JPH07266552A

JPH07266552A - インクジェットヘッド及び記録方法

Info

Publication number: JPH07266552A
Application number: JP5917194A
Authority: JP
Inventors: Shiyunka Chiyou; 俊華張
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1994-03-29
Filing date: 1994-03-29
Publication date: 1995-10-17

Abstract

(57)【要約】【目的】高ノズル密度配置、低粘度インクを周波数吐
出できるインクジェットヘッドを実現すること。【構成】インクを吐出するノズル２と、インクを溜め
るリザーバ１４とに連通する圧力発生室１と、圧力発生
室１の一壁面を成す振動板４と、振動板４を動かす圧電
振動子７とを有し、圧力発生室１内にフィン３１を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インク滴を飛翔させ、
記録紙等の記録媒体上にインク像を形成するインクジェ
ット式記録ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、より高速、高品質印字を行うイン
クジェット式印写装置が求められている。そのような印
写装置を実現するのに、高周波駆動のできるインクジェ
ットヘッドが必要である。

【０００３】高周波駆動のできるヘッドを構成する技術
は種々提案されている。例えば、ヘッドの寸法等によっ
て定義されるヘルムホルツ周波数を大きくして、ヘッド
を構成する技術は米国特許第４,６９７,１９３号明細書
で開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、低粘度
（４ｍＰａｓ以下）のインクを高周波（１０ＫＨｚ以
上）で吐出するとき、インク滴の飛翔速度が大きく変動
するという課題を有する。これは前のインク滴の吐出後
のメニスカスの残留振動が大きいためである。場合によ
っては、吐出不能になることもある。

【０００５】本発明はこのような課題に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは低粘度インクをも高周
波で吐出可能なインクジェットヘッドを提供することで
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
ヘッドは、インクを吐出するノズルと、インクを溜める
リザーバとに連通する圧力発生室と、前記圧力発生室の
一壁面を成す振動板と、前記振動板を動かす圧電振動子
と、を有し、ヘルムホルツ周波数が５０ＫＨｚより高
く、前記圧力発生室内にフィンが設けられていることを
特徴とする。

【０００７】そして、フィンの存在する部分でフィンの
断面積の和と流路の断面積の和との比が０．３以下であ
ることを特徴とする。

【０００８】本発明のインクジェットヘッドは、インク
を吐出するノズルと、インクを溜めるリザーバとに連通
する圧力発生室と、前記圧力発生室の一壁面を成す振動
板と、前記振動板を動かす圧電振動子と、有し、前記圧
力発生室の可動部にフィンが設けられていることを特徴
とする。

【０００９】そして、フィンの存在する部分でフィンの
断面積の和と流路の断面積の和との比が０．５以下であ
ることを特徴とする。

【００１０】本発明のインクジェットヘッドは、前記圧
力発生室を、シリコンや水晶などの単結晶材料をエッチ
ングして形成されることを特徴とする。

【００１１】本発明のインクジェットヘッドは、前記圧
力発生室を薄い材料を積層して構成されることを特徴と
する。

【００１２】本発明のインクジェットヘッドは、前記圧
力発生室はフィルム状の感光性樹脂を積層して構成され
ることを特徴とする。

【００１３】本発明の記録方法は、粘度が４ｍＰａｓ以
下のインクを上記の特徴を有するインクジェットヘッド
で噴射して印写することを特徴とする。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を実施例に従い図面を用いて詳
細に説明する。

【００１５】図１は本発明の実施例のインクジェットヘ
ッドを示す分解斜視図である。図１で示すように、複数
のノズル２が形成されたノズルプレート３と、圧力発生
室５とこれと開口６を介して連通したリザーバ１４が形
成されたキャビティ基材と、振動板４が積層されてい
る。振動板４には、固定基板１１に固定された圧電振動
子７の端部と当接する突起部（島部）１０が形成されて
いる（図３参照）。

【００１６】図２に示すように圧電振動子７は、圧電材
料８と電極形成材料９を交互にサンドイッチ状に挟んで
積層構造となっており、電極９ａにつながる電極しか存
在しない不活性領域が固定基板１１に固定されている。

【００１７】これらの、圧電振動子７が固定された固定
基板１１、振動板４、キャビティ基材５、及び、ノズル
プレート３は、基台１２を介して一体に固定されてい
る。

【００１８】インクはインクタンク（図示せず）からイ
ンク供給管４０、インク供給口４１を通過してリザーバ
１４から開口６を介して圧力発生室１に供給される。

【００１９】インク滴を吐出するには、圧電振動子７の
電極９ａ、９ｂに配線１３を通して電圧信号を印加す
る。電圧を印加すると、圧電振動子７がノズルプレート
３側から縮む。そのため、まず一定の電圧を印加し、圧
力発生室を膨張させておき、印字を行うとき印加電圧を
下げて圧電振動子７を伸長させる。その結果、振動板４
が圧力発生室１を圧縮し、圧力発生室１に存在するイン
クの一部をノズル２から吐出する。

