JPH09327912A - 記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 層構成あるいは構成部品の少ないインクジェ
ット記録ヘッドの構成にかかわる。 【解決手段】 インク滴を射出するための複数のノズル
と、該ノズルのそれぞれに配備された加圧室と、該加圧
室の少なくとも一方の壁を構成する振動板と、該加圧室
にインクを供給する各ノズルに共通のインク室と、前記
振動板に対向し、前記加圧室，前記流路，前記流体抵抗
部，前記共通インク室を前記インク供給口と前記ノズル
孔を除いて密閉するヘッド筺体部とからなる、ヘッド筺
体部は射出成形，モールド成形もしくは押し出し成形に
より作製されるＰＥＴ，ＰＥ，ＰＣ，フッ素樹脂などの
高分子プラスチックからなり、それ以外のノズル用溝，
加圧室，流路，流体抵抗部，インク室，振動板等は、一
枚の接合部の無いＳｉ単結晶基板で構成されている。構
成部品をヘッド筺体部とＳｉ基板との２点のみとし、簡
易な構造とし、組み付け精度等の向上を図ったものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット方
式の記録ヘッドに関し、特に、層構成あるいは構成部品
の少ないインクジェット記録ヘッドの構成にかかわる。

【０００２】

【従来の技術】図１０は、従来の加圧オンデマンドマル
チヘッドのインクジェット記録ヘッドの一例を説明する
ための要部構成図で、図１０（Ａ）は断面図、図１０
（Ｂ）はその上面図を示し、図中、１は上板、２は電歪
アクチュエータ、３はインク供給路、４はインク供給側
流路、５はインク加圧室、６は基板、７は流路、８はノ
ズル、９は共通液室、１０はインク供給孔で、この加圧
オンデマンドマルチヘッドは、電歪アクチュエータ２に
より液室（インク加圧室）５を加圧してノズル８よりイ
ンクを射出して記録媒体１１に記録するものである。

【０００３】一般に、圧力パルス方式と呼ばれる、電歪
アクチュエータあるいは発熱素子によりインクに圧力パ
ルスを印加してインク粒子を射出する方式には、円筒状
電歪素子２ａを用いる振動子円筒型（ZoltanあるいはGo
uld式、図１１（Ａ））、平板型電歪素子２ｂを用いる
振動子平板型（サイクロニクス方式、図１１（Ｂ））、
平板型電歪素子２ｃを用いるステメ型（Stemme式、図１
１（Ｃ））、および、ヒータ１２を用いてインクを加熱
してバブル１３を発生し、該バブル１３によってインク
を加圧，噴射する加熱気化型（バブルジェット方式、、
図１１（Ｄ））等が考案されている。この他、固定イン
ク（スーパージェット）方式，電気浸透方式，スプレー
ガン方式，メカニカルシャッター方式をはじめ、多数の
方式が提案・試作されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来、振動板を含む圧
力発生部材、及びインク流路形成部材を積層構造により
構成して振動板の変位方向に平行にノズル開口を設けて
小型化を図ったインクジェット記録ヘッドが提案されて
いる（特開昭６２−１１１７５８号公報）。しかし、積
層する構成部材が多くなればなるほど製造工程は簡素化
されず、さらに各部材の平面度を含む精度や、各板材の
接着に起因する位置ずれ、接着剤の流れ込みによる流路
抵抗の変動等による機能の不全や信頼性の低下を招くこ
とになる。

【０００５】また、上記のような問題を解消するため
に、半固化状態のセラミックス板（グリーンシート）を
所要の形状に加工して、流路部材と圧電振動子または電
歪アクチュエータを形成し、これらを積層して焼成する
ことにより、電歪アクチュエータの取り付け作業を不要
としたインクジェット記録ヘッドが提案されている（特
開昭６３−１４９１５９号公報及び特開平６−２３４２
１８号公報）。しかし、セラミックス板の焼成時に発生
するセラミックスの体積収縮により高精度・高集積度の
記録ヘッドには適用の限界があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の記録ヘ
ッドは、記録体（インク）の流路の一部が振動部材によ
り構成された流路構成体と、該振動体を駆動するための
第１の電極及び第２の電極と、該第１の電極と第２の電
極の対向した間隙に形成された誘電物質とからなり、前
記２つの電極間に電圧を印加した時にこれら電極の間隙
に存在する前記誘電物質の起こす体積膨張による振動板
の変位を用いる電歪アクチュエータの動作原理を用い、
前記流路の可変容積に起因する流路内部の圧力増加によ
り、前記記録体に運動エネルギーを与えて射出し、該記
録媒体を記録媒体に付着させ、記録する記録ヘッドにお
いて、インク滴を射出するための複数のノズルと、該ノ
ズルのそれぞれに配備された加圧室と、該加圧室の少な
くとも一方の壁を構成する振動板と、前記加圧室にイン
クを供給する各ノズルに共通のインク室と、前記振動板
に対向し、前記加圧室，前記流路，前記流体抵抗部，前
記共通インク室をインク供給口と前記ノズル孔を除いて
密閉するヘッド筺体部とからなり、該ヘッド筺体部は射
出成形，モールド成形もしくは押し出し成形により作製
されるＰＥＴ，ＰＥ，ＰＣ，フッ素樹脂などの高分子プ
ラスチックからなり、それ以外のノズル用溝，加圧室，
流路，流体抵抗部，インク室，振動板等は、一枚の接合
部の無いＳｉ単結晶基板で構成されていることを特徴と
し、もって、構成部品を前記ヘッド筺体部とＳｉ基板と
の２点のみとし、簡易な構造とし、組み付け精度等の向
上を図り、更には、振動板をＳｉ基板のエッチングにて
作製するようにして、精度や振動板回りの構造を簡素化
したものである。

