JP2010240846A - 液滴吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】隣合う２列のノズル列に対応する圧電振動子列同士の位置精度を確保可能な液滴吐出ヘッドの製造方法を提供する
【解決手段】圧電材料と導電材料を交互に積層してなり且つ変位方向の両端部が不活性領域で且つその他の部分が活性領域な圧電材料板４０を、固定基板２０の平行な二面の夫々に、活性領域が固定基板２０から突出するようにして、何れか一方の端部の不活性領域で固定し、それら圧電材料板４０の夫々に、固定基板２０からの突出方向に長手な切り込み３４を所定間隔毎に同時に形成して、各切り込み３４間に圧電振動子１４が形成された振動子ユニットを製造し、この振動子ユニットをヘッドケースに収容する。２つの圧電材料板４０の夫々に形成される切り込み３４を、互いに所定間隔の半分ずらすことで、圧電振動子１４を２列千鳥配列とする。
【選択図】図１０

Description

本発明は、微小な液滴を複数のノズルから吐出する液滴吐出ヘッドに関するものであり、特に積層型圧電素子からなる圧電振動子を用いる液滴吐出ヘッドに好適なものである。

液滴吐出型印刷装置は、一般に安価で且つ高品質なカラー印刷物が容易に得られることから、パーソナルコンピュータやデジタルカメラなどの普及に伴い、オフィスのみならず一般ユーザにも広く普及してきている。
このような液滴吐出型印刷装置のうち、液滴吐出ノズルの形成された液滴吐出ヘッドをキャリッジと呼ばれる移動体に載せて印刷媒体の搬送方向と交差する方向に移動させるものを一般に「マルチパス型印刷装置」と呼んでいる。これに対し、印刷媒体の搬送方向と交差する方向に長尺な液滴吐出ヘッドを配置して、所謂１パスでの印刷が可能なものを一般に「ラインヘッド型印刷装置」と呼んでいる。

この種の液滴吐出ヘッドでは、液体を噴射するための複数のノズルを列状に形成し、各ノズルには、吐出される液体を加圧するための圧力室を連通し、この圧力室に、圧電振動子を配設し、各圧電振動子の夫々に駆動信号を印加することで該当するノズルから液滴を吐出する。下記特許文献１では、固定基板の片面に圧電体を接着などの手段で取付けた後、ワイヤソーやダイサーなどで振動子に切り分けて一列分の振動子列を形成し、その振動子列を複数列ヘッドケースに位置決め固定することで、各圧力室に対応した振動子列を形成している。

特開２００２−３６１８６８号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載される液滴吐出ヘッドでは、切り分けられる圧電振動子列内の各圧電振動子の位置精度を高めることができるものの、圧電振動子列同士の位置精度を確保するのが難しい。特に、隣合う２列のノズル列同士のピッチを互いに半ピッチだけずらし、それら２列のノズル列から吐出される液滴で、例えば印刷物の解像度を高めるような場合には、隣合う２列のノズル列に対応する圧電振動子列も互いに位置精度が要求されるが、前記特許文献１に記載される液滴吐出ヘッドでは、それら隣合う圧電振動子同士の位置精度を確保することが困難であり、結果的に解像度を確保することも難しくなる。
本発明は、これらの諸問題に着目して開発されたものであり、隣合う２列のノズル列に対応する圧電振動子列同士の位置精度を確保可能な液滴吐出ヘッドを提供することを目的とするものである。

上記諸問題を解決するため、本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法は、圧電材料と導電材料を交互に積層してなり且つ変位方向の両端部が不活性領域で且つその他の部分が活性領域な圧電材料板を、固定基板の平行な二面の夫々に、活性領域が固定基板から突出するようにして、何れか一方の端部の不活性領域で固定し、それら圧電材料板の夫々に、固定基板からの突出方向に長手な切り込みを所定間隔毎に同時に形成して、各切り込み間に圧電振動子が形成された振動子ユニットを製造することを特徴とするものである。
この液滴吐出ヘッドの製造方法によれば、隣合う２列のノズル列に対応する圧電振動子列同士の位置精度を確保することができる。
また、前記圧電材料板の夫々に形成される切り込みを、互いに前記所定間隔の半分ずらしたことを特徴とするものである。

