JP2007276151A - インクジェットプリンタヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 高密度ノズル配列のインクジェットプリンタヘッドを実現するにあたって、吐出効率低下の問題、クロストークに関わる問題などを改善し、さらに繰り返し吐出を行った場合にも亀裂発生などの耐久性に関わる問題のないインクジェットヘッドを提供することである。
【解決手段】 複数の加圧室３、ノズル１０、圧電／電歪アクチュエータ７を有するインクジェットヘッドにおいて、前記加圧室３の壁のうち振動領域８を形成する壁が加圧室形成基板第一面９側にあり、隣り合う圧電／電歪アクチュエータ７の振動領域８の境界の領域に加圧室３の長手方向と平行な溝１２が形成され、前記溝１２の長手方向の側壁１３が形成する面と加圧室形成基板第一面９のなす角度が１００度以上１４５度以下である構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ベンディングモードの圧電／電歪アクチュエータを備えた複数のノズルを有するインクジェットプリンタヘッドに関する。

インクジェットプリンタは低騒音、容易なメンテナンス、高印字品質、低価格など優れた特徴を持ち、近年、パーソナルコンピュータの出力装置として急速に普及している。インクジェットプリンタはインク中に圧力波を発生させ、それを利用してインクの吐出を行うものである。圧力波の発生方式には、主に、インク中での発熱素子による発泡を利用するもの、圧電／電歪アクチュエータ、静電アクチュエータなど変位素子の振動を利用するものが知られている。変位素子による方式では、通常、共通インクタンクから各加圧室へインクを供給し、加圧室に設けられた振動板の振動領域を変位素子で駆動して吐出圧力を発生し、加圧室に連通するノズルからインク吐出を行う。

本発明の関わる圧電／電歪アクチュエータを備えたインクジェットプリンタヘッドにおいては、近年、印字画像の高精細化、印字速度の向上を目的として高密度なノズル配列を有するプリンタヘッドの開発が盛んに進められている。これに伴なって幾つかの問題が発生し、その解決が熱望されている。

まずひとつは、高密度化により加圧室の幅が狭くなったことで振動板の各加圧室ごとの振動領域の幅も狭くなり、従来のインクジェットプリンタヘッドに比べて圧電／電歪アクチュエータの変位量、すなわち加圧室の体積変化量が低下し、大きな吐出圧力を得にくくなった。これにより、インク滴の吐出効率も低下し、インク滴径の制御も困難になった。

次に、隣接する加圧室を隔てる隔壁の厚みも薄くなっており、弊害として、隣接するインク室から不必要な圧力波が隔壁を通して伝播する問題、いわゆるクロストークの問題が悪化している。この結果、吐出すべきでない隣接ノズルからインクがあふれ出てノズル口周辺に残留し、その後のインク吐出を妨げたり、吐出方向を乱したりする問題がある。

さらに、隣接する圧電／電歪アクチュエータを同時に駆動した場合と、単独で駆動した場合とでは加圧室側壁の変形状態が大きく異なるようになり、その結果、同時駆動時においては振動板の変位量が低下して安定せず、インク滴の吐出速度や液滴径のばらつきを招いている。

このような問題を改善する方法として、以下のような提案が見られる。

特許文献１には複数のノズルと各ノズルにそれぞれ連通する加圧室を有するインク流路を形成した基板と、該基板上に接合された振動板と、該振動板上に接着された圧電素子とを備えたインクジェットヘッドにおいて、前記振動板の、前記加圧室間境界部より前記加圧室内側に若干逃げた位置に、前記振動板の厚さ以内の溝を設けたことを特徴とするインクジェットヘッドが開示されている。しかし、特許文献１に開示されたインクジェットヘッドは、溝を設けないヘッドと比較して隣接する加圧室間のクロストークの低減およびインク吐出効率の向上の効果が見られるが、その程度は小さく不充分であった。

