JP2005096338A - Liquid ejection head and manufacturing method therefor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid ejection head which can stably eject a liquid by a low ejection voltage. <P>SOLUTION: An ink outlet 56 is provided near an ink guide 52 which is manufactured in such a manner that a tip part is sharpened by anisotropic wet etching of a monocrystalline substrate, and such an ink flow 14 as to cross a side surface of a sharpened part 54 is formed by using ink flowing out from the ink outlet 56. A part of the solution, which is guided from the ink flow 14, is guided to a tip part 75 of the ink guide 52, so that a meniscus 16 for ejecting an ink droplet can be formed. An upper lid 32, which is provided with a control electrode 44, is joined to a top surface 54 which is provided with the ink guide 52, and a control substrate 44 and a tip part 75 of the ink guide 52 are positionally fixed. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、溶媒中に帯電粒子を分散させた溶液を静電気力により吐出させる液体吐出ヘッドおよびその作製方法に関するものである。   The present invention relates to a liquid discharge head that discharges a solution in which charged particles are dispersed in a solvent by electrostatic force, and a method for manufacturing the same.

今日、インクを加熱してインクに発生した気泡の膨張力でインク滴を吐出させるサーマルタイプのインクジェットヘッドや、圧電素子によりインクに圧力を与えてインク滴を吐出させるピエゾタイプのインクジェットヘッドが提案されている。サーマルタイプのインクジェットヘッドではインクを部分的に300℃以上に加熱するためインクの材質が限定されるという問題があり、またピエゾタイプのインクジェットヘッドでは構造が複雑でコストが高いといった問題がある。これらの問題を解決するインクジェットヘッドとして帯電粒子を分散させた溶液を静電気力により吐出させる液体吐出ヘッドが提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4)。   Today, thermal-type inkjet heads that heat ink and eject ink droplets with the expansion force of bubbles generated in the ink, and piezo-type inkjet heads that eject ink droplets by applying pressure to the ink with piezoelectric elements are proposed. ing. In the thermal type ink jet head, there is a problem that the material of the ink is limited because the ink is partially heated to 300 ° C. or more, and the piezo type ink jet head has a problem that the structure is complicated and the cost is high. As an ink jet head for solving these problems, liquid discharge heads that discharge a solution in which charged particles are dispersed by electrostatic force have been proposed (for example, Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3, and Patent Document 4).

図8(a)及び(b)は下記特許文献1に示される画像形成装置のインクジェットヘッドである記録ヘッドの一例の概略構成図である。図8(a)は記録ヘッドの概略断面図を示し、図8(b)は突起板120を図8(a)中右側から見た図である。記録ヘッド100は、絶縁性材料からなる略矩形板状の一対の支持部材101、102が対向して配置されている。これらの支持部材101、102の間隙は記録液供給路(インク供給路)104となっており、支持部材101、102の図中上側の端部は記録液流出口(インク流出口)104aとなっている。記録液供給路104内は記録液106が図中下方から上方へ所定の圧力で流され、記録液流出口104aから流出している。この記録液106は、正に帯電した帯電性の色材粒子105を分散させたインクである。記録液供給路104の内面(支持部材101、102の一方の表面)には、第1電極111がそれぞれ記録液流出口104aまで形成されている。記録液供給路104内には先端に突起122を有するインクガイド部材である突起板120の突起122が記録液流出口104aから突出するように配置されている。突起板120の表面の、支持部材101、102と対向する領域には第2電極112が形成されている。また、図中上方に対向電極130が配置されており、この対向電極130は接地されている。この対向電極130の突起122と対向する表面には、記録媒体108が配置されている。   8A and 8B are schematic configuration diagrams of an example of a recording head that is an inkjet head of an image forming apparatus disclosed in Patent Document 1 below. FIG. 8A is a schematic sectional view of the recording head, and FIG. 8B is a view of the protruding plate 120 as viewed from the right side in FIG. In the recording head 100, a pair of support members 101 and 102 each having a substantially rectangular plate shape made of an insulating material are arranged to face each other. A gap between the support members 101 and 102 serves as a recording liquid supply path (ink supply path) 104, and an upper end portion of the support members 101 and 102 in the drawing serves as a recording liquid outlet (ink outlet) 104a. ing. In the recording liquid supply path 104, the recording liquid 106 flows from the lower side to the upper side in the figure at a predetermined pressure, and flows out from the recording liquid outlet 104a. The recording liquid 106 is an ink in which positively charged chargeable color material particles 105 are dispersed. On the inner surface of the recording liquid supply path 104 (one surface of the support members 101 and 102), first electrodes 111 are formed up to the recording liquid outlet 104a. In the recording liquid supply path 104, a protrusion 122 of a protrusion plate 120, which is an ink guide member having a protrusion 122 at the tip, is disposed so as to protrude from the recording liquid outlet 104a. A second electrode 112 is formed in a region of the surface of the protruding plate 120 facing the support members 101 and 102. A counter electrode 130 is arranged in the upper part of the figure, and the counter electrode 130 is grounded. A recording medium 108 is disposed on the surface of the counter electrode 130 facing the protrusion 122.

このような記録ヘッド100において、記録液流出口104aから溢れた記録液106の一部は記録液流出口104a近傍で突起板120に沿って濡れ上がり、記録液106の供給圧力、表面張力等により、突起122の表面にメニスカス140が形成される。一方、記録液流出口104aから溢れた記録液106の大部分は、支持部材101、102に沿って流れ図示しない記録液タンクへ回収される。   In such a recording head 100, a part of the recording liquid 106 overflowing from the recording liquid outlet 104a wets along the projection plate 120 in the vicinity of the recording liquid outlet 104a, and is caused by the supply pressure, surface tension, and the like of the recording liquid 106. A meniscus 140 is formed on the surface of the protrusion 122. On the other hand, most of the recording liquid 106 overflowing from the recording liquid outlet 104a flows along the support members 101 and 102 and is collected in a recording liquid tank (not shown).

このように突起122表面に記録液のメニスカス140が形成された状態で、第1電極111及び第2電極112に正のバイアス電圧を印加すると、第1電極111及び第2電極112と対向電極130の間に電界が形成される。この電界によって記録液供給路104内を上昇する記録液106内の色材粒子105は突起122の先端に向けて移動し、突起122の先端近傍で凝集される。この状態で、所定のパルス幅で第1電極111及び第2電極112に電圧が重畳印加されると、第1電極111及び第2電極112と対向電極110間に形成された電界が強められ、メニスカス140にある色材粒子105が対向電極130側に引き付けられる。これにより、色材粒子105を含んだ記録液106を液滴として対向電極130に向けて吐出させることができる。特許文献1ではこのようにして記録液106の液滴を吐出させ記録媒体108上に色材粒子105を付着させている。   When a positive bias voltage is applied to the first electrode 111 and the second electrode 112 with the recording liquid meniscus 140 formed on the surface of the protrusion 122 in this manner, the first electrode 111, the second electrode 112, and the counter electrode 130 are applied. An electric field is formed between the two. The color material particles 105 in the recording liquid 106 rising in the recording liquid supply path 104 by this electric field move toward the tip of the protrusion 122 and are aggregated in the vicinity of the tip of the protrusion 122. In this state, when a voltage is superimposed and applied to the first electrode 111 and the second electrode 112 with a predetermined pulse width, the electric field formed between the first electrode 111 and the second electrode 112 and the counter electrode 110 is strengthened, The color material particles 105 in the meniscus 140 are attracted to the counter electrode 130 side. As a result, the recording liquid 106 including the color material particles 105 can be ejected as droplets toward the counter electrode 130. In Patent Document 1, droplets of the recording liquid 106 are ejected in this way, and the color material particles 105 are adhered on the recording medium 108.

また、下記特許文献2に開示するインクジェットヘッドにおいてもインクガイド部材である突起板に沿ってインクを流し、突起板の突起にメニスカスを形成させている。この突起板は成型したアルミナ製電極ベースを、研磨により先端を尖らせたものである。
また、下記特許文献3では、インク滴の吐出方向と略垂直な方向に流れるインク層の表面から、先鋭部を有するインクガイド部材を突出させ、インク層から先鋭部の先端までインクを案内する案内溝をインクガイド部材に設け、インクガイド部材の先端から静電気力を利用してインク滴を吐出するインクジェットヘッドを開示している。このインクガイド部材はプラスティック樹脂の成型によって形成されたものである。
また、下記特許文献4では、インクガイド部材を設けず、インク供給路から流出するインクの圧力とインクの表面張力によってインク流出口に略半球状のメニスカスを形成し静電気力を利用してインク滴を吐出するインクジェットヘッドを開示している。
特開平10−76664号公報 特開平11−105293号公報 特開平10−230608号公報 特開平9−309208号公報
Also, in the inkjet head disclosed in Patent Document 2 below, ink is allowed to flow along the projection plate which is an ink guide member, and a meniscus is formed on the projection of the projection plate. This protruding plate is a molded alumina electrode base having a sharpened tip by polishing.
Further, in Patent Document 3 below, a guide that guides ink from the ink layer to the tip of the sharpened portion is caused to protrude from the surface of the ink layer that flows in a direction substantially perpendicular to the ink droplet ejection direction. An ink jet head is disclosed in which a groove is provided in an ink guide member and ink droplets are ejected from the tip of the ink guide member using electrostatic force. This ink guide member is formed by molding a plastic resin.
Further, in Patent Document 4 below, an ink guide member is not provided, and a substantially hemispherical meniscus is formed at the ink outlet by the pressure of the ink flowing out from the ink supply path and the surface tension of the ink. An ink jet head that discharges ink is disclosed.
JP-A-10-76664 JP-A-11-105293 JP-A-10-230608 JP-A-9-309208

このような、静電気力により記録液であるインクを吐出させるインクジェットヘッドにおいて、小さなインク滴を吐出するには、インク滴吐出位置となるインクガイド部材の先端に形成されるメニスカスをなるべく微細に形成する必要がある。また安定した大きさ・形状の液滴を吐出するためには、このメニスカスの形状をなるべく一定に保つことが必要である。また、高い吐出周波数で、安定した形状・大きさのインク滴を吐出するには、インク滴の吐出により減少したインクをインク滴吐出位置に高速に供給し、インク吐出後のメニスカスの形状を素早くインク吐出前の状態に回復させる必要がある。また、高密度高精細に安定して液体を吐出するためには、インク滴吐出位置となるインクガイド部材の端に設けられる先鋭部を高密度高精細に形成する必要がある。   In such an inkjet head that ejects ink as a recording liquid by electrostatic force, in order to eject small ink droplets, a meniscus formed at the tip of an ink guide member that becomes an ink droplet ejection position is formed as finely as possible. There is a need. In order to discharge droplets having a stable size and shape, it is necessary to keep the meniscus shape as constant as possible. In addition, in order to eject ink droplets with a stable shape and size at a high ejection frequency, the ink reduced by ejecting the ink droplets is supplied to the ink droplet ejection position at a high speed, and the meniscus shape after ink ejection is quickly formed. It is necessary to restore the state before ink ejection. In addition, in order to stably discharge liquid with high density and high definition, it is necessary to form a sharp portion provided at the end of the ink guide member at the ink droplet discharge position with high density and high definition.

しかし、インクガイド部材である突起板に沿って先鋭部に向けてインクを流し、先端にインクのメニスカスを形成させる特許文献1及び特許文献2記載のインクジェットヘッドでは、インクの供給圧力の変動によってメニスカスが大きく変動する。このため、インク滴を安定した大きさ、位置精度で吐出させることができないといった問題があった。   However, in the ink jet heads described in Patent Document 1 and Patent Document 2 in which ink is made to flow along a protruding plate that is an ink guide member toward a sharp point and an ink meniscus is formed at the tip, the meniscus is caused by fluctuations in ink supply pressure. Fluctuates greatly. For this reason, there has been a problem that ink droplets cannot be ejected with a stable size and positional accuracy.

