JPH0623980A

JPH0623980A - インクジェット記録装置

Info

Publication number: JPH0623980A
Application number: JP18123292A
Authority: JP
Inventors: Mitsuaki Atobe; 光朗跡部; Shinichi Kamisuke; 真一紙透; Shuji Koeda; 周史小枝; Shinichi Yotsuya; 真一四谷
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1992-07-08
Filing date: 1992-07-08
Publication date: 1994-02-01
Anticipated expiration: 2016-02-26
Also published as: JP3139142B2

Abstract

(57)【要約】【目的】小型高密度、信頼性及び量産性のあるインク
ジェット記録装置の基本特性、欠陥評価を行うための構
造を得る。【構成】複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連通
する複数の独立の吐出室と、該吐出室の少なくとも一方
の壁の一部が機械的変形をおこすようになっている振動
板と、該振動板を駆動する駆動手段と、前記複数の吐出
室にインクを供給する共通のインクキャビティを有する
インクジェットヘッドを備え、前記駆動手段に電気パル
スを印加することにより、該駆動手段に対応する前記振
動板を前記吐出室の圧力が上昇する方向に変形させ、前
記ノズル孔よりインク滴を記録紙に向け吐出するものに
おいて、該振動板下に形成される電極基板が透明基板
で、電極が透明導電膜からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、記録を必要とする時に
のみインク液滴を吐出し、記録紙面に付着させるインク
ジェット記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット記録装置は、記録時の騒
音がきわめて小さいこと、高速印字が可能であること、
インクの自由度が高く安価な普通紙を使用できることな
ど多くの利点を有する。この中でも記録の必要な時にの
みインク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマ
ンド方式が記録に不必要なインクを液滴の回数を必要と
しないため、最も注目を浴びているタイプである。この
インク・オン・デマンド方式は、例えば特公平２−５１
７３４号公報に示されるように、印字ヘッドが、インク
液滴を吐出するための複数列に配列されたノズル孔と、
各々のノズル孔に連通し一方の壁の一部が振動板となっ
ている複数の独立の吐出室と、各振動板上に取り付けら
れた電気機械変換手段としての圧電素子と、各吐出室に
インクを供給するための共通のインクキャビティとから
なり、振動板を機械的に撓ませその吐出室の容積を減少
し、瞬間的にその室内の圧力を高めることにより、前記
ノズル孔からインク液滴を記録紙に向け吐出するように
なっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のインクジェット記録装置の構造では、吐出室
の外側に振動板を構成するガラス板やプラスチック板等
を介して圧電素子の取り付け作業が極めて煩雑で多大の
時間を要する。また、一般に圧電素子は、厚みばらつき
が大きく、振動板への接着剤の厚みばらつきも発生し、
前記ノズルから吐出するインク液滴の大きさ、スピード
が異なる。そのため、実際のインク吐出評価を行ないな
がら電圧調整を行って安定吐出を維持していた。振動板
の振動ばらつき評価としては、レーザードップラー方式
による変位量測定があるが、前記インクジェット記録装
置の場合、圧電素子の反射率が小さく測定が難しく使用
できなかった。また、インクキャビティ側からの測定
は、インクがキャビティ内に満たされている時は困難で
あった。

【０００４】また、上記圧電素子によるインクジェット
印字装置の課題を改善するため、前述の静電気による振
動板吸引方式を先に特許出願（特願平３−２３４５３
７）している。その中で不透明電極にした場合は裏面か
らの振動板振動特性評価がレーザードップラー測定装置
のような光測定法ではできなかった。

