JP2004209733A - インクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インクジェットヘッドにおける振動板の撓み方向を揃える。
【解決手段】圧力室７が形成されたＳｉ基板１の接合面９にホウケイ酸ガラスから成る振動板１０を陽極接合する。陽極接合後、振動板１０をダイヤモンドスラリーを用いたラッピング研磨で薄片化し、さらに研磨面を平滑化するためのポリッシング研磨を施す。振動板１０を構成しているガラス基板のガラス軟化点以下の温度で熱処理し、ガラス基板自身の自重で塑性流動を生じさせながら、振動板１０を圧力室７に対して凸状となるように変形させて凸部１１を形成する。振動板１０の変形後、大気中にさらすことなく連続して減圧雰囲気中にアルゴンガスを導入し、振動板１０上を逆スパッタリングにより清浄化し、振動板１０の上にＰｔから成る下電極１３、ＺｎＯから成る圧電体１４及びＰｔから成る上電極１６を順次成膜する。
【選択図】 図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧力室にインクを導入し、電気−機械変換素子（圧電体）を用いて圧力室に体積変化を与え、圧力室からノズルを介してインクを吐出させるインクジェットヘッドが知られている。近年、高速、高画質、低消費、低価格のインクジェットプリンタが要求されており、このため低消費で駆動可能な、かつ高集積化可能なインクジェットヘッドの形状、構造及び作成方法が提案されている。
【０００３】
従来、圧力室に体積変化を生じさせるための振動板としては様々な構成のものが開示されている。
【０００４】
例えば、２層以上の異種金属膜を形成し、かつ該振動板に有機膜を形成しピンホールの遮蔽、亀裂巾の埋没化、インクの濡れ性の均一化を図ったもの（例えば、特許文献１参照）、金属板、例えばニッケル、クロム、アルミニウム及びそれらの酸化物、シリコン、シリコン酸化物、高分子有機物を材料とし、セラミック、金属又は樹脂からなる台座を介してその周辺部に接合されているもの（例えば、特許文献２参照）、あるいは、振動板を単に金属材で形成しているもの（例えば、特許文献３参照）等が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１９５０号公報
【特許文献２】
特開平１１−３４８２８５号公報
【特許文献３】
特開平９−３１４８３５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では振動板として金属材料、Ｓｉあるいは高分子有機物材料を使用し、金属振動板においてはこの上に有機膜を被覆して、成膜過程で生成されるピンホールの影響を防ごうとしており、そして振動板をセラミック、金属あるいは樹脂からなる台座を介してその周辺部に接合している手法をとっていることから、振動板の運動特性を上げるために振動板のみに微小な変形を与えることは困難である。
【０００７】
駆動源である圧電体により、振動板に座屈変形を伴う撓み変形を与えて圧力室の体積変化でインクを吐出させる機構の場合、振動板の撓み変形方向は振動板の初期位置の形状に依存する。よって、振動板自身の座屈変形方向は圧力室側に凸状になる場合もあれば、あるいは圧力室側に凹状になる場合もある。このため、振動板の初期位置の形状がそれぞれ異なることにより異なった座屈変形方向を有する振動板が複数個ある場合、同一信号を入力した際にこれらの振動板はそれぞれ異なる動きをとり、同一の運動を起こさないおそれがある。
【０００８】
そこで、本発明は、同一信号を入力した際に全ての振動板を同一方向に撓ませることができるインクジェットヘッドの製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、それぞれ連通したインク室、オリフィス、圧力室及びノズルとなる溝をＳｉ基板に形成する工程と、前記溝の、前記インク室、前記オリフィス、および前記ノズルとなる部分の壁を構成し、前記圧力室となる部分の壁、かつ前記振動板となる基板を前記Ｓｉ基板に接合する工程と、前記基板を薄片化する工程と、前記振動板上に下電極、圧電体及び上電極を形成する工程とを含む、インクを吐出して記録を行うインクジェットヘッドの製造方法において、
前記基板としてガラス基板を用意する工程と、
前記圧電体に電圧を印加した際の前記圧電体の体積変化に伴う、前記圧力室の直上に位置する前記ガラス基板の撓み方向が常に同一方向となる形状に、前記ガラス基板を変形させる変形工程を含むことを特徴とする。
