JP3649268B2 - 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 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力発生室を構成する弾性板を圧電振動子により弾性変形させて、圧力発生室のインクをノズル開口からインク滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッド、より詳細には流路形成基板の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット式記録ヘッドは、共通のインク室とノズル開口に連通する圧力発生室を、圧力発生手段、例えば圧力発生室に設けられた発熱素子や、圧力発生室の一部を変形させることができるように設けられた圧電振動子等により加圧してインク滴を吐出させるように構成されている。
たとえば、特開平9-123448号公報に見られるように基板の両面にそれぞれ凹部からなる第１、第２圧力発生室を形成し、各圧力発生室にはリザーバと連通する若干絞られた凹部からなる第１、第２インク供給口を設け、さらにノズル開口に対向する領域に貫通孔からなるノズル連通孔を形成したものが提案されている。
【０００３】
これによれば、圧力発生室の容積を小さくしてグラフィック印刷に適した微小なインク滴を吐出させることができるばかりでなく、基板に貫通孔が占める比率が小さく剛性を確保でき、このため基板の厚みを薄くできて、エッチング時間の短縮と材料費の節減を図ることが可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、基板の両面に偏平な２つの圧力発生室を形成する関係上、ノズル開口をキャップで封止してノズル開口に外部から負圧を作用させてインクを強制的に排出させてインク滴の吐出性能を回復させる際にも、リザーバから圧力発生室に流入するインクの流速が低下しやすいため、特に圧電振動子側の圧力発生室、つまりノズル開口から離れた側の圧力発生室に気泡が停滞しやすい。この気泡は、周知のようり圧電振動子による加圧力を吸収するため、インク滴の吐出能力が低下して印字品質を低下させる。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、圧力発生室へのインクの供給性の向上を図りつつ、圧力発生室の気泡の停滞を防止することができるインクジェット式記録ヘッドを提供することである。本発明の第２の目的は、前記インクジェット式記録ヘッドを備えたインクジェット式記録装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような問題を解消するために本発明においては、リザーバ、弾性板に対向する面に形成された第１のインク供給口、ノズルプレートに対向する面に形成された第２のインク供給口、第１、第２のインク供給口を介して前記リザーバに連通する第１の圧力発生室、及び第２の圧力発生室、第１、第２の圧力発生室を連通させるノズル連通孔をそれぞれ備えた流路形成基板と、前記流路形成基板の一方の面を封止するノズル開口を有するノズルプレートと、前記流路形成基板の他面を封止する前記弾性板と、前記第１の圧力発生室のインクを加圧すべく前記第１の圧力発生室にだけ配置された圧力発生手段とを備え、前記第２の圧力発生室のインクが前記ノズル連通孔を介して前記第１の圧力発生室から流れ込むインクにより加圧されるインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記ノズル連通孔が前記ノズル開口側に拡開するように形成されている。
【０００６】
【作用】
ノズルプレートをキャプで封止して負圧に作用させると、第１の圧力発生室はノズル開口側に拡開するノズル連通孔を介してノズル開口に連通しているため、ノズル連通孔の近傍でのインクの流速が増大し、第１の圧力発生室に停滞している気泡もノズル開口側の第２の圧力発生室に速やかに移動できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
そこで、以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施例をそれぞれ隣接する圧力発生室の中心線上での断面構造を示すものであって、図中符号１は、流路形成基板で、圧電振動子２に対向する領域の両面には図２、図３に示したように第１、２の圧力発生室３、４がハーフエッチングにより浅い凹部として形成されて、圧力発生室３、４の一側には貫通孔からなるリザーバ５が形成され、圧力発生室３、４とリザーバ５とはインク供給口６、７により連通されている。
【０００８】
またノズルプレート８のノズル開口９の近傍には第１の圧力発生室３と第２の圧力発生室４を連通させる貫通孔からなるノズル連通孔１０が形成されている。このノズル連通孔１０は、圧電振動子側の開口面積が小さく、またノズル開口側の開口面積が大きく、好ましくは両面を滑らかな斜面１０ａで接続するようにノズル開口側に拡開する通孔として形成されている。
