JP3186305B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はインクを吐出するノズル
と、このノズルに連通しインクに圧力を加えるインク室
と、インク室の容積を変化させる圧力発生手段とを備
え、前記圧力発生手段に印加する駆動電圧によってイン
ク室の容積を変化させ、前記ノズルよりインクを吐出さ
せるオンデマンド型インクジェットヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高速、高密度の低価格インクジェ
ットプリンタの要求が高まる中、それを実現するための
種々の方法が考えられているが、特公平４−１５０９５
号公報などに見られる感光性樹脂による方法、シリコン
ウェハーの異方性エッチングによる方法などが知られて
いる。

【０００３】シリコンウェハーで流路を形成したインク
ジェットヘッドとしては図６に示した特公昭５８−４０
５０９号公報が知られており、この例では（１００）シ
リコンウェハーが用いられている。

【０００４】また、（１１０）シリコンウェハーを用い
たインクジェットヘッドの例として、図７に示した"K.
E.Petersen,`Fabrication of an Integrated, PlanarSi
liconInk-Jet Structure,'IEEE transactions on elect
rondevices,vol.ED-26,No.12, December 1979"などが
知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述の従来技
術は以下のような課題を有する。

【０００６】まず第一に、樹脂の射出成形による方法や
特公平４−１５０９５号公報に述べられている感光性樹
脂を用いた方法では、射出成形では離型性、感光性樹脂
では精度を確保するためにパターンをあまり深くできず
流路抵抗が増すため応答性を低下させてしまう事と、高
密度で深い流路になるほど、隣接したインク室の圧力で
インク室間の側壁が変形し、クロストークの原因にな
る。

【０００７】また、特公昭５８−４０５０９号公報に述
べられている（１００）シリコンウェハー６１を用いた
ものではエッチングの結果現れる（１１１）面は（１０
０）面に対して傾きを持つため、パターン幅に対して深
さが一定の比以上は取れないので、図６に示すように台
形もしくは三角形の断面形状になり、複数の流路を高密
度に並べることにより深さが浅くなってしまう。これは
前述同様高応答性を得られなくしてしまう。

【０００８】さらに、ウェハーの一面にノズルを持った
平板を持ったいわゆるフェースイジェクト型でウェハー
の裏面から電気機械変換手段によってインク室の容積を
変化させてインクを吐出させる構造のヘッドの場合、図
６に示すような台形もしくは三角形の断面形状のインク
室６２では圧力発生手段を配置させることが困難にな
る。

【０００９】一方、図７の例に示すように（１１０）シ
リコンウェハ−７１による異方性エッチングでは深いパ
タ−ンを作れるので幅が狭くても流路抵抗を小さくで
き、高密度で複数のインク室を配置しても高応答が得ら
れ易いが、この例ではインク供給路７２が別部材で形成
されており、貼り合わせの位置精度により供給路７２の
断面積と長さが変わるため、一般に行なわれているよう
な供給路を精度良く絞って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うえ、インク室７３
と供給路７２の接続部では段差が生じるために流路中の
気泡排出性を損ね、吐出不良の原因となる。

【００１０】さらに、図７の例では圧力発生手段として
圧電素子７４によるバイモルフを用いているが、インク
室７３の幅が小さくなると十分な変位が得られなくなる
ために高密度にインク室を配置することができない。

【００１１】本発明はこういった状況に鑑み上記の課題
を解決するもので、その目的とするところは、高密度で
応答性が高く、製造が容易なインクジェットヘッドを安
価に提供することにある。

