JP3141652B2 - インクジェットヘッドおよびインクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents
インクジェットヘッドおよびインクジェットヘッドの製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はインクが吐出するノズル
と、このノズルに連通してインクに圧力を加えるインク
圧力室と、インク圧力室内の圧力を変化させる圧力発生
手段とを具備するインクジェット記録装置の記録ヘッド
とその製造方法に関する。
と、このノズルに連通してインクに圧力を加えるインク
圧力室と、インク圧力室内の圧力を変化させる圧力発生
手段とを具備するインクジェット記録装置の記録ヘッド
とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、高速、高密度の低価格インクジェ
ット記録装置の要求が高まる中、それを実現するために
種々の方策が提案されている。またそれら高速、高密
度、低価格化の要求に沿って、インク供給路とインク圧
力室とノズルとから成るインク流路にも、特公平４−１
５０９５号公報などに見られる感光性樹脂による方策、
シリコン基材の異方性エッチングによる方策などの種々
の方策が提案されている。
ット記録装置の要求が高まる中、それを実現するために
種々の方策が提案されている。またそれら高速、高密
度、低価格化の要求に沿って、インク供給路とインク圧
力室とノズルとから成るインク流路にも、特公平４−１
５０９５号公報などに見られる感光性樹脂による方策、
シリコン基材の異方性エッチングによる方策などの種々
の方策が提案されている。
【０００３】シリコン基材でインク流路を形成したイン
クジェットヘッドとしては、図８に示した特公昭５８−
４０５０９号公報が知られており、この例では表面の結
晶面方位が（１００）面のシリコン基材が用いられてい
る。
クジェットヘッドとしては、図８に示した特公昭５８−
４０５０９号公報が知られており、この例では表面の結
晶面方位が（１００）面のシリコン基材が用いられてい
る。
【０００４】一方、K.I.Petersenの“Fabricatin of an
Integrated,Planar Silicon Ink-Jet Structure” IEE
E transactions on electron devices、vol.ED-２６、N
o.１２、December １９７９には図９に示す如く（１１
０面）のシリコン基材を用いたインクジェットヘッドが
開示されている。
Integrated,Planar Silicon Ink-Jet Structure” IEE
E transactions on electron devices、vol.ED-２６、N
o.１２、December １９７９には図９に示す如く（１１
０面）のシリコン基材を用いたインクジェットヘッドが
開示されている。
【０００５】また、米国特許第４,３１２,００８号明細
書にも（１１０）面のシリコン基材を用いたインクジェ
ットヘッドが開示されている。
書にも（１１０）面のシリコン基材を用いたインクジェ
ットヘッドが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来例を以てし
て、実用的なインクジェットプリンタを実現するために
は以下の問題が生じる。
て、実用的なインクジェットプリンタを実現するために
は以下の問題が生じる。
【０００７】まず第一に、樹脂の射出成形による方策や
特公平４−１５０９５号公報に述べられている感光性樹
脂を用いた方策では、射出成形は離型性を、感光性樹脂
では精度を確保するためにインク圧力室を深くできず流
路抵抗が増大して、応答性を低下させてしまう。
特公平４−１５０９５号公報に述べられている感光性樹
脂を用いた方策では、射出成形は離型性を、感光性樹脂
では精度を確保するためにインク圧力室を深くできず流
路抵抗が増大して、応答性を低下させてしまう。
【０００８】また、インク圧力室は前述の如く樹脂で成
されているため、インクの吐出圧力で、隣接するインク
圧力室とを隔てている側壁が変形し、クロストークと呼
ばれる相互干渉が発生してしまう。
されているため、インクの吐出圧力で、隣接するインク
圧力室とを隔てている側壁が変形し、クロストークと呼
ばれる相互干渉が発生してしまう。
【０００９】第二に、特公昭５８−４０５０９号公報に
述べられている（１００）面のシリコン基材８１では、
エッチングによって現れる（１１１）面が前記（１０
０）面に対し傾きを持っているため、インク流路の幅と
深さの比が一定以上に大きくできない。なかんずく充分
に大きな容積を得るために深くする必要があるインク圧
力室８２は側壁がシリコン基材の表面に対して、tan-1
√2の角度（略54.7°）で傾斜するため、図８に示す台
形、もしくは三角形（Ｖ字型）の断面形状になり、前述
同様に高応答性が得られず小型、高密度化した記録ヘッ
ドに適した方策ではない。
述べられている（１００）面のシリコン基材８１では、
エッチングによって現れる（１１１）面が前記（１０
０）面に対し傾きを持っているため、インク流路の幅と
深さの比が一定以上に大きくできない。なかんずく充分
に大きな容積を得るために深くする必要があるインク圧
力室８２は側壁がシリコン基材の表面に対して、tan-1
√2の角度（略54.7°）で傾斜するため、図８に示す台
形、もしくは三角形（Ｖ字型）の断面形状になり、前述
同様に高応答性が得られず小型、高密度化した記録ヘッ
ドに適した方策ではない。
【００１０】第三に、図９に示す（１１０）面のシリコ
ン基材９１による異方性エッチングでは、深いインク圧
力室９３を形成できるので、幅が狭くても流路抵抗を小
さくでき、複数のインク流路を高密度に配しても高応答
が得られやすい。しかしこの例では、インク供給路９２
がシリコン基材９１とは別の部材に形成されており、貼
合せの位置精度によりインク供給路９２の容積（断面積
と長さ）が変化してしまう。一般に行われているような
インク供給路９２の断面積を絞って、インク滴の吐出特
性を安定させるためには、高度な組み立て技術を必要と
する上、インク圧力室９３とインク供給路９２の接続部
では段差が生じるためにインク流路中の気泡排出性を損
ね、吐出不良の一因となる。
ン基材９１による異方性エッチングでは、深いインク圧
力室９３を形成できるので、幅が狭くても流路抵抗を小
