JP2008068508A

JP2008068508A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置

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Publication number: JP2008068508A
Application number: JP2006248741A
Authority: JP
Inventors: Akira Matsuzawa; 明松沢; Mutsuhiko Ota; 睦彦太田; Tetsuji Takahashi; 哲司高橋; Yasuyuki Matsumoto; 泰幸松本
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2026-09-13
Also published as: US20130335485A1; JP4228239B2; US8757777B2; US8534800B2; US8342656B2; US20120062655A1; US20080062225A1; US20130088546A1; US8061813B2

Abstract

【課題】液体流路内の気泡の残留を防止して、液滴の噴射特性を向上した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】隔壁１１によって区画され液滴を噴射するノズル開口にそれぞれ連通する圧力発生室を少なくとも含む複数の個別流路と、各個別流路に連通する連通部とを有する流路形成基板と、各圧力発生室に対応して設けられて圧力発生室内に液滴を噴射するための圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを具備する液体噴射ヘッドであって、各隔壁１１の連通部側の先端面には、隔壁１１の厚さ方向に連通部側に向かって下り傾斜すると共に、その傾斜角度θ２が隔壁１１の一方の端部に向かって漸小する漸小部１７が設けられているようにする。
【選択図】図４

Description

本発明は、ノズル開口から液滴を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、液滴としてインク滴を噴射す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関する。

液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ、ファクシミリ、複写装置等に用いられるインクジェット式記録ヘッドが代表例として挙げられる。このインクジェット式記録ヘッドとしては、ノズル開口に連通する圧力発生室を含む液体流路が設けられた流路形成基板と、その一方面側に圧力発生室に対向する領域に振動板を介して設けられた圧電素子とを有するものがある。具体的には、各圧力発生室に供給するインクが貯留される連通部、この連通部と各圧力発生室とを繋ぐインク供給路及び連通路が、圧力発生室と共に流路形成基板に形成され、圧電素子の変位により振動板を変形させて圧力発生室内の容積を膨張又は収縮させることで、連通部から連通路及びインク供給路を介して圧力発生室内にインクを供給すると共にノズル開口からインク滴を噴射させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１５３２４３号公報

ここで、隔壁によって区画された圧力発生室等の個別流路と上記連通部との境界部分、すなわち、上記連通路と連通部との境界部分では、気泡の巻き込み（気泡溜まり）が生じるという問題がある。具体的には、各隔壁の連通部側の先端面は、通常、流路形成基板の表面に対して略垂直あるいは傾斜する平坦面で形成されているため、インクに混入した気泡が、隔壁の先端面に衝突して、例えば、隔壁と振動板（弾性膜）とで形成される角部に残留してしまう。そして、この角部に残留した気泡が成長することによって、例えば、ドット抜けや、噴射量の低下等、インク滴の噴射特性に悪影響を与えてしまうという問題がある。

勿論、このような問題は、インク滴以外を噴射する液体噴射ヘッドにおいても、同様に存在する。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、液体流路内の気泡の残留を防止して、液滴の噴射特性を向上した液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、隔壁によって区画され液滴を噴射するノズル開口にそれぞれ連通する圧力発生室を少なくとも含む複数の個別流路と、各個別流路に連通する連通部とを有する流路形成基板と、各圧力発生室に対応して設けられて当該圧力発生室内に液滴を噴射するための圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを具備する液体噴射ヘッドであって、各隔壁の前記連通部側の先端面には、当該隔壁の厚さ方向に前記連通部側に向かって下り傾斜すると共に、その傾斜角度が前記隔壁の幅方向の一方の端部に向かって漸小する漸小部が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第１の態様では、隔壁の先端面の傾斜角度が比較的小さくなることで、隔壁の端部における液体の流れがスムーズになる。したがって、液体流路内、特に、隔壁の端部での気泡の残留が防止され、液滴の噴射特性を向上することができる。

本発明の第２の態様は、前記漸小部が、曲面で構成されていることを特徴とする第１の態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第２の態様では、隔壁の端部における液体の流れがさらにスムーズになり、液体流路内の気泡の残留をより確実に防止することができる。

