(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のノズル開口が形成されたノズルプレートと、前記ノズル開口にそれぞれ連通した複数の圧力発生室及び前記各圧力発生室にインクを供給するインク供給路が形成された流路形成基板とを備え、前記圧力発生室内に貯留されている前記インクを加圧して前記ノズル開口からインク滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記ノズルプレートにおける前記圧力発生室に対応する位置に、前記圧力発生室の長手方向に延びる凹部を有し、当該凹部が前記圧力発生室の長手方向に複数に分割されて形成され、前記凹部における前記圧力発生室の長手方向と直交する方向の幅は、前記圧力発生室における長手方向と直交する方向の幅よりも狭くなるように形成されてい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】
前記ノズルプレートは、異種の材料で成る（２つの）板材を備えていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項３】
前記凹部の長手方向と直交する断面形状が、三角形であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項４】
前記凹部は、面方位（１００）のシリコン単結晶板で成る前記板材に形成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のインクジェット式記録ヘッドを備え、そのヘッドを用いて情報を記録媒体に印刷することを特徴とするインクジェット式記録装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力発生室内に貯留されているインクを加圧してノズル開口からインク滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びそのヘッドを用いて情報を記録媒体に印刷するインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、インクジェット式記録ヘッドは、ノズル開口と、このノズル開口に連通されており、一部が振動板で構成されている略直方体状の圧力発生室と、この圧力発生室の振動板に連接されている圧電素子を備えている。このような構成において、圧電素子を駆動，変位させて振動板を変形させ、圧力発生室内に貯留されているインクを加圧してノズル開口からインク滴として吐出させることにより、情報を記録媒体に記録するようになっている。
【０００３】
上記インクジェット式記録ヘッドとしては、軸方向に伸長・収縮する縦振動モードの圧電素子を使用した方式のものが実用化されている。この方式のインクジェット式記録ヘッドによれば、圧電素子の端面を振動板に接触させることにより圧力発生室の容積を変化させることができるので、高密度印刷に適したものとすることができる。ところが、圧電素子を振動板に配設する製造工程において、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分け、切り分けた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定するという複雑かつ困難な作業が必要になるという問題がある。
【０００４】
一方、他の方式のインクジェット式記録ヘッドとしては、たわみ振動モードの圧電素子を使用した方式のものが実用化されている。この方式のインクジェット式記録ヘッドによれば、圧電材料でなるグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し焼成するのみという比較的簡単な作業で圧電素子を振動板に配設することができるので、上記問題を解消することができる。ところが、たわみ振動を利用しているため、圧電素子の面積がある程度必要であり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
そこで、この問題を解消すべく成膜技術を利用したインクジェット式記録ヘッドが提案されている。すなわち、振動板の表面全面にわたって圧電材料層を均一に成膜し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて圧電素子を各圧力発生室毎に独立するように形成する。これによれば、リソグラフィ法という精密で簡便な手法により圧電素子を振動板に配設することができるので、圧電素子を振動板に貼付する作業が不要となり、さらに圧電素子の厚みが薄くなって高速駆動が可能になるという利点がある。
【０００６】
図６は、従来の成膜技術を利用したインクジェット式記録ヘッドを示す概略断面図である。このインクジェット式記録ヘッドは、ノズルプレート１の上に圧電素子２が形成された流路形成基板３が接合され、流路形成基板３の上にリザーバ形成基板４が接合され、リザーバ形成基板４の上に封止板５及び圧電素子２の駆動回路（ドライバＩＣ）６が接合され、これらがケースヘッド７で覆われた構成となっている。
【０００７】
