(57)【要約】【課題】  ノズル、圧力室等を高密度化、多列化することが可能であるとともに、環境気圧の変化にも対応できて、吐出安定性に優れた液滴吐出ヘッドを得ること。【解決手段】  底壁が振動板８を形成し液滴を溜めておく圧力室７及び底壁がダイアフラム４０を形成し外気と連通した大気圧室４１が形成されたキャビティ基板３と、振動板８に対向し振動板８を駆動する個別電極１７が設置された振動室１３及びダイアフラム４０に対向し振動室１３と連通した圧力補償室４２が形成された電極基板４と、圧力室７に液滴を供給するリザーバ１０、リザーバ１０から圧力室７へ液滴を移送するための供給孔９、及び圧力室７からノズル孔５へ液滴を移送するノズル連通孔６とを有するリザーバ基板２とを備え、圧力補償室４２とリザーバ１０とが積層される位置に配置されている液滴吐出ヘッド。【選択図】図１
2007021988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底壁が振動板を形成し液滴を溜めておく圧力室及び底壁が変形可能板を形成し外気と連通した大気圧室が形成されたキャビティ基板と、
前記振動板に対向し前記振動板を駆動する個別電極が設置された振動室及び前記変形可能板に対向し前記振動室と連通した圧力補償室が形成された電極基板と、
前記圧力室に液滴を供給するリザーバ、前記リザーバから前記圧力室へ液滴を移送するための供給孔、及び前記圧力室からノズル孔へ液滴を移送するノズル連通孔を有する基板であって、前記圧力補償室と前記リザーバとが積層される位置に配置されているリザーバ基板と、
前記リザーバ基板に固着され、液滴を吐出するノズル孔が形成されたノズル基板と、を備えている
ことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
外気と連通する連通孔を設け、
前記大気圧室は、前記連通孔を介して外気と連通している
ことを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
前記連通孔を、
前記キャビティ基板または前記リザーバ基板のいずれか１つまたは双方に設ける
ことを特徴とする請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
前記変形可能板の剛性を、
前記リザーバ底部の剛性よりも小さくする
ことを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
前記変形可能板の剛性を、
前記振動板の剛性よりも小さくする
ことを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
前記変形可能板の面積を前記振動板の面積よりも大きくして、
前記変形可能板の剛性を、
前記振動板の剛性よりも小さくする
ことを特徴とする請求項５に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項７】
前記リザーバ底部の剛性及び前記振動板の剛性を、
前記変形可能板の剛性の約１万倍以上にする
ことを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項８】
前記振動室と前記圧力補償室とからなる空間とが、封止部材により封止されている
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項９】
個別電極が形成された電極基板に圧力室及び大気圧室が形成されるキャビティ基板を、前記電極基板と前記キャビティ基板との間に振動室及び前記振動室と連通した圧力補償室となる隙間を隔てて接合する工程と、
前記キャビティ基板に前記圧力室、前記大気圧室及び前記大気圧室を外気に連通させる連通孔を形成する工程と、
前記隙間を封止部材により封止する工程と、  
前記圧力室に液滴を供給するリザーバと、前記リザーバから前記圧力室へ液滴を移送するための供給孔と、前記圧力室からノズル孔へ液滴を移送するノズル連通孔とが形成されたリザーバ基板を、前記リザーバが前記圧力補償室と積層される位置となるように前記キャビティ基板に接合する工程と、
ノズル孔が形成されたノズル基板を前記リザーバ基板に接合する工程とを有する
ことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１０】
個別電極が形成された電極基板に圧力室及び大気圧室が形成されるキャビティ基板を、前記電極基板と前記キャビティ基板との間に振動室及び前記振動室と連通した圧力補償室となる隙間を隔てて接合する工程と、
前記キャビティ基板に前記圧力室及び前記大気圧室を形成する工程と、
前記隙間を封止部材により封止する工程と、
前記圧力室に液滴を供給するリザーバと、前記リザーバから前記圧力室へ液滴を移送するための供給孔と、前記圧力室からノズル孔へ液滴を移送するノズル連通孔と、前記大気圧室を外気に連通させる連通孔とが形成されたリザーバ基板を、前記リザーバが前記圧力補償室と積層される位置となるように前記キャビティ基板に接合する工程と、
ノズル孔が形成されたノズル基板を前記リザーバ基板に接合する工程とを有する
ことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドが搭載されている
ことを特徴とする液滴吐出装置。
【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その製造方法並びに液滴吐出装置に関し、特に環境気圧の変動に影響されることのない吐出安定性に優れた液滴吐出ヘッド及びその製造方法並びにこの液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
