JP2001353867A - 記録ヘッドとインクジェット記録装置及び記録ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高画質の画像を形成することができるとともに
インク吐出の高速化と低電圧化を図る。 【解決手段】電極基板１４に、アレイ状に配列されたノ
ズル１５の配列方向で深さが徐々に変化する傾斜面で形
成された個別電極２０を設ける。振動板１９と個別電極
２０の間隙が微小間隙から連続的に大きく変化するよう
にして振動板１９と個別電極２０の間に加える電位差を
変え、振動板２０の変位量を精度良く可変するようにし
てインク滴の吐出特性を多様化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、インク液滴をノ
ズルから吐出させる記録ヘッドとインクジェット記録装
置及び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】ノンインパクト記録装置は記録時の騒音
発生が無視できる程度に小さい点でオフィス用等として
注目されている。そのうち高速記録可能で、かつ普通紙
に特別の定着処理を要せずに記録できるインクジェット
記録装置が近年多く使用されている。このインクジェッ
ト記録装置のなかで特にオンデマンド方式は従来のイン
パクト方式の記録装置などと比べると、動作音が小さい
ことや、高精細な画像を出力できることなどの特徴を有
し、近年は急速に普及している。

【０００３】このオンデマンド方式の記録装置は、その
駆動方法からアクチュエータ方式と熱エネルギによりイ
ンク滴を吐出する方式に分類される。アクチュエータ方
式は圧電振動子などのアクチュエータでインク流路の壁
の一部を振動板として変形させることによりインクを押
し出す方式であり、インクを噴射する複数のノズルと加
圧液室をアレイ状に設け、共通液室から流体抵抗路を介
して各加圧液室に供給して充満しているインクの圧力を
加圧液室の一面に配置された振動板に圧電振動子を接合
し、圧電振動子により振動板を変位させ、この振動板の
変位によりノズルからインクを吐出させて記録紙等の記
録媒体に印字する。熱エネルギを利用した方式は薄膜の
抵抗加熱体によりインクを局所的に加熱して気泡を発生
させ、気泡の体積増大によりインクを吐出させて記録紙
等の記録媒体に印字する。

【０００４】近年、出力画像の高品質化と出力速度の高
速化が要求されており、より小滴なインク滴をより高い
周波数で安定して吐出させることができる高密度の記録
ヘッドの開発が要望されている。しかしながら圧電振動
子を用いた記録ヘッドを高密度化するためには加圧液室
の幅も高密度化に対応した微少寸法にするため振動板の
板厚も数ミクロンと薄くする必要がある。この振動板を
研磨等の方法により数ミクロンの板厚に形成することは
加工精度上極めて困難である。また、熱エネルギを利用
した記録ヘッドは駆動手段が薄膜の抵抗加熱体により形
成されるため、上記のような問題はないが、薄膜の抵抗
加熱体が急速な加熱と冷却の繰り返すため、抵抗加熱体
が損傷して記録ヘッドの寿命が短くなってしまう。

【０００５】これらの短所を解消するために、ノズルを
有する加圧液室の一面に設けた振動板と個別電極の間に
電圧を印加して正又は負の電荷をそれらに与えて振動板
を個別電極側に静電的吸引又は反発させて変形させ、加
圧液室のインクをノズルから吐出させて記録紙に印字す
る静電気力を利用した記録ヘッドが特開平６−１２６９
５６号公報や特開平９−２０００７号公報等に開示され
ている。このインクをノズルから吐出させるための振動
板と個別電極の構成は、薄く加工された振動板に対して
個別電極を一定間隔をおいて平行に配置し、振動板と個
別電極の短絡を防止するため個別電極に絶縁層を設けて
いる。この静電気力を利用した記録ヘッドは小型高密度
化がはかれるとともに高印字品質で長寿命であるという
利点を有する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら振動板と
個別電極の間の間隙を平行にしている場合、振動板と個
別電極間の間隙を高精度に形成することはプロセス上容
易でなく、振動板と個別電極の平行度を精度良く出すの
は困難である。このため振動板は個別電極との間隙が最
短距離の部分から変位を開始してしまい、変位開始点や
変位量が変動してインクを安定して吐出できず高品質の
画像を形成しにくい。また、インク吐出の多様化や高速
化あるいは低電圧化が図れない等の問題がある。この問
題を解消するために、特開平９−３９２２９号公報や特
開平９−３９２３５号公報に示された記録ヘッドは、振
動板と個別電極間の長手方向の間隙を大中小の段状に
し、振動板と個別電極の間の電位差を変えて振動板の変
位量を変化させて高画質の画像を形成するようにしてい
る。しかしながら振動板と個別電極間の長手方向の間隙
を大中小の段状にする場合も、各段階で振動板と個別電
極間の平行度を出す必要があり、振動板と個別電極間の
間隙を精度良く形成することは困難であった。

