JP5427145B2 - インクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、インクジェットヘッド及びインクジェットヘッドの製造方法に関する。

インクジェットプリンタに用いられるインクジェットヘッドは、ベース基板と、このベース基板の上に載置される、溝を刻みこんだ圧電素子と、ベース基板の上に圧電素子を囲むように載置される枠体と、圧電素子の溝の側壁の上端に接着剤により接着される、ノズル穴を有するノズルプレートと、を有する。

インクジェットプリンタヘッドは、圧電素子がある方向に変形することにより溝の内部にインクを吸い込み、圧電素子が他の方向に変形することにより溝の内部のインクをノズル穴から吐出する。その複数の溝はインク供給室に連通し、インク供給室から各溝へインクが供給され、ノズル穴からインクが吐出される。

インクジェット記録装置はインクジェットヘッド、インク吐出を制御するヘッド駆動回路、インクを貯蔵するインクタンクを搭載し、ヘッドの吐出性能を維持するメンテナンス機構を備えている。インクタンクから、インクジェットヘッド内に設けられたインク供給室を通して、インクをそのインクタンクへ戻す、インク循環型のインクジェット記録装置も利用されている。インク循環型のインクジェット記録装置は気泡やパーティクルが発生しても印字の不具合の発生が生じにくいという特性を持っている。

特開２０１０-６９８００号公報

従来のインクジェットヘッドは次のような工程により形成されている。誘電体により形成されたベース基板をエッチングにより粗し、この粗したベース基板の上に圧電素子を接着する。次に、圧電素子を切削加工して圧力室を形成する。さらに、圧電素子をエッチングにより粗し、メッキにより導体層を形成する。

エッチングにより表面を粗すことはメッキの付着性を良くするアンカー効果を得るために行われる。

ここで、ベース基板と圧電素子の材質が異なるため、表面を粗すために異なる条件により２回エッチングしなければならず、工数がかかっている。また、ベース基板を粗してから圧電素子を粗すまでに複数の工程が存在し、この工程を行う過程でベース基板の表面が汚染されてアンカー効果が得られにくい部位が生じる。

従って、効率よく均一にアンカー効果が得られるインクジェットヘッド及びインクジェットヘッドの製造方法が求められている。

上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態は基板に圧電体層を設ける圧電体層形成工程と、圧電体層の上に圧電素子を設ける工程と、圧電素子に圧力室を設ける工程と、圧電体層と圧電素子の表面をエッチングして粗す工程と、圧電体層と圧電素子の表面に導体層を設ける工程と、圧力室の側壁の上端部に、接着剤を塗布してノズルプレートを接着する工程と、を含むインクジェットヘッドの製造方法を提供する。

インクジェットヘッドの構成を表す図である。 インクジェットヘッドの図１におけるＡＡ線断面図である。 インクジェットヘッドの製造方法を示した図である。 インクジェットヘッドの製造方法を示した図である。 インクジェットヘッドの製造方法を示した図である。 インクジェットヘッドの製造方法を示した図である。 インクジェットヘッドの製造工程を示すフローチャートである。

以下、本発明によるインクジェットヘッド及びインクジェットヘッドの製造方法の一実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

インクジェットヘッドは、誘電体により形成される基板と、基板の表面に形成される圧電体層と、圧電体層の上に載置され、内部に空間を有する圧力室を具備する圧電素子と、圧電体層及び圧電素子に形成される導体層と、圧電素子を囲むように基板に載置される枠体と、側壁の上端部に接着され、ノズル穴を有するノズルプレートと、を備える。

（インクジェットヘッドの構成）
図１は、インクジェットヘッド１００の構成を表す図である。図１に示すように、インクジェットヘッド１００は、基板１１と、この基板１１の表面に形成される圧電体層２０と、この圧電体層２０の上に載置され、圧力室３１が刻み込まれる圧電素子１２と、圧電体層２０及び圧電素子１２に形成される導体層１９（図２参照。）と、この圧電素子１２を囲むように基板１１に載置される枠体１３と、圧電素子１２の側壁の上端部に接着され、ノズル穴１５を有するノズルプレート１４と、を備える。

