JP2002370351A

JP2002370351A - インクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置

Info

Publication number: JP2002370351A
Application number: JP2001182101A
Authority: JP
Inventors: Kenji Hori; 健志堀; Shinichi Okuda; 真一奥田; Torahiko Kanda; 虎彦神田
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2002-12-24

Abstract

(57)【要約】【課題】複数のノズルを配列したマトリクスヘッドに
おいて、ノズル配列の高密度化を図り、ノズル当たりの
十分なインク吐出量と、クロストークの低減可能なイン
クジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置を提
供する。【解決手段】ノズル１０５に連通した圧力発生室１０
２と共通流路支流１０８との一断面形状を三角形状と
し、水平方向に対して互いに倒置させる配置とする。こ
の配置によってノズルの高密度化が可能となる。このと
き、圧力発生室１０２と共通流路支流１０８とを仕切る
隔壁１０９の水平方向とのなす角度を３２°≦θ≦５３
°とすることによって、１ノズル当たりに十分な画像濃
度をもたらす吐出量と、クロストークやリフィル時間の
遅延のない十分に大きな音響容量と、を両立することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット記
録ヘッド及びインクジェット記録装置に関し、特に平面
状に多数のインクノズルを形成したオンデマンド型のイ
ンクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】昨今、パーソナルコンピュータの普及に
ともない、データ出力機器としてのプリンタの進歩、特
にインクジェット方式によるプリンタの技術進歩が著し
い。例えば、写真画質を誇るものやレーザープリンタ並
みの高速印字を達成するもの等、多彩な用途かつ特徴の
ある製品が上市されている。

【０００３】インクジェット方式によるプリンタには、
通常、複数色のカラーインクと単色の黒インク（Ｂｋ）
とが搭載されており、単色文字印字に加えて、カラー画
像も印字可能である。カラー印字の場合、カラーインク
としては少なくとも、Ｃ（シアン）、Ｍ（マジェン
ダ）、Ｙ（イエロー）の３色のインクを単独で用いる他
に、２次色、３次色等として組み合わせて混合色により
色表現を行うのが一般的である。さらに、高画質印字を
目指した製品の一部には、以上のインク構成に加え、ラ
イト色、ダーク色を加えたものも上市されている。

【０００４】一方、印字速度の高速化は、インクを吐出
させるインク吐出機構の改善に負うところが大きく、昨
今の印字速度高速化の要請から、インクを吐出させるヘ
ッドに特色を持たせた提案が数多くなされている。

【０００５】具体的には、ノズル数の増大及び高密度化
という手段が採られ、ヘッド内に設けられたインク吐出
のためのノズルを従来知られた一次元的にアレイ状に配
した構成から、二次元的にマトリクス状に配置したもの
である。例えば、このようなインクジェット記録ヘッド
としては、特開平１−２０８１４６号公報（従来例１）
や特表平１０−５０８８０８号公報（従来例２）に開示
されるものがあり、これらは高速印字に寄与するところ
が大きい。

【０００６】図９は、マトリクスヘッドの基本構成を示
す斜視図である。図９において、図示しないインクタン
クから供給されたインクは、共通流路本流９０１から共
通流路支流９０２を経て、同支流に沿ってノズル間隔Ｐ
ｎで配列された複数のノズル９０３に供給され、ノズル
９０３の底部に設けられた不図示の圧電素子の作用によ
りインク吐出する。各支流列は共通流路支流間隔Ｐｃを
設けて配列されるマトリクス構造をなしている。

【０００７】図１０は、従来例１のインクジェット記録
ヘッドの構成を示す図である。インク加圧室（圧力発生
室に相当）１００１を格子状もしくは千鳥状に複数配列
するものである。

【０００８】図１１は、従来例２のインクジェット記録
ヘッドの構成を示す図である。従来例２のインクジェッ
ト記録ヘッドは、図１１（ａ）に示すように、インクチ
ャンバ（圧力発生室に相当）１１０１と、インク供給ダ
クト（共通流路に相当）１１０２とをチャンバプレート
１１０３を挟んで反対面に配置するとともに、図１１
（ｂ）に示すようにインクチャンバ１１０１の形状を六
角形とした結果、各ノズルが千鳥状に配置されるもので
ある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述する従来例１及び
従来例２のインクジェット記録ヘッドは、いずれもマト
リクス構造をなし、特に従来例１のヘッドは、ノズル数
の増加を目的としたものであり、従来必要とされた印字
速度においては十分な性能をもっていたと推察される。

【００１０】しかしながら、さらなる印字の高速化のた
めには、ノズル数を増やすことだけでなく、ノズルを高
密度に配置することが必要となる。従来例１のインクジ
ェット記録ヘッドは、水平方向に加えて垂直方向の３次
元的な配慮がなされておらず、単にノズル数を増加する
という効果はあっても、高密度化には限界があった。す
なわち、隣接するノズルとの間隔を狭めてノズルを高密
度に配置するには、ノズル板上に平面的にインクノズル
やインク供給溝といった各パーツを配置するだけでは足
らず、３次元的な部材配置が必要となる。マトリクスヘ
ッドのみならず、従来のアレイ型インクジェット記録ヘ
ッドにおいても、ノズル周りの主要パーツのうち大きな
空間容量を占めるのは、インク加圧室（圧力発生室）と
インク供給溝（共通流路）であり、さらなる印字高速化
のためには、これらを空間的に、効率的にかつ高密度に
なるべく小体積内に配置する必要があり、従来例１のイ
ンクジェット記録ヘッドにおいては、これらの考慮に欠
けるという問題点があった。

