JPH026139A - プリントヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、プリンタに関し、特に熱式インクジェット・
プリンタのプリントヘッドの基板構造に関するものであ
る。

［従来技術とその問題点］ 熱式インクジェット・プリントヘッドは、小量のインク
を急速加熱して、蒸発、膨張を生じさせ、インクをオリ
フィスから噴射して、紙に付着させる働きをする。複数
個のオリフィスを適正に配置することによって、ドツト
マトリックスパターンが形成される。各オリフィスを順
次、適切に動作させることによって、プリントヘッドが
紙を通過する際、文字または像のパターンが、紙にプリ
ントされることになる。熱式インクジェット・プリンタ
はインクが紙にぶつかるだけであるため、高速且つ静か
であり、そして高品質のプリントが得られ、コンパクト
で、しかもポータプルである。

ある形式においては、プリントヘッドは、蒸発させるポ
イントまでインクを送るインク貯蔵部及びチャネルと、
個々のオリフィスが必要なパターンに形成されているオ
リフィスプレートと、各オリフィスの下に１つずつ配置
された一連の薄膜ヒータと、インクチャネルの背壁を形
成し、またヒータを支持している基板とを含んでいる。

各ヒー夕には、薄膜抵抗器と、それに適合する電流リー
ド線が含まれている。１滴のインクをプリントするため
、外部電源からの電流が選択したヒータに通される。ヒ
ータが抵抗加熱され、これにより、隣接するインクが加
熱されて、インクの小滴が隣接したオリフィスから紙へ
噴射される。

基板は、複数個の抵抗器とそれらへの導電リード線を支
持しており、従って、横方向に隣接した抵抗器とリード
線組間の絶縁体として働くという意味で、非導電性でな
ければならない。基板は、昏抵抗器の熱パルスの一部が
基板中に伝動するのを制限するのに十分な低さの熱伝導
率を備える必要がある。さもな、ければ、過剰な駆動エ
ネルギーを必要とすることになる可能性がある。ただし
、る。さもなければ、抵抗器の方に、プリントの質を劣
化させ、抵抗器の信頼性を低下させる熱結集が生じる可
能性がある。低導電率と適度な熱伝導率との要件を満た
すには、基板構造の選択に注意する必要がある。さらに
、基板は、インク噴射サイクル時に生じる流体力学的力
に耐えるのに十分な機械的強度を備える必要がある。

基板は、従来、二酸化ケイ素のような絶縁層でカバーさ
れたシリコンまたはガラスから製作されてきた。これら
の構造は、十分に機能し、許容できるものである。それ
にもかかわらず、基板及びプリントヘッドの製作コスト
を低下させ、性能を向上させることが可能な基板材料及
び設計の改良を継続する必要がある。本発明は、この必
要を満たし、さらに、関連した利点を提供するものであ
る。

［発明の目的コ 本発明の目的は前述した要件を満足し、従来の基板に比
べ動作面でも、コスト面でもすぐれた基板材料及び構造
を得ることである。

［発明の概要コ 従来の基板構造に比較すると、本発明の基板構造は、基
本的なインクに関しより安定しており、寿命が長く、二
次製作によってより簡単に形成される。ヒータ回路に対
する電気的接続も簡単である。該基板構造は、安価な材
料の利用によって、また、バッチ処理手順ではなく、半
連続処理手順を用いることによって、製作コストが安く
なる。

こうしたコストに対する配慮は、プリントヘッドが使い
捨てのため、とりわけ重要である。

本発明によれば、熱式インクジェット・プリンタの基板
構造は、プラスチックのベースと、該プラスチックのベ
ースに重なるメタライゼーション（金属化）層と、該メ
タライゼーション層に重なる絶縁構造とから構成される
。ベースはポリイミドプラスチックが望ましく、メタラ
イゼーション層は該プラスチック上に堆積させた銅また
はニッケルが望ましい。絶縁構造は単層の誘電体材料ま
たはそのうちの１つが誘電体材料である多層であること
が可能である。絶縁構造は、メタライゼーション層に重
なるチタンまたはクロムのような薄い金属接着層と、こ
の接着層に重なる二酸化ケイ票のような誘電体材料の層
を含むことが望ましい。

本発明の基板構造では、先行技術による基板に用いられ
ているガラスまたはシリコンの代わりに、プラスチック
が用いられている。本発明の利点は、このプラスチック
基板の選択によるものである。

プラスチックの利用は、ガラスの約１１５、シリコンの
約１／４００というその低熱伝導率のため、以前は不可
能であった。プラスチックのベースと絶縁構造の間に熱
的に伝導性のメタライゼーション層を付加することによ
って、薄膜ヒータの動作により生じる熱を散逸させるの
に必要な熱伝導率が得られる。メタライゼーション層が
なければ、ヒータの下に位置する基板領域に熱結集が生
じ、プリントの品質が劣化したり、プリントヘッドが故
障する可能性がある。メタライゼーション層は絶縁構造
によって薄膜ヒータから電気的に＠離されるため、互い
に別個に動作するヒータに対し、基板は十分に非導電性
である。

