JP2007190892A - インクジェットプリンタヘッド及びインクジェットプリンタヘッド製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電素子の駆動効率を向上させること。
【解決手段】絶縁基板20の上面に上面から底面にかけて拡がるテーパ面40aを有する駆動素子40を積層する積層工程と、レジストRを絶縁基板20の上面及び駆動素子40の上面及びテーパ面40aに塗布する塗布工程と、レジストRを除去するレジスト除去工程と、駆動素子40にその上面側から切削加工により溝Gを形成する溝形成工程と、絶縁基板20の上面及び駆動素子40の上面及びテーパ面40a上であってレジストRが除去された部分にニッケル電極パターン21を形成する電極形成工程とを備えている。
【選択図】図1
【解決手段】絶縁基板20の上面に上面から底面にかけて拡がるテーパ面40aを有する駆動素子40を積層する積層工程と、レジストRを絶縁基板20の上面及び駆動素子40の上面及びテーパ面40aに塗布する塗布工程と、レジストRを除去するレジスト除去工程と、駆動素子40にその上面側から切削加工により溝Gを形成する溝形成工程と、絶縁基板20の上面及び駆動素子40の上面及びテーパ面40a上であってレジストRが除去された部分にニッケル電極パターン21を形成する電極形成工程とを備えている。
【選択図】図1
Description
本発明は、圧電素子を駆動源とするインクジェットプリンタヘッド及びこのインクジェットプリンタヘッドの製造方法に関し、特に駆動効率を高める技術に関する。
駆動源として、圧電素子のシェアモードを利用した、いわゆるシェアモードシェアウォールインクジェットプリンタヘッドが知られている(例えば、特許文献1参照)。図7はこのようなインクジェットプリンタヘッド100を示す断面図である。インクジェットプリンタヘッド100は、圧電素子からなる基板110を具備し、溝111をダイヤモンドカッタの形状を利用して溝深さが漸次浅くなるように形成している。なお、溝111の図7中左端は圧力室112となる。なお、図7中120はノズル板、121はノズル、130は蓋部材、131は枠部材、132は蓋部材130と枠部材131により形成された共通液室、140は駆動回路を示している。
基板110には、駆動回路140からの駆動電流を伝達するための電極パターン113が形成されている。基板110の溝111内面と基板上面に設けられ、同一平面上となるため、周知のフォトリソグラフィの手法を利用して電極パターニング技術での電極形成が可能である。
しかしながら、上述した構成では、溝111も圧電素子であり、圧電素子は一般的に比誘電率が大きいため、ヘッドの静電容量が大きくなり、消費電力及び発熱量が大きくなる。また、駆動波形の立ち上がりが鈍る等の問題点があった。
また、本来駆動すべき圧力室112の壁面がが溝111の壁面と一体であるため、駆動が妨げられ、効率が悪くなる。さらに、圧力室112の開放端の圧力伝播を利用しているが、溝111があるために、開放端が明確でなく、かつ、狭いために伝播効率を下げるという問題があった。
なお、溝を別部材とすることでヘッドの静電容量を小さくする構成が提案されているが(例えば、特許文献2,3参照)、その他の問題は解決されていない。
一方、上述した問題を全て解決するヘッド、すなわち、ノズルを圧力室の中央の天井部に設け、開放端の圧力伝播を利用したものが知られている(例えば、特許文献4参照)。この構成によれば、基板上に駆動すべき圧電素子のみが設けてあることから上述した問題は発生しない。
特開平8−267769号公報
特開平7−101056号公報
特開2000−296618号公報
特開2002−113861号公報
上述した基板上に駆動すべき圧電素子のみを設けた構成では、次のような問題があった。すなわち、電極を形成する際に、圧電素子の両端にテーパ面を設け、電極膜形成後に、レーザ加工により不要な電極膜を除去し、電極をパターニングしていた。
この方法であると、レーザ加工によりパターンを1本1本描画していくので、加工時間が長くなるとともに、レーザの熱により圧電素子が劣化するという問題がある。
そこで本発明は、圧電素子の駆動効率を向上させることができるインクジェットプリンタヘッド及び圧電素子に熱負荷をかけないで電極を形成することができるインクジェットプリンタヘッド製造方法を提供することを目的としている。
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明のインクジェットプリンタヘッド及びインクジェットプリンタヘッド製造方法は次のように構成されている。
