JPH03288649A - 液体噴射ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はインクジェットプリンタ等に用いられる液体噴
射ヘッ゛ドに関する。

［従来の技術］ 従来のインクジェットプリンタにおける液体噴射ヘッド
には、ピエゾ素子を利用したものが知られている。特公
昭５３−１２１３８に示された液体噴射ヘッドは、一方
の側に毛細管ノズル（オリフィス）を備え、他方の側が
ピエゾ素子を貼付けたインク液室を有し、前記圧電素子
に適当な電圧インパルスが選択的に印加されて前記ピエ
ゾ素子が逆圧電効果により電歪を生じ、前記インク液室
内の体積が減少してその室内のインク液の圧力が瞬間的
に上昇することにより前記毛細管ノズルよりインク液を
微小な液滴として噴出するようになっている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のインクジェットプリンタに於ける液体噴射ヘッド
ではピエゾ素子を利用しているものが多かった。ピエゾ
素子としてＰＺＴ等のセラミックス焼結体を用いていた
ので、ピエゾ素子はインク流路とは別に製造し、両者を
接着等の方法で一体化して液体噴射ヘッドとしていた。

ピエゾ素子を用いた液体噴射ヘッドにおいては、その製
造を行う過程で、ピエゾ素子をハンドリングしたり貼付
けたりすることが必要であったため、ピエゾ素子を微細
化することが困難であり、このため液体噴射を行うノズ
ルの高密度化や、ノズルをライン状に長尺に形成するマ
ルチノズル化が困難であった。

またこれに加え、ピエゾ素子貼付は等の煩雑な製造工程
を有していたため、この従来の液体噴射ヘッドは高価格
であった。

本発明は以上の課題を解決するもので、その目的とする
ところは、ピエゾ素子によらず、ノズル高密度化やマル
チノズル化が容易で、しかも低価格の液体噴射ヘッドを
実現することにある。

［課題を解決するための手段］ 以上述べた課題を解決するため、本発明の液体噴射ヘッ
ドは、インク供給源から液状インクを供給されその液状
インクを噴射するノズルを開口されたインク液室の少な
くとも一部が薄膜によって構成され、かつ前記薄膜と対
向する電極を備えていることを特徴とする。

［実施例］ 第１図（ａ）は本発明の実施例における液体噴射ヘッド
の流路に沿った断面図、同図（ｂ）はその平面図である
。第１図（ａ）において、１０１は単結晶シリコン基板
、１０２は異方性エツチングによって形成した単結晶シ
リコン薄膜部、１０３は単結晶シリコン薄膜部に一部覆
われたインク液室、１０４はノズル、１０５はインク供
給路、１０６はガラス基板で、１０１のシリコン基板と
接合されてインク液室１０３、ノズル１０４、インク供
給路１０５等の流路を形成している。１０７は各圧力室
毎の個別電極で、ガラス基板上にスパッタ法によって形
成した。流路内にはインク液が満たされる。１０２の単
結晶シリコン薄膜の膜厚は１μｍから２００μｍが望ま
しく、特に１゜０μｍ以下でよい結果が得られた。また
１０２の単結晶シリコン薄膜部と１０７の個別電極との
距離は１５０μｍ以下が望ましかった。

シリコン基板１０１と任意の個別電極１０７との間に電
圧を印加すると、静電的引力によってシ３ リコン薄膜部１０２が内側にたわみ、インク液室内の体
積が急激に減少し、その際の圧力上昇により、インク液
はノズル１０４より吐出される。

第１図（ａ）をもとに本実施例の液体噴射ヘッドの製造
方法の一例を示す。まず（１００）面を表面とする単結
晶シリコン基板１０１上に、熱酸化膜を形成し、パター
ニングした後、ＫＯＨ水溶液により異方性エツチングを
行い、単結晶シリコン薄膜部１０２を作った。異方性エ
ツチングについては佐原−雄ら（精密工学会誌節５３巻
筒６号ｐｐ、８４９〜８５２）に詳しい。この時エツチ
ングされた部分はインク液室１０３として利用できた。

