JPH0957966A - インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数のドットで１画素を構成することによ
り、画素抜けをなくし、見た目の濃度アップ、裏映りの
防止及びインクの節約を可能とするインクジェットヘッ
ド及びインクジェット記録装置を提供する。 【解決手段】 インクが吐出するノズル４と、ノズル４
に連通する圧力発生部６と、圧力発生部に連通するイン
ク供給路７とからなる複数のインク流路と、複数のイン
ク流路路に連通するインク供給部８とが設けてなる基板
１を有するインクジェットヘッドにおいて、前記基板１
が異方性結晶材料よりなり、前記ノズル４が異方性エッ
チングにより双数あるいは複数設けてなることを特徴と
するインクジェットヘッド及びインクジェット記録装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はインク・オン・デマ
ンド方式のインクジェットヘッド及びインクジェット記
録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェットプリンタは、記録時の騒
音が極めて小さいこと、高速印字が可能であること、イ
ンクの自由度が高く安価な普通紙を使用できることなど
多くの利点を有する。この中でも記録の必要な時にのみ
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、現在主流となっている。

【０００３】従来のインク・オン・デマンド方式のイン
クジェット記録方法には例えば特公平４−４８６２６号
公報に開示されているインクジェット記録方法がある。
この記録方法は、複数のインク液滴を互いに位置を所定
量ずらして重ねうちすることによって１画素を記録する
ものであった。

【０００４】更には、特開昭６１−１０４６１号公報に
開示されているインクジェットプリンタがある。このプ
リンタは、インクを用紙に対して直角方向より用紙送り
方向に傾斜させて吐出させ、ドットを用紙送り方向に長
軸を有する楕円形状にしたものであった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】印字濃度を高くして鮮
明な記録を得るには、複数のドットで１画素を記録する
必要があるが、上述の特公平４−４８６２６号公報に開
示されているインクジェット記録方法では、複数のイン
ク滴を互いに位置を所定量ずらして重ね打ちすることに
よって１画素を記録するため、紙送りピッチを細かくし
たり、吐出ピッチを細かくしたりする必要があり、プリ
ント時間が長くなるという課題を有していた。

【０００６】また、印字濃度を劣化させることなくプリ
ント時間を短縮して記録する方法として、上述の特開昭
６１−１０４６１号公報に開示されているインクジェッ
トプリンタがあるが、この記録方法では、１つのドット
で１画素を構成するため、ノズルつまりが発生した場合
には印刷物の画素抜けや、誤読の原因にとなる等の課題
を有していた。

【０００７】また、ガラス等の等方性材料を用いてノズ
ルを形成する場合はエッチング時のエッチング比が安定
せず、容易に且つ、精度良くノズルを形成してインクジ
ェットヘッドを製造することが困難であるといった課題
を有していた。

【０００８】本発明は、このような課題を解決するため
になされたものであり、重ね打ちしないで複数ドットで
１画素を構成することにより、高速で印字品質の良く、
画素抜けがなくて信頼性の高いインクジェットヘッド及
びインクジェット記録装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】更に、容易に製造可能であり、安価で、寸
法精度や品質の高いインクジェットヘッド及びインクジ
ェット記録装置を得ることを目的とする。

【００１０】

【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、インクが吐出するノズルと、該ノズルに連通
する圧力発生部と、該圧力発生部に連通するインク供給
路とからなる複数のインク流路と、前記複数のインク流
路に連通するインク供給部とが設けてなる基板を有する
インクジェットヘッドにおいて、前記基板が異方性結晶
材料よりなり、前記圧力発生部の１つに、前記ノズルが
異方性エッチングにより双数あるいは複数設けてなるこ
とを特徴とする。

【００１１】また、前記双数あるいは複数のノズルから
インクが吐出し、複数ドットで１画素を構成することを
特徴とする。

【００１２】更に、前記インク流路の圧力発生部の好ま
しい形態としては、流路の一部に設けられた振動板と、
該振動板に対向して設けられた電極とからなり、前記振
動板と前記電極間に電気パルスを印加し、前記振動板を
静電気力により変形させて前記ノズルからインク液滴を
吐出するか、流路の一部に設けられた振動板と、該振動
板に固着された圧電素子とからなり、前記圧電素子に電
気パルスを印加し、前記振動板を変形させて前記ノズル
からインク液滴を吐出するか、流路の一部に設けられた
発熱素子からなり、前記発熱素子に電気パルスを印加
し、前記流路内に発生する気化圧力により前記ノズルか
らインク液滴を吐出する形態が挙げられる。 また、前
記基板の異方性結晶材料の好ましい形態は単結晶シリコ
ンである。

