JP3241874B2 - インクジェットヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インクジェットヘッド
およびその製造方法に関し、より特定的には容器の内部
を満たすインク液に圧力を加えることにより、容器内部
から外部へインク滴を吐出させるインクジェットヘッド
およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、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、圧電素子の変位による圧力を利用したインク
ジェットヘッドや、バブル方式のインクジェットヘッド
などがある。

【０００３】また液滴吐出手段として圧電素子を用いた
ものには、たとえば積層型やバイモルフ型のインクジェ
ットヘッドがある。以下、この積層型とバイモルフ型の
インクジェットヘッドを従来の第１と第２のインクジェ
ットヘッドとして図を用いて説明する。

【０００４】図３２は、従来の第１のインクジェットヘ
ッドの構成を概略的に示す断面図である。図３２を参照
して、従来の第１のインクジェットヘッド３１０は、液
滴吐出手段として積層型の圧電素子を用いたものであ
る。このインクジェットヘッド３１０は、容器３０５
と、積層型の圧電素子３０４とを有している。

【０００５】この容器３０５は、空間３０５ａと、ノズ
ルオリフィス３０５ｂと、インク供給口３０５ｃとを有
している。空間３０５ａは容器３０５の内部に設けら
れ、インク８０を満たすことができる。またこの空間３
０５ａには、インク供給口３０５ｃよりインク８０が供
給可能である。また容器３０５の壁部にはノズルオリフ
ィス３０５ｂが設けられている。このノズルオリフィス
３０５ｂにより空間３０５ａは容器３０５の外部と通じ
ている。この空間３０５ａの内部に積層型の圧電素子３
０４が設けられている。

【０００６】積層型の圧電素子３０４は、複数個の圧電
素子３０１と、１対の電極３０３とを有している。複数
個の圧電素子３０１が積層されており、各圧電素子３０
１間に挟まれるように１対の電極３０３が交互に配置さ
れている。これにより、各圧電素子３０１に効果的に電
圧が印加されるように構成されている。また１対の電極
３０３には、電源３０７が接続されており、スイッチの
ＯＮ・ＯＦＦの切換えにより電圧印加の切換が行なわれ
る。

【０００７】このインクジェットヘッド３１０の動作に
おいては、まずスイッチがＯＮされることにより１対の
電極３０３に電圧が印加される。この電圧の印加により
圧電素子３０１の各々に電圧が印加される。これによ
り、各圧電素子３０１が長手方向（矢印Ａ₁ 方向）に延
びる。この各圧電素子３０１の長手方向への延びにより
インクジェットヘッド３１０は図３３に示す状態とな
る。

【０００８】図３３を参照して、各圧電素子３０１が長
手方向（矢印Ａ₁ 方向）に延びることにより、空間３０
５ａ内に満たされたインク８０に圧力が加えられる。こ
の圧力により、インク８０にはたとえば矢印Ａ₂ 方向、
矢印Ａ₃ 方向に圧力がかかる。特にこの矢印Ａ₂ 方向へ
の圧力によりインク８０がノズルオリフィス３０５ｂよ
り外部へ吐出し、インク滴８０ａを形成する。この吐出
もしくは噴出されたインク滴８０ａにより、プリント面
への印字が行なわれる。

【０００９】図３４は、従来の第２のインクジェットヘ
ッドの構成を概略的に示す断面図である。図３４を参照
して、従来の第２のインクジェットヘッド３３０は、容
器３２５と、バイモルフ３２４とを有している。

【００１０】容器３２５は、空間３２５ａと、ノズルオ
リフィス３２５ｂと、インク供給口３２５ｃとを有して
いる。容器３２５の内部にはインク８０で満たすことの
できる空間３２５ａが設けられている。またこの空間３
２５ａには、インク供給口３２５ｃよりインク８０が供
給可能である。容器３２５の壁部にはノズルオリフィス
３２５ｂが設けられている。このノズルオリフィス３２
５ｂにより空間３２５ａは容器３２５の外部と通じてい
る。この空間３２５ａの内部にバイモルフ３２４が配置
されている。

【００１１】ここでバイモルフとは、圧電素子よりなる
プレートの両面に電極を２枚貼合わせた構造をいう。そ
れゆえバイモルフ３２４は、圧電素子３２１と、１対の
電極３２３とを有している。このバイモルフ３２４は、
その一方端部が容器３２５の内壁に取付けられて固定さ
れている。またバイモルフ３２４の自由端と対向する位
置にノズルオリフィス３２５ｂが位置付けられている。
この１対の電極３２３には、電源３２７が接続されてお
り、スイッチのＯＮ・ＯＦＦにより電圧印加の切換えが
行なわれる。

【００１２】従来の第２のインクジェットヘッド３３０
の動作においては、まず空間３２５ａ内にインク８０が
満たされる。また１対の電極３２３には電圧が印加され
た状態となっている。すなわち、印加電圧により圧電素
子３２１は変位し、それによりバイモルフ３２４はその
自由端が矢印Ｂ₁ 方向に変位した状態、いわゆる反りの
生じた状態となっている。この状態からスイッチがＯＦ
Ｆ状態とされる。これにより、１対の電極３２３への電
圧の印加が解除され、バイモルフ３２４の自由端が矢印
Ｂ₂ 方向へ変位し、図３５に示す状態となる。

【００１３】図３５を参照して、このバイモルフ３２４
の変位によりインク８０にはたとえば矢印Ｂ₃ 方向に圧
力が加えられる。この矢印Ｂ₃ 方向への圧力により、イ
ンク８０はノズルオリフィス３２５ｂより吐出しインク
滴８０ａを形成する。この吐出もしくは噴出したインク
滴８０ａによりインク面への印字が行なわれる。

【００１４】次に、バブル方式のインクジェットヘッド
を従来の第３のインクジェットヘッドとして説明する。

【００１５】図３６は、従来の第３のインクジェットヘ
ッドの構成を概略的に示す分解斜視図である。図３６を
参照して、従来の第３のインクジェットヘッド４１０
は、ヒータ部４０４と、ノズル部４０５とを有してい
る。

【００１６】ヒータ部４０４は、ヒータ４０１と、電極
４０３と、基板４１１とを有している。すなわち、基板
４１１の表面上には電極４０３とこの電極４０３に接続
されたヒータ４０１とが形成されている。

【００１７】ノズル部４０５は、ノズル４０５ａと、ノ
ズルオリフィス４０５ｂと、インク供給口４０５ｃとを
有している。ノズル４０５ａは、ヒータ４０１に対応し
て複数個設けられている。また、各ノズル４０５ａに対
応してノズルオリフィス４０５ｂが設けられている。ま
た各ノズル４０５ａにインクを供給するためのインク供
給口４０５ｃが設けられている。

【００１８】次に、バブル方式のインクジェットヘッド
の動作原理について説明する。図３７（ａ）〜（ｅ）
は、バブル方式のインクジェットヘッドの液滴形成過程
を工程順に示すノズルの概略断面図である。

【００１９】まず図３７（ａ）を参照して、電極（図示
せず）に通電されることによりヒータ４０１に電流が流
される。これによりヒータ４０１が急激に加熱され、ヒ
ータ４０１面上に核気泡８１ａが発生する。

【００２０】図３７（ｂ）を参照して、ヒータ４０１が
急激に加熱されるため、予め存在する発泡核が活性化す
る前に、インク８０が加熱限界に達する。これにより、
ヒータ４０１面上の核気泡８１ａが合体して膜気泡（バ
ブル）８１ｂが得られる。

【００２１】図３７（ｃ）を参照して、さらにヒータ４
０１を加熱することにより、膜気泡８１ｂが断熱膨張
し、成長する。この膜気泡８１ｂの成長した体積分だけ
インク８０は圧力を受ける。この圧力により、インク８
０はオリフィス４０５ｂ外へ押出される。膜気泡８１ｂ
が最大になる時点ではヒータ４０１の加熱は停止されて
いる。

【００２２】図３７（ｄ）を参照して、ヒータ４０１の
加熱が停止されることにより、膜気泡８１ｂは周囲のイ
ンク８０に熱を吸収される。これにより、膜気泡８１ｂ
の体積が収縮する。この体積の収縮により、インク８０
はノズル４０５ａ内に吸引される。このインク８０の吸
引より、オリフィス４０５ｂ外に押出されたインク８０
ａはインク滴を形成しようとする。

【００２３】図３７（ｅ）を参照して、さらに膜気泡８
１ｂの体積が収縮もしくは膜気泡８１ｂが消滅すること
により、インク滴８０ａが形成される。

【００２４】従来の第３のインクジェットヘッド４１０
の動作においては、上記の過程により形成されたインク
滴８０ａの吐出もしくは噴出により、プリント面に印字
が行なわれる。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の第
１、第２、第３のインクジェットヘッド３１０、３３
０、４１０は構成されている。しかしながら、従来の第
１、第２、第３のインクジェットヘッド３１０、３３
０、４１０においては、その各々に以下に述べる問題点
がある。

