インクジエツト記録装置及びインクジエツトヘツドの製造方法
【目的】 小型高密度、信頼性及び量産性のあるインクジェット記録装置及びそのヘッドの製造法を得る。
【構成】 少なくとも３枚の基板１，２，３を積層し、中間基板２には複数のノズル孔４と、該ノズル孔の各々に連通する複数の独立の吐出室６と、該吐出室の少なくとも一方の壁の一部が機械的変形を起こすようになっている振動板５と、吐出室にインクを供給する共通のインクキャビティ８を形成し、振動板５の駆動手段として、下基板３に電極３１を形成して該振動板を静電気力により変形させ、ノズル孔よりインク液滴１３を吐出させる。
【構成】 少なくとも３枚の基板１，２，３を積層し、中間基板２には複数のノズル孔４と、該ノズル孔の各々に連通する複数の独立の吐出室６と、該吐出室の少なくとも一方の壁の一部が機械的変形を起こすようになっている振動板５と、吐出室にインクを供給する共通のインクキャビティ８を形成し、振動板５の駆動手段として、下基板３に電極３１を形成して該振動板を静電気力により変形させ、ノズル孔よりインク液滴１３を吐出させる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、記録を必要とする時にのみインク液滴を吐出し、記録紙面に付着させるインクジェット記録装置、特にマイクロマシーニング技術を応用して作製した小型高密度のインクジェット記録装置及びその主要部であるインクジェットヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】インクジェット記録装置は、記録時の騒音がきわめて小さいこと、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必要なインク液滴の回収を必要としないため、最も注目を浴びているタイプである。このインク・オン・デマンド方式は、例えば特公平２−５１７３４号公報に示されるように、印字ヘッドが、インク液滴を吐出するための複数並列に配置されたノズル孔と、各々のノズル孔に連通し一方の壁の一部がダイヤフラムとなっている複数の独立の吐出室と、各ダイヤフラム上に取り付けられた電気機械変換手段としての圧電素子と、各吐出室にインクを供給するための共通のインクキャビティとから構成されており、印字のためのパルス電圧を前記圧電素子に印加することにより、ダイヤフラムを機械的に撓ませその吐出室の容積を減少し、瞬間的にその室内の圧力を高めることにより、前記ノズル孔からインク液滴を記録紙に向け吐出するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような従来のインクジェット記録装置の構造では、吐出室の外側にダイヤフラムを構成するガラス板やプラスチック板等を介して圧電素子を張り付けるか、吐出室内に圧電素子を設置する必要があるため、圧電素子の取付作業がきわめて煩雑で多大の時間を要する。特に最近のプリンターは高速、高印字品質が要求されるため、インク液滴を吐出するノズル孔の個数を多く設置する傾向にあり、そのためにそれぞれのノズル孔に対応する圧電素子をダイシングやワイヤーソーにて機械加工し、さらに接着剤などにより所定の位置に設置しているが、このように非常に高密度で、多数のノズル孔を有するインクジェット記録装置の場合において、圧電素子の機械加工等を必要とするのでは処理能力、機械精度、寸法精度の観点から限界がある。また、圧電素子自体の製造バラツキによる歪誤差があり、各ノズル孔ごとのインク吐出速度にバラツキが発生する場合があった。さらにまた、圧電素子を駆動するための電極は、圧電素子自体に形成され、その後接着剤により接合されていた。そのため、圧電素子の電極形成は、個別に処理が必要で、しかも基板と圧電素子間に接着剤層が介在するため、インクジェット記録装置の駆動効率が低下しインクジェット記録装置の寿命を延ばすことが困難であった。
【０００４】一方、前記のような圧電素子によるダイヤフラムの駆動形式のほかに、吐出室内のインクを加熱する方式のものもある（特公昭６１−５９９１１号）。これは、吐出室内のインクを例えばヒーターで加熱し、インクの蒸発によるバブルの発生により圧力を高め、インク液滴を吐出させる方式である。この加熱方式によると、発熱抵抗体をスパッタ、ＣＶＤ、蒸着、メッキ等によりＴａＳｉＯ2 ，ＮｉＷＰ等の薄膜抵抗体で形成することができる利点があるが、加熱・急冷の繰り返しやインク中のバブル消滅時の衝撃により発熱体がダメージを受けることによりヘッド自体の寿命が短いという問題があった。
【０００５】したがって、本発明の目的は、吐出室のダイヤフラムもしくは振動板の駆動手段として、前記のような圧電素子や発熱体を用いる方式に代えて、静電気力を利用した駆動方式を採用することにより、小型高密度、高印字速度、高印字品質及び寿命の長い高信頼性を有するインクジェット記録装置を提供することにある。本発明の他の目的は、マイクロマシーニング技術を応用し、量産性に富む構造のインクジェット記録装置を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、前記目的を達成するインクジェット記録装置の主要部であるインクジェットヘッドの製造に好適な製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明に係るインクジェット記録装置は、複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連通する複数の独立の吐出室と、該吐出室の少なくとも一方の壁の一部が機械的変形を起こすようになっている振動板と、該振動板を駆動する駆動手段と、前記複数の吐出室にインクを供給する共通のインクキャビティとを有するインクジェットヘッドを備え、前記駆動手段に電気パルスを印加することにより、該駆動手段に対応する前記振動板を前記吐出室の圧力が上昇する方向に変形させ、前記ノズル孔よりインク液滴を記録紙に向け吐出するものにおいて、前記駆動手段が前記振動板を静電気力により変形させる電極から成り、該電極を基板上に形成したことを特徴とするものである。すなわち、電極は通常のパターンエッチング技術を駆使して基板と一体的に形成される。
【０００７】また、本発明は、好ましくは、前記インクジェットヘッドが少なくとも３枚の基板を重ねて接合した積層構造を有し、中間の基板に底部を前記振動板とした前記吐出室を設け、前記電極を該振動板に対向近接させて下側の基板上に形成する。振動板は吐出室の後部壁とすることもできるが、より薄型の装置とするために少なくとも３枚の基板の積層構造とし、吐出室の底壁を振動板とするものである。電極は絶縁膜で被覆することが好ましく、電極を保護するとともに振動板とのショートを防ぐ。
【０００８】吐出室の圧力を高めるためには、吐出室の上下の壁を振動板で構成し、それぞれの振動板に対して前記電極を配設して同期駆動する。このため、電極の駆動電圧を低くすることができる。また、前記振動板は方形に形成し、該方形の対向する２辺または４辺全部に設けた１つまたは２つ以上のジャバラ溝を介して前記振動板を支持するか、もしくは該方形の１辺を片持ち式に支持することにより、振動板の変位量を大きくする。ただし、片持ち式の場合、インクが電極部に接触し電極がショートするおそれがあり、そのためパワーがとれないので絶縁性のインクを用いる。
【０００９】また、前記電極を１つの振動板に対して２個配設し、第１の電極を該振動板の直下の振動室内に、第２の電極を前記振動室外に配設するか、もしくは両電極共振動室内に配設し、両電極に反対の極性の電気パルスを交互に印加する発振回路を接続し、前記静電気作用を一段と発揮させる。さらに、電極に対向して金属極を前記振動板に設けることにより、電荷の注入・消滅を速め、より高周波パルスによる駆動が可能になり、高速印字性能が得られる。
【００１０】また、前記振動室は空気抜けの溝を介して大気に連通させることが好ましい。なお、前記電極は前記基板に設けた凹部内に設けることもできる。前記複数のノズル孔は前記中間基板の端部に等間隔に配設し、いわゆるエッジインクジェットタイプとしたり、前記吐出室の各々の直上において上側基板に等間隔に配設し、いわゆるフェースインクジェットタイプとすることができる。
【００１１】次に、本発明の前記インクジェットヘッドの製造方法は、シリコン単結晶基板に異方性エッチングを施すことにより各要部を形成しノズル基板（前記中間基板及び上基板）を作製する工程と、基板に電極または電極及び絶縁膜を形成することにより電極基板（前記下基板）を作製する工程と、前記ノズル基板と電極基板を陽極接合により接合する工程とから成るものである。
