JP3062518B2 - インクジェットヘッドおよびその製造方法 - Google Patents
インクジェットヘッドおよびその製造方法Info
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- JP3062518B2 JP3062518B2 JP27827193A JP27827193A JP3062518B2 JP 3062518 B2 JP3062518 B2 JP 3062518B2 JP 27827193 A JP27827193 A JP 27827193A JP 27827193 A JP27827193 A JP 27827193A JP 3062518 B2 JP3062518 B2 JP 3062518B2
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- ink
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- buckling
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
- B41J2002/14346—Ejection by pressure produced by thermal deformation of ink chamber, e.g. buckling
Landscapes
- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、インク中に浸されてい
る圧力発生器を駆動し、インク内の圧力を高めてノズル
オリフィスからインク滴を吐出させる機構のインクジェ
ットヘッドの改良に関するものである。
る圧力発生器を駆動し、インク内の圧力を高めてノズル
オリフィスからインク滴を吐出させる機構のインクジェ
ットヘッドの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】記録液を吐出、飛翔させて記録を行なう
インクジェット法が従来から知られている。この方法は
低騒音で比較的高速印字が可能であること、装置の小型
化やカラー記録が容易であることなど、数々の利点を有
している。このようなインクジェット記録方法では種々
の液滴吐出原理に基づくインクジェット記録ヘッドを用
いて記録を行なっている。たとえば、液滴吐出手段とし
て圧電素子の圧力を利用したインクジェットヘッドや、
発熱抵抗体に電流を流しこの発熱体の温度上昇で液体を
気化し、気化時の圧力を利用したバブル方式インクジェ
ットヘッド等がある。
インクジェット法が従来から知られている。この方法は
低騒音で比較的高速印字が可能であること、装置の小型
化やカラー記録が容易であることなど、数々の利点を有
している。このようなインクジェット記録方法では種々
の液滴吐出原理に基づくインクジェット記録ヘッドを用
いて記録を行なっている。たとえば、液滴吐出手段とし
て圧電素子の圧力を利用したインクジェットヘッドや、
発熱抵抗体に電流を流しこの発熱体の温度上昇で液体を
気化し、気化時の圧力を利用したバブル方式インクジェ
ットヘッド等がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来の技術にはそれぞれ以下の問題点がある。
従来の技術にはそれぞれ以下の問題点がある。
【０００４】すなわち、圧電素子を用いたインクジェッ
トヘッドでは、圧電素子に電圧を印加し、圧電素子を変
形させ、その変形によりインク滴を吐出させて記録を行
なうが、圧電素子の変形が小さいため圧電素子を積層し
たり、形状の大きなバイモルフ型の圧電アクチュエータ
を形成し、変位量を大きくしてインク滴を吐出させてい
た。したがって、ノズルピッチと比べはるかに大きな圧
電素子およびインク室を必要とし、そのためノズルを集
積化したマルチノズルヘッドの作製は困難であった。
トヘッドでは、圧電素子に電圧を印加し、圧電素子を変
形させ、その変形によりインク滴を吐出させて記録を行
なうが、圧電素子の変形が小さいため圧電素子を積層し
たり、形状の大きなバイモルフ型の圧電アクチュエータ
を形成し、変位量を大きくしてインク滴を吐出させてい
た。したがって、ノズルピッチと比べはるかに大きな圧
電素子およびインク室を必要とし、そのためノズルを集
積化したマルチノズルヘッドの作製は困難であった。
【０００５】また、バブル方式のインクジェットヘッド
は、発熱体からの熱によりインクが気化して気泡が発生
し、そのときの体積膨張を利用してインク滴を吐出させ
るが、発熱体の大きさが小さくノズルを集積化すること
が比較的容易であり、記録に要する時間が短くてすむ利