静電式のインクジェットヘッドでは、圧力室の一部を規定している振動板を、電極板に対して狭いギャップで対峙させ、これらの間に駆動電圧を印加することにより、振動板を静電気力により振動させるようになっている。振動板と電極板のギャップは１ないし２ミクロン程度と極めて狭いので、これらの間に塵などが侵入して振動板の振動が阻害されることのないように、振動板と電極板の間が封止されて密閉室となっている。
【０００３】
このような構造では、外気圧が変動すると、圧力室と密閉室を仕切っている振動板は、密閉室の内圧が外気圧に一致する方向に変位する。例えば、密閉室内の内圧が外気圧よりも小さければ、振動板の平衡位置は電極側に近づき、密閉室内の内圧が外気圧よりも大きければ、振動板の平衡位置は電極から遠ざかる。この結果、電圧が印加されていない状態において既に振動板が変位した状態となる。よって、外気圧が変動すると、同一の駆動電圧を印加した場合においても、振動板の振動特性が異なり、インク液滴の吐出特性（吐出一回当たりの液滴の量、液滴の吐出速度）が変動してしまう。
【０００４】
従来、振動板を変形させることにより加圧液室内の液滴にエネルギーを与え液滴を吐出する液滴吐出ヘッドにおいて、共通液室の一方の壁に振動板の変位量よりも大きい変形可能板と、変形可能板の共通液室と反対側に気圧補正室を設けた液滴吐出ヘッドが存在する。この液滴吐出ヘッドは、圧力検出手段等の格別の構成要素を追加することなく、液滴吐出ヘッドの小型化を実現するようにしたものである（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３３４９４５号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の液滴吐出ヘッドでは、インク液滴を吐出させるために加圧液室に圧力変動を発生させると、その圧力（吐出圧力）が共通液室にも伝播するため、この発生した圧力変動は、共通液室の一方の壁に設けられた変形可能板にも伝播するようになっていた。したがって、インク液滴を吐出させたときの圧力変動により剛性の低い変形可能板が変形することになる。このため、気圧補正室を通じて、振動板に接して加圧液室と反対側に設けられた空隙（振動室）にまで圧力変動が伝播してしまっていた。
【０００７】
このことにより、振動板の待機位置も変動（振動）してしまい、所望の振動板待機位置を維持することができないという問題を有していた。すなわち、環境気圧の変動に対するインク吐出性能の補償能力が低下してしまうという問題を有していたのである。特に、多ノズルを有する場合には、加圧液室から共通液室に伝播する圧力が大きくなるためにインク吐出性能の補償能力がさらに低下してしまうことになる。
【０００８】
本発明は、サイズが小さく、ノズル、圧力室等を高密度化、多列化することが可能であるとともに、環境気圧の変化に起因したインク吐出特性の変動を抑制し、吐出安定性及び耐久性に優れた液滴吐出ヘッド及びその製造方法並びにこの液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、底壁が振動板を形成し液滴を溜めておく圧力室及び底壁が変形可能板を形成し外気と連通した大気圧室が形成されたキャビティ基板と、前記振動板に対向し前記振動板を駆動する個別電極が設置された振動室及び前記変形可能板に対向し前記振動室と連通した圧力補償室が形成された電極基板と、前記圧力室に液滴を供給するリザーバ、前記リザーバから前記圧力室へ液滴を移送するための供給孔、及び前記圧力室からノズル孔へ液滴を移送するノズル連通孔を有する基板であって、前記圧力補償室と前記リザーバとが積層される位置に配置されているリザーバ基板と、前記リザーバ基板に固着され、液滴を吐出するノズル孔が形成されたノズル基板と、を備えている。
【００１０】
底壁が変形可能板を形成し外気と連通した大気圧室が形成されたキャビティ基板と、振動板に対向し振動板を駆動する個別電極が設置された振動室及び変形可能板に対向し振動室と連通した圧力補償室が形成された電極基板とを有する上記構成によれば、液滴吐出ヘッド周囲の環境気圧の変化に起因したインクの吐出特性の変動を抑制することができる。すなわち、外気が常に大気圧室に取り込まれ、環境気圧の変動を底壁の変形可能板が敏感に吸収し、振動板と個別電極との平衡位置を維持することが可能となる。
【００１１】
また、圧力補償室がリザーバと積層される位置に配置されているので、液滴吐出ヘッドの小型（コンパクト）化が実現できる。すなわち、圧力補償室を新たな平面上に別途製造しなくて済み、液滴吐出ヘッドの小型を実現可能にしているのである。また、圧力補償室がリザーバと積層される位置に配置されているので、リザーバ平面積と略同等な大面積の範囲に圧力補償室の形成が可能となる。さらに、液滴吐出ヘッドを、ノズル基板、リザーバ基板、キャビティ基板、電極基板の４層から構成することにより、液滴を溜めておくリザーバの容積を大きくすることができ、リザーバの流路抵抗を低減することが可能となる。
【００１２】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、外気と連通する連通孔を設け、前記大気圧室が、前記連通孔を介して外気と連通させてもよい。これによれば、この連通孔を介して、大気圧室に外気が常に取り込まれるようになっており、環境気圧の変動を底壁の変形可能板が敏感に吸収することが可能となる。これにより、環境気圧の変動に併せて液滴吐出ヘッド内の圧力を調整するといったような手間を省くことが可能である。また、大気圧室に外気を取り込むための手段を別に搭載しなくて済み、製造コストの低減にもなる。
【００１３】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、連通孔を、キャビティ基板またはリザーバ基板のいずれか１つまたは双方に設けてもよい。すなわち、連通孔は、キャビティ基板に設けてもよく、リザーバ基板に設けてもよいので、製造にかかる手間を考慮して連通孔を設ける基板を変更することができる。また、連通孔は、キャビティ基板とリザーバ基板との双方に設けてもよいので、製造の自由度を広げることが可能になる。