【０００７】請求項２記載の記録ヘッドは、請求項１に
記載の記録ヘッドにおいて、ノズル孔をヘッド筺体部に
配備するとともに、該ヘッド筺体部により振動板の一端
を固定し、且つヘッド筺体部の両面に前記振動板を含む
Ｓｉ基板からなる複数のヘッド構成部材を接合してなる
ことを特徴とし、もって、ノズル孔をＳｉ基板ではなく
ヘッド筺体部に設け、インク加圧室下部の振動板の形成
をより容易とし、かつノズル孔の加工もをヘッド筺体の
プラスチックを加工とし、製作を時間的に短縮し、か
つ、容易にしたものである。

【０００８】請求項３に記載の記録ヘッドは、請求項１
又は２に記載の記録ヘッドにおいて、Ｓｉ基板に配備さ
れた電歪アクチュエータ用振動板を、加圧室側に位置
し、インクと接する面をＳｉＮｘ，アクチュエータ駆動
用の第１の電極に接する面をＳｉＯｘでコーティングし
たことを特徴とし、もって、ＳｉＮｘやＳｉＯ２を振動
板の両面にコーティングすることにより、振動板の強
度、及び、振動板と厚みの異なる接続部の補強を可能と
したものである。

【０００９】請求項４に記載の記録ヘッドは、請求項３
に記載の記録ヘッドにおいて、前記振動板を、ＳｉＯｘ
上に形成される第１の電極として、Ｐｔ，Ｗ，Ｔａ，Ｐ
ｔ／Ｐｄ高融点金属もしくはそれらの合金からなり、さ
らに、加圧室に位置し、インクに接する面のＳｉＮｘ上
はＡｕ，Ｐｔ，Ｍｏ，ＳＵＳの耐アルカリ性を有する金
属もしくはそれらの合金でコーティングされていること
を特徴とし、もって、請求項３による振動板の両面に金
属薄膜を配備することにより、電歪アクチュエータ側に
設けられたコモン電極とのバランスを取り、且つ、振動
板に粘りを持たせて補強することを可能としたものであ
る。

【００１０】請求項５に記載の記録ヘッドは、請求項１
又は４に記載の記録ヘッドにおいて、前記ヘッド筺体部
は、該ヘッド筺体部のインク面と接する面上で、且つＳ
ｉ基板と接着されない部分が、Ａｕ，Ｐｔ，Ｍｏ，ＳＵ
Ｓの耐アルカリ性を有する金属、もしくはそれらの合金
でコーティングされていることを特徴とし、もって、請
求項４による記録ヘッドの振動板以外でインクと直接接
触する流路全体に同様の金属薄膜を配備することによ
り、基板および筺体とインクとの接液性を向上させるこ
とを可能としたものである。

【００１１】請求項６に記載の記録ヘッドは、請求項１
又は５に記載の記録ヘッドにおいて、前記Ｓｉ単結晶基
板に形成された流体抵抗部の終端からノズル直前までの
容積部分を用いるインク加圧室が、その幅が流体抵抗部
終端で最も大きく、ノズル直前で最少となることを特徴
とし、もって、インク加圧室の内部形状をノズル面に近
づくほど幅を狭く、流体抵抗部に近づくほど幅を広くす
ることにより、インク滴を射出した後の内部のインク量
の変動に伴う負の圧力によるバックラッシュをより容積
の大きな空間に導くことにより単位断面積当たりの圧力
を減少させ、流体抵抗部からの次のインクの流入を滑ら
かに行うことを可能としたものである。

【００１２】請求項７に記載の記録ヘッドは、請求項１
又は６に記載の記録ヘッドにおいて、前記ノズルはＳｉ
単結晶基板の水平方向で、且つ振動板の設けられる面と
対向する面に近い部分に設けられ、該ノズルは一個の該
ヘッド筺体部に２枚のＳｉ基板を対向するように配備さ
れる時には、対向する加圧室同士が干渉しない筺体の厚
みを隔てて最近接する位置に設けられることを特徴と
し、もって、ヘッド筺体部の両面にＳｉ基板を配備し、
ノズルの数を１列から２列に増加し、高密度高集積実装
を可能としたものである。

【００１３】請求項８に記載の記録ヘッドは、請求項１
又は７に記載の記録ヘッドにおいて、前記流体抵抗部は
Ｓｉ基板上に加圧室からの容積変化に伴う圧力の伝達を
減少させるために、幅と高さとがインク加圧室のそれら
よりも小さく、かつその流れ方向の形状が直線部を含み
かつ屈曲部をもち、且つその屈曲部はインク粘性流のそ
の部分での渦の発生を防止するために曲率を持ったこと
を特徴とし、もって、流体抵抗部の直線部分に屈曲部を
配備し、かつ、該屈曲部の形状を十分な曲率を持つ曲線
状の溝にし、該屈曲部での渦や乱流の発生無しに流体抵
抗を増加させることを可能とし、安定したインク滴の射
出に必要な後部流体抵抗と滑らかなインク供給を可能と
したものである。

【００１４】請求項９に記載の記録ヘッドは、請求項１
又は８に記載の記録ヘッドにおいて、前記電歪アクチュ
エータを駆動するための第１，第２の電極を、Ｓｉ基板
上のアクチュエータ後方からインク供給口に至る部分に
駆動ＩＣチップのピン配列に対応して配線し、かつその
終端にパッド部を配備し、このパッド部に駆動ＩＣチッ
プを実装したことを特徴とし、もって、ヘッドのＳｉ基
板の電歪アクチュエータの配備された側の面にアクチュ
エータからの配線を引き回し、ＩＣチップを配線終端の
バンプ電極に異方導電性接着剤により実装するように
し、ヘッドへの外部信号入力と接続本数を減少させ、全
体をコンパクトにすることを可能とし、製造工程上の簡
素化と信頼性を向上させるようにしたものである。

