JP4243341B2 - Inkjet head - Google Patents

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JP4243341B2
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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明はインクジェットヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像記録装置(画像形成装置を含む。)に用いられるインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドとして、インク滴を吐出するノズルと、ノズルが連通するインク液室(吐出室、インク流路、インク室、圧力室、加圧室、加圧液室などとも称される。)と、インク液室の壁面を形成する第一電極を兼ねる振動板と、これに対向する電極(第二電極)とを備え、振動板を静電力で変形させてノズルからインク滴を吐出させる静電型インクジェットヘッドが知られている。
【0003】
このような静電型インクジェットヘッドにおいては、低電圧駆動化を図るために振動板と電極間の距離(ギャップ)を0.05〜2.0μmの範囲に設定するようにしているが、このように振動板と電極間のギャップが小さい場合、振動板の変形時に振動板と電極で形成される振動室内の空気圧力が上昇し、振動板の変形が阻害され、所望の変位量が得られない、いわゆるエアーダンパー効果が発生する。
【0004】
そこで、従来の静電型インクジェットヘッドにおいては、例えば特開平7−299908号公報に記載されているように振動板と電極によってて形成される振動室を少なくとも含むアクチュエータを気密に構成し、このアクチュエータ容積Vと、振動板によって排除される容積ΔVの比が2≦V/ΔV≦8の範囲にすることが提案されている。
【0005】
また、特開平11−34319号公報に記載されているように振動板直下以外の振動板基板と電極基板間のギャップを振動板直下の間隔より大きくしたり、各振動室に連通し、大気開口する開口を設けてエアーダンパー効果を低減することが提案されている。
【0006】
一方、このような振動板と電極間の微小ギャップは、振動板の正常な動作を行うために外部よりの塵埃や湿気から遮断される必要がある。そこで、特開平6−71882号公報にはエポキシ系接着剤でギャップを封止する方法が、特開平10−264381号公報には低融点硝子を用いてギャップを封止する方法が、また特開平11−286109号公報には封止されたギャップの気圧変化を補償する方法が開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実験を繰り返したところ、アクチュエータ容積Vとしては振動板直下の容積のみがエアーダンパー効果の低減に大きな効果を及ぼし、振動板直下以外の容積を増加してもエアーダンパー効果の低減効果が小さいことが判明した。
【0008】
そのため、上述した従来のインクジェットヘッドのように、アクチュエータ容積Vと振動板によって排除される容積ΔVの比を2≦V/ΔV≦8の範囲にするという数値限定をしたところで、実際のインクジェットヘッドにおけるエアーダンパ効果の低減効果が得られることにはならない。
【0009】
まして、振動板直下以外の振動板基板と電極基板間のギャップを振動板直下の間隔より大きくしたり、各振動室に連通して大気開口する開口を設けるだけでは、十分なエアーダンパ効果の低減ができない。
【0010】
さらに、振動室の開口部をエポキシ系接着剤や低融点硝子を用いて封止した場合、ギャップ内圧力が気圧変化や温度変化によって変化して振動板の変位特性が変動し、安定した振動板変位が得られないという課題がある。
【0011】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、エアーダンパ効果を有効に低減することを目的とし、更に気圧変化や温度変化による振動板変位特性の変動を防止することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係るインクジェットヘッドは、振動板と電極によって形成される振動室に連通する第一の空気室を電極基板に設けるとともに、一方の端が複数の第一の空気室に共通に連通し、他方の端が大気に連通する第二の空気室を設けたものである。
【0013】
ここで、第二の空気室は、一方の端が千鳥状に配列された2列のノズル列に対応した複数の奇数列、偶数列の第一の空気室に共通に連通し、他方の端が大気に連通することが好ましい。また、第二の空気室は、その一方の端が、複数の第一の空気室に共通に連通し、他方の端が大気に複数の開口で連通していることが好ましい。
【0014】
また、複数の振動室の開口部を第一の封止材で封止するとともに、複数の第一の空気室に連通する、第二の空気室の大気開口部を第二の封止材で封止することが好ましい。
【0015】
さらに、複数の振動室の開口部を第一の封止材で封止するとともに、複数の第一の空気室に連通する、第二の空気室の大気開口部を弾性部材を介して封止することが好ましい。この場合、第二の空気室の大気開口部を封止する弾性部材は、その弾性率が振動板の弾性率より小さいことが好まし
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。先ず、本発明に係るインクジェットヘッドの第1実施形態の全体構成について図1乃至図4を参照して説明する。なお、図1は同ヘッドの分解斜視説明図、図2は同ヘッドの振動板長手方向に沿う断面説明図、図3は同ヘッドの振動板長手方向に沿う要部拡大断面説明図、図4は同ヘッドの振動板短手方向に沿う要部拡大断面図である。
【0019】
このインクジェットヘッドは、単結晶シリコン基板、SOI基板などのシリコン基板等を用いた第一基板である流路基板(振動板基板)1と、この流路基板1の下側に設けたシリコン基板又はパイレックスガラス基板或いはセラミックス基板等を用いた第二基板である電極基板2と、流路基板1の上側に設けた第三基板であるノズル板3とを備え、インク滴を吐出するノズル4が連通するインク液室である吐出室6、各吐出室6にインク供給路を兼ねた流体抵抗部7を介して連通する共通液室8などを形成している。
【0020】
流路基板1にはノズル4が連通する複数の吐出室6及びこの吐出室6の壁面である底部をなす振動板10(電極を兼ねている)を形成する凹部を形成し、ノズル板3にはノズル4となる孔及び流体抵抗部7を形成する溝を形成し、また流路基板1と電極基板2には共通液室8を形成する貫通部を形成している。
【0021】
ここで、流路基板1は、例えば単結晶シリコン基板を用いた場合、予め振動板厚さにボロンを注入してエッチングストップ層となる高濃度ボロン層を形成し、電極基板2と接合した後、吐出室6となる凹部をKOH水溶液などのエッチング液を用いて異方性エッチングすることにより、このとき高濃度ボロン層がエッチングストップ層となって振動板10が高精度に形成される。
【0022】
また、流路基板1としては、シリコン基板であるベース基板と活性層基板とを酸化膜を介して接合したSOI(Silicon On Insulator)基板を用いることもできる。この場合、厚さ1〜3μmほどのシリコン活性層を振動板10に用いる。
【0023】
なお、振動板10に別途第一電極となる電極膜を形成してもよいが、上述したようにシリコン基板を用いて振動板が電極を兼ねるようにしている。また、振動板10の電極基板2側の面に絶縁膜を形成することもできる。この絶縁膜としてはSiO2等の酸化膜系絶縁膜、Si34等の窒化膜系絶縁膜などを用いることができる。絶縁膜の成膜は、振動板表面を熱酸化して酸化膜を形成したり、成膜手法を用いたりすることができる。
【0024】
また、電極基板2にはp型或いはn型の単結晶シリコン基板を用いて、熱酸化法などで酸化膜2aを形成し、この酸化層2aに振動室16を形成するための凹部14を形成して、この凹部14底面に振動板10に所定のギャップを置いて対向する電極15を設け、これらの振動板10と電極15とによって静電型アクチュエータ部を構成している。この電極基板2には振動室16に連通する空気室等を形成しているが、その詳細については後述する。
【0025】
また、電極15表面にはSiO膜などの酸化膜系絶縁膜、Si3膜などの窒化膜系絶縁膜からなる誘電絶縁膜17を成膜している。なお、上述したように電極15表面に絶縁膜17を形成しないで、振動板10側に絶縁膜を形成することもできる。さらに、電極15としては、金、或いは、通常半導体素子の形成プロセスで一般的に用いられるAl、Cr、Ni等の金属材料や、Ti、TiN、W等の高融点金属などを用いることができる。
【0026】
これらの流路基板1と電極基板2とはシリコンの直接接合で接合している。
【0027】
ノズル板3には、多数のノズル4を形成するとともに、共通液室8と吐出室6を連通するための流体抵抗部7を形成する溝部を形成している。ここでは、インク吐出面(ノズル表面側)には撥水性皮膜を成膜している。このノズル板3にはステンレス基板を用いているが、この他、エレクトロフォーミング(電鋳)工法によるニッケルメッキ膜、ポリイミド等の樹脂にエキシマレーザー加工をしたもの、金属プレートにプレス加工で穴加工をしたもの等でも用いることができる。
【0028】
また、撥水性皮膜は、フッ素系樹脂微粒子であるポリテトラフルオロエチレン微粒子を分散させた電解又は無電解ニッケル共析メッキ(PTFE−Ni共析メッキ)によるメッキ皮膜で形成することができる。
【0029】
このインクジェットヘッドではノズル4を二列(ノズル列4Aと4B)配置し、この各ノズル列4A、4Bに対応して吐出室6、振動板10、電極15なども二列配置し、各ノズル列の中央部に共通液室8を配置して、左右の吐出室6にインクを供給する構成を採用している。これにより、簡単なヘッド構成で多数のノズルを有するマルチノズルヘッドを構成することができる。