【０００９】
このような流路形成基板１は、例えばシリコン単結晶基板を異方性エッチングして凹部や貫通孔を形成する方法や、不錆鋼等の金属板をやはりエッチング加工により凹部や貫通孔を形成する方法により構成することができる。
【００１０】
この流路形成基板１は、その第１の圧力発生室３の側の面を弾性板１１で封止されている。圧力発生室３のほぼ中央部には圧力発生手段、この実施例では圧電定数ｄ31の軸方向に伸縮する圧電振動子２が、その先端を弾性板１１に形成されたアイランド部１２に当接させて、他端を固定基板１３を介してヘッドフレーム１４に固定されている。
【００１１】
このような構成により、圧電振動子２を駆動信号により収縮、伸長させることにより、弾性板１１を弾性変形させて第１の圧力発生室３を膨張、収縮させて、リザーバ５のインクを圧力発生室３、４に吸引し、また圧力発生室３、４のインクを加圧してノズル開口９からインク滴として吐出させることができる。
【００１２】
なお、図中符号１５は外部のインクタンクのインクをリザーバ５に誘導するインク供給路を、また符号１６は圧電振動子２に駆動信号を供給するフレキシブルケーブルをそれぞれ示す。
【００１３】
この実施例において圧電振動子２に駆動信号を印加して充電すると、圧電振動子２が収縮して第１の圧力発生室３の容積が膨張する。第１の圧力発生室３の膨張により第１、第２のインク供給口６、７を介してリザーバ５のインクが第１、第２の圧力発生室３、４に流れ込み、印刷に必要な量のインクを確実に第１、第２の圧力発生室３、４に供給することができる。なお、第２の圧力発生室４は、ノズル連通孔１０を介して第１の圧力発生室３の負の圧力を受けるため、第２のインク供給口７を介してリザーバ５のインクを吸引する。
【００１４】
ついで、圧電振動子２の電荷を放電させると、圧電振動子２が元の状態に伸長して圧力発生室３の容積を縮小させ、第１の圧力発生室３のインクが加圧されてノズル連通孔１０を経由してノズル開口９からインク滴として吐出する。
【００１５】
このような印刷動作が長時間継続されてノズル開口９に気泡が付着したり、また第１、第２の圧力発生室３、４に気泡が侵入した場合には、ノズルプレート８に図示ないキャップ部材を密着させて吸引ポンプの負圧をノズル開口９に作用させ、ノズル開口９からインクを強制的に排出させる。
【００１６】
この際、第１の圧力発生室３は、ノズル開口側に拡開するノズル連通孔１０を介してノズル開口９に連通しているため、図４に示したようにノズル連通孔１０の近傍で流速が増大し、第１の圧力発生室３に停滞している気泡Ｂも第２の圧力発生室４に速やかに移動してノズル開口９からに近い位置に集まり、インクの流れに乗ってノズル開口９から外部に簡単に排出される。
【００１７】
本発明においては、ノズル連通孔１０が断面台形状に形成されているため、第１の圧力発生室３側の開口面積を絞って、強制排出時のインクの流速を増速させて気泡の排除性を向上させる一方、流路抵抗及びイナータンスを低い値に保つことが可能となり、インク滴吐出後に生じる圧力波を速やかに通過させて、応答速度の向上とインク滴の吐出安定性を確保することができる。
【００１８】
なお、上述の実施例においては、拡開部を単一の斜面により形成しているが、図５に示したように第２圧力発生室から第１圧力発生室に拡大する斜面１０ａと、垂直面１０ｂとで形成しても同様の作用を奏する。
【００１９】
次に、上述した流路形成基板１の製造方法を、図６、図７に基づいて説明する。
ハンドリングの容易な３００μｍ乃至６００μｍ程度の厚みを有する、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板２０の表面全体にエッチング保護膜となる酸化シリコン膜２１を熱酸化法により膜厚１μｍで形成する。
さらに、表面にフォトレジスト剤をスピンコート法等により両面に塗布してフォトレジスト層２２、２３を形成し、フォトリソグラフィ技術により貫通孔として形成するリザーバ５、及びノズル連通孔１０となるレジストパターンからなる窓２４、２４’、２５、２５’を表裏に形成する（図６（I））。ノズル連通孔１０のパターン２５、２５’は、ノズル開口寄りとなる端面を一致させてそれぞれの面に開口すべき面積に合わせ、一方の面（図では上面側）を大きく形成されている。
【００２０】
このようにレジスト層２２、２３にエッチング窓２４、２４’、２５、２５’を形成したシリコン単結晶基板２０を緩衝フッ酸溶液に浸漬して窓２４、２４’、２５、２５’に対応したパターンを酸化シリコン膜２１のハーフエッチング層２６、２６’、２７、２７’として転写する（図６（II））。
【００２１】
ついで、第１、第２の圧力発生室３、４、及びインク供給口６、７となる領域を露光、現像して両面に圧力発生室３、４、及びインク供給口６、７のパターン２８、２８’、２９、２９’を形成し（図６（III））、再びシリコン単結晶基板２０を緩衝フッ酸溶液に浸漬して、前述の工程（II）で形成した酸化シリコン膜２１のパターン２６、２６’、２７、２７’が消失するまでエッチングを行う（図３（VI））。
