JP2005104004A - Liquid jet head and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、溶媒中に帯電粒子を分散させた溶液を静電気力により吐出させる液体吐出ヘッド及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a liquid discharge head that discharges a solution in which charged particles are dispersed in a solvent by electrostatic force, and a method for manufacturing the same.
今日、インクを加熱してインクに発生した気泡の膨張力でインク滴を吐出させるサーマルタイプのインクジェットヘッドや、圧電素子によりインクに圧力を与えてインク滴を吐出させるピエゾタイプのインクジェットヘッドが提案されている。サーマルタイプのインクジェットヘッドはインクを部分的に３００℃以上に加熱するためインクの材質が限定されるという問題があり、またピエゾタイプのインクジェットヘッドは構造が複雑でコストが高いといった問題がある。これらの問題を解決するインクジェットヘッドとして帯電粒子を分散させた溶液を静電気力により吐出させる液体吐出ヘッドが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４）。
Today, thermal-type inkjet heads that heat ink and eject ink droplets with the expansion force of bubbles generated in the ink, and piezo-type inkjet heads that eject ink droplets by applying pressure to the ink with piezoelectric elements are proposed. ing. The thermal type inkjet head has a problem that the ink material is limited because the ink is partially heated to 300 ° C. or more, and the piezo type inkjet head has a problem that the structure is complicated and the cost is high. As an ink jet head for solving these problems, liquid discharge heads that discharge a solution in which charged particles are dispersed by electrostatic force have been proposed (for example,
図８は、上記特許文献１に開示のインクジェット記録装置のインクジェットヘッドの概略構成の一例を模式的に表す概念図である。同図に示すインクジェットヘッド１００は、上記特許文献１に開示のインクジェットヘッドを構成する１つの吐出手段となる個別電極のみを概念的に表したものであり、ヘッド基板１０２と、インクガイド１０４と、絶縁性基板１０６と、吐出電極１０８と、記録媒体Ｐを支持する対向電極１１０と、バイアス電圧源１１２と、信号電圧源１１４とを備えている。
FIG. 8 is a conceptual diagram schematically illustrating an example of a schematic configuration of the inkjet head of the inkjet recording apparatus disclosed in
ここで、インクガイド１０４は、先端部分１０４ａが突状の所定厚みを持つ樹脂製平板からなり、ヘッド基板１０２の上に配置されている。また、絶縁性基板１０６には、インクガイド１０４の配置に対応する位置に貫通孔１１６が開孔されている。インクガイド１０４は、絶縁性基板１０６に開孔された貫通孔１１６を通過し、その先端部分１０４ａが絶縁性基板１０６の図中上側の表面、すなわち記録媒体Ｐ側の表面よりも上部に突出している。また、ヘッド基板１０２と絶縁性基板１０６とは、所定の間隔離間して配置されており、両者の間にはインクＱの流路１１８が形成されている。
Here, the
また、吐出電極１０８は、絶縁性基板１０６に開孔された貫通孔１１６の周囲を囲むように、絶縁性基板１０６の図中上側の面の表面に、個別電極毎にリング状に設けられている。吐出電極１０８は、画像デ−タや印字データ等の吐出データ（吐出信号）に応じたパルス信号を発生する信号電圧源１１４に接続され、信号電圧源１１４は、バイアス電圧源１１２を介して接地されている。また、対向電極１１０は、インクガイド１０４の先端部分１０４ａに対向する位置に配置され、接地されている。また、記録媒体Ｐは、対向電極１１０の図中下側の表面、すなわちインクガイド１０４側の表面に配置されており、対向電極１１０は、記録媒体Ｐのプラテンとして機能する。
Further, the
このように構成されるインクジェットヘッド１００は、記録時には、図示されていないインク循環機構によって、吐出電極１０８に印加される電圧と同極性に帯電した微粒子成分を含むインクが、所定方向、図示例ではインク流路１１８内を右側から左側へ向かって循環されるとともに、インク流路１１８内のインクＱの一部は、毛細管現象などによって絶縁性基板１０６の貫通孔１１６を通って、インクガイド１０４の先端部分１０４ａに供給される。
In the
ここで、吐出電極１０８には、バイアス電圧源１１２によって常時所定の高電圧、例えばＤＣ１．５ｋＶの電圧が印加されている。この状態では、インクガイド１０４の先端部分１０４ａ近傍の電界強度が低く、先端部分１０４ａに供給されたインクＱはインクガイド１０４の先端部分１０４ａからは飛び出さないが、インク流路１１８内のインクＱの一部、特に帯電した微粒子成分は、さらに、絶縁性基板１０６の貫通孔１１６を通って、絶縁性基板１０６の図中上側の表面よりも上方まで上昇し、インクガイド１０４の先端部分１０４ａに凝集する。
Here, a predetermined high voltage, for example, a voltage of DC 1.5 kV, is always applied to the
一方、バイアス電圧源１１２によって高電圧（ＤＣ１．５ｋＶ）にバイアスされている吐出電極１０８に、信号電圧源１１４からパルス電圧、例えば、ＤＣ５００Ｖ（ＯＮ時；０Ｖ：ＯＦＦ時）が印加されると、吐出電極１０８には両高電圧が重畳され、例えば２ｋＶが印加されることになる。その結果、インクＱ、特にインクＱ中の帯電微粒子成分は、さらにインクガイド１４に沿って上昇し、その先端部分１０４ａに凝集する。こうして、インクガイド１４の先端部分１０４ａに凝集した帯電微粒子成分を含むインクＱは、静電力によってその先端部分１０４ａから飛び出し、接地されている対向電極１１０に引っ張られて記録媒体Ｐ上に付着し、帯電微粒子成分によってドットが形成される。
こうして、インクジェットヘッド１００と対向電極１１０上に支持された記録媒体Ｐとを相対的に移動させながら帯電微粒子成分のドットによって記録を行うことにより、記録媒体Ｐに、画像データに対応する画像が記録される。
On the other hand, when a pulse voltage, for example, DC 500 V (ON: 0 V: OFF) is applied from the
In this way, recording is performed with dots of charged fine particle components while relatively moving the
また、下記特許文献２に開示するインクジェットヘッドにおいてもインクガイド部材である突起板に沿ってインクを流すことによって、突起板の突起にメニスカスを形成させている。この突起板は成型したアルミナ製電極ベースの先端を研磨することにより尖らせたものである。
Also, in the inkjet head disclosed in
また、下記特許文献３は、インク滴の吐出方向と略垂直な方向に流れるインク層の表面から、先鋭部を有するインクガイド部材を突出させ、インク層から先鋭部の先端までインクを案内する案内溝をインクガイド部材に設け、インクガイド部材の先端から静電気力を利用してインク滴を吐出するインクジェットヘッドを開示している。このインクガイド部材はプラスティック樹脂の成型によって形成されたものである。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-259561 discloses a guide that guides ink from the ink layer to the tip of the sharpened portion by protruding an ink guide member having a sharpened portion from the surface of the ink layer that flows in a direction substantially perpendicular to the ink droplet ejection direction. An ink jet head is disclosed in which a groove is provided in an ink guide member and ink droplets are ejected from the tip of the ink guide member using electrostatic force. This ink guide member is formed by molding a plastic resin.
また、下記特許文献４では、インクガイド部材を設けず、インク供給路から流出するインクの圧力とインクの表面張力によってインク流出口に略半球状のメニスカスを形成し静電気力を利用してインク滴を吐出するインクジェットヘッドを開示している。 Further, in Patent Document 4 below, an ink guide member is not provided, and a substantially hemispherical meniscus is formed at the ink outlet by the pressure of the ink flowing out from the ink supply path and the surface tension of the ink. An ink jet head that discharges ink is disclosed.
