(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを吐出する複数のノズル開口を備えたノズル形成部材と、該ノズル形成部材と接合され且つ前記ノズル開口にそれぞれ連通する圧力発生室が画成される流路形成基板と、該流路形成基板の前記ノズル形成部材が接合された面とは反対の面に設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子とを具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記流路形成基板の前記圧電素子が形成された側の面には、前記圧力発生室に連通して各圧力発生室にインクを供給するリザーバを前記流路形成基板に形成された連通部と共に構成するリザーバ部が形成されたリザーバ形成基板が接合され、
該リザーバ形成基板の前記流路形成基板と接合する面と反対側の面上に、前記リザーバ内の圧力を均一にするコンプライアンス部材が形成され、
前記リザーバ形成基板の前記リザーバ部には、当該リザーバ部を画成し且つ相対向する側壁間に渡って少なくとも一つの梁状の補強部が設けられて、
前記リザーバ形成基板の前記補強部は、前記リザーバ形成基板と前記流路形成基板の接合面側に形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項２】
請求項１において、前記補強部の少なくとも一部は、前記リザーバ形成基板の他の部分よりも厚さが薄いことを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記補強部が、前記圧電素子の長手方向に沿って形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、前記リザーバ形成基板が、シリコンからなることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかのインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００６】
これによれば圧電素子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電アクチュエータの厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。なお、この場合、圧電材料層は振動板の表面全体に設けたままで少なくとも上電極のみを各圧力発生室毎に設けることにより、各圧力発生室に対応する圧電アクチュエータを駆動することができる。
【０００７】
また、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、一般に、各圧力発生室の共通のインク室となるリザーバから各圧力発生室にインクが供給される。また、このリザーバにはリザーバの内部圧力を一定に保つために、圧電素子の駆動時の圧力変化を吸収するためのコンプライアンス部が設けられている。
【０００８】
【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式録ヘッドでは、多ノズル化が図られているため、これに伴ってリザーバを各圧力発生室に十分にインクを供給可能な大きさにする必要があり、必然的にリザーバ形成基板の強度が低下してしまうという問題がある。そのため、実装工程において、リザーバ形成基板に熱が加わると、熱膨張により基板が反ってしまい割れが生じるという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑み、リザーバ形成基板の変形及び割れを防止することのできるインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、インクを吐出する複数のノズル開口を備えたノズル形成部材と、該ノズル形成部材と接合され且つ前記ノズル開口にそれぞれ連通する圧力発生室が画成される流路形成基板と、該流路形成基板の前記ノズル形成部材が接合された面とは反対の面に設けられて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子とを具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記流路形成基板の前記圧電素子が形成された側の面には、前記圧力発生室に連通して各圧力発生室にインクを供給するリザーバを前記流路形成基板に形成された連通部と共に構成するリザーバ部が形成されたリザーバ形成基板が接合され、該リザーバ形成基板の前記流路形成基板と接合する面と反対側の面上に、前記リザーバ内の圧力を均一にするコンプライアンス部材が形成され、前記リザーバ形成基板の前記リザーバ部には、当該リザーバ部を画成し且つ相対向する側壁間に渡って少なくとも一つの梁状の補強部が設けられて、前記リザーバ形成基板の前記補強部は、前記リザーバ形成基板と前記流路形成基板の接合面側に形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１１】
かかる第１の態様では、補強部によってリザーバ部の剛性が向上し、実装時の熱応力によるリザーバ形成基板の割れが防止される。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記補強部の少なくとも一部は、前記リザーバ形成基板の他の部分よりも厚さが薄いことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１３】
かかる第２の態様では、リザーバの機能を低下させることなく、リザーバ部の剛性が向上する。
【００１６】
本発明の第３の態様は、第１または第２の態様において、前記補強部が、前記圧電素子の長手方向に沿って形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１７】
かかる第３の態様では、リザーバ形成基板の実装時の熱応力による割れが確実に防止される。
【００１８】
本願発明の第４の態様において、第１〜第３の何れかの態様において、前記リザーバ形成基板が、シリコンからなることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１９】
かかる第４の態様では、リザーバ形成基板を特定の材料で形成することにより、補強部が比較的容易に形成することができる。
【００２２】
本発明の第５の態様は、第１〜第４態様の何れかのインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置にある。
【００２３】
かかる第５の態様では、ヘッドの信頼性を向上したインクジェット式記録装置を実現することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。
【００２６】
