JP5514851B2 - インクジェットプリンタヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、インクジェットプリンタヘッドの製造方法に関する。

インクジェットプリンタヘッドは、複数のインク流路（圧力室）を有する圧電部材が設けられた絶縁基板と、ノズルが形成されたノズルプレートとを備えている。圧力室は圧電部材の隔壁で隔てられ、各圧力室の側面および底面には電極（駆動用電極）が形成されている。駆動用電極の引出線としての電極は、圧電部材隔壁の側面から絶縁基板にわたって形成されている。駆動用電極に電圧が印加されると、圧電部材隔壁が変形して圧力室の容積が変化する。圧力室が縮小することにより内部のインクが加圧されて、ノズルからインク滴として吐出される。

こうした複雑な形状のインクジェットプリンタヘッドにおいては、電極は無電解めっき法により形成されている。絶縁基板の材質は、一般的にアルミナなどのセラミックスまたはガラスであり、圧電部材には、一般的にチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと称する）が用いられている。絶縁基板および圧電部材隔壁の上に形成される電極の密着力を高めるためには、めっき前の表面にエッチングを行なって粗面化処理を施すことが有効であるとされているものの、圧電部材の材質と絶縁基板の材質とではエッチングに対する耐性が異なる。圧電部材の材質は、絶縁基板の材質より非常にエッチングされ易いため、絶縁基板と同じ条件で圧電部材がエッチングされると、適切な状態が得られないおそれがある。一方、圧電部材の材質に合わせた穏やかな条件で圧電部材とともに絶縁基板をエッチングした場合には、絶縁基板の表面が十分に粗面化されず、電極は絶縁基板上で密着力不足となる。

絶縁基板のみを予めエッチングして粗面化処理を施しておけば、後の工程で圧電部材とともにより穏やかな条件でエッチングしても、絶縁基板の表面に十分な粗さを確保することができる。しかも、圧電部材の表面が過度にエッチングされることがなく、適切な状態となる。

特開２００２−１１３８６１号公報

しかしながら、前述したような構成のインクジェットプリンタヘッドでは、引出線としての電極をパターニングできるように、圧電部材隔壁の側面は傾斜面とされている。この傾斜面は、絶縁基板に圧電部材を接着した後に、圧電部材の側面にダイヤモンド砥石等による機械加工を施して形成される。圧電部材隔壁から絶縁基板にわたって連続した電極を形成するためには、これらの間に段差が存在してはならない。電極が圧電部材隔壁の側面から絶縁基板に連続して形成されるように、絶縁基板の一部が圧電部材隔壁の側面とともに傾斜面を構成している。

こうした傾斜面を形成するには、絶縁基板の一部まで加工することとなる。したがって、絶縁基板の表面がエッチングにより粗面化されていても、傾斜面を形成する際にこの部分の表面が除去されて非エッチング面が露出する。その結果、この上に形成される電極の密着力が低下する。

絶縁基板も圧電部材と同様にＰＺＴ製とすれば、このような問題は生じないが、ＰＺＴはコストが高い。しかも、ＰＺＴは鉛を含んでいることから、圧電部材以外の部分に用いるのは避けることが望まれる。

本発明が解決しようとする課題は、絶縁基板への密着性に優れた電極を形成できるインクジェットプリンタヘッドの製造方法を提供することにある。

実施形態のインクジェットプリンタヘッドの製造方法においては、絶縁基板上に、長辺と短辺とを有する矩形状の圧電部材を設け、前記圧電部材の短辺に沿った断面の幅が上面から底面に向けて連続的に広がるように、前記圧電部材の長辺の側面を加工して、前記絶縁基板の一部を含む傾斜面を形成する。次いで、前記圧電部材の傾斜面および上面に、選択的に耐酸性の保護膜を形成した後、前記圧電部材を前記保護膜で保護しつつ、前記絶縁基板の表面を選択的に粗面化する。前記圧電部材から前記保護膜を除去して表面を露出させた後、前記圧電部材に短辺に沿った溝を加工して、複数の圧電部材隔壁および圧電部材隔壁の間に挟まれた圧力室を形成する。前記圧電部材隔壁の露出した表面を粗面化した後、前記粗面化された絶縁基板の表面および前記粗面化された圧電部材隔壁の傾斜面に電極を形成する。

