JPH07314668A

JPH07314668A - インクジェット式記録ヘッド

Info

Publication number: JPH07314668A
Application number: JP11148394A
Authority: JP
Inventors: Shiyunka Chiyou; 俊華張
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1994-05-25
Filing date: 1994-05-25
Publication date: 1995-12-05
Anticipated expiration: 2016-06-04
Also published as: JP3173281B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高密度配置ができ、インク吐出量が十分で、
高周波駆動が実現でき、クロストークのないインクジェ
ット式記録ヘッドを提供する。【構成】結晶面方位（１１０）面が表面となる単結晶
シリコン基材５に設けられる、二つの（１１１）面で構
成されるＶ字溝１ｂと前記Ｖ字溝に連通し少なくとも二
つの（１１１）面を壁面とする貫通口１ａとからなる圧
力発生室を有し、振動板４と圧電振動子７との間に、前
記貫通口１ａと前記Ｖ字溝１ｂとの方向に従って折れ曲
がった島部１０を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インク滴を飛翔させ、
記録紙等の記録媒体上にインク像を形成するインクジェ
ット式記録ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】印字信号に応じてノズルからインク滴を
記録媒体に飛翔させるオンデマンド型インクジェット式
記録ヘッド（以下記録ヘッド）としては、インク滴吐出
のための圧力発生手段として圧電振動子を用いる方式や
発熱素子を用いる方式が代表的な方式として挙げられ
る。

【０００３】両者の方式を比較すると、圧電振動子を用
いる方式は発熱素子を用いる方式に比べ記録ヘッドの耐
久性、インクの汎用性といった点で優れている反面、発
熱素子を用いる方式の方が高密度化が容易であるといっ
た点で優れている。

【０００４】従来の圧力発生室を形成する技術として
は、プラスチック、セラミック、そして、ガラスなどの
材料を用いている。（米国特許第４０５７８０７号明細
書、米国特許第３９７２４７４号明細書）しかし、製造
技術的な問題で高精細に作ることができないため、高密
度化が困難である。これに対し、米国特許第４３１２０
０８号明細書に開示されたシリコンウェハーをエッチン
グして圧力発生室を構成する技術によれば、一体で精度
の良い圧力発生室が得られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１３
に示す米国特許第４３１２００８号明細書に開示された
技術を単に１８０ｄｐｉ以上の高密度に配置しても、イ
ンク吐出量、高周波駆動、クロストークといった問題が
あり十分な記録ヘッドを得ることができなかった。

【０００６】そこで本発明の目的は、高密度配置を精度
良く形成でき、インク吐出量が十分であり、高周波駆動
が実現でき、クロストークのないインクジェット式記録
ヘッドの構成を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
式記録ヘッドは、インクを吐出するノズルと、該ノズル
と連通する圧力発生室と、該圧力発生室の一壁面を形成
する振動板と、該振動板に形成された島部と当接し前記
圧力室を加圧する圧電振動子とを有するインクジェット
式記録ヘッドにおいて、前記圧力発生室は、結晶面方位
（１１０）面が表面となる単結晶シリコン基材に設けら
れる、二つの（１１１）面で構成されるＶ字溝と前記Ｖ
字溝に連通し少なくとも二つの（１１１）面を壁面とす
る貫通口とからなり、前記振動板の島部を前記貫通口に
対応する部分と前記Ｖ字溝に対応する部分に設けたこと
を特徴とする。

【０００８】また、前記圧力発生室の前記Ｖ字溝と前記
貫通口がＺ字状に形成され、前記島部は前記圧力発生室
形状に沿うようにＺ字状に形成されていることを特徴と
する。

【０００９】また、前記圧力発生室の前記Ｖ字溝と前記
貫通口がＶ字状に形成され、前記島部は前記圧力発生室
形状に沿うようにＶ字状に形成されていることを特徴と
する。

