JP2010030267A - インクジェットヘッド駆動部及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】インクジェットヘッド駆動部及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】上面に溝が形成された振動板と、上記溝の底面及び側壁を覆うように形成された第１電極と、上記溝を埋めるように上記第１電極上に形成された圧電体及び上記圧電体上に形成された第２電極を含むインクジェットヘッド駆動部を提供する。本発明によれば、薄膜圧電体及び振動板を備えて振動変位が大きく駆動電圧が低いインクジェットヘッド駆動部及びこれを製造する方法が提供される。
【選択図】 図２
【解決手段】上面に溝が形成された振動板と、上記溝の底面及び側壁を覆うように形成された第１電極と、上記溝を埋めるように上記第１電極上に形成された圧電体及び上記圧電体上に形成された第２電極を含むインクジェットヘッド駆動部を提供する。本発明によれば、薄膜圧電体及び振動板を備えて振動変位が大きく駆動電圧が低いインクジェットヘッド駆動部及びこれを製造する方法が提供される。
【選択図】 図２
Description
本発明は、インクジェットヘッド駆動部及びその製造方法に関するもので、より詳細には、薄膜圧電体及び振動板を備えて振動変位が大きく駆動電圧が低いインクジェットヘッド駆動部に関するものである。
一般的にインクジェットヘッドは、印刷用インクを微小な液滴の状態で、用紙や織物等の印刷媒体上の所望する位置に吐出させ、印刷媒体の表面に所定の色相の画像を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、インクの吐出方式によっていくつかに分けることができる。一つは熱源を用い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って、他の一つは圧電体を用いてその圧電体の変形によってインクに圧力をかけ、その圧力によって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。
ここで、圧電方式のインクジェットヘッドについて説明する、駆動部は、リストリクター、リザーバ、チャンバ及びノズル部分を除けば、図１に示されたように、チャンバ板１０１、振動板１０２、圧電体１０４、上部電極１０５及び下部電極１０３を含む構成となっている。このうち、チャンバ板１０１を除く場合もある。ここで、上部電極１０５及び下部電極１０３の間に圧電体１０４が配置され、下部電極１０３の下面は振動板１０２と結合する。また、振動板１０２の下面にはチャンバ板１０１が結合する。このような圧電方式のインクジェットヘッド駆動部は、インクジェットヘッドのインク吐出性能を決定する重要な要素で、電圧印加時に振動できる変位が大きく、駆動電圧は低いほど有利である。このためには、圧電体１０４と振動板１０２をなるべく薄く作る必要がある。
本発明は上記に鑑みて成されたものであって、本発明は、薄膜圧電体及び振動板を備え、振動変位が大きく駆動電圧の低いインクジェットヘッド駆動部を提供することを目的の一つとする。
さらに、本発明は、上記インクジェットヘッド駆動部を容易に製造することができる方法を提供することを目的の一つとする。
上述した課題を解決し目的を達成するために、本発明の一側面は、上面に溝が形成された振動板と、上記溝の底面及び側壁を覆うように形成された第１電極と、上記溝を埋めるように上記第１電極上に形成された圧電体及び上記圧電体上に形成された第２電極を含むインクジェットヘッド駆動部を提供する。
振動変位を向上するという側面においては、上記圧電体の厚さを２０〜３０μｍとすることが好ましい。また、上記振動板の上面及び上記圧電体の上面を同一の平面に配置することが好ましい。本発明の好ましい実施形態において、上記圧電体は上記第１電極に接合され形成されたものとすることができる。また、上記振動板はシリコンからなることができる。
