JP2010149371A - Method of manufacturing liquid transfer device - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電層形成工程においてエアロゾルが噴きつけられることによる振動板の変形を抑制する。
【解決手段】まず、補強フレーム84の凹部85にフィルタプレート36を配置して、補強フレーム84とフィルタプレート36と振動板70とを積層して、所定温度(例えば、1000℃)に加熱しながら加圧し、金属拡散接合により接合する(接合工程)。次に、振動板70の表面に、エアロゾルを噴きつけて圧電材料の粒子を堆積させて圧電層71を形成する(圧電層形成工程)。その後、圧電層71、フィルタプレート36及び補強フレーム84を所定温度に加熱して、圧電層71に対して熱処理を施す(アニール処理工程)。次に、すでに接合された振動板70、フィルタプレート36及び補強フレーム84と流路ユニット31を構成する8枚のプレートとを積層して接着剤などで接合する。
【選択図】 図7Deformation of a diaphragm caused by aerosol spraying in a piezoelectric layer forming process is suppressed.
First, a filter plate 36 is disposed in a recess 85 of a reinforcing frame 84, and the reinforcing frame 84, the filter plate 36, and a diaphragm 70 are stacked and heated to a predetermined temperature (for example, 1000 ° C.). Pressurize and join by metal diffusion bonding (joining process). Next, the piezoelectric layer 71 is formed by spraying aerosol on the surface of the vibration plate 70 to deposit particles of the piezoelectric material (piezoelectric layer forming step). Thereafter, the piezoelectric layer 71, the filter plate 36, and the reinforcing frame 84 are heated to a predetermined temperature, and heat treatment is performed on the piezoelectric layer 71 (annealing process). Next, the vibration plate 70, the filter plate 36, the reinforcing frame 84, and the eight plates constituting the flow path unit 31 are laminated and bonded with an adhesive or the like.
[Selection] Figure 7
Description
本発明は、振動板にエアロゾルを噴きつけて圧電材料の粒子を堆積させることで、液体に圧力を付与する圧電アクチュエータの圧電層を形成する液体移送装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a liquid transfer device that forms a piezoelectric layer of a piezoelectric actuator that applies pressure to a liquid by spraying aerosol onto a diaphragm to deposit particles of piezoelectric material.
従来から、液体を移送する液体移送装置として、圧力室を含む液体流路が形成された流路ユニットと、圧力室を覆う振動板及び振動板の圧力室と反対側の面に配置された圧電層を有し圧力室内の液体に圧力を付与するように構成された圧電アクチュエータとを有するものが知られている。 Conventionally, as a liquid transfer device for transferring a liquid, a flow path unit in which a liquid flow path including a pressure chamber is formed, a diaphragm covering the pressure chamber, and a piezoelectric element disposed on the surface of the vibration plate opposite to the pressure chamber There is known a piezoelectric actuator having a layer and a piezoelectric actuator configured to apply pressure to a liquid in a pressure chamber.
ここで、圧電アクチュエータの圧電層を成膜する方法としては、従来から様々な方法が知られているが、その中でも圧電材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを高速で振動板に噴きつけて圧電材料の粒子を堆積させて圧電層を形成する方法(エアロゾルデポジション法:AD法)が知られている。このAD法による成膜において、振動板が薄いと、高速で噴きつけたエアロゾルが振動板に衝突する際の衝突エネルギーによって、振動板は変形するおそれがある。一方、振動板を変形させないためには、振動板を厚くして振動板の剛性を高める必要がある。しかしながら、振動板を厚くすると、圧電アクチュエータの駆動時における振動板の変形が小さくなり、その結果、液体移送に必要な圧力を液体に付与することができなくなる。そこで、振動板自体は剛性を低くして変形しやすいように比較的厚みを薄くして、振動板にエアロゾルを噴きつける際に、あらかじめ振動板に流路ユニットなど厚みのある部材を接合して剛性を高めることが行われている。例えば、特許文献1に記載のインクジェットヘッドにおいては、振動板に流路ユニットを接合して、振動板の上面にAD法により圧電層を形成している。 Here, various methods are conventionally known as a method for forming a piezoelectric layer of a piezoelectric actuator. Among them, aerosol containing particles of a piezoelectric material and a carrier gas is sprayed on a diaphragm at high speed. A method of forming a piezoelectric layer by depositing particles of piezoelectric material (aerosol deposition method: AD method) is known. In the film formation by the AD method, if the diaphragm is thin, the diaphragm may be deformed by the collision energy when the aerosol sprayed at a high speed collides with the diaphragm. On the other hand, in order not to deform the diaphragm, it is necessary to increase the rigidity of the diaphragm by increasing the thickness of the diaphragm. However, if the diaphragm is thickened, the deformation of the diaphragm during driving of the piezoelectric actuator is reduced, and as a result, the pressure necessary for liquid transfer cannot be applied to the liquid. Therefore, the diaphragm itself has a relatively thin thickness so as to be easily deformed with low rigidity, and when spraying aerosol onto the diaphragm, a thick member such as a flow path unit is previously joined to the diaphragm. Rigidity is being increased. For example, in the ink jet head described in Patent Document 1, a flow path unit is joined to a vibration plate, and a piezoelectric layer is formed on the upper surface of the vibration plate by an AD method.
しかしながら、特許文献1に記載のインクジェットヘッドのように、振動板に流路ユニットを接合してから、AD法により圧電層を形成しても、流路ユニットの厚みが十分ではない場合には、振動板の補強が十分ではなく、エアロゾルが振動板に衝突した際に振動板が変形してしまう。 However, if the thickness of the flow path unit is not sufficient even if the piezoelectric layer is formed by AD method after joining the flow path unit to the diaphragm like the inkjet head described in Patent Document 1, The diaphragm is not sufficiently reinforced, and the diaphragm is deformed when the aerosol collides with the diaphragm.
