JP2003305847A - インクジェットヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ノズルへの異物詰まりが低減でき、気泡排出
性に優れ、印字品質に優れたインクジェットヘッドを提
案すること。 【解決手段】 静電駆動式インクジェットヘッドの、共
通インク室６から複数の個別インク室５にインクを供給
するためのインク供給口部９は、深さの深い第１の単一
流路部と、深さの浅い第２の単一流路部と、深さの浅い
インク流路の途中部分に前記インクジェットヘッドを構
成する基板の厚み方向に２段に等間隔で形成した柱部２
３、２８が配置されて分流路となる分流路部と、深さの
浅い第３の単一流路部と、深さの深い第４の単一流路部
で構成される。主に音響抵抗に寄与する２段に配置した
分流路部と、主にイナータンスに寄与する単一流路を備
えることによって、ノズルの異物詰まりが低減でき、気
泡排出性に優れ、印字品質に優れたインクジェットヘッ
ドを実現することが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク液滴を記録
媒体上に吐出して印刷を行うインクジェットヘッドに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】インクを貯溜しているインク室の容積変
動によって、当該インク室に連通しているインクノズル
からインク液滴を吐出させる静電駆動式、圧電式のイン
クジェットヘッドが知られている。

【０００３】静電駆動式のものでは対極電極間に発生す
る静電気力により振動する振動系を備え、この振動系の
振動によってインク室の容積変動を起こし、インク液滴
をインクノズルから吐出させるようになっている。ま
た、圧電式のものでは、圧電素子と振動板からなる振動
系を備えている。

【０００４】このような振動系を備えたインクジェット
ヘッドの特性は、そのイナータンス、音響容量、および
音響抵抗を用いて電気的等価回路として表すことが可能
であり、例えば、圧電式のインクジェットヘッドの電気
的等価回路として特開昭５８−５２６９号公報、特開昭
６１−１４１５６６号公報に開示されている。インク流
路の長さおよび断面形状が同一の場合には、その電気的
等価回路の性質から、インク流路の音響抵抗およびイナ
ータンスは一義的に決ってしまう。

【０００５】このようなインクジェットヘッドにおいて
は、応答性の改善と印字品質の改善とを両立させること
が困難であるが、その解決手段として特願２００１−０
９１３３７に記載されているように、共通インク室と、
個別インク室と、この個別インク室に連通しているイン
クノズルと、前記共通インク室から前記個別インク室に
インクを供給するための単一流路部分と、複数の分流路
部分とを備えたインク供給口部とを有し、前記インク供
給口部の単一流路部分は、深さ、幅が異なる複数の流路
部分が形成された方式が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように構成され
たインクジェットヘッドにおいては、供給口に設けた複
数の分流路部分の個々の断面形状対角線長さが、インク
ノズル径よりも短くなるように設計されており、共通イ
ンク室側から異物が流れてきた場合、異物がインク供給
口を通過してインクノズルに詰まることを防止してい
る。つまり、インク供給口を通過する異物はインクノズ
ル径よりも小さいためにインクノズルに詰まることはな
く抜けてしまい、インクノズルに詰まる大きさの異物は
インク供給口でトラップするようにしている。

【０００７】しかし、印刷装置上でインクノズル部から
インク吸引を行うインク初期充填動作などによって、前
記インク供給口部の深さ、幅が異なる単一流路部分に気
泡が残りやすく、その結果、インクノズルからインクの
吐出不良を発生させるという課題がある。

【０００８】本発明の課題は、この点に鑑みて、個別イ
ンク室と共通インク室を連通しているインク供給口部の
構造を工夫することにより、インク供給口部の気泡排出
性が良く、応答速度が速く、印字品質が良く、さらに異
物をインクノズルに詰まらせることによる吐出不良を発
生させないインクジェットヘッドを実現することにあ
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
めに、本発明は、共通インク室と、個別インク室と、こ
の個別インク室に連通しているインクノズルと、前記共
通インク室から前記個別インク室にインクを供給するた
めの、単一流路部分と、複数の分流路部分とを備えたイ
ンク供給口部を有し、前記個別インク室の容積変動によ
り前記インクノズルからインク液滴を吐出させるインク
ジェットヘッドにおいて、前記インク供給口部の複数の
分流路部分は、ヘッドを構成する基板厚み方向と、イン
ク流速方向とに垂直な方向に複数個、前記基板厚み方向
に２段に千鳥状に形成された流路部分を備えていること
を特徴としている。

