JP2001179988A - ノズル形成部材、インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 液滴を吐出するノズルを有するノズル形成部
材において、インク流路部材との接合信頼性の向上、イ
ンクに対する耐食性の向上、高密度配置ノズルの噴射効
率及び噴射方向精度の向上、並びに製造工程の簡略化と
コストダウンを図る。また、静電型インクジェットヘッ
ドの製造工程の簡略化と低コスト化を図る。 【解決手段】 ノズル板４は金属層４１と高分子層４２
とを接着剤を用いないで直接接合した構造体をノズル基
材として用いて、ノズル５を形成する孔部４３及び４４
を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はノズル形成部材、インク
ジェットヘッド及びインクジェット記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の
画像記録装置或いは画像形成装置として用いるインクジ
ェット記録装置において使用するインクジェットヘッド
としては、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが
連通するインク流路（加圧液室、圧力室、吐出室、液室
等とも称される。）と、インク流路内のインクを加圧す
る圧電素子などの電気機械変換素子、或いはヒータなど
の電気熱変換素子、若しくはインク流路の壁面を形成す
る振動板とこれに対向する電極からなるエネルギー発生
手段とを備えて、エネルギー発生手段で発生したエネル
ギーでインク流路内インクを加圧することによってノズ
ルからインク滴を吐出させる。

【０００３】ここで、ノズルを形成したノズル形成部材
としては、特開平１−１０８０５６号公報、特開平２−
１２１８４２号公報等に記載されているように、有機樹
脂材料からなるプレートにエキシマレーザーによってノ
ズルとなる孔（ノズル孔）を形成したもの、或いは、特
開昭６３−３９６３号公報、特開平１−４２９３９号公
報等に記載されているように、電鋳支持基板上にドライ
フィルムレジスト等の感光性樹脂材料を用いてノズル径
に応じたレジストパターンを形成した後、このレジスト
パターンを用いてニッケル等の金属材料を電鋳工法で析
出してノズルプレートを形成するものが知られている。

【０００４】さらに、特開平８−３４１１９号公報に記
載されているように、予めノズル孔を電鋳工法で形成し
た金属層にエポキシ系接着剤で高分子層を積層したノズ
ルプレート基体を用いて、エキシマレーザーで高分子層
にノズル孔に連通する孔部を形成したものも知られてい
る。

【０００５】また、インクジェットヘッドにおいては、
ノズルから液滴化したインク（インク滴）を吐出飛翔さ
せて記録を行うため、ノズルの形状、精度等がインク滴
の噴射特性（インク滴吐出性能）に影響を与えると共
に、ノズル孔を形成しているノズル形成部材の表面の特
性がインク滴の噴射特性に影響を与える。例えば、ノズ
ル形成部材表面のノズル孔周辺部にインクが付着して不
均一なインク溜り（所謂濡れムラ）が発生すると、イン
ク滴の吐出方向が曲げられたり、インク滴の大きさにバ
ラツキが生じたり、インク滴の飛翔速度が不安定になる
等の不都合が生じることが知られている。

【０００６】そこで、このようなインクジェットヘッド
のノズル孔形成部材の表面（インク吐出面）には、例え
ば特開平４−２９４１４５号公報にも記載されているよ
うに、電解ニッケルノズル、プレス穿孔金属ノズル、ポ
リカーボネイトなどの高分子材料をエキシマレーザーで
穿孔したノズルなどのノズル形成部材の表面に、フッ素
系高分子の塗装膜や共析メッキ膜を成膜して撥インク性
（撥水性）を持たせ、ノズル形成部材の表面の均一性を
高めて、インク滴の飛翔特性の安定化を図るようにする
ことが行われている（このほか、例えば特開平６−１４
３５８７号公報参照）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来のノズル形成部材のうち金属層に高分子層を接着剤接
合したノズルプレート基体を用いるものにあっては、金
属層に形成するノズル孔は電鋳工法を用い、ノズル孔に
連通する側孔部をレーザー加工するのでコストが高くな
る。また、ノズル形成部材の下層（インク流路形成部材
と接合する層）が高分子層であるために、エネルギー発
生手段から与えられる圧力波のロスが大きくなる。

