JP2012158013A - 液滴吐出ヘッド、液体カートリッジおよび画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液滴を吐出する液滴吐出孔と、液滴吐出孔と連通する加圧液室と、加圧液室の壁面の一部を構成する振動板と、振動板を振動させることにより加圧液室内部の圧力を変化させて液滴吐出孔から液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、振動板の幅を精度よく規制することのできる液滴吐出ヘッドの提供。
【解決手段】振動板３を構成する膜２３に溝を形成することにより、振動板幅変位規制部１３を設け、規制部１３の幅内に、加圧液室隔壁４と加圧液室の境界が収まるように配置する。
【選択図】図４

Description

本発明は、高精度の液滴吐出特性を有する液滴吐出ヘッドおよび液体カートリッジ、画像形成装置に関する。

プリンタやファクシミリ装置、複写装置、プロッタ等の画像記録装置あるいは画像形成装置として用いるインクジェット記録装置において使用する液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する加圧液室（吐出室、圧力室、インク流路とも称される）と、この加圧液室内のインクを加圧するエネルギーを発生する素子を備え、加圧するエネルギーによって液室内の記録液に圧力を作用させてノズルから液滴を吐出させる。

液滴吐出ヘッドとしては、電気機械変換素子などの圧電型アクチュエータを用いるもの、電極間の静電力を利用する静電型アクチュエータを用いるもの、電気熱変換素子であるサーマル型などがある。

これらの液滴吐出ヘッドでは、各ビット間の特性のばらつきを抑えるため、これまで以上に各箇所の寸法精度が要求されており、特に振動板の幅は、液滴吐出特性に大きく影響することから、例えば３００ｄｐｉ列の高密度の液滴吐出ヘッドにおいては、その各ビットの振動板の幅のばらつきを±２ｕｍ以下に抑える必要があり、高い寸法精度が求められている。

しかし、従来の加工法では、液室加工の寸法精度で振動板の幅が規定されていたが、５０〜１００ｕｍ程度の加工深さが必要な液室加工では、液室幅の加工寸法のばらつきを±２ｕｍ以下に抑えることが困難であった。

そこで、高い寸法精度を得るために、例えば特許文献１、２では、予め液室加工時のストップ層を形成することにより振動板の幅を規制している。

しかしながら、特許文献１、２では、液室を仕切る隔壁と振動板との間にストップ層による隙間が生じるため気泡の排出性が悪化したり、また、隔壁部幅が構造上、部分的に細くなることから隔壁の変形が大きくなり、これによるビット間の相互干渉が大きくなり、高精度な液滴吐出特性が得られ難くなる。

本発明は、上記した課題に鑑みてなされたもので、
本発明の目的は、振動板の幅を精度よく規制する液滴吐出ヘッドと、液滴吐出ヘッドを備えた液体カートリッジおよび画像形成装置を提供することにある。

本発明は、液滴を吐出する液滴吐出孔と、前記液滴吐出孔と連通する加圧液室と、前記加圧液室の壁面の一部を構成する振動板と、前記振動板を振動させることにより前記加圧液室内部の圧力を変化させて前記液滴吐出孔から液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板の長辺の端部に沿って前記振動板の幅の変位を規制する規制部を設け、前記規制部は前記加圧液室と前記加圧液室を仕切る隔壁との境界上に形成することを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、振動板の構成膜の一部に溝を形成し、振動板の構成膜の上層膜で溝を埋めることにより、振動板の溝部の剛性を溝部以外より大きくしているので、液室加工のばらつきによる影響を受けることなく、振動板の幅を精度よく規定することができる。

本発明が適用される圧電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドを示す。 図１の液滴吐出ヘッドの断面を示す。 本発明の実施例１の液滴吐出ヘッドを示す。 図３の液滴吐出ヘッドの断面を示す。 液滴吐出ヘッドの製造工程を示す。 図５の続きの製造工程を示す。 図５の続きの製造工程を示す。 図５の続きの製造工程を示す。 本発明の実施例２の液滴吐出ヘッドを示す。 実施例３のカートリッジを示す。 実施例４のインクジェット記録装置を示す。

