JP2001010060A - 液体噴射記録ヘッドの吐出ノズル加工方法および加工装置ならびに液体噴射記録ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 オリフィスプレートの液吐出側からのレーザ
ビームの照射によって、液吐出側に全体が先細りのテー
パ形状でかつ液吐出方向軸に対して軸対称な形状の吐出
ノズルを加工形成することができる液体噴射記録ヘッド
の吐出ノズル加工方法および加工装置を提供する。 【解決手段】 液体噴射記録ヘッド本体３に組み立てた
オリフィスプレート２の液吐出側に吐出口パターン１１
が形成されたマスクプレート１を密着させ、このマスク
プレート面の垂直軸に対して所定角度傾いた円錐方向か
ら高エネルギー紫外線レーザのリングビームＬをマスク
プレート１を介してオリフィスプレート２に照射し、吐
出ノズル２１を加工形成する。吐出ノズル２１は、液吐
出側に全体が先細りのテーパ形状でかつ液吐出方向軸に
対して軸対称な形状に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、記録液等の液滴を
飛翔させて記録媒体上に液滴を付着させる液体噴射記録
ヘッドにおける吐出ノズルを紫外線レーザにより昇華加
工する吐出ノズル加工方法およびその加工装置に関する
ものであり、さらに液体噴射記録ヘッドの製造方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】インク等の記録液の液滴を飛翔させて記
録媒体上に液滴を付着させる液体噴射記録装置（インク
ジェットプリンタ）において、印刷品質は記録液を吐出
する部分であるノズル部分の特性に大きく依存してお
り、このノズル部分の特性は、ノズル径のばらつきやノ
ズルの形状によってほぼ決定される。このノズルを形成
する方法としては、大きくは２つの方法が用いられてお
り、金属プレートを用いる電鋳法もしくは放電加工法に
より形成する方法と、有機高分子樹脂材料をエキシマレ
ーザに代表される紫外線レーザ等の高エネルギーレーザ
で昇華（アブレーション）加工する方法が提案されてい
るが、現在では、後者の紫外線レーザ加工方法を用いて
微細加工する方法が一般的となっている。

【０００３】この紫外線レーザ加工方法において、有機
高分子樹脂材料を昇華加工する好適なレーザのエネルギ
ー密度で加工を行なうと、レーザの入射側からレーザの
出射側にかけて加工面積が徐々に減少するいわゆるテー
パ形状の加工特性となる。また、液体噴射記録ヘッドの
印刷品質を上げるために要求されるノズル形状が記録液
の吐出側に先細りのテーパ形状であるため、レーザの加
工方法としては、記録液の供給側からのレーザ照射によ
って行なわれ、すなわち、吐出ノズルを形成するプレー
トは、吐出ノズルを加工形成した後に、記録液を供給す
る部材に結合する工程が取られてきた。

【０００４】しかしながら、吐出ノズル長は、印刷品質
上、約数１０μｍから約１００μｍの長さが要求され、
この吐出ノズルを形成するプレートの厚みも当然のこと
ながら同様の厚みを有するため、この吐出口形成プレー
トは非常に薄く変形しやすい部材であり、吐出口形成プ
レートに対し液供給側からレーザ加工しなければなら
ず、そして、吐出ノズルを加工形成した後に記録液を供
給する部材に結合しなければならないために、結合後、
吐出口形成プレートがストレス変形を起こし、同一方向
に整列した複数の吐出ノズルが形成できず、記録液の吐
出方向がばらばらになってしまい、印刷品質を劣化させ
てしまうという問題点があった。

【０００５】そこで、このような問題点を解決するため
に、液体噴射記録ヘッドを組み立てた後に、液吐出ノズ
ルを加工する方法が提案されている。

【０００６】その一つは、特表平６−５１０９５８号公
報（コンパック・コンピュータ・コーポレイション）に
提案されている方法で、吐出口形成プレートに対して、
マスクパターンで制限された光ビームを２つの方向から
斜入射させる方法であり、光ビームを斜入射させること
によって光ビームの進行方向に吐出口形成プレートが加
工され、結果的に、吐出ノズルは外側より内側の加工幅
の広いテーパ形状に形成される。

