JP2013116565A - 液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体噴射時のクロストークを防止することが可能な液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置を提供する。
【解決手段】ノズル２３が複数開設されたノズル形成基板１５は、液体が噴射される側とは反対側の面に、圧力室基板１４における隣り合う圧力室２０同士を区画する隔壁３７の一方の端部（下端部）が嵌合される溝部４１を有し、当該溝部に圧力室基板の隔壁の一方が嵌合する状態で圧力室基板とノズル形成基板とが接着剤４０により接合された。
【選択図】図３

Description

本発明は、インクジェット式記録装置などの液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッド、および、これを搭載する液体噴射装置に関し、特に、ノズルに連通する圧力室の一部を構成する作動面を変形させることで当該圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることによりノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置に関するものである。

液体噴射装置は、液体を液滴としてノズルから噴射可能な液体噴射ヘッドを備え、この液体噴射ヘッドから各種の液体を噴射する装置である。この液体噴射装置の代表的なものとして、例えば、インクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッドという）を備え、この記録ヘッドのノズルから液体状のインクをインク滴として噴射させて記録を行うインクジェット式記録装置（プリンター）等の画像記録装置を挙げることができる。また、この他、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターに用いられる色材、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイに用いられる有機材料、電極形成に用いられる電極材等、様々な種類の液体の噴射に液体噴射装置が用いられている。そして、画像記録装置用の記録ヘッドでは液状のインクを噴射し、ディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドではＲ（Red）・Ｇ（Green）・Ｂ（Blue）の各色材の溶液を噴射する。また、電極形成装置用の電極材噴射ヘッドでは液状の電極材料を噴射し、チップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッドでは生体有機物の溶液を噴射する。

上記のプリンターに搭載される記録ヘッドは、インクカートリッジ等のインク供給源からのインクを圧力室（圧力発生室）に導入し、圧電素子等の圧力発生手段を作動させることで圧力室の上部開口を封止する作動面を変形させて当該圧力室内のインクに圧力変動を生じさせ、この圧力変動を利用して圧力室内のインクをノズルからインク滴として噴射するように構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。このような記録ヘッドでは、記録画像の画質向上に対応するべく、複数のノズルを高密度に配設している。これにより、各ノズルに連通している圧力室も高い密度で形成されており、その結果、隣り合う圧力室やその他の流路同士を区画する隔壁は非常に薄くなる傾向にある。

特開２０１１−１９４７８３号公報

ここで、例えば、あるノズルからインクを噴射する際に、圧力発生手段の駆動による圧力室内のインクの圧力変動に伴って、隔壁が隣の圧力室側に撓む可能性がある。この点に関し、圧力室を形成している基板と、当該基板に積層されて圧力室の底部を区画する部材、例えば、ノズルプレートと、を接着剤によって接合する構成では、インクによっては接着剤が膨潤して接合力が低下する場合がある。この場合、圧力室の隔壁の下端の固定力が低下する。そして、ノズルからインクを噴射させる際に圧力室内に圧力変動が生じたときに当該圧力によって当該隔壁が撓みやすくなり、その分だけ圧力損失が発生する。その結果、インク滴の飛翔速度の低下やインク滴量の減少等、インク滴の噴射特性が変化するクロストークが発生する虞がある。

なお、このような問題は、インクを噴射する記録ヘッドを搭載したインクジェット式記録装置だけではなく、複数の圧力室を、間に隔壁を隔てて有し、圧力室の開口面を封止する作動面を圧電素子によって変形させることで圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることによりノズルから液体を噴射させる他の液体噴射ヘッドおよび液体噴射装置においても同様に存在する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、液体噴射時のクロストークを防止することが可能な液体噴射ヘッド、および、液体噴射装置を提供することにある。