また特許文献2で開示される、アルミナ製電極ベースを研磨により先端を尖らせたインクガイド部材である突起板の作製方法では、突起板の先鋭形状の精度に限界があり、また工数も多くかかるといった問題があった。   In addition, in the method for producing a protruding plate, which is an ink guide member having a sharpened tip by polishing an alumina electrode base, disclosed in Patent Document 2, there is a limit to the accuracy of the sharp shape of the protruding plate, and the number of steps is large. There was a problem.

また、インク案内溝を上昇したインクによってインク滴吐出位置となる先鋭部の先端にメニスカスを形成させる特許文献3に開示されるインクジェットヘッドでは、毛細管現象によってインクを先鋭部に上昇させる。このため、インクの供給に時間がかかり、安定した大きさ及び色材成分濃度のインク滴を高い吐出周波数で連続して吐出することができないといった問題があった。   Further, in the ink jet head disclosed in Patent Document 3 in which a meniscus is formed at the tip of the sharpened portion that becomes the ink droplet discharge position by the ink that has moved up the ink guide groove, the ink is raised to the sharpened portion by capillary action. For this reason, there is a problem that it takes time to supply ink and ink droplets having a stable size and color material component concentration cannot be continuously ejected at a high ejection frequency.

また、従来のプラスティック樹脂の成型によるインクガイド部材の作製方法は、型からプラスティック樹脂を抜き取る際に、プラスティックが型から抜けずに断裂し、所望の形状にできないといった不具合が生じる。このため、高精度に先鋭なインクガイド部材を作製することが困難である。また、この方法では、成型された複数のインクガイド部材を基板上に位置精度を高くして配列する必要があるが、インクガイド部材の配置位置精度を高めるにも限界があり、また、配列の為の工数も増加するといった問題があった。   In addition, the conventional method for producing an ink guide member by molding a plastic resin has a problem in that when the plastic resin is extracted from the mold, the plastic tears without being removed from the mold and cannot be formed into a desired shape. For this reason, it is difficult to produce a sharp ink guide member with high accuracy. Further, in this method, it is necessary to arrange a plurality of molded ink guide members on the substrate with high positional accuracy. However, there is a limit to increasing the arrangement positional accuracy of the ink guide members. There was a problem that the man-hours for the increase also increased.

また、インクガイド部材を設けず、インク流出口から流出するインクの圧力とインクの表面張力とによって、インク流出口に略半球状のメニスカスを形成する特許文献4に開示されるインクジェットヘッドでは、微細なメニスカスを形成するためにはインク流出口を小さくする必要がある。しかし、インクの目詰まりを防止する点からインク流出口の大きさをある程度以下にすることはできない。また、流出するインクの圧力の変動によってメニスカスの形状が大きく変動してしまう。これらの理由により微細なインク滴を安定して吐出することができないといった問題があった。   In addition, in the ink jet head disclosed in Patent Document 4 in which an ink guide member is not provided and a substantially hemispherical meniscus is formed at the ink outlet by the pressure of the ink flowing out from the ink outlet and the surface tension of the ink, In order to form a simple meniscus, it is necessary to make the ink outlet small. However, the size of the ink outlet cannot be reduced to a certain extent from the viewpoint of preventing ink clogging. In addition, the shape of the meniscus greatly fluctuates due to fluctuations in the pressure of the ink that flows out. For these reasons, there has been a problem that fine ink droplets cannot be stably ejected.

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、溶液を静電気力で液滴として吐出させる液体吐出ヘッドであって、従来に比べて微小な径の液滴を高密度に、しかも高周波で安定して吐出させることのできる液体吐出ヘッドと、この液体吐出ヘッドを高精度に高い生産性で作製できる液体吐出ヘッドの作製方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problem, and is a liquid discharge head that discharges a solution as droplets by electrostatic force. The droplets have a smaller diameter and higher density than conventional ones. It is an object of the present invention to provide a liquid discharge head capable of stably discharging at a high frequency and a method of manufacturing the liquid discharge head capable of manufacturing the liquid discharge head with high accuracy and high productivity.

上記課題を解決するために、本発明は、帯電粒子が分散した溶液を対向電極に向けて吐出させる液体吐出ヘッドであって、前記対向電極と所定の距離離間して配置された第1の基板と、この第1の基板と一体に形成された、前記第1の基板から前記対向電極に向けて突出した突出部と、この突出部の突出端である対向電極に対向する上面に形成された、溶液を吐出させるためのガイドであって、前記上面から前記対向電極に向けて突出して先端部に近づくにつれて断面が狭くなり前記先端部が先鋭化するように傾斜面が設けられ、この傾斜面を溶液流として流れる前記溶液を前記先端部に導いて静電気力により液滴として吐出させる溶液ガイドと、前記静電力を作用する制御電極を備え、前記溶液ガイドを配置するための貫通孔が穿孔されている第2の基板と、を有し、前記第2の基板は、前記突出部の前記上面の一部に当接して接合されて支持されており、前記溶液ガイドは、少なくとも前記先端部が前記貫通孔を通り、この先端部が前記第2の基板の前記対向電極と対向する側の面よりも前記対向電極の側に突出し、この前記溶液ガイドの少なくとも前記先端部は単結晶材料からなり、異方性ウエットエッチングによって前記傾斜面が形成されて前記先端部が先鋭化されていることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。   In order to solve the above-described problem, the present invention provides a liquid discharge head that discharges a solution in which charged particles are dispersed toward a counter electrode, and is a first substrate that is disposed at a predetermined distance from the counter electrode. And a protrusion that is formed integrally with the first substrate and protrudes from the first substrate toward the counter electrode, and an upper surface that faces the counter electrode that is the protruding end of the protrusion. A guide for discharging the solution, wherein an inclined surface is provided so that the cross-section becomes narrower and sharpens as the tip portion protrudes from the upper surface toward the counter electrode and approaches the tip portion. A solution guide that guides the solution flowing as a solution flow to the tip portion and discharges it as droplets by electrostatic force, and a control electrode that acts on the electrostatic force, and a through hole for arranging the solution guide is perforated. The A second substrate, wherein the second substrate is in contact with and supported by a part of the upper surface of the projecting portion, and the solution guide has at least the tip portion of the second substrate. Through the through-hole, this tip protrudes toward the counter electrode rather than the surface of the second substrate facing the counter electrode, and at least the tip of the solution guide is made of a single crystal material, There is provided a liquid discharge head characterized in that the inclined surface is formed by anisotropic wet etching and the tip is sharpened.

前記溶液ガイドの前記先端部は、高次の結晶面からなる斜面を有し先鋭化されていることが好ましい。   It is preferable that the tip of the solution guide has a slope formed by a higher-order crystal plane and is sharpened.

また、前記溶液ガイドの前記先端部の先端角が60°以下であることが好ましい。   The tip angle of the tip of the solution guide is preferably 60 ° or less.

また、前記溶液ガイドの前記先端部の曲率半径が4μm以下であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the curvature radius of the said front-end | tip part of the said solution guide is 4 micrometers or less.

また、前記溶液ガイドの前記傾斜面に前記溶液流を形成するように前記溶液ガイド近傍に溶液を供給する溶液供給口を有する溶液供給路を備え、前記溶液供給路は、前記突出部の基部から前記上面に向かう方向に形成された突出部貫通孔によって作られていることが好ましい。   In addition, a solution supply path having a solution supply port for supplying a solution in the vicinity of the solution guide so as to form the solution flow on the inclined surface of the solution guide is provided, and the solution supply path is formed from a base of the protrusion It is preferable that the protrusion is formed by a projecting portion through hole formed in a direction toward the upper surface.

また、前記突出部貫通孔は前記突出部が設けられている前記第1の基板に形成された第1の基板貫通孔と接続され、前記第1の基板の、前記突出部の設けられた面と反対側の面に溶液流入口を開口しており、この溶液流入口より前記第1の基板貫通孔を介して溶液が供給されることが好ましい。   The protrusion through hole is connected to a first substrate through hole formed in the first substrate on which the protrusion is provided, and the surface of the first substrate on which the protrusion is provided. It is preferable that a solution inlet is opened on the surface opposite to the substrate, and the solution is supplied from the solution inlet through the first substrate through hole.

また、前記溶液ガイドの前記傾斜面を流れた前記溶液流の溶液を前記溶液ガイド近傍より回収する溶液回収口を有する溶液回収路を備え、前記溶液回収口は、前記第2の基板に穿孔された前記貫通孔の内壁と前記突出部の上面との間隙で形成され、かつ、前記溶液回収路は前記第1の基板と前記第2の基板との間隙によって形成されていることが好ましい。   And a solution recovery path having a solution recovery port for recovering the solution in the solution flow that has flowed through the inclined surface of the solution guide from the vicinity of the solution guide, and the solution recovery port is perforated in the second substrate. Preferably, the gap is formed between the inner wall of the through hole and the upper surface of the protrusion, and the solution recovery path is formed by the gap between the first substrate and the second substrate.

また、本発明は、第1の基板と、この第1の基板から突出し、突出端が上面を成した突出部と、溶液を先鋭な先端部に導き静電気力により液滴として吐出させる、前記上面に設けられた単結晶材料からなる溶液ガイドと、前記溶液ガイドが基板面から突出するように設けられた貫通孔を有し、前記上面と接合されて前記突出部に支持固定されている第2の基板とを備える液体吐出ヘッドの作製方法であって、絶縁性基板を加工することにより、板状の基板に、前記突出部を成す突状部が突出端に上面を有するように形成された第1のヘッド部材を作製する工程と、前記突状部の前記上面と単結晶基板とを接合し、前記第1のヘッド部材と前記単結晶基板とを一体化する工程と、前記単結晶基板の異方性ウエットエッチングを行うことで、前記突状部の前記上面の所定の位置に前記溶液ガイドを成す先鋭部を作製する工程と、所定の位置に穿孔された貫通孔を有する、第2の基板を成す第2のヘッド部材を、前記先鋭部が前記貫通孔を貫通するよう所定の位置に位置合わせし、前記第2のヘッド部材の一方の表面を前記突出部の前記上面と接合して固定する工程とを有することを特徴とする液体吐出ヘッドの作製方法を提供する。   The present invention also provides a first substrate, a protruding portion protruding from the first substrate, the protruding end forming an upper surface, and the solution leading to a sharp tip to discharge the droplet as a droplet by electrostatic force. A solution guide made of a single crystal material provided on the substrate and a through-hole provided so that the solution guide protrudes from the substrate surface, and is joined to the upper surface and supported and fixed to the protrusion. And a substrate having a protrusion formed on the plate-like substrate so that the protruding portion has an upper surface at the protruding end by processing the insulating substrate. A step of producing a first head member, a step of bonding the upper surface of the protruding portion and the single crystal substrate, and integrating the first head member and the single crystal substrate; and the single crystal substrate. By performing anisotropic wet etching of Forming a sharpened portion that forms the solution guide at a predetermined position on the upper surface of the shape-shaped portion, and a second head member that forms a second substrate having a through-hole drilled at a predetermined position. And a step of aligning one surface of the second head member with the upper surface of the protruding portion and fixing the second head member so as to pass through the through hole. A method for manufacturing a discharge head is provided.

