JP2861117B2 - Ink jet printer head and method of manufacturing the same - Google Patents

Ink jet printer head and method of manufacturing the same

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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、インクジェットプリンタヘッドに関するも
のである。
Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to an ink jet printer head.

[従来の技術] 従来のインクジェットプリンタヘッドのうち、圧電素
子等により液体流路を変形させインク液滴を吐出させ
る、いわゆるオンデマンド型インクジェットプリンタヘ
ッドには第3図に示すようなものがある。これはインク
液滴を形成するため、溝及び貫通孔が形成された基板10
と平坦な基板7を接合して液体流路12を得、該液体流路
に圧電素子8等により圧縮力を加え、液滴を液体流路端
部より吐出するものである。溝及び貫通孔が形成された
基板10は射出成形により作製されたプラスチック基板で
あるため貫通孔の直径を小さくすることには限度があ
る。高精細印字を得るために、液体流路端部には直径が
数十μm程度の微小孔を有する金属製オリフィス板11を
接合し、これによりインク液滴の直径を数十μmとし高
精細印字を可能としていた。
[Prior Art] Among the conventional ink jet printer heads, there is a so-called on-demand type ink jet printer head which deforms a liquid flow path by a piezoelectric element or the like and discharges ink droplets, as shown in FIG. This is a substrate 10 having grooves and through holes formed therein to form ink droplets.
The liquid flow path 12 is obtained by joining the substrate and the flat substrate 7, and a compressive force is applied to the liquid flow path by the piezoelectric element 8 or the like, and the liquid droplet is discharged from the end of the liquid flow path. Since the substrate 10 in which the groove and the through hole are formed is a plastic substrate manufactured by injection molding, there is a limit to reducing the diameter of the through hole. In order to obtain high-definition printing, a metal orifice plate 11 having micropores with a diameter of about several tens of μm is joined to the end of the liquid flow path, thereby reducing the diameter of the ink droplets to several tens of μm and printing high definition Was possible.

[発明が解決しようとする課題及び目的] しかし、前述の従来技術では以下に述べるような問題
が生じていた。前述の金属オリフィス板11は通常、電鋳
やエッチングにより作製され、即ち基板10とは別個の工
程で作製されるため、当然コストは上昇する。金属オリ
フィス板は基板10に接合されるが、金属とプラスチック
の接合は困難であり、場合によっては分解してしまうこ
ともあり、信頼性が低かった。又、オリフィス板の孔ピ
ッチと基板に形成された貫通孔のピッチの誤差により、
インク液滴の飛行経路がばらつき、印字品質が低下して
いた。そこで本発明はこのような課題を解決するもの
で、その目的とするところは信頼性及び印字品質に優れ
たインクジェットプリンタヘッドを安価に提供するとこ
ろにある。
[Problems and Object to be Solved by the Invention] However, the above-described conventional technology has the following problems. Since the above-mentioned metal orifice plate 11 is usually manufactured by electroforming or etching, that is, manufactured in a process separate from the substrate 10, the cost naturally increases. Although the metal orifice plate is bonded to the substrate 10, it is difficult to bond the metal and the plastic, and in some cases, the metal orifice plate may be decomposed, resulting in low reliability. Also, due to the difference between the hole pitch of the orifice plate and the pitch of the through holes formed in the substrate,
The flight path of the ink droplets fluctuated, and the print quality was degraded. The present invention solves such a problem, and an object of the present invention is to provide an ink jet printer head having excellent reliability and printing quality at a low cost.

[課題を解決するための手段] 本発明のインクジェットプリンタヘッドは、圧縮力を
与えて液滴を吐出口から吐出させるための流路となる断
面四角形の溝が吐出口となる貫通孔を包含するように形
成されてなるSi基板と、振動板となる平板と、この平板
を介してかつ前記溝に対応して配置された圧電素子等の
振動発生手段と、を備えたことを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] An ink jet printer head of the present invention includes a through-hole in which a groove having a rectangular cross section serving as a flow path for applying a compressive force to cause droplets to be discharged from a discharge port serves as a discharge port. A silicon substrate formed as described above, a flat plate serving as a vibrating plate, and vibration generating means such as a piezoelectric element disposed via the flat plate and corresponding to the groove.

