JP2009090563A - 液滴吐出ヘッドとその製造方法及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】透湿防止機能を有し、効率よく製造された長尺の振動板を有する液滴吐出ヘッドを得る。
【解決手段】樹脂層２０１を有する振動板１０２の圧電素子１２１の端面を接着接合する凸形状部２０２ａを形成するための無機材料層２０２の一部を利用し、かつ、凸形状部２０２ａを形成のための工程をそのまま利用して圧電素子１２１の伸縮に応じて変位するダイアフラム部に樹脂層２０１の透湿防止膜となる無機材料層２０２の薄層２０３を形成して、製造コストを抑えながら樹脂層２０１の透湿を防止できる振動板１０２を形成することができ、安価で信頼性の高い液滴吐出ヘッドを得る。
【選択図】 図２

Description

この発明は、液滴吐出ヘッドとその製造方法及び液滴吐出ヘッドを使用した画像形成装置、特に液滴吐出ヘッドの振動板と振動板の製造に関するものである。

一般的な画像形成装置以外に液晶ディスプレー等のカラーフィルター製造装置や、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極製造装置あるいはバイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射等に液滴吐出ヘッドが使用されている。

例えば近年のインクジェット方式の記録装置は、高速化と高画質化が急速に進んでいるが、その対応策として液滴吐出ヘッドの長尺化、フルライン化が検討されている。この長尺の液滴吐出ヘッドを製造するには数多くの技術的課題が存在しており、開発努力が続けられている。その課題の一つとして、アクチュエータのエネルギーを液室内の記録液に伝えるための振動板の製造も艱難な課題とされていて、従来のエレクトロフォーミング（電鋳）工法による製造方法は長尺ヘッドに対応することが困難とされている。

この課題の対応策として特許文献１や特許文献２、特許文献３に示されているに、薄膜樹脂材料をフィルム状にして振動板を形成するようにしている。特許文献１に示された振動板は、樹脂フィルムに一層以上の金属薄膜を備え、この金属薄膜上に圧電素子接合用の凸部を析出形成している。また、特許文献２に示された振動板は、高分子樹脂膜とエッチング可能な無機質膜との積層体で形成し、無機質膜をエッチング加工して圧力変換器が当接する剛体突起部を形成している。

このように振動板を樹脂材料で形成すると、振動板は直接記録液に触れているため、記録液の水分が樹脂材料を透過して蒸発してしまう現状が発生し、圧電素子を使用する液吐出ヘッドでは圧電素子周辺が高湿になることから、積層圧電素子内電極でマイグレーション現象が発生し、長期信頼性に問題が発生することが確認されている。また、液室内の水分が失われることから、長期間使用しない状態が続くと、液室内の記録液の粘度が上昇して正常な液吐出ができなくなったり、吐出不能になることも確認されている。

これに対して特許文献３に示された振動板は、樹脂フィルムからなる弾性体膜の圧力室に対応する部分と共通液室のコンプライアンスを異ならせるために、圧力室に対応した島部周辺の部分の厚さを共通液室の部分の厚さよりも厚くなるように、弾性体膜の表面に無機質の薄膜を島部をも覆うように形成して、樹脂材料で形成された振動板からの水分蒸発を防ぐようにしている。
特許第３１９１５５７号公報 特許第３２０８７７５号公報 特許第３８０４４１５号公報

特許文献３に示すように、樹脂材料で形成された振動板に透湿防止膜を新たに設けると、通常の振動板製造工程に対して工数が増えるとともに材料費が増加して大きなコストアップとなってしまう。

また、樹脂層を有する振動板は、高温を加えて処理する製造方法では樹脂層が変質してしまうおそれがある。

さらに、圧電素子と当接する振動板凸部は圧電素子端部と接着剤接合されるのが一般的であるが、接合する材料によっては接着剤の接着性が余りよくないものが多く、接着剤選定を困難にしている。すなわち、接着剤は、圧電素子の機械振動変位をダンピングすることなく振動板に伝えるとともに、硬化特性（温度、時間など）、密着力、長期信頼性などを全て満足する必要があるため、接着する相手材料を選ぶことが多い。このため透湿防止の機能を有する材料を接着することは困難となることが多い。

この発明は、このような短所を改善し、透湿防止機能を有し、効率よく製造された長尺の振動板を有する液滴吐出ヘッドとその製造方法及び画像形成装置を提供することを目的とするものである。

この発明の液滴吐出ヘッドは、ノズルと、前記ノズルに連通する加圧液室と、前記加圧液室の少なくとも一壁面を形成し、樹脂層を有する振動板と、前記振動板の前記加圧液室が形成された側とは反対側に設けられた圧電素子とを有する液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板は、無機材料で形成され、前記圧電素子と接合される凸形状部と、前記圧電素子の伸縮に応じて変位するダイアフラム部とを有し、前記ダイアフラム部は、前記樹脂層と、前記樹脂層の圧電素子側の表面に形成され、前記凸形状部と同じ材料の無機材料層とを有することを特徴とする。

