JPH08156270A - インクジェットヘッド用圧電アクチュエータとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 積層圧電素子を用いたインクジェットヘッド
用圧電アクチュエータにおいて、積層圧電部材は熱硬化
性樹脂の基台にインサート一体成形加工により、機密
性、密着性が高く接合し、接合面１０からのインクなど
水分の浸透を防止し、する。 【構成】 内部電極が積層された積層圧電部材を熱硬化
性樹脂材料の基台にインサート一体成形加工、溝加工し
て、基台に積層圧電素子群を櫛歯状に配置した形とし、
積層圧電部材の重なっていない基台の平面部を平面電極
形成面として、積層圧電素子に駆動電極を供給するため
の共通電極、個別電極等を前記の平面電極形成面に集中
的に配置したインクジェットヘッド用圧電アクチュエー
タ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インクジェットヘッド
用の圧電アクチュエータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ノンインパクト・プリンタ用インクジェ
ットヘッドとして、圧電材料と電極を交互に積層した積
層圧電素子を用いるものが、従来より提案されている。
これは、積層圧電素子に駆動電圧を加えて変形させるこ
とより、インク室の容積を変化させて、インク室の容積
増大時に加圧室内にインクを導入し、容積減少時に加圧
室に圧力を発生させてノズルからインクを噴射するもの
で、ドロップオンデマンド型インクジェット方式と呼ば
れるものである。積層圧電素子は、駆動電圧が低くても
積層枚数に比例した大きな変形が得られる点で有利であ
る。

【０００３】本発明に関する従来技術の公知文献として
は以下に記載のものがある。高解像度で広い範囲の印字
を行うために、多数のノズルを密集して配置する構造に
関して、種々の試みがなされている。例えば、特開平４
−１０５２号公報の示されているインクジェットヘッド
は、積層し焼成した圧電板に一定間隔で切り込みを入れ
ることによって圧電振動体を配列した構造を用いたもの
である。分極に対して垂直方向の変形、すなわち圧電歪
定数ｄ31に起因する変形を利用する。圧電振動体に対応
する振動板を変位させてインク溜部の容積縮小によって
圧力を受けたインクをインク滴として飛翔させるもので
ある。

【０００４】図１１は、従来にインクジェットヘッドの
一実施例を説明するための斜視図、図１２は、図１１の
断面図である。同図中、４１は基台、４２は圧電振動
体、４３は内部電極、４４は切り込み（スリット）、４
５は振動板、４６、４７はインク溜部を形成する凹部、
４８、４９は通孔、５０はノズルプレート、５１はノズ
ル開口である。圧電振動体４３は一端が基台に固定さ
れ、また自由端部がスリット４４により分離された圧電
振動体４２に伸張して、これに接触する振動板４５をイ
ンク溜部圧縮する。インク溜部の容積縮小により圧力を
受けたインクは、通孔４８を通ってノズル開口５１の到
達してインク滴となって飛翔する。

【０００５】積層し焼成した圧電板に一定間隔で切り込
まれた圧電振動体の側面は、内部電極４３がむき出しの
状態になっている。このままの状態では、インクが導電
性の場合に圧電素子には、インクが付着することによる
漏電や破壊の危険性も発生する。これを防止する為に、
特開平４−４５９４３号公報に記載のものは、ポリイミ
ド樹脂系、ポリエステル樹脂系、フッソ樹脂系、シリコ
ン樹脂系、エポキシ樹脂系等の絶縁性の薄膜を圧電振動
体の全体に塗布する方法が提案されている。

【０００６】また、特開平４−４５９４４号公報および
特開平４−４５９４５号公報に記載の構造は、圧電素子
ブロックは、絶縁材料より成り、アルミナ等のセラミッ
クス、あるいはガラス基板等からなる基板上の電極と導
通している。導電方式はＡｇロウ材や導電ペーストなど
を用いるか、又は金属ボウルを基板と圧電素子の間で押
しつぶす場合もある。導電ペーストは電極間全体である
必要はなく、ある部分がきちんと導通されていればよ
い。

