JP4300565B2 - マルチノズルインクジェットヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術の分野】
本発明は、複数のノズルを有するマルチノズルインクジェットヘッド及びその製造方法に関し、特に、圧力室壁の剛性を高めるためのマルチノズルインクジェットヘッド及びその製造方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
図１７は、従来のマルチノズルインクジェットヘッドの構造図である。ここでは、駆動素子として振動板９５にピエゾ９６を積層したバイモルフ・アクチュエータを使用している。
【０００３】
この駆動素子およびヘッド９０の製作方法は、図示しないＭｇＯ基板上にスパッタにて複数の個別電極９７を形成し、更にピエゾ９６を数μｍ厚積層し、パターニング形成する。この後、共通電極兼振動板９５となる金属（Ｃｒ等）を全面に渡って、数μｍ形成してバイモルフ構造体を形成する。これと別に用意する圧力室形成部材（ドライフィルムレジスト）９３とノズル形成部材９２を、個別電極９７に対応する位置に合わせて接合する。その後、ＭｇＯ基板をエッチング除去してヘッド板９０が完成する。
【０００４】
動作は、図示しないインクタンクからヘッド９０へインクが供給され、更にヘッド９０内では、図示しない共通路およびインク供給路を通って、各圧力室９４とノズル１２にインクが供給される。駆動回路から、駆動信号を個別電極（各ノズルに対応する電極）９７に与えると、ピエゾ９６の圧電効果により、図１７の点線に示すように、振動板９５が圧力室９４内に向けて撓み、ノズル１２よりインクを噴射する。このインクが印字媒体上でドットを形成し、装置およびヘッドの駆動制御により所望の画像を形成する。
【０００５】
この薄膜ピエゾを用いたインクジェットヘッドは、印字品質を高める極微小粒子の噴射を可能とし、且つ半導体製法を適用し易いことから、複数のノズルを高集積化した小型ヘッドを低コストに実現出来る。
【０００６】
しかし、図１７に示すように、ノズルの高集積化した場合には、隣り合うノズル１２に連通する圧力室壁９３が薄くなり、剛性が低下する。例えば、ノズル密度が、３００ｄｐｉのヘッドでは、ノズルピッチは、８５μｍと狭く、圧力室壁の厚みは、３５μｍ以下である。この圧力室壁９３の剛性の低下は、駆動時の発生圧力を逃がして、インク流動の応答性を低下させ、結果的に粒子化速度と駆動周波数を下げることとなる。特に、圧力室壁部材９３がドライフィルムレジストといった樹脂であると、圧力室壁の剛性の低下は顕著である。
【０００７】
この影響を抑えるために、従来、圧力室壁９３を厚くする方法か、圧力室形成部材９３を樹脂よりも剛性の高い金属等にする方法が提案されており、これにより、圧力室壁９３の剛性を確保することができる。
【０００８】
しかしながら、圧力室壁９３を厚くすることは、構造的に高集積化を不可能にする。又、圧力室形成部材９３を金属にすると、数十μｍの圧力室深さ（金属層厚さ）で、圧力室パターンを数μｍ精度で形成しなければならない。このため、高コストを招く。従って、これらの対策では低コストのノズルの高集積化は困難であった。
【０００９】
【発明の開示】
本発明の目的は、ノズルを高集積化するため、圧力室壁を薄くしても、駆動時の発生圧力の逃げを防止するためのマルチノズルインクジェットヘッド及びその製造方法を提供するにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、低剛性な圧力室壁材料を使用しても、圧力室壁の剛性を高めるためのマルチノズルインクジェットヘッド及びその製造方法を提供するにある。
【００１１】
本発明の更に他の目的は、圧力室の壁を薄くしても、圧電アクチュエータの変位の低下を防止するためのマルチノズルインクジェットヘッド及びその製造方法を提供するにある。
【００１２】
本発明の更に他の目的は、低コストでノズルの高集積化を可能とするためのマルチノズルインクジェットヘッド及びその製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この目的の達成のため、本発明のマルチノズルインクジェットヘッドの一態様は、複数のノズルと複数の圧力室を有するマルチノズルインクジェットヘッドにおいて、前記複数のノズルを形成するノズル部材と、前記複数の圧力室を形成する感光性樹脂で構成された圧力室壁部材と、前記複数の圧力室の個々に、前記ノズルからインクを噴出するための圧力を付与する圧電型アクチュエータと、前記圧力室壁部材の前記圧力室に面した面に設けられ、前記圧力室壁部材を補強する、高剛性の金属又はセラミック材料で構成された補強コーティング部材とを有する。
【００１４】