【００１０】
上記の通りの本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、圧電体の体積変化に伴い撓むことでインクを吐出させる振動板としてガラス基板を用意し、圧電体に電圧を印加した際にガラス基板の撓み方向が常に同一方向となる形状に変形させる工程を含む。このため、
振動板が複数個ある場合であっても、同一信号を入力した際にそれぞれが異なる動きをとることなく、全ての振動板を同一方向に撓ませることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１に本実施形態のインクジェットヘッドの振動板をＳｉ基板に陽極接合した状態の平面図を、図２に図１のＡ矢視図を、図３に図１のＢ矢視図あるいは図２のＤ矢視図を、図４に図３のＥ矢視図を、図５に図４に示すガラス基板から成る振動板を重力場で熱処理によって塑性流動させ、圧力室に対して凸状に変形した状態の断面図を、図６に図５に示すガラス基板から成る振動板に下電極、圧電体及び上電極を形成した断面図をそれぞれ示す。
【００１２】
Ｓｉ基板１には、不図示のインクタンクから供給されるインクが流入するインク流入口２、インク流入口２に連通するインク室３、インク室３と圧力室７とを連通するオリフィス６、供給されたインクに圧力を印加する圧力室７、圧力が印加されたインクを吐出するノズル８が形成されている。また、このＳｉ基板１の接合面９上には、ガラスからなる振動板１０、下電極１３、駆動源としての圧電体１４、および上電極１５が順に積層して形成されている。なお、本実施形態のインクジェットヘッドは、複数のノズル部が並列に形成されているが、各図には、簡単のため、１つのノズル部のみ示している。
【００１３】
次に、本実施形態のインクジェットヘッドの製造工程について説明する。
【００１４】
まず、Ｓｉ基板１に、インク流入口２、インク室３、オリフィス６、圧力室７、およびノズル８となる溝がフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を用いてそれぞれ形成される。
【００１５】
次に、Ｓｉ基板１の接合面９にホウケイ酸ガラスから成る振動板１０を陽極接合する。
【００１６】
陽極接合後、振動板１０をダイヤモンドスラリーを用いたラッピング研磨で薄片化し、さらに研磨面を平滑化するためのポリッシング研磨を施した。この時点で、振動板１０の形状は平面となる。そして、振動板１０を減圧雰囲気中（不図示）に導入し、さらに振動板１０を構成しているガラス基板のガラス軟化点以下の温度（６００℃）で熱処理し、ガラス基板自身の自重で塑性流動を生じさせながら、図５に示すように振動板１０を圧力室７に対して凸状となるように変形させて凸部１１を形成した。すなわち、複数形成されている各圧力室７のそれぞれには、圧力室７に対して凸状となる凸部１１を備えた振動板１０が設けられていることとなる。
【００１７】
振動板１０の変形後、大気中にさらすことなく連続して減圧雰囲気中（不図示）にアルゴンガスを導入し、振動板１０上を逆スパッタリングにより清浄化し、清浄化した面に、図６に示すように振動板１０の上にＰｔから成る下電極１３、ＺｎＯから成る厚さ５μｍの圧電体１４及びＰｔから成る上電極１６を順次成膜した。すなわち、下電極１３、圧電体１４、および上電極１６は凸部１１を備えた振動板１０上に形成されるため、振動板１０の凸部１１に対応する部分は、これら下電極１３、圧電体１４、および上電極１６も圧力室７に対して凸形状となる。
【００１８】
この後、ノズル８の先端をディスクカット（不図示）することで、本実施形態のインクジェットヘッドを得た。
【００１９】
なお、本実施形態においては、振動板１０を構成するガラス基板の塑性流動変形を６００℃、窒素ガスで置換した減圧雰囲気中で行う例を示したが、この他にも減圧雰囲気を例えば、大気を減圧した真空中雰囲気にした場合でも良く、あるいはアルゴンガス等の不活性ガスで置換した減圧雰囲気にした場合でも良い。さらに、あるいは不活性ガス種の圧力を用いて、すなわち振動板１０を挟んだ両側に圧力差を設け、圧力差でガラスに塑性流動変形を生じさせても良く、本発明の意図するところに何ら変わるものではない。
【００２０】
また、本実施形態においては、振動板１０を構成するガラス基板をホウケイ酸ガラスとしたが、この他にも例えばソーダライムガラスあるいはアルミノケイ酸ガラスであっても良い。
【００２１】