さくでき、複数のインク流路を高密度に配しても高応答
が得られやすい。しかしこの例では、インク供給路９２
がシリコン基材９１とは別の部材に形成されており、貼
合せの位置精度によりインク供給路９２の容積（断面積
と長さ）が変化してしまう。一般に行われているような
インク供給路９２の断面積を絞って、インク滴の吐出特
性を安定させるためには、高度な組み立て技術を必要と
する上、インク圧力室９３とインク供給路９２の接続部
では段差が生じるためにインク流路中の気泡排出性を損
ね、吐出不良の一因となる。
【００１１】第四に米国特許第４,３１２,００８号明細
書に開示される方策では（１１０）面のシリコン基材
を、断面形状が台形、乃至は長方形となるインク圧力室
と、断面形状がＶ字型となるノズルとインク供給路とを
組合わせて形成することはできない。
書に開示される方策では（１１０）面のシリコン基材
を、断面形状が台形、乃至は長方形となるインク圧力室
と、断面形状がＶ字型となるノズルとインク供給路とを
組合わせて形成することはできない。
【００１２】そこで本発明の目的とするところは、充分
に大きな容積のインク圧力室と、且つ供給路の幅（延い
ては容積）の安定したインク供給路とを同時に兼ね備え
たシリコンからなる流路基材が得られるため、小型化、
高密度化に最適であって、インクの吐出応答性が高いイ
ンクジェットヘッドを廉価に提供することにある。
に大きな容積のインク圧力室と、且つ供給路の幅（延い
ては容積）の安定したインク供給路とを同時に兼ね備え
たシリコンからなる流路基材が得られるため、小型化、
高密度化に最適であって、インクの吐出応答性が高いイ
ンクジェットヘッドを廉価に提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
ヘッドは、一端はインク供給路を介してインク溜まりに
連通し、他端はインク滴を吐出するノズルに連通した複
数のインク圧力室を有したインクジェットヘッドにおい
て、結晶方位（１１０）面が表面となる単結晶シリコン
基材には、供給路と圧力室を形成する空間を具備してお
り、供給路を形成する空間は基材の表面に対して傾斜し
た二つの（１１１）面の壁面によって形成され、圧力室
を形成する空間はシリコン基材の表面に対し垂直であ
る、少なくとも二つの（１１１）面の壁面によって形成
されていることを特徴とする。係るインクジェットヘッ
ドにおいて、基材に形成された供給路の二つの（１１
１）面は、Ｖ字型の溝を成していることを特徴とする。
また、本発明のインクジェットヘッドは、一端はインク
供給路を介してインク溜まりに連通し、他端はインク滴
を吐出するノズルに連通した複数のインク圧力室を有し
たインクジェットヘッドにおいて、結晶方位（１１０）
面が表面となる単結晶シリコン基材には、ノズルと圧力
室を形成する空間を具備しており、ノズルを形成する空
間は基材の表面に対して傾斜した二つの（１１１）面の
壁面によって形成され、圧力室を形成する空間はシリコ
ン基材の表面に対し垂直である、少なくとも二つの（１
１１）面の壁面によって形成されているを特徴とする。
係るインクジェットヘッドにおいて、基材に形成された
ノズルの二つの（１１１）面は、Ｖ字型の溝を成してい
ることを特徴とする。また、本発明のインクジェットヘ
ッドの製造方法は、一端はインク供給路を介してインク
溜まりに連通し、他端はインク滴を吐出するノズルと連
通した複数のインク圧力室を有するインクジェットヘッ
ドにおいて、（１）エッチング速度が結晶方位に依存す
るエッチング液によって、結晶方位（１１０）面の単結
晶シリコン基材の表面に対して傾斜した二つの（１１
１）面を壁面に有する第１の空間と、表面に対し垂直で
あり、少なくとも二つの（１１１）面を壁面に有する第
２の空間とを異方性エッチングする工程と、（２）然る
後に、（１１１）面から成り第１の空間と、第２の空間
とを仕切る隔壁を除去する工程と、によって成ることを
特徴とする。また、係るインクジェットヘッドの製造方
法において、第１の空間はインク供給路の容積を実質的
に決定する空間であって、第２の空間はインク圧力室の
容積を実質的に決定する空間であることを特徴とする。
また、係るインクジェットヘッドの製造方法において、
第１の空間はノズルの容積を実質的に決定する空間であ
って、第２の空間はインク圧力室の容積を実質的に決定
することを特徴とする。また、係るインクジェットヘッ
ドの製造方法において、隔壁を等方性エッチングで除去
することを特徴とする。
ヘッドは、一端はインク供給路を介してインク溜まりに
連通し、他端はインク滴を吐出するノズルに連通した複
数のインク圧力室を有したインクジェットヘッドにおい
て、結晶方位（１１０）面が表面となる単結晶シリコン
基材には、供給路と圧力室を形成する空間を具備してお
り、供給路を形成する空間は基材の表面に対して傾斜し
た二つの（１１１）面の壁面によって形成され、圧力室
を形成する空間はシリコン基材の表面に対し垂直であ
る、少なくとも二つの（１１１）面の壁面によって形成
されていることを特徴とする。係るインクジェットヘッ
ドにおいて、基材に形成された供給路の二つの（１１
１）面は、Ｖ字型の溝を成していることを特徴とする。
また、本発明のインクジェットヘッドは、一端はインク
供給路を介してインク溜まりに連通し、他端はインク滴
を吐出するノズルに連通した複数のインク圧力室を有し
たインクジェットヘッドにおいて、結晶方位（１１０）
面が表面となる単結晶シリコン基材には、ノズルと圧力
室を形成する空間を具備しており、ノズルを形成する空
間は基材の表面に対して傾斜した二つの（１１１）面の
壁面によって形成され、圧力室を形成する空間はシリコ
ン基材の表面に対し垂直である、少なくとも二つの（１
１１）面の壁面によって形成されているを特徴とする。
係るインクジェットヘッドにおいて、基材に形成された
ノズルの二つの（１１１）面は、Ｖ字型の溝を成してい
ることを特徴とする。また、本発明のインクジェットヘ
ッドの製造方法は、一端はインク供給路を介してインク
溜まりに連通し、他端はインク滴を吐出するノズルと連
通した複数のインク圧力室を有するインクジェットヘッ
ドにおいて、（１）エッチング速度が結晶方位に依存す
るエッチング液によって、結晶方位（１１０）面の単結
晶シリコン基材の表面に対して傾斜した二つの（１１
１）面を壁面に有する第１の空間と、表面に対し垂直で
あり、少なくとも二つの（１１１）面を壁面に有する第
