JP5736198B2 - 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 - 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、セラミック材料で形成された絶縁基板と、この絶縁基板に対向配置されたノズルプレートと、絶縁基板とノズルプレートとの間に積層配置された駆動素子と、この駆動素子を囲むことで、共通液室及び圧力室を形成するセラミックス材製の枠部材とを備えている。

駆動素子は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系圧電セラミックス材料からなる一対の圧電素子を有している。なお、駆動素子は駆動回路により駆動され、絶縁基板上には駆動素子と駆動回路とを同通させる電極パターンが形成されている。また、駆動素子の両方の端面はテーパ面が形成されている。

従来のインクジェットヘッドは、駆動素子と駆動回路とを導通させる電極パターンが絶縁基板上に形成されている。電極は、例えば周知の無電解メッキにより形成される。無電解メッキは、触媒核の吸着などの化学的な前処理が必要となる。電極パターンは駆動素子から絶縁基板にわたって形成されるため、圧電素子と絶縁基板を同時に無電解メッキする。
したがって、圧電素子と絶縁基板の表面は、化学的な前処理に対し特性が似通っていることが要求される。圧電素子と絶縁基板表面の化学的特性が大きく異なっていると、メッキ膜の析出に差が出たり、後工程で、メッキ膜が剥がれたりしてしまう。

さらに、絶縁基板の表面は、数１０μmの電極パターンを引き回すので、平滑度と空隙レスも要求される。平滑度が悪く、空隙が存在すると、電極パターンがオープンになってしまう。

さらに、圧電素子を絶縁基板に接合した後、駆動素子の端面を機械的にテーパ加工する場合、絶縁基板側も加工することになるが、圧電素子と絶縁基板表面の機械的特性が大きく異なっていると、圧電素子や絶縁基板に割れや欠けが発生してしまう。

一方、インクジェットヘッドのコスト低減の要請から、平滑度がさほど良好でなく、空隙が多数存在するような絶縁基板であっても使用できることが望ましい。

特開２００７−１９０８９２号公報

本発明が解決しようとする課題は、安価でありながら、表面の化学的・機械的特性が、圧電素子と親和性のよい絶縁基板を備え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を提供することである。

実施形態のインクジェットヘッドは、複数のノズルを有するノズルプレートと、前記ノズルに対応する複数の圧力室と、この圧力室に隣接して設けられるとともに前記圧力室を加圧して前記ノズルから液を吐出させる駆動素子と成る側壁と、を有する圧電素子と、前記圧電素子が接着され、前記圧電素子と親和性のある表面層を有する基板と、前記圧電素子を囲むように前記基板に載置される枠体と、前記圧電素子を駆動するための電極と、を具備し、前記圧電素子は、前記圧電素子の上端部と連続し、かつ前記ノズルプレートと接しない斜面を有し、前記基板は、前記表面層に前記斜面と連続する凹部を有し、前記電極は、前記斜面及び前記凹部の上に形成されている。

インクジェットヘッドの構成を表す図である。 第１の実施形態の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。 第１の実施形態のインクジェットヘッドの図１におけるＢＢ線断面図である。 第１の実施形態のインクジェットヘッドの要部拡大図である。 第１の実施形態のインクジェットヘッドの要部拡大図である。 表面層を形成する成膜装置の概略図である。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。

（実施形態に係るインクジェットヘッドの構成）
図１は、実施形態に係る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、誘電体により形成される絶縁性の基板１１と、この基板１１の上に載置され、内部に空間及び導体層を有する圧力室が刻み込まれた圧電素子１２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、ノズル列９を有するノズルプレート１４と、を備える。

基板１１は、例えば、アルミナにより形成される。他の基板１１の材料として、ガラスエポキシ樹脂などの絶縁性材料を用いることも可能である。

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。圧電素子１２は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）により形成される。他の圧電素子１２材料として、ＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ３：チタン酸鉛）、ＰＭＮＴ（Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３：マグネシウム酸ニオブ酸鉛）、ＰＺＮＴ（Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）、ＺｎＯなどを用いることも可能である。

ノズルプレート１４は、ポリイミドなどの樹脂フィルムにより形成される。ノズルプレート１４のインク滴吐出側の表面には、例えばフッ素樹脂などにより撥水膜（図示せず）が形成されている。他のノズルプレート１４材料として、ニッケルプレートやシリコンプレートを用いることもできる。

