JPH08309980A

JPH08309980A - インクジェットヘッド及びその製造方法

Info

Publication number: JPH08309980A
Application number: JP11852995A
Authority: JP
Inventors: Susumu Hirata; 進平田; Koji Matoba; 宏次的場; Tetsuya Inui; 哲也乾; Yorishige Ishii; 頼成石井; Shingo Abe; 新吾阿部; Masaharu Kimura; 正治木村; Masaru Horinaka; 大堀中; Yutaka Onda; 裕恩田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-05-17
Filing date: 1995-05-17
Publication date: 1996-11-26

Abstract

(57)【要約】【目的】加熱及び冷却による良好な応答特性を有し、
高速印字に適したインクジェットヘッドを提供する。ま
た、小さな寸法を維持したまま大きな吐出力を得ること
のできる寿命の長いインクジェットヘッドを提供する。【構成】基板上にインクを吐出させるための圧力を発
生させる圧力発生手段と、該圧力発生手段と所定の間隔
を隔て、インクを吐出させるノズルを有するノズルプレ
ートと、を備えたインクジェットヘッドにおいて、前記
圧力発生手段は、熱膨張により座屈変形を生じる座屈構
造体と、該座屈構造体に沿って設けられたヒータ相から
なり、前記座屈構造体の基板側と前記基板の座屈構造体
側には、それぞれ交互に組み合わさる複数のフィンが形
成され、該フィンは、少なくとも片側が常に狭い間隔で
対向している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内部に満たされたイン
ク液に圧力を加え、内部から外部へインク液を吐出させ
るインクジェットヘッド及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より記録液を吐出、飛翔させて記録
を行うインクジェット記録方法が知られているが、該方
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等数々の利点を有
している。このようなインクジェト記録方法で用いられ
るインクジェットヘッドの形式としては、従来より幾つ
かの方式が用いられている。例えば、図１６に示すよう
に圧電素子に高電圧を印加して圧電素子に機械的な変形
を生じさせ、この機械的な変位を用いてインク圧力室に
圧力を発生させ、ノズルからインクを粒状にして吐出さ
せる方式や、図１７及び図１８に示すようにキャビティ
内部にヒータを設け、このヒータを急速に過熱すること
によりインクを沸騰させて泡を形成し、この泡の発生に
よる圧力変化でインクをノズルから吐出させるいわゆる
バブルジェット方式、また図１９に示す特開平２−３０
５４３のように、温度変化により駆動する駆動体の変位
を用いてインク圧力室に圧力を発生させ、これによりノ
ズルからインクを粒状にして吐出させる方式がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来技術には以下のような問題点がある。

【０００４】第１の圧電素子を用いた方式では、圧電素
子の変形量を大きくするには各圧電素子を大きな膜厚で
形成する必要がある。このため、圧電素子を機械的に加
工してヘッドを形成するが、機械加工のためインク室の
間隔をあまり小さくできず、結果的にインクを吐出させ
るノズルの間隔を小さくできない、という問題点があ
る。

【０００５】第２のバブルジェット方式では、インクを
沸騰させて泡を形成するにはヒータを瞬間的に１０００
℃の高温にする必要があり、このためヒータの劣化が避
けられずヘッドの寿命が短い、という問題点がある。

【０００６】第３の特開平２−３０５４３の方式では、
圧力発生部材は加熱により変位し、その後冷却されて元
の形状に復帰する。つまり、圧縮力発生部材の変位と復
帰とを連続的に繰り返すために圧縮力発生部材の加熱と
冷却とが連続的に繰り返されるが、この冷却時において
圧力発生部材が冷却されにくく、加熱、冷却による圧力
発生部材の応答特性が良くないため高速印字に適さな
い、という問題点がある。

【０００７】これらの問題点に鑑み本発明では、加熱及
び冷却による良好な応答特性を有し、高速印字に適した
インクジェットヘッドを提供することを目的とする。ま
た、小さな寸法を維持したまま大きな吐出力を得ること
できる寿命の長いインクジェットヘッドを提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のインク
ジェットヘッドでは、基板上にインクを吐出させるため
の圧力を発生させる圧力発生手段と、該圧力発生手段と
所定の間隔を隔て、インクを吐出させるノズルを有する
ノズルプレートと、を備えたインクジェットヘッドにお
いて、前記圧力発生手段は、熱膨張により座屈変形を生
じる座屈構造体と、該座屈構造体に沿って設けられたヒ
ータ層からなり、前記座屈構造体の基板側と前記基板の
座屈構造体側には、それぞれ交互に組み合わさる複数の
フィンが形成され、該フィンは、少なくとも片側が常に
狭い間隔で対向していることを特徴としている。

【０００９】請求項２に記載のインクジェットヘッドで
は、基板上にインクを吐出させるための圧力を発生させ
る圧力発生手段と、該圧力発生手段と所定の間隔を隔
て、インクを吐出させるノズルを有するノズルプレート
と、を備えたインクジェットヘッドにおいて、前記圧力
発生手段は、熱膨張により座屈変形を生じる座屈構造体
と、該座屈構造体に沿って設けられたヒータ層からな
り、前記圧力発生手段と前記ノズルプレートとの間に
は、前記圧力発生手段が座屈変形を生じた際にノズルプ
レートと接触するような間隔を有することを特徴として
いる。

【００１０】請求項３に記載のインクジェットヘッドで
は、基板上にインクを吐出させるための圧力を発生させ
る圧力発生手段と、該圧力発生手段と所定の間隔を隔
て、インクを吐出させるノズルを有するノズルプレート
と、を備えたインクジェットヘッドにおいて、前記圧力
発生手段は、熱膨張により座屈変形を生じる座屈構造体
と、該座屈構造体に沿って設けられたヒータ層からな
り、前記座屈構造体の基板側と前記基板の座屈構造体側
には、それぞれ交互に組み合わさる複数のフィンが形成
され、該フィンは、少なくとも片側が常に狭い間隔で対
向し、前記圧力発生手段と前記ノズルプレートとの間に
は、前記圧力発生手段が座屈変形を生じた際にノズルプ
レートと接触するような間隔を有することを特徴として
いる。

