JP3454833B2 - インクジェット式記録ヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、インクジェット式記録ヘッド、より詳細に
は流路形成基板の製造方法に関する。

背景技術 インクジェット式記録ヘッドは、第13図に示したよう
に外部のタンクからインクの供給を受けるリザーバＡ、
外部から加圧力を受ける凹部からなる圧力発生室Ｂ、リ
ザーバＡと圧力発生室Ｂとを接続するインク供給口Ｃ、
及び圧力発生室Ｂとノズル開口Ｄとを接続する貫通孔か
らなるノズル連通孔Ｅを形成した流路形成基板Ｆと、流
路形成基板Ｆの一方の面を封止する弾性板Ｇと、流路形
成基板Ｆの他面を封止するノズル開口Ｄを備えたノズル
プレートＨとにより流路ユニットを構成するとともに、
弾性板Ｇに圧電振動子Ｊを当接させて、圧電振動子Ｊの
変位により圧力発生室Ｂを膨張させてリザーバＡのイン
クをインク供給口Ｃを経由させて圧力発生室Ｂに吸引
し、また圧力発生室Ｂを収縮させて圧力発生室Ｂのイン
クを加圧してノズル開口Ｄからインク滴を吐出させるよ
うに構成されている。

このインクジェット式記録ヘッドは、色インクを用い
ることによりフルカラーでの印刷が簡単に行えるため、
カラープリンタの記録ヘッドとして急速に普及し、これ
にともなって印字品質や記録密度をさらに向上させるこ
とが要望されている。

インクジェット式記録ヘッドの印字品質や記録密度
は、インク滴が形成するドットのサイズに大きく支配さ
れるため、１滴当たりのインク量を可及的に少なくして
ドットサイズを小さくすることが必要となる。

このため、圧力発生室を高い密度で配列する一方、イ
ンク吐出時の圧力による流路形成基板の変形防止や、さ
らには組立時のハンドリングのし易さを考慮して、流路
形成基板は、300μｍ以上、望ましくは500μｍ程度の厚
みを有する基板、例えば加工精度の点からシリコン単結
晶基板が選択され、特開昭58−40509号公報等に見られ
るようにフォトリソグラフィ技術と異方性エッチングに
より圧力発生室を浅い凹部として形成することで、圧力
発生室の容積を可及的に小さく、しかも高い密度で配列
することが可能となる。

このように圧力発生室を基板の一方の面に凹部として
構成すると、圧力発生室が形成された面とは反対側の面
に配置されるノズルプレートのノズル開口Ｄとの連通を
図る必要上、圧力発生室とノズル開口とを接続するノズ
ル連通孔Ｅを必要とする。

このようなノズル連通孔Ｅは、特開昭５−309835号公
報に見られるようにノズル連通孔Ｅとなる領域に一方の
面から他方の面に貫通する微小な直径の貫通孔を予め穿
設し、この貫通孔をエッチング誘導孔として異方性エッ
チングをエッチングに関わりなく深部まで進行させてノ
ズル連通孔Ｅの幅を最大限、圧力発生室Ｂの幅程度に抑
えて形成されている。

このため、第14図に示したように圧力発生室Ｂ、Ｂを
区画する隔壁の内、圧力発生室近傍の領域Ｋでは圧力発
生室Ｂの深さｄが小さいため高い剛性を示すものの、ノ
ズル連通孔Ｅに面する領域K'ではその高さがシリコン単
結晶基板の厚みd'に一致して大きいため、隣接するノズ
ル連通孔Ｅ、Ｅの隔壁の剛性が極めて小さくなり、イン
ク吐出時の圧力がこの領域K'を弾性変形させて隣接する
圧力発生室Ｂにクロストークを生じさせるという問題が
ある。