【００１２】
【作用】本発明のインクジェット記録装置の動作原理は、電極にパルス電圧を印加することにより、電極面の正電荷または負電荷と対応の振動板面の負電荷または正電荷により該振動板を吸引し撓ませ、次いで該電極をＯＦＦにしたときの振動板の復元作用により吐出室の容積を減少し、その室内の圧力を瞬間的に上昇させてインク液滴をノズル孔から吐出させるものである。このような静電気作用により振動板を駆動制御するものであるため、マイクロマシーニング技術により本装置を作製することができ、小型高密度、高印字速度、高印字品質及び長寿命化を達成できる。
【００１３】本発明の製造方法においては、シリコンは単結晶であるため、異方性エッチングが可能で、例えば（１００）面をエッチングした場合は、５５°の方向に規則正しくエッチングできる。また、（１１１）面では、９０°方向にエッチングが可能である。そこでこの特性を用いて、精度良く、ノズル孔、吐出室、オリフィス、インクキャビティ等の各要部を形成できる。そして最後に、このシリコンのノズル基板と電極及び絶縁膜を形成した電極基板（電極基板にはシリコンと熱膨張係数が近いガラス板または絶縁板を用いる）を重ねて３００℃から５００℃で加熱し、シリコン側を陽極、電極基板側を陰極として、数百ボルトの電圧を印加しと陽極接合すれば、密着性の高いインクジェットヘッドが得られる。
【００１４】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。
実施例１図１は本発明の第１の実施例によるインクジェット記録装置の主要部を分解して示す斜視図であり、一部断面で示してある。本実施例はインク液滴を基板の端部のノズル孔から吐出させるエッジインクジェットタイプの例を示すものである。図２は組み立てられた全体装置の断面側面図、図３は図２のＡ−Ａ線矢視図である。これらの図に示すように、インクジェット記録装置１０の主要部であるインクジェットヘッド１２は、下記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。中間の基板２は、例えばシリコン基板であり、複数のノズル孔４を構成するように基板２の表面に一端より平行に等間隔で形成された複数のノズル溝２１と、各々のノズル溝２１に連通し底壁を振動板５とする吐出室６を構成することになる凹部２２と、凹部２２の後部に設けられオリフィス７を構成することになるインク流入口のための細溝２３と、及び各々の吐出室６にインクを供給するための共通のインクキャビティ８を構成することになる凹部２４を有する。また、前記振動板５の下部には後述する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２５が設けられている。ノズル溝２１のピッチは２mm程度であり、その幅は４０μｍ程度にされる。中間基板２の上面に接合される上側の基板１は、例えばガラスまたはプラスチックからなり、この上基板１の接合によって、前記ノズル孔４，吐出室６，オリフィス７及びインクキャビティ８が構成される。そして、上基板１にはインクキャビティ８に連通するインク供給口１４を穿設する。インク供給口１４は接続パイプ１６及びチューブ１７を介して図示しないインクタンクに接続される。中間基板２の下面に接合される下側の基板３は、例えばガラスまたはプラスチックからなり、この下基板３の接合によって前記振動室９を構成するとともに、下基板３の表面に前記振動板５に対応する各々の位置にて電極３１を形成する。電極３１はリード部３２及び端子部３３を持つ。さらに端子部３３を除き電極３１及びリード部３２の全体を絶縁膜３４で被覆している。各端子部３３にはリード線３５がボンディングされる。
【００１５】前記の基板１，２，３は図２のように組み立てられてインクジェットヘッド１２が構成される。さらに、中間基板２と電極３１の端子部３３間にそれぞれ発振回路２６を接続し、本発明の積層構造によるインクジェット記録装置１０が構成される。インク１１は図示しないインクタンクよりインク供給口１４を通じて中間基板２の内部に供給され、インクキャビティ８，吐出室６等を満たしている。なお、電極３１と振動板５の間隔ｃは１μｍ程度に保持されている。図２において、１３はノズル孔４より吐出されるインク液滴、１５は記録紙である。また、使用されるインクは、水、アルコール、トルエン等の主溶媒にエチレングリコール等の界面活性剤、及び染料または顔料を溶解または分散させてつくられる。または、本装置中にヒーターなどを設置すればホットメルトインクも使用できる。
【００１６】次に、本実施例の動作を説明する。電極３１に発振回路２６により、例えば０Ｖ〜＋電圧のパルス電圧を印加し、電極３１の表面が＋電位に帯電すると、対応する振動板５の下面は−電位に帯電する。したがって、振動板５は静電気の吸引作用により下方へ撓む。次に、電極３１をＯＦＦにすると、該振動板５は復元する。したがって、吐出室６内の圧力が急激に上昇し、ノズル孔４よりインク液滴１３を記録紙１５に向けて吐出する。そして、振動板５が下方へ撓むことにより、インク１１がインクキャビティ８よりオリフィス７を通じて吐出室６内に補給される。発振回路２６には、上記のように０Ｖ〜＋電圧間をＯＮ・ＯＦＦさせるものや交流電源等が用いられる。記録にあたっては、それぞれのノズル孔４の電極３１に印加すべき電気パルスを制御すればよい。
【００１７】ここで、前記のように振動板５を静電気力により駆動させる場合において、該振動板５の変位量、駆動電圧、及び吐出量を求める。振動板５は、図４の（ａ）に示すように短辺長２ａ，長辺長ｂとした長方形で、４辺を周囲壁で支持されている。圧力Ｐを受けるこの薄板の変位量ｗは、アスペクト比（ｂ／２ａ）が大きいときは係数が０．５に近づき、変位量はａに依存するので、次式で表わされる。
ｗ＝０．５×Ｐａ4 ／Ｅｈ3 …（１）
ただし ｗ：変位量（ｍ）
Ｐ：圧力（Ｎ／ｍ2 ）
ａ：短辺の半分の長さ（ｍ）
ｈ：板厚（ｍ）
Ｅ：ヤング率（Ｎ／ｍ2 ，シリコン１１×１０10Ｎ／ｍ2 ）
静電気力による吸着圧力は、Ｐ＝１／２×ε×（Ｖ／ｔ）2 ただし ε：誘電率（Ｆ／ｍ，真空中の誘電率８．８×１０-12 Ｆ／ｍ）
Ｖ：電圧（Ｖ）
ｔ：振動板と電極の間隙（ｍ）
よって、必要な吐出圧力を得るための駆動電圧Ｖは、 Ｖ＝ｔ（２Ｐ／ε）1/2 …（２）
次に、吐出量を求めるために、図４の（ｂ）に示すようなかまぼこ型の体積を求める。体積 Δｗ＝４／３×ａｂｗ であるから ｗ＝３／４×Δｗ／ａｂ …（３）
（１）式より、Ｐ＝２ｗ×Ｅｈ3 ／ａ4 で、式（３）を代入すると、 Ｐ＝３／２×ΔｗＥｈ3 ／ａ5 ｂ …（４）
さらに、式（４）を式（２）に代入すると、 Ｖ＝ｔ×（３Ｅｈ3 Δｗ／εｂ）1/2 ×（１／ａ5 ）1/2 …（５）
すなわち、式（５）がインク吐出量を得るための駆動電圧となる。また、式（２），式（５）から、インク吐出可能領域を求めると図５（ａ）のようになる。図５の（ａ）は（ｂ）に示すシリコン振動板の長辺長ｂ＝５mm，板厚ｈ＝８０μｍ，振動板と電極間の間隙ｃ＝１μｍとしたときの短辺長２ａ（mm）に対する駆動電圧（Ｖ）の関係を示したものである。吐出圧力Ｐ＝０．３atm のときの吐出可能領域３０は図中の斜線で示す範囲となる。
【００１８】振動板の寸法は大きいほど有利であるが、小型高密度のノズルを考えた場合、ノズルのピッチ方向の幅は０．２mmから２．０mm程度が妥当である。振動板の長さについては、式（４）から、目的とするインク吐出量と、シリコン基板のヤング率、吐出圧力、板厚から算出して決定する。また、振動板の板厚については、幅が１mm程度の場合は、吐出速度を考えると約５０μｍ以上必要である。それよりもはるかに厚いと、式（５）からわかるように駆動電圧が異常に高くなり、薄すぎると、振動板のバネ性が小さくなり、インクを飛翔させるに不利となる。また、インクジェットの吐出周波数を満足しなくなる。すなわち、インクジェットの印加パルスに対して振動板の周波数が、大きく遅れを生じる。
【００１９】本実施例のインクジェットヘッド１２をプリンターに組み込み、５ＫＨｚで１５０Ｖ印加し、インク液滴を７ｍ／sec で飛翔させた。３００ｄｐｉ印字を試みた結果、良好な印字が得られた。なお、図示は省略するが、吐出室の後部壁を振動板とすることもできるが、実施例のように吐出室６の底壁を振動板とすることにより、ヘッド自体をより薄型にできる。
