JPH0885207A - インクジェット式印字ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高密度ノズル配列が可能で、インク吐出特性
の安定した吐出効率の良いインクジェット式印字ヘッド
を安価に提供すること。 【構成】 ノズルプレート１０１上に配列されたノズル
開口部１０２に対応して、ノズル開口部を仕切る壁部材
１０３と該ノズルプレートにより構成されるインク室１
１０を、圧力発生部材１０５により加圧し、ノズル開口
部１０２よりインク滴を吐出させるインクジェット式印
字ヘッドにおいて、該壁部材は、結晶方位（１１０）面
を表面に持つ単結晶シリコンであり、該壁部材１０３
は、全インク室１１０に連通するインク流路１１１と、
各インク室１１０とインク流路１１１を結ぶインク供給
路１０７を構成しており、該インク供給路１０７は、該
ノズルプレート１０１側と該振動板１０４側の２カ所に
具備されていることを特徴とするインクジェット式印字
ヘッド。

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
ット式印字ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高速、高印字品質の低価格インク
ジェットプリンタの要求が高まる中、インクジェット式
印字ヘッドを構成する各部材への加工密度、加工精度が
高いものが要求されてきている。

【０００３】インク室を構成する壁部材としては一般的
にプラスチック、セラミック、ガラス等の材料が用いら
れている（米国特許第４０５７８０７号、米国特許第３
９７２４７４号明細書）。しかしながら、この様な技術
では近年のインクジェット式印字ヘッドの要求する高精
細、高精度化に応えることが出来なくなってきた。

【０００４】この様な課題を解決するものとして、シリ
コンウェハーをエッチングしてインクジェット式印字ヘ
ッドの構成部品として使用する技術が多々開示されてい
る。

【０００５】例えば、シリコン基板で流路を形成したイ
ンクジェットヘッドとして図１５に示した特公昭５８−
４０５０９号公報が知られており、この例では（１０
０）シリコン基板が用いられている。

【０００６】又、（１１０）シリコン基板を用いたイン
クジェットヘッドの例としては、"K.E.Petersen,`Fabri
cation of anIntegrated,PlanarSilicon Ink-Jet Struc
ture,'IEEE transactions onelectrondevices,vol.ED-2
6,No.12, December 1979"などが知られている。

【０００７】又、米国特許第４３１２００８号明細書に
おいてもシリコンウェハーをエッチングしてインク室を
構成する技術が開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
従来技術は以下のような課題を有する。

【０００９】特公昭５８−４０５０９号公報に述べられ
ている（１００）シリコン基板６１を用いたものではエ
ッチングの結果現れる（１１１）面は（１００）面に対
し約５４．７゜で傾斜するため、パターン幅に対して深
さが一定の比以上は取れないので、図１５に示すように
台形もしくは三角形の断面形状になる。

【００１０】例えば、（１００）面のシリコン基材を用
いてインク室を配列しようとすると、先にも述べたが、
図１５に示すようにインク室の壁が基材の表面に対し略
５４．７゜で傾斜するため、薄いシリコン基材でしか貫
通することができない。例えば、流路の幅が１００μｍ
である場合、シリコン基材の厚さは７０μｍ以下とな
る。その場合シリコン基材の全体の剛性がなく、シリコ
ン基材全体がしなるため、他のノズルが駆動しているか
どうかによって特性に大きな差がでることになる。その
ため、高密度化が困難であるという課題を有する。

【００１１】一方、米国特許第４３１２００８号明細書
で開示されている図１６の例に示した（１１０）シリコ
ン基板７１による異方性エッチングでは、表面の（１１
０）面に垂直な（１１１）面でインク室を構成できるの
で高密度にノズルを配列することが可能である。

【００１２】しかしながら、図１６のインク室構造で
は、インク流れに滞留部が存在し一度気泡がインク室に
入ってしまうとなかなか排出することが出来なかった。
この事は、気泡がインク室での圧力の逃げ場（コンプラ
イアンス）の働きをして、インク吐出不良の要因になっ
ていた。

