JPH07178908A - インクジェット式記録ヘッド - Google Patents
インクジェット式記録ヘッドInfo
- Publication number
- JPH07178908A JPH07178908A JP32858193A JP32858193A JPH07178908A JP H07178908 A JPH07178908 A JP H07178908A JP 32858193 A JP32858193 A JP 32858193A JP 32858193 A JP32858193 A JP 32858193A JP H07178908 A JPH07178908 A JP H07178908A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- wall surface
- pressure generating
- generating chamber
- hole
- ink
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
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- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
Abstract
りインクの流れがスムーズな、インクジェット式記録ヘ
ッド用のスペーサを作成すること。 【構成】 ノズル開口が列状に穿設されたノズルプレー
トと、圧力発生室、インク供給口、及びリザーバを形成
するスペーサと、蓋板とを備えたインクジェット式記録
ヘッドにおいて、結晶方位(110)のシリコン単結晶
基板を異方性エッチングする際に、圧力発生室を形成す
る通孔を区画するノズル開口近傍の壁面はシリコン単結
晶基板の表面に垂直で互いに鈍角で接する4つの壁面5
a、5h、5g、5bと壁面5gにシリコン単結晶基板
の断面方向で鈍角に接する2つの壁面5g1、5g2の
計6つの壁面で形成する。この結果、インクが停滞しや
すいノズル開口近傍のインク流れが可及的に均一にな
り、気泡等の停滞を防止することができる。
Description
タ等の記録装置に用いるインクジェット式記録ヘッドに
関する。
体上のドットをインク滴により構成する関係上、インク
滴のサイズを小さくすることにより極めて高い解像度で
の印刷が可能であるものの、効率よく印刷するためには
ノズル開口の数を多くする必要があり、特に圧電振動子
をインク滴噴射源に使用するものにあっては、圧電振動
子のエネルギーを効率よく使用するために圧力発生室を
可及的に大きくする必要があり、小型化の要請と相反す
ることになる。このような相反する問題を解消するた
め、通常、隣り合う圧力発生室を区画している壁を可及
的に薄くするとともに、圧力発生室の形状を長手方向に
大きくして容積を稼ぐことが行われている。圧力発生室
やリザーバは、蓋板とノズルプレートとの間隔を所定の
値に保持する部材であるスペーサに穿設することにより
形成されているが、上述したように極めて小さく、しか
も複雑な形状を備えた圧力発生室に一致する通孔を形成
する必要上、通常感光性樹脂膜をエッチングする事によ
り形成されている。
ため、クロストークやたわみ等が生じ、高い解像度を実
現しようとすると印字品質が低下するという問題があ
る。
10)のシリコン単結晶基板をスペーサに適した厚さに
切り出し、これを圧力発生室やリザーバを構成するのに
必要な形状に異方性エッチングを行うことが、米国特許
第4312008号明細書に提案されている。この単結
晶シリコンを使用したスペーサは、機械的剛性が高いた
め、圧電振動子の変形に伴う記録ヘッド全体のたわみを
可及的に小さくすることができるとともに、エッチング
を受けた壁面が表面に対してほぼ垂直であるため、圧力
発生室を均一に構成することが可能であるという大きな
利点を備えている。
ングが結晶方位に依存するため、インクジェット式記録
ヘッドの圧力発生室として理想的な形状に加工すること
が困難で、圧力発生室内にインクのよどみや気泡の停滞
を招きやすいという不都合を抱えている。
ものであって、その目的とするところは、インクの流れ
が滑らかなシリコン単結晶基板の異方性エッチングによ
り加工した圧力発生室を備えたインクジェット式記録ヘ
ッドを提供することである。
式記録ヘッドは、ノズル開口が列状に穿設されたノズル