【０００７】他の一つは、特公平６−２４８７４号公報
（ザールリミテッド）に提案されている方法で、ノズル
パターンが形成されたマスクプレートを吐出口形成プレ
ートに密着させた形で光ビームを照射し、密着させたマ
スクプレートと吐出口形成プレートに光ビームが斜入射
するように、揺動またはピボット回転運動をさせて、光
ビームの入射方向に加工が進行することによって、吐出
口形成プレートの液吐出側に先細りのテーパ形状のノズ
ルを形成するものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た特表平６−５１０９５８号公報に記載された方法にお
いては、２つの方向のみの光ビーム加工のため、光ビー
ムの斜入射方向に対しては、吐出口形成プレートの液吐
出側に先細りのテーパ形状が形成されるが、これと直角
方向では液吐出側に口広がりのテーパ形状が形成され
る。このように、液吐出方向に対して対称なコーン形状
のテーパが形成されないため、液吐出側に口広がりのテ
ーパ形状の方向では、記録液の吐出流体抵抗となって、
液吐出の周期が遅くなり、高速な印刷ができなくなり、
さらに、口広がりなノズル形状の場合、液吐出時にミス
トが発生してしまうという問題点が生じる。

【０００９】さらに、マスクパターンの投影結像系では
ないため、吐出ノズルの加工は一つずつ個別に加工しな
ければならないため、非常に多くの吐出ノズル配列を形
成しなければならない場合には、加工時間が長くなり、
生産性として非常に不利となるという問題点があり、さ
らに、光ビームのエネルギー強度の振れに対して敏感に
ノズルの加工サイズが変化してしまうため、加工精度の
安定性の面で困難という問題点もある。

【００１０】また、前述した特公平６−２４８７４号公
報に記載された方法においては、マスクプレートと吐出
口形成プレートを経時的に光ビームに対して傾ける運動
をさせるため、加工開始状態と加工終了状態によって、
つまり、加工の経時的動作過程によって、液吐出方向軸
に対して対称なテーパ形状を加工することが困難とな
り、結果的に、個々の液体噴射記録ヘッドにおいて、記
録液の吐出を安定して一定均一な方向に飛翔させること
が難しいという問題点がある。

【００１１】そこで、本発明は、上記の従来技術の有す
る未解決の課題に鑑みてなされたものであって、吐出口
形成プレートの液吐出側からのレーザ光の照射によるレ
ーザ加工によって、液吐出方向軸に対して軸対称な形状
でかつ液吐出側に全体が先細りのテーパ形状の吐出ノズ
ルを加工形成することができる液体噴射記録ヘッドの吐
出ノズル加工方法および加工装置を提供するとともに、
記録液の液滴を一定方向に安定して飛翔させることがで
き印刷品質を向上させることができる液体噴射記録ヘッ
ドの製造方法を提供することを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の液体噴射記録ヘッドの吐出ノズル加工方法
は、液体噴射記録ヘッドの吐出口が形成される吐出口形
成プレートの液吐出側に、形成しようとする吐出口の形
状がパターニングされたマスクプレートを密着させ、該
マスクプレート面の垂直軸に対して所定角度傾いた円錐
方向から高エネルギー紫外線レーザのリングビームを前
記マスクプレートを介して前記吐出口形成プレートに照
射し、前記吐出口形成プレートに液吐出側に全体が先細
りのテーパ形状の吐出ノズルを昇華加工形成することを
特徴とする。

