JP6056269B2 - インクジェットヘッド - Google Patents
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Description
本発明はインクジェットヘッドに関し、詳しくは、ヘッドチップの前端面にチャネルと圧電材料からなる隔壁の端面とが交互に並設され、このヘッドチップの前端面にノズルプレートが接合されるせん断モード型のインクジェットヘッドに関する。
微小液滴をノズルから吐出し、様々な被記録材に着弾させることによってインクジェット画像を記録形成するインクジェットヘッドは、より高速で安定駆動できる性能が求められている。
インクジェットヘッドとしては、チャネルと圧電材料からなる隔壁とが交互に並設され、チャネル内に臨む隔壁表面に形成された電極に駆動電圧を印加することによって、該駆動電圧に基づいて隔壁をくの字状に変形させてチャネル内のインクをノズルから吐出させるせん断モード型のインクジェットヘッドが知られており、本発明者は、このようなせん断モード型のインクジェットヘッドにおいてもより高速で安定駆動可能とするため、吐出時の隔壁の変形動作に着目し、円滑な変形動作を阻害する要因について検討した。
一般にチャネルと圧電材料からなる隔壁とが交互に並設されたせん断モード型のインクジェットヘッドは、図１１に示すように、ヘッドチップ１００の前端面１００ａにチャネル１０１の一端が開口し、この前端面１００ａからヘッドチップ１００を見ると、チャネル１０１の開口１０１ａと隔壁１０２の前端面１０２ａとが交互に並んでいる。このヘッドチップ１００の前端面１００ａには、チャネル１０１に対応する位置にノズル２０１が形成されたノズルプレート２００が接着剤３００を介して接合されている。
図１２は図１１に示すヘッドチップ１００を前端面１００ａ側から見た図である。隔壁１０２の両面に形成された電極（図示せず）に所定の駆動電圧を印加すると、隔壁１０２は、この駆動電圧に基づいて破線で示す中立状態から実線で示すようにくの字状に変形動作し、チャネル１０１内のインクにノズル２０１から吐出するための圧力を付与する。この隔壁１０２の変形動作は実際には極めて短時間で行われるため、隔壁１０２の振動と捉えることができる。
ここで、ノズルプレート２００と接合される隔壁１０２の前端面１０２ａ側は、チャネル１０１間のインク漏れを防止するために接着剤３００によってノズルプレート２００に対して完全に固着された状態にあるため、隔壁１０２の変形動作時の振動エネルギーはこの固着部位に集中する。この固着部位に集中した振動エネルギーは逃げ場がないため、前端面１０２ａから隔壁１０２の中央部に向けて反転して伝播し、同じ隔壁１０２が次の吐出動作を行う際の変形動作に影響を及ぼしてしまう。これにより隔壁１０２の円滑な変形動作が阻害されて液滴速度の低下を招くと共に、特に高周波駆動を行う際に安定して駆動することが困難となる問題がある。
ノズルプレート材料には、ポリイミド等の合成樹脂製の他、Ｎｉ、Ｃｕ等の金属製、Ｓｉ製、ガラス製等があり、隔壁の前端面と接着して該前端面を固着する限り、どのような材料でも上記問題は少なからず発生するが、ノズルプレートが硬質材である程、隔壁の前端面に集中した振動エネルギーは緩衝され難くなるため、一般には、合成樹脂製のノズルプレートに比べて硬質な金属製、Ｓｉ製、ガラス製のノズルプレートの場合に特に問題は顕著となる。
そこで、本発明者は、ノズルプレートと接着されている隔壁の前端面に集中した変形動作時の振動エネルギーによる影響を抑えるためにノズルプレートに加工を行うことを検討した。
従来、ノズルプレートに加工を行う技術として特許文献１には、ノズルプレートのインク吐出面に、インクリザーバの圧力変動を緩衝させるための厚さが薄い圧力変動緩衝部分を複数形成することが記載されている。
また、特許文献２には、ノズルプレートのインク吐出面に、基板の変形をコントロールしてノズルプレートの剥離を防止するためのスリットを、ノズルプレートと同等の深さで形成することが記載されている。
更に、特許文献３には、流路プレート、中間プレート及びノズルプレートが積層され、圧力発生室であるチャンバにおけるノズルプレートと反対面側に位置する一壁面を圧電材料の駆動によって振動する振動板としたインクジェットヘッドにおいて、各プレートのチャンバ間に、クロストークを防止するためのエアトラップ部を形成することが記載されている。
しかし、これら特許文献１〜３記載の技術は、いずれも圧電材料からなる隔壁を駆動させるせん断モード型のインクジェットヘッドではなく、せん断モード型インクジェットヘッドにおいてノズルプレートと接合される隔壁の前端面に集中した変形動作時の振動エネルギーの影響を抑えるために、ノズルプレートに加工を行う技術を開示するものではない。
本発明者は、上記問題点について鋭意検討した結果、ノズルプレートにおける隔壁の前端面との接合面に空気溝部を形成することによって、隔壁の前端面に集中した変形動作時の振動エネルギーの影響を抑制できることを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明は、圧電材料からなる隔壁の前端面がノズルプレートと接合されるせん断モード型のインクジェットヘッドにおいて、隔壁の前端面に集中した変形動作時の振動エネルギーの影響を抑制することにより、液滴速度を向上させ、高速に安定駆動することが可能なインクジェットヘッドを提供することを課題とする。
