JP5068063B2 - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置、画像形成装置、液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は液体吐出ヘッド、液体吐出装置、画像形成装置、液体吐出ヘッドの製造方法に関する。

プリンタ、ファクシミリ、複写装置、これらの複合機等の画像形成装置として、例えば、記録液（液体）の液滴を吐出する液体吐出ヘッド（液滴吐出ヘッド）で構成した記録ヘッドを含む液体吐出装置を用いて、媒体（以下「用紙」ともいうが材質を限定するものではなく、また、被記録媒体、記録媒体、転写材、記録紙なども同義で使用する。）を搬送しながら、液体としての記録液（以下、インクともいう。）を用紙に付着させて画像形成（記録、印刷、印写、印字も同義語で用いる。）を行なうものがある。

なお、画像形成装置は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液体を吐出して画像形成を行う装置を意味し、また、「画像形成」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与することをも意味する。また、液体とは記録液、インクに限るものではなく、画像形成を行うことができる液体であれば特に限定されるものではない。また、液体吐出装置とは、液体吐出ヘッドから液体を吐出する装置を意味し、画像を形成するものに限らない。

このような液体吐出装置ないし画像形成装置は、捺染装置や金属配線などの産業用システムにまで利用されるようになってきている。近年、より高品位な画像を、より速い印刷速度で出力できることが求められるようになっている。前者の要求に対してノズルの数、密度共に増加する傾向にある。それに伴い、各加圧液室間隔は狭まっている。また、エネルギー印加の周波数も高くなる傾向にある。後者の要求に対しては、記録ヘッドの長尺化が試みられており、最近記録媒体の幅全領域を覆うことのできる、いわゆるライン型プリンタの開発が進められている。ラインプリンタの場合、ばらつきの少ない高精度な加工が要求されてくる。

液体吐出ヘッドとしては、液滴を吐出するノズル、ノズルが連通する液室（加圧液室、吐出室、圧力室、液体流路などとも称される。）、液室内の液体を加圧する圧力を発生する圧力発生手段とを備えて、圧力発生手段で発生させる圧力で液室内の液体を加圧することによってノズルから液滴を吐出させる。ここで、圧力発生手段としては、発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いて液体の膜沸騰による相変化を利用するサーマル方式、圧電素子（本願では電気機械変換素子と同義語として用いる。）などを用いる圧電方式、静電力を発生する静電型アクチュエータを用いる静電方式などが知られている。

ところで、圧電素子を用いる方式の液体吐出ヘッドでは、液室の壁面を効率的に変形させるとともに、隣接する液室への圧力のクロストークを抑制する必要上、弾性変形可能な板材からなる振動板に液室の長手方向に延びる突起部（凸部、アイランド部などとも称される。）を設け、この突起部を介して圧電素子の変位を振動板に伝えるようにしている。

従来の液体吐出ヘッド或いは振動板部材（振動板とも称される。）として、例えば、特許文献１には、振動板部材が高分子延伸フィルムに金属薄板を接着剤により接合した板材からなり、金属薄板をエッチング加工して、アイランド部が形成され、アイランド部以外の領域も接着剤により被覆されている構成としたものが記載されている。
特許第３５０３６６１号公報

また、特許文献２には、ＳＵＳ板上に熱硬化性及び熱可塑性ポリイミドを直接成膜した振動板が記載されている。
特開平１１−１９８３６８号公報

なお、静電型ヘッドの例については例えば特許文献３に記載されている。また、液体吐出ヘッドではないが、ポリイミドと金属箔との積層体としては、特許文献４、５に記載されている。さらに、共通液室の壁面をダンパとした液体吐出ヘッドについては特許文献６に記載されている。
特開２００５−８１７９０号公報 特許第２６４０３０４号公報 特開平１１−２９８１１４号公報

上述した特許文献１に記載のヘッドにあっては、高分子延伸フィルムや金属薄膜（ステンレス圧延鋼）はバラツキを持ってはいるものの、製法上、大面積（長尺）になっても小面積(短尺)と同じ膜厚ばらつきで作ることが可能であることから、ヘッドの長尺化が進んでも、一定の同じ高さバラツキの範囲で振動板の突起部を管理して使用することができる。

しかしながら、振動板部材は高分子延伸フィルムと金属薄膜を接着剤で接合した後、金属薄膜をエッチャントでエッチングしているので、金属薄膜をエッチングするとき、接着剤は金属薄膜をエッチングするエッチャントに接触し、接着層が部分的に侵食され変質するという課題がある。この接着層は高分子延伸フィルムと積層で振動板部材を構成することになるため、接着層の部分的な侵食や、変質は振動板（振動領域：ダイアフラム部）の板厚ばらつきとなり、振動特性のばらつきの発生につながるという問題が生じる。また、振動領域は高分子延伸フィルムと接着層の二層構成となり各層の膜厚ばらつきが振動特性のばらつきに繋がるという課題もある。

これに対して、特許文献２に記載されているように、ＳＵＳ板にポリイミドを成膜と同時に接着することで、特許文献１のような接着層を介在させることに伴う課題は解決される。

ところが、金属板にポリイミドを直接成膜して振動板部材を形成する場合、樹脂を塗工して高温による加熱をし、常温に戻すことでイミド化して樹脂層を形成する（このような工法をワニス工法という。）ことから、その後、金属板側の非接合部分を除去して樹脂層のみとしたとき、樹脂層に皺が発生するという課題がある。

例えば、上述したように振動板部材の振動領域には圧電素子と接合するために島状の突起部が設けられ、液室の並び方向（チャンネル方向）で突起部よりも幅の広い樹脂層のみの変形可能部分が形成されるが、この突起部よりも幅の広い部分で樹脂層の皺が発生しやすくなる。このように、振動板領域の樹脂層に皺が発生すると、圧電素子の変位が効率的に液室に伝達されず、滴吐出特性が低下したり、吐出特性が液室間（ノズル間）でばらつくなどの不都合を生じる。

