JP2005324557A - インクジェットプリンタヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラスにてなる流路板と圧電板または圧電基板に対する接合の信頼性を高め、製造歩留まりを向上させる。
【解決手段】複数のインク流路溝３７を形成されたインク流路板３３をガラスにて製造し、圧電板３２の上面に感光性組成物の接着層３４を被着し、第１回目の熱圧着工程で接着層３４にインク流路板３３の下面を熱圧着させたのち、インク流路板３３を通した露光工程で接着層３４を感光硬化せしめ、第１回目の熱圧着より高温の第２回目の熱圧着工程で接着層３４を完全硬化させる。
【選択図】 図１

Description

本発明はインクジェットプリンタに使用するインクジェットヘッドの製造方法に関する。

最近のインクジェットプリンタは、高精細印刷を可能にするため、インク流路が独立に可動し、インク流路を高密度化した小形軽量構成のものが求められるようになった。

図６はインクジェットプリンタの概略を示す斜視図であり、インクジェットプリンタ１は、記録媒体３を送出させるプラテンローラ２、プラテンローラ２に平行する２本のステーシャフト４ａと４ｂ、ステーシャフト４ａと４ｂに案内されてプラテンローラ２の長さ方向に往復動するキャリッジ５、キャリッジ５に搭載されたインクジェットヘッドユニット６を備え、インクジェットヘッドユニット６から記録媒体３に飛翔させるインクを補給するため、インクジェットヘッドユニット６とインク溜まり７とは、可撓性チューブ８によって接続されている。

かかるインクジェットプリンタ１において、インクジェットヘッドユニット６からインクを飛翔させる手段としては、ノズル内に埋め込んだ発熱体に通電し、インク中にバブルを発生させたときの体積変化を利用するバブルジェット方式と、圧電体素子に通電して発生する圧力波を利用するピエゾ方式が注目されている。

ピエゾ方式のインクジェットヘッドとしては、（１）圧電駆動電極を内蔵する圧電基板の表面にインク流路溝を形成し、その溝をガラスにてなる上蓋で塞いだもの、（２）圧電駆動電極を内蔵する圧電基板の表面に、インク流路溝を形成したインク流路板を被せたもの（流路板方式）、（３）上下に貫通する溝を形成した流路板の上面と下面に、圧電駆動電極を内蔵する圧電体を貼着したものが、一般に知られている。

図７は流路板方式のインクジェットヘッドの分解模式図、図８は図６に示すインクジェットヘッドの断面図、図９はインクジェットヘッドにおける干渉の説明図、図１０はクロストークをなくす第１の従来方法の説明図である。

図７において、インクジェットヘッドユニット６に組み込まれるインクジェットヘッド９は、圧電基板１０と複数（図は４本）のインク流路溝１２を形成したインク流路板１１を、接着層２１で接合し、その前面には複数のインク流路溝１２のそれぞれに連通するノズル１３が形成されたノズル板１４が接合され、インク流路溝１２は図示しないインク供給路によってインク供給口１５に連通し、インク供給口１５に可撓性チューブ８（図９参照）の一端が接続されるようになる。

図８において、接着層２１でインク流路板１１を接合した圧電基板１０内には、インク流路板１１のインク流路溝１２に対応し、圧電駆動電極１６が形成されている。

２層以上（図は３層）の電極パターンにてなる圧電駆動電極１６は、電極間に所定の電圧を印加するとその間の圧電層が図の上方向に伸びてインク流路溝１２を圧縮し、インク流路溝１２内インクの一部がノズル１３から記録媒体３（図６参照）に向けて飛翔するようになる。

複数の圧電駆動電極１６とその電極１６に対応する複数のインク流路溝１２が形成された前記（１）方式のインクジェットヘッド９において、精細化印刷用では、圧電駆動電極１６およびインク流路溝１２を近接させる必要がある。

そこで、所定の駆動電極１６、例えば図９のインクジェットヘッド９において、左から２番目の駆動電極１６に駆動電圧を印加すると、圧電基板１０は図９に破線１７で示すように、駆動電圧が印加された部分が上方に伸び、所定のインク流路溝１２-1の容積が狭められると共に、隣接するインク流路溝１２-2の容積も僅かながら圧縮されるようになる。