【0030】
そして、電極15は外部に延設して接続部(電極パッド部)15aとし、これにヘッド駆動回路であるドライバIC20をワイヤボンドによって搭載したFPCケーブル21を異方性導電膜などを介して接続している。
【0031】
さらに、インクジェットヘッド全体をフレーム部材25上に接着剤で接合している。このフレーム部材25にはインクジェットヘッドの共通液室8に外部からインクを供給するためのインク供給穴26を形成しており、またFPCケーブル21等はフレーム部材25に形成した穴部27に収納される。
【0032】
このフレーム部材25とノズル板3との間はエポキシ樹脂等の接着剤を用いたギャップ封止剤28にて封止し、撥水性を有するノズル板3表面のインクが電極基板2やFPCケーブル21等に回り込むことを防止している。
【0033】
そして、このヘッドのフレーム部材25にはインクカートリッジとのジョイント部材30が連結されて、フレーム部材25に熱融着したフィルタ31を介してインクカートリッジからインク供給穴26を通じて共通液室8にインクが供給される。
【0034】
このように構成したインクジェットヘッドにおいては、振動板10を共通電極とし電極15を個別電極として、振動板10と電極15との間に駆動波形を印加することにより、振動板10と電極15との間に静電力(静電吸引力)が発生して、振動板10が電極15側に変形変位する。これにより、吐出室6の内容積が拡張されて内圧が下がるため、流体抵抗部7を介して共通液室8から吐出室6にインクが充填される。
【0035】
次いで、電極15への電圧印加を断つと、静電力が作用しなくなり、振動板10はそれ自身のもつ弾性によって復元する。この動作に伴い吐出室6の内圧が上昇し、ノズル5からインク滴が吐出される。再び電極に電圧を印加すると、再び静電吸引力によって振動板は電極側に引き込まれる。
【0036】
そこで、このインクジェットヘッドにおける本発明の構成について図4のほか図5及び図6をも参照して詳細に説明する。なお、図5は同ヘッドの電極基板の上面説明図、図6は同ヘッドの要部平面説明図である。
電極基板2には、図4及び図5に示すように、振動板10と電極15によって形成される振動室16にスリット40を介して連通する第一の空気室41を設けるとともに、一方の端が複数の第一の空気室41に共通に連通し、他方の端が大気に連通する第二の空気室42を設けている。このように電極基板2の電極15に下方側に空気室41を形成することで、大幅な工程増加を招くことがなく、また空気室41を設けることによるヘッドのチップサイズの増加及びこれに伴なうコストの増加を抑えることができる。
【0037】
この場合、第二の空気室42は、一方の端がノズル4が千鳥状に配列された2列のノズル列4A、4Bに対応した複数の奇数列、偶数列の第一の空気室41に共通に連通し、他方の端が大気に連通している。この場合、各ノズル列4A、4B毎に第一の空気室41に一方の端が連通し、他方の端が大気に開口する大気開口部42aを有する第二の空気室42を独立して設けることもできる。また、図7に示すように、第二の空気室42の大気開口部42aを電極基板2の同じ端部側に複数形成することもできる。
【0038】
そして、各振動室16の開口部16aを第一の封止材46で封止している。この封止材46としてはガスバリヤー性に優れた材料、例えばエポキシ系接着剤(例えば、エイブルボンド社製342−3:商品名)などを用いている。なお、この第一の封止材46による封止を行う際に、封止材46より微少なガスが発生する場合もあるが、第一の封止を行うときには、スリット40及び第一の空気室41を通じて振動室16に連通している大気開口側(第二の空気室42)が封止されていないので、ガス発生に伴う振動板10の変形をさけることができる。
【0039】
また、第二の空気室42の大気開口部42aは第二の封止材47で封止している。このとき、大気開口部42aは振動板10より弾性率が小さい弾性部材48を介して封止している。これにより、第二の封止材47で封止された場合のガス発生、気密封止された後の気圧変化、温度変化に伴う圧力変化等を弾性率の小さい弾性部材48で吸収することができて、圧力変化等による振動板10の変形を防止して、振動特性がばらつくことを防止できる。
【0040】
また、この弾性部材48はガスバリヤー性に優れる材料が好ましく、エチレンビニルアルコール共重合樹脂を、弾性率の小さい高密度ポリエチレン樹脂ではさみこんだ積層部材が特に好ましい。なお、第二の空気室42の大気開口部42aを複数設けることで、気圧変化、温度変化に伴う圧力変化を弾性部材48で吸収際に、弾性部材48の面積が大きくなり、吸収効果が増加する。
【0041】
そこで、このインクジェットヘッドにおけるエアーダンパ効果の低減作用について図4をも参照して説明する。
先ず、振動板10と電極15間で構成されるギャップ空間である振動室16の容積Vは、振動板10の短手方向長さをa、長手方向長さをb、ギャップ長をδとすると、ほぼV=a×b×δとなる。一方、振動板10の変形時の排除容積ΔVは、ΔV=8×a×b×δ/15となる。なお、ここでは、振動板10の変位量としてδを採用しているが、これは振動板10を電極15に当接させて駆動するいわゆる当接駆動方式の方が低電圧化、インク滴吐出量の均一化の点で優れるからである。
【0042】
ところで、このような当接駆動方式の場合、第一の空気室41を設けないで凹部14底面を平坦面としたとき(図8の例)、振動室16の容積(アクチュエータ容積)Vと排除容積ΔVの比V/ΔVは、約V/ΔV=15/8で、2以下の値となる。ここで、実験を繰り返した結果、エアーダンパー効果は、アクチュエータ容積Vとしては、振動板直下の振動室容積の増加のみが大きな効果を及ぼし、振動板直下以外の容積増加にエアーダンパ効果の低減効果は小さいことが判明した。
【0043】
そこで、この実施形態のように、電極基板2の振動板10に略対向する部分、すなわち、ここでは凹部14底面の電極15を形成しない部分に振動室16に臨むスリット40を介して振動室16に連通する第一の空気室41を設けることによって、実効的な振動室容積Vを大きくし、V/ΔVの値を大きくすることができて、エアーダンパー効果を低減でき、低電圧駆動で安定した振動板変位を得ることができる。
【0044】
この場合、第一の空気室41を電極基板2内部に設けてスリット40を介して振動室16に連通させることで、電極形成面(凹部14底面)の面積の減少が少なく、電極形成面積が減少して静電力が低下することを回避できる。そして、第一の空気室41の幅をスリット40の幅よりも広くすることで、大きな容積の第一の空気室41を確保することができる。
【0045】
ここで、この実施形態に係るインクジェットヘッドの具体例について製造工程を含めて説明する。電極基板2としては結晶面方位(100)のシリコン基板を用いて、熱酸化法で厚さ2μmの酸化膜2aを形成した。そして、熱酸化膜2aにドライエッチング法により振動室16となる凹部14を深さ0.6μmで形成した。この凹部14の底面には厚さ0.15μmのTiNからなる電極15をスパッタリングにより成膜し、ドライエッチングによりパターニングした。電極保護膜17としてSiOを厚さ0.15μmになるようにP−CVD法で成膜し、ドライエッチングによりパターニングした。
【0046】
次いで、凹部14底面の電極15周辺に幅4μm、振動板長さ1mmに対して長さ1.1mmの切り欠き(スリット40)をドライエッチングによりシリコン基板(電極基板2)の熱酸化膜2aがない領域に到達する深さまで形成した。その後、レジストパターンを形成して切り欠き部のみを露出させ、ドライエッチングを行うことにより、電極基板2の内部に等方性エッチングで得られる形状とほぼ同じ形状の第一の空気室41を形成した。
【0047】
このとき、第一の空気室41の大きさはエッチング時間で変化させることができ、第一の空気室41の形状を台形で近似したとき、上辺長さ16μm、下辺長さ6μm、深さ12μmの第一の空気室41とした。熱酸化膜2aの切り欠き部(スリット40)容積を除いても、第一の空気室41全体の容積Wと排除容積ΔVの比W/ΔVは「12」を越える値となった。
【0048】
一方、流路基板1としてはシリコン基板が熱酸化膜を介して接合されたSOI基板を使用し、このSOI基板と電極基板2を温度900℃の条件で直接接合した後、SOI基板の面方位(110)のSiをウエットエッチングによりエッチングして、吐出室6等となる凹部を形成すると同時に板厚3μmの振動板10を形成した。
【0049】
そして、振動室16の開口部を第一の封止材46としてのエポキシ系接着剤を用いて封止した。その後、第二の空気室42の大気開口部42aを第二の封止材47で弾性部材48を介して封止した。
【0050】
また、比較例として、図8に示すように第一の空気室41及びスリット40を形成しないインクジェットヘッドを製作した。
【0051】
そして、これらの各インクジェットヘッドのアクチュエータの振動変位量をレーザードップラー計で測定した。この結果、振動板10が電極15表面の保護膜17に当接を開始する電圧は、第一の空気室41を設けた場合の方が約6V低く、第一の空気室41が実質的にも振動室16として機能し、その効果の大きいことを確認した。
【0052】
また、第一の空気室41のないアクチュエータの場合、駆動周波数を20KHz以上にすると振動板10の変位が不安定になる現象が確認されたが、第一の空気室21を設けた場合にはこのような周波数変化に対する振動変位の不安定現象がないことが確認された。
【0053】
さらに、ノズル板3を透明のガラス板で構成し、第一の封止材46及び第二の封止材47による封止を行った後に、高温槽内で温度変化をさせながら、振動板10の変形をレーザードップラー計で測定した。この結果、振動板10の変位量は、温度変化に対してほぼ一定で、弾性部材48が圧力を吸収することが確認された。
【0054】