【００１０】また、前記貫通口の幅と長さをｖ，ｗと
し、前記シリコン基材の厚みをｔとしたとき、下記の式
を満たすことを特徴とする。

【００１１】

【数２】

【００１２】また、前記Ｖ字溝の幅ｖ’が前記貫通口の
幅ｖより広いことを特徴とする。

【００１３】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を用いて詳細に説
明する。

【００１４】図１は本発明のインクジェット式記録ヘッ
ド（以下、記録ヘッド）の一実施例を示す分解斜視図で
あり、複数のノズル２が形成されたノズルプレート３
と、圧力発生室１と開口６を介して圧力発生室１と連通
したリザーバ１４が形成されたシリコン基板５と、振動
板４が積層されて構成されている。振動板４には図３に
示すように各圧力発生室に対応する島部１０が形成さ
れ、各島部１０には一端が固定基板１１に固定された圧
電振動子７の先端が当接している。この圧電振動子７
は、図２に示すように圧電材料８と電極形成材料９を交
互に積層した構造であり、固定基板１１に固定されてい
ない活性領域と、固定基板１１に固定された不活性領域
とから構成されている。この不活性領域は、圧電現象が
生じないよう圧電材料８と電極９ａと接続する電極のみ
から形成されている。これらの固定基板１１、振動板
４、シリコン基板５及びノズルプレート３は、基台１２
を介して一体に固定され、記録ヘッドとして構成されて
いる。

【００１５】次に本発明の圧力発生室と振動板の構成に
ついて説明する。

【００１６】図４に示すように、シリコン基板５には、
圧力発生室１が貫通口１ａとＶ字溝１ｂ，１ｂとをそれ
ぞれ連通するようにして構成されている。貫通口１ａ、
Ｖ字溝１ｂは共に、他の結晶方位面に対してエッチング
速度の遅い（１１１）面によって構成されており、シリ
コンのエッチングの利点である形状精度を生かしてい
る。Ｖ字溝１ｂ，１ｂは開口６，６を経由してリザーバ
１４，１４とそれぞれ連通し、リザーバ１４からインク
を各圧力発生室１に供給できるように構成されている。
この様に圧力発生室などのインク供給路を形成すること
により精度良く圧力発生室を高精度に形成することがで
きる。

【００１７】実施例では、ノズル間の距離は１４０μｍ
であり、貫通口１ａの幅ｖは１００μｍで貫通口と貫通
口との間の隔壁の厚さｕは４０μｍである。貫通口１ａ
の長さｗは３８６μｍである。貫通口１ａとＶ字溝１ｂ
との間の角度αは約５５゜である。

【００１８】振動板４は、厚さ５μｍのポリイミドフィ
ルムに高さ３０μｍの島部１０が形成されてできてい
る。これはポリイミドフィルムにＳＵＳの膜をコーティ
ングしエッチングすることによって得られる。島部１０
は、圧力発生室１の貫通口１ａ及びＶ字溝１ｂ，１ｂに
対応するように形成されている。

【００１９】本実施例では圧力発生室を構成する貫通口
１ａとＶ字溝１ｂ，１ｂはＺ字状に形成されており、こ
れに対応するように島部もＺ字状に形成されている。こ
れにより、十分なインク吐出量を確保している。

【００２０】圧力発生室の貫通口１ａは、図４に示すよ
うに長さｗが長いと、隣同士の圧力発生室間のクロスト
ークが問題となる。また、隔壁の持つ弾性及び貫通口１
ａ内のインクの持つ弾性の成すコンプライアンスが大き
く、高周波駆動のできるヘッドの構成が困難である。し
かし、本実施例では長さｗを短かくすることができ、相
互干渉を許容範囲に抑えることができ、高周波駆動ので
きるインクジェットヘッドを構成することができた。こ
の本発明の記録ヘッドを実現するため、以下の式を満た
すようにすると、顕著な効果があることがわかった。

【００２１】

【数３】

【００２２】以上の相互干渉を許容範囲に抑えることが
でき、高周波駆動のできる圧力発生室形状に加え、上述
した振動板形状にすることによりインク吐出体積を十分
に確保することが可能になった。

