JPH11165412A

JPH11165412A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JPH11165412A
Application number: JP34998597A
Authority: JP
Inventors: Yukito Sato; 幸人佐藤; Koichi Otaka; 剛一大高
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1997-12-04
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 1999-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】安定で均一なインクジェットヘッドを提供す
ると共に、その製造上の工程マージンを広げ、歩留まり
の向上、コストの低減を図る。【解決手段】振動板１５と、該振動板１５に対向して
設けられた個別電極２２を有し、振動板１５と個別電極
２２の間に駆動電圧を印加し、振動板１５を静電力によ
り変形させ、ノズル１４からインク液滴を吐出する。４
辺を固定された長方形の振動板１５が電極２２との間の
静電引力でたわむ際、振動板の長辺方向に沿って伸びて
いる凹部１９が他の振動板部分よりも板厚が薄いため、
振動板の変位が大きくなる。そのため、同じインク吐出
量、すなわち同じ振動板の変位を得ようとしたときに要
する駆動電圧を低く設定することができ、電源と駆動回
路のコストを下げることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェットヘ
ッド、より詳細には、オンデマンド型のインクジェット
ヘッドのうちで、振動板を静電引力によって駆動するこ
とによりインク液滴を吐出する静電型インクジェットヘ
ッドに関するものであるが、シリコン微細加工技術、静
電アクチューエータ、マイクロポンプ等にも利用可能な
ものである。

【０００２】

【従来の技術】インク液滴をノズルから直接記録媒体上
に噴射して記録するインクジェットプリンタにおいて、
必要な時のみインクを吐出するオンデマンド方式のイン
クジェットプリンタは、インクを回収するための機構が
不要なため、低価格化、小型化が可能であり、カラー化
にも容易に対応できる特徴を有する。

【０００３】そのなかでもパーソナルプリンタとしての
主流は、ピエゾ素子の変位によりインク室に圧力波を発
生させ、ノズルよりインクを吐出させる電気機械変換方
式と、短時間で高温まで加熱されるヒータによりインク
室に気泡を発生させ、該気泡の体積膨張によりインクを
吐出させる電気熱変換式の２種である。

【０００４】一方、静電方式のインクジェットヘッドに
ついては、ウエハプロセスでの作製が可能であることか
ら、高密度化が容易で、かつ特性の安定した素子を大量
に作製でき、また、平面構造を基本とすることから、小
型化が容易である長所をもつため、特開平２−２８９３
５１号公報、特開平５−５０６０１号公報、特開平６−
７１８８２号公報等により多くの構造が開示されてい
る。これらの静電方式のインクジェットヘッドでは、液
室の底面を構成する振動板の対向する位置に平行平板電
極が形成され、静電引力と振動板の剛性による振動でイ
ンクを吸引、吐出する。

【０００５】インクジェットヘッドで高速、高画質印字
するためにはノズルの高密度化が必要不可欠である。ピ
エゾ素子や静電引力により振動板を駆動するインクジェ
ットヘッドにおいて、ノズルピッチを狭くして高密度化
するためには、個々の振動板におけるノズルピッチ方向
の短辺長を短くする必要がある。ここで、次の（１）式
より静電引力による振動板の変位量δは振動板の短辺長
ａの４乗に比例することから、高密度化を目的として振
動板の短辺長ａを短くすると変位量δは著しく小さくな
る。したがって、必要とするインク液滴の吐出量を確保
するためには（１）式、（２）式より、振動板の厚さｈ
を薄くするか、電極間距離ｔを狭くするか、あるいは駆
動電圧Ｖを大きくすることが必要となってくる。

【０００６】

【数１】

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前２者（振動板の厚さ
及び電極間距離）については加工精度等、製法上での制
約から最小値がきまってくる。したがって、高密度化を
目的として振動板短辺長を短くした場合、最小限の振動
板厚、電極間距離にしたうえで、必要とする振動板の変
位量を確保するためには、駆動電圧の設定にたよらざる
を得ず、このときの電圧設定値が高い場合、電源、駆動
回路のコストが高くなってしまうといった問題点があっ
た。

