JP2000289205A

JP2000289205A - インクジェットヘッド及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000289205A
Application number: JP10423899A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ishikawa; 博之石川; Masahiro Fujii; 正寛藤井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-04-12
Filing date: 1999-04-12
Publication date: 2000-10-17

Abstract

(57)【要約】【課題】複数のノズル列を有するインクジェットヘッド
においては、微少インク滴のノズル面へのインク付着が
ノズルを閉塞させ、吐出不良発生等による印字信頼性を
低下させる課題が有った。【解決手段】インク滴を吐出するノズル孔１１と、イン
クに圧力を加えるための圧力室５と、吐出圧力を圧力室
５に発生させる圧力発生手段とで構成され、複数のノズ
ル孔１１は１列のノズル列１６の構成とし、圧力室５は
第一の圧力室２１と第二の圧力室２２から構成され、第
二の圧力室２２はノズル孔１１直下に配置し、第一の圧
力室２１はノズル孔１１の一個おきにノズル列１６に対
して左右に分かれて配置することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク滴を相対移
動する記録媒体上に吐出して所望の印刷を形成するイン
クジェットプリンタに搭載されるインクジェットヘッド
に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、イン
ク滴吐出の際に発生する余剰インク滴がノズルの配置さ
れるノズル面への付着を減少することの可能なインクジ
ェットヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般にインクジェットヘッドは、インク
を加圧してインク滴を吐出するための圧力発生室を備え
ており、その一端はインク供給路を経てインクタンクに
連通し、他端にはインク滴を吐出させるノズル開口が設
けられている。そして、圧力室の一部を変形しやすく形
成して振動板として用い、これを電気機械変換手段によ
って弾性変位させることによってノズル開口からインク
滴を吐出する圧力を発生させている。

【０００３】このようなインクジェットヘッドを用いた
記録装置は低騒音、低消費電力等の優れた特徴を有し、
情報処理装置用の出力装置として広く普及している。そ
して、情報処理装置の高性能化に伴って出力文字及び画
像の更なる高品位化が求められており、より微細なイン
ク滴をより安定して吐出させる技術を開発することが急
務となっている。

【０００４】通常、インクジェットヘッドは複数のノズ
ルをほぼ直線上に配置して有しており、これを用いた記
録装置はインクジェットヘッドと記録紙とをこの直線と
略直交する方向に相対的に移動することによって二次元
の画像を出力する。従って、ドット密度を高めて高品位
を達成するためには、隣接するノズル同士の間隔（ノズ
ルピッチともいう）を狭めることが必要である。その反
面、ノズルピッチを狭めると同時に、上記圧力室のピッ
チ及び、同体積を減少させる事も必要となり、所望のイ
ンク滴吐出量を達成できないという課題が生じた。

【０００５】この課題に対して、特開平９−３２３４０
９号、特開平１０−１９３６２５号等に開示の技術で
は、２列のノズル列１６、１９を有し、一方のノズル列
１６のノズル孔１１が他方のノズル列１９のノズル孔に
対して、ノズル孔のピッチ方向のノズル孔１１間に位置
するように、ノズル孔１１を千鳥状に配置している。ま
た、各ノズル孔１１に対して、圧力室５は図１２に示す
ようにノズル孔１１の位置に合わせて千鳥状に配置して
いた。この構成により、所望のインク液滴量を吐出する
圧力発生室５の幅を確保し、且つ、１列のノズル列１６
を有するヘッドのドット密度の２倍のドット密度を有す
るインクジェットヘッドを得るものであった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来技
術には以下のような解決すべき課題を有しており、図１
３に基づいて説明する。

【０００７】複数のノズル列１６を有するインクジェッ
トヘッドの構成では、ノズル孔１１よりインク滴１８を
吐出すると、２列のノズル列１６間に気流１７が発生す
る。発生する気流１７によって微少インク滴（図示しな
い）がノズル面へ付着する場合が有り、さらには付着し
たインク、又は付着したインクと紙粉の固まりがノズル
を閉塞させ、ドット抜け等の吐出不良が発生し、印字信
頼性を低下させる課題が有った。

