JP2007216684A - スクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法及びインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法 - Google Patents

スクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法及びインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】スクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法及びインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法を提供すること。
【解決手段】厚膜が形成される表面上に所定深さのガイド溝125を形成するステップと、ガイド溝125の内部にペースト状の物質をスクリーンプリンティングにより塗布することによって厚膜を形成するステップと、を含むスクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法である。ガイド溝125は、厚膜と同じ平面形状を有するように形成され、ペースト状の物質は、ガイド溝125の幅より狭く塗布された後、平坦化されつつその幅がガイド溝125の幅と同じくなりうる。
【選択図】図2E

Description

本発明は、スクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法及びインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法に関し、特に、スクリーンプリンティングによってさらに均一な形状の厚膜を形成する方法及びその方法を利用してインクジェットヘッドの圧電アクチュエータを形成する方法に関する。
一般的に、インクジェットヘッドは、印刷用インクの微小な液滴を印刷媒体上の所望の位置に吐出させて所定色の画像に印刷する装置である。このようなインクジェットヘッドは、インク吐出方式によって2つに大別されうる。その一つは、熱源を利用してインクにバブルを発生させて、そのバブルの膨張力によりインクを吐出させる熱駆動方式のインクジェットヘッドであり、他の一つは、圧電体を使用して、その圧電体の変形によりインクに加えられる圧力によりインクを吐出させる圧電方式のインクジェットヘッドである。
図1Aは、従来の圧電方式のインクジェットヘッドの一般的な構成を示す断面図であり、図1Bは、図1Aに表示されたA−A’線による断面図であって、従来のスクリーンプリンティングにより形成された圧電アクチュエータの形状を示す。
図1A及び図1Bを共に参照すれば、インクジェットヘッドの流路プレート10には、インク流路を構成するマニホルド11、複数のリストリクター12及び複数の圧力チャンバ13が形成されている。前記流路プレート10の上面には、圧電アクチュエータ40の駆動により変形される振動板20が接合されており、流路プレート10の底面には、複数のノズル31が形成されたノズルプレート30が接合されている。一方、前記流路プレート10と振動板20とは一体に形成され、また、流路プレート10とノズルプレート30とも一体に形成されうる。
前記マニホルド11は、図示されていないインク貯蔵庫から流入されたインクを複数の圧力チャンバ13のそれぞれに供給する通路であり、リストリクター12は、マニホルド11から複数の圧力チャンバ13の内部にインクが流入される通路である。前記複数の圧力チャンバ13は、吐出されるインクが充填されるものであって、マニホルド11の一側または両側に配列されている。前記複数のノズル31は、ノズルプレート30を貫通するように形成され、複数の圧力チャンバ13のそれぞれに連結される。前記振動板20は、複数の圧力チャンバ13を覆うように流路プレート10の上面に接合される。前記振動板20は、圧電アクチュエータ40の駆動により変形されつつ、複数の圧力チャンバ13のそれぞれにインクの吐出のための圧力変化を提供する。前記圧電アクチュエータ40は、振動板20上に順次に積層された下部電極41と、圧電膜42と、上部電極43とから構成される。下部電極41は、振動板20の全面に形成され、共通電極の役割を行う。圧電膜42は、複数の圧力チャンバ13のそれぞれの上部に位置するように下部電極41上に形成される。上部電極43は、圧電膜42上に形成され、圧電膜42に電圧を印加する駆動電極の役割を行う。
前記のような構成を有する従来の圧電方式のインクジェットヘッドにおいて、前記圧電アクチュエータ40は、一般的に、下記のような方法により形成される。前記下部電極41は、振動板20の上面に所定の金属物質を、スパッタリングにより所定の厚さに蒸着することによって形成される。前記圧電膜42は、圧電特性を有するペースト状のセラミック材料を、下部電極41上にスクリーンプリンティングにより所定の厚さに塗布した後に焼結することによって形成され、上部電極43は、圧電膜42の上面に導電性物質を、スクリーンプリンティングにより塗布した後に焼結することによって形成される。
米国特許第6550897号明細書