【０００８】上記静電型振動板の駆動電圧を低く押さえ
る方法として、本出願人は、先に、４辺を固定された長
方形の振動板がその中に振動板の長辺方向に沿って伸び
ているヒンジ機能をもつ凸部を形成することについて提
案した（特願平８−３３５４８１号）。而して、上記本
願人が先に提案した振動板においては、４辺を固定され
た長方形の振動板が電極との間の静電引力にてたわむ
際、その中の振動板の長辺方向に沿って伸びているヒン
ジ機能をもつ凸部がひらく方向に変形するため、振動板
の変形に要する静電引力が凸部がない場合と比較して小
さくなる。更に、４辺を固定された長方形の振動板の長
辺方向に沿って伸びているヒンジ機能をもつ凸部が最も
振動板のたわみによる変位が大きい長辺方向の中心線付
近に形成されている場合には、凸部の開く方向への変形
量が大きく、振動板の変形に要する静電引力がそれ以外
の位置にある場合よりも小さい。

【０００９】本発明は、上述のごとき、振動板の中にそ
の長辺方向に沿って伸びているヒンジ機能を有するイン
クジェットヘッドに対して、より簡単な構造で同様の機
能をもち、かつ、より低コストで作成可能なインクジェ
ット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。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、イン
ク液滴を吐出するためのノズルを有する液室の一部に振
動板を有するとともに、前記液室の外側の前記振動板に
対向する位置に電極を有し、前記振動板と電極の間に電
圧を印加したときの静電引力によって前記振動板を駆動
して前記液室内のインクを噴射するインクジェットヘッ
ドにおいて、前記振動板の中に該振動板の長辺方向に沿
って伸びている凹部を有することを特徴とし、もって、
振動板の長辺方向に沿って伸びかつ他の振動板部分より
も板厚が薄い凹部を設けることにより、４辺を固定され
た長方形の振動板が電極との間の静電引力でたわむ際、
振動板の変位を大きくするようにしたものである。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記振動板の中の長辺方向に沿って伸びている前記
凹部が、前記振動板の中心線付近に形成されていること
を特徴とし、もって、４辺を固定された長方形の振動板
の長辺方向に沿って伸びている凹部を、振動板のたわみ
による変位が最も大きい長辺方向の中心線付近に形成す
ることにより、凹部の板厚が最も効果的にはたらいて振
動板の変位を大きくし、また、振動板の動きを凹部の左
右で対称として安定した動作を可能としたものである。

【００１２】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記振動板の中の長辺方向に沿って伸びている前記
凹部が、前記液室側に形成されていることを特徴とし、
もって、振動板の中の長辺方向に沿って伸びている凹部
を、液室側に形成することにより、振動しているときの
液体がこの凹部に沿ってスムーズに移動するようにし、
振動板の高速動作を可能としたものである。

【００１３】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記振動板の中の長辺方向に沿って伸びている前記
凹部が、なめらかな曲線形状であることを特徴とし、も
って、振動板の中の長辺方向に沿って伸びている凹部
を、なめらかな曲線形状とすることにより、角部への応
力の集中をなくし、振動板が疲労破壊しにくくし、ま
た、電圧印加時の電荷の集中をなくして絶縁破壊しにく
くしたものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明が適用されるイン
クジェットヘッドの一例を説明するための要部構成図
で、図１（Ａ）は側断面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の
ノズル基板１３を取り除いた平面図で、本インクジェッ
トヘッドは大きく分けて、振動板及び液室基板１１、電
極基板１２、ノズル基板１３の３つの基板から構成され
ている。振動板及び液室基板１１を構成するＳｉ基板に
は個々のノズル１４に対応して、静電引力によって駆動
する振動板１５を備えた個別液室１６と、該個別液室へ
インクを供給するための共通液室１７が形成され、両者
は流路１８によって連通されている。