特許文献２においてはより大きな改善効果を得るために、各加圧室を分離する側壁に加圧室の長手方向に沿った溝を振動板から側壁に達する深さに設けたことを特徴とするインクジェットヘッドが開示され、特許文献１と比較して、より深い溝を有するヘッドが提案されている。また、特許文献３においても、加圧室を設けたセラミック基板もしくは積層したセラミック基板上に、電極膜及び圧電／電歪膜から成る圧電／電歪作動部を焼成一体化し、もしくは電極膜及び圧電／電歪膜をそれぞれ順次焼成一体化しながら積層して設けた圧電／電歪膜型素子において、セラミック基板もしくは積層したセラミック基板の加圧室側壁部表面から、振動板の厚さより深い適宜長さの少なくとも１本以上の溝を、前記加圧室側壁に沿って、かつ、その側壁内壁面から適宜間隔を隔ててそれぞれ形成したことを特徴とする圧電／電歪膜型素子が開示されている。これらのインクジェットヘッドにおいては、側壁に深い溝を設ける事で各加圧室を隣接する加圧室から分断することにより、インク滴の吐出効率の低下の問題、クロストークの問題、隣接する加圧室のアクチュエータを同時に駆動した際の吐出インク滴のばらつきの問題をより改善することができた。しかしながら、側壁が変形したときに溝底部に応力が集中し易くなり、繰り返し吐出を行った場合、耐久疲労によって溝底部を起点とした亀裂が発生する問題があった。

さらに特許文献４においては、複数のインク室を区画する隔壁が形成されたインク室形成基板と、このインク室形成基板の一方の面を封止し、前記インク室に対応して圧電素子が形成された振動板と、前記インク室形成基板の他方の面を封止する封止基板とからなり、前記圧電素子と前記振動板と前記インク室形成基板と前記封止基板がセラミックスの焼成により一体で形成されており、前記振動板と前記インク室の隔壁とを貫通して前記封止基板に達する深さに溝が設けられていることを特徴とするインクジェットヘッドが開示されている。このインクジェットヘッドは、アクチュエータ駆動時の側壁底部近傍の変形が小さく耐久時の亀裂の発生はかなり改善される。しかしながら、加圧室側壁の厚みが、全面に渡って半分以下となるため、加圧室の剛性が大きく低下する。その結果、アクチュエータの駆動により発生した吐出圧力の加圧室壁面への吸収が大きくなり、インク吐出効率の低下が著しい。このためな高密度ノズル配列を有するインクジェットプリンタヘッドの実現が困難であった。
特開平2-187352号公報 特開平6-115070号公報 特開平6-350155号公報 特開平7-156398号公報

本発明のインクジェットプリンタヘッドにおける課題は、高密度ノズル配列のインクジェットプリンタヘッドを実現するにあたって、吐出効率低下の問題、クロストークの問題、隣接する加圧室のアクチュエータを同時に駆動した時の吐出速度や液滴径のばらつきの問題をより改善するとともに、充分な加圧室の剛性を持たせることにより、加圧室壁面の吸収による吐出圧力の損失も少なく、さらに、繰り返し吐出を行った時にも、亀裂発生などの耐久性に関わる問題のないインクジェットヘッドを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明のインクジェットプリンタヘッドは、加圧室形成基板内に少なくともその一部分が設けられ、かつ、規則的に配列した複数の細長い加圧室と、前記加圧室それぞれに連通する複数のノズルと、前記加圧室それぞれに独立して作用する複数の圧電／電歪アクチュエータを有するインクジェットヘッドにおいて、前記加圧室の壁のうち振動領域を形成する壁が加圧室形成基板第一面側にあり、前記圧電／電歪アクチュエータが少なくとも前記振動領域と圧電／電歪膜と複数の電極から構成され、さらに、隣り合う振動領域の境界の領域に加圧室の長手方向と平行な溝が形成され、前記溝の長手方向の側壁が形成する面と加圧室形成基板第一面のなす角度が１００度以上１４５度以下であることを特徴とする。

このように溝を形成して、溝の長手方向の側壁が形成する面と加圧室形成基板第一面のなす角度が１００度以上１４５度以下の範囲にすることにより、加圧室側壁の著しい剛性の低下を招くことなく、各加圧室に設けられた圧電／電歪アクチュエータの変位量を増加してインク滴の吐出効率が向上すると同時に、クロストークを原因とする隣接する加圧室のノズルの吐出不能や吐出方向の乱れの問題、隣接する圧電／電歪アクチュエータを同時に駆動した場合のインク敵の吐出速度や液滴径がばらつく問題を改善することができる。

溝の長手方向の側壁が形成する面と加圧室形成基板第一面のなす角度が１００度未満だと側壁の剛性が溝の底部近傍から溝開口部近傍に渡って広い領域で低下するため、インク吐出時に吐出圧力の損失が大きくなり、充分な吐出速度が得られず、吐出インク滴の制御も困難になる。１４５度よりも大きいと溝の深さに比べて開口幅が大きくなりノズルを高密度に配列したインクジェットヘッドの設計が困難になる。より好ましくは１０５度以上１３０度以下である。

