JP6393130B2 - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び液体噴射ヘッドの製造方法 - Google Patents

液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び液体噴射ヘッドの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、被記録媒体に液滴を噴射して記録する液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び液体噴射ヘッドの製造方法に関する。
近年、記録紙等にインク滴を吐出して文字や図形を記録する、或いは素子基板の表面に液体材料を吐出して機能性薄膜を形成するインクジェット方式の液体噴射ヘッドが利用されている。この方式は、インクや液体材料などの液体を液体タンクから供給管を介して液体噴射ヘッドのチャンネルに供給し、チャンネルの液体に圧力を印加してチャンネルに連通するノズルから液滴として吐出する。液滴の吐出の際には、液体噴射ヘッドや被記録媒体を移動させて文字や図形を記録する、或いは所定形状の機能性薄膜や三次元構造を形成する。
この種の液体噴射ヘッドとしてシアモードタイプが知られている。シアモードタイプは圧電体基板の表面に吐出チャンネルとダミーチャンネルを交互に形成し、吐出チャンネルとダミーチャンネルの間の隔壁を瞬間的に変形させて吐出チャンネルに連通するノズルから液滴を吐出する。近年、液体噴射ヘッドは高品質の印字が要求され、吐出する液滴の体積は数ピコリットルと小さくなっている。このような微細な液滴を安定して吐出するために、チャンネル間の液滴量のばらつきや吐出速度のばらつきを低減させる努力がなされている。
例えば、特許文献1にはシアモードタイプの液体噴射ヘッドが記載される。図17は特許文献1に記載される液体噴射ヘッド100の斜視図である。図18は液体噴射ヘッド100の特徴を説明するための図である。図18(a)はチャンネル壁103の左右の上端からの電極105の深さを示す図であり、図18(b)は印加電圧を示す図である。液体噴射ヘッド100は、チャンネル104ごとにチャンネル壁103を駆動するための電極105の深さが異なり、これに伴って液滴の吐出ばらつきが発生する。そこで、各チャンネル104の電極105の深さに応じて印加する印加電圧を変化させて、この液滴の吐出ばらつきを低減させることが記載される。
特開2001−334657号公報
特許文献1では、チャンネル壁103の電極105に印加する印加電圧を、チャンネル壁103の位置に応じて連続的に変化させる。そのため、駆動電圧の電位レベルが多数必要となり駆動回路が複雑になる。また、チャンネル壁103に斜め蒸着法により電極105を形成する際に、ベース部材101のサイズに対して蒸着源からの距離を十分大きくとることのできる成膜装置を用いれば、電極105の深さも均一化される。しかし、ノズル数の増加に伴ってベース部材101のサイズが大きくなり、そのため成膜室を十分大きくする必要がある。また、蒸着電源に複雑な構成が要求される。その結果、成膜装置が高価となり製造コストが高くなる。
本発明の液体噴射ヘッドは、隔壁を挟んで交互に配列してチャンネル列を構成する吐出チャンネル及びダミーチャンネルと、前記隔壁の側面であり前記隔壁の上端から深さ方向に位置する駆動電極と、を備え、前記吐出チャンネルの対向する側面に位置する2つの前記駆動電極の平均深さTmcは、前記吐出チャンネルに隣接する前記ダミーチャンネルの対向する側面に位置する2つの前記駆動電極の平均深さTmdとは異なり、前記平均深さTmcと前記平均深さTmdは、式(2)の関係を満たし、前記吐出チャンネルの溝幅は前記ダミーチャンネルの溝幅よりも狭いこととした。
Tmc<Tmd・・・(2)
また、 前記平均深さTmcと前記平均深さTmdは、式(1)の関係を満たすこととした。
Tmc>Tmd・・・(1)
また、前記吐出チャンネルの溝幅は前記ダミーチャンネルの溝幅よりも広いこととした。
また、前記式(1)の関係は、前記吐出チャンネルと前記吐出チャンネルの両側に隣接する前記ダミーチャンネルとの間において満たされることとした。
また、前記式(1)の関係は、前記チャンネル列の両端側に位置する前記吐出チャンネルと前記ダミーチャンネルとの間において満たされることとした。
また、 前記式(1)の関係は、前記チャンネル列の隣接する全ての前記吐出チャンネルと前記ダミーチャンネルの間において満たされることとした。
また、前記式(2)の関係は、前記吐出チャンネルと前記吐出チャンネルの両側に隣接する前記ダミーチャンネルとの間において満たされることとした。
また、前記式(2)の関係は、前記チャンネル列の両端側に位置する前記吐出チャンネルと前記ダミーチャンネルとの間において満たされることとした。
また、前記式(2)の関係は、前記チャンネル列の隣接する全ての前記吐出チャンネルと前記ダミーチャンネルの間において満たされることとした。
また、前記ダミーチャンネルの一方の側面に備える前記駆動電極の深さは、前記ダミーチャンネルが前記チャンネル列の一方端から他方端に位置するに従い漸次深くなり、前記ダミーチャンネルの他方の側面に備える前記駆動電極の深さは、前記ダミーチャンネルが前記チャンネル列の一方端から他方端に位置するに従い漸次浅くなることとした。
また、前記吐出チャンネルの一方の側面に備える前記駆動電極の深さは、前記吐出チャンネルが前記チャンネル列の一方端から他方端に位置するに従い漸次深くなり、前記吐出チャンネルの他方の側面に備える前記駆動電極の深さは、前記吐出チャンネルが前記チャンネル列の一方端から他方端に位置するに従い漸次浅くなることとした。
本発明の液体噴射装置は、上記いずれかに記載の液体噴射ヘッドと、前記液体噴射ヘッドと被記録媒体とを相対的に移動させる移動機構と、前記液体噴射ヘッドに液体を供給する液体供給管と、前記液体供給管に前記液体を供給する液体タンクと、を備えることとした。
本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、アクチュエータ基板の表面に吐出溝と非吐出溝が交互に配列する溝列を形成する溝形成工程と、前記アクチュエータ基板の表面と、前記吐出溝及び前記非吐出溝の側面に斜め蒸着法により電極材料を堆積する第一の電極材料堆積工程と、前記非吐出溝又は前記吐出溝のいずれか一方を遮蔽するマスクを設置し、前記アクチュエータ基板の表面と、前記吐出溝又は前記非吐出溝の側面に斜め蒸着法により電極材料を堆積する第二の電極材料堆積工程と、を備え、前記第二の電極材料堆積工程における前記アクチュエータ基板の表面の法線に対する前記電極材料の入射角は、前記第一の電極材料堆積工程における前記アクチュエータ基板の表面の法線に対する前記電極材料の入射角よりも小さいこととした。
本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、アクチュエータ基板の表面に吐出溝と前記吐出溝とは溝幅が異なる非吐出溝が交互に配列する溝列を形成する溝形成工程と、前記アクチュエータ基板の表面と、前記吐出溝及び前記非吐出溝の側面に斜め蒸着法により電極材料を堆積する電極材料堆積工程と、を備えることとした。
本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、アクチュエータ基板の表面に樹脂膜のパターンを形成する樹脂膜パターン形成工程と、前記アクチュエータ基板の表面に吐出溝と非吐出溝が交互に配列する溝列を形成する溝形成工程と、前記アクチュエータ基板の表面と、前記吐出溝及び前記非吐出溝の側面に斜め蒸着法により電極材料を堆積する電極材料堆積工程と、を備え、前記樹脂膜パターン形成工程は、前記吐出溝と前記非吐出溝の間の隔壁領域のうち、前記非吐出溝又は前記吐出溝のいずれか一方の側に前記樹脂膜を残し、他方の側から前記樹脂膜を除去することとした。
また、前記溝形成工程は、前記吐出溝を前記アクチュエータ基板の一方端から他方端の手前まで形成する工程であり、前記アクチュエータ基板の表面にカバープレートを接合するカバープレート接合工程と、前記アクチュエータ基板の端面にノズルプレートを接着するノズルプレート接着工程と、を更に備えることとした。
また、前記アクチュエータ基板の裏面にカバープレートを接合するカバープレート接合工程と、前記アクチュエータ基板の表面にノズルプレートを接着するノズルプレート接着工程と、を更に備え前記溝形成工程は、前記アクチュエータ基板に前記吐出溝を形成する吐出溝形成工程と、前記アクチュエータ基板に前記非吐出溝を形成する非吐出溝形成工程を含み、前記吐出溝形成工程の後に前記カバープレート接合工程を行い、前記樹脂膜パターン形成工程の後に前記非吐出溝形成工程を行うこととした。
また、前記樹脂膜パターン形成工程は、前記隔壁領域のうち、前記非吐出溝の側に前記樹脂膜を残し、前記吐出溝の側から前記樹脂膜を除去することとした。
