(57)【要約】【課題】本発明は圧電素子を個々の振動子を切り出す際に発生する振動子の倒れや剥がれ、導通不良を防ぐものであり、駆動ユニットの作製の歩留りを向上しつつ、様々な用途のヘッドに適用できる加工方法を提案するものである。【解決手段】基台に接合された圧電素子の一端が自由端となるように分割することにより複数の振動子群が形成された駆動部を有するインクジェットヘッドにおいて、切削性の良い材質からなる第１の基台を流路形成部材と同じ材質の第２の基台に接合した後、圧電素子と前記第１の基台に接合し、前記圧電素子の一端が自由端となるように前記圧電素子、及び前記第１の基台を圧力室形状に合わせて短冊状に切断加工を行なうようにした。【選択図】図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
列状に並んだ複数のノズルと、該ノズル毎に対応して設けられた複数の圧力室と、該圧力室の一部を形成する振動板とからなるインク流路部と、該インク流路部を保持する固定板と、圧電素子を支持する基台に接合された圧電素子の一端が自由端となるように分割することにより複数の振動子群が形成された駆動部よりなり、該駆動部を前記インク流路部に接合することにより、前記振動子群の変位を、前記振動板を介して圧力室に伝え、ノズルよりインクを吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記基台は、切削性の良い材質からなる第１の基台と、インク流路部とほぼ同じ熱膨張係数の材質からなる第２の基台よりなり、第１の基台が圧電素子に接合されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記第１の基台としてセラミック、もしくは焼入れしたステンレス鋼を用いることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記第１の基台は非導電性の材質を用い、前記第２の基台は導電性の材質を用いることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
請求項１記載のインクジェットヘッドにおいて、前記駆動部は、第１の基台と第２の基台とを接合する工程と、前記圧電素子と前記第１の基台とを接合する工程と、前記圧電素子の一端が自由端となるように前記圧電素子及び前記第１の基台を分割して複数の振動子を形成する工程とにより作製することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインクジェットヘッドに関し、より詳細には、オンデマンド型のインクジェットヘッド記録装置の駆動源として圧電素子を用いたインクジェットヘッドにおいて、圧電素子と圧電素子を支持固定する基台の接合面の形状や基台の材質に関する。
【背景技術】
【０００２】
ドロップオンデマンド方式のインクジェットヘッドのひとつとして駆動源に積層型圧電素子を用いた方式がある。積層型圧電素子の種類として、縦振動や横振動など電界の方向と変位方向により分けられ、たとえばｄ33積層型圧電素子、ｄ31積層型圧電素子などが一般的である。
【０００３】
このうち駆動源にｄ33型の圧電素子を用いたインクジェットヘッドについては、門型の基台にバルク状の圧電素子を貼り付けた後、一端が自由端となるように櫛歯状の振動子を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、電極パターンが形成されたセラミックの板に、バルク状の圧電素子を張り付け、ダイシングソーを用いてｄ33型の積層型圧電素子を短冊状に切り分けているものがある（例えば、特許文献２参照）。その際、基台表面部も同時に切り分けているため、個別の電極パターンを同時に形成出来、その後の配線が容易となる。
【０００５】
【特許文献１】特公平４−５２２１３号公報
【特許文献２】特開平８−１４２３２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、短冊状にダイシングする際に発生する問題点として、圧電素子を切断する際、圧電素子を支持する基台の材質によっては切断がうまくいかないことがある。このため、特許文献２に記載の発明では、ブレードに負担がかかるという理由で基台の材質をセラミックに限定している。金属のダイシングではダイシングブレードに磨耗し易いものを用いるため、ドレッシング期間が短くなり、効率が悪いという点がある。さらに金属の中でも防振材であるSUS430等、焼入れ出来ない基台と圧電素子を接合してダイシングを行なうと、図１５に示すように、基台3となる金属側で捲れ37が発生し、歯割された振動子2に外力を加えることになる。これにより切り分けられた振動子2が剥がれてしまうことがある。ノズルピッチが細かいものになると、振動子2がダイシング時に吹き飛んでしまう場合もある。
