JPH07101059A - サーマルインクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ゴミの捕捉性を保ちつつ、流路抵抗を低下さ
せ、高速かつ安定噴射を行なうことのできるサーマルイ
ンクジェットヘッドを提供する。 【構成】 Ｓｉからなるヒーターウェハ１０には、複数
の発熱体１が形成され、その上に、ポリイミド層９が形
成される。ポリイミド層９には、発熱体１の上部からイ
ンク流路６と連結するように延在したピット２と、共通
スリット３、及び、バイパスピット４が形成される。一
方、Ｓｉからなるチャネルウェハ１０には、ノズル流路
５と、インク流路６、インクリザーバ７がＯＤＥで形成
される。気泡発生時には、ノズル流路５とインク流路６
の間の未エッチング部１１のノズル流路５側の壁面が気
泡の圧力を反射し、エネルギーが効率よく使用される。
気泡消滅時には、ピット２の延在部分からインクが平行
移動により再充填される。そのため、流路抵抗が小さ
く、高速な駆動が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バブル発生用抵抗体か
ら発生する熱によりインク中に気泡を発生させ、発生し
た気泡によりインクをノズルから吐出させ、記録を行な
うサーマルインクジェットヘッドに関するものであり、
特に、サーマルインクジェットヘッドのインク流路の構
造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より知られているサーマルインクジ
ェットヘッドの流路構造としては、例えば、特開昭６１
−２３０９５４号公報に記載されているように、第１の
Ｓｉ基板（ヒーター基板）と第２のＳｉ基板（チャネル
基板）から構成され、第１のＳｉ基板に発熱体を形成す
るとともに、第２のＳｉ基板にＯＤＥ（異方性エッチン
グ）を用いてノズル、インクリザーバを形成したものが
ある。

【０００３】また、特開平１−１４８５６０号公報に記
載されているサーマルインクジェットヘッドでは、この
ようなノズル形成方法において、ノズルの長さの制御を
確実に行なうために、ノズル部分とインクリザーバを各
々独立した溝として作成し、両者の間を第１のＳｉ基板
のポリイミド層に設けられた凹部（バイパス部）で連結
する手段が用いられている。このように形成されたサー
マルインクジェットヘッドのインク流路においては、前
記バイパス部が狭く、屈曲しているために、インク中の
ゴミがバイパス部に溜まりやすく、ノズルへのインク供
給を阻害しやすいという問題があった。バイパス部に滞
留するゴミは、ノズルへのインク供給を阻害し、ノズル
の繰り返し噴射特性を劣化させ、噴射ドロップが小さく
なったり、あるいは、全く噴射できなくなるなどの欠陥
を生じ、画質が低下する。一方、インク中あるいは製造
工程でヘッド内に混入するゴミを皆無とすることは極め
て困難であり、確率的には、いくらかのゴミは混入して
しまうことは避けられなかった。

【０００４】この問題を解決するため、例えば、特開平
５−１５５０２０号公報に記載されているサーマルイン
クジェットヘッドでは、バイパス部をスリット状に構成
し、バイパス部にゴミが滞留しても、他のバイパス部分
からインクを供給することにより、ゴミによるインク供
給不良を回避している。しかし、バイパス部がスリット
状のため、バイパス部を通過してしまうゴミも多く、や
はりある程度の吐出不良が発生する。

【０００５】そこで、インクリザーバとノズル流路の間
に複数のインク流路を設け、このインク流路をフィルタ
として機能させる構成が提案されている。図１１は、従
来のサーマルインクジェットヘッドの流路構成を示す斜
視図、図１２は、同じくノズル中心での流路の断面図、
図１３は、同じく流路構成の平面図である。図中、１，
１ａ，１ｂ，１ｃは発熱体、２，２ａ，２ｂ，２ｃはピ
ット、３は共通スリット、４はバイパスピット、５，５
ａ，５ｂ，５ｃはノズル流路、６，６ａ，６ｂ，６ｃは
インク流路、７はインクリザーバ、８はヒーターウェ
ハ、９はポリイミド層、１０はチャネルウェハ、１１は
未エッチング部、１２はゴミである。

