(57)【要約】【課題】  オーバーハング部を有する振動板を用いたヘッドには接着剤同士がつながるために高集積化に限界がある。【解決手段】  振動板２は圧電素子７が当接する厚肉部１２と、この厚肉部１２の周囲の薄肉部１１とを有し、厚肉部１２はパターンエッジ部分が薄肉部１１に対して二段のオーバーハング形状であり、かつ、圧電素子７及び支柱部８に接着剤１３で接合する厚肉部１２の最上段部分である第２段１２Ａは液室の長手方向で切れ目１４によって複数に分割し、圧電素子７を接着剤接合したときに接着剤１３が切れ目１４の部分に逃げて、他の厚肉部の接着剤とつながることがなくなる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を吐出するノズルが連通する液室の少なくとも１つの壁面を形成する変形可能な振動板と、この振動板を変形させて前記液室内の圧力を変化させる駆動手段とを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板は駆動手段が当接する厚肉部と、この厚肉部の周囲の薄肉部とを有し、前記厚肉部はパターンエッジ部分が前記薄肉部に対して少なくとも二段以上のオーバーハング形状であり、かつ、前記厚肉部は前記駆動手段と当接する最上段部分が複数に分割されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記厚肉部は前記駆動手段と当接する最上段部分は前記液室の長手方向で複数に分割されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記厚肉部は電鋳で形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記厚肉部は前記駆動手段と接着剤で接合されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置において、前記液滴吐出ヘッドが請求項１ないし４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液滴吐出ヘッド及び画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像形成装置として用いるインクジェット記録装置は、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通するインク流路（吐出室、圧力室、加圧液室、液室、インク室等とも称される。）と、このインク流路内のインクを加圧する駆動手段とを備えた液滴吐出ヘッドとしてのインクジェットヘッドを搭載したものである。なお、液滴吐出ヘッドとしては例えば液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどもあるが、以下ではインクジェットヘッドを中心に説明する。
【０００３】
このようなインクジェット記録装置において多色化、高画質化、高速化を達成するためには、ノズル数を増加することが有効であるが、単純にノズル数を増加させると、ヘッドが大型化し、このことがコストアップの原因となる。そこで、ヘッド自体の集積度を上げることによってノズル数を増加させつつヘッドの大型化を防ぐ必要がある。
【０００４】
ところで、インクジェットヘッドとしては、液室内で気化熱によって気泡を発生させるサーマル型のもの、圧電体などの電気機械変換素子を用いて液室の壁面を構成する振動板を変形させて液室内に圧力を発生させるピエゾ型のものが良く知られている。
【０００５】
このうち、後者のピエゾ型ヘッドは、インク選択の自由度が大きく、さらに内部圧力を精密にコントロールすることによって、吐出滴の大きさを自由にコントロールすることができるので、高画質化にとって有利である。しかし、サーマル型ヘッドに比べて、構造が複雑であるため、集積化に限界があり、その集積化を阻む要因の一つとして振動板の高密度化が挙げられる。
【０００６】
すなわち、積層圧電体を用いた一般的なインクジェットヘッドは、図９に示すように、液室隔壁２０１を形成する流路板と、ノズル２０２を形成したノズル板２０３と、振動板２０４を積層接合して、ノズル２０２が連通する液室（圧力室）２０５を形成し、振動板２０５には厚肉部２０６とその周囲の薄肉部２０７とを形成して、厚肉部２０６に積層型圧電素子２０８を当接して接着剤２０９で接合し、圧電素子２０８を駆動することによって液室２０５内の圧力を変化させてノズル２０２からインク滴を吐出させる。
【０００７】
このようなインクジェットヘッドでは、同図に示すように、液室隔壁２０１に対応する部分にも厚肉部２０６ａを形成し、この厚肉部２０６ａにも圧電素子からなる支柱部２０８ａ（駆動電圧を印加しない）を形成するようにしている。
【０００８】
ここで、このような振動板の作製方法としては電鋳による方法が知られている。
【特許文献１】特開平６−１４３５７３号公報
【特許文献２】特開平１０−１００４０４号公報
【特許文献３】特開平１１−１２９４８６号公報