メタライゼーション層及び絶縁構造の最高実用温度は、
抵抗器のピーク温度よりも高い。プラスチックベースと
抵抗器の間に、適切な厚さのメタライゼーション層と適
切な厚さの絶縁構造を追加することによって、抵抗器の
ピーク温度よりも低い最高実用温度のプラスチックを用
いることが可能になる。ベースにこうしたプラスチック
を用いることは、従来は不可能であった。

誘電体層は、厚さが約０．１〜約１０マイクロメートル
であり、約０．１〜約２マイクロメートルの厚さが望ま
しい。メタライゼーション層は、厚さが約ｏ、ｉ〜約４
００マイクロメートルであり、約ｌＯ〜約２５マイクロ
メートルの厚さが最も望ましい。誘電体層とメタライゼ
ーション層の厚さを調整し、インクに伝わる熱と基板に
伝わる熱との比である熱伝達比が最適になるようにする
ことができる。

さらに一般的に言えば、熱式インクジェット・プリンタ
基板構造は、ガラスに比べて低い熱伝導率のベースと、
少なくともガラスの熱伝導率を備え、該ベースに重なる
熱伝導性層と、該熱伝導性層に重なる電気的絶縁構造か
ら構成されている。

ガラスの熱伝導率は、熱式インクジェット・プリンタの
多くの用途に用いるのに十分であるが、熱伝導率がガラ
スを実質的に下まわる材料は熱結集の問題があるため不
適当である。本発明の熱伝導性層によって、このような
低伝導率の材料をベースに用いることが可能になる。

さらにもう１つの態様の場合、熱式インクジェット・プ
リンタの基板構造は、熱伝導率がシリコンよりも低いベ
ースと、熱伝導率が少なくとも該ベースの２倍はある、
該ベースに重なる熱伝導層と、該熱伝導層に重なる電気
的絶縁層とから構成される。

本発明は、熱式インクジェット・プリンタの技術に重要
な進歩をもたらすものである。熱伝導性の機能と電気的
絶縁機能とを分離し、また別の構成によりこれらの機能
が得られるようにすることによって、性能の向上、製作
しやすさの向上、及び、コストの低下が実現した。■頁
犬にも広がって全行を同時にプリントできる大形アレイ
のプリントヘッドのような、他の基板材料では実際には
不可能であったプリントヘッドを作り上げることが可能
になる。他の特徴及び長所については、本発明を示した
以下の実施例に関するさらに詳細な説明によって明らか
になる。

［実施例］ 基板と他の主要コンポーネントとの関係を示す第１図に
は、熱式インクジェット・プリンタヘッドの一部が示さ
れている。第１図を参照すると、熱式インクジェット・
プリンタヘッド１０には、インクチャネル１４を備えた
オリフィスプレート１２が含まれている。オリフィスプ
レート１２には、図示オリフィス１６を含む、いくつか
のオリフィスが設けられている。インクは、毛細管作用
によって貯蔵部（不図示）からインクチャネル１４を介
してオリフィス１６の領域へ引張られる。

オリフィス１６の開口部の向かい側に、ヒータ１８が配
置されている。ヒータ１８は、タンタル−アルミニウム
平面抵抗素子２０と、この抵抗素子２０につながったア
ルミニウムまたは金のリード線２２から成る薄膜抵抗器
である。リード線２２の両端間における抵抗素子２０に
電流を通すと、抵抗素子は急速に加熱させる。これによ
って、ヒータ１８に隣接した少量のインクが急速に加熱
され、蒸発して、チャネル１４内の少量のインクがオリ
フィス１６を介して噴射される。パッシベーション層２
４がヒータ１８に重なり、インクによるヒータの腐食を
防ぐようになっている。パッシベーション層２４は、任
意選択によるものであり、必ずしも用いなくてもよい。

ヒータ１８は、基板２６上に支持されているが、この基
板については、第２図に、重なったヒータ１８と共に、
さらに詳細に示されている。基板（基板構造）２６には
、例えばＤｕＰｏｎｔ　Ｋａｐｔｏｎのようなポリイミ
ドプラスチックで形成されたプラスチックベース２８が
含まれる。ベース２８は、必要とされる任意の厚さを備
えることができるが、約２５〜約３０００マイクロメー
トルの厚さが望ましく、約５０〜約３００マイクロメー
トルの厚さが最も望ましい。

この厚さのプラスチックシートは、ロールにして市販さ
れており、これを形成加工することができる。

ベース２８には、熱伝導性金属から成るメタライゼーシ
ョン層３０が重なっている。銅またはニッケルが望まし
い。本明細書で用いる“重なる”という用語は、ある層
がもう１つの層または構造の上にあって、それと密接触
していることを表わすものである。この場合、メタライ
ゼーション層３０がベース２Ｂに重なっている。メタラ
イゼーション層３０は、約０．１〜約４００マイクロメ
ートルの厚さが望ましく、約１０〜約２５マイクロメー
トルの厚さが最も望ましい。メタライゼーション層３０
は、ヒートシンクとして働き、熱を伝導し、メタライゼ
ーション層３０の上に位置するヒータ１８からの熱を横
方向に散逸させる。熱の流れを制御するためにこの別個
な層を利用することにより設計の融通性が増し、誘電体
層及びメタライゼーション層の厚さを調整することによ
って、必要に応じ、さまざまな熱散逸率を得ることがで
きる。