【００１２】

【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、一端が供給路を介してインク溜りに連通し、
他端がインク滴吐出ノズルに連通した細長いインク室を
複数有し、インク溜り、インク室の側壁は（１１０）シ
リコンウェハーの異方性エッチングによって貫通形成し
たシリコンの（１１１）面から成り、供給路の少なくと
も一部は貫通しない部分を持ち、隣接するインク室間の
隔壁はインク室のノズル側と、供給路側で支持される両
持ち構造を成し、シリコンウェハーの両（１１０）面を
挟み込む第１、第２の平板を有し、第１の平板にはイン
ク室に連通するノズルを、第２の平板には圧力発生手段
を有することを特徴とする。また、係るインクジェット
ヘッドにおいて、インク室は概ね平行四辺形をしてお
り、供給路はこのインク室よりも幅が狭くかつこの平行
四辺形の鋭角側の隅でインク室と連通し、供給路とイン
ク室のそれぞれの一つの側壁を同一の（１１１）面とす
ることを特徴とする。また、係るインクジェットヘッド
において、両持ち構造の供給路側の近傍で第２の平板が
ブロックに固定されており、圧力発生手段は、一端がこ
のブロックに相対的に固定され、他端が第２の平板に接
合されてシリコンウェハーの（１１０）面に略垂直に変
位する圧電素子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において、両持ち構造の供給路側の
近傍で第２の平板がブロックに固定されており、圧力発
生手段は、第２の平板に配設された発熱素子であること
を特徴とする。

【００１３】さらに前記インクジェットヘッドは （１）前記インク室は概ね平行四辺形をしており、前記
供給路はこのインク室よりも幅が狭くかつこの平行四辺
形の鋭角側の隅で前記インク室と連通し、前記供給路と
インク室のそれぞれの一つの側壁を同一の（１１１）面
とすること （２）前記両持ち構造の前記供給路側の近傍で前記第２
の平板がブロックに固定されており、前記圧力発生手段
は、一端がこのブロックに相対的に固定され、他端が前
記第２の平板に接合されて前記シリコンウェハーの（１
１０）面に略垂直に変位する圧電素子であること （３）前記両持ち構造の前記供給路側の近傍で前記第２
の平板がブロックに固定されており、前記圧力発生手段
は、このブロック上に配設された発熱素子であること を特徴とする。

【００１４】

【実施例】以下実施例に従って本発明のインクジェット
ヘッドの構造について詳しく説明する。

【００１５】図１は本発明の第１の実施例のインクジェ
ットヘッドであって、図２は図１の断面図である。

【００１６】１は（１１０）シリコンウェハーで、両面
からの異方性エッチングによりインク室１０１、供給路
１０２、インク溜り１０３のそれぞれの側壁を形成し
た。供給路１０２の一部は、隣接する隔壁と連結部１０
４で互いにつながるように、片側からの異方性エッチン
グを施している。また、濡れ性を向上させ気泡排出性を
良くするためと、耐インク性を向上させるためにパター
ン形成後、熱酸化処理を施してある。

【００１７】供給路１０２はインク室１０３よりも幅を
小さくして流路抵抗を大きくし、吐出時に効果的にノズ
ル２０１側にインクを送り出すと共にインク溜り１０３
への流出を減らしてクロスト−クを防止する。また、イ
ンク室１０１を（１１１）面に囲まれた平行四辺形と
し、インクの流れを円滑にし、気泡排出性を向上させる
ように供給路１０２はインク室１０１の平行四辺形の鋭
角側の隅に配置し、かつ、一つの（１１１）面を共有す
るように配した。

【００１８】このシリコンウェハ−１の両面に各インク
室１０１に対応するノズル２０１を持つノズル板２と、
振動板３が接着されている。振動板３の背面に圧電素子
４が各インク室１０１の位置に取り付けられている。

【００１９】ノズル板２は厚さ１００μｍの金属板で直
径４０μｍのノズル２０１があけられている。圧電素子
４の振動板３との反対な側はブロック５と波線Ａで示し
た箇所で接着されている。一方ブロック５は波線Ｄで示
した供給路１０２近傍で振動板３と接着されている。

