JPH11227202A

JPH11227202A - 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

Info

Publication number: JPH11227202A
Application number: JP5438198A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Kitahara; 強北原
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-02-19
Filing date: 1998-02-19
Publication date: 1999-08-24
Anticipated expiration: 2018-02-19
Also published as: JP3649268B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ノズル開口から離れた面に形成される圧力発
生室からの気泡の排除性を高めること。【解決手段】ノズル連通孔１０がノズル開口９に拡開
するように形成して、ノズルプレート８に負圧に作用さ
せた場合に、ノズル連通孔１０によりインクの流速が増
大して、第１の圧力発生室３に停滞している気泡Ｂをノ
ズル開口側の第２の圧力発生室４に速やかに移動させて
排除できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力発生室を構成
する弾性板を圧電振動子により弾性変形させて、圧力発
生室のインクをノズル開口からインク滴として吐出させ
るインクジェット式記録ヘッド、より詳細には流路形成
基板の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット式記録ヘッドは、共通の
インク室とノズル開口に連通する圧力発生室を、圧力発
生手段、例えば圧力発生室に設けられた発熱素子や、圧
力発生室の一部を変形させることができるように設けら
れた圧電振動子等により加圧してインク滴を吐出させる
ように構成されている。たとえば、特開平9-123448号公
報に見られるように基板の両面にそれぞれ凹部からなる
第１、第２圧力発生室を形成し、各圧力発生室にはリザ
ーバと連通する若干絞られた凹部からなる第１、第２イ
ンク供給口を設け、さらにノズル開口に対向する領域に
貫通孔からなるノズル連通孔を形成したものが提案され
ている。

【０００３】これによれば、圧力発生室の容積を小さく
してグラフィック印刷に適した微小なインク滴を吐出さ
せることができるばかりでなく、基板に貫通孔が占める
比率が小さく剛性を確保でき、このため基板の厚みを薄
くできて、エッチング時間の短縮と材料費の節減を図る
ことが可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、基板の
両面に偏平な２つの圧力発生室を形成する関係上、ノズ
ル開口をキャップで封止してノズル開口に外部から負圧
を作用させてインクを強制的に排出させてインク滴の吐
出性能を回復させる際にも、リザーバから圧力発生室に
流入するインクの流速が低下しやすいため、特に圧電振
動子側の圧力発生室、つまりノズル開口から離れた側の
圧力発生室に気泡が停滞しやすい。この気泡は、周知の
ようり圧電振動子による加圧力を吸収するため、インク
滴の吐出能力が低下して印字品質を低下させる。本発明
はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その
目的とするところは、圧力発生室へのインクの供給性の
向上を図りつつ、圧力発生室の気泡の停滞を防止するこ
とができるインクジェット式記録ヘッドを提供すること
である。本発明の第２の目的は、前記インクジェット式
記録ヘッドを備えたインクジェット式記録装置を提供す
ることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このような問題を解消す
るために本発明においては、リザーバと、弾性板に対向
する面に形成された第１のインク供給口と、ノズルプレ
ートに対向する面に形成された第２のインク供給口と、
第１、第２のインク供給口を介して前記リザーバに連通
する第１の圧力発生室、及び第２の圧力発生室と、第
１、第２の圧力発生室を連通させるノズル連通孔とを備
えた流路形成基板と、前記流路形成基板の一方の面を封
止するノズル開口を有するノズルプレートと、前記流路
形成基板の他面を封止する前記弾性板と、前記圧力発生
室を加圧する圧力発生手段とを備えたインクジェット式
記録ヘッドにおいて、前記ノズル連通孔が前記ノズル開
口側に拡開するように形成した。

【０００６】

【作用】ノズルプレートをキャプで封止して負圧に作用
させると、第１の圧力発生室はノズル開口側に拡開する
ノズル連通孔を介してノズル開口に連通しているため、
ノズル連通孔の近傍でのインクの流速が増大し、第１の
圧力発生室に停滞している気泡もノズル開口側の第２の
圧力発生室に速やかに移動できる。

