JP2001301173A - 液滴吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 振動室のエアダンパ効果を低減して低電圧で
安定的に駆動可能な液滴吐出ヘッドの提供。 【解決手段】 各液室６を隔てる液室間隔壁９の直下に
振動板１０と電極１４との各ギャップ空間１５を隔てる
ギャップ間隔壁を有せず、電極基板２の液室間隔壁９の
直下の部分にギャップ空間１５に開口した凹部１８を有
している構造とした。

Description

【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し、
特に静電型液滴吐出ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の
画像記録装置或いは画像形成装置として用いるインクジ
ェット記録装置において使用する液滴吐出ヘッドである
インクジェットヘッドとしては、インク滴を吐出するノ
ズルと、このノズルが連通する液室（インク流路、圧力
室、吐出室、加圧液室等とも称される。）とこの液室の
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、振動板と電極との間に電圧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、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滴を吐
出させる静電型インクジェットヘッドが知られている。

【０００３】このような静電型インクジェットヘッドに
おいては、振動板と電極との間に微小なギャップ（ギャ
ップを形成する空間を「ギャップ空間」という。）を形
成することが必要で、この微小なギャップ空間に水分や
異物が混入すると、振動板の変位量が変化して、インク
滴吐出量やインク滴吐出速度が増加或いは減少するなど
インク滴吐出特性が変動し、或いは振動板が変位しなく
なって、インク滴吐出不能になるなど、画像品質が劣化
することがある。

【０００４】そのため、ギャップ空間を外気から封止す
る必要があるが、このようにギャップ空間を封止する
と、ギャップ空間は振動板が変形変位するための室（こ
れを「振動室」という。）を形成しており、振動板の変
位に伴って空気が圧縮されて圧力が上昇し、振動板の変
位が抑制される（この現象を「エアダンパ効果」とい
う。）が発生し、必要な振動板変位量を得られなくな
る。

【０００５】そこで、従来、特開平７−２９９９０８号
公報に開示されているように、振動室の容積変化量を規
定したり、振動室の容積を一定値に保ったりする手段を
設けたり、また、特開平１１−３４３１９号公報に開示
されているように、振動板直下以外の空間を広くした
り、隣接する振動室（ギャップ空間）を連通すること
で、振動室全体の容量を増やし、その振動室内圧力の上
昇を低減させるようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した従
来の静電型インクジェットヘッドを試作して実験した結
果、振動板の静的又は準静的に取り扱える低い駆動周波
数では、エアダンパ効果は低減したが、駆動周波数を数
ＫＨｚ〜数＋ＫＨｚまでダイナミックに駆動した場合に
は、振動板の直下から離れた場所の方へ容量を大きくし
ても、エアダンパ効果は低減しなかった。

【０００７】そこで、本発明者らは、さまざまの実験を
繰り返した結果、エアダンパ効果の低減効果が得られな
いのは、空気の圧力の伝播速度（音速）を考慮すると、
駆動周波数が５０ｋＨｚの時、空気の圧力は、約１．７
ｍｍ（＝１／５０ＫＨｚ×１／４×３３０ｍ／ｓｅｃ）
しか進まないために振動室（ギャップ空間）全体の圧力
を上昇するまでには至らないこと、また空気そのものも
短時間では微小な距離しか進まないことから、振動板近
傍の圧力のみが上昇するためであるという知見を得た。

【０００８】本発明は上記の課題と知見に基づいててな
されたものであり、エアダンパ効果を低減して低電圧で
安定的に駆動可能な液滴吐出ヘッドを提供することを目
的とする。

【０００９】

【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、各液室を隔てる液
室間隔壁の直下に振動板と電極との間の各ギャップ空間
を隔てるギャップ間隔壁を有せず、電極基板の液室間隔
壁の直下の部分にギャップ空間に開口した凹部を有して
いる構成としたものである。

【００１０】本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液室を隔
てる液室間隔壁の直下に振動板と電極との間の各ギャッ
プ空間を隔てる各ギャップ間隔壁を有し、このギャップ
間隔壁に各ギャップ空間を連通する連通路を形成し、電
極基板の連通路に対応する部分にギャップ空間に開口し
た凹部を有している構成としたものである。

