(57)【要約】【課題】吐出口及び圧力室を高密度な二次元配置が可能な液体吐出ヘッドにおいて、吐出性能向上及び電圧低減のため、圧力室の収縮量を増大させる必要がある。【解決手段】圧力室７０１の側壁に隣接する空気室７０２の内側に支持部材としての金属膜５０２を設けることで、電圧印加時において圧力室７０１の外周の膨らみを抑え、圧力室７０１の収縮量を増大させる。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出するための吐出口と、前記吐出口から吐出される液体を貯留するための圧力室とを備え、該液体の供給方向に関して前記圧力室を構成する側壁は圧電体で構成されている液体吐出ヘッドであって、
前記液体吐出ヘッドの、前記供給方向と交差する断面に関して、複数の前記圧力室と、各前記圧力室の前記側壁の周囲に配置された複数の開口部とを備え、前記開口部の内側面に電極を備え、
前記開口部の内側に前記側壁を支持する支持部材が設けられている、液体吐出ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記断面に関して、第１の方向と、該第１の方向と交差する第２の方向のそれぞれにおいて、前記圧力室と前記開口部が交互に配列されている、液体吐出ヘッド。
【請求項３】
請求項１または２に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記圧力室の一部を構成する第１の溝と前記開口部の一部を構成する第２の溝とが一の面に交互に並列して形成された、圧電体からなる複数の基板が積層されている、液体吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項３に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記基板は、第一の圧電基板と、該第一の圧電基板上に並列して配置された複数の積層体とを備えており、各前記積層体は、前記支持部材となる金属基板と、該金属基板を間に挟んで配置された、前記側壁となる第二の圧電基板とを有する、液体吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記圧力室の内側面に第１の電極が設けられ、かつ、前記開口部の内側面に第２の電極が設けられており、前記第１の電極と前記第２の電極とを結ぶ方向に分極されており、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧が印加されることにより、前記側壁を伸長及び収縮させることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記支持部材が前記開口部の前記側壁から該側壁に対向する壁にわたって形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項７】
請求項６に記載の液体吐出ヘッドであって、
前記開口部の内側に隙間があることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記支持部材のヤング率が１０ＧＰａ以上であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記支持部材は前記開口部に充填された充填物であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項１０】
液体を吐出するための吐出口と、前記吐出口から吐出される液体を貯留するための圧力室とを備え、該液体の供給方向に関して前記圧力室を構成する側壁は圧電体で構成されている液体吐出ヘッドを製造する方法であって、
圧電体からなる複数の基板を用意し、各前記基板の表面に複数の溝を並列して形成する工程と、
各前記溝の内側面に電極を形成する工程と、
前記複数の溝の一つ置きに、該溝の側壁を支持する支持部材を充填する工程と、
前記複数の溝のうちの前記支持部材が充填されていない溝が前記圧力室となるように複数の前記基板を積層する工程と、を有する、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、圧電素子を利用して吐出口より液体を吐出する液体吐出ヘッド及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被記録媒体にインク等の液体を吐出して画像を記録するインクジェット記録装置が知られており、当該記録装置には、一般的に、液体を吐出する液体吐出ヘッドが搭載されている。液体吐出ヘッドが液体を吐出する機構の一例としては、液体が収容されている圧力室の容積を圧電素子によって収縮させる機構が知られている。この機構では、電圧印加により圧電素子を変形させることによって圧力室が収縮し、圧力室内の液体が、圧力室の一端に形成されている吐出口から吐出される。
【０００３】
このような圧電素子を利用した液体吐出ヘッドの一つとして、圧力室の１つまたは２つの壁面が圧電素子で構成され、その圧電素子を電圧印加によりせん断変形させることによって、圧力室を収縮させる“シェアモードタイプ”が知られている。
一方、工業用途のインクジェット装置では、高粘度の液体を使用したいという要求がある。高粘度の液体を吐出するためには、液体吐出ヘッドに大きな吐出力が求められる。この求めに対し、断面形状が円形や矩形からなる筒形状の圧電部材で圧力室を構成した“グールドタイプ”と呼ばれる液体吐出ヘッドが提案されている。
