JP2003062995A - 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Info
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- JP2003062995A JP2003062995A JP2001254185A JP2001254185A JP2003062995A JP 2003062995 A JP2003062995 A JP 2003062995A JP 2001254185 A JP2001254185 A JP 2001254185A JP 2001254185 A JP2001254185 A JP 2001254185A JP 2003062995 A JP2003062995 A JP 2003062995A
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- pressure
- ink jet
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、シリコン単結晶で形成されたイン
ク流路を安価でかつ気泡を排出しやすい形状にすること
により、印字品質の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】 任意の面方位を有するシリコン単結晶基
板に形成されたインク流路をドライエッチング加工によ
り任意の形状で形成する。
ク流路を安価でかつ気泡を排出しやすい形状にすること
により、印字品質の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】 任意の面方位を有するシリコン単結晶基
板に形成されたインク流路をドライエッチング加工によ
り任意の形状で形成する。
Description
【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。
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、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2-42669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。
て、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2-42669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。
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】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
シリコン単結晶によるインク流路の形成によれば、異方
性エッチングによって出現する(111)面をインク流
路壁として利用しているため、インク流路形状に制限を
受ける。また、(111)面同士が交差す角度は約54
°と36°であり、インクの溜まり部が発生し気泡が排
出されにくいなどの欠点を有していた。
シリコン単結晶によるインク流路の形成によれば、異方
性エッチングによって出現する(111)面をインク流
路壁として利用しているため、インク流路形状に制限を
受ける。また、(111)面同士が交差す角度は約54
°と36°であり、インクの溜まり部が発生し気泡が排
出されにくいなどの欠点を有していた。
【0005】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、ドライエッチング加
工を用いることによりシリコンウエハの任意の面方位に
滑らかなインク流路を形成して、気泡の排出が容易にな
り、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。
もので、その目的とするところは、ドライエッチング加
工を用いることによりシリコンウエハの任意の面方位に
滑らかなインク流路を形成して、気泡の排出が容易にな
り、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。
【0006】
【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、該振動
板の外側に前記圧力室に対応して配置される圧力発生素
子と、該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、圧力室がシリコンで構成され、
かつ前記圧力室に形成されるインク流路側壁が曲率半径
10μm以上の曲線で形成されるようにした。更に、圧
力室を構成するシリコンの面方位が(100)とした。
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、該振動
板の外側に前記圧力室に対応して配置される圧力発生素
子と、該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、圧力室がシリコンで構成され、
かつ前記圧力室に形成されるインク流路側壁が曲率半径
10μm以上の曲線で形成されるようにした。更に、圧
力室を構成するシリコンの面方位が(100)とした。
【0007】また、圧力室のインク流路の深さ方向の加
工を異方性ドライエッチングのみで行うようにした。
工を異方性ドライエッチングのみで行うようにした。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を参照して説
明する。
明する。
【0009】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。
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。
【0010】ここで、ノズル6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。
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。
【0011】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る。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、10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11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11で発生した機械的エネ
ルギは振動板2を介して圧力室5内のインクに伝えられ
る。なお、圧電素子11は、ジルコン酸チタン酸鉛系圧
電セラミックからなる圧電体を多層化したものである
が、スクリーン印刷や水熱合成法などによって形成され
た薄膜上の圧電素子を用いても何ら問題はない。