本発明の液体噴射装置は、上記目的を達成するために提案されたものであり、ノズルに連通する圧力室を隔壁によって複数区画した圧力室基板と、
前記圧力室内の液体に圧力変動を生じさせる圧力発生手段と、
前記圧力室基板に接合されて前記圧力室の底部を区画する底部材と、
を備え、前記圧力発生手段を駆動させることで前記圧力室に連通するノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドであって、
前記底部材は、前記圧力室基板における隔壁の一方が嵌合される嵌合部を有し、
当該嵌合部に前記隔壁の一方が嵌合する状態で前記圧力室基板と前記底部材とが接合されたことを特徴とする。

本発明によれば、圧力室同士を区画する隔壁の一方が嵌合部に嵌合することで、当該隔壁の一方の端部の動きが嵌合部によって規制される。これにより、圧力室内に圧力変動が生じたときに隔壁が変形することが抑制される。これにより、液体噴射時の圧力損失が低減され、隣接するノズル間におけるクロストークが抑制される。すなわち、噴射特性（ノズルから噴射される液体の量や飛翔速度）の変動を抑制することができる。

また、上記構成において、前記嵌合部は、前記底部材の前記圧力室側の面から反対側の面に向けて途中まで窪んだ溝部から成り、
当該溝部に前記隔壁の一方が嵌合した構成を採用することができる。

また、上記構成において、前記嵌合部は、前記底部材の前記圧力室側の面から突出したリブから成り、
前記隔壁の一方が、当該隔壁の両側に位置する一対のリブの間に嵌合された構成を採用することができる。

また、本発明の液体噴射装置は、上記何れかの構成の液体噴射ヘッドを備えたことを特徴とする。

プリンターの構成を説明する斜視図である。 記録ヘッドの構成を説明する図である。 記録ヘッドの要部拡大断面図である。 ノズル形成基板に対するノズルおよび溝部の形成工程について説明する模式図である。 第２の実施形態について説明する記録ヘッドの要部拡大断面図である。 第３の実施形態について説明する記録ヘッドの要部拡大断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下においては、本発明の液体噴射装置として、液体噴射ヘッドの一種である記録ヘッド２を搭載したインクジェット式記録装置（以下、プリンター１）を例に挙げて説明する。

図１はプリンター１の構成を示す斜視図である。このプリンター１は、記録ヘッド２が取り付けられると共に、液体供給源の一種であるインクカートリッジ３が着脱可能に取り付けられるキャリッジ４と、記録動作時の記録ヘッド２の下方に配設されたプラテン５と、キャリッジ４を記録紙６（記録媒体および着弾対象の一種）の紙幅方向、即ち、主走査方向に往復移動させるキャリッジ移動機構７と、主走査方向に直交する副走査方向に記録紙６を搬送する紙送り機構８と、を備えている。

キャリッジ４は、主走査方向に架設されたガイドロッド９に軸支された状態で取り付けられており、キャリッジ移動機構７の作動により、ガイドロッド９に沿って主走査方向に移動するように構成されている。キャリッジ４の主走査方向の位置は、リニアエンコーダー１０によって検出され、その検出信号、即ち、エンコーダーパルスが図示しないプリンターコントローラーに送信される。リニアエンコーダー１０は位置情報出力手段の一種であり、記録ヘッド２の走査位置に応じたエンコーダーパルスを、主走査方向における位置情報として出力する。このため、プリンターコントローラーは、受信したエンコーダーパルスに基づいてキャリッジ４に搭載された記録ヘッド２の走査位置を認識できる。即ち、例えば、受信したエンコーダーパルスをカウントすることで、キャリッジ４の位置を認識することができる。これにより、プリンターコントローラーはこのリニアエンコーダー１０からのエンコーダーパルスに基づいてキャリッジ４（記録ヘッド２）の走査位置を認識しながら、記録ヘッド２による記録動作を制御することができる。