【０００９】
この電鋳による振動板の作製工程について図１０を参照して説明すると、同図（ａ）に示すように電鋳支持基板２１１に薄肉部２０８を形成する第一層２１２を形成し、同図（ｂ）に示すように厚肉部２０７間に相当する部分が窓２１３となるレジストパターン２１４を形成して例えばニッケル電鋳を行うことで、同図（ｃ）に示すように、第一層２１２上にニッケルが析出され堆積してニッケル層２１５が形成され、更に電鋳を継続することで、同図（ｄ）に示すように、窓２１３から突出するまでニッケル層２１５が成長すると、エッジ効果によりパターン２１４，２１４の表面方向にも肥大してオーバーハング部２１５ａが生じる。このプロセスを継続していくと、同図（ｅ）に示すようにニッケル層２１５は厚み方向と平面方向にさらに伸長し、所定の成長の段階で電鋳を終了した後、パターン２１４を除去することで、同図（ｆ）に示すように、凹部２１６により囲まれた断面鋲型のアイランド状厚肉部２０６を備えた振動板が得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、ヘッドの高集積化を図ると、振動板と圧電素子とを接着剤で接合するとき、その加圧によって余分な接着剤が接合面より外側に押しやられ、接着剤の分布の程度、または、振動板の厚肉部を電鋳形成する際に引き起こす電流密度の違いによる膜厚ムラによっては、隣接する接合面からはみ出した接着剤同士がつながってしまい、作動不良を引き起こすことがある。
【００１１】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、ヘッドの高集積化を可能とすることを目的とする
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板は駆動手段が当接する厚肉部と、この厚肉部の周囲の薄肉部とを有し、厚肉部はパターンエッジ部分が薄肉部に対して少なくとも二段以上のオーバーハング形状であり、かつ、厚肉部は駆動手段と当接する最上段部分が複数に分割されている構成とした。
【００１３】
ここで、厚肉部は駆動手段と当接する最上段部分がが液室の長手方向で複数に分割されていることが好ましい。また、厚肉部は電鋳で形成されていることが好ましい。さらに、厚肉部は駆動手段と接着剤で接合されていることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る画像形成装置は、本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載したものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、振動板の厚肉部はパターンエッジ部分が薄肉部に対して少なくとも二段以上のオーバーハング形状であり、かつ、厚肉部は駆動手段と当接する最上段部分が複数に分割されているので、分割された隙間部分に余分な接着剤が逃げることができ、隣接する厚肉部の接着剤とつながることが防止され、ヘッドの高集積化を図ることができる。
【００１６】
本発明に係る画像形成装置によれば、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えるので、高密度画像の形成を行うことができ、画像品質を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの実施形態について図１を参照して説明する。なお、図１は同ヘッドの振動板短辺方向に沿う要部断面説明図である。
【００１８】
このインクジェットヘッドは、液室間隔壁１ａを有する流路板１と、振動板２と、ノズル４を形成したノズル板３とを接合することによって、ノズル４が連通する液室６を形成し、また、図示しないが、液室６に流体抵抗部を介してインクを供給するための共通液室を形成している。
【００１９】
そして、振動板２の外面側には振動板２を変形させて液室６内のインクを加圧するための駆動手段（アクチュエータ手段）である電気機械変換素子としての積層型圧電素子７と、同じく積層型圧電素子からなる支柱部８とを設けている。これらの圧電素子７及び支柱部８の他端部は基板９に接合している。
【００２０】
ここで、流路板１は、例えば結晶面方位（１１０）の単結晶シリコン基板を水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）などのアルカリ性エッチング液を用いて異方性エッチングすることで、液室６などの流路パターンを形成したものであるが、単結晶シリコン基板に限られるものではなく、その他のステンレス基板や感光性樹脂などを用いることもできる。
【００２１】
