(57)【要約】【課題】  ノズル開口の高密度実装配列、記録ヘッドを構成する部品の加工性と組立性の容易化、及びインク滴の噴射特性の向上を図る。【解決手段】  複数のノズル開口が配列されたノズル開口列と、その一端がノズル開口へ個別に連通し、かつノズル開口列を介して相対するよう２列に配置され、個々の流路がノズル開口列の垂直方向に対して所定の角度をもって傾斜して配列され、更にノズル開口側で双方の列の流路が互いに交差するように形成された連通路とを有する第１のプレートと、連通路の他端が個々に接続され、ノズル開口列を介して相対するよう２列に配置された圧力発生室と、この圧力発生室に個々にインクを供給するリストリクタと、リストリクタに連通する共通のインク流路とが形成された第２のプレートと、圧力発生室を封止する振動板を有する第３のプレートにてインク流路を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク滴が吐出する複数のノズル開口が配列されたノズル開口列と、その一端が前記ノズル開口へ個別に連通する流路であって、かつ前記ノズル開口列を介して相対するよう２列に配置され、個々の流路が前記ノズル開口列の垂直方向に対して所定の角度をもって傾斜して配列され、更に前記ノズル開口側で双方の列の流路が互いに交差するように形成された連通路とを有する第１のプレートと、前記連通路の他端が個々に接続され、前記ノズル開口列を介して相対するよう２列に配置された圧力発生室と、該圧力発生室に個々にインクを供給するリストリクタと、該リストリクタに連通する共通のインク流路とが形成された第２のプレートと、前記圧力発生室を封止する振動板を有する第３のプレートと、前記圧力発生室の振動板に個々に当接する駆動素子を有する圧力発生手段と、前記第１のプレート、第２のプレート及び第３のプレートを保持する支持部材を有す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】
インク滴が吐出する複数のノズル開口が配列されたノズル開口列と、その一端が前記ノズル開口へ個別に連通する流路であって、かつ前記ノズル開口列を介して相対するよう２列に配置され、前記ノズル開口側で双方の列の流路が互いに交差するように形成された連通路とを有する第１のプレートと、前記ノズル開口列を介して相対するよう２列に配置され、前記連通路の中心線に対して所定距離離れた位置にその中心線を有し、前記連通路の他端に個々に連通するべくその端部が屈曲している圧力発生室と、該圧力発生室に個々にインクを供給するリストリクタと、該リストリクタに連通する共通のインク流路とが形成された第２のプレートと、前記圧力発生室を封止する振動板を有する第３のプレートと、前記圧力発生室の振動板に個々に当接する駆動素子を有する圧力発生手段と、前記第１のプレート、第２のプレート及び第３のプレートを保持する支持部材を有す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３】
インク滴が吐出する複数のノズル開口が配列されたノズル開口列と、その一端が前記ノズル開口へ個別に連通する流路であって、かつ前記ノズル開口列を介して相対するよう２列に配置され、前記ノズル開口側で双方の列の流路が互いに交差するように形成された連通路とを有する第１のプレートと、前記ノズル開口列を介して相対するよう２列に配置され、前記連通路の他端に個々に連通するべくその端部が先細形状となっている圧力発生室と、該圧力発生室に個々にインクを供給するリストリクタと、該リストリクタに連通する共通のインク流路とが形成された第２のプレートと、前記圧力発生室を封止する振動板を有する第３のプレートと、前記圧力発生室の振動板に個々に当接する駆動素子を有する圧力発生手段と、前記第１のプレート、第２のプレート及び第３のプレートを保持する支持部材を有す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】
前記第１のプレートの連通路の幅は、前記第２のプレートの圧力発生室の幅よりも狭く形成されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項５】
前記第２のプレートの圧力発生室は、前記第１のプレートの連通路に接続する領域を貫通穴とし、前記圧電素子のほぼ直下の領域部においては前記第２のプレートの厚さの１／３以下の深さに形成されていることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項６】
前記ノズル開口と前記連通路を有する前記第１のプレートは、シリコン単結晶基板をドライエッチングで形成したことを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項７】
前記第２のプレートに形成されたインク流路は、面方位（１１０）を表面とするシリコン単結晶基板を異方性のウェットエッチングし、その外周の辺がシリコン単結晶基板の表面に対して垂直な２つの格子方向＜１１１＞をそれぞれ辺とするようにするように形成したことを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項８】
