JP2005288853A - インクジェットヘッドの製造方法及びインクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電体の性能劣化を抑制する。
【解決手段】 アクチュエータプレート２２の上面全体に、圧電シートとなる圧電前駆体層の材料との相互拡散がアクチュエータプレート２２を構成する金属材料よりも生じにくい金属材料からなる第１緩衝層１４を形成する。第１緩衝層１４上に、圧電シートとなる圧電前駆体層の材料との相互拡散がアクチュエータプレート２２を構成する金属材料よりも生じにくい金属材料からなる第２緩衝層１５を形成し、アクチュエータプレート２２の上面に表層１３を形成する。表層１３の上面全体に圧電シート２１となる圧電前駆体層を形成する。表層１３及び圧電前駆体層が形成された積層体を所定温度で加熱して、圧電前駆体層を焼成し、圧電シート２１を形成する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、記録媒体にインクを吐出するインクジェットヘッドの製造方法及びインクジェットヘッドに関する。

特許文献１には、複数の加圧室が配列された基板上にすべての加圧室を覆う大きさに連続形成された振動板と、振動板上に形成された圧電膜とが互いに熱膨張率の近い金属材料で構成されたインクジェットヘッドの製造方法について記載にされている。これによれば、振動板上に圧電膜を形成するときに、それぞれの熱膨張率の差によって生じる振動板と圧電膜とでなる積層体の反りが抑制される。

特開平１１−３３４０８７号公報（図１）

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製造方法においては、振動板上に圧電膜を焼成したときに、振動板と圧電膜とを構成する材料間において、相互拡散が生じ圧電膜の焼成時に圧電膜の結晶成長が阻害される。その結果、圧電膜の性能劣化が生じる。

そこで、本発明の目的は、圧電体の性能劣化を抑制するインクジェットヘッドの製造方法及びインクジェットヘッドを提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、インクを吐出するノズル、及び、前記ノズルに連通し且つ金属製の振動板によって塞がれたインク室を有する流路ユニットを作製する工程と、加熱時における圧電前駆体との材料の相互拡散が前記振動板よりも生じにくい金属材料からなる第１の緩衝層を、前記振動板上に形成する工程と、前記圧電前駆体を前記第１の緩衝層上に形成する工程と、前記圧電前駆体が焼成して圧電体となるように、前記流路ユニット、前記第１の緩衝層及び前記圧電前駆体を加熱する工程とを備えている。

これにより、圧電前駆体と振動板との間に、圧電前駆体との材料の相互拡散が振動板よりも生じにくい金属材料からなる第１の緩衝層を介在させているので、加熱工程において圧電前駆体を構成する材料と振動板を構成する材料とが相互拡散しにくくなる。その結果、加熱工程において、圧電前駆体の結晶成長が進行しやすくなり、得られる圧電体の性能劣化が生じにくくなる。

本発明において、前記加熱工程の前に、加熱時における前記圧電前駆体との材料の相互拡散が前記振動板よりも生じにくい金属材料からなる第２の緩衝層を、前記第１の緩衝層上に形成する工程をさらに備えていることが好ましい。これにより、加熱工程において圧電前駆体を構成する材料と振動板を構成する材料とがさらに相互拡散しにくくなる。

また、このとき、前記第２の緩衝層が、前記振動板と同等以上の耐酸化性を有していてもよい。これにより、第２の緩衝層が耐酸化性に優れているので、加熱工程において、第２の緩衝層と圧電前駆体との間に酸化膜が形成されにくくなる。そのため、圧電体及び振動板に十分な電界を印加することができる。

また、本発明において、前記振動板がステンレス、チタン及び４２合金のいずれかの材料からなり、前記加熱工程における加熱温度が６００℃以上９００℃以下であることが好ましい。これにより、振動板を構成する金属が強度低下を起こしにくくなる。

また、本発明において、前記第１の緩衝層がニッケルからなることが好ましい。これにより、ニッケルは安価なため、インクジェットヘッドの製造コストを減少させることができる。

また、このとき、前記第２の緩衝層が金からなっていてもよい。これにより、金は優れた耐酸化性と熱安定性とを有しているので、加熱工程において、圧電前駆体と振動板とが相互拡散しにくくなるとともに、圧電前駆体との間に酸化膜が形成されにくくなる。

また、本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、別の観点では、インクを吐出するノズル、及び、前記ノズルに連通し且つ金属製の振動板によって塞がれたインク室を有する流路ユニットを作製する工程と、ニッケル層を前記振動板上に形成する工程と、金層を前記ニッケル層上に形成する工程と、圧電前駆体を前記金層上に形成する工程と、前記圧電前駆体が焼成して圧電体となるように、前記流路ユニット、前記ニッケル層、前記金層及び前記圧電前駆体を６００℃以上９００℃以下の温度で加熱する工程とを備えている。これによると、振動板と圧電体との間にニッケル層と金層が介在することになる。金は優れた耐酸化性と熱安定性とを有し、ニッケルは圧電前駆体の結晶成長を阻害しにくい特性を有しているので、加熱工程において、全体として圧電前駆体と振動板とが相互拡散しにくくなるとともに、圧電前駆体との間に酸化膜が形成されにくくなる。その結果、圧電前駆体の結晶化が進むことになり、圧電体の性能劣化が生じにくくなる。また、ニッケルは安価なため、インクジェットヘッドの製造コストを減少させることができる。

