JP2009233870A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧力発生室の長手方向で小型化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】 液体を噴射するノズル開口２１に連通する圧力発生室１２を有する個別流路が設けられた流路形成基板１０と、該流路形成基板の一方面側の前記圧力発生室に相対向する領域に設けられた圧力発生素子３００とを具備すると共に、前記圧電素子を保護する圧電素子保持部３１を有する保護基板３０とを具備するヘッドチップを具備し、前記圧力発生室１２に液体を供給するリザーバ部３３及び当該リザーバ部と前記個別流路とを連通する連通部１５の一部を封止部材１００で封止している。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、液体としてインクを吐出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。

液体噴射ヘッドであるインクジェット式記録ヘッドとしては、例えば、ノズル開口に連通する圧力発生室とこの圧力発生室の長手方向一端部側に圧力発生室の短手方向に亘って設けられて各圧力発生室に連通する連通部とが形成される流路形成基板と、この流路形成基板の一方面側に形成される圧電素子と、流路形成基板の圧電素子側の面に接着剤を介して接合されて、連通部と共にリザーバの一部を構成するリザーバ部を有するリザーバ形成基板とを具備するものがある（例えば、特許文献１参照）。

このような特許文献１の構成では、リザーバとして、圧力発生室の長手方向一端部側にリザーバの一部を構成する連通部が設けられているため、インクジェット式記録ヘッドが圧力発生室の長手方向で大型化してしまうという問題がある。

また、流路形成基板に接合されたリザーバ形成基板の圧電素子保持部に相対向する領域にリザーバを設けたものがある（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、この構造を採用すると、圧力発生室の長手方向で多少の小型化ができるが、圧力発生室の長手方向一端部側にリザーバの一部を構成する連通部が設けられていることに起因してインクジェット式記録ヘッドが圧力発生室の長手方向で大型化してしまうという問題は解消されていない。

特開２００５−２１９２４３号公報（第３〜５図、第６〜８頁） 特開２００１−１０５６１１号公報（第６〜８図、第８〜９頁）

本発明はこのような事情に鑑み、圧力発生室の長手方向で小型化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態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室を有する個別流路が設けられた流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側の前記圧力発生室に相対向する領域に設けられた圧力発生素子とを具備すると共に、前記圧電素子を保護する圧電素子保持部を有する保護基板とを具備するヘッドチップを具備し、前記圧力発生室に液体を供給するリザーバ部及び当該リザーバ部と前記個別流路とを連通する連通部の一部を封止部材で封止していることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。

かかる態様では、個別流路の長手方向の一端部にリザーバ部とこれに連通する連通部の一部を流路形成基板とは別部材の封止部材で封止するようにしたので、個別流路とリザーバとを連通する流路の一部を個別流路の長手方向で小型化を図ることができる。

ここで、前記流路形成基板及び前記保護基板の前記個別流路の長手方向の一端部側に前記リザーバ部及び前記連通部が形成され、これらが前記流路形成基板及び前記保護基板と前記封止部材とで画成されているのが好ましい。これによれば、リザーバ部及び連通部の流路を流路形成基板及び保護基板と、これらとは別部材の封止部材とで形成されるので、流路形成基板を個別流路の長手方向で小型化でき、ウェハでの取り数の向上を図ることができる。

また、前記リザーバ部及び前記連通部が前記流路形成基板及び前記保護基板の厚さ方向に延設され、これらリザーバ部及び連通部の一方側の隔壁を前記封止部材で形成しているのが好ましい。これによれば、リザーバ部及び連通部の流路の一方側の隔壁を流路形成基板及び保護基板とは別部材の封止部材で形成されるので、流路形成基板を個別流路の長手方向で小型化でき、ウェハでの取り数の向上を図ることができる。

また、保護基板と前記封止部材とに跨るように可撓部を有するコンプライアンス基板が設けられているのが好ましい。これによれば、保護基板と封止部材とに跨るように設けられるので、流路形成基板を個別流路の長手方向で小型化でき、ウェハでの取り数の向上を図ることができる。

また、前記封止部材が、前記ヘッドチップを固定するヘッドケースに一体的に設けられているのが好ましい。これによれば、封止部材での封止をヘッドチップをヘッドケースに固定する際に同時に行えるので、部品点数及び作業工程を低減することができる。