【０００６】ヒーターウェハ８には、複数の発熱体１
ａ，１ｂ，１ｃ，・・・が形成されている。その上に、
ポリイミド層９が形成されている。ポリイミド層９に
は、発熱体１ａ，１ｂ，１ｃの上部にバブル形成領域を
規定するピット２ａ，２ｂ，２ｃ，・・・と、共通スリ
ット３、及び、バイパスピット４が形成されている。一
方、チャネルウェハ１０には、ノズル流路５ａ，５ｂ，
５ｃ，・・・と、インク流路６ａ，６ｂ，６ｃ，・・・
と、インクリザーバ７が形成されている。ヒーターウェ
ハ８に設けられたバイパスピット４は、インクリザーバ
７とインク流路６ａ，６ｂ，６ｃ，・・・を連結し、ま
た、共通スリット３は、ノズル流路５ａ，５ｂ，５ｃ，
・・・とインク流路６ａ，６ｂ，６ｃ，・・・を連結
し、これらの間の未エッチング部１１をバイパスするよ
うに設けられている。

【０００７】インクの流れは、図１２に示すように、イ
ンクリザーバ７からバイパスピット４、インク流路６、
共通スリット３を介してノズル流路５にいたる。インク
リザーバ７に侵入したゴミ１２のうち、大きなものは、
バイパスピット４でトラップされる。バイパスピット４
でトラップされなかったゴミは、非常に小さいので、ノ
ズル流路５を詰まらせることはなく、インクの吐出とと
もに外部へ排出される。

【０００８】インク流路６に大きなゴミまたは気泡がト
ラップされると、このインク流路６における流体抵抗が
大きくなり、ノズルへのインク供給が不足し、小ドット
化や、ミスジェット等の噴射不良の原因となる。このと
き、図１３に示すように、チャンネル間を連結する共通
スリット３を介して、隣あるいは近傍のノズルからイン
クを供給することにより、インクの不足しているノズル
へのインク供給を補うことができる。これにより、イン
ク供給不足を実際の画質としては感知し得ない程度の軽
微なものに抑えることができる。

【０００９】ところが、このような構成のサーマルイン
クジェットヘッドでは、流路構造が複雑になるため、流
路抵抗が増大し、インクの充填性が低下し、プリントす
る際の周波数を低下させてしまうという問題があった。
また、インク流路６を設けることにより、流路が長くな
る。そのため、ヘッドを構成するＳｉデバイスの長さが
長くなり、結果として、１枚のＳｉウェハから得られる
個数も少なくなる。よって、歩留まりを同一とすれば、
流路が長くなることにより、１つのノズルデバイスのコ
ストアップを招く。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した事
情に鑑みてなされたもので、ゴミの捕捉性を保ちつつ、
流路抵抗を低下させ、高速かつ安定噴射を行なうことの
できるサーマルインクジェットヘッドを提供することを
目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、バブル発生用
抵抗体を有するヒーター基板と、複数のノズル流路、イ
ンクリザーバ、インク供給口を有するチャネル基板とか
らなるサーマルインクジェットヘッドにおいて、前記チ
ャネル基板には複数のノズル流路とインクリザーバとの
間に複数のインク流路を設け、また、前記ヒーター基板
上にポリイミド層を設け、該ポリイミド層には、少なく
とも、前記バブル発生用抵抗体の上部から前記チャネル
基板に形成された前記インク流路に連結するまで延在す
る溝が設けられていることを特徴とするものである。

