JP3125536B2

JP3125536B2 - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP3125536B2
Application number: JP24711793A
Authority: JP
Inventors: 肇水谷
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1993-10-01
Filing date: 1993-10-01
Publication date: 2001-01-22
Anticipated expiration: 2016-01-22
Also published as: JPH07101058A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はインクを吐出するノズル
と、このノズルに連通しインクに圧力を加える圧力室と
圧力発生手段とを備え、前記圧力発生手段に印加する駆
動電圧によって、前記ノズルよりインクを吐出させるオ
ンデマンド型インクジェットヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高速、高密度の低価格インクジェ
ットプリンタの要求が高まる中、それを実現するための
種々の方法が考えられているが、特公平４−１５０９５
号公報などにみられる感光性樹脂による方法、シリコン
基板の異方性エッチングによる方法などが知られてい
る。

【０００３】シリコン基板で流路を形成したインクジェ
ットヘッドとしては図１１に示した特公昭５８−４０５
０９号公報が知られており、この例では（１００）シリ
コン基板が用いられている。

【０００４】また、（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、図１２に示した"K.E.P
etersen,`Fabrication of anIntegrated,PlanarSilicon
Ink-Jet Structure,'IEEE transactions onelectronde
vices,vol.ED-26,No.12, December 1979"などが知られ
ている。

【０００５】

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

【０００６】まず第一に、樹脂の射出成形による方法や
特公平４−１５０９５号公報に述べられている感光性樹
脂を用いた方法では、射出成形では離型性、感光性樹脂
では形状精度を確保するためにパターンをあまり深くで
きず流路抵抗が増すため応答性を低下させてしまう事
と、高密度で深い流路になるほど、隣接した圧力室の圧
力で圧力室間の側壁の剛性が足りないために変形が生
じ、圧力室を封止した部材にもたわみが生じクロストー
クの原因になる。さらに感光性樹脂で形成した圧力室の
側壁の濡れ性が悪いため流路中の気泡排出性を損ねるた
め、吐出不良の原因となる。

【０００７】また、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）
面に対して傾きを持つため、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１１に示すように台形
もしくは三角形の断面形状になる。そのため複数の流路
を高密度に並べることにより深さが浅くなってしまい、
前述と同様に高い応答性がを得られなくなってしまう。

【０００８】さらに、基板の一面にノズルを配した平板
を持ついわゆるフェースイジェクト型で基板の裏面から
電気機械変換手段によって圧力室の容積を変化させてイ
ンクを吐出させる構造のヘッドの場合、図１１に示すよ
うな台形もしくは三角形の断面形状の圧力室６２では電
気機械変換手段を配置させることが困難になる。

【０００９】一方、図１２の例に示すように（１１０）
シリコン基板７１による異方性エッチングでは深いパタ
−ンを作れるので幅が狭くても流路抵抗を小さくでき、
高密度で複数の圧力室を配置しても高応答が得られ易い
が、この例ではインク供給路７２が別部材で形成されて
おり、貼り合わせの位置精度により供給路７２の断面積
と長さが変わるため、一般に行なわれているような供給
路を精度良く絞って吐出特性を安定させるためには高度
な組み立て技術を必要とする。その上、圧力室７３と供
給路７２の接続部で段差が生じており流路中の気泡排出
性を損ねるため吐出不良の原因となる。

【００１０】さらに、図１２の例では圧力発生手段とし
て圧電素子７４によるバイモルフを用いているが、圧力
室７３の幅が小さくなると十分な変位が得られなくなる
ために高密度に圧力室を配置することができない。