【００２２】
これによりハーフエッチングとして形成すべき第１、第２の圧力発生室３、４、及び第１、第２のインク供給口６、７の酸化シリコンのパターン２１、２１’の一部が残り、また表裏には貫通孔として形成すべきリザーバ５、ノズル連通孔１０の異方性エッチング用の窓３０、３１’、３１、３１’が形成される。そしてノズル連通孔７の端部よりにＹＡＧレーザー等により先導用の小径の通孔３２を穿設する。
【００２３】
シリコン単結晶基板２１を摂氏８０度に維持された２０重量％の水酸化カリウム（ＫＯＨ）の水溶液に浸潰して異方性エッチングを行うと、リザーバ５となる領域が窓３０、３０’の全面から徐々にエッチングされ、またノズル連通孔１０となる領域は、先導用の通孔３２から徐々にエッチングされ、またハーフエッチングにより残っていた酸化シリコン膜２１’もエッチングを受けて消失する（図７（I））。
【００２４】
さらにエッチングが進行すると、リザーバを形成すべき領域には貫通孔３３が、またノズル連通孔１０を形成すべき領域には一方の面に拡開し、略面方位（１１１）の面で区画された貫通孔３４が、さらに圧力発生室３、４、及びインク供給口６、７を形成すべき領域には凹部３５、３６が形成される（図７（II））。最後に酸化シリコン膜２１をエッチングにより除去すると流路形成基板１が完成する（図７（III））。
【００２５】
この実施例のように先導用の貫通孔３２を形成してから異方性エッチングを実施すると、圧力発生室の幅よりも幅が小さな貫通孔を形成でき、流路形成基板１の剛性の低下を可及的に抑えてクロストークの発生を防止することができる。
【００２６】
なお、上述の実施例においては、圧力発生室３、４の一側からインクを供給する形式のものについて説明したが、図８に示したように圧力発生室３、４の軸方向の他端にもリザーバ５’を設け、インク供給口６’、７’を介して第２のリザーバ５７からもインクを供給するものに適用しても同様の作用を奏する。
【００２７】
また、上述の実施例においては軸方向に平行に内部電極と圧電材料を積層した圧電定数ｄ31の圧電振動子に例を採って説明したが、図９に示したように軸方向に垂直に内部電極と圧電材料とを交互に積層して構成された圧電定数ｄ33の圧電振動子４０を用いても同様の作用を奏することは明らかである。
【００２８】
また、上述の実施例においては、上述の実施例においては弾性板１１に対して垂直方向に加圧する圧電振動子２を用いた場合に例を採って説明したが、図１０に示したように弾性板１１の表面に、必要に応じて、つまり弾性板が非導電材料で形成されている場合には下電極４１を形成した上で、その表面に圧力発生室３と対向する位置に圧電材料のスパッタリングや、また圧電材料のグリーンシートの貼着等により圧電体層４２を形成し、さらにその表面に上電極４３を形成し、圧電体層４２をたわみ変位させて圧力発生室３の領域だけを選択的に変形させても同様の作用を奏することは明らかである。
【００２９】
さらに、上述の実施例においては単一の板材をエッチングにより凹部や貫通孔を形成して圧力発生室やリザーバ、ノズル連通孔等を作り付ける場合について説明したが、図１１（イ）に示したように流路形成基板１を厚み方向に少なくとも４層、この実施例では５層に分割し、流路形成基板１のリザーバ５や、ノズル連通孔１０を構成する貫通孔５０、５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８、５９、及び第１、第２の圧力発生室３、４、第１、第２のインク供給口６、７を形成する凹部となる貫通孔６０、６１を形成したフィルム６２、６３、６４、６５、６６を用意する。
【００３０】
そして、これらフィルム６２〜６６を図１１（ロ）に示したように積層、密着させることにより、第１、第２の圧力発生室６７、６８、リザーバ６９、第１、第２のインク供給口７０、７１、及びノズル連通孔７２を構成することができる。このようなフィルム６２〜６６には、例えば感光性ドライフィルムを使用すると、露光作業とエッチングにより簡単に所望の形状の貫通孔を高い精度で形成でき、かつ自己溶着性により密着するため最適な材料となる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ノズルプレートをキャップで封止して負圧に作用させると、ノズル開口側に拡開するノズル連通孔によりノズル連通孔の近傍でインクの流速を増大させて、第１の圧力発生室に停滞している気泡をノズル開口側の第２の圧力発生室に速やかに移動させて確実に排除することができる。
【００３２】
また、ノズル連通孔の流路抵抗及びイナータンスを低い値に保つことができるため、インク滴吐出後に生じる圧力波を速やかに通過させて、応答速度とインク滴の吐出安定性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図（イ）（ロ）は、それぞれ本発明の一実施例を、それぞれ隣接する圧力発生室の中心線での断面構造で示す図である。
