JP3695509B2 - 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 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室と、この圧力発生室内にインク吐出の圧力を発生する圧力発生手段とを具備する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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子や発熱素子によって圧力発生室内に圧力を発生させ、その圧力によりノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧力発生手段として圧力発生室内に駆動信号によりジュール熱を発生する抵抗線を設けたバブルジェット式のものと、圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させてノズル開口からインク滴を吐出させる圧電振動式の２種類のものに大別される。また、圧電振動式のインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００６】
これによれば圧電素子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電アクチュエータの厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。なお、この場合、圧電材料層は振動板の表面全体に設けたままで少なくとも上電極のみを各圧力発生室毎に設けることにより、各圧力発生室に対応する圧電アクチュエータを駆動することができる。
【０００７】
また、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、一般に、各圧力発生室の共通のインク室となるリザーバが形成されており、このリザーバから各圧力発生室にインクが供給される。また、このリザーバにはリザーバの内部圧力を一定値以下に保つために、圧電素子の駆動時の圧力変化を変形により吸収するコンプライアンス部が設けられている。
【０００８】
また、このようなコンプライアンス部は、例えば、リザーバの壁の一部を薄膜で形成する方法、あるいはリザーバ内に多孔質部材等からなる吸収部材を設け、この吸収部材に圧力変化を吸収させる方法等が用いられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなコンプライアンス部は容積が大きくないと効果がなく、この場合にはリザーバ内に気泡が停留し易いという問題があるため、微小なインク滴を吐出させる高密度なインクジェット式記録ヘッドには適用できないという問題がある。
【００１０】
さらに、リザーバを構成する一方の壁の上に駆動素子を設け、この駆動素子の駆動により内部圧力を強制的に制御する方法もあるが、位相を正確に合わせるのが困難であり、また、駆動セグメントの量に応じて適切に駆動するのは非常に難しいという問題がある。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑み、リザーバの圧力変化を効果的に吸収し、クロストークのない小型で高密度なインクジェット式記録ヘッドを提供することを課題とする。
【００１８】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記可撓性膜は、前記一対の対向電極の少なくとも何れか一方が複数のセグメントに分割されて、実質的に複数の駆動素子を含むことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１９】
かかる第４の態様では、複数箇所に駆動素子が形成されているため、リザーバの圧力変化をより効果的に吸収することができる。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室と、該圧力発生室に連通するリザーバと、インクを吐出するための圧力を前記圧力発生室に発生させる圧力発生手段とを具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記リザーバの少なくとも一方面側に可撓性を有する可撓性膜が設けられ、該可撓性膜が圧電材料層及びその両面側に設けられた一対の対向電極からなる駆動素子を含み、前記可撓性膜は、前記一対の対向電極の少なくとも何れか一方が当該可撓性膜に伝搬される屈曲波の進行方向に沿って複数のセグメントに分割されて、実質的に複数の駆動素子を含むことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２１】
かかる第１の態様では、リザーバの圧力変化を可撓性膜が変形することにより吸収されると共に、駆動素子の駆動によってさらに効果的に吸収される。そして、可撓性膜に伝搬される屈曲波の進行方向に沿って複数箇所に駆動素子が形成されているため、屈曲波の変位に対応して駆動され、効果的にリザーバの圧力変化が吸収される。
【００２４】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記可撓性膜に伝搬される屈曲波の伝搬方向における前記分割された対向電極のピッチが、前記可撓性膜の主たる屈曲波長の１／２以下であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２５】
かかる第２の態様では、駆動素子がより確実に屈曲波の変位に対応して駆動され、圧力変化が効果的に吸収される。
【００２６】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記駆動素子を構成する前記圧電材料層が、高分子圧電材料からなることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２７】
かかる第３の態様では、可撓性を有する駆動素子を比較的容易に形成することができる。
【００２８】
本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記高分子圧電材料が、ポリフッ化ビニリデンであることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２９】
かかる第４の態様では、特定の材料で圧電材料層を形成することにより、可撓性を有し且つ膜厚の薄い駆動素子を比較的容易に形成することができる。
【００３０】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記駆動素子を構成する前記圧電体層が、ゾル−ゲル法、ＣＶＤ法又はスパッタリング法によって形成されたものであることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３１】
かかる第５の態様では、膜厚の薄い圧電材料層を比較的容易に形成することができる。
【００３２】
本発明の第６の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記圧力発生手段は、前記圧力発生室の一方面に設けられた振動板上に配設された圧電素子であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３３】
かかる第６態様では、各圧電素子の駆動により振動板を変位させることにより圧力発生室に圧力が付与されてインク滴が吐出される。
【００３４】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記圧力発生室が形成された流路形成基板がセラミックスで形成され、前記圧電素子の各層がグリーンシート貼付又は印刷により形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３５】
