JPH06238901A

JPH06238901A - インク噴射記録装置

Info

Publication number: JPH06238901A
Application number: JP5272452A
Authority: JP
Inventors: Masao Mitani; 正男三谷
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 1992-12-25
Filing date: 1993-10-29
Publication date: 1994-08-30

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、パルス加熱によってインク液滴を
記録媒体に向けて飛翔させる形式の記録装置に関するも
ので、大幅な熱効率の向上と実装コストの大幅な低減を
目的とする。【構成】少なくともシフトレジスタ回路とラッチ回路
とドライバ回路からなる駆動用ＬＳＩチップ１上に、こ
れに接続されたＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体３と
Ｎｉ薄膜導体４、５からなる複数の発熱抵抗体３を形成
し、それぞれの発熱抵抗体３の上にオリフィス２４付き
インク流路２３と該インク流路２３にインクを供給する
共通のインク供給室２２を設けた構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱エネルギーを利用し
てインク液滴を記録媒体に向けて飛翔させる形式の記録
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】パルス加熱によってインクの一部を急速
に気化させ、その膨張力によってインク液滴をインク吐
出口から吐出させる方式のインクジェット記録装置は特
開昭４８−９６２２号によって開示されている。このパ
ルス加熱の最も簡便な方法は発熱抵抗体にパルス通電す
ることであり、その具体的な方法が特開昭５４−５９９
３６号、または社団法人、日本工業技術振興協会主催の
ハードコピー先端技術研究会（１９９２年２月２６日開
催）、またはＨｅｗｌｅｔｔ−ＰａｃｋａｒｄＪｏｕ
ｒｎａｌ、Ａｕｇ．１９８８で発表されている。これら
従来の技術の発熱抵抗体の共通する基本的構成は、薄膜
発熱抵抗体と薄膜導体を酸化防止層で被覆し、該酸化防
止層をキャビテーション破壊から守る目的で、耐キャビ
テーション層を１〜２層被覆するというものであった。

【０００３】これを抜本的に簡略化するものとして、特
願平４−１３８４９８号に記載のように、前記酸化防止
層と耐キャビテーション層を不要とする発熱抵抗体を用
いて印字する方法がある。該発熱抵抗体は薄膜発熱抵抗
体が直接インクと接触しているため、パルス通電による
インクの気化と、それによるインクの吐出性能が大幅に
向上し、熱効率の大幅な向上（３０〜６０倍）を得るこ
とができた。更に、薄膜発熱抵抗体形状を非対称化させ
ることによって気泡の発生に方向性を持たせることも可
能となり、インクの吐出周波数も１．２〜１．３倍に高
速化することができた。

【０００４】これら発熱抵抗体の上にはオリフィス付き
インク流路が設けられており、このオリフィスが例えば
４００ｄｐｉ（ドット／インチ）の密度で、例えば６４
ヶ直線状に配列されてプリントヘッドが構成されてい
る。そしてこの６４ヶのオリフィスのうち、パルス通電
された発熱抵抗体を持つインク流路のオリフィスからイ
ンクが吐出されるので、このプリントヘッドを記録紙の
幅だけ走査することによってオンデマンド記録がなされ
るのである。

【０００５】このプリントヘッドを駆動させるには６４
ヶの発熱抵抗体のそれぞれにパルス通電することが必要
であり、共通のグランド線も含めて６５本の配線が不可
欠である。このための具体的な実装方法は、発熱抵抗体
が形成されている基板をヒートシンクに接着し、同じヒ
ートシンク上に接着されているプリント基板とワイヤボ
ンディング法で電気的に接続するといった方法である。
このプリント基板に駆動用ＬＳＩが搭載されている場合
は、このプリント基板と外部回路との接続は通常７〜８
本の配線で充分である。すなわち、駆動用ＬＳＩが実装
されたこのプリントヘッドと記録装置本体との接続は７
〜８本の配線でつながっており、この状態で記録紙の幅
だけヘッドが左右に走行するのである。

