JP6285258B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、インクジェットヘッドに関する。

液体インクを紙などの記録媒体に吹き付けることにより印刷を行うインクジェットプリンタでは、印刷が行われない待機時間が長期化すると、ノズル内のインクが乾燥し、ノズルの目詰まりが発生する。そこで、インクジェットヘッドのノズル内で、インクの乾燥を防止するための技術が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示されるインクジェットヘッドは、シェアモードシェアードウォール型のインクジェットヘッドである。このインクジェットヘッドは、インクの循環経路に設けられた圧力室を変形させることにより、インクを記録媒体に吐出する。

一般に、圧力室を形成する圧電材料は、脆く欠けやすい。このため、ベース基材に接着された圧電材料を研磨して整形するときに、圧電材料が欠損してしまうことがある。この圧電材料の欠損が、ベース基板と圧電材料の境界部で生じると、電極パターンを形成するためのフォトリソグラフィにおける露光が不十分となる。この場合には、圧電材料が欠損した箇所に導体が残ってしまい、各圧電材料に接続される電極パターン同士がショートしてしまうことがある。

特開２０１１−３７０５７号公報

本発明は、上述の事情の下になされたもので、電気的な信頼性の高いインクジェットヘッドを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本実施形態に係るインクジェットヘッドは、基板と、基板表面に配列され、圧電素子を有する複数のアクチュエータと、圧電素子より脆性が低い材料からなり、基板に対して、アクチュエータを支持するベース材と、アクチュエータに接続され、ベース材と基板にわたって形成される電極パターンと、を備える。

本実施形態に係るインクジェットヘッドを示す斜視図である。 インクジェットヘッドの展開斜視図である。 駆動ユニットの一部を拡大して示す図である。 電極パターンを示す図である。 アクチュエータの動作を説明するための図である。 アクチュエータの動作を説明するための図である。 ベース基板に接着されたフレームを示す図である。 インクジェットヘッドの断面図である。 インクジェットヘッドの製造工程を説明するための図である。 インクジェットヘッドの製造工程を説明するための図である。 インクジェットヘッドの製造工程を説明するための図である。 インクジェットヘッドの製造工程を説明するための図である。 インクジェットヘッドの製造工程を説明するための図である。 インクジェットヘッドの製造工程を説明するための図である。 インクジェットヘッドの製造工程を説明するための図である。 インクジェットヘッドの製造工程を説明するための図である。 インクジェットヘッドの製造工程を説明するための図である。

以下、本実施形態を、図面を用いて説明する。説明には、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交座標系を用いる。

図１は、本実施形態に係るインクジェットヘッド１０を示す斜視図である。インクジェットヘッド１０は、シェアモードシェアードウォール型のインクジェットヘッドである。このインクジェットヘッド１０は、ベース基板２０、フレーム３０、オリフィスプレート４０を有している。

図２は、図１に示されるインクジェットヘッド１０の展開斜視図である。図２に示されるように、ベース基板２０は、長手方向をＸ軸方向とする長方形板状の部材である。ベース基板２０は、例えばアルミナからなり、Ｙ軸方向中央部には、Ｘ軸に沿って４つの開口２１が形成されている。また、開口２１の−Ｙ側には、Ｘ軸に沿って４つの開口２２_１が形成され、開口２１の＋Ｙ側には、Ｘ軸に沿って４つの開口２２_２が形成されている。本実施形態に係るインクジェットヘッド１０では、開口２１の内径の方が、開口２２の内径よりもやや大きい。

ベース基板２０の上面には、２つの駆動ユニット５０_１，５０_２が配置されている。図２に示されるように、駆動ユニット５０_１は、開口２１と開口２２_１の間に配置され、駆動ユニット５０_２は、開口２１と開口２２_２の間に設けられている。

図３は、駆動ユニット５０の一部を拡大して示す図である。図３に示されるように、駆動ユニット５０は、ベース基板２０の上面に接着されるベース材５１、ベース材５１に支持される複数のアクチュエータ５０ａからなる。