しかしながら、前記圧電膜42は、ペースト状の圧電材料をスクリーンプリンティングにより約数十μmの厚膜に塗布した後、これを乾燥及び焼結させることによって形成されるが、このように厚膜に塗布されたペースト状の圧電材料は、ペーストの流動特性により経時的に平坦化されつつ広がる。これにより、図1Bに示すように、圧電膜42の中間部分は厚く、両側端部は薄くなって、均一な幅及び厚さを有する圧電膜42が形成され難い。そして、圧電膜42の端部も直線に形成されずに曲がるように形成され、これにより、圧電膜42の全体も屈曲及び凹凸の形状を有する。また、スクリーンプリンティングにより圧電膜42の上面に形成される上部電極43も、その幅、厚さ及び形状が不均一になる。また、前記圧電膜42の厚さが不均一であることによって、その上面に形成される上部電極43とその下側の下部電極41との間の距離が不均一であり、それにより、上部電極43と下部電極41との間に形成される電場も不均一になるという問題点がある。
一方、さらに高い印刷品質、すなわち、高解像度及び高い印刷速度を得るためには、ノズルの密度を高めることが必要である。ここで、ノズルの密度は、一般的に、cpi(channel per inch)で表され、画像の解像度は、一般的に、dpi(dot per inch)で表される。ノズルの密度を高めるためには、隣接した圧力チャンバ13の間の間隔を縮小させねばならないが、これにより隣接した圧電膜42の間の間隔も縮小する。しかし、前記のように、従来の方法により形成された圧電膜42は、その幅が不均一であって、隣接した圧電膜42と相互接触し、これにより、ノズルの密度の上昇に限界がある。
前記のように、従来のスクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法によれば、圧電アクチュエータ40の圧電膜42の厚さ及び幅を均一に形成できないという問題点があり、また、インクジェットヘッドのノズルの密度を上昇させ難いという問題点があった。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、特に、圧電膜の幅及び厚さを均一に形成でき、ノズルの密度を上昇させることが可能な、新規かつ改良されたスクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法及びその方法を利用したインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、スクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法において、前記厚膜が形成される表面上に所定深さのガイド溝を形成するステップと、前記ガイド溝の内部にペースト状の物質をスクリーンプリンティングにより塗布することによって前記厚膜を形成するステップと、を含むスクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法が提供される。
また、前記ガイド溝は、前記厚膜と同じ平面形状を有するように形成されるものであってもあってもよい。
また、前記厚膜の形成ステップで、前記ペースト状の物質は、前記ガイド溝の幅より狭い範囲で塗布された後、平坦化されつつその幅が前記ガイド溝の幅と同一になるものであってもよい。
また、前記厚膜は、10μm以上30μm以下の厚さを有するものであってもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、振動板の上部に形成されて、複数の圧力チャンバのそれぞれにインクの吐出のための駆動力を提供するインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法において、前記振動板上に絶縁膜を形成しつつ、前記振動板及び絶縁膜のうち何れか一つの上面に、前記複数の圧力チャンバのそれぞれに対応するように所定深さのガイド溝を形成するステップと、前記絶縁膜の上面に下部電極を形成するステップと、前記ガイド溝の内部にペースト状の圧電物質をスクリーンプリンティングにより塗布することによって圧電膜を形成するステップと、前記圧電膜の上面に上部電極を形成するステップと、を含むインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法が提供される。
また、前記振動板の上面に前記ガイド溝を形成した後、前記絶縁膜を前記振動板上に形成するものであってもよい。
また、前記振動板上に前記絶縁膜を形成した後、前記絶縁膜の上面に前記ガイド溝を形成するものであってもよい。
また、前記絶縁膜は、シリコン酸化膜であってもよい。
また、前記下部電極は、導電性の金属物質を所定の厚さに蒸着することによって形成されるものであってもよい。
また、前記下部電極は、スパッタリングによりTi層及びPt層を順次に蒸着することによって形成されるものであってもよい。
また、前記ガイド溝は、前記圧電膜と同じ平面形状を有するように形成されるものであってもよい。
また、前記ガイド溝の幅は、前記圧力チャンバの幅と実質的に同一であってもよい。
また、前記圧電膜の形成ステップで、前記ペースト状の圧電材料は、前記ガイド溝の幅より狭い範囲で塗布された後、平坦化されつつその幅が前記ガイド溝の幅と同一になるものであってもよい。
また、前記上部電極は、前記圧電膜の上面にペースト状の電極材料をスクリーンプリンティングにより塗布することによって形成されるものであってもよい。
また、前記圧電膜及び上部電極を共に焼結させるステップをさらに含むものであってもよい。
また、前記上部電極は、前記圧電膜上に導電性の金属物質をスパッタリングにより所定の厚さに蒸着することによって形成されるものであってもよい。
また、前記圧電膜を焼結させるステップをさらに含み、前記圧電膜の焼結後に前記上部電極が形成されるものであってもよい。
