JP2011062827A

JP2011062827A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置

Info

Publication number: JP2011062827A
Application number: JP2009213011A
Authority: JP
Inventors: Takuya Okina; 拓也翁; Hiroyuki Ito; 寛之井藤; Tadashi Watanabe; 匡史渡邉; Izumi Nozawa; 泉野澤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2011-03-31

Abstract

【課題】ノズルプレートの振動を抑制し、吐出特性の低下を抑制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が形成されたノズルプレート２０と、ノズ
ル開口に連通し、個別流路を構成する圧力発生室１２が設けられた流路形成基板１０と、
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３００
とを具備すると共に、圧電素子を保護する保護基板３０と、個別流路に連通され液体を貯
留するマニホールド１００とを具備し、マニホールド１００に液体を導入するための液体
導入孔１２２に相対向して、前記マニホールドを画成するマニホールド部材１１０が設け
られ、かつマニホールド部材は前記ノズルプレートとは離間して設けられている。
【選択図】図１

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、連通部と共にマニホールドの一部を構成するマニホールド部を有するマニ
ホールド形成基板と、マニホールド及び流路の底面を構成し、かつノズル開口が形成され
たノズルプレート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、マニホールドとして、圧力発生室の長手方向一端部
側にマニホールド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。

そこで、マニホールド部と連通部の一部とを封止する封止部材を設けることにより圧力
発生室の長手方向で小型化した液体噴射ヘッドが知られている（例えば、特許文献２参照
）。

特開２００５−２１９２４３号公報（第３〜５図、第６〜８頁）特許第３４０２３４９号（第１１図等）

しかしながら、上記構成ではノズルプレートの振動によりインクの吐出特性が低下する
おそれがあるという問題がある。これは、ノズルプレートがマニホールドの底面を構成し
ていることから、ノズルプレートがマニホールド内におけるインクの流入方向に対向して
おり、インクがマニホールドに導入される際にインクの流入圧によりノズルプレートが振
動してしまうからである。

なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドに限定されず
、他のデバイスに用いられ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、ノズルプレートの振動を抑制し、吐出特性の低下を抑
制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。

本発明の液体噴射ヘッドは、液体を噴射するノズル開口が形成されたノズルプレートと
、前記ノズル開口に連通し、個別流路を構成する圧力発生室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保護基板と、前記個別流路に連通され液体を
貯留するマニホールドとを具備し、前記マニホールドに液体を導入するための液体導入孔
に相対向して、前記マニホールドを画成するマニホールド部材が設けられ、かつ該マニホ
ールド部材は前記ノズルプレートとは離間して設けられていることを特徴とする。

本発明では、マニホールド部材とノズルプレートとが離間して設けられていることで、
マニホールドに液体が導入された場合にマニホールド部材が振動したとしても、この振動
がノズルプレートに伝わりにくいので、ノズルプレートの振動を抑制することができる。
その結果、吐出特性の低下を抑制することができる。

ここで、前記マニホールドは、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設けられており、該マニホールドは、前記保護基板上に設けられ、前
記液体導入孔が天井面に設けられたケース部材と、該ケース部材と前記マニホールド部材
とに亘って設けられ、前記マニホールドの一方側の側面を封止する封止部材と、前記保護
基板及び前記流路基板の一方側の側面と、前記マニホールド部材とにより画成され、前記
封止部材が、液体の圧力を吸収するコンプライアンス部を備えることが好ましい。

本実施形態では、マニホールドを上記したように構成していることから、インクジェッ
ト式記録ヘッドを小型化することができると共に、該マニホールドを垂直方向に大きくな
るように構成することができる。そして、この垂直方向に大きくなるように構成したマニ
ホールドの側面に設けられる封止部材にコンプライアンス部が設けられていることから、
コンプライアンス部の面積を大きくとることができ、その結果、吐出特性の低下を抑制す
ることができる。

本発明の好適な実施形態としては、よりコンプライアンスを高くすべく、前記封止部材
の全面がコンプライアンス部からなることが挙げられる。

本発明の液体噴射装置は、前記した何れかの液体噴射ヘッドを備える。このような吐出
特性の低下を抑制した液体噴射ヘッドを備えることで、本発明の液体噴射装置も優れた噴
射特性を備える。