【００１３】又、特開平５−２２０９５２号公報で開示
されている様な、インク室の両側にインク供給路を設け
た構造に於いては、インク流れの滞留部は存在せず気泡
除去は容易である。しかし、インク流路は振動子を固定
する支持部材を彫り込んで構成しなくては、インク流路
抵抗を下げる事が出来ず、多ノズル化、高速化するプリ
ンタヘッドにインクを供給する能力を得ることが出来な
い。この事は、支持部材の加工コスト高、支持部材と振
動板との接合部のインクシールの確保、支持部材自体の
耐インク腐食性の確保等、多々の課題を有していた。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明のインクジェット式記録ヘッドは、複数のノズル
開口が穿設されたノズルプレートと、前記複数のノズル
開口部とそれぞれ連通する複数のインク室を形成する壁
部材と、振動板とを積層配置し、前記振動板上に配置し
各インク室にインク吐出のための圧力を発生させる圧力
発生部材とを有するインクジェット式印字ヘッドにおい
て、前記壁部材は、結晶方位（１１０）面を表面に持つ
単結晶シリコンであり、該壁部材は、全インク室に連通
するインク流路と、各インク室とインク流路を結ぶイン
ク供給路を構成しており、該インク供給路は、前記ノズ
ルプレート側と前記振動板側の２カ所に具備されている
ことを特徴とする。

【００１５】

【実施例】以下、図面を用いて本発明を詳細に説明す
る。

【００１６】図１は、本発明に於けるインクジェット式
印字ヘッドのノズル配列に直交する方向の断面図、即
ち、図３に於けるＡ−Ａ断面図である。図３、図４は本
発明に於けるインクジェット式印字ヘッドの斜視図であ
る。

【００１７】図２は、本発明におけるインクジェット式
印字ヘッドのノズル配列方向の断面図、即ち、図３に於
けるＢ−Ｂ断面図である。

【００１８】図１、図２、図４に於いて、インクタンク
（図示されていない）から供給されたインクは、各イン
ク室１１０に連通する壁部材１０３に形成されたインク
流路１１１を通り、各インク室１１０に対応するように
形成されたインク供給路１０７を通って、ノズルプレー
ト１０１、壁部材１０３、振動板１０４によって構成さ
れるインク室１１０に供給される。

【００１９】各インク室１１０に対応して圧力発生部材
１０５と、ノズル開口部１０２が配置されており、圧力
発生部材１０５はベース板２０１上に配置、固着され、
フレーム２０４に挿入され、接着剤２０３で固着されて
いる。ここで、圧力発生部材１０５は、ＦＰＣ２０２を
介したプリンタ本体からの電気信号による伸縮運動によ
り、インク室１１０を加圧し、ノズル開口部１０２より
インクを吐出する。

【００２０】本発明では、インク室１１０を構成する壁
部材１０３に、（１１１）結晶面は、他の結晶面に比べ
てエッチング速度が極端に遅いという、結晶方位により
決まる方向にエッチングが進行する特性を有した、シリ
コン単結晶基板を用いている。

【００２１】図８は（１１０）面のシリコンウェハ８０
０の面上の方向を示す図である。

【００２２】シリコンウェハ８００の表面に対して垂直
な第１の（１１１）面８０１は、オリフラ９０１に平行
方向である＜１００＞に対して約３５゜の方向、即ち、
＜２１１＞方向に現れる。しかし、オリフラ９０１と垂
直方向＜１１０＞ではウェハ表面に対して約３５゜の角
度で（１１１）面が存在する為に、そこでエッチング加
工が出来なくなる。この為、図８、図９に示す様にウェ
ハ両面に＜２１１＞方向にパターンを形成し湿式異方性
エッチングを行うと図９（ｄ）の様にウェハ表面に対し
約３５゜の角度で（１１１）面は出現するが、更にエッ
チングを続けると図９（ｅ）の様に（１１１）面で構成
された突起部が現れる。これを更にエッチングを続けて
行くと、図９（ｆ）の様に、この突起部の先端からアン
ダーカット現象が生じ、徐々にこの突起部は小さくな
る。そして、ついには消失して図９（ｇ）のようにウェ
ハ表面に対して垂直な（１１１）面が出現しエッチング
は停止する。こうして出来たエッチング形状は垂直な
（１１１）面で囲まれた形状で、これをインク室に利用
することにより高密度なインクジェット式印字ヘッドの
提供が可能になる。

【００２３】しかしながら、この様な構造では、インク
室の角部にインク滞留部が存在し、一度気泡がインク室
に入ってしまうとなかなか排出することが出来なかっ
た。この事は、気泡がインク室での圧力の逃げ場（コン
プライアンス）の働きをして、インク吐出不良の要因に
なっていた。

