JP2003182077A - インクジェットプリントヘッド及びその製造方法 - Google Patents

インクジェットプリントヘッド及びその製造方法

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JP2003182077A
JP2003182077A JP2001389811A JP2001389811A JP2003182077A JP 2003182077 A JP2003182077 A JP 2003182077A JP 2001389811 A JP2001389811 A JP 2001389811A JP 2001389811 A JP2001389811 A JP 2001389811A JP 2003182077 A JP2003182077 A JP 2003182077A
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single crystal
pressure
ink jet
print head
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Osamu Machida
治 町田
Katsunori Kawasumi
勝則 川澄
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Ricoh Printing Systems Ltd
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Hitachi Printing Solutions Inc
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液滴のばらつきが少なく長期信頼性に優れた
高密度のインクジェットヘッドを提供することを課題と
する。 【解決手段】 隔壁によって仕切られた複数の圧力室
と、これらの圧力室の一面を封止する振動板と、前記振
動板の外側に前記圧力室に対応して配置される島状突起
物と、前記島状突起物に対応して配置される圧力発生素
子と、前記圧力発生素子に対応して配置されるノズルを
有するノズルプレートと、から構成されるインクイジェ
ットプリントヘッドにおいて、前記島状突起物が酸化シ
リコン層の両面に単結晶シリコンを有するSOI基板の
一方の単結晶シリコン面を貫通して形成し、他方の単結
晶シリコン面に前記島状突起物に対応した位置に前記圧
力室がシリコン面を貫通して構成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、印字データの入力を受
けた時点で、インク滴を飛翔させ、このインク滴により
記録用紙にドットを形成させるオンデマンド方式のイン
クジェットヘッドとその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来技術のインクジェットヘッドにおい
ては、インク流路の形成方法として、あらかじめエッチ
ング等によってインク流路が形成された金属の薄板を複
数枚重ね合わせて接着する方法や、特公平2−4266
9号公報に見られるように、感光性樹脂の硬化膜を用い
て流路形成用の溝を形成したあとに、蓋板と接着あるい
は圧着してインク流路を形成する方法があった。
【0003】また高密度にインク流路を配置する方法と
してシリコン単結晶の異方性エッチングを利用してイン
ク流路を形成する方法が特開平6−55733号公報で
開示されている。この方法は、シリコン単結晶にホトリ
ソグラフィー技術及び湿式異方性エッチングを適用する
ことによって、インク流路を高精度に形成するためのイ
ンクジェットヘッドの製造方法が開示されている。
【0004】また、各ノズルから吐出されるインクの速
度バラツキを低減するために、圧力発生素子となる圧電
素子が接着される振動板に島状突起物を形成し、この島
状突起物に圧電素子を接着することにより、位置ズレを
吸収する発明が特許第3070625号公報で開示され
ている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の島
状突起物の加工方法は、金属で形成された振動板上にエ
レクトロフォーミングで島状突起物を形成されており、
ノズル間による突起物の高さや形状のばらつきが問題と
なっていた。
【0006】また上記問題を解決する方法として振動板
に樹脂フィルムと金属薄板の2層構造の材料を使用し、
金属薄板をウェットエッチングすることにより島状突起
物を形成する方法も考案されている。しかしながら、こ
の方法においても、振動板と島状突起物が接着剤で接着
されているため、長期間の振動に対する信頼性の問題を
有していた。
【0007】本発明はこのような問題に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、振動板の両側に位置
する島状突起物と圧力室を、SOI基板をドライエッチ
ング加工により形成し、ノズル間の形状バラツキを低減
し、また振動板と島状突起物及び圧力室を一体で形成す
ることにより、速度ばらつきが低減でき、更に長期信頼
性の高い印字品質に優れた高密度のインクジェットプリ
ントヘッドを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、隔壁によって仕切られた複数の圧力室
と、これらの圧力室の一面を封止する振動板と、前記振
動板の外側に前記圧力室に対応して配置される島状突起
物と、前記島状突起物に対応して配置される圧力発生素
子と、前記圧力発生素子に対応して配置されるノズルを
