JP5948906B2

JP5948906B2 - 液体噴射ヘッドの製造方法

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Publication number: JP5948906B2
Application number: JP2012017840A
Authority: JP
Inventors: 榎本　勝己; 勝己榎本
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: JP2013154571A

Description

本発明は、圧電体アクチュエータが形成された振動板を介して圧力発生室の液滴をノズルから吐出させる液体噴射ヘッドの製造方法に関する。

ノズルからインクを吐出するインク噴射ヘッドの製造方法としては、特許文献１に開示されたセラミックを含むグリーンシート積層法がある。
すなわち、セラミックを含むグリーンシートを成形し、所定の形状としたそれぞれを積層した後、焼成する。

特開２００９−７１３１８号公報

インク噴射ヘッドは複数のノズルを有するが、高精細化のためにノズルピッチを小さくしようとすれば、電極も小さくしなければならない。しかし、電極を小さくするためには、当然、必要とされる圧力室に対する位置決め精度も向上する。なぜなら、圧力室に隣接する振動板は周囲を固定されているので、変位を生じさせるためにはほぼ中央部分に実質的な圧電体アクチュエータを形成しなければならないからである。従って、電極を小さくするためには位置精度の向上は必須である。

基板上に複数の圧力室となる領域が形成される場合、マスクなどのあらかじめ寸法が決めて作られたパターンを使って、電極を形成する。しかし、セラミックスは焼成によって場所によって不均一な縮小を起こす。従って、グリーンシートを焼成して振動板を形成する場合、焼成を行った後に電極を圧力室に位置合わせする場合は、電極のアライメントをグリーンシート全面について精度よく保つのが困難である。

本発明は、圧力室の開口を電極のマスクとして利用し、セルフアライメントで電極パターンを形成できるようにした液体噴射ヘッドの製造方法を提供する。

本発明は、各ノズルに対応するように圧力室を形成した第１の基板と、前記第１の基板と積層され、可撓性および光透過性を有する第２の基板と、前記第２の基板における前記第１の基板と反対側の面に各前記圧力室に対応するように形成される圧電素子と、を有する液体噴射ヘッドの製造方法であって、前記第１の基板と前記第２の基板とを積層する積層工程と、前記積層工程の後に、前記第２の基板における前記圧電素子を形成する面にポジレジスト層を形成するレジスト層形成工程と、前記レジスト層形成工程の後に、前記第１の基板における前記圧力室の側から前記圧力室をマスクとして前記第２の基板における前記圧電素子を形成する面に形成された前記ポジレジスト層を露光するとともに現像する露光現像工程とを、順次実施している。そして、前記露光現像工程では、前記ポジレジスト層を露光する際に、前記ポジレジスト層が現像されて除去される幅が前記圧力室の幅の６０〜８０％となるように露光量を制御する。

まず、前記第１の基板と前記第２の基板とを積層した後、前記第２の基板における前記圧電素子を形成する面にポジレジスト層を形成し、このポジレジスト層の形成後に前記第１の基板における圧力室の側から当該圧力室をマスクとして前記第２の基板の裏面側に配置された前記レジスト層を露光後、現像する。
第１の基板には圧力室となる開口が形成されているので、当該開口がマスクの役目を担い、圧力室自体の形状でポジレジスト層が露光される。従って、現像後の開口が圧力室とは高精度に位置合わせされており、位置ずれすることは基本的にはあり得ない。その後、当該開口を利用して下部電極を形成することが可能であり、もっとも位置合わせ精度が要求される圧力発生室と下部電極との位置合わせ精度は向上する。

本発明によれば、圧力室の開口を電極のマスクとして利用するので、言い換えるとセルフアライメントで電極パターンを形成でき、位置ずれの心配が無く、圧電体アクチュエータとして本来の効率を発揮させることが可能な液体噴射ヘッドの製造方法を提供できる。
そして、グリーンシート全面にわたって、圧力室に対してアライメントされた下部電極を形成することができる。

液体噴射ヘッドの要部の平面図である。液体噴射ヘッドの要部の断面図である。下部電極の幅と圧力発生室の幅との寸法比と振動板の予測変位との関係を示す図である。製造過程の液体噴射ヘッドの断面図である。製造過程の液体噴射ヘッドの断面図である。製造過程の液体噴射ヘッドの断面図である。製造過程の液体噴射ヘッドの断面図である。製造過程の液体噴射ヘッドの断面図である。製造過程の液体噴射ヘッドの断面図である。製造過程の液体噴射ヘッドの断面図である。製造過程の液体噴射ヘッドの断面図である。製造過程の液体噴射ヘッドの断面図である。製造過程の液体噴射ヘッドの断面図である。製造過程の液体噴射ヘッドの断面図である。

