JP5406167B2 - インクジェット記録装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のノズルからインクを吐出するインクジェット記録装置のヘッドの製造方法に関する。

従来、複数のノズルからインクを吐出するインクジェット記録装置であるインクジェットプリンタにおいて、互いに隣接する圧力室の隔壁をアクチュエータとするインクジェットヘッドが知られている。インクジェットヘッドは、インクを吐出するノズルを有するヘッド基板や、インク供給口とインク排出口を有するマニホールドなどを備える。

ヘッド基板は、基板と、圧力室を構成する圧電素子を含む圧電部材と、ノズルプレートと、圧電部材を駆動する駆動信号を出力するドライバＩＣと、圧電部材とドライバＩＣを接続する配線などを備える。そして、基板の上に圧電部材によって複数の圧力室が形成される。圧電部材に電圧を印加すると、圧電部材が変形し、圧力室の体積が変化し、体積が減少した圧力室からノズルプレートに形成されるノズルからインクが吐出される。

基板の材料としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などのセラミックスが挙げられる。一方、圧電部材としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）などの圧電材料が用いられる。

そして、インクジェットヘッドは、基板に対して、圧力室を形成する圧電部材を接着などにより固定する。そして、圧電部材及び基板の表面にに対して金属薄膜を形成し、レーザパターニングによって複数の電極を形成する処理などを行うことにより形成される（特許文献１）。

この電極形成のためのレーザーパターニング処理は、基板と圧電部材の、電極や電気配線となる部分を除いた領域をレーザーにより金属薄膜を除去することで、電極や電気配線を形成する処理であるが、基板の材料と圧電部材の材料が異なる場合、同じレーザーの照射条件では、金属膜の密着力に差がある場合、密着力が強い部分では金属膜を確実に除去できない加工残りが生じる場合がある。

そこで本願発明は、レーザーのパターニング処理により正確にかつ効率よく電極を形成するインクジェット記録装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、基板と、前記基板に固定される他の構成部材と、の表面に金属皮膜を形成し、レーザーを走査して前記基板と前記構成部材の両方にまたがる除去対象領域の金属皮膜を除去することにより、インクの吐出を行う圧電部材を駆動する信号を送信するための電気配線と前記圧電部材に電圧を印加する電極の少なくともいずれかを形成する場合に、前記除去対象領域のうち、前記金属皮膜の密着力がより高い、前記基板と前記構成部材のいずれか一方に属する第１の領域に対して１回目のレーザーの走査を行い、前記第１の領域と、前記第１の領域と連続する他方に属する第２の領域と、からなる前記除去対象領域全体に対して２回目のレーザーの走査を行うインクジェット記録装置の製造方法に関する。

以上に詳述したように、本発明によれば、インクジェットプリンタのヘッド基板の製造において、レーザーのパターニング処理により電気配線を形成する場合に、加工残りが生じることがなく、効率の良いをインクジェットヘッドの製造方法を提供することができる。

インクジェット記録装置のヘッドを構成するヘッド基板の斜視図である。 図１に示すヘッド基板のＡ−Ａ矢印位置での断面図である。 ヘッド基板の一部分の拡大平面図である。 圧電部材の図２におけるＢ−Ｂ矢印位置での断面図である。 ヘッド基板の製造方法の流れを示すフローチャートである。 本実施形態のパターニングの方法を示す基板と圧電部材の一部の模式図である。 本実施形態のパターニングの方法を示す基板と圧電部材の一部の模式図である。

以下、実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、インクジェット記録装置のヘッドを構成するヘッド基板１の斜視図である。図２は、図１に示すヘッド基板１のＡ−Ａ矢印位置での断面図である。図３は、ヘッド基板１の一部の拡大平面図である。