有するノズルプレートから構成されるインクイジェット
プリントヘッドにおいて、前記島状突起物が酸化シリコ
ン層の両面に単結晶シリコンを有するSOI基板の一方
の単結晶シリコン面を貫通して形成し、他方の単結晶シ
リコン面に前記島状突起物に対応した位置に前記圧力室
がシリコン面を貫通して構成したことを特徴としてい
る。
【0009】さらに前記振動板上の、前記島状突起物の
並び方向の貫通部長さが、他方の面に形成される前記圧
力室の並び方向の貫通部長がさよりも大きくしことを特
徴としている。
【0010】また、前記島状突起物と前記圧力室の側面
全てが、前記振動板に対して垂直に形成されていること
を特徴としている。
【0011】さらには、前記島状突起物と前記圧力室の
貫通加工がドライエッチング装置によって加工されるこ
とを特徴としている。
【0012】
【実施例】以下、本発明を図面を参照して説明する。図
1は、本発明のインクジェットプリントヘッドの分解斜
視図であって、圧力発生素子となる圧電素子が取付けら
れた圧電素子基板1、圧力発生素子によって発生した圧
力を島状突起物を界して伝える振動板2、インクを各ノ
ズルヘ供給するためのマニホールドとインクが加圧され
る圧力室さらにノズルと接続されるチャンバを有するチ
ャンバ基板3、及び複数のノズルを有するノズル基板4
からなり、各々が接着され、ヘッドホルダ15に取付け
られている。
【0013】ここで、ノズルの配列ピッチは100分の
1インチ、約254μmとし、1列に96個配置されて
いるが、ノズル数、列数、及びユニット構成はどのよう
な組み合わせでも限定されるものではない。
【0014】図2は圧力室5のインクの流れ方向に平行
な面で切断したヘッドの断面形状であり、9はノズル板
4内のノズル、6はマニホールド、7はリストリクタ、
8はチャンバ、13は振動板、10は島状突起物、11
は配列された圧力室5内のインクである。圧力発生素子
である積層圧電素子12は、充分な剛性のある固定基板
(図示されていない)に機械的に固定されており、積層
圧電素子12で発生した機械的エネルギーは振動板13
を介して圧力室5内のインクに伝えられる。
【0015】ここでインク吐出の原理を簡単に説明す
る。待機時には振動板13に撓みはないが、分極方向と
同極性の電圧を印加すると圧電効果により積層圧電素子
12は長さ方向(図面下方)に収縮し、振動板13は矢
印方向に変形変位する。その後、電圧印加を止めると積
層圧電素子12は元の位置に戻る方向に変位することに
より、マニホールド6から流入した圧力室5内のインク
11は振動板13で発生した圧力により、ノズル9から
吐出する。発生した圧力は等方的に力が加えられるが、
圧力室5に取付けられたリストリクタ7によって効率よ
くノズル9に側に伝えられる。
【0016】本発明のインクジェットヘッドの製造方法
を図3に基づいて説明する。振動板13はシリコン酸化
層の両側にシリコン単結晶が形成されたSOI基板を用
い、ドライエッチング法によって加工される。なお、異
方性ウェットエッチングと異なり使用するシリコン単結
晶基板の面方位は限定されないため、一般的に半導体な
どで使用される安価な(100)ウエハを用いることが
出来る。
【0017】また、チャンバ基板3は振動板13と熱膨
張係数を揃えるためにシリコン単結晶基板で製作するこ
とが望ましく、その加工方法はドライエッチング、異方
性エッチングのどちらでもかまわない。前記の方法で形
成されたチャンバ基板3に振動板13となるSOI基板
14を接合する。接合には接着剤を用いても良いが、接
着剤のはみだしなどにより振動板のコンプライアンスが
変化し、ノズル間のばらつきの原因になるため、望まし
くはSOI基板14またはチャンバ基板3にスパッタ法
などによりガラス薄膜を形成した後に陽極接合によりチ
ャンバ基板3と振動板材料のシリコン基板14を接合す
る。
【0018】はじめにSOI基板14の表面に熱酸化法
などで酸化シリコン膜15を形成し、島状突起物10の
形状に合せてフォトリソグラフィー法によりパターニン
グを行い、酸化シリコン膜15を完全に除去する。なお
酸化シリコン膜15のエッチングは、フッ酸とフッ化ア
ンモニウムの混合液によって行う。酸化シリコン膜15
の厚さTは、シリコン単結晶基板14のドライエッチン
グ時のエッチングレートをr1、酸化シリコン膜15の
エッチングレートをr2、島状突起物10の高さをt1
とすると T1=r2・(1−t1)/r1 以上の厚さが必要となる。(a) 次に、島状突起物部10のエッチングをドライエッチン
グによって行う。エッチング条件としては、エッチング
ガスとしてCF4、SF6ガスを交互に使用し、1分間
に4ミクロンのエッチングレートでエッチングを行う。
ここでCF4ガスは形成される島状突起物10の側面に
エッチングが進行しないように溝側面を保護するために
使用し、SF6ガスはシリコンウエハの垂直方向のエッ
チングを促進させるために使用するため、島状突起物1
0は基板に対して垂直な壁を形成できる。(b) 以上の工程によって島状突起物10が形成される。次に
形成された島状突起物10と対向する面に圧力室5及び
リストリクタ7の形状に合せてフォトリソグラフィー法
によりパターニングを行い、酸化シリコン膜15を完全
に除去する。(c) 次に、圧力室5及びリストリクタ7の形成をシリコン単
結晶が貫通するまでドライエッチングを行うことによ
り、圧力室及びリストリクタを形成する。(d) なお、ここで、第4図に示すように圧力室のノズルの並
び方向の幅を島状突起物の貫通部の幅よりも大きくする
ことによりパターニング時のズレによる振動板の面積ば
らつきを防ぐことが出来る。