この液滴吐出ヘッドの製造方法によれば、隣合う２列の圧電振動子列に対応するノズル列を半ピッチずつずらし、液滴吐出解像度を確保することができる。
また、前記振動子ユニットをヘッドケースに収容する際、固定基板の平行な二面に形成された圧電振動子の列のうち、一方の列の列方向端部を２列の圧電振動子列の列方向の位置決め部として収容することを特徴とする
この液滴吐出ヘッドの製造方法によれば、隣合う２列の圧電振動子列に対応する圧電振動子列同士の位置精度を確保することができる。

本発明の液滴吐出ヘッドの一実施形態を示す概略構成図である。 図１の液滴吐出ヘッドの縦断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 図２の液滴吐出ヘッドの底面図である。 図４のＢ−Ｂ断面図である。 圧電振動子ユニットの斜視図である。 ヘッドケースの一部断面斜視図である。 図６の圧電振動子ユニットの製造工程の説明図である。 図６の圧電振動子ユニットの製造工程の説明図である。 図６の圧電振動子ユニットの製造工程の説明図である。 図６の圧電振動子ユニットの製造工程の説明図である。 図６の圧電振動子ユニットの製造工程の説明図である。 図６の圧電振動子ユニットの製造工程の説明図である。 図６の圧電振動子ユニットをヘッドケースに組込む工程の説明図である。 図６の圧電振動子ユニットをヘッドケースに組込む工程の説明図である。 従来の圧電振動子ユニットの製造工程の説明図である。

次に、本発明の液滴吐出ヘッドの一実施形態について、図１〜図７を用いて説明する。
図１は、液体吐出型印刷装置に用いられる本実施形態の液滴吐出ヘッドの概略構成図である。液滴吐出ヘッド１は、圧電振動子１４が収容されるヘッドケース１６と、このヘッドケース１６のユニット固着面に接着剤などで固着される流路ユニット２６とを備えている。図２にも示すように、流路ユニット２６は、インクなどの液滴吐出のためのノズル（ノズル開口）１５が列状に形成されたノズルプレート１０と、各ノズル１５に連通する圧力室１９の列及び各圧力室１９に供給される液体を貯留する貯留室１７を含む流路空間の形成された流路形成基板１１と、流路形成基板１１の一面に接合され且つ圧力室１９を含む流路空間を封止する振動板（弾性板）１２とが積層されて構成されている。

前記ノズルプレート１０は、ノズル１５が複数列設されてノズル列２５が形成され、この例では２列のノズル列２５が形成されて、夫々、独立して液滴を吐出するように構成されている。２列のノズル列２５の夫々のノズル１５は同じピッチで開設されているが、２列のノズル列２５同士は、互いに半ピッチずれており、所謂千鳥配列になっている。このノズルプレート１０は、例えばステンレス板から形成されている。
前記ノズル列２５は、図２の紙面垂直方向に設けられている。そして、この例では、２列のノズル列２５に対応するように圧力室１９の列も２列設けられている。具体的には、圧力室１９の列は２列１組で対向されて配設され、その両側に、各圧力室１９の列に対応して、夫々、１つずつ共通の貯留室１７が配設されている。これら圧力室１９及び貯留室１７を含む流路空間は、Ｓｉ単結晶基板からなる流路形成基板１１をエッチングして形成されている。

