JP2003211659A

JP2003211659A - インクジェット式記録ヘッド

Info

Publication number: JP2003211659A
Application number: JP2002013153A
Authority: JP
Inventors: Satoru Hida; 悟飛田; Toshitaka Ogawa; 俊孝小川; Yoshitaka Akiyama; 佳孝秋山; Osamu Machida; 治町田; Katsunori Kawasumi; 勝則川澄
Original assignee: Hitachi Printing Solutions Inc
Current assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Priority date: 2002-01-22
Filing date: 2002-01-22
Publication date: 2003-07-29
Anticipated expiration: 2022-01-22
Also published as: JP3797423B2

Abstract

(57)【要約】【課題】一般に、ノズル側の抵抗に対し、インク供給
路側の抵抗の方が大きくすることが好ましい。つまり、
インク供給路については、ノズル部の抵抗に対し、所定
量の抵抗を確保しなければならず、そのために、インク
供給路を長くしたり、インク供給路を複数設け、抵抗を
増すようして、インク加圧室が収縮する際はより大量の
インクがノズル側へ流れるようする。【解決手段】共通インク室からのインクを供給するイ
ンク供給路、インク加圧室、ノズルへの連通路を同一平
面状に列状に並べたインク流路形成基板とインクが噴射
されるノズル開口部を有するインクジェット記録ヘッド
において、前記インク供給路に、インク流れの吐出方向
の抵抗を小さくすると共に逆方向の抵抗を大きくする流
路開閉弁を前記インク流路形成基板と一体加工して形成
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット式
記録装置の記録ヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット記録ヘッドを搭載した記
録装置は、小さなドットを高い密度で形成できるため、
カラー印刷を含めた多くの印刷に使用されている。更に
は、より高速印刷を実現するために、ノズルを印刷用紙
幅全体にライン上に配設することが必要になってくる。
また、最近では屋外用の大判ポスターをインクジェット
記録装置で印刷する用途も増えてきている。

【０００３】図６は、インクジェト式記録装置の記録ヘ
ッドの圧力発生室の中心線上での断面構造を示す。図中
の１は流路形成基板で、圧電振動子２に対向する面に圧
力発生室３が形成されて、圧力発生室３の一端側には貫
通孔からなる共通インク室となるリザーバ４が形成さ
れ、圧力発生室３とリザーバ４とはインク供給路５によ
り連通されている。

【０００４】また、ノズルプレート８のノズル開口９の
近傍には、ノズル開口９と前記圧力発生室３とを連通さ
せる貫通孔からなるノズル連通口１０が形成されてい
る。

【０００５】このような流路形成基板１は、例えば、シ
リコンウェハ基板をウェットによる異方性エッチングや
ドライエッチングによって凹部や貫通孔を形成する方法
や、不錆鋼等の金属板を、やはりエッチング加工により
凹部や連通孔を形成する方法により構成することが出来
る。

【０００６】前記流路形成基板１は、圧前振動子２側の
面を振動板１５で封止されている。圧力発生室３のほぼ
中央には、圧力発生手段である圧電振動子２が当接さ
れ、他端が固定基板１６を介してヘッドフレーム１７に
固定されている。

【０００７】図７に、上記記録ヘッドの駆動パルス波形
を示す。電圧パルスは、時間ｔ１で示した圧電振動子２
の変形により、圧力発生室３の容積が拡大する方向に電
圧が変化する第一の期間と、時間ｔ２で示した電圧を一
定保持する第二の期間と、時間ｔ３で示した圧電振動子
２の変形により、圧力発生室３の容積が縮少する方向に
電圧が変化する第三の期間からなっており、其々の期間
で電圧の変化は直線とした。すなわち、入力パルスの立
ち上りで圧力発生室３上部の振動板１５を撓わませた状
態となり、インクがリザーバ４からインク供給路５を経
由して圧力発生室３内に供給される。その後、一旦保持
し、電荷が加えられた状態から、圧電振動子２に貯えら
れた電荷を急速に放電することで、振動板１５を急速に
撓ませてインクを吐出させる、いわゆる引き打ち方によ
り駆動されることが一般的となってきている。