【００１１】また、ノズルの高密度化という点におい
て、従来例２のインクジェット記録ヘッドは、図１１
（ａ）に示したように、インクチャンバ（圧力発生室）
１１０１とインク供給ダクト（共通流路）１１０２と
を、チャンバプレート１１０３を挟んで対面に配置した
構造をとっており、ノズルの高密度化に寄与するところ
が大きい。

【００１２】しかしながら、マトリクス構造をもったイ
ンクジェット記録ヘッドの設計においては、共通流路支
流の形状及び構造に綿密かつ細心の注意を払う必要があ
り、従来例２のインクジェット記録ヘッドにおいては、
これらの配慮に欠けるという問題点があった。

【００１３】この理由として、図９に示すように、マト
リクスヘッドにおいては、多数のノズルがインク供給の
ための共通流路の支流及び本流に連通されているので、
ノズル間の圧力波干渉（以下、クロストークと称す）が
しばしば発生し、さらにはノズル同時吐出時において、
ノズル先端へのインク再充填（リフィル）に多大な時間
を要する等の問題についての考慮がなされていないため
である。

【００１４】これらの課題に対しては、共通流路に大き
な音響容量を確保することによる解決方法が知られてい
る。例えば、本発明者等は、共通流路の音響容量Ｃｐを
ノズルの音響容量Ｃｎの１０倍以上としたとき、クロス
トークやリフィル時間の増大の発生しない良好な結果が
得られることを明らかにした。

【００１５】一般的なインクジェット記録ヘッドにおい
て、ノズル音響容量Ｃｎは１．５×１０^-18ｍ⁵／Ｎ程
度の値となるため（ノズル径：３０μｍ、インク表面張
力：３５ｍＮ／ｍとたとき）、共通流路の音響容量Ｃｐ
は１．５×１０^-17ｍ⁵／Ｎ以上必要とされる。ただ
し、共通流路の容量等のマトリクスヘッドにおける常識
的な定数値から共通流路の音響容量を求めると、上記の
目標値には至らないことから、共通流路の壁の一部にエ
アダンパを付与し、音響容量を増加させることが必須と
なる。

【００１６】ここでエアダンパの音響容量Ｃｄは、エア
ダンパ幅をＷｄ［ｍ］、エアダンパ厚さをｔｄ［ｍ］、
エアダンパ長さをｌｄ［ｍ］、エアダンパの弾性係数を
Ｅｄ［Ｐａ］、エアダンパのポアッソン比をνｄとする
と、次式で近似計算できる。

【００１７】

【数１】

【００１８】上式から分かるように、エアダンパの音響
容量Ｃｄは、エアダンパの厚さｔｄの３乗に反比例し、
エアダンパ幅Ｗｄの５乗に比例するため、前述の１．５
×１０^-17（ｍ⁵／Ｎ）以上の音響容量を得るために
は、エアダンパの幅をなるべく大きく、厚さを薄くする
とが望ましい。特に従来例１においては、エアダンパの
幅を共通流路の幅まで広げるとともに、共通流路の幅を
さらに広げることが求められることを意味している。従
って、より一層ノズル配列高密度化のための慎重な空間
配置設計が必要とされる。

【００１９】このように、これまでのマトリクスヘッド
において、ノズルの高密度化と、クロストークやリフィ
ル時間の増大の低減に配慮したヘッド設計を行うのが、
非常に困難であった。

【００２０】本発明は、上記問題点を解決するために成
されたものであり、ノズル数の増大のみならず、ノズル
密度の高いインクジェット記録ヘッド及びインクジェッ
ト記録装置を提供することを第１の目的とする。

【００２１】また、本発明は、上記目的を達成しつつ、
クロストークやリフィル時間の増大のない、安定した吐
出を可能とするインクジェット記録ヘッド及びインクジ
ェット記録装置を提供することを第２の目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、マトリクス配列された複数
の圧力発生室がインク供給路を介して共通流路によって
連通され、圧力発生手段によりインクが充填された圧力
発生室内に圧力変化を生じさせて該圧力発生室に連通し
たノズルからインク滴を吐出させるインクジェット記録
ヘッドであって、圧力発生室の一断面形状がノズルの開
口部を頂点とした略三角形状であり、かつ、共通流路の
一断面形状が略三角形状であり、圧力発生室及び共通流
路の夫々の一断面形状が互いに倒置関係となるように設
置され、圧力発生室と共通流路とを仕切る隔壁は、水平
方向とのなす角度θが３２°≦θ≦５３°を満たすよう
に設置されていることを特徴とする。

