JP6329036B2

JP6329036B2 - インクジェットヘッド

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Publication number: JP6329036B2
Application number: JP2014184572A
Authority: JP
Inventors: 戸塚　貴之; 貴之戸塚
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: JP2016055551A

Description

一実施形態はインクジェットヘッドに関する。

従来、インクジェットヘッドはセラミックスからなる絶縁性のベース基板上に、複数の圧電セラミックス製の圧電部材を設けており、複数の隔壁を所定の間隔で形成し、各隔壁間をインクの流路としている（例えば特許文献１参照）、インクジェットヘッドは各隔壁の側面には駆動用電極を備え、隔璧端面をその頂部から底部にかけて外側に広がる傾斜面とするとともに上記隔壁の傾斜面およびベース基板に上記駆動用電極の引出線を形成している。

このような構成のインクジェットプリンタヘッドは形状が複雑であるため、電極は無電解めっき法で形成することが好適である。駆動電極および配線となる金属膜を形成し、配線パターンを形成している。ベース基板上に金属膜が形成され、レジスト膜が積層される。基板面に対して垂直方向の光源から露光処理がなされる。

しかし露光の際、インク孔の側壁では、上部から下部へ徐々に露光量が弱くなる。金属膜又はベース基板とレジスト膜との間の密着力が低いため、レジスト膜が剥がれやすくなる。

特開２０１１−３７０５７号公報

本発明が解決しようとする課題は、金属膜又はベース基板とレジスト膜との間の密着力を高めたインクジェットヘッドを提供するものである。

このような課題を解決するため、一実施形態によれば、基板上面から基板下面へかけて縮小するテーパ形状のインク孔を有する絶縁性のベース基板と、このベース基板の前記基板上面から互いに傾斜する一対の傾斜端面およびこれらの傾斜端面間にそれぞれ一方向に沿って形成された複数の隔壁を持つ圧電体と、前記インク孔の周辺での前記ベース基板の欠けに充填された接着剤と、前記隔壁毎の電極から前記ベース基板に引出される導体パターンと、を備えたインクジェットヘッドが提供される。

実施の形態に係るインクジェットヘッドの斜視図である。実施の形態に係るインクジェットヘッドの部分的な上面斜視図である。実施の形態に係るインクジェットヘッドの図１中のＡＡ´に沿うヘッド本体の縦断面図である。実施の形態に係るインクジェットヘッドの図３中のＢＢ´に沿う圧電体の縦断面図である。実施の形態に係るインクジェットヘッドの圧電体の傾斜端面の斜視図である。実施の形態に係るインクジェットヘッドの接着剤が充填されるベース基板の欠けの拡大図である。実施の形態に係るインクジェットヘッドのインク孔の図６のＣＣ´に沿う断面構造例を示す図である。

以下、実施の形態に係るインクジェットヘッドについて、図１乃至図７を参照しながら説明する。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。

（一実施形態）
図１は実施の形態に係るインクジェットヘッドの斜視図である。本実施形態に係るインクジェットヘッドは、ノズル配列方向に配列された複数の吐出口１０を有するヘッド本体１１を有し、吐出口１０毎の吐出駆動によって基板下面１８側から供給されるインクを排出する。

図２は本実施形態に係るインクジェットヘッドの部分的な上面斜視図である。本実施形態に係るインクジェットヘッドは、基板上面１７および基板下面１８を有する絶縁性のベース基板１９と、このベース基板１９の基板上面１７から互いに傾斜する一対の傾斜端面１５、１６およびこれらの傾斜端面１５、１６間にそれぞれ一方向に沿って形成された複数の隔壁２６を持つ圧電体２０と、この圧電体２０に平行に基板上面１７に設けられ圧電体２０と同じ構造を有する別の圧電体２１（図１）とを備える。このインクジェットヘッドは、傾斜端面１５側にそれぞれベース基板１９に貫通形成され、それぞれ基板上面１７から基板下面１８へかけて縮小するテーパ状の孔直径を持つ複数のインク供給孔２８（インク孔）と、傾斜端面１６側にそれぞれベース基板１９に貫通形成され、それぞれ基板上面１７から基板下面１８へかけて縮小するテーパ状の孔直径を持つ複数のインク排出孔２９（インク孔）と、を備える。

更に本実施形態に係るインクジェットヘッドは、インク供給孔２８及びインク排出孔２９の周辺でのベース基板１９の欠けに充填された接着剤の層２２と、これらの層２２、圧電体２０、２１およびベース基板１９を覆うフォトレジストによるパターニングによって形成され、隔壁２６毎の電極２３からベース基板１９上に引出される導体パターン２４とを備えている。