【０００４】
グールドタイプの液体吐出ヘッドでは、電圧印加により圧電部材が圧力室の中心に対して周方向に縮むとともに、径方向に膨張する。つまり、筒形状の圧力室を構成する圧電部材の内周が縮み、外周が広がる。グールドタイプの液体吐出ヘッドは、圧力室の壁面が全て変形し、その変形が液体の吐出力に寄与するので、１つまたは２つの壁面が圧電素子で形成されたシェアモードタイプと比較して、大きな液体吐出力を得ることができる。
【０００５】
グールドタイプの液体吐出ヘッドにおいて、より高い解像度の画像を記録するためには、複数の吐出口をより高密度に配置する必要がある。これに伴い、各々の吐出口に対応する圧力室も高密度に配置する必要がある。
そこで、特許文献１は、複数の溝が形成された圧電材料のプレートを積層することで、複数の吐出口及び圧力室を高密度に配置したグールドタイプの液体吐出ヘッドの製造方法を開示している。
【０００６】
また、グールドタイプでなくベンドモードタイプの特許であるが、特許文献２には、より大きな吐出力が発生するように圧力室の収縮量を増大させられる方法が提案されている。この方法では、圧電材料の基板に複数の溝を形成し、溝の内側に電極膜を形成した後、溝が形成された基板の面に絶縁膜を載せて圧力室を形成している。そして、圧力室とスリットが交互に配置されるように、圧力室間の基板にスリット加工を施し、このスリットに導電塗料を形成することで、バイモルフ効果により圧力室の収縮量を増大させることが可能とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−１４４０３８公報
【特許文献２】特開平９−３９２４４公報（段落［００７２］~［００９１］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示されるグールドタイプの液体吐出ヘッドでは、上面に複数の溝が略平行に形成された複数の圧電材料プレートを上側に積み重ねて接合することで、各圧電材料プレートの複数の溝は複数の筒形状部となる。圧電材料プレート毎の複数の筒形状部は交互に配列された圧力室と空気室として使用されており、空気室は、圧力室を構成する複数の側壁の各々の外側に位置するようになっている。したがって、圧力室と空気室の間に介在する圧電部材はどちらの室の側からも押さえられていない。その一方で、各々の圧力室の側壁どうしは連結されているため、その連結部では拘束力が発生する。このような構成のため、圧電部材からなる圧力室の側壁に電圧を印加した場合、圧力室の外周の膨らみが生じやすく、圧力室が十分に収縮されにくいという問題がある。
【０００９】
一方、特許文献２に開示される液体吐出ヘッドは、溝が形成された基板の面に絶縁膜を載せて圧力室を形成した構成である。この構成では、圧力室を高密度に二次元配列するために基板を積層するとき、基板上の絶縁膜が積層の障害となる。また、絶縁膜が付いたまま基板を積層すると、圧力室の周囲の構造が絶縁膜で拘束されてしまい、圧力室が収縮しにくくなる。
【００１０】
そこで本発明の目的は、上記の問題点を鑑みなされたもので、吐出口を高密度に配置可能で、圧力室の剛性が高く、かつ、圧力室の外周の膨らみを抑えることで大きな液体吐出力が得られる液体吐出ヘッドを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、液体を吐出するための吐出口と、吐出口から吐出される液体を貯留するための圧力室とを備え、該液体の供給方向に関して圧力室を構成する側壁は圧電素子で構成されている液体吐出ヘッドである。この態様の液体吐出ヘッドにおいて、本発明は、液体吐出ヘッドの、液体の供給方向と交差する断面において、複数の圧力室と、各圧力室の側壁の周囲に配置された複数の開口部とを備え、開口部の少なくとも一部の内側面に電極を備え、開口部の内側に側壁を支持する支持部材が設けられている。
また、本発明の他の態様は、液体吐出ヘッドを製造する方法であって、圧電体からなる複数の基板を用意し、各基板の表面に複数の溝を並列して形成する工程と、各溝の内側面に電極を形成する工程と、複数の溝の一つ置きに、該溝の側壁を支持する支持部材を充填する工程と、複数の溝のうちの、支持部材が充填されていない溝が圧力室となるように、複数の基板を積層する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複数の圧力室と、各圧力室の側壁の周囲に配置された複数の開口部（空気室）とを備えた圧電体に対して、圧力室の側壁に隣接する開口部内に支持部材を設けることで、電圧印加時に圧力室の外周の膨らみを抑えることができ、圧力室の収縮量を大きくできるという効果がある。結果的に、吐出性能が良好な液体吐出ヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態の液体吐出ヘッドの全体構成図である。
【図２】インクジェットヘッドの製造工程を示すフローチャートである。
【図３】圧電基板の構造を示す図である。
【図４】圧電基板の加工手順を説明する図である。
【図５】リフトオフによる電極形成を説明する図である。
【図６】圧電基板の分極処理を説明する図である。
【図７】空気室内への支持部材形成を説明する図である。
【図８】圧電基板が積層された圧電ブロック体の構成図である。
【図９】圧電ブロック体の側面を切断しチップに分離する方法を説明する図である。
【図１０】圧力室の収縮を説明する図である。
【図１１】第二の実施形態の空気室内への支持部材形成を説明する図である。