また、本発明のインクジェットプリンタヘッドの製造
方法は、そのようなインクジェットプリンタヘッドを製
造するためのインクジェットプリンタヘッドの製造方法
であって、結晶軸方向が<100>又は<110>であるSi基
板の両面にSi酸化膜を形成する第1の工程と、前記Si酸
化膜に第1の開口部を形成する第2の工程と、前記第1
の開口部を介して、前記Si基板を貫通するまで、アルカ
リ液を用いた異方性エッチングを行い、吐出口となる貫
通孔を前記Si基板に形成する第3の工程と、前記Si酸化
膜に、前記貫通孔を包含するように、第2の開口部を形
成する第4の工程と、前記第2の開口部を介して、前記
Si基板の所定深さまで、アルカリ液を用いた異方性エッ
チングを行い、圧縮力を与えて液滴を吐出口から吐出さ
せるための流路となる断面四角形の溝を前記Si基板に形
成する第5の工程と、をこの順序で有することを特徴と
する。
Further, the method for manufacturing an ink jet printer head of the present invention is a method for manufacturing an ink jet printer head for manufacturing such an ink jet printer head, wherein the crystal axis direction is <100> or <110>. A first step of forming a Si oxide film on both surfaces; a second step of forming a first opening in the Si oxide film;
A third step of performing anisotropic etching using an alkaline liquid until the silicon oxide film penetrates the Si substrate through the opening, and forming a through hole serving as a discharge port in the Si substrate; A fourth step of forming a second opening so as to cover the through hole, and the second opening through the second opening.
Performing anisotropic etching using an alkaline liquid to a predetermined depth of the Si substrate, forming a groove having a rectangular cross section serving as a flow path for applying a compressive force to discharge droplets from the discharge port in the Si substrate. And step 5 in this order.

[実施例] 以下に、本発明の実施例に基づき詳細に説明する。第
1図にSi板の加工工程図を示す。Si板としては結晶軸方
向が<100>である厚み220μmのSi基板を用いた。Si板
1を酸素雰囲気下で加熱し、いわゆる熱酸化膜2を得た
(第1図(a))。熱酸化膜2をエッチングマスクとし
て使用するため貫通孔に相当するパターニングを施した
(第1図(b))。本実施例では一辺360μmの正方形
パターンとした。次いでエチレンジアミン系アルカリエ
ッチング液により、Si板を貫通するまでエッチングした
(第1図(c))。アルカリによるSi単結晶のエッチン
グでは結晶軸方向によりエッチング速度が著しく異な
り、即ち<100>又は<110>に対し<111>ではエッチ
ング速度が著しく遅く、上述したエッチングは異方性エ
ッチングとなる。貫通孔の断面形状は第1図(c)のよ
うに斜面が<111>面であるような台形形状となるが、
その形状は開口部(非マスキング部)長さとエッチング
深さ(Si板厚み)により一義的に決まるため形状ばらつ
きは無視し得るほど小さい。貫通孔の底面側の開口部は
一辺50μmの正方形状となった。次に貫通孔を包含する
ように液体流路となる溝に相当する部分の熱酸化膜を除
去し(第1図(d))、同様にアルカリにて所定の深さ
までエッチングし、溝を形成した(第1図(e))。最
後に基板4をフッ酸系エッチング液に浸し上面及び下面
のSiO2を除去した(第1図には該当する図は示していな
い)。上述の加工工程により得られた貫通孔と溝を有す
るSi基板4は第2図に示すように平板7と接着し、次い
で圧電素子8を平板7上に貼り付け、インク供給パイプ
9を取り付け、インクジェットプリンタヘッドが完成す
る。このようにして得られたインクジェットプリンタヘ
ッドでは、構造上、従来のインクジェットプリンタヘッ
ドにおける基板とオリフィス板が一体化している構造の
ため、基板とオリフィス板の接着工程が不要でかつ剥が
れなどの問題も生じ得ない。また貫通孔の大きさ、方向
が均一に形成されているため吐出されるインク液滴の大
きさが均一で、又、飛行経路も基板に垂直で曲がりが生
じないため印字品質が向上する。以上に説明したのは結
晶軸が<100>の場合であるが、<110>Si基板の場合も
基本的には同様にインクジェットプリンタヘッドが形成
出来、同様の性能が発揮出来る。
[Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail. FIG. 1 shows a processing step diagram of the Si plate. As the Si plate, a Si substrate having a crystal axis direction of <100> and a thickness of 220 μm was used. The so-called thermal oxide film 2 was obtained by heating the Si plate 1 in an oxygen atmosphere (FIG. 1A). In order to use the thermal oxide film 2 as an etching mask, patterning corresponding to the through hole was performed (FIG. 1B). In this embodiment, a square pattern having a side of 360 μm is used. Next, etching was performed with an ethylenediamine-based alkali etching solution until the Si plate was penetrated (FIG. 1 (c)). In the etching of a Si single crystal with an alkali, the etching rate is significantly different depending on the crystal axis direction, that is, the etching rate is significantly lower in <111> than in <100> or <110>, and the above-described etching is anisotropic etching. The cross-sectional shape of the through hole has a trapezoidal shape such that the slope is a <111> plane as shown in FIG.
Since the shape is uniquely determined by the length of the opening (non-masking portion) and the etching depth (thickness of the Si plate), the shape variation is so small that it can be ignored. The opening on the bottom surface side of the through hole had a square shape with a side of 50 μm. Next, the thermal oxide film is removed from the portion corresponding to the groove serving as the liquid flow path so as to cover the through hole (FIG. 1 (d)), and similarly etched to a predetermined depth with alkali to form the groove. (FIG. 1 (e)). Finally, the substrate 4 was immersed in a hydrofluoric acid-based etching solution to remove the SiO 2 on the upper surface and the lower surface (the corresponding figure is not shown in FIG. 1). The Si substrate 4 having the through-holes and grooves obtained by the above-described processing steps is adhered to the flat plate 7 as shown in FIG. 2, then the piezoelectric element 8 is stuck on the flat plate 7, and the ink supply pipe 9 is attached. The ink jet printer head is completed. The structure of the ink jet printer head obtained in this way is such that the substrate and the orifice plate in the conventional ink jet printer head are integrated, so that there is no need for a bonding step between the substrate and the orifice plate, and there are also problems such as peeling. Cannot occur. Further, since the size and direction of the through hole are formed uniformly, the size of the ejected ink droplet is uniform, and the flight path is perpendicular to the substrate and does not bend, thereby improving the printing quality. Although the case where the crystal axis is <100> has been described above, an ink jet printer head can be basically formed similarly in the case of a <110> Si substrate, and the same performance can be exhibited.