【００２０】実施例２図６は本発明の第２の実施例を示す断面図で、第１実施例と同じくエッジインクジェットタイプの例である。本実施例は、吐出室６の上下壁を振動板５ａ，５ｂとしたものであり、そのために中間基板を２枚使用し、吐出室６を間にして両基板２ａ，２ｂを重ね合わせたものである。各基板２ａ，２ｂにそれぞれ振動板５ａ，５ｂ及び振動室９ａ，９ｂを形成し、振動板５ａ，５ｂが吐出室６の上下の壁を構成するように基板２ａ，２ｂを上下対称に配置する。ノズル孔４は両基板２ａ，２ｂの端部接合面に形成される。また、上基板１の下面及び下基板３の上面にそれぞれ電極３１ａ，３１ｂを設け、振動室９ａ，９ｂ内に装着する。電極３１ａと中間基板２ａの間及び電極３１ｂと中間基板２ｂの間にそれぞれ発振回路２６ａ，２６ｂを接続する。 本実施例は、吐出室６の上下の振動板５ａ，５ｂを電極３１ａ，３１ｂにより対称に振動させてインク液滴１３をノズル孔４より吐出させることができるので、振動板５ａ，５ｂをより低電圧で駆動することができる。吐出室６内の圧力は上下対称に振動する振動板５ａ，５ｂによって高められ、印字速度が向上する。
【００２１】実施例３以下に示す各実施例は全て基板の表面のノズル孔からインク液滴を吐出させるフェースインクジェットタイプの例を示すものであり、その狙いは振動板の低電圧駆動を可能にすることにある。ただし、前記のエッジインクジェットタイプにも応用できるものである。図７は本発明の第３の実施例を示すもので、円形のノズル孔４が吐出室６の直上において上基板１に穿設されている。吐出室６の底壁は振動板５とされ、振動板５は中間基板２に形成される。さらに、振動板５の下部の振動室９にて下基板３に電極３１が形成される。インク供給口１４は下基板３に設けられている。本実施例は、振動板５の振動により上基板１に設けたノズル孔４よりインク液滴１３を吐出する。１つのヘッドに多くのノズル孔４を設けることができるため、高密度にできるものである。
【００２２】実施例４本実施例は、図８，図９に示すように長方形振動板５の対向する２辺（図９の（ａ）参照）または４辺（図９の（ｂ）参照）に１つまたは２つ以上のジャバラ溝２７を設けて振動板５を支持したもので、振動板５の変位量を大きくとるようにしたものである。吐出室６内のインクを吐出方向に垂直な振動板５の面で押すことができるため、インク液滴１３を真直ぐに飛翔させることができる。
【００２３】実施例５本実施例は、図１０に示すように長方形振動板５の短辺側の１辺で支持し片持ち式としたものである。片持ち式の振動板５とすることにより、同じく導電圧でも振動板５の変位量を大きくとることができる。ただし、吐出室６と振動室９が連通状態となるので、インク１１は絶縁性のものを使用し、電極３１との電気的絶縁を確保する必要がある。
【００２４】実施例６本実施例は、図１１に示すように１つの振動板５に対して２つの電極３１ｃ，３１ｄを配置し、振動板５を駆動するようにしたものである。本実施例では、第１の電極３１ｃを振動室９内に配置し、第２の電極３１ｄを振動室９外部の中間基板２の下方に配置している。そして、両電極３１ｃと３１ｄ間に発振回路２６を接続し、電極３１ｃと電極３１ｄ間に電圧を印加しＯＮ，ＯＦＦを繰り返すことにより、振動板５を駆動するものである。この構成によると、シリコン基板２を前述の実施例のように共通電極にしていないため駆動部が電気的に独立しているため、隣のノズルヘッドを駆動している時に、吐出する予定のないノズル孔からインクを吐出してしまうことがない、つまりクロストークがない。また、高抵抗のシリコン基板を用いた場合、あるいは図１１には示していないが、シリコン基板２の表面に高抵抗の層を形成した場合は電極３１ｃと電極３１ｄに反対の極性のパルス電圧を交互に印加し、振動板５を駆動することができる。この場合は、振動板５に対して前述のごとき静電気の吸引作用のほかに反発作用も加わることになり、吐出圧力を低電圧で高めることができる。
【００２５】実施例７本実施例は、図１２に示すように前記電極３１ｃ，３１ｄを共に振動室９内に配置したものであり、シリコンの面分極により振動板５を駆動する。すなわち、図１１の実施例と同様に、電極３１ｃと電極３１ｄに電圧を印加しＯＮ，ＯＦＦを繰り返すことにより、振動板５を駆動するものである。また、実施例６と同様に、高抵抗のシリコン基板を用いた場合、あるいは図１２には示していないが、シリコン基板２の表面に高抵抗の層を形成した場合は電極３１ｃと電極３１ｄに反対の極性のパルス電圧を交互に印加し、振動板５を駆動することもできる。図１１の実施例に比べて中間基板２と下基板３の間に電極による突起がないため、両基板の接合が容易になる。
【００２６】実施例８本実施例は、図１３に示すように電極３１に対向して金属極３１ｅを振動板５の下面に設けたもので、シリコン基板２を通して振動板５に電荷を供給するのではなく、振動板５に形成した金属極３１ｅに配線を通じて電荷を供給するため、電荷の供給スピードは速くなり、より高周波駆動が可能になる。
【００２７】実施例９本実施例は、図１４に示すように振動室９内の空気抜けをよくするため空気抜け溝２８を設けたものである。振動板５直下の振動室９の気密性が高いと、振動板５が振動しにくいため、圧力開放を目的として中間基板２と下基板３の間に空気抜け溝２８を設ける。
【００２８】実施例１０本実施例は、図１５に示すように下基板３に凹部２９を設け、この中に振動板５を駆動するための電極３１を形成したものであり、電極３１用の絶縁膜を設けなくとも振動板５の振動によるショートを防止できる。
【００２９】次に、前記インクジェットヘッド１２の製造方法の一実施例を説明する。図１に示した構造のものを中心に説明すると、中間基板（ノズル基板とも呼ぶ）２については下記の工程に従ってノズル孔４，振動板５，吐出室６，オリフィス７，インクキャビティ８，振動室９等が形成される。
（１）シリコン熱酸化工程（図１６の（ａ）参照）
面方位（１００）のシリコン単結晶基板２Ａを用い、両面を研磨して板厚２８０μｍとした。このＳｉ基板２Ａを大気中で１１００℃で１時間加熱することにより熱酸化を行い、全面にＳｉＯ2 の酸化膜２Ｂを１μｍの厚さで形成した。
（２）パターン形成工程（図１６の（ｂ）参照）Ｓｉ基板２Ａの両面にスピンコート法により片面ずつレジスト（東京応化製ＯＭＲ−８３）を約１μｍの厚さで形成し、所定のパターンに露光現像を行い、レジストパターン２Ｃを形成した。このパターンは振動板５の形状を定めるものであり、長方形で、幅１mm，長さ５mmとした。なお、図７の実施例では振動板は１辺の長さが５mmの正方形とした。その後、図示のようにＳｉＯ2 膜２Ｂをエッチングした。エッチング条件は、５０ｗｔ％のフッ酸１に対し４０ｗｔ％のフッ化アンモニウム液６の容量比の混合液を２０℃に保ち、その中に前記基板を１０分間浸漬した。
（３）エッチング工程（図１６の（ｃ）参照）
まず、レジスト２Ｃを剥離するために、エッチング条件を３０ｗｔ％の過酸化水素１に対し９８ｗｔ％の硫酸４の容量比の混合液を９０℃以上とし、その中に２０分間浸漬することでレジスト２Ｃを剥離した。しかるのち、Ｓｉ基板２Ａを８０℃，２０ｗｔ％のＫＯＨ溶液に１分間浸漬することで深さ１μｍのエッチングを行った。このエッチングにより振動室９を構成する凹部２５を形成した。
（４）反対面側のパターン形成工程（図１６の（ｄ）参照）
Ｓｉ基板２Ａに残ったＳｉＯ2 膜を前記（２）と同様の条件で完全にエッチングした後、前記（１）と（２）と同様のプロセスを用いて、Ｓｉ基板２Ａの全面に１μｍ厚のＳｉＯ2 膜を熱酸化で形成した後、フォトリソ工程によりＳｉ基板２Ａの反対面（図において下面）のＳｉＯ2 膜２Ｂを所定のパターンにエッチングした。このパターンは吐出室６とインクキャビティ８の形状を定めるものである。
（５）エッチング工程（図１６の（ｅ）参照）
前記（３）と同様のプロセスにより、ＳｉＯ2 膜をレジストとしてＳｉ基板２Ａのエッチングを行い、吐出室６とインクキャビティ８のための凹部２２，２４を形成した。このとき同時にノズル孔４用の溝２１とオリフィス７用の溝２３を形成した。振動板５の板厚は１００μｍとした。また、ノズル溝及びオリフィス溝の形成に関しては、Ｓｉ基板の（１１１）面がエッチング方向に現れると、ＫＯＨ溶液でのエッチングスピードが極端に遅くなるため、それ以上エッチングは進まなくなり、浅いエッチングでストップする。例えばノズル溝幅が４０μｍの場合、深さが約２８μｍでストップする。しかし、吐出室やインクキャビティの場合は、幅がエッチング深さより十分広いため、目的の深さに形成することができる。すなわち、深さの異なる部分を同時に１回のエッチングプロセスにより形成することができる。
