JP3563576B2

JP3563576B2 - Method of manufacturing ink jet printer head

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Publication number: JP3563576B2
Application number: JP29757097A
Authority: JP
Inventors: 敏和岸野; 和紀揃
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2017-10-29
Also published as: JPH10180939A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位制御素子、モーター、リレー、スイッチ、シャッター、プリンターヘッド、ポンプ、ファン、インクジェットプリンタ等に用いられる微細溝を有する部材、及びその製造方法及びこれを用いたインクジェットプリンタヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光学や精密加工等の分野において、サブミクロンのオーダーで光路長や位置を調整する変位制御素子が求められており、これらに応えるものとして、圧電材料を利用したもの、静電気を利用したものなど、各種のアクチュエータが考えられている。
【０００３】
特に、最近ではインクジェットプリンタヘッド用に、セラミックグリーンシートを成形し、金型でインク室等を成す空孔を形成した後、積層して焼成し、その一部を振動板としてその表面に圧電駆動部を設けた小型のアクチュエータが提案されている（特開平４−１２６７８号公報参照）。
【０００４】
このインクジェットプリンタヘッドの構造は、図７に示すように、ノズル６を形成したノズル板２３と、インク室１やインク流路等を形成した隔壁２２と、振動板２１とをそれぞれセラミックグリーンシートで作製し、積属し一体化することによって、インク室１とこれに連通するノズル６及びインク流路（不図示）を有するヘッド基板２を得て、このヘッド基板２の振動板２１上に電極４ａ、圧電素子３、電極４ｂを形成したものである。
【０００５】
そして、上記電極４ａ、４ｂ間に電圧を印加して圧電素子３を変形させ、この変位を振動板２１を介してインク室１に伝えることにより、インク室１内のインクをノズル６より噴出させるようになっていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、インクジェットプリンタヘッドは、製品がより小型化し、高密度化、高精度化が求められている。例えば、上記ヘッド基板２を成す隔壁２２の幅は数十μｍのオーダーで作製することが求められている。
【０００７】
これに対し、図７に示すインクジェットプリンタヘッドの製造工程中、ヘッド基板２を成す隔壁２２を作製する場合は、セラミックグリーンシートを金型で打ち抜くことによってインク室１やインク流路等を形成していたため、上記のように小型で高密度、高精度に作製することが極めて困難であった。即ち、グリーンシートを金型で打ち抜く際にシート切れが生じたり、あるいはノズル板２３、振動板２１を積層する際に位置ずれが生じる等の理由により、高密度、高精度に作製することができなかった。
【０００８】
また、このような小型で高密度に打ち抜くための金型の作製も困難であり、コストの高いものであった。
【０００９】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、インクジェットプリンタヘッド等に使用される微細溝を有する部材を高精度、高密度で簡易に作製することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、セラミックス、ガラス、シリコン等からなる平板の一面に、セラミックス、ガラス、シリコン等の粉体を凹部を有する成形型で成形して成る隔壁を接合し一体化して微細溝を有する部材を構成したことを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、セラミックス、ガラス、シリコン等の粉体と溶媒及び有機性添加物から成るバインダーとの混合物を、隔壁用の凹部を有する成形型中に充填した後、この混合物をセラミックス、ガラス、シリコン等からなる平板面又はセラミックス、ガラス、シリコン等の粉体と溶媒及び有機性添加物から成るバインダーとの混合物よりなる平板状の成形体に接合し一体化する工程から微細溝を有する部材を製造することを特徴とする。
【００１２】
さらに本発明は、上記平板を振動板と成し、この振動板を駆動するための圧電素子と該圧電素子に電圧を印加するための電極とを備えるとともに、微細溝をインク室とするべくノズル板を接合してインクジェットプリンタヘッドを構成するか、あるいは上記隔壁を圧電性のセラミックスにより形成し、この隔壁を変位させるために電圧を印加する一対の電極を上記隔壁の両側面に備えるか、又は上記一対の電極を隔壁の上面と平板の下面にそれぞれ備え、微細溝をインク室とするべくノズル板を接合してインクジェットプリンタヘッドを構成したことを特徴とする。特に、後者の構造において、上記隔壁をＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３系のセラミックスにより形成するとともに、上記平板をジルコニアセラミックスにより形成すれば、組み立て時や取り扱い時における破損が少なく、かつ隔壁を良好に変位させることができる。
【００１３】
即ち、本発明によれば、予め用意した隔壁用の凹部を有する成形型に隔壁用材料の混合物を充填し、この混合物を平板の一面に接合一体化することによって、上記成形型の形状がそのまま平板上に転写されることになる。そのため、予め成形型の凹部を高密度にかつ高精度に作製しておけば、容易に隔壁を高精度に仕上げることができるとともに、高密度に形成することが可能となる。
【００１４】
なお、ここで隔壁と平板を接合一体化するとは、上記凹部を有する成形型中に混合物を充填し、平板に密着し固化させた後、離形し焼成する工程や、成形型に混合物を充填し固化させた後に離形し、その後平板と密着して焼成する工程や、成形型に混合物を充填し、固化した後に離形して焼成し、平板に接着又は熱定着する工程等を含むものである。その他、一般的なガラスやセラミックスの接合方法を使用することも可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
図１に示す微細溝を有する部材１０は、セラミックス、ガラス、シリコン等の一種からなる平板１１の一面に、セラミックス、ガラス、シリコン等の一種からなる一対の隔壁１２を同一方向に整列させて接合一体化して、隔壁１２間に一つの微細溝１５を形成したものである。また、図２に示す微細溝を有する部材１０は、セラミックス、ガラス、シリコン等の一種からなる平板１１の一面に、セラミックス、ガラス、シリコン等の一種からなる多数の隔壁１２を同一方向に整列させて接合一体化し、隔壁１２間に複数の微細溝１５を形成したものである。
【００１７】
そして、詳細を後述するように、上記隔壁１２はこの隔壁用の凹部を有する成形型を用いて成形した後、平板１１に接合一体化したものであるため、隔壁１２を高密度に整列させることができるとともに、高精度に形成することができる。この微細溝を有する部材１０を用いれば、図７に示すようなインクジェットプリンタヘッドのヘッド基板２を容易に作製することができる。即ち、図３（ａ）に示すように、平板１１を振動板２１と成し、隔壁１２を隔壁２２として、別途作製したノズル６を有するノズル板２３を接合すれば、微細溝１５がインク室１となってヘッド基板２を得ることができる。
【００１８】
あるいは、図３（ｂ）に示すように、平板１１にノズル６を形成してノズル板２３と成し、隔壁１２を隔壁２２として、別途作製した振動板２１を接合すれば、微細溝１５がインク室１となってヘッド基板２を得ることができる。
【００１９】
このとき、隔壁２２（１２）は高密度に整列させることができるとともに、高精度に形成できることから、このヘッド基板２を用いれば、高密度、高精度のインクジェットプリンタヘッドを得ることができる。
【００２０】
また、図３（ａ）に示すように微細溝を有する部材１０の平板１１を振動板と成す場合は、平板１１上に圧電素子を備えることができる。即ち、図４（ａ）に示すように、平板１１上に電極１４と圧電素子１３を単層又は複数層積層するか、あるいは図４（ｂ）に示すように、平板１１の上下面に上記電極１４と圧電素子１３を単層又は複数層積層しておき、これらの電極１４間に電圧を印加すれば、圧電素子１３の変形により平板１１を変位させ、振動板として作用させることができる。
【００２１】
さらに、図８（ａ）（ｂ）に示すようなインクジェットプリンタヘッドを製作することもできる。
【００２２】
