JP6357048B2

JP6357048B2 - インクジェットヘッドの製造装置およびインクジェットヘッドの製造方法

Info

Publication number: JP6357048B2
Application number: JP2014161440A
Authority: JP
Inventors: 正志下里
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2034-08-07
Also published as: JP2016036970A

Description

一実施形態はインクジェットヘッドの製造装置およびインクジェットヘッドの製造方法に関する。

従来、圧電部材に微細溝を形成したインクジェットヘッドが知られており、微細溝を圧力室とし、その側壁を動かして加圧する所謂シェアウォール方式のインクジェットヘッドや、微細溝間の圧電部材柱の伸縮を利用したインクジェットヘッドなどが代表的である。このような圧電部材に微細溝を形成する方法としては、ダイヤモンドカッタによる加工が一般的である。数百本もの微細溝を一本ずつ圧電部材に加工する方法では時間がかかり過ぎるため、超音波振動により加工する超音波加工技術が知られている（例えば特許文献１参照）。超音波加工は、型材を超音波振動させつつ被加工材であるワークに押し付け、型材とワークとの間の砥粒を介して被加工材を溝状に加工する。

特開平１０−２１１７０３号公報

しかし、超音波加工では、インクジェットヘッドにインクの流路や圧力室となる微細溝の溝幅は数十〜数百μｍと非常に小さく、溝幅よりも薄い刃を持つツール刃が必要となる。加工によってツール刃が容易に折れてしまい、あるいはツール刃が折れ曲がって溝形状に歪みが生じるといった欠点が生じる。

このような課題を解決するため、一実施形態によれば、インク孔の配列方向に沿う複数の溝が加工される被加工面を有する圧電部材を固定する基台と、前記圧電部材の前記複数の溝の溝形状に対応する凹凸形状をそれぞれ有する複数の刃を一方向に有する加工工具と、この加工工具の前記圧電部材に対する位置決め、前記加工工具に対する前記刃から前記被加工面への押圧力の付与、および超音波振動を前記刃に加える超音波加工部と、この超音波加工部の前記押圧力による前記刃および前記被加工面間の接触面積上の荷重の大きさを検知する荷重センサと、前記加工工具の前記圧電部材に対する相対的な速度を検知し、この荷重センサからの前記荷重の大きさを一定に制御する前記超音波加工部のコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記速度が第１の速度値から減少してこの第１の速度値よりも小さい一定の第２の速度値であり前記第２の速度値が一定時間継続することを検出し、この検出により前記荷重の大きさを第１の荷重値からこの第１の荷重値よりも大きい第２の荷重値にするインクジェットヘッドの製造装置が提供される。

また、別の一実施形態によれば、インク孔の配列方向に沿う複数の溝が加工される被加工面を有する圧電部材に対して、前記複数の溝の溝形状に対応する凹凸形状をそれぞれ有する複数の刃を一方向に有する加工工具を位置決めし、前記刃に超音波振動を加えて前記刃から前記被加工面への押圧力の付与を開始し、前記加工工具の前記圧電部材に対する相対的な速度の検知を開始し、前記押圧力による前記刃および前記被加工面間の接触面積上の荷重の大きさを荷重センサからの検知出力によって第１の荷重値に一定に制御し、前記速度が第１の速度値から減少してこの第１の速度値よりも小さい一定の第２の速度値であり前記第２の速度値が一定時間継続することの検出により、前記荷重の大きさを前記第１の荷重値からこの第１の荷重値よりも大きい第２の荷重値にするインクジェットヘッドの製造方法が提供される。

一実施形態に係るインクジェットヘッドの製造装置の構成例を示す図である。（ａ）、（ｂ）はそれぞれ一実施形態に係るインクジェットヘッドの製造装置に用いられる加工工具および圧電部材の縦断面図である。（ａ）は一実施形態に係るインクジェットヘッドの製造装置により製造されるヘッド部分の斜視図であり、（ｂ）は図３（ａ）のインクジェットヘッドの縦断面図である。一実施形態に係るインクジェットヘッドの製造装置による加工制御を説明するためのフローチャートである。（ａ）は一実施形態に係るインクジェットヘッドの製造装置の速度制御例を示すタイムチャートであり、（ｂ）はこのインクジェットヘッドの製造装置に用いられる圧電部材にかかる荷重値の推移例を示すタイムチャートである。（ａ）、（ｂ）は一実施形態に係るインクジェットヘッドの製造装置に用いられる加工工具と圧電部材との接触関係を示す図である。一実施形態に係るインクジェットヘッドの製造装置の加工中の溝の縦断面図を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は一実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法で製造されたインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの縦断面図である。