前記圧力発生室及び前記共通のインク流路を有する第２のプレートは、シリコン単結晶板にドライエッチングにより形成したことを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
インク滴を吐出するノズル開口と、それに連通する圧力発生室と、それを封止する振動板とで構成し、該振動板を圧電素子によって変形させて圧力発生室を膨張収縮させてノズル開口からインク滴を吐出させる記録ヘッドは周知の事実としてある。このような記録ヘッドを用いた記録装置では、近年、ノズル開口を更に高密度化して、さらなる高速印刷及び高品質印刷の実現が望まれている。
【０００２】
それを実現するために、互いに対向した細長い圧力発生室の先端部に細い流路を設け、それが交差する様に構成された記録ヘッドがある（例えば、参考文献１参照）。また、圧力発生室からノズル開口穴までの連通路を徐々に小さくしたプレートを積層して、実装密度の向上が図れるように構成された記録ヘッドもある（例えば、参考文献２参照）。しかし、これらの圧力発生室からノズル開口への流路部は、複数枚のプレートが積層されて形成されている。そのため、積層接着の際にプレート間のズレが発生し、個々の圧力発生室などの流路の体積が異なり、各ノズル開口からのインク滴の噴射特性にバラツキが発生し易い。
【０００３】
また、プレート間を接着剤で固着する場合は、積層枚数が多いほど接着剤のはみ出しが多くなり、流路部のインクの流れを乱す原因となる。場合によっては、キャビテーション現象を誘発し気泡を発生させ、インク滴が噴射できなくなるという現象を引き起こすことになる。
【０００４】
さらに、細長い圧力発生室の一端を幅狭として、その圧力発生室を千鳥状に形成し、その幅狭部が交差するように配置して、ノズル開口を高密度に配列することが開示されている（例えば、参考文献３参照）。開示された技術のアクチュエータは、薄膜の圧電素子を具備しているが、圧電材料と導電材料を交互に積層して形成された圧電素子を使用する場合、千鳥状に配置された圧力発生室に対向する圧電素子も千鳥状に配置しなければならない。つまり、個々の圧電素子に分割した圧電素子群を夫々１／２ピッチずらして配置する必要があり、高精度の位置合わせが必要とされる。また、２本のバルク状の圧電素子を１つの基台に並列に並べ、圧力発生室の１／２のピッチで分割した圧電素子を交互に使用する方法があるが、圧電素子の分割ピッチが多くなれば加工時間を要し、かつ高ピッチになればなるほど分割するダイシングソーの加工精度も高精度が要求される。
【０００５】
この改善策として、互いに対向する圧力発生室の先端部を幅狭として交差するように配置することでノズル開口の実装密度を高める手段が開示されている（例えば、参考文献４参照）。幅狭部はノズル開口の実装密度が高くなるほど狭くなる。その幅狭部に別部品で形成されたノズル開口を有するノズルプレートを張り合わせることになる。このため、前記幅狭部とノズル開口部との位置ズレの裕度は小さく、非常に高精度な位置決めが必要となる。隣接ノズル駆動に伴うクロストーク防止のために隣接ノズルの同時駆動を避けて、所定の遅れ時間を設けて駆動する場合、ノズル位置をその分シフトする必要がある場合、ノズルプレートばかりでなくチャンバープレートもシフト量に応じて、再度、製作しなければならないという課題が生じる。
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−１１１７５８号公報
【０００７】
【特許文献２】特開平７−１９５６８５号公報
【特許文献３】特開２００２−２０５３９４号公報
【特許文献４】特開２００４-１８１７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上に述べたインクジェット式記録ヘッドでは、複数枚のプレートが積層されて形成されているため、積層接着の際にプレート間のズレが発生し、個々の圧力発生室毎に流路の体積が異なり、各ノズル開口からのインク滴の噴射特性にバラツキが発生し易い。また、プレート間を接着剤で固着する場合は、積層枚数が多いほど接着剤のはみ出しが多くなり、流路部のインクの流れを乱す原因となる。また、千鳥状に形成した圧力発生室のノズル開口側部を交差するように配置してノズル開口の実装密度を高めても、圧力発生室に対応した夫々の圧電素子も千鳥状に配置したり、対向したバルク状の圧電素子を１／２ピッチで分割し交互に使用する必要がある。しかし、圧電素子の分割ピッチが多くなれば加工時間を要し、かつ高ピッチになればなるほど分割するダシングソーの加工精度も高精度が要求される。更に、互いに対向する圧力発生室の先端部を幅狭として交差するように配置してノズル開口の実装密度を高めても、その幅狭部に別部品で形成されたノズル開口を有するノズルプレートを張り合わせるため、前記幅狭部とノズル開口部を高精度の位置決めする必要があるという課題がある。
【０００９】
