JPH0948121A

JPH0948121A - プリンタヘッド

Info

Publication number: JPH0948121A
Application number: JP20068995A
Authority: JP
Inventors: Yasutomo Fujiyama; 靖朋藤山; Fumio Murooka; 文夫室岡
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-08-07
Filing date: 1995-08-07
Publication date: 1997-02-18

Abstract

(57)【要約】【課題】高速で高精細の印字が可能であり低消費電力
であって低コストで製造可能な、インクジェット記録用
のプリンタヘッドを提供する。【解決手段】絶縁基体３の一方の面上に複数の発熱体
５ａを配置する。発熱体５ａごとに、その発熱体５ａを
内壁面に有し、一定量のインクを保持し、発熱体５ａと
対向する位置に貫通孔としてのインク吐出ノズル７が設
けられた圧力容器１４を形成する。絶縁基体３の他方の
面にはインクが充填されるインク容器２を配し、発熱体
５ａによる加熱領域の中心部分に、絶縁基体３を貫通し
てインク容器２から圧力容器１４にインクを供給するた
めのインク供給孔４ａを設ける。典型的には、発熱体５
ａはリング状の電気抵抗発熱体とし、リングの中心部分
にインク供給孔４ａが開口するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、紙等の被記録媒体
にインクによって記録を行なう記録装置（プリンタ）に
関し、特に、発熱体によってインクを加熱してインク中
に気泡を発生させ、気泡の膨張によりノズルから被記録
媒体にインクを吐出、飛翔させて記録を行なうインクジ
ェットプリンタのヘッド、すなわちインク吐出部の構造
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータやファクシミリ装
置、ワードプロセッサ等に使用されるハード出力端末装
置や、ハードコピー装置として、プリンタが普及してき
ている。プリンタとして各種の記録原理のものが実用化
されているが、中でもインクジェットプリンタは、高速
で高精細の印字を低駆動音、低消費電力で実現できるも
のとして注目されている。インクジェットプリンタは、
一般に、インクを吐出するためのエネルギーを発生する
エネルギー発生素子を内蔵するノズルから、記録信号に
応じてインクを間欠的に飛翔させ、被記録媒体にドット
(dot)状にインクを転写し、印字記録を構成するもので
ある。エネルギー発生素子としては、インクを加熱・発
泡させるための電気抵抗発熱体が好ましく使用される。
そして、１個のプリンタヘッドを用いて同時に複数のド
ットの記録を行なえるようにするため、インクジェット
プリンタ用のプリンタヘッドは、絶縁基体上に複数のエ
ネルギー発生素子を配置する構成とされる。そして、絶
縁基体とインクの吐出方向との関係で、プリンタヘッド
は、サイド・シュート・タイプのものとエッジ・シュー
ト・タイプのものとに分類される。以下、エネルギー発
生素子として電気抵抗発熱体を用いる場合を例に挙げ、
従来のサイド・シュート・タイプのプリンタヘッドとエ
ッジ・シュート・タイプのプリンタヘッドについて説明
する。

【０００３】図７は、従来のサイド・シュート・タイプ
のインクジェットプリンタのプリンタヘッドの断面構造
を示す図である。

【０００４】プリンタヘッド１には、面状の電気抵抗体
である発熱体５が一方の面に多数配置された絶縁基体３
が設けられている。絶縁基体３の他方の面には、インク
が充填されるインク容器２が配置されている。各発熱体
５はそれぞれドットに対応しており、発熱体５ごとに、
インク供給管４とインク加熱容器６とインク吐出ノズル
７とが設けられている。インク供給管４は、インク容器
２からの個々のインク加熱容器６にインクを供給するた
めに、絶縁基体３を貫通している。インク加熱容器６に
おいては、底面に発熱体５が配置し、この発熱体５に対
向するようにインク吐出ノズル７が配置している。高解
像度、高精細な印字を実現するために、これらは微細に
形成されている。インク吐出ノズル７に対向するように
被記録媒体を配置し記録信号に応じて発熱体５に通電し
発熱させることにより、インク加熱容器６内のインク１
２が発泡、膨張し（気泡９）、その圧力でインク吐出ノ
ズル７近傍のインクが被記録媒体方向に吐出し、微小な
インク滴８が吐出・飛翔して被記録媒体表面に衝突し、
インクが転写される。

【０００５】インクジェットプリンタでは、各インク吐
出ノズル７はそれぞれ１つの色に対応する。したがっ
て、近年要求が高まっている高精細・高階調のカラー印
刷を実現するためには、各色ごとのヘッドを集合してい
わゆるマルチヘッドとするとともに、ドットサイズをさ
らに細かくする必要があり、インク供給管４、発熱体５
及びインク吐出孔７も、より微細に形成しなければなら
ない。

