JP3797423B2

JP3797423B2 - インクジェット式記録ヘッド

Info

Publication number: JP3797423B2
Application number: JP2002013153A
Authority: JP
Inventors: 悟飛田; 俊孝小川; 佳孝秋山; 治町田; 勝則川澄
Original assignee: リコープリンティングシステムズ株式会社
Priority date: 2002-01-22
Filing date: 2002-01-22
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2022-01-22
Also published as: JP2003211659A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェット式記録装置の記録ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット記録ヘッドを搭載した記録装置は、小さなドットを高い密度で形成できるため、カラー印刷を含めた多くの印刷に使用されている。更には、より高速印刷を実現するために、ノズルを印刷用紙幅全体にライン上に配設することが必要になってくる。また、最近では屋外用の大判ポスターをインクジェット記録装置で印刷する用途も増えてきている。
【０００３】
図６は、インクジェト式記録装置の記録ヘッドの圧力発生室の中心線上での断面構造を示す。図中の１は流路形成基板で、圧電振動子２に対向する面に圧力発生室３が形成されて、圧力発生室３の一端側には貫通孔からなる共通インク室となるリザーバ４が形成され、圧力発生室３とリザーバ４とはインク供給路５により連通されている。
【０００４】
また、ノズルプレート８のノズル開口９の近傍には、ノズル開口９と前記圧力発生室３とを連通させる貫通孔からなるノズル連通口１０が形成されている。
【０００５】
このような流路形成基板１は、例えば、シリコンウェハ基板をウェットによる異方性エッチングやドライエッチングによっ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連通孔を形成する方法により構成することが出来る。
【０００６】
前記流路形成基板１は、圧前振動子２側の面を振動板１５で封止されている。圧力発生室３のほぼ中央には、圧力発生手段である圧電振動子２が当接され、他端が固定基板１６を介してヘッドフレーム１７に固定されている。
【０００７】
図７に、上記記録ヘッドの駆動パルス波形を示す。電圧パルスは、時間ｔ１で示した圧電振動子２の変形により、圧力発生室３の容積が拡大する方向に電圧が変化する第一の期間と、時間ｔ２で示した電圧を一定保持する第二の期間と、時間ｔ３で示した圧電振動子２の変形により、圧力発生室３の容積が縮少する方向に電圧が変化する第三の期間からなっており、其々の期間で電圧の変化は直線とした。すなわち、入力パルスの立ち上りで圧力発生室３上部の振動板１５を撓わませた状態となり、インクがリザーバ４からインク供給路５を経由して圧力発生室３内に供給される。その後、一旦保持し、電荷が加えられた状態から、圧電振動子２に貯えられた電荷を急速に放電することで、振動板１５を急速に撓ませてインクを吐出させる、いわゆる引き打ち方により駆動されることが一般的となってきている。
【０００８】
この様にして、吐出するインク滴をより高周波数で駆動することにより、印刷品質の向上及び印刷速度の向上させることが可能となる。その実現のために、従来から多くの方法が考案されている。
【０００９】
特開昭６１−７９６６７号公報の図３に記載されているように、圧力発生室内に柔軟性のある材料で複数の弁を配置した構成が考案されている。この方法では、インク供給路内に別部材で弁を設けることとなり、弁の製作、組立が難しく、コストが高くなる。また、ノズルの高密度実装に対応することが難しかった。
【００１０】
また、特開平６−１４３５７１号公報で提案されているように、シリコンウェハ等からなる基板にエッチング加工により、インク供給路の側壁を鋸歯状としたり、インク供給路の溝の中心線上に二等辺三角形又はひし形の島を形成し、インク流れの順方向の抵抗を小さくすると共に、逆方向の抵抗を大きくする流体ダイオードが形成されている。前記鋸歯状の場合、流路中の突起によりインク流に渦が発生し、気泡発生の要因となると共に気泡の排出が困難になる。また、後者の場合、逆方向のインクの流れにおいて、その流れを阻止するように考えられるが、流路の溝の幅が、全長に渡ってほぼ同じとなっているため、流体抵抗の点からは、２本のインク流路が存在することとほぼ同等の機能と同じことになり、大きな改善には効果が低い。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
