JP4386924B2 - 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
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Description
本発明は、インクジェットヘッドに係り、特に圧電方式のインクジェットヘッドからインクを吐出させる駆動力を提供する圧電アクチュエータを均一な形状に形成できる方法に関する。
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の色相の画像を印刷する装置である。かかるインクジェットヘッドは、インク吐出方式によって二つに大別することができる。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´線の断面図である。
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、流路プレート１０には、インク流路を構成するマニホールド１１、複数のリストリクター１２及び複数の圧力チャンバー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及び振動板２０は一体的に形成され、また、流路プレート１０及びノズルプレート３０も一体的に形成される。
前記マニホールド１１は、インク保存庫（図示せず）から流入されたインクを複数の圧力チャンバー１３それぞれに供給する通路であり、リストリクター１２は、マニホールド１１から複数の圧力チャンバー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ー１３は、吐出されるインクが満たされるものであって、マニホールド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ー１３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ー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ー１３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、圧電膜４２、上部電極４３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ー１３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果たす。
前記したような構成を有した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まで蒸着することによって形成され、前記圧電膜４２は、圧電特性を有するペースト状態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。
しかし、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膜４２は、ペースト状態の材料特性上、横に拡散されて均一な厚さに形成され難い。すなわち、図１Ｂに示したように、圧電膜４２の中間部分は厚く、両側エッジ部分は薄くなる。そして、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、ペーストの流動特性によりその形状、面積及び厚さが不均一になる。特に、前記圧電膜４２の厚さが不均一になることによって、その上面に形成される上部電極４３とその下面に形成される下部電極４１との距離が不均一になり、これにより、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がある。また、圧電膜４２の薄いエッジ部位に上部電極４３が形成された場合には、上部電極４３と下部電極４１との間隔が非常に狭くなって上部電極４３と下部電極４１とが短絡されるという問題が発生するおそれがある。また、上部電極４３の形成過程で、ペーストが圧電膜４２の丸い上面に沿って流れて下部電極４１に直接接触されることによって不良が発生するという問題もある。
前記したように、従来の圧電アクチュエータ４０を形成する方法によれば、上部電極４３の幅、面積及び厚さなどを均一に制御できないという問題を有していた。上記記載と関連する特許文献としては、下記特許文献１を挙げることができる。
特開２００３−２３７０９１号公報
本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解決するためのものであって、特に上部電極を均一な形状に制御でき、上部電極と下部電極との間の短絡を防止でき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を提供することである。
前記目的を達成するために、本発明は、振動板の上部に形成されて複数の圧力チャンバー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、前記振動板上に下部電極を形成するステップと、前記下部電極上に前記複数の圧力チャンバーそれぞれに対応する位置に圧電膜を形成するステップと、前記下部電極と前記圧電膜とを覆う保護膜を形成するステップと、前記保護膜と圧電膜との厚さを減少させつつ前記圧電膜の上面を露出させるステップと、前記圧電膜の上面に上部電極を形成するステップと、前記保護膜を除去するステップと、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を提供する。
本発明において、前記振動板と前記下部電極との間には、絶縁膜としてシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜が形成されうる。
本発明において、前記下部電極は、導電性金属物質を所定の厚さまで蒸着することによって形成されうる。望ましくは、前記下部電極は、スパッタリングによりＴｉ層とＰｔ層とを順次に蒸着することによって形成されうる。
本発明において、前記圧電膜は、ペースト状態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形成されうる。そして、前記圧電膜を形成するステップは、前記ペースト状態の圧電膜を乾燥させた後に焼結させる工程を含みうる。望ましくは、前記ペースト状態の圧電膜を乾燥させた後、前記圧電膜の組織を緻密化するために冷間等方圧成形（Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ：ＣＩＰ）工程を行うことができる。
本発明において、前記保護膜は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）及び感光性ポリマーからなる群のうち選択された有機物からなり、前記保護膜は、前記有機物をスピンコーティング法により塗布することによって形成されうる。
本発明において、前記保護膜と圧電膜との厚さの減少は、化学機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）またはラッピングにより行われうる。