【図１２】第三の実施形態の空気室内への支持部材形成を説明する図である。
【図１３】第四の実施形態の空気室内への支持部材形成を説明する図である。
【図１４】第五の実施形態の空気室内への支持部材形成を説明する図である。
【図１５】第五の実施形態の圧電基板が積層された圧電ブロック体の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に図面を参照して、本発明を適用できる液体吐出ヘッドの実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態によって本発明は限定されるものではない。
［第一の実施形態］
（液体吐出ヘッドの構成）
図１は、本発明の第一の実施形態に係る液体吐出ヘッドの全体構成を示す斜視図と側面図であり、構成をわかりやすくするため、分解した状態を図示している。液体吐出ヘッドは、オリフィスプレート（吐出口プレートとも呼ばれる。）１０１、圧電ブロック体１０３、後方絞り板１０４、及び共通液室１０６を備える。
【００１５】
ノズルプレート１０１はシリコンやポリイミドなどで作られており、ノズルプレート１０１には、液体が吐出される吐出口１０２が開口している。圧電ブロック体１０３は、溝が加工された圧電基板を複数枚積層して形成され、内部に電極が形成され液体が充填される圧力室と、内部に電極が形成された開口部（空気室とも呼ばれる。）と、が設けられている。圧電ブロック体１０３には、圧電ブロック体１０３の共通電極を引き出すため、ＦＰＣなどの共通電極配線ケーブル１０９が設けられている。後方絞り板１０４はシリコン基板などで作られており、圧力室で発生した圧力を共通液室１０６側に逃がさないための絞り孔１０５と、圧力室１０６の内壁にある個別電極を引き出す配線と、が形成されている。後方絞り板１０４上に形成されている個別電極を引き出す配線には、ＦＰＣなどの個別電極配線ケーブル１１０が接続されている。インク等の液体１０７は、液体供給口１０８から共通液室１０６内に供給される。
【００１６】
以下に、本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法を説明する。製造方法の概要を図２のフローチャートに示す。本実施形態では１２００ｄｐｉ（dot per inch）相当の解像度の画像を記録可能な液体吐出ヘッドを例に説明するが、記録の解像度が異なる場合でも、溝の寸法や圧電基板の積層数を変更することで、同様の工程で作製が可能である。
「圧電ブロック体１０３の構成」
本実施形態の液体吐出ヘッドは、ノズルプレート１０１の長手方向に対して吐出口１０２が斜めに並んで二次元に配列されている（図１）。液体吐出ヘッドは、圧電ブロック体１０３の圧電基板が積層された方向に搬送される記録媒体（例えば紙、樹脂シート）に画像を形成する。
【００１７】
図３は、圧電ブロック体１０３を構成する圧電基板３０１を説明する図である。圧電基板３０１は図３（ａ）に示すように、第１の主面Ｓ１と第２の主面Ｓ２を有する圧電体の板であり、第１の主面Ｓ１に多数の第１の溝３０２と第２の溝３０３が交互に形成されている。第１の溝３０２は圧力室を構成し、第２の溝３０３は空気室を構成する。なお、図面において圧力室の部分を「Ｐ」で示し、空気室の部分を「Ａ」で示している。
図３（ｂ）は、圧電基板３０１の溝と電極の形状を示す断面図であり、溝の内側面と、溝が加工されている面の裏側に、溝と平行に帯状の電極が形成されている。具体的には、圧力室を構成する第１の溝３０２の内側面に個別電極３０４（第１の溝内電極）が形成され、第２の主面Ｓ２の、第２の溝３０３と対向する位置に個別電極３０７（第１の裏面電極）が形成されている。個別電極３０７は個別電極３０４と同一の電位に規定される。第２の溝３０３の内側面には共通電極３０５（第２の溝内電極）が形成され、第２の主面Ｓ２の第１の溝３０２と対向する位置に個別電極３０６（第２の裏面電極）が形成されている。共通電極３０５は共通電極３０６と同一の電位に規定される。
最適な圧力室の断面形状や、圧力室の周囲の圧電体の側壁の厚さは、吐出する液体の特性に合わせ、シミュレーションによって求められ、それを実現するように圧電基板３０１の各部の寸法が決められる。圧電基板３０１の厚さは約０．３０５ｍｍである。溝の深さＬ１は０．１２ｍｍ、圧力室を構成する第１の溝３０２と空気室を構成する第２の溝３０３の幅Ｗ１、Ｗ３はいずれも０．０６ｍｍ、圧力室の周囲の側壁の厚さＷ２，Ｗ４はいずれも０．０６６９ｍｍである。
圧力室を構成する第１の溝３０２の間隔は、解像度１２００ｄｐｉに対応する記録ドット格子寸法＝２１．１５μｍのｎ倍（ｎは整数）にされている。ｎ層（ｎは自然数）の圧電基板３０１を、格子寸法ずつ順次ずらしながら積層することで、必要な解像度を実現することができる。  実施形態では、ｎ＝１２としている。
【００１８】
「圧電基板３０１の加工（図２参照）」
図４に、圧電基板３０１に溝加工と電極の形成を行う工程を説明する斜視図を示す。見やすいように、溝の幅と間隔、及び電極の幅と間隔を実際の数倍に拡大して図示している。圧電基板３０１としては、例えば、５７ｍｍ×７４ｍｍ×約０．３０５ｍｍのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）基板が挙げられる。
【００１９】
（裏面電極形成：図２）
まず、図４（ａ）の工程で、所望の厚さと形状を有する平板状の圧電基板３０１を準備する。
