(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のノズルを有し、振動板が形成されてなる圧力室を有する複数のノズル列と、
前記圧力室にインクを供給するインク供給路とからなるインクジェットプリンタヘッドにおいて、
前記インク供給路が前記振動板に形成されてなり、
前記複数のノズル列は夫々前記複数のノズル列に対応して形成されてなるインクタンク口によってインクタンクと接続されてなり、
複数の前記インクタンク口は前記ノズル列の並び方向に対して、斜めに配置され、複数の前記インクタンクは前記ノズル列に対して交差し、且つ重なり合うように配置されてなることを特徴とするインクジェットプリンタヘッド。
【請求項２】
請求項１記載のインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記インク供給路がノズル列に形成されてなるリザーバに形成されてなり、前記リザーバが前記振動版を挟んで前記圧力室と向かい合って形成されてなることを特徴とするインクジェットプリンタヘッド。
【請求項３】
請求項２記載のインクジェットプリンタヘッドにおいて、前記リザーバにインクタンクと接続するインクタンク口が設けられてなることを特徴とするインクジェットプリンタヘッド。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のインクジェットプリンタヘッドを備えることを特徴とするインクジェット記録装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインクジェットプリンタヘッドに関する。更に詳しくは、インク液滴適を圧電素子の変形により選択的に記録媒体に付着させるインクジェットプリンタヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、プリンタはパソコンの普及と歩調を合わせて急激に普及している。なかでもインクジェットプリンタは高速印字、低騒音、高印字品位、カラー印刷の対応が良好であり、かつ安価に市場に提供できる等の利点により、他の印字方式を抑えて、急速に発展している。
【０００３】
しかしながらインクジェットプリンタに於いても、カラー印刷に長時間を要するという課題が顕在化してきた。これはパソコン等で扱う情報が、インターネットやマルチメデアの発展により、従来のモノクロのキャラクターベースからフルカラーのグラフィックベースに変化し、さらにグラフィックスの表示もより高解像度に進化し、情報量が飛躍的に増加していることによる。したがって仮に１０２４＊７５６ドットのフルカラーのグラフィクスの印刷に要する時間は、従来のモノクロのキャラクターベースのそれの１００倍以上を要してしまう。将来的に１００００＊１００００ドット以上の高解像度になると、印刷時間は１００００倍以上を要してしまう。
【０００４】
ここで従来のインクジェットプリンタヘッドの構造、インク滴の吐出動作、複数のノズル列をもつインクジェットプリンタヘッドのインクタンクの配置の一例を、図を用いて説明する。
【０００５】
まず従来のインクジェットプリンタヘッドの構造を、第４図をもとに説明する。第４図はインクジェットプリンタヘッドの部分斜視図である。第４図に於いて、１はノズル穴、２はノズル板、３は隔壁、４は圧力室、５は振動板、６は圧電素子、７は供給口、８はリザーバ、９はインクタンク口を示す。複数の圧力室４が平行に一定間隔をもって配列している。圧力室４の一面には、圧電素子６が配接された振動板５が形成されている。圧電素子６には図示されていない信号回路より電気信号が送られる。圧力室４の振動板５の反対面は、隔壁３をはさんでノズル穴１が形成されたノズル板２からなっている。圧力室４の配列方向と垂直にリザーバ８が形成されている。個々の圧力室４とリザーバ８は細長いスリット状の供給口７により接続される。リザーバ８は、リザーバ８上にある図示されていないインクタンクとインクタンク口９により接続されている。インクタンクのインクはリザーバ８に満たされる。インクはリザーバ８から供給口７を通り、圧力室４に満たされる。
【０００６】