【０００５】したがって、本発明の目的は、吐出室の振
動板の駆動手段として、前記のような圧電素子を用いる
方式に代えて、静電気力を利用した駆動方式を採用する
構造において、安定した吐出特性を光測定器等により非
常に簡易的な方法で評価し、吐出電圧がフィードバック
でき、また、振動板と電極間に異物が混入したり、放電
による欠陥が生じた場合も観察できるため検査効率が非
常に向上する等、量産性、検査効率に優れた構造のイン
クジェット記録装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】複数のノズル孔と、該ノ
ズル孔の各々に連通する複数の独立の吐出室と、該吐出
室の少なくとも一方の壁の一部が機械的変形をおこすよ
うになっている振動板と、該振動板を駆動する駆動手段
と、前記複数の吐出室にインクを供給する共通のインク
キャビティを有するインクジェットヘッドを備え、前記
駆動手段に電気パルスを印加することにより、該駆動手
段に対応する前記振動板を前記吐出室の圧力が上昇する
方向に変形させ、前記ノズル孔よりインク滴を記録紙に
向け吐出するものにおいて、該振動板下に形成される電
極基板が透明基板で、電極が透明導電膜からなる。

【０００７】また、本発明の前記インクジェットヘッド
の製造方法は、シリコン単結晶基板に異方性エッチング
を施すことにより各要部（キャビティ等）を作製する工
程と基板にホウケイ酸ガラスを用い、クロム、金スパッ
タを全面に行ないフォトリソエッチングにより、パター
ンエッチングして振動板と基板のギャップを作製する。

【０００８】この場合、ガラスをエッチングしないでシ
リコンをエッチングしてギャップを形成することもでき
るし他の膜コーティング、スパッタ等の手段によりギャ
ップを形成することもできる。その凹部に透明導電膜を
パターン形成して前記シリコンと陽極接合を行う。

【０００９】また、前記電極がＩＴＯまたはネサ膜であ
ることにより、低抵抗の電極形成が可能となり、応答
性、吐出性が大幅に向上する。

【００１０】このようにして作製されたインクジェット
ヘッドは振動板の下側基板、電極が透明なため、インク
キャビティにインクが充填されていてもレーザードップ
ラー測定等で振動板の振動特性を容易に評価できる。

【００１１】また、振動板も透明電極で作製することに
より、キャビティ内の気泡づまり、ちりづまり、その他
の欠陥観察が容易にできるようになる。

【００１２】

【作用】本発明のインクキャビティ等が形成されている
基板はシリコン基板が適当で、しかも電極基板はホウケ
イ酸ガラスが適当である。その理由としては、シリコン
は単結晶であるため、異方性エッチングが可能で、例え
ば、（１００）面をエッチングした場合は５５°の方向
に規則正しくエッチングできる。また、（１１１）面で
は９０°方向にエッチングが可能である。そこでこの特
性を用いて、精度良く、ノズル孔、吐出室、オリフィ
ス、キャビティ等の要部を形成できる。そして、最後に
このシリコン基板と電極基板を重ねて、摂氏３００度か
ら摂氏５００度で加熱し、シリコン側を陽極、電極基板
側を陰極として、数百ボルトの電圧を印加し、陽極接合
する。この時、シリコンと熱膨張係数が近いガラスがホ
ウケイ酸ガラスで、熱膨張係数が近くないと陽極接合後
の冷却で基板割れが発生する。

【００１３】

【実施例】以下、実施例を図面に従って説明する。

【００１４】（実施例１）図１は本発明の第１の実施例
によるインクジェット記録装置の主要部を分解して示す
斜視図であり、一部断面図で示している。本実施例はイ
ンク液滴を基板の端部のノズル孔から吐出させるエッジ
インクジェットタイプの例を示すものである。図２は組
み立てられた全体装置の断面側面図、図３は図２のＡ−
Ａ線矢視図である。

【００１５】これらの図に示すように、インクジェット
記録装置１０の主要部であるインクジェットヘッド１２
は、下図に詳述する構造を持つ３枚の基板１、２、３を
重ねて接合した積層構造となっている。