【０００６】さて、最近のインク噴射記録装置のほとん
ど全ては交換可能なプリントヘッド方式となっており、
その境界は上記プリント基板と外部回路とのコンタクト
接続部となっている。上記の例では交換される側のプリ
ント基板に駆動用ＬＳＩが搭載されているのでこのＬＳ
Ｉも捨てられることになるが、コンタクト接続点数は７
〜８点と少ないという利点がある。これに対して駆動用
ＬＳＩを記録装置本体側に実装して捨てないとすると、
コンタクト接続点数は６５点と非常に多くなり、このた
めのプリント基板とコンタクト接続部がかなり大型とな
る欠点を持つ。そしていずれの方法を採用しても、６２
μｍピッチという高密度で形成されている６４ヶの発熱
抵抗体の基板とプリント基板とを接続しなければならな
い。そこでこれを改善するために発熱抵抗体とダイオー
ドを同一シリコン基板上に形成して分割駆動する方法が
特開昭５７−７２８６７号、及び特開昭５７−７２８６
８号公報に開示されている。この方法によって接続点数
は１／４にまで削減できているが、それでも１６点以上
のワイヤボンディングとコンタクト接点が必要となって
いる。前記分割駆動は例えば８ドットずつを８回に分け
て駆動するため、１回のパルス通電時間を１０μｓとす
ると、６４ノズルを駆動するのに８０μｓ要することに
なる。更にこの繰り返し周期を２５０μｓ（４ｋＨｚ）
とし、ヘッドの走行を一定速度とすると印字された６４
ドットは８ドット単位で１０／２５０ドット幅だけずれ
る。従って、最上段の８ドットと最下段の８ドットはド
ット幅の２８％、約２０μｍずれて印刷される。この６
４ドットヘッドの場合はこのずれも目立つものではない
が、２５６ドットヘッドでは補正が必要となり、ヘッド
を傾斜させるかヘッドの走行をステップ送りとする必要
がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、交換
可能なプリントヘッドのワイヤボンディングの本数とコ
ンタクト接点数を７〜８点にすると共に、大幅な熱効率
の向上とプリントヘッドの製造コストを低減させ、より
一層高密度で多オリフィスのインク噴射記録装置を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、少なくとも
シフトレジスタ回路とラッチ回路とドライバ回路から成
り立っている駆動用ＬＳＩチップ上に、これに接続され
たＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体とＮｉ薄膜導体か
らなる複数の発熱抵抗体を形成し、それぞれの発熱抵抗
体の上にオリフィス付きインク流路と該インク流路にイ
ンクを供給する共通のインク供給室を設けてあるインク
噴射記録装置とすることによって達成される。

【０００９】

【作用】上記のように構成されたインク噴射記録装置の
各発熱抵抗体には既にドライバ回路が接続されており、
それぞれのドライバ回路を動作させるか否かの信号はシ
フトレジスタ回路とラッチ回路によって順次送信記憶さ
れ、決められたタイミングで一括駆動させることができ
る。そしてこれら３つの回路と発熱抵抗体は同一シリコ
ン基板上に形成されており、これらの回路を動作させる
に必要な信号線は、ドライバ、ストローク、クロック、
ラッチ、電源、グランド、ＩＣ電源など７〜８本であ
る。すなわち、従来技術で例えば６４ヶの発熱抵抗体を
動作させるには１６本（分割駆動）〜６５本（一括駆
動）の信号線が必要であったが、本発明によれば一括駆
動でも７〜８本で済むことになり、ワイヤボンディング
とコンタクト接点の数も各々７〜８ヶと大幅に削減でき
ることになる。この事情はオリフィスの配列密度が高く
なり、オリフィス（発熱抵抗体）の総数が多くなっても
変わらない。但し、オリフィス数を極端に多くする場合
は一括駆動で流れる電流が大きくなるので分割駆動させ
ることになるが、この場合はブロック数に応じてストロ
ーク用信号線がブロック数だけ増えるだけである。ま
た、保護層のない本発明の薄膜発熱抵抗体は熱効率が非
常に高く、投入電力は従来技術の３０分の１〜６０分の
１と小さい。このため、シリコン基板に放散される熱量
は従来技術に比較して３０分の１〜６０分の１以下とな
り、シリコン基板の温度を上昇させるまでには至らな
い。すなわち、駆動用ＬＳＩと発熱抵抗体の間には何ら
断熱領域を設ける必要がなく、近接させても良い。以上
の説明から明らかなように、保護層の不要な発熱抵抗体
を持つ駆動用ＬＳＩのコストはチップ段階で比較しても
安くなり（１チップ化）、従来技術では不可欠であった
発熱抵抗体のワイヤボンディング（１６〜６５本）と駆
動用ＬＳＩのワイヤボンディング（６５＋７本）も不要
となり、駆動用ＬＳＩが搭載されていたプリント基板も
不要となって大幅な実装コストの削減が達成される。