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなる。流路形成基板１０としては、通常、１５０〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられ、望ましくは１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは２２０μｍ程度の厚さのものが好適である。これは、隣接する圧力発生室間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００２７】
流路形成基板１０の一方の面は開口面となり、他方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００２８】
一方、流路形成基板１０の開口面には、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１により区画された圧力発生室１２が幅方向に並設され、その長手方向外側には、後述するリザーバ形成基板のリザーバ部に連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
【００２９】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われるものである。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。
【００３０】
本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。ここで、弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。また各圧力発生室１２の一端に連通する各インク供給路１４は、圧力発生室１２より浅く形成されており、圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。すなわち、インク供給路１４は、シリコン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより形成されている。なお、ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行われる。
【００３１】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口１５が穿設されたノズル形成部材１６が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズル形成部材１６は、厚さが例えば、０．１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０−６／℃］であるガラスセラミックス、又は不錆鋼などからなる。ノズル形成部材１６は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。また、ノズル形成部材１６は、流路形成基板１０と熱膨張係数が略同一の材料で形成するようにしてもよい。この場合には、流路形成基板１０とノズル形成部材１６との熱による変形が略同一となるため、熱硬化性の接着剤等を用いて容易に接合することができる。
【００３２】
ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口１５の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル開口１５は数十μｍの溝幅で精度よく形成する必要がある。
【００３３】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体膜７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体膜７０、及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体膜７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体膜７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部３２０という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、上述した例では、弾性膜５０及び下電極膜６０が振動板として作用するが、下電極膜が弾性膜を兼ねるようにしてもよい。
【００３４】
また、流路形成基板１０の圧電素子３００側には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部２１を有するリザーバ形成基板２０が接合されている。このリザーバ部２１は、基本的には、リザーバ形成基板２０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。
【００３５】
また、このリザーバ部２１を画成し且つ相対向する側壁間には、少なくとも１つ、例えば、本実施形態では、２つの梁状の補強部２２が設けられている。この補強部２２は、本実施形態では、リザーバ部２１の流路形成基板１０との接合面とは反対の表面側に、圧電素子３００の長手方向に沿って形成されている。また、補強部２２は、本実施形態では、リザーバ形成基板２０を流路形成基板１０との接合面側からハーフエッチングすることにより形成され、他の部分よりも薄い厚さとなっている。このような補強部２２は、後述する可撓部２３がリザーバ１００の内部圧力を均一に保持可能な程度の面積となる範囲で、できるだけ広い面積とするのが好ましい。
【００３６】
このように本実施形態では、リザーバ１００を画成する側壁間に梁状の補強部２２を設けるようにしたので、リザーバ部２１の剛性が向上され、実装時の熱応力によるリザーバ形成基板の反り等の変形を防止することができ、この変形によって発生するリザーバ形成基板の割れを防止することができる。したがって、ヘッドの耐久性及び信頼性を向上することができる。
【００３７】
このようなリザーバ形成基板２０としては、例えば、ガラス、セラミック材料等の流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。これにより、上述のノズル形成部材１６の場合と同様に、両者を熱硬化性の接着剤を用いた高温での接着であっても両者を確実に接着することができ、製造工程を簡略化することができる。
【００３８】