【００１３】更に、本発明のインクジェット記録装置
は、前述のインクジェットヘッドと、インクを貯留する
インクタンクと、前記インクジェットヘッドのインク供
給部と前記インクタンクとを連通するインク供給部材と
を有することを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明によれば１つの圧力発生部から双数ある
いは複数のノズルが連通されているため、各ノズルから
吐出したインク滴はそれぞれのドットを形成する。各ド
ットは所定量の間隔を有しているため、これらのドット
が合わさって１つの画素を形成する。これにより、少な
いインク吐出量で見た目の濃度アップ、インクの節約、
裏映りのない印刷物が得られるようになる。

【００１５】更に、画素抜けに対する信頼性はノズル数
のべき乗に比例するので、画素抜けのない信頼性の高い
インクジェットヘッドを得られるようになる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例における
インクジェットヘッドの分解斜視図であり、一部断面図
で示してある。本実施例はインク液滴を基板の端部に設
けたノズルから吐出させるエッジイジェクトタイプの例
を示すものであるが、基板の上面部に設けたノズルから
インク液滴を吐出させるフェイスイジェクトタイプでも
よい。図２は組み立てられたインクジェットヘッド全体
の斜視図、図３はインクジェットヘッドのインク流路部
の断面側面図である。以下図に従い、本発明の実施例に
ついて説明する。

【００１７】本実施例のインクジェットヘッド１０は次
に詳述する構造を持つ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。

【００１８】中間の第１の基板１は、シリコン基板であ
り、基板１の表面に一端より平行に等間隔で形成され、
底壁を振動板５とする圧力発生部である吐出室６を構成
することになる凹部１２と、凹部１２の後部に設けられ
たインク供給路７を構成することになるインク流入口の
ための細溝１３と、各々の吐出室６にインクを供給する
ためインク供給部であるインク供給部８を構成すること
になる凹部１４と、１つの凹部１２に双数あるいは複数
のノズル４を構成するように形成された双数のノズル溝
１１を有する。

【００１９】本実施例においては、振動板５とこれに対
向して配置される電極との対向間隔、即ちギャップ部１
６の長さＧ（図３参照、以下「ギャップ長」と記す。）
が、凹部１５の深さと電極の厚さとの差になるように、
間隔保持手段を第２の基板２に形成した振動室用の凹部
１５により構成している。また、別の例として凹部の形
成は第１の基板１の下面でもよい。ここでは、凹部１５
の深さをエッチングにより０．３μｍとしている。な
お、双数のノズル溝１１の間隔は０．１００ｍｍで、ピ
ッチは０．５０９ｍｍであり、その幅は４５μｍであ
る。

【００２０】また、第１の基板１への共通電極１７の付
与については、半導体及び電極である金属の材料による
仕事関数の大小が重要であり、本実施例では共通電極材
料にはチタンを下付けとし白金、またはクロムを下付け
とし金を使用しているが、本実施例に限定されるもので
はなく、基板１がＰ型半導体の場合は仕事関数が共通電
極材料の方が大きくなるものであれば何でもよく、Ｎ形
半導体の場合は仕事関数が共通電極材料の方が小さくな
るような材料であれば何でもよい。

【００２１】第１の基板１の下面に接合される下側の第
２の基板にはホウ珪酸系ガラスを使用し、第１の基板１
の振動板５の下部に電極を装着するため振動室９を構成
することになる凹部１５が設けられている。この第２の
基板２の接合によって振動室９を構成するとともに、第
２の基板２上の振動板５に対応する各々の位置に、ＩＴ
Ｏ導電膜を０．１μｍスパッタし、振動板５とほぼ同じ
形状にＩＴＯパターンを形成して個別電極２１としてい
る。個別電極２１はリード部２２及び端子部２３を持
つ。

【００２２】第１の基板１の上面に接合される上側の第
３の基板３は、第２の基板２と同じくホウ珪酸ガラスを
用いている。この第３の基板３の接合によって、ノズル
４、吐出室６、インク供給路７及びインク供給部８が構
成される。本実施例においては、接続パイプ３２が接続
され、チューブ３３を介して図示しないインクタンクに
接続されている。