図４（ｂ）の工程で、圧電基板３０１の第２の主面Ｓ２（裏面）に、金属膜で構成される裏面アライメントマーク４０１と、個別電極３０７と、共通電極３０６を同時に形成する。個別電極３０７と共通電極３０６のパターンは、第１の主面Ｓ１（表面）に形成する溝の長手方向に平行に形成されている。また、分極処理時にすべての電極に電圧を印加するため、端部の電極４０２ですべての共通電極３０６が接続され、反対側の端部の電極４０３ですべての個別電極３０７が接続されている。
裏面アライメントマーク４０１と両電極のパターニングは、フォトレジストのフォトリソグラフィを利用したリフトオフやエッチングといった方法や、レーザー、ダイシング、フライス加工などで不要部分を除去する方法によって実現することができる。この工程では基板表面に凹凸がないため、通常のスピンコートによるレジスト塗布でも、均一なレジスト膜を形成することができる。
次に、露光と現像によりレジストのパターニングを行う。リフトオフで電極パターンを残さない部分にレジストが残るように、フォトリソグラフィでレジストをパターニングする。次に、蒸着によって、電極となる金属層を、レジストのパターン上を含めた全面に形成する。蒸着はリフトオフでのパターニングのしやすさに優れている。次にレジストを除去することで、レジスト上部に成膜されていた金属膜がレジストと共に剥離して、最終的に所望の金属膜のパターンが得られる。
電極を形成するには、下地層としてＣｒを２０ｎｍ程度、さらにＰｄを５０ｎｍ程度成膜しておき、パターニングする。さらにＰｄをシード層としてＮｉめっきを１０００ｎｍ程度成膜し、表面のＮｉをＡｕに置換めっきする。めっきによる方法はリフトオフ時の膜厚が薄いので、バリが残りにくくパターニング性が向上するうえ、表面のみにＡｕを使用するため低コストである。
【００２０】
（表面アライメントマーク形成：図２）
図４（ｃ）の工程で、圧電基板３０１の溝形成面（第１の主面Ｓ１）に溝を加工するとともに、表面アライメントマーク４０４を形成する。表面アライメントマーク４０４は金属膜で構成され、溝加工時と積層時の位置合わせに使用される。パターニング方法や金属膜の形成方法は、個別電極３０７及び共通電極３０６の場合と同じである。
【００２１】
（圧力室溝加工：図２）
溝加工は、先の工程で形成した表面のアライメントマーク４０４を基準に、溝の位置決めをして行う。具体的には、図４（ｄ）の工程で、平板状の圧電基板３０１に、複数の第１の溝３０２を並列して形成する。圧電基板３０１に形成された第１の溝３０２が、上述した液体吐出ヘッドの圧力室の一部を構成する。本実施形態では、切削加工の際、超砥粒ホイールを圧電基板３０１上の途中で引き上げることによって、溝形成方向に対向する２側面のうちの片方の側面が開口しない溝を形成する。具体的には、図４（ｄ）で示すように、第１の溝３０２は第１の端面４０５を貫通し、第２の端面４０６を貫通しない。圧力室となる溝に加え、その両外側に溝を形成することで、後の圧電基板接合工程における接着剤の逃げ溝として機能させることができる（図４には不図示）。
【００２２】
（開口部（空気室）溝加工：図２）
図４（ｅ）の工程では、第１の溝３０２を形成した圧電基板３０１に、複数の第２の溝３０３を並列して形成する。圧電基板３０１に形成された第２の溝３０３が、上述した液体吐出ヘッドの空気室の一部を構成する。第２の溝３０３は隣り合う第１の溝３０２の間に形成される。第２の溝３０３も、切削加工の際に超砥粒ホイールを圧電基板上の途中で引き上げることによって、溝形成方向に対向する２側面のうちの片方の側面が開口しない溝となる。但し、第２の溝３０３の長手方向一端の開口は、第１の溝３０２の開口している端部の方向とは逆になっている。具体的には、図４（ｅ）で示すように、第２の溝３０３は第２の端面４０６と貫通し、第１の端面４０５を貫通しない。
【００２３】
（表面電極形成：図２）
図４（ｆ）の工程で、形成された第１の溝３０２の内側面に個別電極３０４を、第２の溝３０３の内側面に共通電極３０５を形成する。電極のパターニングは、リフトオフ、レーザーや研磨でのパターニングなどで形成することができる。一例として、リフトオフによる電極パターニング方法を図５に示す。図５（ａ）〜（ｄ）は図４（ｅ）のＡ−Ａ’断面である。これらの断面図は液体吐出ヘッドにおいて液体の供給方向と交差する断面を示している。図５（ｅ）は図４（ｅ）のＢ−Ｂ’断面である。溝加工により基板表面に凹凸が生じているため、通常のスピンコーターによる塗布方法では、均一なレジスト膜を形成することが難しい。そこで、フィルムレジストのラミネートやスプレーコータによる塗布が好適に利用される。溝の内部を均一に露光することは困難であるため、溝の外部だけを露光すればよいネガタイプのレジストを用いるのが好ましい。
【００２４】
まず、図５（ａ）の工程で、フィルムレジスト５０１を圧電基板３０１上にラミネートする。圧電基板３０１は焼結体であるため、１０μｍ程度のボイドが点在する。そのため、フィルムレジスト５０１が薄すぎると、ボイド上部のフィルム部分にパターン欠損が生じてしまう。そこで、フィルムレジスト５０１には、十分な厚さ、例えば４０μｍ以上のものを用いることが好ましい。
次に、図５（ｂ）の工程で、露光と現像によりフィルムレジスト５０１のパターニングを行う。リフトオフで電極パターンを残さない部分にレジストが残るように、フォトリソグラフィでレジストパターンを形成する。この際、後の工程で溝側壁に金属層が全域にわたって成膜されるように、レジストのパターン幅を壁幅よりも若干小さくしておくことが好ましい。図５（ｃ）の工程で、スパッタリングや蒸着によって、電極となる金属層をレジストのパターンを含めて全面に形成する。スパッタは溝側壁への成膜性が優れており、蒸着はリフトオフでのパターニングのしやすさに優れている。