点がある。しかしながら、きれいな気泡を得るために短
時間に発熱体を１０００℃近くまで加熱するため発熱体
が劣化しやすく、インクジェットヘッドの寿命が比較的
短いという問題がある。本発明は、上記問題点を解決す
るためになされたものであり、第１の目的は、小型化が
可能であり、劣化が少なく、必要な熱量が小さくて効率
的なインクジェットヘッドを提供することである。第２
の目的は、フォトリソグラフィー技術を用いることによ
りパターンの寸法精度が高く、量産効果が大きく、高集
積化および低コスト化が可能なインクジェットヘッドの
製造方法を提供することである。
は、発熱体からの熱によりインクが気化して気泡が発生
し、そのときの体積膨張を利用してインク滴を吐出させ
るが、発熱体の大きさが小さくノズルを集積化すること
が比較的容易であり、記録に要する時間が短くてすむ利
点がある。しかしながら、きれいな気泡を得るために短
時間に発熱体を１０００℃近くまで加熱するため発熱体
が劣化しやすく、インクジェットヘッドの寿命が比較的
短いという問題がある。本発明は、上記問題点を解決す
るためになされたものであり、第１の目的は、小型化が
可能であり、劣化が少なく、必要な熱量が小さくて効率
的なインクジェットヘッドを提供することである。第２
の目的は、フォトリソグラフィー技術を用いることによ
りパターンの寸法精度が高く、量産効果が大きく、高集
積化および低コスト化が可能なインクジェットヘッドの
製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によるインクジェ
ットヘッドは、圧力を加えられたインクを噴出するノズ
ルオリフィスを有するノズルプレートと、その背面の筐
体とよりなるインク室と、インク室の中に設けられた圧
力発生器とを有し、前記圧力発生器は、通電により生じ
る熱膨張によってノズルプレート側へ座屈変形してイン
クに圧力を加える座屈構造体と、前記座屈構造体のイン
ク室側に位置し、座屈構造体の両端に絶縁性部材で固定
されかつインク流路を有する基板とから構成される。
ットヘッドは、圧力を加えられたインクを噴出するノズ
ルオリフィスを有するノズルプレートと、その背面の筐
体とよりなるインク室と、インク室の中に設けられた圧
力発生器とを有し、前記圧力発生器は、通電により生じ
る熱膨張によってノズルプレート側へ座屈変形してイン
クに圧力を加える座屈構造体と、前記座屈構造体のイン
ク室側に位置し、座屈構造体の両端に絶縁性部材で固定
されかつインク流路を有する基板とから構成される。
【０００７】また、その製造方法は、座屈構造体を、基
板上に形成した犠牲層の上にめっき等により作製し、該
犠牲層をエッチングすることにより空間的な立体構造と
する。
板上に形成した犠牲層の上にめっき等により作製し、該
犠牲層をエッチングすることにより空間的な立体構造と
する。
【０００８】
【作用】本発明によれば、簡単な構造の座屈構造体を熱
駆動し、その座屈変形によりインクの圧力を高めること
ができる。座屈構造体は、形状が小さくても大きな変位
量を得られ、さらにバブル方式のインクジェットヘッド
に比べ低温で大きな変位を発生させることができる。ま
た、製造に際してはフォトリソグラフィーを用いるた
め、パターンの寸法精度が高く量産効果が大きく、高集
積化および低コスト化が可能となる。
駆動し、その座屈変形によりインクの圧力を高めること
ができる。座屈構造体は、形状が小さくても大きな変位
量を得られ、さらにバブル方式のインクジェットヘッド
に比べ低温で大きな変位を発生させることができる。ま
た、製造に際してはフォトリソグラフィーを用いるた
め、パターンの寸法精度が高く量産効果が大きく、高集
積化および低コスト化が可能となる。
【０００９】
【実施例】図１および図２は本発明の記録ヘッドによる
記録原理を説明するための断面図であり、それぞれ待機
状態および動作状態を示す。
記録原理を説明するための断面図であり、それぞれ待機
状態および動作状態を示す。
【００１０】ノズルプレート１は円錐形または漏斗状に
形成された１個以上のノズルオリフィス２を有し、それ
ぞれのノズルオリフィスに対応して、座屈構造体３が配
置され、裏側の筐体８との間に形成されるインク室４中
のインクに浸された構造となっている。座屈構造体３は
導電性で弾性変形を生じるたとえばニッケルのような金
属の材料で形成されている。座屈構造体３の両端は、絶
縁性部材７で基板５に固定されているとともに通電する
ための電極９ａ，９ｂとなる。また、座屈構造体３の表
面の両端はスペーサ１０を介してノズルプレート１に、
基板５の裏面は筐体８に固定されている。電極は座屈構
造体の表面に別の導体を設けてもよい。
