JP3820665B2

JP3820665B2 - インクジェットヘッドの製造方法

Info

Publication number: JP3820665B2
Application number: JP3183497A
Authority: JP
Inventors: 英雄保富
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1997-02-17
Filing date: 1997-02-17
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2017-02-17
Also published as: JPH10226069A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧印加により変形する圧電アクチュエータの製造方法に関する。また、圧電アクチュエータによりインクを押圧してインク滴を吐出させ、記録紙等の記録媒体に付着させて画像を記録するインクジェットヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電圧印加時の圧電アクチュエータの変形によってインク室に収容されたインクを加圧し、インク室に連通するノズルからインク滴を吐出するタイプのインクジェットヘッドが知られている。この種のインクジェットヘッドでは、通常、複数のインク室が微小ピッチで配列されており、これら各インク室にそれぞれ対応させて圧電アクチュエータを設ける必要がある。そのために、これまでは支持基板上に接着固定した圧電プレートにダイシングソーやワイヤーソー等で機械加工を施して複数の微小片に分割することにより、複数の圧電アクチュエータを形成するのが一般的であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、圧電プレートを機械加工で分割する方法では、圧電アクチュエータを一本づつ切り出すため加工に時間がかかり、量産性が低かった。また、切削途中で圧電アクチュエータに折れや欠けが生じやすく、歩止まりが悪かったため、生産コストが高くついていた。さらには、ダイシングソー等では機械加工面の制約から圧電アクチュエータを約１００μｍオーダの配列ピッチで形成するのが限度であり、それに応じてインク室およびノズルもそれ以上に高密度に配列することができないという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、上記問題点に鑑みて、製造コストを低減可能で量産性に優れ、精度よく高密度に圧電アクチュエータを配列可能であり、かつ、プリント速度の高速化に適したインクジェットヘッドの製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、基板状に積層したフォトレジスト層に型孔を設け、この型孔に圧電材料のスラリを充填し、このスラリが充填されたフォトレジスト層の表面に金属層を形成し、この金属層上であって上記型孔に対向する位置にフォトレジストからなる凸状型を設け、この凸状型の周囲の金属層上に非圧電材料のスラリを積層して上記凸状型を覆い、これらを一体に焼成して上記凸状型および上記フォトレジスト層を焼き飛ばすことにより、上記凸状型に対応するインク室用の空間を有する非圧電部材と、上記基板と上記金属層との間に固定された圧電部材とを形成し、この圧電部材を分極処理して圧電アクチュエータとするものである。
【０００７】
【発明の効果】
本発明のインクジェットヘッドの製造方法では、フォトレジスト層の型孔に圧電材料のスラリを充填して焼成するだけで基板上に圧電アクチュエータを同時に形成することができる。この場合、フォトレジスト層は焼成により焼き飛んでなくなるため、圧電アクチュエータに折れや欠けが生じるおそれもない。また、焼成工程では一度に大量の部材の処理が可能である。したがって、本発明によれば、機械加工の場合に比べて歩留まりおよび量産性が向上し、製造コストを安くできる。
【０００８】
また、フォトレジスト層の型孔は公知のフォトリソグラフィにより形成され、圧電アクチュエータを複数配列する際にも、そのピッチは露光の際のマスクパターンのピッチによって決めることができる。したがって、従来の機械加工による場合に比べて圧電アクチュエータを精度よく、より高密度に配列することが可能になる。
