(57)【要約】  【課題】フィルタ柱の破損を起因としたノズルダウンを低減して接合信頼性の高い液滴吐出ヘッドを提供する。  【解決手段】液滴を吐出する複数のノズル２１ａと、各ノズル２１ａに連通する加圧液室２２と、加圧液室２２内の液体を加圧する駆動手段と、複数の加圧液室２２にそれぞれ液体を供給するインク供給路２４と、インク供給路２４は少なくとも１つの柱状突起物３６ａを異物除去のフィルタ部３６として有する液滴吐出ヘッド２０において、柱状突起物３６ａの長さを加圧液室２２の高さよりも短く形成した。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を吐出する複数のノズルと、前記各ノズルに連通する加圧液室と、前記加圧液室内の液体を加圧する駆動手段と、複数の前記加圧液室にそれぞれ液体を供給するインク供給路と、前記インク供給路は少なくとも１つの柱状突起物を異物除去のフィルタ部として有する液滴吐出ヘッドにおいて、
前記柱状突起物の長さが前記加圧液室の高さよりも短いことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
請求項１記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
前記柱状突起物をハーフエッチング加工により形成したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
請求項１記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
エッチングレートの差を利用して前記柱状突起物を形成した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の何れか１つに記載の液滴吐出ヘッドを有す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、ノズル孔等の穴部からインク液滴等の液体を吐出する液滴吐出ヘッドに関する。
【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使用するインクジェット記録装置におけるインクジェットヘッドは、インク液滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する加圧液室と、この加圧液室内のインクを加圧するエネルギを発生するアクチュエータ手段とを備え、アクチュエータ手段を駆動することで加圧液室内のインクを加圧してノズルからインク液滴を吐出させるものであり、記録の必要なときにのみインク液滴を吐出するインク・オン・デマンド方式のものが主流であって、インク液滴を吐出させるためのアクチュエータ手段の種類によりいくつかの方式に大別される。
【０００３】
例えば「特許文献１」に記載されているように、液室の壁の一部を薄い振動板とし、これに対応して電気機械変換素子としての圧電素子を配置し、電圧印加に伴って発生する圧電素子の変形により振動板を変形させることで加圧液室内の圧力を変化させてインク液滴を吐出させるピエゾ方式のもの、加圧液室内部に発熱体素子を配置し、通電による発熱体の加熱によって気泡を発生させ、気泡の圧力によってインク液滴を吐出させるバブルジェット（登録商標）方式のものが一般によく知られている。これ等以外にも、例えば「特許文献２」に記載されているように、加圧液室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向して配置された加圧液室外の個別電極とを備え、振動板と電極との間に電界を印加することで発生する静電力により振動板を変形させて、加圧液室内の圧力／体積を変化させることによりノズルからインク液滴を吐出させる静電型のものも提案されている。
【０００４】
さらにピエゾ方式のものには、圧電素子の軸方向に伸張及び伸縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、撓み振動モードの圧電アクチュエータを使用したものとが実用化されている。前者は圧電素子の端部を吐出させるインクジェット面の振動板に当接させることにより加圧液室の容積を変化させることができ、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、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るという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を加圧液室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを加圧液室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、撓み振動を利用する関係上ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題点がある。
【０００５】
