KR20120028240A - 액체 분사 헤드, 액체 분사 장치 및 액체 분사 헤드의 제조 방법 - Google Patents

액체 분사 헤드, 액체 분사 장치 및 액체 분사 헤드의 제조 방법 Download PDF

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KR20120028240A
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piezoelectric
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오사무 고세키
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에스아이아이 프린텍 가부시키가이샤
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Abstract

오목부(3)를 구성하는 측벽(10)의 두께가 압력실(4)의 배열 피치나 구동 조건에 영향을 주지 않도록 하여 설계 자유도를 확대시킨 액체 분사 헤드(1)를 제공한다.
표면에 오목부(3)로 이루어지는 압력실(4)을 소정 방향으로 복수 배열하는 기체(2)와, 오목부(3)의 측벽(10) 상면에 접합하고, 오목부(3)의 개구단을 폐색하는 압전체 기판(5)과, 압력실(4)에 액체를 공급하는 액체 공급실(6)과, 압력실(4)로부터 액체를 토출하는 토출 구멍(22)을 구비하고, 압전체 기판(5)은 압전체 기판(5)의 기판면과 평행 방향으로 균일하게 분극되고, 압전체 기판(5)의 압력실(4)과는 반대측의 표면 및 압력실(4)측의 이면에 압전체 기판(5)을 사이에 끼우는 한 쌍의 표면 및 이면 구동 전극(9a, 9b)이 개구단의 대략 중앙부로부터 오목부(3)의 측벽(10)까지 연장시켰다.

Description

액체 분사 헤드, 액체 분사 장치 및 액체 분사 헤드의 제조 방법{LIQUID JET HEAD, LIQUID JET APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING LIQUID JET HEAD}
본 발명은, 압력실을 구성하는 오목부의 측벽 상면에 기판면에 평행 방향으로 분극한 압전체를 접합하고, 두께 미끄럼 변형을 야기시켜 액체를 토출하는 액체 분사 헤드, 액체 분사 장치 및 액체 분사 헤드의 제조 방법에 관한 것이다.
근래, 기록지 등에 잉크 방울을 토출하고, 문자, 도형을 그리는, 또는 소자 기판의 표면에 액체 재료를 토출하여 기능성 박막의 패턴을 형성하는 잉크젯 방식의 액체 분사 헤드가 이용되어 있다. 이 방식은, 잉크나 액체 재료를 액체 탱크로부터 공급관을 통해 액체 분사 헤드에 공급하고, 액체 분사 헤드에 형성한 미소 공간에 이 잉크를 충전하고, 구동 신호에 따라서 미소 공간의 용적을 순간적으로 축소하여 이 미소 공간에 연통하는 노즐로부터 액적을 토출시킨다.
이런 종류의 액체 분사 헤드는 많은 방식이 제안되어 왔지만, 그 중 압전 소자의 두께 미끄럼 모드를 이용한 액체 분사 헤드는, 구동 효율이 좋고, 고밀도화가 가능하다. 예를 들면 특허 문헌 1에는 압전체의 두께 미끄럼 모드를 이용한 잉크젯 헤드가 기재되어 있다. 미리 판면에 수직 방향으로 분극 처리가 실시된 압전체 재료로 이루어지는 저부 시트가 준비되고, 이 저부 시트의 표면에 다이싱 블레이드를 이용하여 다수의 병렬하는 홈이 형성된다. 각 홈의 측벽에는 구동용의 전극이 형성되고 홈의 상부 개구는 절연성의 상부 시트에 의해 막혀 있다. 그리고, 전극에 전압이 주어져 분극 방향과 직교하는 방향으로 전계가 인가되면, 홈을 구성하는 측벽에는 전단형의 왜곡이 발생하여 홈에 의해 구성되는 미소 공간의 용적이 변화한다. 이 용적 변화에 의해 홈에 충전된 액체가 홈에 연통하는 노즐로부터 토출된다.
특허 문헌 2에는, 마찬가지로 미소 공간의 용적을 압전체의 두께 미끄럼 변형을 이용하여 변화시키는 잉크 분사 헤드가 기재되어 있다. 강성 부여 플레이트 상에 압력실용 플레이트가 적층되고 오목부로 이루어지는 압력실이 구성된다. 압력실의 상단 개구부에는 압전성 플레이트로 이루어지는 트랜스듀서가 설치되어 있다. 압전성 플레이트는 플레이트면과 평행 방향으로 분극 처리가 실시되고, 분극 방향은 압력실의 중앙부를 경계로 서로 역방향을 향하고 있다. 압전성 플레이트의 압력실측과 그 반대측의 외측의 표면에는 전극이 형성되고, 이 전극에 전압을 부여함으로써 압전성 플레이트의 판두께 방향으로 전계가 인가된다. 판두께 방향의 전계 인가에 의해, 압전성 플레이트는 압력실의 중앙부를 경계로 서로 역방향의 두께 미끄럼 응력이 발생하고, 압전성 플레이트는 오목부측 또는 그 반대측으로 변형하는 전단 운동을 행한다. 이 전단 운동에 의해 압력실에 충전된 잉크가 압력실에 연통하는 오리피스부터 토출된다.
특허 문헌 3에는, 마찬가지로 미소 공간의 용적을 압전체의 두께 미끄럼 변형을 이용하여 변화시키는 잉크젯 프린터 헤드가 기재되어 있다. 채널 본체에 형성된 오목부의 상단 개구부에 세라믹스 박판이 설치되고, 채널이 구성되어 있다. 세라믹스 박판은, 판면에 대해서 수직 방향으로 분극한 압전 세라믹스층과 내부 전극층이 횡방향(판면 방향)으로 적층된 구조를 가지고 있다. 세라믹스 박판은, 내부 전극층이 오목부의 양측벽의 상부와 오목부 상단의 중앙부에 위치하도록 오목부의 측벽 상단부에 접착되어 있다. 따라서, 판면에 대해서 수직 방향으로 분극된 압전 세라믹스층이, 오목부의 상단 중앙부에 위치하는 내부 전극층과 오목부의 양측벽의 상부에 위치하는 내부 전극층에 의해 끼워지는 구조를 가지고 있다. 오목부 상단의 중앙부의 내부 전극층과 양측벽의 상부의 내부 전극층에 전압을 부여하여, 압전 세라믹스층의 분극 방향과 직교하는 방향으로 전계를 인가한다. 오목부 상단의 중앙부의 양측에 위치하는 압전 세라믹스에는, 세라믹스 박판의 판면 방향이며, 오목부 상단의 중앙부를 경계로 서로 역방향의 전계가 인가된다. 이로 인해, 세라믹스 박판에 미끄럼 변형을 발생시켜 오목부로 이루어지는 채널의 용적이 축소 또는 증대하고, 채널 내에 충전된 잉크가 토출된다.
특허 문헌 4에는, 마찬가지로 미소 공간의 용적을 압전체의 두께 미끄럼 변형을 이용해 변화시키는 잉크젯 프린터 헤드가 기재되어 있다. 오목부가 형성된 본체 플레이트의 상단 개구부에, 비압전성 부재의 사이에 압전성 부재가 접착된 구동 플레이트가 설치되고, 압력실이 구성되어 있다. 구동 플레이트는, 압전성 재료로 이루어지는 박판의 양단이 비압전성 재료에 의해 접착된 박판으로 이루어지는, 이 접착부가 오목부 상단의 중앙부와 오목부의 측벽 상부에 위치한다. 그리고, 측벽 상부의 비압전성 부재는 측벽의 두께와 같은 폭을 가지며, 중앙부의 비압전성 부재는 보다 좁은 폭을 가진다. 오목부 상단의 중앙부를 경계로 좌우의 압전성 재료로 이루어지는 박판은 판면 내의 같은 방향으로 분극되거나 또는 서로 역방향으로 분극되어 있다. 압전 재료로 이루어지는 박판의 압력실측의 이면과 그 반대측의 표면에 대향하도록 한 쌍의 구동용의 전극이 형성되어 있다. 이 한 쌍의 전극에 전압을 인가함으로써, 분극 방향으로 직교하는 방향으로 전계가 인가되고, 압전성 재료는 쉐어 모드 변형한다. 오목부 상단 개구부의 중앙부를 경계로 좌우의 압전성 재료의 분극 방향이 같은 경우는, 좌우의 압전성 재료에 역방향의 전계를 인가하고, 좌우의 압전성 재료의 분극 방향이 역방향인 경우는, 좌우의 압전성 재료에 같은 방향의 전계를 인가한다. 이로 인해 구동 플레이트는 압력실측 또는 그 반대측으로 변형하고, 압력실에 충전된 잉크가 압력실에 연통하는 오리피스로부터 토출된다.