このような静電気力により記録液であるインクを吐出させるインクジェットヘッドにおいて、小さなインク滴を吐出するには、インク滴吐出位置となるインクガイド部材の先端に形成されるメニスカスをなるべく微細に形成する必要がある。また安定した大きさ・形状の液滴を吐出するためには、このメニスカスの形状をなるべく一定に保つことが必要である。また、高い吐出周波数で、安定した形状・大きさのインク滴を吐出するには、インク滴の吐出により減少したインクをインク吐出位置に高速に供給し、インク吐出後のメニスカスの形状を素早くインク吐出前の状態に回復させる必要がある。また、高密度高精細に安定して液体を吐出するためには、インク滴吐出位置となるインクガイド部材の端に設けられる先鋭部を高密度且つ高精細に形成する必要がある。 In order to eject small ink droplets in an ink jet head that ejects ink, which is a recording liquid, by such electrostatic force, it is necessary to form a meniscus as fine as possible at the tip of the ink guide member that is the ink droplet ejection position. There is. In order to discharge droplets having a stable size and shape, it is necessary to keep the meniscus shape as constant as possible. In addition, in order to eject ink droplets with a stable shape and size at a high ejection frequency, the ink reduced by ejecting the ink droplets is supplied to the ink ejection position at high speed, and the shape of the meniscus after ink ejection is quickly ink-filled. It is necessary to restore the state before discharge. In addition, in order to stably discharge liquid with high density and high definition, it is necessary to form a sharp portion provided at the end of the ink guide member at the ink droplet discharge position with high density and high definition.
しかし、特許文献２記載のインクジェットヘッドでは、インクガイド部材である突起板に沿って先鋭部に向けてインクを流し、先端にインクのメニスカスを形成させているため、インクの供給圧力の変動によってメニスカスが大きく変動し、インク滴を安定した大きさ、位置精度で吐出させることができないといった問題があった。
However, in the ink-jet head described in
また特許文献２で開示される、アルミナ製電極ベースを研磨により先端を尖らせたインクガイド部材である突起板の製造方法では、突起板の先鋭形状の精度に限界があり、また工数も多くかかるといった問題があった。
Further, in the method for manufacturing a protruding plate, which is an ink guide member having a sharpened tip by polishing an alumina electrode base, disclosed in
また、インク案内溝を上昇したインクによってインク滴吐出位置となる先鋭部の先端にメニスカスを形成させる特許文献３に開示されるインクジェットヘッドでは、毛細管現象によってインクを先鋭部に上昇させる。このため、インクの供給に時間がかかり、安定した大きさ及び色材成分濃度のインク滴を高い吐出周波数で連続して吐出することができないといった問題があった。 Further, in the ink jet head disclosed in Patent Document 3 in which a meniscus is formed at the tip of the sharpened portion that becomes the ink droplet discharge position by the ink that has moved up the ink guide groove, the ink is raised to the sharpened portion by capillary action. For this reason, there is a problem that it takes time to supply ink and ink droplets having a stable size and color material component concentration cannot be continuously ejected at a high ejection frequency.
また、従来のプラスティック樹脂の成型によるインクガイド部材の製造方法は、型からプラスティック樹脂を抜き取る際に、プラスティックが型から抜けずに断裂してしまい、所望の形状のインクガイド部材が得られないといった不具合が生じる。このような不具合は、高精度に先鋭なインクガイド部材を作製する場合には極めて深刻な問題である。またこの方法では、成型された複数のインクガイド部材を基板上に位置精度を高くして配列する必要があるが、インクガイド部材の配置位置の精度を高めることは限界があり、また、配列の為の工程数も増加するといった問題があった。 In addition, the conventional method for producing an ink guide member by molding a plastic resin is such that when the plastic resin is extracted from the mold, the plastic tears without being removed from the mold, and an ink guide member having a desired shape cannot be obtained. A malfunction occurs. Such a problem is a very serious problem when a sharp ink guide member is produced with high accuracy. In this method, it is necessary to arrange a plurality of molded ink guide members with high positional accuracy on the substrate. However, there is a limit to increasing the accuracy of the arrangement position of the ink guide members. There was a problem that the number of processes for the increase also increased.
また、インクガイド部材を設けず、インク流出口から流出するインクの圧力とインクの表面張力とによって、インク流出口に略半球状のメニスカスを形成する特許文献４に開示されるインクジェットヘッドでは、微細なメニスカスを形成するためにはインク流出口を小さくする必要がある。しかし、インクの目詰まりを防止するという観点からは、インク流出口の大きさをある程度以下にすることはできない。また、流出するインクの圧力の変動によってメニスカスの形状が大きく変動してしまう。これらの理由により微細なインク滴を安定して吐出することができないといった問題があった。 In addition, in the ink jet head disclosed in Patent Document 4 in which an ink guide member is not provided and a substantially hemispherical meniscus is formed at the ink outlet by the pressure of the ink flowing out from the ink outlet and the surface tension of the ink, In order to form a simple meniscus, it is necessary to make the ink outlet small. However, from the standpoint of preventing ink clogging, the size of the ink outlet cannot be reduced to a certain extent. In addition, the shape of the meniscus greatly fluctuates due to fluctuations in the pressure of the ink that flows out. For these reasons, there has been a problem that fine ink droplets cannot be stably ejected.
本発明は、上記の問題を解決すべくなされたものであり、溶液を静電気力で液滴として吐出させる液体吐出ヘッドであって、従来に比べて微小な径の液滴を高密度に吐出可能で、しかも高周波で安定して吐出させることのできる液体吐出ヘッドと、この液体吐出ヘッドを高精度に高い生産性で作製できる液体吐出ヘッド製造方法とを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a liquid discharge head that discharges a solution as droplets by electrostatic force, and can discharge droplets with a smaller diameter than conventional ones at higher density. An object of the present invention is to provide a liquid discharge head capable of stably discharging at high frequency and a liquid discharge head manufacturing method capable of manufacturing the liquid discharge head with high accuracy and high productivity.
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、静電力を利用して帯電粒子を含む溶液を記録媒体に吐出する液体吐出ヘッドであって、
ヘッド基板と、
前記ヘッド基板上に位置し、前記溶液が吐出される吐出孔が形成された絶縁基板と、
前記ヘッド基板上に形成され、先端部分が前記絶縁基板の吐出孔から突出する溶液ガイド部材とを備え、
前記溶液ガイド部材の先端部分に、前記溶液の吐出を制御するための電圧が印加される電極が形成されており、
前記ヘッド基板に、厚さ方向に貫通する貫通孔と、前記吐出孔に流入した溶液を回収するための回収溝とが形成されており、前記貫通孔と前記吐出孔とが連通し、前記回収溝と前記絶縁基板とによって画成される空間と前記吐出孔とが連通していることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供するものである。
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a liquid discharge head that discharges a solution containing charged particles to a recording medium using electrostatic force,
A head substrate;
An insulating substrate located on the head substrate and having discharge holes for discharging the solution;
A solution guide member formed on the head substrate and having a tip portion protruding from a discharge hole of the insulating substrate;
An electrode to which a voltage for controlling the discharge of the solution is applied is formed at the tip portion of the solution guide member,
A through hole penetrating in the thickness direction and a recovery groove for recovering the solution flowing into the discharge hole are formed in the head substrate, the through hole communicates with the discharge hole, and the recovery is performed. The present invention provides a liquid discharge head characterized in that a space defined by a groove and the insulating substrate communicates with the discharge hole.
また、前記液体吐出ヘッドの前記溶液ガイド部材は、先端に近づくにしたがって細くなる形状を有することが好ましい。 Moreover, it is preferable that the solution guide member of the liquid discharge head has a shape that becomes narrower as it approaches the tip.
