に分極処理を施す。第２の圧電基板１４の分極の主方向は、図３（ｅ）の矢印１６で示されている方向である。図３（ｅ）において、第２の電極９は、第３の溝１５ｃの底面にしか形成していないが、第３の溝１５ｃの側面にさらに形成してもよい。第２の圧電板１４は、第１の圧電板１３と同じ材料から構成され、例えば、５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．２５ｍｍのＰＺＴ板である。第３の溝１５ｃは、一例として、各溝の長さ（Ｚに関する寸法）が５０ｍｍ、溝幅が０．２２ｍｍ、溝深さを０．１５ｍｍ、隣り合う溝間の間隔が０．４２４ｍｍとした周期溝である。

以上の第２の圧電基板１４の加工は、図３（ａ）〜図３（ｄ）で説明した第１の圧電板１３に対する加工と同様な方法で行う。

次に、図３（ｆ）に示すように、第１の支持板１８に対して、以上の加工を施した第２の圧電板１４と第１の圧電板１３を交互に所望の層数まで接合する。最後に、第３の圧電板１７、第２の支持板２０を接合する。

接合する際、第１の支持板１８上に設けた第５のマークＭ５を基準に、各板の位置を定めて接合を行う。例えば、第２の圧電板１４を接合するとき、第２の圧電板１４の第４のマークＭ４を、第５のマークＭ５に合せる。また、第１の圧電板１３を接合するとき、第１の圧電板１３の第２のマークＭ２を、第５のマークＭ５に合せる。また、第３の圧電板１７を接合するとき、第３の圧電板１７の第４のマークＭ４を、第５のマークＭ５に合せる。第３の圧電板１７として、第２の圧電板１４をそのまま用いてもよい。また、第３の圧電板１７として、電極を形成していない第２の圧電板１４を用いてもよい（図５（ｆ）ではこちらを図示している）。

第１の支持板１８は、溝加工を施した、第２の圧電板１４、または、第１の圧電板１３よりも大きい曲げ剛性を有していることが好ましい。溝加工後の圧電板の曲げ剛性の値については、最も剛性の低い溝の底面での曲げ剛性の大きさとすればよい。溝の底面での曲げ剛性は、圧電板の材料定数と溝の形状で簡単に算出することができる。

第１の支持板１８は平板でよい。平板の曲げ剛性は材料定数と板厚で決まるので、第１の支持板１８を平板とすることによって第１の支持板１８の曲げ剛性を簡単に算出することができる。

後の工程で、第１の支持板１８と貼り合わされた圧電板を、第１の支持板１８とともに加工し、加熱することがある。このような工程での加工のし易さや加熱時の熱膨張を考慮して、第１の支持板１８は、圧電板と同質な材料からなる部材とすることが好ましい。

第２の支持板２０の材料選定は、第１の支持板１８に準ずる。場合によって、第２の支持板２０が不要となる。

圧電板１４、１７と支持板１８、２０との接合、または圧電基板１３、１４、１７同士の接合は、例えば、接合層１９を用いて行う。接合層１９としては、熱硬化性樹脂が挙げられる。接合層１９の厚さは、例えば、１〜３μｍである。接合界面Ｓ１における接合強度は、例えば、３ＭＰａ以上である。これは、市販の接着剤で簡単に実現できる強度である。接合の手順として、例えば、接合層１９を第１の圧電板１３の第２の主面１３ｂ（または第２の圧電板１４の第２の主面１４ｂ）上に転写方法で塗布した後、位置合せを行って、加圧加熱条件下で接合する。

次に、以上のように接合して得た圧電板の積層体Ｓに対して、必要に応じて分割加工を行う（図示せず）。このような分割加工によって、１つの積層体Ｓから、所望な圧力室２の長さ及び圧力室２の数を持つ圧電素子基板１を複数個得ことができる。必要に応じて、分割断面を研磨し、平面出しと圧電素子基板１のサイズ調整を行う。この分割加工において、必要に応じて、第１の電極８と第１の電極パッド８’とを切断して、各第１の電極８を独立させてもよい。第２の電極９と第２の電極パッド９’に対しても同様である。