(1)絶縁基板と、この絶縁基板の端部に設けられたノズル板と、上記絶縁基板に積層配置され、かつ、上記ノズル板に隣接して配置されるとともに、所定間隔で形成された駆動素子と、この駆動素子相互間に形成された圧力室と、上記ノズル板に形成され、上記圧力室に連通するノズルと、上記駆動素子を覆い、上記絶縁基板上であって、上記圧力室に連通する共通液室を形成する蓋部材と、上記絶縁基板上に形成され、上記駆動素子を駆動するための電力が供給される配線パターンとを備えていることを特徴とする。
(2)絶縁基板と、この絶縁基板上面に積層配置されるとともに、上記所定間隔で形成された駆動素子と、この駆動素子に積層配置されたノズル板と、上記駆動素子相互間に形成された圧力室と、上記絶縁基板と上記ノズル板との間に配置され、上記駆動素子を囲むことで上記圧力室に連通する共通液室を形成する枠部材と、上記ノズル板に形成され、上記圧力室に連通するノズルと、上記絶縁基板上に形成され、上記駆動素子を駆動するための電力が供給される配線パターンとを備えていることを特徴とする。
(3)絶縁基板の上面に上面から底面にかけて拡がるテーパ面を有する駆動素子を積層する積層工程と、レジストを上記絶縁基板の上面及び上記駆動素子の上面及びテーパ面に塗布する塗布工程と、上記レジストを除去するレジスト除去工程と、上記駆動素子にその上面側から切削加工により溝を形成する溝形成工程と、上記絶縁基板の上面及び上記駆動素子の上面及びテーパ面上であってレジストが除去された部分に導電材を形成する電極形成工程とを備えていることを特徴とする。
本発明によれば、圧電素子の駆動効率を向上させることが可能となる。また、圧電素子に熱負荷をかけないで電極を形成することが可能となる。
図1は本発明の第1の実施の形態に係るインクジェットプリンタヘッド10を示す縦断面図である。インクジェットプリンタヘッド10は、セラミックス材料で形成された絶縁基板20と、この絶縁基板20の図中左端部に設けられたノズルプレート30と、絶縁基板20上であってノズルプレート30に隣接して配置された駆動素子40と、この駆動素子40を覆うことで絶縁基板20との間に共通液室51及び圧力室52を形成するセラミックス材製の蓋部材50とを備えている。なお、駆動素子40は駆動回路60により駆動される。
絶縁基板20上には、駆動素子40と駆動回路60とを導通させるニッケル電極パターン21が形成されている。ノズルプレート30には、ノズル31が形成されており、圧力室52に対応して形成されている。
駆動素子40は、例えばPZT系圧電セラミックス材料からなる一対の圧電素子41,42を有している。圧電素子41と圧電素子42とは、分極方向が逆向きになるように接着されている。駆動素子40の一方の端面はテーパ面40aが形成されている。テーパ面40aの角度θは、70°以下が好ましい。
蓋部50には、上述した共通液室51に外部からインクを供給するためのインク供給孔53が設けられている。また、駆動素子40に仕切られた隙間は圧力室52となる。
駆動回路60は、駆動素子40に通電し、振動させることで圧力室52内のインクを吐出させる機能を有している。
このように構成されたインクジェットプリンタヘッド10は、図2〜図5に示すようにして製造される。すなわち、図2に示すように、絶縁基板20上に、一方の端面にテーパ面40aが形成された駆動素子40を積層接着する。次に、絶縁基板20及び駆動素子40の表面にレジストRを均一に塗布し、乾燥させる。レジストRはスプレー、ディップ、スピン等の周知のコーティング手法で塗布する。なお、絶縁基板20に直方体状の駆動素子40を積層接着してから機械加工により駆動素子40の端面にテーパ面40aを形成するようにしてもよい。
次に、露光機(不図示)により、焦点を絶縁基板20の上面と駆動素子40の上面の略中間に合わせ、レジストRを露光する。その後、図3に示すように、現像液にて電極を形成したい部分のレジストRを除去する。なお、駆動素子40上面の絶縁基板20の上面からの高さは、圧力室52や共通液室51の容量によって定まるが、0.2〜1mm程度である。また、圧力室52のピッチは、50〜200μm程度であり、焦点をほぼ中間位置とすることで、場所によりパターン幅に差異は生じるが実用的には問題がない。また、絶縁基板20上面と駆動素子40上面とはテーパ面40aも露光され、レジストRが除去でき、電極を形成することができる。このとき、テーパ角θは70°以下が好ましい。
次に、図4に示すように、駆動素子40上面のレジストRを除去した部分に圧力室51となる溝Gをダイヤモンドカッタ等で形成する。これにより、レジストRが塗布されていないのは、溝G内部と絶縁基板20の電極必要部分のみとなる。
なお、溝Gを形成した後に、レジストRを塗布、露光、現像を行ってもよいが、溝G内にレジストRが残留しやすく、除去しにくいため、溝Gを後に形成するほうが好ましい。