また、本発明のインクジェットヘッドは、インクを吐出するノズル、及び、前記ノズルに連通し且つ金属製の振動板によって塞がれたインク室を有する流路ユニットと、前記振動板上に形成されており、加熱時における圧電前駆体との材料の相互拡散が前記振動板よりも生じにくい金属材料からなる第１の緩衝層と、前記第１の緩衝層上に形成されており、前記圧電前駆体が焼成されてなる圧電体とを備えている。これにより、圧電前駆体と振動板との間に、圧電前駆体との材料の相互拡散が振動板よりも生じにくい金属材料からなる第１の緩衝層を介在させているので、圧電前駆体を構成する材料と振動板を構成する材料とが相互拡散しにくいヘッドとなる。そのため、圧電体の圧電特性の低下が抑制されたヘッドとなる。

また、本発明において、前記第１の緩衝層と前記圧電体との間に形成されており、加熱時における前記圧電前駆体との材料の相互拡散が前記振動板よりも生じにくい金属材料からなる第２の緩衝層をさらに備えていることが好ましい。これにより、圧電前駆体を構成する材料と振動板を構成する材料とがさらに相互拡散しにくくなり、圧電前駆体の結晶化がさらに進んだヘッドとなる。

また、このとき、前記第２の緩衝層が、前記振動板と同等以上の耐酸化性を有していてもよい。これにより、第２の緩衝層と圧電前駆体との間に酸化膜が形成されにくくなる。そのため、圧電体及び振動板に十分な電界を印加することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるインクジェットヘッドを含むインクジェットプリンタの概略構成を示す斜視図である。図１に示すように、インクジェットプリンタ１には、記録媒体である用紙４１を搬送するプラテンローラ４０と、プラテンローラ４０上にセットされる用紙４１に対してインクを吐出するインクジェットヘッド９と、制御部（図示せず）からの駆動電圧をインクジェットヘッド９に給電するフレキシブルプリント回路（ＦＰＣ：Flexible Printed Circuit）２０とが含まれている。

プラテンローラ４０は、軸４２によりフレーム４３に回転可能に取り付けられており、モータ４４によって回転駆動される。用紙４１は、インクジェットプリンタ１の近傍に設けられた給紙カセット（図示せず）から給紙され、プラテンローラ４０により図中矢印の方向に一定速度で搬送される。さらに、インクジェットヘッド９から吐出されるインクにより所定の印刷がなされ、その後、排紙される。なお、図１では、用紙４１の給紙機構と排紙機構の詳細な図示を省略している。また、図１に描かれたインクジェットプリンタ１はモノクロプリンタであってインクジェットヘッド９が１つしか配置されていないが、カラー印刷を行う場合にはイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの少なくとも４つのインクジェットヘッド９が平行に配置される。

図１から分かるように、インクジェットヘッド９は、用紙４１の搬送方向に対して垂直に延びるラインヘッドであって、フレーム４３に対して固定設置されている。インクジェットヘッド９は、用紙４１に対してインクを吐出するためのものであり、ヘッド本体１００と、基部１１とを有している。ヘッド本体１００は、ライン状に一方向（用紙の搬送方向と直交する方向）に延在している。基部１１は、ヘッド本体１００に対して垂直な方向に伸延しているものであり、ヘッド本体１００を支持するものである。

インクジェットヘッド９の底面であって、多数のノズル８（図３参照）が長手方向に沿って１列に形成されたヘッド本体１００のインク吐出面は、プラテンローラ４０による用紙４１の搬送面と平行に対向している。そのため、制御部からの駆動電圧がＦＰＣ２０を介してヘッド本体１００に送られることで、ヘッド本体１００のインク吐出面に形成された各ノズル８から吐出されたインクは、用紙４１に対して飛翔する。ＦＰＣ２０はヘッド本体１００の上面であって後述する圧電シート２１と電気的に接続されている。

次に、ヘッド本体１００について以下に説明する。図２は、ヘッド本体１００の平面図である。図２に示すように、ヘッド本体１００は、流路ユニット４と、流路ユニット４の上面に形成された圧電シート（圧電体）２１とを有している。図２に示すように、流路ユニット４は一方向に延在した矩形平面形状を有している。流路ユニット４内には、流路ユニット４の長手方向に沿って平行に延在されたマニホールド５が形成されている。ヘッド本体１００の一端部（流路ユニット４の図２中左側端部）には、インク供給口１００ａが形成されている。インク供給口１００ａはマニホールド５に連通しており、図示しないインクタンクとチューブなどを介して接続されることで、インクタンクからのインクをマニホールド５に供給する。

流路ユニット４の上面には、平面形状が矩形形状の圧電シート２１が、インク供給口１００ａを避けたほぼ中央部分に形成されている。圧電シート２１に対向する流路ユニット４の内部には、流路ユニット４の長手方向に沿って配列された多数の圧力室（インク室）１０が形成されている。言い換えると、圧電シート２１はすべての圧力室１０に跨る寸法を有している。

流路ユニット４に形成された圧力室１０は、平面形状が長方形形状を有しており、その長手方向が流路ユニット４の短手方向に平行である。圧力室１０の一端は、ノズル８に連通しており、他端は、マニホールド５に連通している。これにより、マニホールド５には、ノズル８に連通して圧力室１０毎に形成された多数の個別インク流路７が接続されている。

