(57)【要約】【課題】  電気伝導性のインクを用いても高い印字品質と耐久性を両立するインクジェットヘッドを提供すること。【解決手段】  インクを吐出させる複数のノズルが形成されたノズルプレートと、ノズルに各々連通する複数の圧力室と、インクを吐出させる圧力発生手段に駆動パルスを供給する電極と、電極の圧力室側の面に成膜され、無機絶縁材料からなる第１の保護膜と、第１の保護膜の圧力室側の面に成膜され、有機絶縁材料からなる第２の保護膜とを有するインクジェットヘッドの製造方法において、第１の保護膜を成膜した後に、ノズル形成前のノズルプレートを圧力室の一面に接着し、第２の保護膜を成膜した後に、レーザー加工によりノズルプレートにノズルを形成するレーザー加工工程を含み、レーザー加工工程においてノズルが開口した後にレーザー光が照射される部位における第１の保護膜の膜厚が１μｍ以上とした。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを吐出させる複数のノズルが形成されたノズルプレートと、前記ノズルに各々連通する複数の圧力室と、前記圧力室内のインクを前記ノズルから吐出させる圧力発生手段と、前記圧力室にインクを供給するインク供給手段と、前記圧力発生手段の圧力室側の面に形成され、前記圧力発生手段に駆動パルスを供給する電極と、前記電極の圧力室側の面に成膜され、無機絶縁材料からなる第１の保護膜と、前記第１の保護膜の圧力室側の面に成膜され、有機絶縁材料からなる第２の保護膜とを有するインクジェットヘッドの製造方法において、
前記第１の保護膜を成膜した後に、ノズル形成前のノズルプレートを前記圧力室の一面に接着し、前記第２の保護膜を成膜した後に、レーザー加工により前記ノズル形成前のノズルプレートに前記ノズルを形成するレーザー加工工程を含み、前記レーザー加工工程において前記ノズルが開口した後にレーザー光が照射される部位における前記第１の保護膜の膜厚が１μｍ以上であることを特徴としたインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項２】
インクを吐出させる複数のノズルが形成されたノズルプレートと、前記ノズルに各々連通する複数の圧力室と、前記圧力室内のインクを前記ノズルから吐出させる圧力発生手段と、前記圧力室にインクを供給するインク供給手段と、前記圧力発生手段の圧力室側の面に形成され、前記圧力発生手段に駆動パルスを供給する電極と、前記電極の圧力室側の面に成膜され、無機絶縁材料からなる第１の保護膜と、前記第１の保護膜の圧力室側の面に成膜され、有機絶縁材料からなる第２の保護膜とを有するインクジェットヘッドの製造方法において、
前記第１および第２の保護膜を成膜した後に、ノズル形成前のノズルプレートを前記圧力室の一面に接着し、レーザー加工により前記ノズル形成前のノズルプレートに前記ノズルを形成するレーザー加工工程を含み、前記レーザー加工工程において前記ノズルが開口した後にレーザー光が照射される部位における前記第１の保護膜の膜厚が１μｍ以上であることを特徴としたインクジェットヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極に保護膜を有するとともにノズルがレーザー加工で形成されたインクジェットヘッドの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、圧電部材のせん断モード変形を利用しノズルからインク滴を吐出させる、所謂せん断モード型インクジェットヘッドが記載されている。図７は、この従来技術のインクジェットヘッドの分解斜視図である。図８は、この従来技術のインクジェットヘッドの要部断面図である。
【０００３】