【０００７】
一方、基台をセラミックに限定し、流路をすべてステンレスなどで作製した場合、熱膨張係数が大きく違うため、駆動部と流路部の接合には高温をかけられない。また、インクジェットヘッドを使用する際にも、使用温度が高温になった場合、熱膨張により両端部がずれて不吐出状態になってしまう。また、セラミックは質量が金属に比べ低いため、インク吐出時の相互干渉（クロストーク）がやや大きくなり、吐出安定性に乏しい。
【０００８】
更に、バルク状の圧電素子を櫛歯状に切断した場合は、切断するピッチにあわせて予め個別の電極パターンを形成しなければならないため、手間がかかる。また、圧電素子の電極パターンと基台の電極パターンを合わせなければならないため、短冊状に比べると工数が増えてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、以下の特徴・製造方法を有するインクジェットヘッドを構成し、前述した課題を効果的に解決するものである。
（１）切削性の良い材質からなる第１の基台を流路形成部材と同じ材質の第2の基台に接合した後、圧電素子と前記第1の基台に接合し、前記圧電素子の一端が自由端となるように前記圧電素子、及び前記第１の基台を圧力室形状に合わせて短冊状に切断して複数の振動子を形成してなるインクジェットヘッド。
（２）前記第1の基台にはセラミック、または焼入れしたステンレス鋼を用いることを特徴とする請求項5記載のインクジェットヘッド。
（３）前記第1の基台の材質には非導電性のものが用いられ、圧電素子の当接面及びその反対側の面以外には電極が蒸着されているものを用い、また前記第２の基板には導電性の有る材質を用いることを特徴とする請求項5記載のインクジェットヘッド。
（４）切削性の良い材質からなる第１の基台を流路形成部材と同じ材質の第2の基台に接合する工程と、圧電素子と前記第1の基台を接合する工程と、前記圧電素子の一端が自由端となるように前記圧電素子、及び前記第１の基台を圧力室形状に合わせて短冊状に切断して複数の振動子を形成する工程とにより作製されるインクジェットヘッドの製造方法。
【００１０】
基台の圧電素子との接合面に溝を設けることにより、基台がステンレスなどの切削性の悪いものであっても、圧電素子をダイシングした際に発生する捲れが振動子にまで到達しない。また、基台を２枚の板に分けることにより、一枚は切削性の良いもの、2枚目は熱膨張係数が流路と同じものに分けることが出来、圧電素子と基台の１枚目を短冊状に切削することにより、圧電素子と基台の接合を強固にしたまま、熱膨張による伸びを流路にあわせることが出来る。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、列状に並んだ複数のノズルと、前記ノズルと各々に対応し、かつ前記ノズルに連通する複数の圧力室と、前記圧力室の一部を形成する振動板と、からなるインク流路部に、前記圧力室列の周囲を囲むようにインク流路部を固定する孔をもつ固定板を接合し、基台の一面に接合した圧電素子を一端が自由端となるように前記圧力室の並びに合わせて前記基台に到達する長さで歯割した振動子群からなる駆動部を、前記インク流路部に接合することにより、前記圧電素子の変位を、前記振動板を介して圧力室に伝え、ノズルよりインクを吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記基台の前記圧電素子との接合面には、歯割する位置とほぼ同じ位置に溝を設けることにより、金属などの加工性の悪い材質で出来た基台と圧電素子を歯割りする際に、発生する捲れによる振動子の破損を防ぎ、安定した駆動部の作製を可能とすることが出来る。また、同時に溝と振動子の間にフィレットが出来る為、接合強度も高い。
【００１２】
溝の深さを歯割する刃が触れない深さとすることにより、捲れ自体を発生させないことも出来る。
【００１３】
溝をダイシング又は射出成型で作製することにより、セラミックから金属、樹脂など様々な材料で容易に溝形状を得ることが出来る。
【００１４】
また、切削性の良い材質からなる第１基台を流路形成部材と同じ材質の第2基台に接合した後、圧電素子と前記第１基台に接合し、前記圧電素子の一端が自由端となるように前記圧電素子、及び前記第１基台を圧力室形状に合わせて短冊状に切断して複数の振動子を形成することにより、ヘッドを加熱して使用する際、第2基台が流路形成部材と同じ材質であるので、熱膨張による位置ズレなどの発生を防ぐことが出来る。
【００１５】
第１基台にはセラミック、または焼入れしたステンレス鋼を用いることにより、圧電素子と同じよう刃で切断できる為、加工が容易となる。
【００１６】
