JP2004306396A - 液滴吐出ヘッド及びその製造方法、インクカートリッジ並びにインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズル近傍で加圧液室からのインクとリフィル室からのインクが２つの方向から流れ込んで合流するために、ノズルのメニスカスに対し外乱を与え、安定した噴射性能が得られない。
【解決手段】流路板１はノズル連通路５、加圧液室６、リフィル室１０を形成し、リフィル室１０はリフィル連通孔１１を介してノズル連通路５の上流側で加圧液室６と連通し、また供給孔１２を介して加圧液室６へのインク供給側と連通して、加圧液室６からのインクの流れとリフィル室１０からのインクの流れが合流した後ノズル連通路５に至る。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は液滴吐出ヘッド及びその製造方法、インクカートリッジ、インクジェット記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２０００−２１８７８８号公報
【特許文献２】特開平１１−２２７２０２号公報
【特許文献３】特開２０００−７１４４３号公報
【０００３】
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）として用いるインクジェット記録装置は、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通するインク流路（吐出室、圧力室、加圧液室、加圧室、液室等とも称される。）と、このインク流路内のインクを加圧する駆動手段（圧力発生手段）とを備えた液滴吐出ヘッドとしてのインクジェットヘッドを搭載したものである。なお、液滴吐出ヘッドとしては例えば液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどもあるが、以下ではインクジェットヘッドを中心に説明する。
【０００４】
インクジェットヘッドとしては、インク流路内のインクを加圧するエネルギーを発生する駆動手段として、圧電素子を用いてインク流路の壁面を形成する振動板を変形させてインク流路内容積を変化させてインク滴を吐出させるいわゆるピエゾ型のもの、或いは、発熱抵抗体を用いてインク流路内でインクを加熱して気泡を発生させることによる圧力でインク滴を吐出させるいわゆるサーマル型のもの、インク流路の壁面を形成する振動板と電極とを対向配置し、振動板と電極との間に発生させる静電力によって振動板を変形させることで、インク流路内容積を変化させてインク滴を吐出させる静電型のものなどが知られている。
【０００５】
ところで、インクジェットヘッドは記録媒体上のドットをインク滴により構成する関係上、インク滴のサイズを小さくすることにより、極めて高い解像度での記録、印刷が可能である。
【０００６】
しかしながら、効率よく記録するためには、インク開口の数を多くする（ノズル数を多くする）必要があり、また、圧力室（加圧液室）を大きくする必要がある。このことは、ヘッドの小型化要請とは相反することである。このような相反する問題を解消するため、通常隣り合う圧力室を区画している壁（隔壁）を薄くすると共に圧力室の形状を長手方向に大きくして容積を稼ぐことが行われている。
【０００７】
このような圧力室や圧力室にインクを供給するリザーバ室は、例えば駆動手段として圧電素子を用いたヘッドにおいては、振動板とノズル板の間隔を所定の値に保持する部材である液室形成部材（流路形成部材）に形成されているが、上述したように極めて小さく、しかも複雑な形状を備えた圧力室を形成する必要上、通常エッチング技術が使用されている。このような液室形成部材を形成する材料としては、感光性樹脂膜が使用されることが多いが、これは機械的強度が低いためクロストークや撓み等が生じ高い解像度を得ようとすると印字品質が低下するという問題がある。
【０００８】
そこで、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。特に、結晶方位（１１０）の単結晶シリコン基板を液室形成部材（流路形成部材）に用いて、異方性エッチングを行い圧力室やリザーバを形成することが提案されている。
【０００９】
単結晶シリコンシリコン基板を使用した液室形成部材は機械的剛性が高いため、特に圧電素子を駆動手段として使用する場合に、圧電素子の変形に伴う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。
【００１０】
ところで、圧電素子を用いたヘッドに限らず、高速、高解像度が要求される近年のヘッドにおいては、チャンネルの狭ピッチ化は避けられず、これに伴うインクリフィル量の確保やクロストークや気泡の排出等の様々な課題を解決しなければならなくなっている。
【００１１】
その中で、
【特許文献１】には流路板のノズル面及び加圧液室面の両側にリフィル液室を設け、インク吐出に対するインクのリフィル量を確保するようにしたヘッドが開示されている。また、
【特許文献２】には流路板のノズル面及び加圧液室面の両側にリフィル液室を設け、かつ、両液室を連通する連通孔がノズル面側に拡開するように形成することにより、気泡排出性を向上するヘッドが開示されている。さらに、
【特許文献３】には流路板のノズル面及び加圧液室面の両側にリフィル液室を設け、かつ加圧液室面に共通のリフィル液室を形成することにリフィル量を確保するようにしたヘッドが開示されている。
【００１２】
