JP2005219459A

JP2005219459A - インクジェット記録ヘッド、及びそれを備えたインクジェット記録装置

Info

Publication number: JP2005219459A
Application number: JP2004032504A
Authority: JP
Inventors: Kumiko Tanaka; 久美子田中; Michiaki Murata; 道昭村田
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】複数の基板を積層した積層構造において、接着剤を使用せずに、高温処理などの付加を与えられることなく、耐インク性を付与させると共に強固に各基板間が接合されたインクジェット記録ヘッド及びそれを備えたインクジェット記録装置を提供すること。また、基板間の接合部を積層構造内のインク流路内壁の一部として利用し、簡易に積層構造内のインク流路構成をデザイン可能なインクジェット記録ヘッド及びそれを備えたインクジェット記録装置を提供すること。
【解決手段】例えば、ノズルが設けられたノズルプレート３０と、インクチャンバ３８及びインクプール４０などのインク流路を設けた第１流路プレート３２及び第２流路プレート３４との積層体で構成し、第１流路プレート３２及び第２流路プレート３４とをポリイミド樹脂層４２で接合すると共に、ポリイミド樹脂層４２をインク流路の内壁の一部を構成させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体（インク）を飛翔させて記録媒体に画像を記録するピエゾ方式のインクジェット記録ヘッド、及びそれを備えたインクジェット記録装置に関し、より詳しくは、インクジェット記録ヘッドの積層構造に関するものである。

近年、インク吐出口から液体あるいは溶融固体等のインクを吐出する、いわゆるインクジェット方式は、小型で、安価である等の特徴から、多くのプリンターに用いられている。これらインクジェット方式の中でも、圧電素子の変形を利用してインクを吐出させるピエゾインクジェット方式等が高解像度、高速印字性などの観点から多く利用されている。また、インクジェットプリンターは、普通紙、インクジェット専用紙等のいわゆる紙に印字されるだけでなく、ＯＨＰシート等のフィルムあるいは布等に対しても印字することが出来る。

現在、より高い解析度が求められているため、高精細なインクジェット記録ヘッドを有するインクジェットプリンターが要望されている。

ヘッドの作製方法として、1枚のＳｉ基板を微細に加工して流路を作製する方法がある。例えば特開２００１−３３４６７４があげられる。しかし、このような１枚のＳｉ基板でヘッドを作製する方法では、ヘッド内にＳｉの薄い部分ができてしまい、その部分の強度が弱いため耐久性に問題がある。

このため、複数枚のＳｉ基板の積層構造にすることが提案されている。例えば、特開平６−３１９１４にＳｉウェハをフォトリソグラフィや異方性エッチングによりインク供給路及びオリフィスプレートをそれぞれ形成し、直接接合により連通することが提案されている。また、この提案では、Ｓｉ基板同士の直接接合を高温（１０００℃以上）で実施するか、もしくは工程を追加して接合面にガラス薄膜をスパッタし接合温度を下げて実施することが開示されている。
特開２００１−３３４６７４特開平６−３１９１４

しかし、この提案では、Ｓｉ基板同士を直接接合する場合、高温（１０００℃）処理を施すため、記録ヘッドに熱によるダメージを与えてしまうといった問題が生じる。

また、ガラス薄膜を介してＳｉ基板同士を接合する場合、ガラス薄膜形成工程が増えるだけでなく、ガラス薄膜の膜厚を規定する必要があるなど、工程を複雑にしていた。

さらに、いずれの場合にも、Ｓｉ基板の接合部近傍のインク流路がなくなったり、狭くなるといった問題がある。このため、Ｓｉ基板をより高度で複雑な加工を施さなければならなくなったり、接合部近傍のインク流路を確保するために加工されたＳｉ基板を新たに挿入するなど、工程が複雑になり信頼性も低下してしまう。

特に、ピエゾ方式などの圧力発生機構によりインクを飛翔させる場合、圧力発生機構（例えば圧電素子）の変形を利用するためインク流路にもその変形の影響が及され、インク流路が狭いと変形に伴って塞がってしまい良好なインク吐出特性が得られなくなる恐れがある。