本発明のマルチノズルインクジェットヘッドの製造方法は、複数のノズルと複数の圧力室を有するマルチノズルインクジェットヘッドの製造方法において、前記複数の圧力室の個々に、前記ノズルからインクを噴出するための圧力を付与する圧電型アクチュエータを作成するステップと、前記圧電型アクチュエータ上に、前記複数の圧力室を形成する圧力室壁部材と、前記複数のノズルを形成するノズル部材とを形成するステップとを有し、前記圧力室壁部材を形成するステップは、前記圧力室壁部材の前記圧力室面に、前記圧力室壁部材を補強する、高剛性の金属又はセラミック材料で構成された補強部材をコーティングするステップを有する。
【００１５】
本発明のこの形態では、圧力室の壁の剛性を高めるため、補強部材を圧力室壁にコーティングした。これにより、ノズルを高密度化するため、圧力室壁を薄くしても、圧電アクチュエータの圧力による圧力室壁の逃げを防止でき、圧力損失を低減できる。このため、ノズルを高密度化しても、ヘルムホルツ周波数を高める構造が実現でき、粒子化速度と駆動周波数を向上することができる。又、コーティングにより、補強するため、補強層が薄くてよく、圧力室の幅を狭めず、実現できる。
【００１６】
尚、マルチノズルヘッドにおいて、圧力室壁に何らかの層をコーティングすることは、知られている（例えば、日本国特開平５−３３８１６３号公報、日本国特開平１０−１００４０５号公報、日本国特開平１０−２６４３８３号公報等）。しかし、これらの公知技術は、金属製の圧力室壁を、金属層や、樹脂層により、アルカリ性インクから保護するものであり、圧力室壁の補強を意図していない。
【００１７】
又、本発明のマルチノズルインクジェットヘッドでは、前記圧力室壁部材は、感光性樹脂で構成され、前記補強コーティング部材は、金属又はセラミック材料で構成される。半導体プロセスにより、容易に微細な圧力室を形成できる感光性樹脂を圧力室壁に用いても、圧力室壁の剛性を容易に高めることができる。
【００１８】
更に、本発明のマルチノズルインクジェットヘッドでは、前記補強部材は、導電性部材で形成され、前記圧力室壁部材の各圧力室に設けられた前記補強コーティング部材は、電気的に接続されていることもできる。これにより、圧電アクチュエータの共通電極としても、機能する。
【００１９】
更に、本発明のマルチノズルインクジェットヘッドでは、前記圧電型アクチュエータは、ピエゾ素子と振動板とを有し、前記振動板は、前記補強コーティング部材で構成させることもできる。これにより、振動板と補強層とを一度に形成でき、ヘッドの製造プロセスが簡略化できる。
【００２０】
更に、本発明のマルチノズルインクジェットヘッドでは、前記振動板を構成する前記補強コーティング部材の厚みが、前記圧力室壁部材を覆う前記補強コーティング部材の厚みより薄いこともできる。これにより、振動板の機能と、補強層の機能の両立できる。
【００２１】
更に、本発明のマルチノズルインクジェットヘッドでは、前記補強コーティング部材の厚さは、以下の条件を満たすことにより、所望の圧力室壁及びコーティング剤を用いて、圧力損失の少ない圧力室壁を構成できる。
【００２２】
２０≦Ｅ１／Ｅ２のとき、０．０２≦ｔ１／ｔｗ、
４０≦Ｅ１／Ｅ２のとき、０．０１≦ｔ１／ｔｗ、
８０≦Ｅ１／Ｅ２のとき、０．００５≦ｔ１／ｔｗ、
４００≦Ｅ１／Ｅ２のとき、０．００１≦ｔ１／ｔｗ。
【００２３】
但し、コーティング材のヤング率 ：Ｅ１、圧力室壁芯材のヤング率 ：Ｅ２、コーティング材の厚さ ：ｔ１、圧力室壁芯材の厚さ ：ｔ２、圧力室壁全体の厚さ ：ｔｗ（＝２×ｔ１＋ｔ２）とする。
【００２４】
本発明の他の態様のマルチノズルインクジェットヘッドは、複数のノズルと複数の圧力室を有するマルチノズルインクジェットヘッドにおいて、前記複数のノズルを形成するノズル部材と、前記複数の圧力室を形成する圧力室壁部材と、前記複数の圧力室の個々に、前記ノズルからインクを噴出するための圧力を付与する圧電型アクチュエータと、前記圧力室壁部材の前記圧力室に面した面に設けられ、前記圧力室壁部材を補強する、導電性で電気的に接続された補強コーティング部材とを有する。
【００２５】
本発明の他の態様のマルチノズルインクジェットヘッドは、複数のノズルと複数の圧力室を有するマルチノズルインクジェットヘッドにおいて、前記複数のノズルを形成するノズル部材と、前記複数の圧力室を形成する圧力室壁部材と、前記複数の圧力室の個々に、前記ノズルからインクを噴出するための圧力を付与する圧電型アクチュエータと、前記圧力室壁部材の前記圧力室に面した面に設けられ、前記圧力室壁部材を補強する補強コーティング部材とを有し、前記圧電型アクチュエータは、ピエゾ素子と振動板とを有し、前記振動板は、前記補強コーティング部材で構成される。
【００２６】
本発明の他の態様のマルチノズルインクジェットヘッドは、前記複数のノズルを形成するノズル部材と、前記複数の圧力室を形成する圧力室壁部材と、振動板と、複数のピエゾ素子とを有し、前記複数の圧力室の個々に、前記ノズルからインクを噴出するための圧力を付与する圧電型アクチュエータと、前記振動板の前記圧力室壁部材に接する部分に設けられ、前記圧力室壁の一部を形成するための高剛性部材とを有する。
【００２７】