【０００７】

【発明の実施の形態】そこで、以下に本発明の詳細を図
示した実施例に基づいて説明する。図１は、本発明の一
実施例をそれぞれ隣接する圧力発生室の中心線上での断
面構造を示すものであって、図中符号１は、流路形成基
板で、圧電振動子２に対向する領域の両面には図２、図
３に示したように第１、２の圧力発生室３、４がハーフ
エッチングにより浅い凹部として形成されて、圧力発生
室３、４の一側には貫通孔からなるリザーバ５が形成さ
れ、圧力発生室３、４とリザーバ５とはインク供給口
６、７により連通されている。

【０００８】またノズルプレート８のノズル開口９の近
傍には第１の圧力発生室３と第２の圧力発生室４を連通
させる貫通孔からなるノズル連通孔１０が形成されてい
る。このノズル連通孔１０は、圧電振動子側の開口面積
が小さく、またノズル開口側の開口面積が大きく、好ま
しくは両面を滑らかな斜面１０ａで接続するようにノズ
ル開口側に拡開する通孔として形成されている。

【０００９】このような流路形成基板１は、例えばシリ
コン単結晶基板を異方性エッチングして凹部や貫通孔を
形成する方法や、不錆鋼等の金属板をやはりエッチング
加工により凹部や貫通孔を形成する方法により構成する
ことができる。

【００１０】この流路形成基板１は、その第１の圧力発
生室３の側の面を弾性板１１で封止されている。圧力発
生室３のほぼ中央部には圧力発生手段、この実施例では
圧電定数ｄ31の軸方向に伸縮する圧電振動子２が、その
先端を弾性板１１に形成されたアイランド部１２に当接
させて、他端を固定基板１３を介してヘッドフレーム１
４に固定されている。

【００１１】このような構成により、圧電振動子２を駆
動信号により収縮、伸長させることにより、弾性板１１
を弾性変形させて第１の圧力発生室３を膨張、収縮させ
て、リザーバ５のインクを圧力発生室３、４に吸引し、
また圧力発生室３、４のインクを加圧してノズル開口９
からインク滴として吐出させることができる。

【００１２】なお、図中符号１５は外部のインクタンク
のインクをリザーバ５に誘導するインク供給路を、また
符号１６は圧電振動子２に駆動信号を供給するフレキシ
ブルケーブルをそれぞれ示す。

【００１３】この実施例において圧電振動子２に駆動信
号を印加して充電すると、圧電振動子２が収縮して第１
の圧力発生室３の容積が膨張する。第１の圧力発生室３
の膨張により第１、第２のインク供給口６、７を介して
リザーバ５のインクが第１、第２の圧力発生室３、４に
流れ込み、印刷に必要な量のインクを確実に第１、第２
の圧力発生室３、４に供給することができる。

【００１４】ついで、圧電振動子２の電荷を放電させる
と、圧電振動子２が元の状態に伸長して圧力発生室３の
容積を縮小させ、第１、第２の圧力発生室３、４のイン
クが加圧されてノズル連通孔１０を経由してノズル開口
９からインク滴として吐出する。

【００１５】このような印刷動作が長時間継続されてノ
ズル開口９に気泡が付着したり、また第１、第２の圧力
発生室３、４に気泡が侵入した場合には、ノズルプレー
ト８に図示ないキャップ部材を密着させて吸引ポンプの
負圧をノズル開口９に作用させ、ノズル開口９からイン
クを強制的に排出させる。

【００１６】この際、第１の圧力発生室３は、ノズル開
口側に拡開するノズル連通孔１０を介してノズル開口９
に連通しているため、図４に示したようにノズル連通孔
１０の近傍で流速が増大し、第１の圧力発生室３に停滞
している気泡Ｂも第２の圧力発生室４に速やかに移動し
てノズル開口９からに近い位置に集まり、インクの流れ
に乗ってノズル開口９から外部に簡単に排出される。

【００１７】本発明においては、ノズル連通孔１０が断
面台形状に形成されているため、第１の圧力発生室３側
の開口面積を絞って、強制排出時のインクの流速を増速
させて気泡の排除性を向上させる一方、流路抵抗及びイ
ナータンスを低い値に保つことが可能となり、インク滴
吐出後に生じる圧力波を速やかに通過させて、応答速度
の向上とインク滴の吐出安定性を確保することができ
る。