基板１１はアルミナ、その他のセラミックスなどの誘電体により形成される。例えば、グリーンシート方式により基板を形成し、さらにインク吸入孔１６とインク排出孔１７とを金型にて形成し、焼成することにより基板１１が形成される。

別の材料としては、シリコン単結晶基板に二酸化シリコン層を形成し、パターンニングを行った後、ＫＯＨ等のエッチングによりインク吸入孔１６とインク排出孔１７とを形成してもよい。

圧電素子１２は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＢａＴｉＯ_３により形成される。ノズルプレート１４は、例えばポリイミドなどの樹脂、又は金属のフィルムにより形成される。

図２は、インクジェットヘッド１００の図１におけるＡＡ線断面図である。図２に示すように、インクジェットヘッド１００は、基板１１にインク吸入孔１６と、インク排出孔１７と、を有し、インクはインク吸入孔１６と、圧力室３１とインク排出孔１７と、を循環する。圧力室３１は内部に空間を有する。

圧電素子１２の圧力室３１の側壁は断面が台形をなす。インクジェットヘッド１００は、圧電素子１２を基板１１の上に２列有する。ノズルプレート１４は、圧力室３１の上部にノズル穴１５を有する。

基板１１には圧電体層２０が形成され、この圧電体層２０の上に圧電素子１２が接着される。圧電体層２０の材質と圧電素子１２の材質は同じ材質、または、同じ条件によって同じ粗さを得られる材質であることが望ましい。

圧電体層２０の上には導体層１９が形成される。この導体層１９によって電極が形成される。また、圧電素子１２の側壁及び圧力室３１の底面はこの導体層１９によって被覆される。

インクジェットヘッド１００は、枠体１３の外側に圧電素子１２を駆動させるドライバＩＣ１８と、ドライバＩＣ１８と圧電素子１２とを接続する電極と、を有する。

インクジェットヘッド１００は、ドライバＩＣ１８により駆動される圧力素子１２が変形することより、インクを吐出する。すなわち、容積が増えた圧力室３１内はインクを内部に導入し、容積が減った圧力室３１は加圧されたインクをノズル穴から吐出する。

（インクジェットヘッドの製造方法）
図３乃至図６は、インクジェットヘッド１００の製造方法を示した図である。図３乃至図６に示すように、インク吸入孔１６とインク排出孔１７とを有する基板１１の上に、圧電体層２０を形成する。

圧電体層２０の形成方法は問わない。例えば、圧電体を含有するペーストである圧電体ペーストを基板１１の表面にスクリーン印刷により塗布し、乾燥させた後、焼成して圧電体層２０を得ることができる。圧電体層２０は、ゾル−ゲル法、或いはＭＯＤ法により形成することもできる。

圧電体層２０の厚みは２０μｍ以上５０μｍ以下が望ましい。焼成温度は５００℃以上９００℃以下であることが望ましい。

圧電体層２０の材質は、圧電素子１２の材質と同じであることが望ましい。ここで、同じとは、例えば圧電体層２０がＰＺＴペーストを塗布した後、焼成して圧電体層２０を形成した場合、圧電素子１２はＰＺＴによって形成されていることを指す。すなわち、同じ材質とは、共通する元素を含む材質を言う。

図４（Ａ）に示すように、次に圧電体層２０の上に短冊加工した圧電素子１２が接着される。図４（Ｂ）は短冊加工された圧電素子１２の形状を示す図である。図４（Ｂ）に示すように、圧電素子１２は第１の圧電素子と、第１の圧電素子とは分極方向が逆の第２の圧電素子とを張り合わせたものを、断面が台形となるように切削加工されたものである。

次に、接着した圧電素子１２を、高さが３００μｍとなるように研磨し、ダイシングソーのダイアモンドホイールなどにより、図１に示す圧力室３１を切削加工する。この時、切削底面１２Ａが基板１１に達しないことが必要である。

また、圧電素子１２と圧電体層２０とを接着する接着剤が、接着面からはみ出すことがある。このはみ出し部位は導体層１９の形成の際に十分なアンカー効果が得られない。従って、圧力室３１の切削加工の際、このはみ出した接着剤の層を切削除去することが望ましい。よって、切削底面１２Ａの圧電体層２０表面からの深さは１０μｍ以上４０μｍ以下であることが望ましい。