このようなリフィル量の確保を目的とした従来のヘッド構成の一例について図１５ないし図１７を参照して説明する。なお、図１５はヘッドの液室長手方向に沿う断面説明図、図１６は同ヘッドの流路形成部材の加圧液室側の平面説明図、図１７は同ヘッドの流路形成部材のリフィル室側の平面説明図である。
【００１３】
すなわち、このヘッドにおいては、流路形成部材５０１の両面にそれぞれ振動板５０２、ノズル板５０３を接合した構成とし、これらによって、加圧液室５０６及びリフィル室５０７を形成している。加圧液室５０６にはノズル板５０３のノズル５０４がノズル連通路５０５を介して連通している。この加圧液室５０６には振動板５０２の供給口５０８からインクが供給される。また、リフィル室５０７もノズル連通路５０５に連通し、このリフィル室５０６にも供給口５０８から供給孔５０９を介してインクが供給される。
【００１４】
これにより、インク滴吐出後には加圧液室５０６とリフィル室５０７からインクがノズル連通路５０５に供給されることになってリフィル性を向上することができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したヘッド構成にあっては、ノズル近傍で加圧液室からのインクとリフィル室からのインクが２つの方向から流れ込んで合流することになる。すなわち、図１５において、供給口５０８から供給されたインクは加圧液室５０６に流れ込み、同図でノズル連通路５０５を介してノズル５０４に縦方向に流れ込み、一方、供給口５０８から供給孔５０９を介してリフィル室５０７に流れ込んだインクはノズル５０４に対して同図で横方向に流れ込むことになる。
【００１６】
このように、ノズル近傍で異なる方向からのインクの流れが合流するために、ノズルのメニスカスに対し外乱を与えることとなり、安定した噴射性能が得られないという課題がある。
【００１７】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、十分なリフィル量を確保し、安定した噴射性能が得られる液滴吐出ヘッド、この液滴吐出ヘッドを製造するための製造方法、この液滴吐出ヘッドを一体化することで高い画像品質の画像を高速で記録できるようになるインクカートリッジ、このヘッド又はインクカートリッジを搭載することで高品質画像を高速記録できるインクジェット記録装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【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、ノズル連通路の上流側で加圧液室と連通するリフィル室を設けたものである。
【００１９】
ここで、リフィル室は加圧液室とリフィル連通路で連通していることが好ましく、このリフィル連通路の流体抵抗値はノズル連通路の流体抵抗値よりも大きいことが好ましい。また、加圧液室及びリフィル室を形成する流路形成部材が面方位（１１０）のシリコン基板から形成されていることが好ましく、さらに、液体が流れる流路の壁面には酸化膜又は窒化チタン膜が形成されていることが好ましい。
【００２０】
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、本発明に係る液滴吐出ヘッドを製造する方法であって、加圧液室及びリフィル室を形成する流路形成部材はシリコンのドライエッチングによる深堀と異方性ウェットエッチングとを併用して形成する構成としたものである。
【００２１】
ここで、異方性ウエットエッチングはシリコン酸化膜／シリコン窒化膜の積層膜、又はシリコン酸化膜、若しくはシリコン窒化膜をマスクとして行うことが好ましい。
【００２２】
本発明に係るインクカートリッジは、本発明に係る液滴吐出ヘッドとこの液滴吐出ヘッドにインクを供給するインクタンクを一体化したものである。
【００２３】
本発明に係るインクジェット記録装置は、本発明に係る液滴吐出ヘッド又は本発明に係るインクカートリッジを備えるものである。
【００２４】
【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。本発明の液滴吐出ヘッドの実施形態に係るインクジェットヘッドについて図１ないし図４を参照して説明する。なお、図１は同ヘッドの分解斜視説明図、図２は同ヘッドの液室長手方向に沿う断面説明図、図３は同ヘッドの液室短手方向に沿う断面説明図である。
【００２５】
このインクジェットヘッドは、単結晶シリコン基板で形成した流路形成部材である流路板１と、この流路板１の下面に接合した振動板２と、流路板１の上面に接合したノズル板３とを有する。これらによって、液滴であるインク滴を吐出するノズル４がノズル連通路（連通管）５を介して連通し、インク供給口９を介して共通液室８からインクが供給されるインク流路である加圧液室（加圧液室）６、ノズル連通路５の上流側でリフィル連通孔１１を介して加圧液室６に連通し、インク供給口９に供給孔１２を介して連通するリフィル室１０を形成している。
【００２６】
そして、振動板２の外面側（液室と反対面側）に各加圧液室６に対応して加圧液室６内のインクを加圧するための駆動手段（アクチュエータ手段）である電気機械変換素子としての積層型圧電素子１５を接合し、この圧電素子１５をベース基板１６に接合している。ベース基板１６はチタン酸バリウム、アルミナ、フォルステライトなどの絶縁性基板を用いている。
【００２７】
また、圧電素子１５の間には加圧液室６、６間の隔壁部６ａに対応して支柱部１７を設けている。ここでは、圧電素子部材にハーフカットのダイシングによるスリット加工を施すことで櫛歯状に分割して、１つ毎に圧電素子１５と支柱部１７して形成している。支柱部１７も構成は圧電素子１５と同じであるが、駆動電圧を印加しないので単なる支柱となる。
