JPH05293960A - Ink jet printing head - Google Patents
Ink jet printing headInfo
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- JPH05293960A JPH05293960A JP9966392A JP9966392A JPH05293960A JP H05293960 A JPH05293960 A JP H05293960A JP 9966392 A JP9966392 A JP 9966392A JP 9966392 A JP9966392 A JP 9966392A JP H05293960 A JPH05293960 A JP H05293960A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、インクジェットプリン
タヘッドに関する。FIELD OF THE INVENTION This invention relates to ink jet printer heads.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、複数のインク溝と圧電材料の壁と
を有し、圧電材料に電界を印加するための駆動電極が前
記インク溝の側面に配置された圧電アクチュエータと、
前記インク溝に対応したインク滴噴射のための複数のノ
ズルを有するノズルプレートから構成されるインクジェ
ットプリンタヘッドの構成及び製造方法について特開昭
６３−２４７０５１号に記載されている。2. Description of the Related Art Conventionally, a piezoelectric actuator having a plurality of ink grooves and a wall of a piezoelectric material, and a drive electrode for applying an electric field to the piezoelectric material is arranged on a side surface of the ink groove,
Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-247051 describes a configuration and manufacturing method of an inkjet printer head including a nozzle plate having a plurality of nozzles for ejecting ink droplets corresponding to the ink grooves.
【０００３】該インクジェットプリンタヘッドの構成例
を図６に示す。このインクジェットプリンタヘッドは、
多数のインク噴射ノズル７１を有する液滴噴射ノズルプ
レート７２と、該液滴噴射ノズルプレート７２が接続さ
れた多数のインク溝７３（圧力チャンバー）と側面７４
に駆動用電極が形成された圧電材料から成るせん断変形
圧電素子７５と、インク補充のための給液機構（図示せ
ず）から構成されている。上記インクジェットプリンタ
ヘッドは駆動電極に電界を印加すると圧電材料がせん断
変形を起こしインク溝７２の容積変化を引き起こす。そ
の結果としてインク溝７２中の液圧が変化しノズルプレ
ート７２の噴射ノズル７１からインク液滴が噴射され
る。FIG. 6 shows a structural example of the ink jet printer head. This inkjet printer head is
Droplet ejecting nozzle plate 72 having a large number of ink ejecting nozzles 71, a large number of ink grooves 73 (pressure chambers) to which the droplet ejecting nozzle plates 72 are connected, and side surfaces 74.
It comprises a shear deformation piezoelectric element 75 made of a piezoelectric material on which a drive electrode is formed, and a liquid supply mechanism (not shown) for replenishing ink. When an electric field is applied to the drive electrodes of the inkjet printer head, the piezoelectric material undergoes shear deformation, which causes a change in the volume of the ink groove 72. As a result, the liquid pressure in the ink groove 72 changes, and ink droplets are ejected from the ejection nozzle 71 of the nozzle plate 72.
【０００４】従来上記インクジェットプリンタヘッドに
利用されるノズルプレート７２は材料としてポリイミド
シートが用いられ、エキシマレーザ加工によって噴射ノ
ズル７１が形成されていた。また噴射ノズル形状として
はインク滴噴射方向に向かって一様に断面積が減少する
様なテーパ形状となっていた。Conventionally, a polyimide sheet is used as a material for the nozzle plate 72 used in the above-mentioned ink jet printer head, and the ejection nozzle 71 is formed by excimer laser processing. Further, the ejection nozzle has a tapered shape in which the cross-sectional area uniformly decreases in the ink droplet ejection direction.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ノズル形状及びエキシマレーザを用いた形成方法には下
記のような問題点があった。However, the above-mentioned nozzle shape and the forming method using the excimer laser have the following problems.