２の空間とを異方性エッチングする工程と、（２）然る
後に、（１１１）面から成り第１の空間と、第２の空間
とを仕切る隔壁を除去する工程と、によって成ることを
特徴とする。また、係るインクジェットヘッドの製造方
法において、第１の空間はインク供給路の容積を実質的
に決定する空間であって、第２の空間はインク圧力室の
容積を実質的に決定する空間であることを特徴とする。
また、係るインクジェットヘッドの製造方法において、
第１の空間はノズルの容積を実質的に決定する空間であ
って、第２の空間はインク圧力室の容積を実質的に決定
することを特徴とする。また、係るインクジェットヘッ
ドの製造方法において、隔壁を等方性エッチングで除去
することを特徴とする。
【００１４】また、その構成を実現するためのインクジ
ェットヘッドの製造方法は、（１） エッチング速度が
結晶方位に依存するエッチング液によって、結晶面方位
（１１０）面の単結晶シリコン基材を前記（１１０）面
に対して傾斜した二つの（１１１）面を壁面に有する第
１の空間と、前記（１１０）面に対し垂直である、少な
くとも二つの（１１１）面を壁面に有する第２の空間と
に異方性エッチングする工程と、（２） 然る後に、
（１１１）面から成り前記第１の空間と前記第２の空間
とを仕切る隔壁を除去する工程と、によって成ることを
特徴とする。
ェットヘッドの製造方法は、（１） エッチング速度が
結晶方位に依存するエッチング液によって、結晶面方位
（１１０）面の単結晶シリコン基材を前記（１１０）面
に対して傾斜した二つの（１１１）面を壁面に有する第
１の空間と、前記（１１０）面に対し垂直である、少な
くとも二つの（１１１）面を壁面に有する第２の空間と
に異方性エッチングする工程と、（２） 然る後に、
（１１１）面から成り前記第１の空間と前記第２の空間
とを仕切る隔壁を除去する工程と、によって成ることを
特徴とする。
【００１５】
【実施例】本発明をより詳細に説述するために、添付の
図面に従ってこれを説明する。
図面に従ってこれを説明する。
【００１６】本実施例は、解像度３６０ｄｐｉ(dot/inc
h)のプリンタを実現すべく、１８０ｄｐｉの複数のノズ
ルを２列に並べたものである。
h)のプリンタを実現すべく、１８０ｄｐｉの複数のノズ
ルを２列に並べたものである。
【００１７】図１は、本実施例を適用したインクジェッ
トヘッドの一例を示した分解斜視図である。図１のよう
にヘッドフレーム１２内を貫通する取り付け穴１７は、
圧力発生手段であるところの圧電変換器１のＸ軸、Ｙ軸
方向の位置決めをするべく、後述するベース部材５を拘
持している。圧電変換器１の長手方向の先端面は、振動
膜１１ａと剛体突起１１ｂとから成る振動板１１と、流
路基材１００と、ノズル１０ａを形成したノズル基材１
０の順に積層された接合体の、剛体突起部１１ｂに接合
されており、Ｚ軸方向の位置決めを得ている（図４参
照）。
トヘッドの一例を示した分解斜視図である。図１のよう
にヘッドフレーム１２内を貫通する取り付け穴１７は、
圧力発生手段であるところの圧電変換器１のＸ軸、Ｙ軸
方向の位置決めをするべく、後述するベース部材５を拘
持している。圧電変換器１の長手方向の先端面は、振動
膜１１ａと剛体突起１１ｂとから成る振動板１１と、流
路基材１００と、ノズル１０ａを形成したノズル基材１
０の順に積層された接合体の、剛体突起部１１ｂに接合
されており、Ｚ軸方向の位置決めを得ている（図４参
照）。
【００１８】図２は本実施例のインクジェットヘッドで
あって、枢要部を拡大した図である。
あって、枢要部を拡大した図である。
【００１９】流路基材１００は、結晶の面方位が（１１
０）面から成る単結晶シリコンである。前記シリコン基
材１００は、エッチング速度が結晶方位に依存するエッ
チング液によってエッチングする所謂異方性エッチング
により、インク圧力室１０１、インク供給路１０２、イ
ンク溜り１０３（以下、それぞれを圧力室１０１、供給
路１０２、溜部１０３と称す）からなるインク流路の容
積を実質に決定する空間１０１ａと１０２ａと１０３ａ
とを具備している。さらに図示してはいないが、熱によ
る酸素原子の拡散処理などの不純物原子をシリコンに添
加した保護膜によってインク流路の表面を調質し、イン
クに対する耐性とインクとの親和性とを向上させてい
る。なお、前述の保護膜は本発明の目的達成のために必
ずしも必須のものではなく、使用するインクの選択、最
適化によって実使用上問題ない範囲に抑えることもでき
る。
０）面から成る単結晶シリコンである。前記シリコン基
材１００は、エッチング速度が結晶方位に依存するエッ
チング液によってエッチングする所謂異方性エッチング
により、インク圧力室１０１、インク供給路１０２、イ
ンク溜り１０３（以下、それぞれを圧力室１０１、供給
路１０２、溜部１０３と称す）からなるインク流路の容
積を実質に決定する空間１０１ａと１０２ａと１０３ａ
とを具備している。さらに図示してはいないが、熱によ
る酸素原子の拡散処理などの不純物原子をシリコンに添
加した保護膜によってインク流路の表面を調質し、イン
クに対する耐性とインクとの親和性とを向上させてい
る。なお、前述の保護膜は本発明の目的達成のために必
ずしも必須のものではなく、使用するインクの選択、最
適化によって実使用上問題ない範囲に抑えることもでき
る。
【００２０】供給路１０２は断面形状を三角形（Ｖ字
型）にし、長方形の圧力室１０１の容積よりも小さくし
てある。これは供給路１０２の流路抵抗を、圧力室１０
１よりも大きくしてインク滴の吐出効率を効果的に向上
させるものであって、吐出時にノズル１０ａに流入する
インク量を多くし、同時に供給路１０２より溜部１０３
へ流出するインク量が小さくなるようにしている。
型）にし、長方形の圧力室１０１の容積よりも小さくし
てある。これは供給路１０２の流路抵抗を、圧力室１０
１よりも大きくしてインク滴の吐出効率を効果的に向上
させるものであって、吐出時にノズル１０ａに流入する
インク量を多くし、同時に供給路１０２より溜部１０３
へ流出するインク量が小さくなるようにしている。
【００２１】なお、圧力室１０１となる空間１０１ａ
は、結晶軸方位＜２１１＞軸に平行な（１１１）面に囲
繞された平行四辺形であって、且つ供給路１０２となる
空間１０２ａは＜１１０＞軸に平行して傾斜する（１１
１）面からなっている。このインク供給路１０２となる
空間１０２ａを、インクの流れと気泡の排出を円滑にす
