JPH07178909A - インクジェット式記録ヘッド - Google Patents
インクジェット式記録ヘッドInfo
- Publication number
- JPH07178909A JPH07178909A JP32858293A JP32858293A JPH07178909A JP H07178909 A JPH07178909 A JP H07178909A JP 32858293 A JP32858293 A JP 32858293A JP 32858293 A JP32858293 A JP 32858293A JP H07178909 A JPH07178909 A JP H07178909A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ink
- pressure generating
- generating chamber
- etching
- spacer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
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- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
Abstract
りインクの流れがスムーズな、インクジェット式記録ヘ
ッド用のスペーサを作成すること。 【構成】 ノズル開口が列状に穿設されたノズルプレー
トと、圧力発生室を形成する通孔およびインク供給口、
リザーバを備えたスペーサと、蓋板を備えたインクジェ
ット式記録ヘッドにおいて、結晶方位(110)のシリ
コン単結晶を異方性エッチングする際に、圧力発生室を
形成する通孔を区画するノズル開口近傍の端部が互いに
鈍角で接する壁面5a、5b、5f、5gで形成する。
この結果、インク流に対して隘路となるインク供給口と
圧力発生室が平滑な流路として構成され、またインクが
停滞しやすいノズル開口近傍の壁面がノズル開口2に対
して可及的に等距離となるから、インク滴形成によりイ
ンクがスムーズに流れる。
Description
タ等の記録装置に用いるインクジェット式記録ヘッドに
関する。
体上のドットをインク滴により構成する関係上、インク
滴のサイズを小さくすることにより極めて高い解像度で
の印刷が可能であるものの、効率よく印刷するためには
ノズル開口の数を多くする必要があり、特に圧電振動子
をインク滴噴射源に使用するものにあっては、圧電振動
子のエネルギを効率よく使用するために圧力発生室を可
及的に大きくする必要があり、小型化の要請と相反する
ことになる。このような相反する問題を解消するため、
通常、隣り合う圧力発生室を区画している壁を可及的に
薄くするとともに、圧力発生室の形状を長手方向に大き
くして容積を稼ぐことが行われている。圧力発生室やリ
ザーバは、蓋板とノズルプレートとの間隔を所定の値に
保持する部材であるスペーサに穿設して形成されている
が、上述したように極めて小さく、しかも複雑な形状を
備えた圧力発生室に一致する通孔を形成する必要上、通
常感光性樹脂のエッチングにより形成されている。
ため、クロストークやたわみ等が生じ、高い解像度を実
現しようとすると印字品質が低下するという問題があ
る。
位(110)のシリコン単結晶基板をスペーサに適した
厚さに切り出し、これを圧力発生室やリザーバを構成す
るのに必要な形状に異方性エッチングを行うことが、米
国特許第4312008号明細書に提案されている。こ
の単結晶シリコンを使用したスペーサは、機械的剛性が
高いため、圧電振動子の変形に伴う記録ヘッド全体のた
わみを可及的に小さくすることができるとともに、エッ
チングを受けた壁面が表面に対してほぼ垂直であるた
め、圧力発生室を均一に構成することが可能であるとい
う大きな利点を備えている。
ングが結晶方位に依存するため、インクジェット式記録
ヘッドの圧力発生室として理想的な形状に加工すること
が困難で、圧力発生室内にインクのよどみや気泡の停滞
を招きやすいという不都合を抱えている。
ものであって、その目的とするところは、インクの流れ
が滑らかなシリコン単結晶基板の異方性エッチングによ
り加工した圧力発生室を備えたインクジェット式記録ヘ
ッドを提供することである。
式記録ヘッドは、ノズル開口が列状に穿設されたノズル
プレートと、圧力発生室、インク供給口、及びリザーバ
