JP3722338B2 - インクジェットプリントヘッド及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、印字データの入力を受けた時点でインク滴を飛翔させ、このインク滴により記録用紙にドットを形成させるオンデマンド方式のインクジェットプリントヘッドおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
オンデマンドのインクジェットプリントヘッドは一般的に、インク滴の吐出ノズル、ノズルと連通した圧力室、圧力室にインクを供給するインク流路、さらに圧力室にインク吐出エネルギを与える圧力発生素子を備えている。
【０００３】
従来、このようなインクジェットプリントヘッドを形成する方法としては、耐インク性を有するプラスチック樹脂の成形により溝を形成し、蓋板と接合しインク流路を形成する方法が知られている。
【０００４】
また、特公平２−４２６６９号公報では、感光性樹脂の硬化膜を用いて流路形成用の溝を形成した後、蓋板と接着あるいは熱圧着してインク流路を形成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなインクジェットプリントヘッドのチャンバ基板およびリストリクタ基板はインクに直接触れるため、耐インク性を有する材料でなければならない。そのため使用できるインクは限られ、溶剤系のインク等は腐食や膨潤などの発生により使用できないという問題があった。
【０００６】
さらに、従来のチャンバ基板及びリストリクタ基板の形成法においては、解像度並びに位置合わせ精度に限界があり、とくにマルチノズル化になると歩留まりや高印字品質のために必要であるインク滴速度のばらつきなどが問題になっていた。
【０００７】
そこで本発明はこのような問題点を解決すべくなされたもので、その課題とするところは、ヘッド構造材に高い耐インク性を有する材料を用いることによって使用可能なインクの幅を広げ、更にチャンバ基板およびリストリクタ基板が精度良く正確にかつ歩留まり良く微細加工され、しかも高速印字の際に大きさ、形状の揃ったドットが形成されることにより高い印字品質が得られるインクジェットプリントヘッドを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、インク滴の吐出口を有するノズル形成部材と、前記ノズルの各々と連通した複数の圧力室を形成するチャンバ基板と、前記圧力室内にインクを供給するための複数のインク供給路を形成するリストリクタ基板と、前記圧力室の一面を封止する振動板と、前記振動板の外側に取り付けられた複数の圧力発生素子とを有するインクジェットヘッドにおいて、前記チャンバ基板とリストリクタ基板がポリイミド樹脂で形成されることにより解決される。
【０００９】
また、本発明においては、前記ポリイミド樹脂をフォトエッチングによってパターニングし、更に酸素プラズマによるドライエッチングによって所定の形状に加工することにより解決される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明のインクジェットプリントヘッドの分解斜視図であって、圧力発生素子となる圧電素子（図示せず）が取り付けられる振動板１、インクを各ノズルに供給するためのインク流路２を有するリストリクタ基板３、インクが加圧される圧力室４を有するチャンバ基板５、および複数のノズル６を有するノズル板７からなり、各々が接着されている。
【００１２】
ここで、ノズル６の配列ピッチは１８０分の１インチ、約１４１μとし、２列に千鳥状に配置することによって３６０ドット／インチを有するものであるが、ノズル数、列数、及びユニット構成はどのような組み合わせでも限定されるものではない。
【００１３】
図２は、圧力室４のインクの流れ方向に平行な面で切断したヘッドの断面形状であり、６はノズル板７内のノズル、８は配列された圧力室４内のインクである。
【００１４】
圧力発生素子である積層圧電素子９は、充分な剛性のある固定板（図示せず）に機械的に固定されているため、積層圧電素子９で発生した機械的エネルギは振動板１を介して圧力室４内のインクに伝えられる。なお、積層圧電素子９は、ジルコン酸チタン酸鉛系圧電セラミックからなる圧電体１０を多層化したものであるが、スクリーン印刷や水熱合成法などによって形成された薄膜状の圧電素子を用いても何ら問題はない。
【００１５】
ここでインク吐出の原理を簡単に説明する。
【００１６】
待機時には振動板１に撓みはないが、分極方向と同極性の電圧を印加すると圧電効果により積層圧電素子９は長さ方向に収縮し、振動板１は矢印方向に変形変位する。その後、電圧印加を止めると積層圧電素子９は元の位置に戻る方向に変位することにより、圧力室４内のインク８は振動板１で発生した圧力により、ノズル６から吐出する。
【００１７】