本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
１．複数のチャネルと少なくとも一部に圧電材料を含む複数の隔壁とが交互に並設され、駆動電圧に基づく前記隔壁の変形動作によって前記チャネル内のインクに吐出のための圧力を付与するヘッドチップと、前記ヘッドチップの前端面に接着剤を介して接合されたノズルプレートとを有し、前記隔壁の前端面と前記ノズルプレートとが接着剤を介して相対しているインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面の前記隔壁の前端面と相対する位置に、前記接合面から凹設された空気溝部を有し、
前記空気溝部内の空気室の深さは、前記空気溝部内への前記接着剤の入り込み深さよりも深く（前記接着剤の入り込み深さが０の場合も含む）、
前記空気溝部は外部に開放されていないことを特徴とするインクジェットヘッド。
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面の前記隔壁の前端面と相対する位置に、前記接合面から凹設された空気溝部を有し、
前記空気溝部内の空気室の深さは、前記空気溝部内への前記接着剤の入り込み深さよりも深く（前記接着剤の入り込み深さが０の場合も含む）、
前記空気溝部は外部に開放されていないことを特徴とするインクジェットヘッド。
２．前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記空気溝部の深さは、前記ノズルの深さよりも深いことを特徴とする前記１記載のインクジェットヘッド。
前記空気溝部の深さは、前記ノズルの深さよりも深いことを特徴とする前記１記載のインクジェットヘッド。
３．複数のチャネルと少なくとも一部に圧電材料を含む複数の隔壁とが交互に並設され、駆動電圧に基づく前記隔壁の変形動作によって前記チャネル内のインクに吐出のための圧力を付与するヘッドチップと、前記ヘッドチップの前端面に接着剤を介して接合されたノズルプレートとを有し、前記隔壁の前端面と前記ノズルプレートとが接着剤を介して相対しているインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面の前記隔壁の前端面と相対する位置に、前記接合面から凹設された空気溝部を有し、
前記空気溝部内の空気室の深さは、前記空気溝部内への前記接着剤の入り込み深さよりも深く（前記接着剤の入り込み深さが０の場合も含む）、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記空気溝部の深さは、前記ノズルの深さよりも深いことを特徴とするインクジェットヘッド。
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面の前記隔壁の前端面と相対する位置に、前記接合面から凹設された空気溝部を有し、
前記空気溝部内の空気室の深さは、前記空気溝部内への前記接着剤の入り込み深さよりも深く（前記接着剤の入り込み深さが０の場合も含む）、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記空気溝部の深さは、前記ノズルの深さよりも深いことを特徴とするインクジェットヘッド。
４．前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記ノズルプレートの前記接合面における前記液室の面積は、前記ヘッドチップの前記前端面における前記チャネルの面積よりも小さいことを特徴とする前記１記載のインクジェットヘッド。
前記ノズルプレートの前記接合面における前記液室の面積は、前記ヘッドチップの前記前端面における前記チャネルの面積よりも小さいことを特徴とする前記１記載のインクジェットヘッド。
５．複数のチャネルと少なくとも一部に圧電材料を含む複数の隔壁とが交互に並設され、駆動電圧に基づく前記隔壁の変形動作によって前記チャネル内のインクに吐出のための圧力を付与するヘッドチップと、前記ヘッドチップの前端面に接着剤を介して接合されたノズルプレートとを有し、前記隔壁の前端面と前記ノズルプレートとが接着剤を介して相対しているインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面の前記隔壁の前端面と相対する位置に、前記接合面から凹設された空気溝部を有し、
前記空気溝部内の空気室の深さは、前記空気溝部内への前記接着剤の入り込み深さよりも深く（前記接着剤の入り込み深さが０の場合も含む）、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記ノズルプレートの前記接合面における前記液室の面積は、前記ヘッドチップの前記前端面における前記チャネルの面積よりも小さいことを特徴とするインクジェットヘッド。
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面の前記隔壁の前端面と相対する位置に、前記接合面から凹設された空気溝部を有し、
前記空気溝部内の空気室の深さは、前記空気溝部内への前記接着剤の入り込み深さよりも深く（前記接着剤の入り込み深さが０の場合も含む）、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記ノズルプレートの前記接合面における前記液室の面積は、前記ヘッドチップの前記前端面における前記チャネルの面積よりも小さいことを特徴とするインクジェットヘッド。