前記液体吐出ヘッドは、前記溶液ガイド部材の先端部分の先端角が６０°以下であることが好ましく、前記溶液ガイド部材の先端の曲率半径が４μｍ以下であることが好ましい。また、前記液体吐出ヘッドの前記溶液ガイド部材は、異方性エッチングにより先端の先鋭化が可能なＳｉから形成されていることが好ましい。 In the liquid discharge head, the tip angle of the tip portion of the solution guide member is preferably 60 ° or less, and the radius of curvature of the tip of the solution guide member is preferably 4 μm or less. Further, it is preferable that the solution guide member of the liquid discharge head is made of Si capable of sharpening the tip by anisotropic etching.
また、前記液体吐出ヘッドにおいては、前記絶縁基板の少なくとも一方の面にシールド電極が形成されていることが好ましい。 In the liquid discharge head, it is preferable that a shield electrode is formed on at least one surface of the insulating substrate.
また、本発明の液体吐出ヘッドは、前記吐出孔及び該吐出孔から突出する前記溶液ガイド部材が二次元アレイ状に配列して形成されていることが望ましい。 In the liquid discharge head of the present invention, it is preferable that the discharge holes and the solution guide members protruding from the discharge holes are formed in a two-dimensional array.
上記目的を達成するために、本発明の第２の態様は、上記第１の態様の液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記溶液ガイド部材を異方性エッチングにより形成する工程と、
前記溶液ガイド部材の先端部分に電極を形成する工程とを含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法を提供するものである。
In order to achieve the above object, a second aspect of the present invention is a method of manufacturing a liquid ejection head according to the first aspect,
Forming the solution guide member by anisotropic etching;
And a step of forming an electrode at a tip portion of the solution guide member. A method for manufacturing a liquid discharge head is provided.
本発明の液体吐出ヘッドは、溶液ガイド部材の先端部分に、液体を飛翔させるための制御電極を直接設けているため、溶液ガイド部材の先端部分から確実に溶液を飛翔させることが可能である。 In the liquid discharge head of the present invention, since the control electrode for causing the liquid to fly is directly provided at the tip portion of the solution guide member, the solution can surely fly from the tip portion of the solution guide member.
さらに、溶液ガイド部材の先端部分に制御電極を直接設けたことにより、溶液ガイド部材の先端部分に電界を集中して発生させることが可能となり、溶液の吐出に必要な電圧を低く抑えられ、液体吐出ヘッドの駆動電圧も低減される。よって、この液体吐出ヘッドが装着されたインクジェット記録装置は、従来よりも低耐圧の安価なＩＣを用いることが可能となり、インクジェット記録装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。 Furthermore, by providing the control electrode directly at the tip portion of the solution guide member, it is possible to concentrate and generate an electric field at the tip portion of the solution guide member, so that the voltage required for discharging the solution can be kept low, and the liquid The driving voltage of the ejection head is also reduced. Therefore, an ink jet recording apparatus equipped with this liquid discharge head can use an inexpensive IC having a lower withstand voltage than conventional ones, and can realize downsizing and cost reduction of the ink jet recording apparatus.
また、従来の液体吐出ヘッドは、溶液ガイドと吐出電極とをそれぞれ別個の基板に作製して支持させていたため、それら基板の反りなどによって溶液ガイドと吐出電極の位置がずれ、溶液の吐出にばらつきが生じる恐れがあったが、本発明の液体吐出ヘッドは、溶液ガイド部材の先端部分に制御電極を設けて一体化させているため、溶液ガイドと吐出電極の位置ずれによる吐出現象のばらつきの発生を低減することができる。 Further, in the conventional liquid discharge head, since the solution guide and the discharge electrode are manufactured and supported on separate substrates, the positions of the solution guide and the discharge electrode are shifted due to the warpage of the substrates, and the discharge of the solution varies. However, since the liquid discharge head of the present invention is integrated with the control electrode provided at the tip of the solution guide member, the discharge phenomenon varies due to the displacement of the solution guide and the discharge electrode. Can be reduced.
また、本発明の液体吐出ヘッドは、絶縁基板に形成された吐出孔に溶液を流入させるための貫通孔と、前記吐出孔に流入した溶液を回収するための回収溝との間に溶液ガイド部材が形成されている。このような構成にすることにより、溶液は貫通孔を通って、吐出孔から突出する溶液ガイド部材の側壁を囲みつつ吐出孔に流入した後、溶液ガイド部材に対して貫通孔と反対の側に形成された回収溝に流入する。すなわち、本発明の液体吐出ヘッドは、溶液ガイド部材のごく近傍から溶液が流入しているので、液滴の吐出位置である溶液ガイド部材の最頂部に素早く帯電粒子を含む溶液を供給することができる。また、流出した溶液が溶液ガイド部材の斜面の一部を横切る溶液流を形成し、その一部が溶液ガイド部材の最頂部に導かれてメニスカスを形成するので、流出する溶液の圧力変動に影響されることなくメニスカスを安定に形成することができる。このため、先端が先鋭な溶液ガイド部材の最頂部から、微小な液滴を高周波に安定して吐出することができる。 The liquid discharge head according to the present invention includes a solution guide member between a through hole for allowing the solution to flow into the discharge hole formed in the insulating substrate and a recovery groove for recovering the solution flowing into the discharge hole. Is formed. With this configuration, the solution passes through the through hole, flows into the discharge hole while surrounding the side wall of the solution guide member protruding from the discharge hole, and then on the side opposite to the through hole with respect to the solution guide member. It flows into the formed collection groove. That is, in the liquid discharge head of the present invention, since the solution flows from the very vicinity of the solution guide member, it is possible to quickly supply the solution containing charged particles to the top of the solution guide member that is the droplet discharge position. it can. In addition, the outflowing solution forms a solution flow that crosses a part of the slope of the solution guide member, and a part of the solution is guided to the top of the solution guide member to form a meniscus, which affects the pressure fluctuation of the outflowing solution. The meniscus can be formed stably without being done. For this reason, minute droplets can be stably discharged at a high frequency from the top of the solution guide member having a sharp tip.
また、本発明の液体吐出ヘッドは、ヘッド基板上に配置された絶縁基板の少なくとも一方の表面にシールド電極を有している。このとき、シールド電極は、液体を吐出ための電圧が印加される制御電極と、ヘッド基板に形成され、絶縁基板の吐出孔に溶液を供給するための貫通孔との間に位置付けられる。このような構成にすることにより、貫通孔内の帯電粒子には、制御電極から発生し溶液の進行方向と逆向きの電界が作用せず、安定した濃度の帯電粒子を含む溶液が溶液流出口から流出するので、メニスカス内の帯電粒子濃度も安定する。よって、安定した濃度、大きさの液滴を最頂部から吐出させることができる。また、絶縁基板に複数の吐出孔を形成してそれぞれの吐出孔にインクガイド部材を突出させた場合に、シールド電極は、それらのインクガイド部材の先端に形成された制御電極同士の電気的な相互作用を抑制することができる。また、シールド電極は、制御電極に接続される配線から生じる電界も遮蔽することができる。 The liquid discharge head of the present invention has a shield electrode on at least one surface of an insulating substrate disposed on the head substrate. At this time, the shield electrode is positioned between a control electrode to which a voltage for discharging the liquid is applied and a through hole that is formed in the head substrate and supplies the solution to the discharge hole of the insulating substrate. By adopting such a configuration, the charged particles in the through hole do not act on the electric field generated from the control electrode and in the direction opposite to the traveling direction of the solution. As a result, the charged particle concentration in the meniscus is stabilized. Therefore, a droplet having a stable concentration and size can be discharged from the top. In addition, when a plurality of ejection holes are formed in the insulating substrate and the ink guide member protrudes from each ejection hole, the shield electrode is electrically connected between the control electrodes formed at the tips of the ink guide members. Interaction can be suppressed. The shield electrode can also shield an electric field generated from the wiring connected to the control electrode.
