JPH07156389A

JPH07156389A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JPH07156389A
Application number: JP29974893A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Tsunoda; 慎一角田; Masanori Hirano; 政徳平野; Tomoaki Nakano; 智昭中野; Masayuki Iwase; 政之岩瀬; Takesada Hirose; 武貞広瀬; Minoru Ameyama; 実飴山; Masanori Horiie; 正紀堀家
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1993-11-30
Publication date: 1995-06-20

Abstract

(57)【要約】【目的】インク液室の形状を先細り形状とすることに
より、液室体積を小さくし、吐出効率を上げる。【構成】ベースである基板１０の上に、各チャンネル
のピッチに対応した寸法に分離加工された積層ＰＺＴ８
が構成され、その周辺に液室ユニットを固定接合するた
めのフレーム９を接合する。インクの供給，加圧，吐出
動作を行う液室ユニットの構成は、ＰＺＴ面に接合し、
ＰＺＴの変位に応じてインク液室４を変位加圧する振動
板領域３を有する隔壁部材７を設け、更に、その上面に
インク液室４とインク共通液室５を有する液室部材６を
接合し、インク吐出量，速度，方向を決定するノズルを
有するノズルプレート１を接合した構成である。インク
液室４の形状は、振動板からノズル側に沿って先細り形
状とする。これにより、インク滴吐出の効率を上げ、圧
力伝搬を均一にすることにより、安定性や気泡混入に対
する信頼性を確保する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インクジェットヘッド
に関し、より詳細には、オンデマンド型インクジェット
のマルチノズルヘッド構成で圧電素子を利用したアクチ
ュエータユニットとインク液室とノズルユニットの高密
度配列を備えたインクジェットヘッドに関する。例え
ば、インクジェットプリント方式による複写機，プリン
タ，ファクシミリ（ＦＡＸ）等の印写装置に適用される
ものである。

【０００２】

【従来の技術】ノンインパクト記録法であるインクジェ
ット記録方式は、記録時の騒音が原理的に発生しないこ
と、また、プロセスが非常にシンプルであるため小型・
高信頼性・高耐久性達成が容易である等、多くの特徴が
あるため、極めて有力な記録方法とされている。そのた
め、従来から各種の方式が提案されているが、中でも、
液滴形成のためのインク加圧手段として発熱抵抗体を利
用する方式として、例えば、特公昭６１−６１９８４
号公報のものがある。この公報のものは、発熱抵抗体が
半導体製造プロセスにより実現可能であることにより、
小型・高集積のヘッド構成が可能である特徴を有する。

【０００３】また、圧電素子を利用する方式として、例
えば、特公昭６０−８９５３号公報がある。この公報
のものは、圧電運動を発生させる圧電変換器が棒状に形
成されて櫛の歯のように互いに平行に配置され、この棒
状圧電変換器がその少くとも一端部で支持され、その
際、少くとも２つの相並列した棒が櫛の背部を介して結
合され、棒の振動領域部分がノズルの入口開口部の前方
に直面するようにしたものである。

【０００４】また、圧電素子を利用する他の例として、
例えば、特公平４−５２２１３号公報、特公平１−１
１５６３８号公報、特開平４−１０５２号公報がある。
これらの公報において、圧電材料と電極材料を交互に複
数組積層して成る圧電素子を利用している点は共通であ
るため、いずれの例も１列の圧電素子列に対し、１列の
ノズル列と１列のインク室を設けた配列であり、圧電素
子とノズル、インク室の配列密度が等しい構成である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
インクジェット記録装置において、前記の公報のもの
は、インクの吐出原理が熱エネルギー印加とその時発生
するバブルを利用するため、連続印写の場合の蓄熱によ
る特性変化、部材の劣化が発生するため、繰り返し応答
速度に限界があり、高速印写や連続印写に向かない。ま
た、インク加圧形態をコントロールすることが困難であ
るため、インク滴形成を理想の形状とすることは不可能
である等の大きな欠点を有する。