を備えたスペーサと、蓋板を備え、前記スペーサは、結
晶方位(110)のシリコン単結晶異方性エッチングに
より形成され、前記圧力発生室のノズル開口近傍の端部
が互いに鈍角で接する4つの壁面で形成したことを特徴
とする。
接する4つの壁面で形成されているため、滑らかな形状
となり、インクの流れをスムースにできてノズル開口近
傍の気泡の停滞を防止することができる。
いて説明する。
中符号1はノズルプレートで、所定のピッチ、例えば1
80DPIとなるようにノズル開口2、2、2…が穿設
された開口列3、3…が形成されている。
ズルプレート1との間にはさまれて配置されるスペーサ
で、図2に示したようにノズル列に対応するように圧力
発生室、リザーバ、これらを接続するインク供給口、イ
ンクタンクからのインクを各リザーバに分配する流路等
を形成する通孔5、5、5、…6、6、6、…、7、
7、7、…、8、8、8、…が形成されている。
介してノズルプレート1と対向して圧力発生室を形成す
るもので、図3に示したように後述する圧電振動子ユニ
ット21、21、21、…の圧電振動子30、30の先
端に当接してこれの変位を可及的に広い面積に伝達する
ように剛性を備えたアイランド部11と、これのその周
縁領域に薄肉部12とを形成して構成されている。この
ような構成により圧電振動子30、30、30、…の伸
縮に応動して、圧力発生室を効率的に収縮、膨張させる
ことが可能となる。
1、…は、図4に示したように圧電振動子30、30、
30、…の一半を固定基板31に一定ピッチで固定し
て、他半が縦振動モードでの振動が可能にまとめられて
いる。各振動子30は、図5に示したように圧電振動材
料32と駆動電極33と共通電極34とを交互にサンド
イッチ状に積層して構成されている。そして駆動電極3
3、33、33、…は、圧電振動子30の後端列で端面
から露出していて、スパッタや蒸着などで形成された駆
動外部電極35により並列に接続され、また共通電極3
4、34、34、…は圧電振動子30の自由端側に露出
し、かつ側方にまで延長されていて共通外部電極36に
より並列に接続されている。
端面が固定基板31とほぼ同一面となるように位置決め
されており、また圧電振動子30、30、30・・・・の両
側に位置するダミー振動子39の後端面の電極40に導
通関係を持つように接続されている。ダミー振動子39
の後端面には、駆動外部電極35と同様に電極40が構
成されていて、接続回路基板との接続が可能となってい
る。
で、圧電振動子30、30、30・・・・の自由端側が露出
するように振動子ユニット21、21、21・・・・を収容
するユニット収容穴43、43、43・・・・と、インクタ
ンクからインクをリザーバに供給するためのインク供給
口44が設けられており、表面に振動板10、スペーサ
4、ノズルプレート1を位置決めして静電シールドを兼
ねる枠体45により固定して記録ヘッド本体としてまと
め上げている。なお、図中符号46はインクタンクから
のインクの流入口を示す。
通孔5、5は、その開口がノズルプレート1と振動板1
0により封鎖されて圧力発生室を構成することになる。
圧力発生室48は、圧電振動子30の伸縮をアイランド
部11により受ける振動板10の薄肉部12の変形によ
り収縮したときに、ここに存在するインクを圧縮して、
ノズル開口2からインク滴として飛翔させることにな
る。
圧力発生室を構成する通孔5、5、5・・・・の近傍を拡大
して示すものであって、スペーサとして必要な厚み、例
えば220μmを備えた結晶方位(110)のシリコン
単結晶基板に圧力発生室48となる通孔5、リサーバと
なる通孔6、及びこれらを連通するインク供給口となる
通孔7が形成されている。
する両側の壁面7a、7bの一方が圧力発生室を形成す
る通孔5の一方の壁5aと一致するように、また他方の
壁面7bがインク供給口に適した流路抵抗を実現できる
程度に間隔をおいて形成されている。
びノズルプレート1との接着を接着剤によりおこなう場
合には、一辺が100μm程度の接着剤吸収用の凹部5
0、50、50・・・・がやはり異方性エッチングにより形
成されている。これら凹部50、50、50・・・・は、余
分な接着剤を収容できる程度の容積を備える最小限の深
さとなるようにそのサイズが設定されている。なお、共
晶接合等のように接着剤を必要としない場合にはこれら
接着剤吸収用の孔は不要となる。
ク供給口を形成する通孔を形成する壁面のなす角度を示