本発明によれば、均一な形状を有する圧電膜を容易に形成できる。したがって、圧電膜の上面に形成される形状も均一に制御でき、上部電極と下部電極との間の距離が比較的均一になって均一な電場が形成されうる。そして、圧電アクチュエータの圧電膜の幅を一定に制御できるので、インクジェットヘッドのノズルの密度を上昇させることが容易になる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭性及び便宜のために誇張されている場合がある。
図2Aないし図2Eは、本発明に係るスクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法を利用してインクジェットヘッドの圧電アクチュエータを形成する方法を段階的に示す図面である。
図2Aに示すように、圧電方式のインクジェットヘッドは、インク流路を有し、このインク流路は、複数の板、例えば、三つの板110、120、130に形成される。インクジェットヘッドの流路プレート110には、複数の圧力チャンバ113が形成されており、前記流路プレート110の上面には複数の圧力チャンバ113を覆う振動板120が接合されており、流路プレート110の底面には、複数のノズル131が貫設されたノズルプレート130が接合されている。そして、前記流路プレート110には、図示されていないが、マニホルド及び複数のリストリクターが形成される。一方、前記流路プレート110及び振動板120は、一つの板に形成され、また、流路プレート110とノズルプレート130とも一つの板に形成される。
前記のような構成を有するインクジェットヘッドの振動板120上には、この振動板120を変形させることによって、複数の圧力チャンバ113のそれぞれにインクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータ(図2Eの140)が下記のような段階を経て形成される。
まず、図2Aに示すように、前記振動板120の全面に絶縁膜121を形成する。このとき、前記絶縁膜121は、約1μm〜2μmの厚さに形成される。そして、前記振動板120がシリコン基板から形成される場合には、前記絶縁膜121は、シリコン酸化膜から形成される。
次いで、図2Bに示すように、前記絶縁膜121に所定の深さのガイド溝125を形成する。前記ガイド溝125は、パターニングされたフォトレジストをエッチングマスクとして利用して、前記絶縁膜121を部分的にエッチングすることによって形成される。前記絶縁膜121が前記のように約1μm〜2μmの厚さを有する場合、前記ガイド溝125は、前記絶縁膜121の厚さの約半分の深さ、すなわち、約0.5μm〜1μmの深さを有するように形成されることによって、前記ガイド溝125の部位にも絶縁膜121を残存させる。そして、前記ガイド溝125は、複数の圧力チャンバ113のそれぞれに対応する位置に形成される。また、前記ガイド溝125は、圧電アクチュエータ140の圧電膜(図2Dの142)と同じ平面形状を有するように形成され、その幅は、前記圧力チャンバ113の幅と実質的に同じであることが望ましい。
次いで、図2Cに示すように、前記絶縁膜121上に圧電アクチュエータ140の共通電極としての役割を行う下部電極141を形成する。前記下部電極141は、絶縁膜121の全面に導電性金属物質を所定の厚さに蒸着することによって形成される。例えば、前記下部電極141は、一つの金属物質層から形成されるが、Ti層及びPt層の二つの金属物質層から形成されてもよい。後者の場合、前記Ti層は、スパッタリングにより約400Åの厚さに形成され、Pt層は、スパッタリングにより約5,000Åの厚さに形成されうる。
次いで、図2Dに示すように、前記ガイド溝125の内部に圧電膜142を形成する。具体的に、ペースト状の圧電材料、例えば、PZT(Lead Zirconate Titanate)セラミック材料をスクリーンプリンティングにより所定の厚さ、例えば、約30μm〜60μmの厚さに塗布する。このとき、圧電材料は、前記ガイド溝125の幅よりやや狭い幅に塗布されることが望ましい。このように塗布された圧電材料は、経時的にペーストの流動特性により平坦化されつつ、その幅が広くなって、図2Dに示す形状のような圧電膜142が形成される。このとき、圧電膜142の幅は、前記ガイド溝125の幅に制限されることによって一定になり、その厚さも、従来に比べて比較的均一になる。そして、前記圧電膜142を自然乾燥させるか、または約100℃のホットプレートを使用して強制的に乾燥させる。このような乾燥方法は、ペーストの粘度によって選択される。
次いで、図2Eに示すように、乾燥された圧電膜142の上面に、駆動電極としての役割を行う相部電極143を形成する。このとき、上部電極143は、圧電膜142の上面に電極材料、例えば、Ag−Pdペーストをスクリーンプリンティングした後に乾燥させることによって形成されうる。次いで、前記圧電膜142及び上部電極143を約900℃〜1200℃で焼結させる。それにより、前記圧電膜142は、約10μm〜30μmの厚さに収縮する。
前記段階を経れば、図2Eに示すように、下部電極141と、圧電膜142と、上部電極143とが順次に積層された構造を有する圧電アクチュエータ140が完成される。このように完成された圧電アクチュエータ140の圧電膜142は、ガイド溝125により均一な幅及び比較的に平坦な上面を有する。そして、前記圧電膜140の端部も直線に形成される。
一方、上述のように、上部電極143はスクリーンプリンティングにより形成されると説明したが、上部電極143は、スクリーンプリンティングではなく、スパッタリングにより形成されうる。詳細に説明すれば、まず、図2Dに示す段階で圧電膜142をまず焼結した後、焼結された圧電膜142の上面に電極物質、例えば、AuまたはPtのような導電性金属物質をスパッタリングにより所定の厚さに蒸着することによって、図2Eに示すような上部電極143を形成できる。