【００２８】
さらに、振動板１２の外周部はフレーム部材１８にギャップ材を含む接着剤１９にて接合している。このフレーム部材１８には、共通液室８となる凹部、この共通液室８に外部からインクを供給するためのインク供給穴を形成している。このフレーム部材１８は、例えばエポキシ系樹脂或いはポリフェニレンサルファイトで射出成形により形成している。
【００２９】
ここで、流路板１は、、例えば結晶面方位（１１０）の単結晶シリコン基板を後述するようにドライエッチングによる深堀と水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）、ＴＭＡＨ液などのエッチング液を用いた異方性エッチングとを併用することで、ノズル連通路５、加圧液室６、リフィル室１０、リフィル連通孔１１、供給孔１２となる凹部や穴部を形成したものである。
【００３０】
そして、流路板１のインクに接する面（液流路の壁面）には酸化膜、窒化チタン膜或いはポリイミドなどの有機樹脂膜からなる耐液性薄膜１８を成膜している。このような耐液性薄膜２０を形成することで、シリコン基板からなる流路板１が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く、安定した滴吐出が可能になる。
【００３１】
振動板２は、ニッケルの金属プレートから形成したもので、例えばエレクトロフォーミング法（電鋳法）で作製しているが、この他の金属板や樹脂板或いは金属と樹脂板との接合部材などを用いることもできる。
【００３２】
この振動板２は加圧液室６に対応する部分に変形を容易にするための厚みが２〜１０μｍの薄肉部（ダイアフラム部）２１及び圧電素子１２と接合するための厚肉部（島状凸部）２２を形成するとともに、支柱部１４に対応する部分及びフレーム部材１８との接合部にも厚肉部２３を形成し、平坦面側を流路板１に接着剤接合し、島状凸部２２を圧電素子１５に接着剤接合し、更に厚肉部２３を支柱部１７及びフレーム部材１８に接着剤１９で接合している。なお、ここでは、振動板２を２層構造のニッケル電鋳で形成している。この場合、ダイアフラム部２１の厚みは３μｍ、幅は３５μｍ（片側）としている。
【００３３】
ノズル板３は各加圧液室６に対応して直径１０〜３５μｍのノズル４を形成し、流路板１に接着剤接合している。このノズル板３としては、ステンレス、ニッケルなどの金属、金属とポリイミド樹脂フィルムなどの樹脂との組み合せ、、シリコン、及びそれらの組み合わせからなるものを用いることができる。ここでは、電鋳工法によるＮｉメッキ膜等で形成している。また、ノズル４の内部形状（内側形状）は、ホーン形状（略円柱形状又は略円錘台形状でもよい。）に形成し、このノズル４の穴径はインク滴出口側の直径で約２０〜３５μｍとしている。さらに、各列のノズルピッチは１５０ｄｐｉとし、２列配置により３００ｄｐｉとしている。
【００３４】
また、ノズル板３のノズル面（吐出方向の表面：吐出面）には、図示しない撥水性の表面処理を施した撥水処理層を設けている。撥水処理層としては、例えば、ＰＴＦＥ−Ｎｉ共析メッキやフッ素樹脂の電着塗装、蒸発性のあるフッ素樹脂（例えばフッ化ピッチなど）を蒸着コートしたもの、シリコン系樹脂・フッ素系樹脂の溶剤塗布後の焼き付け等、インク物性に応じて選定した撥水処理膜を設けて、インクの滴形状、飛翔特性を安定化し、高品位の画像品質を得られるようにしている。
【００３５】
圧電素子１５は、厚さ１０〜５０μｍ／１層のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の圧電層３１と、厚さ数μｍ／１層の銀・パラジューム（ＡｇＰｄ）からなる内部電極層３２とを交互に積層したものであり、内部電極３２を交互に端面の端面電極（外部電極）である個別電極３３、共通電極３４に電気的に接続したものである。この圧電常数がｄ３３である圧電素子１５の伸縮により加圧液室６を収縮、膨張させるようになっている。圧電素子１５に駆動信号が印加され充電が行われると伸長し、また圧電素子１５に充電された電荷が放電すると反対方向に収縮するようになっている。
【００３６】
なお、圧電素子部材の一端面の端面電極はハーフカットによるダイシング加工で分割されて個別電極３３となり、他端面の端面電極は切り欠き等の加工による制限で分割されずにすべての圧電素子１５で導通した共通電極３４となる。
【００３７】
そして、圧電素子１５の個別電極３３には駆動信号を与えるために半田接合又はＡＣＦ（異方導電性膜）接合若しくはワイヤボンディングでＦＰＣケーブル３５を接続し、このＦＰＣケーブル３５には各圧電素子１５に選択的に駆動波形を印加するための駆動回路（ドライバＩＣ）を接続している。また、共通電極３４は、圧電素子の端部に電極層を設けて回し込んでＦＰＣケーブル３５のグラウンド（ＧＮＤ）電極に接続している。
【００３８】
このように構成したインクジェットヘッドにおいては、例えば、記録信号に応じて圧電素子１５に駆動波形（１０〜５０Ｖのパルス電圧）を印加することによって、圧電素子１５に積層方向の変位が生起し、振動板２を介して加圧液室６内のインクが加圧されて圧力が上昇し、ノズル４からインク滴が吐出される。
【００３９】