図３は、個別インク流路を示す断面図であり、図２に示すIII−III線における部分断面図である。図３から分かるように、各ノズル８は、圧力室１０を介してマニホールド５と連通している。すなわち、マニホールド５の出口から圧力室１０を経てノズル８に至る１つの流路が構成されている。このようにして、ヘッド本体１００には、個別インク流路７が圧力室１０毎に形成されている。

ヘッド本体１００は、図３に示すように、上から圧電シート２１、アクチュエータプレート（振動板）２２、キャビティプレート２３、サプライプレート２４、マニホールドプレート２５及びノズルプレート２６の合計６枚のシート材が積層された積層構造を有している。これらのうち、圧電シート２１を除いた５枚のプレートから流路ユニット４が構成されている。

圧電シート２１は、後で詳述するように、その上面に複数の個別電極３５が形成されており、各個別電極３５に駆動電圧が印加されることで、圧電シート２１の個別電極３５と対向する部分が活性部となる部分を有している。

アクチュエータプレート２２は、インク供給口１００ａとなる孔が設けられた金属プレートである。キャビティプレート２３は、インク供給口１００ａからマニホールド５への連絡孔となる孔のほかに、圧力室１０を構成する孔が圧電シート２１に対向する領域内に多数設けられた金属プレートである。サプライプレート２４は、インク供給口１００ａからマニホールド５への連絡孔となる孔のほかに、キャビティプレート２３の１つの圧力室１０について、マニホールド５から圧力室１０への連絡孔及び圧力室１０からノズル８への連絡孔がそれぞれ設けられた金属プレートである。マニホールドプレート２５は、マニホールド５に加えて、キャビティプレート２３の１つの圧力室１０について、圧力室１０からノズル８への連絡孔がそれぞれ設けられた金属プレートである。ノズルプレート２６は、キャビティプレート２３の１つ圧力室１０について、ノズル８がそれぞれ設けられた樹脂プレートである。

これら５枚のプレート２２〜２６は、図３に示すような個別インク流路７が形成されるように、互いに位置合わせして積層されている。この個別インク流路７は、マニホールド５からまず上方へ向かい、圧力室１０において水平に延在し、垂直下方にノズル８へと向かう。なお、流路ユニット４を構成する５枚のプレートのうち、ノズルプレート２６を除く４枚のプレートは、本実施の形態においてステンレスの金属材料から構成されているが、４２合金やチタンなどの金属材料から構成されていてもよい。本実施の形態において、各プレート２２〜２５の金属材料にステンレスが適用された理由としては、４２合金は熱膨張係数が圧電シート２１に近く、微細エッチング加工性がよいという点を有しているもののインクに対する耐食性が乏しいという点があり、また、チタンは熱膨張係数が小さく、インクに対する耐食性がよいという点を有しているものの、微細エッチング加工性が難しいという点があるが、ステンレスは耐酸化性が良好で、高温処理でも機械的強度の低下が少なく、圧力室１０等を形成するときの微細エッチング加工性がよいという点を有しており、４２合金やチタンに見られるような耐食性及び微細エッチング加工性の面で劣る点がないためである。また、ノズルプレート２６はポリイミド樹脂からなるが他の樹脂材料や他のプレート２２〜２５と同じ金属材料から構成されていてもよい。

図４は、図３内に描かれた一点鎖線で囲まれた領域の拡大図である。図４に示すように、アクチュエータプレート２２の上面全体には表層１３が形成されており、その表層１３を介してアクチュエータプレート２２と圧電シート２１とが接合されている。本実施の形態において、表層１３は、アクチュエータプレート２２側に形成された第１緩衝層１４と圧電シート２１側に形成された第２緩衝層１５とを有しており、第１及び第２緩衝層１４，１５はともに圧電シート２１と相互拡散しにくい金属材料からなる。第１緩衝層１４は、アクチュエータプレート２２を構成するステンレスよりも圧電シート２１と相互拡散しにくいニッケルからなり、第２緩衝層１５も第１緩衝層１４と同様にアクチュエータプレート２２を構成するステンレスよりも圧電シート２１と相互拡散しにくい金からなる。

このように、アクチュエータプレート２２が第１緩衝層１４と、第１緩衝層１４が第２緩衝層１５と、圧電シート２１が第２緩衝層１５と接合してアクチュエータプレート２２と圧電シート２１とが表層１３を介して接合している。

図２に示すように圧電シート２１は、流路ユニット４の多数の圧力室１０に跨って配置された平板となっている。圧電シート２１が多数の圧力室１０に跨って配置されることで、例えば、スクリーン印刷技術を用いることにより圧電シート２１上に個別電極３５を高密度に配置することが可能となっている。そのため、個別電極３５に対応する位置に形成される圧力室１０をも高密度に配置することが可能となって、高解像度画像の印刷ができるようになる。圧電シート２１は、本実施の形態において、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のセラミック材料からなるが、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、アンチモンスズ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、チタン酸鉛などの材料から構成されていてもよい。

圧電シート２１の上面には、個別電極３５が各圧力室１０と対向する領域内に１つずつ形成されている。すなわち、個別電極３５は圧力室１０と同様に流路ユニット４の長手方向に沿って配列されており、個別電極３５同士が独立するように互いに離隔されている。個別電極３５は、Ａｇ−Ｐｄ系などの金属材料からなるものであり、ＦＰＣ２０に形成された独立した配線とそれぞれ電気的に接続されている。これにより、制御部はＦＰＣ２０の配線を介して圧力室１０ごとに電位を制御することが可能となっている。アクチュエータプレート２２は常にグランド電位に保たれており、共通電極として機能している。

