JP2002248774A - インクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧力発生室内のインクの圧力や流れが不安定
になってもインクの吐出制御を高精度に行うことができ
るインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記
録装置を提供すること。 【解決手段】 貯留されているインクを加圧してインク
滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッドに、前
記インク滴を１つ形成するための複数のノズル開口１１
を形成する。これにより、圧力発生室３１内のインクの
圧力や流れが不安定になっても、その影響は各ノズル開
口に分散されるので僅かなものとなり、ノズル開口から
のインク滴の吐出を安定させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力発生室内に貯
留されているインクを加圧してノズル開口からインク滴
として吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びその
ヘッドを用いて情報を記録媒体に印刷するインクジェッ
ト式記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、インクジェット式記録ヘッド
は、ノズル開口と、このノズル開口に連通されており、
一部が振動板で構成されている略直方体状の圧力発生室
と、この圧力発生室の振動板に連接されている圧電素子
を備えている。このような構成において、圧電素子を駆
動，変位させて振動板を変形させ、圧力発生室内に貯留
されているインクを加圧してノズル開口からインク滴と
して吐出させることにより、情報を記録媒体に記録する
ようになっている。

【０００３】上記インクジェット式記録ヘッドとして
は、軸方向に伸長・収縮する縦振動モードの圧電素子を
使用した方式のものが実用化されている。この方式のイ
ンクジェット式記録ヘッドによれば、圧電素子の端面を
振動板に接触させることにより圧力発生室の容積を変化
させることができるので、高密度印刷に適したものとす
ることができる。ところが、圧電素子を振動板に配設す
る製造工程において、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、切り分けた圧電素子
を圧力発生室に位置決めして固定するという複雑かつ困
難な作業が必要になるという問題がある。

【０００４】一方、他の方式のインクジェット式記録ヘ
ッドとしては、たわみ振動モードの圧電素子を使用した
方式のものが実用化されている。この方式のインクジェ
ット式記録ヘッドによれば、圧電材料でなるグリーンシ
ートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し焼成するのみ
という比較的簡単な作業で圧電素子を振動板に配設する
ことができるので、上記問題を解消することができる。
ところが、たわみ振動を利用しているため、圧電素子の
面積がある程度必要であり、高密度配列が困難であると
いう問題がある。

【０００５】そこで、この問題を解消すべく薄膜技術を
利用したインクジェット式記録ヘッドが提案されてい
る。すなわち、振動板の表面全面にわたって圧電材料層
を均一に成膜し、この圧電材料層をリソグラフィ法によ
り圧力発生室に対応する形状に切り分けて圧電素子を各
圧力発生室毎に独立するように形成する。これによれ
ば、リソグラフィ法という精密で簡便な手法により圧電
素子を振動板に配設することができるので、圧電素子を
振動板に貼付する作業が不要となり、さらに圧電素子の
厚みが薄くなって高速駆動が可能になるという利点があ
る。

【０００６】図８は、従来の薄膜技術を利用したインク
ジェット式記録ヘッドを示す概略断面図である。このイ
ンクジェット式記録ヘッドは、ノズル開口１ａが形成さ
れたノズルプレート１の上に圧電素子２及び圧力発生室
３ａが形成された流路形成基板３が接合され、流路形成
基板３の上にリザーバ形成基板４が接合され、リザーバ
形成基板４の上に封止板５及び圧電素子２の駆動回路
（ドライバＩＣ）６が接合され、これらがケースヘッド
７で覆われた構成となっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したインクジェッ
ト式記録ヘッドでは、圧力発生室３ａ内のインクの圧力
や流れが不安定になった場合、その影響がノズル開口１
ａに直接及ぶことになり、インクの吐出制御を高精度に
行うことができなくなる。

【０００８】本発明は、上記のような課題に鑑みなされ
たものであり、その目的は、圧力発生室内のインクの圧
力や流れが不安定になってもインクの吐出制御を高精度
に行うことができるインクジェット式記録ヘッド及びイ
ンクジェット式記録装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明の請求項１に係るインクジェット式記録ヘッドで
は、貯留されているインクを加圧してインク滴として吐
出させるインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記イ
ンク滴を１つ形成するための複数のノズル開口が形成さ
れていることを特徴としている。