第１基台の材質には非導電性のものが用いられ、圧電素子の当接面及びその反対側の面以外には電極が蒸着されているものを用い、また前記第２基板には導電性の有る材質を用いることにより、第１基台が個別に分けられる為、個別電極として用い、第２基台は第１基台の一端側と接合して連結しているので共通電極として使用することが出来、電極の配線が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明による第一の例となるインクジェットヘッドの構造を示す分解斜視図であり、図２は組み上げた状態における側面図、図３は図２の断面図である。
【００１８】
本ヘッドは大きく分けて、駆動ユニットと流路ユニットの２つに分けられる。
【００１９】
駆動ユニットは、変位発生源である圧電素子１、圧電素子1を保持する基台3、基台3に貼り付けられ個別電気経路と共通電気経路を形成するShortFPC4と、ShortFPC4と電気信号のコントロール部とを接続するLongFPC5からなる。
【００２０】
圧電素子1は、電極と圧電体を交互に積層して作製されており、細長い板状のバルク材として生成される。積層型圧電素子1は分極方向によりｄ31型やｄ33型がありいずれを使用してもよい。なお、本例ではｄ33型を用いている。
【００２１】
基台3は圧電素子の一端を接着剤等により接合して固定する役割を持ち、接合面である板の外周部は高い平面度で加工されている。また、圧電素子1の当接面6と反対側の面を加圧面7として組立時に駆動部を加圧する基準面として使用するため、平行度も非常に高い。基台3の材質は、圧電素子1を強固に固定する高い強度と、振動が他に伝播しないようなものが求められ、ここではSUS430を用いている。SUS430は導電性であるため、基台3との絶縁を保ちながら、圧電素子から個別の電気信号線を接続する工夫が必要である。
【００２２】
駆動ユニットの組立方法について順を追って説明する。まず、SUS430の基台の四辺を高平面度加工し、圧電素子1の接合面6と加圧面7を高平行度加工した後、溝加工を施す。溝8を形成するための加工としてダイシングを行なった。図４に、ダイシングを行なって溝8を形成した基台3の状態を示す。ダイシングの際、表面に捲れが発生する為、仕上げ研磨を加工後に行なう。
【００２３】
なお、溝8の作製方法としては、他にメタルインジェクションがある。この場合、射出成型した段階でほぼ形状が整っているので、多少の後加工をするだけで、目標仕様を満たす基台3を作製することが出来る。
【００２４】
次に、圧電素子1と基台3との接合を行なう。この接合は接着剤によりなされる。図５に、圧電素子1と基台3とを接合した状態を示す。接着剤にはエポキシ系接着剤などの高強度なものを用い、圧電素子1側に塗布する。塗布方法としては、フィルムなどに均一な接着層を作製して、被接着部材に押し付ける転写法を用いる。本例で用いた接着剤は、常温硬化型接着剤であるバンティコ社製のアラルダイトである。なお、溝8側にも接着剤を塗布して接着剤の量を調整し、溝8を接着剤で埋める方法もある。この場合は、ダイシングしても柔らかい接着剤が捲れるだけなので接合強度を向上しつつ、加工性もよい。
【００２５】
圧電素子1は予め分極処理を行なっているため、反りが発生している。よって、接合時には反りを強制するように、適度に接合する面に倣うように加圧して行なわれる。接合位置として、基台3の側面と同一平面上に揃うように配置する。
【００２６】
接合後、基台位置の加圧面7と圧電素子1の自由端側を同一面となるように、研磨を行なう。ここでは、圧電素子を加圧面より若干飛び出るように設計しているので、圧電素子を研磨していった。研磨後、図６に示すように、ShortFPC4を基台3側面に取り付ける。ShortFPC4はポリイミド9−銅線10−ポリイミド9の3層からなり、銅線10はノズルピッチにあわせてパターニングされている。中央部には個別電極用パターン11が並び、その両端には共通電極用パターン12が形成されている。ポリイミド9は銅線10のカバーであり、基台3と接触する面は完全に被覆し、他面は両端で銅線部を露出させている。これにより、基台3と銅線10は完全に絶縁した状態となり、他面では圧電素子1やLongFPCとの接続を容易にしている。ShortFPC4と基台との取り付けは接着剤で行なう。これも圧電素子1と基台3の接続と同様に転写法により行い、ここではShortFPC4に接着剤を転写して接続する。接着剤も同様にアラルダイトを用いる。しかし、ShortFPC4が基台3からはみだすと、ShortFPC4が捲れた場合に、接着剤が割れてしまう可能性があるため、弾性接着剤であるセメダイン社製のEP001を用いてもよい。EP001は多少の伸びは耐えることができる接着剤のため、形状や用途によって使い分ける。
【００２７】