また、前記アクチュエータ基板の表面から前記樹脂膜を除去して、前記吐出溝及び前記非吐出溝の側面に駆動電極を形成し、前記アクチュエータ基板の表面に、前記吐出溝の両側面に位置する前記駆動電極と電気的に接続する共通端子と、前記吐出溝を挟む2つの前記非吐出溝の前記吐出溝の側の側面に位置する前記駆動電極と電気的に接続する個別端子とを形成する樹脂膜除去工程を、更に含むこととした。
本発明による液体噴射ヘッドは、隔壁を挟んで交互に配列してチャンネル列を構成する吐出チャンネル及びダミーチャンネルと、隔壁の側面であり隔壁の上端から深さ方向に位置する駆動電極と、を備え、吐出チャンネルの対向する側面に位置する2つの駆動電極の平均深さTmcは、吐出チャンネルに隣接するダミーチャンネルの対向する側面に位置する2つの駆動電極の平均深さTmdとは異なる。これにより、多数の電位レベルの駆動電圧を使用することなく吐出チャンネルの両隔壁の変位量のばらつきを低減させ、記録品質を向上させる。
本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッドの説明図である。 図1(c)に示す基板位置と電極深さの関係を表すグラフから、隔壁を挟む2つの駆動電極のうち、浅い駆動電極をプロットしたグラフである。 吐出チャンネルの基板位置と隔壁の最大変位の関係を表すグラフである。 吐出チャンネルの基板位置と隔壁の変位面積の関係を表すグラフである。 本発明の第二実施液体に係る液体噴射ヘッドの模式的な分解斜視図である。 本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッドの説明図である。 本発明の第四実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法の工程図である。 本発明の第四実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法の説明図である。 本発明の第四実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法の説明図である。 本発明の第五実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法の工程図である。 本発明の第五実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法の説明図である。 本発明の第六実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法の工程図である。 本発明の第六実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法の説明図である。 本発明の第六実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法の説明図である。 本発明の第六実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法の説明図である。 本発明の第七実施形態に係る液体噴射装置の模式的な斜視図である。 従来公知の液体噴射ヘッドの斜視図である。 従来公知の液体噴射ヘッドの説明図である。
<液体噴射ヘッド>
(第一実施形態)
図1は本発明の第一実施形態に係る液体噴射ヘッド1の説明図である。図1(a)は、吐出チャンネルCを挟むダミーチャンネルDの駆動電極6の説明図であり、図1(b)は、液体噴射ヘッド1のチャンネル列CR方向の断面模式図であり、図1(c)は、チャンネル(吐出チャンネルC又はダミーチャンネルD)の基板位置と駆動電極6の電極深さとの間の関係を表すグラフである。
図1(b)に示すように、液体噴射ヘッド1は、隔壁3を挟んで交互に配列してチャンネル列CRを構成する吐出チャンネルC及びダミーチャンネルDと、隔壁3の側面であり隔壁3の上端から深さ方向に位置する駆動電極6とを備える。そして、図1(a)に示すように、吐出チャンネルCの対向する側面に位置する2つの駆動電極6の深さTc1、Tc2の平均深さTmc=(Tc1+Tc2)/2は、吐出チャンネルCに隣接するダミーチャンネルDの対向する側面に位置する2つの駆動電極6の深さTd1、Td2の平均深さTmd=(Td1+Td2)/2よりも深い。つまり、Tmc>Tmd(式(1)と言う。以下において同じ)の関係を満たす。この吐出チャンネルCの2つの駆動電極6の平均深さTmcと、この吐出チャンネルCに隣接するダミーチャンネルDの2つの駆動電極6の平均深さTmdとの間の関係は、吐出チャンネルCとこの吐出チャンネルCの両側に隣接するダミーチャンネルDの間において満たされる。また、この吐出チャンネルCの2つの駆動電極6の平均深さTmcと、この吐出チャンネルCに隣接するダミーチャンネルDの2つの駆動電極6の平均深さTmdとの間の関係は、チャンネル列CRの隣接する全ての吐出チャンネルCとダミーチャンネルDの間において満たされる。これにより、多数の電位レベルの駆動電圧を使用することなく吐出チャンネルCの両隔壁3の変位量のばらつきが低減し、記録品質を向上させることができる。
以下、具体的に説明する。吐出チャンネルCは左右の隔壁3と上下の第一基板Pa及び第二基板Pbにより囲まれる。同様に、ダミーチャンネルDは左右の隔壁3と上下の第一基板Pa及び第二基板Pbにより囲まれる。吐出チャンネルCとダミーチャンネルDは隣接して交互に配列し、チャンネル列CRを構成する。隔壁3は圧電体材料、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)やチタン酸バリウム(BaTiO3)からなるセラミックスを使用することができる。圧電体材料は、下方から上方に、又は上方から下方に一様に分極処理が施される。また、深さが略1/2で反対方向に分極処理が施される、所謂シェブロン型の圧電体材料を使用することができる。第一基板Pa又は第二基板Pbは隔壁3を構成する圧電体材料と同一の材料、或いは異なる材料を使用することができる。例えば、一枚の圧電体材料からなるアクチュエータ基板の表面をダイシングブレードにより研削加工して吐出チャンネルC用の吐出溝4とダミーチャンネルD用の非吐出溝5とを隔壁3を挟んで交互に形成し、底部にアクチュエータ基板を残し、これを第二基板Pbとする。吐出チャンネルC及びダミーチャンネルDは、紙面奥方向に所定の長さ、例えば3mm〜8mmを有し、チャンネル列CR方向のチャンネル幅は20μm〜100μmであり、チャンネル高さは100μm〜400μmである。電極6は金属材料や半導体材料からなる導電材料を用い、斜め蒸着法により形成する。例えば、Ti、Ni、Al、Au、Ag、Si、C、Pt、Ta、Sn、In等を使用することができる。図1に示す吐出チャンネルCとダミーチャンネルDは、チャンネル列CR方向の幅が同じである。
駆動電極6は、後に詳しく説明するが、導電材料の斜め蒸着法により形成する。本実施形態では、隔壁3の上端面に第一基板Paを接合する前に、隔壁3の上端面の法線に対して角度θ1の右斜め上方から導電材料の斜め蒸着(一回目の斜め蒸着)を行って、吐出チャンネルC及びダミーチャンネルDの左側面に第一の駆動電極6aを形成する。更に、隔壁3の上端面の法線に対して角度θ1の左斜め上方から導電材料の斜め蒸着(二回目の斜め蒸着)を行って、吐出チャンネルC及びダミーチャンネルDの右側面に第二の駆動電極6bを形成する。次に、ダミーチャンネルDの上部開口に遮蔽マスクを設置し、吐出チャンネルCの上部開口には遮蔽マスクを設置しないで開口状態とする。そして、隔壁3の上端面の法線に対して角度θ1よりも小さい角度θ2の右斜め上方から導電材料の斜め蒸着(三回目の斜め蒸着)を行って、吐出チャンネルCの左側面に第一の駆動電極6aよりも深く第三の駆動電極6cを形成する。更に、隔壁3の上端面の法線に対して角度θ1よりも小さい角度θ2の左斜め上方から導電材料の斜め蒸着(四回目の斜め蒸着)を行って、吐出チャンネルCの右側面に第二の駆動電極6bよりも深く第四の駆動電極6dを形成する。(角度θ1、θ2は図8を参照)
本実施形態では、吐出チャンネルC及びダミーチャンネルDの深さが300μmであり、基板位置の中央(0mm)において、各チャンネルの一回目及び二回目の斜め蒸着法により形成する駆動電極6a、6bの電極深さが約130μmであり、三回目及び4回目の斜め蒸着により形成する吐出チャンネルCの駆動電極6c、6dの電極深さが約150μmである。なお、隔壁3の分極方向が上方又は下方に一様である場合は、隔壁3の両側面に形成する2つの駆動電極6のうち、電極深さの浅いほうの駆動電極6はチャンネルの深さの1/2を超えない深さとすることが好ましい。浅いほうの駆動電極6がチャンネルの深さの1/2を超えると、深さ1/2を超えた領域に印加される電界により隔壁3の変形が抑制され、液滴の吐出条件のばらつきの原因となる。
