JPH07125203A - Ink jet head and production thereof - Google Patents

Ink jet head and production thereof

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JPH07125203A
JPH07125203A JP27827193A JP27827193A JPH07125203A JP H07125203 A JPH07125203 A JP H07125203A JP 27827193 A JP27827193 A JP 27827193A JP 27827193 A JP27827193 A JP 27827193A JP H07125203 A JPH07125203 A JP H07125203A
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buckling structure
buckling
ink
substrate
jet head
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Susumu Hirata
進 平田
Koji Matoba
宏次 的場
Yorishige Ishii
頼成 石井
Tetsuya Inui
哲也 乾
Kenji Ota
賢司 太田
Shingo Abe
新吾 阿部
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    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2002/14346Ejection by pressure produced by thermal deformation of ink chamber, e.g. buckling

Abstract

PURPOSE:To enhance the pressure of ink by buckling deformation by constituting a pressure generator of a buckling structure driven by a temp. change and the substrate supporting the buckling structure through a spacer and having ink passages. CONSTITUTION:When a current is applied through electrodes 9a, 9b, a buckling structure 3 is heated by resistance heat tending to thermally expand. However, since the buckling structure 3 is fixed at both ends thereof in this case, it can not generate expansive deformation and compression force is generated in a predetermined direction. When this compression force exceeds buckling load, buckling deformation is generated and an unfixed buckling part is deformed toward a nozzle plate 1 and the pressure is transmitted to the ink in the space between the buckling structure 3 and the nozzle plate 1 and an ink droplet 6 is formed from a nozzle orifice 2 to be jetted to the outside. Since the buckling structure is extremely simple in its structure and can obtain large displacement quantity even if the shape thereof is small, a head can be miniaturized.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、インク中に浸されてい
る圧力発生器を駆動し、インク内の圧力を高めてノズル
オリフィスからインク滴を吐出させる機構のインクジェ
ットヘッドの改良に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improved ink jet head having a mechanism for driving a pressure generator immersed in ink to increase the pressure in the ink and eject ink droplets from a nozzle orifice. .

【0002】[0002]

【従来の技術】記録液を吐出、飛翔させて記録を行なう
インクジェット法が従来から知られている。この方法は
低騒音で比較的高速印字が可能であること、装置の小型
化やカラー記録が容易であることなど、数々の利点を有
している。このようなインクジェット記録方法では種々
の液滴吐出原理に基づくインクジェット記録ヘッドを用
いて記録を行なっている。たとえば、液滴吐出手段とし
て圧電素子の圧力を利用したインクジェットヘッドや、
発熱抵抗体に電流を流しこの発熱体の温度上昇で液体を
気化し、気化時の圧力を利用したバブル方式インクジェ
ットヘッド等がある。
2. Description of the Related Art An ink jet method for recording by ejecting and flying a recording liquid has been conventionally known. This method has a number of advantages such as low noise, relatively high speed printing, compact size of the apparatus and easy color recording. In such an inkjet recording method, recording is performed using an inkjet recording head based on various droplet ejection principles. For example, an inkjet head that uses the pressure of a piezoelectric element as a liquid droplet ejecting means,
There is a bubble type ink jet head or the like in which an electric current is passed through a heating resistor to vaporize a liquid by the temperature rise of the heating element and the pressure during vaporization is used.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来の技術にはそれぞれ以下の問題点がある。
However, the above-mentioned conventional techniques have the following problems, respectively.

【0004】すなわち、圧電素子を用いたインクジェッ
トヘッドでは、圧電素子に電圧を印加し、圧電素子を変
形させ、その変形によりインク滴を吐出させて記録を行
なうが、圧電素子の変形が小さいため圧電素子を積層し
たり、形状の大きなバイモルフ型の圧電アクチュエータ
を形成し、変位量を大きくしてインク滴を吐出させてい
た。したがって、ノズルピッチと比べはるかに大きな圧
電素子およびインク室を必要とし、そのためノズルを集
積化したマルチノズルヘッドの作製は困難であった。
That is, in an ink jet head using a piezoelectric element, a voltage is applied to the piezoelectric element to deform the piezoelectric element and the deformation causes ink droplets to be ejected for recording. Ink droplets are ejected by stacking elements or forming a bimorph type piezoelectric actuator having a large shape to increase the displacement amount. Therefore, a piezoelectric element and an ink chamber that are much larger than the nozzle pitch are required, which makes it difficult to manufacture a multi-nozzle head in which nozzles are integrated.