（６）ＳｉＯ2 膜の除去工程（図１６の（ｆ）参照）
最後に、残ったＳｉＯ2 膜２Ｂをエッチングで除去することにより、各要部２１，２２，２３，２４，２５，５を持つノズル基板つまり中間基板２が作製された。また、図７の実施例では、前記と同様のプロセスにより、前記ノズル溝２１を除き前記各要部２２，２３，２４，２５，５を形成した中間基板と、２８０μｍ厚のＳｉ基板に孔径５０μｍのノズル孔４を形成したノズル基板（上基板１）を作製した。
【００３０】次に、電極基板（下基板３）の形成方法を図１７により説明する。
（１）金属膜形成工程（図１７の（ａ）参照）
０．７mm厚のパイレックスガラス基板３Ａの表面にスパッタ法により、Ｎｉ膜３Ｂを１０００オングストロームの厚さで形成した。
（２）電極形成工程（図１７の（ｂ）参照）
フォトリソエッチング技術により、前記Ｎｉ膜３Ｂを所定のパターンに形成した。ここに、電極３１，リード部３２及び端子部３３が形成できた。
（３）絶縁膜の形成工程（図１７の（ｃ）参照）
最後に、絶縁膜としてＳｉＯ2 膜を約１μｍの厚さで、マスクスパッタ法により、端子部３３を除き電極３１及びリード部３２（図１参照）全体に被覆し、電極基板３を作製した。以上により作製したノズル基板２と電極基板３を陽極接合により接合した。すなわち、Ｓｉ基板２とガラス基板３を重ねたのち、ホットプレート上に設置し、３００℃で加熱しながらＳｉ基板側を陽極とし、ガラス基板側を陰極として、５００Ｖの直流電圧を５分間印加することにより接合した。さらに、このＳｉ基板２の上にインク供給口１４を穿設したガラス基板（上基板１）を上記と同様の陽極接合により接合した。また、図７R>７の実施例では、ノズル基板１とＳｉ基板２を熱圧着で接合した。以上のプロセスにより、図２，図７に示すようなインクジェットヘッド１２が得られた。
【００３１】
【発明の効果】本発明の効果を列記すれば下記のとおりである。
（１）振動板を静電気力で駆動するものであるから、振動板駆動用の電極の構成が平面的で簡単なものとなり、小型高密度、高印字速度、高印字品質及び長寿命化を達成できる。
（２）インクジェットヘッドを少なくとも３枚の基板の積層構造とすることにより、薄型にできる。
（３）吐出室の上下壁を振動板とすることにより、吐出圧力を高めることができ、低電圧駆動が可能になる。
（４）振動板をジヤバラ溝を介して、または片持ち式に支持することにより、振動板の変位量を大きくすることができ、低電圧駆動が可能になる。
（５）１つの振動板に電極を２個配設することにより、あるいは電極に対向して金属極を振動板に設けることにより、電荷の供給速度が速くなるため、より高周波の駆動が可能になる。
（６）振動室を空気抜け溝を通して大気に連通させることにより、振動板の動作が確実になり、かつ安定する。
（７）インクの吐出は基板の端または面のいずれからでも可能である。
（８）本製造方法を使用すれば、前記効果を有するインクジェットヘッドを安価にかつ大量に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の主要部を一部破断して示す分解斜視図である。
【図２】第１実施例の組み立て後の断面側面図である。
【図３】第１図のＡ−Ａ線矢視図である。
【図４】振動板の設計における説明図で、同図の（ａ）は長方形振動板の寸法関係の説明図、（ｂ）は吐出圧力及び吐出量を求めるための説明図である。
【図５】同図の（ａ）は（ｂ）に示す振動板寸法の場合の振動板の短辺長さと駆動電圧の関係を示す線図である。
【図６】本発明の第２実施例の断面図である。
【図７】本発明の第３実施例の断面図である。
【図８】本発明の第４実施例の断面図である。
【図９】図８のＢ−Ｂ線矢視図で、同図の（ａ）は振動板の２辺にジャバラ溝を設けた場合、（ｂ）は振動板の４辺にジャバラ溝を設けた場合である。
【図１０】本発明の第５実施例の断面図である。
【図１１】本発明の第６実施例の断面図である。
【図１２】本発明の第７実施例の断面図である。
【図１３】本発明の第８実施例の断面図である。
【図１４】本発明の第９実施例の断面図である。
【図１５】本発明の第１０実施例の断面図である。
【図１６】本発明におけるノズル基板の製造工程図である。
【図１７】本発明における電極基板の製造工程図である。
【符号の説明】
１ 上基板
２ 中間基板
３ 下基板
４ ノズル孔
５ 振動板
６ 吐出室
７ オリフィス
８ インクキャビティ
９ 振動室
１０ インクジェット記録装置
１１ インク
１２ インクジェットヘッド
１４ インク供給口
２６ 発振回路
３１ 電極
３４ 絶縁膜
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、記録を必要とする時にのみインク液滴を吐出し、記録紙面に付着させるインクジェット記録装置、特にマイクロマシーニング技術を応用して作製した小型高密度のインクジェット記録装置及びその主要部であるインクジェットヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】インクジェット記録装置は、記録時の騒音がきわめて小さいこと、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必要なインク液滴の回収を必要としないため、最も注目を浴びているタイプである。このインク・オン・デマンド方式は、例えば特公平２−５１７３４号公報に示されるように、印字ヘッドが、インク液滴を吐出するための複数並列に配置されたノズル孔と、各々のノズル孔に連通し一方の壁の一部がダイヤフラムとなっている複数の独立の吐出室と、各ダイヤフラム上に取り付けられた電気機械変換手段としての圧電素子と、各吐出室にインクを供給するための共通のインクキャビティとから構成されており、印字のためのパルス電圧を前記圧電素子に印加することにより、ダイヤフラムを機械的に撓ませその吐出室の容積を減少し、瞬間的にその室内の圧力を高めることにより、前記ノズル孔からインク液滴を記録紙に向け吐出するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような従来のインクジェット記録装置の構造では、吐出室の外側にダイヤフラムを構成するガラス板やプラスチック板等を介して圧電素子を張り付けるか、吐出室内に圧電素子を設置する必要があるため、圧電素子の取付作業がきわめて煩雑で多大の時間を要する。特に最近のプリンターは高速、高印字品質が要求されるため、インク液滴を吐出するノズル孔の個数を多く設置する傾向にあり、そのためにそれぞれのノズル孔に対応する圧電素子をダイシングやワイヤーソーにて機械加工し、さらに接着剤などにより所定の位置に設置しているが、このように非常に高密度で、多数のノズル孔を有するインクジェット記録装置の場合において、圧電素子の機械加工等を必要とするのでは処理能力、機械精度、寸法精度の観点から限界がある。また、圧電素子自体の製造バラツキによる歪誤差があり、各ノズル孔ごとのインク吐出速度にバラツキが発生する場合があった。さらにまた、圧電素子を駆動するための電極は、圧電素子自体に形成され、その後接着剤により接合されていた。そのため、圧電素子の電極形成は、個別に処理が必要で、しかも基板と圧電素子間に接着剤層が介在するため、インクジェット記録装置の駆動効率が低下しインクジェット記録装置の寿命を延ばすことが困難であった。
【０００４】一方、前記のような圧電素子によるダイヤフラムの駆動形式のほかに、吐出室内のインクを加熱する方式のものもある（特公昭６１−５９９１１号）。これは、吐出室内のインクを例えばヒーターで加熱し、インクの蒸発によるバブルの発生により圧力を高め、インク液滴を吐出させる方式である。この加熱方式によると、発熱抵抗体をスパッタ、ＣＶＤ、蒸着、メッキ等によりＴａＳｉＯ2 ，ＮｉＷＰ等の薄膜抵抗体で形成することができる利点があるが、加熱・急冷の繰り返しやインク中のバブル消滅時の衝撃により発熱体がダメージを受けることによりヘッド自体の寿命が短いという問題があった。