な面で切断したヘッドの断面形状である。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、10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11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11で発生した機械的エネ
ルギは振動板2を介して圧力室5内のインクに伝えられ
る。なお、圧電素子11は、ジルコン酸チタン酸鉛系圧
電セラミックからなる圧電体を多層化したものである
が、スクリーン印刷や水熱合成法などによって形成され
た薄膜上の圧電素子を用いても何ら問題はない。
【0012】ここで、インク吐出の原理を簡単に説明す
る。
る。
【0013】待機時には振動板2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11は長さ方向(図面下方)に収縮し、振動板2
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11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10は振動板2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。
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11は長さ方向(図面下方)に収縮し、振動板2
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11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10は振動板2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。
【0014】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。
を図3に基づいて説明する。
【0015】チャンバ基板3にはシリコン単結晶基板1
2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。
2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。
【0016】まず、(a)の工程において、シリコン単
結晶基板12の表面に熱酸化法などで酸化シリコン膜1
3、14を形成し、チャンバおよびマニホールドの形状
に合せてフォトリソグラフィ法によりパターニングを行
い、酸化シリコン膜を完全に除去する。なお酸化シリコ
ン膜のエッチングは、フッ酸とフッ化アンモニウムの混
合液によって行う。また、オリフィスプレートが取付け
られる側の酸化シリコン膜を保護するために、酸化シリ
コン膜のエッチングの際にはレジスト材を全面に塗布し
ておく。
結晶基板12の表面に熱酸化法などで酸化シリコン膜1
3、14を形成し、チャンバおよびマニホールドの形状
に合せてフォトリソグラフィ法によりパターニングを行
い、酸化シリコン膜を完全に除去する。なお酸化シリコ
ン膜のエッチングは、フッ酸とフッ化アンモニウムの混
合液によって行う。また、オリフィスプレートが取付け
られる側の酸化シリコン膜を保護するために、酸化シリ
コン膜のエッチングの際にはレジスト材を全面に塗布し
ておく。
【0017】次に(b)の工程にて、圧力室の形状に合
せて工程(a)と同様にフォトリソグラフィ法によりパ
ターニングを行い、酸化シリコン膜13のハーフエッチ
ングを行う。ハーフエッチング後の酸化シリコン膜の厚
さTは、シリコン単結晶基板12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13のエッ
チングレートをr2、圧力室の高さをt1とすると T1=r2・(1−t1)/r1 以上の厚さが必要となる。
せて工程(a)と同様にフォトリソグラフィ法によりパ
ターニングを行い、酸化シリコン膜13のハーフエッチ
ングを行う。ハーフエッチング後の酸化シリコン膜の厚
さTは、シリコン単結晶基板12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13のエッ
チングレートをr2、圧力室の高さをt1とすると T1=r2・(1−t1)/r1 以上の厚さが必要となる。
【0018】次に、(c)の工程にて、チャンバ8及び
マニホールド6部のシリコンのハーフエッチングをドラ
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4μmのエッチングレートでエッチングを行
う。ここで、CF4ガスは形成される溝の側面にエッチ
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、溝は基板に対して
垂直な壁を形成できる。
マニホールド6部のシリコンのハーフエッチングをドラ
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4μmのエッチングレートでエッチングを行
う。ここで、CF4ガスは形成される溝の側面にエッチ
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、溝は基板に対して
垂直な壁を形成できる。
【0019】次に、(d)の工程において、工程(b)
でハーフエッチングを行った酸化シリコン膜が完全に除
去されるまで、酸化シリコン膜のエッチングを行い、そ
の後さらにチャンバ及びマニホールド部が貫通するまで
シリコンのエッチングを行う。
でハーフエッチングを行った酸化シリコン膜が完全に除
去されるまで、酸化シリコン膜のエッチングを行い、そ
の後さらにチャンバ及びマニホールド部が貫通するまで
シリコンのエッチングを行う。
【0020】以上の工程によって圧力室5、マニホール
ド6、リストリクタ7及びチャンバ8が形成される。更
に(e)工程にて、工程(d)終了後の基板を1100
℃、酸素雰囲気中で熱酸化を行い、チャンバ基板全体に
酸化シリコン膜を形成する。
ド6、リストリクタ7及びチャンバ8が形成される。更
に(e)工程にて、工程(d)終了後の基板を1100
℃、酸素雰囲気中で熱酸化を行い、チャンバ基板全体に
酸化シリコン膜を形成する。
【0021】上記の工程で製作されたインク流路の平面
図を図4に示す。ドライエッチングでの加工後の形状
は、工程(a)、(b)のパターニングの形状で決定さ
れるため、任意の形状が得られ、インク溜まり部が形成
されずインクがスムーズに流れるように選択できる。特
にインク流路内に発生する気泡の大きさから、側壁の曲
率半径が10μm以上であると更に望ましい。本発明に
よるチャンバ基板を使用してインクジェットプリントヘ
ッドを組立後、インクの初期充填時間を測定した結果、
全ノズルを同時に15秒間真空ポンプで吸引することに
より、96ノズル全数の吐出を確認できた。
図を図4に示す。ドライエッチングでの加工後の形状