キャリッジ４の移動範囲内における記録領域よりも外側の端部領域には、キャリッジの走査の基点となるホームポジションが設定されている。本実施形態におけるホームポジションには、記録ヘッド２のノズル形成面（ノズル形成基板１５：図２参照）を封止するキャッピング部材１１と、ノズル形成面を払拭するためのワイパー部材１２とが配置されている。そして、プリンター１は、このホームポジションから反対側の端部へ向けてキャリッジ４が移動する往動時と、反対側の端部からホームポジション側にキャリッジ４が戻る復動時との双方向で記録紙６上に文字や画像等を記録する所謂双方向記録が可能に構成されている。

図２は、本実施形態の記録ヘッド２の構成を示す図であり、（ａ）は記録ヘッド２の平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ′線断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ′線断面図である。なお、図２（ｃ）では保護基板１９の図示が省略されている。また、図２ではノズル４つ分の構成を例示しているが、残りの他のノズルに対応する構成も同様である。本実施形態における記録ヘッド２は、圧力室基板１４、ノズル形成基板１５、弾性体膜１６、絶縁体膜１７、圧電素子１８、及び、保護基板１９等を積層して構成されている。

圧力室基板１４は、例えば、シリコン単結晶基板から成る板材である。この圧力室基板１４には、複数の圧力室２０が、隔壁３７を間に挟んでその幅方向（ノズル列方向（第１の方向））に並設されている。圧力室基板１４の圧力室２０の長手方向（ノズル列方向に直交する方向（第２の方向））における外側に外れた領域には連通部２１が形成され、連通部２１と各圧力室２０とが、圧力室２０毎に設けられたインク供給路２２を介して連通されている。なお、連通部２１は、後述する保護基板１９のリザーバー部２９と連通して各圧力室２０の共通のインク室となるリザーバー３０の一部を構成する。インク供給路２２は、圧力室２０よりも狭い幅で形成されており、連通部２１から圧力室２０に流入するインクに対して流路抵抗を付与する。圧力室基板１４におけるこれらの圧力室２０やインク供給路２２等の流路は、異方性エッチングにより形成されている。

圧力室基板１４の下面（第２の開口面）には、各圧力室２０に対応して複数のノズル２３が列状に開設されたノズル形成基板１５が接着剤４０（図３参照）により接合されている。これにより、圧力室２０の下面側の開口がノズル形成基板１５により封止されて圧力室２０の底部が画成される。すなわち、本実施形態におけるノズル形成基板１５は、本発明における底部材として機能する。圧力室基板１４とノズル形成基板１５との接合については後述する。圧力室基板１４の上面（第１の開口面）には、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる弾性膜１６が形成されている。この弾性膜１６における圧力室２０の開口を封止する部分は、作動面として機能する。また、この弾性膜１６上には酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる絶縁体膜１７が形成され、さらに、この絶縁体膜１７上には下電極２４と、圧電体２５と、上電極２６とが形成され、これらが積層状態で圧電素子１８（圧力発生手段の一種）を構成している。一般的には、圧電素子１８の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極（正極又は個別電極）及び圧電体２５を圧力室２０毎にパターニングして構成する。そして、パターニングされた何れか一方の電極及び圧電体２５から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。なお、本実施形態では、下電極２４が圧電素子１８の共通電極とされ、上電極２６が圧電素子１８の個別電極とされているが、圧電体２５の分極方向や駆動回路や配線の都合等によってこれらを全体的に逆にする構成とすることもできる。何れの場合においても、圧力室２０毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、このような各圧電素子１８の上電極２６には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極２７がそれぞれ接続されている。

圧力室基板１４上の圧電素子１８側の面には、圧電素子１８に対向する領域にその変位を阻害しない程度の大きさの空間となる圧電素子保持部２８を有する保護基板１９が接合されている。さらに、保護基板１９には、圧力室基板１４の連通部２１に対応する領域にリザーバー部２９が設けられている。このリザーバー部２９は、圧力室２０の並設方向に沿って長尺な矩形の開口形状を有する貫通穴として保護基板１９に形成されており、上述したように圧力室基板１４の連通部２１と連通されてリザーバー３０を画成する。このリザーバー３０は、インクの種類毎（色毎）に設けられ、複数の圧力室２０に共通のインクが貯留される。