６．前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記ノズルと前記液室の接続面における前記液室の面積は、当該接続面における前記ノズルの面積よりも大きいことを特徴とする前記１〜５の何れかに記載のインクジェットヘッド。
７．複数のチャネルと少なくとも一部に圧電材料を含む複数の隔壁とが交互に並設され、駆動電圧に基づく前記隔壁の変形動作によって前記チャネル内のインクに吐出のための圧力を付与するヘッドチップと、前記ヘッドチップの前端面に接着剤を介して接合されたノズルプレートとを有し、前記隔壁の前端面と前記ノズルプレートとが接着剤を介して相対しているインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面の前記隔壁の前端面と相対する位置に、前記接合面から凹設された空気溝部を有し、
前記空気溝部内の空気室の深さは、前記空気溝部内への前記接着剤の入り込み深さよりも深く（前記接着剤の入り込み深さが０の場合も含む）、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記ノズルと前記液室の接続面における前記液室の面積は、当該接続面における前記ノズルの面積よりも大きいことを特徴とするインクジェットヘッド。
８．前記空気溝部の深さは、前記並設の方向における前記空気溝部の幅よりも大きいことを特徴とする前記１〜７の何れかに記載のインクジェットヘッド。
９．複数のチャネルと少なくとも一部に圧電材料を含む複数の隔壁とが交互に並設され、駆動電圧に基づく前記隔壁の変形動作によって前記チャネル内のインクに吐出のための圧力を付与するヘッドチップと、前記ヘッドチップの前端面に接着剤を介して接合されたノズルプレートとを有し、前記隔壁の前端面と前記ノズルプレートとが接着剤を介して相対しているインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面の前記隔壁の前端面と相対する位置に、前記接合面から凹設された空気溝部を有し、
前記空気溝部内の空気室の深さは、前記空気溝部内への前記接着剤の入り込み深さよりも深く（前記接着剤の入り込み深さが０の場合も含む）、
前記空気溝部の深さは、前記並設の方向における前記空気溝部の幅よりも大きいことを特徴とするインクジェットヘッド。
１０．前記空気溝部は、前記隔壁の高さ方向に沿って設けられていることを特徴とする前記１〜９の何れかに記載のインクジェットヘッド。
１１．前記空気溝部は、前記ヘッドチップの前端面における前記チャネルの高さ寸法よりも長いことを特徴とする前記１０記載のインクジェットヘッド。
１２．前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記空気溝部の深さは、前記液室の深さと同等かそれよりも浅いことを特徴とする前記１〜１１の何れかに記載のインクジェットヘッド。
１３．前記空気溝部内に前記接着剤が一部入り込んだ状態で前記ノズルプレートと前記ヘッドチップとが接着されていることを特徴とする前記１〜１２の何れかに記載のインクジェットヘッド。
１４．前記ノズルプレートはＳｉ製、金属製又はガラス製であることを特徴とする前記１〜１３の何れかに記載のインクジェットヘッド。
前記ノズルと前記液室の接続面における前記液室の面積は、当該接続面における前記ノズルの面積よりも大きいことを特徴とする前記１〜５の何れかに記載のインクジェットヘッド。
７．複数のチャネルと少なくとも一部に圧電材料を含む複数の隔壁とが交互に並設され、駆動電圧に基づく前記隔壁の変形動作によって前記チャネル内のインクに吐出のための圧力を付与するヘッドチップと、前記ヘッドチップの前端面に接着剤を介して接合されたノズルプレートとを有し、前記隔壁の前端面と前記ノズルプレートとが接着剤を介して相対しているインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面の前記隔壁の前端面と相対する位置に、前記接合面から凹設された空気溝部を有し、
前記空気溝部内の空気室の深さは、前記空気溝部内への前記接着剤の入り込み深さよりも深く（前記接着剤の入り込み深さが０の場合も含む）、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記ノズルと前記液室の接続面における前記液室の面積は、当該接続面における前記ノズルの面積よりも大きいことを特徴とするインクジェットヘッド。
８．前記空気溝部の深さは、前記並設の方向における前記空気溝部の幅よりも大きいことを特徴とする前記１〜７の何れかに記載のインクジェットヘッド。
９．複数のチャネルと少なくとも一部に圧電材料を含む複数の隔壁とが交互に並設され、駆動電圧に基づく前記隔壁の変形動作によって前記チャネル内のインクに吐出のための圧力を付与するヘッドチップと、前記ヘッドチップの前端面に接着剤を介して接合されたノズルプレートとを有し、前記隔壁の前端面と前記ノズルプレートとが接着剤を介して相対しているインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面の前記隔壁の前端面と相対する位置に、前記接合面から凹設された空気溝部を有し、
前記空気溝部内の空気室の深さは、前記空気溝部内への前記接着剤の入り込み深さよりも深く（前記接着剤の入り込み深さが０の場合も含む）、
前記空気溝部の深さは、前記並設の方向における前記空気溝部の幅よりも大きいことを特徴とするインクジェットヘッド。