【００２６】まず、圧電素子を用いる従来の第１、第２
のインクジェットヘッド３１０、３３０では、インクジ
ェットヘッド３１０、３３０を小さな寸法に維持したま
ま、大きい吐出力を得ることができないという問題点が
あった。そのことについて詳細に説明する。

【００２７】圧電素子を用いる場合、電圧を印加するこ
とにより圧電素子を変形させて、その変形力によりイン
ク滴を吐出させる。この圧電素子の変形量を大きくする
ためには、大きな電圧を圧電素子に印加しなければなら
ない。しかしながら、インクジェットヘッドの耐圧を考
慮すると、大きな電圧を圧電素子に印加することはでき
ない。このように印加電圧値が制約された条件下におい
ては、圧電素子の変形量を大きく確保することはできな
い。

【００２８】図３２、図３３に示す従来の第１のインク
ジェットヘッド３１０では、大きな変位量を得るため、
圧電素子３０１をその長手方向に積層している。すなわ
ち、このインクジェットヘッド３１０では、積層された
各圧電素子３０１単位で電圧が印加されて各圧電素子３
０１から効果的に変位量が得られるため、その長手方向
に比較的大きな変位量が得られる。しかし、このように
圧電素子３０１を積層しても制約された印加電圧では十
分な変位量が得られない。

【００２９】具体的には、従来の第１のインクジェット
ヘッド３０１において、現在もっとも効率よく電圧を変
位量に変換できるＰＺＴを圧電素子に用いて積層し、そ
の断面形状を２ｍｍ×３ｍｍ、長さを９ｍｍとした場
合、積層された圧電素子は、１００Ｖの印加電圧でも矢
印Ａ₁ 方向に６．７μｍしか変位しない。

【００３０】また、このインクジェットヘッド３１０で
はさらに大きな変位量を得るためには、圧電素子３０１
の積層回数を多くする構造が考えられる。しかし、圧電
素子３０１の積層回数を多くすると、必然的に積層され
た圧電素子３０４全体としての長手方向の寸法が大きく
なる。このように積層された圧電素子全体としての寸法
が大きくなるため、それを配置する圧力室３０５ａの寸
法も大きくせねばならず、インクジェットヘッド３１０
自体の寸法が大きくなる。

【００３１】図３４、図３５に示す従来の第２のインク
ジェットヘッド３３０においても、圧電素子自体の変位
量を大きく確保できないため、バイモルフ３２４の厚み
方向（矢印Ｂ₁ 方向）の変位を大きくすることができな
い。

【００３２】具体的には、従来の第２のインクジェット
ヘッド３３０において、圧電素子としてＰＺＴを用い、
バイモルフの長さを６ｍｍ、厚みを０．１５ｍｍ、幅を
３ｍｍとした場合、バイモルフ３２４は、５０Ｖの印加
電圧で矢印Ｂ₁ 方向に１２μｍしか変位しない。

【００３３】この厚み方向の変位量を大きくするには、
バイモルフ３２４の全長を長くすることが考えられる。
すなわち、図３８を参照して、バイモルフ３２４の全長
が短い場合、厚み方向の変位量（Ｃ₁ ）は比較的小さい
が、全長が長い場合、変位量（Ｃ₂ ）は比較的大きくな
る。なお、図３８はバイモルフの厚み方向の変位量につ
いて説明するためのバイモルフの側面図である。

【００３４】しかし、大きな変位量を得るべくバイモル
フ３２４の全長を長くすると、容器３２５の空間３２５
ａの寸法も大きく確保せねばならず、インクジェットヘ
ッド３３０自体の寸法が大きくなる。

【００３５】このように、従来の第１、第２のインクジ
ェットヘッド３１０、３３０の寸法が大きくなると、ノ
ズルを集積化したマルチノズルヘッドの作成が困難にな
るという問題点があった。

【００３６】また、従来の第１、第２のインクジェット
ヘッド３１０、３３０では、圧電素子としてＰＺＴを用
いている。このＰＺＴは、薄膜形成法（たとえばスパッ
タ法など）により形成可能である。しかし、従来の第
１、第２のインクジェットヘッド３１０、３３０に用い
た場合、圧電素子自体の膜厚が大きくなるため、通常の
薄膜形成法ではこの膜厚を一度に形成することは困難で
ある。それゆえ、薄膜形成法により圧電素子の膜厚を厚
く形成するためには、何回かの工程に分けて圧電素子を
積層する必要があり、その製造方法は極めて煩雑となり
コスト面において好ましくない。

【００３７】また、バブル方式を用いる従来の第３のイ
ンクジェットヘッド４１０では、インクジェットヘッド
の寿命が短くなるという問題点があった。そのことにつ
いて詳細に説明する。

【００３８】図３６に示すバブル方式のインクジェット
ヘッド４１０では、図３７（ａ）〜（ｃ）に示すプロセ
スで、綺麗な気泡８１ｂを得るため膜沸騰現象を生じさ
せる必要がある。このためには、ヒータ４０１を急激に
加熱する必要がある。具体的には、インク８０を約３０
０℃にまで加熱しなければならないため、ヒータ４０１
は１０００℃前後にまで加熱される。また、高速印字を
実現させるため、ヒータ４０１には短時間で加熱と冷却
が繰返されねばならない。このように高温への加熱と冷
却とが繰返された場合、たとえ耐熱性に優れたＨ₄ Ｂ₄
等の材料をヒータ４０１に用いてもヒータ４０１に熱疲
労が生じてしまう。このように、バブル方式のインクジ
ェットヘッド４１０では、ヒータ４０１が劣化しやす
く、インクジェットヘッドの寿命が短くなる。

【００３９】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、小さな寸法を維持したまま大き
な吐出力を得ることができる寿命の長いインクジェット
ヘッドを提供することを目的とする。

【００４０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のインク
ジェットヘッドは、容器の内部を満たすインク液に圧力
を加えることにより、容器内部から外部へインク滴を吐
出させるインクジェットヘッドであって、容器と、プレ
ート状の座屈構造体とを備えている。容器は、インク液
で満たすことのできる空間を内部に有し、空間の内部か
ら外部へ通じる貫通孔を有している。座屈構造体は、容
器内部に配置され、かつ両端部が容器に支持されてい
る。この座屈構造体は、通電により生じる熱膨張によっ
て座屈して貫通孔側へ変位するよう構成され、所定の温
度で座屈を生じるように予め内部応力を与えられた構成
を有し、かつ非通電時に圧縮内部応力を有した状態でプ
レート状に支持されている。

【００４１】請求項２に記載のインクジェットヘッド
は、容器の内部を満たすインク液に圧力を加えることに
より、容器内部から外部へインク滴を吐出させるインク
ジェットヘッドであって、容器と、プレート状の座屈構
造体と、圧縮手段とを備えている。容器は、インク液で
満たすことのできる空間を内部に有し、空間の内部から
外部へ通じる貫通孔を有している。座屈構造体は、容器
内部に配置され、かつ両端部が容器に支持されている。
圧縮手段は、座屈構造体の両端部に圧縮力を加えるため
のものである。この座屈構造体はプレート状の第１の層
と第２の層とを含み、かつ第１の層と第２の層とは互い
に異なる材料よりなり、かつ互いに異なる圧縮内部応力
を有し、かつ第１および第２の層のうち吐出側に位置す
る一方の層の圧縮内部応力が他方の層の圧縮内部応力よ
り大きく設定されている。座屈構造体は、圧縮手段によ
り圧縮力を与えられて座屈し、貫通孔側へ変位するよう
構成されている。請求項３に記載のインクジェットヘッ
ドでは、第１および第２の層は、電気めっきにより形成
された層である。 請求項４に記載のインクジェットヘッ
ドでは、第１および第２の層の圧縮内部応力の設定は、
電気めっきの電流制御により行なわれる。 請求項５に記
載のインクジェットヘッドでは、座屈構造体は、吐出方
向と反対側の面で容器に固定されている。 請求項６に記
載のインクジェットヘッドの製造方法は、加熱による座
屈変形によってインクを吐出するインクジェットヘッド
の製造方法であって、以下の工程を備えている。 まず基
板の表面に第１のめっき層が形成される。第１のめっき
層上に、第１のめっき層よりも大きな圧縮内部応力を有
する第２のめっき層が形成される。第１のめっき層およ
び第２のめっき層がエッチングされることにより座屈構
造体の形状にパターニングされる。基板の裏面から表面
に貫通する凹部を形成するように基板が除去される。

【００４２】

【作用】請求項１に記載のインクジェットヘッドでは、
座屈構造体は、通電により生じる熱膨張によって圧縮力
を与えられて座屈する。この座屈により、座屈構造体の
平面方向の変位量が厚み方向の変位量に変換される。ま
た、座屈による変形では、その平面方向の変位量が小さ
くとも、その小さな変位量を厚み方向に大きな変位量に
変換することができる。このため、座屈構造体の寸法を
大きくすることなく、大きな変位量を得ることが可能と
なり、それにより大きな吐出力が得られる。また、座屈
構造体を座屈させるためには、座屈構造体をその平面方
向の両端部で固定すればよく、その構造は非常に簡単で
ある。この点からも寸法を小さくすることは容易であ
る。したがって、寸法を小さく維持したまま大きな吐出
力を得ることができるインクジェットヘッドが得られ
る。