流路形成基板３には上記圧力発生室３ａ及びこの圧力発生室３ａにインクを供給するインク供給路３ｂが形成され、ノズルプレート１には圧力発生室３ａ内に貯留されているインクをインク滴として吐出するノズル開口１ａが形成されている。そして、圧力発生室３ａは、流路形成基板３を異方性エッチングすることにより形成され、インク供給路３ｂは、上記異方性エッチングした後の流路形成基板３をハーフエッチングすることにより形成され、ノズル開口１ａは、ノズルプレート１をドライエッチングすることにより形成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したインクジェット式記録ヘッドを高密度化する場合、流路形成基板３を対クロストークのために薄くする必要がある。ところが、流路形成基板３を薄くすると、必然的に圧力発生室３ａの断面積も小さくなるので、圧力発生室３ａのイナータンスＭ（＝ρｌ／Ｓ、ただし、ρ：密度、ｌ：圧力発生室３ａの長さ、Ｓ：断面積）が増加し、ノズル開口１ａにおけるインクのメニスカスの減衰特性∝Ｒ／２Ｍ（なお、断面が略矩形の場合のＲ＝８μｌ／ａｂ3ｘ（ただし、μ：粘度、ｘ：係数、２ａ×２ｂ：略矩形断面積（ａ＞ｂ）））が悪化する。
【０００９】
流路形成基板３を薄くし、かつ圧力発生室３ａの断面積を大きくするには、各圧力発生室３ａ間に設けられている隔壁を薄くする必要がある。しかしながら、各圧力発生室間に設けられている隔壁を薄くすると、隔壁の剛性が低下し、隣接クロストークが発生するおそれがある。また、外力等が掛かった場合に隔壁が壊れるおそれがある。
【００１０】
本発明は、上記のような課題に鑑みなされたものであり、その目的は、基本性能を維持しつつ高密度化を図ることができるインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置を提供することにある。
【００１１】
上記目的達成のため、本発明の請求項１に係るインクジェット式記録ヘッドでは、複数のノズル開口が形成されたノズルプレートと、前記ノズル開口にそれぞれ連通した複数の圧力発生室及び前記各圧力発生室にインクを供給するインク供給路が形成された流路形成基板とを備え、前記圧力発生室内に貯留されている前記インクを加圧して前記ノズル開口からインク滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記ノズルプレートにおける前記圧力発生室に対応する位置に、前記圧力発生室の長手方向に延びる凹部を有し、当該凹部が前記圧力発生室の長手方向に複数に分割されて形成され、前記凹部における前記圧力発生室の長手方向と直交する方向の幅は、前記圧力発生室における長手方向と直交する方向の幅よりも狭くなるように形成されていることを特徴としている。
【００１２】
これにより、インクジェット式記録ヘッドの高密度化を図るために流路形成基板を薄くしても、ノズルプレートに形成されている凹部の断面積の分が圧力発生室の断面積に加わるので、圧力発生室の断面積の減少を抑えることができ、ノズル開口におけるインクのメニスカスの減衰特性を良好に維持することができる。さらに、圧力発生室の断面積を増加させるために各圧力発生室間に設けられている隔壁を薄くする必要がないので、隔壁の剛性を保持することができ、隣接クロストークを防ぐことができる。また、外力等が掛かった場合における隔壁の破壊を防止することができる。また、圧力発生室の断面積は一様な増加とならないので、圧力発生室内の流路抵抗は小さくならない。したがって、圧力発生室の断面積が一様に増加したときの圧力発生室のイナータンスの減少によるメニスカスの減衰特性の向上と、圧力発生室の断面積が一様に増加したときの圧力発生室内の流路抵抗の減少によるメニスカスの減衰特性の劣化との相殺を防止することができる。さらに、各凹部間に設けられている隔壁の幅は、各圧力発生室間に設けられている隔壁の幅よりも広くなるので、各圧力発生室間の隔壁は各凹部間の隔壁の上部に確実に支持されることになる。したがって、各圧力発生室間の隔壁の剛性を保持することができ、外力等が掛かった場合における隔壁の破壊を防止することができる。
【００１３】
請求項２に係る発明では、請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記ノズルプレートは、異種の材料で成る（２つの）板材を備えていることを特徴としている。これにより、各板材の種類が異なることから、エッチングレートも異なり、凹部を一つの板材にのみ高精度に形成することができる。
【００１４】
請求項３に係る発明では、請求項１または請求項２に記載のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記凹部の長手方向と直交する断面形状が、三角形であることを特徴としている。これにより、各凹部間に形成される隔壁の幅は、凹部の深さ方向に向かって広くなり、断面形状が台形の隔壁が形成される。各圧力発生室間の隔壁は、凹部間の断面形状が台形の隔壁の上部により確実に支持されることになる。したがって、各圧力発生室間の隔壁の剛性をより保持することができ、外力等が掛かった場合における隔壁の破壊をより防止することができる。
【００１５】
請求項４に係る発明では、請求項２又は請求項３に記載のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記凹部は、面方位（１００）のシリコン単結晶板で成る前記板材に形成されていることを特徴としている。これにより、断面形状が三角形となる凹部をエッチングにより容易に形成することができる。
