(57)【要約】      （修正有）【課題】インク流路内に気泡が滞留することに起因するインク吐出効率の低下を招くおそれがなく、高画質の画像記録を行うことのできるインクジェットヘッドを提供する。【解決手段】ガラス基板１とシリコン基板２とが積層一体化された積層体１０と、インクが供給される圧力室４と、該圧力室４内のインクを吐出させるノズルとを有すると共に、前記圧力室４から前記ノズルの出口７に向かうインク流路が前記ガラス基板１と前記シリコン基板２とに亘って貫通形成されてなるインクジェットヘッドにおいて、インク流路のうちガラス基板１に貫通形成される部分の出口側の内面は、出口に向けて次第に拡径する形状を有しており、ガラス基板１からシリコン基板２にかけて貫通形成されたインク流路のうち、ガラス基板１に貫通形成される部分の出口直径をＤ１、前記シリコン基板２に貫通形成される部分の入口直径をＤ２としたとき、Ｄ１≦Ｄ２である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板とシリコン基板とが積層一体化された積層体と、インクが供給される圧力室と、該圧力室内のインクを吐出させるノズルとを有すると共に、前記圧力室から前記ノズルの出口に向かうインク流路が前記ガラス基板と前記シリコン基板とに亘って貫通形成されてなるインクジェットヘッドにおいて、
前記インク流路のうち前記ガラス基板に貫通形成される部分の出口側の内面は、該出口に向けて次第に拡径する形状を有しており、
前記ガラス基板から前記シリコン基板にかけて貫通形成された前記インク流路のうち、前記ガラス基板に貫通形成される部分の出口直径をＤ１、前記シリコン基板に貫通形成される部分の入口直径をＤ２としたとき、Ｄ１≦Ｄ２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】
前記インク流路のうち前記ガラス基板に貫通形成される部分は、少なくとも前記シリコン基板との接合面からサンドブラスト加工されることによって貫通形成され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３】
Ｄ１＋２０μｍ≦Ｄ２であ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】
Ｄ２≦１．５Ｄ１であることを特徴とする請求項１、２又は３記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記ガラス基板と前記シリコン基板とが陽極接合によって積層一体化されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに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】
本発明はインクジェットヘッドに関し、詳しくは、シリコン基板とガラス基板とを陽極接合によって積層してなるインクジェットヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットヘッドには、図３に示すように、ガラス基板からなる中間プレート１０１をシリコン基板からなるボディプレート１０２とノズルプレート１０３とで挟み、積層一体化することによって積層体１００を構成したものが知られている（特許文献１）。
【０００３】
積層体１００において、積層方向の最も上位のボディプレート１０２には、インクが供給される圧力室１０４が形成され、積層方向の最も下位のノズルプレート１０３には、圧力室１０４内のインクを吐出させるノズル出口１０５が開口している。中間プレート１０１とノズルプレート１０３とに亘って、圧力室１０４からノズル出口１０５に向かうインク流路１０６、１０７が貫通形成されており、圧力室１０４とノズル出口１０５とを連通している。１０８は圧力室１０４内にインクを吐出させるための圧力変化を与える圧電素子、１０９は共通インク室（図示せず）から圧力室１０４内にインクを供給するためのインク供給口である。
【０００４】
一般に、圧力室１０４からノズル出口１０５に向かうインク流路１０６、１０７は、吐出圧力のロスなくスムーズにインクを流出させると共に駆動効率を良くするため、ノズル出口１０５に向かうに従って漸次縮径されるように形成される。このため、中間プレート１０１に形成されるインク流路１０６の出口直径（ノズルプレート１０３と接する面の開口径）は、ノズルプレート１０３に形成されるインク流路１０７の入口径（中間プレート１０１と接する面の開口径）よりも大きな径となるように形成される。すなわち、中間プレート１０１のインク流路１０６の出口直径よりもノズルプレート１０３のインク流路１０７の入口直径は小さくなるように形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−６２４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