【００１０】このように構成することによって分流路部
分の個々の断面積を小さくし、単一流路部分に出来る段
差を小さくし、さらに音響抵抗とイナータンスのバラン
スを取ることによって、ノズルへの異物詰まりがなく、
気泡排出性に優れ、応答速度が速く、しかも、良好な印
字品質が得られるインクジェットヘッドを実現すること
ができる。

【００１１】さらに、前記２段に形成された複数の分流
路部分および単一流路部分は、ヘッドを構成する第一の
基板と第二の基板にそれぞれ複数の溝を備え、それらを
接合させることによって形作られることが望ましく、こ
れにより製造が容易となる。

【００１２】また、ヘッドを構成する第一の基板と第二
の基板に形成するインク供給口部の複数の溝は、ＩＣＰ
プラズマエッチングによる異方性エッチングによって形
成されることが望ましく、これにより形状を精度よく形
成できると共に加工効率を向上させることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。図１は本
例のインクジェットヘッドの断面図である。本例のイン
クジェットヘッドは３枚のノズル基板１、キャビティ基
板２、電極基板３を順に積層した３層構造をしている。

【００１４】中間のキャビティ基板２は、例えばシリコ
ン基板であり、その表面に一端から平行に等しい間隔で
形成された複数本の、底壁が薄肉で、面外方向（図にお
いて上下方向）に弾性変位可能な振動板４として機能す
る個別インク室５と、１つの共通インク室６が形成され
ている。また、個別インク室５と共通インク室６の中間
部分には、共通インク室６を各個別インク室５に連通さ
せるインク供給口部９としての一部の溝がＩＣＰプラズ
マエッチングによる異方性エッチングよって形成されて
いる。また、キャビティ基板２の上面には共通電極７が
形成されている。

【００１５】キャビティ基板２の上側に接合されるノズ
ル基板１は、キャビティ基板２と同様に例えばシリコン
基板であり、個別インク室５の上面部分には各個別イン
ク室に対応してノズル孔８が個別インク室５の先端部付
近に形成されており、各ノズル孔８は対応する個別イン
ク室５に連通している。また、個別インク室５と共通イ
ンク室６の中間部分の上面には、共通インク室６を各個
別インク室５に連通させるインク供給口部９としての一
部の溝がＩＣＰプラズマエッチングによる異方性エッチ
ングによって形成されている。ノズル基板１とキャビテ
イ基板２を接合したときに、キャビティ基板２に設けら
れた一部の溝とノズル基板１に設けられた一部の溝が組
み合わされて、インク供給口部９を形作るように構成さ
れている。

【００１６】キャビティ基板２の下側に接合される電極
基板３は、例えばホウ珪酸ガラスからなり、その上面に
は各振動板４に対峙する位置に、浅くエッチングされた
凹部１０が形成されている。この凹部１０の底面には、
振動板４に対峙する個別電極１１が形成されている。ま
た、インク取入れ口１２が設けられており、キャビティ
基板２を接合したときに、共通インク室６の下側にくる
ように配置されている。インクは外部のインクタンク
（図示せず）からインク供給チューブ（図示せず）を介
してインク取入れ口１２に供給され、共通インク室６、
インク供給口部９、個別インク室５を満たしている。

【００１７】上記３枚の基板を順に接合し、電極基板３
に設けた凹部１０を樹脂などの封止材１３を用いて外気
から気密封止してインクジェットヘッドの形状が出来上
がる。

【００１８】各個別電極１１の端部は電極端子１４とな
っており、この電極端子１４と共通電極７に、ドライバ
ＩＣが搭載されたＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）
ケーブル（図示せず）が接続される。

【００１９】個別電極１１と振動板４の間隔は１μｍ以
下の寸法に保持されており、ドライバＩＣから各電極端
子１４と共通電極７との間に駆動電圧パルスを印加する
ことによって、振動板４が静電気力によって個別電極１
１の方へ弾性変形して撓み、個別電極１１の表面に当接
する。この時、個別インク室５の容積が増加するため、
インクが共通インク室６からインク供給口部９を通って
個別インク室５に流入する。次に、駆動電圧パルスをオ
フすることによって静電気力が解除され、振動板４はそ
のバネ力によって元の位置に戻る。この復元動作によっ
て個別インク室５の容積が急激に減少し、それに伴って
個別インク室５内の内圧が急激に上昇し、個別インク室
内の一部のインクがノズル孔８から図１の上方へ向けて
インク液滴（図示せず）として吐出される。さらに振動
板４がバネ力の反動で再び個別電極１１側に撓むことに
よって、再びインクが共通インク室６からインク供給口
部９を通って個別インク室５に供給される。