【００１１】請求項４に記載のインクジェットヘッドで
は、請求項１または請求項３に記載のインクジェットヘ
ッドにおいて、前記座屈構造体側のフィンと前記基板側
のフィンとは、互いに等間隔で噛み合っていることを特
徴としている。

【００１２】請求項５に記載のインクジェットヘッドで
は、請求項１または請求項３に記載のインクジェットヘ
ッドにおいて、前記フィンは、コーナーに丸みを持たせ
たことを特徴としている。

【００１３】請求項６に記載のインクジェットヘッドで
は、請求項１乃至請求項３に記載のインクジェットヘッ
ドにおいて、座屈構造体上に一部が座屈構造体と連結さ
れたダイヤフラムを有することを特徴としている。

【００１４】請求項７に記載のインクジェットヘッドで
は、請求項１乃至請求項３に記載のインクジェットヘッ
ドにおいて、圧力発生部材が座屈特性を有するダイヤフ
ラムと、ダイヤフラムに沿って設けられたヒータ層によ
り形成されることを特徴としている。

【００１５】請求項８に記載のインクジェットヘッドで
は、請求項２または請求項３に記載のインクジェットヘ
ッドにおいて、前記ノズルプレートを形成する材質は、
熱伝導率が５０Ｊ（ｍｓＫ）^-1以上であることを特徴と
している。

【００１６】請求項９に記載のインクジェットヘッドの
製造方法では、基板上に複数の第２のフィンを形成する
工程と、該第２のフィンの表面に第１犠牲層を形成する
工程と、該第１犠牲層上に第１のフィンを形成する工程
と、該第１のフィン上にメッキ法により座屈構造体とな
る第１金属層を形成する工程と、該第１金属層の上に第
２犠牲層を形成する工程と、該第２犠牲層上にメッキ法
によりダイヤフラムとなる金属層を形成する工程と、前
記第１犠牲層と前記第２犠牲層をエッチングするための
窓を前記基板に空ける工程と、該窓からエッチングを行
い前記第１犠牲層と前記第２犠牲層を一括してエッチン
グし、前記第１のフィンと前記第２のフィン、及び前記
座屈構造体と前記ダイヤフラムを分離する工程と、前記
第２金属層をパターンニング加工して、所定の形状を持
つダイヤフラムを形成する工程と、を有することを特徴
としている。

【００１７】

【作用】請求項１に記載のインクジェットヘッドでは、
座屈構造体が最大変位に達し加熱を終了して冷却期間に
入ると、座屈体及びヒータ層の熱は、フィンと基板を通
してインク室外へ放出されるため、圧力発生部材の冷却
速度が速くなる。

【００１８】請求項２に記載のインクジェットヘッドで
は、座屈構造体が最大変位に達し加熱を終了して冷却期
間に入ると、座屈構造体及びヒータに発生した熱は、ダ
イヤフラムから間にインクを介する事なく直接ノズルプ
レートへ素早く流れるため冷却速度が速くなる。さらに
座屈構造体の変形が基板側へ回復する直前は、座屈構造
体上の第１絶縁膜と、基板上の第３絶縁膜の狭いギャッ
プ部を通って基板へ素早く流れるため冷却速度が速くな
る。

【００１９】請求項３に記載のインクジェットヘッドで
は、座屈構造体が最大変位に達し加熱を終了して冷却期
間に入ると、座屈体及びヒータ層の熱は、フィンと基板
を通してを通してインク室外へ放出される。また一部
は、ダイヤフラムから間にインクを介する事なく直接ノ
ズルプレートへ素早く流れるため冷却速度が速くなる。
特に座屈構造体側のフィンと基板側のフィンは、座屈構
造体が最大変形から戻り始めてから待機状態に完全に戻
るまで常に対向しており、その間隔は狭い間隔を維持し
たままなので放熱の効果は大きい。座屈構造体側のフィ
ンと基板側のフィンが接触した場合は、さらに放熱速度
が速くなり、圧力発生部材の冷却速度が速くなる。

【００２０】請求項４に記載のインクジェットヘッドで
は、フィンを通る熱の経路が増えるのでさらに放熱速度
が速くなり、応答特性が良くなる。また座屈構造体側の
フィンと基板側のフィンは接触するか、一定の間隔を維
持したままなので、フィンが離れることが無い。

【００２１】請求項５に記載のインクジェットヘッドで
は、加熱、冷却を繰り返し、座屈構造体側のフィンが上
下に振動する際、基板側のフィンの隙間をスムーズに振
動することができる。

【００２２】請求項６に記載のインクジェットヘッドで
は、座屈構造体の裏側へのインクの回り込みが無くな
り、インクの吐出速度を大きくすることができる。

【００２３】請求項７に記載のインクジェットヘッドで
は、座屈構造体がないためヘッドの製造プロセスが容易
になる。

【００２４】請求項８に記載のインクジェットヘッドで
は、加熱を終了して冷却期間に入ると、圧力発生部材、
特に座屈体およびヒータ層の熱は、上記ダイヤフラムと
ノズルプレートを通してインク室外へ放出されるため、
圧力発生部材の冷却速度が速くなる。

【００２５】請求項９に記載のインクジェットヘッドの
製造方法によれば、上記圧力発生部材を半導体プロセス
によって作製できるので、インクジェットヘッドを小型
に作製することができる。また、基板上の第１のフィン
と座屈構造体上の第２のフィンの間隙と、圧力発生部材
内の座屈構造体とダイヤフラムの間隙の２つの間隙を、
第１犠牲層と第２犠牲層を連続的にエッチングして除去
することにより、一括して形成できる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明のインクジェットヘッドおよび
その製造方法を実施例により詳細に説明する。