次に、本発明に係るインクジェットヘッドの第2実施形態について図9乃至図11を参照して説明する。なお、図9は同ヘッドの振動板短手方向に沿う断面説明図、図10は同ヘッドの電極基板の上面説明図、図11は同ヘッドの平面説明図である。
このインクジェットヘッドでは、電極基板2に、電極15の中央部に形成したスリット50を介して振動室16に連通する空気室51を形成するとともに、電極基板2の裏面側には空気室51を大気に連通する大気開口部52を形成したものである。
【0055】
ここで、電極基板2の大気開口部52は、図11に示すように千鳥状に配列された2列のノズル列4A、4Bに対応して複数の奇数列、偶数列の空気室51に図10に示すように連通している。また、振動室16の開口部は前述した第一の封止材46で封止すると共に、電極基板2の大気開口部52は弾性部材53を介して図示しない第二の封止材(前述した第二の封止材47と同じもの)で封止している。
【0056】
この場合、第一の封止材46による封止を行う際に、封止材46より微少なガスが発生する場合もあるが、第一の封止を行うときには、スリット50及び空気室51を通じて振動室16に連通している大気開口部52が封止されていないので、ガス発生に伴う振動板10の変形をさけることができる。
【0057】
また、電極基板2の大気開口部52を封止している弾性部材53は、その弾性率が振動板10の弾性率より小さく、ガスバリヤー性の高い樹脂材料を、弾性率の小さい樹脂材料で積層した樹脂材料である。例えば、前述したように、エチレンビニルアルコール共重合樹脂を、弾性率の小さい高密度ポリエチレン樹脂ではさみこんだ積層部材が特に好ましい。
【0058】
ここで、この実施形態に係るインクジェットヘッドの具体例について製造工程を含めて説明する。前記第1実施形態と同様に、電極基板2としては結晶面方位(100)のシリコン基板を用いて、熱酸化法で厚さ2μmの酸化膜2aを形成した。そして、熱酸化膜2aにドライエッチング法により振動室16となる凹部14を深さ0.6μmで形成した。この凹部14の底面には厚さ0.15μmのTiNからなる電極15をスパッタリングにより成膜し、ドライエッチングによりパターニングした。電極保護膜17としてSiOを厚さ0.15μmになるようにP−CVD法で成膜し、ドライエッチングによりパターニングした。
【0059】
次いで、凹部14底面の電極15中央部に周辺に幅4μm、振動板長さ1mmに対して長さ1.1mmの切り欠き(スリット50)をドライエッチングによりシリコン基板(電極基板2)の熱酸化膜2aがない領域に到達する深さまで形成した。その後、レジストパターンを形成して切り欠き部のみを露出させ、ドライエッチングを行うことにより、電極15の直下に等方性エッチングで得られる形状とほぼ同じ形状の空気室51を形成した。
【0060】
このとき、空気室51の大きさはエッチング時間で変化させることができ、空気室51の形状を台形で近似したとき、上辺長さ16μm、下辺長さ6μm、深さ12μmの空気室51とした。
【0061】
さらに、電極基板2の裏面からKOHによる等方性エッチングを行い、各空気室51に連通する電極基板裏面側の大気開口部52を形成した。
【0062】
なお、ここでも、流路基板1としてはシリコン基板が熱酸化膜を介して接合されたSOI基板を使用し、このSOI基板と電極基板2を温度900℃の条件で直接接合した後、SOI基板の面方位(110)のSiをウエットエッチングによりエッチングして、吐出室6等となる凹部を形成すると同時に板厚3μmの振動板10を形成した。
【0063】
そして、振動室16の開口部を第一の封止材46としてのエポキシ系接着剤を用いて封止した。その後、電極基板裏面の大気開口部52を前記第二の封止材47を用いて弾性部材53を介して封止した。
【0064】
次に、本発明に係るインクジェットヘッドの第3実施形態について図12及び図13を参照して説明する。
このインクジェットヘッドにおいても、電極基板2に電極15の中央部及び酸化膜2aに形成したスリット50を介して振動室16に連通する空気室51を形成している。これらのスリット50及び空気室51は、その一方の端は各振動室16に共通に、更に千鳥状に配置された各振動室16の列に共通に連通している。また、そして、スリット50及び空気室51を共通に引き出した引き出し部55の底部は電極基板2の裏面側に形成した大気開口部56を介して大気開口している。
【0065】
ここで、振動室16の開口部は前述した第一の封止材46で封止すると共に、電極基板2の大気開口部56は前述した弾性部材(前述した弾性部材53と同じもの)を介して第二の封止材(前述した第二の封止材47と同じもの)で封止している。
【0066】
そこで、これらの第2、第3実施形態のアクチュエータの振動変位量をレーザードップラー計で測定した。この結果、振動板10が電極基板2に当接を開始する電圧は、空気室51を設けた場合の方が約6Volt低く、空気室51が振動室として機能し、その効果の大きいことが確認された。また、空気室51のないアクチュエータの場合、駆動周波数を20KHz以上にすると振動変位が不安定になる現象が確認されたが、空気室51を設けた場合にはこのような周波数変化に対する振動変位の不安定現象がないことが確認された。
【0067】
また、振動板10の変形の観察を容易にするため、ノズル板をガラス板で構成し、振動変位を測定した。第一、第二の封止を行った後に、高温槽内で温度変化をさせながら、振動板10の変形をレーザードップラー計で測定した。この結果、振動板10の変位量は温度変化に対してほぼ一定で、弾性部材が圧力を効果的に吸収することが確認された。
【0068】
なお、上記実施形態においては、本発明を振動板変位方向とインク滴吐出方向が同じになるサイドシュータ方式のインクジェットヘッドに適用したが、振動板変位方向とインク滴吐出方向と直交するエッジシュータ方式のインクジェットヘッドにも同様に適用することができる。さらに、インクジェットヘッドだけでなく液体レジスト等を吐出させる液滴吐出ヘッドなどにも適用できる。また、振動板と液室基板とを同一基板から形成したが、振動板と液室基板とを別体にして接合することもできる。
【0069】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るインクジェットヘッドによれば、振動板と電極によって形成される振動室に連通する第一の空気室と、一方の端が複数の第一の空気室に共通に連通し、他方の端が大気に連通する第二の空気室を設けたので、実効的な振動室容積が増加し、振動板変形時に排除される容積との比が大きくなり、エア−ダンパー効果を著しく低減でき、低電圧駆動で安定した振動板変位を得ることができる。
【0070】
ここで、第二の空気室は、一方の端が千鳥状に配列された2列のノズル列に対応した複数の奇数列、偶数列の第一の空気室に共通に連通し、他方の端が大気に連通することで、ノズル密度を増加しつつエア−ダンパー効果を著しく低減できる。また、第二の空気室は、その一方の端が、複数の第一の空気室に共通に連通し、他方の端が大気に複数の開口で連通していることで、開口を弾性部材を介して封止するときに弾性部材の開口に接する面積が大きくなって圧力変動の吸収効果が上がる。
【0071】
また、複数の振動室の開口部を第一の封止材で封止するとともに、複数の第一の空気室に連通する、第二の空気室の大気開口部を第二の封止材で封止することで、振動室内への塵、湿気の侵入を防止して振動板変位特性の変動を防止することができる。
【0072】
さらに、複数の振動室の開口部を第一の封止材で封止するとともに、複数の第一の空気室に連通する、第二の空気室の大気開口部を弾性部材を介して封止することで、封止後の温度、気圧などの環境変化によって振動板が変形することを防止できる。
【0073】
この場合、第二の空気室の大気開口部を封止する弾性部材は、その弾性率が振動板の弾性率より小さいことで、封止後の温度、気圧などの環境変化に対して弾性部材が先に変形し、より確実に振動板の変形を防止できる。また、第二の空気室の大気開口部を封止する弾性部材は、ガスバリヤー性の高い樹脂材料を、弾性率の小さい樹脂材料で積層した樹脂材料とすることで、第二の空気室への外気等の侵入を確実に防止できる。
【0074】
本発明に係るインクジェットヘッドによれば、振動板と電極によって形成される振動室に連通する空気室を電極基板に設けるとともに、この電極基板の裏面側には空気室を大気に連通する大気開口部を形成したので、実効的な振動室容積が増加し、振動板変形時に排除される容積との比が大きくなり、エア−ダンパー効果を著しく低減でき、低電圧駆動で安定した振動板変位を得ることができる。
【0075】
ここで、電極基板の大気開口部は、千鳥状に配列された2列のノズル列に対応した複数の奇数列、偶数列の空気室に共通に連通していることで、ノズル密度を高くしつつエアーダンパ効果を著しく低減できる。
【0076】
また、振動室の開口部を第一の封止材で封止すると共に、電極基板の大気開口部を第二の封止材で、弾性部材を介して封止することで、振動室内への塵、外気の侵入などによって振動板の振動特性が変動することを防止できるとともに、気圧、温度などの環境変化による圧力変動を弾性部材で吸収することできて、より確実に振動板の振動特性の変動を抑えることができる。
【0077】
この場合、電極基板の大気開口部を封止する弾性部材は、その弾性率が振動板の弾性率より小さいことで、封止後の温度、気圧などの環境変化に対して弾性部材が先に変形し、より確実に振動板の変形を防止できる。また、電極基板の大気開口部を封止する弾性部材は、ガスバリヤー性の高い樹脂材料を、弾性率の小さい樹脂材料で積層した樹脂材料とすることで、第二の空気室への外気等の侵入を確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るインクジェットヘッドの第1実施形態を示す分解斜視説明図
【図2】同ヘッドの振動板長手方向に沿う断面説明図
【図3】同ヘッドの振動板長手方向に沿う要部拡大断面説明図
【図4】同ヘッドの振動板短手方向に沿う断面説明図
【図5】同ヘッドの電極基板の上面説明図