また、前記振動板１２は、ポリフェニレンサルファイドフィルムからなり、ステンレス板性の島部１３などがラミネートされて形成されている。
そして、流路形成基板１１の一面にノズルプレート１０が積層され、前記島部１３を外側に配置するようにして、当該流路形成基板１１の他面に振動板１２が積層されて流路ユニット２６が形成されている。
一方、ヘッドケース１６は、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を射出成形してなり、上下に貫通する収容空間２１には、前記圧力室１９に対応して前記振動板１２を変形させることにより当該圧力室１９内の圧力を変動させる圧電振動子１４が収容される。
圧電振動子１４は、縦振動モードの圧電素子であり、複数の圧電振動子１４のうち、例えば図２の下方端部（以下、後端部とも記す）が固定基板２０に列状に固着されて振動子ユニット３０を構成し、この振動子ユニット３０がヘッドケース１６内に収容されている。

この振動子ユニット３０は、例えば図６に示すように、固定基板２０の平行な二面に対し、夫々、固定基板２０のノズルプレート１０側の一端から圧電振動子１４がノズルプレート１０側に突出するように一定ピッチで列設されている。また、これら固定基板２０の平行な二面に列設された圧電振動子１４は、それらを流路ユニット２６側から見たとき、前記２列のノズル列２５の各ノズル１５に対応するように、千鳥状に配設されている。つまり、２列の圧電振動子１４列は、互いに半ピッチずれている。各圧電振動子１４の間は、スリット状の切れ込み３４が形成されており、その切れ込み３４は、圧電振動子１４の突出先端部から後端側に向けて、固定基板２０の表面に達する位置まで形成されている。
固定基板２０は、ステンレスなどの金属板やセラミックス材料から形成されている。両者は剛性が高く、熱膨張係数が比較的小さいので、圧電材料と接合しても、その界面に大きな剪断力が作用して変形したり、温度変化によってクラックが発生したりすることがなく、安定した構成となる。

図７に示すように、ヘッドケース１６には、前記振動子ユニット３０を収容する収容空間２１が形成されている。この収容空間２１は、ヘッドケース１６の流路ユニット２６の固着面と反対側に大きく１つの開口を有し、流路ユニット２６の固着面には、圧電振動子１４の列の先端を流路ユニット２６の振動板１２の島部１３に当接させるための２つの開口部３２が形成されている。そして、前記開口部３２同士の間には、振動子ユニット３０が収容空間２１内に収容された状態で、固定基板２０の流路ユニット２６側の端面が当接する固定バー３１が形成されている。

また、ヘッドケース１６には、収容空間２１の固定バー３１よりも流路ユニット２６の固着面と反対の開口側に、固定基板２０をガイドするガイド溝３６が形成されている。更に、前記ガイド溝３６を挟んだ両側には、振動子ユニット３０を収容空間２１内に開口側から挿入する際に圧電振動子１４をガイドするガイド斜面３７が形成されている。そして、前記ガイド斜面３７よりも流路ユニット２６の固着面側の内壁面が圧電振動子１４の列方向の位置を位置決めする位置決め面Ｓになっている。また、固定基板２０のガイド溝３６の側壁が圧電振動子１４の列を直交する方向の位置を決める位置決め面Ｕとなっている。

図３〜図５に示すように、前記振動子ユニット３０は、固定基板２０の平行な二面に形成された圧電振動子１４の列のうち、一方の圧電振動子１４の列の列方向端部を、二列の圧電振動子１４の列の列方向の位置決め部Ｔとしてヘッドケース１６に収容されている。このとき、圧電振動子１４の列の位置決め部Ｔとヘッドケース１６の開口部の列方向端部の内壁面からなる位置決め面Ｓとが対面し、当接して位置決めされている。
また、振動子ユニット３０が収容された状態で、固定基板２０のガイド溝３６側壁の位置決め面Ｕと、固定基板２０の板面とが当接して圧電振動子１４の列と直交する方向の位置決めが行われる。このように振動子ユニット３０が収容された状態で、振動子ユニット３０の固定基板２０の列方向の両端部とガイド溝３６の内面とが接着剤３５で接着固定されている。