【００２３】次に本発明のシリコン基材５から圧力発生
室を製造する製造方法を説明する。

【００２４】まず、表面の結晶面方位が（１１０）面と
なる単結晶シリコン基材を、９００〜１１００℃に加熱
し、酸素、水蒸気などの酸化剤を含んだ高温の気体の中
に置いて、その表面に酸素原子を拡散する。本実施例で
は、この熱酸化処理によって厚さ１．７μｍから成るシ
リコン酸化物の膜２００を形成した。シリコン酸化物の
膜２００は後述する異方性エッチング工程でのマスクの
役割を果たし、その形成手段は前述した熱酸化処理の他
に、ＣＶＤ（化学気相堆積）法や、イオン注入法、陽極
酸化法によっても差し支えない。またシリコン酸化物の
膜以外にも、シリコン窒化物の膜や、ホウ素やガリウム
原子を添加した所謂ｐ型シリコン膜や、ヒ素やアンチモ
ン原子を添加した所謂ｎ型シリコン膜を形成しても差し
支えない。

【００２５】なおシリコン基材の厚みは０．１〜０．５
mmが好適であって、さらに好適は０．１５〜０．３mmで
ある。先に既に述べたが、本実施例では厚さ０．２７mm
のシリコン基材を用いた。

【００２６】次に、樹脂レジストを前記シリコン基材の
両面に同じパターンで施し、フッ酸水溶液などの酸エッ
チング液によってシリコン酸化物の膜２００を選択的に
除去した。樹脂レジストは、シリコンウェハーの結晶面
方位を考慮して、貫通口とＶ字溝ができるようにパター
ンが形成されている。

【００２７】図６は、表面が（１１０）面であるシリコ
ンウェハーの結晶面方位を示した図である。本発明の貫
通口及びＶ字溝にあたる窓部２０１、窓部２０２，２０
３は、窓部２０１をシリコンウェハーの結晶面方位であ
る＜２１１＞方向に設け、窓部２０２，２０３はシリコ
ンウェハーの結晶面方位である＜１１０＞方向に形成し
ている。この方法は、シリコンの結晶面方位を利用して
いるので、精度の高い圧力発生室形状を得ることができ
る。

【００２８】以降の過程について、図５（ａ）乃至
（ｄ）により説明する。

【００２９】樹脂レジストを除去すると、図５（ａ）に
示すように前工程のエッチングによってパターニングさ
れた、シリコン酸化物の膜２００のマスクパターンが現
れる。窓部２０１は貫通口１ａに相当する部位、窓部２
０２はＶ字溝１ｂに相当する部位、窓部２０３はリザー
バ１４に相当する部位となる。

【００３０】次に、水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カ
リウム水溶液などの結晶方位に依存してエッチング速度
が変化するエッチング液によって、シリコン基材を異方
性エッチングした。シリコン基材の異方性エッチング
は、図５（ｂ）に示す過程を経て、図５（ｃ）に示す状
態で終了する。すなわち、異方性エッチングされた窓部
２０１には、一旦図５（ｂ）に示すようにシリコン基材
の表面の（１１０）面に対して垂直な（１１１）面と、
傾斜した（１１１）面が発現した。一方、窓部２０２に
も傾斜した（１１１）面が発現した。さらに異方性エッ
チングを進行させると、窓部２０１の中央から貫通し、
そして、図５（ｃ）に示すように、窓部２０１の斜めの
（１１１）面は消失して、垂直な（１１１）面が新たに
発現した。以上の工程によって、貫通口１ａを実質的に
決定する貫通した空間、Ｖ字溝１ｂを実質的に決定する
貫通しない空間、並びにリザーバ１４を実質的に決定す
る貫通した空間が、垂直な（１１１）面の薄い隔壁２０
４に仕切られて形成された。

【００３１】本実施例では、８０℃に加熱した２０[重
量％]の水酸化ナトリウム水溶液によって、前記シリコ
ン基材を異方性エッチングして、略９０分間の浸漬で図
５（ｃ）に示すような形状を得た。