일본국 특허 2666087호 공보 일본국 특허 공표 H02-501467호 공보 일본국 특허 2867437호 공보 일본국 특허 공개 평05-50595호 공보
그러나, 특허 문헌 1에 기재되는 잉크젯 헤드는, 압전체 기판의 표면에 다이싱 블레이드를 이용하여 홈을 형성하지만, 다이싱 블레이드의 날의 형상에 따라 홈의 길이의 제약을 받고, 홈의 배열 피치나 그 용적과 압전 재료로 이루어지는 측벽의 두께 등이 강하게 상관되고, 설계 자유도가 작다. 또, 특허 문헌 2에 기재되는 잉크 분사 헤드는, 압전성 플레이트의 표리면에 구동 전극과는 다른 띠 형상의 복수의 극성 부여 전극을 형성하고, 기판 표면의 가로 방향으로 전계를 인가하여 압력실의 중앙부를 경계로 서로 역방향으로 분극한다. 그 때문에, 압전성 플레이트에 분극용의 전극 영역이 필요하게 되고, 압력실의 폭을 좁게 형성하여 잉크 토출 노즐의 배열을 고밀도화하는 것이 곤란했다. 특허 문헌 3에 기재되는 잉크젯 헤드는, 적층 세라믹스를 형성할 때에, 압전 세라믹스 재료와 서미스터 재료를 교대로 적층하여 일체 소성하고 있다. 그러나, 예를 들면 백 노즐의 잉크젯 헤드를 형성하는데 그 2배인 200매의 압전 세라믹스 재료와 서미스터 재료를 적층하여 소결하지 않으면 안되고, 노즐 피치를 정확하게 제어하는 것이 곤란해지고, 현실적으로 실현할 수 없다. 또, 특허 문헌 4에 기재되는 잉크젯 프린터 헤드는, 상기 특허 문헌 3과 같이 방대한 수의 압전성 부재와 비압전성 부재를 적층하지 않으면 안되고, 또한 비압전성 부재는 두꺼운 층과 얇은 층을 교대로 적층 형성하는 것이 필요하게 되고, 현실적으로 실현하는 것이 매우 어렵다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 설계 자유도가 크고 또한 용이하게 제조할 수 있는 액체 분사 헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 액체 분사 헤드는, 표면에 오목부로 이루어지는 압력실을 소정 방향으로 복수 배열하는 기체(基體)와, 상기 오목부의 측벽 상면에 접합하고, 상기 오목부의 개구단을 폐색하는 압전체 기판과, 상기 압력실에 액체를 공급하는 액체 공급실과, 상기 압력실로부터 액체를 토출하는 토출 구멍을 구비하고, 상기 압전체 기판은 상기 압전체 기판의 기판면과 평행 방향으로 균일하게 분극되고, 상기 압전체 기판의 상기 압력실과는 반대측의 표면 및 상기 압력실측의 이면에 상기 압전체 기판을 사이에 끼우는 한 쌍의 구동 전극이 상기 개구단의 대략 중앙부로부터 상기 오목부의 측벽부까지 연장되도록 했다.
또, 인접하는 오목부의 개구단을 폐색하는 압전체 기판은, 인접하는 오목부의 사이에 설치되는 측벽 상면에 있어서 분리되는 것으로 했다.
또, 상기 토출 구멍은 상기 오목부의 측벽측에 설치되어 있는 것으로 했다.
또, 상기 토출 구멍에 근접하는 오목부의 저면은 상기 토출 구멍의 개구부를 향해 깊이가 점차 얕아지도록 경사지고, 상기 토출 구멍에 근접하는 오목부의 측벽은 상기 토출 구멍의 개구부를 향해 폭이 점차 좁아지는 깔때기 형상을 가지고 있는 것으로 했다.
또, 상기 액체 공급실은, 상기 오목부의 저면 또는 측벽면에 개구하는 개구부를 통해 상기 압력실과 연통하고, 상기 소정 방향을 따라 상기 기체에 형성되고, 상기 복수의 압력실과 연통하는 것으로 했다.
또, 상기 기체의 표면에, 상기 액체 공급실에 액체를 공급하기 위한 액체 공급구가 설치되어 있는 것으로 했다.
또, 상기 토출 구멍은 상기 오목부의 저부측에 설치되어 있는 것으로 했다.
또, 상기 토출 구멍은 상기 오목부의 대략 중앙의 저부측에 설치되어 있는 것으로 했다.
또, 상기 압력실로부터 액체를 배출하는 액체 배출실을 더 구비하고, 상기 액체 공급실은, 상기 압력실을 구성하는 오목부의 단부에 설치되고, 상기 액체 배출실은, 상기 압력실에 연통하고, 상기 압력실을 사이에 두고 상기 액체 공급실과는 반대측의 단부에 설치되어 있는 것으로 했다.
또, 상기 액체 배출실은, 상기 오목부의 저면 또는 측벽면에 개구하는 개구부를 통해 상기 압력실과 연통하고, 상기 소정 방향을 따라 상기 기체에 형성되고, 상기 복수의 압력실과 연통하는 것으로 했다.
또, 상기 기체의 표면에, 상기 액체 배출실로부터 액체를 배출하기 위한 액체 배출구가 설치되어 있는 것으로 했다.
또, 상기 기체는, 상기 압전체 기판의 이면에 형성한 구동 전극과 전기적으로 접속하는 공통 전극을 가지는 것으로 했다.
또, 상기 공통 전극은, 상기 소정 방향을 따르도록 상기 기판에 형성된 관통 구멍과 상기 관통 구멍에 충전된 도전 재료로 이루어지는 것으로 했다.
본 발명에 의한 액체 분사 장치는, 상기 어느 하나에 기재된 액체 분사 헤드와, 상기 액체 분사 헤드를 왕복 이동시키는 이동 기구와, 상기 액체 분사 헤드에 액체를 공급하는 액체 공급관과, 상기 액체 공급관에 상기 액체를 공급하는 액체 탱크를 구비한다.
본 발명에 의한 액체 분사 헤드의 제조 방법은, 판두께 방향으로 분극된 압전체 부재를 판두께 방향으로 적층 접착하여 압전체 블록을 형성하는 적층 접착 공정과, 상기 압전체 블록을 상기 분극 방향이 기판면에 평행해지는 방향으로 절단 분리하여 압전체 기판을 얻는 절단 공정과, 상기 압전체 기판의 이면에 상기 분극 방향과 직교하는 방향으로 가늘고 긴 복수의 띠형상의 이면 구동 전극을 병렬로 형성하는 이면 전극 형성 공정과, 표면에 오목부로 이루어지는 압력실을 소정 방향으로 복수 배열한 기체를 형성하는 기체 형성 공정과, 상기 압전체 기판의 상기 적층 접착된 접착면을 상기 오목부의 측벽 상부에 배치하여 상기 압전체 기판을 상기 오목부의 상면에 접합하는 접합 공정과, 상기 압전체 기판의 표면에 상기 분극 방향과 직교하는 방향으로 가늘고 긴 복수의 띠 형상의 표면 구동 전극을, 상기 압전체 기판을 사이에 두고 상기 이면 구동 전극에 대향하는 위치에 병렬로 형성하는 표면 전극 형성 공정과, 상기 오목부의 측벽 상면에 접합한 상기 압전체 기판을 분할하는 압전체 기판 분할 공정을 구비한다.
또, 상기 접합 공정 후에, 상기 압전체 기판을 연삭하는 연삭 공정을 포함하는 것으로 했다.
본 발명의 액체 분사 헤드는, 표면에 오목부로 이루어지는 압력실을 소정 방향으로 복수 배열하는 기체와, 오목부의 측벽 상면에 접합하고, 오목부의 개구단을 폐색하는 압전체 기판과, 압력실에 액체를 공급하는 액체 공급실과, 압력실로부터 액체를 토출하는 토출 구멍을 구비하고 있다. 압전체 기판은 이 압전체 기판의 기판면과 평행 방향으로 균일하게 분극되고, 압전체 기판의 압력실과는 반대측의 표면 및 상기 압력실측의 이면에 상기 압전체 기판을 사이에 끼우는 한 쌍의 구동 전극이 상기 개구단의 대략 중앙부로부터 오목부의 측벽부까지 연장되는 구성으로 했다. 이로 인해, 오목부를 구성하는 측벽의 두께나 길이에 관계없이 압전체 기판에 두께 미끄럼 변형을 발생시킬 수 있으므로, 압력실의 구동 조건이나, 압력실의 길이나 배열 피치의 설계 자유도가 증대하고, 또한, 구조가 간단하고 제조가 용이한 액체 분사 헤드를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 액체 분사 헤드의 기본적인 구성을 나타내는 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드의 모식적인 부분 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드의 종단면 모식도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드의 모식적인 부분 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드의 종단면 모식도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드의 모식적인 부분 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드의 종단면 모식도이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드의 종단면 모식도이다.
