JP2002355972A

JP2002355972A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP2002355972A
Application number: JP2001163898A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Moto; 洋一元
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2002-12-10

Abstract

(57)【要約】【課題】インク滴ｉを記録紙の所定位置に正確に着弾さ
せることが可能な、高性能のインクジェットヘッドを提
供する。【解決手段】単結晶シリコンから成るベースプレート２
の上面に複数個の発熱抵抗体４及び保護膜６を順次被着
させたヘッド基板１と、複数個のインク吐出孔８を有し
たノズル部材７とを、間に所定の間隙を形成するように
して配設するとともに該間隙にインク９を充填してな
り、発熱抵抗体４の発する熱エネルギーによってインク
９中に気泡Ａを発生させ、この気泡発生に伴う圧力でも
ってインク吐出孔８よりインク滴ｉを吐出させて記録動
作を行なうインクジェットヘッドであって、前記発熱抵
抗体４上の保護膜表面に、発熱抵抗体４と１対１に対応
する複数個の窪み６ａが形成されており、記録動作時、
窪み６ａ内のインク９中で気泡Ａを発生させるようにな
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、記録紙にインク滴
を所定パターンに付着させて画像を記録するインクジェ
ットヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、記録紙に画像を形成するため
の記録デバイスとしてインクジェットヘッドが用いられ
ている。

【０００３】インクジェットヘッドの記録方式には、イ
ンク滴を記録紙に向けて吐出・飛翔させるのに発熱抵抗
体の発する熱エネルギーを利用するものや圧電素子の変
形を利用するもの、更には電磁波の照射に伴って発生す
る熱を利用するもの等があり、これらの中でも発熱抵抗
体の熱エネルギーを利用するサーマルジェットタイプの
ものは、発熱抵抗体のパターニングが容易である上に、
小さな面積の発熱抵抗体であっても比較的大きな熱エネ
ルギーを発生させることができることから、高密度記録
への対応に適したものとして注目されている。

【０００４】かかるサーマルジェットタイプのインクジ
ェットヘッドとしては、例えば図５に示す如く、単結晶
シリコン等から成るベースプレート１２の上面に複数個
の発熱抵抗体１３を被着・配列させたヘッド基板１１
と、前記発熱抵抗体１３上にインク吐出孔１６を有する
ノズル部材１５とを、間に所定の間隔をあけて配置させ
るとともに、前記ヘッド基板１１−ノズル部材１５間の
間隙にインク１７を充填した構造のものが知られてお
り、記録紙をノズル部材１５の外表面に沿って搬送しな
がら、ヘッド基板１１の発熱抵抗体１３を外部からの画
像データに基づいて選択的にジュール発熱させ、発熱抵
抗体１３上のインク１７中で気泡Ａを発生させるととも
に、該発生した気泡Ａによる圧力でもって発熱抵抗体１
３上のインク１７を上方に押し上げ、インク１７の一部
をインク吐出孔１６より外部に吐出させることによって
記録紙に画像が記録される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のインクジェットヘッドにおいては、ヘッド基板
１１とノズル部材１５の間に気泡Ａの拡がりを抑制する
ものが何ら存在していないことから、発熱抵抗体１３を
ジュール発熱させてインク１７中で気泡Ａを発生させる
と、気泡Ａからの圧力は四方に分散し、気泡Ａからの圧
力をインク吐出孔１６側に効率良く伝達することができ
ない。このため、インク滴ｉの吐出速度が低下し、記録
紙に対するインク滴ｉの着弾位置にズレを生じるという
欠点を有していた。

【０００６】本発明は上記欠点に鑑み案出されたもの
で、その目的は、インク滴ｉを記録紙の所定位置に正確
に着弾させることが可能な、高性能のインクジェットヘ
ッドを提供することにある。