プレートと、圧力発生室、インク供給口、及びリザーバ
を備えたスペーサと、蓋板を備え、前記スペーサは、結
晶方位(110)のシリコン単結晶異方性エッチングに
より形成され、前記圧力発生室のノズル開口近傍の端部
が鈍角で接する6つの壁面で形成されていることを特徴
とする。
接する6つの壁面で形成されているため、滑らかな形状
となり、インクの流れをスムースにできてノズル開口近
傍の気泡の停滞を防止することができる。
する。
中符号1はノズルプレートで、所定のピッチ、例えば1
80DPIとなるようにノズル開口2、2、2…が穿設
された開口列3、3…が形成されている。
ズルプレート1との間にはさまれて配置されるスペーサ
で、図2に示したようにノズル列に対応するように圧力
発生室、リザーバ、これらを接続するインク供給口、イ
ンクタンクからのインクを各リザーバに分配する流路等
を形成する通孔5、5、5、…6、6、6、…、7、
7、7、…、8、8、8、…が形成されている。
介してノズルプレート1と対向して圧力発生室を形成す
るもので、図3に示したように後述する圧電振動子ユニ
ットの21、21、21、…の圧電振動子30、30の
先端に当接してこれの変位を可及的に広い面積に伝達す
るように剛性を備えたアイランド部11と、これのその
周縁領域に薄肉部12とを形成して構成されている。こ
のような構成により圧電振動子30、30、30、…の
伸縮に応動して、圧力発生室を効率的に収縮、膨張させ
ることが可能となる。
1、…は、図4に示したように圧電振動子30、30、
30、…の一半を固定基板31に一定ピッチで固定し
て、他半が縦振動モードでの振動が可能にまとめられて
いる。各振動子30は、図5に示したように圧電振動材
料32と駆動電極33と共通電極34とを交互にサンド
イッチ状に積層して構成されている。そして駆動電極3
3、33、33、…は、圧電振動子30の後端列で端面
から露出していて、スパッタや蒸着などで形成された駆
動外部電極35により並列に接続され、また共通電極3
4、34、34、…は圧電振動子30の自由端側に露出
し、かつ側方にまで延長されていて共通外部電極36に
より並列に接続されている。
端面が固定基板31とほぼ同一面となるように位置決め
されており、また圧電振動子30、30、30・・・・の両
側に位置するダミー振動子39の後端面の電極40に導
通関係を持つように接続されている。ダミー振動子39
の後端面には、駆動外部電極35と同様に電極40が構
成されていて、接続回路基板との接続が可能となってい
る。
で、圧電振動子30、30、30・・・・の自由端側が露出
するように振動子ユニット21、21、21・・・・を収容
するユニット収容穴43、43、43・・・・と、インクタ
ンクからインクをリザーバに供給するためのインク供給
口44が設けられており、表面に振動板10、スペーサ
4、ノズルプレート1を位置決めして静電シールドを兼
ねる枠体45により固定して記録ヘッド本体としてまと
め上げている。なお、図中符号46はインクタンクから
のインクの流入口を示す。
通孔5、5は、その開口がノズルプレート1と振動板1
0により封鎖されて圧力発生室48を構成することにな
る。圧力発生室48は、圧電振動子30の伸縮をアイラ
ンド部11により受ける振動板10の薄肉部12の変形
により収縮したときに、ここに存在するインクを圧縮し
て、ノズル開口2からインク滴として飛翔させることに
なる。
圧力発生室を構成する通孔5、5、5・・・・の近傍を拡大
して示すものであって、スペーサとして必要な厚み、例
えば220μmを備えた結晶方位(110)のシリコン
単結晶基板に圧力発生室48となる通孔5、リサーバと
なる通孔6、及びこれらを連通するインク供給口となる
通孔7が形成されている。
する両側の壁面7a、7bの一方が圧力発生室を形成す
る通孔5の一方の壁5aと一致するように、また他方の
壁面7bがインク供給口に適した流路抵抗を実現できる
程度に間隔をおいて形成されている。
びノズルプレート1との接着を接着剤によりおこなう場
合には、一辺が100μm程度の接着剤吸収用の凹部5
0、50、50・・・・がやはり異方性エッチングにより形
成されている。これら凹部50、50、50・・・・は、余
分な接着剤を収容できる程度の容積を備える最小限の深
さとなるようにそのサイズが設定されている。なお、共
晶接合等のように接着剤を必要としない場合にはこれら