また、積層体Ｓが出来上がることで、第１の溝１５ａが圧力室２、第２の溝１５ｂおよび第３の溝１５ｃが貫通孔７となる。

図３（ｇ）には、上記の工程で得られた圧電素子基板１の圧力室２の一端側の表面を示している。この表面は、積層体Ｓの表面と同一である。圧電素子基板１の厚さ（Ｚ方向の寸法）、つまり、第１の溝１５ａ、第２の溝１５ｂ及び第３の溝１５ｃの奥行き長さは、例えば、１０ｍｍである。図３（ｇ）においては、分かりやすくするため、電極と接着剤が省略されている。

次に、図３（ｈ）に示すように、圧電素子基板１に対して、一端側の表面（図１、図２参照）より、第１の分割溝３１ａと第２の分割溝３１ｂを、これらで格子状の溝を形成するように形成して、圧電素子基板１の独立部５を形成する。第１の分割溝３１ａ及び第２の分割溝３１ｂの深さ（Ｚ方向の寸法）は、例えば３ｍｍである。

第１の分割溝３１ａは、接合界面Ｓ１と平行な方向（Ｘ方向）に配置され、第１の圧電板１３の第１の溝１５ａを挟むように、第２の圧電板１４上に形成される。第１の分割溝３１ａの幅は、第２の圧電板１４の第３の溝１５ｃの深さ（Ｙ方向の溝寸法）より狭い。第２の分割溝３１ｂは、接合界面Ｓ１と垂直な方向（Ｙ方向）に配置され、第１の圧電板１３の第１の溝１５ａを挟むように、第１の圧電板１３及び第２の圧電板１４上に形成される。第２の分割溝３１ｂの幅は、第１の圧電板１３の第２の溝１５ｂの深さ（Ｙ方向の溝寸法）より狭い。第１の溝１５ａを圧力室２、第２の溝１５ｂ及び第３の溝１５ｃをそれぞれ貫通孔７に対応させると、互いに独立した複数の柱状圧電部４１を有する独立部５と板状圧電部４２を有する連続部６が形成された圧電素子基板１が得られる。なお、図３（ｆ）は、独立部５において、圧力室の側壁３が突起部１２を有する（第１の実施形態、図１参照）。

また、第１の分割溝３１ａの幅を、第２の圧電板１４の第３の溝１５ｃの深さ（Ｙ方向の溝寸法）より広くして、第２の分割溝３１ｂの幅を、第１の圧電板１３の第２の溝１５ｂの深さ（Ｙ方向の溝寸法）より広くする。このようにすれば、図２に示した第２の実施形態の圧電素子基板１が得られる。但し、この場合、独立部５の柱状圧電部４１の外面４１ａには、分割溝３１ａ、３１ｂを形成した後、第２の電極９を改めて形成する必要がある。電極の形成方法は、例えば、めっき法がある。めっきする際、必要に応じて、柱状圧電部４１の外面４１ａ以外の表面を保護しておく。また、圧電素子基板１の全表面に対してめっきした後、研磨で第１の電極８と第２の電極９及び第３の電極１０を電気的に分離する方法も好適である。

以上のように、本実施形態によれば、第１及び第２の実施形態の圧電素子基板１を簡易に製造することができる。

（第４の実施形態）
本発明に係る、圧電素子基板を有するインクジェットヘッドについて、図４を用いて説明する。なお、上述の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付与し、その説明を省略する。図４は、本発明に係る、圧電素子基板を有するインクジェットヘッドの概略図である。なお、図４（ａ）は、インクジェットヘッドの概略斜視図、図４（ｂ）〜図４（ｅ）はインクジェットヘッドの分解図である。