【００１５】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなさ
れたもので、主に、構成部材を最少にし、かつ、高精
度，高集積度が可能なインクジェット記録ヘッドを提供
することを目的としてなされたものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明は、記録体（インク）と該
記録体の流路を構成する流路構造の一部もしくは全体が
振動部材である第１の電極と、前記流路外に前記第１の
電極に対向して設けられた第２の電極と、および、これ
ら電極間に電圧を印加した時に前記振動部材を変位さ
せ、前記流路の容積を変化させ、この容積変化に対応す
る流路内部の圧力増加により、前記記録体に運動エネル
ギーを与えてノズルより射出し、該記録体を記録媒体に
付着させ記録すること、さらには、記録ヘッドを成形プ
ラスチックのヘッド筺体とＳｉ単結晶基板の（１００）
面に対し異方性エッチングを施すことにより得られる流
体抵抗部，インク加圧室，振動板（以下、これらをＳｉ
基板と呼ぶ）との２層の構成部材により構成すること、
また、ヘッド筺体の両面に前記Ｓｉ基板を配して、マル
チノズルの高密度化を図ること、振動板を電歪素子の焼
成時に、その高温、および、Ｓｉ基板への望まない金属
原子等の混入や、弱アルカリ性インクによる侵食等から
防止するために保護層を設けること、振動板の振動によ
る劣化を防止し、板バネとして機能を増大するための金
属層を設けること、電歪アクチュエータの駆動によるイ
ンク加圧室内に発生した圧力の効率的なノズルへの伝達
のためのインク加圧室の形状を考慮すること、ヘッドの
信頼性を向上させ、かつ駆動部品の実装を容易にするた
めにヘッドのＳｉ基板側の下面にＩＣチップを実装する
ことを特徴としたものである。以下、本発明の実施例に
基づいて説明する。

【００１７】（請求項１の発明）図１は、本発明の請求
項１による記録ヘッドの一実施例を説明するための構成
図で、図１（Ａ）は断面図、図１（Ｂ）は上部平面図
（図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図）、図１（Ｃ）は下部平
面図で、図中、２０はＳｉ基板、２１はプラスチックヘ
ッド筺体、２２はインク供給口、２３は流体抵抗部、２
４はインク加圧室、２５はノズル孔、２６はコモン電
極、２７はデータ電極、２８はＰＺＴ（電歪振動子）、
２９はヘッド駆動用ＩＣチップ、３０は信号電極、３１
はコネクタ（電極）、３２は共通インク室、３３は振動
板である。

【００１８】Ｓｉ単結晶基板は、高温（８０℃）のＫＯ
Ｈなどのアルカリ液を用いてエッチングする際に、その
結晶面方位によりエッチング速度が大きく異なることを
利用して異方性エッチングを行えることが知られてい
る。そこで、通常の半導体チップ製造用の６インチＳｉ
ウェハを用いてヘッド用のＳｉ基板２０を作製した。ウ
ェハの厚さは５００μｍであったが、３００μｍほど裏
面を研磨し、最後に表面を鏡面研磨して、２００μｍに
したものを用いた。次に、ウェハの所定の位置にインク
加圧室２４と共通インク室３２とをアルミナペースト等
の研磨剤と研磨装置を用いて加工する。これら研磨され
た加圧室２４，共通インク室３２の底部や側壁は、この
時点では鏡面である必要は無く、後に薄い振動板を作製
する工程でエッチングにより表面の平滑化を行う。この
ウェハにハイドロジェネレーションでＳｉＯ２のパッシ
ベーション膜（エッチングストッパー）を全面に１μｍ
形成した。さらに流体抵抗部２３，ノズル部２５をフオ
トレジストパターン化して、フッ酸を主成分とするエッ
チング液で、異方性エッチングを実施するため、その部
分のＳｉＯ２膜を除去する。

【００１９】この後、異方性エッチングを行うのでこの
段階ではフォトレジストパターンは残しておく。前記の
ように、ＫＯＨとＩＰＡ（イソプロピルアルコール）と
の混合液をエッチャントとして用い、８０℃に保ったま
まウェハを投入する。Ｓｉ（１１１）面はエッチング速
度が最も小さく、（１００）面のエッチングが進行する
に連れ（１１１）面は平滑面を形成する。（１１１）面
は（１００）面に対し約５５゜の角度で交差しているた
め、パターン幅の小さなノズル部や流体抵抗部などは
（１１１）面が側壁として残留し、自動的にエッチング
がストップする。

【００２０】しかし、振動板３３は幅１００μｍと大き
いためこれを異方性エッチングするとインク加圧室２４
の上面は３８０μｍほどの初期開口部が必要となってし
まい、高集積化には適さなくなってしまう。従って、異
方性エッチングは幅の小さな流体抵抗部２３とノズル部
２５にのみ施すものとし、インク加圧室２４や共通イン
ク室３２等の大きな変形加工の必要な部分は、前記のよ
うに所定の形状より５μｍ程度小さく研磨しておくこと
が望ましい。ここで流体抵抗部２３とノズル部２５の形
成のために用いたフォトレジストパターンを除去し、さ
らにこの面（表面）全面にフォトレジストを必要な厚さ
だけ塗布し、ベークしておく。次いで、裏面に振動板の
ネガティブパターンをフォトレジストで形成する。

【００２１】ここで、振動板３３の厚み５μｍだけ裏面
からＳｉウェハにＢ（ボロン）ドーピングを行う。これ
は先程のハイドロジェネレーションと同様であるが、水
蒸気に代えてＢＢｒ３の蒸気をＮ２をキャリアガスとし
てＯ２とともに適用する。アルカリエッチングにおい
て、高濃度のＢドーパントを含むｐ型Ｓｉ層のエッチン
グレートが非常に小さくなる事実を応用するものであ
る。振動板３３の厚さを５μｍとしてＳｉ表面から５μ
ｍの深さでのＢドーパント濃度が４〜５×１０^-19ｃｍ
^-3となるようにドーピングすれば反対側の面からエッチ
ングしてもウェハ裏面からの厚さ５μｍ付近でエッチン
グが停止する、もしくは停止を制御するのに十分な時間
的余裕を工程上持つことが可能となる。

