JP5480388B2

JP5480388B2 - 圧電部材の欠陥の修復

Info

Publication number: JP5480388B2
Application number: JP2012534146A
Authority: JP
Inventors: マーディロヴィッチ，ピーター; ヴァンダープラス，ヒューバート，エイ; ウルマー，カート，エム
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2009-10-12
Filing date: 2009-10-12
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-10-12
Also published as: EP2489083A4; CN102576801A; EP2489083A1; US20120014820A1; WO2011046537A1; CN102576801B; JP2013507787A

Description

背景
インクジェット技術は、プリントヘッドからの小さな液滴を所望の位置に付着するための経済的な方法として広く認められている。一般に、圧電式（ピエゾ式）インクジェットプリントヘッドは、外部電圧の印加中に変形するように設計された、１つ又は複数の流体チャンバを含む。一般に、この変形は、チャンバの体積（容積）を減少させ、それにより液滴が、チャンバの一端部のノズルを介して噴出される。

インクジェットプリントヘッドの流体チャンバは一般に、圧電セラミック材料を含む。圧電材料は電界中で変形するので、流体チャンバの少なくとも一部を形成する圧電材料に印加された外部電圧により、チャンバの体積が変化してノズルから流体を噴出することができる。例えば、流体チャンバは、１つ又は複数の圧電アクチュエータを含むカバープレートを基板に取り付けることにより形成され得る。一般に、各アクチュエータは、基板の流体チャネルの上にあり、流体適合性薄膜、電極、及びジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３即ち「ＰＺＴ」）のような圧電材料を含む。一般に、圧電アクチュエータは、例えばダイヤモンドソーを用いて、層状の圧電／電極／薄膜の構造に溝を切り込むことにより形成される。代替のプリントヘッド構造において、流体チャンバは、圧電セラミック材料のブロック（固まり）に溝を直接的に切り込み、各溝内に電極を配置し、カバープレートを取り付けることにより形成され得る。どちらの設計でも、１つのチャネル又は領域における圧電変形は、隣接したチャネル又は領域において変形をもたらす可能性がある。この影響は一般に、クロストークとして知られており、プリントヘッドの性能を劣化させる可能性がある。

ＰＺＴのような圧電セラミックは、空隙、細孔、及び／又はクラック（亀裂）を含む欠陥を有する可能性がある。これら欠陥は、圧電セラミックの合成中、及び／または後続の機械加工中に生じる可能性がある。例えば、圧電セラミックは、ほぼ粒子サイズの空隙をセラミック内に含む可能性がある。更に、圧電セラミックをソーイング（sawing：鋸引き）して、これら上述したような溝を製作することは、ナノクラック（即ち、一般に１００ナノメートルよりも小さい断面積を有する小さいクラック又は割れ目）を含むクラックを生じる可能性がある。任意のタイプの欠陥は、圧電表面の粗さを増大させ、後続の処理をより困難にする可能性がある。更に、クラックは、圧電の劣化を促進し、繰り返される電圧のサイクル動作とともに成長し、ひいてはプリントヘッドの信頼性を低下させる可能性がある。

本発明の一実施形態による圧電部材の欠陥を修復する方法の様々な段階における圧電部材を示す図である。図１の２で示された領域で概して取られた、本発明の一実施形態による圧電部材の欠陥への溶液の流れを示す部分拡大図である。図１の３で示された領域で概して取られた、本発明の一実施形態による欠陥内へ延びるモノマー薄膜の形成を示す部分拡大図である。図１の４で示された領域で概して取られた、本発明の一実施形態によるモノマーの重合を示す部分拡大図である。本発明の一実施形態に従って修復された欠陥を有する圧電部材を含むインクジェットプリントヘッドを示す断面図である。図５の６で示された領域で概して取られた、本発明の一実施形態に従って修復された欠陥を有する圧電部材を示す部分拡大図である。流体チャンバに沿って概して取られた、本発明の一実施形態に従って修復された欠陥を有する圧電部材を示す断面図である。

詳細な説明
本教示は、圧電部材の欠陥を修復することに関する。本明細書で使用されるような欠陥は、空隙、細孔、及びクラックのような不完全状態を含むであろう。特に、欠陥は、圧電部材に切り込まれた溝内のナノクラックとすることができる。

最初に、図１〜図４を参照すると、圧電部材の欠陥を修復することに関する例示的な方法が示される。図１は、欠陥の修復の様々な段階によって圧電部材を概して示すことにより、例示的な方法を例示する。図２、図３及び図４は、例示的な方法をより具体的に例示し、修復の様々な段階によって特定の欠陥を示す。