【０００８】この様にして、吐出するインク滴をより高
周波数で駆動することにより、印刷品質の向上及び印刷
速度の向上させることが可能となる。その実現のため
に、従来から多くの方法が考案されている。

【０００９】特開昭６１−７９６６７号公報の図３に記
載されているように、圧力発生室内に柔軟性のある材料
で複数の弁を配置した構成が考案されている。この方法
では、インク供給路内に別部材で弁を設けることとな
り、弁の製作、組立が難しく、コストが高くなる。ま
た、ノズルの高密度実装に対応することが難しかった。

【００１０】また、特開平６−１４３５７１号公報で提
案されているように、シリコンウェハ等からなる基板に
エッチング加工により、インク供給路の側壁を鋸歯状と
したり、インク供給路の溝の中心線上に二等辺三角形又
はひし形の島を形成し、インク流れの順方向の抵抗を小
さくすると共に、逆方向の抵抗を大きくする流体ダイオ
ードが形成されている。前記鋸歯状の場合、流路中の突
起によりインク流に渦が発生し、気泡発生の要因となる
と共に気泡の排出が困難になる。また、後者の場合、逆
方向のインクの流れにおいて、その流れを阻止するよう
に考えられるが、流路の溝の幅が、全長に渡ってほぼ同
じとなっているため、流体抵抗の点からは、２本のイン
ク流路が存在することとほぼ同等の機能と同じことにな
り、大きな改善には効果が低い。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】インク加圧室の容積が
拡大と縮少を繰り返すことにより、共通インク室からイ
ンク加圧室へ一端吸込んでインクノズルへ送り出す際、
前記インク供給路とノズル出口部との抵抗のバランスに
よってインクが吐出される。一般に、ノズル側の抵抗に
対し、インク供給路側の抵抗の方を大きくすることが好
ましい。

【００１２】つまり、インク供給路については、ノズル
部の抵抗に対し、所定量の抵抗を確保しなければなら
ず、そのためにインク供給路５を長くしたり、図４に示
すようにインク供給路５０を複数設けて抵抗を増すよう
して、インク加圧室３が収縮する際はより大量のインク
がノズル側へ流れるようにしなければならない。結果と
して、ヘッドが大型化されることになる。

【００１３】また、図５に示されるように、インク供給
路の一部に突起６０を設けたりして、ノズル方向へのイ
ンク流入の抵抗を小さくし、その逆方向の流れに対して
抵抗が大きくなるように構成が提案されている。しかし
ながら、前記突起６０により、インク圧力室が収縮され
ることによって、共通インク室であるリザーバ４へ逆流
するインクの流れが乱され、場合によっては、繰り返し
周波数を低下させてしまうことが起きる。

【００１４】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたもので、その目的とするところは、インク吐出周
波数を大きくすると共に、ヘッドを小型化して多数のヘ
ッドを集積することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明においては、共通インク室、該供給インク室か
らのインクを供給するインク供給路、圧力変換器により
インクを加圧するインク加圧室、ノズルへの連通路を同
一平面状に列状に並べたインク流路形成基板と、インク
が噴射されるノズル開口部とを有するインクジェット記
録ヘッドにおいて、前記インク供給路に、インク流れの
吐出方向の抵抗を小さくすると共に、逆方向の抵抗を大
きくする流路開閉弁を、前記インク流路形成基板と一体
加工して形成したことを特徴とする。

【００１６】また、インク圧力室方向へ、インク供給路
の両側側壁より互いに交錯するように突起が伸びている
ように形成したことを特徴とする。

【００１７】また、インク流路途中に少なくとも１つ以
上の前記流路開閉弁を具備していることを特徴とする。

【００１８】また、共通インク室、該供給インク室から
のインクを供給するインク供給路、圧力変換器によりイ
ンクを加圧するインク加圧室、ノズルへの連通路を同一
平面状に列状に並べたインク流路形成基板と、インクが
噴射されるノズル開口部とを有し、前記インク供給路
に、インク流れの吐出方向の抵抗を小さくすると共に、
逆方向の抵抗を大きくする流路開閉弁を、前記インク流
路形成基板と一体加工して形成したことを特徴とするイ
ンクジェット式記録ヘッドにおいて、インク供給路側壁
より突出した突起の一方がばね性を有し、他方がその封
止用突起であることを特徴とする。