【００３２】つぎに、前述の垂直な（１１１）面から成
り、貫通口１ａとなる空間とＶ字溝１ｂとなる空間とを
仕切る隔壁２０４ａと、同様にＶ字溝１ｂとなる空間と
リザーバ１４となる空間とを仕切る隔壁２０４ｂとをフ
ッ酸水溶液などの等方性エッチング液によって除去し
た。なお、等方性エッチング液によればシリコン酸化物
の膜２００も同時に除去され、その除去速度はシリコン
基材と略同等の速度である。従って、本実施例での前記
隔壁２０４の厚さは、シリコン酸化物の膜２００の厚さ
と同じ１．７μｍに成るようにした。また、前記隔壁２
０４の他の除去手段として、超音波振動などの衝撃によ
って除去する手段も有効である。

【００３３】次に、インクへの耐性やインクとの親和性
を得るために保護膜（図示しない）を形成する。形成す
る膜の種類、並びに形成手段は前述のマスクパターン２
００の工程と同じであるが、熱酸化処理によってシリコ
ン酸化物の保護膜を形成するのが最も好適である。

【００３４】図５（ｂ）から図５（ｃ）へ移行する過程
で、シリコン基材の同じ側に現れる２つの傾斜した（１
１１）面がぶつかると（図７（ａ）参照）、エッチング
がそこで終わるので、そうなる前に違う側の傾斜した
（１１１）面が出会い、中央部から貫通し（図７（ｂ）
参照）、図５（ｃ）へ移行するようにする必要がある。
そのため、次式を満たすように形成すれば良いことが分
かった。

【００３５】

【数４】

【００３６】ここで、ｖ、ｗはそれぞれ貫通口１ａの辺
の長さで、ｔはシリコン基材の厚さである（図４）。

【００３７】本実施例では、ｔ＝２７０μｍ，ｖ＝１０
０μｍ，ｗ＝３８６μｍであり、次式の通り上記式を満
たすように構成された。

【００３８】

【数５】

【００３９】シリコン基材５は、すでに述べたように剛
性を持つ必要がある。ｔが小さすぎると、シリコン基材
の剛性が不足し全体がしなり、相互干渉が問題となる。
本実施例ではシリコン基材の厚さｔが２７０μｍであ
り、充分な剛性を有する。

【００４０】このように構成された本実施例の記録ヘッ
ドの駆動方法は、圧電振動子７に電圧を印加し、圧電振
動子７の収縮させて圧力発生室１の体積を拡大させる。
次に電圧を一定にして圧電振動子７の収縮状態を一定時
間維持する。この時間はノズルに形成されるメニスカス
などの条件によって設定される。その後、圧電振動子７
の電圧を下げることによる圧電振動子１の伸長により圧
力発生室１を振動板４を介して圧縮し、その圧力により
ノズル２からインクを吐出させる。

【００４１】この駆動方法を本発明の実施例に適用する
ことにより、インク滴がメニスカスから切れるのが早く
良好なインク滴形状を得ることができる。これは、第１
の信号８１の印加（図１１参照）によって圧力発生室１
の容積を拡大し、リザーバ１４からインクが吸い込まれ
る時インクが貫通口１ａに流入するため、貫通口１ａ内
のインクは図１２に示すような矢印Ｓで示すように回転
をし始め、メニスカスが引き込まれる。第２の信号８２
の印加によって、圧力発生室１の容積が維持され、貫通
口１ａ内のインクが回転をし続けながら、メニスカスが
もとの位置に戻って来る。そして、信号８３が印加され
ると、圧力発生室１の容積が縮小され、インク滴がノズ
ル２から吐出される。この時インク滴が回転しながら吐
出されるのでメニスカスから切れ易いためである。

【００４２】図８は、本発明の他の実施例である。圧力
発生室１を構成する貫通口１ａとＶ字溝１ｂはＶ字状に
構成されており、その圧力発生室と対応するように振動
板の島部もＶ字状に形成されている。この実施例のイン
クジェットヘッドは、インク供給が片側からのみ行われ
る記録ヘッドである。この実施例によれば２方向からイ
ンクが供給されるタイプに比べヘッドサイズを小型化で
きる。