一実施形態にかかるインクジェットプリンタヘッドの構成を概略的に示す分解斜視図。 図１に示したインクジェットプリンタヘッドを第２方向に沿って切断した構造を概略的に示す断面図。 圧電部材隔壁および電極を説明する断面図。 圧力室内に形成された電極を説明する断面図。 絶縁基板上の圧電部材隔壁の拡大図。 一実施形態にかかるインクジェットプリンタヘッドの製造工程を示す断面図。 図６に続く工程を示す断面図。 絶縁基板上の圧電部材の拡大図。 図７に続く工程を示す断面図。 絶縁基板上の圧電部材の拡大図。 圧力室が形成された圧電部材を示す断面図。 図９に続く工程を示す断面図。 絶縁基板上の圧電部材隔壁の拡大図。 電極が形成された絶縁基板を示す斜視図。 枠体が接着された絶縁基板、およびノズルプレートを示す斜視図。

以下、図面を参照して実施形態を具体的に説明する。

図１は、一実施形態におけるインクジェットプリンタヘッド１の構成を概略的に示す分解斜視図である。

インクジェットプリンタヘッド１は、主要部１０、ノズルプレート２０、マスクプレート３０、およびホルダ４０を有する。このインクジェットプリンタヘッド１は、第１方向Ｘを長手方向とした概略直方体形状である。なお、以下の説明において、第１方向Ｘに概ね直交する方向を第２方向Ｙとし、Ｘ−Ｙ平面に直交する方向を第３方向Ｚとする。インク滴の吐出方向は第３方向Ｚである。

主要部１０は、絶縁基板１１、枠体１２、および圧電部材隔壁１３などを含む。

絶縁基板１１は、例えば、アルミナなどのセラミックス製またはガラス製であり、第１方向Ｘに沿って延出した概略長方形の板状である。この絶縁基板１１は、ノズルプレート２０と対向する側に上面１１Ｔを有するとともに、ホルダ４０と対向する側に下面１１Ｂを有している。このような絶縁基板１１は、インク供給口１１inおよびインク排出口１１outを有している。インク供給口１１inおよびインク排出口１１outは、上面１１Ｔから下面１１Ｂまで貫通している。

枠体１２は、例えば金属製であり、矩形枠状である。この枠体１２は、絶縁基板１１の上面１１Ｔに配置されている。圧電部材隔壁１３は、例えばＰＺＴ製であり、絶縁基板１１の上面１１Ｔにおいて枠体１２で囲まれた内側に配置されている。各圧電部材隔壁１３は、第１方向Ｘに沿って並び、隣接する圧電部材隔壁１３の間の空間は圧力室１４となる。したがって、複数の圧力室が第１方向Ｘに沿って並んでいる。

図１に示した例では、第１方向Ｘに沿って並んだ圧電部材隔壁１３の列が２列（１１１および１１２）形成されている。複数のインク供給口１１inは、絶縁基板１１の略中央部、すなわち、２列の圧電部材隔壁１３の間において第１方向Ｘに沿って並んでいる。複数のインク排出口１１outは、絶縁基板１１の周辺部、すなわち、圧電部材隔壁１３と枠体１２との間において第１方向Ｘに沿って並んでいる。このような構成により、インク供給口１１inのそれぞれから圧力室１４に向けてインクが供給され、圧力室１４を通過したインクがインク排出口１１outのそれぞれから排出される。