シリコン基板からなるボディプレート１０２及びノズルプレート１０３に対する圧力室１０４、ノズル出口１０５及びインク流路１０７の形成は、一般にＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法によってエッチンク加工することによって行われる。かかるエッチング加工は、加工面からほぼ垂直方向に切り立った側壁を有する溝や貫通孔を形成することが可能である。
【０００７】
一方、ガラス基板１０１に対するインク流路１０６の形成は、サンドブラスト加工によって行われる場合がある。このサンドブラスト加工によるインク流路１０６の形成方法を図４に示す。
【０００８】
まず、ガラス基板１０１の両面にマスク２００を被覆した後、これを露光、現像処理することによって、インク流路１０６を開口させる部位のマスク２００を除去し、ガラス基板１０１の表面を露出させた加工領域２０１を形成する（図４（ａ））。次いで、一方の面に対し、マスク２００の表面からサンドブラスト加工を行う。このとき、マスク２００により被覆された部位は加工されず、マスク２００が除去された加工領域２０１のみが処理されることにより、ガラス基板１０１に所定深さの溝１０１ａを形成する（図４（ｂ））。同様の処理を他方の面にも行い、両面からそれぞれ凹設された各溝１０１ａを厚み方向の中央部で連通させることによってインク流路１０６を作製する（図４（ｃ））。
【０００９】
このサンドブラスト加工は、シリコン基板に対するＲＩＥ法によるエッチング加工と異なり、表面から垂直方向に切り立った加工面を形成することができない。一方の面から加工された溝１０１ａの加工面は、表面から深さ方向に沿って次第に縮径するテーパー面となり、両面からそれぞれ加工された溝１０１ａ同士が厚み方向の中央部で連通することによって、ガラス基板１０１の厚み方向の中央部で最も小径となり、そこから上面及び下面に行くに従って次第に拡径する内面形状を有するインク流路１０６となってしまう。
【００１０】
圧力室１０４からノズル出口１０５に向かうインク流路は、漸次縮径されるように形成されるため、必然的に、ガラス基板１０１とノズルプレート１０３との間には、図５に示すように、インク流路１０６の出口に対してインク流路１０７の入口の周囲のノズルプレート１０３が内側に張り出した格好となり、これによって段部１０３ａが形成される。このような段部１０３ａは、インク中に混入した気泡ｘを滞留させるおそれがある。インク流路中に滞留した気泡はインクの吐出効率を低下させる原因となるため、このような気泡を取り除くために、圧力室１０４内へのインクの供給時に同時にノズル出口１０５側からインク吸引を行うことによって、外部に強制的に排出させるようにしている。
【００１１】
しかし、本発明者の実験によると、インク供給時にノズル出口１０５からインク吸引を行っても、インク流路中の気泡を完全に除去することができず、このためにインクの吐出効率を低下させてしまう場合があることが分かった。
【００１２】
本発明者はその原因について鋭意検討したところ、ガラス基板１０１に形成されたインク流路１０６の出口側の形状にあることを見出した。すなわち、図５に示すように、インク流路１０６の出口側の内壁面１０６ａが、サンドブラスト加工等によって該出口に向けて次第に拡径する形状となっていると、段部１０３ａの上面（インク流路１０６に対向する面）とインク流路１０６の出口に隣接する内壁面１０６ａとの間でなす角度が９０°未満の鋭角となることにより、段部１０３ａに滞留した気泡ｘは、ノズル出口１０５からのインク吸引によって生じるインクの流れに接しても、上から覆い被さるように接する内壁面１０６ａに押さえ付けられた状態となって挙動が制限されてしまい、段部１０３ａからうまく抜け出すことができず、そのまま段部１０３ａに停滞してしまう。インク流路１０６内に滞留した気泡ｘは、インク吐出時の吐出エネルギーのロスを発生させて吐出効率を低下させてしまい、吐出速度の低下等の吐出不良を発生させる問題がある。
【００１３】
そこで、本発明は、出口側の内面が該出口に向けて次第に拡径する形状を有するインク流路が形成されたガラス基板を有するインクジェットヘッドにおいて、該インク流路内に気泡が滞留することに起因するインク吐出効率の低下を招くおそれがなく、高画質の画像記録を行うことのできるインクジェットヘッドを提供することを課題とする。