【０００８】そこで、ドライフィルムレジスト（感光性
樹脂フィルム）を用いてノズル形成部材を形成すること
を試みたが、ＤＦＲプロセスのコストが高くなり、全体
のヤング率が低くなるために十分な吐出効率が得られ
ず、また、インク流路形成部材としてシリコン基板を用
いた場合に線膨張率が差が大きくなって接合耐久性が充
分でなく、更にＤＦＲとして耐インク性の充分なものが
得られなかった。

【０００９】本発明は上記の課題に鑑みてなされたもの
であり、ノズル形成部材、インクジェットヘッド及びイ
ンクジェット記録装置におけるノズル形成部材の製造工
程の簡略化とコストダウンを図ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係るノズル形成部材は、金属層と高分子層
を接着層を介することなく直接的に接合したノズル基材
にノズルを形成したものである。

【００１１】ここで、金属層の材料がコバール又はフェ
ルニコであることが好ましい。また、高分子層の材料が
ポリイミド、ポリエステル又はポリカーボネイトである
ことが好ましい。さらに、金属層はエッチングでノズル
を形成する孔部が形成されていることが好ましい。ま
た、高分子層は金属層側からのレーザー加工でノズルを
形成する孔部が形成されていることが好ましい。

【００１２】さらに、高分子層の表面には予め撥水性を
有する撥水層が形成されていることが好ましい。この場
合、撥水層の厚みが０．０１〜５μｍの範囲内であるこ
とが好ましい。

【００１３】本発明に係るインクジェットヘッドは、ノ
ズルを有するノズル形成部材と、ノズルが連通するイン
ク流路と、このインク流路内のインクを加圧してノズル
からインク滴を吐出させるエネルギーを発生するエネル
ギー発生手段とを有し、ノズル形成部材として本発明に
係るノズル形成部材を有するものである。

【００１４】ここで、インク流路を形成する部材にノズ
ル形成部材を接合することができる。また、エネルギー
発生手段としてはインク流路の壁面を形成する振動板と
これに対向する電極とを有し、振動板と電極との間に発
生する静電力で振動板を変位させるものが好ましい。

【００１５】本発明に係るインクジェット記録装置は、
インク滴を吐出するインクジェットヘッドとして本発明
に係るインクジェットヘッドを備えたものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面を参照して説明する。図１は本発明を適用した静電
型インクジェットヘッドの分解斜視説明図、図２は同ヘ
ッドの透過状態で示す上面説明図、図３は同ヘッドの液
室長辺方向に沿う模式的断面説明図、図４は同ヘッドの
液室短辺方向に沿う模式的断面説明図である。

【００１７】このインクジェットヘッドは、インク流路
形成部材である振動板／液室基板１と、振動板／液室基
板１の下側に設けた電極基板３と、振動板／液室基板１
の上側に設けた本発明に係るノズル形成部材であるノズ
ル板４とを備え、複数のノズル５、各ノズル５が連通す
るインク流路である液室（吐出室）６、液室６に流体抵
抗部となるインク供給路７を介して連通する共通インク
室８などを形成している。

【００１８】振動板／液室基板１には、液室６及びこの
液室６の底部となる振動板１０、各液室６を隔てる隔壁
１１を形成する凹部、共通インク室８を形成する凹部な
どを形成している。このような振動板／液室基板１は、
例えばシリコン基板に振動板となる厚み（深さ）にボロ
ンなどの不純物を拡散し、この不純物拡散層をエッチン
グストップ層として異方性エッチングを行って液室６と
なる凹部等を形成することで得られる。

【００１９】電極基板３には、凹部１４を形成して、こ
の凹部１４の底面に振動板１０に所定のギャップ１６を
置いて対向する電極１５を形成し、この電極１５と振動
板１０によって、振動板１５を変位させて液室１６の内
容積を変化させるアクチュエータ部を構成している。こ
の電極基板３の電極１５上には振動板１０との接触によ
って電極１５が破損するのを防止するためのＳiＯ₂など
の絶縁層１７を成膜している。なお、電極１５を電極基
板３の端部付近まで延設して外部駆動回路と接続手段を
介して接続するための電極パッド部１５ａを形成してい
る。