【０００８】本発明は、このような課題を解決するため
になされたものであり、ドット密度を高め、且つ所望の
インク滴吐出量を確保し、さらにはノズル面へのインク
付着を減少させるインクジェットヘッドを提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明のインクジェットヘッドは、インク滴を吐
出するためのノズル孔と、該ノズル孔に連通して設けら
れインクに圧力を加えるための圧力室と、該圧力室にイ
ンクを供給するインク供給路と、インク滴を吐出するた
めの吐出圧力を前記圧力室に発生させる圧力発生手段と
を有するインクジェットヘッドにおいて、複数の前記ノ
ズル孔は１列のノズル列の構成とし、前記圧力室は第一
の圧力室と第二の圧力室から構成され、該第二の圧力室
は該ノズル孔直下に配置して該ノズル孔に連通し、該第
一の圧力室は該ノズル列における該ノズル孔の一個おき
に該ノズル列に対して左右に分かれて配置することを特
徴とする。

【００１０】また、本発明のインクジェットヘッドは、
前記圧力室は格子面（１１０）の面方位のシリコン単結
晶基板を異方性エッチングして形成される結晶方位＜１
１１＞面に平行な複数の壁面にて構成されることを特徴
とする。

【００１１】更に、本発明のインクジェットヘッドの製
造方法は、インク滴を吐出するためのノズル孔と、該ノ
ズル孔に連通して設けられインクに圧力を加えるための
圧力室と、該圧力室にインクを供給するインク供給路
と、インク滴を吐出するための吐出圧力を前記圧力室に
発生させる圧力発生手段とを有するインクジェットヘッ
ドの製造方法において、複数の前記ノズル孔は１列のノ
ズル列構成とし、前記圧力室は第一の圧力室と第二の圧
力室から構成され、該第二の圧力室は該ノズル孔直下に
配置して該ノズル孔に連通し、該第一の圧力室は該ノズ
ル列における該ノズル孔の一個おきに該ノズル列に対し
て左右に分かれて配置し、該圧力室を格子面（１１０）
の面方位のシリコン単結晶基板を異方性エッチングして
形成することを特徴とする。

【００１２】更にまた、本発明のインクジェットヘッド
の製造方法は、前記圧力室は結晶方位＜１１１＞面に平
行な複数の壁面にて構成され、該複数の壁面が凸状に交
わる交線部に相当する位置に突パターン形状を配置した
異方性エッチング用窓で異方性エッチングすることを特
徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して本発明を
適用したインクジェットヘッドを備えたインクジェット
プリンタを説明する。

【００１４】（静電アクチュエータの動作原理の説明）
図１は本発明を適用したインクジェットヘッドの概略断
面図であり、図２はその平面透視図である。

【００１５】これらの図に示すように、インクジェッド
ヘッド１は、シリコン基板２を挟み、上側に同じくシリ
コン製のノズルプレート３、下側にシリコンと熱膨張率
が近いホウ珪酸ガラス基板４がそれぞれ積層された３層
構造となっている。中央のシリコン基板２は格子面（１
１０）の面方位のシリコン単結晶基板を材料とし、それ
ぞれ独立した複数の圧力室５、これらに共通に設けられ
た共通インク室６としてそれぞれ機能する溝が、その表
面（図１中、上面）から異方性エッチングを施すことに
より形成されている。

【００１６】ノズルプレート３には、各圧力室５の先端
側の部分に対応する位置に、ノズル孔１１が形成されて
おり、これらが各圧力室５に連通している。また、各圧
力室５の後端側の部分に対応する位置に共通インク室６
と接続するインク供給路７が形成されている。シリコン
基板２の複数の圧力室５及び共通インク室６をノズルプ
レート３によって塞ぐことにより、各部分５、６、７が
区画形成される。

