(57)【要約】【課題】ヘッド内の流路抵抗の増大により発生するインク吐出特性の経時変化を抑え、長寿命のインクジェットヘッドを提供する。【解決手段】インク流路に連通するインク室と、該インク室に連通する複数のノズルと、前記インク室の一部をなす振動板と、該振動板のインク室と対向した位置に設けられたインク室加圧手段を有し、該インク室加圧手段によりインク室内圧を変化させ、前記ノズルよりインクを吐出させるインクジェットヘッドにおいて、流路内に配置されたフィルターを有し、該フィルターは複数の突起部とその突起部の間に形成された微孔フィルターから構成されているインクジェットヘッド。本発明はまた、インクジェットヘッドの製造方法を開示する。【選択図】図４
2006082250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク流路に連通するインク室と、該インク室に連通する複数のノズルと、前記インク室の一部をなす振動板と、該振動板のインク室と対向した位置に設けられたインク室加圧手段を有し、該インク室加圧手段によりインク室内圧を変化させ、前記ノズルよりインクを吐出させるインクジェットヘッドにおいて、
流路内に配置されたフィルターを有し、該フィルターは複数の突起部とその突起部の間に形成された微孔フィルターから構成されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
請求項１のインクジェットヘッドにおいて、上記複数の突起部は相対的に粗い目の第一フィルターを構成し、上記微孔フィルターは第二フィルターを構成することを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項３】
上記複数の突起部は隣接する第二フィルターへのインク流れを確保するための連通路が形成されていることを特徴とする請求項２記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
上記複数の突起部の高さは、上記微孔フィルターの面よりも突出してい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。
【請求項５】
請求項１のインクジェットヘッドにおいて、上記フィルターはシリコンからなることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項６】
インク流路に連通するインク室と、該インク室に連通する複数のノズルと、前記インク室の一部をなす振動板と、該振動板のインク室と対向した位置に設けられた圧電振動子を有し、該圧電振動子の分極方向に対して平行な伸縮によりインク室内圧を変化させ、前記ノズルよりインクを吐出させるインクジェットヘッドにおいて、
流路内に形成されたフィルターを有し、該フィルターは突起部によって構成された第一フィルターと、上記突起部によって囲まれた領域に形成された微孔を有する第二フィルターとからなることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項７】
請求項６のインクジェットヘッドにおいて、
上記第一フィルターは多数の桝目を有し、上記第二フィルターは上記桝目内に形成された多数の微孔を有することを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項８】
請求項６のインクジェットヘッドにおいて、
上記第一フィルターは複数の平行突起部により構成され、上記第二フィルターは上記平行突起間に形成された多数の微孔により構成されたことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項９】
請求項６のインクジェットヘッドにおいて、
上記第一フィルターは多数の穴と該穴間を連通する溝により構成され、上記第二フィルターは上記穴内に形成された多数の微孔とを有することを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項１０】
シリコン基板とストッパー層と活性層とを積層一体化したＳＯＩ基板の前記基板面に第一シリコン酸化膜を形成し、
該第一シリコン酸化膜をパターニングして、内部フィルターの第一フィルターとなるべきパターンを形成し、
上記パターン上にマスク材を形成し
上記マスク材を用いて、第一フィルターとなるべきパターンをエッチングし、
上記マスク材を除去した後、上記パターンを、上記ストッパー層までエッチングし、
上記活性層面に第ニシリコン酸化膜を形成し、
上記第ニシリコン酸化膜をパターニングして第二フィルターの微孔となるべきパターンを形成し、
上記ストッパー層を除去する、
ことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項１１】
シリコン基板とストッパー層と活性層とを積層一体化したＳＯＩ基板の前記活性層面に第ニシリコン酸化膜を形成し、
上記第ニシリコン酸化膜をパターニングして第二フィルターの微孔となるべきパターンを形成し、
前記基板面に第一シリコン酸化膜を形成し、
該第一シリコン酸化膜をパターニングして、内部フィルターの第一フィルターとなるべきパターンを形成し、
上記パターン上にマスク材を形成し
上記マスク材を用いて、第一フィルターとなるべきパターンをエッチングし、
上記マスク材を除去した後、上記パターンを、上記ストッパー層までエッチングし、
上記ストッパー層を除去する、
ことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項１２】
上記ＳＯＩ基板はダイアフラム部と内部フィルター部の領域を含み、ダイアフラム部においては、上記第ニシリコン酸化膜を活性層上に形成した後、パターニングしないで、上記ストッパー層を除去した後、シリコン酸化膜を除去して振動板を形成する、
ことを特徴とする請求項１０又は１１記載のインクジェットヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインクジェットプリンタに用いるインクジェットヘッドに係り、特にオンデマンド式のインクジェットヘッド及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットヘッドは一般に、インクをヘッド内に導入し、圧電素子等を駆動させてインクが導入された圧力室に圧力変動を加えることにより、ノズルから吐出させるように構成されている。このようなインクジェットヘッドは、供給されたインク内に異物が存在するとノズルが詰まり、吐出不良が発生する。またインク内に存在する気泡によっても、インクの流れが阻害されたり、圧電素子等によって加えられた圧力が吸収されたりする等の理由により吐出不良が発生する。そのため、通常はインク供給路の途中に複数の微細な穴を有し、インク内の異物や気泡を除去するためのフィルターが装着されている。
【０００３】
このフィルターとしては、従来から、繊維あるいは金属線を織って織り目をフィルター孔とした構造のフィルターが用いられており、このフィルター孔をインクが通過する際に異物及び気泡が除去される。しかしこの構造のフィルターは繊維をあまり細くすることが出来ないために、フィルター孔を小さくしようとすると開口率が小さくなり、この結果、インクを流す際の圧力損失が大きくなり、吐出性能が低下するという問題がある。
【０００４】
このような問題点に対し、開口率を増加させる方法としてエレクトロフォーミングにより丸孔を形成したニッケル板をフィルターとする方法が特許文献１に開示されている。この提案によれば、フィルターの開口率は３０％程度でありインクの流れの圧力損失にあまり影響しないフィルターが製作可能である。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２９１５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のフィルターでは比較的粗大なゴミがフィルター表面に張り付くため、フィルターの実質的な開口率がヘッドを使用するにつれて低下し、ヘッド特性をも低下させるという問題がある。
【０００７】
本発明の課題は、インクが流れる孔を小さく形成し、ゴミの付着による流路抵抗の増大を抑えた長寿命フィルターを具備するインクジェットヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を達成するため本発明は、インク流路に連通するインク室と、該インク室に連通する複数のノズルと、前記インク室の一部をなす振動板と、該振動板のインク室と対向した位置に設けられたインク室加圧手段よりなり、該インク室加圧手段によりインク室内圧を変化させ、前記ノズルよりインクを吐出させるインクジェットヘッドを対象とするものである。
【０００９】
そして、流路内にたとえば、シリコンによりフィルターを形成し、且つ、該フィルターは相対的に目の粗い第一フィルターと目の細かい第二フィルターが一体に構成されていることを特徴とするものである。さらには、上記のインクジェットヘッドにおいて、該第一フィルターには、第二フィルターへのインク流れを確保するための連通路が形成されていることを特徴とするものである。近年の印字の高精細化に伴うヘッドのノズル径の小径化に伴い、フィルター孔の径も５μｍ〜１０μｍと益々小さく形成する必要がでてきており、上述のエレクトロフォーミングによる方法では、そのレジストのパターニング分解能の限界により対応できない場合が生じている。また、吐出させる液体が溶剤や腐食性液体の場合にはニッケルが侵されるという問題もある。しかし、本発明の実施形態におけるシリコンを用いたフィルターにはそのような問題がない。