そこで、本発明の目的は、圧電層形成工程においてエアロゾルが噴きつけられることによって振動板が変形するのを抑制した液体移送装置の製造方法を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a liquid transfer device that suppresses deformation of the diaphragm due to the spraying of aerosol in the piezoelectric layer forming step.
本発明の液体移送装置の製造方法は、圧力室を含む液体流路が形成された流路ユニットと、前記流路ユニットの一表面に少なくとも前記圧力室を覆うように接合された振動板及び前記振動板の前記圧力室と反対側に接合された圧電層を含んだ圧電アクチュエータと、前記流路ユニットよりも厚みが大きく前記流路ユニットの撓みを抑制するために前記振動板と接合される補強フレームと、を備えた液体移送装置の製造方法であって、前記振動板と前記補強フレームとを接合する接合工程と、前記接合工程の後、前記振動板の前記流路ユニットとの接合面と反対側の面に、圧電材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて前記圧電材料の粒子を堆積させて、圧電層を形成する圧電層形成工程と、を備えている。 The method for manufacturing a liquid transfer device of the present invention includes a flow path unit in which a liquid flow path including a pressure chamber is formed, a diaphragm joined to one surface of the flow path unit so as to cover at least the pressure chamber, A piezoelectric actuator including a piezoelectric layer bonded to the opposite side of the diaphragm to the pressure chamber, and a reinforcement bonded to the diaphragm in order to suppress the deflection of the flow path unit that is thicker than the flow path unit. A liquid transfer device manufacturing method comprising: a frame; a bonding step of bonding the diaphragm and the reinforcing frame; and a bonding surface of the diaphragm with the flow path unit after the bonding step; A piezoelectric layer forming step of forming a piezoelectric layer by spraying an aerosol containing particles of the piezoelectric material and a carrier gas to deposit the particles of the piezoelectric material on the opposite surface.
本発明の液体移送装置の製造方法によると、肉薄の流路ユニットの撓みを抑制するために設けられた補強フレームの本来の機能を果たすとともに、圧電層形成工程の前に、接合工程においてこの剛性の高い補強フレームを振動板に接合することで、圧電層形成工程においてエアロゾルが噴きつけられることによって振動板が変形するのを抑制することができる。 According to the manufacturing method of the liquid transfer device of the present invention, the rigidity of the reinforcing frame provided to suppress the bending of the thin channel unit is fulfilled, and this rigidity is applied in the joining step before the piezoelectric layer forming step. By joining the high reinforcing frame to the diaphragm, it is possible to prevent the diaphragm from being deformed by the aerosol being sprayed in the piezoelectric layer forming step.
また、前記圧電層形成工程時には、前記振動板には前記補強フレームのみ接合されていることが好ましい。圧電層形成工程においては、振動板は補強フレームとのみ接合されており、流路ユニットとは接合されていない。したがって、圧電層形成工程において振動板に噴きつけられたものの、振動板に堆積しなかった圧電材料の粒子が流路ユニットに形成された液体流路内に侵入するおそれがなく、仮に、液体流路内に粒子が侵入したときに行うような洗浄工程などの液体流路内の粒子を除去する工程が不要となる。 Moreover, it is preferable that only the reinforcing frame is bonded to the diaphragm during the piezoelectric layer forming step. In the piezoelectric layer forming step, the diaphragm is bonded only to the reinforcing frame and not bonded to the flow path unit. Therefore, there is no possibility that particles of the piezoelectric material that have been sprayed on the diaphragm in the piezoelectric layer forming process but have not accumulated on the diaphragm will enter the liquid channel formed in the channel unit. A step of removing particles in the liquid flow path such as a cleaning step performed when particles enter the channel is not necessary.
さらに、前記振動板及び前記補強フレームは、金属材料からなり、前記接合工程において、前記振動板と前記補強フレームとを積層状態で金属拡散接合によって接合することが好ましい。金属拡散接合は原子の拡散を利用して接合しているため、接着剤による接合などに比べて、接合の信頼性を高めることができる。さらに、接着剤などの剛性の低い中間材を用いることなく接合でき、振動板と補強フレームを一体化させて剛性を高くすることができ、振動板が変形するのをより抑制することができる。 Furthermore, it is preferable that the diaphragm and the reinforcing frame are made of a metal material, and in the joining step, the diaphragm and the reinforcing frame are joined by metal diffusion joining in a stacked state. Since metal diffusion bonding is performed by using atomic diffusion, the reliability of bonding can be improved as compared with bonding using an adhesive. Furthermore, it can join, without using intermediate materials with low rigidity, such as an adhesive agent, a diaphragm and a reinforcement frame can be integrated, rigidity can be made high, and it can suppress that a diaphragm deform | transforms more.
加えて、前記圧電層形成工程の後、前記圧電層を加熱するアニール処理工程をさらに備えている。本来、金属拡散接合は、接合する金属同士を高温で加圧することで、原子の拡散を利用した接合方法である。そのため、アニール処理工程時に、金属拡散接合で補強フレームと接合された振動板に形成された圧電層に熱処理を施しても、振動板と補強フレームの接合状態に影響を与えることがない。 In addition, after the piezoelectric layer forming step, an annealing treatment step for heating the piezoelectric layer is further provided. Originally, metal diffusion bonding is a bonding method that utilizes atomic diffusion by pressing metals to be bonded together at a high temperature. Therefore, even if heat treatment is performed on the piezoelectric layer formed on the diaphragm bonded to the reinforcing frame by metal diffusion bonding during the annealing process, the bonding state between the diaphragm and the reinforcing frame is not affected.
また、前記流路ユニットは、前記液体流路に連通する供給口を有しており、前記接合工程において、前記振動板及び前記補強フレームに加えて、金属材料からなり前記供給口を覆うフィルタが形成されたフィルタプレートを積層状態で金属拡散接合によって接合することが好ましい。これによると、フィルタプレートを振動板または補強フレームに金属拡散接合によって接合することで、接合の信頼性を高めることができ、接合箇所から液体が漏れ出すことを防止することができる。 Further, the flow path unit has a supply port communicating with the liquid flow path, and in the joining step, in addition to the diaphragm and the reinforcing frame, a filter made of a metal material and covering the supply port It is preferable to join the formed filter plates by metal diffusion bonding in a laminated state. According to this, by joining the filter plate to the vibration plate or the reinforcing frame by metal diffusion bonding, the reliability of the bonding can be improved, and the liquid can be prevented from leaking out from the bonding portion.