また、共通液室の壁面の一部を樹脂層として変形可能なダンパ部を形成することにより、液室から共通液室に伝播する圧力変動を吸収する構成を採用した場合、ダンパ部となる樹脂層に皺があると、圧力変動吸収性能が均一でなくなって、ノズル毎に吐出特性がばらつくおそれがある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、樹脂振動板の皺の発生を低減してノズル間での滴吐出特性のバラツキを低減した液体吐出ヘッド、この液体吐出ヘッドを備える液体吐出装置、画像形成装置、この液体吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る液体吐出ヘッドは、
液体を吐出する複数のノズルと、
前記複数のノズルが各々連通する複数の液室と、
各液室の変形可能な壁面を形成する振動板領域を有する振動板部材と、を備え、
前記振動板部材は、金属部材上に、この金属部材の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を持つ樹脂を直接塗布して加熱して固化させることで形成された前記振動板領域を形成する樹脂層を有し、
前記液室間に形成された隔壁部に対応して前記振動板領域間に前記金属部材からなる厚肉部が形成され、
各々の前記振動板領域には、振動板領域を振動させる駆動部と接合される前記金属部材からなる島状の凸部が形成されている
構成とした。

ここで、樹脂はイミド結合を持つポリマである構成とできる。また、振動板領域にはこの振動板領域の幅方向全域に亘り樹脂層のみで形成される部分がある構成とできる。この場合、振動板領域の幅方向全域に亘り樹脂層のみで形成される部分の金属部材はエッチングで除去されている構成とできる。さらに、複数の液室に液体を供給する共通液室を有し、この共通液室の壁面の一部が振動板部材の樹脂層で形成された変形可能なダンパ部とされている構成とできる。また、液体を供給する液体タンクを一体に備えている構成とできる。

本発明に係る液体吐出装置は、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えたものである。

本発明に係る画像形成装置は、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えたものである。

本発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法は、本発明に係る液体吐出ヘッドを製造する製造方法であって、金属部材を準備する第１のステップと、この金属部材上に、金属部材よりも線膨張係数が大きくなるように調製された樹脂を直接塗布する第２のステップと、樹脂を加熱し固化させてイミド化させることで前記金属部材上に樹脂層を接合形成する第３のステップとを行う構成とした。

ここで、樹脂層が接合形成された前記金属部材に対し、前記樹脂層の変形可能とする部分以外の部分をマスキングする第４のステップと、このマスキングされた該金属部材に対してエッチャントを接触させてエッチングにより前記樹脂層の変形可能とする部分の前記金属部材を除去して振動板部材を形成する第５のステップとを行う構成とできる。さらに、この記振動板部材に対して圧電素子を接合する構成とできる。

本発明に係る液体吐出ヘッドによれば、皺の発生が低減して、ノズル間での滴吐出特性のバラツキが低減する。

本発明に係る液体吐出装置、本発明に係る画像形成装置によれば、滴吐出特性のばらつきの少ない滴吐出を行うことができる。

本発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法は、本発明に係る液体吐出ヘッドを製造する方法であって、金属部材を準備する第１のステップと、この金属部材上に金属部材よりも線膨張係数が大きくなるように調製された樹脂を直接塗布する第２のステップと、樹脂を加熱し固化させてイミド化させることで金属部材上に樹脂層を接合形成する第３のステップとを行う構成としたので、皺の発生が低減してノズル間での滴吐出特性のバラツキの少ない液体吐出ヘッドを得ることができる。

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。まず、本発明に係る液体吐出ヘッドの一実施形態について図１ないし図６を参照して説明する。なお、図１は同液体吐出ヘッドの側面説明図、図２は同じく平面説明図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う液室長手方向（液室の並び方向と直交する方向）に沿う断面説明図、図４は同じく液室短手方向（液室の並び方向）に沿う断面説明図、図５は図４の１つの加圧液室部分の拡大断面説明図、図６は液室部分の要部平面説明図である。

この液体吐出ヘッドＨは、ＳＵＳ基板で形成した流路基板（液室基板）１と、この流路基板１の下面に接合した振動板部材２と、流路基板１の上面に接合したノズル板３とを有し、これらによって液滴（液体の滴）を吐出するノズル４が連通する個別流路としての液室（以下「加圧液室」というが、圧力室、加圧室、流路などとも称される。）６、加圧液室６に液体であるインク（記録液）を供給する供給路を兼ねた流体抵抗部７、複数の加圧液室６に記録液を供給する共通液室８を形成している。なお、共通液室８には図示しない記録液タンクから供給路を介して記録液が供給される。

ここで、流路基板１は、リストリクタプレート１Ａとチャンバーブレート１Ｂとを接着して構成している。この流路基板１は、ＳＵＳ基板を、酸性エッチング液を用いてエッチング、あるいは打ち抜き（プレス）などの機械加工することで、各加圧液室６、流体抵抗部７、共通液室８などの開口をそれぞれ形成している。なお、流体抵抗部７は、リストリクタプレート１Ａの部分を開口し、チャンバーブレート１Ｂの部分を開口しないことで形成している。

振動板部材２は、流路基板１を構成するチャンバーブレート１Ｂに接着接合している。この振動板部材２は、ＳＵＳ基板などの金属部材２１に金属部材２１よりも線膨張係数を大きく調製した樹脂を直接塗布（塗工）して加熱、固化させた樹脂層（樹脂部材）２２を直接成膜して形成したものであり、樹脂層２２で液室６の壁面となる変形可能な部分（振動板領域）２Ａを形成し、この振動板領域２Ａの液室６と反対側には金属部材２１からなる島状の突起部（以下「島状凸部」ともいう。）２Ｂを形成している。