また、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法では、非常に先鋭な溶液ガイド部材を異方性ウェットエッチングにより容易に作製することができ、この溶液ガイド部材を備えた液体吐出ヘッドを、半導体微細加工技術を用いることにより、高い位置精度および高い形状精度で、ヘッド基板上に複数同時に作製することができる。このため、低い吐出電圧で、しかも溶液を小さな液滴として高密度に安定して吐出することができる液体吐出ヘッドを安価に作製することが可能である。また、従来の製造方法に比べ工程を簡略化することができ、溶液ガイド部材の形状不良も発生しにくい。このため、従来の製造方法に比べ、液体吐出ヘッドを高い生産性で作製することができる。 Further, in the method for manufacturing a liquid discharge head according to the present invention, a very sharp solution guide member can be easily manufactured by anisotropic wet etching. By using the technique, a plurality of elements can be simultaneously produced on the head substrate with high positional accuracy and high shape accuracy. For this reason, it is possible to manufacture a liquid discharge head that can stably discharge a solution as small droplets at a high density with a low discharge voltage at low cost. Further, the process can be simplified as compared with the conventional manufacturing method, and the shape defect of the solution guide member hardly occurs. For this reason, compared with the conventional manufacturing method, a liquid discharge head can be produced with high productivity.
また、フォトリソグラフィー法を用いて溶液ガイド部材も形成することができ、溶液ガイド部材の形状も自由に設計でき、様々な形状の溶液ガイド部材を作製できる。このため液体吐出ヘッドの用途や吐出しようとする溶液の特徴に応じた種々の形状の溶液ガイド部材からなる液体吐出ヘッドを作製することができる。 In addition, a solution guide member can be formed using a photolithography method, the shape of the solution guide member can be freely designed, and solution guide members having various shapes can be produced. For this reason, it is possible to manufacture a liquid discharge head including solution guide members having various shapes according to the use of the liquid discharge head and the characteristics of the solution to be discharged.
以下、本発明の液体吐出ヘッド及びこの液体吐出ヘッドの製造方法について、添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, a liquid discharge head of the present invention and a method for manufacturing the liquid discharge head will be described based on embodiments shown in the accompanying drawings.
図１は、本発明の液体吐出ヘッドの一実施形態であるインク吐出ヘッド３を備えるインク吐出装置１の概略構成図である。図１に示すように、インク吐出装置１は、インク還流ユニット２と、インク吐出ヘッド（インク吐出ユニット）３と、電源ユニット６とを主に有する。以下、インク還流ユニット２、インク吐出ヘッド３及び電源ユニット６について順に説明する。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an
まず、インク還流ユニット２について説明する。インク還流ユニット２は、インク循環装置２０、インク供給パイプ２２、インク回収パイプ２４を有する。インク循環装置２０は、インクポンプ２６とインクタンク２８とが接続されて構成されている。インクポンプ２６はインク供給パイプ２２を介しインク吐出ヘッド３と接続され、インクタンク２８は、インク回収パイプ２４を介しインク吐出ヘッド３と接続されている。
First, the
インク還流ユニット２のインクタンク２８内には、所定の容量のインク１２が収容されている。このインク１２は正に帯電した帯電性粒子を、１０８Ωｃｍ以上の抵抗率を持つ絶縁性溶媒中にコロイド状に分散させ浮遊させた溶液である。インクタンク２８内では、図示しない濃度調整機構によりインク１２の絶縁性溶媒中の帯電性粒子の濃度が所定の濃度範囲に入るように常に調整されている。インクタンク２８内において、図示しない濃度調整機構により濃度調整されたインク１２は、インクポンプ２６から所定の圧力でインク供給パイプ２２を介してインク吐出ヘッド３のインク収容室３２へ供給される。インク収容室３２内はインク１２で満たされ、個々のヘッド基板貫通孔３４ａを通りインク吐出孔３６ａへ供給される。
A predetermined volume of
次に、インク吐出ヘッド３について図１を参照して説明する。インク吐出ヘッド３は、インク収容室３２、ヘッド基板３４、絶縁基板３６、インク回収路３８、対向電極４０、制御電極４４、シールド電極４８ａ、４８ｂおよびインクガイド部材５０を有する。また、対向電極４０には吐出した液体を受けて所定の画像等を記録する記録媒体４２が配置されている。
Next, the ink discharge head 3 will be described with reference to FIG. The ink ejection head 3 includes an
インク収容室３２は、インク１２が収容される空間であり、上部が略矩形形状に開口した容器と、容器の上部を覆うように載置されたヘッド基板３４の下面とによって画成されている。インク収容室３２を構成する容器の底面には開口部が形成されており、インク供給パイプ２２と接続されている。
The
ヘッド基板３４は例えばガラス基板などの絶縁性基板を用いて形成されており、ヘッド基板３４の所定の位置には上下方向（基板の厚さ方向）にヘッド基板３４を貫通するヘッド基板貫通孔がインクガイド部材５０にインクを供給するインク供給路３４ａとして形成されている。ヘッド基板３４の上方には、絶縁基板３６がヘッド基板３４と平行に貼り合わされて配置されている。また、絶縁基板３６の上面と下面には、接地されたシールド電極４８ａ及び４８ｂが形成されている。絶縁基板３６の上方には所定の間隔で絶縁基板３６と対向するように、接地された対向電極４０が配置されている。この対向電極４０の、絶縁基板３６と対向する側の表面には、例えば記録紙等の記録媒体４２が載置される。
The
ヘッド基板３４には、紙面に垂直な方向に延在するインク回収溝３９が形成されており、インク回収溝３９の内壁と絶縁基板３６の下面とによってインク回収路３８が画成されている。インク回収路３８は、図１に示すようにインク回収パイプ２４と接続されている。絶縁基板３６には、図１中上下方向（絶縁基板の厚さ方向）に絶縁基板３６を貫通する円形のインク吐出孔３６ａが形成されている。また、ヘッド基板３４には、絶縁基板３６のインク吐出孔３６ａに対応する位置にインクガイド部材５０が設けられており、インクガイド部材５０の最頂部５８は絶縁基板３６の上面よりも上方に位置し、このインクガイド部材５０の先端部分がインク吐出孔３６ａから突出している。すなわち、インク供給路３４aとインク吐出孔３６aとは連通し、インク吐出孔３６aはインク回収路３８に連通している。
The
ここで、インクガイド部材５０について図２を参照して詳細に説明する。図２は、図１に示す複数のインクガイド部材５０のうちの一つのインクガイド部材５０を示しており、図２（ａ）はインクガイド部材５０の周辺部分を拡大して表した概略断面図であり、図２（ｂ）は、図１においてＡ−Ａ’を含む面で紙面に対して垂直に切断した場合の概略断面図であり、図２（ｃ）は、図１においてこのインクガイド部材５０の周辺部分を上方から見た場合の概略平面図である。
Here, the
図２（ａ）に示すように、インクガイド部材５０は、ヘッド基板３４のインク回収溝３９を形成している側壁５２の上面で、対向電極４０の位置する方向に突出するように設けられている。また、図２（ｂ）に示すように、インクガイド部材５０は、その最頂部５８が絶縁基板３６のインク吐出孔３６ａの中心軸と略一致するように位置付けられている。インクガイド部材５０は錐体状構造物であり、先端に近づくにしたがって先細りの形状を有し、先端である最頂部５８は先鋭化している。インクガイド部材５０は、例えば単結晶のＳｉを用いて形成される。低駆動低電圧化の観点からは、インクガイド部材５０の先端部の先端角は６０°以下で、先端の曲率半径は４μｍ以下であることが望ましい。