【００２０】次に圧力発生室１の形状を図３を用いて説
明する。本実施例の圧力発生室１はキャビティ基材５と
してのシリコン基材をエッチングして形成されている。
シリコンの異方性エッチングは高精細な形状ができると
いう特徴を有しており圧力発生室などの微細な構造を構
成度に作るのに適している。圧力発生室１の構成要素は
貫通口１ａとハーフエッチング部１ｂとである。本実施
例の貫通口１ａの辺の長さｖ、ｗはそれぞれ１０６μ
ｍ、３７５μｍである。ハーフエッチング部１ｂはフィ
ン３１を持つ。圧力発生室１同士の間には区切りとして
の隔壁３０が位置している。その厚さは４３μｍであ
る。なお、図３中の点線はそれぞれ振動板４に形成され
ている島部１０及びノズルプレート３に形成されている
ノズル２の圧力発生室１に対する位置を示す。

【００２１】上述の圧力発生室１は従来技術と比較しイ
ナータンスＬを大きくすることなくレジスタンスＲを大
きくできる特徴を有する。こう言う特徴が必要となる理
由、そして、こう言う特徴を有する理由は次のようにし
て分かる。

【００２２】高い作動周波数を達成するために、下記の
ヘルムホルツ（Helmholtz）共振周波数ｆを高くする必
要がある。

【００２３】

【数１】

【００２４】ここで、Ｃcは圧力発生室１内のインクに
関するコンプライアンス、Ｃdは圧力発生室１の各壁に
関するコンプライアンス、Ｌnはノズル２内のインクの
イナータンス、Ｌiはインク供給口のイナータンスであ
る。この式から、Ｌn、Ｌiが大きくなると、ｆは小さく
なることがわかる。

【００２５】一方、流路の流路抵抗Ｒが大きい方がイン
ク滴吐出後のメニスカスの残留振動が小さい。メニスカ
スの残留振動が大きいと、その次に吐出されるインク滴
の飛翔速度等の特性が変動する。場合によっては吐出不
可能になる。特に使用するインクの粘度が低いとき流路
抵抗を大きくしなければならない。

【００２６】しかし、従来技術では、流路のレジスタン
スを大きくすると、イナータンスも大きくなる。例え
ば、円筒形流路の場合、半径ａ、単位長さの流路のイナ
ータンスＬとレジスタンスＲは次のようになる、

【００２７】

【数２】

【００２８】

【数３】

【００２９】ここで、ρはインクの質量密度、μはイン
クの粘度である。（２）、（３）式から半径を小さくし
てレジスタンスを大きくすると、イナータンスも大きく
なることが分かる。このことは粘度が４ｍＰａｓ（特に
２ｍＰａｓ）以下のインクを１０ＫＨｚ以上で噴射する
インクジェットヘッドの設計上の難点となる。このため
のヘッドは５０ＫＨｚ（特に１００ＫＨｚ）以上のヘル
ムホルツ周波数を有するのが望ましい。

【００３０】本発明のヘッドによれば、イナータンスＬ
をあまり大きくすることなく、レジスタンスＲを大きく
することができる。分かり易さのために上の（２）、
（３）式を使って円筒流路について説明する。（２）、
（３）式から分かるように、半径を０．７０７ａにする
と、レジスタンスは４Ｒになるが、イナータンスは２Ｌ
になる。こう言う流路２本を並列につなぐと、イナータ
ンスは０．５×２Ｌ＝Ｌ、レジスタンスは０．５×４Ｒ
＝２Ｒとなる。このことは類似的に他の断面形状を有す
る流路に関しても言える。

【００３１】本発明の特徴を活かすのにフィン３１の断
面積を小さくする必要がある。特に高ノズル密度配置の
場合である。この場合フィンの断面積が大きいと、流路
が狭くなりイナータンスが大きくなることになる。ま
た、流路を深くしてイナータンスを小さくしようとする
と、隣合うノズル２間の隔壁を伝わる相互干渉が問題に
なることがある。このような理由で、フィンの存在する
部分ではフィンの断面積の和Ａ₁＋Ａ₂＋Ａ₃（図３
（ｂ））と流路の断面積の和Ｓ₁＋Ｓ₂＋Ｓ₃＋Ｓ₄との比
が０．５以下になるのは好適で、より好適なのは０．３
以下である。さらに、０．１５以下になるのは理想的で
ある。