かかる第７の態様では、グリーンシートを積層して焼成することによりヘッドを容易に製造することができる。
【００３６】
本発明の第８の態様は、第６の態様において、前記圧力発生室が形成された流路形成基板がシリコン単結晶基板からなり、前記圧力発生室が異方性エッチングにより形成され、前記圧電素子の各層が薄膜及びリソグラフィ法により形成されたものであることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３７】
かかる第８の態様では、高密度のノズル開口を有するインクジェット式記録ヘッドを大量に且つ比較的容易に製造することができる。
【００３８】
本発明の第９の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記圧力発生手段は、前記圧力発生室内に設けられた発熱素子であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３９】
かかる第９の態様では、各発熱素子を加熱することにより、圧力発生室に圧力が付与されてインク滴が吐出される。
本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置にある。
かかる第１０の態様では、ヘッドのインク吐出特性を向上したインクジェット式記録装置を実現することができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００４１】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解視図であり、図２は、図１の断面図である。
【００４２】
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなる。流路形成基板１０としては、通常、１５０〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられ、望ましくは１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは２２０μｍ程度の厚さのものが好適である。これは、隣接する圧力発生室間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００４３】
流路形成基板１０の一方の面は開口面となっており、この開口面にはシリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、複数の隔壁により区画された圧力発生室１２が幅方向に並設されている。また、各圧力発生室１２の長手方向一端部にはインクが吐出されるノズル開口１１が形成されると共に、他端部には各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
【００４４】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われるものである。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。なお、本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。
【００４５】
また、各圧力発生室１２の一端に連通する各ノズル開口１１は、圧力発生室１２より幅狭で且つ浅く形成されている。一方、各圧力発生室１２の他端に連通される各インク供給路１４も、圧力発生室１２より浅く形成されており、圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
【００４６】
これら圧力発生室１２、ノズル開口１１及びインク供給路１４は、シリコン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより形成され、それぞれ、エッチング時間を調整することにより、深さが調整されている。
【００４７】
ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口１１の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル開口１１は数十μｍの溝幅で精度よく形成する必要がある。
【００４８】
また、流路形成基板１０のリザーバ１３の側壁には、リザーバ１３にインクを供給するためのインク導入口１５が形成されており、このインク導入口１５を介してリザーバ１３にインクが供給される。
【００４９】
このような流路形成基板１０の開口面側には、リザーバ１３に対向する領域に貫通孔５５を有する弾性膜５０が接合されている。また、この弾性膜５０の貫通孔５５は、詳しくは後述するが、可撓性膜１００によって封止されてリザーバ内の圧力変化を吸収するためのコンプライアンス部となっている。なお、本実施形態では、弾性膜５０を、例えば、厚さが１〜２μｍの二酸化シリコンで形成した。
【００５０】
この弾性膜５０の圧力発生室１２に対応する領域には、厚さが例えば、約０．５μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体膜７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体膜７０、及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体膜７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体膜７０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３２０という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、上述した例では、弾性膜５０及び下電極膜６０が振動板として作用するが、下電極膜が弾性膜を兼ねるようにしてもよい。
【００５１】
また、弾性膜５０の貫通孔５５に対応する領域には、その厚さ方向に弾性変形可能な可撓性膜１００が設けられ、貫通孔５５はこの可撓性膜１００によって封止されている。
【００５２】
本実施形態では、弾性膜５０の貫通孔５５に対応する領域に、圧電材料膜７５及びこの圧電材料膜７５を挟んで設けられる一対の対向電極６５及び８５からなる駆動素子３１０が形成されており、この駆動素子３１０が可撓性膜１００となっている。
【００５３】
この可撓性膜１００のコンプライアンスは、リザーバ１３に連通する各圧力発生室１２に対向する領域の振動板のコンプライアンスの総和の１０倍以上であることが好ましい。
【００５４】
このような可撓性膜１００となる駆動素子３１０を構成する一対の対向電極６５及び８５の材質は、特に限定されないが、例えば、本実施形態では、厚さ０．１μｍのアルミニウム（Ａｌ）を用いた。また圧電材料膜７５の材質も、特に限定されず、例えば、本実施形態では、厚さが、２〜２０μｍのポリフッ化ビニリデン等の高分子圧電材料を用いて形成した。
【００５５】
このような駆動素子３１０からなる可撓性膜１００は、圧電素子３００の駆動等によってリザーバ１３内で圧力変化が生じた場合に、弾性変形することによって圧力変化を吸収する。すなわち、圧力変化によって発生する屈曲波が可撓性膜１００に伝搬されることによって圧力変化が吸収される。これにより、リザーバ１３の内部圧力が常に一定値以下に抑えられ、インク吐出特性が良好に維持される。
【００５６】