【図6】同ヘッドの平面説明図
【図7】同ヘッドの第二の空気室の他の例を説明する電極基板の上面説明図
【図8】同ヘッドの作用説明に供する比較例のヘッドの振動板短手方向に沿う断面説明図
【図9】本発明に係るインクジェットヘッドの第2実施形態を示す振動板短手方向に沿う断面説明図
【図10】同ヘッドの電極基板の上面説明図
【図11】同ヘッドの平面説明図
【図12】本発明に係るインクジェットヘッドの第3実施形態を示す振動板短手方向に沿う断面説明図
【図13】同ヘッドの電極基板の上面説明図
【符号の説明】
1…流路基板、2…電極基板、3…ノズル板、4…ノズル、6…吐出室、7…流体抵抗部、8…共通液室、10…振動板、14…凹部、15…電極、16…振動室、40…スリット、41…第一の空気室、42…第二の空気室、46…第一の封止材、47…第二の封止材、48…弾性部材、50…スリット、51…空気室、52…大気開口部、53…弾性部材。
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to an inkjet head.
[0002]
[Prior art]
In general, as an ink jet head mounted on an ink jet recording apparatus used in an image recording apparatus (including an image forming apparatus) such as a printer, a facsimile machine, a copying apparatus, and a plotter, a nozzle for ejecting ink droplets and an ink communicating with the nozzle A liquid chamber (also referred to as a discharge chamber, an ink flow path, an ink chamber, a pressure chamber, a pressurizing chamber, a pressurized liquid chamber, etc.), and a vibration plate that also serves as a first electrode that forms the wall surface of the ink liquid chamber; There is known an electrostatic ink-jet head that includes an electrode (second electrode) opposed to this and deforms a diaphragm with an electrostatic force to eject ink droplets from a nozzle.
[0003]
In such an electrostatic ink jet head, the distance (gap) between the diaphragm and the electrode is set in a range of 0.05 to 2.0 μm in order to achieve low voltage driving. When the gap between the diaphragm and the electrode is small, the air pressure in the vibration chamber formed by the diaphragm and the electrode rises when the diaphragm is deformed, and the deformation of the diaphragm is hindered and a desired displacement amount cannot be obtained. The so-called air damper effect occurs.
[0004]
Therefore, in a conventional electrostatic ink jet head, for example, as described in JP-A-7-299908, an actuator including at least a vibration chamber formed by a diaphragm and an electrode is hermetically configured. It has been proposed that the ratio of the volume V to the volume ΔV excluded by the diaphragm be in the range of 2 ≦ V / ΔV ≦ 8.
[0005]
Further, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-34319, the gap between the diaphragm substrate other than directly below the diaphragm and the electrode substrate is made larger than the interval immediately below the diaphragm, or communicated with each vibration chamber to open the atmosphere. It has been proposed to provide an opening to reduce the air damper effect.
[0006]
On the other hand, such a minute gap between the diaphragm and the electrode needs to be shielded from dust and moisture from the outside in order to perform normal operation of the diaphragm. Therefore, JP-A-6-71882 discloses a method of sealing a gap with an epoxy adhesive, JP-A-10-264381 discloses a method of sealing a gap using a low-melting glass, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-286109 discloses a method for compensating for a change in atmospheric pressure of a sealed gap.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the experiment was repeated, as the actuator volume V, only the volume immediately below the diaphragm exerted a great effect on reducing the air damper effect, and even if the volume other than just below the diaphragm was increased, the effect of reducing the air damper effect was small. It has been found.
[0008]
Therefore, when the ratio of the actuator volume V and the volume ΔV excluded by the diaphragm is limited to the range of 2 ≦ V / ΔV ≦ 8 as in the conventional inkjet head described above, in an actual inkjet head, The effect of reducing the air damper effect is not obtained.
[0009]
In addition, the air damper effect can be sufficiently reduced simply by making the gap between the diaphragm substrate and the electrode substrate other than directly below the diaphragm larger than the gap directly below the diaphragm, or by providing openings that communicate with each vibration chamber and open to the atmosphere. I can't.
[0010]
In addition, when the opening of the vibration chamber is sealed with epoxy adhesive or low melting glass, the pressure in the gap changes due to changes in atmospheric pressure or temperature, and the displacement characteristics of the vibration plate fluctuate. There is a problem that displacement cannot be obtained.