【０００６】また、前記の公報のものは、液滴吐出に
必要なＰＺＴサイズがまだ大きく、高集積が困難でヘッ
ドサイズが大きくなる。さらに、必要な電界強度を与え
るための印加電圧が高く、多チャンネル化等においても
高耐圧部品のアレイを必要とすることはドライバーの占
める面積が大きく、コスト的にも問題があるという欠点
を有する。

【０００７】また、前記の公報のものは、ＰＺＴ配列
密度のピッチ寸法に対し、インク室配列方向のピッチ寸
法はそれ以下となり、液室形状が制約され、インク流体
としての理想形状が構成出来ないため、インク吐出効率
が上がらないという欠点がある。また、高密度配列にな
った場合、複雑な液室部品の高精度が要求され、工法・
材料が限定される。さらに、組立の高精度も要求される
という問題がある。

【０００８】従来技術としてあげたアクチュエータ及び
振動板を用いたインクジェット記録ヘッドには、以下の
〜のような問題点がある。アクチュエータの変位エネルギー伝達のために、振動
板の面積を広くとると、液室が大型化し、液室内インク
体積も不必要に増大する。インクには気泡が溶存又は極
微小な気泡が含まれるため、圧縮性の特性を有し、結果
的にインク体積の増大は吐出効率が低下することにな
る。軸対称な液室形状からずれることは、圧力波の伝達が
均一にならず、吐出滴のバラツキが大きくなる。液室に気泡が引き込まれ、圧力波の伝搬が阻害され
る。

【０００９】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たもので、インク液室の形状を先細りにすることによ
り、液室体積を小さくし、吐出効率を上げ、圧力波を均
一にノズル方向に伝達することができ、また、コーナー
部をなくすことにより、引き込まれた気泡をすみやかに
外へ排出することができるインクジェットヘッドを提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、（１）一つもしくは複数のノズルと、各
ノズルに対応する一つもしくは複数のインク液室と、該
インク液室の内部のインクにインク滴吐出のためのエネ
ルギーを付与するための圧電素子と、該エネルギーを伝
達するための振動板とから成り、該振動板の変位方向に
インクを吐出させるインクジェットヘッドにおいて、前
記インク液室が前記振動板からノズル側に沿って先細り
形状を有すること、更には、（２）前記インク液室の先
細り形状をシリコンの異方性エッチングを用いて構成す
ること、更には、（３）前記インク液室の先細り形状を
Ｎiの電鋳により構成すること、更には、（４）前記イ
ンク液室の先細り形状をドライフィルムレジストを多層
積層し、階段形状を作ることにより構成すること、更に
は、（５）前記インク液室の先細り形状を金属部材のエ
ッチングにより構成すること、更には、（６）前記イン
ク液室の先細り形状を樹脂成形部材を用いて構成するこ
とを特徴としたものである。

【００１１】

【作用】本発明によるインクジェットヘッドは、１つ又
は複数のノズルに対応するインク液室と、該インク液室
の内部のインクにインク滴吐出のためのエネルギーを与
える圧電素子と、そのエネルギーを伝達するための振動
板を有しており、該振動板の変位方向にインクを吐出す
るものであるが、（１）前記インク液室の形状を、前記
振動板からインク吐出のノズル側に沿って先細り形状と
しているので、インク滴吐出の効率を上げることがで
き、圧力伝搬を均一にすることで、安定性や気泡混入に
対する信頼性を確保することができる。また、（２）前
記先細り形状をシリコンの異方性エッチングを用いて構
成することにより、インク液室間の形状のバラツキを抑
えることができる。また、（３）前記先細り形状をＮi
の電鋳により構成することにより、ホーン型のインク液
室よりも優れた吐出効率を確保することができる。ま
た、（４）前記先細り形状をドライフィルムレジストを
多層積層して階段形状の構造とすることにより、厚さや
先細り角度を変えることができる。また、（５）前記先
細り形状を金属部材のエッチングにより構成することに
より、コンプライアンスを小さくすることができる。ま
た、（６）前記先細り形状を樹脂成形部材を用いて構成
することにより、形状選択性の自由度を増すことができ
る。

