JPS5840509B2 - インクジエツトガン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、インクをノズルから噴射して記録紙等に所要
の記録を行なう装置に用いられるインクジェットガンに
係り、特にそのノズル及び加圧室の構造に関する。

ノンインパクト記録装置として、インクジェットガンか
ら微小なインク滴を噴射して記録紙上ｌこ文字等の記録
を行なう装置はすでに公知である。

従来のこの種の装置に用いられているインクジェットガ
ンは、加圧ポンプで加圧されたインクをノズルから超音
波振動を与えつつ噴射してインク滴列を発生するもので
ある。

ノズルから継続的ｌこ噴射されるインク滴は、記録を行
なう時はそのまま記録紙上に到達させるが、記録を行な
わない時は静電界をかけて偏向させ記録紙上に到達させ
ないようにしている。

このような装置では、ノズルから噴射されるインクのう
ち、記録に関与しないインクの量は記録に関与するイン
クの量の３〜１０倍にもなるため、記録に関与しないイ
ンクは回収して再使用するようにしている。

しかし、インクを回収して再使用すると、インクが空気
に触れて変質したり、インクに塵埃が混入したりするた
め、ノズルが詰まり易く、装置の信頼性を高めることが
困難であった。

最近、このような欠点を改善したものとして、圧力パル
ス制御方式のインクジェットガンが提案されている。

このインクジェットガンは、ノズルとそのノズルに連通
ずるインク加圧室とそのインク加圧室の壁の外側（こ貼
り付けられた電歪振動子等を有し、電歪振動子にパルス
電圧を印加すると、その部分のインク加圧室の壁が変形
してその中のインクがインパルス状（こ加圧され、この
ときインク中に発生する圧力進行波によりノズルからイ
ンク滴が噴射されるようになっている。

したがって、この方式のインクジェットガンは、電歪振
動子に印加するパルス電圧を制御することにより、記録
時のみインクを噴射することができるから、上記した欠
点を改善できるだけでなく、電歪振動子（こよる加圧室
の壁の変形が復旧する過程でインク溜めよりインクを加
圧室内に吸込むことができるので、インクの加圧ポンプ
が不要となり、装置を小型化できる利点がある。

さらに、インクジェットガンのノズルの形状を適切に定
めること（こより、インク滴を定まった方向に飛行させ
ることができるから、このようなノズルを多数配列すれ
ば、インク滴を静電界等により偏向させることなく、所
要の記録を行なうこともできる。

圧力パルス制御方式のインクジェットガンは、このよう
に種々の利点を有するものであるが、本発明者等の研究
によれば、次のような理由により、ノズルの形状をきわ
めて高精度ｔこ仕上げなければならないことが明らかと
なった。

（１）一般に、細管内にあるインク中の圧力進行波はイ
ンクの管壁粘着性の影響を受は易く、管壁において渦流
が発生すると、粘着流の剥離が発生し、インクの流れが
管内で蛇行するため、インクの飛行方向が一定しない。

このため、ノズルの内壁面はきわめて平滑であることが
要求される。

（２）インクの管壁粘着流は、圧力進行波の進行速度と
ノズルの流路断面積との関係で定まる特定の条件Ｉこ対
し不安定となる。

特に、インクの流れる方向に関して流路断面積が一定で
ない場合には、ノズルの内壁の一部に沿った流れが発生
し易く、やはりインクの飛行方向が一定しない。

このため、ノズルは流路断面積が一定で且つ一直線にな
るようｔこ形成しなければならない。

（３）ノズル先端から噴出するインク滴は、ノズル先端
部におけるインクの表面張力に逆らって噴出するため、
そのインク滴の大きさはノズル先端の断面積に大きく左
右される。

したがって、インク滴により記録される各々の点の面積
を所定の範囲内ｔこ揃えるためＥこは、各ノズルの先端
の断面積の偏差をできるだけ小さくしなければならない
。

（４）電歪振動子の駆動によって加圧室内のインクに発
生した圧力進行波はノズル側とインク供給側の両方に伝
幡するので、加圧室からノズル先端に至る流体インピー
ダンスと加圧室からインク溜めに至る流体インピーダン
スとの比によってもノズルから噴出するインク滴の大き
さが左右される。