【０００７】

【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、単結晶シリコンから成るベースプレートの上
面に複数個の発熱抵抗体及び保護膜を順次被着させたヘ
ッド基板と、前記発熱抵抗体と対応する複数個のインク
吐出孔を有したノズル部材とを、間に所定の間隙を形成
するようにして配設するとともに該間隙にインクを充填
してなり、前記発熱抵抗体の発する熱エネルギーによっ
てインク中に気泡を発生させ、この気泡発生に伴う圧力
でもって前記インク吐出孔よりインク滴を吐出させて記
録動作を行なうインクジェットヘッドであって、前記発
熱抵抗体上の保護膜表面に、発熱抵抗体と１対１に対応
する複数個の窪みが形成されており、記録動作時、前記
窪み内のインク中で前記気泡を発生させるようになした
ことを特徴とするものである。

【０００８】また本発明のインクジェットヘッドは、前
記ベースプレートを形成する単結晶シリコンの｛１０
０｝面もしくは｛１１０｝面がベースプレートの上面と
合致させてあり、かつ前記ベースプレートの上面に、各
発熱抵抗体を内面に被着させた複数個の凹部が設けられ
ていることを特徴とするものである。

【０００９】更に本発明のインクジェットヘッドは、前
記凹部が、ベースプレートを形成する単結晶シリコンに
対する異方性エッチングにて形成されたものであること
を特徴とするものである。

【００１０】また更に本発明のインクジェットヘッド
は、前記凹部の深さが０．５μｍ〜３０．０μｍに設定
されることを特徴とするものである。

【００１１】更にまた本発明のインクジェットヘッド
は、前記ヘッド基板−ノズル部材間のインクが流動する
ように、インクを循環させることを特徴とするものであ
る。

【００１２】本発明のインクジェットヘッドによれば、
ヘッド基板の発熱抵抗体上に被着させた保護膜の表面に
発熱抵抗体と１対１に対応する窪みを形成し、記録動作
時、前記窪み内のインク中でインク吐出用の気泡を発生
させるようになしたことから、インク中で発生した気泡
がその周囲に拡がろうとしても、その拡がりは気泡を囲
繞するように配されている窪みの内壁でもって確実に抑
えられ、気泡の発生に伴う圧力の分散が有効に防止され
る。これにより、気泡からの圧力はインク吐出孔側に効
率良く伝達されることとなり、インク滴の吐出速度を高
速に維持して、インク滴を記録紙の所定位置に正確に着
弾させることができる。

【００１３】また本発明のインクジェットヘッドによれ
ば、ベースプレートを形成する単結晶シリコンの｛１０
０｝面もしくは｛１１０｝面をベースプレートの上面と
合致させた上、かかるベースプレートの上面に、各発熱
抵抗体を内面に被着させた複数個の凹部を設けておくこ
とにより、これらの上に従来周知の薄膜形成技術等によ
って保護膜を形成するだけで上述の窪みを凹部上に位置
する保護膜表面に簡単に形成することができ、しかも、
ベースプレート上面の凹部も従来周知の異方性エッチン
グによって極めて高精度に形成することができる利点が
ある。

【００１４】更に本発明のインクジェットヘッドによれ
ば、ヘッド基板−ノズル部材間のインクが流動するよう
に、インクを循環させることにより、インクがベースプ
レートや発熱抵抗体、或いはこれらを被覆する保護膜等
と常に接するようになることから、高速記録に対応すべ
く発熱抵抗体を短時間で繰り返し発熱させる場合であっ
ても、ベースプレートの内部に蓄積される熱はインク側
に少しずつ逃がされるようになっており、これによって
ベースプレートを全体的に冷却せしめ、ベースプレート
の温度が過度に高温となるのを有効に防止することがで
きる上に、発熱抵抗体の発する熱等によってインク中の
水分もしくは油分がインク吐出孔から多量に蒸発し、イ
ンク吐出孔内のインクの粘度が上昇しようとしても、こ
の部分にはインク吐出孔の直下を流れるインクから水分
もしくは油分が順次補給されるのでインクが固まってし
まうことはなく、インク吐出孔の目詰まりを有効に防止
することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に基づい
て詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係るイ
ンクジェットヘッドの斜視図、図２は図１のインクジェ
ットヘッドの縦断面図、図３は図1のインクジェットヘ
ッドの横断面図であり、１はヘッド基板、７はノズル部
材、９はヘッド基板１−ノズル部材７間に充填されるイ
ンクである。