以下、実施の形態に係るインクジェットヘッドの製造装置およびインクジェットヘッドの製造方法について、図１乃至図８を参照しながら説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。

図１は本実施形態に係るインクジェットヘッドの製造装置の構成例を示す図である。本実施形態に係るインクジェットヘッドの製造装置は超音波加工装置であり、ダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ：Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｄｉａｍｏｎｄ）からなる加工工具を圧電部材に押し当てて超音波振動により微細溝を加工するものである。このインクジェットヘッドの製造装置は、インクを吐出するインク孔の配列方向に沿って複数の溝が加工される被加工面９を有する圧電部材１０を固定し、被加工面９へ供給される砥粒を含むスラリ１９（液体）を溜めた容器状の基台１８と、この圧電部材１０の被加工面９上の複数の溝の溝形状に対応する凹凸形状をそれぞれ有する複数の刃１７を一方向に配列して有する加工工具１１とを備えている。更にこのインクジェットヘッドの製造装置は、この加工工具１１の圧電部材１０に対する位置決め、加工工具１１に対する刃１７から被加工面９への押圧力の付与、および超音波振動を刃１７に加える超音波加工部７と、超音波加工部７の押圧力による刃１７および被加工面９間の接触面積上の荷重の大きさを検知する荷重センサ４５と、この荷重センサ４５からの荷重の大きさを一定に制御する超音波加工部７のコントローラ２０とを備えている。

圧電部材１０は被加工物であり、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）製の２枚の圧電板１０ａ、１０ｂを上下に積層させて形成されており、これらの圧電板１０ａ、１０ｂは互いの分極方向が対向するようにして貼り合わせられている。基台１８はスラリ１９を溜めており、加工工具１１が押し当てられてときに圧電部材１０の位置がずれないように圧電部材１０を固定している。

図２（ａ）、図２（ｂ）はそれぞれ加工工具１１および圧電部材１０の図１のＡＡ´に沿う縦断面図であり、図２（ａ）には加工前の圧電部材１０が示されている。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。加工工具１１は、ダイヤモンド焼結体チップによる刃１７と、この刃１７を固定する保持部４０とを有する。ダイヤモンド焼結体はダイヤモンドの微粒子をコバルトやニッケルなどの結合助剤によって焼き固めた多結晶ダイヤモンドである。刃１７は窪み部分４１と突条部４２とからなる凹凸が数百回繰返す断面形状を有する。図２（ｂ）には溝加工後の圧電部材１０が示されており、この凹凸の繰返し方向に沿って圧電部材１０には溝３９と隔壁３７とが形成されるようになっている。

図１の超音波加工部７は、高周波波形を持つ信号を発生させる超音波発信機１５と、配線１４からの信号により超音波振動を発生させる超音波発振子１３と、この超音波発振子１３による超音波を増幅するホーン１２と、このホーン１２の上下動により加工形状を有する加工工具１１を被加工面９に接触させ、被加工面９上で前後動および左右動をさせる移動機構１６とを備えている。検知部４５には例えば荷重セルを用いることができる。検知部４５はコントローラ２０に電気的に接続される。

コントローラ２０は加工工具１１の被加工面９に対する相対的な速度を検出し、速度の一定時間の継続により、荷重の大きさを第１の荷重値からこの第１の荷重値よりも大きい第２の荷重値にする定荷重制御を行う。このコントローラ２０は超音波加工部７を上下、前後および左右の各方向へ変位させる駆動を行う。コントローラ２０は移動機構１６内の例えば駆動モータの回転数や回転径の監視により加工工具１１の下降速度を検知する。コントローラ２０はプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭを有し、ＲＯＭには荷重値に対応する押圧力の対応関係や関係関数などが記憶されており、インクジェットヘッドの製造装置として超音波加工部７を機能させるためのプログラムが記憶されている。

図３（ａ）は本実施形態に係るインクジェットヘッドの製造装置により製造されるヘッド部分の斜視図である。図３（ｂ）は図３（ａ）のＢＢ´に沿うインクジェットヘッド８の縦断面図であり、ノズル孔５２の配列方向と直交する短手方向の縦断面構造が示されている。インクジェットヘッド８は分極方向が相反する２枚の圧電体の積層板（圧電板１０ａ、１０ｂ）に圧力室となる微細溝を形成したシェアモードシェアウォール方式のインクジェットプリンタヘッドである。インクジェットヘッド８は圧電部材１０からなる基板２１、枠部材２２、蓋部材２３およびノズルプレート２４を備えている。基板２１は主面２５、端面１２６、溝３８および隔壁面（同図では表示されていない）を有する。複数の溝３８が同図において手前および奥行きに亘ってノズル孔５２の配列方向に等ピッチで形成されている。各溝３８は傾斜する溝底４９を有し、各溝底４９は基板２１側の主面２５に連続し、枠部材２２に近づくに従って深さ寸法が減少する溝形状を有する。