接着剤吸収用の孔は不要となる。
ク供給口を形成する通孔を形成する壁面のなす角度を示
すものであって、圧力発生室を形成している通孔5は、
詳細には壁面5a乃至5hの9つの壁面からなってい
て、ノズル開口2が対向する面5b、5g、5h、5a
はそれぞれθ4、θ5、θ6で接しており、これらの角
度θ4、θ5、θ6はそれぞれ約116度、125度、
110度、となる鈍角となっている。またインク供給口
となる通孔7に連通する側においては壁面5c、5d、
5eが形成されていて、インク供給口と圧力発生室とを
圧力発生室側に広がるように接続されている。
方の壁面7aは、圧力発生室を形成する通孔5の一方の
壁面5aと同一壁面と成るように形成され、また他方の
壁面7bは、インク供給口として必要十分な流路抵抗と
なる程度の間隔を空けて壁面7aに平行に形成されてい
る。圧力発生室からインク供給口に一直線で延びる壁面
7aは、リザーバを形成する通孔6の壁面6aと2つの
面6b、6cにより形成された拡開部を経て接続されて
いる。なお図中θ1で示す角度は、30度前後であり、
またθ2で示す角度は、約70度前後の値である。
の断面構造を示すものであって、それぞれ表面と角度θ
7=約35度をなす斜面5g1、5g2が形成されてお
り、壁面5gとはともに約145度となる鈍角で接して
いる。この斜面5g1、5g2は、異方性エッチングに
随伴して生じる非対称形状に起因する圧力発生室におけ
るノズル開口2近傍の流れを可及的に均一にして、気泡
等の停滞を防止するのに寄与している。
を塗布し、ノズルプレート1及び振動板10を位置合わ
せして圧着する。この圧着により余剰となった接着剤
は、圧力発生室、インク供給口、及びリザーバとなる通
孔5、7、6を取り囲むように形成されている微細な凹
部50、50、50・・・・に流れ込む。このため、圧力発
生室、インク供給口、及びリザーバの容積が接着剤の流
れ込みにより変化するのを防止される。接合が完了する
と、図7(b)に示したように圧力発生室を形成する通
孔5の中心線の先端近傍にノズルプレートのノズル開口
2が、またほぼ全域に及ぶように振動板10のアイラン
ド部11が位置することになる。この状態で圧電振動子
30を駆動すると、その変位がアイランド部11を介し
て圧力発生室全体に及ぶため、圧電振動子30の変位を
高い効率で圧力発生室の容積変化に変換することができ
る。
すものであって、図中符号60は、スペーサとして機能
するに必要な厚み、例えば220μmを有する結晶方位
(110)のシリコン単結晶基板で、これの表面には熱
酸化法により、異方性エッチングの保護膜として機能で
きる程度の厚み、例えば1μm程度の二酸化珪素膜61
が形成されている(図10(a))。
表面及び裏面に前述した通孔5、6、7、及び必要に応
じて凹部50に一致した窓63、64を備えたフッ化水
素保護膜62をフォトリソグラフィにより形成する(図
10(b))。
実行すると、通孔5、6、7、及び凹部50を形成すべ
き領域の窓63、64に一致して二酸化珪素膜61が除
去される(図10(c))。なお、表面、及び裏面に形
成される二酸化珪素膜パターン61a、及び61bは、
一方の面のパターン61a、及び61bは、一方のパタ
ーン61aが他方の面のパターン61bを取り囲むよう
に、サイズを若干異ならせて形成されている。
が終了した段階で、一定温度、例えば80℃に保温され
た濃度17%程度の水酸化カリウムの水溶液を用いてエ
ッチングを実行すると、二酸化珪素膜のパターン61
a、61bを保護膜として窓63、64の部分だけが、
毎分2μm程度の速度で両面から表面に対して約35度
の面、つまり結晶方位(111)の面に垂直にエッチン
グが進行する。
面、及び裏面に形成されているパターン61a、61b
は、その一方が他方を取り囲むように大き目に設定され
ているため、エッチングが終了した段階では、窓のサイ
ズが大きなパターン61bに一致するサイズの通孔65
が形成される(図10(d))。この結果。表裏のパタ
ーンの若干のずれが生じたとしても、少なくとも外側に
位置するパターンのエッジがエッチング面となるので、
エッチング位置の管理を行うことが可能となる。
等しいパターン70、71を基板72の表裏に形成した
場合、これらパターンがずれていると、表裏で対向する
パターン内の形成すべき通孔73の外側に位置するパタ
ーン70a、71aの境界に一致して壁面72a、72