形成された１個以上のノズルオリフィス２を有し、それ
ぞれのノズルオリフィスに対応して、座屈構造体３が配
置され、裏側の筐体８との間に形成されるインク室４中
のインクに浸された構造となっている。座屈構造体３は
導電性で弾性変形を生じるたとえばニッケルのような金
属の材料で形成されている。座屈構造体３の両端は、絶
縁性部材７で基板５に固定されているとともに通電する
ための電極９ａ，９ｂとなる。また、座屈構造体３の表
面の両端はスペーサ１０を介してノズルプレート１に、
基板５の裏面は筐体８に固定されている。電極は座屈構
造体の表面に別の導体を設けてもよい。
【００１１】電極９ａ，９ｂを通して電流が印加される
と、座屈構造体３は抵抗発熱により加熱され熱膨張を起
こそうとする。しかしながら、この場合両端が固定され
ているため、膨張変形することができず、図２に示すよ
うに、矢印方向の圧縮力Ｐが発生する。この圧縮力Ｐが
座屈荷重を越えると座屈変形を起こし、固定されていな
い座屈部がノズルプレート１側に変形し、座屈構造体３
とノズルプレート１との間の空間を満たしていたインク
に圧力が伝搬し、ノズルオリフィス２よりインク滴６が
形成されて外へ噴出する。たとえば、座屈構造対３をニ
ッケルで形成し、座屈部分の大きさを３００μｍ（長
さ）、４８μｍ（幅）、６μｍ（厚さ）とすると、室温
を２５℃とした場合９８℃以上で座屈を生じる。さらに
座屈構造体３を２２５℃に加熱すると、座屈構造体３が
ノズルプレート１側に変形し、ノズルオリフィス２より
インク滴６が形成されて外へ噴出することができる。座
屈構造体３がノズルプレート１側に曲がるように、スペ
ーサ１０の端縁部は絶縁性部材７の端縁部よりやや外方
にする。
と、座屈構造体３は抵抗発熱により加熱され熱膨張を起
こそうとする。しかしながら、この場合両端が固定され
ているため、膨張変形することができず、図２に示すよ
うに、矢印方向の圧縮力Ｐが発生する。この圧縮力Ｐが
座屈荷重を越えると座屈変形を起こし、固定されていな
い座屈部がノズルプレート１側に変形し、座屈構造体３
とノズルプレート１との間の空間を満たしていたインク
に圧力が伝搬し、ノズルオリフィス２よりインク滴６が
形成されて外へ噴出する。たとえば、座屈構造対３をニ
ッケルで形成し、座屈部分の大きさを３００μｍ（長
さ）、４８μｍ（幅）、６μｍ（厚さ）とすると、室温
を２５℃とした場合９８℃以上で座屈を生じる。さらに
座屈構造体３を２２５℃に加熱すると、座屈構造体３が
ノズルプレート１側に変形し、ノズルオリフィス２より
インク滴６が形成されて外へ噴出することができる。座
屈構造体３がノズルプレート１側に曲がるように、スペ
ーサ１０の端縁部は絶縁性部材７の端縁部よりやや外方
にする。
【００１２】また、電極９ａ，９ｂの電流を絶ち、座屈
構造体３が９８℃まで冷却されれば、図１の待機状態へ
戻る。
構造体３が９８℃まで冷却されれば、図１の待機状態へ
戻る。
【００１３】次に電極９ａ，９ｂに電流を印加してから
座屈構造体３が抵抗発熱により２２５℃に加熱され熱膨
張を起こす時間（立上り応答速度：Ｔｒ）および、電極
９ａ，９ｂの電流を絶ってから座屈構造体３が９８℃に
冷却され待機状態へ戻る時間（立上り応答速度：Ｔｄ）
は、熱伝導方程式によるシミュレーションで計算するこ
とができる。
座屈構造体３が抵抗発熱により２２５℃に加熱され熱膨
張を起こす時間（立上り応答速度：Ｔｒ）および、電極
９ａ，９ｂの電流を絶ってから座屈構造体３が９８℃に
冷却され待機状態へ戻る時間（立上り応答速度：Ｔｄ）
は、熱伝導方程式によるシミュレーションで計算するこ
とができる。
【００１４】図３は、本発明によるインクジェットヘッ
ドの一例の分解斜視図であり、図４は図３の組立てた場
合のＸ−Ｘ′断面図、図５は図３の組立てた場合のＹ−
Ｙ′断面図である。座屈構造体の材質はニッケル、基板
がシリコン単結晶である。
ドの一例の分解斜視図であり、図４は図３の組立てた場
合のＸ−Ｘ′断面図、図５は図３の組立てた場合のＹ−
Ｙ′断面図である。座屈構造体の材質はニッケル、基板
がシリコン単結晶である。
【００１５】ノズルプレート１は前述のように１個以上
のノズルオリフィス２，２…を有している。スペーサ１
０にはノズルオリフィス２，２…の背後に対応する空所
１０−１，１０−１…が設けられている。基板５の一方
の面にはインク室４を形成するための凹部を形成し、か
つ、ノイズオリフィス２に対応するインク流路５−１が
設けられている。この斜面の角度は後述のように５４．
７°とされる。基板５の他方の面にはフォトリソグラフ
ィーにより絶縁性部材７を介して座屈構造体３が形成さ
れている。座屈構造体３にはノズルオリフィス２，２…
に対応するようにストリップ３−１，３−１…が形成さ