【００１２】

【作用】本発明によれば、チャネル基板に設けられたイ
ンク流路により、ゴミを捕捉するためのフィルタリング
の機能を得ている。また、溝がバブル発生用抵抗体の上
部だけでなく、インク流路に連結するまで延在している
ので、バブル発生用抵抗体の発熱により気泡が発生し、
その後、気泡が収縮したときに、第１の溝のバブル発生
用抵抗体の上部以外の延在部分から、インクがバブル発
生用抵抗体の上部に再充填（リフィル）される。このと
き、インクは平行移動するだけであるので、流路抵抗を
低下させることができ、プリント周波数を向上させるこ
とができる。また、バブル発生用抵抗体上に気泡が発生
する際には、ノズル流路とインク流路の間の未エッチン
グ部と、溝のインク流路側の端部で、気泡発生による圧
力の伝播は抑制され、効率よくノズルの開口部へ向けて
気泡の圧力を利用することができる。さらに、従来のよ
うに、バブル発生用抵抗体上部の凹部と、インク流路と
ノズル流路を連結する溝を別々に形成する必要がないの
で、全長を短く抑制でき、１枚のウェハから得られるノ
ズルデバイスの個数が増加し、コストを低下させること
ができる。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明のインクジェットヘッドの第
１の実施例における流路構成を示す斜視図、図２は、同
じくノズル中心での流路の断面図、図３は、同じく流路
構成の平面図である。図中の符号は、図１１乃至図１３
と同様である。

【００１４】サーマルインクジェットヘッドは、チャネ
ルウェハ１０と、ポリイミド層９が形成されたヒーター
ウェハ８を貼り合わせて構成されている。ヒーターウェ
ハ８は、例えばＳｉにより構成され、複数の発熱体１
ａ，１ｂ，１ｃ，・・・、及び、図示しない共通電極、
個別電極等が形成されている。その上に、ポリイミド層
９が形成される。ポリイミド層９には、発熱体１ａ，１
ｂ，１ｃの上部からインク流路６に連結されるピット２
ａ，２ｂ，２ｃ，・・・と、各ピット２ａ，２ｂ，２
ｃ，・・・をノズルの配列方向に接続するための共通ス
リット３と、インクリザーバ７とインク流路６ａ，６
ｂ，６ｃ，・・・を連結するためのバイパスピット４
が、例えば、エッチングなどにより形成される。一方、
チャネルウェハ１０も、例えば、Ｓｉ等で構成され、ノ
ズル流路５ａ，５ｂ，５ｃ，・・・と、インク流路６
ａ，６ｂ，６ｃ，・・・、インクリザーバ７が、例え
ば、ＯＤＥで形成される。

【００１５】従来のサーマルインクジェットヘッドで
は、ピット２ａ，２ｂ，２ｃ，・・・は発熱体１ａ，１
ｂ，１ｃ，・・・の上部のみであったが、本発明では、
図２に示すように、ピット２の壁面は発熱体１のインク
リザーバ７側には形成されず、流路はそのまま共通スリ
ット３に連結されており、ピット２は実質的にインク流
路６に連結している。

【００１６】ピット２がインク流路６に連結されている
ので、ノズル流路５とインク流路６の間の未エッチング
部１１は、発熱体１に近づけて配置することができる。
すなわち、チャネルウェハ１０に形成されるノズル流路
５は、図２に示すように、発熱体１のバブル生成領域を
覆うように、ノズル開口から発熱体１のインクリザーバ
７側までの長さとほぼ同じ長さとすることができる。ノ
ズル流路５とインク流路６の間の未エッチング部１１
は、ピット２及び共通スリット３によりバイパスされて
いる。

【００１７】インクの流れは、図２に示すように、イン
クリザーバ７からバイパスピット４、インク流路６、共
通スリット３を介してピット２及びノズル流路５に至
る。インクリザーバ７に侵入したゴミ１２のうち、大き
なものは、バイパスピット４でトラップされる。バイパ
スピット４を通過したゴミ１２は、インク流路６に侵入
する。しかし、インク流路６の部分は、屈曲している。
また、この部分の断面積を狭くでき、ゴミ１２が確実に
トラップすることができる。インク流路６でトラップさ
れなかったゴミは、非常に小さいので、ノズル流路５を
詰まらせることはなく、インクの吐出とともに外部へ排
出される。

【００１８】インク流路６に大きなゴミまたは気泡がト
ラップされると、このインク流路６における流体抵抗が
大きくなり、ノズルへのインク供給が不足し、小ドット
化や、ミスジェット等の噴射不良の原因となる。このと
き、図３に示すように、ピット２を連結する共通スリッ
ト３を介して、隣あるいは近傍のノズルからインクを供
給することにより、インクの不足しているノズルへのイ
ンク供給を補うことができる。これにより、インク供給
不足を実際の画質としては感知し得ない程度の軽微なも
のに抑えることができる。