bが形成されるため、パターン70、71により規定さ
れるサイズとは異なるサイズの通孔73が形成されるこ
とになり、通孔のサイズや、エッチング面の位置を管理
することが不可能となる。
で、マスクとして使用した二酸化珪素膜61a、61b
をフッ化水素により除去した後、再び熱酸化を行って露
出面、全面に保護膜として十分な厚み、例えば1μm程
度の二酸化珪素66を形成して、インクに対する保護膜
とする(図10(e))。
のシリコン単結晶基板に対して異方性エッチングを実行
すると、目的のパターンに至る過程では、図12に示し
たように結晶方位(110)に対して約35度の角度、
つまり結晶方位(111)に面に一致してエッチングが
進行する。
図13(a)に示したように圧力発生室となる通孔5の
ノズル開口が対向する側の約1/2の領域は、その壁面
を規定するエッチングパターン80の境界線80aを他
方の壁面5aとなる側に変移させて形成させておく。ま
たインク供給口となる通孔7を形成する壁面の内、圧力
発生室となる通孔5の壁面5aと一直線上に位置する壁
面7aに対向する側の壁面7bには、これから通孔5側
に延長された剣状のエッチング保護パターン81を、さ
らにリザーバとなる通孔6には、やはりインク供給口7
を形成している各壁面7a、7bに一致する剣状のエッ
チング保護パターン82、83を形成しておく。
を用いて異方性エッチングを実行すると、通孔5の形成
にあたってはパターン80がエッジ部80aを備えてい
るため、このエッジ部80aのエッチングが壁面5bに
対して所定の角度θ1=30度前後の角度をもつ壁面5
fを形成しながら進行する。そしてノズル開口に対向す
る領域までエッチングが進行し、壁面5hと壁面5fが
接した段階で、壁面5hと壁面5fとの間に壁面5hに
対して角度θ5=約125角で接する新たな壁面5gが
形成される。それに伴って壁面5fは漸次消失し、壁面
5fが完全に消失した段階でエッチングが終了するよう
にパターン80の壁面5hからの長さが調整してある。
また壁面5gはエッチングの進行とともに図9で説明し
た2つの新たな壁面5g1、5g2をシリコン単結晶基
板表面である(110)面との間に形成する。この結
果、ノズル開口2の近傍の壁面はシリコン単結晶基板の
表面に垂直で互いに鈍角で接する4つの壁面5a、5
h、5g、5bと壁面5gにシリコン単結晶基板の断面
方向で鈍角に接する2つの壁面5g1、5g2の計6つ
の壁面が形成されることになり、ノズル開口2の近傍の
インクの流れを可及的に均一にして気泡等の停滞を防止
することができる。
ング時には、その端部が壁面から延長して形成された剣
状エッチング保護パターン81、82、83の領域がエ
ッチングを受けるため(図13(b))、最終段階、つ
まり両面からのエッチングにより貫通孔が形成され、さ
らに目的の形状までエッチングが進んだ段階では、図8
に示したようにインク供給口となる通孔7の圧力発生室
側には、壁面5c、及び壁面7bに対して角度θ1=3
0度前後の角度を持つ壁面5d、5eが形成され、ま
た、リザーバ側には壁面6a、7aに対して角度θ1=
30度前後の角度を持つ壁面6b、6cが形成されるこ
とになる。この結果、インク流入口と排出口には拡開し
た開口が形成されることになり、リザーバから圧力発生
室へのインクの流入がスムーズに行われ、気泡の停滞が
防止される。
力発生室にインクを供給する場合の、リザーバとなる通
孔6側のパターンを拡大して示すもので、各列に配列さ
れているのノズルがそれぞれ若干位置をずらして構成さ
れている関係上、各列の圧力発生室の間隔が狭い場合に
は図14に示すようにインク供給口となる通孔7、7、
7・・・・、及び7’、7’、7’・・・・から延長された剣状
のパターン82、82、82・・・・、83、83、83・・
・・、及び82’、82’、82’・・・・、83’、8
3’、83’・・・・の一部がオーバーラップしてしまう場
合が生ずる。このようなオーバーラップが生ずると剣状
パターンが完全にエッチングされず、リザーバとなる通
孔6を形成できなくなってしまう。ただし、2列の圧力
発生室が剣状パターンの長さに対して十分長い場合や、
各列に配置されているノズルの位置関係がオーバーラッ
プを生じない場合はこのようなエッチングパターンを使
用することは可能である。
ップを回避する為の異方性エッチングのパターンの一実
施例を示すものであって、この実施例においては、イン