れており、適宜の箇所に電極９ａ，９ｂが設けられてい
る。図１および図２の例では、電極９ａ，９ｂは、ノズ
ルオリフィスの列の両側に設けられているが、図３の例
ではノズルオリフィスの列の一方の側に設けられてい
る。基板５の他方の側に筐体８が固定され、インク室４
を形成し、インク室４にはインク溜よりインクが供給さ
れる。
のノズルオリフィス２，２…を有している。スペーサ１
０にはノズルオリフィス２，２…の背後に対応する空所
１０−１，１０−１…が設けられている。基板５の一方
の面にはインク室４を形成するための凹部を形成し、か
つ、ノイズオリフィス２に対応するインク流路５−１が
設けられている。この斜面の角度は後述のように５４．
７°とされる。基板５の他方の面にはフォトリソグラフ
ィーにより絶縁性部材７を介して座屈構造体３が形成さ
れている。座屈構造体３にはノズルオリフィス２，２…
に対応するようにストリップ３−１，３−１…が形成さ
れており、適宜の箇所に電極９ａ，９ｂが設けられてい
る。図１および図２の例では、電極９ａ，９ｂは、ノズ
ルオリフィスの列の両側に設けられているが、図３の例
ではノズルオリフィスの列の一方の側に設けられてい
る。基板５の他方の側に筐体８が固定され、インク室４
を形成し、インク室４にはインク溜よりインクが供給さ
れる。
【００１６】図３では図示されていないが、図１，図
４，図５に示されるように、座屈構造体３の周縁部の空
間には適宜の充填剤１１が充填されている。
４，図５に示されるように、座屈構造体３の周縁部の空
間には適宜の充填剤１１が充填されている。
【００１７】図６は、座屈構造体３に発生した熱の流れ
を説明するための図である。境界条件としては、まず座
屈構造体３が２２５℃に加熱されたとき、座屈構造体３
はノズルプレート側に９μｍ変形する。したがって、シ
ミュレーションは座屈構造体３が平均の４．５μｍ変形
した構造で行なった。次に、座屈構造体３および基板５
をその外形寸法より２０μｍ大きい容器１４に入れその
中をインクで満たし、座屈構造体３の表面とインクの液
面との間隔を２０μｍとした。容器１４の内表面および
基板５の底面を２５℃に保つと考えてシミュレーション
を行なった。矢印は主な熱の流れを示す。
を説明するための図である。境界条件としては、まず座
屈構造体３が２２５℃に加熱されたとき、座屈構造体３
はノズルプレート側に９μｍ変形する。したがって、シ
ミュレーションは座屈構造体３が平均の４．５μｍ変形
した構造で行なった。次に、座屈構造体３および基板５
をその外形寸法より２０μｍ大きい容器１４に入れその
中をインクで満たし、座屈構造体３の表面とインクの液
面との間隔を２０μｍとした。容器１４の内表面および
基板５の底面を２５℃に保つと考えてシミュレーション
を行なった。矢印は主な熱の流れを示す。
【００１８】図５で座屈構造体３の厚さｔ（μｍ）、座
屈構造体３と基板５の間隔ｇ（μｍ）、インク流路出口
の幅ｗ（μｍ）、基板５の厚さをｈ（μｍ）を適当に変
えたときの、立上り応答速度（Ｔｒ）、および立下り応
答速度（Ｔｄ）の変化を、それぞれ、図６のような装置
でシミュレーションを行なった結果を、図７，図８，図
９，図１０に示す。
屈構造体３と基板５の間隔ｇ（μｍ）、インク流路出口
の幅ｗ（μｍ）、基板５の厚さをｈ（μｍ）を適当に変
えたときの、立上り応答速度（Ｔｒ）、および立下り応
答速度（Ｔｄ）の変化を、それぞれ、図６のような装置
でシミュレーションを行なった結果を、図７，図８，図
９，図１０に示す。
【００１９】図７〜図９において、座屈構造体３の全長
９００μｍ、座屈部の長さＬ＝３００μｍ、ｈ＝５００
μｍとする。なお、パルスの高さは４．６７６Ｗとす
る。
９００μｍ、座屈部の長さＬ＝３００μｍ、ｈ＝５００
μｍとする。なお、パルスの高さは４．６７６Ｗとす
る。
【００２０】図７は、ｇ＝１μｍ、ｗ＝１００μｍとし
た場合のｔとＴｒ（△印）およびＴｄ（○印）との関係
を示すグラフである。座屈構造体の厚さｔが薄いほど応
答速度はＴｒ，Ｔｄとも速い。ところが、座屈構造体の
厚さｔが６μｍより薄ければ、インク滴６がノズルオリ
フィスより外へ噴出するに十分のエネルギが得られない
ため、インク滴６はノズルオリフィスより外へ噴出する
ことができない。したがって、最適な座屈構造体の厚さ
の下限は６μｍである。
た場合のｔとＴｒ（△印）およびＴｄ（○印）との関係
を示すグラフである。座屈構造体の厚さｔが薄いほど応
答速度はＴｒ，Ｔｄとも速い。ところが、座屈構造体の
厚さｔが６μｍより薄ければ、インク滴６がノズルオリ
フィスより外へ噴出するに十分のエネルギが得られない
ため、インク滴６はノズルオリフィスより外へ噴出する