その後、インク滴吐出の終了に伴い、加圧液室６内のインク圧力が低減し、インクの流れの慣性と駆動パルスの放電過程によって加圧液室６内に負圧が発生してインク充填行程へ移行する。このとき、図示しないインクタンクから供給されたインクは共通液室８に流入し、共通液室８から供給口９を経て加圧液室６に流れ込んで充填されるとともに、共通液室８から供給口９、供給孔１２を経てリフィル室１０に流れ込み、更にリフィル連通孔１１を介して加圧液室６に充填されるので、高速でインクリフィルを行うことができる。
【００４０】
ここで、本発明におけるリフィル室構成について図４ないし図６をも参照して説明する。なお、図４はヘッドの液室長手方向に沿う断面説明図、図５は同ヘッドの流路板の加圧液室側の平面説明図、図６は同ヘッドの流路板のリフィル室側の平面説明図である。
【００４１】
このヘッドにおいては、リフィル室１０はノズル連通路５よりも上流側（加圧液室側）でリフィル連通孔１１を介して加圧液室６に連通している。また、リフィル室１０は加圧液室６へのインク供給側で供給孔１２を介して加圧液室６に連通している。
【００４２】
したがって、図４に示すように、供給口９より供給されたインクは加圧液室６に流れ込み、供給孔１２を介してリフィル室１０にも流れ込む。リフィル室１０に流れ込んだインクはリフィル連通孔１１を介して加圧液室６とノズル連通路５との間に流れ込む。これにより、加圧液室６のノズル連通路５側で加圧液室６からのインクとリフィル室１０からのインクとが合流して、ノズル連通路５に至り、ノズル４に向かうことになる。
【００４３】
このように、ノズル４に向かうインクの流れは一方向となるので、メニスカスに対し外乱を与えずに、十分なインクリフィル量を確保することができ、安定した噴射性能が得られ、高性能、高信頼性のヘッドが得られる。
【００４４】
この場合、リフィル連通孔１１の流体抵抗値はノズル連通路５の流体抵抗値よりも大きくすることが好ましい。例えば、リフィル連通孔１１及びノズル連通路５の短手方向の長さが液室の長さと同等である場合、リフィル連通孔１１の長手方向の長さＬをノズル連通路５の長手方向の長さＷより短くする。
【００４５】
このように構成することで、液滴吐出時のリフィル室へのインクの逆流を低減させることができ、より安定した滴噴射特性を有するヘッドが得られる。
【００４６】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第２実施形態について図７ないし図９を参照して説明する。なお、図７はヘッドの液室長手方向に沿う断面説明図、図８は同ヘッドの流路板の加圧液室側の平面説明図、図９は同ヘッドの流路板のリフィル室側の平面説明図である。
【００４７】
このヘッドは、共通液室からの供給口９と加圧液室６の間に加圧液室６よりも幅の狭い流体抵抗部７を設けるとともに、供給孔１２とリフィル室１０の間にもリフィル室１０よりも幅の狭い流体抵抗部１３を設けたものである。これにより、加圧液室６で発生する圧力を効率よくノズル連通路５側に与えることができる。
【００４８】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法の第１実施形態について図１０及び図１１を参照して説明する。
先ず、図１０（ａ）に示すように、厚さ４００μｍで面方位（１１０）のシリコン基板（シリコンウエハを用いる。）６１を用意し、このシリコン基板６１両表面に厚さ１．０μｍのシリコン酸化膜６２ａ、６２ｂ及び厚さ０．１５μｍのシリコン窒化膜６３ａ、６３ｂを形成した。
【００４９】
なお、使用するウエハの種類は両面研磨ウエハ、両面未研磨ウエハ、片面未研磨ウエハのいずれのウエハであっても良く、また比抵抗も揃っている必要はなく、例えばここでは、比抵抗０．１−１００Ωｃｍのウエハを使用している。
【００５０】
次いで、同図（ｂ）に示すように、シリコン基板６１のノズル板接合面側のシリコン窒化膜６３ａ表面に、ノズル連通路５を形成するための開口と、リフィル流路（リフィル室１０、リフィル連通孔１１、供給孔１２）を形成するための開口と、ノズル板３との接合時の余剰接着剤を流れ込ませる凹部（肉抜き部）を形成するための開口とを有するレジストパターン６４ａを形成した。
【００５１】
そして、ドライエッチングを行って、シリコン窒化膜６３ａに、ノズル連通路５を形成するための開口６５ａと、リフィル連通孔１１、リフィル室１０及び供給孔１２を形成するための開口６６ａと、ノズル板３との接合時の余剰接着剤を流れ込ませる凹部を形成するための開口６８をパターニングする。
【００５２】
その後、同図（ｃ）に示すように、シリコン基板６１のノズル板接合面側のシリコン窒化膜６３ａを埋め込み、ノズル連通路５を形成するための開口と、リフィル連通孔１１を形成するための開口と、供給孔１２を形成するための開口を有するレジストパターン６４ｃを形成し、ドライエッチングを行って、シリコン窒化膜６３ａの開口に連続してシリコン酸化膜６２ａにノズル連通路５を形成するための開口６５と、リフィル連通孔１１を形成するための開口６６と、供給孔１２を形成するための開口６７をパターニングする。
【００５３】
次に、同図（ｄ）に示すように、シリコン基板６１の振動板接合面側のシリコン窒化膜６３ｂ表面に、加圧液室６等を形成するための開口と、振動板２との接合時の余剰接着剤を流れ込ませる凹部（肉抜き部）を形成するための開口とを有するレジストパターン６４ｂを形成する。
【００５４】
そして、ドライエッチングを行って、シリコン窒化膜６３ａに、ノズル連通路５、加圧液室６及び供給孔１２に対応する流路を形成するための開口７０と、振動板２との接合時の余剰接着剤を流れ込ませる凹部（肉抜き部）を形成するための開口７１をパターニングする。
【００５５】
