JP2791227B2 - インクジェット記録ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般にインクと呼ばれ
る記録液を微細口から小滴として吐出、飛翔させる記録
ヘッドの製造方法及びその製造方法で製造されたインク
ジェット記録ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のインクジェット記録装置、記録ヘ
ッド、インクタンク一体型の記録ユニットでは、微小液
滴を吐出させるもの、あるいは電気機械変換体、または
これらの複合体、さらには一対の電極を設けて、これに
より液滴を偏向して吐出させるものが知られている。

【０００３】これらの中でも、熱エネルギーを利用して
記録液を吐出するインクジェット記録ヘッドは、記録用
の液滴を吐出して飛翔用液滴を形成するための液体吐出
部（吐出口）を高密度に配列することができるために、
高解像力の記録をすることが可能であるほか、全体的に
コンパクト化も容易であるなどの利点があるので実用化
されている。

【０００４】図６は従来のインクジェット記録ヘッドの
構成を示す図である。図４は、液室、流路、オリフィス
面（以下オリフィスプレート）を一体成形した天板の図
である。この記録ヘッドの天板のオリフィスプレート部
に、流路と連通するように穴加工をすることにより、吐
出口（以下オリフィス）としている。このオリフィスを
加工するのに、エキシマレーザーによる加工が一般的に
なった。この様子を図５に示す。同図において、１はエ
キシマレーザー装置、２はエキシマレーザー装置から発
振されたレーザービーム、３はレーザービームを集光す
るためのレンズ、４はオリフィスのパターンのすべて、
あるいは一部を有したマスク、１０は樹脂により一体成
形された天板、７は可動ステージである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
加工では、レーザー光により除去された物が吐出口周辺
に付着する現象がみられた。このように吐出口周辺部に
付着物が存在する天板で記録ヘッドを組み立て、印字を
行うと以下のような問題点があった。

【０００６】オリフィスプレートの表面で、上記のよう
な付着物が存在すると、付着物の有る部分と、無い部分
での物理的な性質、特にインクに対する濡れが変化す
る。一方オリフィスプレートの表面は、不要なインク溜
まりが存在しないように均一であることが望ましいとさ
れている。そのため、従来の加工による記録ヘッドで
は、付着物が存在する部分にインク溜まりが存在してい
た。このインク溜まりにより、液滴の飛翔方向が安定せ
ず、良好な記録が行えなくなる。またインクの溜まりが
大きくなると、液滴の吐出が不能になり記録が行えなく
なる状態に陥ることがある。

【０００７】以上説明したように、レーザー加工により
除去された物が付着することは好ましくはない。よって
本発明は、オリフィスの加工時に、除去された物が付着
しないようにすることを課題としている。

【０００８】

【問題を解決するための手段】本発明は、液室、流路、
オリフィス面（以下オリフィスプレート）を一体成形し
た天板のオリフィスプレート部に、流路と連通するよう
に穴加工をすることにより得られるインクジェット記録
ヘッドの製造方法において、吐出口加工時のレーザー光
照射とともにアシストガスの吹付けを用いることによ
り、オリフィス加工をすることで、付着物の付着を防止
することができるとの知見に基づいてなされたものであ
る。

【０００９】本発明は上述の知見に基づき得られたもの
で、インクを吐出するために利用されるエネルギーを発
生するエネルギー発生素子を有した基板と、該基板と接
合することにより前記エネルギー発生素子の配設部位に
対応してインク液路を形成するための凹部を有する天板
と、前記インク液路に連通してインクを吐出するための
吐出口が形成された吐出口形成部材と、を備えたインク
ジェット記録ヘッドの製造方法において、前記吐出口形
成部材の前記吐出口形成部分にインク液路側からエキシ
マレーザー光を照射することで前記吐出口形成部材の一
部を除去蒸発せしめて前記吐出口を形成する工程と、前
記吐出口形成部材に前記レーザー光に対する方向からヘ
リウムガスを吹き付ける工程と、を有することを特徴と
する。

【００１０】なお、ヘリウムガスの吹き付け工程は、レ
ーザー光の照射による吐出口形成工程が終了する直前に
行われる構成であっても良く、レーザー光の照射による
吐出口形成工程と同時に行われる構成であっても良い。
さらに、天板と前記吐出口形成部材とは成形にて一体に
形成される構成であっても良い。又、本願発明は上述の
製造方法によって製造されるインクジェット記録ヘッド
をも包含するものである。