図１に示すヘッド基板１を備えるインクジェットヘッドは、いわゆるインク循環式のインクジェットヘッドである。ヘッド基板１は、基板２と、枠部材４と、圧電部材６と、ノズルプレート８と、インクジェットヘッドを駆動するドライバＩＣ１８と、ドライバＩＣ１８から圧電部材６に電力を供給する電気配線５０と、を備える。

基板２は、圧電部材６や枠部材４などが取り付けられる、板状の部材である。基板２は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミックス材料で形成される。基板２は、インク供給口１２とインク排出口１４を備える。

インク供給口１２は、インクを貯蔵するインクタンクと流体的に結合する。また、インク供給口１２は、基板２と、２列の圧電部材６と、ノズルプレート８によって形成される、インク供給路１８の位置に複数形成される。

インク排出口１４は、インク供給口１２から供給されたインクのうち使用されなかったインクを回収するための穴である。インク排出口１４は、インクを貯蔵するインクタンクと結合する。また、インク排出口１４は、基板２と、圧電部材６と、枠部材４と、ノズルプレート８によって形成される、圧電部材６の外側（枠部材４側）のインク排出路１９の位置に複数形成される。

枠部材４は、圧電部材６によってインクを吐出して印刷を行うために、基板２とノズルプレート８とによって、インクを一定量保持するインク室を形成するための枠である。枠部材４は、ステンレスなどの金属材料や、単結晶シリコンなどの無機材料、ポリイミドフィルムなどの樹脂材料を用いることができる。

圧電部材６は、ノズルプレート８に形成される多数のノズル１０からインクを吐出する多数の圧力室１６を備える。圧電部材６に電圧を印加すると、各圧力室１６の両側の壁となる圧電部材６が変形し、容積が小さくなるように変形した圧力室１６のノズル１０からインクが吐出される。圧電部材６は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などを用いることができる。また、図２などに示すように、圧電部材６のインク供給口１２側及びインク排出口１４側の両端部は、切削加工などにより形成される傾斜部６ｋとなっている。

そして、基板２の表面に形成される電気配線５０と、圧電部材６の表面に形成される電極２１は、基板２と圧電部材６の表面に形成される金属薄膜（金属皮膜）によって形成される。具体的には、電極２１及び電気配線５０は、レーザーによるパターニングを行って、電極２１及び電気配線５０とする部分以外の領域の金属薄膜を除去することによって形成する。図３では、レーザーにより金属薄膜を除去した領域を、レーザーパターニング領域３００として示している。従って、図３では、レーザーパターニング領域３００以外の、基板２上の領域が電気配線として用いられ、圧電素子６上の領域が電極２１として用いられる。金属薄膜は、ニッケルや金により形成することができる。また、金属薄膜は、メッキ法、スパッタ法、蒸着法などの方法により形成する。

ここで図４により、圧電部材６の構成を詳細に説明する。図４は、圧電部材６の図２におけるＢ−Ｂ矢印位置での断面図である。圧電部材６は、板厚方向に互いに反対向きに分極した第１圧電部材６ａと第２圧電部材６ｂとが積層された部材である。

そして、圧電部材６には、インク供給路１８からインク排出路１９につながる複数の長溝が平行に形成され、各長溝の内面には電極２１（図４では、電極２１ａ〜２１ｈ）が形成されている。長溝と長溝の開口部側を覆うノズルプレート８とによって囲まれる空間が圧力室１６（図４では、圧力室１６ａ〜１６ｈ）となる。長溝（圧力室１６）の内面に形成される電極２１は、電気配線５０を介してドライバＩＣ１８に接続されている。隣接する圧力室１６の間の隔壁を構成する圧電部材６は、各圧力室１６に設けられた電極２１によって挟まれ、アクチュエータ２５（図４では、アクチュエータ２５ａ〜２５ｇ）を形成する。また、圧電部材６のインク供給口１２側及びインク排出口１４側の両端部は、切削加工などにより形成される傾斜部６ｋとなっている。