この発明の他の液滴吐出ヘッドは、ノズルと、前記ノズルに連通する加圧液室と、前記加圧液室の少なくとも一壁面を形成し、樹脂層を有する振動板と、前記振動板の前記加圧液室が形成された側とは反対側に設けられた圧電素子とを有する液体吐出ヘッドにおいて、前記振動板は、前記圧電素子と接合される第１の無機材料からなる凸形状部と、前記圧電素子の伸縮に応じて変位するダイアフラム部とを有し、前記ダイアフラム部は、前記樹脂層と、前記樹脂層の圧電素子側の表面に形成され、前記第１の無機材料とは異なる無機材料の第２の無機材料層とを有することを特徴とする。

前記ダイアフラム部に形成された無機材料層は、金属材料で形成されていることを特徴とする。

この発明の液滴吐出ヘッドの製造方法は、無機材料層と樹脂層が積層された積層板の前記無機材料層上に感光性樹脂層を設ける工程と、前記感光性樹脂層を露光現像してパターニングを行う工程と、前記感光性樹脂層のパターニング形状にそって前記無機材料層をエッチングする工程と、前記パターニングされた感光性樹脂層を除去する工程とにより凸形状部とダイアフラム部を有する振動板を形成する液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記エッチング工程は、前記ダイアフラム部に凸形状形成部材である無機材料層を層状に一部残してエッチングを終了することを特徴とする。

この発明の第２の液滴吐出ヘッドの製造方法は、無機材料からなる板状の第１の無機材料層の一方の面に、第１の無機材料層と異なる無機材料からなる第２の無機材料層を被覆する工程と、前記第１の無機材料層に形成された前記第２の無機材料層の表面に樹脂層を形成する工程と、前記第１の無機材料層の前記第２の無機材料層が形成された面と反対面に感光性樹脂層を設ける工程と、前記感光性樹脂を露光現像してパターニングを行う工程と、前記感光性樹脂層のパターニング形状にそって前記第１の無機材料層をエッチングする工程と、前記パターニングされた感光性樹脂層を除去する工程とにより凸形状部とダイアフラム部を有する振動板を形成することを特徴とする。

前記第２の無機材料層は、セラミック材料又はエッチングにおけるエッチングレートが前記第１の無機材料層のエッチングレートよりも小さい材料で形成されていることを特徴とする。

この発明の第３の液滴吐出ヘッドの製造方法は、樹脂層と第１の無機材料層が積層された積層板の前記第１の無機材料層の表面に感光性樹脂層を設けた後、露光現像してパターニングを行う工程と、前記感光性樹脂層のパターニング形状にそって前記第１の無機材料層をエッチングする工程と、前記エッチングした第１の無機材料層の面と前記感光性樹脂層のパターニング面に第２の無機材料層を被覆する工程と、前記第２の無機材料層を被覆した前記感光性樹脂層を除去する工程とにより凸形状部とダイアフラム部を有する振動板を形成することを特徴とする。

前記第２の無機材料層は、スパッタ法あるいは真空蒸着法又はプラズマＣＶＤ法のいずれかで形成されていることを特徴とする。

この発明の画像形成装置は、液滴を液滴吐出ヘッドから吐出して記録媒体に付着させて記録する画像形成装置であって、前記液滴吐出ヘッドは、前記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。

この発明は、樹脂層を有する振動板の圧電素子の端面を接着接合する凸形状部を形成するための無機材料層の一部を利用し、かつ、凸形状部を形成のための工程をそのまま利用して圧電素子の伸縮に応じて変位するダイアフラム部に樹脂層の透湿防止膜となる無機材料層の薄層を形成することにより、製造コストを抑えながら樹脂層の透湿を防止できる振動板を形成することができ、安価で信頼性の高い液滴吐出ヘッドを得ることができる。

また、樹脂層を有する振動板の圧電素子と接合される凸形状部を第１の無機材料層で形成し、圧電素子の伸縮に応じて変位するダイアフラム部は、樹脂層と、樹脂層の圧電素子側の表面に形成され、第１の無機材料とは異なる無機材料の第２の無機材料層と形成することにより、ダイアフラム部の厚さを精度良く均一にすることができ、画像品質に影響を及ぼす吐出滴の吐出特性を安定させて、高品質な画像を安定して形成することができる。

また、ダイアフラム部に形成された無機材料層を金属材料で形成することにより、透湿防止と耐食性を向上することができ、耐久性を高めることができる。

また、無機材料からなる第１の無機材料層と第１の無機材料層と異なる無機材料からなる第２の無機材料層及び樹脂層からなる振動板のダイアフラム部に形成された第２の無機材料層をセラミック材料又はエッチングレートが第１の無機材料層のエッチングレートよりも小さい材料で形成することにより、第１の無機材料層の凸形状部をエッチングで形成するとき、第２の無機材料層がエッチングされることを抑制して、樹脂層と第２の無機材料層で形成するダイアフラム部の厚さがばらつくことはなく特性の均一な振動板を得ることができる。

また、樹脂層に第２の無機材料層を形成するとき、第２の無機材料層を、スパッタ法あるいは真空蒸着法又はプラズマＣＶＤ法のいずれかで形成することにより、熱により樹脂層が変質することを防止でき、ダイアフラム部を均一にすることができ、安定した吐出特性を得ることができる。

