JPH07171965A - インクジェットヘッドの製造方法及びそれを製造するための製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 吐出口がレーザーにより形成された吐出口形
成部材を備えたインクジェットヘッドを製造するに当
り、レーザーによる吐出口形成を、金属ニッケルを主成
分とする電鋳法マスク表面に有機物を含まない金属薄膜
を形成したマスクを用いて行なうことを特徴とするイン
クジェットヘッドの製造方法であり、前記マスクを用い
たインクジェットヘッドを製造するための製造装置を開
示する。 【効果】 レーザーを用いてオリフィスを形成するイン
クジェットヘッドの製造方法において従来問題となって
いた電鋳マスク材の変質による孔形状の変形、加工され
たオリフィスの形状不良を防止することが可能となり、
マスク寿命の向上、加工されたオリフィスの孔面積、形
状が一定となり、長期にわたり高精度で均一かつ安定し
てオリフィス形成が可能となる。

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、飛翔させるイン
クジェットヘッドの製造方法及び製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェットヘッド、あるいはインク
タンク一体型の記録カートリッジでは、ピエゾ素子を用
いたもの、あるいは発熱素子を用いたもの、これらの複
合体などが吐出手段として知られているが、発熱素子か
らの熱エネルギーを利用してインクを吐出するインクジ
ェットヘッドは、インク吐出口を高密度に配列すること
ができるために、高解像度の記録を行うことが可能であ
る他、全体的にコンパクト化が容易であるなどの利点が
あり、実用化されている。

【０００３】このような発熱素子からの熱エネルギーを
利用してインクを吐出するインクジェットヘッドは、例
えば、図５に示すように、インク液室５、インク流路
４、オリフィス面形成部材３（以下、オリフィスプレー
トという）を一体成形した天板２を、図６に示すよう
に、発熱素子７が形成された基板１と組み合わせること
により構成される。この天板２のオリフィスプレート部
３には流路４と連通するように孔が加工されており、こ
れが吐出口（以下、オリフィス６）となる。

【０００４】インクを吐出させるオリフィス６を加工す
るのにエキシマレーザーを用いることは、これまで一般
に知られている。また、オリフィスパターンを持ったレ
ーザーマスクとしては、縮小投影型のマスク、あるい
は、被加工物であるオリフィスプレート３に密着させた
密着型メカマスクがある。

【０００５】マスクとしては、ガラス等を基材とした、
例えばＡｌ蒸着マスクがあるが、マスクの耐久性から考
えても、また量産性に乏しく、高価であるために不適で
あり、また、金属材料等を化学的にエッチング加工した
マスク、あるいはＹＡＧレーザー等を用いて物理的に加
工したマスクでは、紫外光を発するエキシマレーザーの
利点である高解像度のオリフィス形成を活かすような高
精度のマスクが得られ難いなどの欠点があり、利用でき
ないのが実情である。

【０００６】即ち、孔加工後のオリフィス面積の誤差を
±５％以内にするためには、４分の１縮小投影マスクで
も、±２μｍの精度が要求され、かつ、エキシマレーザ
ーで流路溝付天板のオリフィスプレートに孔をあける場
合には、孔形状をＲつき台形とする必要があり、Ｒ部の
精度等、エッチング加工でのマスク作製を困難にしてい
る。また、ＹＡＧレーザー加工では、現在可能な最小ビ
ームスポット径と要求精度が一桁違い、かつ熱による溶
融切断加工のため、切断孔の平面的エッジ精度、立体的
エッジ精度が悪く、更には、１孔ずつの加工であるた
め、製造コストが高くなってしまう。

【０００７】一方、金属ニッケルを主成分とする電鋳法
によるマスクは、コスト、量産性、精度等の面で上記の
マスクに比べて優れており、そのため、レーザー加工、
特にエキシマレーザー加工において一般的に用いられて
いる。しかもこのマスクは、シリコンウエハーを切断す
るのに一般的に用いられているニッケル電鋳ブレードと
同様、マスクの機械的強度が高く、かつ電鋳制御である
ため、有機物を主成分とした添加剤を微量含有してお
り、外観状、光沢ニッケルプレートとなっている。更
に、加工精度の面でも、マスクを冷却することにより、
照射されたレーザー光によるマスクの微細孔の熱変形を
抑えることが可能であり、加工精度向上が図れる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
加工方法でも、マスクに照射されたレーザー光により、
ニッケル電鋳マスクの微細孔が徐々に変形していく現象
がみられた。これは、通常、マスクパターンを通過する
レーザー光が、マスク面全面に当るレーザービームの１
０％以下であるため、ニッケル電鋳マスクに微量含有さ
れている有機物がエキシマレーザー光の照射を繰り返し
受けることにより、エネルギーの一部を吸収し、わずか
ずつ炭化して、マスクの微細な孔の中心方向に向って付
着物のごとく成長することに起因している（図７中、３
２で示されるものが炭化物）。

