JPH0365350A

JPH0365350A - インク噴射装置におけるヘッド構造

Info

Publication number: JPH0365350A
Application number: JP1203597A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamazaki; 博史山崎; Junichi Takahashi; 淳一高橋; Hiroyuki Horiguchi; 堀口　浩幸
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1989-08-04
Filing date: 1989-08-04
Publication date: 1991-03-20

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】皮揉廷見本発明は、インク噴射装置におけるヘッド構造に関する
。

従朱及亙荷電偏向（インク加圧、連続流）型インクジェット記録
位置において、ノズルを有するノズルプレートを電歪材
料で形成することは既に提案されている（特公昭５４−
１３１７６号公報）。

第３図及び第４図は上記特公昭５４−１３１７６号公報
において開示されたイングジェット噴射ヘッドの一例を
説明するための要部構成図で、図中、２０はインク流路
となるパイプ、２１はオリフィス板、２２は該オリフィ
ス板２１に設けられたノズル孔で、該オリフィス板２］
はパイプ２０のインク流出側に接着剤等によって接着さ
れてＬ）る。このオリフィス板２１は電歪材料によって
構成され、その両側に電極２３Ａ、２３Ｂが設置−Ｊら
れており７このオリフィス板２１がインクを噴出するノ
ズル孔２２を有するインク噴射体己なっている。今、高
周波電源２４から静歪振動子（＝オリフィス板）２１に
高周波電圧を印加すると、該オリフィス板２１−が励振
し、第４図に示すように。

オリフィス板２１はインク粒子の噴出方向Ｆ及び噴出方
向１１ｊ直交する方向Ｇに振動すると共に、これに伴な
ってオリフィス板２１に形成されているノズル孔２２の
径も変化する。パイプ２０内に供給されたインクがオリ
フィス板２１のノズル孔２２から噴出すると、この噴出
インクに直接振動作用が与えらｈる。

この状態下において、オリフィス板の径方向Ｇへの振動
は噴出インクがキャピラリーな分裂を行なうのに有効に
作用し、同時に、オリフィス板２１−の噴出方向Ｆへの
振動は噴出インクへの速度変調効果として作用し、イン
ク粒子の規則的な分離に寄与する。オリフィス板２］の
ノズル孔２２から噴出したインクは、ノズル孔２２近傍
ではインク柱２５Ｅなり、その後、前述の振動作用を受
けてインク柱２５から粒径が一定なインク粒子２６が分
離する。分離されたインク粒子２６は連続した流れとな
って、記録紙に向って飛ぶ、二とになるが、記＠紙に衝
突する前にインク粒子２Ｇは平行に設置された電極板の
間を通って電荷をおび、更に、偏向制御されたインク粒
子は、その後、記録紙に衝突し、記録紙に希望する記録
がされる。

上述のように、」二記従来技術において、ノズルプレー
ト（電歪材料）は、加圧吐出する柱状インクを滴状に分
断するための振動エネルギーを付与する役割を有するが
、たとえ、ノズル孔を単結晶電歪材料で形成したヒして
も、このノズルプレートと液室を形成するパイプとが別
体（異種材Ｒ）であり、このため接着剤等を用いて接合
する必要がある。また、全面的にシリコンマイクロマシ
ング（含接合）技術を応用できないので、“マルチノズ
ル化８′及び“歎産性”において、ネックヒなっている
等の問題がある９１−−一麹一本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、
特に薄層（多層）のノズルプレー１−を直接変形する構
成とし５．これに記録パルス電圧を印加することによｉ
）、小電力で、エネルギ・−変換効率の良い、ドロップ
・オン・デマンド型インクジェット記録装置を提供する
こと、及び、シリコンマイクロマシング技術を応用可能
とするこヒにより、加工及び量産化の容易なドロップ・
オン・デマンド型インクジ五ット記録装置を提供するこ
とを目的としてなされたものである。

潰−一一戒、本発明は、上記０的を達成するために、ノズルプレー１
・自体が電力人力により変形してインクを吐出するドロ
ップ・オン・デマンド型インク噴射装置において、単結
晶シリコンダイアフラムで構成されているノズル基板プ
レー１−と、該基板プレートの上に配設されかつ両面に
電極を有する圧電性簿膜こを有し１．ｒれらノズル基板
ブＩノーｔ−，及汀圧電性薄膜を同軸時に貫通して、ノ
ズル孔が設けられているこ七、或いは、ノズルプレー）
へ自体が電力入力により変形してインクを吐出するドロ
ップ・オン・デマンド型インク噴射装置において、単結
晶シリコンダイアフラムで構成されるノズル基板プレー
１−と、該基板プレートの上に配設されかつ基板プレー
！・に近い方の側の内部に発熱抵抗体を有する熱膨張係
数の大きし）材料より成る第〕−の屑と、該第１の層の
上に配設されかつ該第１の層の熱膨張係数より小さい熱
膨張係数の材料より成る第２の層より成り、これら基板
プレート及び第１゜及び第２のＪＦ？を同軸に貫通して
ノズル孔が設けられているこヒを特＠にしたものである
。以下、本発明の実施例に基いて説明する。