一方、本発明の他の側面は、振動板の一面に溝を形成する段階と、上記溝の底面及び側壁に第１電極を形成する段階と、上記溝を埋めるように上記第１電極上に圧電体を形成する段階と、上記振動板及び上記圧電体の厚さが薄くなるように上記振動板の上記溝形成面と上記圧電体の露出面を研磨する段階及び上記圧電体上に第２電極を形成する段階を含むインクジェットヘッド駆動部の製造方法を提供する。ここで、上記溝を埋めるように上記第１電極上に圧電体を形成する段階は、上記第１電極に上記圧電体を接合させる段階であることが好ましい。
また、上記振動板の上記溝形成面と上記圧電体の露出面を研磨する段階は、上記振動板及び上記圧電体を同時に研磨する段階であることが好ましい。
好ましくは、上記振動板の上記溝形成面と上記圧電体の露出面を研磨する段階は、研磨後の上記振動板及び上記圧電体の表面が互いに同一の平面をなすように行われる。
また、上記振動板の上記溝形成面と上記圧電体の露出面を研磨する段階は、上記圧電体の厚さが２０〜３０μｍになるように行われる。
また、上記振動板の上記溝形成面と上記圧電体の露出面を研磨する段階は、化学機械研磨（ＣＭＰ）により行われることが好ましい。
一方、上記溝を埋めるように上記第１電極上に圧電体を形成する段階は、上記圧電体の厚さが８０〜１２０μｍとなるように行われる。
本発明の他の実施形態の場合、上記振動板は内部に形成されたエッチング阻止層を備えることができる。この場合、上記振動板の一面に溝を形成する段階は、上記振動板を上記エッチング阻止層までエッチングを行う段階とすることができる。
本発明によれば、薄膜圧電体及び振動板を備え、振動変位が大きく駆動電圧の低いインクジェットヘッド駆動部及びこれを製造する方法を得ることができる。このようなインクジェットヘッド駆動部の薄膜化は駆動波形を単純化させることができ、これにより駆動部の振動セル間の干渉を低減させ、吐出される周波数特性を向上させることができる。
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明するが、本発明の実施形態は、様々な形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野における平均的な知識を有する者に、本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における形状及び大きさ等は、より明確な説明のために誇張されることがあり、図面上に同じ符号で表される要素は同一の要素である。
図２は、本発明の第１の実施形態によるインクジェットヘッド駆動部を示す断面図である。図２を参照すると、本実施形態によるインクジェットヘッド駆動部２００は、チャンバ板２０１、振動板２０２、下部電極２０３、圧電体２０４及び上部電極２０５を備えて構成される。チャンバ板２０１は、内部に吐出しようとする液体を収容することができる空間を備え、振動板２０２の振動により液体を吐出することができる。この場合、チャンバ板２０１と振動板２０２はシリコン等からなる一体構造とすることができる。但し、チャンバ板２０１を除いた構成をインクジェットヘッド駆動部２００と称することもできる。
振動板２０２は、圧電体２０４の振動によりチャンバ板２０１の液体収容空間の体積を変化させる。特に、本実施形態の場合、その上部に溝が形成された構造である。振動板２０２の溝には下部電極２０３及び圧電体２０４が順に形成され振動板２０２の溝を埋める。即ち、振動板２０２の溝の底面及び側壁を覆うように導電性物質を蒸着する等の方法で下部電極２０３を形成し、下部電極２０３上に電気的信号により振動することができる圧電体２０４を形成する。
後述するように、圧電体２０４は初めから薄膜状態で形成されるものではなく、約１００μｍ以上の厚さを有する比較的に厚いバルク状態で下部電極２０３に接合され、それから研磨され所望の厚さｔ１を有することができる。このとき、圧電体２０４は、厚さｔ１が２０〜３０μｍ程度の薄膜形態になることによって振動変位を大きくとることができるため、駆動電圧を低くすることができる。また、インクジェットヘッド駆動部を薄膜化することは、駆動波形を単純化させることとなり、これにより駆動部の振動セル間の干渉を低減させ吐出周波数特性を向上させることができる。一方、圧電体２０４は当該技術分野において使用される、例えば、セラミック圧電体や水晶片等のどのような物質であっても使用することができる。
