JP2007050636A - 液体吐出ヘッドおよび画像記録装置ならびに液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の液体吐出ヘッドは、液滴を吐出する複数の吐出口が形成された絶縁性の吐出基板と、吐出口の個々に対応して配置される、溶液に静電力を作用させる制御電極と、ヘッド基板の吐出基板側の吐出口に対応する位置に配置され、貫通孔を通過して、先端部が吐出基板の液滴吐出側に突出する溶液ガイドとを有する。吐出基板は、各制御電極に接続される配線が少なくとも2層、層間絶縁層により絶縁されて設けられており、吐出口は第1の貫通孔、および第1の貫通孔に連通し、第1の貫通孔よりも開口部が大きい第2の貫通孔を備える。さらに吐出基板の表面ならびに前記第2の貫通孔の内面に撥液膜が形成されている。
【選択図】図1
Description
しかしながら、サーマルジェットヘッドでは、インクを部分的に300℃以上に加熱するため、インクの材料が限定されるという問題があり、他方、ピエゾタイプのインクジェットでは、構造が複雑でコストが高いといった問題がある。
静電式インクジェットの液体吐出ヘッドは、インク液滴を吐出するための多数の貫通孔(吐出口)が形成された絶縁性の吐出基板と、吐出口の個々に対応する制御電極とを有し、制御電極に所定の電圧を印加することにより、インクに静電力を作用させてインク液滴を吐出するものであり、画像データに応じて制御電極への電圧印加のオンおよびオフを制御(制御電極を変調駆動)することによりインク液滴を吐出させて、画像データに対応する画像を記録媒体上に記録する。
従来、高密度化された静電式のインクジェット記録方式の画像記録装置が種々提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1のインクジェット記録装置100においては、インクQで満たされたインクタンク102の一面に、貫通孔104が形成された制御基板106が設けられている。貫通孔104の中央には、真ん中にスリット110の形成された突起状のインクガイド112が挿入されている。また、貫通孔104の周辺には、制御電極114が形成されており、更に個々の制御電極114に個別に電圧を印加するための引き出し線116が形成されている。
また、制御基板106は、図11および図12に示すように、4層構造の多層配線基板となっており、制御電極114と接続される引き出し線118、120、122が制御基板106の層間に分けて導かれている。
各制御電極114に電圧を印加するための引き出し線118、120、122は、制御基板106表面および制御基板106の各層間からスルーホール124を通して、表面の制御電極114に接続されている。
特許文献1のインクジェット記録装置においては、ヘッド構成を図11および図12に示す構成にすることにより、従来、制御基板106の表面に形成されていた引き出し線118、120、122を、制御基板106の深さ方向に重ねて配置できるため、配線領域を大幅に減少させることができる。
また、吐出口はインクガイドが設けられるものであり、本発明において、貫通孔の深さおよび開口部の深さを一定にできることにより、インクガイドに供給されるインク量が一定になり、各吐出口から吐出される液滴の吐出量を均一にすることができ、優れた描画性能を有する液体吐出ヘッドを製造することができる。
図1は、本発明の実施例に係る液体吐出ヘッドを有する画像記録装置を示す模式的平面図であり、図2は、図1に示す領域αを拡大して示す模式図である。
図3は、本発明の実施例に係る液体吐出ヘッドを有する画像記録装置を示す模式的断面図であり、図4は、図3に示す液体吐出ヘッドの要部拡大図である。
図3に示すように、画像記録装置10においては、ノズルプレート12と、このノズルプレート12の上面に対面した状態で配置される対向電極62(図3参照)とを有する。
図1に示すように、本実施例のノズルプレート12においては、インク液滴Rが吐出される吐出口(ノズル)が、例えば、1200個(50×24)、2次元的に配置された吐出エリア14を有する。さらに、各吐出口からインク液滴Rを吐出させるために、各吐出口に設けられた制御電極26に電圧を印加させるための外部電極パッド28a〜28d(図2参照)が、それぞれ600個(50×12)設けられている電極エリア16a、16bを有する。
また、ノズルプレート12には、各外部電極パッド28a〜28dに接続される端子を有するバッファ基板18a、18bが、例えば、ACF(異方性導電性フィルム)(図示せず)を介して接続されている。
