JP2005059530A - 液滴吐出ヘッド及びその製造方法並びに画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 凹凸加工を施した振動板を液室を構成する液室部材に接合する場合の接合精度の確保が難しい。
【解決手段】 流路板１と、ポリイミド樹脂からなる振動板２と、ノズル部材３とを接合して、インク滴を吐出させるためのノズル４に連通する液室５を形成し、振動板２の外面側にエキシマレーザーによるスリット上の凹凸加工で形成された凸部６に振動板２を介して液室５内の液体を加圧するためのアクチュエータ手段７の一端部を接合した。
【選択図】 図１

Description

本発明は液滴吐出ヘッド及びその製造方法並びに画像形成装置に関する。

例えば、プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像形成装置として用いるインクジェット記録装置は、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する液室（吐出室、圧力室、加圧室、インク流路、加圧室等とも称される。）と、この液室内のインクを加圧するためのエネルギーを発生するアクチュエータ手段とを備えた液滴吐出ヘッドとしてのインクジェットヘッドを搭載したものである。

インクジェットヘッドとしては、インク流路内のインクを加圧するアクチュエータ手段として圧電素子を用いてインク流路の壁面を形成する振動板を変形させてインク流路内容積を変化させてインク滴を吐出させるいわゆるピエゾ型のもの、或いは、発熱抵抗体を用いてインク流路内でインクを加熱して気泡を発生させることによる圧力でインク滴を吐出させるいわゆるサーマル型のもの、インク流路の壁面を形成する振動板と電極とを対向配置し、振動板と電極との間に発生させる静電力によって振動板を変形させることで、インク流路内容積を変化させてインク滴を吐出させる静電型のものなどが知られている。

このうち、圧千素子を用いるインクジェットヘッドにあっては、たとえば、液滴を吐出する複数のノズル孔を形成したノズル板と、ノズルと連通する液室と、この液室の壁面を形成する振動板と、この振動板に接合された圧電素子などのアクチュエータ手段とを備える。

このようなヘッドにおいては、振動板にはストライプ状もしくは島状の凹凸加工が施され、その凸部にアクチュエータ手段が接合されている。

一方、ノズル孔を形成するノズル板として、ポリイミド樹脂を用いて、エキシマレーザー光を照射することによりノズル孔を形成する穴あけ加工を行ったものが知られている。ポリイミド樹脂及びエキシマレーザーを用いることで、非常に高精度で綺麗なノズル孔を短時間に形成することはできるが、液室部材との接合時に高度なアライメントと接合技術が必要となる。

そのため、液室部材とノズル板となるポリイミド樹脂フィルムを予め接合しておき、その後エキシマレーザー光を照射してノズル孔を形成した液滴吐出ヘッドも知られている。
特開平２−１２１８４２号公報 特開平１−１０８０５６号公報

上述したように、凹凸加工を施した振動板を、液室を構成する液室部材に接合する場合、精度良く接合するためには、振動板と液室部材のアライメント精度及び接着剤が熱硬化型の場合は、加熱による部材の熱膨張を考慮する必要があるため、接合精度の確保が非常に難しくなる。また、ヘッドの高密度化、長尺化に対しては、より高精度に接合を行う必要がある。

また、ノズル板にポリイミド樹脂を用いた場合でも、振動板の接合に関しては加工済みの振動板をアライメント調整しながら液室部材に接合する必要があり、高精度に接合することが難しいという課題は残っている。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、ヘッド構成部材の接合による位置ずれや寸法変化をできる限り抑制して、ヘッド作製時の寸法精度を向上した液滴吐出ヘッド及びこのヘッドを含む画像形成装置並びに液滴吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板がポリイミド樹脂からなり、振動板のアクチュエータ手段を接合する面にはスリット状の凹凸が形成されて、凸部がアクチュエータ手段と接合されている構成とした。

ここで、振動板の凹凸はエキシマレーザーにより加工されたものであることが好ましい。また、液室を構成する部材がポリイミド樹脂であることが好ましい。さらに、液室を構成する部材がポリイミド樹脂であることが好ましい、さらにまた、振動板と液室を構成する部材とは単一のポリイミド樹脂部材から一体に形成されていることが好ましい。

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、ノズル板と液室を構成する部材とは単一のポリイミド樹脂部材から一体に形成されている構成としたものである。

本発明に係る画像形成装置は、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えたものである。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、振動板の凹凸を形成する加工に用いるエキシマレーザー光が、ＫｒＦエキシマレーザーもしくはＡｒＦエキシマレーザーのレーザー光である構成としたものである。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、振動板を形成するポリイミド樹脂フィルムが液室を構成する部材に接合された状態で凹凸を形成する加工を行う構成としたものである。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、液室を構成する部材にノズル板を形成するポリイミド樹脂フィルムを接合してノズル孔を形成する穴あけ加工を行った後、振動板を形成するポリイミド樹脂フィルムを液室を構成する部材のノズル板に対向する面に接合してから凹凸を形成する加工を行う構成としたものである。

