(57)【要約】【課題】多結晶圧電材料を用いて、より安価に、耐久性が高く寿命の長い液体噴射ヘッドを製造することができる液体吐出ヘッドの製造方法を提供する。【解決手段】ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＺｎＯ等からなる多結晶圧電材料１の両面に電極２、３を形成して作製した圧電駆動部４とガラス質材料等の振動板材料６とを直接接合し、多結晶圧電材料１の結晶粒界５による凹凸に対して倣わせて接合した振動板材料６の裏面８側の凹凸やうねりを研磨により除去し平坦化して薄片化して振動板１０を形成し、その後に、空隙１２、凹部１３および吐出口１４を形成したケーシング部材１１と振動板１０の研磨面９との接合面を重ね合わせて加熱し、振動板１０とケーシング部材１１の間にケーシング部材１１側を陽極として電圧を印加しさらに押し付けて行う陽極接合によって直接接合し、液体吐出ヘッドを作製する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶圧電材料を有する圧電駆動部と振動板材料とを接合する第１の接合工程と、前記振動板材料を研磨薄片化する工程と、前記振動板材料の研磨面をケーシング部材に直接接合する第２の接合工程とを有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項２】
前記振動板材料として、ガラス質材料を用いることを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項３】
前記多結晶圧電材料として基板上に形成された薄膜を用いることを特徴とする請求項１または２記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項４】
前記第１の接合工程における接合は前記振動板材料のひずみ点以上の温度でなされることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項５】
前記第２の接合工程における接合は前記第１の接合工程における接合より低温で行われることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項６】
前記第２の接合工程における接合は陽極接合によることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項７】
多結晶圧電材料を有する圧電駆動部と、該圧電駆動部に接合した振動板と、凹状部分と開口部を有するケーシング部材とからなり、前記振動板の研磨薄片化された面と前記ケーシング部材とを直接接合してなることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体を吐出口から吐出する液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高品位の印刷を行う記録装置として、液体吐出装置が普及している。この液体吐出装置は、印刷用途のみならず、捺染、工業用の薬液やパターン材料の塗布等極めて広い応用が期待されるものである。液体吐出装置には、代表的なものとして、電気熱変換素子を用いて熱エネルギーによって液体中に気泡を発生させ、その気泡による圧力波により液滴を吐出させる熱方式、圧電素子のような振動子による圧力波を利用して液滴を吐出させる圧電方式があり、いずれも高性能化の開発が進んでいる。
【０００３】
圧電式の液体吐出ヘッドにおいては、一般に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などの圧電性セラミックス（多結晶圧電材料）を用いた圧電素子と振動板をケーシング部材（液室部材）に接着剤を用いて接合した構成をとっている。
【０００４】
さらに、この種の液体吐出ヘッドでは、圧電素子を用いて機械的な変位を行うため、特にその接合部分において、高い繰り返し耐性が要求されると同時に、接合部分から液体に対して接着剤等の不純物が混入しないような接合を用いることが必要であり、例えば、特開平１１−５３０５号公報に開示されるように、圧電駆動素子とケーシング部材の開口面を直接接合した液体吐出ヘッドも開発されている。この液体吐出ヘッドの例においては、単結晶ニオブ酸リチウムなどの単結晶圧電材料を用い、圧電材料を鏡面研磨し、圧電材料同士、あるいは圧電材料とケーシング部材を直接接合している。このように接着剤を用いない接合で液体吐出ヘッドを構成することにより、接着剤が液体に析出することがなくなり、インク等の液体の品質の低下や液吐出口の詰まりをなくし、接合力に優れかつ耐久性が高く寿命を長くするものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開平１１−５３０５号公報に開示されている液体吐出ヘッドにおいては、圧電材料自体を鏡面研磨する必要があるため、圧電材料として結晶粒界のない単結晶ニオブ酸リチウム等を用いる必要があった。しかし、このような単結晶材料は高価であり、単結晶圧電材料を用いた液体吐出ヘッドのコスト高を招いていた。