また、前記先鋭部を作製する工程は、予め異方性ドライエッチングによって表面に凹凸が形成された単結晶基板の、前記凹凸の形成された表面に対して異方性ウエットエッチングを行うことで、前記突状部の前記上面の所定の位置に前記溶液ガイドを成す先鋭部を作製してもよい。   Further, the step of producing the sharpened portion is performed by performing anisotropic wet etching on the surface of the single crystal substrate on which the unevenness is previously formed by anisotropic dry etching on the surface on which the unevenness is formed, You may produce the sharp part which comprises the said solution guide in the predetermined position of the said upper surface of the said protruding part.

本発明の液体吐出ヘッドでは、半導体微細加工技術の異方性ウエットエッチングを用いることで、第1の基板から対向電極に向けて突出した突出部の対向電極と対向する表面である上面に、先端部が高度に先鋭な溶液ガイドを備えた液体吐出ヘッドを、高い位置精度および高い形状精度で、複数同時に作製することができる。このため、低い吐出電圧で、安定して液滴を吐出することができる液体吐出ヘッドを安価に作製することが可能である。   In the liquid discharge head of the present invention, the tip is formed on the upper surface which is the surface facing the counter electrode of the protruding portion protruding from the first substrate toward the counter electrode by using anisotropic wet etching of a semiconductor microfabrication technique. A plurality of liquid ejection heads each having a highly sharp solution guide can be manufactured simultaneously with high positional accuracy and high shape accuracy. For this reason, it is possible to produce a liquid discharge head that can stably discharge droplets at a low discharge voltage at low cost.

また、制御電極が設けられた第2の基板を突出部の上面に当接して接合している。これにより、第2の基板の反りによる溶液ガイドと制御電極との位置ずれを生じることがなく、この位置ずれに起因する液滴の吐出電圧のばらつきを生じることがない。これにより、複数の溶液ガイドそれぞれの表面の安定したメニスカスから、溶液を低い吐出電圧で安定して吐出させることができる。   In addition, the second substrate provided with the control electrode is brought into contact with and joined to the upper surface of the protruding portion. Thereby, there is no positional deviation between the solution guide and the control electrode due to the warp of the second substrate, and there is no variation in droplet discharge voltage due to this positional deviation. Thereby, the solution can be stably discharged at a low discharge voltage from the stable meniscus on the surface of each of the plurality of solution guides.

また、溶液ガイドのごく近傍から溶液を流出させることで、液滴の吐出位置である溶液ガイドの先端部に素早く帯電粒子を含む溶液を供給することができる。また、流出した溶液が先鋭部の斜面の一部を横切る溶液流を形成し、その一部が溶液ガイド部材の最先端部に導かれてメニスカスを形成するので、流出する溶液の圧力変動に影響されることなくメニスカスを安定に形成することができる。このため、溶液ガイドの先鋭な先端部から、微小な液滴を高周波に安定して吐出することができる。   Further, by discharging the solution from the very vicinity of the solution guide, it is possible to quickly supply the solution containing charged particles to the tip of the solution guide, which is the droplet discharge position. In addition, the outflowing solution forms a solution flow that crosses a part of the slope of the sharp part, and part of it is guided to the tip of the solution guide member to form a meniscus, which affects the pressure fluctuation of the outflowing solution. The meniscus can be formed stably without being done. For this reason, minute droplets can be stably discharged at a high frequency from the sharp tip of the solution guide.

以下、添付の図面に示す実施形態に基づいて、本発明の液体吐出ヘッド及びこの液体吐出ヘッドの作製方法を説明する。図1は本発明の液体吐出ヘッドの一実施形態であるインク吐出ヘッド3を有して構成されるインク吐出装置1の概略構成図である。図1に示すように、インク吐出装置1は、インク還流ユニット2と、インク吐出ヘッド(インク吐出ユニット)3と、電源ユニット6とから構成される。また、図2(a)および(b)は、インク吐出ヘッド3を図1中の上側から見た概略構成図を示し、図2(a)は、インク吐出ヘッド3を図1中の上側から見た、対向電極40(図1参照)を除いた概略構成図を示し、図2(b)は、インク吐出ヘッド3を図1中の上側から見た、対向電極40および第2のヘッド部材32(図1参照)を除いた概略構成図を示す。   Hereinafter, a liquid discharge head of the present invention and a method for manufacturing the liquid discharge head will be described based on embodiments shown in the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an ink discharge apparatus 1 having an ink discharge head 3 which is an embodiment of a liquid discharge head of the present invention. As shown in FIG. 1, the ink ejection device 1 includes an ink reflux unit 2, an ink ejection head (ink ejection unit) 3, and a power supply unit 6. 2A and 2B are schematic configuration views of the ink discharge head 3 as viewed from the upper side in FIG. 1, and FIG. 2A shows the ink discharge head 3 from the upper side in FIG. FIG. 2B is a schematic configuration diagram that excludes the counter electrode 40 (see FIG. 1), and FIG. 2B illustrates the counter electrode 40 and the second head member when the ink ejection head 3 is viewed from the upper side in FIG. The schematic block diagram except 32 (refer FIG. 1) is shown.

インク還流ユニット2は、インク循環装置20、インク供給パイプ22、インク回収パイプ24を有して構成されている。また、インク循環装置20はインクポンプ26およびインクタンク28を有して構成されている。
インク循環装置20では、インクポンプ26とインクタンク28とが接続されている。インクポンプ26はインク供給パイプ22を介しインク収容室29と接続されている。インク収容室29はインクを収容する略矩形形状の空間で、インク収容室29の図1中の上側の壁面はインク吐出ヘッド3のヘッド基板34の基板面によって構成されている。
また、インクタンク28は、インク回収パイプ24を介しインク吐出ヘッド3と接続されている。
The ink reflux unit 2 includes an ink circulation device 20, an ink supply pipe 22, and an ink recovery pipe 24. The ink circulation device 20 includes an ink pump 26 and an ink tank 28.
In the ink circulation device 20, an ink pump 26 and an ink tank 28 are connected. The ink pump 26 is connected to the ink storage chamber 29 via the ink supply pipe 22. The ink storage chamber 29 is a substantially rectangular space for storing ink, and the upper wall surface in FIG. 1 of the ink storage chamber 29 is constituted by the substrate surface of the head substrate 34 of the ink ejection head 3.
The ink tank 28 is connected to the ink discharge head 3 via the ink recovery pipe 24.

インク吐出ヘッド3は、第1のヘッド部材30(以降ヘッド部材30とする)、第2のヘッド部材である上蓋32、対向電極40、インクガイド52を有して構成されている。また、対向電極40には吐出した液体を受けて所定の画像等を記録する、記録媒体42が載置されている。   The ink ejection head 3 includes a first head member 30 (hereinafter, referred to as a head member 30), an upper lid 32 that is a second head member, a counter electrode 40, and an ink guide 52. In addition, a recording medium 42 that receives the discharged liquid and records a predetermined image or the like is placed on the counter electrode 40.

ヘッド部材30は、第1の基板である板状のヘッド基板34から対向電極に向けて突出部50が突出して構成されている。ヘッド基板34は例えばガラス基板などの絶縁性基板で、ヘッド基板34の所定の位置には、ヘッド基板34の対向電極40と対向する側の表面にヘッド基板34と一体化されて形成された対向電極40に向けて突出した略直方体形状の突出部50が設けられている。突出部50は、図2(b)に示すように、ヘッド基板34の図2(b)中の上側の端部から図2(b)中の下側の端部まで連なった略直方体形状で、ヘッド基板34の基板面から一様な高さだけ突出して形成されている。
突出部50の対向電極40の側の表面である上面54はヘッド基板34の対向電極40と対向する側の表面と略平行であり、ヘッド基板34に設けられた複数の突出部50の上面54は全て略同一な平面に形成されている。
The head member 30 is configured such that a protruding portion 50 protrudes from a plate-like head substrate 34 as a first substrate toward the counter electrode. The head substrate 34 is an insulating substrate such as a glass substrate, for example. The head substrate 34 is formed at a predetermined position on the surface of the head substrate 34 opposite to the counter electrode 40 so as to be integrated with the head substrate 34. A substantially rectangular parallelepiped protruding portion 50 protruding toward the electrode 40 is provided. As shown in FIG. 2B, the protrusion 50 has a substantially rectangular parallelepiped shape continuous from the upper end of the head substrate 34 in FIG. 2B to the lower end of FIG. 2B. The head substrate 34 is formed so as to protrude from the substrate surface by a uniform height.
The upper surface 54, which is the surface of the protruding portion 50 on the counter electrode 40 side, is substantially parallel to the surface of the head substrate 34 facing the counter electrode 40, and the upper surfaces 54 of the plurality of protruding portions 50 provided on the head substrate 34. Are formed on substantially the same plane.

突出部50には、突出部50の突出方向(図1中上下方向)に突出部を貫通する突出部貫通孔50aが形成されており、この突出部貫通孔50aは板状のヘッド基板34を貫通するヘッド基板貫通孔34aと接続し、溶液供給路であるインク供給路55が形成されている。このインク供給路55の一方の端は、上面54にインク流出口56を開口している。また、インク供給路55の他方の端は、インク収容室29の図1中の上側の壁面にインク流入口57を開口している。また、突出部50の上面54の一部には、上面54から対向電極40に向かう方向に突出した、例えばSiなどの単結晶基板が異方性エッチングされて形成された、先端が高度に先鋭化されたインクガイド52が設けられている。インクガイド52については後述する。   The protruding portion 50 is formed with a protruding portion through hole 50a penetrating the protruding portion in the protruding direction (vertical direction in FIG. 1) of the protruding portion 50. The protruding portion through hole 50a is formed on the plate-like head substrate 34. An ink supply path 55 which is a solution supply path is connected to the penetrating head substrate through hole 34a. One end of the ink supply path 55 opens an ink outlet 56 on the upper surface 54. Further, the other end of the ink supply path 55 opens an ink inflow port 57 in the upper wall surface of the ink storage chamber 29 in FIG. Further, a part of the upper surface 54 of the protruding portion 50 is formed by anisotropic etching of a single crystal substrate such as Si that protrudes in the direction from the upper surface 54 toward the counter electrode 40, and has a highly sharp tip. An ink guide 52 is provided. The ink guide 52 will be described later.

ヘッド部材30(第1のヘッド部材30)の図1中の上側には、第2のヘッド部材である上蓋32がヘッド部材30と接合されて配置されている。
上蓋32は、ヘッド基板34から突出した突出部50の上面54に当接されてヘッド基板34と略平行に配置された状態で固定されている。ヘッド基板34の基板面と上蓋36とは一定の間隔で離間して配置されており、ヘッド基板34の基板面と上蓋36の基板面および隣り合う突出部50の壁面で囲まれた空間はインク回収路58を形成している。
図2(a)および(b)に示すように、ヘッド基板34と上蓋32との間隙は、図2(a)および(b)中の左側、および下側、および右側の3方が側壁35によって閉じられており、図2(a)および(b)中の上側の間隙は、溶液回収パイプ24に接続している。
On the upper side in FIG. 1 of the head member 30 (first head member 30), an upper lid 32, which is a second head member, is joined to the head member 30 and disposed.
The upper lid 32 is fixed in contact with the upper surface 54 of the protruding portion 50 protruding from the head substrate 34 and arranged substantially parallel to the head substrate 34. The substrate surface of the head substrate 34 and the upper lid 36 are spaced apart from each other at a constant interval, and the space surrounded by the substrate surface of the head substrate 34, the substrate surface of the upper lid 36, and the wall surface of the adjacent protrusion 50 is ink. A recovery path 58 is formed.
As shown in FIGS. 2A and 2B, the gap between the head substrate 34 and the upper lid 32 is the side wall 35 on the left side, the lower side, and the right side in FIGS. 2A and 2B. The upper gap in FIGS. 2A and 2B is connected to the solution recovery pipe 24.