【０００９】このように微細孔が変形したマスクを用い
てオリフィス形成した天板を使用してインクジェットヘ
ッドを組み立て、印字を行うと、以下のような問題があ
った。

【００１０】マスクの高精度な微細孔が個々にばらばら
に変形しているために、オリフィスの孔面積が全オリフ
ィスにわたって不揃い（通常、小さくなる）となり、か
つその形状も所定の形状からは歪んだものとなる。その
ため、新品のマスクを用いて加工されたオリフィスを持
つインクジェットヘッドでは、所望の吐出性能（吐出液
滴の大きさ、吐出速度、吐出方向など）を得られるもの
の、レーザー孔加工を重ねるうちに、製造されたヘッド
は、吐出液滴が小さくなり、印字濃度の低下やベタ印字
での白スジ発生を引き起こしたり、あるいはまた、吐出
方向がヨレるため、良好な記録が行えなくなるなどの状
態に陥ることもある。これらの品質不良を防ぐ手段とし
ては、頻繁に新しいマスクに交換することも考えられる
が、マスク費用のアップと共に、マスク交換時の孔加工
機の停止に伴う稼動率の低下等の問題も生じてしまう。

【００１１】以上説明したように、低コストで量産性に
優れたニッケル電鋳マスクも、レーザー照射により含有
する有機物の炭化物が微細孔周囲に付着することによる
生産コストの増加があり、製品コストを低減させる上で
大きな障害となっていた。従って、本発明は、エキシマ
レーザーを用いたオリフィス形成時に、有機物の炭化物
等が、微細孔に付着しないようにマスクを改良すること
により、製造コストの低減を図ったインクジェットヘッ
ドの製造方法及び製造装置を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、インクを吐出
するための吐出口がレーザーにより形成された吐出口形
成部材を備えたインクジェットヘッドを製造するにあた
り、前記レーザーによる吐出口形成を、金属ニッケルを
主成分とする電鋳法マスク表面に有機物を含まない金属
薄膜を形成したマスクを用いて行うことを特徴とする。

【００１３】

【作用】以上のような手段によってなされるレーザー
光、特にエキシマレーザー光を用いた孔加工では、電鋳
法マスク中に含まれる有機物がその表面に形成される金
属薄膜によってエキシマレーザー光から保護されるため
に、有機物が炭化されることなく、よって、微細孔が変
形することがない。従って、加工された天板のオリフィ
スプレートの各オリフィスは、マスクの微細孔と同様に
エキシマレーザーによる孔加工を繰り返しても変形する
ことなく、ヘッドとして組み立てた後、印字した際にも
所望の吐出性能の得られる天板を頻繁なマスク交換する
ことなく、長期にわたって安定して製造することができ
る。

【００１４】これは以下のように説明することができ
る。

【００１５】従来、電鋳ニッケルマスクの強度維持を目
的として添加される有機物は、樹脂製のオリフィスプレ
ートに孔加工を施すために必要なパワーでエキシマレー
ザーを発振させた場合、エキシマレーザーの持つ光子エ
ネルギーにより、化学結合の切断が行われ、炭化等を起
こし、マスクの微細孔周辺に析出付着し、これによりマ
スクの微細孔が変形してしまっていた。一方、本発明で
用いる金属結合しているマスク表面の金属薄膜は、これ
よりもかなり高いエキシマレーザー光子エネルギー（通
常、孔加工に必要な光子エネルギーの３〜１０倍）がパ
ルス照射されないと、リムービング現象（広義のアブレ
ーション現象）を起こさず、また、１パルスあたりのリ
ムービングレートは０．１〜３μｍであることから、マ
スクの微細孔の変形を防ぐことができる。

