JP4293847B2 - 液滴吐出ヘッド、インクカートリッジ及びインクジェット記録装置並びに液滴吐出装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体を吐出して種々のパターンを形成する液滴吐出ヘッド、インクカートリッジ及びインクジェット記録装置並びに液滴吐出装置及び画像形成装置に関し、さらに詳しくは、高密度化、小型化、低電圧化を図りつつ、振動板が個別電極に当接するように駆動しても、電極間リーク、絶縁保護膜の絶縁破壊、残留電荷等が生じない液滴吐出ヘッド、該液滴吐出ヘッドを用いたインクカートリッジ及びインクジェット記録装置並びに液滴吐出装置及び画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にプリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像記録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インクジェットヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルに連通する液室（吐出室、圧力室、加圧液室、インク流路とも称される）と、この液室内のインクを加圧するためのエネルギーを発生するエネルギー発生手段とを備え、エネルギー発生手段が発生するエネルギーによって液室内のインクに圧力を作用させ、ノズルからインク滴を吐出させるものである。
【０００３】
これらのインクジェットヘッドにおいて、液室内のインクに圧力を作用させる方式として、電気機械変換素子を用いる方式、電気熱変換素子を用いる方式、あるいは電極間に作用する静電力を用いる方式等が実用化されている。その中で静電方式により形成されたインクジェットヘッドは、小型化、高速化、高密度化、省電力化に優位性を有することから、現在開発が盛んに行われている。
【０００４】
静電方式によるインクジェットヘッドは、例えば特許文献１（特開平６−７１８８２号公報）に記載されているように、個別電極を形成した電極基板と、液室及び振動板を形成した流路基板と、ノズルを形成したノズル基板とを接合した積層構造で構成されるものが提案されている。このように構成したインクジェットヘッドにおいては、ノズルに連通した液室の一面に振動板を形成し、また振動板に対向させて個別電極を配し、振動板と個別電極間に駆動パルス電圧を印加することで、個別電極と振動板の間に発生する静電力によって振動板を個別電極側に変形変位及び当接させる。この状態から個別電極と振動板間の電荷を放電することによって振動板が復帰変形して、液室の内容積を変化させ、液室内のインクに圧力を作用させ、ノズルからインク滴が吐出される。
【０００５】
このような静電型インクジェットヘッドにおいては、簡易なプロセスで高密度に液室を形成する方法として、マイクロマシニングの分野において技術が確立されている単結晶シリコンの異方性ウェットエッチング技術が広く用いられる。例えば、結晶面方位（１１０）のシリコン基板をＫＯＨ水溶液等の強アルカリ性エッチング液で異方性エッチングすることによって、所望の深さに溝を形成し、この溝の深さによって所望の特性を得た液室及び振動板が形成される。このように単結晶シリコンの異方性ウェットエッチング技術を用いることにより、高精度かつ高密度な微細加工が実現できることが大きな特徴でもある。しかし、インクジェットヘッドの更なる小型化、高密度化を図るに伴い、シリコン基板をエッチングすることにより液室及び振動板を形成する方法においては、隣接液室間の隔壁が薄くなってしまい、その結果、隔壁剛性が低下し、隣接液室間の圧力干渉（クロストーク）が発生し、適切なインク滴の吐出動作が阻害されるといった問題が生じている。
【０００６】
このような問題に対して、特許文献２（特開２００１−１８３８３公報）に記載されているように、個別電極を形成する基板に犠牲層エッチングによって、振動板及び空隙部を形成する方法が提案されている。これによると、液室を構成する流路基板に空隙及び振動板が形成できることから、振動板の厚みを考慮することなく隔壁が形成可能となり、その結果、所望の隔壁剛性を得ることが可能となる。
【０００７】
また、このような静電式インクジェットヘッドにおいては、吐出されるインク滴量は振動板の変位量に大きく依存する。そのため、振動板を個別電極上に当接させることにより変位量を一定とする当接駆動が一般的に用いられるが、個別電極と振動板が当接することにより発生する電極間のリーク、絶縁耐圧、あるいは残留電荷対策等、電気特性面の信頼性問題について十分な配慮をしなければならない。
【０００８】
これらの問題に対して、特許文献３（特開２００１−３２２２７３公報）に記載されるように、振動板の個別電極との当接部分に凸構造を設けることにより、当接箇所での絶縁破壊、及び残留電荷が生じることを回避する構成が提案されている。
図１５は、特許文献３で提案されているインクジェットヘッドの単一ビットを示す短辺方向の断面図である。
このインクジェットヘッドにおいては、振動板１２を共通電極とし、個別電極１１との間に駆動パルス電圧を印加することにより、振動板１２と個別電極１１間に静電力を発生させ、この静電力により振動板１２を個別電極１１側に変形変位させる。その後、駆動パルス電圧を放電することにより、振動板１２が復帰変形して、液室３１の内容積の変化及び圧力の作用によりノズル４１からインク滴を吐出する。
【０００９】
ここで、振動板１２は、液室３１側には振動板保護膜１９、接液膜２１を有し、ギャップ１７側には絶縁保護膜１３を有している。また、電極基板１０上に熱酸化膜２２を介して設けられている個別電極１１には絶縁保護膜１６を有する。振動板１２を覆っている絶縁保護膜１３の個別電極１１側表面には、凸部２３が形成されていることにより、振動板１２の絶縁保護膜１３が個別電極１１の絶縁保護膜１６に当接するまで変位した際の残留電荷の発生を低減できて、安定した振動板変位が得られるものである。しかし、振動板に形成された凸部２３は、凸部２３及びその他の領域においても絶縁保護膜１３が同一の厚さで形成されており、電極間リーク、絶縁保護膜の絶縁破壊、残留電荷といった電気特性の十分な改善には至っていない。
【００１０】
また、静電式インクジェットにおいては、振動板の板厚をｔ、振動板の固定端の短辺長をａ、静電実効ギャップをｈ、印加電圧をＶとしたとき、振動板の変位δは、式（１）によって近似的に示される。
δ＝Ａ（ａ4×ｖ2）／（ｈ2×ｔ3） Ａは定数 … 式（１）
すなわち、振動板の変位δは、短辺長ａの４乗、印加電圧の２乗に比例し、実効ギャップｈの２乗、振動板の板厚ｔの３乗に反比例する。このため、振動板の板厚は変位量を得る面からは薄い方向、しかし剛性及び絶縁性を得る面からは厚く形成することが望まれる。
このように、静電式インクジェットヘッドを形成するには、高密度化に伴う液室の隔壁剛性の確保、あるいは当接駆動に伴う電気特性面の信頼性確保が問題であり、特に振動板の絶縁保護膜については、変位量と絶縁性がトレードオフの関係にあり、薄い膜厚で大きな変位量を得ることがインク滴量の安定化、駆動信頼性を確保する面から問題となっている。
【００１１】
【特許文献１】
特開平６−７１８８２号公報
【特許文献２】
特開２００１−１８３８３号公報
【特許文献３】
特開２００１−３２２２７３号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来のインクジェットヘッドにおいては、前記したように振動板と個別電極の当接に伴う電極間リーク、絶縁耐圧不良、残留電荷等の電気特性に関わる信頼性問題が解決されておらず、安定した振動変位、駆動信頼性に優れたインクジェットヘッドの実現が達成できていない。
【００１３】
本発明は、前記した問題点に鑑みてなされたものであり、高密度化、小型化、低電圧化を図りつつ、当接駆動による電気特性及び駆動信頼性の向上を達成できるインクジェットヘッド、インクカートリッジ及びにインクジェット記録装置並びに液滴吐出装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係るインクジェットヘッドは、犠牲層エッチングにより空隙及び振動板を形成することにより、隣接液室間の隔壁剛性を確保するとともに、個別電極に対向した振動板面の絶縁保護膜に凸構造を形成し、かつ凸部分の絶縁保護膜の厚さが、凸がない部分より厚く形成することを特徴とし、それによって、当接駆動による電極間リークまたは絶縁耐圧不良、あるいは駆動信頼性を飛躍的に向上させるものである。
【００１５】
本発明の請求項１に係る発明は、液滴を吐出するノズルを有するノズル基板と、前記ノズルに連通した連通孔及び加圧室を有する液室基板と、前記加圧室の一部の壁面を形成する振動板と、犠牲層エッチングによって形成された空隙及び絶縁膜を介し前記振動板に対向配置された個別電極を有する電極基板とを備え、前記振動板と個別電極間に働く静電力により前記振動板を変位させ前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、前記絶縁膜は、前記電極基板の前記個別電極の前記振動板側の面と、前記振動板の前記個別電極に対向する面の全体とを覆うように形成され、前記振動板に形成された絶縁膜には、当該絶縁膜の他の部分より厚い凸部が形成されており、該凸部は、前記犠牲層に当該凸部に対応した形状を有する段差部を形成しておき、該段差部を当該絶縁膜の絶縁材料で埋め込むことにより形成されることを特徴とする。