ShortFPC4の先端部は、圧電素子1と基台3との接合部よりも圧電素子1側に位置するように接続する。これは、銅線10が基台3と接触することを防ぐためである。そして、ShortFPC4を接続した後に、圧電素子1の一方の外部電極13aとShortFPC4、及び他方の外部電極13ｂと基台3とを導電性接着剤14で夫々結合する。また、最外部の共通電極パターン12を基台3と導電性接着剤14で導通させることにより、導電性の基台を介して他方の外部電極との導通を図る。
【００２８】
その後、図７に示すように、圧電素子1をノズルピッチにあわせてダイシングし、複数の振動子2に分割する。ここではダイシング深さを溝部に接触しない深さに設定して行なった。なお、両端にはインクの吐出に寄与しない、ダミー振動子15が残る。
【００２９】
図８に、（a）にメタルインジェクションで溝8形成した基台3、(b)にダイシングで溝8形成した基台3、それぞれのダイシング部分の拡大図を示す。メタルインジェクションの場合、ダイシング加工に比べ安定した溝幅、深さを実現できる。ダイシングの場合、歯の磨耗により深さなどが変わってしまう。
【００３０】
ダイシング後、図９に示すように、LongFPC5をShottFPC4に貼り付ける。貼付は、LongFPC5に貼り付けた異方性導電シートにより行なう。以上の工程により駆動ユニットが形成される。
【００３１】
続いて、流路ユニットの製造方法について説明する。図１０に示すように、流路ユニットは、ノズルプレート18、チャンバープレート20、ダイアフラムプレート24からなるインク流路部29と、インク流路部29を固定する固定板30（図１１参照）から形成される。各プレートはそれぞれに設けられている流路ユニット位置決め穴17（a）〜（c）により位置決めされる。
【００３２】
ノズルプレート18は、インク吐出口であるノズル19を有し、インク吐出面には撥インク処理が施されている。材質はSUS303が好ましく、プレス加工により個々のノズル19が作製される。
【００３３】
チャンバープレート20は、ノズル19に連通する圧力室21と、インク溜めであるマニホールド23、圧力室21とマニホールド23を結ぶリストリクタ22が形成されている。材質にはシリコンが用いられており、ウェットエッチング、またはドライエッチングにより夫々の部位を形成する。
【００３４】
ダイアフラムプレート24は、圧力室21の一側壁をなす振動板25と、ダミー振動子15が当接するダミー振動子接合部26、マニホールド23へインクを導入するインク導入孔27、マニホールド23内のインク変動を吸収するダンパー28が形成されている。ダイアフラムプレート24は金属と樹脂を張り合わせて形成し、金属にはSUS303、樹脂にはポリイミドフィルムが用いられている。金属と樹脂を張り合わせた後、金属面の所定部分をエッチングにより取り除き、金属の枠部に囲まれた振動板25やダンパー28を形成する。
【００３５】
インク流路部29の組立では、ノズルプレート18、チャンバープレート20、ダイアフラムプレート24をそれぞれシート状の接着剤で接合する。それぞれの接着層は２〜３μｍ程度である。
【００３６】
続いて、図１１に示すように、インク流路部29を形成した後、固定板30を接合する。固定板30はインク供給路31と駆動ユニット15が貫通する貫通孔32を有し、インク流路部29と接合する面は高平面度加工が施されている。材質はSUS430であり、インク流路部29に比べ非常に厚い形状のため、高い剛性を有している。よって、インク流路部29との接合時に、インク流路部29に発生する反りやうねりは固定板30の剛性により矯正される。貫通孔32の大きさは駆動ユニット16が接触しない程度の大きさである。これは、駆動ユニット16と固定板30が接触又は接合することにより傾きが発生し、インク吐出特性を著しく低下させるためである。以上の工程により流路ユニットが形成される。
【００３７】
駆動ユニットと流路ユニットはそれぞれ別々の工程で組み立てられるため、組立順序はどちらが先でも構わない。
【００３８】
続いて、各ユニットの接合を行なう。接合は接着剤を用いて転写法により行なわれる。接着剤には、ここでは高強度の弾性接着剤であるEP001を用いている。接着剤の転写は、ここでは高平面な板に接着剤を塗布して振動子を突き当てるように行なっている。
【００３９】
転写後、図１２に示すように、駆動ユニット16を流路ユニット33に接合する。位置決めには治具（図示せず）を用いて、画像処理により行なう。位置決め後、流路ユニット33内に駆動ユニット16を挿入して（（ａ）の工程）、突き当たった後、加圧面7を押圧して加熱硬化する（（ｂ）の工程）。以上によりヘッドが完成する。
【００４０】
以上のような工程でインクジェットヘッドを組み立てることにより、圧電素子1の歯割時に発生する不良（捲れによる倒れや破損）を防ぐことが出来、加工性の悪い基台でも安定した切断が行なえる。