도 10은 본 발명의 액체 분사 헤드의 기본적인 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
도 11은 본 발명의 제6 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드의 제조 방법에 있어서의 적층 접착 공정을 나타내는 모식도이다.
도 12는 본 발명의 제6 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드의 제조 방법에 있어서의 절단 공정을 나타내는 모식도이다.
도 13은 본 발명의 제6 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드의 제조 방법에 있어서의 이면 전극 형성 공정 후의 압전체 기판의 모식적인 사시도이다.
도 14는 본 발명의 제6 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드의 제조 방법에 있어서의 기체 형성 공정 후의 기체의 단면 모식도이다.
도 15는 본 발명의 제6 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드의 제조 방법에 있어서의 접합 공정 후의 기체의 단면 모식도이다.
도 16은 본 발명의 제6 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드의 제조 방법에 있어서의 표면 전극 형성 공정 후의 기체의 단면 모식도이다.
도 17은 본 발명의 제6 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드의 제조 방법에 있어서의 압전체 기판 분할 공정 후의 기체의 단면 모식도이다.
도 18은 본 발명의 제7 실시 형태에 관련되는 액체 분사 장치의 모식적인 사시도이다.
〈액체 분사 헤드〉
도 1은 본 발명의 액체 분사 헤드(1)의 기본적인 구성을 나타내는 단면 모식도이다. 도 1(a)는 오목부(3)로 이루어지는 압력실(4)을 소정 방향으로 복수 배열한 상태를 나타내는 단면 모식도이며, (b)는 1개의 압력실(4)의 단면 모식도이며, (c)는 전극에 전압을 인가하여 두께 미끄럼 변형이 발생한 상태의 모식도이다. 본 발명의 액체 분사 헤드(1)는, 표면에 오목부(3)로 이루어지는 압력실(4)이 소정 방향인 X 방향으로 복수 배열하는 기체(2)와, 오목부(3)의 측벽(10)의 상면에 접합하고, 오목부(3)의 개구단을 폐색하는 압전체 기판(5)을 구비하고 있다. 또한, 압력실(4)에 액체를 공급하기 위한 도시를 생략한 액체 공급실과, 압력실(4)로부터 액체를 토출하는 도시를 생략한 토출 구멍을 구비하고 있다.
압전체 기판(5)은, 압전체 기판(5)의 기판면과 평행한 방향으로 균일하게 분극되어 있다(분극(P)). 압전체 기판(5)의 압력실(4)과는 반대측의 표면(FS)과 압력실(4)측의 이면(BS)에, 압전체 기판(5)을 사이에 끼우는 한 쌍의 구동 전극(9a, 9b)이 형성되어 있다. 한 쌍의 표면 구동 전극(9a, 9b)은, 오목부(3) 개구단의 대략 중앙으로부터 오목부(3)의 측벽(10)까지 연장된다. 즉, 한 쌍의 구동 전극(9a, 9b)은 오목부(3) 개구단의 대략 중앙으로부터 개구단의 대략 절반의 영역의 압전체 기판(5)을 사이에 두고 있다. 도 1(c)에 나타내는 바와 같이, 이 한 쌍의 구동 전극(9a, 9b)에 전압을 부여하여 분극(P) 방향으로 직교하는 방향으로 전계를 인가한다. 이로 인해 압전체 기판(5)에 두께 미끄럼 응력이 발생하여 압전체 기판(5)이 오목부(3)의 내측으로 변형하고(극성을 반전시키면 외측으로 변형하고), 압력실(4)에 충전된 액체가 압력실(4)에 연통하는 도시를 생략한 토출 구멍으로 부터 토출된다.
이와 같이, 측벽(10)의 두께나 길이에 관계없이 압전체 기판(5)에 두께 미끄럼 변형을 발생시킬 수 있으므로, 압력실의 구동 조건이나 X 방향의 피치나 길이의 설계 자유도가 증대한다. 또, 오목부(3)의 개구단의 압전체 기판(5)은 균일하게 분극하므로, 분극 방향을 분리하는 전극 영역이나 접착 영역을 끼울 필요가 없고, 구조가 간단하고 각 압력실의 구동 조건을 균등화할 수 있다. 또, 극성 부여 전극과 같은 기판면의 면내 방향으로 분극을 야기시키기 위한 전극도 필요가 없기 때문에, 압력실(4)을 고밀도로 배열할 수 있다. 또, 도 1에 나타내는 바와 같이, 인접하는 오목부(3)에 접합한 압전체 기판(5)을 분할 홈(24)에 의해 분리했기 때문에, 인접하는 압력실(4)의 압전체 기판(5)과의 사이의 용량 결합이 저하하고, 구동 신호의 누락에 의한 크로스토크를 저감시킬 수 있다.
또한, 압전체 기판(5)은, 뒤에 상세하게 설명하지만, 판면에 수직으로 분극한 압전체 재료를 적층 접착하여 압전체 블록을 형성하고, 이 압전체 블록을 분극 방향이 판면에 평행해지는 방향으로 절단 분리하여 형성할 수 있다. 이 경우에, 압전체 기판의 이음매인 접착면이 오목부의 구동 영역에 들어가지 않도록 압전체 기판을 측벽의 상면에 접합하므로, 각 압력실의 액적 토출 성능을 균등화할 수 있다. 압전체 기판(5)으로서, 티탄산지르콘산연(PZT), 티탄산바륨(BaTiO3) 등의 압전체 재료를 사용할 수 있다. 구동 전극(9a, 9b)은 금속 재료를 증착법이나 스퍼터링법에 의해 퇴적하고, 패터닝하여 형성할 수 있다. 기체(2)는 세라믹스 재료나 유리 재료, 그 외의 재료를 사용할 수 있다. 이 경우에, 압전체 기판(5)의 열팽창 계수에 근사하는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 이하, 본 발명의 액체 분사 헤드(1)의 실시 형태에 대해서 도면을 이용하여 상세하게 설명한다.
(제1 실시 형태)
도 2는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드(1)의 모식적인 부분 사시도이다. 이미 설명한 도 1(a)의 종단면 모식도는 도 2의 부분 AA의 종단면도이다. 도 3은 도 2의 부분 BB의 종단면 모식도이다. 본 제1 실시 형태는 엣지 슛형의 액체 분사 헤드(1)이다.
도 2, 도 3 및 도 1(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 기체(2)는, Y 방향으로 가늘고 길고, X 방향으로 배열하는 오목부(3)를 구비하고 있다. 오목부(3)를 구성하는 측벽(10)의 상면과, 기체(2)의 -Y 방향측의 단부(이하, 기체(2)의 후방단이라고 한다.)의 +Z방향의 상면(이하, 기체(2)의 표면이라고 한다.)에 압전체 기판(5)이 접합되어 있다. 오목부(3)와 이 오목부(3)의 개구단을 폐색하는 압전체 기판(5)에 의해 압력실(4)을 구성하고 있다. 압전체 기판(5)은, 판면에 평행한 X 방향으로 분극하고 있고, 인접하는 오목부(3)의 압전체 기판(5)과는 분할 홈(24)에 의해 분리되어 있다. 압전체 기판(5)은, 그 압력실(4)과는 반대측의 표면(FS)과 압력실(4)측의 이면(BS) 사이에 압전체 기판(5)을 끼우는 한 쌍의 구동 전극(9a, 9b)을 구비하고 있다. 이 한 쌍의 구동 전극(9a, 9b)은, 오목부(3)의 개구단의 대략 중앙으로부터 -X 방향측의 측벽(10)까지 연장되어 있다. 한 쌍의 구동 전극(9a, 9b)에 전압을 부여함으로써 압전체 기판(5)의 분극(P)과 직교하는 방향으로 전계가 인가되고, 압전체 기판(5)에 두께 미끄럼 응력을 발생시킨다. 이 응력에 기초하여 압전체 기판(5)은 오목부(3)측 또는 이것과 반대측으로 변형한다.