ク供給口となる通孔7とリザーバとなる通孔6との接続
点を、細いパターンからなる連続部85として形成し、
ここから1本の剣状のエッチング保護パターン86をイ
ンク供給口となる通孔7の軸線方向に延長して形成した
ものである。
ば、インク供給口7とリザーバとなる通孔6との接続点
が連続部85により阻止されるから、1本の剣状部86
により無用なエッチングの進行を阻止することが可能と
なる。
のリザーバにより2列の圧力発生室にインクを供給する
場合、図16に示したようにリザーバとなる通孔6側に
形成するインク供給口を形成する通孔7、7、7・・・・、
及び7’、7’、7’・・・・の先端にそれぞれ連続部とな
るエッチング保護パターン85、85、85・・・・、及び
85’、85’、85’・・・・を形成し、ここから各イン
ク供給口をなる通孔7、7、7・・・・及び7’、7’、
7’・・・・に一致するようにそれぞれ1本の剣状のエッチ
ング保護パターン86、86、86・・・・、86’、8
6’、86’・・・・を形成すればよく、このため各ノズル
列のノズルがずれている場合には、剣状のエッチング保
護パターン86、86、86・・・・、および86’、8
6’、86’・・・・をオーバーラップさせることなく、平
面に展開して配置することができる。
ヘッドの第2の実施例のスペーサに形成する圧力発生室
とインク供給口の接続領域近傍の形状を示すものであっ
て、図中符号90は、圧力発生室を形成する通孔で、こ
の実施例においては、リザーバを形成する通孔91と接
続するインク供給口をなす通孔92を、圧力発生室を区
画する長手方向の壁面90a、90bから斜めに延びる
壁面90c、90dを形成し、圧力発生室のほぼ中心線
上で接続するように構成されている。
圧力発生室の端部中央で拡開する壁面90c、及び90
dとエッチングの過程で形成される結晶軸に沿って自然
発生的に生じる壁面90e、90fから供給することが
できるため、インク流れをより一層円滑して、淀みを無
くすることができる。
ヘッドの第3の実施例のスペーサに形成する圧力発生室
とインク供給口の接続領域近傍の形状を示すものであっ
て、図中符号100は、圧力発生室を形成する通孔で、
この実施例においては、リザーバを形成する通孔101
と接続するインク供給口102がV字状の非貫通口とし
て形成されている。インク供給口102は圧力発生室を
区画する長手方向の壁面100aに対して角度θ6=約
54度傾いて接続されている。また表面に対して図19
に示すように2つの角度θ7=約35の傾斜面、すなわ
ち(111)面で形成されている。このような形状とす
ることで、圧力発生室を区画する領域が片持ち梁状態に
なるのを防ぐことができ、インク供給口102の寸法を
高精度に管理することができる。
源とした構成を述べてきたが、本発明はこれに限定され
るものではなく、例えば電気−熱変換素子を配し、熱エ
ネルギーにより発生した気泡を圧力発生源にしたもの等
においても、なんら問題なく適用することができる。
は、ノズル開口が列状に穿設されたノズルプレートと、
圧力発生室、インク供給口、及びリザーバを形成するス
ペーサと、蓋板を備え、スペーサは結晶方位(110)
のシリコン単結晶の異方性エッチングにより形成され
る、インクジェット式記録ヘッドにおいて、圧力発生室
を形成するノズル開口近傍の端部が鈍角で接する6つの
壁面を持つように形成したので、インクが停滞しやすい
ノズル開口近傍が滑らかな形状となり、インクの流れを
スムーズにできてノズル開口近傍の気泡の停滞を防止す
ることができる。
例を示す組み立て図である。
面図である。
ある。
例を示す斜視図である。
拡大して示す断面図である。
力発生室近傍を拡大して示す図、及びノズルプレート、
振動板、振動子を固定した場合におけるノズル開口、ア
イランド部、及び圧電振動子の位置関係を示す図であ
る。
る。
断面形状を示す図である。
板を異方性エッチングしてスペーサを製造する工程を示
す説明図である。
場合に使用する表裏両面に形成されたエッチングパター
ンの位置ずれによるエッチング状況の説明図である。
板の異方性エッチングの進行過程を示す図である。
基板を異方性エッチングによりスペーサを形成する場合
のパターンの一実施例、及びエッチング終了間際の状態
を示す図である。
ンクを供給する場合のリザーバ側のエッチングパターン
のオーバーラップの説明図である。
基板を異方性エッチングによりスペーサを形成する場合