本発明において、前記上部電極は、前記圧電膜の上面にペースト状態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うる。そして、前記上部電極の形成ステップは、前記ペースト状態の上部電極を乾燥させた後に焼結させる工程を含みうる。
一方、前記上部電極は、前記圧電膜上に導電性金属物質をスパッタリングにより所定の厚さまで蒸着することによって形成されうる。
本発明において、前記保護膜は、Ｏ２アッシングや硫酸溶液またはアセトンを使用して除去されうる。
本発明によ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よれば、扁平な上面を有した圧電膜を一定の厚さに形成できるので、その上面に形成される上部電極の形状、面積及び厚さを均一に制御できる。したがって、上部電極と下部電極との距離が一定であって均一な電場が形成されうる。そして、ペーストの流動特性による上部電極と下部電極との間の短絡を防止できる。
以下、添付された図面を参照しつつ本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。以下の図面で、同じ参照符号は同じ構成要素を示し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭性及び便宜上誇張されている。
図２Ａないし図２Ｆは、本発明の望ましい実施形態によ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を段階的に示す図面である。一方、以下の図面は、インクジェットヘッドの一部を示すものであって、一般的なインクジェットヘッドには、数十ないし数百個の圧力チャンバー及びノズルが１列または複数列に配列されている。
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で形成される。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ー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ー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３１が形成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、マニホールド及び複数のリストリクター（図示せず）が形成されうる。一方、前記流路プレート１１０及び振動板１２０は一つの板でなり、また、流路プレート１１０及びノズルプレート１３０も一つの板でなりうる。
前記したような構成を有した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ー１１３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１４０が下記のようなステップを経て形成される。
まず、図２Ａに示したように、前記振動板１２０の全面に共通電極としての役割を果たす下部電極１４１を形成する。一方、前記下部電極１４１を形成する前に、下部電極１４１と振動板１２０との間の絶縁のための絶縁膜１２１が前記振動板１２０の全面に形成される。この場合、前記下部電極１４１は、前記絶縁膜１２１の全面に形成される。前記振動板１２０がシリコン基板からなる場合には、前記絶縁膜１２１は、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜からなりうる。
前記下部電極１４１は、振動板１２０または絶縁膜１２１の全面に導電性金属物質を所定の厚さまで蒸着することによって形成されうる。例えば、前記下部電極１４１は、一つの金属物質層からなるが、Ｔｉ層とＰｔ層との二つの金属物質層を重ねて形成することもできる。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２Ｂに示したように、複数の圧力チャンバー１１３それぞれの上部に位置するように前記下部電極１４１上に圧電膜１４２を形成する。前記圧電膜１４２は、ペースト状態の圧電物質、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）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に塗布することによって形成されうる。前記圧電膜１４２の厚さＴ１は、後述するように圧電膜１４２の最終の厚さ（図２ＤのＴ２）より厚く、例えば約５０μｍが望ましい。次いで、ペースト状態の圧電膜１４２を乾燥させた後、約９００ないし１２００℃で焼結させる。一方、圧電膜１４２を乾燥させた後、ＣＩＰ工程を経た後、焼結工程を行うこともできる。前記ＣＩＰ工程は、圧電膜１４２にあらゆる方向から同じ圧力を加えて組織を緻密化する工程をいう。
次いで、図２Ｃに示したように、下部電極１４１と圧電膜１４２とを覆う保護膜１５０を形成する。前記保護膜１５０としては、液状から固化された後に除去可能な有機物、例えばＰＤＭＳ、ＰＭＭＡまたはフォトレジストのような感光性ポリマーが使われうる。そして、前記保護膜１５０は、スピンコーティング法により前記有機物を塗布することによって形成されうる。
次いで、図２Ｄに示したように、前記圧電膜１４２と保護膜１５０との厚さを減少させて前記圧電膜１４２の厚さを所望の厚さＴ２、例えば約１０ないし３０μｍにする。前記圧電膜１４２の最終の厚さＴ２は、前記圧力チャンバー１１３のサイズ及び振動板１２０の厚さによって変わりうる。前記圧電膜１４２と保護膜１５０との厚さの減少は、ＣＭＰまたはラッピングにより行われうる。
前記ステップを経れば、振動板１２０上には、均一な厚さＴ２を有し、上面が平坦な圧電膜１４２が形成されうる。このように、圧電膜１４２が均一な厚さを有すれば、その上部に形成される上部電極（図２Ｅの１４３）とその下部に形成される下部電極１４１との距離が一定になって均一な電場が形成されうる。
次いで、図２Ｅに示すように、図２Ｄに示したステップで露出された圧電膜１４２の上面に駆動電極としての役割を果たす上部電極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、乾燥工程と約１００ないし４００℃での焼結工程とを経ることによって形成されうる。
前記したように、本発明によれば、圧電膜１４２の上面のみが露出されており、下部電極１４１の上面は保護膜１５０により覆われている状態で上部電極１４３を形成するので、ペーストの流動特性により上部電極１４３と下部電極１４１とが短絡されるという従来の問題を防止できる。そして、圧電膜１４２の上面が扁平であるので、上部電極１４３の厚さを均一に形成しやすくなる。また、圧電膜１４２の上面のみが露出されているので、電極物質が圧電膜１４２の上面を外れて保護膜１５０上に塗布されても、後述する保護膜１５０の除去ステップで、保護膜１５０上に塗布された電極物質は、保護膜１５０と共に除去されるので、均一な面積と形状の上部電極１４３が形成されうる。