ノズル１０４やインク供給路１０５は別に等方性エツチ
ングによって形成しても良いが、シリコン薄膜形成と同
時に異方性エツチングによって形成した方が、精度の良
い流路を形成できる。

ガラス基板１０６上にはｐｔやタングステンシリサイド
等の材料をスパッタ法等で積層しパターニングして個別
電極１０７とした。加工済みシリコン基板と加工済みガ
ラス基板とを接合してインク液室１０３、ノズル１０４
、インク供給路１０５等が形成される。接合方法として
は、接着やＧ。

Ｗａｌｌｉｓ、ｅｔ　　ａｌ、　　（Ｊｏｕｒｎａｌｏ
ｆ　　Ａｐｐｌｉｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ、ｖｏｌ。

４０、ｐ３９４６　（１９６９））に示されている静電
接合等の既存の基板接合技術を用いることが出来た。

第１図に示した実施例の液体噴射ヘッドでは、両方の電
極が露出しているので、インク液として電気的に絶縁物
であるものしか使用することが出来ないという問題があ
る。この問題はインク液として、その比抵抗が１０の６
乗Ω印から１０の１１乗Ω印であるものを選べば解決さ
れる。こうしたインク液には、有機溶媒やワックスを溶
媒とするインク液がある。また、これは第２図に示すよ
うに電極を絶縁膜で覆うことによっても解決される。

第２図は本発明における液体噴射ヘッドの他の実施例を
示すものである。同図において、第１図と同一の記号は
第１図と同一のものを表す。第２図（ａ）は個別電極１
０７側を絶縁膜２０９で覆った場合の実施例を示す。こ
のような絶縁膜としては、５ｉ０２等の材料をスパッタ
法等で形成し用いれば良い。ポリイミドのような有機薄
膜をスピンコータで塗布して用いることもできる。第２
図（ｂ）は共通電極でもあるシリコン基板１０１側を絶
縁膜２０８で覆った場合の実施例を示す。

この絶縁膜２０８も同様の方法で形成できるが、ノズル
面も絶縁する必要があるので、シリコン基板１０１全体
を酸素雰囲気中で熱酸化してＳｉＯ２で表面を覆っても
良い。以上述べてきた実施例では片方の基板のみを絶縁
する方法について述べてきたが、もちろん両方の基板を
絶縁してもよい。

またこのように電極や、薄膜部を別の材料で覆うことは
、電極や薄膜部の材料の選択の自由度が増すという点に
おいて非常に有効である。

第３図は本発明における液体噴射ヘッドの他の実施例を
示すものである。同図において、第１図と同一の記号は
第１図と同一のものを表す。同図においてインク液室１
０３の一部を構成する薄膜部は金属薄膜３０１を用いて
いる。金属薄膜３０１と適当な個別電極１０７間に電圧
を印加することにより、適当なインク液室１０３の金属
薄膜３０１が静電的引力によってたわみ、インク滴が噴
出される。金属薄膜の材料としては、ステンレス、イン
バー等の合金や、Ｃｒ、Ｐｔ等の金属でも良い。もちろ
ん金属薄膜も第２図に示した実施例のように絶縁膜や耐
インク液膜で覆って用いることが出来る。また薄膜部の
材料としてはこれ以外にも導電性有機物なども利用でき
る。構造体としての薄膜と電極としての薄膜を接合すれ
ば材料の選択の幅は非常に広がる。第３図で金属薄膜３
０１の代わりに電極を印刷法やスパッタ法で形成したプ
ラスチックの薄膜や、ガラス薄板などの電気絶縁物も利
用できる。

第４図は本発明における液体噴射ヘッドの他の実施例を
示すものである。同図において、第１図と同一の記号は
第１図と同一のものを表す。同図において４１１はノズ
ルプレートで、ノズル４゜４が開けられている。インク
室４０３の内部にはインク室の一構成物として薄膜の片
持ち梁４０２がある。薄膜片持ち梁４０２と適当な個別
電極１０７との間に電圧を印加すると、薄膜部４０２は
静電的引力によってノズルから離れるようにたわむ。印
加電圧を中断すると薄膜部はもとの位置に急速に移動し
、そしてノズル４０４を通して一滴のインク液を押し出
す。このような構造の液体噴射ヘッドは特公昭６０−８
９５３に示されているが、そこでは片持ち梁がピエゾ素
子によって構成され、駆動力を圧電運動によっている。