【００１２】

【実施例】実施例について、図面を参照して以下に説明
する。図１は、本発明によるインクジェットヘッドの一
実施例を説明するための構成図で、図中、１はノズルプ
レート、２はノズル、３は振動板領域、４はインク液
室、５はインク共通液室、６は液室部材、７は隔壁部
材、８は積層圧電素子（ＰＺＴ）、９はフレーム、１０
は基板である。

【００１３】ベースである基板１０の上に、各チャンネ
ルのピッチに対応した寸法に分離加工された積層ＰＺＴ
８が構成されている。その周辺に液室ユニットを固定接
合するためのフレーム９を接合する。ここで、基板１０
とフレーム９の材質は、アルミナ等のセラミック部材，
ガラス，無機材を添加して高ヤング率で成型時の収縮を
押さえられる金属部材、またはＳＵＳ等の金属部材であ
れば良い。そして、各ＰＺＴの上面とフレーム上面を同
一高さ面に構成しておく。

【００１４】次に、インクの供給，加圧，吐出動作を行
う液室ユニットの構成としては、ＰＺＴ面に接合し、Ｐ
ＺＴの変位に応じてインク液室４を変位加圧する振動板
領域３を有する隔壁部材７を設ける。更に、その上面に
インク液室４とインク共通液室５を有する液室部材６を
接合する。最後にインク吐出量，速度，方向を決定する
ノズルを有するノズルプレート１を接合した構成であ
る。

【００１５】ここで、隔壁部材７は耐腐食性の強い金
属、例えばＳＵＳ，ニッケル等のプレートをエッチング
加工で作る。又は、ニッケルであれば、電鋳技術で高精
度に製造可能である。特に、振動板領域のＰＺＴと接合
する凸を除いた領域は、金属プレートの場合、加圧変形
時の応力負荷を低減するためには数μｍの厚さが要求さ
れるために、微細加工技術が要求される。そのため、高
精度な薄層プレートが比較的容易に製造可能なニッケル
電鋳プレートによって構成することがここでは最適であ
る。

【００１６】また、液室部材はＰＰＳ（ポリフェニレン
スルファイド），ＰＥＳ（ポリエーテルスルホン）材等
の材料を用いた射出成型部材、ＳＵＳ，ニッケル等の金
属プレートをエッチングした金属部材、Ｓｉ，ガラス等
の無機材をエッチングした部材、さらにドライフィルム
レジスト等の部材を用いて構成するのが良い。ノズルプ
レートは、微細な穴加工技術が必要であり、先のニッケ
ル電鋳技術によるプレート，感光性ガラスをフォトマス
クを用いて露光・エッチングして製造したプレート，ま
たは高精度な加工が可能であるマキシマレーザを用いて
樹脂プレートにアブレーション加工したプレートを用い
れば良い。

【００１７】図１において、１列にＰＺＴ配列した液室
ユニットに対して、振動板とインク液室とノズルとを複
数列、ここでは２列設けた構成を示してある。この２列
間距離Ｄに対し、液室ユニットとの接合面寸法のｂを大
きく構成する。すなわち、千鳥状にある隔壁部の凸部が
ＰＺＴ面にピッチＰで千鳥で接合されることになる。こ
の構成により、インク液室については配列方向のピッチ
が２Ｐとなり、Ｄ×２Ｐの領域内にインク液室を構成す
ればよいことになる。

【００１８】振動板からノズル側に先細りになるような
部材が、振動板とノズル板とに接合され、インク液室で
形成しており、該インク液室は、駆動部であるアクチュ
エータユニットと接合されることによりインクジェット
ヘッドを構成する。液室用先細り部材としては、シリコ
ン，電鋳Ｎi，ドライフィルムレジスト，エッチングさ
れた金属や樹脂成形等が考えられる。ノズルと振動板と
の接合には、エポキシ系接着材の他にドライフィルムレ
ジストの熱融着を用いる手法が考えられ、また、Ｎi電
鋳工程を用いる場合には、液室部材と振動板、あるいは
ノズルのいずれかと一体に構成することも可能である。