本発明の記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。本発明の記録ヘッドの平面図及び断面図である。本発明の記録ヘッドの断面図である。本発明の液体噴射装置の概略構成を示す斜視図である。

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、隔壁１１により複数の圧力発生室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と連通部１３
とが隔壁１１によって区画されている。この圧力発生室１２とインク供給路１４と連通部
１３とで個別流路が構成されている。

連通部１３は、圧力発生室１２の列毎に共通のインク室となるマニホールド１００に連
通する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも上面視において狭い幅となるように
形成されており、連通部１３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。また、流路形成基板１０には、詳しくは後述する流路底面部１５が形成され
ており、この流路底面部１５により各個別流路は図２（ｂ）に示すように断面視において
Ｌ字状となっている。

流路形成基板１０の開口面側の一部には、ノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィル
ム等を介して設けられている。ノズルプレート２０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が個別流路の端部に臨む位置に穿設
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な
どからなる。

また、流路形成基板１０の開口面側には、さらにこのノズルプレート２０とは離間して
後述するマニホールド１００の底面を構成するマニホールド部材１１０が設けられている
。このようにマニホールド１００の底面を構成するマニホールド部材１１０がノズルプレ
ート２０とは離間して設けられていることで、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド
においては、マニホールド１００にインクが導入された際にインクの流入方向にあるマニ
ホールド１００の底面、即ちマニホールド部材１１０が振動したとしても、この振動が直
接ノズルプレート２０に伝わることがない。従って、本実施形態では、マニホールド１０
０へのインク導入時の振動に起因した吐出特性低下を抑制することが可能である。

このようなマニホールド部材１１０は、強度を保持すべくノズルプレート２０より厚く
構成されている。マニホールド部材１１０は、流路形成基板１０と熱膨張率が同一か、ほ
ぼ同一の部材から構成されており、例えば、シリコン単結晶基板やニッケルを４２％含有
する鉄合金（４２アロイ）からなる部材が挙げられる。また、本実施形態のようにノズル
プレート２０をマニホールド部材１１０とは別部材で構成していることで、ノズルプレー
ト２０が流路形成基板１０の開口面側を全て覆う必要がなく、ノズルプレート２０を小型
化することが可能である。これにより、コストを削減することが可能である。

このように、本実施形態ではノズルプレート２０が小型化されてノズルプレート２０が
流路形成基板１０の開口面側の全面を覆っていないので、各個別流路はこのままだと流路
が開放された状態となってしまい、インクがここからが漏れてしまう。そこで本実施形態
では、流路形成基板１０には、ノズルプレート２０及びマニホールド部材１１０に跨るよ
うに流路底面部１５が形成され、流路底面部１５によりこの部分における個別流路の底面
が封止されている。具体的には、各個別流路には、連通部１３から圧力発生室１２のノズ
ル開口２１に対向する位置付近までに亘って個別流路の底面の一部を構成する流路底面部
１５が設けられており、これにより各個別流路は図２（ｂ）に示すように断面視において
Ｌ字状となる。

本実施形態では流路形成基板１０をエッチングして圧力発生室１２を形成する際にこの
部分を残して流路底面部１５を形成してもよく、また、流路形成基板１０を厚さ方向に２
部材に分けて構成してもよい。具体的には、例えば、流路形成基板１０を一方面からエッ
チングして圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４を形成する。この時に、圧力
発生室１２は連通部１３、インク供給路１４と同じ深さまで形成する。次いで、このエッ
チングにより形成された部分に犠牲層材料を充填し、犠牲層を形成する。その後、この犠
牲層を形成した面に後述するように弾性膜５０、絶縁体膜５５及び圧電素子３００をこの
順で形成する。次いで、犠牲層が形成された面とは逆の面からエッチングを行い、圧力発
生室１２のノズル開口２１に連通する部分を形成し、その後このエッチングした部分から
犠牲層の除去剤を導入して犠牲層を取り除く。このようにして、流路底面部１５を残して
個別流路をエッチングにより形成することができる。なお、これらの流路底面部１５及び
ノズルプレート２０はそれぞれ流路形成基板１０と強度を十分に保てる程度に接着されて
いる。