【００１９】また、前記流路開閉弁の弾性バネ定数が、
インク吸引工程における負圧力及びインク吐出時の正圧
力の絶対値より小さいことを特徴とする。

【００２０】また、前記流路形成基板がシリコン単結晶
基板をエッチングして構成されていることを特徴とす
る。

【００２１】また、前記流路開閉弁の深さ方向の厚み
が、流路形成基板の厚みより小さいことを特徴とする。

【００２２】更に、前記流路開閉弁の厚みを、シリコン
単結晶板のハーフエッチングにより形成されていること
を特徴とする。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態につい
て説明する。

【００２４】図１に本発明となるインクジェット記録装
置のヘッド断面図を示す。基本的なヘッド構造及びイン
ク滴の吐出原理については、従来技術に同じなので説明
を省略する。ここで、従来技術との相違点は、インク流
路形成基板１を弁機能を有する基板１ａと、リザーバ４
及びノズルへの連通口１０を確保する基板１ｂを有する
ことである。

【００２５】図２に、本発明となるインク流路形成基板
１ａの構成について詳細を示す。インク流路形成基板１
は、複数のノズルの共通インク室としてのリザーバ４か
らのインク供給路５と、圧力発生室３が形成されてい
る。前記インク流路形成基板１ａは、シリコンウェハの
基板をウェットによる異方性エッチング、又はドライエ
ッチングにより微細な形状を高精度に加工することが出
来る。この方法を用いることで、図２に示されるよう
に、圧力発生室へのインク流路途中に弁機構３０を高精
細に付加することが可能になった。また、エッチングに
より、弁機構３０をインク流路形成基板１と一体加工形
成することで、高精度な位置決め及び組立の簡略化が可
能となった。

【００２６】図２に示されるように、前記弁機構３０
は、インク流路５の側壁から伸びた一端のアーム３１
と、もう一方の側壁より伸びた突起３２とが交錯するよ
うに構成されている。前記アーム３１は、弾性を有すよ
うに形成され、その根本部は応力低減のため幅広の形状
にすることが望ましい。もう一方の突起３２が、ストッ
パとしての機能を持つ。つまり、インクがノズル側へ流
れる方向（以下、順方向とする）に開放されるように構
成されている。

【００２７】次に、上記ヘッドによる本発明の動作原理
を説明する。

【００２８】図７に示される駆動パルスにおいて、時間
ｔ１で示されるインク吸引工程では、圧力発生室３内が
負圧になる。この負圧力Ｐ１によって、前記インク流路
５途中にある弁が開放される。その後、電圧ホールド状
態においても負圧が働く限りインクが供給される。そし
て、時間ｔ３における圧縮工程においては、前記圧力発
生室３内が正圧となり、その正圧力Ｐ２によって前記弁
がリザーバ４側へ押し戻され、突起３２によってインク
供給路が遮断される。つまり、インクが供給される時
は、インク流路の抵抗が小さくなり、インク滴を吐出す
る時は、インク流路の抵抗が大きくなるように構成する
ことが出来る。

【００２９】また、前記流路形成基板１は、圧力発生室
３の圧電振動子２側の面を振動板１５で、その一方をオ
リフィスプレート８で封止されている。従って、本発明
においては、前記弁機構３０における弾性を有するアー
ム３１は、流路形成基板１の厚みよりも僅かに薄くする
ことが必要であり（図２（ｂ））、それを形成するため
にハーフエッチング技術を利用することで容易に形成す
ることが出来る。これにより、インク流路内で稼動可能
なように形成されている。

