(57)【要約】【課題】流路基板に陽極接合されるガラス振動板材料を予め加熱し、熱収縮させておくことで、振動板上に圧電素子を直接形成した場合の振動板の熱収縮によるトラブルを防ぐ。【解決手段】ガラス振動板材料６ａを予め例えば６５０℃まで加熱し、０．２％の予備収縮を起こさせたのち、流路基板１に陽極接合し、ガラス振動板材料６ａを研磨薄片化して所定の厚さの振動板６を製作する。振動板６上に下電極９ａ、圧電層８となる圧電前駆体層８ａ、上電極９ｂを順次積層することで、圧電素子７を振動板６上に直接形成し、圧電材料の結晶化温度まで加熱して圧電層８の結晶化を行う。結晶化のための第２の加熱工程における振動板６の熱収縮を防ぐことで、流路基板１の変形や振動板６にクラックが発生する等のトラブルを回避する。【選択図】図２
2005144774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス振動板上の圧電素子によって圧力発生室内の液体を加圧し、ノズルから吐出する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
圧力発生室およびノズルを有する流路基板を準備する工程と、
ガラス振動板材料を所定の温度に加熱する第１の加熱工程と、
ガラス振動板材料を陽極接合によって流路基板に結合する結合工程と、
ガラス振動板材料からなるガラス振動板上に電極層および圧電層を順次積層して圧電素子を形成する形成工程と、
ガラス振動板上に積層中または積層後の圧電層を、結晶化のための温度に加熱する第２の加熱工程と、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】
結合工程と形成工程との間に、ガラス振動板材料を研磨薄片化し所定の厚さのガラス振動板を形成する工程を有す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】
第２の加熱工程におけるガラス振動板の熱収縮率が０．０１％以下になるように、第１の加熱工程の温度を設定す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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリンタなどに用いられる液体吐出ヘッド、特に圧電素子を用いて液体吐出を行う液体吐出ヘッドの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、高品位の印刷を行う記録装置としてインクジェットプリンタ等の液体吐出記録装置が普及している。このような液体吐出記録装置は、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など極めて広い応用が期待されるものである。液体吐出記録装置に用いられる液体吐出ヘッドには、代表的なものとして圧電素子を用いた圧電式と、ヒータによる加熱を用いる熱式があり、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として優れた特性を有するものに、流路基板の圧力発生室に圧力を印加するための振動板として、陽極接合により流路基板に接合されたガラス振動板を用いたものがある（特許文献１参照）。これは図４に示すように、圧力発生室１０２、ノズル１０３、オリフィス１０４、液体供給室１０５等を形成したシリコンからなる流路基板１０１と、ガラス振動板の素材であるほう硅酸ガラス板とを陽極接合で接合一体化し、ほう硅酸ガラス板を所定の厚さまで薄くし振動板１０６を形成し、この振動板１０６の表面に圧電素子１０７の下電極である電極層１０９ａを形成し、次いで、圧電素子板１０８の接着を行い、圧電素子板１０８を所定の厚さまで薄くし、さらに上電極である電極層１０９ｂを形成し、不要部の除去加工を行って液体吐出ヘッドＥ0 を製造している。
【０００４】
この方法によれば、厚さ０．１ｍｍ以下の振動板を量産レベルで実現し、高性能、小型軽量で量産性に優れた液体吐出ヘッドを提供できる。また、振動板の陽極接合は、液体吐出ヘッドのインク等液体に接する箇所に接着剤などの介在物なしに強固な直接接合を実現できるため、液体吐出ヘッドのインク等液体に対する安定性が高く好適である。
【０００５】
陽極接合は、ガラスの加熱と電圧印加によって起きるガラス内のアルカリイオンの移動により発生する静電引力を利用した接合方法であり、このような接合の方法については特許文献２等に開示されている。
【０００６】