As shown in FIG. 2A, the
インクガイド部材５０の先端には、その表面の一部を覆うように、Ｃｒ膜とＡｕ膜の２層膜からなる制御電極４４が形成されている。Ｃｒ膜の膜厚は３０ｎｍであり、Ａｕ膜の膜厚は１００ｎｍである。ここに、Ｃｒ膜及びＡｕ膜の膜厚は一例であり、これらに限定されるものではない。図２（ｃ）に示すように、絶縁基板３６には、制御電極４４と電気接合させるための金属線３６ｃ及び３６ｄが互いに接続されて形成されている。また、ヘッド基板３４のインク回収溝３９を形成している側壁５２の上面にも、インクガイド部材５０の外周側から制御電極４４と接続される金属線３４ｃが形成されている。ここで、図３に、制御電極４４に接続される金属配線の配列の概略構成を示す。図３（ａ）は、図２（ｂ）において絶縁基板３６をＡ−Ａ’を含む面で切断した場合の概略断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）における絶縁基板３６のＡ−Ａ’面における概略断面図である。絶縁基板３６には、基板３６の厚み方向に貫通する孔３１１が形成されており、この孔３１１に例えば金属を充填することによって、絶縁基板３６の厚さ方向に延在する金属線３６ｃが形成される。図２（ｂ）に示す絶縁基板３６の下面の金属線３６ｃとヘッド基板３４の上面に形成された金属線３４ｃは、図３（ｂ）に示すように、絶縁基板３６の下面の金属線３６ｃが露出している部分に、はんだ３１１を付着させて互いに接着することにより接続される。これらの配線を通じて、制御電極４４が図１に示した電源ユニット６と電気的に接続される。
A
図２（ａ）に示したように、ヘッド基板３４のインクガイド部材５０の外周側の領域には、ヘッド基板３４の厚さ方向に貫通する貫通孔３４ａが形成されている。この貫通孔３４ａの上端の開口部は、絶縁基板３６のインク吐出孔３６ａの内壁によって画成される空間にインクを流出させるインク流出口５５として機能し、下端の開口部はインク収容室３２と接続するインク供給口５７として機能している。このように、ヘッド基板貫通孔３４aはインク吐出孔３６aと連通しているため、ヘッド基板貫通孔３４ａは、インク吐出孔３６ａにインクを供給するインク供給路として機能する。
As shown in FIG. 2A, a through
図２（ａ）において、インクポンプ２６によりインク収容室３２に供給されたインク１２は、インク供給路として機能するヘッド基板貫通孔３４ａを下方から上方へ向かう方向へ流れてインク流出口５５から流出する。このとき、インク流出口５５から流出したインク１２が、最頂部５８の周囲の斜面５６を横切るように（図２（ａ）中の矢印Ｘ方向に）流れ、インク吐出孔３６ａのインク回収路側の領域を通過してインク回収路３８に流入するように、インクポンプ２６によってインク１２の供給圧力が調整されている。
In FIG. 2A, the
インク１２の一部は斜面５６を横切る際に、インク１２の表面張力の作用により、インクガイド部材５０の最頂部５８に導かれる。最頂部５８に導かれたインク１２は、図２（ａ）に点線で示すような、最頂部５８を覆うメニスカス１６を形成している。このとき、メニスカス１６は主にインク１２の表面張力により形成されているため、インクポンプ２６の脈動等に起因するインク１２の供給圧力の微小な変動による影響をほとんど受けることなく安定した形状に形成されている。インク吐出装置１では、このように個々のインクガイド部材５０の最頂部５８に常に一定濃度の帯電性粒子を含むインク１２が供給されメニスカス１６が形成される構成となっている。
When a part of the
このように個々のインクガイド部材５０に供給されたインク１２の一部はメニスカス１６を形成し、その他の大部分のインク１２はインク吐出孔３６ａと連通するインク回収路３８に流入し、インクタンク２８へと回収される。インクタンク２８に回収されたインク１２は、ここで再び濃度調整され、インクポンプ２６から所定の圧力でインク供給パイプ２２を介してインク収容室３２内へ再び送り出されている。本発明によるインク吐出ヘッド３では、このようにインク還流ユニット２によって、インク吐出ヘッド３に常に一定濃度の帯電性粒子を含むインク１２が供給される構成となっている。
In this way, a part of the
次に、図１を参照して電源ユニット６について説明する。電源ユニット６は、バイアス電源６２と駆動電源６４を有して構成されており、駆動電源６４は図示しない信号出力手段と接続されている。バイアス電源６２と駆動電源６４は、絶縁基板３６に設けられた金属からなる配線を介してインク吐出ヘッド３の制御電極４４と接続されており、バイアス電源６２はインク吐出ヘッド３を構成する全ての制御電極４４に常にバイアス電圧Ｖｂを印加する。また、駆動電源６４は図示しない信号出力手段から入力された信号により所望の制御電極４４に、パルス電圧である駆動電圧Ｖｃをバイアス電圧Ｖｂに重畳し印加する構成となっている。
Next, the
次に、インク吐出装置１におけるインク吐出動作について図１及び図４を参照して説明する。図４は、図１に示す複数のインクガイド部材５０のうちの一つのインクガイド部材５０を拡大して表した概略断面図である。インク吐出ヘッド３には前述のように一定濃度の帯電性粒子を含むインク１２が循環しており、インクガイド部材５０の先端部では、最頂部５８を膜状に覆うメニスカス１６が形成されている。インクガイド部材５０の先端部に設けられた制御電極４４には、図１に示すバイアス電源６２から常時バイアスとして例えば９００Ｖの電圧と、図示しない信号出力手段から入力された画像信号に応じた信号電圧として例えば２００Ｖ程度のパルス電圧が重畳して印加される。図１に示す記録媒体の背面に設けられた対向電極４０の設定電圧は０Ｖに設定される。図１において、電源ユニット６のバイアス電源６２からバイアス電圧Ｖｂが印加されたときは、このバイアス電圧Ｖｂにより、制御電極４４と対向電極４０の間に電界が形成される。ここで、画像信号に応じた信号電圧として駆動電源６４から例えば２５０Ｖのパルス電圧である駆動電圧Ｖｃが設定されると、図４に示したインクガイド部材５０の先端に形成された制御電極４４には、バイアス電源６２からの例えば９００Ｖのバイアス電圧Ｖｂを重畳した計１１５０ｋＶの電圧が制御電圧として印加される。このように、制御電極４４に制御電圧が印加されると、制御電極４４と対向電極４０との間に形成された電界が強められ、この強められた電界によって、メニスカス１６からインク滴１８が静電気力により対向電極４０に向けて吐出し、記録媒体４２に付着する。また、インクガイド部材５０の先端に直接、制御電極４４を設けているので、インクガイド部材５０の先端部分に電界が集中することになり、その結果、インクを飛翔させるのに要する電圧、すなわち、吐出に必要なパルス電圧を従来よりも低く抑えることができる。
Next, an ink discharge operation in the
ところで、駆動時に、制御電極４４に電圧が印加されると、制御電極４４から図４中下方向へ向かう電界も形成される。しかし、絶縁基板３６の下面には、シールド電極４８ｂが設けられており、図４中下方向へ向かう電界はこのシールド電極４８に向かって集中してシールドされる。これにより、制御電極４４から図４中下方向へ向かう電界は、図４中左右方向への拡がりが抑制される。よって、インク供給路として機能するヘッド基板貫通孔３４ａ内には制御電極４４からの電界は到達せず、ヘッド基板貫通孔３４ａ内を図３中上方向に移動するインク１２には静電気力が働かない。このように、ヘッド基板貫通孔３４ａ内のインク１２は、制御電極４４に電圧を印加することにより発生する電界の影響を受けず、インク供給路５７内を図３中下方から上方へ向けて、一定の帯電粒子の濃度で流れている。このように、絶縁基板３６の下面に形成されたシールド電極４８ｂは、制御電極４４から発生した電界がヘッド基板貫通孔３４ａに達するのを防止して、ヘッド基板貫通孔３４ａを通過するインクの帯電粒子濃度が駆動時の電圧印加によって不均一になることを有効に防止することができる。
By the way, when a voltage is applied to the
また、絶縁基板３６の上面にもシールド電極４８ａが設けられている。このシールド電極４８ａは、上記シールド電極４８ｂと同様に、制御電極４４から図４中下方向へ向かう電界の図中左右方向への拡がりを抑制することができ、これにより、駆動時の電圧印加により生じるヘッド基板貫通孔３４ａ内のインクの帯電粒子濃度の不均一を防止することができる。また、絶縁基板３６の上面のシールド電極３８ａは、隣に位置する制御電極から発生する電界の干渉を抑制することもできる。
A
駆動電圧Ｖｃが印加されてインク滴１８が吐出すると、その直後に制御電極４４の電圧がバイアス状態に戻される。さらに吐出の直後、メニスカス１６において不足した分のインクが、最頂部５８の近傍の斜面５６を横切るインク流１４から供給され、メニスカス１６の形状が素早く回復する。
When the drive voltage Vc is applied and the
次に、上述のインク吐出ヘッド３の製造方法について図面を用いて説明する。図５（ａ）〜（ｈ）は本発明のインク吐出ヘッドの製造工程の概略図である。 Next, a method for manufacturing the above-described ink discharge head 3 will be described with reference to the drawings. 5A to 5H are schematic views of the manufacturing process of the ink discharge head of the present invention.
