JPH03158242A - Ink jet printer head - Google Patents

Ink jet printer head

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JPH03158242A
JPH03158242A JP30007289A JP30007289A JPH03158242A JP H03158242 A JPH03158242 A JP H03158242A JP 30007289 A JP30007289 A JP 30007289A JP 30007289 A JP30007289 A JP 30007289A JP H03158242 A JPH03158242 A JP H03158242A
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JP
Japan
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etching
ink
photo
film
printer head
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Application number
JP30007289A
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Japanese (ja)
Inventor
Hisatoshi Furubayashi
古林 久敏
Kazutaka Uda
和孝 宇田
Yasuhiko Inami
井波 靖彦
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
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Publication of JPH03158242A publication Critical patent/JPH03158242A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain an ink jet printer head with a good processing accuracy by a method wherein continuous grooves which form orifices, ink passages and ink chambers are integrally formed on the surface of a silicone substrate of which the surface is a 100 surface. CONSTITUTION:After forming SiO2 by thermal oxidation on both surfaces of a 100 silicone substrate 1, on this SiO2 film 2, a photo-resist film 3 is formed. At the same time, groove parts are pattern-formed by light exposure and development to the photo-resist film 3. This pattern is accurately adjusted to the <110> crystallographic axis of the silicone substrate 1. Then, using the photo- resist film 3 as a mask, the SiO2 film 2 is etched by a fluoric acid buffer solution, and the photo-resist film 3 is removed. Then, the Si substrate 1 for which a mask is formed by the SiO2 film 2 is dipped in a heated KOH water solution, and grooves with a V-shaped cross section are formed by anisotropic etching. By this method, a head with good properties can be easily manufactured.

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明はSi結晶の異方性エツチング特性を利用して精
密に加工したインクジェットプリンターのプリンターヘ
ッドで、特にオンデマント式のインクジェットプリンタ
ーに適し念プリンターヘッドに関するものである。
[Detailed Description of the Invention] <Industrial Application Field> The present invention is a printer head for an inkjet printer that is precisely processed using the anisotropic etching characteristics of Si crystal, and is particularly suitable for on-demand type inkjet printers. This relates to printer heads.

〈従来の技術〉 インクジェットプリンターは、低騒音で普通紙に記録で
きて、カラー化もできるなどから、最近注目されている
<Conventional Technology> Inkjet printers have been attracting attention recently because they can print on plain paper with low noise and can print in color.

インクジェット記録方式は、大別すると、コンテニアス
方式とオンデマンド方式になる。
Inkjet recording methods can be broadly divided into continuous methods and on-demand methods.

前者は、プリンターヘッドから連続吐出させたインク滴
を、記録紙に達する間で飛行軌道の制御を行なうもので
、高速記録に適しているが、記録に使わなかっtインク
滴を回収する必要があり、装置の小型化が難しいという
欠点がある。一方、オンデマンド方式は、記録に必要な
ときのみインク滴を吐出するもので、インクの回収が不
要なことから、装置の小型化と低価格化に適しており、
オンデマンド方式が主流になりつつある。
The former method controls the flight trajectory of the ink droplets continuously ejected from the printer head while they reach the recording paper, and is suitable for high-speed recording, but it is necessary to collect the ink droplets that are not used for recording. However, the disadvantage is that it is difficult to miniaturize the device. On-demand methods, on the other hand, eject ink droplets only when needed for recording, and do not require collection of ink, making it suitable for downsizing and lowering the cost of devices.
On-demand methods are becoming mainstream.

このオンデマンド方式も、インク滴の吐出方法で分類で
きるが、主なものはサーマル式と圧電式である。
This on-demand method can also be classified by the method of ejecting ink droplets, but the main types are thermal and piezoelectric.

サーマル式は、インクの流路に発熱素子を設はインクの
沸騰によるス泡の圧力でインク滴を吐出させるもので、
発熱素子を高密度に設置できて記録密度を高くできるが
、インク滴の大きさの制御が難しいこと、発熱素子やイ
ンクの耐久性の向上が難しいなどの問題が残っている。
Thermal type uses a heating element in the ink flow path to eject ink droplets using the pressure of the bubbles caused by the boiling of the ink.
Although heating elements can be arranged at high density and recording density can be increased, problems remain, such as difficulty in controlling the size of ink droplets and difficulty in improving the durability of heating elements and ink.

