CN100337825C - 喷墨头的制造方法及喷墨式记录装置 - Google Patents
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Abstract
首先，在硅基板(1)的一侧面上按第1电极层(4)、压电体层(5)、第2电极层(6)及振动层(7)的顺序沉积而成。接下来，在振动层(7)上沉积墨室间壁(8)和喷头板(11)。再下来，从第1电极层(4)的背面研削硅基板(1)到所规定的厚度为止，之后，进行干蚀刻除去残余的硅基板(13)。其后，制图第1电极层(4)形成复数个喷墨机构(2、2、…)。最后，分隔复数个喷墨机构(2、2、…)同时制作复数个喷墨头(3、3、…)。
Description
技术领域
本发明是涉及由压电元件的变形从喷嘴喷出墨滴在记录媒体上形成文字或者是画像等的喷墨头的制造方法，及包括由此方法制造的喷墨头的喷墨式记录装置。
背景技术
至今为止，将墨滴弹着于记录媒体进行记录的喷墨式机构已为所知。这个喷墨机构，包括：顺次沉积第1电极层、压电层、第2电极层、振动层构成的喷头层；沉积在这个喷头层的振动层上的墨室间壁；沉积在这个墨室间壁上且形成喷嘴的喷嘴板。喷嘴层与墨室间壁与喷嘴板所围成的空间，构成容纳墨汁的墨室。并且，喷墨机构中，在第1及第2电极层之间施加电压，由压电体层的压电效果，喷头层变形向墨室内的墨汁施加压力，由此，从喷嘴喷出墨汁。
然而，墨室的厚度方向的高度，对墨汁的喷出速度和对应速度产生影响。因而，使用并列的多数喷墨机构构成的喷墨头进行精细印刷时，最好的是各墨室的高度偏差小。还有，高度极端大的墨室，因为墨汁的喷出速度下降，不适合喷墨机构。
在此，与以前的喷墨头的制造方法有大区别的有，加工衬底形成墨室的方法(参照图4)和不加工衬底而用其他部件形成墨室的方法(参照图5)的两种方法。
前者方法中，如图4(a)所示，首先，在衬底100的一个侧面上顺次沉积振动层101、第1电极层102、压电层103、及第2电极层104形成喷头层105。接下来，如图4(b)所示，通过将衬底100中相当于墨室106部分从与喷头层105对面的面蚀刻除去，形成墨室间壁107。最后，在墨室间壁107上，用粘接剂110接合形成了墨汁喷出口108的喷嘴板109(参照特开平10-286960号)。这个方法中，衬底100的厚度就成为墨室106的高度。
然而，使用前者的方法大量生产喷墨头而在衬底上制作复数个喷墨头时，使用面积大而薄的衬底是必要的。但是，面积大而薄的衬底非常容易破损，为此，成品量低。因此，为了防止衬底的破损，使用厚衬底在这个衬底上形成喷头层，然后，研磨衬底使其变薄后形成墨室的方法被提出。然而，压电体层一般是高温成膜，由于热膨胀系数或者是压电层内部的应力在室温下产生翘曲。为此，为了使衬底的厚度能够变得均匀所进行的研磨是困难的。因此，这个方法中，同时制作的喷墨头之间的墨室的高度产生差异，其结果，在喷墨头之间发生印刷特性不同的问题。由此，前者的方法，对喷墨头的大量生产不适合。
另一方面，后者的方法中，如图5(a)所示，首先，在衬底200的一侧面上按次序沉积第1电极层201，压电层体202，第2电极层203，及振动层204形成喷头层205。接下来，在喷头层205的振动层204上，按顺序通过粘结剂209、210粘接墨室间壁206和形成了墨汁喷出口207的喷头板208。最后，如图5(b)所示，通过化学蚀刻除去衬底200。在这个化学蚀刻中，有湿蚀刻和干蚀刻。只要根据这个方法，与衬底200的厚度、面积无关地可以使墨室等高，所以，可以同时制作墨室高度误差小的复数个喷墨头。因此，对于喷墨头的批量制造，最好的是用后者的方法制造。
-发明所要解决的课题-
但是，后者方法中，为防止衬底破损而加厚了衬底，通过蚀刻衬底除去的时间就变长。为此，喷墨头的生产效率降低。
还有，因为衬底除去所要的时间长，在这除去过程中，电极层、粘接剂、压电体层、墨室间壁及喷嘴板劣化，为此，同时制作的喷墨头之间的吐墨性能产生偏差。