【００１１】本発明はこういった状況に鑑み上記の課題
を解決するもので、その目的とするところは、気泡引き
込み、クロストークによる印字不良を生じること無く安
定して印字の可能であり、製造が容易で高密度、高応答
性を備えたインクジェットヘッドを安価に提供すること
にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
ヘッドは、一端でインク供給路を介してインク溜まりに
連通し、他端でインク滴吐出ノズルに連通する複数の圧
力室を有するインクジェットヘッドにおいて、（１１
０）シリコン基板内に、この（１１０）シリコン基板の
表面に垂直な（１１１）面を壁面とする側壁で区画され
た、前記複数の圧力室と、この圧力室の一方の端部に接
続し、幅が前記圧力室より狭いノズル連通路とを形成
し、このノズル連通路と前記圧力室を封止して前記シリ
コン基板に接合するノズル形成基板に形成した前記イン
ク滴吐出ノズルを、前記ノズル連通路に開口させ、さら
に、前記圧力室と前記ノズル連通路の前記側壁の一つ
が、前記シリコン基板内に形成された共通の（１１１）
面を壁面とし、さらに、前記シリコン基板内に形成した
前記インク供給路の側壁の一つが、前記圧力室の前記ノ
ズル連通路と共通でない（１１１）面を共通の壁面とす
ることを特徴とする。

【００１３】あるいは、一端でインク供給路を介してイ
ンク溜まりに連通し、他端でインク滴吐出ノズルに連通
する複数の圧力室を有するインクジェットヘッドにおい
て、前記圧力室は、（１１０）シリコン基板内に、この
（１１０）シリコン基板の表面に垂直な（１１１）面を
壁面として形成され、前記インク滴吐出ノズルは、前記
圧力室を封止して前記シリコン基板に接合するノズル形
成基板に形成され、前記インク滴吐出ノズルを、前記圧
力室の中心軸に関して、前記圧力室の一方の端部で２つ
の前記壁面が形成する鋭角側で開口させ、さらに、前記
圧力室の一方の端部で鋭角を形成する２つの側壁が、前
記インク供給路と共通でない（１１１）面を壁面とする
ことを特徴とする。

【００１４】

【実施例】以下実施例に従って本発明のインクジェット
ヘッドの構造について詳しく説明する。

【００１５】図１は本発明の一実施例のインクジェット
ヘッドであって、図２は図１の断面図、図３はその要部
を拡大したもである。１は（１１０）シリコン基板で、
両面からの異方性エッチングにより圧力室１０１、供給
路１０２、インク溜り１０３のそれぞれの側壁を形成す
る。圧力室の形成形状は（１１０）面から見て概ね平行
四辺形となる。濡れ性を向上し気泡排出性を良くし、耐
インク性を向上するためにパターン形成後、熱酸化処理
を施してある。

【００１６】シリコン基板１の両面には各圧力室１０１
に対応するノズル２０１を持つノズル板２と、振動板３
が接着されており、振動板３の背面に圧電素子４が各圧
力室１０１の位置に取り付けられている。ノズル板２は
厚さ０．１ｍｍの金属板で直径４０μｍのノズル２０１
が設けられている。圧電素子４の振動板３と反対側はブ
ロック５と波線Ａで示した箇所で接着されており、一方
ブロック５は波線Ｄで示した片持ち構造の自由端部にあ
たる供給路１０２近傍で振動板３と接着されている。供
給路１０２から圧力室１０１にかけて振動板３は図２に
示すように非常に薄くなっており、シリコン基板１もこ
の部分で片持ち構造になっているため、圧電素子４によ
る力を受けて破損したり振動板３とシリコン基板１とノ
ズル板２が全体的にたわんたりするのをブロック５をこ
の部分で接着することにより効果的に補強できる。ブロ
ック５と振動板３をノズル２０１近傍でも固定するとさ
らに良い。振動板３には圧力室１０１毎に突起３０１が
設けられており、圧電素子４の変位が効果的に圧力室１
０１内の体積変化を発生させるようになっている。

