(57)【要約】【課題】  従来構成の流路では、圧力室内に気泡が残留しやすい。【解決手段】  インクジェット式記録ヘッドにおいて、前記流路基板を構成する前記各プレートは全て単結晶シリコンを有する基板をエッチング加工して形成され、前記振動板の一部と前記リストリクタの一部とが対面してなり、且つ、前記振動板は、チャンバープレートに接合される側及び圧電素子と接合される両面がダイアフラムプレートに比べて凹形状に構成する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク滴を吐出するノズル開口を有するノズルプレート、該ノズル開口に連通する連通穴と圧力発生室と共通のインク室から前記圧力発生室の幅よりも狭い流路であるリストリクタとを有するチャンバープレート、前記共通のインク室内に位置するフィルターと圧力発生室を封止する領域に薄板の振動板とを有するダイアフラムプレート、から成る流路基板と、前記振動板に当接した圧電素子と、からなるインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記流路基板を構成する前記各プレートは全て単結晶シリコンを有する基板をエッチング加工して形成され、
前記振動板の一部と前記リストリクタの一部とが対面してなり、且つ、前記振動板は、チャンバープレートに接合される側及び圧電素子と接合される両面がダイアフラムプレートに比べて凹形状であることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記振動板によって封止されているリストリクタの振動板との隙間の流路抵抗は、リストリクタ出口部での流路抵抗とほぼ同じになるようにしたことを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記流路基板を構成する各プレート間の接合は、陽極接合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ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気泡排除性を向上させたインクジェットヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、インクジェットヘッドの流路を形成する材料としてシリコン単結晶基板を用い、これをドライエッチング、または異方性エッチングすることにより、高精度に形成してなるインクジェットヘッドに関しては、以下のようなものがある。
【０００３】
ノズル開口へと連通する連通穴を有するチャンバ基板を、前記単結晶シリコン基板に酸化シリコン膜を形成し、ドライまたは異方性エッチングにより形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、共通インク室からのインク供給路であるリストリクタやインク滴を吐出するノズル開口が非常に狭いことにより、インク内に混入したごみ等により詰まりが発生しインク滴が吐出しなくなるという問題を解決するために、ヘッド内部に異物除去フィルターを内蔵するインクジェットヘッドがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
特許文献２に記載のヘッドは、共通のインク室にフィルターを配置した例である。このフィルターによりインクタンク、或いはインク供給経路に付着した異物をヘッド内の狭いインク流路の手前で除去して、例えば不吐出といった不具合を未然に防いでいる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１８２０７７号公報
【０００７】
【特許文献２】特開２００３−１２７３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献２で示すような、シリコンのエッチングにより内蔵フィルターをヘッド内に配置する場合、シリコンで形成されたダイアフラムプレートと同一面であって、かつ共通インク室内に同時加工して配置する構成となるが、前記フィルターはリストリクタ直前に位置することとなる。ここで、フィルターは、ヘッド内のインク流路の最も狭い流路径よりも小さい穴が多数開いている構成のため、上記特許文献２の構成の場合、インクを充填する際に気泡が残留しやすい。このフィルター部に残留した気泡が、インク滴の吐出中にリストリクタに侵入する恐れがある。
【０００９】
