JP2012196829A

JP2012196829A - 液滴吐出ヘッド、インクジェット記録装置

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Publication number: JP2012196829A
Application number: JP2011061548A
Authority: JP
Inventors: Shuya Abe; 修也阿部
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2031-03-18
Also published as: JP5828213B2

Abstract

【課題】液滴吐出ヘッドの振動板幅を、工程内で容易に精度良く観察、測定できるようにする。
【解決手段】液滴吐出ヘッドは、ノズル孔に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、流路形成基板の一方面側に振動板を介して圧力発生室に対応して設けられ、振動板の撓みを変化させて圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子と、圧電素子側にその圧電素子の動きを阻害しないための空間を確保した状態で接合された保護基板と、流路形成基板の圧力発生室の端部に形成された圧力発生室と類似した形状の空間であり、振動板に相当した、可視光に対して透明又は半透明な単層又は積層の仕切板が形成され、接合される保護基板に貫通孔が形成された振動板測定用モニタ部とを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、液滴吐出ヘッド、インクジェット記録装置に関する。

従来、液滴吐出ヘッドの方式として、圧力発生室の体積変化により吐出圧力を発生させ、ノズルより液滴を吐出させるものがある。この方式は、多様な液滴に対応できる点で、サーマル方式に対して優位性がある。この液滴吐出ヘッドについて、高集積化のために、リソグラフィー法を用いて流路・圧力発生素子を形成するものが広く用いられている。特許文献１、２には、静電力や撓みモードの圧電素子により圧力発生室の１面をなす振動板を振動させる方式が開示されている。

高集積化された液滴吐出ヘッドでは、圧力発生室間の隔壁が薄くなるため隔壁の高さ（圧力発生室高さ）を小さくして隔壁の剛性を確保する必要があるが、隔壁高さを規定する流路形成基板を薄くするとハンドリングが困難となる。したがって、液滴吐出ヘッドは、流路基板を電極基板や封止基板（保護基板）等の別の基板と接着した後に、所望の厚さまで流路基板を研磨、その後圧力発生室等の流路を形成する方法で製造されている（特許文献１、２参照）。

この液滴吐出ヘッドでは、工程管理、Ｆコスト低減のため、工程内で非破壊での測定・検査が行われている。特許文献１では、振動板厚みの測定方法が、特許文献３では、圧電素子の特性の測定方法が開示されている。液滴吐出ヘッドでは、上述した測定・検査項目以外に、振動板幅も重要な測定項目である。しかしながら、振動板幅を規定する圧力発生室の振動板側界面は、通常の顕微鏡では隔壁の段差が邪魔になり観察が困難である。また、反対面側から観察しようにも、電極基板（特許文献１）や封止基板（特許文献２）が邪魔になり、観察を十分に行うことができなかった。また、断面を裁断して観察するには、専用のモニタウエハを用意する必要がある上、時間や手間がかかり、コストアップになる。また、工程へのフィードバックも遅くなることから、寸法の以上品を出す確率が高くなり（歩留まり低下）、結果、コストアップになる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、液滴吐出ヘッドの振動板幅を、工程内で容易に精度よく観察、測定できるようにすることである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本実施形態の液滴吐出ヘッドは、ノズル孔に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、前記流路形成基板の一方面側に振動板を介して前記圧力発生室に対応して設けられ、前記振動板の撓みを変化させて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子と、前記圧電素子側に当該圧電素子の動きを阻害しないための空間を確保した状態で接合された保護基板と、前記流路形成基板の前記圧力発生室の端部に形成された当該圧力発生室と類似した形状の空間であり、前記振動板に相当した、可視光に対して透明又は半透明な単層又は積層の仕切板が形成され、接合される前記保護基板に貫通孔が形成された振動板測定用モニタ部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、液滴吐出ヘッドの振動板幅を、工程内で容易に精度よく観察、測定できる、という効果を奏する。

図１は、実施形態にかかる液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。図２は、第１の基板、第２の基板を透視状態とした場合の平面配置図である。図３は、Ｙ１−Ｙ１断面図である。図４は、Ｙ２−Ｙ２断面図である。図５は、Ｙ３−Ｙ３断面図である。図６は、Ｘ１−Ｘ１断面図である。図７は、Ｘ２−Ｘ２断面図である。図８は、Ｘ３−Ｘ３断面図である。図９は、図６の圧力発生室近傍を拡大した図である。図１０は、図８の寸法測定用ダミー圧力発生室近傍を拡大した図である。図１１は、変形例にかかる液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。図１２は、変形例にかかる第１の基板、第２の基板を透視状態とした場合の平面配置図である。図１３は、Ｙ４−Ｙ４断面図である。図１４は、Ｘ４−Ｘ４断面図である。図１５は、本実施形態にかかるインクジェット記録装置の斜視説明図である。図１６は、本実施形態にかかるインクジェット記録装置の機構部分の側面説明図である。