【００２３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、少なくとも圧力発生室と共通流路とは、積
層された複数枚のプレートにより形成されていることを
特徴とする。

【００２４】請求項３記載の発明は、請求項２記載の発
明において、プレートは、金属板であることを特徴とす
る。

【００２５】請求項４記載の発明は、請求項３記載の発
明において、金属板は、表面及び裏面からのエッチング
により、少なくとも圧力発生室及び共通流路となる孔が
形成されることを特徴とする。

【００２６】請求項５記載の発明は、請求項１または２
記載の発明において、少なくとも圧力発生室と共通流路
とは、シリコンで形成されていることを特徴とする。

【００２７】請求項６記載の発明は、請求項２から５の
いずれか１項に記載の発明において、ノズルを形成する
プレートは、共通流路のエアダンパを兼ねることを特徴
とする。

【００２８】請求項７記載の発明は、請求項６記載の発
明において、ノズルを形成するプレートは、ポリイミド
で形成されていることを特徴とする。

【００２９】請求項８記載の発明は、請求項７記載の発
明において、ポリイミドの厚みは、３０μｍ以下である
ことを特徴とする。

【００３０】請求項９記載の発明は、請求項１から８の
いずれか１項に記載の発明において、圧力発生室と共通
流路との中心間の距離は、３００μｍ以上であることを
特徴とする。

【００３１】請求項１０記載の発明は、請求項１から９
のいずれか１項に記載の発明において、圧力発生手段
は、圧電素子を用いることを特徴とする。

【００３２】請求項１１記載の発明は、請求項１から９
のいずれか１項に記載の発明において、圧力発生手段
は、インクへの加熱によることを特徴とする。

【００３３】請求項１２記載の発明は、請求項１から１
１のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドを
搭載したことを特徴とする。

【００３４】

【発明の実施の形態】次に、添付図面を参照しながら本
発明の実施形態であるインクジェット記録ヘッド及びイ
ンクジェット記録装置を詳細に説明する。図１から図８
に、本発明に係るインクジェット記録ヘッド及びインク
ジェット記録装置の実施の形態を示す。本発明者等は、
上述のように、効率的なノズル高密度化、クロスト
ークの解決、の両立を目指してマトリクスヘッド構造の
検討を行った。

【００３５】図１は、本発明の実施形態であるインクジ
ェット記録ヘッドの概略構成を示す図である。まず、本
発明者等は、ノズル高密度化において、図１（ａ）に示
すような断面形状のインクジェット記録ヘッドの構造が
有利であると結論した。図１（ａ）に示すように、イン
クジェット記録ヘッドは、圧力発生室１０２と共通流路
支流１０８との一断面がそれぞれ三角形状であり、チャ
ンバプレート１１０の両面に倒置となるように設置され
ている。この構成により、両三角形の底面裾を垂直方向
に重なり合う位置に設置することができるので、高密度
配置が可能である。

【００３６】ただし、三角形の角度、中心間距離、チャ
ンパプレートの厚み等のヘッド設計パラメータ（以下、
パラメータ）のとり方によっては、隔壁１０９の厚みが
薄すぎると、ヘッドとして作れない、あるいは、機能し
ないという場合もあり得る。ここでは、図１に示すヘッ
ド構成において、インクジェット記録ヘッドとして機能
し得るパラメータ範囲を求め、しかるのち、クロストー
クの解決条件を満たすためのパラメータを絞り込む作業
を行った。以下、詳細に説明する。

【００３７】ここで、一般的なインクジェット記録装置
の印字動作について、図１を用いてノズル周りを中心に
説明する。印字データに応答した駆動波形（図示せず）
が入力されると、電気―圧力トランスデューサーである
圧電素子１０１が撓み、その変位量に応じて圧力発生室
１０２の底部に設けられた振動板１０３が変形し、イン
ク１０４が満たされた圧力発生室１０２内に体積変化を
生じさせる。この体積変化によって圧力発生室１０２内
のインク１０４中に圧力波を発生させることにより、ノ
ズル１０５からインク滴が吐出する駆動力となる。イン
ク滴吐出後、圧力発生室１０２は、インク表面張力によ
りインク供給路１０６を介して共通流路支流１０８から
インクが供給されてデータ待機状態に戻る、というサイ
クルを繰り返す。

【００３８】さらに、本発明によるマトリクス構造ヘッ
ドの構成について詳述する。図１（ａ）及び図１（ｂ）
に示すように、圧力発生室１０２は、その一断面の形状
がノズル１０５を頂点とした三角形状となる四角錘で、
錘先端に小孔のノズル１０５が形成されている。圧力発
生室１０２の底面には、供給板１１１及び振動板１０３
を介して圧電素子１０１が設けられている。供給板１１
１には、図１（ｂ）に示すように、インク供給路１０６
である細い溝が形成されており、当該供給路１０６に沿
って共通流路支流１０８から圧力発生室１０２へのイン
ク供給が行われる。共通流路支流１０８の断面は、前述
のように、圧力発生室１０２の断面形状に対して倒置す
るように配置された三角形状であり、３次元的には三角
柱を横に倒したような形状の溝である。本発明の構成
上、前述のノズルプレート１０７が共通流路支流１０８
のエアダンパとして機能する。上記ノズル構造、特に圧
力発生室１０２と共通流路支流１０８との配置は、圧力
発生室１０２の底面の裾と共通流路支流１０８の底面の
裾とを空間的に重ね合わせることによって、ノズル１０
５中心から共通流路支流１０８中心との距離を密にで
き、高密度化に寄与することができる。