【００２３】次に、第１の基板１と第２の基板２を温度
３００〜５００℃、電圧５００〜１０００Ｖの印加で陽
極接合し、また同条件で第１の基板１と第３の基板３を
接合し、図３のようにインクジェットヘッドを組み立て
る。陽極の接合後に、振動板５と第２の基板２上の個別
電極２１との間に形成されるギャップ長さＧは、凹部１
５の深さと個別電極２１の厚さとの差であり、本実施例
では０．２μｍとしてある。更に基板１の振動板５の表
面には熱酸化により酸化シリコン膜が形成されており、
個別電極２１と振動板５が接触しても短絡破壊しないよ
う構成されている。絶縁膜としての熱酸化膜は厚すぎる
と電界が弱くなる原因となる一方、薄過ぎると繰り返し
電界ストレスにより絶縁破壊しやすくなる。本実施例で
はこの熱酸化膜の厚さを０．１３μｍとしている。

【００２４】図２に説明されるようにインクジェットヘ
ッドを組み立てた後は、共通電極１７と個別電極２１の
端子部２３間にＦＰＣ４９により駆動回路４０を接続
し、インクジェットプリンタを構成する。インク１０３
は、図示しないインクタンクより第１の基板１の内部に
供給され、インク供給部８、吐出室６等を満たしてい
る。そして、吐出室６のインクは、図３に示されるよう
に、インクジェットヘッド１０の駆動時にノズル４より
インク液滴１０４となって吐出され、記録紙１０５に着
弾する。着弾したインク液滴１０４は記録紙１０５の横
方向に浸透し、ドットを形成する。

【００２５】上述の本実施例における寸法構成例のよう
に、ノズル４の間隔を０．１００ｍｍとしているので着
弾した位置から横方向に浸透して形成された２つのドッ
トは重なり合い、広い面積を有した１つの画素が形成さ
れる。見た目の濃度は１画素の面積に比例するので、少
ないインク吐出量で鮮明度の高い印刷物が得られる。更
に、少ないインク吐出量で印字可能であるので、インク
の節約、裏映りのない印刷物を得ることが可能である。

【００２６】更に、画素抜けに対する信頼性はノズル数
のべき乗に比例するので、画素抜けのない信頼性の高い
インクジェットヘッドが得られるようになる。

【００２７】本実施例において、ノズルを双数としてい
るが３ノズル、４ノズル等２つ以上のノズル数であれば
よい。１画素を構成するドット数はノズル数によって決
まるので、画素抜けに対する信頼性は更に増加する。

【００２８】図４は基板１の部分詳細平面拡大図であ
る。本発明の実施例に示すインクジェットヘッドの基板
１は単結晶シリコンを異方性エッチングにて形成されて
いる。異方性エッチングとはエッチング速度がエッチン
グ方向により異なることを利用してなされるエッチング
である。本実施例では単結晶シリコン（１００）面のエ
ッチング速度が（１１１）面に比較して約４０倍以上速
いことを利用して、前述のノズル溝１１、凹部１２、細
溝１３及び凹部１４を形成している。この内ノズル溝１
１及び細溝１３はそれぞれエッチング速度が遅い（１１
１）面からなるＶ字状の溝となっている。即ち、ノズル
溝１１及び細溝１３の断面形状を三角形に構成してあ
る。ノズル溝１１は２本の流路を並列構成してありその
間隔は１００μｍその幅は４５μｍ、細溝１３は３本の
流路を並列に構成してありその幅は５５μｍである。ま
た、凹部１２及び１４は底面が（１００）面で側面が
（１１１）面からなる台形状の溝となっている。凹部１
２及び１４の溝深さはエッチング時間を調整することに
より決められる。一方Ｖ字状の溝となっているノズル溝
１１及び細溝１３はエッチング速度の遅い（１１１）面
のみからなるのでその深さはエッチング時間に寄らず溝
幅のみにより決まる。

【００２９】これらノズル溝１１及び細溝１３はインク
流路の内で吐出インクの量や速度等の特性に対して敏感
な部位であり、最も高い加工精度が要求される。本発明
の実施例では、これらの高い加工精度が要求される部位
をエッチング速度が遅い面を用いて構成し、異方性エッ
チングにより加工することにより、一度に異なる寸法の
流路を高精度で得ることを可能にしている。