【０００９】
さらに、基板、アクチュエータ、金属層、およびインク室を有する非圧電材料からなるインクジェットヘッドが一度の焼成工程により一体形成される。したがって、従来のように個々に加工された複数の部材を接着剤で固定しながらヘッドを組み立てる場合に比べて製造および組立工程を簡略化することができ、より一層のコストダウンを図れる。
さらにまた、上述したように、圧電アクチュエータを精度よく高密度に配列できるので、高密度多ノズル化することでプリント速度を上げることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１から図３は、本発明の製造方法を適用したインクジェットヘッド１０を示す。このヘッド１０は、中央線３０を挟んで対向する大径インク滴吐出用ヘッド部（以下、「大径ヘッド部」という）１２と小径インク滴吐出用ヘッド部（以下、「小径ヘッド部「という）１４とからなり、天板１６、隔壁２０、圧電アクチュエータ２２および基板１８により一体に構成されている。
【００１１】
天板１６は、セラミックス、金属、ガラス、合成樹脂等からなり、一体成型、電鋳、フォトリソグラフィ等の方法で天板１６の形成と同時に、あるいは天板１６の形成後の微細加工によりその裏面に複数の凹部が形成されている。これら凹部が隔壁２０によって覆われることにより、大径ヘッド部１２と小径ヘッド部１４のそれぞれに、インクを収容するインク室２４、補給用インクを収容するインク供給室２６、およびインク室２４とインク供給室２６とを接続するインクインレット２８が形成されている。なお、本実施形態のインクジェットヘッドは、大径ノズルと小径ノズルとを備えたものであるが、これに限らず、ノズル径が全て同一のインクジェットヘッドであっても構わない。
【００１２】
インク室２４は各ヘッド部１２，１４の対向方向に長溝状に延びており、中央線３０に沿って等ピッチで形成されている。インク供給室２６はインク室２４を挟んで中央線３０の反対側に形成されており、図示しないインクタンクにそれぞれ接続されている。また、天板１６にはインク室２４の中央線３０側の端部に連通するノズル３２，３４が形成されている。各ノズル３２，３４は、図２に示すように段付きの断面形状を有しているが、吐出口径は大径ヘッド部１２のノズル３２の方が小径ヘッド部１４のノズル３４よりも大きく形成してある。
【００１３】
上記隔壁２０とセラミック、金属、シリコン、ガラス等からなる基板１８とに挟まれて固定された圧電アクチュエータ２２は周知の圧電材料からなり、インク室２４よりも少し中央線３０寄りの位置からインク供給室２６にかけてインク室２４に沿って延びている。圧電アクチュエータ２２は、インク室２４に対向する分極処理された活性部３６と、この活性部３６の両側につながる未分極状態の非活性部３８，４０とを有している。これにより、圧電アクチュエータ２２の上面と下面に設けた共通電極および個別電極（いずれも図示せず）間に電圧を印加すると、活性部３６だけが変形するようになっている。なお、圧電アクチュエータ２２は単層のものに限らず、共通電極と個別電極とを交互に挟むように薄膜圧電シートを積層してなる積層型圧電アクチュエータを用いてもよい。
【００１４】
次に、図４，５を参照して圧電アクチュエータ２２の製造方法を具体的な材料や条件を例示しながら説明する。なお、以下の説明において、数値や材料等の条件は一つの例であってこれらに限定されるものではなく、所望により任意に変更可能である。まず、図４（ａ）に示すように、表面を２０００番研磨した厚さ３ｍｍのアルミナ製の基板１８上に、ニッケルペーストを５μｍの厚みにパターン印刷したのちメタライズ焼き付けして個別電極４２を形成しておく。この個別電極４２は上記圧電アクチュエータ２２の活性部３６に相当する長さとする。そして、この基板１８上にフォトレジスト層４４を積層する。フォトレジスト層４４は、プロビミド７０２０（富士ハントエレクトロニクステクノロジ社製）を１００μｍずつ２度塗りして２００μｍの厚みに形成する。その後、１００℃で３分間ソフトベークした。
【００１５】
