JP3404750B2 - インクジェットヘッド及びその製造方法並びにインクジェット記録装置 - Google Patents
インクジェットヘッド及びその製造方法並びにインクジェット記録装置Info
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Description
出し、記録紙面に付着させるインクジェットヘッド記録
装置の主要部であるインクジェットヘッド及びその製造
方法並びにインクジェット記録装置に関する。
さいこと、高速印字が可能であること、インクの自由が
高く安価な普通紙を使用できることなど多くの利点があ
る。その中でも記録が必要な時にのみインク液滴を吐出
する、いわゆるインク・オン・デマンド方式が、記録に
不要なインク液滴の回収を必要としないため、現在主流
となってきている。
ェット記録装置には、インクを吐出させる駆動方式とし
て、静電気力を利用した方式のインクジェットヘッド
(例えば特開平6−71882号公報)があり、この方式は
小型高密度・高印字品質及び長寿命であるという利点が
ある。この静電気力を利用した方式のイインクジェット
ヘッドは、特開平6−71882号公報に開示されているよ
うに、マイクロマシニング技術により加工されたSi基板
と、電極付きガラスとを接合することによって作製され
るものであり、1枚の基板に複数のインクジェットヘッ
ドのチップが一括して形成され、ダイシングによって各
チップに切り放されることによって得られる。
及び高速印字化に伴って、インクジェットヘッドの多ノ
ズル化が必要になっている。この多ノズル化を、従来の
1ノズル列のヘッドチップを平面に並列に配置して複数
のノズル列を形成して実現した場合には、全体としての
ヘッドチップのサイズが大きくなってしまう。すなわ
ち、複数のノズル列を有するインクジェットヘッドを1
枚の基板に一括して形成した場合には、ヘッドチップサ
イズの大型化により、1枚の基板からのヘッドチップの
取り出し個数が減少し、インクジェットヘッドのコスト
アップになってしまう。
けて多ノズル化を実現したインクジェットヘッドを提供
することにある。
現する際のインクジェットヘッドチップの高精度なアラ
イメントを実現したインクジェットヘッドを提供するこ
とにある。
ドの製造方法及びそのインクジェットヘッドを搭載した
インクジェット記録装置を提供することにある。
吐出する複数のノズル孔と、このノズル孔の各々に連結
する吐出室と、この吐出室の少なくとも1つの壁を構成
する振動板と、この振動板に変形を生じさせる駆動手段
とを備えたインクジェットヘッドチップを、所定の間隔
をもって複数個積み重ねた積層体を備え、該積層体に、
前記開孔部からのインク液滴を吐出する複数のノズル孔
を有するノズルプレートを接合し、前記インクジェット
ヘッドチップの開孔部側の端面に複数の溝が設けられ、
前記溝に挿入される突起部を前記ノズルプレートに設け
たものである。また、駆動手段は振動板を静電気力によ
り変形させるための電極からなり、振動板が形成される
基板はSi基板であり、駆動方法が静電方式のものに適用
される。
チップを積層化することによりインクジェットヘッドを
構成しており、インクジェットヘッドの多ノズル化が可
能となり、カラー化、高速印字への対応が可能となって
いる。また、小型のインクジェットヘッドチップの積層
で済むため、1枚の基板からのインクジェットヘッドチ
ップの取り個数が多くなり、正常なインクジェットヘッ
ドチップを選別して組み立てれば良いため、歩留まりが
向上する。また、ノズル孔が並ぶノズル面の面積も小さ
くなるため、印刷時のインクジェットヘッドの移動量を
少なくすることができ、プリンタ内部のスペース効率を
向上させることもできる。更に、インクジェットヘッド
チップを所定の間隔をもって積み重ねいることから、イ
ンクジェットヘッドチップの外形寸法、接着剤の厚みの
バラツキの影響を避けることができる。また、インクジ