１０．前記空気溝部は、前記隔壁の高さ方向に沿って設けられていることを特徴とする前記１〜９の何れかに記載のインクジェットヘッド。
１１．前記空気溝部は、前記ヘッドチップの前端面における前記チャネルの高さ寸法よりも長いことを特徴とする前記１０記載のインクジェットヘッド。
１２．前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記空気溝部の深さは、前記液室の深さと同等かそれよりも浅いことを特徴とする前記１〜１１の何れかに記載のインクジェットヘッド。
１３．前記空気溝部内に前記接着剤が一部入り込んだ状態で前記ノズルプレートと前記ヘッドチップとが接着されていることを特徴とする前記１〜１２の何れかに記載のインクジェットヘッド。
１４．前記ノズルプレートはＳｉ製、金属製又はガラス製であることを特徴とする前記１〜１３の何れかに記載のインクジェットヘッド。
本発明によれば、圧電材料からなる隔壁の前端面がノズルプレートと接合されるせん断モード型のインクジェットヘッドにおいて、隔壁の前端面に集中した変形動作時の振動エネルギーの影響を抑制することができ、液滴速度を向上させ、高速に安定駆動することが可能なインクジェットヘッドを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１は、せん断モード型のインクジェットヘッドの一例を示しており、（ａ）はその一部を断面で示す斜視図、（ｂ）はその断面図である。
インクジェットヘッド１において、１１はチャネル基板である。チャネル基板１１には、細溝状の複数のチャネル１２と複数の隔壁１３とが交互となるように並設されている。チャネル基板１１の上面には、全てのチャネル１２の上方を塞ぐようにカバー基板１４が設けられ、これによってヘッドチップ１０を形成している。
ヘッドチップ１０の前端面１０ａ（ヘッドチップ１０におけるインク吐出方向に面する端面）にはノズルプレート２０が接着剤を介して接合されている。各チャネル１２の一端は、ノズルプレート２０に形成されたノズル２１を介して外部と連通している。このノズルプレート２０において、ノズル２１からインクが吐出する方向に面するノズルプレート２０の表面がノズル面であり、その反対面がヘッドチップ１０との接合面２０ａである。
ヘッドチップ１０における各隔壁１３の前端面１３ａは、ヘッドチップ１０の前端面１０ａと面一状に配置されている。従って、各隔壁１３の前端面１３ａとノズルプレート２０の接合面２０ａとは接着剤を介して相対している。
各チャネル１２の他端は、チャネル基板１１に対して徐々に浅溝となり、カバー基板１４に開口形成された各チャネル１２に共通の共通流路１５に連通している。共通流路１５は更にプレート１６によって閉塞され、該プレート１６に形成されたインク供給口１７を介して、インク供給管１８から共通流路１５及び各チャネル１２内にインクが供給される。
各隔壁１３は、電気・機械変換手段であるＰＺＴ等の圧電材料によって形成されている。ここでは上壁部１３１と下壁部１３２が共に分極処理された圧電材料によって形成され、該上壁部１３１と下壁部１３２とで分極方向を互いに反対方向としたものを例示しているが、分極処理された圧電材料によって形成される部分は例えば符号１３１の部分のみであってもよく、隔壁１３の少なくとも一部に含まれていればよい。隔壁１３はチャネル１２と交互に並設されている。従って、一つの隔壁１３はその両隣のチャネル１２、１２で共用されている。
各チャネル１２内には、両隔壁１３、１３の壁面からチャネル１２の底面に亘って、それぞれ駆動電極（図示せず）が形成されており、隔壁１３を挟んだ両面の駆動電極に所定の駆動電圧を印加すると、この駆動電圧に基づいて隔壁１３は上壁部１３１と下壁部１３２との接合面を境にしてくの字状に変形する。この隔壁１３の変形動作によってチャネル１２内に圧力波が発生し、該チャネル１２内のインクにノズル２１から吐出するための圧力が付与される。
次に、図２、図３を参照してノズルプレート２０について更に説明する。図２はインクジェットヘッド１をノズル面側から見た図、図３は図２中の(iii)−(iii)線に沿う断面図である。
本発明においてノズルプレート２０には、一般にノズルプレートとして使用される材料を用いることができ、例えば合成樹脂製、Ｓｉ製、金属製又はガラス製のものが挙げられる。特に好ましくはＳｉ製、金属製又はガラス製のノズルプレートである。これらは合成樹脂製のノズルプレートに比べて硬質であることから、隔壁１３の変形動作時に、隔壁１３とノズルプレート２０との固着部位に集中した振動エネルギーが逃げにくく、この固着部位に集中した振動エネルギーが当該隔壁１３の次の変形動作時に与える影響が大きい。従って、本発明においては、ノズルプレート２０をＳｉ製、金属製又はガラス製とする場合に、後述する隔壁１３の変形動作時の振動エネルギーの緩衝効果を顕著に得ることができる。
金属製のノズルプレートとしては、Ｎｉ、Ｎｉ／Ｃｏ合金、Ｃｕ、ステンレス等を挙げることができる。これら金属製のノズルプレートとする場合、電鋳法によってノズル２１の他、後述する液室や空気溝部等の加工を行うことができる。ガラス製のノズルプレートの場合はサンドブラスト加工によって、ノズル２１、液室、空気溝部等の加工を行うことができる。また、ポリイミド等の合成樹脂製のノズルプレートの場合、主としてレーザー加工法を用いることができる。
本実施形態ではＳｉ製のノズルプレート２０を使用した例を示している。Ｓｉ製のノズルプレート２０は、半導体製造プロセスを用いて作製することができるため、高精度の加工が可能であり、精度の高いノズルプレート２０を容易に作製することができる。