ノズルプレート２０は、例えば、ポリイミドなどの樹脂製、あるいは、ニッケル合金やステンレスなどの耐熱性を有する金属製であり、第１方向Ｘに沿って延出した概略長方形の板状に形成されている。このノズルプレート２０は、第３方向Ｚに沿って主要部１０の上方に配置されている。このノズルプレート２０は、マスクプレート３０と対向する側に上面２０Ｔを有するとともに、主要部１０と対向する側に下面２０Ｂを有している。このノズルプレート２０の下面２０Ｂと、枠体１２および圧電部材隔壁１３とは、図示しない接着剤により接着されている。

このようなノズルプレート２０は、ノズル２１を有している。各ノズル２１は、それぞれの圧力室１４に対向して形成されており、各圧力室１４に連通している。複数のノズル２１は、概略第１方向Ｘに沿って並んでおり、ノズル列２１１および２１２を形成している。図示した例では、ノズルプレート２０には、２列のノズル列２１１および２１２が形成されているが、これに限定されない。ノズル列は、１列であってもよく、３列以上であってもよい。なお、互いに隣接するノズル２１は、厳密には、第１方向Ｘに沿った同一直線上に形成されていない場合があるが、ここでは詳細な説明を省略する。

マスクプレート３０は、例えば金属製であり、ノズルプレート２０を囲む枠状に形成されている。このマスクプレート３０は、第３方向Ｚに沿って主要部１０の上方に配置されている。このマスクプレート３０は、ノズルプレート２０の外形と略同等の四角形状の開口部３０Ｈを有している。このマスクプレート３０と、枠体１２とは、図示しない接着剤により接着されている。

ホルダ４０は、第３方向Ｚに沿って主要部１０の下方に配置されている。このホルダ４０は、インク供給口１１inに向けてインクを導入するためのインク導入路４１、および、インク排出口１１outから排出されたインクを回収するインク回収路４２を有している。インク導入路４１には、図示しないインクタンクからインクを導入するための導入用パイプ５１が接続されている。インク回収路４２には、インクをインクタンクに回収するための回収用パイプ５２が接続されている。このホルダ４０は、主要部１０と対向する側に上面４０Ｔを有している。このホルダ４０の上面４０Ｔと、絶縁基板１１の下面１１Ｂとは、図示しない接着剤により接着されている。

図２は、図１に示したインクジェットプリンタヘッド１を第２方向Ｙに沿って切断した構造を概略的に示す断面図である。

ホルダ４０の上面４０Ａには、絶縁基板１１の下面１１Ｂが接着されている。絶縁基板１１の上面１１Ｔには枠体１２が配置され、枠体１２の内側に圧電部材隔壁１３が配置されている。圧電部材隔壁１３は、Ｙ−Ｚ平面内に台形状の断面を有している。枠体１２の外側には、詳述しないが圧電部材隔壁１３を駆動する電極に電気的に接続された端子Ｔが配置されている。端子Ｔには、図示しない異方性導電膜を介して配線基板２５が実装されている。この配線基板２５は、ホルダ４０の側に引き出され、図示しないプリント回路基板などに電気的に接続されている。

枠体１２は、Ｙ−Ｚ平面内に階段状の断面を有している。すなわち、枠体１２は、その内側にノズルプレート２０を受ける第１ステップ１２Ａと、その外側にマスクプレート３０を受ける第２ステップ１２Ｂとを有している。第１ステップ１２Ａの高さＨ１は、第２ステップ１２Ｂの高さＨ２より高い。

ノズルプレート２０は、その下面２０Ｂが枠体１２の第１ステップ１２Ａに接着されるとともに圧電部材隔壁１３にも接着されている。マスクプレート３０は、枠体１２の第２ステップ１２Ｂに接着されている。マスクプレート３０の開口部３０Ｈには、ノズルプレート２０が配置されている。また、このマスクプレート３０は、端子Ｔから引き出された配線基板２５を保持している。

