JP2001038896A

JP2001038896A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP2001038896A
Application number: JP21454599A
Authority: JP
Inventors: Yukito Sato; 幸人佐藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1999-07-29
Filing date: 1999-07-29
Publication date: 2001-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】ノズルピッチが小さく、かつ、振動板の変位
を液滴吐出に有効に利用することができる構造のシリコ
ン液室の形成を可能にしたインクジェットヘッドを提供
する。【解決手段】インクを充填するためのインク液室２を
有する液室基板１と、該液室基板１の一方の面に配設さ
れたノズルプレート５と、前記液室基板１の他方の面に
配設されて前記液室の一部を形成している振動板７から
なり、該振動板７を駆動することによって前記液室２内
に充填されたインクに圧力波を発生させて前記ノズルプ
レート５に形成されたノズル６よりインク液滴を吐出さ
せる。前記液室２の広がった側に前記振動板７が形成さ
れ、狭まった側の前記振動板中央に対して法線方向に前
記ノズル６が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェットヘ
ッド、より詳細には、マイクロマシニング技術を応用し
て液室を形成可能としたインクジェットヘッドに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】インク液滴をノズルから直接記録媒体上
に噴射し記録するインクジェットプリンタにおいて、必
要な時のみインクを吐出するオンデマンド方式のインク
ジェットプリンタは、インクを回収するための機構が不
要なため、低価格化，小型化が可能であり、カラー化に
も容易に対応できる特徴をもっている。そのなかでも、
パーソナルプリンタとしての主流は、ピエゾ素子の変位
によってインク室に圧力波を発生させ、ノズルよりイン
クを吐出させる電気機械変換方式と、短時間で高温まで
加熱されるヒータによりインク室に気泡を発生させ、該
気泡の体積膨張によりインクを吐出させる電気熱変換式
の２種である。

【０００３】一方、静電方式のインクジェットヘッドに
ついては、ウエハプロセスでの作製が可能であることか
ら、高密度化が容易で、かつ、大量に特性の安定した素
子を作製でき、また、平面構造を基本とすることから小
型化が容易である長所を持つことから、特開平２−２８
９３５１号公報，特開平５−０５０６０１号公報，特開
平６−０７１８８２号公報等で多くの構造が開示されて
いる。これらの静電方式のインクジェットヘッドでは、
液室の一部を構成している振動板に対向し、かつ該液室
の外側の位置に、一定距離のギャップを隔てて電極板が
形成され、これら振動板と電極板との間に電圧を印加
し、該振動板に働く静電引力と、振動板自体の剛性によ
って該振動板を駆動して液室内へインクを吸引し、該液
室内のインクを吐出する。さらに、ノズルの高密度化に
関して、特開平６−２３９８６号公報に（１００）シリ
コン基板を異方性エッチングして液室を形成し、液室の
広がった側に別のシリコン基板を接合、薄板化して振動
板を形成する方法が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】インクジェットヘッド
で高速，高画質印字するためには、ノズルの高密度化が
必要不可欠である。ピエゾ素子や静電引力により振動板
を駆動するインクジェットヘッドにおいて、高密度化す
なわちノズルピッチを狭くするためには、個々の振動板
におけるノズルピッチ方向の長さ（短辺長）を短くする
必要がある。

【０００５】シリコン基板はマイクロマシニング技術に
よる一括した微細加工が容易であることから、液室，ノ
ズル，流路あるいは振動板として広く応用が試みられて
いる。たとえば、（１００）シリコン基板を異方性エッ
チングして液室を形成し、その底面を振動板とする構造
では、異方性エッチングの性質上、液室の狭まった側に
振動板を形成せざるを得ない。この場合、ノズルピッチ
は液室の広がった側によって制約され、特に、厚いシリ
コン基板を使用する場合はノズルピッチを狭くすること
が難しかった。