振動板２は、ニッケルの金属プレートから形成したもので、例えばエレクトロフォーミング法（電鋳法）で作製している。この振動板２は液室１６に対応する部分に変形を容易にするための薄肉部１１及び圧電素子７と当接して接合するための厚肉部１２を形成するとともに、隔壁１ａに対応する部分にも厚肉部１２を形成し、平坦面側を流路板１に接着剤接合し、厚肉部１２を圧電素子７に接着剤１３で接合し、更に他の厚肉部１２を支柱部８に接着剤１３で接合している。なお、支柱部８は圧電素子７と同じに形成したものであるが、駆動電圧を印加しないため単なる支柱として機能する。この振動板２の構造の詳細については後述する。
【００２２】
ノズル板３は各液室６に対応して直径１０〜３０μｍのノズル４を形成し、流路板１に接着剤接合している。このノズル板３としては、ステンレス、ニッケルなどの金属、金属とポリイミド樹脂フィルムなどの樹脂との組み合せ、、シリコン、及びそれらの組み合わせからなるものを用いることができる。また、ノズル面（吐出方向の表面：吐出面）には、インクとの撥水性を確保するため、メッキ被膜、あるいは撥水剤コーティングなどの周知の方法で撥水膜を形成している。
【００２３】
圧電素子７は、圧電材料９ａと内部電極９ｂとを交互に積層した積層型圧電素子（ここではＰＺＴ）である。この実施形態では、圧電素子７の圧電方向としてｄ３３方向の変位を用いて液室６内インクを加圧する構成としている。
【００２４】
このように構成したインクジェットヘッドにおいては、圧電素子７に対して選択的に２０〜５０Ｖの駆動パルス電圧を印加することによって、パルス電圧が印加された圧電素子７が積層方向に伸長して振動板２をノズル４方向に変形させ、液室６の容積／体積変化によって液室６内のインクが加圧され、ノズル４からインク滴が吐出（噴射）される。
【００２５】
そして、インク滴の吐出に伴って液室６内の液圧力が低下し、このときのインク流れの慣性によって液室６内には若干の負圧が発生する。この状態の下において、圧電素子７への電圧の印加をオフ状態にすることによって、振動板２が元の位置に戻って液室６が元の形状になるため、さらに負圧が発生する。このとき、共通液室から液室１６内にインクが充填される。そこで、ノズル４のインクメニスカス面の振動が減衰して安定した後、次のインク滴吐出のために圧電素子７にパルス電圧を印加しインク滴を吐出させる。
【００２６】
なお、このヘッドの駆動方法については上記の例（押し打ち）に限るものではなく、駆動波形の与えた方によって引き打ちや引き−押し打ちを行うこともできる。
【００２７】
そこで、振動板２の構造の詳細について図２及び図３をも参照して説明する。なお、図２は振動板の要部拡大説明図、図３は振動板の要部拡大平面説明図である。
【００２８】
振動板２の厚肉部１２のパターンエッジ部分は２段のオーバーハング部１２ａ、１２ｂを有するオーバーハング形状をしている。ここで、厚肉部１２は、振動板２の薄肉部１１を基準面として薄肉部１１側から第１段１２Ａ、第２段１２Ａとし、第２段１２Ｂが圧電素子７及び支柱部８に当接して接着剤接合される最上段部分となる。
【００２９】
そこで、この厚肉部１２の圧電素子７及び支柱部８に当接する最上段部分である第２段１２Ｂは、図３に示すように、液室６の長手方向で、隙間（切れ目）１４によって複数に分割形成されている。
【００３０】
したがって、厚肉部１２の最上段部分である第２段１２Ｂの表面に圧電素子７及び支柱部８を接着剤１３で接合するとき、加圧によって接着剤１３がはみ出すような場合、余分な接着剤１３は隙間（切れ目）１４に逃げることができるようになり、高集積化を図ることによって、圧電素子７及び支柱部８の間隔が狭くなった場合でも、隣接している圧電素子７及び支柱部８相互間で接着剤１３同士がつながるようなことが防止される。
【００３１】
これにより、圧電素子７による駆動が不能なったり、不安定になったり、ばらついたりすることが防止され、安定した滴吐出動作を行うことができるので、ヘッドの高集積化を図ることができる。
【００３２】
次に、上記振動板の製作工程の一例を図４及び図５を参照して説明する。
先ず、図４（ａ）に示すように、シリコン基板４１の主平面側には導電層としてＴｉ４２をスパッタリングを用いて１００ｎｍ成膜し、次いで電解メッキによってＴｉ４２上にＮｉ４３を３μｍ成膜する。
【００３３】
その後、同図（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーによってＮｉ膜４３上の薄肉部となる部分にレジストパターン４４を形成する。レジストは通常用いられるノボラック系のポジ型レジストを用い、厚さは３μｍとした。このとき、図６（ａ）に示すように、レジストパターン４４の開口４４ａは、液室長手方向では所要の範囲で連続して開口している。
【００３４】
次いで、同図（ｃ）に示すように、電解メッキを用いてＮｉ膜４５を１２μｍ成膜する。このときレジスト厚さが３μｍであるため、厚肉部１２の第１段１２ＡとなるＮｉ膜４５のオーバーハング量は堆積厚さからレジスト厚さを引いた９μｍとなる。
【００３５】