また、保護基板１９の圧電素子保持部２８とリザーバー部２９との間の領域には、保護基板１９を厚さ方向に貫通する貫通孔３１が設けられ、この貫通孔３１内に下電極２４の一部及びリード電極２７の先端部が露出されている。保護基板１９上には、封止膜３２及び固定板３３とからなるコンプライアンス基板３４が接合されている。封止膜３２は、可撓性を有する材料（例えば、ポリフェニレンサルファイドフィルム）からなり、この封止膜３２によってリザーバー部２９の一方面が封止されている。また、固定板３３は、金属等の硬質の材料（例えば、ステンレス鋼等）で形成される。この固定板３３のリザーバー３０に対向する領域は、厚さ方向を貫通する開口部３５となっている。このため、リザーバー３０の一方の面は可撓性を有する封止膜３２のみで封止されている。

上記構成の記録ヘッド２では、インクカートリッジ等のインク供給手段からインクを取り込み、リザーバー３０からノズル２３に至るまでインクで満たされる。そして、プリンター本体側からの駆動信号の供給により、圧力室２０に対応するそれぞれの下電極２４と上電極２６との間に両電極の電位差に応じた電界が付与され、圧電素子１８および作動面（弾性膜１６）が撓み変形することにより、圧力室２０内に圧力変動が生じる。この圧力変動を制御することで、ノズル２３からインクを噴射させたり、或いは、インクが噴射されない程度にノズル２３におけるメニスカスを微振動させたりする。

本発明に係る記録ヘッド２は、圧力室基板１４の下面側（圧力室２０の底面側）の一部がノズル形成基板１５の板厚の途中まで嵌合（嵌入）している点に特徴を有している。本実施形態におけるノズル形成基板１５は、圧力室基板１４よりも一回り大きい寸法となっている。このノズル形成基板１５において、当該圧力室基板１４が接合される側の面には、圧力室基板１４の下面の形状に倣った溝部４１（嵌合部の一種）がエッチングによって刻設されている。この溝部４１は、圧力室基板１４の圧力室２０を区画している隔壁３７や、その他の連通部２１およびインク供給路２２を画成している区画壁の一方（底部材であるノズル形成基板１５側の端部）が嵌合可能な大きさの開口寸法に設定されている。また、溝部４１の深さは、ノズル形成基板１５の厚さの数分の１程度に設定されている。そして、隔壁３７等の壁の高さ方向（圧力室基板１４の板厚方向）の寸法は、溝部４１に嵌入する分だけ、溝部が無い構成の場合の隔壁等の寸法よりも長く設定されている。

図４は、ノズル形成基板１５に対するノズル２３および溝部４１の形成工程について説明する模式図である。まず、ノズル形成基板１５となるシリコン基板４３の表面（圧力室２０の底面側となる面）全体にフォトレジスト４４が成膜され、その上にマスク４５が形成される（図４（ａ））。このマスク４５は、所謂ハーフトーンマスクであり、遮光部４６と、透光部４７と、半透光部４８とを備えている。遮光部４６は遮光性の材料からなり、透光部４７は光を透過する材料からなる。また、半透光部４８は、光を一定量減衰させて透過させる材料からなる。次に、このマスク４５を介してフォトレジスト４４に対して露光および現像が行われ、透光部４７に対応する部分には、フォトレジスト４４の厚さ方向を貫通した開口部４９が設けられると共に、半透光部４８に対応する部分には、フォトレジスト４４の厚さ方向の途中まで窪んだ凹部５０が形成される（図４（ｂ））。そして、このレジストパターンをエッチングマスクとしてシリコン基板４３に対しドライエッチングが行われる。これにより、シリコン基板４３において、開口部４９に対応する部分には、基板厚さ方向を貫通したノズル２３が形成され、凹部５０に対応する部分には、溝部４１が形成される（図４（ｃ））。なお、ノズル部の直径は、マスクに設けられる開口部４９の大きさによって調整される。同様に、溝部４１の内法や深さは、凹部５０の内法や深さによって調整される。