各バッファ基板18a、18bには、電圧印加手段20が接続されている。
電圧印加手段20は、駆動電源22とバイアス電源23とが直列に接続されたものであり、インクQの色材粒子の帯電電位と同極側(例えば、正極)がバッファ基板18a、18bに接続されて、他極側が接地とされている。
図3に示すように、吐出エリア14において、ノズルプレート12には記録媒体Pの保持手段34と、インク循環系36とが設けられている。
本実施例の画像記録装置10においては、記録媒体Pを保持手段34で保持して、記録媒体Pをノズルプレート12と対面して所定の記録位置に位置した状態で、保持手段34をノズルプレート12のノズル列と直交する方向に移動(走査搬送)することにより、ノズル列によって記録媒体Pの全面を二次元的に走査する。この走査に同期して、制御部24により、記録画像(画像データ)に応じて変調させて、ノズルプレート12の各吐出口48からインク液滴Rを吐出することにより、記録媒体Pにオンデマンドで画像を記録する。
また、画像記録時には、インク循環系36によって、ノズルプレート12(後述するインク流路(溶液の流路)49)を含む所定の循環経路でインクQをインク流方向Dに循環することにより、各吐出口48にインクQを供給する。
図3に示すように、ノズルプレート12は、基本的に、支持基板40と、吐出基板42と、インクガイド(溶液ガイド)41とを有し、吐出基板42の下面と支持基板40の上面とが対向して配置されている。
支持基体44は、Al2O3およびZrO2などのセラミックス材料、またはポリイミドなどの絶縁性材料からなる基板である。
図5に示すように、吐出基板42においては、支持基体44の表面44aに配線層29aが形成されている。この配線層29aを覆うように、支持基体44の表面44aに層間絶縁層46aが形成されている。また、層間絶縁層46aの上に配線層29bが形成されている。この配線層29bを覆うように、層間絶縁層46aの上に層間絶縁層46bが形成されている。また、層間絶縁層46bの上に配線層29cが形成されている。この配線層29cを覆うように、層間絶縁層46bの上に層間絶縁層46cが形成されている。また、層間絶縁層46cの上に配線層29dが形成されている。この配線層29dを覆うように、層間絶縁層46cの上に層間絶縁層46dが形成されている。
また、電極エリア16aには、シールド電極47に配線29eおよびビア27eを介して接続される外部電極パッド28eも設けられている。これによりシールド電極47は、外部電極パッド28eを介して接地されている。
なお、ビア54は、配線と制御電極とを接続するものであり、垂直方向に長さは、配線の階層により適宜変わるものである。また、ビア54は、1つの制御電極26と1つの配線とを接続するものであり、複数の配線と接続されることはない。
吐出口48は、円形の第1の貫通孔50aと、円形の第2の貫通孔50bとにより構成される。第1の貫通孔50aは、支持基体44を貫通して形成されたものである。第1の貫通孔50aの深さは、支持基体44の厚さLである。
本実施例においては、第1の貫通孔50aの深さ(支持基体44の厚さL)がインク通路の長さとなり、吐出口48を、2段構造とすることにより、インク通路の長さを、従来のものに比して短くすることができる。
さらに、基板44aの表面、シールド電極47の表面および多層配線層46の側面を覆うように、撥インク膜(撥液膜)52が均一の厚さに形成されている。
吐出基板42と支持基板40とは、所定の間隔だけ離間して配置され、その間隙がインクQを各吐出口48に供給するインク流路49となる。
インク流路49は、後述するインク循環系36に接続されており、インク循環系36が所定の経路でインクQを循環することにより、インクQがインク流路49をインク流方向D(図示例では、例えば、右から左)に流れ、各吐出口48にインクQが供給される。
インクガイド41は、インク流路49から吐出口48に供給されたインクQを案内して、メニスカスの形状および大きさを調整してメニスカスを安定させ、かつ、自身に電界(静電力)を集中させてメニスカスに電界を集中させることにより、インク液滴Rを吐出し易くするためのものであり、吐出口48を貫通して吐出基板42の表面42aから記録媒体P(保持手段34)側に突出するように、各吐出口48に対応して配置されている。このインクガイド41は、その先端部41aが、上方に向うにつれて漸次細くなっている。
本発明においては、互いに対応する吐出口48、制御電極26、およびインクガイド41によって、1ドットの液滴吐出に対応する1つの吐出部が形成される。
