(57)【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吐出室を基板の主平面に閉じた凹部として形成し、前記吐出室にインクを供給するインク供給路を形成した部材を前記基板の主平面に接合し、インク流路を形成した液滴吐出ヘッドにおいて、
前記吐出室は、ノズル列方向に対して略直交する方向で互いに平行で且つ主平面に対して垂直な第１面及び第２面と、前記吐出室のインク供給路側に位置し、前記第１面に接し且つ主平面に対して垂直な第３面、及び前記第２面に接し且つ主平面に対して吐出室内側に鋭角な第４面とを有し、更に前記第３面と第４面と主平面とが接する第１頂点が前記第１面及び第２面から外れた位置に形成され、前記第１頂点は平面透視状態で前記インク供給路内に位置する
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、前記第１面と第２面との間の中心位置に対して前記インク供給路の中心位置が前記第２面側にオフセットして配置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２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記第２面と前記インク供給路は接することなく１μｍ以上離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乃至３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記インク供給路を形成した部材は前記ノズルを形成したノズル板又は蓋部材であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記基板にインク供給路を介して吐出室にインクを供給する共通液室を形成し、この共通液室の壁面のうちの前記インク供給路に接する面は前記主平面に垂直な面であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記基板は主平面が（１１０）面のシリコン基板であり、前記第１面及び第４面はいずれも（１１１）面からなることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記吐出室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極とを有し、前記振動板を静電力で変形変位させて液滴を吐出させることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は液滴吐出ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像記録装置（画像形成装置を含む。）に用いられるインクジェット記録装置における液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドは、インク滴を吐出するノズルを有するノズル板と、ノズルが連通する吐出室（インク流路、インク室、圧力室、加圧室、加圧液室などとも称される。）を有する流路基板と、この吐出室内のインクを加圧する圧力発生手段とを備えて、圧力発生手段を駆動することで吐出室内インクを加圧してノズルから液滴を吐出させる。
【０００３】
従来のインクジェットヘッドとしては、圧電素子を用いて吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型のもの、吐出室内に配設した発熱抵抗体を用いてインクの膜沸騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させるバブル型のもの、吐出室の壁面を形成する振動板（又はこれと一体の電極）と電極を用いて静電力で振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させる静電型のものなどがある。
【０００４】
このようなインクジェットヘッドにおいて、吐出室を形成する部材としては、従前、プラスチック、セラミック、ガラス等の材料が用いられていたが、これらの材料では高精細、高精度化の要求に十分に応えることができなくなっていることから、シリコンウェハをエッチングして流路部材とする技術が種々開示されている。
【０００５】