ェットヘッドチップの開孔部側の端面にガイド用の複数
の溝が設けられ、ノズルプレートにはその溝に挿入され
る突起部が設けられているので、このノズルプレートが
アライメント治具の役割を果たし、インクジェットヘッ
ドチップのアライメントもより簡便になものとなってい
る。
は、インクジェットヘッドチップのその開孔部側の端面
にガイド用の複数の溝を設け、ノズルプレートにその溝
に挿入される突起部を設けたものである場合には、その
溝及び突起部をそれぞれ異方性エッチングにより生成す
る。そして、その複数の溝に突起部をそれぞれ挿入する
ことによりインクジェットヘッドチップのアライメント
を行う。上記のノズルプレートがアライメント治具の役
割を果たしており、インクジェットヘッドチップのアラ
イメントがより簡便になものとなっている。
は、インクジェットヘッドチップがそのノズル孔側の端
面又その両側面に、積層の際のガイドとなる複数の溝を
設けるものである場合には、その複数の溝を異方性エッ
チングにより生成する。そして、その溝にアライメント
治具のアライメント部材を挿入することによりインクジ
ェットヘッドチップのアライメントを行う。このため、
インクジェットヘッドチップのアライメントが容易にな
っている。
のインクジェットヘッドが搭載されており、カラー化、
高速印字への対応が可能な記憶装置が実現されている。
ドの積層体の内、単層部分を抽出し、一部断面した分解
斜視図である。
面図である。
ドの積層体の斜視図である。
ドの積層体の斜視図である。
ある。
置の分解斜視図である。
ドの積層体の斜視図である。
ある。
置の分解斜視図である。
ッドの第1の基板の製造工程を構成するエッチングの工
程図である。
ドのガイド溝をノズル面に形成した場合の第1の基板の
上面図である。
ドのガイド溝を側面に形成した場合の第1の基板の上面
図である。
ドの積層体の分解斜視図である。
のノズルプレートの製造工程を構成するエッチングの工
程図である。
ドの積層体の分解斜視図である。
のノズルプレートの製造工程を構成するエッチングの工
程図である。
ットヘッドの周辺の機構を示した説明図である。
の外観図である。
内、単層部分(以下、インクジェットヘッドチップとい
う)は、図1及び図2に示されるような構成からなって
いる。このインクジェットヘッドチップは、インク液を
ヘッド端部に設けられたノズル孔から吐出させるエッジ
イジェクトタイプである。
及び図2に示されるように、3枚の基板1,2,3を重ねて
接合した積層構造となっている。中間の第1の基板1
は、Si基板から構成されており、底壁を振動板5とする
吐出室6を構成することになる凹部7と、凹部7の後部
に設けられたオリフィス8を構成することになるインク
流入口のための細溝9と、各々の吐出室6にインクを供
給するための共通のインクキャビティ10を構成すること
になる凹部11とを有する。そして、吐出室6のインク流
入口のための細溝9に対向する側にノズル孔12となる細
溝13を有する。第1の基板1の全面には、熱酸化により
0.1ミクロンの酸化膜が形成されており、これを絶縁膜
としている。この絶縁膜は、インクジェット駆動時の絶
縁破壊、ショートを防止するためのものである。
ウケイ酸ガラスを使用し、この第2の基板2に電極15を
装着するための凹部14を0.3ミクロンエッチングするこ
とにより、図2に示されるように、振動板5とこれに対
向して配置させる電極15との対向間隔、すなわちギャッ
プGを形成している。この凹部14は、その内部に、図3
に示される電極15、リード部16及び端子17を装着するこ
とができるように電極部形状に類似したやや大きめの形
状にパターン形成されている。電極15は凹部14内にITO
を0.1ミクロンスパッタして、ITOパターンを形成するこ
とで作製する。したがって、本実施形態1における第1
の基板1と第2の基板2とを陽極接合した後のギャップ
Gは、0.2ミクロンとなっている。
は、Si基板あるいはホウケイ酸ガラスを使用する。
