JP4873085B2

JP4873085B2 - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP4873085B2
Application number: JP2010032187A
Authority: JP
Inventors: 博幸丸山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2020-04-21
Also published as: JP2010158899A

Description

本発明は、個別インク室での流線とインクノズルから吐出するインク液滴の角度が概直
角であるフェイスイジェクトタイプのインクジェットヘッドに関するものである。

従来から、特公昭５３−１２１３８号（特許文献１）や特公昭５３−４５６９８号（特
許文献２）に代表されるように多くのインクジェットヘッドが提案されている。これらの
インクジェットヘッドのノズル部の穴形状は図５に示されるような円錐台あるいは円筒形
であった。

特公昭５３−１２１３８号公報特公昭５３−４５６９８号公報

しかしながら、これらの実施例では製造上の理由により、結晶面方位（１１０）のシリ
コンに異方性エッチングで個別インク室を作成し、個別インク室を構成する傾斜面に対峙
する位置にノズル部を配置した場合、個別インク室を構成する傾斜面に沿って流線はノズ
ル部近傍まで達するので、ノズル部において流線をノズル面に対して鉛直方向とすること
ができなかった。その結果、インク液滴はノズル面に対して鉛直方向に真っ直ぐに吐出せ
ず、所望の印字品質を満足できないという問題があった。

一方、結晶面方位（１１０）のシリコンに異方性エッチングで個別インク室を作成し、
個別インク室を構成する傾斜面に対峙しない位置にノズル部を配置した場合、インクタン
ク等から流入してくる気泡がこの傾斜面の先端の位置に停留してしまうので、この気泡を
除去することができなかった。そのため、個別インク室で吐出するために必要な十分な圧
力を発生することができず、所望の印字品質を満足できないという問題があった。

一方、インク液滴を真っ直ぐに吐出させるために、ノズル部の長さを長くした場合には
、ノズル部での流路抵抗が増加することによりメニスカスの復帰速度が低下してしまい、
インクジェットヘッドの応答周波数が向上しないという問題もあった。

本発明の課題は、この点に鑑みて、ノズル部の構造を工夫することにより、印字品質が
よく、しかも応答速度が速いインクジェットヘッドを実現することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、インクノズルと、第２ノズルと、個別インク
室とを有し、前記個別インク室の容積変動による個別インク室の流線を概直角に曲げてイ
ンクノズルからインク液滴を吐出させるインクジェットヘッドにおいて、前記第２ノズル
の中心に対する前記インクノズルの中心が相対的にインクが供給される側に位置すること
を特徴としている。

また、前記個別インク室は、結晶面方位（１１０）のシリコンに異方性エッチングで形
成したことを特徴としている。

本発明を適用した静電駆動式のインクジェットヘッドの断面図である。図１のノズル部と個別インク室を説明するための部分上面図及び部分断面図である。図１のインク液滴の吐出方向を説明するための部分断面図である。図１のノズル部の別の構成例を示すための説明図である。従来のインクジェット記録装置のノズル部の上面図及び断面図。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した静電駆動式のインクジェットヘッドを説明
する。

図１は本例の静電駆動式インクジェットヘッドの断面図である。インクジェットヘッド
１は、キャビティ基板２を挟み、上側にシリコン製のノズル基板３が積層され、下側にガ
ラス製の電極基板４が積層された３層構造となっている。

中央のキャビティ基板２は、結晶面方位（１１０）のシリコン基板であり、その表面か
らエッチングを施すことにより、独立した複数の細長い個別インク室５と、１つの共通イ
ンク室６と、この共通インク室６を各個別インク室５に連通させている複数のインク供給
口部７としてそれぞれ機能する溝が形成されている。これらの溝がノズル基板３によって
塞がれて、各部分５、６、７が区画形成されている。

また、共通インク室６の下面を規定する部分には、インク取り入れ口１２が形成されて
いる。インクは、外部のインクタンク（図示せず）から、インク取り入れ口１２を通って
共通インク室６に供給され、ここから各インク供給口部７を通って、独立した個別インク
室５に供給される。