そして、図５（ｄ）の工程で、レジストを除去することで、レジスト上部に成膜されていた金属膜がレジストと共に剥離し、最終的に所望の金属膜のパターンが得られる。電極の下地層として、例えばＣｒを２０ｎｍ程度成膜し、さらに電極層としてＡｕを１０００ｎｍ程度成膜することができる。あるいは、下地層としてＣｒを２０ｎｍ程度、さらにＰｄを５０ｎｍ程度成膜し、パターニングし、さらにＰｄをシード層としてＮｉめっきを１０００ｎｍ程度成膜し、表面のＮｉをＡｕに置換めっきすることもできる。特に、後者のめっきによる方法は、リフトオフ時の膜厚が薄いので、バリが残りにくくパターニング性が向上するうえ、表面のみにＡｕを使用するため低コストである。
レーザーや研磨を用いる場合は、まず全面にスパッタリング、蒸着、無電解めっきなどで金属膜を成膜する。そして、成膜された金属膜の不要な部分、つまり溝形成面の上面部分の金属膜をレーザーや研磨によって除去することで、所望の電極パターンが得られる。
すべての個別電極３０４と個別電極３０７は、第１の端面４０５に成膜された金属膜を介して導通した状態である。また、すべての共通電極３０５と共通電極３０６は、第２の端面４０６に成膜された金属膜を介して導通した状態である。
【００２５】
（分極：図２）
図６（ａ）に示すように、共通電極３０５，３０６を接地電位とし、個別電極３０４，３０７にプラス電圧をかけることにより、圧電基板３０１の分極処理を行う。図６（ｂ）に圧電基板３０１に加えられる電界を示している。分極は、１００〜１５０℃程度に加熱した状態で、圧電体に１〜２ｋＶ/ｍｍ程度の高電界を所定の時間印加することによって行われる。
側壁上での電極の間隔は０．０６６９ｍｍ以下と狭く、空気中で１〜２ｋＶ/ｍｍの高電界を印加すると空中放電や沿面放電を生じる可能性が高い。そのため、例えばシリコーンオイル（絶縁破壊電圧：１０ｋＶ／ｍｍ以上）のような絶縁性の高いオイルなどの中で分極処理を行うことが望ましい。シリコーンオイルは分極後にキシレン、ベンゼン、トルエンといった炭化水素系溶剤や塩化メチレン、１.１.１−トリクロロエタン、クロロベンゼンといった塩素化炭化水素系溶剤によって除去可能である。
分極後、必要に応じてエージング処理を行う。具体的には、分極処理が施された圧電基板３０１を昇温した状態で一定の時間に保持することによって、その圧電特性を安定化させる。エージングは、例えば、１００℃のオーブンに、分極処理が施された圧電基板３０１を１０時間放置することによって行われる。
【００２６】
（空気室溝内支持部材形成）
図７に、空気室となる溝３０３へ支持部材を充填する工程を説明する図を示す。図７（ａ）〜（ｄ）は図４（ｅ）のＡ−Ａ’断面である。
まず、図５（ａ）と同様に、図７（ａ）の工程で、フィルムレジスト５０１を圧電基板３０１上にラミネートする。次に、図７（ｂ）の工程で、露光と現像によりフィルムレジスト５０１のパターニングを行う。圧力室を形成する溝３０２を覆うフィルムレジスト５０１が残るように、フォトリソグラフィでレジストパターンを形成する。図７（ｃ）の工程で、圧電基板全面にスパッタリング、蒸着、無電解めっきなどを実施して、溝３０３を金属材料で埋め込むと同時に、金属膜５０２を成膜する。ここで、溝３０３の内側への金属の埋め込み量は完全でなくてもよい。そして、図７（ｄ）の工程で、研磨またはレーザー照射により、圧電基板３０１の表面の余分な金属を除去する。
【００２７】
「圧電体ブロック体１０３の組立（図２参照）」
以上の様に加工した圧電基板３０１を複数枚用意して積層し、圧電ブロック体１０３を形成する。
図８（ａ）を用いて、圧電基板３０１同士を接合する際の位置関係、及び接合により形成される圧力室７０１と空気室７０２の位置関係を説明する。空気室７０２は金属が埋め込められている。
本実施形態では第１の溝３０２のｘ方向のピッチを記録ドット格子寸法の１２倍として、圧電基板３０１を１２層積層して液体吐出ヘッドを構成するので、ｙ方向に隣接する圧電基板３０１の第１の溝３０２を、ｘ方向にＬ２＝０．１２６９ｍｍずらして積層する。このように積層することで、第１の溝３０２で形成される圧力室７０１が、ｙ方向に隣接する圧電基板３０１の第２の溝３０３で形成される空気室７０２の中央付近になる。
圧電ブロック体１０３を形成する際、図８（ｂ）に示すように圧電基板３０１をｎ＋１＝１３枚を積層し、この積層体の１層目の圧電基板３０１−１の下に空気室７０２となる溝を形成した下補強板７０３を接合し、１３層目の圧電基板３０１−１３の上に溝の無い上補強板７０４を接合する方法がある。この場合１３層目の圧電基板３０１−１３は空気室７０２だけが利用され圧力室７０１は駆動されない。
その他、図８（ｃ）に示すように圧電基板３０１をｎ＝１２枚を積層し、この積層体の１層目の圧電基板３０１−１の下に空気室７０２となる溝を形成した下補強板７０３を接合し、１２層目の圧電基板３０１の上に０．１８５ｍｍの電極を形成し分極した溝加工の無い圧電素子７０５を積層する。さらに、圧電素子７０５の上に空気室７０２となる溝を形成した上補強板７０６を接合する方法がある。この場合は圧電ブロック体１０３の最上部と最下部には溝を形成した同じ形状の補強板７０１、７０６を上下逆にして使用することができる。圧電ブロック体１０３の上下に形成される、駆動されない圧力室は、液体を循環させる回収流路７０７として使用することも可能である。