以下に添付図面を参照して、液滴吐出ヘッド、インクジェット記録装置の一実施形態を詳細に説明する。

先ず、図１〜１０を参照して一実施形態にかかる液滴吐出ヘッドの詳細を説明する。図１は、実施形態にかかる液滴吐出ヘッド１の分解斜視図である。図２は、第１の基板１０、第２の基板２０を透視状態とした場合の平面配置図である。図３〜図８は、図２におけるＹ１−Ｙ１、Ｙ２−Ｙ２、Ｙ３−Ｙ３、Ｘ１−Ｘ１、Ｘ２−Ｘ２、Ｘ３−Ｘ３の断面図である。図９は、図６の圧力発生室３３近傍を拡大した図である。図１０は、図８の寸法測定用ダミー圧力発生室３４近傍を拡大した図である。

図１に示すように、液滴吐出ヘッド１は、第１の基板１０、第２の基板２０、ノズル板４０、バッキングプレート４５および図示されていないフレーム・ドライバＩＣ（Integrated Circuit）等から構成されている。

保護基板（封止基板とも呼ぶ）である第１の基板１０には、第２の基板２０と熱膨張係数が大きく違わなく加工しやすい材料を用いることが好ましく、本実施形態では、面方位＜１００＞の単結晶シリコン基板を用いた。第１の基板１０には、第２の基板２０上に形成された圧電素子２２（図１〜４、６、９参照）の動作を妨げないための凹部１１（図１、３、５、６参照）、液供給路１７（図１、３〜５、８参照）等をアルカリ溶液による異方性エッチングにより形成した。

流路形成基板である第２の基板２０は、シリコン単結晶基板から構成され、第１の基板１０側の面には、振動板となる厚さ１．５μｍ程度の振動板２１（図３、５〜１０参照）を形成した。この振動板２１は、シリコン酸化膜・ポリシリコン・シリコン窒化膜の積層膜から構成される。異なる膜を積層することにより応力と剛性を調整している。本実施形態では、酸化膜と窒化膜が可視光に対して透明な膜、ポリシリコンが半透明（透過しての観察が可能な程度の光を透過する膜）であるが、不透明膜（より光吸収の大きい膜、透過しての観察が困難な膜）を積層する場合もある。

この振動板２１上には、空隙である圧力発生室３３（図１〜３、６、９参照）に対応して、共通電極である下電極膜２２ａ、圧電体層２２ｂ及び個別電極である上電極膜２２ｃからなる圧電素子２２を形成した。また、圧電体層２２ｂ、上電極膜２２ｃの側面を覆うように絶縁膜２３（図４〜９参照）を形成し、圧電体層２２ｂの吸湿防止、及び下電極膜２２ａ、上電極膜２２ｃの電気的な短絡を防止している。絶縁膜２３は、圧電素子形成部分では、側面及びその近傍以外は除去され、圧電素子２２の変位を妨げないようにしている。下電極膜２２ａ及び上電極膜２２ｃの接続部にて接続孔が開孔され、配線２４（図２〜５、７〜９参照）と接続されている。

配線２４は、配線２４と一体的に形成された電極端子部２５まで引き出され、電極端子部２５よりワイヤボンドやＡＣＦ等により、ドライバーＩＣやドライバーＩＣが実装されたＦＰＣ等と接続され（いずれも図示しない）、下電極膜２２ａ及び上電極膜２２ｃに電圧を印加する。

また、第２の基板２０には、第１の基板１０に形成された液供給路１７に対応した部分に、各ノズル／圧電素子に対応して、液供給部３１、流体抵抗部３２、圧力発生室３３がフォトリソ／エッチングプロセスにより一体的に形成されている。

下電極膜２２ａは、例えば厚さ約０．１μｍの白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等の比較的導電性の高い材料から構成され、スパッタリング法等で形成されている。また、圧電体層２２ｂは、例えば、厚さ１．０μｍ程度のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）をゾルゲル法にて形成したものから構成されている。また、上電極膜２２ｃは、例えば、厚さ０．０５〜０．１μｍの白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等から構成され、スパッタリング法等で形成されている。これらの厚みは、用いる材料やアクチュエータの目標仕様等により適宜調整することが望ましい。

