(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを噴射する溝を含む複数の溝をそれぞれ隔てる複数の側壁を、前記複数の溝の配列平面と直交する方向に積層した複数の圧電材料で構成するとともに、該圧電材料をその積層方向でかつ互いに相反する方向に分極し、
前記側壁の両側面に、各圧電材料にわたって電極を備え、
該両側面の電極間にパルス電圧を印加することにより、前記圧電材料に分極方向とほぼ直交する電界を発生して圧電厚みすべり効果により前記側壁を変形させ、インクを噴射するインク噴射装置において、
前記圧電材料間に、該圧電材料よりも良導体であって、前記両側面の電極に印加するパルス電圧に対してはほぼ絶縁体として作用し、前記各圧電材料を分極する際に印加する高電圧に対しては導電体となる高抵抗層を設けたことを特徴とするインク噴射装置。
【請求項２】
前記高抵抗層は、前記側壁両側面の電極間にてほぼ２ＭΩ〜１００ＭΩの抵抗を有するものであることを特徴とする請求項１に記載のインク噴射装置。
【請求項３】
前記側壁は、前記複数の圧電材料と前記高抵抗層との一体焼結体であることを特徴とする請求項１に記載のインク噴射装置。
【請求項４】
インクを噴射する溝を含む複数の溝をそれぞれ隔てる複数の側壁を、前記複数の溝の配列平面と直交する方向に積層した複数の圧電材料で構成するとともに、該圧電材料をその積層方向でかつ互いに相反する方向に分極し、
前記側壁の両側面に、各圧電材料にわたって電極を備え、
前記圧電材料間に、該圧電材料よりも良導体であって、前記両側面の電極に印加するパルス電圧に対してはほぼ絶縁体として作用し、前記各圧電材料を分極する際に印加する高電圧に対しては導電体となる高抵抗層を設けたインク噴射装置の製造方法において、
前記高抵抗層を複数の圧電材料のグリーンシートで挟み、焼結して一体化した積層体を形成する工程と、
前記高抵抗層と、それとは反対側の前記複数の圧電材料の面との間に電圧を印加して前記複数の圧電材料を互いに相反する方向に分極する工程と、
前記積層体に、前記高抵抗層と複数の圧電材料とにわたって、前記複数の側壁によって隔てた複数の溝を加工する工程と、
前記側壁の両側面を含む前記積層体の表面に導電性膜を形成する工程と、
前記導電性膜を分割し、前記側壁の両側面に前記電極を形成する工程と
からなることを特徴とするインク噴射装置の製造方法。
【請求項５】
前記高抵抗層は、前記複数の圧電材料のグリ−ンシートのうち少なくとも１つの表面に、薄膜形成することを特徴とする請求項４に記載のインク噴射装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク液滴を噴射して印字を行なうインク噴射装置およびその製造方法に関し、詳しくは、圧電厚みすべり効果を利用してインク液滴を噴射させるインク噴射装置およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インク液滴を噴射して印字を行なうインク噴射装置として、インク噴射溝の両側にある側壁を、圧電厚みすべり効果により変形させて、インクを噴射するものがある。この種の構成では、側壁を「く」字状に変形させるために、側壁の上部と下部を互いに相反する方向に分極しておく必要があり、従来では、あらかじめ相反する方向に分極した２つの圧電材料の板を接着して積層体をつくり、その後、積層体にインク噴射溝を切削加工して、該溝の両側の側壁を、２層の圧電材料からなるようにしていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電材料は、高温で焼結したあとに分極処理をしなければならず、上記のインク噴射装置を製作するには、圧電材料を焼結して厚さ２００μｍの薄板に加工し、さらに該薄板を接着することが必要になり、これらは、非常にむずかしく、コストの高いものであった。
【０００４】