【００１１】

【作用】以上のような手段によって得られた天板のオリ
フィスプレートのオリフィスの表面には、加工時の除去
物が付着せず、オリフィスプレートにインク溜まりがな
いため、良好な液滴の吐出がえられる。

【００１２】

【実施例】［実施例１］以下、本発明の実施例を図１と
図６を元に詳細に説明する。図６は本発明の一実施例に
係わるインクジェット記録ヘッドを示し、インクタンク
を一体とし、装置に対して交換可能な構成である。

【００１３】図６に示すインクジェット記録ヘッドは、
インク流路および共通液室を構成するための凹部（以
下、溝）さらにはオリフィスプレート１０を一体に形成
した天板と、吐出エネルギーを発生するための電気熱変
換体（以下、吐出ヒーター）およびこれに電気信号を供
給するためのＡ１配線とが成膜技術によってＳｉ基板上
に形成された基板（以下、ヒーターボード）とを接合す
ることによって構成される記録ヘッドは本体（不図示）
を具える。

【００１４】また、図中６００は記録ヘッド本体に隣接
して配設されるサブインクタンクであり、このサブイン
クタンク６００および上記本体は蓋３００によって支持
される。さらに、１０００はカートリッジ本体、１１０
０はカートリッジ本体の蓋部材である。カートリッジ本
体内部にはインクタンクが内蔵され、サブインクタンク
６００に滴時インクを供給する。

【００１５】図１は、天板と一体に形成されたオリフィ
スプレートにインク液路側からエキシマレーザー光を照
射してオリフィス加工を行う様子を示したものであり、
図６に示した要素と同様な要素には同一の符号を付す。
同図において、１はＫｒＦエキシマレーザー光を発振す
るレーザー発振装置、７はレーザー発振装置１から発振
される波長２４８ｍｍ、パルス幅約１５ｎｓｅｃのパル
スレーザービーム、２はレーザービーム７を集光するた
めの合成石英レンズ、３はレーザービーム７に対して遮
蔽可能なアルミニウムを蒸着した投影マスクであり、直
径１３３ｕｍの穴が２１２ｕｍピッチで複数配設されて
オリフィスパターンを構成している。

【００１６】図７（Ａ）および（Ｂ）は本実施例に係わ
る基板（ヒーターボード）８の平面図およびその部分拡
大図である。

【００１７】同図（Ａ）において１０１は本例に係わる
ヒーターボード基体、１０３は吐出ヒーター部である。
１０４は端子であり、ワイヤボンディングにより外部と
接続される。１０２は温度センサであり、吐出ヒーター
部１０３等と同じ成膜プロセスにより吐出ヒーター部３
に形成して有る。同図（Ｂ）は同図（Ａ）におけるセン
サ１０２を含む部分Ｂの拡大図であり、１５および１０
６は、それぞれ、吐出ヒーターおよび配線である。ま
た、１０８はヘッド加熱するための保温ヒーターであ
る。

【００１８】センサ１０２は、他の部分と同様に、半導
体同様の成膜プロセスによって形成してあるため極めて
高精度であり、他の部分の構成材料であるアルミニウ
ム、チタン、タンタル、５酸化タンタル、ニオブ等、温
度に応じて導伝率が変化する材料で作成できる。例え
ば、これらのうち、チタンは電気熱変換素子を構成する
発熱抵抗層と電極との接着性を高めるために両者間に配
置可能な材料、タンタルは、発熱抵抗層上の保護層の耐
キャビテーション性を高めるためにその上部に配置可能
な材料である。また、プロセスのばらつきを小とするた
めに線幅を太くし、配線抵抗等の影響を少なくするため
に蛇行形状として高抵抗化を図っている。また、同様に
保温ヒーター１０８は、吐出ヒーター１５の発熱抵抗層
と同一材料（例えばＨｆＢ２）を用いて形成できるが、
ヒーターボードを構成する他の材料、例えばアルミニウ
ム、タンタル、チタン等を用いて形成しても良い。