枠部材２２（同図左右一対に表示されている）は基板２１の主面２５上に固定されており、左方の枠部材２２はこの枠部材２２の底面によって溝３８の開口端を閉塞している。蓋部材２３は枠部材２２上に重ねられてこの枠部材２２上に固定されている。ノズルプレート２４は例えばポリイミドフィルムであり、溝３８の開口端を閉塞している。蓋部材２３、枠部材２２、および基板２１の主面２５で囲まれた空間が共通圧力室５０を構成する。蓋部材２３はこの共通圧力室５０へ上方からインクＬを供給する複数のインク供給口２６を有する。複数の圧力室４８が手前及び奥行きに亘ってノズル孔５２の配列方向に亘って等間隔で一列に形成され、共通圧力室５０に連通している。ノズルプレート２４は複数のノズル孔５２を有し、各ノズル孔５２は個々に圧力室４８に連通している。各溝３８にはこれらの溝３８の内側面に被膜された導電性の配線層を介して駆動電極５１が電気的に接続されている。

また、実施の形態に係るインクジェットヘッドの製造方法は加工工具１１を圧電部材１０に押し当てて超音波振動により溝３８を加工する方法であり、圧電部材１０に対して加工工具１１を位置決めし、刃１７に超音波振動を加えて刃１７から被加工面９への押圧力の付与を開始し、刃１７および被加工面９間の接触面積上の荷重の大きさを検知部４５の検知出力によって一定に定荷重制御するものである。

また、加工工具１１は、予めワイヤ放電加工により加工されたものが用いられる。圧力室４８の溝幅が４０μｍ程度を要求される場合、ツール幅（刃先の幅）が３０μｍ程度を持つ加工工具１１が用いられる。溝３８の溝ピッチが８０μｍを要求されるのであれば、ワイヤ放電加工装置にはワイヤ径３０μｍ程度のワイヤ電極６０を用いることで、圧電部材１０側に５０μｍの溝３８及び３０μｍの隔壁柱がピッチ８０μｍで形成できる。ツール幅（突条部４２の幅）と圧電部材１０の溝幅との関係や、ワイヤ径と圧電部材１０の溝幅との関係は加工条件により異なるので、適宜最適なワイヤ径を選択することが望ましい。

次に上述の構成を有する本実施形態に係るインクジェットヘッドの製造装置（図１）の動作について説明する。加工開始に先立ちインクジェットヘッドの製造装置は、刃１７の磨耗を最小限に抑えるべく、先端の保持部４０にダイヤモンド焼結体の加工工具１１を装着する。圧電部材１０がＳｉＣ等の砥粒が分散されたスラリ１９に浸漬される。圧電部材１０を加工する場合、超音波加工部７が出力する超音波の周波数は２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚが好適である。周波数は振動振幅が大きい超音波振動を得るために選択される。

図４は本実施形態に係るインクジェットヘッドの製造装置による加工制御を説明するためのフローチャートである。

アクトＡ１において、コントローラ２０は押圧力を相対的に小さい押圧力Ｐ_１に設定し、加工開始によってコントローラ２０は検知部４５の検知出力をモニタしながら加工工具１１を下降させる。加工工具１１がスラリ１９に浸された状態では、超音波振動によりスラリ１９中で砥粒による圧電部材１０への衝撃が繰返される。

図７は加工中の溝３８の縦断面図を示す図である。刃１７の刃先の幅は溝３８の溝形状の溝幅よりも狭い。刃１７の刃体と両側の溝壁との間の隙間に砥粒が入り込んだ状態で超音波振動が加わる。加工工具１１が圧電部材１０の硬度に比して超硬であり砥粒が用いられるため、加工工具１１が型となり、この型と相反する形状の溝３８が形成される。

アクトＡ２（図４）において、コントローラ２０が加工工具１１の下降によって圧電部材１０へかかる荷重が増加する。

図５（ａ）はコントローラ２０による速度制御例を示すタイムチャートであり、図５（ｂ）は圧電部材１０にかかる荷重値の推移例を示すタイムチャートである。同図は検知部４５からの出力による。時刻ｔ_０で加工が開始後、押圧力Ｐ_１に対応して検知部４５は荷重値Ｆ_１を出力する。時刻ｔ_１から荷重値が徐々に増加する。開始初期（速度立上りは図示しない）の速度は速度値Ｖ_１であるとする。

