JPH10226069A - 圧電アクチュエータの製造方法およびインクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 機械加工によらずにインクジェットヘッド用
圧電アクチュエータを歩止まりよく、安価に製造する。 【解決手段】 本発明のインクジェットヘッド用圧電ア
クチュエータの製造方法は、基板１８上に積層したフォ
トレジスト層４４に複数の型孔５０を設け、これら型孔
５０に圧電材料のスラリ５２を充填し、これを焼成して
フォトレジスト層４４を焼き飛ばし、上記基板１８上に
残った圧電部材５６に分極処理を施してアクチュエータ
２２とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電圧印加により変
形する圧電アクチュエータの製造方法に関する。また、
圧電アクチュエータによりインクを押圧してインク滴を
吐出させ、記録紙等の記録媒体に付着させて画像を記録
するインクジェットヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電圧印加時の圧電アクチュエータ
の変形によってインク室に収容されたインクを加圧し、
インク室に連通するノズルからインク滴を吐出するタイ
プのインクジェットヘッドが知られている。この種のイ
ンクジェットヘッドでは、通常、複数のインク室が微小
ピッチで配列されており、これら各インク室にそれぞれ
対応させて圧電アクチュエータを設ける必要がある。そ
のために、これまでは支持基板上に接着固定した圧電プ
レートにダイシングソーやワイヤーソー等で機械加工を
施して複数の微小片に分割することにより、複数の圧電
アクチュエータを形成するのが一般的であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、圧電プレート
を機械加工で分割する方法では、圧電アクチュエータを
一本づつ切り出すため加工に時間がかかり、量産性が低
かった。また、切削途中で圧電アクチュエータに折れや
欠けが生じやすく、歩止まりが悪かったため、生産コス
トが高くついていた。さらには、ダイシングソー等では
機械加工面の制約から圧電アクチュエータを約１００μ
ｍオーダの配列ピッチで形成するのが限度であり、それ
に応じてインク室およびノズルもそれ以上に高密度に配
列することができないという問題があった。

【０００４】そこで、本発明は、上記問題点に鑑みて、
製造コストを低減可能で量産に適し、また精度よく高密
度に圧電アクチュエータを配列可能な、新規な圧電アク
チュエータの製造方法を提供することを目的とする。ま
た、本発明は、簡易でコストや量産性に優れ、さらにプ
リント速度の高速度化に適したインクジェットヘッドを
製造可能な、新規な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。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、基板上
に積層したフォトレジスト層に型孔を設け、この型孔に
圧電材料のスラリを充填し、これを焼成してフォトレジ
スト層を焼き飛ばし、上記基板上に残った圧電部材に分
極処理を施して圧電アクチュエータとするものである。

【０００６】また、本発明のインクジェットヘッドの製
造方法は、基板上に積層したフォトレジスト層に型孔を
設け、この型孔に圧電材料のスラリを充填し、上記スラ
リの充填されたフォトレジスト層の表面に金属層を形成
し、この金属層上であって上記型孔に対向する位置にフ
ォトレジストからなる凸状型を設け、この凸状型の周囲
の金属層上に非圧電材料のスラリを積層して凸状型を覆
い、これらを一体に焼成して上記凸状型および上記フォ
トレジスト層を焼き飛ばすことにより、上記凸状型に対
応するインク室用の空間を有する非圧電部材と、上記基
板と上記金属層との間に固定された圧電部材とを形成
し、この圧電部材を分極処理して圧電アクチュエータと
するものである。

【０００７】

【発明の効果】本発明の圧電アクチュエータの製造方法
では、フォトレジスト層の型孔に圧電材料スラリを充填
して焼成するだけで基板上に圧電アクチュエータを同時
に形成することができる。この場合、フォトレジスト層
は焼成により焼き飛んでなくなるため、圧電アクチュエ
ータに折れや欠けが生じるおそれもない。また、焼成工
程では一度に大量の部材の処理が可能である。したがっ
て、本発明によれば、機械加工の場合に比べて歩止まり
および量産性が向上し、製造コストを安くできる。

【０００８】また、フォトレジスト層の型孔は公知のフ
ォトリソグラフィにより形成され、圧電アクチュエータ
を複数配列する際にも、そのピッチは露光の際のマスク
パターンのピッチによって決めることができる。したが
って、従来の機械加工による場合に比べて圧電アクチュ
エータを精度よく、より高密度に配列することが可能に
なる。

