(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴が吐出されるノズルを有するノズル形成部材と、該ノズル形成部材と接合された連通管と、該連通管を介してノズルと連通する加圧液室と、該加圧液室を加圧する振動板とを備え、
前記連通管及び前記加圧液室は、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板の異方性エッチングで形成されており、
前記連通管は、前記ノズル形成部材との接合面における平面形状が全ての辺が鈍角で接する六角形を有し、前記接合面と平行で前記連通管の連通方向中央部における断面形状が平行四辺形である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を搭載したことを特徴とするインクジェット記録装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置に関し、詳細には結晶方位を有するシリコン単結晶基板に微細な形状を形成するための加工方法、液滴吐出ヘッドに使用する加圧液室を構成するシリコン単結晶基板の加工方法及びその形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット記録装置は記録時の騒音が極めて小さいこと、高速印字が可能なこと、インクの自由度が高く安価な普通紙を使用できることなど多くの利点を有する。この中でも記録の必要なときにのみインク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマンド方式が記録に不要なインク液滴の回収を必要としないため現在主流となっている。このインク・オン・デマンド方式の液滴吐出ヘッドには駆動手段が圧電素子であるもの(特公平２−５１７３４号公報)やインクを加熱して気泡を発生させ、その圧力でインクを吐出させる方法(特公昭６１−５９９１１号公報)、駆動手段に静電気力を利用したもの(特開平５−５０６０１号公報)などがある。この中でもノズル開口が形成されたノズルプレートと振動板とをスペーサの両面に接着して圧力室を形成し、振動板を圧電振動子により変形させる形式の液滴吐出ヘッドは、インク滴を飛翔させるための駆動源として熱エネルギーを使用しないため熱によるインクの変質がなく特に熱により劣化しやすいカラーインクを吐出させることが可能である。しかも圧電振動子の変位量を調整してインク滴のインク量を自在に調節することが可能であるため高品質なカラー印刷のためのプリンタを構成するのに最適なヘッドである。
【０００３】
一方、液滴吐出ヘッドを用いてより品質の高いカラー印刷を行おうとすると、一層高い解像度が要求されるため、圧電振動子やスペーサ部材の隔壁等のサイズが必然的に小さくなって、部材の加工や部材の組み立てに高い精度が要求される。このため比較的簡単な手法で微細な形状を高い精度で加工が可能なシリコン単結晶基板の異方性エッチングを用いた部品製作技術、いわゆるマイクロマシニング技術を適用して液滴吐出ヘッドを構成する部材を加工することが検討され、種々な技術や手法が提案されている。このような単結晶シリコンを使用したスペーサは機械的剛性が高いため、圧電振動子の変形に伴う記録ヘッド全体のたわみを小さくできるとともにエッチングを受けた壁面が表面に対してほぼ垂直であるため圧力発生室を均一に構成することが可能であるという大きな利点を備えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例によれば、エッチングが結晶方位に依存するため液滴吐出ヘッドの圧力発生室として理想的な形状に加工することが困難で、インクの淀みや気泡の停滞を招きやすい、またヘッド組み立て時の接着剤が毛細管効果により接合部の反対面に流れ込んでしまう等の不都合を抱えている。このような課題に対して、特開平７−１７８９０８号公報に示されているように異方性エッチングにより生ずる鋭角部を無くし、６面で囲む提案があるが、この場合は高次面が発生してしまい、制御が難しいという問題がある。また、高次面からなるので表面がガタガタでインク流れを阻害するといった問題がある。