【００１１】本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液室を隔
てる液室間隔壁に振動板と電極との間のギャップ空間に
開口した凹部を設ける構成としたものである。ここで、
液室間隔壁の直下に振動板と電極との間のギャップ空間
を隔てるギャップ間隔壁を有しないことができる。

【００１２】さらに、これらの液滴吐出ヘッドにおい
て、振動板に対して電極を非平行状態で配置したことが
好ましい。

【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は本発明の第１実施形態
に係る静電型インクジェットヘッドの液室長辺方向に沿
う模式的断面説明図、図２は同ヘッドの液室短辺方向に
沿う模式的断面説明図である。

【００１４】このインクジェットヘッドは、振動板基板
１と電極基板２とノズル板３とを接合し、インク滴を吐
出するノズル５と、このノズル５が連通する液室６、こ
の液室６にインクを供給する共通液室７、液室６と共通
液室７とを連通するリフィル部（流体抵抗部）８などを
形成している。なお、各液室６は隔壁（これを「液室間
隔壁」という。）９で仕切られている。

【００１５】ここで、振動板基板１には、液室６及びこ
の液室６の壁面（底面）となる振動板１０を形成する凹
部、共通液室７となる凹部、流体抵抗部８である穴部を
形成している。この振動板基板１の振動板１０は、例え
ばシリコン基板に高濃度ボロン拡散層を形成し、この高
濃度ボロン拡散層をエッチングストップ層として異方性
エッチングを行うことによって高精度に形成することが
できる。その他、ＳＯＩ基板や多結晶シリコン基板など
を用いることもできる。

【００１６】次に、電極基板２は、ガラス基板或いはシ
リコン基板に熱酸化膜などの絶縁膜を形成したものを用
いて、ガラス基板の場合にはそのまま、シリコン基板の
場合には絶縁膜に複数の電極を形成するための凹部１１
を形成し、この凹部１１に各振動板１０に所定のギャッ
プをおいて対向する複数の電極１４を形成し、これらの
振動板１０と電極１４で静電アクチュエータを構成して
いる。なお、この振動板１０と電極１４との間のギャッ
プを含む空間をギャップ空間１５とする。

【００１７】この電極１１の表面には酸化膜或いは窒化
膜などの絶縁膜を形成して、振動板１０と対向する電極
１４の接触による損傷などを防止している。この場合、
振動板１０側に絶縁膜を形成することもできる。

【００１８】また、電極基板２に形成された凹部１１
は、振動板１０と電極１４との間の各ギャップ空間１５
を隔てる隔壁（これを「ギャップ間隔壁」と称する。）
を個別に設けることなく、一括して形成され、この電極
基板２と振動板基板１とを接合することにより、凹部１
１と振動板基板１との間に空間（これを「振動室１６」
と称する。）を構成している。なお、電極基板２に凹部
１１を形成した後、凹部１１に電極１４を配置し、次
に、電極基板２と振動板基板1を接合してから、振動板
基板１に液室６と振動板１０などを形成しても良い。

【００１９】そして、このヘッドでは液室６を隔てる液
室間隔壁９の直下には、ギャップ間隔壁を有せず、電極
基板２の液室間隔壁９の直下の部分には、ギャップ空間
１５（振動室１６）に開口した凹部１８を形成してい
る。この凹部１８は、電極基板２の厚さが厚い場合は、
できるだけ深く形成することが好ましい。

【００２０】この凹部１８を設けた振動室１６に水分や
埃等の異物がギャップに侵入すると、振動板１０が変位
し難くなるので、その水分や埃が侵入するのを防止する
ために、凹部１１の開口端部を封止部材１９にて封止
し、密閉空間としてギャップ内への異物などの浸入を防
止している。なお、密閉された振動室１６の内部は体積
圧縮率の小さな物質、例えば空気などの気体にしてい
る。

【００２１】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と電極１４との間に駆動電圧を
印加することによって、振動板１０と電極１４との間に
静電力（静電吸引力）が発生して、振動板１０が電極１
４側に変形変位する。これにより、液室６の内容積が拡
張されて内圧が下がるため、流体抵抗部８を介して共通
液室７から液室６にインクが充填される。