本発明のインクジェットヘッドは、圧電素子基板１の連結部６の貫通孔７を利用して、圧電素子基板１を冷却する構造を有する。

図４（ａ）は、インクジェットヘッドＨの概略斜視図である。インクジェットヘッドＨは、吐出口側からインク供給口側まで、ノズルプレート２２、圧電素子基板１、流体を分流する分流部材２４、共通インク室３２の順番に組み立てられている。組み立ては、例えば、接着剤による接合で行う。

図４（ｂ）に示すように、ノズルプレート２２は、圧電素子基板１の圧力室２に対応する吐出口２２ａを有する。ノズルプレート２２は、例えば、厚さ３０μｍのＮｉ薄膜からなる。吐出口２２ａのサイズは、例えば、直径１５μｍである。

図４（ｃ）に示すように、圧電素子基板１は、複数の圧力室２を有する。圧電素子１は、第１と第２の実施形態に説明したものである。圧電素子基板１は、吐出口２２ａ側（図面上方）において独立する独立部５を有し、インク供給側（図面下方）において連結部６を有する。連結部６において、各圧力室２の周囲に、それぞれ連結部６を貫通する貫通孔７を有する。圧電素子基板１のインク供給側の表面１ｂには、圧力室２の入口開口２ａと貫通孔７の入口開口７ｂを有する（図４（ｆ）参照）。圧電素子基板１の配線（図示なし）は、圧電素子基板１の表面（例えば、インク供給側の表面１ｂ、あるいは各側面）を介して引出すことができる。また、圧電素子基板１の配線（図示なし）は、ノズルプレート２２と圧電素子基板１の間、または、圧電素子基板１と分流部材２４の間に設ける配線基板（図示なし）によって、引出すことができる。なお、配線基板を利用する場合、配線基板に必要な開口を設ける。

図４（ｄ）に示すように、分流部材２４は、圧力室２と、圧力室２へ供給するインクを貯めておく共通インク室３２（図４（ｅ）参照）とを連通するためのインク流路２７と、冷媒導入口２５と、冷媒排出口２６と、を有する。さらに、分流部材２４は、冷媒導入口２５と冷媒排出口２６を分離する分離部２８を有する。図４（ｇ）に示すように、分流部材２４の、共通インク室２３側の面２４ｂには、インク流路２７につながる開口２７ａが設けられている。

図４（ｅ）に示すように、共通インク室３２は、共通インク室３２へインクを供給するインク供給口３２ｃと、インク室入口３２ｄを有する。

ここで、本発明のインクジェットヘッドにおけるインクの流れについて説明する。インクは、所定の圧力でインクプール（図示なし）より、共通インク室３２のインク供給口３２ｃから供給され、インク室入口３２ｄより共通インク室３２に導入される。共通インク室３２の中のインクは、分流部材２４の入口開口２７ａからインク流路２７に入り、インク流路の出口開口２７ｂより、圧電素子基板１の圧力室の入口開口２ａを通して、圧力室２に入る。圧力室２に入ったインクは、圧電素子基板１の第１〜第３の電極８、９、１０へ駆動信号を入力することで圧力室２を変形させ、吐出口２２ａよりインクが吐出される。

ここで、冷媒の流れについて説明する。冷媒は、温度が制御された流体、例えば、空気、水、インクなどである。冷媒の温度は、例えば、２３℃である。温度が制御された冷媒を所定の圧力で、冷媒プール（図示なし）より分流部材２４の冷媒導入口２５から冷媒室２９ａに導入する。冷媒室２９ａにある冷媒は、圧力によって、冷媒室２９ａと連通する圧電素子基板１のインク供給側の表面１ｂにある貫通孔７の開口７ｂから、圧電素子基板１の貫通孔７、そして空間４に流れ込んで、圧電素子基板１を冷却する。圧電素子基板１から熱をもらった冷媒は、空間４から、冷媒室２９ｂと連通する圧電素子基板１の開口７を通して、冷媒室２９ｂに入る。冷媒室２９ｂにある冷媒は、冷媒排出口２６より冷媒プール（図示なし）戻される。つまり、冷媒の循環によって、圧電素子基板１を冷却できる。