各ノズル列９は、複数のノズル穴１５を含んでいる。ノズル穴１５は、インク滴の吐出孔として機能するもので、等間隔で形成されている。

図２は、実施形態に係る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、を有している。インクは、インク吸入孔１６、圧力室３０、インク排出孔１７を循環する。圧力室３０は、内部に空間及び導体層を有する。基板１１、枠体１３、及びノズルプレート１４によって囲まれたインク室８が形成される。

基板１１の表面には、ＰＺＴから成る表面層１１Aが、５０μｍの厚さで形成されており、その表面層１１Aの上に、圧電素子１２が接合されている。この場合、基板１１／表面層１１A／圧電素子１２の構成は、アルミナ／ＰＺＴ／ＰＺＴとなる。他の表面層１１Aを製作する材料として、アルミナ、ＰＴＯ、ＰＭＮＴ、ＰＺＮＴ、ＺｎＯなどを用いることも可能である。

さらに、圧電素子１２の圧力室３０の側壁は断面が台形を呈している。ノズルプレート１４は、圧力室３０の上部にノズル穴１５を有する。

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１９と、を有する。電極１９は、基板１１の表面層１１Aの上に配線される。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３０内はインクを内部に導入し、容積が減った圧力室３０は加圧されたインクをノズル穴１５から吐出する。

図３は、実施形態に係るインクジェットヘッド１００の図１におけるＢＢ線断面図である。図３に示すように、インクジェットヘッド１００は、基板１１の表面層１１Aの上に第１の圧電素子１２Ｂを凹凸が連続するくしの歯状に有している。この第１の圧電素子１２Ｂの凸部の上端に、第１の圧電素子１２Ｂとは極性が逆となる第２の圧電素子１２Ａと、第１の圧電素子１２Ｂの凹部の上端に、圧力室３０の側壁３１を断面コの字状に覆う導体層２１と、を有している。

このような構造において、側壁３１、溝部の底面、及びノズルプレート１４に囲まれた部位が、主走査方向に並んだ複数の圧力室３０を形成している。

図４は、実施形態に係るインクジェットヘッド１００の基板１１の表面層１１Aの凹部１１Bの断面の拡大図である。凹部１１Bは、圧電素子１２の台形と連続するように形成される。凹部１１Bの深さは、例えば２０μｍであり、表面層１１Aの厚みよりも小さい。

図５は、実施形態に係るインクジェットヘッド１００の凹部１１Bの斜視拡大図である。図５に示すように、圧電素子１２の斜面５０と斜面５０の間であって圧電素子１２の圧力室３０から凹部１１Bを含む表面層１１Aの上を引き回して、電極１９が形成される。

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の表面に圧電素子１２と化学的及び機械的に親和性の高い表面層１１Ａを有し、この表面層１１Ａに圧電素子１２の斜面５０と連続する凹部１１Ｂを備え、斜面５０及び凹部１１Ｂを含む表面層１１Ａの上に圧電素子１２を駆動するための電極１９を備える。

従って、電極１９の密着性などの信頼性が高い。さらに、圧電素子１２を基板１１に接合した後、圧電素子１２の端面を機械的にテーパ加工する場合、基板１１側も加工することになるが、圧電素子１２や基板１１に割れや欠けが発生しない。

（実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法）
次に、以上のように構成されたインクジェットヘッドの製造方法について説明する。

まず、基板１１を用意する。基板１１の表面には予め、ＰＺＴなどのセラミックス材料の微粒子を含むエアロゾルを噴き付けて、表面層１１Aが形成される。

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、一対の第１の圧電素子１２Ｂと第２の圧電素子１２Ａとを貼り合わせたものを接着する。

図６は、表面層１１Ａを形成する成膜装置７０の概略図である。成膜装置７０は、主に、キャリアガスを内蔵するガスボンベ７１、エアロゾル発生器７２、成膜室７３、ノズル７４、基板ホルダ７５及び排気ポンプ７６から構成される。

エアロゾル発生器７２には、内部に材料微粒子を収容可能なエアロゾル室７２ａと、このエアロゾル室７２ａを振動させる振動機７２ｂとを備えている。エアロゾル室７２ａとガスボンベ７１とは、導入管７７を介して接続されている。導入管７７の先端は、エアロゾル室７２ａ内部において底面付近に位置し、セラミックス材料微粒子中に埋没するように配置されている。