还有，衬底除去使用干蚀刻时，干蚀刻的衬底表面如果有污物的话，污物覆盖的部分没有被干蚀刻，其结果，就会使喷墨头的成品率降低。
发明内容
本发明，是鉴于上述各点所发明，其目的在于：提供一种在包括各自具有第1电极层、压电体层、第2电极层及振动层的，且对复数个墨室内的墨汁各自施加压力从与该复数个墨室各自连通的喷头将墨汁对记录媒体喷出的复数个压电元件的喷墨头的制造方法中，可同时批量生产墨汁喷出性能的偏差小的喷墨头的技术。还有，提供一种印刷时字迹不均匀少的喷墨式记录装置。
为达成上述目的，本发明所涉及的喷墨头的制造方法，是使用不加工衬底而用其他部材形成墨室，在衬底除去上施加干蚀刻的机械研磨消去的方法。
具体地讲，第1发明，是在各自具有第1电极层、压电体层、第2电极层及振动层的，且对复数个墨室内的墨汁各自施加压力从与该复数个墨室各自连通的喷头将墨汁对记录媒体喷出的复数个压电元件的喷墨头的制造方法中，包括：在衬底的一侧面上按顺序形成第1电极层、压电体层、第2电极层及振动层的工序；在上述振动层上形成为相互隔离复数个墨室的墨室间壁的工序；在上述墨室间壁上形成复数个喷头的喷头板形成上述复数的墨室的工序；在上述墨室间壁形成工序后，将上述衬底的一部分从与上述第1电极层的背面机械研削除去工序；上述研削除去工序后，用有选择性的化学蚀刻除去残余的衬底的除去工序；上述蚀刻除去工序后，至少将露出的上述第1电极层以对应于上述各墨室的位置的方式制图形成上述复数个压电元件的工序。
由此，因为是不加工衬底而用其他部件形成墨室，所以可以按所规定的高度同一墨室。为此，不与衬底的厚度或者是面积相关，可以制作墨室高度误差小的喷墨头。还有，同时制作复数个喷墨头时，可以同时制作墨室高度误差小的复数个喷墨头。
还有，由于可以任意设定墨室高度，所以可以设定墨汁喷出速度快且充填墨汁的时间短的墨室高度。还有，因为本发明中是不加工衬底而用其他部件形成墨室，所以完全除去衬底。因此，在衬底除去上，除了可以使用能够选择性地仅除去衬底的蚀刻外，还可以使用没有选择性但加工速度快的机械研削。为此，可以大幅度缩短衬底除去所要时间，就可以提高喷墨头的生产效率。
还有，在衬底的除去上与使用蚀刻的同时也是用研削，蚀刻所要的时间缩短。因此，电极层、粘结层、压电体层、振动层、墨室间壁及喷头板的劣化减少。为此，就可以减小喷墨头的喷头之间墨喷出性能的误差。还有，同时制作复数个喷墨头时，可以减小同时制作的喷墨头之间的墨汁喷出性能的偏差。
第2发明，其特征为，在上述第1发明中，上述第1电极层至少包含Pt、Ir、Pd、Au、Ni、Fe、Cu及Cr中的一种，在上述蚀刻除去工序中，用干蚀刻除去残余的衬底。
在此，Pt、Ir、Pd、Au、Ni、Fe、Cu及Cr由湿蚀刻的蚀刻速度慢，可以不除去第1电极层而只除去衬底。
第3发明，其特征为包括：用上述第1发明制造的喷墨头；使上述喷墨头与记录媒体相对移动的相对移动器的喷墨式记录装置。
-发明的效果-
根据本发明，在衬底除去上在湿蚀刻上增加了机械研削，例如，可以利用板厚大的衬底同时制造墨室高度误差小的复数个喷墨头。还有，可以提供印刷时印刷误差少的喷墨式记录装置。
附图说明
图1，是喷墨式记录装置的概略构成图。
图2，是喷墨头的上表面图。
图3，是喷墨头的制造工序图。
图4，是以前的喷墨头的制造工序图。
图5，是以前的喷墨头的制造工序图。
具体实施方式
以下，基于图面详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本实施方式所涉及的喷墨式记录装置P，包括：利用压电元件14(参照图3)的压电效果将墨滴喷向记录纸等记录媒体29的喷墨头3；使这个喷墨头3移动的滑架(carriage)31；沿着记录媒体29的宽度方向(以下称其为主扫描方向X)延伸的滑架轴30。滑架31固定支撑着喷墨头3，可自由移动地支撑着滑架轴30。在滑架31上设置了滑架马达(图中未示)，并且，通过驱动这个滑架马达，喷墨头3及滑架31沿着滑架轴30往返移动。记录媒体29，由搬送马达(图中未示)回转驱动，被上下各三个搬送辊轴32、32、…所夹。并且，通过回转驱动这个搬送马达，记录媒体29在与主扫描方向X基本成垂直的副扫描方向Y上被搬送。且，本发明所涉及的相对移动器，与滑架轴30、滑架31、滑架马达、搬送马达及搬送辊轴32对应。