この発明の画像形成装置は、液滴を吐出して記録媒体に付着させる液滴吐出ヘッドの振動板のダイアフラム部を樹脂層と無機材料層の積層体で形成することにより、画像品質に影響を及ぼす吐出滴の吐出特性を長期間安定させて、長期間にわたり記録品質の低下や故障などを防止して、信頼性の高い画像形成装置を提供することができる。

図１は、この発明の画像形成装置における記録ユニットを構成する液滴吐出ヘッド３４の構成を示し、（Ａ）は液室長手方向に沿う部分断面図、（Ｂ）は液室短手方向（ノズルの並び方向）の部分断面図である。液室吐出ヘッド３４は、例えば単結晶シリコン基板を異方性エッチングして形成した流路板１０１と、流路板１０１の下面に接合した例えば金属材料層と樹脂材料層等で形成した振動板１０２と、流路板１０１の上面に接合したノズル板１０３とを接合して積層し、これらによって液滴（インク滴）を吐出するノズル１０４が連通する流路であるノズル連通路１０５と液室１０６と液室１０６にインクを供給するための共通液室１０８に連通するインク供給口１０９などを形成している。

また、振動板１０２を変形させて液室１０６内のインクを加圧するための圧力発生手段（アクチュエータ手段）である電気機械変換素子としての２列｛（Ｂ）では１列のみ図示｝の積層型圧電素子１２１と、圧電素子１２１を接合固定するベース基板１２２とを備えている。圧電素子１２１の間には支柱部１２３を設けている。この支柱部１２３は圧電素子部材を分割加工することで圧電素子１２１と同時に形成した部分であるが、駆動電圧を印加しないので単なる支柱となる。また、圧電素子１２１には図示しない駆動回路（駆動ＩＣ）を搭載したＦＰＣケーブル１２を接続している。

そして、振動板１０２の周縁部をフレーム部材１３０に接合し、このフレーム部材１３０には、圧電素子１２１及びベース基板１２２などで構成されるアクチュエータユニットを収納する貫通部１３１と共通液室１０８となる凹部及び共通液室１０８に外部からインクを供給するためのインク供給穴１３２を形成している。このフレーム部材１３０は、例えばエポキシ系樹脂などの熱硬化性樹脂或いはポリフェニレンサルファイトで射出成形により形成している。

ここで、流路板１０１は、例えば結晶面方位（１１０）の単結晶シリコン基板を水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）などのアルカリ性エッチング液を用いて異方性エッチングすることによりノズル連通路１０５と液室１０６となる凹部や穴部を形成したものであるが、単結晶シリコン基板に限られるものではなく、その他のステンレス基板や感光性樹脂などを用いることもできる。

振動板１０２は、従来ニッケルの金属プレートから形成したもの、例えばエレクトロフォーミング法（電鋳法）で作製したものが使用されてきたが、この発明では金属と樹脂板とを積層した部材を用いている。この振動板１０２に圧電素子１２１及び支柱部１２３を接着剤接合し、更にフレーム部材１３０を接着剤接合している。

ノズル板１０３は各液室１０６に対応して直径１０〜３０μｍのノズル１０４を形成し、流路板１０１に接着剤接合している。このノズル板１０３は、金属部材からなるノズル形成部材の表面に所要の層を介して最表面に撥水層を形成したものである。

圧電素子１２１は、圧電材料１５１と内部電極１５２とを交互に積層した積層型圧電素子（ここではＰＺＴ）である。この圧電素子１２１の交互に異なる端面に引き出された各内部電極１５２には個別電極１５３及び共通電極１５４が接続されている。この圧電素子１２１の圧電方向としてｄ３３方向の変位を用いて液室１０６内インクを加圧する構成としているが、圧電素子１２１の圧電方向としてｄ３１方向の変位を用いて加圧液室１０６内インクを加圧する構成とすることもできる。また、１つの基板１２２に１列の圧電素子１２１が設けられる構造とすることもできる。

このように構成した液滴吐出ヘッド３４においては、例えば圧電素子１２１に印加する電圧を基準電位から下げることによって圧電素子１２１が収縮し、振動板１０２が下降して液室１０６の容積が膨張することにより、液室１０６内にインクが流入し、その後、圧電素子１２１に印加する電圧を上げて圧電素子１２１を積層方向に伸長させ、振動板１０２をノズル１０４方向に変形させて液室１０６の容積／体積を収縮させることにより、液室１０６内の記録液が加圧され、ノズル１０４から記録液の滴が吐出（噴射）される。その後、圧電素子１２１に印加する電圧を基準電位に戻すことによって振動板１０２が初期位置に復元し、液室１０６が膨張して負圧が発生して共通液室１０８から液室１０６内に記録液が充填される。そこで、ノズル１０４のメニスカス面の振動が減衰して安定した後、次の液滴吐出のための動作に移行する。なお、このヘッドの駆動方法については上記の例（引き−押し打ち）に限るものではなく、駆動波形の与えた方によって引き打ちや押し打ちなどを行なうこともできる。