アクトＡ３（図４）では、コントローラ２０は速度値が一定になったかどうかを判断している。加工工具１１の下降によって刃１７が被加工面９に接触し始めると速度が図５（ａ）のように減少し始める。この間、コントローラ２０はアクトＡ３のＮＯルートを通り、速度が速度値Ｖ_２で一定値になったかどうかの判断を続ける。

図６（ａ）、図６（ｂ）は加工工具１１と圧電部材１０との接触関係を示す図である。図６（ａ）は圧電部材１０が下に凸の反り方を示す例であり、図６（ｂ）は圧電部材１０が上に凸の反り方を示す例である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。時刻ｔ_０の加工開始時においては、圧電部材１０の若干の反り等により、刃１７のすべてが均一に被加工面９に接触するわけではない。圧電部材１０の反りや、複数の刃１７間の摩耗量の差異によって圧電部材１０と加工工具１１とは必ずしも均一に接触しないからである。図６（ａ）の例では加工工具１１の左右両側の一部にしか圧電部材１０が接触しない。図６（ｂ）の例では加工工具１１の左右間の中央の一部でしか、圧電部材１０と加工工具１１とが接触しない。図６（ａ）、図６（ｂ）のように圧電部材１０の被加工面９の反り方向の違いにより、圧電部材１０および加工工具１１間の接触箇所や接触面積が異なる。

刃１７が被加工面９の全面に接触すると、複数の刃１７は全て被加工面９に接触し、圧電部材１０から刃１７に対する負荷が反作用により増大し始める。図５（ａ）に示すように速度はＶ_１からＶ_２になった後、Ｖ_２で一定になり始める。アクトＡ３においてＹＥＳルートを通り、コントローラ２０はアクトＡ４において移動機構１６の一定速度Ｖ_２が一定時間に亘り継続しているかどうかを判断する。アクトＡ４においてコントローラ２０は監視により図５のように時刻ｔ_２において一定速度Ｖ_２の継続時間が予め保持する閾値を超えると、アクトＡ４においてＹＥＳルートを通り、コントローラ２０は、アクトＡ５において押圧力Ｐ_１から押圧力Ｐ_２に上げる。検知部４５の検知出力のモニタによりコントローラ２０は荷重の大きさを第１の荷重値Ｆ_１からこの第１の荷重値Ｆ_１よりも大きい第２の荷重値Ｆ_２に変更する。図５（ｂ）のように時刻ｔ_２から時刻ｔ_３にかけて荷重値がＦ_２にまで上昇する。速度が速度値Ｖ_２で下止まりした状態では加工工具１１の刃１７が被加工面９の全面に接触しているが、時刻ｔ_３以降、加工工具１１は溝３８の溝深さ方向に進むため、図５（ａ）のように速度が上昇する。

仮に図６のような接触状態でコントローラ２０が荷重制御をせずに大きな荷重値で切削を始めると、圧電部材１０の被加工面９の一部に過大な圧力が加わり、溝壁が垂直に形成されず、垂直面から傾斜するなど溝形状に歪みが生じる。一つの溝３８の両側溝壁のうちの一方の上部が欠けてしまい、互いに平行な溝壁が得られない。また、加工工具１１の刃１７が折れ曲がり、あるいは折損してしまうという問題が生じる。一方、小さな荷重値による制御だけでコントローラ２０が加工を続けると、溝３８が得られるまでの時間を要し、加工完了までの加工速度が遅くなり、生産性を向上させることが出来ない。つまり加工工具１１を圧電部材１０に接触させたまま何ら荷重を変更する制御を行わないと加工速度が遅くなって生産性を向上出来ない。

本実施形態に係るインクジェットヘッドの製造装置は、多数の刃１７が全て被加工面９に接触した後に、コントローラ２０が加工開始時の荷重値Ｆ_１に比べて大きな荷重値Ｆ_２にすることによりこの生産性を確保することができる。本実施形態に係るインクジェットヘッドの製造装置によれば、超音波加工を実施することにより、安価に圧電部材１０に微細なインク流路および圧力室を形成することができる。溝幅が数十〜数百μｍと非常に小さい微細溝を加工することができる。溝幅よりも薄い刃体を持つ加工工具１１により圧力制御を行うため、薄い加工工具１１であっても加工工具１１を折損又は折れ曲がることなく互いに平行な６００本程度の溝３８が得られる。