ことができない。したがって、最適な座屈構造体の厚さ
の下限は６μｍである。
【００２１】図８はｔ＝６μｍ，ｗ＝１００μｍとした
ときのｇとＴｒ（△印）およびＴｄ（○印）との関係を
示すグラフである。座屈構造体と基板の間隔ｇは立上り
応答速度Ｔｒにはあまり影響を及ぼさないが、立下り応
答速度Ｔｄは、間隔ｇが小さいほど速い。したがって、
ヘッドをたとえば２．５ｋＨｚで駆動する場合は、間隔
ｇは５μｍ以下に設定する必要がある。また、間隔ｇを
１μｍ以下に設定すれば、３．８ｋＨｚで駆動すること
ができる。
ときのｇとＴｒ（△印）およびＴｄ（○印）との関係を
示すグラフである。座屈構造体と基板の間隔ｇは立上り
応答速度Ｔｒにはあまり影響を及ぼさないが、立下り応
答速度Ｔｄは、間隔ｇが小さいほど速い。したがって、
ヘッドをたとえば２．５ｋＨｚで駆動する場合は、間隔
ｇは５μｍ以下に設定する必要がある。また、間隔ｇを
１μｍ以下に設定すれば、３．８ｋＨｚで駆動すること
ができる。
【００２２】図９は、ｔ＝６μｍとし、間隔ｇを適当に
変えたときの立上り応答速度Ｔｒ（△印）および立下り
応答速度Ｔｄ（○印）のインク流路幅ｗ依存性を示した
グラフである。インク流路幅ｗは立上り応答速度Ｔｒに
はあまり影響を及ぼさないが、立下り応答速度Ｔｄは、
インク流路幅ｗが小さいほど速い。この傾向は、どの座
屈構造体と基板の間隔でも同じである。したがってヘッ
ドをたとえば２．５ｋＨｚで駆動する場合は、インク流
路ｗを４０μｍ以下に設定すると座屈構造体と基板の間
隔ｇは１０μｍ以下に設定する必要があり、インク流路
幅ｗを１００μｍ以下、つまり座屈構造体の座屈部の長
さ３００μｍの３分の１以下に設定すると座屈構造体と
基板の間隔ｇは５μｍ以下に設定する必要がある。ま
た、図示されていないがインク流路幅ｗを４０μｍ以
下、座屈構造体と基板の間隔ｇを１０μｍ以下に設定す
れば、３．８ｋＨｚで駆動することができる。
変えたときの立上り応答速度Ｔｒ（△印）および立下り
応答速度Ｔｄ（○印）のインク流路幅ｗ依存性を示した
グラフである。インク流路幅ｗは立上り応答速度Ｔｒに
はあまり影響を及ぼさないが、立下り応答速度Ｔｄは、
インク流路幅ｗが小さいほど速い。この傾向は、どの座
屈構造体と基板の間隔でも同じである。したがってヘッ
ドをたとえば２．５ｋＨｚで駆動する場合は、インク流
路ｗを４０μｍ以下に設定すると座屈構造体と基板の間
隔ｇは１０μｍ以下に設定する必要があり、インク流路
幅ｗを１００μｍ以下、つまり座屈構造体の座屈部の長
さ３００μｍの３分の１以下に設定すると座屈構造体と
基板の間隔ｇは５μｍ以下に設定する必要がある。ま
た、図示されていないがインク流路幅ｗを４０μｍ以
下、座屈構造体と基板の間隔ｇを１０μｍ以下に設定す
れば、３．８ｋＨｚで駆動することができる。
【００２３】次に図１０は、Ｌ＝３００μｍ，ｔ＝６μ
ｍ，ｇ＝２μｍ，パルスの高さ４．６７６Ｗとしたとき
の基板の厚さｈと立上り応答速度Ｔｒ（△印）および立
下り応答速度Ｔｄ（○印）との関係を示すグラフであ
る。基板厚さｈが２０μｍ以上では、立上り応答速度Ｔ
ｒおよび立下り応答速度Ｔｄともあまり影響を受けな
い。しかし、シリコン単結晶の代わりにたとえばガラス
を用いた場合は、熱の伝導性がシリコン単結晶に比べて
劣るので、立下り応答速度Ｔｄが遅くなる。したがっ
て、基板は熱の伝導性が良好なシリコン単結晶を用いる
必要があり、基板の厚さｈは通常の５２５μｍのシリコ
ン単結晶板を用いることができる。
ｍ，ｇ＝２μｍ，パルスの高さ４．６７６Ｗとしたとき
の基板の厚さｈと立上り応答速度Ｔｒ（△印）および立
下り応答速度Ｔｄ（○印）との関係を示すグラフであ
る。基板厚さｈが２０μｍ以上では、立上り応答速度Ｔ
ｒおよび立下り応答速度Ｔｄともあまり影響を受けな
い。しかし、シリコン単結晶の代わりにたとえばガラス
を用いた場合は、熱の伝導性がシリコン単結晶に比べて
劣るので、立下り応答速度Ｔｄが遅くなる。したがっ
て、基板は熱の伝導性が良好なシリコン単結晶を用いる
必要があり、基板の厚さｈは通常の５２５μｍのシリコ
ン単結晶板を用いることができる。
【００２４】以上の結果、立上り応答速度Ｔｒおよび立
下り応答速度Ｔｄを速くするためには、座屈構造体３と
基板５の間隔ｇを小さくし、インク流路幅ｗを狭くし、
基板にシリコン単結晶を用いればよい。
下り応答速度Ｔｄを速くするためには、座屈構造体３と
基板５の間隔ｇを小さくし、インク流路幅ｗを狭くし、
基板にシリコン単結晶を用いればよい。
【００２５】図１１（ａ）は、図５の構造で、座屈構造
体の厚さｔ＝６μｍ、座屈構造体と基板の間隔ｇ＝１μ
ｍ、インク流路幅ｗ＝４０μｍ、基板の厚さｈ＝５００