発明の開示 本発明のインクジェツト式記録ヘツドは、隔壁により
区画された凹部により形成され、前記隔壁を隔てて平行
に並ぶように列設された圧力発生室と、前記圧力発生室
の長手方向の両側に前記列設された前記圧力発生室を挟
むように形成された２つのリザーバと、前記圧力発生室
の長手方向の一端の側に形成され、前記圧力発生室と前
記リザーバとを接続するインク供給口と、前記圧力発生
室の長手方向の他端の側に貫通孔として形成されたノズ
ル連通孔とを備えた流路形成基板と、前記流路形成基板
の一方の面を封止するとともに、前記ノズル連通孔を介
して前記圧力発生室に連通するノズルを備えたノズルプ
レートと、圧電振動子により前記圧力発生室の容積を変
化可能に前記流路形成基板の他方の面を封止する弾性板
と、を備えたインクジェット式記録ヘッドにおいて、隣
接するそれぞれの前記圧力発生室は、２つの前記リザー
バの一方に前記インク供給口を介して交互に連通され、
また前記凹部が前記圧力発生室の列設方向で重なるよう
に配置され、前記ノズル連通孔は、隣接する前記圧力発
生室相互間で前記圧力発生室の長手方向に間隔をあける
ように千鳥状に配置されている。

これにより、貫通孔で形成されたノズル連通孔が隣接
する圧力発生室同士で重なることがないため、流路形成
基板に十分な剛性を持たせることができる。したがっ
て、圧力発生室を高密度で配列した場合にも、振動板の
外形よりも小さい圧電振動子を用いることができる。隣
接する圧力発生室がそれぞれ異なるリザーバに連通して
いるため、圧力発生室から逆流したインクの流入による
クロストークの影響を低減できる。

さらに隣接する圧力発生室に連通するノズル開口を圧
力発生室の長手方向に千鳥状に分散させて配置でき、プ
レス加工によりノズル開口を形成する際にも、ノズルプ
レートの歪みを分散させることができる。

発明を実施するための最良の形態 そこで、以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づ
いて説明する。

第１図（ａ）（ｂ）は、本発明の一実施例をそれぞれ
隣接する圧力発生室２の中心線上（第２図のＡ−Ａ線、
Ｂ−Ｂ線）での断面構造を示すものであって、流路形成
基板１は、この実施例においてはシリコン単結晶基板を
母材として、圧力発生室２が異方性ハーフエッチングに
より浅い凹部として形成されいて、これら圧力発生室
２、２の両側には第１リザーバ３と第２リザーバ４とが
やはり異方性エッチングによりこの実施例では貫通孔と
して２列形成されている。並びに方向に隣接する圧力発
生室２は、圧力発生室２とほぼ同等の深さの凹部からな
るインク供給口５、６を介して第１リザーバ３、または
第２のリザーバ４に連通されている。

インク供給口５、６が形成されていない端部側の領域
には、圧力発生室２から他方の面、つまりノズルプレー
ト13が固定される面に貫通するノズル連通孔７、８が形
成されている。なお、第２図において千鳥状ハッチング
は非エッチング領域を、また斜線によるハッチングの領
域はハーフエッチングの領域を、さらに非ハッチング領
域は貫通孔を示す。

このように構成されたスペーサ１は、その圧力発生室
側の面を弾性板10で封止され、また他方の面には各ノズ
ル連通孔７、８に対向する領域にノズル開口11、12が穿
設されたノズルプレート13により封止され、これらの部
材とともに流路ユニットを形成する。

各圧力発生室２には圧力発生手段、この実施例では弾
性板10の圧力発生室２の中心線Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ上のほぼ
中央領域には圧力発生手段となる縦振動モードの圧電振
動子14を、その先端を弾性板10に形成されたアイランド
部10aに当接させて、また他端を図示しない固定部材を
兼ねるヘッドフレームに固定されて設けられている。そ
して圧力発生手段となる圧電振動子14は、圧力発生室２
の並び方向に圧力発生室２の数だけ列設されている。

この実施例において圧電振動子14に駆動信号を印加す
ると、圧電振動子14が収縮して圧力発生室２が膨張す
る。この膨張によりインク供給口５、６を介して第１、
第２リザーバ３、４のインクが圧力発生室２に流れ込
む。

ついで、圧電振動子14の電荷を放電させると、圧電振
動子14が元の状態に伸長して圧力発生室２を圧縮する。
これにより加圧されたインクがノズル連通孔７、８を経
由してノズル開口11、12からインク滴として吐出する。