図３ａ〜図３ｅは、図２に示された構造を有する第１の実施形態によるインクジェットヘッド駆動部の作製技法を工程別に示した断面図である。先ず、図３ａに示されたように、チャンバ板２０１と振動板２０２を設ける。詳細に図示はしていないが、所望の形状を有するようにチャンバ板２０１を適切にエッチングして液体収容空間を形成し、振動板２０２と接合させる。ここで、振動板２０２は、後続の工程により研磨され薄くすることができるため、所定水準以上の厚さ、例えば、圧電体を接合してから共に研磨する工程を容易に制御することができる程度の厚さを有することが好ましい。
次に、図３ｂに示されたように、振動板２０２をその上部から厚さ方向に一部を除去し、溝を形成する。振動板２０２に溝を形成する理由は、上述したように、下部電極と圧電体を埋めるためのものである。ここで、溝形成工程としては、当該技術分野において公知となっているどのようなエッチング方法（ＩＣＰ、湿式エッチング等）も利用することができ、後述するように、図５に示したエッチング阻止層を利用すると、より容易に溝を形成することができる。
次に、図３ｃに示されたように、振動板２０２の溝の底面及び側壁を覆うように下部電極２０３を形成する。下部電極２０３は、上部電極と共に圧電体に電圧を印加するために利用されるものであって、導電性物質をメッキ加工や蒸着等の方法により形成されることができる。一方、図３ｃでは、振動板２０２の上面にまで下部電極２０３が形成されたことを説明したが、これとは異なり、下部電極２０３は、振動板２０２の溝の領域のみに限り形成することもできる。
次に、図３ｄに示されたように、振動板２０２の溝を埋めるように下部電極２０３上に圧電体２０４を形成する。圧電体２０４は、電圧印加時に振動することができるセラミック物質や水晶片等からなる。特に、本実施形態の場合、図４に示されたように、圧電体２０４はバルク形態で予め設けられてから下部電極２０３に接合される。この場合、研磨され薄くなる前の圧電体２０４の厚さｔ２は、本発明で所望するように薄くする必要がなく、８０〜１２０μｍ程度の厚さでも構わない。
本実施形態と異なる方法として、セラミック粉末をポリマーバインダー等と混合し、これをスクリーン印刷した後で塑性する方法によって圧電体を形成する。この方法の場合、圧電体の厚さを比較的容易に調節することはできるが、圧電体の耐久性等が弱く、性能についても本発明のようにバルク形態の圧電体を使用する場合に比べて劣る。しかし、バルク形態の圧電体を１００μｍ以下に加工することは困難であり、即ちバルク形態の薄膜圧電体を振動板に接合する方式でインクジェットヘッド駆動部を形成することは、決して容易であるとはいえない。このような問題を解決するために、本実施形態では、１００μｍという比較的に厚みのある圧電体２０４を振動板２０２の溝に埋め込み、後続の工程で振動板２０２と共に研磨する方法を使用した。
これについて、図３ｅを参照して説明すると、圧電体２０４が接合された状態で、振動板２０２、圧電体２０４、及び下部電極２０３の上面を研磨して、圧電体２０４が厚さ２０〜３０μｍになるようにする。この場合、下部電極２０３も共に研磨される。本研磨工程は、化学機械研磨（ＣＭＰ）を利用して行われ、圧電体２０４が埋め込まれた状態で振動板２０２と共に研磨されるため、従来のように、別個に圧電体２０４を研磨してから接合する場合に比べて、工程の精密性と利便性を向上することができる。即ち、圧電体２０４が振動板２０２及びチャンバ板２０１と接合された状態で研磨されることができ、容易に研磨工程を制御することができる。
次に、圧電体２０４の上面に上部電極をメッキ、蒸着等の工程により形成する。上部電極まで形成され、完成されたインクジェットヘッド駆動部の構造は図２に示されたものと同様である。
図５ａ〜図５ｅは、第１の実施形態から変形された第２の実施形態によるインクジェットヘッド駆動部の製造技法を工程別に示した断面図である。図５ａ〜図５ｅを参照すると、本実施形態によるインクジェットヘッド駆動部の製造技法は、図３ａ〜図３ｅで説明したように、チャンバ板５０１及び振動板５０２を設ける段階と、エッチングを通じて振動板５０２に溝を形成する段階と、下部電極５０３を形成する段階と、圧電体５０４を接合する段階と、振動板５０２及び圧電体５０４を研磨する段階を含む。図３ａ〜図３ｅにおける工程との相違点は、振動板５０２の内部にエッチング阻止層５０６を形成して、後続の溝形成工程をより容易にしたことである。エッチング阻止層５０６は、ＳｉＯ２のような酸化物からなるものとすることができ、所望する振動板５０２の厚さに該当する位置に配置される場合、図５ｃに示されたように、振動板５０２の溝の深さを適切に調節することができる。