本教示に従って、溶液１０は圧電部材１２に塗布するために準備され、当該溶液はモノマー（単量体）と溶媒を含むことができる。モノマーは、単一のモノマー種を含むことができ、又は２つ以上のモノマー種の混合物とすることができる。同様に、溶媒は、単一の溶媒種を含むことができ、又は２つ以上の溶媒種の混合物とすることができる。モノマー及び溶媒は、全てのモノマー種が溶媒に溶解して溶液１０を生成するように選択され得る。また、モノマー種、溶媒、及び溶液１０のモノマーの濃度は、以下で更に説明されるように、低い内部抵抗を有し且つ容易に流れて、その結果小さい欠陥に入り込むことができる低い粘性溶液を生成するように選択され得る。

幾つかの実施形態において、モノマーは、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸のエステル、メタクリル酸のエステル、及びアクリロニトリルを含むグループから選択されたアクリルモノマーを含むことができる。溶媒は、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、及び水を含むグループから選択され得る。特に、低い粘性溶液（例えば、２０センチポアズ未満の粘度を有する溶液）は、メタノールにアクリル酸を溶解することにより得られることができ、この場合、メタノールは、２５％の溶液含有量より大きい。

モノマー及び溶媒は更に、表面上で９０度未満の接触角を有する溶液を生成するために選択され得る。低い接触角は、表面と溶液との間の粘着力の尺度であり、ひいては溶液がコーティング中に表面にわたって広がる度合いである。一般に、低い接触角（例えば、９０度未満）を有する溶液は、圧電表面にわたってより容易に広がることができ、比較的より高い接触角を有する溶液に比べて、表面の小さい欠陥に入り込むことができる。幾つかの実施形態において、約２０度または２０度未満の接触角を有する溶液は、本明細書で説明された方法に従って修復を可能にするために、（圧電部材に溝を切り込む際に形成されたような）クラックに十分に入り込むことが分かっている。

さて、圧電部材１２の説明に入ると、圧電部材が、電界中で変形するように構成されたジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３即ち「ＰＺＴ」）のような圧電セラミック材料から形成され得ることを理解されるであろう。代案として、圧電部材は、少量のＬａ_２Ｏ_３でドーピングされたＰＺＴ（（Ｐｂ_１−ｘＬａ_ｘ）（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３即ち「ＰＬＺＴ」）から、又は任意の他の適切な圧電材料から形成され得る。示されたように、圧電部材は、１つ又は複数の溝１４を画定することができ、係る溝は一般にソー（saw：鋸）等を用いて圧電部材へ切り込まれる。溝は、圧電部材の変形可能なアクチュエータ領域間の分離を行うことができ、及び／又は圧電部材を介して流体を供給するための流体チャネルを画定することができる。

幾つかの実施形態において、溝１４は、溝の形成中に生じた欠陥を含む可能性がある表面１６を画定する。１つの係る欠陥は、図２〜図４において概して１８で示され、当該欠陥は、溝の側壁の内部でのクラックという形をとる。例示的な欠陥が示されているが、理解されるように、欠陥は、クラック、細孔、又は他の不均一性とすることができ、圧電材料の合成または機械加工工程から自然に生じる、又は結果として生じる可能性がある。また、理解されるように、単一の欠陥が示されているが、圧電部材は複数の欠陥を含む可能性があり、係る欠陥は圧電部材の様々な表面上に存在する可能性がある。

さて、特に図１〜図４に示された方法を参照すると、理解されるように、溶液１０は、１つ又は複数のプリントヘッド１００を用いて圧電部材１２の表面上に印字され得る。かくして、溶液１０は、圧電部材１２の損傷した領域（単数または複数）に選択的に塗布（適用）され得る。理解されるように、例えば、溝１４の内面は、溝をソーイングすることにより生じた欠陥（内面１６の欠陥１８など）に特に対処するために、溶液１０でコーティングされ得る。代案として、溶液１０は、例えばスピンコーディングにより、圧電部材１２の表面１６上にコーティングされてもよい。

また、溶液は、修復されるべき特定の欠陥の検出に基づいて付着されてもよい。例えば、１つ又は複数の欠陥の場所は、光学カメラ１０２により検出されることができ、溶液１０は、所定の寸法基準を越える欠陥を含む場所に付着され得る。同様に、溶液１０は、欠陥のタイプ又は欠陥の密度のような代替の又は追加の基準、又は欠陥修復の望ましさを判定するために使用され得る任意の他のパラメータを満たす場所に付着され得る。