また、インクガイド41の先端から制御電極26までの距離は、制御電極26の内径の1〜1.5倍が最適である。このため、第1の貫通孔50aと、第1の貫通孔50aよりも径大の第2の貫通孔50bとで2段に構成することにより、多層配線構成としてもインクガイド41の先端の位置を最適な範囲にすることができる。
また、インクガイド41は、例えば、フォトリソグラフィ法などの半導体製造プロセスに用いられる各種製造方法、またはレーザ加工方法を用いることにより作製することができる。
また、本実施例の吐出口48においては、第1の貫通孔50aの長さ、すなわち、支持基板40の厚さを適切に設定することにより、インク流路が長くなることが抑制される。これにより、本実施例においては、吐出口48における第1の貫通孔50aの長さ、すなわち、支持基板40の厚さを適切に設定することにより、吐出口48にインクQの供給を容易にすることができる。すなわち、吐出口48へのインクQの粒子供給性を高めることができる。これにより、吐出口48にはインクQが十分かつ円滑に供給されるため、インク液滴Rの吐出周波数応答性が向上し、さらにはインクQの目詰まりの発生が防止される。
インク循環系36は、インクQを貯留するインクタンクおよびインクQを供給するポンプを有するインク供給手段56と、インク供給手段56とインク流路49のインク流入口(インク流路49の図3中の右側端部)とを接続するインク供給流路58と、インク流路49のインク流出口(同左側端部)とインク供給手段56とを接続するインク回収流路60とを有して構成される。また、これ以外にも、インクタンクへのインク補充手段等を有してもよい。
なお、本発明のノズルプレート12が吐出するインクQとしては、色材を含む帯電粒子を分散媒にしてなるインクQ等、帯電した微粒子を分散媒に分散してなる、静電式のインクジェットに利用される各種のインクQ(溶液)が利用可能であり、詳細については後で説明する。
保持手段34は、ノズルプレート12(吐出基板42)の上面に対面した状態で記録媒体Pを保持するプラテンとしても作用する対向電極62と、対向バイアス電源64と、対向電極62を走査方向に移動することにより、記録媒体Pを走査方向に走査搬送する走査搬送手段(図示省略)とを有して構成される。この走査搬送により、記録媒体Pは、ノズルプレート12の吐出口48(ノズル列)によって、全面を二次元的に走査され、各吐出口48から変調して吐出されたインク液滴Rによって画像を記録される。
また、対向電極62の移動方法にも、特に限定はなく、公知の板状部材の移動方法を利用すれば良い。なお、本発明のノズルプレート12を利用する記録装置においては、記録媒体Pを固定して、ノズルプレート12を移動(走査)することにより、ノズル列で記録媒体Pを走査するようにしてもよい。
対向バイアス電源64は、制御電極26(=色材粒子)と逆極性のバイアス電圧を対向電極62に印加するものである。なお、対向バイアス電源64の他極側は、接地されている。
さらに、本実施例のノズルプレート12を有する画像記録装置10においては、画像記録を高速で、かつ高画質に行うことができる。
図7(a)〜図10(c)は、本実施例の画像記録装置10におけるノズルプレート12の吐出基板42の製造方法を工程順に示す模式的断面図である。
先ず、図7(a)に示すように、例えば、厚さが25μmのポリイミドからなる支持板72の両面に、厚さが4μmの銅からなる金属膜74a、74bが形成されたコア基板70を用意する。
次に、配線29cと配線29bとを接続するために支持板72に穴72aを、例えば、レーザ加工により形成する。
次に、図7(d)に示すように、片面に金属膜78aが形成された支持板80aを支持板72の表面72bに貼り付ける。また、片面に金属膜78bが形成された支持板80bを支持板72の裏面72cに貼り付ける。
また、支持板80bの金属膜78bについて、例えば、フォトリソグラフィ法により所定のパターンのマスクを形成し、このマスクを用いてエッチングにより、配線29aおよびダミー電極83を形成する。このダミー電極83は、吐出口48の形成予定領域に形成されるものである。また、ダミー電極83は、第2の貫通孔50bと略同じ大きさに形成される。なお、配線29aは、最下層の配線である。
次に、図8(b)に示すように、支持板80bに形成した穴82、82aを、例えば、めっきにより金属を充填し、ビアとなる貫通電極84、84aを形成する。これにより、貫通電極76と貫通電極84aとが接続される。
次に、支持板88bに、例えば、フォトリソグラフィ法により、配線29aに整合する領域が開口されたパターンのマスクを形成し、例えば、ドライエッチングにより、配線29aに整合する位置に、穴90、90aを形成する。