ついで、下面に圧電アクチュエータ２２の平面形状に対応するマスクパターン４６をクロム層で形成した石英ガラス板４８を介して、上方よりＧ線の紫外線を４００ｍＪ／ｃｍ²で４秒間照射し、上記フォトレジスト層４４にパターン露光する。このとき、未露光部、すなわちマスクパターン４６が個別電極４２上にくるように位置合わせしておく。
【００１６】
続いて、図４（ｃ）に示すように、露光されたフォトレジスト層４４を現像液ＱＺ３５０１（富士ハントエレクトロニクステクノロジ社製）で現像して未露光部を除去する。これにより、フォトレジスト層４４には圧電アクチュエータ２２に対応する形状の複数の型孔５０が個別電極４２上に形成される。そして、リンス液ＱＺ３５１２（同社製）で洗浄して乾燥させたのち、３５０℃で１時間キュアリングした。
【００１７】
次に、図５（ａ）に示すように、例えばジルコン酸鉛とチタン酸鉛のアルコキシドにより調製したパウダを焼成後の比率がＰｂ₁（Ｚｒ_0.52 ,Ｔｉ_0.48）Ｏとなるように当量分散したスラリをフォトレジスト層４４の型孔５０に流し込み、上方より板材で加圧する。これにより、各型孔５０に圧電材料のスラリが充填される。そして、図５（ｂ）に示すように、フォトレジスト層４４上にあふれたスラリ５２をブレード５３で除去し、型孔５０内だけにスラリ５２が残るように整形したのち、１４０℃で３０分間乾燥させた。その後、フォトレジスト層４４およびスラリ５２の表面に共通電極となる厚さ１μｍのニッケルめっき層を形成する。
【００１８】
ニッケルめっき層形成後、それらを１２００℃で焼成すると、フォトレジスト層４４とその表面のニッケルめっき層は焼き飛んでなくなる。これにより、図５（ｃ）に示すように、基板１８上には上下面に共通電極５４および個別電極４２を有する圧電部材５６だけが残る。なお、ニッケルめっき層の厚みが２μｍ以上あるとフォトレジスト層４４と共に熱分解せずに残る可能性があるため、その厚みは１μｍ程度とするのが好ましい。なお、図５（ｂ）において、フォトレジスト層を硬化温度でキュアリングした後、電極４２上のみの領域に電極材ペーストをパターン塗布し、焼結することにより、圧電部材５６上に２μｍ以上の導電層を形成することもできる。
【００１９】
そして、焼成された圧電部材５６を徐冷したのち、１５０℃に加熱した状態で上下の共通電極５４と個別電極４２との間に例えば直流電圧１．５ｋＶ／ｍｍを１０分間印加して活性部３６となる領域を分極処理する。これにより、圧電アクチュエータ２２の製造が完了する。なお、以上の工程を繰り返せば積層型の圧電アクチュエータを製造することもできる。
【００２０】
このように、上記圧電アクチュエータの製造方法では、フォトレジスト層４４の型孔５０に圧電材料スラリ５２を充填して焼成するだけで基板１８上に複数の圧電アクチュエータ２２を同時に形成することができる。この場合、フォトレジスト層４４は焼成により焼き飛んでなくなるため、圧電アクチュエータ２２に折れや欠けが生じることもない。また、焼成工程では一度に大量の処理が可能である。したがって、本発明によれば、圧電アクチュエータを機械加工で形成する場合に比べて歩止まりと量産性が格段に向上し、製造コストを安くできる。
【００２１】
また、フォトレジスト層４４の型孔５０は公知のフォトリソグラフィにより形成され、圧電アクチュエータ２２の配列ピッチは露光の際のマスクパターン４６のピッチによって決まる。したがって、この方法によれば、従来の機械加工による場合に比べて寸法精度の高い圧電アクチュエータ２２をより高密度に配列することが可能になり、それに対応してインク室２４およびノズル３２，３４も高密度に配置できるため、高密度多ノズル化することによりプリント速度を上げることができる。
【００２２】
上記インクジェットヘッド１０では、インクタンクからインク供給室２６に供給されたインクがインクインレット２８を介してインク室２４に収容される。この状態で、画像信号に応じてドライバ回路（図示せず）から個別電極４２および共通電極５４間に駆動電圧が印加されると、圧電アクチュエータ２２の活性部３６が厚み方向に瞬時に膨張変形し、隔壁２２を介してインク室２４内のインクを加圧する。これにより、ノズル３２，３４からそれぞれインク滴が吐出されるが、その吐出口径の違いからノズル３２からはノズル３４よりも比較的大きなインク滴が吐出される。これらインク滴が記録媒体に付着して大，小ドットを形成し、これらドットの集合により階調画像が記録される。電圧印加が解除されると上記活性部３６は元の状態に復帰し、毛管現象によりインク供給室２６からインク室２４にインクが補給され、次のインク吐出に備える。