また、従来のようにノズルと圧力発生室とが直接的に連通している構成、特にヘッドを複数のプレートの積層により形成するものにおいては、液滴吐出後のインクがノズル開口から溢れ出るという問題があった。このような従来型ヘッドでは、ヘッドの有するイナータンスや流体抵抗のコントロールをノズル開口とリストリクタの設計変更のみで対応していた。しかし、ノズル開口の設計変更は吐出量を左右するため、大きな変更を行うことは難しい。一方、リストリクタ側で流体抵抗を大きくしてインクの溢れ出しを防止することは比較的容易であるが、高い周波数で連続的にインクを吐出したときに圧力発生室へのインク供給が間に合わなくなり、高速記録の実現には結びつかない。
【００１０】
本発明はこれらの問題を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、記録ヘッドを構成する部品の加工性・組立性を容易化し、インク滴の噴射特性のバラツキを低減し、クロストークの低減を図り、さらに、ノズルの高密度実装化とともに高品質印刷を実現できるプレート積層型のインクジェット式記録ヘッドを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する本発明の請求項１に記載の発明は、インク滴が吐出する複数のノズル開口が配列されたノズル開口列と、その一端が前記ノズル開口へ個別に連通する流路であって、かつ前記ノズル開口列を介して相対するよう２列に配置され、個々の流路が前記ノズル開口列の垂直方向に対して所定の角度をもって傾斜して配列され、更に前記ノズル開口側で双方の列の流路が互いに交差するように形成された連通路とを有する第１のプレートと、前記連通路の他端が個々に接続され、前記ノズル開口列を介して相対するよう２列に配置された圧力発生室と、該圧力発生室に個々にインクを供給するリストリクタと、該リストリクタに連通する共通のインク流路とが形成された第２のプレートと、前記圧力発生室を封止する振動板を有する第３のプレートと、前記圧力発生室の振動板に個々に当接する駆動素子を有する圧力発生手段と、前記第１のプレート、第２のプレート及び第３のプレートを保持する支持部材を有することを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する本発明の請求項２に記載の発明は、インク滴が吐出する複数のノズル開口が配列されたノズル開口列と、その一端が前記ノズル開口へ個別に連通する流路であって、かつ前記ノズル開口列を介して相対するよう２列に配置され、前記ノズル開口側で双方の列の流路が互いに交差するように形成された連通路とを有する第１のプレートと、前記ノズル開口列を介して相対するよう２列に配置され、前記連通路の中心線に対して所定距離離れた位置にその中心線を有し、前記連通路の他端に個々に連通するべくその端部が屈曲している圧力発生室と、該圧力発生室に個々にインクを供給するリストリクタと、該リストリクタに連通する共通のインク流路とが形成された第２のプレートと、前記圧力発生室を封止する振動板を有する第３のプレートと、前記圧力発生室の振動板に個々に当接する駆動素子を有する圧力発生手段と、前記第１のプレート、第２のプレート及び第３のプレートを保持する支持部材を有することを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する本発明の請求項３に記載の発明は、インク滴が吐出する複数のノズル開口が配列されたノズル開口列と、その一端が前記ノズル開口へ個別に連通する流路であって、かつ前記ノズル開口列を介して相対するよう２列に配置され、前記ノズル開口側で双方の列の流路が互いに交差するように形成された連通路とを有する第１のプレートと、前記ノズル開口列を介して相対するよう２列に配置され、前記連通路の他端に個々に連通するべくその端部が先細形状となっている圧力発生室と、該圧力発生室に個々にインクを供給するリストリクタと、該リストリクタに連通する共通のインク流路とが形成された第２のプレートと、前記圧力発生室を封止する振動板を有する第３のプレートと、前記圧力発生室の振動板に個々に当接する駆動素子を有する圧力発生手段と、前記第１のプレート、第２のプレート及び第３のプレートを保持する支持部材を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３いずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記第１のプレートの連通路の幅が、前記第２のプレートの圧力発生室の幅よりも狭く形成されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４いずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記第２のプレートに形成された前記圧力発生室が、前記第１のプレートの連通路に接続する領域を貫通穴とし、前記圧電素子のほぼ直下の領域部においては前記第２のプレートの厚さの１／３以下の深さに形成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５いずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記ノズル開口と前記連通路を有する前記第１のプレートが、シリコン単結晶基板のドライエッチングで形成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６いずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記第２のプレートに形成されたインク流路が、面方位（１１０）を表面とするシリコン単結晶基板を異方性のウェットエッチングし、その外周の辺がシリコン単結晶基板の表面に対して垂直な２つの格子方向＜１１１＞をそれぞれ辺とするようにするように形成されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項８に記載の発明は、請求項１ないし６いずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記圧力発生室及び前記共通のインク流路を有する第２のプレートが、シリコン単結晶板のドライエッチングで形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の請求項１ないし請求項３に記載の発明によれば、記録ヘッドのインク流路を形成する基板を複数のノズル開口と千鳥状に形成された連通路を有する第１のプレート、連通路に対応し互いに対向した圧力発生室を有する第２のプレート及び前記圧力発生室を封止する第３のノズルプレートで構成したので、プレート間のズレの累積を少なくできるとともに第１のプレートに形成された連通路の幅を圧力発生室の幅より狭く形成したのでプレート間のズレの許容幅を大きく取れるようにしたのでインク滴の噴射特性のバラツキ低減できる。
【００２０】
また、ノズル開口と圧力発生室との間に連通路を設けたので、ノズル開口と連通路のイナータンスや流体抵抗を直列（ひとつの流体系の範疇）で考えることができ、ノズル開口からリストリクタまでの流路形状で決まるヘルムホルツ振動の周期及び減衰を決定する時定数パラメータとして付与することが可能となる。すなわち、インクの噴射特性の改善を行う設計に連通路というパラメータを追加できることになり、従来のノズルと圧力発生室とが直接的に連通している構成よりも吐出特性の設計に幅を持たせることができるようになる。そして、インク滴の微小化及び吐出特性の微調整にも有効とすることができる。このことはリストリクタ側で流体抵抗を大きくすることで問題となっていたインク供給量の不足がなくなり、結果的に高速印刷を実現できる。
【００２１】
更に、第２のプレートに形成された圧力室は、互いに対向するように配置されているので、ノズル開口のピッチの２倍で製作可能であり、流路の加工が容易となる。また、それに対応した圧電素子も互いに対向するように一体で構成することが可能となり、記録ヘッドを構成する部品の加工性・組立性の容易化できる。
【００２２】
特に本発明の請求項２に記載の発明によれば、第２のプレートに形成された圧力発生室の連通路との連通領域が屈曲するように構成されているので、連通路を傾斜させて形成する場合の微細加工に比べ加工性が向上するという効果がある。
【００２３】
また、本発明の請求項３に記載の発明によれば、圧力発生室が連通路に接続される部位を前記連通路に向かって先細形状となるように構成したので、気泡の排除性が高まり、記録ヘッドの吐出信頼性の向上が図れるうえ、ノズル開口の実装密度を高めることができるという効果も得られる。
【００２４】
本発明の請求項４に記載の発明によれば、第１のプレートの連通路の幅を圧力発生室の幅よりも狭く形成したので、ノズル開口へ向かうインクの流速が高くすることができるので、気泡の排除性を高めることができる。
【００２５】
本発明の請求項５に記載の発明によれば、第２のプレートに形成された前記圧力発生室は、前記第１のプレートの連通路に接続する領域を貫通穴とし、前記圧電素子のほぼ直下の領域部においては前記第２のプレートの厚さの１／３以下の深さに形成されているので、圧電素子が変位する際の発生力を剛性の高い第２のプレートにより支持することができるので、構造的なクロストークの低減を図ることができる。
【００２６】
本発明の請求項６に記載の発明によれば、ノズル開口と連通路を有する第１のプレートをシリコンウエハーのドライエッチング法で一体形成するようにしたので、ノズル開口と連通路との位置精度の向上を図れる。
【００２７】
本発明の請求項７あるいは請求項８に記載の発明によれば、更に、チャンバープレートもシリコンウエハーを有する第２のプレートをドライエッチングまたはウェットエッチングにより形成することにより、各部位の寸法精度を１〜数μｍで管理することができ、共通のインク室からノズル開口までを高精度に製造することができる。
【００２８】
以上の通り、本発明により構成された記録ヘッドを使用することでノズルの高密度化と高品質印刷を実現する記録ヘッドの提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
インクジェット式記録ヘッドのノズル開口の高密度化に伴う加工性・組立性の容易化して噴射特性を向上するという課題を、ノズル開口を有するノズルプレート上に形成した連通路を千鳥状に配置形成することで容易に実現できた。
【実施例１】
【００３０】
図１は、本発明の一例を示す分解斜視図であり、図２はその断面図である。図３はノズルプレート１０と、チャンバープレート２０を重ねた時の流路形状を示す平面図である。