第１図は１本発明によるインク噴射装置のヘッド部の構
造を示す図で、図中、１は単結晶シリコン（Ｃ（クリス
タル）−Ｓｊ、）から成るノズル基板プレート、２は５
ｉ０２．層、３はＣＶ　Ｄ　−Ｓ　ｉｏ、１．４はＺｎ
Ｏ層、５はポリシリコン（Ｐ。

１ｙ−８ｉ）層、６はアルミ電極、７はノズル孔、８は
ノズル孔７の内壁に設けられた樹脂による絶縁コート、
９は接合部（陽極接合）、１０は加圧液室及び流路を形
成するＳｉプレートで、この実施例は、ドロップ・オン
・デマンド型ヘッドのノズル部の構造のうち、ノズルプ
レート自体が外部入力（電力）により変形し、インクを
吐出する方式のものにおいて、単結晶シリコンダイアフ
ラムで構成されるノズル基板プレート外面に、スパッタ
リング等の手段による圧電性薄膜及び該膜の両面にアル
ミ電極を形成し、それら各層を形成するプロセスで、同
軸的にノズル孔７を形威したものである。

更に詳細に説明すると、初めに、単結晶シリコン（Ｃ−
５ｉ）を異方性エツチングにより、図示のような形のノ
ズル基板プレートエに形成する。

この時、ノズル孔も、同時に形成する。また、ダイアプ
ラム部りは、極で、薄く形成する。

その上にＳｉｎ、層２、アルミ電極６．及び、厚いＺｎ
０層４を形成する。Ｚｎ０層４は、Ｐ、Ｂ、Ａｓ等のど
れかを高濃度にドープしたポリシリコン層５に挾まれた
形になっており、パルス電圧印加用のアルミ電極６も、
バターニング形成されている。Ｚｎ０層４と同層の他の
部分は、ＣｖＤ−８ｉＯ２ＪｆＩ３である。ポリシリコ
ン層５．アルミ電極６は、Ｓ　ｉ　Ｏ，層２で絶縁コー
トされ、且つ、ノズル内壁のインク接液面は、水性イン
ク（イオンを有する）の場合、樹脂７により絶縁コート
れている。ただし、油性インクの場合、ノズル内壁の処
理は、はとんど必要ない。

従って、この第１図に示した実施例によると。

Ｓｉ微細加工技術によりノズルならびにインク液室を同
時に形成し、さらにダイヤフラム上にＺｎＯの圧電薄膜
を形威し、電圧（電界）印加による撓み変形を利用して
、インク滴を吐出する構成としたため、ノズルと別体の
箇所にＺｎＯを設けた前述の従来技術に比してエネルギ
ー変換効率＝インク滴吐出エネルギーが大きく、安定し
たインク噴射が可能となる。また、加圧液室、流路プレ
ートの接合も、Ｓｉ材料特有の陽極接合が可能であり、
ノズルマルチ化、接合後のダイシング（Ｓｉ切断）によ
り多くのシングルヘッドを作るという量産加工化が可能
となる。

第２図は、本発明の他の実施例を説明するための要部構
図で、図中、１１はＳｉ、Ｎ、層、１２は抵抗発熱体（
例えば、スパッタによるタンゲス線）。

１３はバイメタル層、１４は絶縁層（例えば、Ｓｉｎ、
の薄層）、１５は水蒸気（Ｖａ　ｐ　ｏ　ｒ）膜で、そ
の他、第１図に示した実施例と同様の作用をする部分に
は第１図の場合と同一の参照番号が付しである。而して
、その実施例は、ドロップ・オン・デマンド型ヘッドの
ノズル部の構造のうち、ノズルプレート自体が外部入力
（電力）により変形してインクを吐出する方式のものに
おいて、単結晶シリコンダイアフラムで構成されるノズ
ル基板プレートの外面に、熱膨張係数の小さい材料によ
る薄膜、内面（インク側）に熱膨張係数の大きい材料に
よる薄膜、及び、その内部に抵抗体を積層形成し、その
中心にノズル孔をあけ、通電時の熱膨張収縮による寸法
差を利用した（いわゆるバイメタル層構造として、イン
クを噴射するようにしたものである。

更に詳細に説明すると、第１図に示した実施例と同じよ
うに、ノズル基板プレート（Ｃ−８ｉ）１の上面にＳｉ
Ｏ□等の絶縁薄膜１４を設け、その上にスパッタリング
等の手段で、抵抗発熱体（例えば、タングステン）１２
を設ける０発熱抵抗体１２は、その後形成されたＳｉ、
Ｎ４層１１にカバーリングされ、更に、その上面（外面
）にＳ圭９□層２を積層する。両層は、共に厚く、熱線
膨張係数αは、５ｉａＮ４＝０．８ｘｌＯ”℃°１Ｓ　
ｉＯｚ　＝Ｏ−５５Ｘ　１０　”℃゛１と、内層の熱膨
張係数αが大きくなっている。又、絶縁膜としてのＳ　
ｉ　Ｏ，層１４は、ごく薄く、温度変化における熱変形
に寄与しない。ちなみに、タングステンＷの熱膨張係数
α＝４．５Ｘ１０−’℃−１、Ｓｉの熱膨張係数α＝２
．３３Ｘ１０−’℃゛１であり、最外層の５ｉｎ２厚膜
２に比べて、すべて熱膨張係数αが大きく抵抗発熱体１
２への通電、加熱に対する、伸び（矢印Ａ方向）を助長
する方向に変位する。ダイアフラムの変位は図中に１点
鎖線１６にて示すようにＢ方向に起こり、発熱量は５図
中に１５にて示す水蒸気（Ｖａｐｏｒ）膜が薄層で（す
なわち、バブルジヱッｈのように、インク吐出させるぽ
ど大量ではない）且つ、せいぜい、発熱量が、インク中
に消散し、変位を少なくするのを防ぐ程度にコントロー
ルされる。