図３は図１中のＡＡ´に沿うヘッド本体１１の縦断面図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。ベース基板１９には例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が用いられる。ベース基板１９と、このベース基板１９上に接着された枠部材３２と、それぞれこの枠部材３２に囲まれた圧電体２０、２１と、これらの圧電体２０、２１を上方から覆うノズル基板３０とによりヘッド本体１１が構成されている。ベース基板１９の下方にはインク流路の分岐部兼結合部であるマニフォールド１２が連結されている。ベース基板１９、枠部材３２およびノズル基板３０によってインクの共通液室３３、３４、３５が形成されている。

図４は図３中のＢＢ´に沿う圧電体２０の縦断面図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。圧電体２０は２枚の圧電板２０ａ、２０ｂが厚さ方向で張り合わせられて構成されており、これらの圧電板２０ａ、２０ｂの分極特性はそれぞれの分極方向が板厚方向で逆向きの関係にある。圧電板２０ａ、２０ｂには例えば圧電定数が高いＰＺＴ（ｌｅａｄｚｉｒｃｏｎａｔｅｔｉｔａｎａｔｅチタン酸ジルコン酸鉛）が用いられている。隣接する２つの隔壁２６間に一つの圧力室３１が形成される。圧力室３１は共通液室３３、３４、３５（図１、図３）との間で連通し、インクの流路を形成する。圧電体２１も圧電体２０の例と同じである。

図５は圧電体２０の傾斜端面１６の斜視図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。図４、図５のように圧力室３１は、溝状の底面３６、この底面３６から両側に起立する側壁面３７、３８、傾斜端面１５、１６上の各開口３９及びノズル基板３０の裏面によって囲まれている。また、底面３６及び側壁面３７、３８上の導電膜により隔壁２６毎の駆動用の電極２３が形成され、各電極２３は導体パターン２４（図２）に電気的に接続されるようになっている。

また、図３のようにベース基板１９に１列形成された複数のインク供給孔２８はマニフォールド１２に連通している。ベース基板１９に２列形成された複数のインク排出孔２９はマニフォールド１２に連通している。

図６は接着剤が充填されるベース基板１９の欠けの拡大図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。同図は導体パターン２４のパターニング前の一つのインク供給孔２８の周辺を上面視した例を示している。インク供給孔２８の穿設加工によってインク供給孔２８周辺におけるベース基板１９には欠け２５が生じやすい。欠け２５とは、基板上面１７における基板材の欠落や、所望する基板上面１７の上下方向の段差や凹凸の乱れ、成型されたベース基板１９内の亀裂などの破壊を指す。パターニング工程前における補修工程において欠け２５に接着剤を充填する。補修とは、基板上面１７における欠落を接着剤により埋めて平坦にすること、ベース基板１９内の亀裂に接着剤を浸透させて平坦にすること、あるいはベース基板１９内に深く入った穴に接着剤を詰めることによって、傾斜の連続性あるいは角部を再現することを指す。他のインク供給孔２８及びインク排出孔２９も図６の例と実質同じである。

導体パターン２４（図２）は隔壁２６の電極２３に電気的に接続された配線パターンであり、例えば電極２３から基板上面１７に導かれた１本以上の配線や、フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）２７に接続される配線（図３）である。導体パターン２４はフレキシブルプリント配線板２７を介してドライバＩＣ１３に接続される。

次に上述の本実施形態に係るインクジェットヘッド（図１、図２）の製造方法について説明する。インクジェットヘッドの製造方法は、セラミックからなるベース基板１９上に２つのＰＺＴを接着し、機械的な溝の切削加工によって圧電体２０及び圧電体２１のそれぞれに傾斜端面１５、１６を形成し、これらの圧電体２０、２１に隔壁２６及び圧力室３１を形成する。ＰＺＴに複数の隔壁２６が所定の間隔で形成され、各隔壁２６間にインクの流路が形成される。また、製造方法は、圧電体２０、２１に対してそれぞれ、隔壁端面（傾斜端面１５、１６）を、その頂部から底部にかけて外側に広がる傾斜面とするとともに、該傾斜面を上記ベース基板１９上まで延設し、かつ上記隔壁２６の傾斜面およびベース基板１９に上記駆動用電極２３の引出線を形成する。ベース基板１９には一列のインク供給孔２８及び２列のインク排出孔２９が形成される。

図７は本実施形態に係るインクジェットヘッドのインク孔の図６のＣＣ´に沿う断面構造例を示す図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。インク供給孔２８の孔形状は上部から下部にかけて孔直径が小さくなるようにテーパ状に形成される。他のインク供給孔２８及びインク排出孔２９も同様にしてテーパ状に形成される。