【００１９】図４は、本発明のサーマルインクジェット
ヘッドの第１の実施例の発熱体１付近におけるバブル生
成の過程の説明図、図５は、従来のサーマルインクジェ
ットヘッドの発熱体１付近におけるバブル生成の過程の
説明図である。図中、図１１乃至図１３、及び、図１乃
至図３と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略す
る。１３は気泡である。図４、図５では、発熱体１上に
発生するバブルの生成過程を時間経過とともに模式的に
示している。

【００２０】従来のサーマルインクジェットヘッドの流
路構造では、図５に示すように、ピット２で発熱体１を
取り囲むことにより、発生するバブルの形状を規制する
とともに、安定した圧力伝搬特性を確保している。すな
わち、発熱体１の発熱により発生するバブルは、ピット
２の側壁に沿って上方に成長する。その時のバブルの圧
力は、ノズル流路５の開口部へ向かう方向と、インクリ
ザーバ７へ向かう方向に分散して作用する。インクリザ
ーバ７へ向かう方向の圧力は、未エッチング部１１のノ
ズル流路側の壁面まで達する。

【００２１】本発明の第１の実施例では、図２に示すよ
うに、未エッチング部１１を発熱体１のインクリザーバ
側の端付近に配置することができる。このような構成で
は、図４に示すように、バブルの成長方向はピット２の
壁面側の速度が早く、圧力方向は垂直方向ではなく、傾
きを有する。しかし、ノズル流路５をＯＤＥで作成した
際に形成される未エッチング部１１のノズル流路５側の
壁面は、図４に示すように斜めに形成されており、そこ
でバブル生成によるエネルギーが反射され、ドロップ噴
射のための圧力に変換される。このとき、図４に示すよ
うに、共通スリット３側へも圧力が逃げるが、すぐに共
通スリット３の側壁に到達するので、それほどの圧力損
失にはならず、従来と比較して、十分安定したドロップ
の吐出を得た。このように、未エッチング部１１のノズ
ル流路５側の壁面は、バブルの圧力をノズル側に伝搬さ
せる圧力反射壁としての役割を果たしている。

【００２２】バブルが発生し、ノズルの開口部からイン
クが吐出された後、バブルの消滅とともに、吐出された
分のインクが再充填される。その際には、ピット２の共
通スリット３側から、インクが平行移動することによ
り、発熱体１の上部にインクが充填される。従来のサー
マルインクジェットヘッドのように、ノズル流路５から
ピット２へ回りこむようにインクが充填される場合に比
べ、インクの再充填の際の流路抵抗が小さく、高速に再
充填を行なうことができる。

【００２３】インク流路６にゴミ１２などがトラップさ
れた場合には、共通スリット３を介して、隣あるいは付
近のインク流路６からインクの供給を受けることにな
る。このような場合でも、インクの流路は共通スリット
３から１度直角に曲がるだけであるので、流路抵抗は小
さく、高速な再充填を行なうことができる。

【００２４】図６は、本発明のサーマルインクジェット
ヘッドの第１の実施例における特性を示すグラフであ
る。サーマルインクジェットヘッドの動作周波数の上昇
とともに、インクの充填が追いつかなくなるため、プリ
ントされた画像にはスジ等の欠陥が現れる。本発明の第
１の実施例では、ピット２が共通スリット３に連結して
いるので、流路抵抗が小さく、発熱体１の上部へのイン
ク供給性が向上している。そのため、図６からもわかる
ように、従来のサーマルインクジェットヘッドに比べ、
欠陥の現れる周波数が高くなっている。これにより、本
発明のサーマルインクジェットヘッドでは、高速な印字
が可能となった。

【００２５】図７は、本発明のサーマルインクジェット
ヘッドの第２の実施例を示す平面図である。図中、図
２、図３と同様の部分には同じ符号を付して説明を省略
する。上述の第１の実施例に示したサーマルインクジェ
ットヘッドでは、発熱体１と共通スリット３が近接して
いるため、各ノズル間のクロストークの発生が避けられ
ない。これを回避するため、ノズルを複数本ごとのブロ
ックに分割し、各ブロックごとに共通スリット３を設
け、ブロック間では流路を遮断する構成とすることがで
きる。例えば、図７では、４本のノズルごとにブロック
を構成し、共通スリット３をブロックごとに分割して配
置している。それ以外の構成は第１の実施例と同様であ
る。

