JP2005035226A - Inkjet head and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インクジェットヘッドに関し、より詳細には硬化前後で形状が変化しにくい接着剤を用いたインクジェットヘッド及び、その製造方法に関する The present invention relates to an ink jet head, and more particularly to an ink jet head using an adhesive whose shape hardly changes before and after curing, and a method for manufacturing the same.
従来のインクジェットヘッドの製造方法を図14を用いて説明する。図14において、バルク状の圧電素子36を固定台に接合した後、ダイシングソーなどで切断して複数の圧電素子36と基台37の組部品を作製する。次にそれぞれに対し、スパッタ等により選択的に個別電極38と共通電極を形成する。そして、圧電素子36を切断して、複数の振動子を形成することにより駆動ユニットを完成させる。ここで、電極38は圧電素子36と基台37の連続した面に形成されることになる(例えば、特許文献1参照。)。
A conventional method for manufacturing an inkjet head will be described with reference to FIG. In FIG. 14, a bulk
また、圧電素子と基台の電極パターンの形成を蒸着で行なう方法も知られている。図15により本製造方法を説明する。本方法は、外部電極40が形成された圧電素子36と基台37を接合した後、スパッタにより、基台37の電極パターン38の形成及び、圧電素子の外部電極40との導通を図るものである(例えば、特許文献2参照。)。
Also known is a method of forming a piezoelectric element and a base electrode pattern by vapor deposition. This manufacturing method will be described with reference to FIG. In this method, after the
しかし、特許文献1の従来技術では、ダイシング等によって切り分けることにより段差なく電極38を形成しやすいが、このような工程では接合部の信頼性が重要となる。すなわち、圧電素子36と基台37を接合する接着剤の気泡や、ダイシング時に発生するチッピング(欠け)などにより、非連続面となりやすい。一般的な電極形成方法であるスパッタリングは膜厚が1μm以下であるのに対し、気泡や欠けは数ミクロンから数十ミクロン以上であるので、電極38導通の信頼性は低下してしまう。さらに、接合部が非連続の場合は、さらに電気的信頼性が低下する。また、境界に導電ペーストの塗布や銀箔等の接合により電気的信頼性の向上を唱っているが、このような作業は組立の効率を著しく低下させることになる。この場合、個別電極の形成にエッチングを用いているが、圧電素子36を接合した状態でエッチングした場合、圧電素子36の内部電極がエッチング液により劣化してしまう。また、圧電素子36と基台37が非連続の場合、エッチングのマスキングが困難である為、このような方法を取ることが出来ない。
However, in the prior art of
一方、特許文献2の従来技術では圧電素子36と基台37の接合部に数ミクロンの隙間が発生し易く、蒸着のみの導通の確保は困難であると言わざるを得ない。
On the other hand, in the prior art of
上記課題は、台に固定した圧電素子の伸縮によりインク室を加圧してインク滴をノズルより吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記基台は個別電極に対応するパターン電極及び共通電極に対応するベタ電極が印刷されており、前記圧電素子と前記基台の間にはフィラー入りの樹脂材料が介在し、前記圧電素子の外部電極と前記基台のパターン電極及びベタ電極を導通させる電極が、前記樹脂材料を介することによって解決される。 In the ink jet head that pressurizes an ink chamber by expanding and contracting a piezoelectric element fixed to a base and ejects ink droplets from a nozzle, the base has a pattern electrode corresponding to an individual electrode and a solid electrode corresponding to a common electrode. A resin material containing filler is interposed between the piezoelectric element and the base, and an electrode for electrically connecting the external electrode of the piezoelectric element to the pattern electrode and the solid electrode of the base is the resin material. It is solved by going through.
また上記課題は、基台に固定した圧電素子の伸縮によりインク室を加圧してインク滴をノズルより吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記基台は個別電極に対応するパターン電極及び共通電極に対応するベタ電極が印刷されており、前記圧電素子と前記基台の間には少なくとも2つの成分からなる樹脂材料が介在し、前記圧電素子の接合する面積よりも広い面積に形成され、前記圧電素子の外部電極と前記基台のパターン電極及びベタ電極を導通させる連絡電極が、前記樹脂材料を介することによって解決される。 In addition, in the inkjet head that pressurizes the ink chamber by the expansion and contraction of the piezoelectric element fixed to the base and discharges ink droplets from the nozzle, the base is a solid electrode corresponding to the pattern electrode corresponding to the individual electrode and the common electrode. Electrodes are printed, and a resin material composed of at least two components is interposed between the piezoelectric element and the base, and is formed in an area wider than the area where the piezoelectric element is joined. The connecting electrode for conducting the electrode with the pattern electrode and the solid electrode of the base is solved by passing the resin material.