例えば、特開平１１−９９３号公報には、図８示すように、結晶面方位（１１０）のシリコン基板を流路基板１０１に用いて、この流路基板１０１に吐出室１０２及び吐出室１０２にインク供給路１０３を介してインクを供給する共通液室１０４を形成したものが開示されており、この場合には表面の（１１０）面に（１１１）面が垂直となっているので、吐出室間隔壁となる壁面を垂直壁で形成することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のインクジェットヘッドのように、（１１０）面を有するシリコン基板を用いても、シリコン結晶内の（１１１）面同士は直交しておらず、互いにある角度を持っているので、吐出室には図８示すように鋭角な角度を持った部分１０５が生じる。
【０００７】
ここで、吐出室の壁面を形成する振動板を変形変位させて発生した圧力を利用するインクジェットヘッドにあっては、発生する圧力は吐出室のコンプライアンスに強い依存を示す。そのため、インク充填時に吐出室内に気泡が残留した場合、発生圧力が急激に減少し、噴射特性に異常をきたすことになるので、気泡排出性は安定したインク滴噴射特性を確保する上で極めて重要である。
【０００８】
ところが、上述した従来のインクジェットヘッドようにインク供給路１０３側の部分１０５が、インク流と逆方向に鋭角になっているため、この部分１０５に気泡が溜まるという課題がある。
【０００９】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、気泡排出性を向上して安定したインク滴噴射特性が得られる液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルが連通する吐出室を基板の主平面に閉じた凹部として形成し、吐出室にインクを供給するインク供給路を形成した部材を基板の主平面に接合し、インク流路を形成した液滴吐出ヘッドにおいて、吐出室は、ノズル列方向に対して略直交する方向で互いに平行で且つ主平面に対して垂直な第１面及び第２面と、吐出室のインク供給路側に位置し、第１面に接し且つ主平面に対して垂直な第３面、及び第２面に接し且つ主平面に対して吐出室内側に鋭角な第４面とを有し、更に第３面と第４面と主平面とが接する第１頂点が第１面及び第２面から外れた位置に形成され、第１頂点は平面透視状態でインク供給路内に位置する構成としたものである。
【００１１】
ここで、第１面と第２面との間の中心位置に対してインク供給路の中心位置が第２面側にオフセットして配置されていることが好ましい。この場合、第２面とインク供給路は接することなく１μｍ以上離れていることが好ましい。さらに、インク供給路を形成した部材はノズルを形成したノズル板又は蓋部材であることが好ましい。さらにまた、シリコン基板にインク供給路を介して吐出室にインクを供給する共通液室を形成し、この共通液室の壁面のうちのインク供給路に接する面は主平面に垂直な面であることが好ましい。また、基板は主平面が（１１０）面のシリコン基板であり、第１面及び第４面はいずれも（１１１）面からなる構成とできる。
【００１２】
また、これらの各液滴吐出ヘッドは、吐出室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極とを有し、振動板を静電力で変形変位させて液滴を吐出させる静電型ヘッドとすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。図１は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分解斜視説明図、図２は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図３は同ヘッドの振動板短手方向の要部拡大断面図である。
【００１４】
このインクジェットヘッドは、主平面が（１１０）の面方位を有する単結晶シリコン基板を用いた第一基板である流路基板１と、この流路基板１の下側に設けたシリコン基板又はパイレックスガラス基板或いはセラミックス基板等を用いた第二基板である電極基板２と、流路基板１の上側に設けた第三基板であるノズル板３とを備え、インク滴を吐出する複数のノズル４、各ノズル４が連通するインク流路である吐出室６、各吐出室６にインク供給路を兼ねた流体抵抗部７を介して連通する共通液室８などを形成している。
【００１５】
流路基板１にはノズル４が連通する複数の吐出室６及びこの吐出室６の壁面である底部をなす振動板１０（電極を兼ねている）を形成する凹部を形成し、ノズル板３にはノズル４となる孔及び流体抵抗部７を形成する溝を形成し、また流路基板１と電極基板２には共通液室８を形成する貫通部を形成している。
【００１６】
ここで、流路基板１は、（１１０）面を有するシリコン基板に予め振動板厚さに高濃度Ｐ型不純物、例えば高濃度ボロンを注入してエッチングストップ層となる高濃度ボロン層を形成し、電極基板２と接合した後、吐出室６となる凹部をＫＯＨ水溶液などのエッチング液を用いて異方性エッチングすることにより、このとき高濃度ボロン層がエッチングストップ層となるので、これにより高精度に振動板１０を形成したものである。