【００２７】図１は、本発明のインクジェットヘッドの
待機状態における構成を概略的に示した断面図である。
図２は、図１の座屈構造体１およびフィンの一部を拡大
した断面図である。

【００２８】まず図１を参照して、本発明のインクジェ
ットヘッドは、座屈構造体１、第１絶縁膜２、ヒータ回
路３、第２絶縁膜４、ダイヤフラム５、第３絶縁膜６、
基板７、スペーサー８、筺体９、ノズルプレート１０、
ノズル１１、第１フィン１２、第２フィン１３、電極１
４ａ、１４ｂ、電源１５、およびインク供給口１６より
構成される。

【００２９】座屈構造体１の基板側に第２絶縁膜４を介
してヒータ回路３を形成しており、さらにヒータ回路３
と基板７の絶縁性を確保するため、ヒータ回路３と基板
７間に第１絶縁膜２を形成している。第１絶縁膜２の基
板側には第１フィン１２が多数形成されている。また、
座屈構造体１のノズルプレート１０側にはダイヤフラム
５が形成され、座屈構造体１及びダイヤフラム５により
圧力発生部材を構成している。基板７上にある第３絶縁
膜６の座屈構造体１側には、上記第１フィンと噛み合う
ように第２フィン１３が多数形成され、第１フィンと第
２フィンは所定の間隔Ｇを隔てている。また第１絶縁膜
２は、第３絶縁膜６上に形成された第１フィン１２と所
定の距離ｇを隔てている。

【００３０】座屈構造体１の両端は、第３絶縁膜６を介
して基板７の一方表面に固定されている。またダイヤフ
ラム５は、周囲を基板７に固定されている。さらに基板
７には、圧力発生部材とノズルプレート１０の間にイン
クを供給するためのインク供給口１６が形成されてい
る。また座屈構造体１の両端部には電極１４ａ、１４ｂ
が形成されており、電極１４ａには電源１５により電圧
が印加可能である。また電極１４ｂは接地状態とされて
いる。

【００３１】基板７の座屈構造体１が取り付けられた側
には、スペーサー８を介してノズルプレート１０が取り
付けられている。ノズルプレート１０にはノズル１１が
形成されている。座屈構造体１が取り付けられた側と反
対側には筺体９が取り付けられている。座屈構造体１と
ダイヤフラム５の間、ダイヤフラム５とノズルプレート
１０の間、第１絶縁膜２と筺体９の間はインク１７で満
たされている。

【００３２】座屈構造体１は、ニッケルなどの金属材料
により構成され、各ノズルオリフィス１１に対応するよ
うに設けられている。第２絶縁膜４及び第１絶縁膜２
は、酸化シリコンあるいはアルミナなどの絶縁性材料よ
り形成され、ヒータ回路３はニッケルあるいはニッケル
クロム合金などの抵抗の高い材料より形成されている。
ダイヤフラム５はニッケルなどの延性材料より形成さ
れ、基板７はシリコンあるいはガラスなどにより構成さ
れている。

【００３３】ノズルプレート１０は、厚さ０．２ｍｍあ
るいはそれ以下のガラス、プラスチックシート、あるい
はニッケル等の金属材料により構成されている。ノズル
プレート１０にはノズルプレート１０を貫通し、かつ一
定方向に配列された複数個のノズル１１が円錐場または
漏斗状に形成されている。またノズルプレート１０は、
ダイヤフラムが変形した際にノズルプレートと接触する
よう予め円錐状に形成されている。

【００３４】スペーサー８は、ポリイミドあるいはアク
リル系の感光性接着剤などの絶縁性材料より形成されて
いる。またノズルプレート１０とダイヤフラム５の間に
はインクを導くインクの供給口１６を形成している。

【００３５】次に図３は、本発明のインクジェットヘッ
ドの動作状態における概略的な構成を示す断面図であ
る。図４は、図３の座屈構造体１及びフィンの一部を拡
大した断面図である。このインクジェットヘッドの動作
においては、まず図１のごとくインクの供給口１６を通
じてインク１７が供給され、ダイヤフラム５はインク１
７に浸された状態となる。この後、電極１４ａに電源１
５により電圧が印加される。これによりヒータ３には電
流が流れ、ヒータ３の抵抗発熱により座屈構造体１は加
熱され長手方向に伸びようとする。しかしながら、座屈
構造体１の長手方向の両端部は基板７に固定されてお
り、座屈構造体１はその長手方向に伸びることができな
い。それゆえ座屈構造体１にはその反力として圧縮力Ｐ
₀が発生し、蓄積される。この圧縮力Ｐ₀が座屈荷重をこ
えると座屈構造体１は、図３に示すように座屈変形を起
こす。

【００３６】座屈構造体１の変形は、図３に示すように
座屈構造体１の中央部がノズルプレート１０側へ変形す
る。この時、座屈構造体１に連結しているダイヤフラム
５もノズルプレート１０側へ変形する。このためインク
１７がノズル１１を通じて外部へ押し出され、インクジ
ェットヘッドの外部にインク滴が形成される。このイン
ク滴の噴出によりプリント面への印字が行われる。

【００３７】次に電極１４ａ、１４ｂの電流を断ち、座
屈構造体１が冷却されれば待機状態へ戻る（図１）。こ
の時、座屈構造体１およびヒータ３の熱は第１フィン１
２、第２フィン１３及び基板７を伝わって放出される。
また、座屈構造体１及びヒータ３の熱は、ダイヤフラム
５とノズルプレート１０を伝わって放出される。従って
座屈構造体１は速やかに冷却され、待機状態に戻ること
ができる。