ノズル基板３には、各個別インク室５の先端側の部分に対応する位置、すなわち、イン
ク供給口部７とは反対側となる位置に、ノズル部１１が形成されており、各ノズル部１１
は対応する個別インク室５に連通している。個別インク室５の底面には、薄肉で、面外方
向（図において上下方向）に弾性変位可能な振動板５１として機能する部分が形成されて
いる。

電極基板４において、キャビティ基板２に接合される上面には、各振動板５１に対峙す
る位置に、浅くエッチングされた凹部４１が形成されている。この凹部４１の底面には、
振動板５１に対峙する個別電極１０が形成されている。個別電極１０は、ＩＴＯからなる
セグメント電極部分１０ａと、外部に露出している電極端子部１０ｂを有している。

電極基板４をキャビティ基板２に接合することにより、各個別インク室５の底面を規定
している振動板５１と個別電極１０のセグメント電極部分１０ａとが、非常に狭い隙間で
対峙する。この隙間は封止剤６０によって封止され、密閉状態とされている。

キャビティ基板２には、共通電極端子２２が形成され、ここと、各個別電極１０との間
に、電圧印加手段２１によって駆動電圧が印加される。キャビティ基板２は導電性である
ので、各振動板５１は共通電極として機能する。

共通電極である振動板５１と個別電極１０の間に駆動電圧を印加することにより発生す
る静電気力により、振動板５１を個別電極側に吸引すると、振動板５１が弾性変形してセ
グメント電極１０ａの側に撓み、当該セグメント電極１０ａの表面に吸着する。この結果
、個別インク室５の容積が増加して、インク供給口部７を介して共通インク室６の側から
インクが個別インク室５に流入する。

静電吸引力が解除されると、振動板５１はその弾性復帰力によってセグメント電極１０
ａの表面から離れて初期状態に復帰する。この結果、個別インク室５の容積が急激に減少
する。この時に発生する個別インク室内のインク圧力振動によって、個別インク室内のイ
ンクの一部が、ノズル部１１からインク液滴として吐出される。

（ノズル部と個別インク室）
図２（ａ）は、ノズル基板３におけるノズル部１１とキャビティ基板２における個別イ
ンク室５を中心に示す上面図であり、図２（ｂ）はそのｂ−ｂ線で切断した部分の部分断
面図である。

これらの図に示すように、個別インク室５は底面５１ａ、側壁面５２、側壁面５３、傾
斜面５４、傾斜面５５で区画形成されている。底面５１ａと傾斜面５４は入り隅５６で交
差しており、傾斜面５４とキャビティ基板２の表面は、入り隅５７、入り隅５８で交差し
ている。単結晶シリコンにおいては、周知のごとく、水酸化カリウム水溶液やヒドラジン
等のアルカリでエッチングする場合、結晶面によるエッチング速度の差が大きいため、異
方性エッチングが可能となる。

具体的には、（１１１）結晶面のエッチング速度が最も小さいため、エッチングの進行
と共に（１１１）面が平滑面として残留する構造が得られる。側壁面５２、側壁面５３、
傾斜面５４、傾斜面５５は（１１１）面で構成されており、側壁面５２と側壁面５３はキ
ャビティ基板２の表面に対して垂直な面であり、キャビティ基板２に対する傾斜面５４の
角度Θ４と、キャビティ基板２に対する傾斜面５５の角度Θ５は共に３０°である。また
、入り隅５７と側壁面５２の角度Θ１と、入り隅５６と側壁面５２の角度Θ２は共に約１
２５°であり、入り隅５８と側壁面５３の角度Θ３は約１０９°である。

図２（ａ）の点線で示すように、入り隅５８を側壁面５２に延ばすことで、入り隅５７
をなくすこともできるし、入り隅５７を側壁面５３に延ばすことで、入り隅５８をなくす
こともできる。

ノズル基板３の側においては、傾斜面５４に対峙している部分に、円筒形にエッチング
された第２ノズル１１ｂが形成され、第２ノズル１１ｂの中心は、入り隅５７と入り隅５
８と側壁面５２と側壁面５３との距離がほぼ等しい位置にある。インクノズル１１ａは第
２ノズルよりも小さい直径の円筒形であり、その中心が第２ノズルの中心に対してインク
が供給されてくる側（インク供給口部７の側）の位置に形成してある。