【００１５】図２は、図１に示したインクジェットヘッ
ドの要部拡大構成図で、図２（Ａ）は正面断面図、図２
（Ｂ）は振動板の拡大平面図で、図示のように、振動板
１５の中央線上にはヒンジ機能を有する凹部１９が形成
されている。また、共通液室１７の底面には、図１に示
したように、インク供給用の流路２０が形成されてい
る。振動板及び液室基板１１の下側には電極基板１２と
して、静電駆動のためのギャップ２１、及び、振動板１
５に対向する対向電極２２、さらに共通液室１７へイン
クを供給するための流路２３が形成されたガラス基板１
２が接合されている。なお、対向電極２２の表面には、
該電極２２と振動板１５のショートを避けるためのパッ
シベーション膜２４が形成されている。また、振動板及
び液室基板１１の上側には、ノズル基板１３としてイン
ク吐出のためのノズル１４が形成されたガラス基板１３
が接合されている。

【００１６】次に、本発明のインクジェットヘッドの作
製プロセスについて説明する。振動板及び液室基板１１
としては（１００）又は（１１０）Ｓｉ基板を使用し、
個別液室１６、共通液室１７、流路１８をＫＯＨ溶液、
ＴＭＡＨ、ＥＰＷ、ヒトラジン等を用いた異方性エッチ
ングにより形成する。ここで、振動板１５を有する個別
液室１６の形成では、異方性エッチングを設定された振
動板の厚さで精度よく停止することが必要であり、その
ためにボロン原子の高濃度拡散層によるエッチストップ
や、リン拡散層の陽極酸化による電気化学エッチストッ
プを用いることが効果的である（なお、エッチングの終
点をモニタできるようなホール等の工夫をデバイスに影
響のない部分に形成しておいてもよい）。ここで、個別
液室１６と共通液室１７を連通する流路１８の形状につ
いては、振動板の駆動によるインクの供給と吐出のため
の流体抵抗を考慮することが必要である。振動板１５の
中央線上のヒンジ機能を有する凹部１９については、エ
ッチストップのための拡散工程に先行して中央線上をＫ
ＯＨ溶液、ＴＭＡＨ、ＥＰＷ、ヒトラジン等を用いた裏
面より異方性エッチングすることにより所望の形状を得
ることができる。

【００１７】図３は、前記凹部１９を有する振動板１５
を形成するプロセスを説明するための図で、ｎ型シリコ
ン基板を準備し（図３（Ａ））、振動板として必要な厚
さに相当する深さまでボロン原子を１×１０²⁰／ｃｍ³
以上の濃度で拡散する（図３（Ｂ））、Ｓｉ基板を熱酸
化してＳｉＯ₂膜を形成し（図３（Ｃ））、基板におい
て振動板の凹部を形成する部分のＳｉＯ₂をエッチング
除去し（図３（Ｄ））、その部分のＳｉを等方性エッチ
ングする（図３（Ｅ））、次に、振動板を形成する領域
の表面のＳｉＯ₂をエッチング除去し（図３（Ｆ））、
ＫＯＨ溶液でＳｉを表面から異方性エッチングする（図
３（Ｇ））。その後、表面、裏面のＳｉＯ₂をエッチン
グ除去する（図３（Ｈ））。異方性エッチングはボロン
原子の高濃度ドープ層で停止し、所望の厚さでかつ凹部
１９をもった振動板が得られる。