なお、上記従来例においてはいずれもこの陽極接合は「静電接合」と表記されているが、このような接合の方法は陽極接合と称されるのが一般的であるため（例えば非特許文献１）、本明細書中でも以下陽極接合と表記する。
【特許文献１】特開平９−０９４９６５号公報
【特許文献２】特開平６−３２６３３１号公報
【非特許文献１】「マイクロマシーニングとマイクロメカトロニスク」（株）培風館刊
【非特許文献２】SID93 Digest of Technical Papers,P.971
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ガラス振動板として用いているガラス質材料は、例えば圧電素子の結晶化のために高温に加熱して室温まで冷却する加熱処理を必要とする場合、加熱工程中にガラスがより稠密な構造に安定化しようとして、加熱工程前の室温での体積に対して、加熱工程後の室温での体積が著しく減少するいわゆる熱収縮を起こすことがある（非特許文献２）。この熱収縮量は、ガラスの組成や製造工程、並びに加熱工程の温度条件等によって異なるが、加熱工程において歪点近傍の高温度に加熱を行った場合には、熱収縮率Ｃ＝（Ｌ0 −Ｌ1 ）／Ｌ0 （Ｃ：熱収縮率、Ｌ0 ：加熱工程前室温でのガラス試料の寸法、Ｌ1 ：加熱工程後室温でのガラス試料の寸法）は０．１％以上になる場合がある。これに対して、流路基板として用いるシリコンは加熱工程における熱収縮はほとんどない。
【０００８】
このため、圧力発生室に圧力を印加するための振動板にガラス材料、圧力発生室を有する流路基板にシリコンをそれぞれ用いて、ガラス振動板を陽極接合により接合する液体吐出ヘッドにおいては、陽極接合後に加熱処理を行うと、ガラス振動板が熱収縮し、シリコンよりなる流路基板に対して相対的に極めて大きな圧縮応力を与えてしまう場合がある。特に近年、陽極接合工程後に圧電素子をガラス振動板上に直接堆積する構成が提案されているが、堆積された圧電層を結晶化させるために必要となる高温の加熱処理を行った場合には、ガラス振動板の熱収縮のために、流路基板の大きな変形やガラス振動板のクラック等が発生して、歩留まりを低下させる。このため、ガラス振動板上への圧電素子の直接形成は困難であった。
【０００９】
他方、特許文献１に開示されている従来例は、圧電素子板と振動板との間を接着剤を介在させて接合するものであるが、この構成では、圧電素子は実効的にガラスの振動板と接着剤の総和分を変形させる必要があり、効率の良い液体吐出ができなかった。とりわけ、記録密度向上のために液体吐出ヘッドのノズルを高密度で配置する場合は、圧電素子は微細化・薄膜化されるため、吐出効率に与える接着剤の介在による問題は深刻であった。
【００１０】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、ガラス振動板の熱収縮によるトラブルを効果的に回避して、ガラス振動板上に圧電素子を直接形成することを可能とし、ノズルを高密度で配した吐出効率の高い液体吐出ヘッドを歩留まりよく製造することのできる液体吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の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、ガラス振動板上の圧電素子によって圧力発生室内の液体を加圧し、ノズルから吐出する液体吐出ヘッドの製造方法であって、圧力発生室およびノズルを有する流路基板を準備する工程と、ガラス振動板材料を所定の温度に加熱する第１の加熱工程と、ガラス振動板材料を陽極接合によって流路基板に結合する結合工程と、ガラス振動板材料からなるガラス振動板上に電極層および圧電層を順次積層して圧電素子を形成する形成工程と、ガラス振動板上に積層中または積層後の圧電層を、結晶化のための温度に加熱する第２の加熱工程と、を有することを特徴とする。
【００１２】
結合工程と形成工程との間に、ガラス振動板材料を研磨薄片化し所定の厚さのガラス振動板を形成する工程を有するとよい。
【００１３】
第２の加熱工程におけるガラス振動板の熱収縮率が０．０１％以下になるように、第１の加熱工程の温度を設定するとよい。
【発明の効果】
【００１４】
予めガラス振動板となる振動板材料を予め所定の温度に加熱することで熱収縮させておき、圧電層の結晶化のための加熱処理におけるガラス振動板の寸法変化を抑えることにより、ガラス振動板上に圧電層を積層する圧電素子の直接形成を可能にする。これによって、ノズルを高密度で配した吐出効率の高い液体吐出ヘッドを歩留まりよく製造することができる。
【００１５】