特開平８−３０９９７８号公報には、この課題を解決するために、２つの圧電材料間にサーミスタ材料を挟むように積層して該積層体を焼結し、その後、サーミスタ材料が低抵抗になる高温度環境下で、サーミスタ材料を分極用の一方の電極とし、２つの圧電材料にそれぞれ他方の電極を当てて分極処理をすることが提案されている。この方法によれば、従来のように薄板の焼結材料を加工し、さらに接着するという工程が省略することができる。
【０００５】
しかし、サーミスタ材料は、セラミックスを材料とするため、非常に高価であり、しかも圧電材料間にサーミスタ材料を挟んで焼結する際にサーミスタ成分が圧電材料側へ拡散しやすいため所定厚さを確保しておかなければならない。つまり、インク噴射溝の所定容積に対して、上記のように変形する側壁の中央部に、サーミスタ材料が相応の範囲を占めることになり、圧電材料の部分が小さくなってしまう。その結果、側壁の十分な量の変形が得られず、インクの噴射効率が悪いものとなる。
【０００６】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、側壁を効率よく変形させてインクの噴射特性の向上をはかるとともに、側壁を圧電材料の積層状態で焼結したり、分極処理することを可能にして、容易に製作することができるインク噴射装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この目的を達成するために本発明のインク噴射装置は、インクを噴射する溝を含む複数の溝をそれぞれ隔てる複数の側壁を、前記複数の溝の配列平面と直交する方向に積層した複数の圧電材料で構成するとともに、該圧電材料をその積層方向でかつ互いに相反する方向に分極し、前記側壁の両側面に、各圧電材料にわたって電極を備え、該両側面の電極にパルス電圧を印加することにより、前記圧電材料に分極方向とほぼ直交する電界を発生して圧電厚みすべり効果により前記側壁を変形させ、インクを噴射するインク噴射装置において、前記圧電材料間に、該圧電材料よりも良導体であって、前記両側面の電極に印加するパルス電圧に対してはほぼ絶縁体として作用し、前記各圧電材料を分極する際に印加する高電圧に対しては導電体となる高抵抗層を設ける。
【０００８】
このような高抵抗層を圧電材料間に設けることにより、該高抵抗層を、圧電材料を分極するための一方の電極として高電圧を印加することができ、圧電材料を積層後でも良好に分極処理することができる。また、インクの噴射のために、側壁の両側面の電極間に印加するパルス電圧のように短時間幅の電圧に対しては、高抵抗層はほとんど電流が流れないためほぼ絶縁体として作用し、電極間が短絡することなく、良好に側壁を変形させることができる。しかも、従来のサーミスタ材料を使用するものに比して、高抵抗層は公知のように金属等の導電体もしくは導電体を含む材料により薄く形成することができるから、側壁に占める圧電材料の割合を大きくでき、側壁を効率よくかつ大きく変形させることが可能になる。
【０００９】
前記高抵抗層は、側壁両側面の電極間にてほぼ２ＭΩ〜１００ＭΩの抵抗を有するものであればよい。
【００１０】
また、上記のように積層状態で分極処理することができるから、前記側壁は、前記複数の圧電材料と前記高抵抗層との一体焼結体で構成することができ、後述するように、これはインク噴射装置を容易に製造することが可能になる。
【００１１】
そして、本発明のインク噴射装置の製造方法は、インクを噴射する溝を含む複数の溝をそれぞれ隔てる複数の側壁を、前記複数の溝の配列平面と直交する方向に積層した複数の圧電材料で構成するとともに、該圧電材料をその積層方向でかつ互いに相反する方向に分極し、前記側壁の両側面に、各圧電材料にわたって電極を備え、前記圧電材料間に、該圧電材料よりも良導体であって、前記両側面の電極に印加するパルス電圧に対してはほぼ絶縁体として作用し、前記各圧電材料を分極する際に印加する高電圧に対しては導電体となる高抵抗層を設けたインク噴射装置の製造方法において、前記高抵抗層を複数の圧電材料のグリーンシートで挟み、焼結して一体化した積層体を形成する工程と、前記高抵抗層と、それとは反対側の前記複数の圧電材料の面との間に電圧を印加して前記複数の圧電材料を互いに相反する方向に分極する工程と、前記積層体に、前記高抵抗層と複数の圧電材料とにわたって、前記複数の側壁によって隔てた複数の溝を加工する工程と、前記側壁の両側面を含む前記積層体の表面に導電性膜を形成する工程と、前記導電性膜を分割し、前記側壁の両側面に前記電極を形成する工程とからなる。