【００１６】中間の基板２は、シリコン基板であり、複
数のノズル孔４を構成する中間基板２の表面に一端より
平行に等間隔で形成された複数ノズル溝２１と、各々の
ノズル溝２１に連通し底壁を振動板５とする吐出室６を
構成することになる凹部２２と、凹部２２の後部に設け
られたオリフィス７を構成することになるインク流入口
のための細溝２３と、各々の吐出室６にインクを供給す
るための共通のインクキャビティ８を構成することにな
る凹部２４を有する。また、前記振動板５の下部には後
述する電極を装着するため振動室９を構成することにな
る凹部２５が設けられている。ノズル溝２１のピッチは
０．９ｍｍピッチであり、その幅は７０ミクロンであ
る。

【００１７】中間基板２の上面に接合される上側の基板
１は、ホウケイ酸ガラスを用いた。この基板１の接合に
よって、前記ノズル孔４、吐出室６、オリフィス７及び
インクキャビティ８が構成される。そして、上基板１に
はインクキャビティ８に連通するインク供給口１４を設
けた。インク供給口１４は接続パイプ１６及びチューブ
１７を介して図示しないインクタンクに接続される。

【００１８】中間基板２の下面に接合される下側の基板
３は、ホウケイ酸ガラスを使用し、この基板３の接合に
よって前記振動室９を構成するとともに、下基板３を前
記振動板５に対応する各々の位置に振動板形状と類似し
た形状にＩＴＯを０．１ミクロンスパッタし、ほぼ振動
板５と同じ形状にＩＴＯパターンを形成し電極３１とし
た。電極３１はリード部３２及び端子部３３を持つ。さ
らに端子部は金をスパッタし、電極端子部３３とした。
さらに電極端子部を除きホウケイ酸ガラススパッタ膜を
全面に０．２ミクロン被覆し絶縁層３４とし駆動時の絶
縁破壊、ショートを防止するための膜を形成した。

【００１９】次に基板１と中間基板２を摂氏３００度、
５００Ｖ印加で陽極接合し、同条件で基板２と基板３を
接合し、図２のようにインクジェットヘッドを組み立て
た。さらに中間基板２と電極３１の端子部３３間にそれ
ぞれ発振回路２６を接続し、インクジェット記録装置１
０を構成した。インク１１は、図示しないインクタンク
よりインク供給口より中間基板２の内部に供給されイン
クキャビティ８、吐出６等を満たしている。

【００２０】図２において、１３はノズル孔４より吐出
されるインク滴、１５は記録紙である。

【００２１】今回、評価した実施例の動作を説明する。
電極３１に発振回路２６により、０Ｖから１００Ｖのパ
ルス電圧を印加し、電極３１の表面がプラスに帯電する
と、対応する振動板５の下面はマイナス電位に帯電す
る。したがって、振動板５は静電気の吸引作用により下
方へ撓む。次に、電極３１をＯＦＦすると、該振動板５
が下方へ撓むことにより、インク１１がインクキャビテ
ィ８よりオリフィス７を通じて吐出室６内に補給され
る。

【００２２】ここで、前記のように振動板５を静電気力
により駆動させる場合において、該振動板５の変位量、
駆動電圧、及び吐出量を求める。

【００２３】振動板５は、図１０の（ａ）に示すように
短辺長２ａ、長辺長ｂとした長方形で、４辺を周囲壁で
支持されている。圧力Ｐを受けるこの薄板の変位量ｗ
は、アスペクト比（ｂ／２ａ）が大きいときは係数が
０．５に近付き、変位量はａに依存するので、次式で表
される。