【００１３】本発明の液体噴射記録ヘッドの製造方法
は、液体噴射記録ヘッド全体を構成する各部材の内、少
なくとも吐出口形成プレートと該吐出口形成プレートを
保持する部材が結合された後に、吐出口が形成される吐
出口形成プレートの液吐出側に、形成しようとする吐出
口の形状がパターニングされたマスクプレートを密着さ
せ、該マスクプレート面の垂直軸に対して所定角度傾い
た円錐方向から高エネルギー紫外線レーザのリングビー
ムを前記マスクプレートを介して前記吐出口形成プレー
トに照射し、前記吐出口形成プレートに液吐出側に全体
が先細りのテーパ形状の吐出ノズルを昇華加工形成する
ことを特徴とする。

【００１４】本発明の液体噴射記録ヘッドの吐出ノズル
加工装置は、吐出口が形成される吐出口形成プレートの
液吐出側に、形成しようとする吐出口の形状がパターニ
ングされたマスクプレートを密着させ、該マスクプレー
ト面の垂直軸に対して所定角度傾いた円錐方向から高エ
ネルギー紫外線レーザのリングビームを照射し、前記吐
出口形成プレートに液吐出側に全体が先細りのテーパ形
状の吐出ノズルを昇華加工形成する液体噴射記録ヘッド
の吐出ノズル加工装置において、前記高エネルギー紫外
線レーザのリングビームを照射するための光学系は、高
エネルギー紫外線発振装置から放射された光束を必要に
応じて所定エネルギー密度の平行光束に変換するビーム
整形光学系と、前記光束をリング状に整形し、該リング
状の光束の径を調整する所定頂角のコーンレンズの対称
対と、前記リング状に整形された光束を前記マスクプレ
ートに導光するための所定頂角のコーンレンズによって
構成されることを特徴とする。

【００１５】

【作用】本発明によれば、液体噴射記録ヘッドの吐出口
が形成される吐出口形成プレートの液吐出側に、形成し
ようとする吐出口の形状がパターニングされたマスクプ
レートを密着させ、マスクプレート面の垂直軸に対して
所定角度傾いた円錐方向から高エネルギー紫外線レーザ
のリングビームをマスクプレートを介して吐出口形成プ
レートに照射することによって、吐出口形成プレートに
吐出ノズルを昇華加工形成し、加工形成される吐出ノズ
ルは、液吐出方向軸に対して軸対称な形状でかつ吐出口
形成プレートの液吐出側に全体が先細りのテーパ形状に
形成でき、また、短時間に多数配列される吐出ノズルを
加工することができる。

【００１６】さらに、液体噴射記録ヘッドを組立てた後
の最終工程で吐出ノズルを加工形成することが可能とな
ることで、吐出口形成プレートの組立て結合による変形
に起因する液吐出方向の非等方向性が解消され、そし
て、吐出口形成プレートに液吐出方向軸に対して軸対称
な形状でかつ液吐出側に先細りのテーパ形状の吐出ノズ
ルを形成することができることによって、液滴の吐出方
向が一定方向に安定し、吐出する記録液の飛翔スピード
が向上する。したがって、液体噴射記録ヘッドの印刷品
質が格段に向上するとともに高速印刷が可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。

【００１８】図１は、本発明の液体噴射記録ヘッドの吐
出ノズル加工方法を示す概略図であり、以下に、本発明
の吐出ノズル加工方法を詳細に説明する。

【００１９】図１において、１は形成しようとする吐出
口形状に対応する吐出口パターン１１が形成されたマス
クプレート、２は吐出ノズル２１が形成される高分子有
機材料からなる吐出口形成プレート（以下、オリフィス
プレートともいう）、３はオリフィスプレート２を結合
する液体噴射記録ヘッド本体である。吐出ノズル２１
は、オリフィスプレート２を液体噴射記録ヘッド本体３
に組み立て結合した状態の液体噴射記録ヘッドのオリフ
ィスプレート２に対して、吐出口パターン１１が形成さ
れたマスクプレート１を密着させ、液吐出側から高エネ
ルギー紫外線レーザのリングビームＬが照射されること
により形成される。この紫外線レーザのリングビームＬ
は、あらかじめオリフィスプレート２に密着されたマス
クプレート１面の垂線に対して所定角度傾いた軸対象な
円錐方向から照射され、オリフィスプレート２の厚さ方
向において、レーザビームＬの進行方向に昇華加工され
ることによって、液吐出方向に先細りな円錐状のテーパ
形状を有する吐出ノズル２１を形成する。