本発明に係る液滴吐出ヘッド及び画像形成装置によれば、振動板がポリイミド樹脂からなり、振動板のアクチュエータ手段を接合する面にはスリット状の凹凸が形成されて、凸部がアクチュエータ手段と接合されているので、加工精度の高い凹凸を形成することができ、ヘッド作製時の寸法精度が向上し、画像品質を向上できる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
先ず、図１を参照して本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの第１実施形態について説明する。なお、同図は同ヘッドの要部断面説明図である。

このインクジェットヘッドは、液室を構成する部材（液室部材）である流路板１と、ポリイミド樹脂からなる振動板２と、ノズル部材３とを接合して、ノズル部材３に形成したインク滴を吐出させるためのノズル４に連通する液室５を形成している。そして、ノズル４に対向する振動板２の外面側にエキシマレーザーによる凹凸加工で形成された凸部６に振動板２を介して液室５内の液体を加圧するための圧電素子などのアクチュエータ手段７の一端部を接合している。

そして、アクチュエータ手段７を駆動することによって液室５内の液体、例えばインクを加圧することによってノズル４からインク滴（液滴）を吐出させることができる。

ここで、エキシマレーザーによる加工で用いる光学系について図２を参照して説明する。
エキシマレーザー１０からエネルギー密度１００ｍＪ／ｃｍ〜数Ｊ／ｃｍのエキシマレーザー光を射出し、ミラー１１を介して加工対象部材（ポリイミド樹脂フィルム）Ｗに垂直方向に照射されるように調整し、ビームホモジナイザー１２を通してレーザー光のエネルギー密度を均一化し、所望のパターン１３を通しレンズ１４で加工対象部材Ｗ表面にレーザー光１５を投影する。

この場合、加工対象部材Ｗがポリイミド樹脂であるとき、一般的にポリイミドは紫外線の吸収が大きいので、発振波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー或いは発振波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーのレーザー光を照射することが好ましい。

そこで、振動板２の製造工程の一例について図３を参照して説明する。
まず、同図（ａ）に示すように、厚さ５~５０μｍ程度のポリイミド樹脂フィルム２０を準備し、同図（ｂ）に示すようにポリイミド樹脂フィルム２０の表面にパターン状のエキシマレーザー光１５を照射し、同図（ｃ）に示すように、凹部２１を形成（残存膜厚１〜１０μｍ程度）することにより、同図（ｄ）に示すように、アクチュエータ手段７と接合される凸部６が形成された振動板２が得られる。この場合、振動板凸部は短時間で形成できる。

このように、振動板表面の凹凸加工にエキシマレーザーを用いることにより、非常に寸法精度の良い凸部を形成することができる。

次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第２実施形態をその製造工程とともに図４を参照して説明する。
ここでは、同図（ａ）に示すように、流路板１をポリイミド樹脂フィルムで形成し、同図（ｂ）に示すように、この流路板１を形成するポリイミド樹脂フィルムに、上述したように振動板２を形成する厚さ５~５０μｍ程度のポリイミド樹脂フィルム２０を接合した後、同図（ｃ）及び（ｄ）に示すように、ポリイミド樹脂フィルム２０にエキシマレーザー加工による凹凸を形成して、同図（ｅ）に示すように、アクチュエータ手段７と接合される凸部６が形成された振動板２を作製する。その後、同図（ｆ）に示すようにノズル板３を流路板１に接合して流路ユニットを作製し、これにアクチュエータ手段７を接合してヘッドを完成する。

このように、ポリイミド樹脂フィルムを予め液室部材（流路板）に接合してからエキシマレーザー加工を行うことにより、振動板と液室のアライメントが不要になるため、液室と振動板の寸法精度を向上することができる。

次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第３実施形態をその製造工程とともに図５を参照して説明する。
まず、同図（ａ）に示すように、流路板１を形成したポリイミド樹脂フィルムと、振動板２を形成する厚さ５~５０μｍ程度のポリイミド樹脂フィルム２０と、ノズル板３を形成する厚さ５~５０μｍ程度のポリイミド樹脂フィルム３０とを準備し、同図（ｂ）に示すように、流路板１の両側にポリイミド樹脂フィルム２０とポリイミド樹脂フィルム３０とを対向させて接合する。