このようにピエゾ素子を用いている以上片持ち梁の微細
化には限界がある。ピエゾ素子で片持ち梁を構成する場
合には、上電極、ピエゾ素子、下電極、弾性体の４層が
必要であるが、静電的引力を利用した本発明では１層で
十分である。多層構造を作るためには、各層の熱膨張係
数を揃えることや、応力緩和の問題などがあり非常に困
難である。基本的に単層の薄膜を利用できる本発明の有
効性は非常に大きいといえる。第４図に示した液体噴射
ヘッドの製造方法としては、まず単結晶シリコン基板１
０１を異方性エツチングして薄膜部を形成した後、パタ
ーニングして、片持ち梁４０２を作る。

ノズル４０４を開けたノズルプレート４１１と、インク
供給路をエツチング等の方法で形成し電極１０７をスパ
ッタ法等で形成したガラス基板４１２とをシリコン基板
の両側から接合して液体噴射ヘッドとする。

以上述べた実施例に於ける液体噴射ヘッドは、前述のご
とく半導体プロセス技術を応用して薄膜や液体流路等を
連続的に形成しているため、ノズルの高密度化やマルチ
ノズル化が容易となり、４００　ｄ　ｏ　ｔ　ｓ　／　
ｉ　ｎ　ｃ　ｈの解像度で、５ｃｍの長さを持つライン
液体噴射ヘッドが製造できた。本発明の構成を取ること
により８００　ｄ　ｏ　ｔ　ｓ　／　１ｎｃｈ程度の高
解像度のライン液体噴射ヘッドも実現可能である。

なお、本発明の液体噴射ヘッドは以上述べた実施例のみ
ならず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において広く応
用が可能であり、また、インクジェットプリンタのみな
らず、他の印字、印刷装置（例えば、タイプライタ、コ
ピー機出力等）や、塗装装置、捺染装置等に広く適用さ
れる。

［発明の効果］ 以上述べたごとく本発明を用いることに−より、静電的
引力をインク液滴の噴出力として利用できるので、従来
のピエゾ素子のような多層構造が必ずしも必要ではなく
なり、構造が簡単になった。

これと異方性エツチングを用いた薄膜形成技術とフォト
リソグラフィー技術を用いたバターニング技術とにより
、液体噴射ヘッドのマルチノズル化やノズルの高密度化
が容易となった。このため、高密度で長尺のライン液体
噴射ヘッドが実現された。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ本発明の実施例に
おける液体噴射ヘッドの断面図及び平面図。 第２図（ａ）は、本発明の他の実施例における個別電極
を絶縁した液体噴射ヘッドのインク供給路に沿った断面
図。 第２図（ｂ）は、本発明の他の実施例における共通電極
を絶縁した液体噴射ヘッドのインク供給路に沿った断面
図。 第３図は、本発明の他の実施例における金属薄膜を用い
た液体噴射ヘッドのインク供給路に沿った断面図。 第４図は、本発明の他の実施例における薄膜片持ち梁を
用いた液体噴射ヘッドのインク供給路に沿った断面図。 １０１　　　　・・・単結晶シリコン基板１０２　　　
　・・・シリコン薄膜部 １０３．４０３・・・インク液室 １０４．４０４・・・ノズル １０５．４０５・・・インク供給路 １０６．３０６． ４１２　　　　・・・ガラス基板 １０７　　　　・・・電極 １ ２ ２０８．２０９・・・絶縁膜 ３１０　　　　・・・金属薄膜 ４０２　　　　・・・薄膜片持ち部 具 上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. インク供給源から液状インクを供給されその液状インク
   を噴射するノズルを開口されたインク液室の少なくとも
   一部が薄膜によって構成され、かつ前記薄膜と対向する
   電極を備えていることを特徴とする液体噴射ヘッド。