【００１６】前記ヘッド基板１は、矩形状をなすように
形成されたベースプレート２の上面に、長手方向にわた
って複数個の凹部３を配列させるとともに該各凹部３の
内面に沿って発熱抵抗体４を1個ずつ被着させ、これら
全体を単一の保護膜６で被覆した構造を有している。

【００１７】前記ベースプレート２は、単結晶シリコン
から成り、その｛１００｝面もしくは｛１１０｝面を上
面と合致させるようにして形成されている。

【００１８】このようなベースプレート２の表面には酸
化シリコン（ＳｉＯ₂）等から成る絶縁膜２ａが例えば
１μｍ〜３μｍの厚みに設けられており、該絶縁膜２ａ
によってベースプレート２を被覆し、後述する発熱抵抗
体４等と電気的に絶縁している。

【００１９】また前記ベースプレート２の上面に設けら
れている複数個の凹部３は、例えば５０μｍ〜２００μ
ｍの幅、０．５μｍ〜３０．０μｍの深さにてベースプ
レート２の長手方向に直線状に配列されており、各々の
凹部３の断面形状は四角形状をなしているため、このよ
うな凹部３の内面に沿って発熱抵抗体４や保護膜６を従
来周知の薄膜形成技術等によってそれぞれ略一定の厚み
に被着させると、凹部３内に設けられる保護膜６の表面
にも、凹部３と略相似形をなす所定の窪み６ａが形成さ
れる。

【００２０】尚、前記ベースプレート２は、従来周知の
チョコラルスキー法（引き上げ法）等によって形成した
単結晶シリコンのインゴット（塊）を、その｛１００｝
面もしくは｛１１０｝面が露出されるようにして所定厚
みにスライスすることによって製作され、得られたベー
スプレート２の上面の一部をＫＯＨやＮＨ₂（ＣＨ₂） ₂
ＮＨ₂等を含むエッチング液で所定の深さまでエッチン
グすることにより凹部３が形成され、また前記凹部３の
内面を含むベースプレート２の表面を従来周知の熱酸化
法により所定の深さ領域まで酸化することにより絶縁膜
２ａが形成される。この場合、ベースプレート２を形成
する単結晶シリコンの｛１００｝面もしくは｛１１０｝
面がベースプレート２の上面と合致させてあるため、凹
部３は上述のエッチング液を用いた異方性エッチングに
より極めて高精度に形成される。

【００２１】また前記ベースプレート２の各凹部３内に
配設される発熱抵抗体４は、例えば６００ｄｐｉ（dot
per inch）の密度で主走査方向に直線状に配列されてお
り、その各々がＴａＮやＴａＳｉＯ,ＴａＳｉＮＯ,Ｔｉ
ＳｉＯ，ＴｉＳｉＣＯ，ＮｂＳｉＯ等の電気抵抗材料を
例えば０．００５μｍ〜０．１５μｍの厚みで薄く堆積
させた抵抗薄膜により形成されているため、その両端に
接続される電極５等を介して電源電力が印加されるとジ
ュール発熱を起こし、凹部３上に設けられる窪み６ａ内
に充填されるインク９中で気泡Ａを発生させる。

【００２２】このような発熱抵抗体４は、従来周知の薄
膜形成技術、具体的には、スパッタリング、フォトリソ
グラフィー及びエッチング技術等を採用し、上述の電気
抵抗材料を凹部３の内面に沿って所定厚み、所定パター
ンに被着させることにより形成される。