[発明の効果] 以上述べたように、本発明のインクジェットプリンタ
ヘッドは、圧縮力を与えて液滴を吐出口から吐出させる
ための流路となる断面四角形の溝が吐出口となる貫通孔
を包含するように形成されてなるSi基板と、振動板とな
る平板と、この平板を介してかつ前記溝に対応して配置
された圧電素子等の振動発生手段と、を備えたことを特
徴とする。
[Effects of the Invention] As described above, the ink jet printer head of the present invention has a through-hole in which a rectangular cross-sectional groove serving as a flow path for applying a compressive force to cause droplets to be ejected from an ejection port serves as an ejection port. Si substrate formed so as to include, a flat plate serving as a vibration plate, and vibration generating means such as a piezoelectric element disposed via the flat plate and corresponding to the groove, characterized by comprising I do.

このため、本発明のインクジェットプリンタヘッドに
よれば、断面四角形の溝が吐出口となる貫通孔を包含す
るように形成されているので、インク流路としての抵抗
が低くインクの供給をスムーズに行うことができる。し
かも、この断面四角形の溝が圧縮力を与えて液滴を吐出
口から吐出させるための流路となり、かつ、この断面四
角形の溝に対応して圧電素子等が配置されてなるため、
効率良く圧縮力を発生させることができ、その結果、効
率良くインクを吐出することができる。
For this reason, according to the inkjet printer head of the present invention, since the groove having a rectangular cross section is formed so as to include the through hole serving as the discharge port, the resistance as the ink flow path is low and the ink is supplied smoothly. be able to. Moreover, since the rectangular cross-sectional groove serves as a flow path for applying a compressive force to discharge the droplet from the discharge port, and a piezoelectric element or the like is arranged corresponding to the rectangular cross-sectional groove,
The compression force can be generated efficiently, and as a result, ink can be ejected efficiently.

本発明のインクジェットプリンタヘッドの製造方法
は、上記したようなインクジェットプリンタヘッドを製
造するためのインクジェットプリンタヘッドの製造方法
であって、結晶軸方向が<100>又は<110>であるSi基
板の両面にSi酸化膜を形成する第1の工程と、前記Si酸
化膜に、第1の開口部を形成する第2の工程と、前記第
1の開口部を介して、前記Si基板を貫通するまで、アル
カリ液を用いた異方性エッチングを行い、吐出口となる
貫通孔を前記Si基板に形成する第3の工程と、前記Si酸
化膜に、前記貫通孔を包含するように、第2の開口部を
形成する第4の工程と、前記第2の開口部を介して、前
記Si基板の所定深さまで、アルカリ液を用いた異方性エ
ッチングを行い、圧縮力を与えて液滴を吐出口から吐出
させるための流路となる断面四角形の溝を前記Si基板に
形成する第5の工程と、をこの順序で有することを特徴
とする。
The method for manufacturing an ink jet printer head of the present invention is a method for manufacturing an ink jet printer head for manufacturing an ink jet printer head as described above, wherein both sides of a Si substrate whose crystal axis direction is <100> or <110>. A first step of forming a first opening in the Si oxide film, a second step of forming a first opening in the Si oxide film, and a step of penetrating the Si substrate through the first opening. A third step of performing anisotropic etching using an alkali solution to form a through hole serving as a discharge port in the Si substrate, and a second step of including the through hole in the Si oxide film. A fourth step of forming an opening, and anisotropic etching using an alkaline solution is performed to a predetermined depth of the Si substrate through the second opening to apply a compressive force to discharge the droplet. Cross section serving as a flow path for discharging from the outlet And having a fifth step of forming a square groove in the Si substrate, the in this order.