【００１９】図４は、本例に係わる天板７の構成例を示
す。

【００２０】本例に係わる天板７は、インク液路溝１４
と、これに対応してオリフィスプレート１０に形成した
インク吐出口（オリフィス）１１とを所望の個数（図に
おいては簡略のために２個）有し、オリフィスプレート
１０を一体に設けた構成としてある。

【００２１】そして、図３に図示した構成例において
は、天板７は耐インク性に優れたポリサルフォン、ポリ
エーテルサルフォン、ポリフェニレンオキサイド、ポリ
プロピレンなどの樹脂を用い、オリフィスプレート１０
と共に金型内で一体に同時成形してある。

【００２２】次に、インク液路溝１４やオリフィス１１
の形成方法を説明する。インク液路溝については、それ
と逆パターンの微細溝を切削等の手法により形成した方
法により樹脂を成形し、これによって天板７に液路溝１
４を形成することができる。

【００２３】また、オリフィスの形成については、金型
内でオリフィス１１を有さない状態で成形し、説明した
ようにオリフィスを形成すべき位置にオリフィスプレー
トのインク液路側からレーザー装置によりエキシマレー
ザー光を照射し、樹脂を除去蒸発せしめてオリフィス１
１を形成する。このエキシマレーザー光を照射している
ときに、アシストガスとしてヘリウムを吹き付けて加工
する。今回の実施では、図１のように、ヘリウム吹き付
けノズル５１から、純度９９．９９９９％のヘリウムガ
ス５０をレーザーが照射され加工しているあいだ、連続
して吹き付けた。

【００２４】このように、ヘリウムガスを吹き付けなが
ら加工した天板は、オリフィスプレート面にレーザー光
により除去されたものが付着しない。

【００２５】［実施例２］次に本発明の第２の実施例に
ついて図２を元に説明する。

【００２６】本実施例においても、ヘッドの構成および
吐出口の形成に使用する装置については同様である。

【００２７】図２からわかるように本実施例では、ヘリ
ウムガスの吹き付けが、天板オリフィスプレートを挟ん
で、レーザー光に対する方向から吹き付けられている。
この方向からヘリウムガスを吹き付けた場合、よりオリ
フィスプレートの表面に効率よくヘリウムガスが当たる
ため加工時の除去物が付着しにくい加工となる。また、
この方法では、レーザー光が照射されて加工途中の状態
で、吐出口となる部分が貫通する直前にヘリウムガスを
吹き付けてもその効果は変わらない。

【００２８】［実施例３］次に本発明の実施例としてイ
オン化したエアーを用いた方法について説明する。

【００２９】本実施例においても、ヘッドの構成および
吐出口の形成に使用する装置については同様である。

【００３０】本実施例においては、エアーをイオン化す
る装置を用いてイオン化エアーをつくっている。この装
置を、前記実施例１および２と同様に設置した。この装
置を動作させると吹き出し口からイオン化されたエアー
が吹き出される。このエアーを吹き付けながらエキシマ
レーザー光を天板のオリフィスプレートに照射し吐出口
形成の加工を行う。本実施例においても、加工時の除去
物がオリフィスプレートの表面に付着しないことは前実
施例と同様である。

【００３１】［比較例］本発明の実施例により得られた
インクジェット記録ヘッドの性能を調べ、従来のヘッド
との比較を行ったのでその結果を表１．表２に示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【表２】

【００３４】なお、本発明は、特にインクジェット記録
方式の中でも、インク吐出を行なわせるために利用され
るエネルギーとして熱エネルギーを発生する手段（例え
ば電気熱変換体やレーザー光等）を備え、前記熱エネル
ギーによりインクの状態変化を生起させる方式の記録ヘ
ッド、記録装置において優れた効果をもたらすものであ
る。かかる方式によれば記録の高密度化、高精細化が達
成できるからである。