本発明のインクジェットプリンタヘッドは、前記振動領域の少なくとも一部を構成する薄膜が前記加圧室形成基板の第一面に形成されていることが好ましく、さらに、前記薄膜が前記溝内部に渡るように形成されていることが好ましい。

このように、加圧室形成基板以外の振動領域により適した材料で薄膜を形成することにより圧電／電歪アクチュエータの効率をさらに改善することができる。また、薄膜が振動領域のみでなく、振動領域の境界に位置する溝の内部にも渡るように形成されていることで圧電／電歪アクチュエータの耐久性が向上する。

以上説明したように、本発明によれば、吐出効率低下の問題、クロストークの問題、隣接加圧室のアクチュエータを同時駆動した時に吐出効率が低下したり、液滴の吐出速度、液滴径が不安定になる問題を改善することができ、さらに加圧室側壁が十分な剛性を持つことにより発生の圧力波の損失が少なく、繰り返し吐出を行った際にも亀裂の発生しにくい効果が得られる。これにより、高密度ノズル配列のインクジェットプリンタヘッドの実現が可能となる。

次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第一の実施の形態の構成を示す断面図である。１は加圧室３が形成された加圧室形成基板である。加圧室は図の横方向に配列する様に形成されており、各加圧室は紙面に垂直な方向に細長い形状となっている。加圧室の幅は好ましくは２００μｍ〜１５μｍであり、より好ましくは１５０μｍ〜２５μｍである。加圧室が隣接して形成されるピッチは好ましくは３００μｍ〜３０μｍであり、より好ましくは２００μｍ〜５０μｍである。加圧室の長さは好ましくは５０ｍｍ〜２００μｍである。加圧室形成基板の第一面９である上側の面には加圧室形成基板の一部である振動領域８、下部電極４、圧電／電歪膜５、上部電極６から構成される圧電／電歪アクチュエータ子７が形成されている。圧電／電歪アクチュエータはユニモルフ、バイモルフなどベンディングモードのものであればよく、電極の構成や、圧電／電歪膜の自発分極の方向も特に限定されるものではない。圧電／電歪膜はスパッタ法、化学蒸着法などの気相法、ゾルゲル法、水熱法などの液層法、圧電／電歪ペーストのスクリーン印刷などにより形成される。

加圧室形成基板の隣り合う振動領域の境界領域には紙面と垂直な方向に延びる溝１２が形成されている。前述のように、本発明は溝の長手方向の側壁１３が形成する面と加圧室形成基板第一面９のなす角度は１００度以上１４５度以下であることを特徴とする。より好ましくは１０５度以上１３０度以下である。

２はノズル板であり加圧室形成基板の各加圧室３に対応するようにノズル１０が設けられている。図１においてノズル板は加圧室形成基板の下側の面である第二面１１に接合されているが、加圧室形成基板の端面にノズル板を接合してノズルと加圧室が対応するように形成されていても良い。加圧室形成基板あるいはノズル板には共通インク室、共通インク室から各加圧室へ連通するインク経路が形成される。

本発明に用いる加圧室基板、ノズル板などの構造材料は特に限定されないが、単結晶シリコン、多結晶シリコン、ステンレス、アルミニウムなどの金属、アルミナ、ムライト、ジルコニア、サイアロン、ベリリア、コージエライト、マグネシア、ステアタイト、石英、部分安定化ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウムなど、多結晶体あるいは単結晶体であるセラミックス（金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物）、ポリイミド、ポリアラミド、ポリフェニルフェニレン、ポリオキシメチレン、エポキシ樹脂など有機高分子化合物、ガラス、ガラスセラミックス、感光性ガラスなどが挙げられる。特に、加圧室形成基板としては、シリコン単結晶基板が好ましい。シリコン基板を用いた場合には半導体プロセスを用いて圧電アクチュエータの駆動回路を形成することも可能である。

加圧室、流路、共通インク室、ノズルなどの加工方法は、特に限定されないが、サンドブラスト、異方性、異方性のウエットエッチングあるいはドライエッチング、具体的には反応性イオンエッチング、ＩＣＰプラズマエッチング、いわゆるボッシュプロセス、アドバンストシリコンエッチングプロセス（ＴＭ）、二フッ化キセノンを用いたシリコンの等方性エッチング、レーザーアシストエッチング、感光性樹脂を用いた光造形、また光造形を利用したセラミックス構造体、ＬＩＧＡプロセス、放電加工、YAGレーザーによる加工、レーザーアブレーション、イオンミリング、ダイシングブレードによる加工などなどがあげられる。