【００３８】図５は、本発明のインクジェットヘッドの
構成を概略的に示す分解斜視図である。また図６は、図
５の座屈構造体部の詳細図であり、座屈構造体１、第２
絶縁膜４、ヒータ層３、第１絶縁膜４から形成される。
なお、座屈構造体１の表面及び基板７の表面には前記フ
ィン１２、１３を形成しているが、図５及び図６では図
示していない。

【００３９】・実施例１本実施例におけるインクジェットヘッドは、ダイヤフラ
ム５が変形した際ノズルプレート１０とダイヤフラムと
が接触しないよう、図７のごとくノズルプレート１０と
ダイヤフラム５の間に３０μｍの間隙Ｈを設けた構造で
ある。図８は、図７の座屈構造体及びフィンの一部を拡
大したものであり、第１フィン１２と第２フィン１３は
互いに等間隔で噛み合うように構成している。

【００４０】また、図９及び図１０は、前記インクジェ
ットヘッドにおいて、第１フィン１２及び第２フィン１
３が片側のみ対向するような構成としたものである。

【００４１】図５、図６に示した座屈構造体１の各辺ｍ
_bの長さ（十字部ｍ_aのうち中央の交差部を含まない）Ｍ
は２５０μｍ、幅Ｗは９２μｍ、厚さＴは５μｍとし
た。また図５、図６では座屈構造体１の辺ｍ_bの数（座
屈部分の本数）は４本であるが、このシミュレーション
では放射状に８本存在するものとして行った。ダイヤフ
ラムの直径Ｅは８００μｍ、ヒータ３の厚さは０．１μ
ｍ、第１絶縁膜２の厚さは０．３μｍ、第２絶縁膜４の
厚さは０．５μｍとした。

【００４２】第１フィン１２及び第２フィン１３の長さ
Ｌは座屈構造体１の中央部の変形量の１．２倍とし、こ
こでは１０μｍとした。また第１フィン１２と第２フィ
ン１３の間隙Ｇは０．１〜１．０μｍ、座屈構造体１上
の第１絶縁膜２と第３絶縁膜６の上に形成した第１フィ
ン１２との間隙ｇは０．５μｍとした。

【００４３】このインクジェットヘッドを用いて熱伝導
特性のシュミレーションを行った。座屈構造体１の温度
上昇は１００ｄｅｇとし、立ち上がり応答速度
（ｔ_r）、立ち下がり応答速度（ｔ_d）及び消費電力を計
算した。ここで、立ち上がり応答速度（ｔ_r）は座屈構
造体１が１００ｄｅｇ温度上昇する時間、立ち下がり応
答速度（ｔ_d）は座屈構造体１が上昇した温度から座屈
温度（４０ｄｅｇ）へ降下する時間である。なお、温度
上昇を１００ｄｅｇとしたのは、別のエネルギー計算で
インク滴が吐出するのに必要なエネルギーをインク滴の
“運動エネルギー＋表面エネルギー”の十倍として設定
したためである。

【００４４】まず、図７のごとく第１フィン１２と第２
フィン１３が等間隔で噛み合うような構造とし、その間
隔Ｇを０．１μｍとしてシミュレーションを行った。座
屈構造体１の単位体積当たりの消費エネルギーは６．４
×１０⁸Ｊ／ｍ³、消費電力は４×１０¹³Ｗ／ｍ³、パル
ス幅は１６μｓとして座屈構造体１を駆動させた。

【００４５】図１１（ａ）は、上記の条件で座屈構造体
１を駆動させた場合の駆動波形であり、図１１（ｂ）
は、その時の座屈構造体の上昇温度と時間との関係を計
算した結果を表すグラフである。この図１１（ｂ）の上
昇温度カーブから応答速度を計算すると、立ち上がり応
答速度（ｔ_r）は１６μｓ、立ち下がり応答速度（ｔ_d）
は１１４μｓとなり、この結果周波数応答が７．７ｋＨ
ｚでの駆動が可能になる。これに対して第１フィン、第
２フィンとも無い場合は、立ち上がり応答速度（ｔ_r）
は１４μｓ、立ち下がり応答速度（ｔ_d）は１７０μｓ
であり、周波数応答は５．４ｋＨｚであったので、周波
数応答が著しく速くなったことがわかる。

【００４６】周波数応答が速くなったのは、主に立ち下
がり応答が速くなったためである。すなわち、座屈構造
体１及びヒータ３の熱は第２フィン１３、ギャップ部の
インク１７、第１フィン１２を通してインク室外へ放出
される。特に第１フィンと第２フィンの間隙Ｇは座屈構
造体１が変形し始めてから最大変位に到達するまで変わ
らないので放熱の効果は大きい。したがって、圧力発生
部材の冷却速度が速くなり、この結果応答特性が良くな
り、高速印字が可能となるのである。

【００４７】図１２は、第１フィン１２と第２フィン１
３が片側のみ対向する構造のインクジェットヘッドの立
ち上がり応答速度（ｔ_r：−〇−印）及び立ち下がり応
答速度（ｔ_d：−△−印）のフィン間隔Ｇ依存性、及び
第１フィン１２、第２フィン１３が等間隔０．１μｍで
噛み合った構造の立ち上がり応答速度（ｔ_r：−□−
印）及び立ち下がり応答速度（ｔ_d：−▽−印）を示し
たものである。また第１フィン、第２フィンとも無い場
合の立ち上がり応答速度（ｔ_r：−●−印）及び立ち下
がり応答速度（ｔ_d：−▲−印）も同時に示している。

【００４８】図１２より、立ち上がり応答速度は間隔Ｇ
の影響をあまり受けていないことがわかる。これに対し
て立ち下がり応答速度は間隔Ｇが狭いほど速くなる。こ
れは熱伝導率の低いインク層が薄く、第２フィン１３か
ら第１フィン１２へ熱が速やかに流れるためである。第
１フィンと第２フィンの間隔Ｇは狭いほうが応答速度は
速く、０．２μｍ以下であればより好ましい。