インク加圧室の容積が拡大と縮少を繰り返すことにより、共通インク室からインク加圧室へ一端吸込んでインクノズルへ送り出す際、前記インク供給路とノズル出口部との抵抗のバランスによってインクが吐出される。一般に、ノズル側の抵抗に対し、インク供給路側の抵抗の方を大きくすることが好ましい。
【００１２】
つまり、インク供給路については、ノズル部の抵抗に対し、所定量の抵抗を確保しなければならず、そのためにインク供給路５を長くしたり、図４に示すようにインク供給路５０を複数設けて抵抗を増すようして、インク加圧室３が収縮する際はより大量のインクがノズル側へ流れるようにしなければならない。結果として、ヘッドが大型化されることになる。
【００１３】
また、図５に示されるように、インク供給路の一部に突起６０を設けたりして、ノズル方向へのインク流入の抵抗を小さくし、その逆方向の流れに対して抵抗が大きくなるように構成が提案されている。しかしながら、前記突起６０により、インク圧力室が収縮されることによって、共通インク室であるリザーバ４へ逆流するインクの流れが乱され、場合によっては、繰り返し周波数を低下させてしまうことが起きる。
【００１４】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、インク吐出周波数を大きくすると共に、ヘッドを小型化して多数のヘッドを集積することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の請求項１記載の発明は、共通インク室、該共通インク室からのインクを供給するインク供給路、圧力変換器によりインクを加圧するインク加圧室、ノズルへの連通路を同一平面状に列状に並べたインク流路形成基板と、インクが噴射されるノズル開口部とを有するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記インク供給路に、その両側側壁より互いに交錯するように形成された突起よりなる流路開閉弁を、前記インク流路形成基板と一体加工して形成したことを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記流路開閉弁の前記突起の一方がばね性を有し、他方は封止用突起よりなることを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記流路開閉弁の突起が圧力室方向へ傾いて形成されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項４記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の発明において、前記インク供給路中に少なくとも１つ以上の前記流路開閉弁を具備していることを特徴とする。
【００１９】
本発明の請求項５記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の発明において、前記流路形成基板がシリコン単結晶基板をエッチングして構成されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明の請求項６記載の発明は、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の発明において、前記流路開閉弁の深さ方向の厚みが、流路形成基板の厚みより小さいことを特徴とする。
【００２１】
本発明の請求項７記載の発明は、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の発明において、前記流路開閉弁が、シリコン単結晶板のハーフエッチングにより形成されていることを特徴とする。
【００２２】
本発明の請求項８記載の発明は、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の発明において、前記インク供給路内に親水処理を施すことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について説明する。
【００２４】
図１に本発明となるインクジェット記録装置のヘッド断面図を示す。基本的なヘッド構造及びインク滴の吐出原理については、従来技術に同じなので説明を省略する。ここで、従来技術との相違点は、インク流路形成基板１を弁機能を有する基板１ａと、リザーバ４及びノズルへの連通口１０を確保する基板１ｂを有することである。
【００２５】