【００２０】図２は、本発明のインクジェットヘッドの
インク供給口部９が形成されている部分を部分的に拡大
した上面図であり、図３は図２のｓ−ｓ線で切断した部
分断面図、図４は図２のｔ−ｔ線で切断した部分断面図
である。また、図５は本発明のインクジェットヘッドの
インク供給口部９付近を示す斜視図である。

【００２１】図３に示すように、キャビティ基板２に形
成された個別インク室５と共通インク室６の間は台形断
面形状の仕切り壁部２０によって仕切られている。この
仕切り壁部２０は上面が平行四辺形形状をしており、そ
の両側のエッジ２０ａ、２０ｂから個別インク室５、お
よび共通インク室６に向かって傾斜している傾斜面２０
ｃ、２０ｄを備えている。前記仕切り壁部２０の上面に
はインク供給口部９の一部の溝が形成されており、平行
四辺形形状に浅くエッチングされた溝部２１、２２と、
この溝部２１，２２の途中位置に設けられた、断面が長
方形状をした柱部２３で構成されている。この長方形状
をした柱部２３は、インクの流れ方向に直交する方向に
等間隔に３個配列されており、キャビティ基板２の浅く
エッチングされた溝部２1、２２をエッチングする工程
において、柱として残したものである。

【００２２】ノズル基板１にも、台形断面形状の仕切り
壁部２０の上面部分にインク供給口部９の一部の溝が形
成されており、平行四辺形形状に深くエッチングされた
溝部２４、２５と、浅くエッチングされた溝部２６、２
７と、浅くエッチングされた溝部２６、２７の途中位置
に設けられた、断面が長方形状をした柱部２８で構成さ
れている。この長方形断面形状をした柱部２８は、イン
クの流れ方向に直交する方向に等間隔に４個配列されて
おり、ノズル基板１の浅くエッチングされた溝部２６、
２７をエッチングする工程において、柱として残したも
のである。

【００２３】ノズル基板１とキャビティ基板２を接合す
ると、ノズル基板１側に設けた前記断面が長方形状をし
た柱部２８と、その隣の柱部２８間の浅くエッチングさ
れた溝部に、キャビティ基板２側に設けた前記断面が長
方形状をした柱部２３が押し当てられて、１段目の５本
の分流路部２９が形成される。また、キャビティ基板２
側に設けた前記断面が長方形状をした柱部２３と、その
隣の柱部２３間の浅くエッチングされた溝部に、ノズル
基板１側に設けた前記断面が長方形状をした柱部２８が
押し当てられて、２段目の４本の分流路部３０が形成さ
れる。

【００２４】インクタンク（図示せず）からインク供給
チューブ（図示せず）を介してインク取入れ口（図示せ
ず）、共通インク室６に供給されたインクは、エッジ２
０ｂの側に形成された連通部３１を通ってインク供給口
部９に供給される。インク供給口部９に入ったインク
は、ノズル基板１に深くエッチングされた溝部２４と、
キャビティ基板２に浅くエッチングされた溝部２１とで
構成される第１の単一流路部を通り、ノズル基板１に浅
くエッチングされた溝部２６と、キャビティ基板２に浅
くエッチングされた溝部２１とで構成される第２の単一
流路部を通り、一部のインクは、図２において短い矢印
で示すように、ノズル基板１に設けた柱部２８の部分で
５つの流路に分割された１段目の分流路部２９を通って
分流路となり、また、別の一部のインクは、図２におい
て長い矢印で示すように、キャビティ基板２に設けた柱
部２３の部分で４つの流路に分割された２段目の分流路
部３０を通って分流路となり、再び、ノズル基板１に浅
くエッチングされた溝部２７と、キャビティ基板２に浅
くエッチングされた溝部２２とで構成される第３の単一
流路部に入って単一流路となり、ノズル基板１に深くエ
ッチングされた溝部２５と、キャビティ基板２に浅くエ
ッチングされた溝部２２とで構成される第４の単一流路
部を通り、エッジ２０ａの側に形成された連通部３２を
通って個別インク室５に供給される。