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５
０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、第１電極６０と圧電体層７０と第
２電極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、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極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。本実施形態では、第１
電極６０は圧電素子３００の共通電極とし、第２電極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、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の第２電極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ている。リード電極９０には
、駆動ＩＣ２００が設けられているＣＯＦ２０１が接続されており、駆動ＩＣ２００から
の信号は、リード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に印加される。

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が接着剤層３５を介して接合されている。圧電素子３００は、この圧電素子保持部３
１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。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。

保護基板３０上には、マニホールド１００を構成するためのケース部材１２０が接着剤
層を介して設けられている。ケース部材１２０は、天井壁１２１と３つの側壁とから構成
されている。即ち、ケース部材１２０は、底面と、圧力発生室１２の長手方向における連
通部１３側の側面（図２中右側の側面）とが開放されている。天井壁１２１には、インク
を導入するためのインク導入孔１２２が設けられている。

また、ケース部材１２０の開放された側面側には、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がマニホールド部材１１０までに亘って接合されている。こ
の封止膜４１によってマニホールド１００の一方面が封止されている。即ち、ケース部材
１２０と、保護基板３０及び流路形成基板１０の壁面、及びマニホールド部材１１０によ
りマニホールド１００が画成された空間が、コンプライアンス基板４０により封止され、
この封止された空間がマニホールド１００となっている。このようなマニホールド１００
は、インク導入孔１２２に連通すると共に各連通部１３、即ち各個別流路に連通しており
、これによりインク流路が構成されている。

本実施形態では、このマニホールド１００をケース部材１２０を設けて構成することに
より、即ちマニホールド１００を構成する壁面を、保護基板３０及び流路形成基板１０の
側壁により構成していることから、従来のインクジェット式記録ヘッドよりも水平方向に
おいて小型化させることができる。この場合にマニホールドを大きくするために従来のイ
ンクジェット式記録ヘッドに比べてマニホールド１００を垂直方向に大きく構成している
ことから、このマニホールド１００の側面をコンプライアンス基板４０により封止するこ
とで、マニホールド１００の天井面をコンプライアンス基板により封止する場合よりもコ
ンプライアンス基板４０の面積を大きくすることができる。従って、コンプライアンスを
大きくとることができ、より吐出特性を向上させる。

封止膜４１は、可撓性を有する薄膜（例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）
やステンレス鋼（ＳＵＳ）等により形成された厚さが２０μｍ以下の薄膜）からなり、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のマニホールド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、マニホールド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
導入孔１２２を介してインクを取り込み、マニホールド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ＩＣ２００からの信号に従い、ＣＯＦ２０１を介し
て圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加
し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、第１電極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。

この場合に、本実施形態では、マニホールド１００の底面をマニホールド部材１１０に
より構成し、ノズルプレート２０とこのマニホールド部材１１０を離間して設けているこ
とから、インク導入時にはマニホールド部材１１０のみが振動し、ノズルプレート２０に
振動が直接伝わることがないので、吐出特性への影響を低減できる。さらに、コンプライ
アンス基板４０を本実施形態ではノズルプレートに対して垂直方向、即ちマニホールド１
００の長手方向にとることでよりコンプライアンス基板４０の面積を多くとることができ
、コンプライアンスが高いことから、インク導入時の流入圧力をより緩和し、さらに吐出
特性への影響を低減させることが可能である。

（第２実施形態）
本発明の第２の実施形態について、図３を用いて説明する。図３に示す本発明の第２の
実施形態は、第１の実施形態とは、個別流路の構造が異なるものである。即ち、本実施形
態においては、流路形成基板１０に圧力発生室１２Ａが形成されていると共に、保護基板
３０の圧電素子保持部３１より外側にマニホールド１００に連通する連通部１３Ａが設け
られている。そして、この圧力発生室１２Ａと連通部１３Ａとを連通するインク供給路１
４Ａが弾性膜５０及び絶縁体膜５５に形成された開口部に設けられている。即ち、本実施
形態の個別流路も連通部１３Ａ、インク供給路１４Ａ及び圧力発生室１２Ａからなる。ま
た、本実施形態においては、流路形成基板１０の圧力発生室１２Ａの外壁のうち、マニホ
ールド１００側の外壁が、ノズルプレート２０とノズルプレート２０とは離間して設けら
れたマニホールド部材１１０とに跨って設けられて、連通部１３Ａにおける底面を構成し
ている。