【０００７】一般的に、たとえば粘度が１００〜４００
ポイズの接着剤を用いて接合する場合は、接合面の平坦
度と面あらさ等により、非接合部が発生して気密性、密
着性を得るのは困難である。これは接着剤に含まれる空
気が接合面から脱しきれず、接着剤が気泡を抱き込んだ
まま接合されたり、接着剤の充填不足のまま接着された
りするためである。

【０００８】また、アルミナ等のセラミックス、あるい
はガラス基板等の脆性材料からなる基板のため、組立て
取付けなどに用いる貫通穴を設けることが難かしい。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来技
術の特開平４−４５９４４号公報に記載の構造は、圧電
素子は側面の電極がむき出しの状態であり、インクが導
電性の場合、インク付着による漏電や破壊の危険性を有
していた。

【００１０】積層圧電部材に積層された内部電極と端面
電極を経て、基台部電極に到るまでの、特に端面電極と
基台部電極との界面において、断線による導通不良をひ
きおこしていた。

【００１１】本発明は、上述した問題点を解決するため
に、構造が簡単で、かつ小型で、信頼性の高く、製造コ
ストの安いインクジェットヘッド用圧電アクチュエータ
を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
ヘッド用圧電アクチュエータは、積層圧電部材を熱硬化
性樹脂材料の基台にインサート一体成形加工により接合
したものを用いる。樹脂基台は積層圧電部材よりも幅広
であり、積層圧電部材の重なっていない基台の平面部
は、後に平面電極形成面になる。

【００１３】このような基台と積層圧電部材の複合体の
表面を導電電極用メタライズを形成する。これにより表
面が導電性になるとともに、積層圧電部材に積層されて
いる内部電極は、基台の幅方向の端面のどちらかで表面
の導電電極用メタライズに接続される。

【００１４】次に、積層圧電部材に櫛歯状の溝加工を行
い、所望する深さとし、基台上の溝で分割された積層圧
電素子が複数個並んだ形態にする。次いで、これら積層
圧電素子、基台の上面および平面電極形成面の長手側面
を研削してメタライズ層を除去する。これによって、基
台の平面電極形成面に所要の端子電極が集めて配置され
た構造の圧電アクチュエータが完成する。

【００１５】

【作用】上記の製造方法により得られた圧電アクチュエ
ータは、積層圧電部材を熱硬化性樹脂、たとえば不飽和
ポリエステル樹脂の基台にインサート一体成形加工によ
り接合されおり、積層圧電部材は基台との境界（１０、
１０１：図３、図９参照）の気密性、密着性が高い。そ
のため境界１０（図３参照）からのインクなど水分の浸
透がなく、圧電素子の側面の電極がむき出し部へのイン
ク付着による漏電や破壊の危険性が回避できる。

【００１６】また、積層圧電部材と熱硬化性樹脂基台の
蒸着、スパッタリング、メッキ等の導電電極用メタライ
ズ層は境界１０１での断線がなく、積層圧電部材に積層
された内部電極は上記導電電極用メタライズ層と導通
し、基台部電極との導通不良という問題がない。また積
層圧電素子群に駆動電圧を加えるための個別電極および
共通電極が、前記基台に集中して設けられているので、
フレキシブル基板等との接続が容易である。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例におけるインクジェッ
トヘッド用圧電アクチュエータを図面を基に説明する。
図１は、実施例で用いる積層圧電部材１の斜視図で、圧
電材料層と内部電極を交互に積層した構造である。

【００１８】図２に積層圧電部材１の各層の状態を示
す。最上層の圧電材料２を除く圧電材料には内部電極が
形成されている。積層圧電部材１は後工程で櫛歯状に切
り込みを入れて個別の積層圧電素子に分離される。最下
層（第１層）の圧電材料３の内部電極４は、向こう側の
端の長手縁部に一致するが、手前の端は縁部に達しない
ものである。第２層の圧電材料層５には、内部電極６が
第１層の内部電極４とは逆方向に寄せた配置になってい
る。電極とこのような関係にある圧電材料を、奇数層お
よび偶数層として交互に積層することにより、図１の積
層圧電部材１が得られる。