【０００６】
また、ＰＺＴなどの圧電性セラミックス（多結晶圧電材料）を用いた圧電素子と振動板をケーシング部材に接合する場合、セラミックスの結晶粒界による凹凸のため、ケーシング部材の接合面との間で接着剤を用いない直接接合によって十分な強度を得ることは難しく、液体吐出ヘッドに十分な耐久性や信頼性を得ることは難しかった。
【０００７】
また、このような圧電性セラミックスは結晶粒界を有するため、鏡面研磨を行うことは粒界からの研磨剤や洗浄液などの浸入により圧電材料の表面近傍にダメージを与え、直接接合に十分な平滑面を得ることは困難であった。
【０００８】
そこで、本発明は、前述した従来技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、多結晶圧電材料を用いて、より安価に、耐久性が高く寿命の長い液体吐出ヘッドを製造することができる液体吐出ヘッドの製造方法および該製造方法により作製される液体吐出ヘッドを提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、多結晶圧電材料を有する圧電駆動部と振動板材料とを接合する第１の接合工程と、前記振動板材料を研磨薄片化する工程と、前記振動板材料の研磨面をケーシング部材に直接接合する第２の接合工程とを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法においては、前記振動板材料としてガラス質材料を用いることが好ましい。
【００１１】
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法においては、前記多結晶圧電材料として基板上に形成された薄膜を用いることが好ましい。
【００１２】
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法において、前記第１の接合工程における接合は前記振動板材料のひずみ点以上の温度でなされることが好ましい。
【００１３】
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法において、前記第２の接合工程における接合は前記第１の接合工程における接合より低温で行われることが好ましく、また、前記第２の接合工程における接合は陽極接合によることが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明の液体吐出ヘッドは、多結晶圧電材料を有する圧電駆動部と、該圧電駆動部に接合した振動板と、凹状部分と開口部を有するケーシング部材とからなり、前記振動板の研磨薄片化された面と前記ケーシング部材とを直接接合してなることを特徴とする。
【００１５】
【作用】
本発明によれば、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＺｎＯ等からなる多結晶圧電材料の両面に電極を形成して作製した圧電駆動部とガラス質材料等の振動板材料とを直接接合し、多結晶圧電材料の結晶粒界による凹凸に対して倣わせて接合した振動板材料の裏面側の凹凸やうねりを研磨により除去し平坦化しかつ薄片化し、その後に、液体供給口となる空隙、液室となる凹部および吐出口を形成したケーシング部材と振動板の研磨面とを陽極接合によって直接接合して、液体吐出ヘッドを作製することにより、結晶粒界による凹凸を有する多結晶圧電材料からなる圧電駆動部を用いても、ケーシング部材に対して強固に直接接合を行うことができ、多結晶圧電材料を用いて、より安価に、耐久性が高く寿命の長い液体吐出ヘッドを作製することを可能にする。
【００１６】
また、多結晶圧電材料として中間転写体としての基板上に薄膜を形成して、この薄膜を用いることで、機械的な加工では作製が難しい１０μｍ以下の厚さの圧電駆動部を作製することができ、多数の圧電駆動部を一括して作製することが可能であり、一素子当たりの単価の低減を図ることもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
（実施例１）
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の一実施例について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の一実施例の主要工程を断面で示す工程図である。
【００１９】
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、図１に示すように、多結晶圧電材料１を有する圧電駆動部４（同図（ａ））と振動板材料６とを接合する第１の接合工程（同図（ｂ））と、振動板材料６を研磨薄片化する工程（同図（ｃ））と、振動板材料６の研磨面をケーシング部材１１に直接接合する第２の接合工程（同図（ｄ））とから構成されている。
