JP5615135B2 - インクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェット記録装置のインクジェット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を接続する電気配線などを備える。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。圧電部材の表面に電極を形成し、その電極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のノズルからインクが吐出される。

インクジェットヘッドの形成方法の一例としては、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し、圧電部材及び基板の表面に対して形成した金属薄膜に対して、レーザーパターニングや機械加工によって複数の電極や電気配線を形成する。そして、インクがヘッドに滞留する空間を形成するための枠部材やノズルが形成されるノズルプレートなどを接着する。そして、接着したノズルプレートに対してレーザーを照射して、所定の位置に複数のノズルを形成する処理などを行う（特許文献１）。

上述のように、インクジェットヘッドの電極や電気配線は、レーザーのパターニングによって電極や電気配線としない部分の金属薄膜を除去することによって形成される。

しかし、レーザーパターニングによって金属薄膜を確実に除去できず、ショートが生じる場合がある。

そこで本願発明は、レーザーパターニングなどの金属皮膜除去手段により電極や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、ショートを確実に検出することができるインクジェットヘッド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、基板に対して圧電部材を固定し、前記圧電部材に対して複数の圧力室を形成し、前記基板と前記圧電部材の表面に金属皮膜を形成し、金属皮膜除去手段により、前記圧力室の内面に、第１の電極群に属する互いに導通する複数の電極と、前記第１の電極群とは電気的に絶縁である第２の電極群に属する複数の電極が形成されるように、前記金属皮膜を除去するインクジェットヘッドの製造方法である。

以上に詳述したように、本発明によれば、基板や圧電部材の表面に形成された金属皮膜を除去する金属皮膜除去手段により電極や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、ショートを確実に検出することができるインクジェットヘッドの製造方法を提供すること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。 ショートを検出するための電気配線及び電極のパターンを有する基板を示す図である。 図３に示した基板についてショートの検出を行った後、実際にインクジェットヘッドの基板として用いる状態に加工した基板を示す。 インクジェットヘッドの製造方法の流れを示すフローチャートである。 他の実施形態のヘッド基板を示す図である。 他の実施形態のヘッド基板を示す図である。 他の実施形態のヘッド基板を示す図である。

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、ショートを検出するための電気配線及び電極のパターンを有する基板を示す図である。図４は、図３に示した基板についてショートの検出を行った後、実際にインクジェットヘッドの基板として用いる状態に加工した基板を示す。

まず、図１に基づき、インクジェットヘッドのヘッド基板１の構造について説明する。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の両側の隔壁となる圧電部材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）Ｏ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを用いることができる。そして、図２に示すように、本実施形態の圧電部材６のインク供給口１２側には、後述する絶縁溝部６０が形成される。詳しくは後述するが、絶縁溝部６０は、電気配線や電極のショートを検出するために、複数の電極を導通させて共通の電位を印加できる電極として形成した後、それらの電極を電気的に絶縁させて独立した電極とするために形成される。

これら基板２と圧電部材６の表面には、それぞれ電極２１と電気配線５０が形成される。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）の所定の領域を金属皮膜除去手段であるレーザーにより除去することで形成されるものであるが、本実施形態では、まず、形成された電気配線５０や電極２１にショートが生じないかを簡単に検出が可能な形状に電極２１及び電気配線５０が形成されるようにパターニングを行う。このショートを検出可能な電気配線５０が形成された状態のヘッド基板１をショート検出用形態とする。そして、ショート検出用形態のヘッド基板１において、ショートの有無の検査を行い、ショートが検出された場合には、ショート状態を解消した後、ヘッド基板１をインクジェットヘッドに組み込んで実際に製品としてインクを吐出可能な製品用形態に加工する。

ここで、図３及び図４に基づき、ヘッド基板１のショート検出用形態への加工方法、ショートの検出方法、ショート状態の修復方法、及び製品用形態への加工方法を説明する。図３（ａ）及び図４（ａ）は、ヘッド基板１の平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるａ−ａ矢印位置での断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）における矢印ｂ−ｂ位置での断面図であり、図４（ｃ）は、図４（ａ）に示すヘッド基板１の側面図である。

まず、基板２に圧電部材６を取り付けて複数の圧力室１６を形成する加工を行い、電極２１や電気配線５０を形成するための金属薄膜を基板２及び圧電部材６の上に形成する。なお、図３（ａ）において示す、複数の黒塗りの矩形は、圧力室１６である。