これらのインクジェットプリンタヘッドは、ノズル６を形成したノズル板２３と、インク室１やインク流路等を形成する隔壁２２、及び平板２４とからなり、上記隔壁２２をそれ自体が変形する振動板としたものであり、例えば、図８（ａ）に示すヘッド基板３１は、図３（ａ）の隔壁１２を隔壁２２とし、この隔壁２２（１２）を圧電材料により形成するとともに、この隔壁２２（１２）の上面に帯状の電極１４を敷設し、さらに平板１１を平板２４となし、この平板２４（１１）の下面に板状の電極１４を敷設したあと、別途作製したノズル６を有するノズル板２３を接合することにより製作することができ、また、図８（ｂ）に示すヘッド基板３２は、図３（ａ）の隔壁１２を隔壁２２とし、この隔壁２２（１２）を圧電材料により形成するとともに、この隔壁２２（１２）の両側面に帯状の電極１４をそれぞれ敷設したあと、別途作製したノズル６を有するノズル板２３を接合することにより製作することができる。なお、図８（ｂ）に示すヘッド基板３２は、図３（ｂ）からも製作が可能である。
【００２３】
そして、図８（ａ）に示すヘッド基板３１においては、隔壁２２の上面の帯状電極１４と平板２４の下面の板状電極１４との間に、図８（ｂ）に示すヘッド基板３２においては、隔壁２２の両側面の帯状電極１４間にそれぞれ電圧を印加することにより隔壁２２自体を左右に変位させることができるため、インク室１をなす微細溝１５内の圧力を高めてノズル６よりインクを噴出させることができる。
【００２４】
これらのインクジェットプリンタヘッドは、図７に示すプリンタヘッドのような振動板２１上の圧電素子１３や電極１４が不要であるため、より一層小型化することができるとともに、インク室１を構成する隔壁２２自体を変位させることができるために応答性が良く、さらに高速印字が可能なインクジェットプリンタヘッドを得ることができる。
【００２５】
なお、図７及び図８（ａ）（ｂ）では、ノズル板２３を平板１１と対向した位置に配置した構造を示したが、微細溝１５の長手方向を閉じる別の平板（不図示）にノズル６を形成した構造であっても良いことは言うまでもない。
【００２６】
以上のように、平板１１に圧電素子１３と電極１４を備えるか、隔壁１２を圧電材料で形成し、その両側面に電極１４を備えるか、さらには隔壁１２を圧電材料で形成し、その上面と平板１１の下面に電極１４を備えることで、この微細溝１５を有する部材１０はアクチュエータ用部材となり、上述したインクジェットプリンタヘッドに限らず、変位制御素子、モーター、リレー、スイッチ、シャッター、プリンターヘッド、ポンプ、ファン等に使用することができる。
【００２７】
次に、本発明の微細溝を有する部材１０の製造方法を説明する。
【００２８】
まず、図５（ａ）に示すように、隔壁１２の形状に合致した凹部１９ａを有する成形型１９を用意し、この成形型１９の凹部１９ａに、隔壁１２を成す材質としてセラミックス、ガラス、シリコン等の粉末と溶媒及び有機性添加物のバインダーとの混合物１２’を充填する。
【００２９】
一方、セラミックス、ガラス、シリコン等から成る平板１１を別に用意し、この平板１１に上記混合物１２’の成形体を接合一体化し、隔壁１２を形成するが、具体的には以下のように製造する。
【００３０】
まず、上記成形型１９に充填した混合物１２’の表面に平板１１を押し当てて加圧接着し、混合物１２’を反応硬化するか又は乾燥して固化させる。その後、図５（ｂ）に示すように、成形型１９を離型することによって、基板１１上に混合物１２’の成形体からなる隔壁１２を転写する。最後に全体を脱バインダー処理した後、同時焼成して一体化することにより、図１、２に示す微細溝１５を有する部材１０を製造することができる。
【００３１】
また他の方法としては、成形型１９に充填した混合物１２’を反応硬化又は乾燥固化した後、成形型１９から離型し、混合物１２’の成形体を平板１１に固着する。最後に全体を脱バインダー処理した後、同時焼成して一体化することによっても微細溝１５を有する部材１０を得ることができる。
【００３２】
さらに他の方法としては、成形型１９に充填した混合物１２’を反応硬化又は乾燥固化した後、成形型１９から離型し、脱バインダー処理した後でこの成形体を平板１１に接着する。最後に全体を同時焼成して一体化することによっても微細溝１５を有する部材１０を得ることができる。
【００３３】
あるいは、成形型１９に充填した混合物１２’を反応硬化又は乾燥固化した後、成形型１９から離型し、脱バインダー処理して焼成した後でこの焼結体を平板１１に接着、熱圧着又は同時焼成により接合することによっても微細溝１５を有する部材１０を得ることができる。
【００３４】
即ち、平板１１に混合物１２’の成形体を接合するとは、互いの部材がセラミックス、ガラス、シリコン等の粉末と溶媒及び有機性添加物のバインダーとの混合物を反応硬化又は乾燥固化させた成形体、又は成形体に脱バインダー処理を施した脱バインダー状態、あるいは成形体を焼成した焼結体のいずれの段階であっても良い。なお、平板１１と隔壁１２が互いに成形体からなり、両者を同時焼成により接合一体化する場合には、焼成条件（焼成温度、焼成雰囲気等）や成形体の収縮率等を合わせる必要があることから、このような時には両者を同種の材質により構成することが好ましい。
【００３５】
このような本発明の製造方法によれば、簡単に隔壁１２を形成できるため製造工程を極めて簡略化できる。しかも、隔壁１２及びその間の空間は成形型１９の凹部１９ａの形状が転写されるため、凹部１９ａの形状やピッチ幅等を所定の精度に精密加工しておけば、所望の隔壁１２を容易に形成することができる。
【００３６】
さらに本発明の他の応用例として、図６に示すように、複数の微細溝１５を有する部材１０を積層し接合一体化すれば、各微細溝１５が貫通孔となるハニカム状体を得ることができ、微細フィルター等に使用することができる。その他、本発明の微細溝１５を有する部材１０はさまざまな分野に応用することができる。ここで、平板１１及び隔壁１２を成すセラミックス粉体としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等の酸化物系セラミックスや、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）等の非酸化物系セラミックス等、あるいはアパタイト（Ｃａ_５（ＰＯ_４）_３（Ｆ，Ｃｌ，ＯＨ））等のいずれをも用いることができ、これらのセラミックス粉体には各種焼結助剤を所望量添加することができる。
【００３７】
上記焼結助剤としては、アルミナ粉末にはシリカ（ＳｉＯ_２）、カルシア（ＣａＯ）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）及びマグネシア（ＭｇＯ）等を、ジルコニア粉末にはイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）やセリウム（Ｃｅ）、ディスプロシウム（Ｄｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等の希土類元素の酸化物を、また窒化珪素粉末にはイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）とアルミナ（Ａ１_２Ｏ_３）、あるいは硼素（Ｂ）と炭素（Ｃ）等を、窒化アルミニウム粉末には周期律表第３ａ族元素酸化物（ＲＥ_２Ｏ_３）等を、炭化珪素粉末にはホウ素（Ｂ）と炭素（Ｃ）等を所望量添加することができる。
【００３８】
また、平板１１及び／又は隔壁１２を成す圧電性をもったセラミック粉末としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ系：ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３系）、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、マンガンニオブ酸鉛、チタン酸鉛などの一種以上と、Ｐｂ及びこれと固溶するＭｇ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｔｅ、Ｓｂの元素うち少なくとも一種以上の酸化物を含むセラミックスを用いることができ、具体的にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ系）の場合、ＰＺＴ−Ｐｂ（ＮｉＮｂ）Ｏ_３、ＰＺＴ−Ｐｂ（ＮｉＮｂ）Ｏ_３−Ｐｂ（ＺｎＮｂ）Ｏ_３、ＰＺＴ−Ｐｂ（ＭｇＮｂ）Ｏ_３、ＰＺＴ−Ｐｂ（ＳｂＮｂ）Ｏ_３−Ｐｂ（ＺｎＮｂ）Ｏ_３等のことである。
【００３９】
さらに、平板１１及び隔壁１２をなすガラス粉体としては、ケイ酸塩を主成分とし、鉛（Ｐｂ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、明礬等の一種以上を含有した各種ガラスを用いることができ、さらには平板１１及び隔壁１２をシリコン粉末から形成することもできる。あるいは平板１１及び隔壁１２を上記各材料の複合粉体から形成したり、上記と同様の特性を持った他の粉体で形成することもできる。
【００４０】
なお、これらセラミックス、ガラス、シリコン等の粉体の粒径は、数十ミクロンからサブミクロンのものが好適に用いることができ、具体的には０．２〜１０μｍ、好ましくは０．２〜５．０μｍの範囲のものが良い。
【００４１】