また、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、可撓性膜１００である駆動素子３１０の一対の対向電極６５及び８５は、所定の抵抗値を有する抵抗Ｒ１を介して接続されている。
【００５７】
ここで、リザーバ１３内の圧力変化によって圧電材料膜７５が変形されると、この圧電材料膜７５を挟む一対の対向電極６５及び８５の間に電荷が発生する。本実施形態では、これら一対の対向電極６５及び８５が抵抗Ｒ１を介して接続されているため、発生した電荷がこの抵抗Ｒ１によって放電される。これにより、圧電材料膜７５は元に戻る方向に変形されるため、屈曲波が効率的に減衰される。すなわち、駆動素子３１０が変形されることにより、受動的に屈曲波を減衰することができる。
【００５８】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、通常、インク導入口１５からリザーバ１３にインクが供給されると、例えば、圧電素子３００駆動時のインクの流れ、あるいは、周囲の熱などによってリザーバ１３内に圧力変化が生じる。しかしながら、リザーバ１３の一方面に駆動素子３１０を有する可撓性膜１００が設けられているため、この駆動素子３１０が撓み変形して圧力変化を効果的に吸収する。すなわち、リザーバ１３内の圧力変化による屈曲波によって駆動素子３１０が変形されると、元に戻る方向に力が働き屈曲波を受動的に減衰させることができる。したがって、リザーバ１３内は常に一定以下の圧力に保持され、クロストークの無い小型で高密度なインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
【００５９】
また、リザーバ１３内を常に一定値以下の圧力に保持することができるため、リザーバ１３を小さくすることができる。そのため、リザーバ１３内のインクの流速が増加し、リザーバ１３に気泡が停留するのを防止することができる。
【００６０】
なお、本実施形態では、リザーバ１３に対向する領域の弾性膜５０に貫通孔５５を設け、この貫通孔５５上に設けられた駆動素子３１０が可撓性膜１００となっているが、これに限定されず、例えば、別部材からなる層で貫通孔５５を封止し、その上に駆動素子を設けて可撓性膜としてもよい。
【００６１】
（実施形態２）
図３及び図４は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの要部平面図及び断面図である。
【００６２】
本実施形態は、図３に示すように、可撓性膜１００となる駆動素子３１０を構成する一対の対向電極の一方側、例えば、本実施形態では、圧電材料膜７５上に形成された対向電極８５を複数のセグメントに分割した例であり、可撓性膜１００が実質的に複数の駆動素子３１０を含むようにした以外は、実施形態１と同様である。
【００６３】
すなわち、本実施形態では、対向電極８５が各駆動素子３１０の各駆動素子３１０の個別電極となっており、一方、対向電極６５が各駆動素子３１０の共通電極となっている。また、図４に示すように、これら各駆動素子３１０の一対の対向電極６５及び８５は、実施形態１と同様に、それぞれ、抵抗Ｒ１を介して接続されている。
【００６４】
ここで、少なくとも可撓性膜１００に伝搬される屈曲波の伝搬方向における分割された対向電極８５のピッチは、主たる屈曲波長の１／２以下であることが好ましい。これにより、同じ位相で変形する位置に対向電極８５のセグメントを設けることができ、屈曲波の伝搬によって発生する可撓性膜１００の逆方向の変形を各駆動素子３１０によって、より効果的に減衰させることができる。
【００６５】
なお、リザーバ１３内の圧力変化によって可撓性膜１００に伝搬される屈曲波の進行方向とは、主にインクの流れる方向である。すなわち、本実施形態では、リザーバ１３にインクを供給するインク導入口１５と、リザーバ１３から圧力発生室１２にインクを供給するインク供給路１４とを結ぶ方向である。
【００６６】
また、本実施形態では、圧電材料膜７５上に形成された対向電極８５を複数のセグメントに分割するようにしたが、これに限定されず、勿論、もう一方の対向電極６５を複数のセグメントに分割するようにしてもよい。
【００６７】
（実施形態３）
図５は、実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの要部平面図である。
【００６８】
本実施形態では、図５に示すように、可撓性膜１００の一部を構成する対向電極８５が屈曲波の伝搬方向に沿って複数のセグメントに分割され、複数の駆動素子３１０が形成されている。
【００６９】
また、各駆動素子３１０を構成する対向電極８５は、それぞれ、その端部近傍でさらに分割されて、リザーバ１３内のインクの圧力変動によって駆動素子３１０に発生する電位を検出する検出用電極８６と、圧電材料膜７５に電位を印加して駆動素子３１０を駆動させるための駆動用電極８７とが設けられている。この検出用電極８６と駆動用電極８７とは、反転増幅器１１０を介して接続されており、検出用電極８６によって検出され電位が所定倍に反転増幅されて駆動用電極８７に印加されるようになっている。
【００７０】
すなわち、本実施形態では、リザーバ１３内の圧力変化によって可撓性膜１００に屈曲波が伝搬されると、この変形によって発生する電位を検出用電極８６によって検出する。検出された電位は、反転増幅器１１０によって所定倍の電位に増幅されると共に逆位相とされて駆動用電極８７に印加される。これにより、駆動素子３１０が能動的に駆動され、圧力変化による屈曲波を効果的に減衰させることができる。
【００７１】
また、このような構成では、例えば、上述の実施形態と同様に、各駆動用電極８６ともう一方の対向電極６５とを抵抗を介して接続できるようにしておいてもよい。例えば、圧電素子３００の駆動によってインクを吐出させた直後等のリザーバ１３内の圧力変化が大きい場合には、本実施形態のように、屈曲波を能動的に減衰させるようにし、その他のときは、上述の実施形態と同様に、抵抗によって受動的に屈曲波を減衰させるように制御してもよい。
【００７２】
（実施形態４）
図６は、実施形態４に係るインクジェット式記録ヘッドの要部断面図である。
【００７３】
本実施形態では、可撓性膜１００を構成する駆動素子３１０を、圧電素子３００を構成する各層と同一の層で形成した例である。
【００７４】
本実施形態では、図６に示すように、流路形成基板１０の一方の面は開口面となり、上述の実施形態とは異なり、他方の面に予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００７５】
一方、流路形成基板１０の開口面には、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、圧力発生室１２、リザーバ１３及びインク供給路１４がそれぞれ形成されている。また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口１１Ａが穿設されたノズルプレート１７が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。
【００７６】
そして、この弾性膜５０の圧力発生室１２に対応する領域には、上述の実施形態と同様に圧電素子３００が形成され、リザーバ１３に対向する領域には圧電素子３００を構成する各層と同一の層からなる駆動素子３１０が形成されている。すなわち、駆動素子３１０を構成する一対の対向電極６５及び８５が、圧電素子３００を構成する下電極膜６０及び上電極膜８０と同一の層からなり、圧電材料層７５が圧電体膜７０と同一の層からなる。また、本実施形態では、可撓性膜１００の下側の弾性膜５０に貫通孔を形成せず、弾性膜５０が可撓性膜１００の一部を構成するようにしている。
【００７７】