【００２０】この電極基板３は、ガラス基板、また表面
に熱酸化膜３ａを形成したＳｉ基板上に、ＨＦ水溶液な
どでエッチングにより凹部１４を形成し、この凹部１４
に窒化チタンなどの高耐熱性を有する電極材料をスパッ
タ、ＣＶＤ、蒸着などの成膜技術で所望の厚さに成膜
し、その後、フォトレジストを形成してエッチングする
ことにより、凹部１４にのみ電極１５を形成したもので
ある。この電極基板３と振動板／液室基板１とは陽極接
合、直接接合などのプロセスで接合している。

【００２１】ノズル板４にはノズル５及び液室６と共通
インク室３８との間のインク供給路７となる溝部及び図
示しないヘッド外部のインクタンクと接続するためのイ
ンクタンク接続口１９も形成している。このノズル板３
４は、後述するように金属層と高分子層とを直接接合し
たノズル基材を用いてノズル５となる孔部を形成し、ま
た、ノズル面（吐出方向の表面）には、インクとの撥水
性を確保するため、メッキ被膜、あるいは撥水剤コーテ
ィングなどの周知の方法で撥水膜を形成している。

【００２２】このインクジェットヘッドにおいては、振
動板１０と電極１５との間（いずれかを共通電極、他方
を個別電極とする。）に駆動電圧を印加することによっ
て充電して、静電力によって振動板１０を電極１５側に
変形させ、続いて振動板１０と電極１５間の電荷を放電
させることによって振動板１０が復帰変形して、液室６
の内容積（体積）／圧力が変化することによって、ノズ
ル５からインク滴が吐出され、インク供給路７を通じて
共通インク室８からインクが補充される。なお、この場
合、振動板１０を電極１５に当接させない非当接駆動方
式、あるいは振動板１０を電極１５に当接させる当接駆
動方式のいずれの方式でも駆動することができる。

【００２３】そこで、このインクジェットヘッドにおけ
るノズル形成部材であるノズル板４の詳細について図５
乃至図７をも参照して説明する。ノズル板４は、図５に
示すように、金属層４１と高分子層４２とを接着剤を用
いないで直接接合した構造体をノズル基材として用い
て、ノズル５を形成する孔部４３及び４４を形成し、更
に高分子層４２の表面（吐出面）側に撥水性を有する撥
水層４５を形成したものである。

【００２４】ここで、金属層４１となる材料としては、
コバール又はフェルニコであることが好ましい。これら
の材料はシリコンと線膨張係数の差が小さいので、振動
板／液室基板１を前述したようにシリコン基板で形成す
る場合に、接合が容易で、接合信頼性が高くなる。

【００２５】また、高分子層４２の材料としては、ポリ
イミド、ポリエステル又はポリカーボネイトであること
が好ましい。これらの材料は安価で耐食性に優れてい
る。

【００２６】このノズル板４にノズル５を製造するに
は、図６に示すように、先ず、同図（ａ）に示すように
金属層４１と高分子層４２とを直接接合したノズル基材
５１の金属層４１側面にノズル位置に対応した開口を有
するＤＦＲ等のレジストパターン５２を形成する。

【００２７】その後、同図（ｂ）に示すように、金属層
４１にスプレーエッチングを施して孔部４３を形成し、
高分子層４２を露出させる。このようにエッチング加工
で孔部４３を形成することにより、加工精度が高く、ノ
ズルの高密度配置が可能になる。

【００２８】次いで、同図（ｃ）に示すように、金属層
４１側からレーザー光を照射してレーザー加工により同
図（ｄ）に示すように高分子層４２に孔部４４を形成す
る。このように金属層４１側からレーザー光を照射して
穿孔することにより、加工の際に生じるテーパー角が噴
射方向に向かって絞られる形状となり、噴射効率が高
く、噴射方向精度も向上したノズル板が得られる。