【０００６】現在一般的に実現されている３００ｄｐｉ
（ｄｐｉ＝ドット／インチ、１インチ（２５.４ｍｍ）
当りのドット数）のプリンタへッドは、開口部の直径が
２０μｍのインク吐出ノズル７を８０μｍピッチで配列
して構成される。将来の高精細ヘッドでは、例えば６０
０ｄｐｉのヘッドでは４０μｍピッチでインク吐出ノズ
ルを配列し、１２００ｄｐｉのヘッドでは２０μｍピッ
チでインク吐出ノズルを配列しなけらばならない。高精
細印字を実現するためには、インクの吐出のための各機
構、特に面状の電気抵抗体である発熱体５の面積として
許容される大きさがますます小さくなる。そのため、一
般に、表面を酸化したシリコン基板を絶縁基体３として
用い、この絶縁基体３上にホトリソグラフィ技術やレー
ザ加工技術により、インク供給管４や発熱体５、インク
吐出ノズル７を微細に形成する。さらに、図７に示すよ
うに、例えば、各列ごとに３００ｄｐｉに相当するピッ
チ（開口ピッチＡ、ここでは８０μｍ）となるようにイ
ンク吐出ノズル７を２列に配置し、このような吐出ノズ
ル列７ａと吐出ノズル列７ｂを開口ピッチＡの半分の距
離（ここでは４０μｍ）だけずらして配置することで、
各機構の寸法としては３００ｄｐｉ用でありながら、６
００ｄｐｉの記録密度に対応するプリンタヘッドを得る
ことができ、インク吐出のための各機構に許容される寸
法の縮小を抑えることが可能となる。吐出ノズル列の数
を増やせば、より高解像度のプリンタヘッドを得ること
ができる。また、表面酸化膜を有するシリコン基板を絶
縁基体３として用いることにより、記録信号に応じて発
熱体５を駆動するための各種の機能素子を絶縁基体３内
にモノリシックに形成することが可能となる。

【０００７】図８は、エッジ・シュート・タイプの従来
のプリンタヘッド１を示している。絶縁基体３の同じ側
にインク容器２と各発熱体５が配置されている。したが
って、流路状のインク加熱容器６の一端がインク吐出ノ
ズル７として外部に開口し、他端がインク供給管４とし
てインク容器２に連通している。このエッジ・シュート
・タイプのプリンタヘッド１では、被記録媒体の表面に
平行な方向にほぼ一列に発熱体５が並び、インク加熱容
器６の長手方向は被記録媒体の表面に垂直となってい
る。エッジ・シュート・タイプのプリンタヘッドでも、
貼り合わせて積層することにより、複数の吐出ノズル列
を設けることが可能になって、各機構の寸法の縮小を抑
えて高解像度化を実現することができる。

【０００８】ところで、プリンタを携帯して使用するこ
との要求が高まってきており、この要求から、プリンタ
の小型化、高精細化はもちろんのこと、発熱体を用いる
プリンタにおいては消費電力を低減して稼働可能時間を
延長する要求が生じている。消費電力を低減する要求を
満たすためには、発熱体駆動電力の低減、すなわち、発
熱体の小型化、高電気抵抗化が求められている。

【０００９】インクジェットプリンタの発熱体用の材料
として、高抵抗、耐熱性、機械的強度などの点で優れて
いる窒化タンタル（Ｔａ₂Ｎ）薄膜が使用されている
が、上述したような発熱体の小型化の要求から、Ｔａ₂
Ｎに比べてさらに比抵抗が大きいＴｉＡｌＮ薄膜やＭｏ
Ｓｉ薄膜などの高抵抗薄膜も、発熱体材料の候補として
検討されている。

【００１０】発熱体５は、サイド・シュート・タイプの
プリンタヘッドであれば、図７に示したようにインク吐
出ノズル７の直下の位置に配置され、また、エッジ・シ
ュート・タイプのプリンタヘッドであれば、図８に示す
ように流路状のインク加熱容器６の途中に配置される
が、いずれの場合であっても、加熱による気泡９の膨張
圧力は、インク容器２の内圧に反発してインク吐出ノズ
ル７の方向に集中する。インク供給管４の途中に土手１
０を配置して、インク容器２側の圧力抵抗を高める工夫
が施すことも行なわれている。

【００１１】発熱体５の表面は、インクとの電気的絶縁
の確保や、気泡膨張時の脈動による機械的衝撃による発
熱体薄膜の絶縁基体３からの剥離及び破壊の防止などを
目的として、硬質の絶縁膜１１で被覆される場合が多
い。インク１２の材料としては染料や顔料タイプの微粒
子を混入したものがあり、発熱によるインクの焼き付き
を防止するような工夫もなされている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】インクジェットプリン
タ用のプリンタヘッドは、高解像度、高精細の印字を実
現するために、インク吐出ノズルの開口直径の小径化や
吐出孔間隔の縮小化、発熱体の小型化及び高抵抗化、等
が試みられている。しかしながら、抵抗膜の両側に電極
を配置した電気抵抗発熱体を想定すると、発熱体の小型
化は抵抗部分の長さの短縮を意味し、発熱体の電気抵抗
が低下する。抵抗膜をより薄くする（断面積を小さくす
る）ことによって電気抵抗を高めることができるが、５
００℃近くにまで昇温することや発泡収縮の衝撃を想定
すると、抵抗膜を薄くした場合には発熱体の機械的耐久
性が問題になる。また、インク吐出孔の小型化によっ
て、飛翔させるインク滴のサイズは必然的に小さくな
る。より小さなインク滴を突出・飛翔させて従来と同様
の面積の領域に記録を行なうことを想定すると、インク
滴を飛翔させる時間間隔を短くする、すなわちち発熱体
の加熱と冷却を短時間に行わなければならなくなる。こ
れから、発熱体には、加熱効率がよいことは当然とし
て、放熱機能にも優れていることが要求される。絶縁基
体として表面が酸化されたシリコン基体を使用すること
は、インク自体も熱伝導によい材料でことから、放熱に
は好都合であるが、発熱体の短時間での温度上昇を妨げ
る要因となる。特に、従来のエッジ・シュート・タイプ
のもののようにインク流路の発熱体を配置する形態のプ
リンタへッドでは、インク流路部分の容積によっては、
インクを介した熱の散逸が顕著になるので、発熱時に発
熱体に印加しなければならない電力が増加したり、発熱
体の加熱応答特性が低下するという問題が生ずる。

