JP5084942B2 - 液滴吐出装置の製造方法 - Google Patents
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Description
<1−1 液滴吐出装置1の構成>
図1〜図3は、本発明の第1実施形態に係る液滴吐出装置1の構成を示す模式図である。図1は、液滴吐出装置1の斜視図、図2は、図1のII−IIに沿う液滴吐出装置1の横断面図、図3は、図1のIII−IIIに沿う液滴吐出装置1の縦断面図である。液滴吐出装置1は、インクジェットプリンタのヘッドに使用されるインク吐出用の液滴吐出装置である。ただし、このことは、下述する液滴吐出装置1の構成や製造方法を他の種類の液滴吐出装置において採用することを妨げない。
基板102は、絶縁セラミックスの焼成体である。絶縁セラミックスの種類は制限されないが、耐熱性、化学的安定性及び絶縁性の観点から、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、ムライト、窒化アルミニウム及び窒化ケイ素からなる群より選択される少なくとも1種類を含むことが望ましい。中でも、機械的強度及び靭性の観点から、安定化された酸化ジルコニウムが望ましい。ここで、「安定化された酸化ジルコニウム」とは、安定化剤の添加によって結晶の相転移を抑制した酸化ジルコニウムをいい、安定化酸化ジルコニウムの他、部分安定化酸化ジルコニウムを包含する。
振動体120は、基板102の上面1021に平行に延在する下部電極膜122、圧電/電歪体膜124及び上部電極膜126を列記した順序で下から上へ積層した構造を有している。なお、1層の圧電/電歪体膜124を備える単層型の振動体120ではなく、2層以上の圧電/電歪体膜を備え圧電/電歪体膜と電極膜とを交互に積層した構造を有する多層型の振動体を採用してもよい。この場合、振動体を構成する圧電/電歪体膜の全部が電界が印加される活性層であることは必須ではなく、振動体を構成する圧電/電歪体膜の一部(典型的には、最下層や最上層の圧電/電歪体膜)が電界が印加されない不活性層であってもよい。
下部電極膜122及び上部電極膜126は、導電材料の焼成体の膜である。導電材料の種類は制限されないが、電気抵抗及び耐熱性の観点から、白金、パラジウム、ロジウム、金、銀等の金属又はこれらを主成分とする合金であることが望ましい。中でも、耐熱性に特に優れる白金又は白金を主成分とする合金であることが望ましい。
圧電/電歪体膜124は、圧電/電歪セラミックスの焼成体の膜である。圧電/電歪セラミックスの種類は制限されないが、電界誘起歪の大きさの観点から、鉛(Pb)系ペロブスカイト酸化物であることが望ましく、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT;Pb(ZrxTi1-x)O3)又は単純酸化物、複合ペロブスカイト酸化物等を導入したチタン酸ジルコン酸鉛の変性物であることがさらに望ましい。中でも、チタン酸ジルコン酸鉛とマグネシウム酸ニオブ酸鉛(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3)との固溶体に酸化ニッケル(NiO)を導入したものやチタン酸ジルコン酸鉛とニッケル酸ニオブ酸鉛(Pb(Ni1/3Nb2/3)O3)との固溶体であることが望ましい。
振動体120は、下部電極膜122への給電経路となる下部配線電極128と、上部電極膜126への給電経路となる上部配線電極130とを備える。下部配線電極128の一端は、下部電極膜122と圧電/電歪体膜124との間にあって下部電極膜122の一端と電気的に導通しており、下部配線電極128の他端は、屈曲振動する振動板104が設けられた振動領域191の外側に位置している。上部配線電極130の一端は、上部電極膜126の上にあって上部電極膜126の一端と電気的に導通しており、上部電極膜126の他端も、振動領域191の外側に位置している。
振動体120は、キャビティ108の上方において振動板104と一体化されている。このような構造により、下部配線電極128及び上部配線電極130を経由して圧電/電歪体膜124を挟んで対向する下部電極膜122と上部電極膜126との間に駆動信号を給電し、圧電/電歪体膜124に電界を印加すると、圧電/電歪体膜124が基板102の上面1021と平行な方向に伸縮し、一体化された振動体120及び振動板104が屈曲振動する。この屈曲振動により、キャビティ108に充填された液体は、吐出口110から吐出される。
図5は、本発明の第1実施形態に係る液滴吐出装置1の製造方法を説明するフローチャートである。図5に示すように、液滴吐出装置1は、基板102を作製し(ステップS101)、作製した基板102の上面1021に振動体120を作製する(ステップS102)ことにより製造される。