さらに、これらのセラミックス、ガラス、シリコンの粉末に添加する有機性添加物としては、尿素樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、エボナイト、ポリシロキ酸シリケート等が挙げられる。そしてこれらの有機性添加物を反応硬化させる手段としては、加熱硬化、紫外線照射硬化、Ｘ線照射硬化等がある。なお、作業上、装置上の点からは加熱硬化が最適であって、とりわけポットライフの点からは不飽和ポリエステル樹脂が好適である。
【００４２】
前記有機性添加物の含有量は、セラミックス、ガラス、シリコン等の粉体と焼結助剤等との混合物の流動性及び成形性を維持するためには、粘性が高くならないようにする必要があり、一方、硬化時には十分な保形性を有していることが望ましい。このような点から、有機性添加物の含有量は、セラミックス、ガラス、シリコン等の粉体１００重量部に対して０．５重量部以上で、かつ硬化による成形体の収縮という点からは３５重量部以下がより望ましく、なかでも焼成時の収縮を考慮すると、１〜１５重量部が最も好適である。
【００４３】
また、混合物１２’中に加えられる溶媒とは、前記有機性添加物を相溶するものであれば特に限定するものではなく、例えば、トルエン、キシレン、ベンゼン、フタル酸エステル等の芳香族溶剤や、ヘキサノール、オクタノール、デカノール、オキシアルコール等の高級アルコール類、あるいは酢酸エステル、グリセライド等のエステル類を用いることができる。
【００４４】
とりわけ、前記フタル酸エステル、オキシアルコール等は好適に使用でき、更に、溶媒を緩やかに揮発させるために、前記溶媒を２種類以上併用することも可能である。
【００４５】
また、前記溶媒の含有量は、成形性の点からは成形体の保形性を維持するために、セラミックス、ガラス、シリコン等の粉体１００重量部に対して０．１重量部以上必要であり、一方、セラミックス、ガラス、シリコン等の粉体と有機性添加物の混合物の粘性を低くすることが望ましいことから３５重量部以下がより望ましく、乾燥時と焼成時の収縮を考慮すると１〜１５重量部であることが最も望ましい。
【００４６】
なお、本発明における成形型１９は、有機性添加物を硬化させる時に何ら支障無きものであれば良く、材質は特に限碇されないが、例えば金属や樹脂、あるいはゴム等が使用でき、必要ならば離型性向上や摩耗防止のために、表面被覆等の表面処理を行ってもよい。
【００４７】
また、上記平板１１は、セラミックス、ガラス、シリコン等の未焼成のグリーンシート（成形体）あるいは焼結体であり、例えば各種セラミックグリーンシートや各種ガラス基板、磁器基板等を用い、隔壁１２と同じ材質又は熱膨張係数が近似した材質を用いる。なお、ガラス基板としては、例えばソーダライムガラスやその歪み点を向上するために無機フィラーを分散させたものなど比較的安価なガラスを使用できる。
【００４８】
また、前記混合物１２’と平板１１とを圧着する際の接着性向上のために、シランカップリング剤やチタネートカップリング剤、アルミネートカップリング剤等の各種カップリング剤を使用することができ、なかでも反応性が高いことからシランカップリング剤が好適である。
【００４９】
さらに、混合物１２’と平板１１との圧着は、均一に圧力を加えるという点からは静水圧の装置を用いることが望ましく、加圧条件としては、成形型１９を変形せない圧力範囲、例えば、シリコンゴム製の成形型１９を用いた場合、約１００ｇ／ｃｍ^２程度の加圧条件で行うのが望ましい。
【００５０】
また、混合物１２’において、セラミックス又はガラス粉体の分散性の向上のために、例えば、ポリエチレングリコールエーテル、アルギルスルホン酸塩、ポリカルボン酸塩、アルキルアンモニウム塩等の界面活性剤を添加してもよく、その含有量としては分散性の向上及び熱分解性の点から、セラミックス又はガラス粉体１００重量部に対して０．０５〜５重量部が望ましい。
【００５１】
さらに、混合物１２’中のバインダーには硬化反応促進剤又は重合開始剤等と称される硬化触媒を添加することができる。前記硬化触媒としては、有機過酸化物やアゾ化合物を使用することができ、例えば、ケトンパーオキセイド、ジアシルパーオキサイド、パーオキシケタール、パーオキシエステル、ハイドロパーオキサイド、パーオキシカーボネート、ｔ−ブチルパーオキシ−２−エチルヘキサノエート、ビス（４−ｔ−ブチルシクロヘキシル）パーオキシジカーボネート、ジクミルパーオキサイド等の有機過酸化物や、アゾビス、イソブチロニトリル等のアゾ化合物が挙げられる
また、上記圧電素子１３は、電極１４により電圧を印加すると変形する材質からなり、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ系）、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ系）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ系）、マンガンニオブ酸鉛、チタン酸鉛などの一種以上を主成分とする圧電セラミックスを用いる。
【００５２】
さらに圧電素子１３の両面や隔壁１２の両側面、あるいは隔壁の上面と平板の下面にそれぞれ備える駆動用の電極１４は、焼成温度に耐えられる導体であれば特に規制されず、例えば金属単体や合金、あるいはセラミックスやガラスと金属や合金との混合物であっても良い。特には、白金、パラジウム、ロジウム、銀−パラジウム、銀−白金、白金−パラジウム、金、銀、タングステン、モリブデン等のうち少なくとも一種を用いることが好ましい。
【００５３】
実施例１
図２に示す本発明の微細溝１５を有する部材１０を試作した。
【００５４】
隔壁１２を成すセラミック粉体として、平均粒径が０．２〜５．０μｍのアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を各主成分とし、前記公知の焼結助剤をそれぞれ必要に応じて添加した。これらのセラミック粉体１００重量部に対し、表１に示すようなバインダー組成物をそれぞれ添加混合してセラミック成形用組成物を調整して混合物１２’とした。なお、表１に示すバインダー組成物の種類は、表２に示した通りである。
【００５５】
【表１】

【００５６】
【表２】

【００５７】
このようにして得られた混合物１２’を真空脱泡した後、図５（ａ）に示すように、シリコン樹脂で作製した成形型１９の凹部１９ａに注入充填した。
【００５８】
その後、成形型１９に充填した混合物１２’の表面に、混合物１２’と同種のセラミック焼結体からなる平板１１を載置し、この平板１１を成形型１９とともに１００ｇ／ｃｍ^２の圧力で加圧しながら加熱炉に収容し、１００℃の温度で４５分間保持して加熱硬化させた。
【００５９】
硬化完了後、図５（ｂ）に示すように、成形型１９から平板１１と密着した隔壁１２を離型し、この成形体を１２０℃で５時間乾燥し、次いで窒素雰囲気中、２５０℃で３時間保持した後、５００℃に昇温して１２時間保持し、脱バインダー処理を行った。その後、アルミナを主成分とするものは、大気中、１６００℃で２時間保持、ジルコニアを主成分とするものは、大気中、１４５０℃で２時間保持、窒化珪素を主成分とするものは、窒素雰囲気中、１６５０℃で１０時間保持、窒化アルミニウムを主成分とするものは、窒素雰囲気中、１８００℃で３時間保持して、焼成一体化し、図２に示す本発明の微細溝１５を有する部材１０を得た。
【００６０】
一方、比較例として、ジルコニアを主成分とするセラミックグリーンシートを作製し、金型で凹部を打ち抜いて積層し、焼成一体化することにより、同様な形状の微細溝１５を有する部材１０を作製した。なお、セラミックグリーンシートの厚みは１００μｍ（表３中のＮｏ．８）、４０μｍ（表３中のＮｏ．９）とした。
【００６１】
これらの本発明実施例及び比較例について、隔壁１２の形状を観察した結果を表３に示す。
【００６２】
この結果より、比較例のＮｏ．８は、グリーンシートの厚みが隔壁１２の幅よりも厚く、隔壁１２の強度は大きいものの、金型で打ち抜く際の力で変形が生じていた。また比較例のＮｏ．９では、グリーンシートの厚みが薄いため、金型で打ち抜く際の力は小さいものの、Ｎｏ．８と同様に変形しやすかった。さらに、これらの比較例では積層時の位置ずれにより、隔壁１２内に段差が発生していた。また、隔壁１２の幅は７０μｍが限界で、歩留りも悪かった。
【００６３】
これに対し、本発明のＮｏ．１〜７では、上述のような問題がなく、隔壁１２の幅も７０μｍ以下とすることができ、形状の潰れもなく高精度とすることができた。
【００６４】
【表３】

【００６５】
なお、この実施例では、成形型１９に混合物１２’を充填し、平板１１を押しつけて加熱硬化する手法をとったが、成形型１９に混合物１２’を充填し加熱硬化したのち離型し、焼成した後平板１１に接着し一体化しても良い。要するに、隔壁１２と平板１１との接合は、共に焼成前、一方が焼成前で他方が焼成後、共に焼成後のどの状態でも良い。いずれにせよ、平板１１と隔壁１２とは、焼成温度、熱膨張係数が近い方が好ましい。
【００６６】
また、平板１１、隔壁１２の材質としては、上述したセラミックスに限らず、その他のセラミックスや、各種ガラス、あるいはシリコン等を用いても同様の効果を得られることを確認した。