【００１４】
本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【００１６】
請求項１記載の発明は、ガラス基板とシリコン基板とが積層一体化された積層体と、インクが供給される圧力室と、該圧力室内のインクを吐出させるノズルとを有すると共に、前記圧力室から前記ノズルの出口に向かうインク流路が前記ガラス基板と前記シリコン基板とに亘って貫通形成されてなるインクジェットヘッドにおいて、
前記インク流路のうち前記ガラス基板に貫通形成される部分の出口側の内面は、該出口に向けて次第に拡径する形状を有しており、
前記ガラス基板から前記シリコン基板にかけて貫通形成された前記インク流路のうち、前記ガラス基板に貫通形成される部分の出口直径をＤ１、前記シリコン基板に貫通形成される部分の入口直径をＤ２としたとき、Ｄ１≦Ｄ２であることを特徴とするインクジェットヘッドである。
【００１７】
請求項２記載の発明は、前記インク流路のうち前記ガラス基板に貫通形成される部分は、少なくとも前記シリコン基板との接合面からサンドブラスト加工されることによって貫通形成され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である。
【００１８】
請求項３記載の発明は、Ｄ１＋２０μｍ≦Ｄ２であ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である。
【００１９】
請求項４記載の発明は、Ｄ２≦１．５Ｄ１であることを特徴とする請求項１、２又は３記載のインクジェットヘッドである。
【００２０】
請求項５記載の発明は、前記ガラス基板と前記シリコン基板とが陽極接合によって積層一体化されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のインクジェットヘッドである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、出口側の内面が該出口に向けて次第に拡径する形状を有する連通孔が形成されたガラス基板を有するインクジェットヘッドにおいて、該連通孔内に気泡が滞留することに起因するインク吐出効率の低下を招くおそれがなく、高画質の画像記録を行うことのできるインクジェットヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係るインクジェットヘッドにおける主要部の拡大断面図
【図２】ノズルプレートに形成される淀みを示す拡大断面図
【図３】従来のインクジェットヘッドの断面図
【図４】ガラス基板に貫通形成されるインク流路の作製方法を説明する図
【図５】従来のインクジェットヘッドにおけるインク流路の拡大断面図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明に係るインクジェットヘッドは、ガラス基板とシリコン基板とが積層一体化された積層体と、インクが供給される圧力室と、該圧力室内のインクを吐出させるノズルとを有していると共に、圧力室からノズルの出口に向かうインク流路がガラス基板とシリコン基板とに亘って貫通形成されてなる。
【００２４】
圧力室からノズルの出口に向かうインク流路のうち、ガラス基板に貫通形成される部分の出口側の内面は、該出口に向けて次第に拡径する形状を有している。このような形状を有するインク流路の形成方法は特に問わないが、ガラス基板に対して、少なくともシリコン基板との接合面からサンドブラスト加工することによって貫通形成するものが、気泡滞留の問題が発生し易いため、本発明の適用によって顕著な効果が得られる。このようにサンドブラスト加工によって形成されたガラス基板のインク流路の出口側の内面は、該出口に向けて次第に拡径するテーパー面となる。
【００２５】
なお、本発明における出口及び入口は、積層体の積層方向に沿う方向であって、圧力室内のインクがノズルの出口に向かう方向を基準として定義される。従って、ガラス基板及びシリコン基板にそれぞれ貫通形成されるインク流路においてインクが流入する側の開口が入口、インクが流出する側の開口が出口となる。
【００２６】
本発明において、圧力室からノズルの出口に向かうインク流路は、ガラス基板に貫通形成される部分の出口側にシリコン基板に貫通形成される部分が連通している。このインク流路のうち、ガラス基板に貫通形成される部分の出口直径をＤ１、この出口に隣接してシリコン基板に貫通形成される部分の入口直径をＤ２としたとき、Ｄ１≦Ｄ２の関係にある。