【００３２】次に本発明のキャビティ基材５の製造方法
の実施例を図４（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。

【００３３】まず、表面の結晶面方位が（１１０）面と
なる単結晶シリコン基材を、９００〜１１００℃に加熱
し、酸素、水蒸気などの酸化剤を含んだ高温の気体の中
に置いて、その表面に酸素原子を拡散する。本実施例で
は、この熱酸化処理によって厚さ１．７μｍから成るシ
リコン酸化物の膜２００を形成した。シリコン酸化物の
膜２００は後述する異方性エッチング工程でのマスクの
役割を果たし、その形成手段は前述した熱酸化処理の他
に、ＣＶＤ（化学気相堆積）法や、イオン注入法、陽極
酸化法によっても差し支えない。またシリコン酸化物の
膜以外にも、シリコン窒化物の膜や、ホウ素やガリウム
原子を添加した所謂ｐ型シリコン膜や、ヒ素やアンチモ
ン原子を添加した所謂ｎ型シリコン膜を形成しても差し
支えない。

【００３４】なおシリコン基材の厚みは０．１〜０．５
mmが好適であって、さらに好適なのは０．１５〜０．３
mmである。本実施例では厚さ０．２７mmのシリコン基材
を用いた。

【００３５】次に、異方性エッチングを行うのに必要な
シリコン酸化物の膜２００のマスクパターンを形成す
る。本実施例のマスクパターンは２段階で形成する。樹
脂レジストを前記シリコン基材の両面に施し、フッ酸水
溶液などの酸エッチング液によってシリコン酸化物の膜
２００を選択的に除去する。そして、第１段階の樹脂レ
ジストを除去して、別のパターンの樹脂レジストを施
す。第１段階と違い第２段階では上述の酸エッチング液
によって樹脂レジストに覆われていない部分のシリコン
酸化物の膜２００の厚さを半分に薄くする。

【００３６】ただし、異方性エッチングを行うので、シ
リコンの結晶方向に応じてパタンを設ける必要がある。
図５は（１１０）面のシリコンウェハーの面上の方向を
示す図である。後述の窓部２０１、窓部２０２及び窓部
２０３は図４で示す方向に従って設ける。

【００３７】第２段階の樹脂レジストを除去すると、図
５（ａ）に示すようにシリコン酸化物の膜２００のマス
クパターンが現れる。窓部２０１は貫通口１ａに相当す
る部位、窓部２０２はハーフエッチング部１ｂに相当す
る部位、窓部２０３はリザーバ１４に相当する部位とな
る。窓部２０２のシリコン酸化物の膜２００の厚さは半
分であるが、フィン３１に相当する部分は薄くされてい
ない。本実施例では、窓部２０２のシリコン酸化膜２０
０の厚さは０．８５μｍで、フィン３１の部分は１．７
μｍであった。

【００３８】次に、水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カ
リウム水溶液などの結晶方位に依存してエッチング速度
が変化するエッチング液によって、シリコン基材を異方
性エッチングする。シリコン基材の異方性エッチング
は、図４（ｂ）に示す過程を経て、図４（ｃ）に示す状
態で終了する。すなわち、異方性エッチングされる窓部
２０１には、一旦図４（ｂ）に示すようにシリコン基材
の表面の（１１０）面に対して垂直な（１１１）面と、
傾斜した（１１１）面が発現する。さらに異方性エッチ
ングを進行させると、窓部２０１の中央から貫通し、そ
して、図４（ｃ）に示すように、窓部２０１の斜めの
（１１１）面は消失して、垂直な（１１１）面が新たに
発現する。以上の工程によって、貫通口１ａを実質的に
決定する貫通した空間、並びにリザーバ１４を実質的に
決定する貫通した空間ができる。

【００３９】続いて、上述の酸エッチング液を用いて窓
部２０２のシリコン酸化物の膜２００を除去する。それ
と同時に他の部分のシリコン酸化物の膜２００もエッチ
ングされて薄くなるが、半分は残る。ここで、再度上述
の異方性エッチング液を用いてエッチングを行い、所定
時間後に終了すると、ハーフエッチング部１ｂができる
（図４（ｄ））。

【００４０】本実施例では、異方性エッチング液として
８０℃に加熱した２０[重量％]の水酸化ナトリウム水溶
液を用い、前記シリコン基材を異方性エッチングして、
略９０分間の浸漬で図４（ｃ）に示すような形状を得
た。

【００４１】最後に、上述の等方性酸エッチング液でシ
リコン酸化物の膜２００を除去し、そして、インクへの
耐性やインクとの親和性を得るために保護膜（図示しな
い）を形成する。形成する膜の種類、並びに形成手段は
前述のマスクパターン２００の工程と同じであるが、熱
酸化処理によってシリコン酸化物の保護膜を形成するの
が最も好適である。