以下、発明の実施の形態について図面により詳細に説明する。

図１は、本発明が適用される圧電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッド（斜視図）を示す。図２（ａ）は、図１の加圧液室の短辺長の断面を示し、図２（ｂ）は、図１の加圧液室の長辺方向の断面（図１の点線）を示す。

図１、２に示すように、液滴吐出ヘッド１は、基板面部に設けたノズル孔から液滴を吐出させるサイドシュータータイプのものであり、第１の基板１００に液体吐出エネルギーを発生する圧電体素子２、振動板３を備え、加圧液室隔壁４、加圧液室５、流体抵抗部７、及び共通液室８を形成している。各加圧液室５は、加圧液室隔壁４で仕切られている。また、第２の基板２００には、外部から液滴を供給する液滴供給口６６と共通インク流路９、および振動板３が撓むことができるようにザグリ６７が形成されている。また、ノズル基板３００には、個々の加圧液室５に対応した位置にノズル孔（液滴吐出孔）６が形成されている。これら第１の基板１００、第２の基板２００、およびノズル基板３００を接合することにより、液滴吐出ヘッド１が形成されている。

第１の基板１００は、図１、２に示すように、加圧液室５の一部壁面を形成する振動板３と振動板３を介して加圧液室５と対向する側に圧電体素子２が形成されている。また、共通液室８の振動板３に面して、共通インク供給路９が形成されており、ここから液滴であるインクを外部から供給できるようになっている。図２（ａ）に示すように、後述する振動板の幅の変位を規制する規制部１３を備えた振動板３を介して加圧液室５に対向する側に形成されている圧電体素子２は、共通電極１０と個別電極１１に圧電体１２から形成されている。

このように形成された液滴吐出ヘッド１においては、各加圧液室５内に液体、例えば記録液（インク）が満たされた状態で、図示しない制御部から画像データに基づいて、記録液の吐出を行いたいノズル孔６に対応する個別電極１１に対して、発振回路により、例えば２０Ｖのパルス電圧を印加する。この電圧パルスを印加することにより、圧電体１２は、電歪効果により圧電体１２そのものが振動板３と平行方向に縮むことにより、振動板３が加圧液室５方向に撓む。これにより、加圧液室５内の圧力が急激に上昇して、加圧液室５に連通するノズル孔６から記録液が吐出する。次にパルス電圧印加後は、縮んだ圧電体１２が元に戻ることから撓んだ振動板３は、元の位置に戻るため、加圧液室５内が共通液室８内に比べて負圧となり、外部から液滴供給口６６を介して供給されているインクが共通液滴供給路９、共通液室８から流体抵抗部７を介して加圧液室５に供給される。これを繰り返すことにより、液滴を連続的に吐出でき、液滴吐出ヘッドに対向して配置した被記録媒体（用紙）に画像を形成する。

図３は、本発明の実施例１の液滴吐出ヘッドを示す。図３は、ノズル面側から見た平面を示し、Ｘ−Ｘ’（振動板の短辺長の方向）の断面を図４（ａ）に示し、Ｙ−Ｙ’（振動板の長辺長の方向）の断面を図４（ｂ）に示す。また、図５、６は、Ｘ−Ｘ’断面における液滴吐出ヘッドの製造工程を示し、図７、８は、Ｙ−Ｙ’断面における液滴吐出ヘッドの製造工程を示す。

図３、４において、本発明の振動板の領域には、振動板の構成膜の一部に溝を形成することにより、振動板の幅の変位を規制する振動板幅変位規制部１３（以下、規制部という）が設けられている。