【０００７】この発明はかかる短所を改善し、高画質の
画像を形成することができるとともにインク吐出の高速
化と低電圧化を図ることができる記録ヘッドとインクジ
ェット記録装置及び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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る記録ヘッ
ドは、複数のノズルがアレイ状に設けられた液室基板と
振動板基板と電極基板が積層され、液室基板と振動板基
板でノズルに連通する加圧液室を形成し、加圧液室の一
面には振動板を有し、電極基板には振動板と対向して個
別電極が設けられた記録ヘッドにおいて、電極基板に、
アレイ状に配列されたノズルの配列方向で深さが徐々に
変化する傾斜面で形成された個別電極を設けたことを特
徴とする。この個別電極の表面に絶縁材料からなる保護
膜を有すると良い。

【０００９】この発明に係るインクジェット記録装置は
上記記録ヘッドを有することを特徴とする。

【００１０】この発明に係る記録ヘッドの製造方法は、
複数のノズルがアレイ状に設けられた液室基板と振動板
基板と電極基板が積層され、液室基板と振動板基板でノ
ズルに連通する加圧液室を形成し、加圧液室の一面には
振動板を有し、電極基板には振動板と対向して個別電極
が設けられた記録ヘッドの製造方法において、平坦な絶
縁基板の表面上に導電層を形成し、導電層の表面にフォ
トレジスト層を形成する。フォトレジスト層を濃度が変
化するグラデ−ションパタ−ンを有するフォトマスクを
用い露光し現像して傾斜を有するフォトレジストパター
ンを形成し、フォトレジストパターンをマスクとして導
電層をエッチングして傾斜面を有する個別電極を形成し
て電極基板を作製することを特徴とする。

【００１１】上記個別電極が形成された電極基板の表面
に可動性アルカリイオンを１〜１５重量％含むガラス保
護膜を形成すると良い。

【００１２】また、記録ヘッドを製造するときに、第１
のパターン部と第２のパターン部と第３のパターン部を
有し、第１のパターン部は黒100％のパターンで形成さ
れ、第３のパターン部は黒０％のパターンで形成されて
いる。第２のパターン部は第１のパターン部との境界か
ら第３のパターン部の境界との間で黒100％の状態から
黒０％の状態に濃度が変化し、第１のパターン部との境
界側から第３のパターン部の境界側にかけて次第に黒10
0％の面積が小さくなる複数の黒パターンを有するグラ
デ−ションパタ−ンで形成されているフォトマスクを使
用してフォトレジストパターンを形成し、形成したフォ
トレジストパターンをマスクとして導電層をエッチング
して個別電極の傾斜面を形成すると良い。

【００１３】

【発明の実施の形態】この発明の記録ヘッドは、液室基
板と振動板基板と電極基板が接合されて積層されてい
る。液室基板には複数のノズルがアレイ状に設けられて
いる。この記録ヘッドは各ノズル毎に、液室基板と振動
板基板で個々のノズルに連通する加圧液室と流体抵抗路
を形成し、流体抵抗路は共通液室に連通している。加圧
液室の一面には振動板を有する。電極基板にはアレイ状
に配列されたノズルの配列方向に沿って振動板との間隔
が徐々に変化する傾斜面を有する個別電極を有し、その
上に保護膜が設けられている。