【０００６】現在市販されているエキシマレーザの能力
から換算するとポリイミドの加工に必要なエネルギーパ
ワー密度の得られる加工エリアが小さく大面積の多数ノ
ズル同時加工が困難であること。被加工物（ポリイミド
シート）の揺動運動等を組合せなければ、テーパ角度の
任意の選定が困難であること。ノズル先端形状が再現性
良く精度よく仕上がらないことなどの問題点が内在して
いた。When converted from the capabilities of excimer lasers currently on the market, the processing area where the energy power density required for processing polyimide is obtained is small, and simultaneous processing of a large number of multiple nozzles is difficult. It is difficult to arbitrarily select the taper angle unless the oscillating motion of the workpiece (polyimide sheet) is combined. There were inherent problems such as the nozzle tip shape not being reproducible and not being finished accurately.
【０００７】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、インク流動に好適でエアーの巻
き込みを改善し、インク滴の噴射方向性に優れた高品質
のインクジェットプリンタヘッドを提供することを目的
とする。The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and provides a high-quality ink jet printer head which is suitable for ink flow, improves air entrainment, and is excellent in ink droplet ejection directionality. The purpose is to provide.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明のインクジェットプリンタヘッドはインク滴噴
射方向に対して、少なくとも２種以上の多段階のテーパ
角を有する形状を有し、ノズルのインク滴噴射方向の寸
法が０．０２〜１ｍｍの範囲であり、且つ前記ノズルの
容積が少なくとも噴射されるインク液滴体積以上であ
る。また上記形状の噴射ノズルは異方性エッチング技術
を用いた、少なくとも２段階以上の多段階エッチング手
法にて形成される。In order to achieve this object, an ink jet printer head of the present invention has a shape having at least two kinds of multistep taper angles in the ink droplet ejection direction, The dimension in the ink droplet ejection direction is in the range of 0.02 to 1 mm, and the volume of the nozzle is at least the ejected ink droplet volume or more. The jet nozzle having the above-mentioned shape is formed by a multi-step etching method of at least two steps using an anisotropic etching technique.
【０００９】[0009]
【作用】上記の構成を有する本発明のインクジェットプ
リンタヘッドは、多段階にテーパ角度を変化させること
でノズル断面積の絞り込みがほぼ連続的に実現でき流体
であるインクの流れに対して好適な形状を実現する。ま
た噴射ノズルのインク滴出口付近のテーパ角をエアーを
巻き込みにくい角度に設定することが可能となる。多段
階に設定されるテーパ角の設定及び使用材料の厚みの設
定によりノズルに必要とされる容積も三次元的に設計が
可能となる。また上記のノズルを形成するための方法と
して異方性エッチング技術を利用した多段階エッチング
手法を用いることにより大面積に多数個の噴射ノズルを
同時に形成することが可能となり、ばらつきの少ない高
寸法精度、位置精度の噴射ノズルが量産できるようにな
る。In the ink jet printer head of the present invention having the above-mentioned structure, the nozzle cross-sectional area can be narrowed down substantially continuously by changing the taper angle in multiple steps, and the shape suitable for the flow of ink, which is a fluid, can be obtained. To achieve. Further, it is possible to set the taper angle in the vicinity of the ink droplet outlet of the ejection nozzle to an angle at which air is hard to be entrained. The volume required for the nozzle can be three-dimensionally designed by setting the taper angle set in multiple stages and the thickness of the material used. In addition, by using a multi-step etching method that uses anisotropic etching technology as a method for forming the above nozzles, it becomes possible to form a large number of injection nozzles in a large area at the same time. Therefore, it becomes possible to mass-produce injection nozzles with positional accuracy.
【００１０】[0010]
【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面を
参照して説明する。図１に本発明の噴射ノズル１１の形
状の概略断面図を示す。また図２には従来の噴射ノズル
２１の形状の概略断面図を示す。ノズルプレート１２は
０．１ｍｍ厚のポリイミドシートであり、三段階エッチ
ングによって３種のテーパ角度１３、１４、１５を有し
ている。各々のテーパ角度をθ1、θ2、θ3とするとθ1
＞θ2＞θ3という関係になっている。一方従来の噴射ノ
ズル２１形状のテーパ角度２３の角度をθ0とすると、
θ3＜θ0という関係を満たしている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic sectional view of the shape of the injection nozzle 11 of the present invention. Further, FIG. 2 shows a schematic sectional view of the shape of the conventional injection nozzle 21. The nozzle plate 12 is a 0.1 mm thick polyimide sheet, and has three kinds of taper angles 13, 14, and 15 by three-step etching. If the taper angles are θ 1 , θ 2 , and θ 3 , then θ 1
The relationship is> θ 2 > θ 3 . On the other hand, if the angle of the taper angle 23 of the conventional injection nozzle 21 is θ 0 ,
The relationship of θ 3 <θ 0 is satisfied.