次に、メッキの前処理を行い、パラジウム等をメッキの触媒核として、表面に吸着する。ここで、残ったレジストRを剥離液により剥離することで、電極が必要な部分にだけ触媒核が残る。この状態で、周知の無電解ニッケルメッキを施し、図5に示すように、ニッケル電極パターン21を形成する。なお、抵抗値を下げ、抵抗値のばらつきを軽減するためにニッケル表面に電界金メッキを施すことが好ましい。
次に、共通液室51及び圧力室52を形成するために、蓋部材50を接合し、先端部にノズルプレート30を接合する。さらに、ニッケル電極パターン21に異方導電性フィルム又はワイヤボンディング等により、駆動回路60と接続する。
このように構成されたインクジェットプリンタヘッド10では、駆動回路60からニッケル電極パターン21を介して駆動素子40に駆動電圧を印加する。駆動素子40の圧電素子41と圧電素子42とに電流が流れると、圧電素子41と圧電素子42は互いに逆向きに屈曲する。両圧電素子41,42の屈曲により、平板状だった駆動素子40が「L」字状に変形して、隣接する圧力室52の容積が小さくなる。圧力室52が小さくなって圧力室52内のインクが高圧になると、ノズル31からインク滴が勢い良く吐出される。
上述したように、インクジェットプリンタヘッド10によれば、圧電素子41,42の大きさを圧力室52とほぼ同じ大きさにすることができ、駆動効率を向上できる。また、静電容量を小さくできることから、消費電力及び発熱量を低減できるとともに、応答速度を速めることができる。さらに、開放端を明確にすることができ、伝播効率を上げることができる。すなわち、駆動効率を向上させることができる。
一方、ニッケル電極パターン21は、フォトリソグラフィの手法により形成することができるため、レーザ加工が不要となり、圧電素子41,42に熱負荷をかけることがなく、信頼性の高いインクジェットプリンタヘッド10を製造することができる。
図6は本発明の第2の実施の形態に係るインクジェットプリンタヘッド10Aを示す縦断面図である。図6において図1と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
インクジェットプリンタヘッド10Aは、セラミックス材料で形成された絶縁基板20と、この絶縁基板20に対向配置されたノズルプレート30と、絶縁基板20とノズルプレート30との間に積層配置された駆動素子40と、この駆動素子40を囲むことで、共通液室71及び圧力室72を形成するセラミックス材製の枠部材70とを備えている。なお、駆動素子40は駆動回路60により駆動される。
絶縁基板20上には、駆動素子40と駆動回路60とを導通させるニッケル電極パターン21が形成されている。また、共通液室71に連通し、共通液室71にインクを供給するインク供給孔22と、共通液室73に連通し、共通液室73内のインクを排出するインク排出孔23とを備えている。
ノズルプレート30には、ノズル31が形成されている。ノズル31は、各圧力室72に対応して形成されている。
駆動素子40は、例えばPZT系圧電セラミックス材料からなる一対の圧電素子41,42を有している。圧電素子41と圧電素子42とは、分極方向が逆向きになるように接着されている。駆動素子40の両方の端面はテーパ面40aが形成されている。また、駆動素子40に仕切られた隙間は圧力室72となる。
駆動回路60は、駆動素子40に通電し、振動させることで圧力室72内のインクを吐出させる機能を有している。
このように構成されたインクジェットプリンタヘッド10Aは、前述した図2〜図5に示す方法と同様にしてニッケル電極パターン21を形成する。なお、ノズル31が圧力室72の中央の天井部に設けられているため、前述したレジスト除去とは異なる手法によるレジスト除去が必要となる。すなわち、図1に示すインクジェットプリンタヘッド10では、絶縁基板20上のニッケル電極パターン21は、駆動素子40の電極はほぼ溝G内だけであるのに対し、インクジェットプリンタヘッド10Aでは駆動素子40への導入、配線抵抗の均一化等の理由でニッケル電極パターン21の引き回しが行われ、ピッチが狭くなることが多い。特に、絶縁基板20に設けられたインク供給孔22及びインク排出孔23を避ける必要があるため、特にピッチが狭くなる。このため、レジスト除去の際に行われるパターンの露光時の焦点を絶縁基板20の上面と駆動素子40の上面との中間点に定めると、駆動素子40の高さによっては狭いパターンを形成し難い場合がある。