一方、圧電式は電気信号による圧電素子の機械的振動に
より、インク流路の体積を変えてインク滴を吐出するも
ので、インクの物性に関する制約も少なく、印加電圧に
よりインク滴の大きさを制御することができる特長もあ
るが、周波数応答性が低い、圧電素子配列のピッチを狭
くできないという機械的振動方式であることの欠点があ
る。
On the other hand, the piezoelectric type ejects ink droplets by changing the volume of the ink flow path through mechanical vibration of a piezoelectric element caused by an electrical signal.There are fewer restrictions on the physical properties of the ink, and the size of the ink droplets can be controlled by the applied voltage. However, it has the disadvantages of being a mechanical vibration method, such as low frequency response and the inability to narrow the pitch of the piezoelectric element array.

しかし、最近はサーマル式も圧電式も高密度化の研究が
進められて、従来より高速記録が可能なインクジェット
プリンターも出現している。
However, recently, research has been carried out to increase the density of both thermal and piezoelectric types, and inkjet printers that can record at higher speeds than before have appeared.

以上で説明したサーマル式、又は、圧電式のインク滴吐
出に用いるインクジェットノズルはステンレススチール
又はガラスなどを用いて作るのが一般的である。これら
の材料でインクの吐出口(オリフィス)を形成する微細
孔作製加工に、ステンレスのときパンチングやエツチン
グの方法をガラスのときもエツチングやガラス細工の方
法を採っても微細化の限界や寸法精度が悪いなどの問題
と、流路やインク室をそれぞれ別に作ってから組立てる
とインクジェットノズルの製造精度や生産性が悪く、製
品が高価になるという問題があった。
The inkjet nozzle used for ejecting ink droplets using the thermal type or piezoelectric type described above is generally made of stainless steel, glass, or the like. When creating microscopic holes to form ink ejection ports (orifices) in these materials, even if we use punching and etching methods for stainless steel and etching and glasswork methods for glass, there are limits to miniaturization and dimensional accuracy. There were problems such as poor performance, and if the flow channels and ink chambers were made separately and then assembled, the manufacturing precision and productivity of the inkjet nozzle would be poor, making the product expensive.

新しい材料でシリコンを用いる例が米回特許(USP)
4.007.464及びUSP3.921゜916など
で開示されている。しかし、以上の特許公報ではシー)
コンに異方性エツチング技術を用いて、オリフィスに用
いる微小な貫通孔を精度よく作製する方法が示されてい
るのみである。
An example of using silicon in a new material is a U.S. Patent (USP)
4.007.464 and USP 3.921°916. However, in the above patent publications,
The only thing that has been disclosed is a method for accurately fabricating minute through holes used for orifices using anisotropic etching technology.

シリコンを用いてインクジェットプリンターへノドΦ作
製する方法は、Kurt E、 Petersenによ
るIEEE  Transaction on Ele
ctronDevices ED−26(1979)、
1918に記載されているが、このシリコン材料にイン
ク室及びノズルの溝をエツチングで形成しt後、両側か
らガラス板を接着する作製におけるエツチングは次のよ
うになっている。
A method of making a throat Φ for an inkjet printer using silicone is described in IEEE Transaction on Ele by Kurt E. Petersen.
ctronDevices ED-26 (1979),
1918, the etching process is as follows: grooves for ink chambers and nozzles are formed in this silicon material by etching, and then glass plates are bonded from both sides.

(110)シリコン基板を用いてノズル部分の浅いエツ
チングは弗硝酸系の液による等方工・チングを行ってい
る。従って、エツチングによって形成される溝の寸法や
形状の制御性はよくない。
(110) Shallow etching of the nozzle portion using a silicon substrate is performed by isotropic etching using a hydrofluoric acid-based solution. Therefore, the controllability of the size and shape of the groove formed by etching is not good.

さらにインク室を形成する深いエツチングにはアルカリ
系の液による異方性エツチングを行った。
Furthermore, anisotropic etching using an alkaline liquid was performed for deep etching to form ink chambers.

