JP5183758B2

JP5183758B2 - インクジェットプリンタヘッド製造方法

Info

Publication number: JP5183758B2
Application number: JP2011007229A
Authority: JP
Inventors: 正志下里
Original assignee: Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba TEC Corp
Priority date: 2011-01-17
Filing date: 2011-01-17
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2026-01-23
Also published as: JP2011073459A

Description

本発明は、圧電素子を駆動源とするインクジェットプリンタヘッドの製造方法に関し、特に駆動効率を高める技術に関する。

駆動源として、圧電素子のシェアモードを利用した、いわゆるシェアモードシェアウォールインクジェットプリンタヘッドが知られている（例えば、特許文献１参照）。図７はこのようなインクジェットプリンタヘッド１００を示す断面図である。インクジェットプリンタヘッド１００は、圧電素子からなる基板１１０を具備し、溝１１１をダイヤモンドカッタの形状を利用して溝深さが漸次浅くなるように形成している。なお、溝１１１の図７中左端は圧力室１１２となる。なお、図７中１２０はノズル板、１２１はノズル、１３０は蓋部材、１３１は枠部材、１３２は蓋部材１３０と枠部材１３１により形成された共通液室、１４０は駆動回路を示している。

基板１１０には、駆動回路１４０からの駆動電流を伝達するための電極パターン１１３が形成されている。基板１１０の溝１１１内面と基板上面に設けられ、同一平面上となるため、周知のフォトリソグラフィの手法を利用して電極パターニング技術での電極形成が可能である。

しかしながら、上述した構成では、溝１１１も圧電素子であり、圧電素子は一般的に比誘電率が大きいため、ヘッドの静電容量が大きくなり、消費電力及び発熱量が大きくなる。また、駆動波形の立ち上がりが鈍る等の問題点があった。

また、本来駆動すべき圧力室１１２の壁面が溝１１１の壁面と一体であるため、駆動が妨げられ、効率が悪くなる。さらに、圧力室１１２の開放端の圧力伝播を利用しているが、溝１１１があるために、開放端が明確でなく、かつ、狭いために伝播効率を下げるという問題があった。

なお、溝を別部材とすることでヘッドの静電容量を小さくする構成が提案されているが（例えば、特許文献２，３参照）、その他の問題は解決されていない。

一方、上述した問題を全て解決するヘッド、すなわち、ノズルを圧力室の中央の天井部に設け、開放端の圧力伝播を利用したものが知られている（例えば、特許文献４参照）。この構成によれば、基板上に駆動すべき圧電素子のみが設けてあることから上述した問題は発生しない。
特開平８−２６７７６９号公報特開平７−１０１０５６号公報特開２０００−２９６６１８号公報特開２００２−１１３８６１号公報

上述した基板上に駆動すべき圧電素子のみを設けた構成では、次のような問題があった。すなわち、電極を形成する際に、圧電素子の両端にテーパ面を設け、電極膜形成後に、レーザ加工により不要な電極膜を除去し、電極をパターニングしていた。

この方法であると、レーザ加工によりパターンを１本１本描画していくので、加工時間が長くなるとともに、レーザの熱により圧電素子が劣化するという問題がある。

そこで本発明は、圧電素子に熱負荷をかけないで電極を形成することができるインクジェットプリンタヘッド製造方法を提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明のインクジェットプリンタヘッド製造方法は次のように構成されている。

絶縁基板の上面で、かつ、端部に上面から底面にかけて拡がるテーパ面を有する駆動素子を積層する積層工程と、レジストを上記絶縁基板の上面及び上記駆動素子の上面及びテーパ面に塗布する塗布工程と、上記レジストを除去するレジスト除去工程と、上記駆動素子にその上面側から切削加工により溝を形成し、複数の駆動素子に分離する溝形成工程と、上記絶縁基板の上面及び上記駆動素子の溝が形成された部分であってレジストが除去された部分に導電材を形成する電極形成工程と、上記絶縁基板の端部にノズル板を設け、上記複数の駆動素子のうち隣接する駆動素子相互間に圧力室を形成する圧力室形成工程と、
上記駆動素子を蓋部材で覆うことで、上記圧力室に連通する共通液室を形成する共通液室形成工程とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、圧電素子に熱負荷をかけないで電極を形成することが可能となる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係るインクジェットプリンタヘッド１０を示す縦断面図である。インクジェットプリンタヘッド１０は、セラミックス材料で形成された絶縁基板２０と、この絶縁基板２０の図中左端部に設けられたノズルプレート３０と、絶縁基板２０上であってノズルプレート３０に隣接して配置された駆動素子４０と、この駆動素子４０を覆うことで絶縁基板２０との間に共通液室５１及び圧力室５２を形成するセラミックス材製の蓋部材５０とを備えている。なお、駆動素子４０は駆動回路６０により駆動される。