【００１７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記絶縁膜に形成された凸部は、前記振動板の長辺方向及び短辺方向に、１列または複数列形成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記絶縁膜に形成された凸部の絶縁膜は、積層構造で形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【００１９】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３記載の液滴吐出ヘッドとインクタンクを備えたインクカートリッジであることを特徴とする。
【００２０】
請求項５、６あるいは７に係る発明は、請求項１〜３記載の液滴吐出ヘッドを用いて形成されていることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１〜１４を参照して説明する。
（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例に係るインクジェットヘッドを示す平面図、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。また、図４は、図１のインクジェットヘッドの単一ビット要部を示す平面図である。
第１実施例のインクジェットヘッドは、電極基板１０、液室基板３０、ノズル基板４０を積層して形成されている。
電極基板１０はガラス、シリコン等からなり、熱酸化膜２２上に個別電極１１が形成されている。個別電極１１に対向して、犠牲層エッチングにより形成されたギャップ１７を介して振動板１２が形成されている。個別電極１１及び振動板１２を形成する材料として、ここではポリシリコン膜が用いられている。電極材料としては高温耐性を有し、加工性に優れ、且つ成膜表面の凹凸が少ない材料が好ましく、ポリシリコン以外ではＴｉＮ等の高融点金属材料も使用できる。また、個別電極１１及び振動板１２には、絶縁保護膜１６、１３が形成されており、当接時の短絡、放電による損傷を防止すると同時にギャップ１７のスペーサを兼ねるように構成されている。
【００２２】
振動板１２の絶縁保護膜１３には、個別電極１１との当接部分に凸部２３が形成されている。また、凸部２３における絶縁保護膜１３の厚さは、凸部が形成されていない部分より厚く形成されている。凸部２３は振動板１２の単辺方向の略中心付近に一列に配される構成であり、ビット長辺方向に約１５μｍのピッチで形成されている。また、凸部２３の平面寸法は約５μｍ×約３μｍに形成されている。振動板１２の液室３１に面する側には所望の振動板剛性を得るために、振動板保護膜１９が形成されている。また、振動板保護膜１９上には、犠牲層除去孔２０を封止すると同時に、インク耐性を有する接液膜２１が形成されている。ここでは、接液膜２１はポリイミド樹脂により形成されている。
【００２３】
液室基板３０はシリコンからなり、液室３１、インク供給孔３２及びノズル連通孔３３が形成されている。ここで、液室基板３０は、結晶面方位（１１０）のシリコン基板をＫＯＨ水溶液等の強アルカリ性エッチング液で異方性エッチングすることにより所望の液室パターンを形成したものである。
また、電極基板１０と液室基板３０とは接着剤によって接合することで一体化されている。
【００２４】
ノズル基板４０は、Ｎｉやステンレス（ＳＵＳ）等の金属板、あるいはセラミックス、ガラス、あるいは樹脂等から構成されており、ノズル４１はドライまたはウェットエッチングやレーザ加工等周知の方法で作製することができる。このノズル基板４０の吐出方向面には、インクとの撥水性を確保するために、メッキ被膜、あるいは撥水剤コーティング等の周知の方法で撥水膜を形成している。
【００２５】
このように構成したインクジェットヘッドにおいては、振動板１２を共通電極とし、個別電極１１との間に駆動パルス電圧を印加することにより、振動板１２と個別電極１１間に静電力を発生させ、この静電力により振動板１２を個別電極１１側に変形変位させる。その後、駆動パルス電圧を放電することにより、振動板１２が復帰変形して、液室３１の内容積の変化及び圧力の作用によりノズル４１からインク滴が吐出される。
【００２６】
ここで、振動板１２と個別電極１１が当接する部分では、連続駆動に伴う電界集中により、絶縁保護膜１３，１６の劣化あるいは絶縁保護膜１３，１６が破壊に至る現象が見られる。そこで、前述のように絶縁保護膜１３，１６の当接部分に凸部２３を設けることで、絶縁耐圧の向上を図り、絶縁保護膜１３，１６の破壊が防止できる。また、本発明においては、凸部２３の絶縁保護膜１３が凸部２３がない部分の絶縁保護膜１３より厚く形成していることにより、更に絶縁耐圧が増すとともに、振動板１２の変位をもたらす駆動パルス電圧を高くすることなく構成できるため、インクジェットヘッドの駆動性能を損なうことがない。
【００２７】
次に、第１実施例のインクジェットヘッドの製造方法についてを説明する。
図５は、第１実施例のインクジェットヘッドの製造工程前半を経時的に示す断面図で、図６は、同じく製造工程後半を経時的に示す断面図で、ともに図１のＡ−Ａ線に沿った断面図に相当する。
まず、電極基板１０の製造工程に関して、結晶面方位（１００）のシリコン基板を用い、電極基板１０に対し熱酸化膜２２を約１.５μｍ、ＬＰＣＶＤによりポリシリコン膜を約０.４μｍ堆積形成する（図５（Ａ））。
次に、ポリシリコン膜を写真製版及びドライエッチングし、個別電極１１のパターンを形成する（図５（Ｂ））。
次に、個別電極１１の絶縁保護膜１６となる酸化膜を約０.２μｍ形成し、続いて犠牲層１８となるポリシリコン膜を約０.４μｍ形成する（図５（Ｃ））。
【００２８】
次に、犠牲層１８を写真製版及びドライエッチングし、ギャップ１７を形成する領域のパターンを形成する（図５（Ｄ））。
次に、ギャップ１７領域を形成する犠牲層１８に対して、凸部２３となるパターンを写真製版及びドライエッチングにより形成する。ここで、凸部２３の高さに相当する段差として、犠牲層１８を約０.５μｍ深さエッチングする（図５（Ｅ））。
次に、振動板１２の絶縁保護膜１３となる酸化膜を約０.２μｍ形成する（図５（Ｆ））。ここで形成される酸化膜の成膜特性としては、フロー性を有する酸化膜であって、形成された凸部２３及び犠牲層１８の分離溝を絶縁保護膜１３で埋め込む形に形成する。
【００２９】
次に、ＬＰＣＶＤによりポリシリコン膜を堆積し（図６（Ｇ））、振動板１２を構成するパターンを写真製版及びドライエッチングにより形成する（図６（Ｈ））。ここで、振動板１２を形成するポリシリコン膜の電気抵抗を低くするために、ポリシリコン膜に対してリン等の不純物を注入等により導入拡散する。
次に、振動板１２を構成するポリシリコン膜の絶縁保護あるいは所望の振動板剛性を得るために振動板保護膜１９をＣＶＤにより形成する（図６（Ｉ））。
【００３０】
次に、ギャップ１７領域に、犠牲層除去孔２０のパターンを写真製版及びドライエッチングにより形成する。ここでは、まずギャップ１７を形成する犠牲層１８に連通する振動板保護膜１９と絶縁保護膜１３がエッチングにより除去される（図６（Ｊ））。
次いで、ギャップ１７を形成する領域の犠牲層１８であるポリシリコン膜を犠牲層除去孔２０を介してエッチングにより除去し、ギャップ１７を形成する（図６（Ｋ））。これによって犠牲層１８に形成されていた凸部分に埋め込まれた絶縁保護膜１３の凸部２３が形成される。
次に、犠牲層除去孔２０の封止及び耐インク接液性を確保するための接液膜２１としてポリイミド樹脂を塗布し、振動板１２の最上層を形成するとともに、犠牲層除去孔２０の封止を行う（図６（Ｌ））。
【００３１】
以上のようにして、個別電極１１とギャップ１７及びギャップ１７を介した振動板１２を構成した電極基板１０が形成される。また、同時に振動板１２の絶縁保護膜１３には、個別電極１１の当接部分に凸部２３が形成され、かつ凸部２３部分のみ絶縁保護膜１３が厚く形成されるものである。
【００３２】
その後、図示しないが、結晶面方位（１１０）のシリコン基板を用いて、ＫＯＨ水溶液等の強アルカリ性エッチング液で異方性エッチングして所望の微細な液室パターンを形成した液室基板３０を電極基板１０に接着により接合し一体化する。その後、Ｎｉやステンレス（ＳＵＳ）等の金属板、セラミックス、ガラス、あるいは樹脂等から形成されたノズル基板４０を接合し、静電式インクジェットヘッドが形成される。なお、ノズル４１はドライまたはウェットエッチングやレーザ加工等周知の方法で作製することができる。このノズル基板４０の吐出方向面には、インクとの撥水性を確保するために、メッキ被膜、あるいは撥水剤コーティング等の周知の方法で撥水膜を形成している。