後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、例えば「特許文献３」には、振動板の表面全体にわたって成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により加圧液室に対応する形状に切り分けて各加圧液室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。これによれば、圧電素子を振動板に貼り付ける作業が不要となり、リソグラフィ法という精密かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。
【０００６】
ところで、駆動方式に拘わらず、インクジェットヘッドは数十μｍの大きさで形成したノズル、及び加圧液室により構成されているため、微細な異物の混入はノズルを詰まらせて吐出不良の原因となる。インクジェットヘッドは近年の高速化への対応としてノズル数の増加が求められ、それに伴い吐出不良となる異物を除去する異物除去手段を改善する必要性がますます高まっている。従来、インクカートリッジからノズルにインクを供給するインク供給系中にフィルタを設け、異物や気泡を除去する構成が採用されている。しかし、空気中に浮遊するような微細な異物も問題となるため、インクジェットヘッドの組立工程やインク供給経路の組立工程で混入する異物を除去することは容易ではなかった。異物混入を防ぐには、できるだけインクジェットヘッドに近い場所でできるだけ早くフィルタを設置することが好ましい。
【０００７】
そこで、構成部品の一部にフィルタ機能を設けたインクジェットヘッドがいくつか提案されており、例えば「特許文献４」には異物のフィルタリング及び所望の音響インピーダンスを得る目的で、フィルタ柱を流路内に形成する技術が開示されている。また、「特許文献５」にはヘッドの小型化及び部品点数を削減する目的で、共通液室部にエッチングによって柱状の突起物を形成し、これをフィルタとして用いるインクジェットヘッドが開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし近年では、インクジェットヘッドにおける個別液室の高密度化及び高集積化に伴い、加圧液室の液室幅は狭くかつ高さは高くなる傾向にある。このため「特許文献４」、「特許文献５」開示の技術のように、加圧液室内に複数のフィルタ柱を異物除去のためのフィルタとして複数設けようとすると、一本一本のフィルタ柱は細く長くなってしまい機械的強度が低くなってしまう。このためアクチュエータとノズル基板を接合する際に接合時に受ける圧力によってフィルタ柱が折れてしまい、折れた破片がノズルを詰まらせてしまうという問題点がある。  
本発明は上述の問題点を解消し、接合信頼性の高い液滴吐出ヘッドを提供し、フィルタ柱の破損を起因としたノズルダウンの低減を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１記載の発明は、液滴を吐出する複数のノズルと、前記各ノズルに連通する加圧液室と、前記加圧液室内の液体を加圧する駆動手段と、複数の前記加圧液室にそれぞれ液体を供給するインク供給路と、前記インク供給路は少なくとも１つの柱状突起物を異物除去のフィルタ部として有する液滴吐出ヘッドにおいて、前記柱状突起物の長さが前記加圧液室の高さよりも短いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、柱状突起物の長さを加圧液室の高さよりも短くすることにより柱状突起物の機械的強度が高くなる。これによって柱状突起物が駆動手段とノズル基板との接合時に受ける圧力によって壊れにくくなると共に、接合信頼性が高くフィルタ部の破損に起因するノズルダウンが生じにくい液滴吐出ヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態を適用可能なインクジェット記録装置の概略斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態を適用可能なインクジェット記録装置の概略正面断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に用いられるインクジェットヘッドの概略正面図である。
【図４】本発明の一実施形態に用いられるインクジェットヘッドの概略側面図である。
【図５】本発明の一実施形態に用いられるインクジェットヘッドの概略平面図である。
【図６】従来のインクジェットヘッドの概略正面図である。
【図７】従来のインクジェットヘッドの概略側面図である。
【図８】本発明の一実施形態に用いられるインクジェットヘッドの作製方法を説明する概略図である。
【図９】本発明の一実施形態に用いられるインクジェットヘッドの作製方法を説明する概略図である。
【図１０】本発明の一実施形態に用いられるインクジェットヘッドの作製方法を説明する概略図である。
【図１１】本発明の一実施形態に用いられるインクジェットヘッドの作製方法を説明する概略図である。
【図１２】本発明の一実施形態に用いられるインクジェットヘッドの作製方法を説明する概略図である。
【図１３】本発明の一実施形態に用いられるインクジェットヘッドの作製方法を説明する概略図である。
【図１４】本発明の一実施形態に用いられるインクジェットヘッドの作製方法を説明する概略図である。
【図１５】本発明の一実施形態に用いられるインクジェットヘッドの作製方法を説明する概略図である。
【図１６】本発明の一実施形態に用いられるインクジェットヘッドの作製方法を説明する概略図である。
【図１７】本発明の一実施形態に用いられるインクジェットヘッドの作製方法を説明する概略図である。