以下、本発明のインクジェットプリントヘッドの製造方法を、図３を用いて説明する。
【００１８】
（１）の工程
ニッケル電鋳にて形成された厚さ１００μｍのノズル板７の上に、チャンバ基板５となる厚さ１５０μｍのポリイミドフィルム１１をラミネートする。ここで使用したポリイミドフィルム１１の表面には熱可塑性ポリイミド１２が３μｍずつ両面に塗布されており、ポリイミドフィルム１１及びノズル板７を２００℃に加熱し、５ｋｇ／ｃｍ２の圧力を加えながらラミネートすることにより接着が可能である。さらにその上にドライエッチング時のマスク材となるアルミ膜１３を高速スパッタ法によって３μｍ成膜する。なお、マスク材としては銅、クロムなどのメタルや合金を用いても良く、さらに成膜は真空蒸着やイオンプレーティング法を用いても何ら問題はない。
【００１９】
（２）の工程
圧力室４を形成する部分のアルミ膜をフォトリソグラフィ工程によって除去する。アルミ膜１３の上にポジ型レジスト１４を塗布し、圧力室４のパターンが描かれたフォトマスクを用いて露光、現像を行い、圧力室４を形成する部分のポジ型レジスト１４を除去する。さらに、硝酸：リン酸：酢酸：水＝２：１６：１：１の混合液によってアルミ膜１３のエッチングを行う。
【００２０】
（３）の工程
（２）の工程で圧力室４のパターニングを行ったチャンバ基板５を酸素プラズマによるドライエッチングにより加工を行う。酸素プラズマは、ポジ型レジスト１４面に対して垂直に入射させながらポリイミドフィルム１１のエッチングを行うことにより、ノズル板７に対して直角の壁面を持つ圧力室４が形成される。なお、マスク材上のポジ型レジスト１４は、この工程で全て酸素プラズマによってエッチング・除去される。
【００２１】
（４）の工程
前記チャンバ基板５上のアルミ膜１３の剥離を行い、圧力室４が完成する。アルミ膜１３の剥離は前記のアルミエッチングを用いるとノズル板７にも損傷を与えるので、ＮＭＤ−３（テトラメチルアンモニウムハイドライドオキサイド３）を用いると良い。
【００２２】
ノズル板７上に形成されたチャンバ基板５の製造方法と同様に、図４に示すように振動板１上にポリイミドフィルム１１をラミネートし、リストリクタ基板３の加工を行う。振動板１の厚さは２０μｍ、リストリクタ基板３を形成するポリイミドフィルム１１の厚さは５０μｍとした。
【００２３】
上述の工程にて形成されたノズル板７上のチャンバ基板５及び振動板１上のリストリクタ基板３を熱圧着した後、振動板１に積層圧電素子９をエポキシ系の接着剤で接合することにより、図２に示すヘッドが完成する。
【００２４】
チャンバ基板５並びにリストリクタ基板３の膜厚はインクの吐出特性に大きく影響を与える。図５はチャンバ基板５の膜厚が１００μｍと１５０μｍの時の、インク滴速度と吐出周波数の関係を示したものである。インク滴速度は、積層圧電素子９の固有振動数とチャンバ基板５とリストリクタ基板３の固有振動数によって影響を受けるが、チャンバ基板５の膜厚が１００μｍの時はサテライトと呼ばれる微少液滴が多数発生し、飛翔中に衝突する現象が見られた。
【００２５】
図６はこれらの結果をもとに、インク滴速度とチャンバ基板５の膜厚の関係を示したものである。以上の結果より、チャンバ基板５の膜厚は好ましくは５０〜２５０μｍであり、より好ましくは１２０〜１８０μｍである。また、リストリクタ基板３についても同様な傾向が見られ、その膜厚は好ましくは２０〜１００μｍであり、より好ましくは３０〜６０μｍである。
【００２６】
また、長期印字による信頼性評価を行ったところ、１００億回のインク吐出後も吐出性能並びにチャンバ基板５、リストリクタ基板３の寸法には何ら変化はなかった。
【００２７】
このように本発明のインクジェットプリントヘッドはチャンバ基板５並びにリストリクタ基板３をポリイミド樹脂によって構成し、さらに半導体プロセスで用いられるフォトエッチングによってパターニングを行うと同時にドライエッチングによってポリイミドの加工を行うため、位置合わせなどの歩留まりが良く、かつ高解像度の圧力室４の配置が可能となり、耐インク性を有する高性能、高精細のインクジェットプリントヘッドが実現できる。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば複数の圧力室を有するチャンバ基板ならびに圧力室内にインクを供給するための複数のインク供給路を形成するリストリクタ基板をポリイミド樹脂で形成することにより、耐インク性に優れ使用インクを選ばないインクジェットプリントヘッドが実現できる。
【００２９】
また、本発明によるインクジェットプリントヘッドの製造方法によれば、半導体プロセスを用いてチャンバ基板及びリストリクタ基板のパターニングを行い、さらにドライエッチングで垂直な壁面を有する加工が可能となる。従って高密度、高解像度を有するインクジェットプリントヘッドを、容易にかつ安価で歩留まり良く製作することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例となるインクジェットプリントヘッドの分解斜視図。
