(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体と振動膜とでインク室およびインク流路が構成されると共に、前記振動膜を介してインク室の対向する位置に、弓なりに変位するバイモルフの圧電素子が配設されており、該圧電素子の電気−機械変換作用を利用してインク液滴に圧力変動をあたえ、インク液滴をノズルから吐出させて印刷するインクジェットヘッドにおいて、
前記振動膜上に第１の電極を形成する工程と、
圧電強誘電体微粒子と樹脂を溶剤にて混練し、これを前記第１の電極上に塗布し、これを樹脂のキュア温度まで上げて溶剤のみを揮発させ、第１のピエゾ素子を形成する工程と、
前記ピエゾ素子上に第２の電極を形成する工程と、
前記第２の電極上にシムを形成する工程と、
前記シム上に、第１の電極と導通する第３の電極を形成する工程と、
圧電強誘電体微粒子と樹脂を溶剤にて混練し、これを前記第３の電極上に塗布し、これを樹脂のキュア温度まで上げて溶剤のみを揮発させ、第２のピエゾ素子を形成する工程と、
前記第２のピエゾ素子上に、第２の電極と導通する第４の電極を形成する工程と、
よりなることを特徴とするインクジェットヘッド用圧電素子の作製方法。
【請求項２】
前記ピエゾ素子を形成する樹脂はエポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂またはポリイミドアミド樹脂のいずれかより選ばれたものであ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用圧電素子の作製方法。
【請求項３】
前記ピエゾ素子の塗布はシルク印刷により行われ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用圧電素子の作製方法。
【請求項４】
前記電極またはシムはシルク印刷加工により形成され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用圧電素子の作製方法。
【請求項５】
前記電極を鍍金または蒸着により形成し、前記シムをシルク印刷で形成す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用圧電素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子の電気−機械変換作用を用いてインク液滴を吐出するタイプのインクジェットヘッドの作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に用いるインクジェットプリンタのヘッドを図１に示す。
【０００３】
インクジェットヘッドは、構造体６と振動膜４とによりインク室２およびインク流路５が構成されており、振動膜４を介してインク室２の対向する位置には、ピエゾ素子が電極により挟まれた構成であって、弓なりに変位するモノモルフの圧電素子３が設けられている。
【０００４】
インク室２にはインクが充填されており、このインク室２の端部がその中央部に位置する振動膜４上の圧電素子３を変形させることでインク液滴９がノズル１より吐出され、プリント対象のターゲット（紙など）に印刷される。
【０００５】
このような構成のインクジェットヘッドにおいては、図２に示すように、インク室２の端部付近に最大変位するように圧電素子３を配設しているので、インクの吐出量９は、ほぼ三角形ＡＢＤの面積とインク室２の横幅（図３のｂ）の積により求められる。
【０００６】
また、上記構成のインク室２の端部を押す構造のヘッドの場合には、吐出したインク液滴９の量のみをインク室２に供給することで、次のインク吐出を行うことができる。すなわち、インク液滴９の吐出後のインク補充時間が半分になるので、次のインク吐出を行う時間が短縮され、高速の印刷が可能になり、ひいてはプリンタの高速化が可能になる。
【０００７】
また、上記構成において、インク流路５内のインクにはインク吐出に使用できる程の大きな力が強制的に加わることとなる。これを緩和するために、インク流路５内に波消し８を設けて、インクにかかる押さえ込むように構成することも可能である。
【０００８】
この波消し８は、インク流路５の少なくとも一側面を階段状に形成した構成となっているが、これに限定されるものではなく壁面をギザギザにする事やインク流路内に柱の様な形状をした物を適当な間隔に立てることで同じ様な効果がえられる。かつこの柱の形状は、丸型、四角、台形、三角形、異形のものなど工夫することで効果を大きくすることができる。
【０００９】
また、この波消し８にはインクの撹拌が自動的に行えるという作用もある。これは現在インクジェットヘッドに主に利用されている染料インクを耐候性に優れた顔料インクに変えた場合に、顔料インクの凝集などが起こらないので、格段に顔料インクの使用に最適なヘッドとして使用できる。
【００１０】
更に、上記構成に加え、インク室２とインク流路５の連通部分に流路閉塞部を設けることによって、インク液滴９の吐出速度を上げることができる。