【００４９】本実施例では、座屈構造体の上にダイヤフ
ラムを形成した構造でシミュレーションを行ったが、フ
ィンをつけた効果はダイヤフラムがある場合に限定され
るものではなく、ダイヤフラムが無い場合や、上記座屈
構造体が無くダイヤフラムが直接座屈する構造の場合も
同様の効果を示す。

【００５０】またフィンの形状をコーナーに丸みを持た
せた形状とすることにより、加熱、冷却によって座屈構
造体側のフィンが上下に移動する際、基板側のフィンの
隙間をスムーズに移動することができるので、インクジ
ェットヘッドの信頼性と耐久性が向上する。

【００５１】また、上記ノズルプレートの材質はシリコ
ンに限定されるものではなく、熱伝導率が５０Ｊ（ｍｓ
Ｋ）^-1以上のものであればどんな材質でも良い。さら
に、上記インク層１７の物質はインクに限定されるもの
ではなく、他の液体あるいはゾル状の物質でも熱伝導率
が０．５Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上であれば良い。

【００５２】実施例２本実施例におけるインクジェットヘッドを図１３及び図
１４に示す。本実施例ではノズルプレート１０の材料を
ニッケルとし、ノズルプレート１０はダイヤフラム５が
変形した際、ダイヤフラム５と接触するように形成され
ている。第１フィン及び第２フィンはなく、座屈構造体
１上の第１絶縁膜２と基板７上の第３絶縁膜６を間隔
０．５μｍを隔てて配置した構造である。座屈構造体１
の本数、寸法、ダイヤフラム５の直径、ヒータ層３の厚
さ、第１絶縁膜２の厚さ及び第２絶縁膜４の厚さは全て
実施例１と同じである。

【００５３】このインクジェットヘッドを用いて熱伝導
特性のシミュレーションを行った。実施例１と同様に座
屈構造体１の温度上昇を１００ｄｅｇとし、立ち上がり
応答速度（ｔ_r）、立ち下がり応答速度（ｔ_d）および消
費電力を計算した。このとき座屈構造体１の単位体積当
たりの消費エネルギーを６．０×１０⁸Ｊ／ｍ³、消費電
力を４×１０¹³Ｗ／ｍ³、パルス幅を１５μｓとして座
屈構造体１を駆動させた。

【００５４】図１２に、シミュレーションで得られた立
ち上がり応答速度（ｔ_r：−■−印）及び立ち下がり応
答速度（ｔ_d：−★−印）を、ダイヤフラム５が変形し
た際、ノズルプレート１０がダイヤフラム５と接触しな
い場合（●印、▲印）と比較して示す。

【００５５】立ち上がり応答速度は１５μｓであり、ダ
イヤフラムが変形した際、ノズルプレート１０がダイヤ
フラム５と接触しない場合と比較してもあまり影響が見
られない。立ち下がり応答速度は、ノズルプレート１０
とダイヤフラム５とが接触した場合は３９μｓであり、
接触しない場合と比較すると著しく速くなる。また周波
数応答は１８ｋＨｚに向上する。

【００５６】このように立ち下がり応答が速くなったの
は、座屈構造体１が最大変位に達したとき、座屈構造体
１およびヒータ３に発生した熱がダイヤフラム５から間
にインクを介する事なく、直接ノズルプレート１０へ素
早く流れるためである。さらに座屈構造体１の変形が基
板７側へ回復した場合には、座屈構造体１上の第１絶縁
膜２と基板７上の第３絶縁膜６との間の狭いギャップ部
を通って基板７へ素早く流れるため圧力発生部材の冷却
速度が速くなる。この結果、応答特性が良くなり、高速
印字が可能となるのである。。

【００５７】・実施例３本実施例ではノズルプレート１０の材料をニッケルと
し、ダイヤフラムが変形した際、図３のごとくノズルプ
レート１０とダイヤフラムとが接触する構成としてい
る。また第１フィン１２と第２フィン１３とが等間隔で
噛み合う構造とし、その間隙Ｇは０．１μｍにした。座
屈構造体１の本数、寸法、ダイヤフラム５の直径、ヒー
タ３の厚さ、第１絶縁膜２の厚さ、第２絶縁膜４の厚さ
は全て実施例１と同じである。

【００５８】このインクジェットヘッドを用いて熱伝導
特性のシミュレーションを行った。実施例１と同様に座
屈構造体１の温度上昇を１００ｄｅｇとし、立ち上がり
応答速度（ｔ_r）、立ち下がり応答速度（ｔ_d）及び消費
電力を計算した。このとき座屈構造体１の単位体積当た
りの消費エネルギーは６．０×１０⁸Ｊ／ｍ³、消費電力
は４×１０¹³Ｗ／ｍ³、パルス幅は１５μｓとして座屈
構造体１を駆動させた。

【００５９】図１２に立ち上がり応答速度（ｔ_r：−×
−印）及び立ち下がり応答速度（ｔ_d：−▼−印）の測
定結果を示す。立ち上がり応答速度は１６μｓであり、
実施例１のフィンを付けてノズルプレート１０とダイヤ
フラム５が接触しない場合、及び実施例２のフィンが無
くてノズルプレート１０とダイヤフラム５が接触する場
合と比較してもあまり影響を受けていない。立ち下がり
応答速度は３６μｓであり、実施例１及び実施例２の場
合と比較すると特に速くなっている。このときの周波数
応答は１９ｋＨｚに向上する。