そして、ヘッドケース１６のユニット固着面に、流路ユニット２６の振動板１２側が接着剤で接合された状態で、圧電振動子１４の先端面が振動板１２の島部１３に固着されると共に、固定基板２０がヘッドケース１６に接着固定されることにより液滴吐出ヘッド１が構成されている。
このように構成された液滴吐出ヘッド１は、図示しない駆動回路で発生させた駆動信号をフレキシブル回路板２２を介して圧電振動子１４に入力することにより、圧電振動子１４が長手方向に伸縮する。この圧電振動子１４の伸縮により、振動板１２の島部１３を振動させて圧力室１９内の圧力を変動させ、圧力室１９内のインクなどの液体をノズル１５から液滴として吐出させることができる。なお、図中の符号２４は貯留室１７に液体を供給する供給流路、符号２７はヘッドカバーである。

液滴吐出ヘッド１は、図示しないキャリッジに取付けられ、このキャリッジを印刷媒体の幅方向に往復移動させながら印刷媒体上に液滴吐出ヘッド１から液滴を吐出し、その液滴の吐出された印刷媒体を長手方向に移動させながら更に液滴を吐出することで、印刷媒体上に画像や文字をドットマトリックスによって印刷する。
このような構成により、本実施形態の液滴吐出ヘッド１は、固定基板２０の平行な二面から複数の圧電振動子１４が棒状に突出するように一定ピッチで列設されると共に、各圧電振動子１４の後端部が固定基板２０に固着されて振動子ユニット３０が形成され、この振動子ユニット３０は、圧電振動子１４の２列のうち、一方の圧電振動子１４の列の列方向端部を位置決め部Ｔとしてヘッドケース１６に収容されている。

このため、従来のように圧電振動子１４の列毎に振動子ユニット３０を位置決めするのではなく、ほぼ同一の位置精度の２列の圧電振動子１４が形成された振動子ユニット３０により、圧電振動子１４の列を２列同時に位置決めすることができ、２列間の圧電振動子の位置精度を確保することができる。また、ヘッドケース１６内の収容空間２１が狭い場合でも、振動子ユニット３０を余裕を持って取付けることができる。
また、固定基板２０を金属板で構成することにより、液滴吐出ヘッド１自体の剛性を保ちながら固定基板２０を薄型化することができ、ヘッド自体の小型化に有利であるだけでなく、樹脂製のヘッドケース１６との接触部が少なくなることから、ヘッドケース１６が環境温度などの影響で膨張しても、その膨張が圧電振動子１４の配置精度に与える影響が少なくなり、環境温度などに起因する吐出特性の変化が少なくなる。

次に、本実施形態の液滴吐出ヘッドの製造方法について説明する。
まず、振動子ユニット３０を製造する。図８に示すように、圧電材料板４０を用意する。この圧電材料板４０は、例えば定盤の上にペースト状に調整した圧電材料（例えばチタン酸・ジルコン酸鉛系複合ペロブスカイトセラミックス材料）を薄く塗布して第１の圧電材料層を形成し、この表面に蒸着や導電性塗料により第１の圧電材料層の一部が露出するようにして第１の導電層を形成し、更にその表面に圧電材料を薄く塗布して第２の圧電材料層を形成し、更に第１の導電層と異なる側に導電層を形成する工程を必要数回繰り返す。その後、その積層体を乾燥させて１０００〜１２００℃で焼成して板状の圧電材料板４０が形成される。このようにして形成された圧電材料板４０には、電圧の印加によって縦振動する活性部４２と、振動に寄与しない非活性部４３が存在している。

次いで、図９に示すように、固定基板２０の平行な二面に、夫々固定基板２０の一端から突出するように圧電材料板４０を導電性接着剤などで固着する。このとき、圧電材料板４０の非活性部４３と固定基板２０とが固着され、圧電材料板４０の活性部４２を固定基板２０の一端から突出させている。この突出した活性部４２が振動に寄与する部材の圧電振動子１４として形成される。