次いで、同図（ｅ）に示すように、シリコン基板６１の振動板接合面側のシリコン窒化膜６３ｂを埋め込み、ノズル連通路５、リフィル連通孔１１、供給孔１２をを形成するための開口を有するレジストパターン６４ｄ形成し、ドライエッチングを行って、シリコン酸化膜６２ａにノズル連通路５を形成するための開口７２、リフィル連通孔１１を形成するための開口７３、供給孔１２を形成するための開口７４をパターニングする。
【００５６】
その後、図１１（ａ）に示すように、レジストでシリコン窒化膜６３ａの開口を埋め込み、ノズル連通路５を形成するための開口、リフィル連通孔１１を形成するための開口、供給孔１２を形成するための開口を有するレジストパターン（マスク）７５を形成した。このときのレジストの膜厚は８μｍとした。
【００５７】
そして、ＩＣＰドライエッチャーを使用して、シリコン基板６１にノズル連通路５を形成するための深堀７６、リフィル連通孔１１を形成するための深堀７７、供給孔１２を形成するための深堀７８を形成した。また、ＩＣＰエッチングはノズル板接合面側から行っている。
【００５８】
次いで、同図（ｂ）に示すように、マスク７５を除去して、水酸化カリウム水溶液によりシリコン基板６１の異方性エッチングを行ってノズル連通路５となる貫通孔８１、リフィル連通孔１１となる貫通孔８２、供給孔１２となる貫通孔８３を形成した。
【００５９】
その後、同図（ｃ）に示すように、ウエットエッチングにより、シリコン酸化膜６２ａ、６２ｂのうちのリフィル室１０に対応する部分及び加圧液室６等に対応する部分を除去する。
【００６０】
そして、同図（ｄ）に示すように、再度水酸化カリウム水溶液により、シリコン基板６１の異方性エッチングを行って、シリコン基板６１の一面側にノズル連通路５、リフィル連通孔１１、加圧液室６、供給孔１２に対応する凹部８５、他面側にリフィル連通孔１１、リフィル室１０、供給孔１２に対応する凹部８７を形成した。ここで、シリコンの異方性エッチングは、水酸化カリウム水溶液として溶液濃度３０％のものを用いて、処理温度８５℃で行った。なお、このとき肉抜き部８８も形成される。
【００６１】
そして、同図（ｅ）に示すように、シリコン窒化膜６３ａ、６３ｂ及びシリコン酸化膜６２ａ、６２ｂを除去し、ノズル連通路５、加圧液室６、リフィル室１０、リフィル連通孔１１、供給孔１２を有する流路板１を得て、更に図示しないが、耐インク接液膜（耐液性薄膜）１０としてシリコン酸化膜を１μｍの厚さで形成した。
【００６２】
このように、流路形成部材をシリコン基板から形成し、ドライエッチングによる深堀と異方性ウェットエッチングとを併用して、必要なノズル連通路、加圧液室、リフィル室、リフィル連通孔、供給孔などの流路を形成したので、精度よく加圧液室を形成することが可能となり、リフィル性に優れ、吐出特性にばらつきのないヘッドが得られた。
【００６３】
また、シリコン酸化膜／シリコン窒化膜の積層膜をマスクとして異方性ウェットエッチングを行ったので、シリコン窒化膜膜、シリコン酸化膜をそれぞれエッチングのマスクとして使用することでき、寸法制御性に優れたヘッドが得られる。
【００６４】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法の第２実施形態の製造工程について図１２及び図１３を参照して説明する。
先ず、図１２（ａ）に示すように、厚さ４００μｍで面方位（１１０）のシリコン基板（シリコンウエハを用いる。）１０１を用意し、このシリコン基板１０１両表面に厚さ１．０μｍのシリコン酸化膜１０２ａ、１０２ｂを形成した。
【００６５】
なお、使用するウエハの種類は両面研磨ウエハ、両面未研磨ウエハ、片面未研磨ウエハのいずれのウエハであっても良く、また比抵抗も揃っている必要はなく、例えばここでは、比抵抗０．１−１００Ωｃｍのウエハを使用している。また、シリコンウエハの厚さ寸法はそのままのノズル連通路の高さ寸法としているので６００μｍ以下のウエハを使用した。
【００６６】
次いで、同図（ｂ）に示すように、シリコン基板１０１のノズル板接合面側のシリコン酸化膜１０２ａ表面に、ノズル連通路５を形成するための開口１０５ａと、リフィル流路（リフィル室１０、リフィル連通孔１１、供給孔１２）を形成するための開口１０６ａと、ノズル板３との接合時の余剰接着剤を流れ込ませる凹部（肉抜き部）を形成するための開口１０８ａとを有するレジストパターン１０４ａを形成した。
【００６７】
そして、同図（ｃ）に示すように、ドライエッチングを行って、シリコン酸化膜１０２ａに、ノズル連通路５を形成するための開口１０５と、リフィル流路を形成するための開口１０６と、ノズル板３との接合時の余剰接着剤を流れ込ませる凹部を形成するための開口１０８をパターニングする。
【００６８】
次に、同図（ｄ）に示すように、シリコン基板１０１の振動板接合面側のシリコン酸化膜１０２ｂ表面に、ノズル連通路５、加圧液室６、リフィル連通孔１１、供給孔１２を形成するための開口と、振動板２との接合時の余剰接着剤を流れ込ませる凹部（肉抜き部）を形成するための開口とを有するレジストパターン１０４ｂを形成する。
【００６９】
その後、同図（ｅ）に示すように、ドライエッチングを行って、シリコン酸化膜１０２ｂにノズル連通路５、加圧液室６、リフィル連通孔１１、供給孔１２を形成するための開口１１０と、振動板２との接合時の余剰接着剤を流れ込ませる凹部（肉抜き部）を形成するための開口１１１とをパターニングする。
【００７０】
次いで、図１３（ａ）に示すように、レジストでシリコン酸化膜１０２ａの開口を埋め込み、ノズル連通路５を形成するための開口、リフィル連通孔１１を形成するための開口、供給孔１２を形成するための開口を有するレジストパターン（マスク）１１５を形成した。このときのレジストの膜厚は８μｍとした。