【００３５】その代表的な構成や原理については、例え
ば、米国特許第４７２３１２９号明細書、同第４７４０
７９６号明細書に開示されている基本的な原理を用いて
行なうものが好ましい。この方式は所謂オンデマンド
型、コンティニュアス型のいずれにも適用可能である
が、特に、オンデマンド型の場合には、液体（インク）
が保持されているシートや液路に対応して配置されてい
る電気熱変換体に、記録情報に対応していて核沸騰を越
える急激な温度上昇を与える少なくとも１つの駆動信号
を印加することによって、電気熱変換体に熱エネルギー
を発生せしめ、記録ヘッドの熱作用面に膜沸騰を生じさ
せて、結果的にこの駆動信号に一対一で対応した液体
（インク）内の気泡を形成できるので有効である。この
気泡の成長、収縮により吐出用開口を介して液体（イン
ク）を吐出させて、少なくとも１つの滴を形成する。こ
の駆動信号をパルス形状とすると、即時適切に気泡の成
長収縮が行なわれるので、特に応答性に優れた液体（イ
ンク）の吐出が達成でき、より好ましい。このパルス形
状の駆動信号としては、米国特許第４４６３３５９号明
細書、同第４３４５２６２号明細書に記載されているよ
うなものが適している。なお、上記熱作用面の温度上昇
率に関する発明の米国特許第４３１３１２４号明細書に
記載されている条件を採用すると、さらに優れた記録を
行なうことができる。

【００３６】記録ヘッドの構成としては、上述の各明細
書に開示されているような吐出口、液路、電気熱変換体
の組み合わせ構成（直線状液流路または直角液流路）の
他に熱作用部が屈曲する領域に配置されている構成を開
示する米国特許第４５５８３３３号明細書、米国特許第
４４５９６００号明細書を用いた構成も本発明に含まれ
るものである。加えて、複数の電気熱変換体に対して、
共通するスリットを電気熱変換体の吐出部とする構成を
開示する特開昭５９−１２３６７０号公報や熱エネルギ
ーの圧力波を吸収する開孔を吐出部に対応させる構成を
開示する特開昭５９−１３８４６１号公報に基づいた構
成としても本発明の効果は有効である。すなわち、記録
ヘッドの形態がどのようなものであっても、本発明によ
れば記録を確実に効率よく行なうことができるようにな
るからである。

【００３７】さらに、記録装置が記録できる記録媒体の
最大幅に対応した長さを有するフルラインタイプの記録
ヘッドに対しても本発明は有効に適用できる。そのよう
な記録ヘッドとしては、複数記録ヘッドの組み合わせに
よってその長さを満たす構成や、一体的に形成された１
個の記録ヘッドとしての構成のいずれでもよい。

【００３８】加えて、上例のようなシリアルタイプのも
のでも、装置本体に固定された記録ヘッド、あるいは装
置本体に装着されることで装置本体との電気的な接続や
装置本体からのインクの供給が可能になる交換自在のチ
ップタイプの記録ヘッド、あるいは記録ヘッド自体に一
体的にインクタンクが設けられたカートリッジタイプの
記録ヘッドを用いた場合にも本発明は有効である。

【００３９】また、本発明に記録装置の構成としても受
けられる、記録ヘッドに対しての回復手段、予備的な補
助手段等を付加することは本発明の効果を一層安定でき
るので、好ましいものである。これらを具体的に挙げれ
ば、記録ヘッドに対してのキャッピング手段、クリーニ
ング手段、加圧或いは吸引手段、電気熱変換体或いはこ
れとは別の加熱素子或いはこれらの組み合わせによる予
備加熱手段、記録とは別の吐出を行なう予備吐出モード
を行なうことも安定した記録を行なうために有効であ
る。

【００４０】また、搭載される記録ヘッドの種類ないし
個数についても、例えば単色のインクに対応して１個の
みが設けられたものの他、記録色や濃度を異にする複数
のインクに対応して複数個数設けられるものであっても
よい。すなわち、例えば記録装置の記録モードとしては
黒色等の主流色のみの記録モードだけではなく、記録ヘ
ッドを一体的に構成するか複数個の組み合わせによるか
いずれでもよいが、異なる色の複色カラー、または混色
によるフルカラーの少なくとも一つを備えた装置にも本
発明は極めて有効である。