次に、ノズルプレート８は、枠部材４に接着されて固定される。ノズルプレート８は、上述のように、枠部材４と共にヘッド基板１においてインクを滞留させる空間を形成する。ノズルプレート８には、圧電部材６によって形成される圧力室１６に対応する位置に、複数のノズル１０が形成される。ノズルプレート８は、ステンレスなどの金属材料や、単結晶シリコンなどの無機材料、ポリイミドフィルムなどの樹脂材料を用いることができる。

ドライバＩＣ１８は、長溝の内面に形成される各電極２１に対して、電気配線５０を介して、駆動信号を出力する。

このような圧電部材６などから成るヘッド基板１をインクジェットプリンタに取り付けて、実際にプリント処理を実行すると、まず、インクジェットプリンタのプロセッサによって実現される制御部が、インクジェットヘッドを駆動するドライバＩＣ１８に対して、印字信号を出力する。ＩＣ１８は、取得した印字信号に基づき、電気配線５０を介して、圧電部材６の各電極２１ａ〜２１ｈに駆動パルス電圧を印加する。そうすると、アクチュエータ２５は、圧電部材６ａと圧電部材６ｂの接合部を頂部として「く」の字型に剪断変形する。このアクチュエータ２５の変形によって、各圧力室１６の容積が変化し、圧力室１６の内部にあるインクが加圧される。加圧されたインクは、各圧力室１６に対応するノズル１０から吐出される。各アクチュエータ２５に対する電圧の印加を制御することで、所望の圧力室１６からノズル１０を介してインクを吐出し、用紙の所定の位置に画像を形成することができる。

次に、以上の構成を備えるヘッド基板１の製造方法について説明する。図５は、ヘッド基板１の製造方法の流れを示すフローチャートである。

まず、Ａｃｔ１０１において、インク供給口１２及びインク排出口１４をプレス加工により形成した基板２を焼成する。

次に、Ａｃｔ１０２において、基板２に一対の圧電部材６を接着する。この時点の圧電部材６は、圧力室１６を構成する長溝や図４に示す傾斜部６ｋなどが形成されていない、板状の部材である。

次に、Ａｃｔ１０３において、圧電部材６に対する加工を行う。具体的には、圧電部材６の角部を切削する切削加工と、長溝の形成加工を行う。角部の切削加工は、圧電部材６の角部を切削して、インク供給口１２側及びインク排出口１４側の両端部に傾斜部６ｋを形成する。角部を切削して傾斜部６ｋを形成することで、圧電部材６は、図２に示すようにノズルプレート側に近づくにつれ幅が狭くなる形状となる。長溝の形成は、ダイシングソーなどを用いて圧電部材６に対して所定数の長溝を形成することにより行う。

次に、Ａｃｔ１０４において、ヘッド基板１に対して、電極２１及び電気配線５０を形成する。具体的には、まず、例えば無電解メッキ法により、基板２及び圧電部材６の表面に、金属薄膜を形成する。そして、レーザーによるパターニングにより、電極２１及び電気配線５０以外の部分の金属薄膜を除去することにより、電極２１及び電気配線５０を形成する。電気配線５０を形成する際のレーザーによるパターニング方法の詳細については後述する。

次に、Ａｃｔ１０５において、ノズルプレートを接着するための面だしと電極の除去のために、圧電部材６の上部を除去する加工を行う。また、基板１の外形をカットし、周辺の不要な電極の除去を行う。

次に、Ａｃｔ１０６において、枠部材４を基板２に対し接着し、ノズルプレート１０を枠部材４に接着して固定する。

次に、Ａｃｔ１０７において、基板２上の電気配線５０に接続するように、ドライバＩＣ１８を基板２に固定する。

以上の工程によりヘッド基板１が製造される。製造したヘッド基板１に対してケースを装着することで、インクジェットヘッドを形成することができる。

次に、本実施形態のヘッド基板１において、電気配線５０及び電極２１を形成する、レーザーによるパターニングの方法について説明する。図６及び図７は、本実施形態のパターニングの方法を示す基板２と圧電部材６の一部の模式図であり、例として、図３に示すレーザーパターニング領域３００のうち、除去対象領域３０２の金属薄膜を除去するとして説明する。図６（ａ）及び図７（ａ）は、ヘッド基板１のノズルプレート８が固定される側から見た図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ位置での断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＤ−Ｄ位置での断面図である。なお、図６及び図７において、圧電部材６と基板２の表面には、金属薄膜が形成されており、レーザーの走査によって除去されるものとする。