【００１９】図２は、シリコンによるインク液室の構成
図で、図中、１１は接着層、１２は振動板で、その他、
図１と同じ作用をする部分は同一の符号を付してある。
シリコンの異方性エッチングの特徴をいかし、（1,0,
0）面で選択的にエッチングすることにより、先細り形
状を得ている。この際、エッチング液としては、ＫＯＨ
等があげられ、先細りの立ち上がり角は５４.７°に規
定される。

【００２０】図３（ａ）〜（ｈ）は、シリコンによる先
細り形状のインク液室の作製工程を示す図である。ま
ず、図３（ａ）に示すようなＳi基板を準備し、図３
（ｂ）に示すように、シリコン表面に水蒸気酸化による
ＳiＯ₂膜を形成し、図３（ｃ）〜（ｅ）に示すように、
レジストを塗布してレジストのパターン形成後、図３
（ｆ）に示すように、レジストをマスクとしてＳiＯ₂を
Ｂ−ＨＦにてエッチングし、図３（ｇ）,（ｈ）に示す
ように、こうして形成されたＳiＯ₂パターンをマスクと
して、ＫＯＨによりシリコンを異方性エッチングする。
最終工程として、耐インク性向上のため、表面にＳiＯ₂
被膜等を付ける必要がある。

【００２１】ノズルと振動板との接合には、接着材やド
ライフィルムレジスト等が考えられるが、シリコンへの
密着性が良くない場合、あらかじめシランカップリング
剤等を塗布しておくことが有効である。また、ドライフ
ィルムレジストを用いる場合において、接合強度を向上
するためには、図４に示すように、シリコンと振動板と
ノズルの各々にドライフィルムレジスト（ＤＦＲ）をは
り、ドライフィルム同士の接合により張り合わせる手法
がある。

【００２２】図５は、Ｎi電鋳によるインク液室の構成
図で、図６（ａ）,（ｂ）は、その作製工程を示す図で
ある。図６（ａ）に示すように、液体レジストでパター
ンを形成した基板上にＮiを電鋳させていくことによ
り、インク液室を形成している。該インク液室は、図５
に示すようにホーン型をしており、Ｎi電鋳の等方性に
より、図６（ｂ）に示すａ，ｂは同じ長さとなるため、
高集積を目指す際には、液室の厚みはかなり薄いものと
なる。ノズルと振動板との接合は、接着材やドライフィ
ルムレジスト等が考えられるが、ノズル板にＮi等を用
いる場合には、ノズルに直接電鋳していく一体成型も可
能である。

【００２３】図７は、ドライフィルムレジストによるイ
ンク液室の構成図で、図８（ａ）〜（ｃ）はその作製工
程を示す図である。ドライフィルムレジストを用いた場
合、先細り形状は階段状のものになる。図８（ａ）に示
すように、ノズル側にドライフィルムを張り、図８
（ｂ）に示すように、紫外線露光，現像によりパターン
を形成する工程を繰り返し、図８（ｃ）に示す振動板を
接合して階段状の液室を得る。ドライフィルムの層数
は、多くなるほど滑らかな先細りが可能である。

【００２４】図９は、金属エッチングによるインク液室
の構成図で、図１０（ａ）〜（ｄ）はその作製工程を示
す図である。図１０（ａ）に示すように、マスクを介し
て酸エッチングにより金属をエッチングし、図１０
（ｂ）に示すような凹部が形成される。次に、図１０
（ｃ）に示すように、図１０（ａ）に示すエッチング面
と対向する面にマスクを介してエッチングし、図１０
（ｄ）に示すような、縦横比２：１程度の先細り液室が
得られる。金属としては、Ｎi，ＳＵＳ等が考えられ
る。