本発明は、上述した実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、上記の特許請求の範囲により限定されるものである。従って、特許請求の範囲に記載の本発明の技術的思想から外れない範囲内で、当該技術分野における通常の知識を有する者により多様な形態への置換、変形及び変更が可能であり、これも本発明の範囲に属する。
２０１ チャンバ板
２０２ 振動板
２０３ 下部電極
２０４ 圧電体
２０５ 上部電極
２０２ 振動板
２０３ 下部電極
２０４ 圧電体
２０５ 上部電極
Claims (14)
- 上面に溝が形成された振動板と、
前記溝の底面及び側壁を覆うように形成された第１電極と、
前記溝を埋めるように前記第１電極上に形成された圧電体と、
前記圧電体上に形成された第２電極と、
を含むことを特徴とするインクジェットヘッド駆動部。 - 前記圧電体の厚さは、２０〜３０μｍであ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駆動部。
- 前記振動板の上面及び前記圧電体の上面は、互いに同一の平面をなす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駆動部。
- 前記圧電体は、前記第１電極に接合され形成された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駆動部。
- 前記振動板は、シリコンからな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駆動部。
- 振動板の一面に溝を形成する段階と、
前記溝の底面及び側壁に第１電極を形成する段階と、
前記溝を埋めるように前記第１電極上に圧電体を形成する段階と、
前記振動板及び前記圧電体の厚さが薄くなるように前記振動板の前記溝形成面と前記圧電体の露出面を研磨する段階と、
前記圧電体上に第２電極を形成する段階と、
を含むことを特徴とするインクジェットヘッド駆動部の製造方法。 - 前記溝を埋めるように前記第１電極上に圧電体を形成する段階は、前記第１電極に前記圧電体を接合させる段階であることを特徴とする請求項６に記載のインクジェットヘッド駆動部の製造方法。
- 前記振動板の前記溝形成面と前記圧電体の露出面を研磨する段階は、前記振動板及び前記圧電体を同時に研磨する段階であることを特徴とする請求項６に記載のインクジェットヘッド駆動部の製造方法。
- 前記振動板の前記溝形成面と前記圧電体の露出面を研磨する段階は、研磨後の前記振動板及び前記圧電体の表面が互いに同一の平面をなすように行われることを特徴とする請求項６に記載のインクジェットヘッド駆動部の製造方法。
- 前記振動板の前記溝形成面と前記圧電体の露出面を研磨する段階は、前記圧電体の厚さが２０〜３０μｍになるように行われることを特徴とする請求項６に記載のインクジェットヘッド駆動部の製造方法。
- 前記振動板の前記溝形成面と前記圧電体の露出面を研磨する段階は、化学機械研磨により行われることを特徴とする請求項６に記載のインクジェットヘッド駆動部の製造方法。
- 前記溝を埋めるように前記第１電極上に圧電体を形成する段階は、前記圧電体の厚さが８０〜１２０μｍになるように行われることを特徴とする請求項６に記載のインクジェットヘッド駆動部の製造方法。
- 前記振動板は、内部に形成されたエッチング阻止層を備えることを特徴とする請求項６に記載のインクジェットヘッド駆動部の製造方法。
- 前記振動板の一面に溝を形成する段階は、前記振動板を前記エッチング阻止層までエッチングする段階であることを特徴とする請求項１３に記載のインクジェットヘッド駆動部の製造方法。
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