【００２９】その後、図示しないが、高分子層４２の表
面に撥水層４５を形成する。

【００３０】次に、ノズル板５の他の製造工程について
図７を参照して説明すると、先ず、同図（ａ）に示すよ
うに金属層４１と高分子層４２とを直接接合したノズル
基材５１の高分子層４２表面に予め撥水層４５を形成
（成膜）した部材５５を用いて、金属層４１側面にノズ
ル位置に対応した開口を有するＤＦＲ等のレジストパタ
ーン５２を形成する。

【００３１】その後、前述した図６の場合と同様、図７
（ｂ）に示すように、金属層４１にスプレーエッチング
を施して孔部４３を形成し、高分子層４２を露出させ
る。次いで、同図（ｃ）に示すように、金属層４１側か
らレーザー光を照射してレーザー加工により同図（ｄ）
に示すように高分子層４２に撥水層４５を含めて孔部４
４を形成する。

【００３２】このように予め高分子層４２表面に撥水層
４５を形成しておき、金属層４１側からレーザー光を照
射して穿孔することにより、撥水層４５がノズル５内に
進入することがなくなり、インクメニスカス位置を安定
させることができる。

【００３３】この場合、撥水層４５の厚みを０．０１〜
５μｍの範囲内とすることにより、撥水層４５自体に吸
収帯を持たないレーザー光に対しても高分子層４２の穿
孔と同時に撥水層４５の穿孔を行うことができ、ノズル
形状を崩すことなく高精度のノズル加工を行うことがで
きる。

【００３４】上述したようにして得られるノズル板４を
シリコン基板を用いた振動板／液室基板１と接合するこ
とにより、一貫した半導体プロセスラインで量産するこ
とが可能になり、シリコンの線膨張係数に近いノズル板
５の金属層４１と接合することにより、信頼性の高いイ
ンクジェットヘッドを得ることができる。

【００３５】そして、公知のインクジェット記録装置の
キャリッジに上記のインクジェットヘッドを搭載するこ
とにより、インクジェット記録装置の製造工程の簡略
化、低コスト化を図ることができる。

【００３６】なお、上記実施形態においては、本発明を
静電型インクジェットヘッドのノズル形成部材に適用し
た例で説明したが、インクジェットヘッド以外のノズル
形成部材にも適用することができ、またピエゾ型インク
ジェットヘッドやバブル型インクジェットヘッドなどの
ノズル形成部材にも適用することができ、さらにシリア
ル型インクジェット記録装置だけでなくライン型インク
ジェット記録装置にも適用することができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るノズ
ル形成部材によれば、金属層と高分子層を接着層を介す
ることなく直接的に接合したノズル基材にノズルを形成
したので、工程の簡略化とコストダウンを図れる。

【００３８】ここで、金属層の材料とコバール又はフェ
ルニコを用いることにより、インク流路部材をシリコン
基板で形成する場合に接合が容易になり、接合信頼性も
向上する。また、高分子層の材料としてポリイミド、ポ
リエステル又はポリカーボネイトを用いることにより、
安価で耐食性に優れたノズル形成部材が得られる。

【００３９】さらに、金属層にはエッチングでノズルを
形成する孔部を形成することにより、加工精度が向上
し、ノズルの高密度配置が可能になる。また、高分子層
は金属層側からのレーザー加工でノズルを形成する孔部
が形成されていることにより、噴射効率が向上し、噴射
方向精度も向上する。

【００４０】また、高分子層の表面には予め撥水性を有
する撥水層が形成されていることにより、撥水層のノズ
ル内への侵入を防止できてインクメニスカス位置が安定
する。この場合、撥水層の厚みを０．０１〜５μｍの範
囲内とすることにより、ノズル形状を崩すことなく高精
度ノズルを形成できる。

【００４１】本発明に係るインクジェットヘッドによれ
ば、ノズルを有するノズル形成部材と、ノズルが連通す
るインク流路と、このインク流路内のインクを加圧して
ノズルからインク滴を吐出させるエネルギーを発生する
エネルギー発生手段とを有し、ノズル形成部材として本
発明に係るノズル形成部材を有するので、ヘッド製造工
程全体の工程の簡略化と低コスト化を図ることができ
る。