【００１０】これにより、圧力発生室内のインクの圧力
や流れが不安定になっても、その影響は各ノズル開口に
分散されるので僅かなものとなり、ノズル開口からのイ
ンク滴の吐出を安定させることができる。

【００１１】請求項２に係る発明では、請求項１に記載
のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記ノズル開
口は、開口形状が円形状または多角形状に形成されてい
ることを特徴としている。このようにノズル開口が単純
な形状であれば、微小なノズル開口を複数形成する場合
でも比較的容易に形成することができる。

【００１２】請求項３に係る発明では、請求項１または
２に記載のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記
ノズル開口の間には、前記インクの流路を制御する柱状
体が形成されていることを特徴としている。これによ
り、圧力発生室内のインクの圧力や流れが不安定になっ
ても、インクの流体抵抗を低くしてインクの流れの直進
性を向上させることができるので、ノズル開口から記録
媒体へのインク滴の着弾を安定させることができる。

【００１３】請求項４に係る発明では、請求項３に記載
のインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記柱状体
は、断面形状が円形状または多角形状に形成されている
ことを特徴としている。このように柱状体が単純な形状
であれば、微小な柱状体を複数形成する場合でも比較的
容易に形成することができる。

【００１４】請求項５に係る発明では、請求項１〜４の
何れか一項に記載のインクジェット式記録ヘッドにおい
て、前記ノズル開口が形成されているノズルプレート
が、シリコン単結晶基板で成ることを特徴としている。
シリコン単結晶基板を用いることにより、ノズル開口や
柱状体をエッチングにより高精度で容易に形成すること
ができる。

【００１５】上記目的達成のため、本発明の請求項６に
係るインクジェット式記録装置では、請求項１〜５の何
れか一項に記載のインクジェット式記録ヘッドを備え、
そのヘッドを用いて情報を記録媒体に印刷することを特
徴としている。上述した各作用により、圧力発生室内の
インクの圧力や流れが不安定になってもインクの吐出制
御を高精度に行うことができる記録装置を提供すること
ができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態について詳細に説明する。

【００１７】図１は、本発明の実施の形態に係るインク
ジェット式記録装置の１つであるインクジェット式プリ
ンタの構成例を示す斜視図である。このインクジェット
式プリンタは、本体１０１内にインクジェット式プリン
ト（記録）ヘッド１００、ヘッド駆動機構１０２、オー
トシートフィーダ（自動連続給紙機構）１０３が配設さ
れ、本体１０１上部後方にトレイ１０４が配設されてい
る。

【００１８】インクジェット式プリントヘッド１００
は、例えばイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの計
４色のインクカートリッジ１０５を備えており、フルカ
ラー印刷が可能なように構成されている。そして、イン
クジェット式プリントヘッド１００のインク吐出タイミ
ング及びヘッド駆動機構１０２の走査が、本体１０１に
内蔵されている専用コントローラボード等により制御さ
れ、高精度なインクドット制御、ハーフトーン処理等が
実行されるようになっている。

【００１９】また、トレイ１０４に給紙されている記録
用紙１０６は、オートシートフィーダ１０３により自動
的に送り出され、本体１０１正面に設けられている排紙
口１０７から排出されるようになっている。この記録用
紙１０６としては、普通紙、専用紙、推奨ＯＨＰシー
ト、光沢紙、光沢フィルム、ラベルシート、官製葉書等
が利用できる。

【００２０】図２は、図１のインクジェット式プリント
へッド１００の概略構成例を示す分解斜視図である。な
お、この図では便宜上、１色分のヘッドのみを示してい
る。このインクジェット式プリントへッド１００は、ノ
ズルプレート１０の上に圧電素子２０が形成された流路
形成基板３０が接合され、流路形成基板３０の上にリザ
ーバ形成基板４０が接合され、リザーバ形成基板４０の
上に封止板５０及び圧電素子２０の駆動回路（ドライバ
ＩＣ）６０が接合され、これらがケースヘッド７０で覆
われた構成となっている。

【００２１】図３は、図２のインクジェット式プリント
へッド１００を組み立てたときの詳細を示す断面図であ
る。なお、この図でも便宜上、１色分のヘッドのみを示
している。ノズルプレート１０は、厚さが例えば０．１
ｍｍ〜１ｍｍ、面方位が（１００）のシリコン単結晶基
板で作製されている。このノズルプレート１０には、図
３に示すように、インク滴を１つ形成するための複数の
ノズル開口１１が形成されている。さらに、各ノズル開
口１１の間には、インクの流路を制御する柱状体１２が
形成されている。