図1(c)は、上記の4回の斜め蒸着により形成する駆動電極6の電極深さとチャンネルの基板位置との間の関係を表す。横軸が吐出チャンネルC又はダミーチャンネルDの基板位置(単位mm)を表し、縦軸が駆動電極6の電極深さを表す。各グラフは、吐出チャンネルの第三の駆動電極6cの電極深さTc1、吐出チャンネルの第四の駆動電極6dの電極深さTc2、右ダミーチャンネルDの第一の駆動電極6aの電極深さTd1、左ダミーチャンネルDの第二の駆動電極6bの電極深さTd2をそれぞれ表す。隔壁3の右側面に位置する第一及び第三の駆動電極6a、6cは、基板位置が左(−)から右(+)に変化するにつれて電極深さが減少し、隔壁3の左側面に位置する第二及び第四の駆動電極6b、6dは、基板位置が左(−)から右(+)に変化するにつれて電極深さが増加する。
即ち、ダミーチャンネルDの一方の側面に備える駆動電極6の深さは、ダミーチャンネルDがチャンネル列CRの一方端から他方端に位置するに従い漸次深くなり、ダミーチャンネルDの他方の側面に備える駆動電極6の深さは、ダミーチャンネルDがチャンネル列CRの一方端から他方端に位置するに従い漸次浅くなる。同様に、吐出チャンネルCの一方の側面に備える駆動電極6の深さは、吐出チャンネルCがチャンネル列CRの一方端から他方端に位置するに従い漸次深くなり、吐出チャンネルCの他方の側面に備える駆動電極6の深さは、吐出チャンネルCがチャンネル列CRの一方端から他方端に位置するに従い漸次浅くなる。これは、駆動電極6を斜め蒸着法により形成するためである。なお、図1(c)において、実線のグラフが左側の隔壁3の駆動電極6(6b、6c)であり、破線のグラフが右側の隔壁3の駆動電極6(6a、6d)である。
隔壁3は、隔壁3を挟む駆動電極6に電圧を印加することにより厚み滑り変形する。厚み滑り変形量は隔壁3に印加する電圧の印加面積が広いほど大きい。隔壁3に印加する電圧の印加面積は隔壁3を挟む2つの駆動電極6の重なり面積より定まるので、結局、隔壁3を挟む2つの駆動電極6のうち、電極深さの浅い駆動電極6により厚み滑り変形量が定まる。従って、図1(a)に示す場合は、吐出チャンネルCの左側の隔壁3の厚み滑り変形量は第三の駆動電極6cにより定まり、右側の隔壁3の厚み滑り変形量は第一の駆動電極6aにより定まる。即ち、隔壁3の駆動電極6は浅いほうの駆動電極6が実効的な電極深さとなる。なお、吐出チャンネルCの変形量は左側の隔壁3の変形量と右側の隔壁3の変形量の和により表される。従って、各吐出チャンネルCの変形量のばらつきを低減させるためには、各吐出チャンネルCの左右の隔壁3の変形量の和のばらつきを低減させることである。言い換えると、吐出チャンネルCの変形量は左側の隔壁3の浅いほうの駆動電極6の電極深さと右側の隔壁3の浅いほうの駆動電極6の電極深さとの合計の値(平均深さ)に依存するので、各吐出チャンネルCの変形量のばらつきは、この合計の値(平均深さ)のばらつきを低減させることである。
図2〜図4を用いて、吐出チャンネルCの第三及び第四駆動電極6c、6dの平均深さTmc=(Tc1+Tc2)/2を、吐出チャンネルCに隣接するダミーチャンネルDの第一及び第二駆動電極6a、6bの平均深さTmd=(Td1+Td2)/2よりも深く形成する、図1(c)の場合の効果を説明する。
図2は、図1(c)に示す基板位置と電極深さの関係を表すグラフから、隔壁3を挟む2つの駆動電極6のうち、電極深さの浅い駆動電極6をプロットしたグラフである。横軸がチャンネルの基板位置を表し、縦軸が電極深さを表す。実線のグラフが左側の隔壁3の浅いほうの電極深さを表し、破線のグラフが右側の隔壁3の浅いほうの電極深さを表す。一点鎖線のグラフは、左側の隔壁3の浅いほうの電極深さと右側の隔壁3の浅いほうの電極深さとの平均深さを表す。液滴の吐出ばらつきを減少させるためには、一点鎖線で示す平均電極深さが基板位置にかかわらず一定であることが望ましい。
図2に示すように、本実施形態においては、左側の隔壁3の浅いほうの駆動電極6の深さが最も深くなる(実線のグラフが最大となる)基板位置と、右側の隔壁3の浅いほうの駆動電極6の深さが最も深くなる(破線のグラフが最大となる)基板位置がずれて、2つのピークが現れる。これに対して第三の及び第四の駆動電極6c、6dを設けない従来法では第一及び第二の駆動電極6a、6bのみとなり(図1(a)を参照)、チャンネルの基板位置が左側(−)の領域では、吐出チャンネルCの両側の隔壁3において第二の駆動電極6bが浅く(図1(c)を参照)、チャンネルの基板位置が右側(+)の領域では、吐出チャンネルCの両側の隔壁3において第一の駆動電極6aが浅い。従って、従来法では左側及び右側の隔壁3の浅いほうの駆動電極6の深さが最も深くなる基板位置は中央(0)であり、隔壁3の基板位置が両端側(−側、+側)に位置するに従い電極深さは漸次浅くなる。図2から容易に理解することができるように、本発明の駆動電極6のほうが従来の駆動電極6よりも、隔壁3の変位量に影響する実効的な駆動電極6の電極深さのばらつきが減少し、吐出チャンネルCの基板位置に関し液滴の吐出条件を均等化することができる。なお、2つのピーク値は150μm以下であり、チャンネルの深さ300μmの1/2よりも浅い。そのため、上方又は下方に一様に分極処理が施される隔壁3を使用することができる。
図3は、吐出チャンネルCの基板位置と隔壁3の最大変位の関係を表すグラフである。実線が本発明の液体噴射ヘッド1の駆動電極6を用いる場合、破線が従来の液体噴射ヘッド1の駆動電極6を用いる場合のシミュレーション結果である。縦軸が隔壁3の水平方向における最大変位量を表し、横軸がチャンネルの基板位置を表す。吐出チャンネルCについて、左側の隔壁3の水平方向の最大変位量をΔd1とし、右側の隔壁3の水平方向の最大変位量をΔd2として、平均変位量Δdm=(Δd1+Δd2)/2とする。
図3に示すように、本発明の平均変位量Δdmと従来法の平均変位量Δdmを比較すると、平均変位量Δdmは、いずれの場合も基板位置の中央(0)が最も大きく、基板位置の両端方向(−方向、+方向)に向けて漸次低下する。しかし、平均変位量Δdmの最大値と最小値の差が本発明の駆動電極6は約0.07×10-8と小さいのに対して従来の駆動電極6は0.165×10-8と2倍以上大きい。即ち、本発明の駆動電極6では、平均変位量Δdmのばらつきが従来法よりも大幅に低減し、吐出チャンネルCの基板位置に関し液滴の吐出条件を均等化することができ、記録品質を向上させることができる。
図4は、吐出チャンネルCの基板位置と隔壁3の変位面積の関係を表すグラフである。実線が本発明の液体噴射ヘッド1の駆動電極6を用いる場合、破線が従来の液体噴射ヘッド1の駆動電極6を用いる場合のシミュレーション結果である。縦軸が変位面積比を表し、横軸がチャンネルの基板位置を表す。変位面積とは隔壁3の変形量を吐出チャンネルCの断面積に換算した量であり、変位面積比は基板位置が中央の隔壁3の変位面積により規格化している。吐出チャンネルCについて、左側の隔壁3の変位面積をΔs1とし、右側の隔壁3の変位面積をΔs2として、平均変位量Δsm=(Δs1+Δs2)/2とする。図4から容易に理解できるように、平均変位量Δsmの最大値と最小値の差が、本発明の駆動電極6は従来の駆動電極6と比較して小さく、平均変形量Δsmのばらつきが低減する。例えば、基板位置が両端(−54mm、+54mm)に位置する吐出チャンネルCの場合、本発明の駆動電極6は従来の駆動電極6と比較して平均変形量Δsmのばらつきが約30%改善する。
なお、図2〜図4に示す場合は、チャンネル列CRの隣接する全ての吐出チャンネルCとダミーチャンネルDの間において、吐出チャンネルCの対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さTmcは、吐出チャンネルCに隣接するダミーチャンネルDの対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さTmdよりも深い(Tmc>Tmd)。一方、図2〜図4に示す電極深さ、変位量、及び変位面積比のいずれも、基板位置の中央付近における値に対して基板位置の両端付近の値が最も小さい。従って、基板位置の両端側(−側、+側)、つまりチャンネル列CRの所定位置よりも両端側に位置する吐出チャンネルCとこの吐出チャンネルCの両側に隣接するダミーチャンネルDとの間は上記関係(Tmc>Tmd)を満たし、基板位置のその他の領域、つまりチャンネル列CRの中央付近に位置する吐出チャンネルCの駆動電極6とダミーチャンネルDの駆動電極6が従来と同じであっても、電極の深さ、変位量、及び変位面積比のばらつきが減少することは明らかである。例えば、基板位置が−30mmよりも−側、及び、基板位置が+30mmよりも+側に位置する吐出チャンネルCのみが、上記関係(Tmc>Tmd)を満たす場合も液滴の吐出ばらつきは減少する。