【００３３】
（第２実施例）
本発明の第２実施例のインクジェットヘッドについて説明する。
図７は、本発明の第２実施例に係るインクジェットヘッドの短辺方向の断面図で、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図に相当する。
図８は、図７のインクジェットヘッドの単一ビット要部を示す平面図である。第２実施例のインクジェットヘッドでは、振動板１２に設けられた凸部２３は、単一ビットの短辺方向に略中心より約５μｍのピッチで３列配されている。長辺方向は、第１実施例のインクジェットヘッドと同様約１５μｍのピッチで形成されており、また凸部２３の平面寸法は約３μｍ×３μｍに形成されている。
【００３４】
前記したように、静電式インクジェットにおいて、より大滴のインク滴を吐出させる場合には、振動板１２の変位量をより大きいものとする必要があり、このような場合には、個別電極１１に当接後も尚振動板１２の変位をもたらすため、より大きな駆動パルス電圧を印加し振動板１２を変位させる。このような場合、振動板１２に形成する凸部２３を複数列に形成し、凸部２３が個別電極１１と当接するよう構成することが望ましい。
【００３５】
第２実施例の静電式インクジェットヘッドにおいては、凸部２３を３列に配置した例について説明したが、形成される凸部２３の数量及び配置は構成された振動板剛性あるいは、駆動パルス電圧、あるいはビット寸法において異なり、構成において適宜列を配することが肝要である。
製造工程は、第１実施例のインクジェットヘッドの製造方法に準ずることから説明は省略する。
【００３６】
（第３実施例）
本発明の第３実施例のインクジェットヘッドについて説明する。
図９は、第３実施例のインクジェットヘッド中間製品の短辺方向を示す断面図である。
第３実施例のインクジェットヘッドにおいては、第１実施例のインクジェットヘッドの犠牲層１８のギャップ１７領域に設けられた凸部２３に絶縁保護膜１３を埋め込む工程で、絶縁保護膜１３を形成した後に、フロー性を有する無機性あるいは有機性溶剤１３′（例えば、ＯＣＤ液：ＳｉＯ２系被膜形成用塗布液 東京応化工業製）を塗布し、凹部を埋め込み、凸部２３を積層構造により形成するものである。
【００３７】
第１実施例のインクジェットヘッドに示されたフロー性を有する酸化膜の形成方法においては、酸化膜の製法及び埋め込み特性と凸部の寸法とに制約があることから、埋め込み可能な寸法に制約がある。そのため、前記したフロー性を有する塗布材料を用いることにより、凸部の埋め込みが可能となる。また、塗布材料の使用により、凸部寸法の制約が回避され、多様な凸構造の埋め込みが可能となる。
第３実施例のインクジェットヘッドでは、約０.１５μｍの絶縁保護膜１３形成後、約０.１５μｍ（平坦部分における厚み）のＯＣＤ液を塗布して埋め込みを形成しているものである。その他の製造工程は、第１実施例に準ずるため説明は省略する。
【００３８】
（第４実施例）
本発明の第４実施例のインクジェットヘッドについて説明する。
図１０は、第４実施例のインクジェットヘッドの短辺方向を示す断面図で、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図に相当する。
図１１は、図１０に示すインクジェットヘッドの単一ビット要部を示す平面図である。
第４実施例のインクジェットヘッドにおいては、第１実施例あるいは第２実施例のインクジェットヘッドの犠牲層１８のギャップ１７領域に設けられたひとつの凸部２３がスリットの集合により形成されているものである。これらのスリットは約０.５μｍ間隔で形成されている。第１実施例においては、凸部２３を埋め込むために、フロー性を有する膜種に制約されることになるが、本実施例のように、スリットの間隔が０.５μｍ程度で形成された場合には、スリット間の凹部を埋め込むための絶縁保護膜１３の製法に関して制約がなくなり、汎用的に用いられるＬＰＣＶＤ等によって埋め込みが実現可能となる。また、スリットを有することにより、当接時の接触面積が小さくなることから、駆動信頼性の更なる向上が実現できるものである。
本実施例ではスリット形状に関して説明したが、これらの形状は、図１１に示すように、格子状、あるいはハニカム状に形成しても同様の効果が得られるものである。
【００３９】
（第５実施例）
次に、本発明の第５実施例のインクカートリッジについて説明する。
図１２は、第５実施例のインクカートリッジの外観を示す斜視図である。
このインクカートリッジ５０は、複数のノズルを有する実施例１〜４のいずれかのインクジェットヘッド５１と、インクジェットヘッド５１に対してインクを供給するインクタンク５２とを一体化したものである。
【００４０】
インクタンクとインクジェットヘッドが一体化された型のインクカートリッジの場合、インクジェットヘッドの歩留まり不良は直ちにインクカートリッジ全体の不良に繋がるので、前記したように加圧液室形成部材の反りによるノズルあるいは振動板の接合不良、加熱接合時の気体の膨張によるノズルあるいは振動板の接合不良による製造不良を低減することで、インクカートリッジの歩留まりが向上し、インクジェットヘッド一体型インクカートリッジの低コスト化を図ることができる。
【００４１】
（第６実施例）
実施例５のインクジェットヘッドを搭載した第６実施例のインクジェット記録装置の一例について説明する。本実施例５ではインクジェット記録装置について説明するが、液滴吐出装置や画像形成装置についても同様に適用可能である。
図１３は、第６実施例のインクジェット記録装置の要部を示す斜視図、図１４は、同記録装置の機構部を示す側断面図である。
このインクジェット記録装置は、記録装置本体６１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ７３、キャリッジ７３に搭載した本発明を実施したインクジェットヘッドからなる記録ヘッド７４、記録ヘッド７４へインクを供給するインクカートリッジ７５等で構成される印字機構部６２等を収納し、装置本体６１の下方部には前方側から多数枚の用紙６３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）６４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙６３を手差しで給紙するための手差しトレイ６５を開倒することができ、給紙カセット６４或いは手差しトレイ６５から給送される用紙６３を取り込み、印字機構部６２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６６に排紙する。
【００４２】
印字機構部６２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７１と従ガイドロッド７２とでキャリッジ７３を主走査方向（図１４で紙面垂直方向）に摺動自在に保持し、このキャリッジ７３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本発明に係るインクジェットヘッドからなる記録ヘッド７４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７３には記録ヘッド７４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７５を交換可能に装着している。
【００４３】
インクカートリッジ７５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インクジェットヘッド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７４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。
【００４４】
ここで、キャリッジ７３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド７１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７２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ７３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ７７で回転駆動される駆動プーリ７８と従動プーリ７９との間にタイミングベルト８０を張装し、このタイミングベルト８０をキャリッジ７３に固定しており、主走査モータ７７の正逆回転によりキャリッジ７３が往復駆動される。
【００４５】
一方、給紙カセット６４にセットした用紙６３を記録ヘッド７４の下方側に搬送するために、給紙カセット６４から用紙６３を分離給装する給紙ローラ８１及びフリクションパッド８２と、用紙６３を案内するガイド部材８３と、給紙された用紙６３を反転させて搬送する搬送ローラ８４と、この搬送ローラ８４の周面に押し付けられる搬送コロ８５及び搬送ローラ８４からの用紙６３の送り出し角度を規定する先端コロ８６とを設けている。搬送ローラ８４は副走査モータ８７によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００４６】