このため、本発明のインクジェットプリンタヘッドの
製造方法によれば、上述した優れた効果を有する本発明
のインクジェットプリンタヘッドを効率的に製造するこ
とができる。
Therefore, according to the method of manufacturing an ink jet printer head of the present invention, the ink jet printer head of the present invention having the above-described excellent effects can be efficiently manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明におけるSi板の加工工程図。 第2図は本発明におけるインクジェットプリンタヘッド
の構成図。 第3図は従来のインクジェットプリンタヘッドの図。 第4図は第1図の断面図。 第5図は第3図の断面図。 1……Si板 2……SiO2膜 3……<111>面 4……溝及び貫通孔が形成されたSi基板 5……貫通孔 6……溝 7……平板 8……圧電素子 9……インク供給パイプ 10……溝及び貫通孔が形成されたプラスチック基板 11……金属オリフィス板 12……液体流路
FIG. 1 is a process diagram of a Si plate according to the present invention. FIG. 2 is a configuration diagram of an ink jet printer head according to the present invention. FIG. 3 is a diagram of a conventional ink jet printer head. FIG. 4 is a sectional view of FIG. FIG. 5 is a sectional view of FIG. 1 ... Si plate 2 ...... SiO 2 film 3 ...... <111> plane 4 ...... groove and the through hole is formed Si substrate 5 ... through hole 6 ... groove 7 ...... flat 8 ...... piezoelectric element 9 …… Ink supply pipe 10 …… Plastic substrate with grooves and through holes formed 11 …… Metal orifice plate 12 …… Liquid flow path

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】圧縮力を与えて液滴を吐出口から吐出させ
るための流路となる断面四角形の溝が、吐出口となる貫
通孔を包含するように形成されてなるSi基板と、 振動板となる平板と、 この平板を介して、かつ、前記溝に対応して配置された
圧電素子等の振動発生手段と、を備えたことを特徴とす
るインクジェットプリンタヘッド。
An Si substrate having a groove having a rectangular cross section serving as a flow path for applying a compressive force to cause a droplet to be ejected from an ejection port is formed so as to include a through hole serving as the ejection port. An ink jet printer head, comprising: a flat plate serving as a plate; and vibration generating means such as a piezoelectric element disposed through the flat plate and corresponding to the groove.
【請求項2】請求項1に記載のインクジェットプリンタ
ヘッドを製造するためのインクジェットプリンタヘッド
の製造方法であって、 結晶軸方向が<100>又は<110>であるSi基板の両面に
Si酸化膜を形成する第1の工程と、 前記Si酸化膜に、第1の開口部を形成する第2の工程
と、 前記第1の開口部を介して、前記Si基板を貫通するま
で、アルカリ液を用いた異方性エッチングを行い、吐出
口となる貫通孔を前記Si基板に形成する第3の工程と、 前記Si酸化膜に、前記貫通孔を包含するように、第2の
開口部を形成する第3の工程と、 前記第2の開口部を介して、前記Si基板の所定深さま
で、アルカリ液を用いた異方性エッチングを行い、圧縮
力を与えて液滴を吐出口から吐出させるための流路とな
る断面四角形の溝を前記Si基板に形成する第5の工程
と、 をこの順序で有することを特徴とするインクジェットプ
リンタヘッドの製造方法。
2. A method for manufacturing an ink jet printer head according to claim 1, wherein the crystal axis direction is <100> or <110>.
A first step of forming a Si oxide film; a second step of forming a first opening in the Si oxide film; and a step of penetrating the Si substrate through the first opening. A third step of performing anisotropic etching using an alkaline liquid to form a through hole serving as a discharge port in the Si substrate, and a second opening including the through hole in the Si oxide film. A third step of forming a portion, and performing anisotropic etching using an alkaline solution to a predetermined depth of the Si substrate through the second opening to give a compressive force to discharge the droplet. A fifth step of forming a groove having a rectangular cross section as a flow path for discharging from the Si substrate in the Si substrate in this order.
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