【０００５】したがって、本発明の目的は、吐出室のダイヤフラムもしくは振動板の駆動手段として、前記のような圧電素子や発熱体を用いる方式に代えて、静電気力を利用した駆動方式を採用することにより、小型高密度、高印字速度、高印字品質及び寿命の長い高信頼性を有するインクジェット記録装置を提供することにある。本発明の他の目的は、マイクロマシーニング技術を応用し、量産性に富む構造のインクジェット記録装置を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、前記目的を達成するインクジェット記録装置の主要部であるインクジェットヘッドの製造に好適な製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明に係るインクジェット記録装置は、複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連通する複数の独立の吐出室と、該吐出室の少なくとも一方の壁の一部が機械的変形を起こすようになっている振動板と、該振動板を駆動する駆動手段と、前記複数の吐出室にインクを供給する共通のインクキャビティとを有するインクジェットヘッドを備え、前記駆動手段に電気パルスを印加することにより、該駆動手段に対応する前記振動板を前記吐出室の圧力が上昇する方向に変形させ、前記ノズル孔よりインク液滴を記録紙に向け吐出するものにおいて、前記駆動手段が前記振動板を静電気力により変形させる電極から成り、該電極を基板上に形成したことを特徴とするものである。すなわち、電極は通常のパターンエッチング技術を駆使して基板と一体的に形成される。
【０００７】また、本発明は、好ましくは、前記インクジェットヘッドが少なくとも３枚の基板を重ねて接合した積層構造を有し、中間の基板に底部を前記振動板とした前記吐出室を設け、前記電極を該振動板に対向近接させて下側の基板上に形成する。振動板は吐出室の後部壁とすることもできるが、より薄型の装置とするために少なくとも３枚の基板の積層構造とし、吐出室の底壁を振動板とするものである。電極は絶縁膜で被覆することが好ましく、電極を保護するとともに振動板とのショートを防ぐ。
【０００８】吐出室の圧力を高めるためには、吐出室の上下の壁を振動板で構成し、それぞれの振動板に対して前記電極を配設して同期駆動する。このため、電極の駆動電圧を低くすることができる。また、前記振動板は方形に形成し、該方形の対向する２辺または４辺全部に設けた１つまたは２つ以上のジャバラ溝を介して前記振動板を支持するか、もしくは該方形の１辺を片持ち式に支持することにより、振動板の変位量を大きくする。ただし、片持ち式の場合、インクが電極部に接触し電極がショートするおそれがあり、そのためパワーがとれないので絶縁性のインクを用いる。
【０００９】また、前記電極を１つの振動板に対して２個配設し、第１の電極を該振動板の直下の振動室内に、第２の電極を前記振動室外に配設するか、もしくは両電極共振動室内に配設し、両電極に反対の極性の電気パルスを交互に印加する発振回路を接続し、前記静電気作用を一段と発揮させる。さらに、電極に対向して金属極を前記振動板に設けることにより、電荷の注入・消滅を速め、より高周波パルスによる駆動が可能になり、高速印字性能が得られる。
【００１０】また、前記振動室は空気抜けの溝を介して大気に連通させることが好ましい。なお、前記電極は前記基板に設けた凹部内に設けることもできる。前記複数のノズル孔は前記中間基板の端部に等間隔に配設し、いわゆるエッジインクジェットタイプとしたり、前記吐出室の各々の直上において上側基板に等間隔に配設し、いわゆるフェースインクジェットタイプとすることができる。
【００１１】次に、本発明の前記インクジェットヘッドの製造方法は、シリコン単結晶基板に異方性エッチングを施すことにより各要部を形成しノズル基板（前記中間基板及び上基板）を作製する工程と、基板に電極または電極及び絶縁膜を形成することにより電極基板（前記下基板）を作製する工程と、前記ノズル基板と電極基板を陽極接合により接合する工程とから成るものである。
【００１２】
【作用】本発明のインクジェット記録装置の動作原理は、電極にパルス電圧を印加することにより、電極面の正電荷または負電荷と対応の振動板面の負電荷または正電荷により該振動板を吸引し撓ませ、次いで該電極をＯＦＦにしたときの振動板の復元作用により吐出室の容積を減少し、その室内の圧力を瞬間的に上昇させてインク液滴をノズル孔から吐出させるものである。このような静電気作用により振動板を駆動制御するものであるため、マイクロマシーニング技術により本装置を作製することができ、小型高密度、高印字速度、高印字品質及び長寿命化を達成できる。
【００１３】本発明の製造方法においては、シリコンは単結晶であるため、異方性エッチングが可能で、例えば（１００）面をエッチングした場合は、５５°の方向に規則正しくエッチングできる。また、（１１１）面では、９０°方向にエッチングが可能である。そこでこの特性を用いて、精度良く、ノズル孔、吐出室、オリフィス、インクキャビティ等の各要部を形成できる。そして最後に、このシリコンのノズル基板と電極及び絶縁膜を形成した電極基板（電極基板にはシリコンと熱膨張係数が近いガラス板または絶縁板を用いる）を重ねて３００℃から５００℃で加熱し、シリコン側を陽極、電極基板側を陰極として、数百ボルトの電圧を印加しと陽極接合すれば、密着性の高いインクジェットヘッドが得られる。
【００１４】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。
実施例１図１は本発明の第１の実施例によるインクジェット記録装置の主要部を分解して示す斜視図であり、一部断面で示してある。本実施例はインク液滴を基板の端部のノズル孔から吐出させるエッジインクジェットタイプの例を示すものである。図２は組み立てられた全体装置の断面側面図、図３は図２のＡ−Ａ線矢視図である。これらの図に示すように、インクジェット記録装置１０の主要部であるインクジェットヘッド１２は、下記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。中間の基板２は、例えばシリコン基板であり、複数のノズル孔４を構成するように基板２の表面に一端より平行に等間隔で形成された複数のノズル溝２１と、各々のノズル溝２１に連通し底壁を振動板５とする吐出室６を構成することになる凹部２２と、凹部２２の後部に設けられオリフィス７を構成することになるインク流入口のための細溝２３と、及び各々の吐出室６にインクを供給するための共通のインクキャビティ８を構成することになる凹部２４を有する。また、前記振動板５の下部には後述する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２５が設けられている。ノズル溝２１のピッチは２mm程度であり、その幅は４０μｍ程度にされる。中間基板２の上面に接合される上側の基板１は、例えばガラスまたはプラスチックからなり、この上基板１の接合によって、前記ノズル孔４，吐出室６，オリフィス７及びインクキャビティ８が構成される。そして、上基板１にはインクキャビティ８に連通するインク供給口１４を穿設する。インク供給口１４は接続パイプ１６及びチューブ１７を介して図示しないインクタンクに接続される。中間基板２の下面に接合される下側の基板３は、例えばガラスまたはプラスチックからなり、この下基板３の接合によって前記振動室９を構成するとともに、下基板３の表面に前記振動板５に対応する各々の位置にて電極３１を形成する。電極３１はリード部３２及び端子部３３を持つ。さらに端子部３３を除き電極３１及びリード部３２の全体を絶縁膜３４で被覆している。各端子部３３にはリード線３５がボンディングされる。
【００１５】前記の基板１，２，３は図２のように組み立てられてインクジェットヘッド１２が構成される。さらに、中間基板２と電極３１の端子部３３間にそれぞれ発振回路２６を接続し、本発明の積層構造によるインクジェット記録装置１０が構成される。インク１１は図示しないインクタンクよりインク供給口１４を通じて中間基板２の内部に供給され、インクキャビティ８，吐出室６等を満たしている。なお、電極３１と振動板５の間隔ｃは１μｍ程度に保持されている。図２において、１３はノズル孔４より吐出されるインク液滴、１５は記録紙である。また、使用されるインクは、水、アルコール、トルエン等の主溶媒にエチレングリコール等の界面活性剤、及び染料または顔料を溶解または分散させてつくられる。または、本装置中にヒーターなどを設置すればホットメルトインクも使用できる。