【００３０】この様に、僅かに隙間を設けることで、各
々の突起根本部付近でのインクの流れをスムーズにする
ことが可能となり、従来技術で問題となるような気泡の
残留を少なくすることが出来る。更には、インク流路内
に親水処理を施すことによって、より効果的に気泡を除
去可能となる。

【００３１】図３は、本発明における他の例を示す。

【００３２】インク供給路の両側壁より伸びた弾性を有
する突起４０が、圧力発生室方向３へ傾いて伸びてい
る。その先端部は、互いに交錯するように一方が短く、
一方が長くなるように形成する。また、両側より伸びた
突起４０は、交互にずれた位置より形成し同じ長さに形
成しても良い。また、図に示すように複数本を交錯する
ように形成することで、より多くの抵抗体を増やすこと
が可能となる。前記突起は、稼動可能なように弾性を有
する構成にすることが望ましく、図１とほぼ同様な効果
を有することが出来る。

【００３３】本発明のインクジェットヘッドの製造方法
を図８に基づいて説明する。

【００３４】インク流路形成基板１ａは、シリコン単結
晶基板を用い、ドライエッチング法によって加工され
る。尚、異方性ウェットエッチングと異なり、使用する
シリコン単結晶基板の面方位は限定されないため、一般
的に半導体などで使用される安価な（１００）ウエハを
用いることが出来る。

【００３５】シリコン単結晶基板１ａの表面に熱酸化法
などで酸化シリコン膜１３，１４を形成し、インク流
路、弁アーム３１及びリザーバ４の形状に合せてフォト
リソグラフィ法によりパターニングを行い、酸化シリコ
ン膜を完全に除去する。尚、酸化シリコン膜のエッチン
グは、フッ酸とフッ化アンモニウムの混合液によって行
う。またオリフィスプレートが取付けられる側の酸化シ
リコン膜１４を保護するために、酸化シリコン膜のエッ
チングの際にはレジスト材を全面に塗布しておく。
（ａ）次に、インク流路及びリザーバ部のシリコンのエッチン
グをドライエッチングによって各部が貫通するまで行
う。エッチング条件としては、エッチングガスとしてＣ
Ｆ_４、ＳＦ_６ガスを交互に使用し、１分間に４μｍのエ
ッチングレートでエッチングを行う。ここでＣＦ_４ガス
は形成される溝の側面にエッチングが進行しないように
溝側面を保護するために使用し、ＳＦ_６ガスはシリコン
ウエハの垂直方向のエッチングを促進させるために使用
するため、溝は基板に対して垂直な壁を形成できる。
（ｂ）次に、インク流路のハーフエッチング部形状に合わせ
て、工程（ａ）と同様にフォトリソグラフィ法によりパ
ターニングを行い、酸化シリコン膜１３、１４のハーフ
エッチングを行う。ハーフエッチング後の酸化シリコン
膜の厚さＴは、シリコン単結晶基板１ａのドライエッチ
ング時のエッチングレートをｒ１、酸化シリコン膜１３
のエッチングレートをｒ２、インク流路ハーフエッチン
グ部の高さをｔ１とすると、Ｔ１＝ｒ２・（１−ｔ１）／ｒ１以上の厚さが必要となる。（ｃ）次に、工程（ｃ）でハーフエッチングを行った酸化シリ
コン膜が完全に除去されるまで、酸化シリコン膜のエッ
チングを行い、その後更に、弁アーム部であるシリコン
のエッチングを行う。（ｄ）以上の工程によって、インク流路、マニホールド及び弁
アームが形成される。更に、工程（ｄ）終了後の基板を
１１００℃、酸素雰囲気中で熱酸化を行い、インク流路
形成基板全体に酸化シリコン膜を形成する。（ｅ）

【００３６】

【発明の効果】以上、説明したように本発明において
は、共通インク室からのインクを供給するインク供給
路、インク加圧室、ノズルへの連通路を同一平面状に列
状に並べたインク流路形成基板とインクが噴射されるノ
ズル開口部を有するインクジェット記録ヘッドにおい
て、流体抵抗体をインク供給路にインク流路形成基板と
一体で形成することで、高精度でかつ高密度にインク流
路を形成できる。