上蓋32は、第2の基板である制御基板43と、分離障壁46と、ガード電極47と、シールド電極48とを有して構成されている。
制御基板43は、後述する制御電極44および配線45(図示せず)が設けられた、例えばガラスからなる絶縁性基板31の、吐出電極44および配線45を含む表面全体に、例えばSiO等の絶縁性膜33がコーティングされて構成されており、制御基板43の突出部50に対応する所定の位置には、制御基板43を図1中の上下方向に貫通する断面が円形の制御基板貫通孔43aが形成されている。また、制御基板43の対向電極40と対向する側の面(第1の面)には、図1中上方から見て制御電極44の周囲を囲むように、ガード電極47が設けられており、このガード電極47の図1中上側の表面には、表面が撥インク性を有する絶縁性材料からなる分離障壁46が設けられている。制御基板43のヘッド基板34と対向する側の表面(第2の面)には、全体に接地されたシールド電極48が設けられている。
The upper lid 32 includes a control substrate 43 that is a second substrate, a separation barrier 46, a guard electrode 47, and a shield electrode 48.
The control substrate 43 is formed of, for example, SiO 2 on the entire surface including the discharge electrode 44 and the wiring 45 of the insulating substrate 31 made of, for example, glass, provided with a control electrode 44 and wiring 45 (not shown) described later. A control substrate through-hole having a circular cross-section passing through the control substrate 43 in the vertical direction in FIG. 1 is formed at a predetermined position corresponding to the protruding portion 50 of the control substrate 43. 43a is formed. Further, a guard electrode 47 is provided on the surface (first surface) of the control substrate 43 facing the counter electrode 40 so as to surround the control electrode 44 as viewed from above in FIG. A separation barrier 46 made of an insulating material having ink repellency is provided on the upper surface of the guard electrode 47 in FIG. A shield electrode 48 that is grounded as a whole is provided on the surface (second surface) of the control substrate 43 that faces the head substrate 34.

図3(a)および(b)は、図1および図2に示す複数のインクガイド52のうちの一つのインクガイド52と、このインクガイド52の周辺を説明する図である。図3(a)はインクガイド52と、このインクガイド52の周辺を拡大して表した概略断面図を示し、図3(b)はインクガイド52と、このインクガイド52の周辺を拡大して表した概略平面図を示す。
図3(a)および(b)に示すよう、にインクガイド52は、略直方体形状の突出部50の対向電極40と対向する面である上面54に設けられており、上面54から対向電極40に向けて突出し先端が先鋭化している。
FIGS. 3A and 3B are views for explaining one of the plurality of ink guides 52 shown in FIGS. 1 and 2 and the periphery of the ink guide 52. FIG. 3A shows an ink guide 52 and a schematic sectional view showing the periphery of the ink guide 52 in an enlarged manner, and FIG. 3B shows the ink guide 52 and the periphery of the ink guide 52 in an enlarged manner. A schematic plan view is shown.
As shown in FIGS. 3A and 3B, the ink guide 52 is provided on the upper surface 54, which is a surface facing the counter electrode 40 of the substantially rectangular parallelepiped protrusion 50, and the counter electrode 40 extends from the upper surface 54. Projecting toward the tip, the tip is sharpened.

図3(a)において、突出部50はヘッド基板34の対向電極40の側の表面に対向電極40に向けて突出して設けられており、突出部50の突出方向(図3(a)中上下方向)に突出部50を貫通する貫通孔である突出部貫通孔50aおよび、ヘッド基板を貫通するヘッド基板貫通孔34aとが接続されてインク供給路55が形成されており、このインク供給路55の一方の端は突出部50の対向電極40の側の表面である上面54にインク流出口56を備え、他方の端はインク収容室29の壁面を構成するヘッド基板34の基板面にインク流入口57を開口している。インクガイド52は突出部50の上面54のインク流出口56の近傍に設けられている。   3A, the protrusion 50 is provided on the surface of the head substrate 34 on the side of the counter electrode 40 so as to protrude toward the counter electrode 40. The protrusion 50 has a protrusion direction (upper and lower in FIG. 3A). The ink supply path 55 is formed by connecting the protrusion through hole 50a, which is a through hole penetrating the protrusion 50 in the direction), and the head substrate through hole 34a penetrating the head substrate. One end is provided with an ink outlet 56 on the upper surface 54 which is the surface of the protruding portion 50 on the counter electrode 40 side, and the other end is provided with an ink flow on the substrate surface of the head substrate 34 constituting the wall surface of the ink containing chamber 29. The inlet 57 is opened. The ink guide 52 is provided in the vicinity of the ink outlet 56 on the upper surface 54 of the protrusion 50.

インクガイド52は、例えばSiからなる単結晶材料が異方性ウエットエッチングされて形成された、先端角が60°以下で、かつ先端の曲率半径が4μm以下の高度に先鋭化された錐体構造物72の、先端部75を含む表面全体に、例えば金属からなる導電性膜74がコーティングされて形成されている。このインクガイド52の形成方法については後に詳述する。   The ink guide 52 is formed of, for example, a single crystal material made of Si by anisotropic wet etching, and has a highly sharp cone structure with a tip angle of 60 ° or less and a tip radius of curvature of 4 μm or less. The entire surface of the object 72 including the tip end portion 75 is formed by coating a conductive film 74 made of, for example, metal. A method for forming the ink guide 52 will be described in detail later.

図3(a)および(b)では、錐体構造物72の表面に導電膜74が形成された、表面が上面54に対してそれぞれ異なった二段階の角度の斜面で形成されたインクガイド52が示されている。この図3(a)および(b)は、インクガイド52の外形の概略を示すものであり、インクガイド52の形状を忠実に再現するものではない。インクガイド52の形状は、上述の異方性ウエットエッチングの条件によって種々の形状が得られるものである。本発明においてインクガイド52は、単結晶材料の異方性ウエットエッチングによって先端が高精度に先鋭化されて形成されていればよく、特に限定されない。本発明におけるインクガイド52は、上述のように先端角が60°以下で、かつ先端の曲率半径が4μm以下であることが望ましい。   3A and 3B, the ink guide 52 in which the conductive film 74 is formed on the surface of the cone structure 72 and the surface is formed with inclined surfaces having two different angles with respect to the upper surface 54, respectively. It is shown. FIGS. 3A and 3B show an outline of the outer shape of the ink guide 52 and do not faithfully reproduce the shape of the ink guide 52. The ink guide 52 can have various shapes depending on the above-described anisotropic wet etching conditions. In the present invention, the ink guide 52 is not particularly limited as long as the tip is sharpened with high precision by anisotropic wet etching of a single crystal material. As described above, the ink guide 52 in the present invention desirably has a tip angle of 60 ° or less and a radius of curvature of the tip of 4 μm or less.

ヘッド基板34の図3中上方には、上蓋32が突出部50の上面54に当接して接合されており、ヘッド基板34と上蓋32との間隙はインク回収路58となっている。上蓋32の制御基板43には、図1中上下方向に制御基板43を貫通する円形の制御基板貫通孔43aが形成されており、この制御基板貫通孔43aからは少なくともインクガイド52の先端部75を含む一部が突出している。
上蓋32は、図3(b) に示すように、図3(a)中の上方から見て制御基板貫通孔36aの中心とインクガイド52の先端部とが略一致しており、制御基板貫通孔36a内の領域に、溶液流出口56と上面54の図3(b)中の左側の端部である突出部50のエッジ51の一部が配置される位置に調整され配置されている。インク回収路58は、制御基板貫通孔43aの内壁の制御基板43の側の端部と、突出部50のエッジ51とで形成された開口であるインク回収口59(図3(a)および(b)参照)を通じインク流出口56およびインク供給路55と空間的に繋がっている。
The upper lid 32 is in contact with and joined to the upper surface 54 of the protruding portion 50 above the head substrate 34 in FIG. 3, and the gap between the head substrate 34 and the upper lid 32 forms an ink collection path 58. The control board 43 of the upper lid 32 is formed with a circular control board through hole 43a penetrating the control board 43 in the vertical direction in FIG. 1, and at least the tip 75 of the ink guide 52 is formed from the control board through hole 43a. A part including is protruding.
As shown in FIG. 3 (b), the upper lid 32 has the center of the control board through hole 36a substantially coincided with the tip of the ink guide 52 as viewed from above in FIG. In the region in the hole 36a, the solution outlet 56 and the upper surface 54 are adjusted and arranged at a position where a part of the edge 51 of the protruding portion 50, which is the left end in FIG. 3B, is arranged. The ink recovery path 58 is an ink recovery port 59 (FIG. 3A and FIG. 3A) that is an opening formed by the end of the inner wall of the control substrate through-hole 43a on the control substrate 43 side and the edge 51 of the protrusion 50. The ink outlet 56 and the ink supply path 55 are connected spatially through (b).

制御基板43には、制御電極44が、図1中上側からみて制御基板貫通孔43aの周囲を囲むように、インクガイド52の先端部75を中心としたリング形状に、制御基板43を構成する、AlあるいはZrOなどのセラミックスあるいはポリイミドなどの樹脂で形成された絶縁性基板31の表面に設けられている。この吐出電極44の内径Daと、吐出電極44から記録媒体42側に突出するインクガイド50の最先端部までの距離、すなわち吐出電極44の表面からインクガイド50の最先端部までの距離Hとの比(Da:H)は1:0.5〜1:2の範囲にすることが好ましく、更に好ましくは、1:0.7〜1:1.7とするのが良い(図1参照)。なお、吐出電極44の内径Daと、吐出電極44から記録媒体42側に突出するインクガイド50の最先端部までの距離については、本願出願人による出願である特願2003−20585号に詳細に記載されている。 The control substrate 43 is configured in a ring shape with the tip 75 of the ink guide 52 as a center so that the control electrode 44 surrounds the periphery of the control substrate through hole 43a when viewed from the upper side in FIG. , Provided on the surface of an insulating substrate 31 made of ceramics such as Al 2 O 3 or ZrO 2 or resin such as polyimide. The inner diameter Da of the ejection electrode 44 and the distance from the ejection electrode 44 to the most distal portion of the ink guide 50 protruding to the recording medium 42 side, that is, the distance H from the surface of the ejection electrode 44 to the most distal portion of the ink guide 50 The ratio (Da: H) is preferably in the range of 1: 0.5 to 1: 2, more preferably 1: 0.7 to 1: 1.7 (see FIG. 1). . Note that the inner diameter Da of the ejection electrode 44 and the distance from the ejection electrode 44 to the most advanced portion of the ink guide 50 protruding toward the recording medium 42 are described in detail in Japanese Patent Application No. 2003-20585 filed by the present applicant. Has been described.

これら個々の吐出電極44は絶縁性基板31の表面に形成された金属配線45を通じて図示しない電極パッドに接続されている。図示しない電極パッドは、電圧源ユニット6の吐出バイアス電圧源64および吐出信号電圧源66と接続されている。   Each of these discharge electrodes 44 is connected to an electrode pad (not shown) through a metal wiring 45 formed on the surface of the insulating substrate 31. An electrode pad (not shown) is connected to the ejection bias voltage source 64 and the ejection signal voltage source 66 of the voltage source unit 6.