【００１７】インクは、外部の図示しないインクタンク
から、インク供給口（図示しない）を通って共通インク
室６に供給される。共通インク室６に供給されたインク
は、インク供給路７を通って、互いに独立した圧力室５
にそれぞれ供給される。

【００１８】圧力室５は、その底壁８が図１の上下方向
に弾性変位可能な振動板として機能するように薄肉に形
成されている。したがって、この底壁８の部分を、以後
の説明の都合上、振動板８と称して説明することもあ
る。

【００１９】次に、シリコン基板２の下面に接している
ガラス基板４においては、その上面、即ちシリコン基板
２との接合面には、シリコン基板２の各圧力室５に対応
した位置に、浅くエッチングされた凹部９が形成されて
いる。したがって、各圧力室５の底壁８は、非常に僅か
の隙間を隔てて、ガラス基板４の凹部９の表面９２と対
峙している。

【００２０】ここで、各圧力室５の底壁８は、それぞれ
電荷を蓄えるための電極として機能する。そして、各圧
力室５の底壁８に対峙するように、ガラス基板４の凹部
表面９２には、セグメント電極１０が形成されている。
各底壁８のセグメント電極１０側の面は無機ガラスから
なる絶縁層により覆われている。このように、セグメン
ト電極１０と各圧力室５の底壁８とは、絶縁層を挟んで
互いに対向電極を形成している。

【００２１】インクジェットヘッドを駆動するために
は、印字信号２１に応じて、これらの対向電極間の充放
電を行う。印字信号２１の一方の出力は個々のセグメン
ト電極１０に直接接続され、他方の出力はシリコン基板
２に形成された共通電極端子２２に接続されている。シ
リコン基板２には不純物が注入されており、それ自体が
導電性をもつため、この共通電極端子２２から底壁８に
電荷を供給することができる。また、より低い電気抵抗
で共通電極に電圧を供給する必要がある場合には、例え
ば、シリコン基板の一方の面に金等の導電性材料の薄膜
を蒸着やスパッタリングで形成すればよい。

【００２２】（実施例１）図３は本発明を適用したイン
クジェットヘッドの平面透視図（図２）の拡大図であ
り、図４は図３におけるＶ軸を含みＸ軸に垂直な断面図
である。図３、図４に基づいて、本発明の一実施例を説
明する。本発明のインクジェットヘッド１における、イ
ンクに圧力を加えるための圧力室５はインク供給路７側
の第一の圧力室２１とノズル孔１１直下の第二の圧力室
２２から構成されている。第一の圧力室２１はシリコン
基板２の表面に対して垂直な壁面５３，５４，５７と、
シリコン基板２の表面に対して図１の断面にて３０度の
角度を持つ壁面５２で構成し、壁面５３と壁面５４の間
隔の幅を有する。第二の圧力室２２は第一の圧力室２１
と同様にシリコン基板２の表面に対して垂直な壁面５
３，５５，５６と、シリコン基板２の表面に対して図１
の断面にて３０度の角度を持つ壁面５１で構成され、壁
面５３と壁面５５の間隔の幅を有する。その幅は第一の
圧力室２１の幅より小さく、さらには所望のノズルピッ
チに対しても若干小さい構成となっている。第一の圧力
室２１は、先端は第二の圧力室２１に、後端はインク供
給路７に連通し、第二の圧力室２２は、ノズル孔１１
に、後端は第一の圧力室２１に連通している。圧力室５
の壁面５１〜５７はシリコン単結晶基板を異方性エッチ
ングを施し、結晶方位＜１１１＞に平行な面で形成され
る。