一方、Ｓｉ基板の接合に接着剤を使用すると、接着剤の耐インク性の問題や、接合部分に剥がれの発生など懸念点も多くあるのが現状である。

従って、本発明の第１の目的は、複数の基板を積層した積層構造において、接着剤を使用せずに、高温処理などの付加を与えられることなく、耐インク性を付与させると共に強固に各基板間が接合されたインクジェット記録ヘッド及びそれを備えたインクジェット記録装置を提供することである。
また、本発明の第２の目的は、基板間の接合部を積層構造内のインク流路内壁の一部として利用し、簡易に積層構造内のインク流路構成をデザイン可能なインクジェット記録ヘッド及びそれを備えたインクジェット記録装置を提供することである。

上記課題は、以下の手段により解決される。即ち、
本発明のインクジェット記録ヘッドは、複数の基板を積層した積層体で構成され、当該積層体に、インクをノズルから吐出させるためのインク流路と、インクに圧力を付与するための圧力発生機構と、が設けられたインクジェット記録ヘッドであって、
前記複数の基板間の少なくとも一つを連結すると共に、前記インク流路の内壁の一部を構成するポリイミド樹脂層を有することを特徴としている。

上記構成では、基板間の接合部をポリイミド樹脂層により構成することで、高温処理などの付加を与えられることなく、耐インク性を付与させると共に強固に各基板間が接合される。また、接合部であるポリイミド樹脂層の厚みや積層位置を任意に変更することで、例えば、インクチャンバ、インクプールなどのインク流路の内壁一部を構成することができ、インク流路構成のレイアウトを自在に変更することが可能となる。これにより、基板に微細な加工を施すことなく、接合部におけるインク流路が狭くなったりすることが防止され、圧力発生機構による変形に伴いインク流路が塞がることがなくなる。

本発明のインクジェット記録ヘッドの具体的構成としては、例えば、インクを吐出するノズルが設けられた第１基板と、前記ノズルと連通されると共にインクに圧力が付与されるインクチャンバの一部、及び前記インクチャンバと隔壁を介して形成されると共に前記インクチャンバにインクを供給する前記インクプールが設けられた第２基板と、前記インクチャンバの一部が設けられた第３基板と、前記第２基板と前記第３基板を連結すると共に、前記インクチャンバの内壁の一部を構成する前記ポリイミド樹脂層と、を含む構成が好適に挙げられる。

この構成では、ポリイミド樹脂層が第２及び第３基板の接合部を構成すると共に、インクチャンバの内壁一部を構成させることで、第２及び第３基板に複雑な加工を施すことなく、当該基板間の接合部においてインクプールからインクチャンバへインクを供給するインク供給路が確保される。

本発明のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記複数の基板の少なくとも一つは、シリコン又はステンレスで構成されることが好適である。

一方、本発明のインクジェト記録装置は、上記本発明のインクジェット記録ヘッドを備えたことを特徴とするものである。

本発明のによれば、複数の基板を積層した積層構造のインクジェット記録ヘッドにおいて、接着剤を使用せずに、高温処理などの付加を与えられることなく、耐インク性を付与させると共に強固に各基板間の接合が実現される。また、基板間の接合部を積層構造内のインク流路内壁の一部として利用し、簡易に積層構造内のインク流路構成をデザイン可能となる。

以下、本発明について、図面を参照しつつ説明する。なお、実質的に同じ機能を有する部材には、全図面通して同じ符号を付与して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るインクジェット記録装置を示す概略構成図である。図２は、本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す概略構成図である。

本実施形態に係るインクジェット記録装置１０は、図１に示すように、インクジェット記録ヘッド１２が搭載されたキャリッジ１４を備えている。キャリッジ１４はインクジェット記録装置１０に設けられたシャフト１６に沿って主走査方向（矢印Ｍ方向）に移動する。

また、インクジェット記録装置１０には記録用紙１８（記録媒体）を搬送する搬送ローラ２０が設けられている。記録用紙１８は搬送ローラ２０に挟持されて搬送され、副走査方向（矢印Ｓ方向）へ移動する。