【００２２】図４（Ａ）、（Ｂ）は、ノズル開口１１及
び柱状体１２の詳細を示す断面図及び平面図である。ノ
ズル開口１１は、この例では開口形状が同一径の円形状
に形成され、３個×３個の合計９個のマトリクス状に配
列されている。このように複数のノズル開口１１を穿孔
することにより、圧力発生室３１内のインクの圧力や流
れが不安定になっても、その影響を各ノズル開口に分散
することができるので僅かなものとなり、各ノズル開口
１１からのインク滴の吐出を安定させることができる。
さらに、複数のノズル開口１１からの各インク滴を集め
て合体させ１つのインク滴とするので、各ノズル開口１
１の大きさは微小となり、吐出速度を速めることができ
る。

【００２３】また、柱状体１２は、この例では断面形状
が矩形状に形成され、各ノズル開口１１の間に２個×２
個の合計４個のマトリクス状に配列されている。このよ
うにノズル開口１１に至る部分に柱状体１２を形成する
ことにより、圧力発生室３１内のインクの圧力や流れが
不安定になっても、インクの流体抵抗を低くしてインク
の流れの直進性を向上させることができるので、各ノズ
ル開口１１から吐出され１つになったインク滴の記録媒
体への着弾を安定させることができる。

【００２４】なお、図４に示す例では、ノズル開口１１
の開口形状を円形状とし、柱状体１２の断面形状を矩形
状としたが、これに限定されるものではなく、例えばノ
ズル開口１１の開口形状を多角形状や楕円形状、星形形
状等の形成可能な形状としても同様の効果を奏し、柱状
体１２の断面形状を円形状や楕円形状、多角形状、星形
形状等の形成可能な形状としても同様の効果を奏する。
ノズル開口１１の開口形状や柱状体１２の断面形状を単
純な形状とすることにより、微小なノズル開口１１や柱
状体１２を複数形成する場合でも比較的容易に形成する
ことができる。

【００２５】また、図４に示す例では、ノズル開口１１
の配列をマトリクス状としたが、これに限定されるもの
ではなく、例えば第２の例として図５に示すような放射
状等に配列しても同様の効果を奏する。さらに、柱状体
１２もマトリクス状に限定されるものではなく、放射状
等に配列しても同様の効果を奏する。

【００２６】さらに、図４に示す例では、ノズル開口１
１の開口形状を同一径の円形状としたが、例えば第３の
例として図６に示すように、中心のノズル開口１１ａの
径を周りのノズル開口１１ｂの径よりも小さくする、す
なわち中心のノズル開口１１ａを主開口とし、周りのノ
ズル開口１１ｂを補助開口としてもよい。これにより、
例えば圧電素子２０に掛ける駆動電圧の高低により、中
心のノズル開口１１ａからのみ極微小のインク滴を吐出
させることができる。

【００２７】また、中心のノズル開口１１ａを主開口と
し、周りのノズル開口１１ｂを補助開口とすることによ
り、中心のノズル開口１１ａから先にインク滴を吐出さ
せ、後で周りのノズル開口１１ｂからインク滴を吐出さ
せることができ、中心のノズル開口１１ａからのインク
滴に周りのノズル開口１１ｂからのインク滴が即座に吸
収され１つに合体するようになるので、柱状体１２を形
成しなくても同様の効果を得ることができる。

【００２８】また、各インク滴の合体を向上させるため
に、インク自体を帯電させておいてもよく、あるいは、
例えば第４の例として図７に示すように、中心のノズル
開口１１ｃは垂直に形成するが、周りのノズル開口１１
ｄは中心のノズル開口１１ｃの中心線に向かって１点で
収束するように傾斜して形成するようにしても効果的で
ある。

【００２９】なお、ノズルプレート１０の材料として
は、厚さが例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍ、面方位が（１０
０）のシリコン単結晶基板に限られるものではなく、厚
さが例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍ、線膨張係数が例えば３
００゜Ｃ以下で２．５〜４．５（×１０^-6／゜Ｃ）であ
るガラスセラミックスや不錆鋼等で作製してもよい。