노즐 플레이트(21)는 Y 방향으로 가늘고 긴 오목부(3)의 +Y 방향측의 단부(이하, 오목부(3)의 전방단이라고 한다)에 설치되어 있다. 노즐 플레이트(21)는 복수의 토출 구멍(22)을 가지며, 각 토출 구멍(22)은 각 오목부(3)에 연통하도록 대응하고 있다. 즉, 노즐 플레이트(21)는 오목부(3)의 전방단에 있어서 오목부(3)의 측벽을 구성하고, 따라서 토출 구멍(22)은 오목부(3)의 측벽에 설치한 것으로 간주할 수 있다. 기체(2)는 액체 공급실(6)을 구비하고 있다. Y 방향으로 가늘고 긴 오목부(3)의 -Y 방향측의 단부(이하, 오목부(3)의 후방단이라고 한다.)의 저면에 개구부(18)가 개구하고, 그 저부에 형성한 액체 공급실(6)과 연통하고 있다. 액체 공급실(6)은, 다른 오목부(3)의 후방단의 저면 하부에 연장시켜 다른 오목부(3)와 연통하고 있다. 따라서, 액체 공급실(6)로부터 각 오목부(3)에 액체를 유입하여 각 압력실(4)에 액체를 충전시킬 수 있다.
기체(2)는, 그 후방단의 근방에 관통 구멍(14)을 구비하고, 관통 구멍(14)에는 도전 재료(15)가 충전되어 있다. 관통 구멍(14)은, 기체(2)의 -Z측의 하면(이하, 기체(2)의 이면이라고 한다.)에 가까워짐에 따라 직경이 확대하도록 그 측벽에 테이퍼가 붙여지고, 형 성형을 용이하게 하고 있다. 관통 구멍(14)은 X 방향으로 연장되고, 도전 재료(15)는 다른 압전체 기판(5)의 이면(BS)에 형성한 이면 구동 전극(9b)과 전기적으로 접속하여 공통 전극(13)을 구성하고 있다.
액체 분사 헤드(1)는 다음과 같이 동작한다. 액체 공급실(6)로부터 압력실(4)에 잉크 등의 액체를 공급하여 충전하고, 공통 전극(13)과 표면 구동 전극(9a)의 사이에 구동 신호를 부여한다. 그러면, 표면 구동 전극(9a)과 이면 구동 전극(9b)에 끼워지는 압전체 기판(5)이 두께 미끄럼 변형한다. 예를 들면 풀아웃법에서는, 압력실(4)의 용적을 일단 확대시키고, 다음에 축소시켜 액체에 압력을 더하고, 토출 구멍(22)으로부터 액적을 +Y 방향으로 토출한다.
압전체 기판(5)으로서 PZT 세라믹 재료를 사용하고 있다. 기체(2)는 절연성 세라믹스 재료를 사용하고 있다. 압전체 기판(5)은 기체(2)의 측벽(10)의 상면에 접착제에 의해 접합되어 있다. 노즐 플레이트(21)는 폴리이미드로 이루어지는 박막을 사용할 수 있다. 액체 분사 헤드(1)의 형상은 다음과 같다. 기체(2)에 형성한 오목부(3)의 Y 방향의 길이를 5㎜?8㎜로 하고, X 방향의 폭을 0.2㎜?0.3㎜로 하고, 깊이를 대략 0.2㎜로 한다. 오목부(3)의 측벽(10)의 두께를 약 80㎛로 한다. 압전체 기판(5)의 Y 방향의 길이를 5㎜?10㎜로 하고, 폭을 0.25㎜?0.35㎜로 하고, 두께를 0.01㎜?0.1㎜로 한다. 또한, 이들 재료나 치수는 일례이며, 본 발명이 이들 재료나 치수에 한정되는 것은 아니다.
본 실시 형태에서는, 압력실(4)의 피치나 구동 조건을 측벽(10)의 두께에 거의 독립하여 설정할 수 있으므로 액체 분사 헤드(1)의 설계 자유도가 크다. 또, 오목부(3)의 개구단의 압전체 기판(5)은 균일하게 분극하므로, 분극 방향을 분리하는 전극 영역이나 접착 영역을 사이에 둘 필요가 없고, 구조가 간단하고 각 압력실의 구동 조건을 균등화할 수 있다. 또, 극성 부여 전극과 같은 분극 형성용의 전극도 필요가 없기 때문에, 압력실(4)을 고밀도로 배열할 수 있다. 또, 압력실을 구동하는 구동 신호가 인접하는 압력실의 압전체 기판(5)에 누출되고, 크로스토크가 발생하는 것을 저감시킬 수 있다. 또, 각 압전체 기판(5)의 이면에 형성한 이면 구동 전극(9b)을 관통 구멍(14)에 충전한 도전 재료(15)와 전기적으로 접속하여 공통 전극(13)으로서 취출하므로, 기체(2)의 표면에 배선 패턴을 형성할 필요가 없다.
또한, 기체(2)의 후방단 근방에 관통 구멍(14)을 형성하고, 도전 재료(15)를 충전하여 공통 전극(13)으로 하는 대신에, 기체(2)의 후방단 근방의 표면에 공통 전극을 형성해 두고, 압전체 기판(5)을 기체(2)의 표면에 접합할 때에 각 압전체 기판(5)의 이면에 형성한 각 이면 구동 전극(9b)과 기체(2) 표면에 형성한 공통 전극을 전기적으로 접속하도록 구성할 수 있다. 이로 인해, 구동용 전극을 모두 기체(2)의 표면에 집약적 형성하여 구동 회로와의 접속을 간단화할 수 있다.
(제2 실시 형태)
도 4는, 본 발명의 제2 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드(1)를 설명하기 위한 도면이며, (a)가 종단면 모식도이며 (b)가 상면 모식도이며, 모두 1개의 압력실(4)만 나타내고 있다. 제1 실시 형태와 다른 부분은 압력실(4)의 전단부가 좁혀진 구조를 가지고 있는 점이며, 그 외의 구성은 제1 실시 형태와 같다.
도 4(a) 및 (b)에 나타내는 바와 같이, 기체(2)의 전방단으로부터 후방단에 걸쳐 가늘고 긴 오목부(3)가 연장되고, 오목부(3)의 측벽의 상면에 오목부(3)의 개구단을 폐색하도록 압전체 기판(5)이 접착제에 의해 접합되어 있다. 기체(2)의 전방단에는 노즐 플레이트(21)가 접착하고, 노즐 플레이트(21)에 형성한 토출 구멍(22)이 오목부(3)에 의해 구성되는 압력실(4)에 연통한다. 오목부(3)의 후방단의 저면에는 개구부(18)가 개구하고, 그 저부에 형성된 액체 공급실(6)에 연통한다. 기체(2)는 그 후방단의 근방에 관통 구멍(14)을 구비하고, 관통 구멍(14)에는 도전 재료(15)가 충전되어 있다. 도전 재료(15)는 압전체 기판(5)의 이면에 형성한 이면 구동 전극(9b)과 전기적으로 접속하여 공통 전극(13)을 구성한다. 또한, ±X 방향으로는 같은 구성의 오목부(3)가 배열되어 있다.
도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 오목부(3)의 저면은 오목부(3)의 전방단을 향해 점차 얕아지도록 경사(23)가 부여되어 있다. 또한, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 오목부(3)의 폭은 오목부(3)의 전방단을 향해 좁아지는 깔때기형(25)을 가지고 있다. 이로 인해, 압력실(4) 내에 충전한 액체가 체류하는 체류 영역을 감소시키고, 액체 내에 혼입한 기포나 이물이 압력실(4) 내에 잔류하고, 토출 불량이 되는 것을 저감시키고 있다. 그 외의 구성은 제1 실시 형태와 동일하므로, 설명을 생략한다.