【００１４】この電極基板を製作するときは、平面基板
からなる絶縁基板の表面に、金属又は導電性セラミック
ス等の導電材料で導電層を形成し、導電層の表面にフォ
トレジスト層を形成する。このフォトレジスト層を濃度
が変化するグラデ−ションパタ−ンを有するフォトマス
クを用い露光し現像して、傾斜を有するフォトレジスト
パターンを形成する。このフォトレジストパターンをマ
スクとして導電層をエッチングして傾斜面を有する個別
電極を形成する。

【００１５】この傾斜面を有する個別電極が設けられた
電極基板に振動板基板を接合する。この電極基板に振動
板基板を接合するとき、個別電極の上端面に振動板基板
を接合することにより、振動板を個別電極に対して精度
良く配置することができる。また、振動板と個別電極の
間隙が微小間隙から連続的に大きく変化するから、振動
板と個別電極の間に加える電位差を変えることにより振
動板の変位量を精度良く可変することができ、ノズルか
らインクを吐出させるときのインク滴の大きさや吐出量
との吐出特性を多様化できる。

【００１６】

【実施例】図１はこの発明の一実施例の構成図である。
図に示すように、インクジェットプリンタ１はシアン
Ｃ，マゼンタＭ、イェロＹ，ブラックＢｋの各色のイン
クをそれぞれ収納した４個のインクカートリッジ２と、
複数のノズルを有し各インクカートリッジ２からインク
が供給される４個の記録ヘッド３と、インクカートリッ
ジ２と記録ヘッド３を搭載したキャリッジ４と、記録紙
を収納した給紙トレイ５ａ，５ｂや手差しテーブル６か
ら記録紙を印字部７に搬送する搬送ローラ８と、印字し
た記録紙を排紙トレイ９に排出する排出ローラ１０を有
する。そしてホスト装置から送られる画像データを記録
紙に印字するときは、キャリッジ４をキャリッジガイド
ローラ１１に倣って走査しながら、搬送ローラ８により
印字部７に送られた記録紙に記録ヘッド３のノズルから
画像データに応じてインクを噴射して文字や画像を記録
する。

【００１７】記録ヘッド３は、図２の斜視図に示すよう
に、液室基板１２と振動板基板１３と電極基板１４が接
着剤や陽極接合などにより接合されて積層されている。
液室基板１２には複数のノズル１５がアレイ状に設けら
れている。この記録ヘッド３は各ノズル１５毎に、図２
の長辺Ａ−Ａ方向に沿う図３の断面図に示すように、液
室基板１２と振動板基板１３でノズル１５に連通する加
圧液室１６と流体抵抗路１７を形成し、流体抵抗路１７
は共通液室１８に連通している。加圧液室１６の一面に
は振動板１９を有する。電極基板１４には振動板１９と
対向して個別電極２０が設けられ、個別電極２０の上に
保護膜２１を有する。各個別電極２０にはコンタクト部
２２が設けられ、コンタクト部２２にはプリント配線板
であるＦＰＣが接続されている。この各個別電極２０
は、アレイ状に配列されたノズル１５の配列方向である
図２の短辺Ｂ−Ｂ方向に沿う図４の断面図に示すよう
に、振動板１９と対向する面に、振動板１９との間隔が
徐々に変化する傾斜面２３と、傾斜面２３の上端部に設
けられた平面部２４を有し、各個別電極２０の傾斜面２
３の下端部には各個別電極２０を区画する平面部２５が
形成され、個別電極２０と平面部２５の上に保護膜２１
が設けられている。

【００１８】この傾斜面２３を有する個別電極２０が設
けられた電極基板１４の製造方法を説明するにあたり、
まず個別電極２０の傾斜面２３を形成するためのフォト
マスクについて、図５を参照して説明する。