【０００６】これに対応するため、（１００）シリコン
基板を異方性エッチングして液室を形成し、液室の広が
った側に別のシリコン基板を接合，薄板化して振動板を
形成する方法が提案されている（特開平６−２３９８６
号公報）。しかし、この方法ではノズルを液室の広がっ
た側に形成せざるを得なく、しかも、振動板と同一面上
にあることから、圧力波の集中を効率的に利用すること
ができないため、液滴吐出のための振動板の変位に大き
なエネルギーを要していた。

【０００７】また、（１００）シリコン基板を異方性エ
ッチングして液室を形成し、その底面を振動板とする構
造が提案されている。（１１０）シリコン基板では隣接
する液室の壁を垂直に形成することが可能であるため、
使用するシリコン基板の厚さによらずノズルピッチを狭
くすることができる。しかし、（１１０）シリコン基板
は高価でありヘッドの製作コストが上がってしまう。

【０００８】本発明は、上述のごとき問題点を解決し、
ノズルピッチが小さく、かつ、振動板の変位を液滴吐出
に有効に利用することができる構造のシリコン液室の形
成を可能にしたインクジェットヘッドを提供するのもで
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、イン
クを充填するためのインク液室を有する液室基板と、該
液室基板の一方の面に配設されたノズルプレートと、前
記液室基板の他方の面に配設されて前記液室の一部を形
成している振動板からなり、該振動板を駆動することに
よって前記液室内に充填されたインクに圧力波を発生さ
せて前記ノズルプレートに形成されたノズルよりインク
液滴を吐出させるインクジェットヘッドにおいて、前記
液室の広がった側に前記振動板が形成され、狭まった側
の前記振動板の中央に対して法線方向に前記ノズルが形
成されていることを特徴とするものである。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記液室の広がった側に振動板が形成され、狭まっ
た側の前記振動板の中央に対して法線方向に前記ノズル
が形成され、かつ、前記液室にインクを導入するための
流路が前記液室の長手方向両側に設けられていることを
特徴とするものである。

【００１１】請求項３の発明は、請求項２の発明におい
て、前記液室の一部がシリコンの（１１１）面で構成さ
れていることを特徴とするものである。

【００１２】請求項４の発明は、請求項２の発明におい
て、前記液室にインクを導入するための前記流路が、前
記液室の振動板側の長手方向両側に設けられていること
を特徴とするものである。

【００１３】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、前記振動板に所定のギャップをもって対向に配設さ
れた電極を有し、該振動板と電極との間に電圧を印加し
て該振動板を静電引力を用いて駆動するようにしたこと
を特徴とするものである。

【００１４】請求項６の発明は、請求項１の発明におい
て、前記振動板に圧電素子を一体的に有し、該圧電素子
にて前記振動板を駆動するようにしたことを特徴とする
ものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１のインクジェッ
トヘッドは、インクを充填するためのインク液室を有す
る液室基板と、該液室基板の一方の面に配設されたノズ
ルプレートと、前記液室基板の他方の面に配設されて前
記液室の一部を形成している振動板からなり、該振動板
を駆動することによって前記液室内に充填されたインク
に圧力波を発生させて前記ノズルプレートに形成された
ノズルよりインク液滴を吐出させるインクジェットヘッ
ドにおいて、前記液室の広がった側に前記振動板が形成
され、狭まった側に前記ノズルプレートが形成され、該
ノズルプレートの前記液室の中央に対して法線方向に前
記ノズルが形成されていることを特徴とするものであ
る。

【００１６】図１は、本発明によるインクジェットヘッ
ドを液室正面側から見た断面図（図１（Ａ））と液室側
面側からみた断面図（図１（Ｂ））で、図中、１は、液
室２，共通液室３、該共通液室３から液室２へインクを
供給するインク供給流路（流体抵抗）４を有する液室基
板で、該液室２は、図示のように、下側から上側に広が
った形状をしている。この液室２の広がった側に振動板
７が形成され、狭まった側にノズルプレート５が配設さ
れ、液室２の中央に対して法線方向にノズル６が形成さ
れている。振動板７には一定の間隔のギャップＧを隔て
て電極板８が平行に設置されており、この電極板８は電
極板基板９に形成されている。