次に、アクチュエータユニット２１の駆動方法について述べる。圧電シート２１はその厚み方向に分極されている。したがって、個別電極３５にグランド電位より高い電位を印加することで、圧電シート２１に対してその分極方向に電界が印加される。圧電シート２１に電界が印加されると、電界が印加された部分か活性層として働き、その厚み方向に伸長するとともに、圧電横効果により面方向に収縮しようとする。これにともなって圧電シート２１及びアクチュエータプレート２２は圧力室側へ凸になるように変形（ユニモルフ変形）する。このとき、図３に示したように、アクチュエータプレート２２の下面は圧力室１０を区画する隔壁（キャビティプレート）２３の上面に固定されているので、結果的に圧電シート２１とアクチュエータプレート２２は圧力室側に凸となるように変形する。このため、圧力室１０の容積が低下して、インクの圧力が上昇し、ノズル８からインクが吐出される。その後、個別電極３５を共通電極として機能するアクチュエータプレート２２と同じ電位に戻すと、圧電シート２１とアクチュエータプレート２２とが元の形状になって圧力室１０の容積が元の容積に戻るので、インクをマニホールド５側から吸い込む。

なお、他の駆動方法として、予め個別電極３５を共通電極となるアクチュエータプレート２２と異なる電位にしておき、吐出要求があるごとに個別電極３５をアクチュエータプレート２２と一旦同じ電位とし、その後所定のタイミングにて再び個別電極３５をアクチュエータプレート２２と異なる電位にすることもできる。この場合は、個別電極３５とアクチュエータプレート２２とが同じ電位になるタイミングで、圧電シート２１とアクチュエータプレート２２とが元の形状に戻ることにより、圧力室１０の容積は初期状態と比較して増加し、インクがマニホールド５側から圧力室１０内に吸い込まれる。その後、再び個別電極をアクチュエータプレート２２と異なるタイミングで、圧電シート２１とアクチュエータプレート２２とが圧力室１０側へ凸となるように変形し、圧力室１０の容積低下によりインクへの圧力が上昇し、インクが吐出される。こうして、ノズル８からインクが吐出され、搬送されてきた用紙４１に所望画像が印刷される。

次に、上述したインクジェットヘッド９の製造方法について、図５を参照しつつ説明する。図５は、インクジェットヘッド９の製造工程である。図６は、本発明の一実施形態によるインクジェットヘッド９の製造工程の一部を示しており、（ａ）はノズルプレート除く４枚のプレートによって積層体が形成された状況を示す図であり、（ｂ）はアクチュエータプレート２２の上面に第１緩衝層が形成され、第１緩衝層上に第２緩衝層が形成された状況を示す図であり、（ｃ）は第２緩衝層上に圧電シートが形成された状況を示す図であり、（ｄ）は圧電シート上に個別電極が形成された状況を示す図である。

インクジェットヘッド９を製造するには、まずステップ１（Ｓ１）において、図６（ａ）に示すようにノズルプレート２６を除く流路ユニット４となる積層体４ａを作成する。積層体４ａを作成するには、これを構成する各プレート２２〜２５にパターニングされたフォトレジストをマスクとしたエッチングを施して、図３に示すような孔を各プレート２２〜２５に形成する。そして、個別インク流路７が形成されるように位置合わせされた４枚のプレート２２〜２５を重ねた状態で加圧しつつ加熱して、各プレート２２〜２５を拡散接合する。

次にステップ２（Ｓ２）において、図６（ｂ）に示すようにアクチュエータプレート２２の上面全体に電気メッキ法によりニッケルからなる第１緩衝層１４を形成する。そして、ステップ３（Ｓ３）において、図６（ｂ）に示すように第１緩衝層１４の上面全体に電気メッキ法により金からなる第２緩衝層１５を形成して、第１及び第２緩衝層１４，１５からなる表層１３を形成する。こうして、アクチュエータプレート２２の上面に、アクチュエータプレート２２を構成するステンレスよりも圧電前駆体層（後述する）の結晶成長を阻害する程の相互拡散がしにくいニッケル及び金からなる表層１３を形成することができる。これにより、後述の加熱工程により圧電前駆体層の結晶成長が阻害されることなく進行し、良好な圧電性能を有する圧電シート２１にすることができる。なお、第１及び第２緩衝層１４，１５の形成方法としては、本実施の形態においては電気メッキ法を用いているが、それ以外の公知の方法、例えば、スパッタ、蒸着などの気相成長法、金属ペーストを用いるスクリーン印刷法などを適用してもよい。

次に、ステップ４（Ｓ４）において、図６（ｃ）に示すように第２緩衝層１５の上面であってすべての圧力室１０に跨るように、圧電体ペーストをスクリーン印刷し、約２０μｍの厚みを有する圧電シート２１となる圧電前駆体層を形成する。そして、積層体４ａと圧電前駆体層とからなる積層体を５００℃で１時間脱脂処理した後、８５０℃で１０分間加熱処理することによって圧電前駆体層を焼成する。これにより、圧電前駆体層が約１５μｍの厚みを有する圧電シート２１となる。また、このとき、圧電前駆体層を加熱する加熱工程において、所定温度が６００℃以上９００℃以下であることが好ましい。所定温度が６００℃以下になると、圧電前駆体層の焼成による結晶成長が粗くなり圧電シート２１の圧電性能が低下する。一方、所定温度が９００℃以上になると、アクチュエータプレート２２が金属材料（ステンレス）からなるので、強度低下を起こすことになる。つまり、圧電前駆体層の加熱温度が６００℃以上９００℃以下だとこれらの不具合を回避することができ、圧電シート２１の圧電性能の低下、及び、アクチュエータプレート２２の強度低下を起こしにくくすることができる。