図3Aないし図3Cは、本発明に係るスクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法を利用して、インクジェットヘッドの圧電アクチュエータを形成する他の方法を段階的に示す図面である。図3Aないし図3Cに示す実施形態は、振動板の上面にガイド溝が形成される点を除いては、図2Aないし図2Eに示す実施形態と同じであるので、その重複説明を避けるために簡略に説明する。
まず、図3Aに示すように、インクジェットヘッドの振動板120に所定の深さのガイド溝126を形成する。前記ガイド溝126は、パターニングされたフォトレジストをエッチングマスクとして利用して、前記振動板120を部分的にエッチングすることによって形成されうる。前記振動板120は、圧力チャンバ131のサイズによって約10μm〜20μmの厚さを有するので、前記ガイド溝126が約0.5μm〜1μmの深さを有するように形成されても、振動板120の作用には影響を及ぼさない。そして、前記ガイド溝126の位置及び形状は、前述した実施形態と同じであるので、これについての詳細な説明を省略する。
次いで、図3Bに示すように、振動板120の全面に絶縁膜121及び下部電極141を順次に積層する。前記絶縁膜121及び下部電極141の形成方法も、前述した実施形態と同じである。
次いで、図3Cに示すように、前記ガイド溝126の内部にスクリーンプリンティングにより圧電膜142を形成し、前記圧電膜142の上面に、スクリーンプリンティングまたはスパッタリングにより上部電極143を形成する。前記圧電膜142及び上部電極142の形成方法も前述した実施形態と同じである。
前記段階を経れば、図3Cに示すように、下部電極141と、圧電膜142と、上部電極143とが順次に積層された構造を有する圧電アクチュエータ140が完成される。
以上、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明したが、これは例示的なものに過ぎず、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点が理解できるであろう。例えば、前記では、インクジェットヘッドの圧電アクチュエータを形成する方法について図示されかつ説明されたが、本発明は、ガイド溝を利用してスクリーンプリンティングにより均一な形状を有する厚膜を形成する方法にも適用されうるということは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。本発明の真の技術的な保護範囲は、特許請求の範囲によって定められる。
本発明は、圧電アクチュエータの形成方法関連の技術分野に好適に利用されうる。
従来の圧電方式のインクジェットヘッドの一般的な構成を示す断面図である。 図1Aに示すA−A’線による断面図であって、従来のスクリーンプリンティングにより形成された圧電アクチュエータの形状を示す。 本発明の一実施形態に係るスクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法を利用してインクジェットヘッドの圧電アクチュエータを形成する方法を段階的に示す図面である。 本発明の一実施形態に係るスクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法を利用してインクジェットヘッドの圧電アクチュエータを形成する方法を段階的に示す図面である。 本発明の一実施形態に係るスクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法を利用してインクジェットヘッドの圧電アクチュエータを形成する方法を段階的に示す図面である。 本発明の一実施形態に係るスクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法を利用してインクジェットヘッドの圧電アクチュエータを形成する方法を段階的に示す図面である。 本発明の一実施形態に係るスクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法を利用してインクジェットヘッドの圧電アクチュエータを形成する方法を段階的に示す図面である。 本発明の一実施形態に係るスクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法を利用してインクジェットヘッドの圧電アクチュエータを形成する他の方法を段階的に示す図面である。 本発明の一実施形態に係るスクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法を利用してインクジェットヘッドの圧電アクチュエータを形成する他の方法を段階的に示す図面である。 本発明の一実施形態にに係るスクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法を利用してインクジェットヘッドの圧電アクチュエータを形成する他の方法を段階的に示す図面である。
符号の説明
110 流路プレート
113 圧力チャンバ
120 振動板
121 絶縁膜
130 ノズルプレート
131 ノズル
140 圧電アクチュエータ
141 下部電極
142 圧電膜
143 上部電極

Claims (17)

  1. スクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法において、
    前記厚膜が形成される表面上に所定深さのガイド溝を形成するステップと、