【００１６】更に、マスク表面の金属薄膜でアブレーシ
ョンを防止できるのは、エキシマレーザーのような紫外
光は物質表面でのみエネルギーが吸収される、という物
理現象に基づいている。従って、パルス発振レーザーで
あるエキシマレーザーの１パルス毎のエネルギーが吸収
される表層厚さ以上の金属薄膜が、電鋳ニッケルマスク
表面に形成されていれば、金属薄膜上でのみエネルギー
吸収が起こり、しかも、アブレーションを起こすエネル
ギーしきい値を越えていないために、マスクが変質する
ことはない。このために必要な金属薄膜の厚さは、材料
にもよるが、０．５〜１０μｍである。

【００１７】上記金属薄膜の材料としては、メッキによ
り容易に形成でき、できれば材料コストが低く、薄膜表
面の反射率の低いものが、より大きな効果を得るために
好ましい。本発明では、Ｎｉ，Ｓｎ及びＡｕの使用を提
案している。これは、マスクでのエキシマレーザー光の
反射率を高めるような材料を使用すると、マスクよりレ
ーザー側に位置した照明光学系（フィールドレンズ等）
に反射光を照射し返すことになり、本発明で得られるマ
スク改善効果が、照明光学系の寿命ダウンで相殺されて
しまうためである。

【００１８】また、上記の点に関して、本発明では電鋳
マスクの取付方向を指定することにより、より大きく、
確実な効果を生み出す。即ち、電鋳法では、例えば、ス
テンレス製のプレート上に感光性の絶縁材料をパターニ
ングし、そのステンレスプレートを陰極として、電鋳を
行うが、この陰極に密着した電鋳面は、半光沢を示し、
一方、電鋳が進行した面は光沢を示す。従来の孔加工で
は、図７（ａ），（ｂ）に示すように、電鋳マスク３０
の光沢面３５、半光沢面３６の区別無く、投影マスクと
して取り付け使用されていた。本発明では図８に示すよ
うに半光沢面３６をレーザー３７照射側にすることで、
上記弊害の可能性も低減している。

【００１９】更に、やや高価なＡｕメッキは空気中で安
定であるが、ＮｉメッキやＳｎメッキは空気中で全く変
質しないわけではない。そのため、本発明では、上記マ
スクをＮ₂、Ｈｅといった不活性なガス雰囲気中で使用
することを提案している。例えば、図９に示すようにノ
ズル３３から不活性ガス３４を噴出させることにより行
うことができる。この点は、従来問題となっていた１０
⁶ショットオーダーのマスク寿命からすればわずかな効
果であるものの、本発明の金属薄膜を設けたマスクで
は、大きな効果が得られるものである。

【００２０】

【実施例】以下、実施例により本発明を更に具体的に説
明するが、本発明はこれらの例のみに限定されるもので
はない。

【００２１】実施例１ 図面を参照して本発明を詳細に説明する。

【００２２】図１は、本発明の１実施例に係わるインク
ジェットヘッドに用いる、天板と一体に形成されたオリ
フィスプレートに、インク流路側からエキシマレーザー
光を照射してオリフィス（吐出口）の加工を行う装置の
概要を示したものである。同図において、１０はＫｒＦ
エキシマレーザー光源、Ｐはレーザー光源１０より発せ
られる波長２４８ｎｍのパルスレーザービーム、２０は
マスクを照明するための光学系、３０はオリフィスパタ
ーンの全てあるいは一部を有し、レーザービームを遮蔽
可能なＮｉ材でできた縮小投影マスク（本実施例では、
１５００μｍ²の穴が２８２μｍピッチで６４個配設さ
れたものを使用。）であり、また、５０はマスク像の投
影光学系、２は樹脂により一体成形された天板である。

【００２３】図５は本実施例に係わる天板２を説明する
構成図である。天板２は、インク流路溝４と、これに対
応してオリフィスプレート３に形成されるオリフィス６
とを、所望の個数（図５においては、簡便のため、２
個）を有し、一体に設けた構成としている。

【００２４】また、図６に示したインクジェットヘッド
の構成例では、天板２は、耐インク性に優れ、かつ形成
性、熱収縮率等の点で、総合的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
ドといった高分子樹脂材料を用いて、オリフィスプレー
ト３と共に、金型内で一体に射出成形されている。

【００２５】次にインク流路溝４や、オリフィス６の形
成方法について説明する。インク流路溝４については、
それと逆のパターンの微細溝をダイヤモンドバイトによ
る切削等の手法により作製し、それを型として成形天板
２に流路溝４を形成することができる。