以上の工程を経てシリコン基板４３にノズル２３および溝部４１が形成され、シリコン基板４３の噴射側の面に撥水膜の成膜などの必要な表面処理が施されてノズル形成基板１５が完成する。これにより、溝部４１をノズル２３と同一の形成工程により形成することができるので、溝部４１を形成する工程を別途設ける必要が無く効率的である。

そして、上記のノズル形成基板１５の溝部４１に接着剤４０が充填され、圧力室基板１４側の隔壁３７およびその他の区画壁の一方の端部（圧力室２０の底面側の下端部）が当該溝部４１に嵌合されて、当該接着剤４０が硬化することによりノズル基板１５と圧力室基板１４とが接合される。このように、圧力室同士を区画する隔壁３７の一方の端部が溝部４１に嵌合することで、当該隔壁３７等の一方の端部の動きが溝部４１によって規制される。これにより、圧力室２０内に圧力変動が生じたときに隔壁３７が変形する（撓む）ことが抑制される。特に、例えば、インクによって接着剤４０が膨潤して接合力が低下した場合においても、隔壁３７の変形が抑制される。これにより、インク噴射時の圧力損失が低減され、隣接するノズル間におけるクロストークが抑制される。すなわち、インク噴射特性（ノズル２３から噴射されるインクの量や飛翔速度）の変動を抑制することができる。

なお、本実施形態においては、圧力室基板１４の圧力室２０を区画している隔壁３７の他に、連通部２１およびインク供給路２２等を画成している区画壁の一方の端部が、ノズル形成基板１５の溝部４１に嵌合する構成を例示したが、これには限られず、少なくとも隔壁３７が溝部４１に嵌合する構成であれば良い。すなわち、隔壁３７の高さ方向の寸法が、その他の区画壁の同方向の寸法よりも溝部４１に嵌合する分だけ長く設定され、当該隔壁３７のみが溝部４１に嵌合する構成であっても良い。

図５は、本発明の第２の実施形態の構成について説明する模式図（記録ヘッドの要部拡大断面図）である。上記第１の実施形態では、ノズル形成基板１５の溝部４１に隔壁３７を嵌合させる構成を例示したが、第２の実施形態では、ノズル形成基板１５の圧力室側の面にリブ５１が突設されている点が、上記第１実施形態と異なっている。リブ５１は、ノズル形成基板１５において、隔壁３７の下端面が接合される領域毎に、当該接合領域の両側に一対形成されている。リブ５１の全長（隔壁３７に沿った第２の方向の寸法）は、隔壁３７の同方向の寸法に揃えられている。リブ５１の高さは、隔壁３７の高さよりも十分に低く設定されており、リブ５１の厚みも隔壁３７の厚みよりも十分に薄くなっている。一対のリブ５１同士の間隔は、接合領域に接合される隔壁３７の幅（ノズル列方向（第１の方向）の寸法）よりも僅かに広い。そして、ノズル形成基板１５と圧力室基板１４との接合時には、これらのリブ５１の間に隔壁３７の一方が嵌合され、接着剤４０によって接合される。この構成においても、当該隔壁３７等の一方の端部の動きがリブ５１によって規制されるので、圧力室２０内に圧力変動が生じたときに隔壁３７が変形することが抑制される。その結果、クロストークが抑制される。その他の構成は第１の実施形態と同様であるため、その説明は省略する。