【００４１】
次に、本発明の他の例について説明する。本例では、材質の異なる２種類の部材にて基台3を形成している。このうち、圧電素子1と接合されている第１の基台は切削性の高い材料を用いることにより、圧電素子のダイシング加工時に発生する捲れを防止でき、かつ第２の基台はヘッドの高温使用時における熱膨張による伸びを防止できるという効果がある。
【００４２】
本発明の基台の製造は、圧電素子1を第１基台34に固定し、さらに第１基台34を第２基台35と接合することにより行なう。図１３にその状態を示す。第１基台34にはセラミック（アルミナ）を用い、第２基台35には金属であるSUS304を用いている。第２基台35の材質を選定するポイントは、流路ユニットに用いられている材質と、ほぼ同等の熱膨張係数のものの中から選択するということである。
【００４３】
具体的には、まず、第１基台34の第２基台35との接合面及びその反対側の面に予めベタ電極36を蒸着しておく。次に、第１基台と第２基台を接着剤で固定する。その後、圧電素子1と第１基台34を接合する。これらの接着には、常温硬化型の接着剤を用いた。次に圧電素子の外部電極両面をそれぞれ第１基台34の電極面両面と導電性接着剤14で導通を取る。また、第２基台35と第1基台の第２基台34との接合面側の電極を同様に導通を取る。導通を取る面は圧電素子の固定面と反対側の面、及びその両側面である。これにより第２基台は導電性であるので、第２基台と圧電素子の、外部電極の一面の導通を取ることが出来る。
【００４４】
圧電素子1と基台34,35の接合と、それぞれの部品の導通を取った後、圧電素子1の切り分けを行なう。この場合、圧電素子1と第１基台34を短冊状になる深さで切断していく。このように切断した後、LongFPC5を貼り付けることにより、図１４に示すような駆動ユニットを完成させることが出来る。
【００４５】
上記製法で作製した駆動ユニットを適用するインクジェットヘッドは、加熱して使用する場合に有効である。すなわち、インクジェットヘッドを加熱して使用する場合、流路の構成部品がばらばらであると、熱膨張により流路に反り・ウネリが発生し、最悪の場合壊れてしまうため、熱膨張係数を合わせて組み立てる必要がある。しかし、材料の熱膨張係数を考慮せず作製した駆動ユニットでは基台は、累積した反りやたわみを発生することがあり、最悪の場合、両端部で不吐出となる可能性が高い。一方、本例の構成では、ノズル毎には熱膨張の差が発生するが、累積においてはほぼその影響が無いため、長尺の駆動部の作製に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一例となるインクジェトヘッドの分解図。
【図２】本発明のインクジェットヘッドの正面断面図。
【図３】本発明のインクジェットヘッドの側面断面図。
【図４】ダイシングを行なって溝を形成した基台の状態を示す斜視図。
【図５】圧電素子と基台とを接合した状態を示す斜視図及び断面図。
【図６】ShortFPCを基台側面に取り付けた状態を示す斜視図及び断面図。
【図７】圧電素子を所定ピッチにあわせてダイシングした状態を示す斜視図。
【図８】ダイシング加工部分の拡大図。
【図９】本発明の駆動ユニットの斜視図。
【図１０】本発明のインク流路部の分解斜視図及び斜視図。
【図１１】本発明の流路ユニットの斜視図
【図１２】駆動ユニットと流路ユニットとを組み立てる様子を示す断面図。
【図１３】本発明の他の例となる圧電素子と基台とを接合した状態を示す斜視図及び断面図。
【図１４】本発明の他の例において圧電素子を所定ピッチにあわせてダイシングした状態を示す斜視図。
【図１５】従来の圧電素子と基台の接合の問題点を示す説明図。
【符号の説明】
【００４７】
1は圧電素子、2は振動子、3は基台、4はShortFPC、5はLongFPC、6は当接面、7は加圧面、8は溝、9はポリイミド、10は銅線、11は個別電極パターン、12は共通電極パターン、13は外部電極、14は導電性接着剤、15はダミー振動子、16は駆動ユニット、17は流路ユニット位置決め穴、18はノズルプレート、19はノズル、20はチャンバープレート、21は圧力室、22はリストリクタ、23はマニホールド、24はダイアフラムプレート、25は振動板、26は基台接合部、27はインク導入口、28はダンパー、29はインク流路部、30は補強板、31はインク供給路、32は貫通孔、33は流路ユニット、34は第１基台、35は第２基台、36はベタ電極、37は捲れである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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