【００４３】また、通電により生じる熱膨張によって座
屈させるため、座屈構造体を加熱する必要がある。しか
しこの場合、インク自体を気化させる温度にまで座屈構
造体を加熱する必要はない。すなわち、材料の線膨張係
数に応じた温度にまで加熱すれば足りる。このため、座
屈構造体をバブル方式のインクジェットヘッドのヒータ
のように高温にまで加熱する必要はない。ゆえに、その
ような高温での加熱と冷却とを繰返すことによる熱疲労
は生じがたくなる。したがって、座屈構造体の劣化は少
なく、比較的その寿命は長くなる。また、必要な熱量も
小さくてよいため、消費電力が少なくて済む。また、非
通電時（室温）にて予め圧縮内部応力を与えておくこと
により、より大きな座屈変形量を得ることができる。こ
れにより、インクジェットヘッドにおいてインクを吐出
させるための吐出力を増加させることも可能となる。

【００４４】請求項２に記載のインクジェットヘッドで
は、座屈構造体は、互いに異なる材料よりなる第１の層
と第２の層とを含んでいるため、第１の層と第２の層と
の線膨張係数を異ならせることができる。この第１の層
と第２の層との線膨張係数の差を利用することにより、
座屈構造体が加熱により座屈して変形する場合、座屈構
造体を常に貫通孔側へ変位するよう制御することが可能
となる。このため、インクジェットヘッドの動作におけ
る誤動作が防止される。さらに、第１の層と第２の層と
は互いに異なる圧縮内部応力を有し、かつ第１および第
２の層のうち吐出側に位置する一方の層の圧縮内部応力
が他方の層の圧縮内部応力より大きく設定されているた
め、座屈構造体が加熱により座屈して変形する場合、確
実に座屈構造体を貫通孔側へ変位するよう制御すること
ができる。このため、インクジェットヘッドの動作にお
ける誤動作が確実に防止される。

【００４５】

【実施例】以下、本発明の実施例について図を用いて説
明する。

【００４６】図１は、本発明のインクジェットヘッドに
おける記録原理を説明するためのインクジェットヘッド
の主要断面図である。図１を参照して、本発明のインク
ジェットヘッドは、座屈構造体１と、圧縮力発生手段３
と、筺体５と、ノズルプレート７とを備えている。

【００４７】筺体５とノズルプレート７とにより内部に
中空空間を有する容器が構成されている。ノズルプレー
ト７には、円錐形またはロート状に形成された複数のノ
ズルオリフィス７ａが設けられている。また、ノズルプ
レート７の壁面には、中空空間内部へインク８０を供給
するためのインク供給口５ｂが設けられている。また筺
体５の内壁には、中空空間内部に延びる一対の取付フレ
ーム５ａが設けられている。この一対の取付フレーム５
ａのノズルオリフィス７ａ側の表面には、圧縮力発生手
段３を介在して座屈構造体１が取付固定されている。

【００４８】この座屈構造体１は平面方向（長手方向）
に延びるプレート状の構造体であり、その長手方向の両
端部に圧縮力発生手段３が取付固定されている。

【００４９】この座屈構造体１は加熱などの外因により
少なくともその長手方向（矢印Ｄ方向）に伸縮するよう
な材質よりなっている。また座屈構造体１に対向するノ
ズルプレート７の位置にノズルオリフィス７ａが位置づ
けられている。

【００５０】このインクジェットヘッド１０の動作にお
いては、まずインク供給口５ｂよりインク８０が供給さ
れ、その中空空間内部にインク８０が満たされる。これ
により、座屈構造体１はインク８０中に浸された状態と
なる。この後、座屈構造体１がたとえば加熱される。こ
れにより座屈構造体１は長手方向（矢印Ｄ₁ 方向）に延
びようとする。しかしながら、座屈構造体１の長手方向
の両端部は圧縮力発生手段３によって取付フレーム５ａ
に固定されている。このため、座屈構造体１はその長手
方向に延びることができず、逆に座屈構造体１には、そ
の反力として矢印Ｆ₁ 方向に圧縮力Ｐ₁ が与えられ、蓄
積される。この圧縮力Ｐ₁ が座屈構造体１の座屈加重Ｐ
_c を超えると、座屈構造体１は、図２に示すように座屈
変形を起こす。

【００５１】図２を参照して、この座屈構造体１の座屈
変形によって、座屈構造体１とノズルプレート７との間
の空間を満たすインク８０に圧力が加えられる。このイ
ンク８０に加えられた圧力がインク８０中を伝搬し、イ
ンク８０がノズルオリフィス７ａを通じて外部へ押出さ
れる。これにより、インクジェットヘッド１０の外部に
インク滴８０ａが形成されて、外側へ噴出する。このイ
ンク滴８０ａの噴出により、プリント面への印字（記
録）が行なわれる。

【００５２】次に、この記録原理を用いた本発明の実施
例の具体的構成について以下に説明する。

【００５３】図３は、本発明の第１の実施例におけるイ
ンクジェットヘッドの構成を概略的に示す主要断面図で
ある。図３を参照して、本発明の第１の実施例における
インクジェットヘッド３０は、座屈構造体２１と、絶縁
性部材２３と、筺体２５と、ノズルプレート２７と、電
源２９とを備えている。

【００５４】図１で説明したと同様、筺体２５とノズル
プレート２７とにより内部に中空空間が形成されてい
る。この筺体２５には、この中空空間にインクを供給す
るためのインク供給口２５ｂが設けられている。また筺
体２５の内壁には、中空空間に延びるように取付フレー
ム２５ａが設けられている。この取付フレーム２５ａの
ノズルプレート２７側の表面上に、絶縁性部材２３を介
在して座屈構造体２１が取付固定されている。この座屈
構造体２１と対向するノズルプレート２７の位置には、
中空空間から外部へ通じる円錐型またはロート状の複数
のノズルオリフィス２７ａが形成されている。

【００５５】座屈構造体２１は、導電性を有し、かつ弾
性変形を生じる、たとえば金属などの材料より形成され
ている。また座屈構造体２１は矩形状を有している。座
屈構造体２１の両端部には、電流を通電するための１対
の電極２１ａ、２１ｂが設けられている。一方の電極２
１ａはスイッチにより電源２９と接続可能である。すな
わち、スイッチのＯＮ・ＯＦＦ動作により一方の電極２
１ａと電源２９との接続・非接続を選択することができ
る。また他方の電極２１ｂは接地状態とされている。

【００５６】本実施例のインクジェットヘッド３０の動
作においては、まずインク供給口２５ｂよりインク８０
が供給され、それにより中空空間内部がインク８０によ
り満たされる。すなわち、座屈構造体２１はインク８０
中に浸された状態となる。

【００５７】この状態でスイッチがＯＮ状態とされるこ
とにより、一方の電極２１ａに電圧が印加される。これ
により、座屈構造体２１に電流が流れ、座屈構造体２１
は抵抗発熱により加熱され、熱膨張を起こそうとする。
すなわち、座屈構造体２１は少なくともその長手方向
（矢印Ｄ₂ 方向）に熱膨張によって延びようとする。

【００５８】しかしながら、座屈構造体２１の長手方向
の両端部は絶縁性部材２３により取付フレーム５ａに固
定されているため、膨張変形をすることができない。こ
のため、座屈構造体２１には長手方向の両端部から矢印
Ｆ₂ 方向に圧縮力Ｐ₂ が与えられ、蓄積される。この圧
縮力Ｐ₂ が座屈構造体２１の座屈加重Ｐ_c を超えると、
座屈構造体２１は図４に示すように座屈変形を起こす。

【００５９】図４を参照して、この座屈変形により、座
屈構造体２１は、その長手方向の略中間位置がノズルプ
レート２７側へ変位するように座屈する。この座屈構造
体２１の座屈により、座屈構造体２１とノズルプレート
２７との間の空間を満たすインク８０に圧力が加えられ
る。インク８０に加えられた圧力はインク８０を伝搬
し、インク８０はノズルオリフィス２７ａを通じてイン
クジェットヘッド３０の外部へ押出される。これによ
り、インクジェットヘッド３０の外部にインク滴８０ａ
が形成されて、噴出する。この噴出するインク滴８０ａ
によりプリント面に印字がなされる。

【００６０】さらに詳細にこの座屈変形について説明す
る。図５は、座屈構造体の座屈の様子を説明するための
座屈構造体と絶縁性部材との概略斜視図である。

【００６１】図５を参照して、座屈構造体２１のヤング
率をＥ（Ｎ／ｍ² ）、線膨張係数をα、長さ、幅、厚み
をそれぞれｌ（ｍ）、ｂ（ｍ）、ｈ（ｍ）とし、座屈構
造体の温度上昇をＴ（℃）とした場合、圧縮力Ｐ₂ は、
ＥαＴｂｈ（Ｎ）で示される。この圧縮力Ｐ₂ が座屈構
造体２１の座屈加重Ｐ_c 以下では座屈構造体２１には変
位は発生せず、圧縮力Ｐ₂ は内部応力として座屈構造体
２１に蓄積される。しかしながら、圧縮力Ｐ₂ が座屈加
重Ｐ_c を超えると座屈構造体２１は座屈を起こし、座屈
変形をする。この変形により、座屈構造体２１の長手方
向の略中間位置が矢印Ｇ₂ 方向に変位する。