【００２６】また、オリフィス６の形成は、まず、金型
内でオリフィス６を有さない状態で、天板２と一体にオ
リフィスプレート３を形成しエキシマレーザー加工によ
りオリフィスの形成を行う。

【００２７】オリフィス６の形成は、まず、エキシマレ
ーザー１０より、繰り返し周波数２００ＰＰＳ、パルス
エネルギー３００ｍＪでレーザービームＰ（半値全幅で
およそ２８ｍｍ×６ｍｍ）を発生させる。このビームＰ
は、照明光学系２０に入射し、その後、マスク３０を照
射する。この照明光学系２０では、図２に示すように、
楕円マスク２１、凹シリンドリカルレンズ２２及び凸シ
リンドリカルレンズ２３の組合せにより、ビームＰをφ
２８ｍｍの円形平行ビームに変換し、そのビームＰ２を
ケラー照明用のフライアイレンズ２６（蠅の目レンズ）
に導くべく、凸レンズ２４と凹レンズ２５の組合せのビ
ームコンプレッサーにより、φ２０ｍｍの円形平行ビー
ムＰ３に圧縮する。

【００２８】このようにして圧縮された円形平行ビーム
Ｐ３は、図３に示すように、フライアイレンズ２６の７
個の各凸レンズ２６１を通過し、フライアイレンズ２６
を出た７つの光束は、フィールドレンズ２７を経て、投
影マスク３０上の同一領域を照明する。そして、マスク
上のオリフィスパターンを通過した７つの光束は、投影
光学系５０を構成するテレセントリックな縮小投影レン
ズ５１により、オリフィスプレート３上に結像され、レ
ーザー照射を受けた樹脂部分は、レーザーアブレーショ
ンを起こして除去され、流路溝４に貫通し、所望形状の
オリフィス６の形成が完了する。このとき、樹脂にレー
ザーアブレーションを起こさせるために必要なレーザー
パルス数は、４２μｍ厚のポリエーテルサルフォンの場
合には、３００パルスであった。

【００２９】このエキシマレーザーによるオリフィス形
成において、従来のマスクを用いた加工と、本発明の加
工との比較を以下に示す。本実施例では、マスク面上
で、１００ｍＪ／ｃｍ²のエネルギー密度のエキシマレ
ーザーを使用した場合には、厚さ２５μｍのＮｉ電鋳マ
スクは、インクジェットヘッド用のオリフィス形成マス
クとしてみた場合、レーザー照射５〜１０×１０⁶ショ
ットが、使用限界であったものが、２μｍ厚のＡｕメッ
キをマスク両面に施したものでは、１〜７×１０ ⁷ショ
ットと、およそ３倍の寿命アップ効果が得られた。もち
ろん、金属薄膜を設ける場合には、およそその膜厚の２
倍分マスク上の穴が小さくなることを考慮の上、電鋳マ
スクを作製することは言うまでもない。

【００３０】実施例２ フライアイレンズ２６に合うようにレーザービームを変
換する光学系として実施例１のシリンドリカル及びビー
ムコンプレッサーの系でなく、ビームコンプレッサー及
びビーム分割プリズムといった組合せでも良い。図４
（ａ），（ｂ），（ｃ）にこの分割プリズムを使用した
光学系を示す。レーザー光源１０より出射するレーザー
光Ｐを、そのレーザー光軸と孔の並び方向とでつくる平
面に対し垂直な方向に３つに分けるプリズム３１１及び
３１２を配置したもので、３つのビームはフライアイレ
ンズ２６の光軸にあるように前記平面に対し垂直な方向
に所定の間隔で分けられる。

【００３１】プリズム３１１、３１２はレーザー光の入
射面と出射面が平行なものであり、マスク孔の並び方向
に回転軸を持つ回転方向に回転させてビーム間隔が５．
２ｍｍとなるように前記レーザー光を３本のビームに分
割する。（ｂ）は上述のプリズム３１１、３１２を設け
た場合にフライアイレンズ２６に入射するレーザービー
ムを示している。

【００３２】また、前記プリズム３１１、３１２とレー
ザー光源１０との間の光軸上に、（ａ）のように凸レン
ズ３３１と凹レンズ３３２からなる、ビーム形状を圧縮
する圧縮光学系３３０を配置してもかまわない。

【００３３】この分割プリズムを用いた光学系で、実施
例１と同様のＡｕメッキを施したマスク両面より合計２
リットル／分の流量でＮ₂ガスを流したところ、実施例
１以上に、本発明の効果が得られ、マスク寿命は２〜４
×１０⁷ショットとなった。