【０００５】
本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、インクの流れが滑らかで、接着剤の流入のないシリコン単結晶基板の異方性エッチングにより加工した圧力液室、インク供給口を備えた、液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記問題点を解決するために、本発明の液滴吐出装置は、液滴が吐出されるノズルを有するノズル形成部材と、このノズル形成部材と接合された連通管と、この連通管を介してノズルと連通する加圧液室と、この加圧液室を加圧する振動板とを備えている。更に、本発明の液滴吐出装置によれば、連通管及び加圧液室は、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板の異方性エッチングで形成されており、連通管は、ノズル形成部材との接合面における平面形状が全ての辺が鈍角で接する六角形を有し、接合面と平行で連通管の連通方向中央部における断面形状が平行四辺形である。よって、ノズル形成部材と加圧液室とを接着剤で接合する際に毛細管効果による接着剤の連通管内部への流入を防止することが可能であるため接着剤の流入による液滴の噴射曲がり等の不具合をなくすことができ、また気泡の停滞がなくインクの流れに淀みがない形状であるために、気泡滞留による噴射ダウンのない高信頼性の液滴吐出ヘッドを提供することができる。
【０００７】
また、別の発明としてのインクジェット記録装置は、上記液滴吐出ヘッドを搭載したことに特徴がある。よって、接着剤の連通管内部への流入を防止することが可能であり、また気泡の停滞を防止することが可能な液滴吐出ヘッドを使用した高信頼性のインクジェット記録装置を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の液滴吐出ヘッドは、シリコンの異方性エッチングにより生ずる略平行四辺形形状のノズル接合面側及び振動板接合面側の鋭角部を無くして鈍角により接する形状にすることにより、気泡の停滞を招きやすい箇所に傾斜部を設けることによりインクの流れを滑らかにすること、またヘッド組み立て時、特に加圧液室形成部材とノズルあるいは振動板の接合時の接着剤が連通管内部へ流入することを防止して接着剤流入による組み立て不良の防止また接着剤の流入による噴射曲がりの防止できる。
【００１５】
【実施例】
図１は本発明の一実施例に係る液滴吐出ヘッドの構成を示す分解斜視図である。同図において、本実施例の液滴吐出ヘッド１００は、ノズル板１０１、加圧液室形成部材１０２、振動板１０３及びアクチュエータ形成部材１０４を含んで構成されている。ノズル板１０１にはインク滴を飛翔させるための微細孔である多数のノズル孔１０５を各加圧液室１０６の先端部分に対応して形成されており、このノズル孔１０５の径は２０〜３５μｍである。このノズル板１０１は例えば電鋳工法によって製造したＮｉの金属プレートを用いているが、シリコンやその他金属材料、あるいはポリイミド等の樹脂フィルムを用いることができる。なお、ノズル板１０１には撥水性の表面処理膜を成膜している。加圧液室形成部材１０２はシリコンで形成されており、シリコン基板の面方位は(１１０)を使用している。このように、(１１０)基板を使用することにより、ノズルのピッチ方向に対して垂直に加圧液室１０６を形成することができるため、微細化、狭ピッチ化に有利となる。加圧液室形成部材１０２には、各ノズル孔１０５の連通する連通管１０７と加圧液室１０６が形成されている。各ノズル孔１０５へ連通する連通管１０７は、例えばドライエッチング法と異方性エッチング方法により形成されている。加圧液室１０６及び共通液室１０８はＳｉの異方性エッチング方により形成されている。また、シリコンの加圧液室形成部材１０２の表面には酸化膜が形成されている。