そして、キャリッジ７３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ８４から送り出された用紙６３を記録ヘッド７４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８９を設けている。この印写受け部材８９の用紙搬送方向下流側には、用紙６３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ９１、拍車９２を設け、さらに用紙６３を排紙トレイ６６に送り出す排紙ローラ９３及び拍車９４と、排紙経路を形成するガイド部材９５，９６とを配設している。
【００４７】
記録時には、キャリッジ７３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド７４を駆動することにより、停止している用紙６３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙６３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６３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６３を排紙する。
【００４８】
また、キャリッジ７３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７４の吐出不良を回復するための回復装置９７を配置している。回復装置９７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７３は印字待機中にはこの回復装置９７側に移動されてキャッピング手段で記録ヘッド７４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、記録途中等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。
【００４９】
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７４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（不図示）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。
【００５０】
このように、このインクジェット記録装置においては、本発明を実施したインクジェットヘッドを搭載しているので、気泡溜まりによるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。
【００５１】
なお、以上の実施例の記載においては、液滴吐出ヘッドをインクジェットヘッドに適用し、インクカートリッジ及びインクジェット記録装置に応用した例について説明したが、本発明の液滴吐出ヘッドの応用はこれらに限られたものではなく、例えば液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出装置、導電性物を含んだ液を吐出して電気配線を形成する液滴吐出装置、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出装置等に応用することが可能である。
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば次のような効果を奏する。
請求項１に係る液滴吐出ヘッドは、振動板の個別電極との当接部分に凸部を有する絶縁保護膜を形成することによって、振動板と個別電極を当接駆動させた場合においても、当接する部分の絶縁保護膜がより厚く形成されていることから、電極間リーク、絶縁保護膜の絶縁破壊、残留電荷等に関する電気特性が飛躍的に改善され、液滴吐出性能が安定し、駆動信頼性の高い液滴吐出ヘッドが形成可能となる。
【００５３】
請求項２に係る液滴吐出ヘッドは、振動板に複数の凸部を形成することによって、振動板剛性あるいは単一ビットの寸法、あるいは駆動パルス電圧に対して適正に凸部を配することが可能となり、電極間リーク、絶縁保護膜の絶縁破壊、残留電荷等の電気特性が改善され、かつ液滴吐出性能が安定した駆動信頼性の高い液滴吐出ヘッドが形成可能となる。
【００５４】
請求項３に係る液滴吐出ヘッドは、振動板の凸部の絶縁保護膜を積層構造とすることによって、凸部の形成寸法と凸部分を埋め込む酸化膜の製法に関わりなく、凸部の埋め込みが可能となるため、液滴吐出ヘッドの構成あるいは寸法に影響を与えることなく、電極間リーク、絶縁保護膜の絶縁破壊、残留電荷等の電気特性が改善され、かつ液滴吐出性能が安定した駆動信頼性の高い液滴吐出ヘッドが形成可能となる。
【００５５】
請求項４に係るインクカートリッジ、請求項５に係るインクジェット記録装置、請求項６に係る液滴吐出装置、及び請求項７に係る画像形成装置は、請求項１〜３に係る液滴吐出ヘッドを用いることによって、生産性に優れるとともに、インクの吐出特性及び信頼性が優れた高品質なインクカートリッジ、及びインクカートリッジを用いたインクジェット式記録装置の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例に係るインクジェットヘッドを示す平面図である。
【図２】 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】 図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図４】 図１のインクジェットヘッドの単一ビット要部を示す平面図である。
【図５】 第１実施例のインクジェットヘッドの製造工程前半を経時的に示す断面図である。
【図６】 第１実施例のインクジェットヘッドの製造工程後半を経時的に示す断面図である。
【図７】 本発明の第２実施例に係るインクジェットヘッドの短辺方向の断面図である。
【図８】 図７のインクジェットヘッドの単一ビット要部を示す平面図である。
【図９】 第３実施例のインクジェットヘッドの短辺方向を示す断面図である。
【図１０】 第４実施例のインクジェットヘッド中間製品の短辺方向を示す断面図である。
【図１１】 図１０に示すインクジェットヘッドの単一ビット要部を示す平面図である。
【図１２】 第５実施例のインクカートリッジの外観を示す斜視図である。
【図１３】 第６実施例のインクジェット記録装置の要部を示す斜視図である。
【図１４】 図１３に示すインクジェット記録装置の機構部を示す側断面図である。
【図１５】 従来のインクジェットヘッドの単一ビットを示す短辺方向の断面図である。
【符号の説明】
１０…電極基板、１１…個別電極、１２…振動板、１３…絶縁保護膜、１４…共通液室孔、１５…配線パッド、１６…絶縁保護膜、１７…ギャップ、１８…犠牲層、１９…振動板保護膜、２０…犠牲層除去孔、２１…接液膜、２２…熱酸化膜、２３…凸部、３０…液室基板、３１…液室、３２…インク供給口、３３…ノズル連通孔、３４…隔壁、４０…ノズル基板、４１…ノズル、５０…インクカートリッジ、５１…インクジェットヘッド、５２…インクタンク、６１…記録装置本体、６２…印字機構部、６３…用紙、６４…給紙カセット、６５…手差しトレイ、６６…排紙トレイ、７１…主ガイドロッド、７２…従ガイドロッド、７３…キャリッジ、７４…記録ヘッド、７５…インクカートリッジ、７７…主走査モータ、７８…駆動プーリ、７９…従動プーリ、８０…タイミングベルト、８１…給紙ローラ、８２…フリクションパッド、８３…ガイド部材、８４…搬送ローラ、８５…搬送コロ、８６…先端コロ、８７…副走査モータ、８９…印写受け部材、９１…搬送コロ、９２…拍車、９３…排紙ローラ、９４…拍車、９５，９６…ガイド部材、９７…回復装置。
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体を吐出して種々のパターンを形成する液滴吐出ヘッド、インクカートリッジ及びインクジェット記録装置並びに液滴吐出装置及び画像形成装置に関し、さらに詳しくは、高密度化、小型化、低電圧化を図りつつ、振動板が個別電極に当接するように駆動しても、電極間リーク、絶縁保護膜の絶縁破壊、残留電荷等が生じない液滴吐出ヘッド、該液滴吐出ヘッドを用いたインクカートリッジ及びインクジェット記録装置並びに液滴吐出装置及び画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にプリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像記録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インクジェットヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルに連通する液室（吐出室、圧力室、加圧液室、インク流路とも称される）と、この液室内のインクを加圧するためのエネルギーを発生するエネルギー発生手段とを備え、エネルギー発生手段が発生するエネルギーによって液室内のインクに圧力を作用させ、ノズルからインク滴を吐出させるものである。