その後、同図（ｃ）に示すように、ポリイミド樹脂フィルム２０に凹凸を形成するためのエキシマレーザー光１５Ａを照射し、ポリイミド樹脂フィルム３０にノズル孔４を形成するためのエキシマレーザー光１５Ｂを照射して、同図（ｄ）に示すように、ポリイミド樹脂フィルム２０に残存部が凸部６となる凹部２１を形成し、ポリイミド樹脂フィルム３０に彫り込み３１を施し、更にレーザー加工を続けることで、同図（ｅ）に示すように、流路板１にアクチュエータ手段７と接合される凸部６が形成された振動板２及びノズル孔４が形成されたノズル板３を接合した流路ユニットを作製し、これにアクチュエータ手段７を接合してヘッドを完成する。

このように、ポリイミド樹脂フィルムを予め液室部材の両面に接合してからエキシマレーザー加工を行うことにより、振動板と液室およびノズル板と液室のアライメントが不要になるため、ノズル孔、液室及び振動板の寸法精度を向上することができる。

次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第４実施形態をその製造工程とともに図６を参照して説明する。
これは、液室および振動板を同一の部材から形成する例であり、同図（ａ）に示すように、厚さ１００μｍ〜数ｍｍのポリイミド樹脂板４０を準備し、同図（ｂ）に示すように、ポリイミド樹脂板４０の一面に凹凸を形成するためのエキシマレーザー光１５Ａを照射し、ポリイミド樹脂板４０の他面に液室５を形成するためのエキシマレーザー光１５Ｃを照射して、同図（ｃ）に示すように残存部を凸部６とするための凹部４１と液室５となる彫り込み４２を形成する。

更に加工を続けることにより、同図（ｄ）に示すように、凸部６を有する振動板２と液室５を形成する凹部４５を有する流路板１とが一体に形成された流路／振動板部材５１が得られるので、同図（ｅ）に示すように、この流路／振動板部材５１にノズル板３を接合して流路ユニットを得て、これにアクチュエータ手段７を接合してヘッドを完成する。

このように、ポリイミド樹脂板にエキシマレーザー光を照射することにより、単一の部材から液室部材と振動板を高精度で一体成型するので、液室及び振動板の寸法精度を向上することができる。

次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第５実施形態をその製造工程とともに図７を参照して説明する。
これは、液室およびノズル板を同一の部材から形成する例であり、同図（ａ）に示すように、厚さ１００μｍ〜数ｍｍのポリイミド樹脂板６０を準備し、同図（ｂ）に示すように、ポリイミド樹脂板６０の一面に液室５を形成するためのエキシマレーザー光１５Ｃを照射して彫り込み６１を形成し、更に加工を続けることにより、同図（ｃ）に示すように、ポリイミド樹脂板５０の一面に液室５となる凹部６５を形成する。

次いで、同図（ｄ）に示すように、ポリイミド樹脂板５０の凹部６５側からノズル孔４を形成するためのエキシマレーザー光１５Ｂを照射して彫り込み６２を形成し、更に加工を続けることにより、同図（ｅ）に示すように、ノズル孔４を有するノズル板３と液室５を形成する流路板１が一体に形成された流路／ノズル板部材７１が得られるので、同図（ｆ）に示すように、この流路／ノズル板７１に前述した振動板２を接合して流路ユニットを作製し、これにアクチュエータ手段７を接合してヘッドを完成する。

このように、ポリイミド樹脂板にエキシマレーザー光を照射することにより、単一のポリイミド樹脂部材から液室部材とノズル板を高精度で一体成型するので、液室及びノズルの寸法精度を向上することができる。なお、単一のポリイミド樹脂部材から液室部材とノズル板とを形成したものは、圧電型以外の静電型やサーマル型ヘッドにも適用できる。

次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドを搭載した画像形成装置であるインクジェット記録装置の一例について図８及び図９を参照して説明する。なお、図８は同記録装置の斜視説明図、図９は同記録装置の機構部の側面説明図である。

このインクジェット記録装置は、記録装置本体１１１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部１１２等を収納し、装置本体１１１の下方部には前方側から多数枚の用紙１１３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）１１４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙１１３を手差しで給紙するための手差しトレイ１１５を開倒することができ、給紙カセット１１４或いは手差しトレイ１１５から給送される用紙１１３を取り込み、印字機構部１１２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ１１６に排紙する。

印字機構部１１２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド１２と従ガイドロッド１２２とでキャリッジ１２３を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ１２３にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドからなるヘッド１２４を複数のインク吐出口を主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ１２３にはヘッド１２４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ１２５を交換可能に装着している。

インクカートリッジ１２５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。

また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド１２４を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。

ここで、キャリッジ１２３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド１２１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド１２２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ１２３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ１２７で回転駆動される駆動プーリ１２８と従動プーリ１２９との間にタイミングベルト１３０を張装し、このタイミングベルト１３０をキャリッジ１２３に固定しており、主走査モータ１２７の正逆回転によりキャリッジ１２３が往復駆動される。

