JPH1148472A

JPH1148472A - インクジェット記録ヘッド

Info

Publication number: JPH1148472A
Application number: JP22582297A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Asai; 市郎浅井
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1997-08-07
Filing date: 1997-08-07
Publication date: 1999-02-23

Abstract

(57)【要約】【課題】ノズル径に依存せず、微少なドロップを吐出
でき、低周波で駆動することが可能であり、作成精度が
高く、低コストな方法で作成された吐出イジェクタを具
備するインクジェット記録ヘッドを提供すること。【解決手段】画素信号に対応して振動する振動発生手
段８と、結晶性基板１に形成された開口部上に突出し、
振動発生手段８の振動に応じて振動する片持ち梁構造の
弾性部材４とを備え、弾性部材４の振動によりインク１
５の表面にキャピラリ波を発生させ、インク２０を飛翔
させて記録媒体３６に付着させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク飛翔滴を被
印字面に吐出させて印字を行うインクジェット記録ヘッ
ドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ノズルからインク滴を吐出させて
印字を行なうインクジェット記録方式が知られており、
吐出するインクのドロップ径は主にノズル径によって決
まる。ノズルを用いるインクジェット記録方式におい
て、従来の解像度は３００ドット／インチ程度であった
が、昨今その解像度が６００乃至７２０ドット／インチ
と高解像度化されてきた。それに伴い、高解像度化によ
る効果を有効に発揮するためには解像度に応じて印字す
るドット径を小さくする必要が生じている。従来の方式
において、ドット径を小さくする手段としては、ノズル
径を小さくし吐出ドロップ径を小さくする方法がある
が、ノズル径を小さくするとゴミによるノズル詰まり
や、ノズル内のインク表面の乾燥による同じくノズル詰
まりや、ノズル円周部へのインク残滓の付着によるイン
ク吐出方向の変化が発生しやすくなり、記録紙上の画質
に欠陥が発生する。このため、本来の解像度に対応した
ドット径を印字するために必要なノズル径を採用できな
いという問題があった。

【０００３】一方、ノズルに起因する問題を解決する方
法として、ノズルレスのインクジェット記録方法が提案
されている。ノズルレスのインクジェット記録方式は振
動や音響波などを用いており、吐出ドロップ径がノズル
径によって支配されないという利点がある。

【０００４】ノズルを用いない第１の従来技術の一例と
しては、例えば米国特許４３０８５４７号に開示され
る。これは、凹状にカーブした球面形状の圧電体シェル
をインク中に配置し、この圧電体シェルに電極を通して
電圧を印加するものである。この圧電体シェルからイン
ク中に放射された縦波はインク自由表面の一点に集めら
れ、インク自由表面からドロップが吐出される。さら
に、この種の従来技術の生産性や構造の精密さを向上で
きるものとして特公平６−４５２３３号公報や特開平３
−２００１９９号公報に開示された技術が知られてい
る。このような従来技術においては、振動子で発生した
振動を音響レンズでインク自由表面の一点に集束しドロ
ップを吐出させている。しかし、小さなドロップを吐出
させるためには１００ＭＨｚ前後の高周波数で駆動する
ため、駆動手段が一般に高価になるというコスト上の問
題がある。また、発熱によりインク粘度が上昇しドロッ
プ径が変動したり、印字ヘッド内でインク自体の乾燥・
固化が起こり吐出できなくなるという重大な問題が生じ
やすい。これは、インク中を伝搬する縦波は高周波数で
駆動するほどインク中で減衰しやすく、インク中に吸収
されるエネルギー量が増大する結果、発熱量も増加して
ゆくからある。従って、この問題を解決するためにヘッ
ドに冷却機構を設けるなどの方法もあるが、印字ヘッド
のコストやサイズが大きくなり問題である。

【０００５】さらに第２のノズルを用いないインクジェ
ット記録技術としては、振動子で発生した振動を音響ホ
ーンでインク自由表面の一点に集束しドロップを吐出さ
せる方式がある。米国特許４３０８５４７号では、凹状
レンズのかわりに振動子の上に形成された音響ホーンに
より振動を集束し、音響ホーン先端に接触したベルト上
を搬送されてくるインク薄膜にこの振動が作用しインク
ドロップを吐出させるものが開示される。また、特開平
４−１６８０５０号公報では、集音体を圧電体上に設け
た構成が提案されている。集音体は、圧電体およびこれ
に電圧を印加するための電極からなる振動子の上に形成
され、インクを保持したインクリザーバ中に配置されて
いる。集音体は先細りの形状で、集音体の底部から入射
した歪みが集音体内部を伝搬するに伴って集音体の振幅
が増幅される。そして、集音体で集められた大振幅の波
がインクをたたくことで生じた縦波がインク自由表面を
押し上げインクドロップを吐出させる。音響学の分野に
おいては一般に、共振により集音体（もしくは音響ホー
ン）の先端を大振幅に振動させて吐出力を得ようとした
場合、集音体中を振動波が伝搬するためには、集音体の
垂直断面方向の長さ（高さ）は振動波の波長の１／２波
長の整数倍の大きさを持つものでなければならないこと
が知られている。従って、集音体の大きさを小さくし高
密度なインクジェットヘッドを作製するためには、振動
波の波長も小さく、つまり振動子を振動させる駆動周波
数を大きくしなければならない。従って、このような従
来技術においては、インク中のエネルギー減衰を抑えか
つ比較的安価な駆動回路ですむように低周波数で駆動さ
せようとすると集音体が著しく大きくなるため、高密度
な印字ヘッドを作製できないという問題があった。従っ
て、現実的な密度の印字ヘッドを作製するためには、先
の第１の従来技術同様に数１０Ｍから数１００ＭＨｚと
いう高い周波数で駆動させる必要があった。また、音響
ホーンに接触したベルトでインク薄膜を安定に搬送する
ことは実際上は困難であり、吐出ドロップ径がばらつき
やすく問題であった。