【００３１】
図において、記録ヘッド１は、インク滴が吐出される複数のノズル開口穴１１と圧力発生室２１に連通する連通路１２を有する第１のプレートであるノズルプレート１０と、圧力発生室２１、リストリクタ２２及び共通インク室２３が形成された第２のプレートとなるチャンバープレート２０と、圧力発生室２１を封止する薄板の振動領域となる振動板３１とフィルタ３４を有する第３のプレートであるダイアフラムプレート３０とを積層固着した流路基板３と、ダイアフラムプレート３０に当接固着し、振動板３１を介して圧力発生室の容積を膨張収縮させる圧電アクチュエータ４０と、流路基板３を保持固定し、圧電アクチュエータ４０を挿入する開口穴５１を有するハウジング５０で構成されている。
【００３２】
ノズルプレート１０は、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板を用い、ドライエッチングによりノズル開口１１と圧力発生室２１に連通する連通路１２とを形成する。ノズル開口１１は、一列に等ピッチで配置されていて、本例の場合、１／２００インチで形成されている。さらにノズルプレート１０には、細長い連通路１２が形成され、その長手方向の一端にはノズル開口１１が連通し、他端は圧力発生室２１に連通する。また、連通路２１はほぼ１列に並んだ複数のノズル開口１１の列を介して相対するように２列に配置され、ノズル開口１１の配列方向と垂直方向の方向に対して所定角度の傾きをもって千鳥状に配置されている。このときの連通路１２の幅は、圧力発生室２１の流路幅よりも狭く、また、ノズル開口１１の形状は段差を設け、徐々にインクの流路が狭くなるように形成することが望ましい。流路を徐々に狭くしていくことで、インクの流れによるキャビテーションによる気泡の発生及び気泡の滞留を防止でき、より安定したインク滴の吐出を確保できる。また、どんなに精度よく加工できても僅かに部品公差が存在する。従来構成のように、チャンバープレート２０側にこの連通路１２に相当する流路を設けると、最も微細な開口部分であるノズル開口１１と連通路１２の位置合わせ精度が厳しくなる。これに対して、本発明によれば、最も位置合わせ精度を要求されるノズル開口１１と連通路１２とを予め第１のプレート上に形成し、これにチャンバープレート２０が形成されている第２のプレートと接合するようにしたので、連通路１２と圧力発生室２１との流路幅の差がノズル開口１１の最大径と連通路１２の幅との関係よりは十分大きくとれてズレの影響を解消することができ、ズレに対するマージンの向上が図れる。更に、ノズル開口１１は円筒形状で、連通路１２はある程度の流路長さをもっているものの縦横のアスペクト比は圧力発生室２１に比較し十分に小さいので、より高精度に加工することができる。
【００３３】
図４は、第１のプレートとなるオリフィスプレート１０の製造方法を示す。まずシリコンの単結晶基板であるシリコンウエハー１０の表面に熱酸化法などで酸化シリコン膜１５を形成し、ノズル開口１１への入り口の段差部となる領域の形状に合わせてフォトリソグラフィー法によりパターニングを行い、段差部領域の酸化シリコン膜を完全に除去する。なお酸化シリコン膜１５のエッチングは、フッ素とフッ化アンモニュームの混合液によって行う。また、ノズル開口１１の表面となる側の酸化シリコン膜を保護するために、酸化シリコン膜のエッチングの際にはレジスト材を全面に塗布しておく。そして、ノズル開口１１の入り口となる段差部のシリコンを必要な深さまでのドライエッチングを行う(図４（ａ））。次に、連通路１２となる領域の酸化膜の除去を行う(図４（ｂ）)。そして、ドライエッチングにより必要な深さまでエッチングを行う（図４（ｃ））。エッチングを実施した面を酸化膜にてマスクし（図４（ｄ））、ノズル開口１１へノズル側となる面にノズル開口１１となる形状に合わせて酸化シリコン膜を完全に除去する（図４（ｅ））。ノズル開口部が貫通するまでエッチングを行い（図４（ｆ））、最後に酸化膜を全て除去し、ノズルプレート１０が完成する。完成されたノズルプレート１０のインク滴が吐出する側の面にインクの濡れ性を改善する目的で撥インク処理を施しても良い。
【００３４】
第２のプレートとなるチャンバープレート２０も同様に面方位（１１０）のシリコン単結晶基板をドライエッチングにより製作し、細長い圧力発生室２１、リストリクタ２２及び共通のインク室２３を形成する。圧力発生室２１は２列に配置され、夫々の列の圧力発生室２１は長手方向の中心延長線上でノズル開口１１の列を介して対向している。大きな容積を必要とする圧力発生室２１のピッチはノズル開口１１のピッチの倍ピッチで形成することができ、加工性の容易化及び精度向上が図れる。
【００３５】
また、第２のプレートの圧力発生室２１が互いに対向する側は、連通路１２と接続されるように貫通穴２４が開いており、他端側にはリストリクタ２２が連通されている。リストリクタ２２は、圧力発生室２１の容積が膨張するときに共通のインク室２３からのインクの流入する量、及び圧力発生室２１の容積を縮小してインク滴を吐出するときに圧力発生室２１から逆流する量を最適化するために、圧力発生室２１の流路断面積よりも流路を狭く形成することが良い。また、リストリクタ２２は、最適な流体抵抗を得るために細い溝を少なくとも２本以上形成したりしても良い。