次に、図５〜８を用いて製造工程を順次説明する。
（ａ）第１の基板１００として面方位（１１０）のシリコン単結晶基板２１（例えば板厚４００μｍ）に振動板の構成膜として、例えばＬＰ−ＣＶＤ法、あるいは熱処理製膜法でシリコン酸化膜２２（例えば厚さ２００ｎｍ）を成膜し、その後、ポリシリコン膜２３（例えば厚さ５００ｎｍ）を成膜する。次に、一般的なリソエッチ法で、従来アライメントマークをパターニングしていたマスクで、後の規制部１３となる部位のポリシリコン膜２３をエッチングする。ここで、後の規制部１３が形成されるポリシリコン膜２３の溝の短辺長の幅は、後に成膜する振動板の構成膜と圧電体素子材料で埋まり、且つ、この規制部１３の短辺長の幅内に、後に形成される加圧液室隔壁４と加圧液室５の境界が収まる幅であることが望ましい。
（ｂ）次に、振動板の構成膜として、例えばＬＰ−ＣＶＤ法で振動板の剛性を調整するためのシリコン窒化膜２４（例えば厚さ２５０ｎｍ）を成膜し、続けて、同様にＬＰ−ＣＶＤ法でポリシリコン膜２５（例えば厚さ５００ｎｍ）を成膜し、続けて、例えばＬＰ−ＣＶＤ法でシリコン酸化膜２６（例えば厚さ２００ｎｍ）を成膜する。これで、振動板の構成膜の成膜が完了する。
（ｃ）次に、例えば、ＴｉとＰｔからなる共通電極１０をスパッタ法で、例えば各々３０ｎｍと１００ｎｍ成膜する。次に、共通電極１０上に圧電体１２としてＰＺＴを例えばスパッタ法で２μｍ厚成膜し、その後、後に個別電極１１となるＰｔをスパッタ法で１００ｎｍ成膜する。ここで、圧電体１２の成膜方法は、スパッタ法に限らず、例えばイオンプレーティング法、エアーゾル法、ゾルゲル法、あるいはインクジェット法等などで成膜してもよい。

規制部１３の溝は、振動板の構成膜を成膜した時点（図５（ｂ））で埋まっているが、必ずしもこの段階で埋まっている必要はなく、プロセスに支障がなければ、個別電極１１となるＰｔを成膜した時点で、規制部１３の溝が埋まっていればよい。
（ｄ）次に、リソエッチ法により、後に形成する加圧液室５に対応する位置に圧電体素子２を形成するため、個別電極１１と圧電体１２をパターニングする。また、その後、共通電極１０も同様にリソエッチ法でパターニングする。このとき、後の共通液室８と共通液滴供給路９が形成される部分の共通電極１０もエッチングしておく。
（ｅ）次に、後の共通液室８になる箇所の振動板の構成膜をリソエッチ法で除去する。そして次に、共通液滴供給路９、液滴供給口６６、ザグリ６７を形成した、例えばガラス材で形成した第２の基板２００を第１の基板１００に接合する。接合には、接着剤による接合や直接接合等でもかまわないが、接着剤を使わない直接接合が好適である。ここで、第２の基板としてガラス材を適用したが、シリコン単結晶基板等でもよい。但し、シリコン単結晶基板の場合、後の第１の基板１００の加圧液室５等を形成するエッチングで基板がエッチングされないように耐性のある膜、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を共通液滴供給路内壁（図示せず）および、基板表面に形成しておく必要がある。次に、後の加圧液室５、共通液室８、流体抵抗部７を形成するために、シリコン基板２１を所望の厚さｔ（例えば厚さ８０μｍ）になるように、公知の技術で研磨する。研磨法以外にもエッチングなどでもよい。
（ｆ）次に、リソ法により、加圧液室５、共通液室８、流体抵抗部７以外の隔壁部をレジストで被覆する。その後、アルカリ溶液（ＫＯＨ溶液、あるいはＴＭＨＡ溶液）で異方性ウェットエッチを行い、加圧液室５、共通液室８、流体抵抗部７を形成する。
（ｇ）次に、別に形成した各加圧液室５に対応した位置にノズル孔６を開口したノズル基板３００を接合して、液滴吐出ヘッド１が完成する。

ここで、振動板の構成膜は、振動板の機能やプロセスの整合性を考慮して、シリコン窒化膜２４は、例えばＺｒＯ２、Ａｌ３Ｏ２など、振動板の剛性を調整できるヤング率を有する膜でもよい。また、シリコン酸化膜２２は、後の加圧液室５の形成におけるエッチング時のエッチングストップ層として機能するが、機能を満たすのであれば他の材料膜でもよい。

このように、振動板の構成膜の一部に溝を形成し、その後の振動板の構成膜、及び圧電体素子材料で溝を埋めて、規制部１３を加圧液室隔壁４と加圧液室５の境界に設けることにより、振動板３の短辺長の幅が、規制部１３間の間隔で規定される。従って、加圧液室５の形成時の寸法精度に影響を受けることなく、加圧液室の形成時よりも寸法精度の良い加工が可能である、規制部１３の加工精度により振動板の幅を高精度に規定することができ、ビット間ばらつきの少ない高精度で高品質の液滴吐出ヘッドを実現できる。