【００２２】次いで、電極１４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。この動作に伴い液室６の内圧が
上昇し、ノズル５からインク滴が吐出される。再び電極
１４に電圧を印加すると、再び静電吸引力によって振動
板１０は電極１４側に引き込まれる。

【００２３】ところで、上述したように振動板１０が変
位することによって、密閉空間（振動室１６）の空気が
圧縮され、圧力が上昇するので、振動板１０が振動室１
６の圧力で押し戻され、空気が無い場合による計算で求
めた振動板１０の変位よりも小さくなる（これをエアダ
ンパ効果と呼ぶ）。ここで、圧力の上昇ΔＰは、（１）
式で表される。

【００２４】

【数１】

【００２５】この（１）式で、Ｐ₀は振動室１６の初期
圧力、Ｖは振動室１６の初期容積、ΔＶは振動板１０の
変位による容積変化量を示している。このエアダンパ効
果を低減し、振動室内部の圧力上昇ΔＰを減少させ、駆
動の低電圧化と応答性の向上を達成するためには、振動
室１６の初期容量を増加させることが効果的であること
が理解される。

【００２６】そこで、この実施形態のインクジェットヘ
ッドにおいては、前述したように、液室間隔壁９の直下
にギャップ間隔壁を有せず、液室間隔壁９の直下に振動
室１６に開口した凹部１８を形成している。したがっ
て、液室間隔壁９の直下にギャップ間隔壁を設ける場合
に比べて、振動室１６の初期容量が増加するので、その
分圧力上昇も小さくなり、エアダンパ効果を低減するこ
とができる。

【００２７】さらに、電極基板２の厚さが厚い場合、電
極基板２の凹部１８をできるだけ深く形成することで、
エアダンパ効果をより低減することができる。さらに、
1つまたは複数の振動板１０が、振動板１０に対向する
電極１４側に変位した場合でも、電極基板２と振動板基
板１とが接合され、封止部材１９にて凹部１１の開口端
部が封止されているので、振動板基板１は振動室１６に
落ち込むことはなく、アクチュエータとして作用するこ
とができる。

【００２８】次に、本発明の第２実施形態に係るインク
ジェットヘッドについて図３及び図４を参照して説明す
る。なお、図３は同ヘッドの液室長辺方向の模式的断面
説明図、図４は同ヘッドの液室短辺方向の模式的断面説
明図である。

【００２９】この実施形態では、電極基板２に各電極１
４毎の凹部２１を形成して、液室間隔壁９の直下に各ギ
ャップ空間１５を仕切るギャップ間隔壁２２を形成して
いる。そして、このギャップ間隔壁２２に各ギャップ空
間１５を連通する連通路を形成する切り欠き部２３を形
成し、この切り欠き部２３の底部に連続してギャップ空
間１５に開口する凹部１８を形成している。

【００３０】このように、液室間隔壁９の直下に振動板
基板１と電極基板２との接合支持部を兼ねたギャップ間
隔壁２２を設け、このギャップ間隔２２にギャップ空間
１５を連通する連通路を形成し、この連通路に対応して
凹部１８を形成することにより、振動板基板１と電極基
板２との接合強度が増加して液室６の変形が防止される
とともに、エアダンパ効果を低減することができる。

【００３１】すなわち、複数のノズルを有するマルチノ
ズルヘッドの場合、液室６を隔てる液室間隔壁９の厚
さ、幅、高さなどにもよるが、振動室１６に面してい
る、つまり、露出している振動板基板１の面積が大きす
ぎると、複数のアクチュエータを同時に駆動したとき
に、液室間隔壁９が振動室１６側に撓んでしまうことが
ある。

【００３２】そこで、液室間隔壁９の直下にギャップ間
隔壁２２を設けることで、複数のアクチュエータを同時
に駆動したときに、液室間隔壁９が振動室１６側に撓ん
でしまうことを防止している。