この液滴吐出ヘッド３４に使用する振動板１０２について具体的に説明する。図２の部分断面図に示すように、振動板１０２は樹脂層２０１と無機材料層２０２とが積層されて形成されている。樹脂層２０１の材料は、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、アラミド樹脂などが適用できるが、エッチング液への耐性、使用液に対する耐性、振動膜としての特性などからポリイミド樹脂がより適している。この樹脂層２０１の成膜方法は、蒸着等の真空成膜法、浸漬法、ロールコート法、スプレー法、注型法などを利用して行うことができる。無機材料層２０２は液室１０６に対向する部分には、表面に圧電素子１２１の端面が接着接合される島状突起である凸部２０２ａが形成され、その周囲は掘り込んだ凹部２０４が形成されている。この凹部２０４に相当する部分は、樹脂層２０１がダイアフラムとして機能する構成となっており、圧電素子１２１の伸縮で容易に変位可能な形状となっている。無機材料層２０２の凹部２０４は樹脂層２０１までは達しておらず、無機材料の薄層２０３が残された形状となっている。この薄層２０３は、液室１０６に記録液が充填されたときに、樹脂層２０１を透過して記録液の水分が圧電素子１２１の周辺に到達することの無いようにするための透湿防止膜として機能している。

この無機材料層２０２の材料については、透湿が少なく凹部２０４が形成できるものなら適用可能であるが、鉄、銅、アルミニウム、ニッケルなどの金属が適しており、中でもステンレス鋼が耐食性などに優れ好適である。また、薄層２０３の厚みは、透湿防止が可能な範囲でできるだけ薄い方が圧電素子１２１の変位に影響を与えないので良いが、ピンホールなどの発生防止も考えると0.5μｍ〜４μｍ程度にするのが良い。また、薄層２０３の形成方法によっては、薄層２０３の厚さバラツキが少なかったり、ピンホール等の心配がない場合は、例えば0.05μｍ程度の厚さとしても良い。なお、樹脂層２０１は例えばポリイミドで６μｍ、無機材料層２０２は例えばステンレス箔で20μｍとしている。

この振動板１０２の製造方法について図３を参照して説明する。まず、図３（Ａ）に示すように、凹部２０４が形成されていない無機材料層２０２と樹脂層２０１とを積層する。この積層の方法は、例えばステンレス箔に樹脂フィルムを接着剤接合、熱溶着をしても良いし、ステンレス鋼箔に液状樹脂材料を塗布して成膜しても良い。こうして形成された積層部材の無機材料層２０２の表面に、図３（Ｂ）に示すように、感光性樹脂層２０５を均一に積層する。感光性樹脂層２０５は、周知のフォトリソグラフィープロセスで使用される液体レジストを塗布しても良いし、ドライフィルムレジストをラミネートしても良い。その後、所定パターンで露光、現像することでエッチングする部分を露出させる。このエッチングする部分を露出させた感光性樹脂層２０５でカバーされた無機材料層２０２をエッチングすることにより、図３（Ｃ）に示すように、無機材料層２０２に凹部２０４と凹部２０４の底面の薄層２０３が得られる。このエッチングは、ウエットエッチングでも良いし、ドライエッチングでも良いが、ここでは塩化第二鉄を使用するウエットエッチングを利用した。このエッチングするとき、エッチング条件を厳密に管理して薄層２０３を所定厚さ残した状態で停止する。その後、残っている感光性樹脂層２０５を除去することにより、図２に示す振動板１０２を作製することができる。

このように圧電素子１２１の端面を接着接合する凸部２０２ａを形成するための無機材料層２０２の一部を利用し、かつ、凸部２０２ａを形成のための工程をそのまま利用して樹脂層２０１の透湿防止膜となる薄層２０３を形成することができ、製造コストを抑えながら樹脂層２０１の透湿を防止できる振動板１０２を形成することができる。

次に第２の振動板１０２ａについて説明する。第２の振動板１０２ａは、図４の部分断面図に示すように、樹脂層２０１と無機材料層２０２の間に別に第２の無機材料層２０６を介在して構成している。この振動板１０２ａの第２の無機材料層２０６は、無機材料層２０２に対して島状突起である凸部２０２ａを形成するためにエッチングするエッチング液に対するエッチングレートが小さい材料となっている。すなわち無機材料層２０２のエッチングをして凹部２０４を形成している工程で第２の無機材料層２０６が露出した時点でエッチングが殆ど進まなくなるため、エッチングの進行バラツキを考慮して十分にエッチングしても、樹脂層２０１と第２の無機材料層２０６で形成するダイアフラム部の厚さがばらつくことはなく特性の均一な振動板１０２ａを得ることができる。

この第２の無機材料層２０６はエッチングされないか、あるいはエッチングレートが非常に小さい材料であって、かつ透湿の小さい材料である必要があり、塩化第二鉄でもエッチングされない金属膜チタンやアルミナ等のセラミック材料を使用すれば良い。