隣接インク流路溝１２-2の圧縮を一般に干渉と呼んでおり、その干渉によるクロストークをなくす方法として、図１０に示す如く、隣接するインク流路溝１２の間にスリット１８を、圧電基板１０に設けたものが知られている。幅が１０〜８０μｍのスリット１８は、一般にダイシングソーで機械的に切削している。

一般に、インク流路板１１はガラスにて製造し、接着層２１に感光性組成物（紫外線硬化型接着剤）を使用している。そして、接着層２１による圧電基板１０とインク流路板１１の接合は、[1] 圧電基板１０の表面に、ドライフィルムと呼ばれる紫外線硬化型接着剤のフィルムをラミネートするまたは、液状の感光性組成物の接着剤（紫外線硬化型接着剤）を塗布してその接着剤膜を形成し、[2] そのドライフィルムまたは接着剤膜に所定強度、例えば１００ｍｊ／ｃｍ2 程度の紫外線を照射し露光硬化させたのち、[3] ドライフィルムまたは接着剤膜にインク流路板１１を重ね、５００ＫＰａ程度の圧力，１５０℃，１時間程度で熱圧着させている。

以上説明したよう、複数の圧電駆動電極を同一圧電基板内に形成したとき、インク流路および圧電駆動電極を接近させるとクロストークが生じ、そのクロストークが流路板方式の高精細化に対し大きな障害となっていた。

クロストークをなくす第１の従来方法は、図１３を用いて説明した如く、隣接する圧電駆動電極の間にスリット１８を形成する構成であり、機械加工によるスリット１８はその形成に長時間かかり、かつ、スリット形成位置を決める位置決めが煩わしいため、量産に向かないという問題点があった。

図１１はクロストークをなくす第２の従来方法の説明図、図１２はクロストークをなくす第３の従来方法の説明図である。図１１のインクジェットヘッドは、圧電駆動電極１６′をインク流路溝１２の幅より適当な狭幅とする構成であり、圧電駆動電極１６′により発生する圧電基板１０の変形が、隣接するインク流路溝１２に影響しないようにしたことである。

しかし、圧電特性（単位電圧当たりの変化量）が一点鎖線１９で示すような駆動電圧を圧電駆動電極１６′に印加したとき、圧電駆動電極１６′を内蔵する圧電基板１０の拘束力により、圧電基板１０の実際の変形は破線２０で示す如く、一点鎖線１９より横方向に広がって弱められたものとなり、インク流路溝１２に対し所要の圧縮力を与えることが困難になる。

その解決策としては、インク流路溝１２の面積を大きくするまたは、圧電駆動電極１６′の印加電圧を高くすることが考えられるが、それらは何れもインクジェットヘッドを大形化させ高精細化印刷の妨げになるまたは、駆動回路を高価格化するという問題点が発生する。

図１２において、圧電素子２３を下面に接合した比較的薄い基板２２の上面が、インク流路板１１の下面に接合された構成であり、圧電素子２３としてインク流路溝１２より狭幅のものを使用する。

かかる構成のインクジェットヘッドは、図１１の圧電基板１０について説明した駆動時の拘束力が低減する。しかし、基板２２による拘束力が、インク流路溝１２の間隔を狭める（高精細化印刷）に対する障害となっていた。

さらに、ガラスにてなるインク流路板１１を、接着層２１で圧電基板１０に接合させたとき、硬化した接着層２１の硬度が低いと、接着層２１がクッションとなって圧電駆動電極１６または１６′あるいは圧電素子２３の変形（発生歪）の一部を吸収し、インク流路溝１２に印加する圧力のロスが生じる。その結果、インクの飛翔特性が低下するようになる。

前記接合において、露光処理で感光硬化させた接着層２１に被着材（インク流路板の被着面）が少し埋入した状態とし、その状態で熱圧着させることが望ましい。しかし、露光処理後に熱圧着させる従来方法では、接着層２１に対する被着面の埋入量が浅くなり、部分的に接着不良が生じ易い。

その対策として、露光処理における光量を弱くし露光による硬化を低下させる方法が考えられるが、その方法では熱圧着後の接着層２１が硬度不足となり、前記圧力ロスを招くことになる。