【００２４】ｗ＝０．５×Ｐａ⁴ ／Ｅｈ³ ・・・（１）ただし、ｗ：変位量（ｍ）Ｐ：圧力（Ｎ／ｍ³ ）ａ：短辺の半分の長さ（ｍ）ｈ：板厚（ｍ）Ｅ：ヤング率（Ｎ／ｍ² 、シリコン１１×１０¹⁰Ｎ／ｍ
² ）静電気力による吸着圧力はＰ＝１／２×ε×（Ｖ／ｔ）² ただし、 ε：誘電率（Ｆ／ｍ、真空中の誘電率８．８
×１０^ー12 Ｆ／ｍ）Ｖ：電圧（Ｖ）ｔ：振動板と電極の間隔よって、必要な吐出圧力を得るための駆動電圧ＶはＶ＝ｔ（２Ｐ／ε）^1/2 ・・・（２）次に、吐出量を求めるために、図１０の（ｂ）に示すよ
うなかまぼこ型の体積を求める。

【００２５】体積Ｓ＝４／３×ａｂｗであるからｗ＝３／４×Ｓ／ａｂ・・・（３）（１）式より、Ｐ＝２ｗ×Ｅｈ³ ／ａ⁴ で式（３）を代
入するとＰ＝３／２×ＳＥｈ³ ／ａ⁵ ｂ・・・（４）さらに、式（４）を式（２）に代入すると、Ｖ＝ｔ×（３Ｅｈ³ Ｓ／εｂ）^1/2 ×（１／ａ⁵ ）^1/2 ・・・（５）すなわち、式（５）がインク吐出量を得るための駆動電
圧となる。

【００２６】ここで例えば、式（２）、式（５）から、
インク吐出可能領域を求めると、図１１（ａ）のように
なる。図１１の（ａ）は（ｂ）に示すシリコン振動板の
長辺長ｂ＝５ｍｍ、板厚ｈ＝８０ミクロン、振動板と電
極間隔ｃ＝１ミクロンとしたときの短辺長２ａ（ｍｍ）
に対する駆動電圧（Ｖ）の関係を示したものである。吐
出圧力Ｐ＝０．３気圧の時、の吐出可能領域３０は図中
の斜線で示す範囲となる。

【００２７】振動板の幅は大きいほど有利であるが、小
型高密度化を考えた場合、ノズルのピッチ方向の幅は、
０．００４から２．０ｍｍ程度が妥当である。振動板の
長さについては、式（４）から目的とするインク吐出量
とシリコンのヤング率、吐出圧力、板厚から算出して決
定する。

【００２８】また、振動板の厚さについては、幅が１ｍ
ｍ程度の場合、吐出速度を考えると約５０ミクロン以上
ほしい。それよりもはるかに厚いと、式（５）からわか
るように駆動電圧が異常に高くなり、薄すぎると振動板
のバネ性が小さくなり、インクを飛翔させるに不利とな
る。実際には、企画されるノズル密度、駆動電圧から適
切な条件を設定して作製される。

【００２９】このようなメカニズムのインクジェットヘ
ッドを１０ｋＨｚ駆動で吐出させ、基板の裏面から図４
に示すような配置でレーザー光５１を裏面から振動板５
にあて反射させ、振動板振幅量をレーザードップラー測
定器５０で測定した。インクを吐出させながら電圧を変
化させたところ、従来では難しかったインク充填時の振
幅量と吐出量の変化を測定することが出来るようになっ
た。その結果、振幅量と吐出量の相関関係が明確になっ
たため、各ノズルのインク液滴の安定吐出のための電圧
設定が振幅量を測定しただけで設定できるようになっ
た。

【００３０】（実施例２）図５に示す本実施例は第１実
施例と同じくエッジインクジェットのタイプで下基板３
を前記振動板５に対応する各々の位置に振動板形状と類
似した形状に深さ０．７ミクロンエッチングし、ネサ膜
をＣＶＤにより形成し、溝内にネサ膜パターンを形成し
電極３１とし、絶縁膜として０．３ミクロンのホウケイ
酸ガラススパッタ膜を形成した。以下実施例１と同様に
組立てを行ないインクジェットヘッドを完成し、振動評
価を行なった。