【００６２】なお、矢印Ｇ₂ 方向に座屈構造体２１が変
位するのは、図２に示すように圧縮力Ｐ₂ が主に座屈構
造体２１を固定している絶縁性部材２３との境界で発生
しており、かつ座屈構造体２１の中心より下の部分に作
用しているためである。

【００６３】ここで、座屈加重Ｐ_c は、材料力学の技術
書（たとえば、「材料力学」 大橋義夫著（培風館））
によれば、両端支持の長柱の場合、Ｐ_c ＝π² Ｅｂｈ³
／３ｌ² で与えられる。したがって、Ｐ＞Ｐ_c の場合、
つまり座屈構造体の温度上昇Ｔが、π² ｈ² ／３αｌ²
より大きい場合に座屈が生じる。

【００６４】具体的には、座屈構造体をアルミニウム
（Ａｌ）で形成し、長さｌを３００μｍ、幅ｂを６０μ
ｍ、厚みｈを６μｍとした場合、温度上昇４５℃以上で
座屈が生じる。また、同一寸法で座屈構造体２１にニッ
ケルを用いた場合には、温度上昇７３℃以上で座屈が生
じる。

【００６５】図６は、座屈構造体を加熱した場合の温度
上昇と最大座屈変形量との関係をシミュレーション計算
に基づいて示す図である。この図５に示すシミュレーシ
ョン計算に基づくと、座屈構造体２１に上記の寸法でア
ルミニウムを用いた場合には、温度上昇３００℃で最大
座屈変形量が１６．３μｍとなる。またこれと同一条件
で、座屈構造体２１にニッケルを用いた場合には、最大
座屈変形量は１２．２μｍとなる。

【００６６】なお、座屈構造体２１の両端が固定されて
いない場合の温度上昇３００℃における長手方向の熱膨
張量（室温２０℃を基準とする）は、アルミニウムで
２．４μｍ、ニッケルで１．５μｍである。このよう
に、同一加熱温度においては、座屈変形量は、熱膨張量
より格段に大きくなることがわかる。すなわち、座屈現
象を利用することによって、座屈構造体２１の長手方向
の微少な変位量を厚み方向の大きな変形量に変換するこ
とができる。

【００６７】本実施例のインクジェットヘッド３０で
は、この座屈現象を利用しているため、座屈構造体２１
の長手方向（矢印Ｄ₂ 方向）の微少変位を厚み方向（矢
印Ｇ₂）の大きな変位量に変換することができる。この
ため、座屈構造体２１の寸法を大きくすることなく、厚
み方向に大きな変位量を得ることが可能となり、それに
より大きな吐出力を得ることができる。

【００６８】また、座屈構造体２１を座屈させるために
は、座屈構造体２１の長手方向の両端部を筺体２５に固
定すればよく、その構造は非常に簡単である。この構造
上の点からも本実施例のインクジェットヘッド３０の寸
法を小さくすることは容易である。したがって、寸法を
小さく維持したまま、大きな吐出力を得ることができる
インクジェットヘッド３０を実現することが可能とな
る。

【００６９】また、本実施例のインクジェットヘッド３
０では、座屈構造体２１を加熱により熱膨張させ、その
熱膨張量により生じる圧縮力Ｐ₂ によって座屈構造体２
１を座屈させている。このため、座屈構造体２１を座屈
させるためには、所定の温度まで座屈構造体２１を加熱
する必要がある。

【００７０】しかし、本実施例のインクジェットヘッド
３０では、バブル方式のインクジェットヘッドのよう
に、インク自体を気化させる温度にまで加熱する必要は
ない。すなわち、座屈構造体２１の材料の熱膨張係数に
応じた温度にだけ加熱すれば足りる。このため、本実施
例のインクジェットヘッド３０では、バブル方式のイン
クジェットヘッドのようにたとえば１０００℃といった
高温にまで加熱する必要はない。よって、高温での加熱
と冷却とを繰返すことによる座屈構造体２１の熱疲労は
抑制される。したがって、座屈構造体２１の熱疲労によ
る劣化は少なく、その寿命は比較的長くなる。

【００７１】第１の実施例においては、座屈構造体２１
が加熱により熱膨張することを利用して座屈構造体２１
を座屈させていた。しかしながら、本発明のインクジェ
ットヘッドでは、加熱により座屈を起こさせる方式に限
られず、座屈を起こさせる方式であればどのような方式
も採用することができる。すなわち、座屈構造体２１に
何らかの外因を与え、それにより座屈構造体２１に座屈
を生じさせるものであればよい。具体的には、圧電素子
を用いて座屈を生じさせてもよい。

【００７２】以下、圧電素子を用いて座屈を行なわしめ
る方式を本発明の第２の実施例として説明する。

【００７３】図７は、本発明の第２の実施例におけるイ
ンクジェットヘッドの構成を概略的に示す主要断面図で
ある。図７を参照して、本発明の第２の実施例における
インクジェットヘッド５０は、座屈構造体４１と、筺体
４５と、ノズルプレート４７と、圧電素子５１と、１対
の電極５３ａ、５３ｂとを有している。

【００７４】筺体４５とノズルプレート４７とによりそ
の内部に中空空間が形成されている。筺体４５には、そ
の中空空間にインクを供給するためのインク供給口４５
ｂが設けられている。また筺体４５の内壁には中空空間
に延びるように１対の取付フレーム４５ａが設けられて
いる。この１対の取付フレーム４５ａのノズルプレート
４７側の表面上には、圧電素子５１を介在して座屈構造
体４１が取付け固定されている。

【００７５】すなわち、座屈構造体４１の長手方向の両
端部のうち一方端部は取付フレーム４５ａに直接取付け
固定されており、その他方端部が圧電素子５１を介在し
て取付フレーム４５ａに取付け固定されている。

【００７６】この圧電素子５１には、圧電素子５１が少
なくとも矢印Ｊ方向に変位するように１対の電極５３ａ
と５３ｂが対向するように配置されている。また、一方
の電極５３ａは、スイッチを介在して電源４９に接続可
能である。すなわち、スイッチのＯＮ・ＯＦＦ動作によ
り一方の電極５３ａと電源４９との接続・非接続状態を
選択できるように設定されている。また、他方電極５３
ｂは接地状態とされている。

【００７７】本発明の第２の実施例におけるインクジェ
ットヘッド５０の動作においては、まず一方電極５３ａ
に電圧が印加されていない状態、いわゆるＯＦＦ状態と
される。この状態で、インク供給口４５ｂよりインク８
０が供給され、中空空間にインク８０が満たされる。

【００７８】この後、スイッチがＯＮ状態とされ、一方
電極５３ａに電源４９によって電圧が印加される。この
電圧の印加により、圧電素子５１は矢印Ｊ方向に延び
る。この圧電素子５１の変位により、座屈構造体４１に
は、矢印Ｆ₃ 方向に圧縮力Ｐ₃が加えられる。この圧縮
力Ｐ₃ が座屈構造体４１の座屈加重を超えると図８に示
すように座屈構造体４１が座屈する。

【００７９】図８を参照して、座屈構造体４１が座屈す
ることにより、座屈構造体４１の長手方向の略中間位置
が矢印Ｇ₃ 方向（厚み方向）に変位する。この座屈構造
体４１の変位により、座屈構造体４１とノズルプレート
４７との間の空間を満たすインク８０に圧力が加えられ
る。この加えられた圧力がインク８０を伝搬し、インク
８０はノズルオリフィス４７ａを通じて外部へ押出され
る。これにより、インクジェットヘッド５０の外部にイ
ンク滴８０ａが形成され、噴出する。この噴出したイン
ク滴８０ａによりプリント面に印字が行なわれる。

【００８０】上述したように印加電圧の制約をうけた条
件下においては、大きな圧電素子５１の変位量を得るこ
とはできない。しかし、本実施例においては、第１の実
施例と同様、座屈変形を利用している。この座屈変形に
おいては微少な長手方向の変位量を大きな厚み方向の変
位量に変換することができる。これにより、圧電素子の
長手方向の小さな変位量は座屈構造体４１の厚み方向
（矢印Ｇ₃ 方向）の大きな変位量に変換される。このた
め、積層型やバイモルフ型の圧電素子ように寸法を大き
くせずとも本実施例のインクジェットヘッド５０では大
きな変位量を得ることができる。したがって、本実施例
のインクジェットヘッド５０においても、小さな寸法を
維持したまま、大きなインク滴の吐出力を得ることが可
能となる。