他方、接着層２１に液状接着剤を使用する方法は、接着剤の粘度コントロールが容易でない、即ち大気の温度および湿度によって変化する粘度の最適化が困難であり、粘度が高いと薄く塗付することが難しく、粘度が低いとインク流路溝１２に接着剤の一部が流入し、インク流路溝１２の形状や体積および断面積が設計値と異なって、インクの飛翔特性の低下およびばらつきが生じる。

本発明の目的は、ガラスにてなる流路板と圧電板または圧電基板に対する接合の信頼性を高め、製造歩留まりを向上させることである。

上記目的を達成する本発明のインクジェットプリンタヘッドの製造方法は、複数のインク流路溝を形成されたインク流路板の下面に、圧電板の上面を接合させたインクジェットプリンタヘッドの製造方法において、該インク流路板をガラスにて製造し、該圧電板の上面に感光性組成物の接着層を被着し、第１回目の熱圧着工程で該接着層に該インク流路板の下面を熱圧着させたのち、該インク流路板を通した露光工程で該接着層を感光硬化せしめ、該第１回目の熱圧着より高温の第２回目の熱圧着工程で該接着層を完全硬化させることである。

前記本発明のインクジェットプリンタヘッドの製造方法は、ガラスにてなるインク流路板の接合による問題点を解決し、該接合の信頼性を高めると共に製造歩留りを向上させる。

以上説明したように本発明の請求項１はガラスにてなる流路板と圧電板または圧電基板に対する接合の信頼性を高め、そのことでインク流路および圧電駆動電極を接近可能にすると共に、製造歩留りが向上する。

図１は本発明の第１の実施例の説明図、図２は本発明の第２の実施例の説明図である。

簡略化したインクジェットプリンタヘッドの断面を示す図１において、インクジェットプリンタヘッド３１は、圧電板３２の上面にインク流路板３３を、フィルム状の接着層３４で接合し、圧電板３２の下面に圧電素子３５を形成（または接合）してなる。

ガラスにてなるインク流路板３３には、図紙の厚さ方向に延在する複数のインク流路溝３７が形成され、インク流路溝３７より狭幅の複数個の圧電素子３５は、インク流路溝３７のそれぞれに対応する。

本実施例において、圧電粉末にてなるグリーンシートは、例えば粒径が約１．０μｍのＰＮＮ系圧電粉末、例えばＰｂ（Ｎｉ_1/3 Ｎｂ_2/3)Ｏ₃ とＰｂＴｉＯ₃とＰｂＺｒＯ₃ を、０．５：０．３５：０．１５の重量比で混合し、さらにＰＶＢ（有機バインダ：ポリビニルプチラール）とＤＢＰ（可塑剤：ジブビニルブチラール）およびテルプレオール（有機溶媒）を混合してスラリーとし、そのスラリーからドクターブレード法によって作成し、そのグリーンシートを焼成してなる圧電板３２には、インク流路溝３７のそれぞれの長さ方向、かつ、幅方向の両内側部に沿って延在する溝３６が、グリーンシート焼成後、カッターブレードで機械加工している。

なお、一般にグリーンシートの焼成は、約５００℃に加熱する脱脂処理（ＰＶＢを除去）と、約１１００℃に加熱する本格的硬化処理と２段階に分けて実施している。

圧電素子３５は、圧電部材３５ｂを一対の駆動電極３５ａと３５ｃで挟む構成であり、接着剤で圧電基板３２に接着してもよい。しかし、本実施例では、駆動電極３５ａを印刷にて圧電板３２の下面に形成し、次いで、駆動電極３５ａに重ねて圧電部材３５ｂを印刷形成または所定寸法に切断した圧電グリーンシートを貼着し、しかるのち駆動電極３５ｃを印刷法によって形成しており、圧電部材３５ｂと一対の駆動電極３５ａと３５ｃは、圧電基板３２と共に焼成している。

接着層３４は圧電板３２とインク流路板３３を接合するためのものである。従って、圧電板３２とインク流路板３３が接する所要部分に被着していればよいが、その所要部分だけに接着層３４を被着させることが非常に煩わしい作業となる。