【００２０】
先ず、図１の（ａ）に示すように、多結晶圧電材料１の両面に上電極２と下電極３を形成し、圧電駆動部４を作製する。
【００２１】
本発明において用いる多結晶圧電材料１としては、所望の駆動特性を得られるものであれば特に限定されないが、例として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＰＬＺＴ（チタン酸ジルコン酸ランタン鉛）、ＺｎＯ等が挙げられる。なお、本発明において、多結晶圧電材料とは、圧電駆動部に加工した際に単一素子内に少なくとも複数の結晶粒界をもつものを意味する。
【００２２】
なお、多結晶圧電材料の好ましい態様として、基板上に形成された薄膜が挙げられ、薄膜の作製方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法などの気相成長や、ゾルゲル法などを必要に応じて用いることができ、このようにすることで、機械的な加工では作製の難しい１０μｍ以下の厚さの圧電駆動部を容易に作製でき、フォトリソグラフィーなどの手法で多数の圧電駆動部を一括して作成できる。
【００２３】
圧電駆動部の形態としては、板状の圧電材料の両面に電極を形成して振動板と接合したモノモルフ型、２枚の板状の圧電材料を電極とともに積層して用いるバイモルフ型、圧電材料と電極を多層重ね合わせたスタック型など、圧電材料と電極形態については任意のものを用いることができる。
【００２４】
次に、図１の（ｂ）に示すように圧電駆動部４と振動板材料６とを接合する。振動板材料６としては、圧電材料と組み合わせた時に所望の駆動特性が得られるものであれば特に限定されずに用いることができる。好ましい態様としては、ガラス質材料が挙げられる。このガラス質材料は、加熱、押し付けなどにより容易に微小な変形を行うことができ、接合工程において、圧電駆動部の電極やケーシング部材に対する接合が容易であり、さらに、研磨薄片化も容易であるという特性を有しており、特に好ましい。
【００２５】
また、圧電駆動部４と振動板材料６とを接合する手段としては、水素結合や原子間接合を用いることができ、圧電駆動部と振動板材料の接合面を清浄化して重ね合わせ、必要に応じて加熱、押し付け、電圧印加を行う。
【００２６】
この接合工程において、振動板材料を変形させて、多結晶圧電材料の結晶粒界による凹凸に対して倣わせ接合する。このように接合することにより、圧電駆動部と振動板材料の接合面積を増大させ、強固な接合を実現する。
【００２７】
さらに、この接合の際には、振動板材料をある程度軟化させ、圧電駆動部の凹凸に十分倣わせることが好ましい。このようにするためには、振動板材料のひずみ点以上の温度で接合がなされることが好ましい。このようにすることで、多結晶圧電材料の結晶粒界に存在する表面凹凸に対して軟化した振動板材料がより倣い、より多くの面積で直接接合されるため、より強固な接合が実現できる。
【００２８】
なお、この接合工程においては、振動板材料自体が変形するため、接合面に対する裏面にも接合面に存在する凹凸を反映した凹凸やうねりが形成されるが、続いて行う振動板材料の研磨薄片化の工程においてこの凹凸やうねりを除去し平坦化するものである。
【００２９】
次いで、図１の（ｃ）に示すように、振動板材料６を研磨薄片化する工程を行う。研磨薄片化は、ラッピングマシンと研磨剤を用いて、振動板材料を図１の（ｂ）に示す裏面８側から研磨し、振動板材料を所望の厚さまで薄片化すると同時に凹凸やうねりを除去して平坦化し、振動板１０を形成する。また、研磨に際して、必要に応じて、研磨剤粒径を段階的に微小なものにして最終的にコロイダルシリカを用いて振動板の研磨面９を鏡面仕上げする。
【００３０】
最後に、図１の（ｄ）に示すように、振動板１０の研磨面９とケーシング部材（液室部材）１１を直接接合する第２の接合工程を行う。
【００３１】
この第２の接合工程は、前述した第１の接合工程と同様に行うが、この段階においては既に圧電駆動部４と振動板１０が接合されており、高温に加熱すると両者の熱膨張の違いにより反りが発生し接合面同士の接触が不十分となるため、第２の接合工程は少なくとも第１の接合工程より低温で行うことが好ましい。このため、第２の接合工程は、ガラスと導電性の材料を、電圧印加を利用して比較的低温で強固に接合できる陽極接合（Ｇ．Ｗａｌｌｉｓ　ｅｔ．ａｌ．『Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．』４０（１０）３９４６参照）によることが好ましい。
【００３２】
ケーシング部材１１は、Ｓｉ等の単結晶基板に異方性エッチング等で、液体供給口となる空隙１２、液室となる凹部１３および吐出口１４等を形成したもので、用いる材料や形状としては、第２の接合工程に不都合が生じない範囲で適宜選択できる。また、ケーシング部材１１に必要に応じて電極や駆動に用いる回路等を予め形成することもできる。