本発明の他の態様のマルチノズルインクジェットヘッドの製造方法は、振動板と複数のピエゾ素子を有する圧電型アクチュエータを作成するステップと、前記圧電型アクチュエータ上に、前記複数の圧力室を形成する圧力室壁部材と、前記複数のノズルを形成するノズル部材とを形成するステップとを有し、前記圧電型アクチュエータを作成するステップは、前記振動板の前記圧力室壁部材に接する位置に、前記圧力室壁の一部を形成する高剛性部材を形成するステップを有する。
【００２８】
この本発明の態様では、圧力室面の一部をなす振動板を屈曲変形させる構成において、高剛性部材を設けることにより、同振動板の変形効率が向上するよう、同振動板の固定部分の剛性を高めることができる。圧力室壁の他の殆どの部分は、樹脂等の低剛性部材で良いため、高密度ノズルにおいても、圧力損失を低減でき、これによって、ヘルムホルツ周波数を高める構造が実現でき、粒子化速度と駆動周波数を向上することができる。
【００２９】
又、本発明のマルチノズルインクジェットヘッドでは、前記高剛性部材は、前記振動板に向けてテーパ形状であることにより、振動板支持部に生じる応力を緩和できる。
【００３０】
本発明の他の目的、態様は、以下に示す実施の形態及び図面から明らかとなる。
【００３１】
【発明を実施するための最良の形態】
図１は、本発明のマルチノズルインクジェットヘッドを使用したプリンタの構成図であり、シリアルプリンタを例にしてある。図１において、キャリッジ３は、インクを収容したインクタンク２と、マルチノズルインクジェットヘッド１（以下、ヘッドという）とを搭載し、印字媒体８の主走査方向に移動する。印字媒体８は、押えローラ４と給紙ローラ５とにより、ヘッド１方向に搬送される。押えギザローラ６と排紙ローラ７は、印字媒体８を排紙受け９に搬送する。従って、キャリッジ３の主走査方向の移動と、印字媒体８の副走査方向の搬送により、ヘッド１は、印字媒体８の全面に印刷できる。
【００３２】
図２は、本発明の一実施の形態のヘッドの上面図、図３は、図２のヘッドのＢ−Ｂ断面図である。図２は、３つのノズルを持つマルチノズルヘッドを示し、共通インク室１６に、インク供給路１７を介し３つの圧力室１５と３つのピエゾ素子１９が設けられている。
【００３３】
図３に示すように、ノズル１２を形成するノズルプレート１０の上に、導通路１３を形成する導通路プレート１１が設けられている。この上に、圧力室１５、インク供給路１７、共通インク室１６を形成する圧力室壁部材１４が設けられている。各圧力室１５を覆うように、共通電極を兼用する振動板１８が設けられ、振動板１８上に、各圧力室のための３つのピエゾ膜１９が設けられる、各ピエゾ膜１９には、個別電極２０が設けられている。
【００３４】
このヘッドの動作は、図１のインクタンク２からヘッド１へインクが供給され、更にヘッド１内では、共通路１６およびインク供給路１７を通って、各圧力室１５とノズル１２にインクが供給される。図３に示すように、振動板１８を電気的に接地し、駆動回路から、駆動信号を個別電極（各ノズルに対応する電極）２０に与えると、ピエゾ１９の圧電効果により、振動板１８が圧力室１５内に向けて撓み、ノズル１２よりインクを噴射する。このインクが印字媒体上でドットを形成し、装置およびヘッドの駆動制御により所望の画像を形成する。
【００３５】
このピエゾ膜１９は、半導体プロセスにより、極めて薄く形成される。薄膜ピエゾを用いたインクジェットヘッドは、印字品質を高める極微小粒子の噴射を可能とし、且つ半導体製法を適用し易いことから、複数のノズルを高集積化した小型ヘッドを低コストに実現出来る。
【００３６】
しかし、図４（Ａ）に示すように、ノズルの高集積化においては、隣り合うノズル１２に連通する圧力室壁１４が薄くなり、剛性が低下する。例えば、ノズル密度が、３００ｄｐｉのヘッドでは、ノズルピッチは、８５μｍと狭く、圧力室壁の厚みは、３５μｍ以下である。この圧力室壁１４の剛性の低下は、図４（Ａ）に示すように、圧力室１４内のインクが受ける駆動時の発生圧力（インク圧力）によって、圧力室壁１４が、矢印方向に撓み（逃げ）、圧力損失を生じる。
【００３７】
又、図４（Ｂ）に示すように、振動板１８の支持部の剛性が低くなるため、振動板支持部も含めて変位し、不必要な動作にエネルギーが消費され、発生圧力の損失が生じる。これにより、発生圧力を逃がして、インク流動の応答性を低下させ、結果的に粒子化速度と駆動周波数を下げることとなる。特に、圧力室壁部材１４がドライフィルムレジストといった樹脂であると、圧力室壁の剛性の低下は顕著である。
【００３８】
この圧力損失を低下するため、本発明では、第１に、圧力室壁１４の剛性を高める。第２に、振動板１８の支持部の剛性を高める。以下、図５〜図１３に本発明の実施例を示す。各図は、圧力室の横断面（図２の複数の圧力室を配置する方向の断面Ａ−Ａ）である。基本的に、駆動素子は、振動板と薄膜ピエゾの積層体からなるバイモルフ・アクチュエータであり、薄膜ピエゾの作製方法は各々従来例と同様である。振動板と圧力室壁の形成方法は各実施例で異なり、その作製方法は各図にプロセスフローを示した。
