JP4013029B2 - Inkjet recording head and inkjet recording apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を介して圧電素子を設けて、圧電素子の変位によりインク滴を吐出させ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。
【0002】
【従来の技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの2種類が実用化されている。
【0003】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【0004】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【0005】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平5−286131号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【0006】
【発明を解決しようとする課題】
このようなインクジェット式記録ヘッドでは、圧力発生室が形成された流路形成基板には、複数のノズル開口を有するノズルプレート等が接合されている。このノズルプレートは、一般的に、流路形成基板と異なる材料からなるため、流路形成基板とノズルプレートとを熱硬化性の接着剤で接合する際、あるいは圧電素子にワイヤボンディング等で配線を接続する際などに、流路形成基板とノズルプレートとの熱膨張率の違いによって変形し、流路形成基板に割れ等の破壊が発生するという問題がある。
【0007】
特に、流路形成基板の周縁部近傍は、圧力発生室が設けられた中央部に比べて剛性が高いため、この剛性が高い領域と剛性が低い領域との境界近傍に応力が集中して割れが発生しやすいという問題がある。
【0008】
本発明はこのような事情に鑑み、流路形成基板の破壊を防止した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を提供することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第1の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室が画成される流路形成基板と、前記圧力発生室の一部を構成する振動板を介して前記圧力発生室に対向する領域に設けられ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を具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記流路形成基板の前記圧力発生室の列方向両端部には、前記圧力発生室よりも狭い幅を有する複数の凹部を形成することにより剛性を低下させた応力緩和部が設けられ、且つ前記凹部を前記圧力発生室と同時にエッチングにより形成して当該凹部の幅を前記流路形成基板の端部側ほど狭くなるように段階的に変化させることによって前記流路形成基板の剛性を変化させていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【0010】
かかる第1の態様では、流路形成基板の剛性を段階的に低下させることにより、流路形成基板の変形による応力集中を防止して割れの発生を防止することができる。また、流路形成基板の端部に向かって徐々に剛性が高くなり、流路形成基板の変形による応力集中が効果的に防止される。
【0013】
本発明の第2の態様は、前記流路形成基板には、各圧力発生室が連通し、前記圧力発生室の共通のインク室となるリザーバの少なくとも一部を構成する連通部が形成され、且つ前記応力緩和部が、前記圧力発生室の列方向の前記連通部の端部に対応する領域よりも内側又は外側に形成されていることを特徴とする第1の態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【0014】
かかる第2の態様では、応力緩和部を構成する凹部に沿って流路形成基板に割れが発生することなく、流路形成基板の剛性を低下させることができる。
【0017】
本発明の第3の態様は、前記応力緩和部を構成する各凹部の幅が、前記圧力発生室の幅よりも狭いことを特徴とする第1又は2の態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【0018】
かかる第3の態様では、流路形成基板の剛性を低下させ過ぎることなく、適度に剛性を低下させることができる。
【0019】
本発明の第4の態様は、前記圧力発生室がシリコン単結晶基板に異方性エッチングにより形成され、前記圧電素子の各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されたものであることを特徴とする第1〜3の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドにある。
【0020】
かかる第4の態様では、高密度のノズル開口を有するインクジェット式記録ヘッドを大量に且つ比較的容易に製造することができる。
【0021】
本発明の第5の態様は、第1〜4の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置にある。
【0022】
かかる第5の態様では、ヘッドのインク吐出特性を向上したインクジェット式記録装置を実現できる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【0024】
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係るインクジェット式記録ヘッドの斜視図であり、図2は、その上面図及び断面図である。
【0025】
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、その一方面側には、予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ1〜2μmの弾性膜50が形成されている。
【0026】
また、この流路形成基板10には、弾性膜50とは反対側の面から異方性エッチングすることにより形成され、流路形成基板10を略貫通する複数の圧力発生室12が幅方向に並設されている。また、圧力発生室12の長手方向外側には、各圧力発生室12がインク供給路13を介して連通する連通部14が形成されている。この連通部14は、後述するリザーバ形成基板のリザーバ部に連通して各圧力発生室12の共通のインク室であるリザーバ100の一部を構成する。
【0027】