図6は、第1実施形態に係る基板102の作製に使用する成形機180の模式図である。図6は、成形機180の断面図となっている。また、図7は、絶縁セラミックスの粉末をシート形状に成形した絶縁セラミックスグリーンシート(以下では、「グリーンシート」という)132の温度及び型183に印加される荷重の時間変化を示す図である。さらに、図8〜図11は、第1実施形態に係る基板102の作製方法を説明する模式図である。図8〜図11は、作製の途上の基板102の断面図となっている。
図6に示すように、成形機180は、グリーンシート132を成形する型183と、グリーンシート132を真空吸引して固定するとともにグリーンシート132を加熱する熱板182と、型183を上方から支持するとともに型183を加熱する熱板185とを備える。熱板182,185には、それぞれ、加熱用のヒータ181,184が内蔵されている。
基板102の作製にあたっては、まず、グリーンシート132をヒータ181により加熱された熱板182に載置して真空吸引する。これにより、グリーンシート132は、熱板182に固定され、グリーンシート132の温度は、ガラス転移温度Tg以上に昇温される。ガラス転移温度Tgは、グリーンシート132に使用されているバインダの種類等によって変化するが、典型的には数10℃である。
グリーンシート132の温度をガラス転移温度Tg以上に昇温した後に、型183に加重を加え、型183をグリーンシート132の上面1321に圧入する。この間、ヒータ181による熱板182の加熱を継続し、グリーンシート132の温度を一定の温度Ttに保つことが望ましい。もちろん、温度Ttは、ガラス転移温度Tg以上の温度である。型183の圧入によりグリーンシート132の温度が低下することを防止するため、圧入の前にヒータ184により型183をあらかじめ加熱しておくことも望ましい。このように加熱されて塑性変形しやすくなっているグリーンシート132に型183を圧入すると、図8に示すように、グリーンシート132が塑性変形し、型183の立体的形状がグリーンシート132の上面1321に転写される。
続いて、グリーンシート132の上面1321に型183を圧入した状態を保持する。この間も、ヒータ181による熱板182の加熱を継続し、グリーンシート132の温度を一定の温度Ttに保つことが望ましい。
続いて、グリーンシート132の上面1321に型183を圧入した状態のままヒータ181による熱板182の加熱を中止し、グリーンシート132の温度をガラス転移温度Tg未満に降温する。もちろん、型183も加熱している場合には、型183の加熱も中止する。
グリーンシート132の温度をガラス転移温度Tg未満に降温した後にグリーンシート132と型183とを分離する。このとき、グリーンシート132は弾性をほとんど失っているので、スプリングバックはほとんど起こらず、グリーンシート132の上面1321には後にキャビティ108となる窪み134が形成される。
続いて、図9に示すように、窪み134の内下面1341とグリーンシート132の下面1322とを貫通する貫通孔136をグリーンシート132に形成する。貫通孔136は、金型で打ち抜き加工することにより形成してもよいし、レーザ光で穿孔加工することにより形成してもよい。なお、窪み134を形成した後に貫通孔136を形成すれば、グリーンシート132に型183を圧入したときに貫通孔136が狭窄したり閉塞したりすることを防止することができる。ただし、このことは、グリーンシート132の上面1321と下面1322とを貫通する貫通孔を形成した後に窪みを形成することを妨げない。
続いて、図10に示すように、グリーンシート132の上面1321にグリーンシート138、グリーンシート132の下面1322にグリーンシート140を熱圧着する。グリーンシート140には、貫通孔136と同じ位置に上面1401と下面1402とを貫通する貫通孔142が形成されている。このようにグリーンシート138を熱圧着することにより窪み134は圧着体の内部の空洞となる。また、グリーンシート140を熱圧着することにより、吐出孔110及び供給孔112の長さを長くしたり、吐出孔110及び供給孔112の孔径を段階的に変化させたりすることができる。もちろん、そのような必要がない場合は、グリーンシート140を熱圧着することを省略してもよい。
続いて、グリーンシート132,138,140を一体的に焼成する。これにより、図11に示すような一体化された剛性が高い基板102が得られる。
図12〜図21は、第1実施形態に係る振動体120の作製方法を説明する模式図である。図12〜図21は、基板102及び作製の途上の振動体120の断面図となっている。
振動体120の作製にあたっては、まず、図12に示すように、下部電極膜122を形成する領域(以下では、「下部電極膜形成領域」という)192の外側を覆うレジストパターン142を基板102の上面1021に形成する。レジストパターン142は、基板102の上面1021を覆う後述するレジスト膜152を基板102をフォトマスクとしてフォトリソグラフィ法によりパターニングすることにより形成する。