【００８１】上記の第１と第２の実施例においては、座
屈構造体４１の一方表面側のみを筺体４５に固定するこ
とにより、座屈変形が一定方向（矢印Ｇ₂ 、Ｇ₃ 方向）
にのみ生じるよう構成されていた。しかしながら、座屈
構造体２１、４１が座屈により所望の方向（矢印Ｇ₂ 、
Ｇ₃ 方向）とは逆の方向に変位することも考えられる。
以下、この座屈構造体４１の座屈による逆方向への変位
を防止する構成を本発明の第３の実施例として説明す
る。

【００８２】図９は、本発明の第３の実施例におけるイ
ンクジェットヘッドの構成を概略的に示す分解斜視図で
ある。また図１０は、本発明の第３の実施例におけるイ
ンクジェットヘッドの構成を概略的に示す平面図であ
る。さらに図１１と図１２は、図１０のＸ−Ｘ線に沿う
概略断面図とＸＩ−ＸＩ線に沿う概略断面図である。

【００８３】主に図９を参照して、本発明の第３の実施
例におけるインクジェットヘッド１５０は、インクカバ
ー１０６と、ノズルプレート１０７と、スペーサ１０９
と、筺体１１０とを有している。

【００８４】主に図９と図１０を参照して、このノズル
プレート１０７は、たとえば０．１ｍｍ程度の厚みを有
し、かつガラス材で構成されている。ノズルプレート１
０７には、ノズルプレート１０７を貫通し、かつ一定方
向に配列された複数個のノズルオリフィス１０７ａが設
けられている。また、ノズルオリフィス１０７ａは、沸
酸によるエッチングによって円錐形またはロート状にノ
ズルプレート１０７に形成される。

【００８５】スペーサ１０９は、たとえば２０〜５０μ
ｍの厚みを有するステンレス鋼板よりなっている。ま
た、スペーサ１０９には、このスペーサ１０９を貫通
し、かつ圧力室を構成する複数個の開口１０９ａが設け
られている。この複数個の開口１０９ａはノズルオリフ
ィス１０７ａに対応して設けられている。また開口１０
９ａは、打抜き加工により、形成される。

【００８６】筺体１１０は、基板１０５と、座屈構造体
１０１と、絶縁性部材１１１とを有している。基板１０
５には、基板１０５を貫通するテーパー形状の凹部１０
５ａが設けられている。また基板１０５の一方表面上に
は、絶縁性部材１１１を介在して座屈構造体１０１が設
けられている。この座屈構造体１０１は、各ノズルオリ
フィス１０７ａに対応するように設けられ、かつ位置づ
けられている。この各座屈構造体１０１からは、外部電
気手段との接続のために操作電極１２３と共通電極１２
５とが引出されている。この操作電極１２３と共通電極
１２５とは絶縁性部材１１１によって基板１０５に固設
されている。各操作電極１２３には、スイッチを介在し
て電源１１３によって電流が流される構成となってい
る。

【００８７】各座屈構造体１０１は厚膜層１０１ａと薄
膜層１０１ｂとからなる２層構造を有している。この厚
膜層１０１ａは、薄膜層１０１ｂより基板１０５側に位
置し、かつ薄膜層１０１ｂより線膨張係数の小さい材料
よりなっている。また厚膜層１０１ａは、たとえば厚み
４．５μｍの多結晶シリコン（線膨張係数：２．８３×
１０^-6）により構成されている。また薄膜層１０１ｂ
は、たとえば厚み０．５μｍのアルミニウム（線膨張係
数：２９×１０^-6）により構成されている。

【００８８】なお、基板１０５は、たとえば面方位（１
００）の単結晶シリコン基板により構成されている。

【００８９】インクカバー１０６の表面には、所定深さ
を有する凹部１０６ａが設けられており、その凹部がイ
ンクカバー１０６の一方側部に通じてインク供給口とな
るべき部分１０６ｂを構成している。主に図１１と図１
２を参照して、上述したノズルプレート１０７は、スペ
ーサ１０９を介在して、たとえば非電導性のエポキシ系
接着剤１１７によって筺体１１０に接合されている。こ
の際、各ノズルオリフィス１０７ａの直下に各開口１０
９ａを介在して座屈構造体１０１ａ、１０１ｂが位置す
るようにノズルプレート１０７とスペーサ１０９と筺体
１１０とが配置される。これにより、各開口１０９ａ
は、座屈構造体１０１ａ、１０１ｂがインクに圧力を加
える空間、いわゆる圧力室を構成する。

【００９０】筺体１１０には、たとえばエポキシ系接着
剤（図示せず）によってインクカバー１０６が固設され
ている。この際、筺体１１０に設けられたテーパー形状
の凹部１０５ａとインクカバー１０６に設けられた凹部
１０６ａとによりインク室１２１が構成される。またこ
のインク室１２１に連通して外部に通ずるようにインク
供給口１０６ｂが構成される。このインク供給口１０６
ｂを通じて、外部のインク貯蔵層（図示せず）よりイン
ク室１２１へインク８０が供給される。

【００９１】このように、各部材が位置決めされて配置
されることにより、インク室１２１と圧力室１０９ａと
により一続きの空間が構成される。このインク室１２１
には、インク供給口１０６ｂを通じて外部からインクを
供給可能であり、圧力室１０９ａからは、ノズルオリフ
ィス１０７ａを通じて外部へインクを吐出、噴出可能で
ある。

【００９２】なお、本実施例においては、説明の簡略化
のため、４個のノズルオリフィス１０７ａを有するマル
チノズルヘッドについて示すが、本発明のインクジェッ
トヘッドにおいては、ノズルオリフィス１０７ａの個数
はこれに限定されるものではなく、任意に設計できるも
のである。

【００９３】次に、本実施例のインクジェットヘッド１
５０において、特に筺体１１０の製造方法について説明
する。

【００９４】図１３〜図１８は、本発明の第３の実施例
におけるインクジェットヘッドの筺体の製造方法を工程
順に示す概略断面図である。まず図１３を参照して、面
方位（１００）の単結晶シリコンによりなる基板１０５
が準備される。この基板１０５の表裏両面に６〜８％の
リン（Ｐ）を含んだ酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）１１１
（以下、ＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ
Ｇｌａｓｓ）とする）がＬＰＣＶＤ装置にて、たとえば
２μｍの厚みで成膜される。続いて、表裏両面のＰＳＧ
層１１１上に、不純物を含まない多結晶シリコン層１０
１ａがＬＰＣＶＤ装置により約４．５μｍの厚みで成膜
される。この後、約１０００℃の電気炉で窒素雰囲気中
において約１時間のアニール処理が施される。このアニ
ール処理の際に、ＰＳＧ層１１１からリンが多結晶シリ
コン層１０１ａ中に拡散し、多結晶シリコン層１０１ａ
が電導性を持つようになる。

【００９５】なお、説明の便宜上、基板１０５の図中上
側を表面とし、下側を裏面とする。図１４を参照して、
基板１０５の裏面の多結晶シリコン層１０１ａがエッチ
ングにより除去される。その後、基板１０５の表面上で
あって多結晶シリコン層１０１ａ上にアルミニウム層１
０１ｂがスパッタ装置により０．５μｍの厚みで成膜さ
れる。この後、ドライエッチング装置でアルミニウム層
１０１ｂと多結晶シリコン層１０１ａにエッチングが施
される。

【００９６】図１５を参照して、このエッチングによ
り、アルミニウム層１０１ｂと多結晶シリコン層１０１
ａとが所望の形状にパターニングされる。これにより、
アルミニウム層１０１ｂと多結晶シリコン層１０１ａと
からなる座屈構造体１０１が形成される。

【００９７】図１６を参照して、上記のように形成され
た基板１０５表面上のパターン１０１ａ、１０１ｂを保
護するため、ポリイミド１１３がスピンコータにより表
面上に塗布される。また基板１０５の裏面のＰＳＧ層１
１１がパターニングされる。このパターニングされたＰ
ＳＧ層１１１をマスクとしてシリコン基板１０５に異方
性エッチング液であるＥＤＰ液（エチレンジアミンとピ
ロカテコールと純水とからなる）でエッチングが施され
る。このエッチングにより、シリコン基板１０５を貫通
するテーパー形状の凹部１０５ａが形成される。そし
て、シリコン基板１０５の裏面上のＰＳＧ層１１１がエ
ッチング除去される。

【００９８】図１７を参照して、このシリコン基板１０
５の裏面上のＰＳＧ層１１１のエッチング除去ととも
に、シリコン基板１０５の表面上のＰＳＧ層１１１も一
部除去される。最後に、ポリイミド１１３がエッチング
除去されることにより、図１８に示す所望の構成を有す
る筺体１１０が得られる。