ノズルプレート２０には、ヘッドチップ１０との接合面２０ａにおける隔壁１３の前端面１３ａと相対する位置に、それぞれ空気溝部２３が該接合面２０ａから所定深さで凹設されている。
空気溝部２３は、ノズルプレート２０と接着剤３０を介して接合している隔壁１３の前端面１３ａにそれぞれ対応するように、隣接するチャネル１２間に位置している。各空気溝部２３は他の空気溝部２３からそれぞれ独立している。各空気溝部２３は、隔壁１３の高さ方向（ノズル面に沿い且つチャネル１２の配列方向と直交する方向であり、図２中の上下方向）に沿って延びる細溝状に形成されているが、ノズル面側には貫通していない。各空気溝部２３は、隔壁１３の前端面１３ａを含むヘッドチップ１０の前端面１０ａによって接着剤３０を挟んで閉塞されることで、内部に空気が封入された空気室を形成している。
このようにノズルプレート２０の接合面２０ａにおける各隔壁１３の前端面１３ａが接着剤３０を介して接合される部位に、ヘッドチップ１０との接合によって空気が封入される空気室を形成する空気溝部２３が設けられていることにより、隔壁１３の変形動作時の振動エネルギーが該隔壁１３の前端面１３ａとノズルプレート２０との固着部位に集中した際、空気溝部２３内に封入される空気によって振動エネルギーが吸収されて緩衝される。これにより隔壁１３の前端面１３ａとノズルプレート２０との固着部位に集中した振動エネルギーが当該隔壁１３の中央部に向けて反射することが抑制され、当該隔壁１３が次の吐出のために変形動作する際に及ぼす影響を低減することができる。
また、隔壁１３の変形動作による振動エネルギーが当該隔壁１３の次の吐出のための変形動作に影響することを抑制できることで、ノズル２１内のインクメニスカスの挙動が安定し、次の吐出までの時間を短縮できる。これにより高周波駆動を安定して行うことができるようになる。
空気溝部２３の幅は、隔壁１３の幅（チャネル１２の配列方向に沿う厚み）よりも細く形成されることが条件であり、隔壁１３の幅以下とされるが、細すぎると振動エネルギーの緩衝効果が十分に発揮されないおそれがあるため、５μｍ以上とすることが好ましい。
また、空気溝部２３の長さＬは、ヘッドチップ１０の前端面１０ａにおけるチャネル１２の高さ寸法Ｈ（ノズル面に沿い且つチャネル１２の配列方向と直交する方向の寸法）よりも長いことが好ましい。チャネル１２の高さ寸法Ｈよりも長くすることで、隔壁１３の高さ方向全体に亘る振動エネルギーを効果的に吸収して緩衝することができる。
更に空気溝部２３の深さは、ノズルプレート２０の厚みよりも浅くすることが条件となるが、深く形成しすぎるとノズルプレート２０の強度低下の原因となる。具体的な深さはノズルプレート材料によっても異なるが、Ｓｉ製のノズルプレート２０の場合、その厚みの９０％以下の深さとすることが好ましい。
図３に示すように、ノズルプレート２０におけるヘッドチップ１０との接合面２０ａに、ノズル２１に連通して該ノズル２１よりも大径な液室２２が凹設されている場合、ノズルプレート２０の耐久性を維持する観点から、空気溝部２３の深さは、上記条件を満足する範囲で、この液室２２の深さと同等か又はそれよりも浅くすることが好ましい。
なお、本実施形態では、液室２２はチャネル１２の開口形状よりもやや小さな矩形状に形成されているが、液室２２の具体的形状は特に問わない。また、液室２２は本発明において必須のものではないが、空気溝部２３の深さを確保する観点からノズルプレート２０の厚みを大きくする場合、液室２２を設けることが好ましい。
通常、隔壁１３の前端面１３ａの幅は極めて細く、複数本の空気溝部２３を並設することは困難であるため、１つの隔壁１３の前端面１３ａに相対する空気溝部２３は１本あればよい。また、図４に示すように、１つの隔壁１３に対応する空気溝部２３を、隔壁１３の高さ方向に沿って分割された複数本の空気溝部２３ａによって構成することもできる。しかし、振動エネルギーを効率良く緩衝させる観点からは、図２に示すように１本の空気溝部２３とすることが好ましい。
ヘッドチップ１０とノズルプレート２０との接合は、間に接着剤３０を介して接着されることによって行われる。このとき、図３に一部拡大して示すように、空気溝部２３内に接着剤３０の一部が入り込んだ状態で接着されていることが好ましい。これにより空気溝部２３内に余剰の接着剤３０を収容でき、チャネル１２やノズル２１への余剰の接着剤の流入を防止することができ、また、密着性も向上する。
空気溝部２３内に接着剤３０が入り込むようにするには、ヘッドチップ１０とノズルプレート２０とを加熱してから接着を行うことによって可能である。ヘッドチップ１０とノズルプレート２０が常温に戻った時に空気溝部２３内の空気が収縮することで、接着剤３０の一部を空気溝部２３内に入り込ませることができる。空気溝部２３内に余剰の接着剤３０を収容することで、接着面積が増大し、接着力向上も期待できる。
なお、接着剤３０は、図３に示すように空気溝部２３の開口側からやや入り込む程度であり、空気溝部２３内全体が接着剤３０で満たされるわけではないが、空気溝部２３内に接着剤３０の一部が入り込むことで、空気溝部２３内の空気量がやや減少することになる。しかし、一般に接着剤３０として使用されるエポキシ系接着剤は、本発明において好ましく用いられるノズルプレート材料（Ｓｉ、金属、ガラス）に比べて弾性率が低いため、隔壁１３の振動エネルギーの緩衝効果が大きく損なわれることはない。