この実施例においては、隣接する圧力発生室２、２の
ノズル連通孔７、８が圧力発生室２の長手方向に少なく
とも間隔Ｌ（第２図参照）を開けて配置されているた
め、第３図に示したように隣接する圧力発生室２、２を
区画する隔壁15のノズル連通孔７、８に対向する領域1
5'、15''の高さＭは、圧力発生室２、２の深さＮと同一
で低いから、圧力発生室２を隔てる隔壁15と同程度の十
分な剛性を備えることになる。したがって、隔壁15の各
ノズル連通孔７、８に隣接する領域15'、15''は、イン
ク吐出時の圧力によっても変形することがなく、クロス
トークが防止される。

また、隣接する圧力発生室２に連通するノズル開口1
1、12を、圧力発生室２の長手方向に対して間隔を空け
ることができるため、ノズル開口の配置の自由度が高く
なり、またノズルプレート13をプレス加工する際の歪み
を分散させることが可能となる。

第４図、第５図、及び第６図は、上述した流路形成基
板の製造方法を、１つのリザーバ、ノズル連通孔を形成
する場合に例を採って示すものであって、ハンドリング
の容易な厚み、例えば500ミクロン程度の厚みを有す
る、結晶面方位（110）のシリコン単結晶基板21の表面
全体にエッチング保護膜となる酸化シリコン膜22を熱酸
化法により、所定の膜厚、例えば１μｍで形成する。な
お、エッチング保護膜としては窒化シリコン膜や金属膜
等の異方性エッチング液に対して耐蝕性を有する物質を
膜として形成するれば同等のエッチング保護膜としての
作用を奏する（第４図（Ｉ））。

次に、酸化シリコン膜22の表面にフォトレジスト剤を
スピンコート法等により両面に均等に塗布してフォトレ
ジスト層23、24を形成し（第４図（II））、フォトリソ
グラフィ技術により圧力発生室７とリザーバ３となるレ
ジストパターン25、25'26、26'を表裏に形成する（第４
図（III））。

シリコン単結晶基板21を緩衝フッ酸溶液に浸漬してレ
ジストパターン25、25'、26、26'に対応したパターン2
7、27'、28、28'を酸化シリコン膜22のハーフエッチン
グとして転写する（第４図（IV））。

ついで、インク供給口５、６及び圧力発生室２となる
領域を露光、現像して一方の面にインク供給口２のパタ
ーン29を形成し（第５図（Ｉ））、再びシリコン単結晶
基板21を緩衝フッ酸溶液に浸漬して、前述の工程（第４
図（IV））で形成した酸化シリコン膜のパターン27、2
7'28、28'が消失するまでエッチングを行う（第５図（I
I））。これにより酸化シリコンからなる凹部として形
成される圧力発生室２及びインク供給口５（６）のパタ
ーン30が一方の面に残り、また表面、及び裏面にはノズ
ル連通孔７、８に対応する異方性エッチング用のパター
ン31、31'、及びリザーバ３、４に対応する異方性エッ
チング用のパターン32,32'が形成される。

不要となったフォトレジスト層23、24剥離した後（図
５（III））、略平行四辺形の圧力発生室２となるパタ
ーン31、31'の内の一方の面に、望ましくはパターン31
の中心点に一方の面からエッチングが他面に進行できる
程度の深さのエッチング誘導孔33を、シリコン単結晶基
板の21穿孔に適した波長レーザー、例えばYAGレーザー
を照射して穿孔する（図５（IV））。

穿孔作業が終了した段階で、摂氏80度程度に維持され
た20重量％の水酸化カリウム（KOH）の水溶液にシリコ
ン単結晶基板21を浸漬して異方性エッチングを行う。こ
の異方性エッチングによりリザーバ35は、シリコン単結
晶基板21の表面に対し角度θで出現するシリコン単結晶
の（111）面により形成される。

また、ノズル連通孔７、８のパターンが形成された領
域は、エッチング誘導孔33（第５図（IV））に導かれな
がらノズル連通孔７、８のパターン31、31'が形成され
たの範囲内で厚み方向にエッチングを受け、遂には所定
の断面積の貫通孔34が形成される（第６図（Ｉ））。