【００２２】このようにして作製したＳｉ基板２０の各
部の寸法は、振動板幅１００±１μｍ，インク加圧室幅
１６０μｍ，深さ１９５±０．３μｍ，インク室の長さ
６ｍｍ，ノズル最大径３０μｍ，流体抵抗部最大幅４０
μｍ，ノズルピッチ２００μｍ，ノズル数１２８と加工
精度のよいマルチノズル用Ｓｉ基板が得られる。一方、
ヘッド筺体２１は、ＰＥＴ，ＰＥ，ＰＣ，テフロンＴＡ
Ｆ等の高分子プラスチックの射出，押し出し，モールド
等の各成型法により作製される。本実施例では、ＰＣと
ＰＥＴを用いて作製した。ヘッド筺体２１は、Ｓｉ基板
２０とエポキシ系接着剤を介して図１（Ｂ）に示される
Ｓｉ基板２０の表面のインク流路に相当しない部分に接
合され、ヘッド全体をノズル２５とインク供給口２２を
除いて密閉する。Ｓｉ基板２０はあらかじめ鏡面研磨さ
れているために、成型プラスチックの比較的粗い表面で
もエポキシ系接着剤を適量塗布し、表面粗さを平担化し
て接着することができる。

【００２３】（請求項２の発明）また、振動板３３を、
図２に示すように、Ｓｉ基板２０の端部の梁の厚みを持
たせずに研磨，エッチング処理を施し、前記の例と同様
に、厚さ５μｍの振動板３３を形成する。この場合、前
記の工法で作製されたヘッド筺体２１は平板形状とは異
なり、図２に示すように、上部のヘッド閉鎖面とノズル
面を持つ。ノズル２５は、ヘッド筺体２１の材料である
プラスチックに機械加工、または炭酸ガスレーザーで作
製する。望ましくは、レーザー加工で、この場合、イン
ク加圧室側からレーザーを照射し、ノズル孔を形成す
る。こうしてできたノズル孔は進行方向に対し、約５゜
のデーパー状の形状となり、インクの作るメニスカスや
射出後の圧力のバックラッシュに対して有効となる。ま
た、ヘッド筺体２１のノズル面下部は振動板を抱え込む
ような構造となっており、この部分で振動板と硬度のあ
るエポキシ系接着剤３５を用いて接合される。振動板３
３の一端は、結果として、より強固な部材に接合される
ため、電歪アクチュエータの作動により発生する振動を
減衰する要素が減少する。

【００２４】（請求項３の発明）一方、電歪アクチュエ
ータ２８からの変位を効率良くインク加圧室２４に満さ
れたインクに圧力波として伝達するためには、振動板３
３は振動振幅が大きく、且つ元の状態に速やかに復帰す
るものであることが望ましい。エッチングレートを減少
させるためにボロンＢをドーピングしたＳｉ振動板も十
分な振動振幅を持つ。この振動板はＳｉ基板の一部を利
用しているために、該Ｓｉ基板の厚みは振動板の開始位
置で極端に異なることになる。実施例では、２００μｍ
のＳｉ基板から５μｍの振動板を作製するために前述の
厚さの変わる部分では１９５μｍものステップが存在す
ることになり、長期間のインクジェットの使用中に振動
板端部の信頼性が問題となるであろうことが予測され
る。そこで電歪アクチュエータの下部コモン電極が配備
される側の面には、再度ＳｉＯ２をＳｉをターゲット材
として酸素ガスを反応性プラズマ中に導入したスパッタ
リングにより１５００Å堆積させ振動板とそれ以外の部
分の絶縁と補強を兼ねたパッシベーション膜とする。

【００２５】また、ＳｉＯ２膜は、後に、コモン電極上
にＰＺＴ，ＰＬＺＴ等のピエゾ層を焼成する際にも、１
２００℃にも達する焼成プロセス温度から振動板を保護
する役割も果たす。更に、インク加圧室に面した振動板
表面にもパッシベーション膜を配備するが、インク自体
は弱アルカリ性であることが多くＳｉＯ２を用いること
はできない。このため、図３に示すように、同じスパッ
タリングで導入ガスを酸素ガスから窒素ガスに代え、Ｓ
ｉＮｘ膜を１５００Å堆積させる。こうしてできた振動
板３３ａは、両面の膜によりＳｉ基板の厚さの急激に変
化する部分と接続されるため、その強度が増加し信頼性
が向上する。

【００２６】（請求項４，５の発明）また、Ｂドーピン
グしたＳｉ基板３３ａの振動板はＳｉ単結晶に比して硬
度が増しているため、電歪アクチュエータの振動板のさ
らなる補強と振動板に粘りを持たせ、かつインク加圧室
内部の振動板を含む領域においては、インクとの接液性
を改善するために、図４に示すように、Ａｕ，Ｐｔ，Ｍ
ｏ，ＳＵＳ３１６の耐アルカリ性を有する各金属膜およ
びそれらの合金膜をスパッタ法により厚さ１２５０Åで
配備した。また、電歪アクチュエータのコモン電極２６
として用いるＰｔ，Ｐｔ／Ｐｄは前述のＰＺＴ，ＰＬＺ
Ｔ等のピエゾセラミックス２８の焼成のために１２００
℃まて昇温することから選択され、インク加圧室内面に
配備した金属膜との硬度のバランスをとるため、同種金
属の場合は同膜厚に、異種金属の場合にはそれぞれの金
属のヤング率から異なる厚さにスパッタ法により薄膜を
堆積させリフトオフ法およびマスク法によりパターン化
した電極を形成した。