【００７１】
そして、ＩＣＰドライエッチャーを使用して、シリコン基板１０１にノズル連通路５を形成するための深堀１１６、リフィル連通孔１１を形成するための深堀１１７、供給孔１２を形成するための深堀１１８を形成した。また、ＩＣＰエッチングはノズル板接合面側から行っている。
【００７２】
次いで、同図（ｂ）に示すように、マスク１１５を除去して、水酸化カリウム水溶液によりシリコン基板１０１の異方性エッチングを行ってノズル連通路５となる貫通孔１２１、リフィル連通孔１１となる貫通孔１２２、供給孔１２となる貫通孔１２３を形成するとともに、シリコン基板１０１の一面側にノズル連通路５、リフィル連通孔１１、加圧液室６、供給孔１２に対応する凹部１２５、他面側にリフィル連通孔１１、リフィル室１０、供給孔１２に対応する凹部１２７を形成した。ここで、シリコンの異方性エッチングは、水酸化カリウム水溶液として溶液濃度３０％のものを用いて、処理温度８５℃で行った。なお、このとき肉抜き部１２８も形成される。
【００７３】
そして、同図（ｅ）に示すように、シリコン酸化膜１０２ａ、１０２ｂを除去し、ノズル連通路５、加圧液室６、リフィル室１０、リフィル連通孔１１、供給孔１２を有する流路板１を得て、更に図示しないが、耐インク接液膜（耐液性薄膜）１０としてシリコン酸化膜を１μｍの厚さで形成した。
【００７４】
このように、流路形成部材をシリコン基板から形成し、ドライエッチングによる深堀と異方性ウェットエッチングとを併用して、必要なノズル連通路、加圧液室、リフィル室、リフィル連通孔、供給孔などの流路を形成したので、精度よく加圧液室を形成することが可能となり、リフィル性に優れ、吐出特性にばらつきのないヘッドが得られた。
【００７５】
また、シリコン酸化膜をマスクとして異方性ウェットエッチングを行ったので、マスク製作工程が非常に簡単かつ短工程であるので、低コストのヘッドが得られる。
【００７６】
上記本発明に係る液滴吐出ヘッドの実施形態においては、圧力発生手段として積層型圧電素子を用いた例で説明しているがこれに限るものではなく、本発明は、それ以外にも、例えば静電力で振動板を変形させる静電型、あるいは熱エネルギーによってインクにバブルを発生させるサーマル型、音響波エネルギーによってインクを吐出する音響型、放電のエネルギーによってインクを吐出するスパークジェット型などにも適用することができる。
【００７７】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドとインクタンクとを一体化したインクカートリッジについて図１４を参照して説明する。
このインクカートリッジ（インクタンク一体型ヘッド）２００は、ノズル孔２０１等を有する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２０２と、このインクジェットヘッド２０２に対してインクを供給するインクタンク２０３とを一体化したものである。
【００７８】
このようにインクタンク一体型のヘッドの場合、ヘッドの信頼性はただちに全体の信頼性につながるので、上述したようにリフィル性に優れ安定した吐出特性が得られるヘッドを一体化することで、高画質記録が可能なインクカートリッジが得られる。
【００７９】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドからなるインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置の一例について図１５及び図１６を参照して説明する。なお、図１５は同記録装置の斜視説明図、図１６は同記録装置の機構部の側面説明図である。
【００８０】
このインクジェット記録装置は、記録装置本体２１１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明に係るインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部２１２等を収納し、装置本体２１１の下方部には前方側から多数枚の用紙２１３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）２１４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙２１３を手差しで給紙するための手差しトレイ２１５を開倒することができ、給紙カセット２１４或いは手差しトレイ２１５から給送される用紙２１３を取り込み、印字機構部２１２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ２１６に排紙する。
【００８１】
印字機構部２１２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド２２１と従ガイドロッド２２２とでキャリッジ２２３を主走査方向（図１６で紙面垂直方向）に摺動自在に保持し、このキャリッジ２２３にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する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からなるヘッド２２４を複数のインク吐出口を主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ２２３にはヘッド２２４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ２２５を交換可能に装着している。なお、上述したインクタンク一体型ヘッドである本発明に係るインクカートリッジを搭載するようにすることもできる。