また、従来のアライメント工程のマスクを変更するだけで実現できるため、工程、工数の増加がなく、高精度、高密度で信頼性が高く、低コストで安定した液滴吐出ヘッドを実現できる。従って、液滴吐出ヘッド１を一体化したカートリッジやこの液滴吐出ヘッド１を搭載した液滴記録装置に提供することができる。

図９は、本発明の実施例２の液滴吐出ヘッドを示す。製造工程は実施例１と同様であるので、その説明は省略する。

実施例１の規制部１３は、振動板の長辺長の方向に沿って連続的に配置されている。そして、この規制部１３は、圧電体素子材料を成膜した時点で、平坦である必要があるが、規制部１３の形成時の溝を埋めるには、溝を形成した後に成膜する振動板の構成膜と圧電体素子材料のトータル膜厚の１／２以内の溝幅（短辺長の方向）にする必要があった。

そこで、実施例２では、この規制部１３を分割配置（例えば、等間隔に配置）し、個々の規制部１３の短辺長の幅を十分小さく、例えば２〜４ｕｍ程度にすることにより、規制部１３の溝を埋めるときに、振動板の構成膜と圧電体素子材料の膜厚に制限を受けることなく、その幅を設定できるようにしたものであり、規制部１３の振動板の短辺長の方向の幅を制約なく自由に設定できるため、実施例１より設計自由度が向上する。また、規制部１３を分割配置しているので、実施例１に比べて平坦化しやすい。

従って、実施例１に比べて、さらにプロセスマージンを大きく設定でき、振動板の幅を高精度に規定できるため、高精度、高密度で信頼性が高い液滴吐出ヘッドが実現でき、また、液滴吐出ヘッド１を一体化したカートリッジやこの液滴吐出ヘッド１を搭載した液滴記録装置に提供することができる。

実施例３は、液滴吐出ヘッド１を一体化したカートリッジの実施例である。図１０に示すインクカートリッジ８０は、ノズル８１等を有する液滴吐出ヘッド１と、この液滴吐出ヘッド１に対してインクを供給するインクタンク８２とを一体化したものである。このようにインクタンク８２が一体型の液滴吐出ヘッド１の場合、アクチュエータ部を高精度化、高密度化、および高信頼化することで、インクカートリッジ８０の歩留まりや信頼性を向上することができ、インクカートリッジ８０の低コスト化を図ることができる。

実施例４は、液滴吐出ヘッド１を搭載したインクジェット記録装置（画像形成装置）の実施例である。図１１は、インクジェット記録装置（ａ）と機構部の構成（ｂ）を示す。

インクジェット記録装置９０は、記録装置本体の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ９８とキャリッジ９８に搭載した液滴吐出ヘッド１及び液滴吐出ヘッド１へインクを供給するインクカートリッジ９９等で構成される印字機構部９１等を収納し、記録装置本体の下方部には前方側から多数枚の用紙９２を積載可能な給紙カセット（給紙トレイでもよい）９３を抜き差し自在に装着されている。また、用紙９２を手差しで給紙するために開かれる手差しトレイ９４を有し、給紙カセット９３あるいは手差しトレイ９４から給送される用紙９２を取り込み、印字機構部９１によって所要の画像を記録した後、後面側の装着された排紙トレイ９５に排紙する。

印字機後部９１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９６と従ガイドロッド９７とキャリッジ９８を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ９８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液滴吐出ヘッド１を複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と交差する方向に配列し、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９８には液滴吐出ヘッド１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９９を交換可能に装着している。

インクカートリッジ９９は、上方に大気と連通する大気口、下方には液滴吐出ヘッド１へインクを供給する供給口が設けられ、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液滴吐出ヘッド１へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、液滴吐出ヘッド１としては各色の液滴吐出ヘッド１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個の液出ヘッドでもよい。

ここで、キャリッジ９８は後方側（用紙搬送下流側）を主ガイドロッド９６に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送上流側）を従ガイドロッド９７に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９８を主走査方向に移動走査するため、主走査モーター１０１で回転駆動される駆動プーリ１０２と従動プーリ１０３との間にタイミングベルト１０４を張装し、このタイミングベルト１０４をキャリッジ９８に固定しており、主走査モーター１０１の正逆回転によりキャリッジ９８が往復駆動される。