【００１９】各偶数層の内部電極６の端部は、積層圧電
部材１の一方の端面、図１では手前の端面に露出し、奇
数層の圧電材料層の内部電極４の端部は、反対側の端面
に露出する。このように圧電材料層に交互に積層、焼成
し、厚み方向の分極などを行う製造工程は、一般に行わ
れている方法による。

【００２０】上記のような積層圧電部材１を図３に示す
ように、樹脂基台７にインサート一体成形加工により接
合する。樹脂は熱硬化性樹脂、例えば熱変形温度が２０
０℃以上、ヒートショックにも優れ、無収縮、極低歪で
インサートしても熱衝撃や残留ストレスの心配のない、
しかも機械加工による後加工が可能とし、ガラス繊維な
どの強化材と組み合わせたＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉ
ｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）のかたちで用いら
れる不飽和ポリエステル樹脂、例えば、旭硝子社製ロー
サイトを用いた。この樹脂の線膨張係数は、０．７〜
２．３５×１０^-6ｃｍ／ｃｍ／℃であり、積層圧電部材
１に近い。インサート成形条件は、積層圧電部材１のキ
ュリー点以下の金型温度１２０℃〜１４０℃で、成形時
の熱による積層圧電部材１の圧電定数等の低下がない。

【００２１】樹脂基台７は積層圧電部材１よりも幅広で
あり、基板７のインサート成形位置合わせ角穴８、その
両外側に組立ての位置合わせ作業に用いられる穴９が形
成されている。なおインサート成形位置合わせ角穴８
は、上記穴９と同様に組立ての作業の位置合わせに用い
てもよい。積層圧電部材１の重なっていない平面部は、
後に平面電極形成面１６になる。

【００２２】図４に示すように、基台７と積層圧電部材
１の複合体の下面を除く表面を、Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｕなど
の材料を用い、スパッタリングや蒸着等によって導電電
極用のメタライズする。手前の端面と、それと対向する
端面の導電電極用のメタライズは、後にそれぞれ端面電
極１４、１５となる。積層圧電部材１は基台７とインサ
ート一体成形加工による接合のため、両者の境界１０は
気密性、密着性が高いので、インクなどの水分の浸透が
なく、かつ導電電極用のメタライズは境界１０１（図９
参照）での断線がない。

【００２３】次に、図５に示すように、積層圧電部材１
および熱硬化性樹脂基台７に所定の間隔で櫛歯状の溝１
１を加工する。溝加工は研削、ワイヤソー加工等であ
る。溝は最下層４の圧電材料の厚みのほぼ中央まで切り
込んで熱硬化性樹脂基台７の表面に達し、平面電極形成
面１６のメタライズ層を除去する。これにより、分離さ
れた個別の積層圧電素子１２が基台７上に配列された形
になる。

【００２４】図６は図５の積層圧電部材１の溝加工の詳
細を示す斜視図である。積層圧電部材１と熱硬化性樹脂
基台７との幅方向の端面に前面プレート１３を積層圧電
部材１の上面１７に揃えて接着剤で接着する。図７は前
面プレート１３を接着した状態の斜視図である。

【００２５】基台７、各積層圧電素子１２および前面プ
レート１３の上面１７を平面研削、ラップ加工し、メタ
ライズ層を除去する。図８に上面１７のメタライズ層を
除去した状態を示す。

【００２６】次に、基台７の平面電極形成面１６の長手
側面１８を研削してメタライズ層を除去することによ
り、図８のように、基台７の平面電極形成面１６にメタ
ライズ層である個別電極１９と共通電極２０が集まって
形成された圧電アクチュエータが完成する。なお、図８
はこれまで図示したものを背後から見た斜視図ある。こ
の実施例では、個別電極１９は端面電極１５を経て、積
層圧電素子１２の奇数層の内部電極４に接続しており、
共通電極２０は端面電極１４を経て、全部の積層圧電素
子１２の偶数層の内部電極６に接続している。個別電極
１９と共通電極２０に駆動電圧を印加すれば、圧電アク
チュエータを駆動することができる。