【００１２】
このように、圧電材料をグリーンシートの状態で高抵抗層と積層し、焼結して一体化することができるから、従来のように、圧電材料の焼結体を薄板に形成したり、それを接着する作業がなくなり、容易にかつ安価に製造することができる。また、焼結した後で、高抵抗層と、それとは反対側の前記複数の圧電材料の面との間に電圧を印加することで、複数の圧電材料を互いに相反する方向に分極することが容易にできる。さらに、積層体の表面に導電性膜を形成し、これをを分割することで、側壁の両側面に電極を容易に形成することができる。
【００１３】
前記高抵抗層は、前記複数の圧電材料のグリ−ンシートのうち少なくとも１つの表面に、公知のように金属等の導電体もしくは導電体を含む材料により容易に薄膜形成することでき、側壁に占める圧電材料の割合を大きくして、側壁を効率よくかつ大きく変形させることが可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１５】
図１に示すように、インク噴射装置は、複数のインク噴射溝２１と非噴射溝２２を有するアクチュエータ基板１０と、その上面を覆うカバー板３０と、噴射溝２１に連通する複数のノズル孔３３を有するノズル板３２と、噴射溝２１に供給源からのインクを分配するマニホ−ルド３１とからなる。
【００１６】
アクチュエータ基板１０は、それぞれ反対方向（図５のＰ）に分極された圧電材料（例えばチタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）のセラミックス材料）製の基材１１，１２を、その間に高抵抗層１３（図５）を挟んで積層して構成されている。
【００１７】
アクチュエータ基板１０には、噴射溝２１および非噴射溝２２となる平行な多数の溝がそれぞれ側壁２４によって隔てられて、両基材１１，１２にわたる深さで形成されている。噴射溝２１および非噴射溝２２間を隔てる側壁２４は、その高さ方向に、分極方向が反対の圧電材料を重ねた構成となっている。
【００１８】
噴射溝２１は、図１に示すようにその長さ方向（すなわちインク噴射方向）の前後両端をアクチュエータ基板の前後両端に開放して形成され、非噴射溝２２は、前端面１０ａに開放するが、後端面１０ｂにおいて閉塞するように、立ち上げ部２３を残して形成されている。噴射溝２１内の側壁２４側面にはその長さ方向および深さ方向にわたって図５に示すように第１の電極２６ａが形成され、非噴射溝２２内の側壁２４の両側面には同様に第２の側面電極２６ｂがそれぞれ形成されている。非噴射溝２２内の左右の第２の側面電極２６ｂは、該溝の底に沿って溝１５によって分割され、相互に独立している。
【００１９】
すべての第１の電極２６ａは、図３、図４に示すように、アクチュエータ基板１０の後端面１０ｂを経て下面１０ｄの共通側接続端子２６ａ−１に接続されている。第２の側面電極２６ｂは、非噴射溝２２の前端から下面１０ｄへ延びる縦溝１５の側面を経て下面１０ｄの複数の駆動側接続端子２６ｂ−１にそれぞれ接続されている。１つの噴射溝２１を挟む一対の側壁２４，２４の側面電極２６ｂ，２６ｂは、１つの駆動側接続端子２６ｂ−１に接続されている。共通側および駆動側接続端子２６ａ−１，２６ｂ−１は、フレキシブルな配線材１７をとおして制御回路に接続される。
【００２０】
アクチュエータ基板１０の上面１０ｃには、噴射溝２１および非噴射溝２２の長さ方向に沿った開放面を覆うカバー板３０が接着固定され、アクチュエータ基板１０の前端面１０ａおよびカバー板３０の前端面３０ａには、噴射溝２１と対応するノズル孔３３を有するノズル板３２が接着固定され、またそれらの後端面には、マニホールド３１が接着固定されている。
【００２１】