このインクジェットヘッド１１１は、圧電部材に切削加工により形成した複数の溝１１７を有する圧電セラミックプレート１１６と、インク供給口１２５を備えたインク室プレート１２３と、複数のノズル１２７が形成されたノズルプレート１２６とで構成されている。ポリイミド製のノズルプレート１２６にエキシマレーザによるレーザー加工を施すことによりノズル１２７を形成することが例示されている。溝１１７と、インク室プレート１２３とノズルプレート１２６とで囲まれる空間は、インク吐出圧力を発生する圧力室を形成している。隣接する圧力室間で共有される圧電部材の側壁１１８には、電極１１９が備えられている。電極１１９に駆動パルスを印加すると、その側壁１１８はインク吐出圧力を発生する圧力発生手段として動作する。ノズルプレート１２６は圧電セラミックプレート１１６とインク室プレート１２３との接合体１５０に保護層１２０が成膜された後にこの接合体１５０の端面に接合されている。
【０００４】
電極１１９上には、無機材料からなる無機絶縁膜１２１と有機材料からなる有機絶縁膜１２２とが順次具備された保護層１２０が形成されている。無機絶縁膜１２１の材料として、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）を用い、膜厚は０．５μｍ以上である。有機絶縁膜１２２の材料としてモノクロロパラキシレンを用い、膜厚は５μｍ以上である。
【０００５】
このインクジェットヘッドは、無機絶縁膜１２１が有機溶媒に対して耐性を有し、有機絶縁膜１２２が無機薬品に対して耐性を有することから、電気伝導性を有する多種多様の液体をインクとして用いてもインクと電極１１９との間の絶縁性が維持でき、電極１１９の溶解等を防止できることが記載されている。
【特許文献１】特開２００２−１６０３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１には、インクジェットヘッドを製造する工程において、ノズル１２７が形成されたノズルプレート１２６を接合体１５０に接合したのか、あるいはノズル１２７が形成されていないノズルプレート１２６を接合体１５０に接合した後にノズル１２７を形成したのかについては開示されていない。この異なるノズル形成方法によるインクジェットヘッドは、下記の課題を有する。以下、図９及び図１０を用いて説明する。
【０００７】
図９は、既にノズル１２７が形成されたノズルプレート１２６を接合体１５０に接合して製造したインクジェットヘッドの断面図である。ノズルプレート１２６を圧電セラミックプレート１１６とインク室プレート１２３との接合体１５０に接着剤１５１を用いて接合する。ノズルプレート１２６と接合体１５０を接合する時に、接着剤１５１が接合体１５０とノズルプレート１２６の隙間からはみ出して、ノズル１２７の溝１１７側の開口部の一部が塞がれる。ノズル１２７の一部でも塞がると、インク吐出時にノズル１２７内のインクの流れが乱れ、インクの吐出速度や吐出方向がばらつき、印字品質が劣化する。
【０００８】
図１０は、ノズル１２７が形成されていないノズルプレート１２６を接合体１５０に接合した後に、エキシマレーザによってノズル１２７を形成したインクジェットヘッドの断面図である。ノズル１２７が形成されていないノズルプレート１２６と接合体１５０を接合した時に漏れ出した接着剤１５１は、エキシマレーザによるノズル１２７の加工時に除去される。そのため、ノズル１２７の溝１１７側の一部が塞がれるために起こる、印字品質の低下は防止できる。
【０００９】
しかし、レーザー加工によってノズル１２７を形成するときに、レーザー光がノズルプレート１２６を貫通した直後にレーザー光が保護層１２０に照射される。そのため、レーザー光が照射される部位１５２において保護層１２０がダメージを受ける。保護層１２０は有機絶縁膜１２２と無機絶縁膜１２１との２層で構成されているが、有機絶縁膜１２２はレーザー光を受けると蒸発して穴があいてしまう。無機絶縁膜１２１も膜厚が０．５μｍ程度ではレーザー光に対する耐性が不十分であり、インクと電極１１９との間の絶縁性を維持することができない。このため、電気伝導性を有するインクを用いた場合、レーザー光が照射された部位１５２の電極１１９の溶解等を防止できず、インクジェットヘッドの耐久性を維持できない。
【００１０】