【００１７】図３は圧力室１０１におけるノズル２０１
の位置を点線で示した斜視図である。本実施例ではノズ
ルを圧力室１０１の面Ｆ、面Ｇで示す２つの側壁の接す
る接線Ｅの近傍にノズルを設けている。これは面Ｆと面
Ｇが鋭角で接しているため、接線Ｅ近傍の気泡は面Ｆと
面Ｇの両方の側壁に引っかかって非常に抜け難くい。そ
のため本実施例では図３に示すように、ノズル２０１を
ノズルの外縁がほぼ面Ｆ、面Ｇと接する位置に配して、
接線Ｅとノズル間の距離を短くし、ノズル２０１からの
吸引、あるいは吐出時の圧力で、接線Ｅに沿って滑らか
にインクが流れることにより気泡をノズルから容易に排
出できる形態とした。面Ｆ、面Ｇとノズル外縁との最短
距離が、５０μｍ以内で効果的に気泡の排出が得られ
た。

【００１８】逆に図４に示すような位置にノズル２０１
を設けた場合、Ｅ部の気泡はノズルとの距離が長く、図
中Ｈ部でインク流渦を巻くためノズル２０１から気泡を
引き込み易く排出も困難である。圧力室１０１内に存在
する気泡は吐出不良の原因となるため、印字量当たりの
クリーニング動作（ノズル方向からの吸引による気泡排
出動作）の回数の増加が必要となり、印字速度にも影響
を及ぼす。さらに圧力印加時にＥ近傍の側壁で跳ね返る
インクが、圧力室内のインク流に乱れを生じさせ、ノズ
ル内のインクメニスカスを不安定とし、応答性の向上が
困難となる。本実施例ではノズルを気泡の溜まり易い側
壁の近傍に配することにより、前述の悪影響を解消する
ことができた。

【００１９】ノズルに相対する一端には供給路１０２を
形成する。供給路１０２は圧力室１０３より幅を小さく
して流路抵抗を大きくし、平行四辺形様の圧力室の対角
に連通するノズル２０１側にインクを送り出す。同時に
インク溜り１０３への流出をも減らして、インク溜まり
を介した他ノズルへの影響（クロスト−ク）を防止す
る。図３に示すように気泡排出性の向上を得るために供
給路１０２は圧力室１０１の面Ｉと面Ｊが本来鋭角で接
する箇所に配し、連続した一つの（１１１）面Ｉを共有
するように設けた。前述の位置に設けなかった場合で
は、２つの側壁の面Ｉ、面Ｊにより形成される鋭角部に
より気泡の引っかかり易い箇所を形成することになって
しまう。さらに供給路１０２とノズル２０１を圧力室１
０１内の互いに離れた位置に配することにより、圧力室
の容積変化によるインク滴吐出圧力が側壁に沿いノズル
に方向に伝搬されるため、圧力室内のインクの流れが円
滑となり、ノズルへの安定したインク供給が可能であ
る。

【００２０】ノズル板２は本実施例では金属板にプレス
によってノズル２０１を形成し、ノズル板２とシリコン
基板１を接着したが、ノズル板２をガラスで形成して陽
極接合で接合する方法や、ノズル板２を（１００）シリ
コン基板で形成して拡散接合する方法でも良い。ノズル
板の剛性が向上するためクロストークの抑制にも効果的
である。また、圧力室形状に合わせてノズル入射口形状
を広げ、気泡排出性、吐出安定性をさらに得ることも可
能である。

【００２１】また振動板３はニッケルの電鋳で制作し、
振動板３の突起３０１周辺の圧力室１０１部分は厚さ２
μｍ、その他の部分と突起３０１は厚さ２０μｍとし
た。振動板は、ポリイミド等の樹脂箔上の金属箔をエッ
チングして突起を形成しても良い。