以下、図面にもとづいて本発明の実施形態を説明する。
まず、本発明によって製造される液体噴射ヘッドの要部構成について説明する。
図１は、同液体噴射ヘッドの要部を平面図により示しており、図２は、断面図により示している。
図において、圧力発生室（圧力室）１１は流路形成基板（圧力発生室基板とも呼ぶ）（第１の基板）１０にて形成されている。同流路形成基板１０は各ノズル毎に個別の流路を形成するために板状の素材から同流路に相当する形状で上下方向に貫通させた開口を有している。そして、流路とすべく、上面を振動板（第２の基板）２０にて被覆し、ノズル３１を有するノズルプレート３０にて下面を被覆している。圧力発生室１１は、おおむね矩形形状となっており、短手方向に複数の圧力発生室１１が流路形成基板１０に形成されることになる。むろん、各圧力発生室１１はノズルと連通している。

振動板２０は流路形成基板１０と接合されることで、圧力発生室１１の上面を覆いつつ、その周縁部分で流路形成基板１０に固定されている。振動板２０の上面には、複数の圧電体アクチュエータ（圧電素子）４０がそれぞれの圧力発生室１１に対応して形成されている。すなわち、各圧力発生室１１と対面する部位に形成されている。各圧電体アクチュエータ４０は、振動板２０の側から、下部電極４１と、圧電体４２と、上部電極４３とが順に積層されて構成されている。そして、下部電極４１と上部電極４３とに印加される電圧に応じて圧電体４２が電歪効果によって変位する。

下部電極４１と、圧電体４２と、上部電極４３と圧力発生室の位置関係を図１に示している。同図に示すように、平面視では圧力発生室１１内にて周縁から所定距離離れた状態で、圧電体アクチュエータ４０が位置している。なお、図面上ではリード電極を省略している。
また、幅方向の寸法比では、
圧力発生室１１＞圧電体４２＞上部電極４３＞下部電極４１

となっている。ここで、圧電アクチュエータ４０は、圧電体４２の上部電極４３と下部電極４１で挟まれた部分だけが駆動部となる。つまり、上記構成では一番小さい下部電極４１を圧電体４２が覆い、さらに上部電極４３も圧電体４２より小さく下部電極４１を覆う形になるため、下部電極４１全体が駆動部となる。下部電極４１と圧力発生室１１の位置関係が正確であれば駆動部と圧力発生室１１の位置関係も正確であるから、圧電体４２や上部電極４３の位置精度は、下部電極４１から外れない程度で良くなり、緩和される。すなわち、下部電極４１と圧力発生室１１との位置精度は最も高いものが必要であるが、圧電体４２や上部電極４３の位置精度は緩和される。

後述するように、圧力室を形成する流路形成基板１０をマスクにして、圧力発生室１１自体が開口となってリフトオフで下部電極４１を形成する。これにより、圧力発生室１１と下部電極４１の相対位置精度は高精度に保てる。なお、圧電体４２で下部電極を覆っている構成であるため、圧電体４２の端部を介して下部電極４１と上部電極４３の間にリーク電流が発生することも防止できる。

図３は、下部電極の幅と圧力発生室の幅との寸法比と振動板２０の予測変位との関係を示す。このシミュレーション結果より、駆動部幅を圧力発生室幅の６〜８割程度にすることにより振動板の変位効率を向上させることができる。
次に、上記構成からなる液体噴射ヘッドの製造方法について説明する。
（１）第１工程
図４に示すように、予め圧力発生室１１を形成してある流路形成基板１０の上面に可撓性を有する振動板２０を接合する。本実施例では流路形成基板１０と呼んでいるが、その名称および他の機能を有するか否かは問題ではなく、圧力発生室１１が貫通して形成されていることが必要である。なぜなら、本流路形成基板１０はマスクとして機能させる必要があるからである。また、この意味で、本流路形成基板１０は光透過性を有しない、あるいは露光時に十分にマスクとしての機能を奏する程度の光吸収性能を有する素材である。振動板２０についてもその名称および他の機能を有するか否かは問題ではなく圧力発生室１１の一部の壁面をなし、背面側に備えられる圧電アクチュエータ４０にて変位される部材であることが必要である。この意味で単板である場合もあれば所定のコーティングが施されるなどの複数枚からなる積層板であっても良い。一方、この振動板２０については後述する背面露光を行う必要性から光透過性を有している。