μｍの場合の座屈構造体の温度プロファイルであり、図
１１（ｂ）は駆動波形を示す。図１１（ａ）より、立上
り応答速度Ｔｒ＝２８μｓｅｃ、立下り応答速度Ｔｄ＝
１２３μｓｅｃが得られ、Ｔｒ＋Ｔｄ＜１６７μｓｅｃ
であるので、６ｋＨｚでの駆動が可能である。また、図
１１（ｂ）より、１ノズル当たりの消費電力の実効値
は、 Ｗ＝４．６７６（Ｗ）×２８（μｓｅｃ）／１６７（μ
ｓｅｃ）＝０．７８４（ｗ） となる。
体の厚さｔ＝６μｍ、座屈構造体と基板の間隔ｇ＝１μ
ｍ、インク流路幅ｗ＝４０μｍ、基板の厚さｈ＝５００
μｍの場合の座屈構造体の温度プロファイルであり、図
１１（ｂ）は駆動波形を示す。図１１（ａ）より、立上
り応答速度Ｔｒ＝２８μｓｅｃ、立下り応答速度Ｔｄ＝
１２３μｓｅｃが得られ、Ｔｒ＋Ｔｄ＜１６７μｓｅｃ
であるので、６ｋＨｚでの駆動が可能である。また、図
１１（ｂ）より、１ノズル当たりの消費電力の実効値
は、 Ｗ＝４．６７６（Ｗ）×２８（μｓｅｃ）／１６７（μ
ｓｅｃ）＝０．７８４（ｗ） となる。
【００２６】次に本発明の主要部材である座屈構造体お
よび座屈構造体を支持する基板の製造工程の一例につい
て図１２を参照しつつ説明する。
よび座屈構造体を支持する基板の製造工程の一例につい
て図１２を参照しつつ説明する。
【００２７】まず、シリコン基板１００の表裏両面に熱
酸化膜１１０を所定の厚さ、たとえば、１μｍに形成す
る（図１２（ａ）参照）。
酸化膜１１０を所定の厚さ、たとえば、１μｍに形成す
る（図１２（ａ）参照）。
【００２８】裏面にフォトレジストを塗布し、形成すべ
きインク流路の形状に対応したパターニングを行ない、
ＣＨＦ3 にて熱酸化膜１１０のエッチングを行なう（図
１２（ｂ）参照）。このとき、面方位（１００）のシリ
コン単結晶を用いれば、エッチング後に形成される（１
１１）斜面は、（１００）面と５４．７°の角度をなす
ので、その厚さをｈ＝５２５μｍ、インク流路幅をｗ＝
４０μｍとすると、インク流路の入口側の幅はｗ′＝ｗ
＋２ｈ／tan ５４．７°よりｗ′＝７８５μｍに設計す
ればよい。
きインク流路の形状に対応したパターニングを行ない、
ＣＨＦ3 にて熱酸化膜１１０のエッチングを行なう（図
１２（ｂ）参照）。このとき、面方位（１００）のシリ
コン単結晶を用いれば、エッチング後に形成される（１
１１）斜面は、（１００）面と５４．７°の角度をなす
ので、その厚さをｈ＝５２５μｍ、インク流路幅をｗ＝
４０μｍとすると、インク流路の入口側の幅はｗ′＝ｗ
＋２ｈ／tan ５４．７°よりｗ′＝７８５μｍに設計す
ればよい。
【００２９】次に、表面にフォトレジストを塗布し、形
成すべき座屈構造体の形状に対応したパターニングを行
ない、ＣＨＦ3 にて熱酸化膜１１０のエッチングを行な
う（図１２（ｃ）参照）。
成すべき座屈構造体の形状に対応したパターニングを行
ない、ＣＨＦ3 にて熱酸化膜１１０のエッチングを行な
う（図１２（ｃ）参照）。
【００３０】次に、表面に熱酸化膜１１０と同じ厚さた
とえば１μｍのポリイミド膜１２０をスピナーで塗布
し、形成すべき絶縁性部材７の形状に対応したパターニ
ングを行ない、３５０℃で１時間ポストベークする（図
１２（ｄ）参照）。
とえば１μｍのポリイミド膜１２０をスピナーで塗布
し、形成すべき絶縁性部材７の形状に対応したパターニ
ングを行ない、３５０℃で１時間ポストベークする（図
１２（ｄ）参照）。
【００３１】次に、表面にニッケルをたとえばスパッタ
法で成膜し、これを電極にして、電解めっき法により所
定の厚さたとえば６μｍのニッケルめっきを行ないニッ
ケル膜１３０を形成する（図１２（ｅ）参照）。電解め
っきにはたとえばスルファミン酸ニッケル浴によるニッ
ケルめっきを用いることができる。
法で成膜し、これを電極にして、電解めっき法により所
定の厚さたとえば６μｍのニッケルめっきを行ないニッ
ケル膜１３０を形成する（図１２（ｅ）参照）。電解め
っきにはたとえばスルファミン酸ニッケル浴によるニッ
ケルめっきを用いることができる。
【００３２】次に、表面にフォトレジストを塗布し、形
成すべき座屈構造体の形状に対応したパターニングを行
ない、硝酸と過酸化水素の水溶液（例えば、ＨＮＯ3 ：
Ｈ2Ｏ2 ：Ｈ2 Ｏ＝２２：１１：６７）にてニッケル膜
１３０のエッチングを行なう（図１２（ｆ）参照）。
成すべき座屈構造体の形状に対応したパターニングを行
ない、硝酸と過酸化水素の水溶液（例えば、ＨＮＯ3 ：
Ｈ2Ｏ2 ：Ｈ2 Ｏ＝２２：１１：６７）にてニッケル膜
１３０のエッチングを行なう（図１２（ｆ）参照）。
【００３３】この状態のシリコン基板１００を水酸化カ
リウム溶液に浸すと、熱酸化膜１１０およびポリイミド
１２０のない部分のシリコンが除去され、インク流路が