【００６７】
実施例２
実施例１中のＮｏ．５を選び、作製された微細溝１５を有する部材１０の平板１１の上面に電極１４用のペーストを塗布し、ＰＺＴからなる圧電素子１３を積層し、さらに電極１４用のペーストを塗布し、１０００〜１３００℃で焼成して、インクジェットプリンタヘッド等に用いられるアクチュエータ用部材を得た。これに分極処理を行った後、電圧を印加して駆動させたところ、平板１１が変位して良好な駆動状態を得ることができた。さらに、図４（ａ）に示すように複数の圧電素子１３を積層しても同様に結果を得ることができた。
【００６８】
次に、図４（ｂ）に示すように、微細溝１５を有する部材１０の平板１１の両面に電極１４と圧電素子１３を積層して、同様に駆動試験を行ったところ、結果はいずれも良好に駆動することを確認した。
【００６９】
実施例３
さらに、図２に示す本発明の微細溝１５を有する部材１０のうち、隔壁１２を圧電性セラックスにより形成するとともに、電極１４を設けて図８（ａ）に示すインクジェットプリンタヘッド用のヘッド基板３１等のアクチュエータ用部材を形成した。
【００７０】
まず、隔壁１２を成すセラミック粉体として、平均粒径が０．２〜５．０μｍのＰＺＴ−Ｐｂ（ＮｉＮｂ）Ｏ_３系の微粉末を使用し、このセラミック粉体１００重量部に対し、溶媒を１０重量部、有機性添加物を５重量部それぞれ添加混合してセラミック成形用組成物を調整して混合物１２’を得た。そして、この混合物１２’を真空脱泡した後、図５（ａ）に示すように、シリコン樹脂で作製した成形型１９の凹部１９ａに注入充填した。
【００７１】
その後、成形型１９に充填した混合物１２’の表面に、３モル％のＹ_２Ｏ_３を含有する部分安定化ジルコニアセラミックスからなる平板１１を載置し、この平板１１を成形型１９とともに１００ｇ／ｃｍ^２の圧力で加圧しながら加熱炉に収容し、１００℃の温度で４５分間保持して加熱硬化させた。
【００７２】
硬化完了後、図５（ｂ）に示すように、成形型１９から平板１１と密着した隔壁１２を離型し、この成形体を１２０℃で５時間乾燥し、次いで大気雰囲気中、２５０℃で３時間保持した後、５００℃に昇温して１２時間保持し、脱バインダー処理を行ったあと、１３００℃で２時間保持して、焼成一体化し、図２に示す微細溝１５を有する部材１０を得た。
【００７３】
しかるのち、作製された微細溝１５を有する部材１０の平板１１の下面に電極１４用のペーストを塗布するとともに、隔壁１２の上面にも電極１４用のペーストを塗布したあと、１０００〜１２００℃で焼成して、アクチュエータ用部材を得た。
【００７４】
そして、これに分極処理を行った後、電圧を印加して駆動させたところ、隔壁１２が左右に変位し、良好な駆動状態が得られることを確認した。また、このアクチュエータ用部材は隔壁１２がＰＺＴ系のセラミックス、平板１１がジルコニアセラミックスというように異なる材質からなるものの、両者は接合時における相互拡散が生じ難いため、隔壁１２を構成するＰＺＴ系セラミックスの特性に悪影響を与えることが少ない。しかも、平板１１はセラミックスの中でも破壊靱性値の高いジルコニアセラミックスからなるため、組み立て時や取り扱い時に欠けや割れを最小限に留めることができ、優れてた。
【００７５】
実施例４
さらに、図２に示す本発明の微細溝１５を有する部材１０のうち、隔壁１２を圧電性セラックスにより形成するとともに、電極１４を設けて図８（ｂ）に示すインクジェットプリンタヘッド用のヘッド基板３２等のアクチュエータ用部材を形成した。
【００７６】
まず、隔壁１２を成すセラミック粉体として、平均粒径が０．２〜５．０μｍのＰＺＴ−Ｐｂ（ＮｉＮｂ）Ｏ_３−Ｐｂ（ＺｎＮｂ）Ｏ_３系の微粉末を使用し、このセラミック粉体１００重量部に対し、溶媒を１０重量部、有機性添加物を５重量部それぞれ添加混合してセラミック成形用組成物を調整して混合物１２’を得た。そして、この混合物１２’を真空脱泡した後、図５（ａ）に示すように、シリコン樹脂で作製した成形型１９の凹部１９ａに注入充填した。
【００７７】
その後、成形型１９に充填した混合物１２’の表面に、平板１１となる同一組成の混合物からなるセラミックグリーンシートを載置し、このグリーンシートを成形型１９とともに１００ｇ／ｃｍ^２の圧力で加圧しながら加熱炉に収容し、１００℃の温度で４５分間保持して加熱硬化させた。
【００７８】
硬化完了後、図５（ｂ）に示すように、成形型１９から平板１１と密着した隔壁１２を離型し、これらの成形体を１２０℃で５時間乾燥し、次いで大気雰囲気中、２５０℃で３時間保持した後、５００℃に昇温して１２時間保持し、脱バインダー処理を行ったあと、１３００℃で２時間保持して、焼成一体化し、図２に示す微細溝１５を有する部材１０を得た。
【００７９】
しかるのち、作製された微細溝１５を有する部材１０の隔壁１２の両側面に電極１４用のペーストを塗布したあと、１０００〜１２００℃で焼成して、アクチュエータ用部材を得た。
【００８０】
そして、これに分極処理を行った後、電圧を印加して駆動させたところ、隔壁１２が左右に変位し、このアクチュエータ用部材も良好な駆動状態が得られることを確認した。
【００８１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、セラミックス、ガラス、シリコン等からなる平板の一面に、セラミックス、ガラス、シリコン等の粉体を凹部を有する成形型で成形して成る隔壁を接合し、一体化したことによって、簡単な工程で、高密度、高精度の微細溝を有する部材を得ることができる。
【００８２】
また、本発明によれば、セラミックス、ガラス、シリコン等の粉体と溶媒及び有機性添加物から成るバインダーとの混合物を、隔壁用の凹部を有する成形型中に充填した後、この混合物をセラミックス、ガラス、シリコン等からなる平板面又はセラミックス、ガラス、シリコン等の粉体と溶媒及び有機性添加物から成るバインダーとの混合物よりなる平板状の成形体に接合し一体化する工程から微細溝を有する部材を製造することによって、上記成形型の形状がそのまま平板上に転写されるため、予め成形型を高密度、高精度に作製しておけば、容易に隔壁を高密度に整列させることができるとともに、高精度に形成することが可能となる。
【００８３】
従って、本発明によれば、高密度、高精度の微細溝を有する部材を極めて簡単な工程で作製することができ、インクジェットプリンタヘッド等の用途に好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微細溝を有する部材を示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態を示しており、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図３】本発明の微細溝を有する部材を用いて、インクジェットプリンタヘッドのヘッド基板を作製する工程を示す断面図である。
【図４】（ａ）（ｂ）は本発明の他の実施形態を示す断面図である。
【図５】（ａ）（ｂ）は本発明の微細溝を有する部材の製造方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の微細溝を有する部材の応用例を示す断面図である。
【図７】インクジェットプリンタヘッドの構造を示す一部破断斜視図である。
【図８】（ａ）（ｂ）は本発明の微細溝を有する部材を用いたインクジェットプリンタヘッドの他の構造をそれぞれ示す一部破断斜視図である。
【符号の説明】
１０：微細溝を有する部１１：平板１２：隔壁１３：圧電素子
１４：電極１９：成形型１９ａ：凹部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a member having fine grooves used for a displacement control element, a motor, a relay, a switch, a shutter, a printer head, a pump, a fan, an ink jet printer, and the like, a method for manufacturing the same, and an ink jet printer head using the same. is there.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in fields such as optics and precision processing, displacement control elements that adjust the optical path length and position on the order of submicrons have been demanded, and those that respond to these are those that use piezoelectric materials and those that use static electricity. Various actuators are considered.