【００４２】図４（ｂ）から図４（ｃ）へ移行する過程
で、シリコン基材の同じ側に現れる２つの傾斜した（１
１１）面がぶつかると（図６（ａ）参照）、エッチング
がそこで終わるので、そうなる前に違う側の傾斜した
（１１１）面が出会い、中央部から貫通し（図６（ｂ）
参照）、図４（ｃ）へ移行するようにする必要がある。
そのためには、簡単な計算で分かるように、次式が満た
される必要がある（傾斜した（１１１）面は表面の（１
１０）面に対し約３５．２゜の角度を有する）、

【００４３】

【数４】

【００４４】ここで、ｖ、ｗはそれぞれ貫通口１ａの辺
の長さで（図３参照）、ｔはシリコン基材の厚さであ
る。本実施例は、

【００４５】

【数５】

【００４６】となり、（４）式を満たしている。

【００４７】図７は本発明の第２の実施例を示す。図７
（ａ）はその断面図であり、図７（ｂ）は振動板４側か
ら圧力発生室１を見た図である。本実施例の圧力発生室
１は、熱と圧力をかけて融着できるフィルム状の感光性
樹脂を積層して構成している。この実施例の特徴とし
て、フィン３１は圧力発生室１の可動壁（島部１０、島
部１０の廻りの薄肉部８０）に対応する部分５００にも
設けられていることが上げられる。この構造はより効果
的に流路のレジスタンスを上げることができる。他の部
分の構造そして各部の動作は第１実施例と同様である。

【００４８】圧力発生室１の両側にリザーバ１４からイ
ンクの供給を受けるヘッド、いわゆる両側供給のヘッド
について説明して来たが、リザーバ１４が片側にしかな
い構造、いわゆる片側供給のヘッドも構成できる。

【００４９】

【発明の効果】本発明のインクジェットヘッドは高ノズ
ル密度（１８０ｄｐｉ以上）で構成でき、粘度の低い
（４ｍＰａｓ以下）インクを高周波（１０ＫＨｚ以上）
で吐出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェットヘッドの一実施例を示
す図である。

【図２】本発明のインクジェットに用いる圧電振動子を
示す図である。

【図３】本発明の一実施例の圧力発生室の形状と、圧力
発生室と島部とノズルとの関係を示す図である。

【図４】本発明のインクジェットヘッドの圧力発生室の
一製造方法を示す図である。

【図５】本発明のインクジェットヘッドに用いる（１１
０）面のシリコンウェハーの面上の方向を示す図であ
る。

【図６】本発明のインクジェットヘッドのエッチング過
程を説明するための図である。

【図７】本発明のインクジェットヘッドの第２の実施例
を示す図である。

【符号の説明】

１圧力発生室１ａ貫通口１ｂハーフエッチング部２ノズル７圧電振動子１４リザーバ３１フィン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インクを吐出するノズルと、該ノズルと
連通する圧力発生室と、該圧力発生室の一壁面を成す振
動板と、該振動板に当接し前記圧力発生室を加圧する圧
電振動子とを有するインクジェットヘッドにおいて、ヘルムホルツ周波数が５０ＫＨｚより高く、前記圧力発
生室内にフィンが設けられていることを特徴とするイン
クジェットヘッド。
【請求項２】前記フィンが設けられている部分のフィ
ンの断面積の和と流路の断面積の和との比が０．３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。
【請求項３】インクを吐出するノズルと、該ノズルと
連通する圧力発生室と、該圧力発生室の一壁面を成す振
動板と、該振動板に当接し前記圧力発生室を加圧する圧
電振動子とを有するインクジェットヘッドにおいて、前
記振動板の可動壁に対応する部分にフィンが設けられて
いることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項４】前記フィンが設けられた部分のフィンの
断面積の和と流路の断面積の和との比が０．５以下であ
ることを特徴とする請求項３記載のインクジェットヘッ
ド。
【請求項５】前記圧力発生室を、シリコンや水晶など
の単結晶材料をエッチングして形成したことを特徴とす
る請求項１乃至４記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】前記圧力発生室は薄い材料を積層して構
成されたことを特徴とする請求項１乃至４記載のインク
ジェットヘッド。
【請求項７】前記圧力発生室はフィルム状の感光性樹
脂を積層して構成したことを特徴とする請求項６記載の
インクジェットヘッド。
【請求項８】前記請求項１乃至７記載のインクジェッ
トヘッドに粘度が４ｍＰａｓ以下のインクを用いること
を特徴とする記録方法。