形成される（図１２（ｇ）参照）。
リウム溶液に浸すと、熱酸化膜１１０およびポリイミド
１２０のない部分のシリコンが除去され、インク流路が
形成される（図１２（ｇ）参照）。
【００３４】さらにこの状態のシリコン基板１００を弗
酸溶液に浸すとシリコン基板１００の両側の熱酸化膜１
１０が除去され、このとき内側の犠牲層である熱酸化膜
１１０の除去により、座屈構造体３が基板５から分離さ
れた空間的な立体構造となる（図１２（ｈ）参照）。
酸溶液に浸すとシリコン基板１００の両側の熱酸化膜１
１０が除去され、このとき内側の犠牲層である熱酸化膜
１１０の除去により、座屈構造体３が基板５から分離さ
れた空間的な立体構造となる（図１２（ｈ）参照）。
【００３５】以上のようにして、座屈構造体の厚さｔ＝
６μｍ、座屈構造体と基板の間隔ｇ＝１μｍ、インク流
路幅ｗ＝４０μｍの圧力発生器が完成する。
６μｍ、座屈構造体と基板の間隔ｇ＝１μｍ、インク流
路幅ｗ＝４０μｍの圧力発生器が完成する。
【００３６】最後に、ノズルプレート１，スペーサ２，
座屈構造体３を配置した基板４と筐体８を接合してイン
クジェットヘッドが完成する。
座屈構造体３を配置した基板４と筐体８を接合してイン
クジェットヘッドが完成する。
【００３７】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、インクの
圧力を高める機構として熱駆動による座屈構造体の座屈
変形を用いているため座屈構造体の構造が非常に簡単
で、形状が小さくても大きな変位量を得られるので、ヘ
ッドの小型化が可能であり、さらにバブル方式のインク
ジェットヘッドに比べ低温で大きな変位を発生させるこ
とができるので、座屈構造体の劣化は非常に少なく、必
要な熱量が小さくて効率的である。また熱の放出が容易
な構造なので、高速応答が可能であり、高速記録に必要
なマルチオリフィスを実現できる。また、製造方法にお
いてフォトリソグラフィー技術を用いているため、パタ
ーンの寸法精度が高く、量産効果が大きく、高集積化お
よび低コスト化が可能である。
圧力を高める機構として熱駆動による座屈構造体の座屈
変形を用いているため座屈構造体の構造が非常に簡単
で、形状が小さくても大きな変位量を得られるので、ヘ
ッドの小型化が可能であり、さらにバブル方式のインク
ジェットヘッドに比べ低温で大きな変位を発生させるこ
とができるので、座屈構造体の劣化は非常に少なく、必
要な熱量が小さくて効率的である。また熱の放出が容易
な構造なので、高速応答が可能であり、高速記録に必要
なマルチオリフィスを実現できる。また、製造方法にお
いてフォトリソグラフィー技術を用いているため、パタ
ーンの寸法精度が高く、量産効果が大きく、高集積化お
よび低コスト化が可能である。
【図１】本発明のインクジェットヘッドの待機状態の断
面図である。
面図である。
【図２】本発明のインクジェットヘッドの動作状態の断
面図である。
面図である。
【図３】本発明のインクジェットヘッドの分解斜視図で
ある。
ある。
【図４】図３のＸ−Ｘ′断面図である。
【図５】図３のＹ−Ｙ′断面図である。
【図６】座屈構造体に発生した熱の流れを説明するため
の模式図である。
の模式図である。
【図７】座屈構造体の厚さと応答速度の関係をしめすグ
ラフである。
ラフである。
【図８】座屈構造体と基板の間隔による応答速度の変化
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図９】インク流路幅および座屈構造体と基板の間隔に
よる応答速度の関係を示すグラフである。
よる応答速度の関係を示すグラフである。
【図１０】基板の厚さと応答速度の関係を示すグラフで
ある。
ある。
【図１１】（ａ）は座屈構造体の温度プロファイルを示
すグラフであり、（ｂ）は駆動波形のグラフである。
すグラフであり、（ｂ）は駆動波形のグラフである。
【図１２】（ａ）〜（ｈ）はそれぞれ座屈構造体および
それを支持する基板の製造工程を示す断面図である。
それを支持する基板の製造工程を示す断面図である。
１ ノズルプレート ２ ノズルオリフィス ３ 座屈構造体 ４ インク室 ５ 基板 ７ 絶縁性部材 ８ 筐体 ９ａ，９ｂ 電極 １０ スペーサ １００ シリコン基板 １１０ 熱酸化膜 １２０ ポリイミド １３０ ニッケル膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 乾 哲也 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 太田 賢司 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 阿部 新吾 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−30543（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055 B41J 2/16