予め第２の加熱工程におけるガラス振動板の熱収縮量を０．０１％以下に抑えるように、予め熱収縮させるための第１の加熱工程の温度条件を定めることで、より一層歩留まりよく液体吐出ヘッドを製造することが可能である。
【００１６】
このような液体吐出ヘッドを記録装置に搭載することで、ノズルを高密度で配した吐出効率の高い記録装置を安価に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１に示すように、流路基板１は、圧力発生室２とノズル３、オリフィス４、液体供給室５を有し、このように、ノズル３に連通する圧力発生室２を有する流路基板１に、ガラス振動板である振動板６が陽極接合され、振動板６上に圧電素子７が直接形成される。圧電素子７は、振動板６上に電極層である上下電極９ａ、９ｂおよび圧電層８を成膜・積層したものである。この液体吐出ヘッドＥ1 の製造工程は、少なくとも、予めガラスの振動板６を熱収縮させるための第１の加熱工程と、第１の加熱工程を経て陽極接合により圧力発生室２等を有する流路基板１に接合された振動板６上に上下電極９ａ、９ｂおよび圧電層８を順次成膜・積層する工程と、成膜中あるいは成膜後の圧電層８の結晶化を行う第２の加熱工程とを含む。
【００１８】
そして、第２の加熱工程における振動板６の熱収縮率を０．０１％またはそれ以下とするように、振動板６を充分に予備収縮させる第１の加熱工程の温度条件を設定する。第１の加熱工程によって充分に熱収縮させ、陽極接合により流路基板１に接合した振動板６上に上下電極９ａ、９ｂおよび圧電層８を成膜したのち、圧電層８の結晶化のために第２の加熱工程を行うものであるから、圧電層８を結晶化させる工程での振動板６の寸法変化は微小であり、流路基板１が著しく変形したり、振動板６にクラックが発生する等のトラブルはなく、従って、歩留まりよく液体吐出ヘッドを製造できる。
【００１９】
上記の方法で製造された液体吐出ヘッドを複数配置し、圧電素子に駆動信号を印加するための引き出し電極、圧電素子を駆動する駆動電圧印加回路、液体吐出ヘッドのノズル開口と被記録媒体とを所望の距離で対向させるための支持部材、入力された情報に応じて液体吐出ヘッドのノズル開口と被記録媒体との相対位置を変化させるための機構等を有する記録装置を製作する。
【実施例１】
【００２０】
図１に示す液体吐出ヘッドＥ1 を、図２に示す工程によって製造する。図２の（ａ）に示すように長さＬ0 のガラス振動板材料６ａを準備した。ガラス振動板材料６ａとしては陽極接合用ガラスを用いた。このガラスは、陽極接合が可能であり、後工程の圧電素子７の直接形成工程における加熱温度よりも充分高い温度に軟化点を有するものから適宜選択される。本実施例では陽極接合用ガラスとして、ＨＯＹＡ社商標、ＳＤ２ガラスを用いた。他に好ましいものの例としては、結晶化ガラスである石塚硝子（株）製デビドロン「Ｈα−４３」などがあげられる。ガラス振動板材料６ａは、厚さ５０μｍ、一辺が５０．００ｍｍの正方形のものを用いた。図２の（ａ）に示した長さＬ0 は、気温２５℃の恒温室内において、レーザー測長機を用いてガラス振動板材料６ａの一辺の長さを測定したもので、本実施例においては、Ｌ0 ＝５０．００ｍｍである。
【００２１】
続いて図２の（ｂ）に示すように、ガラス振動板材料６ａを予備収縮させる第１の加熱工程を行った。第１の加熱工程は電気炉を用いて、大気雰囲気中において、最高加熱温度６５０℃、加熱時間５時間として行い、その後室温まで冷却した。図示した長さＬ1 は、第１の加熱工程後に気温２５℃の恒温室内において、レーザー測長機を用いてガラス振動板材料６ａの一辺の長さを測定したもので、本実施例においては、Ｌ1 ＝４９．９０ｍｍであった。すなわち、第１の加熱工程において、ガラス振動板材料６ａは一辺の長さにおいて０．２％の予備収縮をした。
【００２２】
続いて図２の（ｃ）に示すように、面方位（１００）の両面研磨のシリコン単結晶基板１ａの両面に、ＬＰ−ＣＶＤ法により窒化シリコン膜を厚さ３００ｎｍ成膜して第１、第２のマスク層１０ａ、１０ｂを形成した。
【００２３】
続いて図２の（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィ技術とＣＦ4 を含むガスによるドライエッチングにより加工して、第１のマスク層１０ａに第１のマスク開口１０ｃを、第２のマスク層１０ｂに第２のマスク開口１０ｄを形成した。なお、マスク開口１０ｃ、１０ｄの平面形状は、後工程の異方性エッチングにより所望の形状の圧力発生室２、オリフィス４、液体供給室５、ノズル３が複数個配列して得られるように決定した。
【００２４】