次に従来のインクジェットプリンタヘッドのインク滴の吐出動作を第５図をもとに説明する。第５図はインクジェットプリンタヘッドの圧力室の断面図である。第５図に於いて、１はノズル穴、２はノズル板、４は圧力室、５は振動板、６は圧電素子、７は供給口、８はリザーバ、９はインクタンク口を示す。
【０００７】
圧電素子６に図示されていない信号回路より電気信号が送られると圧電素子６は伸縮し、振動板５は変形する。圧力室４に体積変化が起き、圧力室４内に満たされたインクはノズル穴１と供給口７へ逃げようとする。供給口７側にはインクタンクからのインクが存在するため、ノズル穴１側により多く逃げようとする。結果として、ノズル穴１から、インク滴となって吐出する。
【０００８】
次に複数のノズル列をもつインクジェットプリンタヘッドのインクタンクの配置を第６図をもとに説明する。第６図は、第４図のインクジェットプリンタヘッドを４ノズル列つないだインクジェットプリンタヘッドに、４ヶのインクタンクを配置した様子を示す斜視図である。第６図に於いて、９はインクタンク口、１０はノズル列Ａ、１１はノズル列Ｂ、１２はノズル列Ｃ、１３はノズル列Ｄ、１４はインクタンクＡ、１５はインクタンクＢ、１６はインクタンクＣ、１７はインクタンクＤ、１８はノズル列の並び方向を示す。カラー印刷をイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの四色で行うと、ノズル列も四列必要となる。イエローのノズル列をノズル列Ａ１０、マゼンタのノズル列をノズル列Ｂ１１、シアンのノズル列をノズル列Ｃ１２、ブラックのノズル列をノズル列Ｄ１３とする。イエローのインクタンクをインクタンクＡ１４、マゼンタのインクタンクをインクタンクＢ１５、シアンのインクタンクをインクタンクＣ１６、ブラックのインクタンクをインクタンクＤ１７とする。各ノズル列にはそれぞれインクタンク口９があり、このうえにそれぞれのインクタンクが配置される。インクタンクはノズル列の並び方向１８と同じ方向に、並んでいる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、飛躍的に増加した情報を、短時間で印刷できるインクジェットプリンタヘッドの出現が待ち望まれている。
【００１０】
以下にインクジェットプリンタの印刷時間を短くする、すなわち印刷速度を速くする方法を具体的に述べ、従来技術の課題を明確にしてみる。
【００１１】
印刷速度を速くするには、以下に述べる二方法がある。第一の方法はインクジェットプリンタヘッドの駆動周波数を高くすることである。駆動周波数を倍にすると、印刷速度も倍にできる。第二の方法はインクジェットプリンタのヘッドのノズル数を増やすことである。ノズル数を倍に増やせば、印刷速度も倍にできる。
【００１２】
第一の方法は技術的に限界に近づいており、飛躍的な向上は期待できない。そこで、第二の方法すなわちノズル数を増やす方向での開発がなされている。この場合には単にノズル数を増やせばよいのではなく、ノズル密度もあわせて高くする必要がある。この理由を以下に述べる。前述のように高解像度のグラフィックス表示を印刷する場合に、ノズル密度が低いと、ノズル列を増やさなければならない。またフルカラー印刷をイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの４色でおこなうと、それぞれの色に対応するノズルが必要となる。結果としてインクジェットヘッドが大きくなり、ノズル列間の位置合わせに高精度を要求され、高価で大きなインクジェットプリンタになってしまう。例として１８０ＤＰＩ（ドット／インチ）のノズル密度のインクジェットプリンタヘッドで１４４０ＤＰＩのフルカラー印刷を行おうとすると、ノズル列は１色あたり８列必要となり、４色で３２列必要となる。ノズル列の間隔が５ｍｍであれば、ノズル列の総長さは５＊３１＝１５５ｍｍ以上を要する。したがってインクジェットプリンタヘッド自体が大きく、高価なものとなる。さらにプリンタもそれに合わせて大きくなってしまう。
【００１３】
また圧力室の横にリーザバを持つため、複数のノズル列を持つインクジェットプリンタヘッドでは、ノズル列の間隔をリザーバの長さぶん余分に持たなければならない。先程に例としてあげた１８０ＤＰＩ（ドット／インチ）のノズル密度のインクジェットプリンタヘッドで１４４０ＤＰＩのフルカラー印刷を行おうとすると、ノズル列は３２列必要となる。リザーバをもうけることにより３ｍｍ必要とすると、ノズル列の間隔が８ｍｍとなり、ノズル列の総長さは８＊３１＝２４８ｍｍ以上を必要としてしまう。