従って、マスク材料としての5iOz膜形成工程とその
パターンニング工程がそれぞれ2回必要になり、工程を
複雑にし、製造精度を上げるのを難しくしていた。
Therefore, the step of forming the 5iOz film as a mask material and the step of patterning it are each required twice, complicating the process and making it difficult to improve manufacturing accuracy.

〈発明が解決しようとする課題〉 以上で説明したように、従来の方法によりステンレスス
チールやガラスの加工を行っても、又、シリコンにエツ
チング技術による加工技術を用いても、インクジェット
プリンターヘッド作製に於けるオリフィス加工の寸法や
形状の精度、及び、インク室ヲ含めtプリンターヘッド
全体についての生産性にも問題があった。
<Problems to be Solved by the Invention> As explained above, even if stainless steel or glass is processed using conventional methods, or even if silicon is processed using etching technology, it is difficult to manufacture an inkjet printer head. There were also problems with the precision of the dimensions and shape of the orifice processing, and the productivity of the entire printer head including the ink chamber.

本発明は、従来の製造方法がもつ課題を解消しオリフィ
スの加工精度がよく、かつ、全体を一体的に工程数を少
なく作製できるインクジェットプリンターヘッドを提供
することを目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an inkjet printer head that solves the problems of conventional manufacturing methods, has good orifice processing accuracy, and can be manufactured as a whole with a reduced number of steps.

〈課題を解決するための手段〉 本発明は(100)結晶面のシリコン基板を用いて、そ
の基板面に水平な方向にオリフィス、及びインク液路、
更には、インク室を形成する溝を一回のエツチングで一
体化形成することで、加工精度のよい微細なオリフィス
の高密度化したプリンターヘツ、ドを、生産性よく製造
できる構成にしたものである。
<Means for Solving the Problems> The present invention uses a silicon substrate with a (100) crystal plane, and an orifice and an ink liquid path in a direction horizontal to the substrate surface.
Furthermore, by forming the grooves that form the ink chambers into one piece in a single etching process, we have created a structure that allows for high-density printer heads and doors with fine orifices that are processed with good processing accuracy and can be manufactured with high productivity. be.

以上の作製方法を、更に詳しく説明すると、シリコン結
晶基板6EPWi(エチレンジアミン。
To explain the above manufacturing method in more detail, the silicon crystal substrate 6EPWi (ethylenediamine) is used.

ピロカテコール及び水の混合液)、KOH水溶液、Na
OH水溶などのアルカリ液でエツチングすると、その結
晶軸方向によってエツチングの速度が異なる結晶軸異方
性がでてくる。この工・チングの異方性を利用して、シ
リコンを特異な形状にエツチング加工することを異方性
エツチングと呼ぶ。
mixture of pyrocatechol and water), KOH aqueous solution, Na
When etching is performed with an alkaline solution such as an OH aqueous solution, crystal axis anisotropy occurs in which the etching speed differs depending on the direction of the crystal axis. Etching silicon into a unique shape by utilizing the anisotropy of this process is called anisotropic etching.

シリコンのアルカリ液エツチングでは<111>方向の
エツチング速度が<100>方向や(110>方向のエ
ツチング速度に比較して極端に遅いので例えば(100
)iffiシリコン基板上に5i02膜のマスクを設け
て、アルカリ液によるエツチングを行なうと、基板面に
対し54.7’の角度の4つの三角面により形成される
逆ピラミッド状の穴になる。この4角錐の4つの面は全
て(111)面である。以上のSiのエツチング特性を
利用してオリフィスの作製を記載したのが前記文献のU
SP4.007.464及びUSP8.921.916
である。
In alkaline etching of silicon, the etching speed in the <111> direction is extremely slow compared to the etching speed in the <100> and (110> directions.
) When a 5i02 film mask is provided on an iffi silicon substrate and etching is performed using an alkaline solution, an inverted pyramid-shaped hole is formed by four triangular surfaces at an angle of 54.7' to the substrate surface. All four faces of this four-sided pyramid are (111) faces. The above-mentioned document U describes the production of an orifice using the etching characteristics of Si.
SP4.007.464 and USP8.921.916
It is.