【０００６】さらに第３のノズルを用いないインクジェ
ット記録技術としては、吐出力として静電力を用いるい
わゆる静電吸引方式がある。静電吸引方式には、そのイ
ンクメニスカスを形成するために、振動を用いるものが
知られている。例えば、特開昭６２−２２２８５３号公
報では、記録針をインク表面から突出させ、これに軸方
向に伝搬する超音波エネルギーを与えるという技術が開
示される。ここでは、超音波流動（ａｃｏｕｓｔｉｃ
ｓｔｒｅａｍｉｎｇ）現象により、記録針に接するイン
クは記録針の先端方向に移動し、記録針の先端に凸状の
インク隆起（インクメニスカス）を形成する。そこで、
記録針と背面電極との間に静電界を印加し、インクを引
きちぎり、記録針と背面電極との間に配置された記録媒
体上にインク滴を着弾させる。これは、記録針の先端に
インクメニスカスを形成するため、従来の静電吸引方式
に比べ、より小さいインクドロップを形成できるとして
いる。また、特開昭５６−２８８６７号公報でも、針電
極と背面電極との間に静電界を印加しておき、針電極に
画像信号を印加すると同時に、針電極を振動させる静電
吸引方式が提案されている。このようにすると、インク
ジェットの粒子化が安定にできる。しかし、静電吸引方
式では、湿度などによる記録媒体の誘電体厚みの変動や
記録媒体の表面粗さのばらつきなどによって、形成され
るドロップ径が変動しやすい。さらに、このような構成
では、静電界のみならず、超音波も生成する必要がある
ため装置が大きくかつ高価になりやすいという欠点があ
った。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ノズ
ル径に依存せず、微少なドロップを吐出でき、低周波で
駆動することが可能なインクジェット記録ヘッドを提供
することである。また、本発明の目的は、作成精度が高
く、かつ、低コストな方法で作成された吐出イジェクタ
を具備するインクジェット記録ヘッドを提供することで
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明はキャピラリ波に
よるドロップ吐出現象を用いている。ここでキャピラリ
波の概要と本発明の基本原理とを図１０乃至図１２を用
いて説明する。

【０００９】まず図１０を用いて、キャピラリ波による
液滴形成の原理について説明する。キャピラリ波による
液滴形成は、例えば山海堂発行「超音波噴霧」１６８頁
（１９９０）に述べられているように、超音波噴霧など
の発生機構として知られている。図１０に示すように、
キャピラリ（毛細表面）波は振動面上の薄い液膜に見ら
れる現象であり、液体６１の表面張力を復元力とする振
動体６０上の薄液層の表面波である。振動体６０の振動
振幅が十分にあれば、徐々に波頭が成長してゆき波頭か
ら液滴が引きちぎれる形態をとる。波頭と波頭の間隔は
キャピラリ波の波長λであり次のように求まる。

【００１０】λ＝（８πσ／ρｆｅ²）^1/3

【００１１】ここでσ、ρは液体の表面張力、および密
度であり、ｆｅは励振（駆動）周波数である。励振周波
数ｆｅが高いほど、波長λは小さく、いわゆるキャピラ
リ波は細かくなり、その波頭から分裂する液滴径も小さ
くなる傾向がある。キャピラリ波の作用により飛翔する
液滴はその波長以下の微小滴とすることができる。数ｋ
Ｈｚから数ＭＨｚと比較的駆動周波数が低くても小さな
ドロップを吐出できるため従来から印字ヘッドへの適用
が検討されてきた。しかし、複数滴が発生しやすい、各
滴の直径がばらつくなどの理由から単一滴による印字は
実現されておらず、このため複数滴発生を前提として、
上部に配したノズル孔で印字ドット径を制御する方式が
とられていた。なお、ノズル孔に起因する問題のみなら
ず、複数滴を発生させるため印字ドット径が広がり（大
きくなり）やすく、またドット周辺にも飛沫が飛び画像
を劣化させやすかった。

【００１２】図１１、図１２は本発明を適用する対象と
なるドロップ吐出機構の概要について説明するものであ
る。図１１は吐出ヘッドの断面図であり、図１２はその
正面図であるなお、図１２では吐出ドロップは図示しな
い。

【００１３】振動を発生する機構（振動子）としては電
歪素子、磁歪素子、機械式アクチュエータなどが適用可
能である。図１１では、基板４０上に圧電セラミック薄
膜６、およびこれを駆動するための電極５、７を形成し
振動子８として用いる。振動子８の上に、金属薄膜など
からなる弾性部材４を形成し配置してある。

【００１４】振動子８は、基板４０の剛性や圧電セラミ
ック薄膜６の厚さなどから決まる固有の共振周波数ｆ₀
を持つため、外部駆動手段１２０から振動子８にｆ₀と
同じもしくはその整数倍の周波数ｆで電圧を印加して励
振する（以下、外部駆動手段は図示しない）。この時、
振動子８に接続された弾性部材の共振周波数ｆ₁がｆ₀と
同じになるように弾性部材４の大きさや剛性、インク１
５の高さや量などを調整しておくと、振動子８の振動に
共振し、片持ち梁構造の弾性部材４を曲げ振動させるこ
とがきる。ここでは、弾性部材４は、振動子８の主たる
振動方向（ａ−ａ’）と略垂直方向（ｂ−ｂ’）に曲げ
振動させた。片持ち梁構造の弾性部材は、基端部より先
端部の方が、曲げこわさを小さくすることによって、弾
性部材の先端近傍でより効率よく曲げ振動し振幅を得る
ことができる。曲げこわさは、弾性部材の（断面２次モ
ーメント）×（ヤング率）で表されるものである。

【００１５】サイン波状の交流電圧を一定期間だけバー
スト波として振動子８に印加して図１１のようにａ−
ａ’方向に振動させ、弾性部材４に曲げ振動させる。な
お、振動子をａ−ａ’方向以外に振動させて弾性部材４
を曲げ振動させてももちろんよい。バースト波とは、振
動子を駆動する際、周波数は一定のまま、１個から複数
個の波からなる交流電圧が断続的に振動子に印加される
波形をいう。バースト波駆動により振動子を一定時間駆
動し印字する。