なお、本実施形態では、流路形成基板10には、幅方向に並設された圧力発生室12の列が2列設けられ、且つ各圧力発生室12は、その長手方向では直線上に並ばないように、幅方向に若干ずらして設けられている。
【0028】
また、流路形成基板10の圧力発生室12の列の両外側には、圧力発生室12の幅方向に並設された複数の凹部15からなる応力緩和部16が設けられている。
【0029】
この応力緩和部16を構成する各凹部15は、圧力発生室12と同様に、流路形成基板10を略貫通して設けられ、且つ圧力発生室12よりも狭い幅を有する。また、本実施形態では、各凹部15は、流路形成基板10の端部側ほどその幅が狭くなっている。すなわち、応力緩和部16を構成する各凹部15の幅を段階的に変化させることにより、流路形成基板の剛性をその端部側に向かって徐々に大きくなるように変化させている。
【0030】
このような応力緩和部16を設けることにより、詳しくは後述するが、流路形成基板10に割れが発生するのを防止することができる。
【0031】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、シリコン単結晶基板をKOH等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて(110)面に垂直な第1の(111)面と、この第1の(111)面と約70度の角度をなし且つ上記(110)面と約35度の角度をなす第2の(111)面とが出現し、(110)面のエッチングレートと比較して(111)面のエッチングレートが約1/180であるという性質を利用して行われる。かかる異方性エッチングにより、二つの第1の(111)面と斜めの二つの第2の(111)面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室12を高密度に配列することができる。
【0032】
本実施形態では、各圧力発生室12の長辺を第1の(111)面で、短辺を第2の(111)面で形成している。この圧力発生室12は、流路形成基板10をほぼ貫通して弾性膜50に達するまでエッチングすることにより形成されている。ここで、弾性膜50は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。また、各圧力発生室12の一端に連通する各インク供給路13は、圧力発生室12より浅く形成されており、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。すなわち、インク供給路13は、シリコン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング(ハーフエッチング)することにより形成されている。なお、ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行われる。
【0033】
また、流路形成基板10の開口面側には、各圧力発生室12とインク供給路13とは反対側の端部近傍で連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が、例えば、加熱硬化性の接着剤によって固着されている。なお、ノズルプレート20は、厚さが例えば、0.1〜1mmの不錆鋼などからなる。また、ノズルプレート20は、一方の面で流路形成基板10の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。
【0034】
ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室12の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口21の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、1インチ当たり360個のインク滴を記録する場合、ノズル開口21は数十μmの直径で精度よく形成する必要がある。
【0035】
一方、流路形成基板10に設けられた弾性膜50の上には、厚さが例えば、約0.2μmの下電極膜60と、厚さが例えば、約1μmの圧電体層70と、厚さが例えば、約0.1μmの上電極膜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、下電極膜60、圧電体層70、及び上電極膜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。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層70から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜60は圧電素子300の共通電極とし、上電極膜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。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。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。
【0036】
また、圧電素子300の個別電極である上電極膜80は、上電極膜80から弾性膜50上まで延設されたリード電極90を介して図示しない駆動配線と接続されている。
【0037】
また、流路形成基板10の圧電素子300側には、リザーバ100の一部を構成するリザーバ部31を有するリザーバ形成基板30が接合されている。このリザーバ部31は、本実施形態では、リザーバ形成基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の列方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板10の連通部14と連通されてリザーバ100を構成している。
【0038】
このようなリザーバ形成基板30としては、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、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た。これにより、両者を熱硬化性の接着剤を用いた高温での接着により確実に接着して、製造工程を簡略化することができる。
【0039】
また、リザーバ形成基板30の圧電素子300に対向する領域には、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部32が設けられ、圧電素子300はこの圧電素子保持部32内に密封されている。
【0040】