このような構成によっても、勿論、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態では、駆動素子３１０を圧電素子３００と同一工程で製造することができるため、製造工程を簡略化でき、コストを低減することができる。また、本実施形態では、弾性膜５０が可撓性膜１００の一部を構成するようにしたが、弾性膜５０も可撓性を有するため、弾性膜５０を含む可撓性膜１００であってもリザーバ１３の圧力変化を十分に吸収することができる。
【００７８】
（実施形態５）
図７は、実施形態５にかかるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図８は、その断面図である。
【００７９】
本実施形態は、図示するように、リザーバ１３を流路形成基板１０に形成せず、流路形成基板１０上に複数の基板を積層してリザーバ１３を形成した例である。
【００８０】
すなわち、本実施形態では、流路形成基板１０の一方面は開口面となり、実施形態４と同様に、他方面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。一方、流路形成基板１０の開口面には、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、ノズル開口１１及び圧力発生室１２が形成されている。
【００８１】
また、流路形成基板１０の開口面側は各圧力発生室１２に対応したインク供給口が穿設された封止板２０が全面を覆って設けられ、本実施形態は、この封止板２０及びこの封止板２０上にリザーバ形成基板３０及びインク室側板４０が接合されてリザーバ１３が形成されている。
【００８２】
リザーバ形成基板３０は、リザーバ１３の周壁を形成するものであり、ノズル開口数、インク滴吐出周波数に応じた適正な厚みのステンレス板を打ち抜いて作製されたものである。また、インク室側板４０は、一方の面でリザーバ１３の一壁面を構成するものであり、他方の面には、リザーバ１３に外部からのインク供給を受けるインク導入口４１が打ち抜きにより形成されている。さらに、リザーバ１３に対向する領域の一部はエッチングにより除去されて貫通孔４２が形成されている。
【００８３】
この貫通孔４２は、圧電材料膜７５及び一対の対向電極６５，８５からなる駆動素子３１０によって構成される可撓性膜１００で封止されており、上述の実施形態と同様に、リザーバ１３のコンプライアンス部となっている。
【００８４】
このような構成では、封止板２０の各圧力発生室１２の一端部に対応する位置にそれぞれ形成されたインク供給連通口２１を介して圧力発生室１２とリザーバ１３とが連通されており、インクはこのインク供給連通口２１を介してリザーバ１３から供給され、各圧力発生室１２に分配される。
【００８５】
勿論、このような本実施形態の構成としても、上述の実施形態と同様に、リザーバ１３の圧力変化を効果的に吸収することができ、リザーバ１３内は常に一定以下の圧力に保持され、クロストークの無い小型で高密度なインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
【００８６】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【００８７】
例えば、上述の各実施形態では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式記録ヘッドにも本発明を採用することができる。
【００８８】
また、上述の実施形態では、たわみ変位型の圧電素子を有するインクジェット式記録ヘッドについて説明したが、例えば、圧電材料と電極形成材料とをサンドイッチ状に交互に挟んで積層した構造の縦振動モードの圧電素子を有するインクジェット式記録ヘッドに応用することができる。
【００８９】
さらに、上述した圧電振動式のインクジェット式記録ヘッドに限定されず、例えば、バブルジェット式のインクジェット式記録ヘッド等、種々の構造のインクジェット式記録ヘッドに応用することができることはいうまでもない。
【００９０】
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図９は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【００９１】
図９に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００９２】
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、リザーバの一方面に駆動素子を有する可撓性膜を設けるようにしたので、リザーバ内の圧力変化によって発生する屈曲波が可撓性膜に伝搬されると、駆動素子が受動的又は能動的に駆動されて、屈曲波を効果的に減衰させることができる。これにより、リザーバ内の圧力を常に一定値以下に保持することができる。
【００９４】
また、リザーバ内を常に一定値以下の圧力に保持することができるため、リザーバを小さくすることができる。そのため、リザーバ内のインクの流速が増加し、リザーバに気泡が停留するのを防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図３】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図である。
【図４】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図５】本発明の実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図である。
【図６】本発明の実施形態４に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図である。
【図７】本発明の実施形態５に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図８】本発明の実施形態５に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
１０ 流路形成基板
１１ ノズル開口
１２ 圧力発生室
１３ リザーバ
１４ インク供給路
６０ 下電極膜
６５ 対向電極
７０ 圧電体膜
７５ 圧電材料膜
８０ 上電極膜
８５ 対向電極
１００ 可撓性膜
３００ 圧電素子
３１０ 駆動素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室と、この圧力発生室内にインク吐出の圧力を発生する圧力発生手段とを具備する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に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子や発熱素子によって圧力発生室内に圧力を発生させ、その圧力によりノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧力発生手段として圧力発生室内に駆動信号によりジュール熱を発生する抵抗線を設けたバブルジェット式のものと、圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させてノズル開口からインク滴を吐出させる圧電振動式の２種類のものに大別される。また、圧電振動式のインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００６】
これによれば圧電素子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電アクチュエータの厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。なお、この場合、圧電材料層は振動板の表面全体に設けたままで少なくとも上電極のみを各圧力発生室毎に設けることにより、各圧力発生室に対応する圧電アクチュエータを駆動することができる。