[0011]
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to effectively reduce the air damper effect and further to prevent fluctuations in diaphragm displacement characteristics due to changes in atmospheric pressure and temperature.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, an ink jet head according to the present invention includes a first air chamber communicating with a vibration chamber formed by a diaphragm and an electrode on an electrode substrate, and one end having a plurality of first chambers. A second air chamber is provided which communicates in common with the air chamber and whose other end communicates with the atmosphere.
[0013]
Here, the second air chamber communicates in common with the plurality of odd-numbered and even-numbered first air chambers corresponding to the two nozzle rows, one end of which is arranged in a staggered manner, and the other end. Is preferably in communication with the atmosphere. In addition, it is preferable that one end of the second air chamber communicates with the plurality of first air chambers in common and the other end communicates with the atmosphere through a plurality of openings.
[0014]
In addition, the openings of the plurality of vibration chambers are sealed with the first sealing material, and the atmosphere openings of the second air chamber communicating with the plurality of first air chambers are sealed with the second sealing material. It is preferable to seal.
[0015]
In addition, the openings of the plurality of vibration chambers are sealed with the first sealing material, and the atmosphere openings of the second air chamber communicating with the plurality of first air chambers are sealed through elastic members. It is preferable to do. In this case, the elastic member that seals the atmospheric opening of the second air chamber preferably has an elastic modulus smaller than that of the diaphragm. No .
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. First, the overall configuration of a first embodiment of an inkjet head according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is an exploded perspective view of the head, FIG. 2 is a cross-sectional view of the head along the longitudinal direction of the diaphragm, and FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of essential parts of the head along the longitudinal direction of the diaphragm. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a main part along the diaphragm short side direction of the head.
[0019]
The inkjet head includes a flow path substrate (vibration plate substrate) 1 that is a first substrate using a silicon substrate such as a single crystal silicon substrate or an SOI substrate, and a silicon substrate provided below the flow path substrate 1 or A nozzle 4 that discharges ink droplets is provided with an electrode substrate 2 that is a second substrate using a Pyrex glass substrate or a ceramic substrate, and a nozzle plate 3 that is a third substrate provided above the flow path substrate 1. A discharge chamber 6 that is an ink liquid chamber, a common liquid chamber 8 that communicates with each discharge chamber 6 via a fluid resistance portion 7 that also serves as an ink supply path, and the like are formed.
[0020]
The flow path substrate 1 is formed with a plurality of discharge chambers 6 with which the nozzles 4 communicate with each other and concave portions that form a vibration plate 10 (also serving as an electrode) that forms the bottom of the wall of the discharge chamber 6. Forms a hole for forming the nozzle 4 and a groove for forming the fluid resistance portion 7, and a through-hole for forming the common liquid chamber 8 is formed in the flow path substrate 1 and the electrode substrate 2.
[0021]
Here, for example, when a single crystal silicon substrate is used as the flow path substrate 1, after boron is injected into the diaphragm thickness in advance to form a high-concentration boron layer serving as an etching stop layer and bonded to the electrode substrate 2. Then, the recess 10 serving as the discharge chamber 6 is anisotropically etched using an etching solution such as a KOH aqueous solution, and at this time, the high-concentration boron layer becomes an etching stop layer, and the diaphragm 10 is formed with high accuracy.
[0022]
As the flow path substrate 1, an SOI (Silicon On Insulator) substrate in which a base substrate that is a silicon substrate and an active layer substrate are bonded via an oxide film can also be used. In this case, a silicon active layer having a thickness of about 1 to 3 μm is used for the diaphragm 10.
[0023]
In addition, although the electrode film which becomes a 1st electrode may be separately formed in the diaphragm 10, as above-mentioned, the diaphragm is made to serve as an electrode using the silicon substrate. An insulating film can also be formed on the surface of the vibration plate 10 on the electrode substrate 2 side. This insulating film is SiO 2 Oxide-based insulating film such as Si Three N Four Nitride-based insulating films such as those can be used. The insulating film can be formed by thermally oxidizing the vibration plate surface to form an oxide film or using a film forming method.
[0024]
Further, a p-type or n-type single crystal silicon substrate is used as the electrode substrate 2, an oxide film 2 a is formed by a thermal oxidation method or the like, and a recess 14 for forming a vibration chamber 16 is formed in the oxide layer 2 a. Then, an electrode 15 is provided on the bottom surface of the recess 14 to face the diaphragm 10 with a predetermined gap therebetween, and the diaphragm 10 and the electrode 15 constitute an electrostatic actuator unit. The electrode substrate 2 is formed with an air chamber or the like communicating with the vibration chamber 16, details of which will be described later.
[0025]
The surface of the electrode 15 is SiO. 2 Oxide-based insulating films such as films, Si Three N 4 A dielectric insulating film 17 made of a nitride insulating film such as a film is formed. As described above, the insulating film 17 can be formed on the vibration plate 10 side without forming the insulating film 17 on the surface of the electrode 15. Furthermore, as the electrode 15, gold, a metal material such as Al, Cr, or Ni generally used in a process for forming a semiconductor element, or a refractory metal such as Ti, TiN, or W can be used. .
[0026]
These flow path substrate 1 and electrode substrate 2 are bonded by direct bonding of silicon.
[0027]
In the nozzle plate 3, a large number of nozzles 4 are formed, and a groove portion for forming a fluid resistance portion 7 for communicating the common liquid chamber 8 and the discharge chamber 6 is formed. Here, a water-repellent film is formed on the ink ejection surface (nozzle surface side). This nozzle plate 3 uses a stainless steel substrate, but in addition to this, a nickel plated film by electroforming (electroforming) method, excimer laser processing on a resin such as polyimide, and punching a metal plate by pressing. It can also be used.
[0028]
The water-repellent film can be formed by a plating film by electrolytic or electroless nickel eutectoid plating (PTFE-Ni eutectoid plating) in which polytetrafluoroethylene fine particles, which are fluororesin fine particles, are dispersed.
[0029]
In this ink jet head, nozzles 4 are arranged in two rows (nozzle rows 4A and 4B), and discharge chamber 6, diaphragm 10 and electrode 15 are arranged in two rows corresponding to each nozzle row 4A, 4B. The common liquid chamber 8 is disposed in the central portion of the nozzle and the ink is supplied to the left and right ejection chambers 6. Thus, a multi-nozzle head having a large number of nozzles can be configured with a simple head configuration.
[0030]
The electrode 15 is extended to the outside to form a connection portion (electrode pad portion) 15a, and an FPC cable 21 on which a driver IC 20 as a head drive circuit is mounted by wire bonding is connected via an anisotropic conductive film or the like. is doing.
[0031]
Further, the entire inkjet head is bonded onto the frame member 25 with an adhesive. An ink supply hole 26 for supplying ink from the outside to the common liquid chamber 8 of the ink jet head is formed in the frame member 25, and the FPC cable 21 and the like are accommodated in a hole portion 27 formed in the frame member 25. The
[0032]
The frame member 25 and the nozzle plate 3 are sealed with a gap sealant 28 using an adhesive such as an epoxy resin, and the ink on the surface of the nozzle plate 3 having water repellency is transferred to the electrode substrate 2 or the FPC cable 21. To prevent it from going around.
[0033]
A joint member 30 with an ink cartridge is connected to the frame member 25 of the head, and ink is supplied from the ink cartridge to the common liquid chamber 8 through the ink supply hole 26 through a filter 31 thermally fused to the frame member 25. Supplied.
[0034]
In the ink jet head configured as described above, the diaphragm 10 is used as a common electrode, the electrode 15 is used as an individual electrode, and a drive waveform is applied between the diaphragm 10 and the electrode 15, whereby the diaphragm 10 and the electrode 15 are separated. An electrostatic force (electrostatic attractive force) is generated in the meantime, and the diaphragm 10 is deformed and displaced toward the electrode 15. As a result, the internal volume of the discharge chamber 6 is expanded and the internal pressure is lowered, so that the discharge chamber 6 is filled with ink from the common liquid chamber 8 via the fluid resistance portion 7.
[0035]
Next, when the voltage application to the electrode 15 is cut off, the electrostatic force stops working, and the diaphragm 10 is restored by its own elasticity. With this operation, the internal pressure of the discharge chamber 6 increases, and ink droplets are discharged from the nozzle 5. When a voltage is applied to the electrode again, the diaphragm is again pulled toward the electrode by electrostatic attraction.