図６は、本発明の第３の実施形態の構成について説明する模式図（記録ヘッドの要部拡大断面図）である。上記第１の実施形態では、本発明における底部材としてノズル形成基板１５を例示したがこれには限られない。図６に示すように、第３の実施形態では、圧力室基板１４とノズル形成基板１５との間に連通基板５３が設けられており、当該連通基板５３が底部材として機能する。この連通基板５３は、圧力室２０とノズル２３との間を連通するノズル連通口５４が、板厚方向を貫通した状態で形成された部材である。本実施形態では、この連通基板５３に、上記の溝部４１が形成されている。そして、連通基板５３と圧力室基板１４との接合時には、連通基板５３の溝部４１に隔壁３７の一方が嵌合され、接着剤４０によって接合される。この構成においても、上記各実施形態と同様の作用効果を奏することができる。勿論、この構成において、溝部４１に換えてリブ５１により隔壁３７の一方を規制する構成を採用することも可能である。

なお、上記各実施形態では、圧力発生手段として所謂撓み振動型の圧電素子１８を例示したが、これには限られず、例えば、所謂縦振動型の圧電素子を採用することも可能である。その他、発熱により気泡を発生させることで圧力変動を生じさせる発熱素子や、静電気力により圧力室の作動面を変位させることで圧力変動を生じさせる静電アクチュエーターなどの圧力発生手段を採用する構成においても本発明を適用することが可能である。

また、本発明は、複数の圧力室を隔壁によって複数区画し、圧力室の開口面を封止する作動面を圧力発生手段によって変位させることでノズルからインク等の液体を噴射させる液体噴射ヘッドおよびこれを備える液体噴射装置であれば、プリンターに限らず、プロッター、ファクシミリ装置、コピー機等、各種のインクジェット式記録装置や、記録装置以外の液体噴射装置、例えば、ディスプレイ製造装置、電極製造装置、チップ製造装置等にも適用することができる。

１…プリンター，２…記録ヘッド，３…インクカートリッジ，４…キャリッジ，５…プラテン，６…記録紙，７…キャリッジ移動機構，８…紙送り機構，９…ガイドロッド，１０…リニアエンコーダー，１１…キャッピング部材，１２…ワイパー部材，１４…圧力室基板，１５…ノズル形成基板，１６…弾性膜，１７…絶縁体膜，１８…圧電素子，１９…保護基板，２０…圧力室，２１…連通部，２２…インク供給路，２３…ノズル，２４…下電極，２５…圧電体，２６…上電極，２７…リード線，２８…圧電素子保持部，２９…リザーバー部，３０…リザーバー，３１…連通孔，３２…封止膜，３３…固定板，３４…コンプライアンス基板，３５…開口部，３７…隔壁，４０…接着剤，４１…溝部，４３…シリコン基板，４４…フォトレジスト，４５…マスク，４６…遮光部，４７…透光部，４８…半透光部，４９…開口部，５０…凹部，５１…リブ，５３…連通基板，５４…ノズル連通口

Claims (4)

1. ノズルに連通する圧力室を隔壁によって複数区画した圧力室基板と、
   前記圧力室内の液体に圧力変動を生じさせる圧力発生手段と、
   前記圧力室基板に接合されて前記圧力室の底部を区画する底部材と、
   を備え、前記圧力発生手段を駆動させることで前記圧力室に連通するノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドであって、
   前記底部材は、前記圧力室基板における隔壁の一方が嵌合される嵌合部を有し、
   当該嵌合部に前記隔壁の一方が嵌合する状態で前記圧力室基板と前記底部材とが接合されたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記嵌合部は、前記底部材の前記圧力室側の面から反対側の面に向けて途中まで窪んだ溝部から成り、
   当該溝部に前記隔壁の一方が嵌合したことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記嵌合部は、前記底部材の前記圧力室側の面から突出したリブから成り、
   前記隔壁の一方が、当該隔壁の両側に位置する一対のリブの間に嵌合されたことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
4. 請求項１から請求項３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを備えることを特徴とする液体噴射装置。

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