一方、給紙カセット９３にセットした用紙９２を液滴吐出ヘッド１に下方側に搬送するために、給紙カセット９３から用紙９２を分離給装する給紙ローラー１０５及びフリクションパッド１０６と、用紙９２を案内するガイド部材１０７と、給紙された用紙９２を反転させて搬送する搬送ローラー１０８と、この搬送ローラー１０８の周面に押し付けられる搬送コロ１０９及び搬送ローラー１０８からの用紙９２の送り出し角度を規定する先端コロ１１０とを有する。搬送ローラー１０８は副走査モーターによってギア列を介して回転駆動される。

そして、キャリッジ９８の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラー１０８から送り出された用紙９２を液滴吐出ヘッド１の下方側で案内するため用紙ガイド部材である印写受け部材１１１を設けている。この印写受け部材１１１の用紙搬送方向下流側には、用紙９２を排紙方向へ送り出すための回転駆動される搬送コロ１１２と拍車１１３を設け、さらに用紙９２を排紙トレイ９５に送り出す排紙ローラー１１４と拍車１１５と排紙経路を形成するガイド部材１１６、１１７とを配設している。

このインクジェット記録装置９０で記録時には、キャリッジ９８を移動させながら画像信号に応じて液滴吐出ヘッド１を駆動することにより、停止している用紙９２にインクを吐出して１行分を記録し、その後、用紙９２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９２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９２を排紙する。

また、キャリッジ９８の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、液滴吐出ヘッド１の吐出不良を回復するための回復装置１１７を配置している。回復装置１１７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９８は印字待機中にはこの回復装置１１７側に移動されてキャッピン手段で液滴吐出ヘッド１をキャッピングして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、安定した吐出状態を維持する。

また、吐出不良が発生した場合等には、キャピング手段で液滴吐出ヘッド１の吐出出口（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（図示せず）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。

このように、このインクジェット記録装置９０において、本発明により製造された液滴吐出ヘッド１を搭載しているので、安定したインク吐出特性が得られ、画像品質が向上する。上記した説明では、インクジェット記録装置９０に液滴吐出ヘッド１を使用した例を示したが、インク以外の液滴、例えば、パターニング用の液体レジストを吐出する装置に液滴吐出ヘッド１を適用してもよい。

１ 液滴吐出ヘッド
２ 圧電体素子
３ 振動板
４ 加圧液室隔壁
５ 加圧液室
６ ノズル孔
７ 流体抵抗
８ 共通液室
９ 共通液滴供給路
１０ 共通電極
１１ 個別電極
１２ 圧電体
１３ 振動板幅変位規制部
２１ シリコン単結晶基板
２２、２６ シリコン酸化膜
２３、２５ ポリシリコン膜
２４ シリコン窒化膜
６６ 液滴供給口
６７ ザグリ
１００ 第１の基板
２００ 第２の基板
３００ ノズル基板

特開２００２−１０３６１８号公報 特開２００２−２４０２９７号公報

Claims (6)

1. 液滴を吐出する液滴吐出孔と、前記液滴吐出孔と連通する加圧液室と、前記加圧液室の壁面の一部を構成する振動板と、前記振動板を振動させることにより前記加圧液室内部の圧力を変化させて前記液滴吐出孔から液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板の長辺の端部に沿って前記振動板の幅の変位を規制する規制部を設け、前記規制部は前記加圧液室と前記加圧液室を仕切る隔壁との境界上に形成することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 前記振動板は複数の膜を積層して構成され、前記規制部は前記振動板を構成する膜の一部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の液滴吐出ヘッド。
3. 前記規制部は、前記積層された膜内に形成された、剛性を高める溝部であることを特徴とする請求項２記載の液滴吐出ヘッド。
4. 前記規制部は、前記長辺の端部に沿って分割配置されていることを特徴とする請求項１記載の液滴吐出ヘッド。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液滴吐出ヘッドと、前記液滴吐出ヘッドに記録液を供給するインクタンクを一体化したことを特徴とする液体カートリッジ。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液滴吐出ヘッドを搭載したことを特徴とする画像形成装置。