そのためインクジェットプリンタヘッド３１では、溝３６の上面を塞ぐ不要部分および、インク流路溝３７に対応する圧電板３２の不要部分にも、接着層３４が被着している。かかる不要部分に被着する接着層３４は、インクジェットプリンタヘッド３１に対する悪影響が殆ど認められず、圧電板３２とインク流路板３３の接合作業を容易にする。

接着層３４は、従来のインクジェットプリンタヘッドに使用するもの、即ち液状接着剤を塗付またはフィルム状接着剤を貼着し利用することができる。かかるインクジェットプリンタヘッド３１において、特定の圧電素子３５に駆動電圧を印加したとき、圧電部材３５ｂにその厚さ方向の電界が作用することにより、圧電素子３５にはｄ３１方向（電界に垂直な方向）の変位が発生し、駆動圧電素子３５の変形量（インク流路溝３７の圧縮量）は、従来構成のものより大きくなる。即ち、図１１に二点鎖線３８で示す如く、破線１８より大きくなって一点鎖線１９に近付くなるようになると共に、隣接するインク流路溝３７に対する干渉を低減させるようになる。

次に、本発明による圧電板３２とインク流路板３３の接合方法を説明する。本実施例において接着層３４には、フィルム状の感光性組成物（光硬化型接着剤）、即ち一般にドライフィルムレジストと呼ばれ、光（紫外線）硬化型接着剤をフィルム状にしたものを、圧電板３２とインク流路板３３の間に挟む。

次いで、第１回目の熱圧着では５００ＫＰａ程度の押圧力を加え、完全熱硬化温度より低温の１００℃で１０分程度加熱したのち、露光硬化処理、即ちガラスにてなるインク流路板３３を通し接着層３４に２００ｍｊ／ｃｍ² 程度の紫外線を照射する。

次いで、５００ＫＰａ程度の押圧力を加える第２回目の熱圧着では、１５０℃で１時間程度加熱する。その結果、接着層２４は熱と光（紫外線）による完全硬化が完了する。

かかる接合方法は、インク流路板３３の下面が適当に接着層３４に埋まって、確実な接合が確保されるようになり、該圧電板３２とインク流路板３３の接合に対する信頼性が向上する。

なお、接着層３４による接合において、接着面積の５％未満の剥がれを良品と評価したとき、使用する接着層３４の種別によって、良品と評価されるのに必要な紫外線露光量（ｍｊ／ｃｍ²)に多少の差があるが、本発明方法による最低露光量は１５０ｍｊ／ｃｍ² であった。

そして、特定種類の接着層３４において、２００ｍｊ／ｃｍ₂ の露光量で露光処理したのち熱圧着した従来方法の試料では、接着面積の４０％以上に剥がれが観察されたのに対し、それと同一種類の接着層３４を使用し、本発明方法によって第１回目の熱圧着を施したのち、２００ｍｊ／ｃｍ² の露光量で露光処理し、次いで第２回目の熱圧着を施した試料では、接着面積の剥がれ率は５％未満であった。

簡略化したインクジェットプリンタヘッドの断面を示す図２において、インクジェットプリンタヘッド４１は、圧電板３２の上面にインク流路板３３を、接着層３４で接合し、圧電板３２の下面に圧電素子基板４２を接合してなる。

インク流路板３３と圧電板３２は、図１のインクジェットプリンタヘッド３１のそれと同一のため、説明を省略するが、圧電素子基板４２は、圧電板３２の下面に被着する第１の電極４３と、圧電部材４４を挟んで電極４３に対向し圧電部材４４の下面凸部４４′に被着する第２の電極４５にてなる。

かかる圧電素子基板４２は、圧電粉末にてなるグリーンシート、例えば粒径が約１．０μｍのＰＮＮ系圧電粉末、例えばＰｂ（Ｎｉ_1/3 Ｎｂ_2/3)Ｏ₃ とＰｂＴｉＯ₃ とＰｂＺｒＯ₃ を、０．５：０．３５：０．１５の重量比で混合し、さらにＰＶＢ（有機バインダ：ポリビニルプチラール）とＤＢＰ（可塑剤：ジブビニルブチラール）およびテレプレオール（有機溶媒）を混合してスラリーとし、そのスラリーからドクターブレード法によって作成したグリーンシートの上面に、例えばＡｇ−Ｐペーストを印刷して電極４３となる導体層を形成し、そのグリーンシートの下面に例えばＡｇ−Ｐペーストを印刷して電極４５となる導体層を形成したのち、それを焼成して製造される。