【００１９】個別電極２０の傾斜面２３を形成するフォ
トマスク３０には、図５（ａ）の平面図に示すように、
第１のパターン部３１と第２のパターン部３２と第３の
パターン部３３を有する。第１のパターン部３１は個別
電極２０の上端の平面部２４を形成する部分であり、図
５（ｂ）の濃度変化特性図に示すように、黒100％のパ
ターンで形成されている。第３のパターン部３３は個別
電極２０を区画する傾斜面２３の下端部に設けられた平
面部２５を形成する部分であり、黒０％のパターンで形
成されている。第２のパターン部３２は個別電極２０の
傾斜面２３を形成する部分であり、図５（ｂ）の濃度変
化特性図に示すように、第１のパターン部３１との境界
３４から第３のパターン部３３の境界３５との間で黒10
0％の状態から黒０％の状態に濃度が変化し、第１のパ
ターン部３２との境界３５側から第３のパターン部３３
の境界３５側にかけて次第に黒100％の面積が小さくな
る複数の黒パターン３６を有するグラデ−ションパタ−
ンで形成されている。

【００２０】このフォトマスク３０を用いてフォトレジ
スト４０を露光して現像すると、図５（ｃ）に示すよう
に、フォトマスク３０の第１のパターン部３１に対応し
た部分４１にはフォトレジストが平坦に残り、第２のパ
ターン部３２に対応した部分４２には第２のパターン部
３２のグラデ−ションパタ−ンに応じてフォトレジスト
が除去されて傾斜を帯び、第３のパターン部３３に対応
した部分４３のフォトレジストは全て除去されたフォト
レジストパターン４４が形成される。このフォトレジス
トパターン４４をマスクとして導電材料４５をエッチン
グすることにより、図５（ｄ）に示すように、導電材料
４５を平面部２５で分離して傾斜面２３と傾斜面２３上
端の平面部２４を形成することができる。なお、フォト
マスク３０は図５（ａ），（ｂ）に示すようにグラデ−
ションパタ−ンで形成されたもののほかに光透過率を変
えていくタブレットマスクや、一定の寸法の開口窓数を
変えていくマスク等を使用しても良い。

【００２１】このフォトマスク３０を用いて電極基板１
４を製造する方法を図６の工程図を参照して説明する。

【００２２】まず、図６（ａ）に示すように、表面を精
密に研磨して洗浄した、例えば厚さが０．７ｍｍの低ア
ルカリガラス（日本電気硝子製）からなる絶縁基板５１
の表面に、例えばＮｉ−ＣｒやＡｌ，Ｗ，Ｔｉ，Ｃｒ，
Ｎｉ，Ｍｏ等の金属又はＳｉＣ，ＢＣの導電性セラミッ
クス等の導電材料をスパッタリング又は蒸着により付着
させて導電層５２を成膜する。この導電層５２の表面に
フォトレジストをスピンコ−ト法で塗布して、図６
（ｂ）に示すようにフォトレジスト層５３を形成する。
このフォトレジスト層５３を、図５（ａ），（ｂ）に示
すグラデ−ションパタ−ンを有するフォトマスク３０を
用い露光して現像する。このグラデ−ションパタ−ンを
有するフォトマスク３０を用い露光して現像すると、図
６（ｃ）に示すように、導電層５２の表面に傾斜を有す
るフォトレジストパターン４４が形成される。このフォ
トレジストパターン４４をマスクとして導電層５２をイ
オンビ−ムエッチング又はリアクティブイオンエッチン
グ等のドライエッチングを適用し、エッチングガスとし
て塩素系ガスと酸素の混合ガスを用いてエッチング加工
する。このエッチングにより、図６（ｄ）に示すよう
に、フォトマスク３０の黒０％の第３のパターン部３３
に相当する導電層５２が全て除去され絶縁基板５１の表
面が表れる。その後、残っているフォトレジストパター
ン４４を剥離すると、図６（ｅ）に示すように、フォト
マスク３０の第２のパターン部３２に対応した傾斜面２
３と第１のパターン部３１に対応して傾斜面２３の上端
部に設けられた平面部２４を有する各個別電極２０が分
離して形成される。この各個別電極２０と絶縁基板５１
の表面に、例えば可動性アルカリイオンを１０重量％含
むガラス膜をスパッタ装置を用いて例えば０．２μｍ成
膜して、図６（ｆ）に示すように保護膜２１を形成す
る。そして各個別電極２０のコンタクト部２２の保護膜
２１をフォトリソグラフィとＢＨＦ（バッファ−フッ
酸）により除去して電極基板１４を完成する。この保護
膜２１を形成するときに可動性アルカリイオンの範囲は
１〜１５重量％、好ましくは５〜１０重量％が望まし
い。これは可動性アルカリイオンが少ないと陽極接合に
時間を要し、逆に性アルカリイオンが多い場合には膨張
率が大きくなり良好な接合が得られなくなるからであ
る。