【００１８】電極基板１２としては、パイレックスガラ
ス基板を用いる。ここに振動板１５との間に静電引力を
働かせるためのギャップ２１を形成するための凹部をエ
ッチングにより形成する。ギャップの間隔は狭いほど静
電引力が強く働くため、振動板の駆動電圧を低く設定で
きることから、ここでは０．５μｍとした。なお、ここ
ではガラス基板に凹部を形成することによりギャップを
形成したが、振動板を基板底面から異方性エッチングで
底上げすることにより凹部を形成してもよい。次に、振
動板１５とギャップ２１を介して対向する凹部に電極２
２としてＰｔ膜をスパッタ法で成膜する。この際、ガラ
スとの密着性を高めるため下地にＴｉをあらかじめスパ
ッタ法で成膜しておく。次に、電極表面にパッシベーシ
ョン膜２４としてＳｉＯ₂膜をスパッタ法で形成する
（この際、電極全面を覆うのではなく、ショート防止に
有効な部分のみを島状に残し一部をエッチング除去して
もよい）。

【００１９】ノズル基板１３としては、パイレックスガ
ラスを用いる。ここでのノズル１４の形成は放電加工あ
るいはエッチング等の手法を用いることができる。

【００２０】以上のプロセスで作製したそれぞれの基板
を陽極接合により組み立てる。陽極接合はＳｉとパイレ
ックスガラス基板を、加熱と静電引力により接着剤等を
介在することなく十分な強度に接合できることから、接
合後のギャップを精度よく形成することができる。ここ
では、まず、振動板と電極が所望のギャップを保持する
ように３４０℃、５００Ｖの条件下で陽極接合した後、
さらにそれらとノズル基板を同条件下で陽極接合した。
Ｓｉ基板を両側からガラス基板で同条件下で陽極接合す
ることで、接合後のＳｉ基板の反りによるギャップの変
形を最小限とすることができる。

【００２１】上述のようなインクジェットヘッドにおい
て、振動板１５と電極２２の間に電圧を印加し一定周波
数で駆動した。電圧を印加したとき振動板と電極間に静
電引力が働き、振動板は電極方向に引かれた。ここで、
４辺を固定された長方形の振動板の中央線上に、振動板
の長辺方向に沿って伸びているヒンジ機能をもつ凹部１
９を有するため、振動板が静電引力でたわむ際、その中
央線上の凹部１９がヒンジのように機能し、ひらく方向
に変化するため、振動板のたわみに要する静電引力が凹
部がない場合と比較して小さかった。このとき液室は負
圧となりインク供給のための流路１８を経て共通液室１
７から個別液室１６へとインクが供給された。電圧を切
ると振動板はＳｉの剛性によりもとの位置へと戻り、こ
のとき個別液室は加圧されノズルを経て記録紙上へとイ
ンクが吐出された。

【００２２】図４は、本発明の第２の実施例として形成
した振動板１５の凹部１９の横断面形状を示す図で、こ
のような動断面形状がなめらかな凹部１９は、図３に示
した工程の後に、シリコン表面側をフッ素系の樹脂等で
被服したあと振動板の形成されている裏面をふっ硝酸で
等方性エッチングすることで容易に形成することが可能
である。このようにして形成した凹部１９をもつ振動板
１５は、通常の（例えば、図２に示した形状の）凹部１
９の場合と比較して絶縁破壊する電圧が高く、大きな変
位までの振動板の駆動ができた。

【００２３】図５は、本発明の第３の実施例として振動
板の凹部の形成工程を示す図で、ｎ型シリコン基板を基
準し（図５（Ａ））、振動板として必要な厚さに相当す
る深さまでボロン原子を１×１０²⁰／ｃｍ³以上の濃度
で拡散する（図５（Ｂ））。つぎに、このシリコン基板
を電極２２の形成されたガラス基板と陽極接合し（図５
（Ｃ））、振動板を残してシリコン基板をエッチング除
去する（図５（Ｄ））。次に、振動板の凹部を形成する
部分のＳｉをレジストマスクで等方性エッチングし（図
５（Ｅ），（Ｆ））、レジストを除去した後（図５
（Ｇ））、最後に液室基板を接合する（図５（Ｈ））。
異方性エッチングはＢの高濃度ドープ層で停止し、所望
の厚さでかつ凹部１９をもった振動板が得られる（図５
（Ｈ））。このようにして形成した液室側に凹部１９を
もつ振動板は、液体を満した状態では通常の電極側に凹
部をもつ振動板よりも高い周波数で駆動することができ
た。