【００２２】インクはパイプ６からブロック５にあけら
れた貫通口７、供給口８、インク溜り１０３、供給路１
０２、圧力室１０１へと供給される。

【００２３】次にインク滴吐出動作について図１に沿っ
て簡単に説明する。インクが圧力室１０１まで充填され
た状態でブロック５に一端を固定した圧電素子４に電圧
を印加すると圧電素子４は矢印Ｂ方向に縮み、圧電素子
４の他端が接着された振動板３の圧力室１０１にあたる
部分を引っ張り、圧力室１０１の容積を増大させる。本
実施例では圧電素子４は直接ブロック５に固定されてい
るが間に他の部材を介して固定しても良い。この時イン
クはノズル２０１でメニスカスを形成しており、表面張
力によって圧力室１０１の容積増大によって引き込まれ
る力に対抗するためインク溜り１０３の方からインクが
供給されてくる。次に充電された圧電素子４の電荷を急
激に放電することにより逆に圧力室１０１の容積が減少
し、ノズル２０１からインクが吐出される。この時、圧
力室１０１の内部の圧力は条件によるが１から３気圧程
度にまでなると言われており、このような構造のヘッド
においては流路、ノズル板の支持部を樹脂などで形成し
た場合、剛性が低いためにこの圧力によって隣接した圧
力室１０１との隔壁がたわんだり流路全体が厚み方向に
変形して、吐出インク量が減少したり、他の吐出動作を
行っていないノズル２０１から吐出が起こるいわゆるク
ロスト−クが発生することがある。しかし本発明におい
てはシリコンの剛性が樹脂等に比べて非常に高いためこ
のようなことが起こりにくく、シリコン基板の厚さが５
０μｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲が特に効果的である。

【００２４】また、隣接圧力室１０１間の隔壁が片持構
造となっているために剛性が低い隔壁の両面をノズル板
２と振動板３で固定し、さらに前述したようにブロック
５で補強しているので十分な強度となっている。しか
も、材料自体もろいシリコンに片持ち構造で弾性を持た
せることによって、ノズル板２、振動板３及びブロック
５との熱膨張率の違いによる熱応力や衝撃による割れを
緩和するという効果がある。

【００２５】本実施例においては厚さ０．２ｍｍのシリ
コン基板１を用い、幅０．１ｍｍの圧力室１０１を０．
１４１ｍｍピッチで配置して、応答周波数７ｋＨｚを達
成した。供給路１０２と圧力室１０１が一つの部品の中
に同時に形成されているのでシリコンのエッチングの利
点である形状精度が生かされ、流路間の特性のばらつき
やロット間のばらつきも小さくすることができた。更
に、全て貫通したパターンで、エッチレートが遅いの
で、エッチング工程における条件変動の許容範囲が広
く、非常に安定した品質を確保できる。また、インク溜
り１０３から圧力室１０１に至るまでの流路深さが同一
で段差が無く、ノズル位置に配慮したため気泡排出性に
特に優れている。

【００２６】本実施例では圧電素子４が電界印加によっ
て伸縮する方向を概ねウェハー面に垂直にしているが、
例えば図１１に示したようなバイモルフを用いた場合、
１ｍｍピッチ程度より高密度に圧力室１０１を配置する
と、圧力室１０１の容積変化が少ないためにインク吐出
が行えなくなってしまった。本実施例で行なった圧電素
子の配置は、高密度になって圧力室１０１の面積が小さ
くなっても大きな変位を発生させ得るため、シリコン基
板での高精度、高密度化の利点を大きく生かせる。

【００２７】図５に図１に示した実施例よりも多数ノズ
ルでより高密度の印字を行えるインクジェットヘッドの
例を示す。基本構造は図１と同様であるのでここではシ
リコン基板のパタ−ンのみを示した。これらのパタ−ン
は全て（１１１）面で囲まれた貫通パタ−ンである。本
実施例では供給路１０２、圧力室１０１、ノズル（図示
せず）の組を０．１４１ｍｍピッチで２６組づつ０．０
７ｍｍずらして２列配した。

【００２８】図中の供給口８はシリコン基板１のパタ−
ンの中には無いが説明のために記入してある。両列とも
図中最上部と最下部の組の計４組は実際にはインク吐出
を行わず、圧力室１０１の隣接圧力室との隔壁を同じ状
態にして吐出特性を揃えることと、上部の組では積極的
にインク溜り１０３に混入した気泡を流入させ他の圧力
室に流入させないことを目的に設置されているものであ
る。この構成で１インチ当たり３６０ドット、４８ノズ
ルのインクジェットヘッドが得られる。３インチの（１
１０）シリコンウェハーから同時に３０枚の本パターン
がとれるため、一枚あたりのエッチング時間と材料費が
非常に少なく、安価に製造できる。インクは図１の実施
例と同様に供給路８からインク溜り１０３、各供給路１
０２を経て圧力室１０１へと供給される。