【００２０】振動板３は、供給路１０２からインク室１
０１にかけて、図２に示すように薄くなっている。ブロ
ック５でこの部分で接着することにより、圧電素子４に
よる力を受けて破損したり、振動板３とシリコンウェハ
ー１とノズル板２が全体的に撓んだりするのを効果的に
補強できる。ブロック５と振動板３を、ノズル２０１近
傍でも固定するとさらに良い。

【００２１】振動板３にはインク室１０１毎に突起３０
１が設けられており、圧電素子４の変位が効果的にイン
ク室１０１内の体積変化を発生させるようになってい
る。本実施例では振動板３はニッケルの電鋳で製作し、
振動板３の突起３０１周辺のインク室１０１部分は厚さ
２μｍ、その他の部分と突起３０１は厚さ２０μｍとし
た。インクはパイプ６からブロック５にあけられた貫通
口７、供給口８、インク溜り１０３、供給路１０２、イ
ンク室１０１へと供給される。

【００２２】次にインク滴吐出動作について図１に沿っ
て簡単に説明する。インクがインク室１０１まで充填さ
れた状態で、ブロック５に一端を固定した圧電素子４に
電圧を印加する。圧電素子４は矢印Ｂ方向に縮み、圧電
素子４の他端が接着された振動板３のインク室１０１に
あたる部分を引っ張り、インク室１０１の容積を増大さ
せる。本実施例では圧電素子４は直接ブロック５に固定
されているが、間に他の部材を介して固定しても良い。

【００２３】この時インクはノズル２０１でメニスカス
を形成しており、表面張力によってインク室１０１の容
積増大によって引き込まれる力に対抗するため、インク
溜り１０３の方からインクが供給されてくる。次に充電
された圧電素子４の電荷を急激に放電することにより、
逆にインク室１０１の容積が減少し、ノズル２０１から
インクが吐出される。

【００２４】この時、インク室１０１の内部の圧力は条
件によるが、１から５気圧程度にまでなる。このような
構造のヘッドにおいては流路を樹脂などで形成した場
合、剛性が低いためにこの圧力によって隣接したインク
室１０１との隔壁が撓んだり、流路全体が厚み方向に変
形する。このため、吐出インク量が減少したり、他の吐
出動作を行っていないノズル２０１から吐出が起こる。

【００２５】しかしながら、本発明においてはシリコン
の剛性が樹脂等に比べて非常に高いためこのようなこと
が起こりにくい。シリコンウェハ−の厚さが５０μｍ以
上５００μｍ以下の範囲が特に効果的であった。

【００２６】更に、剛性が低い隔壁の両面をノズル板２
と振動板３で固定し、前述したようにブロック５で補強
しているので十分な強度となっている。

【００２７】本実施例においては厚さ２００μｍのシリ
コンウェハ−１を用い、幅１００μｍのインク室１０１
を１４１μｍピッチで配置して、応答周波数８ｋＨｚを
達成した。

【００２８】供給路１０２とインク室１０１が一つの部
品の中に同時に形成されているので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、流路間の特性のば
らつきやロット間のばらつきも小さい。

【００２９】供給路１０２の寸法ばらつきは、吐出され
るインク滴の飛翔特性に大きな影響を与える。全ノズル
２０１から吐出されるインク滴の特性をそろえるため、
隣接インク室１０１間の隔壁が両持構造とした。これ
は、ノズル板２ないし振動板３へ接着する際などの製造
工程で、位置決め精度を確保するためである。

【００３０】このような両持ち構造を実現する方法とし
て、あらかじめＳｉ単結晶表面にボロンなどの不純物を
ドープしたのち、異方性エッチングを施すすこと方法
と、異方性エッチングを施す時のマスキングパターンを
表裏で異形とする方法の二つの方法がある。

【００３１】本実施例では圧電素子４が電界印加によっ
て伸縮する方向を概ねウェハー面に垂直にしている。例
えば図５に示したようなバイモルフ式の場合では、１ｍ
ｍピッチ程度より高密度にインク室１０１を配置する
と、インク吐出が行えなくなってしまった。これは、イ
ンク室１０１の容積変化が少ないためである。