【0005】また、バブル方式のインクジェットヘッド
は、発熱体からの熱によりインクが気化して気泡が発生
し、そのときの体積膨張を利用してインク滴を吐出させ
るが、発熱体の大きさが小さくノズルを集積化すること
が比較的容易であり、記録に要する時間が短くてすむ利
点がある。しかしながら、きれいな気泡を得るために短
時間に発熱体を1000℃近くまで加熱するため発熱体
が劣化しやすく、インクジェットヘッドの寿命が比較的
短いという問題がある。
In the bubble type ink jet head, the ink is vaporized by the heat from the heating element to generate bubbles, and the volume expansion at that time is used to eject ink droplets. It is relatively easy to integrate small nozzles, and there is an advantage that the time required for recording is short. However, since the heating element is heated to near 1000 ° C. in a short time in order to obtain clean air bubbles, the heating element is apt to deteriorate and the life of the inkjet head is relatively short.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明によるインクジェ
ットヘッドは、1個以上のノズルオリフィスを有するノ
ズルプレートと、それぞれのノズルオリフィスに対応し
て配置され、インク中に浸された圧力発生器からなり、
該圧力発生器は温度変化により駆動する座屈構造体とこ
の座屈構造体を支持する基板で構成されている。
An ink jet head according to the present invention comprises a nozzle plate having one or more nozzle orifices, and a pressure generator disposed corresponding to each nozzle orifice and immersed in ink. ,
The pressure generator is composed of a buckling structure that is driven by a temperature change and a substrate that supports the buckling structure.

【0007】また、その製造方法は、座屈構造体を、基
板上に形成した犠牲層の上にめっき等により作製し、該
犠牲層をエッチングすることにより空間的な立体構造と
する。
Further, in the manufacturing method, a buckling structure body is formed on a sacrificial layer formed on a substrate by plating or the like, and the sacrificial layer is etched to form a spatial three-dimensional structure.

【0008】[0008]

【作用】本発明によれば、簡単な構造の座屈構造体を熱
駆動し、その座屈変形によりインクの圧力を高めること
ができる。座屈構造体は、形状が小さくても大きな変位
量を得られ、さらにバブル方式のインクジェットヘッド
に比べ低温で大きな変位を発生させることができる。ま
た、製造に際してはフォトリソグラフィーを用いるた
め、パターンの寸法精度が高く量産効果が大きく、高集
積化および低コスト化が可能となる。
According to the present invention, a buckling structure having a simple structure can be thermally driven, and the buckling deformation can increase the pressure of ink. The buckling structure can obtain a large amount of displacement even if it has a small shape, and can generate a large amount of displacement at a lower temperature than a bubble type inkjet head. Further, since the photolithography is used in the manufacturing, the pattern dimensional accuracy is high, the mass production effect is large, and high integration and cost reduction are possible.

【0009】[0009]

【実施例】図1および図2は本発明の記録ヘッドによる
記録原理を説明するための断面図であり、それぞれ待機
状態および動作状態を示す。
1 and 2 are cross-sectional views for explaining the recording principle of a recording head of the present invention, showing a standby state and an operating state, respectively.

【0010】ノズルプレート1は円錐形または漏斗状に
形成された1個以上のノズルオリフィス2を有し、それ
ぞれのノズルオリフィスに対応して、座屈構造体3が配
置され、裏側の筐体8との間に形成されるインク室4中
のインクに浸された構造となっている。座屈構造体3は
導電性で弾性変形を生じるたとえばニッケルのような金
属の材料で形成されている。座屈構造体3の両端は、絶
縁性部材7で基板5に固定されているとともに通電する
ための電極9a,9bとなる。また、座屈構造体3の表
面の両端はスペーサ10を介してノズルプレート1に、
基板5の裏面は筐体8に固定されている。電極は座屈構
造体の表面に別の導体を設けてもよい。
The nozzle plate 1 has one or more nozzle orifices 2 formed in a conical shape or a funnel shape, buckling structures 3 are arranged corresponding to the respective nozzle orifices, and a housing 8 on the back side is provided. The structure is soaked in the ink in the ink chamber 4 formed between and. The buckling structure 3 is formed of a metal material such as nickel which is electrically conductive and elastically deforms. Both ends of the buckling structure body 3 are fixed to the substrate 5 by the insulating member 7 and serve as electrodes 9a and 9b for conducting electricity. Further, both ends of the surface of the buckling structure 3 are connected to the nozzle plate 1 via the spacers 10,
The back surface of the substrate 5 is fixed to the housing 8. The electrode may be provided with another conductor on the surface of the buckling structure.