さらに、リザーバ形成基板30には、圧電素子300の上電極膜80に接続されたリード電極90の端部近傍に対向する領域に、厚さ方向に貫通する貫通溝37が圧力発生室12の並設方向に亘って設けられている。そして、図示しない駆動回路に接続される駆動配線が、例えば、ワイヤボンディング等によってこの貫通溝37内に延設され、各リード電極90と電気的に接続されている。
【0041】
また、このリザーバ形成基板30には、封止膜41及び固定板42からなるコンプライアンス基板40が接合されている。ここで、封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料(例えば、厚さが6μmのポリフェニレンスルフィド(PPS)フィルム)からなり、この封止膜41によってリザーバ部31の一方面が封止されている。また、固定板42は、金属等の硬質の材料(例えば、厚さが30μmのステンレス鋼(SUS)等)で形成される。この固定板42のリザーバ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、リザーバ100の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止され、内部圧力の変化によって変形可能な可撓部45となっている。
【0042】
なお、このような本実施形態の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を取り込み、リザーバ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、図示しない外部の駆動回路からの記録信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの下電極膜60と上電極膜80との間に電圧を印加し、弾性膜50、下電極膜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。
【0043】
以下、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造工程について、図3及び図4を参照して説明する。なお、図3及び図4は、圧力発生室12の幅方向の断面図である。
【0044】
まず、図3(a)に示すように、流路形成基板10となるシリコン単結晶基板のウェハを約1100℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコンからなる弾性膜50を形成する。
【0045】
次に、図3(b)に示すように、スパッタリングで下電極膜60を流路形成基板10の圧力発生室12側に全面に亘って形成すると共に所定形状にパターニングする。この下電極膜60の材料としては、白金、イリジウム等が好適である。これは、スパッタリング法やゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体層70は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で600〜1000℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下電極膜60の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、殊に、圧電体層70としてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金、イリジウムが好適である。
【0046】
次に、図3(c)に示すように、圧電体層70及び上電極膜80を順次積層形成すると共に、圧電体層70及び上電極膜80のみをエッチングして圧電素子300のパターニングを行う。
【0047】
この圧電体層70は、例えば、本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層70を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成した。圧電体層70の材料としては、PZT系の材料がインクジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適である。なお、この圧電体層70の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法又はMOD法(有機金属熱塗布分解法)等のスピンコート法により成膜するようにしてもよい。
【0048】
また、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法もしくはMOD法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶化させる方法を用いてもよい。
【0049】
また、上電極膜80は、導電性の高い材料であればよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、白金をスパッタリングにより成膜している。
【0050】
次に、図3(d)に示すように、リード電極90を流路形成基板10の全面に亘って形成すると共に、各圧電素子300毎にパターニングする。
【0051】
以上が膜形成プロセスである。このようにして膜形成を行った後、図4(a)に示すように、前述したアルカリ溶液によるシリコン単結晶基板からなる流路形成基板10を異方性エッチングすることにより、圧力発生室12等を形成する。また、本実施形態では、同時に、流路形成基板10に応力緩和部16を構成する凹部15を形成する。
【0052】
次いで、図4(b)に示すように、流路形成基板10の圧電素子300側にリザーバ形成基板30を接合し、その後、図4(c)に示すように、流路形成基板10の圧力発生室12が開口する面にノズルプレート20を接着する。
【0053】
ここで、このノズルプレート20は、上述したように、熱硬化性の接着剤によって流路形成基板10に接着している。このため、接着持の熱により流路形成基板10、リザーバ形成基板30及びノズルプレート20等の各基板が膨張し、各基板の熱膨張率の違いによって反りが発生し、この反りによって流路形成基板10等に割れが発生する虞がある。
【0054】
すなわち、流路形成基板10は、圧力発生室12が設けられた領域では剛性が比較的低く、その周縁部は圧力発生室12が設けられた領域よりも剛性が高い。したがって、圧力発生室12の列の両外側の領域が、剛性が高い領域と低い領域との境界となり、この境界部分に反りによる応力が集中することによって、流路形成基板10には、圧力発生室12の側面に沿って割れ等の破壊が発生する虞がある。
【0055】
しかしながら、本発明では、上述したように、流路形成基板10の圧力発生室の列の両外側に複数の凹部15からなる応力緩和部16を設けているため、各基板に発生した反りによる応力が一部に集中することが無く、流路形成基板10に割れ等の破壊が発生するのを防止することができる。