(제3 실시 형태)
도 5 및 도 6은, 본 발명의 제3 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드(1)를 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 액체 분사 헤드(1)의 모식적인 부분 사시도이며, 도 6 (a), (b)는 부분 CC의 종단면 모식도이며, (c)는 부분 DD의 종단면 모식도이다. 본 제3 실시 형태는 사이드 슛형의 액체 분사 헤드(1)이다. 동일한 부분 또는 동일한 기능을 가지는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 기체(2)는, Y 방향으로 가늘고 긴 오목부(3)로 이루어지고, X 방향으로 배열하는 복수의 압력실(4)을 구비하고 있다. 오목부(3)의 Y 방향의 양단부는 기체(2)의 측벽(10)에 의해 둘러싸여 있다. 각 오목부(3)를 구성하는 측벽(10)의 상면과 기체(2)의 후방단측의 표면에 압전체 기판(5)을 접합하고, 각 오목부(3)의 개구단을 폐색하여 압력실(4)을 구성하고 있다. 각 오목부(3)의 상단 개구부에 설치한 압전체 기판(5)은, 판면에 평행한 X 방향으로 분극하고 있고(분극(P)), 또한 인접하는 오목부(3)의 상부에 접합한 압전체 기판(5)과는 분할 홈(24)에 의해 분리되어 있다. 압전체 기판(5)은, 오목부(3)와는 반대측의 표면(FS)과 오목부(3)측의 이면(BS)에 압전체 기판(5)을 사이에 끼우도록 한 쌍의 표면 구동 전극(9a)과 이면 구동 전극(9b)을 구비하고 있다. 이 한 쌍의 표면 및 이면 구동 전극(9a, 9b)은, 오목부(3)의 개구단의 대략 중앙으로부터 -X 방향의 측벽(10)까지 연장된다. 이 한 쌍의 표면 및 이면 구동 전극(9a, 9b)에 전압을 부여함으로써 압전체 기판(5)의 분극(P)과 직교하는 방향으로 전계가 인가되고, 압전체 기판(5)에 두께 미끄럼 응력이 발생하고, 이 응력에 기초하여 압전체 기판(5)은 오목부(3)측 또는 이것과 반대측으로 변형한다.
기체(2)는, 압전체 기판(5)을 접합한 표면과는 반대측의 이면에 접착제에 의해 접착한 노즐 플레이트(21)를 구비하고 있다. 기체(2)는, 오목부(3)의 후방단 근방의 저면에 개구부(18)를 가지며, 전방단 근방의 저면에 다른 개구부(18')를 가지고 있다. 개구부(18)는 그 하부의 노즐 플레이트(21)와 기체(2)에 둘러싸이는 액체 공급실(6)에 연통하고, 개구부(18')는 그 하부의 노즐 플레이트(21)에 형성한 토출 구멍(22)에 연통하고 있다. 따라서, 토출 구멍(22)은, 오목부(3)의 전방단 근방이며 오목부(3)의 폭 방향의 폭의 중앙부의 위치의 노즐 플레이트(21)에 설치되어 있다. 액체 공급실(6)은 다른 오목부(3)의 후방단 근방의 저면 하부에 연장 설치하여 다른 압력실(4)과 연통하고, 기체(2)의 -X 방향의 단부 근방의 표면에 형성한 액체 공급구(20)에 연통하고 있다. 이로 인해, 기체(2)의 표면측으로부터 액체의 공급을 가능하게 하고 있다.
기체(2)는 후방단 근방에 관통 구멍(14)을 구비하고 있다. 관통 구멍(14)에는 도전 재료(15)가 충전되고, 압전체 기판(5)의 이면(BS)에 형성한 이면 구동 전극(9b)에 전기적으로 접속하여 공통 전극(13)을 구성하고 있다. 관통 구멍(14)의 측벽은 기체(2)의 이면측에 직경이 확대하도록 테이퍼가 붙여져 있다. 관통 구멍(14)은 X 방향으로 연장되고, 도전 재료(15)가 다른 압전체 기판(5)의 이면(BS)에 형성한 이면 구동 전극(9b)과 전기적으로 접속하여 공통 전극(13)을 구성하고, 기체(2)의 -X 방향의 단부 근방의 표면에 표출되어 있다. 따라서, 공통 전극(13)에 기체(2)의 표면측으로부터 구동 신호를 공급할 수 있다.
액체 분사 헤드(1)는 다음과 같이 동작한다. 기체(2)의 표면에 설치한 액체 공급구(20)에 잉크 등으로 이루어지는 액체를 공급하고, 액체 공급실(6)을 통해 압력실(4)에 충전한다. 공통 전극(13)과 각 압전체 기판(5)에 형성한 개별의 표면 구동 전극(9a)의 사이에 구동 신호를 부여한다. 표면 구동 전극(9a)과 이면 구동 전극(9b)에 끼워지는 압전체 기판(5)이 두께 미끄럼 변형하고, 압력실(4)의 용적이 순간적으로 변화하여, 토출 구멍(22)으로부터 액적이 토출된다. 액적은 오목부(3)의 길이 방향과 직교하는 기체(2)의 이면측인 -Z방향으로 토출된다. 그 외, 압전체 기판(5)이나 기체(2)의 재료나 오목부(3)나 압전체 기판(5)의 형상은 제1 실시 형태와 같아서 설명을 생략한다.
이 구성에 의해, 측벽(10)의 두께나 길이에 관계없이 압전체 기판(5)에 두께 미끄럼 변형을 발생시킬 수 없기 때문에, 압력실의 구동 조건의 설정이나 X 방향의 피치나 길이 설계의 자유도가 크다. 또, 오목부(3)의 개구단의 압전체 기판(5)은 균일하게 분극하므로, 분극 방향을 분리하는 전극 영역이나 접착 영역을 사이에 둘 필요가 없고, 구조가 간단하고 각 압력실의 구동 조건을 균등화할 수 있다. 또, 극성 부여 전극과 같은 분극 형성용의 전극도 필요가 없기 때문에, 압력실(4)을 고밀도로 배열할 수 있다. 또, 인접하는 압력실(4)에 설치한 압전체 기판(5)은 분할 홈(24)에 의해 분리했기 때문에 구동 신호가 인접하는 압력실측에 누출되는 크로스토크를 저감시킬 수 있다. 또, 액체 공급구(20)나 공통 전극(13)을 기체(2)의 표면에 배치했으므로 기체(2)의 이면을 평탄화하고, 피기록 매체와의 사이의 거리를 접근시킬 수 있다.
(제4 실시 형태)
도 7 및 도 8은 본 발명의 제4 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드(1)를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 액체 분사 헤드(1)의 모식적인 부분 사시도이며, 도 8은 부분 EE의 종단면 모식도이다. 제3 실시 형태와 다른 부분은, 토출 구멍(22)을 압력실(4)의 길이 방향의 대략 중앙의 하부에 설치하고, 오목부(3)의 전방단 근방의 저부에 개구부(18b)와 액체 배출실(17)을 설치하고, 액체 공급실(6)로부터 압력실(4)에 유입한 액체를 액체 배출실(17)로부터 배출하는 스루 플로우형의 액체 분사 헤드(1)를 구성한 점이며, 그 외의 구성은 거의 제3 실시 형태와 같다. 동일한 부분 또는 동일한 기능을 가지는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
도 7 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 기체(2)는 Y 방향으로 가늘고 긴 오목부(3)로 이루어지고 X 방향으로 배열한 복수의 압력실(4)을 구비하고 있다. 오목부(3)는, Y 방향의 양단부가 기체(2)의 측벽(10a, 10b)에 의해 둘러싸여 있다. 각 오목부(3)를 구성하는 측벽(10)의 상단 개구부에 압전체 기판(5)이 접합되고, 압전체 기판(5)은 판면에 평행한 X 방향으로 분극하고, 인접하는 오목부(3)에 설치한 압전체 기판(5)과는 분할 홈(24)에 의해 분리되어 있다. 압전체 기판(5)은, 오목부(3)와는 반대측의 표면(FS)과 오목부(3)측의 이면(BS)에 압전체 기판을 사이에 끼우도록 한 쌍의 표면 구동 전극(9a)과 이면 구동 전극(9b)를 구비하고 있다. 이 한 쌍의 표면 및 이면 구동 전극(9a, 9b)은, 오목부(3)의 개구단의 대략 중앙으로부터 -X 방향의 측벽(10)까지 연장된다. 이 한 쌍의 표면 및 이면 구동 전극(9a, 9b)에 전압을 부여함으로써 압전체 기판(5)의 분극(P)과 직교하는 방향으로 전계가 인가되고, 압전체 기판(5)에 두께 미끄럼 응력이 발생하여 이 응력에 기초하여 압전체 기판(5)은 오목부(3)측 또는 이것과 반대측으로 변형한다.