ここで第２の無機材料層２０６は無機材料層２０２に形成しても良いし、樹脂層２０１に形成しても良い。樹脂層２０１がフィルム状のものであれば、無機材料層２０２に形成しても良いし樹脂層２０１に形成しても良いが、樹脂層２０１が液状材料を無機材料層２０２にコートする方法の場合は、無機材料層２０２に形成すれば良い。また、第２の無機材料層２０６の形成方法としては、選択する材料種によってスパッタリング法、真空蒸着法、プラズマＣＶＤ法、薄膜印刷法等から適切な方法を選択すれば良いが、膜厚が薄く精度良く成膜できるスパッタリング法、真空蒸着法、プラズマＣＶＤ法がより好適である。

次に第２の振動板１０２ａの製造方法を図５の工程図を参照して説明する。図５（Ａ）に示すように、所定長さにカットされたシート状形態又はロール状形態の無機材料層２０２を準備し、図５（Ｂ）に示すように、無機材料層２０２の片側表面に第２の無機材料層２０６をコートする。この第２の無機材料層２０６の形成方法としては、選択する材料種によってスパッタリング法、真空蒸着法、プラズマＣＶＤ法、薄膜印刷法等から適切な方法を選択することができる。次に図５（ｃ）に示すように、第２の無機材料層２０６の表面に樹脂層２０１を形成する。この樹脂層２０１の積層の方法は、第２の無機材料層２０６の表面に樹脂フィルムを接着剤接合、熱溶着をしても良いし、液状樹脂材料を薄層塗布した後、加熱乾燥定着させる方法で成膜しても良い。

次に、図５（Ｄ）に示すように、無機材料層２０２の表面に感光性樹脂層２１１を積層する。この感光性樹脂層２１１は、周知のフォトリソグラフィープロセスで使用される液体レジストを塗布しても良いし、ドライフィルムレジストをラミネートしても良い。次に、図５（Ｅ）に示すように、感光性樹脂層２１１に所定のパターンが形成されたフォトマスク２１２を通して紫外光２１３を照射して感光性樹脂層２１１を選択的に露光する。次に、図５（Ｆ）に示すように、露光した感光性樹脂層２１１を現像して露光部２１１ａを残し、図５（Ｇ）に示すように、感光性樹脂層の露光部２１１ａでカバーされた無機材料層２０２を選択的にエッチングして島状の凸部２０２ａを形成する。このエッチングはウエットエッチングでも良いし、ドライエッチングでも良いが、ここでは塩化第二鉄を使用するウエットエッチングを利用した。この工程で無機材料層２０２のエッチングが進み第２の無機材料層２０６が露出した時点で事実上深さ方向へのエッチングは停止し、第２の無機材料層２０６が現れた状態が得られる。次に、図５（Ｈ）に示すように、感光性樹脂層の露光部２１１ａを除去することにより、樹脂層２０１に第２の無機材料層２０６が積層され、さらに島状の凸部２０２ａが形成された振動板１０２ａを得ることができる。

このように、樹脂層２０１と第２の無機材料層２０６でダイアフラム部を形成することにより、ダイアフラム部の厚さを精度良く均一にすることができ、画像品質に影響を及ぼす吐出滴の吐出特性を安定させて、高品質な画像を安定して形成することができる。

次に第３の振動板１０２ｂについて説明する。第３の振動板１０２ｂは、図６の部分断面図に示すように、樹脂層２０１と無機材料層２０２で形成された島状突起である凸部２０２ａの表面を除いた部分に例えばニッケル材料で形成された無機材料層２１０を有し、樹脂層２０１と無機材料層２１０でダイアフラム部を形成している。

この第３の振動板１０２ｂの製造方法を図７の工程図を参照して説明する。まず、図７（Ａ）に示すように、所定長さにカットされた無機材料層２０２を準備し、図７（Ｂ）に示すように、無機材料層２０２の片側表面に樹脂層２０１を形成する。樹脂層２０１の積層の方法は、無機材料層２０２の上に樹脂フィルムを接着剤接合または熱溶着をしても良いし、液状樹脂材料を薄層塗布した後、加熱乾燥定着させる方法で成膜しても良い。次に、図７（Ｃ）に示すように、無機材料層２０２の表面に感光性樹脂層２１１を積層する。この感光性樹脂層２１１は周知のフォトリソグラフィープロセスで使用される液体レジストを塗布しても良いし、ドライフィルムレジストをラミネートしても良い。次に、図７（Ｄ）に示すように、所定パターンの形成されたフォトマスク２１２を通して紫外光２１３を照射して感光性樹脂層２１１を選択的に露光した後、図７（Ｅ）に示すように、露光した感光性樹脂層２１１を現像して露光部２１１ａを残す。次に、図７（Ｆ）に示すように、残った感光性樹脂層２１１の露光部２１１ａでカバーされた無機材料層２０２を選択的にエッチングして島状突起である凸部２０２ａを形成する。このエッチングはウエットエッチングでも良いし、ドライエッチングでも良いが、塩化第二鉄を使用するウエットエッチングを利用した。このエッチング工程で無機材料層２０２のエッチングが進んで樹脂層２０１が露出した時点で、樹脂層２０１はエッチング液にエッチングされないため、エッチングは停止し、エッチングした凹部に均一に樹脂層２０１が現れた状態が得られる。次に、図７（Ｇ）に示すように、島状突起である凸部２０２ａ側から無機材料をコーティングし無機材料層２１０を形成する。この無機材料層２１０の形成方法は、第２の振動板１０２ａと同様な方法で、選択する材料種によってスパッタリング法、真空蒸着法、プラズマＣＶＤ法、薄膜印刷法等から適切な方法を選択すれば良い。その後、図７（Ｈ）に示すように、感光性樹脂層２１１の露光部２１１ａを除去することにより、島状突起である凸部２０２ａの表面は無機材料層２１０がないが露出した状態になり、第３の振動板１０２ｂを得ることができる。