電圧源ユニット6の吐出バイアス電圧源64は、制御基板43の制御電極44に常にバイアス電圧Vを印加し、また、吐出信号電圧源66は図示しない信号出力手段から入力された信号により制御電極44に、パルス電圧である吐出電圧Vをバイアス電圧Vに重畳し印加する構成となっている。 The discharge bias voltage source 64 of the voltage source unit 6 always applies the bias voltage Vb to the control electrode 44 of the control substrate 43, and the discharge signal voltage source 66 is controlled by a signal input from a signal output means (not shown). 44, has a configuration which is superimposed a discharge voltage V c is a pulse voltage to the bias voltage V b is applied.

このような構成のインク吐出装置1において、以下のようなインクの流れが形成されている。
インク還流ユニット2では、インクタンク28内に、インク12が所定量入れられている。このインク12は正に帯電した帯電性粒子を帯電制御剤やバインダーなどともに、10Ωcm以上の抵抗率を持つ絶縁性溶媒中に分散させた溶液である。インクタンク28内では、図示しない濃度調整機構によりインク12の絶縁性溶媒中の帯電性粒子、帯電制御剤およびバインダーなどの濃度が所定の濃度範囲に入るように常に調整されている。インクタンク28内で図示しない濃度調整機構により濃度調整されたインク12は、インクポンプ26から所定の圧力でインク供給パイプ22を介してインク吐出ヘッド3のインク収容室29へ供給されている。インク収容室29内はインク12で満たされ、個々のインク流入口57を通り、インク供給路55から個々の突出部50へ供給されている(図1参照)。
In the ink ejection apparatus 1 having such a configuration, the following ink flow is formed.
In the ink reflux unit 2, a predetermined amount of ink 12 is placed in the ink tank 28. The ink 12 is a solution in which positively charged charging particles are dispersed in an insulating solvent having a resistivity of 10 8 Ωcm or more together with a charge control agent and a binder. In the ink tank 28, the concentration of charging particles, the charge control agent, the binder, and the like in the insulating solvent of the ink 12 is constantly adjusted by a concentration adjusting mechanism (not shown) so as to fall within a predetermined concentration range. The ink 12 whose density is adjusted in the ink tank 28 by a density adjusting mechanism (not shown) is supplied from the ink pump 26 to the ink storage chamber 29 of the ink discharge head 3 through the ink supply pipe 22 at a predetermined pressure. The ink storage chamber 29 is filled with the ink 12, passes through the individual ink inlets 57, and is supplied from the ink supply path 55 to the individual protrusions 50 (see FIG. 1).

突出部50付近では、インクポンプ26の作用によりインク収容室29に供給されたインク12が、インク供給路55を図3(a) において下方から上方へ向かう方向へ流れ、インク流出口56から流出している。このとき、このインク流出口56から流出したインク12が、突出部50の上面54に設けられたインクガイド52の表面を横切り(図3(a)、(b)中の矢印X方向の流れ)、インク回収口59を通過してインク回収路58に流入するようなインク流14が形成されるようにインクポンプ26によるインク12の供給圧力が調整されている。   In the vicinity of the protrusion 50, the ink 12 supplied to the ink storage chamber 29 by the action of the ink pump 26 flows through the ink supply path 55 from the bottom to the top in FIG. 3A and flows out from the ink outlet 56. doing. At this time, the ink 12 flowing out from the ink outlet 56 crosses the surface of the ink guide 52 provided on the upper surface 54 of the protrusion 50 (flow in the direction of arrow X in FIGS. 3A and 3B). The supply pressure of the ink 12 by the ink pump 26 is adjusted so that an ink flow 14 that passes through the ink recovery port 59 and flows into the ink recovery path 58 is formed.

インク12の一部はインクガイド52の表面を横切る際、インク12の表面張力の作用により、インクガイド52の先端部75に導かれる。先端部部75に導かれたインク12は、図3(a)に点線で示すような、インクガイド72の少なくとも先端部75を覆うメニスカス16を形成している。このとき、メニスカス16は主にインク12の表面張力により形成されており、インクポンプ26の脈動等に起因するインク12の供給圧力の微小な変動による影響をほとんど受けることなく安定した形状に形成されている。また、上蓋32の分離障壁46により、隣接するインクガイド52の表面に形成されたメニスカス16同士が繋がることなく分離されている。インク吐出装置1では、このように個々のインクガイド52の先端部75に常に一定濃度の帯電性粒子を含むインク12が供給されメニスカス16が形成される構成となっている。   When a part of the ink 12 crosses the surface of the ink guide 52, the ink 12 is guided to the tip 75 of the ink guide 52 by the action of the surface tension of the ink 12. The ink 12 guided to the leading end portion 75 forms a meniscus 16 that covers at least the leading end portion 75 of the ink guide 72 as indicated by a dotted line in FIG. At this time, the meniscus 16 is mainly formed by the surface tension of the ink 12, and is formed in a stable shape hardly affected by a minute fluctuation in the supply pressure of the ink 12 caused by the pulsation of the ink pump 26 or the like. ing. Further, the meniscus 16 formed on the surface of the adjacent ink guide 52 is separated by the separation barrier 46 of the upper lid 32 without being connected. In the ink ejection apparatus 1, the meniscus 16 is formed by supplying the ink 12 containing the chargeable particles having a constant concentration to the tip end portions 75 of the individual ink guides 52 as described above.

このように、個々のインクガイド52に供給されたインク12の一部はメニスカス16を形成し、その他の大部分のインク12はインク回収口59を通りインク回収路58へと流入し、インク回収路58内をヘッド基板34および制御基板36と平行な方向(図2(b)中の矢印Yで示す方向)に流れ、インク回収パイプ24を通りインクタンク28へと回収される。インクタンク28に回収されたインク12は、ここで再び濃度調整され、インクポンプ26から所定の圧力でインク供給パイプ22を介してインク収容室29内へ再び送り出されている。本発明によるインク吐出装置1では、このようにインク還流ユニット2によって、インク吐出ヘッド3に常に一定濃度の帯電性粒子を含むインク12が供給される構成となっている。   As described above, a part of the ink 12 supplied to the individual ink guides 52 forms the meniscus 16, and most of the other ink 12 flows into the ink recovery path 58 through the ink recovery port 59 and is recovered. It flows in the path 58 in a direction parallel to the head substrate 34 and the control substrate 36 (in the direction indicated by the arrow Y in FIG. 2B), and is recovered to the ink tank 28 through the ink recovery pipe 24. The concentration of the ink 12 collected in the ink tank 28 is adjusted again, and is sent out again from the ink pump 26 into the ink storage chamber 29 through the ink supply pipe 22 at a predetermined pressure. The ink discharge apparatus 1 according to the present invention is configured such that the ink reflux unit 2 always supplies the ink 12 containing the charged particles having a constant concentration to the ink discharge head 3 as described above.

次に、インク吐出装置1における液体吐出動作について説明する。図4は本実施形態のインク吐出ヘッド3の液体吐出動作について説明する図で、図1に示す複数のインクガイド52のうちの一つのインクガイド52を拡大して表した概略断面図である。インク吐出ヘッド3には、前述のように一定濃度の帯電性粒子を含むインク12が循環しており、インクガイド52の表面には、少なくとも先端部75を覆うメニスカス16が形成されている。この状態で電源ユニット6のバイアス電源62から例えば900Vのバイアス電圧Vbが印加されると、このバイアス電圧Vbにより、制御電極44と対向電極40との間に電界が形成される。ここで図示しない信号出力手段から入力された信号により、電源ユニット6の駆動電源64から、所望のインクガイド52の周囲に形成された駆動電極44に、例えば250Vのパルス電圧である駆動電圧Vcが重畳されて計1150Vの電圧が印加される。すると、駆動電極44と対向電極40との間に形成された電界が強められ、この強められた電界によって、メニスカス16からインク滴18が静電気力により対向電極40に向けて吐出し、記録媒体42に付着する。   Next, a liquid discharge operation in the ink discharge apparatus 1 will be described. FIG. 4 is a diagram for explaining the liquid ejection operation of the ink ejection head 3 of the present embodiment, and is a schematic cross-sectional view showing one of the plurality of ink guides 52 shown in FIG. As described above, the ink 12 containing the chargeable particles having a constant concentration circulates in the ink ejection head 3, and the meniscus 16 covering at least the tip 75 is formed on the surface of the ink guide 52. In this state, when a bias voltage Vb of, for example, 900 V is applied from the bias power supply 62 of the power supply unit 6, an electric field is formed between the control electrode 44 and the counter electrode 40 by the bias voltage Vb. A drive voltage Vc, which is a pulse voltage of, for example, 250 V, is applied from the drive power supply 64 of the power supply unit 6 to the drive electrode 44 formed around the desired ink guide 52 by a signal input from a signal output means (not shown). A total voltage of 1150 V is applied by superimposing. Then, the electric field formed between the drive electrode 44 and the counter electrode 40 is strengthened, and by this strengthened electric field, the ink droplet 18 is ejected from the meniscus 16 toward the counter electrode 40 by electrostatic force, and the recording medium 42. Adhere to.

このとき、駆動電極44から図3中下方向へ向かう電界も形成される。しかし、駆動電極44の図4中下方向には、駆動電極44と対向し接地されたシールド電極48が設けられており、図4中下方向へ向かう電界はこのシールド電極48に向かって集中し、シールドされる。これにより、駆動電極44から図4中下方向へ向かう電界は、図4中左右方向への拡がりが抑制される。よって、インク供給路55内には図4中の下方向へ向かう電界が形成されず、インク供給路55内を図4中上方向に移動するインク12には静電気力が働かない。このように、インク供給路55内のインク12は駆動電極44に電圧を印加することで形成される電界による影響を受けず、インク供給路55内を図4中下方から上方へ向けて、一定の帯電粒子の濃度で流れている。   At this time, an electric field from the drive electrode 44 downward in FIG. 3 is also formed. However, a shield electrode 48 facing the drive electrode 44 and grounded is provided in the lower direction of the drive electrode 44 in FIG. 4, and an electric field directed downward in FIG. 4 is concentrated toward the shield electrode 48. Shielded. As a result, the electric field directed downward from the drive electrode 44 in FIG. 4 is prevented from spreading in the left-right direction in FIG. Therefore, an electric field directed downward in FIG. 4 is not formed in the ink supply path 55, and no electrostatic force acts on the ink 12 moving in the upward direction in FIG. In this manner, the ink 12 in the ink supply path 55 is not affected by the electric field formed by applying a voltage to the drive electrode 44, and is constant in the ink supply path 55 from the lower side to the upper side in FIG. It flows with the concentration of charged particles.

制御電圧Vcが印加されてインク滴18が吐出すると、その直後に制御電極44の電圧がバイアス状態に戻される。さらに吐出の直後、メニスカス16において不足した分のインクが、先端部75の近傍を流れるインク流14から供給され、メニスカス16の形状が素早く回復する。   When the control voltage Vc is applied and the ink droplet 18 is ejected, immediately after that, the voltage of the control electrode 44 is returned to the bias state. Further, immediately after the ejection, the ink shortage in the meniscus 16 is supplied from the ink flow 14 flowing in the vicinity of the tip 75, and the shape of the meniscus 16 is quickly recovered.

本実施形態のインク吐出ヘッド3のインクガイド52には導電膜74が形成されている。この導電膜74によりインクガイド52の先端部75が導電性を帯び、先端部75周りの電界を強めることができる。本発明においては、所定の電界の強さを得られるのであれば、導電膜74が形成されることを必ずしも必要としない。   A conductive film 74 is formed on the ink guide 52 of the ink ejection head 3 of the present embodiment. The conductive film 74 makes the leading end portion 75 of the ink guide 52 conductive, so that the electric field around the leading end portion 75 can be strengthened. In the present invention, the conductive film 74 is not necessarily formed as long as a predetermined electric field strength can be obtained.