次に、凹部94の底部にあるダミー電極83を、例えば、エッチングにより除去する。そして、レジスト膜96a、96bも除去する。
また、本実施例において、ダミー電極83を設ける位置は、最下層の配線29aの位置に限定されるものではない。ダミー電極83を設ける位置は、例えば、インク通路を考慮して決定することが好ましい。このため、基板44となる支持板88bの厚さを、予めインク通路の長さに合わせておくことが好ましい。
画像記録時には、インク循環系36によって、インク供給手段56〜インク供給流路58〜ノズルプレート12のインク流路49〜インク回収流路60〜インク供給手段56の経路でインクQが循環される。この循環により、インク流路49をインクQが、例えば、200mm/秒の流速で流れ、これにより各吐出口48にインクQが供給される。
また、画像記録時には、バイアス電源52が制御電極26に、例えば、100Vのバイアス電圧を印加している。さらに、記録媒体Pは対向電極62に保持され、対向電極62には、対向バイアス電源64が、例えば、−1000Vのバイアス電圧を印加している。従って、制御電極26と対向電極62(記録媒体P)との間には、1100V分のバイアス電圧が印加され、その分の電界(静電力)が形成されている。
吐出されたインク液滴Rは、吐出された際の勢い、および、対向電極62による引力によって飛翔し、記録媒体Pに着弾して画像を形成する。
従って、この走査搬送に同期して、画像データ(インク液滴Rの吐出信号)に応じて変調して各制御電極26に駆動電圧を印加(制御電極26を駆動)することにより、記録する画像に応じて変調して、各吐出部からインク液滴Rを吐出して、記録媒体Pの全面にオンデマンドで画像記録を行うことができる。このようにして、本実施例の画像記録装置10は、画像データに応じた画像を記録媒体P上に記録することができる。
インクQは、色材粒子をキャリア液に分散することにより得られる。キャリア液は、高い電気抵抗率(109Ω・cm以上、好ましくは1010Ω・cm以上)を有する誘電性の液体(非水溶媒)であるのが好ましい。キャリア液の電気抵抗が低いと、制御電極に印加される駆動電圧により、キャリア液自身が電荷注入を受けて帯電してしまい、色材粒子の濃縮がおこらない。また、電気抵抗の低いキャリア液は、隣接する制御電極間での電気的導通を生じさせる懸念もあるため不向きである。
なお、このようなキャリア液の固有電気抵抗の上限値は1016Ω・cm程度であるのが望ましく、比誘電率の下限値は1.9程度であるのが望ましい。キャリア液の電気抵抗が上記範囲であるのが望ましい理由は、電気抵抗が低くなると、低電界下でのインクの吐出が悪くなるからであり、比誘電率が上記範囲であるのが望ましい理由は、誘電率が高くなると溶媒の分極により電界が緩和され、これにより形成されたドットの色が薄くなったり、滲みを生じたりするからである。
色材として用いる顔料としては、無機顔料、有機顔料を問わず、印刷の技術分野で一般に用いられているものを使用することができる。具体的には、例えば、カーボンブラック、カドミウムレッド、モリブデンレッド、クロムイエロー、カドミウムイエロー、チタンイエロー、酸化クロム、ビリジアン、コバルトグリーン、ウルトラマリンブルー、プルシアンブルー、コバルトブルー、アゾ系顔料、フタロシアニン系顔料、キナクリドン系顔料、イソインドリノン系顔料、ジオキサジン系顔料、スレン系顔料、ペリレン系顔料、ペリノン系顔料、チオインジゴ系顔料、キノフタロン系顔料、金属錯体顔料、等の従来公知の顔料を特に限定されることなく用いることができる。
色材として用いる染料としては、アゾ染料、金属錯塩染料、ナフトール染料、アントラキノン染料、インジゴ染料、カーボニウム染料、キノンイミン染料、キサンテン染料、アニリン染料、キノリン染料、ニトロ染料、ニトロソ染料、ベンゾキノン染料、ナフトキノン染料、フタロシアニン染料、金属フタロシアニン染料、等の油溶性染料が好ましく例示される。
これらのうち、粒子形成の容易さの観点から、重量平均分子量が2、000〜1、000、000の範囲内であり、かつ多分散度(重量平均分子量/数平均分子量)が、1.0〜5.0の範囲内であるポリマーが好ましい。さらに、前記定着の容易さの観点から、軟化点、ガラス転移点または、融点のいずれか1つが40℃〜120℃の範囲内にあるポリマーが好ましい。
荷電制御剤は、一例として、電子写真液体現像剤に用いられている各種のものが利用可能である。また、「最近の電子写真現像システムとトナー材料の開発・実用化」139〜148頁、電子写真学会編「電子写真技術の基礎と応用」497〜505頁(コロナ社、1988年刊)、原崎勇次「電子写真」16(No.2)、44頁(1977年)等に記載の各種の荷電制御剤も利用可能である。