【００１０】

【実施例】以下、図面を用いて実施例を説明する。

【００１１】〔実施例１〕先ず、６４ドットの駆動用Ｌ
ＳＩ組み込み型サーマルインクジェットプリントヘッド
の製造方法について図１を用いて説明する。

【００１２】例えば２〜３μｍルールの半導体プロセス
によってシフトレジスタ回路とラッチ回路とドライバ回
路を含む６４ドット駆動用ＬＳＩをＳｉウエハ１の上に
形成する。この上に通常の薄膜形成プロセス（スパッタ
とフォトエッチングなど）でＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ／Ｎｉ
二層構造３及び４、５の６４ドット分の発熱抵抗体３を
形成する。但し、発熱抵抗体３は駆動用ＬＳＩに隣接す
る位置で、シリコン基板１上に積層されている２〜３μ
ｍ厚さのＳｉＯ₂絶縁層２の上に、そしてそれぞれの発
熱抵抗体３はそれぞれに対応するドライバ回路とスルー
ホール接続部１１で接続されるように形成する。このＣ
ｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ／Ｎｉ二層構造発熱抵抗体は本発明者
らの特許出願発明（特公平４−４７２１号、特公平４−
６０８３５号、特願昭４−１３８４９８号）に開示した
ものと同一である。なお、図１には図示していないが、
ＳｉＯ₂絶縁層２の上とＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵
抗体３との間には耐エッチング層として１５００Å程度
の厚さのＴａ₂Ｏ₅層（図示せず）が形成されている。ま
た、Ｎｉ薄膜導体４、５を含めた発熱抵抗体３の周辺に
は何ら保護層を被覆しないが、駆動用ＬＳＩのパッシベ
ーションとか、スルーホール接続部１１付近のＮｉ薄膜
導体から水性インクへの迷走電流の発生防止のために保
護層を被覆するのは有効な場合もあり、このためにＳｉ
Ｏ₂とかポリイミド樹脂などを被覆しても良い。

【００１３】このようにして発熱抵抗体と駆動用ＬＳＩ
が形成されたＳｉウエハの上にインク供給室２２、イン
ク流路２３、オリフィス２４を形成する。これには厚付
けフォトレジストとか感光性ポリイミドなどでまずイン
ク流路２３などの隔壁６を形成し、これにＰＥＴフィル
ムなどを紫外線硬化レジンなどで接着して天板７とし、
更に必要に応じてインク供給室２２の穴とかオリフィス
（図３の２４）などをフォトエッチングとかエキシマレ
ーザ加工法などを用いてあけることで作成することがで
きる。

【００１４】最後にこのシリコンウエハを切断してチッ
プに分割すれば、６４ドットのサーマルインクジェット
プリントヘッドのチップ（図１）ができあがる。このチ
ップを温度調節兼コンタクト接点用基板に接着し、７〜
８本のワイヤボンディングで電気的に接続する。一方、
このチップのインク供給室２２にはフィルタ８を通して
インク供給路２１を接続させ、この後方はインクタンク
と継がっているがここでは省略した。

【００１５】以上の説明からも分かるように、６４ドッ
トの駆動用ＬＳＩとサーマルインクジェットプリントヘ
ッドとは一体化されてワンチップ化され、従来技術では
４６〜１３５本必要であったワイヤボンディング（駆動
用ＬＳＩの分も含む）が７〜８本に、１６〜６５ヶ必要
であったコンタクト接点が７〜８ヶに削減された。これ
は６４ドットのサーマルインクジェットプリントヘッド
の例であるが、２５６ドットの場合はワイヤボンディン
グが８６〜５２０本、コンタクト接点が３２〜２５７ヶ
必要とされていたものが各々８〜１０本、８〜１０ヶと
なるのでその実装コストの削減は図りしれないものがあ
る。これらのコスト削減額の大きさは駆動用ＬＳＩの交
換コストをはるかに上回るものであることは言うまでも
ない。なお、図１は４００ｄｐｉ（ドット／インチ）の
ヘッドを想定したものとなっており、図１（ｂ）のオリ
フィス２４の配列は約６２μｍピッチである。このピッ
チでスルーホール接続（１１）することは容易である
が、従来はこの６２μｍピッチで並んでいるＮｉ薄膜導
体５を外部接続用プリント基板とワイヤボンディングで
接続していたのでかなり大変な作業となる。更に高密度
となるとこの配列を拡大するしか方法がなく、この点か
らも本発明のワンチップ化の有効性が理解できよう。

【００１６】このサーマルインクジェットプリントヘッ
ドをシリアルプリンタのキャリッジに組み込み印字評価
したところ、きれいな印字をすることができたことは言
うまでもない。ここではヘッドの性能データを詳しく述
べ、従来技術との比較を行う。