【0011】電極9a,9bを通して電流が印加される
と、座屈構造体3は抵抗発熱により加熱され熱膨張を起
こそうとする。しかしながら、この場合両端が固定され
ているため、膨張変形することができず、図2に示すよ
うに、矢印方向の圧縮力Pが発生する。この圧縮力Pが
座屈荷重を越えると座屈変形を起こし、固定されていな
い座屈部がノズルプレート1側に変形し、座屈構造体3
とノズルプレート1との間の空間を満たしていたインク
に圧力が伝搬し、ノズルオリフィス2よりインク滴6が
形成されて外へ噴出する。たとえば、座屈構造対3をニ
ッケルで形成し、座屈部分の大きさを300μm(長
さ)、48μm(幅)、6μm(厚さ)とすると、室温
を25℃とした場合98℃以上で座屈を生じる。さらに
座屈構造体3を225℃に加熱すると、座屈構造体3が
ノズルプレート1側に変形し、ノズルオリフィス2より
インク滴6が形成されて外へ噴出することができる。座
屈構造体3がノズルプレート1側に曲がるように、スペ
ーサ10の端縁部は絶縁性部材7の端縁部よりやや外方
にする。
When a current is applied through the electrodes 9a and 9b, the buckling structure 3 is heated by resistance heating and tends to cause thermal expansion. However, in this case, since both ends are fixed, it cannot be expanded and deformed, and as shown in FIG. 2, a compressive force P in the arrow direction is generated. When the compressive force P exceeds the buckling load, buckling deformation occurs, and the unfixed buckling portion deforms toward the nozzle plate 1 side, and the buckling structure 3
The pressure propagates to the ink filling the space between the nozzle plate 1 and the nozzle plate 1, and the ink droplet 6 is formed from the nozzle orifice 2 and ejected to the outside. For example, if the buckling structure pair 3 is made of nickel and the sizes of the buckling portions are 300 μm (length), 48 μm (width), and 6 μm (thickness), when the room temperature is 25 ° C., the temperature is 98 ° C. or higher. Buckling occurs. When the buckling structure 3 is further heated to 225 ° C., the buckling structure 3 is deformed toward the nozzle plate 1 side, and the ink droplet 6 is formed from the nozzle orifice 2 and can be ejected to the outside. The edge of the spacer 10 is slightly outward of the edge of the insulating member 7 so that the buckling structure 3 is bent toward the nozzle plate 1.

【0012】また、電極9a,9bの電流を絶ち、座屈
構造体3が98℃まで冷却されれば、図1の待機状態へ
戻る。
When the buckling structure 3 is cooled to 98 ° C. by cutting off the current flowing through the electrodes 9a and 9b, the standby state shown in FIG. 1 is restored.

【0013】次に電極9a,9bに電流を印加してから
座屈構造体3が抵抗発熱により225℃に加熱され熱膨
張を起こす時間(立上り応答速度:Tr)および、電極
9a,9bの電流を絶ってから座屈構造体3が98℃に
冷却され待機状態へ戻る時間(立上り応答速度:Td)
は、熱伝導方程式によるシミュレーションで計算するこ
とができる。
Next, after applying a current to the electrodes 9a, 9b, the time when the buckling structure 3 is heated to 225 ° C. by resistance heating and thermal expansion occurs (rise response speed: Tr), and the current of the electrodes 9a, 9b. Time after which the buckling structure 3 is cooled to 98 ° C and returns to the standby state (rise response speed: Td)
Can be calculated by simulation using the heat conduction equation.

【0014】図3は、本発明によるインクジェットヘッ
ドの一例の分解斜視図であり、図4は図3の組立てた場
合のX−X′断面図、図5は図3の組立てた場合のY−
Y′断面図である。座屈構造体の材質はニッケル、基板
がシリコン単結晶である。
FIG. 3 is an exploded perspective view of an example of an ink jet head according to the present invention, FIG. 4 is a sectional view taken along the line XX 'when assembled in FIG. 3, and FIG.
It is a Y'sectional view. The material of the buckling structure is nickel, and the substrate is silicon single crystal.

【0015】ノズルプレート1は前述のように1個以上
のノズルオリフィス2,2…を有している。スペーサ1
0にはノズルオリフィス2,2…の背後に対応する空所
10−1,10−1…が設けられている。基板5の一方
の面にはインク室4を形成するための凹部を形成し、か
つ、ノイズオリフィス2に対応するインク流路5−1が
設けられている。この斜面の角度は後述のように54.
7°とされる。基板5の他方の面にはフォトリソグラフ
ィーにより絶縁性部材7を介して座屈構造体3が形成さ
れている。座屈構造体3にはノズルオリフィス2,2…
に対応するようにストリップ3−1,3−1…が形成さ
れており、適宜の箇所に電極9a,9bが設けられてい
る。図1および図2の例では、電極9a,9bは、ノズ
ルオリフィスの列の両側に設けられているが、図3の例
ではノズルオリフィスの列の一方の側に設けられてい
る。基板5の他方の側に筐体8が固定され、インク室4
を形成し、インク室4にはインク溜よりインクが供給さ
れる。
The nozzle plate 1 has one or more nozzle orifices 2, 2 ... As described above. Spacer 1
0 is provided with cavities 10-1, 10-1 ... Corresponding to the back of the nozzle orifices 2, 2. On one surface of the substrate 5, a recess for forming the ink chamber 4 is formed and an ink flow path 5-1 corresponding to the noise orifice 2 is provided. The angle of this slope is 54.
It is set to 7 °. The buckling structure 3 is formed on the other surface of the substrate 5 by photolithography with the insulating member 7 interposed therebetween. Nozzle orifices 2, 2 ... Are provided in the buckling structure 3.
Are formed so as to correspond to, and electrodes 9a and 9b are provided at appropriate places. In the example of FIGS. 1 and 2, the electrodes 9a and 9b are provided on both sides of the row of nozzle orifices, but in the example of FIG. 3, they are provided on one side of the row of nozzle orifices. The housing 8 is fixed to the other side of the substrate 5, and the ink chamber 4
And the ink is supplied from the ink reservoir to the ink chamber 4.