【０００３】
これらのインクジェットヘッドにおいて、液室内のインクに圧力を作用させる方式として、電気機械変換素子を用いる方式、電気熱変換素子を用いる方式、あるいは電極間に作用する静電力を用いる方式等が実用化されている。その中で静電方式により形成されたインクジェットヘッドは、小型化、高速化、高密度化、省電力化に優位性を有することから、現在開発が盛んに行われている。
【０００４】
静電方式によるインクジェットヘッドは、例えば特許文献１（特開平６−７１８８２号公報）に記載されているように、個別電極を形成した電極基板と、液室及び振動板を形成した流路基板と、ノズルを形成したノズル基板とを接合した積層構造で構成されるものが提案されている。このように構成したインクジェットヘッドにおいては、ノズルに連通した液室の一面に振動板を形成し、また振動板に対向させて個別電極を配し、振動板と個別電極間に駆動パルス電圧を印加することで、個別電極と振動板の間に発生する静電力によって振動板を個別電極側に変形変位及び当接させる。この状態から個別電極と振動板間の電荷を放電することによって振動板が復帰変形して、液室の内容積を変化させ、液室内のインクに圧力を作用させ、ノズルからインク滴が吐出される。
【０００５】
このような静電型インクジェットヘッドにおいては、簡易なプロセスで高密度に液室を形成する方法として、マイクロマシニングの分野において技術が確立されている単結晶シリコンの異方性ウェットエッチング技術が広く用いられる。例えば、結晶面方位（１１０）のシリコン基板をＫＯＨ水溶液等の強アルカリ性エッチング液で異方性エッチングすることによって、所望の深さに溝を形成し、この溝の深さによって所望の特性を得た液室及び振動板が形成される。このように単結晶シリコンの異方性ウェットエッチング技術を用いることにより、高精度かつ高密度な微細加工が実現できることが大きな特徴でもある。しかし、インクジェットヘッドの更なる小型化、高密度化を図るに伴い、シリコン基板をエッチングすることにより液室及び振動板を形成する方法においては、隣接液室間の隔壁が薄くなってしまい、その結果、隔壁剛性が低下し、隣接液室間の圧力干渉（クロストーク）が発生し、適切なインク滴の吐出動作が阻害されるといった問題が生じている。
【０００６】
このような問題に対して、特許文献２（特開２００１−１８３８３公報）に記載されているように、個別電極を形成する基板に犠牲層エッチングによって、振動板及び空隙部を形成する方法が提案されている。これによると、液室を構成する流路基板に空隙及び振動板が形成できることから、振動板の厚みを考慮することなく隔壁が形成可能となり、その結果、所望の隔壁剛性を得ることが可能となる。
【０００７】
また、このような静電式インクジェットヘッドにおいては、吐出されるインク滴量は振動板の変位量に大きく依存する。そのため、振動板を個別電極上に当接させることにより変位量を一定とする当接駆動が一般的に用いられるが、個別電極と振動板が当接することにより発生する電極間のリーク、絶縁耐圧、あるいは残留電荷対策等、電気特性面の信頼性問題について十分な配慮をしなければならない。
【０００８】
これらの問題に対して、特許文献３（特開２００１−３２２２７３公報）に記載されるように、振動板の個別電極との当接部分に凸構造を設けることにより、当接箇所での絶縁破壊、及び残留電荷が生じることを回避する構成が提案されている。
図１５は、特許文献３で提案されているインクジェットヘッドの単一ビットを示す短辺方向の断面図である。
このインクジェットヘッドにおいては、振動板１２を共通電極とし、個別電極１１との間に駆動パルス電圧を印加することにより、振動板１２と個別電極１１間に静電力を発生させ、この静電力により振動板１２を個別電極１１側に変形変位させる。その後、駆動パルス電圧を放電することにより、振動板１２が復帰変形して、液室３１の内容積の変化及び圧力の作用によりノズル４１からインク滴を吐出する。
【０００９】
ここで、振動板１２は、液室３１側には振動板保護膜１９、接液膜２１を有し、ギャップ１７側には絶縁保護膜１３を有している。また、電極基板１０上に熱酸化膜２２を介して設けられている個別電極１１には絶縁保護膜１６を有する。振動板１２を覆っている絶縁保護膜１３の個別電極１１側表面には、凸部２３が形成されていることにより、振動板１２の絶縁保護膜１３が個別電極１１の絶縁保護膜１６に当接するまで変位した際の残留電荷の発生を低減できて、安定した振動板変位が得られるものである。しかし、振動板に形成された凸部２３は、凸部２３及びその他の領域においても絶縁保護膜１３が同一の厚さで形成されており、電極間リーク、絶縁保護膜の絶縁破壊、残留電荷といった電気特性の十分な改善には至っていない。
【００１０】
また、静電式インクジェットにおいては、振動板の板厚をｔ、振動板の固定端の短辺長をａ、静電実効ギャップをｈ、印加電圧をＶとしたとき、振動板の変位δは、式（１）によって近似的に示される。
δ＝Ａ（ａ4×ｖ2）／（ｈ2×ｔ3） Ａは定数 … 式（１）
すなわち、振動板の変位δは、短辺長ａの４乗、印加電圧の２乗に比例し、実効ギャップｈの２乗、振動板の板厚ｔの３乗に反比例する。このため、振動板の板厚は変位量を得る面からは薄い方向、しかし剛性及び絶縁性を得る面からは厚く形成することが望まれる。
このように、静電式インクジェットヘッドを形成するには、高密度化に伴う液室の隔壁剛性の確保、あるいは当接駆動に伴う電気特性面の信頼性確保が問題であり、特に振動板の絶縁保護膜については、変位量と絶縁性がトレードオフの関係にあり、薄い膜厚で大きな変位量を得ることがインク滴量の安定化、駆動信頼性を確保する面から問題となっている。
【００１１】
【特許文献１】
特開平６−７１８８２号公報
【特許文献２】
特開２００１−１８３８３号公報
【特許文献３】
特開２００１−３２２２７３号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来のインクジェットヘッドにおいては、前記したように振動板と個別電極の当接に伴う電極間リーク、絶縁耐圧不良、残留電荷等の電気特性に関わる信頼性問題が解決されておらず、安定した振動変位、駆動信頼性に優れたインクジェットヘッドの実現が達成できていない。
【００１３】
本発明は、前記した問題点に鑑みてなされたものであり、高密度化、小型化、低電圧化を図りつつ、当接駆動による電気特性及び駆動信頼性の向上を達成できるインクジェットヘッド、インクカートリッジ及びにインクジェット記録装置並びに液滴吐出装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係るインクジェットヘッドは、犠牲層エッチングにより空隙及び振動板を形成することにより、隣接液室間の隔壁剛性を確保するとともに、個別電極に対向した振動板面の絶縁保護膜に凸構造を形成し、かつ凸部分の絶縁保護膜の厚さが、凸がない部分より厚く形成することを特徴とし、それによって、当接駆動による電極間リークまたは絶縁耐圧不良、あるいは駆動信頼性を飛躍的に向上させるものである。
【００１５】
本発明の請求項１に係る発明は、液滴を吐出するノズルを有するノズル基板と、前記ノズルに連通した連通孔及び加圧室を有する液室基板と、前記加圧室の一部の壁面を形成する振動板と、犠牲層エッチングによって形成された空隙及び絶縁膜を介し前記振動板に対向配置された個別電極を有する電極基板とを備え、前記振動板と個別電極間に働く静電力により前記振動板を変位させ前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、前記絶縁膜は、前記電極基板の前記個別電極の前記振動板側の面と、前記振動板の前記個別電極に対向する面の全体とを覆うように形成され、前記振動板に形成された絶縁膜には、当該絶縁膜の他の部分より厚い凸部が形成されており、該凸部は、前記犠牲層に当該凸部に対応した形状を有する段差部を形成しておき、該段差部を当該絶縁膜の絶縁材料で埋め込むことにより形成されることを特徴とする。
【００１７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記絶縁膜に形成された凸部は、前記振動板の長辺方向及び短辺方向に、１列または複数列形成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記絶縁膜に形成された凸部の絶縁膜は、積層構造で形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【００１９】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３記載の液滴吐出ヘッドとインクタンクを備えたインクカートリッジであることを特徴とする。