【図２】同上記録ヘッドを構成する流路形成基板の一実施例を示す斜視図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ線における断面図である。
【図４】インク吸引時におけるインクの流れを示す図である。
【図５】本発明の他の実施例を、流路形成基板の構造で示す断面図である。
【図６】図（I）乃至（IV）は、それぞれ流路形成基板の製造工程の内、前半の工程を示す図である。
【図７】図（I）乃至（III）は、ぞれぞれ流路形成基板の製造工程の内、後半の工程を示す図である。
【図８】本発明の他の実施例を示す断面図である。
【図９】図は、本発明の他の実施例を示す図である。
【図１０】図は、本発明の他の実施例を示す図である。
【図１１】図（イ）、（ロ）は、それぞれ流路形成基板を複数の板材を積層して構成する場合の実施例を、板材の形状と、これを積層した状態を示す図である。
【符号の説明】
１ 流路形成基板
２ 圧電振動子
３ 第１の圧力発生室
４ 第２の圧力発生室
５ リザーバ
６ 第１のインク供給口
７ 第２のインク供給口
８ ノズルプレート
９ ノズル開口
１０ ノズル連通孔
１１ 弾性板

Claims (10)

1. リザーバ、弾性板に対向する面に形成された第１のインク供給口、ノズルプレートに対向する面に形成された第２のインク供給口、第１、第２のインク供給口を介して前記リザーバに連通する第１の圧力発生室、及び第２の圧力発生室、第１、第２の圧力発生室を連通させるノズル連通孔をそれぞれ備えた流路形成基板と、
   前記流路形成基板の一方の面を封止するノズル開口を有するノズルプレートと、
   前記流路形成基板の他面を封止する前記弾性板と、
   前記第１の圧力発生室のインクを加圧すべく前記第１の圧力発生室にだけ配置された圧力発生手段とを備え、前記第２の圧力発生室のインクが前記ノズル連通孔を介して前記第１の圧力発生室から流れ込むインクにより加圧されるインクジェット式記録ヘッドにおいて、
   前記ノズル連通孔が前記ノズル開口側に拡開するように形成されているインクジェット式記録ヘッド。
2. 前記ノズル連通孔の前記ノズル開口側の開口面積が、前記弾性板側の開口面積よりも大きく形成されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
3. 前記ノズル連通孔の各面の開口が平面により接続されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
4. 前記ノズル連通孔の幅が圧力発生室の幅以下である請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
5. 前記ノズル貫通孔が第１の圧力発生室の一端と第２の圧力発生室の一端とを連通させる位置に形成されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
6. 前記流路形成基板の厚みが３００μｍ乃至６００μｍである請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
7. 前記流路形成基板が、前記流路形成基板の厚み方向に少なくとも４枚の層に分割され、各層に対応する貫通孔が形成された板材を積層して構成されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
8. 前記板材が感光性ドライフィルムである請求項７に記載のインクジェット式記録ヘッド。
9. 前記ノズル開口が前記ノズル連通孔に対向する位置に設けられている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
10. リザーバ、弾性板に対向する面に形成された第１のインク供給口、ノズルプレートに対向する面に形成された第２のインク供給口、第１、第２のインク供給口を介して前記リザーバに連通する第１の圧力発生室、第２の圧力発生室、第１、第２の圧力発生室を連通させるノズル連通孔をそれぞれ備えた流路形成基板と、
    該流路形成基板の一方の面を封止しノズル開口を有するノズルプレートと、
    前記流路形成基板の他面を封止する前記弾性板と、
    前記第１の圧力発生室のインクを加圧すべく前記第１の圧力発生室にだけ配置された圧力発生手段とを備え、前記第２の圧力発生室のインクが前記ノズル連通孔を介して前記第１の圧力発生室から流れ込むインクにより加圧され、また前記ノズル連通孔が前記ノズル開口側に拡開するように形成されているインクジェット式記録ヘッドと、
    第１、第２の圧力発生室に侵入した気泡を前記ノズル開口から吸引するキャップ手段を備えたインクジェット式記録装置。

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