そして、図３に示すように、領域Ａと領域Ｂと領域Ｃとがそれぞれの領域間で電気的に絶縁されるように、レーザーパターニング領域３００をレーザーによって走査して金属薄膜を除去し、電気配線５０及び電極２１を形成することにより、ショート検出用形態のヘッド基板１を形成する。この場合、領域Ａ、領域Ｂ及び領域Ｃはそれぞれの領域間でレーザーパターニング領域３００によって絶縁されているため、それぞれの領域に属する電極２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、電圧が印加された場合、それぞれ共通の電位となる。たとえば、領域Ａと領域Ｃ間で電圧を印加した場合、領域Ａに属する電極２１Ａはすべて同じ電位となり、領域Ｃに属する電極２１Ｃはすべて同じ電位となる。つまり、このようなショート検出用形態のヘッド基板１によれば、電極の数が非常に多いヘッド基板１において、多数の電極を１つの圧電部材６につき互いに導通している第１の電極と第２の電極との２つに区分することができる。なお、金属皮膜除去手段として、レーザーを用いたパターニングによる除去を示したが、レーザーパターニング領域３００のうち、上面（ノズルプレート８側の面）は、研削盤などの機械加工手段により金属薄膜を除去してもよい。例えば、圧電部材６の長手方向の長さを有する研削盤を用いれば、１回の研削で圧電部材の上部全体の金属薄膜を除去することができ効率がよい。

そして、このショート検出用形態のヘッド基板１によってショートを検出する場合は、たとえば、図３の左側の圧電部材６について検査を行う場合、領域Ａに属する電極２１Ａと領域Ｃに属する電極２１Ｃとの間に、５Ｖ程度の検査電圧を印加する。そうすると、たとえば、領域Ａと領域Ｃとを絶縁するレーザーパターニング領域３００のいずれかの箇所で、金属薄膜が除去しきれておらず、ショートが生じる場合は、電極２１Ａと電極２１Ｃ間の電位差が、検査電圧より小さくなる。つまり、検査電圧として５Ｖの電圧を掛けて、電位差が５Ｖより小さくなれば、いずれかのレーザーパターニング領域３００においてショートが生じていることを検出することができる。

このように、ヘッド基板１が非常に多数の電極を有する場合であっても、電極を一つ一つ検査することなく、互いに絶縁されている２つの領域に所定の検査電圧を印加するという簡単な方法で、全ての電極や電気配線についてショートの有無を検出することができる。

次に、ショートを検出した場合に、ショートを解消して適正な絶縁状態にするために、ショートを検出した電極間（たとえば、電極Ａと電極Ｃ）に、少なくとも検査電圧よりも電圧の高い修復電圧（たとえば、３０Ｖ）を印加する。修復電圧を印加することによって、ショートしている箇所が熱によって焼き切れる。ショート箇所が焼き切れることで、ショートしていた２つの領域が絶縁状態となり、ショート状態を解消することができる。

次に、同じ電位となるように導通状態にあった電極２１Ａ、電極２１Ｂ及び電極２１Ｃをそれぞれ独立した電極とするための製品用形態への加工を行う。具体的には、図３に示すヘッド基板１においては、図３における点線Ｐ及び点線Ｑの位置で基板２をカットする。これによって、図３に示した領域Ｃに属する電極２１Ｃがすべて独立した電極となるとともに、各電極をドライバＩＣ１８とそれぞれ個別に接続するための電気配線５０がヘッド基板１の両側に形成される。

そして、圧電部材６を点線Ｒ及び点線Ｓの位置に沿って切削加工し、絶縁溝部６０を形成する。この絶縁溝部６０を形成する加工によって、各電極２１Ａ及び各電極２１Ｂをそれぞれ導通させていた金属薄膜が除去され、各電極２１Ａ及び各電極２１Ｂもそれぞれ絶縁状態となり、独立した電極となる。

以上の加工によって、圧電部材６に形成される電極はすべて互いに絶縁状態となって独立した電極となる。従って、ヘッド基板１は、各電極に個別に電圧を印加することができる製品用形態のヘッド基板となる。