【００３９】
ここでは、従来例および各実施例の特性を比較するため、以下の共通条件を含んでいる。
【００４０】
・個別電極２０ ：幅 ４５（μｍ）、厚さ ０．１（μｍ）
・薄膜ピエゾ１９ ：圧電定数ｄ３１ １００Ｅ−１２（ｍ／Ｖ）、幅 ４５（μｍ）、厚さ ２（μｍ）
・圧力室１４ ：長さ５００（μｍ）、幅 ５０（μｍ）、深さ ５０（μｍ）
・ノズル１２のピッチ： ８５（μｍ）（＝３００ｄｐｉ）
圧力室壁厚さ＝ノズルピッチ−圧力室幅＝３５（μｍ）
・ノズル１２ ：長さ １５（μｍ）、直径 １５（μｍ）
ポリイミド（ＰＩ）シート１０をエキシマレーザ加工によってノズルを形成
・導通路１３ ：長さ ３０（μｍ）、直径 ４０（μｍ）
ＳＵＳシート１１をエッチングによってインク流路を形成
以下、各実施例を説明し、特性比較を後述する。
【００４１】
［実施例１］
図５は、本発明の第１の実施例の説明図であり、製造プロセスフロー及びヘッドの構造を示す。
【００４２】
（１）ピエゾ基板を形成する。即ち、プロセス用基板２１（例えば、ＭｇＯ）に、Ｐｔにより、個別電極２０を形成し、更に、個別電極２０上に、ピエゾ膜１９をスパッタリング法等により、形成する。更に、各ピエゾ膜１９間を、ポリイミド（ＰＩ）２２で平坦にする。
【００４３】
（２）（１）のピエゾ基板全面に共通電極兼振動板１８をＣｒスパッタによって形成する。厚さは、１（μｍ）である。
【００４４】
（３）共通電極兼振動板１８上に、ドライフィルムレジストのパターニングにより第１の圧力室壁基部１４−１を形成する。高さは、２０（μｍ）、幅は、３５（μｍ）である。
【００４５】
（４）別途作製した導通路板１１に、ドライフィルムレジストのパターニングにより第２の圧力室壁基部１４−２を形成する。高さは、２９（μｍ）、幅は、３５−ｔ１×２＝３３（μｍ）であり、ｔ１は下記（５）参照。
【００４６】
（５）（４）の部材のパターン全面に、補強コーティング層２３をＴｉＮスパッタによって形成する。この圧力室壁面上のコーティング厚さｔ１は、１（μｍ）である。この後、ノズル１２を形成したノズル板１０を、導通路板１１に、接合する。
【００４７】
（６）（３）の部材と、（５）の部材とを位置合わせして、加熱接合した後、ピエゾ基板のＭｇＯ２１をエッチングによって除去して、完成する。
【００４８】
この実施例では、半導体プロセスを使用して、ドライフィルムレジストにより、高密度に圧力室壁１４を形成している。ドライフィルムレジストは、樹脂であり、剛性が低い。このため、ＴｉＮの高剛性材を壁１４にコーティングして、圧力室の壁１４の剛性を高くしている。このため、図４（Ａ）で示した圧力室壁１４の撓みを防止できる。
【００４９】
［実施例２］
図６は、本発明の第２の実施例の説明図である。
【００５０】
（１）ピエゾ基板を形成する。即ち、プロセス用基板２１（例えば、ＭｇＯ）に、Ｐｔにより、個別電極２０を形成し、更に、個別電極２０上に、ピエゾ膜１９をスパッタリング法等により、形成する。更に、各ピエゾ膜１９間を、ポリイミド（ＰＩ）２２で平坦にする。
【００５１】
（２）（１）のピエゾ基板全面に共通電極兼振動板１８をＣｒスパッタによって形成する。厚さは、１（μｍ）である。
【００５２】
（３）（２）の振動板１８の上に、Ｃｒスパッタのパターニングにより圧力室壁基部２４を形成する。高さは、１０（μｍ）、幅は、３５（μｍ）である。
【００５３】
（４）別途作製したノズル基板（ノズル板１０と導通路板１１の積層板）に、ドライフィルムレジストのパターニングにより圧力室壁基部１４を形成する。高さは、４０（μｍ）、幅は、３５（μｍ）である。
【００５４】
（５）（３）の部材と、（４）の部材とを位置合わせして、加熱接合し、ピエゾ基板のＭｇＯ２１をエッチングによって除去して、完成する。
【００５５】
この実施例では、半導体プロセスを使用して、ドライフィルムレジストにより、高密度に圧力室壁１４を形成している。ドライフィルムレジストは、樹脂であり、剛性が低い。このため、Ｃｒの高剛性材を振動板１８の固定支持部に、圧力室の一部を形成するように、設けている。これにより、圧力室の壁の振動板１８の支持部の剛性を高くできる。このため、図４（Ｂ）で示した圧力室壁１４の固定支持部での不要な変位を防止できる。
【００５６】
［実施例３］
図７は、本発明の第３の実施例の説明図である。この実施例は、第２の実施例の変形であり、図６の工程（３）において、スパッタ用マスクの端面をテーパ状にすることによって、Ｃｒスパッタによる圧力室壁基部２４の断面を、台形状に形成する。
【００５７】
その高さは、１０（μｍ）、上幅（ピエゾ側）は、４０（μｍ）、下幅（ノズル側）は、３５（μｍ）である。この実施例では、テーパを設けたため、振動板支持部で生じる応力を緩和できる。
【００５８】
［実施例４］
図８は、本発明の第４の実施例の説明図である。
【００５９】