ベース材５１は、ＺＹ断面が台形で、長手方向をＸ軸方向とする部材である。ベース材５１は、ベース基板２０と同様に、アルミナからなる。このベース材５１の上面には、上方（＋Ｚ方向）に突出する突出部５１ａが、Ｘ軸に沿って等間隔に形成されている。また、ベース材５１の下面は、接着層５４を介して、ベース基板２０の上面に接着されている。

アクチュエータ５０ａは、２つの圧電素子５２，５３を有している。圧電素子５２は、接着層５５を介してベース材５１の突出部５１ａに接着されている。また、圧電素子５３は、圧電素子５２の上面に、接着層５６を介して接着されている。このように、駆動ユニット５０は、ベース材５１と、２つの圧電素子５２，５３からなる三層構造の部材となっている。

圧電素子５２，５３は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とするピエゾ素子である。圧電素子５２，５３それぞれの分極方向はＺ軸に平行であり、圧電素子５２の極性と、圧電素子５３の極性は逆になっている。圧電素子５２，５３それぞれの＋Ｙ側の側面は、ベース材５１の＋Ｙ側の面と連続する平面となり、圧電素子５２，５３それぞれの−Ｙ側の側面は、ベース材５１の−Ｙ側の面と連続する平面となるように、圧電素子５２，５３それぞれが整形されている。

駆動ユニット５０では、隣接する１組のアクチュエータ５０ａと、これらを支持する１組の突出部５１ａの間が、圧力室Ｓとなっている。また、本実施形態では、図２に示されるように、駆動ユニット５０_１のアクチュエータ５０ａの配列ピッチと、駆動ユニット５０_２のアクチュエータ５０ａの配列ピッチは等しいが、駆動ユニット５０_２のアクチュエータ５０ａの位置が、−Ｘ方向へオフセットしている。このため、駆動ユニット５０_１の圧力室Ｓに対して、駆動ユニット５０_２の圧力室Ｓは、アクチュエータ５０ａの配列ピッチＰの１／２だけ、−Ｘ方向にオフセットしている。

また、図１乃至３で図示が省略されているが、図４示さるように、各圧力室Ｓの内壁面から、ベース基板２０の上面にかけて、電極パターン６０が形成されている。この電極パターン６０は、例えば、ニッケル膜からなるパターンであり、アクチュエータ５０ａに電圧を印加するための電極として機能する。

各電極パターン６０に選択的に電圧を印加することで、図５に示されるように、直線的になっているアクチュエータ５０ａを、図６に示されるように、屈曲させることができる。アクチュエータ５０ａが屈曲すると、圧力室Ｓの体積が小さくなり、オリフィスプレート４０の開口４１からインクが吐出する。

なお、図５に示される圧電素子５２，５３の厚さｄ２，ｄ３は、３５μｍ程度であり、ベース材５１の厚さｄ１は、１００μｍ程度である。

図２に戻り、フレーム３０は、長手方向をＸ軸方向とする部材である。フレーム３０は、例えば、セラミックやアルミナ、又は、表面が絶縁材料によって被覆されたアルミニウム或いはステンレスなどの金属からなる。また、フレーム３０は、ベース基板２０よりも一回り小さい。

フレーム３０の中央には、開口３１が形成されている。開口３１の内壁面には、外側に向かって窪む８つの凹部３２が形成されている。フレーム３０は、図７に示されるように、ベース基板２０に接着される。この状態のときには、フレーム３０の内壁面に形成された凹部３２に、ベース基板２０に形成された開口２２が位置した状態になる。

図２に戻り、オリフィスプレート４０は、ポリイミド等を素材とし、長手方向をＸ軸方向とする長方形のシートである。オリフィスプレート４０のＸ軸方向の大きさは、フレーム３０のＸ軸方向の大きさに等しい。また、オリフィスプレート４０のＹ軸方向の大きさは、フレーム３０のＹ軸方向の大きさに等しい。