絶縁基板２０上には、駆動素子４０と駆動回路６０とを導通させるニッケル電極パターン２１が形成されている。ノズルプレート３０には、ノズル３１が形成されており、圧力室５２に対応して形成されている。

駆動素子４０は、例えばＰＺＴ系圧電セラミックス材料からなる一対の圧電素子４１，４２を有している。圧電素子４１と圧電素子４２とは、分極方向が逆向きになるように接着されている。駆動素子４０の一方の端面はテーパ面４０ａが形成されている。テーパ面４０ａの角度θは、７０°以下が好ましい。

蓋部５０には、上述した共通液室５１に外部からインクを供給するためのインク供給孔５３が設けられている。また、駆動素子４０に仕切られた隙間は圧力室５２となる。

駆動回路６０は、駆動素子４０に通電し、振動させることで圧力室５２内のインクを吐出させる機能を有している。

このように構成されたインクジェットプリンタヘッド１０は、図２〜図５に示すようにして製造される。すなわち、図２に示すように、絶縁基板２０上に、一方の端面にテーパ面４０ａが形成された駆動素子４０を積層接着する。次に、絶縁基板２０及び駆動素子４０の表面にレジストＲを均一に塗布し、乾燥させる。レジストＲはスプレー、ディップ、スピン等の周知のコーティング手法で塗布する。なお、絶縁基板２０に直方体状の駆動素子４０を積層接着してから機械加工により駆動素子４０の端面にテーパ面４０ａを形成するようにしてもよい。

次に、露光機（不図示）により、焦点を絶縁基板２０の上面と駆動素子４０の上面の略中間に合わせ、レジストＲを露光する。その後、図３に示すように、現像液にて電極を形成したい部分のレジストＲを除去する。なお、駆動素子４０上面の絶縁基板２０の上面からの高さは、圧力室５２や共通液室５１の容量によって定まるが、０．２〜１ｍｍ程度である。また、圧力室５２のピッチは、５０〜２００μｍ程度であり、焦点をほぼ中間位置とすることで、場所によりパターン幅に差異は生じるが実用的には問題がない。また、絶縁基板２０上面と駆動素子４０上面とはテーパ面４０ａも露光され、レジストＲが除去でき、電極を形成することができる。このとき、テーパ角θは７０°以下が好ましい。

次に、図４に示すように、駆動素子４０上面のレジストＲを除去した部分に圧力室５１となる溝Ｇをダイヤモンドカッタ等で形成する。これにより、レジストＲが塗布されていないのは、溝Ｇ内部と絶縁基板２０の電極必要部分のみとなる。

なお、溝Ｇを形成した後に、レジストＲを塗布、露光、現像を行ってもよいが、溝Ｇ内にレジストＲが残留しやすく、除去しにくいため、溝Ｇを後に形成するほうが好ましい。

次に、メッキの前処理を行い、パラジウム等をメッキの触媒核として、表面に吸着する。ここで、残ったレジストＲを剥離液により剥離することで、電極が必要な部分にだけ触媒核が残る。この状態で、周知の無電解ニッケルメッキを施し、図５に示すように、ニッケル電極パターン２１を形成する。なお、抵抗値を下げ、抵抗値のばらつきを軽減するためにニッケル表面に電界金メッキを施すことが好ましい。

次に、共通液室５１及び圧力室５２を形成するために、蓋部材５０を接合し、先端部にノズルプレート３０を接合する。さらに、ニッケル電極パターン２１に異方導電性フィルム又はワイヤボンディング等により、駆動回路６０と接続する。