【０００７】
また、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、一般に、各圧力発生室の共通のインク室となるリザーバが形成されており、このリザーバから各圧力発生室にインクが供給される。また、このリザーバにはリザーバの内部圧力を一定値以下に保つために、圧電素子の駆動時の圧力変化を変形により吸収するコンプライアンス部が設けられている。
【０００８】
また、このようなコンプライアンス部は、例えば、リザーバの壁の一部を薄膜で形成する方法、あるいはリザーバ内に多孔質部材等からなる吸収部材を設け、この吸収部材に圧力変化を吸収させる方法等が用いられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなコンプライアンス部は容積が大きくないと効果がなく、この場合にはリザーバ内に気泡が停留し易いという問題があるため、微小なインク滴を吐出させる高密度なインクジェット式記録ヘッドには適用できないという問題がある。
【００１０】
さらに、リザーバを構成する一方の壁の上に駆動素子を設け、この駆動素子の駆動により内部圧力を強制的に制御する方法もあるが、位相を正確に合わせるのが困難であり、また、駆動セグメントの量に応じて適切に駆動するのは非常に難しいという問題がある。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑み、リザーバの圧力変化を効果的に吸収し、クロストークのない小型で高密度なインクジェット式記録ヘッドを提供することを課題とする。
【００１８】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記可撓性膜は、前記一対の対向電極の少なくとも何れか一方が複数のセグメントに分割されて、実質的に複数の駆動素子を含むことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００１９】
かかる第４の態様では、複数箇所に駆動素子が形成されているため、リザーバの圧力変化をより効果的に吸収することができる。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室と、該圧力発生室に連通するリザーバと、インクを吐出するための圧力を前記圧力発生室に発生させる圧力発生手段とを具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、前記リザーバの少なくとも一方面側に可撓性を有する可撓性膜が設けられ、該可撓性膜が圧電材料層及びその両面側に設けられた一対の対向電極からなる駆動素子を含み、前記可撓性膜は、前記一対の対向電極の少なくとも何れか一方が当該可撓性膜に伝搬される屈曲波の進行方向に沿って複数のセグメントに分割されて、実質的に複数の駆動素子を含むことを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２１】
かかる第１の態様では、リザーバの圧力変化を可撓性膜が変形することにより吸収されると共に、駆動素子の駆動によってさらに効果的に吸収される。そして、可撓性膜に伝搬される屈曲波の進行方向に沿って複数箇所に駆動素子が形成されているため、屈曲波の変位に対応して駆動され、効果的にリザーバの圧力変化が吸収される。
【００２４】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記可撓性膜に伝搬される屈曲波の伝搬方向における前記分割された対向電極のピッチが、前記可撓性膜の主たる屈曲波長の１／２以下であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２５】
かかる第２の態様では、駆動素子がより確実に屈曲波の変位に対応して駆動され、圧力変化が効果的に吸収される。
【００２６】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記駆動素子を構成する前記圧電材料層が、高分子圧電材料からなることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２７】
かかる第３の態様では、可撓性を有する駆動素子を比較的容易に形成することができる。
【００２８】
本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記高分子圧電材料が、ポリフッ化ビニリデンであることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００２９】
かかる第４の態様では、特定の材料で圧電材料層を形成することにより、可撓性を有し且つ膜厚の薄い駆動素子を比較的容易に形成することができる。
【００３０】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記駆動素子を構成する前記圧電体層が、ゾル−ゲル法、ＣＶＤ法又はスパッタリング法によって形成されたものであることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３１】
かかる第５の態様では、膜厚の薄い圧電材料層を比較的容易に形成することができる。
【００３２】
本発明の第６の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記圧力発生手段は、前記圧力発生室の一方面に設けられた振動板上に配設された圧電素子であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３３】
かかる第６態様では、各圧電素子の駆動により振動板を変位させることにより圧力発生室に圧力が付与されてインク滴が吐出される。
【００３４】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記圧力発生室が形成された流路形成基板がセラミックスで形成され、前記圧電素子の各層がグリーンシート貼付又は印刷により形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３５】
かかる第７の態様では、グリーンシートを積層して焼成することによりヘッドを容易に製造することができる。
【００３６】
本発明の第８の態様は、第６の態様において、前記圧力発生室が形成された流路形成基板がシリコン単結晶基板からなり、前記圧力発生室が異方性エッチングにより形成され、前記圧電素子の各層が薄膜及びリソグラフィ法により形成されたものであることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３７】
かかる第８の態様では、高密度のノズル開口を有するインクジェット式記録ヘッドを大量に且つ比較的容易に製造することができる。
【００３８】
本発明の第９の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記圧力発生手段は、前記圧力発生室内に設けられた発熱素子であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッドにある。
【００３９】
かかる第９の態様では、各発熱素子を加熱することにより、圧力発生室に圧力が付与されてインク滴が吐出される。
本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置にある。