【００３７】また、弁機構が付加されたことで以下の様
な効果が期待できる。

【００３８】複雑なインク供給路を形成すること無しに
繰り返し駆動周波数を上げることが出来るので、印刷品
質を低下させること無く印刷速度飛躍的に向上すること
が出来る。

【００３９】シリコンウェハのエッチング加工により、
狭いインク流路に高精度の流体抵抗体を設けることが出
来るので、製造も容易であり、高密度化を達成でき、記
録ヘッドの小型化ばかりでなくそれを搭載する装置も小
型化が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明となるインクジェット式記録ヘッドの
断面図である。

【図２】本発明となるインクジェット式記録ヘッドの
インク流路平面図である。

【図３】本発明となる他の例を示すインク流路平面図
である。

【図４】従来技術における記録ヘッド内の流体抵抗体
である。

【図５】従来技術における記録ヘッド内の流体抵抗体
である他の例である。

【図６】従来技術におけるインクジェット式記録ヘッ
ドの断面図である。

【図７】インクジェット式記録ヘッドの駆動パルス波
形である。

【図８】本発明となる記録ヘッド内の流体抵抗体の製
作工程図である。

【符号の説明】

１はインク流路形成基板、２は圧電振動子、３は圧力発
生室、４はリザーバ、５はインク流路、９はノズル開
口、３０は弁機構、３１は弁アーム、３２は突起であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者秋山佳孝茨城県ひたちなか市武田1060番地日立工機株式会社内 (72)発明者町田治茨城県ひたちなか市武田1060番地日立工機株式会社内 (72)発明者川澄勝則茨城県ひたちなか市武田1060番地日立工機株式会社内Ｆターム(参考） 2C057 AF93 AG30 AP33 AP34 AQ02 BA04 BA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共通インク室、該供給インク室からのイン
クを供給するインク供給路、圧力変換器によりインクを
加圧するインク加圧室、ノズルへの連通路を同一平面状
に列状に並べたインク流路形成基板と、インクが噴射さ
れるノズル開口部とを有するインクジェット記録ヘッド
において、前記インク供給路に、インク流れの吐出方向
の抵抗を小さくすると共に、逆方向の抵抗を大きくする
流路開閉弁を、前記インク流路形成基板と一体加工して
形成したことを特徴とするインクジェット式記録ヘッ
ド。
【請求項２】インク圧力室方向へ、インク供給路の両側
側壁より互いに交錯するように突起が伸びているように
形成したことを特徴とする請求項１記載のインクジェッ
ト式記録ヘッド。
【請求項３】インク流路途中に少なくとも１つ以上の前
記流路開閉弁を具備し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式記録ヘッド。
【請求項４】共通インク室、該供給インク室からのイン
クを供給するインク供給路、圧力変換器によりインクを
加圧するインク加圧室、ノズルへの連通路を同一平面状
に列状に並べたインク流路形成基板と、インクが噴射さ
れるノズル開口部とを有し、前記インク供給路に、イン
ク流れの吐出方向の抵抗を小さくすると共に、逆方向の
抵抗を大きくする流路開閉弁を、前記インク流路形成基
板と一体加工して形成したことを特徴とするインクジェ
ット式記録ヘッドにおいて、インク供給路側壁より突出
した突起の一方がばね性を有し、他方がその封止用突起
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
式記録ヘッド。
【請求項５】前記流路開閉弁の弾性バネ定数が、インク
吸引工程における負圧力及びインク吐出時の正圧力の絶
対値より小さいことを特徴とする請求項１記載のインク
ジェット式記録ヘッド。
【請求項６】前記流路形成基板がシリコン単結晶基板を
エッチングして構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式記録ヘッド。
【請求項７】前記流路開閉弁の深さ方向の厚みが、流路
形成基板の厚みより小さいことを特徴とする請求項１記
載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項８】前記流路開閉弁の厚みを、シリコン単結晶
板のハーフエッチングにより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式記録ヘッド。