また、本実施形態では、吐出チャンネルCの対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さTmcを、吐出チャンネルCに隣接するダミーチャンネルDの対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さTmdよりも深い、つまりTmc>Tmdの関係を満たす場合について説明した。これに代えて、吐出チャンネルCの対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さTmcを、吐出チャンネルCに隣接するダミーチャンネルDの対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さTmdよりも浅く、つまりTmc<Tmd(式(2)と言う。以下において同じ)の関係を満たす場合も、同様の結果を得ることができる。Tmc<Tmdの関係は、吐出チャンネルCと吐出チャンネルCの両側に隣接するダミーチャンネルDとの間において満たされる。また、チャンネル列CRの隣接する全ての吐出チャンネルCとダミーチャンネルDの間において満たされる。また、チャンネル列CRの両端側に位置する吐出チャンネルCと吐出チャンネルCの両側に隣接するダミーチャンネルDとの間において満たされる。また、本実施形態では、4回の斜め蒸着法により駆動電極6を形成するが、これに代えて、2回の斜め蒸着法により駆動電極6を形成することができる。例えば、吐出チャンネルCとダミーチャンネルDの溝幅が異なるように形成することができる。
(第二実施形態)
図5は、本発明の第二実施形態に係る液体噴射ヘッド1の模式的な分解斜視図である。液体噴射ヘッド1はエッジシュート型である。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
図5に示すように、液体噴射ヘッド1は、アクチュエータ基板2と、アクチュエータ基板2の上面UPに接合するカバープレート10と、アクチュエータ基板2の前方端面に接着するノズルプレート13とを備える。アクチュエータ基板2は圧電体材料からなり、例えばPZTやBaTiO3のセラミックスを使用することができる。アクチュエータ基板2は、下方から上方、又は上方から下方に一様に分極処理が施される。アクチュエータ基板2は、上面UPに隔壁3を挟んで交互に配列して溝列MRを構成する吐出溝4と非吐出溝5と、隔壁3の側面であり隔壁3の上端から深さ方向に位置する駆動電極6とを備える。
吐出溝4は、アクチュエータ基板2の前方端から後方端の手前まで延在し、非吐出溝5は、アクチュエータ基板2の前方端から後方端までストレートに延在する。吐出溝4は、アクチュエータ基板2の前方端面に開口し、後方端の側は吐出溝4の底面から上面UPに切り上がる傾斜面を成し、上面UPにおいて終端する。非吐出溝5は、アクチュエータ基板2の前方端面と後方端面に開口する。アクチュエータ基板2は、後方端の近傍の上面UPに、共通端子15aと個別端子15bを備える。共通端子15aは、吐出溝4の両側面に位置する駆動電極6と電気的に接続し、吐出溝4の側に位置し、個別端子15bは、吐出溝4を挟む2つの非吐出溝5の吐出溝4側の側面に位置する2つの駆動電極6を電気的に接続し、共通端子15aよりも後方端の側に位置する。
カバープレート10は、液室11と液室11の底面からアクチュエータ基板2側に貫通する複数のスリット12を備える。カバープレート10は、共通端子15a、個別端子15b及び非吐出溝5の後方側の一部を露出させてアクチュエータ基板2の上面UPに接合する。各スリット12はそれぞれ吐出溝4の後方側に連通する。従って、液室11は各スリット12を介してそれぞれの吐出溝4に連通し、非吐出溝5とは連通しない。ノズルプレート13は、各吐出溝4に対応する位置にノズル14を備え、アクチュエータ基板2及びカバープレート10の前方端面に接着する。各ノズル14はそれぞれ吐出溝4に連通する。吐出溝4はカバープレート10とノズルプレート13により囲まれて吐出チャンネルCを、非吐出溝5はカバープレート10により覆われてダミーチャンネルDを構成する。カバープレート10としてPZTセラミックスやBaTiO3セラミックス材料又はプラスチック材料を使用することができる。ノズルプレート13として、ポリイミドフィルム等のプラスチック材料や金属材料を使用することができる。
ここで、吐出溝4(吐出チャンネルC)の対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さTmcは、吐出溝4(吐出チャンネルC)に隣接する非吐出溝5(ダミーチャンネルD)の対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さTmdよりも深い。つまり、Tmc>Tmdの関係を満たす。また、Tmc>Tmdの関係は、吐出溝4と吐出溝4の両側に隣接する非吐出溝5との間において満たされる。更に、Tmc>Tmdの関係は、溝列MR(チャンネル列)の隣接する全ての吐出溝4と非吐出溝5の間において満たされる。また、Tmc>Tmdの関係は、溝列MRの所定位置よりも両端側に位置する吐出溝4と非吐出溝5との間において満たされるものであってもよい。
液体噴射ヘッド1は次にように駆動する。液室11に液体を供給すると、液体は各スリット12を介して各吐出溝4に流入する。そして、共通端子15aと個別端子15bに駆動電圧を供給すると、まず、吐出溝4の2つの隔壁3が厚み滑り変形して吐出溝4(吐出チャンネルC)の容積を増加させて液室11から液体を取り込み、次に、吐出溝4の容積を減少させてノズル14から液滴を吐出する。本発明の駆動電極6の構成によれば、隔壁3の変形量に影響する実効的な駆動電極6の電極深さのばらつきが低減し、これに伴って2つの隔壁3の平均変位量Δdmや平均変形量Δsmのばらつきが低減する。その結果、吐出チャンネルCの基板位置に関し液滴の吐出条件を均等化することができる。
なお、吐出チャンネルCの対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さTmcを、吐出チャンネルCに隣接するダミーチャンネルDの対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さTmdよりも深い、つまりTmc<Tmdの関係を満たす場合でも同様の結果を得ることができることは、第一実施形態において説明したとおりである。
(第三実施形態)
図6は、本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッド1の説明図である。図6(a)は液体噴射ヘッド1の模式的な分解斜視図であり、図6(b)は吐出溝4の断面模式図である。液体噴射ヘッド1はサイドシュート型である。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
図6に示すように、液体噴射ヘッド1は、アクチュエータ基板2と、アクチュエータ基板2の上面UPに接着するノズルプレート13と、アクチュエータ基板2の下面LPに接合するカバープレート10とを備える。アクチュエータ基板2は、隔壁3を挟んで交互に配列して溝列MRを構成する吐出溝4と非吐出溝5と、隔壁3の側面であり隔壁3の上端から深さ方向に位置する駆動電極6とを備える。吐出溝4と非吐出溝5は、x方向(溝方向)に細長く、y方向に交互に配列して溝列MR(チャンネル列CR)を構成する。吐出溝4及び非吐出溝5はアクチュエータ基板2の板厚方向に貫通する。吐出溝4は、アクチュエータ基板2のx方向の一方端の手前から他方端の手前まで延在する。吐出溝4は、中央部が上面UPのx方向に細長い形状で開口し、両端部は上面UPから下面LPに末広がりの傾斜面を成す。非吐出溝5は、アクチュエータ基板2の溝方向の一方端から他方端まで延在する。非吐出溝5は、中央部が吐出溝4の上下を反転させた形状を有し、両端部が上面UPから一定の深さを有する。つまり、非吐出溝5は、上面UPの一方端から他方端にかけて細長い形状で開口する。吐出溝4の両側面の駆動電極6は吐出溝4が上面UPに開口する開口部に対応して位置する。
アクチュエータ基板2は、x方向の一方端の近傍の上面UPに共通端子15aと個別端子15bを備える。共通端子15aは、吐出溝4の開口部の近傍に位置し、吐出溝4の開口部に沿って溝方向に延在する図示しない配線16を介して吐出溝4の両側面に位置する駆動電極6と電気的に接続する。個別端子15bは、共通端子15aよりも他方端の側に位置し、吐出溝4を挟む2つの非吐出溝5の吐出溝4側の側面に位置する2つの駆動電極6を電気的に接続する。
カバープレート10は2つの液室11a、11bを備える。一方の液室11aは吐出溝4の一方の端部に連通し、他方の液室11bは吐出溝4の他方の端部に連通する。2つの液室11a、11bが開口するアクチュエータ基板2側の開口領域に非吐出溝5は開口しない。そのため、2つの液室11a、11bにスリットを設ける必要が無い。ノズルプレート13はノズル14を備える。ノズルプレート13は、吐出溝4の開口部を塞ぎ共通端子15aと個別端子15bが露出するようにアクチュエータ基板2の上面UPに接着する。ノズル14は上面UPに開口する吐出溝4に連通する。吐出溝4はカバープレート10とノズルプレート13により囲まれて吐出チャンネルCを、非吐出溝5はカバープレート10とノズルプレート13により覆われてダミーチャンネルDを構成する。y方向に配列する溝列MRはチャンネル列CRを構成する。