【００２３】また前記発熱抵抗体４の両端に接続される
電極５は、アルミニウム等の金属か成り、ベースプレー
ト２の上面に所定パターンをなすように被着されてい
る。

【００２４】前記電極５は、前述した複数個の発熱抵抗
体４に電源電力を供給するための給電線として機能する
ものであり、発熱抵抗体４と同様に、従来周知の薄膜形
成技術を採用し、上述の金属材料をベースプレート２の
上面に所定厚み、所定パターンに被着させることにより
形成される。

【００２５】そして、上述したベースプレート２の上
面、並びに各凹部３の内面には、先に述べた発熱抵抗体
４や電極５等を被覆するようにして保護膜６が被着され
ている。

【００２６】前記保護膜６は、例えば窒下珪素（Ｓｉ₃
Ｎ₄）やサイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）等の無機質材料に
よって例えば０．２μｍ〜２．０μｍの厚みに形成され
ており、インク９中に含まれているアルカリイオンや水
分等が発熱抵抗体４や電極５等に接触してこれらを腐食
したり、或いは、インク９中に含まれている染料の固ま
り等が発熱抵抗体４の表面に付着しようとするのを有効
に防止する作用を為す。

【００２７】前記保護膜６は、従来周知のスパッタリン
グや真空蒸着法等を採用し、前述の無機質材料を発熱抵
抗体４等が設けられているベースプレート２の上面、並
びに凹部３の内面に沿って略一定（±０．１μｍ以内）
の厚みに堆積させることにより形成される。

【００２８】この場合、得られる保護膜６の表面は下地
に応じた形状をなすことから、各凹部３内に設けられる
保護膜６の表面には、前述したように、凹部３と略相似
形の窪み６ａが形成されることとなる。

【００２９】また一方、前記ノズル部材７は、上述した
ヘッド基板１の上面との間に例えば２５μｍ〜２００μ
ｍの間隙を形成するようにして、ヘッド基板１上に配設
される。

【００３０】前記ノズル部材７は、発熱抵抗体４や窪み
６ａと１対１に対応する複数個のインク吐出孔８を有し
ており、これらのインク吐出孔８を対応する窪み６ａの
真上に位置させるようにしてヘッド基板１に対して固定
されている。

【００３１】前記ノズル部材７のインク吐出孔８は、イ
ンクジェットヘッドの記録動作時、インク滴ｉを記録紙
に向けて吐出するためのものであり、各々のインク吐出
孔８の直径は１０μｍ〜１００μｍ程度の大きさに設定
され、発熱抵抗体４と同じ密度で主走査方向に配列され
る。

【００３２】尚、前記ノズル部材７は、感光性のエポキ
シ樹脂やポリイミド樹脂，モリブデン，アルミナセラミ
ックス等を所定形状に加工したり、或いは、上記の材料
を組み合わせることによって形成され、例えばモリブデ
ンから成る場合、モリブデンのインゴット（塊）を従来
周知の金属加工法により板状に成形するとともに該板体
の所定箇所に従来周知のレーザー加工により孔あけを行
ってインク吐出孔８を穿設することにより製作され、得
られたノズル部材７を図示しないスペーサ等を介してヘ
ッド基板１上に載置させることによりノズル部材７がヘ
ッド基板１上の所定位置に固定される。

【００３３】そして前記ヘッド基板１及びノズル部材７
間に充填されるインク９としては、例えば顔料タイプの
油性インクや水性染料インク等が使用され、その粘度
は、インク９の一部が保護膜表面の窪み６ａ内にも良好
に充填されるように、例えば０．３ｍＰａ・ｓ〜３．０
ｍＰａ・ｓ（２５℃）に調整される。