【００２０】ここで、紫外線レーザのリングビームのマ
スクプレートへの照射方向は、加工するオリフィスプレ
ート２の厚さやレーザビームのエネルギー密度によって
設計角度が設定されるが、おおよそマスクプレート１の
垂線に対して５度から２０度傾いた角度に設定される。

【００２１】また、液体噴射記録ヘッド本体３に結合さ
れたオリフィスプレート２とこのオリフィスプレート２
に密着されたマスクプレート１を、一体として、レーザ
ビームＬの照射領域に対して吐出ノズルを形成する並び
方向（図１に示す矢印方向Ｈ）に往復移動させ，複数の
吐出ノズル２１を短時間で加工形成する。

【００２２】このように、円錐方向から紫外線レーザの
リングビームを照射し、そして、密着されたマスクプレ
ート１とオリフィスプレート２および液体噴射記録ヘッ
ド本体３をレーザ照射領域に対して往復移動させること
により、オリフィスプレート２の厚み方向において、各
レーザビームの進行方向に昇華加工されることによっ
て、液吐出方向（マスクプレート側）に先細りなテーパ
形状でかつ軸対称な均一形状を有した吐出ノズル２１が
複数形成される。

【００２３】次に、以上説明したような吐出ノズル加工
を実現するための光学系の一例を図２を参照して説明す
る。

【００２４】紫外線レーザの平行ビームを放射するレー
ザ共振発振器等のエキシマレーザ発振器１０１から放射
されたレーザビームＬは、ビーム整形光学系１０２によ
って、所定のエネルギー密度の平行光束で所定断面形状
の大きさに整形変換され、第１の円錐形状のコーンレン
ズ１０３に導光される。第１のコーンレンズ１０３に導
光されたビームは、コーン頂角を含む領域によって、リ
ング状ビームに変換した後、第1 のコーンレンズ１０３
と同形状であって頂点が対向するように配置された第２
の円錐形状のコーンレンズ１０４によって、発散するリ
ング状ビームが平行なパイプ状のリングビームになるよ
う変換される。このパイプ状のリングビームは、平行な
まま、第３の所定頂角を有する円錐形状のコーンレンズ
１０５に入射し、円錐状で軸対称な傾斜角をもつコーン
斜面によって、リング状の光束が中心軸（光軸）に対し
て同等な角度をもって逆円錐状にマスクプレート１のレ
ーザ照射領域で重なり合うように導光される。すなわ
ち、レーザビームは、マスクプレート１の垂直軸に対し
て、円錐方向で軸対称な方向から同一偏角で被加工物に
対して照射されることになる。

【００２５】次に、上述の吐出ノズルの加工方法が適用
される液体噴射記録ヘッドについて図３を参照して説明
する。

【００２６】図３において、３３は基板であり、この基
板３３上には記録液を吐出するための電気熱変換素子や
電気機械変換素子等の液吐出圧発生素子３４が設けられ
ている。この液吐出圧発生素子３４は吐出ノズル２１に
連通する液流路３１内に配されており、個々の液流路３
１は共通液室３２に連通している。この共通液室３２に
は液供給管（不図示）が接続され、記録液タンクより液
供給管を介して記録液が供給される。また、３５は液流
路３１および共通液室３２を形成するための凹部を有す
る天板であり、この天板35は、基板３３と接合されるこ
とで、液流路３１および共通液室３２を形成する液体噴
射記録ヘッド本体３を構成する。さらに、液体噴射記録
ヘッド本体３の液流路端部側には吐出ノズル２１を備え
るオリフィスプレート２が設けられている。