本実施の形態における圧電体ペーストは、ＰＺＴ系の圧電体粉末、焼結助剤などの微量成分、バインダーとしてのエチルセルロース、有機溶媒であるテレピネオール等を混合してペースト状にしたものである。なお、圧電体ペーストの基になるＰＺＴ系圧電体粉末は、金属製のアクチュエータプレート２２を使用可能にするために、低温焼結可能な易焼結性のものを用いることが望ましい。粒子の持つ反応性、すなわち、表面エネルギーは粒子径に反比例すること、また、最密充填したときの空隙率も粒径に反比例することから、本実施の形態における粒子は、粒径が小さいものが望ましく、平均粒径が約０．５μｍ以下、好ましくは０．２μｍ以下が好適である。なお、上述したようにＰＺＴ系の圧電体粉末（すなわち、圧電シート２１の基となる形成材料）は、ジルコン酸チタン酸鉛系以外のマグネシウムニオブ酸鉛系などであってもよい。

また、本実施の形態においては、圧電シート２１となる圧電前駆体層を形成するためにスクリーン印刷法を用いたが、他の公知の方法、例えば、スピンコーティング法、ディッピング法、キャスト法、ドクターブレード法、エアロゾルポジション法、ゾルゲル法、有機化合物熱分解法などを適用することができる。また、転写法も適用することができる。転写法を適用する場合においては、まず、上述と同様の圧電体ペーストをドクターブレード法、キャスト法などで厚み管理したグリーンシートを作成し、このグリーンシートをプレス法などで定盤に広げられた剥離性の高い樹脂製シートの表面に、所望の形状に打ち抜いて圧電前駆体層を形成する。そして、この圧電前駆体層をアクチュエータプレート２２の上面に位置合わせして押圧することにより、樹脂製シート上の圧電前駆体層をアクチュエータプレート２２上に転写することができる。

次に、ステップ５（Ｓ５）において、図６（ｄ）に示すように圧電シート２１上に、銀系導電性ペーストを個別電極３５のパターンにスクリーン印刷し乾燥させてから、積層体４ａと圧電シート２１と銀系導電性ペーストとからなる積層体を、８５０℃で１０分間加熱処理することによって銀系導電性ペーストを焼成して、圧電シート２１上に個別電極３５を形成する。

次に、ステップ６（Ｓ６）において、積層体４ａと圧電シート２１と個別電極３５とからなる積層体の下面に、レーザ加工により複数のノズル８が形成されたポリイミド樹脂製のノズルプレート２６をエポキシ系の熱硬化性接着剤を介して接着する。次に、ステップ７（Ｓ７）において、ノズルプレート２６が接着された積層体を図示しない加熱・加圧装置で熱硬化性接着剤の硬化温度以上の温度に加熱しながら加圧する。そして、ステップ８（Ｓ８）において、加熱・加圧装置から取り出された積層体を自然冷却する。こうして、流路ユニット４と圧電シート２１とで構成されたヘッド本体１００が製造される。

しかる後、ヘッド本体１００と基部１１の接合工程などを経ることによって、上述したインクジェットヘッド９が完成する。この後、ＦＰＣ２０と圧電シート２１との接着工程を行った後、プラテンローラ４０、給紙機構及び排紙機構等が組み付けられたフレーム４３に基部１１を介してインクジェットヘッド９を固定することで、インクジェットプリンタ１が製造される。

以上のようなインクジェットヘッド９の製造方法によると、圧電シート２１とアクチュエータプレート２２との間に、圧電シート２１となる圧電前駆体層の結晶成長を阻害してしまう程の相互拡散がアクチュエータプレート２２よりも生じにくい表層１３を介在させているので、圧電前駆体層を焼成して圧電シート２１とする加熱工程において、圧電前駆体層を構成する材料とアクチュエータプレート２２を構成する材料とが相互拡散して悪影響を与えることを防ぐことができる。つまり、表層１３を構成する第１及び第２緩衝層１４，１５は、圧電シート２１となる圧電前駆体層が加熱されたときにおいて、ともに圧電前駆体層と相互拡散して悪影響を及ぼしにくいニッケル及び金のそれぞれからなるので、アクチュエータプレート２２上に圧電シート２１を焼成しても、圧電前駆体層の結晶成長が良好に進展した圧電シート２１となる。その結果、圧電シート２１の性能劣化が生じにくくなる。このようにして製造されたインクジェットヘッド９は、性能劣化がほとんどない圧電シート２１を有することになる。

また、第１緩衝層１４上に第２緩衝層１５が形成されているので、加熱工程において、圧電前駆体層を構成する材料とアクチュエータプレート２２を構成する材料とが相互拡散しにくくなり、相互拡散による悪影響が軽減される。また、金からなる第２緩衝層１５は熱安定性及び耐酸化性に優れているので、圧電前駆体層とアクチュエータプレート２２との相互拡散による悪影響を抑制することができるとともに、表層１３と圧電シート２１との界面に酸化膜が形成されにくくなる。そのため、圧電シート２１及びアクチュエータプレート２２に十分な電界を印加することができる。また、第１緩衝層１４が安価なニッケルからなるので、インクジェットヘッドの製造コストを減少させることができる。