したがって、各ノズルから噴出するインク滴の大きさの
偏差を小さくするため（こは、各ノズルの流体インピー
ダンスを一定にすること、即ちノズルの断面積と長さを
一定にすることが必要である。

本発明の目的は、上記のような課題を解決し、ノズルの
内壁面が高度に平滑で、直線性が高く、断面積が長手方
向に一定で、しかも製作が容易なインクジェットガンを
提供するにある。

この目的を達成するため、本発明は、表面が（１００）
面である単結晶からなる基板の表面上に、２つの側壁が
インク噴射方向に平行な（１１１）面からなり一端が基
板の側面にインク噴射口として開口するノズル用■字形
溝と、２つの側壁が溝底部中心（こ向かって傾斜する（
１１１）面からなり溝開口幅は前記ノズル用■字形溝の
溝開口幅より広くかつ溝深さが前記ノズル用■字形溝の
溝深さよりも深い加圧室用溝とをエツチングにより形成
し、前記基板の表面に、前記ノズル用■字形溝及び加圧
室用溝の溝開口部を覆うように、蓋板を取付けてノズル
及び加圧室を形成したことを特徴とする。

以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細ｌこ説明す
る。

第１図は本発明の一実施例ｔこ係るインクジェットガン
を示す。

１は基板、２は蓋板、３は電歪振動子である。

基板１（こは所定形状の溝が形成されており、これに蓋
板２が被さることにより、インク溜め４、絞り通路５、
加圧室６、ノズル７が形成されている。

蓋板２の各加圧室６に相当する部分の表面ｌこは、それ
ぞれ電歪振動子３が設置されており、各電歪振動子３と
蓋板２とは導電膜からなる共通電極８を介して接合され
ている。

各電歪振動子３の表面には、それぞれ個別電極９が固着
されている。

また、蓋板２のインク溜め４に相当する部分には、その
インク溜め４にインクを導入するパイプが取付けられて
いる。

パイプ１０を通ってインク溜め４に供給されたインクは
、絞り通路５を通って加圧室６内に入り、その内部に充
満する。

他方、共通電極８は定電位に保持され、個別電極９には
記録指令に応じて選択的ｔこパルス電圧が印加される。

すると、パルス電圧が印加された個別電極９に対応する
電歪振動子３が変形し、この変形がその部分の蓋板２に
伝わって対応する加圧室６内のインクにインパルス状の
圧力を加える。

これにより、加圧室６内のインクには圧力進行波が発生
し、この圧力進行波の一方の絞り通路５のインピーダン
スにより弱められてインク溜め４に達し、他方はノズル
７内を通り、その先端からインクを噴出させるように作
用する。

インクジェットガンは入路上記のようなものであるが、
この実施例では、基板１がシリコン単決晶で横取されて
いる。

このシリコン単結晶は図におけるＸ軸とＹ軸が互ｌこ直
交する＜１１０＞軸となるように選定され、且つＸ−Ｙ
軸面（上下面）が単結晶の（１００）面となるように選
定されている。

このようにすると、単結晶の（１１１）面はＹ軸に平行
で、且つＸ−Ｙ軸面に対し、約５４゜の角度で交わるこ
とになる。

基板１に形成されたノズル７用のＶ字形溝と、加圧室６
用の台形溝はその２つの側面がそれぞれ（１１１）面で
横取されている。

（１１１）面は他の結晶面に比べ水酸化すＩ−ＩＪウム
、水酸化カリウム、ヒドラジンの如きアルカリ系溶液に
よるエツチング速度がきわめて遅く、（１００）面をア
ルカリ系溶液でエツチングすると、（１１１）面で規制
された■字形の溝を得ることができる。