このオリフィスプレート４０には、Ｘ軸に沿って等間隔に円形の開口４１_１が形成されている。また、開口４１_１の＋Ｙ側には、Ｙ軸に沿って等間隔に円形の開口４１_２が形成されている。開口４１は、インクジェットヘッド１０を循環するインクを、紙などの記録媒体に吐出するためのノズルとして機能する。これらの開口４１の配列ピッチは、図２に示されるアクチュエータ５０ａのＸ軸方向の配列ピッチに等しい。

オリフィスプレート４０は、図１に示されるように、フレーム３０の上面に接着される。図５を参照するとわかるように、この状態のときには、オリフィスプレート４０に設けられた開口４１が、アクチュエータ５０ａによって規定される圧力室Ｓそれぞれの上方に位置する。

上述のように構成されるベース基板２０、フレーム３０、オリフィスプレート４０は、ベース基板２０の上面にフレーム３０が接着され、フレーム３０の上面にオリフィスプレート４０が接着されることで一体化される。図８は、図１に示されるインクジェットヘッド１０のＡＡ断面を示す図である。図８に示されるように、ベース基板２０、フレーム３０、オリフィスプレート４０が一体されたときには、圧力室Ｓの上方がオリフィスプレート４０によって塞がれた状態になる。

これにより、ベース基板２０に形成される開口２１，２２と、駆動ユニット５０の圧力室Ｓとの間をインクが循環するための流路が形成される。図８の実線で示されるように、インクジェットヘッド１０では、ベース基板２０の開口２１から流入したインクは、駆動ユニット５０の圧力室Ｓを通過して、ベース基板２０の開口２２から流出する。

また、インクが、図８の実線で示されるように循環しているときに、図４に示される電極パターン６０に選択的に電圧を印加すると、アクチュエータ５０ａが、図５に示される状態から、図６に示される状態に変形する。これにより、圧力室Ｓが収縮して、図８の白抜き矢印に示されるように、オリフィスプレート４０に形成された開口４１からインクが吐出する。

次に、上述のように構成されたインクジェットヘッド１０の製造方法について説明する。まず、ベース基板２０と同じ素材からなる基板２００を準備する。そして、図９に示されるように、この基板２００に、機械加工を施して、開口２１，２２を形成する。

次に、図１０に示されるように、ベース材５１と同じアルミナからなる厚さ１００μｍ程度のシート５１０と、圧電素子５２と同じチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする厚さ３５μｍ程度のシート５２０と、圧電素子５３と同じチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする厚さ３５μｍ程度のシート５３０をそれぞれ張り合わせて、３層構造の多層フィルム６００を形成する。シート５１０，５２０，５３０の接着には、例えば、熱硬化性を有する接着材或いは紫外線硬化性を有する接着材を用いることができる。また、シート同士を接着する工程では、各シートの間に気泡が入らないように、真空雰囲気下で、それぞれのシートを加圧圧着するのが好ましい。

多層フィルム６００を構成するシート５２０，５３０の分極方向はシート５２０，５３０の法線に平行な方向（Ｚ軸方向）であり、本実施形態では、シート５２０の極性が＋Ｚ方向となり、シート５３０の極性が−Ｚ方向となっている。

次に、多層フィルム６００を、図１０の点線で示される位置で切断する。これにより、図１１に示されるように、３枚のシート５１０，５２０，５３０からなり、長手方向をＸ軸方向とするシートブロック５００が形成される。

次に、２つのシートブロック５００_１，５００_２を、例えば、熱硬化性を有する接着剤或いは紫外線硬化性を有する接着材を用いて、ベース基板２０の上面に接着する。これにより、図１２に示されるように、シートブロック５００_１，５００_２は、開口２１と開口２２の間に固定される。

次に、図１３に示されるように、ダイシングソー１１０を用いて、シートブロック５００_１，５００_２それぞれの＋Ｙ側の側面及び−Ｙ側の側面が斜めになるように、破線で示される部分を削りとる。これにより、図１４に示されるように、シートブロック５００_１，５００_２それぞれは、ＹＺ断面が台形の角柱状に整形される。