【００２６】図８は、本発明の第２の実施例におけるサ
ーマルインクジェットヘッドのインクの吐出状態の説明
図、図９は、従来のサーマルインクジェットヘッドのイ
ンクの吐出状態の説明図である。ここで、４本のノズル
を１ブロックとし、１ブロック内のノズルは同時駆動さ
れ、各ブロックは逐次駆動される場合を考える。図８、
図９では、ノズル＃１乃至＃４が１ブロックを構成し、
ノズル＃５は隣接ブロックに属するものとする。各ブロ
ックの次ブロックに近接したノズルが、次のブロックに
属する隣接ノズルとの干渉によって、最も不安定となり
やすく、画質欠陥を引き起こしやすい。この状態を図９
に示している。図９に示した例では、次のブロックに属
するノズル＃５との干渉により、ノズル＃３、＃４が影
響を受けている。

【００２７】そこで、上述の第２の実施例のように、共
通スリット３を各ブロックごとに分割して設置すること
により、ブロック間のインクの流れは発生しないので、
次のブロックに属する隣接ノズルとの干渉は発生せず、
ブロック間のクロストークを抑制することができ、図８
に示すような正常な噴射状態を得ることができる。図
８、図９では、共通スリット３とノズル流路５の間に高
さ方向の差があるが、ここでは平面的に示している。

【００２８】また、ブロック内の隣接するノズルをほぼ
同時に駆動すると、やはりクロストークの現象が現れ
る。これを回避するためには、ブロック内の各ノズルの
印字順序をインターレース化すればよい。すなわち、ブ
ロック内のノズルを同時に駆動せず、また、隣接ノズル
を順次駆動しないように、離れたノズルから順次駆動す
る。このような駆動により、隣接するノズル間の駆動を
時間的に離散させることができ、クロストークを回避
し、正常噴射を行なうことができる。

【００２９】上述の第２の実施例において、その他の動
作、例えば、バブルの発生過程及び消滅後のインクのリ
フィルについてもほぼ同様である。また、特性について
も、図６に示すように、従来のサーマルインクジェット
ヘッドに比べて動作周波数を向上させることができる。

【００３０】図１０は、本発明のサーマルインクジェッ
トヘッドの第３の実施例を示す平面図である。図中の符
号は図２、図３と同様である。この第３の実施例では、
共通スリットを用いず、各ピット２をインク流路６に連
結した構造としている。上述の第１及び第２の実施例で
は、ゴミ１２によりある流路が閉塞された場合でも、共
通スリット３を介してインクが補給されることを保証す
るものであるが、製造、組立技術の改良により、ゴミが
皆無となった場合には、共通スリット３は不要となる。
その場合には、図１０に示す構造のサーマルインクジェ
ットヘッドを用いることが可能となる。この場合、イン
ク流路６のフィルタ機能は必要ないが、インク流路６を
設け、ノズル流路５とインク流路６の間の未エッチング
部１１を設けておくことにより、未エッチング部１１の
ノズル流路５側の壁面により気泡の圧力を反射し、気泡
の発生の際のエネルギーを効率よく用いることができ
る。また、ピット２がインク流路６まで延在することに
より、流路抵抗を小さくし、気泡消滅後のインクのリフ
ィルを高速に行なうことができる。

【００３１】上述の各実施例では、バイパスピットはス
リット形状としているが、これに限らず、各ノズルに対
応した個別のバイパスピットとすることもできる。ま
た、個別バイパスピットにおいて、インクリザーバ７と
インク流路６の間の未エッチング部の下部のみ、連通さ
せた構成や、さらにインクリザーバ７側あるいはインク
流路６側をスリット状に形成することもできる。第３の
実施例では、インクリザーバ７とインク流路６の間の未
エッチング部を切削し、バイパスピットを用いない構成
も可能である。