【0016】図3では図示されていないが、図1,図
4,図5に示されるように、座屈構造体3の周縁部の空
間には適宜の充填剤11が充填されている。
Although not shown in FIG. 3, as shown in FIGS. 1, 4 and 5, the space at the peripheral portion of the buckling structure 3 is filled with an appropriate filler 11.

【0017】図6は、座屈構造体3に発生した熱の流れ
を説明するための図である。境界条件としては、まず座
屈構造体3が225℃に加熱されたとき、座屈構造体3
はノズルプレート側に9μm変形する。したがって、シ
ミュレーションは座屈構造体3が平均の4.5μm変形
した構造で行なった。次に、座屈構造体3および基板5
をその外形寸法より20μm大きい容器14に入れその
中をインクで満たし、座屈構造体3の表面とインクの液
面との間隔を20μmとした。容器14の内表面および
基板5の底面を25℃に保つと考えてシミュレーション
を行なった。矢印は主な熱の流れを示す。
FIG. 6 is a diagram for explaining the flow of heat generated in the buckling structure body 3. As the boundary condition, first, when the buckling structure 3 is heated to 225 ° C., the buckling structure 3
Deforms 9 μm toward the nozzle plate. Therefore, the simulation was performed with a structure in which the buckling structure 3 was deformed by an average of 4.5 μm. Next, the buckling structure 3 and the substrate 5
Was placed in a container 14 larger by 20 μm than its outer dimension, and the inside thereof was filled with ink, and the gap between the surface of the buckling structure 3 and the liquid surface of the ink was set to 20 μm. The simulation was performed on the assumption that the inner surface of the container 14 and the bottom surface of the substrate 5 are kept at 25 ° C. Arrows indicate the main heat flow.

【0018】図5で座屈構造体3の厚さt(μm)、座
屈構造体3と基板5の間隔g(μm)、インク流路出口
の幅w(μm)、基板5の厚さをh(μm)を適当に変
えたときの、立上り応答速度(Tr)、および立下り応
答速度(Td)の変化を、それぞれ、図6のような装置
でシミュレーションを行なった結果を、図7,図8,図
9,図10に示す。
In FIG. 5, the thickness t (μm) of the buckling structure 3, the gap g (μm) between the buckling structure 3 and the substrate 5, the width w (μm) of the ink flow path outlet, the thickness of the substrate 5 FIG. 7 shows the results of simulating the changes in the rising response speed (Tr) and the falling response speed (Td) when h (μm) is changed appropriately by the device shown in FIG. , FIG. 8, FIG. 9 and FIG.

【0019】図7〜図9において、座屈構造体3の全長
900μm、座屈部の長さL=300μm、h=500
μmとする。なお、パルスの高さは4.676Wとす
る。
7 to 9, the buckling structure 3 has a total length of 900 μm, a buckling portion length L = 300 μm, and h = 500.
μm. The pulse height is 4.676W.

【0020】図7は、g=1μm、w=100μmとし
た場合のtとTr(△印)およびTd(○印)との関係
を示すグラフである。座屈構造体の厚さtが薄いほど応
答速度はTr,Tdとも速い。ところが、座屈構造体の
厚さtが6μmより薄ければ、インク滴6がノズルオリ
フィスより外へ噴出するに十分のエネルギが得られない
ため、インク滴6はノズルオリフィスより外へ噴出する
ことができない。したがって、最適な座屈構造体の厚さ
の下限は6μmである。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between t and Tr (Δ mark) and Td (◯ mark) when g = 1 μm and w = 100 μm. The smaller the thickness t of the buckling structure, the faster the response speeds of both Tr and Td. However, if the thickness t of the buckling structure is less than 6 μm, sufficient energy cannot be obtained to eject the ink droplet 6 from the nozzle orifice, so the ink droplet 6 is ejected from the nozzle orifice. I can't. Therefore, the lower limit of the optimum thickness of the buckling structure is 6 μm.