【００１６】駆動電圧が適当に大きいと、先ず図１１、
図１２に示すように、弾性部材の先端付近にインクの薄
液層が下から持ち上げられて形成される。さらに引き続
く弾性部材の振動によりその薄液層にキャピラリ波が形
成され、最終的には、キャピラリ波の波頭から微小なイ
ンクドロップ２０が形成される。弾性部材の先端近傍表
面におけるインク厚は、その表面にキャピラリ波を生じ
るためには、インクと弾性部材の濡れと重力の効果およ
び流動作用を勘案して数μｍ〜数百μｍに形成されるべ
きである。また、１ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲の駆動
周波数においてキャピラリ波によるドロップ飛翔ができ
る。

【００１７】弾性部材４の材料としてはシアノアクリレ
ート系樹脂やエポキシ系樹脂あるいはフッ素系樹脂やポ
リイミドなどの各種樹脂を用いることができる。特にポ
リイミドなどのように精密に形状を加工できる樹脂を用
いることは重要である。共振を用いて弾性部材先端に大
きな変位を実現したい場合には、その寸法を精密に形成
できる材質と加工方法を選択すべきであり、先のポリイ
ミドなどではエキシマレーザやフォトリソグラフィー技
術を使ってこれを実現できる。また、ＳｉＯ₂、ＳｉＯ
ＮあるいはＳｉＮやＡｌＮやＡｌ₂Ｏ₃などといった各種
無機材料で弾性部材を形成してもよい。また、Ａｌ、Ｆ
ｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｏ、ＴｉＷなど、あるいはそ
れらの各種合金で弾性部材を形成してもよい。インクと
接する間に腐食しないようにＳｉＯ₂などの無機膜でそ
れらの表面を保護してもよい。樹脂と無機材料と金属の
うち、２つ以上の材料を用いて構成してもよいのはもち
ろんである。また、振動エネルギーが効率的に伝搬でき
るのなら、弾性部材の先端と基端部を別な材料で構成し
てもよい。

【００１８】また、振動子として圧電体を用いる場合に
は、圧電基板で構成しても圧電薄膜で構成してもよい。
また、圧電体として、水晶、ジルコン酸・チタン酸鉛
（ＰＺＴ）やチタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃、ニオブ酸
鉛ＰｂＮｂ₂Ｏ₆、Ｂｉ₁₂ＧｅＯ₂₀、ニオブ酸リチウムＬ
ｉＮｂＯ₃、タンタル酸リチウムＬｉＴａＯ₃などの多結
晶体や単結晶体、あるいはＺｎＯやＡｌＮなどの圧電薄
膜、あるいはポリ尿素、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデ
ン）やＰＶＤＦの共重合体などの圧電性高分子またはＰ
ＺＴなどの無機圧電物質と圧電性高分子との複合体など
でもよい。

【００１９】以上の説明から明らかなように、本実施の
形態によるインクジェット記録ヘッドは、駆動周波数が
比較的低いこともあり発熱は少なく安定した印字が可能
となる。また、ドロップ径を規定するためにいわゆるノ
ズルを用いる必要はなく、さらには単一で小さなインク
ドロップを吐出することができるので像保持体上に安定
に高い画質を形成することができる。ところが上記印字
装置を作製する場合には、以下の点に留意する必要が生
じる。

【００２０】本吐出機構においては、振動発生手段を励
振して弾性部材を振動させる。特に、振動発生手段の励
振周波数に共振するように弾性部材の形状と材質を勘案
しておくと、弾性部材を大きく曲げ振動できるので効率
的にインクドロップを吐出させることができる。そこ
で、弾性部材の形状、例えば、高さや幅などは励振周波
数に対応した共振長にする必要がある。ここで、共振長
の設計値に対するその長さばらつきは数％以下、望まし
くは２％以下に作製する必要がある。設計上許されるば
らつきが２％以下とした場合、弾性部材の高さが１ｍｍ
の時には２０μｍ以下の精度で製造すればよいが、小径
ドロップを吐出させるために弾性部材の高さを２００μ
ｍとするときには４μｍ以下の精度で製造しなければな
らない。インクジェット記録ヘッドとしては数百から数
千と多数の吐出イジェクタ（従って、同数の弾性部材）
を均一に作る必要があるため、イジェクタ数を増やすと
厳しい作製精度が要求される。

【００２１】そこで本発明は、画素信号に対応して振動
する振動発生手段と、結晶性基板に形成された開口部上
に突出し、振動発生手段の振動に応じて振動する片持ち
梁状の弾性部材とを備え、弾性部材の振動によりインク
の表面にキャピラリ波を発生させ、インクを飛翔させて
記録媒体に付着させるようにした。本発明において、弾
性部材は結晶性基板上に形成された薄膜と一体となすこ
とが好ましく、結晶性基板を酸化または窒化して形成さ
れる。結晶性基板はたとえばＳｉからなり、薄膜はＳｉ
Ｏ_x、ＳｉＮ_y、ＳｉＯ_xＮ_yのうちのいずれか一つを含む
ことが好ましい。本発明においては、半導体製造におい
て用いられている高精度加工が可能なフォトリソグラフ
ィー技術を利用できる。また、本発明では基板を用いて
連続的に弾性部材まで形成するため低コストかつ均一に
作成できる。

【００２２】図１は、本発明の基本的構成を説明するた
めの弾性部材の斜視図である。シリコンなどの異方性エ
ッチング加工が可能な結晶性基板２００上に薄膜２０１
を形成し、薄膜２０１の一部を加工して振動板を兼ねる
弾性部材２０２の部位を構成する。弾性部材２０１上に
は、例えば、圧電体２０４とこれを狭持する一対の電極
２０３、２０５とからなる振動子２０７とこれを保護す
る保護膜２０６が形成される。この弾性部材２０２の部
位は後に述べるようにほぼ垂直に配置されインクと接触
する。作製工程においては、フォトリソグラフィー技術
を利用し、弾性部材、振動子を結晶性基板上に一体に形
成してゆく。