なお、上述したように流体抵抗部７の振動板部材２側のチャンバーブレート１Ｂを振動板部材２の樹脂層２２と接合することで、振動板部材２の薄いポリイミドなどの樹脂層２２を介して加圧液室６内の圧力が外部に逃げることを防ぎ、効率的に液滴を吐出することが可能になる。

ノズル板３は、各加圧液室６に対応して直径１０〜３０μｍの多数のノズル４を形成し、流路基板１のリストリクタプレート１Ａに接着剤接合している。このノズル板３としては、ステンレス、ニッケルなどの金属、ポリイミド樹脂フィルムなどの樹脂、シリコン、及びそれらの組み合わせからなるものを用いることができる。また、ノズル面（吐出方向の表面：吐出面）には、インクとの撥水性を確保するため、メッキ被膜、あるいは撥水剤コーティングなどの周知の方法で撥水膜を形成している。

そして、振動板部材２の面外側（加圧液室６と反対面側）に島状凸部２Ｂを介して各加圧液室６に対応して圧力発生手段（アクチュエータ手段）を構成する積層型圧電素子１２をそれぞれ接合し、これらの積層型圧電素子１２をベース部材１３に接合している。複数の圧電素子１２は１つの圧電素子部材１２Ａに溝加工（スリット加工）によって分断することなく形成したものであり、圧電素子部材１２Ａは複数個圧電素子１２の並び方向に沿ってベース部材１３上に固定配置している。また、圧電素子１２の一端面には駆動波形を与えるためのＦＰＣケーブル１４を接続している。

圧電素子部材１２Ａは、図５に示すように、厚さ１０〜５０μｍ／１層のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の圧電層１２１と、厚さ数μｍ／１層の銀・パラジューム（ＡｇＰｄ）からなる内部電極層１２２とを交互に積層したものであり、内部電極１２２を交互に端面の端面電極（外部電極）である図示しない個別電極及び共通電極にそれぞれ電気的に接続したものである。この圧電定数がｄ３３（ｄ３３は内部電極面に垂直（厚み方向）の伸び縮みを指す。）である圧電素子１２の伸縮により振動板領域２Ａを変位させて液室６を収縮、膨張させるようになっている。圧電素子１２に駆動信号が印加され充電が行われると伸長し、また圧電素子１２に充電された電荷が放電すると反対方向に収縮する。

なお、圧電素子１２の圧電方向としてｄ３３方向の変位を用いて加圧液室６内インクを加圧する構成とすることも、圧電素子１２の圧電方向としてｄ３１方向の変位を用いて加圧液室６内インクを加圧する構成とすることもできる。本実施形態ではｄ３３方向の変位を用いた構成をとっている。

ベース部材１３は金属材料で形成することが好ましい。ベース部材１３の材質（材料）が金属であれば、圧電素子１２の自己発熱による蓄熱を防止することができる。圧電素子１２とベース部材１３は接着剤により接着接合しているが、チャンネル数が増えると、圧電素子１２の自己発熱により１００℃近くまで温度が上昇し、接合強度が著しく低下することになる。また、自己発熱によりヘッド内部の温度上昇が発生し、インク温度が上昇するが、インクの温度が上昇すると、インク粘度が低下し、噴射特性に大きな影響を与える。したがって、ベース部材１３を金属材料で形成して圧電素子１２の自己発熱による蓄熱を防止することで、これらの接合強度の低下、インク粘度の低下による噴射特性の劣化を防止することができる

さらに、振動板２の周囲にはフレーム部材１７を接着剤で接合している。そして、このフレーム部材１７には、振動板２の樹脂層２２で構成した変形可能な部分としてのダイアフラム部２Ｃを介して共通液室８に隣接するバッファ室１８を形成している。ダイアフラム部２Ｃは共通液室８及びバッファ室１８の壁面を形成する。なお、バッファ室１８は連通路２０を介して大気と連通させている。

また、この液体吐出ヘッドでは、圧電素子１２は３００ｄｐｉの間隔で形成し、それが対向して２列に並んでいる構成としている。また、加圧液室６及びノズル４は１列１５０ｄｐｉの間隔で２列を千鳥状に並べて配置しており、３００ｄｐｉの解像度を１スキャンで得ることができる。この場合、１列に並ぶ複数の圧電素子１２は、交互に駆動する圧電素子１２と単なる支柱部となる駆動されない圧電素子１２（これを「支柱部１６」と表記する。）となる。

また、上述したようにこの液体吐出ヘッドは、ほとんどの部材をＳＵＳから形成し、その熱膨張係数を揃えているので、ヘッドの組立中、あるいは、使用中における熱膨張による種々の不具合を避けることができる。

このように構成した液体吐出ヘッドにおいては、例えば圧電素子１２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１２が収縮し、振動板２が下降して加圧液室６の容積が膨張することで、加圧液室６内にインクが流入し、その後圧電素子１２に印加する電圧を上げて圧電素子１２を積層方向に伸長させ、振動板２をノズル４方向に変形させて加圧液室６の容積／体積を収縮させることにより、加圧液室６内の記録液が加圧され、ノズル４から記録液の滴が吐出（噴射）される。

そして、圧電素子１２に印加する電圧を基準電位に戻すことによって振動板２が初期位置に復元し、加圧液室６が膨張して負圧が発生するので、このとき、共通液室８から加圧液室６内に記録液が充填される。そこで、ノズル４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うこともできる。