また、下電極１３としてＰｔを用いたが、振動板１０と下電極１３との間に中間層（不図示）としてＴｉ及びＡｌをそれぞれ積層するものであってもよい。中間層として導電性を有する金属膜であれば良く、Ｔｉ及びＡｌ以外に、例えば、Ｉｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｂであっても良い。
【００２２】
また、圧電体１４をＺｎＯとしたが、この他にも例えば水晶、ペロブスカイト系結晶、タングステン系結晶、あるいはウルツ鉱型結晶でも良く、好ましくは、ＰＺＴ系（チタン酸ジルコン酸鉛）、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、ニオブ酸リチュウム、タンタル酸リチュウム、ニオブ酸バリウムナトリウム、ＡｌＮ、ＢｅＯ、及びＣｄＳでも良く、あるいはこれらの積層膜でも良い。
【００２３】
本実施形態においては、圧電体１４の厚さを５μｍとしたが、この他にも厚さを０．２μｍ以上の厚さにした場合でも、あるいは２０μｍ以下の厚さにした場合でも良く、圧電体としての機能があれば良い。また、本実施形態において振動板１０となるガラス基板を３μｍまで薄片化研磨したが、この他にも例えば、ガラスの薄片化研磨中に破損しなければ、どのような薄さでもあっても良く、薄片化研磨による薄片化は圧力室７の巾の長さに依存し、巾の長さが短い場合、例えば巾の長さが２０μｍ以下の場合、ガラス基板を１μｍ以下まで薄片化研磨が可能になる。
【００２４】
上記工程を経て、作成したインクジェットヘッドを用いた吐出系（不図示）を構成し、上電極１５及び下電極１３にそれぞれ電圧を印加したところ、ノズル８からインク滴が吐出した。
【００２５】
振動板１０に座屈変形を伴う撓み変形を与えて圧力室７の体積変化でインクを吐出させる機構の場合、振動板１０の撓み変形方向は振動板１０の初期位置の形状に依存するが、本実施形態のインクジェットヘッドにおいては、振動板１０が圧力室７に対して凸状となる凸部１１が形成されているので、座屈変形方向が規制されて常に圧力室７に対して凸状となる。よって、複数の振動板１０に対して同一信号を入力した際に、全ての振動板１０を圧力室７側に撓ませることができる。
【００２６】
また、ガラス基板の軟化点以下の温度で塑性流動変形を生じさせることにより凸部１１を形成する本実施形態の製造方法の場合、以下の点で有利となる。
【００２７】
まず、ガラス基板自身の重みで、すなわち自重で重力方向にガラス基板の軟化点以下の温度で塑性流動変形を生じさせるので、一度に、複数の振動板に一定の方向に変形した形状を与えることが可能である。
【００２８】
また、振動板１０となるガラス基板に変形を与えるために、ガラス基板の軟化点以下の温度で、自重で塑性流動変形するので、複数の振動板に一度に同一の変形を与えることができる。
【００２９】
また、ガラスの変形量を、塑性流動速度に関係する温度及び時間で制御するため、振動板となるガラス基板を任意の形状に形成できる。
【００３０】
また、ガラス基板は非晶質であるため、広い温度範囲での塑性流動変形が可能であるため、振動板を一定方向に変形するための作業性が良い。
【００３１】
また、ガラス基板は非晶質であるため、等方的に塑性流動変形するので微小な領域での、あるいは微小面積での振動板の変形が容易である。
【００３２】
さらには、減圧雰囲気中でガラス基板から成る振動板を塑性流動変形し、大気中にさらすことなく減圧雰囲気中に不活性ガスを置換し、不活性ガス中で逆スパッタリングによる振動板上を清浄化し、この後、引き続いて振動板上に下電極、圧電体及び上電極を順次に成膜するので、ガラス振動板の連続変形成膜の一貫プロセスが可能である。
【００３３】
以上説明したように、振動板をガラス基板とし、圧電体に電圧を印加した際にガラス基板の撓み方向が常に同一方向となる形状に変形させる工程を含む本実施形態のインクジェットの製造方法によれば、振動板が複数個ある場合であっても、同一信号を入力した際にそれぞれが異なる動きをとることなく、全ての振動板を同一方向に撓ませることができるインクジェットを製造することができるため、インクジェットヘッドの吐出性能を向上させることができる。
（第２の実施形態）
図７に本実施形態のインクジェットヘッドの振動板をＳｉ基板に陽極接合した状態の平面図を、図２に図７のＦ断面図を、図９に図８のＧ及びＨ断面図を、図１０に図３のＥ矢視図を、図１１に図１０におけるガラス基板である振動板上に、順次に下電極、圧電体及び上電極を形成した状態の平面図を、図１２に図１１におけるＪ及びＫの矢視図をそれぞれ示す。