【００２０】
請求項５、６あるいは７に係る発明は、請求項１〜３記載の液滴吐出ヘッドを用いて形成されていることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１〜１４を参照して説明する。
（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例に係るインクジェットヘッドを示す平面図、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。また、図４は、図１のインクジェットヘッドの単一ビット要部を示す平面図である。
第１実施例のインクジェットヘッドは、電極基板１０、液室基板３０、ノズル基板４０を積層して形成されている。
電極基板１０はガラス、シリコン等からなり、熱酸化膜２２上に個別電極１１が形成されている。個別電極１１に対向して、犠牲層エッチングにより形成されたギャップ１７を介して振動板１２が形成されている。個別電極１１及び振動板１２を形成する材料として、ここではポリシリコン膜が用いられている。電極材料としては高温耐性を有し、加工性に優れ、且つ成膜表面の凹凸が少ない材料が好ましく、ポリシリコン以外ではＴｉＮ等の高融点金属材料も使用できる。また、個別電極１１及び振動板１２には、絶縁保護膜１６、１３が形成されており、当接時の短絡、放電による損傷を防止すると同時にギャップ１７のスペーサを兼ねるように構成されている。
【００２２】
振動板１２の絶縁保護膜１３には、個別電極１１との当接部分に凸部２３が形成されている。また、凸部２３における絶縁保護膜１３の厚さは、凸部が形成されていない部分より厚く形成されている。凸部２３は振動板１２の単辺方向の略中心付近に一列に配される構成であり、ビット長辺方向に約１５μｍのピッチで形成されている。また、凸部２３の平面寸法は約５μｍ×約３μｍに形成されている。振動板１２の液室３１に面する側には所望の振動板剛性を得るために、振動板保護膜１９が形成されている。また、振動板保護膜１９上には、犠牲層除去孔２０を封止すると同時に、インク耐性を有する接液膜２１が形成されている。ここでは、接液膜２１はポリイミド樹脂により形成されている。
【００２３】
液室基板３０はシリコンからなり、液室３１、インク供給孔３２及びノズル連通孔３３が形成されている。ここで、液室基板３０は、結晶面方位（１１０）のシリコン基板をＫＯＨ水溶液等の強アルカリ性エッチング液で異方性エッチングすることにより所望の液室パターンを形成したものである。
また、電極基板１０と液室基板３０とは接着剤によって接合することで一体化されている。
【００２４】
ノズル基板４０は、Ｎｉやステンレス（ＳＵＳ）等の金属板、あるいはセラミックス、ガラス、あるいは樹脂等から構成されており、ノズル４１はドライまたはウェットエッチングやレーザ加工等周知の方法で作製することができる。このノズル基板４０の吐出方向面には、インクとの撥水性を確保するために、メッキ被膜、あるいは撥水剤コーティング等の周知の方法で撥水膜を形成している。
【００２５】
このように構成したインクジェットヘッドにおいては、振動板１２を共通電極とし、個別電極１１との間に駆動パルス電圧を印加することにより、振動板１２と個別電極１１間に静電力を発生させ、この静電力により振動板１２を個別電極１１側に変形変位させる。その後、駆動パルス電圧を放電することにより、振動板１２が復帰変形して、液室３１の内容積の変化及び圧力の作用によりノズル４１からインク滴が吐出される。
【００２６】
ここで、振動板１２と個別電極１１が当接する部分では、連続駆動に伴う電界集中により、絶縁保護膜１３，１６の劣化あるいは絶縁保護膜１３，１６が破壊に至る現象が見られる。そこで、前述のように絶縁保護膜１３，１６の当接部分に凸部２３を設けることで、絶縁耐圧の向上を図り、絶縁保護膜１３，１６の破壊が防止できる。また、本発明においては、凸部２３の絶縁保護膜１３が凸部２３がない部分の絶縁保護膜１３より厚く形成していることにより、更に絶縁耐圧が増すとともに、振動板１２の変位をもたらす駆動パルス電圧を高くすることなく構成できるため、インクジェットヘッドの駆動性能を損なうことがない。
【００２７】
次に、第１実施例のインクジェットヘッドの製造方法についてを説明する。
図５は、第１実施例のインクジェットヘッドの製造工程前半を経時的に示す断面図で、図６は、同じく製造工程後半を経時的に示す断面図で、ともに図１のＡ−Ａ線に沿った断面図に相当する。
まず、電極基板１０の製造工程に関して、結晶面方位（１００）のシリコン基板を用い、電極基板１０に対し熱酸化膜２２を約１.５μｍ、ＬＰＣＶＤによりポリシリコン膜を約０.４μｍ堆積形成する（図５（Ａ））。
次に、ポリシリコン膜を写真製版及びドライエッチングし、個別電極１１のパターンを形成する（図５（Ｂ））。
次に、個別電極１１の絶縁保護膜１６となる酸化膜を約０.２μｍ形成し、続いて犠牲層１８となるポリシリコン膜を約０.４μｍ形成する（図５（Ｃ））。
【００２８】
次に、犠牲層１８を写真製版及びドライエッチングし、ギャップ１７を形成する領域のパターンを形成する（図５（Ｄ））。
次に、ギャップ１７領域を形成する犠牲層１８に対して、凸部２３となるパターンを写真製版及びドライエッチングにより形成する。ここで、凸部２３の高さに相当する段差として、犠牲層１８を約０.５μｍ深さエッチングする（図５（Ｅ））。
次に、振動板１２の絶縁保護膜１３となる酸化膜を約０.２μｍ形成する（図５（Ｆ））。ここで形成される酸化膜の成膜特性としては、フロー性を有する酸化膜であって、形成された凸部２３及び犠牲層１８の分離溝を絶縁保護膜１３で埋め込む形に形成する。
【００２９】
次に、ＬＰＣＶＤによりポリシリコン膜を堆積し（図６（Ｇ））、振動板１２を構成するパターンを写真製版及びドライエッチングにより形成する（図６（Ｈ））。ここで、振動板１２を形成するポリシリコン膜の電気抵抗を低くするために、ポリシリコン膜に対してリン等の不純物を注入等により導入拡散する。
次に、振動板１２を構成するポリシリコン膜の絶縁保護あるいは所望の振動板剛性を得るために振動板保護膜１９をＣＶＤにより形成する（図６（Ｉ））。
【００３０】
次に、ギャップ１７領域に、犠牲層除去孔２０のパターンを写真製版及びドライエッチングにより形成する。ここでは、まずギャップ１７を形成する犠牲層１８に連通する振動板保護膜１９と絶縁保護膜１３がエッチングにより除去される（図６（Ｊ））。
次いで、ギャップ１７を形成する領域の犠牲層１８であるポリシリコン膜を犠牲層除去孔２０を介してエッチングにより除去し、ギャップ１７を形成する（図６（Ｋ））。これによって犠牲層１８に形成されていた凸部分に埋め込まれた絶縁保護膜１３の凸部２３が形成される。
次に、犠牲層除去孔２０の封止及び耐インク接液性を確保するための接液膜２１としてポリイミド樹脂を塗布し、振動板１２の最上層を形成するとともに、犠牲層除去孔２０の封止を行う（図６（Ｌ））。
【００３１】
以上のようにして、個別電極１１とギャップ１７及びギャップ１７を介した振動板１２を構成した電極基板１０が形成される。また、同時に振動板１２の絶縁保護膜１３には、個別電極１１の当接部分に凸部２３が形成され、かつ凸部２３部分のみ絶縁保護膜１３が厚く形成されるものである。
【００３２】
その後、図示しないが、結晶面方位（１１０）のシリコン基板を用いて、ＫＯＨ水溶液等の強アルカリ性エッチング液で異方性エッチングして所望の微細な液室パターンを形成した液室基板３０を電極基板１０に接着により接合し一体化する。その後、Ｎｉやステンレス（ＳＵＳ）等の金属板、セラミックス、ガラス、あるいは樹脂等から形成されたノズル基板４０を接合し、静電式インクジェットヘッドが形成される。なお、ノズル４１はドライまたはウェットエッチングやレーザ加工等周知の方法で作製することができる。このノズル基板４０の吐出方向面には、インクとの撥水性を確保するために、メッキ被膜、あるいは撥水剤コーティング等の周知の方法で撥水膜を形成している。
【００３３】
（第２実施例）
本発明の第２実施例のインクジェットヘッドについて説明する。
図７は、本発明の第２実施例に係るインクジェットヘッドの短辺方向の断面図で、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図に相当する。
図８は、図７のインクジェットヘッドの単一ビット要部を示す平面図である。第２実施例のインクジェットヘッドでは、振動板１２に設けられた凸部２３は、単一ビットの短辺方向に略中心より約５μｍのピッチで３列配されている。長辺方向は、第１実施例のインクジェットヘッドと同様約１５μｍのピッチで形成されており、また凸部２３の平面寸法は約３μｍ×３μｍに形成されている。
【００３４】
前記したように、静電式インクジェットにおいて、より大滴のインク滴を吐出させる場合には、振動板１２の変位量をより大きいものとする必要があり、このような場合には、個別電極１１に当接後も尚振動板１２の変位をもたらすため、より大きな駆動パルス電圧を印加し振動板１２を変位させる。このような場合、振動板１２に形成する凸部２３を複数列に形成し、凸部２３が個別電極１１と当接するよう構成することが望ましい。