このように構成されたインクジェットプリンタヘッド１０では、駆動回路６０からニッケル電極パターン２１を介して駆動素子４０に駆動電圧を印加する。駆動素子４０の圧電素子４１と圧電素子４２とに電流が流れると、圧電素子４１と圧電素子４２は互いに逆向きに屈曲する。両圧電素子４１，４２の屈曲により、平板状だった駆動素子４０が「Ｌ」字状に変形して、隣接する圧力室５２の容積が小さくなる。圧力室５２が小さくなって圧力室５２内のインクが高圧になると、ノズル３１からインク滴が勢い良く吐出される。

上述したように、インクジェットプリンタヘッド１０によれば、圧電素子４１，４２の大きさを圧力室５２とほぼ同じ大きさにすることができ、駆動効率を向上できる。また、静電容量を小さくできることから、消費電力及び発熱量を低減できるとともに、応答速度を速めることができる。さらに、開放端を明確にすることができ、伝播効率を上げることができる。すなわち、駆動効率を向上させることができる。

一方、ニッケル電極パターン２１は、フォトリソグラフィの手法により形成することができるため、レーザ加工が不要となり、圧電素子４１，４２に熱負荷をかけることがなく、信頼性の高いインクジェットプリンタヘッド１０を製造することができる。

図６は本発明の第２の実施の形態に係るインクジェットプリンタヘッド１０Ａを示す縦断面図である。図６において図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

インクジェットプリンタヘッド１０Ａは、セラミックス材料で形成された絶縁基板２０と、この絶縁基板２０に対向配置されたノズルプレート３０と、絶縁基板２０とノズルプレート３０との間に積層配置された駆動素子４０と、この駆動素子４０を囲むことで、共通液室７１及び圧力室７２を形成するセラミックス材製の枠部材７０とを備えている。なお、駆動素子４０は駆動回路６０により駆動される。

絶縁基板２０上には、駆動素子４０と駆動回路６０とを導通させるニッケル電極パターン２１が形成されている。また、共通液室７１に連通し、共通液室７１にインクを供給するインク供給孔２２と、共通液室７３に連通し、共通液室７３内のインクを排出するインク排出孔２３とを備えている。

ノズルプレート３０には、ノズル３１が形成されている。ノズル３１は、各圧力室７２に対応して形成されている。

駆動素子４０は、例えばＰＺＴ系圧電セラミックス材料からなる一対の圧電素子４１，４２を有している。圧電素子４１と圧電素子４２とは、分極方向が逆向きになるように接着されている。駆動素子４０の両方の端面はテーパ面４０ａが形成されている。また、駆動素子４０に仕切られた隙間は圧力室７２となる。

駆動回路６０は、駆動素子４０に通電し、振動させることで圧力室７２内のインクを吐出させる機能を有している。

このように構成されたインクジェットプリンタヘッド１０Ａは、前述した図２〜図５に示す方法と同様にしてニッケル電極パターン２１を形成する。なお、ノズル３１が圧力室７２の中央の天井部に設けられているため、前述したレジスト除去とは異なる手法によるレジスト除去が必要となる。すなわち、図１に示すインクジェットプリンタヘッド１０では、絶縁基板２０上のニッケル電極パターン２１は、駆動素子４０の電極はほぼ溝Ｇ内だけであるのに対し、インクジェットプリンタヘッド１０Ａでは駆動素子４０への導入、配線抵抗の均一化等の理由でニッケル電極パターン２１の引き回しが行われ、ピッチが狭くなることが多い。特に、絶縁基板２０に設けられたインク供給孔２２及びインク排出孔２３を避ける必要があるため、特にピッチが狭くなる。このため、レジスト除去の際に行われるパターンの露光時の焦点を絶縁基板２０の上面と駆動素子４０の上面との中間点に定めると、駆動素子４０の高さによっては狭いパターンを形成し難い場合がある。

したがって、焦点を絶縁基板２０上に設定することで、絶縁基板２０上のニッケル電極パターン２１は狭いピッチで形成し、駆動素子４０の上面のパターン形成を不十分とすることで、駆動素子４０の上面にニッケル電極パターン２１を形成しない。一方、ニッケル電極パターン２１が形成された場合には、ニッケル電極パターン２１同士が短絡する虞があるため、研磨等の機械加工によりニッケル電極パターン２１を除去する。