ここで、図２（ｂ）を参照してインクの流れについて説明する。振動板５１の弾性変位
により、インク室５では、図のような矢印の流線が発生する。この流線は、傾斜面５４で
は傾斜面に沿って約１５°の流線となり（図中Θ６参照）、第２ノズル１１ｂの近傍まで
達する。インクノズル１１ａから吐出するインク液滴がノズル面３ａに対して鉛直方向に
真っ直ぐに吐出するためには、第２ノズル１１ｂとインクノズル１１ａにて、傾斜面に沿
った約１５°の流線を吐出方向と同じように、ノズル面３ａに対して鉛直方向にする必要
がある。つまり、第２ノズル１１ｂとインクノズル１１ａにて、個別インク室の流線に対
して９０°にする必要がある。

図３は、図２（ｂ）におけるインクノズル１１ａと第２ノズル１１ｂを中心に示す部分
断面図であり、それぞれ第２ノズル１１ｂの中心とインクノズル１１ａの中心との偏心量
が異なっている。図３を参照して、この偏心量とインク液滴１３の吐出方向を説明する。
図３（ａ）は、インクノズル１１ａの中心と第２ノズル１１ｂの中心を同じにした場合で
ある。この場合、個別インク室５を構成する傾斜面５４に沿った流線は第２ノズル１１ｂ
の近傍まで達するので、第２ノズル１１ｂとインクノズル１１ａでの流線は図に示すよう
になり、ノズル面３ａに対して鉛直方向にすることはできない。実際に、本発明者等の実
験によれば、インクノズル１１ａの直径を２５μｍ、長さを２５μｍ、第２ノズル１１ｂ
の直径を６６μｍ、長さを５５μｍとし、第２ノズル１１ｂの中心とインクノズル１１ａ
の中心を同じにした場合、インク液滴は１３ａに示すように、ノズル面３ａの鉛直方向に
対して供給口部７の側と反対の側に約２°の傾きをもって吐出した。

図３（ｂ）は、第２ノズル１１ｂの中心に対してインクノズル１１ａの中心を供給口部
７の側に３μｍ偏心させた場合である。本発明者等の実験によれば、例えば、インクノズ
ル１１ａの直径を２５μｍ、長さを２５μｍ、第２ノズル１１ｂの直径を６６μｍ、長さ
を５５μｍとし、第２ノズル１１ｂの中心に対してインクノズル１１ａの中心を供給口部
７の側に３μｍ偏心させた場合、インク液滴は図３（ｂ）の１３ｂのように、ノズル面３
ａの鉛直方向に吐出することが確認された。このように、個別インク室５を構成する傾斜
面５４に沿い、第２ノズル１１ｂの近傍まで達する流線を第２ノズル１１ｂとインクノズ
ル１１ａで、ノズル面３ａに対して鉛直方向にすることができた。

つまり、これまで説明したように、第２ノズル１１ｂの中心とインクノズル１１ａの中
心との偏心量によりインク液滴の吐出方向が変化し、第２ノズル１１ｂの中心に対してイ
ンクノズル１１ａの中心をインク供給口部７の側に３μｍ偏心させた場合が適しているこ
とを実験で確認した。

本発明者等の実験によれば、例えば、インクノズル１１ａの直径を２５μｍ、長さを１
００μｍ、第２ノズル１１ｂの直径を６６μｍ、長さを５５μｍとした場合には、第２ノ
ズル１１ｂの中心とインクノズル１１ａの中心が同じでも、インクノズル１１ａから吐出
するインク液滴は、ノズル面３ａに対して鉛直方向に真っ直ぐ吐出することが確認された
。しかしながら、ノズル部での流路抵抗が増加することによりメニスカスの復帰速度が低
下し、その結果、インクジェットヘッドの応答周波数が低下してしまい、インクジェット
ヘッドとして適していなかった。

本発明者等の実験によれば、例えば、振動板５１に対峙する位置に、第２ノズル１１ｂ
を形成し、インクノズル１１ａの中心を第２ノズル１１ｂの中心とした場合には、インク
ノズル１１ａから吐出するインク液滴は、ノズル面３ａに対して鉛直方向に真っ直ぐ吐出
することが確認された。しかしながら、インクタンク等から流入してくる気泡が、入り隅
５７と入り隅５８（図２（ａ）参照）の近傍の位置に停留してしまうので、この気泡を除
去することができなかった。その結果、個別インク室で吐出するために必要な十分な圧力
を発生することができず、所望の印字品質を満足できなかった。