かかる第１０の態様では、ヘッドのインク吐出特性を向上したインクジェット式記録装置を実現することができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００４１】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解視図であり、図２は、図１の断面図である。
【００４２】
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなる。流路形成基板１０としては、通常、１５０〜３００μｍ程度の厚さのものが用いられ、望ましくは１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは２２０μｍ程度の厚さのものが好適である。これは、隣接する圧力発生室間の隔壁の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００４３】
流路形成基板１０の一方の面は開口面となっており、この開口面にはシリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、複数の隔壁により区画された圧力発生室１２が幅方向に並設されている。また、各圧力発生室１２の長手方向一端部にはインクが吐出されるノズル開口１１が形成されると共に、他端部には各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
【００４４】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われるものである。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。なお、本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。
【００４５】
また、各圧力発生室１２の一端に連通する各ノズル開口１１は、圧力発生室１２より幅狭で且つ浅く形成されている。一方、各圧力発生室１２の他端に連通される各インク供給路１４も、圧力発生室１２より浅く形成されており、圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
【００４６】
これら圧力発生室１２、ノズル開口１１及びインク供給路１４は、シリコン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより形成され、それぞれ、エッチング時間を調整することにより、深さが調整されている。
【００４７】
ここで、インク滴吐出圧力をインクに与える圧力発生室１２の大きさと、インク滴を吐出するノズル開口１１の大きさとは、吐出するインク滴の量、吐出スピード、吐出周波数に応じて最適化される。例えば、１インチ当たり３６０個のインク滴を記録する場合、ノズル開口１１は数十μｍの溝幅で精度よく形成する必要がある。
【００４８】
また、流路形成基板１０のリザーバ１３の側壁には、リザーバ１３にインクを供給するためのインク導入口１５が形成されており、このインク導入口１５を介してリザーバ１３にインクが供給される。
【００４９】
このような流路形成基板１０の開口面側には、リザーバ１３に対向する領域に貫通孔５５を有する弾性膜５０が接合されている。また、この弾性膜５０の貫通孔５５は、詳しくは後述するが、可撓性膜１００によって封止されてリザーバ内の圧力変化を吸収するためのコンプライアンス部となっている。なお、本実施形態では、弾性膜５０を、例えば、厚さが１〜２μｍの二酸化シリコンで形成した。
【００５０】
この弾性膜５０の圧力発生室１２に対応する領域には、厚さが例えば、約０．５μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体膜７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体膜７０、及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体膜７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体膜７０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３２０という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、上述した例では、弾性膜５０及び下電極膜６０が振動板として作用するが、下電極膜が弾性膜を兼ねるようにしてもよい。
【００５１】
また、弾性膜５０の貫通孔５５に対応する領域には、その厚さ方向に弾性変形可能な可撓性膜１００が設けられ、貫通孔５５はこの可撓性膜１００によって封止されている。
【００５２】
本実施形態では、弾性膜５０の貫通孔５５に対応する領域に、圧電材料膜７５及びこの圧電材料膜７５を挟んで設けられる一対の対向電極６５及び８５からなる駆動素子３１０が形成されており、この駆動素子３１０が可撓性膜１００となっている。
【００５３】
この可撓性膜１００のコンプライアンスは、リザーバ１３に連通する各圧力発生室１２に対向する領域の振動板のコンプライアンスの総和の１０倍以上であることが好ましい。
【００５４】
このような可撓性膜１００となる駆動素子３１０を構成する一対の対向電極６５及び８５の材質は、特に限定されないが、例えば、本実施形態では、厚さ０．１μｍのアルミニウム（Ａｌ）を用いた。また圧電材料膜７５の材質も、特に限定されず、例えば、本実施形態では、厚さが、２〜２０μｍのポリフッ化ビニリデン等の高分子圧電材料を用いて形成した。
【００５５】
このような駆動素子３１０からなる可撓性膜１００は、圧電素子３００の駆動等によってリザーバ１３内で圧力変化が生じた場合に、弾性変形することによって圧力変化を吸収する。すなわち、圧力変化によって発生する屈曲波が可撓性膜１００に伝搬されることによって圧力変化が吸収される。これにより、リザーバ１３の内部圧力が常に一定値以下に抑えられ、インク吐出特性が良好に維持される。
【００５６】
また、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、可撓性膜１００である駆動素子３１０の一対の対向電極６５及び８５は、所定の抵抗値を有する抵抗Ｒ１を介して接続されている。
【００５７】
ここで、リザーバ１３内の圧力変化によって圧電材料膜７５が変形されると、この圧電材料膜７５を挟む一対の対向電極６５及び８５の間に電荷が発生する。本実施形態では、これら一対の対向電極６５及び８５が抵抗Ｒ１を介して接続されているため、発生した電荷がこの抵抗Ｒ１によって放電される。これにより、圧電材料膜７５は元に戻る方向に変形されるため、屈曲波が効率的に減衰される。すなわち、駆動素子３１０が変形されることにより、受動的に屈曲波を減衰することができる。
【００５８】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、通常、インク導入口１５からリザーバ１３にインクが供給されると、例えば、圧電素子３００駆動時のインクの流れ、あるいは、周囲の熱などによってリザーバ１３内に圧力変化が生じる。しかしながら、リザーバ１３の一方面に駆動素子３１０を有する可撓性膜１００が設けられているため、この駆動素子３１０が撓み変形して圧力変化を効果的に吸収する。すなわち、リザーバ１３内の圧力変化による屈曲波によって駆動素子３１０が変形されると、元に戻る方向に力が働き屈曲波を受動的に減衰させることができる。したがって、リザーバ１３内は常に一定以下の圧力に保持され、クロストークの無い小型で高密度なインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
【００５９】