【0019】次に、チャンバ基板3に振動板基板2及び
ノズル基板4を接着してインク流路が形成される。
(e) 本実施例では各基板を陽極接合で接合したが接着剤を用
いても良い。
【0020】上記の工程で製作された振動板13上の島
状突起物10のノズル間の寸法ばらつきは設計寸法に対
して±5%の精度で形成できた。一方、金属のウェット
エッチングで製作したものはノズル間の寸法ばらつきが
±15%であった。振動板の寸法ばらつきは振動板のコ
ンプライアンスのばらつきとなり、速度ばらつきに大き
く影響を与える。さらに本発明による島状突起部は、振
動板と一体構造であるため、変位量0.5ミクロンで2
0kHz、1000億パルスの駆動においても安定した
変位特性が見られた。
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、振動板上に、フォトリ
ソグラフィー法により精度の良い島状突起物の形成が可
能であり、また振動板の両面に位置する島状突起物と圧
力室の一部を一体で形成することが可能であり、高密
度、高精度化で長期信頼性に優れた高品質のインクジェ
ットプリントヘッドを実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例におけるインクジェットヘッド
の分解斜視図である。
【図2】本発明の実施例におけるインクジェットヘッド
の断面図である。
【図3】本発明の実施例におけるインクジェットヘッド
の製造工程を示す図である。
【図4】本発明の実施例におけるインクジェットヘッド
の振動板基板の列方向断面図である。
【符号の説明】
1は圧電素子基板、2は振動板基板、3はチャンバ基
板、4はノズル板、5は圧力室、6はマニホールド、7
はリストリクタ、8はチャンバ、9はノズル、10は島
状突起物、11はインク、12は積層圧電素子、13は
振動板、14はシリコン基板、15は酸化シリコン膜、
16はレジスト、17はヘッドホルダ、18はサポート
である。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】隔壁によって仕切られた複数の圧力室と、
    これらの圧力室の一面を封止する振動板と、前記振動板
    の外側に前記圧力室に対応して配置される島状突起物
    と、前記島状突起物に対応して配置される圧力発生素子
    と、前記圧力発生素子に対応して配置されるノズルを有
    するノズルプレートと、から構成されるインクイジェッ
    トプリントヘッドにおいて、前記島状突起物が酸化シリ
    コン層の両面に単結晶シリコンを有するSOI基板の一
    方の単結晶シリコン面を貫通して形成し、他方の単結晶
    シリコン面に前記島状突起物に対応した位置に前記圧力
    室がシリコン面を貫通して構成したことを特徴とするイ
    ンクジェットプリントヘッド。
  2. 【請求項2】前記振動板上の、前記島状突起物の並び方
    向の貫通部長さを、他方の面に形成される前記圧力室の
    並び方向の貫通部長がさより大きくしたことを特徴とす
    る請求項1記載のインクジェットプリントヘッド。
  3. 【請求項3】前記島状突起物と前記圧力室の側面全て
    が、前記振動板に対して垂直に形成されていることを特
    徴とする請求項1記載のインクジェトプリントヘッド。
  4. 【請求項4】隔壁によって仕切られた複数の圧力室と、
    これらの圧力室の一面を封止する振動板と、前記振動板
    の外側に前記圧力室に対応して配置される島状突起物
    と、前記島状突起物に対応して配置される圧力発生素子
    と、前記圧力発生素子に対応して配置されるノズルを有
    するノズルプレートから構成されるインクイジェットプ
    リントヘッドにおいて、前記島状突起物が酸化シリコン
    層の両面に単結晶シリコンを有するSOI基板の一方の
    単結晶シリコン面を貫通して形成し、他方の単結晶シリ
    コン面に前記圧力室に対応した位置に前記島状突起物が
    シリコン面を貫通して構成したことを特徴とするインク
    ジェットプリントヘッドの製造方法。
  5. 【請求項5】前記島状突起物と前記圧力室の貫通加工が
    ドライエッチング装置によって加工されることを特徴と
    する請求項4記載のインクジェットプリントヘッドの製
    造方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006175765A (ja) * 2004-12-24 2006-07-06 Ricoh Printing Systems Ltd シリコン部材の陽極接合法及びこれを用いたインクジェットヘッド製造方法並びにインクジェットヘッド及びこれを用いたインクジェット記録装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006175765A (ja) * 2004-12-24 2006-07-06 Ricoh Printing Systems Ltd シリコン部材の陽極接合法及びこれを用いたインクジェットヘッド製造方法並びにインクジェットヘッド及びこれを用いたインクジェット記録装置
JP4654458B2 (ja) * 2004-12-24 2011-03-23 リコープリンティングシステムズ株式会社 シリコン部材の陽極接合法及びこれを用いたインクジェットヘッド製造方法並びにインクジェットヘッド及びこれを用いたインクジェット記録装置

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