まず、両面研磨されたＳｉＯ２基板６７を用意し、ＳｉＯ２基板６７の上面及び下面に金属層６８を形成する。金属層６８は、フッ素系ドライエッチングに耐性のある金属、例えば、ＣｒやＮｉなどを用いることができる。次いで、図５（ａ）に示すように、ＳｉＯ２基板６７の上面に形成された金属層６８の表面に、フォトリソグラフィーにより、図１のインク回収路３８及びヘッド基板貫通孔３４ａに対応した形状のレジストパターン６９ａを形成する。この際、金属層６８のインク吐出ヘッド作製範囲外の所定の位置に、所定の形状のアライメントマーク（図示せず）を形成しておく。そして、このアライメントマークを基準に位置合わせをして、図５（ａ）に示すように、ＳｉＯ２基板６７の下面に形成された金属層６８ｂの表面にフォトリソグラフィーにより、ヘッド基板貫通孔３４ａに対応した形状のレジストパターン６９ｂを形成する。
First, a double-side polished SiO 2 substrate 67 is prepared, and a
こうして形成されたレジストパターン６９ａ及び６９ｂをそれぞれエッチングマスクとしてＳｉＯ２基板６７の両面に形成された金属層６８をエッチングした後、レジストを除去する。ＳｉＯ２基板６７の上面には、図５（ｂ）に示すように、レジストパターン６９ａに対応した形状の金属層のパターン６８ａが形成され、ＳｉＯ２基板６７の下面には、レジストパターン６９ｂに対応した形状の金属層のパターン６８ｂが形成される。ＳｉＯ２基板６７上面において、金属層のパターン６８ａが形成されていない部分は、図１に示した液体吐出ヘッド３のインク回収路３８の溝部分とヘッド基板貫通孔３４ａに対応し、また、ＳｉＯ２基板６７の下面において、金属層６８ｂが形成されていない部分は、図１に示した液体吐出ヘッド３のヘッド基板貫通孔３４ａに対応している。ここでは、ヘッド基板貫通孔３４ａの開口部が矩形形状になるように金属層６８ａ及び６８ｂのパターンを形成した。
The metal layers 68 formed on both surfaces of the SiO 2 substrate 67 are etched using the resist
次に、図５（ｃ）に示したように、ＳｉＯ２基板６７の上面側から、金属層６８ａをエッチングマスクとして、所定時間ＣＦ４を用いてドライエッチングする。これにより、インク回収路３８の溝部分とヘッド基板貫通孔３４ａの一部とを形成する。インク回収路３８の溝部分は、エッチング時間を制御することにより所望の深さに調整することができる。次いで、図５（ｄ）に示したように、ＳｉＯ２基板６７の下面側から、金属層６８ｂをエッチングマスクとして、所定時間ＣＦ４を用いてドライエッチングする。これにより、ＳｉＯ２基板６７のヘッド基板貫通孔に対応する部分のみが除去され、図５（ｄ）に示したように、ＳｉＯ２基板６７の所定位置にヘッド基板貫通孔３４ａが形成される。
Next, as shown in FIG. 5C, dry etching is performed from the upper surface side of the SiO 2 substrate 67 using the
次に、図５（ｅ）に示すように、ＳｉＯ２基板６７の両面に形成されている金属層６８ａ及び６８ｂをエッチングにより除去し、図５（ｆ）に示すように、ＳｉＯ２基板６７の上面に、未処理の両面ミラーＳｉ（００１）基板７６を表面活性化接合法により接合する。
Next, as shown in FIG. 5 (e), the
次いで、Ｓｉ基板７６表面にＳｉＯ２膜を熱酸化またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により所定の膜厚で形成する。そして、図５（ｇ）に示すように、ＳｉＯ２膜の表面にフォトリソグラフィーにより、Ｓｉ基板７６の〈１１０〉と〈１−１０〉結晶方位を辺とする正方形のレジストパターン８０を形成する。ＳｉＯ２膜は、例えば両面アライナー装置により、前述のアライメントマークを基準として所定の位置に位置合わせすることによって形成することができる。このレジストパターン８０をエッチングマスクとして、ＳＦ６系ガスを用いてＳｉＯ２膜をドライエッチングする（図５（ｈ）参照）。このとき、図５（ｈ）に示すように、Ｓｉ基板のＳｉＯ２膜が形成されていない領域を所定の厚みだけ残してエッチングを終了する。これにより、ＳｉＯ２膜が正方形のレジストパターン８０に即した形状、すなわちＳｉ基板７６の〈１１０〉と〈１−１０〉結晶方位を辺とする正方形にパターニングされる。
Next, an SiO 2 film is formed on the surface of the
次に、図５（ｊ）に示すように、３４ｗｔ％のＫＯＨ水溶液を７０℃に加熱した液に上記Ｓｉ基板７６を浸し、Ｓｉ基板７６の異方性エッチングを行う。このエッチング工程において、Ｓｉ基板７６は八角形のＳｉＯ２層８０をエッチングマスクとしてエッチングされる。この異方性エッチングでは、ＳｉＯ２層８０の正方形のコーナー部分からアンダーカットが進行し、ＳｉＯ２層８０がＳｉ基板７６の表面から離脱するまでエッチングが行われる。これにより、図５（ｊ）に示すように、先端角が約６０°以下で曲率半径４μｍ以下の尖った先端を有する錐体構造物８６がＳｉＯ２基板６７の表面に形成される。錐体構造物８６は、図１に示す液体吐出ヘッドのインクガイド部材５０に対応し、錐体構造物８６の斜面は高次の結晶面で形成される。
Next, as shown in FIG. 5J, the
次に、前記のようにして作製された錐体構造物８６の先端、即ちインクガイド部材５０の先端に制御電極４４を形成する。制御電極４４の形成方法について図６を用いて説明する。図６（ａ）に、図５（ｊ）において、紙面に垂直にＸ−Ｘ’を含む面で切断したときの概略断面図を示す。図６（ａ）に示したように、錐体構造物８６の表面にスプレー塗布にてポジ型フォトレジスト７１を所定の膜厚で塗布する。そして、図６（ａ）を図中上方からから見た図６（ｂ）に示すように、錐体構造物８６の先端部の制御電極４４が形成される領域Ｘ１と、ＳｉＯ２基板上の配線が形成される領域Ｘ２のみに露光光を照射して、領域Ｘ１及びＸ２のポジ型フォトレジスト７１を露光する。その後、現像することによって、図６（ｃ）の概略断面図に示したように、制御電極４４が形成される領域Ｘ１と配線が形成される領域Ｘ２（以下、露出部という）を露出する。次いで、スパッタリング技術を用いて、図６（ｄ）に示すように錐体構造物８６に金属膜７５としてＣｒ膜７２及びＡｕ膜７３をこの順でそれぞれ３０ｎｍ、１００ｎｍの膜厚で成膜する。その後、１５０℃程度で熱処理をして錐体構造物８６上に形成されているポジ型フォトレジスト７１を変形させる。これにより、ポジ型フォトレジスト７１上の金属膜７５や、ポジ型フォトレジスト７１と露出部の境界面に形成されている金属膜７５にクラックが形成される。最後にポジ型フォトレジスト剥離液を用いてポジ型フォトレジスト７１を溶解させることによって、露出部以外の金属膜７５を除去する。こうして、錐体構造物８６の先端部分に制御電極４４が形成され、ＳｉＯ２基板上に制御電極４４に接続する金属配線３４ｃが形成される。
Next, the
このようにＳｉＯ２基板６７にインクガイド部材である錐体構造物８６と制御電極４４が形成されて構成されたヘッド基板上に、例えばＡｌ２Ｏ３からなる絶縁基板を貼り合わせて載置する。絶縁基板には、インクを吐出するための複数の円形の貫通孔が所定の直径で形成されており、絶縁基板をヘッド基板上に配置する際には、インクガイド部材である錐体構造物８６の最頂部が絶縁基板に形成された貫通孔（インク吐出孔）と略同軸で、錐体構造物８６の先端部分が絶縁基板の貫通孔から突出するように位置付けられる。このとき、貫通孔内に供給されたインクがインクガイド部材の先端を覆って所望のメニスカスが形成されるようにするために、錐体構造物であるインクガイド部材の先端部分は、絶縁基板の表面に対して、３０〜７０μｍの高さで突出させることが好ましい。こうして、図１に示すインク吐出ヘッド３が作製される。ここでは、絶縁基板としてＡｌ２Ｏ３のセラミックスを用いたが、ＺｒＯ２などのセラミックスやポリイミドなどの樹脂を用いることもできる。
Thus, an insulating substrate made of, for example, Al 2 O 3 is attached to and placed on the head substrate formed by forming the
以上、本発明の液体吐出ヘッドの実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。 While the liquid ejection head according to the embodiment of the invention has been described above, the invention is not limited to this.