【００９９】次に、本発明の第３の実施例におけるイン
クジェットヘッド１５０の動作について説明する。

【０１００】図１１と図１２を参照して、インク供給口
１０６ｂを通じて外部のインク貯蔵槽よりインク８０が
供給され、インク室１２１と圧力室１０９ａにインク８
０が満たされる。この後、図１０に示すスイッチにより
操作電極１２３と共通電極１２５とに電流が通電され
る。これにより、座屈構造体１０１ａ、１０１ｂは抵抗
発熱により加熱され、少なくともその長手方向に熱膨張
を起こそうとする。しかしながら、座屈構造体１０１は
その長手方向の両端部が絶縁性部材１１１を介在して基
板１０５に固定されている。このため、座屈構造体１０
１はその長手方向（矢印Ｄ₄ 方向）に膨張変形すること
ができず、逆にその反力として矢印Ｆ₄ 方向に圧縮力Ｐ
₄ が発生し、蓄積される。さらに座屈構造体１０１の温
度が上昇し、この圧縮力Ｐ₄ が座屈加重を超えると、座
屈構造体１０１は図１９に示すように座屈変形を起こ
す。

【０１０１】図１９を参照して、座屈構造体１０１は、
座屈変形によりその長手方向の略中間位置が常に矢印Ｇ
₄ 方向へ変位する。この座屈構造体の座屈変形によって
圧力室１０９ａ内を満たすインク８０に圧力が加えられ
る。この圧力はインク８０を伝搬し、これによりインク
８０はノズルオリフィス１０７ａを通じて外部へ押出さ
れる。外部へ押出されたインク８０は、インクジェット
ヘッド１５０の外部においてインク滴８０ａを形成し、
かつ噴出する。この噴出されたインク滴８０ａによりプ
リント面への印字が行なわれる。

【０１０２】本実施例のインクジェットヘッド１５０に
おける座屈構造体１０１では、その長手方向の略中間位
置が座屈変形により常に一定方向（矢印Ｇ₄ 方向）に変
位する。以下、その理由について詳細に説明する。

【０１０３】仮に、座屈構造体が１種類の材料、すなわ
ち単層より構成されている場合、座屈変形は必ずしもノ
ズルプレート１０７側だけに起こるとは限らない。図３
と図６の第１および第２の実施例に示すように、座屈構
造体が、その一方表面でのみ筺体に固定されている場合
には、その構造上、座屈構造体２１、４１はノズルプレ
ート２７、４７側へ変位しやすい。しかし、高速で変位
が繰返される場合などには、座屈構造体２１、４１が逆
方向へ変位するという誤動作を生じることも考えられ
る。

【０１０４】本実施例のインクジェットヘッド１５０に
おいては、座屈構造体１０１は厚膜層１０１ａと薄膜層
１０１ｂとの２層構造を有し、厚膜層１０１ａは薄膜層
１０１ｂより線膨張係数の小さい材料より構成されてい
る。すなわち、座屈構造体１０１全体が所定の温度に上
昇した場合に、厚膜層１０１ａの熱膨張量より薄膜層１
０１ｂの熱膨張量の方が大きくなる。この２層の熱膨張
量の差により、座屈構造体１０１は、より抵抗の少ない
ノズルプレート１０７側へ変形する。

【０１０５】なぜなら、上述したように薄膜層１０１ｂ
は、厚膜層１０１ａより熱膨張量が大きく、その長手方
向へ延びようとする力は薄膜層１０１ｂの方が大きい。
座屈構造体１０１が矢印Ｇ₄ 方向に変位する場合、薄膜
層１０１ｂは厚膜層１０１ａに比較して大きい曲率で変
形することとなる。このため、たとえ薄膜層１０１ｂの
延びようとする力が厚膜層１０１ａに比較して大きいと
しても、その反力である内部圧縮応力は大きい曲率で変
形することによって緩和される。

【０１０６】これに対して、座屈構造体１０１が矢印Ｇ
₄ 方向と逆方向に変位する場合には、薄膜層１０１ｂ
は、厚膜層１０１ａより小さい曲率で変形することとな
る。この場合には、矢印Ｇ₄ 方向に変位する場合より
も、薄膜層１０１ｂ内の内部圧縮応力の緩和量は少な
い。このため、座屈構造体１０１における抵抗が大きく
なる。よって、座屈構造体１０１は、ノズルプレート１
０７側へ変位する。このように座屈構造体１０１の座屈
による変形方向が常に一方向へ変位するよう制御するこ
とが可能となる。これによって、インクジェットヘッド
の動作において、その誤動作が防止される。

【０１０７】本実施例のインクジェットヘッド１５０に
おいては、座屈構造体を構成する厚膜層１０１ａの方が
薄膜層１０１ｂに比較してかなり厚い。このため、厚膜
層１０１ａを構成する多結晶シリコンの機械的特性で座
屈構造体の座屈特性を計算すると、たとえば座屈構造体
の長さｌを４００μｍ、幅ｂを６０μｍ、厚みｈを４．
５μｍとすると、温度１４７℃以上で座屈構造体に座屈
が生じる。さらに詳しいシミュレーションにより座屈構
造体の温度が上昇したときの最大座屈変形量を計算する
と、温度３００℃で５．４μｍの変形量が生じる。

【０１０８】なお、座屈構造体の両端が固定されていな
い場合の温度３００℃における長さ方向の熱膨張量（室
温２０℃を基準とする）は多結晶シリコンで０．１７μ
ｍである。このことからも明らかなように、単に熱膨張
により長さ方向に変位させた場合に比較して、この長手
方向の変位量を厚み方向の変位量に変換する座屈変形の
方がはるかに変位量が大きいことがわかる。したがっ
て、この座屈現象を利用することにより、大きな厚み方
向の変形量を得ることができる。

【０１０９】なお、本実施例のインクジェットヘッド１
５０では、座屈構造体１０１は厚膜層１０１ａと薄膜層
１０１ｂとの２層構造を有しているが、２層以上の構造
でもよい。

【０１１０】また座屈構造体１０１の厚膜層１０１ａと
薄膜層１０１ｂとは線膨張係数の異なる材料より構成さ
れ、これにより座屈構造体１０１の座屈方向が制御され
ている。しかしながら、本発明のインクジェットヘッド
１５０においては、座屈方向を制御する構成はこれに限
られるものではなく、たとえば２層構造をなす厚膜層１
０１ａに内部圧縮応力のほとんどない材料を用い、かつ
薄膜層１０１ｂに内部圧縮応力の大きな材料、たとえば
スパッタ装置で成膜された酸化シリコン層で構成しても
同様の結果を得ることができる。

【０１１１】さらに、図３に示す座屈構造体２１に予め
内部応力を与え、その内部応力を制御することにより座
屈構造体が座屈を起こす温度を制御することができる。
以下、そのことについて詳細に説明する。

【０１１２】図５（ａ）を参照して、座屈構造体２１の
ヤング率をＥ（Ｎ／ｍ² ）、線膨張係数をα、長さ、
幅、厚みをそれぞれｌ（ｍ）、ｂ（ｍ）、ｈ（ｍ）と
し、また座屈構造体２１に設定されている内部応力をσ
（Ｐａ）とする。なお、内部応力σは室温２０℃におけ
る値であり、内部応力が圧縮応力である場合、σの符号
は＋とし、また内部応力が引張応力である場合、σの符
号は−とする。室温２０℃からの温度上昇をＴ℃とした
場合、圧縮力Ｐ₂ は、（ＥαＴ＋σ）ｂｈ（Ｎ）で示さ
れる。この圧縮力Ｐ₂ は座屈加重Ｐ_c を超えると座屈構
造体２１は座屈を起こし、座屈構造体２１の長手方向の
略中間位置が矢印Ｇ₂ 方向に変位する。

【０１１３】ここで、座屈加重Ｐ_c は、上述したように
両端支持の長柱の場合、Ｐ_c ＝π²Ｅｂｈ³ ／３ｌ² に
与えられる。したがって、Ｐ＞Ｐ_c となり座屈が生じ始
める温度（以下、座屈温度とする）Ｔ_C は、（π² ｈ²
／３αｌ² ）−（σ／Ｅα）となる。

【０１１４】このように室温（２０℃）において座屈構
造体２１に予め内部応力を加えた場合、内部応力を加え
ない場合に比較してσ／Ｅαだけ座屈温度が低くなる。
すなわち、室温における座屈構造体２１に与える内部応
力σが大きければ大きいほど座屈温度Ｔ_C を低く制御す
ることができる。

【０１１５】たとえば、座屈構造体２１をニッケル（Ｎ
ｉ）で形成し、長さｌを３００μｍ、幅ｂを６０μｍ、
厚みｈを６μｍとすると、室温における内部応力σが０
（Ｐａ）の場合、座屈構造体の温度上昇が７３℃になる
と座屈が生じる。これに対して、上記と同じ材質、同じ
寸法において室温での内部応力σを５０ＭＰａ（圧縮応
力）とする場合、座屈構造体２１の温度上昇が４９℃に
なると座屈構造体２１に座屈が生じる。