続いて、表層１３の金属材料及びアクチュエータプレート２２の金属材料を種々変化させて組み合わせた第１〜第９実施例について、以下に説明する。表１に示すように、第１〜第９実施例における表層１３及びアクチュエータプレート２２の組み合わせで、積層体を製造する。このとき、積層体は上述したインクジェットヘッド９の製造方法とほぼ同じ製造方法で製造されている。

第１〜第４実施例では、アクチュエータプレート２２を構成する金属材料がステンレスからなり、その厚みが２０μｍである。第１実施例の表層１３は、厚みが５μｍのニッケル層だけからなり、第２実施例の表層１３は、厚みが２μｍの第１緩衝層１４となるニッケル層と、厚みが０．２μｍの第２緩衝層１５となる金層からなる。第３実施例の表層１３は、厚みが０．５μｍの金層だけからなり、第４実施例の表層は、厚みが４μｍの金層だけからなる。

第５〜第７実施例では、アクチュエータプレート２２を構成する金属材料が４２合金からなり、その厚みが２０μｍである。第５実施例の表層１３は、厚みが５μｍのニッケル層だけからなり、第６実施例の表層１３は、厚みが２μｍの第１緩衝層１４となるニッケル層と、厚みが０．２μｍの第２緩衝層１５となる金層からなる。第７実施例の表層１３は、厚みが４μｍの金層だけからなる。

第８及び第９実施例では、アクチュエータプレート２２を構成する金属材料がチタンからなり、その厚みが２０μｍである。第８実施例の表層１３は、厚みが５μｍの第１緩衝層１４となるニッケル層と、厚みが０．２μｍの第２緩衝層１５となる金層からなる。第７実施例の表層１３は、厚みが３μｍの白金層だけからなる。

各実施例のアクチュエータプレート２２と表層１３との組み合わせで形成された積層体の上面、すなわち表層１３の上面にチタン酸ジルコン酸鉛系のセラミック材料からなる圧電シート２１を焼成し、第１〜第９実施例毎にアクチュエータプレート２２と圧電シート２１とが表層１３で接合された積層体を形成する。こうして、得られた実施例毎の積層体の圧電シート２１の圧電性能及び結晶成長性、表層１３と圧電シート２１との界面での耐酸化性、ヘッドの製造コストの評価を表１に示す。また、アクチュエータプレート２２を構成する金属材料がステンレス、４２合金及びチタンのそれぞれからなるアクチュエータプレート上にチタン酸ジルコン酸鉛系のセラミック材料からなる圧電シートを焼成して第１〜第３比較例となる積層体を形成する。そして、これら第１〜第３比較例ごとの積層体の圧電シートについても本実施例と同様に圧電シートの圧電性能及び結晶成長性、アクチュエータプレートと圧電シートとの界面での耐酸化性、ヘッドの製造コストの評価を表１に示す。なお、表１中の○、△、×とした評価は、○が最も良い評価であって、△が○よりもやや劣る評価となっている。×は、最も悪い評価となっており、問題があることを示している。

表１に示すように、第１〜第３比較例の積層体の圧電シートでは、圧電シートの結晶成長性及び圧電性能がともに×の評価となっている。これは、圧電シートの焼成時に、アクチュエータプレートを構成する材料としての鉄やクロム等が圧電シート内に拡散する一方で、圧電前駆体層を構成する鉛がアクチュエータプレート内に拡散する（相互拡散）ため、圧電シートとなる圧電前駆体層の結晶成長が阻害され、その結果として第１〜第３比較例における圧電シートの圧電性能が低下するためである。これに対して、第１〜第９実施例の積層体の圧電シートでは、アクチュエータプレート２２と圧電シート２１との間に、表１に示す金属材料からなる表層１３がそれぞれ形成されているので、圧電シート２１の焼成時に、上述のようなアクチュエータプレート２２を構成する成分と圧電シート２１となる圧電前駆体層を構成する成分とが、圧電前駆体層の結晶成長を阻害する程にまで相互に拡散することがなくなる。そのため、圧電シート２１の圧電性能が低下しないので、表１に示すようにほとんどが○の評価となり、良好な結果となっている。なお、第３実施例のみ、圧電シート２１の結晶成長及び圧電性能の評価が△となっているが、これは金層からなる表層１３の厚みが０．５μｍと非常に薄いため、圧電シート２１の焼成時に、まれにアクチュエータプレート２２を構成する材料が圧電シート２１内に取り込まれる可能性があるからである。しかし、薄くても表層１３として金層が形成されているので、圧電シート２１の焼成時において、アクチュエータプレート２２を構成する材料が圧電シート２１に取り込まれるとしても、その量は極微量なものであるために、圧電シート２１の結晶成長がほとんど阻害されない。そのため、圧電シート２１の圧電性能の低下は極めて小さいものとなる。したがって、第３実施例においては△の評価としている。