さらに、前記フィルタプレートは、複数の貫通孔がそれぞれ形成された少なくとも2枚のプレートが積層されて構成されており、前記少なくとも2枚のプレートが積層されたときに、それぞれのプレートの貫通孔は、平面視で、その一部が互いに重なっており、前記接合工程において、前記少なくとも2枚のプレートを積層状態で接合することが好ましい。これによると、フィルタプレートを少なくとも2枚のプレートを積層して形成することで、フィルタの厚みが増して、貫通孔の容積が大きくなり、ゴミなどが堆積しても貫通孔が塞がりにくく、フィルタとしての使用可能年数が延びる。また、フィルタの厚みが増すことで、フィルタの厚みが薄い場合に比べて、投影面積を大きくせずに、フィルタとしての異物や気泡の捕集性能を維持することができる。 Further, the filter plate is configured by laminating at least two plates each having a plurality of through holes, and when the at least two plates are laminated, the through holes of the respective plates are In plan view, it is preferable that some of them overlap each other, and in the joining step, the at least two plates are joined in a laminated state. According to this, by forming the filter plate by laminating at least two plates, the thickness of the filter is increased, the volume of the through hole is increased, and even if dust or the like is accumulated, the through hole is not easily blocked. The number of usable years is extended. Further, by increasing the thickness of the filter, it is possible to maintain the collection performance of foreign matters and bubbles as a filter without increasing the projected area as compared with the case where the thickness of the filter is thin.
加えて、前記接合工程において、前記フィルタプレートを、前記振動板と前記補強フレームとの間に積層して金属拡散接合によって接合することが好ましい。フィルタは、振動板や補強フレームに比べて外形が小さい。したがって、振動板と補強フレームとの間に積層して金属拡散接合によって接合することで、確実に接合することができる。 In addition, in the joining step, it is preferable that the filter plate is laminated between the diaphragm and the reinforcing frame and joined by metal diffusion joining. The outer shape of the filter is smaller than that of the diaphragm or the reinforcing frame. Therefore, it can join reliably by laminating | stacking between a diaphragm and a reinforcement frame, and joining by metal diffusion joining.
また、前記補強フレームは、前記液体移送装置を保持するホルダに取り付けられるものである。これによると、補強フレームは、流路ユニットの撓みを防ぎ、且つ、圧電層形成工程において振動板の変形を抑制するとともに、液体移送装置をホルダに保持するための取り付けフレームとしても機能する。 The reinforcing frame is attached to a holder that holds the liquid transfer device. According to this, the reinforcing frame prevents the flow path unit from being bent, suppresses the deformation of the diaphragm in the piezoelectric layer forming step, and also functions as an attachment frame for holding the liquid transfer device on the holder.
圧電層形成工程においてエアロゾルが噴きつけられることによって振動板が変形するのを抑制することができる。 It is possible to prevent the diaphragm from being deformed by spraying aerosol in the piezoelectric layer forming step.
次に、本発明の好適な実施形態について説明する。本実施形態は、インク流路内においてインクをノズルまで移送しつつ、ノズルからインクを吐出する液体移送装置としてのインクジェットヘッドに本発明を適用した一例である。 Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. The present embodiment is an example in which the present invention is applied to an inkjet head as a liquid transfer device that discharges ink from a nozzle while transferring ink to the nozzle in an ink flow path.
図1は、本実施形態に係るプリンタの概略構成を示す平面図である。図1に示すように、プリンタ1は、一方向に沿って往復移動可能に構成されたキャリッジ2と、このキャリッジ2に搭載されたヘッドユニット80、及び、サブタンク4a〜4dと、インクを貯留するインクカートリッジ6a〜6dなどを備えている。
FIG. 1 is a plan view illustrating a schematic configuration of a printer according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the printer 1 stores a