【００４２】ここで、インク流路を形成する部材にノズ
ル形成部材を接合することにより、信頼性の高いヘッド
を得ることができる。また、エネルギー発生手段として
はインク流路の壁面を形成する振動板とこれに対向する
電極とを有し、振動板と電極との間に発生する静電力で
振動板を変位させるものを用いることにより、静電型ヘ
ッドの製造工程の簡略化と低コスト化を図れる。

【００４３】本発明に係るインクジェット記録装置によ
れば、インク滴を吐出するインクジェットヘッドとして
本発明に係るインクジェットヘッドを備えたので、記録
装置全体で製造工程の簡略化と低コスト化を図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した静電型インクジェットヘッド
の分解斜視説明図

【図２】同ヘッドの透過状態で示す上面説明図

【図３】同ヘッドの液室長辺方向に沿う模式的断面説明
図

【図４】同ヘッドの液室短辺方向に沿う模式的断面説明
図

【図５】本発明に係るノズル板の模式的拡大断面図

【図６】図５のノズル板の製造工程を説明する説明図

【図７】図５のノズル板の製造工程の他の例を説明する
説明図

【符号の説明】

１…振動板／液室基板、３…電極基板、４…ノズル板、
５…ノズル、６…液室、１０…振動板、１５…電極、４
１…電極層、４２…高分子層、４５…撥水層、５１，５
５…ノズル基材。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液滴を吐出するノズルを有するノズル形
   成部材において、金属層と高分子層を接着層を介するこ
   となく直接的に接合したノズル基材に前記ノズルを形成
   したことを特徴とするノズル形成部材。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のノズル形成部材におい
   て、前記金属層の材料がコバール又はフェルニコである
   ことを特徴とするノズル形成部材。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載のノズル形成部材
   において、前記高分子層の材料がポリイミド、ポリエス
   テル又はポリカーボネイトであることを特徴とするノズ
   ル形成部材。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載のノズ
   ル形成部材において、前記金属層はエッチングで前記ノ
   ズルを形成する孔部が形成されていることを特徴とする
   ノズル形成部材。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれかに記載のノズ
   ル形成部材において、前記高分子層は前記金属層側から
   のレーザー加工で前記ノズルを形成する孔部が形成され
   ていることを特徴とするノズル形成部材。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれかに記載のノズ
   ル形成部材において、前記高分子層の表面には予め撥水
   性を有する撥水層が形成されていることを特徴とするノ
   ズル形成部材。
7. 【請求項７】 請求項６に記載のノズル形成部材におい
   て、前記撥水層の厚みが０．０１〜５μｍの範囲内であ
   ることを特徴とするノズル形成部材。
8. 【請求項８】 ノズルを有するノズル形成部材と、前記
   ノズルが連通するインク流路と、このインク流路内のイ
   ンクを加圧して前記ノズルからインク滴を吐出させるエ
   ネルギーを発生するエネルギー発生手段とを有するイン
   クジェットヘッドにおいて、前記ノズル形成部材が前記
   請求項１乃至７のいずれかに記載のノズル形成部材であ
   るインクジェットヘッド。
9. 【請求項９】 請求項８に記載のインクジェットヘッド
   において、前記インク流路を形成する部材に前記ノズル
   形成部材を接合したことを特徴とするインクジェットヘ
   ッド。
10. 【請求項１０】 請求項８又は９に記載のインクジェッ
    トヘッドにおいて、前記エネルギー発生手段は前記イン
    ク流路の壁面を形成する振動板とこれに対向する電極と
    を有し、前記振動板と電極との間に発生する静電力で前
    記振動板を変位させることを特徴とするインクジェット
    ヘッド。
11. 【請求項１１】 インク滴を吐出するインクジェットヘ
    ッドを備えたインクジェット記録装置において、前記イ
    ンクジェットヘッドが前記請求項８乃至１０のいずれか
    に記載のインクジェットヘッドであることを特徴とする
    インクジェット記録装置。