【００３４】前記インク９は図示しないインクタンクか
らヘッド基板１−ノズル部材７間の間隙に供給されるよ
うになっており、前述した発熱抵抗体４の熱エネルギー
によって窪み６ａ内のインク９中に気泡Ａが発生する
と、該気泡発生時の圧力によってインク９の一部がイン
ク滴ｉとなってインク吐出孔８より外部に吐出される。

【００３５】この場合、前記気泡Ａは各凹部３の内側で
発生するようになっていることから、気泡Ａが副走査方
向や主走査方向に拡がろうとしても、その拡がりは保護
膜表面に設けた凹部６ａの内壁で確実に抑えられ、気泡
Ａの発生に伴う圧力の分散が有効に防止される。これに
より、気泡Ａからの圧力はインク吐出孔８側に効率良く
伝達されることとなり、インク滴ｉの吐出速度を高速に
維持して、インク滴ｉを記録紙の所定位置に正確に着弾
させることが可能となる。

【００３６】かくして上述したインクジェットヘッド
は、記録紙をノズル部材７の外表面に沿ってインク吐出
孔８の配列方向と直交する方向に搬送しながら、複数個
の発熱抵抗体４を外部からの画像データに基づいて個々
に選択的に発熱させ、この熱エネルギーによって対応す
る窪み６ａ内のインク９中で気泡Ａを発生させるととも
に、該発生した気泡Ａによる圧力でもってインク９をイ
ンク吐出孔８側に押し上げ、インク滴ｉをインク吐出孔
８より記録紙に向けて吐出させることによって記録紙に
インクが付着され、所定の画像が記録される。

【００３７】尚、本発明は上述した実施形態に限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲におい
て種々の変更、改良等が可能である。

【００３８】例えば上述の実施形態において、ヘッド基
板１−ノズル部材７間のインク９が５０μｍ／ｓｅｃ〜
２０００μｍ／ｓｅｃの流速で副走査方向へ流動するよ
うに、インク９を循環ポンプ等によってインクタンクと
の間で循環させるようにしても良い。この場合、ベース
プレート２は循環するインク９によって良好に冷却され
ることから、ベースプレート２の温度は常に記録動作に
適した温度状態に維持されて、インク滴ｉの吐出量を略
一定に保つことができる上に、発熱抵抗体４の発した熱
等によってインク９中の水分もしくは油分がインク吐出
孔８から多量に蒸発し、インク吐出孔８内のインク９の
粘度が上昇しようとしても、この部分にはインク吐出孔
８の直下を流れるインク９から水分もしくは油分が順次
補給されるようになるのでインク９が固まってしまうこ
とはなく、インク吐出孔８の目詰まりを有効に防止する
ことができる利点もある。

【００３９】また上述の実施形態においては、保護膜表
面に窪み６ａを形成するのに、その下方に位置するベー
スプレート２の上面に予め凹部３を形成しておくように
したが、これに代えて、図４に示す如く、ベースプレー
ト２の上面を平坦に成しておき、その上に形成した表面
が平坦な保護膜６の一部を従来周知のエッチング技術に
て所定の深さまで浸蝕することにより発熱抵抗体４上の
保護膜表面に窪み６ａを形成するようにしても良い。

【００４０】

【発明の効果】本発明のインクジェットヘッドによれ
ば、ヘッド基板の発熱抵抗体上に被着させた保護膜の表
面に発熱抵抗体と１対１に対応する窪みを形成し、記録
動作時、前記窪み内のインク中でインク吐出用の気泡を
発生させるようになしたことから、インク中で発生した
気泡がその周囲に拡がろうとしても、その拡がりは気泡
を囲繞するように配されている窪みの内壁でもって確実
に抑えられ、気泡の発生に伴う圧力の分散が有効に防止
される。これにより、気泡からの圧力はインク吐出孔側
に効率良く伝達されることとなり、インク滴の吐出速度
を高速に維持して、インク滴を記録紙の所定位置に正確
に着弾させることができる。