（１）ピエゾ基板を形成する。即ち、プロセス用基板２１（例えば、ＭｇＯ）に、Ｐｔにより、個別電極２０を形成し、更に、個別電極２０上に、ピエゾ膜１９をスパッタリング法等により、形成する。更に、各ピエゾ膜１９間を、ポリイミド（ＰＩ）２２で平坦にする。
【００６０】
（２）（１）のピエゾ基板全面に共通電極１８−１をＣｒスパッタによって形成する。厚さは、０．１（μｍ）であり、薄いため、振動板として、機能しない。
【００６１】
（３）共通電極１８−１上に、ドライフィルムレジストのパターニングにより圧力室壁基部１４−１を形成する。高さは、２９（μｍ）、幅は、３５−ｔ１×２＝３３（μｍ）であり、ｔ１は下記（４）参照。
【００６２】
（４）（３）の圧力室内のパターン全面に、補強コーティング層２５をＴｉＮスパッタによって形成する。圧力室壁面上のコーティング厚さｔ１は、１（μｍ）であり、共通電極１８−１上のコーティング厚さｔ２は、１（μｍ）である。
【００６３】
（５）別途作製したノズル基板（ノズル板１０と導通路板１１の積層板）に、ドライフィルムレジストのパターニングにより圧力室壁基部１４−２を形成する。高さは、２０（μｍ）、幅は、３５（μｍ）である。
【００６４】
（６）（４）の部材と、（５）の部材とを位置合わせして、加熱接合し、ピエゾ基板のＭｇＯ２１をエッチングによって除去して、完成する。
【００６５】
この実施例では、圧力室の壁を補強するコーティング層２５が、振動板を形成している。このため、図４（Ａ）に示す圧力室壁１４の撓みを防止する他に、図４（Ｂ）に示す支持部の変形も防止できる。図１０により説明すると、圧力室壁１４面のコーティング層２５が、共通電極１８−１上のコーティング層２５（振動板として機能）を支持する強化梁として機能するため、振動板端部の支持剛性が向上し、振動板支持部の不要な変位を防止する。
【００６６】
［実施例５］
図９は、本発明の第５の実施例の説明図であり、図８の実施例の変形例を示す。図８の工程（４）において、ＴｉＮスパッタの照射角度と時間を調整してｔ１＞ｔ２としている。この圧力室壁面１４−１上のコーティング厚さｔ１は、５（μｍ）であり、振動板面側のコーティング厚さｔ２は、１（μｍ）である。即ち、図８に比し、圧力室壁面のコーテイィグ厚みを、厚くしている。これにより、更に、圧力室壁の剛性を高めるとともに、振動板の機能を損ねない。
【００６７】
更に、実施例５−２として、図９よりも更にｔ１を厚くする。圧力室壁１４−１上のコーティング厚さｔ１を１０（μｍ）、振動板面側のコーティング厚さｔ２を１（μｍ）とした。
【００６８】
［実施例６］（図３）
図１１は、本発明の第６の実施例の説明図であり、図８の実施例の変形例を示す。図８の工程（２）の共通電極１８−１の形成工程を省き（工程短縮）、工程（３）のコーティング材は、導電性のあるＣｒスパッタ膜２５にする。これにより、ピエゾ膜１９上に、形成されたコーティング層２５は、共通電極兼振動板の機能を果たし、各圧力室のコーティング層２５は、互いに接続されている。これにより、工程を省略できる。
【００６９】
［実施例７］
図１２は、本発明の第７の実施例の説明図であり、図６の実施例と図８の実施例とを組み合わせたものである。
【００７０】
（１）ピエゾ基板を形成する。即ち、プロセス用基板２１（例えば、ＭｇＯ）に、Ｐｔにより、個別電極２０を形成し、更に、個別電極２０上に、ピエゾ膜１９をスパッタリング法等により、形成する。更に、各ピエゾ膜１９間を、ポリイミド（ＰＩ）２２で平坦にする。
【００７１】
（２）（１）のピエゾ基板全面に共通電極１８−１をＣｒスパッタによって形成する。厚さは、０．１（μｍ）であり、薄いため、振動板として、機能しない。
【００７２】
（３）共通電極１８−１上に、ＴｉＮスパッタのパターニングにより圧力室壁基部２４を形成する。高さは、１（μｍ）、幅は、３５−ｔ１×２＝３３（μｍ）であり、ｔ１は下記（５）参照。
【００７３】
（４）基部２４上に、ドライフィルムレジストのパターニングにより圧力室壁基部１４−１を形成する。高さは、２９（μｍ）、幅は、３５−ｔ１×２＝３３（μｍ）であり、ｔ１は下記（５）参照。
【００７４】
（５）（４）の圧力室内のパターン全面に、補強コーティング層２５をＴｉＮスパッタによって形成する。圧力室壁面上のコーティング厚さｔ１は、１（μｍ）であり、共通電極１８−１上のコーティング厚さｔ２は、１（μｍ）である。
【００７５】
（６）別途作製したノズル基板（ノズル板１０と導通路板１１の積層板）に、ドライフィルムレジストのパターニングにより圧力室壁基部１４−２を形成する。高さは、２０（μｍ）、幅は、３５（μｍ）である。
【００７６】
（７）（５）の部材と、（６）の部材とを位置合わせして、加熱接合し、ピエゾ基板のＭｇＯ２１をエッチングによって除去して、完成する。
【００７７】
この実施例では、圧力室の壁を補強するコーティング層２５が、振動板を形成している。このため、図４（Ａ）に示す圧力室壁１４の撓みを防止する他に、図４（Ｂ）に示す支持部の変形も防止できる。図１３により説明すると、圧力室壁１４面のコーティング層２５が、共通電極１８−１上のコーティング層２５（振動板として機能）を支持する強化梁として機能するため、振動板端部の支持剛性が向上し、振動板支持部の不要な変位を防止する。更に、振動板支持部の倒れこみも抑制できる。