【００１４】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、変形可能板の剛性を、リザーバ底部の剛性よりも小さくするのが好ましい。具体的には、リザーバ底部の剛性は、リザーバ内に貯められる液滴を安定保持可能なものとし、変形可能板の剛性は、リザーバで発生する圧力の影響を受けることなく、環境気圧の変化を敏感に吸収することが可能なものとする。これにより、リザーバ内で発生する圧力が変形可能板には伝播しないために、変形可能板は環境気圧の変化にのみ対応できるのである。したがって、インク吐出特性の変動を確実に抑制することができる。
【００１５】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、変形可能板の剛性を、振動板の剛性よりも小さくするのが好ましい。こうすることで、環境気圧の変動が振動板には伝播しない構造となるために、環境気圧の変動を変形可能板で吸収することが可能になっている。すなわち、振動板は、環境気圧の変動に影響されないので、インク吐出特性の変動を確実に抑制することができるのである。
【００１６】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、変形可能板の面積を振動板の面積より大きくして、変形可能板の剛性を、振動板の剛性よりも小さくするのが好ましい。すなわち、変形可能板と振動板とは同一工程で形成され、その厚さも略同一に形成されるものであるために、変形可能板の面積を振動板の面積よりも大きくすることで、変形可能板の剛性を、振動板の剛性よりも小さくしているのである。
【００１７】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、リザーバ底部の剛性及び振動板の剛性を、変形可能板の剛性の約１万倍以上にすることを特徴とするものである。すなわち、変形可能板のコンプライアンス（剛性の逆数）の総和を、振動板のコンプライアンスの総和の約１万倍以上とすれば、気圧補償の効果があるからである。また、リザーバ底部のコンプライアンスについても、変形可能板のコンプライアンスの総和をリザーバ底部のコンプライアンスの約１万倍以上とすれば、リザーバ内で発生する圧力が変形可能板に伝播しないため気圧補償の効果が確実に得られる。
【００１８】
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、個別電極が形成された電極基板に圧力室及び大気圧室が形成されるキャビティ基板を、前記電極基板と前記キャビティ基板との間に振動室及び前記振動室と連通した圧力補償室となる隙間を隔てて接合する工程と、前記キャビティ基板に前記圧力室、前記大気圧室及び前記大気圧室を外気に連通させる連通孔を形成する工程と、前記隙間を封止部材により封止する工程と、前記圧力室に液滴を供給するリザーバと、前記リザーバから前記圧力室へ液滴を移送するための供給孔と、前記圧力室からノズル孔へ液滴を移送するノズル連通孔とが形成されたリザーバ基板を、前記リザーバが前記圧力補償室と積層される位置となるように前記キャビティ基板に接合する工程と、ノズル孔が形成されたノズル基板を前記リザーバ基板に接合する工程とを有する。
【００１９】
この方法によれば、キャビティ基板に、大気圧室と連通孔とを同一工程で形成するので、製造工程を簡略化することができる。また、印刷紙とノズルとの距離を近くすることが可能になり、高精細な印刷が実現できる。さらに、ノズルが形成されている面を平らにすることができるので、ワイピング（ノズル孔周囲の不要な液滴を除去する工程）を容易に行うことができる。なお、液滴吐出ヘッド内にドライバＩＣを配置することも可能であり、液滴吐出ヘッドの更なる小型化を図れるようになっている。
【００２０】
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、個別電極が形成された電極基板に圧力室及び大気圧室が形成されるキャビティ基板を、前記電極基板と前記キャビティ基板との間に振動室及び前記振動室と連通した圧力補償室となる隙間を隔てて接合する工程と、前記キャビティ基板に前記圧力室及び前記大気圧室を形成する工程と、前記隙間を封止部材により封止する工程と、前記圧力室に液滴を供給するリザーバと、前記リザーバから前記圧力室へ液滴を移送するための供給孔と、前記圧力室からノズル孔へ液滴を移送するノズル連通孔と、前記大気圧室を外気に連通させる連通孔とが形成されたリザーバ基板を、前記リザーバが前記圧力補償室と積層される位置となるように前記キャビティ基板に接合する工程と、ノズル孔が形成されたノズル基板を前記リザーバ基板に接合する工程とを有する。
【００２１】
この方法によれば、リザーバ基板に、リザーバと供給孔とノズル連通孔と連通孔とを同一工程で形成するので、製造工程を簡略化することができる。また、印刷紙とノズルとの距離を近くすることが可能になり、高精細な印刷が実現できる。さらに、ノズルが形成されている面を平らにすることができるので、ワイピング（ノズル孔周囲の不要な液滴を除去する工程）を容易に行うことができる。なお、液滴吐出ヘッド内にドライバＩＣを配置することも可能であり、液滴吐出ヘッドの更なる小型化を図れるようになっている。
【００２２】