ホルダ４０と絶縁基板１１とを接着する接着剤、ノズルプレート２０と枠体１２および圧電部材隔壁１３とを接着する接着剤、および、マスクプレート３０と枠体１２とを接着する接着剤として、例えば、エポキシ樹脂などの熱硬化型樹脂が適用可能である。

圧電部材隔壁１３の側面および絶縁基板１１の上面には、図３に示されるように電極１６Ｅが設けられている。紙面に直交する方向においては、図４に示されるように、圧電部材隔壁１３により隔てられた複数の圧力室１４が存在し、各圧力室１４は側面および底面に電極１６Ｅを有している。こうした電極１６Ｅに電圧が印加されると圧電部材隔壁１３が変形し、それによって圧力室１４の容積が膨張または縮小して、ノズルからインク滴が吐出される。

図３中の領域Ａにおける絶縁基板１１と圧電部材隔壁１３との拡大図を、図５に示す。図５に示されるように、絶縁基板１１の表面の一部１５ｂは、圧電部材隔壁１３の側面１５ａから連続した傾斜面１５を構成している。下地となる面がこのように連続した傾斜面１５であるので、電極１６Ｅは圧電部材隔壁１３と絶縁基板１１との上に連続して形成される。

本実施形態にかかるインクジェットプリンタヘッド１を製造するにあたっては、まず、絶縁基板１１の上に枠体１２および圧電部材隔壁１３などを配置した主要部１０を用意するとともに、ノズルレート２０を用意する。主要部１０の枠体１２および圧電部材隔壁１３と、ノズルプレート２０の下面２０Ｂとを接着し、絶縁基板１１の下面１１Ｂとホルダ４０の上面４０Ａとを熱硬化型樹脂により接着する。

まず、図６に示すように、長辺と短辺とを有する矩形状の圧電部材１３ａを絶縁基板１１上に接着する。この図６は、圧電部材１３ａの短辺、すなわち図１における第２方向Ｙに沿った断面として示している。

次いで、ダイヤモンド砥石等による機械加工を行なって、図７に示すように圧電部材１３ａの長辺の側面１５ａに傾斜を設ける。図７中の領域Ｂにおける絶縁基板１１と圧電部材１３ａとの拡大図を、図８に示す。図８に示されるように、絶縁基板１１の表面近傍の領域が加工されて傾斜面１５ｂとなり、この傾斜面１５ｂは圧電部材１３ａの側面１５ａとともに連続した傾斜面１５を構成している。

続いて、図９に示すように圧電部材１３ａの上面および傾斜面に耐酸性の保護膜６０を形成する。保護膜６０は、絶縁基板１１の表面の粗面化に用いられるエッチャントに耐性を有する任意の材料で構成することができる。

例えば、フォトレジストを用いて、フォトリソグラフィー法により圧電部材１３ａの上面および傾斜面に保護膜６０を形成することができる。まず、フォトレジスト溶液をスピンコート法またはスプレー塗布法などによって全面に塗布し、プリベークにより乾燥させてフォトレジスト膜を形成する。

得られたフォトレジスト膜にパターン露光を施して、圧電部材１３ａ上のフォトレジスト膜を選択的に現像液に不溶化する。ネガ型フォトレジストの場合には、圧電部材１３ａの領域のみが露光されるフォトマスクを用い、ポジ型フォトレジストの場合には、圧電部材１３ａの領域のみが遮光されるフォトマスクが用いられる。あるいは、フォトマスクを用いずにレーザ等により直接光描画して、フォトレジスト膜にパターン露光を施してもよい。

パターン露光後には、有機溶剤またはアルカリ溶液からなる現像液を用いて、フォトレジスト膜の可溶部分を除去して絶縁基板１１の表面を露出する。こうして、圧電部材１３ａの上に選択的にレジストパターンが形成される。ポストベークを施して、このレジストパターンを硬化させることにより、図９に示すような保護膜６０が得られる。