【００３４】
なお、以下の説明において、第１の実施形態に示したインクジェットヘッドと同じ構成要素に関しては同じ符号を用いて説明するものとする。
【００３５】
図７に示すように、本実施形態のインクジェットヘッドは、Ｓｉ基板１にインク流入口２を形成し、さらにインク室３、オリフィス４、圧力室５、７、オリフィス４、６、圧力室７及びノズル８となる溝がフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を用いてそれぞれ形成されており、その後、Ｓｉ基板１の接合面９には、ＳＤ−２ガラス（ＨＯＹＡ［社］の登録商標）からなる振動板１０ａが陽極接合される。
【００３６】
本実施形態においても、陽極接合後、ガラス基板を図９に示すように矢視Ｉに見る部分を薄片化研磨し、さらに振動板を減圧雰囲気中に導入し、振動板１０ａをガラス基板の軟化点以下の温度（６５０℃）で熱処理し、圧力室５及び圧力室７の直上に相当する個所の振動板１０ａをガラス基板の自重で塑性流動変形を生じさせるが、図１０に示すように振動板１０ａを圧力室７（及び圧力室５）に対して凹状となるように変形させて凹部１２を形成した。
【００３７】
この後大気中にさらすことなく減圧雰囲気中に不活性ガスであるアルゴンを置換し、アルゴン雰囲気中で振動板１０ａの表面を逆スパッタリングで清浄化し、引き続いてアルゴン雰囲気を減圧雰囲気にし、振動板１０ａの上に下電極１３、圧電体１４及び上電極１５、１６を順次に成膜した（図１１、図１２）。
【００３８】
この後、ノズル８の先端をディスクカット（不図示）することで、本実施形態のインクジェットヘッドを得た。
【００３９】
すなわち、本実施形態においては、Ｓｉ基板１の溝形状は、２つの圧力室５、７が形成され、これら圧力室５、７を連通させるオリフィス６を形成している点、および振動板１０ａの圧力室５、７に対応する部分が圧力室５、７に対して凹状に形成している点が異なるが、それ以外の構成および製造方法は基本的には第１の実施形態と同様であるため、詳細の説明は省略する。
【００４０】
本実施形態のインクジェットヘッドは振動板１０ａに座屈変形を伴う撓み変形を与えて圧力室５、７の体積変化でインクを吐出させる機構であるため、振動板１０ａの撓み変形方向は振動板１０ａの初期位置の形状に依存するが、本実施形態のインクジェットヘッドは振動板１０ａが圧力室５、７に対して凹状となる凹部１２が形成されているので、座屈変形方向が規制されて常に圧力室５、７に対して凹状となる。よって、複数の振動板１０ａに対して同一信号を入力した際に、全ての振動板１０ａを圧力室５、７から離れる方向に撓ませることができる。
【００４１】
上記工程を経て作成したインクジェットヘッドを用いた吐出系を構成（不図示）し、上電極１５及び下電極１３間に電圧を印加したところノズル８からインク滴が吐出した。
【００４２】
なお、本実施形態においては、圧電体１４の厚さを１０μｍとしたが、圧電体１４としての機能を果たすのであれば良く、この他にも例えば２０μｍ以下であっても良い。また、本実施形態において、振動板１０ａを構成するガラス基板を、ラッピング研磨及びポリッシング研磨により５μｍまで薄片化研磨したが、この他にも例えば１００μｍの厚さでも良い。
【００４３】
以上説明したように、振動板をガラス基板とし、圧電体に電圧を印加した際にガラス基板の撓み方向が常に同一方向となる形状に変形させる工程を含む本実施形態のインクジェットの製造方法によれば、第１の実施形態と同様に、振動板が複数個ある場合であっても、同一信号を入力した際にそれぞれが異なる動きをとることなく、全ての振動板を同一方向に撓ませることができるインクジェットを製造することができるため、インクジェットヘッドの吐出性能を向上させることができる。
（第３の実施形態）
次に、本発明のインクジェット記録ヘッドを搭載可能なインクジェット記録装置の一例の斜視図を図１３に示す。
【００４４】
本体シャーシ１０１２にはガイドシャフト１００３が取り付けられ、キャリッジ１００８は、矢印Ｂ”方向に摺動自在にガイドシャフト１００３に支持されている。このキャリッジ１００８は、駆動モータ（不図示）に結合された駆動プーリ１００６とアイドラプーリ１００７との間に張設されたタイミングベルト１０１０にキャリッジ１００８の一部が固定されており、駆動モータの回転に応じガイドシャフト１００３に沿って矢印Ｂ”方向に往復移動可能である。
【００４５】