また、本実施形態のインク吐出ヘッド3の制御電極44の周囲には分離障壁46を設けたが、本発明では必ずしも必要としない。しかし、隣接するインクガイド52に形成されたメニスカス16を分離し、隣接するインクガイド52からインク滴18が吐出するときのメニスカス16の変動の影響を受けることなく、個々のインクガイド52に形成された個々のメニスカス16を安定して維持する点から分離障壁46を設けるのが好ましい。
また、分離障壁46の壁面へのインクの這い上がりを防止し、隣接するインクガイド52に形成されたメニスカス16をより確実に分離するために、分離障壁46の少なくとも表面が撥インク性を有することが好ましい。撥インク性とは、インクが水性の場合は撥水性を、インクが油性の場合は親水性であることをいう。
Further, although the separation barrier 46 is provided around the control electrode 44 of the ink ejection head 3 of the present embodiment, it is not always necessary in the present invention. However, the meniscus 16 formed in the adjacent ink guide 52 is separated, and is formed in each ink guide 52 without being affected by the fluctuation of the meniscus 16 when the ink droplet 18 is ejected from the adjacent ink guide 52. Further, it is preferable to provide a separation barrier 46 in order to stably maintain the individual meniscus 16.
Further, at least the surface of the separation barrier 46 has ink repellency in order to prevent the ink from creeping up to the wall surface of the separation barrier 46 and to more reliably separate the meniscus 16 formed in the adjacent ink guide 52. Is preferred. The ink repellency means water repellency when the ink is water-based and hydrophilic when the ink is oil-based.

また、本実施形態の制御基板の対向電極40と対向する側と反対の側の表面は、駆動電極44と対向してシールド電極48により形成されているが、このシールド電極48は必ずしも必要としない。しかしこのシールド電極48によって駆動電極44から図3中下方向へ向かう電界をシールドすることで、図3中下方向へ向かう電界の図3中の左右方向への広がりが抑制される。これにより、インク供給路55内のインク12の移動方向と逆向きの電界がインク供給路55内に形成されるのを防ぐことができ、安定した濃度の帯電粒子を含むインク12をインク流出口56から流出させることができる。これにより、メニスカス16内の帯電粒子の濃度を安定させ、吐出するインク滴18の大きさ、形状が安定する点で、シールド電極48を設けるのが好ましい。   Further, the surface of the control board of the present embodiment on the side opposite to the side facing the counter electrode 40 is formed by the shield electrode 48 so as to face the drive electrode 44, but this shield electrode 48 is not necessarily required. . However, the shielding electrode 48 shields the electric field directed downward from the drive electrode 44 in FIG. 3, thereby suppressing the spread of the electric field directed downward in FIG. 3 in the horizontal direction in FIG. 3. Thereby, it is possible to prevent the electric field opposite to the moving direction of the ink 12 in the ink supply path 55 from being formed in the ink supply path 55, and the ink 12 containing charged particles having a stable concentration can be removed from the ink outlet. 56 can flow out. Thus, it is preferable to provide the shield electrode 48 in terms of stabilizing the concentration of the charged particles in the meniscus 16 and stabilizing the size and shape of the ejected ink droplets 18.

このように本実施形態のインク吐出ヘッド3を有して構成されるインク吐出装置1によると、単結晶基板の異方性ウエットエッチングによって作製された、高精度に先鋭化されたインクガイド52の先端部75を覆うメニスカス16を、インクポンプ26の脈動等に起因するインク12の供給圧力の変動に影響されることなく安定した形状に形成できる。また、メニスカス16が形成される先端部75の近傍を流れるインク流14からメニスカス16へインク12が供給されるので、インク滴18が吐出した後のメニスカス16も素早く回復することができる。これらの効果により安定した大きさ、形状の微小なインク滴18を高周波数で吐出することができる。   As described above, according to the ink discharge apparatus 1 having the ink discharge head 3 of the present embodiment, the highly accurate sharpened ink guide 52 manufactured by anisotropic wet etching of a single crystal substrate is provided. The meniscus 16 covering the front end portion 75 can be formed in a stable shape without being affected by fluctuations in the supply pressure of the ink 12 due to the pulsation of the ink pump 26 or the like. Further, since the ink 12 is supplied to the meniscus 16 from the ink flow 14 that flows in the vicinity of the tip 75 where the meniscus 16 is formed, the meniscus 16 after the ink droplets 18 are ejected can be quickly recovered. With these effects, it is possible to eject minute ink droplets 18 having a stable size and shape at a high frequency.

本発明で作製される液体吐出ヘッドは、色材粒子を含むインクの吐出に限定されず溶媒中に分散させた帯電性粒子を含む溶液を吐出するヘッドであればよく、溶液の種類は限定されない。   The liquid ejection head produced in the present invention is not limited to ejection of ink containing colorant particles, but may be any head that ejects a solution containing chargeable particles dispersed in a solvent, and the type of the solution is not limited. .

このようなインク吐出ヘッド3は以下のように作製することができる。
図5(a)〜(e)および図6(a)〜(e)は、本発明のインク吐出ヘッドの作製方法を説明する概略断面図である。
Such an ink discharge head 3 can be manufactured as follows.
FIGS. 5A to 5E and FIGS. 6A to 6E are schematic cross-sectional views illustrating a method for producing the ink ejection head of the present invention.

まず、絶縁性基板である、両面研磨された石英ガラスからなるガラス基板67が用意され、このガラス基板67の一方の表面(図5(a)中上側の面)に、フォトリソグラフィーを用いて所定の形状の金属パターン68が形成される。この金属パターン68を図5中の上側から見た形状は、図2(b)に示す、突出部50の上面54を図1中上側からみた形状と同様の形状で、上面54に対応する略長方形状のパターン69のそれぞれの所定の位置に、溶液供給口56に対応する開口71が形成されている形状となっている。ここでは、絶縁性の基板として、石英ガラス基板が用いられているが、ホウケイ酸ガラスなどのガラス基板を用いることもできる。   First, a glass substrate 67 made of quartz glass that has been polished on both sides, which is an insulating substrate, is prepared, and one surface (the upper surface in FIG. 5A) of the glass substrate 67 is predetermined using photolithography. The metal pattern 68 having the shape is formed. The shape of the metal pattern 68 viewed from the upper side in FIG. 5 is the same shape as the shape of the upper surface 54 of the protrusion 50 viewed from the upper side in FIG. An opening 71 corresponding to the solution supply port 56 is formed at each predetermined position of the rectangular pattern 69. Here, a quartz glass substrate is used as the insulating substrate, but a glass substrate such as borosilicate glass can also be used.

次に、図5(a)に示すように、ガラス基板67の金属パターン68と対向する側の面(図5中下側の面)に、フォトリソグラフィーを用いて、例えばCrやNi等からなる所定の形状の金属パターン76が形成される。この金属パターン76は、ガラス基板67の金属パターン68と対向する側の面全体に金属層が設けられ、この金属層に図5(a)中の下側から見て、金属パターン68の開口57と略一致するように、溶液流入口57に対応する開口77が設けられている形状となっている。
この金属パターンは、CrやNiに限定されず、CFガスによるドライエッチングに耐性のあるものであればよい。
Next, as shown in FIG. 5A, the surface of the glass substrate 67 facing the metal pattern 68 (the lower surface in FIG. 5) is made of, for example, Cr or Ni using photolithography. A metal pattern 76 having a predetermined shape is formed. The metal pattern 76 is provided with a metal layer on the entire surface of the glass substrate 67 facing the metal pattern 68, and the metal layer 68 has an opening 57 of the metal pattern 68 as viewed from the lower side in FIG. And an opening 77 corresponding to the solution inflow port 57 is provided.
The metal pattern is not limited to Cr or Ni, and any metal pattern that is resistant to dry etching with CF 4 gas may be used.

次に、図5(b)に示すように、金属パターン68をエッチングマスクとして、ガラス基板67が図5中の上側の表面より所定の深さドライエッチングされて、ガラス基板67の表面に凹凸が形成される。これにより、ガラス基板67は、板状の基板部70の表面から、断面が金属パターン68に即した形状の突状部80が突出した形状に加工される。このドライエッチングにより、突状部80には、断面が開口部71に即した形状の突状部貫通孔80aが形成されている。   Next, as shown in FIG. 5B, using the metal pattern 68 as an etching mask, the glass substrate 67 is dry-etched to a predetermined depth from the upper surface in FIG. It is formed. Thereby, the glass substrate 67 is processed into a shape in which a protruding portion 80 having a cross-sectional shape that conforms to the metal pattern 68 protrudes from the surface of the plate-like substrate portion 70. By this dry etching, the projecting portion 80 is formed with a projecting portion through-hole 80 a having a cross-section conforming to the opening 71.

次に、図5(c)に示すように、金属パターン76をエッチングマスクとして、ガラス基板67が、このガラス基板67の図5中の下側の表面からドライエッチングされる。これにより断面が開口77に即した形状の、基板部貫通孔70aが穿孔され、この基板部貫通孔70aと突状部貫通孔80aとが接続し、ガラス基板67の上下方向に貫通したガラス基板貫通孔67aが形成される。次に、金属パターン68および76がエッチング除去される(図5(d)参照)。これにより、ヘッド基板34に対応する基板部70の所定の位置から、突出部50に対応する略直方体形状の突状部80が突出し、基板部70および突状部80とを図5中の上下方向に連通する、インク供給路55に対応するガラス基板貫通孔67aを備える第1のヘッド部材30が作製される。   Next, as shown in FIG. 5C, the glass substrate 67 is dry-etched from the lower surface of the glass substrate 67 in FIG. 5 using the metal pattern 76 as an etching mask. As a result, a substrate portion through hole 70a having a cross section conforming to the opening 77 is formed, and the substrate portion through hole 70a and the projecting portion through hole 80a are connected to each other, and the glass substrate penetrates in the vertical direction of the glass substrate 67. A through hole 67a is formed. Next, the metal patterns 68 and 76 are removed by etching (see FIG. 5D). Accordingly, a substantially rectangular parallelepiped projecting portion 80 corresponding to the projecting portion 50 projects from a predetermined position of the substrate portion 70 corresponding to the head substrate 34, and the substrate portion 70 and the projecting portion 80 are moved upward and downward in FIG. The first head member 30 including the glass substrate through hole 67a corresponding to the ink supply path 55 that communicates in the direction is produced.

次に、図5(e)に示すように、突状部80の図5中の上側の表面である上面81に、両面が研磨された(100)結晶面を表面にもつ単結晶Si基板78が、表面活性化接合法により接合される。この基板同士の接合は表活性化接合法に限定されずKOHエッチャントに耐久性のあるソルダや、接着剤を用いて行われてもよい。また、ガラス基板67を石英ガラス基板ではなくホウケイ酸ガラスなどのアルカリイオンを含むガラス基板とした場合、この基板同士の接合は陽極接合法を用いて行うことができる。   Next, as shown in FIG. 5E, a single crystal Si substrate 78 having a (100) crystal plane polished on the upper surface 81 which is the upper surface in FIG. Are bonded by a surface activated bonding method. The bonding between the substrates is not limited to the surface activation bonding method, and may be performed using a KOH etchant that is durable solder or an adhesive. Further, when the glass substrate 67 is not a quartz glass substrate but a glass substrate containing alkali ions such as borosilicate glass, the substrates can be bonded to each other using an anodic bonding method.