[0003]
In particular, recently, ceramic green sheets have been formed for ink-jet printer heads, holes that form ink chambers and the like have been formed in dies, then laminated and fired, and a part of them was used as a diaphragm to drive piezoelectrically on the surface. A small-sized actuator provided with a portion has been proposed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-126878).
[0004]
As shown in FIG. 7, the structure of the ink jet printer head is such that a nozzle plate 23 in which the nozzle 6 is formed, a partition wall 22 in which the ink chamber 1 and the ink flow path are formed, and a vibration plate 21 are each made of a ceramic green sheet. The head substrate 2 having the ink chamber 1, the nozzle 6 communicating with the ink chamber 1, and the ink flow path (not shown) is obtained by manufacturing, stacking and integrating, and the electrode 4a is formed on the diaphragm 21 of the head substrate 2. , A piezoelectric element 3 and an electrode 4b.
[0005]
Then, a voltage is applied between the

electrodes

4 a and 4 b to deform the piezoelectric element 3, and the displacement is transmitted to the ink chamber 1 via the vibration plate 21, whereby the ink in the ink chamber 1 is ejected from the nozzle 6. It was like.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the inkjet printer head is required to have a smaller product, a higher density and a higher accuracy. For example, the width of the partition wall 22 forming the head substrate 2 is required to be manufactured on the order of several tens of μm.
[0007]
On the other hand, during the manufacturing process of the ink jet printer head shown in FIG. 7, when forming the partition wall 22 forming the head substrate 2, the ink chamber 1 and the ink flow path are formed by punching a ceramic green sheet with a mold. Therefore, it was extremely difficult to produce a small-sized, high-density, high-precision as described above. That is, the green sheet can be manufactured with high density and high accuracy because the sheet is cut when the green sheet is punched by a mold, or a misalignment occurs when the nozzle plate 23 and the vibration plate 21 are stacked. Did not.
[0008]
In addition, it is difficult to manufacture such a small-sized die for high-density punching, and the cost is high.
[0009]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to easily and precisely manufacture a member having a fine groove used in an ink-jet printer head or the like with high accuracy, high density.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present invention provides a member having fine grooves formed by joining and integrating a partition formed by molding a powder of ceramics, glass, silicon, or the like with a mold having a concave portion on one surface of a flat plate made of ceramics, glass, silicon, or the like. Is constituted.
[0011]
Further, the present invention, after filling a mixture of a powder of ceramics, glass, silicon and the like and a binder comprising a solvent and an organic additive into a mold having recesses for partition walls, the mixture is mixed with ceramics, glass, From the step of joining and integrating a flat surface made of silicon or the like and a flat molded body made of a mixture of a powder of ceramics, glass, silicon, etc. with a binder composed of a solvent and an organic additive, a member having fine grooves is formed. It is characterized by being manufactured.
[0012]
Further, the present invention provides the above-mentioned flat plate as a diaphragm, comprising a piezoelectric element for driving the diaphragm and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric element, and a nozzle for forming a fine groove as an ink chamber. A plate is joined to form an ink jet printer head, or the partition is formed of piezoelectric ceramics, and a pair of electrodes for applying a voltage to displace the partition are provided on both side surfaces of the partition, or The above-mentioned pair of electrodes are provided on the upper surface of the partition wall and the lower surface of the flat plate, respectively, and a nozzle plate is joined so that a fine groove becomes an ink chamber to constitute an ink jet printer head. In particular, in the latter structure, the partition is made of PbZrO.₃-PbTiO₃If the flat plate is formed of zirconia ceramics in addition to being formed of a ceramic, the breakage can be reduced during assembly and handling, and the partition can be displaced favorably.
[0013]
That is, according to the present invention, by filling a mixture of a material for partition walls into a mold having a recess for a partition prepared in advance and joining and integrating the mixture on one surface of a flat plate, the shape of the mold is maintained as it is. It will be transferred onto a flat plate. Therefore, if the concave portions of the mold are formed in advance with high density and high accuracy, the partition walls can be easily finished with high accuracy and can be formed with high density.
[0014]
In this case, to integrate the partition wall and the flat plate together means that the mixture is filled in a molding die having the above-mentioned concave portion, and then closely adhered to the flat plate and solidified, and then separated and fired, or the molding die is filled with the mixture. And then releasing after solidification, followed by baking in close contact with the flat plate, or filling the mixture into a mold, releasing after solidification and firing, and bonding or heat fixing to the flat plate. . In addition, it is also possible to use a general bonding method of glass and ceramics.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0016]
A member 10 having fine grooves shown in FIG. 1 is joined by aligning a pair of partition walls 12 made of ceramic, glass, silicon or the like in one direction on one surface of a flat plate 11 made of ceramic, glass, silicon or the like. In one, one fine groove 15 is formed between the partition walls 12. The member 10 having fine grooves shown in FIG. 2 has a large number of partition walls 12 made of ceramics, glass, silicon or the like aligned on one surface of a flat plate 11 made of ceramics, glass, silicon or the like in the same direction. And a plurality of fine grooves 15 are formed between the partition walls 12.
[0017]
As will be described later in detail, since the partition walls 12 are formed by using a mold having a concave portion for the partition walls and are joined and integrated with the flat plate 11, the partition walls 12 are arranged at a high density. And can be formed with high precision. By using the member 10 having the fine grooves, the head substrate 2 of the ink jet printer head as shown in FIG. 7 can be easily manufactured. That is, as shown in FIG. 3A, if the flat plate 11 is formed as the vibration plate 21 and the partition wall 12 is set as the partition wall 22 and the nozzle plate 23 having the nozzle 6 separately manufactured is joined, the fine groove 15 is formed in the ink chamber. 1 and the head substrate 2 can be obtained.
[0018]
Alternatively, as shown in FIG. 3B, if the nozzle 6 is formed on the flat plate 11 to form a nozzle plate 23, and the diaphragm 12 is used as the partition 22 and the separately manufactured diaphragm 21 is joined, the fine groove 15 is formed. The head substrate 2 can be obtained as the ink chamber 1.
[0019]
At this time, the partition walls 22 (12) can be arranged with high density and can be formed with high precision. Therefore, if this head substrate 2 is used, a high-density and high-precision inkjet printer head can be obtained.
[0020]
In addition, as shown in FIG. 3A, when the flat plate 11 of the member 10 having the fine grooves is formed as a diaphragm, a piezoelectric element can be provided on the flat plate 11. That is, as shown in FIG. 4A, a single layer or a plurality of layers of the electrodes 14 and the piezoelectric elements 13 are laminated on the flat plate 11, or as shown in FIG. If the electrode 14 and the piezoelectric element 13 are stacked in a single layer or a plurality of layers, and a voltage is applied between these electrodes 14, the flat plate 11 is displaced by the deformation of the piezoelectric element 13 and can function as a vibration plate.
[0021]
Further, an ink jet printer head as shown in FIGS. 8A and 8B can be manufactured.
[0022]
These ink jet printer heads include a nozzle plate 23 in which the nozzles 6 are formed, a partition wall 22 in which the ink chamber 1 and the ink flow path are formed, and a flat plate 24. For example, in the head substrate 31 shown in FIG. 8A, the partition 12 shown in FIG. 3A is used as the partition 22 and the partition 22 (12) is formed of a piezoelectric material. 12) A band-shaped electrode 14 is laid on the upper surface, the flat plate 11 is formed as a flat plate 24, and the plate-shaped electrode 14 is laid on the lower surface of the flat plate 24 (11). The head substrate 32 shown in FIG. 8B can be manufactured by bonding the partition walls 23 to the partition walls 22 of FIG. 3A. As well as, after laying, respectively both sides in a strip electrode 14 of the partition wall 22 (12), it can be fabricated by bonding the nozzle plate 23 having a nozzle 6 which is separately prepared. The head substrate 32 shown in FIG. 8B can be manufactured also from FIG. 3B.