次に、この液体吐出ヘッドにおける振動板部材２について説明する。
この振動板部材２は、ＳＵＳ基板などの金属部材２１に、この金属部材２１の熱膨張係数よりも大きな線膨張係数を有する樹脂、例えば金属部材２１の熱膨張係数よりも大きな線膨張係数に調製したポリイミド前駆体を直接塗布（塗工）し、この塗工膜を加熱してイミド化して固化させることで、金属部材２１上に直接接着剤を介することなく樹脂層２２を接合形成したものである。

そして、金属部材２１をエッチングして樹脂層２２で形成される振動板領域（変形可能な領域）２Ａに対応して島状凸部２Ｂを形成し（振動板領域２Ａのうちの島状凸部２Ｂ以外の部分を除去し）、また、樹脂層２２で形成されるダイアフラム部２Ｃに対応する部分を除去し、更に、流路基板１の液室間隔壁部６Ａに対応して厚肉部２Ｄを形成している。

この振動板部材２の樹脂層２２には流路基板１の液室間隔壁部６Ａを接着剤３１で接合し、また、島状凸部２Ｂには駆動部となる圧電素子１２を接着剤３２で接合し、液室間隔壁部６Ａに対応する厚肉部２Ｄには支柱部となる圧電素子１２（支柱部１６）を接着剤３２で接合している。

このように、振動板部材２は、金属部材２１上に、この金属部材２１の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を持つ樹脂を直接塗布して加熱して固化させることで形成された振動板領域２Ａを形成する樹脂層２２を有しているので、樹脂層２２をワニス工法で形成した場合でも、樹脂層２２の収縮量が金属部材２１よりも大きく、樹脂層２２の皺の発生が低減し、これによりノズル間での液滴吐出特性のバラツキが低減する。

つまり、図６に示すように、振動板領域２Ａに島状凸部２Ｂを設ける場合、液室の並び方向で、島状凸部２Ｂによって液室並び方向（チャンネルの並び方向、ノズルの並び方向も同義語である。）の幅Ｌ２となる樹脂層２２の部分（樹脂層単層領域）２Ａｂよりも、島状凸部２Ｂがなく幅Ｌ１（Ｌ１＞Ｌ２）となる樹脂層２２の部分（振動板領域２Ａの幅方向全域に亘り樹脂層２２のみで形成される部分：これを「樹脂層単層領域」という。）２Ａａで皺が発生し易くなるが、この樹脂層単層領域２Ａａで樹脂層２２の皺が発生すると、液室６内に対する圧電素子１２の変位伝達効率が変動し、その結果、ノズル間で液滴吐出特性にバラツキが生じることになる。これに対して、本発明における振動板部材２では樹脂層２２の単層領域での皺の発生が抑制されることで滴吐出特性のバラツキが抑制されるのである。

このように、振動板領域にはこの振動板領域の幅方向全域に亘り樹脂層のみで形成される部分がある構成とすることで、圧電素子の変位を効率的に突起部（島状凸部）を介して振動板領域に伝達できるとともに、振動板領域となる樹脂層の皺の発生が抑制されることで滴吐出特性のバラツキが抑制される。

そこで、本発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法における振動板部材２の製造方法について図７及び図８を参照して説明する。
先ず、図７を参照して金属部材２１と樹脂層２２とが接合された部材５０の製造工程について説明すると、図７（ａ）に示す第１のステップでは、金属部材２１として洗浄等の前処理により表面が活性化された例えばＳＵＳ３０４のテンションアニール材（以下「ＳＵＳ３０４−ＴＡ」とも記す。）を準備する。金属部材２１としては、ＳＵＳ３０４以外のＳＵＳ材（ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４１２等）や銅、ニッケル、クロム等の金属、またはそれらの合金、更にはＳｉなどの半導体を用いることができる。

この金属部材２１は吐出させる液体に接触することがない構造であるので、材料選択に当たって吐出させる液体による腐食、侵食を考慮する必要はないが、吐出させる液体に接触する構造をとった場合は耐腐食性材料を選択する必要がある。また、振動板部材２と流路基板１との接着や、振動板部材２と圧電素子１２との接着時に接着剤を硬化させるために百数十度の加熱を要する。ＳＵＳ材を用いる場合は熱処理工程を通った材料、例えばブライトアニール材やテンションアニール材等を用いることが好ましいが、熱処理工程を通さない材料でも適用できる。特に応力緩和処理されているテンションアニール材は長尺のヘッドやフルライン型ヘッドには好適である。前処理の洗浄は主に脱脂を目的とし、溶剤を使った洗浄が好ましい。

続いて、図７（ｂ）及び（ｃ）に示す第２のステップでは、洗浄を行い表面を活性化させた金属部材２１（ＳＵＳ３０４−ＴＡ）上に、ポリイミドの前駆体であるポリアミック酸ワニス５１を、金属部材２１（ＳＵＳ３０４−ＴＡ）の表面から一定のギャップｇを保ってブレード５２を用いて塗工する。ポリアミック酸ワニス５１の塗布方法としては、ポリアミック酸ワニス溶液中にＳＵＳ３０４−ＴＡを浸漬する浸漬法や、スプレーコーティング法でも適用できる。

その後、図７（ｄ）に示す第３のステップで、金属部材２１上に塗工したポリアミック酸ワニス５１を１２０℃で乾燥させ、ステップで徐々に３６０℃まで温度を上げ、イミド化させ、樹脂層２２を形成する。本例で用いたポリイミド以外にも使うことができるが、そのときの乾燥温度、イミド化温度は材料の成分によって選ぶことになる。

以上の工法を用いることで、接着力と寸法安定性に優れた無接着剤の積層部材が作れる。このとき、複数のワニスを調合して樹脂振動板の線膨張係数を金属部材の線膨張係数よりも大きくしているので、金属部材をエッチングしても振動板の皺の発生を抑制し、ノズル毎の吐出特性を安定にできる。