【００８２】
インクカートリッジ２２５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。
【００８３】
また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド２２４を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。
【００８４】
ここで、キャリッジ２２３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド２２１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド２２２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ２２３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ２２７で回転駆動される駆動プーリ２２８と従動プーリ２２９との間にタイミングベルト２３０を張装し、このタイミングベルト２３０をキャリッジ２２３に固定しており、主走査モーター２２７の正逆回転によりキャリッジ２２３が往復駆動される。
【００８５】
一方、給紙カセット２１４にセットした用紙２１３をヘッド２２４の下方側に搬送するために、給紙カセット２１４から用紙２１３を分離給装する給紙ローラ２３１及びフリクションパッド２３２と、用紙２１３を案内するガイド部材２３３と、給紙された用紙２１３を反転させて搬送する搬送ローラ２３４と、この搬送ローラ２３４の周面に押し付けられる搬送コロ２３５及び搬送ローラ２３４からの用紙２１３の送り出し角度を規定する先端コロ２３６とを設けている。搬送ローラ２３４は副走査モータ２３７によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００８６】
そして、キャリッジ２２３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ２３４から送り出された用紙２１３を記録ヘッド２２４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材２３９を設けている。この印写受け部材２３９の用紙搬送方向下流側には、用紙２１３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ２４１、拍車２４２を設け、さらに用紙２１３を排紙トレイ２１６に送り出す排紙ローラ２４３及び拍車２４４と、排紙経路を形成するガイド部材２４５，２４６とを配設している。
【００８７】
記録時には、キャリッジ２２３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド２２４を駆動することにより、停止している用紙２１３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙２１３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙２１３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙２１３を排紙する。
【００８８】
また、キャリッジ２２３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド２２４の吐出不良を回復するための回復装置２４７を配置している。回復装置２４７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ２２３は印字待機中にはこの回復装置２４７側に移動されてキャッピング手段でヘッド２２４をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
【００８９】
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド２２４の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【００９０】
このように、このインクジェット記録装置においては本発明を実施したインクジェットヘッドを搭載しているので、インクリフィル性に優れ、安定した滴吐出を行うことができるので、高速で、高画質記録を高速で行うことができる記録装置が得られる。
【００９１】
なお、上記実施形態においては、本発明に係る液滴吐出ヘッドをインクジェットヘッドに適用したが、インク以外の液体の滴、例えば、パターニング用の液体レジストを吐出する液滴吐出ヘッド、遺伝子分析試料を吐出する液滴吐出ヘッドなどにも適用することできる。
【００９２】
【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、リフィル室をノズル連通路の上流側で加圧液室と連通させたので、ノズル近傍での液体の流れによる外乱が低減し、リフィル性が向上するとともに、安定した滴吐出特性が得られる。
【００９３】
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法によれば、液室形成部材をシリコンで形成した本発明に係る液滴吐出ヘッドを製造する製造方法であって、液室形成部材はドライエッチングによる深堀又はドライエッチングによる深堀と異方性ウェットエッチングとを併用して形成する構成としたので、低コストで信頼性の高いヘッドを得ることができる。