るために圧力室１０１となる空間１０１ａの平行四辺形
の鋭角側の隅み配置した。
は、結晶軸方位＜２１１＞軸に平行な（１１１）面に囲
繞された平行四辺形であって、且つ供給路１０２となる
空間１０２ａは＜１１０＞軸に平行して傾斜する（１１
１）面からなっている。このインク供給路１０２となる
空間１０２ａを、インクの流れと気泡の排出を円滑にす
るために圧力室１０１となる空間１０１ａの平行四辺形
の鋭角側の隅み配置した。
【００２２】このようなシリコン基材１００の一方の面
にノズル基板１０を接合し、他方の面には振動板１１を
接合して、圧力室１０１と供給路１０２と溜部１０３と
が成される。
にノズル基板１０を接合し、他方の面には振動板１１を
接合して、圧力室１０１と供給路１０２と溜部１０３と
が成される。
【００２３】圧力室１０１へのインクの供給は、連通関
係にあるインク供給管１３とインク連絡口１４と溜部１
０３と供給路１０２とを通じて行われる（図１参照）。
係にあるインク供給管１３とインク連絡口１４と溜部１
０３と供給路１０２とを通じて行われる（図１参照）。
【００２４】図３は、本実施例を適用したインクジェッ
トヘッドの吐出力発生手段の斜視図である。
トヘッドの吐出力発生手段の斜視図である。
【００２５】インクを液滴として吐出させるための圧力
発生手段は、圧電変換器１であって、圧電体２と内部電
極３ａ、３ｂとが、交互に積み重ねられた多層構造であ
る。さらに圧電変換器１には、外部電極４ａ、４ｂが形
成されており、外部電極４ａは内部電極３ａと、外部電
極４ｂは内部電極３ｂと、それぞれが電気的に接続して
いる。また圧電変換器１の長手方向の略半分はベース部
材５（の上の基台電極６）に接合され、接合されていな
い他略半分の先端は、前述の如く振動板１１と接合して
いる（図２参照）。このような積層型にすることにより
低い電圧で大きな変位を得ることができる。また縦振動
型振動子を用いることにより、たわみ振動子に比べて高
い圧力を発生させることができるため、シリコン基材１
００での高密度化の利点を大きく生かせる。
発生手段は、圧電変換器１であって、圧電体２と内部電
極３ａ、３ｂとが、交互に積み重ねられた多層構造であ
る。さらに圧電変換器１には、外部電極４ａ、４ｂが形
成されており、外部電極４ａは内部電極３ａと、外部電
極４ｂは内部電極３ｂと、それぞれが電気的に接続して
いる。また圧電変換器１の長手方向の略半分はベース部
材５（の上の基台電極６）に接合され、接合されていな
い他略半分の先端は、前述の如く振動板１１と接合して
いる（図２参照）。このような積層型にすることにより
低い電圧で大きな変位を得ることができる。また縦振動
型振動子を用いることにより、たわみ振動子に比べて高
い圧力を発生させることができるため、シリコン基材１
００での高密度化の利点を大きく生かせる。
【００２６】かかる構成において、インク滴の吐出動作
は図４（ａ）〜（ｃ）に示す如くである。圧電変換器１
を駆動する駆動配線は図４中には図示していないが、圧
電変換器１に形成された第１と第２の内部電極３ａ、３
ｂと、同じく圧電変換器１に形成された第１と第２の外
部電極４ａ、４ｂと、基台電極６とを通じて動作信号が
入力されるものである。
は図４（ａ）〜（ｃ）に示す如くである。圧電変換器１
を駆動する駆動配線は図４中には図示していないが、圧
電変換器１に形成された第１と第２の内部電極３ａ、３
ｂと、同じく圧電変換器１に形成された第１と第２の外
部電極４ａ、４ｂと、基台電極６とを通じて動作信号が
入力されるものである。
【００２７】圧電変換器１は、図４（ａ）に示すように
常態において待機状態であるが、図４（ｂ）に示すよう
に圧電変換器１に電圧が印加されると、ノズル基板１０
と直交する方向（図１のＺ軸方向）に収縮しながら、剛
体突起部２０ｂを介して振動板１１を引っ張り、圧力室
１０１の容積を増大させる。この時インク２０は表面張
力によってノズル１０ａにメニスカスを形成し、容積の
増大によって発生した負の圧力が、溜部１０３内に充填
されているインク２０を供給路１０２を介して圧力室１
０１に引き込む。次に電圧を急激に解除すると図４
（ｃ）に示すように、圧電体２に充電されていた電荷が
急激に放電され、圧電変換器１の引っ張り力は失われ
る。圧電変換器１と振動板１１とには弾性的な復元力が
生じ、圧力室１０１の容積は急激に減少して行く。この
容積の減少によって圧力室１０１内には正の圧力が発生
し、ノズル１０ａよりインク滴２０ａが吐出する。圧電
変換器１は、図４（ａ）にある待機状態に再び戻り、次
の動作信号に待機する。
常態において待機状態であるが、図４（ｂ）に示すよう
に圧電変換器１に電圧が印加されると、ノズル基板１０
と直交する方向（図１のＺ軸方向）に収縮しながら、剛
体突起部２０ｂを介して振動板１１を引っ張り、圧力室
１０１の容積を増大させる。この時インク２０は表面張
力によってノズル１０ａにメニスカスを形成し、容積の
増大によって発生した負の圧力が、溜部１０３内に充填
されているインク２０を供給路１０２を介して圧力室１
０１に引き込む。次に電圧を急激に解除すると図４
（ｃ）に示すように、圧電体２に充電されていた電荷が
急激に放電され、圧電変換器１の引っ張り力は失われ
る。圧電変換器１と振動板１１とには弾性的な復元力が
生じ、圧力室１０１の容積は急激に減少して行く。この
容積の減少によって圧力室１０１内には正の圧力が発生
し、ノズル１０ａよりインク滴２０ａが吐出する。圧電
変換器１は、図４（ａ）にある待機状態に再び戻り、次
の動作信号に待機する。
【００２８】本実施例では圧電変換器１の寸法を、配列
方向（図１のＸ軸方向）の個々の圧電変換器の幅を８０
μｍ、配列方向の個々の圧電変換器の配列ピッチを略１
４１μｍ、積層方向の厚みを略０．５mm、積層方向の積
層ピッチつまり内部電極間距離を略２０μｍ、長手方向
（図１のＹ軸方向）の長さを略８mm、その内積層長さを
略５mmとした。この寸法で内部電極３ａ、３ｂ間に略２
０Ｖの電圧を印加することにより、圧電変換器の非接合
の先端で２μｍ以上の変位と、３０万パスカルの圧力を
得ることができ、最終的に略０．１μｇのインク滴を７
ｋＨｚの応答周波数で吐出することができた。
方向（図１のＸ軸方向）の個々の圧電変換器の幅を８０
μｍ、配列方向の個々の圧電変換器の配列ピッチを略１
４１μｍ、積層方向の厚みを略０．５mm、積層方向の積
層ピッチつまり内部電極間距離を略２０μｍ、長手方向
（図１のＹ軸方向）の長さを略８mm、その内積層長さを