インクジェット記録ヘッド１２にはインクタンク２２が設けられており、インクジェット記録装置本体に対してユーザが着脱可能な消耗品としてのインクジェットカートリッジ２４を構成している。インクジェットカートリッジ２４は、インクジェット記録ヘッド１２と、インクタンク２２と、両者を連結する図示しないインク供給路とを備えた構造を有している。

インクタンク２２内には、インク吸収体が内蔵されていてもよい。また、インクジェット記録ヘッドのみがキャリッジ１４に載置され、インクタンク２２はインクジェット記録装置本体のキャリッジ外部に配置され、両者がインク供給路で連結される構造とすることもできる。このインクタンク２２の、記録用紙１８に対面する側（図１では下側）が、インクジェット記録ヘッド１２となっている。

なお、図１に示す態様のインクジェット記録ヘッド１２では長手方向が副操作方向と一致し、短手方向が主走査方向と一致しているため、図１においてインクジェット記録ヘッド１２の長手方向が矢印Ｓで、短手方向が矢印Ｍでそれぞれ示されている。

次に、インクジェット記録ヘッド１２について説明する。本実施形態に係るインクジェット記録ヘッド１２は、図２に示すように、インクを吐出するノズル３６が形成されたノズルプレート３０（第１基板）と、インクに圧力が付与されるインクチャンバ３８の一部及びインクプール４０が形成された第１流路プレート３２（第２基板）と、インクチャンバ３８の一部が形成された第２流路プレート３４（第３基板）とが積層された積層体で構成されている。そして、第１流路プレート３２と第２流路プレート３４とは、接合部としてポリイミド樹脂層４２を介して接合されている。

ノズルプレート３０はポリイミドフィルムで構成されており、第１流路プレート３２及び第２流路プレート３４はＳｉ基板で構成されている。第１流路プレート３２及び第２流路プレート３４はＳｉ基板のみならず、ステンレス板で構成してもよい。

第２流路プレートには、振動板４４してのＳｉＯ膜を介して、圧力発生機構４６としてのとしてのＳｉ膜（ピエゾ素子）が形成されている。この圧力発生機構４６としては、ピエゾ素子などの圧電素子が代表的なものとして好適に挙げられるが、これに限らず、例えば、静電気力、形状記憶材料、磁歪素子などの変形を利用した圧力発生機構でもよい。

ノズル３６とインクチャンバ３８とは連通して設けられている。そして、インクチャンバ３８は第１流路プレート３２と第２流路プレート３４とが積層された状態でその全体を構成している。また、インクチャンバ３８とインクプール４０とは隔壁３２ａを介して形成されると共に、第１流路プレート及び第２流路プレートとの接合部で連通している。また、インクプール４０はインクタンク２２と連通されており、インクタンク２２からインクが供給される。

そして、ポリイミド樹脂層４２は、第１流路プレート３２と第２流路プレート３４とを接合する共に、インクチャンバ３８の内壁の一部を構成している。これにより、流路プレート接合部におけるインクプール４０からインクチャンバ３８への供給路が確実に確保されている。

本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドでは、インクタンク２２から供給されたインクがインクプール４０からインクチャンバ３８を経て、インクチャンバ３８内のインクが圧力発生機構４６により振動板４４を介して圧力が付与されて、ノズル３６から飛翔される。

以下、本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法について説明する。図３、図４は、本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドにおける第１流路プレートの製造方法を示す工程図である。図５、図６は、本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドにおける第２流路プレートの製造方法を示す工程図である。図７は、本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法を示す工程図である。

第１流路プレートの製造方法について説明する。
まず、図３（Ａ）に示すように、Ｓｉ基板４８を準備する。

次に、図３（Ｂ）に示すように、熱酸化法により耐エッチング性マスキング層としてＳｉ基板４８の両面に厚さ１．５μｍのＳｉＯ₂膜５０を形成する。

次に、図３（Ｃ）に示すように、インクチャンバ３８の一部及びインクプール４０となる部分をフォトリソグラフィー法によりパターニングされたレジスト膜５２を形成する。

次に、図３（Ｄ）に示すように、レジスト膜５２をマスクとして、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）を施し、ＳｉＯ₂膜５０の一部を除去する。ここで、ＲＩＥに使用したエッチングガスは、ＣＨＦ₃／ＣＦ₄／Ａｒ混合ガスを使用した。