[0023]
In the head substrate 31 shown in FIG. 8A, between the band-shaped electrode 14 on the upper surface of the partition wall 22 and the plate-shaped electrode 14 on the lower surface of the flat plate 24, in the head substrate 32 shown in FIG. By applying a voltage between the strip electrodes 14 on both sides of the partition 22, the partition 22 itself can be displaced left and right. Therefore, the pressure in the fine groove 15 forming the ink chamber 1 is increased, Can be spouted.
[0024]
Since these ink jet printer heads do not require the piezoelectric elements 13 and the electrodes 14 on the vibration plate 21 as in the printer head shown in FIG. 7, the size can be further reduced, and the partition walls forming the ink chamber 1 can be formed. Since the nozzle 22 itself can be displaced, it is possible to obtain an ink jet printer head having good responsiveness and capable of high-speed printing.
[0025]
7 and 8 (a) and 8 (b) show a structure in which the nozzle plate 23 is arranged at a position facing the flat plate 11, but a separate flat plate (not shown) closing the longitudinal direction of the fine groove 15 is shown. It goes without saying that a structure in which the nozzle 6 is formed may be used.
[0026]
As described above, the flat plate 11 is provided with the piezoelectric element 13 and the electrode 14, the partition 12 is formed of a piezoelectric material, and the electrodes 14 are provided on both side surfaces thereof, and the partition 12 is formed of a piezoelectric material. By providing the electrode 14 on the lower surface of the flat plate 11 and the member 10, the member 10 having the fine groove 15 becomes a member for an actuator, and is not limited to the above-described ink jet printer head, but also includes a displacement control element, a motor, a relay, a switch, a shutter, and a printer head. , Pumps, fans and the like.
[0027]
Next, a method for manufacturing the member 10 having the fine grooves according to the present invention will be described.
[0028]
First, as shown in FIG. 5A, a molding die 19 having a concave portion 19a conforming to the shape of the partition wall 12 is prepared. In the concave portion 19a of the molding die 19, ceramics, glass, silicon And the like, and a mixture 12 ′ of a solvent and a binder of a solvent and an organic additive.
[0029]
On the other hand, a flat plate 11 made of ceramics, glass, silicon, or the like is separately prepared, and a molded body of the mixture 12 'is joined and integrated with the flat plate 11 to form the partition wall 12. Specifically, the partition 12 is manufactured as follows. .
[0030]
First, the flat plate 11 is pressed against the surface of the mixture 12 ′ filled in the molding die 19 and adhered under pressure, and the mixture 12 ′ is cured by reaction or dried and solidified. After that, as shown in FIG. 5B, the mold 12 is released from the mold 19 to transfer the partition wall 12 made of the molded product of the mixture 12 ′ onto the substrate 11. Finally, after the whole is debindered, the members 10 having the fine grooves 15 shown in FIGS. 1 and 2 can be manufactured by simultaneous firing and integration.
[0031]
As another method, after the mixture 12 ′ filled in the mold 19 is reaction-cured or dried and solidified, it is released from the mold 19, and the molded body of the mixture 12 ′ is fixed to the flat plate 11. Finally, the member 10 having the fine grooves 15 can also be obtained by simultaneously firing and integrating after debinding the whole.
[0032]
As still another method, the mixture 12 ′ filled in the molding die 19 is cured or dried and solidified, then released from the molding die 19, and after debinding, the molded body is adhered to the flat plate 11. Finally, the member 10 having the fine grooves 15 can also be obtained by simultaneously firing and integrating the whole.
[0033]
Alternatively, after the mixture 12 ′ filled in the mold 19 is reaction-hardened or dried and solidified, it is released from the mold 19, debindered and fired, and then the sintered body is adhered to the flat plate 11, thermocompression-bonded, or The member 10 having the fine grooves 15 can also be obtained by joining by simultaneous firing.
[0034]
That is, to join the molded product of the mixture 12 ′ to the flat plate 11 means that each member is formed by reacting or drying and solidifying a mixture of a powder of ceramics, glass, silicon or the like and a binder of a solvent and an organic additive. Alternatively, it may be in any state of a binder removal state in which the molded body is subjected to a binder removal treatment, or a sintered body in which the molded body is fired. In the case where the flat plate 11 and the partition wall 12 are formed of a molded body and are bonded and integrated by simultaneous firing, it is necessary to match firing conditions (firing temperature, firing atmosphere, etc.), shrinkage ratio of the molded body, and the like. Therefore, in such a case, it is preferable that both are made of the same material.
[0035]
According to such a manufacturing method of the present invention, since the partition wall 12 can be easily formed, the manufacturing process can be extremely simplified. Moreover, since the shape of the concave portion 19a of the molding die 19 is transferred to the partition wall 12 and the space therebetween, the desired partition wall 12 can be easily formed by precisely processing the shape and the pitch width of the concave portion 19a with predetermined accuracy. Can be formed.
[0036]
Further, as another application example of the present invention, as shown in FIG. 6, if a member 10 having a plurality of fine grooves 15 is laminated and bonded and integrated, a honeycomb-shaped body in which each fine groove 15 becomes a through hole can be obtained. And can be used for fine filters and the like. In addition, the member 10 having the fine grooves 15 of the present invention can be applied to various fields. Here, as the ceramic powder forming the flat plate 11 and the partition 12, alumina (Al₂O₃), Zirconia (ZrO)₂) And silicon nitride (Si₃N₄), Non-oxide ceramics such as aluminum nitride (AIN) and silicon carbide (SiC), or apatite (Ca₅(PO₄)₃(F, Cl, OH)), etc., and a desired amount of various sintering aids can be added to these ceramic powders.
[0037]
As the sintering aid, silica (SiO 2)₂), Calcia (CaO), yttria (Y₂O₃) And magnesia (MgO), etc., and zirconia powder₂O₃), Cerium (Ce), dysprosium (Dy), ytterbium (Yb) and other rare earth element oxides, and silicon nitride powder yttria (Y₂O₃) And alumina (A1₂O₃) Or boron (B) and carbon (C), etc., and the aluminum nitride powder is composed of an oxide of a Group 3a element in the periodic table (RE₂O₃) And the like can be added to the silicon carbide powder in desired amounts of boron (B) and carbon (C).
[0038]
Examples of the ceramic powder having piezoelectricity that forms the flat plate 11 and / or the partition 12 include, for example, lead zirconate titanate (PZT: PbZrO).₃-PbTiO₃), Lead magnesium niobate (PMN), lead nickel niobate (PNN), lead manganese niobate, lead titanate and the like, and Pb and Mg, Ni, Zn, Nb which form a solid solution with Pb. Ceramics containing at least one oxide of the elements Te and Sb can be used. Specifically, in the case of lead zirconate titanate (PZT-based), PZT-Pb (NiNb) O₃, PZT-Pb (NiNb) O₃-Pb (ZnNb) O₃, PZT-Pb (MgNb) O₃, PZT-Pb (SbNb) O₃-Pb (ZnNb) O₃And so on.
[0039]
Further, as the glass powder forming the flat plate 11 and the partition wall 12, various kinds of glass containing silicate as a main component and containing at least one of lead (Pb), sulfur (S), selenium (Se), and alum are used. Further, the flat plate 11 and the partition 12 can be formed from silicon powder. Alternatively, the flat plate 11 and the partition wall 12 may be formed from a composite powder of each of the above materials, or may be formed from another powder having the same characteristics as described above.
[0040]
The particle size of the powder of ceramics, glass, silicon or the like can be suitably from several tens of microns to sub-micron, specifically from 0.2 to 10 μm, preferably from 0.2 to 5 μm. A range of 0.0 μm is preferable.
[0041]
Further, organic additives to be added to these ceramics, glass, and silicon powders include urea resin, melamine resin, phenol resin, epoxy resin, unsaturated polyester resin, alkyd resin, urethane resin, ebonite, polysiloxy silicate, etc. Is mentioned. Means for reacting and curing these organic additives include heat curing, ultraviolet irradiation curing, and X-ray irradiation curing. In terms of work, heat curing is optimal from the viewpoint of the apparatus, and unsaturated polyester resin is particularly preferred from the viewpoint of pot life.