【００７８】
この、コーティング層の作製方法としては上記スパッタの他にＣＶＤ、無電界メッキ、蒸着等の適用が可能であり、補強構造を実現する手法であればこれらに限らない。
【００７９】
以上の実施例１〜７による効果を、図１４、図１５、図１６に示す。
【００８０】
図１４は、実施例１〜７のヘッドの動作特性を従来例と比較したものであり、ヘルムホルツ周波数およびインク粒子量２ｐＬ（ｐＬ：ピコリットル）のときのインク粒子初速度を示している。いずれの実施例も、従来例と同サイズのインク噴射構造でありながら、ヘルムホルツ周波数およびインク粒子初速度を向上しており、本特許の目的とするインク飛翔特性の向上（特に微小粒子の粒子化速度向上）とノズルの高集積化を両立し、印字品質を向上することに寄与することがわかる。
【００８１】
図１５は、具体的に構造上の効果（圧力室壁強化の効果）を、従来例と比較したものであり、図１４の結果も含め従来例の値を「１」としたときの各実施例１〜７の値をまとめている。ここで、圧力室壁強化の効果は、インク噴射時の体積損失（圧力室内のインク圧縮と発生圧力による圧力室壁逃げ）の内、圧力室壁逃げの割合（圧力室壁損失）をＦＥＭ（有限要素）解析によって算出したものである。
【００８２】
明らかに、実施例１〜７によって、圧力室壁損失を抑制（値が１未満）し、結果としてヘッド動作特性を向上（値が１より大きい）させている。
【００８３】
図１６は、前記ＦＥＭ解析手法から、圧力室壁の芯材とコーティング材の剛性比率による圧力室壁損失率を算定したものである。この圧力室壁の芯材とコーティング材の剛性比率とは、以下の項目をパラメータに採ったものである。
【００８４】
パラメータ[1]：Ｅ１／Ｅ２
・コーティング材のヤング率：Ｅ１
・圧力室壁の芯材のヤング率：Ｅ２
パラメータ[2]：ｔ１／ｔｗ
・コーティング材の厚さ：ｔ１
・圧力室壁全体の厚さ ：ｔｗ
図１６より、以下の条件を満たすコーティング材料および形状（厚さ）にすることによって、従来（ｔ１／ｔｗ＝０）に比して、圧力室壁損失を効果的に１０％以上抑制でき、前述の実施例の如くヘッド動作特性を向上できる。
【００８５】
・２０≦Ｅ１／Ｅ２のとき、０．０２≦ｔ１／ｔｗの形状にする。
【００８６】
・４０≦Ｅ１／Ｅ２のとき、０．０１≦ｔ１／ｔｗの形状にする。
【００８７】
・８０≦Ｅ１／Ｅ２のとき、０．００５≦ｔ１／ｔｗの形状にする。
【００８８】
・４００≦Ｅ１／Ｅ２のとき、０．００１≦ｔ１／ｔｗの形状にする。
【００８９】
以上、本発明を実施例により説明したが、本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形が可能であり、これらを、本発明の範囲から排除するものではない。
【００９０】
【産業上の利用性】
圧力室壁に、高剛性コーティング層を設け、又は振動板支持部に高剛性層を設けたため、薄く、低剛性の圧力室壁の逃げを抑制でき、ヘルムホルツ周波数を高め、粒子化速度と駆動周波数が向上する。これにより、印字速度（印刷速度）とドットの微細化（インク粒子の微小化）といった印字品質を向上することに寄与する。特に、アクチュエータとして厚さ５μｍ以下の薄膜ピエゾを用いたバイモルフ振動板構造において同効果は顕著であり、ノズルの高集積化やヘッドの小型化に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のマルチノズルインクジェットヘッドを適用したプリンタの構成図である。
【図２】図２は、本発明の一実施の形態のヘッドの上面図である。
【図３】図３は、図２のヘッドのＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図４は、本発明の動作説明図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施例の説明図である。
【図６】図６は、本発明の第２の実施例の説明図である。
【図７】図７は、本発明の第３の実施例の説明図である。
【図８】図８は、本発明の第４の実施例の説明図である。
【図９】図９は、本発明の第５の実施例の説明図である。
【図１０】図１０は、本発明の第５の実施例の動作説明図である。
【図１１】図１１は、本発明の第６の実施例の説明図である。
【図１２】図１２は、本発明の第７の実施例の説明図である。
【図１３】図１３は、本発明の第７の実施例の動作説明図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施例のヘッド動作特性図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施例の圧力室壁損失とヘッド動作特性の比較図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施例の圧力室壁損失率の特性図である。