【００３３】次に、本発明の第３実施形態に係るインク
ジェットヘッドについて図５を参照して説明する。な
お、同図は同ヘッドの液室短辺方向の要部拡大説明図で
ある。この実施形態においては、液室間隔壁９内にギャ
ップ空間１５に開口する凹部２５を形成している。ま
た、液室間隔壁９の直下には凹部２５の開口を妨げない
部分に前記第２実施形態と同様にギャップ間隔壁２２を
形成した構成としている。

【００３４】このように構成しても、振動室１６の初期
容量が凹部２５の分だけ増加するので、その分圧力上昇
も小さくなり、エアダンパ効果を低減することができ
る。また、液室間隔壁９の内部に空間となる凹部２５を
有することで、駆動した液室６で発生する圧力波が液室
間隔壁９を介して隣接する液室６に伝搬することが低減
され、クロストークを低減することができる。

【００３５】次に、本発明の第４実施形態に係るインク
ジェットヘッドについて図６を参照して説明する。な
お、同図は同ヘッドの液室短辺方向の要部拡大説明図で
ある。この実施形態においては、液室間隔壁９内にギャ
ップ空間１５に開口する凹部２５を形成している。ま
た、この実施形態においては、液室間隔壁９の直下にギ
ャップ間隔壁を有しない構成としている。

【００３６】このように構成しても、振動室１６の初期
容量が凹部２５の分だけ増加するので、その分圧力上昇
も小さくなり、エアダンパ効果を低減することができる
ことは上記第３実施形態と同様である。

【００３７】次に、本発明の第５実施形態に係るインク
ジェットヘッドについて図７を参照して説明する。な
お、同図は同ヘッドの液室短辺方向の要部断面説明図で
ある。この実施形態では、電極基板２の凹部１１内に電
極１４を傾斜させて配置するための断面略直角三角形状
の電極形成部２６を立ち上げて形成し、この電極形成部
２６に電極１４を形成することにより、振動板１０と電
極１４とを振動板短手方向で非平行な状態で対向配置し
ている。この非平行な振動板１０と電極１４との間に形
成されるギャップを非平行ギャップという。そして、前
記第１実施形態と同様に電極基板２にギャップ空間１５
に開口する凹部１８を形成している。

【００３８】このように振動板１０と電極１４とを非平
行な状態で対向配置することにより、振動板１０は電極
１４との間のギャップが短いところから変位を開始する
ので、漸次振動板１０と電極１４とのギャップ長は短く
なる。したがって、振動板１０を変位させるための駆動
電圧の低電圧化を図ることができる。

【００３９】なお、電極基板２の凹部１１に形成した電
極形成部２６は凹部１１を形成するときにエッチング等
で電極形成部２６を残して掘り込んで形成することがで
きる。

【００４０】また、電極１４の表面に形成する保護膜の
厚みを電極形成部２６と振動板基板１との最も狭い部分
を埋める形で形成することで、保護膜と振動板基板１と
を接合することができ、液室間隔壁９の直下に形成した
ギャップ間隔壁となる支持部材として機能させることが
できる。

【００４１】次に、本発明の第６実施形態に係るインク
ジェットヘッドについて図８を参照して説明する。な
お、同図は同ヘッドの要部斜視説明図である。この実施
形態は、上記第５実施形態における電極形成部２６をギ
ャップ間隔壁２２と一体に形成し、前記第２実施形態の
ようにギャップ間隔壁２２に電極形成部２６を含めて切
り欠き部２３を形成し、この切り欠き部２３に対応する
部分に凹部１８を形成したものである。

【００４２】このようにすることで、低電圧駆動化を図
りつつ、エアダンパ効果を低減することができる。

【００４３】なお、上記各実施形態においてはインク滴
を吐出するインクジェットヘッドに適用した例で説明し
たが、液体レジスト等の他の液体を吐出するヘッドにも
同様に適用することができる。

【００４４】

【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、液室間隔壁の直下の部分にギャッ
プ間隔壁を有せず、電極基板の液室間隔壁の直下の部分
にギャップ空間に開口した凹部を形成したので、振動室
容積を増加できてエアダンパ効果を低減でき、低電圧駆
動が可能で、応答性も向上する。