【０００９】本発明のインクジェットヘッドの製造方法
では、基板、圧電アクチュエータ、金属層、およびイン
ク室を有する非圧電部材からなるインクジェットヘッド
が一度の焼成工程により一体形成される。したがって、
従来のように個々に加工された複数の部材を接着剤で固
定しながらヘッドを組み立てる場合に比べて製造および
組立工程を簡略化することができ、より一層のコストダ
ウンを図れる。また、上述したのと同様に、圧電アクチ
ュエータを精度よく高密度に配列できるので、高密度多
ノズル化することでプリント速度を上げることができ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態について説明する。図１から図３は、本発
明の製造方法を適用したインクジェットヘッド１０を示
す。このヘッド１０は、中央線３０を挟んで対向する大
径インク滴吐出用ヘッド部（以下、「大径ヘッド部」と
いう）１２と小径インク滴吐出用ヘッド部（以下、「小
径ヘッド部「という）１４とからなり、天板１６、隔壁
２０、圧電アクチュエータ２２および基板１８により一
体に構成されている。

【００１１】天板１６は、セラミックス、金属、ガラ
ス、合成樹脂等からなり、一体成型、電鋳、フォトリソ
グラフィ等の方法で天板１６の形成と同時に、あるいは
天板１６の形成後の微細加工によりその裏面に複数の凹
部が形成されている。これら凹部が隔壁２０によって覆
われることにより、大径ヘッド部１２と小径ヘッド部１
４のそれぞれに、インクを収容するインク室２４、補給
用インクを収容するインク供給室２６、およびインク室
２４とインク供給室２６とを接続するインクインレット
２８が形成されている。なお、本実施形態のインクジェ
ットヘッドは、大径ノズルと小径ノズルとを備えたもの
であるが、これに限らず、ノズル径が全て同一のインク
ジェットヘッドであっても構わない。

【００１２】インク室２４は各ヘッド部１２，１４の対
向方向に長溝状に延びており、中央線３０に沿って等ピ
ッチで形成されている。インク供給室２６はインク室２
４を挟んで中央線３０の反対側に形成されており、図示
しないインクタンクにそれぞれ接続されている。また、
天板１６にはインク室２４の中央線３０側の端部に連通
するノズル３２，３４が形成されている。各ノズル３
２，３４は、図２に示すように段付きの断面形状を有し
ているが、吐出口径は大径ヘッド部１２のノズル３２の
方が小径ヘッド部１４のノズル３４よりも大きく形成し
てある。

【００１３】上記隔壁２０とセラミック、金属、シリコ
ン、ガラス等からなる基板１８とに挟まれて固定された
圧電アクチュエータ２２は周知の圧電材料からなり、イ
ンク室２４よりも少し中央線３０寄りの位置からインク
供給室２６にかけてインク室２４に沿って延びている。
圧電アクチュエータ２２は、インク室２４に対向する分
極処理された活性部３６と、この活性部３６の両側につ
ながる未分極状態の非活性部３８，４０とを有してい
る。これにより、圧電アクチュエータ２２の上面と下面
に設けた共通電極および個別電極（いずれも図示せず）
間に電圧を印加すると、活性部３６だけが変形するよう
になっている。なお、圧電アクチュエータ２２は単層の
ものに限らず、共通電極と個別電極とを交互に挟むよう
に薄膜圧電シートを積層してなる積層型圧電アクチュエ
ータを用いてもよい。

【００１４】次に、図４，５を参照して圧電アクチュエ
ータ２２の製造方法を具体的な材料や条件を例示しなが
ら説明する。なお、以下の説明において、数値や材料等
の条件は一つの例であってこれらに限定されるものでは
なく、所望により任意に変更可能である。まず、図４
（ａ）に示すように、表面を２０００番研磨した厚さ３
ｍｍのアルミナ製の基板１８上に、ニッケルペーストを
５μｍの厚みにパターン印刷したのちメタライズ焼き付
けして個別電極４２を形成しておく。この個別電極４２
は上記圧電アクチュエータ２２の活性部３６に相当する
長さとする。そして、この基板１８上にフォトレジスト
層４２を積層する。フォトレジスト層４２は、プロビミ
ド７０２０（富士ハントエレクトロニクステクノロジ社
製）を１００μｍづつ２度塗りして２００μｍの厚みに
形成する。その後、１００℃で３分間ソフトベークし
た。

【００１５】ついで、下面に圧電アクチュエータ２２の
平面形状に対応するマスクパターン４６をクロム層で形
成した石英ガラス板４８を介して、上方よりＧ線の紫外
線を４００ｍＪ／ｃｍ²で４秒間照射し、上記フォトレ
ジスト層４４にパターン露光する。このとき、未露光
部、すなわちマスクパターン４６が個別電極４２上にく
るように位置合わせしておく。