【００２３】ノズル孔１１は所望のドット密度を満足す
るノズルピッチにて、１列のノズル列１６を配置すると
ともに、各ノズル孔１１の直下に第二の圧力室２２を配
置する。第二の圧力室２１の後端（第一の圧力室２１に
連通する部分）は、ノズル孔１１の一個おきにノズル列
１６を中心として左右方向に分かれる。例えば、ノズル
列１６の奇数番目の各ノズル孔１１に連通する圧力室５
をノズル列１６中心に対して図２中にてＸ軸（＋）側に
配置した場合は、同偶数番目のノズル孔１１に連通する
圧力室５は、ノズル列１６中心に対して図２中にてＸ軸
（−）側に配置する。

【００２４】上記のノズル孔１１を並べた１列のノズル
列１６と圧力室５の構成により、所望のインク液滴量を
吐出する圧力発生室の幅を確保し、且つ、従来例と同等
のドット密度を有するインクジェットヘッドを得るもの
である。

【００２５】本発明による構成においては、１列のノズ
ル列１６で所望のドット密度と所望のインク液滴吐出量
の確保を可能としたため、複数のノズル列を有するイン
クジェットヘッドの構成にて発生したノズル列間の気流
は発生しなくなる。そのため、微少インク滴のノズル面
へのインク付着が無くなり、さらには付着したインク、
又は付着したインクと紙粉の固まりがノズルを閉塞する
可能性が非常に小さくなり、印字信頼性が非常に高いく
なる。

【００２６】（実施例２）図５、６、７、８をもとに他
の実施例を説明する。実施例１に対し、同一物は同一番
号で示し説明を省略する。図５は実施例１を適用したイ
ンクジェットヘッドの平面透視図の拡大図であり、図６
は図５におけるＶ軸を含みＸ軸に垂直な断面図である。
図７は本実施例２を適用したインクジェットヘッド１の
平面透視図の拡大図であり、図８は図７におけるＶ軸を
含みＸ軸に垂直な断面図である。

【００２７】図５、図６に示すように、圧力室５内に気
泡１２が混入し、ドット抜け等の吐出不良が発生した場
合は、通常インクジェットプリンタでは圧力室５内の気
泡１２の除去の為にクリーニング動作を実施している。
そのクリーニング動作はノズル孔１１側よりノズル孔１
１、圧力室５内に充填されているインクを吸引すると共
に圧力室５内の気泡１２を吸引し除去する動作となって
いる。

【００２８】実施例１の圧力室５の構成では、図５，６
に示す位置に微少な気泡１２が有った場合、クリーニン
グ動作を実施しても、多少、気泡１２は移動するもの
の、壁面５２，壁面５７、ノズルプレート３に阻まれ、
図に示す気泡１３の位置に停留する可能性が高く、停留
した気泡１３を除去するためには、ノズル孔１１側から
更に強く大量にインクを吸引する動作が必要となり、ク
リーニング動作に要する時間とインクを必要以上に消費
する事につながる。

【００２９】本実施例２では、図７，８に示すように、
第一の圧力室２１はシリコン基板２の表面に対して垂直
な壁面６３，６４と、シリコン基板２の表面に対して図
１の断面にて３０度の角度を持つ壁面６２で構成され、
第二の圧力室２２は第一の圧力室２１と同様にシリコン
基板２の表面に対して垂直な壁面６３，６５，６６と、
シリコン基板２の表面に対して図１の断面にて３０度の
角度を持つ壁面６１で構成されている。

【００３０】この構成によれば、例えば、図８に示す気
泡１４、気泡１５が有ったとしても、その位置からノズ
ル孔１１までの間に気泡の移動を阻害する壁面が存在し
ない。よって、クリーニング動作を実施すると、圧力室
５内のインクと共に気泡は容易にノズル孔１１へ移動
し、気泡の除去が可能となる。よって、クリーニング動
作に要する時間とインクの消費を減少することが可能と
なる。

【００３１】（実施例３）次に、シリコン単結晶基板の
異方性エッチング方法について、図９、１０、１１に基
づいて説明する。図９は実施例１の圧力室５の製造方法
を示す断面図である。図１０、１１は図９の平面図であ
る。