【００３３】
以上のように、結晶粒界による凹凸を有する多結晶圧電材料を用いた圧電駆動部に対して振動板材料を接合した際に、振動板材料に形成される凹凸やうねりを研磨することにより除去して平坦化し、ケーシング部材に対して強固な接合を実現することができ、圧電駆動部に接合した振動板の研磨薄片化した面を凹状部分や開口部を有するケーシング部材に強固に直接接合した液体吐出ヘッドを作製する。
【００３４】
次に、本実施例についての具体例をさらに説明する。
【００３５】
本例においては、多結晶圧電材料１として、厚さ５０μｍのＰＺＴ焼結体を用い、幅２００μｍ、長さ２ｍｍに切り出した。ここで用いたＰＺＴ焼結体は、結晶の粒径が約１μｍ〜１０μｍの多結晶体で、表面には結晶粒界５による凹凸が存在するものである。このような多結晶圧電材料１の両面に、図１の（ａ）に示すように、Ａｌを０．５μｍの厚さに蒸着し、上電極２と下電極３を形成して、圧電駆動部４を作製した。
【００３６】
次に、図１の（ｂ）に示すように圧電駆動部４と振動板材料６とを接合する接合工程を行った。振動板材料６として、厚さ４０μｍのコーニング＃７７４０ガラスを用いた。接合は、圧電駆動部４の下電極３面と振動板材料６の第１の接合面７を清浄化して重ね合わせ、３５０℃に加熱し、振動板材料６と下電極３の間に下電極３側を陽極として２００Ｖの電圧を印加し、さらに押し付けた。このようにすることにより、接合面７の表面凹凸に対し振動板材料６が倣い、振動板材料自体が変形するため、接合面７に対する裏面８にも凹凸やうねりが形成された。
【００３７】
次いで、図１の（ｃ）に示すように、振動板材料６を研磨薄片化する工程を行った。研磨薄片化は、ラッピングマシンと研磨剤を用いて、振動板材料６を図１の（ｂ）に示す裏面８側から研磨し、振動板材料６を平均で１０μｍの厚さまで薄片化すると同時に凹凸やうねりを除去して平坦化した。また、研磨に際して、研磨剤粒径を段階的に微小なものにしていき、最終的にコロイダルシリカを用いて研磨面を鏡面仕上げした。このようにして平坦な研磨面９を有する振動板１０を形成した。
【００３８】
最後に、図１の（ｄ）に示すように、振動板１０の研磨面９とケーシング部材１１を直接接合する第２の接合工程を行った。ケーシング部材１１は、面方位（１００）のＳｉ単結晶基板にフォトリソグラフィーとＴＭＡＨ溶液による異方性エッチングで、液体供給口となる空隙１２、液室となる凹部１３、吐出口１４を形成したものを用いた。また、ケーシング部材１１に必要に応じて電極や駆動に用いる回路等を予め形成することもできる。
【００３９】
この第２の接合工程は、第２の接合面１５となる振動板１０の研磨面９と、ケーシング部材１１の接合面を洗浄して重ね合わせ、１５０℃に加熱し、振動板１０とケーシング部材１１の間にケーシング部材１１側を陽極として２５０Ｖの電圧を印加し、さらに押し付けて、陽極接合を行った。
【００４０】
以上のように、本例によれば、結晶粒界による凹凸を有する多結晶圧電材料を用いた圧電駆動部に対して振動板材料を接合し、その際に生じる振動板材料の凹凸やうねりを研磨により除去して平坦化し、これをケーシング部材に直接接合することにより、圧電駆動部および振動板をケーシング部材に対して強固に接合することができた。
【００４１】
（実施例２）
次に、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の他の実施例について図２を用いて説明する。図２は、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の他の実施例の主要工程を断面で示す工程図である。
【００４２】
本実施例は、中間転写体としての基板上に多結晶圧電材料を成膜し、この多結晶圧電膜に振動板材料を接合し、さらにケーシング部材を接合した後に、中間転写体を除去することにより、機械的な加工では作製が難しい１０μｍ以下の厚さの圧電駆動部を作製することができるようにするものである。
【００４３】
先ず、図２の（ａ）に示すように、中間転写体としての基板２０上に上電極２、多結晶圧電材料１および下電極３を順に積層形成する。
【００４４】
本実施例では、基板２０として面方位（１００）のＭｇＯを用い、上電極２は、高周波スパッタ成膜装置を用いて、基板２０上にＴｉを１０ｎｍ、Ｐｔを１００ｎｍ順に積層して成膜した。続いて、多結晶圧電材料１を、同様に高周波スパッタ成膜装置を用いて、ＰＺＴ薄膜を４μｍ堆積した後、酸化雰囲気中にて熱処理することで積層して形成した。さらに、下電極３を高周波スパッタ成膜装置を用いてＴｉを１００ｎｍ成膜して形成した。本実施例で用いたＰＺＴ薄膜は、結晶の粒径が約０．５μｍ〜２μｍの多結晶体で、表面には結晶粒界５による凹凸が存在するものである。
【００４５】
続いて、図２の（ｂ）に示すように、圧電駆動部４と振動板材料６とを接合する工程を行う。
【００４６】