【００１７】
上記目的達成のため、本発明の請求項４に係るインクジェット式記録装置では、請求項１〜３の何れか一項に記載のインクジェット式記録ヘッドを備え、そのヘッドを用いて情報を記録媒体に印刷することを特徴としている。上述した各作用により、基本性能を維持しつつ高密度化を図ることができるインクジェット式記録ヘッドを備えた記録装置を提供することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態に係るインクジェット式記録装置の１つであるインクジェット式プリンタの構成例を示す斜視図である。このインクジェット式プリンタは、本体１０１内にインクジェット式プリント（記録）ヘッド１００、ヘッド駆動機構１０２、オートシートフィーダ（自動連続給紙機構）１０３が配設され、本体１０１上部後方にトレイ１０４が配設されている。
【００２０】
インクジェット式プリントヘッド１００は、例えばイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの計４色のインクカートリッジ１０５を備えており、フルカラー印刷が可能なように構成されている。そして、インクジェット式プリントヘッド１００のインク吐出タイミング及びヘッド駆動機構１０２の走査が、本体１０１に内蔵されている専用コントローラボード等により制御され、高精度なインクドット制御、ハーフトーン処理等が実行されるようになっている。
【００２１】
また、トレイ１０４に給紙されている記録用紙１０６は、オートシートフィーダ１０３により自動的に送り出され、本体１０１正面に設けられている排紙口１０７から排出されるようになっている。この記録用紙１０６としては、普通紙、専用紙、推奨ＯＨＰシート、光沢紙、光沢フィルム、ラベルシート、官製葉書等が利用できる。
【００２２】
図２は、図１のインクジェット式プリントへッド１００の概略構成例を示す分解斜視図である。なお、この図では便宜上、１色分のヘッドのみを示している。このインクジェット式プリントへッド１００は、ノズルプレート１０の上に圧電素子２０が形成された流路形成基板３０が接合され、流路形成基板３０の上にリザーバ形成基板４０が接合され、リザーバ形成基板４０の上に封止板５０及び圧電素子２０の駆動回路（ドライバＩＣ）６０が接合され、これらがケースヘッド７０で覆われた構成となっている。
【００２３】
図３は、図２のインクジェット式プリントへッド１００を組み立てたときの詳細を示す断面図である。なお、この図でも便宜上、１色分のヘッドのみを示している。ノズルプレート１０は、厚さが例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍ、面方位が（１００）のシリコン単結晶基板で作製されている。このノズルプレート１０には、図３に示すように、２列に並んだ複数のノズル開口１１が穿孔されている。さらに、ノズルプレート１０の流路形成基板３０と対向する面側には、本発明の特徴的な部分であり、後で詳述する凹部１２が形成されている。
【００２４】
流路形成基板３０は、厚さが例えば５０μｍ〜２００μｍ、面方位が（１１０）のシリコン単結晶基板で作製されている。図３に示すように、この流路形成基板３０のノズルプレート１０と対向する面は開口面として形成され、リザーバ形成基板４０と対向する面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンから成る厚さ１μｍ〜２μｍの図示しない弾性膜が形成され、図２にも示すように、さらに圧電素子２０が形成されている。
【００２５】
流路形成基板３０の開口面には、図３に示すように、複数の隔壁で区画された圧力発生室３１が異方性エッチングにより幅方向に並設され、その長手方向外側には、図２及び図３に示すように、後述するリザーバ形成基板４０のリザーバ部４１に連通して各圧力発生室３１の共通のインク室となるリザーバ８０の一部を構成する連通部３２が異方性エッチングにより形成され、各圧力発生室３１の長手方向一端部とそれぞれインク供給路３３を介して連通されている。なお、このインク供給路３３も圧力発生室３１と同様に隔壁によって区画されている。
【００２６】
そして、この流路形成基板３０の開口面側には、図３に示すように、各圧力発生室３１のインク供給路３３とは反対側で連通するノズル開口１１が穿設されたノズルプレート１０が接着剤や熱溶着フイルム等を介して固着されている。このため、ノズルプレート１０は、一方の面で流路形成基板３０の一面を全面的に覆って衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たすことになる。なお、ノズルプレート１０と流路形成基板３０はシリコン単結晶基板という同一の材料で形成されており、ノズルプレート１０と流路形成基板３０との熱による変形が同一となるため、熱硬化性の接着剤等を用いて容易かつ確実に接合することが可能である。
【００２７】
一方、流路形成基板３０の開口面とは反対側の弾性膜の上には、図２及び図３に示すように、厚さが例えば約０．２μｍの下電極膜と、厚さが例えば約１μｍの圧電体層と、厚さが例えば約０．１μｍの上電極膜とで成る圧電素子２０が、薄膜形成プロセスで積層形成されている。一般的には、圧電素子２０の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層を各圧力発生室３１毎にパターニングして構成する。そして、圧電素子２０の上電極膜の長手方向一端部近傍からリード電極２１が圧力発生室３１の周壁に対向する領域に延設されている。