また、色材粒子の荷電量は、好ましくは5〜200μC/g、より好ましくは10〜150μC/g、さらに好ましくは15〜100μC/gの範囲である。
以上のようなインクQを用いることによって、荷電粒子の泳動が起こりやすくなり、濃縮しやすくなる。
また、インクQの表面張力は、15〜50mN/mの範囲が好ましく、より好ましくは15.5〜45mN/m、さらに好ましくは16〜40mN/mの範囲である。表面張力をこの範囲とすることによって、制御電極に印加する電圧が極端に高くならず、ヘッド周りにインクが漏れ広がり汚染することがない。
さらに、インクQの粘度は0.5〜5mPa・secが好ましく、より好ましくは0.6〜3.0mPa・sec、さらに好ましくは0.7〜2.0mPa・secである。
(1)色材あるいはさらに分散樹脂粒子をあらかじめ混合(混練)した後、必要に応じて分散剤を用いてキャリア液に分散し、荷電調整剤を加える方法。
(2)色材、あるいはさらに分散樹脂粒子および分散剤を、キャリア液に同時に添加して、分散し、荷電調整剤を加える方法。
(3)色材および荷電調整剤、あるいはさらに分散樹脂粒子および分散剤を、同時にキャリア液に添加して、分散する方法。
12 ノズルプレート
14 吐出エリア
16a、16b 電極エリア
18a、18b バッファ基板
20 電圧印加手段
22 駆動電源
23 バイアス電源
24 制御部
26 制御電極
27a〜27d ビア
28a〜28d 外部電極パッド
29a〜29d 配線
34 保持手段
36 インク循環系
40 支持基板
41 インクガイド
42 吐出基板
46 多層配線
47 シールド電極
48 吐出口
49 インク流路
50a 第1の貫通孔
50b 第2の貫通孔
56 インク循環手段
58 インク供給流路
60 インク回収流路
62 対向電極
64 対向バイアス電源
Claims (4)
- 帯電粒子が分散された溶液に静電力を作用させて、前記溶液の液滴を吐出させる液体吐出ヘッドであって、
前記液滴を吐出する複数の吐出口が形成された絶縁性の吐出基板と、
前記吐出基板に対向して、所定間隔離間して配置され、前記吐出基板との間に溶液の流路を形成するヘッド基板と、
前記吐出口の個々に対応して配置される、前記溶液に静電力を作用させる制御電極と、
前記ヘッド基板の前記吐出基板側の前記吐出口に対応する位置に配置され、前記貫通孔を通過して、先端部が前記吐出基板の液滴吐出側に突出する溶液ガイドとを有し、
前記吐出基板は、前記各制御電極に接続される配線が少なくとも2層、層間絶縁層により絶縁されて設けられており、
前記吐出口は、前記吐出基板の前記ヘッド基板側から形成された第1の貫通孔、および前記第1の貫通孔に連通し、前記第1の貫通孔よりも開口部が大きい第2の貫通孔を備え、
さらに、前記吐出基板の表面ならびに前記第2の貫通孔の内面に撥液膜が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記溶液ガイドは、前記先端部が前記液滴吐出側に向かって次第に細くなる先端形状を有する請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
- 請求項1または2に記載の液体吐出ヘッドを有し、画像データに応じた画像を記録媒体上に記録することを特徴とする画像記録装置。
- 液滴を吐出する複数の吐出口が形成された絶縁性の吐出基板を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
配線が少なくとも2層、層間絶縁層により絶縁されて設けられた多層基板において、前記多層基板の最下層の配線を形成する際に、前記最下層の配線とともに、ダミー電極を前記吐出口の形成予定領域に形成する工程と、
前記多層基板における前記吐出口の形成予定領域以外の領域にマスクを形成し、前記多層基板の前記吐出口の形成予定領域に前記ダミー電極に達する開口部を形成する工程と、
前記ダミー電極を除去する工程と、
前記多層基板の表面および前記開口部の内面に撥液層を形成する工程と、
前記撥液層が形成された前記開口部の底部に、前記開口部よりも径が小さい貫通孔を形成する工程とを有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
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