本発明の第３の態様は、前記隔壁の先端面の全面が、前記連通部側に向かって下り傾斜していることを特徴とする第１又は２の態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第３の態様では、隔壁の端部における液体の流れがさらにスムーズになり、液体流路内の気泡の残留をより確実に防止することができる。

本発明の第４の態様は、前記隔壁の先端面が、前記漸小部のみで構成されていることを特徴とする第３の態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第４の態様では、隔壁の端部における液体の流れがさらにスムーズになり、液体流路内の気泡の残留をより確実に防止することができる。

本発明の第５の態様は、各隔壁の前記連通部側の端部は、その先端側ほど幅の狭い幅狭部となっていることを特徴とする第１〜４の何れかの態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第５の態様では、隔壁の先端面が、液体の流れる方向に対して直交する方向ではなく傾斜する方向に形成されるため、隔壁の端部における液体の流れがさらにスムーズになる。

本発明の第６の態様は、前記個別流路が、前記圧力発生室に連通され当該圧力発生室の幅方向の断面積よりも狭い幅方向の断面積を有する液体供給路と、該液体供給路と前記連通部とを繋ぎ当該液体供給路の幅方向の断面積よりも広い幅方向の断面積を有する連通路とを含むことを特徴とする第１〜５の何れかの態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第６の態様では、連通部と連通路との境界部分での液体の流れがスムーズになり、液体流路内の気泡の残留をより確実に防止することができる。したがって、連通部から圧力発生室に液体を良好に供給することができ、液滴の噴射特性がより確実に向上する。

本発明の第７の態様は、前記流路形成基板が、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなることを特徴とする第１〜６の何れかの態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第７の態様では、流路形成基板として所定の材料からなる基板を用いることで、隔壁の先端面に漸小部を比較的容易に形成することができる。

本発明の第８の態様は、第１〜７の何れかの態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第８の態様では、信頼性、耐久性等の各種特性を向上した液体噴射装置を実現することができる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。また、図３は、隔壁の先端部を示す概略斜視図であり、図４は、隔壁の先端部の拡大平面図及び拡大断面図である。

図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では結晶面方位が（１１０）であるシリコン単結晶基板からなり、その一方面には予め熱酸化により形成した酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる、厚さ０．５〜２．０μｍの弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、隔壁１１によって区画された複数の圧力発生室１２を含む個別流路がその幅方向に並設されている。例えば、本実施形態では、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向一端部側には、隔壁１１によって区画され各圧力発生室１２に連通するインク供給路１３と連通路１４とが設けられており、これら圧力発生室１２、インク供給路１３及び連通路１４で個別流路が構成されている。さらに、連通路１４の外側には、各個別流路を構成する連通路１４とそれぞれ連通する連通部１５が設けられている。なお、連通部１５は、後述する保護基板３０のリザーバ部３２と連通してリザーバ１００を構成する。

インク供給路１３は、その幅方向の断面積が圧力発生室１２の幅方向の断面積よりも狭くなるように形成されており、連通部１５から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。例えば、本実施形態では、インク供給路１３は圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。また、各連通路１４は、圧力発生室１２の幅方向両側の隔壁１１を連通部１５側に延設してインク供給路１３と連通部１５との間の空間を区画することで形成されている。この連通路１４は、インク供給路１３の幅よりも広い幅、例えば、本実施形態では、圧力発生室１２と略同一幅で形成されている。すなわち、連通路１４は、インク供給路１３の幅方向の断面積よりも広い幅方向の断面積を有する。

ここで、本実施形態では、流路形成基板１０は、上述したように結晶面方位が（１１０）であるシリコン単結晶基板からなり、圧力発生室１２等の流路は、この流路形成基板１０を、例えば、ＫＯＨ水溶液等のエッチング液によって異方性エッチングすることによって形成されている。このため、例えば、圧力発生室１２の側面は、（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とで形成されている。また、流路形成基板１０を異方性エッチングすることによって流路を形成した結果、圧力発生室１２等の個別流路を画成する隔壁１１の先端部、すなわち、隔壁１１の連通部１５側の端部は、先端側（連通部１５側）ほど幅の狭い幅狭部１６となっている。本実施形態に係る幅狭部１６は、隔壁１１の幅が片側から徐々に狭くなった形状となっており、流路形成基板１０の面内方向において隔壁１１の先端面１１ａは、インクの流れ方向、すなわち、圧力発生室１２の長手方向に対して直交する方向ではなく、所定角度θ１で傾斜する方向で形成されている。