前記圧電素子の外部電極と前記連絡電極が、同一工程で作製された同一の部材であり、及び前記電極パターン及びベタ電極はAgなどの導電性部剤をスクリーン印刷で、前記外部外部電極と前記連絡電極はCr/Ni/Auをスパッタリングで作製される。 The external electrode of the piezoelectric element and the connecting electrode are the same member produced in the same process, and the electrode pattern and the solid electrode are screen printed with a conductive member such as Ag, and the external external electrode and the solid electrode. The connecting electrode is made by sputtering Cr / Ni / Au.
さらに上記課題は、基台に固定した圧電素子の伸縮によりインク室を加圧してインク滴をノズルより吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記基台は個別電極に対応するパターン電極及び共通電極に対応するベタ電極が印刷する工程と、前記圧電素子と前記基台をフィラー入りの接着剤で接合する工程と、前記基台と前記圧電素子の所定の位置をマスキングしてスパッタリングまたは蒸着により電極を形成する工程と、前記圧電素子をノズルにあわせて歯割する工程とによって製造することによって解決される。 Furthermore, in the inkjet head that pressurizes the ink chamber by the expansion and contraction of the piezoelectric element fixed to the base and discharges ink droplets from the nozzle, the base is a solid electrode corresponding to the pattern electrode corresponding to the individual electrode and the common electrode. A step of printing an electrode, a step of bonding the piezoelectric element and the base with an adhesive containing a filler, a step of masking a predetermined position of the base and the piezoelectric element, and forming an electrode by sputtering or vapor deposition And the step of dividing the piezoelectric element in accordance with the nozzle.
本発明によれば、基台は個別電極に対応するパターン電極及び共通電極に対応するベタ電極が印刷されており、圧電素子と基台の間にはフィラー入りの樹脂材料が介在し、圧電素子の外部電極と基台のパターン電極及びベタ電極を導通させる電極が、樹脂材料を介しているので、外部電極とパターン電極またはベタ電極と高い信頼性を持って電気的な接合を行なうことが出来、組立効率も向上する。また、複数の樹脂材料を混合した接着剤を用いることにより、フィラーよりムラのない樹脂層を作製することが出来る。また、外部電極と連絡電極を同時に作製するので組立コストを低下することが出来る。さにに、基台の電極材料をAgとし、スクリーン印刷で形成するので比較的安く密着強度が高い電極を形成でき、圧電素子と基台の電極との連絡もスパッタリングで行なうので、電気的信頼性が高い。 According to the present invention, the base is printed with the pattern electrode corresponding to the individual electrode and the solid electrode corresponding to the common electrode, and the resin material containing the filler is interposed between the piezoelectric element and the base. Since the electrode that connects the external electrode to the base pattern electrode and the solid electrode is through a resin material, the external electrode and the pattern electrode or the solid electrode can be electrically connected with high reliability. As a result, the assembly efficiency is also improved. Further, by using an adhesive in which a plurality of resin materials are mixed, a resin layer that is more uniform than the filler can be produced. Further, since the external electrode and the connecting electrode are manufactured at the same time, the assembly cost can be reduced. In addition, the electrode material of the base is made of Ag and is formed by screen printing, so it is possible to form a relatively cheap electrode with high adhesion strength, and the connection between the piezoelectric element and the electrode of the base is also made by sputtering, so that electrical reliability is achieved. High nature.
圧電素子と電極がパターニングされた基台の電気的接合の信頼性を向上させることを実現した。 The reliability of electrical bonding of the base on which the piezoelectric element and the electrode are patterned has been improved.
発明の実施の形態を実施例にもとづき図面を参照して説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described based on examples with reference to the drawings.
図1は本実施励を示すインクジェットヘッドの斜視図である。また図2はその断面図を示す。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(a)は組み上げた状態における側面図、図2(b)は図2(a)の断面図である。 FIG. 1 is a perspective view of an ink jet head showing the present embodiment. FIG. 2 shows a cross-sectional view thereof. FIG. 1 is an exploded perspective view showing the structure of an ink jet head as a first example according to the present invention, FIG. 2 (a) is a side view in an assembled state, and FIG. 2 (b) is a view of FIG. 2 (a). It is sectional drawing.