【００９４】
本発明に係るインクカートリッジによれば、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とインクタンクを一体化したので、高速で高画質記録が可能になる。
【００９５】
本発明に係るインクジェット記録装置によれば、インクジェットヘッドが本発明に係る液滴吐出ヘッド又はインクカートリッジである構成としたので、高速で高画質記録を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液滴吐出ヘッドの第１実施形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視説明図
【図２】同ヘッドの液室長手方向に沿う断面説明図
【図３】同ヘッドの液室短手方向に沿う要部断面説明図
【図４】同ヘッドのリフィル流路構成の説明に供する模式的断面説明図
【図５】同ヘッドの流路板の加圧液室側の平面説明図
【図６】同流路板のリフィル室側の平面説明図
【図７】本発明に係る液滴吐出ヘッドの第２実施形態の説明に供する模式的断面説明図
【図８】同ヘッドの流路板の加圧液室側の平面説明図
【図９】同流路板のリフィル室側の平面説明図
【図１０】本発明に係る製造方法の第１実施形態の製造工程を説明する説明図
【図１１】図１０に続く工程を説明する説明図
【図１２】本発明に係る製造方法の第２実施形態の製造工程を説明する説明図
【図１３】図１２に続く工程を説明する説明図
【図１４】本発明に係るインクカートリッジの説明に供する斜視説明図
【図１５】本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置の一例を示す斜視説明図
【図１６】同記録装置の機構部の側面説明図
【図１７】従来のヘッドのリフィル流路構成の説明に供する模式的断面説明図
【図１８】同ヘッドの流路板の加圧液室側の平面説明図
【図１９】同流路板のリフィル室側の平面説明図
【符号の説明】
１…流路板、２…振動板、３…ノズル板、４…ノズル、５…ノズル連通路、６…加圧液室、８…共通液室、１０…リフィル室、１１…リフィル連通孔、１２…供給孔、１５…圧電素子、１６…ベース基板、６１…シリコン基板、６２ａ…シリコン酸化膜、６３ａ…シリコン窒化膜、２００…インクカートリッジ、２１４…記録ヘッド。

Claims (9)

1. 液滴を吐出するノズルがノズル連通路を介して連通し、このノズル連通路と反対側から液体が供給される加圧液室と、この加圧液室の液体を加圧する圧力を発生するための圧力発生手段とを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、前記ノズル連通路の上流側で前記加圧液室と連通するリフィル室を設けたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記リフィル室は前記加圧液室とリフィル連通路で連通していることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
3. 請求項２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記リフィル連通路の流体抵抗値は前記ノズル連通路の流体抵抗値よりも大きいことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記加圧液室及びリフィル室を形成する流路形成部材が面方位（１１０）のシリコン基板から形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記液体が流れる流路の壁面には酸化膜又は窒化チタン膜が形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを製造する製造方法であって、前記加圧液室及びリフィル室を形成する流路形成部材はシリコンのドライエッチングによる深堀と異方性ウェットエッチングとを併用して形成することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
7. 請求項６に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記異方性ウエットエッチングはシリコン酸化膜／シリコン窒化膜の積層膜、又はシリコン酸化膜、若しくはシリコン窒化膜をマスクとして行うことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
8. インク滴を吐出するインクジェットヘッドとこのインクジェットヘッドにインクを供給するインクタンクを一体化したインクカートリッジにおいて、前記インクジェットヘッドが請求項１ないし５のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とするインクカートリッジ。
9. インク滴を吐出させて画像を記録するインクジェット記録装置において、請求項１ないしないし５のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド又は請求項８に記載のインクカートリッジを備えていることを特徴とするインクジェット記録装置。

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