【００３０】流路形成基板３０は、厚さが例えば１５０
μｍ〜３００μｍ、面方位が（１１０）のシリコン単結
晶基板で作製されている。図３に示すように、この流路
形成基板３０のノズルプレート１０と対向する面は開口
面として形成され、リザーバ形成基板４０と対向する面
には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンから成る
厚さ１μｍ〜２μｍの図示しない弾性膜が形成され、図
２にも示すように、さらに圧電素子２０が形成されてい
る。

【００３１】流路形成基板３０の開口面には、図３に示
すように、複数の隔壁で区画された圧力発生室３１が異
方性エッチングにより幅方向に並設され、その長手方向
外側には、図２及び図３に示すように、後述するリザー
バ形成基板４０のリザーバ部４１に連通して各圧力発生
室３１の共通のインク室となるリザーバ８０の一部を構
成する連通部３２が異方性エッチングにより形成され、
各圧力発生室３１の長手方向一端部とそれぞれインク供
給路３３を介して連通されている。なお、このインク供
給路３３も圧力発生室３１と同様に隔壁によって区画さ
れている。

【００３２】そして、この流路形成基板３０の開口面側
には、図３に示すように、各圧力発生室３１のインク供
給路３３とは反対側で連通するノズル開口１１が穿設さ
れたノズルプレート１０が接着剤や熱溶着フイルム等を
介して固着されている。このため、ノズルプレート１０
は、一方の面で流路形成基板３０の一面を全面的に覆っ
て衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たすことに
なる。なお、ノズルプレート１０と流路形成基板３０は
シリコン単結晶基板という同一の材料で形成されてお
り、ノズルプレート１０と流路形成基板３０との熱によ
る変形が同一となるため、熱硬化性の接着剤等を用いて
容易かつ確実に接合することが可能である。

【００３３】一方、流路形成基板３０の開口面とは反対
側の弾性膜の上には、図２及び図３に示すように、厚さ
が例えば約０．２μｍの下電極膜と、厚さが例えば約１
μｍの圧電体層と、厚さが例えば約０．１μｍの上電極
膜とで成る圧電素子２０が、薄膜形成プロセスで積層形
成されている。一般的には、圧電素子２０の何れか一方
の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層を各圧
力発生室３１毎にパターニングして構成する。そして、
圧電素子２０の上電極膜の長手方向一端部近傍からリー
ド電極２１が圧力発生室３１の周壁に対向する領域に延
設されている。

【００３４】リザーバ形成基板４０は、厚さが例えば１
５０μｍ〜３００μｍ、面方位が（１１０）のシリコン
単結晶基板で作製されている。これにより、上述のノズ
ルプレート１０の場合と同様に、流路形成基板３０とリ
ザーバ形成基板４０とを熱硬化性の接着剤等を用いて容
易かつ確実に接着することが可能となる。

【００３５】このリザーバ形成基板４０には、図２及び
図３に示すように、上述した流路形成基板３０の各圧力
発生室３１の共通のインク室となるリザーバ８０の一部
を構成する連通部３２に連通したリザーバ部４１が異方
性エッチングにより幅方向に並設され、図３に示すよう
に、さらに後述する封止板５０のインク導入ロ５１に連
通するインク導入路４２が異方性エッチングにより形成
されている。

【００３６】また、リザーバ形成基板４０の圧電素子２
０に対応する領域には、図３に示すように、圧電素子２
０の運動を阻害しない程度の密封可能な空間４３が異方
性エッチングにより形成され、さらにこの空間４３と外
部とを連通する図示しない連通孔が異方性エッチングに
より設けられている。また、この空間４３の形成面とは
反対側の面には、図２及び図３に示すように、圧電素子
２０の駆動回路６０及び配線パターン６１が配設されて
いる。

【００３７】上記空間４３内には例えば不活性ガス等の
乾燥流体が連通孔を介して充填され封止されている。こ
の空間４３内は大気よりも低い気圧で密封されており、
これにより圧電素子２０は乾燥流体雰囲気中に確実に密
封されて外部環境と遮断される。なお、乾燥流体として
は、不活性ガスの他、還元性ガスを用いることもできる
が、逆に、酸化性ガスを含有させることにより、圧電体
層の劣化を防止する環境を形成することができる。ま
た、このような不活性ガスを用いる場合には、その中の
水の蒸気圧（分圧）をできるだけ低くするのが望まし
い。