このＶ字形溝の上端の幅はフォトエツチングの際のフォ
トレジストの間隙で定まり、きわめて精度の高いもので
ある。

また、Ｖ字形溝の深さは（１００）面と（１１１）面の
なす角度（約５４°）と上端の幅とで定まるから、これ
も精度がきわめて高い。

またエツチングによって表われた（１１１）面はきわめ
て平滑で直線性が高い。

さらに、各ノズル７の長さをそろえるためには、通常の
半導体素子の切断に用いられるダイシング装置によりノ
ズル先端部のＸ−２面を切断すればよく、この装置を用
いれば±０．０１〜±０．０３ｍｍ程度の精度で所定部
分を切断することができるから、ノズル７の長さの偏差
もきわめて小さくできる。

以上のように、この実施例では、基板１に形成されたノ
ズル７用のＶ字形溝がエツチングにより露出した２つの
（１１１）面によって横取されているので、ノズルの精
度が通常の切削加工あるいは結晶方位依存性のないエツ
チング加工等により形成されたものに比べ飛躍的に向上
し、所期の目的を達成することができる。

なお、基板１＆こ形成されるイック溜め４、絞り通路５
用の溝も、ノズル７、加圧室６用の溝と同時にエツチン
グにより形成することができる。

また、基板１と蓋板２とは接着剤を用いることなくアノ
−ディックボンディング（静電接合）により一体化する
ことがノズル７の精度を確保する上で好ましい。

その場合は、蓋板２として、シリコンにアノ−ディック
ボンディング可能な硼硅酸ガラスを用いるとよい。

また、上記実施例では、ノズルが４個配列されたものに
ついて説明したが、この数は任意に選定でき、もちろん
１個の場合もある。

また、ノズルや加圧室等は基板の片面Ｉこのみ形成した
が、これらは基板の両面に形成することもでき、そのよ
うにすると、ノズルの密度を高めることが可能となる。

また、ノズルや加圧室等を基板の片面にのみ形成すると
きは、電歪振動子を蓋板ではなく基板の裏側に取り付け
ることもできる。

この場合、その電歪振動子の一方の電極を金とすれば、
その電歪振動子を金シリコン共晶半田により約４００℃
程度の低温で基板に接合でき、しかもシリコ７１体が導
体であるため共通電極を設ける必要がないという利点が
ある。

次に、基板１にノズル７用のＶ字形溝と加圧室６用の台
形溝を形成する方法を第２図を参照して説明する。

まず、前述のような結晶方位のシリコン単結晶からなる
基板１を用意する。

この図では、紙面に対し垂直方向が＜１１０＞軸、この
基板の上下面が（ｉｏｏ）面である。

この基板１を例えば８００〜１２００℃程度の水蒸気雰
囲気中に置き、表面に熱酸化膜１１を形成する（Ａの状
態）。

熱酸化膜１１の厚さはエツチング深さの０．３％程度あ
れば充分である。

次に、熱酸化膜１１の上面全面に周知の方法でフォトレ
ジストを塗布し、それを写真乾板を介して露光し、現像
を行ねい、フォトレジストパターン１２を得る。

（Ｂの状態）。次に、フォトレジストパターン１２の間
に露出している熱酸化膜１１をフッ酸水溶液等により除
去し、シリコンの露出部１ａ、１ｄを得、その後フォト
レジスト１２を取り去る（Ｃの状態）。

このような状態にある基板１を、例えば５〜４０％、８
０℃の水酸化カリウム溶液中においてエツチングする。

これにより、前記露出部１ａ、Ｉｄのエツチングが進行
するが、（１１１）面のエツチング進行速度ハ（１００
）面（７）（−ｔ’Ｌ（７）０．３〜０．４％程度テす
るため、前記露出部１ａ、１ｄの各端部からは基板１の
上面（これは前述のように（１００）面である）に対し
ｔ ａ ｎ −’ Ｖ／Ｔ（約５４°）の角度をなす（
１１１）面が現われ、結局、エツチングにより形成され
る溝１ｂ、１ｅ’ｌ！’）形状は台形状となる（Ｄの状
態）。