本発明に係る液滴吐出装置は、上記のいずれかの液滴吐出ヘッドが搭載されていることを特徴とするものである。したがって、上記のいずれかの液滴吐出ヘッドが搭載されているため、サイズが小さく、環境気圧の変化に起因した吐出特性の変動を抑制し、吐出安定性及び耐久性に優れた液滴吐出装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態に係わる液滴吐出ヘッド１００について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る液滴吐出ヘッド１００の分解斜視図である。図２は、液滴吐出ヘッド１００が組み立てられた状態のＡ−Ａ断面を示す縦断面図である。なお、この液滴吐出ヘッド１００は、ノズル基板の表面側に設けられたノズル孔から液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプのものであり、また静電気力により駆動される静電駆動方式のものである。また、図１は、駆動信号を供給するためのＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｐｒｉｎｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）の一部を含めて示している。
【００２４】
図１に示すように、液滴吐出ヘッド１００は、一般的な静電駆動方式の液滴吐出ヘッドのような３層構造ではなく、電極基板４、キャビティ基板３、リザーバ基板２、ノズル基板１の４つの基板で構成される４層構造を特徴としている。リザーバ基板２の一方の面にはノズル基板１が接合されており、リザーバ基板２の他方の面にはキャビティ基板３が接合されている。また、キャビティ基板３のリザーバ基板２が接合された面の反対面には、電極基板４が接合されている。すなわち、電極基板４、キャビティ基板３、リザーバ基板２、ノズル基板１の順で接合されている。さらに、液滴吐出ヘッド１００は、個別電極１７に駆動信号を供給するドライバＩＣ１５が設けられている。
【００２５】
［電極基板４］
電極基板４は、ホウ珪酸ガラス等のガラスで形成するとよい。ここでは、電極基板４がホウ珪酸ガラスで形成されている場合を例に示すが、これに限定するものではない。たとえば、電極基板４を単結晶シリコンで形成してもよい。この電極基板４には、凹部（ガラス溝）１２が、形成されている。この凹部１２は、たとえば深さ０．３μｍで形成するとよい。また、この凹部１２の内部には個別電極１７が、一定の間隔を有して後述の振動板８と対向するように作成されている。この個別電極１７は、たとえばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）を０．１μｍの厚さでスパッタして作製するとよい。
【００２６】
凹部１２は、その一部が個別電極１７を装着できるように、これらの形状に類似したやや大きめの形状にパターン形成されている。また、個別電極１７が装着できる形状にパターン形成された部分の一端は、その部分２つを一組として圧力補償室４２を構成するようにパターン形成されている。さらに、その他の部分（中央部）は、ドライバＩＣ１５を装着できるようにパターン形成されている。そして、この実施形態においては、その中央部にドライバＩＣ１５を設置するようにしている。
【００２７】
個別電極１７は、その一端（ＩＣ出力実装部１８）がドライバＩＣ１５と接続されており、ドライバＩＣ１５から駆動信号が供給されるようになっている。なお、ドライバＩＣ１５の下部の個別電極１７を接続するための接続端子が形成された部分を接続部というものとするが、たとえばドライバＩＣ１５の下部以外の部分に接続端子が形成されているような場合には、個別電極１７とドライバＩＣ１５とが接続されている部分を接続部というものとする。
【００２８】
この液滴吐出ヘッド１００は、複数の個別電極１７が長辺及び短辺を有する長方形状に形成されており、この個別電極１７が、互いの長辺が平行になるように配置され、個別電極７の短辺方向に伸びる電極列を２列形成している。なお、個別電極１７の短辺が長辺に対して斜めに形成されており、個別電極１７が細長い平行四辺形状になっている場合には、長辺方向に直角方向に伸びる電極列を形成するようにすればよい。
【００２９】
また、液滴吐出ヘッド１００は、ドライバＩＣ１５が２つの電極列の間に形成され、両方の電極列に接続されるようになっている。したがって、ドライバＩＣ１５から２つの電極列に駆動信号を供給することが可能となり、電極列の多列化が容易となる。さらに、ドライバＩＣ１５の個数を少なくすることが可能なため、製造に要するコストを削減することができ、液滴吐出ヘッド１００の小型化も可能となる。
【００３０】
電極基板４には、インク供給孔１１が形成されている。このインク供給孔１１は、電極基板４を貫通している。また、電極基板４には、ＦＰＣ実装部２１が形成されている。なお、電極基板４とキャビティ基板３とが接合された後に、ＩＣ出力実装部１８及びギャップ１３を封止するための封止部材１４が形成されるが、この封止部材１４については後に詳述する（図２参照）。また、ここでは、２つのドライバＩＣ１５が設置されている場合を例に示しているが、これに限定するものではない。たとえば、これらのドライバＩＣ１５を１つのＩＣで構成したり、３つ以上のＩＣで構成するようにしてもよい。
【００３１】
［キャビティ基板３］
キャビティ基板３は、たとえば単結晶シリコンからなり、底壁が振動板８となる圧力室（又は吐出室）７が複数形成されている。この圧力室７は、個別電極１７の電極列に対応して２列に形成されるようになっている。また、キャビティ基板３には、電極列の間にキャビティ基板３を貫通するように第１の穴部２２が形成されている。さらに、キャビティ基板３は、振動板８に電圧を印加するための共通電極１６を有している。この共通電極１６は、ＦＰＣ３０と接続されている。
【００３２】
なお、このキャビティ基板３は、単結晶シリコンからなり、その全面にプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって、ＴＥＯＳ（ＴｅｔｒａＥｔｈｙｌＯｒｔｈｏＳｉｌｉｃａｔｅ）からなる図示省略の絶縁膜を０．１μｍ形成している。これは、振動板８の駆動時における絶縁破壊及びショートを防止するためと、インク等の液滴によるキャビティ基板３のエッチングを防止するためのものである。
【００３３】