アクチュエータ基板2としてPZTやBaTiO3などのセラミックスを使用することができる。カバープレート10としてPZTセラミックスや他のセラミックス材料又はプラスチック材料を使用することができる。ノズルプレート13として、ポリイミドフィルム等のプラスチック材料や金属材料を使用することができる。電極6は金属材料や半導体材料からなる導電材を用い、斜め蒸着法により形成する。例えば、Ti、Ni、Al、Au、Ag、Si、C、Pt、Ta、Sn、In等を使用することができる。チャンネルの長さはx方向に3mm〜8mm、チャンネルの幅は20μm〜100μm、チャンネルの高さhは100μm〜400μmである。
ここで、吐出溝4(吐出チャンネルC)の対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さTmcは、吐出溝4(吐出チャンネルC)に隣接する非吐出溝5(ダミーチャンネルD)の対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さTmdよりも深い。つまり、Tmc>Tmdの関係を満たす。また、Tmc>Tmdの関係は、吐出溝4とこの吐出溝4の両側に隣接する非吐出溝5との間において満たされる。また、Tmc>Tmdの関係は、溝列(チャンネル列CR)の隣接する全ての吐出溝4と非吐出溝5の間において満たされる。また、Tmc>Tmdの関係は、溝列MRの所定位置よりも両端側に位置する吐出溝4と非吐出溝5の間において満たされるものであってもよい。
液体噴射ヘッド1は次にように駆動する。外部から液室11a(又は液室11b)に液体を供給し、各吐出溝4(吐出チャンネルC)に液体を充填する。更に、液体は、各吐出溝4から液室11b(又は液室11a)に流出し、液室11b(又は液室11a)から外部に排出する。つまり、液体を循環させる。そして、共通端子15aと個別端子15bの間に駆動電圧を供給すると、まず、吐出溝4の2つの隔壁3を厚み滑り変形させて吐出チャンネルC(吐出溝4)の容積を増加させ、液室11a、11bから液体を取り込む。次に、吐出チャンネルCの容積を縮小して、ノズル14から液滴を吐出する。本発明の駆動電極6の構成によれば、隔壁3の変形量に影響する実効的な駆動電極6の電極深さのばらつきが低減し、これに伴って2つの隔壁3の平均変位量Δdmや平均変形量Δsmのばらつきが低減する。その結果、吐出チャンネルCの基板位置に関し液滴の吐出条件が均等化し、記録品質を向上させることができる。
なお、吐出チャンネルCの対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さTmcを、吐出チャンネルCに隣接するダミーチャンネルDの対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さTmdよりも深い、つまりTmc<Tmdの関係を満たす場合でも同様の結果を得ることができることは、第一実施形態において説明したとおりである。
<液体噴射ヘッドの製造方法>
(第四実施形態)
図7〜図9は、本発明の第四実施形態に係る液体噴射ヘッド1の製造方法の説明図である。図7は液体噴射ヘッド1の製造方法の工程図である。図8及び図9は液体噴射ヘッド1の製造方法の説明図である。図8(a)は、アクチュエータ基板2の上面模式図であり、図8(b)〜(d)はアクチュエータ基板2の溝列MR方向の断面模式図である。図9(a)はアクチュエータ基板2の溝列MR方向の断面模式図であり、図9(b)はアクチュエータ基板2の上面模式図であり、図9(c)は液体噴射ヘッド1の吐出溝4の溝方向の断面模式図である。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
本第四実施形態に係る液体噴射ヘッド1の基本的な製造方法は、アクチュエータ基板2の表面(上面UP)に吐出溝4と非吐出溝5が交互に配列する溝列を形成する溝形成工程S2と、第一の斜め蒸着法により電極材料を堆積する第一の電極材料堆積工程S31と、第二の斜め蒸着法により電極材料を堆積する第二の電極材料堆積工程S32とを備える。溝形成工程S2は、アクチュエータ基板2の表面に吐出溝4と非吐出溝5が交互に配列する溝列MRを形成する。第一の電極材料堆積工程S31は、アクチュエータ基板2の表面と、吐出溝4及び非吐出溝5の側面に第一の斜め蒸着法により電極材料を堆積する。第二の電極材料堆積工程S32は、非吐出溝5又は吐出溝4のいずれか一方を遮蔽するマスク17を設置し、アクチュエータ基板2の表面と吐出溝4又は非吐出溝5の側面に第二の斜め蒸着法により電極材料を堆積する。第二の斜め蒸着法におけるアクチュエータ基板2の表面の法線に対する電極材料の入射角θ2は、第一の斜め蒸着法におけるアクチュエータ基板2の表面の法線に対する電極材料の入射角θ1よりも小さい。
その結果、吐出溝4(又は非吐出溝5)の対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さは、吐出溝4(又は非吐出溝5)に隣接する非吐出溝5(又は吐出溝4)の対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さよりも深い。この関係は、吐出溝4とこの吐出溝4に隣接する非吐出溝5との間において満たされる。また、この関係は、溝列MRの全ての吐出溝4と非吐出溝5の間において満たされる。その結果、第一実施形態において説明したように、隔壁3の実効的な駆動電極6の電極深さの基板位置依存性が減少し、2つの隔壁3の平均変位量Δdmや平均変形量Δsmのばらつきが低減して、吐出チャンネルCの液滴の吐出条件が均等化する。
以下、図7〜図9を用いて具体的に説明する。図7及び図8(a)に示すように、樹脂膜パターン形成工程S1において、アクチュエータ基板2の表面に樹脂膜7のパターンを形成する。アクチュエータ基板2は、例えばPZTセラミックスやBaTiO3セラミックスなどの圧電体材料を使用する。樹脂膜7は、感光性樹脂膜、例えばレジストフィルムをアクチュエータ基板2の上面UPに貼り付け、フォトリソグラフィ工程によりパターンを形成する。本実施形態においては、共通端子15a及び個別端子15bとするべき領域から樹脂膜7を除去する。
次に、図7及び図8(b)に示すように、溝形成工程S2において、アクチュエータ基板2の表面に隔壁3を挟んで吐出溝4と非吐出溝5が交互に配列する溝列MRを形成する。吐出溝4と非吐出溝5の研削は、例えば外周にダイヤモンド等の研削用の砥粒を埋め込んだダイシングブレードを用いて研削して形成することができる。吐出溝4と非吐出溝5は溝幅を20μm〜100μm、溝の深さを100μm〜400μmとし、同じ溝幅に形成することができる。
次に、図7及び図8(c)に示すように、第一の電極材料堆積工程S31において、アクチュエータ基板2の表面と、吐出溝4及び非吐出溝5の側面に第一の斜め蒸着法により電極材料を堆積する。なお、図8(c)の中央図が溝列MRの中央の位置、左図が溝列MRの左の位置、及び、右図が溝列MRの右の位置の断面模式図である。第一の斜め蒸着法では、アクチュエータ基板2の表面の法線に対し、溝列MR方向に角度θ1傾いた右斜め上方から導電材料の一回目の斜め蒸着を行う。次に、アクチュエータ基板2の中央の法線を中心軸として180°回転して二回目の斜め蒸着を行う。図においては、法線に対し溝列MR方向に角度θ1傾いた左斜め蒸着を行うことになる。このとき、溝列MRにおける吐出溝4と非吐出溝5の位置に応じて傾斜角は連続的に変化し、傾斜角はθ1’>θ1>θ1”の関係となる。そのため、吐出溝4と非吐出溝5の位置が溝列MRの左から右に変化するに従い、各溝の左側の側面の電極8の深さが次第に深くなり、右側の側面の電極8の深さが次第に浅くなる。なお、溝列MRの中央に位置する吐出溝4又は非吐出溝5は、両側面の電極8の深さが等しい。
次に、図7及び図8(d)に示すように、第二の電極材料堆積工程S32において、非吐出溝5を遮蔽するマスク17を非吐出溝5の上部開口に設置し、アクチュエータ基板2の表面と吐出溝4及び非吐出溝5の側面に第二の斜め蒸着法により電極材料を堆積する。第二の斜め蒸着法において、アクチュエータ基板2の表面の法線に対する電極材料の入射角(傾斜角θ2)は、第一の斜め蒸着法における電極材料の入射角(傾斜角θ1)よりも小さい。そのため、吐出溝4の両側面には第一の斜め蒸着法における電極8の深さよりも深く電極8’を形成することができる。第二の斜め蒸着法においても、第一の斜め蒸着法と同様に、θ2’>θ2>θ2”の関係となる。なお、第二の電極材料堆積工程S32において、溝列MRの中央部にマスクを設置し、溝列MRの所定位置よりも両端側にのみ電極材料を堆積してもよい。この場合は、第一実施形態において説明したとおり、Tmc>Tmdの関係は、溝列MRの所定位置よりも両端側に位置する吐出溝4と非吐出溝5の間において満たされる。