すものであって、圧力発生室を形成している通孔5は、
詳細には壁面5a乃至5gの7つの壁面からなってい
て、ノズル開口2が対向する面5b、5f、5g、5a
はそれぞれθ3、θ4、θ5で接しており、これらの角
度θ3、θ4、θ5はそれぞれ約152度、100度、
110度、となる鈍角となっている。またインク供給口
となる通孔7に連通する側においては壁面5c、5d、
5eが形成されていて、インク供給口と圧力発生室とを
圧力発生室側に広がるように形成されている。
方の壁面7aは、圧力発生室を形成する通孔5の一方の
壁面5aと同一壁面と成るように形成され、また他方の
壁面7bは、インク供給口として必要十分な流体抵抗と
なる程度の間隔を空けて壁面5aに平行に形成されてい
る。圧力発生室からインク供給口に一直線で延びる壁面
5aは、リザーバを形成する通孔6の壁面6aと2つの
面6b、6cにより形成された拡開部を経て接続されて
いる。なお図中θ1で示す角度は、30度前後であり、
またθ2で示す角度は、約70度前後の値である。
を塗布し、ノズルプレート1及び振動板10を位置合わ
せして圧着する。この圧着により余剰となった接着剤
は、圧力発生室、インク供給口、及びリザーバとなる通
孔5、7、6を取り囲むように形成されている微細な凹
部50、50、50・・・・に流れ込む。このため、圧力発
生室、インク供給口、及びリザーバの容積が接着剤の流
れ込みにより変化するのを防止される。接合が完了する
と、図7(b)に示したように圧力発生室を形成する通
孔5の先端近傍にノズルプレートのノズル開口2が、ま
たほぼ全域に及ぶように振動板4のアイランド部11が
位置することになる。この状態で圧電振動子30を駆動
すると、その変位がアイランド部11を介して圧力発生
室全体に及ぶため、圧電振動子30の変位を高い効率で
圧力発生室の容積変化に変換することができる。
ものであって、図中符号60は、スペーサとして機能す
るに必要な厚み、例えば220μmを有する結晶方位
(110)のシリコン単結晶基板で、これの表面には熱
酸化法により、異方性エッチングの保護膜として機能で
きる程度の厚み、例えば1μm程度の二酸化珪素膜61
が形成されている(図9(a))。
表面及び裏面に前述した通孔5、6、7、及び必要に応
じて凹部50に一致した窓63、64を備えた耐フッ化
水素保護膜62をフォトリソグラフィにより形成する
(図9(b))。
実行すると、通孔5、6、7、及び凹部50を形成すべ
き領域の窓63、64に一致して二酸化珪素膜61が除
去される(図9(c))。なお、表面、及び裏面に形成
される二酸化珪素膜パターン61a、及び61bは、一
方の面のパターン61a、及び61bは、一方のパター
ン61aが他方の面のパターン61bを取り囲むよう
に、サイズを若干異ならせて形成されている。
が終了した段階で、一定温度、例えば80℃に保温され
たエッチング液、例えば濃度17%程度の水酸化カリウ
ムの水溶液を用いてエッチングを実行すると、二酸化珪
素膜のパターン61a、61bを保護膜として窓63、
64の部分だけが、毎分2μm程度の速度で両面から表
面に対して約35度の面、つまり結晶方位(111)の
面に垂直にエッチングが進行する。
面、及び裏面に形成されているパターン61a、61b
は、その一方が他方を取り囲むように大き目に設定され
ているため、エッチングが終了した段階では、窓のサイ
ズが大きなパターン61bに一致するサイズの通孔65
が形成される(図9(d))。この結果。表裏のパター
ンの若干のずれが生じたとしても、少なくとも外側に位
置するパターンのエッジがエッチング面となるので、エ
ッチング位置の管理を行うことが可能となる。
等しいパターン70、71を基板72の表裏に形成した
場合、これらパターンがずれていると、表裏で対向する
パターン内の形成すべき通孔73にい外側に位置するパ
ターン70a、71aの境界に一致して壁面72a、7
2bが形成されるため、パターン70、71により規定
されるサイズとは異なるサイズの通孔73が形成される
ことになり、通孔のサイズや、エッチング面の位置を管
理することが不可能となる。
で、マスクとして使用した二酸化珪素膜61a、61b
をフッ化水素により除去した後、再び熱酸化を行って露
出面、全面に保護膜として十分な厚み、例えば1μm程
度の二酸化珪素66を形成して、インクに対する保護膜
とする(図9(e))。
の単結晶シリコン基板に対して異方性エッチングを実行