【００３２】本実施例で行なった圧電素子の配置は、高
密度になってインク室１０１の面積が小さくなっても大
きな変位を発生させ得るため、シリコンウェハーでの高
精度、高密度化の利点を大きく生かせる。

【００３３】また、ノズル板２は本実施例では金属板に
プレスによってノズル２０１を形成し、ノズル板２とシ
リコンウェハー１を接着したが、ノズル板２をガラスで
形成して陽極接合で接合する方法や、ノズル板２を（１
００）ないし（１１０）シリコンウェハーで形成して拡
散接合する方法でも良い。

【００３４】図３に図１に示した第１の実施例よりも多
数ノズルでより高密度の印字を行える第２の実施例のイ
ンクジェットヘッドを示す。基本構造は図１と同様であ
るので、ここではシリコンウェハ−のパタ−ンのみを示
した。

【００３５】これらのパタ−ンは、供給路１０２を除
き、全て（１１１）面で囲まれた貫通パタ−ンである。
本実施例では供給路１０２、インク室１０１、ノズル２
０１の組を１４１μｍピッチで２６組づつを、７０μｍ
ずらして２列配した。

【００３６】図中のノズル２０１および供給口８は、シ
リコンウェハ−１のパタ−ンの中には無いが説明のため
に記入してある。両列とも図中最上部と最下部の組の計
４組は、実際にはインク吐出を行わないダミーである。

【００３７】ダミーの目的は、インク室１０１の隣接イ
ンク室との隔壁を同じ状態にして吐出特性を揃えること
と、上部の組では積極的にインク溜り１０３に混入した
気泡を流入させ他のインク室に流入させないことであ
る。

【００３８】この構成で１インチ当たり３６０ドット、
４８ノズルのインクジェットヘッドとなる。直径３イン
チの（１１０）シリコンウェハーから同時に３０枚の本
パターンがとれるため、一枚あたりのエッチング時間と
材料費が少なく、安価に製造できる。

【００３９】インクは図１の実施例同様供給口８からイ
ンク溜り１０３、各供給路１０２を経てインク室１０１
へと供給される。図３中の９および１０は図１の様にノ
ズル板２、振動板３、ブロック５等を組み付ける際に位
置決めのピンを通すための穴である。波線Ｃの場所の鋸
状になっているところはパタ−ンを全て（１１１）面の
みで形成することができるようにしたものであるが、気
泡がこの部分に引っ掛かるのを防ぐために鋸状の谷の部
分の深さが５０μｍ以下になるように設定している。

【００４０】図４に第３の実施例を示す。図３の実施例
同様シリコンウェハ−上のパタ−ンのみを示した。本実
施例では供給路１０２の一つの側壁をインク室１０１が
形作る平行四辺形の短辺側の側壁と同じ（１１１）面と
した。

【００４１】このような同じパタ−ンを４個並べ、それ
ぞれに独立したインク供給口８から色の異なるインクを
供給して、カラ−インクジェットヘッドとした。この構
成では供給口からインク室１０１に至る経路に鋭角の部
分が無いため、インクおよび気泡の流れが円滑になり、
より安定した特性が得られる。

【００４２】また、インク室１０１が形作る平行四辺形
の長辺と供給路１０２の側壁を共有する場合に比べ幅を
小さくできるため、本実施例のように列数が多い場合や
１列のみのヘッドを複数個横に並べてカラープリンタを
構成する場合などに全体の幅を小さくでき、印字速度の
向上と装置の小形化が容易になる。

【００４３】次に本発明の第４の実施例を図５にそって
説明する。図１の実施例同様、（１１０）シリコンウェ
ハー１の異方性エッチングでインク室１０１、供給路１
０２、インク溜り１０３の側壁を形成し、シリコンウェ
ハー１の片面にノズル２０１を有するノズル板２が接着
されている。