また、リザーバ１３内を常に一定値以下の圧力に保持することができるため、リザーバ１３を小さくすることができる。そのため、リザーバ１３内のインクの流速が増加し、リザーバ１３に気泡が停留するのを防止することができる。
【００６０】
なお、本実施形態では、リザーバ１３に対向する領域の弾性膜５０に貫通孔５５を設け、この貫通孔５５上に設けられた駆動素子３１０が可撓性膜１００となっているが、これに限定されず、例えば、別部材からなる層で貫通孔５５を封止し、その上に駆動素子を設けて可撓性膜としてもよい。
【００６１】
（実施形態２）
図３及び図４は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの要部平面図及び断面図である。
【００６２】
本実施形態は、図３に示すように、可撓性膜１００となる駆動素子３１０を構成する一対の対向電極の一方側、例えば、本実施形態では、圧電材料膜７５上に形成された対向電極８５を複数のセグメントに分割した例であり、可撓性膜１００が実質的に複数の駆動素子３１０を含むようにした以外は、実施形態１と同様である。
【００６３】
すなわち、本実施形態では、対向電極８５が各駆動素子３１０の各駆動素子３１０の個別電極となっており、一方、対向電極６５が各駆動素子３１０の共通電極となっている。また、図４に示すように、これら各駆動素子３１０の一対の対向電極６５及び８５は、実施形態１と同様に、それぞれ、抵抗Ｒ１を介して接続されている。
【００６４】
ここで、少なくとも可撓性膜１００に伝搬される屈曲波の伝搬方向における分割された対向電極８５のピッチは、主たる屈曲波長の１／２以下であることが好ましい。これにより、同じ位相で変形する位置に対向電極８５のセグメントを設けることができ、屈曲波の伝搬によって発生する可撓性膜１００の逆方向の変形を各駆動素子３１０によって、より効果的に減衰させることができる。
【００６５】
なお、リザーバ１３内の圧力変化によって可撓性膜１００に伝搬される屈曲波の進行方向とは、主にインクの流れる方向である。すなわち、本実施形態では、リザーバ１３にインクを供給するインク導入口１５と、リザーバ１３から圧力発生室１２にインクを供給するインク供給路１４とを結ぶ方向である。
【００６６】
また、本実施形態では、圧電材料膜７５上に形成された対向電極８５を複数のセグメントに分割するようにしたが、これに限定されず、勿論、もう一方の対向電極６５を複数のセグメントに分割するようにしてもよい。
【００６７】
（実施形態３）
図５は、実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの要部平面図である。
【００６８】
本実施形態では、図５に示すように、可撓性膜１００の一部を構成する対向電極８５が屈曲波の伝搬方向に沿って複数のセグメントに分割され、複数の駆動素子３１０が形成されている。
【００６９】
また、各駆動素子３１０を構成する対向電極８５は、それぞれ、その端部近傍でさらに分割されて、リザーバ１３内のインクの圧力変動によって駆動素子３１０に発生する電位を検出する検出用電極８６と、圧電材料膜７５に電位を印加して駆動素子３１０を駆動させるための駆動用電極８７とが設けられている。この検出用電極８６と駆動用電極８７とは、反転増幅器１１０を介して接続されており、検出用電極８６によって検出され電位が所定倍に反転増幅されて駆動用電極８７に印加されるようになっている。
【００７０】
すなわち、本実施形態では、リザーバ１３内の圧力変化によって可撓性膜１００に屈曲波が伝搬されると、この変形によって発生する電位を検出用電極８６によって検出する。検出された電位は、反転増幅器１１０によって所定倍の電位に増幅されると共に逆位相とされて駆動用電極８７に印加される。これにより、駆動素子３１０が能動的に駆動され、圧力変化による屈曲波を効果的に減衰させることができる。
【００７１】
また、このような構成では、例えば、上述の実施形態と同様に、各駆動用電極８６ともう一方の対向電極６５とを抵抗を介して接続できるようにしておいてもよい。例えば、圧電素子３００の駆動によってインクを吐出させた直後等のリザーバ１３内の圧力変化が大きい場合には、本実施形態のように、屈曲波を能動的に減衰させるようにし、その他のときは、上述の実施形態と同様に、抵抗によって受動的に屈曲波を減衰させるように制御してもよい。
【００７２】
（実施形態４）
図６は、実施形態４に係るインクジェット式記録ヘッドの要部断面図である。
【００７３】
本実施形態では、可撓性膜１００を構成する駆動素子３１０を、圧電素子３００を構成する各層と同一の層で形成した例である。
【００７４】
本実施形態では、図６に示すように、流路形成基板１０の一方の面は開口面となり、上述の実施形態とは異なり、他方の面に予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００７５】
一方、流路形成基板１０の開口面には、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、圧力発生室１２、リザーバ１３及びインク供給路１４がそれぞれ形成されている。また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口１１Ａが穿設されたノズルプレート１７が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。
【００７６】
そして、この弾性膜５０の圧力発生室１２に対応する領域には、上述の実施形態と同様に圧電素子３００が形成され、リザーバ１３に対向する領域には圧電素子３００を構成する各層と同一の層からなる駆動素子３１０が形成されている。すなわち、駆動素子３１０を構成する一対の対向電極６５及び８５が、圧電素子３００を構成する下電極膜６０及び上電極膜８０と同一の層からなり、圧電材料層７５が圧電体膜７０と同一の層からなる。また、本実施形態では、可撓性膜１００の下側の弾性膜５０に貫通孔を形成せず、弾性膜５０が可撓性膜１００の一部を構成するようにしている。
【００７７】
このような構成によっても、勿論、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態では、駆動素子３１０を圧電素子３００と同一工程で製造することができるため、製造工程を簡略化でき、コストを低減することができる。また、本実施形態では、弾性膜５０が可撓性膜１００の一部を構成するようにしたが、弾性膜５０も可撓性を有するため、弾性膜５０を含む可撓性膜１００であってもリザーバ１３の圧力変化を十分に吸収することができる。
【００７８】
（実施形態５）
図７は、実施形態５にかかるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図８は、その断面図である。
【００７９】
本実施形態は、図示するように、リザーバ１３を流路形成基板１０に形成せず、流路形成基板１０上に複数の基板を積層してリザーバ１３を形成した例である。
【００８０】
すなわち、本実施形態では、流路形成基板１０の一方面は開口面となり、実施形態４と同様に、他方面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。一方、流路形成基板１０の開口面には、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、ノズル開口１１及び圧力発生室１２が形成されている。
【００８１】
また、流路形成基板１０の開口面側は各圧力発生室１２に対応したインク供給口が穿設された封止板２０が全面を覆って設けられ、本実施形態は、この封止板２０及びこの封止板２０上にリザーバ形成基板３０及びインク室側板４０が接合されてリザーバ１３が形成されている。
【００８２】