なお、この水蒸気膜１５は、バイメタル層１．３が通電
により、発熱変色する際に、インクへの放熱を防止し、
変形を大きくするために、インクとの界面に作られる薄
い膜で、非通電時（非噴射、インクを再充填する時）に
は、消失してバイメタル１３の復帰を早くする。

上述のように、第２図に示した実施例によると、通電→
抵抗発熱→撓み変形を利用した、変位部を直接ノズルプ
レー１・に形成したため、微少エネルギーで、変換効率
のすぐれたインク吐出が可能となる。また、加圧液室、
流路プレー１−の接合も、Ｓｊ材料特有の陽極接合が可
能であり、ノズルのマルチ化、接合後のダイシング（Ｓ
ｉ切断）により多くのシングルヘッドを作るという量産
加圧化がＦｑ能こなる。

勉−一一一速− 以上の説明から明らかなように、請求項第１項の発明に
よるヒ、Ｓｉ微細加工技術によりノズルならびにインク
液室を同時に形成し、さらに、ダイヤフラム上にＺｎ○
圧電薄膜を形成し、電圧（電界）印加による、撓み変形
を利用してインク滴を吐出する構成起したために、ノズ
ルと別体の箇所にＺ　ｎ　Ｏ！！：設番プた従来技術に
比してエネルギー・変換効率＝インク滴吐出エネルギー
が太き（、安定したインク噴射が可能ヒなる。また、加
圧液室、流路プレートの接合も、Ｓｉ材料特有の陽極接
合が可能であり、ノズルのマルチ化、接合後のダイシン
グ（Ｓｉ切断）により多くのシングルヘッドを作るこい
う量産加工化が可能となる。

また、請求項第２項の発明によると、通電→抵抗発熱→
撓み変形を利用した、変位部を直接ノズルプレー１−に
形成したため、微少エネルギーで、変換効率のすぐれた
インク吐出が、可能ヒなる。

また１Ｍ求項第１項の発明ヒ同様、加圧液室、流路プレ
ートの接合も、Ｓｌ材料特有の陽極接合が可能であり、
ノズルのマルチ化、接合後のダイシング（Ｓｊ−切断）
により多（のシングルヘッドを作るという量産加工化が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、請求項第１４項に記載した発明の詳細な説明
するための要部構成図２第２図は、請求項第２項に記載
した発明の詳細な説明するための要部構成図、第３図及
び第４図は、従来技術の一例を説明するための要部構成
図である。１・・・ノズル基板プレート、２・・・５ｉ０２層、３
　・＝　ＣＶ　Ｄ　　Ｓ　ｊ、　０２　Ｍ、４−　Ｚ　
ｎ　Ｏ５５・・・ポリシリコン層、６・・・アルミ電極
、７・・・ノズル孔、８・・・絶縁コート、９・・・接
合部、■０・・・Ｓ）プレート、〕、１・・・Ｓ　ｉ３
Ｎ４／ｆｆ、　１．２・・・抵抗発熱体。Ｊ３・・・バイメタル層、１−４・・・絶縁層、］５・
・・水蒸気膜。第１図インク第２図インク

Claims

【特許請求の範囲】１、ノズルプレート自体が電力入力により変形してイン
クを吐出するドロップ・オン・デマンド型インク噴射装
置において、単結晶シリコンダイアフラムで構成されて
いるノズル基板プレートと、該基板プレートの上に配設
されかつ両面に電極を有する圧電性薄膜とを有し、これ
らノズル基板プレート及び圧電性薄膜を同軸時に貫通し
てノズル孔が設けられていることを特徴とするインク噴
射装置におけるヘッド構造。２、ノズルプレート自体が電力入力により変形してイン
クを吐出するドロップ・オン・デマンド型インク噴射装
置において、単結晶シリコンダイアフラムで構成されて
いるノズル基板プレートと、該基板プレートの上に配設
されかつ該基板プレートに近い方の側の内部に発熱抵抗
体を有する熱膨張係数の大きい材料より成る第１の層と
、該第１の層の上に配設されかつ該第１の層の熱膨張係
数より小さい熱膨張係数の材料より成る第２の層より成
り、これら基板プレート及び第１及び第２の層を同軸に
貫通してノズル孔が設けられていることを特徴とするイ
ンク噴射装置におけるヘッド構造。