ここでは、樹脂層２２の膜厚は６μｍとした。樹脂層２２の膜厚が６μｍになるようにポリアミック酸ワニス５１を塗布する。好ましい樹脂層２２の膜厚は３〜７μｍの範囲でより高い特性の液吐出装置が得られる。また、膜厚のばらつきは０．５μｍ以下にすることが好ましい。一方、金属部材２１としては板厚２０μｍのＳＵＳ３０４−ＴＡを用いた。島状凸部２Ｂ間の加工を考慮して板厚は決められるが、板厚は薄いほうがエッチング加工性の面では良い。ただし、金属部材２１の板厚が薄くなりすぎると、樹脂層２２と金属部材２１との積層部材のコシが弱くなり、エッチング加工作業性、部材組立性の点で不利になるため、金属部材２１の板厚は１０〜２５μｍ程度が好ましい。

なお、上述したワニス工法以外の工法として金属部材２１となるＳＵＳ３０４−ＴＡを金型に装填した後、ポリアミック酸ワニス５１を金型に流し込み固化することで樹脂層２２を成形する工法も適用できる。ただし、この工法の場合、長尺化では金型が大きくなり金型の維持管理費等の製造コストの面でワニス工法よりもやや不利になる。

次に、図８を参照して金属部材２１と樹脂層２２とが接合された部材５０の金属部材２１をエッチングして所要の振動板部材２とする製造工程について説明すると、図８（ａ）に示すように、上述した図７で説明した工程で得られた金属部材２１と樹脂層２２とが接着剤を介することなく接合された部材５０を準備する。

そして、図８（ｂ）に示す第４のステップでは、金属部材２１（ＳＵＳ３０４−ＴＡ）の露出側に所望のパターンでエッチングマスク５３を形成する。ＳＵＳ材はエッチングマスクであるレジストとは比較的密着性が弱いので、レジストを塗布する前に、アルゴンや窒素などの不活性ガス中でプラズマ処理をすることで密着性を上げることができる。また、塩酸等を用いた薬液処理でも密着性向上は図れる。

次いで、図８（ｃ）に示す第５のステップでは、マスキングされた金属部材２１（ＳＵＳ３０４−ＴＡ）に対して塩化第二鉄を主成分とするエッチャントを接触させてエッチングし、島状凸部２Ｂ、厚肉部２Ｄなどを形成する。その後、図８（ｄ）に示すように、エッチングマスク５３を除去して、振動板部材２を完成する。

以上の工法を用いることで、突起部（島状凸部）になるところが金属部材の加工時にマスキングされるので、金属部材の厚さを維持することができるため、突起部の高さばらつきは金属部材の膜厚となり、高さ管理が容易である。高さばらつきが小さく高さ管理がされた突起に対して、圧電素子を取り付けられるため、金属部材と圧電素子との接着強度ばらつきが抑制され、圧電素子の変位を、効率よくばらつきが小さく、振動板領域２Ａに伝えることができるようになり、ノズル毎の滴吐出特性を安定にできる。

次に、図９を参照して振動板部材２と圧電素子１２とを接合した部材（圧電アクチュエータ）の接合工程について説明する。
ここでは、図９（ａ）に示すように、上述した図８で示す構成で製造された振動板部材２の金属部材２１で形成されている島状凸部（突起部）２Ｂに対して加熱処理にてイミド化させ結合している樹脂層２２からなる振動板部材２を準備する。突起部２Ｂは樹脂層２２と接着剤を介さずに接合されているため、突起部２Ｂの高さばらつきは金属部材２１の母材の板厚ばらつきのみとなり、十分に高さ管理がされたものである。

また、図９（ｂ）に示すように、圧電定数がｄ３３である圧電素子１２（圧電素子部材１２）を準備する。圧電定数がｄ３３である圧電素子１２は、前述したように、厚さ１０〜５０μｍ／１層のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の圧電層１２１と、厚さ数μｍ／１層の銀・パラジューム（ＡｇＰｄ）からなる内部電極層１２２とを交互に積層したものであり、内部電極１２２を交互に端面の端面電極（外部電極）である個別電極（図示せず）、共通電極（図示せず）に電気的に接続したものである。

そして、図９（ｃ）に示すように、振動板部材２の島状凸部２Ｂに圧電素子１２を接着剤３１で接合する。

以上の工法を用いることで、高さばらつきが小さく高さ管理がされた島状凸部に対して圧電素子を取り付けられるため、金属部材２１と圧電素子１２との接着強度ばらつきが抑制され、圧電素子の変位を効率よくばらつきが小さく振動板領域２Ａに伝えることができるようになり、ノズル毎の吐出特性を安定にできる。また、島状凸部と圧電素子の接合面における平面度が出やすく、高い接合信頼性が得られることから製造歩留まりを上げることができる。

次に、振動板部材２における樹脂層２２の撓みについて図１０及び図１１を参照して説明する。
図１０に示すように、ポリイミドの前駆体である複数種のポリアミック酸ワニス５１を調合して、イミド化処理されることでイミド結合を持つようになったポリマからなる線膨張係数（ｐｐｍ／Ｋ）の異なる４種類の樹脂層（ポリイミド膜）２２を準備した。樹脂層２２の膜厚は全て６μｍに揃えた。また、積層する金属部材２１であるＳＵＳ３０４−ＴＡの板厚は２０μｍで、線膨張係数は１７〜１８ｐｐｍ／Ｋである。