【００１１】まずノズル中を通過するインクの流体抵抗
に対する形状効果であるが、これはインク噴射方向１６
に対し連続的に断面積が減少していく形状を有する従来
の噴射ノズル２１形状の方が有利である。しかし実際問
題としてはノズルのインク噴射方向２２の寸法が０．１
ｍｍと短いこともあって、本発明の噴射ノズル１１形状
の３種のテーパ角度θ1、θ2、θ3の違いによる不連続
性は無視できうるほど小さいものとなる。次にθ3＜θ0
という関係に着目すると、インクメニスカス３６後退時
のエアーの巻き込み難さはテーパ角θが小さくなればな
るほど、すなわちストレートノズル形状に近いほど向上
する。また噴射インク液滴の方向性に関してもテーパ角
θが小さくなるほど噴射ノズル出口側の形状対象性が確
保し易く安定した噴射インク液滴の方向性が得られる。First, there is a shape effect on the fluid resistance of ink passing through the nozzle.
On the other hand, the conventional injection nozzle 21 having a shape in which the cross-sectional area continuously decreases is more advantageous. However, as a practical matter, the size of the nozzle in the ink ejection direction 22 is 0.1.
Since it is as short as mm, the discontinuity due to the difference in the three kinds of taper angles θ 1 , θ 2 , and θ 3 of the shape of the injection nozzle 11 of the present invention becomes so small that it can be ignored. Next, θ 3 <θ 0
Focusing on this relationship, the difficulty of air entrainment when the ink meniscus 36 retreats improves as the taper angle θ decreases, that is, as the shape becomes closer to a straight nozzle shape. With respect to the directionality of the ejected ink droplets, the smaller the taper angle θ, the easier it is to ensure the shape symmetry on the ejection nozzle outlet side, and the more stable the directionality of the ejected ink droplets.
【００１２】図３に圧電素子３１と噴射ノズル１１を有
するノズルプレート１２が一体化されたインクジェット
プリンタヘッド３３の一部を示す概略断面図を示す。圧
電材料の壁３４の幅寸法は０．０２〜０．０８５ｍｍの
範囲である。さらにインク流路及び圧力チャンバーとし
て作用するインク溝３５の幅寸法は圧電材料の壁３４の
幅寸法と同様に０．０２〜０．０８５ｍｍの範囲であ
る。FIG. 3 is a schematic sectional view showing a part of an ink jet printer head 33 in which the piezoelectric element 31 and the nozzle plate 12 having the jet nozzle 11 are integrated. The width dimension of the wall 34 of piezoelectric material is in the range of 0.02-0.085 mm. Further, the width dimension of the ink groove 35 acting as the ink flow path and the pressure chamber is in the range of 0.02 to 0.085 mm like the width dimension of the wall 34 of the piezoelectric material.