メタライゼーション層３０は、また、別の点についても
重要な機能を果たしている。メタライゼーション層３０
は、基板２６の中立軸を薄膜ヒータ１８及び関連構造の
方向に移動させ、製作及び熱暴走時における亀裂発生の
確度が減少する。メタライゼーション層３０は、基板２
６の残りの構造及びヒータ１８をその上に配置する表面
を改良する。ベース２８の表面は、ベースがプラスチッ
ク製の場合、通常はでこぼこになるが、メタライゼーシ
ョン層３０によって表面が平滑になる。この手法によっ
て、基板にタブ（ｔａｂ）回路のボンディングを施さな
くてもすむようになり、必要な部品または部分の数が減
少する。

メタライゼーション層３０には、絶縁構造３２が重なっ
ている。絶縁構造３２には、導電率の低い材料からなる
誘電体層３４が含まれている。誘電体層に望ましい材料
は、従来、抵抗素子からその下に位置する構造への熱損
失率に制御を加えるため、また不純物の浸出を防止する
ための質量拡散バリヤとして、基板構造に従来用いられ
てきた二酸化ケイ累である。ここでの用途において、誘
電体層は、また各種抵抗素子２０とリード線２２を電気
的に絶縁する。誘電体層３４の厚さは約０．１〜約１０
マイクロメートルが望ましい。

誘電体層３４とメタライゼーション層３０の間には、任
意選択で接着層３６が設けられる。第２図には、接着層
３６を備えた望ましい基板が示されており、第３図には
、接着層３６を持たない、もう１つの許容し得る実施例
が示されている。該接着層３６は、タライゼーション層
３０の接着が助長される。接着層３６がなければ、層３
４と３０の間にデボンディング（ｄｅｂｏｎｄ　ｉ　ｎ
ｇ）が生じ、結果的に積層はく離領域が生じる可能性が
ある。

プラスチック製ベース材料は、ロールの形で入手でき、
半連続処理によって完成した基板にすることが可能であ
るため、本発明の基板構造は、プリンタヘッドの大量生
産に向いている。基板構造を形成するため、ロールから
解かれたプラスチックシートを連続的に一連の堆積ステ
ップにかける。

メタライゼーション層３０、接着層３６（あるとすれば
）、及び、誘電体層３４は、連続的に、例えば、スパッ
タリングや蒸着、または、金属層に対する電気メツキや
無電解メツキによって、順次堆積させる。この処理手法
は、先行技術による基板ウェーハのバッチ処理に取って
代わるものであり、プリンタヘッドの大量生産を考慮す
ると、生産能力を大幅に改良するものである。次に、こ
の準備された基板材料に抵抗素子の層が形成され、さら
に、マスキングと堆積が施されて、リード線を形成する
。所望の場合には、背面での電気接続が行なえるように
基板を介してバイアスを形成するようにすることも可能
である。

次に、基板は、オリフィスプレート、ヒータ素子、イン
ク貯蔵部及び、他のコンポーネントとアセンブルされ、
プリントヘッドを形成する。

［発明の効果］ 以上の説明のように、本発明のプリントヘッドは熱伝導
性の問題と、電気的絶縁性の問題とを考慮して構成され
る。最終的にアセンブルされ、インクを充填したプリン
トヘッドは、プラスチック基板構造を利用しているため
、貯蔵寿命が延長される。本発明の基板構造は、ガラス
やシリコンのプリントヘッドに比べると、ｐＨ７を超え
る基本的インクにおいて一層安定している。他の基板材
料に比べ、より長い貯蔵期間においてもプラスチック基
板が腐食により故障する可能性はより低くなる。

明らかに、本発明のプリントヘッドは、従来の手法に比
べて性能及び製作しやすさの点で重要な利点をもたらす
ものである。例示のため、本発明の特定の実施例につい
て詳細な説明を行なってきたが、本発明の精神及び範囲
を逸脱することなく、各種変形を行なうことが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はインクジェット・プリントヘッドの断面図、第
２図は本発明の一実施例によるプリントヘッドの基板構
造を示した断面図、第３図は本発明の他の実施例による
プリントヘッドの基板構造を示した断面図である。 ２６二基板（基板構造）、２０：折拡累子、２２：　リ
ード、　　　　　　１８：ヒータ、１０ニブリントヘツ
ド、　１２ニオリフイス板、１６：オリフィス、 ２８ニブラスチツクベース ３０：メタライゼーション層、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）プラスチックベースと、前記プラスチックベース
   上に形成されたメタライゼーション層と、前記メタライ
   ゼーション層上に形成された誘電体構造とを有する基板
   構造を含むプリントヘッド。
2. （２）前記誘電体構造上にヒータ素子を形成した請求項
   第１項記載のプリントヘッド。
3. （３）前記誘電体構造は前記メタライゼーション層上の
   接着層と前記接着層上の誘電体層より成る請求項第１項
   記載のプリントヘッド。