また、上の説明では、既に焼成等によって形成した流路形成基板１０に振動板２０を接合しているが、グリーンシート積層法で形成しても良い。すなわち、セラミックを含むスラリーで圧力発生室１１などの所定の形状を孔部として含む流路形成基板１０を第一のグリーンシートで形成するとともに、同様に所定の形状を含む振動板２０を第二のグリーンシートで形成し、これらを積層して（グリーンシート積層工程）、この積層体を焼成する。これにより、接合剤などを使用することなく一体的に接合した流路形成基板１０と振動板２０とを接合した状態とできる。

（２）第２工程
図５に示すように、振動板２０上にレジスト層５１を形成する。このレジスト層５１は所定の素材のレジスト剤を塗布することで行う。すなわち、振動板（第２の基板）２０における圧力室の側を基準とした裏面側にレジスト層５１が配置されることになる。

（３）第３工程
図６に示すように、流路形成基板１０をマスクにしてレジスト層５１を紫外線にて背面露光（紫外線露光）し、現像する。上述したレジスト層５１はポジレジスト層であり、所定のパターンで露光光を受け、現像工程を経ると、露光された部分が消失して開口となる。ここで必要ななのは流路形成基板１０には圧力発生室１１がその形状のとおりに貫通口として開口しており、当該開口を介して露光光が透過し、さらに、振動板２０を透過して背面側のレジスト層を感光させることである。このために振動板２０は光透過性を有しており、露光光が背面のレジスト層５１を感光させるのを妨げないようにしている。なお、本実施例では露光に紫外線を利用しているがレジスト層５１に応じて露光光を適宜設定すればよい。
圧力発生室１１は流路形成基板１０をくりぬくように形成されており、当該圧力発生室１１と振動板２０を透過してレジスト層５１を感光させると、圧力発生室１１の側壁からの反射光等の影響もあって、圧力発生室１１の形状のうち中央部分が最も露光しやすい。
図３に示すように、圧力発生室に対する駆動部の割合と変位量との関係からは、駆動部の割合が６０〜８０％の範囲で変位効率がよいといえる。このため、露光時の光量（露光量）は、完全に露光するのに必要な露光量を最適露光量１００％とするときに、現像後の開口が圧力発生室１１の開口幅の７割程度になるように調整しておく。これにより、最終的に形成できる下部電極４１の幅がおおむね７０％となり、少なくとも６０〜８０％の範囲には収まって変位効率を高くすることが可能となる。

（４）第４工程
レジスト層５１の開口部に下部電極４１をリフトオフ形成し、レジスト層５１を除去する。下部電極４１はレジスト層５１の有無にかかわらず膜形成法などによって電極膜を形成しておくと、レジスト層５１を除去するときにレジスト層５１上に形成された電極膜は同時に除去され、図７に示すように、レジスト層５１の（ポジレジスト）開口部のみに下部電極４１が残る。この開口部は上述したように圧力発生室１１自体をマスクとして形成しているので位置ずれは基本的に起こりえず、結果として、下部電極４１と圧力発生室１１のアライメント精度を確保できる。言い換えるとセルフアライメントで電極パターンを形成できたことになる。

（５）第５工程
振動板２０の基板上面全体に圧電体素材５２を塗布し、レジスト層５３を塗布し、図８に示すように、所定のマスクを使ってレジスト層５３を露光、現像する。ここでのレジスト層５３はネガレジストであり、露光して感光した後、現像すると、図９に示すように、感光した部分が残り、未感光の部分が消失する。
（６）第６工程
エッチングやイオンミリングにより、残ったレジスト層５３を使いつつ圧電体パタニングを行なう。すなわち、レジスト層５３の開口部分の圧電体素材５２を除去し、さらに、残っているレジスト層５３を除去する。この結果、図１０に示すように、圧力発生室１１ごとに圧電体４２が形成される。

このように形成された圧電体４２は、圧力発生室１１をマスクとして使用してパタニングされたものではない。従って、流路形成基板１０がセラミック素材で焼成を経て不均一な収縮をしているのであれば、必ずしも本来どおりの場所に形成されるわけではない。しかし、上述したように実質的な駆動部となるのは下部電極４１を被覆する部位だけであり、実質的に圧電体４２や上部電極４３の位置精度は緩和されている。このため、圧力発生室１１をマスクとして使用していなくても問題とならない。