本発明も、上記の特注を利用して(100)シリコン基
板上に細長い溝を精密に作製している。
The present invention also utilizes the above-mentioned customization to precisely fabricate elongated grooves on a (100) silicon substrate.

上記の細長い溝は(100)シリコン基板上のSiOx
膜に(110>方向に一致させた細長いスリノトヲ形成
してマスクパターントシて、シリコン基板?アルカリ液
による異方性エツチングを行なうと、(111)面を斜
面にして断面がV型の溝ができる。このV型に斜面に完
全な(111)面が現れるとその面ではシリコンのエツ
チングが殆んど停止してしまう。従って、Si基板に形
成される溝の深さはマスクパターンの福によって決定し
て、エツチング時間の長さへの依存が殆んどないので、
溝の形状・寸法はマスクパターンで決まり、エツチング
工程での制御性がよいV型溝が作製できる。以上の方法
により断面形状が異なるオリフィス、インク流路及びイ
ンク室の溝を基板上に1回のエツチング時間で一体化形
戊できる。
The above elongated groove is a (100) SiOx on a silicon substrate.
By forming a long and thin groove in the film aligned in the (110> direction and applying a mask pattern to the silicon substrate, anisotropic etching is performed using an alkaline solution. As a result, a groove with a V-shaped cross section with the (111) plane inclined is created. When a perfect (111) plane appears on the slope of this V-shape, silicon etching almost stops on that plane.Therefore, the depth of the groove formed in the Si substrate is determined by the shape of the mask pattern. Therefore, there is almost no dependence on the length of etching time, so
The shape and dimensions of the groove are determined by the mask pattern, and a V-shaped groove can be manufactured with good controllability in the etching process. By the above method, the orifice, the ink flow path, and the groove of the ink chamber, which have different cross-sectional shapes, can be integrally formed on the substrate in one etching time.

以上で溝を形成したシリコン基板の表面側に薄いガラス
などの板を接着して、インクジェットプリンターへ・ノ
ドのオリフィス、流路及びインク室を形成できる・ く作 用〉 本発明の(100)シリコン基板を用いたインクジェッ
トプリンターヘッドは、そのオリフィス。
By bonding a thin plate such as glass to the surface side of the silicon substrate in which grooves have been formed as described above, the orifice, flow path, and ink chamber for the throat of an inkjet printer can be formed. An inkjet printer head using a substrate has an orifice.

流路などの溝をシリコン基板の(110>方向に−iさ
せた一回のエツチング工程で、精度のよい加工により形
成できる。
Grooves such as flow channels can be formed with high accuracy in a single etching process in which the silicon substrate is etched in the (110> direction -i).

なお、上記シリコン基板への溝の加工は1枚のシリコン
基板上に複数形成することも、又、エツチング時間の制
限が少ないことから複数のSi基板を一度にエツチング
処理できるなどで生産性も飛躍的に向上させることがで
きる。
Note that the above-mentioned grooves can be formed on a single silicon substrate, and since there are few restrictions on etching time, multiple Si substrates can be etched at once, which greatly improves productivity. can be improved.

〈実施例〉 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。<Example> Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図は、本発明のインクジエンドブリンターヘッドに
用いる溝加工したシリコン基板を示したもので、第1図
ialにその溝加工したシリコン基板の平面を示してい
る。この第1図(al(2)5はオリフィスの溝、6は
インク流路の溝、7はインク室の溝がシリコン基板1に
形成されていることを不しj) ており、第1図口にそのfa)のシリコン基板1の結晶
面と結晶軸を示している。これは、シリコン基板1の表
面が(100)面で、シリコン基板1表面上のオリフィ
ス5の溝、流路6の溝の方向と、それに垂直な方向が<
110>軸になっていることを示している。
FIG. 1 shows a grooved silicon substrate used in the inkjet printer head of the present invention, and FIG. 1 ial shows a plane view of the grooved silicon substrate. This figure 1 (al(2) 5 indicates an orifice groove, 6 indicates an ink channel groove, and 7 indicates an ink chamber groove are formed in the silicon substrate 1). The crystal plane and crystal axis of the silicon substrate 1 of fa) are shown at the top. This means that the surface of the silicon substrate 1 is a (100) plane, and the direction of the grooves of the orifice 5 and the grooves of the flow path 6 on the surface of the silicon substrate 1 and the direction perpendicular thereto are <
110> axis.