【００２３】さらに詳しくこの形成プロセスを図２、図
３、図４を用いて説明する。図２はシリコン基板２００
の表面を、図３はその裏面を示している。図４は、図２
をＸ−Ｘ’で切断した断面図である。図２及び図３に示
すように、シリコン基板２００の裏面にＳｉＯ₂などの
膜２１０を、表面にはＳｉＯ₂などからなる膜２０１を
堆積し、フォトリソグラフィー技術を利用して後の開口
２０８、２０９となる部位の膜を除去する。この時同時
に、膜２０１を所望の形状を有する弾性部材２０２の部
分が形成される。この弾性部材２０２の先端と基部との
間にくるように、図１で示した圧電体２０４とこれを挟
持する一対の電極２０３、２０５とからなる振動子２０
７を形成する。振動子２０７は保護膜２０６で保護され
る。続いて、シリコン基板２００を異方性エッチングを
行うエッチング液にさらし、基板の一部を除去する。異
方性エッチングは、「ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＥＤ、
ｖｏｌ．ＥＤ−２５、Ｎｏ．１０（１９７８）、ｐ１１
８５」に示されるように、シリコン結晶基板などのよう
にある一定の面方位をもつ結晶体に対して、特定のエッ
チング液を作用させると結晶体のエッチング速度が面方
位によって異なり、特有のエッチング形状が得られる現
象である。例えば、実施の形態で述べるように、（１０
０）面のシリコン基板２００をＫＯＨなどのエッチング
液でエッチングすると、（１００）面のエッチング速度
が他面に比べて早いため、ほぼ５５°の断面形状となる
（図４のθ）。開口２０８、２０９となる部位以外の膜
２０１、２１０が基板を保護しているため基板の所望の
部位に開口を設けることができる。なお、Ｓｉ基板裏面
に作られたインクチャネル１８は、実施の形態で述べる
ように、インクリザーバからインクをインク室に供給す
るためのものである。

【００２４】このようにして形成されたシリコン基板２
００をインク面に対してほぼ垂直に配置しインクジェッ
ト記録ヘッドとする。この様子は実施の形態の説明で示
す。本発明においては、弾性部材の作製方法としてＬ字
への加工と接着という煩雑な工程ではなく、フォトリソ
グラフィー技術と異方性エッチングを用いるので、簡便
に弾性部材を形成できる。従って、薄く振動効率がよい
複数の弾性部材を精度よく均一に形成できるため、高画
質の印字装置を実現できる。また、弾性部材の先端と基
部との間にくるように振動子を形成することにより効率
よく弾性部材を振動できる。

【００２５】なお、振動板を兼ねる弾性部材はＳｉＯ₂
などの単層やＳｉＯ₂／Ｓｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂などの積層構
造など、キャピラリ波を効率よく形成できる部材を弾性
率などを勘案して選択することができる。また、弾性部
材は選択した結晶性基板とこれに対応した異方性エッチ
ング液に侵されない材質であることが好ましい。もちろ
ん、エッチング液に侵されない保護膜で弾性部材を保護
してもちいてもよい。しかし、エッチング液に侵されな
い膜をそのまま弾性部材として用いられる構成がコスト
上有利である。また、弾性部材は使用するインクにより
腐食しない材料、もしくは構造にする必要がある。な
お、結晶性基板はシリコンに限るものではなく、異方性
エッチングにより精度よく形成できるものであればＧｅ
やＧａＡｓなどその他の結晶性物質でもよい。

【００２６】また、振動子が弾性部材の端部と先端部と
の間に位置する必要は必ずしもない。振動子の位置は振
動子を効率よく振動できればよく、振動子のすくなくと
も一部もしくは全てが基板上に配置されてもよい。

【００２７】以上のように、駆動周波数という観点から
は、レンズなどを用い数百ＭＨｚを必要とした従来技術
に比べ、本発明では数百ｋＨｚ前後と大幅に低い周波数
で微小インク滴を吐出でき、高周波駆動のための高価な
駆動系が不要になるとともに、インク中で発生する発熱
量も低減され吐出ドロップ径の変動やヘッド内のインク
固化による信頼性低下といった問題も起こりにくくな
る。さらに、本発明により、高画質で小型で安価な印字
装置を提供できる。より詳細な説明は以下の実施の形態
の説明において述べる。

【００２８】

【発明の実施の形態】図５、図６は本発明の第１の実施
の形態によるインクジェット記録装置のインクジェット
記録ヘッド部３３の主要構成図である。図５はインクジ
ェット記録ヘッドの断面図を、図６はインクジェット記
録ヘッドの正面図を示している。

【００２９】（１００）面方位で厚さ５００μｍのＳｉ
基板１の両面に、厚さ３μｍのＳｉＯ₂膜２、３を熱酸
化により形成した。先ず、Ｓｉ基板１の裏面のＳｉＯ₂
膜３をフォトリソグラフィー技術によりパターンニング
しフッ酸により一部を除去し、裏面の異方性エッチング
用マスクを作製した。続いて、Ｓｉ基板１の表面のＳｉ
Ｏ₂膜２をフォトリソグラフィー技術によりパターンニ
ングしフッ酸により一部を除去し、表面の異方性エッチ
ング用マスクと弾性部材４となる部分とを同時に形成し
た。なお、フッ酸により表面ＳｉＯ₂膜２をエッチング
する際には、Ｓｉ基板１の裏面全体をフォトレジストで
覆い保護した。さらに、Ｓｉ基板１の表面の弾性部材４
上に０．５μｍの厚さのＡｇ電極５を堆積後パターンニ
ングし、続いて１０μｍの厚さのジルコン酸・チタン酸
鉛（ＰＺＴ）からなる圧電セラミック薄膜６を堆積後パ
ターンニングし、さらに０．０５μｍの厚さのＣｒと１
μｍの厚さのＡｕの２層からなる電極７を堆積後パター
ンニングし形成した。ＰＺＴ薄膜６は分極処理され、両
電極間に電圧が印加された場合にこの片持ち梁構造の弾
性部材４は曲げ振動する。ＰＺＴ６と１対の電極５、７
からなる振動子８は１μｍの厚さのＳｉＯ₂などからな
る保護膜（図示せず）で被覆した。保護膜を被覆するこ
とにより、環境からもたらされうる水分がＰＺＴ薄膜の
分極率に変化を引き起こないようにしてある。電極５は
各振動子に共通するコモン電極であり、電極７は特定の
振動子のみを振動させるためのアドレス電極である。図
では省略されているが、これらの電極配線は基板の端部
から接続コネクタ１００を介して図示していない外部の
駆動電源に接続されている。なお、Ｓｉ基板にドライブ
回路などを形成しておいてもよい。