【００４５】本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液室間隔
壁の直下に各ギャップ間隔壁を有し、このギャップ間隔
壁に各ギャップ空間を連通する連通路を形成し、電極基
板の連通路に対応する部分にギャップ空間に開口した凹
部を有しているので、液室や振動板の剛性を確保しつ
つ、実効的な空間の減少を低減できてエアダンパ効果を
低減でき、信頼性が向上する。

【００４６】さらに、液室を隔てる液室間隔壁に振動板
と電極との間のギャップ空間に開口した凹部を設けたの
で、振動室容積を増加できてエアダンパ効果を低減で
き、低電圧駆動が可能で、応答性も向上する。ここで、
液室間隔壁の直下に振動板と電極との間のギャップ空間
を隔てるギャップ間隔壁を有しないことで、振動室容積
を更に大きくすることができる。

【００４７】これらの液滴吐出ヘッドにおいて、振動板
に対して電極を非平行状態で配置することで、低電圧駆
動化を図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る静電型インクジェ
ットヘッドの液室長辺方向に沿う模式的断面説明図

【図２】同ヘッドの液室短辺方向に沿う模式的断面説明
図

【図３】本発明の第２実施形態に係る静電型インクジェ
ットヘッドの液室長辺方向に沿う模式的断面説明図

【図４】同ヘッドの液室短辺方向に沿う模式的断面説明
図

【図５】本発明の第３実施形態に係る静電型インクジェ
ットヘッド液室短辺方向に沿う要部拡大説明図

【図６】本発明の第４実施形態に係る静電型インクジェ
ットヘッド液室短辺方向に沿う要部拡大説明図

【図７】本発明の第５実施形態に係る静電型インクジェ
ットヘッド液室短辺方向に沿う要部説明図

【図８】本発明の第６実施形態に係る静電型インクジェ
ットヘッドの要部斜視説明図

【符号の説明】

１…振動板基板、２…電極基板、３…ノズル板、５…ノ
ズル、６…液室、７…共通液室、８…リフィル部、９…
液室間隔壁、１０…振動板、１１、２１…凹部、１４…
電極、１５…ギャップ空間、１６…振動室、１８…凹
部、２２…ギャップ間隔壁、２３…切り欠き部、２５…
凹部、２６…電極形成部。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液滴を吐出するノズルに連通している各
   液室の壁面を形成する振動板を設けた振動板基板と、前
   記振動板に対向する電極を設けた電極基板とを有し、前
   記振動板を静電力で変形変位させて前記ノズルから液滴
   を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、前記各液室を隔
   てる液室間隔壁の直下の部分に前記振動板と電極との間
   の各ギャップ空間を隔てるギャップ間隔壁を有せず、前
   記電極基板の前記液室間隔壁の直下の部分に前記ギャッ
   プ空間に開口した凹部を有していることを特徴とする液
   滴吐出ヘッド。
2. 【請求項２】 液滴を吐出するノズルに連通している各
   液室の壁面を形成する振動板を設けた振動板基板と、前
   記振動板に対向する電極を設けた電極基板とを有し、前
   記振動板を静電力で変形変位させて前記ノズルから液滴
   を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、前記液室を隔て
   る液室間隔壁の直下に前記振動板と電極との間の各ギャ
   ップ空間を隔てる各ギャップ間隔壁を有し、このギャッ
   プ間隔壁に各ギャップ空間を連通する連通路を形成し、
   前記電極基板の前記連通路に対応する部分に前記ギャッ
   プ空間に開口した凹部を有していることを特徴とする液
   滴吐出ヘッド。
3. 【請求項３】 液滴を吐出するノズルに連通している各
   液室の壁面を形成する振動けた振動板基板と、前記振動
   板に対向する電極を設けた電極基板とを有し、前記振動
   板を静電力で変形変位させて前記ノズルから液滴を吐出
   させる液滴吐出ヘッドにおいて、前記液室を隔てる液室
   間隔壁に前記振動板と電極との間のギャップ空間に開口
   した凹部を設けたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の液滴吐出ヘッドにおい
   て、液室間隔壁の直下に前記振動板と電極との間のギャ
   ップ空間を隔てるギャップ間隔壁を有しないことを特徴
   とする液滴吐出ヘッド。
5. 【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、前記振動板に対して前記電極を非
   平行状態で配置したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。