기체(2)는, 그 이면에 접착된 노즐 플레이트(21)를 구비하고 있다. 기체(2)는, 오목부(3)의 후방단의 저부에 개구부(18a)를, 오목부(3)의 전방단의 저부에 개구부(18b)를, 또한 오목부(3)의 길이 방향의 중앙부의 저부에 개구부(18')를 가지고 있다. 개구부(18a)는 그 하부의 노즐 플레이트(21)와 기체(2)에 둘러싸이는 액체 공급실(6)에 연통하고, 개구부(18b)는 그 하부의 노즐 플레이트(21)와 기체(2)에 둘러싸이는 액체 배출실(17)에 연통하고, 개구부(18)는 그 하부의 노즐 플레이트(21)에 형성한 토출 구멍(22)에 연통하고 있다. 액체 공급실(6)과 액체 배출실(17)은, 다른 오목부(3)의 후방단 및 전방단의 각각의 저부에 연장되어 다른 오목부(3)와 연통하고, 또한 기체(2)의 -X 방향의 단부 근방의 표면에 형성한 액체 공급구(20) 및 액체 배출구(19)에 각각 연통하고 있다. 이로 인해, 기체(2)의 표면측으로부터 공급한 액체는, 액체 공급실(6)을 통해 압력실(4)에 유입하고, 압력실(4)로부터 액체 배출실(17)에 유출한 액체는 액체 배출구(19)로부터 배출된다. 기체(2)의 후방단 근방에 형성한 관통 구멍(14)에 도전 재료(15)를 충전하여 각 압전체 기판(5)의 이면에 형성한 이면 구동 전극(9b)에 전기적으로 접속하고, 또한, 기체(2)의 -X 방향의 단부 근방의 표면에 표출시킨 공통 전극(13)에 전기적으로 접속한다.
액체 분사 헤드(1)는 다음과 같이 동작한다. 액체 공급구(20)로부터 공급한 액체는 액체 공급실(6)을 통해 모든 압력실(4)에 유입한다. 그리고, 각 압력실(4)로부터 액체 배출실(17)에 유출한 액체는 액체 배출구(19)로부터 배출된다. 이와 같이, 모든 압력실(4)을 액체가 순환하도록 구성했다. 공통 전극(13)과 각 압전체 기판(5)에 형성한 개별의 표면 구동 전극(9a)의 사이에 구동 신호를 부여하면, 표면 및 이면 구동 전극(9a, 9b)에 끼워지는 압전체 기판(5)이 두께 미끄럼 변형하고, 압력실(4)의 용적이 순간적으로 변화하여 토출 구멍(22)으로부터 액적이 토출된다.
이와 같이 압력실(4) 내를 액체가 순환하므로 기포가 체류하기 어렵고 신선한 액체가 항상 공급되므로, 신뢰성이 높고 고품위의 기록을 행할 수 있는 액체 분사 헤드(1)를 구성할 수 있다. 더불어, 압력실(4)의 피치나 구동 조건을 측벽(10)의 두께에 거의 독립하여 설정할 수 있으므로, 액체 분사 헤드(1)의 설계 자유도가 크다. 또, 오목부(3)의 개구단의 압전체 기판(5)은 균일하게 분극하므로, 분극 방향을 분리하는 전극 영역이나 접착 영역을 사이에 둘 필요가 없고, 구조가 간단하고 각 압력실의 구동 조건을 균등화할 수 있다. 또, 극성 부여 전극과 같은 분극 형성용의 전극도 필요가 없으므로, 압력실(4)을 고밀도로 배열할 수 있다. 또, 인접하는 압력실(4)에 설치한 압전체 기판(5)은 분할 홈(24)에 의해 분리했으므로 용량 결합이 저감하고, 구동 신호의 누출에 의한 크로스토크를 저감시킬 수 있다.
(제5 실시 형태)
도 9는, 본 발명의 제5 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드(1)의 종단면 모식도이다. 제4 실시 형태와 다른 부분은, 액체 공급실(6)과 액체 배출실(17)의 용적을 확대한 점이며, 그 외의 구성은 제4 실시 형태와 같다. 따라서, 이하, 액체 공급실(6) 및 액체 배출실(17)에 대해서 설명하고, 그 외는 설명을 생략한다. 동일한 부분 또는 동일한 기능을 가지는 부분에는 동일한 부호를 붙였다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 액체 공급실(6)은 오목부(3)의 후방단의 저부에, 액체 배출실(17)은 오목부(3)의 전방단의 저부에 각각 위치한다. 액체 공급실(6)은, 오목부(3)의 후방단측의 측벽(10a)이 이면측으로 파여진 영역과 오목부(3)의 후방단측의 저면이 이면측을 관통하는 영역을 더한 영역이며, 노즐 플레이트(21)에 의해 둘러싸여 있다. 액체 배출실(17)은, 마찬가지로, 오목부(3)의 전방단측의 측벽(10b)이 이면측으로 파여진 영역과 오목부(3)의 전방단측의 저면이 이면측을 관통하는 영역을 더한 영역이며, 노즐 플레이트(21)에 의해 둘러싸여 있다. 액체 공급실(6)은 개구부(18a)를 통해 압력실(4)과 연통하고, 액체 배출실(17)은 개구부(18b)를 통해 압력실(4)과 연통하고, 토출 구멍(22)은 개구부(18')를 통해 압력실(4)과 연통하고 있다.
이와 같이, 기체(2)의 두께를 이용하여 오목부(3)의 후방단 및 전방단을 구성하는 측벽(10a, 10b)의 일부를 파내어 액체 공급실(6)과 액체 배출실(17)을 형성했다. 그 때문에, 액체 공급실(6) 및 액체 배출실(17)의 용적이 확대되고, 모든 압력실(4)에 거의 같은 조건으로 액체의 유입출을 행할 수 있다. 그 때문에, 복수의 토출 구멍(22)의 토출 조건을 균등화할 수 있다.
〈액체 분사 헤드의 제조 방법〉
도 10은 본 발명의 액체 분사 헤드(1)의 기본적인 제조 방법을 나타내는 공정도이다. 본 발명의 액체 분사 헤드(1)의 제조 방법은, 판두께 방향으로 분극된 압전체 부재를 판두께 방향, 즉 분극 방향으로 적층 접착하여 압전체 블록을 형성하는 적층 접착 공정(S1)과, 이 압전체 블록을 분극 방향이 기판면에 평행해지는 방향으로 절단 분리하여 압전체 기판을 얻는 절단 공정(S2)과, 압전체 기판의 이면에 분극 방향과 직교하는 방향으로 가늘고 긴 복수의 띠 형상의 이면 구동 전극을 병렬로 형성하는 이면 전극 형성 공정(S3)과, 표면에 오목부로 이루어지는 압력실을 소정 방향으로 복수 배열한 기체를 형성하는 기체 형성 공정(S4)과, 압전체 기판의 적층 접착 공정(S1)에 있어서 적층 접착한 접착면을 오목부의 측벽 상부에 배치하여 압전체 기판을 오목부의 상면에 접합하는 접합 공정(S5)과, 압전체 기판의 표면에 분극 방향과 직교하는 방향으로 가늘고 긴 복수의 띠 형상의 표면 구동 전극을, 압전체 기판을 사이에 두고 이면 구동 전극에 대향하는 위치에 병렬로 형성하는 표면 전극 형성 공정(S6)과, 오목부의 측벽 상면에 접합한 압전체 기판을 분할 하는 압전체 기판 분할 공정(S7)을 구비하고 있다.
압전체 부재로서는, 예를 들면 티탄산지르콘산연 등의 강유전성의 세라믹스 재료를 사용할 수 있다. 본 발명의 액체 분사 헤드의 제조 방법에서는, 적층하는 압전체 부재의 1매가 복수의 오목부, 즉 복수의 압력실에 대응하므로, 토출 구멍수가 증대하고 토출 구멍 피치가 좁아지는 경우라도 압전체 부재의 적층 매수가 그만큼 증가하지 않는다. 예를 들면 1매의 압전체 부재의 두께를 15㎜로 하고, 토출 구멍 피치, 즉 오목부 형성 피치를 0.28㎜로 하면, 1매의 압전체 부재가 50수개의 오목부에 대응한다. 즉 피치 0.28㎜의 토출 구멍을 520개 형성하는데 15㎜의 압전체 부재를 10매 적층하면 된다. 이와 같이, 압전체 부재의 적층 매수를 종래예와 비교하여 큰 폭으로 저감할 수 있다.