【００２７】図９は、本発明の方法で製造されたインク
ジェットヘッド用圧電アクチュエータを用いて構成し
た、圧電駆動形インクジェットヘッドの一例で、断面図
である。積層圧電素子１２は内部電極４を設けた圧電材
料３と、内部電極６を設けた圧電材料５を交互に積層し
たものである。内部電極４は、一方の側壁の端面電極１
５に接続し、内部電極６は他方の側壁の端面電極１４に
接続している。積層圧電素子１２の上面には、振動板２
１を接着剤で接着し、振動板２１の上面には、インク供
給路２２、加圧室２３となる流路が形成されたインク室
本体２４を接着する。インク室本体２４の前面２５に吐
出口２６を有するノズル板２７を接着剤で接着する。基
台７の平面電極形成面１６に形成された個別電極１９、
共通電極２０とフレキシブル回路基板２８は異方性導電
接着剤２９を用いて、加圧、加熱接着し、接続される。

【００２８】図示していない駆動回路からフレキシブル
回路基板２８を経て、個別電極１９と共通電極２０との
間に電気信号を印加すると、個別電極１９により選択的
に信号が印加された積層圧電素子１２は、端面電極１５
の導電膜を介して電極間に電圧を印加されることになる
から、電極間の圧電材料が厚み方向に変形させることに
より、振動板２１が変形し、インクが充填された圧力室
２３の容積が変化してインクに圧力が加わり、吐出口２
６から吐出される。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたごとく、本発明のインクジェ
ットヘッド用圧電アクチュエータは、積層圧電部材を熱
硬化性樹脂材料の基台にインサート一体成形加工により
接合されているので、積層圧電部材と基台との境界は気
密性、密着性が高い。そのため境界からのインクなど水
分の浸透がなく、インクが導電性の場合の圧電素子への
耐水耐湿性の向上が計れる。

【００３０】その上、積層圧電部材と熱硬化性樹脂基台
の蒸着、スパッタリング、メッキ等の導電電極用のメタ
ライズは、基台と積層圧電素子の密着不良による境界
（１０１：図９）での断線がないため、積層圧電部材に
積層された内部電極は基台の端面電極を経由して、同基
台の平面部の個別電極、共通電極への導通の信頼性の向
上を計ることができた。

【００３１】さらに、積層圧電素子群に駆動電圧を加え
るための個別電極および共通電極が、前記熱硬化性樹脂
基台に集中して設けられているので、フレキシブル回路
基板等との接続が容易となった。上述のほか、一体成形
加工により、部品の削減、生産上の工数の削減および小
型化、コンパクト化がはかれるので製造コストが安いと
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例におけるインクジェットヘッド
用圧電アクチュエータの積層圧電部材を示す斜視図であ
る。

【図２】本発明の実施例におけるインクジェットヘッド
用圧電アクチュエータの積層圧電部材の各層の状態を示
す斜視図である。

【図３】本発明の実施例におけるインクジェットヘッド
用圧電アクチュエータおよび製造方法を示し、積層圧電
部材を熱硬化性樹脂の基台にインサート一体成形加工に
より接合した状態を示す斜視図である。

【図４】本発明の実施例におけるインクジェットヘッド
用圧電アクチュエータの製造方法を示し、積層圧電部材
と熱硬化性樹脂の基台の複合体の表面をスパッタリング
や蒸着等によりメタライズした状態の斜視図である。

【図５】本発明の実施例におけるインクジェットヘッド
用圧電アクチュエータの製造方法を示し、溝加工した状
態の斜視図である。

【図６】本発明の実施例におけるインクジェットヘッド
用圧電アクチュエータの製造方法を示し、溝加工の詳細
の部分斜視図である。

【図７】本発明の実施例におけるインクジェットヘッド
用圧電アクチュエータの製造方法を示し、前面プレート
を接着した状態の斜視図である。

【図８】本発明の実施例におけるインクジェットヘッド
用圧電アクチュエータの製造方法を示し、積層圧電素
子、前面プレートの上面を研削してメタライズ層を除去
した状態の斜視図である。