【００１８】なお、上述の実施例においては、拡開部を
単一の斜面により形成しているが、図５に示したように
第２圧力発生室から第１圧力発生室に拡大する斜面１０
ａと、垂直面１０ｂとで形成しても同様の作用を奏す
る。

【００１９】次に、上述した流路形成基板１の製造方法
を、図６、図７に基づいて説明する。ハンドリングの容
易な３００μｍ乃至６００μｍ程度の厚みを有する、面
方位（１１０）のシリコン単結晶基板２０の表面全体に
エッチング保護膜となる酸化シリコン膜２１を熱酸化法
により膜厚１μｍで形成する。さらに、表面にフォトレ
ジスト剤をスピンコート法等により両面に塗布してフォ
トレジスト層２２、２３を形成し、フォトリソグラフィ
技術により貫通孔として形成するリザーバ５、及びノズ
ル連通孔１０となるレジストパターンからなる窓２４、
２４’、２５、２５’を表裏に形成する（図６
（I））。ノズル連通孔１０のパターン２５、２５’
は、ノズル開口寄りとなる端面を一致させてそれぞれの
面に開口すべき面積に合わせ、一方の面（図では上面
側）を大きく形成されている。

【００２０】このようにレジスト層２２、２３にエッチ
ング窓２４、２４’、２５、２５’を形成したシリコン
単結晶基板２０を緩衝フッ酸溶液に浸漬して窓２４、２
４’、２５、２５’に対応したパターンを酸化シリコン
膜２１のハーフエッチング層２６、２６’、２７、２
７’として転写する（図６（II））。

【００２１】ついで、第１、第２の圧力発生室３、４、
及びインク供給口６、７となる領域を露光、現像して両
面に圧力発生室３、４、及びインク供給口６、７のパタ
ーン２８、２８’、２９、２９’を形成し（図６（II
I））、再びシリコン単結晶基板２０を緩衝フッ酸溶液
に浸漬して、前述の工程（II）で形成した酸化シリコン
膜２１のパターン２６、２６’、２７、２７’が消失す
るまでエッチングを行う（図３（VI））。

【００２２】これによりハーフエッチングとして形成す
べき第１、第２の圧力発生室３、４、及び第１、第２の
インク供給口６、７の酸化シリコンのパターン２１、２
１’の一部が残り、また表裏には貫通孔として形成すべ
きリザーバ５、ノズル連通孔１０の異方性エッチング用
の窓３０、３１’、３１、３１’が形成される。そして
ノズル連通孔７の端部よりにＹＡＧレーザー等により先
導用の小径の通孔３２を穿設する。

【００２３】シリコン単結晶基板２１を摂氏８０度に維
持された２０重量％の水酸化カリウム（ＫＯＨ）の水溶
液に浸潰して異方性エッチングを行うと、リザーバ５と
なる領域が窓３０、３０’の全面から徐々にエッチング
され、またノズル連通孔１０となる領域は、先導用の通
孔３２から徐々にエッチングされ、またハーフエッチン
グにより残っていた酸化シリコン膜２１’もエッチング
を受けて消失する（図７（I））。

【００２４】さらにエッチングが進行すると、リザーバ
を形成すべき領域には貫通孔３３が、またノズル連通孔
１０を形成すべき領域には一方の面に拡開し、略面方位
（１１１）の面で区画された貫通孔３４が、さらに圧力
発生室３、４、及びインク供給口６、７を形成すべき領
域には凹部３５、３６が形成される（図７（II））。最
後に酸化シリコン膜２１をエッチングにより除去すると
流路形成基板１が完成する（図７（III））。

【００２５】この実施例のように先導用の貫通孔３２を
形成してから異方性エッチングを実施すると、圧力発生
室の幅よりも幅が小さな貫通孔を形成でき、流路形成基
板１の剛性の低下を可及的に抑えてクロストークの発生
を防止することができる。

【００２６】なお、上述の実施例においては、圧力発生
室３、４の一側からインクを供給する形式のものについ
て説明したが、図８に示したように圧力発生室３、４の
軸方向の他端にもリザーバ５’を設け、インク供給口
６’、７’を介して第２のリザーバ５７からもインクを
供給するものに適用しても同様の作用を奏する。