【００１０】
本発明において、相対的に目の粗い第一フィルターに形成される穴または凹部は有底であって、その底部に、第二フィルターを構成する微孔が形成される。穴または凹部は独立したものでも良いし、穴または凹部同士が連通溝でつながったものでも良い。また、いわゆる穴でなく、平行又は非平行突起でも良い。突起の間は底部をなし、その底部に微孔が形成される。なお、第二フィルターとして形成される孔を、本明細書では微孔と言う。微孔は第一フィルターの突起間、穴又は平行突起間等の底部に形成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、第一フィルターによりインク中の大きな異物を確実に捕捉し、かつその異物によってインクの流路が塞がれる状態が形成されないように構成したので、流路抵抗の増大を最小限に抑えることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に本発明に係るインクジェットヘッドを実施するための最良の形態を、図とともに説明する。なお、本発明の実施形態の主なものを挙げると以下のとおりである。
【００１３】
（１）上記フィルターは相対的に目の粗い第一フィルターと、第一フィルターの目の内部に形成された細かい第二フィルターとが一体化されているインクジェットヘッド。
【００１４】
（２）上記第一フィルターは多数の桝目を有し、上記第二フィルターは上記桝目内に形成された多数の微孔を有するインクジェットヘッド。
【００１５】
（３）上記第一フィルターは複数の平行又は非平行突起により構成され、上記第二フィルターは上記平行又は非平行突起間に形成された多数の微孔により構成されたインクジェットヘッド。
【００１６】
（４）上記第一フィルターは多数の穴と該穴間を連通する溝により構成され、上記第二フィルターは上記穴内に形成された多数の微孔とを有するインクジェットヘッド。
【００１７】
（５）シリコン基板とストッパー層と活性層（デバイスの機能層として使用されるもので、一般に数μｍ〜数十μｍの厚さである）とを積層一体化したＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の前記基板面に第一シリコン酸化膜を形成し；該第一シリコン酸化膜をパターニングして、内部フィルターの第一フィルターとなるべきパターンを形成し；上記パターン上にマスク材を形成し；上記マスク材を用いて、第一フィルターとなるべきパターンをエッチングし；上記マスク材を除去した後、上記パターンを、上記ストッパー層までエッチングし；上記活性層面に第ニシリコン酸化膜を形成し；上記第ニシリコン酸化膜をパターニングして第二フィルターの微孔となるべきパターンを形成し；上記ストッパー層を除去する、インクジェットヘッドの製造方法。
【００１８】
（６）シリコン基板とストッパー層と活性層とを積層一体化したＳＯＩ基板の前記活性層面に第ニシリコン酸化膜を形成し；上記第ニシリコン酸化膜をパターニングして第二フィルターの微孔となるべきパターンを形成し；前記基板面に第一シリコン酸化膜を形成し；該第一シリコン酸化膜をパターニングして、内部フィルターの第一フィルターとなるべきパターンを形成し；上記パターン上にマスク材を形成し、上記マスク材を用いて、第一フィルターとなるべきパターンをエッチングし；上記マスク材を除去した後、上記パターンを、上記ストッパー層までエッチングし；上記ストッパー層を除去する、インクジェットヘッドの製造方法。
【００１９】
（７）上記ＳＯＩ基板はダイアフラム部と内部フィルター部の領域を含み、ダイアフラム部においては、上記第２シリコン酸化膜を活性層上に形成した後、パターニングしないで、上記ストッパー層を除去した後、シリコン酸化膜を除去して振動板を形成する、上記のインクジェットヘッドの製造方法。
【００２０】
図１は本実施形態に係るインクジェットヘッド１の斜視図、図２はそのインクジェットヘッド１の分解斜視図、図３はそのインクジェットヘッド１の１つのノズルに対応する流路構成を断面図で示したものである。インクジェットヘッド１は図２に示したように、大きく分けて駆動部１００と流路部１０１とから構成されている。
【００２１】
流路部１０１は、ノズル２を有するオリフィスプレート３、圧力室４を有するチャンバープレート５、流路内へのゴミ混入を防ぐための内部フィルター６及び振動板７を有するダイアフラムプレート８、流路を補強するための補強プレート９などから構成されている。本実施例では内部フィルター６を有するダイアフラムプレート８、ノズルプレート３及びチャンバープレート５の全てを、シリコンのエッチングにより形成している。