【００１７】表１に本発明のヘッドの特性と従来技術、
ここでは学会や文献で公表されているヘッドＡ、ヘッド
Ｂのデータを記載してある。

【００１８】

【表１】

【００１９】吐出インクの体積は同程度であるが、これ
は印字密度が３６０〜４００ｄｐｉとほとんど変わらな
いことによっている。吐出速度についてはＢが飛び抜け
て速いが、これはＢのヘッドが後に述べる図３の構造を
採用しているためで、発生する気泡のエネルギを有効に
利用できることによる。従って、同体積のインク滴を吐
出させるに必要な気泡発生エネルギは同程度であると考
えられるので、表１の投入エネルギの差が酸化保護層と
キャビテーション保護層の有無によっていることにな
る。すなわち、インク滴を吐出させるに必要なエネルギ
は０．５μＪ／ｄｒｏｐ以下であり、Ａ、Ｂの投入エネ
ルギの９９％は保護層と基板の加熱に使われていること
を示している。本発明のヘッドの冷却が不要とも言える
ほど小さく、インクの温度制御を容易にしているのも大
きな特徴の一つである。なお、本発明のヘッドが２倍の
過投入エネルギで１０億パルスの連続動作に耐えて何の
変化も認められなかったのは言うまでもない。

【００２０】次にヘッド接点数の比較であるが、本発明
のヘッドは既に説明したように発熱抵抗体と同一シリコ
ン基板上に駆動用ＬＳＩを作り込んであるワンチップヘ
ッドになっている。この駆動用ＬＳＩは感熱プリントヘ
ッドの駆動用ＬＳＩと同じ構成のシフトレジスタ回路、
ラッチ回路、ドライバ回路からなっており、６４ノズル
の発熱抵抗体を一括駆動するための配線数はドライバ、
ストローク、クロック、ラッチ、電源、グランド、ＩＣ
電源の７本である。これに比べてＢの場合は３０ノズル
それぞれからの接点と共通グランドの２接点（１接点で
も可）を必要としており、合計３２接点がヘッドとキャ
リッジのコンタクト接続のために使われている。これに
比べてＡの場合は発熱抵抗体と同一シリコン基板上にダ
イオードを作り込み、８×８のブロック駆動ができるよ
うになっている。すなわち、発熱抵抗体のそれぞれに逆
流防止用のダイオードを接続し、８ノズルずつを８回に
分けて駆動するので駆動に必要な配線数（接点数）は１
６本である。残り１６本はヘッドの温度測定用端子など
に利用されているものであるが、本発明のヘッドの場合
は投入エネルギがＡの１／６０であり、基板への流出熱
量は更に小さくなるので温度測定が不要となる。また、
投入電力がほぼ一桁小さくなることは駆動用ＬＳＩへの
負担を大幅に軽減し、安価なＬＳＩを利用できることに
なる。

【００２１】〔実施例２〕実施例１にインク供給用発熱
抵抗体を設けた場合を示したのが図２である。このヘッ
ドの製造方法と実装方法、並びに駆動方法は実施例１と
全く同じである。ただ、投入エネルギと吐出周波数がそ
れぞれ０．７μＪ／ｄｒｏｐ、１０〜１５ｋＨｚとな
り、２〜３倍の印刷速度を達成できている。

【００２２】〔実施例３〕吐出用のヒータ面とインク吐
出方向が垂直になっている場合のサーマルインクジェッ
トプリントヘッドの実施例を図３に示す。このヘッドの
製造方法、実装方法、駆動方法は実施例１と同じである
が、駆動ＬＳＩ部のパッシベーションが実施例１及び実
施例２に比べて格段に優れているという特徴を持ってい
る。すなわち、同電位にある共通電極４とインクに対
し、最も高い電位にある個別電極５の殆どの部分と駆動
ＬＳＩ部１０、１１が耐インク性に優れた厚付けフォト
レジストや感光性ポリイミドなどの隔壁６によって被覆
されており、インクとは完全に隔離されている。

【００２３】このことは図１、図２に示したヘッドに比
べ、信頼性の点で桁違いに優れていることを示してお
り、その分だけ駆動用ＬＳＩ部のパッシベーションコス
トを引き下げることが可能となる。なお、本実施例では
前記隔壁６で駆動用ＬＳＩ部１０、１１及び個別電極５
の一部を被覆するようにしたが、駆動用ＬＳＩ部１０、
１１及び個別電極５の一部が前記インク通路の外側とな
るようなヘッドの構成となっていれば本実施例と同等の
効果を得ることができる。もちろん、図１、図２に示し
たヘッドの場合も駆動ＬＳＩ部１０、１１を大幅に後退
させ、インク供給室２２の後方隔壁内に設けることも可
能である。しかし、この場合はヘッドサイズが若干大き
くなり、インク供給室内で隣接する長い個別電極５間で
のリークの発生防止のためのパッシベーション等が必要
となる場合があり、何れもヘッドの製造コストを若干引
き上げることになる。