なお、図中の符号３０１にハイフンを介して続く数字は、複数層の圧電基板３０１のうちの何番目の層であるかを示している。
【００２８】
（圧電基板の積層：図２）
圧電基板３０１の接合には、例えばエポキシ系の接着剤を用いることができる。この際、溝内が接着剤で埋まってしまうのを防ぐために接着剤量を適切にコントロールする必要がある。接着剤の塗布方法としては、別の平坦な基板上にスピンコートやスクリーン印刷などで薄い均一な接着剤層を形成しておき、当該平坦な基板に、圧電基板３０１の接着する面を押し付けた後、その平坦な基板から離すことで、圧電基板３０１上に薄く均一な接着剤層を形成することができる。接着剤塗布後、微小な間隔がある状態で、圧電基板３０１の位置決めを行い、加圧接着する。接着剤の厚さの目安としては、接着前の接着層の厚さが４μｍ程度、接着後の厚さが２μｍ程度となることが適切である。
圧力室７０１や空気室７０２への接着剤の侵入を抑制するために、第１の溝３０２の複数列と第２の溝３０３の複数列の外側に溝を形成し、接着剤の逃がし溝として使用することも有効である。
積層時には、カメラによるアライメントを行う。アライメントに用いる目印としては、チップのエッジ、溝、電極形成時にパターニングした裏と表のアライメントマークなどを使用することができる。以上の様に複数の圧電基板３０１を積層及び接合して積層体を形成した後、この積層体を上下から挟むように補強板を接合することで、圧電ブロック体１０３が作製される。補強板は圧電体である必要はないが、接合時に加熱を要する場合には、熱膨張率が圧電基板３０１と近い材料によって形成されることが望ましい。
【００２９】
圧電基板３０１を積層することで、第１の溝３０２の上に、空気室を構成する第２の溝３０３の底部の裏面が接合され、閉じた圧力室７０１が形成され、その内側面には個別電極３０４，３０７が形成される。第２の溝３０３の上に、圧力室を構成する第１の溝３０２の底部の裏面が接合され、閉じた空気室７０２が形成され、その内側面には共通電極３０５，３０６が形成される。個別電極３０４，３０７は圧電ブロック体１０３の端部の配線部分で導通され、必ずしもこの接合によって導通するわけではない。このため、個別電極３０７の幅と第１の溝３０２の幅が同じである必要はない。個別電極３０７の幅は第１の溝３０２の幅より多少狭くてもよいが、接着時の位置ずれなどを考慮すると、個別電極３０７の幅の方が広い方が好ましい。同様に、共通電極３０６の幅は第２の溝３０３の幅よりも多少狭くてもよいが、接着時の位置ずれなどを考慮すると、共通電極３０６の幅の方が広い方が好ましい。
【００３０】
（側面切断：図２）
上記のように、圧電ブロック体１０３は圧電基板３０１をずらしながら積層して形成されているため、側面が平坦でない。そこで側面を平坦にするため、図９（ａ）に示すように両側面を切り取る。切り取る方法としては切削加工が一般的である。
【００３１】
（チップ分離：図２）
圧電ブロック体１０３の両側面を切り取った後、図９（ｂ）に示すように、必要な圧力室の長さを持つ複数個の圧電ブロック体１０３のチップに切り分ける。切り分ける方法としては切削加工が一般的である。圧力室の長さは、長いほど駆動電圧を加えた時の圧力室の体積変化が増え吐出力が増すが、駆動電圧波形に対する圧力の応答性は低下するので、吐出する液体の粘度や吐出液滴量によって最適値を決める。本実施形態では小液滴を吐出するため応答性を優先し、圧力室の長さが３ｍｍになるように圧電ブロック体１０３を切り分けた。液体の粘度が高く吐出力を優先する場合には、圧力室の長さを４〜１０ｍｍと長くする方が好ましい。
圧力室の長さ方向における圧電ブロック体１０３の両端を切り離したことで、分極のために裏面の個別電極間をつないでいた端部電極４０３（図４）と、第１の端面４０５（図４）に成膜された金属膜と、第１の溝３０２の形成時に超砥粒ホイールを引き上げたことにより生じた溝未形成部分と、が切り離される。同様に、裏面の共通電極間をつないでいた端部電極４０２と、第２の端面４０６に成膜された金属膜と、第２の溝の３０４を形成時に超砥粒ホイールを引き上げたことにより生じた溝未形成部分と、が切り離される。これにより、圧力室７０１と空気室７０２は、上記した圧電ブロック体１０３の両端で開口する貫通孔になる。この段階で、第１の溝内電極と第１の裏面電極とが内側面に形成された圧力室であって、液体の入口開口と出口開口とを備えた圧力室が形成される。同様に、第２の溝内電極と第２の裏面電極とが内側面に形成された空気室が形成される。
【００３２】
（端面研磨：図２）
圧電ブロック体１０３の圧力室７０１と空気室７０２が露出している両側端面を研磨により平坦にする。研磨には砥石を用いることができる。後の電極形成工程のために、表面粗さは算術平均粗さＲａを０．４μｍ程度とするのが好ましい。また、ノズルプレート１０１と後方絞り板１０６を圧電ブロック体１０３の両側端面に精度よく貼りつけるために、各端面の平面度は１０μｍ以内、端面間の平行度は３０μｍ以内とすることが好ましい。
【００３３】
（電極形成・接着：図２）
次に、圧電ブロック体１０３の前端面に、空気室７０２に設けられた共通電極３０５，３０６の配線を引き出す電極を形成する。
次に、圧電ブロック体１０３の後端面に、各圧力室７０１に設けられた個別電極３０４，３０７の配線を引き出す後端面電極を形成する。圧力室７０１や空気室７０２などの凹凸があるため、後端面の電極パターニングは、前端面と同様に、フィルムレジストのラミネートを用いたリフトオフで形成する。電極パターニングでは、フィルムレジスト５０１をラミネートし、次に露光と現像により圧力室７０１周辺を露出させる。その後の電極生成は、圧電基板３０１の表面の電極形成や前端面電極７１２の形成と同様である。