また、隔壁１１の先端面１１ａには、隔壁１１の厚さ方向に、連通部１５側に向かって下り傾斜すると共にその傾斜角度θ２が厚さ方向の一方側の端部に向かって漸小する漸小部１７が設けられている。例えば、本実施形態では、隔壁１１の先端面１１ａの全面が、ノズルプレート２０側から弾性膜５０側に向かって下り傾斜しており、隔壁１１の先端面１１ａの弾性膜５０側の端部近傍に曲面で構成される漸小部１７が設けられている。すなわち、このような漸小部１７を設けることで、隔壁１１の先端面１１ａの傾斜角度θ２が、弾性膜５０側の端部で可及的に小さくなるようにしている。なお、漸小部１７の曲率半径は、隔壁１１の幅方向において一定である必要はなく、例えば、本実施形態では、隔壁１１の先端側が最大となっている。例えば、図４に示すように、Ｂ−Ｂ′断面における漸小部１７の曲率半径Ｒ１は、Ｃ−Ｃ′断面における漸小部１７の曲率半径Ｒ２よりも大きくなっている。このため、本実施形態では、インクの流れ方向に対する隔壁１１の先端面１１ａの傾斜角度θ１は、ノズルプレート２０側から弾性膜５０側に向かうに連れて徐々に小さくなっている。

このような構成では、隔壁１１の先端面１１ａ近傍でのインクの流れがスムーズになり、隔壁１１の先端面１１ａ近傍における気泡巻き込みを防止することができる。すなわち、連通部１５内のインクが、連通路１４、インク供給路１３を介して圧力発生室１２に供給される際、インクに混入している気泡が、隔壁１１の先端面１１ａと弾性膜５０又はノズルプレート２０とで画成される角部に残留するのを防止することができる。特に、本実施形態では、上述したように、隔壁１１の先端部が幅狭部１６となっており、隔壁１１の先端面１１ａは、インクの流れ方向に対して所定角度θ１で傾斜する方向で形成されている。このため、連通部１５内のインクが連通路１４内に流れ込み易く、インクの流れがさらにスムーズになる。したがって、上記角部に残留した気泡が成長することによって発生する、例えば、ドット抜けや、インク滴量の低下等、噴射不良の発生を防止することができる。

なお、このように先端面１１ａに漸小部１７を有する隔壁１１の形成方法、特に限定されないが、漸小部１７を有する隔壁１１は、上述したように流路形成基板１０を異方性エッチングして圧力発生室１２等の流路を形成することで同時に形成することができる。本実施形態では、隔壁１１の先端部が幅狭部１６となっているため、異方性エッチングによって圧力発生室１２等の流路を形成する際、幅狭部１６の基端部側と先端部側とではエッチングレートに若干の差が生じる。また、エッチングレートは、例えば、エッチング液の濃度、エッチング時間等のエッチング条件によって変化する。したがって、エッチング条件を適宜調整して、このエッチングレートの差を利用することで、圧力発生室１２等を形成する際に、隔壁１１の先端面１１ａに漸小部１７を同時に形成することができる。

また、本実施形態では、隔壁１１の先端面１１ａの一部のみが漸小部１７で構成されているが、先端面１１ａの全面が漸小部１７で構成されていてもよい。また、本実施形態では、先端面１１ａの全面が、弾性膜５０側に向かって下り傾斜するように形成されているが、漸小部１７以外の領域は、弾性膜５０の表面に対して略直交する方向に形成されていてもよい。

また本実施形態では、隔壁１１の先端部の幅狭部１６は、隔壁１１の幅が片側から徐々に狭くなるように形成されているが、これに限定されず、例えば、図５に示すように隔壁１１の幅が両側から狭くなるように形成されていてもよい。このような構成にすると、連通部１５内のインクが隔壁１１を挟む２つの連通路１４（図中上下方向に並ぶ２つの連通路１４）内に流れ込み易く、インクの流れがさらにスムーズになる。

流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１３とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等からなる。

一方、このような流路形成基板１０のノズルプレート２０とは反対側の面には、上述したように、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とからなる圧電素子３００が形成されている。なお、一般的には、圧電素子３００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７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。