【図２】本発明の一例となるインクジェットプリントヘッドの断面図。
【図３】インクジェットプリントヘッドのチャンバ基板の加工工程図。
【図４】インクジェットプリントヘッドのリストリクタ基板の加工工程図。
【図５】インク滴の速度と周波数の関係を表したグラフ。
【図６】インク滴の速度とチャンバ基板の膜厚の関係を表したグラフ。
【産業上の利用分野】
本発明は、印字データの入力を受けた時点でインク滴を飛翔させ、このインク滴により記録用紙にドットを形成させるオンデマンド方式のインクジェットプリントヘッドおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
オンデマンドのインクジェットプリントヘッドは一般的に、インク滴の吐出ノズル、ノズルと連通した圧力室、圧力室にインクを供給するインク流路、さらに圧力室にインク吐出エネルギを与える圧力発生素子を備えている。
【０００３】
従来、このようなインクジェットプリントヘッドを形成する方法としては、耐インク性を有するプラスチック樹脂の成形により溝を形成し、蓋板と接合しインク流路を形成する方法が知られている。
【０００４】
また、特公平２−４２６６９号公報では、感光性樹脂の硬化膜を用いて流路形成用の溝を形成した後、蓋板と接着あるいは熱圧着してインク流路を形成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなインクジェットプリントヘッドのチャンバ基板およびリストリクタ基板はインクに直接触れるため、耐インク性を有する材料でなければならない。そのため使用できるインクは限られ、溶剤系のインク等は腐食や膨潤などの発生により使用できないという問題があった。
【０００６】
さらに、従来のチャンバ基板及びリストリクタ基板の形成法においては、解像度並びに位置合わせ精度に限界があり、とくにマルチノズル化になると歩留まりや高印字品質のために必要であるインク滴速度のばらつきなどが問題になっていた。
【０００７】
そこで本発明はこのような問題点を解決すべくなされたもので、その課題とするところは、ヘッド構造材に高い耐インク性を有する材料を用いることによって使用可能なインクの幅を広げ、更にチャンバ基板およびリストリクタ基板が精度良く正確にかつ歩留まり良く微細加工され、しかも高速印字の際に大きさ、形状の揃ったドットが形成されることにより高い印字品質が得られるインクジェットプリントヘッドを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、インク滴の吐出口を有するノズル形成部材と、前記ノズルの各々と連通した複数の圧力室を形成するチャンバ基板と、前記圧力室内にインクを供給するための複数のインク供給路を形成するリストリクタ基板と、前記圧力室の一面を封止する振動板と、前記振動板の外側に取り付けられた複数の圧力発生素子とを有するインクジェットヘッドにおいて、前記チャンバ基板とリストリクタ基板がポリイミド樹脂で形成されることにより解決される。
【０００９】
また、本発明においては、前記ポリイミド樹脂をフォトエッチングによってパターニングし、更に酸素プラズマによるドライエッチングによって所定の形状に加工することにより解決される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明のインクジェットプリントヘッドの分解斜視図であって、圧力発生素子となる圧電素子（図示せず）が取り付けられる振動板１、インクを各ノズルに供給するためのインク流路２を有するリストリクタ基板３、インクが加圧される圧力室４を有するチャンバ基板５、および複数のノズル６を有するノズル板７からなり、各々が接着されている。
【００１２】
ここで、ノズル６の配列ピッチは１８０分の１インチ、約１４１μとし、２列に千鳥状に配置することによって３６０ドット／インチを有するものであるが、ノズル数、列数、及びユニット構成はどのような組み合わせでも限定されるものではない。
【００１３】
図２は、圧力室４のインクの流れ方向に平行な面で切断したヘッドの断面形状であり、６はノズル板７内のノズル、８は配列された圧力室４内のインクである。
【００１４】
圧力発生素子である積層圧電素子９は、充分な剛性のある固定板（図示せず）に機械的に固定されているため、積層圧電素子９で発生した機械的エネルギは振動板１を介して圧力室４内のインクに伝えられる。なお、積層圧電素子９は、ジルコン酸チタン酸鉛系圧電セラミックからなる圧電体１０を多層化したものであるが、スクリーン印刷や水熱合成法などによって形成された薄膜状の圧電素子を用いても何ら問題はない。
【００１５】