【００１３】絶縁基体としては、表面に熱酸化膜が形成
されたシリコン基板のほかに、高熱伝導材料であるアル
ミニウムを使用しその表面に陽極酸化皮膜を形成したも
のがあり、また低熱伝導材料からなる絶縁基体として、
樹脂やガラス、各種セラミックスなどを用いたものが考
えられる。このうちガラス基体は、近年のディスプレパ
ネルへの使用例により実証されているように、ホトリソ
グラフィ技術を用いることにより、シリコン基板と比較
して安価に、従来のシリコン基板の場合と同等の設計ル
ールでの配線をパターニングすることができるから、プ
リンタヘッドを安価に供給する上で有望な材料である。
しかも、ノズル数が増えることによって絶縁基体におけ
る機能素子以外の入力配線の占有面積が増大することを
考慮すると、高価な基体を支持基体としてのみ使用する
ことはコストからみて不利である。

【００１４】一方で発熱体直下の部分の基体が厚い場合
には、この部分が蓄熱層として作用することになって、
短い繰返し周期で連続してインクを飛翔させることが難
しくなり、構造上の工夫が必要となる。また、ポリイミ
ドアミドのような機械的に柔軟な耐熱性樹脂フィルムを
絶縁基体として使用した場合には、発泡の圧力を絶縁基
体が緩衝することになり、インクへの圧力の伝達効率が
低下するという欠点がある。

【００１５】本発明の目的は、高速で高精細の印字が可
能であり低消費電力であって低コストで製造可能なプリ
ンタヘッドを提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明のプリンタヘッド
は、絶縁基体と前記絶縁基体上に配置された複数の発熱
体とを有し、前記発熱体によって液相状態のインクを加
熱し前記インクの気化・膨張する圧力によってインク吐
出ノズルからインクを飛翔させて記録を行なうプリンタ
ヘッドにおいて、前記各発熱体ごとに設けられて当該発
熱体を内壁面に有し貫通孔として前記インク吐出ノズル
が形成され前記インクを一定量保持する圧力容器と、前
記各発熱体ごとに当該発熱体による発熱領域の中心部分
に設けられインクを充填したインク容器に連通し前記絶
縁基体を貫通するよう開口して前記インクを対応する圧
力容器に供給するインク供給孔と、を有する。

【００１７】本発明においては、複数の前記圧力容器を
一体のものとして構成し、隣接する圧力容器が発熱体の
加熱によるインクの熱膨張圧力を相互に隔離する隔壁を
共有するようにすることができる。

【００１８】また、本発明において発熱体としては、通
電によって発熱する線状の電気抵抗発熱体を所定のパタ
ーンで屈曲させたものが好ましく使用され、この場合、
外部の電力供給源から抵抗加熱用の電力を供給するため
の電極及び配線を発熱体の両端部に接続し、発熱体の表
面を電気絶縁層で被覆することが望ましい。さらに、イ
ンク供給孔を開口して発熱体の加熱領域の全域を覆うよ
うに電気絶縁層上に熱伝導膜を設けることが、インク吐
出特性の向上のために望ましい。発熱体の屈曲のパター
ンとしては、例えば、欠落部を有する単リング状、同心
円状の折り返し複数重構造を有する概略リング状、蛇行
構造を有する概略リング状、連続した同心方形の折り返
し複数重構造を有する概略方形状、あるいは蛇行構造を
有する概略方形状などを挙げることができ、これらの場
合、リングや方形の中心部にインク供給孔が開口するよ
うにする。

【００１９】本発明において、インク容器はインク供給
孔に連通する限りどのようにも配置することができる
が、例えば、絶縁基体の発熱体が設けられていない面に
インク容器を形成して、絶縁基体がインク容器の壁の少
なくとも一部を構成するようにすることができる。ま
た、発熱体によるインクの加熱効率を高めるために、絶
縁基体において発熱体及びインク供給孔が形成される領
域の裏面側に、その他の領域に比べて絶縁基体の厚さが
薄くなるように、凹部を形成してもよい。

【００２０】各圧力容器において、典型的には、インク
供給孔とインク吐出ノズルとが対向する。インク吐出ノ
ズルの開口直径は、インク供給孔の開口直径とほぼ同一
かインク供給孔の開口直径よりも大きくすることが、望
ましい。絶縁基体側からインク吐出ノズルに向って狭ま
るテーパ構造となっている内壁が圧力容器に設けられて
いるようにしてもよい。また、インクの冷却の観点か
ら、圧力容器の壁のうちインク吐出ノズルを含む部位の
壁を金属で形成することができる。インク吐出ノズルと
被記録媒体との距離を一定に保つために、圧力容器の外
壁面に溝を形成し、この溝の底面にインク吐出ノズルが
開口するようにしてもよい。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明のプリンタヘッドは、上述
したサイド・シュート・タイプのプリンタヘッドにおい
て、各ドットの発熱体ごとにその発熱体のほぼ中心領域
となる位置で、インク容器と圧力容器（インク加熱容
器）とを連通するインク供給孔を絶縁基体に設けたもの
である。そして、典型的には、各圧力容器においてイン
ク供給孔と対向する位置にそれぞれインク吐出ノズルを
設け、絶縁基体を隔壁として圧力容器とインク容器とを
隣接した配置となっている。圧力容器はドットすなわち
インク吐出ノズルごとに分離されている。