続いて図２の（ｅ）に示すように、まずＴＭＡＨ溶液を用いて、シリコン単結晶基板１ａを第１のマスク開口１０ｃより異方性エッチングして、圧力発生室２、ノズル３、オリフィス４を形成した。また、同様にして第２のマスク開口１０ｄより異方性エッチングして、オリフィス４を介して圧力発生室２に連通する液体供給室５を形成した。
【００２５】
続いて図２の（ｆ）に示すように、第１、第２のマスク層１０ａ、１０ｂをエッチング除去し、シリコン表面を露出させ、流路基板１を作製した。
【００２６】
続いて図２の（ｇ）に示すように、流路基板１に対して、第１の加熱工程を経たガラス振動板材料６ａを陽極接合した。ガラス振動板材料６ａは、流路基板１の圧力発生室２に対応する面に接合し、圧力発生室２、ノズル３、オリフィス４等よりなるエッチング溝を塞ぐようにした。本実施例の陽極接合工程は、流路基板１とガラス振動板材料６ａの接合面を清浄化して重ね合せ、３５０℃に加熱し、ガラス振動板材料６ａと流路基板１の間に、流路基板１側を陽極として２００Ｖの電圧を印可し、さらに押し付けた。
【００２７】
続いて図２の（ｈ）に示すように、流路基板１に接合したガラス振動板材料６ａを研磨し、厚さ５μｍまで薄片化して振動板６を形成した。この薄片化加工は、ラッピングマシンと研磨剤を用いた研磨により行い、凹凸やうねりを除去して平坦化した。また、研磨の際、研磨剤粒子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。
【００２８】
続いて図２の（ｉ）に示すように、振動板６上に、下電極９ａ、圧電前駆体層８ａを直接成膜・積層した。下電極９ａは、Ｔｉを２０ｎｍ、Ｐｔを１５０ｎｍ順次スパッタリング法で積層したものを用いた。圧電前駆体層８ａとしては、厚さ３μｍのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）前駆体の薄膜を高周波スパッタ法により形成した。圧電前駆体層８ａの成膜条件は、ターゲットとしてＰｂＯを１０％過剰添加したＰＺＴ焼結体、スパッタリングガスとしてＡｒに１０％のＯ2 を添加したものを用い、全圧２Ｐａ、基体の温度２００℃、高周波出力をターゲットに対して４Ｗ／ｃｍ2 印加した。このようにすることで、ターゲットの組成を反映した組成比でＰｂ、Ｚｒ、Ｔｉの金属成分と酸素を含有する圧電前駆体層８ａが得られた。
【００２９】
続いて図２の（ｊ）に示すように、第２の加熱工程を行い、圧電前駆体層８ａの結晶化を行った。第２の加熱工程は電気炉を用いて、酸化雰囲気中において、最高加熱温度６５０℃、加熱時間５時間として行い、その後室温まで冷却した。このようにして圧電前駆体層８ａを結晶化し、圧電層８を形成した。第２の加熱工程後の圧電層８は、Ｘ線回折法による評価により良好な結晶性を有するＰＺＴ薄膜であった。
【００３０】
本実施例においては圧電前駆体層８ａの形成後に第２の加熱工程を行って結晶化したが、図２の（ｉ）に示した工程で、薄膜堆積と同時に加熱を行って結晶化してもよい。
【００３１】
続いて図２の（ｋ）に示すように、上電極９ｂを成膜した。上電極９ｂの製法は下電極９ａと同じとした。
【００３２】
続いて図２の（ｌ）に示すように、上電極９ｂ、圧電層８、下電極９ａを順にフォトリソグラフィ技術とエッチングにより加工して、圧電素子７を作製した。圧電素子７は、振動板６上の各圧力発生室２に対応する位置に設けている。上電極９ｂ、下電極９ａのエッチングは、フォトレジストをマスクとしたＡｒガスを用いたドライエッチングにより行った。また圧電層８のエッチングは、フォトレジストをマスクとし、フッ酸水溶液と硝酸水溶液を適宜混合したエッチング液によるウエットエッチングにより行った。
【００３３】
続いて図２の（ｍ）に示すように、ノズル３の中間位置で振動板６と流路基板１を切断し、ノズル３を開口させた。切断加工にはダイシングソーを用いた。本工程では、切断用のブレードとして厚さ０．２ｍｍのレジンボンドの＃１５００番ダイヤモンドブレードを用い、切断速度０．５ｍｍ／ｓｅｃ．でフルカットした。
【００３４】
以上の工程よりなる製造方法によって作製した液体吐出ヘッドは、圧電素子に対して適当な駆動電圧を印加することで、良好なインク等液体の吐出動作を行った。また、流路基板の変形、ガラス振動板のクラックの発生等も見られなかった。
【００３５】
このように本実施例の液体吐出ヘッドの製造方法によれば、ガラス振動板上に圧電素子の直接形成を行い、ノズルを高密度で配し吐出効率の高い液体吐出ヘッドを歩留まりよく製造することができた。
【実施例２】
【００３６】