以上述べたように、特許文献１に開示されたインクジェットヘッドは、ノズルプレートを接合する前にノズルを形成する場合には印字品質が劣化する課題を有し、ノズルプレートを接合した後にノズルを形成する場合にはインクジェットヘッドの耐久性を維持することができない課題を有する。本発明はこの課題を解消し、電気伝導性のインクを用いても印字品質と耐久性を両立するインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、以上の課題を解決するために、インクを吐出させる複数のノズルが形成されたノズルプレートと、前記ノズルに各々連通する複数の圧力室と、前記圧力室内のインクを前記ノズルから吐出させる圧力発生手段と、前記圧力室にインクを供給するインク供給手段と、前記圧力発生手段の圧力室側の面に形成され、前記圧力発生手段に駆動パルスを供給する電極と、前記電極の圧力室側の面に成膜され、絶縁性を有する無機材料からなる第１の保護膜と、前記第１の保護膜の圧力室側の面に成膜され、絶縁性を有する有機材料からなる第２の保護膜とを有するインクジェットヘッドの製造方法において、前記第１の保護膜を成膜した後に、ノズル形成前のノズルプレートを前記圧力室の一面に接着し、前記第２の保護膜を成膜した後に、レーザー加工により前記ノズル形成前のノズルプレートに前記ノズルを形成するレーザー加工工程を含み、前記レーザー加工工程において前記ノズルが開口した後にレーザー光が照射される部位における前記第１の保護膜の膜厚が１μｍ以上であることを特徴としたインクジェットヘッドの製造方法とした。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ノズルプレートの接着後にレーザー加工によりノズルを形成するため、ノズルプレート接着時にはみ出た接着剤はノズル加工時のレーザー光により除去される。そのため、接着剤のノズル穴へのはみ出しによる印字品質の劣化を防止することが可能である。また、レーザー加工においてノズルが開通した直後にレーザー光が保護膜に照射され、照射される部位では有機材料からなる第２の保護膜は蒸発するが、無機材料からなる第１の保護膜は１μｍ以上の膜厚を有するためインクと電極との絶縁性を維持できる。第１の保護膜は無機材料から成るためピンホールの発生を完全に防止することは難しいが、第１の保護膜はレーザー光が照射される部位以外では第２の保護膜で保護されるため、ピンホールにより絶縁性が損なわれる可能性は低い。このため、電気伝導性を有する液体をインクとして用いた場合でも、電極１１９の溶解等を防止でき、インクジェットヘッドの耐久性を維持することができる。すなわち、本発明によれば、ノズルがレーザー加工により形成されるとともに、圧力室内面に絶縁保護層を有する構造のインクジェットヘッドにおいて、印字品質と電気伝導性のインクに対する耐久性を両立するインクジェットヘッドを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態のインクジェットヘッドの構造と動作について説明する。図１及び図２はインクジェットヘッド１の断面図を示している。
【００１４】
インクジェットヘッド１は、基板１２、天板枠１３、天板蓋１７、ノズルプレート１６で構成されている。基板１２には複数の長溝１１が平行に形成されている。各々の長溝１１の内面には電極４が電気的に独立して形成されており、基板１２の上面を経てフレキシブルケーブル７に接続している。フレキシブルケーブル７はインクジェットヘッドを駆動する駆動パルスを発生させる駆動回路２０に接続されている。電極４の表面には、絶縁性無機材料からなる第１の保護膜５、絶縁性有機材料からなる第２の保護膜６が順次成膜されている。各々の長溝１１は天板枠１３で封止され、長溝１１と天板枠１３で囲まれた部分は圧力室３を形成する。隣接する圧力室３は、圧電部材８、９からなる側壁１０を介して分離されている。側壁１０は、互いに反対方向に分極された圧電部材８，９で構成され、電極４に印加される駆動パルスによって、剪断モードで変形するアクチュエータとして動作する。