図２に、本発明となるインク流路形成基板１ａの構成について詳細を示す。インク流路形成基板１は、複数のノズルの共通インク室としてのリザーバ４からのインク供給路５と、圧力発生室３が形成されている。前記インク流路形成基板１ａは、シリコンウェハの基板をウェットによる異方性エッチング、又はドライエッチングにより微細な形状を高精度に加工することが出来る。この方法を用いることで、図２に示されるように、圧力発生室へのインク流路途中に弁機構３０を高精細に付加することが可能になった。また、エッチングにより、弁機構３０をインク流路形成基板１と一体加工形成することで、高精度な位置決め及び組立の簡略化が可能となった。
【００２６】
図２に示されるように、前記弁機構３０は、インク流路５の側壁から伸びた一端のアーム３１と、もう一方の側壁より伸びた突起３２とが交錯するように構成されている。前記アーム３１は、弾性を有すように形成され、その根本部は応力低減のため幅広の形状にすることが望ましい。もう一方の突起３２が、ストッパとしての機能を持つ。つまり、インクがノズル側へ流れる方向（以下、順方向とする）に開放されるように構成されている。
【００２７】
次に、上記ヘッドによる本発明の動作原理を説明する。
【００２８】
図７に示される駆動パルスにおいて、時間ｔ１で示されるインク吸引工程では、圧力発生室３内が負圧になる。この負圧力Ｐ１によって、前記インク流路５途中にある弁が開放される。その後、電圧ホールド状態においても負圧が働く限りインクが供給される。そして、時間ｔ３における圧縮工程においては、前記圧力発生室３内が正圧となり、その正圧力Ｐ２によって前記弁がリザーバ４側へ押し戻され、突起３２によってインク供給路が遮断される。つまり、インクが供給される時は、インク流路の抵抗が小さくなり、インク滴を吐出する時は、インク流路の抵抗が大きくなるように構成することが出来る。
【００２９】
また、前記流路形成基板１は、圧力発生室３の圧電振動子２側の面を振動板１５で、その一方をオリフィスプレート８で封止されている。従って、本発明においては、前記弁機構３０における弾性を有するアーム３１は、流路形成基板１の厚みよりも僅かに薄くすることが必要であり（図２（ｂ））、それを形成するためにハーフエッチング技術を利用することで容易に形成することが出来る。これにより、インク流路内で稼動可能なように形成されている。
【００３０】
この様に、僅かに隙間を設けることで、各々の突起根本部付近でのインクの流れをスムーズにすることが可能となり、従来技術で問題となるような気泡の残留を少なくすることが出来る。更には、インク流路内に親水処理を施すことによって、より効果的に気泡を除去可能となる。
【００３１】
図３は、本発明における他の例を示す。
【００３２】
インク供給路の両側壁より伸びた弾性を有する突起４０が、圧力発生室方向３へ傾いて伸びている。その先端部は、互いに交錯するように一方が短く、一方が長くなるように形成する。また、両側より伸びた突起４０は、交互にずれた位置より形成し同じ長さに形成しても良い。また、図に示すように複数本を交錯するように形成することで、より多くの抵抗体を増やすことが可能となる。前記突起は、稼動可能なように弾性を有する構成にすることが望ましく、図１とほぼ同様な効果を有することが出来る。
【００３３】
本発明のインクジェットヘッドの製造方法を図８に基づいて説明する。
【００３４】
インク流路形成基板１ａは、シリコン単結晶基板を用い、ドライエッチング法によって加工される。尚、異方性ウェットエッチングと異なり、使用するシリコン単結晶基板の面方位は限定されないため、一般的に半導体などで使用される安価な（１００）ウエハを用いることが出来る。
【００３５】
シリコン単結晶基板１ａの表面に熱酸化法などで酸化シリコン膜１３，１４を形成し、インク流路、弁アーム３１及びリザーバ４の形状に合せてフォトリソグラフィ法によりパターニングを行い、酸化シリコン膜を完全に除去する。尚、酸化シリコン膜のエッチングは、フッ酸とフッ化アンモニウムの混合液によって行う。またオリフィスプレートが取付けられる側の酸化シリコン膜１４を保護するために、酸化シリコン膜のエッチングの際にはレジスト材を全面に塗布しておく。（ａ）
次に、インク流路及びリザーバ部のシリコンのエッチングをドライエッチングによって各部が貫通するまで行う。エッチング条件としては、エッチングガスとしてＣＦ_４、ＳＦ_６ガスを交互に使用し、１分間に４μｍのエッチングレートでエッチングを行う。ここでＣＦ_４ガスは形成される溝の側面にエッチングが進行しないように溝側面を保護するために使用し、ＳＦ_６ガスはシリコンウエハの垂直方向のエッチングを促進させるために使用するため、溝は基板に対して垂直な壁を形成できる。（ｂ）
次に、インク流路のハーフエッチング部形状に合わせて、工程（ａ）と同様にフォトリソグラフィ法によりパターニングを行い、酸化シリコン膜１３、１４のハーフエッチングを行う。ハーフエッチング後の酸化シリコン膜の厚さＴは、シリコン単結晶基板１ａのドライエッチング時のエッチングレートをｒ１、酸化シリコン膜１３のエッチングレートをｒ２、インク流路ハーフエッチング部の高さをｔ１とすると、