さらに、本発明の他の態様は、上述した何れかの態様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にある。

かかる態様によれば、小型化及び液体噴射特性を向上した液体噴射装置を実現できる。

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を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には、インク供給路１４と連通路１３とが隔壁によって区画されている。

このような流路形成基板１０は、シリコンウェハである流路形成基板用ウェハに複数個が一体的に形成され、詳しくは後述するが、この流路形成基板用ウェハに圧力発生室１２等を形成した後、この流路形成基板用ウェハを分割することによって形成される。

また、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１４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を介して固着されている。なお、ノズルプレート２０は、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又は不錆鋼などからなる。

一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、例えば、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、下電極膜６０と圧電体層７０と上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。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。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部３２０という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子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。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部３２０が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、このような各圧電素子３００の上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０がそれぞれ接続され、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。

また、流路形成基板１０上の圧電素子３００側の面には、圧電素子３００に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が接合されている。圧電素子３００は、この圧電素子保持部３１内に形成されているため、外部環境の影響を殆ど受けない状態で保護されている。また、保護基板３０の圧電素子保持部３１の外側の領域には、この保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３２が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０は、この貫通孔３２まで延設されており、ワイヤボンディング等により圧電素子３００を駆動するための駆動ＩＣ等と接続される。なお、保護基板３０の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。

流路形成基板１０及び保護基板３０の連通路１３及び貫通孔３２側には、これらとは別部材の封止部材１００が設けられており、封止部材１００と流路形成基板１０及び保護基板３０との間に、連通路１３に連通する連通部１５とリザーバ部３３が画成されている。このリザーバ部３３は、本実施形態では、保護基板３０の側方に厚さ方向に亘って延設され、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１０５を構成している。

さらに、保護基板３０及び封止部材１００の上側には、これらを跨ぐように、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。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３３の一方面が封止されている。また、固定板４２は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属等の硬質の材料で形成される。この固定板４２のリザーバ１０５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１０５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。

なお、このようなインクジェット式記録ヘッドは、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１０５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、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、外部配線を介して圧力発生室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からインク滴が吐出する。

以下、このような本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。なお、図３〜図７は、インクジェット式記録ヘッドの製造工程を説明する図であり、圧力発生室の長手方向の断面図である。

まず、図３（ａ）に示すように、シリコンウェハである流路形成基板用ウェハ１１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、その表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン膜５２を形成する。

次いで、図３（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５２）上に、ジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５５を形成する。次いで、図３（ｃ）に示すように、例えば、白金とイリジウムとを絶縁体膜５５上に積層することにより下電極膜６０を形成後、この下電極膜６０を所定形状にパターニングする。

次に、図３（ｄ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層７０と、例えば、イリジウム（Ｉｒ）からなる上電極膜８０とを流路形成基板用ウェハ１１０の全面に形成する。次いで、図４（ａ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０をパターニングして、各圧力発生室１２となる領域に圧電素子３００を形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、リード電極９０を流路形成基板１０の全面に亘って形成すると共に圧電素子３００毎にパターニングする。

次に、図４（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハ１３０を接着剤３５を介して接合する。なお、この保護基板用ウェハ１３０を接合することによって流路形成基板用ウェハ１１０の剛性は著しく向上することになる。

次に、図５（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚さにする。なお、本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０を約７０μｍ厚になるようにエッチング加工した。

次いで、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上に、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるマスク膜５１を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図５（ｃ）に示すように、保護基板用ウェハ１３０に、有機フィルム１４０を熱溶着することにより、保護基板用ウェハ１３０の表面全体に有機フィルム１４０を接合する。すなわち、保護基板用ウェハ１３０を厚さ方向に貫通して形成されている貫通孔３２等が有機フィルム１４０によって完全に封止され、有機フィルム１４０の表面側からの貫通孔３２への液体の侵入が防止されるのは勿論、貫通孔３２に液体が入ったとしても、保護基板用ウェハ１３０と有機フィルム１４０との界面に侵入することがない。

このような有機フィルム１４０の材料としては、保護基板用ウェハ１３０の表面に接着剤を用いることなく熱溶着などにより直接接合することができ、耐アルカリ性を有する高分子材料を用いるのが好ましい。このような材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、又はこれらの共重合体などのポリオレフィン系フィルムなどを挙げることができ、本実施形態では、ポリエチレンフィルムを用いている。