振動板８は、高濃度のボロンドープ層で形成するようにしてもよい。水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液による単結晶シリコンのエッチングにおけるエッチングレートは、ドーパントがボロンの場合、約５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以上の高濃度の領域において、非常に小さくなる。このため、振動板８の部分を高濃度のボロンドープ層とし、アルカリ溶液による異方性エッチングによって圧力室７を形成する際に、ボロンドープ層が露出してエッチングレートが極端に小さくなる、いわゆるエッチングストップ技術を用いることにより、振動板８を所望の厚さに形成することができる。
【００３４】
電極基板４とキャビティ基板３とを接合すると個別電極１７と振動板８との間に空隙である振動室（ギャップ）１３が形成される。この振動室１３は、たとえば深さ０．２μｍとなるように形成されている。この振動室１３は、圧力補償室４２と連通している。また、キャビティ基板３には、キャビティ基板３を貫通するインク供給孔１１が形成されている。さらに、キャビティ基板３には、底壁が変形可能板（ダイアフラム）４０となる大気圧室４１が複数形成されている。なお、この大気圧室４１は、連通孔２５を介して外気と連通している。また、ここでは、連通孔２５がキャビティ基板３に形成する場合を例に示しているが、これに限定するものではない。たとえば、リザーバ基板２の底部に形成してもよい。
【００３５】
変形可能板４０は、電極基板４で形成された圧力補償室４２の上面に位置し、環境気圧の変動に応じて面外方向に変位可能な変形可能板である。すなわち、振動板８の剛性よりも小さい剛性を有する変形可能板４０を設けることで、環境気圧の変動に敏感に対応できるようになっている。なお、変形可能板４０は、振動板８の有する剛性より小さくするために、振動板８の面積よりも大きな面積とすることが望ましい。
【００３６】
ここでは、２つの振動板８に対して、１つの圧力補償室４２が形成されている場合を例に示しているが、これに限定するものではない。たとえば、すべての振動室１３に対して、１つの圧力補償室４２を形成してもよい。すなわち、圧力補償室４２における変形可能板４０の面積が大きいほど、わずかな圧力変動にも敏感に対応できるのである。ただし、圧力補償室４２の大きさは、キャビティ基板３の強度に影響を与えない程度の大きさであることが要求される。また、複数の圧力補償室４２はガラス溝の一部を共通化して連通するようにしても良い。この場合、個々の変形可能板４０の製造バラツキによる圧力室補償能力の差を緩和することが可能となる。
【００３７】
［リザーバ基板２］
リザーバ基板２は、たとえば単結晶シリコンからなり、圧力室７に液滴を供給するためのリザーバ１０が２つ形成されており、リザーバ１０の底面には、リザーバ１０から圧力室７へ液滴を移送するための供給孔９が形成されている。また、リザーバ１０の底面には、リザーバ１０の底面を貫通するインク供給孔１１が形成されている。なお、リザーバ１０の底部の剛性は、変形可能板４０の剛性よりも大きいものとすることが望ましい。
【００３８】
このリザーバ基板２に形成されたインク供給孔１１と、キャビティ基板３に形成されたインク供給孔１１及び電極基板４に形成されたインク供給孔１１は、リザーバ基板２、キャビティ基板３及び電極基板４が接合された状態において互いに繋がっており、外部からリザーバ１０に液滴を供給するためのものである（図２参照）。さらに、リザーバ基板２のリザーバ１０の間には、リザーバ基板２を貫通する第２の穴部２３が形成されている。
【００３９】
図２に示すように、キャビティ基板３に設けられた第１の穴部２２と、リザーバ基板２に設けられた第２の穴部２３とは連通して収容部２４を形成している。そして、この収容部２４の内部には、ドライバＩＣ１５が収容されるようになっている。また、リザーバ基板２のリザーバ１０以外の部分には、各々の圧力室７に連通し、圧力室７から後述するノズル孔５に液滴を移送するためのノズル連通孔６が形成されている。このノズル連通孔６は、リザーバ基板２を貫通しており、圧力室７の供給孔９が連通する一端の反対側の一端に連通している（図２参照）。
【００４０】
［ノズル基板１］  
ノズル基板１は、たとえば厚さ１００μｍのシリコン基板からなり、各々のノズル連通孔６と連通する複数のノズル孔５が形成されている。なお、ノズル孔５を２段に形成して液滴を吐出する際の直進性を向上させている（図２参照）。また、電極基板４、キャビティ基板３、リザーバ基板２及びノズル基板１を接合するときに、シリコンからなる基板とホウ珪酸ガラスからなる基板を接合する場合は陽極接合により、シリコンからなる基板同士を接合する場合は直接接合によって接合することができる。またシリコンからなる基板同士は、接着剤を用いて接合することもできる。
【００４１】
図２に示すように、液滴吐出ヘッド１００では、ドライバＩＣ１５が収容部２４の内部に収容されており、収容部２４がノズル基板１、リザーバ基板２、キャビティ基板３及び電極基板４によって閉塞されている。すなわち、ノズル基板１が収容部２４の上面を、電極基板４が収容部２４の下面を、キャビティ基板３及びリザーバ基板２が収容部２４の側面を形成することにより、収容部２４が閉塞されるようになっている。なお、収容部２４は、液滴や外気からドライバＩＣ１５を保護するために密閉するのが望ましい。
【００４２】
また、封止部材１４は、振動板８と個別電極１７との間のギャップ１３を封止するようになっている。この封止部材１４は、たとえば水分透過性の低い酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、ポリパラキシリレン等で形成するとよい。なお、ポリパラキシリレンは、結晶性ポリマー樹脂であり水分透過防止性及び耐薬品性に優れている性質を有している。これらの材料をスパッタやＣＶＤ等を用いて成膜すれば、水分透過性の低い封止部材１４を小さく形成することができ、液滴吐出ヘッド１００を更に小型化することが可能となる。