【図９】本発明の実施例におけるインクジェットヘッド
用圧電アクチュエータの製造方法を示し、平面電極形成
面の長手側面を研削してメタライズ層を除去した状態を
示し、背面から見た斜視図である。

【図１０】本発明の方法で製造されたインクジェットヘ
ッド用圧電アクチュエータを用いて構成した、圧電駆動
形インクジェットヘッドの一例で、断面図である。

【図１１】従来技術によるインクジェット式印字ヘッド
を説明するための図である。

【図１２】従来技術によるインクジェット式印字ヘッド
を説明するための図である。

【符号の説明】

１ 積層圧電部材 ２ 最上層の圧電材料 ３ 最下層の圧電材料 ４、６ 内部電極 ５ 第２層の圧電材料 ７ 熱硬化性樹脂基台 ８ 成形位置合わせ窓 ９ 穴 １０ 境界 １１ 溝 １２ 積層圧電素子 １３ 前面プレート １４、１５ 端面電極 １６ 平面電極形成面 １７ 上面 １８ 長手側面 １９ 個別電極 ２０ 共通電極 ２１ 振動板 ２２ インク供給路 ２３ 圧力室 ２４ インク室本体 ２６ 吐出口 ２７ ノズル板

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズル、圧力室、インク供給路となる
   流路が形成されていて、基台に接合されている溝で分割
   された積層圧電素子の寸法変化を振動板に与えて圧力室
   に圧力を発生させ、インクを噴射するようにしたインク
   ジェットヘッドにおいて、 積層圧電部材は熱硬化性樹脂材料の基台にインサート一
   体成形加工により接合されていることを特徴とするイン
   クジェットヘッド用圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 熱硬化性樹脂材料の基台は積層圧電部
   材よりも幅広であり、積層圧電部材の重なっていない基
   台の平面部は、平面電極形成面とし、 溝で分割された各積層圧電素子に対応する個別電極と積
   層圧電素子全部に共通の共通電極を前記熱硬化性樹脂材
   料の基台の平面電極形成面に集中して配置されているこ
   とを特徴とするインクジェットヘッド用圧電アクチュエ
   ータ。
3. 【請求項３】 積層圧電部材を熱硬化性樹脂基台にイ
   ンサート一体成形加工により接合し、表面を蒸着、スパ
   ッタリング、メッキ等により導電被膜を形成し、 積層
   圧電部材および熱硬化性樹脂基台に所定の間隔で櫛歯状
   の溝加工を行い、溝は熱硬化性樹脂基台の平面電極形成
   の表面に達し、電導被膜を除去する深さとし、基台上に
   溝で分割された積層圧電素子が複数個並んだ形態にする
   と共に、 積層圧電素子の上面を研削してメタライズ層を除去し、 基台の平面電極形成面の長手側面を研削して長手側面の
   メタライズ層を除去することにより、 積層圧電素子群に駆動電圧を加えるための個別電極およ
   び共通電極を、前記熱硬化性樹脂基台に集中させて形成
   し、溝で分割された各積層圧電素子に積層された内部電
   極および端部電極が交互に前記個別電極あるいは共通電
   極に接続されていることを特徴とするインクジェットヘ
   ッド用圧電アクチュエータの製造方法。
4. 【請求項４】請求項１又は２に記載のインクジェットヘ
   ッド用圧電アクチュエータにおいて、熱硬化性樹脂基台
   に組立て取付けのための複数個の穴を設けたことを特徴
   とするインクジェットヘッド用圧電アクチュエータ。
5. 【請求項５】請求項１又は２に記載のインクジェットヘ
   ッド用圧電アクチュエータにおいて、 熱硬化性樹脂材
   料は不飽和ポリエステル樹脂を用いたことを特徴とする
   インクジェットヘッド用圧電アクチュエータ。