【0056】
また、本実施形態では、各凹部15の幅を、流路形成基板10の端部側に向かって段階的に狭くすることによって、流路形成基板10の剛性が徐々に大きくなるようにしているので、流路形成基板10の一部分への応力集中を確実に無くすことができる。
【0057】
また、その後、リード電極90に接続配線がワイヤボンディングによって接続され、その際、各基板は、例えば、100℃〜120℃で加熱されるが、上述したように流路形成基板10に応力緩和部16を設けることにより、流路形成基板10が反ることによる割れ等の発生を防止することができる。
【0058】
さらに、流路形成基板10に応力緩和部16を設けることにより、流路形成基板の剛性が全体的に略均一となるため、弾性膜50の変位量のばらつきを抑えることができ、インク吐出特性を向上することができる。
【0059】
(実施形態2)
図5は、実施形態2に係るインクジェット式記録ヘッドの要部を示す平面図である。
【0060】
図5(a)及び(b)に示すように、本実施形態では、複数の凹部15Aからなる応力緩和部16Aが、リザーバの一部を構成する連通部14の端部に沿った領域(図中B−B’線の近傍領域)の内側又は外側に設けられている。また、応力緩和部16Aを構成する各凹部15Aが同一幅で形成され、且つ圧力発生室12の幅よりも狭い幅で形成されている。
【0061】
このように、流路形成基板に応力緩和部を設けることにより、実施形態1と同様に、各基板に発生した反りによる応力が一部に集中することが無く、流路形成基板10に割れ等の破壊が発生するのを防止することができる。
【0062】
また、連通部14の端部に沿った領域に凹部15Aを設けると、この領域の剛性が著しく低下し、基板の反りによる応力が集中して割れが発生しやすくなってしまう。しかしながら、本実施形態では、この連通部14の端部に沿った領域に凹部15Aを設けることなく、その領域の内側又は外側に設けるようにしているため、流路形成基板10の割れの発生をより確実に防止することができる。
【0063】
さらに、応力緩和部16Aを構成する凹部15Aの幅は、特に限定されないが、本実施形態のように、圧力発生室12よりも狭い幅で形成することが好ましい。これにより、流路形成基板10の剛性を必要以上に低下させるのを防止することができる。
【0064】
なお、本実施形態では、応力緩和部16Aを構成する各凹部15Aの幅を略同一幅としたが、これに限定されず、勿論、実施形態1と同様に、流路形成基板10の端部側に向かって段階的に凹部15Aの幅を狭くするようにしてもよい。
【0065】
また、本実施形態では、連通部14の端部に沿った領域の内側又は外側の一方側のみに応力緩和部16Aを設けているが、勿論、両側に設けるようにしてもよい。
【0066】
(他の実施形態)
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【0067】
例えば、上述の実施形態では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式記録ヘッドにも本発明を採用することができる。
【0068】
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、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6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。
【0069】
図6に示すように、インクジェット式記録ヘッド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。
【0070】
そして、駆動モータ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上を搬送されるようになっている。
【0071】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、流路形成基板に、複数の凹部を形成することにより剛性を低下させた応力緩和部を設け、且つこれらの凹部の幅を段階的に変化させることによって流路形成基板の剛性を変化させるようにしたので、流路形成基板の一部分に反りによる応力が集中するのを効果的に抑えることができ、流路形成基板に割れ等が発生するのを防止することができる。また、流路形成基板の剛性が略均一となるため、流路形成基板に設けられた振動板の変位量のバラツキが抑えられ、インク吐出特性を向上することができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1に係るインクジェット式記録ヘッドを示す斜視図である。
【図2】本発明の実施形態1に係るインクジェット式記録ヘッドを示す平面図及び断面図である。
【図3】本発明の実施形態1に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図4】本発明の実施形態1に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図5】本発明の実施形態2に係るインクジェット式記録ヘッドを示す平面図である。
【図6】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
10 流路形成基板
12 圧力発生室
13 インク供給路
14 連通部
15,15A 凹部
16,16A 応力緩和部
20 ノズルプレート
21 ノズル開口
30 リザーバ形成基板
31 リザーバ部
32 圧電素子保持部
40 コンプライアンス基板
50 弾性膜
60 下電極膜
70 圧電体層
80 上電極膜
100 リザーバ
300 圧電素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is an inkjet in which a part of a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting ink droplets is constituted by a diaphragm, and a piezoelectric element is provided through the diaphragm, and ink droplets are ejected by displacement of the piezoelectric element. The present invention relates to an ink jet recording head and an ink jet recording apparatus.