第１〜第３比較例は、アクチュエータプレートと圧電シートとの界面における耐酸化性及びヘッドの製造コストについては、ほとんど○の評価となっているが、第２及び第３比較例において、耐酸化性が△の評価となっている。これは、第１比較例のアクチュエータプレートを構成するステンレスよりも、第２及び３比較例のアクチュエータプレートをそれぞれ構成する４２合金又はチタンが耐酸化性の点で若干劣っているからである。これに対し、圧電シート２１とで界面をなす層が金又は白金層となる第２〜第４実施例及び第６〜第９実施例においては、耐酸化性の評価が○となっている。これは、金又は白金がステンレスよりも耐酸化性に優れているからである。第１及び第５実施例においては、圧電シート２１とで界面をなす層がニッケル層となっているので、耐酸化性の評価が△となっている。これは、ニッケルがステンレス、又は金及び白金よりも耐酸化性が若干劣るからである。しかし、圧電シート２１とで界面をなす層がニッケル層であっても、圧電シート２１との界面のおいて、酸化膜は形成されにくいので問題なくニッケルを表層１３として使用することができる。

第１〜第３実施例、第５実施例、第６実施例及び第８実施例においては、金又は白金層が形成されていない、又は形成されていても非常に厚みが薄いので、ヘッドの製造コストが安くなり、その評価は○となっている。しかし、第４実施例、第７実施例及び第９実施例は、金又は白金層の厚みが大きいので、それら金又は白金層の材料費が高くなり、ヘッドの製造コストの面で×の評価となっている。なお、第１〜第３比較例は、表層が形成されていないので、当然、ヘッドの製造コストは安くなる。また、第１及び第５実施例は表層１３がニッケル層のみで形成されており、そのニッケルは非常に安価なため、９つの実施例の中でも最もヘッドの製造コストは低い。

以上のように、第１〜第９実施例によると、第１〜第３比較例より圧電シート２１となる圧電前駆体層の焼成時の結晶成長が良好に進展するため、圧電シート２１の圧電性能がほとんど低下しない。つまり、第１〜第３比較例のように表層が形成されていない状態で、アクチュエータプレート上に圧電シートを形成すると、圧電シートとなる圧電前駆体層の焼成時に、その内部にアクチュエータプレートを構成する金属材料が取り込まれ、圧電前駆体の結晶成長が阻害されるが、本実施例においては、アクチュエータプレート２２と圧電シート２１との間に各種の表層１３が形成されているので、圧電前駆体層の焼成時の結晶成長がアクチュエータプレート２２を構成する金属材料によってほとんど阻害されなくなる。そのため、圧電シート２１の圧電性能の低下がほとんど起こらなくなる。以上により、アクチュエータプレート２２と圧電シート２１との間に、相互拡散による悪影響を起こしにくい金属材料からなる表層を形成することで、圧電シート２１の圧電性能の低下を抑制することが分かる。

次に、表２に、圧電前駆体層を積層する基材（圧電シートとアクチュエータプレートとの間に介在する緩衝層）の材質の違いが、圧電前駆体層の結晶成長性に及ぼす影響について示す。圧電前駆体層が積層される基材として、第１０実施例ではニッケル箔を用い、第１１実施例では金箔を用いている。一方、第４比較例としては、アクチュエータプレートと同じ材質のステンレスを用いている。これら基材上に平均粒径が０．３μｍのＰＺＴ系圧電粒子を原料にした圧電前駆体層を作製し、その後、電気炉内において圧電前駆体層と各基材とを８５０℃で１５分間加熱し、圧電前駆体層を結晶成長させた。なお、結晶成長性に対応する指標としては、それぞれの圧電前駆体層と基材の組み合わせについて、焼成後の圧電シートの表面を、倍率が６０００倍の電子顕微鏡で写真観察して、顕微鏡像中からランダムに２０個の結晶粒を抽出し、その平均粒径値とした。

表２から第１０実施例では、焼成後の圧電シートとなった圧電前駆体層の平均粒径が１μｍの粒径にまで成長している。第１１実施例では、相互拡散が起きにくく熱安定性の高い金箔が用いられることで、焼成後の圧電シートとなった圧電前駆体層の平均粒径が１．３μｍとなり、第１０実施例より圧電前駆体層の結晶成長が進んだ結果となった。一方、第４比較例では、焼成後の圧電シートとなった圧電前駆体層の平均粒径が０．５μｍとなっており、焼成前の圧電前駆体層の平均粒径が０．３μｍであることを考えると、焼成後の圧電シートとなった圧電前駆体層の結晶成長がほとんど進行していない結果となった。これにより、第１０実施例のように基材をニッケル箔、第１１実施例のように基材を金箔とすれば、焼成された圧電前駆体層は、その結晶成長が基材により妨げられることなく良好に結晶成長することがわかる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、ニッケル以外の金属材料としてマグネシウム、亜鉛及びニオブを用いてもよく、これまで説明した第１緩衝層としての効果を実現することができる。この場合の第１緩衝層の形成方法としては、スパッタ法や蒸着法などの気相成長法が好適に用いられる。また、上述したインクジェットヘッド９は、第１緩衝層１４上に第２緩衝層１５を形成しているが、アクチュエータプレート２２と圧電シート２１との相互拡散を抑制する観点からいえば、第１緩衝層１４が金、白金などの金属材料からなる場合においては、第２緩衝層１５を設けなくてもよい。これは、金又は白金が優れた熱安定性及び耐酸化性を有しているので、上述した実施形態と同様にアクチュエータプレート２２と圧電シート２１との相互拡散、及び、圧電シート２１との界面に形成される酸化膜を抑制することが可能になるからである。また、ニッケルからなる第１緩衝層だけで表層を構成してもよい。これにより、耐酸化性は劣るが、アクチュエータプレート２２と圧電シート２１との相互拡散を抑制することができる。