次に、図7及び図9(a)、(b)に示すように、樹脂膜除去工程S4において、樹脂膜7を除去し、同時に樹脂膜7の上面に堆積した導電材料も除去する(リフトオフ法)。その結果、吐出溝4及び非吐出溝5の両側面に電極8又は8’が駆動電極6として残り、アクチュエータ基板2の上面UPの電極8及び8’が共通端子15aと個別端子15bとして残る。従って、第一実施形態においての説明と同様に、吐出溝4(吐出チャンネルC)の対向する側面に位置する2つの駆動電極6の深さTc1、Tc2の平均深さ(Tmc)は、吐出溝4(吐出チャンネルC)に隣接する非吐出溝5(ダミーチャンネルD)の対向する側面に位置する2つの駆動電極6の深さの平均深さ(Tmd)よりも深くなる。つまり、Tmc>Tmdの関係を満たす。この吐出溝4(吐出チャンネルC)の2つの駆動電極6の平均深さTmcと、この吐出溝4に隣接する非吐出溝5(ダミーチャンネルD)の2つの駆動電極6の平均深さTmdとの間の関係は、吐出溝4とこの吐出溝4に両側に隣接する非吐出溝5との間において満たされる。また、この関係は、溝列MR(チャンネル列CR)の隣接する全ての吐出溝4と非吐出溝5の間の関係において満たされる。
次に、図7及び図9(c)に示すように、カバープレート接合工程S5において、アクチュエータ基板2の上面UP(表面)にカバープレート10を接合する。カバープレート10は液室11と、液室11の底面からアクチュエータ基板2側に貫通する複数のスリット12を備える。各スリット12は各吐出溝4の他方側の端部にそれぞれ連通する。次に、ノズルプレート接着工程S6において、ノズルプレート13をアクチュエータ基板2及びカバープレート10の前方端面に接着する。ノズルプレート13は複数のノズル14を備え、各ノズル14はアクチュエータ基板2の前方端面に開口する各吐出溝4にそれぞれ連通する。吐出溝4と、カバープレート10と、ノズルプレート13により吐出チャンネルCを構成する。非吐出溝5とカバープレート10によりダミーチャンネルDを構成する。このようにして図5に示す液体噴射ヘッド1を製造することができる。これにより、吐出チャンネルCの両隔壁3の変形量のばらつきを低減させ、記録品質の向上を図ることができる。
なお、電極材料堆積工程は、第二の電極材料堆積工程S32を先に行って、次に、第一の電極材料堆積工程S31を行ってもよい。また、吐出溝4の2つの側面に形成する駆動電極6の平均深さTmcを、吐出溝4に隣接する非吐出溝5の対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さTmdよりも浅く形成し、Tmc<Tmdの関係を満たすように形成しても、同様の効果を得ることができる。Tmc<Tmdの関係は、吐出チャンネルCとその吐出チャンネルCの両側に隣接するダミーチャンネルDとの間において満たされるようにする。また、Tmc<Tmdの関係は、チャンネル列CRの隣接する全ての吐出チャンネルCとダミーチャンネルDの間において満たされるようにする。
(第五実施形態)
図10及び図11は、本発明の第五実施形態に係る液体噴射ヘッド1の製造方法の説明図である。図10は液体噴射ヘッド1の製造方法の工程図であり、図11は液体噴射ヘッド1の製造方法の説明図であり、アクチュエータ基板2の溝列MR方向の断面模式図である。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
本第五実施形態に係る液体噴射ヘッド1の基本的な製造方法は、アクチュエータ基板2の表面(上面UP)に吐出溝4と、吐出溝4とは溝幅が異なる非吐出溝5が交互に配列する溝列MRを形成する溝形成工程S21と、アクチュエータ基板2の上面UPと、吐出溝4及び非吐出溝5の側面に斜め蒸着法により電極材料を堆積する電極材料堆積工程S3とを備える。これにより、吐出溝4(非吐出溝5)の対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さは、吐出溝4(非吐出溝5)に隣接する非吐出溝5(吐出溝4)の対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さよりも深くなる。この関係は、吐出溝4とその吐出溝4の両側に隣接する非吐出溝5との間において満たされる。また、この関係は、溝列MRの全ての吐出溝4と非吐出溝5の間において満たされる。その結果、第一実施形態において説明したように、隔壁3の実効的な駆動電極6の電極深さの基板位置依存性が減少し、2つの隔壁3の平均変位量Δdmや平均変形量Δsmのばらつきが低減して、吐出チャンネルCの液滴の吐出条件が均等化する。
以下、図10及び図11を用いて具体的に説明する。まず、樹脂膜パターン形成工程S1において、アクチュエータ基板2の上面UP(表面)に樹脂膜7のパターンを形成する。アクチュエータ基板2、樹脂膜7及び樹脂膜7のパターン形状は第四実施形態の樹脂膜パターン形成工程S1と同様なので、説明を省略する。
次に、図11(a)に示すように、溝形成工程S21において、アクチュエータ基板2の上面UPに溝幅Wcの吐出溝4と、溝幅Wdが溝幅Wcよりも狭い非吐出溝5とを隔壁3を挟んで溝列MR方向に交互に形成する。具体的には、幅の広いダイシングブレードを用いて吐出溝4をまとめて研削して形成し、次に、幅の狭いダイシングブレードを用いて非吐出溝5をまとめて研削して形成することができる。あるいは、幅の狭い非吐出溝5用のダイシングブレードを用い、一度溝を形成した後にダイシングブレードを上面UPから浮かせて溝列MR方向にわずかに移動し、重複して溝を研削することにより、ダイシングブレードの幅よりも広い幅の吐出溝4を形成することができる。アクチュエータ基板2は、例えばPZTセラミックスやBaTiO3セラミックスを使用することができる。吐出溝4及び非吐出溝5は溝幅を20μm〜100μm、溝の深さを100μm〜400μmとすることができる。
次に、図11(b)に示すように、電極材料堆積工程S3において、アクチュエータ基板2の上面UPと、吐出溝4及び非吐出溝5の側面に斜め蒸着法により電極材料を堆積する。この場合、溝幅Wcの広い吐出溝4の側壁の方が、溝幅Wdの狭い非吐出溝5の側壁よりも深く電極8が堆積する。次に、図11(c)に示すように、樹脂膜除去工程S4において、樹脂膜7を除去し、同時に樹脂膜7の上面に堆積した導電材料も除去する(リフトオフ法)。その結果、吐出溝4及び非吐出溝5の両側面に堆積した電極8が駆動電極6として残り、アクチュエータ基板2の上面UPの電極8が図示しない共通端子15a及び個別端子15bとして残る。従って、第一実施形態においての説明と同様に、吐出溝4の対向する側面に位置する2つの駆動電極6の深さTc1、Tc2の平均深さ(Tmc)は、吐出溝4に隣接する非吐出溝5の対向する側面に位置する2つの駆動電極6の深さTd1、Td2の平均深さ(Tmd)よりも深くなる。つまり、Tmc>Tmdの関係を満たす。この吐出溝4の2つの駆動電極6の平均深さTmcと、この吐出溝4に隣接する非吐出溝5の2つの駆動電極6の平均深さTmdとの間の関係は、吐出溝4とその吐出溝4の両側に隣接する非吐出溝5との間において満たされる。また、上記関係は、溝列MRの隣接する全ての吐出溝4と非吐出溝5の間において満たされる。以下、カバープレート接合工程S5及びノズルプレート接着工程S6は第四実施形態と同様なので説明を省略する。
(第六実施形態)
図12〜図15は、本発明の第六実施形態に係る液体噴射ヘッド1の製造方法の説明図である。図12は本発明の第六実施形態に係る液体噴射ヘッド1の製造方法の工程図であり、図13〜図15は本発明の第六実施形態に係る液体噴射ヘッド1の製造方法の説明図である。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
本第六実施形態に係る液体噴射ヘッド1の基本的な製造方法は、樹脂膜パターン形成工程S1と、溝形成工程S2と、電極材料堆積工程S3とを備える。樹脂膜パターン形成工程S1は、アクチュエータ基板2の表面(上面UP)に樹脂膜7のパターンを形成する。この場合に、吐出溝4と非吐出溝5の間の隔壁領域Rwのうち、非吐出溝5又は吐出溝4のいずれか一方の側に樹脂膜7を残し、他方の側から樹脂膜7を除去する。溝形成工程S2は、アクチュエータ基板2の表面に吐出溝4と非吐出溝5が交互に配列する溝列MRを形成する。電極材料堆積工程S3は、アクチュエータ基板2の表面と吐出溝4及び非吐出溝5の側面に斜め蒸着法により電極材料を堆積する。なお、溝形成工程S2は、吐出溝4と非吐出溝5の形成工程を分離してもよい。つまり、吐出溝4又は非吐出溝5を形成した後に他の工程を行い、次に非吐出溝5又は吐出溝4を形成してもよい。また、溝形成工程S2は、樹脂膜パターン形成工程S1よりも前に行ってもよい。