なお、本実施形態のレーザーパターニング領域３００によって形成される各電極２１は、基板２の圧力室１６の長手方向における、電極２１Ａ（２１Ｂ）の端部（レーザーパターニング領域３００の端部３００Ａ（３００Ｂ））よりも内側の位置で、圧力室１６の長手方向に直交する方向に基板２をカットし、基板２の中央側における電極２１Ｃの端部（レーザーパターニング領域３００の端部３００Ｃ）よりも内側の位置で、圧力室１６の長手方向に直交する方向に、絶縁溝部６０を形成するなどして金属薄膜を除去することによって、ショート検出用に形成したレーザーパターニング領域をすべて除去して、製品用形態のヘッド基板１とすることができる。したがって、簡単に、最終的な製品に必要な電気配線及び電極を有するヘッド基板１に加工することができる。

なお、上述の電極２１及び電気配線５０を形成するための金属薄膜は、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。

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とともに、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、インクを吐出する複数のノズル１０を備える。ノズルプレート８としては、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、上述した基板２のカット及び絶縁溝部６０の形成によってそれぞれ独立した電極として形成される各電極２１に対して、電気配線５０を介して、駆動信号を出力する。

以上のような基板２や圧電部材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、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。ドライバ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の電極２１に駆動パルス電圧を印加する。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圧電部材と第２圧電部材とが積層された部材であるため、電圧が印加されると、第１圧電部材と第２圧電部材との接合部を頂部として「く」の字型に剪断変形し、圧力室１６の容積が増加あるいは減少する。このような圧電部材６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、各圧力室１６に対応するノズル１０からインクが吐出される。各電極２１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インクを吐出することができる。

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、基板を構成する材料に対してプレス加工などを行ってインク供給口１２及びインク排出口１４を形成し、焼成して基板２を形成する。

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を形成する。角部を切削して傾斜部を形成することで、圧電部材６は、図２に示すようにノズルプレート８側に近づくにつれ幅が狭くなる台形の形状となる。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を形成するための金属薄膜をたとえば無電解メッキ法により形成する。

次に、Ａｃｔ１０５において、レーザーによるパターニングにより、ショート検出用形態のヘッド基板１を形成する。具体的には、１つの圧電部材６につき、互いに導通する電極群からなる第１の電極と第２の電極に区分されるように、パターニングを行う。本実施形態では、図３に示すように、電極２１Ａと電極２１Ｃが交互に並び、電極２１Ｂと電極２１Ｃが交互に並ぶように、パターニングを行う。また、図３（ａ）において上下に並ぶ電極において、一番上の電極２１Ａは領域Ａの電気配線５０に導通し、次の電極２１Ｃは、外側の領域Ｃの電気配線５０に導通し、次の電極２１Ａは領域Ａの電気配線５０に導通する、というように、２つの領域の電気配線に交互に導通するようにレーザーパターニング領域３００が形成される。電極２１Ｂと電極２１Ｃについても同様である。なお、Ａｃｔ１０５における電極の形成において、上述のように、圧電部材６の上部の金属薄膜の除去については、研削盤などの機械加工手段を用いても行ってもよい。

次に、Ａｃｔ１０６において、ショートが生じているか否かの検査を行う。検査は、１つの圧電部材６に対して形成される２つの電極群（電極２１Ａと電極２１Ｃ、あるいは電極２１Ｂと電極２１Ｃ）に対して、検査電圧を印加する。ショートが生じている場合には、電極間の電圧が、印加した検査電圧を下回る。

次に、Ａｃｔ１０７において、ショートが生じている場合にそのショートを修復するために、ショートが生じている電極間に検査電圧よりも高い修復電圧を印加して、ショートしている箇所を焼き切る。なお、修復電圧を印加した後、ショートが修復されたか否かを確認するために、再度検査電圧を印加してショートの有無を検査してもよい。

次に、Ａｃｔ１０８において、ヘッド基板１を製品用形態とするために、まず、基板２の両側をカットし、各電極にそれぞれ個別に導通する電気配線５０を、基板２の両側に形成する。

次に、Ａｃｔ１０９において、基板２のインク供給口１２側において各電極（電極２１Ａ及び２１Ｂ）を導通させている金属薄膜を除去するために、圧電部材６を切削加工して、絶縁溝部６０を形成する。これによって、すべての電極が、それぞれ電気的に絶縁状態の独立した電極として形成される。

次に、Ａｃｔ１１０において、枠部材４を基板２に対して接着などにより固定し、ノズルプレート８を枠部材４に接着などにより固定する。なお、ノズルプレート８に形成されるノズル１０は、あらかじめ圧力室１６に対応する所定位置にノズル１０を形成しておいてもよいし、ノズルプレート８を基板２に取り付けてからレーザーなどによってノズル１０を所定位置に形成してもよい。