欠陥の検出および溶液１０の付着は、半自動または自動とすることができる。例えば、欠陥は、画像認識システムを用いて検出されることができ、欠陥マップ（地図）は、欠陥のタイプ及びそれらの座標を含むように構築され得る。次いで、溶液１０は、当該欠陥マップから適切な付着場所を求めるための事前プログラムされたアルゴリズムを用いて付着され得る。

図２に最も良く示されるように、付着される溶液は、溶液１０が欠陥１８内へ（例えば、毛管現象により）流れるように、圧電部材１２の損傷した領域をコーティングする。それに応じて、溶液１０内に溶解されたモノマーが欠陥１８内へ運ばれる。溶液１０は、欠陥１８を実質的に充填するように付着され得るが、圧電部材１２の外面を覆うことはなく、かくしてモノマー溶液が節約される。

圧電部材のソーイングから結果として生じる、ナノクラックのような幾つかの欠陥は、小さくて不規則であり、充填するのが困難であるかもしれない。ポリマーは概して柔軟でフレキシブルであり、クラッキングに比較的耐性を示し、それ故に欠陥修復に検討され得るが、それらの典型的に長い鎖状構造は、溶液粘度を増大させ、ポリマー溶液がナノクラックのような小さな欠陥内へ流れる又は当該小さな欠陥を充填することを妨げる可能性がある。同様に、他の高い粘性溶液、及びスパッタリング又はプラズマ化学気相堆積法のような方向性堆積のプロセスは、小さい又は不規則な欠陥を修復することができないかもしれない。対照的に、別の同等のポリマー溶液に比べてモノマー溶液が比較的より低い粘度であるため、モノマー溶液が係る小さな欠陥内への流れに対応するように選択され得る。更に後述されるように、モノマー溶液が欠陥内へ流れた後、クラック耐性ポリマーが、モノマーを重合させることにより欠陥内で形成され得る。

ひとたび溶液１０が欠陥１８内へ流れると、溶媒は、表面１６上に及び欠陥１８内へ延在するモノマー薄膜２０（図１及び図３に示される）を形成するように溶液から実質的に除去され得る。溶媒は、加熱により、コーティングされた圧電部材を高速で回転させることにより、又は別の方法により除去され得る。本明細書で説明されたような溝内に欠陥がある場合、溶媒の除去は、圧電部材のアクチュエータ領域間の分離を行うための、及び／又は圧電部材を介して流体を伝えるための流体チャネルを提供するための溝を有効に空ける。何れにしても、図示されたように、モノマーが欠陥内に残り、周囲の表面上に薄膜（例えば、およそ数ミクロン）を形成することができる。

図１及び図４に示されるように、モノマー薄膜２０は、欠陥１８内に少なくとも部分的に配置されたポリマー薄膜２２を形成するように重合され得る。重合は、モノマー薄膜を紫外線（「ＵＶ」）光にさらすことにより行われ得る。例えば、モノマー薄膜２０は、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸のエステル、メタクリル酸のエステル、アクリロニトリル、又はそれらの混合物の重合から結果として生じたポリマーとして定義されるアクリルポリマーを形成するためにＵＶ光にさらされ得る。ＵＶ光にさらされた後、余分な溶媒が、軽度の加熱で除去され得る。ＵＶ重合に対する代案として、薄膜２０は、圧電部材を加熱することにより、ひいてはモノマー薄膜２０を、例えば約１００℃〜１５０℃まで加熱することにより重合され得る。しかしながら、約１００℃〜１５０℃の加熱がコスト、歩留まり、信頼性、又は別のパラメータにマイナスの影響を与える場合には、紫外線光を介した重合は有利であるかもしれない。何れにしても、重合は比較的低い温度、概して２００℃未満で行われることができ、それ故に高い温度に弱い既存の製造プロセス、又は高い温度の加熱が追加の圧電再ポーリング工程に必要であるかもしれない場合の製造プロセスに組み込まれ得る。