すると、目的のパターンに至る過程では、図11に示し
たように結晶方位(110)に対して約35度の角度、
つまり結晶方位(111)の面に一致してエッチングが
進行し、その後(111)が交差したエッジ部から、ス
ペーサの表面及び裏面と概ね垂直にエッチングが進行す
る。
図12(a)に示したように圧力発生室となる通孔5の
ノズル開口が対向する側の約1/2の領域は、その壁面
を規定するエッチングパターン80の境界線80aを他
方の壁面5aとなる側に変位させて形成させておく。ま
たインク供給口となる通孔7を形成する壁面の内、圧力
発生室となる通孔5の壁面5aと一直線上に位置する壁
面7aに対向する側の壁面7bには、これから通孔5側
に延長された剣状のエッチング保護パターン81を、さ
らにリザーバとなる通孔6には、やはりインク供給口7
を形成している各壁面7a、7bに一致する剣状のエッ
チング保護パターン82、83を形成しておく。
を用いて異方性エッチングを実行すると、通孔5の形成
にあたってはパターン80がエッジ部80bを備えてい
るため、このエッジ部80bのエッチングが壁面5bに
対して所定の角度θ、約30度で進行する。一方壁面5
gは、壁面5aに対してθ5=約110度、正確には、 θ5=180−2×tan-1(1/√2) の角度を持った結晶方位(111)の面で形成される。
このためノズル開口に対向する領域までエッチングが進
行すると、先端の壁面5gに対してθ4=約100度の
鈍角で接する壁面5fが形成されることになる。壁面5
fが壁面5gに到達した段階でエッチングを停止させる
ことで、ノズル開口2とこれに対向する壁面5a、5
b、5f、5gとの距離が可及的に均等になる。またイ
ンク供給口と圧力発生室、及びインク供給口とリザーバ
との接続点におけるエッチングの進行を、インクの流れ
に対して隘路となるインク供給口の流入口、流出口での
インクの流れの停滞を防止できる程度に拡開させる程度
で停止させ、インク供給口として適正な流体抵抗を確保
することができる。
ング時には、その端部が壁面から延長して形成された剣
状エッチング保護パターン81、82、83の領域がエ
ッチングを受けるため(図12(b))、最終段階、つ
まり両面からのエッチングにより貫通孔が形成され、さ
らに目的の形状までエッチングが進んだ段階では、図8
に示したようにインク供給口となる通孔7の圧力発生室
側には、壁面5c、及び壁面7bに対して角度θ1≒3
0度前後の角度を持つ壁面5d、5eが形成され、ま
た、リザーバ側には壁面6a、7aに対して角度θ1≒
30度前後の角度を持つ壁面6b、6cが形成されるこ
とになる。この結果、インク流入口と排出口には拡開し
た開口が形成されることになり、リザーバから圧力発生
室へのインクの流入がスムーズに行われ、気泡の停滞が
防止される。
力発生室にインクを供給する場合の、リザーバとなる通
孔6側のパターンを拡大して示すものである。リザーバ
はインクの供給に対して必要な寸法を確保しなければい
けないが、リザーバの幅を広くするとノズル列の間隔が
広くなってしまい、結果的に装置の価格が高くなってし
まう、印字ズレが大きくなってしまい印字品質が低下す
る、等の問題がある。そのため、必要最低限のリザーバ
の幅とした場合、各列の圧力発生室のインク供給口とな
る通孔7、7、7・・・・、及び7’、7’、7’・・・・から
延長された剣状のパターン82、82、82・・・・、8
3、83、83・・・・、及び82’、82’、82’・・・
・、83’、83’、83’・・・・がラップしてしまう。
するための異方性エッチングのパターンの実施例を示す
ものであって、この実施例においては、インク供給口と
なる通孔7とリザーバとなる通孔6との接続点を、細い
パターンからなる連続部85として形成し、ここから1
本の剣状のエッチング保護パターン86をインク供給口
となる通孔7の軸線方向に延長して形成したものであ
る。
ば、インク供給口7とリザーバとなる通孔6との接続点
が連続部85により阻止されるから、図14(b)に示
すように1本の剣状部86が連続部85に到達し、2本
に分離されるまで無用なエッチングの進行を阻止するこ
とが可能となる。
のリザーバにより2列の圧力発生室にインクを供給する
場合、図15に示したようにリザーバとなる通孔6側に
形成するインク供給口を形成する通孔7、7、7・・・・、
及び7’、7’、7’・・・・の先端にそれぞれ連続部とな