上述のように、電極２１及び電気配線５０は、基板２及び圧電部材６の表面に金属薄膜を形成し、この金属薄膜をレーザーによるパターニングにより除去することで形成される。金属薄膜は、例えば、無電解メッキにより形成することができる。無電解メッキにより皮膜を形成する場合には、皮膜を形成する金属が被覆対象物の凹凸に食い込むアンカー効果により皮膜と基板２や圧電部材６との密着力を高める。密着力を高めるためには、メッキの前に被メッキ対象物（基板２及び圧電部材６）にエッチングを施す。

この際、基板２と圧電部材６とが異なる材料である場合、エッチング液の浸透の深さに差が生じ、その浸透度合いの差によって、メッキ液の浸透の深さの度合にも差が生じる。そうすると、結果として、材質の異なる基板２と圧電部材６とでは、金属膜の密着力に差が生じる。この場合、同じ条件のレーザーで、金属薄膜の被覆対象物への密着力が異なる範囲の除去処理を連続して行うと、金属薄膜の密着力の高い範囲と密着力の低い範囲とで、金属薄膜の除去の程度に差が生じる。

例えば、基板２をアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、圧電部材をチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で形成し、エッチング溶液としてフッ酸溶液を用いてエッチングする場合、フッ酸溶液はアルミナ部分には深く浸透せず、ＰＺＴ部分にはアルミナ部分より深く浸透する。この場合、メッキ液もＰＺＴ部分に深く浸透することになるため、ＰＺＴ部分の金属薄膜のほうが密着力が高くなる。従って、同じ照射条件のレーザーの走査により基板２と圧電部材６に対して連続して金属薄膜の除去処理を行った場合、圧電部材６上の金属薄膜に対して加工残りが発生する。加工残りは、ショートなどの原因となり好ましくない。

一方、被覆対象物ごとに、レーザーの条件を変えて金属薄膜を除去することも可能であるが、レーザーの走査回数が多くなり、パターニング処理に時間を要してしまい、処理効率が低下する。

そこで、本実施形態のパターニング方法は、図６に示すように、電気配線５０を形成する際に、金属薄膜の密着力が異なる圧電部材６と基板２の両方にまたがる範囲で金属薄膜を除去する場合、まず、金属薄膜の密着力が高い範囲である圧電部材６上の除去範囲において、圧電部材６から基板２との境界への方向（矢印ａの方向）でレーザーの走査を行う。この走査により１回目の第１の走査範囲６０１（第１の領域）の金属薄膜の除去処理が行われる。

次に、１回目の第１の走査範囲６０１を含む、金属薄膜を除去する除去範囲全体を、圧電部材６側から基板２側に向けて、同じく矢印ａの方向でレーザーで走査する。この２回目の走査により、第１の走査範囲６０１と基板２側の走査範囲（第２の領域）からなる第２の走査範囲６０２の金属薄膜が除去される。

以上のようなパターニング方法により、金属薄膜との密着力が高い範囲についても、２回のレーザーの走査によって、加工残り無く確実に金属薄膜が除去される。さらに、１回目の走査では、金属薄膜を除去する範囲のうち、金属薄膜の密着力の高い範囲のみ走査するため、その走査範囲６０１の両端に、除去した金属薄膜によるバリが生じるが、２回目の全体（第２の走査範囲６０２）のレーザー走査によって、そのバリが除去される。よって、バリによるショートなどが生じることも無い。さらに、１回目のレーザーの走査では、金属薄膜の密着力が高い範囲のみを走査するため、走査範囲全体を２回走査する場合に比べて、処理効率が良い。