【００２４】この課題に対して、本発明の壁部材１０３
は、図５、図６、図７に示すように、全インク室に連通
するインク流路１１１と、各インク室とインク流路１１
１を結ぶインク供給路１０７を構成しており、該インク
供給路１０７は、該ノズルプレート側と該振動板側の２
カ所に具備していることを特徴としている。

【００２５】ここで、図５は壁部材１０３の斜視図であ
り、図６はインク供給路１０７近傍の上面図であり、図
７は図６に於けるＣ−Ｃ断面図である。

【００２６】以下、本発明の壁部材１０３の製造方法の
一実施例を、図８、図９を用いて手順を追って説明す
る。

【００２７】まず、図９（ａ）に示すように、表面の結
晶面方位が（１１０）面となるシリコンウェハ８００
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８０１
を形成した。シリコン酸化物の膜８０１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。

【００２８】次に、図９（ｂ）に示すように、樹脂レジ
スト８０２で前記シリコンウェハ８００上に図８に示す
ようにインク室１１０が（１１１）面で構成できるよう
にパターンを施し、図９（ｃ）に示すように、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
８０１を選択的に除去した後、樹脂レジストを除去する
と、パターニングされたシリコン酸化物の膜８０１のマ
スクパターンが現れる。

【００２９】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、シリコンウェハを
異方性エッチングすると、図９（ｄ）、図９（ｅ）、図
９（ｆ）に示す過程を経て、図９（ｇ）に示す状態で終
了する。本実施例では、８０℃に加熱した２０[重量％]
の水酸化ナトリウム水溶液によって、前記シリコンウェ
ハを異方性エッチングして、図９（ｇ）、図１０に示す
ようなインク室１１０及びインク流路１１１を構成する
貫通孔８０５を得た。

【００３０】次に、インク供給路１０７の形成方法を図
１０のＤ−Ｄ断面図である図１１を用いて説明する。

【００３１】まず、図９（ｇ）に於けるシリコン酸化膜
８０１を除去し、図９（ａ）〜図９（ｃ）と同様の方法
で、インク供給路１０７となる部分、即ち、壁部材１０
３の両上面をハーフエッチングする部分以外に、図１１
（ａ）に示すように、再度シリコン酸化膜８０１を形成
する。更に、上記と同様の方法でエッチングを行う。こ
こでの、エッチングは図８に於ける第１の（１１１）面
と平行な方向、即ち、＜２１１＞方向のエッチングとな
るため図１１（ｂ）の様にシリコンウェハ上面に垂直に
エッチングされ、その深さはエッチング時間に比例す
る。

【００３２】この為、必要なインク供給路深さを得るに
必要なエッチング時間により、図１１（ｂ）の過程を経
て、図１１（ｃ）に示す形状、即ち、所望の深さの図５
のインク供給路１０７を得る。

【００３３】次に、インクへの耐性やインクとの親和性
を得るために図１１（ｄ）に示す様に保護膜８０４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。

【００３４】この様にして形成された壁部材１０３を図
４に示すようにノズルプレート１０１と振動板１０４と
積層接着し図１に示すインク室１１０を得る。このイン
ク室構造によれば、従来インク流れが生じなかった部
分、即ち、インク室角部にインク供給路１０７が形成さ
れたことで、インク流れを生じさせることが出来る。こ
のことで、気泡排出性に優れた、インク吐出特性に優れ
たインクジェット式印字ヘッドを提供できた。

【００３５】又、壁部材１０３にインク流路１１１、イ
ンク供給路１０７を構成し、インク供給路１０７は壁部
材１０３をハーフエッチングして構成した事により、イ
ンク流路１１１を深く、即ち、壁部材１０３を厚く、且
つ、インク供給路１０７を所望の深さに自由に設定出来
た。この事は、特開平５−２２０９５２号公報の様にフ
レーム２０４を彫り込む必要が無いため、フレーム２０
４が平坦に出来る。この事は、フレーム２０４が振動板
１０４で完全にインク系と分離出来るため、安価で信頼
性の高いインクジェット式印字ヘッドの提供が可能にな
った。

【００３６】本実施例では、インク供給路１０７をシリ
コンウェハ上面（１１０）面をハーフエッチングし２つ
の（１１１）面と１つの（１１０）面で構成された平溝
形状にした例を示した。本構造は、インク供給路１０７
の深さはエッチング時間によって管理しなくてはならな
い。