【０１１６】図２０は、座屈構造体にニッケルを用いた
場合の座屈構造体の温度上昇とその最大座屈変形量との
関係をシミュレーション計算によって示す図である。図
２０を参照して、横軸が座屈構造体の温度上昇を示し、
縦軸が最大座屈変形量を示している。σ＝０Ｐａは、室
温（２０℃）において座屈構造体に内部応力が０の場合
を示し、σ＝５０ＭＰａは、室温において座屈構造体に
５０ＭＰａの圧縮応力を加えた場合を示している。室温
において内部応力σを加えない場合、座屈構造体の温度
上昇を２００℃とすると９．２μｍの変形量を生じる。
これに対して、室温において圧縮応力５０ＭＰａを加え
た場合、座屈構造体の温度上昇を２００℃とすると１
０．１μｍの変形量が得られる。

【０１１７】このように、室温において予め内部応力を
加えることにより、より大きな座屈変形量を得ることが
できる。これにより、インクジェットヘッドにおいてイ
ンクを吐出させるための吐出力を増加させることも可能
となる。

【０１１８】次に、上記の原理を実現できるインクジェ
ットヘッドの具体的構成を本発明の第４の実施例として
説明する。

【０１１９】図２１は、本発明の第４の実施例における
インクジェットヘッドの構成を図１０のＸ−Ｘ線に対応
する断面で示す概略断面図である。また図２２は、本発
明の第４の実施例におけるインクジェットヘッドの構成
をＸＩ−ＸＩ線に対応する断面で示す概略断面図であ
る。

【０１２０】図２１と図２２を参照して、本実施例のイ
ンクジェットヘッド２５０においては、第３の実施例に
おけるインクジェットヘッド１５０と比較して筺体１１
０の構成において異なる。特に、筺体２１０の座屈構造
体２０１の構成において第３の実施例と異なる。

【０１２１】すなわち、本実施例のインクジェットヘッ
ド２５０においては、座屈構造体２０１は、厚膜層２０
１ａと薄膜層２０１ｂとの二層構造を有し、その厚膜層
２０１ａと薄膜層２０１ｂとは室温において互いに異な
る圧縮応力を有するように設定されている。具体的に
は、厚膜層２０１ａの圧縮応力は、薄膜層２０１ｂの圧
縮応力より小さくなるように設定されている。また、厚
膜層２０１ａと薄膜層２０１ｂとは、たとえばニッケル
により形成されている。

【０１２２】本実施例のインクジェットヘッド２５０の
これ以外の構成については、第３の実施例におけインク
ジェットヘッド１５０の構成とほぼ同様であるためその
説明は省略する。

【０１２３】次に、本発明の第４の実施例におけるイン
クジェットヘッドにおいて、特に筺体２１０の製造方法
について説明する。

【０１２４】図２３〜図２９は、本発明の第４の実施例
におけるインクジェットヘッドの製造方法を工程順に示
す概略断面図である。

【０１２５】まず図２３を参照して、面方位（１００）
の単結晶シリコンよりなる基板１０５が準備される。こ
の基板１０５の表裏両面に６〜８％のリン（Ｐ）を含ん
だ酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）１１１（以下、ＰＳＧとす
る）がＬＰＣＶＤ装置にて、たとえば２μｍの厚みで成
膜される。続いて、一方のＰＳＧ層１１１上にのみニッ
ケルよりなるめっき下地膜（図示せず）が、スパッタ装
置によりたとえば０．０９μｍの厚みで成膜される。こ
のめっき下地膜の表面上に、電気めっき技術を用いて所
定の内部圧縮応力を有する厚膜ニッケル層２０１ａが、
たとえば５．５μｍの厚みで成膜される。

【０１２６】なお説明の便宜上、基板１０５の図中上側
を表面とし、下側を裏面とする。図２５を参照して、厚
膜ニッケル層２０１ａの表面上に電気めっき技術を用い
て厚膜ニッケル層２０１ａよりも大きな内部圧縮応力を
有する薄膜ニッケル層２０１ｂが、たとえば０．５μｍ
の厚みで成膜される。

【０１２７】この厚膜ニッケル層２０１ａと薄膜ニッケ
ル層２０１ｂの形成のための一連の電気めっき技術につ
いて詳細に説明する。

【０１２８】ニッケルめっきの電解浴として、スルファ
ミン酸ニッケル：６００ｇ／ｌ、塩化ニッケル：５ｇ／
ｌ、ほう酸：３０ｇ／ｌを用い、浴温度を６０℃に設定
した場合、電気めっきされるめっき塗装の内部応力と電
流密度との間の関係は図３０に示すものとなる。

【０１２９】図３０を参照して、横軸は電流密度を示
し、縦軸はニッケル層の内部応力を示している。上述の
ごとく厚膜ニッケル層２０１ａの圧縮応力を５０ＭＰａ
に、かつ薄膜ニッケル層２０１ｂの圧縮応力を７０ＭＰ
ａに設定して形成する場合には、まず電流密度を９Ａ／
ｄｍ² で電気めっきを開始して厚膜ニッケル層２０１ａ
を所定の膜厚にめっきする。次に電流密度を７．８Ａ／
ｄｍ² に切換て薄膜ニッケル層２０１ｂを所定膜圧でめ
っきする。

【０１３０】図２６を参照して、上記の条件で形成され
た厚膜めっき層２０１ａと薄膜めっき層２０１ｂとがエ
ッチングにより所望の形状にパターニングされる。

【０１３１】図２７を参照して、パターン２０１ａと２
０１ｂとを保護するため、基板１０５の表面上にポリイ
ミド１１３がスピンコータによって塗布される。また基
板１０５の裏面のＰＳＧ層１１１がパターニングされ
る。このパターニングされたＰＳＧ層１１１をマスクと
してシリコン基板１０５に異方性エッチング液であるＥ
ＤＰ液でエッチングが施される。このエッチングによ
り、シリコン基板１０５を貫通するテーパー形状の凹部
１０５ａが形成される。そして、シリコン基板１０５の
裏面上のＰＳＧ層１１１がエッチング除去される。

【０１３２】図２８を参照して、このシリコン基板１０
５の裏面上のＰＳＧ層１１１のエッチング除去ととも
に、シリコン基板１０５の表面上のＰＳＧ層１１１も一
部除去される。最後にポリイミド１１３がエッチング除
去されることにより、図２９に示す所望の構成を有する
筺体２１０が得られる。

【０１３３】本発明の第４の実施例におけるインクジェ
ットヘッド２５０の動作においては、実施例３で説明し
た動作とほぼ同様である。ただ、座屈構造体２０１を構
成する厚膜ニッケル層２０１ａと薄膜ニッケル層２０１
ｂとに予め所定の内部圧縮応力が与えられている。この
ため、座屈構造体２０１を加熱により座屈を生じさせる
場合には、その座屈温度は第３の実施例よりも低い温度
となる。また、所望のインク吐出力を得るのに必要な消
費電力は、第３の実施例に比較して１２％削減できるこ
とが実験により確認された。

【０１３４】また、座屈構造体２０１は厚膜ニッケル層
２０１ａと薄膜ニッケル層２０１ｂとの二層構造になっ
ている。この薄膜ニッケル層２０１ｂは、厚膜ニッケル
層２０１ａよりも大きな内部圧縮応力を有している。こ
のため、座屈構造体２０１を加熱する場合、薄膜ニッケ
ル層２０１ｂの方が厚膜ニッケル層２０１ａよりも先に
座屈しようとする。このため、図３１において、座屈構
造体２０１の略中間位置が矢印Ｇ方向に変位する方が、
矢印Ｇ₅ 方向と逆方向に変位する場合に比較して座屈構
造体２０１に生じる抵抗力が小さくなる。よって、本実
施例における座屈構造体２０１が加熱によって常に同じ
方向（矢印Ｇ方向）に変位することとなる。これによ
り、インクジェットヘッド２５０の誤動作を防止するこ
とが可能となる。

【０１３５】なお、本実施例におけるインクジェットヘ
ッド２５０では、座屈構造体２０１は二層構造である
が、単層もしくは二層以上の構造のものであってもよ
い。

【０１３６】また、座屈構造体２０１の厚膜層２０１ａ
と薄膜層２０１ｂとの両層にニッケルを用いているが、
材料はこれに限られず異なる材料を積層させてもよい。

【０１３７】また、座屈構造体２０１に内部応力を加え
る手段として、電気めっき法を用いたが、これに限られ
ず、内部応力を与えられる方法であればいかなる方法も
採用することができる。

【０１３８】

【発明の効果】請求項１に記載のインクジェットヘッド
では、座屈構造体は、通電により生じる熱膨張によって
圧縮力を与えられて座屈する。この座屈変形において
は、その平面方向の微小な変位量が座屈構造体の厚み方
向の大きな変位量に変換される。このため、座屈構造体
の寸法を大きくすることなく、大きな変位量を得ること
が可能となる。したがって、インクジェットヘッドの寸
法を小さく維持したまま大きな吐出力を得ることが可能
となる。

【０１３９】また、通電により生じる熱膨張によって座
屈構造体を座屈させるため、座屈構造体を所定温度にま
で加熱する必要がある。しかし、この加熱温度は、座屈
構造体を構成する材料の線膨張係数に応じた温度にまで
加熱すれば足りる。このため、従来のバブル方式のイン
クジェットヘッドのようにインクを気化させるほどの高
温にまで加熱する必要はない。よって、座屈構造体が熱
疲労により劣化することは抑制され、寿命が比較的長く
なる。