圧力室３の端部にはノズルプレート１６が設けられ、ノズルプレート１６に形成されたノズル２を介して各々の圧力室３と外部が連通している。インクは、天板蓋１７に形成されたインク供給口１４から共通圧力室１５、長溝１１、圧力室３、ノズル２の順に供給される。駆動回路２０から駆動パルスが供給されると、電極４ａ、４ｃと電極４ｂとの間に電位差が生じ、側壁１０ａ、１０ｂに電界が生じる。この電界により側壁１０ａ、１０ｂが剪断モードで変形し、圧力室３ｂ内のインクに圧力変動が生じてノズル２ｂからインクが吐出する。電気伝導性を有するインクを用いた場合でも、インクと電極４との間は第１の保護膜及び第２の保護膜により電気的に絶縁されている。したがって、インクに電流が流れることによる電極４の腐食やインクの電気分解や顔料などのインク内の分散体の凝集等が防止される。
【００１５】
基板１２は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などを用いることが可能である。圧電部材８、９との膨張係数の差異と誘電率を考慮して、基板１２として低誘電率のＰＺＴを用いている。圧電部材８、９は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）などである。この実施形態では、圧電定数の高いＰＺＴを用いている。
【００１６】
電極４は、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）の２層構造になっている。電極４は長溝の内部にも均一に成膜するために、メッキ法によって形成した。長溝それぞれに個別に電極を形成するために必要なマスキングを行い、メッキ法を行っている。電極４の形成方法として、スパッタ法や、蒸着法を用いることも可能である。長溝１１は深さ３００μｍ幅８０μｍの形状で、１６９μｍピッチで平行に配列されている。
【００１７】
ノズルプレート１６は、厚さ５０μｍのポリイミドフィルムで、エキシマレーザ装置によって長溝数に相当するノズル２が形成されている。ノズル２の形状は、吐出側の開口径が３０μｍ、圧力室側の開口径が５０μｍで、吐出側に狭まった逆テーパになっている。
【００１８】
インクジェットヘッド１の製造方法について説明する。図３は実施形態のインクジェットヘッド１の製造工程を示す断面図である。
【００１９】
〔第１の実施の形態〕
図３（ａ）に示すように、板厚方向に互いに向きが反対方向になるように分極された２枚の圧電部材８、９（ＰＺＴ）を接着し、それを基板１２に埋め込んで接着する。基板１の材料は、前述したように圧電部材２、３に比べ誘電率が低いＰＺＴを用いている。次に、ダイヤモンドカッタによる切削加工で、図３（ｂ）に示すように、基板１２端面に平行でかつ圧電部材８、９を横切る方向に、一定間隔の複数の長溝１１を形成する。次に、図３（ｃ）に示すように、基板の表面と長溝の内面に無電解Ｎｉメッキにより電極パターンを形成し、さらに電極上に金メッキを行う。次に、無機絶縁材料からなる第１の保護膜としてＳｉＯ2を長溝内に膜厚１μｍ以上で成膜する。
【００２０】
ＳｉＯ2膜の成膜は、高周波スパッタリングにより膜厚１μｍ以上に成膜する。なお、成膜時、基板１２上面に引き出された電極４の一部をマスキングすることによって、フレキシブルケーブル７と電極４の接続部分には、ＳｉＯ2膜が成膜されないようにしている。
【００２１】
無機絶縁材料としては、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｃｒ2Ｏ3、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＹＢＣＯ、ムライト（Ａｌ2Ｏ3・ＳｉＯ2）、ＳｒＴｉＯ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＺｒＮ、ＡｌＮなどを用いることが可能である。
【００２２】