【００６０】このように立ち下がり応答が速くなったの
は、座屈構造体１及びヒータ３に発生した熱が、第２フ
ィン１３、ギャップ部のインク１７、第１フィン１２、
基板７を通ってインク室外へ放出される第１の経路と、
ダイヤフラム５からノズルプレート１０へ流れる第２の
経路の両方を有効に流れるためである。また、第１フィ
ンと第２フィンの間隔Ｇは、座屈構造体１が変形し始め
てから最大変位に到達するまで変わらないので放熱の効
果は大きい。したがって、圧力発生部材の冷却速度が速
くなり、この結果、応答特性が良くなり高速印字が可能
となる。

【００６１】座屈構造体の材料はニッケルに限定される
ものではなく、ヤング率及び線膨張係数が大きく、成膜
が容易なものであればよい。また座屈構造体の大きさ、
座屈構造体１の本数、ダイヤフラムの直径Ｅ、ヒータの
厚さなどは実施例１に記載の数値に限定されるものでは
なく、集積度を損なわず、必要なエネルギーが出せる大
きさでプロセスが可能なものであればよい。

【００６２】第１絶縁膜、第２絶縁膜、第３絶縁膜には
二酸化シリコン膜を使用したが、この代わりにアルミナ
を使用すると二酸化シリコン膜より熱伝導率が高いの
で、座屈構造体３の冷却速度が速くなり周波数特性が向
上する。この絶縁性部材の膜厚は絶縁性の確保のために
は厚いほうがよいが、熱の伝導のためには薄いほうがよ
く、膜厚は０．１〜１μｍ程度が望ましい。

【００６３】座屈構造体３は、ノズルプレート側に曲が
るように座屈構造体３は基板側に線膨張係数の小さい厚
さ０．０１μmのタンタル、ノズルプレート側に線膨張
係数の大きい厚さ６μmのニッケルの２層構造になって
いる。同様に座屈構造体３がノズルプレート側に曲がる
ように、基板からの放熱効果により基板側はノズルプレ
ート側より温度が低くなっている。

【００６４】・製造方法次に、本発明のインクジェットヘッドに係る圧力発生部
材の製造方法について、図１５を用いて工程順に説明す
る。なお、用いる物質、膜厚等はこれに限定されるもの
ではない。

【００６５】まず図１５（ａ）に示すように、面方位
(１００）のシリコン基板１００の表裏両面に、熱酸化
膜１１０を所定の厚さ（例えば１μｍ）に形成する。

【００６６】次に、裏面にフォトレジストを塗布し（図
示しない）、形成すべきインク循環口の形状に対応した
パターニングを行い、ＣＨＦ₃にて熱酸化膜１１０のエ
ッチングを行う。続いてこのシリコン基板を水酸化カリ
ウム溶液に浸すとエッチング速度の遅い（１１１）面が
残り、レジストを剥離すると図１５（ｂ）のごとくイン
ク循環口１８が一部作成される。

【００６７】表面に０．０１μｍの厚さのタンタル及び
０．０１μｍの厚さのニッケルをスパッター法で成膜し
（図示せず）、この上にフォトレジスト１２０を塗布
し、形成すべき第１フィンの形状に対応したパターニン
グを行ってレジストを剥離し、図１５（ｃ）を得る。タ
ンタルは、熱酸化膜１１０とニッケルの密着力を上げる
ために成膜する。

【００６８】前記ニッケル膜を電極にして電解メッキ法
により所定の厚さ（例えば１０μｍ）のニッケルメッキ
を行い、その後前記フォトレジスト１２０を剥離して図
１５（ｄ）のごとく第１フィン１３０を形成する。電解
メッキには、例えばスルファミン酸ニッケル浴によるニ
ッケルメッキを用いることができる。

【００６９】図１５（ｅ）に示すように、第１フィン１
３０表面に第１犠牲層となる厚さ０．１μｍのアルミニ
ウム１４０をスパッタ法、あるいは真空蒸着法で成膜す
る。この時、各第１フィン１３０の底、あるいは側面全
体にアルミニウム１４０が成膜されるように基板を傾け
ながら成膜する。続いてこの上にフォトレジスト１５０
を塗布し、形成すべき第２フィンの形状に対応したパタ
ーニングを行う。

【００７０】前記アルミニウム１４０を電極にして、図
１５（ｆ）に示すごとく電解メッキ法を用いて前記第１
フィンの溝が埋まるまでニッケルメッキを行う。これで
第２フィン１６０が形成される。電解メッキには例えば
スルファミン酸ニッケル浴によるニッケルメッキを用い
ることができる。

【００７１】前記フォトレジスト１５０を剥離して、図
１５（ｇ）のごとく表面に厚さ０．５μｍの酸化シリコ
ン１７０をスパッター法で成膜し、第１絶縁膜を形成す
る。

【００７２】表面に厚さ０．０１μｍのタンタル及び厚
さ０．１μｍのニッケルをスパッタ法で成膜し、この上
にフォトレジストを塗布し、形成すべきヒータ１８０の
形状に対応したパターニングを行いレジストを剥離する
（図示せず）。タンタルは、酸化シリコン１７０とニッ
ケルの密着力を上げるために成膜する。この上に厚さ
０．３μｍの酸化シリコン１９０をスパッタ法で成膜
し、第２絶縁膜を形成して図１５（ｈ）を得る。

【００７３】表面に厚さ０．０１μｍのタンタル及び厚
さ０．１μｍのニッケルをスパッター法で成膜し、この
上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う（図示せず）。次に
図１５（ｉ）のごとく、前記ニッケル膜を電極にして電
解メッキ法により所定の厚さ（例えば５μｍ）のニッケ
ルメッキ２００を行う。電解メッキには、例えばスルフ
ァミン酸ニッケル浴によるニッケルメッキを用いること
ができる。

【００７４】前記フォトレジストを剥離し、表面に第２
犠牲層となる厚さ０．５μｍのアルミニウム２１０をス
パッター法で成膜し、この上にフォトレジストを塗布し
て（図示せず）、形成すべき座屈構造体とダイヤフラム
との間隙に対応したパターニングを行い、レジストを剥
離して図１５（ｊ）を得る。この第２犠牲層の厚さでダ
イヤフラムと座屈構造体との間隔が決まる。