【００３０】図５、図６及び図７はそれぞれ本発明の実
施例におけるインクジェットヘッドの側断面図を示して
いる。これらの図により本発明のインクジェットヘッド
の動作の一例を以下に説明する。

【００３１】図５において、インクジェットヘッドは、
インク流路中にはインクが充填されており、インクの吐
出を行う際の待機状態にある。待機状態から、振動板５
と個別電極２１に電圧を印加して電位差を生じさせる
と、振動板５と個別電極２１に静電吸引力が作用して、
振動板５は個別電極２１に吸引される。

【００３２】図６は電圧の印加により個別電極２１に吸
引された振動板５によりインク供給部８から吐出室６へ
矢印Ｂ方向にインクが供給されている状態を示してい
る。

【００３３】図７に示すように、インクが十分供給され
たタイミングを選んで、電圧の印加を止め、振動板５と
個別電極２１を導電位にすると、振動板５は電界の力か
ら開放されて自らの復原力により吐出室６側に復元す
る。この時吐出室６に発生した圧力によりインク滴１０
４はノズル４より吐出する。と同時に吐出室６のインク
は矢印Ｃ方向にインク供給路７を通過してインク供給部
８に排出される。

【００３４】この後インク流路内のインクの振動が流路
抵抗により減衰して収束し、再び図５に示す待機状態と
なり、次のインクの吐出が可能な状態となる。

【００３５】上述の駆動では駆動力として静電気力によ
る動作を例に説明したが、駆動力としては静電気力の他
に、電磁気力でも圧電素子による力でも発熱抵抗体によ
る気化圧力によるものでもよい。静電気力を利用する構
成であれば構成が簡単であり、エネルギーの効率が良
く、製造し易いといった利点を有する。また、上述の駆
動方法は、流路の応答を利用する方法であるが、待機状
態で常にインクを吸引しており、インク吐出を行う際に
のみ振動板を開放する駆動方法でもよい。例に示した流
路の応答を利用する方法であれば、吐出インク量を多く
し、吐出インク量の周波数特性が優れた駆動が可能であ
る。何れにしても駆動力や駆動方法が異なっても本発明
による作用・効果は同様である。

【００３６】図８は図４におけるノズル４の矢視Ａ方向
の拡大図である。また、図９は凹溝１２側からみたノズ
ル溝１１のエッチング後の斜視拡大図である。ノズル４
はエッチングにてノズル溝１１を形成し、基板１、基板
２、基板３を接合後、切断加工により開口して形成され
る。従って開口形状はＳｉ単結晶の２つの（１１１）面
と接合面である（１００）面からなる三角形となる。こ
のように、ノズルの形成速度、即ちエッチング速度が比
較的遅い結晶面で且つ、同一な直行する結晶面を用いて
ノズルを構成することにより、即ち三角形形状にてノズ
ルを構成することにより、容易に且つ高精度なノズルを
得ることが可能となる。

【００３７】本実施例において、基板１に単結晶シリコ
ンを用いているがゲルマニウムや単結晶酸化シリコン
（水晶）等、異方性エッチングが可能な材料であれば何
でもよい。単結晶シリコンは半導体材料として産業上容
易に手にすることができる材料であるし、水晶や、ゲル
マニウム等は高い純度の結晶を得ることができ更に高精
度の加工が可能である。

【００３８】また、本実施例では圧力発生手段として静
電吸引力を用いたが、圧力発生手段として圧電素子、電
磁力変換素子や発熱抵抗体素子等どの様な加圧素子若し
くは圧力発生素子を用いてもよく、本発明の作用・効果
として同一のものが得られる。圧力発生手段として静電
吸引力を用いることにより、ギャップ量の選定に寄って
は大きな圧力を得ることが可能であり、かつ、ヘッドの
構成を簡素化することが可能である。静電吸引力を用い
るようにすれば本発明の特徴を最大限に応用することが
でき、上述の様に構成部材を少なくして、品質のよいイ
ンクジェットヘッドを容易に且つ大量に製造することが
できる。

【００３９】図１０は上述のインクジェットヘッド１０
を搭載した本発明のインクジェット記録装置の一実施例
を示す概要図である。３００は記録紙１０５を搬送する
プラテン、３０１は内部にインクを貯蔵するインクタン
クであり、インク供給チューブ３０６を介してインクジ
ェットヘッド１０にインクを供給する。３０２はキャリ
ッジであり、インクジェットヘッド１０を記録紙１０５
の搬送方向と直行する方向に移動させる。キャリッジ３
０２を移動させながら、駆動回路４０により適時インク
ジェットヘッド１０よりインク１０４を吐出させること
により、記録紙１０５に任意の文字や画像を印刷するこ
とができる。