ついで、インク供給口５、６及び圧力発生室２となる
凹部のパターン36、37を形成した後（第６図（II））、
インク供給口５、６及び圧力発生室２に適した深さの凹
部38、39となるまで異方性エッチングを実行し（第６図
（III））、最後に酸化シリコン膜22をエッチングによ
り除去すると流路形成基板が完成する（第６図（I
V））。

なお、上述の実施例においてはインク供給口５、６を
弾性板10側にだけ形成するようにしているが、第７図
（ａ）、（ｂ）に示したようにノズルプレート13側に第
２のインク供給口40、41、及びこれらインク供給口40、
41とノズル連通孔７とに連通する第２の圧力発生室42、
43を形成すると、リザーバ３、４のインクを２つのイン
ク供給口５、40、及び６、41により圧力発生室２に供給
することができる。これにより圧力発生室２へのインク
の供給時間を短縮して記録ヘッドを高速度で駆動するこ
とが可能となる。

また、この実施例によれば、第８図（ａ）、（ｂ）に
示したようにノズル開口11をノズル連通孔７、８に対向
する位置ばかりでなく、第２の圧力発生室42、43と対向
する領域にノズル開口11'、11"を形成して、圧力発生室
２で加圧されたインクをインク滴として吐出させること
ができる。

これにより、第９図に示したように交互に向きを違え
て配置された圧力発生室２であっても同一ラインLr上に
揃えてノズル開口11'、12'を配列することができ、イン
ク滴吐出時のタイミングの簡素化を図ることができる。

また、上述の実施例においては、インク供給口５、６
を、圧力発生室２の端部の幅を絞るようにして形成して
いるが、第９図に示したように圧力発生室２のリザーバ
側に非エッチング部44、45を設けて流路抵抗を調整して
も形成できる。

また上述の実施例においては、圧力発生室２のノズル
開口11、12から離れた側の一端にインク供給口５、６を
形成して、一方の側からインクを供給するようにしてい
るが、第10図に示したように圧力発生室２を挟んで配置
されている２つのリザーバ３、４と連通するように、各
圧力発生室２の両側に第１、第２のインク供給口46、47
を形成してもよい。

さらに、上述の実施例においてはノズル連通孔７を圧
力発生室２と同一の幅として形成しているが、第11図に
示したように圧力発生室２の幅Waよりも狭い幅Wbを持つ
ノズル連通孔48、49を形成しても同様の作用を奏する。
なお、第11図において千鳥状ハッチングは非エッチング
領域を、また斜線によるハッチングの領域はハーフエッ
チングの領域を、さらに非ハッチング領域は貫通孔を示
す。

さらには、上述の実施例においては交互に逆向きに配
列されている圧力発生室２、２の幅を同一をしている
が、第12図に示したように向きが異なる圧力発生室２、
２の幅Wc、Wdを違えることによりインク滴の吐出性能を
変更することができるため、インクの粘度や性状に適し
た幅を選択することができ、同一の記録ヘッドで異なる
種類のインク、例えばブラックインクとカラーインク、
または色が異なるインクのインク滴を印字に適したサイ
ズに調整することができ、使用できるインクの自由度を
高めることができる。

ところで、上述の実施例においては、流路形成基板
は、高い精度で凹部や貫通孔を形成することができるシ
リコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより加
工されているが、金属やセラミック、ガラスの薄板を母
材とし、これを穿孔加工したり、また高分子材料を射出
成形して流路形成基板を構成する場合に適用しても、ノ
ズル連通孔の近傍の隔壁の強度を上げることができるこ
とは明らかであるから、シリコン単結晶基板以外の材料
で流路形成基板を構成する場合にも同様の作用を奏す
る。