また、絶縁膜２３は、水分の透過・吸収の少なく電気的絶縁性に優れた、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や四窒化三珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を約０．２μｍの厚さとしたものを用いた。配線２４には、電気伝導性・耐腐食性に優れた金（Ａｕ）を用い、厚さは１．０μｍ程度とした。絶縁膜２３及び配線２４との界面には密着層として０．０５〜０．１μｍのクロム（Ｃｒ）を敷いている。第１の基板１０と第２の基板２０は、接着剤１５（図３〜８参照）により貼りあわせた。実施形態の構成では、接着面には、最大で配線２４の段差が生じるが、配線２４は１．０μｍ程度の厚みであるので、接着剤１５により十分に埋めこまれ、凹部１１（圧電素子の振動空間）の封止性が確保されている。さらに、念の為に、配線２４を液供給部３１の周囲を覆うように配置し、封止性の確保を確実に行っている。

ノズル板４０には、例えばガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス等を使用することができる。実施形態においては、厚さ３０μｍのステンレスにプレス加工にてノズル孔４１を開口した後、液の出口側の面に、撥液膜としてフッ素系の樹脂を蒸着にて成膜している。また、第２の基板２０とは、接着剤１５にて貼りあわせている。また、バッキングプレート４５は、複数のプレス加工したステンレスを積層して形成されたもので、これによりインク供給能力を確保している。また、第１の基板１０とは接着剤１５により貼りあわせている。

また、本実施形態では、第１の基板１０の液供給路１７を圧力発生室３３列端部に配置された振動板幅測定モニタ部２（図５、８参照）まで延長して開口している。また、振動板幅測定モニタ部２では、第２の基板２０に圧力発生室３３と類似形状の寸法測定用ダミー圧力発生室３４（図５〜８、１０参照）が形成されている。寸法測定用ダミー圧力発生室３４の第１の基板１０側には、振動板２１の透明膜２１ａ、及び本実施形態では透明膜である絶縁膜２３から構成される積層膜が形成されている。また、圧力発生室３３とは異なり、圧電素子２２は形成されていない。また、振動板２１の不透明膜層２１ｂも形成されていない。

このような構成の振動板幅測定モニタ部２を設けることにより、振動板２１の幅を第１の基板１０側から工程内で容易に精度良く観察／測定することができる。もっとも、観察できるのは、圧力発生室３３等の流路加工からバッキングプレート接合の間であり、工程へのフィードバックの点からは、流路加工直後が望ましい。以上のように、液滴吐出ヘッド１では、振動板２１の幅を第１の基板１０側から工程内で容易に精度良く観察／測定することができることから、歩留まりが向上することで、コストを低減することが可能となる。

また、寸法測定用ダミー圧力発生室３４の形状は、圧力発生室３３とフォトリソグラフィ／エッチング特性が同様で、それらの寸法の間に一対一の対応がとれる形状とするのはもちろんである。実施形態では、寸法測定用ダミー圧力発生室３４の形状は、実際に使われる圧力発生室３３と同一幅で流体抵抗部３２のようなくびれを設けない形状とした。また、寸法測定用ダミー圧力発生室３４における長手方向端部は、２において端部の効果がでないように、実際に使われる圧力発生室３３よりも伸張している。

＜変形例＞
ここで、上述した液滴吐出ヘッド１の変形例について説明する。図１１は、変形例にかかる液滴吐出ヘッド１ａの分解斜視図である。図１２は、第１の基板１０、第２の基板２０を透視状態とした場合の平面配置図である。図１３、１４は、図１２におけるＹ４−Ｙ４、Ｘ４−Ｘ４の断面図である。

図１１〜１４に示すように、液滴吐出ヘッド１ａは、上述した液滴吐出ヘッド１と概ね同様な構成であるが、振動板幅測定モニタ部２を実際の圧力発生室３３の並びを延長した場所に形成している。また、液滴吐出ヘッド１ａにおける寸法測定用ダミー圧力発生室３４は、実際の圧力発生室３３と全く同一形状のものとした。変形例にかかる液滴吐出ヘッド１ａでは、液滴吐出ヘッド１に対し、振動板幅測定モニタ部２部分での第１の基板１０の貫通孔を余分に開口する必要があるが、より実際のパターンに近い（同一の）形状でのフォトリソグラフィ／エッチング特定が得られ、より精度の高い測定が可能となる。したがって、液滴吐出ヘッド１ａでは、保護基板に形成された振動板幅測定モニタ部２の貫通孔が液供給部３１へ通じるインク供給口と一体的に形成されたものであることから、貫通孔形成のためのスペース増加を最小限とすることができ、コストを低減することが可能となる。

次に、上述した液滴吐出ヘッド１、１ａ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。図１５は、本実施形態にかかるインクジェット記録装置の斜視説明図である。図１６は、本実施形態にかかるインクジェット記録装置の機構部分の側面説明図である。