酸化膜が形成されていることで、インクに対して溶出しにくく、また濡れ性も向上するため気泡の滞留が生じにくい構造となる。これは酸化膜に限らず窒化チタン(ＴｉＮ)膜、またはポリイミド膜でもかまわない。また、振動板１０３はＮｉ電鋳工法で形成した金属プレートからなり、この振動板１０３の振動機能部は圧電素子内の非駆動部に接合する梁部１０９と圧電素子内の駆動部と接合する島状の凸部１１０と、この凸部１１０の周囲に形成した厚み２〜１０μｍ程度の最薄膜部分１１１(ダイヤフラム領域)とからなる。更に、アクチュエータ形成部材１０４はセラミックス基板、例えばチタン酸バリウム、アルミナ、フォルステライトなどの絶縁性の基板上に電気機械変換素子である複数の積層型圧電素子を列状に２列配列して接合して構成され、これら２列の各圧電素子をダイシングにより切断を行っている。なお、各列の複数の圧電素子はチャンネル方向で駆動波形を印加する駆動部１１２と駆動波形を印加しない非駆動部１１３を交互に構成している。ここで圧電素子は厚さ１０〜５０μｍ／層のチタン酸ジルコン酸（ＰＺＴ）と厚さ数μｍ／層の銀パラジューム(ＡｇＰｄ)からなる内部電極とを交互に積層したものである。圧電素子を厚さ１０〜５０μｍ／層の積層型とすることによって低電圧駆動を可能としている。なお、電気機械変換素子としてＰＺＴに限られるものではない。そして、この圧電素子の内部電極を交互に端面に取り出して端面電極として一方基板上に共通電極パターン及び個別電極パターンを駆動部となる圧電素子の端面電極に導電性接着剤等を介して電気的に接続し、共通電極パターン及び共通電極パターンに接続したＦＰＣケーブルを介してＰＣＢ基板と接続して駆動部に駆動波形を印加することによって積層方向の伸び���変位を発生させる。
【００１６】
図２は本実施例における液滴吐出ヘッドの加圧液室形成部材の構造を示す断面図である。図２の（ａ）は片面流路方式の構造を示す断面図、図２の（ｂ）は両面流路方式の構造を示す断面図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。図２の（ａ）に示す片面流路方式の構造において、加圧液室形成部材１０２は、加圧液室１０６と、加圧液室１０６とノズルとを連通する連通管１０７とからなる。また、図２の（ｂ）に示す両面流路方式の構造において、インクがノズルへと流れる流路がノズル面側２０１と振動板側２０２の２箇所形成されており高周波数での駆動時でもインクのリフィルを十分に確保できる構造となっている。インクは加圧液室１０６にて振動板を圧電素子により変形させることで加圧され連通管１０７を通ってノズルへと向かう。加圧されたインクはノズルより噴射される。
【００１７】
ここで、本実施例と従来例とを比較してみると、図３の（ａ），（ｂ）は従来例で加圧液室形成部材の上面図と、加圧液室形成部材のノズル接合面及び振動板接合面を示す上面図である。同図の（ａ）に示すように、ノズル接合面での連通管開口部の形状は略平行四辺形をしており、図中実線○で囲まれた部分の鋭角によりなる２つの角部と図中点線○で囲まれた部分の鈍角からなる２つの角部により囲まれている。このように、図３の（ａ）の実線○で囲まれた部分の鋭角の角部には気泡が停滞しやすくまたインク流れが滞りやすい形状となっている。また、同図の（ｂ）に示すように、振動板接合部の連通管直下の形状は、図中実線○で囲まれた部分の鋭角によりなる１つの角部を含む３辺により形成されている。この形状の場合は、ノズルあるいは振動板との接合を接着剤にて行う際に毛細管効果により鋭角部では接着剤が連通管内部に流入してしまい、噴射不良や噴射曲がりの原因となってしまう。
【００１８】
一方、図４の（ａ），（ｂ）は本実施例による加圧液室形成部材の上面図と、本実施例の加圧液室形成部材のノズル接合面及び振動板接合面の上面図である。同図の（ａ）に示すように、本実施例のノズル接合面は図中実線○で囲まれた６つの部分の鈍角で接する六辺で形成されている。また、同図の（ｂ）に示すように、振動板接合面は図中実線○で囲まれた部分の鈍角で接する四辺で形成されている。このために従来例で生じていたような毛細管効果により鋭角部で接着剤が連通管内部に流入してしまうこともなく、噴射不良や噴射曲がりといった不具合も生じない形状となっている。