上述実施形態とは別の実施態様として、例えば、図７に示すように、インク吐出ヘッド３のインクガイド部材５０の周囲に分離障壁４６を設けることもできる。分離障壁４６は、インクガイド部材５０に形成されたメニスカス１６を、隣接するインクガイド部材５０に形成されたメニスカス１６から独立させてメニスカス同士の干渉を防止することができ、隣接するインクガイド部材５０からインク滴が吐出するときのメニスカス１６の変動を防止することができる。したがって、個々のインクガイド部材５０に形成された個々のメニスカス１６を安定して維持するとういう点からは分離障壁４６を設けることが好ましい。また、分離障壁４６の壁面へのインクの這い上がりを防止し、隣接するインクガイド部材５０に形成されたメニスカス１６をより確実に分離するために、分離障壁４６の少なくとも表面が撥インク性を有することが好ましい。撥インク性とは、インクが水性の場合は撥水性を意味し、インクが油性の場合は親水性を意味する。
As an embodiment different from the above embodiment, for example, as shown in FIG. 7, a
また、本実施形態の絶縁基板３６の上面及び下面には、シールド電極４８ａ及び４８ｂを設けたが、これらのシールド電極４８ａ及び４８ｂは必ずしも必要としない。しかしこのシールド電極４８ａ及びｂによって制御電極４４から図４中下方向へ向かう電界をシールドすることで、図４中下方向へ向かう電界の図４中の左右方向への広がりが抑制される。これにより、インク供給路としてのヘッド基板貫通孔３４ａ内のインク１２の移動方向と逆向きの電界がヘッド基板貫通孔３４ａ内に形成されるのを防ぐことができ、安定した濃度の帯電粒子を含むインク１２をインク流出口５３から流出させることができる。したがって、メニスカス１６内の帯電粒子の濃度を安定させ、吐出するインク滴１８の大きさ及び形状を安定させる点からは、シールド電極４８ａ及び４８ｂを設けるのが好ましい。
Further, the
また、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、インクガイド部材５０の先端に設けられた制御電極４４と、ヘッド基板３４上に形成された制御電極４４と接続される配線３４ｃは、いずれも、インク１２や大気と接触する構成となっている。本発明によるインク吐出ヘッドはこれに限定されず、制御電極４４および配線３４ｃを絶縁膜で覆い、インク１２や大気と接触させない構成としても構わない。これにより、個々の制御電極４４および配線間の短絡や、個々の制御電極４４および配線３４ｃからの電流リークや異常放電等を防ぐことができる。その結果、インク吐出動作における動作不良や吐出に要する電圧の増加を防止することができ、安定した大きさ、形状のインク滴を低い電圧で安定して吐出することができる。このため、安定してインク滴を吐出するためには、制御電極４４および配線は絶縁膜で覆われていることが好ましい。
In this embodiment, as shown in FIG. 2B, the
本発明で作製される液体吐出ヘッドから吐出させる溶液は、色材粒子を含むインクに限定されず、溶媒中に分散させた帯電性粒子を含む溶液であればよく、溶液の種類は限定されない。 The solution ejected from the liquid ejection head produced in the present invention is not limited to ink containing colorant particles, and may be any solution containing chargeable particles dispersed in a solvent, and the type of the solution is not limited.
また、本発明で作製される液体吐出ヘッドは、絶縁基板とヘッド基板とを貼り合わせて構成しているため、基板の反りよる駆動電圧の変動を防止することができる。
また、上述の実施の形態では、Ａｕ（金）を用いて制御電極を形成したが、これに限定されるものではなく、電気を通す材料であれば金属や酸化物など任意の材料を用いることができ、金や銅、アルミニウムなどの金属が好適である。酸化しやすい材料を用いて制御電極を形成する場合には、酸化を防止するために絶縁膜などを制御電極の表面に被覆することもできる。また、制御電極は、インクガイド部材である錐体構造物の全体を覆うように形成しても良いし、インクガイド部材の先端部分のみを覆うように形成してもよい。
In addition, since the liquid discharge head manufactured according to the present invention is configured by bonding an insulating substrate and a head substrate, fluctuations in driving voltage due to warping of the substrate can be prevented.
In the above-described embodiment, the control electrode is formed using Au (gold). However, the present invention is not limited to this, and any material such as metal or oxide can be used as long as the material conducts electricity. Metal such as gold, copper, and aluminum is preferable. When the control electrode is formed using a material that easily oxidizes, an insulating film or the like can be coated on the surface of the control electrode in order to prevent oxidation. In addition, the control electrode may be formed so as to cover the entire cone structure as the ink guide member, or may be formed so as to cover only the tip portion of the ink guide member.
上述の実施形態では、ヘッド基板として石英ガラス（ＳｉＯ２）を用いたが、パイレックスなどのアルカリイオンを含むガラス基板を用いてもよい。この場合、図５（ｆ）に示したインク吐出ヘッドの作製工程において、Ｓｉ基板との接合には陽極接合法を用いることができる。また、図５（ｆ）のインク吐出ヘッド作製工程においては、ガラス基板とＳｉ基板との接合に、ＫＯＨエッチング液に対して耐久性を有するソルダや接着剤を用いても良い。 In the above embodiment, quartz glass (SiO 2 ) is used as the head substrate, but a glass substrate containing alkali ions such as Pyrex may be used. In this case, an anodic bonding method can be used for bonding to the Si substrate in the manufacturing process of the ink discharge head shown in FIG. Further, in the ink discharge head manufacturing process of FIG. 5F, solder or adhesive having durability against the KOH etching solution may be used for bonding the glass substrate and the Si substrate.