【００２７】また、ピエゾセラミックスを金属アルコキ
シドを主原料とするゾルゲル法で原料を加水分解したゾ
ルを塗布しセラミック薄膜、もしくはゾルの粘度を調整
することにより厚膜とする水熱焼成法と呼ばれる製法を
用いることによりセラミックスの形成プロセス温度は４
００℃から６００℃程度に低くなるため、Ｗ，Ｍｏ，Ｔ
ａ等の高融点金属でかつ１２００℃近辺では使用が困難
な金属厚さ１０００から１５００Åでスパッタ法により
堆積することが可能になる（請求項４の発明に相当）。

【００２８】また、インク加圧室に適用した金属薄膜に
よるコーティングを共通インク室，流体抵抗部，ノズル
孔等のインク流路全域、つまりインクに接する面全てに
施すことにより、流路の接液性が補完され、スムーズな
インクの流通が可能となる（請求項５に相当）。

【００２９】（請求項６の発明）また、振動板を介して
電歪アクチュエータから伝達されるピエゾセラミックス
の容積変化に起因する圧力波を、よりノズル方向に効率
良く伝え、圧力のバックラッシュの減少を図るために、
図５に示すように、インク加圧室２４内に楔型の突起３
６を設け、インク加圧室の形状を、図５に示すように変
更した記録ヘッドを検討した。図１（Ｂ）の記録ヘッド
の製法の比較的複雑なＳｉ基板側のインク加圧室の基本
形状を図５に示すように変えてしまうと、当然振動板の
幅もこれにつれて変わることになり望ましくない。ま
た、Ｓｉ基板の製造工程をさらに複雑にしてしまうこと
にもなりかねない。

【００３０】そこで、ヘッド筺体部のインク加圧室の天
井を形成する部分に、図６に示すように、流体抵抗部近
傍で頂点を持ち、ノズル近傍に底面を持ち、かつインク
加圧室の深さ２００μｍの８０％にあたる１６０μｍの
高さを持つ楔型の突起３６′をインク加圧室の底面に位
置する振動板の幅１００μｍから上方に延長した直方体
空間内に配備した。これにより圧力波、もしくは圧力パ
ルスはインク加圧室のさらに小さな空間に誘導され、効
率よくノズル方向にその圧力を伝える一方、インク滴を
射出した後の内部のインクの量の変動に伴うノズル方向
から見て負の圧力による圧力バックラッシュをより幅の
大きな空間に誘導することにより、単位断面積当たりの
圧力を減少させ流体抵抗部からの次のインクの流入を滑
らかに行うことが可能となる。

【００３１】（請求項７の発明）このような記録ヘッド
は、ノズルの並列に並んだ水平方向への高密度実装を行
うにはクロストークの発生，物理的加工限界等の制約が
ある。このため、よりノズル数を増加しさせるには、水
平方向に長いヘッドを作製することになる。ところが、
水平方向のヘッド寸法の増加は、加工の均一性、１枚の
ウェハからの切り出し個数の減少等の不具合な点が多々
存在する。このため、前記の実施例からなるＳｉ基板を
ヘッド筺体の両面に、図７に示すように接合した。これ
で２列のマルチノズルとなり印字密度が増大する。この
ときヘッド筺体の厚さは上下に配置したＳｉ基板２０に
設けられたインク加圧室２４同士が相互に圧力波の干渉
を行わない程度に十分なものである必要がある。ヘッド
筺体の上下Ｓｉ基板が相互に干渉しない厚さは採用する
ヘッド筺体の材質とインク加圧室の物理的寸法，形状に
依存する。本発明では、ＰＥＴのヘッド筺体に対し１．
５ｍｍを採用したが、より薄くすることも可能である。

【００３２】また、共通インク室の至るインク供給口も
上側のＳｉ基板にその共通インク室に至る貫通口を設
け、更に供給口と対応する位置のヘッド筺体にも同じ形
状の貫通口を設けてあるため、一個の外部インク供給口
により下側のＳｉ基板の共通インク室にインクの供給が
可能な構造となっている。ノズルはＳｉ基板とヘッド筺
体部との接合面から１００μｍの距離にあるので、上下
のノズル間の距離は１．７ｍｍとなる。この距離はヘッ
ド筺体に用いるプラスチックの材質，インク加圧室の形
状，電歪アクチュエータの変位量等の最適化によりさら
に近接させることが可能である。

【００３３】（請求項８の発明）流体抵抗部２３は、前
記の実施例等では直線的なインク加圧室の幅に比して小
さく浅い溝状の流路となっている。この流体抵抗部２３
の幅と深さを制御しても十分な流体抵抗は得られるが作
製プロセスでの精度，工程時間に大きな影響を与える。
特に、溝の深さの制御をＳｉ単結晶基板の（１００）面
と（１１１）面との異方性エッチングに依存している例
では溝の幅と深さとは相互に関連し、前述のＳｉ単結晶
の２つの面が５５゜で交差していることを考慮すると、
深い溝を作製するには広い幅の流路であることが避けが
たく、狭い流路を作製しようとすれば溝の深さも減少し
てしまう。流路の直線の長さを増加させる手段も考えら
れるが、ヘッド全体の物理的寸法の増加を引き起こす。
本来流体抵抗部２３は、電歪アクチュエータ３３の作動
により圧力波がノズル方向に効率良く伝達され、射出後
のインク供給に極力影響を与えないように設計されるべ
きである。通常、粘性流は角をつけてその方向を変化さ
せると、流線が滑らかに曲がれないための渦の発生、更
には乱流を起こし流体抵抗を大きくする。