[0042]
In order to maintain the fluidity and moldability of the mixture of the powder of ceramics, glass, silicon and the like and a sintering aid, it is necessary to prevent the viscosity of the organic additive from being increased. On the other hand, at the time of curing, it is desirable to have sufficient shape retention. From such a point, the content of the organic additive is 0.5 parts by weight or more with respect to 100 parts by weight of the powder of ceramics, glass, silicon, etc., and from the viewpoint of shrinkage of the molded article due to curing, it is 35 parts by weight. It is more preferable that the amount is not more than 1 part by weight, and especially, considering the shrinkage during firing, 1 to 15 parts by weight is most preferable.
[0043]
The solvent added to the mixture 12 'is not particularly limited as long as it is compatible with the organic additive, and examples thereof include aromatic solvents such as toluene, xylene, benzene, and phthalate. And higher alcohols such as hexanol, octanol, decanol and oxyalcohol, and esters such as acetic ester and glyceride.
[0044]
In particular, the above-mentioned phthalic acid esters, oxyalcohols and the like can be suitably used, and further, two or more of the above-mentioned solvents can be used in combination in order to volatilize the solvent slowly.
[0045]
From the viewpoint of moldability, the content of the solvent is required to be at least 0.1 part by weight based on 100 parts by weight of a powder of ceramics, glass, silicon, etc. in order to maintain the shape retention of the molded body. On the other hand, since it is desirable to lower the viscosity of the mixture of the powder of ceramics, glass, silicon, and the like and the organic additive, it is more preferably 35 parts by weight or less. Most preferably, it is 15 parts by weight.
[0046]
The mold 19 in the present invention is not particularly limited as long as it does not hinder the hardening of the organic additive, and the material is not particularly limited. For example, metal, resin, or rubber can be used. Surface treatment such as surface coating may be performed to improve the releasability and prevent abrasion.
[0047]
The flat plate 11 is an unfired green sheet (compact) or sintered body of ceramics, glass, silicon, or the like. For example, various ceramic green sheets, various glass substrates, and porcelain substrates are used, and the same as the partition 12 is used. Use a material or a material with a similar thermal expansion coefficient. As the glass substrate, for example, a relatively inexpensive glass such as soda lime glass or a glass in which an inorganic filler is dispersed to improve its strain point can be used.
[0048]
In addition, various coupling agents such as a silane coupling agent, a titanate coupling agent, and an aluminate coupling agent can be used to improve the adhesiveness when the mixture 12 ′ and the flat plate 11 are pressed. Among them, silane coupling agents are preferred because of their high reactivity.
[0049]
Further, for the pressure bonding of the mixture 12 ′ and the flat plate 11, it is desirable to use a hydrostatic device from the viewpoint of uniformly applying pressure, and the pressing conditions include a pressure range that does not deform the mold 19, for example, When using a silicone rubber mold 19, about 100 g / cm²It is desirable to carry out under a pressure condition of the degree.
[0050]
In the mixture 12 ′, for improving the dispersibility of the ceramic or glass powder, for example, a surfactant such as polyethylene glycol ether, argyl sulfonate, polycarboxylate, or alkylammonium salt is added. The content is desirably 0.05 to 5 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the ceramic or glass powder from the viewpoint of improving dispersibility and thermal decomposability.
[0051]
Further, a curing catalyst called a curing reaction accelerator or a polymerization initiator can be added to the binder in the mixture 12 '. As the curing catalyst, an organic peroxide or an azo compound can be used, for example, ketone peroxide, diacyl peroxide, peroxyketal, peroxyester, hydroperoxide, peroxycarbonate, t-butyl. Organic peroxides such as peroxy-2-ethylhexanoate, bis (4-t-butylcyclohexyl) peroxydicarbonate and dicumyl peroxide, and azo compounds such as azobis and isobutyronitrile are exemplified.
The piezoelectric element 13 is made of a material that is deformed when a voltage is applied to the electrode 14. For example, lead zirconate titanate (PZT), lead magnesium niobate (PMN), lead nickel niobate (PNN), A piezoelectric ceramic containing at least one of lead manganese niobate and lead titanate as a main component is used.
[0052]
Further, the driving electrodes 14 provided on both sides of the piezoelectric element 13 and on both sides of the partition wall 12, or on the upper surface of the partition wall and the lower surface of the flat plate are not particularly limited as long as they are conductors that can withstand the firing temperature. Alternatively, a mixture of ceramics or glass with a metal or alloy may be used. In particular, it is preferable to use at least one of platinum, palladium, rhodium, silver-palladium, silver-platinum, platinum-palladium, gold, silver, tungsten, molybdenum, and the like.
[0053]
Example 1
The member 10 having the fine grooves 15 of the present invention shown in FIG.
[0054]
As the ceramic powder forming the partition walls 12, alumina (Al) having an average particle size of 0.2 to 5.0 μm is used.₂O₃), Zirconia (ZrO)₂), Silicon nitride (Si₃N₄) And aluminum nitride (AlN) as main components, and the above-mentioned known sintering aid was added as necessary. A binder composition as shown in Table 1 was added to and mixed with 100 parts by weight of these ceramic powders to prepare a ceramic molding composition to obtain a mixture 12 '. The types of the binder compositions shown in Table 1 are as shown in Table 2.
[0055]
[Table 1]

[0056]
[Table 2]

[0057]
After the mixture 12 'thus obtained was degassed in a vacuum, as shown in FIG. 5A, the mixture 12' was filled into a concave portion 19a of a mold 19 made of silicone resin.
[0058]
Thereafter, a flat plate 11 made of the same type of ceramic sintered body as the mixture 12 ′ is placed on the surface of the mixture 12 ′ filled in the molding die 19, and the flat plate 11 is put together with the molding die 19 at 100 g / cm 2.²While being pressurized at a pressure of 100 ° C., and held at a temperature of 100 ° C. for 45 minutes for heat curing.
[0059]
After the curing is completed, as shown in FIG. 5 (b), the partition 12 in close contact with the flat plate 11 is released from the mold 19, and the molded body is dried at 120 ° C. for 5 hours, and then at 250 ° C. in a nitrogen atmosphere. After holding for 3 hours, the temperature was raised to 500 ° C. and held for 12 hours to perform a binder removal treatment. Then, those containing alumina as a main component are kept in the air at 1600 ° C. for 2 hours, those containing zirconia as the main component are kept in air at 1450 ° C. for 2 hours, and those containing silicon nitride as the main component are The one containing aluminum nitride as a main component in a nitrogen atmosphere at 1650 ° C. for 10 hours is held at 1800 ° C. in a nitrogen atmosphere for 3 hours, and integrated by firing to have the fine grooves 15 of the present invention shown in FIG. The member 10 was obtained.
[0060]
On the other hand, as a comparative example, a ceramic green sheet containing zirconia as a main component was produced, a concave portion was punched out with a die, laminated, and integrated by firing to produce a member 10 having fine grooves 15 having a similar shape. . The thickness of the ceramic green sheet was 100 μm (No. 8 in Table 3) and 40 μm (No. 9 in Table 3).
[0061]
Table 3 shows the results of observing the shape of the partition wall 12 for these examples of the present invention and comparative examples.
[0062]
From this result, the No. of Comparative Example. In No. 8, although the thickness of the green sheet was larger than the width of the partition wall 12 and the strength of the partition wall 12 was large, the green sheet was deformed by the force of punching with a mold. In addition, No. of the comparative example. In No. 9, since the thickness of the green sheet is thin, the force at the time of punching with a mold is small, Like 8 it was easy to deform. Further, in these comparative examples, a step was generated in the partition wall 12 due to a displacement during lamination. The width of the partition 12 was limited to 70 μm, and the yield was poor.
[0063]
On the other hand, the No. of the present invention. In Nos. 1 to 7, there was no problem as described above, the width of the partition wall 12 could be reduced to 70 μm or less, and the shape could not be crushed and high precision could be achieved.
[0064]
[Table 3]

[0065]
In this example, a method of filling the mold 12 with the mixture 12 ′ and pressing the flat plate 11 to heat and cure was adopted.However, the mold 12 was filled with the mixture 12 ′, heated and cured, and then released. After firing, it may be bonded to the flat plate 11 and integrated. In short, the joint between the partition wall 12 and the flat plate 11 may be in any state before firing, one before firing, the other after firing, and both after firing. In any case, it is preferable that the flat plate 11 and the partition wall 12 have similar firing temperatures and thermal expansion coefficients.