次に、図１５に示されるように、ダイヤモンドソー１２０を用いて、シートブロック５００_１，５００_２それぞれに、上面からシート５１０に達し、Ｙ軸に平行な溝５００ａを複数形成する。図１６に示されるように、シートブロック５００_１，５００_２それぞれを構成するシート５２０，５３０は、溝５００ａが形成されることにより、小片に分割される。シート５２０が分割されることにより形成される小片は、図３に示される圧電素子５２となる。また、シート５３０が分割されることにより形成される小片は、圧電素子５３となる。これにより、アクチュエータ５０ａが形成される。

次に、隣接するアクチュエータ５０ａの間から基板２００の上面に、図４に示される電極パターン６０を形成する。具体的には、まず、シートブロック５００及び基板２００の表面全体にレジスト層を形成する。そして、このレジスト層を露光して、レジスト層にパターンを焼き付けた後、レジスト層を現像する。これにより、レジスト層のうちの露光されていない部分が溶解し、レジスト層に、電極パターン６０が形成される部分が露出する開口部が形成される。

次に、レジスト層に形成された開口部から露出するシートブロック及び基板２００に例えばニッケルからなる金属層を形成する。そして、レジスト層を除去する。これにより、図４に示されるように、各圧力室Ｓの内壁面から、ベース基板２０の上面にわたって、電極パターン６０が形成される。以上の工程を経て、図２に示されるベース基板２０が完成する。

完成したベース基板２０については、電極パターン６０の断線箇所や、短絡箇所の有無を確認するための検査が実施される。電極パターン６０の断線や短絡は、アクチュエータ５０ａを構成する圧電素子５２，５３が欠けることによって欠損が生じた箇所に生じることが多い。そのため、ベース基板２０を検査する際には、圧電素子５２，５３の欠損状況についても確認が行われる。

次に、図１７に示されるように、ベース基板２０の上面に、フレーム３０を接着するとともに、フレーム３０の上面に、オリフィスプレート４０となるシート４００を接着する。これにより、図５に示されるように、アクチュエータ５０ａとシート４００によって囲まれる部分に圧力室Ｓが形成される。

次に、シート４００の上面にレーザ光を照射して、シート４００の上方から圧力室Ｓに通じる開口４１を形成する。これにより、開口４１が形成されたシート４００は、図８に示されるように、開口４１がノズルとなったオリフィスプレート４０となる。

インクジェットヘッド１０は、以上の工程を経て、製造される。このインクジェットヘッド１０は、電極パターン６０に、ドライバＩＣが接続され、ベース基板２０の開口２１，２２に、インク循環系が接続される。

以上説明したように、本実施形態では、図３を参照するとわかるように、アクチュエータ５０ａを構成する２つの圧電素子５２，５３が、アルミナからなるベース材５１によって支持される。このため、圧電素子５２，５３に欠損を生じさせることなく精度よく、これらの圧電素子５２，５３を整形することができる。その結果、圧電素子５２，５３に接続される電極パターン６０を精度よく形成することが可能となる。以下、具体的に説明する。

一般に、圧電材料は脆性が高く、脆く欠けやすい性質を有している。このため、圧電素子５２，５３を研磨して整形する際に、図１３に示されるダイシングソー１１０の下端の角が、圧電素子５２、５３を構成するシート５２０，５３０に接触すると、接触した部分でシート５２０，５３０の欠損が生じることがある。

しかしながら、本実施形態では、圧電素子５２，５３を構成するシート５２０，５３０が、脆性の低いアルミナからなるベース材５１によって、ベース基板２０の上面に支持されている。このため、ダイシングソー１１０の下端が、脆く欠けやすいシート５２０，５３０に接触することによって、圧電材料が欠損することがない。また、ダイシングソー１１０の下端が接触するベース基板２０及びベース材５１は、脆性が比較的低く欠けにくいアルミナから構成されている。したがって、インクジェットヘッド１０の製造工程で、材料の欠損が発生を抑制することができる。