Claims (6)
- 【請求項１】 圧力を加えられたインクを噴出するノズ
ルオリフィスを有するノズルプレートと、その背面の筐
体とよりなるインク室と、インク室の中に設けられた圧
力発生器とを有し、 前記圧力発生器は、通電により生じる熱膨張によってノ
ズルプレート側へ座屈変形してインクに圧力を加える座
屈構造体と、前記座屈構造体のインク室側に位置し、座
屈構造体の両端に絶縁性部材で固定されかつインク流路
を有する基板とを備えていることを特徴とするインクジ
ェットヘッド。 - 【請求項２】 座屈構造体と基板の間隔は１０μｍ以下
であることを特徴とする請求項１記載のインクジェット
ヘッド。 - 【請求項３】 基板のインク流路幅は座屈構造体の座屈
部の長さの１／３以下であることを特徴とする請求項１
記載のインクジェットヘッド。 - 【請求項４】 座屈構造体を支持する基板はシリコン単
結晶であることを特徴とする請求項１記載のインクジェ
ットヘッド。 - 【請求項５】 基板上に犠牲層を形成する工程と、犠牲
層の上に通電により生じる熱膨張によってノズルプレー
ト側に座屈変形する座屈構造体となるニッケル膜を形成
する工程と、犠牲層をエッチングにより除去する工程と
を含む立体構造の圧力発生器を形成する工程と、 圧力発生器の前方にノズルプレートを結合し、後方に筐
体を結合してインク室を形成する工程とを有することを
特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。 - 【請求項６】 座屈構造体のニッケル膜のパターニング
は硝酸と過酸化水素の水溶液によるエッチングで行な
い、犠牲層である熱酸化膜の除去は弗酸溶液のエッチン
グによることを特徴とする請求項５記載のインクジェッ
トヘッドの製造方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27827193A JP3062518B2 (ja) | 1993-11-08 | 1993-11-08 | インクジェットヘッドおよびその製造方法 |
| US08/272,447 US5666141A (en) | 1993-07-13 | 1994-07-08 | Ink jet head and a method of manufacturing thereof |
| DE69418782T DE69418782T2 (de) | 1993-07-13 | 1994-07-11 | Tintenstrahlkopf und Verfahren zur Herstellung |
| EP94305078A EP0634273B1 (en) | 1993-07-13 | 1994-07-11 | Ink jet head and a method of manufacturing thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27827193A JP3062518B2 (ja) | 1993-11-08 | 1993-11-08 | インクジェットヘッドおよびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07125203A JPH07125203A (ja) | 1995-05-16 |
| JP3062518B2 true JP3062518B2 (ja) | 2000-07-10 |
Family
ID=17595027
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27827193A Expired - Lifetime JP3062518B2 (ja) | 1993-07-13 | 1993-11-08 | インクジェットヘッドおよびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3062518B2 (ja) |
-
1993
- 1993-11-08 JP JP27827193A patent/JP3062518B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07125203A (ja) | 1995-05-16 |
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