第2図は、第1図で示したシリコン基板1にだラスなど
O板4を接着した状態での各部の断面を示したもので、
この第2図のtalがオリフィス5、tb+が流路6、
tclがインク室70断面を示している。
FIG. 2 shows a cross section of each part of the silicon substrate 1 shown in FIG.
In this figure, tal is the orifice 5, tb+ is the flow path 6,
tcl indicates a cross section of the ink chamber 70.

この第2図tdlはオリフィス5の溝の断面を拡大して
示しtもので、シリコン基板1上に形成しt51022
マスクを用いたエツチングで形成しtオリフィス5の溝
の斜面が5i022マスクから54.7°の角度になり
(111)面になっていることを示している。
This FIG. 2 tdl shows an enlarged cross section of the groove of the orifice 5, which is formed on the silicon substrate 1.
It is shown that the slope of the groove of the t orifice 5 formed by etching using a mask forms a (111) plane at an angle of 54.7° from the 5i022 mask.

次の第3図は、シリコン基板1に本発明の溝をエツチン
グで形成する工程を断面図で示して層る。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the step of forming grooves of the present invention in a silicon substrate 1 by etching.

この第3図伯)は、前記C100)シリコン基板1の両
直に熱酸化による5iOz膜2を形成した状態?示し、
第3図[b)は5iOz摸2上にフォトI/シスト膜3
の形成と溝加工部をフォトレジスト膜8への露光と現像
でパターン形成している。このパターンはシリコン基板
1の<110>結晶軸の方向に正確に合せることで精度
を上げた溝加工ができる。
3) is a state in which 5iOz films 2 are formed by thermal oxidation on both sides of the C100) silicon substrate 1. show,
Figure 3 [b] shows the photo I/cyst film 3 on the 5iOz plate 2.
The formation of the grooves and the grooved portions are patterned by exposing and developing the photoresist film 8. By aligning this pattern accurately with the direction of the <110> crystal axis of the silicon substrate 1, highly accurate groove processing is possible.

次に、フォトレジスト膜3をマスクにして5iOz膜2
を弗酸緩衝液でエツチングし、続いてフォトレジスト3
膜の除去をし念のが第8図[cである。以上の5i02
膜2でマスクを形成した51基板lを加温したKOH水
溶液に浸漬して前記で説明し念シリコン結晶での異方性
エツチングにより断面がV型の溝を作製したのが第3図
tdlであり、この斜視図が第4図である。
Next, using the photoresist film 3 as a mask, the 5iOz film 2 is
was etched with a hydrofluoric acid buffer, followed by photoresist 3.
Figure 8 [c] shows the removal of the film. Above 5i02
Figure 3 tdl shows that the substrate 51 on which a mask was formed with film 2 was immersed in a heated KOH aqueous solution and a groove with a V-shaped cross section was created by anisotropic etching with a silicon crystal as described above. This perspective view is shown in FIG. 4.

以上の工・チングの進行を、第1図(atの平面図で示
し念溝と対応させて説明すると、工・ンチング時間とと
もにオリフィス5の浅いV型溝が形成され側面が(11
1)面になるとエツチングが停止するが、流路6はエツ
チング進行中であり時間とともにV型溝になってエツチ
ングが停止する。以上のV型溝の断面形状はエツチング
マスクにし之5iOz膜2のパターン幅で決定し、エツ
チング時間によらないので本発明のインクジェットプリ
ンターヘッドに用いるSi基板の溝を制御性よく作製す
ることができる。なお、インク室7の溝の深さは特に精
度をよくする必要はないので流路6のエツチング完了後
前後に工=チングを終了してもよい。
The progress of the above-mentioned machining and ching is explained in relation to the groove shown in the plan view of Fig. 1 (at). As the machining and ching time increases, a shallow V-shaped groove of the orifice 5 is formed, and the side surface becomes (11
1) Etching stops when a surface is formed, but etching is in progress in the channel 6, and as time passes, it becomes a V-shaped groove and etching stops. The cross-sectional shape of the V-shaped groove described above is determined by the pattern width of the 5iOz film 2 as an etching mask, and is not dependent on the etching time, so the groove of the Si substrate used in the inkjet printer head of the present invention can be manufactured with good controllability. . Note that the depth of the groove in the ink chamber 7 does not need to be particularly accurate, so the etching may be completed before or after the etching of the flow path 6 is completed.