[0036]
Therefore, the configuration of the ink jet head according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 5 and 6 in addition to FIG. FIG. 5 is a top view of the electrode substrate of the head, and FIG. 6 is a plan view of the main part of the head.
As shown in FIGS. 4 and 5, the electrode substrate 2 is provided with a first air chamber 41 communicating with the vibration chamber 16 formed by the diaphragm 10 and the electrode 15 through the slit 40 and at one end. Is provided in common with a plurality of first air chambers 41, and a second air chamber 42 with the other end communicating with the atmosphere is provided. By forming the air chamber 41 on the lower side of the electrode 15 of the electrode substrate 2 in this way, there is no significant increase in the process, and the increase in the chip size of the head due to the provision of the air chamber 41 is accompanied by this. The increase in cost can be suppressed.
[0037]
In this case, the second air chamber 42 has a plurality of odd-numbered and even-numbered first air chambers 41 corresponding to the two nozzle rows 4A and 4B in which the nozzles 4 are arranged in a staggered manner at one end. It communicates in common and the other end communicates with the atmosphere. In this case, for each nozzle row 4A, 4B, a second air chamber 42 having an air opening 42a whose one end communicates with the first air chamber 41 and whose other end opens to the atmosphere is provided independently. You can also In addition, as shown in FIG. 7, a plurality of atmospheric openings 42 a of the second air chamber 42 can be formed on the same end side of the electrode substrate 2.
[0038]
The opening 16 a of each vibration chamber 16 is sealed with a first sealing material 46. As the sealing material 46, a material excellent in gas barrier properties, for example, an epoxy adhesive (for example, 342-3 manufactured by Able Bond Co., Ltd.) is used. When sealing with the first sealing material 46, a minute gas may be generated from the sealing material 46. When performing the first sealing, the slit 40 and the first air are used. Since the atmosphere opening side (second air chamber 42) communicating with the vibration chamber 16 through the chamber 41 is not sealed, deformation of the diaphragm 10 due to gas generation can be avoided.
[0039]
The atmospheric opening 42 a of the second air chamber 42 is sealed with a second sealing material 47. At this time, the air opening 42 a is sealed through an elastic member 48 having a smaller elastic modulus than that of the diaphragm 10. As a result, gas generation when sealed with the second sealing material 47, changes in pressure after being hermetically sealed, pressure changes associated with temperature changes, etc. can be absorbed by the elastic member 48 having a low elastic modulus. In addition, deformation of the diaphragm 10 due to pressure change or the like can be prevented, and variation in vibration characteristics can be prevented.
[0040]
The elastic member 48 is preferably made of a material having excellent gas barrier properties, and a laminated member obtained by sandwiching an ethylene vinyl alcohol copolymer resin with a high-density polyethylene resin having a low elastic modulus is particularly preferable. By providing a plurality of atmospheric openings 42 a in the second air chamber 42, the area of the elastic member 48 is increased when the pressure change accompanying the change in atmospheric pressure and temperature is absorbed by the elastic member 48, and the absorption effect is increased. To do.
[0041]
Therefore, the action of reducing the air damper effect in this ink jet head will be described with reference to FIG.
First, the volume V of the vibration chamber 16 which is a gap space formed between the vibration plate 10 and the electrode 15 is defined as “a” for the short direction length of the vibration plate 10, “b” for the long direction length, and “δ” for the gap length. V = a × b × δ. On the other hand, the excluded volume ΔV when the diaphragm 10 is deformed is ΔV = 8 × a × b × δ / 15. Here, δ is adopted as the displacement amount of the vibration plate 10, but this is because the so-called contact driving method in which the vibration plate 10 is driven by contacting the electrode 15 reduces the voltage and discharges ink droplets. This is because it is excellent in terms of uniform amount.
[0042]
By the way, in the case of such a contact driving method, when the bottom surface of the recess 14 is made flat without providing the first air chamber 41 (example in FIG. 8), the volume (actuator volume) V of the vibration chamber 16 is excluded. The ratio V / ΔV of the volume ΔV is approximately V / ΔV = 15/8 and is a value of 2 or less. Here, as a result of repeating the experiment, as the air damper effect, as the actuator volume V, only an increase in the volume of the vibration chamber directly under the diaphragm exerts a large effect, and the effect of reducing the air damper effect on the volume increase other than directly under the diaphragm Turned out to be small.
[0043]
Therefore, as in this embodiment, the vibration chamber 16 is provided through a slit 40 facing the vibration chamber 16 in a portion substantially facing the vibration plate 10 of the electrode substrate 2, that is, in this case, a portion where the electrode 15 on the bottom surface of the recess 14 is not formed. By providing the first air chamber 41 communicating with the air chamber, the effective vibration chamber volume V can be increased, the value of V / ΔV can be increased, the air damper effect can be reduced, and stable with low voltage drive The obtained diaphragm displacement can be obtained.
[0044]
In this case, by providing the first air chamber 41 inside the electrode substrate 2 and communicating with the vibration chamber 16 through the slit 40, the area of the electrode formation surface (the bottom surface of the recess 14) is reduced and the electrode formation area is reduced. It can be avoided that the electrostatic force decreases due to the decrease. The first air chamber 41 having a large volume can be secured by making the width of the first air chamber 41 wider than the width of the slit 40.
[0045]
Here, a specific example of the ink jet head according to this embodiment will be described including the manufacturing process. As the electrode substrate 2, a silicon substrate having a crystal plane orientation (100) was used, and an oxide film 2a having a thickness of 2 μm was formed by thermal oxidation. And the recessed part 14 used as the vibration chamber 16 was formed in the thermal oxide film 2a by the dry etching method with the depth of 0.6 micrometer. An electrode 15 made of TiN having a thickness of 0.15 μm was formed on the bottom surface of the recess 14 by sputtering and patterned by dry etching. SiO as electrode protective film 17 2 Was formed by P-CVD so as to have a thickness of 0.15 μm, and was patterned by dry etching.
[0046]
Next, a thermal oxide film 2a of the silicon substrate (electrode substrate 2) is formed by dry etching a notch (slit 40) having a width of 4 μm and a vibration plate length of 1 mm around the electrode 15 on the bottom surface of the recess 14. It was formed to a depth that reached no region. Thereafter, a resist pattern is formed to expose only the notch and dry etching is performed to form a first air chamber 41 having substantially the same shape as that obtained by isotropic etching inside the electrode substrate 2. did.
[0047]
At this time, the size of the first air chamber 41 can be changed by the etching time. When the shape of the first air chamber 41 is approximated by a trapezoid, the upper side length is 16 μm, the lower side length is 6 μm, and the depth is 12 μm. The first air chamber 41 was used. Even when the volume of the notched portion (slit 40) of the thermal oxide film 2a was removed, the ratio W / ΔV of the entire volume W of the first air chamber 41 to the excluded volume ΔV was a value exceeding “12”.
[0048]
On the other hand, as the flow path substrate 1, an SOI substrate in which a silicon substrate is bonded via a thermal oxide film is used, and after directly bonding the SOI substrate and the electrode substrate 2 at a temperature of 900 ° C., the plane orientation of the SOI substrate. Si of (110) was etched by wet etching to form a recess to be the discharge chamber 6 and the like, and at the same time, a diaphragm 10 having a plate thickness of 3 μm was formed.
[0049]
Then, the opening of the vibration chamber 16 was sealed with an epoxy adhesive as the first sealing material 46. Thereafter, the atmospheric opening 42 a of the second air chamber 42 was sealed with the second sealing material 47 via the elastic member 48.
[0050]
Further, as a comparative example, an ink jet head in which the first air chamber 41 and the slit 40 were not formed as shown in FIG.
[0051]
And the vibration displacement amount of the actuator of each ink jet head was measured with a laser Doppler meter. As a result, the voltage at which the diaphragm 10 starts to come into contact with the protective film 17 on the surface of the electrode 15 is about 6 V lower when the first air chamber 41 is provided, and the first air chamber 41 is substantially reduced. Also functioned as the vibration chamber 16, and it was confirmed that the effect was large.