プリベーク、露光、現像、およびポストベークの条件、現像液の種類などは、用いるフォトレジストに応じて適宜選択すればよい。図９中の領域Ｃの拡大図を図１０に示す。図示するように、保護膜６０は、絶縁基板１１上を避けて圧電部材１３ａの上のみに選択的に形成されて圧電部材１３ａを保護する。

なお、製造するインクジェットプリンタヘッドの大きさによっては、圧電部材１３ａの上のみに、スプレーや筆塗りなどによってフォトレジストの溶液を直接塗布して、保護膜６０を形成してもよい。この場合には、パターン露光およびこれに続く現像の工程を省略することが可能である。

圧電部材１３ａが保護された状態で絶縁基板１１の表面１１ａをエッチングして、絶縁基板１１の表面を粗面化する。絶縁基板１１のエッチングに用いるエッチャントは、その絶縁基板の材質に応じて選択することができる。例えばアルミナ基板の場合には熱燐酸等を用い、ガラス基板の場合にはフッ酸等が用いられる。こうして表面が粗面化された絶縁基板１１の上には、密着力に優れためっき膜を形成することができる。

絶縁基板１１の表面が粗面化された後、剥離液により保護膜６０を除去して、圧電部材１３ａの表面を露出する。保護膜の剥離の条件および剥離液の種類は、用いたフォトレジストに応じて適宜選択することができる。剥離液としては、例えば有機溶剤などが用いられる。

表面が露出された圧電部材１３ａには、その短辺に沿って、ダイヤモンドカッター等により微細な溝を形成する。図１１に示すように、長辺に沿った方向において、複数の圧電部材隔壁１３と、圧電部材隔壁１３に挟まれた複数の圧力室１４が設けられる。

次いで、圧電部材隔壁１３の表面をエッチングして、表面を粗面化する。ここでのエッチングは、ＰＺＴ等の圧電部材の材質に合わせた条件で行なわれる。こうして表面が粗面化された圧電部材隔壁１３の上には、密着性に優れためっき膜を形成することができる。なお、ここでのエッチングによって絶縁基板１１の表面がさらに粗面化されても、特に問題はない。

粗面化された絶縁基板１１および圧電部材隔壁１３の上に無電解めっきを施して、図１２に示すように金属膜１６を形成する。紙面に直交する方向には複数の圧力室が存在しており、金属膜１６は、この圧力室の側面および底面にも形成される。金属膜１６は、例えば、ニッケル、金、または銅を用いて、例えば０．５〜５μｍ程度の厚さで形成することができる。

金属膜１６をパターニングして、電極１６Ｅが形成される。金属膜１６は、例えば、レーザで不要部を除去することによってパターニングすることができる。あるいは、電着レジスト等を用いてパターニングを行なってもよい。具体的には、まず、圧力室の内部までレジスト膜を形成し、パターン露光および現像処理を施してレジストパターンを形成する。得られたレジストパターンをマスクとして用いて、金属膜の不要部を除去した後、レジストパターンを剥離する。こうしたパターニング方法はいずれも、垂直な面に適用することは困難である。本実施形態においては、圧電部材隔壁の傾斜面から絶縁基板の一部にかけて傾斜しているので、パターニングが可能となる。

すなわち、図１３の拡大図に示されるように、電極１６Ｅは、圧電部材隔壁１３の傾斜面から絶縁基板１１の表面に連続して形成される。絶縁基板１１の表面および圧電部材隔壁１３の傾斜面は、それぞれ適切な条件でエッチングが行なわれて、適切な表面粗さになっている。こうした絶縁基板１１および圧電部材隔壁１３の上には、密着性の優れた電極１６Ｅを形成することが可能となった。電極１６Ｅが形成された絶縁基板１１の斜視図を、図１４に示す。絶縁基板１１上には圧電部材隔壁１３が設けられ、隣接する圧電部材隔壁１３の間に圧力室１４が存在している。各圧電部材隔壁１３には絶縁基板１１上に延びる電極１６Ｅが、それぞれ設けられている。