【図１８】本発明の一実施形態に用いられるインクジェットヘッドの作製方法を説明する概略図である。
【図１９】本発明の一実施形態におけるエッチングレートの差を利用して柱状突起物を形成することを説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態であるインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置の一例を図１及び図２に基づいて説明する。なお、図１はインクジェット記録装置の概略斜視図、図２はインクジェット記録装置の機構部の概略側面図である。このインクジェット記録装置は、装置本体８１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ９３、キャリッジ９３に搭載した本発明を実施したインクジェットヘッドからなる記録ヘッド９４、記録ヘッド９４へインクを供給するインクカートリッジ９５等で構成される印字機構部８２等を収納し、装置本体８１の下方部には前方側から多数枚の用紙８３を積載可能な給紙カセット（給紙トレイでもよい）８４を抜き差し自在に装着することができ、また用紙８３を手差しで給紙するための手差しトレイ８５を起倒することができ、給紙カセット８４あるいは手差しトレイ８５から給送される用紙８３を取り込み、印字機構部８２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８６に排紙する。
【００１３】
印字機構部８２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９１と従ガイドロッド９２とでキャリッジ９３を主走査方向に摺動自在に保持し、キャリッジ９３にはイエロ（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の各色のインク液滴を吐出する本発明にかかるインクジェットヘッドからなるヘッド９４を複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と交差する方向に配列し、インク液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９３には、ヘッド９４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９５を交換可能に装着している。インクカートリッジ９５は、上方に大気と連通する大気口を、下方にはヘッド９４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それぞれ有しており、多孔質体の毛細管現象によりヘッド９４へ供給されるインクを僅かな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド９４を用いているが、各色のインク液滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。
【００１４】
キャリッジ９３は、後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド９１に摺動自在に嵌装され、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド９２に摺動自在に載置されている。そして、キャリッジ９３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ９７で回転駆動される駆動プーリ９８と従動プーリ９９との間にタイミングベルト１００を巻き掛け、タイミングベルト１００をキャリッジ９３に固定させることによって主走査モータ９７の正逆回転によりキャリッジ９３が往復移動される。
【００１５】
一方、給紙カセット８４にセットした用紙８３をヘッド９４の下方側に搬送するため、給紙カセット８４から用紙８３を分離給送する給紙ローラ１０１及びフリクションパッド１０２と、用紙８３を案内するガイド部材１０３と、給紙された用紙８３を反転させて搬送する搬送ローラ１０４と、搬送ローラ１０４の周面に押し付けられる搬送コロ１０５及び搬送ローラ１０４からの用紙８３の送り出し角度を規定する先端コロ１０６とを設けている。搬送ローラ１０４は副走査モータ１０７によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００１６】
キャリッジ９３の主走査方向の移動範囲に対応して、搬送ローラ１０４から送り出された用紙８３をヘッド９４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１０９を設けている。印写受け部材１０９の用紙搬送方向下流側には、用紙８３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１１１、拍車１１２を設け、さらに用紙８３を排紙トレイ８６に送り出す排紙ローラ１１３及び拍車１１４と、排紙経路を形成するガイド部材１１５，１１６とを配設している。記録時にはキャリッジ９３を移動させながら画像信号に応じてヘッド９４を駆動することにより、停止している用紙８３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙８３を所定量搬送後に次の行の記録を行う。記録終了信号または用紙８３の後端が記録領域に到達した信号を受け取ることにより、記録動作を終了させて用紙８３を排紙する。