このように樹脂層２０１と無機材料層２１０でダイアフラム部を形成することにより、ダイアフラム部の厚さを精度良く均一にすることができる。また、島状突起である凸部２０２ａの表面には無機材料層２１０が設けられていないから、後工程で液滴吐出ヘッドを組み立てるとき、圧電素子を接着するときの接着剤の選択肢が増え、信頼性の高い接着接合が可能となる。すなわち無機材料層２１０の材料は、樹脂層２０１との密着性とか透湿防止性能を優先して選定されるが、そういう条件で選定される材料は必ずしも接着剤接合に適したものにならないことが多く、これを考慮する結果、凸部２０２ａの表面には無機材料層２１０が設けないようにしたのである。この無機材料層２１０としてはニッケル材料に限らず種々な無機材料が選択できる。

次に振動板１０１，１０２ａ，１０２ｂのいずれかを使用した液滴吐出ヘッド３４を備えた画像形成装置にについて、図８〜図１０の構成図を参照して説明する。図８は画像形成装置を前方側から見た斜視説明図、図９は画像形成装置の機構部の全体構成を示す概略構成図、図１０は機構部の要部平面図である。

図８に示すように、画像形成装置は、装置本体１と、装置本体１に装着された記録用紙を装填するための給紙トレイ２と、装置本体１に着脱自在に装着されて画像が記録（形成）された記録用紙を排紙してストックするための排紙トレイ３とを備えている。装置本体１の前面の一端部側（給排紙トレイ部の側方）には、前面から装置本体１の前方側に突き出し、上面よりも低くなったインクカートリッジを装填するためのカートリッジ装填部４を有し、このカートリッジ装填部４の上面は操作ボタンや表示器などを設ける操作／表示部５としている。

このカートリッジ装填部４には、色の異なる液体（インク）、例えば黒（Ｋ）インク、シアン（Ｃ）インク、マゼンタ（Ｍ）インク、イエロー（Ｙ）インクをそれぞれ収容した複数の液体カートリッジ１０ｋ、１０ｃ、１０ｍ、１０ｙ（色を区別しないときは液体カートリッジ１０という。）を、装置本体１の前面側から後方側に向って挿入して装填可能とし、このカートリッジ装填部４の前面側には、液体カートリッジ１０を着脱するときに開く前カバー（カートリッジカバー）６を開閉可能に設けている。

この画像形成装置の機構部は、図１０の要部平面図に示すように、フレーム２０を構成する左右のメイン側板２１Ａ、２１Ｂに横架した主ガイドロッド３１と従ガイドロッド３２とでキャリッジ３３を主走査方向に摺動自在に保持し、図示しない主走査モータによってタイミングベルトを介して図１０で矢示方向（キャリッジ主走査方向）に移動走査する。このキャリッジ３３には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の各色の液滴を吐出する複数のノズル列を有する液滴吐出ヘッド３４を複数のノズル（吐出口）を主走査方向と交叉する方向に配列し、液滴吐出方向を下方に向けて装着している。液滴吐出ヘッド３４は、圧電素子などの圧電アクチュエータを、液滴を吐出するための圧力を発生する圧力発生手段として備えたものとして使用できる。

また、キャリッジ３３には、各液滴吐出ヘッド３４に各色の液体を供給するための各色の液体タンク３５（一体でもよい）を搭載している。この各色の液体タンク３５には各色の可撓性を有する供給チューブ３６を介して、カートリッジ装填部４に装着された各色の液体カートリッジ１０から各色の液体が補充供給される。このカートリッジ装填部４には液体カートリッジ１０内の液体を送液するための送液手段である供給ポンプユニット３５が設けられている。なお、供給チューブ３６は前ステー２９上に保持部材３７にて途中部分が保持されている。

また、図９に示すように、給紙トレイ２の用紙積載部（圧板）４１上に積載した記録用紙４２を給紙するための給紙部として、用紙積載部４１から記録用紙４２を１枚ずつ分離給送する半月コロ（給紙コロ）４３及び給紙コロ４３に対向し、摩擦係数の大きな材質からなる分離パッド４４を備え、この分離パッド４４は給紙コロ４３側に付勢されている。そして、給紙部から給紙された記録用紙４２を液滴吐出ヘッド３４の下方側に送り込むために、記録用紙４２を案内するガイド部材４５と、カウンタローラ４６と、搬送ガイド部材４７と、先端加圧コロ４９を有する押さえ部材４８とを備えるとともに、給送された記録用紙４２を静電吸着して液滴吐出ヘッド３４に対向する位置で搬送するための搬送手段である搬送ベルト５１を備えている。