[0002]
[Prior art]
A part of the pressure generation chamber communicating with the nozzle opening for discharging ink droplets is constituted by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element to pressurize the ink in the pressure generation chamber to discharge ink droplets from the nozzle opening. Two types of ink jet recording heads have been put into practical use: those using a longitudinal vibration mode piezoelectric actuator that extends and contracts in the axial direction of the piezoelectric element, and those using a flexural vibration mode piezoelectric actuator.
[0003]
The former can change the volume of the pressure generation chamber by bringing the end face of the piezoelectric element into contact with the vibration plate, and it is possible to manufacture a head suitable for high-density printing, while the piezoelectric element is arranged in an array of nozzle openings. There is a problem that the manufacturing process is complicated because a difficult process of matching the pitch into a comb-like shape and an operation of positioning and fixing the cut piezoelectric element in the pressure generating chamber are necessary.
[0004]
On the other hand, the latter can flexibly vibrate, although a piezoelectric element can be built on the diaphragm by a relatively simple process of sticking a green sheet of piezoelectric material according to the shape of the pressure generation chamber and firing it. There is a problem that a certain amount of area is required for the use of, and high-density arrangement is difficult.
[0005]
On the other hand, in order to eliminate the inconvenience of the latter recording head, a uniform piezoelectric material layer is formed by a film forming technique over the entire surface of the diaphragm as seen in Japanese Patent Laid-Open No. 5-286131. A material in which a piezoelectric layer is formed so that a material layer is cut into a shape corresponding to a pressure generation chamber by a lithography method and is independent for each pressure generation chamber has been proposed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In such an ink jet recording head, a nozzle plate having a plurality of nozzle openings is joined to a flow path forming substrate in which a pressure generating chamber is formed. Since this nozzle plate is generally made of a material different from that of the flow path forming substrate, wiring is performed when the flow path forming substrate and the nozzle plate are bonded with a thermosetting adhesive or by wire bonding to the piezoelectric element. When connecting, there is a problem that the flow path forming substrate is deformed due to a difference in thermal expansion coefficient between the nozzle plate and the flow path forming substrate, and breakage such as cracking occurs.
[0007]
In particular, the vicinity of the peripheral edge of the flow path forming substrate is higher in rigidity than the central part where the pressure generating chamber is provided, so stress concentrates and breaks near the boundary between the high rigidity region and the low rigidity region. There is a problem that is likely to occur.
[0008]
In view of such circumstances, it is an object of the present invention to provide an ink jet recording head and an ink jet recording apparatus that prevent a flow path forming substrate from being broken.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention for solving the above-described problem, the pressure is formed via a flow path forming substrate in which a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening is defined, and a diaphragm constituting a part of the pressure generation chamber. In an ink jet recording head provided with a piezoelectric element that is provided in a region facing the generation chamber and causes a pressure change in the pressure generation chamber, both ends in the column direction of the pressure generation chamber of the flow path forming substrate are A stress relaxation portion having reduced rigidity is provided by forming a plurality of recesses having a narrower width than the pressure generation chamber, and the recess is formed by etching simultaneously with the pressure generation chamber to reduce the width of the recess. The ink jet recording head is characterized in that the rigidity of the flow path forming substrate is changed by changing in a stepwise manner so that the end portion side of the flow path forming substrate becomes narrower.