【００１９】
次に、図５の（ａ）は従来例における加圧液室形成部材の１ビット分の斜視図、図５の（ｂ）は本実施例における加圧液室形成部材の１ビット分の斜視図である。図５の（ａ）に示す従来例によれば、図中実線○で囲まれた２つの鋭角の角部には気泡が停滞しやすくまたインク流れが滞りやすい形状となっている。一方、図５の（ｂ）に示す本実施例によれば、連通管直下のノズルと接合される面がノズルと接合される面と垂直な４面の壁（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とノズルと接合される面と鈍角で接する２面の壁（Ｅ，Ｆ）とで形成されており、また連通管直下の振動板と接合される面が振動板と接合される面と垂直な３面の壁（Ａ，Ｃ，Ｄ）とノズルと接合される面と鈍角で接する１面の壁（Ｇ）とで形成されているために気泡の停滞がなく、更にインク流れの滞りもないため噴射ダウン等の不具合が生じない高信頼性の液滴吐出ヘッドを形成できる形状となっている。また、本実施例によれば、図５の（ｂ）に示すように、連通管の形状がノズル面では表面は鈍角で囲まれた６辺で囲まれているのに対して連通管内部では４辺で囲まれた形状になっている。このような形状にすることで、従来例の１つである特開平７−１７８９０８号公報に示されているような高次面が発生してしまい、制御が難しいという問題もなく、また高次面からなるので表面がガタガタでインク流れを阻害するといった問題があるも解決することが可能となる。
【００２０】
図６は本発明の一実施例に係る液滴吐出ヘッドの加圧液室形成部材の製造工程を示す断面図である。先ず、図６の（ａ）に示すように、厚さ４００μｍのシリコン基板(１１０)６０１を用意し、厚さ１．０μｍのシリコン酸化膜６０２及び０．２μｍのＬＰ−ＣＶＤ窒化膜６０３を形成する。次に、図６の（ｂ）に示すように、ノズル接合面に連通管形成パターン６０５と接合時の余剰接着剤を流れ込ませる肉抜きパターン６０６の形状にレジストのパターニング６０４を行い、その後窒化膜６０３をドライエッチングにてパターニングを行う。この連通管形成パターンは鈍角で接する６辺によって形成された形状となっている。次に、図６の（ｃ）に示すように、レジストのパターニング６０７を行い、その後シリコン酸化膜６０２を連通管形成パターン６０８の形状にドライエッチングにてパターニングを行う。その後、図６の（ｄ）に示すように、加圧液室のパターン６１０及び振動板との接合時の余剰接着剤を流れ込ませる肉抜きパターン６０９の形状にレジストのパターニングを行い、その後窒化膜６０４のパターニングをノズル面同様ドライエッチングにて行う。次に、図６の（ｅ）に示すように連通管形成パターン６１２の形状にシリコン酸化膜６０２のパターニングを行う。その後、図６の（ｆ）に示すように、ＩＣＰドライエッチャーを使用して連通管形状６１３のパターニングを行う。この際のレジスト６１１の膜厚は８μｍにて行った。ＩＣＰエッチャーを使用してのドライエッチングは３００μｍの深さまで行った。その後、図６の（ｇ）に示すようにレジスト６１１を除去して水酸化カリウム水溶液によりシリコンの異方性エッチングを行い、連通管６１４を貫通させた。水酸化カリウム水溶液による連通管６１４の貫通工程ではノズル面側、振動板側両面よりエッチングを行う。連通管貫通直後は異方性エッチングによる傾斜部が発生するが、本実施例ではこの傾斜部をこの連通管貫通工程にて後退させて傾斜部全てのエッチングを行った。その後、図６の（ｈ）に示すように、窒化膜６０４をマスクとして希ふっ酸によりシリコン酸化膜６０２のウェットエッチング６１５を行う。そして、図６の（ｉ）に示すように、再度水酸化カリウム水溶液によりシリコンの異方性エッチングを行い、加圧液室部６１６及び肉抜き部６１７の形成を行う。最後に、図６の（ｊ）に示すように、窒化膜６０４及びシリコン酸化膜６０２の除去を行い、その後耐インク接液膜としてシリコン酸化膜を１μｍの厚さで形成してインクジェット用加圧液室形成部材の形成を行った。