【００２２】図９は、本発明の好ましい実施の形態にお
ける、各ドットごとのインク供給孔４ａの周辺を説明す
る斜視図である。絶縁基体３に貫通孔であるインク供給
孔４ａが設けられており、絶縁基体３の一方の面には、
インク供給孔４ａを取り囲むように、１箇所が欠落した
円環（リング）状の発熱体５ａが配置している。リング
としての欠落部分をはさんで発熱体５ａの両端には、１
対の金属配線１３がそれぞれ接続しており、電気抵抗体
である発熱体５ａに通電できるようになっている。

【００２３】従来の技術でも述べたように、より抵抗率
が高い発熱体材料を用いることにより、従来の面状の電
気抵抗発熱体構造であっても発熱体の小型化が可能であ
り、より高精細での印字が可能となる。しかしながら、
図９に示す発熱体５ａのように線状の構成とすることに
よって、発熱体の断面積を小さくしかつ発熱体の延長を
長くすることができるので、小型かつ高抵抗の発熱体を
得ることができる。さらに、インク供給孔４ａを発熱体
５ａの中央に、すなわちインク供給孔４ａを取り囲むよ
うに発熱体５ａを配置することで、後述するように、発
熱体５ａからインクへの熱の伝達効率を高めることがで
きる。以上のようにしてプリンタヘッドを構成すること
により、従来の発熱体材料を用いた場合であっても、従
来よりも小型であってかつ低電力で短時間にインク吐出
に必要な熱エネルギーを発生できる発熱体を得ることが
できる。

【００２４】線状の発熱体５ａの形状は、単一のリング
状に限られるものではなく、同心円状の折り返しリング
状や、同一中心の折り返し方形、あるいは蛇行形状、等
も用いることができる。いずれにせよ、発熱体５ａの加
熱領域の中心上方にインク吐出ノズルが配置されるよう
にする。

【００２５】図１０(a),(b)は、プリンタヘッドの１ド
ット分に相当する部分を説明する図であって、絶縁基体
３に垂直な平面での断面図である。絶縁基体３より図示
下方側は、インク１２が充填されるインク容器に相当す
る。インク容器は同一色のインクを吐出する複数のイン
ク吐出ノズル７に対して共通に設けられている。また、
発熱体５ａの表面は、後述するように、硬質の絶縁膜１
１によって被覆されている。一方、絶縁基体３より図示
上方の部分は、各ドットごとの圧力容器１４であり、圧
力容器１４の壁面のうち絶縁基体３に対向する面に、イ
ンク供給孔４ａと正対してインク吐出ノズル７が設けら
れている。

【００２６】図１０(a)に示すように、インク供給孔４
ａの開口径は従来のプリンタヘッドと同様に極めて小さ
い。このため、発熱体５ａに通電して発熱させると同時
に、インク供給孔４ａ内のインクが気化し、インク供給
孔４ａ内は気体に置換される。また、圧力容器１４内で
発熱体５ａの近傍にあるインク１２も発泡して気泡９と
なり、この気泡９の膨張力（図示矢印）により、圧力容
器１４内に未気化のインクがインク滴８としてインク吐
出ノズル７から突出し、被記録媒体に向って飛翔する。
発熱体５ａ上でのインクの発泡は、発熱体５ａの全域の
インクが気体に置換されるまで継続し、気体による熱絶
縁でほぼ気体の膨張は飽和するが、この間にインク滴８
の吐出は終了している。このプリンタヘッドでは、発熱
体５ａの発熱と同時に、インク供給孔４ａを介してイン
ク容器側に熱が漏洩する経路が気泡９によって遮断され
ることになり、熱伝導率の小さな気泡９を介してのみ熱
が漏洩するので、発熱体５ａの発熱時の断熱効果が高め
られている。すなわち、本発明のプリンタヘッドにおけ
る発熱体は、圧力容器内のインクのみを加熱、発泡させ
ればよく、従来のプリンタヘッドの発熱体がインク供給
管内のインクをも加熱していたことに比べれば、熱効率
に優れている。

【００２７】ところで、インクジェットプリンタのヘッ
ドに見られるような微小サイズの流路においては、加熱
発泡による蒸気相の動粘性係数は液相に比べて格段に大
きく、質量流量で比較すると蒸気相は液相に比ベて格段
に流れにくいことが知られている（例えば、工業技術院
機械技術研究所発行、機械研ニュース、No. ３, １９９
５年）。図１０(a),(b)に示す圧力容器１４において、
インク供給孔４ａとインク吐出ノズル７の開口直径及び
管長が概略同一である場合は、発熱体５ａによる加熱に
よりインク供給孔４ａ内が蒸気相となることで、インク
吐出ノズル７内の液相状態のインクよりも大きな粘性抵
抗がインク供給孔４ａ側に生じて流体に対する逆止弁の
ような作用をし、これにより、インクの加熱発泡による
膨張圧力はインク吐出ノズル７側にもっぱら向けられる
こととなって、インクを吐出する上で有利に作用する。