【００１６】次に、本実施例の動作を説明する。電極３１に発振回路２６により、例えば０Ｖ〜＋電圧のパルス電圧を印加し、電極３１の表面が＋電位に帯電すると、対応する振動板５の下面は−電位に帯電する。したがって、振動板５は静電気の吸引作用により下方へ撓む。次に、電極３１をＯＦＦにすると、該振動板５は復元する。したがって、吐出室６内の圧力が急激に上昇し、ノズル孔４よりインク液滴１３を記録紙１５に向けて吐出する。そして、振動板５が下方へ撓むことにより、インク１１がインクキャビティ８よりオリフィス７を通じて吐出室６内に補給される。発振回路２６には、上記のように０Ｖ〜＋電圧間をＯＮ・ＯＦＦさせるものや交流電源等が用いられる。記録にあたっては、それぞれのノズル孔４の電極３１に印加すべき電気パルスを制御すればよい。
【００１７】ここで、前記のように振動板５を静電気力により駆動させる場合において、該振動板５の変位量、駆動電圧、及び吐出量を求める。振動板５は、図４の（ａ）に示すように短辺長２ａ，長辺長ｂとした長方形で、４辺を周囲壁で支持されている。圧力Ｐを受けるこの薄板の変位量ｗは、アスペクト比（ｂ／２ａ）が大きいときは係数が０．５に近づき、変位量はａに依存するので、次式で表わされる。
ｗ＝０．５×Ｐａ4 ／Ｅｈ3 …（１）
ただし ｗ：変位量（ｍ）
Ｐ：圧力（Ｎ／ｍ2 ）
ａ：短辺の半分の長さ（ｍ）
ｈ：板厚（ｍ）
Ｅ：ヤング率（Ｎ／ｍ2 ，シリコン１１×１０10Ｎ／ｍ2 ）
静電気力による吸着圧力は、Ｐ＝１／２×ε×（Ｖ／ｔ）2 ただし ε：誘電率（Ｆ／ｍ，真空中の誘電率８．８×１０-12 Ｆ／ｍ）
Ｖ：電圧（Ｖ）
ｔ：振動板と電極の間隙（ｍ）
よって、必要な吐出圧力を得るための駆動電圧Ｖは、 Ｖ＝ｔ（２Ｐ／ε）1/2 …（２）
次に、吐出量を求めるために、図４の（ｂ）に示すようなかまぼこ型の体積を求める。体積 Δｗ＝４／３×ａｂｗ であるから ｗ＝３／４×Δｗ／ａｂ …（３）
（１）式より、Ｐ＝２ｗ×Ｅｈ3 ／ａ4 で、式（３）を代入すると、 Ｐ＝３／２×ΔｗＥｈ3 ／ａ5 ｂ …（４）
さらに、式（４）を式（２）に代入すると、 Ｖ＝ｔ×（３Ｅｈ3 Δｗ／εｂ）1/2 ×（１／ａ5 ）1/2 …（５）
すなわち、式（５）がインク吐出量を得るための駆動電圧となる。また、式（２），式（５）から、インク吐出可能領域を求めると図５（ａ）のようになる。図５の（ａ）は（ｂ）に示すシリコン振動板の長辺長ｂ＝５mm，板厚ｈ＝８０μｍ，振動板と電極間の間隙ｃ＝１μｍとしたときの短辺長２ａ（mm）に対する駆動電圧（Ｖ）の関係を示したものである。吐出圧力Ｐ＝０．３atm のときの吐出可能領域３０は図中の斜線で示す範囲となる。
【００１８】振動板の寸法は大きいほど有利であるが、小型高密度のノズルを考えた場合、ノズルのピッチ方向の幅は０．２mmから２．０mm程度が妥当である。振動板の長さについては、式（４）から、目的とするインク吐出量と、シリコン基板のヤング率、吐出圧力、板厚から算出して決定する。また、振動板の板厚については、幅が１mm程度の場合は、吐出速度を考えると約５０μｍ以上必要である。それよりもはるかに厚いと、式（５）からわかるように駆動電圧が異常に高くなり、薄すぎると、振動板のバネ性が小さくなり、インクを飛翔させるに不利となる。また、インクジェットの吐出周波数を満足しなくなる。すなわち、インクジェットの印加パルスに対して振動板の周波数が、大きく遅れを生じる。
【００１９】本実施例のインクジェットヘッド１２をプリンターに組み込み、５ＫＨｚで１５０Ｖ印加し、インク液滴を７ｍ／sec で飛翔させた。３００ｄｐｉ印字を試みた結果、良好な印字が得られた。なお、図示は省略するが、吐出室の後部壁を振動板とすることもできるが、実施例のように吐出室６の底壁を振動板とすることにより、ヘッド自体をより薄型にできる。
【００２０】実施例２図６は本発明の第２の実施例を示す断面図で、第１実施例と同じくエッジインクジェットタイプの例である。本実施例は、吐出室６の上下壁を振動板５ａ，５ｂとしたものであり、そのために中間基板を２枚使用し、吐出室６を間にして両基板２ａ，２ｂを重ね合わせたものである。各基板２ａ，２ｂにそれぞれ振動板５ａ，５ｂ及び振動室９ａ，９ｂを形成し、振動板５ａ，５ｂが吐出室６の上下の壁を構成するように基板２ａ，２ｂを上下対称に配置する。ノズル孔４は両基板２ａ，２ｂの端部接合面に形成される。また、上基板１の下面及び下基板３の上面にそれぞれ電極３１ａ，３１ｂを設け、振動室９ａ，９ｂ内に装着する。電極３１ａと中間基板２ａの間及び電極３１ｂと中間基板２ｂの間にそれぞれ発振回路２６ａ，２６ｂを接続する。 本実施例は、吐出室６の上下の振動板５ａ，５ｂを電極３１ａ，３１ｂにより対称に振動させてインク液滴１３をノズル孔４より吐出させることができるので、振動板５ａ，５ｂをより低電圧で駆動することができる。吐出室６内の圧力は上下対称に振動する振動板５ａ，５ｂによって高められ、印字速度が向上する。
【００２１】実施例３以下に示す各実施例は全て基板の表面のノズル孔からインク液滴を吐出させるフェースインクジェットタイプの例を示すものであり、その狙いは振動板の低電圧駆動を可能にすることにある。ただし、前記のエッジインクジェットタイプにも応用できるものである。図７は本発明の第３の実施例を示すもので、円形のノズル孔４が吐出室６の直上において上基板１に穿設されている。吐出室６の底壁は振動板５とされ、振動板５は中間基板２に形成される。さらに、振動板５の下部の振動室９にて下基板３に電極３１が形成される。インク供給口１４は下基板３に設けられている。本実施例は、振動板５の振動により上基板１に設けたノズル孔４よりインク液滴１３を吐出する。１つのヘッドに多くのノズル孔４を設けることができるため、高密度にできるものである。
【００２２】実施例４本実施例は、図８，図９に示すように長方形振動板５の対向する２辺（図９の（ａ）参照）または４辺（図９の（ｂ）参照）に１つまたは２つ以上のジャバラ溝２７を設けて振動板５を支持したもので、振動板５の変位量を大きくとるようにしたものである。吐出室６内のインクを吐出方向に垂直な振動板５の面で押すことができるため、インク液滴１３を真直ぐに飛翔させることができる。
【００２３】実施例５本実施例は、図１０に示すように長方形振動板５の短辺側の１辺で支持し片持ち式としたものである。片持ち式の振動板５とすることにより、同じく導電圧でも振動板５の変位量を大きくとることができる。ただし、吐出室６と振動室９が連通状態となるので、インク１１は絶縁性のものを使用し、電極３１との電気的絶縁を確保する必要がある。
【００２４】実施例６本実施例は、図１１に示すように１つの振動板５に対して２つの電極３１ｃ，３１ｄを配置し、振動板５を駆動するようにしたものである。本実施例では、第１の電極３１ｃを振動室９内に配置し、第２の電極３１ｄを振動室９外部の中間基板２の下方に配置している。そして、両電極３１ｃと３１ｄ間に発振回路２６を接続し、電極３１ｃと電極３１ｄ間に電圧を印加しＯＮ，ＯＦＦを繰り返すことにより、振動板５を駆動するものである。この構成によると、シリコン基板２を前述の実施例のように共通電極にしていないため駆動部が電気的に独立しているため、隣のノズルヘッドを駆動している時に、吐出する予定のないノズル孔からインクを吐出してしまうことがない、つまりクロストークがない。また、高抵抗のシリコン基板を用いた場合、あるいは図１１には示していないが、シリコン基板２の表面に高抵抗の層を形成した場合は電極３１ｃと電極３１ｄに反対の極性のパルス電圧を交互に印加し、振動板５を駆動することができる。この場合は、振動板５に対して前述のごとき静電気の吸引作用のほかに反発作用も加わることになり、吐出圧力を低電圧で高めることができる。
【００２５】実施例７本実施例は、図１２に示すように前記電極３１ｃ，３１ｄを共に振動室９内に配置したものであり、シリコンの面分極により振動板５を駆動する。すなわち、図１１の実施例と同様に、電極３１ｃと電極３１ｄに電圧を印加しＯＮ，ＯＦＦを繰り返すことにより、振動板５を駆動するものである。また、実施例６と同様に、高抵抗のシリコン基板を用いた場合、あるいは図１２には示していないが、シリコン基板２の表面に高抵抗の層を形成した場合は電極３１ｃと電極３１ｄに反対の極性のパルス電圧を交互に印加し、振動板５を駆動することもできる。図１１の実施例に比べて中間基板２と下基板３の間に電極による突起がないため、両基板の接合が容易になる。