【００１１】
一例として、図２に示すように、振動膜４に突起７を設けた場合、圧電素子３の駆動によって振動膜４が変位すると、突起７でインクを構造体６との間で押さえ込み、インク室２とインク流路５を閉塞する。よって、圧電素子３がインク室２に与える圧力を有効に活用でき、インク９の吐出速度を増すことが可能になる。
【００１２】
なお、突起７の効果は、図４に示すように、インク室２とインク流路５の連通部分をインク流路５へ向かって圧電素子３の変位方向に深くなるような斜面で構成でも同様に得られる。この場合、形状６ａの斜面は流体ダイオードの作用をするので、インクはインク室２に入りやすく、インク流路５側に出にくい構造となり、インクの吐出速度を上げる要因の１つとなり得る。
【００１３】
また、突起７は、先端が構造体６に対して四角だけでなく、三角や半円等の形状を採用しても同様の効果を得られる。また、本例では、構造体６を斜めにしたが、振動膜４側を同様に加工しても等価である
このように効率的な吐出駆動をさせるインクジェットヘッドのモノモルフの圧電素子を作る方法として、従来は以下の方法が採られていた。
【００１４】
まず、強誘電体セラミックスの微粒子を、バインダとなる樹脂と混練しておく。一方、振動膜４に予めスパッタや印刷などの方法で電極を形成しておき、この電極の上に前記混練物を印刷などの方法で付ける。その後、１０００℃に近い温度で焼成し、バインダを飛ばし、焼き固めるというものである。
【００１５】
【発明の解決しようとする課題】
上述の作製方法では、１０００℃程度の非常に高い焼成温度を要していたので、どうしても振動膜も耐熱性を要求されることになるため、材料としてセラミックなどを選択せざるを得なかった。
【００１６】
しかしながら、振動膜も耐熱性のセラミックを用いると、インク室やノズル部を作る材料との接着が困難になる。つまり、接着剤と接合部材の熱膨張係数の差などの影響を受けて接着層の剥離が発生し、圧電素子の振動で剥離が助長されるなどヘッド寿命が短くなってしまうという不具合が生じる。
【００１７】
そこで、本発明は、低温（３５０℃以下）で圧電素子を作るよう工夫し、これによって振動膜、ひいてはインク室の材料の選択の幅を大きくし、廉価なインクジェットヘッドを製造する方法を提供することを課題とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための方法としては、構造体と振動膜とでインク室およびインク流路が構成されると共に、前記振動膜を介してインク室の対向する位置に、弓なりに変位するバイモルフの圧電素子が配設されており、該圧電素子の電気−機械変換作用を利用してインク液滴に圧力変動をあたえ、インク液滴をノズルから吐出させて印刷するインクジェットヘッドにおいて、前記振動膜上に第１の電極を形成する工程と、圧電強誘電体微粒子と樹脂を溶剤にて混練し、これを前記第１の電極上に塗布し、これを樹脂のキュア温度まで上げて溶剤のみを揮発させ、第１のピエゾ素子を形成する工程と、前記ピエゾ素子上に第２の電極を形成する工程と、前記第２の電極上にシムを形成する工程と、前記シム上に、第１の電極と導通する第３の電極を形成する工程と、圧電強誘電体微粒子と樹脂を溶剤にて混練し、これを前記第３の電極上に塗布し、これを樹脂のキュア温度まで上げて溶剤のみを揮発させ、第２のピエゾ素子を形成する工程と、前記第２のピエゾ素子上に、第２の電極と導通する第４の電極を形成する工程とにより圧電素子を製造するようにした。
【００２０】
前記ピエゾ素子を形成する樹脂は、好ましくは、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂またはポリイミドアミド樹脂のいずれかより選ばれたものがよい。
【００２１】
また、前記ピエゾ素子の塗布はシルク印刷により行われるとよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明について説明をする。
【００２３】
図５〜図１１は本発明によるインクジェットヘッドの圧電素子の製造方法の各工程を示している。
【００２４】
図５において、１はノズル、２はインク室である。
【００２５】
まず、図６に示すように、振動膜４に圧電素子を形成するため、インク室２に相当する振動膜４上に電極（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのいずれかを使用）３Ａを印刷、スパッタまたは鍍金にて作製する。
【００２６】