喷墨头3，包括：形成复数个喷头孔10、10、…的喷头板11；设置在这个喷头板11上的同时，为把与各喷头孔10连通且收容墨汁的复数个墨室(压力室)8a隔离的墨室间壁8；在厚度方向的一侧面各自相邻各墨室8a设置且给各墨室8a内的墨汁施加压力从各喷头孔10将墨汁喷向记录媒体29的复数个压电元件14、14、…(参照图2及图3)。压电元件14，由按振动层(振动板层)7、第2电极层(共同电极层)6、压电体层5、及第1电极层(个别电极层)4的顺序沉积而构成。这个第1电极层4，对应于各墨室8a的位置(形状)而形成。由振动层7、墨室间壁8和喷头板11围成的空间构成墨室8a。一组喷头孔10、墨室8a和压电元件14构成一个喷墨机构2。
-喷墨头的制造方法-
在此，上述的喷墨头3，由以下的方法制造。也就是，如图2所示，具有直径为100mm、厚度为0.53mm的(100)面的硅衬底1上，将由宽度(W)为0.08mm、长度(L)为1.0mm的墨室8a形成的喷墨机构2，以宽度方向间距0.169mm、长度方向间距1.5mm的方式配置4列×100行。由此，制作成喷头孔密度为1英寸150点的喷墨头3。还有，这时，将以前的27倍的，9列×3行的喷墨头3(也就是27个的喷墨头3)同时形成在硅衬底1上。且如图2所示，列Y为喷出黄色的喷墨机构2，列C为喷出青色(cyan)的喷墨机构2，列M为喷出红色(magenta)的喷墨机构2，列B为喷出黑色的喷墨机构2。
以下，详细说明上述喷墨头3的制造方法。首先，如图3(a)所示，在硅基板1上，形成由白金(Pt)制成的厚度为0.2μm的第1电极层4。这个第1电极层4，是将硅基板1在650℃中边加热边在1Pa的氩气中进行10分钟的喷镀(spattering)沉积成的。
接下来，在第1电极层4上，形成由钛酸锆酸铅(PbZr0.53Ti0.47O3)制成的厚度为2.5μm的压电体层5。这个压电体层5，是将硅基板1在650℃中边加热边在0.3Pa的氩气-氧气混合气体(气体体积比Ar∶O2＝19∶1)中进行2小时的喷镀(spattering)沉积成的。
接下来，在压电体层5上，将厚度为0.2μm的由白金制成的第2电极层6在与第1电极层4同样的喷镀条件下形成。接下来，在第2电极层6上，形成厚度为3μm的由氧化锆(ZrO2)制成的振动层7。这个振动层7，是将硅基板1在650℃中边加热边在0.5Pa的氩气-氧气混合气体(气体体积比Ar∶O2＝10∶1)中进行2小时的喷镀(spattering)沉积成的。通过以上的做法，形成了按照第1电极层4、压电体层5、第2电极层6、及振动层7的顺序沉积构成的喷头层。
接下来，在喷头层的振动层7上，介于热硬化性树脂制成的粘结剂9粘贴由镍(Ni)制成的墨室间壁8。并且，在80℃的环境下对墨室间壁8施加0.1kg/cm2的压力保持60分钟，由此，粘接固定了振动层7和墨室间壁8。接下来，在墨室间壁8上介于粘结剂12粘贴固定形成了复数个喷头孔10、10、…的喷头板11，形成与各喷头孔10各自连通的复数个墨室8a、8a、…。
接下来，作为本发明的特征，如图3(b)所示，使用研削机(图中未示)，将硅基板1的一部分从与第1电极层4的反面的面起以每分钟0.05mm的加工速度研削。这个研削，进行到硅基板1的厚度成为0.03mm为止。还有，这个研削作业需要10分钟。接下来，如图3(c)所示，利用蚀刻气体为SF6气体的干蚀刻装置，通过进行干蚀刻除去残余的硅基板13。这个干蚀刻作业需要15分钟。也就是，除去硅基板1全部需要的时间，合计为25分钟。
接下来，如图3(d)所示，通过对露出的第1电极层4在对应于各墨室8a的位置制图(个别化)形成分隔了的第1电极层4，制成了复数个压电元件14、14、…。通过以上的做法，形成了复数个喷墨机构2、2、…。