この課題を解決するものとして、共通インク室に配置されたフィルターの位置をリストリクタの位置から遠ざけることが考えられる。その結果、ダイアフラムと一体でプレートを形成しようとすると、図８に示すようにフィルターの位置をリストリクタの入り口より高い位置に配置する構成となる。
【００１０】
図９は、図８を振動板なるダイアフラムプレート３側より見た平面図を示す。このような構成の場合、リストリクタ１４の出口、つまりは圧力室１３入り口でインク流路が急激に拡大することになる。結果的に、フィルターにより圧力室への気泡の侵入を防ぐことは容易となるが、リストリクタから圧力発生室への入り口部は流路が急激に拡大される。
【００１１】
更には、ダイアフラム側に凹形状をしており、リストリクタ出口上部のダイアフラム側の隅部は一様な流れとならず滞留し易い為、気泡も動きづらい。従って、圧力室内に気泡が残留し易くなるという課題が発生する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明では、インク滴を吐出するノズル開口を有するノズルプレート、該ノズル開口に連通する連通穴と圧力発生室と共通のインク室から前記圧力発生室の幅よりも狭い流路であるリストリクタとを有するチャンバープレート、前記共通のインク室内に位置するフィルターと圧力発生室を封止する領域に薄板の振動板とを有するダイアフラムプレート、から成る流路基板と、前記振動板に当接した圧電素子と、からなるインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記流路基板を構成する前記各プレートは全て単結晶シリコンを有する基板をエッチング加工して形成され、前記振動板の一部と前記リストリクタの一部とが対面してなり、且つ、前記振動板は、チャンバープレートに接合される側及び圧電素子と接合される両面がダイアフラムプレートに比べて凹形状であることを特徴とする。
【００１３】
また、前記振動板によって封止されているリストリクタの振動板との隙間の流路抵抗は、リストリクタ出口部での流路抵抗とほぼ同じになるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
さらに、前記流路基板を構成する各プレート間の接合は、陽極接合であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、フィルターと振動板とを一体で形成したダイアフラムプレートを、圧力発生室を封止する領域に振動板がリストリクタの一部を覆うように配置し、かつリストリクタから遠ざかる位置に前記ダイアフラムを配置し、リストリクタのダイアフラムとの隙間は、リストリクタのインク流路の深さより小さくすることで、気泡排除性を高め、吐出信頼性の高いインクジェットヘッドを提供可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
ヘッド内のインク流路における気泡侵入と排除性を高めるという目的を、フィルターと振動板を単結晶シリコンのドライエッチング加工で一体形成したダイアフラムにおいて、共通インク室内に位置するようにフィルターをリストリクタから遠ざけるように構成し、圧力発生室を封止する領域に薄板の振動板がリストリクタの一部を覆うように配置することで実現した。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明によるインクジェット式記録ヘッドの流路構成を示す断面図である。
【００１８】
インク流路を分かり易くするため、破断部のみを示す図としてある。複数のノズル１１を有するオリフィスプレート１と、ノズル１１と連通する連通穴１２と、圧力室１３と、共通のインク室１５から圧力室１３にインクを供給する細長い流路のリストリクタ１４を有するチャンバープレート２と、前記共通インク室１５内に異物除去用のフィルター１７と前記圧力室１３とリストリクタ１４の一部を封止する振動板１６なるダイアフラムプレート３とによって、インク流路基板１０が構成される。
【００１９】
リストリクタ１４は、図６に示す様に、複数本（本例では２本）の流路を持ち、圧力室１３の流路幅に比べ１／３〜１／４程度と狭く形成されている。そして、前記ダイアフラムプレート３には、長軸方向に伸縮する圧電素子４が配置され、この圧電素子４の伸縮により、圧力室１３の容積が変化し、それによって発生するインクの圧力波が、連通穴１２を経由してノズル１１よりインク滴となって吐出される。
【００２０】