成膜方法としては、前述のスパッタ法、ＣＶＤ（化学気相成長）法、蒸着法、ゾル−ゲル法、メッキ法、塗布法、印刷法などを用いることが可能である。言い換えれば、真空中又は大気中において、金メッキ電極上で化学反応又は凝縮させることによって無機絶縁材料を堆積させている。ＳｉＯ2を含む前述の無機絶縁材料を金メッキ電極上に成膜可能な方法であればどの方法を用いてもよい。
【００２３】
次に、図３（ｄ）に示すように、基板１２の上面に天板枠１３を接着する。次に、図３（ｅ）に示すように、切削加工により基板１２を２つのインクジェットヘッド１に分割する。次に、図３（ｆ）に示すように、圧力室３の側面にノズルプレート１６となるポリイミドフィルムを接着する。ポリイミドフィルムを圧力室３の側面に接着すると、側壁１０とポリイミドフィルムとの間にある接着剤は、圧力室３内にはみ出すことになる。はみ出した接着剤はポリイミドフィルムの圧力室側に薄い膜となって硬化する。
【００２４】
次に、図３（ｇ）に示すように、第２の保護膜として有機絶縁材料であるパリレン（ポリパラキシリレン）を長溝内に膜厚３μｍ以上で成膜する。パリレンの成膜方法を説明する。
【００２５】
原料であるジパラキシリレンを気化させた後、高温で熱分解をすることによって、反応性の高いラジカルなモノマー（ジラジカルパラキシリレン）にする。そのモノマーが第１の保護膜又は金メッキ電極に吸着すると、そこで重合して高分子膜（パリレン膜）を形成する。
【００２６】
なお、パリレン以外の有機絶縁材料として、ポリイミドやＤＬＣ（ダイヤモンド・ライク・カーボン）などを用いることも可能である。
【００２７】
この実施形態では図３（ｅ）（ｆ）で示す２つのインクジェットヘッド１に分割し、ポリイミドフィルムと天板枠１３を基板１２に接着した後に、図３（ｇ）で示すパリレン膜を形成している。図３（ｅ）で示す２つのインクジェットヘッドに切断したとき、側壁１１の切断部近傍で粗面となることがある。この場合であってもポリイミドフィルムを接着後にパリレン膜を成膜するので、図３（ｇ）で示すように長溝１１とポリイミドフィルムの境界近傍にも十分に有機絶縁膜が成膜されている。
【００２８】
次に、図３（ｈ）に示すように、エキシマレーザによりポリイミドフィルムのノズルプレート１６に逆テーパ形状のノズルを形成する。ポリイミドフィルムを挟んで圧力室３と反対側からエキシマレーザをポリイミドフィルムに照射し、ポリイミドを化学的に分解しノズルを形成する。エキシマレーザの焦点位置をポリイミドフィルムからずらすことで、レーザー光が広がるため吐出口側が狭く圧力室側が広い逆テーパ形状を形成している。
【００２９】
図４に、エキシマレーザによりポリイミドフィルムのノズルプレート１６に逆テーパ加工が行なわれた後のノズル２周辺の詳細断面図を示す。圧力室３の側面にノズルプレート１６を接着した時にはみ出した接着剤１８は、エキシマレーザによるノズル２の形成時に除去される。同時に、側壁１０上に照射されたレーザー光により、第２の保護膜である有機絶縁膜の一部も除去されてレーザーダメージ穴１９が形成される。しかし、レーザーダメージ穴１９の部位において、第１の保護膜５の厚みは１μｍ以上を有するため、第１の保護膜５はレーザー光が照射されても穴は形成されない。したがって、圧力室３の内部に導電性のインクが注入された場合でも、電極４とインクとは電気的な絶縁が保たれる。そのため、電極４の腐食やインクの電気分解等を防止することが可能である。第１の保護膜５は無機材料から成るためピンホールの発生を完全に防止することは難しいが、レーザーダメージ穴１９以外の部分では第１の保護膜は第２の保護膜により保護されるため、ピンホールにより絶縁性が損なわれる可能性は小さい。
【００３０】
無機絶縁膜である第１の保護膜５のレーザー加工に対する耐性を確認するため、次の試験を行った。金電極上にＳｉＯ2膜を０．５μｍ、１μｍ、３μｍ、５μｍの厚みで成膜した４種類の試験片にエキシマレーザ光を１０ｍＪの強度で照射した後、これらの試験片の絶縁性を調べた。その結果、膜厚が０．５μｍの試験片では絶縁が保たれなかったが、膜厚が１μｍ以上の試験片では絶縁が維持できていることが確認された。絶縁性の調査には図５に示す装置を用い、フェノールレイン液の赤色反応で導通を確認した。エキシマレーザ光を１０ｍＪの強度としたのは、ポリイミドフィルムのノズル穴の加工に要するエネルギと同じ条件にするためである。この試験結果から、１μｍ以上の厚みの無機絶縁膜であればレーザー光が照射されても絶縁性が維持できることが確認できた。