【００２５】図１１（ａ）,（ｂ）は、樹脂成形による
インク液室の構成図である。図１１（ａ）に示すよう
に、液室を型取った金型に溶融した樹脂を流し込み、冷
却固化することにより、図１１（ｂ）に示すような先細
り型液室を得る。形状を比較的自由に作ることができる
という利点があり、樹脂の材料としては、ＡＢＳ樹脂，
ＦＲＰ，ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ），ポリフェニ
レンスルファイド（ＰＰＳ），ポリスチレン等が考えら
れる。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、以下のような効果がある。（１）請求項１に対応する効果：インクジェットヘッド
における液室として、先細り形状の液室を用いることに
より、インク滴吐出の効率を上げる。また、圧力伝搬を
均一にすることにより、安定性を増し、気泡混入に対す
る信頼性を確保したインクジェットヘッドを提供するこ
とができる。以下、（２）〜（６）では、フォトリソ，バッチ処理の
一度に多数個の部品製造が可能であり、非常に量産性が
向上する。（２）請求項２に対応する効果：インクジェットヘッド
における液室として、異方性エッチングをしたシリコン
を用いることにより、液室間の形状のバラツキをおさ
え、インク滴吐出効率，安定性，信頼性に優れたインク
ジェットヘッドを提供することができる。また、表面濡
れ性が高く、インクの充填率が非常に改善される。（３）請求項３に対応する効果：インクジェットヘッド
における液室として、Ｎiを用いることによってホーン
型の液室によるより優れた吐出効率を持ち、安定性や信
頼性に優れたインクジェットヘッドを提供することがで
きる。（４）請求項４に対応する効果：インクジェットヘッド
における液室として、ドライフィルムレジストを用いた
階段形状にすることによって、安易に厚さ，先細り角等
を変えることができる吐出効率，安定性に優れたインク
ジェットヘッドを提供することができる。（５）請求項５に対応する効果：インクジェットヘッド
における液室として、金属エッチングを用いることによ
り、コンプライアンスが小さく、吐出効率が良く、安定
性や信頼性に優れたインクジェットヘッドを提供するこ
とができる。（６）請求項６に対応する効果：インクジェットヘッド
における液室として、樹脂の成形品を用いることによっ
て形状選択性が自由で、吐出効率，安定性，信頼性に優
れたインクジェットヘッドを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるインクジェットヘッドの一実施
例を説明するための構成図である。

【図２】本発明におけるシリコンによるインク液室の
構成図である。

【図３】図２におけるインク液室の作製工程を示す図
である。

【図４】本発明におけるドライフィルムレジストの接
合によるインク液室の構成図である。

【図５】本発明におけるＮi電鋳によるインク液室の
構成図である。

【図６】図５におけるインク液室の作製工程を示す図
である。

【図７】本発明におけるドライフィルムレジストによ
るインク液室の構成図である。

【図８】図７におけるインク液室の作製工程を示す図
である。

【図９】本発明における金属エッチングによるインク
液室の構成図である。

【図１０】図９におけるインク液室の作製工程を示す
図である。

【図１１】本発明における樹脂成形によるインク液室
の構成図である。

【符号の説明】

１…ノズルプレート、２…ノズル、３…振動板領域、４
…インク液室、５…インク共通液室、６…液室部材、７
…隔壁部材、８…積層圧電素子（ＰＺＴ）、９…フレー
ム、１０…基板。

フロントページの続き (72)発明者岩瀬政之東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者広瀬武貞東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者飴山実東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者堀家正紀東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一つもしくは複数のノズルと、各ノズル
に対応する一つもしくは複数のインク液室と、該インク
液室の内部のインクにインク滴吐出のためのエネルギー
を付与するための圧電素子と、該エネルギーを伝達する
ための振動板とから成り、該振動板の変位方向にインク
を吐出させるインクジェットヘッドにおいて、前記イン
ク液室が前記振動板からノズル側に沿って先細り形状を
有することを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】前記インク液室の先細り形状をシリコン
の異方性エッチングを用いて構成す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。
【請求項３】前記インク液室の先細り形状をＮiの電
鋳により構成す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。
【請求項４】前記インク液室の先細り形状をドライフ
ィルムレジストを多層積層し、階段形状を作ることによ
り構成す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。
【請求項５】前記インク液室の先細り形状を金属部材
のエッチングにより構成す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。
【請求項６】前記インク液室の先細り形状を樹脂成形
部材を用いて構成す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。