プリンタ1には、水平な一方向(図1の左右方向:走査方向)に平行に延びるとともに、走査方向と直交する紙送り方向に間隔を空けて配置された2本のガイドフレーム17a、17bが設けられており、これら2本のガイドフレーム17a、17bにキャリッジ2が取り付けられている。そして、キャリッジ2は、2本のガイドフレーム17a、17bによって案内されつつ、キャリッジ駆動機構12によって走査方向に往復駆動される。なお、本実施形態においては、キャリッジ駆動機構12は、キャリッジ2に連結された無端ベルト18と、無端ベルト18を走行させるキャリッジ駆動モータ19を含んでおり、キャリッジ駆動モータ19によって無端ベルト18を走行駆動することにより、キャリッジ2を左右方向に移動させる。
The printer 1 includes two
このキャリッジ2には、ヘッドユニット80と4つのサブタンク4a〜4dが搭載されている。ヘッドユニット80は、キャリッジ2とともに走査方向に往復移動しつつ、ヘッドユニット80に設けられた後述するインクジェットヘッド3の下面(図1の紙面向こう側の面)に設けられたノズル54(図3及び図4参照)から、図示しない用紙搬送機構により紙送り方向(図1の下方)に搬送される記録用紙Pに向けてインクを吐出する。これにより、記録用紙Pに所望の文字や画像などが記録される。
A
4つのサブタンク4a〜4dは走査方向に沿って並べて配置されている。これら4つのサブタンク4a〜4dにはチューブジョイント11が一体的に設けられている。そして、これらのチューブジョイント11に連結された可撓性のチューブ5a〜5dを介して、4つのサブタンク4a〜4dと4つのインクカートリッジ6a〜6dとがそれぞれ接続されている。
The four
4つのインクカートリッジ6a〜6dには、ブラック、イエロー、シアン、マゼンタの、4色のインクがそれぞれ貯留されており、これらのインクカートリッジ6a〜6dは、カートリッジ装着部10に着脱自在に装着されている。そして、4つのインクカートリッジ6a〜6dに貯留された4色のインクは、サブタンク4a〜4dに一時的に貯留された後、ヘッドユニット80に供給される。
The four
次に、ヘッドユニット80について説明する。図2は、ヘッドユニットの分解斜視図である。図2に示すように、ヘッドユニット80は、合成樹脂材料により箱状に形成されたヘッドホルダ81と、ヘッドホルダ81の下面に固定されたインクジェットヘッド3と、ヘッドホルダ81の上面に固定されたダンパー装置82及び排気弁手段83と、を有している。
Next, the
ヘッドホルダ81は、上方に開口した凹部内にダンパー装置82及び排気弁手段83を収容している。ダンパー装置82、ヘッドホルダ81及びインクジェットヘッド3は、ダンパー装置82の取り付け穴82aとインクジェットヘッド3の後述する補強フレーム84のネジ穴84bが位置合わせされて図示しないネジによってネジ止めされることで、ダンパー装置82の図示しないインク流出口と補強フレーム84のインク供給孔84cが密着して締着されて接合されている。このとき、ヘッドホルダ81はダンパー装置82と補強フレーム84との間に狭着され、接着剤穴81aに接着剤が注入されて、ヘッドホルダ81と補強フレーム84が強固に固定される。詳しくは後述するが、補強フレーム84は、流路ユニット31と接合された圧電アクチュエータ32の振動板70の上面に接合されており、補強フレーム84がヘッドホルダ81と接合されることで、流路ユニット31及び圧電アクチュエータ32は、補強フレーム84を介してヘッドホルダ81に保持される。つまり、補強フレーム84は、ダンパー装置82と流路ユニット31のインク流路を接続すると同時に、流路ユニット31及び圧電アクチュエータ32をヘッドホルダ81に保持するための取り付けフレームとして機能している。
The
次に、インクジェットヘッド3について詳細に説明する。図3は、インクジェットヘッドの分解斜視図である。図4は、図3のインクジェットヘッドの部分断面図である。なお、以下のインクジェットヘッド3の説明においては、図3における上下方向(プレートの積層方向)を上下方向と定義する。
Next, the
図3及び図4に示すように、インクジェットヘッド3は、多数のノズル54や圧力室53を含むインク流路が形成された流路ユニット31と、この流路ユニット31の上面に配置され、圧力室53内のインクにノズル54から吐出させるための圧力を付与する圧電アクチュエータ32と、圧電アクチュエータ32の振動板70の上面に配置され、流路ユニット31の撓みを抑制するための補強フレーム84(図2参照)と、振動板70と補強フレーム84の間に配置されたフィルタプレート36と、を有している。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
流路ユニット31は、キャビティプレート41、ベースプレート42、アパーチャプレート43、2枚のマニホールドプレート44、45、ダンパープレート46、カバープレート47、及び、ノズルプレート48の、計8枚のプレート41〜48の積層体からなる。8枚のプレート41〜48のうち、最下層のノズルプレート48は、ポリイミドなどの合成樹脂材料で形成され、残り7枚のプレート41〜47は、それぞれ、ステンレス板などの金属プレートとなっている。
The
流路ユニット31には、上述した4つのサブタンク4a〜4d(図1参照)にそれぞれ接続されるそれぞれ4つのインク供給孔50a、50b、50cと、これらそれぞれ4つのインク供給孔50a〜50cに連通したマニホールド流路51(マニホールド形成孔51a、51b)とが設けられ、さらに、マニホールド流路51から分岐して、アパーチャ52、及び、圧力室53を介してノズル54に至る個別インク流路が複数設けられている。
The
最上層に位置するキャビティプレート41には、複数の圧力室53が貫通形成されている。各圧力室53は、走査方向を長手方向とする略楕円状の平面形状を有し、その上側に圧電アクチュエータ32と下側にベースプレート42とが積層されたときに、圧力室53が形成される。そして、複数の圧力室53は紙送り方向に配列されて、5列の圧力室列をなしている。なお、5列の圧力室列のうち、2列は使用頻度の最も高いブラックインクが供給される圧力室53の列であり、残りの3列は、シアン、イエロー、マゼンタの3色カラーインクがそれぞれ供給される圧力室53の列である。さらに、キャビティプレート41の紙送り方向の一端部(図3における左側の端部)には、サブタンク4a〜4dから供給された4色のインクをマニホールド流路51に供給する4つのインク供給孔50aが走査方向に並んで形成されている。
A plurality of
ベースプレート42には、圧力室53の長手方向の両端部にそれぞれ連通する貫通孔56、57と、インク供給孔50aに連通するインク供給孔50bが形成されている。
The