ここでインク吐出の原理を簡単に説明する。
【００１６】
待機時には振動板１に撓みはないが、分極方向と同極性の電圧を印加すると圧電効果により積層圧電素子９は長さ方向に収縮し、振動板１は矢印方向に変形変位する。その後、電圧印加を止めると積層圧電素子９は元の位置に戻る方向に変位することにより、圧力室４内のインク８は振動板１で発生した圧力により、ノズル６から吐出する。
【００１７】
以下、本発明のインクジェットプリントヘッドの製造方法を、図３を用いて説明する。
【００１８】
（１）の工程
ニッケル電鋳にて形成された厚さ１００μｍのノズル板７の上に、チャンバ基板５となる厚さ１５０μｍのポリイミドフィルム１１をラミネートする。ここで使用したポリイミドフィルム１１の表面には熱可塑性ポリイミド１２が３μｍずつ両面に塗布されており、ポリイミドフィルム１１及びノズル板７を２００℃に加熱し、５ｋｇ／ｃｍ２の圧力を加えながらラミネートすることにより接着が可能である。さらにその上にドライエッチング時のマスク材となるアルミ膜１３を高速スパッタ法によって３μｍ成膜する。なお、マスク材としては銅、クロムなどのメタルや合金を用いても良く、さらに成膜は真空蒸着やイオンプレーティング法を用いても何ら問題はない。
【００１９】
（２）の工程
圧力室４を形成する部分のアルミ膜をフォトリソグラフィ工程によって除去する。アルミ膜１３の上にポジ型レジスト１４を塗布し、圧力室４のパターンが描かれたフォトマスクを用いて露光、現像を行い、圧力室４を形成する部分のポジ型レジスト１４を除去する。さらに、硝酸：リン酸：酢酸：水＝２：１６：１：１の混合液によってアルミ膜１３のエッチングを行う。
【００２０】
（３）の工程
（２）の工程で圧力室４のパターニングを行ったチャンバ基板５を酸素プラズマによるドライエッチングにより加工を行う。酸素プラズマは、ポジ型レジスト１４面に対して垂直に入射させながらポリイミドフィルム１１のエッチングを行うことにより、ノズル板７に対して直角の壁面を持つ圧力室４が形成される。なお、マスク材上のポジ型レジスト１４は、この工程で全て酸素プラズマによってエッチング・除去される。
【００２１】
（４）の工程
前記チャンバ基板５上のアルミ膜１３の剥離を行い、圧力室４が完成する。アルミ膜１３の剥離は前記のアルミエッチングを用いるとノズル板７にも損傷を与えるので、ＮＭＤ−３（テトラメチルアンモニウムハイドライドオキサイド３）を用いると良い。
【００２２】
ノズル板７上に形成されたチャンバ基板５の製造方法と同様に、図４に示すように振動板１上にポリイミドフィルム１１をラミネートし、リストリクタ基板３の加工を行う。振動板１の厚さは２０μｍ、リストリクタ基板３を形成するポリイミドフィルム１１の厚さは５０μｍとした。
【００２３】
上述の工程にて形成されたノズル板７上のチャンバ基板５及び振動板１上のリストリクタ基板３を熱圧着した後、振動板１に積層圧電素子９をエポキシ系の接着剤で接合することにより、図２に示すヘッドが完成する。
【００２４】
チャンバ基板５並びにリストリクタ基板３の膜厚はインクの吐出特性に大きく影響を与える。図５はチャンバ基板５の膜厚が１００μｍと１５０μｍの時の、インク滴速度と吐出周波数の関係を示したものである。インク滴速度は、積層圧電素子９の固有振動数とチャンバ基板５とリストリクタ基板３の固有振動数によって影響を受けるが、チャンバ基板５の膜厚が１００μｍの時はサテライトと呼ばれる微少液滴が多数発生し、飛翔中に衝突する現象が見られた。
【００２５】
図６はこれらの結果をもとに、インク滴速度とチャンバ基板５の膜厚の関係を示したものである。以上の結果より、チャンバ基板５の膜厚は好ましくは５０〜２５０μｍであり、より好ましくは１２０〜１８０μｍである。また、リストリクタ基板３についても同様な傾向が見られ、その膜厚は好ましくは２０〜１００μｍであり、より好ましくは３０〜６０μｍである。
【００２６】
また、長期印字による信頼性評価を行ったところ、１００億回のインク吐出後も吐出性能並びにチャンバ基板５、リストリクタ基板３の寸法には何ら変化はなかった。
【００２７】
このように本発明のインクジェットプリントヘッドはチャンバ基板５並びにリストリクタ基板３をポリイミド樹脂によって構成し、さらに半導体プロセスで用いられるフォトエッチングによってパターニングを行うと同時にドライエッチングによってポリイミドの加工を行うため、位置合わせなどの歩留まりが良く、かつ高解像度の圧力室４の配置が可能となり、耐インク性を有する高性能、高精細のインクジェットプリントヘッドが実現できる。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば複数の圧力室を有するチャンバ基板ならびに圧力室内にインクを供給するための複数のインク供給路を形成するリストリクタ基板をポリイミド樹脂で形成することにより、耐インク性に優れ使用インクを選ばないインクジェットプリントヘッドが実現できる。