次にこのように製造されたインクジェットヘッド８（図３）の動作について述べると、インクジェットヘッド８は何れか一又は複数の駆動電極５１がパルス電圧信号によって駆動される。

図８（ａ）〜図８（ｃ）はインクジェットヘッド８の圧電アクチュエータの縦断面図であり、それぞれ図３のＣＣ´に沿う断面が示されている。駆動電極５１に対応する圧力室４８に電界が発生し、この圧力室４８が変形し、電界の消滅によってこの変形が元に戻ることが一点について繰返される。側壁が日本語の「く」の字に変形するため、インクジェットヘッド８は圧力室を加圧および減圧することが可能である。圧力室４８の容積を拡張又は縮小することにより、インクの液圧が加圧され、インクジェットヘッド８はノズル孔５２から記録媒体に向かって液滴を噴射する。

上記実施形態では、コントローラ２０は移動機構１６内の駆動モータ等の動作状態によって速度検知を行っていたが、速度検知は、別途速度を検知する速度センサを設けて加工工具１１の下降速度を検知してもよく、種々変形可能である。

上記実施形態では、インクジェットヘッドの製造装置は圧力値、荷重値や速度値は、圧電部材の物性、ツールの物性、ツール形状、砥粒等により異なるので、実験的に最適値を求める。圧電部材１０がスラリ１９に浸けられていたが、圧電部材１０がスラリ１９に浸けられていない状態で被加工面９にスラリ供給具からのスラリ１９が供給されてもよい。図１のワイヤ放電加工の構成は種々の変形可能であり、この構成に限定されるものではない。

加工工具にはダイヤモンドチップが用いられていたが、圧電部材の硬度よりも大きい硬度を持つ材質の硬質刃を用いることができる。フローチャートは一例であり。その変更をして実施をしたに過ぎない実施品に対して実施形態に係るインクジェットヘッドの製造装置の優位性は何ら損なわれるものではない。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

７…超音波加工部、８…インクジェットヘッド、９…被加工面、１０…圧電部材、１１…加工工具、１７…刃、１８…基台、１９…スラリ、２０…コントローラ、３８…溝。

Claims

インク孔の配列方向に沿う複数の溝が加工される被加工面を有する圧電部材を固定する基台と、
前記圧電部材の前記複数の溝の溝形状に対応する凹凸形状をそれぞれ有する複数の刃を一方向に有する加工工具と、
この加工工具の前記圧電部材に対する位置決め、前記加工工具に対する前記刃から前記被加工面への押圧力の付与、および超音波振動を前記刃に加える超音波加工部と、
この超音波加工部の前記押圧力による前記刃および前記被加工面間の接触面積上の荷重の大きさを検知する荷重センサと、
前記加工工具の前記圧電部材に対する相対的な速度を検知し、この荷重センサからの前記荷重の大きさを一定に制御する前記超音波加工部のコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記速度が第１の速度値から減少してこの第１の速度値よりも小さい一定の第２の速度値であり前記第２の速度値が一定時間継続することを検出し、この検出により前記荷重の大きさを第１の荷重値からこの第１の荷重値よりも大きい第２の荷重値にするインクジェットヘッドの製造装置。
前記コントローラは前記第２の速度値の継続時間が予め保持する閾値を超えることにより前記一定時間の継続を検出する請求項１記載のインクジェットヘッドの製造装置。
インク孔の配列方向に沿う複数の溝が加工される被加工面を有する圧電部材に対して、前記複数の溝の溝形状に対応する凹凸形状をそれぞれ有する複数の刃を一方向に有する加工工具を位置決めし、
前記刃に超音波振動を加えて前記刃から前記被加工面への押圧力の付与を開始し、
前記加工工具の前記圧電部材に対する相対的な速度の検知を開始し、
前記押圧力による前記刃および前記被加工面間の接触面積上の荷重の大きさを荷重センサからの検知出力によって第１の荷重値に一定に制御し、
前記速度が第１の速度値から減少してこの第１の速度値よりも小さい一定の第２の速度値であり前記第２の速度値が一定時間継続することの検出により、前記荷重の大きさを前記第１の荷重値からこの第１の荷重値よりも大きい第２の荷重値にするインクジェットヘッドの製造方法。
前記荷重の大きさを前記第１の荷重値から前記第２の荷重値にする際、
前記第２の速度値の継続時間が予め保持する閾値を超えることにより前記一定時間の継続を検出する請求項３記載のインクジェットヘッドの製造方法。