アパーチャプレート43には、ベースプレート42の貫通孔56に連通するとともに圧力室53の長手方向に沿って延びる、絞り流路としてのアパーチャ52と、貫通孔57に連通する貫通孔58と、インク供給孔50bに連通するインク供給孔50cがそれぞれ形成されている。
The
マニホールドプレート44、45には、紙送り方向に延在し、それぞれマニホールド流路51の一部をなすマニホールド形成孔51a、51bが、圧力室53の列に対応して5つずつ形成されている。そして、これら2種類のマニホールド形成孔51a、51bが上下に重なった状態で、アパーチャプレート43とダンパープレート46によって上下両側から塞がれることにより、マニホールド流路51が形成される。なお、流路ユニット31に設けられた5つのマニホールド流路51のうち、2つはブラックインク用の2列の圧力室列に対応し、残り3つのマニホールド流路51は、カラーインク用の3列の圧力室列に対応している。また、図3に示すように、マニホールド流路51を形成する2種類のマニホールド形成孔51a、51bは、アパーチャプレート43のインク供給孔50cと重なる位置まで延設されて、インク供給孔50cに連通している。このとき、2つのブラックインク用の2列のマニホールド形成孔51a、51bは、同一のインク供給孔50cに連通している。また、2枚のマニホールドプレート44、45には、アパーチャプレート43の貫通孔58に連なる貫通孔59、60がそれぞれ形成されている。
Manifold formation holes 51 a and 51 b that extend in the paper feed direction and form a part of the
ダンパープレート46の下面の、平面視で5つのマニホールド流路51とそれぞれ重なる位置には、ハーフエッチングにより凹部61が形成されている。つまり、ダンパープレート46は、凹部61が形成された部分において厚みが局所的に薄くなっており、この薄肉部分が、マニホールド流路51内のインクの圧力変動を減衰させるダンパー部として働く。また、ダンパープレート46には、マニホールドプレート45の貫通孔60に連なる貫通孔62も形成されている。カバープレート47には、ダンパープレート46の貫通孔62に連通する貫通孔63が形成されている。
最下層のノズルプレート48には、カバープレート47の貫通孔63に連通するノズル54が、紙送り方向に配列して穿設されているとともに、走査方向に5列並べて配置されている。そして、複数のノズル54のそれぞれから、ノズルプレート48の下面に対向する記録用紙Pに向かって液滴が吐出される。尚、5列のノズル列のうち、2列は使用頻度の最も高いブラックインクを吐出するノズル列であり、残りの3列のノズル列は、3色のカラーインク(マゼンタ、シアン、イエロー)をそれぞれ吐出するノズル列である。
In the
以上説明した8枚のプレート41〜48が積層した状態で接着剤などで接合されることにより、流路ユニット31内に、インク供給孔50aからマニホールド流路51に至るインク流路と、マニホールド流路51から分岐してアパーチャ52及び圧力室53を経由してノズル54に至る、複数の個別インク流路が形成されている。
The eight
次に、圧電アクチュエータ32について説明する。図4に示すように、圧電アクチュエータ32は、振動板70、圧電層71及び複数の個別電極72を有している。
Next, the
振動板70は、流路ユニット31を構成する8枚のプレート41〜48と同様の外形であり、7枚のプレート41〜47と同様にステンレス板などの金属プレートとなっている。この振動板70は、キャビティプレート41の上面に配置されており、図示しない位置で接地されグランド電位に保持されている。振動板70の紙送り方向一端(図3の左方)には、キャビティプレート41に形成された4つのインク供給孔50aにそれぞれ連通する4つのフィルタ77が走査方向に沿って形成されている。各フィルタ77は、エッチングにより形成された、紙送り方向に沿った細長い平面形状の複数の貫通孔77aが走査方向に並んで構成されている。
The
圧電層71は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との混晶であるチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料を含む層であり、振動板70の上面(圧力室53と反対側)に、複数の圧力室53にまたがって連続的に配置されている。また、圧電層71は、予めその厚み方向に分極されている。
The
複数の個別電極72は、圧力室53より一回り小さい略楕円形の平面形状を有し、圧電層71の上面であって、平面視で複数の圧力室53の略中央部と重なる位置に配置されている。個別電極72は、白金、パラジウム、金、銀などの導電性材料からなる。個別電極72の長手方向に関するノズル54と反対側の端部は、走査方向に圧力室53と対向しない部分まで延びており、その先端部が、フレキシブル配線基板87(FPC:図2参照)に接続される接続端子となっている。個別電極72には、ドライバIC88(図2参照)によりFPC87を介して駆動電位が付与される。
The plurality of
ここで、圧電アクチュエータ32のインク吐出時における作用について説明する。あるノズル54からインクを吐出させる場合には、このノズル54に連通する圧力室53に対応する個別電極72に、ドライバIC88から駆動電位が付与される。すると、駆動電位が付与された個別電極72とグランド電位に保持されている振動板70との間に電位差が生じ、両者に挟まれた圧電層71に厚み方向に平行な電界が発生する。この電界の方向は、圧電層71の分極方向と一致するので、厚み方向に分極された圧電層71は、電界の方向と直交する水平方向に収縮する(圧電横効果)。これによって、振動板70の圧力室53と対向する部分が圧力室53側に凸となるように変形する(ユニモルフ変形)。このとき、圧力室53の容積が減少することになり、その内部のインクの圧力が上昇し、圧力室53に連通するノズル54からインクが吐出される。
Here, the operation of the
次に、フィルタプレート36について説明する。図3に示すように、フィルタプレート36は、ステンレス鋼などの金属材料で形成された略矩形状をしており、振動板70に形成された4つのフィルタ77を覆っている。フィルタプレート36には、4つのフィルタ77とそれぞれ連通する4つのフィルタ37が走査方向に沿って形成されている。各フィルタ37は、エッチングにより形成された、走査方向に沿った細長い平面形状の複数の貫通孔37aが紙送り方向に並んで構成されている。
Next, the