一方、例えば、圧電部材６側から基板２側に向けて（矢印ａ方向）レーザー走査を行う場合であって、１回目に全体を走査して、２回目に、加工残りが生じやすい圧電部材６側の範囲（図６において第１の走査範囲６０１）に対してのみ、矢印ａ方向にレーザーの走査を行って、残った金属薄膜の除去を行うと、圧電部材６の範囲の加工残りはなくなるが、レーザーの走査の終点部分、つまり、金属薄膜の除去対象領域３０２の途中で、バリが生じ、ショートなどの原因となり好ましくない。

また、金属薄膜を除去したい範囲全体を２回走査すると、加工残りの無い基板２部分のレーザーの走査が過剰となり、基板２の不必要な部分までレーザーによる除去が生じる可能性もあり好ましくない。

なお、本実施形態においては、１回目と２回目のレーザーの走査方向は、いずれも、レーザーによる加工残りが生じやすい圧電部材６側から、基板２側に向けて、つまり図６（ａ）、（ｂ）において矢印ａ方向に操作するとして説明したが、これに限られない。１回目の走査は、圧電部材６と基板２との境界位置から圧電部材６側に向けて、つまり、矢印ａとは反対の方向にレーザーの走査を行い、２回目の走査を矢印ａの方向に行ってもよい。この場合には、１回目の走査の終点と２回目の走査の始点の位置が同じとなるため、レーザーの走査の効率が良い。

また、本実施形態においては、レーザーの走査を２回行うとして説明したが、金属薄膜の基板２や圧電部材６に対する密着力によっては、３回目以降さらにレーザーの走査を行ってもよい。

以上、本実施形態によれば、金属薄膜をレーザーにより除去することにより、圧電素子に電圧を印加する電極又は圧電素子に駆動信号を送信するための電気配線を形成するインクジェットヘッドの製造方法において、金属薄膜の除去を確実に行うことができると共に、レーザーの走査回数や走査範囲を最小限に抑えることが可能となり、効率よくインクジェットヘッドを製造することができる。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、すべて本発明の範囲内のものである。

１ ヘッド基板
２ 基板
４ 枠部材
６ 圧電部材
８ ノズルプレート
１６ 圧力室
２１ 電極
５０ 電気配線

特表２００２‐５２９２８９号公報

Claims (4)

1. 基板と、前記基板上に固定されるヘッドの圧力室を形成する圧電部材と、を備えるヘッド基板の表面に金属皮膜を形成し、
   レーザーを走査して前記基板と前記圧電部材の両方にまたがる除去対象領域の金属皮膜を除去することにより、圧電部材を駆動する信号を送信するための電気配線及び前記圧電部材に電圧を印加する電極の少なくともいずれかを形成する場合に、
   前記除去対象領域のうち、前記金属皮膜の密着力がより高い、前記基板と前記圧電部材のいずれか一方に属する第１の領域に対して１回目のレーザーの走査を行い、
   前記第１の領域と、前記第１の領域と連続する、他方に属する第２の領域と、からなる前記除去対象領域全体に対して２回目のレーザーの走査を行うインクジェット記録装置の製造方法。
2. 請求項１に記載のインクジェット記録装置の製造方法において、
   前記圧電部材と前記金属皮膜との密着力は、前記基板と前記金属皮膜との密着力よりも高いインクジェット記録装置の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載のインクジェット記録装置の製造方法において、
   前記１回目のレーザーの走査は、前記第２の領域側の一端から、前記第１の領域側の他端に向けて行う走査であるインクジェット記録装置の製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載のインクジェット記録装置の製造方法において、
   前記２回目のレーザーの走査の後、前記除去対象領域に対してさらにレーザーの走査を行うインクジェット記録装置の製造方法。