インクの供給源からマニホールド３１に導入されたインクは、噴射溝２１に供給されるが、非噴射溝２２には、立ち上がり部２３によって供給されない。１つの噴射溝２１、その両側の側壁２４，２４、該側壁上の側面電極２６ａ，２６ｂは、１組のアクチュエータを構成する。噴射溝内の第１の側面電極２６ａを共通の電位例えばアースに共通側接続端子２６ａ−１をとおして接続し、両側壁２４，２４の非噴射溝２２側の第２の側面電極２６ｂ，２６ｂに駆動側接続端子２６ｂ−１をとおしてパルス電圧を印加すると、第１および第２側面電極２６ａ，２６ｂ間に圧電材料の分極方向と直角方向の電界が発生し、図５に示すように、側壁２４，２４の上下各部の圧電材料がそれぞれ反対方向に圧電厚みすべり効果により変形して、噴射溝２１内の容積を拡大する。そして、電圧の印加を停止すると、側壁２４、２４が復帰する際に噴射溝２１内のインクに圧力を加え、インクをノズル孔３３から噴射することができる。
【００２２】
上記基材１１，１２間の高抵抗層１３は、該基材１１，１２の圧電材料よりも良導体であって、側面電極に印加するパルス電圧に対してはほぼ絶縁体として作用し、圧電材料を分極処理する際に印加する高電圧に対しては導電体となるものである。たとえば、上記パルス電圧によって圧電材料に発生する電界は約４．７ｋＶ／ｃｍ、分極処理するための高電圧によって発生する電界は約１０〜３５ｋＶ／ｃｍ、高抵抗層１３の抵抗値は、側壁両側面の電極間にて２ＭΩ〜１００ＭΩ、好ましくは２ＭΩ〜９ＭΩとする。
【００２３】
上記アクチュエータ基板１０製造方法を以下に説明する。
【００２４】
まず図６に示すように、下側の基材１１を構成するチタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）の圧電材料を用意し、ドクターブレード法、スクリーン印刷法などの手法を用いて、所定の厚さ（たとえば２ｍｍ）のグリーンシート１１ａに成形する。該グリーンシート１１ａの上に、高抵抗層１３となる導電体として例えば耐熱ガラスやセラミックスに、シリコンなど半導体の粉末、カーボン粉末などを混合したものを使用し、スクリーン印刷法、インクジェット印刷法などによって薄膜に形成する。高抵抗層１３の厚さは、１０００Å〜５０μｍ程度でよい。
【００２５】
そして、高抵抗層１３の上に、上側の基材１２を構成するチタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）の圧電材料をドクターブレード法、スクリーン印刷法などの手法を用いて、所定の厚さ（たとえば約２００μｍ）のグリーンシート１２ａに成形する。このように高抵抗層１３の上に上側の基材１２を直接形成してもよいが、別のところで成形した基材のグリーンシート１２ａを、高抵抗層１３の上に重ねてもよい。
【００２６】
このように得られた積層体を、加圧圧着、脱脂、焼結工程を経て、一体焼結体とする。この段階では、上下両側の基材１１，１２の自発分極方向は、ランダムであり、圧電特性を有しない。
【００２７】
次に、上記の積層体の上下両面（すなわち両基材１１，１２の高抵抗層１３とは反対側の面）に、図７に示すように、分極用電極１４をスパッタリング、蒸着法等の手法にて形成する。そして、圧電材料がが強誘電性を失わない温度（即ち、キュリー温度以下）にされた、例えば１５０℃の図示しないシリコンオイルなどの絶縁オイル中にて分極処理を行なう。分極処理は、高抵抗層１３と分極用電極１４，１４との間に、分極用電源１９により、下側の基材１１と上側の基材１２に１０〜３５ｋＶ／ｃｍ程度の電界を印加する。これにより、下側の基材１１と上側の基材１２は、それぞれ高抵抗層１３から分極用電極１４，１４に向かう方向（矢印Ｐ方向）、すなわち互いに相反する方向に分極される。分極処理の温度は、圧電材料の特性に応じて決定されるもので、常温であっても差し支えない。分極処理完了後には分極用電極１４を研削加工により除去する。なお、分極用電極１４は、積層体の上下両面に当接するだけでもよい。
【００２８】