【００３６】
第１のプレート、第２のプレート及び第３のプレートで形成される流路基板３は、圧電アクチュエータ４０の伸縮時の変位によって発生する圧力によって変形するので、流路基板３全体としてはある程度の剛性を要する。流路基板３を形成する第２のプレートとなるチャンバープレート２０の厚みも厚いほうが良い。この場合、圧力発生室２２の全体を貫通させる構造とすると流路基板３の剛性が低下し、構造的なクロストークを引き起こす。従って、チャンバープレート２０の板厚を厚くして、板厚の１／３程度で、リストリクタ２２の深さと同等の深さの圧力発生室２１を形成すると共に、ノズル開口１１とは細長い貫通穴２４で連通路１２に接続すると良い。このような複雑な構成でもシリコンの単結晶基板をドライエッチングで加工することにより高精度に形成することは容易である。
【００３７】
第３のプレートとなるダイアフラムプレート３０は、本例では薄板のポリイミド３１に薄板のステンレス３２を積層密着したプレートを、振動板３３となる領域と共通のインク室２３及び共通インク室５２となる領域の薄板ステンレス３２をエッチングして、ポリイミド３１部を露出させる。そして、共通インク室の領域は複数の開口穴を形成し、フィルタ３４として使用する。フィルタ３４の穴径は、ノズル開口１１の穴径よりも小さくすることが望ましく、例えば、ノズル開口１１の穴径が、３０μｍであれば２０μｍ程度以下の穴径であることが望ましい。このフィルタ３４により上位のインク流路から、例えばハウジング５０内に配設された共通のインク流路５２などから流れてくる異物をトラップすることができ、ノズル開口１１までの微細な流路を詰まらせることを防止でき、インク滴噴射の信頼性を高められる。また、フィルタ３４は、ダイアフラムプレート３０と一体化しなくても、新たにフィルタープレートなるものを準備して、ダイアフラムプレート３０とハウジング５０との間に設けても良い。
【００３８】
振動板３３となるポリイミド３１の板厚は５〜２０μｍと薄く、圧電アクチュエータ４０の伸縮に十分変位可能なものとなっている。また、ステンレス３２の板厚は２０〜３０μｍと比較的高剛性を有する厚さとなっている。この剛性により共通インク室２３からインクが供給される通路となるリストリクタ２２を封止保持できるようにしている。また、ダイアフラムプレート３０は、ポリイミドプレート３１とステンレスプレート３２を密着させた状態で使用しているが、夫々を別々の部品とし、例えば前記ポリイミドプレート３１の代わりに、例えば１０μｍ以下の薄板のステンレスプレートやニッケルエレクトロフォーミングにより薄板を形成したものを用いてもよい。ダイアフラムプレート３０は、インク流路を決定するものではないから、振動板３３となるポリイミドプレート３１とステンレスプレート３２を別々の部品として扱っても同じ効果を得ることができる。更には、ノズルプレート１０やチャンバープレート２０と同様にシリコン基板をエッチングして形成しても良い。
【００３９】
前述したように、第１のプレートであるノズルプレート１０と、第２のプレートであるチャンバープレート２０と、第３のプレートであるダイアフラムプレート３０を積層、固着して流路基板３を形成する。各プレートの固着方法は接着剤を用いても良い。また、ノズルプレート１０とチャンバープレート２０はシリコン単結晶基板であることから陽極接合にて固着も可能であり、更にダイアフラムプレート３０も同材料で形成すれば、第１ないし第３のプレートを一体で陽極接合できる。
【００４０】
このように、インク流路を形成する部材を高精度の加工が容易な方法で形成し、かつ積層する枚数を少なくすることは、インク流路の累積バラツキを小さくすることができる。
【００４１】
次に圧電アクチュエータ４０の製造方法について、図５を用いて説明する。導電材料６２と圧電材料６３を交互に積層した棒状の２本の圧電体６０を平行に支持基板４１の一端面に固着する。圧電体６０の側面には圧電体６０の内部の導電材料６２層と導通する様に外部電極６４が対向する面に形成されている。支持基板４１はその中央部に溝４８が形成されており、圧電体６０の共通電極となる電極４２が導電性接着剤６５ａで接続され、個別電極となる電極４３が圧電体６０の外部電極６４と導電性接着剤６５ｂにて接続される（図５（ａ））。本例の場合は、共通電極４２と個別電極４３が予めスクリーン印刷法等によって印刷されていている。次に、ダシングソーやワイヤーソウなどのスライサーを用いてこれら２本の圧電体６０を等ピッチに櫛歯状にして、個別電極４３側を個別に分離し、共通電極４２側を支持基板４１の溝６８内の導電性接着剤６５ａ接続した状態にする。これにより、夫々に分離された圧電素子６６が個別のアクチュエータとして動作出来るようになる（図５（ｂ））。櫛歯状に分離された圧電素子６６は、圧力発生室２１に対応するように同一ピッチで加工されている。最後に、夫々の個別電極４３と及び共通電極４２をフレキシブルケーブル４５に接続し、圧電アクチュエータ４０が完成する（図５（Ｃ））。
【００４２】