完成した圧電ブロック体１０３の前端面にはノズルプレート１０１が接着され、後端面には後方絞り板１０６が接着され、液体吐出ヘッドが完成する。
【００３４】
（液体吐出駆動）
圧電ブロック体１０３が圧電効果により変形することで、圧力室７０１が収縮し、圧力室７０１に貯留されている液体は吐出口１０２から吐出される。図１０（ａ）に駆動電圧が印加された状態を示す。圧力室７０１内の「＋」の表示は圧力室７０１内の個別電極３０４，３０７にプラスの駆動電圧が印加されていることを示す。同様に空気室７０２内の「ＧＮＤ」の表示は、空気室７０１内の共通電極３０５，３０６に接地電位の０Ｖが印加されていることを示す。
図１０（ｂ）は図１０（ａ）の破線枠の拡大図で、駆動電圧の印加により圧力室７０１が変形した状態を示している。上記のようにして作製された液体吐出ヘッドでは、空気室７０２内に金属を充填することにより、金属が圧力室７０１の側壁部を外側から支持する支持部材として働く。これにより、個別電極と共通電極間への駆動電圧の印加によって圧力室７０１の側壁を伸長及び収縮させたとき、図１０（ｂ）中の破線で示すように、圧力室７０１の外周の膨らみが抑えられ、圧電基板からなる側壁が圧力室７０１を収縮する方向へ偏るように変形する。結果的に圧力室７０１を収縮させる変位量を大きくすることができる。なお、理解を容易にするため、変位量の倍率を高くしてある。
【００３５】
【表１】
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表１に、空気室７０２内に充填された部材の充填量の違いによる、圧力室の収縮のシミュレーション結果の比較表を示す。この比較表は、空気室７０２内に充填部材を１００％充填したとき（図１０（ｂ））と、９２％充填したとき（図１０（ｃ））と、５０％充填したとき（図１０（ｄ））の、圧力室７０１の収縮量を比較した結果である。空気室７０２内に充填しない場合と比べたときの圧力室の収縮増大率は、それぞれ、０．４％、３．０％、６．２％であった。充填率が低い方、即ち、隙間がある方が、圧力室の収縮量が大きいことが分かる。したがって、充填率が低い方が、圧力室７０１の外周の膨らみを抑えるとともに、圧力室７０１の周方向の縮みを妨げない効果が高い。このため、空気室７０２内の充填率は１００％でない方が望ましいと言える。
以上説明したように、空気室７０２内に支持部材を充填しておくことで、個別電極と共通電極間の電圧印加時において圧力室７０１の外周の膨らみを抑えることができ、その結果として、圧力室７０１の大きな収縮量を発現でき、大きな吐出力を実現できる。
なお、圧力室７０１に設けられる支持部材のヤング率は１０ＧＰａ以上であることが望ましい。
【００３６】
［第二の実施形態］
本発明の第二の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構成について説明する。
第一の実施形態との相違点は、空気室７０２となる溝３０３に支持部材を充填する工程であり、その工程について説明する。その他のところは第一の実施形態と同じであるため、省略する。
（空気室溝内支持部材形成）
図１１に、第二の実施形態における、空気室となる溝に支持部材を充填する工程を説明する図を示す。図１１（ａ）〜（ｃ）は図４（ｅ）のＡ−Ａ’断面である。
図１１（ａ）の工程で、レジストインク５０３を分注する。そこで、空気室７０２を形成する溝３０３にレジストインク５０３が半分になるように、圧力室７０１を形成する溝３０２にレジストインク５０３がいっぱいになるようにする。次に、図１１（ｂ）の工程で、圧電基板全面にスパッタリング、蒸着、無電解めっきなどで金属膜５０２を成膜すると同時に、金属膜５０２を溝３０３に埋め込む。そして、図１１（ｃ）の工程で、研磨またはレーザー照射により、圧電基板の表面の余分な金属を除去し、圧力室となる溝３０２内のレジスト５０３を除去する。
以上説明したように、空気室を形成する溝３０３に金属を充填しておく。第一の実施形態と同様、このように充填処理を施した圧電基板を積層してなる液体吐出ヘッドでは、圧力室を収縮させる変位量を大きくすることができ、その結果として大きな吐出力を出力できる。
【００３７】
［第三の実施形態］
本発明の第三の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構成について説明する。
第一の実施形態との相違点は、空気室７０２となる溝３０３に支持部材を充填する工程であり、その工程について説明する。その他のところは第一の実施形態と同じであるため、省略する。
（空気室溝内支持部材形成）
図１２に、第三の実施形態における、空気室となる溝３０３に支持部材を充填する工程を説明する図を示す。図１２（ａ）〜（ｃ）は図４（ｅ）のＡ−Ａ’断面である。
図１２（ａ）の工程で、レジストインク５０３を分注する。そこで、空気室を形成する溝３０３にレジストインク５０３が３分の１程度になるように、圧力室を形成する溝３０２にレジストインク５０３がいっぱいになるようにする。次に、図１２（ｂ）の工程で、圧電基板全面にスパッタリング、蒸着、無電解めっきなどで金属膜５０２を成膜すると同時に、金属膜５０２を溝３０３に埋め込む。そして、図１２（ｃ）の工程で、研磨またはレーザー照射により、圧電基板の表面の余分な金属を除去し、圧力室となる溝３０２内のレジスト５０３を除去する。