次に、全面を重量濃度０．０１％以上０．０５％以下のＨＦ水溶液に浸漬してエッチングし、表面を粗す。

ここで、圧電体層２０と圧電素子１２は同じ材質により形成されているため、同じ程度の粗さによりエッチングされる。

図５に示すように、次に、圧電体層２０と圧電素子１２に導体層１９が形成される。メッキの前処理として触媒核となるＰｄを圧電体層２０と圧電素子１２の表面に、センシタイジング−アクチベーション法により付着させる。次に、無電解ニッケルメッキ液にこのワークを浸漬し、Ｎｉ層を形成する。

ここで、Ｎｉ層は、導電性の高いＮｉ−Ｂ層と耐食性の高いＮｉ−Ｐ層の性期層構造であることが望ましい。なお、Ｎｉ層はＮｉ−Ｂ層又はＮｉ−Ｐ層の単層であってもよい。次に、電解メッキにてＡｕ層を形成する。

Ｎｉ層の層厚は０．６μｍ以上１．０μｍ以下、Ａｕ層の層厚は０．１μｍであることが望ましい。

次に、電極のパターンニングを行う。スプレー法又は電着法によりフォトレジストをワークに塗布する。その後、プリベーク、露光、現像し、ポストベークを行い、ウェットエッチングによりＡｕ層、Ｎｉ層を除去する。

図６に示すように、次に、基板１１に枠体１３を接着する。

次に、枠体１３、及び圧電素子１２の側壁の上部に、接着剤を用いてノズルプレート１４を接着する。

次に、ノズルプレート１４に、レーザーを照射してノズル穴１５を鑽孔する。ノズル穴１５の直径は２８μｍである。

次に、基板１１の電極１９にドライバＩＣ１８を接続する。

次に、マニホールド、インクケースを接着してアセンブルする。

図７は、インクジェットヘッド１００の製造工程を示すフローチャートである。図７に示すように、工程７０１において、基板１１の表面全面に圧電体ペーストを塗布する。工程７０２において、圧電体層１２を焼成する。

工程７０３において、短冊加工された圧電素子１２を圧電体層２０に接着する。工程７０４において、圧電素子２０の高さを調整し、圧力室３１を形成するために切削加工を行う。

工程７０５において、圧電素子１２及び圧電体層２０をエッチングし、アンカー効果を得るために表面を粗す。

工程７０６において無電解メッキによりＮｉ層を形成し、工程７０７において電解メッキによりＡｕ層を形成する。工程７０８において、フォトレジストにより電極を形成する。

工程７０９において、枠体１３、ノズルプレート１４を接着する。工程７１０において、ノズルプレート１４にノズル穴１５を形成する。

工程７１１において回路を実装し、工程７１２においてその他の部品をアセンブリする。

（本実施形態の効果）
以上述べたように、本実施形態のインクジェットヘッド１００は、基板１１と、この基板１１の表面に形成される圧電体層２０と、この圧電体層２０の上に載置され、圧力室３１が形成される圧電素子１２と、圧電体層２０及び圧電素子１２に形成される導体層１９と、この圧電素子１２を囲むように基板１１に載置される枠体１３と、圧電素子１２の圧力室３１の側壁の上端部に接着され、ノズル穴１５を有するノズルプレート１４と、を備える。

従って、１回の工程により効率よく均一にアンカー効果が得られるエッチングを行うことができる、という効果がある。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１１：基板、
１２：圧電素子、
１３：枠体、
１４：ノズルプレート、
１９：導体層、
２０：圧電体層、
３１：圧力室。

Claims (2)

1. 基板に圧電体層を設ける圧電体層形成工程と、
   前記圧電体層の上に圧電素子を設ける工程と、
   前記圧電素子に圧力室を設ける工程と、
   前記圧電体層と前記圧電素子の表面をエッチングして粗す工程と、
   前記圧電体層と前記圧電素子の表面に導体層を設ける工程と、
   前記圧力室の側壁の上端部に、接着剤を塗布してノズルプレートを接着する工程と、
   を含むインクジェットヘッドの製造方法。
2. 前記圧電体層形成工程は、
   圧電体ペーストを基板に塗布する工程と、
   塗布された前記圧電体ペーストを焼成する工程と、
   を含む請求項１記載のインクジェットヘッドの製造方法。

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