略５mmとした。この寸法で内部電極３ａ、３ｂ間に略２
０Ｖの電圧を印加することにより、圧電変換器の非接合
の先端で２μｍ以上の変位と、３０万パスカルの圧力を
得ることができ、最終的に略０．１μｇのインク滴を７
ｋＨｚの応答周波数で吐出することができた。
【００２９】さらに、このような構造のインクジェット
ヘッドにおいて流路基材を感光性樹脂などの樹脂にした
場合には、樹脂の剛性が低いためにインクの吐出圧力に
よって隣接する圧力室１０１とを隔てる側壁の撓んだ
り、流路基材１００全体が厚み方向に変形してしまう。
その結果、インク滴の量の減少や、動作信号が入力され
ていないノズル１０ａからインクが吐出する所謂クロス
トークが発生し、インク吐出性能の低下があった。しか
し本発明のシリコンによる流路基材は、樹脂に比べて非
常に高い剛性が得られるため、上記の問題は全く発生し
なかった。
ヘッドにおいて流路基材を感光性樹脂などの樹脂にした
場合には、樹脂の剛性が低いためにインクの吐出圧力に
よって隣接する圧力室１０１とを隔てる側壁の撓んだ
り、流路基材１００全体が厚み方向に変形してしまう。
その結果、インク滴の量の減少や、動作信号が入力され
ていないノズル１０ａからインクが吐出する所謂クロス
トークが発生し、インク吐出性能の低下があった。しか
し本発明のシリコンによる流路基材は、樹脂に比べて非
常に高い剛性が得られるため、上記の問題は全く発生し
なかった。
【００３０】上記本発明の構成を実現するための製造方
法を以下に述べる。
法を以下に述べる。
【００３１】図５（ａ）〜（ｄ）に、本発明の製造工程
の一実施例を示す。
の一実施例を示す。
【００３２】まず、表面の結晶面方位が（１１０）面と
なる単結晶シリコン基材１００を、９００〜１１００℃
に加熱し、酸素、水蒸気などの酸化剤の高温の気体の中
に置いて、その表面に酸素原子を拡散する。本実施例で
は、この熱酸化処理によって厚さ１．７μｍから成るシ
リコン酸化物の膜２００を形成した。シリコン酸化物の
膜２００は後述する異方性エッチング工程でのマスクの
役割を果たし、その形成手段は前述した熱酸化処理の他
に、ＣＶＤ（化学気相気堆積）法や、イオン注入法、陽
極酸化法によっても差し支えない。またシリコン酸化物
の膜以外にも、シリコン窒化物の膜や、ホウ素やガリウ
ム原子を添加した所謂ｐ型シリコン膜や、ヒ素やアンチ
モン原子を添加した所謂ｎ型シリコン膜を形成しても差
し支えない。
なる単結晶シリコン基材１００を、９００〜１１００℃
に加熱し、酸素、水蒸気などの酸化剤の高温の気体の中
に置いて、その表面に酸素原子を拡散する。本実施例で
は、この熱酸化処理によって厚さ１．７μｍから成るシ
リコン酸化物の膜２００を形成した。シリコン酸化物の
膜２００は後述する異方性エッチング工程でのマスクの
役割を果たし、その形成手段は前述した熱酸化処理の他
に、ＣＶＤ（化学気相気堆積）法や、イオン注入法、陽
極酸化法によっても差し支えない。またシリコン酸化物
の膜以外にも、シリコン窒化物の膜や、ホウ素やガリウ
ム原子を添加した所謂ｐ型シリコン膜や、ヒ素やアンチ
モン原子を添加した所謂ｎ型シリコン膜を形成しても差
し支えない。
【００３３】なおシリコン基材１００の厚みは０．１〜
０．５mmが好適であって、さらに好適は０．１５〜０．
３mmである。本実施例では厚さ０．１８mmのシリコン基
材１００を用いた。
０．５mmが好適であって、さらに好適は０．１５〜０．
３mmである。本実施例では厚さ０．１８mmのシリコン基
材１００を用いた。
【００３４】次に、樹脂レジストを前記シリコン基材上
にパターニングし、フッ酸水溶液などの酸エッチング液
によってシリコン酸化物の膜２００を選択的に除去す
る。
にパターニングし、フッ酸水溶液などの酸エッチング液
によってシリコン酸化物の膜２００を選択的に除去す
る。
【００３５】次に、樹脂レジストを除去すると、図５
（ａ）に示すように前工程のエッチングによってパター
ニングされた、シリコン酸化物の膜２００のマスクパタ
ーンが現れる。窓部２０１は圧力室１０１に相当する部
位、窓部２０２は供給路１０２に相当する部位、窓部２
０３は溜部１０３に相当する部位となる。
（ａ）に示すように前工程のエッチングによってパター
ニングされた、シリコン酸化物の膜２００のマスクパタ
ーンが現れる。窓部２０１は圧力室１０１に相当する部
位、窓部２０２は供給路１０２に相当する部位、窓部２
０３は溜部１０３に相当する部位となる。
【００３６】次に、水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カ
リウム水溶液などの結晶方位に依存して、エッチング速
度が変化するエッチング液によって、シリコン基材１０
０を異方性エッチングする。シリコン基材１００の異方
性エッチングは、図５（ｂ）に示す過程を経て、図５
（ｃ）に示す状態で終了する。すなわち、異方性エッチ
ングされた窓部２０１は、図５（ｂ）に示すようにシリ
コン基材１００の表面の（１１０）面に対して垂直な
（１１１）面と、傾斜した（１１１）面が発現する。一
方、窓部にも傾斜した（１１１）面が発現する。さらに
異方性エッチングを進行させると、図５（ｃ）に示すよ
うに、窓部２０１の斜めの（１１１）面は消失して、垂
直な（１１１）面が新たに発現する。以上の工程によっ
て、圧力室１０１の容積を実質的に決定する貫通した空
間１０１ａ、供給路１０２の容積を実質的に決定する貫
通しない空間１０２ａ、並びに溜部１０３の容積を実質
的に決定する貫通した空間１０３ａが、垂直な（１１
１）面２０４に仕切られて形成される。
リウム水溶液などの結晶方位に依存して、エッチング速
度が変化するエッチング液によって、シリコン基材１０
０を異方性エッチングする。シリコン基材１００の異方
性エッチングは、図５（ｂ）に示す過程を経て、図５
（ｃ）に示す状態で終了する。すなわち、異方性エッチ
ングされた窓部２０１は、図５（ｂ）に示すようにシリ
コン基材１００の表面の（１１０）面に対して垂直な
（１１１）面と、傾斜した（１１１）面が発現する。一
方、窓部にも傾斜した（１１１）面が発現する。さらに
異方性エッチングを進行させると、図５（ｃ）に示すよ
うに、窓部２０１の斜めの（１１１）面は消失して、垂
直な（１１１）面が新たに発現する。以上の工程によっ
て、圧力室１０１の容積を実質的に決定する貫通した空
間１０１ａ、供給路１０２の容積を実質的に決定する貫
通しない空間１０２ａ、並びに溜部１０３の容積を実質