【００３２】表面が結晶方位（１１０）となるように切
り出されたシリコン単結晶基板７０を熱酸化し、全表面
にエッチング保護膜７１を形成した母材７２を用意す
る。（ア）このエッチング保護膜７１は無機ガラスからなるもの
で、異方性エッチングの保護膜として機能するほか、絶
縁膜としても機能する。

【００３３】圧力室５を形成する長手方向の壁面５３、
５４が、シリコン単結晶基板７０の表面に対して１つの
垂直な結晶方位＜１１１＞に平行となるようにフォトレ
ジスト７８、７９を形成して、弗化水素酸と塩化アンモ
ニウムを混合した緩衝弗酸液を用いてエッチング保護膜
７１を除去して異方性エッチング用の窓８３をパターニ
ングする。（イ）レジスト層７８、７９を除去した後、母材７２を加熱し
た水酸化カリウム水溶液に浸漬して異方性エッチングを
実行する。この異方性エッチングにより、圧力室５を形
成する複数の壁面はシリコン単結晶基板７０の表面の格
子（１１０）面に垂直な壁面、あるいは図１において３
０度の角度を有する壁面であり、結晶方位＜１１１＞に
平行な壁面として形成される。（ウ）通常は、上記フォトレジスト７８，７９を形成する時
に、図１０（ア）に示すように、圧力室５のシリコン単
結晶基板７０の表面に開口する形状に相当するエッチン
グ用窓８２を形成しているが、このエッチング用窓８２
のまま異方性エッチングを実施すると、異方性エッチン
グ後の形状は、壁面５２と壁面５５が凸状に交わり形成
される交線部５８が水酸化カリウム水溶液に浸るため、
交線部５８は水酸化カリウム水溶液によって浸食され、
壁面５２と壁面５５の一部は所望の結晶方位＜１１１＞
に平行な面にならず、図１０（イ）に実線で示すよう
に、他の結晶方位の面に平行な面として形成されること
が推定され、圧力室５は所望の形状とならない。（図は
推定形状）実施例１に示す圧力室５の製造方法の一実施例を図１１
に基づいて説明する。実施例１に対し、同一物は同一番
号で示し説明を省略する。また、実施例１に示す製造後
の圧力室５の形状を点線で示す。

【００３４】上記フォトレジスト７８，７９を形成する
時に、異方性エッチング後の壁面５２と壁面５５にの交
線部５８に相当する位置に、あらかじめ突パターン形状
８４を配置し、異方性エッチング用窓８３を形成する。
例えば、シリコン単結晶基板２の厚みが概ね１８０μm
の場合には、異方性エッチングの条件にもよるが、突パ
ターン形状８４の長さは２００〜５００μmの範囲に設
定するのが望ましい。

【００３５】この構成によれば、壁面５２と壁面５５が
凸状に交わって形成される交線部５８は、水酸化カリウ
ム水溶液に浸漬されにくくなり、異方性エッチング後は
所望の＜１１１＞結晶方位の面に平行な壁面５２と壁面
５５の形成が可能となる。さらには、圧力室５は所望の
形状となる。

【００３６】

【発明の効果】本発明による構成においては、１列のノ
ズル列１６で所望のドット密度と所望のインク液滴吐出
量の確保を可能としたため、複数のノズル列を有するイ
ンクジェットヘッドの構成にて発生したノズル列間の気
流は発生しなくなる。そのため、微少インク滴のノズル
面へのインク付着が無くなり、さらには付着したイン
ク、又は付着したインクと紙粉の固まりがノズルを閉塞
する可能性が非常に小さくなり、印字信頼性が非常に高
くなる。

【００３７】また、上記効果を確保しつつ、圧力室５内
の気泡を容易に除去できる圧力室５の形成も可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェットヘッドの実施例を示す
概略縦断面図である。