次に、このような空気溝部２３を有するノズルプレート２０の製造方法の一例を図５、図６を参照して説明する。
最終製品であるノズルプレート２０よりも十分厚いＳｉ基板４０（厚さ７２５μｍ）を用意し、その片面の全面にレジストマスク５０を被覆形成した後（図５（ａ））、ノズル２１の形成位置となる部位のレジストマスク５０を除去してそれぞれ開口部５１を形成する（図５（ｂ））。
その後、レジストマスク５０の表面からエッチングを行うことで、開口部５１に所定深さの凹部４１をそれぞれ形成する（図５（ｃ））。ここではそれぞれ深さ３０μｍの凹部４１を形成した。次いで、凹部４１を形成した面に、レジストマスク５０の上から、Ｓｉ基板４０を補強するための厚さ２００μｍのガラス基板からなるサポート基板６０を貼り付ける（図５（ｄ））。
サポート基板６０を貼り付けたＳｉ基板４０の該サポート基板６０の反対面側から、Ｓｉ基板４０を厚さ２００μｍとなるまで研磨した後（図６（ａ））、そのＳｉ基板４０の研磨された面にレジストマスク７０を被覆形成する（図６（ｂ））。
次いで、液室２２と空気溝部２３の形成位置となる部位のレジストマスク７０を除去してそれぞれ液室用開口部７１と空気溝部用開口部７２を形成した後（図６（ｃ））、レジストマスク７０の表面からエッチングを行うことで、液室用開口部７１と空気溝部用開口部７２に臨むＳｉ基板４０をそれぞれ凹設していく（図６（ｄ））。
この液室用開口部７１からＳｉ基板４０を凹設していくことによって、やがて凹部４１と連通し、凹部４１からなるノズル２１と液室２２とが形成される。一方、空気溝部用開口部７２からＳｉ基板４０を凹設していくことによって、液室２２間に空気溝部２３が形成される。このとき、液室用開口部７１からと空気溝部用開口部７２からとのエッチングを同時に行っているが、液室用開口部７１よりも空気溝部用開口部７２の方が幅狭で開口面積が小さいため、空気溝部用開口部７２からのエッチングレートの方が低くなり、結果として、液室２２の深さよりも空気溝部２３の深さの方が浅く形成される。これにより液室２２よりも浅い空気溝部２３を容易に形成することができる。
その後、Ｓｉ基板４０をノズルプレート２０のサイズにダイシング加工して複数枚のノズルプレート２０を切り出し、サポート基板６０と各レジストマスク５０、７０を除去することによって、空気溝部２３を有するノズルプレート２０が作製される（図６（ｅ））。
以上説明したインクジェットヘッド１は、全てのチャネル１２がインクを吐出するインクチャネルであり、各チャネル１２に対応してノズル２１と液室２２が設けられている態様であるが、図７に示すように、インクを吐出するインクチャネル１２１とインクを吐出しないダミーチャネル１２２とが交互に配置されるいわゆる独立駆動タイプであってもよい。この態様でも、インクチャネル１２１からのインク吐出のために各隔壁１３が変形動作するため、ノズルプレート２０の接合面には各隔壁１３の前端面１３ａに対応する位置にそれぞれ空気溝部２３が形成される。
なお、この態様では、ノズルプレート２０のダミーチャネル１２２に対応する部位にはノズル２１と液室２２は形成されない。
また、以上説明したインクジェットヘッド１は、チャネル列が１列の場合であるが、図８に示すように、２列以上となる複数のチャネル列を有するものであってもよい。この場合、図７と同様に、インクチャネル１２１とダミーチャネル１２２とが交互に配置される独立駆動タイプとすることもできる。
更に、以上説明した空気溝部２３は、他の空気溝部２３からそれぞれ独立して形成されているが、各空気溝部２３はヘッドチップ１０の各隔壁１３の前端面１３ａに相対する位置に形成される限り、図９に示すように、空気溝部２３同士は繋げられていてもよい。図９（ａ）はチャネル列が１列である場合の空気溝部２３同士が繋げられた態様、（ｂ）はチャネル列が２列である場合の空気溝部２３同士が繋げられた態様をそれぞれ示している。空気溝部２３同士が繋げられることで、ヘッドチップ１０との接合によって内部に封入される空気量も増加するため、空気による振動エネルギーの緩衝効果をより向上させることができる。
以下、実施例によって本発明の効果を例証する。
（実施例１）
隔壁材料として分極処理されたＰＺＴを使用し、分極方向が隔壁の高さ方向で反対方向となるように上壁部及び下壁部を有する隔壁を有するチャネル列が１列からなるインクジェットヘッドを使用した。ヘッドチップ構造及びノズルプレート構造は以下の通りである。
隔壁材料として分極処理されたＰＺＴを使用し、分極方向が隔壁の高さ方向で反対方向となるように上壁部及び下壁部を有する隔壁を有するチャネル列が１列からなるインクジェットヘッドを使用した。ヘッドチップ構造及びノズルプレート構造は以下の通りである。
ヘッドチップ構造
チャネル数：２５６チャネル
チャネル高さＨ：２００μｍ
チャネル幅：８２μｍ
隔壁幅：６２μｍ
チャネル数：２５６チャネル
チャネル高さＨ：２００μｍ
チャネル幅：８２μｍ
隔壁幅：６２μｍ
ノズルプレート構造
材質：Ｓｉ
厚み：２００μｍ
液室深さ：１７０μｍ
ノズル径：３０μｍ
材質：Ｓｉ
厚み：２００μｍ
液室深さ：１７０μｍ
ノズル径：３０μｍ
このノズルプレートに、ヘッドチップの各隔壁の前端面に相対する位置に、図２、図３と同様に、隔壁の高さ方向に沿って延びる空気溝部をそれぞれ１本ずつ凹設した。
空気溝部深さ：１６０μｍ
空気溝部幅：２０μｍ
空気溝部長さＬ：３００μｍ
空気溝部深さ：１６０μｍ
空気溝部幅：２０μｍ
空気溝部長さＬ：３００μｍ