そして、樹脂層２２とＳＵＳ３０４−ＴＡからなる金属部材２１とが接着剤を介さずに結合された部材シートに対して、ＳＵＳ３０４−ＴＡに対して塩化第二鉄を主成分とするエッチャントを接触させてエッチングし４.５ｍｍ×４.５ｍｍサイズの樹脂層２２の単層膜領域を形成した。金属部材２１がエッチング除去された４.５ｍｍ×４.５ｍｍサイズの樹脂層２２の単層膜領域の表面形状（撓み）を計測した結果を図１０に示している。なお、同図中、「ＣＴＥ」は、Coefficient of Thermal Expansion（線膨張係数）を示している。また、同図の結果を図１１に線図で示している。

これらの結果から、金属部材２１よりも線膨張係数が小さい調合Ａの樹脂層では表面変位（撓み）が大きくなっており、金属部材２１よりも線膨張係数が大きい調合Ｂ、Ｃ、Ｄの樹脂層では相対的に表面変位（撓み）が小さくなっている。

この例のような方法で作製した樹脂層を用いた、金属部材２１と樹脂層２２との積層膜では２５０〜４００℃程度の高温で硬化し、金属部材２１と固着するため、金属部材２１よりも線膨張係数が小さい調合（調合Ａ）の樹脂層の場合は、金属部材２１をエッチングし消失させると、硬化温度よりも低い温度の室温付近では樹脂層２２に弛みが生じる。逆に、金属部材２１よりも線膨張係数が大きい調合（調合Ｂ、Ｃ、Ｄ）の樹脂層の場合は、一様に張られた状態になっている。

図１１は図１０の結果をグラフ化したもので、金属部材２１よりも線膨張係数が小さい調合Ａの樹脂層の撓みに対して、金属部材２１よりも線膨張係数が大きい調合Ｂ、Ｃ、Ｄの樹脂層で顕著に撓みが小さくなっていることが分かる。

また、ここでは、同時に金属部材２１と樹脂層２２との積層膜の反りについても測定した。その結果を図１２に示している。なお、図１２は７５ｍｍの大きさでの反りの測定結果である。これより、樹脂層２２の線膨張係数を大きくすると、積層膜の反りは大きくなる傾向を示した。特に、調合Ｃと調合Ｄとの間では顕著な変化が見られ、樹脂層２２の撓みの結果とは相反する傾向を示しており、調合Ｂ〜調合Ｃ程度の線膨張係数とすることが最も好ましいことも判った。

したがって、１７〜１８ｐｐｍ／Ｋ程度の線膨張係数をもつ金属部材に樹脂層を直接成膜する場合、樹脂層２２の線膨張係数は金属部材よりも大きく、２３．５ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲とすることが、樹脂層２２の撓み抑制と積層膜の反り抑制の両面で最適な範囲であるといえる。

この場合、理論的には樹脂層の線膨張係数が金属部材の線膨張係数と同じであれば皺の発生は抑制されるが、樹脂の製造ばらつきを考慮した場合、樹脂層の線膨張係数を金属部材の線膨張係数と完全に一致させることは不可能である。そして、金属部材よりも線膨張係数が小さい樹脂層の場合は樹脂層の撓みが急激に大きくなる。したがって、本発明のように積極的に金属部材よりも線膨張係数が大きい樹脂層を用いることで振動板部材及びダンパ部の皺の発生が抑制され、液体吐出ヘッドにおけるノズル毎の滴吐出特性のバラツキを抑えることができるようになる。

また、金属部材をエッチングすることで島状凸部を形成することで、材料の板厚制御のみで金属部材の高さ制御が行えるため高さばらつきが小さくできる。これにより、金属部材と圧電素子との接着強度ばらつきが抑制され、圧電素子の変位を効率よく、ばらつきが小さく振動領域に伝えることができるようになり、更にノズル毎の滴吐出特性を安定にできる。

さらには、この液体吐出ヘッドの吐出特性が安定することで液体吐出ヘッドを組み込んだ液体吐出装置における滴吐出性能の安定化を図ることができ、画像形成装置に組み込むことで画像品質の向上を図れる。

次に、本発明に係る液体吐出ヘッドの他の例について図１３を参照して説明する。なお、図１３は同液体吐出ヘッドの一例を示す斜視説明図である。
この液体吐出ヘッド９０は、ノズル９１を有する液体吐出ヘッド部９２に液体としての例えば記録液を供給する液体収容部（液体タンク）９３とを一体的に備えている。これにより、タンク一体化型液体吐出ヘッドを得ることができる。

次に、本発明に係る液体吐出ヘッドを備える本発明に係る液体吐出装置を含む画像形成装置の一例について図１４及び図１５を参照して説明する。なお、図１４は同装置の機構部の全体構成を説明する概略構成図、図１５は同機構部の要部平面説明図である。
この画像形成装置はシリアル型画像形成装置であり、左右の側板２０１Ａ、２０１Ｂに横架したガイド部材である主従のガイドロッド２３１、２３２でキャリッジ２３３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２３３には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の各色のインク滴を吐出するための本発明に係る液体吐出ヘッドからなる記録ヘッド２３４ａ、２３４ｂ（区別しないときは「記録ヘッド２３４」という。）を複数のノズルからなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。

記録ヘッド２３４は、それぞれ２つのノズル列を有し、記録ヘッド２３４ａの一方のノズル列はブラック（Ｋ）の液滴を、他方のノズル列はシアン（Ｃ）の液滴を、記録ヘッド２３４ｂの一方のノズル列はマゼンタ（Ｍ）の液滴を、他方のノズル列はイエロー（Ｙ）の液滴を、それぞれ吐出する。

また、キャリッジ２３３には、記録ヘッド２３４のノズル列に対応して各色のインクを供給するためのヘッドタンク２３５ａ、２３５ｂ（区別しないときは「ヘッドタンク３５」という。）を搭載している。このサブタンク２３５には各色の供給チューブ３６を介して、各色のインクカートリッジ２１０から各色のインクが補充供給される。