続いて、下部配線電極128を形成する。下部配線電極128は、導電ペーストをスクリーン印刷した後に焼成することにより形成してもよいし、導電材料を蒸着することにより形成してもよい。
続いて、図16に示すように、後に圧電/電歪体膜124となる圧電/電歪材料膜146を形成する。圧電/電歪材料膜146の形成は、圧電/電歪材料を分散媒に分散させたスラリーに、仕掛品及び対向電極を間隔を置いて浸漬するとともに下部電極膜122と対向電極とに電圧を印加し、圧電/電歪材料を下部電極膜122に向かって電気泳動させることにより行うことができる。これにより、下部電極膜122と同じ平面位置に圧電/電歪材料膜146が形成される。なお、電気泳動法により形成した圧電/電歪体膜124に代えて、下部電極膜122をフォトマスクとして基板102の上面1021を覆うレジスト膜をフォトリソグラフィ法によりパターニングすることにより形成したレジストパターンを使用して形成した圧電/電歪体膜を用いてもよい。
圧電/電歪材料膜146を焼成した後に、図18に示すように、圧電/電歪体膜124を形成した領域(以下では「圧電/電歪体膜形成領域」という)193の外側を覆うレジストパターン148を基板102の上面1021に形成する。レジストパターン142は、圧電/電歪体膜124をフォトマスクとして基板102の上面1021を覆う後述するレジスト膜160をフォトリソグラフィ法によりパターニングすることにより形成する。
導電材料膜150を焼成した後に、上部配線電極130を形成する。上部配線電極130は、下部配線電極128と同様に形成することができる。
図22〜図28は、第1実施形態に係るレジストパターン142,148の形成方法を説明する模式図である。図22〜図28は、基板102及び作製の途上のレジストパターン142,148の断面図となっている。
このような振動体120の作製方法によれば、キャビティ108の平面位置と下部電極膜122の平面位置とのずれを防ぐことができ、下部電極膜122の平面位置と圧電/電歪体膜124の平面位置とのずれを防ぐことができ、圧電/電歪体膜124の平面位置と上部電極膜126の平面位置とのずれを防ぐことができる。これにより、キャビティ108の平面位置と振動体120を構成する下部電極膜122、圧電/電歪体膜124及び上部電極膜126の平面位置とのずれを防ぐことができ、結果として、キャビティ108の平面位置と振動体120の平面位置とのずれを防ぐことができる。このことは、振動体120を含んで構成される圧電/電歪アクチュエータのインクの吐出量のばらつきを抑制することに寄与する。
第2実施形態は、第1実施形態に係る基板102の作製方法に代えて採用することができる基板202の作製方法に関する。
図6は、第2実施形態に係る基板202の作製に使用する成形機280の模式図でもある。また、図7は、グリーンシート232の温度及び型283に印加される荷重の時間変化を示す図でもある。さらに、図29〜図32は、第2実施形態に係る基板202の作製方法を説明する模式図である。図29〜図32は、作製の途上の基板202の横断面図となっている。
基板202の作製にあたっては、まず、図29に示すように、グリーンシート232の上面2321の窪み234が形成される領域すなわち型283が圧入される領域の外側に接着層252を形成する。接着層252に含まれる絶縁セラミックスの組成は、グリーンシート232に含まれる絶縁セラミックスの組成と略同一とすることが望ましい。また、接着層252には、グリーンシート232より多量のバインダを含有させ、接着層252のガラス転移温度がグリーンシート232のガラス転移温度よりも低くなるようにすることが望ましい。接着層252の膜厚は、窪み234の深さの30〜50%程度とすることが望ましく、0.01〜0.05mmとすることが望ましい。また、接着層252の幅は、0.01〜0.08mmとすることが望ましい。接着層252は、例えば、絶縁セラミックスの粉末及びバインダを分散媒に分散させたペーストをスクリーン印刷法やスポッティング法で塗布することにより形成する。ただし、このことは、他の方法で接着層252を形成することを妨げない。
続いて、第1実施形態の場合と同様にして、グリーンシート232をヒータ281により加熱された吸引台282に載置して真空吸引する。これにより、グリーンシート232は、熱板282に固定され、グリーンシート232の温度は、ガラス転移温度Tg以上に昇温される。
グリーンシート232の温度をガラス転移温度Tg以上に昇温した後に、第1実施形態の場合と同様にして、型283をグリーンシート232の上面2321に圧入する。このように加熱されて塑性変形しやすくなっているグリーンシート232に型283を圧入すると、図30に示すように、グリーンシート232が塑性変形し、型283の立体的形状がグリーンシート232の上面2321に転写される。