【００３９】次に、以上の構成を基礎とし、製作可能で
あり、かつ、インクジェット記録ヘッドとして機能し得
る構造を持つためのパラメータ範囲を計算により算出し
た。以下、その詳細を説明する。

【００４０】図２は、本発明の実施形態であるインクジ
ェット記録ヘッドの模式図である。図２（ａ）に示すよ
うに、圧力発生室２０１及び共通流路支流２０２の一断
面形状は、互いに合同の二等辺三角形であり、圧力発生
室２０１の底面は、図２（ｂ）に示す１辺の長さが（２
ｘ）の正方形であるため、共通流路支流２０２の幅も
（２ｘ）となる。２つの二等辺三角形は、圧力発生室２
０１と共通流路支流２０２とを仕切る隔壁２０３を挟ん
で、１８０°倒置して配置される。隔壁２０３は、平行
（隔壁厚みＴ一定）であり、圧力発生室２０１と共通流
路支流２０２とは、水平方向とのなす角度が同じ角度θ
をなしている。

【００４１】図２を用いて、ノズル中心−共通流路支流
中心との距離（以下、中心間距離と称す）ａ、チャンバ
厚みｔ、水平方向（水平軸）と隔壁２０３とのなす角度
（以下、隔壁角度）θ、の３つのパラメータを変えたと
き、（１）ヘッド製作可能：隔壁厚みＴが実用的な（現実的
に製作可能）厚みを確保できる。（２）ヘッドとして機能：圧電素子の変位により、所望
のインク量が吐出する。以上の、（１）と（２）を同時に満たすパラメータ範囲
を求めた。なお、インク吐出量は、３つのパラメータか
ら求められる圧力発生室の底面積と圧電素子変位の積と
した。

【００４２】中心間距離ａ、隔壁角度θを変化させ、実
際のヘッド製造において、実用性が高いチャンバ厚みを
３００μｍとしたときの結果を図３に示す。図３におい
て、横軸は隔壁角度［°］、右縦軸はインク吐出量［ｐ
ｌ］、左縦軸は隔壁幅（隔壁厚み）［μｍ］を表す。な
お、圧電素子の変位量は、一般的な圧電素子の最大変位
量として０．１μｍ一定とした。

【００４３】インク吐出量を表す曲線ａから説明する。
曲線ａは、圧電素子の最大変位量に対する吐出量である
から、１ノズル当たりの最大インク吐出量を表すことに
なる。ここでは、十分な画像濃度を得るための最大イン
ク吐出量は、印字解像度によっても変化するが、およそ
６００ｄｐｉの解像度で印字したとき、そのドット間を
埋めきれるインク量を予備実験により求めて２０ｐｌと
設定した。従って、曲線ａの右縦軸の吐出量２０ｐｌと
の交点における隔壁角度から、チャンバ厚み３００μｍ
に２０ｐｌ以上の吐出量を満足する隔壁角度は５３°以
下であることが読み取れる。このときのチャンバ厚みに
おいて、中心間距離ａを１００μｍ、３００μｍ、５０
０μｍとした時、左縦軸の隔壁幅は、それぞれ曲線ｂ、
ｃ、ｄのような右肩上がりとなり、隔壁幅が正となる下
限の隔壁角度が示されることになる。上述のインク吐出
量の曲線ａから求まる隔壁角度の上限値と、これらの結
果を合わせると、中心間距離ａが１００μｍ（曲線ｂ）
の場合、隔壁角度５３°以下の範囲では隔壁厚みが正と
ならないため、２０ｐｌ吐出量条件を満たす隔壁角度は
存在しない。しかし、中心間距離ａが３００μｍ（曲線
ｃ）、５００μｍ（曲線ｄ）の場合は、それぞれ隔壁角
度：４４°〜５３°、３２°〜５３°のとき、２０ｐｌ
以上の吐出量と、隔壁厚みとの両方を確保（以下、有効
隔壁角度）できることが読み取れる。

【００４４】ここで、図２を参照しながら、ノズル高密
度化の尺度として、ノズル集積度（＝単位面積（平方イ
ンチ）当たりのノズル数）をチェックしてみると、隔壁
角度θが小さくなると、圧力発生室の底面積→大、かつ
共通流路支流の幅→大となり、１ノズルユニット当たり
の占有面積が大きく、高密度化に不利となる。そこで、
上記の計算で得られた、最も隔壁角度が小である有効隔
壁角度の下限値（チャンバ厚み３００μｍ時：３２°）
でのノズル集積度を算出し、高密度ノズルと言い得るか
否かを確認した。