【００２８】
リザーバ形成基板４０は、厚さが例えば１５０μｍ〜３００μｍ、面方位が（１１０）のシリコン単結晶基板で作製されている。これにより、上述のノズルプレート１０の場合と同様に、流路形成基板３０とリザーバ形成基板４０とを熱硬化性の接着剤等を用いて容易かつ確実に接着することが可能となる。
【００２９】
このリザーバ形成基板４０には、図２及び図３に示すように、上述した流路形成基板３０の各圧力発生室３１の共通のインク室となるリザーバ８０の一部を構成する連通部３２に連通したリザーバ部４１が異方性エッチングにより幅方向に並設され、図３に示すように、さらに後述する封止板５０のインク導入ロ５１に連通するインク導入路４２が異方性エッチングにより形成されている。
【００３０】
また、リザーバ形成基板４０の圧電素子２０に対応する領域には、図３に示すように、圧電素子２０の運動を阻害しない程度の密封可能な空間４３が異方性エッチングにより形成され、さらにこの空間４３と外部とを連通する図示しない連通孔が異方性エッチングにより設けられている。また、この空間４３の形成面とは反対側の面には、図２及び図３に示すように、圧電素子２０の駆動回路６０及び配線パターン６１が配設されている。
【００３１】
上記空間４３内には例えば不活性ガス等の乾燥流体が連通孔を介して充填され封止されている。この空間４３内は大気よりも低い気圧で密封されており、これにより圧電素子２０は乾燥流体雰囲気中に確実に密封されて外部環境と遮断される。なお、乾燥流体としては、不活性ガスの他、還元性ガスを用いることもできるが、逆に、酸化性ガスを含有させることにより、圧電体層の劣化を防止する環境を形成することができる。また、このような不活性ガスを用いる場合には、その中の水の蒸気圧（分圧）をできるだけ低くするのが望ましい。
【００３２】
そして、リザーバ形成基板４０のリザーバ部４１と空間４３の形成部との間には、図２及び図３に示すように、圧電素子２０の配置面側から駆動回路６０の配置面側に貫通しており、圧電素子２０のリード電極２１と駆動回路６０とを電気的に接続する複数の配線６２が通る貫通溝４４が異方性エッチングにより形成されている。
【００３３】
封止板５０は、例えばＰＰＳフィルムとステンレス鋼板の積層板で作製されている。この封止板５０はリザーバ８０を封止する役目を有している。また、図３に示すように、封止板５０には上述したようにリザーバ形成基板４０のインク導入路４２に連通するインク導入ロ５１が形成されている。ケースヘッド７０は、上記各部を覆って保護し、また図３に示すように、駆動回路６０と配線６２の封止樹脂７１の注入空間部を形成する役目を有している。
【００３４】
図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、圧力発生室３１周りのノズルプレート１０と流路形成基板３０を示すＡ―Ａ線断面図、平面図及びＢ−Ｂ線断面図である。ノズルプレート１０における各圧力発生室３１に対応する位置には、圧力発生室３１の長手方向に延びる２つの凹部１２が圧力発生室３１の長手方向に並んで形成されている。この凹部１２の長手方向と直交する方向の幅ｗ１は、圧力発生室３１の長手方向と直交する方向の幅ｗ２よりも狭くなるように形成されている。
【００３５】
このようにノズルプレート１０に凹部１２を形成することにより、インクジェット式プリントヘッド１００の高密度化を図るために流路形成基板３０を薄くしても、凹部１２の断面積の分が圧力発生室３１の断面積に加わるので、圧力発生室３１の断面積の減少を抑えることができる。このため、ノズル開口１１におけるインクのメニスカスの減衰特性を良好に維持することができる。さらに、圧力発生室３１の断面積を増加させるために各圧力発生室３１間に設けられている隔壁を薄くする必要がなくなるので、隔壁の剛性を保持することができ、隣接クロストークを防止することができる。また、外力等が掛かった場合における隔壁の破壊を防止することができる。
【００３６】
また、２つの凹部１２を圧力発生室３１の長手方向に並べて形成、すなわち圧力発生室３１の長手方向の一端部から他端部にわたって１つの凹部を形成するのではなく、それを２つに分割した形状に形成しているので、圧力発生室３１の断面積は一様な増加とならず、圧力発生室３１内の流路抵抗は小さくならない。したがって、圧力発生室３１の断面積が一様に増加したときの圧力発生室３１のイナータンスの減少によるメニスカスの減衰特性の向上と、圧力発生室３１の断面積が一様に増加したときの圧力発生室３１内の流路抵抗の減少によるメニスカスの減衰特性の劣化との相殺を防止することができる。
【００３７】
また、各凹部１２間に設けられている隔壁の幅は、各圧力発生室３１間に設けられている隔壁の幅よりも広くなるので、各圧力発生室３１間の隔壁は各凹部１２間の隔壁の上部に確実に支持されることになる。したがって、各圧力発生室３１間の隔壁の剛性を保持することができ、外力等が掛かった場合における隔壁の破壊を防止することができる。
【００３８】