さらに、同図（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィを用いてレジストパターン４６を形成する。レジストパターン４４に対してレジストパターン４６は外側に３μｍオーバーラップさせて設計する。これにより、マスク間のアライメントずれやパターンの仕上がりばらつきを考慮しても、確実にパターン４６をパターン４４に対してオーバーラップした位置関係に保つことができる。レジストは通常用いられるノボラック系のポジ型レジストを用い、厚さは３μｍとした。このとき、レジストパターン４６の開口４６ａは、図６（ｂ）に示すように、液室長手方向で複数に分割されている。
【００３６】
次に、図５（ａ）に示すように、電解メッキを用いてＮｉ膜４７を１２μｍ成膜する。このときレジスト厚さが３μｍであるため、厚肉部１２の第２段１２ＢとなるＮｉ膜４７のオーバーハング量は堆積厚さからレジスト厚さを引いた９μｍとなる。このとき、レジストパターン４６はレジストパターン４４に対してオーバーラップした位置関係となっているため、厚肉部となるＮｉ膜４７のパターンの側面部分は確実に２段のオーバーハング形状とすることができる。
【００３７】
その後、同図（ｂ）に示すように、レジストパターン４６、４４を剥離する。隣接するオーバーハング間距離が１５μｍ以上に保たれており、オーバーハング下のレジストに対して剥離液が充分に拡散することができ、レジスト剥離が可能となる。
【００３８】
そして、同図（ｃ）に示すように、Ｎｉ膜をＴｉ４２との界面から引き剥がすことにより、２段のオーバーハング形状を有する厚肉部１２を備えた振動板部材が得られる。このようにして、電鋳を用いて高密度化が可能な振動板を作製できる。
【００３９】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドを搭載した画像形成の一例について図７及び図８を参照して説明する。なお、図７は同記録装置の斜視説明図、図８は同記録装置の機構部の側面説明図である。
【００４０】
このインクジェット記録装置は、記録装置本体１１１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明に係るインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部１１２等を収納し、装置本体１１１の下方部には前方側から多数枚の用紙１１３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）１１４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙１１３を手差しで給紙するための手差しトレイ１１５を開倒することができ、給紙カセット１１４或いは手差しトレイ１１５から給送される用紙１１３を取り込み、印字機構部１１２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ１１６に排紙する。
【００４１】
印字機構部１１２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド１２１と従ガイドロッド１２２とでキャリッジ１２３を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ１２３にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドからなるヘッド１２４を複数のインク吐出口を主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ１２３にはヘッド１２４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ１２５を交換可能に装着している。なお、ヘッド一体型インクカートリッジを用いることもできる。
【００４２】
インクカートリッジ１２５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。
【００４３】
また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド１２４を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。
【００４４】
ここで、キャリッジ１２３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド１２１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド１２２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ１２３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ１２７で回転駆動される駆動プーリ１２８と従動プーリ１２９との間にタイミングベルト１３０を張装し、このタイミングベルト１３０をキャリッジ１２３に固定しており、主走査モーター１２７の正逆回転によりキャリッジ１２３が往復駆動される。
【００４５】