【００７５】厚さ０．０１μｍのタンタル及び厚さ０．
１μｍのニッケルをスパッター法で成膜し（図示しな
い）、これを電極にして図１５（ｋ）のごとく、電解メ
ッキ法により所定の厚さ（例えば４μｍ）のニッケルメ
ッキ２２０を行う。電解メッキには、例えばスルファミ
ン酸ニッケル浴によるニッケルメッキを用いることがで
きる。タンタルは、ニッケル２００とニッケル２２０の
密着力を上げるために成膜する。

【００７６】前記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、エッチング速度の遅い（１１
１）面が残り、図１５（ｌ）に示すインク循環口１８が
完成する。

【００７７】さらにこの状態のシリコン基板１００をフ
ッ酸溶液に浸すと、シリコン基板１００に覆われていな
い部分の熱酸化膜１１０がエッチングされ図１５（ｍ）
の状態になる。

【００７８】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、図１５（ｎ）のごとく第１犠牲層
のアルミニウム１４０がエッチングされ、座屈構造体が
基板から分離される。また同時に、第２犠牲層のアルミ
ニウム２１０もエッチングされ、ダイヤフラムが座屈構
造体から分離される。次に表面にフォトレジストを塗布
し、形成すべきダイヤフラムの形状に対応したパターニ
ングを行い（図示しない）、フォトレジストを剥離して
圧力発生器が完成する。

【００７９】最後に、図１、図３、図５に示すようなノ
ズルプレート１０、圧力室及びインク供給口１６を形成
したスペーサー８、圧力発生器、筺体９を接合してイン
クジェットヘッドが完成する。

【００８０】

【発明の効果】請求項１に記載のインクジェットヘッド
では、座屈構造体が最大変位に達し加熱を終了して冷却
期間に入ると、座屈体及びヒータ層の熱は上記フィンと
基板を通してを通してインク室外へ放出される。従っ
て、圧力発生部材の冷却速度が速くなる。この結果、応
答特性が良くなり、高速印字が可能となる。

【００８１】請求項２に記載のインクジェットヘッドで
は、座屈構造体が最大変位に達し加熱を終了して冷却期
間に入ると、座屈構造体及びヒータに発生した熱はダイ
ヤフラムからインクを介する事なく直接ノズルプレート
へ素早く流れるため冷却速度が速くなる。さらに座屈構
造体の変形が基板側へ回復する直前は、座屈構造体上の
第１絶縁膜と基板上の第３絶縁膜との間の狭いギャップ
部を通って基板へ素早く流れるため冷却速度が速くな
り、圧力発生部材の冷却速度が速くなる。この結果、応
答特性が良くなり、高速印字が可能となる。

【００８２】請求項３に記載のインクジェットヘッドで
は、座屈構造体が最大変位に達し加熱を終了して冷却期
間に入ると、座屈構造体及びヒータ層の熱はフィンと基
板を通してインク室外へ放出される。また、一部はダイ
ヤフラムからインクを介する事なく直接ノズルプレート
へ素早く流れるため、さらに冷却速度が速くなる。特
に、座屈構造体側のフィンと基板側のフィンは、座屈構
造体が最大変形から戻り始めてから待機状態に完全に戻
るまで常に対向し、狭い間隔を維持したままなので放熱
の効果は大きい。座屈構造体側のフィンと基板側のフィ
ンが接触した場合は、さらに放熱速度が速くなる。従っ
て、圧力発生部材の冷却速度が速くなる。この結果、応
答特性が良くなり、高速印字が可能となる。

【００８３】請求項４に記載のインクジェットヘッドで
は、フィンを通る熱の経路が増えるのでさらに放熱速度
が大きくなり応答特性が良くなるので、高速印字が可能
となる。また、座屈構造体側のフィンと基板側のフィン
は接触するか一定の間隔を維持したままなのでフィンが
離れることはなく、インクジェットヘッドの信頼性と耐
久性が向上できる。

【００８４】請求項５に記載のインクジェットヘッドで
は、加熱、冷却を繰り返しによって座屈構造体側のフィ
ンが上下に移動する際、基板側のフィンの隙間をスムー
ズに移動できるので、インクジェットヘッドの信頼性と
耐久性が向上する。

【００８５】請求項６に記載のインクジェットヘッドで
は、座屈構造体上のダイヤフラムによって座屈構造体の
裏側へのインクの回り込みがなく、インクの吐出速度を
大きくできるので、ヘッドとプリント用紙とのギャップ
の設計が容易になるとともに、印刷品位を向上すること
ができる。

【００８６】請求項７に記載のインクジェットヘッドで
は、ダイヤフラム自体が座屈する構造とし座屈構造体を
必要としないため、ヘッドの製造プロセスが容易にな
り、低コスト化を可能とする。

【００８７】請求項８に記載のインクジェットヘッドで
は、加熱終了後の冷却期間において、圧力発生部材、特
に座屈体及びヒータ層の熱をダイヤフラムとノズルプレ
ートを通してインク室外へ速やかに放出できる。したが
って、圧力発生部材の冷却速度が速くなるので応答特性
が良くなり、高速印字が可能となる。

【００８８】請求項９に記載のインクジェットヘッドの
製造方法によれば、本発明のインクジェットヘッドに係
る圧力発生部材を半導体プロセスによって製造できるの
で、インクジェットヘッドを小型に作製することができ
る。また、基板上の第１フィンと座屈体構造上の第２フ
ィンとの間の間隙と、圧力発生部材内の座屈構造体とダ
イヤフラムとの間の間隙とを、第１犠牲層と第２犠牲層
を連続的にエッチングして除去することにより一括して
形成できる。したがって、作製工程を簡単にすることが
でき、しかも上記２つの間隙を、第１犠牲層及び第２犠
牲層のそれぞれの厚さに応じて形成しているので、各間
隙の距離を精度よく設定できる。