[0052]
In the case of an actuator without the first air chamber 41, it has been confirmed that the displacement of the diaphragm 10 becomes unstable when the drive frequency is set to 20 KHz or more. However, when the first air chamber 21 is provided, It was confirmed that there was no instability phenomenon of vibration displacement with respect to such frequency change.
[0053]
Further, the nozzle plate 3 is formed of a transparent glass plate, and after sealing with the first sealing material 46 and the second sealing material 47, the diaphragm 10 The deformation of was measured with a laser Doppler meter. As a result, it was confirmed that the displacement amount of the diaphragm 10 was substantially constant with respect to the temperature change, and the elastic member 48 absorbed the pressure.
[0054]
Next, a second embodiment of the inkjet head according to the present invention will be described with reference to FIGS. 9 is an explanatory cross-sectional view of the head along the transverse direction of the diaphragm, FIG. 10 is an explanatory top view of the electrode substrate of the head, and FIG. 11 is an explanatory plan view of the head.
In this ink jet head, an air chamber 51 communicating with the vibration chamber 16 is formed on the electrode substrate 2 through a slit 50 formed at the center of the electrode 15, and the air chamber 51 is placed on the back side of the electrode substrate 2 in the atmosphere. An air opening 52 communicating with the air is formed.
[0055]
Here, the atmospheric openings 52 of the electrode substrate 2 are shown in a plurality of odd-numbered and even-numbered air chambers 51 corresponding to the two nozzle rows 4A and 4B arranged in a staggered manner as shown in FIG. As shown in FIG. In addition, the opening of the vibration chamber 16 is sealed with the first sealing material 46 described above, and the atmosphere opening 52 of the electrode substrate 2 is sealed with a second sealing material (not shown) via the elastic member 53. The same as the second sealing material 47).
[0056]
In this case, when sealing with the first sealing material 46, a minute gas may be generated from the sealing material 46, but when performing the first sealing, through the slit 50 and the air chamber 51. Since the atmospheric opening 52 communicating with the vibration chamber 16 is not sealed, deformation of the vibration plate 10 due to gas generation can be avoided.
[0057]
In addition, the elastic member 53 sealing the atmospheric opening 52 of the electrode substrate 2 has a lower elastic modulus than that of the diaphragm 10, and a resin material having a high gas barrier property is replaced with a resin material having a low elastic modulus. It is a laminated resin material. For example, as described above, a laminated member in which an ethylene vinyl alcohol copolymer resin is sandwiched with a high-density polyethylene resin having a low elastic modulus is particularly preferable.
[0058]
Here, a specific example of the ink jet head according to this embodiment will be described including the manufacturing process. Similar to the first embodiment, a silicon substrate having a crystal plane orientation (100) was used as the electrode substrate 2, and an oxide film 2a having a thickness of 2 μm was formed by thermal oxidation. And the recessed part 14 used as the vibration chamber 16 was formed in the thermal oxide film 2a by the dry etching method with the depth of 0.6 micrometer. An electrode 15 made of TiN having a thickness of 0.15 μm was formed on the bottom surface of the recess 14 by sputtering and patterned by dry etching. SiO as electrode protective film 17 2 Was formed by P-CVD so as to have a thickness of 0.15 μm, and was patterned by dry etching.
[0059]
Next, a silicon substrate (electrode substrate 2) is thermally oxidized by dry etching a notch (slit 50) having a width of 4 μm at the center of the electrode 15 on the bottom of the recess 14 and a length of 1.1 mm with respect to the diaphragm length of 1 mm. The film was formed to a depth reaching a region where the film 2a was not present. Thereafter, a resist pattern was formed to expose only the notch, and dry etching was performed to form an air chamber 51 having a shape substantially the same as that obtained by isotropic etching immediately below the electrode 15.
[0060]
At this time, the size of the air chamber 51 can be changed by the etching time. When the shape of the air chamber 51 is approximated by a trapezoid, the air chamber 51 has an upper side length of 16 μm, a lower side length of 6 μm, and a depth of 12 μm. .
[0061]
Furthermore, isotropic etching with KOH was performed from the back surface of the electrode substrate 2 to form an air opening 52 on the back surface side of the electrode substrate communicating with each air chamber 51.
[0062]
In this case as well, an SOI substrate in which a silicon substrate is bonded via a thermal oxide film is used as the flow path substrate 1, and the SOI substrate and the electrode substrate 2 are directly bonded at a temperature of 900 ° C., and then the SOI substrate. The Si having the surface orientation (110) was etched by wet etching to form a recess to be the discharge chamber 6 and the like, and at the same time, the diaphragm 10 having a thickness of 3 μm was formed.
[0063]
Then, the opening of the vibration chamber 16 was sealed with an epoxy adhesive as the first sealing material 46. Thereafter, the atmospheric opening 52 on the back surface of the electrode substrate was sealed through the elastic member 53 using the second sealing material 47.
[0064]
Next, a third embodiment of the inkjet head according to the present invention will be described with reference to FIGS.
Also in this ink jet head, an air chamber 51 communicating with the vibration chamber 16 is formed in the electrode substrate 2 through the central portion of the electrode 15 and the slit 50 formed in the oxide film 2a. One end of each of the slit 50 and the air chamber 51 communicates in common with each vibration chamber 16 and further with a row of the vibration chambers 16 arranged in a staggered manner. Further, the bottom of the lead portion 55 through which the slit 50 and the air chamber 51 are drawn in common is open to the atmosphere through an air opening 56 formed on the back side of the electrode substrate 2.
[0065]
Here, the opening of the vibration chamber 16 is sealed with the first sealing material 46 described above, and the atmospheric opening 56 of the electrode substrate 2 is interposed via the elastic member (the same as the elastic member 53 described above). The second sealing material (same as the second sealing material 47 described above) is used.
[0066]
Therefore, the vibration displacement amount of the actuators of the second and third embodiments was measured with a laser Doppler meter. As a result, the voltage at which the diaphragm 10 starts to contact the electrode substrate 2 is lower by about 6 Volts when the air chamber 51 is provided, and the air chamber 51 functions as a vibration chamber, and it is confirmed that the effect is large. It was done. Further, in the case of an actuator without the air chamber 51, it was confirmed that the vibration displacement becomes unstable when the drive frequency is set to 20 KHz or more. However, when the air chamber 51 is provided, the vibration displacement with respect to such a frequency change is reduced. It was confirmed that there was no instability phenomenon.
[0067]
Further, in order to facilitate the observation of the deformation of the vibration plate 10, the nozzle plate was made of a glass plate, and the vibration displacement was measured. After performing the first and second sealing, the deformation of the diaphragm 10 was measured with a laser Doppler meter while changing the temperature in the high-temperature tank. As a result, it was confirmed that the displacement amount of the diaphragm 10 was substantially constant with respect to the temperature change, and the elastic member effectively absorbed the pressure.
[0068]
In the above embodiment, the present invention is applied to the side shooter type inkjet head in which the vibration plate displacement direction and the ink droplet ejection direction are the same, but the edge shooter method orthogonal to the vibration plate displacement direction and the ink droplet ejection direction. The same can be applied to the inkjet head. Furthermore, the present invention can be applied not only to an ink jet head but also to a droplet discharge head that discharges a liquid resist or the like. Further, although the diaphragm and the liquid chamber substrate are formed from the same substrate, the diaphragm and the liquid chamber substrate can be joined separately.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, according to the ink jet head according to the present invention, the first air chamber communicating with the vibration chamber formed by the diaphragm and the electrode, and one end common to the plurality of first air chambers. Since the second air chamber that communicates and the other end communicates with the atmosphere is provided, the effective vibration chamber volume increases, and the ratio to the volume that is eliminated when the diaphragm is deformed increases, resulting in an air-damper effect. Can be significantly reduced, and a stable diaphragm displacement can be obtained by low-voltage driving.
[0070]
Here, the second air chamber communicates in common with the plurality of odd-numbered and even-numbered first air chambers corresponding to the two nozzle rows, one end of which is arranged in a staggered manner, and the other end. By communicating with the atmosphere, the air-damper effect can be significantly reduced while increasing the nozzle density. The second air chamber has one end commonly connected to the plurality of first air chambers, and the other end communicated to the atmosphere through a plurality of openings, thereby opening the elastic member. When sealing through, the area in contact with the opening of the elastic member is increased, and the effect of absorbing pressure fluctuation is increased.