的に決定する貫通した空間１０３ａが、垂直な（１１
１）面２０４に仕切られて形成される。
【００３７】本実施例では、８０℃に加熱した２０[重
量％]の水酸化ナトリウム水溶液によって、前記シリコ
ン基材１００を異方性エッチングして、略９０分間の浸
漬で図５（ｃ）に示すような形状を得た。
量％]の水酸化ナトリウム水溶液によって、前記シリコ
ン基材１００を異方性エッチングして、略９０分間の浸
漬で図５（ｃ）に示すような形状を得た。
【００３８】つぎに、前述の垂直な（１１１）面から成
って、圧力室１０１となる空間１０１ａと供給路となる
空間１０２ａとを仕切る隔壁２０４ａと、同様に供給路
となる空間１０２ａと溜部となる空間１０３ａとを仕切
る隔壁２０４ｂとをフッ酸水溶液などの等方性エッチン
グ液によって除去する。なお、等方性エッチング液によ
ればシリコン酸化物の膜２００も同時に除去され、その
除去速度はシリコン基材１００と略同等の速度である。
従って、本実施例での前記隔壁２０４の厚さは、シリコ
ン酸化物の膜２００の厚さと同じ１．７μｍに成るよう
にした。また、前記隔壁２０４の他の除去手段として、
超音波振動などの衝撃によって除去する手段も有効であ
る。
って、圧力室１０１となる空間１０１ａと供給路となる
空間１０２ａとを仕切る隔壁２０４ａと、同様に供給路
となる空間１０２ａと溜部となる空間１０３ａとを仕切
る隔壁２０４ｂとをフッ酸水溶液などの等方性エッチン
グ液によって除去する。なお、等方性エッチング液によ
ればシリコン酸化物の膜２００も同時に除去され、その
除去速度はシリコン基材１００と略同等の速度である。
従って、本実施例での前記隔壁２０４の厚さは、シリコ
ン酸化物の膜２００の厚さと同じ１．７μｍに成るよう
にした。また、前記隔壁２０４の他の除去手段として、
超音波振動などの衝撃によって除去する手段も有効であ
る。
【００３９】次に、インクへの耐性やインクとの親和性
を得るために保護膜（図示しない）を形成する。形成す
る膜の種類、並びに形成手段は前述のマスクパターン２
００の工程と同じであるが、熱酸化処理によってシリコ
ン酸化物の保護膜を形成するのが最も好適である。
を得るために保護膜（図示しない）を形成する。形成す
る膜の種類、並びに形成手段は前述のマスクパターン２
００の工程と同じであるが、熱酸化処理によってシリコ
ン酸化物の保護膜を形成するのが最も好適である。
【００４０】この様にして、空間１０１ａと空間１０２
ａとを形成する過程で隔壁２０４（２０４ａと２０４
ｂ）を設けると、異方性エッチングで副次的に発生する
前述平行四辺形の鋭角部の過度のエッチングを防ぐこと
ができ、結果、空間１０１ａと空間１０２ａとを所望す
る形状に正確に形成することができた。
ａとを形成する過程で隔壁２０４（２０４ａと２０４
ｂ）を設けると、異方性エッチングで副次的に発生する
前述平行四辺形の鋭角部の過度のエッチングを防ぐこと
ができ、結果、空間１０１ａと空間１０２ａとを所望す
る形状に正確に形成することができた。
【００４１】また、供給路１０２と圧力室１０１とを同
一部品（シリコン基材１００）内に集約しているため、
シリコンのエッチングの利点である形状精度が生かさ
れ、複数のインク流路間の吐出特性のバラツキや製造ロ
ット間のバラツキも小さくすることができた。さらに他
の結晶方位面に対してエッチング速度が遅い（１１１）
面しか残らないので、異方性エッチング工程における条
件変動の許容範囲が広く、非常に安定した形状品質を確
保できる。
一部品（シリコン基材１００）内に集約しているため、
シリコンのエッチングの利点である形状精度が生かさ
れ、複数のインク流路間の吐出特性のバラツキや製造ロ
ット間のバラツキも小さくすることができた。さらに他
の結晶方位面に対してエッチング速度が遅い（１１１）
面しか残らないので、異方性エッチング工程における条
件変動の許容範囲が広く、非常に安定した形状品質を確
保できる。
【００４２】図６は、本発明の別の実施例を示したイン
クジェットヘッドの要部を示した斜視図である。一つの
圧力室１０１に対して複数の供給路１０２を備えてお
り、本実施例では二つの供給路１０２から成っている。
また、本実施例では圧力室１０１となる空間１０１ａの
平行四辺形の一方の鋭角側と鈍角側のそれぞれの隅に、
供給路１０２となる二つ空間１０２ａを配置しているた
め、インクの流れと気泡の排出がさらに向上できる。
クジェットヘッドの要部を示した斜視図である。一つの
圧力室１０１に対して複数の供給路１０２を備えてお
り、本実施例では二つの供給路１０２から成っている。
また、本実施例では圧力室１０１となる空間１０１ａの
平行四辺形の一方の鋭角側と鈍角側のそれぞれの隅に、
供給路１０２となる二つ空間１０２ａを配置しているた
め、インクの流れと気泡の排出がさらに向上できる。
【００４３】図７は本発明の、さらに別の実施例を示し
たインクジェットヘッドの要部を示した斜視図である。
本実施例では、ノズルの容積を実質的に決定する空間１
０４ａも供給路１０２の空間１０２ａと同様にして形成
しており、シリコン基材１００の周縁にノズル１０４を
配した、所謂エッジイジェクト型の記録ヘッドへの好適
適用例である。なお複数のノズル１０４を一つの面上に
配列させるために、前記周縁部１００ａを回転砥石刃な
どの切断手段によって平坦に仕上げている。
たインクジェットヘッドの要部を示した斜視図である。
本実施例では、ノズルの容積を実質的に決定する空間１
０４ａも供給路１０２の空間１０２ａと同様にして形成
しており、シリコン基材１００の周縁にノズル１０４を
配した、所謂エッジイジェクト型の記録ヘッドへの好適
適用例である。なお複数のノズル１０４を一つの面上に
配列させるために、前記周縁部１００ａを回転砥石刃な
どの切断手段によって平坦に仕上げている。
【００４４】以上のように複数のインク供給路１０２を
所望する流路抵抗に安定して形成でき、且つ充分に大き
な容積を持ったインク圧力室１０１とを両立して、シリ
コン基材１００に形成できた。また、流路基材１００の
シリコンは脆弱で損傷しやすい材料であるが、複数のイ
ンク供給路１０２とインク圧力室１０１とは隣接するイ
ンク供給路１０２とインク圧力室１０１とを介して両持
ち梁的な構成にできるため、インク供給路１０２とイン
ク圧力室１０１とを形成した後のシリコン基材１００の
取扱いを簡便にすることができた。
所望する流路抵抗に安定して形成でき、且つ充分に大き