【００３５】
第２実施例の静電式インクジェットヘッドにおいては、凸部２３を３列に配置した例について説明したが、形成される凸部２３の数量及び配置は構成された振動板剛性あるいは、駆動パルス電圧、あるいはビット寸法において異なり、構成において適宜列を配することが肝要である。
製造工程は、第１実施例のインクジェットヘッドの製造方法に準ずることから説明は省略する。
【００３６】
（第３実施例）
本発明の第３実施例のインクジェットヘッドについて説明する。
図９は、第３実施例のインクジェットヘッド中間製品の短辺方向を示す断面図である。
第３実施例のインクジェットヘッドにおいては、第１実施例のインクジェットヘッドの犠牲層１８のギャップ１７領域に設けられた凸部２３に絶縁保護膜１３を埋め込む工程で、絶縁保護膜１３を形成した後に、フロー性を有する無機性あるいは有機性溶剤１３′（例えば、ＯＣＤ液：ＳｉＯ２系被膜形成用塗布液 東京応化工業製）を塗布し、凹部を埋め込み、凸部２３を積層構造により形成するものである。
【００３７】
第１実施例のインクジェットヘッドに示されたフロー性を有する酸化膜の形成方法においては、酸化膜の製法及び埋め込み特性と凸部の寸法とに制約があることから、埋め込み可能な寸法に制約がある。そのため、前記したフロー性を有する塗布材料を用いることにより、凸部の埋め込みが可能となる。また、塗布材料の使用により、凸部寸法の制約が回避され、多様な凸構造の埋め込みが可能となる。
第３実施例のインクジェットヘッドでは、約０.１５μｍの絶縁保護膜１３形成後、約０.１５μｍ（平坦部分における厚み）のＯＣＤ液を塗布して埋め込みを形成しているものである。その他の製造工程は、第１実施例に準ずるため説明は省略する。
【００３８】
（第４実施例）
本発明の第４実施例のインクジェットヘッドについて説明する。
図１０は、第４実施例のインクジェットヘッドの短辺方向を示す断面図で、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図に相当する。
図１１は、図１０に示すインクジェットヘッドの単一ビット要部を示す平面図である。
第４実施例のインクジェットヘッドにおいては、第１実施例あるいは第２実施例のインクジェットヘッドの犠牲層１８のギャップ１７領域に設けられたひとつの凸部２３がスリットの集合により形成されているものである。これらのスリットは約０.５μｍ間隔で形成されている。第１実施例においては、凸部２３を埋め込むために、フロー性を有する膜種に制約されることになるが、本実施例のように、スリットの間隔が０.５μｍ程度で形成された場合には、スリット間の凹部を埋め込むための絶縁保護膜１３の製法に関して制約がなくなり、汎用的に用いられるＬＰＣＶＤ等によって埋め込みが実現可能となる。また、スリットを有することにより、当接時の接触面積が小さくなることから、駆動信頼性の更なる向上が実現できるものである。
本実施例ではスリット形状に関して説明したが、これらの形状は、図１１に示すように、格子状、あるいはハニカム状に形成しても同様の効果が得られるものである。
【００３９】
（第５実施例）
次に、本発明の第５実施例のインクカートリッジについて説明する。
図１２は、第５実施例のインクカートリッジの外観を示す斜視図である。
このインクカートリッジ５０は、複数のノズルを有する実施例１〜４のいずれかのインクジェットヘッド５１と、インクジェットヘッド５１に対してインクを供給するインクタンク５２とを一体化したものである。
【００４０】
インクタンクとインクジェットヘッドが一体化された型のインクカートリッジの場合、インクジェットヘッドの歩留まり不良は直ちにインクカートリッジ全体の不良に繋がるので、前記したように加圧液室形成部材の反りによるノズルあるいは振動板の接合不良、加熱接合時の気体の膨張によるノズルあるいは振動板の接合不良による製造不良を低減することで、インクカートリッジの歩留まりが向上し、インクジェットヘッド一体型インクカートリッジの低コスト化を図ることができる。
【００４１】
（第６実施例）
実施例５のインクジェットヘッドを搭載した第６実施例のインクジェット記録装置の一例について説明する。本実施例５ではインクジェット記録装置について説明するが、液滴吐出装置や画像形成装置についても同様に適用可能である。
図１３は、第６実施例のインクジェット記録装置の要部を示す斜視図、図１４は、同記録装置の機構部を示す側断面図である。
このインクジェット記録装置は、記録装置本体６１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ７３、キャリッジ７３に搭載した本発明を実施したインクジェットヘッドからなる記録ヘッド７４、記録ヘッド７４へインクを供給するインクカートリッジ７５等で構成される印字機構部６２等を収納し、装置本体６１の下方部には前方側から多数枚の用紙６３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）６４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙６３を手差しで給紙するための手差しトレイ６５を開倒することができ、給紙カセット６４或いは手差しトレイ６５から給送される用紙６３を取り込み、印字機構部６２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６６に排紙する。
【００４２】
印字機構部６２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７１と従ガイドロッド７２とでキャリッジ７３を主走査方向（図１４で紙面垂直方向）に摺動自在に保持し、このキャリッジ７３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本発明に係るインクジェットヘッドからなる記録ヘッド７４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７３には記録ヘッド７４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７５を交換可能に装着している。
【００４３】
インクカートリッジ７５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インクジェットヘッド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７４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。
【００４４】
ここで、キャリッジ７３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド７１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７２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ７３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ７７で回転駆動される駆動プーリ７８と従動プーリ７９との間にタイミングベルト８０を張装し、このタイミングベルト８０をキャリッジ７３に固定しており、主走査モータ７７の正逆回転によりキャリッジ７３が往復駆動される。
【００４５】
一方、給紙カセット６４にセットした用紙６３を記録ヘッド７４の下方側に搬送するために、給紙カセット６４から用紙６３を分離給装する給紙ローラ８１及びフリクションパッド８２と、用紙６３を案内するガイド部材８３と、給紙された用紙６３を反転させて搬送する搬送ローラ８４と、この搬送ローラ８４の周面に押し付けられる搬送コロ８５及び搬送ローラ８４からの用紙６３の送り出し角度を規定する先端コロ８６とを設けている。搬送ローラ８４は副走査モータ８７によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００４６】
そして、キャリッジ７３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ８４から送り出された用紙６３を記録ヘッド７４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８９を設けている。この印写受け部材８９の用紙搬送方向下流側には、用紙６３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ９１、拍車９２を設け、さらに用紙６３を排紙トレイ６６に送り出す排紙ローラ９３及び拍車９４と、排紙経路を形成するガイド部材９５，９６とを配設している。
【００４７】