一方、上部電極１４３は、圧電膜１４２上に電極物質をスパッタリングにより所定の厚さまで蒸着することによって形成されることもあり、これについては、図３を参照して後述する。
次いで、下部電極１４１上に残っている保護膜１５０を除去すれば、図２Ｆに示したように、下部電極１４１、圧電膜１４２及び上部電極１４３が順次に積層された構造を有した圧電アクチュエータ１４０が完成される。このとき、前記保護膜１５０は、その物質の種類によって周知の色々な方法、例えばＯ２アッシングや硫酸溶液またはアセトンを使用して除去されうる。
図３は、図２Ｅでの上部電極の形成ステップの他の例を説明するための図面である。
図３に示すように、図２Ｄに示したステップで露出された圧電膜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まで蒸着することによって上部電極１４３を形成できる。このとき、圧電膜１４２の上面だけでなく、保護膜１５０の上面にも上部電極１４３が形成される。次いで、前述したように保護膜１５０を除去すれば、保護膜１５０の上面に蒸着された上部電極１４３は、リフトオフされつつ保護膜１５０と共に除去され、図２Ｅに示したように、圧電膜１４２の上面に蒸着された上部電極１４３のみが残る。
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、当業者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態の適用が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲により決められなければならない。
本発明は、インクジェットヘッド関連の技術分野に適用可能である。
３１ ノズル
１１０ 流路プレート
１１３ 圧力チャンバー
１２０ 振動板
１２１ 絶縁膜
１３０ ノズルプレート
１４１ 下部電極
１４２ 圧電膜
１４３ 上部電極
１５０ 保護膜
１１０ 流路プレート
１１３ 圧力チャンバー
１２０ 振動板
１２１ 絶縁膜
１３０ ノズルプレート
１４１ 下部電極
１４２ 圧電膜
１４３ 上部電極
１５０ 保護膜
Claims (16)
- 振動板の上部に形成されて複数の圧力チャンバー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、
前記振動板上に下部電極を形成するステップと、
前記下部電極上に前記複数の圧力チャンバーそれぞれに対応する位置に圧電膜を形成するステップと、
前記下部電極と前記圧電膜とを覆う保護膜を形成するステップと、
前記保護膜と圧電膜との厚さを減少させつつ前記圧電膜の上面を露出させるステップと、
前記圧電膜の上面に上部電極を形成するステップと、
前記保護膜を除去するステップと、
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。 - 前記振動板と前記下部電極との間には、絶縁膜が形成され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の圧電アクチュエータの形成方法。
- 前記絶縁膜は、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項２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。
- 前記下部電極は、導電性金属物質を所定の厚さまで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１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。
- 前記下部電極は、スパッタリングによりＴｉ層とＰｔ層と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４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。
- 前記圧電膜は、ペースト状態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形成され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の圧電アクチュエータの形成方法。
- 前記圧電膜を形成するステップは、前記ペースト状態の圧電膜を乾燥させた後に焼結させる工程を含む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の圧電アクチュエータの形成方法。
- 前記ペースト状態の圧電膜を乾燥させた後、前記圧電膜の組織を緻密化するためにＣＩＰ工程を行うことを特徴とする請求項７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。
- 前記保護膜は、ＰＤＭＳ、ＰＭＭＡ及び感光性ポリマーからなる群のうち選択された有機物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の圧電アクチュエータの形成方法。
- 前記保護膜は、前記有機物をスピンコーティング法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。
- 前記保護膜と圧電膜との厚さの減少は、ＣＭＰまたはラッピングにより行われ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の圧電アクチュエータの形成方法。
- 前記上部電極は、前記圧電膜の上面にペースト状態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１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。
- 前記上部電極を形成するステップは、前記ペースト状態の上部電極を乾燥させた後に焼結させる工程を含むことを特徴とする請求項１２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。
- 前記上部電極は、前記圧電膜上に導電性金属物質をスパッタリングにより所定の厚さまで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１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。
- 前記保護膜は、Ｏ２アッシングにより除去され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の圧電アクチュエータの形成方法。
- 前記保護膜は、硫酸溶液またはアセトンを使用して除去され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の圧電アクチュエータの形成方法。
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