次に、Ａｃｔ１１１において、Ａｃｔ１０９における基板２のカットによって形成された各電極２１に導通する電気配線５０に対して、ドライバＩＣ１８を接続して固定する。

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。

以上、本実施形態によれば、簡単にヘッド基板１のショートを検出することができる。また、ショートが生じていても、簡単にそのショートしている箇所を修復することができる。さらに、ショートの検出のために互いに導通させている電極群を個別の電極にする加工も、基板をカットしたり、圧電部材の一部を直線状に切削するなど、単純な加工であるため、初めにショート検出用の特殊な形状の電気配線を形成しても、ヘッド基板の製造効率が低下することは無い。

なお、本実施形態においては、圧電部材６上の金属薄膜を除去するレーザーパターン領域３００は、インク供給口１２側において、基板２の領域に進入する手前で（圧力部材６の領域内で）折り返す形状となっているが、これに限られない。たとえば、図６に示すように、インク供給口１２側の基板２上の位置まで延長して形成されるレーザーパターン領域４００であってもよい。このようなレーザーパターン領域４００であっても、同様にショートの検出が可能である。また、この場合に製品用形態のヘッド基板２にするための加工方法は、まず図７に示すように、基板２の両側をカットし、図８に示すように、基板２上の位置で、絶縁溝部６０ａを形成する。これによって、同様に各電極を電気的に絶縁状態にした電極とすることができる。

なお、本実施形態において、２つの電極群に検査電圧を印加して、ショートが生じていることを検出した場合、検査電圧よりも高い修復電圧を印加してショート箇所を焼き切ってショートを修復するとして説明したが、修復電圧の印加によってもショート状態が解消されない場合には、顕微鏡を用いた検査などでショート箇所を調べ、レーザーの照射などによりショート箇所を修復すればよい。

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
６０ 絶縁溝部

特表２００２‐５２９２８９号公報

Claims (6)

1. 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であって、
   基板に対して圧電部材を固定し、
   前記圧電部材を圧力室の隔壁となるように加工することで複数の圧力室を形成し、
   前記基板と前記圧電部材の表面に金属皮膜を形成し、
   金属皮膜除去手段により、前記圧力室の表面に、前記圧力室にそれぞれ対応する複数の電極であって互いに導通する複数の電極からなる第１の電極群と、前記第１の電極群に属する複数の電極が対応する前記圧力室以外の圧力室にそれぞれ対応する複数の電極であって互いに導通する複数の電極からなる、前記第１の電極群とは電気的に絶縁している第２の電極群が形成されるように、前記金属皮膜を除去し、
   前記第１の電極群と前記第２の電極群との間に、ショートを検出するための検査電圧を印加し、
   前記検査電圧の印加後に、前記基板の、前記金属皮膜除去手段により前記金属皮膜を除去した領域を含む範囲をカットすることにより、前記第１の電極群及び前記第２の電極群に属する各電極にそれぞれ接続する電気配線を形成するインクジェットヘッドの製造方法。
2. 請求項１に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、
   前記第１の電極群に属する複数の電極と、前記第２の電極群に属する複数の電極とが交互に並ぶように前記金属皮膜除去手段により金属皮膜を除去するインクジェットヘッドの製造方法。
3. 請求項２に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、
   前記検査電圧を印加した場合に検出される前記第１の電極群と前記第２の電極群間の電位差が、当該検査電圧よりも小さい場合に、
   前記第１の電極群と前記第２の電極群との間に、前記検査電圧よりも高い電圧を印加するインクジェットヘッドの製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、
   前記圧電部材又は基板の少なくともいずれかに形成される前記金属皮膜を除去することにより、前記第１の電極群及び前記第２の電極群に属する各電極をそれぞれ電気的に絶縁させるインクジェットヘッドの製造方法。
5. 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ヘッドの製造方法において、
   前記金属皮膜除去手段は、レーザーであるインクジェットヘッドの製造方法。
6. 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ヘッドの製造方法において、
   前記金属皮膜除去手段は、レーザーと機械加工手段であり、前記機械加工手段は、前記圧電部材に形成される金属皮膜の少なくとも一部を除去するインクジェットヘッドの製造方法。
   

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