なお、下面凸部４４′は、各インク流路板３３の両側部に対応する一対の溝３６の形成間に対応しており、インクジェットプリンタヘッド３１の駆動電極３５ｃに相当する複数の電極４５は、圧電駆動回路のプラス電圧端子に接続されるようになるのに対し、インクジェットプリンタヘッド３１の駆動電極３５ｃに相当し複数の電極４５が対応する電極４３は、圧電駆動回路の接地端子またはマイナス電圧端子に接続されるようになる。

本実施例において、圧電基板３２の溝３６および圧電部材４４の下面凸部４４′は、圧電粉末にてなるグリーンシートを焼成して平板状に形成したのち、溝３６および下面凸部４４′の間の不要部を機械加工によって削除している。

かかるインクジェットプリンタヘッド４１において、特定の電極４５に駆動電圧を印加したとき、その電極４５が形成された凸部４４′には、厚さ方向の電界が作用し、圧電基板３２を部分的に変形（ｄ３１方向の変位）せしめ、圧迫されたインク流路溝３７のインク、即ちインクジェットプリンタヘッド３１と同等に圧縮されたインク流路溝３７のインクは、隣接するインク流路溝３７に対する干渉なしに飛翔するようになる。

なお、インクジェットプリンタヘッド４１の前記説明では、圧電基板３２と圧電素子基板４２を別々に製造し接合させている。しかし、圧電基板３２と圧電素子基板４２の製造にグリーンシートを使用したとき、圧電基板３２と圧電素子基板４２を一体化させた製造方法、即ち、焼成前の圧電基板３２と圧電素子基板４２を重ねて焼成することで、両者の一体化が可能になる。

図３は本発明の第３の実施例の説明図、図４は本発明の第４の実施例の説明図、図５は本発明の第３および第４の実施例に使用したグリーンシートの説明図である。

図３において、インクジェットプリンタヘッド５１は、圧電基板５２の上面とインク流路板３３の下面が接着層３４で接合されている。圧電グリーンシートを焼成してなる圧電基板５２には、複数のインク流路溝３７のそれぞれに対応する圧電駆動電極５３、即ち複数層（図は３層）の電極パターンにてなる圧電駆動電極５３を内蔵し、その上面にはインク流路溝３７を挟むように開口する複数の溝５４が形成され、溝５４内には焼成残滓５５が被着している。

図４において、インクジェットプリンタヘッド５６は、圧電基板５７の上面とインク流路板３３の下面が接着層３４で接合されている。圧電粉末よりなるグリーンシートを焼成してなる圧電基板５７には、インク流路溝３７に対応する圧電駆動電極５３を内蔵し、その上面にはインク流路溝３７の形成間に対応し開口する複数の溝５４が形成されている。

図５において、６１は適当な寸法に切断した圧電粉末よりなるグリーンシート、６２はグリーンシート６１の所定部に短冊形状の貫通穴６４を設けたグリーンシート、６３はグリーンシート６１の所定部に短冊形状の貫通穴６４と帯状の導体パターン６５を設けたグリーンシートである。

グリーンシート６１は、例えば粒径が約１．０μｍのＰＮＮ系圧電粉末、例えばＰｂ（Ｎｉ_1/3 Ｎｂ_2/3)Ｏ₃ とＰｂＴｉＯ₃ とＰｂＺｒＯ₃ を、０．５：０．３５：０．１５の重量比で混合し、さらにＰＶＢ（有機バインダ：ポリビニルプチラール）とＤＢＰ（可塑剤：ジブビニルブチラール）およびテレプレオール（有機溶媒）を混合してスラリーとし、そのスラリーからドクターブレード法によって厚さ５０μｍに作成したのち、所定寸法例えば１００ｍｍ×１００ｍｍに切断する。

グリーンシート６２において、貫通穴６４はインクジェットプリンタヘッド５１または５６の溝５４を形成するためのものであり、例えば幅４００μｍ程度の貫通穴６４はプレス抜きにより形成する。