또한, 상기 제조 공정의 단계 S1…S7은 반드시 공정순일 필요는 없다. 기체 형성 공정(S4)은 최초의 공정이어도 된다. 표면 전극 형성 공정(S6)은 이면 전극 형성 공정(S3)의 전이어도 되고 압전체 기판 분할 공정(S7)의 다음이어도 된다. 또, 기체 형성 공정(S4)에 있어서, 액체 공급실이나 액체 배출실, 혹은 공통 전극용의 관통 구멍을 형성해도 된다. 또, 접합 공정(S5) 후에, 압전체 기판을 연삭하여 박막화하고, 그 후 표면 전극 형성 공정(S6)에 의해 표면 구동 전극을 형성할 수 있다. 이로 인해, 압전체 기판의 핸들링 등이 용이해진다. 이하, 본 발명에 대해서 도면을 이용하여 구체적으로 설명한다.
(제6 실시 형태)
도 11?도 17은, 본 발명의 제6 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드(1)의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 동일한 부분 또는 동일한 기능을 가지는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
도 11은 적층 접착 공정(S1)을 나타내는 모식도이다. 판두께 방향의 하측 방향으로 분극한 5매의 PZT 세라믹스로 이루어지는 압전체 부재(12)를 판두께 방향으로 적층 접착하여 압전체 블록(26)을 형성한다. 1매의 압전체 부재(12)의 두께는 15㎜이며, 두께는 ±5㎛ 이하의 정밀도로 연마되어 있다. 각 압전체 부재(12)는 접착제를 개재시켜 가압하면서 접착한다.
도 12는 절단 공정(S2)을 나타내는 모식도이다. 적층 접착 공정(S1)에 있어서 5매의 압전체 부재(12)를 적층 접착하여 형성한 압전체 블록(26)을 분극(P) 방향이 기판면에 평행해지는 방향으로 절단 분리한다. 다이서나 와이어 소우에 의해 압전체 블록(26)을 절단 분리하여 압전체 기판(5)을 얻는다. 절단 분리 후에 표면을 연삭 및 연마하여, 판두께가 0.25㎜ 이상인 평탄한 표면의 압전체 기판(5)으로 한다. 판두께를 0.25㎜ 이상으로 하여, 이 후의 전극 형성, 패터닝, 기체(2)로의 접합 시의 분열이나 이지러짐을 막고, 작업성을 향상시키고 있다.
도 13은 이면 전극 형성 공정(S3) 후의 압전체 기판(5)의 모식적인 사시도이다. 스퍼터링법이나 증착법에 의해 압전체 기판(5)의 이면에 금속막을 형성한다. 다음에, 포토리소그래피 및 에칭법에 의해 분극 방향(P)으로 직교하는 방향으로 가늘고 긴 복수의 띠 형상의 이면 구동 전극(9b)을 병렬로 형성한다. 1개의 이면 구동 전극(9b)은 기체(2)에 형성하는 1개의 오목부(3)에 대응한다. 본 실시 형태에서는 5매의 압전체 부재(12)를 적층 접착했으므로, 1매의 압전체 기판(5)에는 4개의 접착면(27)이 형성되어 있다. 1매의 압전체 부재(12)의 두께는 15㎜이므로 1매의 압전체 기판(5)의 길이는 75㎜이며, 예를 들면 토출 구멍 피치가 0.282㎜인 경우, 1매의 압전체 기판(5) 상에는 약 260개의 이면 구동 전극(9b)이 형성된다. 또한, 이면 구동 전극(9b)은, 미리 레지스트 등에 의해 전극 패턴을 형성하고, 다음에 금속막을 퇴적하고, 다음에 금속막과 동시에 레지스트막을 박리하는 리프트 오프법에 의해 형성해도 된다.
도 14는 기체 형성 공정(S4) 후의 기체(2)의 단면 모식도이다. 기체(2)로서 세라믹스 재료를 사용하고 있다. 기체(2)의 표면에 레지스트막의 패턴을 형성하고, 샌드 블레스트나 에칭법에 의해 기체(2)의 표면에 오목부(3)를 분극 방향을 따라 복수 배열하여 형성한다. 오목부(3)의 깊이를 0.2㎜, 피치를 0.282㎜로 하고, 오목부(3)의 측벽(10)의 두께는 0.08㎜로 한다. 또, 오목부(3)의 길이 방향의 단부의 저부나 단부의 측벽에 도시를 생략한 액체 공급실이나 공통 전극용의 관통 구멍을 형성한다.
도 15는 접합 공정(S5) 후의 기체(2)의 단면 모식도이다. 압전체 기판(5)의 접착면(27)을 오목부(3)의 측벽(10)의 상부에 배치하여, 압전체 기판(5)을 오목부(3)의 상면에, 이면 구동 전극(9b)이 오목부(3) 측에 위치하도록 접착제에 의해 접합한다. 각 이면 구동 전극(9b)은 오목부(3)의 개구단의 대략 중앙부로부터 오목부(3)의 측벽(10)까지 연장되어 있다. 다음에, 연삭 공정에 의해, 압전체 기판(5)의 표면을 연마하여 압전체 기판(5)의 두께를 0.05㎜?0.1㎜로 박막화한다. 압전체 기판(5)의 접착면(27)을 측벽(10)의 상면에 맞추었으므로, 압전체 기판(5)의 이음매가 오목부(3)의 구동 영역에 들어가지 않고, 각 압력실(4)의 액적 토출 성능을 균등화할 수 있다.
도 16은 표면 전극 형성 공정(S6) 후의 기체(2)의 단면 모식도이다. 스퍼터링법 또는 증착법에 의해 압전체 기판(5)의 표면에 금속막을 퇴적하고, 다음에 포토리소그래피 및 에칭법으로 금속막을 패터닝하고, 압전체 기판(5)을 사이에 두고 이면 구동 전극(9b)에 대응하는 위치에 표면 구동 전극(9a)을 형성한다. 즉 표면 구동 전극(9a)은 분극(P) 방향으로 직교하는 방향으로 가늘고 긴 복수의 띠 형상의 형상을 가지고 있다. 또, 포토리소그래피 및 에칭법에 대신하여 리프트 오프법에 의해 표면 구동 전극(9a)을 형성할 수 있다.
도 17은 압전체 기판 분할 공정(S7) 후의 기체(2)의 단면 모식도이다. 오목부(3)의 측벽(10)의 상면에 접합한 압전체 기판(5)을, 다이싱 블레이드 등을 이용해 분할한다. 이로 인해, 압력실을 구동하는 구동 신호가 용량 결합에 의해 압전체 기판(5)을 전달하여 인접하는 압력실의 구동에 영향을 주는 크로스토크가 저감 한다.
이상대로, 본 발명의 액체 분사 헤드(1)의 제조 방법에 의하면, 압력실의 수만큼의 매수, 혹은 그 2배의 매수의 압전체 부재(12)를 적층 접착할 필요가 없기 때문에, 토출 구멍 수가 100 이상인 고밀도의 다수 토출 구멍의 액체 분사 헤드(1)이어도 용이하게 제조할 수 있다. 또, 오목부(3)의 개구단의 압전체 기판(5)은 균일하게 분극하므로, 분극 방향을 분리하는 전극 영역이나 접착 영역을 사이에 둘 필요가 없고, 구조가 간단하고 각 압력실의 구동 조건을 균등화할 수 있다. 또, 극성 부여 전극과 같은 분극 형성용의 전극도 필요가 없기 때문에, 압력실(4)을 고밀도로 배열할 수 있다. 또, 압력실을 구동하는 구동 신호가 인접하는 압력실의 압전체 기판(5)에 누출되고, 크로스토크가 발생하는 것을 저감시킬 수 있다. 또, 압력실(4)의 배열 피치나 그 구동 조건을 측벽(10)의 두께로부터 독립하여 설정할 수 있으므로, 설계 자유도가 확대된다.
〈액체 분사 장치〉
(제7 실시 형태)
도 18은 본 발명의 제7 실시 형태에 관련되는 액체 분사 장치(30)의 모식적인 사시도이다.
액체 분사 장치(30)는, 액체 분사 헤드(1, 1')를 탑재한 캐리지 유닛(38)을 왕복 이동시키는 이동 기구(43)와, 액체 분사 헤드(1, 1')에 액체를 공급하는 액체 공급관(33, 33')과, 액체 공급관(33, 33')에 액체를 공급하는 액체 탱크(31, 31')를 구비하고 있다. 각 액체 분사 헤드(1, 1')는, 본 발명에 관련되는 제1?제5 실시 형태에 관련되는 액체 분사 헤드, 또는 제6 실시 형태의 제조 방법에 의해 제조되는 액체 분사 헤드이다.