Ｔ１＝ｒ２・（１−ｔ１）／ｒ１
以上の厚さが必要となる。（ｃ）
次に、工程（ｃ）でハーフエッチングを行った酸化シリコン膜が完全に除去されるまで、酸化シリコン膜のエッチングを行い、その後更に、弁アーム部であるシリコンのエッチングを行う。（ｄ）
以上の工程によって、インク流路、マニホールド及び弁アームが形成される。更に、工程（ｄ）終了後の基板を１１００℃、酸素雰囲気中で熱酸化を行い、インク流路形成基板全体に酸化シリコン膜を形成する。（ｅ）
【００３６】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明においては、共通インク室からのインクを供給するインク供給路、インク加圧室、ノズルへの連通路を同一平面状に列状に並べたインク流路形成基板とインクが噴射されるノズル開口部を有するインクジェット記録ヘッドにおいて、流体抵抗体をインク供給路にインク流路形成基板と一体で形成することで、高精度でかつ高密度にインク流路を形成できる。
【００３７】
また、弁機構が付加されたことで以下の様な効果が期待できる。
【００３８】
複雑なインク供給路を形成すること無しに繰り返し駆動周波数を上げることが出来るので、印刷品質を低下させること無く印刷速度飛躍的に向上することが出来る。
【００３９】
シリコンウェハのエッチング加工により、狭いインク流路に高精度の流体抵抗体を設けることが出来るので、製造も容易であり、高密度化を達成でき、記録ヘッドの小型化ばかりでなくそれを搭載する装置も小型化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明となるインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図２】本発明となるインクジェット式記録ヘッドのインク流路平面図である。
【図３】本発明となる他の例を示すインク流路平面図である。
【図４】従来技術における記録ヘッド内の流体抵抗体である。
【図５】従来技術における記録ヘッド内の流体抵抗体である他の例である。
【図６】従来技術におけるインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図７】インクジェット式記録ヘッドの駆動パルス波形である。
【図８】本発明となる記録ヘッド内の流体抵抗体の製作工程図である。
【符号の説明】
１はインク流路形成基板、２は圧電振動子、３は圧力発生室、４はリザーバ、５はインク流路、９はノズル開口、３０は弁機構、３１は弁アーム、３２は突起である。

Claims

共通インク室、該共通インク室からのインクを供給するインク供給路、圧力変換器によりインクを加圧するインク加圧室、ノズルへの連通路を同一平面状に列状に並べたインク流路形成基板と、インクが噴射されるノズル開口部とを有するインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記インク供給路に、その両側側壁より互いに交錯するように形成された突起よりなる流路開閉弁を、前記インク流路形成基板と一体加工して形成したことを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
前記流路開閉弁の突起の一方はばね性を有し、他方は封止用突起よりなることを特徴とする請求項１記載のインクジェット式記録ヘッド。
前記流路開閉弁の突起は圧力室方向へ傾いて形成されていることを特徴とする請求項１記載のインクジェット式記録ヘッド。
前記インク供給路中に少なくとも１つ以上の前記流路開閉弁を具備していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のインクジェット式記録ヘッド。
前記流路形成基板がシリコン単結晶基板をエッチングして構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のインクジェット式記録ヘッド。
前記流路開閉弁の深さ方向の厚みが、流路形成基板の厚みより小さいことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のインクジェット式記録ヘッド。
前記流路開閉弁は、シリコン単結晶板のハーフエッチングにより形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のインクジェット式記録ヘッド。
前記インク供給路内に親水処理を施すことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載のインクジェット式記録ヘッド。