次に、図6(a)に示すように、単結晶Si基板78の表面に、例えば熱酸化法あるいはCVD法によりSiO膜が形成され、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、単結晶Si基板78の〈110〉と〈1−10〉結晶方位を辺とする、所定の大きさの正方形のSiOパターン82が第1のヘッド部材30の突状部80に対応する位置に形成される。 Next, as shown in FIG. 6A, a SiO 2 film is formed on the surface of the single crystal Si substrate 78 by, eg, thermal oxidation or CVD, and the single crystal Si substrate 78 is formed by photolithography and etching. 110> and <1-10> crystal orientations as sides, and a square SiO 2 pattern 82 of a predetermined size is formed at a position corresponding to the protruding portion 80 of the first head member 30.

次に、このSiOパターン82をエッチングマスクとして、単結晶Si基板78のSFドライエッチングを行い、Siを所定量エッチングすることで、図6(b)に示すように、Siからなる四角柱構造物84を複数形成する。 Next, using this SiO 2 pattern 82 as an etching mask, SF 6 dry etching of the single crystal Si substrate 78 is performed, and a predetermined amount of Si is etched, so that a square pillar made of Si is formed as shown in FIG. A plurality of structures 84 are formed.

次に、SiOパターン82をCFドライエッチングを行うことで除去する(図6(c))。その後、全体を34wt%のKOH水溶液を70℃程度に加熱した液に浸し、Siの異方性エッチングを行う。このエッチングでは、特に四角柱構造物84の各エッジおよび各頂点部分からのエッチング速度が高く、高次の結晶面をエッチング表面としつつエッチングが進行する。このエッチングにより、高次の結晶面からなる斜面で形成された、先端角が約60°以下で曲率半径4μm以下の尖った先端をもつ、Siからなる錐体構造物86が柱状部80の基板上面81に作製される。この錐体構造物86の表面に図6(d)に示すように、スパッタ法などを用いて導電膜87が形成され、ヘッド部材30のヘッド基板34(基板部70)の表面から突出した、突出部50(突状部80)の上面54(基板上面81)に、インクガイド52に対応する先鋭部材88が作製される。 Next, the SiO 2 pattern 82 is removed by performing CF 4 dry etching (FIG. 6C). Thereafter, the whole is immersed in a solution of 34 wt% KOH aqueous solution heated to about 70 ° C., and anisotropic etching of Si is performed. In this etching, in particular, the etching rate from each edge and each apex portion of the quadrangular prism structure 84 is high, and the etching proceeds while using a higher-order crystal plane as an etching surface. By this etching, a pyramidal structure 86 made of Si having a sharp tip with a tip angle of about 60 ° or less and a radius of curvature of 4 μm or less formed of a slope made of a high-order crystal plane is a substrate of the columnar portion 80. Produced on the upper surface 81. As shown in FIG. 6D, a conductive film 87 is formed on the surface of the cone structure 86 using a sputtering method or the like, and protrudes from the surface of the head substrate 34 (substrate part 70) of the head member 30. A sharp member 88 corresponding to the ink guide 52 is formed on the upper surface 54 (substrate upper surface 81) of the protruding portion 50 (projecting portion 80).

次に、図6(e)に示されるように、突状部80の上面54に、別途作製された、所定の位置に穿孔された貫通孔と、この貫通孔を囲うように形成された前記制御電極を成す金属パターンとを備える第2のヘッド部材32が当接されて、例えば接着剤により貼り合わされ、第1のヘッド部材30と第2のヘッド部材32が接合される。この後、第1のヘッド部材30と第2のヘッド部材32に、上述の側壁35が配置・接合されることで、インク吐出ヘッド3が形成される(図1および図2(a)、(b)参照)。   Next, as shown in FIG. 6 (e), on the upper surface 54 of the projecting portion 80, a separately prepared through-hole drilled at a predetermined position and the above-described hole formed so as to surround the through-hole are formed. The second head member 32 provided with the metal pattern that forms the control electrode is brought into contact with and bonded together by, for example, an adhesive, and the first head member 30 and the second head member 32 are joined. Thereafter, the ink discharge head 3 is formed by arranging and joining the above-described side wall 35 to the first head member 30 and the second head member 32 (FIGS. 1 and 2A, (2)). b)).

本発明におけるインクジェットヘッド3は、第1の実施形態における、Si単結晶基板78のエッチング工程(図6(b)〜(d)で示される工程)を以下のようにして作製することも可能である。図7は、本発明のインク吐出ヘッド3の作製方法の第2の実施形態における、Si単結晶基板78のエッチング工程について説明する概略断面図である。
この第2の実施形態では、図6(a)に示される、単結晶Si基板78の〈110〉と〈1−10〉結晶方位を辺とする、所定の大きさの正方形のSiOパターン82が形成された後、このSiOパターン82をエッチングマスクとして、34wt%のKOH水溶液を70℃に加熱した液に上記基板を浸し、Siの異方性エッチングを行う。このエッチング工程において、単結晶Si基板78は正方形のSiOパターン82をエッチングマスクとしてエッチングされる。このエッチングでは、SiOパターン82の正方形のコーナー部分からアンダーカットが進行し、SiOパターン82が単結晶Si基板78の表面から離脱するまでエッチングが行われる。これにより、図7に示すように、高次の結晶面からなる斜面で形成された、先端角が約60°以下で曲率半径4μm以下の尖った先端をもつ、Siからなる錐体構造物86が柱状部80の基板上面81に作製される。
この後、第1の実施形態と同様、図6(e)で示す工程が行われてインク吐出ヘッド3が作製される。
The inkjet head 3 according to the present invention can be manufactured as follows in the etching process of the Si single crystal substrate 78 in the first embodiment (processes shown in FIGS. 6B to 6D). is there. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining the etching process of the Si single crystal substrate 78 in the second embodiment of the method for producing the ink ejection head 3 of the present invention.
In the second embodiment, a square SiO 2 pattern 82 having a predetermined size with the <110> and <1-10> crystal orientations of the single crystal Si substrate 78 shown in FIG. 6A as sides. After the substrate is formed, the substrate is immersed in a solution obtained by heating a 34 wt% KOH aqueous solution to 70 ° C. using the SiO 2 pattern 82 as an etching mask, and anisotropic etching of Si is performed. In this etching step, the single crystal Si substrate 78 is etched using the square SiO 2 pattern 82 as an etching mask. In this etching, SiO 2 pattern 82 undercut the corners of the square progresses, SiO 2 pattern 82 etching is performed until detached from the surface of the single-crystal Si substrate 78. As a result, as shown in FIG. 7, a pyramid structure 86 made of Si having a sharp tip with a tip angle of about 60 ° or less and a radius of curvature of 4 μm or less formed by a slope made of a higher-order crystal plane. Is formed on the substrate upper surface 81 of the columnar section 80.
Thereafter, as in the first embodiment, the process shown in FIG. 6E is performed to manufacture the ink ejection head 3.

上述の第1の実施形態では、SF6反応ガスによるSiの四角柱構造を形成するためのエッチングマスクとしてSiOを用いたが、CrやAl等のフッ素系ガスに耐性のある金属をマスクとして用いてもよい。 In the first embodiment described above, SiO 2 is used as an etching mask for forming a Si square column structure by SF 6 reactive gas. However, a metal resistant to a fluorine-based gas such as Cr or Al is used as a mask. May be.

また、上述の第1の実施形態では、SF反応ガスによるドライエッチングにより、Siの四角柱構造を形成したが、直接Siをサンドブラスト、超音波加工などの微細加工法を用いて同様の柱状構造を作製してもよい。 Further, in the first embodiment described above, the Si square pillar structure is formed by dry etching with SF 6 reactive gas. However, the same pillar structure is obtained by directly using Si for fine processing such as sand blasting or ultrasonic processing. May be produced.

上述の、第1の実施形態および第2の実施形態では、Siの単結晶基板を異方性エッチングして先鋭なインクガイドを作製した。本発明においては、異方性エッチングすることで先鋭なインクガイドが作製できるならば、単結晶基板の材料は、必ずしもSiでなくともよい。本発明のインク吐出ヘッドの作製方法では、異方性エッチングすることで先鋭なインクガイドが作製できるならば、例えば化合物半導体単結晶基板などからインクガイドを作製しても構わない。   In the first and second embodiments described above, a sharp ink guide was produced by anisotropically etching a Si single crystal substrate. In the present invention, the material of the single crystal substrate is not necessarily Si as long as a sharp ink guide can be produced by anisotropic etching. In the method for producing an ink discharge head of the present invention, if a sharp ink guide can be produced by anisotropic etching, the ink guide may be produced from, for example, a compound semiconductor single crystal substrate.

また、上述の、第1の実施形態および第2の実施形態では、異方性エッチングによって高次の結晶面を斜面とする先端が先鋭なインクガイドを作製した。本発明においては、必ずしもインクガイドは高次の結晶面を斜面としていなくてもよく、例えば(111)面で形成されていてもよい。   In the first embodiment and the second embodiment described above, an ink guide having a sharp tip with a higher-order crystal plane as an inclined surface is produced by anisotropic etching. In the present invention, the ink guide does not necessarily have a high-order crystal plane as an inclined surface, and may be formed of, for example, a (111) plane.

また、上述の、第1の実施形態および第2の実施形態では、インクガイドの先端角を60°以下、かつ先端の曲率半径を4μm以下とした。本発明においては、所望の吐出電圧において、インクガイド先端から安定して液滴が吐出されるならば、インクガイドの先端をこの程度まで高先鋭に形成しなくともかまわない。ただし、より低い吐出電圧でより安定にインクを吐出するためには、インクガイドの先端は先端角を60°以下、かつ先端の曲率半径を4μm以下にすることが好ましい。   In the first embodiment and the second embodiment described above, the tip angle of the ink guide is set to 60 ° or less, and the radius of curvature of the tip is set to 4 μm or less. In the present invention, if the droplet is stably ejected from the tip of the ink guide at a desired ejection voltage, the tip of the ink guide does not have to be formed so sharply as this. However, in order to discharge ink more stably at a lower discharge voltage, it is preferable that the tip of the ink guide has a tip angle of 60 ° or less and a radius of curvature of the tip of 4 μm or less.

以上、本発明の液体吐出ヘッドの一実施形態であるインク吐出ヘッドについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。   As described above, the ink ejection head which is an embodiment of the liquid ejection head of the present invention has been described in detail. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and various improvements and modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Of course, you may do it.

本発明の液体吐出ヘッドの一実施形態であるインク吐出ヘッド3を有して構成されるインク吐出装置1の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an ink discharge apparatus 1 including an ink discharge head 3 that is an embodiment of a liquid discharge head of the present invention. (a)および(b)は、インク吐出ヘッド3を図1と異なる方向から見た概略構成図である。(A) And (b) is the schematic block diagram which looked at the ink discharge head 3 from the direction different from FIG. (a)および(b)は、図1および図2に示す複数のインクガイド52のうちの一つのインクガイドと、このインクガイドの周辺を説明する図である。(A) And (b) is a figure explaining one ink guide of the some ink guide 52 shown in FIG. 1 and FIG. 2, and the periphery of this ink guide. 本実施形態のインク吐出ヘッド3の液体吐出動作について説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a liquid discharge operation of the ink discharge head 3 of the present embodiment. (a)〜(e)は本発明のインク吐出ヘッドの作製方法を説明する図である。(A)-(e) is a figure explaining the manufacturing method of the ink discharge head of this invention. (a)〜(e)は、本発明のインク吐出ヘッドの作製方法を説明する図で、図5(e)に示される工程以降の工程を示す図である。(A)-(e) is a figure explaining the manufacturing method of the ink discharge head of this invention, and is a figure which shows the process after the process shown by FIG.5 (e). 本発明のインク吐出ヘッドの第2の実施形態における、Si単結晶基板のエッチング工程について説明する図である。It is a figure explaining the etching process of the Si single crystal substrate in 2nd Embodiment of the ink discharge head of this invention. 従来のインクジェット記録装置のインクジェットヘッドの一例の概略構成図である。It is a schematic block diagram of an example of the inkjet head of the conventional inkjet recording device.