【００４３】
次に、液滴吐出ヘッド１００の動作について説明する。リザーバ１０には、インク供給孔１０を介して外部からインク等の液滴が供給されている。また、圧力室７には、供給孔９を介してリザーバ１０から液滴が供給されている。ドライバＩＣ１５には、ＦＰＣ３０のＦＰＣ内配線（ＩＣ入力）３２及び電極基板４に設けられたＩＣ入力実装部２０（図１参照）を介して液滴吐出装置の図示省略の制御部から駆動信号（パルス電圧）が供給されている。
【００４４】
そして、ドライバＩＣ１５から個別電極１７に０Ｖから４０Ｖ程度までのパルス電圧を印加し個別電極１７をプラスに帯電させ、対応する振動板８をＦＰＣ内配線３１（ＣＯＭ）を介して液滴吐出装置の図示省略の制御部から駆動信号（パルス電圧）を供給してマイナスに帯電させる。そうすると、振動板８は、静電気力によって個別電極１７側に吸引されて撓むことになる。このパルス電圧をオフにすると、振動板８にかけられた静電気力がなくなり振動板１１は復元することになる。このとき、圧力室７の内部の圧力が急激に上昇し、圧力室７内の液滴がノズル連通孔６を通過してノズル孔５から吐出されることになる。その後、液滴がリザーバ１０から供給孔９を通じて圧力室７内に補給され、初期状態に戻ることになる。
【００４５】
なお、液滴吐出ヘッド１００のリザーバ１０への液滴の供給は、たとえばインク供給孔１１に接続された図示省略の液滴供給管により行われている。また、ＦＰＣ３０が、ＦＰＣ３０の長手方向が電極列を形成する個別電極１７の短辺方向と平行となるようにドライバＩＣ１５と接続されている。たとえば、個別電極１７の短辺が長辺に対して斜めになっており、個別電極１７が細長い平行四辺形状になっている場合には、個別電極１７の長辺と直角方向にＦＰＣ３０を接続すればよい。これにより、複数の電極列を有する液滴吐出ヘッド１００とＦＰＣ３０とをコンパクトに接続することができる。
【００４６】
環境気圧が変動すると、それに伴って液滴吐出ヘッド１００内の振動室１３と外気圧との圧力差も変動し、振動板８の平衡位置が変動することになる。このような、振動板８の平衡位置の変動によって、液滴が吐出されたくなったり、必要以上に吐出したりすることがある。そうすると、所望の印刷が実現されずに、吐出安定性が低いものとなる。そこで、大気圧室４１を連通孔２５を介して常に外気を取り込み、環境気圧の変動を大気圧室４１の底面の変形可能板４０で吸収することで、その環境気圧の変動の影響を圧力室７に伝播しないようにしている。
【００４７】
また、環境気圧の変動がリザーバ１０に伝播しないようにするために、変形可能板４０の剛性をリザーバ１０底部の剛性よりも小さいものとすることが望ましい。つまり、リザーバ１０底部の剛性が変形可能板４０の剛性以下であると、環境気圧の変動が変形可能板４０で吸収されずに、リザーバ１０で吸収されてしまうからである。なお、変形可能板４０のコンプライアンス（剛性の逆数）を、各振動板８のコンプライアンスの総和の約１万倍以上とすれば、気圧補償の効果がある。また、リザーバ１０底部のコンプライアンスも同様である。したがって、リザーバ１０底部の厚みを３５μｍ、変形可能板４０の厚みを１μｍとして形成すれば、両者の剛性の比率は、（３５／１）3 ＞４００００となり、圧力補償の効果があることがわかる。
【００４８】
図３は、液滴吐出ヘッド１００が搭載された液滴吐出装置の制御系を示す概略ブロック図である。なお、この液滴吐出装置が一般的なインクジェットプリンタである場合を例に示す。図に基づいて、液滴吐出ヘッド１００が搭載された液滴吐出装置の制御系について説明する。ただし、液滴吐出ヘッド１００が搭載された液滴吐出装置の制御系を、ここで示した場合に限定するものではない。
【００４９】
インクジェットプリンタは、液滴吐出ヘッド１００を駆動制御するための制御装置５０を備えている。この制御装置５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）５１を中心に構成されている。ＣＰＵ５１は、パーソナルコンピュータや遠隔制御装置（リモコン）等の外部装置６０から印刷情報が入力されるようになっている。この印刷情報は、バス５２を介して入力されたり、赤外線信号等の無線信号で入力されたりするようになっている。また、ＣＰＵ５１は、内部バス５３を介してＲＯＭ５４、ＲＡＭ５５及びキャラクタジェネレータ５６と接続している。
【００５０】
制御装置５０では、ＲＡＭ５５内の記憶領域を作業領域として用いて、ＲＯＭ５４内に格納されている制御プログラムを実行し、キャラクタジェネレータ５６から発生するキャラクタ情報に基づき、液滴吐出ヘッド１００を駆動するための制御信号を生成する。制御信号は、論理ゲートアレイ５７及び駆動パルス発生回路５８を介して、印刷情報に対応した駆動制御信号となって、コネクタ６５を経由して液滴吐出ヘッド１００に内蔵されたドライバＩＣ１５に供給されるほか、ＣＯＭ発生回路５９に供給される。また、ドライバＩＣ１５には、印字用の駆動パルス信号Ｖ３、制御信号ＬＰ、極性反転制御信号ＲＥＶ等（図４参照）も供給されるようになっている。なお、ＣＯＭ発生回路５９は、たとえば駆動パルスを発生するための図示省略の共通電極ＩＣで構成されてよい。
【００５１】
ＣＯＭ発生回路５９では、供給された各信号に基づき、液滴吐出ヘッド１００の共通電極１６、すなわち各振動板８に印加すべき駆動信号をその図示省略の共通出力端子ＣＯＭから出力するようになっている。また、ドライバＩＣ１５では、供給された各信号及び電源回路７０から供給される駆動電圧Ｖｐに基づき、各個別電極１７に印加すべき駆動信号を、各個別電極１７に対応した個数の個別出力端子ＳＥＧから出力するようになっている。そして、共通出力端子ＣＯＭの出力と個別出力端子ＳＥＧの出力との電位差が、各振動板８とそれに対向する個別電極１７との間に印加されるようになっている。振動板８の駆動時（液滴の吐出時）には指定された向きの駆動電位差波形を与え、非駆動時には駆動電位差を与えないようになっている。