[0010]
In the first aspect, by reducing the rigidity of the flow path forming substrate in a stepwise manner, stress concentration due to deformation of the flow path forming substrate can be prevented and cracking can be prevented. Further, the rigidity gradually increases toward the end of the flow path forming substrate, and stress concentration due to deformation of the flow path forming substrate is effectively prevented.
[0013]
In the second aspect of the present invention, the flow path forming substrate is formed with a communicating portion that communicates with each pressure generating chamber and forms at least a part of a reservoir serving as a common ink chamber of the pressure generating chamber, In the ink jet recording head according to the first aspect, the stress relaxation portion is formed inside or outside a region corresponding to an end portion of the communication portion in the column direction of the pressure generating chamber. is there.
[0014]
In the second aspect, the rigidity of the flow path forming substrate can be reduced without causing a crack in the flow path forming substrate along the concave portion constituting the stress relaxation portion.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the ink jet recording head according to the first or second aspect, wherein the width of each recess constituting the stress relaxation portion is narrower than the width of the pressure generating chamber.
[0018]
In the third aspect, the rigidity of the flow path forming substrate can be appropriately reduced without excessively reducing the rigidity of the flow path forming substrate.
[0019]
According to a fourth aspect of the present invention, the pressure generation chamber is formed on a silicon single crystal substrate by anisotropic etching, and each layer of the piezoelectric element is formed by film formation and lithography. The ink jet recording head according to any one of the first to third aspects.
[0020]
In the fourth aspect, an ink jet recording head having high-density nozzle openings can be manufactured in a large amount and relatively easily.
[0021]
A fifth aspect of the present invention is an ink jet recording apparatus comprising the ink jet recording head according to any one of the first to fourth aspects.
[0022]
In the fifth aspect, it is possible to realize an ink jet recording apparatus with improved head ink ejection characteristics.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
[0024]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view of an ink jet recording head according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a top view and a cross-sectional view thereof.
[0025]
As shown in the figure, the flow
[0026]
The flow
[0027]
In the present embodiment, the flow
[0028]
In addition, on both outer sides of the row of the
[0029]
Each
[0030]
Providing such a
[0031]
Here, the anisotropic etching is performed by utilizing the difference in etching rate of the silicon single crystal substrate. For example, in this embodiment, when a silicon single crystal substrate is immersed in an alkaline solution such as KOH, the first (111) plane perpendicular to the (110) plane is gradually eroded, and the first (111) plane. And a second (111) plane that forms an angle of about 70 degrees with the (110) plane and an angle of about 35 degrees appears, and the (111) plane is compared with the etching rate of the (110) plane. This is performed using the property that the etching rate is about 1/180. By this anisotropic etching, precision processing can be performed based on the parallelogram depth processing formed by two first (111) surfaces and two oblique second (111) surfaces. The
[0032]
In the present embodiment, the long side of each
[0033]
Further, on the opening surface side of the flow
[0034]
Here, the size of the
[0035]
On the other hand, on the
[0036]
Further, the
[0037]
A
[0038]
As such a
[0039]
Further, in a region facing the
[0040]
Further, in the
[0041]
In addition, a
[0042]
The ink jet recording head according to this embodiment takes in ink from an external ink supply unit (not shown), fills the interior from the
[0043]
Hereinafter, the manufacturing process of such an ink jet recording head will be described with reference to FIGS. 3 and 4 are cross-sectional views of the
[0044]
First, as shown in FIG. 3A, an
[0045]
Next, as shown in FIG. 3B, the
[0046]
Next, as illustrated in FIG. 3C, the
[0047]
For example, in this embodiment, the
[0048]
Alternatively, a method may be used in which a lead zirconate titanate precursor film is formed by a sol-gel method, a sputtering method, a MOD method, or the like, and then crystallized at a low temperature by a high pressure treatment method in an alkaline aqueous solution.