フィルタプレート36と振動板70とを積層したときに形成される流路について説明する。図5は、振動板にフィルタプレートを積層したときの平面図である。図5に示すように、フィルタプレート36と振動板70とが積層されると、平面視で、フィルタプレート36に形成された走査方向に細長い平面形状の貫通孔37aと、振動板70に形成された紙送り方向に細長い平面形状の貫通孔77aとが交差する。そして、フィルタプレート36に形成されたある貫通孔37aは、平面視で、振動板70に形成された複数の貫通孔77aの一部と重なって連通する。このようにフィルタプレート36と振動板70とを積層することで、平面視で貫通する複数の部分のそれぞれの面積が小さく、且つ、立体的に入り組んだ構造の流路が形成される。貫通する複数の部分のそれぞれの面積が小さい流路を厚いプレートにエッチングで形成することは、エッチング技術上困難である。2枚のプレートを積層してフィルタを形成することで、貫通する複数の部分のそれぞれの面積が小さいフィルタを容易に形成できる。さらに、フィルタの厚みが増して、フィルタを形成する流路の容積が平面状のフィルタよりも大きくなり、ゴミなどがフィルタを形成する流路の一部に堆積しても貫通孔が塞がりにくく、フィルタとしての使用可能年数が延びる。また、フィルタが厚いことで、厚みが薄い場合に比べて、投影面積を大きくせずに、フィルタとしての異物などのゴミや気泡の捕集性能を維持することができる。
A flow path formed when the
続いて、補強フレーム84について説明する。図6は、振動板と接合された補強フレームの側面図である。図2及び図6に示すように、補強フレーム84は、ステンレス鋼などの金属材料で形成されており、流路ユニット31(例えば、厚さ0.6mm)よりも十分に厚く(例えば、厚さ1.2mm)、剛性が高くなっている。補強フレーム84は、開口84aを有しており、この開口84aから圧電アクチュエータ32の上面に配置されたFPC87が表出している。この補強フレーム84は、流路ユニット31と接合された圧電アクチュエータ32の振動板70上に接合されることで、液滴を吐出させる際の圧電アクチュエータ32の変形によって流路ユニット31が撓んだりして、ノズル54からのインクの吐出方向がずれたりしないように、流路ユニット31を補強する役割を持つ。つまり、補強フレーム84は、流路ユニット31及び圧電アクチュエータ32をヘッドホルダ81に保持するための取り付けフレームとして、且つ、流路ユニット31の撓みを抑制するためのフレームとして機能する。
Subsequently, the reinforcing
補強フレーム84の底面(振動板70と対向する面)の、平面視で、フィルタプレート36と重なる領域には、ハーフエッチングにより凹部85が形成されている。そして、補強フレーム84は、凹部85にフィルタプレート36が装着され、振動板70と積層された状態で金属拡散接合により接合されている。振動板70と補強フレーム84とを接着剤などの剛性の低い中間材を用いて接合する場合に比べて、振動板70と補強フレーム84を一体化させて剛性を高くすることができる。そのため、ある個別インク流路のノズル54から液滴を吐出させるための振動板70の変形が他個別インク流路にまで影響を及ぼす、いわゆるクロストークを低減することができる。
A
また、フィルタプレート36も振動板70及び補強フレーム84に金属拡散接合によって接合されている。フィルタプレート36は、振動板70や補強フレーム84に比べて外形が小さい。したがって、振動板70と補強フレーム84との間に積層して金属拡散接合によって接合することで、確実に接合することができる。また、接着剤で接合する場合に比べて金属拡散接合によって接合する場合には、接合の信頼性を高めることができ、接合箇所からインクが漏れ出すことを防止することができる。
The
また、補強フレーム84の一端部(図2の右下部)の、平面視で、フィルタプレート36のフィルタ37(振動板70のフィルタ77)と重なる位置には、インク供給孔84cが形成されている。サブタンク4a〜4dから導入されたインクは、ダンパー装置82内を流れた後、補強フレーム84のインク供給孔84c、フィルタプレート36のフィルタ37、及び、振動板70のフィルタ77を介して流路ユニット31に形成されたインク流路に供給される。
In addition, an
このとき、振動板70に形成されたフィルタ77とフィルタプレート36に形成されたフィルタ37とから構成されたフィルタ流路により、サブタンク4a〜4dから導入されたインクに混入するゴミや気泡などをトラップすることができる。また、補強フレーム84よりも流路ユニット31に近い下流側にフィルタが構成されている。補強フレーム84のインク供給孔84cは流路ユニット31に形成されたインク流路に比べて流路面積が大きく、インク供給孔84c内はインクの流速が遅い。インクの流速が遅い部分では気泡が動きにくい。流路内に気泡が発生すると、ノズル54から液滴が吐出されないなどの不具合が生じるおそれがある。しかし、フィルタが補強フレーム84よりも流路ユニット31に近い下流側に構成されているため、フィルタより下流のインク流路において、流速が遅い部分がなく、フィルタの流路ユニット31側に気泡が滞留することを低減することができる。
At this time, dust or bubbles mixed in the ink introduced from the
次に、インクジェットヘッド3の製造方法について説明する。図7はインクジェットヘッドの製造方法を示す図であり、(a)は振動板とフィルタと補強プレートの接合工程、(b)は圧電層形成工程、(c)は流路ユニットの接合工程である。
Next, a method for manufacturing the
まず、振動板70に複数の貫通孔77a、フィルタプレート36に複数の貫通孔37a、及び、補強フレーム84に開口84a、インク供給孔84cをエッチングにより形成する。また、補強フレーム84に凹部85をハーフエッチングにより形成する。そして、図7(a)に示すように、補強フレーム84の凹部85にフィルタプレート36を配置して、補強フレーム84とフィルタプレート36と振動板70とを積層して、所定温度(例えば、1000℃)に加熱しながら加圧し、金属拡散接合により接合する(接合工程)。
First, a plurality of through
次に、図7(b)に示すように、振動板70の表面に、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との混晶であるチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料を用いて、エアロゾルデポジション法(AD法)により圧電材料の粒子を堆積させることにより圧電層71を形成する(圧電層形成工程)。
Next, as shown in FIG. 7B, an aerosol is formed on the surface of the
AD法は、振動板70、フィルタプレート36及び補強フレーム84をチャンバー90内のステージ91に振動板70の圧電層71を形成する面が下方になるように四方をシールなどで固定させて保持する。そして、チャンバー90内を真空にして、チャンバー90と圧電層71を形成する粒子と気体(キャリアガス)との混合物(エアロゾル)が封入された図示しないエアロゾル室との間の気圧差により、エアロゾル室に連通するノズル93からエアロゾルを振動板70の表面に噴きつけて、粒子を高速で振動板70に衝突させるとともに、ステージ91を水平方向に往復移動させることにより振動板70の表面に圧電材料の粒子を堆積させる成膜法である。