一方、給紙カセット１１４にセットした用紙１１３をヘッド１２４の下方側に搬送するために、給紙カセット１１４から用紙１１３を分離給装する給紙ローラ１３１及びフリクションパッド１３２と、用紙１１３を案内するガイド部材１３３と、給紙された用紙１１３を反転させて搬送する搬送ローラ１３４と、この搬送ローラ１３４の周面に押し付けられる搬送コロ１３５及び搬送ローラ１３４からの用紙１１３の送り出し角度を規定する先端コロ１３６とを設けている。搬送ローラ１３４は副走査モータ１３７によってギヤ列を介して回転駆動される。

そして、キャリッジ１２３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１３４から送り出された用紙１１３を記録ヘッド１２４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材１３９を設けている。この印写受け部材１３９の用紙搬送方向下流側には、用紙１１３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１４１、拍車１４２を設け、さらに用紙１１３を排紙トレイ１１６に送り出す排紙ローラ１４３及び拍車１４４と、排紙経路を形成するガイド部材１４５，１４６とを配設している。

記録時には、キャリッジ１２３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド１２４を駆動することにより、停止している用紙１１３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙１１３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙１１３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙１１３を排紙する。この場合、ヘッド１２４を構成する本発明に係るインクジェットヘッドはインク滴噴射の制御性が向上し、特性変動が抑制されているので、安定して高い画像品質の画像を記録することができる。

また、キャリッジ１２３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド１２４の吐出不良を回復するための回復装置１４７を配置している。回復装置１４７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ１２３は印字待機中にはこの回復装置１４７側に移動されてキャッピング手段でヘッド１２４をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド１２４の吐出口を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。

このように、このインクジェット記録装置では本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えるので、液室、振動板あるいはノズル板の寸法精度が高く、噴射特性が向上するので高画質記録を行うことができる。

なお、上記実施形態においては、液滴吐出ヘッドとしてインクジェットヘッド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液滴吐出ヘッドとして、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどの他の液滴吐出ヘッドにも適用できる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの第1実施形態を示す要部断面説明図である。 エキシマレーザー加工の説明に供する説明図である。 同ヘッドの振動板の製造工程を説明する説明図である。 本発明に係る液滴吐出ヘッドの第２実施形態をその製造工程とともに示す説明図である。 本発明に係る液滴吐出ヘッドの第３実施形態をその製造工程とともに示す説明図である。 本発明に係る液滴吐出ヘッドの第４実施形態をその製造工程とともに示す説明図である。 本発明に係る液滴吐出ヘッドの第５実施形態をその製造工程とともに示す説明図である。 本発明に係る画像形成装置の機構部の説明に供する斜視説明図である。 同装置の機構部の説明に供する側面説明図である。

符号の説明

１…流路板（液室部材）
２…振動板
３…ノズル板
４…ノズル孔
５…液室
６…凸部
７…アクチュエータ手段

Claims (9)

1. 液滴を吐出する複数のノズル孔を形成したノズル板と、前記ノズルと連通する液室と、この液室の壁面を形成する振動板と、この振動板に接合され、前記液室内の液体を加圧するためのエネルギーを発生させるアクチュエータ手段とを備える液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板はポリイミド樹脂で形成され、この振動板の前記アクチュエータ手段を接合する面には凹凸が形成されて、凸部が前記アクチュエータ手段と接合されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板の凹凸はエキシマレーザーにより加工されたものであることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
3. 請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記液室を構成する部材がポリイミド樹脂であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
4. 請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板と液室を構成する部材とは単一のポリイミド樹脂部材から一体に形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
5. 液滴を吐出する複数のノズル孔を形成したノズル板と、前記ノズルと連通する液室と、前記液室内の液体を加圧するためエネルギーを発生するアクチュエータ手段とを備える液滴吐出ヘッドにおいて、前記ノズル板と液室を構成する部材とは単一のポリイミド樹脂部材から一体に形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
6. 液滴吐出ヘッドを備えて画像を形成する画像形成装置において、前記液滴吐出ヘッドが請求項１ないし５のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする画像形成装置。
7. 請求項２に記載の液滴吐出ヘッドを製造する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、前記振動板の凹凸を形成する加工に用いるエキシマレーザー光が、ＫｒＦエキシマレーザーもしくはＡｒＦエキシマレーザーのレーザー光であることを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
8. 請求項２に記載の液滴吐出ヘッドを製造する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、前記振動板を形成するポリイミド樹脂フィルムが液室を構成する部材に接合された状態で凹凸を形成する加工を行うことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
9. 請求項２に記載の液滴吐出ヘッドを製造する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、前記液室を構成する部材に前記ノズル板を形成するポリイミド樹脂フィルムを接合して前記ノズル孔を形成する穴あけ加工を行った後、前記振動板を形成するポリイミド樹脂フィルムを前記液室を構成する部材の前記ノズル板に対向する面に接合してから前記凹凸を形成する加工を行うことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
   

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