例えば、樹脂膜パターン形成工程S1の際に、隔壁領域Rwの非吐出溝5側に樹脂膜7を残し、隔壁領域Rwの吐出溝4側から樹脂膜7を除去する。その結果、電極材料堆積工程S3における電極材料の斜め蒸着の際には、吐出溝4の両側面に堆積する電極材料は、非吐出溝5の両側面に堆積する電極材料よりも樹脂膜7の厚さ分、深く堆積する。隔壁領域Rwの、吐出溝4側に樹脂膜7を残し、非吐出溝5側から樹脂膜7を除去すれば、非吐出溝5の両側面に堆積する電極材料の方が、吐出溝4の両側面に堆積する電極材料よりも樹脂膜7の厚さ分、深く堆積する。即ち、吐出溝4(又は非吐出溝5)の対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さは、吐出溝4(又は非吐出溝5)に隣接する非吐出溝5(又は吐出溝4)の対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さよりも深い。この関係は、吐出溝4とその吐出溝4の両側に隣接する非吐出溝5との間において満たされる。また、上記関係は、溝列MRの全ての吐出溝4と非吐出溝5の間において満たされる。その結果、第一実施形態において説明したように、隔壁3の実効的な駆動電極6の電極深さの基板位置依存性が減少し、2つの隔壁3の平均変位量Δdmや平均変形量Δsmのばらつきが低減して、吐出チャンネルCの液滴の吐出条件が均等化する。
以下、図12〜図15を用いて具体的に説明する。図13(a)及び(b)はアクチュエータ基板2の吐出溝4の溝方向の断面模式図である。図13(c)及び(d)はアクチュエータ基板2の上面UPの模式図である。図14(a)及び(b)はアクチュエータ基板2の非吐出溝5及び吐出溝4の溝方向の断面模式図である。図14(c)及び(d)はアクチュエータ基板2の溝列MR方向の断面模式図である。図14(e)は、アクチュエータ基板2の吐出溝4の溝方向の断面模式図である。図15(a)はアクチュエータ基板2の上面UPの模式図である。図15(b)はアクチュエータ基板2の溝列MR方向の断面模式図である。図15(c)及び(d)はアクチュエータ基板2の吐出溝4の溝方向の断面模式図である。
図12及び図13(a)に示すように、吐出溝形成工程S22において、アクチュエータ基板2の表面(下面LP)に吐出溝4を形成する。吐出溝4は紙面奥の溝列MR方向に複数配列する。アクチュエータ基板2は、例えばPZTセラミックスやBaTiO3セラミックスなどの圧電体材料を使用し、予め表面の法線方向又はその反対方向に分極処理を施しておく。吐出溝4はダイシングブレード等を使用して形成することができる。吐出溝4は、下面LP(裏面)から上面UP(表面)に貫通せずに、後に、上面UPを研削して貫通させてもよい。
次に、図12及び図13(b)に示すように、カバープレート接合工程S5において、アクチュエータ基板2の下面LPにカバープレート10を接合する。カバープレート10は、紙面奥の溝列MR方向に細長く、互いに離間する2つの平行な液室11a、11bを備える。一方の液室11aが複数の吐出溝4の一方の端部に連通し、他方の液室11bが複数の吐出溝4の他方の端部に連通する。
次に、図12及び図13(c)に示すように、樹脂膜パターン形成工程S11において、アクチュエータ基板2の上面UPにレジストなどからなる感光性樹脂膜を設置し、次に、フォトリソグラフィ工程により樹脂膜7のパターンを形成する。樹脂膜7のパターンは、吐出溝4と非吐出溝5の間の隔壁3を形成する隔壁領域Rwのうち、非吐出溝5の側の樹脂膜7を残し、吐出溝4の側の樹脂膜7を除去する。同時に、共通端子15a及び個別端子15bを形成する領域から樹脂膜7を除去する。共通端子15aを形成する領域は吐出溝4の溝方向の端部とアクチュエータ基板2の他方端との間の吐出溝4側に位置し、個別端子15bを形成する領域は、吐出溝4の溝方向の端部とアクチュエータ基板2の他方端の間の他方端側に位置する。樹脂膜7の膜厚は、吐出溝4の電極深さと隣接する非吐出溝の電極深さとの間の差とする。例えば、吐出溝4の対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さに対して、この吐出溝4に隣接する非吐出溝5の対向する側面に位置する2つの駆動電極6の平均深さの差を20μmとする場合は、樹脂膜7の膜厚を20μmとする。なお、本実施形態では、隔壁領域Rwのうち、非吐出溝5の側の樹脂膜7を残し吐出溝4の側の樹脂膜7を除去するが、これに代えて、吐出溝4の側の樹脂膜7を残し、非吐出溝5の側の樹脂膜7を除去してもよい。
なお、樹脂膜パターン形成工程S11において、非吐出溝5又は吐出溝4のいずれか一方の側の樹脂膜7を残し、他方の側から樹脂膜7を除去する領域は、溝列MRの所定位置よりも両端側の領域のみとし、その他の領域では非吐出溝5及び吐出溝4の両方の側の樹脂膜7を残す、又は、両方の側の樹脂膜7を除去してもよい。
次に、図12及び図13(d)に示すように、非吐出溝形成工程S23において、2つの吐出溝4の間のアクチュエータ基板2の上面UPに非吐出溝5をダイシングブレード等により研削して形成する。非吐出溝5は、図14(a)に示すように、溝方向の中央部は吐出溝4の上下が反転する形状を有し、溝方向の両端部は上面UPから一定の深さの浅底に形成する。非吐出溝5は、アクチュエータ基板2の上面UPの一方端から他方端に延在する。非吐出溝5は、溝方向の中央部においてアクチュエータ基板2を貫通し、カバープレート10に達する深さを有する。しかし、カバープレート10の2つの液室11a、11bには連通しない。また、図14(b)及び(c)に示すように、非吐出溝5を構成する両隔壁3の上端面の非吐出溝5側には樹脂膜7が残っている。これに対し、吐出溝4を構成する両隔壁3の上端面の吐出溝4側には樹脂膜7が残っていない。アクチュエータ基板2の上面UPの共通端子15aや個別端子15bを形成する領域には樹脂膜7が残っていない。
次に、図12及び図14(d)、(e)に示すように、電極材料堆積工程S3において、アクチュエータ基板2の上面UPと、吐出溝4及び非吐出溝5の側面に斜め蒸着法により電極材料を堆積する。具体的には、隔壁3の上端面の法線に対して角度θ1の右斜め上方から導電材料の斜め蒸着を行い、次に、隔壁3の上端面の法線に対して同じ角度θ1の左斜め上方から導電材料の斜め蒸着を行う。すでに説明したように、アクチュエータ基板2の左位置と右位置では蒸着方向が異なり、θ1’>θ1>θ1”の関係となる。吐出溝4を挟む2つの隔壁3の、吐出溝4側の上面UPには樹脂膜7が存在せず、非吐出溝5を挟む2つの隔壁3の、非吐出溝5側の上面UPには樹脂膜7が存在する。そのため、吐出溝4の側面の電極8は、非吐出溝5の側面の電極8より樹脂膜7の厚さ分深く堆積する。つまり、吐出溝4の側面に備える2つの電極8の平均の深さは、この吐出溝4に隣接する非吐出溝5の側面に備える2つの電極8の平均の深さより樹脂膜7の厚さ分深く、この関係は溝列MRの隣接する全ての吐出溝4と非吐出溝5の間の関係を満たす。
次に、図12及び図15(a)、(b)、(c)に示すように、樹脂膜除去工程S4において、アクチュエータ基板2の上面UPから樹脂膜7を除去して、吐出溝4及び非吐出溝5の側面に駆動電極6を形成し、アクチュエータ基板2の上面UPに、非吐出溝5の両側面に位置する駆動電極6と電気的に接続する共通端子15aと、吐出溝4を挟む2つの非吐出溝5の吐出溝4の側の側面に位置する駆動電極6と電気的に接続する個別端子15bとを形成する。なお、吐出溝4の駆動電極6と上面UPの共通端子15aとは、吐出溝4の開口端近傍の上面UPに位置する配線16を介して電気的に接続する。
次に、図12及び図15(d)に示すように、ノズルプレート接着工程S6において、アクチュエータ基板2の上面UPにノズルプレート13を接着する。ノズルプレート13は、吐出溝4に連通するノズル14を備える。ノズルプレート13は、アクチュエータ基板2の溝方向の幅よりも狭く、共通端子15aの一部、及び、個別端子15bが露出するように上面UPに接着する。これにより、図6に示す本発明の第三実施形態に係る液体噴射ヘッド1を製造することができる。なお、液体噴射ヘッド1の特徴は、第一及び第三実施形態において詳しく説明したので、ここでは説明を省略する。
本実施形態においては、2回の斜め蒸着法により駆動電極6、配線16、共通端子15a及び個別端子15bを一括して形成することができるので、製造方法が容易である。また、樹脂膜7の厚さを制御することにより、吐出溝4の駆動電極6の電極深さとこの吐出溝4に隣接する非吐出溝5の駆動電極6の電極深さとの間の差を高精度に制御することができる。
なお、本実施形態と同様に、図5に示す第二実施形態の液体噴射ヘッド1を製造することができる。この場合は、樹脂膜パターン形成工程S1→溝形成工程S2→電極材料堆積工程S3→樹脂膜除去工程S4→カバープレート接合工程S5→ノズルプレート接着工程S6により液体噴射ヘッド1を製造することができる。つまり、樹脂膜パターン形成工程S1において、吐出溝4と非吐出溝5の間の隔壁領域Rwのうち、非吐出溝5又は吐出溝4のいずれか一方の側に樹脂膜7を残し、他方の側から樹脂膜7を除去する。溝形成工程S2においては、アクチュエータ基板2の上面UPに吐出溝4と非吐出溝5が交互に配列する溝列MRを形成する。電極材料堆積工程S3及び樹脂膜除去工程S4は本実施形態と同様である。カバープレート接合工程S5及びノズルプレート接着工程S6は第四実施形態と同様である。
<液体噴射装置>
(第七実施形態)
図16は本発明の第七実施形態に係る液体噴射装置30の模式的な斜視図である。液体噴射装置30は、液体噴射ヘッド1、1’を往復移動させる移動機構40と、液体噴射ヘッド1、1’に液体を供給し、液体噴射ヘッド1、1’から液体を排出する流路部35、35’と、流路部35、35’に連通する液体ポンプ33、33’及び液体タンク34、34’とを備えている。各液体噴射ヘッド1、1’は既に説明した第一〜第六実施形態のいずれかを使用する。