【００１７】
キャリッジ９３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド９４の吐出不良を回復するための回復装置１１７が設けられている。回復装置１１７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段とを有している。キャリッジ９３は印字待機中には回復装置１１７側に移動されてキャッピング手段でヘッド９４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、記録途中等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て安定した吐出性能を維持する。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９４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共に気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやごみ等はクリーニング手段により除去されて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図示しない廃インク溜まりに排出され、廃インク溜まり内部に設けられたインク吸収体に吸収保持される。
【００１８】
ここで、本発明の特徴部である液滴吐出ヘッドについて説明する。図３、図４、図５は、本発明の第１の実施形態に用いられる液滴吐出ヘッドを３方向から見た断面図である。本実施形態で用いられる液滴吐出ヘッドは、インク液滴を基板の面部に設けたノズルから吐出させるサイドシュータ方式のものを示している。
【００１９】
本実施形態で用いる液滴吐出ヘッドとしてのインクジェットヘッド２０は、インクを吐出するノズル孔２１ａを有するノズル基板２１と、加圧液室２２、流体抵抗部２３、インク供給路である溝部２４、振動板２５及び圧電層２６等のアクチュエータ部を形成した液室基板２７と、圧電素子保護空間２８を配した保護基板（サブフレーム）２９との３枚の基板を重ね合わせた積層構造となっている。
【００２０】
液室基板２７は、シリコン基板上にシリコン酸化膜を介してシリコンが張り合わされたＳＯＩ基板を用いている。また振動板２５は、ＳＯＩ基板のＳｉ層表面にパイロ酸化法を適用してシリコン酸化膜を形成し、その上に下部電極３０となる白金層、圧電層（ＰＺＴ）２６、上部電極３１となる白金膜の多層構成からなるアクチュエータがシリコンをエッチングすることで形成した加圧液室２２に対向する領域に形成されている。さらに上部電極３１と引き出し配線３２との層間に配置された層間絶縁膜３３、及び引き出し配線３２の材料を保護するためのパッシベーション膜３４がアクチュエータの上面及び側面を覆うように配置されている。
【００２１】
ノズル基板２１は厚さ３０〜５０μｍのＳＵＳ基板にプレス加工と研磨加工とによってノズル孔２１ａを形成しており、液室基板２７の加圧液室２２と連通するようにそれぞれノズル孔２１ａを有している。保護基板２９は、共通液室としてインク流路となる溝部２４と、圧電素子の保護及び変位を妨げないための空間及び流路隔壁３５の剛性を高め、液室全体を支えるために柱を形成している。
【００２２】
本発明では、図３、図４、図５に示すようにフィルタ部３６として複数の柱状突起物であるフィルタ柱３６ａを流路内に形成しており、図４に示すように個々のフィルタ柱３６ａの長さｈを加圧液室２２の高さＨよりも短く形成している。一方、図６、図７に示す従来のインクジェットヘッド２０Ａでは、フィルタ部３６Ａにおけるフィルタ柱３６ｂの長さは加圧液室２２の高さと等しくなっている。この構成より、本発明では各フィルタ柱３６ａの長さを従来のフィルタ柱３６ｂよりも短くすることにより各フィルタ柱の機械的強度が高くなり、これによって各フィルタ柱３６ａがアクチュエータとノズル基板２１との接合時に受ける圧力によって壊れにくくなり、接合信頼性が高くフィルタ部３６の破損に起因するノズルダウンが生じにくい液滴吐出ヘッドを提供することができる。なお本実施形態では、加圧液室２２の高さＨを７０μｍ、フィルタ柱３６ａの長さｈを５０μｍとしているが、数値はこれ等には限定されない。
【００２３】
次に、上述したインクジェットヘッド２０の作製方法を図８〜図１８を用いて説明する。本実施形態では、シリコン基板に振動板材料及び圧電素子材料を成膜していくことでアクチュエータを作成していく。先ず、厚み４００μｍのシリコン基板の表面にシリコン酸化膜を０．２μｍ及びシリコンを２．０μｍ貼り合わせたＳＯＩ基板を用い、この表面にパイロ（Ｗｅｔ）酸化法によりシリコン酸化膜を０．３μｍ形成しこれを振動板層とする（図８参照）。その後、圧電素子の下電極となる白金（Ｐｔ）層をスパッタ法により０．２μｍ成膜してパターニングする（図９参照）。さらにゾルゲル法により圧電層を２μｍ成膜し、さらに上電極となる白金（Ｐｔ）層を０．１μｍ成膜する。その後、リソエッチ法により上電極及び圧電層をパターニングする（図１０参照）。
【００２４】