【００１７】図２は、図１に示したインクジェットヘッ
ドの製造方法を説明するための工程図で、まず、厚さ５
００μｍのステンレス基板１をレジストマスク１０でエ
ッチングし、液室及び共通液室となる深さ２００μｍの
凹部２，３を形成した（図２（Ａ））。凹部２，３の形
状はエッチングの性質上、深さ方向に狭くなった形状と
なる。次に、この液室凹部２，３に、アクチュエータを
接合することによって液室が完成する（図２（Ｂ））。
ここでは、アクチュエータとして、シリコン振動板７と
ギャップＧを介したＰｔ電極８を備えた静電アクチュエ
ータを用いた。次に、ステンレス基板１の振動板７を接
合した側と反対側の面を板厚が２３０μｍとなるまでエ
ッチングした（図２（Ｃ））。次に、厚さ２３０μｍの
ステンレス基板１の裏面をレジストマスクでエッチング
し、図２（Ｂ）で作製した液室に連通するようにノズル
６′及び流路となる深さ３０μｍの凹部４を形成した
（図２（Ｄ））。次に、このノズル及び流路にノズルプ
レートとしてＮｉ板５を接合して、ノズル６及びインク
流路４を形成した（図２（Ｅ））。このようにして作製
した本インクジェットヘッドにおいて、インクを満たし
た状態で電極板８と振動板７との間に電圧を印加し、振
動板７を一定周波数で駆動することによりノズル６から
のインク吐出を行った。

【００１８】本発明の請求項２のインクジェットヘッド
は、インク液滴を吐出するためのノズルとインクを充填
するための流路を有する液室の一部が振動板で形成さ
れ、振動板を駆動することによって液室内部に充填され
たインクに圧力波を発生させインク液滴を吐出させるイ
ンクジェットヘッドにおいて、液室の広がった側に振動
板が形成され、狭まった側にノズルプレートが形成さ
れ、該ノズルプレートの振動板中央に対して法線方向に
ノズルが形成され、さらに、液室にインクを導入するた
めの流路が液室の長手方向両側に設けられていることを
特徴とするものである。

【００１９】図３は、本インクジェットヘッドの他の構
造を液室側面側からみた断面図で、図中、図１に示した
実施例と同様の作用をする部分には、図１の場合と同一
の参照番号が付してある。図３において、２は液室で、
該液室２は、図１の場合と同様、下側から上側に広がっ
た形状をしている。この液室の広がった側に振動板７が
形成され、狭まった側の振動板７の中央に対して法線方
向にノズル６が形成されている。液室２の長手方向両側
には該液室２にインクを導入するための流路４を経て、
共通液室３が設けられている。なお、振動板７には一定
の間隔のギャップＧを隔てて電極板８が平行に設置され
ており、この電極板８は電極板基板９に形成されてい
る。

【００２０】本発明の請求項３のインクジェットヘッド
は、インク液滴を吐出するためのノズルとインクを充填
するための流路を有するシリコン液室の一部が振動板で
形成され、該振動板を駆動することによって液室内部に
充填されたインクに圧力波を発生させてインク液滴を吐
出させるインクジェットヘッドにおいて、液室の一部が
シリコンの（１１１）面で構成されており、この液室の
広がった側に振動板が形成され、狭まった側の振動板中
央に対して法線方向にノズルが形成され、さらに液室に
インクを導入するための流路が液室の長手方向両側に設
けられていることを特徴とするものである。