【００３４】しかし、このような流体抵抗の増加方法
は、渦や乱流の存在により、インク滴射出後のインク加
圧室への共通インク室からのインク供給まで阻害してし
まう。このため、単にインク流路を単数回から複数回キ
ンクさせることはインク射出時の流体抵抗としては適し
ているが、その後に来るインク供給プロセスには適して
いないことになる。そこで、図８に示すように、渦や乱
流を引き起こさない程度の方向角の変化を屈曲部で作り
出し、かつ、その屈曲部の頂点の形状を適度な曲率を持
つ曲管あるいは曲線溝としてやればよい。今、これまで
の実施例で作製した流体抵抗部２３の最大幅は４０μｍ
であり、長さは２ｍｍであるため、この中間点の１ｍｍ
で方向変化の内角が１３５゜であるように設定した。こ
の時の曲率半径は５０μｍとした。こうしてできた屈曲
部を持つ流体抵抗部２３は、インク加圧室で電歪アクチ
ュエータの作動により発生した圧力波は流体抵抗部２３
の側壁で複数回反射されながら共通インク室３２に至る
ため、直線流路に比して大きな流体抵抗を得ることが可
能となる。一方、この曲率では流体抵抗部、特に、屈曲
部での渦や乱流の発生は見られず、滑らかなインク供給
が可能であった。

【００３５】（請求項９の発明）こうしてできた記録ヘ
ッドは、通常、別の回路基板に取り付けられた駆動素
子、及び駆動回路により駆動され、記録ヘッドと回路基
板は、フレキシブル基板等を熱圧着，はんだ接続，コネ
クタを用いたピン接続等の方法で連結され、印字信号を
ヘッド駆動信号に変換したデータ及び電歪アクチュエー
タ駆動波形，グランド等の一連の信号群が処理される。
しかし、ヘッドからの配線距離が長い程、接続接点が多
いほどノイズや信号の電圧減衰，延長等の問題が発生す
る。このため、本発明では、図９（Ａ）に示すように、
ヘッドの電歪アクチュエータの位置する面のＳｉ基板上
に各ノズルに配備されたアクチュエータ２８の第１の電
極であるコモン電極２６とＰＺＴ，ＰＬＺＴ上に配備さ
れた第２の電極であるデータ電極２７からの引き出し線
を基板面上に配線し、その終端にバンプと呼ばれる接続
電極４０を設けた。バンプは、図９（Ｂ）に示すよう
に、駆動ＩＣチップ２９のピン電極４１の配列，ピッチ
に対応しており、バンプ電極とＩＣチップ２９のピン電
極４２とを異方導電性接着剤４３で接続および固定し
た。もちろん、ＩＣチップ２９への入力信号もヘッドの
後部に設けたコネクタ（やはりバンプ電極とコネクタ電
極とを異方導電性接着剤を介して接続，固定してある）
間を、電歪アクチュエータのデータ電極形成時にパター
ン化しておいた配線電極により接続され、ヘッドには入
力用の８ビットのデータ線，駆動用電圧３０Ｖ，ＶＤＤ
５Ｖ，クロック，グランド等の最低限１２本のライン
の接続を行えばよい。

【００３６】もし、駆動電圧を可変にしてパルス高変調
やパルス幅変調により打ち出すインクの量を変化させイ
ンク滴の径を変えるような階調性を発現させたりする場
合には、これに対応する入力ピンが増加するが、十分に
スペースがあるので特に問題はない。また、ここで使用
した異方導電性接着剤４３は、熱硬化型エポキシ系接着
剤に直径５μｍのスチレンビーズ表面にＮｉコーティン
グを施したものを隣接するビーズ同士が接触しないよう
に十分な距離をおいて分散されたもの（エポキシ系接着
剤を１００とした時、重量比で５から１０）を用いる。
この接着剤をバンプとその周辺に配備し、ＩＣチップを
上方から適当な圧力を加えて押し付け、仮接続温度とし
て１２０℃を２分程加えると上方からの加圧を取り除く
ことが可能となり、その後、１８０℃の本加熱を５分施
して完全に固定する。接続不良は本実施例では発生しな
かった。また、適当に紫外線カット樹脂でモールドした
ＩＣチップを用いれば、光硬化型エポキシ系接着剤の使
用も可能であり、このほうが熱負荷をかけないので望ま
しいが、本実施例ではＳｉベアチップを用いたために、
この実験は実施されていない。

【００３７】

【発明の効果】請求項１に記載の記録ヘッドによると、
記録体（インク）の流路を構成する流路構成体の一部を
振動部材とし、該振動部材を駆動するための第１の電極
及び第２の電極と、該第１の電極と第２の電極の対向し
た間隙に形成された誘電物質層とからなり、前記２つの
電極間に電圧を印加した時に電極の間隙に存在する前記
誘電物質の起こす体積膨張による振動板の変位を用いる
電歪アクチュエータの動作原理を用い、前記流路の可変
容積に起因する流路内部の圧力増加により、前記記録体
に運動エネルギーを与えて射出し、記録媒体に付着さ
せ、記録する記録ヘッドにおいて、インク滴を射出する
ための複数のノズルと、該ノズルのそれぞれに配備され
た加圧室と、該加圧室の少なくとも一方の壁を構成する
振動板と、該加圧室にインクを供給する各ノズルに共通
のインク室と、前記振動板に対向し、前記加圧室，流
路，流体抵抗部，共通インク室をインク供給口とノズル
孔を除いて密閉するヘッド筺体部とからなり、該ヘッド
筺体部は射出成形，モールド成形もしくは押し出し成形
により作製されるＰＥＴ，ＰＥ，ＰＣ，フッ素樹脂など
の高分子プラスチックからなり、それ以外のノズル用
溝，加圧室，流路，流体抵抗部，インク室，振動板等
は、一枚の接合部の無いＳｉ単結晶基板で構成したの
で、構成部品がヘッド筺体部とＳｉ基板との２点のみの
ため、簡易な構造となり、組み付け精度等の向上が図れ
る。また、振動板はＳｉ基板をエッチングして作製され
るため、精度や振動板回りの構造が簡素化される。