【００１３】一般的にポリイミド等の有機高分子材料で
ノズルプレート１２が形成される場合、その剛性面から
考えて少なくともノズルプレート１２の厚みは圧電材料
の壁３４及びインク溝３５の幅寸法以上である必要があ
る。これはこれ以上ノズルプレート１２の厚みが薄くな
り剛性が小さくなると電圧印加時に発生する圧力波に対
するノズルプレート３２の変形が無視できなくなり効率
の悪いインクジェットプリンタヘッドになるからであ
る。また材質を問わず各種シート材料の実際上の取り扱
い性を考えても０．０２ｍｍ以下のシートは非常に取り
扱いにくい。またノズルプレート１２の厚みの上限はエ
ッチング加工する穴径と生産性によって限定される。In general, when the nozzle plate 12 is formed of an organic polymer material such as polyimide, considering the rigidity of the nozzle plate 12, at least the thickness of the nozzle plate 12 is not less than the width dimension of the wall 34 of the piezoelectric material and the ink groove 35. Need to be This is because if the thickness of the nozzle plate 12 becomes thinner and the rigidity becomes smaller, the deformation of the nozzle plate 32 due to the pressure wave generated when a voltage is applied cannot be ignored and the inkjet printer head becomes inefficient. Further, considering the practical handling property of various sheet materials regardless of the material, sheets of 0.02 mm or less are very difficult to handle. The upper limit of the thickness of the nozzle plate 12 is limited by the hole diameter to be etched and the productivity.
【００１４】本発明のインクジェットプリンタヘッドに
要求される噴射ノズル１１の出口側の穴径は０．０８〜
０．１ｍｍが最大である。従って多段階エッチング手法
を駆使するにしても加工能率を考えると穴径の１０倍程
度が限界だと考えられノズルプレート１２の厚みの限界
値は０．８〜１ｍｍ程度となる。図３には、インク滴噴
射時の噴射ノズル１１でのインクメニスカス３６の様子
も示した。本発明の圧電素子３１では多数個並んだイン
ク溝３５の両側にある圧電材料の壁３４は電界印加によ
って、インク滴を噴射するインク溝の容積を増加させる
方向に一旦変位し、その後電界を取り除くことによって
急激に元の位置に戻る。その時インク溝中に圧力波が発
生しインク滴の噴射が行われる。従ってインク滴を噴射
するインク溝の両隣のインク溝からは同時にインク滴を
噴射することが出来ない。つまり多数個の並んだインク
溝３５は奇数・偶数の２組に組分けされ奇数番目、偶数
番目のインク溝からは同時にインク滴の噴射は起こらな
い。The hole diameter on the outlet side of the jet nozzle 11 required for the ink jet printer head of the present invention is 0.08-
0.1 mm is the maximum. Therefore, even if the multi-step etching method is fully utilized, it is considered that the limit is about 10 times the hole diameter when considering the processing efficiency, and the limit value of the thickness of the nozzle plate 12 is about 0.8 to 1 mm. FIG. 3 also shows a state of the ink meniscus 36 at the ejection nozzle 11 when ejecting an ink droplet. In the piezoelectric element 31 of the present invention, the walls 34 of the piezoelectric material on both sides of the ink grooves 35 arranged side by side are once displaced by the application of an electric field in the direction of increasing the volume of the ink groove ejecting the ink droplet, and then the electric field is removed. It suddenly returns to the original position. At that time, a pressure wave is generated in the ink groove, and ink droplets are ejected. Therefore, the ink droplets cannot be ejected simultaneously from the ink grooves adjacent to the ink groove ejecting the ink droplets. That is, a large number of the aligned ink grooves 35 are divided into two groups, an odd number and an even number, and ink droplets are not ejected simultaneously from the odd-numbered and even-numbered ink grooves.
【００１５】これをインク溝内に発生する圧力で見る
と、インク滴の噴射が行われるインク溝の噴射ノズル１
１の先端での圧力が外界に対して正圧である場合、同時
にその両隣のインク溝の噴射ノズル１１の先端での圧力
は外界に対して負圧となる。従ってインク滴の噴射が行
われるインク溝の両隣のインク溝に対応する噴射ノズル
１１の先端（出口側）ではインクメニスカス３６は噴射
ノズル側へ後退することになる。このインクメニスカス
３６の後退時には、噴射ノズル１１の一部はエアーで満
たされることになる。ここで引き込んだエアーの体積が
噴射ノズル容積より多くなるとエアーはインク溝内部に
も引き込まれその放出が困難になる。Looking at this by the pressure generated in the ink groove, the ejection nozzle 1 of the ink groove for ejecting ink droplets
When the pressure at the tip of No. 1 is positive with respect to the outside world, at the same time, the pressure at the tips of the ejection nozzles 11 of the ink grooves on both sides thereof is negative with respect to the outside. Therefore, the ink meniscus 36 retreats to the ejection nozzle side at the tip (outlet side) of the ejection nozzle 11 corresponding to the ink grooves adjacent to the ink groove on which the ink droplets are ejected. When the ink meniscus 36 retreats, a part of the ejection nozzle 11 is filled with air. When the volume of the air drawn in here becomes larger than the volume of the ejection nozzle, the air is also drawn inside the ink groove, and its ejection becomes difficult.