【００３１】（実施例３）図６は本発明の第３の実施例
によるインクジェット記録装置の主要部を分解して示す
斜視図であり、一部断面図で示している。本実施例はイ
ンク液滴を基板の面部のノズルプレート孔から吐出させ
るフェイスインクジェットタイプの例を示すものであ
る。図７は組み立てられた全体装置の断面側面図、図８
は図７のＡ−Ａ線矢視図である。

【００３２】これらの図に示すように、インクジェット
記録装置４０の主要部であるインクジェットヘッド４２
は、下図に詳述する構造を持つ３枚の基板６１、６２、
６３を重ねて接合した積層構造となっている。

【００３３】中間の基板６２は、厚み２８０ミクロンの
面方位（１１０）シリコン基板であり、基板６２の吐出
室６に、５ミクロンの透明導電膜からなる底壁を振動板
５とし、吐出室６を構成することになる凹部２２と、凹
部２２の後部に設けられたオリフィス７を構成すること
になるインク流入口のための細溝２３と、各々の吐出室
６にインクを供給するための共通のインクキャビティ８
を構成することになる凹部２４を有する。また、基板６
３で前記振動板５の下部には後述する電極を装着するた
め振動室９を構成することになる凹部２５が設けられて
いる。中間基板６２の上面に接合される上側の基板６１
は、ＳＵＳ製のインクが吐出すためのノズル孔４をもつ
厚み１００ミクロンのノズルプレートを用いた。上基板
６２にはインクキャビティ８に連通するインク供給口１
４を設けた。インク供給口１４は接続パイプ１６及びチ
ューブ１７を介して図示しないインクタンクに接続され
る。

【００３４】中間基板６２の下面に接合される下側の基
板６３は、ホウケイ酸ガラスを使用し、この基板６３の
接合によって前記振動室９を構成するとともに、下基板
６３を前記振動板５に対応する各々の位置に振動板形状
と類似した形状に深さ０．５ミクロンエッチングし、Ｉ
ＴＯをスパッタし、溝内にＩＴＯパターンを形成し電極
３１とした。電極３１はリード部３２及び端子部３３を
持つ。さらに端子部は金をスパッタし、電極端子部３３
とした。さらに電極端子部を除きホウケイ酸ガラススパ
ッタ膜を全面に０．２ミクロン被覆し絶縁層３４とし駆
動時の絶縁破壊、ショートを防止するための膜を形成し
た。

【００３５】次に中間基板６２と電極３１の端子部３３
間にそれぞれ発振回路２６を接続し、インクジェット記
録装置１０を構成した。

【００３６】このようにしてインクジェットヘッドの
表、裏両面からインクジェット内部を観察できるインク
ジェットヘッドを作製した。

【００３７】インク１１は、図示しないインクタンクよ
りインク供給口より中間基板６２の内部に供給されイン
クキャビテイ８、吐出室６等を満たしている。

【００３８】図７において、１３はノズル孔４より吐出
されるインク滴、１５は記録紙である。

【００３９】次に実施例１と同様に電極３１に発振回路
２６により、０Ｖから１００Ｖのパルス電圧を印加し、
前記インクジェットヘッドを駆動させることができた。

【００４０】本実施例は、振動板、電極を透明化するこ
とにより、インク吐出中のインク吐出不安定要因が観察
でき、また顔料分散型カラーインクの場合の沈澱状況等
がわかるようになった。

【００４１】（実施例４）図７は、透明導電膜の比抵抗
が大きい場合の改善実施例である。すなわち、振動板５
下の電極部７０のみ透明導電膜で作製し、他は金のよう
な抵抗の低い金属配線７１にしたもので、特に、周波数
応答性、インク液滴の吐出スピードの改善につながるも
のである。