[0066]
Further, it was confirmed that the same effect can be obtained by using not only the above-mentioned ceramics but also other ceramics, various kinds of glass, silicon or the like as the material of the flat plate 11 and the partition 12.
[0067]
Example 2
No. 1 in the first embodiment. 5, a paste for an electrode 14 is applied to the upper surface of the flat plate 11 of the member 10 having the fine grooves 15 formed, a piezoelectric element 13 made of PZT is laminated, and a paste for the electrode 14 is further applied. By firing at 〜1300 ° C., an actuator member used for an inkjet printer head or the like was obtained. After the polarization treatment, a voltage was applied and the plate was driven. As a result, the flat plate 11 was displaced and a good driving state was obtained. Further, even when a plurality of piezoelectric elements 13 were stacked as shown in FIG. 4A, similar results could be obtained.
[0068]
Next, as shown in FIG. 4B, the electrodes 14 and the piezoelectric elements 13 were laminated on both surfaces of the flat plate 11 of the member 10 having the fine grooves 15, and a driving test was performed in the same manner. It was confirmed that driving was good.
[0069]
Example 3
Further, among the members 10 having the fine grooves 15 of the present invention shown in FIG. 2, the partition walls 12 are formed by piezoelectric ceramics, and the electrodes 14 are provided so that the head substrate 31 for the ink jet printer head shown in FIG. And the like were formed.
[0070]
First, PZT-Pb (NiNb) O having an average particle size of 0.2 to 5.0 μm is used as the ceramic powder forming the partition 12.₃Using a system fine powder, 100 parts by weight of this ceramic powder, 10 parts by weight of a solvent and 5 parts by weight of an organic additive were added and mixed to prepare a ceramic molding composition to prepare a mixture 12 ′. Obtained. After the mixture 12 'was degassed in a vacuum, as shown in FIG. 5A, the mixture 12' was filled into a concave portion 19a of a mold 19 made of silicone resin.
[0071]
Thereafter, 3 mol% of Y is added to the surface of the mixture 12 ′ filled in the mold 19.₂O₃Is placed on a flat plate 11 made of partially stabilized zirconia ceramics containing²While being pressurized at a pressure of 100 ° C., and held at a temperature of 100 ° C. for 45 minutes for heat curing.
[0072]
After completion of the curing, as shown in FIG. 5 (b), the partition 12 in close contact with the flat plate 11 is released from the mold 19, and the molded body is dried at 120 ° C. for 5 hours, and then at 250 ° C. in an air atmosphere. After holding for 3 hours, the temperature was raised to 500 ° C. and held for 12 hours, and after debinding treatment, the member was held at 1300 ° C. for 2 hours, fired and integrated, and the member 10 having the fine grooves 15 shown in FIG. Got.
[0073]
Thereafter, the paste for the electrode 14 is applied to the lower surface of the flat plate 11 of the member 10 having the formed fine grooves 15 and the paste for the electrode 14 is also applied to the upper surface of the partition wall 12. By firing, an actuator member was obtained.
[0074]
Then, after performing a polarization process on this, when a voltage was applied and driven, the partition wall 12 was displaced to the left and right, and it was confirmed that a favorable driving state was obtained. Further, in this actuator member, although the partition 12 is made of a different material such as PZT ceramics and the flat plate 11 is made of a different material such as zirconia ceramic, the two hardly cause mutual diffusion at the time of joining. It does not adversely affect the characteristics. Moreover, since the flat plate 11 is made of zirconia ceramic having a high fracture toughness value among ceramics, chipping and cracking during assembly and handling can be minimized, which is excellent.
[0075]
Example 4
Further, among the members 10 having the fine grooves 15 of the present invention shown in FIG. 2, the partition walls 12 are formed of piezoelectric ceramics, and the electrodes 14 are provided so that the head substrate 32 for the ink jet printer head shown in FIG. And the like were formed.
[0076]
First, PZT-Pb (NiNb) O having an average particle size of 0.2 to 5.0 μm is used as the ceramic powder forming the partition 12.₃-Pb (ZnNb) O₃Using a system fine powder, 100 parts by weight of this ceramic powder, 10 parts by weight of a solvent and 5 parts by weight of an organic additive were added and mixed to prepare a ceramic molding composition to prepare a mixture 12 ′. Obtained. After the mixture 12 'was degassed in a vacuum, as shown in FIG. 5A, the mixture 12' was filled into a concave portion 19a of a mold 19 made of silicone resin.
[0077]
Thereafter, a ceramic green sheet made of a mixture having the same composition as the flat plate 11 is placed on the surface of the mixture 12 ′ filled in the mold 19, and the green sheet is put together with the mold 19 at 100 g / cm.²While being pressurized at a pressure of 100 ° C., and held at a temperature of 100 ° C. for 45 minutes for heat curing.
[0078]
After completion of the curing, as shown in FIG. 5 (b), the partition wall 12 in close contact with the flat plate 11 was released from the molding die 19, and these molded products were dried at 120 ° C. for 5 hours. After heating for 3 hours at 500 ° C. and holding for 12 hours, performing a binder removal treatment, and holding at 1300 ° C. for 2 hours, firing and integrating, a member having fine grooves 15 shown in FIG. 2 10 was obtained.
[0079]
Thereafter, paste for the electrode 14 was applied to both sides of the partition wall 12 of the member 10 having the formed fine grooves 15 and then fired at 1000 to 1200 ° C. to obtain an actuator member.
[0080]
Then, after performing a polarization process on this, when a voltage was applied to drive it, the partition wall 12 was displaced to the left and right, and it was confirmed that this actuator member could also obtain a good drive state.
[0081]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a partition formed by molding a powder of ceramics, glass, silicon, or the like with a molding die having a recess is joined to one surface of a flat plate made of ceramics, glass, silicon, or the like. Thus, a member having high-density, high-precision fine grooves can be obtained by a simple process.
[0082]
Further, according to the present invention, after a mixture of a powder of ceramics, glass, silicon or the like and a binder comprising a solvent and an organic additive is filled in a mold having a concave portion for a partition, the mixture is mixed with a ceramic. From the step of joining and integrating into a flat surface made of glass, a flat surface made of silicon or the like or a flat formed body made of a mixture of a powder of ceramics, glass, silicon and the like and a binder made of a solvent and an organic additive, a fine groove is formed. By manufacturing the member having, since the shape of the above-mentioned mold is transferred onto a flat plate as it is, if the mold is prepared in advance with high density and high precision, the partition walls can be easily aligned with high density. It can be formed with high accuracy.
[0083]
Therefore, according to the present invention, a member having high-density, high-precision fine grooves can be manufactured by an extremely simple process, and can be suitably used for applications such as an ink jet printer head.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a member having a fine groove according to the present invention.
FIG. 2 shows another embodiment of the present invention, wherein (a) is a perspective view and (b) is a cross-sectional view.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a step of manufacturing a head substrate of an ink jet printer head using the member having a fine groove of the present invention.
FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views showing another embodiment of the present invention.
FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a member having fine grooves according to the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an application example of a member having a fine groove according to the present invention.
FIG. 7 is a partially cutaway perspective view showing the structure of the inkjet printer head.
FIGS. 8A and 8B are partially cutaway perspective views respectively showing another structure of an ink jet printer head using the member having a fine groove of the present invention.
[Explanation of symbols]
10: Part having fine grooves 11: Flat plate 12: Partition wall 13: Piezoelectric element
14: Electrode 19: Mold 19a: Recess

Claims

A method for manufacturing an inkjet printer head having a displaceable partition wall,
Mixture of powder composed of PZT-based ceramics, 1 to 15 parts by weight of solvent with respect to 100 parts by weight of the powder, and 1 to 15 parts by weight of organic additive with respect to 100 parts by weight of the powder Is filled in the concave portion of a mold having a concave portion conforming to the shape of the partition wall, and the surface of the mixture serving as the partition wall has a powder of zirconia ceramics and 1 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the powder. Parts of the solvent and 100 parts by weight of the powder, 1 to 15 parts by weight of a mixture of a binder and an organic additive is adhered and solidified. A method of manufacturing an ink jet printer head including a step of firing and integrating.

The method for manufacturing an ink jet printer head according to claim 1, wherein, after being integrated by simultaneous firing, an electrode paste is applied to both side surfaces of the partition wall and fired.