【００２３】この短辺方向に形成された傾斜面２３を有
する個別電極２０が設けられた電極基板１４に振動板基
板１３を接合するときは、電極基板１４と振動板基板１
３を２５０℃〜４００℃に加熱し、振動板基板１３側を
プラスの電位とし、電極基板１４の各個別電極２０をマ
イナスの同電位にして３００Ｖ〜１ＫＶ程度の電荷をか
けて陽極接合にて接合する。この電極基板１４に振動板
基板１３を接合するとき、個別電極２０の上面の平面部
２４に振動板基板１３を接合することにより、振動板１
９を個別電極２０に対して精度良く配置することができ
る。また、振動板１０と個別電極２０の間隙が微小間隙
から連続的に大きく変化するから、振動板１０と個別電
極２０の間の電位差を変えることにより振動板１０の変
位量を精度良く可変することができる。したがって振動
板１９を変位させてノズル１５からインクを吐出させる
ときのインク滴の大きさや吐出量との吐出特性を多様化
でき、高品質な画像を安定して形成することができる。
例えば、図４に示すように、個別電極２０の高さＭｇが
０．３μｍになるように個別電極２０を形成し、その上
に膜厚０．２μｍの保護膜２１を形成して、１９２個の
記録ヘッド３を作製した。この記録ヘッド３の振動板１
９と個別電極２０の間の最大実効ギャップは０．５μｍ
±１０％の範囲に分布し、実際の印字試験において良好
な印字を行なうことができた。

【００２４】

【発明の効果】この発明は以上説明したように、電極基
板に、アレイ状に配列されたノズルの配列方向で深さが
徐々に変化する傾斜面で形成された個別電極を設けるこ
とにより、振動板と個別電極の間隙が微小間隙から連続
的に大きく変化するから、振動板と個別電極の間に加え
る電位差を変えることにより振動板の変位量を精度良く
可変することができ、ノズルからインクを吐出させると
きのインク滴の大きさや吐出量との吐出特性を多様化す
ることができる。

【００２５】また、個別電極の表面に絶縁材料からなる
保護膜を設けるこにより、振動板が個別電極に接触する
ことを防いで安定してインクを吐出させることができ
る。

【００２６】この記録ヘッドをインクジェット方式のプ
リンタや複写機，ファクシミリ等の記録装置に使用する
ことにより、安定した噴射特性でインク滴をノズルから
吐出させることができ、高画質の画像を安定して形成す
ることができる。

【００２７】また、電極基板を作製するときに、平坦な
絶縁基板の表面上に導電層を形成し、導電層の表面にフ
ォトレジスト層を形成する。フォトレジスト層を濃度が
変化するグラデ−ションパタ−ンを有するフォトマスク
を用い露光し現像して傾斜を有するフォトレジストパタ
ーンを形成し、フォトレジストパターンをマスクとして
導電層をエッチングして傾斜面を有する個別電極を形成
することにより、簡単な工程で傾斜面を有する個別電極
を精度良く形成することができる。

【００２８】さらに、個別電極が形成された電極基板の
表面に可動性アルカリイオンを１〜１５重量％含むガラ
ス保護膜を形成することにより、振動板と個別電極の短
絡を確実に防止するとともに電極基板と振動板基板を低
温で陽極接合により精度良く接合することができる。ま
た、スペーサを使用せずに振動板と電極基板を間隔を保
護膜で精度良く保持することができるから、電極基板と
振動板基板の接合工程を簡略化することができる。