【００４５】算出方法は、図２（ｂ）に示すＸ方向及び
Ｙ方向の１ノズル当たりの占有面積を求め、図４（ａ）
に示すように、その占有面積と同面積の正方形が平方イ
ンチ当たりに何個あるか計算し、尺度とするものであ
る。平方インチ当たりのノズル数が４００個以上であれ
ば、例えば、図４（ｂ）に示すように、十分な画像濃度
と解像性が得られると考えられる、２００（ノズル／１
色）は、ほぼ半分の横幅（１／２ｉｎｃｈ＝１２．５ｍ
ｍ）となるから、ＣＭＹＢｋの４色ヘッドを横に並べた
ヘッドの総幅を５ｃｍ程度に抑えることになる。よっ
て、ここでは４００（個／平方インチ）を高ノズル集積
度の尺度とした。

【００４６】計算の結果、最も低ノズル密度となる下限
の隔壁角度３２°においても、４６０（個／平方イン
チ）となり、十分なノズル高密度化を達成できているこ
とが確認された。

【００４７】以上述べたようにして、効率的なノズル高
密度化をもたらす図１に示すヘッド構成において、有効
的な隔壁角度の範囲を決めることができた。

【００４８】次に、クロストークの解決条件を満たすた
めのパラメータを絞り込む作業について詳細に説明す
る。上述したように、クロストーク及びリフィル時間の
増大を低減させるには、ノズルの音響容量Ｃｎに対し、
エアダンパの音響容量Ｃｄをその１０倍以上とする必要
があり、ここでは、上述の式１を用いて隔壁角度θをパ
ラメータとし、隔壁角度θ変化→（共通流路支流幅＝エ
アダンパ幅Ｗｄ変化）→その時のエアダンパの音響容量
Ｃｄを算出するという計算を行った。また、ノズル間隔：４００μｍエアダンパ幅：共通流路支流幅と同じ（図３の（２ｘ））長さ：４００μｍ（ノズル間隔Ｐｎと同じ）材質：ポリイミド（厚み１５μｍもしくは３０μｍ）とし、エアダンパの厚みを２種類にして計算した。

【００４９】その結果、ノズル音響容量に対するエアダ
ンパ音響容量比（以下、音響容量比Ｃｄ／Ｃｎ）が１０
倍以上となる隔壁角度θは、エアダンパの音響容量Ｃｄ
がエアダンパの３乗に反比例することを反映して、エア
ダンパの厚みに大きく依存し、以下のようになった。エアダンパ厚み１５［μｍ］：５３°以下３０［μｍ］：４２°以下

【００５０】以上の作業によって、ノズルの音響容量Ｃ
ｎの１０倍以上を満たす隔壁角度が求められた。この結
果に、これまでに得られた隔壁角度の条件を合わせる
と、効率的なノズル高密度化、クロストークの解決、の
両立を可能とするマトリクスヘッド構造の隔壁角度をパ
ラメータとした結果が以下の表のようにまとめられた。

【００５１】

【表１】

【００５２】表１における×印は、効率的なノズル高密
度化、クロストークの解決を両立する角度範囲がなかっ
たことを表し、その他（ａ）〜（ｃ）はこれらを満たす
隔壁角度を表す。以下、表１に基づいてインクジェット
記録ヘッドを製造し、完成後の印字テストにより本発明
の有効性を検証した。

【００５３】（第１の実施例）本発明の第１の実施例に
よるインクジェット記録ヘッドの構造は、圧力発生室及
び共通流路支流の材料として、金属製の薄板（プレー
ト）を積層させ、これらを接着剤で接合した積層構造と
して用いながら、上述の計算により得られたパラメータ
範囲に基づくヘッド構造を採用するものである。

【００５４】図５は、本発明の第１の実施例であるイン
クジェット記録ヘッドの概略構成を示す断面図である。
図５に示すように、本発明の第１の実施例であるインク
ジェット記録ヘッドは、ノズルプレート５０１と、２枚
のチャンバプレート５０２と、供給路プレート５０３
と、振動板５０４と、の合計５枚のプレートからなる積
層ヘッドであり、さらに、チャンバプレート５０２の貫
通孔である、

【００５５】圧力発生室５０５と共通流路支流５０６と
の形成は、両面エッチングにより形成されることが特徴
的である。この製造方法は、後述するシリコンプロセス
を用いたヘッド製造方法とは対照的に、大規模な生産設
備を必要とせず、どちらかといえば少ロット生産に向く
製造方法である。なお、どちらの製造方法により製造す
るかは、製造されるべきヘッドの生産台数を考慮して決
定されるものである。