次いで、図１０、図１１に示すように、固定基板２０の平行な二面に固着した２つの圧電材料板４０に対し、固定基板２０の板厚方向を鉛直方向として、当該固定基板２０の支持ガイド位置決め部材５３の支持溝部５５内に固定ストッパー５４で固定する。つまり、２つの圧電材料板４０は上下方向に並んでいる。この状態の固定基板２０に対し、当該固定基板２０の平行な二面に固着された２つの圧電材料板４０の上下双方からワイヤソー４１（図では、１本だけ代表的に図示しているが、圧電振動子１４間の切り込み３４の数だけワイヤソー４１は必要）を当接し、このワイヤソー４１をローター５２で往復移動させて、２つの圧電材料板４０に同時に切り込み３４を形成し、前述した２列の圧電振動子１４の列を同時に形成する。切り込み３４は、上下双方が同時であっても同時でなくてもよい。また、切り込み３４は、圧電材料板４０の固定基板２０からの突出方向に長手とする。つまり、切出された圧電振動子１４の一方の端部が固定基板２０に固定された非活性部４３で、そこから活性部４２が固定基板２０から突出し、突出先端部は非活性部４３となっている。このとき、上下双方のワイヤソー４１を切り込み３４の半ピッチだけずらしておけば、２列の圧電振動子１４を千鳥配列とすることができる。ワイヤソー４１に適切なテンションが与えられていることはもちろんである。

図１２、図１３は、３つの支持ガイド位置決め部材５３に形成された４つの支持溝部５５内に計６つの固定基板２０を固定ストッパー５４で固定し、それらの固定基板２０の平行な二面に固着された２つの圧電材料板４０を上下双方向からワイヤソー４１で同時に切り込み３４を形成し、６つの固定基板２０に２列千鳥配列の圧電振動子１４を同時に形成している状態を示している。このように、本実施形態の液滴吐出ヘッドでは、複数の振動子ユニット３０の２列千鳥配列の圧電振動子１４の列を同時に形成することも可能である。

このようにして形成された振動子ユニット３０を、図１２、図１３に示すようにヘッドケース１６の収容空間２１内に収容する。まず、ヘッドケース１６のユニット固着面に、流路ユニット２６を接着剤などで接合して固着する。この状態のヘッドケース１６に対し、ユニット固着面と反対側の開口部から振動子ユニット３０を圧電振動子１４の先端側から挿入する。圧電振動子１４の先端面には予め接着剤を塗布しておき、振動子ユニット３０を挿入した状態で、圧電振動子１４の先端面と振動板１２の島部１３とを接着剤で接合する。

この振動子ユニット３０をヘッドケース１６に収容する際、固定基板２０の両面に形成された圧電振動子１４の列の一方の端部が、２列の圧電振動子１４の列の列方向の位置決め部Ｔとして機能する。即ち、ヘッドケース１６のユニット固着面と反対側の開口部から振動子ユニット３０を挿入する際、圧電振動子１４の列は、収容空間２１に向かって挿入される。このとき、圧電振動子１４の列は、両端部の圧電振動子１４がガイド斜面３７に当接してガイドされながら開口部３２内に挿入される。また、固定基板２０はガイド溝３６にガイドされて挿入される。また、振動子ユニット３０の固定基板２０の流路ユニット側の面が、前記開口部３２同士の間に形成された固定バー３１に当接するまで挿入される。

このとき、固定基板２０の平行な二面に列設された圧電振動子１４の列のうち、一方の圧電振動子１４の列の列方向端部が、ヘッドケース１６の開口部の列方向端部の内壁面からなる位置決め面Ｓに当接して位置決めされる。また、固定基板２０の一方のガイド溝３６の側壁と固定基板２０の板面とを当接させることにより、２列の圧電振動子１４の列を、列直交方向に位置決めすることができる。
本実施形態の製造方法によれば、固定基板２０の平行な二面に固着した２つの圧電材料板４０に対し、それら圧電材料板４０の夫々に対向する工具（ワイヤソー）で切り込み３４を形成することで、各列の圧電振動子１４を同時に且つ高位置精度で形成することができる。このとき、工具（ワイヤソー）の位置を各列の圧電振動子１４のピッチの半分ずらすことで、２列千鳥配列の圧電振動子１４を高位置精度で形成することが可能となる。