【００４１】さらに加えて、以上説明した本発明実施例
においては、インクを液体として説明しているが、室温
やそれ以下で固化するインクであって、室温で軟化もし
くは液化するもの、あるいはインクジェット方式ではイ
ンク自体を３０℃以上７０℃以下の範囲内で温度調整を
行なってインクの粘性を安定吐出範囲にあるように温度
制御するものが一般的であるから、使用記録信号付与時
にインクが液状をなすものであればよい。加えて、積極
的に熱エネルギーによる昇温をインクの固形状態から液
体状態への状態変化のエネルギーとして使用せしめるこ
とで防止するか、またはインクの蒸発防止を目的として
放置状態で個化するインクを用いるかして、いずれにし
ても熱エネルギーの記録信号に応じた付与によってイン
クが液化し、液状インクが吐出されるものや、記録媒体
に到達する時点ではすでに固化し始めるもの等のよう
な、熱エネルギーによって初めて液化する性質のインク
を使用する場合も本発明は適用可能である。このような
場合のインクは、特開昭５４−５６８４７号公報あるい
は特開昭６０−７１２６０号公報に記載されるような、
多孔質シート凹部または貫通孔に液状または固形物とし
て保持された状態で、電気熱変換体に対して対向するよ
うな形態としてもよい。本発明においては、上述した各
インクに対して最も有効なものは、上述した膜沸騰方式
を実行するものである。

【００４２】さらに加えて、本発明インクジェット記録
装置の形態としては、コンピュータ等の情報処理機器の
画像出力端末として用いられるものの他、リーダ等と組
み合わせた複写装置、さらには送受信機能を有するファ
クシミリ装置の形態を採るもの等であってもよい。

【００４３】

【発明の効果】次に本発明によって得られたインクジェ
ット記録ヘッドの効果について説明する。

【００４４】本発明の方法によれば、吐出口周辺部に吐
出加工時の除去物が付着しないインクジェット記録ヘッ
ドを得ることができる。これによって、記録時に不要な
インクが吐出口周辺部に溜まらず、インク液滴の飛翔方
向が安定し良好な記録が行えるとともに、吐出不能な状
態に陥ることがない。この結果、信頼性の高いインクジ
ェット記録ヘッドが簡易に得られるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１による本発明のオリフィス加工の様子
を模式的に示した図である。

【図２】実施例２による本発明のオリフィス加工の様子
を模式的に示した図で、ヘリウムガスをオリフィスの非
加工面から吹き付けている図である。

【図３】インクジェット記録ヘッドの構成を示す図であ
る。

【図４】液室、流路、オリフィスプレートを一体成形し
た天板の図である。

【図５】エキシマレーザー光によるオリフィス加工装置
の模式的構成図である。

【図６】本発明の実施例に係わるインクジェット記録ヘ
ッドカートリッジの斜視図である。

【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の一実施例にかかる
ヒーターボードのそれぞれ平面図及び部分拡大図であ
る。

【符号の説明】

１ レーザー発振装置 ２ レーザービーム ３ 収光レンズ ４ マスク ７ 天板 ８ 基板（ヒータボード） １０ オリフィスプレート １１ オリフィス（吐出口） １４ インク液路 １５ 吐出ヒータ ５０ ヘリウムガス ５１ ヘリウム吹き付けノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−121843（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−187346（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−147097（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−30387（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B41J 2/16 B41J 2/05

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクを吐出するために利用されるエネ
   ルギーを発生するエネルギー発生素子を有した基板と、 該基板と接合することにより前記エネルギー発生素子の
   配設部位に対応してインク液路を形成するための凹部を
   有する天板と、 前記インク液路に連通してインクを吐出するための吐出
   口が形成された吐出口形成部材と、を備えたインクジェ
   ット記録ヘッドの製造方法において、 前記吐出口形成部材の前記吐出口形成部分にインク液路
   側からエキシマレーザー光を照射することで前記吐出口
   形成部材の一部を除去蒸発せしめて前記吐出口を形成す
   る工程と、前記吐出口形成部材に前記レーザー光に対す
   る方向からヘリウムガスを吹き付ける工程と、を有する
   ことを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方
   法。
2. 【請求項２】 前記ヘリウムガスの吹き付け工程は、前
   記レーザー光の照射による吐出口形成工程が終了する直
   前に行わ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の製造方法。
3. 【請求項３】 前記ヘリウムガスの吹き付け工程は、前
   記レーザー光の照射による吐出口形成工程と同時に行わ
   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
   記録ヘッドの製造方法。
4. 【請求項４】 前記天板と前記吐出口形成部材とは成形
   にて一体に形成されることを特徴とする請求項１ないし
   ３のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッドの製造
   方法。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかに記載の製
   造方法によって製造されるインクジェット記録ヘッド。