【００１６】続いて、図４（ｃ）に示すように、露光さ
れたフォトレジスト層４４を現像液ＱＺ３５０１（富士
ハントエレクトロニクステクノロジ社製）で現像して未
露光部を除去する。これにより、フォトレジスト層４４
には圧電アクチュエータ２２に対応する形状の複数の型
孔５０が個別電極４２上に形成される。そして、リンス
液ＱＺ３５１２（同社製）で洗浄して乾燥させたのち、
３５０℃で１時間キュアリングした。

【００１７】次に、図５（ａ）に示すように、例えばジ
ルコン酸鉛とチタン酸鉛のアルコキシドにより調製した
パウダを焼成後の比率がＰｂ₁（Ｚｒ_0.52 ,Ｔｉ_0.48）
Ｏとなるように当量分散したスラリをフォトレジスト層
４４の型孔５０に流し込み、上方より板材で加圧する。
これにより、各型孔５０に圧電材料のスラリが充填され
る。そして、図５（ｂ）に示すように、フォトレジスト
層４４上にあふれたスラリ５２をブレード５３で除去
し、型孔５０内だけにスラリ５２が残るように整形した
のち、１４０℃で３０分間乾燥させた。その後、フォト
レジスト層４４およびスラリ５２の表面に共通電極とな
る厚さ１μｍのニッケルめっき層を形成する。

【００１８】ニッケルめっき層形成後、それらを１２０
０℃で焼成すると、フォトレジスト層４４とその表面の
ニッケルめっき層は焼き飛んでなくなる。これにより、
図５（ｃ）に示すように、基板１８上には上下面に共通
電極５４および個別電極４２を有する圧電部材５６だけ
が残る。なお、ニッケルめっき層の厚みが２μｍ以上あ
るとフォトレジスト層４４と共に熱分解せずに残る可能
性があるため、その厚みは１μｍ程度とするのが好まし
い。なお、図５（ｂ）において、フォトレジスト層を硬
化温度でキュアリングした後、電極４２上のみの領域に
電極材ペーストをパターン塗布し、焼結することによ
り、圧電部材５６上に２μｍ以上の導電層を形成するこ
ともできる。

【００１９】そして、焼成された圧電部材５６を徐冷し
たのち、１５０℃に加熱した状態で上下の共通電極５４
と個別電極４２との間に例えば直流電圧１．５ｋＶ／ｍ
ｍを１０分間印加して活性部３６となる領域を分極処理
する。これにより、圧電アクチュエータ２２の製造が完
了する。なお、以上の工程を繰り返せば積層型の圧電ア
クチュエータを製造することもできる。

【００２０】このように、上記圧電アクチュエータの製
造方法では、フォトレジスト層４４の型孔５０に圧電材
料スラリ５２を充填して焼成するだけで基板１８上に複
数の圧電アクチュエータ２２を同時に形成することがで
きる。この場合、フォトレジスト層４４は焼成により焼
き飛んでなくなるため、圧電アクチュエータ２２に折れ
や欠けが生じることもない。また、焼成工程では一度に
大量の処理が可能である。したがって、本発明によれ
ば、圧電アクチュエータを機械加工で形成する場合に比
べて歩止まりと量産性が格段に向上し、製造コストを安
くできる。

【００２１】また、フォトレジスト層４４の型孔５０は
公知のフォトリソグラフィにより形成され、圧電アクチ
ュエータ２２の配列ピッチは露光の際のマスクパターン
４６のピッチによって決まる。したがって、この方法に
よれば、従来の機械加工による場合に比べて寸法精度の
高い圧電アクチュエータ２２をより高密度に配列するこ
とが可能になり、それに対応してインク室２４およびノ
ズル３２，３４も高密度に配置できるため、高密度多ノ
ズル化することによりプリント速度を上げることができ
る。

【００２２】上記インクジェットヘッド１０では、イン
クタンクからインク供給室２６に供給されたインクがイ
ンクインレット２８を介してインク室２４に収容され
る。この状態で、画像信号に応じてドライバ回路（図示
せず）から個別電極４２および共通電極５４間に駆動電
圧が印加されると、圧電アクチュエータ２２の活性部３
６が厚み方向に瞬時に膨張変形し、隔壁２２を介してイ
ンク室２４内のインクを加圧する。これにより、ノズル
３２，３４からそれぞれインク滴が吐出されるが、その
吐出口径の違いからノズル３２からはノズル３４よりも
比較的大きなインク滴が吐出される。これらインク滴が
記録媒体に付着して大，小ドットを形成し、これらドッ
トの集合により階調画像が記録される。電圧印加が解除
されると上記活性部３６は元の状態に復帰し、毛管現象
によりインク供給室２６からインク室２４にインクが補
給され、次のインク吐出に備える。