産業上の利用可能性 以上説明したように本発明に係るインクジェット式記
録ヘッドは、圧力発生室を挟むように２つのリザーバが
形成され、圧力発生室が少なくとも一方のリザーバにイ
ンク供給口を介して連通し、また隣接するノズル連通孔
が圧力発生室の長手方向の中心点を挟むようにほぼ対象
な位置で、かつ圧力発生室の長手方向にずれるように千
鳥状に配置したので、貫通孔となるノズル連通孔と隣接
する圧力発生室とを隔てる隔壁の高さが、圧力発生室の
隔壁と同程度となり、クロストークを防止するに十分な
剛性を維持することができる。

また、ノズル開口を圧力発生室の長手方向に分散して
配置できるため、ノズル開口の位置の自由度が高く、ま
たノズルプレートの加工時の歪みを分散させることがで
きる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−156383（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−193859（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−164607（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−60957（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−178899（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−11304（ＪＰ，Ａ)

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】隔壁により区画された凹部により形成さ
   れ、前記隔壁を隔てて平行に並ぶように列設された圧力
   発生室と、前記圧力発生室の長手方向の両側に前記列設
   された前記圧力発生室を挟むように形成された２つのリ
   ザーバと、前記圧力発生室の長手方向の一端の側に形成
   され、前記圧力発生室と前記リザーバとを接続するイン
   ク供給口と、前記圧力発生室の長手方向の他端の側に貫
   通孔として形成されたノズル連通孔とを備えた流路形成
   基板と、 前記流路形成基板の一方の面を封止するとともに、前記
   ノズル連通孔を介して前記圧力発生室に連通するノズル
   を備えたノズルプレートと、 圧電振動子により前記圧力発生室の容積を変化可能に前
   記流路形成基板の他方の面を封止する弾性板と、 を備えたインクジェット式記録ヘッドにおいて、 隣接するそれぞれの前記圧力発生室は、２つの前記リザ
   ーバの一方に前記インク供給口を介して交互に連通さ
   れ、また前記凹部が前記圧力発生室の列設方向で重なる
   ように配置され、 前記ノズル連通孔は、隣接する前記圧力発生室相互間で
   前記圧力発生室の長手方向に間隔をあけるように千鳥状
   に配置されているインクジェット式記録ヘッド。
2. 【請求項２】前記インク供給口が、前記圧力発生室を形
   成する凹部と同一の面に形成されている請求の範囲第１
   項記載のインクジェット式記録ヘッド。
3. 【請求項３】前記インク供給口が、前記弾性板側と前記
   ノズルプレート側とに形成されている請求の範囲第１項
   記載のインクジェット式記録ヘッド。
4. 【請求項４】前記ノズル連通孔の幅が、前記圧力発生室
   の幅よりも狭く形成されている請求の範囲第１項記載の
   インクジェット式記録ヘッド。
5. 【請求項５】前記ノズル連通孔が、微小径の孔によりエ
   ッチングを誘導して形成されている請求の範囲第１項記
   載のインクジェット式記録ヘッド。
6. 【請求項６】前記圧電振動子が、前記圧力発生室の並び
   方向で、かつ前記圧力発生室のほぼ中央を通る線上に配
   置されている請求の範囲第１項記載のインクジェット式
   記録ヘッド。
7. 【請求項７】隣接する前記圧力発生室の幅が、それぞれ
   異なる請求の範囲第１項記載のインクジェット式記録ヘ
   ッド。
8. 【請求項８】前記流路形成基板が、前記ノズルプレート
   の側に第２のインク供給口と、前記圧力発生室に対向す
   るように第２の圧力発生室とを有し、前記第２の圧力発
   生室が前記ノズル連通孔により前記弾性板側の前記圧力
   発生室に連通している請求の範囲第１項記載のインクジ
   ェット式記録ヘッド。
9. 【請求項９】前記第２の圧力発生室の領域内に位置して
   前記第２の圧力発生室に連通するようにノズル開口が形
   成されている請求の範囲第８項記載のインクジェット式
   記録ヘッド。
10. 【請求項１０】前記ノズル開口が、ほぼ一直線となるよ
    うに配置されている請求の範囲第９項記載のインクジェ
    ット式記録ヘッド。
11. 【請求項１１】前記流路形成基板が、シリコン単結晶基
    板を異方性エッチングすることにより構成されている請
    求の範囲第１項記載のインクジェット式記録ヘッド。