【００２９】図中９および１０は図１の様にノズル板、
振動板、ブロック等を組み付ける際に位置決めのピンを
通すための穴である。波線Ｃの場所の鋸状になっている
ところはパタ−ンを全て（１１１）面のみで形成するこ
とができるようにしたものであるが、気泡がこの部分に
引っ掛かるのを防ぐために鋸状の谷の部分の深さが５０
μｍ以下になるようにしている。

【００３０】以下の実施例との組み合わせにより、さら
に気泡排出性について効果を得ることが可能である。以
下に別の実施例を図６を用いて説明する。

【００３１】図６は本実施例のインクジェットヘッドの
要部を示す斜視図である。その他の基本的な構成は図１
と同じであるのでここでは略した。本実施例ではノズル
に向かって圧力室１０１の幅を狭くすることにより容積
を小さくし、ノズル連通路１２１をノズル２０１との間
に介しノズル２０１と連通させている。ノズル連通路１
２１は圧力室配列方向で圧力室より幅が狭いため、イン
ク流速、圧力を高めつつインクをノズル部に導くことが
可能で、ノズル２０１付近でインクの流速の増加が得ら
れ、気泡排出性、吐出効率が向上した。同時にインクが
側壁に沿って一方向に安定に流れるため、インク流の乱
れも低減し、吐出の安定化が可能である。さらに気泡の
溜まり易い箇所である面と面との接線とノズル２０１と
の距離を短くしたため、気泡排出性が向上した。さら
に、ノズル周囲の支持部である隣接圧力室間の隔壁をさ
らに厚くし、ノズル板の支持部の剛性を上げているた
め、隔壁とノズル板の振動によるクロストークに対して
もより大きな効果が得られている。この構造では、Ｌ部
に示した突起により気泡が溜まり易く、溜まった気泡は
抜けにくい。そのため生じる段差を５０μｍ以下、理想
的には図７の様に突起を無くし、ノズル連通路１２１の
側壁が圧力室の側壁の（１１１）面のＭ面を共有するよ
うに、設けることが望ましい。

【００３２】図８に示す構造でも、同様な効果が得るこ
とができる。図８では供給路１０２周辺の容積を大きく
することにより、供給路１０２にかかる圧力を分散し、
供給路１０２を通じてインク溜まり（図示せず）へのイ
ンク流出が防げる。そのためノズル２０１に効率よくイ
ンクを送り出すことが可能で、吐出効率の向上を得るこ
とができ、さらに供給路１０２から送り出されるインク
量が少なくなるためクロストークの抑制にも効果的であ
る。

【００３３】また図９に示した構造では、インク連通路
１２１を圧力室長手方向の中心線よりずらし、ノズル連
通部１２１を囲みノズルを支持するシリコンの面積を増
やすことで、隣接するノズルへの影響を軽減し、クロス
トークに対してさらに効果を得ることが可能である。

【００３４】さらに別の実施例として、シリコン基板面
から水平にインクを吐出するいわゆるエッジエジェクト
タイプのインクジェットヘッドの実施例を図１０を用い
て説明する。圧力室１０１、インク供給口１０２、ノズ
ル連通路１２１の形状は第一の実施例とほぼ同様である
が、配列を変更し、インク吐出面を連続した（１１１）
面で構成し、その面にノズル２０１を形成するものとし
た。シリコン基板１は振動板３、天蓋板１２により挟み
込んでいる。この構造では、前述の実施例同様に鋭角部
に残った気泡が抜け易い構造としており、圧電素子が印
字面に対して平行となるため、ヘッド外形が従来より吐
出方向に薄いものを得ることができる。ノズルは前述の
様にシリコン基板のエッチングによっても形成できる。