この搬送ベルト５１は、無端状ベルトであり、搬送ローラ５２とテンションローラ５３との間に掛け渡されて、ベルト搬送方向（副走査方向）に周回するように構成している。また、この搬送ベルト５１の表面を帯電させるための帯電手段である帯電ローラ５６を備えている。この帯電ローラ５６は、搬送ベルト５１の表層に接触し、搬送ベルト５１の回動に従動して回転するように配置されている。さらに、搬送ベルト５１の裏側には、液滴吐出ヘッド３４による印写領域に対応してプラテン部となるガイド部材５７を配置している。この搬送ベルト５１は、図示しない副走査モータによってタイミングを介して搬送ローラ５２が回転駆動されることによってベルト搬送方向に周回移動する。

さらに、液滴吐出ヘッド３４で記録された記録用紙４２を排紙するための排紙部として、搬送ベルト５１から記録用紙４２を分離するための分離爪６１と、排紙ローラ６２及び排紙コロ６３とを備え、排紙ローラ６２の下方に排紙トレイ３を備えている。

また、装置本体１の背面部には両面ユニット７１が着脱自在に装着されている。この両面ユニット７１は搬送ベルト５１の逆方向回転で戻される記録用紙４２を取り込んで反転させて再度カウンタローラ４６と搬送ベルト５１との間に給紙する。この両面ユニット７１の上面は手差しトレイ７２としている。

また、図１０に示すように、キャリッジ３３の走査方向一方側の非印字領域には、液滴吐出ヘッド３４のノズルの状態を維持し、回復するための回復手段を含む維持回復機構８１を配置している。この維持回復機構８１には、液滴吐出ヘッド３４の各ノズルを一括してキャピングするためのキャップ部材８２と、ノズル面をワイピングするためのブレード部材であるワイパーブレード８３と、増粘した液体を排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行うときの液滴を受ける空吐出受け８４などを備えている。そして、この維持回復機構８１による維持回復動作で生じる記録液の廃液、キャップ８２に排出された液体、あるいはワイパーブレード８３に付着してワイパークリーナ８５で除去された液体、空吐出受け９４に空吐出されたインクは図示しない廃液タンクに排出されて収容される。

また、図１０に示すように、キャリッジ３３の走査方向他方側の非印字領域には、記録中などに増粘した液体を排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行うときの液滴を受ける空吐出受け８８を配置し、この空吐出受け８８には液滴吐出ヘッド３４のノズル列方向に沿った開口部８９などを備えている。

このように構成した液滴吐出ヘッド３４を備えた画像形成装置においては、給紙トレイ２から記録用紙４２が１枚ずつ分離給紙され、略鉛直上方に給紙された記録用紙４２はガイド４５で案内され、搬送ベルト５１とカウンタローラ４６との間に挟まれて搬送され、更に先端を搬送ガイド３７で案内されて先端加圧コロ４９で搬送ベルト５１に押し付けられ、略９０度搬送方向を転換される。このとき、図示しない制御部のＡＣバイアス供給部から帯電ローラ５６に対してプラス出力とマイナス出力とが交互に繰り返すように、つまり交番する電圧が印加され、搬送ベルト５１が交番する帯電電圧パターン、すなわち、周回方向である副走査方向に、プラスとマイナスが所定の幅で帯状に交互に帯電されたものとなる。このプラス、マイナス交互に帯電した搬送ベルト５１上に記録用紙４２が給送されると、記録用紙４２が搬送ベルト５１に吸着され、搬送ベルト５１の周回移動によって記録用紙４２が副走査方向に搬送される。そこで、キャリッジ３３を移動させながら画像信号に応じて液滴吐出ヘッド３４を駆動することにより、停止している記録用紙４２に液滴を吐出して１行分を記録し、記録用紙４２を所定量搬送後、次の行の記録を行う。記録終了信号又は記録用紙４２の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了して、記録用紙４２を排紙トレイ３に排紙する。

また、印字（記録）待機中にはキャリッジ３３は維持回復機構８１側に移動されて、キャップ部材８２で液滴吐出ヘッド３４の吐出面がキャッピングされて、ノズルを湿潤状態に保つことにより液体乾燥による吐出不良を防止する。また、キャップ部材８２で液滴吐出ヘッド３４の吐出面をキャッピングした状態で、図示しない吸引ポンプによってノズルから記録液を吸引し、増粘した液体を排出する回復動作を行う。また、記録開始前、記録途中などに記録と関係しない液体を吐出する空吐出動作を行う。これによって、液滴吐出ヘッド３４の安定した吐出性能を維持する。

この画像形成装置の液滴吐出ヘッド３４に振動板１０１，１０２ａ，１０２ｂのいずれかを使用することにより、高品質の液滴吐出ヘッド３４を低コストで製造することができ、高画質な画像を形成することができる。