次に、図８に示すように、積層体に、ダイヤモンドブレード１８等により、深さ約４００μｍ、幅約２０〜４０μｍの複数のインク噴射溝２１と非噴射溝２２を切削加工し、各溝間に側壁２４を形成する。側壁２４の両側面を含む積層体の全表面に、図９に示すように、側面電極および接続端子となる導電層２６を、蒸着、無電解メッキ等の方法により形成する。そして、積層体の上面１０ｃおよび前面１０ａを研磨する等の方法により、図１に示すように、該面１０ｃ，１０ａの導電層２６を除去し、さらに、非噴射溝２２の底面に沿ってレーザ光を照射して、該底面の導電層を溝状に除去する（溝を２５で示す）ことで、側壁２４の側面の導電層を側面電極２６ａ，２６ｂとして独立させる。また、縦溝１５の底面および下面１０ｄに、溝２５に連続する溝２７を同様にレーザ光により加工し、接続端子２６ａ−１，２６ｂ−１を形成する。なお、上面１０ｃおよび前面１０ａ等の電極を形成しない部分には、予めマスク処理しておいて導電層２６を除去する方法をとることもできる。
【００２９】
前記下側の基材１１は、圧電特性を有しない安価なセラミックス等の剛体材料の上に、圧電特性を有するセラミックスの薄い材料を重ねた構成とし、さらにその上に上記のように高抵抗層１３および上側の基材１２を積層した構成をとることができる。
【００３０】
また、高抵抗層１３を形成する方法として、カーボン、銀などの導電金属を含むペースト層を一方のグリーンシート１１ａまたは１２ａの上に印刷法などによって形成し、両クリーンシート１１ａ，１２ａを重ねて高温焼成するとき、ペーストの導電金属を上下基材１１，１２の境界部分に拡散させることで、圧電材料の中間に高抵抗層１３を形成することもできる。この場合、高抵抗層１３を形成する材料としては、高温焼成で拡散する金属、導電材ならば、なんでも良い。
【００３１】
本実施の形態のインク噴射装置は、上述したように、高抵抗層１３が、基材１１，１２の圧電材料よりも良導体であって、圧電材料を分極する際に印加する高電圧に対しては導電体であるので、従来の焼結体の薄板を形成し接着する場合に比して、圧電材料のグリーンシートをドクターブレード法、スクリーン印刷法などの手法で形成し、かつ高抵抗層を印刷法などによってグリーンシートの上に薄膜に形成して焼結することができるため、安価にかつ容易に製作することができる。しかも、焼結後であっても、高抵抗層を分極用の電極とすることで、両基材１１，１２を容易に分極することができる。
【００３２】
また、高抵抗層１３が、側面電極に印加するパルス電圧に対してはほとんど電流を流さないので、パルス電圧によって側面電極２６ａ，２６ｂ間が高抵抗層１３によって短絡することがなく、側壁２４を効率よく変形させることができる。そして、高抵抗層１３は上記のように薄膜に形成できるから、側壁２４に高抵抗層１３の占める範囲を小さくし、圧電材料の占める範囲を大きくでき、その結果、側壁２４を効率よくかつ大きく変形させ、インクの噴射特性を向上することができた。
【００３３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のインク噴射装置を分解して示す斜視図である。
【図２】同インク噴射装置の水平断面図である。
【図３】同インク噴射装置を下方から見た斜視図である。
【図４】同インク噴射装置を下方から見た斜視図である。
【図５】同インク噴射装置の縦断面図である。
【図６】同インク噴射装置の製造工程を示す斜視図である。
【図７】同インク噴射装置の分極工程を示す断面図である。
【図８】同インク噴射装置の製造工程を示す斜視図である。
【図９】同インク噴射装置の製造工程を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０  アクチュエータ基板
１１  下側の基板
１２  上側の基板
１３  高抵抗層
２２  噴射溝
２３  非噴射溝
２４  側壁
２６ａ，１６ｂ  電極
【図１】
0004196474.tif 000002
【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】
0004196474.tif 000007
【図７】
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【図８】
0004196474.tif 000009
【図９】
0004196474.tif 000010