以上のノズルプレートを、ヘッドチップの前端面にエポキシ系接着剤を用いて接着し、インクジェットヘッドを作製した。得られたインクジェットヘッドについて、駆動電圧１６．６Ｖ、駆動周波数２４．７ｋＨｚと１２．３ｋＨｚとしてそれぞれ連続してインクを吐出し、そのときの一つのノズルについて着目し、そのノズルからの液滴速度を基め、以下の基準に従って評価した。液滴速度の測定は、吐出されたインク滴を撮像し、インク滴像を画像処理することによって求めた。その結果を表１に示す。
◎：１０ｍ／ｓ以上
○：９ｍ／ｓ以上１０ｍ／ｓ未満
△：８ｍ／ｓ以上９ｍ／ｓ未満
▲：６ｍ／ｓ以上８ｍ／ｓ未満
○：９ｍ／ｓ以上１０ｍ／ｓ未満
△：８ｍ／ｓ以上９ｍ／ｓ未満
▲：６ｍ／ｓ以上８ｍ／ｓ未満
（実施例２）
各空気溝部２長さＬを１８０μｍとしてチャネルの高さＨよりも短くした以外は、実施例１と全く同様にしてインクを吐出し、その液滴速度を評価した。その結果を表１に示す。
各空気溝部２長さＬを１８０μｍとしてチャネルの高さＨよりも短くした以外は、実施例１と全く同様にしてインクを吐出し、その液滴速度を評価した。その結果を表１に示す。
（比較例１）
ノズルプレートに空気溝部を全く形成しなかった以外は実施例１と全く同様にしてインクを吐出し、その液滴速度を評価した。その結果を表１に示す。
ノズルプレートに空気溝部を全く形成しなかった以外は実施例１と全く同様にしてインクを吐出し、その液滴速度を評価した。その結果を表１に示す。
（比較例２）
ノズルプレートの空気溝部を、図１０に示すように、ノズル列方向に平行で、チャネルの外側にあたる部位に形成した。空気溝部の深さと幅は実施例１と同一とし、ノズル列方向に沿う長さを５０μｍとした。このインクジェットヘッドを実施例１と全く同一の駆動条件でインクを吐出し、その液滴速度を評価した。その結果を表１に示す。
ノズルプレートの空気溝部を、図１０に示すように、ノズル列方向に平行で、チャネルの外側にあたる部位に形成した。空気溝部の深さと幅は実施例１と同一とし、ノズル列方向に沿う長さを５０μｍとした。このインクジェットヘッドを実施例１と全く同一の駆動条件でインクを吐出し、その液滴速度を評価した。その結果を表１に示す。
以上のように、本発明のように隔壁の前端面に相対する位置に空気溝部を形成することにより、液滴速度が向上し、高周波駆動時にも安定して射出することができた。特に、実施例１のようにチャネル高さよりも長い空気溝部を形成することにより、実施例２に比べてより高い効果を得ることができた。
１：インクジェットヘッド
１０：ヘッドチップ
１０ａ：ヘッドチップの前端面
１１：チャネル基板
１２：チャネル
１２１：インクチャネル
１２２：ダミーチャネル
１３：隔壁
１３ａ：前端面
１３１：上壁部
１３２：下壁部
１４：カバー基板
１５：共通流路
１６：プレート
１７：インク供給口
１８：インク供給管
２０：ノズルプレート
２０ａ：接合面
２１：ノズル
２２：液室
２３：空気溝部
３０：接着剤
４０：Ｓｉ基板
４１：凹部
５０：レジストマスク
５１：開口部
６０：サポート基板
７０：レジストマスク
７１：液室用開口部
７２：空気溝部用開口部
１０：ヘッドチップ
１０ａ：ヘッドチップの前端面
１１：チャネル基板
１２：チャネル
１２１：インクチャネル
１２２：ダミーチャネル
１３：隔壁
１３ａ：前端面
１３１：上壁部
１３２：下壁部
１４：カバー基板
１５：共通流路
１６：プレート
１７：インク供給口
１８：インク供給管
２０：ノズルプレート
２０ａ：接合面
２１：ノズル
２２：液室
２３：空気溝部
３０：接着剤
４０：Ｓｉ基板
４１：凹部
５０：レジストマスク
５１：開口部
６０：サポート基板
７０：レジストマスク
７１：液室用開口部
７２：空気溝部用開口部
Claims (14)
- 複数のチャネルと少なくとも一部に圧電材料を含む複数の隔壁とが交互に並設され、駆動電圧に基づく前記隔壁の変形動作によって前記チャネル内のインクに吐出のための圧力を付与するヘッドチップと、前記ヘッドチップの前端面に接着剤を介して接合されたノズルプレートとを有し、前記隔壁の前端面と前記ノズルプレートとが接着剤を介して相対しているインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面の前記隔壁の前端面と相対する位置に、前記接合面から凹設された空気溝部を有し、
前記空気溝部内の空気室の深さは、前記空気溝部内への前記接着剤の入り込み深さよりも深く（前記接着剤の入り込み深さが０の場合も含む）、
前記空気溝部は外部に開放されていないことを特徴とするインクジェットヘッド。 - 前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記空気溝部の深さは、前記ノズルの深さよりも深いことを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。 - 複数のチャネルと少なくとも一部に圧電材料を含む複数の隔壁とが交互に並設され、駆動電圧に基づく前記隔壁の変形動作によって前記チャネル内のインクに吐出のための圧力を付与するヘッドチップと、前記ヘッドチップの前端面に接着剤を介して接合されたノズルプレートとを有し、前記隔壁の前端面と前記ノズルプレートとが接着剤を介して相対しているインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面の前記隔壁の前端面と相対する位置に、前記接合面から凹設された空気溝部を有し、