【0021】図8はt=6μm,w=100μmとした
ときのgとTr(△印)およびTd(○印)との関係を
示すグラフである。座屈構造体と基板の間隔gは立上り
応答速度Trにはあまり影響を及ぼさないが、立下り応
答速度Tdは、間隔gが小さいほど速い。したがって、
ヘッドをたとえば2.5kHzで駆動する場合は、間隔
gは5μm以下に設定する必要がある。また、間隔gを
1μm以下に設定すれば、3.8kHzで駆動すること
ができる。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between g and Tr (Δ mark) and Td (◯ mark) when t = 6 μm and w = 100 μm. The distance g between the buckling structure and the substrate does not affect the rising response speed Tr so much, but the falling response speed Td is faster as the distance g is smaller. Therefore,
When the head is driven at 2.5 kHz, for example, the gap g needs to be set to 5 μm or less. Further, if the interval g is set to 1 μm or less, it is possible to drive at 3.8 kHz.

【0022】図9は、t=6μmとし、間隔gを適当に
変えたときの立上り応答速度Tr(△印)および立下り
応答速度Td(○印)のインク流路幅w依存性を示した
グラフである。インク流路幅wは立上り応答速度Trに
はあまり影響を及ぼさないが、立下り応答速度Tdは、
インク流路幅wが小さいほど速い。この傾向は、どの座
屈構造体と基板の間隔でも同じである。したがってヘッ
ドをたとえば2.5kHzで駆動する場合は、インク流
路wを40μm以下に設定すると座屈構造体と基板の間
隔gは10μm以下に設定する必要があり、インク流路
幅wを100μm以下、つまり座屈構造体の座屈部の長
さ300μmの3分の1以下に設定すると座屈構造体と
基板の間隔gは5μm以下に設定する必要がある。ま
た、図示されていないがインク流路幅wを40μm以
下、座屈構造体と基板の間隔gを10μm以下に設定す
れば、3.8kHzで駆動することができる。
FIG. 9 shows the dependency of the rising response speed Tr (marked by Δ) and the falling response speed Td (marked by ◯) on the ink channel width w when t = 6 μm and the gap g is appropriately changed. It is a graph. Although the ink flow path width w has little influence on the rising response speed Tr, the falling response speed Td is
The smaller the ink flow path width w, the faster. This tendency is the same for any gap between the buckling structure and the substrate. Therefore, when the head is driven at 2.5 kHz, for example, when the ink flow path w is set to 40 μm or less, the gap g between the buckling structure and the substrate needs to be set to 10 μm or less, and the ink flow path width w is 100 μm or less. That is, when the buckling portion of the buckling structure is set to one-third or less of the length of 300 μm, the gap g between the buckling structure and the substrate needs to be set to 5 μm or less. Further, although not shown, if the ink flow path width w is set to 40 μm or less and the gap g between the buckling structure and the substrate is set to 10 μm or less, it is possible to drive at 3.8 kHz.

【0023】次に図10は、L=300μm,t=6μ
m,g=2μm,パルスの高さ4.676Wとしたとき
の基板の厚さhと立上り応答速度Tr(△印)および立
下り応答速度Td(○印)との関係を示すグラフであ
る。基板厚さhが20μm以上では、立上り応答速度T
rおよび立下り応答速度Tdともあまり影響を受けな
い。しかし、シリコン単結晶の代わりにたとえばガラス
を用いた場合は、熱の伝導性がシリコン単結晶に比べて
劣るので、立下り応答速度Tdが遅くなる。したがっ
て、基板は熱の伝導性が良好なシリコン単結晶を用いる
必要があり、基板の厚さhは通常の525μmのシリコ
ン単結晶板を用いることができる。
Next, FIG. 10 shows L = 300 μm and t = 6 μm.
6 is a graph showing the relationship between the substrate thickness h and the rising response speed Tr (Δ mark) and the falling response speed Td (◯ mark) when m, g = 2 μm and the pulse height is 4.676 W. When the substrate thickness h is 20 μm or more, the rising response speed T
The r and the falling response speed Td are not much affected. However, when glass, for example, is used instead of the silicon single crystal, the thermal conductivity is inferior to that of the silicon single crystal, so that the falling response speed Td becomes slow. Therefore, it is necessary to use a silicon single crystal having good heat conductivity for the substrate, and a silicon single crystal plate having a substrate thickness h of 525 μm can be used.

【0024】以上の結果、立上り応答速度Trおよび立
下り応答速度Tdを速くするためには、座屈構造体3と
基板5の間隔gを小さくし、インク流路幅wを狭くし、
基板にシリコン単結晶を用いればよい。
As a result, in order to increase the rising response speed Tr and the falling response speed Td, the gap g between the buckling structure 3 and the substrate 5 is reduced and the ink flow passage width w is narrowed.
A silicon single crystal may be used for the substrate.