【００５２】
図４は、ドライバＩＣ１５及びＣＯＭ発生回路５９の内部構成の一例を示す概略ブロック図である。なお、ドライバＩＣ１５及びＣＯＭ発生回路５９は、１組で６４個の個別電極１７及び振動板８に駆動信号を供給するものとする。また、ドライバＩＣ１５が、電源回路７０から高電圧系の駆動電圧Ｖｐ及び論理回路系の駆動電圧Ｖｃｃが供給されて動作するＣＭＯＳの６４ビット出力の高耐圧ドライバである場合を例に示している。
【００５３】
ドライバＩＣ１５は、供給された駆動制御信号に応じて、駆動電圧パルスとＧＮＤ電位の一方を、個別電極１７に印加する。ドライバＩＣ１５は、６４ビットのシフトレジスタ８１を有し、シフトレジスタ８１はシリアルデータとして論理ゲートアレイ５７より送信された６４ビット長のＤＩ信号入力を、ＤＩ信号に同期する基本クロックパルスであるＸＳＣＬパルス信号入力によりデータをシフトアップし、シフトレジスタ８１内のレジスタに格納するスタティクシフトレジスタとなっている。ＤＩ信号は、６４個の個別電極１７のそれぞれを選択するための選択情報をオン／オフにより示す制御信号であり、この信号がシリアルデータとして送信される。
【００５４】
また、ドライバＩＣ１５は、６４ビットのラッチ回路８２を有し、ラッチ回路８２はシフトレジスタ８１内に格納された６４ビットデータを制御信号（ラッチパルス）ＬＰによりラッチしてデータを格納し、格納されたデータを６４ビット反転回路８３に信号出力するスタティクラッチである。ラッチ回路８２では、シリアルデータのＤＩ信号が各振動板１１の駆動を行うための６４セグメント出力を行うための６４ビットのパラレル信号へと変換される。
【００５５】
反転回路８３では、ラッチ回路８２から入力される信号と、ＲＥＶ信号との排他的論理和をレベルシフタ８４へ出力する。レベルシフタ８４は、反転回路８３からの信号の電圧レベルをロジック系の電圧レベル（５Ｖレベル又は３．３Ｖレベル）からヘッド駆動系の電圧レベル（０〜４５Ｖレベル）に変換するレベルインターフェイス回路である。ＳＥＧドライバ８５は、６４チャンネルのトランスミッションゲート出力となっていて、レベルシフタ８４の入力によりＳＥＧ１〜ＳＥＧ６４のセグメント出力に対して、駆動電圧パルス入力か又はＧＮＤ入力のいずれかを出力する。ＣＯＭ発生回路５９に内蔵されたＣＯＭドライバ８６は、ＲＥＶ入力に対して駆動電圧パルスか又はＧＮＤ入力のいずれかをＣＯＭへ出力する。
【００５６】
ＸＳＣＬ、ＤＩ、ＬＰ及びＲＥＶの各信号は、ロジック系の電圧レベルの信号であり、論理ゲートアレイ５７よりドライバＩＣ１５に送信される信号である。このように、ドライバＩＣ１５及びＣＯＭ発生回路５９を構成することにより、駆動するセグメント数（振動板８の数）が増加した場合においても容易に液滴吐出ヘッド１００の振動板８の駆動する駆動電圧パルスとＧＮＤとを切り替えることが可能となる。
【００５７】
図５及び図６は、液滴吐出ヘッド１００の製造工程の一例を示す縦断面図である。なお、ここで液滴吐出ヘッド１００の製造方法の一例を示すが、これに限定するものではない。まず、個別電極１７、インク供給孔１１等が形成された電極基板４に、たとえば厚さ５２５μｍのキャビティ基板３を陽極接合する（ａ）。なお、液滴吐出ヘッド１００は、電極基板４がホウ珪酸ガラスからなるものとし、電極基板４に２列の電極列を形成して製造されるものとする。
【００５８】
ここで電極基板４の製造方法の一例を簡単に説明する。まず、レジストをガラス基板の片面全体に塗布して所定形状にパターニングした後、フッ酸水溶液等でエッチングして凹部１２を形成してレジストを剥離する。そして、凹部１２の形成された面の全面にスパッタ等でＩＴＯを成膜し、ＩＴＯの表面にレジストを塗布してパターニングし、エッチングによって個別電極１７を形成した後にレジストを剥離する。なお、インク供給孔１１は、ドリル等によって形成することが可能になっている。
【００５９】
次に、機械研削によってキャビティ基板３を薄板化して、キャビティ基板３の厚さを１４０μｍにする（ｂ）。なお、機械研削した後に、キャビティ基板３の表面に発生した加工変質層を水酸化カリウム水溶液等で除去するのが望ましい。そして、キャビティ基板３の表面にプラズマＣＶＤによってＴＥＯＳ膜（ＴｅｔｒａＥｔｈｙｌＯｒｔｈｏＳｉｌｉｃａｔｅ）等で酸化膜を形成した後（ｃ）、酸化膜表面にレジストを塗布して圧力室７、第１の穴部２２、インク供給孔１１、大気圧室４１の形状をパターニングする（ｄ）。
【００６０】
それから、たとえば水酸化カリウム水溶液でキャビティ基板３をエッチングして圧力室７、第１の穴部２２、インク供給孔１１、大気圧室４１を形成して、酸化膜を剥離する（ｅ）。なお、上記のようにキャビティ基板３にボロンドープ層を形成していた場合には、ボロンドープ層が振動板８等の薄膜として残ることとなる。その後、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）等によって第１の穴部２２及びインク供給孔１１に残ったシリコンの薄膜を除去し、第１の穴部２２及びインク供給孔１１を形成する（ｆ）。
【００６１】
そして、ドライバＩＣ１５を準備し、第１の穴部２２内において２列の電極列を構成する個別電極１７と接続されるように、ドライバＩＣ１５を電極基板４上に実装する（ｇ）。なお、ドライバＩＣ１５は、ドライバＩＣ１５の下部に形成された接続端子に、異方導電性のＡＣＦ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｆｉｌｍ）若しくはＡＣＰ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｐａｓｔｅ）を貼付けることで実装するとよい。
【００６２】