図４に最も良く示されているように、重合の後、欠陥１８はポリマーで実質的に充填され、かくして欠陥が修復されている。また、ポリマーは、修復された欠陥の周囲の領域において表面１６上に薄膜（例えば、およそ数ミクロン）を形成することができる。本明細書で説明されるように、欠陥が溝内に存在する場合、溝は、モノマー薄膜の重合の後で空いたままである。かくして、理解されるように、選択された領域（例えば、溝の内部）に付着されるモノマー溶液の量を制御することにより、欠陥を充填するのに十分な厚さの薄膜を形成することが可能であるが、圧電部材の形状を有利に維持する。

更に、モノマー薄膜を重合することにより、欠陥は、クラッキングに比較的耐性を示す柔軟でフレキシブルな材料で実質的に充填された状態にされ得る。また、フレキシブルな材料は、溝内に残るポリマーの任意の薄膜が、仮にあったとしてもクロストークにごくわずかしか影響を与えないように、圧縮応力の下で変形することができる。対照的に、圧電の構成元素、例えばＰＺＴの場合のＰｂ（鉛）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔｉ（チタニウム）を含む溶液は、硬質のセラミック材料を溝および欠陥内に形成する可能性があり、係る硬質のセラミック材料は、クラッキングに影響されやすい可能性があり、且つクロストークを増大させる可能性がある。従って、ポリマーは、機械的安定性、化学的攻撃に対する耐性、環境劣化に対する耐性、及び後続処理のための改善された表面特性を提供することができる。

さて、図５〜図７を参照すると、図１〜図４に示された方法を用いて製造された流体移動デバイスを表すプリントヘッドのようなプリントヘッド５０が示される。かくして、プリントヘッド５０は、圧電部材５２を含むことが看取され、この場合、１つ又は複数のアクチュエータ領域５６が上側電極５４及び下側電極５５を含む。アクチュエータ領域５６は、内壁６６を含む溝６４により分離されており、１つ又は複数の流体チャンバ５８の上に配置され得る。ノズル５９は、各流体チャンバ５８の一端部に配置され得る。また、圧電部材５２は、他の構成要素、例えば電気リード線（図示せず）も含むことができる。図６に示されるように、ポリマー６８は、欠陥７０内に配置され、内壁６６を少なくとも部分的にコーティングする。

ポリマー６８は、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸のエステル、メタクリル酸のエステル、アクリロニトリル、又はそれらの混合物の重合から結果として生じたポリマーとして定義されるアクリルポリマーとすることができる。示されたように、欠陥７０は、ポリマー６８で実質的に充填されることができるが、ポリマー６８は溝６４を実質的に充填しない又は塞がない。更に、欠陥７０は、圧電セラミックに溝を機械加工することから結果として生じるナノクラック又は割れ目とすることができ、ポリマー６８は実質的に、ナノクラックの全長に延在することができる。

Claims

圧電部材（12）の欠陥を修復する方法であって、
溶媒とモノマーを含む溶液（10）を準備し、
前記圧電部材（12）において欠陥（18）の場所を検出し、
前記検出された場所の少なくとも一部に基づいて、前記溶液（10）でコーティングされるべき前記圧電部材（12）の表面（16）の領域を決定し、
前記溶液（10）が前記欠陥（18）内へ流れるように、前記表面（16）の領域を前記溶液（10）でコーティングし、
前記欠陥（18）内にモノマー薄膜（20）を形成するために前記溶媒の少なくとも一部を除去し、
前記欠陥（18）内の前記モノマー薄膜（20）を重合して前記欠陥（18）内にポリマー薄膜（22）を形成することを含む、方法。
前記モノマーが、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸のエステル、メタクリル酸のエステル、及びアクリロニトリルから選択された少なくとも１つのアクリルモノマーを含む、請求項１に記載の方法。
前記溶媒が、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、及び水から選択された少なくとも１つの溶媒を含む、請求項１又は２に記載の方法。
前記溶液（10）が、２０センチポアズ未満の粘度を有する、請求項１〜３の何れかに記載の方法。
前記溶液（10）が、表面（16）上で９０度未満の接触角を有する、請求項１〜４の何れかに記載の方法。
前記圧電部材（12）の前記表面（16）の領域をコーティングすることが、前記圧電部材（12）に形成された溝（14）の内面（16）をコーティングすることを含む、請求項１〜５の何れかに記載の方法。
前記欠陥（18）がクラックであり、前記溶液（10）が前記クラック内へ流れて前記クラックを実質的に充填する、請求項１〜６の何れかに記載の方法。
前記モノマーが、紫外線光により重合される、請求項１〜７の何れかに記載の方法。
前記モノマーが、加熱により重合される、請求項１〜７の何れかに記載の方法。