【００２３】上記インクジェットヘッド１０において、
天板１６および隔壁２０は基板１８上に形成された圧電
アクチュエータ２２に接着して組み立ててもよいが、以
下に説明するインクジェットヘッドの製造方法により一
体形成してもよい。

【００２４】基板１２上にフォトレジスト層４４を積層
し、その型孔５０に圧電材料スラリ５２を充填し、整
形、乾燥するまでは上述した圧電アクチュエータ２２の
製造方法と同じである。ついで、図６（ａ）に示すよう
に、フォトレジスト層４４および圧電材料スラリ５２の
表面にニッケルめっき層（金属層）６０を約１０μｍの
厚みに形成する。このニッケルめっき層６０は上記隔壁
２０および上記共通電極５４を兼ねるものである。

【００２５】続いて、図６（ｂ）に示すように、ニッケ
ルめっき層６０上であって型孔５０に対向する位置にフ
ォトレジストからなる凸状型６２をそれぞれ設ける。こ
の凸状型６２はフォトレジスト層の積層、パターン露
光、現像の工程を３回繰り返してパターン形成された３
層構造を有している。第１層６４はインク室２４、イン
ク供給室２６およびインクインレット２８となる空間に
対応する形状に形成され、第２，第３層６６はノズル３
２，３４の段付き孔形状に対応するように形成されてい
る。

【００２６】ついで、各凸状型６２の周囲のニッケルめ
っき層６０上に酸化ジルコニウムからなる非圧電材料の
スラリを凸状型６２の先端面の高さまで積層したのち、
これらを１２００℃で一体に焼成するとフォトレジスト
層４４および凸状型６２が焼き飛んでなくなる。これに
より、図６（ｃ）に示すように、ニッケルめっき層６０
上の非圧電材料が焼成されて、インク室２４等となる空
間７０およびノズル３２，３４を有する天板（非圧電部
材）１６が形成される。また、基板１８とニッケルめっ
き層６０との間には焼成された圧電部材５６だけが残
り、これに分極処理を施して活性部３６を設けることに
より圧電アクチュエータ２２となる。これにより、イン
クジェットヘッド１０の製造が完了する。

【００２７】このインクジェットヘッドの製造方法によ
れば、基板１８、圧電アクチュエータ２２、隔壁２０、
およびインク室２４等を有する天板１６からなるインク
ジェットヘッド１０が一度の焼成により一体形成され
る。したがって、この方法によれば上述した圧電アクチ
ュエータの製造方法による効果に加えて、個々に加工さ
れた複数の部材を接着剤で固定しながらヘッドを組み立
てる従来の方法より製造および組立工程を簡略化するこ
とができ、製造コストをより一層安くできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 インクジェットヘッドの部分平面図である。

【図２】 図１におけるII−II線断面図である。

【図３】 図２におけるIII−III線断面図である。

【図４】 圧電アクチュエータの製造過程を示す図であ
る。

【図５】 図４と同じく圧電アクチュエータの製造過程
を示す図である。

【図６】 インクジェットヘッドの製造過程を示す図で
ある。

【符号の説明】

１０…インクジェットヘッド、１６…天板（非圧電部
材）、１８…基板、２０…隔壁（金属層）、２２…圧電
アクチュエータ、２４…インク室、４４…フォトレジス
ト層、５０…型孔、５２…圧電材料のスラリ、５６…圧
電部材、６２…凸状型。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に積層したフォトレジスト層に型
   孔を設け、この型孔に圧電材料のスラリを充填し、これ
   を焼成してフォトレジスト層を焼き飛ばし、上記基板上
   に残った圧電部材に分極処理を施して圧電アクチュエー
   タとする圧電アクチュエータの製造方法。
2. 【請求項２】 基板上に積層したフォトレジスト層に型
   孔を設け、この型孔に圧電材料のスラリを充填し、上記
   スラリの充填されたフォトレジスト層の表面に金属層を
   形成し、この金属層上であって上記型孔に対向する位置
   にフォトレジストからなる凸状型を設け、この凸状型の
   周囲の金属層上に非圧電材料のスラリを積層して凸状型
   を覆い、これらを一体に焼成して上記凸状型および上記
   フォトレジスト層を焼き飛ばすことにより、上記凸状型
   に対応するインク室用の空間を有する非圧電部材と、上
   記基板と上記金属層との間に固定された圧電部材とを形
   成し、この圧電部材を分極処理して圧電アクチュエータ
   とするインクジェットヘッドの製造方法。