グリーンシート６３において、貫通穴６４はインクジェットプリンタヘッド５１または５６の溝５４を形成するためプレス抜きしたものであり、導体パターン６５は圧電駆動電極５３を形成するため、例えばＡｇ−Ｐペーストをスクリーン印刷してなる。

そこで、インクジェットプリンタヘッド５１の圧電基板５２は、例えばグリーンシート６１を２０枚重ね、その上にグリーンシート６３を３枚重ね、その上に１枚のグリーンシート６３を重ねたのち、位置合わせで上下方向に連通する貫通穴６４に、グリーンシート６１と同一無機組成物で成収縮率がグリーンシート６１より大きいペースト、例えばグリーンシート６１製造用スラリーよりＰＶＢおよびテレプレオールが数倍多い（全体の６０％程度）ペーストを充填し、１５０℃で３０分程度加熱しテレプレオールを除去したのち、１１００℃で４時間程度焼成する。

すると、貫通穴６４に充填し焼成されたペーストの残滓５５は、図３に示す如く、連通貫通穴６４の底面（最上位のグリーンシート６１上面）に被着し、かつ、連通貫通穴６４の側壁との間に隙間が、即ち幅４００μｍの貫通穴６４を形成した実施例では５０μｍ程度の隙間が生じ、その焼成体を複数の貫通穴６４の長さ方向端部近傍で切断すると圧電基板５２が完成し、前記隙間が駆動させた電極５３による干渉を防止するようになる。

次に、インクジェットプリンタヘッド５６の圧電基板５７の製造方法について説明する。圧電基板５７において、グリーンシート６１〜６３を重ねることは、圧電基板５２の製造時と同じであるが、位置合わせで上下方向に連通する貫通穴６４、例えば幅１２０μｍの貫通穴６４には、グリーンシート６１製造用スラリーに使用したＰＶＢを充填する。

そこで、１５０℃で３０分程度加熱したのち、１１００℃で４時間程度の焼成処理を施すと、ＰＶＢは昇華して図４に示す如く、圧電基板５２には、連通する貫通穴６４からなり従来の干渉防止用スリット１８に相当する溝５４が形成され、その焼成体を複数の溝５４の長さ方向端部近傍で切断し、圧電基板５７が完成する。

本発明の第１の実施例の説明図 本発明の第２の実施例の説明図 本発明の第３の実施例の説明図 本発明の第４の実施例の説明図 本発明の第３および第４の実施例に使用したグリーンシートの説明図 インクジェットプリンタの概略を示す斜視図 流路板方式のインクジェットヘッドの分解模式図 図６に示すインクジェットヘッドの断面図 インクジェットヘッドにおける干渉の説明図 クロストークをなくす第１の従来方法の説明図 クロストークをなくす第２の従来方法の説明図 クロストークをなくす第３の従来方法の説明図

符号の説明

３１，４１，５１，５６ インクジェットヘッド
３２ 圧電板
３３ インク流路板
３４ 接着層
３５ 圧電素子
３５ａ，３５ｃ，４３，４５ 電極
３５ｂ，４４ 圧電部材
３６ インク流路に対向する圧電板の溝
３７ インク流路
４２ 圧電素子基板
４４′ 圧電部材下面凸部
５３ 圧電駆動電極
５４ 圧電基板の溝
５５ 焼成残滓
５７ 圧電基板
６１，６２，６３ グリーンシート
６４ グリーンシートの貫通穴
６５ 導体パターン

Claims (2)

1. 複数のインク流路溝を形成されたインク流路板の下面に、圧電板の上面を接合させたインクジェットプリンタヘッドの製造方法において、
   該インク流路板をガラスにて製造し、
   該圧電板の上面に感光性組成物の接着層を被着し、
   第１回目の熱圧着工程で該接着層に該インク流路板の下面を熱圧着させたのち、
   該インク流路板を通した露光工程で該接着層を感光硬化せしめ、
   該第１回目の熱圧着より高温の第２回目の熱圧着工程で該接着層を完全硬化させること、を特徴とするインクジェットプリンタヘッドの製造方法。
2. 前記圧電板は、前記複数のインク流路溝のそれぞれに対応する圧電駆動電極を内蔵する圧電基板であることを特徴とする請求項１記載のインクジェットプリンタヘッドの製造方法。
   

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