【００４２】

【発明の効果】本発明の効果は下記の通りである。

【００４３】複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連
通する複数の独立の吐出室と、該吐出室の少なくとも一
方の壁の一部が機械的変形をおこすようになっている振
動板と、該振動板を駆動する駆動手段と、前記複数の吐
出室にインクを供給する共通のインクキャビティを有す
るインクジェットヘッドを備え、前記駆動手段に電気パ
ルスを印加することにより、該駆動手段に対応する前記
振動板を前記吐出室の圧力が上昇する方向に変形させ、
前記ノズル孔よりインク滴を記録紙に向け吐出するもの
において、該振動板下に形成される電極基板が透明基板
で、電極が透明導電膜を用いることにより、安定した吐
出特性を光測定器等により非常に簡易的な方法で評価
し、吐出電圧がフィードバックでき、また、振動板と電
極間に異物が混入したり、放電による欠陥が生じた場合
も観察できるため検査効率が非常に向上する等、量産
性、検査効率に優れた構造のインクジェット記録装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例におけるインクジェット
記録装置の主要部分を一部破断して示す分解斜視図であ
る。

【図２】本発明の第１の実施例におけるインクジェット
記録装置の組み立て後の断面側面図である。

【図３】本発明の第１の実施例におけるインクジェット
記録装置の組み立て後の断面側面図のＡ−Ａ線矢視図で
ある。

【図４】本発明の第１の実施例におけるインクジェット
記録装置の組み立て後の測定状態を示す断面側面図であ
る。

【図５】本発明の第２の実施例におけるインクジェット
記録装置の組み立て後の断面側面図である。

【図６】本発明の第３の実施例におけるインクジェット
記録装置の主要部分を一部破断して示す分解斜視図であ
る。

【図７】本発明の第３の実施例におけるインクジェット
記録装置の組み立て後の断面側面図である。

【図８】本発明の第３の実施例におけるインクジェット
記録装置の組み立て後の断面側面図のＡ−Ａ線矢視図で
ある。

【図９】本発明の第４の実施例におけるインクジェット
記録装置の組み立て後の断面側面図である。

【図１０】（ａ）は長方形振動板の寸法関係の説明図で
ある。（ｂ）は吐出圧力及び吐出量を求めるための説明
図である。

【図１１】（ａ）は（ｂ）に示す振動板寸法の場合の振
動板の短辺長さと駆動電圧の関係を示す線図である。
（ｂ）は振動板寸法図である。

【符号の説明】

１上基板２中間基板３下基板４ノズル孔５振動板６吐出室７オリフィス８インクキャビティ９振動室１０インクジェット記録装置１１インク１２インクジェットヘッド１３インク液滴１４インク供給口１５紙１６接続パイプ１７チューブ２１ノズル溝２２凹部２３細溝２４凹部２５凹部２６発振回路３０吐出可能領域３１電極３２リード部３３端子部３４絶縁膜３５接続線４０インクジェット記録装置４２インクジェットヘッド５０レーザードップラー測定器５１レーザー光６１ノズルプレート６２中間基板６３下基板７０ＩＴＯ７１金属膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者四谷真一長野県諏訪市大和３丁目３番５号セイコーエプソン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に
連通する複数の独立の吐出室と、該吐出室の少なくとも
一方の壁の一部が機械的変形をおこすようになっている
振動板と、該振動板を駆動する駆動手段と、前記複数の
吐出室にインクを供給する共通のインクキャビティを有
するインクジェットヘッドを備え、前記駆動手段に電気
パルスを印加することにより、該駆動手段に対応する前
記振動板を前記吐出室の圧力が上昇する方向に変形さ
せ、前記ノズル孔よりインク滴を記録紙に向け吐出する
ものにおいて、該振動板下に形成される電極基板が透明
基板で、電極が透明導電膜からなることを特徴とするイ
ンクジェット記録装置。
【請求項２】前記電極基板がホウケイ酸ガラスを使用
することを特徴とする請求項１記載のインクジェット記
録装置。
【請求項３】前記電極がＩＴＯまたはネサ膜からなる
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のインク
ジェット記録装置。
【請求項４】前記振動板が透明導電膜からなることを
特徴とする請求項１または請求項２または請求項３記載
のインクジェット記録装置。