【００２３】
上記インクジェットヘッド１０において、天板１６および隔壁２０は基板１８上に形成された圧電アクチュエータ２２に接着して組み立ててもよいが、以下に説明するインクジェットヘッドの製造方法により一体形成してもよい。
【００２４】
基板１２上にフォトレジスト層４４を積層し、その型孔５０に圧電材料スラリ５２を充填し、整形、乾燥するまでは上述した圧電アクチュエータ２２の製造方法と同じである。ついで、図６（ａ）に示すように、フォトレジスト層４４および圧電材料スラリ５２の表面にニッケルめっき層（金属層）６０を約１０μｍの厚みに形成する。このニッケルめっき層６０は上記隔壁２０および上記共通電極５４を兼ねるものである。
【００２５】
続いて、図６（ｂ）に示すように、ニッケルめっき層６０上であって型孔５０に対向する位置にフォトレジストからなる凸状型６２をそれぞれ設ける。この凸状型６２はフォトレジスト層の積層、パターン露光、現像の工程を３回繰り返してパターン形成された３層構造を有している。第１層６４はインク室２４、インク供給室２６およびインクインレット２８となる空間に対応する形状に形成され、第２，第３層６６はノズル３２，３４の段付き孔形状に対応するように形成されている。
【００２６】
ついで、各凸状型６２の周囲のニッケルめっき層６０上に酸化ジルコニウムからなる非圧電材料のスラリを凸状型６２の先端面の高さまで積層したのち、これらを１２００℃で一体に焼成するとフォトレジスト層４４および凸状型６２が焼き飛んでなくなる。これにより、図６（ｃ）に示すように、ニッケルめっき層６０上の非圧電材料が焼成されて、インク室２４等となる空間７０およびノズル３２，３４を有する天板（非圧電部材）１６が形成される。また、基板１８とニッケルめっき層６０との間には焼成された圧電部材５６だけが残り、これに分極処理を施して活性部３６を設けることにより圧電アクチュエータ２２となる。これにより、インクジェットヘッド１０の製造が完了する。
【００２７】
このインクジェットヘッドの製造方法によれば、基板１８、圧電アクチュエータ２２、隔壁２０、およびインク室２４等を有する天板１６からなるインクジェットヘッド１０が一度の焼成により一体形成される。したがって、この方法によれば上述した圧電アクチュエータの製造方法による効果に加えて、個々に加工された複数の部材を接着剤で固定しながらヘッドを組み立てる従来の方法より製造および組立工程を簡略化することができ、製造コストをより一層安くできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】インクジェットヘッドの部分平面図である。
【図２】図１におけるII−II線断面図である。
【図３】図２におけるIII−III線断面図である。
【図４】圧電アクチュエータの製造過程を示す図である。
【図５】図４と同じく圧電アクチュエータの製造過程を示す図である。
【図６】インクジェットヘッドの製造過程を示す図である。
【符号の説明】
１０…インクジェットヘッド、１６…天板（非圧電部材）、１８…基板、２０…隔壁（金属層）、２２…圧電アクチュエータ、２４…インク室、４４…フォトレジスト層、５０…型孔、５２…圧電材料のスラリ、５６…圧電部材、６２…凸状型。

Claims

基板状に積層したフォトレジスト層に型孔を設け、この型孔に圧電材料のスラリを充填し、このスラリが充填されたフォトレジスト層の表面に金属層を形成し、この金属層上であって上記型孔に対向する位置にフォトレジストからなる凸状型を設け、この凸状型の周囲の金属層上に非圧電材料のスラリを積層して上記凸状型を覆い、これらを一体に焼成して上記凸状型および上記フォトレジスト層を焼き飛ばすことにより、上記凸状型に対応するインク室用の空間を有する非圧電部材と、上記基板と上記金属層との間に固定された圧電部材とを形成し、この圧電部材を分極処理して圧電アクチュエータとするインクジェットヘッドの製造方法。