구체적으로 설명한다. 액체 분사 장치(30)는, 종이 등의 피기록 매체(34)를 주주사 방향으로 반송하는 한 쌍의 반송 수단(41, 42)과, 피기록 매체(34)에 액체를 토출하는 액체 분사 헤드(1, 1')와, 액체 탱크(31, 31')에 저류한 액체를 액체 공급관(33, 33')에 가압하여 공급하는 펌프(32, 32')와, 액체 분사 헤드(1)를 주주사 방향과 직교하는 부주사 방향으로 주사하는 이동 기구(43) 등을 구비하고 있다.
한 쌍의 반송 수단(41, 42)은 부주사 방향으로 연장되고, 롤러면을 접촉하면서 회전하는 그리드 롤러와 핀치 롤러를 구비하고 있다. 도시를 생략한 모터에 의해 그리드 롤러와 핀치 롤러를 축둘레로 이전시켜 롤러간에 끼워 넣은 피기록 매체(34)를 주주사 방향으로 반송한다. 이동 기구(43)는, 부주사 방향으로 연장된 한 쌍의 가이드 레일(36, 37)과, 한 쌍의 가이드 레일(36, 37)을 따라 슬라이딩 가능한 캐리지 유닛(38)과, 캐리지 유닛(38)을 연결하고 부주사 방향으로 이동시키는 무단 벨트(39)와, 이 무단 벨트(39)를 도시를 생략한 풀리를 통해 주회시키는 모터(40)를 구비하고 있다.
캐리지 유닛(38)은, 복수의 액체 분사 헤드(1, 1')를 탑재하고, 예를 들면 옐로우, 마젠타, 시안, 블랙의 4종류의 액적을 토출한다. 액체 탱크(31, 31')는 대응하는 색의 액체를 저류하고, 펌프(32, 32'), 액체 공급관(33, 33')을 통해 액체 분사 헤드(1, 1')에 공급한다. 각 액체 분사 헤드(1, 1')는 구동 신호를 따라 각 색의 액적을 토출한다. 액체 분사 헤드(1, 1')로부터 액체를 토출시키는 타이밍, 캐리지 유닛(38)을 구동하는 모터(40)의 회전 및 피기록 매체(34)의 반송 속도를 제어함으로써, 피기록 매체(34) 상에 임의의 패턴을 기록할 수 있다.
1 : 액체 분사 헤드 2 : 기체
3 : 오목부 4 : 압력실
5 : 압전체 기판 6 : 액체 공급실
7 : 토출 구멍 9a : 표면 구동 전극
9b : 이면 구동 전극 10 : 측벽
12 : 압전체 부재 13 : 공통 전극
14 : 관통 구멍 15 : 도전 재료
17 : 액체 배출실 18, 18a, 18b, 18' : 개구부
19 : 액체 배출구 20 : 액체 공급구
30 : 액체 분사 장치

Claims (18)

  1. 표면에 오목부로 이루어지는 압력실을 소정 방향으로 복수 배열하는 기체(基體)와,
    상기 오목부의 측벽 상면에 접합하고, 상기 오목부의 개구단을 폐색하는 압전체 기판과,
    상기 압력실에 액체를 공급하는 액체 공급실과,
    상기 압력실로부터 액체를 토출하는 토출 구멍을 구비하고,
    상기 압전체 기판은 상기 압전체 기판의 기판면과 평행 방향으로 균일하게 분극되고, 상기 압전체 기판의 상기 압력실과는 반대측의 표면 및 상기 압력실측의 이면에 상기 압전체 기판을 사이에 끼우는 한 쌍의 구동 전극이 상기 개구단의 대략 중앙부로부터 상기 오목부의 측벽부까지 연장되는, 액체 분사 헤드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    인접하는 오목부의 개구단을 폐색하는 압전체 기판은, 인접하는 오목부의 사이에 설치되는 측벽 상면에 있어서 분리되어 있는, 액체 분사 헤드.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 토출 구멍은 상기 오목부의 측벽측에 설치되어 있는, 액체 분사 헤드.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 토출 구멍에 근접하는 오목부의 저면은 상기 토출 구멍의 개구부를 향해 깊이가 점차 얕아지도록 경사지고, 상기 토출 구멍에 근접하는 오목부의 측벽은 상기 토출 구멍의 개구부를 향해 폭이 점차 좁아지는 깔때기 형상을 가지고 있는, 액체 분사 헤드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 액체 공급실은,
    상기 오목부의 저면 또는 측벽면에 개구하는 개구부를 통해 상기 압력실과 연통하고,
    상기 소정 방향을 따라 상기 기체에 형성되고, 상기 복수의 압력실과 연통하는, 액체 분사 헤드.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 기체의 표면에, 상기 액체 공급실에 액체를 공급하기 위한 액체 공급구가 설치되어 있는, 액체 분사 헤드.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 토출 구멍은 상기 오목부의 저부측에 설치되어 있는, 액체 분사 헤드.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 액체 공급실은,
    상기 오목부의 저면 또는 측벽면에 개구하는 개구부를 통해 상기 압력실과 연통하고,
    상기 소정 방향을 따라 상기 기체에 형성되고, 상기 복수의 압력실과 연통하는, 액체 분사 헤드.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기체의 표면에, 상기 액체 공급실에 액체를 공급하기 위한 액체 공급구가 설치되어 있는, 액체 분사 헤드.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 토출 구멍은 상기 오목부의 대략 중앙의 저부측에 설치되어 있는, 액체 분사 헤드.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 압력실로부터 액체를 배출하는 액체 배출실을 더 구비하고,
    상기 액체 공급실은, 상기 압력실을 구성하는 오목부의 단부에 설치되고,
    상기 액체 배출실은, 상기 압력실에 연통하고, 상기 압력실을 사이에 두고 상기 액체 공급실과는 반대측의 단부에 설치되어 있는, 액체 분사 헤드.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 액체 배출실은,
    상기 오목부의 저면 또는 측벽면에 개구하는 개구부를 통해 상기 압력실과 연통하고,
    상기 소정 방향을 따라 상기 기체에 형성되고, 상기 복수의 압력실과 연통하는, 액체 분사 헤드.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 기체의 표면에, 상기 액체 배출실로부터 액체를 배출하기 위한 액체 배출구가 설치되어 있는, 액체 분사 헤드.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 기체는, 상기 압전체 기판의 이면에 형성한 구동 전극과 전기적으로 접속하는 공통 전극을 가지는, 액체 분사 헤드.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 공통 전극은, 상기 소정 방향을 따르도록 상기 기판에 형성된 관통 구멍과 상기 관통 구멍에 충전된 도전 재료로 이루어지는, 액체 분사 헤드.
  16. 청구항 1에 기재된 액체 분사 헤드와,
    상기 액체 분사 헤드를 왕복 이동시키는 이동 기구와,
    상기 액체 분사 헤드에 액체를 공급하는 액체 공급관과,
    상기 액체 공급관에 상기 액체를 공급하는 액체 탱크를 구비하는, 액체 분사 장치.
  17. 판두께 방향으로 분극된 압전체 부재를 판두께 방향으로 적층 접착하여 압전체 블록을 형성하는 적층 접착 공정과,
    상기 압전체 블록을 상기 분극 방향이 기판면에 평행해지는 방향으로 절단 분리하여 압전체 기판을 얻는 절단 공정과,
    상기 압전체 기판의 이면에 상기 분극 방향과 직교하는 방향으로 가늘고 긴 복수의 띠형상의 이면 구동 전극을 병렬로 형성하는 이면 전극 형성 공정과,
    표면에 오목부로 이루어지는 압력실을 소정 방향으로 복수 배열한 기체를 형성하는 기체 형성 공정과,
    상기 압전체 기판의 상기 적층 접착된 접착면을 상기 오목부의 측벽 상부에 배치하여 상기 압전체 기판을 상기 오목부의 상면에 접합하는 접합 공정과,
    상기 압전체 기판의 표면에 상기 분극 방향과 직교하는 방향으로 가늘고 긴 복수의 띠 형상의 표면 구동 전극을, 상기 압전체 기판을 사이에 두고 상기 이면 구동 전극에 대향하는 위치에 병렬로 형성하는 표면 전극 형성 공정과,
    상기 오목부의 측벽 상면에 접합한 상기 압전체 기판을 분할하는 압전체 기판 분할 공정을 구비하는, 액체 분사 헤드의 제조 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 접합 공정 후에, 상기 압전체 기판을 연삭하는 연삭 공정을 포함하는, 액체 분사 헤드의 제조 방법.
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