なお、本実施例では、第２ノズル１１ｂの中心に対してインクノズル１１ａの中心をイ
ンク供給口部７の側に３μｍ偏心させたが、これに限定されるものではなく、インクノズ
ルの長さ、第２ノズルの長さ、個別インク室の深さ等の流路寸法に応じて適宜選択すれば
良い。また、インクノズル１１ａ及び第２ノズル１１ｂの断面形状は円形としたが、例え
ば三角形、四角形等の多角形、星形等適宜選択できる。

（ノズル部の変形例）
図４にはノズル部１１の別の例を示してある。図４（ａ）では、第２ノズル１１ｂを円
錐台に形成し、インクノズル１１ａを円筒形に形成したものである。

図４（ｂ）では、第２ノズル１１ｂを円錐台に形成し、インクノズル１１ａを円錐台に
形成したものである。

図４（ｃ）はノズル部１１を中心とした部分平面図を示し、図４（ｄ）はそのｃ−ｃ断
面で切断した部分の部分断面図である。これらの図にあるように、第２ノズル１１ｂを四
角錐台に形成し、インクノズル１１ａを円筒形に形成したものである。

なお、形成すべきインクノズル１１ａの形状、第２ノズル１１ｂの形状、インクノズル
１１ａと第２ノズル１１ｂの形状の組み合せ等は、個々のインクジェットヘッドに応じて
適宜設定すべき性質のものである。従って、インクノズル１１ａの形状、第２ノズル１１
ｂの形状は円筒形、円錐台、四角錐台に限定されるものではなく、例えば、断面形状が三
角形、六角形等の多角形や星形等の角柱、断面形状が三角形、六角形等の多角形や星形等
の角錐台等適宜選択できる。

（その他の実施の形態）
上記の各例は静電駆動式のインクジェットヘッドに関するものであるが、圧電式のイン
クジェットヘッド、熱エネルギーを利用したインクジェットヘッドについても、本発明を
同様に適用できる。

（発明の効果）
以上説明したように、本発明のインクジェットヘッドでは、第２ノズルの中心に対する
インクノズルの中心を相対的にインクが供給される側の位置に形成している。このように
することで、個別インク室を結晶面方位（１１０）のシリコンに異方性エッチングで形成
しても、印字品質がよく、しかも応答速度が速いインクジェットヘッドを実現することが
できる。

１インクジェットヘッド、２キャビティ基板、３ノズル基板、４電極基板、５
個別インク室、６共通インク室、７インク供給口部、１１ノズル部、１１ａイ
ンクノズル、１１ｂ第２ノズル、５１振動板、５２，５３側壁面、５４，５５傾
斜面、５６，５７，５８入り隅。

Claims

キャビティ基板と、
インクノズル基板と、を含み、
前記キャビティ基板は、前記ノズル基板の垂直方向に対して傾斜した面で構成される傾斜面を有し、
前記インクノズル基板は、液体が前記ノズル基板に入ってくる入り口部と、液滴が前記ノズル基板から出て行く出口部と、を有し、
前記出口部は、前記入り口部より小さい径で構成されており、
前記ノズル基板の垂直方向から見て、前記入り口部及び前記出口部は、前記傾斜面内に位置し、
前記ノズル基板の垂直方向から見て、前記出口部の径中心は、前記入り口部の径中心よりも、前記傾斜面から離れる方向にずれていることを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項１において、
前記キャビティ基板は、結晶面方位（１１０）のシリコンに異方性エッチングで形成され、
前記インクノズル基板はシリコン製であり、
前記キャビティ基板と、
前記インクノズル基板と、
ガラス製の電極基板とが積層された３層構造からなることを特徴とするインクジェットヘッド。
請求項１または２において、
対向電極の間に電圧を印加することにより発生する静電気力によって、前記個別インク室に容積変動を発生させて、前記インクノズルからインク液滴を吐出させることを特徴とする静電駆動式のインクジェットヘッド。