ここで、上記各プレートは同一種の材料で構成されており、具体的には単結晶シリコンをドライエッチング又は異方性エッチングを利用して各々の形状が形成される。本技術には、一般的に半導体部品などに使われる技術で安価な（１００）ウエハを用いることが出来る。
【００２１】
次に、各プレートの製造方法の一例を説明する。
【００２２】
図２は、オリフィスプレート１の製作例を示す図である。初めに、シリコン基板表面に熱酸化法などで酸化シリコン膜３０を形成し、オリフィスプレート１のノズル１１、例えば、２段形状となる側（オリフィス吐出面と反対側の面）の形状に合わせてフォトリソグフィー法によりパターニングを行い、前記酸化シリコン膜３０を完全に除去する（図２（ａ））。
【００２３】
その後、必要な深さまでエッチングを行う（図２（ｂ））。そして、その加工面を酸化シリコン膜３０で再度覆い、オリフィス表面となる側を同様なフォトリソグフィー法によりパターニングを行い、ノズル径に位置する穴以外の酸化シリコン膜３０を除去し、エッチングを行った後に前記酸化シリコン膜を完全に除去する（図２（ｃ））。
【００２４】
なお、酸化シリコン膜３０の除去は、フッ酸とフッ化アンモニウムの混合液によって行う。同様に、チャンバープレート２もエッチングしたい以外の個所を酸化シリコン膜でマスクした後に、エッチングを行うことで容易に形成することが出来る。
【００２５】
また、ダイアフラムプレート３も同様な方法で製作可能で、まず振動板１６とフィルター１７となる領域を一方の面よりエッチングを行い（図３（ａ））、次に他方の面より同様に振動板１６とフィルター１７となる領域のエッチングを行う(図３（ｂ）)。最後に、フィルター１７となる穴を形成することでＨ型のダイアフラムプレート３が形成される（図３（ｃ））。このような単結晶シリコン基板を使用してインク流路１０を形成することは、複雑な流路も最低限のプレートを製作することで容易に形成できることにある。例えば、薄板ステンレスプレートをエッチング加工して同様なダイアフラムプレートを形成しようとすると少なくとも３枚のプレートを積層する必要があるため、本構成の方式は材料費の低減や組み立て工数の削減に繋がる。
【００２６】
次に、図４を用いて、ノズル開口１１からインク滴を吐出させる方法について説明する。なお、図１に示す本発明のヘッド構造とは多少異なるが、インク滴の吐出を説明するには問題ないので、従来技術のインクジェットヘッド構成に近い例にて説明する。
【００２７】
まず、ヘッド内のインク流路へのインクの充填は、図示していないインクタンクより流路基板固定部材２５に配設された供給路よりチャンバープレート２に形成された共通のインク室１５にインクが充填され、各ノズル開口１１に連通するリストリクタ１４を経由し、加圧室１３にインクが充填される。その充填方法は、インクタンクから圧力を加える加圧充填方法やインクジェットヘッドのノズル開口穴１１から吸引する負圧吸引法などがある。
【００２８】
図５は、ノズル開口１１より液滴を吐出するために用いられる駆動パルスの一例を示す図である。
【００２９】
図５に示されるような所定の電位差を持って電圧パルスが圧電素子に印加され、圧電素子が収縮する方向に電圧を印加される（図５（１））。これにより、前記加圧室１３内の容積が膨張し、リストリクタ１４を介して共通のインク室１５よりインク２０が流れ込むと同時にノズル開口１１部に位置する空気とインクの界面であるメニスカスも圧力室１３側に引き込まれる（図４（ｂ））。
【００３０】
そのまま電圧をホールドする（図５（２））とメニスカスの引き込みが終了し、再度開口部１１側へ戻ろうとする。ほぼその時点で今度は、圧電素子４が伸長する方向に前記収縮時よりは短時間で電圧を印加する（図５（３））。そうすると、前記膨張によって圧力室１３内に溜まったインクが圧縮され、圧力室１３内は高圧となる（図４（ｃ））。その際に、圧電素子４周りのダイアフラムプレート３である振動板１６は図４（ｃ）に示されるように一端膨れるような形状を示し、その時間経過とともに徐々にインクに圧力が加えられ、そのエネルギーを利用してノズル開口１１より液滴となってインク滴５０が吐出される（図４（ｄ））。
【００３１】
しかし、ヘッド内、特に圧力室１３に気泡が侵入或いは残留した状態で上記動作が行われる場合、圧電素子４の収縮により発生する圧力室１３内の圧力が気泡によって阻害され正常な圧力を得ることができなくなり、最悪の場合、インク滴が吐出されないという事態になる。
【００３２】