は、工程(a)、(b)のパターニングの形状で決定さ
れるため、任意の形状が得られ、インク溜まり部が形成
されずインクがスムーズに流れるように選択できる。特
にインク流路内に発生する気泡の大きさから、側壁の曲
率半径が10μm以上であると更に望ましい。本発明に
よるチャンバ基板を使用してインクジェットプリントヘ
ッドを組立後、インクの初期充填時間を測定した結果、
全ノズルを同時に15秒間真空ポンプで吸引することに
より、96ノズル全数の吐出を確認できた。
【0022】一方、図5に示す、従来の異方性ウェット
エッチングで形成したチャンバ基板を使用して組立、同
様の初期充填の実験を行ったところ、全ノズルを同時に
15秒間真空ポンプで吸引する作業を5回繰り返した後
に全数ノズルの吐出が確認できた。異方性エッチングで
加工したチャンバ基板の初期インク充填性が悪い原因を
調べるために、インク流路が観察できる透明部材で振動
板を製作したダミーヘッドの観察の結果、図5のA部に
気泡が残留し、排除され難いことが分かった。
エッチングで形成したチャンバ基板を使用して組立、同
様の初期充填の実験を行ったところ、全ノズルを同時に
15秒間真空ポンプで吸引する作業を5回繰り返した後
に全数ノズルの吐出が確認できた。異方性エッチングで
加工したチャンバ基板の初期インク充填性が悪い原因を
調べるために、インク流路が観察できる透明部材で振動
板を製作したダミーヘッドの観察の結果、図5のA部に
気泡が残留し、排除され難いことが分かった。
【0023】これらの結果より本発明により製作され
た、側壁の曲率半径が10μm以上のインク流路を持つ
インクジェットプリントヘッドにおいては、内部に発生
した気泡の排除が容易であることが分かった。
た、側壁の曲率半径が10μm以上のインク流路を持つ
インクジェットプリントヘッドにおいては、内部に発生
した気泡の排除が容易であることが分かった。
【0024】
【発明の効果】本発明によれば、任意の面方位を有する
シリコン単結晶上に、フォトリソグラフィ法により任意
形状のインク流路の形成が可能であり、安価でノズルの
高密度、高精度化が実現でき、更にインクの初期充填性
に優れた高品質で信頼性の高い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。
シリコン単結晶上に、フォトリソグラフィ法により任意
形状のインク流路の形成が可能であり、安価でノズルの
高密度、高精度化が実現でき、更にインクの初期充填性
に優れた高品質で信頼性の高い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1】 本発明の一例となるインクジェットヘッドの
分解斜視図。
分解斜視図。
【図2】 本発明の一例となるインクジェットヘッドの
断面図。
断面図。
【図3】 本発明の一例となるインクジェットヘッドの
製造工程を示す図。
製造工程を示す図。
【図4】 本発明の一例におけるインクジェットヘッド
のインク流路を示す図
のインク流路を示す図
【図5】 従来の異方性ウェットエッチングにて形成さ
れたインク流路を示す図
れたインク流路を示す図
1は圧電素子基板、2は振動板、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はインク、
11は積層圧電素子、12はシリコン単結晶基板、1
3、14は酸化シリコン膜、15はヘッドホルダであ
る。
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はインク、
11は積層圧電素子、12はシリコン単結晶基板、1
3、14は酸化シリコン膜、15はヘッドホルダであ
る。
Claims (3)
- 【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、該振動板の
外側に前記圧力室に対応して配置される圧力発生素子
と、該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、 前記圧力室がシリコンで構成され、かつ前記圧力室に形
成されるインク流路側壁が曲率半径10μm以上の曲線
で形成されていることを特徴とするインクジェットプリ
ントヘッド。 - 【請求項2】請求項1記載のインクジェットプリントヘ
ッドであって、 前記圧力室を構成するシリコンの面方位が(100)で
あることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。 - 【請求項3】請求項1記載のインクジェットプリントヘ
ッドであって、 前記圧力室のインク流路の深さ方向の加工が異方性ドラ
イエッチングのみで行われる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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001254185A JP2003062995A (ja) | 2001-08-24 | 2001-08-24 | インクジェットプリントヘッド及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001254185A JP2003062995A (ja) | 2001-08-24 | 2001-08-24 | インクジェットプリントヘッド及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003062995A true JP2003062995A (ja) | 2003-03-05 |
Family
ID=19082379
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001254185A Pending JP2003062995A (ja) | 2001-08-24 | 2001-08-24 | インクジェットプリントヘッド及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003062995A (ja) |
-
2001
- 2001-08-24 JP JP2001254185A patent/JP2003062995A/ja active Pending
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Legal Events
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Effective date: 20060210 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
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|
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|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20081107 |