【図１７】図１７は、従来のマルチノズルインクジェットヘッドの構成図である。

Claims (15)

1. 複数のノズルと複数の圧力室を有するマルチノズルインクジェットヘッドにおいて、
   前記複数のノズルを形成するノズル部材と、
   前記複数の圧力室の壁の一部を形成する感光性樹脂で構成された圧力室壁部材と、
   前記複数の圧力室の個々に、前記ノズルからインクを噴出するための圧力を付与する圧電型アクチュエータと、
   前記圧力室壁部材の前記圧力室に面した面に設けられ、前記圧力室壁部材を補強する、金属又はセラミック材料で構成された前記感光性樹脂よりも高剛性の補強コーティング部材とを有することを特徴とするマルチノズルインクジェットヘッド。
2. 請求項１に記載のマルチノズルインクジェットヘッドにおいて、
   前記圧電型アクチュエータに第１の圧力室壁基部を設け、前記圧力室壁部材としての第２の圧力室壁基部の全面に補強コーティング層を形成し、前記第１の圧力室壁基部と前記第２の圧力室壁基部との接合により前記圧力室の壁が形成され、前記補強コーティング層のうち、前記第２の圧力室基部の前記圧力室に面した面に形成された前記補強コーティング層の部分が前記補強コーティング部材となることを特徴とするマルチノズルインクジェットヘッド。
3. 請求項１に記載のマルチノズルインクジェットヘッドにおいて、
   前記圧力室の前記圧電型アクチュエータに面した面に前記補強コーティング部材と同じ材質によって前記補強コーティング部材と一体のコーティング部材が設けられ、
   前記補強コーティング部材及び前記コーティング部材は、導電性部材で形成されるとともに、各圧力室間には前記補強コーティング部材及び前記コーティング部材と同じ前記導電性部材からなる導電性のコーティング層が各圧力室間にまたがって形成され、
   各圧力室に設けられた前記補強コーティング部材及び前記コーティング部材は、前記各圧力室間にまたがる前記導電性のコーティング層を介して各圧力室間で互いに電気的に接続され、
   前記コーティング部材は、前記各圧力室に対応した前記圧電型アクチュエータの共通電極として機能することを特徴とするマルチノズルインクジェットヘッド。
4. 請求項１に記載のマルチノズルインクジェットヘッドにおいて、
   前記圧電型アクチュエータは、ピエゾ素子と振動板とを有し、
   前記圧力室の前記圧電型アクチュエータに面した面に前記補強コーティング部材と同じ材質によって前記補強コーティング部材と一体のコーティング部材が設けられ、
   前記コーティング部材が前記振動板を兼ねることを特徴とするマルチノズルインクジェットヘッド。
5. 請求項４に記載のマルチノズルインクジェットヘッドにおいて、
   前記振動板を構成する前記コーティング部材の厚みが、前記圧力室壁部材を覆う前記補強コーティング部材の厚みより薄いことを特徴とするマルチノズルインクジェットヘッド。
6. 請求項１又は２に記載のマルチノズルインクジェットヘッドにおいて、
   前記圧力室壁部材の前記圧力室に面した面に設けられた当該壁面上の補強コーティング部材の厚さは、以下の条件を満たすことを特徴とするマルチノズルインクジェットヘッド。
   ２０≦Ｅ１／Ｅ２のとき、０．０２≦ｔ１／ｔｗ、
   ４０≦Ｅ１／Ｅ２のとき、０．０１≦ｔ１／ｔｗ、
   ８０≦Ｅ１／Ｅ２のとき、０．００５≦ｔ１／ｔｗ、
   ４００≦Ｅ１／Ｅ２のとき、０．００１≦ｔ１／ｔｗ。
   但し、補強コーティング部材のヤング率 ：Ｅ１、圧力室壁部材のヤング率 ：Ｅ２、前記壁面上における補強コーティング部材の厚さ ：ｔ１、圧力室壁部材の隣接する圧力室の並び方向の厚さ ：ｔ２、隣接する圧力室間の壁（圧力室壁部材の厚さとその両側面の補強コーティング部材の厚さを含む）の厚さ ：ｔｗ（＝２×ｔ１＋ｔ２）とする。
7. 複数のノズルと複数の圧力室を有するマルチノズルインクジェットヘッドにおいて、
   前記複数のノズルを形成するノズル部材と、
   前記複数の圧力室の壁の一部を形成する圧力室壁部材と、
   前記複数の圧力室の個々に、前記ノズルからインクを噴出するための圧力を付与する圧電型アクチュエータと、
   前記圧力室壁部材の前記圧力室に面した面に設けられ、前記圧力室壁部材を補強する、導電性の補強コーティング部材とを有し、
   前記圧力室の前記圧電型アクチュエータに面した面に前記補強コーティング部材と同じ導電性の材質によって前記補強コーティング部材と一体のコーティング部材が設けられるとともに、各圧力室間には前記補強コーティング部材及び前記コーティング部材と同じ前記導電性の材質からなるコーティング層が各圧力室間にまたがって形成され、
   各圧力室に設けられた前記補強コーティング部材及び前記コーティング部材は、前記各圧力室間にまたがる前記導電性のコーティング層を介して各圧力室間で互いに電気的に接続され、