【００２１】図４は、本インクジェットヘッドの更に他
の構造を液室側面側からみた断面図で、図中、図１，図
３に示した実施例と同様の作用をする部分には、図１，
図３の場合と同一の参照番号が付してある。而して、図
４において、１１はシリコン基板で、このシリコン基板
１１には、加圧液室２及び共通液室３が下側から上側に
広がった形状で形成されている。この液室の広がった側
に振動板７が形成され、狭まった側の振動板中央に対し
て法線方向にノズル６が形成されている。液室２の長手
方向両側には液室２にインクを導入するための流路４を
経て、共通液室３が設けられている。なお、振動板７に
は一定の間隔のギャップＧを隔てて電極板８が平行に設
置されており、この電極板８は電極板基板９に形成され
ている。

【００２２】図５は、図４に示したインクジェットヘッ
ドの製造方法を説明するための工程図で、まず、厚さ５
２５μｍのシリコン基板１１を熱酸化膜のパターンを用
いてＫＯＨ溶液により異方性エッチングし、液室となる
深さ２００μｍのＶ溝２，３を形成した（図５
（Ａ））。このＶ溝の形状は異方性エッチングの性質
上、（１１１）面に囲まれた深さ方向に狭くなった形状
となる。次に、この液室Ｖ溝に、アクチュエータを接合
することによって液室が完成した（図５（Ｂ））。ここ
では、アクチュエータとして、シリコン振動板７とギャ
ップＧを介したＰｔ電極８を備えた静電アクチュエータ
を用い、液室シリコン基板１１との接合は接着剤等の接
着層を介さない直接接合で行った。次に、シリコン液室
基板１１の振動板７を接合した側と反対側の面を板厚が
２３０μｍとなるまで研磨した（図５（Ｃ））。次に、
厚さ２３０μｍのシリコン基板１１の裏面を熱酸化膜マ
スクでＫＯＨ溶液により異方性エッチングし、図５
（Ｂ）で作製したＶ溝液室に連通するようにノズル６′
及び流路４を形成した（図５（Ｄ））。次に、このノズ
ル及び流路にノズルプレートとしてＮｉ板５を接合して
ノズル６及び流路４を完成した（図５（Ｅ））。このよ
うにして作製した本インクジェットヘッドにおいて、イ
ンクを満たした状態で電極板と振動板の間に電圧を印加
し、振動板を一定周波数で駆動することによりノズルか
らのインク吐出を行った。

【００２３】本発明の請求項４のインクジェットヘッド
は、インク液滴を吐出するためのノズルとインクを充填
するための流路を有するシリコン液室の一部が振動板で
形成され、振動板を駆動することによって液室内部に充
填されたインクに圧力波を発生させインク液滴を吐出さ
せるインクジェットヘッドにおいて、液室の一部がシリ
コンの（１１１）面で構成されており、この液室の広が
った先側に振動板が形成され、狭まった側の振動板中央
に対して法線方向にノズルが形成され、さらに液室にイ
ンクを導入するための流路が液室の長手方向両側の振動
板側に設けられていることを特徴とするものである。

【００２４】図６は、本インクジェットヘッドの構造を
液室側面側からみた断面図で、図中、２，３はそれぞれ
シリコン基板１１に形成された加圧液室及び共通液室
で、これら液室は下側から上側に広がった形状をしてい
る。この液室の広がった側に振動板７とともにインクを
充填するための流路４が形成され、狭まった側のノズル
プレート５の、振動板中央に対して法線方向にノズル６
が形成されている。該液室２の長手方向両側には液室２
にインクを導入するための流路４を経て、共通液室３が
設けられている。なお、振動板７には一定の間隔のギャ
ップＧを隔てて電極板８が平行に設置されており、この
電極板８は電極板基板９に形成されている。