第１の穴部２２に封止部材１４を形成して個別電極１７との間のギャップ１３を封止する（ｈ）。このとき、個別電極１７の封止部材１４によって封止されていない部分は、封止部材１４によって被覆するようにする。なお、封止部材１４は、ポリパラキシレン等の樹脂を材料として用いる場合には、ニードル（針）によって所定位置に封止材を塗布することにより形成することができる。また、封止部材１４の材料として酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸窒化シリコン、窒化シリコン等の金属系のものを用いる場合には、シリコン等からなるマスクを使用したＣＶＤによって形成することもできる。
【００６３】
次に、キャビティ基板３の圧力室７が形成された面に、リザーバ基板２を接合する（ｉ）。このとき、第１の穴部２２と第２の穴部２３とが連通して収容部２４が形成される。リザーバ基板２には、予め圧力室７に液滴を供給するリザーバ１０と、リザーバ１０から圧力室７へ液滴を移送するための供給孔９と、圧力室７からノズル孔５へ液滴を移送するノズル連通孔６と、第２の穴部２３とが形成される。なお、リザーバ基板２は、シリコン基板にシリコン酸化膜を形成した後、シリコン酸化膜の表面にレジストをパターニングして所定部分のシリコン酸化膜をエッチングし、その後水酸化カリウム水溶液等でシリコン基板をエッチングすることにより形成することができる。
【００６４】
そして、ＩＣＰ放電（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）放電又はエッチング等によってノズル孔５が形成されたノズル基板１を、接着剤等を用いてリザーバ基板２に接合する（ｊ）。最後に、電極基板４、キャビティ基板３、リザーバ基板２、ノズル基板１が接合された接合基板をダイシング（切断）して個々の液滴吐出ヘッド１００が完成する。したがって、圧力補償室４２は、リザーバ１０と積層される位置関係に形成されることになる。
【００６５】
このように、キャビティ基板３に第１の穴部２２を設け、リザーバ基板２に第２の穴部２３を設けて第１の穴部２１と第２の穴部２３とによって収容部２４を形成し、この収容部２４にドライバＩＣ１５を収容するため、液滴吐出ヘッド１００のサイズを小さくすることが可能になっている。したがって、印刷紙とノズル孔５との距離を近くすることができ、高精細な印刷が可能となる。また、ノズル孔５が形成されている面を平らにすることができるため、ワイピング（不要な液滴を除去する工程）を容易に行うことができる。
【００６６】
収容部２４は、ノズル基板１、キャビティ基板３、リザーバ基板２及び電極基板４によって閉塞されているため、ドライバＩＣ１５を液滴から保護する層を別途設けなくて済み、ドライバＩＣ１５を外気等から保護することが可能となる。
【００６７】
図７は、液滴吐出ヘッド１００を搭載した液滴吐出装置１５０の一例を示した斜視図である。この液滴吐出装置１５０は、一般的なインクジェットプリンタである。実施の形態に係わる液滴吐出ヘッド１００は、上述したようにサイズが小さく、吐出安定性及び耐久性に優れている。また、この液滴吐出ヘッド１００を搭載した液滴吐出装置１５０も小型で印字性能及び耐久性が高いものとなる。
【００６８】
なお、液滴吐出ヘッド１００は、図７に示したインクジェットプリンタの他に、液滴を種々変更することで、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機ＥＬ表示装置の発光部分の形成、生体液体の吐出等にも適用することが可能である。また、液滴吐出ヘッド１００及びその製造方法並びに液滴吐出装置１５０は、本発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において変形可能である。たとえば、封止部材位置は、２カ所で密閉するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドの分解斜視図。
【図２】液滴吐出ヘッドが組み立てられた状態のＡ−Ａ断面を示す縦断面図。
【図３】液滴吐出ヘッドが搭載された液滴吐出装置の制御系を示す概略ブロック図。
【図４】ドライバＩＣ及びＣＯＭ発生回路の内部構成の一例を示す概略ブロック図。
【図５】液滴吐出ヘッドの製造工程の一例を示す縦断面図。
【図６】液滴吐出ヘッドの製造工程の一例を示す縦断面図。
【図７】本発明の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置の一例を示す斜視図。
【符号の説明】
【００７０】
１  ノズル基板、２  リザーバ基板、３  キャビティ基板、４  電極基板、５  ノズル孔、６  ノズル連通孔、７  圧力室、８  振動板、９  供給孔、１０  リザーバ、１１  インク供給孔、１２  凹部（ガラス溝）、１３  振動室（ギャップ）、１４  封止部材、１５  ドライバＩＣ、１６  共通電極、１７  対向電極（個別電極ＩＴＯ）、１８  ＩＣ出力（ＳＥＧ）実装部、２０  ＩＣ入力実装部、２１  ＦＰＣ実装部、２２  第１の穴部、２３  第２の穴部、３０  ＦＰＣ、３１  ＦＰＣ内配線（ＣＯＭ）、３２  ＦＰＣ内配線（ＩＣ入力）、４０  変形可能板（ダイアフラム）、４１  大気圧室、４２  圧力補償室、５０  制御装置、５１  ＣＰＵ、５２  バス、５３  内部バス、５４  ＲＯＭ、５５  ＲＡＭ、５６  キャラクタジェネレータ、５７  理論ゲートアレイ、５８  駆動パルス発生回路、５９  ＣＯＭ発生回路、６０  外部装置、６５  コネクタ、７０  電源回路、１００  液滴吐出ヘッド、１５０  液滴吐出装置。
【図１】
2007021988.tif 000003
【図２】
2007021988.tif 000004
【図３】
2007021988.tif 000005
【図４】
2007021988.tif 000006
【図５】
2007021988.tif 000007
【図６】
2007021988.tif 000008
【図７】
2007021988.tif 000009