そして、この場合にもマニホールド１００の底面を構成するマニホールド部材１１０が
、圧力発生室１２Ａの底面の一部を構成するノズルプレート２０とは離間して設けられて
いるので、マニホールドにインクが導入された場合のマニホールド部材１１０の振動が直
接ノズルプレート２０に伝わらないように構成されている。従って、インク吐出特性の低
下が抑制される。

（液体噴射装置）
さらに、これらインクジェット式記録ヘッドＩ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４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４に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、インクジェット式記録ヘッドＩ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、駆動モーター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ー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。

（他の実施形態）
本発明は上述した実施形態に限られない。マニホールド１００へのインクの導入方向、
即ちインク導入孔１２２に相対向する面を構成する部材と、ノズルプレート２０とが離間
して設けられていれば、マニホールド１００へのインク導入時におけるノズルプレートの
振動を抑制することができるという本発明の効果を得ることができる。従って、他の構成
のインクジェット式記録ヘッドにおいてもこのような構成とすることで同様の効果を得る
ことができる。例えば、液体を吐出するノズル開口に連通する複数の圧力発生室が並設さ
れた流路形成基板と、この流路形成基板上に設けられて圧力発生室の一方側の面を構成す
る振動板と、振動板に先端部が当接するように設けられる圧電素子と、圧力発生室の周縁
部に対向する領域に薄肉部が形成されてこの振動板の各圧力発生室に対向する領域内に圧
電素子の先端部が当接する島部が設けられている液体噴射ヘッドの場合において説明する
。この場合においても、圧力発生室に連通するマニホールドの底面を、ノズル開口が形成
されているノズルプレートとは別の部材により構成し、この別の部材をノズルプレートと
離間して設けることで、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

本実施形態では、マニホールド１００の側面全てを封止膜４１で封止したが、これに限
定されない。例えば、開口部４３の側面を封止部材で封止し、この封止部材の一部を可撓
性を有する材料から構成してもよい。さらにまた、封止部材の内壁に凸部を設けて、この
端部を可撓性を有する材料からなる封止膜で構成し、コンプライアンス部として設けても
よい。これらの場合であっても、ノズルプレート２０に対して垂直方向、即ちマニホール
ド１００の長手方向に沿ってコンプライアンス部を設けることで、より面積の広いコンプ
ライアンス部を設けることができる。

また、上述した実施形態では、流路形成基板１０として、シリコン単結晶基板を例示し
たが、特にこれに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにして
もよい。

なお、上述した実施形態では、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、プリンター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ー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。

Ｉインクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、１０流路形成基板、１２
、１２Ａ圧力発生室、１３、１３Ａ連通部、１４、１４Ａインク供給路、１
５流路底面部、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、４０コンプライアンス基板、５０弾性膜、５５絶
縁体膜、６０第１電極、７０圧電体層、８０第２電極、９０リード電極
、１００マニホールド、１１０マニホールド部材、１２０ケース部材、３
００圧電素子

Claims

液体を噴射するノズル開口が形成されたノズルプレートと、前記ノズル開口に連通し、個
別流路を構成する圧力発生室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
子を保護する保護基板と、前記個別流路に連通され液体を貯留するマニホールドとを具備
し、
前記マニホールドに液体を導入するための液体導入孔に相対向して、前記マニホールドを
画成するマニホールド部材が設けられ、かつ該マニホールド部材は前記ノズルプレートと
は離間して設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記マニホールドは、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
端部側に設けられており、
該マニホールドは、前記保護基板上に設けられ、前記液体導入孔が天井面に設けられたケ
ース部材と、該ケース部材と前記マニホールド部材とに亘って設けられ、前記マニホール
ドの一方側の側面を封止する封止部材と、前記保護基板及び前記流路基板の一方側の側面
と、前記マニホールド部材とにより画成され、
前記封止部材が、液体の圧力を吸収するコンプライアンス部を備えることを特徴とする請
求項１に記載の液体噴射ヘッド。
前記封止部材の全面がコンプライアンス部からなることを特徴とする請求項２に記載の
液体噴射ヘッド。
請求項１〜３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。