本例では、１つの支持基板４１に２つの圧電体を取り付けたが、図９に示すように１つの支持基板４１ａと１列の圧電体６０とで形成した圧電アクチュエータ４０ａを、中間支持部材４８を介して抱き合わせるようにしても良い。このようにすることで、互いに対向した圧力発生室２１に対応した圧電素子６６を同時に加工することが可能となり、安価な圧電アクチュエータ４０ａを提供することができる。
【００４３】
ハウジング５０は、圧電アクチュエータ４０を挿入する開口穴５１と、チャンバープレート２０に形成された共通のインク室２３に接続される共通のインク流路５２が形成されている。インクは、外部の図示していないインクボトルより図示していない供給路を経由して共通のインク流路５２に貯留され、前記フィルタ−３４を経由して共通のインク室２３にも貯留される。
【００４４】
ハウジング５０と流路基板３とは、図１に示すように、夫々に設けられた位置決め穴１０ａ、２０ａ、３０ａ、５０ａを基準に固着する。そして、ハウジング５０の開口穴５１より圧電アクチュエータ４０が挿入され、振動板３３に当接固着される。この様に構成された記録ヘッド１は、ノズルを高密度に配置することができる。また、ノズル開口１１のピッチに対して圧力発生室２１及び圧電素子６６のピッチはその倍ピッチで構成できるので製造加工が容易となる。
【００４５】
以上のように構成された記録ヘッド１における連通路１２は、圧力発生室２１とは独立しているので流路形状に影響されにくく、連通路１２の深さ、幅、長さなど流路形状に自由度がもてる。ノズル開口１１は一般的にテーパ状を有したり、噴射口に向かって徐々に径が小さくなるように構成されている。
【００４６】
例えば、ノズル開口１１のピッチが２００ｄｐｉ（ドット/インチ）で配列された板厚５０〜１００μｍのノズルプレート１０において、インク吐出面側の径が２５μｍとすると、連通路１２側の開口径は約２倍以上の５０〜７０μｍで形成されている。つまり、連通路１２の幅は連通路側の開口径とほぼ同等の５０〜７０μｍの幅まで狭めることができる。一方、ノズル圧力発生室２１は約２倍の１００ｄｐｉピッチで形成されているので、圧力発生室２１の幅を少なくとも０．１５ｍｍは確保できるので、連通路１２の幅とのずれ許容値を大きくとることができる。つまり、組立て精度を緩めることができる。
【００４７】
また、ノズル開口１１と連通路１２のイナータンスや流体抵抗を直列として考えたとき連通路１２の寸法に幅がもてるので、ノズル開口１１からリストリクタ２２までの流路形状で決まるいわゆるヘルムホルツ振動の周期及び減衰を決定する時定数パラメータ数を多く付与することが可能となり、インク滴の噴射特性の微調整にも有効に活用できる。
【実施例２】
【００４８】
図６は、本発明の別の実施例を示す各流路基板の平面図である。オリフィスプレート１０内に形成された連通路１２ａは、ノズル開口１１の配列に対して相対するように２列に配置され、ノズル開口１１の中心線上に細長く形成されている。かつ、夫々の連通路１２ａの列はノズル開口１１近傍でオーバーラップするように千鳥配置されている。また、チャンバープレート２０に形成された圧力発生室２１ａは、ノズル開口１１の配列に対して相対するように２列に配置されている。このとき、圧力発生室２１ａの長手方向の中心線と連通路１２ａの長手方向の中心線とはほぼノズル開口１１の配列ピッチの１／２程度ずれて配列されている。従って、圧力発生室２１ａの夫々の列の互いに対向する側の先端部（本例では貫通穴２４ａに相当）は連通路１２ａ側に向かって屈曲している。これにより連通路１２ａは、チャンバープレート２０に形成された互いに対向する圧力発生室２１ａの傾斜部先端で連通される。このように連通路１２ａへの導入路を緩やかなカーブとすることでインクの流れをスムーズにすることができる。このときの圧力発生室２１ａの流路幅は、インク充填の際に気泡除去性を上げるため千鳥に配列された１対の連通路１２ａの幅と同等以上であることが望ましい。以上のような構成においても得られる効果は実施例１と同じである。
【００４９】
また、連通路１２ａに接続する圧力発生室２１ａは、連通路１２ａに向かって流路幅が狭くなるように構成することで、さらに気泡の排除性を高めることができる。
【００５０】
以上の説明におけるノズルプレート１０及びチャンバープレート２０は、シリコン基板を用いているが、夫々をセラミックでの成形やモールド樹脂による微細成形が可能であれば、それでも良い。また、ステンレスプレートをエッチングして形成することも可能であるが、いずれも精度の面で難しさがありシリコン基板を用いることが望ましい。また、アクチュエータは、積層タイプの圧電体を用いているが、圧電体の内部に形成された電極の方向に伸縮するものであっても、電極に対し垂直に伸縮する圧電体であっても良い。
【実施例３】
【００５１】
図７は、本発明の更に別の実施例を示す各流路基板の平面図である。本例では、チャンバープレート２０の流路を形成する手段として、面方位（１１０）を表面とするシリコン単結晶基板を異方性のウェットエッチングを行って形成した。図８に示すように、面方位（１１０）を表面とするシリコン単結晶基板を異方性のウェットエッチングを行なった場合に現れる面Ａ、Ｂ、Ｃのうち、（１１０）面に対して垂直となる格子方向＜１１１＞（図中、線Ａ及びＢにより示す面）で、図７に示したように線Ａが辺１６、１７、線Ｂが辺１８、１９とするよう異方性のウェットエッチングを行なうと、平行四辺形の凹部が形成される。その凹部外周の辺がシリコン単結晶基板の表面に対して垂直な２つの格子方向＜１１１＞として夫々の辺とするようにすると、圧力発生室２１ａは平行四辺形の流路として形成される。この方法での成形も非常に高精度に加工することが出来る。