成膜室７３には、基板１１を取り付けるための基板ホルダ７５と、ノズル７４が備え付けられている。ノズル７４は、供給管７８を介してエアロゾル室７２ａに接続されている。さらに、成膜室７３には、排気ポンプ７６が接続されている。

以上のように構成した成膜装置７０において、エアロゾル発生器７２内にセラミックス材料微粒子を投入し、さらに、成膜室７３の基板ホルダ７５に基板１１をセットする。次に、ガスボンベ７１からヘリウムなどの不活性ガスのキャリアガスを、導入管７７を通じて、エアロゾル発生器７２内に導入する。キャリアガスの導入によりセラミックス材料微粒子が舞い上がるとともに、振動機７２ｂの作用によりセラミックス材料微粒子とキャリアガスが混合され、エアロゾルが発生する。発生したエアロゾルは、供給管７８を通じてノズル７４から基板１１に向けて高速で噴射される。エアロゾル中のセラミックス材料微粒子は、基板１１に衝突し細かく粉砕され、基板１１に接着するとともに、セラミックス材料微粒子同士が接合して緻密な表面層１１Ａを形成する。この表面層１１Ａは、セラミックス焼成体と同程度の硬度を有しているため、その後の高温の加熱を必要としない。

次に、接着した圧電素子１２を、断面が台形となるように切削加工する。同時に、表面層１１Aも切削加工して、凹部１１Bを形成する。このように、凹部１１Bは圧電素子１２の台形と連続するように形成される。

次に、ダイシングソーのダイアモンドホイールなどにより、圧力室３０を切削加工する。

次に、圧力室３０の側壁３１、圧電素子１２の斜面５０、及び基板１１の表面層１１Aに導体層２１を形成する。

より具体的には、圧力室３０の側壁３１、圧電素子１２の斜面５０、及び基板１１の表面層１１Aに無電解メッキ法によりＮｉまたはCuの層を０．５〜３μｍ形成し、次に電解メッキ法によりＡｕ層を０．１μｍ形成する。即ち、導体層２１の最表面はＡｕで形成されている。

次に、圧力室３０の側壁３１の上端部の導体層２１を、化学的エッチングまたは機械的に除去する。さらに、圧電素子１２の斜面５０及び基板１１の表面層１１Aの導体層２１については、レーザーを照射して不要部分を除去し、電極１９を形成する。

次に、基板１１に枠体１３を接着する。接着剤は、例えば、熱硬化型のエポキシ系接着剤が好適である。

次に、枠体１３及び圧電素子１２の側壁３１の上端部に、接着剤を用いてノズルプレート１４を接着し、ノズルプレート１４にレーザーを照射してノズル穴１５を穿孔する。

または、予めノズル穴１５が穿孔されたノズルプレート１４を、枠体１３及び圧電素子１２の側壁３１の上端部に、接着剤を用いて接着する。

他のノズルプレート１４材料として、ニッケルノズルプレートやシリコンプレートを用いることができる。ニッケルノズルプレートは、電鋳法によってノズルを有するニッケルプレートを形成し、インク吐出側の表面に撥水膜が形成されたものである。シリコンプレートは、単結晶シリコン板を異方性エッチングによって形成し、インク吐出側の表面に撥水膜が形成されたものである。

次に、基板１１の電極１９にドライバＩＣ１８を接続する。

次に、インクケースを接着する。

本実施形態のインクジェットヘッド１００の製造方法では、基板１１の表面に圧電素子１２と化学的及び機械的に親和性の高い表面層１１Ａを、セラミックス材料微粒子を含むエアロゾルを噴き付けて形成する。

本実施形態によれば、セラミックス材料微粒子を含むエアロゾルを噴き付けて形成した表面層１１Ａは、緻密な膜ができる。そのため、平滑度がさほど良好でなく空隙が多数存在する材料であっても、基板１１として使用することができる。

さらに、セラミックス焼成体と同程度の硬度を有しているため、その後の高温の加熱が必要ないので、セラミックスなどと比較して耐熱性の低い材料も基板１１として使用することが可能となる。

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。

１００・・・インクジェットヘッド、
１１・・・基板、
１１A・・・表面層、
１１B・・・凹部、
１２・・・圧電素子、
１３・・・枠体、
１４・・・ノズルプレート、
２１・・・導体層、
２２・・・溝部、
３０・・・圧力室。