記録ヘッドカートリッジ１０１７はキャリッジ１００８に着脱自在に搭載され、この記録ヘッドカートリッジ１０１７を駆動するための電流や信号を送受信するフレキシブルケーブル１００２を介して、本体シャーシ１０１２の背面に取り付けられている、記録装置本体を制御する基板であるコントロール基板に電気的に接続される。
【００４６】
記録ヘッドカートリッジ１０１７のインクジェット記録ヘッド１０１６には、吐出口が図示下向きに形成されている。
【００４７】
不図示の搬送ローラは、搬送ギアを介して被記録媒体搬送モータ（不図示）と接続され、矢印Ａ”で示す副走査方向に被記録媒体を搬送する。
【００４８】
記録領域まで搬送された被記録媒体である記録用紙１００４に対して、インクタンク１００５から供給されたインクがインクジェット記録ヘッド１０１６の吐出口より吐出されることで記録が行われる。
【００４９】
本実施形態のインクジェット記録装置は高解像度、高速印字が可能で従来と比較して低消費電力化、高密度化が可能になった。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、振動板をガラス基板とし、圧電体に電圧を印加した際にガラス基板の撓み方向が常に同一方向となる形状に変形させてインクジェットヘッドを製造する。このため、振動板が複数個ある場合であっても、同一信号を入力した際にそれぞれが異なる動きをとることなく、全ての振動板を同一方向に撓ませることができ、吐出性能の向上したインクジェットヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるインクジェットヘッドの振動板を、Ｓｉ基板に陽極接合した状態を示す平面図である。
【図２】図１のＡ矢視図である。
【図３】図１のＢ矢視図あるいは図２のＤ矢視図である。
【図４】図３のＥ矢視図である。
【図５】図４に示すガラス基板から成る振動板を、重力場で熱処理によって塑性流動させ、圧力室に対して凸状に変形させた状態を示す断面図である。
【図６】図５に示すガラス基板から成る振動板に下電極、圧電体及び上電極を形成した状態を示す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態におけるインクジェットヘッドの振動板を、Ｓｉ基板に陽極接合した状態の平面図である。
【図８】図７のＦ断面図である。
【図９】図８のＧ及びＨ断面図である。
【図１０】図９の矢視Ｉ部を薄片化研磨した後、ガラス基板から成る振動板を、重力場で熱処理によって塑性流動変形させ、圧力室に対して凹状に変形した状態の断面図である。
【図１１】図１０におけるガラス基板である振動板上に、下電極、圧電体及び上電極を形成した状態の平面図である。
【図１２】図１１におけるＪ及びＫの矢視図である。
【図１３】本発明のインクジェット記録ヘッドを搭載可能なインクジェット記録装置の一例の斜視図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ インク流入口
３ インク室
４ オリフィス
５、７ 圧力室
６ オリフィス
８ ノズル
９ 接合面
１０、１０ａ 振動板
１１ 凸部
１２ 凹部
１３ 下電極
１４ 圧電体
１５、１６ 上電極
１００２ フレキシブルケーブル
１００３ ガイドシャフト
１００４ 記録用紙
１００５ インクタンク
１００６ 駆動プーリ
１００７ アイドラプーリ
１００８ キャリッジ
１０１０ タイミングベルト
１０１２ 本体シャーシ
１０１６ インクジェット記録ヘッド
１０１７ 記録ヘッドカートリッジ

Claims (1)

1. それぞれ連通したインク室、オリフィス、圧力室及びノズルとなる溝をＳｉ基板に形成する工程と、前記溝の、前記インク室、前記オリフィス、および前記ノズルとなる部分の壁を構成し、前記圧力室となる部分の壁、かつ前記振動板となる基板を前記Ｓｉ基板に接合する工程と、前記基板を薄片化する工程と、前記振動板上に下電極、圧電体及び上電極を形成する工程とを含む、インクを吐出して記録を行うインクジェットヘッドの製造方法において、
   前記基板としてガラス基板を用意する工程と、
   前記圧電体に電圧を印加した際の前記圧電体の体積変化に伴う、前記圧力室の直上に位置する前記ガラス基板の撓み方向が常に同一方向となる形状に、前記ガラス基板を変形させる変形工程を含むことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。

Images