【００２１】
このように、本実施例ではノズル形成部材との接合面は鈍角で接する六辺で形成されており、振動板との接合面は全て鈍角で接する辺で形成されている。ノズル形成部材及び振動板との接合面に鋭角部分を形成しないことで後工程のノズル形成部材及び振動板との接合時に毛細管効果により接着剤が連通管内に進入することを防ぐことができる。また、連通管内部及び加圧液室の高次面が形成されないことにより気泡の停滞が無く、インク流れも滞りなく行われるため高信頼性の液滴吐出ヘッドを形成することが可能となった。
【００２２】
図７は本発明による加圧液室形成部材の別の製造工程を示す断面図である。先ず、図７の（ａ）に示すように、厚さ４００μｍのシリコン基板(１１０)７０１を用意し、厚さ１．０μｍのシリコン酸化膜７０２及び０．２μｍのＬＰ−ＣＶＤ窒化膜７０３を形成した。次に、図７の（ｂ）に示すように、ノズル接合面にノズル面側流路パターン７０５と接合時の余剰接着剤を流れ込ませる肉抜きパターン７０６の形状にレジストのパターニング７０４を行い、その後窒化膜７０３をドライエッチングにてパターニングを行う。このノズル面側流路パターンの連通管直下の形状は鈍角で接する４辺によって形成された形状となっている。次に、図７の（ｃ）に示すように、レジストのパターニング７０７を行い、シリコン酸化膜７０２を連通管パターン７０８の形状にドライエッチングにてパターニングを行う。その後、図７の（ｄ）に示すように、加圧液室のパターン７１０及び振動板との接合時の余剰接着剤を流れ込ませる肉抜きパターン７０９の形状にレジストのパターニング及び窒化膜７０３のパターニングを行う。次に、図７の（ｅ）に示すように、連通管形成パターン７１２の形状にシリコン酸化膜７０２のパターニングを行う。その後、図７の（ｆ）に示すように、ＩＣＰドライエッチャーを使用して連通管形状７１３のパターニングを行う。この際のレジスト７１１の膜厚は８μｍにて行った。次に、図７の（ｇ）に示すように、レジスト７１１を除去して水酸化カリウム水溶液によりシリコンの異方性エッチングを行い、連通管７１４を貫通させた。その後、図７の（ｈ）に示すように、窒化膜７０３をマスクとして希ふっ酸によりシリコン酸化膜７０２のウェットエッチング７１５を行う。そして、図７の（ｉ）に示すように、再度水酸化カリウム水溶液によりシリコンの異方性エッチングを行い、加圧液室部７１６及びノズル面流路部７１７、肉抜き部７１８を形成した。最後に、図７の（ｊ）に示すように、窒化膜７０３及びシリコン酸化膜７０２の除去を行い、その後耐インク接液膜としてシリコン酸化膜７０２を１μｍの厚さで形成インクジェット用加圧液室形成部材の形成を行った。
【００２３】
このように、本実施例ではノズル形成部材との接合面及び振動板との接合面が全て鈍角で接する辺で形成されている。ノズル形成部材及び振動板との接合面に鋭角部分を形成しないことで後工程のノズル形成部材及び振動板との接合時に毛細管効果により接着剤が連通管内に進入することを防ぐことができる。また連通管内部及び加圧液室の高次面が形成されないことにより気泡の停滞が無くインク流れも滞りなく行われるため高信頼性のインクジェットを形成することが可能となった。また、本実施例はノズル面側にもノズルへインクを供給する流路が形成されており、高周波駆動時でのインクのリフィルが十分確保することができ、高速印字が可能となった。
【００２４】
次に、上記各実施例の液滴吐出ヘッドを有するインクジェット記録装置について説明する。