【００５６】図６は、圧力発生室と共通流路支流との形
成工程を示す断面図である。まず、積層前の単板ステン
レス板６０１の両面に（ａ）、フォトレジスト膜６０２
を塗布し（ｂ）、当該フォトレジスト膜６０２にフォト
リソグラフィー技術を用いて、傾斜した貫通孔を形成す
るためのレジストパターン６０３を形成する（ｃ）。フ
ォトレジスト膜６０２は、エッチング液に耐性があるも
のを用いる。ここで用いるレジストパターン６０３は、
図６（ｃ）に示すように、レジストパターンが存在しな
い部位をステンレス板６０１の表面及び裏面とで異なる
大きさとすることにより傾斜孔を形成できる。パターン
形成後、エッチング液にステンレス板を浸漬し、両面か
らのエッチング（両面エッチング）を行い、目的とする
傾斜を備える貫通孔を形成する（ｄ）。また表面及び裏
面のレジストパターン６０３の大きさやレジスト厚みの
組み合わせ方を選べば、圧力発生室の傾斜角、すなわち
隔壁角度を幅広い範囲で形成することができる。なお、
エッチングは等方的かつ両面から進むため、図６（ｄ）
に示すように、貫通孔の壁面が平面とはならず、わずか
に板厚の中央部付近にＲを有した球状となる。この後、
フォトレジスト膜６０２を除去し、単板ステンレス板６
０１に貫通孔を形成した（ｅ）。

【００５７】以上の工程により作製された傾斜した貫通
孔の空いた単板のステンレス板を２枚貼り合わせ、圧力
発生室及び共通流路の形成されたチャンバプレートとし
た。両面エッチングを用いた積層プレートによりチャン
バプレートを形成する方法は、少ない積層枚数で三角形
状の流路を形成できると共に、壁面表面を滑らかに仕上
げることができる。また、実際に形成されたチャンバプ
レートにインクを導入した際に、速やかに気泡を排出す
ることができ、不吐出ノズルを激減させることができ、
傾斜孔の形成が難しく、且つ、バリの発生しやすい打ち
抜きの貫通孔形成方法と比較して利点が多い。

【００５８】本発明の第１の実施例においては、ノズル
プレート５０１にエアダンパの機能を兼ねさせるため、
上記の計算結果からノズルプレート５０１として、１５
μｍ厚みのポリイミドを用い、エキシマレーザ加工によ
り、開口径２５μｍのノズル５０７を形成した。

【００５９】チャンバプレート５０２は、両面エッチン
グによって圧力発生室５０５と共通流路支流５０６とを
形成済みの厚さ７５μｍの２枚のステンレス板を、貫通
孔が連るように位置決めしながら接着剤で貼り合わせ、
さらにそれらを２枚貼り合わせて総厚３００μｍの４層
構成にしたプレートである。今回作製したプレートの圧
力発生室５０５は、底面が正方形の四角錐形状であり、
前述の計算結果に基づいて共通流路支流５０６との中心
間距離をおよそ５００μｍとした。このとき、隔壁の厚
みは実測で１９０μｍであり、隔壁角度は略５０゜であ
った。

【００６０】共通流路支流５０６は、三角柱の溝であ
り、幅がおよそ３００μｍである。以上の圧力発生室５
０５、共通流路支流５０６の構成は、上述の表１（ｂ）
欄に該当することになる。供給路プレート５０３とし
て、ここでは、２５μｍのステンレス板を用い、共通流
路支流５０６から圧力発生室５０５へとインクを導入す
るために、片面エッチングによって供給路５０８を形成
した後、接着剤によりチャンバプレート５０２と接合し
た。

【００６１】振動板５０４には、厚さ１０μｍのステン
レス板を用い、圧電素子５０９として厚さ３０μｍの単
板状圧電セラミックを振動板５０４上の圧力発生室５０
５底面に対応する位置に設けた。

【００６２】以上の構成に不図示のインクタンクを接続
し、圧電素子５０９への配線後、大滴動波形を入力する
と、ノズル５０７からおよそ３０ｐｌのインクが吐出さ
れた。また、全ノズルズル吐出テストにおいても、クロ
ストークなく、良好な印字が可能であった。さらに、同
じ製造方法により、表１（ｃ）欄のパラメータ範囲であ
る隔壁角度４０°のヘッドを作製し、印字テストを行っ
たところ、同様にクロストークのない、良好な印字が可
能であった。

【００６３】（第２の実施例）次に、本発明による第２
の実施例について述べる。本実施例におけるインクジェ
ット記録ヘッドの基本構成、寸法等は、第１の実施例に
示されたものと略同一であるが、本実施例においては、
圧力発生室及び共通流路支流をシリコンの異方性エッチ
ングを利用して形成する点で相違する。本実施例によれ
ば、前述の積層構造ヘッドとは対照的に、半導体技術を
そのまま流用することができ、安価で、精度の優れたイ
ンクジェット記録用ヘッドを大量に生産することができ
る。また特に、圧力発生室等は、一体で製造されるた
め、接合工程を省くことができ、接着剤を用いた場合に
はがれ等が懸念される場合に適する。

【００６４】図７は、本発明の第２の実施例におけるイ
ンクジェット記録ヘッドの製造工程を説明する断面図で
ある。まず、図７（ａ）に示すような［１００］面方位
のＳｉウェハ７０１に、エッチング時のストッパー層と
して機能する高濃度ボロン拡散層７０２を設ける。ここ
で用いられるＳｉウェハ７０１は、厚さ３００μｍであ
り、高濃度ボロン拡散層７０２は、厚さ１０μｍである
（図７（ｂ））。