記録時には、キャリッジ７３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド７４を駆動することにより、停止している用紙６３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙６３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６３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６３を排紙する。
【００４８】
また、キャリッジ７３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７４の吐出不良を回復するための回復装置９７を配置している。回復装置９７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７３は印字待機中にはこの回復装置９７側に移動されてキャッピング手段で記録ヘッド７４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、記録途中等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。
【００４９】
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７４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（不図示）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。
【００５０】
このように、このインクジェット記録装置においては、本発明を実施したインクジェットヘッドを搭載しているので、気泡溜まりによるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。
【００５１】
なお、以上の実施例の記載においては、液滴吐出ヘッドをインクジェットヘッドに適用し、インクカートリッジ及びインクジェット記録装置に応用した例について説明したが、本発明の液滴吐出ヘッドの応用はこれらに限られたものではなく、例えば液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出装置、導電性物を含んだ液を吐出して電気配線を形成する液滴吐出装置、ＤＮＡの試料を液滴として吐出する液滴吐出装置等に応用することが可能である。
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば次のような効果を奏する。
請求項１に係る液滴吐出ヘッドは、振動板の個別電極との当接部分に凸部を有する絶縁保護膜を形成することによって、振動板と個別電極を当接駆動させた場合においても、当接する部分の絶縁保護膜がより厚く形成されていることから、電極間リーク、絶縁保護膜の絶縁破壊、残留電荷等に関する電気特性が飛躍的に改善され、液滴吐出性能が安定し、駆動信頼性の高い液滴吐出ヘッドが形成可能となる。
【００５３】
請求項２に係る液滴吐出ヘッドは、振動板に複数の凸部を形成することによって、振動板剛性あるいは単一ビットの寸法、あるいは駆動パルス電圧に対して適正に凸部を配することが可能となり、電極間リーク、絶縁保護膜の絶縁破壊、残留電荷等の電気特性が改善され、かつ液滴吐出性能が安定した駆動信頼性の高い液滴吐出ヘッドが形成可能となる。
【００５４】
請求項３に係る液滴吐出ヘッドは、振動板の凸部の絶縁保護膜を積層構造とすることによって、凸部の形成寸法と凸部分を埋め込む酸化膜の製法に関わりなく、凸部の埋め込みが可能となるため、液滴吐出ヘッドの構成あるいは寸法に影響を与えることなく、電極間リーク、絶縁保護膜の絶縁破壊、残留電荷等の電気特性が改善され、かつ液滴吐出性能が安定した駆動信頼性の高い液滴吐出ヘッドが形成可能となる。
【００５５】
請求項４に係るインクカートリッジ、請求項５に係るインクジェット記録装置、請求項６に係る液滴吐出装置、及び請求項７に係る画像形成装置は、請求項１〜３に係る液滴吐出ヘッドを用いることによって、生産性に優れるとともに、インクの吐出特性及び信頼性が優れた高品質なインクカートリッジ、及びインクカートリッジを用いたインクジェット式記録装置の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例に係るインクジェットヘッドを示す平面図である。
【図２】 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】 図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図４】 図１のインクジェットヘッドの単一ビット要部を示す平面図である。
【図５】 第１実施例のインクジェットヘッドの製造工程前半を経時的に示す断面図である。
【図６】 第１実施例のインクジェットヘッドの製造工程後半を経時的に示す断面図である。
【図７】 本発明の第２実施例に係るインクジェットヘッドの短辺方向の断面図である。
【図８】 図７のインクジェットヘッドの単一ビット要部を示す平面図である。
【図９】 第３実施例のインクジェットヘッドの短辺方向を示す断面図である。
【図１０】 第４実施例のインクジェットヘッド中間製品の短辺方向を示す断面図である。
【図１１】 図１０に示すインクジェットヘッドの単一ビット要部を示す平面図である。
【図１２】 第５実施例のインクカートリッジの外観を示す斜視図である。
【図１３】 第６実施例のインクジェット記録装置の要部を示す斜視図である。
【図１４】 図１３に示すインクジェット記録装置の機構部を示す側断面図である。
【図１５】 従来のインクジェットヘッドの単一ビットを示す短辺方向の断面図である。
【符号の説明】
１０…電極基板、１１…個別電極、１２…振動板、１３…絶縁保護膜、１４…共通液室孔、１５…配線パッド、１６…絶縁保護膜、１７…ギャップ、１８…犠牲層、１９…振動板保護膜、２０…犠牲層除去孔、２１…接液膜、２２…熱酸化膜、２３…凸部、３０…液室基板、３１…液室、３２…インク供給口、３３…ノズル連通孔、３４…隔壁、４０…ノズル基板、４１…ノズル、５０…インクカートリッジ、５１…インクジェットヘッド、５２…インクタンク、６１…記録装置本体、６２…印字機構部、６３…用紙、６４…給紙カセット、６５…手差しトレイ、６６…排紙トレイ、７１…主ガイドロッド、７２…従ガイドロッド、７３…キャリッジ、７４…記録ヘッド、７５…インクカートリッジ、７７…主走査モータ、７８…駆動プーリ、７９…従動プーリ、８０…タイミングベルト、８１…給紙ローラ、８２…フリクションパッド、８３…ガイド部材、８４…搬送ローラ、８５…搬送コロ、８６…先端コロ、８７…副走査モータ、８９…印写受け部材、９１…搬送コロ、９２…拍車、９３…排紙ローラ、９４…拍車、９５，９６…ガイド部材、９７…回復装置。
Claims (7)
- 液滴を吐出するノズルを有するノズル基板と、前記ノズルに連通した連通孔及び加圧室を有する液室基板と、前記加圧室の一部の壁面を形成する振動板と、犠牲層エッチングによって形成された空隙及び絶縁膜を介し前記振動板に対向配置された個別電極を有する電極基板とを備え、前記振動板と個別電極間に働く静電力により前記振動板を変位させ前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、前記絶縁膜は、前記電極基板の前記個別電極の前記振動板側の面と、前記振動板の前記個別電極に対向する面の全体とを覆うように形成され、前記振動板に形成された絶縁膜には、当該絶縁膜の他の部分より厚い凸部が形成されており、該凸部は、前記犠牲層に当該凸部に対応した形状を有する段差部を形成しておき、該段差部を当該絶縁膜の絶縁材料で埋め込むことにより形成されることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
- 請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記絶縁膜に形成された凸部は、前記振動板の長辺方向及び短辺方向に、１列または複数列形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
- 請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記絶縁膜に形成された凸部の絶縁膜は、積層構造で形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
- 請求項１乃至３いずれかに記載の液滴吐出ヘッドとインクタンクを備えたことを特徴とするインクカートリッジ。
- 請求項１乃至３いずれかに記載の液滴吐出ヘッドを用いて形成されていることを特徴とするインクジェット記録装置。
- 請求項１乃至３いずれかに記載の液滴吐出ヘッドを用いて形成されていることを特徴とする液滴吐出装置。
- 請求項１乃至３いずれかに記載の液滴吐出ヘッドを用いて形成されていることを特徴とする画像形成装置。
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