さらにエツチングを進めると、幅のせまい方の溝１ｂは
２つの（１’ｌｌ）面によって規制されたＶ字形溝１ｃ
となり、幅の広い方の溝１ｅはこの■字形溝１ｃより深
い台形溝１ｆ（又はＶ字形溝）となる（Ｅの状態）。

このＶ字形溝１ｃの精度について考察すると、まず、熱
酸化膜１１の端部の下側における、いわゆるアンダカッ
トはきわめて小さく、純度の高い水酸化カリウムを使用
した場合、（１００）面のエツチング深さの０．２φ程
度でしかない。

したがって、■字形溝１ｃの幅Ｗは、フォトマスク乾板
の誤差を考慮ｔこ入れても±５μｍ程度の精度にできる
。

また、■字形溝１ｃの底部がなす角度は、（１１１）面
同志がなす角度（約７２°）で決定される。

■字形溝１ｃの深さｄは１／ＪＶｗとなる。

このように■字形溝１ｃの精度はきわめて高く、インク
ジェットガンの基板に形成されるノズル用の溝としてき
わめて好ましいものである。

また、幅が狭く深さの浅いノズル７用のＶ字形溝と、幅
が広く深さの深い、つまり容積の大きい加圧室６用の台
形溝をエツチングにより同時に形成することができるの
で、その製作も容易である。

なお、台形溝１ｆは加圧室用のほか、絞り通路、インク
溜め用の溝としても好適である。

上記実施例では、基板としてシリコン単結晶を用いた例
を説明したが、基板の材質としてはこれ以外にもシリコ
ン単結晶と同じ結晶構造を持つゲルマニウム単結晶等を
使用することも可能である。

以上説明したように、本発明によれば、ノズル用の溝を
、表面が（１００）面である単結晶からなる基板の表面
上に、２つの側壁がインク噴射方向に平行な（１１１）
面からなり一端が基板の側面にインク噴射口として開口
するＶ字形溝として形成したので、直線性、平滑性が高
く、断面積が長手方向に一様な高精度のノズルを得るこ
とができる。

したがって、ノズルから噴射されるインク滴の大きさ及
び飛行方向が一様になり、正確な記録を行なうことが可
能となる。

また、幅が狭く深さの浅いノズル用のＶ字形溝と幅が広
く深さの深い加圧室用の台形溝（又はＶ字形溝）をエツ
チングにより同時に形成することができるので、その製
作も容易となる。

さらに、加圧室用の溝は幅が広く深さが深いので、加圧
室の容積を大きくすることができ、したがって加圧室の
容積変化を大きくとってノズルでの流速を大きくするこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例１こ係るインクジェットガン
を示す一部切開斜視図、第２図Ａ−Ｅは本発明に係るイ
ンクジェットガンの製造工程の各過程を示す断面図であ
る。 １・・・・・・基板、２・・・・・・蓋板、３・・・・
・・電歪振動子、４・・・・・・インク溜め、５・・・
・・・絞り通路、６・・・・・・加圧室、７・・・・・
・ノズル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ インクを噴射するノズルと、このノズル（こ連通ず
   る加圧室と、この加圧室の外側Ｉこ配置された電歪振動
   子とを備えたインクジェットガンにおいて、表面が（１
   ００）面である単結晶からなる基板の表面上に、２つの
   側壁がインク噴射方向に平行な（１１１）面からなり一
   端が基板の側面にインク噴射口として開口するノズル用
   ■字形溝と、２つの側壁が溝底部中心に向かって傾斜す
   る（１１１）面からなり、溝開口幅が前記ノズル用■字
   形溝の溝開口幅より広くかつ溝深さが前記ノズル用■字
   形溝の溝深さよりも深い加圧室用溝とをエツチングによ
   り形威し、前記基板の表面に、前記ノズル用■字形溝及
   び加圧室用溝の溝開口部を覆ってノズル及び加圧室を形
   成するように、蓋板を取付けたことを特徴とするインク
   ジェットガン。