【００６５】次に、図７（ｃ）に示すようにＳｉウェハ
を熱酸化し、ウェハ表面に耐エッチングマスク材となる
酸化シリコン膜７０３を２μｍ厚で形成した。耐エッチ
ング用として、本実施例では酸化シリコン膜を用いた
が、Ｓｉエッチング液に耐性があり、マスクとし使用し
うるものであれば、窒化シリコン膜や金属膜などを用い
ても良い。

【００６６】次に、Ｓｉウェハにレジストを塗布し、ウ
ェハ表面の所定の場所にノズル、圧力発生室、共通流路
支流となるべきレジストマスクパターンをフォトリソグ
ラフィ技術によって形成後、緩衝フッ酸溶液により酸化
シリコン膜をエッチングし、レジストを除去すると、図
７（ｄ）のようなパターン７０４が形成される。

【００６７】このとき、共通流路上部のパターン７０４
は、後述するように、このパターンとして形成された溝
からエッチング液が入り込み、内部をくりぬくようにエ
ッチングし、共通流路支流を形成するとともに、共通流
路支流の蓋となるための数μｍ程度の梁が渡せれば、そ
の形状は問わない。ここでは、パターンの幅を１μｍ、
ピッチを１１μｍとした。

【００６８】次に、異方性ウエットエッチングにより、
図７（ｆ）に示すように、共通流路支流７０５及びノズ
ル７０６を形成する。まず、約１００℃に加熱したエチ
レンジアミン・ピロカテコール・ウオーター（ＥＰＷ）
中に上記ウェハを浸漬し、ウェハ両面からエッチングを
行った。エッチング完了後、圧力発生室７０７とノズル
７０６及びこれらとウェハ上で倒置した位置となるよう
に、共通流路支流７０５がくりぬかれて形成された。共
通流路支流上には、上述のように、共通流路支流蓋とな
る幅１０μｍの梁が１μｍの隙間を開けて並んでいる。

【００６９】次に、図７（ｇ）に示すように、フッ酸溶
液に浸漬することにより、ウェハ表面の酸化シリコン膜
を除去した後、Ｓｉウェハ表面上に熱酸化膜７０８を形
成するため、水素と酸混合気体中にて上記ウェハを１１
００℃で３時間加熱した。この熱酸化膜７０８により共
通流路蓋の梁の隙間が埋まり、図７（ｈ）に示すように
共通流路蓋として機能する。

【００７０】この後、予めインク供給路を形成しておい
た振動板をウェハ下部に接合する。ここでは、Ｓｉ薄膜
を振動板として用いたが、振動板として機能するための
厚みや弾性係数を満たせば、上述の材料及び製法に限定
されるものではない。以下にＳｉ薄振動板の作製方法を
図８に基づいて説明する。

【００７１】まず、図８（ａ）に示すＳｉウェハ８０１
表面に、耐エッチング用マスして機能する酸化シリコン
膜８０２を約５μｍ厚で形成する（図８（ｂ））。

【００７２】次に、Ｓｉウェハにレジストを塗布し、ウ
ェハ表面の所定の個所に供給路となるべきレジストマス
クパターンをフォトリソグラフィー技術により形成後、
緩衝フッ酸溶液により酸化シリコン膜８０２をエッチン
グし、レジストを除去すると、図８（ｃ）に示すような
パターンが形成される。こののち、図８（ｄ）に示すよ
うに、供給路となる溝８０３をＳｉドライエッグにより
形成する。上記作業で形成される供給路は、およそ長さ
１００μｍ、深さ３０μｍ、幅５０μｍの溝である。

【００７３】次に、フッ酸溶液を用いて酸化シリコン膜
８０２を除去し（図８（ｅ））、図８（ｆ）に示すよう
に、エッチング時のストッパー層として機能する高濃度
ボロン拡散層８０４を１０μｍ厚で設ける。このとき、
高濃度ボロン拡散層８０４は、ウェハ表面に一様に形成
されるので、供給路となる溝８０３表面にも形成され
る。

【００７４】次に、図８（ｇ）に示すように、パイレッ
クス（登録商標）ガラス８０５をスパッタにより３μｍ
厚になるまで堆積し、フッ酸を用いてパターン化する。
本実施例において、上記工程により作製されたノズル、
圧力発生室、共通流路を形成したプレートを静電接合に
より接合（４００℃、４００Ｖ印加）したが、接着剤等
を用いて接着しても良い（図８（ｈ））。

【００７５】次に、高濃度ボロン拡散層８０４が形成さ
れていない部分をＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液等でエ
ッチングすることにより、振動板を接合したプレートが
完成する。最後にノズルプレート貼り付け、圧電素子
（図示せず）を振動板上、圧力発生室下部に対応する位
置に配置して配線し、インクタンク（図示せず）を接合
してインクジェット記録ヘッドが完成した。

【００７６】今回作製したプレートの圧力発生室は、前
述のように、第１の実施例の積層構造のヘッドとほぼ同
型であるため、第２の実施例のヘッド構造は、上述の表
１（ｂ）欄に該当することになる。この後、大滴駆動波
形を入力すると時、ノズルから、およそ３０ｐｌのイン
クが吐出された。また全ノズルテストにおいても、クロ
ストークなく、良好な印字が可能であった。