【００２４】なお、図３に示すヘッドはインク供給用発
熱抵抗体１２が設置されているが、該インク供給用発熱
抵抗体１２のない、すなわち吐出用発熱抵抗体のみのヘ
ッドを本発明に適用できることはいうまでもない。

【００２５】図３に示すヘッドに水性インクを満たし、
０．７Ｗ／パルス、印加パルス幅１μｓのパルスエネル
ギを投入して印字を行ったところ、インク吐出速度は約
１２ｍ／ｓと表１のヘッドＢと同じ値を示し、吐出周波
数は８乃至１３ＫＨｚを達成した。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、保護層なしの発熱抵抗
体と駆動用ＬＳＩを同一シリコン基板上に形成してワン
チップ化したので、インク吐出に必要な投入エネルギを
従来技術の１／３０〜１／６０にまで削減でき、駆動用
ＬＳＩとの熱絶縁は勿論のこと、ヘッド全体の冷却を含
めた温度制御を容易化することができた。更に、ワンチ
ップ化に伴うワイヤボンディング数と接点数の大幅削減
（１／３〜１／１０化）と実装コストの低減を達成する
ことができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す概略断面図である。

【図２】本発明の他の実施例を示す概略断面図であ
る。

【図３】本発明の他の実施例を示す概略断面図であ
る。

【符号の説明】

１はシリコン基板、２はＳｉＯ₂絶縁層、３はＣｒ−Ｓ
ｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体（吐出用ヒータ）、４はＮｉ
薄膜導体（共通電極）、５はＮｉ薄膜導体（個別電
極）、６は隔壁、７は天板、８はフィルタ、９はインク
供給路壁、１０は拡散層、１１はスルーホール接続部、
１２はＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体（ポンピング
用ヒータ）、２１はインク供給路、２２はインク供給
室、２３はインク流路、２４はオリフィスである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動用ＬＳＩチップ上の一部に設けられ
たＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体とＮｉ薄膜導体と
からなる複数の発熱抵抗体と、インク液滴を吐出するべ
く前記発熱抵抗体近傍に設けられたオリフィスと、該オ
リフィスに連通され、前記発熱抵抗体がその内部に配置
されたインク通路と、インクを供給するためにインク通
路と連通されたインク供給室とを有することを特徴とす
るインク噴射記録装置。
【請求項２】前記駆動用ＬＳＩチップが少なくともシ
フトレジスタ回路とラッチ回路とドライバ回路から成り
立っていることを特徴とする請求項１記載のインク噴射
記録装置。
【請求項３】前記発熱抵抗体の熱作用面とインクの吐
出方向が平行となるようにオリフィスが配置されている
ことを特徴とする請求項１記載のインク噴射記録装置。
【請求項４】前記発熱抵抗体の熱作用面とインクの吐
出方向が垂直となるようにオリフィスが配置されている
ことを特徴とする請求項１記載のインク噴射記録装置。
【請求項５】前記インク通路内の前記発熱抵抗体より
もインク供給室側にインク供給用発熱抵抗体が設けられ
ることを特徴とする請求項１記載のインク噴射記録装
置。
【請求項６】駆動用ＬＳＩ部を有する駆動用ＬＳＩチ
ップ上に設けられたＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体
と、該Ｃｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体の一端と前記
駆動用ＬＳＩ部を電気的に接続する個別電極と、前記Ｃ
ｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体の他端と電気的に接続
された共通電極とで構成された複数の発熱抵抗体と、イ
ンク液滴を吐出するべく前記発熱抵抗体の熱作用面と対
向する位置に設けられたオリフィスと、隔壁によって構
成され、該オリフィスに連通され、前記発熱抵抗体がそ
の内部に配置されたインク通路と、インクを供給するべ
く該インク通路に連通されたインク供給室とを有し、前
記駆動用ＬＳＩ部が前記発熱抵抗体の前記インク供給室
の配置される位置とは反対側になるように配置されると
共に、前記駆動用ＬＳＩ部及び個別電極の一部が前記イ
ンク通路の外側になるように前記隔壁が配置されること
を特徴とするインク噴射記録装置。
【請求項７】前記駆動用ＬＳＩ部及び個別電極の一部
は前記隔壁の駆動用ＬＳＩチップ対向面で被覆されてい
ることを特徴とする請求項６記載のインク噴射記録装
置。
【請求項８】前記インク通路内であって、インク供給
室と前記発熱抵抗体の熱作用面との間にインク供給用発
熱抵抗体が設けられることを特徴とする請求項６記載の
インク噴射記録装置。