【図２】図１に示すインクジェットヘッドの実施例の平
面透視図である。

【図３】図２に示すインクジェットヘッドの実施例の部
分拡大図である。

【図４】図３に示すインクジェットヘッドの実施例のＶ
軸を含みＸ軸に垂直な断面図である。

【図５】図２に示すインクジェットヘッドの実施例の部
分拡大図である。

【図６】図５に示すインクジェットヘッドの実施例のＶ
軸を含みＸ軸に垂直な断面図である。

【図７】本発明のインクジェットヘッドの他の実施例を
示す平面透視図である。

【図８】図７に示すインクジェットヘッドの実施例のＶ
軸を含みＸ軸に垂直な断面図である。

【図９】本発明のインクジェットヘッドに用いるシリコ
ン単結晶基板の製造方法を示す断面図である。

【図１０】図（ア）、（イ）は、本発明のインクジェッ
トヘッドの製造方法の実施例を示す平面図である。

【図１１】本発明のインクジェットヘッドの製造方法の
実施例を示す平面図である。

【図１２】インクジェットヘッドの従来例の平面透視図
である。

【図１３】図（ア）は、インクジェットヘッドの従来例
の斜視図であり、図（イ）は、図（ア）の断面図であ
る。

【符号の説明】

１インクジェットヘッド２シリコン基板３ノズルプレート４ガラス基板５圧力室６共通インク室７インク供給路８振動板９ガラス基板上の凹部１０セグメント電極１１ノズル孔１６ノズル列２１第一の圧力室２２第二の圧力室５２結晶方位＜１１１＞に平行な圧力室の壁面５５シリコン基板２の表面に垂直で、結晶方位＜
１１１＞に平行な壁面５８壁面５２と壁面５５の交線部７０シリコン単結晶基板７１保護膜８３異方性エッチング用窓８４突パターン形状９２ガラス室の凹部の表面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インク滴を吐出するためのノズル孔と、
該ノズル孔に連通して設けられインクに圧力を加えるた
めの圧力室と、該圧力室にインクを供給するインク供給
路と、インク滴を吐出するための吐出圧力を前記圧力室
に発生させる圧力発生手段とを有するインクジェットヘ
ッドにおいて、複数の前記ノズル孔は１列のノズル列構成とし、前記圧
力室は第一の圧力室と第二の圧力室から構成され、該第
二の圧力室は該ノズル孔直下に配置して該ノズル孔に連
通し、該第一の圧力室は該ノズル列における該ノズル孔
の一個おきに該ノズル列に対して左右に分かれて配置す
ることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】請求項１において、前記圧力室は格子面（１１０）の面方位のシリコン単結
晶基板を異方性エッチングして形成される結晶方位＜１
１１＞面に平行な複数の壁面にて構成されることを特徴
とするインクジェットヘッド。
【請求項３】インク滴を吐出するためのノズル孔と、
該ノズル孔に連通して設けられインクに圧力を加えるた
めの圧力室と、該圧力室にインクを供給するインク供給
路と、インク滴を吐出するための吐出圧力を前記圧力室
に発生させる圧力発生手段とを有するインクジェットヘ
ッドの製造方法において、複数の前記ノズル孔は１列のノズル列構成とし、前記圧
力室は第一の圧力室と第二の圧力室から構成され、該第
二の圧力室は該ノズル孔直下に配置して該ノズル孔に連
通し、該第一の圧力室は該ノズル列における該ノズル孔
の一個おきに該ノズル列に対して左右に分かれて配置
し、該圧力室を格子面（１１０）の面方位のシリコン単
結晶基板を異方性エッチングして形成することを特徴と
するインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項４】請求項３において、前記圧力室は結晶方位＜１１１＞面に平行な複数の壁面
にて構成され、該複数の壁面が凸状に交わる交線部に相
当する位置に突パターン形状を配置した異方性エッチン
グ用窓で異方性エッチングすることを特徴とするインク
ジェットヘッドの製造方法。