【００４１】また本発明のインクジェットヘッドによれ
ば、ベースプレートを形成する単結晶シリコンの｛１０
０｝面もしくは｛１１０｝面をベースプレートの上面と
合致させた上、かかるベースプレートの上面に、各発熱
抵抗体を内面に被着させた複数個の凹部を設けておくこ
とにより、これらの上に従来周知の薄膜形成技術等によ
って保護膜を形成するだけで上述の窪みを凹部上に位置
する保護膜表面に簡単に形成することができ、しかも、
ベースプレート上面の凹部も従来周知の異方性エッチン
グによって極めて高精度に形成することができる利点が
ある。

【００４２】更に本発明のインクジェットヘッドによれ
ば、ヘッド基板−ノズル部材間のインクが流動するよう
に、インクを循環させることにより、インクがベースプ
レートや発熱抵抗体、或いはこれらを被覆する保護膜等
と常に接するようになることから、高速記録に対応すべ
く発熱抵抗体を短時間で繰り返し発熱させる場合であっ
ても、ベースプレートの内部に蓄積される熱はインク側
に少しずつ逃がされるようになっており、これによって
ベースプレートを全体的に冷却せしめ、ベースプレート
の温度が過度に高温となるのを有効に防止することがで
きる上に、発熱抵抗体の発する熱等によってインク中の
水分もしくは油分がインク吐出孔から多量に蒸発し、イ
ンク吐出孔内のインクの粘度が上昇しようとしても、こ
の部分にはインク吐出孔の直下を流れるインクから水分
もしくは油分が順次補給されるのでインクが固まってし
まうことはなく、インク吐出孔の目詰まりを有効に防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第1の実施形態に係るインクジェット
ヘッドの分解斜視図である。

【図２】図１のインクジェットヘッドの縦断面図であ
る。

【図３】図１のインクジェットヘッドの横断面図であ
る。

【図４】本発明の他の実施形態に係るインクジェットヘ
ッドの横断面図である。

【図５】従来のインクジェットヘッドの断面図である。

【符号の説明】

１・・・ヘッド基板、２・・・ベースプレート、３・・
・凹部、４・・・発熱抵抗体、６・・・保護膜、６ａ・
・・窪み、７・・・ノズル部材、８・・・インク吐出
孔、９・・・インク、Ａ・・・気泡、ｉ・・・インク滴

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶シリコンから成るベースプレートの
上面に複数個の発熱抵抗体及び保護膜を順次被着させた
ヘッド基板と、前記発熱抵抗体と対応する複数個のイン
ク吐出孔を有したノズル部材とを、間に所定の間隙を形
成するようにして配設するとともに該間隙にインクを充
填してなり、前記発熱抵抗体の発する熱エネルギーによ
ってインク中に気泡を発生させ、この気泡発生に伴う圧
力でもって前記インク吐出孔よりインク滴を吐出させて
記録動作を行なうインクジェットヘッドであって、前記発熱抵抗体上の保護膜表面に、発熱抵抗体と１対１
に対応する複数個の窪みが形成されており、記録動作
時、前記窪み内のインク中で前記気泡を発生させるよう
になしたことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】前記ベースプレートを形成する単結晶シリ
コンの｛１００｝面もしくは｛１１０｝面がベースプレ
ートの上面と合致させてあり、かつ前記ベースプレート
の上面に、各発熱抵抗体を内面に被着させた複数個の凹
部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の
インクジェットヘッド。
【請求項３】前記凹部が、ベースプレートを形成する単
結晶シリコンに対する異方性エッチングにて形成された
ものであることを特徴とする請求項２に記載のインクジ
ェットヘッド。
【請求項４】前記凹部の深さが０．５μｍ〜３０．０μ
ｍに設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項３
のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】前記ヘッド基板−ノズル部材間のインクが
流動するように、インクを循環させることを特徴とする
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のインクジェッ
トヘッド。