【００２５】図７は、図６に示したインクジェットヘッ
ドの製造方法を説明するための工程図で、まず、厚さ５
２５μｍのシリコン基板１１を熱酸化膜マスクでＫＯＨ
溶液により異方性エッチングし、インクを充填するため
の流路となる深さ３０μｍのＶ溝４と、液室となる深さ
２００μｍのＶ溝２，３を形成した（図７（Ａ））。そ
れぞれのＶ溝の形状は、異方性エッチングの性質上、
（１１１）面に囲まれた深さ方向に狭くなった形状とな
る。次に、この液室及び流路Ｖ溝に、アクチュエータ基
板を接合することによって液室２，３及び流路４が完成
した（図７（Ｂ））。ここでは、アクチュエータとし
て、シリコン振動板７とギャップＧを介したＰｔ電極８
を備えた静電アクチュエータを用い、液室シリコン基板
１１との接合は接着剤等の接着層を介さない直接接合で
おこなった。次に、シリコン液室基板１１の、振動板７
を接合した側と反対側の面を板厚が１８０μｍとなるま
で研磨した（図７（Ｃ））。次に、シリコン基板１１の
裏面を熱酸化膜マスクでＫＯＨ溶液により異方性エッチ
ングし、図７（Ｂ）で作製したＶ溝液室に連通するよう
にノズル６′を形成した（図７（Ｄ））。次に、このノ
ズル６′にノズルプレートとしてＮｉ板５を接合してノ
ズル６を形成した（図７（Ｅ））。このようにして作製
した本インクジェットヘッドにおいて、インクを満たし
た状態で電極板と振動板の間に電圧を印加し、振動板を
一定周波数で駆動することによりノズルからのインク吐
出を行った。

【００２６】本発明の請求項５のインクジェットヘッド
は、液室の広がった側に振動板が形成され、狭まった側
にノズルが形成されているインクジェットヘッドにおい
て、振動板の駆動に静電引力を用いることを特徴とする
ものであり、その基本構造は図１に示したものと同様で
あり、その基本的な製造方法は図２に示したものと同様
である。このようにして作製した本インクジェットヘッ
ドにおいて、インクを満たした状態で電極板と振動板の
間に電圧を印加し、振動板を一定周波数で駆動すること
によりノズルからのインク吐出を行った。

【００２７】本発明の請求項６のインクジェットヘッド
は、液室の広がった側に振動板が形成され、狭まった側
にノズルが形成されているインクジェットヘッドにおい
て、振動板の駆動に圧電素子を用いることを特徴とする
ものであり、その基本構造は図１に示したものと同様で
あるが、ただ一つ異なる点は、振動板の裏面にその駆動
用として圧電素子が接着されているところであり、その
基本的な製造方法は図２に示したものと同様である。こ
のようにして作製した本インクジェットヘッドにおい
て、インクを満たした状態で圧電素子に電圧を印加し、
振動板を一定周波数で駆動することによりノズルからの
インク吐出を行った。

【００２８】

【発明の効果】請求項１の発明においては、液室の広が
った側に振動板が形成され、狭まった側の振動板中央に
対して法線方向にノズルが形成されているので、振動板
によって発生する圧力波を液の吐出に有効に利用でき、
さらには、ノズルを多数配列したときの位置精度がよ
い。

【００２９】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、液室の広がった側に振動板が形成され、狭まった側
の振動板中央に対して法線方向にノズルが形成され、さ
らに、インクを導入するための流路が液室の長手方向両
側に設けられているので、インクの流れがスムーズで、
滞りがないため気泡の溜まりによる吐出のロスがない。

【００３０】請求項３の発明は、インクを導入するため
の流路が液室の長手方向両側に設けられているインクジ
ェットヘッドにおいて、液室の一部がシリコンの（１１
１）面で構成されているので、液室の形状，寸法の精度
がよく、ノズル間のばらつきの少ないインク吐出ができ
る。

【００３１】請求項４の発明は、請求項３の発明におい
て、インクを導入するための流路が、振動板側の長手方
向両側に設けられているので、インクの流れがスムーズ
で滞りがないため気泡の溜まりによる吐出のロスがな
い。