【００２８】あるいは、圧力容器１４の断面形状を発熱
体５ａ側からインク吐出ノズル７側に狭まるような円錐
型のテーパ形状とすることにより、インク吐出孔ノズル
７側での流体抵抗を低減すると同時に、同一圧力で押し
出す場合には徐々に開口が狭まることによってインク吐
出速度が増加し、吐出方向の指向性が改善される。さら
に、図１０(a),(b)において典型的に見られるように、
インク吐出ノズル７の開口直径をインク供給孔４ａの開
口直径に比ベて大きくして非対称な流路形状すれること
により、インク供給孔４ａ側の圧力損失に一方向性特性
（ダイオード特性）が付加され、気泡の膨張による圧力
がインク吐出ノズル７側に集中する。これにより、飛翔
中のインク滴の運動エネルギーへの膨張圧力からの変換
効率が高められる。

【００２９】一方、発熱体５ａの冷却時には、図１０
(b)に示すように、圧力容器１４内の気体が収縮し（図
示矢印）、同時に、液相と気相との粘性の差により、イ
ンク容器からインク供給孔４ａ内に液相状態のインク１
２が大流量で流入し、これによって圧力容器１４内にイ
ンクが短時間で充填する。また、インク容器からのイン
クの流入により、発熱体５ａの冷却速度が早められる。

【００３０】ところで、従来の面状の発熱体の場合に
は、発熱体自体が冷却時には蓄熱体として作用するの
で、冷却に時間を要する。一方、線状の発熱体を用いた
場合には、発熱体自体の蓄熱容積が小さい上に、一種の
フィン構造とみなせることから、冷却時間を短縮するこ
とができる。したがって、線状の発熱体は、加熱・冷却
の応答性に優れ、高精細印字に伴う短い周期でのインク
吐出に威力を発揮する。

【００３１】ここで、インクの吐出量は単一のドットを
印字するに要するインクの量と概略同量で、最小限の発
泡気体と同容量であるとすると、本発明の構成によれ
ば、発熱体上のインクの最小量もこれと概略同量とする
ことができ、圧力容器や発熱体の小型化による低消費電
力化が可能となる。すなわち、発熱体５ａ上のインクの
量を定量とすれば、一定量のインクを加熱発泡により効
率よく吐出させることができるようになる。

【００３２】上述したように、発熱体５ａの表面に絶縁
膜１１が設けられている。絶縁膜１１は、インク１２に
は各種イオンや導電性粒子が混在していることに鑑み、
発熱体５ａとインク１２が電気的に直接接触して本来加
熱に使用すべき電力が漏洩することを防止する目的で配
置されている。また、この絶縁膜１１の上に、インク供
給孔を開口して発熱体５ａによる加熱領域の全体を覆う
ように熱伝導膜を設けてもよい。熱伝導膜を設けること
により、線状の発熱体からの加熱を面状に均一にするこ
とができるようになるとともに、インクの発泡・収縮に
よる発熱体ヘの圧力衝撃をこの熱伝導膜で緩衝すること
が可能になり、発熱体の機械的耐久性を向上させること
ができるようになる。熱伝導膜は、典型的には金属膜で
あり、インク１２と接触するものであるから発熱体５ａ
とは電気的に分離している。線状の発熱体が折り返して
形成されている場合には、隣接する発熱体間の隙間を絶
縁膜を介して埋めるような面状の熱伝導膜とするとよ
い。

【００３３】ところで、発熱体５ａに通電することによ
って発生した熱は、圧力容器１４方向と絶縁基体３方向
に伝わるが、絶縁基体３が厚いと絶縁基体３がヒートシ
ンクとして機能し、インクへの熱伝達効率が低下する。
そこで、発熱体５ａの直下の部位の絶縁基体３の厚さ
を、機械的強度に耐え、かつ短時間のインク加熱に必要
な熱を断熱する程度に最適に薄くすることが考えられ
る。このように構成することで、絶縁基体３の裏面がイ
ンク容器内のインク１２と常時接していることから、絶
縁基体３がヒートシンクとなることを避けることができ
る。発熱体５ａの直下の部位で絶縁基体３を薄くするこ
とは、インク供給孔４と連なるような溝ないし凹部を絶
縁基体３の裏面に形成することで実現される。

【００３４】このプリンタヘッドでは、上述したよう
に、インク吐出ノズル７ごとに圧力容器１４が分離して
いるから、隣接する圧力容器１４間には隔壁が存在する
ことになる。この隔壁は、発熱体によって発生した熱を
インクのみに効率よく伝達する観点から、熱絶縁性材料
で構成すことが好ましい。また、圧力容器１４は、ガラ
スや耐熱樹脂等の材料をホトリソグラフィ技術を用いて
加工したり、切削加工あるいはモールド加工により形成
できる。さらに、圧力容器１４においてインク吐出ノズ
ル７を含む面の壁材料として金属等の熱伝導性の材料を
用いることにより、蓄熱を回避でき、かつ、インク吐出
後に大気による圧力容器内のインクの冷却を促進できる
ようになり、より短時間で圧力容器内の発熱体とインク
を冷却することが可能になる。