次に、プラズマＣＶＤ法により層間絶縁膜を０．３μｍ成膜し、リソエッチ法により配線コンタクトを取るためのビアホールを形成する。層間絶縁膜は、次に形成する引き出し配線と上電極との導通部、バイパス配線への導通部、及びインク供給孔となる貫通部をパターニングしている（図１１参照）。さらにアルミ材料により引き出し電極を形成する（図１２参照）。引き出し電極は圧電体の駆動による振動板の振動に起因する応力を受けるので、振動により断線しないように軟らかいアルミ材料を用い、１μｍ程度厚く積んでいる。
【００２５】
次に、アルミ配線保護のためのパッシベーション膜としてプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によるシリコン窒化膜を２μｍ成膜してパターニングする（図１３参照）。その後、振動板のインク供給口となる部分を事前にエッチングする（図１４参照）。さらに、金をメッキ法により積層して個別電極のパッド部とバイパス配線とを同時に形成する（図１５参照）。パッド部を金で形成することで、図示しないドライバＩＣとの電気的接続を低温のワイヤボンディングで接続している。また金は抵抗値が低く、バイパス配線として共通電極抵抗値を下げる効果が大きい。なお、パッド部と形成工程を分けて、バイパス配線材料として銅、アルミニウム等を使用することもできる。その場合は、バイパス配線を腐食から保護する保護層が必要となる場合もある。
【００２６】
その後、別途ガラス基板にブラスト加工で柱を形成した保護基板を液室基板に接合し（図１６参照）、液室基板の保護基板接合面とは反対側の面を所望の厚さまで研磨する。保護基板はシリコン基板にリソエッチ法で凹部を加工したものでもよいし、シリコン基板をＴＭＡＨ、ＫＯＨ等のアルカリエッチング液を用いたウェットエッチングにより加工したものでもよく、また樹脂モールドやメタルインジェクションモールド等の成型部品でもよい。また、ドライバ回路をアクチュエータ基板上に一体形成する際に、パイロ酸化法で形成した酸化膜をＬＯＣＯＳ（ＬＯＣａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）酸化法で形成し、酸化膜の形成領域を選択することで駆動回路を同一基板上に形成することも可能である。
【００２７】
本発明ではその後、シリコン基板の反対側の面にＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）ドライエッチングにより加圧液室、流体抵抗部及び供給部となる凹部をハーフエッチング加工し（図１７参照）、その後マスクを変更して再度エッチングを行うことでフィルタ部を形成すると共に、加圧液室、流体抵抗部及び供給部を所望の深さまで形成する（図１８参照）。このような方法を用いることにより、フィルタ柱の長さは従来のものよりも短くなり、これによって従来のものよりも機械的強度の高いフィルタ部をヘッド内部に備えることができ、接合信頼性の高い液滴吐出ヘッドを提供することができる。
【００２８】
また、上述のようなハーフエッチング加工を行わず、エッチングレートの差を利用して１度のエッチングでフィルタ部を作成する工程としてもよい。通常、エッチングにより凹部を形成する際に、凹部の幅が狭いものと広いものとを同時に形成すると、凹部の幅が狭いものの方が相対的にエッチングレートは遅くなり、広いものの方が早くなる（図１９参照）。このため、形成する柱状突起物同士の間隔を狭くすることで加圧液室部とフィルタ部のエッチングレートに差がつき、柱状突起物の長さを加圧液室の高さよりも短くすることができる。この方法によってフィルタ部を形成することにより、プロセスを増やすことなく（コストアップすることなく）上述のようなフィルタ部を形成することができる。そして、最後に厚さ３０〜５０μｍのステンレス基板にプレス加工と研磨加工とによりノズル孔を形成したノズル基板を液室基板の流路隔壁形成面に別途接着し、圧電素子の上電極及び下電極と接続されたアルミ配線部を駆動回路に接続することで、図３に示す液滴吐出ヘッドが完成する。
【００２９】
本実施形態では、振動板に薄膜圧電層を形成したいわゆる薄膜圧電ヘッドを説明したが、本発明の本質は流路内に形成したフィルタ柱の長さを加圧液室の高さよりも低くしたことで従来のものよりも機械的強度の高いフィルタ部を形成したことにあるため、駆動手段としては薄膜圧電ヘッドには限定されない。また、圧電素子に代表される電気機械変換素子にも限定されない。本発明が適用可能な画像形成装置はプリンタには限られず、ファクシミリ、複写装置、プロッタ、これ等の複合機にも本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００３０】
２０  液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）
２１ａ  ノズル孔
２２  加圧液室
２４  インク供給部（溝部）
３６  フィルタ部
３６ａ  柱状突起物（フィルタ柱）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】特開平１０−１００４０１号公報
【特許文献２】特開平２−２８９３５１号公報
【特許文献３】特開平５−２８６１３１号公報
【特許文献４】特表２００５−５３２１９９号公報
【特許文献５】特開平６−２７８２７９号公報
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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