【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構造を表す図
である。

【図２】図１の一部を拡大した図である。

【図３】図１のインクジェットヘッドの駆動した状態を
表す図である。

【図４】図３の一部を拡大した図である。

【図５】本発明のインクジェットヘッドの分解斜視図で
ある。

【図６】図５の座屈構造体１をさらに分解して表す図で
ある。

【図７】本発明のインクジェットヘッドの別の実施例を
表す図である。

【図８】図７の一部を拡大した図である。

【図９】図７の実施例においてフィンが片側のみ対向す
る対向する場合を表す図である。

【図１０】図９の一部を拡大した図である。

【図１１】座屈構造体の駆動波形、及び時間と上昇温度
との関係を表す図である。

【図１２】インクジェットヘッドの応答速度、及びフィ
ンのギャップと応答速度との関係を表す図である。

【図１３】本発明のインクジェットヘッドのさらに別の
実施例を表す図である。

【図１４】図１３の一部を拡大した図である。

【図１５】本発明のインクジェットヘッドの製造方法を
説明する図である。

【図１６】従来のインクジェットヘッドの構造を表す図
である。

【図１７】従来のインクジェットヘッドの構造を表す図
である。

【図１８】従来のインクジェットヘッドの構造を表す図
である。

【図１９】従来のインクジェットヘッドの構造を表す図
である。

【符号の説明】

１座屈構造体２第１絶縁膜３ヒータ層４第２絶縁層５ダイヤフラム６第３絶縁層７基板１０ノズルプレート１１ノズル１２第１フィン１３第２フィン１６インク供給口１７インク

フロントページの続き (72)発明者石井頼成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 (72)発明者木村正治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)発明者堀中大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)発明者恩田裕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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、インクを吐出させるための圧
力を発生させる圧力発生手段と、該圧力発生手段と所定
の間隔を隔て、インクを吐出させるノズルを有するノズ
ルプレートと、を備えたインクジェットヘッドにおい
て、前記圧力発生手段は、熱膨張により座屈変形を生じる座
屈構造体と、該座屈構造体に沿って設けられたヒータ層
からなり、前記座屈構造体の基板側と前記基板の座屈構
造体側には、それぞれ交互に組み合わさる複数のフィン
が形成され、該フィンは、少なくとも片側が常に狭い間
隔で対向し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】基板上に、インクを吐出させるための圧
力を発生させる圧力発生手段と、該圧力発生手段と所定
の間隔を隔て、インクを吐出させるノズルを有するノズ
ルプレートと、を備えたインクジェットヘッドにおい
て、前記圧力発生手段は、熱膨張により座屈変形を生じる座
屈構造体と、該座屈構造体に沿って設けられたヒータ層
からなり、前記圧力発生手段と前記ノズルプレートとの
間には、前記圧力発生手段が座屈変形を生じた際にノズ
ルプレートと接触するような所定の間隔を有することを
特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項３】基板上に、インクを吐出させるための圧
力を発生させる圧力発生手段と、該圧力発生手段と所定
の間隔を隔て、インクを吐出させるノズルを有するノズ
ルプレートと、を備えたインクジェットヘッドにおい
て、前記圧力発生手段は、熱膨張により座屈変形を生じる座
屈構造体と、該座屈構造体に沿って設けられたヒータ層
からなり、前記座屈構造体の基板側と前記基板の座屈構
造体側には、それぞれ交互に組み合わさる複数のフィン
が形成され、該フィンは、少なくとも片側が常に狭い間
隔で対向し、前記圧力発生手段と前記ノズルプレートと
の間には、前記圧力発生手段が座屈変形を生じた際にノ
ズルプレートと接触するような所定の間隔を有すること
を特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項４】請求項１または請求項３に記載のインク
ジェットヘッドにおいて、前記座屈構造体側のフィンと
前記基板側のフィンとは、互いに等間隔で噛み合ってい
ることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項５】請求項１または請求項３に記載のインク
ジェットヘッドにおいて、前記フィンは、コーナーに丸
みを持たせたことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項６】請求項１乃至請求項３に記載のインクジ
ェットヘッドにおいて、座屈構造体上に一部が座屈構造
体と連結されたダイヤフラム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７】請求項１乃至請求項３に記載のインクジ
ェットヘッドにおいて、圧力発生部材が座屈特性を有す
るダイヤフラムと、ダイヤフラムに沿って設けられたヒ
ータ層により形成されることを特徴とするインクジェッ
トヘッド。
【請求項８】請求項２または請求項３に記載のインク
ジェットヘッドにおいて、前記ノズルプレートを形成す
る材質は、熱伝導率が５０Ｊ（ｍｓＫ）^-1以上であるこ
とを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項９】基板上に複数の第２のフィンを形成する
工程と、該第２のフィンの表面に第１犠牲層を形成する
工程と、該第１犠牲層上に第１のフィンを形成する工程
と、該第１のフィン上にメッキ法により座屈構造体とな
る第１金属層を形成する工程と、該第１金属層の上に第
２犠牲層を形成する工程と、該第２犠牲層上にメッキ法
によりダイヤフラムとなる金属層を形成する工程と、前
記第１犠牲層と前記第２犠牲層をエッチングするための
窓を前記基板に空ける工程と、該窓からエッチングを行
い前記第１犠牲層と前記第２犠牲層を一括してエッチン
グし、前記第１のフィンと前記第２のフィン、及び前記
座屈構造体と前記ダイヤフラムを分離する工程と、前記
第２金属層をパターンニング加工して、所定の形状を持
つダイヤフラムを形成する工程と、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。