最后，通过将复数个喷墨机构2、2、…沿着图2所示的X-X线方向及Y-Y线方向延长的虚线切开，形成27个喷墨头3。
-喷墨头的动作-
在此，说明喷墨头3的动作。首先，在第1及第2电极层4、6之间施加电信号，在压电体层5中这个电信号被变换为机械信号，使墨室8a的容积变小压电元件14变形。并且，由于这个变形墨室8a内的墨汁从喷头孔10喷出。
(比较例)
在此，说明比较例所涉及的喷墨头的制造方法。这个比较例的制造方法，只由干蚀刻实施硅基板的除去，而其他的点与本实施方式所涉及的制造方法几乎相同。也就是，在直径为100mm、厚度为0.53mm的(100)面的硅基板上，按照第1电极层、压电体层、第2电极层、振动层的顺序沉积形成喷头层。并且，在振动层上顺次粘接好墨室间壁及喷头板并固定后，只由干蚀刻除去硅基板。
根据这个比较例，硅基板除去所要的时间为260分钟，是并用机械研削的本实施方式所要的时间(25分钟)的10倍以上。还有，因为干蚀刻的时间长，在这个除去中喷墨头的温度上升，就发生粘结剂的劣化。还有，因为硅基板的除去所要时间长，由干蚀刻的等离子分布干蚀刻速率的差变大，硅基板中央部分和周边部分其除去完成时间生成20分钟以上的差。由这些工序上的问题，在同时制作的喷墨头之间，产生10％以上的墨汁喷出特性的差。还有，使用直径为100mm的硅基板进行10次喷墨头的制作，因蚀刻残余产生不良品。并且，这个不良品在全部不良品的10％。
-效果-
对此，根据本实施方式，因为相对比较例可以缩短硅基板1的除去所要的时间，所以能够提高喷墨头3的生产性。
还有，因为干蚀刻的时间与比较例相比短，所以在工序中温度上升只有30℃。
还有，因为残余的硅基板13薄，硅基板1的中央和周边由于等离子的分布蚀刻结束时间差只有1分钟。为此，第1及第2电极层4、6，粘结剂9、12，压电体层5，振动层7，墨室间壁8及喷头板11的劣化减少。其结果，同时生产的喷墨头3、3、…之间的喷墨速度的误差控制在3％以内。
还有，通过在进行干蚀刻之前进行研削，除去了硅基板1中第1电极层4的反面(干蚀刻面)的污物，所以，能够控制蚀刻残余的产生。因此，即便是使用直径为100mm的硅基板1进行10次喷墨头3的制作，也不会因为蚀刻残余的原因而产生不良品。
还有，因为在第1电极层4上使用了干蚀刻的蚀刻速度慢的白金，所以不会除去第1电极层4而只除去硅基板1。
还有，根据本实施方式的制造方法，例如，使用板厚厚的硅基板1能够同时制造墨室8a高度误差小的复数个喷墨头3。
还有，本实施方式所涉及的喷墨头3，因为是由上述的方法制造的，墨室8a的高度误差小，所以，本实施方式所涉及的喷墨式记录装置P，在印刷时印刷不均匀也少。
(其他实施方式)
且，本实施方式中，在压电体层5中使用了钛酸锆酸铅(PbZr0.53Ti0.47O3)，但是，并不只限于此，只要是结晶体从菱面体晶体变为正方晶体的界限近旁，压电定数高的材料，如：即便是使用PbZr0.7Ti0.3O3～PbZr0.4Ti0.6O3等，也能得到与本实施方式同样的效果。还有，在压电体层5中，即便是使用在钛酸锆酸铅(PbZr0.53Ti0.47O3)中至少添加镁(Mg)、铌(Nb)、及锌(Zn)中的一个的多成份材料，也能得到与本实施方式同样的效果。
还有，本实施方式中，第1电极层4上使用了白金，但是并不只限于此，Ir、Pd、Au、Ni、Fe、Cu及Cr中的任何一种单元素材料，或者是至少包含Pt、Ir、Pd、Au、Ni、Fe、Cu及Cr中的一种的合金等，即便是在干蚀刻除去工序中蚀刻速度慢的材料，也能得到与本实施方式同样的效果。
还有，本实施方式中，第2电极层6上使用了白金，但是并不只限于此，即便是使用Al、Cr、Cu、Fe、Au、Ni、Ir、及SUS等，也能得到与本实施方式同样的效果。
还有，本实施方式中，在墨室间壁8上使用了Ni，但是并不只限于此，即便是使用结晶化玻璃、Si、SUS、感光性玻璃、及MgO等，也能得到与本实施方式同样的效果。