振動板材料６としては、厚さ８μｍのコーニング＃７７４０ガラスを用いた。このコーニング＃７７４０ガラスは、ひずみ点温度は５１０℃である。接合は、下電極３面と振動板材料６の第１の接合面７を清浄化して重ね合わせ、ひずみ点よりやや高い５５０℃に加熱し、振動板材料６と下電極３の間に下電極３側を陽極として２００Ｖの電圧を印加し、さらに押し付けた。その後、徐冷を行った。このように振動板材料のひずみ点以上の温度で接合することで、振動板材料６が多結晶圧電材料１の表面凹凸に対して倣い、振動板材料自体が変形するため、接合面７に対する裏面８にも凹凸やうねりが形成された。このようにすることで、多結晶圧電材料１の結晶粒界に存在する表面凹凸に対して軟化した振動板材料６がより倣い、より多くの面積で直接接合されるため、より強固な接合が実現できる。
【００４７】
続いて、図２の（ｃ）に示すように、振動板材料６を研磨薄片化する工程を行う。研磨薄片化は、ラッピングマシンと研磨剤を用いて、振動板材料６を図２の（ｂ）に示す裏面８側から研磨し、振動板材料６を平均で４μｍの厚さまで薄片化すると同時に凹凸やうねりを除去して平坦化した。また、研磨に際して、研磨剤粒径を段階的に微小なものにしていき、最終的にコロイダルシリカを用いて研磨面を鏡面仕上げした。このようにして平坦な研磨面９を有する振動板１０を形成した。
【００４８】
次いで、図２の（ｄ）に示すように、振動板１０の研磨面９とケーシング部材１１を直接接合する第２の接合工程を行う。ケーシング部材１１は、面方位（１００）のＳｉ単結晶基板にフォトリソグラフィーとＴＭＡＨ溶液による異方性エッチングで空隙１２、凹部１３および吐出口１４等を形成したものを用いた。この第２の接合工程は、第２の接合面１５となる振動板１０の研磨面９と、ケーシング部材１１の接合面を洗浄して重ね合わせ、１５０℃に加熱し、振動板１０とケーシング部材１１の間にケーシング部材１１側を陽極として２５０Ｖの電圧を印加し、さらに押し付け、陽極接合を行った。
【００４９】
続いて、図２の（ｅ）に示すように、圧電駆動部４から中間転写体である基板２０を除去する。基板２０の除去は、予めレジスト等を保護剤として基板２０の露出面以外の箇所に塗布し、リン酸溶液に浸して基板２０のＭｇＯを溶解除去した。
【００５０】
最後に、図２の（ｆ）に示すように、フォトリソグラフィーとエッチングを用いて、上電極２、多結晶圧電材料１および下電極３をパターニング加工し、所定の圧電駆動部４ａを形成した。この圧電駆動部４ａは、幅１００μｍ、長さ１ｍｍとした。
【００５１】
このようにすることで、前述した実施例１と同様に、結晶粒界による凹凸を有する多結晶圧電材料を用いた圧電駆動部に対して振動板材料を接合し、この接合に際して生じる振動板材料の凹凸やうねりを研磨により除去して平坦化し、ケーシング部材に対して強固な接合を実現できた。
【００５２】
また、本実施例においては、多結晶圧電材料として、中間転写体としての基板上に形成された薄膜を用いることで、機械的な加工では作製が難しい１０μｍ以下の厚さの圧電駆動部を作製することができ、フォトリソグラフィーで多数の圧電駆動部を一括して作製し、一素子当たりの単価の低減を行うこともできる。
【００５３】
さらに、本実施例においては、圧電駆動部と振動板材料の接合の際に、振動板材料のひずみ点以上の温度で接合を行うことで、多結晶圧電材料の結晶粒界に存在する表面凹凸に対して軟化した振動板材料がより倣い、より多くの面積で直接接合されるため、より強固な接合を実現することができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、結晶粒界による凹凸を有する多結晶圧電材料を用いた圧電駆動部を用いても、ケーシング部材に対して強固に直接接合を行うことができ、多結晶圧電材料を用いて、より安価に、耐久性が高く寿命の長い液体吐出ヘッドを作製することができる。
【００５５】
さらに、多結晶圧電材料として、基板上に薄膜を形成して、この薄膜を用いることで、機械的な加工では作製が難しい１０μｍ以下の厚さの圧電駆動部を作製することができ、多数の圧電駆動部を一括して作製し、一素子当たりの単価の低減を行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の一実施例の主要工程を断面で示す工程図である。
【図２】本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の他の実施例の主要工程を断面で示す工程図である。
【符号の説明】
１　　多結晶圧電材料
２　　上電極
３　　下電極
４　　圧電駆動部
５　　結晶粒界
６　　振動板材料
７　　第１の接合面
８　　（振動板材料）裏面
９　　研磨面
１０　　振動板
１１　　ケーシング部材
１２　　空隙（液体供給口）
１３　　凹部（液室）
１４　　吐出口
１５　　第２の接合面
２０　　基板
【図１】
2004050526.tif 000003
【図２】
2004050526.tif 000004