本実施例においては、第２の加熱工程における振動板の熱収縮率を０．０１％以下とするようにガラス振動板材料を予備収縮させる第１の加熱工程の温度条件を求める工程と、該温度条件でガラス振動板材料を予備収縮させる第１の加熱工程と、第１の加熱工程を経たガラス振動板材料を陽極接合により圧力発生室に接合する工程と、振動板上に電極層と圧電層を直接形成する工程と、圧電層の結晶化を行う第２の加熱工程とを有するものである。本実施例における第１の加熱工程の温度条件を求める方法を図３に示す。
【００３７】
まず、図３の（ａ）に示すように実施例１のガラス振動板材料６ａと同じ材質、製造工程、熱履歴を有する熱収縮率測定試料１６ａを準備した。ガラス材料は製造時におけるばらつきが存在するため、同一の加熱工程を行った場合でも熱収縮率にばらつきが発生する場合があり、好ましくは、熱収縮率測定試料１６ａはガラス振動板材料６ａと同一の板材より同一手法により同一の形状に切り出したものを用いる。すなわち熱収縮率測定試料１６ａは、実施例１で用いたガラス振動板材料６ａと同様に、ＨＯＹＡ社商標、ＳＤ２ガラスを用い、厚さ５０μｍ、一辺が５０．００ｍｍの正方形とし、複数個用意した。図示した長さＬ0 は、気温２５℃の恒温室内において、レーザー測長機を用いて熱収縮率測定試料１６ａのそれぞれにおいて一辺の長さを測定したものである。
【００３８】
続いて図３の（ｂ）に示すように、複数の熱収縮率測定試料１６ａに対して異なる温度条件にて第１の加熱工程試験を行い、加熱工程試験後の寸法Ｌ1 を測定した。本工程における温度条件は、室温から熱収縮率測定試料１６ａの歪点温度以下の範囲で行った。図示した長さＬ1 は、第１の加熱工程試験後に気温２５℃の恒温室内において、レーザー測長機を用いて熱収縮率測定試料１６ａのぞれぞれの一辺の長さを測定したものである。
【００３９】
続いて図３の（ｃ）に示すように、異なる温度条件にて第１の加熱工程試験を行った複数の熱収縮率測定試料１６ａに対して、第２の加熱工程の条件での第２の加熱工程試験を行い、加熱工程試験後の寸法Ｌ2 を測定した。本実施例においては、第２の加熱工程は、圧電前駆体層を結晶化する温度であり、電気炉を用い、酸化雰囲気中において最高加熱温度６５０℃、加熱時間５時間として行いその後室温まで冷却するものとし、本工程における第２の加熱工程試験も全ての熱収縮率測定試料１６ａに対して同一の条件で行った。図示した長さＬ2 は、第２の加熱工程試験後に気温２５℃の恒温室内において、レーザー測長機を用いて熱収縮率測定試料１６ａのぞれぞれの一辺の長さを測定したものである。
【００４０】
以上工程を経た熱収縮率測定試料１６ａのぞれぞれにおける寸法Ｌ1 ならびに寸法Ｌ2 から、第２の加熱工程における熱収縮率Ｃ2 を以下の式により求めた。
【００４１】
Ｃ2 ＝（Ｌ1 −Ｌ2 ）／Ｌ1 
以上のデータより、第２の加熱工程における振動板の熱収縮率Ｃ2 を０．０１％またはそれ以下とするような第１の加熱工程の温度条件を求めたところ、６３０〜６７０℃の範囲であった。
【００４２】
このように求めた温度条件で第１の加熱工程を行い、以下実施例１と同様にして液体吐出ヘッドを製造した。
【００４３】
本実施例の製造方法により作製した液体吐出ヘッドは、圧電素子に対して適当な駆動電圧を印加することで、極めて良好なインク等液体の吐出動作を行った。また、流路基板の変形、ガラス振動板のクラックの発生も見られなかった。
【００４４】
予め第２の加熱工程におけるガラス振動板の熱収縮率を一定範囲にするように予備収縮させる第１の加熱工程の条件を求めたうえで第１の加熱工程を行うことにより、より歩留まりよく液体吐出ヘッドを製造することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施例１による液体吐出ヘッドを示すもので、（ａ）はその模式斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿ってとった断面図である。
【図２】実施例１の製造方法を説明する工程図である。
【図３】実施例２において第１の加熱工程の温度条件を求める方法を説明する図である。
【図４】一従来例による液体吐出ヘッドを示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１    流路基板
２    圧力発生室
３    ノズル
４    オリフィス
５    液体供給室
６    振動板
７    圧電素子
８    圧電層
９ａ    下電極
９ｂ    上電極
【図１】
2005144774.tif 000003
【図２】
2005144774.tif 000004
【図３】
2005144774.tif 000005
【図４】
2005144774.tif 000006