【００３８】請求項２記載の記録ヘッドによると、請求
項１に記載の記録ヘッドにおいて、ノズル孔をヘッド筺
体部に配備し、同時に筺体部が振動板の一端を固定し、
且つ該筺体部の両面に該振動板を含むＳｉ基板からなる
複数のヘッド構成部材を接合し、ノズル孔をＳｉ基板で
はなくヘッド筺体部に設けたため、インク加圧室下部の
振動板の形成がより容易となり、かつノズル孔の加工も
をヘッド筺体のプラスチックを加工するため、時間的に
短縮され容易になる。

【００３９】請求項３に記載の記録ヘッドによると、請
求項１又は２に記載の記録ヘッドにおいて、Ｓｉ基板に
配備された電歪アクチュエータ用振動板は、加圧室側に
位置し、インクと接する面をＳｉＮｘ，アクチュエータ
駆動用の第１の電極に接する面をＳｉＯｘでコーティン
グされているので、ＳｉＮｘやＳｉＯ２を振動板の両面
にコーティングすることにより、振動板の強度、及び振
動板と厚みの異なる接続部の補強が可能となる。

【００４０】請求項４に記載の記録ヘッドによると、請
求項３に記載の記録ヘッドにおいて、前記振動板は、Ｓ
ｉＯｘ上に形成される第１の電極として、Ｐｔ，Ｗ，Ｔ
ａ，Ｐｔ／Ｐｄ高融点金属もしくはそれらの合金からな
り、さらに加圧室に位置し、インクに接する面のＳｉＮ
ｘ上にはＡｕ，Ｐｔ，Ｍｏ，ＳＵＳの耐アルカリ性を有
する金属、もしくはそれらの合金でコーティングされて
いるので、請求項３による振動板の両面に金属薄膜を配
備することにより、電歪アクチュエータ側に設けられた
コモン電極とのバランスを取り、且つ振動板に粘りを持
たせ補強することが可能となる。

【００４１】請求項５に記載の記録ヘッドによると、請
求項１又は４に記載の記録ヘッドにおいて、前記ヘッド
筺体部は、該ヘッド筺体部のインク面と接する面上で、
且つＳｉ基板と接着されない部分は、Ａｕ，Ｐｔ，Ｍ
ｏ，ＳＵＳの耐アルカリ性を有する金属、もしくはそれ
らの合金でコーティングされているので、請求項４によ
る記録ヘッドの振動板以外でインクと直接接触する流路
全体に同様の金属薄膜を配備することにより、基板およ
び筺体とインクとの接液性を向上させることが可能とな
る。

【００４２】請求項６に記載の記録ヘッドによると、請
求項１又は５に記載の記録ヘッドにおいて、前記Ｓｉ単
結晶基板に形成された流体抵抗部の終端からノズル直前
までの容積部分を用いるインク加圧室は、その幅が流体
抵抗部終端で最も大きく、ノズル直前で最少となるよう
にし、インク加圧室の内部形状をノズル面に近づくほど
幅を狭くし、流体抵抗部に近づくほど幅を広くしたの
で、インク滴を射出した後の内部のインク量の変動に伴
う負の圧力によるバックラッシュをより容積の大きな空
間に導くことにより単位断面積当たりの圧力を減少さ
せ、流体抵抗部からの次のインクの流入を滑らかに行う
ことが可能となる。

【００４３】請求項７に記載の記録ヘッドによると、請
求項１又は６に記載の記録ヘッドにおいて、前記ノズル
はＳｉ単結晶基板の水平方向、且つ振動板の設けられる
面と対向する面に近い部分に設けられ、該ノズルは一個
の該ヘッド筺体部に２枚のＳｉ基板を対向するように配
備される時には、対向する加圧室同士が干渉しない筺体
の厚みを隔てて最近接する位置に設けられ、ヘッド筺体
部の両面にＳｉ基板を配備したので、ノズルの数が１列
から２列に増加し、高密度高集積実装が可能となる。

【００４４】請求項８に記載の記録ヘッドによると、請
求項１又は７に記載の記録ヘッドにおいて、流体抵抗部
はＳｉ基板上に加圧室からの容積変化に伴う圧力の伝達
を減少させるために、幅と高さとがインク加圧室のそれ
らよりも小さく、かつその流れ方向の形状が直線を含み
屈曲部をもち、且つその屈曲部はインク粘性流のその部
分での渦の発生を防止するために曲率を持ち、流体抵抗
部の直線部分に屈曲部を配備し、屈曲部の形状を十分な
曲率を持つ曲線状の溝にしたので、屈曲部での渦や乱流
の発生無しに流体抵抗を増加させることが可能となり、
従って、安定したインク滴の射出に必要な後部流体抵抗
と滑らかなインク供給が可能となる。

【００４５】請求項９に記載の記録ヘッドによると、請
求項１又は８に記載の記録ヘッドにおいて、前記電歪ア
クチュエータを駆動するための第１，第２の電極はＳｉ
基板上のアクチュエータ後方からインク供給口に至る部
分に駆動ＩＣチップのピン配列に対応して配線され、そ
の終端にパッド部が配備されており、このパッド部に駆
動ＩＣチップが実装されているので、ヘッドのＳｉ基板
の電歪アクチュエータの配備された側の面にアクチュエ
ータからの配線を引き回し、ＩＣチップを配線終端のバ
ンプ電極に異方導電性接着剤により実装するため、ヘッ
ドへの外部信号入力と接続本数を減少させ、全体をコン
パクトにすることが可能となり、製造工程上の簡素化と
信頼性の向上に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 請求項１に記載の記録ヘッドの一実施例を説
明するための構成図である。