【０１４０】また、加熱温度が低くて済むため、座屈構
造体に与えられる熱量も少なくて済む。よって、ヘッド
を駆動させるための消費電力が少なくて済む。また、非
通電時（室温）にて予め圧縮内部応力を与えられている
ことにより、より大きな座屈変形量を得ることができ
る。これにより、インクジェットヘッドにおいてインク
を吐出させるための吐出力を増加させることも可能とな
る。

【０１４１】請求項２に記載のインクジェットヘッドで
は、座屈構造体は、互いに異なる材料よりなる第１の層
と第２の層とを含んでいる。この第１の層と第２の層と
の線膨張係数の差を利用することにより、座屈構造体が
加熱により座屈して変形する場合、座屈構造体を常に貫
通孔側へ変位するよう制御することが可能となる。この
ため、インクジェットヘッドの動作における誤動作が防
止され得る。また、第１の層と第２の層とは互いに異な
る圧縮内部応力を有し、かつ第１および第２の層のうち
吐出側に位置する一方の層の圧縮内部応力が他方の層の
圧縮内部応力より大きく設定されているため、座屈構造
体が加熱により座屈して変形する場合、座屈構造体を確
実に貫通孔側へ変位するよう制御することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェットヘッドの記録原理を説
明するためのインクジェットヘッドの主要断面図であ
る。

【図２】本発明のインクジェットヘッドの記録原理を説
明するためのインクジェットヘッドの主要断面図であ
る。

【図３】本発明の第１の実施例におけるインクジェット
ヘッドの構成を概略的に示す主要断面図である。

【図４】本発明の第１の実施例におけるインクジェット
ヘッドの構成を概略図に示す主要断面図である。

【図５】本発明の一実施例におけるインクジェットヘッ
ドの座屈構造体の変位の様子を示す概略斜視図である。

【図６】座屈構造体に所定の金属を採用した場合の座屈
構造体の温度上昇と最大座屈変形量との関係を示す図で
ある。

【図７】本発明の第２の実施例におけるインクジェット
ヘッドの構成を概略的に示す主要断面図である。

【図８】本発明の第２の実施例におけるインクジェット
ヘッドの構成を概略的に示す主要断面図である。

【図９】本発明の第３の実施例におけるインクジェット
ヘッドの構成を概略的に示す分解斜視図である。

【図１０】本発明の第３の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの構成を概略的に示す平面図である。

【図１１】図１０のＸ−Ｘ線に沿う概略断面図である。

【図１２】図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿う概略断面図であ
る。

【図１３】本発明の第３の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの筺体の製造方法の第１工程を示す概略断面図
である。

【図１４】本発明の第３の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの筺体の製造方法の第２工程を示す概略断面図
である。

【図１５】本発明の第３の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの筺体の製造方法の第３工程を示す概略断面図
である。

【図１６】本発明の第３の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの筺体の製造方法の第４工程を示す概略断面図
である。

【図１７】本発明の第３の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの筺体の製造方法の第５工程を示す概略断面図
である。

【図１８】本発明の第３の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの筺体の製造方法の第６工程を示す概略断面図
である。

【図１９】本発明の第３の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの動作の様子を示す図１１に対応する断面図で
ある。

【図２０】座屈構造体の内部応力を変えた場合の座屈構
造体の温度上昇と最大座屈変形量との関係を示す図であ
る。

【図２１】本発明の第４の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの構成を図１０のＸ−Ｘ線に沿う断面に対応す
る概略断面図である。

【図２２】本発明の第４の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの構成を図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿う断面に対
応する概略断面図である。

【図２３】本発明の第４の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの製造方法の第１工程を示す概略断面図であ
る。

【図２４】本発明の第４の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの製造方法の第２工程を示す概略断面図であ
る。

【図２５】本発明の第４の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの製造方法の第３工程を示す概略断面図であ
る。

【図２６】本発明の第４の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの製造方法の第４工程を示す概略断面図であ
る。

【図２７】本発明の第４の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの製造方法の第５工程を示す概略断面図であ
る。

【図２８】本発明の第４の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの製造方法の第６工程を示す概略断面図であ
る。

【図２９】本発明の第４の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの製造方法の第７工程を示す概略断面図であ
る。

【図３０】電気めっきにより形成されるニッケルの内部
応力と電流密度との関係を示す図である。

【図３１】本発明の第４の実施例におけるインクジェッ
トヘッドの動作を説明するための主要断面図である。

【図３２】従来の第１のインクジェットヘッドの構成を
概略的に示す主要断面図である。

【図３３】従来の第１のインクジェットヘッドの動作を
概略的に示す主要断面図である。

【図３４】従来の第２のインクジェットヘッドの構成を
概略的に示す主要断面図である。

【図３５】従来の第２のインクジェットヘッドの動作を
概略的に示す主要断面図である。

【図３６】従来の第３のインクジェットヘッドの構成を
概略的に示す分解斜視図である。

【図３７】バブルジェット方式における記録原理を説明
するための動作工程図（ａ）〜（ｅ）である。

【図３８】従来の第２のインクジェットヘッドに生ずる
弊害を説明するための図である。

【符号の説明】

１、２１、４１ 座屈構造体 ３、２３ 圧縮力発生手段（絶縁性部材） ５、２５、４５ 筺体 ７、２７、４７ ノズルプレート ７ａ、２７ａ、４７ａ ノズルオリフィス １０、３０、５０、１５０、２５０ インクジェットヘ
ッド ２９、４９ 電源 ５１ 圧電素子 ５３ａ、５３ｂ 電極 １０１ 座屈構造体 １０１ａ 厚膜層 １０１ｂ 薄膜層 １０５ 基板 １０７ ノズルプレート １０７ａ ノズルオリフィス １０９ スペーサ １１１ 絶縁性部材 １１３ 電源 ２０１ 座屈構造体 ２０１ａ 厚膜ニッケル層 ２０１ｂ 薄膜ニッケル層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 ▲頼▼成 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 山下 善二郎 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 (56)参考文献 特開 平２−30543（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−297052（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/045

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 容器の内部を満たすインク液に圧力を加
   えることにより、前記容器内部から外部へインク滴を吐
   出させるインクジェットヘッドであって、 インク液で満たすことのできる空間を内部に有し、前記
   空間の内部から外部へ通じる貫通孔を有する容器と、 前記容器内部に配置され、かつ両端部が前記容器に支持
   されたプレート状の座屈構造体とを備え、 前記座屈構造体は、通電により生じる熱膨張によって座
   屈して前記貫通孔側へ変位するよう構成され、所定の温
   度で座屈を生じるように予め内部応力を与えられた構成
   を有し、かつ非通電時に圧縮内部応力を有した状態でプ
   レート状に支持されている、インクジェットヘッド。
2. 【請求項２】 容器の内部を満たすインク液に圧力を加
   えることにより、前記容器内部から外部へインク滴を吐
   出させるインクジェットヘッドであって、 インク液で満たすことのできる空間を内部に有し、前記
   空間の内部から外部へ通じる貫通孔を有する容器と、 前記容器内部に配置され、かつ両端部が前記容器に支持
   されたプレート状の座屈構造体と、 前記座屈構造体の両端部に圧縮力を加えるための圧縮手
   段とを備え、 前記座屈構造体はプレート状の第１の層と第２の層とを
   含み、かつ前記第１の層と前記第２の層とは互いに異な
   る材料よりなり、かつ互いに異なる圧縮内部応力を有
   し、かつ前記第１および第２の層のうち吐出側に位置す
   る一方の層の圧縮内部応力が他方の層の圧縮内部応力よ
   り大きく設定されており、さらに、 前記座屈構造体は前記圧縮手段により圧縮力を与えられ
   て座屈し、前記貫通孔側へ変位するよう構成されてい
   る、インクジェットヘッド。
3. 【請求項３】 前記第１および第２の層は、電気めっき
   により形成された層であることを特徴とする、請求項２
   に記載のインクジェットヘッド。
4. 【請求項４】 前記第１および第２の層の圧縮内部応力
   の設定は、電気めっきの電流制御により行なうことを特
   徴とする、請求項３に記載のインクジェットヘッド。
5. 【請求項５】 前記座屈構造体は、吐出方向と反対側の
   面で前記容器に固定されていることを特徴とする、請求
   項１〜４のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
6. 【請求項６】 加熱による座屈変形によってインクを吐
   出するインクジェットヘッドの製造方法であって、 基板の表面に第１のめっき層を形成する工程と、 前記第１のめっき層上に、前記第１のめっき層よりも大
   きな圧縮内部応力を有する第２のめっき層を形成する工
   程と、 前記第１のめっき層および前記第２のめっき層をエッチ
   ングすることにより座屈構造体の形状にパターニングす
   る工程と、 前記基板の裏面から表面に貫通する凹部を形成するよう
   に前記基板を除去する工程とを備えた、インクジェット
   ヘッドの製造方法。