本発明のインクジェットヘッドのインク流路構造は、共通インク室１５内に配置されたフィルター１７がリストリクタ１４への入り口から遠い位置に配置されている。フィルター１７の穴はノズル開口穴１１よりも小さく非常に多くの穴が開けられているため、気泡が引っかかりやすくなる。そのため、インク滴の吐出によって繰り返しの圧力変化に対して気泡が動き、リストリクタ１４に容易に侵入することを防止している。また、フィルター１７と同時に加工される振動板１６は、リストリクタ１４の出口部、つまり、圧力室１３への入り口近傍で前記リストリクタ部との間に隙間をもって覆われている構造となっている。なお、図６は、図１の断面Ａ−Ａを示す図である。
【００３３】
図７は、本発明のヘッドをダイアフラムプレート３側より見た平面図を示す。
【００３４】
図１に示されるように、振動板１６のエリアの一部（図７の網掛け部）にまでリストリクタ１４部が入り込む構造となっており、リストリクタ１４からの出口は比較的緩やかに拡大された流路となっているため、インク２０を充填する際のインク流速が低下する。リストリクタ１４の入り込み量は、振動板１６のエリアに僅かにでも入ることで良く、最大で圧電素子４の変位による振動板１６の変形量を考慮し、振動板１６に接着された側の圧電素子４のリストリクタ１４側端部（図１のB部）付近までが良い。
【００３５】
従来の構造の場合、出口部に段差があると淀みが発生し、気泡の停滞を発生するが、本発明の場合、リストリクタ１４の出口部近傍までをダイアフラムプレート３の薄板なる振動板１６で覆うように構成し、さらにその隙間Hｄにおける流路抵抗とリストリクタ１４の流路抵抗をほぼ同じになるように構成すると良い。これにより、リストリクタ１４上部の隅部の流速がリストリクタ１４出口部での流速とおぼ同じとなり、一様な流れが発生し、気泡を滞留させることを防止できる。（図６）。また、隙間Ｈｄは振動板１６の変形量よりも僅かに大きくしておけば良い。このように流路を狭くすることで、そのエリアのインク流速は、圧力室１３の流速よりは大きくなる。つまり、リストリクタ１４出口部から圧力室までのインク２０の流速を段階的に変化させることで、気泡の排除性を高めることが可能となる。
【００３６】
また、流路プレートの接合には陽極接合により接合することが望ましい。陽極接合は、各流路プレートにスパッタ法などによりガラス薄膜を形成した後にそれぞれを正極と負極に接続し、温度を上げながらプレート間に電圧を加え、前記ガラス膜に含まれるＮａ＋イオンの拡散が始まりプレート同士の陽極接合が完了する。これにより、吐出用インク内に含まれる溶媒の種類を選ばず、幅広いインクに対応できるインクジェットヘッドを提供できる。
【００３７】
なお、本実施例においては、本発明におけるインク滴の吐出のための手段として、圧電素子の歪を利用したピエゾ方式について説明したが、その構成は薄膜素子であっても圧電材料と電極を複数層積層したピエゾ素子であっても良い。
【００３８】
また、本実施例で用いた圧電方式にかえて、静電方式を用いた駆動方式であっても、本発明と同様の効果が得られることは当然のことである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のインクジェットヘッドの実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図２】本発明のインクジェットヘッドのオリフィスプレートの製作工程を示した説明図である。
【図３】本発明のインクジェットヘッドのダイアフラムプレートの製造工程を示した説明図である。
【図４】インクジェットヘッドのインク滴吐出の状態図を示す図である。
【図５】インクジェットヘッドの駆動波形の一実施例である。
【図６】図1に示すＡ−Ａ断面図である。
【図７】本発明のインクジェットヘッドのダイアフラム側から見た平面図である。
【図８】従来技術のインクジェットヘッドを示した断面図である。
【図９】従来技術のインクジェットヘッドのダイアフラム側から見た平面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１はオリフィスプレート、２はチャンバープレート、３はダイアフラムプレート、４は圧電素子、１０は流路プレート、１１はノズル、１２は連通穴、１３は圧力室、１４はリストリクタ、１５は共通インク室、１６は振動板、１７はフィルター、１８はリストリクタ隔壁、３０は熱酸化膜、５０はインク滴である。
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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