【００３１】
〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態について説明する。図６（ａ）に示すように、板厚方向に互いに向きが反対方向になるように分極された２枚の圧電部材８、９（ＰＺＴ）を接着し、それを基板１２に埋め込んで接着する。基板１２の材料は、前述したように圧電部材８、９に比べ誘電率が低いＰＺＴを用いている。次に、ダイヤモンドカッタによる切削加工で、図６（ｂ）に示すように、基板１２端面に平行でかつ圧電部材８、９を横切る方向に、一定間隔の複数の長溝１１を形成する。次に、図６（ｃ）に示すように、基板の表面と長溝の内面に無電解Ｎｉメッキにより電極パターンを形成し、さらに電極上に電解金メッキを行う。次に、無機絶縁材料からなる第１の保護膜としてＳｉＯ2を長溝内に膜厚１μｍ以上で成膜する。続いて、第２の保護膜として有機絶縁材料であるパリレン（ポリパラキシリレン）を長溝内に膜厚３μｍ以上で成膜する。ＳｉＯ2、パリレンの成膜は、第１の実施形態と同様に行った。
【００３２】
次に、図６（ｄ）に示すように、基板１２の上面に天板枠１３を接着し、図６（ｅ）に示すように、切削加工により基板１２を２つのインクジェットヘッドに分割し、図６（ｆ）に示すように、圧力室３の側面にノズルプレート１６となるポリイミドフィルムを接着する。
【００３３】
次に、図６（ｇ）に示すように、エキシマレーザによりポリイミドフィルムのノズルプレート１６に逆テーパ形状のノズルを形成する。ノズル加工は第１の実施形態で説明した加工と同じ条件で行った。
【００３４】
第２の実施形態においても、図４に示すレーザーダメージ穴１９の部位において、第１の保護膜５の厚みは１μｍ以上を有するため、第１の保護膜５はレーザー光が照射されても穴は形成されない。したがって、圧力室３の内部に導電性のインクが注入された場合でも、電極４とインクとは電気的な絶縁が保たれる。そのため、電極４の腐食やインクの電気分解等を防止することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の製造方法によるインクジェットヘッドの縦断面図。
【図２】本発明の製造方法によるインクジェットヘッドの横断面図。
【図３】第１実施形態の製造方法の工程を示す縦断面図。
【図４】第１実施形態の製造方法によるインクジェットヘッドの要部断面図。
【図５】絶縁膜の試験装置の原理を示す図。
【図６】第２の実施形態における製造方法の工程を示す縦断面図。
【図７】従来技術のインクジェットヘッドの分解斜視図。
【図８】従来技術のインクジェットヘッドの要部断面図。
【図９】従来技術のインクジェットヘッドの課題を示す断面図。
【図１０】従来技術のインクジェットヘッドの他の課題を示す断面図。
【符号の説明】
【００３６】
１  インクジェットヘッド  
２  ノズル  
３  圧力室  
４  電極  
５  第１の保護膜  
６  第２の保護膜  
７  フレキシブルケーブル  
８、９  圧電部材  
１０  側壁  
１１  長溝  
１２  基板  
１３  天板枠  
１４  インク供給口  
１５  共通圧力室  
１６  ノズルプレート  
１７  天板蓋  
１８  接着剤  
１９  レーザーダメージ穴  
【図１】
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【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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