【００２９】また、記録ヘッドを製造するときに、第１
のパターン部と第２のパターン部と第３のパターン部を
有し、第１のパターン部は黒100％のパターンで形成さ
れ、第３のパターン部は黒０％のパターンで形成されて
いる。第２のパターン部は第１のパターン部との境界か
ら第３のパターン部の境界との間で黒100％の状態から
黒０％の状態に濃度が変化し、第１のパターン部との境
界側から第３のパターン部の境界側にかけて次第に黒10
0％の面積が小さくなる複数の黒パターンを有するグラ
デ−ションパタ−ンで形成されているフォトマスクを使
用してフォトレジストパターンを形成し、形成したフォ
トレジストパターンをマスクとして導電層をエッチング
して個別電極の傾斜面を形成するから、個別電極の傾斜
面を簡単な工程で精度良く形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例のインクジェットプリンタの
構成図である。

【図２】記録ヘッドの斜視図である。

【図３】図２のＡ−Ａ方向に切断した断面図である。

【図４】図２のＢ−Ｂ方向に切断した電極基板の断面図
でる。

【図５】フォトマスクの構成とその作用を示す説明図で
ある。

【図６】電極基板の製造方法を示す工程図である。

【符号の説明】

１；インクジェットプリンタ、２；インクカートリッ
ジ、３；記録ヘッド、４；キャリッジ、１２；液室基
板、１３；振動板基板、１４；電極基板、１５；ノズ
ル、１６；加圧液室、１９；振動板、２０；個別電極、
２３；傾斜面、２４，２５；平面部、３０；フォトマス
ク、４４；レジストパターン、５１；絶縁基板、５２；
導電層、５３；フォトレジスト層。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のノズルがアレイ状に設けられた液
   室基板と振動板基板と電極基板が積層され、液室基板と
   振動板基板でノズルに連通する加圧液室を形成し、加圧
   液室の一面には振動板を有し、電極基板には振動板と対
   向して個別電極が設けられた記録ヘッドにおいて、 電極基板に、アレイ状に配列されたノズルの配列方向で
   深さが徐々に変化する傾斜面で形成された個別電極を設
   けたことを特徴とする記録ヘッド。
2. 【請求項２】 上記個別電極の表面に絶縁材料からなる
   保護膜を有する請求項１記載の記録ヘッド。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の記録ヘッドを有
   することを特徴とするインクジェット記録装置。
4. 【請求項４】 複数のノズルがアレイ状に設けられた液
   室基板と振動板基板と電極基板が積層され、液室基板と
   振動板基板でノズルに連通する加圧液室を形成し、加圧
   液室の一面には振動板を有し、電極基板には振動板と対
   向して個別電極が設けられた記録ヘッドの製造方法にお
   いて、 平坦な絶縁基板の表面上に導電層を形成し、導電層の表
   面にフォトレジスト層を形成する。フォトレジスト層を
   濃度が変化するグラデ−ションパタ−ンを有するフォト
   マスクを用い露光し現像して傾斜を有するフォトレジス
   トパターンを形成し、フォトレジストパターンをマスク
   として導電層をエッチングして傾斜面を有する個別電極
   を形成して電極基板を作製することを特徴とする記録ヘ
   ッドの製造方法。
5. 【請求項５】 上記個別電極が形成された電極基板の表
   面に可動性アルカリイオンを１〜１５重量％含むガラス
   保護膜を形成する請求項４記載の記録ヘッドの製造方
   法。
6. 【請求項６】 請求項４又は５記載の記録ヘッドの製造
   方法において、 第１のパターン部と第２のパターン部と第３のパターン
   部を有し、第１のパターン部は黒100％のパターンで形
   成され、第３のパターン部は黒０％のパターンで形成さ
   れている。第２のパターン部は第１のパターン部との境
   界から第３のパターン部の境界との間で黒100％の状態
   から黒０％の状態に濃度が変化し、第１のパターン部と
   の境界側から第３のパターン部の境界側にかけて次第に
   黒100％の面積が小さくなる複数の黒パターンを有する
   グラデ−ションパタ−ンで形成されているフォトマスク
   を使用してフォトレジストパターンを形成することを特
   徴とする記録ヘッドの製造方法。