【００１４】
ノズル密度を高くするには、インクジェットプリンタヘッドの圧力室を微小にしなければならない。さらにインクタンクから圧力室への経路も同様である。圧力室、経路が微小になるとインクの毛細間力の影響が大きくなり、円滑にインクがインクタンクから圧力室に移動しにくくなる。またインク中で発生した気泡の排除も困難となる。これらにより、良好な吐出性能が選られないという問題が発現する。
【００１５】
以下にこの問題を具体的に説明する。従来のインクジェットプリンタヘッドのインクの流れは、第５図の矢印に示すようなものとなる。インクタンク中のインクの直下にあるリザーバへ流れる。リザーバのインクは水平方向に圧力室へ流れる。リザーバでインクの流れが９０度変わる。この部分でインク流れが悪くなり、インク中で発生する気泡が滞留しやすくなる。気泡が滞留するとインクが流れにくくなり、吐出性能が劣化する。甚だしくはインクが流れなくなり、吐出しなくなる。従来の１８０ＤＰＩのノズル列は１４１ミクロンピッチであり、仮に流路の幅をその半分の７０ミクロンとすると、１４４０ＤＰＩは１７．６ミクロンピッチとなり、流路幅は８．８ミクロンとなる。ミクロンオーダの微小な管の中をインクが移動することになる。毛細管力の影響が大きくなり、インクが動きにくくなる。
【００１６】
インクが動きにくくなると、駆動周波数を遅くしなければならない。第５図の振動板５が変形し、圧力室４の体積が変化し、ノズル穴からインク滴吐出された後に、圧力室４は元に戻る。インク滴の体積分のインクが供給口７から圧力室４に移動し、充填される。インクが動きにくいと、充填される時間が長くなり、結果として駆動周波数が遅くなる。結果的に印刷速度も遅くなる。
【００１７】
したがってインクタンクから圧力室までのインクの経路は短く、直線的であることが望ましい。
【００１８】
本発明はかかる問題を解決するもので、高ノズル密度で、且つ高駆動周波数を両立できるインクジェットプリンタヘッドを実現し、高解像度のフルカラーグラフィックの印刷に適したコンパクトなインクジェットプリンタを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクジェットプリンタヘッドは、複数のノズルを有し、振動板が形成されてなる圧力室を有する複数のノズル列と、
前記圧力室にインクを供給するインク供給路とからなるインクジェットプリンタヘッドにおいて、
前記インク供給路が前記振動板に形成されてなり、
前記複数のノズル列は夫々前記複数のノズル列に対応して形成されてなるインクタンク口によってインクタンクと接続されてなり、
複数の前記インクタンク口は前記ノズル列の並び方向に対して、斜めに配置され、複数の前記インクタンクは前記ノズル列に対して交差し、且つ重なり合うように配置されてなることを特徴とするインクジェットプリンタヘッドである。
本発明のインクジェットプリンタヘッドは、前記インク供給路がノズル列に形成されてなるリザーバに形成されてなり、前記リザーバが前記振動板を挟んで前記圧力室と向かい合って形成されてなることを特徴とするインクジェットプリンタヘッドである。
本発明のインクジェットプリンタヘッドは、前記リザーバにインクタンクと接続するインクタンク口が設けられてなることを特徴とするインクジェットプリンタヘッドである。
本発明のインクジェット記録装置は、前記インクジェットプリンタヘッドを備えることを特徴とするインクジェット記録装置である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
まず本発明のインクジェットプリンタヘッドの一例を第１図をもとに説明する。第１図はインクジェットプリンタヘッドの構造を示す部分斜視図である。第１図に於いて、１はノズル穴、２はノズル板、３は隔壁、４は圧力室、５は振動板、６は圧電素子、７は供給口、８はリザーバ、９はインクタンク口を示す。本図では４ノズル列あるインクジェットプリンタヘッドを示す。圧力室４は対向する隔壁３をはさんで、対向するノズル板２と振動板５により形成される。圧力室４は一定の間隔で配列される。１４４０ＤＰＩのノズル列であれば１７．６ｍｍの間隔で配列される。ノズル板２には個々の圧力室４に対応するノズル穴１が形成される。振動板５には圧力室４に対応する圧電素子６が配接される。振動板５には供給口７が形成される。リザーバ８は振動板５をはさんで圧力室４と向かい合う。リザーバ８にはインクタンク口９が設けられ、図示されてないインクタンクと接続される。