また、振動板１０１，１０２ａ，１０２ｂのいずれかを使用した液滴吐出ヘッド３４は、プリンタ、ファクシミリ装置、複写装置、これらの複合機などにも適用することができるとともに、インク以外の液体、例えばＤＮＡ試料やレジスト、パターン材料などを吐出する液滴吐出装置等にも適用することができる。

この発明の液滴吐出ヘッドの構成を示す部分断面図である。 液滴吐出ヘッドの振動板の構成を示す部分断面図である。 振動板の製造方法を示す工程図である。 第２の振動板の構成を示す部分断面図である。 第２の振動板の製造方法を示す工程図である。 第３の振動板の構成を示す部分断面図である。 第３の振動板の製造方法を示す工程図である。 この発明の画像形成装置の外観を示す斜視図である。 この発明の画像形成装置の機構部を示す概略構成図である。 この発明の画像形成装置の機構部を示す要部平面図である。

符号の説明

１；装置本体、２；給紙トレイ、３；排紙トレイ、４；カートリッジ装填部、
５；操作／表示部、１０；液体カートリッジ、３３；キャリッジ、
３４；液滴吐出ヘッド、１０１；流路板、１０２；振動板、１０３；ノズル板、
１０４；ノズル、１０５；ノズル連通路、１０６；液室、１０８；共通液室、
１２１；圧電素子、２０１；樹脂層、２０２；無機材料層、２０３；薄層、
２０５；感光性樹脂層、２０６；無機材料層、２１０；無機材料層。

Claims (9)

1. ノズルと、前記ノズルに連通する加圧液室と、前記加圧液室の少なくとも一壁面を形成し、樹脂層を有する振動板と、前記振動板の前記加圧液室が形成された側とは反対側に設けられた圧電素子とを有する液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記振動板は、無機材料で形成され、前記圧電素子と接合される凸形状部と、前記圧電素子の伸縮に応じて変位するダイアフラム部とを有し、
   前記ダイアフラム部は、前記樹脂層と、前記樹脂層の圧電素子側の表面に形成され、前記凸形状部と同じ材料の無機材料層とを有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. ノズルと、前記ノズルに連通する加圧液室と、前記加圧液室の少なくとも一壁面を形成し、樹脂層を有する振動板と、前記振動板の前記加圧液室が形成された側とは反対側に設けられた圧電素子とを有する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記振動板は、前記圧電素子と接合される第１の無機材料からなる凸形状部と、前記圧電素子の伸縮に応じて変位するダイアフラム部とを有し、
   前記ダイアフラム部は、前記樹脂層と、前記樹脂層の圧電素子側の表面に形成され、前記第１の無機材料とは異なる無機材料の第２の無機材料層とを有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
3. 前記ダイアフラム部に形成された無機材料層は、金属材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の液滴吐出ヘッド。
4. 無機材料層と樹脂層が積層された積層板の前記無機材料層上に感光性樹脂層を設ける工程と、前記感光性樹脂層を露光現像してパターニングを行う工程と、前記感光性樹脂層のパターニング形状にそって前記無機材料層をエッチングする工程と、前記パターニングされた感光性樹脂層を除去する工程とにより凸形状部とダイアフラム部を有する振動板を形成する液滴吐出ヘッドの製造方法において、
   前記エッチング工程は、前記ダイアフラム部に凸形状形成部材である無機材料層を層状に一部残してエッチングを終了することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
5. 無機材料からなる板状の第１の無機材料層の一方の面に、第１の無機材料層と異なる無機材料からなる第２の無機材料層を被覆する工程と、
   前記第１の無機材料層に形成された前記第２の無機材料層の表面に樹脂層を形成する工程と、
   前記第１の無機材料層の前記第２の無機材料層が形成された面と反対面に感光性樹脂層を設ける工程と、
   前記感光性樹脂を露光現像してパターニングを行う工程と、
   前記感光性樹脂層のパターニング形状にそって前記第１の無機材料層をエッチングする工程と、
   前記パターニングされた感光性樹脂層を除去する工程とにより凸形状部とダイアフラム部を有する振動板を形成することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
6. 前記第２の無機材料層は、セラミック材料又はエッチングにおけるエッチングレートが前記第１の無機材料層のエッチングレートよりも小さい材料で形成されていることを特徴とする請求項５記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
7. 樹脂層と第１の無機材料層が積層された積層板の前記第１の無機材料層の表面に感光性樹脂層を設けた後、露光現像してパターニングを行う工程と、
   前記感光性樹脂層のパターニング形状にそって前記第１の無機材料層をエッチングする工程と、
   前記エッチングした第１の無機材料層の面と前記感光性樹脂層のパターニング面に第２の無機材料層を被覆する工程と、
   前記第２の無機材料層を被覆した前記感光性樹脂層を除去する工程とにより凸形状部とダイアフラム部を有する振動板を形成することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
8. 前記第２の無機材料層が、スパッタ法あるいは真空蒸着法又はプラズマＣＶＤ法のいずれかで形成されていることを特徴とする請求項７又は８記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
9. 液滴を液滴吐出ヘッドから吐出して記録媒体に付着させて記録する画像形成装置であって、
   前記液滴吐出ヘッドは、請求項１乃至３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。

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