【００７７】以上のように、本発明における各実施例に
ついて述べたが、本発明は、これら実施例中の構成に限
定されるものではなく、本発明における隔壁角度等の好
適な範囲を満たすものであれば、共通流路支流や圧力発
生室の材質、作り方等によらない。例えば、上記実施例
では、共通流路支流及び圧力発生室として、ステンレス
板もしくはシリコンを用いたが、適当な隔壁角度を形成
可能であれば、ガラス板やセラミック板等を用いても好
適な結果が得られる。また、エレクトロフォーミングに
より、共通流路や圧力発生室を形成してもよい。さら
に、圧力発生室や共通流路支流の形状も、実施例中にお
いては四角形としているが、本発明はこれに限定される
ものではない。

【００７８】さらに、本発明における各実施例におい
て、圧力発生室への圧力付与手段として、圧電素子を用
いることを中心に述べてきたが、その他、熱を用いたバ
ブル方式を用いても、本発明の本質はなんら変わるとこ
ろはない。

【００７９】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
のインクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装
置によれば、ノズル配列の高密度化を果たすことができ
ると共に、クロストークやリフィル時間の増大を生じる
ことのない音響容量をも確保することができる。従っ
て、高速印字を可能にするとともに、安定したインクジ
ェット記録が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態であるインクジェット記録ヘ
ッドの概略構成を示す図である。

【図２】本発明の実施形態であるインクジェット記録ヘ
ッドの模式図である。

【図３】チャンバ厚みを３００μｍとしたときの各パラ
メータの計算結果を示すグラフである。

【図４】本発明における占有面積のモデル図である。

【図５】本発明第１の実施例のインクジェット記録ヘッ
ドを説明する図である。

【図６】ステンレス板への貫通孔の形成方法を示す断面
図である。

【図７】本発明第２の実施例のインクジェット記録ヘッ
ドの製造方法を示す断面図である。

【図８】振動板の製造方法を示す断面図である。

【図９】マトリクスヘッドの基本構成を示す斜視図であ
る。

【図１０】従来例１のインクジェット記録ヘッドを示す
図である。

【図１１】従来例２のインクジェット記録ヘッドを示す
図である。

【符号の説明】

１０１圧電素子１０２圧力発生室１０３振動板１０４インク１０５ノズル１０６供給路１０７ノズルプレート１０８共通流路支流１０９隔壁１１０チャンバプレート１１１供給板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者神田虎彦東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内Ｆターム(参考） 2C057 AF34 AF93 AG14 AG32 AG40 AP12 AP13 AP33 AQ02 AQ06 BA04 BA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マトリクス配列された複数の圧力発生室
がインク供給路を介して共通流路によって連通され、圧
力発生手段によりインクが充填された前記圧力発生室内
に圧力変化を生じさせて該圧力発生室に連通したノズル
からインク滴を吐出させるインクジェット記録ヘッドで
あって、前記圧力発生室の一断面形状が前記ノズルの開口部を頂
点とした略三角形状であり、かつ、前記共通流路の一断
面形状が略三角形状であり、前記圧力発生室及び前記共通流路の夫々の一断面形状が
互いに倒置関係となるように設置され、前記圧力発生室と前記共通流路とを仕切る隔壁は、水平
方向とのなす角度θが３２°≦θ≦５３°を満たすよう
に設置されていることを特徴とするインクジェット記録
ヘッド。
【請求項２】少なくとも前記圧力発生室と前記共通流
路とは、積層された複数枚のプレートにより形成されて
いることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記
録ヘッド。
【請求項３】前記プレートは、金属板であることを特
徴とする請求項２記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項４】前記金属板は、表面及び裏面からのエッ
チングにより、少なくとも前記圧力発生室及び前記共通
流路となる孔が形成されることを特徴とする請求項３記
載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項５】少なくとも前記圧力発生室と前記共通流
路とは、シリコンで形成されていることを特徴とする請
求項１または２記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項６】前記ノズルを形成するプレートは、前記
共通流路のエアダンパを兼ねることを特徴とする請求項
２から５のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘ
ッド。
【請求項７】前記ノズルを形成するプレートは、ポリ
イミドで形成されていることを特徴とする請求項６記載
のインクジェット記録ヘッド。
【請求項８】前記ポリイミドの厚みは、３０μｍ以下
であることを特徴とする請求項７記載のインクジェット
記録ヘッド。
【請求項９】前記圧力発生室と前記共通流路との中心
間の距離は、３００μｍ以上であることを特徴とする請
求項１から８のいずれか１項に記載のインクジェット記
録ヘッド。
【請求項１０】前記圧力発生手段は、圧電素子を用い
ることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記
載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項１１】前記圧力発生手段は、インクへの加熱
によることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項
に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項１２】請求項１から１１のいずれか１項に記
載のインクジェット記録ヘッドを搭載したことを特徴と
するインクジェット記録装置。