一方、給紙トレイ２０２の用紙積載部（圧板）２４１上に積載した用紙２４２を給紙するための給紙部として、用紙積載部２４１から用紙２４２を１枚ずつ分離給送する半月コロ（給紙コロ）２４３及び給紙コロ２４３に対向し、摩擦係数の大きな材質からなる分離パッド２４４を備え、この分離パッド２４４は給紙コロ２４３側に付勢されている。

そして、この給紙部から給紙された用紙２４２を記録ヘッド２３４の下方側に送り込むために、用紙２４２を案内するガイド部材２４５と、カウンタローラ２４６と、搬送ガイド部材２４７と、先端加圧コロ２４９を有する押さえ部材２４８とを備えるとともに、給送された用紙２４２を静電吸着して記録ヘッド２３４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２５１を備えている。

この搬送ベルト２５１は、無端状ベルトであり、搬送ローラ２５２とテンションローラ２５３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２５１の表面を帯電させるための帯電手段である帯電ローラ２５６を備えている。この帯電ローラ２５６は、搬送ベルト２５１の表層に接触し、搬送ベルト２５１の回動に従動して回転するように配置されている。この搬送ベルト２５１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２５２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、記録ヘッド２３４で記録された用紙２４２を排紙するための排紙部として、搬送ベルト２５１から用紙２４２を分離するための分離爪２６１と、排紙ローラ２６２及び排紙コロ２６３とを備え、排紙ローラ２６２の下方に排紙トレイ２０３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２７１が着脱自在に装着されている。この両面ユニット２７１は搬送ベルト２５１の逆方向回転で戻される用紙２４２を取り込んで反転させて再度カウンタローラ２４６と搬送ベルト２５１との間に給紙する。また、この両面ユニット２７１の上面は手差しトレイ２７２としている。

さらに、キャリッジ２３３の走査方向一方側の非印字領域には、記録ヘッド２３４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２８１を配置している。この維持回復機構２８１には、記録ヘッド２３４の各ノズル面をキャピングするための各キャップ部材（以下「キャップ」という。）２８２ａ、２８２ｂ（区別しないときは「キャップ２８２」という。）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２８３と、増粘した記録液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２８４などを備えている。

また、キャリッジ２３３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記録液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液体回収容器であるインク回収ユニット（空吐出受け）２８８を配置し、このインク回収ユニット２８８には記録ヘッド２３４のノズル列方向に沿った開口部２８９などを備えている。

このように構成したこの画像形成装置においては、給紙トレイ２０２から用紙２４２が１枚ずつ分離給紙され、略鉛直上方に給紙された用紙２４２はガイド２４５で案内され、搬送ベルト２５１とカウンタローラ２４６との間に挟まれて搬送され、更に先端を搬送ガイド２３７で案内されて先端加圧コロ２４９で搬送ベルト２５１に押し付けられ、略９０°搬送方向を転換される。

このとき、帯電ローラ２５６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２５１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２５１上に用紙２４２が給送されると、用紙２４２が搬送ベルト２５１に吸着され、搬送ベルト２５１の周回移動によって用紙２４２が副走査方向に搬送される。

そこで、キャリッジ２３３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド２３４を駆動することにより、停止している用紙２４２にインク滴を吐出して１行分を記録し、用紙２４２を所定量搬送後、次の行の記録を行う。記録終了信号又は用紙２４２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、用紙２４２を排紙トレイ２０３に排紙する。

このようなシリアル型画像形成装置において、本発明に係る液体吐出ヘッドないしこれを含む液体吐出装置を備えることによって、安定した滴吐出特性が得られるので、高速で高画質画像を記録できるようになる。

次に、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えた液体吐出装置を含む画像形成装置の他の例について図１６を参照して説明する。なお、図１６は同画像形成装置の概略構成図である。
この画像形成装置はフルライン型ヘッドを備えたライン型画像形成装置であり、装置本体４０１の内部に画像形成部４０２及び用紙を搬送する搬送機構４０３等を有し、装置本体４０１の一方側に多数枚の用紙４０５を積載可能な給紙トレイ４０４を備え、この給紙トレイ４０４から給紙される用紙４０５を取り込み、副走査搬送機構４０３によって用紙４０５を搬送しながら画像形成部４０２によって所要の画像を記録した後、装置本体４０１の他方側に装着された排紙トレイ４０６に用紙４０５を排紙する。

画像形成部４０２は、記録液となる液体を収容した液体タンクを一体にし、用紙の幅方向（搬送方向と直交する方向）の長さ相当分のノズル列を有する本発明に係る液体吐出ヘッドで構成したライン型ヘッド４１０ｙ、４１０ｍ、４１０ｃ、４１０ｋを備えたものである。これらのライン型ヘッド４１０ｙ、４１０ｍ、４１０ｃ、４１０ｋは図示しないヘッドホルダに取り付けている。

ライン型ヘッド４１０ｙ、４１０ｍ、４１０ｃ、４１０ｋは、用紙搬送方向上流側からそれぞれ例えば、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの順に各色の液滴を吐出する。なお、ライン型ヘッドとしては、各色の液滴を吐出する複数のノズル列を所定間隔で配置した１つのヘッドを用いることもできるし、ヘッドと液体カートリッジを別体としたものを用いることもできる。