一方、給紙カセット１１４にセットした用紙１１３をヘッド１２４の下方側に搬送するために、給紙カセット１１４から用紙１１３を分離給装する給紙ローラ１３１及びフリクションパッド１３２と、用紙１１３を案内するガイド部材１３３と、給紙された用紙１１３を反転させて搬送する搬送ローラ１３４と、この搬送ローラ１３４の周面に押し付けられる搬送コロ１３５及び搬送ローラ１３４からの用紙１１３の送り出し角度を規定する先端コロ１３６とを設けている。搬送ローラ１３４は副走査モータ１３７によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００４６】
そして、キャリッジ１２３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１３４から送り出された用紙１１３を記録ヘッド１２４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材１３９を設けている。この印写受け部材１３９の用紙搬送方向下流側には、用紙１１３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１４１、拍車１４２を設け、さらに用紙１１３を排紙トレイ１１６に送り出す排紙ローラ１４３及び拍車１４４と、排紙経路を形成するガイド部材１４５，１４６とを配設している。
【００４７】
記録時には、キャリッジ１２３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド１２４を駆動することにより、停止している用紙１１３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙１１３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙１１３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙１１３を排紙する。この場合、ヘッド１２４を構成する本発明に係るインクジェットヘッドはインク滴噴射の制御性が向上し、特性変動が抑制されているので、安定して高い画像品質の画像を記録することができる。
【００４８】
また、キャリッジ１２３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド１２４の吐出不良を回復するための回復装置１４７を配置している。回復装置１４７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ１２３は印字待機中にはこの回復装置１４７側に移動されてキャッピング手段でヘッド１２４をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
【００４９】
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド１２４の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【００５０】
このように、この画像形成装置においては、本発明に係る高集積化を図った液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドを搭載しているので、高画質記録が可能になる。
【００５１】
なお、上記実施形態においては、本発明に係る液滴吐出ヘッドをインクジェットヘッドに適用したが、インク以外の液体の滴、例えば、パターニング用の液体レジストを吐出する液滴吐出ヘッド、遺伝子分析試料を吐出する液滴吐出ヘッドなどにも適用することできる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの実施形態を示す振動板短手方向に沿う断面説明図である。
【図２】同ヘッドの振動板の要部拡大説明図である。
【図３】同振動板の要部拡大平面説明図である。
【図４】同振動板の製作工程の一例を説明する断面説明図である。
【図５】図４に続く工程を説明する断面説明図である。
【図６】図４及び図５の説明に供する要部平面説明図である。
【図７】本発明に係る画像形成装置の一例を示す斜視説明図
【図８】同記録装置の機構部の側面説明図
【図９】従来のインクジェットヘッドの要部を説明する断面説明図
【図１０】従来の振動板の製作工程を説明する断面説明図
【符号の説明】
【００５３】
１…流路板
１ａ…隔壁
２…振動板
３…ノズル板
４…ノズル
６…液室
７…圧電素子
８…支柱部
１１…薄肉部
１２…厚肉部
１２Ａ…第１段
１２Ｂ…第２段（最上段部分）
１２ａ…オーバーハング部
１２４…記録ヘッド
【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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【図１０】
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