次に、図３（Ｅ）に示すように、インクチャンバ３８の一部及びインクプール４０と第２流路プレートにおけるインクチャンバ３８の一部との連通部となる部分をフォトリソグラフィー法によりパターニングされたレジスト膜５４を形成する。

次に、図３（Ｆ）に示すように、レジスト膜５４をマスクとして、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）を施し、Ｓｉ基板４８の一部を所望の深さまでハーフエッチングする。ここで、ＲＩＥに使用したエッチングガスは、Ｃ₄Ｆ₈／ＳＦ₆混合ガスを使用した。

次に、図４（Ｇ）に示すように、レジスト膜５４を除去する。

次に、図４（Ｈ）に示すように、レジスト膜５２をマスクとして、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）を施し、Ｓｉ基板４８の一部を除去して貫通させる。このとき、貫通部分は上記ハーフエッチングを施した部分となる。これによりインクチャンバ３８の一部とインクプール４０が形成される、ここで、ＲＩＥに使用したエッチングガスは、Ｃ₄Ｆ₈／ＳＦ₆混合ガスを使用した。

次に、図４（Ｉ）に示すように、レジスト膜５２を除去する。

次に、図４（Ｊ）に示すように、後処理として、ＢＨＦ液（ＨＦ＋ＮＨ₄Ｆ）を用いたウエットエッチングにより、Ｓｉ基板４８に残ったＳｉＯ膜５０を除去する。そして、ＳＣ−１洗浄液（ＮＨ₄ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏ）を用いて、Ｓｉ基板４８表面のパーティクルを過酸化水素水で酸化し、その酸化膜をアンモニアで除去して、Ｓｉ基板４８を洗浄する。これが第１流路プレート３２となる。

次に、図４（Ｋ）に示すように、ノズルプレート３０となるポリイミドフィルムを貼り付ける。

次に、図４（Ｌ）に示すように、ノズルプレート３０にレーザを照射して、インクチャンバ３８と連通したノズル３６を形成する。

このようにして、ノズルプレート３０付き第１流路プレート３２が得られる。

次に、第２流路プレート３４について説明する。
まず、図５（Ａ）に示すように、シリコン基板内にＳｉＯ膜５６ａが形成されたＳＯＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｏｎｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板５６を準備する。この基板はＳｉ基板にＳｉＯ膜５６ａが挿入されており、このＳｉＯ膜５６ａを振動板４４として機能させ、厚膜のＳｉ膜５６ｂを流路形成基板として機能させ、薄膜のＳｉ膜５６ｃを圧力発生機構４６としてのピエゾ素子として機能させる。

次に、図５（Ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板５６を、ＵＶ剥離接着剤などの接着剤５８を介してガラスサポート基板６０に貼り付ける。

次に、図５（Ｃ）に示すように、ＳＯＩ基板５６に、ラッピング及び研磨を施し、厚さを１１５μｍにする。

次に、図５（Ｄ）に示すように、第１流路プレートとの接続及びインクチャンバ３８の内壁の一部を構成するためのポリイミド樹脂層４２を所望の位置に厚さ２５μｍで形成する。

次に、図６（Ｅ）に示すように、インクチャンバ３８の一部となる部分をフォトリソグラフィー法によりパターニングされたレジスト膜６２を形成する。

次に、図６（Ｆ）に示すように、レジスト膜６２をマスクとして、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）を施し、ＳＯＩ基板５６の一部をＳｉＯ膜５６ａまで除去する。これによりインクチャンバ３８の一部が形成される。ここで、ＲＩＥに使用したエッチングガスは、Ｃ₄Ｆ₈／ＳＦ₆混合ガスを使用した。