【００２７】
このため、ガラス基板からシリコン基板に亘るインク流路中には、シリコン基板側のインク流路の入口径が小径となることによる段差は形成されなくなり、この段差に気泡が滞留することによる問題は解消される。
【００２８】
ガラス基板とシリコン基板とに亘って貫通形成されるインク流路のうちガラス基板に貫通形成される部分が、少なくともシリコン基板との接合面からサンドブラスト加工されることによって貫通形成されている場合、サンドブラスト加工は高精度に寸法を規定することが困難であるため、ガラス基板に貫通形成される部分の出口直径Ｄ１に２０μｍの加工誤差を考慮して、Ｄ１＋２０μｍ≦Ｄ２の関係であることが好ましい。これにより、ガラス基板に貫通形成されるインク流路が加工誤差の大きいサンドブラスト加工によって形成される場合でも、確実にシリコン基板側のインク流路の入口径が小さくなることを防ぐことができる。
【００２９】
Ｄ１とＤ２の関係を満たすようにするには、Ｄ１のみを変化させる態様、Ｄ２のみを変化させる態様、Ｄ１とＤ２の両者を変化させる態様があるが、ガラス基板側のインク流路の出口直径Ｄ１は変化させず、シリコン基板側のインク流路の入口直径Ｄ２のみを変化させることによって行うことが好ましい。インク流路の径が小さくなると、流路抵抗の増加によって吐出効率が低下するおそれがあるためである。特に、ガラス基板に貫通形成される部分のインク流路がサンドブラスト加工によって形成される場合、表面に対する加工時の直径が小さくなると、加工される溝が深くなるに従って径が更に小さくなるために、インク流路途中に出口直径よりも更に小径部分が形成されてしまい、流路抵抗が増加するおそれがある。ガラス基板に貫通形成される部分のインク流路の流路抵抗を増加させないためにも、シリコン基板側のインク流路の入口直径Ｄ２のみを変化させることが好ましい。
【００３０】
Ｄ１に対してＤ２が大きくなりすぎると、インク流路中を流れるインクがガラス基板とシリコン基板との境界部分を通過した際、シリコン基板側の入口側に淀み（図２中の斜線で示す符号９ｄ参照）が形成されてしまい、逆にこの淀みに気泡が残留し易くなる懸念がある。このため、Ｄ２≦１．５Ｄ１の関係を同時に満たしていることが好ましい。この関係を満たす限り、シリコン基板側の入口側に淀みが形成されにくくなり、気泡はインク吸引時にノズルから外部に排出されるようになる。
【００３１】
また、インクジェットヘッドの駆動中にノズル出口から空気を引き込んだり、インクに溶解している空気が飽和状態となることによって気泡が発生したりする場合があるが、このようにして気泡が発生しても、気泡が淀み内に残留することによる問題は生じない。
【００３２】
本発明において、ガラス基板とシリコン基板は陽極接合によって積層一体化されていることが好ましい。陽極接合は接着剤を用いないで各基板を接合できるため、インクと接着剤層とが接触することによる悪影響を心配する必要がない。
【００３３】
次に、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００３４】
図１は、本発明に係るインクジェットヘッドにおける主要部の拡大断面図である。図中、１はガラス基板からなる中間プレート、２はシリコン基板からなるボディプレート、３はシリコン基板からなるノズルプレート、４はボディプレート２に凹設された圧力室、５は圧力室４の天井壁により構成される振動板、６は振動板５の外面に接合された圧電素子であり、中間プレート１がボディプレート２とノズルプレート３の間に配置され、これらが陽極接合されて積層一体化されることによって積層体１０を構成している。
【００３５】
７はノズルプレート３の下面に開口するノズル出口であり、積層体１０には、圧力室４からノズル出口７に向かうインク流路が積層体１０の積層方向（図示上下方向）に沿って貫通形成されている。８はそのインク流路のうち中間プレート１に貫通形成された部分のインク流路であり、その入口８ａは圧力室４と連通している。９は圧力室４からノズル出口７に向かうインク流路のうちノズルプレート３に形成された部分のインク流路であり、その入口９ａは中間プレート１に形成されたインク流路７の出口８ｂと連通している。インク流路９は、ノズル出口７と連通する小径の出口９ｂを有している。
【００３６】