そして、このように有機フィルム１４０を直接接合した後は、マスク膜５１を介して流路形成基板用ウェハ１１０をアルカリ性のエッチング溶液により異方性エッチングすることにより、図６（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０に圧力発生室１２、インク供給路１４、連通路１３等を形成する。このとき、保護基板用ウェハ１３０の表面は有機フィルム１４０によって覆われて流路形成基板用ウェハ１１０の圧電素子３００側の面が完全に封止されているため、流路形成基板用ウェハ１１０又は圧電素子３００がエッチング液によって破壊されるのを確実に防止することができる。

次に、図６（ｂ）に示すように、有機フィルム１４０を、有機溶剤により除去する。有機溶剤は、有機フィルム１４０を軟化、溶解することにより剥離又は溶解させて除去できるもので、配線等に悪影響を与えないものであればよく、炭化水素系の有機溶剤が好ましい。炭化水素系の有機溶剤としては、アルカン、アルケン、シクロアルカン、芳香族炭化水素などを挙げることができるが、本実施形態では、シクロアルカンのデカリンを使用した。有機溶剤としてデカリンを用いることにより、有機フィルム１４０は、溶解除去することができた。

次に、図７（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０及び保護基板用ウェハ１３０を図１に示すような一つのヘッドチップのサイズに分割する。このとき、連通部１５及びリザーバ部３３を画成する隔壁の一方側は、流路形成基板用ウェハ１１０及び保護基板用ウェハ１３０から切り出す必要がないので、ヘッドチップの取り数を１０〜２０％程度は増大することができる。

次いで、図７（ｂ）に示すように、各ヘッドチップに対応する流路形成基板１０及び保護基板３０にノズルプレート２０及び封止部材１００を接着して固定し、さらに、保護基板３０と封止部材１００とを跨ぐようにコンプライアンス基板４０を接合してリザーバ部３３の上側を封止することにより、上述した連通部１５及びリザーバ部３３を封止し、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。

このように、本実施形態では、連通部１５及びリザーバ部３３の一部を封止する封止部材１００をウェハから形成する流路形成基板１０及び保護基板３０とは別部材として、ヘッドチップ毎に分割した後、接着するようにしたので、ウェハでの取り数が増大し、低コスト化を図ることができる。

また、封止部材１００は、連通部１５及びリザーバ部３３を封止するための部材としてもよいが、ヘッドチップを固定するケースヘッドに一体的に設けられたものとするのが好ましい。これによれば、ヘッドチップをケースヘッドに固定する工程で、連通部１５及びリザーバ部３３を封止することができ、工程数を省くことができる。

（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、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。

また、実施形態１の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８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８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吐出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。

上述した実施形態においては、圧力発生素子として圧電素子を用いて説明したが、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を圧力発生素子として用いてもよい。また、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に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。 一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。

符号の説明

１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通路、 １４ インク供給路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ５０ 弾性膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 １００ 封止部材、１０５ リザーバ、 １１０ 流路形成基板用ウェハ、 １３０ 保護基板用ウェハ、 １４０ 有機フィルム、 ３００ 圧電素子

Claims (6)

1. 液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室を有する個別流路が設けられた流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側の前記圧力発生室に相対向する領域に設けられた圧電素子とを具備すると共に、前記圧電素子を保護する圧電素子保持部を有する保護基板とを具備するヘッドチップを具備し、
   前記圧力発生室に液体を供給するリザーバ部及び当該リザーバ部と前記個別流路とを連通する連通部の一部を封止部材で封止していることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記流路形成基板及び前記保護基板の前記個別流路の長手方向の一端部側に前記リザーバ部及び前記連通部が形成され、これらが前記流路形成基板及び前記保護基板と前記封止部材とで画成されていることを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記リザーバ部及び前記連通部が前記流路形成基板及び前記保護基板の厚さ方向に延設され、これらリザーバ部及び連通部の一方側の隔壁を前記封止部材で形成していることを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記保護基板と前記封止部材とに跨るように可撓部を有するコンプライアンス基板が設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
5. 前記封止部材が、前記ヘッドチップを固定するヘッドケースに一体的に設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
6. 請求項１〜５の何れか一項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。
   

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