また、面方位が（１００）のシリコン単結晶基板で作製されたノズルプレート１０を用いているので、断面形状が三角形または略台形となる凹部１２をエッチングにより容易に形成することができる。なお、１つの圧力発生室３１内に形成する凹部１２の数は２つ以上であれば任意の数を形成しても同様の効果を奏する。
【００３９】
図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図４とは別の形態の圧力発生室３１周りのノズルプレート１０'と流路形成基板３０を示すＡ―Ａ線断面図、平面図及びＢ−Ｂ線断面図である。この例でのノズルプレート１０'は、接着剤により張り合わされた異種の材料で成る２枚の板材１３、１４で構成されている。そして、凹部１２'は、ノズルプレート１０'における一方の板材１３、すなわち流路形成基板３０側の板材１３に、圧力発生室３１の長手方向に延び、かつ圧力発生室３１の長手方向に２つ並んで形成されている。この凹部１２'も、その長手方向と直交する方向の幅ｗ１は、圧力発生室３１の長手方向と直交する方向の幅ｗ２よりも狭くなるように形成されている。
【００４０】
この凹部１２'は、接着剤により２枚の板材１３、１４を張り合わせた後、板材１３のみを異方性エッチングすることにより形成される。凹部１２'が形成される板材１３としては、例えば厚さが例えば０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ、面方位が（１００）のシリコン単結晶基板で作製され、板材１４としては、例えば厚さが例えば０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍのステンレス板で作製されている。なお、板材１３としては、シリコン単結晶基板に限られるものではなく、ステンレス板以外の金属板やガラス板を使用することができる。このように、各板材１３、１４の種類が異なることからエッチングレートも異なることになるので、凹部１２'を一方の板材１３のみに高精度に形成することができる。
【００４１】
なお、上述した実施形態では、プリンタを例に説明したが、これに限られるものではなく、インクジェット式の記録装置、例えばファクシミリ装置やコピー装置等にも適用可能である。
【００４２】
以上、本発明を種々の実施形態に関して述べたが、本発明は以上の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、他の実施形態についても適用されるのは勿論である。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置によれば、ヘッドの高密度化を図るために流路形成基板を薄くしても、ノズルプレートに形成されている凹部の断面積の分が圧力発生室の断面積に加わるので、圧力発生室の断面積の減少を抑えることができ、ノズル開口におけるインクのメニスカスの減衰特性を良好に維持することができる。さらに、圧力発生室の断面積を増加させるために各圧力発生室間に設けられている隔壁を薄くする必要がないので、隔壁の剛性を保持することができ、隣接クロストークを防ぐことができる。また、外力等が掛かった場合における隔壁の破壊を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るインクジェット式記録装置の１つであるインクジェット式プリンタの構成例を示す斜視図である。
【図２】図１のインクジェット式プリントへッドの概略構成例を示す分解斜視図である。
【図３】図２のインクジェット式プリントへッドを組み立てたときの詳細を示す断面図である。
【図４】図２のインクジェット式プリントへッドの圧力発生室周りのノズルプレートと流路形成基板を示すＡ―Ａ線断面図、平面図及びＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】図２のインクジェット式プリントへッドの別の形態の圧力発生室周りのノズルプレートと流路形成基板を示すＡ―Ａ線断面図、平面図及びＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】従来の成膜技術を利用したインクジェット式記録ヘッドを示す概略断面図である。
【符号の説明】
１０        ノズルプレート
１１        ノズル開口
１２、１２'  凹部
２０        圧電素子
３０        流路形成基板
３１        圧力発生室
３２        連通部
３３        インク供給路
４０        リザーバ形成基板
４１        リザーバ部
４２        インク導入路
４３        空間
４４        貫通溝
５０        封止板
５１        インク導入ロ
６０        駆動回路（ドライバＩＣ）
７０        ケースヘッド
７１        封止樹脂
８０        リザーバ
１００      インクジェット式記録ヘッド
１０１      本体
１０２      ヘッド駆動機構
１０３      オートシートフィーダ（自動連続給紙機構）
１０４      トレイ
１０５      インクカートリッジ
１０６      記録用紙
１０７      排紙口
【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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