【００２２】
駆動部１００は、電源、制御装置などの外部と電気的に接続する可撓性ケーブル（ＦＰＣ）１３、インク室４に対応した中継部材１０と、圧電振動子１１と支持基板１２などから構成され、圧電振動子１１は支持基板１２の端部に接着されている。
【００２３】
図３に示すように、インクはインク供給口１４から導入されて内部フィルター６を通過し、インクの流量を制御するリストリクター１５を通って圧力室４に至る。圧力室４の一壁が圧電振動子１１に接着され、圧電振動子１１の変位を受けて振動する振動板７となっており、振動板７の振動によって圧力室４に圧力変動が発生し、ノズル２よりインクが吐出される。
【００２４】
ここで、本発明に係る内部フィルター６の斜視図を図４に示す。このフィルターは比較的粗大なゴミを捕らえるために、一辺が５０μｍ程度の桝目又は網目形状をした第一フィルター１６と、直径５μｍ程度の微孔を多数有する第二フィルター１７が一体に形成されている。また、内部フィルター６の拡大斜視図を図５に示す。第一フィルター１６には各枡間に連通溝１８が形成されており、図４、図５から明らかなように、第一フィルターは連続した又は不連続の多数の突起部を有し、その高さは、微孔を有する第二フィルターの面よりも高くなる。その結果、図６に示すように、粗大なゴミ１９がフィルターに付着した場合、ゴミによって第二フィルターの微孔が塞がれることはなく、インクは微孔を通過することができ、しかもこの連通溝１８を通してインクを流し、流路抵抗の増大を抑えることができる。
【００２５】
本発明によるフィルターはフィルター機能としての位置による不均一性がなく、どの位置においても粗大なゴミを捕らえることができ、しかも微細なゴミをフィルターから逃さずに捕らえることできる。フィルター面上に、粗い目の第一フィルターと微細な目の第二フィルターが別個に存在すれば、インクは流通抵抗の低い粗い目の第一フィルターに流れ、かつ本来第二フィルターにより捕捉されるべき微細ゴミが第一フィルターを通過する恐れがあるが、本発明ではそのようなことがない。また、第一フィルターの突起部が、第二フィルターの面よりも高くなっているため、粗大なゴミが第二フィルター面に付着せず、したがって第二フィルターが目詰まりを起こしにくいという効果がある。
【００２６】
本実施の形態では内部フィルター６をドライエッチングにより形成した。内部フィルター６の製造方法を以下に述べる。
【００２７】
本実施形態で使用したＳＯＩ基板２０１の断面図を図７に示す。このＳＯＩ基板は、内部フィルター６の製造のための基板である。支持層２０２の厚さは５５０μｍ、活性層２０３の厚さを３μｍとした。面方位は（１００）である。また、ストッパー層２０４は厚さ１μｍのＳｉＯ２層である。ＳＯＩ基板２０１のエッチング工程を断面図８（ａ）〜図８（ｆ）を用いて説明する。
【００２８】
まず、水蒸気雰囲気下１１５０℃で酸化し、表面にＳｉＯ２膜２０５を１．５μｍ形成した後、フォトリソグラフィー法により、表裏のＳｉＯ２膜２０５をフッ酸でパターンニングする。その後、支持層側のＳｉＯ２膜２０５の上にＡｌ膜２０６を０．８μｍスパッタ蒸着し、フォトリソグラフィー法により、Ａｌ膜２０６を１％のフッ酸水溶液でパターンニングした（図８（ａ））。
【００２９】
次に高周波誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング装置（図示しない）を用い、Ａｌ膜２０６をマスクとしてドライエッチングを行い、支持層２０２側を約２００μｍエッチングした（図８（ｂ））。これにより第一フィルター１６及び連通溝１８が形成される。Ａｌ膜２０６を１％のフッ酸水溶液で溶解除去し、ＳｉＯ２膜２０５を表面に露出させる（図８（ｃ））。次に、ＳｉＯ２膜２０５をマスクとして、ストッパー層２０４までエッチングを行う（図８（ｄ））。
【００３０】
次に活性層２０３側の加工工程を説明する。支持層２０２側の加工と同様に熱酸化によりＳｉＯ２膜２０７を１μｍ形成した後、フォトリソグラフィー法により、フッ酸でパターンニングする（図８（ｅ））。その後、ＳｉＯ２膜２０７をマスクとして、ストッパー層２０４までエッチングを行い、さらに露出したストッパー層２０４をフッ酸により除去する（図８（ｆ））。この工程により、支持層２０４側に形成された第一フィルター１６に対応して、活性層２０３側に第二フィルター１７が形成される。また、活性層２０３により振動板７も同時に形成されている。本実施の形態では、第一フィルター１６は一辺が５２μｍの桝目形状とし、第二フィルター１７の穴径は５μｍであり、ピッチ７．５μｍの細密配列とした。従って、第一フィルター１６の１枡あたり、約５６孔の第二フィルター穴２０が形成され、その開口率は約４０％である。なお、活性層、支持層のどちらを先に加工してもよい。