【0025】図11(a)は、図5の構造で、座屈構造
体の厚さt=6μm、座屈構造体と基板の間隔g=1μ
m、インク流路幅w=40μm、基板の厚さh=500
μmの場合の座屈構造体の温度プロファイルであり、図
11(b)は駆動波形を示す。図11(a)より、立上
り応答速度Tr=28μsec、立下り応答速度Td=
123μsecが得られ、Tr+Td<167μsec
であるので、6kHzでの駆動が可能である。また、図
11(b)より、1ノズル当たりの消費電力の実効値
は、 W=4.676(W)×28(μsec)/167(μ
sec)=0.784(w) となる。
FIG. 11A shows the structure of FIG. 5 in which the thickness t of the buckling structure is 6 μm and the distance g between the buckling structure and the substrate is 1 μm.
m, ink channel width w = 40 μm, substrate thickness h = 500
FIG. 11B is a temperature profile of the buckling structure in the case of μm, and FIG. 11B shows a drive waveform. From FIG. 11A, rising response speed Tr = 28 μsec, falling response speed Td =
123 μsec is obtained, and Tr + Td <167 μsec
Therefore, it is possible to drive at 6 kHz. From FIG. 11B, the effective value of the power consumption per nozzle is W = 4.676 (W) × 28 (μsec) / 167 (μ
sec) = 0.784 (w).

【0026】次に本発明の主要部材である座屈構造体お
よび座屈構造体を支持する基板の製造工程の一例につい
て図12を参照しつつ説明する。
Next, an example of a manufacturing process of the buckling structure body which is the main member of the present invention and the substrate supporting the buckling structure body will be described with reference to FIG.

【0027】まず、シリコン基板100の表裏両面に熱
酸化膜110を所定の厚さ、たとえば、1μmに形成す
る(図12(a)参照)。
First, the thermal oxide films 110 are formed on the front and back surfaces of the silicon substrate 100 to have a predetermined thickness, for example, 1 μm (see FIG. 12A).

【0028】裏面にフォトレジストを塗布し、形成すべ
きインク流路の形状に対応したパターニングを行ない、
CHF3 にて熱酸化膜110のエッチングを行なう(図
12(b)参照)。このとき、面方位(100)のシリ
コン単結晶を用いれば、エッチング後に形成される(1
11)斜面は、(100)面と54.7°の角度をなす
ので、その厚さをh=525μm、インク流路幅をw=
40μmとすると、インク流路の入口側の幅はw′=w
+2h/tan 54.7°よりw′=785μmに設計す
ればよい。
Photoresist is applied to the back surface, and patterning corresponding to the shape of the ink flow path to be formed is performed.
The thermal oxide film 110 is etched with CHF 3 (see FIG. 12B). At this time, if a silicon single crystal having a plane orientation (100) is used, it is formed after etching (1
11) Since the inclined surface forms an angle of 54.7 ° with the (100) surface, its thickness is h = 525 μm and ink flow path width is w =
If the width is 40 μm, the width of the inlet side of the ink flow path is w ′ = w
From + 2h / tan 54.7 °, it may be designed to w ′ = 785 μm.

【0029】次に、表面にフォトレジストを塗布し、形
成すべき座屈構造体の形状に対応したパターニングを行
ない、CHF3 にて熱酸化膜110のエッチングを行な
う(図12(c)参照)。
Next, a photoresist is applied to the surface, patterning corresponding to the shape of the buckling structure to be formed is performed, and the thermal oxide film 110 is etched with CHF 3 (see FIG. 12C). .

【0030】次に、表面に熱酸化膜110と同じ厚さた
とえば1μmのポリイミド膜120をスピナーで塗布
し、形成すべき絶縁性部材7の形状に対応したパターニ
ングを行ない、350℃で1時間ポストベークする(図
12(d)参照)。
Next, a polyimide film 120 having the same thickness as the thermal oxide film 110, for example, 1 μm, is applied on the surface by a spinner, patterning is performed corresponding to the shape of the insulating member 7 to be formed, and the pattern is formed at 350 ° C. for 1 hour. Bake (see FIG. 12D).

【0031】次に、表面にニッケルをたとえばスパッタ
法で成膜し、これを電極にして、電解めっき法により所
定の厚さたとえば6μmのニッケルめっきを行ないニッ
ケル膜130を形成する(図12(e)参照)。電解め
っきにはたとえばスルファミン酸ニッケル浴によるニッ
ケルめっきを用いることができる。
Next, nickel is deposited on the surface by, for example, a sputtering method, and this is used as an electrode to perform nickel plating with a predetermined thickness, for example, 6 μm by electrolytic plating to form a nickel film 130 (FIG. 12 (e)). )reference). For electrolytic plating, nickel plating with a nickel sulfamate bath can be used, for example.