液体噴射装置30は、紙等の被記録媒体44を主走査方向に搬送する一対の搬送手段41、42と、被記録媒体44に液体を吐出する液体噴射ヘッド1、1’と、液体噴射ヘッド1、1’を載置するキャリッジユニット43と、液体タンク34、34’に貯留した液体を流路部35、35’に押圧して供給する液体ポンプ33、33’と、液体噴射ヘッド1、1’を主走査方向と直交する副走査方向に走査する移動機構40とを備えている。図示しない制御部は液体噴射ヘッド1、1’、移動機構40、搬送手段41、42を制御して駆動する。
一対の搬送手段41、42は副走査方向に延び、ローラ面を接触しながら回転するグリッドローラとピンチローラを備えている。図示しないモータによりグリッドローラとピンチローラを軸周りに回転させてローラ間に挟み込んだ被記録媒体44を主走査方向に搬送する。移動機構40は、副走査方向に延びた一対のガイドレール36、37と、一対のガイドレール36、37に沿って摺動可能なキャリッジユニット43と、キャリッジユニット43を連結し副走査方向に移動させる無端ベルト38と、この無端ベルト38を図示しないプーリを介して周回させるモータ39を備えている。
キャリッジユニット43は、複数の液体噴射ヘッド1、1’を載置し、例えばイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの4種類の液滴を吐出する。液体タンク34、34’は対応する色の液体を貯留し、液体ポンプ33、33’、流路部35、35’を介して液体噴射ヘッド1、1’に供給する。各液体噴射ヘッド1、1’は駆動信号に応じて各色の液滴を吐出する。液体噴射ヘッド1、1’から液体を吐出させるタイミング、キャリッジユニット43を駆動するモータ39の回転及び被記録媒体44の搬送速度を制御することにより、被記録媒体44上に任意のパターンを記録することできる。
なお、本実施形態は、移動機構40がキャリッジユニット43と被記録媒体44を移動させて記録する液体噴射装置30であるが、これに代えて、キャリッジユニットを固定し、移動機構が被記録媒体を二次元的に移動させて記録する液体噴射装置であってもよい。つまり、移動機構は液体噴射ヘッドと被記録媒体とを相対的に移動させるものであればよい。
1 液体噴射ヘッド
2 アクチュエータ基板
3 隔壁
4 吐出溝
5 非吐出溝
6、6a、6b、6c、6d 駆動電極
7 樹脂膜
8 電極
10 カバープレート、11、11a、11b 液室、12 スリット
13 ノズルプレート、14 ノズル
15a 共通端子、15b 個別端子
16 配線
17 マスク
C 吐出チャンネル、D ダミーチャンネル、CR チャンネル列
Pa 第一基板、Pb 第二基板
Rw 隔壁領域、MR 溝列
UP 上面、LP 下面

Claims (13)

  1. 隔壁を挟んで交互に配列してチャンネル列を構成する吐出チャンネル及びダミーチャンネルと、
    前記隔壁の側面であり前記隔壁の上端から深さ方向に位置する駆動電極と、を備え、
    前記吐出チャンネルの対向する側面に位置する2つの前記駆動電極の平均深さTmcは、前記吐出チャンネルに隣接する前記ダミーチャンネルの対向する側面に位置する2つの前記駆動電極の平均深さTmdとは異なり、
    前記平均深さTmcと前記平均深さTmdは、式(2)の関係を満たし、
    前記吐出チャンネルの溝幅は前記ダミーチャンネルの溝幅よりも狭い液体噴射ヘッド。
    Tmc<Tmd・・・(2)
  2. 前記式(2)の関係は、前記吐出チャンネルと前記吐出チャンネルの両側に隣接する前記ダミーチャンネルとの間において満たされる請求項1に記載の液体噴射ヘッド。
  3. 前記式(2)の関係は、前記チャンネル列の両端側に位置する前記吐出チャンネルと前記ダミーチャンネルとの間において満たされる請求項2に記載の液体噴射ヘッド。
  4. 前記式(2)の関係は、前記チャンネル列の隣接する全ての前記吐出チャンネルと前記ダミーチャンネルの間において満たされる請求項3に記載の液体噴射ヘッド。
  5. 前記ダミーチャンネルの一方の側面に備える前記駆動電極の深さは、前記ダミーチャンネルが前記チャンネル列の一方端から他方端に位置するに従い漸次深くなり、前記ダミーチャンネルの他方の側面に備える前記駆動電極の深さは、前記ダミーチャンネルが前記チャンネル列の一方端から他方端に位置するに従い漸次浅くなる請求項1〜4のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
  6. 前記吐出チャンネルの一方の側面に備える前記駆動電極の深さは、前記吐出チャンネルが前記チャンネル列の一方端から他方端に位置するに従い漸次深くなり、前記吐出チャンネルの他方の側面に備える前記駆動電極の深さは、前記吐出チャンネルが前記チャンネル列の一方端から他方端に位置するに従い漸次浅くなる請求項1〜5のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
  7. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドと、
    前記液体噴射ヘッドと被記録媒体とを相対的に移動させる移動機構と、
    前記液体噴射ヘッドに液体を供給する液体供給管と、
    前記液体供給管に前記液体を供給する液体タンクと、を備える液体噴射装置。
  8. アクチュエータ基板の表面に吐出溝と非吐出溝が交互に配列する溝列を形成する溝形成工程と、
    前記アクチュエータ基板の表面と、前記吐出溝及び前記非吐出溝の側面に斜め蒸着法により電極材料を堆積する第一の電極材料堆積工程と、
    前記非吐出溝又は前記吐出溝のいずれか一方を遮蔽するマスクを設置し、前記アクチュエータ基板の表面と、前記吐出溝又は前記非吐出溝の側面に斜め蒸着法により電極材料を堆積する第二の電極材料堆積工程と、を備え、
    前記第二の電極材料堆積工程における前記アクチュエータ基板の表面の法線に対する前記電極材料の入射角は、前記第一の電極材料堆積工程における前記アクチュエータ基板の表面の法線に対する前記電極材料の入射角よりも小さい液体噴射ヘッドの製造方法。
  9. アクチュエータ基板の表面に樹脂膜のパターンを形成する樹脂膜パターン形成工程と、
    前記アクチュエータ基板の表面に吐出溝と非吐出溝が交互に配列する溝列を形成する溝形成工程と、
    前記アクチュエータ基板の表面と、前記吐出溝及び前記非吐出溝の側面に斜め蒸着法により電極材料を堆積する電極材料堆積工程と、を備え、
    前記樹脂膜パターン形成工程は、前記吐出溝と前記非吐出溝の間の隔壁領域のうち、前記非吐出溝又は前記吐出溝のいずれか一方の側に前記樹脂膜を残し、他方の側から前記樹脂膜を除去する液体噴射ヘッドの製造方法。
  10. 前記溝形成工程は、前記吐出溝を前記アクチュエータ基板の一方端から他方端の手前まで形成する工程であり、
    前記アクチュエータ基板の表面にカバープレートを接合するカバープレート接合工程と、
    前記アクチュエータ基板の端面にノズルプレートを接着するノズルプレート接着工程と、を更に備える請求項9に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
  11. 前記アクチュエータ基板の裏面にカバープレートを接合するカバープレート接合工程と、
    前記アクチュエータ基板の表面にノズルプレートを接着するノズルプレート接着工程と、を更に備え
    前記溝形成工程は、前記アクチュエータ基板に前記吐出溝を形成する吐出溝形成工程と、前記アクチュエータ基板に前記非吐出溝を形成する非吐出溝形成工程を含み、
    前記吐出溝形成工程の後に前記カバープレート接合工程を行い、前記樹脂膜パターン形成工程の後に前記非吐出溝形成工程を行う請求項9に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
  12. 前記樹脂膜パターン形成工程は、前記隔壁領域のうち、前記非吐出溝の側に前記樹脂膜を残し、前記吐出溝の側から前記樹脂膜を除去する請求項9〜11のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
  13. 前記アクチュエータ基板の表面から前記樹脂膜を除去して、前記吐出溝及び前記非吐出溝の側面に駆動電極を形成し、前記アクチュエータ基板の表面に、前記吐出溝の両側面に位置する前記駆動電極と電気的に接続する共通端子と、前記吐出溝を挟む2つの前記非吐出溝の前記吐出溝の側の側面に位置する前記駆動電極と電気的に接続する個別端子とを形成する樹脂膜除去工程を、更に含む請求項12に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
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