【００３５】

【実施例】次に、実施例によって本発明をさらに詳しく
説明する。

【００３６】《実施例１》図１は、本発明の実施例１の
インクジェットプリンタヘッドの断面構造を示してい
る。このプリンタヘッド１では、ガラス製の絶縁基体３
を用いており、絶縁基体３の表面には、複数の円形の貫
通孔を有するＢＳＧ（borosilicate glass；ホウケイ酸
ガラス）膜１４ａが積層している。ＢＳＧ膜１４ａの各
貫通孔の内部であって絶縁基体３の表面には、それぞ
れ、リング状の発熱体５ａが設けられている。各発熱体
５ａの表面は窒化シリコン（ＳｉＮ）あるいはＢＳＧな
どからなる電気絶縁性の絶縁膜１１で被覆され、さら
に、絶縁膜１１の表面には金属製の熱伝導膜１５が設け
られている。リング状の発熱体５ａの中心部分に対応し
て、絶縁基板３には貫通孔であるインク供給孔４ａが形
成されている。そして、ＢＳＧ膜１４ａには、アルミニ
ウム膜などで構成された金属膜１６が積層し、金属膜１
６には、インク供給孔４ａに正対する位置に、貫通孔で
あるインク吐出ノズル７が形成されている。このように
構成することにより、絶縁基体３を底面とし、ＢＳＧ膜
１４ａを側面とし、金属膜１６を頂面とする圧力容器１
４が、インク吐出ノズル７ごとに形成されたことにな
る。

【００３７】一方、絶縁基体３の裏面側には、各インク
吐出ノズル７に共通のプラスチック製のインク容器２が
接着されている。そして、絶縁基体３の裏面側であって
少なくとも発熱体５ａの直下の部位は凹部３ａとなって
おり、機械的強度を保ちながら、発熱体５ａの直下の部
位での絶縁基体３の厚さを最適に薄くしている。

【００３８】次に、このプリンタヘッド１の製造方法に
ついて説明する。

【００３９】まず、ガラス製の絶縁基体３の表面にＴａ
Ｎ薄膜をスパッタリング成膜してパターニングし、上述
の図９に示したような外径４０μｍ、線幅１０μｍの一
部欠損したリング状の発熱体５ａを形成する。さらに、
アルミニウム薄膜を成膜してパターニングし、発熱体５
ａの両端に金属配線１３（図９参照）を形成する。

【００４０】次に、窒化シリコン（ＳｉＮ）あるいはホ
ウケイ酸ガラス（ＢＳＧ）などの膜を熱ＣＶＤ法で成膜
してパターニングすることによって絶縁膜１１を形成
し、次いでその表面にステンレス膜等の高温耐熱性を有
する金属製の膜を成膜してパターニングすることによ
り、熱伝導膜１５を形成する。このようにして、少なく
とも発熱体５ａの加熱領域を絶縁膜１１と熱伝導膜１５
で被覆するようにする。その際、リング状の発熱体５ａ
の中心開口部、すなわちインク供給孔４ａが形成される
べき部位には、絶縁膜や熱伝導膜が形成されないように
する。

【００４１】このように発熱体５ａ、絶縁膜１１及び熱
伝導膜１５が形成された絶縁基体３に対し、例えば１０
μｍの厚さでＢＳＧ膜１４ａを成膜する。そののち、発
熱体５ａと同心円であって熱伝導膜１５及び絶縁基体３
の表面にまで達する開口がＢＳＧ膜１４ａに形成される
ように、ＢＳＧ膜１４ａをパターニングして開口となる
べき部位をエッチング除去する。さらに、レジスト膜
（図示せず）を全面に塗布し、塗布されたレジスト膜の
表面がＢＳＧ膜１４ａに達するまで、ＣＭＰ（化学機械
的研磨）法によって平坦化処理を行なう。これにより、
発熱体を内蔵した開口部、すなわち圧力容器１４の内容
積部分となるべき部位のみが、レジストにより平坦に充
填されたことになる。なお、ＢＳＧ膜１４ａの代りに、
ＳｉＮ膜などを用いるようにしてもよい。

【００４２】以上のようにレジストによって開口部がレ
ジストで充填されたＢＳＧ膜１４ａの表面に、アルミニ
ウムなどの金属膜１６を成膜する。一方、ガラス製の絶
縁基体３の裏面側においては、機械加工によって、発熱
体５ａの直下の位置での絶縁基体３の厚さが５０μｍに
なるように、この位置に凹部３ａを形成する。凹部３ａ
の最小幅は、発熱体５ａの外径とする。

【００４３】次に、レーザビーム加工を用いて、発熱体
５ａの中心の位置に、絶縁基体３の裏面側から直径１０
μｍのインク供給孔４ａを開口し、同様に、金属膜１６
側から直径２０μｍのインク吐出孔７を開口する。その
後、ＢＳＧ膜１４ａの開口の内部に残留するレジストを
溶解して排出し、圧力容器１４を形成する。

【００４４】インク吐出ノズル７は、千鳥格子状に配置
されている。インク吐出ノズル７の各列でのピッチは８
０μｍとし、隣接する列間でインク吐出ノズルの相対位
置を４０μｍずらして形成することで、６００ｄｐｉの
プリンタヘッドが構成される。同様に、３列以上を周期
としてインク吐出ノズルの相対位置をずらせば、さらに
高精細のプリンタへッドを形成できることはいうまでも
ない。