【００２７】このような液体噴射記録ヘッドは以下のよ
うに作製することができる。

【００２８】液吐出圧発生用の発熱抵抗素子であるヒー
タ３４と不図示のシフトレジスタ等の集積回路や電気配
線をシリコン基板にパターニングして基板（ベースプレ
ート）３３を作製するとともに、液流路３１および共通
液室３２となる凹部と不図示の液供給口をシリコンプレ
ートにケミカルエッチングすることにより形成して天板
３５を作製する。その後、基板３３と天板３５とを、液
吐出側端面および液流路３１となる凹部とヒータ３４の
配列が一致するようにアライメント接合して液体噴射記
録ヘッド本体３を形成した後、吐出ノズルが未形成状態
のオリフィスプレート２を、液体噴射記録ヘッド本体３
の液吐出側端面に接着する。この状態で上述した吐出ノ
ズル加工方法を用いて吐出ノズル２１を加工形成し、以
後、不図示のヒータ駆動用の端子をパターニングした電
気基板を結合するとともに放熱用のヒートシンクを結合
し、次いで、各部材を保持するホルダおよび記録液供給
のための記録液タンクを結合することによって、液体噴
射記録ヘッドを組み立てることができる。

【００２９】また、液流路３１および共通液室３２とな
る凹部と液供給口が形成される天板３５と、吐出ノズル
が未形成状態のオリフィスプレート２とをポリサルフォ
ン等の樹脂の射出成形により一体に形成した構造体を、
ヒータ３４等をパターニングした集積回路シリコンチッ
プをマウントした基板３３にアライメント接合した後
に、上述した吐出ノズル加工方法を用いて吐出ノズル２
１を加工形成し、以後、不図示のヒータ駆動用の端子を
パターニングした電気基板を結合するとともに放熱用の
ヒートシンクを結合し、次いで、各部材を保持するホル
ダおよび記録液供給のための記録液タンクを結合するこ
とによって、液体噴射記録ヘッドを組み立てることもで
きる。

【００３０】以上のように、本発明における吐出ノズル
の加工は、液体噴射記録ヘッドの構成がいかなるもので
あっても、吐出ノズルを形成するオリフィスプレートが
これを保持する部材に接合された後の工程で行なう製造
方法をとるものである。このように液体噴射記録ヘッド
を製造することで、オリフィスプレートが、この保持部
材と結合されるときに生じる歪みに伴なって、吐出ノズ
ルの配列が変形したり、吐出ノズルの向きが不均一方向
に変形することによる記録液の吐出方向位置変動が生じ
ることを防ぐことが可能になる。

【００３１】そして、本発明に基づいて製造される液体
噴射記録ヘッドにおいては、記録液は、液体噴射記録ヘ
ッド本体３の液供給口（不図示）を介して記録液タンク
から共通液室３２に補給され、共通液室３２から液流路
３１に、さらに吐出ノズル２１に供給される。基板３３
の表面に成膜形成されたヒータ３４による発泡形成圧に
よって、液流路３１内の記録液は吐出ノズル２１から液
滴として飛翔する。この過程によって印刷が行われる。
本発明により加工される吐出ノズルは、液吐出方向軸に
対して軸対称な形状でかつ液吐出側に全体が先細りのテ
ーパ形状に形成されており、液滴の吐出方向が一定方向
で安定し、優れた印刷品位の画像が得られる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
液体噴射記録ヘッドの吐出ノズルが形成される吐出口形
成プレートの液吐出側に、形成しようとする吐出口形状
がパターニングされたマスクプレートを密着させ、マス
クプレート面の垂直軸に対して所定角度傾いた円錐方向
から高エネルギー紫外線レーザのリングビームを照射す
ることによって、吐出口形成プレートに吐出ノズルを昇
華加工形成することにより、液吐出方向軸に対して軸対
称な形状でかつ液吐出側に全体が先細りのテーパ形状の
吐出ノズルを加工形成することができ、しかも、短時間
で多数配列される吐出ノズルを加工できる。