In the AD method, the
このAD法による成膜において、振動板70のみをステージ91に保持して、高速でエアロゾルを噴きつけると、振動板70の厚みが薄いため、噴きつけたエアロゾルが振動板70に衝突する際の衝突エネルギーによって、振動板70は変形するおそれがある。そこで、AD法による成膜前に、振動板70に十分に厚みのある補強フレーム84を接合して、振動板70を補強している。これにより、エアロゾルの高速での噴きつけにおけるエアロゾルの衝突エネルギーでの振動板70の変形を抑制することができる。また、この補強フレーム84は、流路ユニット31を補強する目的で設けられるものであり、圧電層工程時においては、振動板70を補強して、振動板70の変形を抑制するとともに、インクジェットヘッド3製造後においては、補強フレーム84の本来の機能である、流路ユニット31の撓みの抑制と、インクジェットヘッド3とヘッドホルダ81を接合の両方の機能を果たすことができる。すなわち、特別な部材を必要とせず、この別部材の補強のために設けられた必須な部材を振動板70の補強にも併用することができる。
In the film formation by the AD method, when only the
AD法により圧電層71を形成した場合に、圧電層71中に粒子の微細化や格子欠陥などが生じていると、振動板70を変形させるのに必要な圧電特性を得られない。そこで、圧電材料の粒子結晶を成長させるとともに結晶中の格子欠陥を修復して、圧電特性を向上させるために、圧電層71、フィルタプレート36及び補強フレーム84を所定温度(例えば、650〜900℃)に加熱して、圧電層71に対して熱処理を施す(アニール処理工程)。このとき、高温で振動板70、フィルタプレート36及び補強フレーム84に熱処理を施しても、振動板70、フィルタプレート36及び補強フレーム84は高温で加圧することで原子の拡散を利用して接合する金属拡散接合により接合されているため、接着剤で接合する場合と違って、振動板70、フィルタプレート36及び補強フレーム84の接合状態に影響を与えることがない。その後、圧電層71上に、複数の個別電極72をそれぞれ形成する。複数の個別電極72は、スクリーン印刷、蒸着法、スパッタ法などにより一度に形成する。
In the case where the
その後、流路ユニット31を構成するプレートのうちの金属プレートである、キャビティプレート41、ベースプレート42、アパーチャプレート43、2枚のマニホールドプレート44,45、ダンパープレート46、カバープレート47に圧力室53やマニホールド流路51などのインク流路を構成する厚み方向に貫通した孔を形成する。これらのプレート41〜47は、金属材料からなるため、エッチングによりインク流路を構成する厚み方向に貫通した孔を容易に形成することができる。また、アパーチャプレート43にアパーチャ52、及び、ダンパープレート46に凹部61をハーフエッチングにより形成する。また、合成樹脂製のノズルプレート48に複数のノズル54をレーザ加工などで形成する。
Thereafter, the
そして、図7(c)に示すように、すでに接合された振動板70、フィルタプレート36及び補強フレーム84と流路ユニット31を構成する8枚のプレート41〜48とを積層して接着剤などで接合し、インクジェットヘッド3が完成する。
Then, as shown in FIG. 7C, the
仮に、振動板70を補強するために、流路ユニット31を圧電層形成工程前に振動板70に接合していると、圧電層形成工程において振動板70に噴きつけられたが、振動板70に堆積しなかった圧電材料の粒子が、流路ユニット31に形成されたインク流路内に侵入してしまう。インク流路内に粒子が残存したまま、インクジェットヘッド3を完成させてしまうと、残存した粒子によって流路詰まりが生じるおそれがある。また、残存した粒子がインクと混ざることで不具合が生じるおそれがある。しかしながら、圧電層形成工程において、補強のために振動板70に接合しているのは、液体流路などが形成されていない補強フレーム84なので、振動板70に堆積しなかった圧電材料の粒子による不具合が生じることもない。
If the
さらに、流路ユニット31は、圧電層形成工程後に接合するため、インク流路内に粒子が侵入することがなく、インク流路内を洗浄するなどして粒子を除去する除去工程が不要となる。加えて、補強フレーム84は、流路ユニット31の撓みを抑制することが目的であるため、流路ユニット31よりもさらに厚みがあるため、流路ユニット31を接合する場合よりも振動板70をより効率的に補強することができ、振動板70の変形を抑制することができる。また、AD法を行うために振動板70をチャンバー90のステージ91に移動させるときなどに、振動板70に厚みのある補強フレーム84が接合されていることで、振動板70が折れ曲がったりすることなくハンドリングしやすい。
Furthermore, since the
また、流路ユニット31ではなく、補強フレーム84によって振動板70の補強をしており、振動板70に形成された圧電層71に対して高温で熱処理を施すアニール処理工程の後に、振動板70に流路ユニット31を接合しているため、振動板70と流路ユニット31を構成する複数枚のプレート41〜48の接合方法に関する自由度が高くなる。例えば、振動板70の補強のために流路ユニット31を圧電層形成工程前に振動板70に接合する場合には、接着剤による接合だと、その後のアニール処理工程時に接着剤が熱分解することがあり、流路ユニット31を構成する複数枚のプレート41〜48及び振動板70の接合状態を維持することが困難である。一方、流路ユニット31を構成する複数枚のプレート41〜48を金属拡散接合する場合には、開口の大きいマニホールド流路51と対向する部分では、マニホールドプレート44,45以外のプレートの間に十分な押圧力を確保することができず、プレート間の金属拡散が不十分となり、接合不良となってしまうことがある。具体的には、特に、平面視でマニホールド流路51と重なる位置におけるベースプレート42とアパーチャプレート43間、および振動板70とベースプレート42の間の金属拡散が不十分になってしまうことがある。そのため、開口の大きい部分を有するプレートを接合する場合には、接着剤による接合が好ましい。本実施形態では、アニール処理工程後に、振動板70と流路ユニット31を構成する複数枚のプレート41〜48を接合するため、上述したような問題を考慮しつつ所望の接合方法を適用することができる。
Further, the
次に、本実施の形態に種々の変更を加えた変形例について説明する。 Next, modified examples in which various changes are made to the present embodiment will be described.