【００３０】次に、Ｓｉ基板１をエチレンジアミン／ピ
ロカテコール／水からなるエッチング液に入れ、異方性
エッチングを行った。ＳｉＯ₂で覆われていないＳｉ面
でＳｉのエッチングが起こり、図５のようなほぼ５５°
の断面形状が得られた。この時、振動子８が配置されて
いる弾性部材４の下部にあるＳｉも除去されるため、片
持ち梁構造の弾性部材４ができあがる。もちろん、Ｓｉ
Ｏ₂膜はエッチング液には侵されない。なお、異方性エ
ッチング液はこれにかぎらず、ＫＯＨとＨ₂Ｏからなる
ものやＨＦ／ＨＮＯ₃／酢酸からなるものなどを使って
もよい。もちろん、マスクもそれぞれにおいてその材質
を選択しなければならない。

【００３１】なお、ＳｉＯ₂膜からなる弾性部材４の平
面形状は、最初に行ったフッ酸によるエッチングの際に
既に決まっている。弾性部材４の形状は図６のような先
鋭状であり、底辺が５０μｍで高さが４００μｍで、先
端から５０μｍまで７０°に先鋭化した形状である。弾
性部材４の形状の精度は、フォトリソグラフィー技術で
用いられる光源波長やＳｉＯ₂膜の膜厚、エッチング液
の組成や温度などで決まる。本実施の形態の場合には、
例えば、弾性部材４の高さを例にとれば、１％以下の精
度で均一に作製できた。なお、振動子８は、弾性部材４
の基部と先端の間に配置した。

【００３２】このように異方性エッチングを結晶性基板
に対して用いることで、精度がよく、かつ、複雑な片持
ち梁構造の弾性部材を容易に形成できる。弾性部材は振
動板を兼ね、結晶性基板は片持ち梁構造の保持部材とイ
ンク室を同時に兼ねることができる。従って、均一に高
精度の弾性部材を低コストで作製することができる。ま
た、弾性部材４を有する各振動子が吐出のための一つの
イジェクタを構成する。そこで、結晶性基板を異方性エ
ッチングしてインクジェット記録ヘッドを構成したこと
で、印字時に各イジェクタで発生した振動を隣接イジェ
クタに伝搬させないように、各イジェクタの振動をその
部位に限定することが構造上簡単にできている。

【００３３】次に、Ｓｉ基板の表面側にインク流出防止
用のポリイミド・フィルム５０を支持部５１を介して形
成した。ポリイミド・フィルム５０は、弾性部材４が振
動してもふれないよう少し離して配置されている。Ｓｉ
基板の裏面側に、吐出開口１３を有するポリイミド・フ
ィルム１２を接着しインク室１４を形成した。吐出開口
１３は、インクの散逸を低減するためのものであり、吐
出ドロップ径より大きな開口面積である。また、インク
室１４を形成するポリイミド・フィルム１２には図のよ
うに、インク１５のインク面１７の高さを固定するよう
にインク面固定部材１６を取り付けてある。

【００３４】インク１５は、図示していないインクリザ
ーバからＳｉ基板に作られたインクチャネル１８を通じ
てインク室１４に供給される。インク供給圧力の調整と
インク面固定部材１６の利用により、インク１５は弾性
部材先端がインク面１７から出ているように配置され
る。なお、インクチャネル１８は、あらかじめその部分
のＳｉＯ₂膜を除去しておくことにより、異方性エッチ
ングにより同時に形成されたものである。インクチャネ
ル１８の幅Ｍ（図６）がＳｉ基板厚に対して比較的狭け
れば、異方性エッチング時に基板を貫通してしまうこと
なくチャネルを形成できる。

【００３５】印字時には、図示していない交流電源を用
いて、外部からこの振動子８に弾性部材４の剛性や形状
などともから決まる固有の共振周波数ｆ₀と同じ、もし
くはその整数倍の周波数ｆで、画像信号に応じて電圧を
印加して励振した。印字時には、複数のイジェクタのう
ち一つもしくは複数のイジェクタに選択的に電圧を印加
する。本実施の形態では、一つの画素を形成するため
に、選択したイジェクタに対して、２００ｋＨｚで５Ｖ
ｐ−ｐ（最高最低振幅）の電圧を印加時間５０μｓｅｃ
の間バースト的に印加した（バースト数は１０とな
る）。アドレス電極で選択されたイジェクタの弾性部材
４の先端のみから、弾性部材４にほぼ直角に１５μｍ直
径のインクドロップ２０が吐出した。インクドロップ２
０は１ｍｍ離して配置された印字紙３６上に達し、画像
信号に応じてドット（画素）を生成し画像を形成する。

【００３６】この時の記録装置全体の概要は以下のよう
である。図７は本発明のインクジェット記録装置の主要
部の構成図を示す。インクジェット記録装置３７は、後
述する各色に対応した数の複数のインクジェット記録ヘ
ッド３３がキャリッジ３４に固定され、キャリッジ３４
は印字紙３６の紙幅方向に往復移動し、印字紙３６が移
動することにより印字紙全面に文字および絵を印字でき
るようになっている。なお、各インクジェット記録ヘッ
ド３３内では振動子および弾性部材からなる複数のイジ
ェクタが基板上に配置されているが、外部から与えられ
る画像信号に応じてその時々で選択されたイジェクタの
みが駆動されインクドロップを吐出する。

【００３７】さらに、印字紙３６の移動はローラ３５を
回転させることにより行った。キャリッジ３４の送り速
度とインクジェット記録ヘッド３３内の各振動子の配置
間隔は６００ｄｐｉ（ｄｏｔｐｅｒｉｎｃｈ）に対
応するようにした。キャリッジ３４に固定された各イン
クジェット記録ヘッド３３は、黒、イエロー、マゼン
タ、シアンのインクタンク３８のどれかに接続されてい
る。各インクは各インクジェット記録ヘッド３３へ供給
され、画像信号に対応した振動子に電圧が加わると、そ
の選択された振動子上のインク面からインクドロップが
吐出され画像を形成してゆく。なお、図示していないが
インクジェット記録ヘッド３３への電気的信号はキャリ
ッジ３４を介して外部から送られる。インクジェット記
録ヘッド３３の印字駆動条件は先に述べた。