【0032】次に、表面にフォトレジストを塗布し、形
成すべき座屈構造体の形状に対応したパターニングを行
ない、硝酸と過酸化水素の水溶液(例えば、HNO3
22 :H2 O=22:11:67)にてニッケル膜
130のエッチングを行なう(図12(f)参照)。
Next, a photoresist is applied to the surface, patterning is performed corresponding to the shape of the buckling structure to be formed, and an aqueous solution of nitric acid and hydrogen peroxide (for example, HNO 3 :
The nickel film 130 is etched with H 2 O 2 : H 2 O = 22: 11: 67) (see FIG. 12F).

【0033】この状態のシリコン基板100を水酸化カ
リウム溶液に浸すと、熱酸化膜110およびポリイミド
120のない部分のシリコンが除去され、インク流路が
形成される(図12(g)参照)。
When the silicon substrate 100 in this state is dipped in a potassium hydroxide solution, the silicon in the portion without the thermal oxide film 110 and the polyimide 120 is removed, and an ink flow path is formed (see FIG. 12 (g)).

【0034】さらにこの状態のシリコン基板100を弗
酸溶液に浸すとシリコン基板100の両側の熱酸化膜1
10が除去され、このとき内側の犠牲層である熱酸化膜
110の除去により、座屈構造体3が基板5から分離さ
れた空間的な立体構造となる(図12(h)参照)。
Further, when the silicon substrate 100 in this state is dipped in a hydrofluoric acid solution, the thermal oxide films 1 on both sides of the silicon substrate 100 are formed.
The buckling structure body 3 becomes a spatial three-dimensional structure in which the buckling structure body 3 is separated from the substrate 5 by removing the thermal oxidation film 110 which is the inner sacrifice layer at this time (see FIG. 12H).

【0035】以上のようにして、座屈構造体の厚さt=
6μm、座屈構造体と基板の間隔g=1μm、インク流
路幅w=40μmの圧力発生器が完成する。
As described above, the thickness t of the buckling structure is t =
A pressure generator having 6 μm, a gap g between the buckling structure and the substrate g = 1 μm, and an ink flow path width w = 40 μm is completed.

【0036】最後に、ノズルプレート1,スペーサ2,
座屈構造体3を配置した基板4と筐体8を接合してイン
クジェットヘッドが完成する。
Finally, the nozzle plate 1, the spacer 2,
The substrate 4 on which the buckling structure 3 is arranged and the housing 8 are joined together to complete an inkjet head.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、インクの
圧力を高める機構として熱駆動による座屈構造体の座屈
変形を用いているため座屈構造体の構造が非常に簡単
で、形状が小さくても大きな変位量を得られるので、ヘ
ッドの小型化が可能であり、さらにバブル方式のインク
ジェットヘッドに比べ低温で大きな変位を発生させるこ
とができるので、座屈構造体の劣化は非常に少なく、必
要な熱量が小さくて効率的である。また熱の放出が容易
な構造なので、高速応答が可能であり、高速記録に必要
なマルチオリフィスを実現できる。また、製造方法にお
いてフォトリソグラフィー技術を用いているため、パタ
ーンの寸法精度が高く、量産効果が大きく、高集積化お
よび低コスト化が可能である。
As described above, according to the present invention, since the buckling deformation of the buckling structure by thermal driving is used as the mechanism for increasing the ink pressure, the structure of the buckling structure is very simple. Even if the shape is small, a large amount of displacement can be obtained, so the size of the head can be reduced, and large displacement can be generated at a lower temperature than that of a bubble type inkjet head. Very small, the amount of heat required is small and efficient. Further, since the structure is such that heat is easily released, high-speed response is possible, and the multi-orifice necessary for high-speed recording can be realized. In addition, since the photolithography technique is used in the manufacturing method, the dimensional accuracy of the pattern is high, the mass production effect is large, and high integration and cost reduction are possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明のインクジェットヘッドの待機状態の断
面図である。
FIG. 1 is a sectional view of an inkjet head of the present invention in a standby state.

【図2】本発明のインクジェットヘッドの動作状態の断
面図である。
FIG. 2 is a sectional view of an operating state of the inkjet head of the present invention.

【図3】本発明のインクジェットヘッドの分解斜視図で
ある。
FIG. 3 is an exploded perspective view of the inkjet head of the present invention.

【図4】図3のX−X′断面図である。FIG. 4 is a sectional view taken along line XX ′ of FIG.

【図5】図3のY−Y′断面図である。5 is a cross-sectional view taken along the line YY ′ of FIG.

【図6】座屈構造体に発生した熱の流れを説明するため
の模式図である。
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a flow of heat generated in a buckling structure body.