【００３５】ここでは１インチ当たり１８０ドットの印
字が可能な例を示したが、天蓋板を介して２つの貫通パ
ターニングしたシリコン基板をノズル配列方向に互いに
７０μｍずらして接合することにより、倍密度の印字が
可能なインクジェットヘッドが得られ、１インチ当たり
３６０ドットの画像の高速印字が可能である。

【００３６】本発明を用いれば、発熱素子に通電するこ
とで瞬間的にインクを膜沸騰させてその気泡の圧力でイ
ンクを吐出させるいわゆるサーマルインクジェット方式
でも同様の効果を得ることができる。

【００３７】

【発明の効果】供給路から圧力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確保できる
という効果を有する。また、ノズル周囲の剛性を高める
ことにより、側壁、ノズル板の振動を原因とするクロス
トークを抑制できるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例のインクジェットヘッド
の斜視図。

【図２】本発明の第１の実施例のインクジェットヘッド
の断面図。

【図３】本発明の第１の実施例のインクジェットヘッド
の要部を示す斜視図。

【図４】本発明の第１の実施例のインクジェットヘッド
の比較例を示す斜視図。

【図５】本発明の第２の実施例のインクジェットヘッド
の平面図。

【図６】本発明の第３の実施例のインクジェットヘッド
の要部を示す斜視図。

【図７】本発明の第４の実施例のインクジェットヘッド
の要部を示す斜視図。

【図８】本発明の第５の実施例のインクジェットヘッド
の要部を示す斜視図。

【図９】本発明の第６の実施例のインクジェットヘッド
の要部を示す斜視図。

【図１０】本発明の第６の実施例のインクジェットヘッ
ドの斜視図。

【図１１】（１００）シリコン基板を用いた従来のイン
クジェットヘッドの流路の構成例を示す斜視図。

【図１２】（１１０）シリコン基板を用いた従来のイン
クジェットヘッドの断面図。

【符号の説明】

１（１１０）シリコン基板２ノズル板３振動板１０１圧力室１２１ノズル連通路２０１ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055 B41J 2/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一端でインク供給路を介してインク溜ま
りに連通し、他端でインク滴吐出ノズルに連通する複数
の圧力室を有するインクジェットヘッドにおいて、（１
１０）シリコン基板内に、この（１１０）シリコン基板
の表面に垂直な（１１１）面を壁面とする側壁で区画さ
れた、前記複数の圧力室と、この圧力室の一方の端部に
接続し、幅が前記圧力室より狭いノズル連通路とを形成
し、このノズル連通路と前記圧力室を封止して前記シリ
コン基板に接合するノズル形成基板に形成した前記イン
ク滴吐出ノズルを、前記ノズル連通路に開口させたこと
を特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】前記圧力室と前記ノズル連通路の前記側
壁の一つが、前記シリコン基板内に形成された共通の
（１１１）面を壁面とすることを特徴とする請求項１記
載のインクジェットヘッド。
【請求項３】前記シリコン基板内に形成した前記イン
ク供給路の側壁の一つが、前記圧力室の前記ノズル連通
路と共通でない（１１１）面を共通の壁面とすることを
特徴とする請求項２記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】インク滴吐出ノズルが形成されたノズル
形成基板と、（１１０）シリコン基板にインク滴吐出ノ
ズルに連通する複数の圧力室を有するインクジェットヘ
ッドにおいて、前記圧力室は、前記（１１０）シリコン基板の表面に垂
直な（１１１）面からなる壁面を有すると共に、一端でインク供給路を介してインク溜まりに連通し、他端の前記２つの壁面が形成する鋭角近傍で、前記イン
ク滴吐出ノズルと連通することを特徴とするインクジェ
ットヘッド。
【請求項５】前記圧力室の一方の端部で鋭角を形成す
る２つの側壁が、前記インク供給路と共通でない（１１
１）面を壁面とすることを特徴とする請求項４記載のイ
ンクジェットヘッド。