【００２７】また、上述の実施例においては軸方向に平
行に内部電極と圧電材料を積層した圧電定数ｄ31の圧電
振動子に例を採って説明したが、図９に示したように軸
方向に垂直に内部電極と圧電材料とを交互に積層して構
成された圧電定数ｄ33の圧電振動子４０を用いても同様
の作用を奏することは明らかである。

【００２８】また、上述の実施例においては、上述の実
施例においては弾性板１１に対して垂直方向に加圧する
圧電振動子２を用いた場合に例を採って説明したが、図
１０に示したように弾性板１１の表面に、必要に応じ
て、つまり弾性板が非導電材料で形成されている場合に
は下電極４１を形成した上で、その表面に圧力発生室３
と対向する位置に圧電材料のスパッタリングや、また圧
電材料のグリーンシートの貼着等により圧電体層４２を
形成し、さらにその表面に上電極４３を形成し、圧電体
層４２をたわみ変位させて圧力発生室３の領域だけを選
択的に変形させても同様の作用を奏することは明らかで
ある。

【００２９】さらに、上述の実施例においては単一の板
材をエッチングにより凹部や貫通孔を形成して圧力発生
室やリザーバ、ノズル連通孔等を作り付ける場合につい
て説明したが、図１１（イ）に示したように流路形成基
板１を厚み方向に少なくとも４層、この実施例では５層
に分割し、流路形成基板１のリザーバ５や、ノズル連通
孔１０を構成する貫通孔５０、５１、５２、５３、５
４、５５、５６、５７、５８、５９、及び第１、第２の
圧力発生室３、４、第１、第２のインク供給口６、７を
形成する凹部となる貫通孔６０、６１を形成したフィル
ム６２、６３、６４、６５、６６を用意する。

【００３０】そして、これらフィルム６２〜６６を図１
１（ロ）に示したように積層、密着させることにより、
第１、第２の圧力発生室６７、６８、リザーバ６９、第
１、第２のインク供給口７０、７１、及びノズル連通孔
７２を構成することができる。このようなフィルム６２
〜６６には、例えば感光性ドライフィルムを使用する
と、露光作業とエッチングにより簡単に所望の形状の貫
通孔を高い精度で形成でき、かつ自己溶着性により密着
するため最適な材料となる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
リザーバと、弾性板に対向する面に形成された第１のイ
ンク供給口と、ノズルプレートに対向する面に形成され
た第２のインク供給口と、第１、第２のインク供給口を
介してリザーバに連通する第１の圧力発生室、及び第２
の圧力発生室と、第１、第２の圧力発生室を連通させる
ノズル連通孔とを備えた流路形成基板と、流路形成基板
の一方の面を封止するノズル開口を有するノズルプレー
トと、流路形成基板の他面を封止する弾性板と、圧力発
生室を加圧する圧力発生手段とを備えたインクジェット
式記録ヘッドにおいて、ノズル連通孔がノズル開口側に
拡開するように形成したので、ノズルプレートをキャッ
プで封止して負圧に作用させると、ノズル開口側に拡開
するノズル連通孔によりノズル連通孔の近傍でインクの
流速を増大させて、第１の圧力発生室に停滞している気
泡をノズル開口側の第２の圧力発生室に速やかに移動さ
せて確実に排除することができる。

【００３２】また、ノズル連通孔の流路抵抗及びイナー
タンスを低い値に保つことができるため、インク滴吐出
後に生じる圧力波を速やかに通過させて、応答速度とイ
ンク滴の吐出安定性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図（イ）（ロ）は、それぞれ本発明の一実施例
を、それぞれ隣接する圧力発生室の中心線での断面構造
で示す図である。