【００３７】以下には、インク流路１０７を２つの（１
１１）面で構成した例を示す。

【００３８】図１２は（１１０）面のシリコンウェハ８
００の面上の方向を示す図である。

【００３９】シリコンウェハ８００のオリフラ９０１に
対して垂直の方向、即ち、＜１１０＞方向にはシリコン
ウェハ表面に対して約３５゜の方向に、（１１１）面の
滑らかで、精度の良いＶ字溝１２０１が構成できる。

【００４０】このＶ字溝１２０１をインク供給路１０７
として壁部材１０３の両面に配置した例が図１３であ
り、図１３の斜視図が図１４である。

【００４１】本実施令によれば、エッチングされ難い二
つの（１１１）面がぶつかった所でエッチングが停止す
るので、エッチング時間のバラツキによらず、インク供
給路深さの管理が容易となる利点を有する。

【００４２】ここで本実施例では圧力発生部材１０５と
して、図１の様に圧電材料と電極材料を交互にサンドイ
ッチ状に挟んだ積層型圧電素子の電界方向と同方向の変
位、即ちｄ３３方向の変位を利用した例を示した。しか
しながら、本発明はこれに限定されるものではなく、圧
力発生部材として電界方向と垂直方向の変位、即ちｄ３
１方向の変位を利用した圧電素子や、インク室内に駆動
信号によりジュール熱を発生する抵抗線を設けたバブル
ジェット方式等にも同等の効果を有する。

【００４３】

【発明の効果】供給路からインク室へのインクの流れが
円滑で、気泡が溜まり難く、気泡の抜け易い形状とした
ため気泡排出性が向上し、安定した印字特性を安価に提
供できるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット式印字ヘッドの一実施
例を示す図３に於けるＡ−Ａ断面図。

【図２】本発明のインクジェット式印字ヘッドの一実施
例を示す図３に於けるＢ−Ｂ断面図。

【図３】本発明のインクジェット式印字ヘッドの一実施
例を示す斜視図。

【図４】本発明のインクジェット式印字ヘッドの一実施
例を示す斜視図。

【図５】本発明のインクジェット式印字ヘッドの一実施
例を示す斜視図。

【図６】本発明のインクジェット式印字ヘッドの一実施
例を示す上面図。

【図７】本発明のインクジェット式印字ヘッドの一実施
例を示す図６に於けるＣ−Ｃ断面図。

【図８】本発明のインクジェット式印字ヘッドに用いる
（１１０）面のシリコンウェハの面上の方向を示す図。

【図９】本発明のインクジェット式印字ヘッドのシリコ
ン基材のエッチング過程を説明するための断面図。

【図１０】本発明のインクジェット式印字ヘッドのシリ
コン基材のエッチング過程を説明するための斜視図。

【図１１】本発明のインクジェット式印字ヘッドのシリ
コン基材のエッチング過程を説明するための断面図。

【図１２】本発明のインクジェット式印字ヘッドの第２
の実施例を説明する為の、（１１０）面のシリコンウェ
ハの面上の方向を示す図。

【図１３】本発明のインクジェット式印字ヘッドの第２
の実施例を示す上面図。

【図１４】本発明のインクジェット式印字ヘッドの第２
の実施例を示す図１３の斜視図。

【図１５】従来技術のインクジェットヘッドを示す斜視
図。

【図１６】従来技術のインクジェットヘッドを示す斜視
図。

【符号の説明】

１０１ ノズルプレート １０２ ノズル開口部 １０３ 壁部材 １０４ 振動板 １０５ 圧力発生部材 １０７ インク供給路 １１０ インク室

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のノズル開口が穿設されたノズルプ
   レートと、前記複数のノズル開口部とそれぞれ連通する
   複数のインク室を形成する壁部材と、振動板とを積層配
   置し、前記振動板上に配置し各インク室にインク吐出の
   ための圧力を発生させる圧力発生部材とを有するインク
   ジェット式印字ヘッドにおいて、 前記壁部材は、結晶方位（１１０）面を表面に持つ単結
   晶シリコンであり、該壁部材は、全インク室に連通する
   インク流路と、各インク室とインク流路を結ぶインク供
   給路を構成しており、該インク供給路は、前記ノズルプ
   レート側と前記振動板側の２カ所に具備されていること
   を特徴とするインクジェット式印字ヘッド。
2. 【請求項２】 前記インク供給路は、二つの（１１１）
   面と一つの（１１０）面で構成された断面形状が四角形
   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
   式印字ヘッド。
3. 【請求項３】 前記インク供給路は、二つの（１１１）
   面で構成された断面形状が三角形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印字ヘッド。