[0071]
In addition, the openings of the plurality of vibration chambers are sealed with the first sealing material, and the atmosphere openings of the second air chamber communicating with the plurality of first air chambers are sealed with the second sealing material. By sealing, it is possible to prevent the intrusion of dust and moisture into the vibration chamber and to prevent fluctuations in the diaphragm displacement characteristics.
[0072]
In addition, the openings of the plurality of vibration chambers are sealed with the first sealing material, and the atmosphere openings of the second air chamber communicating with the plurality of first air chambers are sealed through elastic members. By doing so, it is possible to prevent the diaphragm from being deformed due to environmental changes such as temperature and pressure after sealing.
[0073]
In this case, the elastic member that seals the atmospheric opening of the second air chamber has an elastic modulus smaller than that of the diaphragm, so that the elastic member is resistant to environmental changes such as temperature and pressure after sealing. Is deformed first, and the deformation of the diaphragm can be prevented more reliably. In addition, the elastic member that seals the air opening of the second air chamber is a resin material obtained by laminating a resin material having a high gas barrier property with a resin material having a low elastic modulus. Intrusion of outside air, etc. can be reliably prevented.
[0074]
According to the ink jet head of the present invention, an air chamber that communicates with a vibration chamber formed by a diaphragm and an electrode is provided in the electrode substrate, and an air opening that communicates the air chamber with the atmosphere is provided on the back side of the electrode substrate. As a result, the effective volume of the vibration chamber increases, the ratio to the volume that is eliminated when the diaphragm is deformed, the air-damper effect can be significantly reduced, and a stable diaphragm displacement is obtained with low voltage drive. be able to.
[0075]
Here, the atmosphere openings of the electrode substrate communicate with a plurality of odd-numbered and even-numbered air chambers corresponding to the two nozzle rows arranged in a staggered manner, thereby increasing the nozzle density. However, the air damper effect can be significantly reduced.
[0076]
In addition, the opening portion of the vibration chamber is sealed with the first sealing material, and the atmospheric opening portion of the electrode substrate is sealed with the second sealing material via the elastic member. The vibration characteristics of the diaphragm can be prevented from fluctuating due to intrusion of dust and outside air, etc., and pressure fluctuations due to environmental changes such as atmospheric pressure and temperature can be absorbed by the elastic member. Variation can be suppressed.
[0077]
In this case, the elastic member that seals the atmospheric opening of the electrode substrate has an elastic modulus smaller than that of the diaphragm, so that the elastic member is first in response to environmental changes such as temperature and pressure after sealing. It is possible to prevent deformation of the diaphragm more reliably. In addition, the elastic member that seals the air opening of the electrode substrate is made of a resin material having a high gas barrier property and laminated with a resin material having a low elastic modulus, so that the outside air to the second air chamber, etc. Can be surely prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a first embodiment of an inkjet head according to the invention.
FIG. 2 is an explanatory cross-sectional view of the head along the longitudinal direction of the diaphragm.
FIG. 3 is an enlarged sectional explanatory view of a main part along the longitudinal direction of the diaphragm of the head.
FIG. 4 is an explanatory cross-sectional view of the head along the transverse direction of the diaphragm.
FIG. 5 is a top view of the electrode substrate of the head.
FIG. 6 is an explanatory plan view of the head.
FIG. 7 is an upper surface explanatory view of an electrode substrate for explaining another example of the second air chamber of the head.
FIG. 8 is a cross-sectional explanatory view of the head of a comparative example taken along the lateral direction of the diaphragm for explaining the operation of the head.
FIG. 9 is an explanatory cross-sectional view along the transversal direction of the diaphragm, showing a second embodiment of an inkjet head according to the present invention.
FIG. 10 is a top view of the electrode substrate of the head.
FIG. 11 is an explanatory plan view of the head.
FIG. 12 is a cross-sectional explanatory view along the transversal direction of the diaphragm showing a third embodiment of an inkjet head according to the present invention.
FIG. 13 is a top view of the electrode substrate of the head.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Channel substrate, 2 ... Electrode substrate, 3 ... Nozzle plate, 4 ... Nozzle, 6 ... Discharge chamber, 7 ... Fluid resistance part, 8 ... Common liquid chamber, 10 ... Vibration plate, 14 ... Recessed part, 15 ... Electrode, DESCRIPTION OF SYMBOLS 16 ... Vibration chamber, 40 ... Slit, 41 ... 1st air chamber, 42 ... 2nd air chamber, 46 ... 1st sealing material, 47 ... 2nd sealing material, 48 ... Elastic member, 50 ... Slit, 51 ... air chamber, 52 ... atmospheric opening, 53 ... elastic member.

Claims (6)

ノズルと、このノズルに連通するインク液室と、このインク液室の壁面の一部を形成する振動板と、この振動板に対向して配置され、電極基板上に形成された電極を有し、前記振動板と前記電極との間に発生させる静電力で前記振動板を変形させることにより前記ノズルからインク滴を吐出するインクジェットヘッドにおいて、
振動板と電極によって形成される振動室に連通する第一の空気室を前記電極基板に設けるとともに、
一方の端が複数の前記第一の空気室に共通に連通し、他方の端が大気に連通する第二の空気室を設けた
ことを特徴とするインクジェットヘッド。
A nozzle, an ink liquid chamber communicating with the nozzle, a diaphragm that forms part of the wall surface of the ink liquid chamber, and an electrode that is disposed opposite the diaphragm and formed on the electrode substrate In an inkjet head that ejects ink droplets from the nozzles by deforming the diaphragm with an electrostatic force generated between the diaphragm and the electrode ,
A first air chamber communicating with a vibration chamber formed by a diaphragm and an electrode is provided in the electrode substrate,
2. An ink jet head, comprising: a second air chamber having one end communicating with the plurality of first air chambers in common and the other end communicating with the atmosphere.
請求項1に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記第二の空気室は、一方の端が千鳥状に配列された2列のノズル列に対応した複数の奇数列、偶数列の第一の空気室に共通に連通し、他方の端が大気に連通することを特徴とするインクジェットヘッド。  2. The inkjet head according to claim 1, wherein the second air chamber is a plurality of odd-numbered and even-numbered first air chambers corresponding to two nozzle rows arranged at one end in a staggered manner. An inkjet head characterized in that it communicates in common and the other end communicates with the atmosphere. 請求項1又は2に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記第二の空気室は、その一方の端が、複数の第一の空気室に共通に連通し、他方の端が大気に複数の開口で連通していることを特徴とするインクジェットヘッド。  3. The inkjet head according to claim 1, wherein one end of the second air chamber communicates in common with the plurality of first air chambers, and the other end communicates with the atmosphere through a plurality of openings. An ink jet head characterized by the above. 請求項1乃至3のいずれかに記載のインクジェットヘッドにおいて、前記複数の振動室は前記振動板と前記電極基板との間で形成される開口部を通じて開口し、前記複数の振動室の開口部を第一の封止材で封止するとともに、複数の第一の空気室に連通する、第二の空気室の大気開口部を第二の封止材で封止したことを特徴とするインクジェットヘッド。 4. The inkjet head according to claim 1, wherein the plurality of vibration chambers open through an opening formed between the vibration plate and the electrode substrate, and the openings of the plurality of vibration chambers are formed. An inkjet head characterized in that the air opening of the second air chamber that is sealed with the first sealing material and communicates with the plurality of first air chambers is sealed with the second sealing material. . 請求項1乃至3のいずれかに記載のインクジェットヘッドにおいて、複数の振動室の開口部を第一の封止材で封止するとともに、複数の第一の空気室に連通する、第二の空気室の大気開口部を弾性部材を介して封止したことを特徴とするインクジェットヘッド。  4. The second air according to claim 1, wherein the openings of the plurality of vibration chambers are sealed with a first sealing material and communicated with the plurality of first air chambers. An ink jet head, wherein an atmospheric opening of a chamber is sealed with an elastic member. 請求項5に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記第二の空気室の大気開口部を封止する弾性部材は、その弾性率が前記振動板の弾性率より小さいことを特徴とするインクジェットヘッド。  6. The ink jet head according to claim 5, wherein the elastic member for sealing the atmospheric opening of the second air chamber has an elastic modulus smaller than that of the diaphragm.
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