図４あるいは図５に示すように振動領域を形成するための振動板を加圧室形成基板の第一面にスパッタ法、化学蒸着法などの気相法、ゾルゲル法などの液層法、セラミックペーストのスクリーン印刷、電鋳などを用いて形成しても良い。振動板の厚みは10μ〜０．１μが好ましく、振動板の材質はYSZ、金属、ニッケル、クロム、アルミニウム、チタン、などの金属、合金、プラスチック、セラミック、ジルコニア、窒化ケイ素、サイアロン、炭化ケイ素、ダイヤモンドなどが挙げられる。

吐出液体はインクに限定されるものではなく、たとえば、機能性物質を分散したものやDNA溶液でも良い。

（実施例１）
加圧室形成基板として２００ミクロン厚の１００配向のシリコン単結晶基板を用いた。加圧室間の隔壁となる位置に溝を形成するために、酸化膜をパターニングしてマスクとし水酸化カリウム水溶液を用いてウエットエッチングを行った。複数の溝が基板の第一面に８５ミクロンピッチで形成され、溝の深さは約２０ミクロン、開口部は約２８ミクロン幅、基板の第一面と溝の側壁のなす角度は１２５度であった。

さらに、基板の第一面に共通電極として０．１ミクロン厚の白金膜をスパッタ法で成膜し、３ミクロン厚のチタン酸ジルコン酸鉛の単結晶膜をスパッタ法で成膜し、０．１ミクロン厚の各加圧室に対応する個別電極を形成した。

加圧室基盤の第一面の裏面である第二面からドライエッチングにより加圧室と共通インク室と共通インク室から各加圧室へ連通する経路を形成した。加圧室の幅は５０μｍとし加圧室上部には振動領域として３μｍのシリコンの壁を残した。各加圧室に対応する位置に２５ミクロンφのノズルを形成したシリコン基板をノズル基板とし、これを加圧室基板の第二面に金蒸着膜を中間層として接合した。

（実施例２）
加圧室形成基板として２００ミクロン厚の１００配向のシリコン単結晶基板を用いた。加圧室形成基板の第一面に、レジストでパターニングして、８５ミクロンピッチで開口部幅３０ミクロンの溝を異方性ドライエッチングを用いて、基板の第一面とのなす角度が１００度となるように形成した。以下、実施例１と同様にしてインクジェットヘッドを作成した。

（実施例３〜実施例５）
実施例２と同様にして溝の側壁と加圧室基板の第一面なす角度が１０５度、１３０度および１４５度となるようにして、それぞれ実施例３〜実施例５のインクジェットヘッドを作成した。

（実施例６）
加圧室基板として２００ミクロン厚の１００配向のシリコン単結晶基板を用い、加圧室形成基板の第一面に振動領域を形成するため５ミクロンのジルコニア薄膜を形成した後、レジストを用いてパターニングして、８５ミクロンピッチで開口部幅３０ミクロンの溝を異方性ドライエッチングで基板の第一面となす角度が１２０度となるようにして溝を形成した。次にジルコニア薄膜の上に実施例１と同様にして圧電／電歪アクチュエータを形成した。さらに加圧室形成基板第２面からドライエッチングにより加圧室と共通インク室と共通インク室へ連通する経路を形成した。加圧室の幅は５０ミクロンとし加圧室上部には振動領域としてジルコニア薄膜５ミクロンの壁を残した。以下、実施例１と同様にしてノズル基板を作成し、加圧室基板と接合しての実施例６のインクジェットヘッドを作成した。図４に実施例６のヘッドの略断面図を示す。

（実施例７）
加圧室基板として２００ミクロン厚の１００配向のシリコン単結晶基板を用い、基板の第一面にレジストをパターニングし、異方性ドライエッチングにより８５ミクロンピッチで複数の溝を形成した。このとき、溝の開口部幅が３０ミクロン、溝の側壁と加圧室形成基板第一面のなす角度が１２０度となるようにした。この溝を設けた加圧室形成基板の第一面の加圧室を形成する領域に溝内部にも渡るようにジルコニア薄膜をスパッタリングにより形成した。ついで実施例６と同様にして圧電／電歪アクチュエータを形成し、流路、共通インク室、加圧室形成基板を形成し、ノズル基板を接合し実施例７のインクジェットヘッドを作成した。図５に実施例７のヘッドの略断面図を示す。