チップの動作を説明する。図2に示されるように、電極
15に発信回路23により0Vから35Vのパルス電圧を印加
し、電極15の表面がプラスに帯電すると、電極15に対応
する振動板5の下面はマイナス電位に帯電する。したが
って、振動板5は静電気の吸引作用により下方へたわ
む。次に、電極15へのパルス電圧をOFFにすると、振動
板5は復元する。そのため、吐出室6内の圧力が急激に
上昇し、ノズル孔12よりインク液滴21を記録紙22に向け
て吐出する。次に、振動板5が再び下方へたわむことに
より、インクがインクキャビティ10よりオリフィス8を
通じて吐出室6内に補給される。なお、基板1と発信回
路23との接続は、ドライエッチングにより基板1の一部
に開けた酸化膜の窓(図示せず)において行う。また、
インクジェットヘッドへのインクの供給は、インクキャ
ビティ10の端部のインク供給口18により行う。
斜視図に示されるように、図1〜図3のインクジェット
ヘッドチップ41を4チップ積層した積層体から構成され
ている。
場合には、ガラスの厚みばらつきは数十ミクロンに達し
ノズル列間のばらつきになる。さらに、接合に接着剤を
使用した場合、接着層の厚みのコントロールは難しくノ
ズル列間隔のばらつきはいっそう大きくなる。したがっ
て、各インクジェットヘッドチップ41は、図4に示され
るように、積層する際にはそれぞれ間隔Cを開けた状態
で行う。まず、各インクジェットヘッドチップ41をXYZ
の3方向に微動可能なアライメント治具にセットし、ノ
ズル面42をアライメント用に用意したガラス面に密着さ
せた状態でガラス越しにノズル孔12の位置を観察しなが
らアライメントした後、インクジェットヘッドチップ41
間に接着剤を流し込み固定する。あるいは、UV硬化接着
剤、熱硬化接着剤をあらかじめ塗布し状態インクジェッ
トヘッドチップ41を重ね合わせ、アライメントが終了し
た時点で、UV照射、加熱等を行い接着剤を硬化させる。
以上の方法によりインクジェットヘッドチップ41を積層
した積層体からなるインクジェットヘッドの作製が可能
であり、複数ノズル列の多ノズルインクジェットヘッド
を実現することができる。
示されるように、インクジェットヘッドチップ41のノズ
ル面42にアライメント時のガイドとなる溝51を設けたも
のである。この図5のインクジェットヘッドは、図6及
び図7に示されるように、アライメント治具61のピン62
により位置決めされながら組立てられる。
込まれており、そのアライメントケース201は、上部が
開放しており、側部には窓202,203が設けられており、
その側部の内壁にはインクジェットヘッドチップ41の間
隔を規定するための凸条の仕切部204が設けられてい
る。窓202,203には固定板205,206が嵌め込まれるが、一
方の固定板205の内壁には多孔性ゴムパッド(硬)206が
設けられており、他方の固定板207の内壁には多孔性ゴ
ムパッド(軟)208が設けられている。また、アライメ
ントケース201の底部には、ピン62が上向きになるよう
にアライメント治具61が配置されている。
うに位置決めする際には、図8のアライメントケース20
1の仕切部204の間にインクジェットヘッドチップ41を差
し込む。そして、図6に示されるように、インクジェッ
トヘッドチップ41のガイド溝51をアライメント治具61の
ピン62に合わせる。そして、固定板205を窓202に嵌め込
むとともに多孔性ゴムパッド(硬)206を図8のa方向
に押し付ける。また、固定板207を窓203に嵌め込むとと
もに多孔性ゴムパッド(軟)208を図8のb方向に押し
付ける。このようにしてインクジェットヘッドチップ41
を固定すると、多孔性ゴムパッド(硬)206は多孔性ゴ
ムパッド(軟)208に比べて硬いので、図8のc方向に
ずれて、インクジェットヘッドチップ41は図5及び図7
の位置にアライメントされる。この後、インクジェット
ヘッドチップ41の間に接着剤を流し込んで硬化させるこ