（７）第７工程
上部電極材料５４を基板全体に塗布する。電極素材であるので、塗布して形成するほか、膜形成法にて電極膜を形成しても良い。また、その後、図１１に示すように、レジスト層５５を塗布し、所定のマスクで露光し、現像する。このレジスト層５５もネガレジストであり、露光して感光した後、現像すると、図１２に示すように、感光した部分が残り、未感光の部分が消失する。

（８）第８工程
現像を経たレジスト層５５は、上部電極４３として必要な部位にのみ残っており、これを利用して上部電極パタニングを行なう。すなわち、レジスト層５５が残っている部分以外の上部電極材料５４を除去し、その後、レジスト層５５を除去する。すると、図１３に示すように、圧電アクチュエータ４０が各圧力発生室１１ごとに形成されることになる。なお、上部電極４３の形成はリフトオフで行ってもよい。
（９）第９工程
最後に、図１４に示すように、流路形成基板１０における振動板２０とは反対側の面にノズルプレート（ノズル基板）を接合する。

なお、本発明は上記実施例に限られるものでないことは言うまでもない。当業者であれば言うまでもないことであるが、
・上記実施例の中で開示した相互に置換可能な部材および構成等を適宜その組み合わせを変更して適用すること

・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術であって上記実施例の中で開示した部材および構成等と相互に置換可能な部材および構成等を適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術等に基づいて当業者が上記実施例の中で開示した部材および構成等の代用として想定し得る部材および構成等と適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
は本発明の一実施例として開示されるものである。

１０…流路形成基板（第１の基板）、１１…圧力発生室（圧力室）、２０…振動板（第２の基板）、３０…ノズルプレート、３１…ノズル、４０…圧電体アクチュエータ（圧電素子）、４１…下部電極、４２…圧電体、４３…上部電極、５１…レジスト層、５２…圧電体素材、５３…レジスト層、５４…上部電極材料、５５…レジスト層。

Claims

各ノズルに対応するように圧力室を形成した第１の基板と、
前記第１の基板と積層され、可撓性および光透過性を有する第２の基板と、
前記第２の基板における前記第１の基板と反対側の面に各前記圧力室に対応するように形成される圧電素子と、を有する液体噴射ヘッドの製造方法であって、
前記第１の基板と前記第２の基板とを積層する積層工程と、
前記積層工程の後に、前記第２の基板における前記圧電素子を形成する面にポジレジスト層を形成するレジスト層形成工程と、
前記レジスト層形成工程の後に、前記第１の基板における前記圧力室の側から前記圧力室をマスクとして前記第２の基板における前記圧電素子を形成する面に形成された前記ポジレジスト層を露光するとともに現像する露光現像工程と、
を含み、
前記露光現像工程では、前記ポジレジスト層を露光する際に、前記ポジレジスト層が現像されて除去される幅が前記圧力室の幅の６０〜８０％となるように露光量を制御する、
ことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
前記露光現像工程では、前記ポジレジスト層を露光する際に、前記ポジレジスト層が現像されて除去される幅が前記圧力室の幅の７０％となるように露光量を制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
前記露光現像工程の後に、現像により前記ポジレジスト層に形成された開口部に前記圧電素子に対応する下部電極を形成する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
液体を吐出するノズルにそれぞれ連通した圧力室と、
該圧力室の上の壁を通して該圧力室に圧力を印加する圧電素子と、を有する液体噴射ヘッドの製造方法であって、
紫外線を透過する第一のグリーンシートと、前記圧力室の側壁となる孔部が開口された第二のグリーンシートと、を積層してグリーンシート積層体を形成するグリーンシート積層工程と、
前記グリーンシート積層体を焼成する工程と、
前記グリーンシート積層体の前記第一のグリーンシート側にポジレジスト層を塗布する工程と、
前記グリーンシート積層体を前記第二のグリーンシート側から紫外線露光をした後、現像しポジレジスト開口部を形成する工程と、
前記グリーンシート積層体の前記第一のグリーンシート側の前記ポジレジスト開口部に下部電極を形成する工程と、
前記ポジレジスト層を除去する工程と、を含み、
前記ポジレジスト開口部を形成する工程において、前記紫外線の露光量を前記ポジレジスト層が除去される幅が前記圧力室の幅の６０〜８０％となるように制御する、
ことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
前記ポジレジスト開口部を形成する工程において、前記紫外線の露光量を前記ポジレジスト層が除去される幅が前記圧力室の幅の７０％となるように制御する、
ことを特徴とする請求項４に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。