【００２５】このインク供給口部９では、柱部２８また
は柱部２３によりインク通路断面積が小さくなっている
部分は音響抵抗の増加に寄与する部分であり、それ以外
の部分、特に深くエッチングされた溝部２４、２５付近
の単一流路部はインク通路断面積が大きいので、イナー
タンスの増加に寄与する部分である。

【００２６】本構成のインク供給口部９を備えたインク
ジェットヘッドにおいて実験を行ったところ、柱部２
３、２８、の大きさ、間隔、個数、および深くエッチン
グされた溝部２４、２５、浅くエッチングされた溝部２
１，２２、２６，２７の長さ、深さなどを適切に設定す
ることにより、インクジェットヘッドの応答速度を速
め、しかも、良好な印字品質を確保するために必要なイ
ンク吐出スピードを確保できることが確認できた。本発
明者等の実験によれば、例えば、インク供給口部９にお
ける摂氏２５度での音響抵抗を１３×１０¹²（Ｎｓ／ｍ
⁵）以下とし、そのイナータンスを１．２×１０⁸（ｋｇ
／ｍ⁴）以上とした場合に、応答速度が速く、しかも良
好な印字品質が得られるインクジェットヘッドを実現可
能なことが確認できた。

【００２７】また、単一流路部分に分流路部分より深さ
が深い流路部分を設けてイナータンスを大きくすること
によって、分流路部分の個々の流路の断面積を、ノズル
断面積よりも小さくすることが出来たため、従来、共通
インク室に入った異物が、供給口を通過してノズルに詰
まり、インクの吐出不良を引き起こしていたが、その異
物を供給口にトラップすることができるようになり、イ
ンク液滴がノズルから吐出しなくなる不良を無くすこと
が出来るようになっている。

【００２８】また、上述のインク供給口部９は、ノズル
基板１に設けた深くエッチングされた溝部２４と、浅く
エッチングされた溝部２６との段差を小さくすることが
出来たため、この段差付近に出来ていたインクの淀み点
を無くすことが出来、前記段差部分に残留していた気泡
を無くすことが出来るようになった。その結果、この段
差付近に気泡が残ることによって発生していたインクノ
ズル８からの吐出不良を無くすことができることが確認
できた。

【００２９】図６、図７、図８に、インク供給口部の第
２の実施例を示す。図６はインク供給口部９を部分的に
拡大した上面図であり、図７は図６のｓ−ｓ線で切断し
た部分断面図であり、図８はインク供給口部の斜視図で
ある。

【００３０】図に示すように、キャビティ基板２の台形
断面形状の仕切り壁部２０の上面にはインク供給口部９
の一部の溝が形成されており、平行四辺形形状に浅くエ
ッチングされた溝部３３、３４と、この溝部３３，３４
の途中位置に設けられた、断面が長方形状をした柱部３
５で構成されている。この長方形状をした柱部３５は、
ノズル基板に形成した柱部２８よりもインクの流れ方向
に長い形状をしており、ノズル基板１とキャビティ基板
２の接合時にインクの流れ方向に位置ズレが発生して
も、１段目の分流路部分３６、２段目の分流路部分３７
の形状を確実に形成できるようにしている。また、イン
クの流れ方向と直角方向の接合位置ズレが発生しても、
ノズル基板１に形成した柱部２８とキャビティ基板２形
成した柱部３５が面で重なり合っているため、同様に１
段目の分流路部分３６、２段目の分流路部分３７の形状
を確実に形成できるようにしている。

【００３１】本構造のインク供給口部形状でも、柱部２
８、３５の大きさ、間隔、個数、および深くエッチング
された溝部２４、２５、浅くエッチングされた溝部２
６，２７、３３、３４の長さ、深さ、幅などを適切に設
定することにより、インクジェットヘッドの応答速度を
速め、良好な印字品質を確保するために必要なインク吐
出スピードを確保できることが実験によって確認できて
いる。

【００３２】また、本構造のインク供給口形状でも、ノ
ズル基板１に設けた深くエッチングされた溝部２５と、
浅くエッチングされた溝部２７との段差を小さく出来る
ため、この段差付近に出来ていたインクの淀み点を無く
すことが出来、その結果、この段差付近に気泡が残らな
くなり、インク供給口部９の単一流路部分の残留気泡に
よるインクノズル８からの吐出不良を無くすことができ
ることが確認できている。