【００２４】

【発明の効果】請求項１のインクジェットヘッドによる
と、４辺を固定された長方形の振動板が電極との間の静
電引力でたわむ際、その中の振動板の長辺方向に沿って
伸びている凹部が他の振動板部分よりも板厚が薄いた
め、振動板の変位が大きくなる。そのため、同じインク
吐出量、すなわち同じ振動板の変位を得ようとしたとき
に要する駆動電圧を低く設定することができ、電源と駆
動回路のコストを下げることができる。

【００２５】請求項２のインクジェットヘッドによる
と、４辺を固定された長方形の振動板の長辺方向に沿っ
て伸びている凹部が、最も振動板のたわみによる変位が
大きい長辺方向の中心線付近に形成されているため、凹
部の板厚が効果的にはたらき振動板の変位が大きくな
る。また、振動板の動きが凹部の左右で対称となるため
安定した動作が可能となる。そのため、同じインク吐出
量、すなわち同じ振動板の変位を得ようとしたときに要
する駆動電圧をより低く設定することができ、電源と駆
動回路のコストを下げることができるばかりでなく、吐
出する液滴の体積、形状が一定となる。

【００２６】請求項３のインクジェットヘッドによる
と、振動板の中の長辺方向に沿って伸びている凹部が、
液室側に形成されているため、振動しているときの液体
がこの凹部に沿ってスムーズに移動するため、振動板の
高速動作が可能となる。そのため、液滴の高速吐出が可
能となり印字速度をあげることができる。

【００２７】請求項４のインクジェットヘッドによる
と、振動板の中の長辺方向に沿って伸びている凹部が、
なめらかな曲線形状をしているため角部への応力の集中
がなく、振動板が疲労破壊しにくくなる。また、電圧印
加時の電荷の集中がないため絶縁破壊しにくくなる。そ
のため、大きな変位までの振動板の駆動ができ、変位の
可変範囲、すなわち吐出する液滴の体積の可変範囲がひ
ろがり、多くの印字画質に対応することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されるインクジェットヘッドの
一例を説明するための側断面図、及び、ノズル基板を取
り除いた平面図である。

【図２】図１に示したインクジェットヘッドの正面断
面図、及び、振動板部の平面図である。

【図３】凹部を有する振動板を形成するプロセスを説
明するための図である。

【図４】振動板の凹部の形状の一例を示す図である。

【図５】凹部を有する他の振動板を形成するプロセス
を説明するための図である。

【符号の説明】

１１…振動板及び液室基板、１２…電極基板、１３…ノ
ズル基板、１４…ノズル、１５…振動板、１６…個別液
室、１７…共通液室、１８…流路、１９…凹部（ヒンジ
機能）、２０…流路、２１…ギャップ、２２…電極、２
３…流路、２４…パッシベーション膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インク液滴を吐出するためのノズルを有
する液室の一部に振動板を有するとともに、前記液室の
外側の前記振動板に対向する位置に電極を有し、前記振
動板と電極の間に電圧を印加したときの静電引力によっ
て前記振動板を駆動して前記液室内のインクを噴射する
インクジェットヘッドにおいて、前記振動板に該振動板
の長辺方向に沿って伸びている凹部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２】請求項１記載のインクジェットヘッドに
おいて、前記振動板の長辺方向に沿って伸びている前記
凹部が、前記振動板の中心線付近に形成されていること
を特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項３】請求項１記載のインクジェットヘッドに
おいて、前記振動板の長辺方向に沿って伸びている前記
凹部が、前記液室側に形成さ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】請求項１記載のインクジェットヘッドに
おいて、前記振動板の長辺方向に沿って伸びている前記
凹部の横断面形状が、なめらかな曲線形状であることを
特徴とするインクジェットヘッド。