[0049]
Further, the
[0050]
Next, as shown in FIG. 3D, the
[0051]
The above is the film forming process. After the film formation is performed in this manner, as shown in FIG. 4A, the flow
[0052]
Next, as shown in FIG. 4B, the
[0053]
Here, as described above, the
[0054]
That is, the flow
[0055]
However, in the present invention, as described above, since the
[0056]
Further, in the present embodiment, the rigidity of the flow
[0057]
After that, the connection wiring is connected to the
[0058]
Furthermore, by providing the
[0059]
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a plan view illustrating a main part of the ink jet recording head according to the second embodiment.
[0060]
As shown in FIGS. 5A and 5B, in the present embodiment, the
[0061]
As described above, by providing the stress relaxation portion in the flow path forming substrate, the stress due to the warp generated in each substrate does not concentrate on a part as in the first embodiment, and the flow
[0062]
Further, if the
[0063]
Furthermore, the width of the
[0064]
In the present embodiment, the widths of the
[0065]
Further, in the present embodiment, the
[0066]
(Other embodiments)
While the embodiments of the present invention have been described above, the basic configuration of the ink jet recording head is not limited to that described above.
[0067]
For example, in the above-described embodiment, the thin film type ink jet recording head manufactured by applying the film forming and lithography processes is taken as an example. However, the present invention is not limited to this, and for example, a green sheet is pasted. The present invention can also be applied to a thick film type ink jet recording head formed by such a method.
[0068]
In addition, the ink jet recording head of each of these embodiments constitutes a part of a recording head unit including an ink flow path communicating with an ink cartridge or the like, and is mounted on the ink jet recording apparatus. FIG. 6 is a schematic view showing an example of the ink jet recording apparatus.
[0069]
As shown in FIG. 6, in the
[0070]
The driving force of the driving
[0071]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the flow path forming substrate is provided with the stress relaxation portions whose rigidity has been reduced by forming a plurality of recesses, and the flow paths are formed by changing the widths of these recesses stepwise. Since the rigidity of the forming substrate is changed, it is possible to effectively suppress the stress due to warpage to be concentrated on a part of the flow path forming substrate, and to prevent the flow forming substrate from being cracked. Can do. In addition, since the rigidity of the flow path forming substrate is substantially uniform, variation in the amount of displacement of the vibration plate provided on the flow path forming substrate is suppressed, and the ink ejection characteristics can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view illustrating an ink jet recording head according to a first embodiment of the invention.
2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view illustrating the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention.
FIG. 5 is a plan view showing an ink jet recording head according to a second embodiment of the invention.
FIG. 6 is a schematic view of an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記流路形成基板の前記圧力発生室の列方向両端部には、前記圧力発生室よりも狭い幅を有する複数の凹部を形成することにより剛性を低下させた応力緩和部が設けられ、且つ前記凹部を前記圧力発生室と同時にエッチングにより形成して当該凹部の幅を前記流路形成基板の端部側ほど狭くなるように段階的に変化させることによって前記流路形成基板の剛性を変化させていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。A flow path forming substrate in which a pressure generation chamber communicating with the nozzle opening is defined, and a pressure plate formed in a region facing the pressure generation chamber via a diaphragm constituting a part of the pressure generation chamber. In an ink jet recording head comprising a piezoelectric element that causes a pressure change in
At both ends in the column direction of the pressure generating chamber of the flow path forming substrate, a stress relaxation portion having a reduced rigidity by forming a plurality of recesses having a width narrower than the pressure generating chamber is provided, and A recess is formed by etching simultaneously with the pressure generating chamber, and the width of the recess is changed stepwise so as to become narrower toward the end of the flow path forming substrate, thereby changing the rigidity of the flow path forming substrate. An ink jet recording head characterized by comprising:
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