【００３８】印字後の印字紙３６上に形成された各ドッ
トは、各色インクともほぼ３０μｍ径の円状に整った均
一小径ドットであった。ドット径やドットの着弾位置精
度に各色とも変動はなく、小径ドロップを安定に吐出す
ることができていた。

【００３９】吐出ドロップ径がノズル径によらないため
吐出ノズル内およびその周辺へのインク固着はもちろん
なく、微少ドロップを安定して吐出ができた。また、駆
動周波数も低いので発熱もなく、発熱によるインクの粘
度変化や固化といった問題も生じなかった。特に、異方
性エッチングにより精度よく均一にインクジェット記録
ヘッドを形成したため、高い解像度に対応する微小ドッ
トを安定に形成でき高品位な印字が可能であった。ま
た、安価なインクジェット記録ヘッドを実現できた。

【００４０】図８、図９は本発明のインクジェット記録
装置の第２の実施の形態によるインクジェット記録ヘッ
ドの主要構成図である。図８はインクジェット記録ヘッ
ドの断面図を、図９は正面図を示している。第１の実施
の形態と異なるのは、弾性部材の構成とインク保持機構
がある点である。

【００４１】（１００）面方位で厚さ５００μｍのＳｉ
基板１の両面に、厚さ３μｍのＳｉＯ₂膜を熱酸化によ
り形成した。さらに、基板表面にはＣＶＤ法によりＳｉ
３Ｎ４膜を１μｍ、続いてＳｉＯ₂膜を１μｍ堆積し
た。これにより、Ｓｉ基板１の表面にはＳｉＯ₂／Ｓｉ₃
Ｎ₄／ＳｉＯ₂の３層からなる弾性膜２が、Ｓｉ基板１の
裏面にはＳｉＯ₂膜３が形成された。弾性膜２をＳｉＯ₂
／Ｓｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂の３層にしたことにより、ＳｉＯ₂
単層の場合より弾性部材４としての弾性率を高め効率的
に弾性部材４を振動させることができる。また、弾性膜
を２層以上で構成することにより、弾性部材４の膜スト
レスを堆積条件により柔軟に変えることができ、弾性部
材４の傾きや振動寿命などを最適化できる。なお、ＢＮ
やＡｌ₂Ｏ₃あるいはＡｌＮなどの他の膜で弾性部材を形
成しもよいが、現状の技術レベルで容易に適用できるも
のとしてはＳｉＯ₂やＳｉ₃Ｎ₄もしくはＳｉＯ_xＮ_yが望
ましい。また、弾性部材４は、多結晶Ｓｉ膜やＳｉ基板
の表面Ｓｉ層、あるいはＳｉ基板上に成長したＳｉエピ
タキシャル層を用いて形成してもよい。Ｓｉ基板の表面
Ｓｉ層を用いる場合には、ｎ型基板の表面に、ボロン
（Ｂ）などを所定の箇所にイオン注入するなどしてｐ＋
型にして異方性エッチング液に侵されない状態にするこ
とができる。このように弾性部材を基板の一部を用いて
作製することは印字装置を低コストにできる。

【００４２】次に、Ｓｉ基板１裏面のＳｉＯ₂膜３をフ
ォトリソグラフィー技術によりパターンニングしフッ酸
により一部を除去し、裏面の異方性エッチング用マスク
を作製した。続いて、Ｓｉ基板１の表面の弾性膜２のＳ
ｉＯ₂をフォトリソグラフィー技術によりパターンニン
グしフッ酸により、ドライエッチングによりＳｉ₃Ｎ₄を
さらにフッ酸によりＳｉＯ₂を除去し、弾性部材４と表
面の異方性エッチング用マスクを同時に形成した。な
お、フッ酸により表面弾性膜２を構成するＳｉＯ₂膜を
エッチングする際には、Ｓｉ基板１の裏面全体をフォト
レジストで覆い保護した。

【００４３】さらに、Ｓｉ基板１の表面の弾性部材４上
に０．５μｍの厚さのＡｇ電極５を堆積後パターンニン
グし、続いて１０μｍの厚さのジルコン酸・チタン酸鉛
（ＰＺＴ）からなる圧電セラミック薄膜６を堆積後パタ
ーンニングし、さらに０．０５μｍの厚さのＣｒと１μ
ｍの厚さのＡｕの２層からなる電極７を堆積後パターン
ニングし形成した。ＰＺＴ薄膜６は分極処理され、両電
極間に電圧が印加された場合にこの片持ち梁構造の弾性
部材４は曲げ振動する。ＰＺＴ６と１対の電極５、７か
らなる振動子８は１μｍの厚さのＳｉＯ₂などからなる
保護膜（図示せず）で被覆した。保護膜を被覆すること
により、環境からもたらされうる水分がＰＺＴ薄膜の分
極率に変化を引き起こないようにしてある。電極５は各
振動子に共通するコモン電極であり、電極７は特定の振
動子のみを振動させるためのアドレス電極である。図で
は省略されているが、これらの電極配線は基板の端部か
ら接続コネクタ１００を介して図示していない外部の駆
動電源に接続されている。

【００４４】次に、Ｓｉ基板１をエチレンジアミン／ピ
ロカテコール／水からなるエッチング液に入れ、異方性
エッチングを行った。ＳｉＯ₂で覆われていないＳｉ面
でＳｉのエッチングが起こり、図８のようなほぼ５５°
の断面形状が得られた。この時、振動子８が配置されて
いる弾性部材４の下部にあるＳｉも除去されるため、片
持ち梁構造の弾性部材４ができあがる。