【００４３】図１０は本発明の第３の実施例を示す図で
ある。この実施例では、Ｖ字溝１ｂの幅ｖ’が貫通口１
ａの幅ｖより広くなっている。Ｖ字溝１ｂ内でインクの
流れがあっても、図１０のＣ−Ｃ断面図である図９で示
す角Ａ部には流速がないため、そこに気泡が付くとなか
なか取れない。本実施例では、Ｖ字溝の幅を広くし、そ
して、角Ａに接着剤が溜るように接着して気泡が抜け易
くしている。また、単位長さのＶ字溝１ｂの流路抵抗が
小さくなるため、Ｖ字溝１ｂを長くすることができ（第
１の実施例に比べ）、ヘッド全体の剛性が上がり相互干
渉のレベルが減少した。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明により、精
度良く高密度に形成でき、インク吐出量が十分であり、
高周波駆動が実現でき、クロストークのないインクジェ
ット式記録ヘッドが提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の記録ヘッド一実施例を示す図である。

【図２】本発明の記録ヘッドに用いた圧電振動子を示す
図である。

【図３】本発明の圧力発生室と島部との一実施例を示す
図である。

【図４】本発明の一実施例の圧力発生室と島部と圧電振
動子とノズルとの一関係を示す図である。

【図５】本発明のシリコン基材の製造方法の一実施例を
示す図である。

【図６】本発明の記録ヘッドに用いる（１１０）面のシ
リコンウェハーの面上の方向を示す図である。

【図７】本発明の記録ヘッドのエッチング過程を説明す
るための図である。

【図８】本発明の記録ヘッドの第２の実施例を示す図で
ある。

【図９】本発明の記録ヘッドの第３の実施例の断面図を
示す図である。

【図１０】本発明の記録ヘッドの第３の実施例を示す図
である。

【図１１】本発明の記録ヘッドの駆動信号を示す図であ
る。

【図１２】本発明の記録ヘッド内のインクの回転を示す
図である。

【図１３】従来技術の記録ヘッドを示す図である。

【符号の説明】

１‥‥圧力発生室１ａ‥‥貫通口１ｂ‥‥Ｖ字溝２‥‥ノズル７‥‥圧電振動子１４‥‥リザーバ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インクを吐出するノズルと、該ノズルと
連通する圧力発生室と、該圧力発生室の一壁面を形成す
る振動板と、該振動板に形成された島部と当接し前記圧
力室を加圧する圧電振動子とを有するインクジェット式
記録ヘッドにおいて、前記圧力発生室は、結晶面方位（１１０）面が表面とな
る単結晶シリコン基材に設けられる、二つの（１１１）
面で構成されるＶ字溝と前記Ｖ字溝に連通し少なくとも
二つの（１１１）面を壁面とする貫通口とからなり、前記振動板の島部を前記貫通口と前記Ｖ字溝に対応する
よう設けたことを特徴とするインクジェット式記録ヘッ
ド。
【請求項２】前記圧力発生室の前記Ｖ字溝と前記貫通
口がＺ字状に形成され、前記島部は前記圧力発生室形状
に沿うようにＺ字状に形成されていることを特徴とする
請求項１記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項３】前記圧力発生室の前記Ｖ字溝と前記貫通
口がＶ字状に形成され、前記島部は前記圧力発生室形状
に沿うようにＶ字状に形成されていることを特徴とする
請求項１記載のインクジェット式記録ヘッド。
【請求項４】前記貫通口の幅と長さをｖ，ｗとし、前
記シリコン基材の厚みをｔとしたとき、下記の式を満た
すことを特徴とする請求項１乃至３記載のインクジェッ
ト式記録ヘッド。【数１】
【請求項５】前記Ｖ字溝の幅ｖ’が前記貫通口の幅ｖ
より広いことを特徴とする請求項１乃至４記載のインク
ジェット式記録ヘッド。
【請求項６】前記圧力発生室の容積を拡大させて、前
記リザーバからインクを吸い込む第１の信号と、前記圧
力発生室の容積を維持させる第２の信号と、前記圧力発
生室の容積を縮小させてインク滴を吐出させる第３の信
号と、を前記圧電振動子に印加することを特徴とする請
求項１乃至５記載のインクジェット式記録ヘッド。