【００１６】従って噴射ノズル１１の容積は液滴体積量
（エアー引き込み最大量に対応）と同程度の容積が最低
限必要となる。これがテーパを有する噴射ノズルが必要
となる理由の１つである。Therefore, the volume of the jet nozzle 11 must be at least as small as the volume of the liquid droplet (corresponding to the maximum amount of drawing air). This is one of the reasons why a jet nozzle having a taper is required.
【００１７】次に図１に示した形状の噴射ノズル１１形
成について図４を用いて、その概略を説明すると、０．
１ｍｍ厚のポリイミドシートに片面選択エッチを行うた
めのマスクパターンを形成する。Next, the formation of the injection nozzle 11 having the shape shown in FIG. 1 will be briefly described with reference to FIG.
A mask pattern for performing one-sided selective etching is formed on a 1 mm thick polyimide sheet.
【００１８】第１段階のエッチング４１として、エッチ
ャーの種類、濃度、エッチング温度等をパラメータとし
てハーフエッチングを行う。第１段階エッチングされた
穴の側面に部分的に対エッチングプロテクト処理を行っ
た。その後第２段階のエッチング４２として、エッチャ
ーの種類、濃度、エッチング温度等のパラメータを変化
させハーフエッチングを行う。その後第２段階エッチン
グされた穴の側面に部分的に対エッチングプロテクト処
理を行う。As the first-stage etching 41, half-etching is performed using the type, concentration, etching temperature, etc. of the etcher as parameters. A side surface of the hole etched in the first step was partially subjected to an etching protection treatment. After that, as the second-stage etching 42, half etching is performed by changing parameters such as the type, concentration, and etching temperature of the etcher. After that, the side surface of the hole subjected to the second-stage etching is partially subjected to an etching protection process.
【００１９】第３段階のエッチング４３として、エッチ
ャーの種類、濃度、エッチング温度等のパラメータを変
化させエッチングを行い、貫通穴を形成する。最後に対
エッチングプロテクトを除去した後、エッチャーの種
類、濃度、エッチング温度等のパラメータを変化させ最
終エッチング４４を行う。上記に示したエッチング手法
を噴射ノズル１１形成に用いることで大面積（例えば２
５０ｘ２５０ｍｍ）での多数個の噴射ノズル形成が同時
に行うことが出来る。また位置精度もマスクパターンの
精度によって決まり、現在の半導体技術を応用すること
で極めて高いものとすることが出来る。またマスクパタ
ーンを工夫することによって、例えば図５に示すような
ノズルプレート１２と圧電素子を接着する場合に有用と
なる接着剤溜の溝５１を噴射ノズル１１を形成するのと
同時にノズルプレート１２に形成することもできる。As the third-stage etching 43, etching is performed by changing parameters such as the type, concentration and etching temperature of the etcher to form a through hole. Finally, after removing the anti-etching protection, parameters such as the type, concentration, and etching temperature of the etcher are changed to perform the final etching 44. A large area (for example, 2
It is possible to form a large number of injection nozzles at 50 × 250 mm) at the same time. The positional accuracy is also determined by the accuracy of the mask pattern, and can be made extremely high by applying the current semiconductor technology. Further, by devising a mask pattern, for example, as shown in FIG. 5, a groove 51 of an adhesive reservoir, which is useful when the nozzle plate 12 and the piezoelectric element are bonded, is formed on the nozzle plate 12 at the same time when the injection nozzle 11 is formed. It can also be formed.