【００３８】そして、リザーバ形成基板４０のリザーバ
部４１と空間４３の形成部との間には、図２及び図３に
示すように、圧電素子２０の配置面側から駆動回路６０
の配置面側に貫通しており、圧電素子２０のリード電極
２１と駆動回路６０とを電気的に接続する複数の配線６
２が通る貫通溝４４が異方性エッチングにより形成され
ている。

【００３９】封止板５０は、例えばＰＰＳフィルムとス
テンレス鋼板の積層板で作製されている。この封止板５
０はリザーバ８０を封止する役目を有している。また、
図３に示すように、封止板５０には上述したようにリザ
ーバ形成基板４０のインク導入路４２に連通するインク
導入ロ５１が形成されている。ケースヘッド７０は、上
記各部を覆って保護し、また図３に示すように、駆動回
路６０と配線６２の封止樹脂７１の注入空間部を形成す
る役目を有している。

【００４０】なお、上述した実施形態では、プリンタを
例に説明したが、これに限られるものではなく、インク
ジェット式の記録装置、例えばファクシミリ装置やコピ
ー装置等にも適用可能である。

【００４１】以上、本発明を種々の実施形態に関して述
べたが、本発明は以上の実施形態に限られるものではな
く、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、他の
実施形態についても適用されるのは勿論である。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るイン
クジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置
によれば、圧力発生室内のインクの圧力や流れが不安定
になっても、その影響は各ノズル開口に分散されるので
僅かなものとなり、ノズル開口からのインク滴の吐出を
安定させることができると共に、インクの流体抵抗を低
くしてインクの流れの直進性を向上させることができる
ので、ノズル開口から記録媒体へのインク滴の着弾を安
定させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るインクジェット式記
録装置の構成例を示す斜視図である。

【図２】図１のインクジェット式記録へッドの概略構成
例を示す分解斜視図である。

【図３】図２のインクジェット式記録へッドを組み立て
たときの詳細を示す断面図である。

【図４】図２のインクジェット式記録へッドのノズル開
口及び柱状体の詳細を示す断面図及び平面図である。

【図５】図４のノズル開口及び柱状体の第２の例を示す
平面図である。

【図６】図４のノズル開口及び柱状体の第３の例を示す
平面図である。

【図７】図４のノズル開口及び柱状体の第４の例を示す
断面図である。

【図８】従来のインクジェット式記録へッドの詳細を示
す断面図である。

【符号の説明】

１０ ノズルプレート １１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ ノズル開口 １２ 柱状体 ２０ 圧電素子 ３０ 流路形成基板 ３１ 圧力発生室 ３２ 連通部 ３３ インク供給路 ４０ リザーバ形成基板 ４１ リザーバ部 ４２ インク導入路 ４３ 空間 ４４ 貫通溝 ５０ 封止板 ５１ インク導入ロ ６０ 駆動回路（ドライバＩＣ） ７０ ケースヘッド ７１ 封止樹脂 ８０ リザーバ １００ インクジェット式記録ヘッド １０１ 本体 １０２ ヘッド駆動機構 １０３ オートシートフィーダ（自動連続給紙機
構） １０４ トレイ １０５ インクカートリッジ １０６ 記録用紙 １０７ 排紙口

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 貯留されているインクを加圧してインク
   滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッドにおい
   て、 前記インク滴を１つ形成するための複数のノズル開口が
   形成されていることを特徴とするインクジェット式記録
   ヘッド。
2. 【請求項２】 前記ノズル開口は、開口形状が円形状ま
   たは多角形状に形成されていることを特徴とする請求項
   １に記載のインクジェット式記録ヘッド。
3. 【請求項３】 前記ノズル開口の間には、前記インクの
   流路を制御する柱状体が形成されていることを特徴とす
   る請求項１または２に記載のインクジェット式記録ヘッ
   ド。
4. 【請求項４】 前記柱状体は、断面形状が円形状または
   多角形状に形成されていることを特徴とする請求項３に
   記載のインクジェット式記録ヘッド。
5. 【請求項５】 前記ノズル開口が形成されているノズル
   プレートが、シリコン単結晶基板で成ることを特徴とす
   る請求項１〜４の何れか一項に記載のインクジェット式
   記録ヘッド。
6. 【請求項６】 請求項１〜５の何れか一項に記載のイン
   クジェット式記録ヘッドを備え、そのヘッドを用いて情
   報を記録媒体に印刷することを特徴とするインクジェッ
   ト式記録装置。