したがって、焦点を絶縁基板20上に設定することで、絶縁基板20上のニッケル電極パターン21は狭いピッチで形成し、駆動素子40の上面のパターン形成を不十分とすることで、駆動素子40の上面にニッケル電極パターン21を形成しない。一方、ニッケル電極パターン21が形成された場合には、ニッケル電極パターン21同士が短絡する虞があるため、研磨等の機械加工によりニッケル電極パターン21を除去する。
このように構成されたインクジェットプリンタヘッド10Aでは、駆動回路60からニッケル電極パターン21を介して駆動素子40に駆動電圧を印加する。駆動素子40の圧電素子41と圧電素子42とに電流が流れると、圧電素子41と圧電素子42は互いに逆向きに屈曲する。両圧電素子41,42の屈曲により、平板状だった駆動素子40が「L」字状に変形して、隣接する圧力室72の容積が小さくなる。圧力室72が小さくなって圧力室72内のインクが高圧になると、ノズル31からインク滴が勢い良く吐出される。
上述したように、インクジェットプリンタヘッド10Aによれば、圧電素子41,42の大きさを圧力室72とほぼ同じ大きさにすることができ、駆動効率を向上できる。また、静電容量を小さくできることから、消費電力及び発熱量を低減できるとともに、応答速度を速めることができる。さらに、開放端を明確にすることができ、伝播効率を上げることができる。すなわち、駆動効率を向上させることができる。
一方、ニッケル電極パターン21は、フォトリソグラフィの手法により形成することができるため、レーザ加工が不要となり、圧電素子41,42に熱負荷をかけることがなく、信頼性の高いインクジェットプリンタヘッド10Aを製造することができる。
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。
10,10A…インクジェットプリンタヘッド、20…絶縁基板、21…ニッケル電極パターン、30…ノズルプレート、31…ノズル、40…駆動素子、41,42…圧電素子、50…蓋部材、51,71,73…共通液室、52,72…圧力室、70…枠部材。
Claims (7)
- 絶縁基板と、
この絶縁基板の端部に設けられたノズル板と、
上記絶縁基板に積層配置され、かつ、上記ノズル板に隣接して配置されるとともに、所定間隔で形成された駆動素子と、
この駆動素子相互間に形成された圧力室と、
上記ノズル板に形成され、上記圧力室に連通するノズルと、
上記駆動素子を覆い、上記絶縁基板上であって、上記圧力室に連通する共通液室を形成する蓋部材と、
上記絶縁基板上に形成され、上記駆動素子を駆動するための電力が供給される配線パターンとを備えていることを特徴とするインクジェットプリンタヘッド。 - 絶縁基板と、
この絶縁基板上面に積層配置されるとともに、上記所定間隔で形成された駆動素子と、
この駆動素子に積層配置されたノズル板と、
上記駆動素子相互間に形成された圧力室と、
上記絶縁基板と上記ノズル板との間に配置され、上記駆動素子を囲むことで上記圧力室に連通する共通液室を形成する枠部材と、
上記ノズル板に形成され、上記圧力室に連通するノズルと、
上記絶縁基板上に形成され、上記駆動素子を駆動するための電力が供給される配線パターンとを備えていることを特徴とするインクジェットプリンタヘッド。 - 絶縁基板の上面に上面から底面にかけて拡がるテーパ面を有する駆動素子を積層する積層工程と、
レジストを上記絶縁基板の上面及び上記駆動素子の上面及びテーパ面に塗布する塗布工程と、
上記レジストを除去するレジスト除去工程と、
上記駆動素子にその上面側から切削加工により溝を形成する溝形成工程と、
上記絶縁基板の上面及び上記駆動素子の上面及びテーパ面上であってレジストが除去された部分に導電材を形成する電極形成工程とを備えていることを特徴とするインクジェットプリンタヘッド製造方法。 - 上記レジスト除去工程は、マスク部材を用いてパターンを上記絶縁基板の上面と上記駆動素子の上面との中間位置を焦点として露光する露光工程を具備することを特徴とする請求項3に記載のインクジェットプリンタヘッド製造方法。
- 上記レジスト除去工程は、マスク部材を用いてパターンを上記絶縁基板の上面を焦点として露光する露光工程を具備することを特徴とする請求項3に記載のインクジェットプリンタヘッド製造方法。
- 上記電極形成工程は、上記レジストが除去された部分にメッキの触媒核を吸着させる工程と、
上記レジストを剥離するレジスト剥離工程と、
無電解メッキを行うメッキ工程とを具備することを特徴とする請求項3に記載のインクジェットプリンタヘッド製造方法。 - 上記電極形成工程は、上記絶縁基板の上面及び上記駆動素子の上面及びテーパ面に成膜する成膜工程と、
上記レジストを剥離するレジスト剥離工程とを具備することを特徴とする請求項3に記載のインクジェットプリンタヘッド製造方法。
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