図1、図2において、本ヘッドは大きく分けて駆動ユニット16と流路ユニット33の2つに分けられる。駆動ユニット16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し、駆動ユニット16と電気信号のコントロール部とを接続するFPC5からなる。
In FIG. 1 and FIG. 2, the head is roughly divided into two, a
圧電素子1は、内部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。
The
圧電素子1の両側面には内部電極と繋がる外部電極が設けられる。本実施例では、基台3との接合後に外部電極を形成する。
External electrodes connected to the internal electrodes are provided on both side surfaces of the
図3は基台3を示し、基台3は圧電素子1の一端を接着剤等により接合して固定する役割を持ち、そのため、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ユニット16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、アルミナセラミックを用いている。これは、熱膨張係数が圧電素子1に近いので比較的高い温度で接合が出来ること、絶縁性であるので電気配線が容易なこと、加工性が良く精度が高いこと、などから用いている。なお、熱膨張係数を合わせる為、窒化ケイ素を用いる場合もある。また、基台3には長手方向両端に振動子位置決め穴4が設けられている。流路ユニット33との位置決め時に用いる。
FIG. 3 shows the
基台3には予め電極がパターニングされている。一面には個別電極に対応するパターン電極11が、その裏面には共通電極に対応するベタ電極12が形成される。電極の形成にはスクリーン印刷を用い、電極材料としてはAgなどを用いている。パターン電極11は振動子位置決め穴4に対して配列される。スクリーン印刷は電極を700℃近い温度で焼結させる為、圧電素子1を接合した状態では不可能であるが、安価で密着強度が非常に高いので本実施例ではこれを採用している。
Electrodes are patterned on the
駆動ユニット16の組立方法を順を追って説明する。まず、図4に示すように基台3の当接面にフィラー入りのシート状接着剤8を貼り付ける。これはフィラーにより接着剤硬化時に流れ出しの発生が殆ど無い。ここでは一液性のエポキシ接着剤を主成分としたものを用いており、フィルムに均一に塗布されている。常温ではフィルムから接着剤が剥がれず、熱と温度によりフィルムから被接合部材に接着剤を転写することが出来る。フィルムには離型材が塗られており、綺麗にはがすことが出来る。貼り付けは、接合する圧電素子1の面積よりも広い面積のシート状接着剤8を用い、所定の位置に配置して行なう。温度は約90℃程度で加圧して行なう。これを仮接着と呼び、フィルム上の接着剤を被接合部材に転写する工程である。仮接着後、フィルムを剥がすと、基台3には均一な接着層8が形成される。
The assembly method of the
次に、図5のように板状の圧電素子1のブロックを、シート状接着剤8のほぼ中央に位置決めし、180℃程度に加熱し、さらに加圧して接合する。これを本接着と呼ぶ。このようにして、図6のようにシート状接着剤8が圧電素子1と基台3を連続的に結ぶように接着剤を形成することが出来る。
Next, as shown in FIG. 5, the block of the plate-like
接合後、圧電素子1の上面を研磨して、加圧面との平行を出す。ここでは、研磨により行なうが、それ以外にも、ダイシングにより平行を出す方法もある。
After the bonding, the upper surface of the
次に、圧電素子1の外部電極の形成、及び基台3のパターン電極11及びベタ電極12と圧電素子1の外部電極13を導通する連絡電極14の形成を行なう。ここでは、これをスパッタリングで行なうが、真空蒸着でも可能である。
Next, the external electrode of the
まず、パターン電極11とベタ電極12を図7のように一部分だけ表に出るようにマスキングする。また、圧電素子1の頂面と加圧面も同様にマスキングする。マスク36は金属を用いているが、ポリイミドテープでも良い。
First, the
マスキングした後、スパッタリングを行なう。ここでは電極材として、Cr/Ni/Auの3層構造を用いている。スパッタによりベタ電極12とパターン電極11の最外パターンが当接面を介して導通される。これによりパターン電極11面に個別電極と共通電極を配置することが出来る。
Sputtering is performed after masking. Here, a three-layer structure of Cr / Ni / Au is used as the electrode material. By sputtering, the outermost pattern of the
ここで、圧電素子1に予め電極を形成した状態で接合しても良い。この場合、スパッタの膜厚をうまく制御する必要がある。外部電極13が厚く成り過ぎるとダイシング時に電極が捲れやすくなるからである。
Here, the
スパッタ後、マスク36を剥がしてダイシングにより所定のピッチで圧電素子1の分割を行なう。図8に加工後の状態を示す。ここで、切断する深さは先ほどマスキングしたラインまで入り込むように行ない、パターン電極11がそれぞれ分割するようにする(図8右側)。分割後、ノズルと同じ数の振動子2だけ残し、両端の残部は取り除く。
After sputtering, the
次に、FPC5を基台3のパターン電極11面に貼り付ける。図10にその状態を示す。FPC5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が並び、その両端には共通電極用パターンが形成されている。異方性導電接着剤によりそれそれの電極を接合する。
Next, the
接合後、分極処理を行なうことにより、圧電素子1を変位可能な状態にする。接合して分割後に分極処理することにより、圧電素子1の反りやウネリを抑えることが出来る。
After bonding, the
以上により駆動ユニット16を形成する。
Thus, the
続いて、流路ユニットの製造方法について説明する。図11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。また、各プレートのノズル列の両端付近には駆動ユニット16を位置決めする駆動ユニット位置決め穴26が設けられている。
Then, the manufacturing method of a flow path unit is demonstrated. As shown in FIG. 11, the flow path unit is formed of an ink
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。
The
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。各プレートの駆動ユニット位置決め穴26の中で、この穴が一番小さくなるように設計される。これにより、圧力室と駆動ユニット16の位置関係が正確に出し易くなる。
The
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、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。
The
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。
In assembling the ink
続いて、図12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1615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。材質はアルミナセラミックであり、これは駆動ユニット16の電極との導通を回避するために用いている。固定板はインク流路部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33が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 12, after the ink
駆動ユニット16と流路ユニット33はそれぞれ別々の工程で組立られるため、組立順序はどちらが先でも構わない。
Since the
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(セメダイン社製)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。 Subsequently, each unit is joined. Joining is performed by a transfer method using an adhesive. Here, EP001 (manufactured by Cemedine), which is a high-strength elastic adhesive, is used as the adhesive. Here, the transfer of the adhesive is performed by applying the adhesive to a flat plate and abutting the vibrator.