【００４５】最後に、絶縁基体３の裏面にプラスチック
製のインク容器２を接着し、インク容器２内にインクを
充填する。絶縁基体３上の各発熱体５ａは、絶縁基体上
に実装されたシフトレジスタＩＣ（不図示）に金属配線
１３（図９参照）を介して接続され、信号端子（不図
示）を介してプリンタ本体（不図示）のドライバ、ＣＰ
Ｕ、電源等に接続される。

【００４６】《実施例２》次に、上述の実施例１での製
造工程の一部を変更して作製されるプリンタヘッドにつ
いて、図２を用いて説明する。

【００４７】絶縁基体３上への発熱体５ａ、絶縁膜１１
及び熱伝導膜１５の形成、パターニングまでは、実施例
１と同様に実行する。そして、絶縁基体３に、裏面側の
凹部３ａとインク供給孔４ａ（レーザビームなどで加
工）を形成しておく。一方、ガラスあるいは耐熱性樹脂
などからなるカバー板１７を用意し、このカバー板１７
に、圧力容器１４となるべき円筒形状のくぼみをモール
ド加工などによって形成し、インク吐出ノズル７をレー
ザビーム加工などによって形成する。そして、接着剤１
８を用い上述のように加工された絶縁基体３とカバー板
１７とを接着し、さらにはインク容器２を取り付けるこ
とによって、プリンタヘッドが完成する。なお、インク
供給孔４ａあるいはインク吐出ノズル７の加工には、上
述のレーザビーム加工のほかに、金属マスクを用いた反
応性イオンエッチング（ＲＩＥ）や光励起ドライエッチ
ング法を用いてもよい。

【００４８】《実施例３》本発明に基づくプリンタヘッ
ドにおいて、絶縁基体上に設けられる線状の発熱体の形
状は、上述の単リング状のものに限られない。例えば、
図３(a)〜(d)にそれぞれ示すように、同心多重リング
状、同心多重方形状、放射リング状、蛇行状などの種々
の形状とすることができる。いずれの形状であっても、
ホトリソグラフィ技術を用いることにより、簡単に形成
することができる。また、発熱体の線幅は、上述の実施
例１では例えば１０μｍであり、３μｍの設計ルールで
十分に再現可能なものである。いずれの場合であって
も、インク吐出ノズル７が、発熱体の加熱領域の中央上
方に位置することが好ましい。

【００４９】《実施例４》図４に示すように、インク供
給孔４ａを発熱体５ａの加熱領域外に設けることも可能
である。この場合には、圧力容器１４を二円連結形状と
し、インクに対する加圧空間の大きさを最小限にするこ
とが好ましい。

【００５０】《実施例５》圧力容器１４の形状は円筒状
のものに限られず、例えば、絶縁基体３側に広がりイン
ク吐出ノズル７側に狭まったテーパ形状のものとするこ
とができる。図５はこのようなテーパ形状の内壁１９を
備えた圧力容器１４を有するプリンタヘッドを示してい
る。このプリンタヘッドは、実施例２と同様の手順で、
ただし、テーパ形状の内壁１９を有するようにカバー板
１７にくぼみを形成することにより、容易に実現するこ
とができる。

【００５１】《実施例６》図６に示すプリンタヘッド
は、実施例２で説明したプリンタヘッドにおいて、カバ
ー板１７の厚さを大きくするともに、カバー板１７の被
記録媒体２０側の面に溝１７ａを形成し、この溝１７ａ
以外の平坦面に被記録媒体２０を密着させ、この被記録
媒体２０を溝１７ａの長手方向と垂直な方向に移動さ
せ、被記録媒体２０とインク吐出ノズル７との距離を一
定に保とうとするものである。インク吐出ノズル７は、
溝１７ａの底面に開口するようにした。なお、カバー板
１７をモールド加工で加工するのであれば、圧力容器１
４に対応するくぼみと溝１７ａとをカバー板１７の表裏
面に同時加工、形成することも可能である。

【００５２】このプリンタヘッドでは、インクの飛翔距
離（すなわち、インク吐出ノズル７と被記録媒体２０表
面との距離）を溝１７ａの深さにより規定することが出
来ることから、飛翔したインク滴８の被記録媒体への衝
突時の形状を一定にすることが出来る。また、インク滴
８の飛翔空間がカバー板１７と被記録媒体２０とによっ
て閉塞されているから、気流等の外乱要因による飛翔方
向の乱れを防止することができ、プリンタヘッドの高精
細化に伴う微小なインク滴の転写、印字に効果を発揮す
る。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、各ドット
の発熱体ごとにその発熱体のほぼ中心領域となる位置に
おいて、インク容器と圧力容器（インク加熱容器）とを
連通するインク供給孔を絶縁基体に設けることにより、
従来の発熱体材料を用いても、隣接印刷ドット間隔を微
小にすることが可能になり、小型で高精細なプリンタヘ
ッドを低コストで製造できるようになるという効果があ
る。また、線状の発熱体を用いることにより、発熱体の
膜厚を極端に薄くすることなく高電気抵抗の発熱体とす
ることができるので、プリンタヘッドの消費電力を低減
でき、これによって、プリンタ本体の電源負荷を低減し
て長時間稼働可能な携帯型プリンタを実現することが可
能になる。また、本発明には、高精細印字において、気
流などの外乱による乱れの排除や、飛翔インク滴の形状
制御も可能であるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のプリンタヘッドの断面構造を示す一
部破断斜視図である。