リザーバ形成基板３０は、リザーバ１３の周壁を形成するものであり、ノズル開口数、インク滴吐出周波数に応じた適正な厚みのステンレス板を打ち抜いて作製されたものである。また、インク室側板４０は、一方の面でリザーバ１３の一壁面を構成するものであり、他方の面には、リザーバ１３に外部からのインク供給を受けるインク導入口４１が打ち抜きにより形成されている。さらに、リザーバ１３に対向する領域の一部はエッチングにより除去されて貫通孔４２が形成されている。
【００８３】
この貫通孔４２は、圧電材料膜７５及び一対の対向電極６５，８５からなる駆動素子３１０によって構成される可撓性膜１００で封止されており、上述の実施形態と同様に、リザーバ１３のコンプライアンス部となっている。
【００８４】
このような構成では、封止板２０の各圧力発生室１２の一端部に対応する位置にそれぞれ形成されたインク供給連通口２１を介して圧力発生室１２とリザーバ１３とが連通されており、インクはこのインク供給連通口２１を介してリザーバ１３から供給され、各圧力発生室１２に分配される。
【００８５】
勿論、このような本実施形態の構成としても、上述の実施形態と同様に、リザーバ１３の圧力変化を効果的に吸収することができ、リザーバ１３内は常に一定以下の圧力に保持され、クロストークの無い小型で高密度なインクジェット式記録ヘッドを実現することができる。
【００８６】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【００８７】
例えば、上述の各実施形態では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式記録ヘッドにも本発明を採用することができる。
【００８８】
また、上述の実施形態では、たわみ変位型の圧電素子を有するインクジェット式記録ヘッドについて説明したが、例えば、圧電材料と電極形成材料とをサンドイッチ状に交互に挟んで積層した構造の縦振動モードの圧電素子を有するインクジェット式記録ヘッドに応用することができる。
【００８９】
さらに、上述した圧電振動式のインクジェット式記録ヘッドに限定されず、例えば、バブルジェット式のインクジェット式記録ヘッド等、種々の構造のインクジェット式記録ヘッドに応用することができることはいうまでもない。
【００９０】
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図９は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【００９１】
図９に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００９２】
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、リザーバの一方面に駆動素子を有する可撓性膜を設けるようにしたので、リザーバ内の圧力変化によって発生する屈曲波が可撓性膜に伝搬されると、駆動素子が受動的又は能動的に駆動されて、屈曲波を効果的に減衰させることができる。これにより、リザーバ内の圧力を常に一定値以下に保持することができる。
【００９４】
また、リザーバ内を常に一定値以下の圧力に保持することができるため、リザーバを小さくすることができる。そのため、リザーバ内のインクの流速が増加し、リザーバに気泡が停留するのを防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図３】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図である。
【図４】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図５】本発明の実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図である。
【図６】本発明の実施形態４に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図である。
【図７】本発明の実施形態５に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図８】本発明の実施形態５に係るインクジェット式記録ヘッドの断面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
１０ 流路形成基板
１１ ノズル開口
１２ 圧力発生室
１３ リザーバ
１４ インク供給路
６０ 下電極膜
６５ 対向電極
７０ 圧電体膜
７５ 圧電材料膜
８０ 上電極膜
８５ 対向電極
１００ 可撓性膜
３００ 圧電素子
３１０ 駆動素子
Claims (10)
- ノズル開口に連通する圧力発生室と、該圧力発生室に連通するリザーバと、インクを吐出するための圧力を前記圧力発生室に発生させる圧力発生手段とを具備するインクジェット式記録ヘッドにおいて、
前記リザーバの少なくとも一方面側に可撓性を有する可撓性膜が設けられ、該可撓性膜が圧電材料層及びその両面側に設けられた一対の対向電極からなる駆動素子を含み、前記可撓性膜は、前記一対の対向電極の少なくとも何れか一方が当該可撓性膜に伝搬される屈曲波の進行方向に沿って複数のセグメントに分割されて、実質的に複数の駆動素子を含むことを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。 - 請求項１において、前記可撓性膜に伝搬される屈曲波の伝搬方向における前記分割された対向電極のピッチが、前記可撓性膜の主たる屈曲波長の１／２以下であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項１又は２において、前記駆動素子を構成する前記圧電材料層が、高分子圧電材料からなることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項３において、前記高分子圧電材料が、ポリフッ化ビニリデンであることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項１〜４の何れかにおいて、前記駆動素子を構成する前記圧電体層が、ゾル−ゲル法、ＣＶＤ法又はスパッタリング法によって形成されたものであることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項１〜５の何れかにおいて、前記圧力発生手段は、前記圧力発生室の一方面に設けられた振動板上に配設された圧電素子であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項６において、前記圧力発生室が形成された流路形成基板がセラミックスで形成され、前記圧電素子の各層がグリーンシート貼付又は印刷により形成されていることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項６において、前記圧力発生室が形成された流路形成基板がシリコン単結晶基板からなり、前記圧力発生室が異方性エッチングにより形成され、前記圧電素子の各層が薄膜及びリソグラフィ法により形成されたものであることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項１〜５の何れかにおいて、前記圧力発生手段は、前記圧力発生室内に設けられた発熱素子であることを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
- 請求項１〜９の何れかのインクジェット式記録ヘッドを具備することを特徴とするインクジェット式記録装置。
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