ボディプレート２の圧力室４及びノズルプレート３のインク流路９及びノズル出口７は、ＲＩＥ法によるエッチング加工によって形成されるが、中間プレート１のインク流路８は、該中間プレート１の両面からサンドブラスト加工によって溝が加工され、各面から加工された溝同士が厚み方向の中央部で連通することによって貫通形成されている。このため、このインク流路８の内面形状は、厚み方向の中央部から出口８ｂに向けて次第に拡径するテーパー面８ｃを有している。
【００３７】
ここで、中間プレート１に貫通形成される部分のインク流路８の出口８ｂの直径Ｄ１と、該インク流路８の出口８ｂに隣接するノズルプレート３に貫通形成される部分のインク流路９の入口９ａの直径Ｄ２とは、Ｄ２がＤ１以上となるように形成されることによって、Ｄ１≦Ｄ２の関係を満たしている。好ましくは、本実施形態のように中間プレート１に貫通形成される部分のインク流路８がサンドブラスト加工によって形成されている場合、サンドブラスト加工時の加工誤差を考慮して、Ｄ１＋２０μｍ≦Ｄ２の関係を満たしている。
【００３８】
従って、中間プレート１のインク流路８とノズルプレート３のインク流路９との間には、全く段差が形成されないか、形成されたとしても、図示するように、段差９ｃは、ノズル出口７に向けて流れるインクが中間プレート１のインク流路８の出口８ｂを抜けた外側に形成される。このため、従来のように中間プレート１のインク流路８の出口８ｂの内壁面に気泡が滞留するおそれはなくなる。
【００３９】
また、ノズルプレート３に貫通形成される部分のインク流路９の入口９ａの直径Ｄ２の上限は、１．５Ｄ１以下とすると、ノズルプレート３に貫通形成される部分のインク流路９の入口９ａに段差９ｃが形成されても、その下流側は淀みになりにくく、この部分に気泡が滞留することがなくなり、気泡はインク吸引時にノズル出口７から外部に容易に排出される。また、インクジェットヘッドの駆動中にインク中に気泡が発生したとしても、気泡はノズル出口７から速やかに排出され、画像に影響を与えることはない。
【００４０】
なお、以上の実施形態では、積層体１０が中間プレート１とボディプレート２とノズルプレート３の３枚の基板により構成されているものを例示したが、本発明はこれに限らず、更に多数枚の基板を接合して積層体を構成したものであってもよく、その場合にガラス基板に貫通形成される部分のインク流路とこのインク流路の出口に連通するシリコン基板に貫通形成される部分のインク流路との間の構成に本発明を適用することができる。
【実施例】
【００４１】
図１に示すように中間プレート１とボディプレート２とノズルプレート３とを陽極接合した積層体１０を有するインクジェットヘッドにおいて、中間プレート１からノズルプレート３にかけて貫通形成されたインク流路８、９のうち、中間プレート１に貫通形成される部分のインク流路８の出口直径Ｄ１（１２０μｍ）に対して、ノズルプレート３に貫通形成される部分のインク流路９の入口直径Ｄ２を表１に示すように変化させた場合の、気泡排出性について調べた。その結果を表１に示す。
【００４２】
なお、中間プレート１のインク流路９はサンドブラスト加工によって貫通形成したので、この加工誤差を考慮してＤ１＋２０μｍ以上（１４０μｍ以上）とした。
【００４３】
ノズルプレート３に貫通形成される部分のインク流路９の入口側に、図２に示すように淀み９ｄが形成される場合、インク流路８、９中に気泡が発生すると、淀み９ｄに気泡が滞留して排出されにくくなり、吐出エネルギーのロスが生じて液滴速度が低下する。従って、淀みが形成されていないかどうか、すなわち気泡排出性が良好であるかどうかは、液滴速度が低下していないかどうかによって評価できる。
【００４４】
このため、気泡排出性の評価は、インクジェットヘッドを基準速度（９ｍ／ｓｅｃ）の液滴速度で３０分連続駆動させた際の液滴速度の低下の程度を以下の基準に従って評価した。
○：液滴速度の低下は基準速度から１ｍ／ｓｅｃ未満
×：液滴速度の低下は基準速度から１ｍ／ｓｅｃ以上
【表１】
2011189522.tif 000003
【符号の説明】
【００４５】
１：中間プレート（ガラス基板）
２：ボディプレート（シリコン基板）
３：ノズルプレート（シリコン基板）
４：圧力室
５：振動板
６：圧電素子
７：ノズル出口
８：中間プレートに貫通形成された部分のインク流路
８ａ：入口
８ｂ：出口
８ｃ：内壁面
９：ノズルプレートに貫通形成された部分のインク流路
９ａ：入口
９ｂ：出口
９ｃ：段差
９ｄ：淀み
１０：積層体
【図１】
2011189522.tif 000004
【図２】
2011189522.tif 000005
【図３】
2011189522.tif 000006
【図４】
2011189522.tif 000007
【図５】
2011189522.tif 000008