孔開け工程の後、補修工程はインク供給孔２８の周辺を接着剤にて補修する。例えばインク供給孔２８の周辺に欠落部４０が生じていると、補修工程ではこの欠落部４０に接着剤を流し込んで基板上面１７を平坦にする。欠落部４０は孔開けの際、ベース基板１９の材料自身に熱や物理的な力が加わることにより、ベース基板１９に歪みが生じることによる。

仮にこの欠落部４０に何ら補修をしないで製造工程を続行すると、導体パターン２４となる金属膜の成膜時に金属膜が欠落部４０の底面及び側壁面に付着し、続くレジスト膜の蒸着時では、欠落部４０の底面及び側壁面に付着した金属膜の上にレジスト膜が付着する。欠落部４０を補修せずに製造工程を続けると、現像工程、エッチング工程の後、残渣を除去する工程において欠落部４０の底面及び側壁面に付着した金属膜及びレジスト膜の片が基板上面１７上に飛散し、飛び散った金属膜片がショート（短絡）の引き金となる。

本実施形態に係るインクジェットヘッドの製造工程は、基板上面１７の欠けを取り除く補修工程を金属膜の成膜又はパターニングの工程の前に行っているため、エッチング又は残渣除去の工程において、インク孔周辺での欠け２５（図６）、欠落部４０（図７）によってレジスト膜や金属膜が剥がれることが生じない。レジスト膜や金属膜の剥がれによって生じ得るショートが発生しない。製造工程で不良が発生することがなくなり、インクジェットヘッドの製造の効率化を図れる。インク排出孔２９もインク供給孔２８の例と同様である。

また、粘性を有する接着剤を使うことで、基板材の欠落や、所望する段差や凹凸について荒れ、乱れ、ただれ、あるいは亀裂などの補修作業をしやすくすることができる。粘性が低い液相の補修剤では成形のための型枠等を要し補修作業が困難か又はできない。粘性が低いとは接着剤の粘性よりも相対的に低いことである。具体的に接着剤には有機溶剤などの剥離液に対して不溶の物質が用いられる。剥離液に不溶な接着剤を補修剤に用いることで、ベース基板１９を剥離液に浸けたときにも、充填した接着剤が消滅せずに成形部分の形状が保たれる。また、接着剤には、ベース基板１９の材質との密着性を保てるコーティング材を用いてもよい。接着剤には、ベース基板１９の洗浄後、ベース基板１９を乾燥させた後にも、基板上面１７から剥がれずに連続性を保てる物質を用いてもよい。

接着剤による補修の後、隔壁２６間の底面３６および側壁面３７、３８に無電解めっきを実施する。パターニング方法としては、フォトリソグラフィ法を用いる。例えばＮｉ（ニッケル）のめっき膜を成膜する。

続く工程においてベース基板１９及び圧電体２０、２１の隔壁２６を覆うように、感光性のレジスト膜４２が形成される。

続いて露光装置は焦点をベース基板１９の基板上面１７に合わせてレジスト膜を露光する。ポジ型レジスト処理では、現像液に浸けた対象基板への現像処理により、配線電極を形成したい部分以外のレジスト膜４２を除去する。図７に示すように、インク供給孔２８のテーパ状の傾斜する傾斜孔壁４１には、ベース基板１９の基板上面１７と連続的にレジスト膜が形成されており、露光装置からの露光によって基板上面１７上で段差を有するレジストパターンが形成され、現像及びエッチングを経て複数本の導体パターン２４（図２）が生成される。インク孔２９もインク孔２８の例と同様である。図４の圧力室３１となる空間については空間毎に隔壁２６の上端部のめっき膜が除去される。

また、図７において、インク供給孔２８は、基板上面１７上の接着剤の層２２および層２２上の金属膜（図７の導体パターン２４に相当）が積層されたベース基板１９に対するテーパ加工と、傾斜孔壁４１にレジスト膜４２の塗布、レジスト膜４２への露光、露光パターンの現像、およびエッチングによるレジスト膜４２の除去によるパターニングとによって製造される。ここでレジスト膜４２上の任意の一点、および一点から直下方向へ傾斜孔壁４１の面上に到達した他の一点間の距離をＤとし、レジスト膜４２の膜厚をｘとし、基板下面１８および傾斜孔壁４１が交差するテーパ角度をθとすると、θ＝ｃｏｓ^-１（ｘ／Ｄ）である。ｘおよびＤが与えた場合、テーパ角度はθ以下にされる。露光工程での露光量が不十分にならないように、テーパ角度は４５度以下が適している。