次に、図７に示すように、強誘電セラミックス｛Ｐｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ3（ＰＺＴ）、ＰｂＴｉＯ3系（ＰＴ）、（Ｐｂ,Ｌａ）（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ3（ＰＬＺＴ）｝を基にした３成分系の焼成処理された微粒子を溶剤に溶かした樹脂を混練して、シルク印刷で印刷できるように粘度を調整し、膜厚が薄く均一になるように電極３Ａ上にピエゾ素子となる混練された前記樹脂３Ｂを印刷する。ここで使用する樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、または不飽和ポリエステル、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂またはポリアミドイミド樹脂より選ばれる。なお、これらの樹脂はピエゾ素子３Ｂのバインダとして混在させるものである。
【００２７】
次に、印刷完了した後で、樹脂のキュア温度（エポキシ樹脂やフェノール樹脂であれば１５０℃から２５０℃くらいまでの温度）まで温度を上げて溶剤のみを揮発させ、樹脂の架橋を完全に完了させて硬化を十分行い、寸法を安定させることにより、圧電素子に電荷を与えた時に起こる変位、コンデンス容量のバラツキを抑えることができる。なお、熱可塑性樹脂を使用する時には、溶融固化するように成形する。
【００２８】
最後に、図８に示すように、ピエゾ素子３Ｂ上に電極３Ｃを、印刷、スパッタまたは鍍金のいずれかの方法にて形成する。
【００２９】
上記方法にて形成された圧電素子の上下の電極に電圧をかけることによって、圧電素子に変位を発生させることが可能になる。そして、本方法にて作製した高分子圧電素子の性能は弾性的な柔らかさがあり、衝撃に強く、音響インピーダンスが固体と液体の中間にあるために、インクとのインピーダンス整合がとりやすいなどの特徴を有する。つまり、電解あたりの歪みを示すｄ定数では、固体の焼成したセラミックスと比較すると３０％くらい低いが、比誘電率が一桁小さいために、応力あたりの電圧を示すｇ定数で比較するとかなり大きくなる。
【００３０】
続いて、本発明の製造方法の他の例として、変位を増幅させる必要があるとき、つまり電圧を低く抑えておくことで省エネ設計を行う場合などにおいて有効なバイモルフ構造の圧電素子を作り上げる方法について説明する。
【００３１】
まず、電極３Ａ、ピエゾ素子３Ｂおよび電極３Ｃを先述の工程と同様の製造方法にて形成する。
【００３２】
次に、図９に示すように、電極３Ｃ上にシム３Ｄを形成する。本例においては、シム３Ｄの材料としてエポキシ樹脂を用いた。具体的な形成方法は、エポキシ樹脂を溶媒に溶かし、シルク印刷で電極３Ｃ上にシム３Ｄを印刷し、溶剤を加熱乾燥させて飛ばした後、エポキシ樹脂のキュア温度まで上げてキュアを行う工程よりなる。
【００３３】
次に、図９のシム３Ｄ上に電極３Ｅをシルク印刷、スパッタまたは鍍金にて塗布し、溶剤を飛ばして乾燥させる。この時、図示した如く３Ａの電極と３Ｅの電極は重なって電気的に導通状態にする。
【００３４】
次に、図１０に示すように、上述したピエゾ素子３Ｂと同様の材料よりなるピエゾ素子３Ｆをシム３Ｄ上にシルク印刷で塗布し、溶剤を乾燥させて揮発させ、キュアする。
【００３５】
最後に、図１１に示す如く、ピエゾ素子３Ｆ上にシルク印刷、またはスパッタで電極３Ｇを塗布し、乾燥キュアする。電極３Ｇは、電極３Ｃと電気的に導通状態になっている。
【００３６】
なお、本例においては一工程を経過する毎にキュアすることとしたが、工程を全て印刷にして溶剤を乾燥させて揮発させる行程だけを行い、最後に１回のキュアを行って作る方法にすれば、バイモルフ構造の圧電素子を簡単に、より廉価に仕上げることができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の製造方法と比較して圧電素子を簡単に形成することができる。また、大きな規模のヘッドも簡単に製作することが可能になり、大型ヘッドをプリンタに搭載することにより高速の印刷が可能になるので、その工業的価値は大なるものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のインクジェットヘッドの斜視図
【図２】  本発明のインクジェットヘッドの断面図
【図３】  本発明のインクジェットヘッドの部分平面図
【図４】  本発明のインクジェットヘッドの断面図
【図５】  本発明の一例となる圧電素子の製造工程を示す断面図
【図６】  本発明の一例となる圧電素子の製造工程を示す断面図
【図７】  本発明の一例となる圧電素子の製造工程を示す断面図
【図８】  本発明の一例となる圧電素子の製造工程を示す断面図
【図９】  本発明の他の例となる圧電素子の製造工程を示す断面図
【図１０】  本発明の他の例となる圧電素子の製造工程を示す断面図
【図１１】  本発明の他の例となる圧電素子の製造工程を示す断面図
【符号の説明】
１はノズル、２はインク室、３は圧電素子、３Ａ、３Ｃ、３Ｅ、３Ｆは電極、３Ｂ、３Ｅはピエゾ素子、３Ｄはシム、４は振動膜、５はインク流路、６は構造体、７は突起、８は波消し、９はインク液滴、１０は印刷用紙である。
【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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