【００３３】さらに、液体噴射記録ヘッドを組立てた後
の最終工程で吐出ノズルを加工形成することが可能とな
ることで、吐出口形成プレートの組立て結合による変形
に起因する液吐出方向の非等方向性が解消され、そし
て、吐出口形成プレートに液吐出方向軸に対して軸対称
な形状でかつ液吐出側に先細りのテーパ形状の吐出ノズ
ルを形成することができることによって、液滴の吐出方
向が一定方向に安定し、吐出する記録液の飛翔スピード
が向上する。したがって、液体噴射記録ヘッドの印刷品
質が格段に向上するとともに高速印刷が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液体噴射記録ヘッドの吐出ノズル加工
方法を示す概略図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側
面図、（ｃ）は下面図である。

【図２】本発明の液体噴射記録ヘッドの吐出ノズル加工
装置における光学系の概略図である。

【図３】本発明の液体噴射記録ヘッドの製造方法によっ
て製造される液体噴射記録ヘッドを示す概略図であり、
（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図であ
る。

【符号の説明】

１ マスクプレート １１ （吐出口）パターン ２ オリフィスプレート（吐出口形成プレート） ２１ 吐出ノズル ３ 液体噴射記録ヘッド本体 ３１ 液流路 ３２ 共通液室 ３３ 基板 ３４ 液吐出圧発生素子 ３５ 天板 １０１ レーザ発振器 １０２ ビーム整形光学系 １０３、１０４ コーンレンズ １０５ コーンレンズ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体噴射記録ヘッドの吐出口が形成され
   る吐出口形成プレートの液吐出側に、形成しようとする
   吐出口の形状がパターニングされたマスクプレートを密
   着させ、該マスクプレート面の垂直軸に対して所定角度
   傾いた円錐方向から高エネルギー紫外線レーザのリング
   ビームを前記マスクプレートを介して前記吐出口形成プ
   レートに照射し、前記吐出口形成プレートに液吐出側に
   全体が先細りのテーパ形状の吐出ノズルを昇華加工形成
   することを特徴とする液体噴射記録ヘッドの吐出ノズル
   加工方法。
2. 【請求項２】 液体噴射記録ヘッド全体を構成する各部
   材の内、少なくとも吐出口形成プレートと該吐出口形成
   プレートを保持する部材が結合された後に、吐出口が形
   成される吐出口形成プレートの液吐出側に、形成しよう
   とする吐出口の形状がパターニングされたマスクプレー
   トを密着させ、該マスクプレート面の垂直軸に対して所
   定角度傾いた円錐方向から高エネルギー紫外線レーザの
   リングビームを前記マスクプレートを介して前記吐出口
   形成プレートに照射し、前記吐出口形成プレートに液吐
   出側に全体が先細りのテーパ形状の吐出ノズルを昇華加
   工形成することを特徴とする液体噴射記録ヘッドの製造
   方法。
3. 【請求項３】 吐出口が形成される吐出口形成プレート
   の液吐出側に、形成しようとする吐出口の形状がパター
   ニングされたマスクプレートを密着させ、該マスクプレ
   ート面の垂直軸に対して所定角度傾いた円錐方向から高
   エネルギー紫外線レーザのリングビームを照射し、前記
   吐出口形成プレートに液吐出側に全体が先細りのテーパ
   形状の吐出ノズルを昇華加工形成する液体噴射記録ヘッ
   ドの吐出ノズル加工装置において、 前記高エネルギー紫外線レーザのリングビームを照射す
   るための光学系は、高エネルギー紫外線発振装置から放
   射された光束を必要に応じて所定エネルギー密度の平行
   光束に変換するビーム整形光学系と、前記光束をリング
   状に整形し、該リング状の光束の径を調整する所定頂角
   のコーンレンズの対称対と、前記リング状に整形された
   光束を前記マスクプレートに導光するための所定頂角の
   コーンレンズによって構成されることを特徴とする液体
   噴射記録ヘッドの吐出ノズル加工装置。