また、上述した第２緩衝層１５は金、白金以外の金属材料から構成されていてもよい。また、アクチュエータプレートを構成する金属材料は、所定温度以上で加熱しても強度低下が生じないのであれば、ステンレス、４２合金及びチタン以外の金属材料から構成されていてもよい。

また、上述したインクジェットヘッド９の製造方法は、アクチュエータプレート２２と圧電シート２１との間に表層となる層（第１緩衝層）さえ形成すれば、第２緩衝層１５を形成する工程を備えていなくてもよい。

また、上述した実施形態では、圧電シート（圧電体）は、すべて圧力室に跨るように形成されているが、各圧力室に対応する独立した圧電体が形成されていてもよい。また、上述した実施形態では、ノズルプレートを除くプレートを拡散接合により一体化した後に、アクチュエータプレート上に第１及び第２緩衝層を形成しているが、予めこれら緩衝層を設けたアクチュエータプレートを用い、後で拡散接合による流路ユニットの形成を行ってもよい。また、ノズルプレートを除くプレートを拡散接合して流路ユニットを形成した後に、圧電シートの作製をしているが、アクチュエータプレートのみ又はアクチュエータプレートをキャビティプレートと接合しただけの状態の積層体に対して、圧電シートを形成し、さらに残りのプレートと接着剤により張り合わせて流路ユニットを作製するようにしてもよい。

本発明の一実施形態によるインクジェットヘッドを含むインクジェットプリンタの概略構成を示す斜視図である 図１に示すヘッド本体の平面図である。 図２に示すIII−III線における部分断面図である。 図３内に描かれた一点鎖線で囲まれた領域の拡大図である。 インクジェットヘッドの製造工程図である。 本発明の一実施形態によるインクジェットヘッドの製造工程の一部を示しており、（ａ）はノズルプレート除く４枚のプレートによって積層体が形成された状況を示す図であり、（ｂ）はアクチュエータプレートの上面に第１緩衝層が形成され、第１緩衝層上に第２緩衝層が形成された状況を示す図であり、（ｃ）は第２緩衝層上に圧電シートが形成された状況を示す図であり、（ｄ）は圧電シート上に個別電極が形成された状況を示す図である。

符号の説明

４ 流路ユニット
８ ノズル
９ インクジェットヘッド
１０ 圧力室
１３ 表層
１４ 第１緩衝層
１５ 第２緩衝層
２１ 圧電シート（圧電体）
２２ アクチュエータプレート（振動板）

Claims (10)

1. インクを吐出するノズル、及び、前記ノズルに連通し且つ金属製の振動板によって塞がれたインク室を有する流路ユニットを作製する工程と、
   加熱時における圧電前駆体との材料の相互拡散が前記振動板よりも生じにくい金属材料からなる第１の緩衝層を、前記振動板上に形成する工程と、
   前記圧電前駆体を前記第１の緩衝層上に形成する工程と、
   前記圧電前駆体が焼成して圧電体となるように、前記流路ユニット、前記第１の緩衝層及び前記圧電前駆体を加熱する工程とを備えていることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
2. 前記加熱工程の前に、加熱時における前記圧電前駆体との材料の相互拡散が前記振動板よりも生じにくい金属材料からなる第２の緩衝層を、前記第１の緩衝層上に形成する工程をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
3. 前記第２の緩衝層が、前記振動板と同等以上の耐酸化性を有していることを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
4. 前記振動板がステンレス、チタン及び４２合金のいずれかの材料からなり、前記加熱工程における加熱温度が６００℃以上９００℃以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
5. 前記第１の緩衝層がニッケルからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
6. 前記第２の緩衝層が金からなることを特徴とする請求項３に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
7. インクを吐出するノズル、及び、前記ノズルに連通し且つ金属製の振動板によって塞がれたインク室を有する流路ユニットを作製する工程と、
   ニッケル層を前記振動板上に形成する工程と、
   金層を前記ニッケル層上に形成する工程と、
   圧電前駆体を前記金層上に形成する工程と、
   前記圧電前駆体が焼成して圧電体となるように、前記流路ユニット、前記ニッケル層、前記金層及び前記圧電前駆体を６００℃以上９００℃以下の温度で加熱する工程とを備えていることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
8. インクを吐出するノズル、及び、前記ノズルに連通し且つ金属製の振動板によって塞がれたインク室を有する流路ユニットと、
   前記振動板上に形成されており、加熱時における圧電前駆体との材料の相互拡散が前記振動板よりも生じにくい金属材料からなる第１の緩衝層と、
   前記第１の緩衝層上に形成されており、前記圧電前駆体が焼成されてなる圧電体とを備えていることを特徴とするインクジェットヘッド。
9. 前記第１の緩衝層と前記圧電体との間に形成されており、加熱時における前記圧電前駆体との材料の相互拡散が前記振動板よりも生じにくい金属材料からなる第２の緩衝層をさらに備えていることを特徴とする請求項８に記載のインクジェットヘッド。
10. 前記第２の緩衝層が、前記振動板と同等以上の耐酸化性を有していることを特徴とする請求項９に記載のインクジェットヘッド。
    

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