【００３１】
図９、図１０は内部フィルター６の他の構成例を示す断面図を示したものである。このように第１フィルター１６あるいは第２フィルター１７の形状を変えることで多種類のフィルターが考えられるが、どのような形状でも、上記した製造工程で形成することができる。図９に示した例では、第一フィルター１６は桝目形状又は網目形状ではなく、平行又は非平行の突起部と、該突起部の間に形成された微孔とから構成されている。設計上、製造上の観点から、図９のフィルターはより好ましい構成例である。突起部は連続又は非連続の平行又は非平行構造があるが、設計上、製造上の観点からは、実質的に平行突起が望ましい。
【００３２】
最後に、チャンバープレート５に、オリフィスプレート３、ダイアフラムプレート８を陽極接合にて接合し、図１に示したインクジェットヘッド１を得た。本実施形態によって得られた内部フィルター６は、シリコンのエッチングにより第一フィルター１６と第二フィルター１７を一体に形成しており、インク内の比較的大きなゴミと比較的小さなゴミを分離することができる。さらには、第一フィルター１６にインク流れを確保するための連通路１８が形成されているので、比較的粗大なゴミがフィルターに付着した場合でも連通路１８を通ってインクが流れるため、流路抵抗の増大を最小限に抑えることが出来る。さらには、このような流路抵抗の増大により発生するインク吐出特性の経時変化を最小限に抑えることができ、高品質で長寿命のインクジェットヘッドを提供することが可能となった。
【００３３】
上記実施形態によれば、シリコンのエッチングによりフィルターを形成するため、フィルター穴径５μｍが容易に精度良く形成でき、また、第一フィルターと第二フィルターにて構成されており、インク内のゴミがひとつのフィルターに集中して溜まることを防ぎ、さらには、第一フィルターにインク流れを確保するための連通路が形成されているので、比較的粗大なゴミがフィルターに付着した場合でも連通路を通ってインクが流れるため、流路抵抗の増加を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッドの斜視図。
【図２】インクジェットヘッドの分解斜視図。
【図３】インクジェットヘッドのノズルに対応する流路構成を示す断面図。
【図４】内部フィルター６の斜視図。
【図５】内部フィルター６の拡大斜視図。
【図６】内部フィルター６の断面図。
【図７】本発明の実施形態で使用したＳＯＩ基板２０１の構成を示す断面図。
【図８−（ａ）】ＳＯＩ基板２０１のエッチングの第一工程を示すフロー図。
【図８−（ｂ）】ＳＯＩ基板２０１のエッチングの第二工程を示すフロー図。
【図８−（ｃ）】ＳＯＩ基板２０１のエッチングの第三工程を示すフロー図。
【図８−（ｄ）】ＳＯＩ基板２０１のエッチングの第四工程を示すフロー図。
【図８−（ｅ）】ＳＯＩ基板２０１のエッチングの第五工程を示すフロー図。
【図８−（ｆ）】ＳＯＩ基板２０１のエッチングの第六工程を示すフロー図。
【図９】内部フィルター６の他の構成を示す断面図。
【図１０】内部フィルター６に更に他の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００３５】
１…インクジェットヘッド、２…ノズル、３…オリフィスプレート、４…圧力室、５…チャンバープレート、６…内部フィルター、７…振動版、８…ダイアフラムプレート、９…補強プレート、１０…中継部材、１１…圧電振動子、１２…支持基板、１３…ＦＰＣ、１４…インク供給口、１５…リストリクター、１６…第一フィルター、１７…第二フィルター、１８…連通溝、１００…駆動部、１０１…流路部、２０１…ＳＯＩ基板、２０２…支持層、２０３…活性層。
【図１】
2006082250.tif 000003
【図２】
2006082250.tif 000004
【図３】
2006082250.tif 000005
【図４】
2006082250.tif 000006
【図５】
2006082250.tif 000007
【図６】
2006082250.tif 000008
【図７】
2006082250.tif 000009
【図８−（ａ）】
2006082250.tif 000010
【図８−（ｂ）】
2006082250.tif 000011
【図８−（ｃ）】
2006082250.tif 000012
【図８−（ｄ）】
2006082250.tif 000013
【図８−（ｅ）】
2006082250.tif 000014
【図８−（ｆ）】
2006082250.tif 000015
【図９】
2006082250.tif 000016
【図１０】
2006082250.tif 000017