    前記ガイド溝の内部にペースト状の物質をスクリーンプリンティングにより塗布することによって前記厚膜を形成するステップと、
    を含むことを特徴とする、スクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法。
  2. 前記ガイド溝は、前記厚膜と同じ平面形状を有するように形成されることを特徴とする、請求項1に記載のスクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法。
  3. 前記厚膜の形成ステップで、前記ペースト状の物質は、前記ガイド溝の幅より狭い範囲で塗布された後、平坦化されつつその幅が前記ガイド溝の幅と同一になることを特徴とする、請求項1又は2に記載のスクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法。
  4. 前記厚膜は、10μm以上30μm以下の厚さを有することを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載のスクリーンプリンティングによる厚膜の形成方法。
  5. 振動板の上部に形成されて、複数の圧力チャンバのそれぞれにインクの吐出のための駆動力を提供するインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法において、
    前記振動板上に絶縁膜を形成しつつ、前記振動板及び絶縁膜のうち何れか一つの上面に、前記複数の圧力チャンバのそれぞれに対応するように所定深さのガイド溝を形成するステップと、
    前記絶縁膜の上面に下部電極を形成するステップと、
    前記ガイド溝の内部の前記下部電極上にペースト状の圧電物質をスクリーンプリンティングにより塗布することによって圧電膜を形成するステップと、
    前記圧電膜の上面に上部電極を形成するステップと、
    を含むことを特徴とする、インクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法。
  6. 前記振動板の上面に前記ガイド溝を形成した後、前記絶縁膜を前記振動板上に形成することを特徴とする、請求項5に記載のインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法。
  7. 前記振動板上に前記絶縁膜を形成した後、前記絶縁膜の上面に前記ガイド溝を形成することを特徴とする、請求項5に記載のインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法。
  8. 前記絶縁膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする、請求項5〜7のいずれかに記載のインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法。
  9. 前記下部電極は、導電性の金属物質を所定の厚さに蒸着することによって形成されることを特徴とする、請求項5〜8のいずれかに記載のインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法。
  10. 前記下部電極は、スパッタリングによりTi層及びPt層を順次に蒸着することによって形成され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の圧電アクチュエータの形成方法。
  11. 前記ガイド溝は、前記圧電膜と同じ平面形状を有するように形成されることを特徴とする、請求項5〜10のいずれかに記載のインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法。
  12. 前記ガイド溝の幅は、前記圧力チャンバの幅と実質的に同一であることを特徴とする、請求項11に記載のインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法。
  13. 前記圧電膜の形成ステップで、前記ペースト状の圧電材料は、前記ガイド溝の幅より狭い範囲で塗布された後、平坦化されつつその幅が前記ガイド溝の幅と同一になることを特徴とする、請求項5〜12のいずれかに記載のインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法。
  14. 前記上部電極は、前記圧電膜の上面にペースト状の電極材料をスクリーンプリンティングにより塗布することによって形成されることを特徴とする、請求項5〜13のいずれかに記載のインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法。
  15. 前記圧電膜及び上部電極を共に焼結させるステップをさらに含むことを特徴とする、請求項14に記載のインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法。
  16. 前記上部電極は、前記圧電膜上に導電性の金属物質をスパッタリングにより所定の厚さに蒸着することによって形成されることを特徴とする、請求項5〜13のいずれかに記載のインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法。
  17. 前記圧電膜を焼結させるステップをさらに含み、前記圧電膜の焼結後に前記上部電極が形成されることを特徴とする、請求項16に記載のインクジェットヘッドの圧電アクチュエータの形成方法。
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