符号の説明Explanation of symbols

1 インク吐出装置
2 インク還流ユニット
3 インク吐出ヘッド
6 電圧源ユニット
14 インク流
16、140 メニスカス
20 インク循環装置
22 インク供給パイプ
24 インク回収パイプ
26 インクポンプ
28 インクタンク
29 インク収容室
30 ヘッド部材
32 上蓋
34 ヘッド基板
35 側壁
40、110 対向電極
43 制御基板
50 突出部
52 インクガイド
54 上面
55 インク供給路
56 インク流出口
57 インク流入口
58 インク回収路
59 インク回収口
64 吐出バイアス電源
66 吐出信号電圧源
67 石英ガラス基板
75 先端部
76 金属パターン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ink discharge apparatus 2 Ink recirculation unit 3 Ink discharge head 6 Voltage source unit 14 Ink flow 16, 140 Meniscus 20 Ink circulation device 22 Ink supply pipe 24 Ink recovery pipe 26 Ink pump 28 Ink tank 29 Ink storage chamber 30 Head member 32 Top cover 34 Head substrate 35 Side wall 40, 110 Counter electrode 43 Control substrate 50 Projection part 52 Ink guide 54 Upper surface 55 Ink supply path 56 Ink outlet 57 Ink inlet 58 Ink recovery path 59 Ink recovery port 64 Ejection bias power supply 66 Ejection signal voltage source 67 Quartz glass substrate 75 Tip 76 Metal pattern

Claims (11)

帯電粒子が分散した溶液を対向電極に向けて吐出させる液体吐出ヘッドであって、
前記対向電極と所定の距離離間して配置された第1の基板と、この第1の基板と一体に形成された、前記第1の基板から前記対向電極に向けて突出した突出部と、この突出部の突出端である対向電極に対向する上面に形成された、溶液を吐出させるためのガイドであって、前記上面から前記対向電極に向けて突出して先端部に近づくにつれて断面が狭くなり前記先端部が先鋭化するように傾斜面が設けられ、この傾斜面を溶液流として流れる前記溶液を前記先端部に導いて静電気力により液滴として吐出させる溶液ガイドと、前記静電気力を作用する制御電極を備え、前記溶液ガイドを配置するための貫通孔が穿孔されている第2の基板と、を有し、
前記第2の基板は、前記突出部の前記上面の一部に当接して接合されて支持されており、前記溶液ガイドは、少なくとも前記先端部が前記貫通孔を通り、この先端部が前記第2の基板の前記対向電極と対向する側の面よりも前記対向電極の側に突出し、この前記溶液ガイドの少なくとも前記先端部は単結晶材料からなり、異方性ウエットエッチングによって前記傾斜面が形成されて前記先端部が先鋭化されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
A liquid discharge head for discharging a solution in which charged particles are dispersed toward a counter electrode,
A first substrate disposed at a predetermined distance from the counter electrode; a protrusion formed integrally with the first substrate and protruding from the first substrate toward the counter electrode; and A guide for discharging a solution, formed on the upper surface facing the counter electrode, which is the projecting end of the projecting portion, protrudes from the upper surface toward the counter electrode and becomes narrower as it approaches the tip. An inclined surface is provided so that the tip portion is sharpened, a solution guide that guides the solution flowing as a solution flow through the inclined surface to the tip portion and discharges it as a droplet by electrostatic force, and a control that acts on the electrostatic force A second substrate comprising an electrode and having a through hole for arranging the solution guide,
The second substrate is supported in contact with and joined to a part of the upper surface of the protrusion, and the solution guide has at least the tip passing through the through-hole, and the tip is the first. 2 projecting to the counter electrode side than the surface of the substrate facing the counter electrode, at least the tip of the solution guide is made of a single crystal material, and the inclined surface is formed by anisotropic wet etching. The liquid discharge head is characterized in that the tip is sharpened.
前記貫通孔は前記第2の基板に複数穿孔されており、前記先端部が、それぞれの前記貫通孔を通り前記対向電極の側に突出するように前記溶液ガイド部が複数配置されていることを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド。   A plurality of the through holes are perforated in the second substrate, and a plurality of the solution guide portions are arranged so that the tip portions protrude through the through holes to the side of the counter electrode. The liquid discharge head according to claim 1, wherein the liquid discharge head is a liquid discharge head. 前記溶液ガイドの前記先端部は、高次の結晶面からなる斜面を有し先鋭化されていることを特徴とする請求項1または2に記載の液体吐出ヘッド。   The liquid discharge head according to claim 1, wherein the tip portion of the solution guide has an inclined surface formed of a higher-order crystal plane and is sharpened. 前記溶液ガイドの前記先端部の先端角が60°以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。   The liquid discharge head according to claim 1, wherein a tip angle of the tip of the solution guide is 60 ° or less. 前記溶液ガイドの前記先端部の曲率半径が4μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。   5. The liquid discharge head according to claim 1, wherein a radius of curvature of the tip portion of the solution guide is 4 μm or less. 前記溶液ガイドの前記傾斜面に前記溶液流を形成するように前記溶液ガイド近傍に溶液を供給する溶液供給口を有する溶液供給路を備え、前記溶液供給路は、前記突出部の基部から前記上面に向かう方向に形成された突出部貫通孔によって作られていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。   A solution supply path having a solution supply port for supplying a solution in the vicinity of the solution guide so as to form the solution flow on the inclined surface of the solution guide, the solution supply path from the base portion of the projecting portion to the upper surface; The liquid discharge head according to claim 1, wherein the liquid discharge head is formed by a protruding portion through-hole formed in a direction toward the head. 前記突出部貫通孔は前記突出部が設けられている前記第1の基板に形成された第1の基板貫通孔と接続され、前記第1の基板の、前記突出部の設けられた面と反対側の面に溶液流入口を開口しており、この溶液流入口より前記第1の基板貫通孔を介して溶液が供給されることを特徴とする請求項6に記載の液体吐出ヘッド。   The protrusion through hole is connected to a first substrate through hole formed in the first substrate on which the protrusion is provided, and is opposite to the surface of the first substrate on which the protrusion is provided. The liquid discharge head according to claim 6, wherein a solution inlet is opened on a side surface, and the solution is supplied from the solution inlet through the first substrate through hole. 前記溶液ガイドの前記傾斜面を流れた前記溶液流の溶液を前記溶液ガイド近傍より回収する溶液回収口を有する溶液回収路を備え、前記溶液回収口は、前記第2の基板に穿孔された前記貫通孔の内壁と前記突出部の上面との間隙で形成され、かつ、前記溶液回収路は前記第1の基板と前記第2の基板との間隙によって形成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。   A solution recovery path having a solution recovery port for recovering a solution of the solution flow that has flowed through the inclined surface of the solution guide from the vicinity of the solution guide; and the solution recovery port is perforated in the second substrate 2. The method according to claim 1, wherein the solution recovery path is formed by a gap between the inner wall of the through hole and the upper surface of the protruding portion, and the solution recovery path is formed by a gap between the first substrate and the second substrate. The liquid discharge head according to any one of 1 to 7. 第1の基板と、この第1の基板から突出し、突出端が上面を成した突出部と、溶液を先鋭な先端部に導き静電気力により液滴として吐出させる、前記上面に設けられた単結晶材料からなる溶液ガイドと、前記溶液ガイドが基板面から突出するように設けられた貫通孔を有し、前記上面と接合されて前記突出部に支持固定されている第2の基板とを備える液体吐出ヘッドの作製方法であって、
絶縁性基板を加工することにより、板状の基板に、前記突出部を成す突状部が突出端に上面を有するように形成された第1のヘッド部材を作製する工程と、
前記突状部の前記上面と単結晶基板とを接合し、前記第1のヘッド部材と前記単結晶基板とを一体化する工程と、
前記単結晶基板の異方性ウエットエッチングを行うことで、前記突状部の前記上面の所定の位置に前記溶液ガイドを成す先鋭部を作製する工程と、
所定の位置に穿孔された貫通孔を有する、第2の基板を成す第2のヘッド部材を、前記先鋭部が前記貫通孔を貫通するよう所定の位置に位置合わせし、前記第2のヘッド部材の一方の表面を前記突出部の前記上面と接合して固定する工程とを有することを特徴とする液体吐出ヘッドの作製方法。
A single crystal provided on the upper surface, which protrudes from the first substrate, protrudes from the first substrate, and has a protruding end as an upper surface, and guides the solution to a sharp tip and discharges it as a droplet by electrostatic force. A liquid comprising: a solution guide made of a material; and a second substrate having a through hole provided so that the solution guide protrudes from the substrate surface, and is bonded to the upper surface and supported and fixed to the protrusion. A method for producing a discharge head, comprising:
Processing the insulating substrate to produce a first head member formed on the plate-like substrate so that the protruding portion forming the protruding portion has an upper surface at the protruding end;
Bonding the upper surface of the protrusion and the single crystal substrate, and integrating the first head member and the single crystal substrate;
Producing a sharpened portion that forms the solution guide at a predetermined position on the upper surface of the projecting portion by performing anisotropic wet etching of the single crystal substrate; and
A second head member forming a second substrate having a through-hole drilled at a predetermined position is aligned at a predetermined position so that the sharpened portion penetrates the through-hole, and the second head member And a step of joining and fixing one surface of the protrusion to the upper surface of the protruding portion.
前記先鋭部を作製する工程は、予め異方性ドライエッチングによって表面に凹凸が形成された単結晶基板の、前記凹凸の形成された表面に対して異方性ウエットエッチングを行うことで、前記突状部の前記上面の所定の位置に前記溶液ガイドを成す先鋭部を作製することを特徴とする請求項9に記載の液体吐出ヘッドの作製方法。   The step of producing the sharpened portion is performed by performing anisotropic wet etching on the surface of the single crystal substrate having unevenness formed on the surface by anisotropic dry etching in advance. 10. The method of manufacturing a liquid discharge head according to claim 9, wherein a sharpened portion that forms the solution guide is formed at a predetermined position on the upper surface of the shape-shaped portion. 前記先鋭部を作製する工程において、前記単結晶基板の異方性ウエットエッチングによって前記溶液ガイドを成す前記先鋭部を複数作製し、
前記固定する工程において、所定の位置に貫通孔が複数穿孔された第2の基板を成す第2のヘッド部材を、前記先鋭部のそれぞれが前記貫通孔を貫通するよう所定の位置に位置合わせして前記第2のヘッド部材の一方の表面を前記突出部の前記上面と接合して固定することを特徴とする請求項9または10に記載の液体吐出ヘッドの作製方法。
In the step of producing the sharpened portion, a plurality of sharpened portions forming the solution guide by anisotropic wet etching of the single crystal substrate are produced,
In the fixing step, the second head member forming the second substrate having a plurality of through holes drilled at a predetermined position is aligned with the predetermined position so that each of the sharpened portions penetrates the through hole. The method of manufacturing a liquid ejection head according to claim 9, wherein one surface of the second head member is bonded and fixed to the upper surface of the protrusion.
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