さらに、このリザーバ形成基板２０の流路形成基板１０との接合面とは反対側の面には、封止膜３１及び固定板３２とからなるコンプライアンス基板３０が接合されている。ここで、封止膜３１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜３１によってリザーバ部２１の一方面が封止されている。また、固定板３２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板３２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部３３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜３１のみで封止され、内部圧力の変化によって変形可能な可撓部２３となっており、この可撓部２３によってリザーバ１００の内部圧力が均一に保持されている。
【００３９】
また、このリザーバ１００の長手方向略中央部外側のコンプライアンス基板３０上には、リザーバ１００にインクを供給するためのインク導入口２５が形成されている。さらに、リザーバ形成基板２０には、インク導入口２５とリザーバ１００の側壁とを連通するインク導入路２６が設けられている。なお、本実施形態では、一つのインク導入口２５及びインク導入路２６によって、リザーバ１００にインクを供給するようにしているが、これに限定されず、例えば、所望のインク供給量に応じて、複数のインク導入口及びインク導入路を設けるようにしてもよいし、あるいはインク導入口の開口面積を大きくしてインク流路を拡大するようにようにしてもよい。
【００４０】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口２５からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口１５に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体膜７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口１５からインク滴が吐出する。
【００４１】
なお、本実施形態では、リザーバ形成基板２０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部２４が設けられ、圧電素子３００の少なくとも圧電体能動部３２０は、この圧電素子保持部２４内に密封されている。なお、本実施形態では、圧電素子保持部２４は幅方向に並設された複数の圧電素子３００を覆う大きさで形成されている。
【００４２】
このように、リザーバ形成基板２０は、リザーバ１００を構成すると共に圧電素子３００を外部環境と遮断するためのキャップ部材を兼ねており、水分等の外部環境による圧電素子３００の破壊を防止することができる。また、本実施形態では、圧電素子保持部２４の内部を密封状態にしただけであるが、例えば、圧電素子保持部２４内の空間を真空にしたり、あるいは窒素又はアルゴン雰囲気等とすることにより、圧電素子保持部２４内を低湿度に保持することができ、圧電素子３００の破壊をさらに確実に防止することができる。
【００４３】
また、このように圧電素子保持部２４によって密封されている圧電素子３００の圧電体膜７０及び上電極膜８０は、本実施形態では、圧力発生室１２の長手方向一端部から流路形成基板１０上をリザーバ形成基板２０の外側まで延設されており、流路形成基板１０のリザーバ形成基板との接合側の面が露出した露出部１０ａ上で、例えば、フレキシブルケーブル等の外部配線４０と接続されている。
【００４４】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【００４５】
例えば、上述の実施形態では、補強部２２をリザーバ形成基板２０の流路形成基板１０の接合面とは反対の表面側に設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、図３に示すように、リザーバ形成基板２０の流路形成基板１０との接合面側に設けるようにしてもよい。
【００４６】
また、例えば、上述の実施形態では、補強部２２全体を他の部分より薄く形成するようにしたが、これに限定されず、例えば、図４に示すように、補強部２２を基本的にはリザーバ形成基板２０と同じ厚さで形成するようし、流路形成基板１０との接合面側の一部を、厚さ方向の一部を除去した除去部２２ａとするようにしてもよい。このような構造とすることにより、リザーバ１００の機能を低下させることなく、リザーバ形成基板２０の強度をさらに向上することができ、実装時の熱による変形を確実に防止することができる。
【００４７】
また、上述の実施形態では、２つの補強部２２を設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、１つであってもよいし、３つ以上設けるようにしてもよい。何れにしても、補強部２２の形状は、可撓部２３のコンプライアンスをリザーバ１００の内部圧力変化を吸収可能な程度に保持できるものであればよい。
【００４８】
以上説明した実施形態では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式記録ヘッド等にも本発明を採用することができる。
【００４９】
なお、上述した実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図５は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【００５０】
図５に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００５１】
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、リザーバ形成基板のリザーバ部にその変形を抑えるための補強部を設けるようにしたので、流路形成基板の実装時の熱による変形を抑えることができる。したがって、この変形による割れを防止することができ、信頼性を向上したインクジェット式記録ヘッドを実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの部分斜視図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係るリザーバ形成基板の部分斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
１０  流路形成基板
１２  圧力発生室
１３  連通部
１４  インク供給路
１５  ノズル開口
１６  ノズル形成部材
２０  リザーバ形成基板
２１  リザーバ部
２２  補強部
２３  可撓部
２４  圧電素子保持部
３０  コンプライアンス基板
３１  封止膜
３２  固定板
６０  下電極膜
７０  圧電体膜
８０  上電極膜
１００  リザーバ
３００  圧電素子
【図１】
0003589107.tif 000002
【図２】
0003589107.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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