以上でエツチング加工の溝を形成したシリコン基板1の
表面に薄いガラス板又は金属板など、よ〈振動を伝達す
る板4を接着してオリフィス5゜流路6及びインク室7
を形成して、更に、各流路6を形成している板4の表面
上にそれぞれ圧電素子を接着し、インク室7ヘインクを
供給するチニー7’ ヲWR続することで、インクジエ
リドブリンターヘッドの作製が完了する。
A vibration transmitting plate 4 such as a thin glass plate or metal plate is adhered to the surface of the silicon substrate 1 on which etched grooves have been formed, and an orifice 5° flow path 6 and an ink chamber 7 are formed.
In addition, a piezoelectric element is bonded on the surface of the plate 4 forming each flow path 6, and a chiny 7' is connected to supply ink to the ink chamber 7, thereby forming an inkjet printer. The head fabrication is completed.

以上は、本発明インクジェットプリンターヘッドを実施
例によって説明したが、本発明の効果を用いてインク流
路を直線状のみでなく途中で直角に曲げた形状にするこ
と(゛可能゛でJlり又、溝加工のエツチングマスク材
も5i02のみに限定されず、Si3N4や更にはボロ
ン(B)ドープのシリコンを用いるなどの変更した実施
も可能である。
The inkjet printer head of the present invention has been described above with reference to examples. However, by utilizing the effects of the present invention, it is possible to make the ink flow path not only straight but also bent at right angles in the middle. The etching mask material for groove processing is also not limited to 5i02, and modified implementations such as using Si3N4 or even boron (B) doped silicon are also possible.

〈発明の効果〉 本発明のインクジェノトプリンターヘノドハオリフィス
などをシリコンの異方性エツチングを用いて精度よく一
体形成して印字特性と互換性を良好にし念ものである。
<Effects of the Invention> The present invention is intended to achieve good printing characteristics and compatibility by integrally forming the ink generator orifice and the like using anisotropic silicon etching with high precision.

従1て、特性の良いインクジェットプリンターヘッドを
容易に製造することも可能になった。
Therefore, it has become possible to easily manufacture an inkjet printer head with good characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明のインクジェットプリンターへ・ドに用
いる実施例のシリコン基板の平面図、第2図はシリコン
基板に加工した各部の溝形状を示す断面図、第3図はシ
リコン基板への溝加工工程を示す断面図、第4図は溝加
工したシリコン基板の斜視図である。
Fig. 1 is a plan view of a silicon substrate according to an embodiment used in an inkjet printer of the present invention, Fig. 2 is a sectional view showing the groove shapes of various parts processed in the silicon substrate, and Fig. 3 is a plan view of the grooves in the silicon substrate. A cross-sectional view showing the processing steps, and FIG. 4 is a perspective view of a silicon substrate with grooves formed thereon.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、表面が(100)面のシリコン基板の表面にオリフ
ィス、インク流路及びインク室を形成する溝が連続した
一体的な作製であることを特徴とするインクジェットプ
リンターヘッド。 2、前記オリフィス及びインク流路の形成方向を異方性
エッチングにより前記(100)シリコン基板の〈11
0〉方向にしたことを特徴とする請求項1記載のインク
ジェットプリンターヘッド。
[Claims] 1. An inkjet printer head characterized in that grooves forming an orifice, an ink flow path, and an ink chamber are continuous and integrally manufactured on the surface of a silicon substrate whose surface is a (100) plane. 2. The orifice and ink flow path are formed in the <11
2. The inkjet printer head according to claim 1, wherein the inkjet printer head is oriented in the 0> direction.
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