また、各圧電素子３００の上電極膜８０には、流路形成基板１０のインク供給路１３側に延設された金（Ａｕ）等のリード電極９０がそれぞれ接続されている。このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加される。

さらに、圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００を保護するための圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接着剤３５によって接合されている。なお、圧電素子保持部３１は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。また、連通部１５に対向する領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通するリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２は、上述したように、流路形成基板１０の連通部１５と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。また、本実施形態では、保護基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間の領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられており、この貫通孔３３内に下電極膜６０の一部及びリード電極９０の先端部が露出されている。

なお、保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料の面方位（１１０）のシリコン単結晶基板を用いて形成した。

また、保護基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための駆動回路２００が実装されている。この駆動回路２００としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等が挙げられる。そして、駆動回路２００とリード電極９０とがボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線２１０を介して電気的に接続されている。また、保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路２００からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が噴射される。

（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明は、上述したものに限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、漸小部１７が曲面で構成されている例を説明したが、漸小部１７は、その傾斜角度が徐々に漸小していればよく、例えば、傾斜角度が異なる複数の平面で構成されていてもよい。また、上述の実施形態では、隔壁１１の先端部に幅狭部１６が設けられた例を説明したが、勿論、この幅狭部１６は設けられていなくてもよい。さらに、上述の実施形態では、隔壁１１の先端面１１ａが、ノズルプレート２０側から弾性膜５０側に向かって下り傾斜した構成を例示したが、隔壁の先端面が弾性膜側からノズルプレート側に向かって下り傾斜する構成であっても本発明を採用することができる。

また、本発明は、流路形成基板に形成される液体流路の形状、特に、隔壁の先端部の形状に特徴を有するものであり、それ以外の構成は、特に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、圧力発生手段として圧電素子を具備するインクジェット式記録ヘッドを例示したが、圧力発生手段は、これに限定されず、例えば、振動板と電極を所定の隙間を開けて配置し、静電気力で振動板の振動を制御する、いわゆる静電アクチュエータであってもよい。

なお、上述したインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図６は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。

図６に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を噴射するものとしている。そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。

また、上述の実施形態では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて本発明を説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。

実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。実施形態１に係る隔壁の先端部を示す概略斜視図である。実施形態１に係る隔壁の先端部を示す拡大平面図及び拡大断面図である。実施形態１に係る隔壁の先端部形状の変形例を示す平面図である。一実施形態に係るインクジェット式記録装置を示す概略図である。

符号の説明

１０流路形成基板、１２圧力発生室、１３インク供給路、１４連通路、１５連通部、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０保護基板、３１圧電素子保持部、３２リザーバ部、４０コンプライアンス基板、５０弾性膜、５５絶縁体膜、６０下電極膜、７０圧電体層、８０上電極膜、９０リード電極、１００リザーバ、３００圧電素子

Claims

隔壁によって区画され液滴を噴射するノズル開口にそれぞれ連通する圧力発生室を少なくとも含む複数の個別流路と、各個別流路に連通する連通部とを有する流路形成基板と、各圧力発生室に対応して設けられて当該圧力発生室内に液滴を噴射するための圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを具備する液体噴射ヘッドであって、
各隔壁の前記連通部側の先端面には、当該隔壁の厚さ方向に前記連通部側に向かって下り傾斜すると共に、その傾斜角度が前記隔壁の一方の端部に向かって漸小する漸小部が設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記漸小部が、曲面で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
前記隔壁の先端面の全面が、前記連通部側に向かって下り傾斜していることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッド。
前記隔壁の先端面が、前記漸小部のみで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の液体噴射ヘッド。
各隔壁の前記連通部側の端部は、その先端側ほど幅の狭い幅狭部となっていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の液体噴射ヘッド。
前記個別流路が、前記圧力発生室に連通され当該圧力発生室の幅方向の断面積よりも狭い幅方向の断面積を有する液体供給路と、該液体供給路と前記連通部とを繋ぎ当該液体供給路の幅方向の断面積よりも広い幅方向の断面積を有する連通路とを含むことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の液体噴射ヘッド。
前記流路形成基板が、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の液体噴射ヘッド。
請求項１〜７の何れかに記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。