Claims (9)

1. 複数のノズルを有するノズルプレートと、
   前記ノズルに対応する複数の圧力室と、この圧力室に隣接して設けられるとともに前記圧力室を加圧して前記ノズルから液を吐出させる駆動素子と成る側壁と、を有する圧電素子と、
   前記圧電素子が接着され、前記圧電素子と親和性のある表面層を有する基板と、
   前記圧電素子を囲むように前記基板に載置される枠体と、
   前記圧電素子を駆動するための電極と、
   を具備し、
   前記圧電素子は、前記圧電素子の上端部と連続し、かつ前記ノズルプレートと接しない斜面を有し、
   前記基板は、前記表面層に前記斜面と連続する凹部を有し、
   前記電極は、前記斜面及び前記凹部の上に形成されているインクジェットヘッド。
2. 前記表面層は、チタン酸ジルコン酸鉛、アルミナ、チタン酸鉛、マグネシウム酸ニオブ酸鉛、Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３、ＺｎＯのいずれか１種を材料とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
3. 前記表面層には、前記圧電素子の台形と連続するように凹部が形成される請求項１記載のインクジェットヘッド。
4. 前記表面層は、セラミックス材料微粒子とキャリアガスが混合したエアロゾルを前記基板に噴射させて、セラミックス材料微粒子同士が接合して形成されている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
5. 複数のノズルを有するノズルプレートと、ノズルに対応する複数の圧力室と、この圧力室に隣接して設けられるとともに圧力室を加圧してノズルからインクを吐出させ駆動素子と成る側壁とを有する圧電素子と、圧電素子が接着される基板を備えたインクジェットヘッドの製造方法であって、
   前記圧電素子と親和性のある表面層を有する前記基板を用意し、
   前記基板の表面にセラミックス材料の微粒子を含むエアロゾルを噴き付けて表面層を形成し、
   前記基板にインク吸入孔とインク排出孔とを形成し、
   前記基板上に前記圧電素子を接着し、
   前記圧電素子を断面が台形になるように加工し、
   前記表面層に前記圧電素子の台形と連続するように凹部を加工し、
   前記圧力室を形成し、
   前記圧力室の側壁、前記圧電素子の斜面、及び前記表面層に導体層を形成し、
   前記圧電素子の斜面及び前記表面層の導体層を除去して、前記斜面及び前記凹部の上に電極を形成し、
   前記基板に、前記圧電素子を囲む枠体を接着し、
   前記枠体及び前記側壁の上端部に、前記ノズルプレートを接着し、
   前記ノズルプレートに前記ノズル穴を穿孔するインクジェットヘッドの製造方法。
6. 前記セラミックス材料の微粒子は、チタン酸ジルコン酸鉛である請求項５記載のインクジェットヘッドの製造方法。
7. 前記導体層の最表面にＡｕ層を形成する請求項５記載のインクジェットヘッドの製造方法。
8. 複数のノズルを有するノズルプレートと、ノズルに対応する複数の圧力室と、この圧力室に隣接して設けられるとともに圧力室を加圧してノズルからインクを吐出させ駆動素子と成る側壁とを有する圧電素子と、圧電素子が接着される基板を備えたインクジェットヘッドの製造方法であって、
   前記圧電素子と親和性のある表面層を有する前記基板を用意し、
   前記基板の表面にセラミックス材料の微粒子を含むエアロゾルを噴き付けて表面層を形成し、
   前記基板にインク吸入孔とインク排出孔とを形成し、
   前記基板上に前記圧電素子を接着し、
   前記圧電素子を断面が台形になるように加工し、
   前記表面層に前記圧電素子の台形と連続するように凹部を加工し、
   前記圧力室を形成し、
   前記圧力室の側壁、前記圧電素子の斜面、及び前記表面層に導体層を形成し、
   前記圧電素子の斜面及び前記表面層の導体層を除去して、前記斜面及び前記凹部の上に電極を形成し、
   前記基板に、前記圧電素子を囲む枠体を接着し、
   前記ノズルプレートに前記ノズル穴を穿孔し、
   前記ノズルプレートを前記枠体及び前記圧電素子の側壁の上端部に接着するインクジェットヘッドの製造方法。
9. 前記導体層の最表面にＡｕ層を形成する請求項８記載のインクジェットヘッドの製造方法。

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