このように構成されたインクジェットプリンタヘッド１０Ａでは、駆動回路６０からニッケル電極パターン２１を介して駆動素子４０に駆動電圧を印加する。駆動素子４０の圧電素子４１と圧電素子４２とに電流が流れると、圧電素子４１と圧電素子４２は互いに逆向きに屈曲する。両圧電素子４１，４２の屈曲により、平板状だった駆動素子４０が「Ｌ」字状に変形して、隣接する圧力室７２の容積が小さくなる。圧力室７２が小さくなって圧力室７２内のインクが高圧になると、ノズル３１からインク滴が勢い良く吐出される。

上述したように、インクジェットプリンタヘッド１０Ａによれば、圧電素子４１，４２の大きさを圧力室７２とほぼ同じ大きさにすることができ、駆動効率を向上できる。また、静電容量を小さくできることから、消費電力及び発熱量を低減できるとともに、応答速度を速めることができる。さらに、開放端を明確にすることができ、伝播効率を上げることができる。すなわち、駆動効率を向上させることができる。

一方、ニッケル電極パターン２１は、フォトリソグラフィの手法により形成することができるため、レーザ加工が不要となり、圧電素子４１，４２に熱負荷をかけることがなく、信頼性の高いインクジェットプリンタヘッド１０Ａを製造することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

本発明の第１の実施の形態に係るインクジェットプリンタヘッドを示す縦断面図。同インクジェットプリンタヘッドの製造工程を示す斜視図。同インクジェットプリンタヘッドの製造工程を示す斜視図。同インクジェットプリンタヘッドの製造工程を示す斜視図。同インクジェットプリンタヘッドの製造工程を示す斜視図。本発明の第２の実施の形態に係るインクジェットプリンタヘッドを示す縦断面図。本発明の第３の実施の形態に係るインクジェットプリンタヘッドを示す縦断面図。

１０，１０Ａ…インクジェットプリンタヘッド、２０…絶縁基板、２１…ニッケル電極パターン、３０…ノズルプレート、３１…ノズル、４０…駆動素子、４１，４２…圧電素子、５０…蓋部材、５１，７１，７３…共通液室、５２，７２…圧力室、７０…枠部材。

Claims

絶縁基板の上面で、かつ、端部に上面から底面にかけて拡がるテーパ面を有する駆動素子を積層する積層工程と、
レジストを上記絶縁基板の上面及び上記駆動素子の上面及びテーパ面に塗布する塗布工程と、
上記レジストを除去するレジスト除去工程と、
上記駆動素子にその上面側から切削加工により溝を形成し、複数の駆動素子に分離する溝形成工程と、
上記絶縁基板の上面及び上記駆動素子の溝が形成された部分であってレジストが除去された部分に導電材を形成する電極形成工程と、
上記絶縁基板の端部にノズル板を設け、上記複数の駆動素子のうち隣接する駆動素子相互間に圧力室を形成する圧力室形成工程と、
上記駆動素子を蓋部材で覆うことで、上記圧力室に連通する共通液室を形成する共通液室形成工程とを備えていることを特徴とするインクジェットプリンタヘッド製造方法。
上記レジスト除去工程は、マスク部材を用いてパターンを上記絶縁基板の上面と上記駆動素子の上面との中間位置を焦点として露光する露光工程を具備することを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリンタヘッド製造方法。
上記レジスト除去工程は、マスク部材を用いてパターンを上記絶縁基板の上面を焦点として露光する露光工程を具備することを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリンタヘッド製造方法。
上記電極形成工程は、上記レジストが除去された部分にメッキの触媒核を吸着させる工程と、
上記レジストを剥離するレジスト剥離工程と、
無電解メッキを行うメッキ工程とを具備することを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリンタヘッド製造方法。
上記電極形成工程は、上記絶縁基板の上面及び上記駆動素子の溝が形成された部分に成膜する成膜工程と、
上記レジストを剥離するレジスト剥離工程とを具備することを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリンタヘッド製造方法。