な容積を持ったインク圧力室１０１とを両立して、シリ
コン基材１００に形成できた。また、流路基材１００の
シリコンは脆弱で損傷しやすい材料であるが、複数のイ
ンク供給路１０２とインク圧力室１０１とは隣接するイ
ンク供給路１０２とインク圧力室１０１とを介して両持
ち梁的な構成にできるため、インク供給路１０２とイン
ク圧力室１０１とを形成した後のシリコン基材１００の
取扱いを簡便にすることができた。
【００４５】また、一般に販売されている３インチ径の
（１１０）面のシリコンウェハーを使用すれば、同時に
２０個以上の流路基板１００の収量があるため、一流路
基板あたりに所要する製造時間と材料費とが非常に少な
く、廉価に製造できる。
（１１０）面のシリコンウェハーを使用すれば、同時に
２０個以上の流路基板１００の収量があるため、一流路
基板あたりに所要する製造時間と材料費とが非常に少な
く、廉価に製造できる。
【００４６】
【発明の効果】以上述べたように本発明の構成と方法に
よれば、インク圧力室の容積を充分に大きくでき、且つ
供給路の幅（延いては容積）の安定したインク供給路と
を同時に兼ね備えたシリコン基板からなる流路基板が得
られるため、小型化、高密度化に最適であって、インク
の吐出応答性が高いインクジェットヘッドを廉価に提供
することができる。
よれば、インク圧力室の容積を充分に大きくでき、且つ
供給路の幅（延いては容積）の安定したインク供給路と
を同時に兼ね備えたシリコン基板からなる流路基板が得
られるため、小型化、高密度化に最適であって、インク
の吐出応答性が高いインクジェットヘッドを廉価に提供
することができる。
【図１】本発明の実施例を適用したインクジェットヘッ
ドを俯瞰する分解斜視図である。
ドを俯瞰する分解斜視図である。
【図２】本発明の実施例を適用したインクジェットヘッ
ドの要部の斜視図である。
ドの要部の斜視図である。
【図３】本発明の実施例を適用したインクジェットヘッ
ドの圧力発生手段を示した図である。
ドの圧力発生手段を示した図である。
【図４】本発明のインクジェットヘッドの動作を示す図
である。
である。
【図５】本発明のインクジェットヘッドの製造方法の一
実施例を示す製造工程図である。
実施例を示す製造工程図である。
【図６】本発明のインクジェットヘッドの別の実施例を
示す図である。
示す図である。
【図７】本発明のインクジェットヘッドの別の実施例を
示す図である。
示す図である。
【図８】従来技術を示す図である。
【図９】従来技術を示す図である。
１ 圧電変換器 ７ 接着剤 ８ａ フレキシブル配線基板 ８ｂ フレキシブル配線基板 １５ 供給管接続口 １６ 制御基板 ２０ インク １００ 流路基材（単結晶シリコン基材） １０１ インク圧力室（圧力室） １０１ａ インク圧力室の容積を実質的に決定する空間 １０２ インク供給路（供給路） １０２ａ インク供給路の容積を実質的に決定する空間 １０３ インク溜り（溜部） １０３ａ インク溜りの容積を実質的に決定する空間 １０４ ノズル １０４ａ ノズルの容積を実質的に決定する空間 ２００ シリコン酸化物の膜（マスクパターン） ２０１ インク圧力室に部位するマスクパターンの窓
部 ２０２ インク供給路に部位するマスクパターンの窓
部 ２０３ インク溜りに部位するマスクパターンの窓部 ２０４ 隔壁 ２０４ａ 圧力室の空間と供給路の空間とを仕切る隔壁 ２０４ｂ 供給路の空間と溜部の空間とを仕切る隔壁
部 ２０２ インク供給路に部位するマスクパターンの窓
部 ２０３ インク溜りに部位するマスクパターンの窓部 ２０４ 隔壁 ２０４ａ 圧力室の空間と供給路の空間とを仕切る隔壁 ２０４ｂ 供給路の空間と溜部の空間とを仕切る隔壁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055 B41J 2/16
Claims (8)
- 【請求項１】 一端はインク供給路を介してインク溜ま
りに連通し、他端はインク滴を吐出するノズルに連通し
た複数のインク圧力室を有したインクジェットヘッドに
おいて、 結晶方位（１１０）面が表面となる単結晶シリコン基材
には、前記供給路と前記圧力室を形成する空間を具備し
ており、前記供給路を形成する空間は前記基材の表面に
対して傾斜した二つの（１１１）面の壁面によって形成
され、前記圧力室を形成する空間は前記シリコン基材の
表面に対し垂直である、少なくとも二つの（１１１）面
の壁面によって形成されていることを特徴とするインク
ジェットヘッド。 - 【請求項２】 前記基材に形成された前記供給路の二つ
の（１１１）面は、Ｖ字型の溝を成していることを特徴
とする請求項１記載のインクジェットヘッド。 - 【請求項３】 一端はインク供給路を介してインク溜ま
りに連通し、他端はインク滴を吐出するノズルに連通し
た複数のインク圧力室を有したインクジェットヘッドに
おいて、 結晶方位（１１０）面が表面となる単結晶シリコン基材
には、前記ノズルと前記圧力室を形成する空間を具備し
ており、前記ノズルを形成する空間は前記基材の表面に
対して傾斜した二つの（１１１）面の壁面によって形成
され、前記圧力室を形成する空間は前記シリコン基材の
表面に対し垂直である、少なくとも二つの（１１１）面
の壁面によって形成されているを特徴とするインクジェ
ットヘッド。 - 【請求項４】 前記基材に形成された前記ノズルの二つ
の（１１１）面は、Ｖ字型の溝を成していることを特徴
とする請求項３記載のインクジェットヘッド。 - 【請求項５】 一端はインク供給路を介してインク溜ま
りに連通し、他端はインク滴を吐出するノズルと連通し
た複数のインク圧力室を有するインクジェットヘッドに
おいて、 （１）エッチング速度が結晶方位に依存するエッチング
液によって、結晶方位（１１０）面の単結晶シリコン基
材の表面に対して傾斜した二つの（１１１）面を壁面に
有する第１の空間と、前記表面に対し垂直であり、少な
くとも二つの（１１１）面を壁面に有する第２の空間と
を異方性エッチングする工程と、 （２）然る後に、（１１１）面から成り前記第１の空間
と、前記第２の空間とを仕切る隔壁を除去する工程と、 によって成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】 前記第１の空間はインク供給路の容積を
実質的に決定する空間であって、前記第２の空間はイン
ク圧力室の容積を実質的に決定する空間であることを特