【００３４】上記実施例はいずれも縮小投影マスクでの
効果であったが、エネルギー密度が数倍以上高い密着マ
スクにおいては更に顕著な効果が得られる。

【００３５】また本発明は、記録媒体の幅方向にスキャ
ンしながら記録するシリアルタイプのインクジェットヘ
ッドのみならず、記録媒体の最大幅に対応した長さを有
するようなフルラインタイプのヘッドのオリフィス形成
に対しても有効であり、そのようなヘッドとしては、複
数のヘッドの組合せによってその長さを満たす構成で
も、一体に形成された１個のヘッドでも良い。

【００３６】加えて、上記のシリアルタイプのヘッドに
おいても、ヘッドのみとして構成されたもののみなら
ず、インクタンクを一体に設けた記録カートリッジ構成
のものでも良い。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザー光、特にエキシマレーザーを用いてオリフィス
を形成するインクジェットヘッドの製造方法において従
来問題となっていた電鋳マスク材の変質による孔形状の
変形、ひいては、加工されたオリフィスの形状不良が、
電鋳マスク上に有機物を含まない金属薄膜を設けること
で防止することが可能となり、マスク寿命の向上、加工
されたオリフィスの孔面積、形状が一定となり、長期に
わたり高精度で均一かつ安定してオリフィス形成が可能
となる。この結果、本発明の製造方法で形成されたオリ
フィスを有するインクジェットヘッドは、１ヘッド内の
全てのオリフィスにわたり、また、製造日が異なるオリ
フィスについても、インク吐出量の均一性、インク吐出
方向の正確性、といった性能が向上し、高精度、高解像
の記録を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のオリフィス加工装置の一例を説明する
ための構成図である。

【図２】本発明の実施例１における装置のマスク照明光
学系を説明するための構成図である。

【図３】本発明の実施例１における装置のマスクまわり
を説明するための構成図である。

【図４】本発明の実施例２における装置のマスク照明光
学系を説明するための構成図である。

【図５】本発明に係るインクジェットヘッドのインク液
室、インク流路、オリフィスプレートを一体成形した天
板の一例を説明するための斜視図である。

【図６】図５の天板を用いた本発明に係るインクジェッ
トヘッドの構成例を示す斜視図である。

【図７】従来のオリフィス形成に用いたマスクを説明す
るための断面図であり、（ａ）は光沢面を、（ｂ）は半
光沢面をレーザー照射側に配置した例を示す。

【図８】本発明におけるマスクを説明するための断面図
である。

【図９】図８のマスクに対して不活性なガスを噴出する
構成を示す説明図である。

【符号の説明】

Ｐ エキシマレーザービーム １ 基板 ２ 天板 ３ オリフィスプレート ４ インク流路 ５ インク液室 ６ 発熱素子 １０ エキシマレーザー光源 ２０ マスク照明光学系 ３０ 電鋳マスク ３１ 金属薄膜 ３２ 炭化物 ３３ ノズル ３４ 不活性ガス ３５ 光沢面 ３６ 半光沢面 ３７ 集光ビーム ５０ 投影光学系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２５Ｄ 1/02

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクを吐出するための吐出口がレーザ
   ーにより形成された吐出口形成部材を備えたインクジェ
   ットヘッドを製造するに当り、前記レーザーによる吐出
   口形成を、金属ニッケルを主成分とする電鋳法マスク表
   面に有機物を含まない金属薄膜を形成したマスクを用い
   て行うことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方
   法。
2. 【請求項２】 請求項１において、金属薄膜の厚みが
   ０．５〜１０μｍであることを特徴とするインクジェッ
   トヘッドの製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、金属薄膜が
   Ｎｉ，Ｓｎ若しくはＡｕであることを特徴とするインク
   ジェットヘッドの製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１、２または３において、電鋳法
   マスクを、電鋳レジストに対してオーバーメッキされた
   側をレーザー光の通過側に設置したことを特徴とするイ
   ンクジェットヘッドの製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項において、
   電鋳法マスクを不活性ガス雰囲気で使用することを特徴
   とするインクジェットヘッドの製造方法。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１項に記載のイ
   ンクジェットヘッドの製造方法によってインクジェット
   ヘッドの吐出口を形成することを特徴とするインクジェ
   ットヘッドの製造装置。