とで、インクジェットヘッドチップ41を積層した積層体
からなるインクジェットヘッドを作製することができ
る。
示されるように、インクジェットヘッドチップ41の側面
43にアライメント時のガイドとなるガイド溝81を設けた
ものである。この図9のインクジェットヘッドは、図10
に示されるアライメント治具91のアライメント板92によ
り位置決めされながら組立てられる。
込まれており、そのアライメントケース201は、その上
部が開放しており、側部には窓202,203が設けられてお
り、その側部の内壁にはインクジェットヘッドチップ41
の間隔を規定するための凸条の仕切部204が設けられて
いる。窓202,203にはアライメント治具91が嵌め込まれ
るが、この治具91の内壁にはアライメント板92が設けら
れている。そして、アライメントケース201の底部には
ノズル面42を揃えるための平滑な板211が配置されてい
る。
に位置決めする際には、図11のアライメントケース201
の仕切部204の間にインクジェットヘッドチップ41を差
し込んでアライメントケース201の底部の平滑な板211に
押さえ付けることによりノズル面42の位置合わせを行
い、次に、図10に示されるように、インクジェットヘッ
ドチップ41の側面のガイド溝81に、アライメント治具91
のアライメント板92を両側から差し込み、そして、アラ
イメント治具91を水平方向に移動させて、ガイド溝81に
おける基板1とガラス基板3との接合面にアライメント
板92の上面を合わせることにより、ノズル列間の間隔を
揃える。この後、インクジェットヘッドチップ41の間に
接着剤を流し込んで硬化させることで、インクジェット
ヘッドチップ41を積層した積層体からなるインクジェッ
トヘッドを作製することができる。
含む第1の基板1の作製方法を図12〜図14に基づいて説
明する。なお、これらの図において、点線はダイシング
時の切断部分を示すものである。
化時間4時間の条件で酸化膜101を1.2ミクロンの厚みで
形成する(図12(a))。
図14)となる部分102及びノズル孔12(図13,図14)とな
る部分103の酸化膜101を0.2ミクロンの厚みにエッチン
グする(図12(b))。
3,図14)となる部分104、及びインクキャビティ10(図1
3,図14)となる部分105をふっ酸水溶液で除去する(図1
2(c))。このとき同時に、ノズル面42にガイド溝51
(図5)を設ける場合は、ガイド溝51(図5)になる部
分111(図13)の酸化膜101をふっ酸水溶液で除去する。
また、側面43にガイド溝81(図9)を設ける場合はガイ
ド溝81(図9)となる部分121(図14)の酸化膜101をふ
っ酸水溶液で除去する。
(図13,図14)となる部分104、インクキャビティ10(図
13,図14)となる部分105、ガイト溝51(図5)、81(図
9)となる部分111(図13),121(図14)のSi基板100を
水酸化カリウム水溶液で基板厚みから振動板厚み、細溝
の深さを除いた寸法だけエッチングする(図12
(d))。
グ時間を調節して、オリフィス8(図13,図14)となる
部分102、ノズル孔12(図13,図14)となる部分103の酸
化膜のみを除去する(図12(e)。
インクキャビティ10(図13,図14)となる部分105、ガイ
ド溝51(図5)、81(図9)となる部分111(図13),12
1(図14)、オリフィス8(図13,図14)となる部分10
2、ノズル孔12(図13,図14)となる部分103のSi基板100
を水酸化カリウム水溶液でエッチングする(図12
(f))。
液で完全に除去する(図12(h))。このときのガイド
溝51に対応する箇所の断面形状は図12(h')に示される
とおりである。なお、図12(d)〜(h)はノズル孔に
対応した箇所の断面形状を示したものであり、ガイド溝
51,81に対応する箇所の断面形状は図示されていない。
ォトリソグラフィ工程によりパターニングされ、ノズル