【００２６】実施例８本実施例は、図１３に示すように電極３１に対向して金属極３１ｅを振動板５の下面に設けたもので、シリコン基板２を通して振動板５に電荷を供給するのではなく、振動板５に形成した金属極３１ｅに配線を通じて電荷を供給するため、電荷の供給スピードは速くなり、より高周波駆動が可能になる。
【００２７】実施例９本実施例は、図１４に示すように振動室９内の空気抜けをよくするため空気抜け溝２８を設けたものである。振動板５直下の振動室９の気密性が高いと、振動板５が振動しにくいため、圧力開放を目的として中間基板２と下基板３の間に空気抜け溝２８を設ける。
【００２８】実施例１０本実施例は、図１５に示すように下基板３に凹部２９を設け、この中に振動板５を駆動するための電極３１を形成したものであり、電極３１用の絶縁膜を設けなくとも振動板５の振動によるショートを防止できる。
【００２９】次に、前記インクジェットヘッド１２の製造方法の一実施例を説明する。図１に示した構造のものを中心に説明すると、中間基板（ノズル基板とも呼ぶ）２については下記の工程に従ってノズル孔４，振動板５，吐出室６，オリフィス７，インクキャビティ８，振動室９等が形成される。
（１）シリコン熱酸化工程（図１６の（ａ）参照）
面方位（１００）のシリコン単結晶基板２Ａを用い、両面を研磨して板厚２８０μｍとした。このＳｉ基板２Ａを大気中で１１００℃で１時間加熱することにより熱酸化を行い、全面にＳｉＯ2 の酸化膜２Ｂを１μｍの厚さで形成した。
（２）パターン形成工程（図１６の（ｂ）参照）Ｓｉ基板２Ａの両面にスピンコート法により片面ずつレジスト（東京応化製ＯＭＲ−８３）を約１μｍの厚さで形成し、所定のパターンに露光現像を行い、レジストパターン２Ｃを形成した。このパターンは振動板５の形状を定めるものであり、長方形で、幅１mm，長さ５mmとした。なお、図７の実施例では振動板は１辺の長さが５mmの正方形とした。その後、図示のようにＳｉＯ2 膜２Ｂをエッチングした。エッチング条件は、５０ｗｔ％のフッ酸１に対し４０ｗｔ％のフッ化アンモニウム液６の容量比の混合液を２０℃に保ち、その中に前記基板を１０分間浸漬した。
（３）エッチング工程（図１６の（ｃ）参照）
まず、レジスト２Ｃを剥離するために、エッチング条件を３０ｗｔ％の過酸化水素１に対し９８ｗｔ％の硫酸４の容量比の混合液を９０℃以上とし、その中に２０分間浸漬することでレジスト２Ｃを剥離した。しかるのち、Ｓｉ基板２Ａを８０℃，２０ｗｔ％のＫＯＨ溶液に１分間浸漬することで深さ１μｍのエッチングを行った。このエッチングにより振動室９を構成する凹部２５を形成した。
（４）反対面側のパターン形成工程（図１６の（ｄ）参照）
Ｓｉ基板２Ａに残ったＳｉＯ2 膜を前記（２）と同様の条件で完全にエッチングした後、前記（１）と（２）と同様のプロセスを用いて、Ｓｉ基板２Ａの全面に１μｍ厚のＳｉＯ2 膜を熱酸化で形成した後、フォトリソ工程によりＳｉ基板２Ａの反対面（図において下面）のＳｉＯ2 膜２Ｂを所定のパターンにエッチングした。このパターンは吐出室６とインクキャビティ８の形状を定めるものである。
（５）エッチング工程（図１６の（ｅ）参照）
前記（３）と同様のプロセスにより、ＳｉＯ2 膜をレジストとしてＳｉ基板２Ａのエッチングを行い、吐出室６とインクキャビティ８のための凹部２２，２４を形成した。このとき同時にノズル孔４用の溝２１とオリフィス７用の溝２３を形成した。振動板５の板厚は１００μｍとした。また、ノズル溝及びオリフィス溝の形成に関しては、Ｓｉ基板の（１１１）面がエッチング方向に現れると、ＫＯＨ溶液でのエッチングスピードが極端に遅くなるため、それ以上エッチングは進まなくなり、浅いエッチングでストップする。例えばノズル溝幅が４０μｍの場合、深さが約２８μｍでストップする。しかし、吐出室やインクキャビティの場合は、幅がエッチング深さより十分広いため、目的の深さに形成することができる。すなわち、深さの異なる部分を同時に１回のエッチングプロセスにより形成することができる。
（６）ＳｉＯ2 膜の除去工程（図１６の（ｆ）参照）
最後に、残ったＳｉＯ2 膜２Ｂをエッチングで除去することにより、各要部２１，２２，２３，２４，２５，５を持つノズル基板つまり中間基板２が作製された。また、図７の実施例では、前記と同様のプロセスにより、前記ノズル溝２１を除き前記各要部２２，２３，２４，２５，５を形成した中間基板と、２８０μｍ厚のＳｉ基板に孔径５０μｍのノズル孔４を形成したノズル基板（上基板１）を作製した。
【００３０】次に、電極基板（下基板３）の形成方法を図１７により説明する。
（１）金属膜形成工程（図１７の（ａ）参照）
０．７mm厚のパイレックスガラス基板３Ａの表面にスパッタ法により、Ｎｉ膜３Ｂを１０００オングストロームの厚さで形成した。
（２）電極形成工程（図１７の（ｂ）参照）
フォトリソエッチング技術により、前記Ｎｉ膜３Ｂを所定のパターンに形成した。ここに、電極３１，リード部３２及び端子部３３が形成できた。
（３）絶縁膜の形成工程（図１７の（ｃ）参照）
最後に、絶縁膜としてＳｉＯ2 膜を約１μｍの厚さで、マスクスパッタ法により、端子部３３を除き電極３１及びリード部３２（図１参照）全体に被覆し、電極基板３を作製した。以上により作製したノズル基板２と電極基板３を陽極接合により接合した。すなわち、Ｓｉ基板２とガラス基板３を重ねたのち、ホットプレート上に設置し、３００℃で加熱しながらＳｉ基板側を陽極とし、ガラス基板側を陰極として、５００Ｖの直流電圧を５分間印加することにより接合した。さらに、このＳｉ基板２の上にインク供給口１４を穿設したガラス基板（上基板１）を上記と同様の陽極接合により接合した。また、図７R>７の実施例では、ノズル基板１とＳｉ基板２を熱圧着で接合した。以上のプロセスにより、図２，図７に示すようなインクジェットヘッド１２が得られた。
【００３１】
【発明の効果】本発明の効果を列記すれば下記のとおりである。
（１）振動板を静電気力で駆動するものであるから、振動板駆動用の電極の構成が平面的で簡単なものとなり、小型高密度、高印字速度、高印字品質及び長寿命化を達成できる。
（２）インクジェットヘッドを少なくとも３枚の基板の積層構造とすることにより、薄型にできる。
（３）吐出室の上下壁を振動板とすることにより、吐出圧力を高めることができ、低電圧駆動が可能になる。
（４）振動板をジヤバラ溝を介して、または片持ち式に支持することにより、振動板の変位量を大きくすることができ、低電圧駆動が可能になる。
（５）１つの振動板に電極を２個配設することにより、あるいは電極に対向して金属極を振動板に設けることにより、電荷の供給速度が速くなるため、より高周波の駆動が可能になる。
（６）振動室を空気抜け溝を通して大気に連通させることにより、振動板の動作が確実になり、かつ安定する。
（７）インクの吐出は基板の端または面のいずれからでも可能である。
（８）本製造方法を使用すれば、前記効果を有するインクジェットヘッドを安価にかつ大量に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の主要部を一部破断して示す分解斜視図である。
【図２】第１実施例の組み立て後の断面側面図である。
【図３】第１図のＡ−Ａ線矢視図である。
【図４】振動板の設計における説明図で、同図の（ａ）は長方形振動板の寸法関係の説明図、（ｂ）は吐出圧力及び吐出量を求めるための説明図である。
【図５】同図の（ａ）は（ｂ）に示す振動板寸法の場合の振動板の短辺長さと駆動電圧の関係を示す線図である。
【図６】本発明の第２実施例の断面図である。
【図７】本発明の第３実施例の断面図である。
【図８】本発明の第４実施例の断面図である。
【図９】図８のＢ−Ｂ線矢視図で、同図の（ａ）は振動板の２辺にジャバラ溝を設けた場合、（ｂ）は振動板の４辺にジャバラ溝を設けた場合である。
【図１０】本発明の第５実施例の断面図である。
【図１１】本発明の第６実施例の断面図である。
【図１２】本発明の第７実施例の断面図である。
【図１３】本発明の第８実施例の断面図である。
【図１４】本発明の第９実施例の断面図である。
【図１５】本発明の第１０実施例の断面図である。
【図１６】本発明におけるノズル基板の製造工程図である。
【図１７】本発明における電極基板の製造工程図である。
【符号の説明】
１ 上基板
２ 中間基板
３ 下基板
４ ノズル孔
５ 振動板
６ 吐出室
７ オリフィス
８ インクキャビティ
９ 振動室
１０ インクジェット記録装置
１１ インク