【００３２】また、上述の各実施例では、各ノズルに対
応して１本ずつのインク流路６を設けているが、フィル
タの効果を発揮させるためにはインク流路６の断面積は
狭い方がよい。上述のように、インク流路６はＯＤＥに
より形成するので、ＯＤＥ時のマスクの開口寸法を小さ
くするだけで、精度よく、断面積の狭い流路を簡単に作
成することができる。そのために各ノズルに対して、２
本、３本など、１本より多いインク流路６を形成し、細
かいフィルタを構成することができる。

【００３３】このように１本のノズルに対して複数のイ
ンク流路６が対応する場合、第３の実施例のように共通
スリットを用いなくても、ある程度のゴミに対応するこ
とのできるサーマルインクジェットヘッドを作成するこ
とができる。すなわち、あるインク流路６にゴミがトラ
ップされても、他のインク流路６からインクが供給され
るため、ある程度の吐出不良を回避することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、インク流路部分により、ノズルに目詰まりが
発生するのを防止するとともに、ピットをインク流路に
連結するように延在させることにより流路抵抗を小さく
し、その結果、動作周波数を向上させ、記録速度の速い
プリンタを得ることができる。また、ピットとインク流
路を連結することにより、全流路長を短くすることがで
き、デバイスとして小型化され、その結果、ウェハ１枚
当たりの個数を多く取れるので、コストを低減すること
ができる。さらに、ピットとインク流路を連結する際
に、ノズル流路とインク流路の未エッチング部分を発熱
体のインクリザーバ側の端部近傍に配置することがで
き、未エッチング部分のチャネル壁により、発熱体上に
発生する気泡のエネルギーを効率よく用いることができ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のインクジェットヘッドの第１の実施
例における流路構成を示す斜視図である。

【図２】 本発明のインクジェットヘッドの第１の実施
例におけるノズル中心での流路の断面図である。

【図３】 本発明のインクジェットヘッドの第１の実施
例における流路構成の平面図である。

【図４】 本発明のサーマルインクジェットヘッドの第
１の実施例の発熱体１付近におけるバブル生成の過程の
説明図である。

【図５】 従来のサーマルインクジェットヘッドの発熱
体１付近におけるバブル生成の過程の説明図である。

【図６】 本発明のサーマルインクジェットヘッドの第
１の実施例における特性を示すグラフである。

【図７】 本発明のサーマルインクジェットヘッドの第
２の実施例を示す平面図である。

【図８】 本発明の第２の実施例におけるサーマルイン
クジェットヘッドのインクの吐出状態の説明図である。

【図９】 従来のサーマルインクジェットヘッドのイン
クの吐出状態の説明図である。

【図１０】 本発明のサーマルインクジェットヘッドの
第３の実施例を示す平面図である。

【図１１】 従来のサーマルインクジェットヘッドの流
路構成を示す斜視図である。

【図１２】 従来のサーマルインクジェットヘッドにお
けるノズル中心での流路の断面図である。

【図１３】 従来のサーマルインクジェットヘッドにお
ける流路構成の平面図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ 発熱体、２，２ａ，２ｂ，２ｃ
ピット、３ 共通スリット、４ バイパスピット、
５，５ａ，５ｂ，５ｃ ノズル流路、６，６ａ，６ｂ，
６ｃ インク流路、７ インクリザーバ、８ ヒーター
ウェハ、９ ポリイミド層、１０ チャネルウェハ、１
１ 未エッチング部、１２ ゴミ、１３気泡。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バブル発生用抵抗体を有するヒーター基
   板と、複数のノズル流路、インクリザーバ、インク供給
   口を有するチャネル基板とからなるサーマルインクジェ
   ットヘッドにおいて、前記チャネル基板には複数のノズ
   ル流路とインクリザーバとの間に複数のインク流路を設
   け、また、前記ヒーター基板上にポリイミド層を設け、
   該ポリイミド層には、少なくとも、前記バブル発生用抵
   抗体の上部から前記チャネル基板に形成された前記イン
   ク流路に連結するまで延在する溝が設けられていること
   を特徴とするサーマルインクジェットヘッド。