続いて、第1実施形態の場合と同様にして、グリーンシート232の上面2321に型283を圧入した状態を保持する。
続いて、グリーンシート232の上面2321に型283を圧入した状態のままヒータ281による熱板282の加熱を中止し、グリーンシート232の温度をガラス転移温度Tg未満に降温する。もちろん、型283も加熱している場合には、型283の加熱も中止する。
グリーンシート232の温度をガラス転移温度Tg未満に降温した後にグリーンシート232と型283とを分離する。このとき、グリーンシート232は弾性をほとんど失っているので、スプリングバックはほとんど起こらず、グリーンシート232の上面2321には後にキャビティ208となる窪み234が形成される。
続いて、図31に示すように、第1実施形態の場合と同様にして、窪み234の内下面2341とグリーンシート232の下面2322とを貫通する貫通孔236をグリーンシート232に形成する。
続いて、図32に示すように、第1実施形態の場合と同様にして、グリーンシート232の上面2321の接着層252の上にグリーンシート238、グリーンシート232の下面2322にグリーンシート240を熱圧着する。グリーンシート240には、貫通孔236と同じ位置に上面2401と下面2402とを貫通する貫通孔242が形成されている。このようにグリーンシート238を熱圧着することにより窪み234は圧着体の内部の空洞となる。なお、上述したように接着層252のガラス転移温度がグリーンシート232のガラス転移温度よりも低くなっている場合は、熱圧着のときの加熱によりグリーンシート232を著しく軟化させることなく接着層252だけを軟化させることが可能になる。したがって、グリーンシート240を熱圧着するときの加圧によりグリーンシート232が変形することを抑制することができ、基板202の寸法の精度、例えば、単位構造同士の相対的な位置の精度を向上することができる。
続いて、第1実施形態の場合と同様にして、グリーンシート232,238,240及び接着層252を一体的に焼成する。これにより、図33に示すような一体化された剛性が高い基板202が得られる。
第3実施形態は、第1実施形態に係るキャビティ108に代えて採用することができるキャビティ308に関する。
第4実施形態は、第1実施形態に係るキャビティ108に代えて採用することができるキャビティ408に関する。
第1の主面と振動板で隔てられたキャビティ並びに前記キャビティから外部へ至る第1の液体の流路及び外部から前記キャビティへ至る第2の液体の流路が形成された基板と、
前記振動板に固設され前記振動板を屈曲振動させる振動体と、
を備え、
前記第2の流体の流路の側にある相対的に小さな範囲を占める第1の部分において前記第2の液体の流路の側から前記第1の液体の流路の側へ向かって前記第1の主面と垂直な第1の方向の前記キャビティの寸法である深さが浅くなり、
前記第1の流体の流路の側にある相対的に大きな範囲を占める第2の部分において前記第2の液体の流路の側から前記第1の液体の流路の側へ向かって前記キャビティの深さが深くなる、
液滴吐出装置。
以下では、図2又は図46に示す横断面形状が台形又は長方形のキャビティ108,908を有する液滴吐出装置1,9を試作し、その特性を評価した結果について説明する。この試作では、基板102,902は、ジルコニア製とし、振動板104、904の厚みは1〜3μm、キャビティ108の寸法である深さD11、D13はD11=D13とし(図47と同じ縦断面形状)、キャビティ108,908の上端における幅WCは60μm(図43参照)、単位構造131,931の配列間隔は70μmとした。屈曲変位の変位量は、レーザドップラー法により測定した。
図41のグラフは、桟幅差DW=WL−WUを変化させた場合の相対変位量及び下部電極膜122,922の被覆率の変化を示している。ここでいう「被覆率」は、短手方向のキャビティ108,908すなわち振動板104,904の寸法である幅WCに対する短手方向の下部電極膜122,922の寸法である幅WEの比WE/WC(図43参照)を意味している。
図42のグラフは、桟幅差DW=WL−WUを変化させた場合の振動板104,904のワレ不良率の変化を示している。
以下では、図3又は図37に示す縦断面形状を有するキャビティ108,408を有する液滴吐出装置を試作し、その特性を評価した結果について説明する。この試作では、基板102,402は、ジルコニア製とし、振動板104、404の厚みは1〜3μm、キャビティ108の寸法である深さD11、D13はD11≧D13とし、キャビティ108,408の上端における幅2C1は60μm、キャビティ108,408が最も深くなる位置におけるキャビティ108,408の上端における幅2C1と下端における幅2C2との差2C1−2C2は10〜25μm、キャビティ108,408が最も深くなる位置におけるキャビティ108,408の深さsは60〜80μmとした(図37〜図39参照)。