るエッチング保護パターン85、85、85・・・・、及び
85’、85’、85’・・・・を形成し、ここから各イン
ク供給口をなる通孔7、7、7・・・・及び7’、7’、
7’・・・・に一致するようにそれぞれ1本の剣状のエッチ
ング保護パターン86、86、86・・・・、86’、8
6’、86’・・・・を形成すればよく、このためリザーバ
の幅を必要最低限の寸法としても、剣状のエッチング保
護パターン86、86、86・・・・、および86’、8
6’、86’・・・・をラップさせることなく、平面に展開
して配置することができる。
ヘッドの第2の実施例のスペーサに形成する圧力発生室
とインク供給口の接続領域近傍の形状を示すものであっ
て、図中符号90は、圧力発生室を形成する通孔で、こ
の実施例においては、リザーバを形成する通孔91と接
続するインク供給口をなす通孔92を、圧力発生室を区
画する長手方向の壁面90a、90bから斜めに延びる
壁面90c、90dを形成し、圧力発生室のほぼ中心線
上で接続するように構成されている。
圧力発生室の端部中央で拡開する壁面90aとおよそ1
50度の角度で接し、スペーサ表面及び裏面に対してほ
ぼ垂直な面である壁面90c、及び90dとエッチング
の過程で形成される結晶軸に沿って自然発生的に生じる
壁面90e、90fから供給することができるため、イ
ンク流れをより一層円滑して、淀みを無くすることがで
きる。なお、インク供給口をなす通口92の位置は、圧
力発生室の中心線上に限らず、必要に応じて任意の位置
に配置させることができる。
ヘッドの第3の実施例のスペーサに形成する圧力発生室
とインク供給口の接続領域近傍の形状を示すものであっ
て、図中符号100は、圧力発生室を形成する通孔で、
この実施例においては、リザーバを形成する通孔101
と接続するインク供給口102がV字状の非貫通口とし
て形成されている。インク供給口102は圧力発生室を
区画する長手方向の壁面100aに対して角度θ6=約
55度、正確には、 θ6=90−tan-1(1/√2) 傾いて接続されている。また表面に対して図18に示す
ように2つの、角度θ7=約35度の傾斜面、正確に
は、 θ7=tan-1(1/√2) である結晶方位(111)面で形成されている。このよ
うな形状とすることで、圧力発生室を区画する領域が片
持ち梁状態となることを防ぐことができ、インク供給口
102の寸法を高精度に管理することができる。
とした構成を述べてきたが、本発明はこれに限定される
ものではなく、例えば電気−熱変換素子を配し、熱エネ
ルギーにより発生した気泡を圧力発生源にしたインクジ
ェット式記録ヘッド等においてもなんら問題なく適用す
ることができる。
は、ノズル開口が列状に穿設されたノズルプレートと、
圧力発生室、インク供給口、リザーバを形成するスペー
サと、蓋板を備え、スペーサは結晶方位(110)のシ
リコン単結晶の異方性エッチングにより形成され、圧力
発生室を形成するノズル開口近傍の端部が互いに鈍角で
接する4つの壁面を持つように形成したので、インクが
停滞しやすいノズル開口近傍が鈍角で接する4つの壁面
で形成されているため、滑らかな形状となり、インクの
流れをスムーズにできてノズル開口近傍の気泡の停滞を
防止することができる。
例を示す組み立て図である。
面図である。
ある。
例を示す斜視図である。
拡大して示す断面図である。
力発生室近傍を拡大して示す図、及びノズルプレート、
振動板、振動子を固定した場合におけるノズル開口、ア
イランド部、及び圧電振動子の位置関係を示す図であ
る。
る。
を異方性エッチングしてスペーサを製造する工程を示す
説明図である。
場合に使用する表裏両面に形成されたエッチングパター
ンの位置ずれによるエッチング状況の説明図である。
板の異方性エッチングの進行過程を示す図である。
基板を異方性エッチングによりスペーサを形成する場合
のパターンの一実施例、及びエッチング終了間際の状態
を示す図である。
ンクを供給する場合のリザーバ側のエッチングパターン
のラップした状態を示す図である。
基板を異方性エッチングによりスペーサを形成する場合
のパターンの他の実施例、及びエッチング終了間際の状
態を示す図である。
ンクを供給する場合のリザーバ側のエッチングパターン
の他の実施例を拡大して示す図である。
ある。
供給口、リザーバの形状を示す図である。
す図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 ノズル開口が列状に穿設されたノズルプ