【００２９】
また、本発明によるインクジェットプリントヘッドの製造方法によれば、半導体プロセスを用いてチャンバ基板及びリストリクタ基板のパターニングを行い、さらにドライエッチングで垂直な壁面を有する加工が可能となる。従って高密度、高解像度を有するインクジェットプリントヘッドを、容易にかつ安価で歩留まり良く製作することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例となるインクジェットプリントヘッドの分解斜視図。
【図２】本発明の一例となるインクジェットプリントヘッドの断面図。
【図３】インクジェットプリントヘッドのチャンバ基板の加工工程図。
【図４】インクジェットプリントヘッドのリストリクタ基板の加工工程図。
【図５】インク滴の速度と周波数の関係を表したグラフ。
【図６】インク滴の速度とチャンバ基板の膜厚の関係を表したグラフ。
Claims (4)
- インク滴の吐出口を有するノズル形成部材と、前記ノズルの各々と連通した複数の圧力室を形成するチャンバ基板と、前記圧力室内にインクを供給するための複数のインク供給路を形成するリストリクタ基板と、前記圧力室の一面を封止する振動板と、前記振動板の外側に取り付けられた複数の圧力発生素子とを有するインクジェットプリントヘッドにおいて、前記チャンバ基板とリストリクタ基板がポリイミド樹脂からなり、該ポリイミド樹脂の片面あるいは両面に、熱可塑性を有するポリイミド樹脂が形成されていることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。
- 前記チャンバ基板の膜厚が５０〜２５０μｍであることを特徴とする請求項１記載のインクジェットプリントヘッド。
- 前記リストリクタ基板の膜厚が２０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１記載のインクジェットプリントヘッド。
- インク滴の吐出口を有するノズル形成部材と、前記ノズルの各々と連通した複数の圧力室を形成するチャンバ基板と、前記圧力室内にインクを供給するための複数のインク供給路を形成するリストリクタ基板と、前記圧力室の一面を封止する振動板と、前記振動板の外側に取り付けられた複数の圧力発生素子とを有するインクジェットプリントヘッドの製造方法において、前記チャンバ基板及びリストリクタ基板の材料としてポリイミド樹脂を用い、該ポリイミド樹脂の片面あるいは両面に、熱可塑性を有するポリイミド樹脂を形成する工程と、前記ポリイミド樹脂にアルミ膜を形成する工程と、フォトエッチングによってパターニングする工程と、酸素プラズマによるドライエッチングによって所定の形状に加工する工程とを設けたことを特徴とするインクジェットプリントヘッドの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23522298A JP3722338B2 (ja) | 1998-08-21 | 1998-08-21 | インクジェットプリントヘッド及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23522298A JP3722338B2 (ja) | 1998-08-21 | 1998-08-21 | インクジェットプリントヘッド及びその製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000062172A JP2000062172A (ja) | 2000-02-29 |
| JP3722338B2 true JP3722338B2 (ja) | 2005-11-30 |
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ID=16982900
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP23522298A Expired - Fee Related JP3722338B2 (ja) | 1998-08-21 | 1998-08-21 | インクジェットプリントヘッド及びその製造方法 |
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| Country | Link |
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1998
- 1998-08-21 JP JP23522298A patent/JP3722338B2/ja not_active Expired - Fee Related
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