【００１７】
なお、振動板１０に別途第一電極となる電極膜を形成してもよいが、上述したように不純物の拡散などによって振動板が電極を兼ねるようにしている。また、振動板１０の電極基板２側の面に絶縁膜を形成することもできる。この絶縁膜としてはＳiＯ2等の酸化膜系絶縁膜、Ｓi3Ｎ4等の窒化膜系絶縁膜などを用いることができる。絶縁膜の成膜は、振動板表面を熱酸化して酸化膜を形成したり、成膜手法を用いたりすることができる。
【００１８】
また、電極基板２にはｐ型或いはｎ型の単結晶シリコン基板を用いて、熱酸化法などで酸化層２ａを形成し、この酸化層２ａに凹部１４を形成して、この凹部１４底面に振動板１０に対向する電極１５を設け、振動板１０と電極１５との間にギャップ１６を形成し、これらの振動板１０と電極１５とによってアクチュエータ部（圧力発生手段）を構成している。このとき、凹部１４の深さはギャップ１６の長さを規定することになる。また、電極基板２にはパイレックスガラス（硼珪酸ガラス）を用いることができ、この場合には絶縁性を有しているので、そのまま凹部１４を形成する。同様に、電極基板２にはセラミック基板を用いることもできる。
【００１９】
電極１５表面にはＳiＯ2膜などの酸化膜系絶縁膜、Ｓi3Ｎ4膜などの窒化膜系絶縁膜からなる誘電絶縁膜１７を成膜している。なお、上述したように電極１５表面に絶縁膜１７を形成しないで、振動板１０側に絶縁膜を形成することもできる。また、電極基板２の電極１５としては、金、或いは、通常半導体素子の形成プロセスで一般的に用いられるＡｌ、Ｃｒ、Ｎｉ等の金属材料や、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ等の高融点金属、または不純物により低抵抗化した多結晶シリコン材料などを用いることができる。
【００２０】
これらの流路基板１と電極基板２との接合は、流路基板１及び電極基板２をいずれもシリコン基板で形成したときには直接接合で接合することができる。この直接接合は１０００℃程度の高温化で実施する。また、電極基板２をシリコンで形成して、陽極接合を行うこともでき、この場合には、電極基板２と流路基板１との間にパイレックスガラスを成膜し、この膜を介して陽極接合を行うこともできる。さらに、流路基板１と電極基板２にシリコン基板を使用して金等のバインダーを接合面に介在させた共晶接合で接合することもできる。
【００２１】
また、流路基板１と電極基板２との接合は、流路基板１をシリコン基板、電極基板２をパイレックスガラスでそれぞれ形成した場合には、陽極接合で行うことができる。陽極接合は、基板間に電圧（−３００Ｖ〜−５００Ｖ程度）を印加することで比較的低温（３００℃〜４００℃）で精密な接合を行うことができる。
【００２２】
なお、このような陽極接合を確実に行うには、基板の接合界面で基板同士の共有結合が生じるように流路基板（第１基板）１、或いは電極基板（第２基板）２のどちらかがアルカリイオンを多く含む基板であることが必要があり、また、接合する際、熱応力による基板同士の歪みが少なくなるように基板同士の熱膨張係数が比較的一致している材料を選択することが好ましい。したがって、流路基板１に単結晶のシリコン基板を使用し、電極基板２にＮａ等のアルカリイオンを多く含み、シリコン基板と比較的熱膨張係数が一致するパイレックスガラス（硼珪酸系ガラス）基板を使用することで、基板同士の熱歪みの少ない確実な接合が得られる。
【００２３】
ノズル板３には、多数のノズル４を形成するとともに、共通液室８と吐出室６を連通するための流体抵抗部７を形成する溝部を形成している。ここでは、インク吐出面（ノズル４表面側）には撥水性皮膜を成膜している。このノズル板３にはステンレス基板（ＳＵＳ）を用いているが、この他、エレクトロフォーミング（電鋳）工法によるニッケルメッキ膜、ポリイミド等の樹脂にエキシマレーザー加工をしたもの、金属プレートにプレス加工で穴加工をしたもの等でも用いることができる。
【００２４】
また、撥水性皮膜は、フッ素系樹脂微粒子であるポリテトラフルオロエチレン微粒子を分散させた電解又は無電解ニッケル共析メッキ（ＰＴＦＥ−Ｎi共析メッキ）によるメッキ皮膜で形成することができる。
【００２５】
このインクジェットヘッドは、ノズル４を二列配置し、この各ノズル４に対応して吐出室６、振動板１０、電極１５なども二列配置し、各ノズル列の中央部（ヘッド中央部）に共通液室８を配置して、共通液室８から左右の吐出室６にインクを振り分けて供給する構成を採用している。これにより、各吐出室６へのインク供給を均等に配分することができ、各吐出室の駆動状態の緩衝をほとんど受けることなく、均一なインク滴吐出特性を確保することができて、簡単なヘッド構成で多数のノズル４を有するマルチノズルヘッドを構成することができる。このノズル４の配列密度で規定されるこのヘッドの吐出密度は３００ｄｐｉとしている。