このように、本実施形態に係るインクジェットによれば、ベース基板１９上のインク供給孔２８、インク排出孔２９の形状をそれぞれテーパ状に形成し、及び欠け２５を接着剤により補修することで、傾斜孔壁４１上のレジスト膜４２に対して十分な露光量の光を当てることができ、現像及びエアーブロー水切りの処理でレジスト残渣なく、完全にレジスト残渣を溶解除去できるようになる。レジスト残渣が残存した場合、金属膜が剥がれて金属膜の片が捲れ上がってこの片が基板上面１７に付着し、導体パターン２４の生成後、配線ショートを引き起こすことがある。本実施形態に係るインクジェットによれば、この配線ショートを防ぐことができる。

次に本実施形態に係るインクジェットヘッド（図１〜図５）の作用動作について述べると、プリンタ本体からの駆動信号を何れかのドライバＩＣ１３が受信し、ドライバＩＣ１３は圧力室３１へ導体パターン２４によりパルス電圧信号を印可する。圧力室３１内で電界が発生し、この圧力室３１内の隔壁２６が変形する。この変形では電界発生によって圧電板２０ａ、２０ｂが互いに逆向きに屈曲して圧力室３１の側壁面３７、３８がこの圧力室３１内方へ出っ張り変形し、電界消滅によって変形が元に戻る。圧力室３１の容積が拡張し縮小することにより、インクが加圧され、ヘッド本体１１は液滴を吐出口１０から吐出し液弾が被記録媒体へ発射される。マニフォールド１２から供給されたインクは共通液室３４から全ての圧力室３１に送られ、これらの圧力室３１を通過したインクは共通液室３３、３５を経てマニフォールド１２へ排出される。

本実施形態に係るインクジェットヘッドでは、それぞれテーパ状を持つインク供給孔２８、インク排出孔２９及び接着剤補修によって傾斜孔壁４１の下部にまで十分な量の露光が届くため、相互間の密着力を高めることができる。このため、インク孔２８、２９の内壁下部においてレジスト膜４２は金属膜又はベース基板１９から剥がれない。ベース基板１９上に上下方向の段差又は凹凸を多数形成し、高低差が著しい加工を基板上面１７に施しても、インク供給孔２８、インク排出孔２９をテーパ状にし、接着剤の層２２によって欠けを補修することで露光、現像及びエッチング後のレジスト残渣をなくすことができる。

なお上記実施形態では、θが４５度の場合の例であったが、θが４５度よりも小さい角度であってもレジスト残渣を除去できる。インク供給孔２８の個数及びインク排出孔２９の個数は種々変形可能である。パターニング方法としては、フォトリソグラフィ法のほかに、熱硬化性のレジストを用いたレーザ加工によってもよい。

導体パターンは、電極からベース基板１９の基板上面１７上に引出されて形成されていたが、ベース基板１９内に配線層を設け、この配線層に導体パターンを導通接続させてもよい。図２における導体パターン２４の配線経路は一例であり、配線経路は同図の例に限定されるものではなく種々変形できることは言うまでも無い。一つの隔壁２６の壁厚及び隔壁２６間の間隔は解像度やインクの吐出量、圧力室３１の容積及び吐出口１０の開口面積等によって決められる。これらの変形をして実施したに過ぎない実施品に対して実施の形態に係るインクジェットヘッドの優位性は何ら損なわれるものではない。

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同様に、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ものである。

１９…ベース基板、２０，２１…圧電体、２２…接着剤の層、２４…導体パターン、２８…インク供給孔（インク孔）、２９…インク排出孔（インク孔）、３１…圧力室、４２…レジスト膜。

Claims

基板上面から基板下面へかけて縮小するテーパ形状のインク孔を有する絶縁性のベース基板と、
このベース基板の前記基板上面から互いに傾斜する一対の傾斜端面およびこれらの傾斜端面間にそれぞれ一方向に沿って形成された複数の隔壁を持つ圧電体と、
前記インク孔の周辺での前記ベース基板の欠けに充填された接着剤と、
前記隔壁毎の電極から前記ベース基板に引出される導体パターンと、を備えたインクジェットヘッド。
前記インク孔は、前記基板上面の上の前記接着剤の層および前記層上の金属膜が積層された前記ベース基板に対するテーパ加工と、このテーパ加工による傾斜孔壁にレジスト膜の塗布、前記レジスト膜への露光、露光パターンの現像、およびエッチングによる前記レジスト膜の除去によるパターニングと、によって製造され、
前記レジスト膜上の任意の一点、および前記一点から直下方向へ前記傾斜孔壁の面上に到達した他の一点間の距離をＤとし、前記レジスト膜の膜厚をｘとし、前記基板下面および前記傾斜孔壁が交差するテーパ角度をθとすると、θ＝ｃｏｓ^-１（ｘ／Ｄ）である請求項１記載のインクジェットヘッド。