【００４０】３０３はポンプであり、インクジェットヘ
ッド１０のインク吐出不良時の回復動作を行ったり、イ
ンクの詰め替えを行う等の場合、キャップ３０４、廃イ
ンク回収チューブ３０８を介してインクを吸引し、排イ
ンク溜３０５に回収する機能を果たしている。

【００４１】また、本実施例では、インクジェットヘッ
ド１０のみをキャリッジ３０２に配設したものを示す
が、これに限定されるものでものはなく、インクタンク
はキャリッジ上に配設されてもよいし、インクタンクを
ヘッドと一体に構成したいわゆるディスポーザブルタイ
プ（インクタンクのインクが空になった時点でインクジ
ェットヘッドごと交換するタイプ）に適用しても所望の
効果が得られることは言うまでもない。

【００４２】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、画素
抜けに対する信頼性がノズル数のべき乗で向上し、信頼
性の高いインクジェットヘッドを得ることができる。

【００４３】更には、複数のドットで１画素を構成する
ため、見た目の濃度アップ、裏映りの防止及びインクの
節約が可能である。

【００４４】又、更に、容易に製造可能であり、安価
で、寸法精度や品質の高いインクジェットヘッドが得ら
れるといった効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のインクジェットヘッドの分解
斜視図。

【図２】本発明の実施例のインクジェットヘッドの斜視
図。

【図３】本発明の実施例のインクジェットヘッドの断面
側面図。

【図４】本発明の実施例のインクジェットヘッドの基板
の平面部分拡大図。

【図５】本発明の実施例のインクジェットヘッドの断面
側面図。

【図６】本発明の実施例のインクジェットヘッドの断面
側面図。

【図７】本発明の実施例のインクジェットヘッドの断面
側面図。

【図８】本発明の実施例のインクジェットヘッドのフィ
ルターの開孔部拡大図。

【図９】本発明の実施例のインクジェットヘッドの基板
フィルター部の部分斜視図。

【図１０】本発明の実施例のインクジェットヘッドを搭
載したプリンタの概要図。

【符号の説明】

１・・・基板 ４・・・ノズル ５・・・振動板 ６・・・吐出室（圧力発生部） ７・・・インク供給路 ８・・・インク供給部

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクが吐出するノズルと、該ノズルに
   連通する圧力発生部と、該圧力発生部に連通するインク
   供給路とからなる複数のインク流路と、前記複数のイン
   ク流路に連通するインク供給部とが設けてなる基板を有
   するインクジェットヘッドにおいて、前記基板が異方性
   結晶材料よりなり、前記圧力発生部の１つに、前記ノズ
   ルが異方性エッチングにより双数あるいは複数設けてな
   ることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 【請求項２】 前記双数あるいは複数のノズルからイン
   クが吐出し、複数ドットで１画素を構成することを特徴
   とするインクジェットヘッド。
3. 【請求項３】 前記インク流路の圧力発生部が流路の一
   部に設けられた振動板と、該振動板に対向して設けられ
   た電極とからなり、前記振動板と前記電極間に電気パル
   スを印加し、前記振動板を静電気力により変形させて前
   記ノズルからインク液滴を吐出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。
4. 【請求項４】 前記インク流路の圧力発生部が流路の一
   部に設けられた振動板と、該振動板に固着された圧電素
   子とからなり、前記圧電素子に電気パルスを印加し、前
   記振動板を変形させて前記ノズルからインク液滴を吐出
   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。
5. 【請求項５】 前記インク流路の圧力発生部が流路の一
   部に設けられた発熱素子からなり、前記発熱素子に電気
   パルスを印加し、前記流路内に発生する気化圧力により
   前記ノズルからインク液滴を吐出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。
6. 【請求項６】 前記基板の異方性結晶材料が単結晶シリ
   コン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。
7. 【請求項７】 前記ノズルの開口断面形状が三角形であ
   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。
8. 【請求項８】 請求項１記載のインクジェットヘッド
   と、インクを貯留するインクタンクと、前記インクジェ
   ットヘッドのインク供給部と前記インクタンクとを連通
   するインク供給部材とを有することを特徴とするインク
   ジェット記録装置。