レートと、圧力発生室、インク供給口、及びリザーバを
形成するスペーサと、蓋板を備え、 前記スペーサは、結晶方位(110)のシリコン単結晶
を異方性エッチングにより形成され、 前記圧力発生室のノズル開口近傍の端部が互いに鈍角で
接する4つの壁面で形成されていることを特徴とするイ
ンクジェット式記録ヘッド。 - 【請求項2】 前記圧力発生室の壁面は前記スペーサ表
裏面と実質的に垂直な面であり、先端の壁面同士が接す
る角度が約100度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式記録ヘッド。
Priority Applications (17)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32858293A JP3235311B2 (ja) | 1993-12-24 | 1993-12-24 | インクジェット式記録ヘッド |
US08/336,060 US5956058A (en) | 1993-11-05 | 1994-11-04 | Ink jet print head with improved spacer made from silicon single-crystal substrate |
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DE69432161T DE69432161T2 (de) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Tintenstrahldruckkopf und sein Herstellungsverfahren |
SG1998002943A SG75129A1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Wall traversing ink supply path to strengthen boundary region |
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DE69431315T DE69431315T2 (de) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Tintenstrahldruckkopf und sein Herstellungsverfahren |
SG1998002947A SG75131A1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Bridge formed across path holes preventing walls falling down |
EP99122962A EP0980756B1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Ink jet printer head |
DE69432136T DE69432136T2 (de) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Tintenstrahldruckkopf und sein Herstellungsverfahren |
DE69432197T DE69432197T2 (de) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Tintenstrahldruckkopf und sein Herstellungsverfahren |
EP94117549A EP0652108B1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Ink jet print head and a method of manufacturing the same |
EP99122950A EP0980755B1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Ink jet print head and a method of manufacturing the same |
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