以上のように、本発明の圧電素子基板を有するインクジェットヘッドは、圧電素子基板１における空間４と貫通孔７の存在によって、冷媒によって、圧力室２の側壁を直接冷却できる。このような直接冷却は、圧電素子の周囲からの冷却に比べて、冷却効率が高いだけではなく、圧電素子の温度ムラを低減できる。更に、圧力室２にあるインクの温度を精度よく制御できる。また、圧力室２内を通るインク循環による冷却に比べて、インク流速の制限による冷却の制限がなく、吐出安定性に対する影響もない。

１ 圧電素子基板
２、 圧力室
２ａ 圧力室（空間）
２ｂ 圧力室（孔）
２’ 側面
７ 貫通孔
７ａ 内面
８ 第１の電極
９ 第２の電極
１０ 第３の電極
２３ 溝部
２３ａ 底面
４１ 柱状圧電部
４１ａ 外面
４２ 板状圧電部
Ｈ インクジェットヘッド
Ｓ 積層体

Claims (6)

1. 圧電素子に囲まれて形成された、吐出口から吐出されるインクを貯留するための柱状の複数の圧力室であって、各圧力室の一端部が、インクを吐出するための前記吐出口に連通し、他端部が前記圧力室に前記インクを供給する供給口と連通する前記圧力室を有し、前記圧電素子の伸長または収縮による前記圧力室の体積変化によって前記吐出口から前記インクが吐出される、インクジェットヘッドであって、
   一方の面から他方の面に貫通する、前記圧力室の一部である複数の孔および各前記孔の周囲に位置する貫通孔を有する、板状圧電部と、
   前記板状圧電部の一方の面の上に各前記孔に対応して配置された、両端が開口した中空の柱状をしており、内部の空間が前記圧力室の一部である、複数の柱状圧電部と、
   を有する、圧電素子からなる圧電素子基板を有し、
   前記板状圧電部の各前記孔と各前記柱状圧電部の前記空間とで各前記圧力室が形成されており
   各前記圧力室の前記一端部が前記柱状圧電部の側に位置し、前記他端部が前記板状圧電部の側に位置する、インクジェットヘッド。
2. 前記圧力室の内面に、第１の電極が設けられており、
   前記柱状圧電部の外面に、第２の電極が設けられており、
   前記貫通孔の内面に、第３の電極が設けられており、
   前記第１の電極と、前記第２の電極および第３の電極とは電気的に絶縁されており、
   前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記第３の電極とには、それぞれ異なる、前記柱状圧電部または前記板状圧電部を伸長または収縮させるための駆動信号が入力するようになっている、請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記柱状圧電部の、前記板状圧電部とは接していない端の側から見て、前記圧力室と前記貫通孔とが交互に格子状に配置されている、請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記柱状圧電部の前記外面には、底面が前記貫通孔の内面と連続している溝が形成されている、請求項２に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記柱状圧電部の、前記板状圧電部とは接していない端の側から見て、前記柱状圧電部の外縁と前記貫通孔とが重なっていない、請求項１から４のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
6. 吐出口が設けられたノズルプレートと、
   冷媒排出口、冷媒導入口、前記冷媒導入口が位置する空間と前記冷媒排出口が位置する空間とを分離する分離部、および前記冷媒導入口が位置する空間と前記冷媒排出口が位置する空間をそれぞれ貫通するインク流路を有する分流部材と、
   前記圧電素子基板に供給するインクをためておく共通インク室と、を有し、
   前記共通インク室、前記分流部材、前記圧電素子基板、および前記ノズルプレートが順に重ねられており、
   前記吐出口は、前記圧力室と前記インク流路とを介して前記共通インク室につながっており、
   前記貫通孔は、前記分流部材の、前記冷媒導入口が位置する空間または前記冷媒排出口が位置する空間につながっている、請求項１から５のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。

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