【００２６】
そして、電極１５は外部に延設して接続部（電極パッド部）１５ａとし、これにヘッド駆動回路であるドライバＩＣをワイヤボンドによって搭載したＦＰＣケーブルを異方性導電膜などを介して接続している。
【００２７】
このように構成したインクジェットヘッドにおいては、振動板１０を共通電極とし電極１５を個別電極として、振動板１０と電極１５との間に駆動波形を印加することにより、振動板１０と電極１５との間に静電力（静電吸引力）が発生して、振動板１０が電極１５側に変形変位する。これにより、吐出室６の内容積が拡張されて内圧が下がるため、流体抵抗部７を介して共通液室８から吐出室６にインクが充填される。
【００２８】
次いで、電極１５への電圧印加を断つと、静電力が作用しなくなり、振動板１０はそれ自身のもつ弾性によって復元する。この動作に伴い吐出室６の内圧が上昇し、ノズル４からインク滴が吐出される。再び電極に電圧を印加すると、再び静電吸引力によって振動板は電極側に引き込まれる。
【００２９】
次に、このインクジェットヘッドにおける流路基板１の液室構成について図４を参照して説明する。なお、同図はノズル板を透視した状態の平面説明図である。
流路基板１は、前述したように主平面が（１１０）の面方位を有するシリコン基板を用いて、（１１１）面に対して高いエッチング選択性を有するアルカリ性のエッチング液でウエットエッチングすることによって吐出室６を形成する凹部を形成したものであり、吐出室６（実際には凹部）の各壁面のうち、振動板１０の面及びノズル板３に接合する面以外の面を（１１１）面で形成している。
【００３０】
すなわち、この吐出室６の壁面となる第１面３１、第２面３２、第３面３３、第４面３４はいずれも（１１１）面で形成され、第１面３１及び第２面３２は、ノズル列方向に対して略直交する方向で互いに平行で、且つ、主平面３０に対して垂直な面であり、第３面３３は、インク供給路７側に位置し、第１面３１に接し、且つ、主平面３０に対して垂直な面であり、第４面３４は、第２面３２に接し、且つ、主平面３０に対して吐出室６内側に鋭角な面であり、第３面３３と第４面３４と主平面３０とが接する第１頂点３５は第１面３１及び第２面３２から外れた位置に形成され、この第１頂点３５は平面透視状態（図示の状態）でインク供給路７内に位置している。
【００３１】
このように構成したので、インク供給路７からノズル４に向かうインク流線からはずれる部分に鋭角な所がなくなり、気泡の排出性が向上し、噴射特性の安定性が向上する。
【００３２】
ここで、インク供給路７の振動板長手方向に沿う中心線Ｓ１が吐出室６の振動板長手方向に沿う中心線Ｓ２に対して第２面３２側にオフセットして配置されるように、吐出室６及びインク供給路７を形成している。
【００３３】
したがって、インク供給路７は、インク流に対して垂直である第３面３３よりも順テーパー角をもつ第４面３４に多く接することになる。これによりインクの流れがスムーズになり、より気泡排出性が向上する。
【００３４】
また、インク供給路７と第２面５５との間隔Ｄは１μｍ以上になるように配置している。これによって、インク滴体積のバラツキを低減して安定したインク滴噴射特性を得ることができる。
【００３５】
すなわち、ノズル板３とシリコン基板からなる流路基板１とを接合するために最も高精度の位置合わせを行うためには、光学的にノズル板３及び流路基板１の位置を読み取り、この読み取り結果に基づいてノズル板３と流路基板１とを位置決めして接合する。この場合、原理的にその読みとり位置精度はほぼ波長程度であり、通常用いる可視光の波長は０．５μｍ程度であり、この程度のインク供給路７と吐出室６との位置決めのバラツキは許容しなければならない。
【００３６】
また、ノズル板３と流路基板１との接合の際に用いる接着剤の硬化収縮によってもインク供給路７と吐出室６との位置ズレを生じる。インク供給路７と第２面３２の間隔Ｄとヘッドの滴体積のバラツキの関係の測定結果の一例を図５に示しているが、同図から、インク供給路７と第２面３２の間隔Ｄが１μｍ未満になると、滴体積のバラツキが急激に増加することが分かる。これは、パターンズレによって、インク供給路７が第２面３２に乗り上げ、それによってこの部分の流体抵抗値が変化するためである。
【００３７】
したがって、インク供給路７と第２面５５との間隔Ｄとして１μｍ以上を確保することによって、上述した位置決め上のバラツキや接着剤の硬化収縮によるバラツキが生じても、インク供給路７と第２面３２とが重なって流体抵抗値が変動することを防止できる。
【００３８】