   前記コーティング部材が前記各圧力室に対応した前記圧電型アクチュエータの共通電極として機能することを特徴とするマルチノズルインクジェットヘッド。
8. 複数のノズルと複数の圧力室を有するマルチノズルインクジェットヘッドにおいて、
   前記複数のノズルを形成するノズル部材と、
   前記複数の圧力室の壁の一部を形成する圧力室壁部材と、
   前記複数の圧力室の個々に、前記ノズルからインクを噴出するための圧力を付与する圧電型アクチュエータと、
   前記圧力室壁部材の前記圧力室に面した面に設けられ、前記圧力室壁部材を補強する補強コーティング部材とを有し、
   前記圧電型アクチュエータは、ピエゾ素子と振動板とを有し、
   前記振動板は、前記補強コーティング部材と同じ材質によって前記圧力室の前記圧電型アクチュエータに面した面に前記補強コーティング部材と一体に形成されたコーティング部材で構成され、
   前記振動板を構成する前記コーティング部材の厚みが、前記圧力室壁部材を覆う前記補強コーティング部材の厚みより薄いことを特徴とするマルチノズルインクジェットヘッド。
9. 請求項４又は８に記載のマルチノズルインクジェットヘッドにおいて、
   前記複数の圧力室に対応した複数の前記圧電型アクチュエータに対して共通の電極となる共通電極を有し、
   前記振動板として機能しない前記共通電極の上に前記圧力室壁部材を構成する圧力室壁基部を設け、当該圧力室壁基部及び当該圧力室壁基部が存在しない部分に露出する前記共通電極を覆う全面に振動板と兼用される補強コーティング層を設け、当該補強コーティング層によって前記補強コーティング部材及び前記コーティング部材を構成したことを特徴とするマルチノズルインクジェットヘッド。
10. 請求項３、４、７又は８に記載のマルチノズルインクジェットヘッドにおいて、
    前記補強コーティング部材は、共通電極兼振動板としての機能を果たすことを特徴とするマルチノズルインクジェットヘッド。
11. 請求項４、７又は８に記載のマルチノズルインクジェットヘッドにおいて、
    前記圧電型アクチュエータに共通電極が形成され、前記共通電極上に前記圧力室壁部材を構成する圧力室壁基部が設けられ、当該圧力室壁基部及び当該圧力室壁基部が存在しない部分に露出する前記共通電極を覆う全面に、前記圧力室壁基部と同じ材質で補強コーティング層が形成されており、当該補強コーティング層によって前記補強コーティング部材及び前記コーティング部材が構成されていることを特徴とするマルチノズルインクジェットヘッド。
12. 複数のノズルと複数の圧力室を有するマルチノズルインクジェットヘッドにおいて、
    前記複数のノズルを形成するノズル部材と、
    前記複数の圧力室の壁の一部を形成する圧力室壁部材と、
    前記圧力室壁部材の上面に各圧力室を覆うように配置される振動板と、複数のピエゾ素子とを有し、前記複数の圧力室の個々に、前記ノズルからインクを噴出するための圧力を付与する圧電型アクチュエータと、を有し、
    前記振動板と前記圧力室壁部材との間の層に、前記圧力室の壁の一部を形成するための圧力室壁基部となる部材が設けられていることを特徴とするマルチノズルインクジェットヘッド。
13. 請求項１２に記載のマルチノズルインクジェットヘッドにおいて、
    前記圧力室壁基部となる部材は、前記振動板に向けてテーパ形状であることを特徴とするマルチノズルインクジェットヘッド。
14. 複数のノズルと複数の圧力室を有するマルチノズルインクジェットヘッドの製造方法において、
    前記複数の圧力室の個々に、前記ノズルからインクを噴出するための圧力を付与する圧電型アクチュエータを作成するステップと、
    前記圧電型アクチュエータ上に、前記複数の圧力室の壁の一部を形成する圧力室壁部材を感光性樹脂により形成するステップと、
    前記複数のノズルを形成するノズル部材とを形成するステップとを有し、
    前記圧力室壁部材を形成するステップは、前記圧力室壁部材の前記圧力室面に、前記圧力室壁部材を補強する、金属又はセラミック材料で構成された前記感光性樹脂よりも高剛性の補強部材をコーティングするステップを有することを特徴とするマルチノズルインクジェットヘッドの製造方法。
15. 複数のノズルと複数の圧力室を有するマルチノズルインクジェットヘッドの製造方法において、
    振動板と複数のピエゾ素子を有する圧電型アクチュエータを作成するステップと、
    前記圧電型アクチュエータの前記振動板側に、前記複数の圧力室の壁の一部を形成する圧力室壁部材と、前記複数のノズルを形成するノズル部材とを形成するステップとを有し、
    前記圧電型アクチュエータを作成するステップは、前記振動板と前記圧力室壁部材との間の層に、前記圧力室壁部材とともに前記圧力室の壁の一部を形成するための圧力室壁基部となる部材を形成するステップを有することを特徴とするマルチノズルインクジェットヘッドの製造方法。

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