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。 - 【請求項７】 前記第１の空間はノズルの容積を実質的
に決定する空間であって、前記第２の空間はインク圧力
室の容積を実質的に決定す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。 - 【請求項８】 前記隔壁を等方性エッチングで除去する
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 (18)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27985793A JP3141652B2 (ja) | 1993-11-09 | 1993-11-09 | インクジェットヘッドおよびインクジェットヘッドの製造方法 |
| US08/336,060 US5956058A (en) | 1993-11-05 | 1994-11-04 | Ink jet print head with improved spacer made from silicon single-crystal substrate |
| DE69432160T DE69432160T2 (de) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Tintenstrahldruckkopf |
| DE69432197T DE69432197T2 (de) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Tintenstrahldruckkopf und sein Herstellungsverfahren |
| EP94117549A EP0652108B1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Ink jet print head and a method of manufacturing the same |
| EP99122962A EP0980756B1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Ink jet printer head |
| SG1998002945A SG75130A1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Alternative construction allowing manufacturing of proper dimensions |
| EP99122963A EP0980757B1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Ink jet print head |
| SG1996002758A SG65556A1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Ink jet print head and a method of manufacturing the same |
| EP99122950A EP0980755B1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Ink jet print head and a method of manufacturing the same |
| DE69432161T DE69432161T2 (de) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Tintenstrahldruckkopf und sein Herstellungsverfahren |
| SG1998002949A SG75132A1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Slit separating partition walls securing compliance |
| SG1998002943A SG75129A1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Wall traversing ink supply path to strengthen boundary region |
| DE69432136T DE69432136T2 (de) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Tintenstrahldruckkopf und sein Herstellungsverfahren |
| DE69431315T DE69431315T2 (de) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Tintenstrahldruckkopf und sein Herstellungsverfahren |
| EP99122956A EP0980759B1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Ink jet print head and a method of manufacturing the same |
| SG1998002947A SG75131A1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Bridge formed across path holes preventing walls falling down |
| US08/682,883 US5723053A (en) | 1993-11-05 | 1996-07-12 | Ink jet print head and a method of manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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- 1993-11-09 JP JP27985793A patent/JP3141652B2/ja not_active Expired - Lifetime
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