圧電部材隔壁１３の上面の金属膜を常法により除去した後、図１５に示すように枠体１２を介してノズルプレート２０を絶縁基板１１の上に配置する。枠体１２は、例えばエポキシ樹脂等を用いて絶縁基板１１に接着することができ、圧電部材隔壁１３および枠体１２の上面にノズルプレート２０が接着される。例えば、エポキシ樹脂等を圧電部材隔壁１３および枠体１２の上面に塗布し、ノズルプレート２０の下面を圧電部材隔壁１３および枠体１２の上面に当接させて、ノズルプレート２０と圧電部材隔壁１３および枠体１２とを接着することができる。

絶縁基板および圧電部材隔壁が適切な条件でエッチングされるので、それぞれの表面を適切な粗さとすることができる。これによって、圧電部材隔壁のみならず、絶縁基板においても良好に密着した電極を形成することが可能となった。

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。これら新規な実施形態は、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、変更を行なうことができる。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ともに、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。

１…インクジェットプリンタヘッド； １０…主要部； １１…絶縁基板
１１Ｔ…上面； １１Ｂ…下面； １１in…インク供給口； １１out…インク排出口
１２…枠体； １２Ａ…第１ステップ； １２Ｂ…第２ステップ １３ａ…圧電部材
１３…圧電部材隔壁； １１１…圧電部材の列； １１２…圧電部材の列
１４…圧力室； １５…傾斜面； １５ａ…圧電部材隔壁の側面
１５ｂ…絶縁基板の表面近傍の傾斜面； １６…金属膜； １６Ｅ…電極
２０…ノズルプレート； ２０Ｔ…上面； ２０Ｂ…下面； ２１…ノズル
２５…配線基板； ２１１…ノズル列； ２１２…ノズル列； ３０…マスクプレート
３０Ｈ…開口部； ４０…ホルダ； ４１…インク導入路； ４２…インク回収路
５１…導入用パイプ； ５２…回収用パイプ； ６０…保護膜。

Claims (6)

1. 絶縁基板上に、長辺と短辺とを有する矩形状の圧電部材を設ける工程と、
   前記圧電部材の短辺に沿った断面の幅が上面から底面に向けて連続的に広がるように、前記圧電部材の長辺の側面を加工して、前記絶縁基板の一部を含む傾斜面を形成する工程と、
   前記圧電部材の傾斜面および上面に、選択的に耐酸性の保護膜を形成する工程と、
   前記圧電部材を前記保護膜で保護しつつ、前記絶縁基板の表面を選択的に粗面化する工程と、
   前記圧電部材から前記保護膜を除去して表面を露出させる工程と、
   前記圧電部材に短辺に沿った溝を加工して、複数の圧電部材隔壁および圧電部材隔壁の間に挟まれた圧力室を形成する工程と、
   前記圧電部材隔壁の露出した表面を粗面化する工程と、
   前記粗面化された絶縁基板の表面および前記粗面化された圧電部材隔壁の傾斜面に、電極を形成する工程と
   を具備することを特徴とするインクジェットプリンタヘッドの製造方法。
2. 前記耐酸性の保護膜は、パターン化されたフォトレジスト膜からな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の製造方法。
3. 前記絶縁基板は、アルミナ基板であり、前記絶縁基板の粗面化は熱燐酸を用いたエッチングにより行なわれることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェットプリンタヘッドの製造方法。
4. 前記絶縁基板は、ガラス基板であり、前記絶縁基板の粗面化はフッ酸を用いたエッチングにより行なわれることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェットプリンタヘッドの製造方法。
5. 前記圧電部材は、チタン酸ジルコン酸鉛製であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のインクジェットプリンタヘッドの製造方法。
6. 前記電極は、無電解めっき法により形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のインクジェットプリンタヘッドの製造方法。

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