上述したように、圧電素子５２，５３などに代表される材料が欠損する頻度が低下すると、電極パターン６０の断線やショートを未然に防止することができ、結果的に、電気的に信頼性の高いインクジェットヘッド１０を提供することが可能となる。

特に、電極パターン６０を、リソグラフィを用いて形成する場合には、材料が欠損した箇所での露光が不十分になりやすい。本実施形態では、圧電素子５２，５３などに代表される材料が欠損する頻度が低下するため、露光が不十分になる箇所の発生頻度が低下し、電気的な信頼性の高い電極パターンを形成することが可能となる。

また、本実施形態では、ベース基板２０とベース材５１の双方が、アルミナから構成されている。このため、インクジェットヘッド１０の製造工程において、ベース基板２０とベース材５１に作用する熱応力の差に起因するベース基板２０の変形を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態によって限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ベース材５１が、アルミナからなることとした。ベース材５１の材料はこれに限られるものではなく、例えば、ベース材５１は、ガラスエポキシ樹脂、或いはポリイミドなどから構成されていてもよい。要するに、ベース材５１は、アクチュエータ５０ａに用いられる圧電材料よりも脆性の低い材料から構成されていればよい。

上記実施形態では、アクチュエータ５０ａを構成する圧電素子５２，５３の厚さが相互に等しい場合について説明した。これに限らず、圧電素子５２，５３の厚さは、圧電素子５２，５３相互間で異なっていてもよい。インクジェットヘッド１０の用途、解像度に応じて、圧電素子５２，５３の大きさや形状を決定することができる。

上記実施形態では、レジスト層を露光することにより露出した部分に電極パターン６０を形成した。これに限らず、スパッタ法を用いて形成した金属層をパターニングすることにより、電極パターン６０を形成することとしてもよい。

上記実施形態では、ベース基板２０やフレーム３０が、セラミックやアルミナ等から形成されている場合について説明した。ベース基板２０及びフレーム３０の素材は、上記材料に限定されるものではなく、例えば樹脂等であってもよい。

上記実施形態では、オリフィスプレート４０が、ポリイミド等からなる場合について説明した。これに限らず、オリフィスプレート４０は、ポリイミド以外の金属や樹脂から構成されていてもよい。

上記実施形態では、フレーム３０とオリフィスプレート４０とを接着してから、オリフィスプレート４０に開口４１を形成することとした。これに限らず、プレス加工や電鋳により、あらかじめ開口４１が形成されたオリフィスプレート４０を、フレーム３０に張り付けることとしてもよい。

上記実施形態に係るインクジェットヘッド１０は一例であり、ベース基板２０に形成される開口２１，２２の数や、アクチュエータ５０ａの数は、インクジェットヘッド１０の用途や解像度に応じて、適宜変更することができる。

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しうるものであり、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。これらの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。

１０ インクジェットヘッド
２０ ベース基板
２１，２２ 開口
３０ フレーム
３１ 開口
３２ 凹部
４０ オリフィスプレート
４１ 開口
５０ 駆動ユニット
５０ａ アクチュエータ
５１ ベース材
５１ａ 突出部
５２，５３ 圧電素子
５４〜５６ 接着層
６０ 電極パターン
１１０ ダイシングソー
１２０ ダイヤモンドソー
２００ 基板
２２１，２２２ 開口
４００ シート
４１１，４１２ 開口
５００ シートブロック
５００ａ 溝
５１０，５２０，５３０ シート
６００ 多層フィルム
Ｓ 圧力室

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板表面に配列され、圧電素子を有する複数のアクチュエータと、
   前記圧電素子より脆性が低い材料からなり、前記基板に対して、前記アクチュエータを支持するベース材と、
   前記圧電素子に接続され、前記ベース材と前記基板にわたって形成される電極パターンと、
   を備えるインクジェットヘッド。
2. 前記ベース材は、セラミックからなる請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記ベース材は、前記基板の素材と同じ素材から構成される請求項１又は２に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記アクチュエータは、前記基板に直交する方向に配列される２つの圧電素子を有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記電極パターンは、フォトリソグラフィを用いて形成される請求項１乃至４のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。

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