図１５、１６に示すように、インクジェット記録装置５０は、記録装置本体８１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ９３、キャリッジ９３に搭載し、上述した液滴吐出ヘッド１、１ａを有する記録ヘッド９４、記録ヘッド９４へインクを供給するインクカートリッジ９５等で構成される印字機構部８２等を収納する。記録装置本体８１の下方部には前方側から多数枚の用紙８３を積載可能な給紙カセット８４（或いは給紙トレイでもよい）を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙８３を手差しで給紙するための手差しトレイ８５を開倒することができ、給紙カセット８４或いは手差しトレイ８５から給送される用紙８３を取り込み、印字機構部８２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８６に排紙する。

印字機構部８２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９１と従ガイドロッド９２とでキャリッジ９３を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ９３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、上述した薄膜形成で形成された液滴吐出ヘッドからなる記録ヘッド９４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９３には記録ヘッド９４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９５を交換可能に装着している。

インクカートリッジ９５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記録ヘッド９４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、記録ヘッド９４としてここでは各色のヘッドを用いているが、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。

ここで、キャリッジ９３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド９１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９２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ９７で回転駆動される駆動プーリ９８と従動プーリ９９との間にタイミングベルト１００を張装し、このタイミングベルト１００をキャリッジ９３に固定しており、主走査モータ９７の正逆回転によりキャリッジ９３が往復駆動される。

一方、給紙カセット８４にセットした用紙８３を記録ヘッド９４の下方側に搬送するために、給紙カセット８４から用紙８３を分離給装する給紙ローラ１０１及びフリクションパッド１０２と、用紙８３を案内するガイド部材１０３と、給紙された用紙８３を反転させて搬送する搬送ローラ１０４と、この搬送ローラ１０４の周面に押し付けられる搬送コロ１０５及び搬送ローラ１０４からの用紙８３の送り出し角度を規定する先端コロ１０６とを設けている。搬送ローラ１０４は副走査モータ１０７によってギヤ列を介して回転駆動される。

そして、キャリッジ９３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１０４から送り出された用紙８３を記録ヘッド９４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１０９を設けている。この印写受け部材１０９の用紙搬送方向下流側には、用紙８３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１１１、拍車１１２を設け、さらに用紙８３を排紙トレイ８６に送り出す排紙ローラ１１３及び１１４と、排紙経路を形成するガイド部材１１５、１１６とを配設している。

記録時には、キャリッジ９３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド９４を駆動することにより、停止している用紙８３にインク滴を吐出して１行分を記録し、用紙８３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８３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８３を排紙する。

また、キャリッジ９３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、記録ヘッド９４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９３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グ手段で記録ヘッド９４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。

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で記録ヘッド９４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（図示しない）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。

上述したインクジェット記録装置５０においては、振動板幅を工程内で容易・精度良く観測された液滴吐出ヘッド１、１ａを用いて、低コスト化された記録ヘッド９４を搭載しているので、安定したインク滴吐出特性を低コストで得られて、画像品質が向上する。

１、１ａ…液滴吐出ヘッド、２…振動板幅測定モニタ部、１０…第１の基板、１１…凹部、１５…接着剤、１７…液供給路、２０…第２の基板、２１…振動板、２１ａ…透明膜、２１ｂ…不透明膜層、２２…圧電素子、２２ａ…下電極膜、２２ｂ…圧電体層、２２ｃ…上電極膜、２３…絶縁膜、２４…配線、２５…電極端子部、３１…液供給部、３２…流体抵抗部、３３…圧力発生室、３４…寸法測定用ダミー圧力発生室、４０…ノズル板、４１…ノズル孔、４５…バッキングプレート

特開２００２−２４８７６３号公報特許第３７８３７８１号公報特許第３６９３１１５号公報

Claims

ノズル孔に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、
前記流路形成基板の一方面側に振動板を介して前記圧力発生室に対応して設けられ、前記振動板の撓みを変化させて前記圧力発生室内に圧力変化を生じさせる圧電素子と、
前記圧電素子側に当該圧電素子の動きを阻害しないための空間を確保した状態で接合された保護基板と、
前記流路形成基板の前記圧力発生室の端部に形成された当該圧力発生室と類似した形状の空間であり、前記振動板に相当した、可視光に対して透明又は半透明な単層又は積層の仕切板が形成され、接合される前記保護基板に貫通孔が形成された振動板測定用モニタ部と、
を備えることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
前記貫通孔が前記圧力発生室にインクを供給するインク供給口と一体的に形成されること、
を特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とするインクジェット記録装置。