【００２１】
次に本発明のインクジェットプリンタヘッドのインク滴の吐出動作とインクの流れを第２図をもとに説明する。第２図は第１図中の“第２図の断面線”に沿ったインクジェットプリンタヘッドの断面図である。第２図に於いて１はノズル穴、２はノズル板、４は圧力室、５は振動板、６は圧電素子、７は供給口、８はリザーバ、９はインクタンク口を示す。矢印は三種類有り、インクの流れ、圧電素子６の伸縮方向、振動板５の変形方向を示す。インクは、インクの流れ矢印に示されるように、図示されないインクタンクからインクタンク口９を経て、リザーバ８に満たされる。リザーバ８のインクは供給口７を経て圧力室４に満たされる。次にインク滴の吐出動作を説明する。圧電素子６に図示されていない信号回路より電気信号が送られると、圧電素子６は、圧電素子の“伸縮方向の矢印”に変形する。そうすると、振動板５も“振動板の変形方向１”に変形する。電気信号が解除されると、圧電素子６は元に戻り、振動板５ももとに戻るが、振動板５自体の質量と剛性により、“振動板の変形方向２”に変形する。圧力室４の体積が小さくなり、圧力波が発生する。圧力波はノズル口と供給口に伝わる。これにより、インクはノズル口からインク滴となって吐出する。
【００２２】
次に本発明のインクジェットプリンタヘッドのインクタンクの配置を第３図をもとに説明する。第３図は、第１図のインクジェットプリンタヘッドにインクタンクを配置した様子を示す斜視図である。第３図に於いて、９はインクタンク口、１０はノズル列Ａ、１１はノズル列Ｂ、１２はノズル列Ｃ、１３はノズル列Ｄ、１４はインクタンクＡ、１５はインクタンクＢ、１６はインクタンクＣ、１７はインクタンクＤ、１８はノズル列の並び方向を示す。マゼンタ、シアン、ブラックの四色を印刷するとして、イエローのノズル列をノズル列Ａ１０、マゼンタのノズル列をノズル列Ｂ１１、シアンのノズル列をノズル列Ｃ１２、ブラックのノズル列をノズル列Ｄ１３とする。イエローのインクタンクをインクタンクＡ１４、マゼンタのインクタンクをインクタンクＢ１５、シアンのインクタンクをインクタンクＣ１６、ブラックのインクタンクをインクタンクＤ１７とする。各ノズル列にはそれぞれインクタンク口９があり、このうえにそれぞれのインクタンクが配置される。四つのインクタンク口９（二つはインクタンクに隠れて図示されない）はノズル列の並び方向１８にたいして、斜めに配置される。インクタンクはノズル列の並び方向と逆方向に配置される。  本発明で実現できるようにノズル列の間隔を短くできると、従来のノズル列の並び方向に配置するインクタンクだと以下に述べる問題がある、仮にインクジェットプリンタヘッドの幅をＡ４サイズを印刷する２００ｍｍ、ノズル列の幅を２ｍｍとすると、インクタンクの寸法は２００＊２ｍｍとなる。細長いインクタンクにすると、インクタンク内の端の部分のインクがインクタンク口９へ移動し難くくなり、吐出性能に悪影響を与える。さらにインクジェットプリンタヘッドに供給できるインクの量が減ってしまう。また細長い形状の為、インクジェットプリンタヘッドにインクタンクを接続する作業が困難となる。インクタンクをノズル列の並び方向と逆方向に配置することにより、寸法は５０＊８ｍｍとなり、前述の問題を解決できる。
【００２３】
本発明のインクジェットプリンタヘッドの製造方法の一例を挙げ、これを説明する。厚さ２００μｍのシリコンウェハー上に、スパッタ法により白金膜を１μｍ形成する。その上に圧電体膜を以下の方法により形成する。
【００２４】
酢酸鉛０．１０５モル、ジルコニウムアセチルアセトナート０．０４５モル、酢酸マグネシウム０．００５モルと３０ミリリットルの酢酸を、１００℃に加熱して溶解させた。室温まで冷却し、チタンテトライソプロポキシド０．０４０モル、ペンタエトキシニオブ０．０１０モルをエチルセラソルブ５０ミリリットルに溶解させて添加した。アセチルアセトンを３０ミリリットル添加して安定化させた後、ポリエチレングリコールをゾル中の金属酸化物に対し３０重量％添加し、よく攪拌して均質なゾルとした。