【００５２】
チャンバープレート２０に形成された互いに対向する圧力発生室２１ｂは、平行四辺形として形成された貫通穴２４ｂの鋭角部がノズルプレート１０に形成された連通路１２ｂに接続される。このように、ドライエッチングで成形した第１のプレートと異方性のウェットエッチングで成形された第２のプレートにて流路を構成することで、お互いの位置精度の向上も図れ、かつ圧力発生室２４ｂが前記連通路１２ｂに向かうに従って流路が狭くなるように構成できるので気泡の排除性を高めることが可能となり、インク滴を吐出するヘッドの信頼性向上を図ることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明のインクジェット式記録ヘッドによれば、ノズル開口が高密度化することができコンパクトなヘッド構成が可能となるので高速印刷が可能で、かつ微小インク滴の噴射が可能となり高精細な印刷品質を得ることができ、オフィスユースの印刷装置から産業用の印刷分野への用途拡大が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明のインクジェット式記録ヘッドを示した斜視図である。
【図２】本発明のインクジェット式記録ヘッドの流路部の部分断面図である。
【図３】本発明のノズルプレートとチャンバープレートの組み合わせ平面図である。
【図４】本発明のノズルプレートの製造方法を示す図である。
【図５】本発明のインクジェット式記録ヘッドのアクチュエータ製造方法を示す図である
【図６】本発明の他の例となる記録ヘッド流路部を示す平面図である。
【図７】本発明の他の例となる記録ヘッド流路部を示す平面図である。
【図８】（１１０）立方晶のシリコン単結晶基板を異方性のウェットエッチングしたときに現れる面を示す模式図である。
【図９】本発明で使用される圧電アクチュエータを中間支持部材に取り付けた場合の斜視図である。
【符号の説明】
【００５５】
１                            記録ヘッド
３                            流路基板
１０                            ノズルプレート
１０ａ、２０ａ、３０ａ、５０ａ  位置決め穴
１１                            ノズル開口
１２、１２ａ、１２ｂ            連通路
１５                            シリコン膜
１６、１７、１８、１９          辺
２０                            チャンバープレート
２１、２１ａ、２１ｂ            圧力発生室
２２                            リストリクタ
２３                            共通のインク室
２４、２４ａ、２４ｂ            貫通穴
３０                            ダイアフラムプレート
３１                            ポリイミドプレート
３２                            ステンレスプレート
３３                            振動板
３４                            フィルタ
４０、４０ａ                    圧電アクチュエータ
４１、４１ａ                    支持基板
４２                            共通電極
４３                            個別電極
４５                            フレキシブルケーブル
４８                            溝
５０                            ハウジング
５１                            開口穴
５２                            共通のインク流路
６０                            圧電体
６２                            導電材料
６３                            圧電材料
６４                            外部電極
６５ａ、６５ｂ                  導電性接着材
６６                            圧電素子
【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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