还有，本实施方式中，在振动层7上介于粘结剂9粘接固定了墨室间壁8，但是并不只限于此，例如，如以下所述的在振动层7上形成墨室间壁8亦可。也就是，首先，在振动层7上，形成作为形状的干膜后，用电镀在振动层7上形成厚度为0.15mm的墨室间壁8。接下来，由研削或者是研磨使墨室间壁8复合干膜的高度。最后，通过除去干膜，完成墨室间壁8。这时，就不需要粘结振动层7和墨室间壁8的粘结剂。且，研削或者是研磨工序和除去干膜工序，其顺序相反亦可。还有，形成墨室间壁8工序中，不使用电镀，使用无电场电镀亦可。这时，就不再需要研削或者是研磨工序。
还有，本实施方式中，在振动层7上使用了氧化锆，但是并不限于此，即便是使用氧化铝、氧化硅、Cr、SUS、及Ni等，也能得到与本实施方式同样的效果。在此，在振动层7上使用Cr、SUS、及Ni等导电性材料时，振动层7作为第2电极层起作用，就没有必要另外设置第2电极层。
还有，最好的是，压电体层5的厚度为1～10μm。其理由是，厚度不满1μm无法得到大的位移量。还有，厚度超过10μm，压电体层5的表面凹凸变大平整地形成第2电极层6就变得困难，其结果，安定地制作位移量偏差小的压电元件14就变得困难。
还有，本实施方式中，硅基板1为直径100mm厚度0.53mm，但是并不限制于此，例如硅基板1即便是具有喷头层100倍以上的厚度，也能得到与本实施方式同样的效果。还有，硅基板1的面积、硅基板1的厚度、研削硅基板1的厚度、及残余硅基板13的厚度，可以对应于其目的任意设定。
还有，本实施方式中，只制图了第1电极层4，但是并不只限于此，在第1电极层4的基础上制图压电体层5亦可。
还有，本实施方式中，是由分隔复数个喷墨机构2、2、…形成27个喷墨头3的，但是并不限于此，由复数个喷墨机构2、2、…形成一个喷墨头3亦可，还有，分隔复数个喷墨机构2、2、…形成两个以上的喷墨头3亦可。
还有，本实施方式中，在振动层7上形成墨室间壁8后，在墨室间壁8上形成喷头板11，但是并不只限于此，如在制图第1电极层4后，在墨室间壁8上形成喷头板亦可。
还有，本实施方式中，将本实施方式所涉及的制造方法，也就是所谓的连续方式使用于喷墨式记录装置P的喷墨头3，但是并不只限于此，使用于线方式的喷墨式记录装置的喷墨头亦可。
还有，本实施方式中，对残余的硅基板13使用了SF6气体由干蚀刻除去，但是并不只限于此，使用包含氟素或者是氯气等的卤素的蚀刻气体由干蚀刻除去亦可。
还有，本实施方式中，由干蚀刻除去残余的硅基板13，但是并不限制于此，由湿蚀刻除去亦可。但是，用湿蚀刻除去时对粘结剂9、12产生破坏，所以，最好的是，衬底除去使用干蚀刻。
(产业上的利用可能性)
如上所述，本发明在同时批量生产喷墨头时是有用的。
Claims (3)
1.一种喷墨头的制造方法，是包括：各自具有第1电极层、压电体层、第2电极层及振动层的，且对复数个墨室内的墨汁各自施加压力并从与该各墨室各自连通的复数个喷头将墨汁喷向记录媒体的复数个压电元件的喷墨头的制造方法，其特征为：
包括：
在衬底的一侧面上按顺序形成第1电极层、压电体层、第2电极层及振动层的工序；
在上述振动层上形成相互隔离的复数个墨室的墨室间壁的工序；
在上述墨室间壁上形成制成了复数个喷头的喷头板，形成上述复数个墨室的工序；
在上述墨室间壁形成工序后，将上述衬底的一部分从与上述第1电极层的背面机械研削的除去工序；
上述研削的除去工序后，进行蚀刻除去残余衬底的工序；
上述蚀刻除去工序后，至少将上述第1电极层在对应于上述各墨室的位置上制图，形成上述复数个压电元件的工序。
2.根据权利要求1所涉及的喷墨头的制造方法，其特征为：
上述第1电极层，至少包含Pt、Ir、Pd、Au、Ni、Fe、Cu及Cr中的一种；
在上述蚀刻除去工序中，进行干蚀刻除去残余衬底。
3.一种喷墨式记录装置，其特征为：
包括：
上述权利要求1所涉及的喷墨头的制造方法所制造的喷墨头；
使上述喷墨头与记录媒体相对移动的相对移动器。
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