給紙トレイ４０４の用紙４０５は、給紙コロ４２１によって１枚ずつ分離され装置本体４０１内に給紙され、用紙供給ローラ４２２によって搬送機構４０３に送り込まれる。

この搬送機構４０３は、駆動ローラ４２３と従動ローラ４２４との間に掛け渡した搬送ベルト４２５と、この搬送ベルト４２５を帯電させるための帯電ローラ４２６と、搬送ベルト４２５を画像形成部２に対向する部分で案内するガイド部材（プラテンプレート）４２７と、搬送ベルト４２５に付着した記録液（インク）を除去するためのクリーニング手段である多孔質体などからなる記録液拭き取り部材（ここでは、クリーニングローラ）４２８と、用紙４０５を除電するための導電ゴムを主体とした除電ローラ４２９と、用紙４０５を搬送ベルト４２５側へ押える用紙押さえローラ４３０とを備えている。

また、搬送機構４０３の下流側には画像が記録された用紙４０５を排紙トレイ４０６に送り出すための排紙ローラ４３１を備えている。

このように構成したライン型画像形成装置においても、搬送ベルト４２５を帯電させて用紙４０５を送り込むことによって、静電力で用紙４０５が搬送ベルト４２５に吸着されて、搬送ベルト４２５の周回移動によって搬送され、画像形成部４０２によって画像が形成されて、排紙トレイ４０６に排紙される。

そして、本発明に係る液体吐出ヘッドないしこれを含む液体吐出装置を備えることによって、安定した滴吐出特性が得られるので、高速で高画質画像を記録できるようになる。

なお、本発明に係る液体吐出装置、画像形成装置は、例えば、プリンタ／ファックス／コピアの単機能機やこれらの複合機などの画像形成装置に適用することができる。また、インク以外の液体である記録液や定着処理液などを用いる画像形成装置、その他の前述したような各種の液体を吐出する液体吐出装置にも適用することができる。

本発明に係る液体吐出ヘッドの一実施形態を示す側面説明図である。 同じく図１の平面説明図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う液室長手方向（液室の並び方向と直交する方向）に沿う断面説明図である。 同じく液室短手方向（液室の並び方向）に沿う断面説明図である。 図４の１つの加圧液室部分の拡大断面説明図である。 同じく液室部分の要部平面説明図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの製造方法の説明に供する金属部材と樹脂部材の積層部材の製造工程を説明する説明図である。 同じく図７の積層部材を用いて振動板部材の製造工程を説明する説明図である。 同じく振動板部材と圧電素子との接合工程を説明する説明図である。 振動板部材の樹脂層の熱膨張係数と撓みの発生の説明に供する説明図である。 図１１をグラフ化して示す説明図である。 振動板部材の樹脂層の熱膨張係数と撓みの発生と反りの発生の説明に供する説明図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの他の例の説明に供する斜視説明図である。 本発明に係る画像形成装置の一例を示す概略構成図である。 同機構部の要部平面説明図である。 本発明に係る画像形成装置の他の例を示す概略構成図である。

符号の説明

１…流路基板
２…振動板部材
２Ａ…振動板領域
２Ｂ…島状凸部
３…ノズル板
４…ノズル
６…加圧液室
８…共通液室
１２…圧電素子
１８…ダンパ室
１９…ダイアフラム部
２１…金属部材
２２…樹脂層
２３４ａ、２３４ｂ…記録ヘッド
４１０ｋ、４１０ｃ、４１０ｍ、４１０ｙ…ライン型ヘッド

Claims (11)

1. 液体を吐出する複数のノズルと、
   前記複数のノズルが各々連通する複数の液室と、
   各液室の変形可能な壁面を形成する振動板領域を有する振動板部材と、を備え、
   前記振動板部材は、金属部材上に、この金属部材の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を持つ樹脂を直接塗布して加熱して固化させることで形成された前記振動板領域を形成する樹脂層を有し、
   前記液室間に形成された隔壁部に対応して前記振動板領域間に前記金属部材からなる厚肉部が形成され、
   各々の前記振動板領域には、振動板領域を振動させる駆動部と接合される前記金属部材からなる島状の凸部が形成されている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記樹脂はイミド結合を持つポリマであることを特徴とする液体吐出ヘッド。
3. 請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記振動板領域にはこの振動板領域の幅方向全域に亘り樹脂層のみで形成される部分があることを特徴とする液体吐出ヘッド。
4. 請求項３に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記振動板領域の幅方向全域に亘り樹脂層のみで形成される部分の前記金属部材はエッチングで除去されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の液体吐出ヘッドにおいて、複数の液室に液体を供給する共通液室を有し、この共通液室の壁面の一部が前記振動板部材の樹脂層で形成された変形可能なダンパ部とされていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の液体吐出ヘッドにおいて、液体を供給する液体タンクを一体に備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
7. 液滴を吐出する液体吐出ヘッドを備える液体吐出装置において、請求項１ないし６のいずれかに記載の液体吐出ヘッドを備えていることを特徴とする液体吐出装置。
8. 液体吐出ヘッドから液滴を吐出して画像を形成する画像形成装置において、請求項１ないし６のいずれかに記載の液体吐出ヘッドを備えていることを特徴とする画像形成装置。
9. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドを製造する製造方法であって、
   金属部材を準備する第１のステップと、
   この金属部材上に、金属部材よりも線膨張係数が大きくなるように調製された樹脂を直接塗布する第２のステップと、
   前記樹脂を加熱し固化させてイミド化させることで前記金属部材上に樹脂層を接合形成する第３のステップと
   を行うことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
10. 請求項９に記載の液体吐出ヘッドの製造方法において、
    前記樹脂層が接合形成された前記金属部材に対し、前記樹脂層の変形可能とする部分以外の部分をマスキングする第４のステップと、
    このマスキングされた該金属部材に対してエッチャントを接触させてエッチングにより前記樹脂層の変形可能とする部分の前記金属部材を除去して振動板部材を形成する第５のステップと
    を行うことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
11. 請求項１０に記載の液体吐出ヘッドの製造方法において、前記振動板部材に対して圧電素子を接合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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