また、上述の実施形態では、図６（ｂ）に示したように、ヘッド基板貫通孔３４ａの開口部の形状を四角形としたが、これに限定されるものではなく、円形や楕円形のほか、任意の多角形状にすることもできる。
In the above-described embodiment, as shown in FIG. 6B, the shape of the opening of the head substrate through
上述の実施形態の図５（ｇ）に示したインク吐出ヘッド作製工程においては、ＳＦ６反応ガスによるＳｉの四角柱構造を形成するためのエッチングマスクとしてＳｉＯ２を用いたが、ＣｒやＡｌ等のフッ素系ガスに耐性のある金属をマスクとして用いてもよい。 In the ink ejection head manufacturing process shown in FIG. 5G of the above-described embodiment, SiO 2 is used as an etching mask for forming a Si square column structure by SF 6 reactive gas, but Cr, Al, etc. A metal that is resistant to the fluorine-based gas may be used as a mask.
また、図５（ｈ）に示したインク吐出ヘッド作製工程においては、ＳＦ６反応ガスによるドライエッチングにより、Ｓｉの四角柱構造を形成したが、直接Ｓｉをサンドブラスト、超音波加工などの他の微細加工法に代えて、あるいは併用して同様の柱状構造を作製してもよい。 In addition, in the ink ejection head manufacturing process shown in FIG. 5H, the Si square pillar structure is formed by dry etching with SF 6 reactive gas, but other fine structures such as direct sanding of Si and ultrasonic processing are used. A similar columnar structure may be produced instead of or in combination with the processing method.
上述の実施形態では、Ｓｉの単結晶基板を用い、この基板を異方性エッチングすることによって先鋭なインクガイド部材を作製した。本発明においては、異方性エッチングすることで先鋭なインクガイド部材が作製できるのであれば、単結晶基板の材料は、必ずしもＳｉである必要はない。本発明のインク吐出ヘッドの製造方法では、異方性エッチングすることで先鋭なインクガイドが作製できるのであれば、例えば化合物半導体単結晶基板などを用いてインクガイドを作製しても構わない。 In the above-described embodiment, a single-crystal substrate of Si is used, and the substrate is anisotropically etched to produce a sharp ink guide member. In the present invention, the material of the single crystal substrate is not necessarily Si as long as a sharp ink guide member can be produced by anisotropic etching. In the method for manufacturing the ink ejection head of the present invention, as long as a sharp ink guide can be produced by anisotropic etching, the ink guide may be produced using, for example, a compound semiconductor single crystal substrate.
また、上述の実施形態では、異方性エッチングによって高次の結晶面を斜面とする先端が先鋭な錐状構造物であるインクガイド部材を作製した。本発明においては、必ずしもインクガイドは高次の結晶面を斜面とする必要はなく、例えば（１１１）面で形成されていてもよい。 Further, in the above-described embodiment, an ink guide member that is a cone-shaped structure with a sharp tip having an inclined surface with a higher-order crystal plane is manufactured by anisotropic etching. In the present invention, the ink guide does not necessarily have a higher-order crystal plane as an inclined surface, and may be formed of, for example, a (111) plane.
また、上述実施形態では、インクガイド部材の先端角を６０°以下で先端の曲率半径を４μｍ以下としたが、本発明においては、所望の吐出電圧において、インクガイド部材の先端から安定して液滴が吐出されるのであれば、インクガイド部材の先端をこのように先鋭に形成しなくともかまわない。ただし、より低い吐出電圧でより安定にインクを吐出するためには、インクガイド部材の先端の先端角を６０°以下にし、かつインクガイド部材の先端の曲率半径を４μｍ以下にすることが望ましい。 In the above-described embodiment, the tip angle of the ink guide member is 60 ° or less and the radius of curvature of the tip is 4 μm or less. However, in the present invention, the liquid is stably discharged from the tip of the ink guide member at a desired discharge voltage. If the droplets are ejected, the tip of the ink guide member does not have to be formed in such a sharp manner. However, in order to discharge ink more stably at a lower discharge voltage, it is desirable that the tip angle of the tip of the ink guide member be 60 ° or less and the radius of curvature of the tip of the ink guide member be 4 μm or less.
以上、本発明のインク吐出ヘッドについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。 Although the ink ejection head of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various improvements and modifications may be made without departing from the spirit of the present invention. is there.
１ インク吐出装置
２ インク還流ユニット
３ インク吐出ヘッド
６ 電源ユニット
１２ インク
１４ インク流
１６ メニスカス
１８ インク滴
２０ インク循環装置
２２ インク供給パイプ
２４ インク回収パイプ
２６ インクポンプ
２８ インクタンク
３２ インク収容室
３４ ヘッド基板
３４ａ ヘッド基板貫通孔
３６ 絶縁基板
３６ａ インク吐出孔
３４ｃ、３６ｃ、３６ｄ 金属線
３８ インク回収路
３９ インク回収溝
４０ 対向電極
４２ 記録媒体
４４ 制御電極
４６ 分離障壁
４８ａ、４８ｂ シールド電極
５０ インクガイド部材
５２ 側壁
５８ 最頂部
６２ バイアス電源
６４ 駆動電源
６７ ＳｉＯ２基板
６８、７０、９０ 金属層
６９ａ、６９ｂ、８２ レジストパターン
７１ ポジ型フォトレジスト
７２ Ｃｒ膜
７３ Ａｕ膜
７５ 金属膜
７６ Ｓｉ基板
８０ ＳｉＯ２膜
８６ 錐体構造物
DESCRIPTION OF
Claims (8)
ヘッド基板と、
前記ヘッド基板上に位置し、前記溶液が吐出される吐出孔が形成された絶縁基板と、
前記ヘッド基板上に形成され、先端部分が前記絶縁基板の吐出孔から突出する溶液ガイド部材とを備え、
前記溶液ガイド部材の先端部分に、前記溶液の吐出を制御するための電圧が印加される電極が形成されており、
前記ヘッド基板に、厚さ方向に貫通する貫通孔と、前記吐出孔に流入した溶液を回収するための回収溝とが形成されており、前記貫通孔と前記吐出孔とが連通し、前記回収溝と前記絶縁基板とによって画成される空間と前記吐出孔とが連通していることを特徴とする液体吐出ヘッド。 A liquid discharge head that discharges a solution containing charged particles to a recording medium using electrostatic force,
A head substrate;
An insulating substrate located on the head substrate and having discharge holes for discharging the solution;
A solution guide member formed on the head substrate and having a tip portion protruding from a discharge hole of the insulating substrate;
An electrode to which a voltage for controlling the discharge of the solution is applied is formed at the tip portion of the solution guide member,
A through hole penetrating in the thickness direction and a recovery groove for recovering the solution flowing into the discharge hole are formed in the head substrate, the through hole communicates with the discharge hole, and the recovery is performed. A liquid discharge head characterized in that a space defined by a groove and the insulating substrate communicates with the discharge hole.
前記溶液ガイド部材を異方性エッチングにより形成する工程と、
前記溶液ガイド部材の先端部分に電極を形成する工程とを含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
It is a manufacturing method of the liquid discharge head according to any one of claims 1 to 7,
Forming the solution guide member by anisotropic etching;
And a step of forming an electrode at a tip portion of the solution guide member.
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| JP2003341696A JP2005104004A (en) | 2003-09-30 | 2003-09-30 | Liquid jet head and method of manufacturing the same |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101046954B1 (en) * | 2009-05-29 | 2011-07-07 | 제주대학교 산학협력단 | Hybrid ink jet print head |
| JP2016185598A (en) * | 2015-03-27 | 2016-10-27 | 株式会社リコー | Nozzle plate, droplet discharge head, and droplet discharge device |
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2003
- 2003-09-30 JP JP2003341696A patent/JP2005104004A/en active Pending
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|---|---|---|---|---|
| KR101046954B1 (en) * | 2009-05-29 | 2011-07-07 | 제주대학교 산학협력단 | Hybrid ink jet print head |
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