以上説明したように、空気室を形成する溝３０３に金属を充填しておく。第一の実施形態と同様、このように充填処理を施した圧電基板を積層してなる液体吐出ヘッドでは、圧力室を収縮させる変位量を大きくすることができ、その結果として大きな吐出力を出力できる。
【００３８】
［第四の実施形態］
本発明の第四の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構成について説明する。
第一の実施形態との相違点は、空気室７０２となる溝３０３に支持部材を充填する工程であり、その工程について説明する。その他のところは第一の実施形態と同じであるため、省略する。
（空気室溝内支持部材形成）
図１３に、第四の実施形態における、空気室となる溝３０３に支持部材を充填する工程を説明する図を示す。図１３（ａ），（ｂ）は図４（ｅ）のＡ−Ａ’断面である。
図１３（ａ）の工程で、空気室を形成する溝３０３に水ガラス５０４が半分程度になるように、水ガラス５０４を分注する。次に、図１３（ｂ）の工程で、水ガラス５０４が注入された溝３０３に塩酸など強酸を注入して、水ガラス５０４をゲル化させる。そして、加熱により、ゲル化された水ガラス５０５を硬化させる。なお、加熱工程は、充填処理された圧電基板を積層した後に施されてもよい。
以上説明したように、空気室を形成する溝３０３にガラスを充填しておく。第一の実施形態と同様、このように充填処理を施した圧電基板を積層してなる液体吐出ヘッドでは、圧力室を収縮させる変位量を大きくすることができ、その結果として大きな吐出力を出力できる。
【００３９】
［第五の実施形態］
本発明の第五の実施形態を示す液体吐出ヘッドの構成について説明する。
第一の実施形態との違いは空気室を形成する溝内に支持部材を形成する工程であり、その工程について説明する。その他のところは第一の実施形態と同じであるため、省略する。
（空気室溝内支持部材形成）
図１４に、第五の実施形態における、空気室となる溝３０３に支持部材を充填する工程を説明する図を示す。当該工程の一部を図１４（ａ）〜（ｃ）に斜視図で示し、当該工程の残りを図１４（ｄ）〜（ｆ）に、図４（ｅ）のＡ−Ａ’断面で示す。
図１４（ａ）の工程で、２枚の第一の圧電基板６０１、及び、エッチング液に溶ける１枚の金属基板６０３（例えば、Ｃｕ）の各々の両面に、スパッタリング、蒸着、無電解めっきなどで、エッチング液に溶けない金属膜６０４（例えば、Ａｕ）を成膜する。
次に、図１４（ｂ）の工程で、金属膜６０４が成膜された１枚の金属基板６０３を、金属膜６０４が成膜された２枚の圧電基板６０１で挟み込むように、１枚の金属基板６０３と２枚の圧電基板６０１を積層し接着する。このように積層された積層基板６０５を、図１４（ｃ）に示した工程のように短冊状に切断加工する。
さらに、図１４（ｄ）の工程では、積層基板６０５が短冊状にされてなる積層体６０６の２つの切断面にエッチング液を少しだけ浸けて、切断面の金属基板６０３を少しだけ溶かす。次いで、図１４（ｅ）の工程で、図４（ｂ）の工程と同様に、第二の圧電基板６０２の両面に電極のパターニングを実施する。そして、図１４（ｆ）の工程で、例えば、組立治具（不図示）に複数の短冊状積層体６０６を嵌め込んで位置決めし、接着剤が塗布された第二の圧電基板６０２に接着する。
以上のようにして作製された複数枚の圧電基板３０１（第二の圧電基板６０２上に複数の短冊状積層体６０６を並列して配置したもの）を積層し、図１５（ａ）に示すような圧電ブロック体１０３を形成する。構成に関して、空気室内に充填された充填物の形状以外は、図８（ｃ）と同様である。
このような製法では、圧力室７０１内の上側及び下側の電極、ならびに空気室７０２内の上側及び下側の電極を長くできるため、圧力室７０１の上壁と下壁の駆動力を大きくすることができる。つまり、別個に作製された短冊状積層体６０６と第二の圧電基板６０２を接着させる方法であるため、第二の圧電基板６０２の両面の電極６０７の幅を変更して各室７０１，７０２内の上側及び下側の電極を長くすることができる。
また、図１５（ｂ）に示すように、圧力室７０１及び空気室７０２内の上側及び下側の電極を形成せず、圧力室７０１内の電極を共通電極にし、空気室７０２内の電極を個別電極にする構成にして、圧力室７０１の左右の側壁のみ駆動することも可能である。結果、圧力室７０１内の共通電極とインクの電位差がないので、インクによる電極の腐食を少なくできる。
以上説明したように、空気室を形成する溝３０３に支持部材を形成する。第一の実施形態と同様、このように充填処理を施した圧電基板を積層してなる液体吐出ヘッドでは、圧力室を収縮させる変位量を大きくすることができ、その結果として大きな吐出力を出力できる。
「産業上の利用可能性」
本発明は、液滴を吐出する印刷装置や塗布装置あるいは造形装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１０２  吐出口
３０１  圧電基板
３０２  第１の溝
３０３  第２の溝
５０２  金属膜（支持部材）
５０５  ゲル化された水ガラス（支持部材）
６０３  金属基板（支持部材）
７０１  圧力室
７０２  空気室
【図１】
2016093978.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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