【００４４】本実施例ではシリコンウェハー１のノズル
板と反対の面に、ガラスやセラミックの基板上にインク
室１０２とそれぞれ対応する発熱素子１１を配置したも
のを接合した。

【００４５】発熱素子１１に通電することで瞬間的にイ
ンクを膜沸騰させてその気泡の圧力でインクを吐出させ
る、いわゆるサーマルインクジェット方式である。サー
マルインクジェット方式も狭い領域でも大きな体積変化
を生じさせることができるため、シリコンウェハーでの
高精度、高密度化の利点を大きく生かせる。

【００４６】

【発明の効果】本発明の構成により、高精度の流路を深
いパターンで作ることで高応答性の高密度のインクジェ
ットヘッドが安価に製造できる。シリコンウエハーの異
方性エッチングを利用しているため、エッチング精度が
良く、安定した品質を容易に確保できる。インク流路深
さが、ほぼ均一なため、気泡排出性にも優れているとい
う効果を有する。

【００４７】また、供給路からインク室へのインクの流
れが円滑になるため気泡排出性が向上し、安定した印字
特性を確保できるという効果を有する。

【００４８】さらに、圧力発生手段の配置の高密度化と
高精度の深い流路形成があいまって、高応答性と非常な
高密度を両立させたインクジェットヘッドが容易にかつ
安価に製造できるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例のインクジェットヘッド
の斜視図。

【図２】本発明の第１の実施例のインクジェットヘッド
の断面図。

【図３】本発明の第２の実施例のインクジェットヘッド
の平面図。

【図４】本発明の第３の実施例のインクジェットヘッド
の平面図。

【図５】本発明の第４の実施例のインクジェットヘッド
の平面図。

【図６】従来のインクジェットヘッドの流路の構成例を
示す斜視図。

【図７】従来のインクジェットヘッドの断面図。

【符号の説明】 １ （１１０）シリコンウェハー ２ ノズル板 ３ 振動板 ４ 圧電素子 ５ ブロック ６ パイプ ７ ブロック５にあけられた貫通口 ８ 供給口 １１ 発熱素子 ６１ （１００）シリコンウエハー ６２ インク室 ７１ （１００）シリコンウエハー ７２ インク供給路 ７３ インク室 ７４ 圧電素子 １０１ インク室 １０２ 供給路 １０３ インク溜り １０４ 連結部 ２０１ ノズル

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端が供給路を介してインク溜りに連通
   し、他端がインク滴吐出ノズルに連通した細長いインク
   室を複数有し、前記インク溜り、インク室の側壁は（１
   １０）シリコンウェハーの異方性エッチングによって貫
   通形成したシリコンの（１１１）面から成り、供給路の
   少なくとも一部は貫通しない部分を持ち、隣接するイン
   ク室間の隔壁は前記インク室の前記ノズル側と、前記供
   給路側で支持される両持ち構造を成し、前記シリコンウ
   ェハーの両（１１０）面を挟み込む第１、第２の平板を
   有し、第１の平板には前記インク室に連通するノズル
   を、第２の平板には圧力発生手段を有することを特徴と
   するインクジェットヘッド。
2. 【請求項２】 前記インク室は概ね平行四辺形をしてお
   り、前記供給路はこのインク室よりも幅が狭くかつこの
   平行四辺形の鋭角側の隅で前記インク室と連通し、前記
   供給路とインク室のそれぞれの一つの側壁を同一の（１
   １１）面とす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。
3. 【請求項３】 前記両持ち構造の前記供給路側の近傍
   で前記第２の平板がブロックに固定されており、前記圧
   力発生手段は、一端がこのブロックに相対的に固定さ
   れ、他端が前記第２の平板に接合されて前記シリコンウ
   ェハーの（１１０）面に略垂直に変位する圧電素子であ
   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。
4. 【請求項４】 前記両持ち構造の前記供給路側の近傍
   で前記第２の平板がブロックに固定されており、前記圧
   力発生手段は、前記第２の平板に配設された発熱素子で
   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。