【００３２】請求項５の発明は、インク液滴を吐出する
ためのノズルとインクを充填するための流路を有する液
室の一部が振動板で形成され、振動板を駆動することに
よって液室内部に充填されたインクに圧力波を発生させ
インク液滴を吐出させるインクジェットヘッドにおい
て、液室の広がった側に振動板が形成され、狭まった側
の振動板中央に対して法線方向にノズルが形成されてい
るインクジェットヘッドにおいて、前記振動板の駆動に
静電引力を用いているので、電圧駆動であり、電流が流
れないため消費電力が小さい。

【００３３】請求項６の発明は、インク液滴を吐出する
ためのノズルとインクを充填するための流路を有する液
室の一部が振動板で形成され、振動板を駆動することに
よって液室内部に充填されたインクに圧力波を発生させ
インク液滴を吐出させるインクジェットヘッドにおい
て、液室の広がった側に振動板が形成され、狭まった側
の振動板中央に対して法線方向にノズルが形成されてい
るインクジェットヘッドにおいて、前記振動板の駆動に
圧電素子を用いているので、前記振動板の変位を電圧に
よって正確に制御できるため、インク液滴の体積，速度
を正確に制御できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるインクジェットヘッドを液室正
面側から見た断面図及び液室側面側から見た断面図であ
る。

【図２】図１に示したインクジェットヘッドの製造方
法を説明するための工程図である。

【図３】本インクジェットヘッドの他の構造を液室側
面側からみた断面図である。

【図４】本インクジェットヘッドの他の構造を液室側
面側からみた断面図である。

【図５】図４に示したインクジェットヘッドの製造方
法を説明するための工程図である。

【図６】本インクジェットヘッドの構造を液室側面側
からみた断面図である。

【図７】図６に示したインクジェットヘッドの製造方
法を説明するための工程図である。

【符号の説明】

１…ステンレスの液室基板、２…インク加圧室、３…共
通液室、４…インク供給路（流体抵抗路）、５…ノズル
プレート、６，６′…ノズル、７…振動板、８…電極、
９…電極基板、１１…シリコンの液室基板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インクを充填するためのインク液室を有
する液室基板と、該液室基板の一方の面に配設されたノ
ズルプレートと、前記液室基板の他方の面に配設されて
前記液室の一部を形成している振動板とからなり、該振
動板を駆動することによって前記液室内に充填されたイ
ンクに圧力波を発生させて前記ノズルプレートに形成さ
れたノズルよりインク液滴を吐出させるインクジェット
ヘッドにおいて、前記液室は一方の側において広がり他
方の側において狭まった形状に形成され、該液室の広が
った側に前記振動板が形成され、狭まった側に前記ノズ
ルプレートが形成され、前記液室の中央に対して法線方
向に前記ノズルが形成されてい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のインクジェットヘッドにおい
て、前記液室の広がった側に振動板が形成され、狭まっ
た側に前記ノズルプレートが形成され、前記液室の中央
に対して法線方向に前記ノズルが形成され、かつ、前記
液室にインクを導入するための流路が前記液室の長手方
向両側に設けられていることを特徴とするインクジェッ
トヘッド。
【請求項３】請求項２のインクジェットヘッドにおい
て、前記液室の一部がシリコンの（１１１）面で構成さ
れていることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項４】請求項２のインクジェットヘッドにおい
て、前記液室にインクを導入するための前記流路が、前
記液室の振動板側の長手方向両側に設けられていること
を特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項５】前記振動板に所定のギャップをもって対
向して配設された電極を有し、該振動板と電極との間に
電圧を印加して該振動板を静電引力を用いて駆動するよ
うにしたことを特徴とする請求項１のインクジェットヘ
ッド。
【請求項６】前記振動板に圧電素子を一体的に有し、
該圧電素子にて前記振動板を駆動するようにしたことを
特徴とする請求項１のインクジェットヘッド。