孔12(図5、図9)に対するガイド溝51(図5)、81
(図9)の位置精度は高く、水酸化カリウム水溶液での
異方性エッチングにより形成されるため、ガイド溝51
(図5),81(図9)の形状精度も高い。
(図5),81(図9)の位置ずれは数ミクロンに抑えら
れるため、ガイド溝51(図5),81(図9)を使用した
インクジェットヘッドチップのアライメントが可能とな
る。また、アライメントにおいてガイド溝51(図5)、
81(図8)を基準としたことにより、ダイシング精度に
よるインクジェットヘッドチップ41(図4)の外形寸法
の変化の影響を回避できる。なお、エッチングを異方性
のドライエッチングで行った場合も水酸化カリウム水溶
液で異方性エッチングした場合と同様である。
図5又は図9のインクジェットヘッドの積層体にノズル
プレートが接合されたものである。
体131は4つのインクジェットヘッドチップ41が積層さ
れた積層体(図4,図5,図9)から構成されており、その
ノズル面42側に、Si基板に多数のノズル孔132を形成し
たノズルプレート133が接合される。ノズルプレート133
の接合面134側のノズル孔132の開口部135は、図16示さ
れるように、その開口面積をインクジェットヘッド積層
体131のノズル孔12の開口部136の開口面積に対して小さ
くしてあるため、ノズル孔132の開口部135が、インクジ
ェットヘッド積層体131のノズル孔12の開口部136内に収
まれば良く、インクジェットヘッドの積層体131の高度
なアライメントを行う必要は無い。また、ノズルプレー
ト133上のノズル孔132はフォトリソグラフィ工程により
一括形成されるため、ノズル孔132の位置精度は極めて
高く数ミクロン以内である。
長さによる流路抵抗の変化の影響を受けるため、前述の
積層しただけのインクジェットヘッドでは、ダイシング
後のノズル面42の研磨などによりノズル孔12の長さを調
整する必要があった。しかし、本実施形態5のインクジ
ェットヘッドでは、ノズルプレート133のノズル孔132の
長さがインクの吐出特性に大きく影響するため、ノズル
孔12の開口面積を大きくし、長さの影響を小さくするこ
とによってインクノズル孔12の長さの調整を不要にして
いる。
を図17の工程図に基づいて説明する。
酸化時間4時間の条件で酸化膜152を1.2ミクロンの厚み
で形成する(図17(a))。
ル孔となる部分153、及び接合面側のノズル孔となる部
分154の酸化膜をふっ酸水溶液で除去する(図17
(b))。
エッチングにより35ミクロンの深さでSi基板151をエッ
チングし(図17(c))、さらにインク吐出面の反対の
接合面側のノズル孔となる部分154から150ミクロンの深
さにドライエッチングによりSi基板151をエッチングす
る(図17(d))。この時、ノズル孔132の長さは30ミ
クロンとなる。
表面に残る酸化膜152をふっ酸水溶液で除去する(図17
(e))。
ル孔の長さの安定したノズルプレート133を作製するこ
とができる。
ルプレート133にガイド突起を形成するとともに、イン
クジェットヘッドチップ41にそのガイド突起に対応した
ガイド溝を設けたものである。
ンクジェットヘッドチップ接合面134にインクジェット
ヘッドチップ41のアライメント用のガイド突起141が形
成されている。このガイド突起141を、図19に示される
ように、インクジェットヘッドチップ41のノズル面42に
形成されているガイド溝51に差し込む形でインクジェッ
トヘッドチップ41をアライメントする。そして、ノズル
プレート133及び各インクジェットヘッドチップ41を接
着剤で接合する。このように、ノズルプレート133にア
ライメント治具の機能を持たせたことにより、アライメ
ント治具を作製を簡略化でき、インクジェットヘッドの
積層体131の作製が容易になる。
図20の工程図に従って説明する。
り酸化温度1100℃、酸化時間4時間で、厚み1.2ミクロ