次に、図６（Ｇ）に示すように、レジスト膜６２を除去する。

次に、図６（Ｈ）に示すように、ポリイミド樹脂層４２表面を、ＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により厚さ２０μｍまで研磨する。

このようにして、第２流路プレート３４が得られる。なお、エッチングにより露出したＳｉＯ膜５６ａが振動板４４として機能し、ＳＯＩ基板の薄膜側のＳｉ膜５６ｃが圧力発生機構４６（ピエゾ素子）として機能する。

次に、インクジェト記録ヘッドの製造方法について説明する。
まず、図７（Ａ）に示すように、ノズルプレート３０付き第１流路プレート３２と圧力発生機構４６付き第２流路プレート３４とを、ポリイミド樹脂層４２を介して、仮接合する。

次に、図７（Ｂ）に示すように、ＵＶを照射してガラスサポート基板６０を剥離する。そして、ノズルプレート３０付き第１流路プレート３２と圧力発生機構４６付き第２流路プレート３４とを、ポリイミド樹脂層４２を介して、本接合する。

このようにして、インクジェット記録ヘッドが得られる。ここで、第１流路プレート３２と第２流路プレート３４との仮接合、本接合については、特開２００１−１２９７９９に記載の基板の接合方法に従って順次行われる。この基板の接合方法に従えば、ポリイミド樹脂層により低温で第１流路プレート３２と第２流路プレート３４とを接合させることができる。

以上、説明したように、本実施形態では、第１流路プレート３２と第２流路プレート３４とをポリイミド樹脂層４２で接合しているので、高温処理などの付加を与えられることなく、耐インク性を付与させると共に強固な接合されている。

また、ポリイミド樹脂層４２をインクチャンバ３８の内壁の一部として構成しているので、第１及び第２流路プレート３４に微細な加工を施すことなく、接合部におけるインクチャンバ３８とインクプール４０との供給路が確実に確保されている。このため、圧力発生機構４６による変形に伴い当該供給路が塞がることがなくなる。

なお、インクチャンバ３８及びインクプール４０などのインク流路構成は、本実施形態に限定されるわけではなく、任意な構成とすることができる。さらに、ポリイミド樹脂層４２の配置位置や厚みを任意に変更することで、インク流路構成のレイアウトを自在に変更することが可能となる。

本発明の実施形態に係るインクジェット記録装置を示す概略構成図である。本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す概略構成図である。本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドにおける第１流路プレートの製造方法を示す工程図である。本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドにおける第１流路プレートの製造方法を示す工程図である。本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドにおける第２流路プレートの製造方法を示す工程図である。本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドにおける第２流路プレートの製造方法を示す工程図である。本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法を示す工程図である。

符号の説明

１０インクジェット記録装置
１２インクジェット記録ヘッド
１４キャリッジ
１６シャフト
１８記録用紙
２０搬送ローラ
２２インクタンク
２４インクジェットカートリッジ
３０ノズルプレート
３２第１流路プレート
３４第２流路プレート
３６ノズル
３８インクチャンバ
４０インクプール
４２ポリイミド樹脂層
４４振動板
４６圧力発生機構

Claims

複数の基板を積層した積層体で構成され、当該積層体に、インクをノズルから吐出させるためのインク流路と、インクに圧力を付与するための圧力発生機構と、が設けられたインクジェット記録ヘッドであって、
前記複数の基板間の少なくとも一つを連結すると共に、前記インク流路の内壁の一部を構成するポリイミド樹脂層を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
インクを吐出するノズルが設けられた第１基板と、
前記ノズルと連通されると共にインクに圧力が付与されるインクチャンバの一部、及び前記インクチャンバと隔壁を介して形成されると共に前記インクチャンバにインクを供給する前記インクプールが設けられた第２基板と、
前記インクチャンバの一部が設けられた第３基板と、
前記第２基板と前記第３基板を連結すると共に、前記インクチャンバの内壁の一部を構成する前記ポリイミド樹脂層と、
を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記複数の基板の少なくとも一つは、シリコンで構成されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記複数の基板の少なくとも一つは、ステンレスで構成されることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドを備えたことを特徴とするインクジェット記録装置。