【００２０】[0020]
【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明のインクジェットプリンタヘッドによれば、インク
流動に好適でエアーの巻き込みを改善した噴射ノズル形
状を示し、エッチング技術の応用によりインク滴の噴射
方向性に優れた高品質の噴射ノズルを多数個同時に位置
精度良く形成することが可能となる。As is apparent from the above description, according to the ink jet printer head of the present invention, a jet nozzle shape suitable for ink flow and having improved air entrainment is exhibited, and ink droplets are formed by applying an etching technique. It becomes possible to form a large number of high-quality jet nozzles having excellent jet directionality at the same time with good positional accuracy.
【図１】本発明の噴射ノズル形状の一例を示す概略断面
図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the shape of an injection nozzle of the present invention.
【図２】従来の噴射ノズル形状を示す概略断面図であ
る。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the shape of a conventional injection nozzle.
【図３】噴射ノズル及び圧電素子を一体化したヘッドの
部分的概略断面図である。FIG. 3 is a partial schematic cross-sectional view of a head in which an ejection nozzle and a piezoelectric element are integrated.
【図４】多段階エッチングの流れを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a flow of multi-step etching.
【図５】噴射ノズル及び接着剤溜のための溝を形成した
ノズルプレートの概略図である。FIG. 5 is a schematic view of a nozzle plate in which grooves for an injection nozzle and an adhesive reservoir are formed.
【図６】従来提案されているインクジェットプリンタヘ
ッドの概略図である。FIG. 6 is a schematic view of a conventionally proposed inkjet printer head.
１１ 噴射ノズル １２ ノズルプレート １３ テーパ角 ３３ インクジェットプリンタヘッド ３４ 圧電材料の壁 ３５ インク溝 11 jet nozzle 12 nozzle plate 13 taper angle 33 inkjet printer head 34 wall of piezoelectric material 35 ink groove
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鐘ケ江 降弘 名古屋市瑞穂区苗代町15番１号 ブラザー 工業株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Kanegae Furuhiro 15-1 Naeshiro-cho, Mizuho-ku, Nagoya City Brother Industries, Ltd.
Claims (3)
し、圧電材料に電界を印加するための駆動電極が前記イ
ンク溝の側面に配置された圧電アクチュエータと、前記
インク溝に対応したインク滴噴射のための複数のノズル
を有するノズルプレートから構成されるインクジェット
プリンタヘッドにおいて、 前記ノズルの形状がインク滴噴射方向に対して、少なく
とも２種以上の多段階のテーパ角を有する形状であるこ
とを特徴とするインクジェットプリンタヘッド。1. A piezoelectric actuator having a plurality of ink grooves and a wall of a piezoelectric material, wherein a drive electrode for applying an electric field to the piezoelectric material is arranged on a side surface of the ink groove, and a piezoelectric actuator corresponding to the ink groove. In an inkjet printer head including a nozzle plate having a plurality of nozzles for ejecting ink droplets, the shape of the nozzles has a multi-step taper angle of at least two or more with respect to the ink droplet ejecting direction. An inkjet printer head characterized by the above.
０．０２〜１ｍｍの範囲であり、且つ前記ノズルの容積
が少なくとも噴射されるインク液滴体積以上であること
を特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリンタ
ヘッド。2. The size of the nozzle in the ink droplet ejection direction is in the range of 0.02 to 1 mm, and the volume of the nozzle is at least the ejected ink droplet volume or more. Inkjet printer head according to.
多段階エッチング手法にて形成することを特徴とする請
求項１及び２に記載のインクジェットプリンタヘッド。3. The ink jet printer head according to claim 1, wherein the nozzle is formed by a multi-step etching method of at least two steps.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9966392A JP3220504B2 (en) | 1992-04-20 | 1992-04-20 | Ink jet printer head and method of manufacturing the same |
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| JPH05293960A true JPH05293960A (en) | 1993-11-09 |
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ID=14253284
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| JP9966392A Expired - Lifetime JP3220504B2 (en) | 1992-04-20 | 1992-04-20 | Ink jet printer head and method of manufacturing the same |
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