ンの酸化膜182を形成する(図20(a))。
部分183の酸化膜をフォトリソグラフィ工程と、ふっ酸
水溶液によるエッチング工程とによりハーフエッチング
する(図20(b))。なお、基板左右に残された島状の
部分184がガイド突起141となる部分である。
様に、フォトリソグラフィ工程により吐出面側のノズル
孔となる部分185、接合面側のノズル孔となる部分186の
酸化膜182をふっ酸水溶液で除去する(図20(c))。
インク吐出面側のノズル孔となる部分185からドライエ
ッチングにより35ミクロンの深さでSi基板181をエッチ
ングし(図20(d)、接合面側のノズル孔となる部分18
6から50ミクロンの深さにドライエッチングによりSi基
板181をエッチングする(図20(e))。
水溶液によりエッチング時間を調整し除去する。接合面
側からドライエッチングにより接合面134となる部分183
及び接合面側のノズル孔となる部分186を200ミクロンの
深さでSi基板181をエッチングする(図20(f))。こ
の時、ノズル孔132の長さは30ミクロンとなる。
表面に残る酸化膜182をふっ酸水溶液で除去する(図20
(g))。
ー工程とエッチング工程とにより形成されるため、ガイ
ド突起141をノズル孔132に対して精度良く作製できる。
ジェットヘッド300は、図21に示されるようにキャリッ
ジ301に取り付けられ、そして、このキャリッジ301はガ
イドレール302に移動自在に取り付けられており、ロー
ラー303により送り出される用紙304の幅方向にその位置
が制御される。この図21の機構は図22に示されるインク
ジェット記録装置310に装備される。
Claims (5)
- 【請求項1】インク液滴が流れる複数の開孔部と、該開
孔部の各々に連結する吐出室と、該吐出室の少なくとも
一方の壁を構成する振動板と、該振動板に変形を生じさ
せる駆動手段とを備えたインクジェットヘッドチップ
を、所定の間隔をもって、複数個積み重ねた積層体を備
え、該積層体に、前記開孔部からのインク液滴を吐出す
る複数のノズル孔を有するノズルプレートを接合し、前
記インクジェットヘッドチップの開孔部側の端面に複数
の溝が設けられ、前記溝に挿入される突起部を前記ノズ
ルプレートに設けたことを特徴とするインクジェットヘ
ッド。 - 【請求項2】前記駆動手段は前記振動板を静電気力によ
り変形させるための電極からなり、前記振動板が形成さ
れる基板はSi基板であ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】請求項1又は2記載のインクジェットヘッ
ドを製造するためのインクジェットヘッドの製造方法に
おいて、前記インクジェットヘッドチップの複数の溝及
び前記ノズルプレートの突起部をそれぞれ異方性エッチ
ングにより生成し、前記複数の溝に前記突起部を挿入す
ることによりインクジェットヘッドチップのアライメン
トを行うことを特徴とするインクジェットヘッドの製造
方法。 - 【請求項4】インク液滴を吐出する複数のノズル孔と、
該ノズル孔の各々に連結する吐出室と、該吐出室の少な
くとも一方の壁を構成する振動板と、該振動板に変形を
生じさせる駆動手段とを備えたインクジェットヘッドチ
ップを、所定の間隔をもって、複数個積み重ねた積層体
を備えたインクジェットヘッドの製造方法において、前
記インクジェットヘッドチップのノズル孔側の端面又そ
の両側面に、前記の積層の際のガイドとなる複数の溝が
形成し、前記複数の溝を異方性エッチングにより生成
し、前記複数の溝にアライメント治具のアライメント部
材を挿入することによりインクジェットヘッドチップの
アライメントを行うことを特徴とするインクジェットヘ
ッドの製造方法。 - 【請求項5】請求項1又は2記載のインクジェットヘッ
ドを搭載したことを特徴とするインクジェット記録装
置。
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