【図7】座屈構造体の厚さと応答速度の関係をしめすグ
ラフである。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the thickness of the buckling structure and the response speed.

【図8】座屈構造体と基板の間隔による応答速度の変化
を示すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing a change in response speed depending on the distance between the buckling structure and the substrate.

【図9】インク流路幅および座屈構造体と基板の間隔に
よる応答速度の関係を示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing the relationship of the response speed depending on the ink channel width and the distance between the buckling structure and the substrate.

【図10】基板の厚さと応答速度の関係を示すグラフで
ある。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between substrate thickness and response speed.

【図11】(a)は座屈構造体の温度プロファイルを示
すグラフであり、(b)は駆動波形のグラフである。
11A is a graph showing a temperature profile of a buckling structure body, and FIG. 11B is a graph of a drive waveform.

【図12】(a)〜(h)はそれぞれ座屈構造体および
それを支持する基板の製造工程を示す断面図である。
12A to 12H are cross-sectional views showing a manufacturing process of a buckling structure body and a substrate supporting the buckling structure body, respectively.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ノズルプレート 2 ノズルオリフィス 3 座屈構造体 4 インク室 5 基板 7 絶縁性部材 8 筐体 9a,9b 電極 10 スペーサ 100 シリコン基板 110 熱酸化膜 120 ポリイミド 130 ニッケル膜 1 Nozzle Plate 2 Nozzle Orifice 3 Buckling Structure 4 Ink Chamber 5 Substrate 7 Insulation Member 8 Housing 9a, 9b Electrode 10 Spacer 100 Silicon Substrate 110 Thermal Oxidation Film 120 Polyimide 130 Nickel Film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 乾 哲也 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 太田 賢司 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 阿部 新吾 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Tetsuya Inui 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Within Sharp Corporation (72) Kenji Ota 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka, Osaka Incorporated (72) Inventor Shingo Abe 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ノズルオリフィスを有するノズルプレー
トとその背面の筐体とよりなるインク室と、インク室の
中に設けられた圧力発生器とを有し、 圧力発生器は温度変化により駆動する座屈構造体と、座
屈構造体をスペーサを介して支持しかつインク流路を有
する基板とを備えていることを特徴とするインクジェッ
トヘッド。
1. An ink chamber comprising a nozzle plate having a nozzle orifice and a casing behind the nozzle plate, and a pressure generator provided in the ink chamber. The pressure generator is a seat driven by a temperature change. An ink jet head comprising: a buckling structure; and a substrate that supports the buckling structure via a spacer and has an ink flow path.
【請求項2】 座屈構造体と基板の間隔は10μm以下
であることを特徴とする請求項1記載のインクジェット
ヘッド。
2. The ink jet head according to claim 1, wherein the gap between the buckling structure and the substrate is 10 μm or less.
【請求項3】 座屈構造体のインク流路幅は座屈構造体
の座屈部の長さの1/3以下であることを特徴とする請
求項1記載のインクジェットヘッド。
3. The ink jet head according to claim 1, wherein the ink flow path width of the buckling structure is 1/3 or less of the length of the buckling portion of the buckling structure.
【請求項4】 座屈構造体を支持する基板はシリコン単
結晶であることを特徴とする請求項1記載のインクジェ
ットヘッド。
4. The ink jet head according to claim 1, wherein the substrate supporting the buckling structure is a silicon single crystal.
【請求項5】 基板上に犠牲層を形成する工程と、犠牲
層の上に座屈構造体となるニッケル膜を形成する工程
と、犠牲層をエッチングにより除去する工程とを含む立
体構造の圧力発生器を形成する工程と、 圧力発生器の前方にノズルプレートを結合し、後方に筐
体を結合してインク室を形成する工程とを有することを
特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
5. A pressure of a three-dimensional structure including a step of forming a sacrificial layer on a substrate, a step of forming a nickel film to be a buckling structure body on the sacrificial layer, and a step of removing the sacrificial layer by etching. A method of manufacturing an ink jet head, comprising: a step of forming a generator; and a step of connecting a nozzle plate in front of the pressure generator and connecting a casing in the rear of the pressure generator to form an ink chamber.
【請求項6】 座屈構造体のニッケル膜のパターニング
は硝酸と過酸化水素の水溶液によるエッチングで行な
い、犠牲層である熱酸化膜の除去は弗酸溶液のエッチン
グによることを特徴とする請求項5記載のインクジェッ
トヘッドの製造方法。
6. The patterning of the nickel film of the buckling structure is carried out by etching with an aqueous solution of nitric acid and hydrogen peroxide, and the removal of the thermal oxide film which is the sacrificial layer is carried out by etching with a hydrofluoric acid solution. 5. The method for manufacturing an inkjet head described in 5.
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