転写後、図13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。転写する前に、平面度の高い位置決め治具35に位置決めピン34を立て、駆動ユニット位置決め穴26にピン34を通して流路ユニット33を固定しておく。次に転写した駆動ユニット16について、振動子位置決め穴4を位置決めピン34を通して流路ユニット33に挿入し、突き当てる。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)。そして、位置決めピン34を抜き、駆動ユニット位置決め穴26を接着剤等で塞ぐ。以上によりヘッドが完成する。
After the transfer, the
以上のような工程でインクジェットヘッドを組立てることにより、駆動ユニット16作製時における電極形成時の導通の信頼性が向上し、且つ組立プロセスを簡素化することが出来る。また、圧電素子1と基台3の接合部が連続した面でなくても、連続的な電極形成が可能となる。シート状接着剤8を用いたことにより、液状の接着剤に比べ厚みバラツキ、ロットバラツキが少なく、塗布面積も容易に制限できる。
By assembling the ink jet head through the steps as described above, the reliability of conduction during electrode formation when the
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種類のエポキシ樹脂により圧電素子1と基台3を接合する。ここでは高分子と低分子のエポキシ樹脂を混合して作られた一液性の接着剤であり、フィラー入りと同様に高分子接着剤が加熱による接着剤の流れ出しを防いでいる。これは、前述のフィラーに比べ分布が少なくより均一な接着層を確保することが出来る。
Next, another example of the present invention will be described. In this example, the
接合方法・組立方法は全く同じである。ここでも加熱は仮接着90℃、本接着180℃で行なった。 The joining method and assembly method are exactly the same. Again, heating was performed at 90 ° C. for temporary bonding and 180 ° C. for main bonding.
1は圧電素子、2は振動子、3は基台、4は振動子位置決め穴、5はFPC、6は当接面、7は加圧面、8はシート状接着剤、9はポリイミド、10は銅線、11はパターン電極、12はベタ電極、13は外部電極、14は連絡電極、15はマスク、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は駆動ユニット位置決め穴、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は位置決めピン、35は位置決め治具である。
1 is a piezoelectric element, 2 is a vibrator, 3 is a base, 4 is a vibrator positioning hole, 5 is an FPC, 6 is a contact surface, 7 is a pressure surface, 8 is a sheet-like adhesive, 9 is polyimide, Copper wire, 11 is a pattern electrode, 12 is a solid electrode, 13 is an external electrode, 14 is a connection electrode, 15 is a mask, 16 is a drive unit, 17 is a channel unit positioning hole, 18 is a nozzle plate, 19 is a nozzle, 20 Is a chamber plate, 21 is a pressure chamber, 22 is a restrictor, 23 is a manifold, 24 is a diaphragm plate, 25 is a diaphragm, 26 is a drive unit positioning hole, 27 is an ink inlet, 28 is a damper, and 29 is an ink flow path. , 30 is a reinforcing plate, 31 is an ink supply path, 32 is a through hole, 33 is a flow path unit, 34 is a positioning pin, and 35 is a positioning jig.
Claims (5)
In an inkjet head that pressurizes an ink chamber by expanding and contracting a piezoelectric element fixed to a base and ejects ink droplets from a nozzle, the base is printed by a pattern electrode corresponding to an individual electrode and a solid electrode corresponding to a common electrode Bonding the piezoelectric element and the base with an adhesive containing a filler, masking predetermined positions of the base and the piezoelectric element and forming electrodes by sputtering or vapor deposition, and the piezoelectric element A method of manufacturing an ink jet head, comprising:
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