前記空気溝部内の空気室の深さは、前記空気溝部内への前記接着剤の入り込み深さよりも深く（前記接着剤の入り込み深さが０の場合も含む）、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記空気溝部の深さは、前記ノズルの深さよりも深いことを特徴とするインクジェットヘッド。 - 前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記ノズルプレートの前記接合面における前記液室の面積は、前記ヘッドチップの前記前端面における前記チャネルの面積よりも小さいことを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッド。 - 複数のチャネルと少なくとも一部に圧電材料を含む複数の隔壁とが交互に並設され、駆動電圧に基づく前記隔壁の変形動作によって前記チャネル内のインクに吐出のための圧力を付与するヘッドチップと、前記ヘッドチップの前端面に接着剤を介して接合されたノズルプレートとを有し、前記隔壁の前端面と前記ノズルプレートとが接着剤を介して相対しているインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面の前記隔壁の前端面と相対する位置に、前記接合面から凹設された空気溝部を有し、
前記空気溝部内の空気室の深さは、前記空気溝部内への前記接着剤の入り込み深さよりも深く（前記接着剤の入り込み深さが０の場合も含む）、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記ノズルプレートの前記接合面における前記液室の面積は、前記ヘッドチップの前記前端面における前記チャネルの面積よりも小さいことを特徴とするインクジェットヘッド。 - 前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記ノズルと前記液室の接続面における前記液室の面積は、当該接続面における前記ノズルの面積よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のインクジェットヘッド。 - 複数のチャネルと少なくとも一部に圧電材料を含む複数の隔壁とが交互に並設され、駆動電圧に基づく前記隔壁の変形動作によって前記チャネル内のインクに吐出のための圧力を付与するヘッドチップと、前記ヘッドチップの前端面に接着剤を介して接合されたノズルプレートとを有し、前記隔壁の前端面と前記ノズルプレートとが接着剤を介して相対しているインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面の前記隔壁の前端面と相対する位置に、前記接合面から凹設された空気溝部を有し、
前記空気溝部内の空気室の深さは、前記空気溝部内への前記接着剤の入り込み深さよりも深く（前記接着剤の入り込み深さが０の場合も含む）、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記ノズルと前記液室の接続面における前記液室の面積は、当該接続面における前記ノズルの面積よりも大きいことを特徴とするインクジェットヘッド。 - 前記空気溝部の深さは、前記並設の方向における前記空気溝部の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のインクジェットヘッド。
- 複数のチャネルと少なくとも一部に圧電材料を含む複数の隔壁とが交互に並設され、駆動電圧に基づく前記隔壁の変形動作によって前記チャネル内のインクに吐出のための圧力を付与するヘッドチップと、前記ヘッドチップの前端面に接着剤を介して接合されたノズルプレートとを有し、前記隔壁の前端面と前記ノズルプレートとが接着剤を介して相対しているインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面の前記隔壁の前端面と相対する位置に、前記接合面から凹設された空気溝部を有し、
前記空気溝部内の空気室の深さは、前記空気溝部内への前記接着剤の入り込み深さよりも深く（前記接着剤の入り込み深さが０の場合も含む）、
前記空気溝部の深さは、前記並設の方向における前記空気溝部の幅よりも大きいことを特徴とするインクジェットヘッド。 - 前記空気溝部は、前記隔壁の高さ方向に沿って設けられていることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載のインクジェットヘッド。
- 前記空気溝部は、前記ヘッドチップの前端面における前記チャネルの高さ寸法よりも長いことを特徴とする請求項１０記載のインクジェットヘッド。
- 前記ノズルプレートは、前記ヘッドチップとの接合面に、ノズルに連通して該ノズルよりも大径な液室が凹設されており、
前記空気溝部の深さは、前記液室の深さと同等かそれよりも浅いことを特徴とする請求項１〜１１の何れかに記載のインクジェットヘッド。 - 前記空気溝部内に前記接着剤が一部入り込んだ状態で前記ノズルプレートと前記ヘッドチップとが接着されていることを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載のインクジェットヘッド。
- 前記ノズルプレートはＳｉ製、金属製又はガラス製であることを特徴とする請求項１〜１３の何れかに記載のインクジェットヘッド。
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