１２ インクジェットヘッド
１４ インク供給口
２６ 発振回路
３１ 電極
３４ 絶縁膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】 複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連通する複数の独立の吐出室と、該吐出室の少なくとも一方の壁の一部が機械的変形を起こすようになっている振動板と、該振動板を駆動する駆動手段と、前記複数の吐出室にインクを供給する共通のインクキャビティとを有するインクジェットヘッドを備え、前記駆動手段に電気パルスを印加することにより、該駆動手段に対応する前記振動板を前記吐出室の圧力が上昇する方向に変形させ、前記ノズル孔よりインク液滴を記録紙に向け吐出するものにおいて、前記駆動手段が前記振動板を静電気力により変形させる電極から成り、該電極を基板上に形成したことを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項２】 前記インクジェットヘッドが少なくとも３枚の基板を重ねて接合した積層構造を有し、中間の基板に底部を前記振動板とした前記吐出室を設け、前記電極を該振動板に対向近接させて下側の基板上に形成したことを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
【請求項３】 前記電極がさらに絶縁膜で覆われていることを特徴とする請求項１または２記載のインクジェット記録装置。
【請求項４】 前記吐出室の上下の壁が振動板となっており、それぞれの振動板に対して前記電極を配設したことを特徴とする請求項２記載のインクジェット記録装置。
【請求項５】 前記振動板が長方形または正方形に形成され、該方形の対向する２辺または４辺全部に設けたジャバラ溝を介して前記振動板を支持したことを特徴とする請求項１または２記載のインクジェット記録装置。
【請求項６】 前記振動板が長方形または正方形に形成され、該方形の１辺を片持ち式に支持するとともに、絶縁性のインクを用いることを特徴とする請求項１または２記載のインクジェット記録装置。
【請求項７】 前記電極が１つの振動板に対して２個配設され、第１の電極を該振動板の直下の振動室内に、第２の電極を前記振動室外に配設するとともに、両電極に反対の極性の電気パルスを交互に印加する発振回路を接続したことを特徴とする請求項１または２記載のインクジェット記録装置。
【請求項８】 前記２個の電極を共に前記振動室内に配設したことを特徴とする請求項７記載のインクジェット記録装置。
【請求項９】 前記電極に対向して金属極を前記振動板に設けたことを特徴とする請求項１または２記載のインクジェット記録装置。
【請求項１０】 前記振動室が溝を介して大気に連通するようになっていることを特徴とする請求項７記載のインクジェット記録装置。
【請求項１１】 前記電極を前記基板の凹部内に設けたことを特徴とする請求項１または２記載のインクジェット記録装置。
【請求項１２】 前記複数のノズル孔が前記中間基板の端部に等間隔に配設されていることを特徴とする請求項２記載のインクジェット記録装置。
【請求項１３】 前記複数のノズル孔が前記吐出室の直上において上側基板に等間隔に配設されていることを特徴とする請求項２記載のインクジェット記録装置。
【請求項１４】 シリコン単結晶基板に異方性エッチングを施すことにより各要部を形成しノズル基板を作製する工程と、基板に電極または電極及び絶縁膜を形成することにより電極基板を作製する工程と、前記ノズル基板と電極基板を陽極接合により接合する工程とから成ることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項１】 複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連通する複数の独立の吐出室と、該吐出室の少なくとも一方の壁の一部が機械的変形を起こすようになっている振動板と、該振動板を駆動する駆動手段と、前記複数の吐出室にインクを供給する共通のインクキャビティとを有するインクジェットヘッドを備え、前記駆動手段に電気パルスを印加することにより、該駆動手段に対応する前記振動板を前記吐出室の圧力が上昇する方向に変形させ、前記ノズル孔よりインク液滴を記録紙に向け吐出するものにおいて、前記駆動手段が前記振動板を静電気力により変形させる電極から成り、該電極を基板上に形成したことを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項２】 前記インクジェットヘッドが少なくとも３枚の基板を重ねて接合した積層構造を有し、中間の基板に底部を前記振動板とした前記吐出室を設け、前記電極を該振動板に対向近接させて下側の基板上に形成したことを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
【請求項３】 前記電極がさらに絶縁膜で覆われていることを特徴とする請求項１または２記載のインクジェット記録装置。
【請求項４】 前記吐出室の上下の壁が振動板となっており、それぞれの振動板に対して前記電極を配設したことを特徴とする請求項２記載のインクジェット記録装置。
【請求項５】 前記振動板が長方形または正方形に形成され、該方形の対向する２辺または４辺全部に設けたジャバラ溝を介して前記振動板を支持したことを特徴とする請求項１または２記載のインクジェット記録装置。
【請求項６】 前記振動板が長方形または正方形に形成され、該方形の１辺を片持ち式に支持するとともに、絶縁性のインクを用いることを特徴とする請求項１または２記載のインクジェット記録装置。
【請求項７】 前記電極が１つの振動板に対して２個配設され、第１の電極を該振動板の直下の振動室内に、第２の電極を前記振動室外に配設するとともに、両電極に反対の極性の電気パルスを交互に印加する発振回路を接続したことを特徴とする請求項１または２記載のインクジェット記録装置。
【請求項８】 前記２個の電極を共に前記振動室内に配設したことを特徴とする請求項７記載のインクジェット記録装置。
【請求項９】 前記電極に対向して金属極を前記振動板に設けたことを特徴とする請求項１または２記載のインクジェット記録装置。
【請求項１０】 前記振動室が溝を介して大気に連通するようになっていることを特徴とする請求項７記載のインクジェット記録装置。
【請求項１１】 前記電極を前記基板の凹部内に設けたことを特徴とする請求項１または２記載のインクジェット記録装置。
【請求項１２】 前記複数のノズル孔が前記中間基板の端部に等間隔に配設されていることを特徴とする請求項２記載のインクジェット記録装置。
【請求項１３】 前記複数のノズル孔が前記吐出室の直上において上側基板に等間隔に配設されていることを特徴とする請求項２記載のインクジェット記録装置。
【請求項１４】 シリコン単結晶基板に異方性エッチングを施すことにより各要部を形成しノズル基板を作製する工程と、基板に電極または電極及び絶縁膜を形成することにより電極基板を作製する工程と、前記ノズル基板と電極基板を陽極接合により接合する工程とから成ることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図１０】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図５】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図１０】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図５】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開平５−５０６０１
【公開日】平成５年（１９９３）３月２日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平３−２３４５３７
【出願日】平成３年（１９９１）９月１３日
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【公開日】平成５年（１９９３）３月２日
【国際特許分類】
【出願日】平成３年（１９９１）９月１３日
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
[ Back to top ]