【００４５】なお、ＳｉＯ₂膜からなる弾性部材４の平
面形状は、最初に行ったフッ酸およびドライエッチング
によるエッチングの際に既に決まっている。弾性部材４
の形状は図９のような先鋭状であり、底辺が５０μｍで
高さが４００μｍで、先端から５０μｍまで７０°に先
鋭化した形状である。この形状は第１の実施の形態と同
じであるが、本実施の形態では弾性部材４の周辺に１０
μｍ離して、同一の部材からなるインク保持機構２２が
ある。インク保持機構は、弾性部材の周辺に、これと離
して、弾性部材の主たる面に略平行にインク保持部材を
配置したものである。このインク保持機構２２は、弾性
部材４をパターニングするときに、弾性膜を一定の幅で
除去して同時に形成されたものであり、毛管力で弾性部
材４とインク保持機構２２の間にインクを保持すること
ができる。インク保持機構２２を設けることにより、イ
ンク室１４のインク１５は振動子８が配置されている基
板表面側にくることがない。従って、インクによる圧電
体６の劣化や電極５、７の腐食といった問題が起こら
ず、高い信頼性の印字装置を供給できる。また、インク
保持機構２２を弾性部材と同時に形成しているため先の
第１の実施の形態に比べ低コストにできる。なお、イン
ク保持機構２２と弾性部材４の間隔が大きすぎると毛管
力でインクを保持することができなくなる。従って、使
用するインクやインク保持機構２２、あるいは弾性部材
４の表面張力などを勘案してこの間隔を決める必要があ
る。また、インク保持機構としては、弾性部材と同一の
部材で形成しなくともよい。ただし、その場合コストが
増加しやすい。いずれにしろ、インク室１４のインク１
５が振動子８が配置されている基板の表面側にこなけれ
ばよく、本実施の形態のような板状の保持手段に限るも
のではない。

【００４６】弾性部材４の形状の精度は、フォトリソグ
ラフィー技術で用いられる光源波長やＳｉＯ₂膜の膜
厚、エッチング液の組成や温度などで決まり、本実施の
形態の場合には、例えば、弾性部材４の高さを例にとれ
ば、１％以下の精度で均一に作製できた。振動子８は、
弾性部材４の基部と先端の間に配置された。

【００４７】このように異方性エッチングを結晶性基板
に対して用いることで、精度よくかつ複雑な形状の片持
ち梁構造の弾性部材を容易に形成できる。弾性部材は振
動板を兼ね、結晶性基板は片持ち梁構造の保持部材とイ
ンク室を同時に兼ねることができる。従って、均一に高
精度の弾性部材を低コストで作製することができる。ま
た、弾性部材４を有する各振動子が吐出のための一つの
イジェクタを構成する。そこで、結晶性基板を異方性エ
ッチングしてインクジェット記録ヘッドを構成したこと
で、印字時に各イジェクタで発生した振動を隣接イジェ
クタに伝搬させないように、各イジェクタの振動をその
部位に限定することが構造上簡単にできている。

【００４８】次に、Ｓｉ基板の裏面側に、吐出開口１３
を有するポリイミド・フィルム１２を接着しインク室１
４を形成した。吐出開口１３は、インクの散逸を低減す
るためのもので、吐出ドロップ径より大きな開口面積で
ある。また、インク室１４を形成するポリイミド・フィ
ルム１２には図のように、インク１５のインク面１７の
高さを固定するようにインク面固定部材１６を取り付け
てある。

【００４９】インク１５は、図示していないインクリザ
ーバからＳｉ基板に作られたインクチャネル１８を通じ
てインク室１４に供給される。インク供給圧力の調整と
インク面固定部材１６の利用により、インク１５は弾性
部材先端がインク面１７から出ているように配置され
る。なお、インクチャネル１８は、あらかじめその部分
のＳｉＯ₂膜を除去しておくことにより、異方性エッチ
ングにより同時に形成されたものである。

【００５０】印字時には、図示していない交流電源を用
いて、外部からこの振動子８に弾性部材４の剛性や形状
などともから決まる固有の共振周波数ｆ₀と同じ、もし
くはその整数倍の周波数ｆで、画像信号に応じて電圧を
印加して励振した。印字時には、複数のイジェクタのう
ち一つもしくは複数のイジェクタに選択的に電圧を印加
する。本実施の形態では、一つの画素を形成するため
に、選択したイジェクタに対して、２００ｋＨｚで５Ｖ
ｐ−ｐ（最高最低振幅）の電圧を印加時間５０μｓｅｃ
の間バースト的に印加した（バースト数は１０とな
る）。アドレス電極で選択されたイジェクタの弾性部材
４の先端のみから、弾性部材４にほぼ直角に１５μｍ直
径のインクドロップ２０が吐出した。インクドロップ２
０は１ｍｍ離して配置された印字紙３６上に達し、画像
信号に応じてドット（画素）を生成し画像を形成する。

【００５１】この時の記録装置全体の概要は先の第１の
実施の形態と同じであり、再び図７を用いて説明する。
インクジェット記録装置３７は、各色に対応した数の複
数のインクジェット記録ヘッド３３がキャリッジ３４に
固定され、キャリッジ３４は印字紙３６の紙幅方向に往
復移動し、印字紙３６が移動することにより印字紙全面
に文字および絵を印字できるようになっている。なお、
各インクジェット記録ヘッド３３内では振動子および弾
性部材からなる複数のイジェクタが基板上に配置されて
いるが、外部から与えられる画像信号に応じてその時々
で選択されたイジェクタのみが駆動されインクドロップ
を吐出する。

【００５２】さらに、印字紙３６の移動はローラ３５を
回転させることにより行った。キャリッジ３４の送り速
度とインクジェット記録ヘッド３３内の各振動子の配置
間隔は６００ｄｐｉ（ｄｏｔｐｅｒｉｎｃｈ）に対
応するようにした。キャリッジ３４に固定された各イン
クジェット記録ヘッド３３は、黒、イエロー、マゼン
タ、シアンのインクタンク３８のどれかに接続されてい
る。各インクは各インクジェット記録ヘッド３３へ供給
され、画像信号に対応した振動子に電圧が加わると、そ
の選択された振動子上のインク面からインクドロップが
吐出され画像を形成してゆく。なお、図示していないが
インクジェット記録ヘッド３３への電気的信号はキャリ
ッジ３４を介して外部から送られる。インクジェット記
録ヘッド３３の印字駆動条件は先に述べた。

【００５３】印字後の印字紙３６上に形成された各ドッ
トは、各色インクともほぼ３０μｍ径の円状に整った均
一小径ドットであった。ドット径やドットの着弾位置精
度に各色とも変動はなく、小径ドロップを安定に吐出す
ることができていた。