次に、共通液室８側について図７及び図８をも参照して説明する。なお、図７及び図８はいずれも図４のＡ−Ａ線に沿う断面説明図である。
インク供給路７に接する共通液室８側の面３６は主平面３０に垂直な面のみで形成している。
【００３９】
したがって、図７に示すように、共通液室８からインク供給路７を介して吐出室６にインクが供給されるときのインク流４１は、吐出室６の第４面３４は順テーパー形状となっているため、吐出室６の部分４２でインク流に剥離流が抑制される。このため、吐出室６の部分４２で負圧が発生し、インクを引き込む力が発生し、インクの流れが促進される。
【００４０】
これに対し、図８に示すように、吐出室６内に圧力が発生し、インクがインク供給路７を通じて共通液室８内に逆流するときのインク流４３は、共通液室８の壁面３６がインク流に対して垂直となっているので、部分４４でインク流に剥離流によって渦が発生し、負圧の発生がなくなる。
【００４１】
このように吐出室６へのインク供給時の流体抵抗は、供給側の抵抗が低く、インクの供給効率が向上し高周波特性が改善され、また、排出側の抵抗が高いため、吐出室内部の圧力損失が低くなり、噴射効率が向上する。
【００４２】
なお、上記各実施形態においては、本発明を振動板変位方向とインク滴吐出方向が同じになるサイドシュータ方式のインクジェットヘッドに適用したが、振動板変位方向とインク滴吐出方向と直交するエッジシュータ方式のインクジェットヘッドにも同様に適用することができる。さらに、インクジェットヘッドだけでなく液体レジスト等を吐出させる液滴吐出ヘッドなどにも適用できる。また、振動板と液室基板とを同一基板から形成したが、振動板と液室基板とを別体にして接合することもできる。さらにまた、圧力発生手段として、圧電素子などの電気機械変換素子を用いるもの、或いは、発熱抵抗体を用いるものなどにも適用することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、吐出室は、ノズル列方向に対して略直交する方向で互いに平行で且つ主平面に対して垂直な第１面及び第２面と、吐出室のインク供給路側に位置し、第１面に接し且つ主平面に対して垂直な第３面、及び第２面に接し且つ主平面に対して吐出室内側に鋭角な第４面とを有し、更に第３面と第４面と主平面とが接する第１頂点が第１面及び第２面から外れた位置に形成され、第１頂点は平面透視状態でインク供給路内に位置する構成としたので、気泡排出性が向上し、インク滴噴射特性が安定する。
【００４４】
ここで、第１面と第２面との間の中心位置に対してインク供給路の中心位置が第２面側にオフセットして配置されている構成とすることにより、更に気泡の排出性が向上する。この場合、第２面とインク供給路は接することなく１μｍ以上離れている構成とすることで、流体抵抗値のバラツキを低減して、インク滴噴射特性のバラツキを防止できる。
【００４５】
さらに、インク供給路を形成した部材はノズルを形成したノズル板又は蓋部材であることにより、流路基板の液室パターンの形成が容易になる。さらにまた、基板にインク供給路を介して吐出室にインクを供給する共通液室を形成し、この共通液室の壁面のうちのインク供給路に接する面は主平面に垂直な面とすることで、噴射効率が向上する。
【００４６】
また、これらの各液滴吐出ヘッドは、吐出室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極とを有し、振動板を静電力で変形変位させて液滴を吐出させる静電型ヘッドとすることで、高密度、高画質記録が可能なヘッドを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るインクジェットヘッドの分解斜視説明図
【図２】同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図
【図３】同ヘッドの振動板短手方向の要部拡大断面図
【図４】同ヘッドの流路部分の拡大平面説明図
【図５】インク供給路と吐出室の位置関係のバラツキと滴体積のバラツキとの関係を説明する説明図
【図６】同ヘッドのインク供給路部分の拡大説明図
【図７】同ヘッドのインク供給路部分の拡大説明図
【図８】従来の流路部分の拡大平面説明図
【符号の説明】
１…流路基板、２…電極基板、３…ノズル板、４…ノズル、６…吐出室、７…流体抵抗部（インク供給路）、８…共通液室、１０…振動板、１４…凹部、３０…主平面、３１…第１面、３２…第２面、３３…第３面、３４…第４面。
【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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