【図２】実施例２でのプリンタヘッドの製造工程を示す
図である。

【図３】(a)〜(d)は、それぞれ、線状の発熱体の形状の
示す平面図である。

【図４】実施例４のプリンタヘッドでのインク供給孔の
位置を説明する図である。

【図５】テーパ状の圧力容器を有するプリンタヘッドを
示す一部破断斜視図である。

【図６】実施例６のプリンタヘッドの断面構成を示す一
部破断斜視図である。

【図７】従来のサイド・シュート・タイプのプリンタヘ
ッドの断面構造を説明する一部破断斜視図である。

【図８】従来のエッジ・シュート・タイプのプリンタヘ
ッドの断面構造を説明する一部破断斜視図である。

【図９】インク供給孔とリング状の発熱体の基本的な構
造を説明する斜視図である。

【図１０】圧力容器内でのインクの挙動を説明する図で
あって、(a)は加熱時を説明する断面図、(b)は冷却時を
説明する断面図である。

【符号の説明】

１プリンタヘッド２インク容器３絶縁基体４,４ａインク供給管５,５ａ発熱体６インク加熱容器７インク吐出ノズル８インク滴９気泡１０土手１１絶縁膜１２インク１３配線１４圧力容器１５熱伝導膜１６金属膜１７カバー板１８接着剤１９内壁２０被記録媒体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基体と前記絶縁基体上に配置された
複数の発熱体とを有し、前記発熱体によって液相状態の
インクを加熱し前記インクの気化・膨張する圧力によっ
てインク吐出ノズルからインクを飛翔させて記録を行な
うプリンタヘッドにおいて、前記各発熱体ごとに設けられて当該発熱体を内壁面に有
し貫通孔として前記インク吐出ノズルが形成され前記イ
ンクを一定量保持する圧力容器と、前記各発熱体ごとに当該発熱体による発熱領域の中心部
分に設けられインクを充填したインク容器に連通し前記
絶縁基体を貫通するよう開口して前記インクを対応する
圧力容器に供給するインク供給孔と、を有することを特
徴とするプリンタヘッド。
【請求項２】複数の前記圧力容器が一体のものとして
構成され、隣接する圧力容器が前記発熱体の加熱による
インクの熱膨張圧力を相互に隔離する隔壁を共有する請
求項１に記載のプリンタヘッド。
【請求項３】前記発熱体が通電によって発熱する線状
の電気抵抗発熱体を所定のパターンで屈曲させたもので
あり、外部の電力供給源から抵抗加熱用の電力を供給す
るための電極及び配線が前記発熱体の両端部に接続さ
れ、前記発熱体の表面が電気絶縁層で被覆されている請
求項１または２に記載のプリンタヘッド。
【請求項４】前記インク供給孔を開口して前記発熱体
の加熱領域の全域を覆うように、電気絶縁層上に熱伝導
膜が設けられている請求項３に記載のプリンタヘッド。
【請求項５】前記絶縁基体の前記発熱体が設けられて
いない面に前記インク容器が形成され、前記絶縁基体が
前記インク容器の壁の少なくとも一部を構成する請求項
１乃至４いずれか１項に記載のプリンタヘッド。
【請求項６】前記発熱体の形状が欠落部を有するリン
グ状であり、リングの中心部に前記インク供給孔が開口
する請求項１または２に記載のプリンタヘッド。
【請求項７】前記発熱体の形状が、連続した同心円状
の折り返し複数重構造あるいは蛇行構造を有する概略リ
ング状であり、リングの中心部に前記インク供給孔が開
口する請求項１または２に記載のプリンタヘッド。
【請求項８】前記発熱体の形状が、連続した同心方形
の折り返し複数重構造あるいは蛇行構造を有する概略方
形状であり、前記方形の中心部に前記インク供給孔が開
口する請求項１または２に記載のプリンタヘッド。
【請求項９】前記インク吐出ノズルの開口直径が、前
記インク供給孔の開口直径とほぼ同一か前記インク供給
孔の開口直径よりも大きい、請求項１または２に記載の
プリンタヘッド。
【請求項１０】前記絶縁基体において前記発熱体及び
前記インク供給孔が形成される領域の裏面側には、その
他の領域に比べて前記絶縁基体の厚さが薄くなるよう
に、凹部が形成されている請求項１乃至９いずれか１項
に記載のプリンタヘッド。
【請求項１１】前記圧力容器の壁のうち前記インク吐
出ノズルを含む部位の壁が金属で形成されている請求項
１乃至１０いずれか１項に記載のプリンタヘッド。
【請求項１２】前記絶縁基体側から前記インク吐出ノ
ズルに向って狭まるテーパ構造となっている内壁が前記
圧力容器に設けられている請求項１乃至１１いずれか１
項に記載のプリンタヘッド。
【請求項１３】前記圧力容器の外壁面に溝が形成さ
れ、前記溝の底面に前記インク吐出ノズルが開口する請
求項１乃至１２いずれか１項に記載のプリンタヘッド。