【００２５】
白金膜上に調製したゾルをスピンコートで塗布し、４００℃で仮焼成した。クラックを生じることなく、０．３μｍの膜厚の非晶質の多孔質ゲル薄膜を形成できた。更にゾルの塗布と４００℃の仮焼成を２度繰り返し、０．９μｍの膜厚の多孔質ゲル薄膜を形成した。次にＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）を用いて酸素雰囲気中、５秒間で６５０℃に加熱して１分間保持しプレアニールを行い、０．６μｍの膜厚の緻密な薄膜とした。
【００２６】
再び該ゾルをスピンコートで塗布して４００℃に仮焼成する工程を３度繰り返し、０．９μｍの膜厚の非晶質の多孔質ゲル薄膜を積層した。次にＲＴＡを用いて６５０℃でプレアニールして１分間保持することにより、１．２μｍ厚の結晶質の緻密な薄膜とした。フォトレジストを介してホウフッ酸でエッチングし、レジストを剥離した後、ＲＴＡを用いて酸素雰囲気中９００℃に加熱し１分間保持してアニールした。１．２μｍ厚と厚みが変わらない圧電体薄膜が得られた。圧電体薄膜上にアルミニウム電極を蒸着法で形成し、分極後、物性を測定したところ比誘電率２０００、圧電ひずみ定数１５０ｐＣ／Ｎと優れた特性を示した。この圧電体膜をフォトエッチングにより幅４μｍ、長さ０．９ｍｍ、ピッチ１７．６μｍ（１４４０ＤＰＩ）にパターニングし、複数の圧電素子を形成した。
【００２７】
シリコンウエハーの圧電素子を形成した面の反対面にに異方性エッチングにより幅８μｍ、長さ１ｍｍ、ピッチ１７．６μｍの溝を、それぞれの圧電素子に対応する位置に形成した。金の上電極を形成した後、圧電素子上にエキシマレーザにより径３μｍの供給口を形成した。さらにこの上に絶縁膜とするＳｉＯ２膜をスパッタ法により０．２μｍ形成した。この圧電素子を形成したシリコンウェハーにノズル穴を形成したノズル板、リザーバ部材、信号回路を組み合わせ、インクジェットヘッドを作成した。インクを吐出させたところ、充分な吐出力が得られた。インクジェット記録装置に組み込んで印字すると、良好な印字品質が得られた。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べてきたように本発明のインクジェットプリンタヘッドによれば、高解像度のフルカラー印刷を短時間にでき、インクジェットプリンタヘッド自体も小型にでき、コンパクトなインクジェットプリンタを提供できるという優れた効果がある。
【００２９】
さらに高ノズル密度の圧電素子、圧力室をシリコンウェハーのフォトエッチングにより容易に作成できる。これによりノズル密度が高ければ高いほど、シリコンウェハーからの取り数を増やすことができ、安価なインクジェットプリンタヘッドを提供できるという優れた効果がある。
【００３０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェットプリンタヘッドの構造を説明する部分斜視図。
【図２】本発明のインクジェットプリンタヘッドのインク滴の吐出動作とインクの流れを説明する断面図。
【図３】本発明のインクジェットプリンタヘッドのインクタンクを配置した様子を示す斜視図。
【図４】従来のインクジェットプリンタヘッドの構造を説明する部分斜視図。
【図５】従来のインクジェットプリンタヘッドのインク滴の吐出動作とインクの流れを説明する断面図。
【図６】従来のインクジェットプリンタヘッドのインクタンクを配置した様子を示す斜視図。
【符号の説明】
１  ノズル穴
２  ノズル板
３  隔壁
４  圧力室
５  振動板
６  圧電素子
７  供給口
８  リザーバ
９  インクタンク口
１０  ノズル列Ａ
１１  ノズル列Ｂ
１２  ノズル列Ｃ
１３  ノズル列Ｄ
１４  インクタンクＡ
１５  インクタンクＢ
１６  インクタンクＣ
１７  インクタンクＤ
１８  ノズル列の並び方向
【図１】
0003551603.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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