本実施形態においては、圧電アクチュエータ32には、圧電層71の下面に共通電極を兼ねた振動板70が配置されていたが、圧電層71の下面に振動板70との間に絶縁層を挟んで共通電極が配置されていてもよい。この場合、振動板70上に、絶縁層を成膜した後、スパッタ法などにより共通電極を形成して、AD法により圧電層を形成する。
In this embodiment, the
また、本実施形態において、流路ユニット31を構成する8枚のプレート41〜48、及び、振動板70を接着剤により接合していたが、ノズルプレート48を除く金属材料で形成されたプレートは全て金属拡散接合で接合して、ノズルプレートだけ接着剤により接合してもよい。
Further, in the present embodiment, the eight
さらに、本実施形態においては、フィルタプレート36は、振動板70と補強フレーム84との間に挟んで接合していたが、サブタンク4a〜4dから流路ユニット31に形成されたインク流路に連通する流路のどこかに配置されていればよく、例えば、補強フレーム84の上面に接合されてもよい。また、フィルタプレート36は、補強フレーム84と振動板70との接合工程とは別工程において接合されてもよい。
Further, in the present embodiment, the
また、流路ユニット31の撓みを抑制するための補強フレーム84は、流路ユニット31を囲むような枠体であったが、厚みや材質を選定して流路ユニット31を補強可能であれば、例えば、流路ユニット31の長手方向にのみ延在する細長いプレートであってもよい。
In addition, the reinforcing
さらに、本実施形態においては、フィルタプレート36に形成されたフィルタ37と、振動板70に形成されたフィルタ77を積層してゴミなどを捕集する流路を形成していたが、振動板70にはフィルタとして機能しない単なる貫通孔が形成されているだけであって、細長形状の貫通孔が複数形成されたフィルタプレートが複数枚あり、これらのフィルタプレートを積層したときに、それぞれのフィルタプレートに形成された細長形状の貫通孔と、他のフィルタプレートに形成された複数の細長形状の貫通孔とが、平面視で、一部が互いに重なるように積層してフィルタ流路を形成してもよい。
Furthermore, in the present embodiment, the
また、以上では、圧力室内のインクを吐出するインクジェットヘッドの製造方法に本発明を適用したが、これに限られない。例えば、ノズルからインク以外の液体を吐出する液体吐出ヘッドなど、圧力室内の液体に圧力を付与することによって圧力室を含む液体移送流路内の液体を移送する液体移送装置の製造方法に本発明を適用することも可能である。 In the above description, the present invention is applied to a method for manufacturing an inkjet head that discharges ink in a pressure chamber. However, the present invention is not limited to this. For example, the present invention relates to a method for manufacturing a liquid transfer device that transfers liquid in a liquid transfer channel including a pressure chamber by applying pressure to the liquid in the pressure chamber, such as a liquid discharge head that discharges liquid other than ink from a nozzle. It is also possible to apply.
1 プリンタ
3 インクジェットヘッド
31 流路ユニット
32 圧電アクチュエータ
53 圧力室
70 振動板
71 圧電層
84 補強フレーム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (8)
前記振動板と前記補強フレームとを接合する接合工程と、
前記接合工程の後、前記振動板の前記流路ユニットとの接合面と反対側の面に、圧電材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて前記圧電材料の粒子を堆積させて、圧電層を形成する圧電層形成工程と、を備えていることを特徴とする液体移送装置の製造方法。 A flow path unit in which a liquid flow path including a pressure chamber is formed, a vibration plate bonded to at least one surface of the flow path unit so as to cover the pressure chamber, and a vibration plate bonded to the opposite side of the pressure chamber Manufacturing of a liquid transfer device comprising: a piezoelectric actuator including a piezoelectric layer formed; and a reinforcing frame that is thicker than the flow path unit and is bonded to the diaphragm in order to suppress bending of the flow path unit. A method,
A joining step of joining the diaphragm and the reinforcing frame;
After the bonding step, the piezoelectric material particles are deposited on the surface of the diaphragm opposite to the bonding surface with the flow path unit by spraying an aerosol containing particles of the piezoelectric material and a carrier gas. And a piezoelectric layer forming step of forming a piezoelectric layer.
前記接合工程において、前記振動板と前記補強フレームとを積層状態で金属拡散接合によって接合することを特徴とする請求項1または2に記載の液体移送装置の製造方法。 The diaphragm and the reinforcing frame are made of a metal material,
3. The method of manufacturing a liquid transfer device according to claim 1, wherein, in the joining step, the diaphragm and the reinforcing frame are joined in a laminated state by metal diffusion joining.
前記接合工程において、前記振動板及び前記補強フレームに加えて、金属材料からなり前記供給口を覆うフィルタが形成されたフィルタプレートを積層状態で金属拡散接合によって接合することを特徴とする請求項3または4に記載の液体移送装置の製造方法。 The flow path unit has a supply port communicating with the liquid flow path,
4. In the joining step, in addition to the diaphragm and the reinforcing frame, a filter plate made of a metal material and formed with a filter that covers the supply port is joined in a laminated state by metal diffusion joining. Or the manufacturing method of the liquid transfer apparatus of 4.
前記少なくとも2枚のプレートが積層されたときに、それぞれのプレートの貫通孔は、平面視で、その一部が互いに重なっており、
前記接合工程において、前記少なくとも2枚のプレートを積層状態で接合することを特徴とする請求項5に記載の液体移送装置の製造方法。 The filter plate is configured by laminating at least two plates each having a plurality of through holes formed therein,
When the at least two plates are laminated, the through-holes of each plate overlap each other in plan view,
6. The method of manufacturing a liquid transfer device according to claim 5, wherein, in the joining step, the at least two plates are joined in a stacked state.
The method of manufacturing a liquid transfer device according to claim 1, wherein the reinforcing frame is attached to a holder that holds the liquid transfer device.
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