表1は、キャビティ108,408が最も深くなる位置におけるキャビティ108,408の横断面の断面積A1に対するキャビティ108,408が最も浅くなる位置におけるキャビティ108,408の横断面の断面積A2の比A2/A1を変化させた場合の下部電極膜122の幅のばらつきσ、基板104,404のうねり及び液滴の吐出量の変化を示している。比A2/A1は、式(1)により算出される。
表2は、キャビティの長手方向の中心の位置からキャビティ408が最も深くなる位置までの距離aに対する中心の位置からキャビティ408が最も浅くなる位置までの距離bの比b/aを変化させた場合の吐出量、逆流量及びその他不具合の変化を示している。もちろん、比b/aが1でない場合は図37に示す縦断面形状を有するキャビティ408が得られ、比b/aが1である場合は図3に示す縦断面形状でD11>D13の場合の縦断面形状を有するキャビティ108が得られる。表2は、先述した比A2/A1を0.6〜0.8としたときの結果を示している。
{液滴吐出量}
図44の一覧表の中の実施例1、2の欄には、図3に示すような縦断面形状が台形のキャビティ108を有する液滴吐出装置1におけるキャビティ108の深さ及び液滴の吐出量が示されている。また、図44の一覧表の中の比較例1の欄には、図47に示すような縦断面形状が長方形のキャビティ908を有する液滴吐出装置9におけるキャビティ908の深さ及び液滴の吐出量が示されている。ここでいう「液滴の吐出量」は、振動体120,920を所定回数だけ駆動したときに吐出孔110,910から吐出された液滴の総重量であり、比較例1を「1」とした場合の相対値である。なお、実施例1、2及び比較例1においては、最上端におけるキャビティの横幅W11,W91は180μmとしている。また、最上端におけるキャビティの縦幅W12,W92は1.1mmとしている。
Claims (4)
- 液滴吐出装置の製造方法であって、
(a) 第1の主面と振動板で隔てられたキャビティ並びに前記キャビティから外部へ至る第1の液体の流路及び外部から前記キャビティへ至る第2の液体の流路が形成された基板を作製する工程と、
(b) 前記振動板に固設され前記振動板を屈曲振動させる振動体を作製する工程と、
を備え、
前記工程(a)は、
(a-1) 第1のセラミックスグリーンシートの第1の主面の窪みが形成される領域の外側にセラミックス層を形成する工程と、
(a-2) 前記工程(a-1)の後に前記第1のセラミックスグリーンシートの温度をガラス転移温度以上に昇温する工程と、
(a-3) 前記工程(a-2)の後に前記第1のセラミックスグリーンシートの第1の主面に前記キャビティの立体形状に応じた立体形状を有する型を圧入する工程と、
(a-4) 前記第1のセラミックスグリーンシートの第1の主面に前記型を圧入した状態のまま前記第1のセラミックスグリーンシートの温度をガラス転移温度未満に降温する工程と、
(a-5) 前記工程(a-4)の後に前記第1のセラミックスグリーンシートと前記型とを分離する工程と、
(a-6) 前記工程(a-5)の後に前記型の圧入により窪みが形成された前記第1のセラミックスグリーンシートの第1の主面の側に第2のセラミックスグリーンシートを熱圧着する工程と、
(a-7) 前記工程(a-6)の後に前記第1のセラミックスグリーンシート及び前記第2のセラミックスグリーンシートを一体的に焼成する工程と、
を備える液滴吐出装置の製造方法。 - 請求項1に記載の液滴吐出装置の製造方法において、
前記セラミックス層のガラス転移温度が前記第1のセラミックスグリーンシートのガラス転移温度より低い、
液滴吐出装置の製造方法。 - 請求項1又は請求項2に記載の液滴吐出装置の製造方法において、
(a-8) 前記工程(a-5)の後に前記第1のセラミックスグリーンシートの第1の主面に形成された窪みの内面と前記第1のセラミックスグリーンシートの第2の主面とを貫通する貫通孔を形成する工程、
をさらに備える液滴吐出装置の製造方法。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の液滴吐出装置の製造方法において、
前記工程(b)は、
(b-1) 前記基板の第1の主面に感光膜を形成する工程と、
(b-2) 前記基板の第2の主面の側から光を照射し、前記キャビティの平面形状を転写した潜像を前記感光膜に描写する工程と、
(b-3) 前記振動体を構成する最下層の膜が形成される領域に形成されている前記感光膜を現像により除去する工程と、
(b-4) 前記感光膜を除去した領域に前記振動体を構成する最下層の膜を形成する工程と、
(b-5) 前記振動体を構成する最下層の膜が形成される領域の外側に残存している前記感光膜を除去する工程と、
を備える液滴吐出装置の製造方法。
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