【００５４】ノズルをインク表面に配置してしていない
ため、インク・ノズル内およびその周辺へのインク固着
はもちろんなく、微少ドロップを安定して吐出ができ
た。また、駆動周波数も低いので発熱もなく、発熱によ
るインクの粘度変化や固化といった問題も生じなかっ
た。特に、異方性エッチングにより精度よく均一にイン
クジェット記録ヘッドを形成したため、高い解像度に対
応する微小ドットを安定に形成でき高品位な印字が可能
であった。また、安価で信頼性の高いインクジェット記
録ヘッドを実現できた。

【００５５】本発明は、上記実施の形態に限らず種々の
変形が可能である。例えば、弾性部材４の片持ち梁構造
の自由端の先端部近傍における曲げ振動の振動方向に対
して垂直な面の幅Ｗが、ほぼＷ＝２λの長さとなる領域
を有するようにしてもよい。但し、λは以下の式で与え
られる。 λ＝｛８πσ／（ρｆｅ²）｝^1/3×１０⁴（μｍ）ここで、σは、インク表面張力（ｍＮ／ｍ） ρは、インク密度（ｇ／ｃｍ³）ｆｅは、励振周波数（Ｈｚ）である。こうすることにより、幅Ｗにおいて２山のキャ
ピラリ波を生成でき、その後１山のインク隆起部が形成
されて次の瞬間これが分離してより正確に１インク滴を
飛翔させることができるようになる。

【００５６】

【発明の効果】本発明によれば、ノズル径に依存せずに
微小なドロップ滴を吐出できるインクジェット記録ヘッ
ドを提供できる。また、従来に比べ低周波で駆動できる
新規な吐出機構により、高解像度化に対応した微小ドロ
ップを吐出でき、インク詰まりやインク突出方向の変動
といったインク吐出の不安定さがない高信頼で高画質な
印字が可能できるインクジェット記録ヘッドを提供する
ことができる。特に、結晶性基板と異方性エッチングを
用いて弾性部材を作製するため、高画質で小型で安価な
インクジェット記録ヘッドを実現できる。また、このイ
ンクジェット記録ヘッドは低周波で駆動できるためエネ
ルギー効率が良く、よって使用できるインクの物性範囲
を広くでき、各種の印字用途に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるインクジェット記録ヘッド部の斜
視図である。

【図２】本発明によるインクジェット記録ヘッド部を表
面から見た図である。

【図３】本発明によるインクジェット記録ヘッド部を裏
面から見た図である。

【図４】本発明におけるインクジェット記録ヘッド部の
Ｘ−Ｘ’断面図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態によるインクジェッ
ト記録ヘッド部周辺の断面図である。

【図６】本発明の第１の実施による形態のインクジェッ
ト記録ヘッド部周辺の正面図である。

【図７】本発明の第１の実施の形態によるインクジェッ
ト記録装置の全体図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態によるインクジェッ
ト記録ヘッド部周辺の断面図である。

【図９】本発明の第２の実施の形態によるインクジェッ
ト記録ヘッド部周辺の正面図である。

【図１０】キャピラリ波の吐出機構を説明するための断
面図である。

【図１１】本発明の前提となるインクジェット記録ヘッ
ドの断面図である。

【図１２】本発明の前提となるインクジェット記録ヘッ
ドの正面図である。

【符号の説明】

１基板２膜３膜４弾性部材６圧電セラミック薄膜５、７電極８振動子１０インク流出防止用フィルム１１支持部１２インク室構成部材１３吐出開口部１４インク室１５インク１６インク面保持部材１７インク表面１８インクチャネル２０吐出ドロップ２２インク保持部材３３記録ヘッド３４キャリッジ３５ローラ３６印字紙３７記録装置４０振動板４２保護膜５０保持部材５１支持部６０振動体６１液体６２液滴１００信号接続コネクタ１２０外部駆動手段２００基板２０１膜２０２弾性部材２０４圧電セラミック薄膜２０３、２０５電極２０６保護膜２０７振動子２０８、２０９開口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】画素信号に対応して振動する振動発生手段
と、結晶性基板に形成された開口部に突出して設けられ、前
記振動発生手段の振動に応じて振動する片持ち梁構造の
弾性部材とを備え、前記弾性部材の振動によりインクの表面にキャピラリ波
を発生させ、前記インクを飛翔させて記録媒体に付着さ
せることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項２】請求項１記載のインクジェット記録ヘッド
において、前記弾性部材は、前記結晶性基板上に形成した薄膜で形
成されていることを特徴とするインクジェット記録ヘッ
ド。
【請求項３】請求項２記載のインクジェット記録ヘッド
において、前記薄膜は、前記結晶性基板を酸化または窒化して形成
されたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載のインク
ジェット記録ヘッドにおいて、前記開口部は、前記結晶性基板を異方性エッチングして
形成され、前記開口部の内面は前記結晶性基板の表面と
所定の角度をなすことを特徴とするインクジェット記録
ヘッド。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載のインク
ジェット記録ヘッドにおいて、前記結晶性基板は、Ｓｉからなることを特徴とするイン
クジェット記録ヘッド。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載のインク
ジェット記録ヘッドにおいて、前記弾性部材の少なくとも一部がＳｉＯ_x、ＳｉＮ_y、Ｓ
ｉＯ_xＮ_yのうちのいずれか一つからなることを特徴とす
るインクジェット記録ヘッド。
【請求項７】請求項１乃至６のいずれかに記載のインク
ジェット記録ヘッドにおいて、前記振動発生手段は、前記弾性部材上に形成されている
ことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項８】請求項１乃至７のいずれかに記載のインク
ジェット記録ヘッドにおいて、前記弾性部材の一面のみに前記インクが接触することを
特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項９】請求項２乃至８のいずれかに記載のインク
ジェット記録ヘッドにおいて、前記弾性部材以外の薄膜が前記弾性部材の形状に沿って
形成されており、前記弾性部材以外の薄膜と前記弾性部材との間隔が、毛
管力により前記インクを前記弾性部材以外の薄膜と前記
弾性部材との間に保持できる程度の間隔であることを特
徴とするインクジェット記録ヘッド。