のパターンの他の実施例、及びエッチング終了間際の状
態を示す図である。
ンクを供給する場合のリザーバ側のエッチングパターン
の一実施例を拡大して示す図である。
ある。
圧力発生室とインク供給口の形状を示す図である。
る。
Claims (1)
- 【請求項1】 ノズル開口が穿設されたノズルプレート
と、圧力発生室、インク供給口及びリザーバを形成する
スペーサと、蓋板を備え、 前記スペーサは、結晶方位(110)のシリコン単結晶
を異方性エッチングにより形成され、 前記圧力発生室のノズル開口近傍の端部が鈍角で接する
6つの壁面で形成されていることを特徴とするインクジ
ェット式記録ヘッド。
Priority Applications (17)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32858193A JP3235310B2 (ja) | 1993-12-24 | 1993-12-24 | インクジェット式記録ヘッド |
US08/336,060 US5956058A (en) | 1993-11-05 | 1994-11-04 | Ink jet print head with improved spacer made from silicon single-crystal substrate |
SG1998002945A SG75130A1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Alternative construction allowing manufacturing of proper dimensions |
SG1998002947A SG75131A1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Bridge formed across path holes preventing walls falling down |
EP99122963A EP0980757B1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Ink jet print head |
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EP99122962A EP0980756B1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Ink jet printer head |
DE69432136T DE69432136T2 (de) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Tintenstrahldruckkopf und sein Herstellungsverfahren |
DE69432197T DE69432197T2 (de) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Tintenstrahldruckkopf und sein Herstellungsverfahren |
EP99122956A EP0980759B1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Ink jet print head and a method of manufacturing the same |
DE69432160T DE69432160T2 (de) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Tintenstrahldruckkopf |
DE69431315T DE69431315T2 (de) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Tintenstrahldruckkopf und sein Herstellungsverfahren |
SG1998002949A SG75132A1 (en) | 1993-11-05 | 1994-11-07 | Slit separating partition walls securing compliance |
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