【図２】 請求項２に記載の記録ヘッドの一実施例を説
明するための構成図である。

【図３】 請求項３に記載の記録ヘッドの一実施例を説
明するための構成図である。

【図４】 請求項４に記載の記録ヘッドの一実施例を説
明するための構成図である。

【図５】 請求項６に記載の記録ヘッドの一実施例を説
明するための構成図である。

【図６】 請求項６に記載の記録ヘッドの他の実施例を
説明するための構成図である。

【図７】 請求項７に記載の記録ヘッドの一実施例を説
明するための構成図である。

【図８】 請求項８に記載の記録ヘッドの一実施例を説
明するための構成図である。

【図９】 請求項９に記載の記録ヘッドの一実施例を説
明するための構成図である。

【図１０】 従来のオンデマンドマルチヘッドのインク
ジェット記録ヘッドの一例を説明するための図である。

【図１１】 従来のインクジェットヘッドの各種の構成
例を説明するための図である。

【符号の説明】

２０…Ｓｉ基板、２１…ヘッド筺体、２２…インク供給
口、２３…流体抵抗部、２４…インク加圧室、２５…ノ
ズル孔、２６…コモン電極（第１電極）、２７…データ
電極（第２電極）、２８…ＰＺＴ（誘電物質層）、２９
…ＩＣチップ、３０…信号電極、３１…コネクタ、３２
…共通インク室、３３…振動板、３５…接着剤、３６，
３６′…楔型の突起、４０…バンプ、４１…ＩＣ電極、
４２…ピン電極、４３…接着剤。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 記録体の流路の一部が振動部材により構
   成されている流路構成体と、前記振動部材を振動させる
   ための誘電物質層と、該誘電物質層を挟んで配設された
   第１及び第２の電極とから成り、該２つの電極間に電圧
   を印加した時にこれら電極の間隙に存在する前記誘電物
   質の起こす体積膨張による前記振動板の変位を用いる電
   歪アクチュエータの動作原理を用い、前記流路の可変容
   積に起因する流路内部の圧力増加により、記録体に運動
   エネルギーを与えて射出し、該記録体を記録媒体に付着
   させて記録する記録ヘッドにおいて、記録体を射出する
   ための複数のノズルと、該ノズルのそれぞれに配備され
   た加圧室と、該加圧室の少なくとも一方の壁を構成する
   振動板と、該加圧室に記録体を供給する各ノズルに共通
   の記録体室と、振動板に対向し、前記加圧室，流路，流
   体抵抗部，共通記録体室を記録体供給口とノズル孔を除
   いて密閉するヘッド筺体部とからなり、該ヘッド筺体部
   は射出成形，モールド成形もしくは押し出し成形により
   作製されるＰＥＴ，ＰＥ，ＰＣ，フッ素樹脂などの高分
   子プラスチックからなり、それ以外のノズル用溝，加圧
   室，流路，流体抵抗部，記録体室，振動板等は、一枚の
   接合部の無いＳｉ単結晶基板で構成されていることを特
   徴とする記録ヘッド。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の記録ヘッドにおいて、
   ノズル孔をヘッド筺体部に配備し、同時に筺体部が振動
   板の一端を固定し、且つ該ヘッド筺体部の両面に該振動
   板を含むＳｉ基板からなる複数のヘッド構成部材を接合
   してなることを特徴とする記録ヘッド。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の記録ヘッドにお
   いて、Ｓｉ基板に配備された電歪アクチュエータ用振動
   板は、加圧室側に位置し、記録体と接する面がＳｉＮ
   ｘ，アクチュエータ駆動用の第１の電極に接する面がＳ
   ｉＯｘでコーティングされていることを特徴とする記録
   ヘッド。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の記録ヘッドにおいて、
   前記振動板は、ＳｉＯｘ上に形成される第１の電極とし
   て、Ｐｔ，Ｗ，Ｔａ，Ｐｔ／Ｐｄ高融点金属もしくはそ
   れらの合金からなり、さらに加圧室に位置し、記録体に
   接する面のＳｉＮｘ上にはＡｕ，Ｐｔ，Ｍｏ，ＳＵＳの
   耐アルカリ性を有する金属もしくはそれらの合金がコー
   ティングされていることを特徴とする記録ヘッド。
5. 【請求項５】 請求項１又は２に記載の記録ヘッドにお
   いて、前記ヘッド筺体部は、該ヘッド筺体部の記録体面
   と接する面上で、且つＳｉ基板と接着されない部分は、
   Ａｕ，Ｐｔ，Ｍｏ，ＳＵＳの耐アルカリ性を有する金属
   もしくはそれらの合金でコーティングされていることを
   特徴とする記録ヘッド。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれかに記載の記録
   ヘッドにおいて、前記Ｓｉ単結晶基板に形成された流体
   抵抗部の終端からノズル直前までの容積部分を用いる記
   録体加圧室は、その幅が流体抵抗部終端で最も大きく、
   ノズル直前で最少となることを特徴とする記録ヘッド。
7. 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれかに記載の記録
   ヘッドにおいて、前記ノズルはＳｉ単結晶基板の水平方
   向で、且つ振動板の設けられる面と対向する面に近い部
   分に設けられ、該ノズルは一個の前記ヘッド筺体に２枚
   のＳｉ基板を対向するように配備される時には、対向す
   る加圧室同士が干渉しない筺体の厚みを隔てて最近接す
   る位置に設けられることを特徴とする記録ヘッド。
8. 【請求項８】 請求項１乃至７のいずれかに記載の記録
   ヘッドにおいて、流体抵抗部はＳｉ基板上に加圧室から
   の容積変化に伴う圧力の伝達を減少させるために、幅と
   高さとが記録体加圧室のそれらよりも小さく、かつその
   流れ方向の形状が直線を含み屈曲部をもち、且つその屈
   曲部は記録体の粘性流のその部分での渦の発生を防止す
   るために曲率を持ったことを特徴とする記録ヘッド。
9. 【請求項９】 請求項１乃至８のいずれかに記載の記録
   ヘッドにおいて、前記電歪アクチュエータを駆動するた
   めの第１及び第２の電極は、Ｓｉ基板上のアクチュエー
   タ後方から記録体供給口に至る部分に駆動ＩＣチップの
   ピン配列に対応して配線され、その終端にパッド部が配
   備されており、このパッド部に駆動ＩＣチップが実装さ
   れていることを特徴とする記録ヘッド。