【００３３】上述の各例は、インク液滴を基板上面に設
けたノズル孔から吐出させるフェイスイジェクトタイプ
を示したが、基板の端部に設けたノズル孔から吐出させ
るエッジイジェクトタイプでも適用可能である。

【００３４】また、上述の各例は静電駆動式のインクジ
ェットヘッドに関するものであるが、圧電式のインクジ
ェットヘッドにも適用可能である。

【００３５】また、インク供給口部に設けた柱部２３、
２８、３５は、断面を長円形状としても同様の効果が得
られることが確認出来ている。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のインクジ
ェットヘッドでは、共通インク室と個別インク室を連通
しているインク供給口部に、深さ、幅が異なる単一流路
部分と、ヘッドを構成する基板厚み方向とインク流速方
向とに垂直な方向に複数本、前記基板厚み方向に２段に
千鳥状に形成された断面積が小さい複数本の分流路部分
とを形成している。このように構成することによって分
流路部分の個々の断面積を小さくし、単一流路部分に出
来る段差を小さくし、さらに音響抵抗とイナータンスの
バランスを取ることによって、ノズルへの異物詰まりが
なく、気泡排出性に優れ、応答速度が速く、しかも、良
好な印字品質が得られるインクジェットヘッドを実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェットヘッドの断面図であ
る。

【図２】図１に示すインクジェットヘッドのインク供給
口部を説明するための部分上面図である。

【図３】図１に示すインクジェットヘッドのインク供給
口部を説明するための第１の部分断面図である。

【図４】図１に示すインクジェットヘッドのインク供給
口部を説明するための第２の部分断面図である。

【図５】図１に示すインクジェットヘッドのインク供給
口部を説明するための斜視図である。

【図６】図１に示すインクジェットヘッドのインク供給
口部の第２の実施例を説明するための部分上面図であ
る。

【図７】図１に示すインクジェットヘッドのインク供給
口部の第２の実施例を説明するための部分断面図であ
る。

【図８】図１に示すインクジェットヘッドのインク供給
口部の第２の実施例を説明するための斜視図である。

【符号の説明】

１・・ノズル基板 ２・・キャビティ基板 ３・・電極基板 ４・・振動板 ５・・個別インク室 ６・・共通インク室 ７・・共通電極 ８・・ノズル孔 ９・・インク供給口部 １０・・凹部 １１・・個別電極 １２・・インク取入れ口 １３・・封止材 １４・・電極端子 ２０・・仕切り壁部 ２０ａ、２０ｂ・・仕切り壁部のエッジ ２０ｃ、２０ｄ・・仕切り壁部の傾斜面 ２１、２２、２４、２５、３３，３４・・浅い溝部 ２３、２８、３５・・柱部 ２６、２７・・深い溝部 ２９、３６・・１段目の分流路部 ３０、３７・・２段目の分流路部 ３１、３２・・連通部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共通インク室と、個別インク室と、この
   個別インク室に連通しているインクノズルと、前記共通
   インク室から前記個別インク室にインクを供給するため
   の、単一流路部分と、複数の分流路部分とを備えたイン
   ク供給口部を有し、前記個別インク室の容積変動により
   前記インクノズルからインク液滴を吐出させるインクジ
   ェットヘッドにおいて、 前記インク供給口部の複数の分流路部分は、ヘッドを構
   成する基板厚み方向と、インク流速方向とに垂直な方向
   に複数個、前記基板厚み方向に２段に千鳥状に形成され
   た流路部分を備えていることを特徴とするインクジェッ
   トヘッド。
2. 【請求項２】 請求項１において、 対向電極の間に電圧を印加することにより発生する静電
   気力によって、前記個別インク室に容積変動を発生させ
   て、前記インクノズルからインク液滴を吐出させること
   を特徴とする静電駆動式のインクジェットヘッド。
3. 【請求項３】 請求項１において、 前記２段に形成された複数の分流路部分および単一流路
   部分は、ヘッドを構成する第一の基板と第二の基板にそ
   れぞれ複数の溝を備え、それらを接合させることによっ
   て形作られることを特徴とするインクジェットヘッドの
   製造方法。
4. 【請求項４】 請求項３において、 ヘッドを構成する第一の基板と第二の基板に形成するイ
   ンク供給口部の複数の溝は、ＩＣＰプラズマエッチング
   による異方性エッチングによって加工されたことを特徴
   とするインクジェットヘッドの製造方法。