図８は別の発明のインクジェット記録装置の構成を示す概略断面図である。同図に示すように、インクジェット記録装置８０１は、シアンＣ、マゼンタＭ、イエローＹ、ブラックＢＫの各色のインクをそれぞれ収納した４個のインクカートリッジ８０２と、複数のノズルを有し各カートリッジ８０２からインクが供給される４個の液滴吐出ヘッド８０３と、インクカートリッジ８０２と液滴吐出ヘッド８０３を搭載したキャリッジ８０４と、記録紙を収納した給紙トレイ８０５ａ，８０５ｂや手差しテーブル８０６から記録紙を印字部８０７に搬送する搬送ローラ８０８と、印字した記録紙を排紙トレイ８０９に排出する排出ローラ８１０を有する。そして、ホスト装置から送られてくる画像データを記録紙に印字するときは、キャリッジ８０４をキャリッジローラ８１１に倣って走査しながら、搬送ローラ８０８により印字部８０７に送られた記録紙に液滴吐出ヘッド８０３のノズルから画像データに応じてインクを噴射して文字や画像を記録する。本発明のインクジェット記録装置に適用される液滴吐出ヘッド８０３は、上記各実施例の液滴吐出ヘッドであり、電極に電圧を印加することにより、当該電極とこれに対向して配置された振動板との間に静電気力により引力が働き、この静電気力によって振動板を変形させ、インク液滴をノズルより吐出させるものである。
【００２５】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の液滴吐出装置は、液滴が吐出されるノズルを有するノズル形成部材と、このノズル形成部材と接合された連通管と、この連通管を介してノズルと連通する加圧液室と、この加圧液室を加圧する振動板とを備えている。更に、本発明の液滴吐出装置によれば、連通管及び加圧液室は、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板の異方性エッチングで形成されており、連通管は、ノズル形成部材との接合面における平面形状が全ての辺が鈍角で接する六角形を有し、接合面と平行で連通管の連通方向中央部における断面形状が平行四辺形である。よって、ノズル形成部材と加圧液室とを接着剤で接合する際に毛細管効果による接着剤の連通管内部への流入を防止することが可能であるため接着剤の流入による液滴の噴射曲がり等の不具合をなくすことができ、また気泡の停滞がなくインクの流れに淀みがない形状であるために、気泡滞留による噴射ダウンのない高信頼性の液滴吐出ヘッドを提供することができる。
【００２７】
また、別の発明としてのインクジェット記録装置は、上記液滴吐出ヘッドを搭載したことに特徴がある。よって、接着剤の連通管内部への流入を防止することが可能であり、また気泡の停滞を防止することが可能な液滴吐出ヘッドを使用した高信頼性のインクジェット記録装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る液滴吐出ヘッドの構成を示す分解斜視図である。
【図２】本実施例における液滴吐出ヘッドの加圧液室形成部材の構造を示す断面図である。
【図３】従来例で加圧液室形成部材と、加圧液室形成部材のノズル接合面及び振動板接合面を示す上面図である。
【図４】本実施例による加圧液室形成部材と、本実施例の加圧液室形成部材のノズル接合面及び振動板接合面の上面図である。
【図５】従来例と本実施例における加圧液室形成部材の１ビット分の斜視図である。
【図６】本発明の一実施例に係る液滴吐出ヘッドの加圧液室形成部材の製造工程を示す断面図である。
【図７】本発明に係る液滴吐出ヘッドの加圧液室形成部材の別の製造工程を示す断面図である。
【図８】別の発明のインクジェット記録装置の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１００；液滴吐出ヘッド、１０１；ノズル板、１０２；加圧液室形成部材、
１０３；振動板、１０４；アクチュエータ形成部材、１０５；ノズル孔、
１０６；加圧液室、１０７；連通管、１０８；共通液室、
１０９；梁部、１１０；凸部、１１１；最薄膜部分、１１２；駆動部、
１１３；非駆動部。
【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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