また、前記実施形態では、ノズル列、即ち圧電振動子１４の列が２列だけであり、従ってヘッドケース１６内に挿入される振動子ユニット３０も１つだけであるが、例えばノズル列を４列以上配設するような場合には、圧電振動子１４の列も４列以上となる。このような場合に、本実施形態のように振動子ユニット３０の固定基板２０の平行な二面に２列千鳥配列の圧電振動子１４を列設するものにあっては、ノズル列直交方向の寸法を短くすることが可能となる。

図１６は、従来の振動子ユニット３０の製造方法であり、固定基板２０の一方の面にのみ圧電材料板４０が固着されている。このような場合、圧電材料板４０に切り込み３４を形成して製造される圧電振動子１４の列の位置精度は確保できるものの、振動子ユニット３０を並べて構成される２列の圧電振動子１４の列間の位置精度は確保しにくい。
なお、前記実施形態では、本発明の液滴吐出ヘッドをインクなどの液体を吐出するものに具体化したが、この限りではなく、インク以外の他の液体（液体以外にも、機能材料の粒子が分散されている液状体、ジェルなどの流状体を含む）や液体以外の流体（流体として流して噴射できる固体など）を噴射したり吐出したりする液滴吐出ヘッドに具体化することもできる。例えば、液晶ディスプレイ、ＥＬ（エレクトロルミネッサンス）ディスプレイ、面発光ディスプレイ、カラーフィルタの製造などに用いられる電極材や色材などの材料を分散又は溶解の形態で含む液状体を吐出する液状体吐出ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物を吐出する液滴吐出ヘッド、精密ピペットとして用いられて試料となる液体を吐出する液滴吐出ヘッドであってもよい。更に、時計やカメラなどの精密機械にピンポイントで潤滑油を吐出する液滴吐出ヘッド、光通信素子などに用いられる微小半球レンズ（光学レンズ）などを形成するための紫外線硬化樹脂などの透明樹脂液を基板上に吐出する液滴吐出ヘッド、基板などをエッチングするために酸又はアルカリなどのエッチング液を吐出する液滴吐出ヘッド、ジェルを吐出する流状体吐出ヘッド、トナーなどの粉体を例とする固体を吐出する流体吐出式ヘッドであってもよい。そして、これらのうち何れか一種の吐出ヘッドに本発明を適用することができる。

１は液滴吐出ヘッド、１０はノズルプレート、１１は流路形成基板、１２は振動板、１３は島部、１４は圧電振動子、１５はノズル、１６はヘッドケース、１７は貯留室、１８は供給路、１９は圧力室、２０は固定基板、２１は収容空間、２２はフレキシブル回路板、２４は供給流路、２５はノズル列、２６は流路ユニット、２７はヘッドカバー、３０は振動子ユニット、３１は固定バー、３２は開口部、３４は切れ込み、３５は接着剤、３６はガイド溝、３７はガイド斜面、４０は圧電材料板、４１はワイヤソー、４２は活性部、４３は非活性部、５２はローター、５３は支持ガイド位置決め部材、５４は固定ストッパー、５５は支持溝部

Claims (3)

1. 圧電材料と導電材料を交互に積層してなり且つ変位方向の両端部が不活性領域で且つその他の部分が活性領域な圧電材料板を、固定基板の平行な二面の夫々に、活性領域が固定基板から突出するようにして、何れか一方の端部の不活性領域で固定し、それら圧電材料板の夫々に、固定基板からの突出方向に長手な切り込みを所定間隔毎に同時に形成して、各切り込み間に圧電振動子が形成された振動子ユニットを製造することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
2. 前記圧電材料板の夫々に形成される切り込みを、互いに前記所定間隔の半分ずらしたことを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
3. 前記振動子ユニットをヘッドケースに収容する際、固定基板の平行な二面に形成された圧電振動子の列のうち、一方の列の列方向端部を２列の圧電振動子列の列方向の位置決め部として収容することを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。

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