【図２】同上記録ヘッドを構成する流路形成基板の一実
施例を示す斜視図である。

【図３】図２におけるＡ−Ａ線における断面図である。

【図４】インク吸引時におけるインクの流れを示す図で
ある。

【図５】本発明の他の実施例を、流路形成基板の構造で
示す断面図である。

【図６】図（I）乃至（IV）は、それぞれ流路形成基板
の製造工程の内、前半の工程を示す図である。

【図７】図（I）乃至（III）は、ぞれぞれ流路形成基板
の製造工程の内、後半の工程を示す図である。

【図８】本発明の他の実施例を示す断面図である。

【図９】図は、本発明の他の実施例を示す図である。

【図１０】図は、本発明の他の実施例を示す図である。

【図１１】図（イ）、（ロ）は、それぞれ流路形成基板
を複数の板材を積層して構成する場合の実施例を、板材
の形状と、これを積層した状態を示す図である。

【符号の説明】

１流路形成基板２圧電振動子３第１の圧力発生室４第２の圧力発生室５リザーバ６第１のインク供給口７第２のインク供給口８ノズルプレート９ノズル開口１０ノズル連通孔１１弾性板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】リザーバと、弾性板に対向する面に形成
された第１のインク供給口と、ノズルプレートに対向す
る面に形成された第２のインク供給口と、第１、第２の
インク供給口を介して前記リザーバに連通する第１の圧
力発生室、及び第２の圧力発生室と、第１、第２の圧力
発生室を連通させるノズル連通孔とを備えた流路形成基
板と、前記流路形成基板の一方の面を封止するノズル開
口を有するノズルプレートと、前記流路形成基板の他面
を封止する前記弾性板と、前記圧力発生室を加圧する圧
力発生手段とを備えたインクジェット式記録ヘッドにお
いて、前記ノズル連通孔が前記ノズル開口側に拡開するように
形成されているインクジェット式記録ヘッド。
【請求項２】前記ノズル連通孔の前記ノズル開口側の
開口面積が、前記弾性板側の開口面積よりも大きく形成
されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッ
ド。
【請求項３】前記ノズル連通孔の各面の開口が平面に
より接続されている請求項１に記載のインクジェット式
記録ヘッド。
【請求項４】前記ノズル連通孔の幅が圧力発生室の幅
以下である請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッ
ド。
【請求項５】前記ノズル貫通孔が第１の圧力発生室の
一端と第２の圧力発生室の一端とを連通させる位置に形
成されている請求項１に記載のインクジェット式記録ヘ
ッド。
【請求項６】前記流路形成基板がシリコン単結晶基板
を異方性エッチングにより構成されている請求項１のイ
ンクジェット式記録ヘッド。
【請求項７】前記ノズル貫通孔が略シリコン単結晶基
板の面方位（１１１）により区画されている請求項５に
記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項８】前記シリコン単結晶基板が面方位（１１
０）である請求項６に記載のインクジェット式記録ヘッ
ド。
【請求項９】第１、第２の圧力発生室がシリコン単結
晶基板のハーフエッチングにより形成されている請求項
６に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１０】前記流路形成基板が、厚みが３００μ
ｍ乃至６００μｍのシリコン単結晶基板である請求項６
に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１１】前記流路形成基板が、前記流路形成基
板の厚み方向に少なくとも４枚の層に分割され、各層に
対応する貫通孔が形成された板材を積層して構成されて
いる請求項１に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１２】前記板材が感光性ドライフィルムであ
る請求項７に記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項１３】前記圧力発生手段が、軸方向に伸縮す
る圧電振動子である請求項１に記載のインクジェット式
記録ヘッド。
【請求項１４】前記圧力発生手段が、たわみ変位する
圧電振動子である請求項１に記載のインクジェット式記
録ヘッド。
【請求項１５】前記ノズル開口が前記ノズル連通孔に
対向する位置に設けられている請求項１に記載のインク
ジェット式記録ヘッド。
【請求項１６】リザーバと、弾性板に対向する面に形
成された第１のインク供給口と、ノズルプレートに対向
する面に形成された第２のインク供給口と、第１、第２
のインク供給口を介して前記リザーバに連通する第１の
圧力発生室、第２の圧力発生室と、第１、第２の圧力発
生室を連通させるノズル連通孔を備えた流路形成基板
と、該流路形成基板の一方の面を封止しノズル開口を有
するノズルプレートと、前記流路形成基板の他面を封止
する前記弾性板と、前記圧力発生室を加圧する圧力発生
手段とを備え、前記ノズル連通孔が前記ノズル開口側に
拡開するように形成されているインクジェット式記録装
置と、第１、第２の圧力発生室に侵入した気泡を前記ノズル開
口から吸引するキャップ手段を備えたインクジェット式
記録装置。