（比較例１〜比較例２）
実施例２と同様にして溝の側壁と加圧室基板の第一面なす角度が９５度および１５０度となるようにして、それぞれ比較例１〜２のインクジェットヘッドを作成した。

（比較例３〜比較例４）
加圧室形成基板第一面に溝の側壁と加圧室基板の第一面なす角度を直角とし、深さ約２０ミクロン、幅約２０ミクロンの溝を形成した。それ以外は実施例２と同様にして比較例３のインクジェットヘッドを作成した。図２に比較例３のヘッドの略断面図を示す。ついで、溝の幅を１０ミクロンにした以外は比較例３と同様にして比較例４のインクジェットヘッドを作成した。図３に比較例４のヘッドの略断面図を示す。

（比較例５）
溝を設けることなしに実施例１と同様にして比較例５のインクジェットヘッドを作成した。

（比較例６）
比較例５と同様のインクジェットプリンタヘッドを用意して加圧室形成基板第一面の隣接する振動領域の境界領域にＹＡＧレーザを用いてノズル板に達する深さの溝を設けた。溝の側壁と加圧室基板の第一面なす角度は９０〜９３度であった。これを比較例６のインクジェットプリンタヘッドとした。

実施例１〜実施例７および比較例１〜比較例６のインクジェットプリンタヘッドを用いてについて３０Vの駆動電圧でインク吐出試験を行いインク滴の吐出速度を測定した。さらに両隣のノズルを同時に吐出しして、単独で吐出した場合と比較して吐出速度の低下する割合を測定した。実施例のインクジェットプリンタヘッドでは大きな吐出速度が得られており、特に溝の側壁と加圧室基板の第一面なす角度が１０５度以上１３０度以下であるものは１７ｍ／ｓ以上であった。隣接のノズルと同時に駆動した場合にも吐出速度の低下は７％以下であり小さかった。次に、連続印刷耐久試験を行い、所定枚数ごとに吐出速度を測定して、初期の状態から３％低下するまでに要する印刷枚数を調べた。実施例のプリンタヘッドは充分な耐久性を有することが判明した。特に、実施例７のヘッドの耐久性が優れていた。これらの結果を表１に示す。

本発明のインクジェットプリンタヘッドの第一の実施の形態の構成を示す断面図である。 従来のインクジェットプリンタヘッドの構成を示す断面図である。 従来のインクジェットプリンタヘッドの構成を示す断面図である。 本発明のインクジェットプリンタヘッドの第二の実施の形態の構成を示す断面図である。 発明のインクジェットプリンタヘッドの第三の実施の形態の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 加圧室形成基板
２ ノズル板
３ 加圧室
４ 下部電極
５ 圧電／電歪膜
６ 上部電極
７ 圧電／電歪アクチュエータ
８ 振動領域
９ 加圧室形成基板の第一面
１０ ノズル
１１ 加圧室形成基板の第二面
１２ 溝
１３ 溝の長手方向の側壁

Claims (4)

1. 加圧室形成基板内に少なくともその一部分が設けられ、かつ、規則的に配列した複数の細長い加圧室と、前記加圧室それぞれに連通する複数のノズルと、前記加圧室それぞれに独立して作用する複数の圧電／電歪アクチュエータを有するインクジェットヘッドにおいて、前記加圧室の壁のうち振動領域を形成する壁が加圧室形成基板第一面側にあり、前記圧電／電歪アクチュエータが少なくとも前記振動領域と圧電／電歪膜と複数の電極から構成され、さらに、隣り合う振動領域の境界の領域に加圧室の長手方向と平行な溝が形成され、前記溝の長手方向の側壁が形成する面と加圧室形成基板第一面のなす角度が１００度以上１４５度以下であるインクジェットプリンタヘッド。
2. 前記溝の長手方向の側壁が形成する面と加圧室形成基板第一面のなす角度が１０５度以上１３０度以下である請求項１に記載のインクジェットプリンタヘッド。
3. 前記振動領域の少なくとも一部を構成する薄膜が前記加圧室形成基板の第一面に形成されている請求項１あるいは請求項２に記載のインクジェットプリンタヘッド。
4. 前記薄膜が前記溝内部に渡るように形成されている請求項３に記載のインクジェットプリンタヘッド。

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