JP2001096749A

JP2001096749A - インクジェットヘッド及びその製造方法

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Publication number: JP2001096749A
Application number: JP27670599A
Authority: JP
Inventors: Susumu Hirata; 進平田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2001-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】電圧が印加されている期間に発熱体において発
生した熱によってインクを効率よく加熱して電力消費量
を低減することができるとともに、電圧が印加されてい
ない期間に発熱体の温度を素早く低下させ、印刷データ
に対するインクの吐出の応答性を向上する。【解決手段】発熱体４ａを含むヒータ部４を基板２及び
基板３の間に間隙８及びキャビティ６を挟んで配置し
た。キャビティ６に充填されたインクは、発熱体４ａに
対する電圧の印加によってヒータ部４が発泡温度に達し
た時に発泡を生じてノズル５ａから吐出される。ヒータ
部４は座屈温度に達すると熱応力によって下方に凸とな
る弾性座屈を生じ、ヒータ部４が加熱温度に達するとヒ
ータ部４の中央部が基板２の上面に接触してヒータ部４
の熱が基板２を介して放熱される。このとき、発熱体４
ａに対する電圧の印加を停止すると、ヒータ４は急速に
冷却される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】この発明は、インクを加熱す
る発熱体を備え、加熱による発泡時の圧力によってイン
クを記録媒体上に吐出するバブルジェット方式のインク
ジェットヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、プリンタにおいて記録媒体上
に画像を形成する記録ヘッドとして、バブルジェット方
式のインクジェットヘッドが用いられている。バブルジ
ェット方式のインクジェットヘッドは、基板上に配置し
た発熱体に画像データに応じてパルス状の電圧を印加
し、発熱体の加熱によってインクを発泡させ、発泡時に
生じる圧力によりノズルからインクを記録媒体上に吐出
する。

【０００３】このようなバブルジェット方式のインクジ
ェットヘッドでは、発熱体に生じた熱の一部が基板を介
して放熱されることから、記録媒体上における画像の形
成に十分な量のインクを吐出させるためには発熱体に対
する印加電圧を大きくする必要があり、電力消費量が増
加する。

【０００４】そこで、特開平７−２２７９６８号公報に
は、発熱体と基板との間に断熱層としての空間を形成
し、発熱体に生じた熱が基板に伝導しないようにした構
成が開示されている。

【０００５】また、特許第２７６９４４７号公報には、
発熱体と基板との間に熱伝導率の異なる２つの層を形成
することにより、発熱体から基板への熱伝導を抑制する
ようにした構成が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成では、発熱体に生じた熱が外部に放熱され難い
ため、電圧の印加によって一旦発熱体に生じた熱は、発
熱体に電圧が印加されなくなった後にも発熱体に残留
し、発熱体に対してパルス状の電圧を印加しても発熱体
の温度が蓄積的に上昇してオーバヒート状態となり、発
熱体の応答周波数が低下してインクの吐出量を正確に制
御することができなくなる問題があった。

【０００７】この発明の目的は、電圧が印加されている
期間に発熱体において発生した熱によってインクを効率
よく加熱して電力消費量を低減することができるととも
に、電圧が印加されていない期間に発熱体の温度を素早
く低下させ、発熱体の応答周波数を発熱体に印加するパ
ルス状の電圧の周波数に略一致させることによりインク
の吐出量を正確に制御することができ、印刷データに対
するインクの吐出の応答性を向上することができるイン
クジェットヘッドを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するための手段として、以下の構成を備えてい
る。

【０００９】(1) 互いに対向してインクが充填される空
間を形成する第１の基板及び第２の基板間に発熱体を配
置し、発熱体に選択的に電圧を印加することにより空間
内のインクを加熱して発泡させ、ノズルから吐出させる
インクジェットヘッドにおいて、発熱体が、第１の基板
及び第２の基板との間のそれぞれに間隙を設けて配置さ
れるとともに、発熱時の熱応力により生じる弾性変形に
よって第１の基板又は第２の基板に接近又は当接するこ
とを特徴とする。

【００１０】この構成においては、第１の基板及び第２
の基板に対して非接触に配置された発熱体が、発熱時の
熱応力によって第１の基板又は第２の基板に接触する状
態の弾性変形を生じる。したがって、発熱体の発熱時に
は、発熱体に発生した熱が基板を介して放熱されること
がなく、発熱体に接触するインクが効率的に加熱され
る。また、発熱体が発熱した後には、発熱体の熱が第１
の基板又は第２の基板を介して放熱され、発熱体は素早
く冷却される。

【００１１】(2) 前記弾性変形が、発熱体が所定の温度
に達した特に生じる弾性座屈であることを特徴とする。

【００１２】この構成においては、発熱体の温度が所定
温度まで上昇した時に発熱体が弾性座屈によって急激に
変形する。したがって、温度変化によって発熱体が第１
の基板又は第２の基板に素早く近接又は接触する。

【００１３】(3) 前記第１の基板又は第２の基板は、発
熱体との対向面が弾性変形後の発熱体が面接触する形状
を呈することを特徴とする。

【００１４】この構成においては、発熱によって弾性変
形を生じた発熱体が第１の基板又は第２の基板に面接触
する。したがって、第１の基板又は第２の基板を介して
発熱体から大量の熱が放熱され、発熱体はより素早く冷
却される。

【００１５】(4) 前記発熱体は、第１の基板又は第２の
基板との対向面内の少なくとも一方向についての両端部
が固定された板状体であることを特徴とする。

【００１６】この構成においては、発熱体における第１
の基板又は第２の基板との対向面内の少なくとも一方向
についての両端部が固定されており、発熱時の弾性変形
によって発熱体の両端部が変位することがない。したが
って、発熱時に生じる弾性変形により、発熱体の中間部
が第１の基板又は第２の基板に近接又は接触する方向に
変位する。

【００１７】(5) 前記発熱体は、第１の基板又は第２の
基板との対向面の全周にわたって第１の基板と第２の基
板との間に挟持された板状体であることを特徴とする。

【００１８】この構成においては、板状体の発熱体にお
ける第１の基板又は第２の基板との対向面の全周が、第
１の基板と第２の基板との間に挟持されており、発熱時
の弾性変形によって発熱体の周縁部が変位することがな
い。したがって、発熱時に生じる弾性変形により、発熱
体の中央部が第１の基板又は第２の基板に近接又は接触
する方向に変位する。

【００１９】(6) 前記発熱体は、インクが発泡する温度
に略等しい温度における熱応力によって弾性変形を生じ
ることを特徴とする。

【００２０】この構成においては、発熱体は、インクが
発泡する温度と略等しい温度まで温度上昇した時に、弾
性変形によって第１の基板又は第２の基板に近接又は接
触する。したがって、発泡したインクがノズルから吐出
された直後に第１の基板又は第２の基板による放熱によ
って発熱体が冷却される。

【００２１】(7) 前記発熱体は、第１の基板又は第２の
基板との対向面内の一方向について圧縮方向の内部応力
が予め与えられていることを特徴とする。

【００２２】この構成においては、発熱前の発熱体には
第１の基板又は第２の基板との対向面内の一方向につい
て圧縮方向の残留応力が予め作用している。したがっ
て、発熱時に加わる圧縮方向の熱応力により、発熱体が
確実に弾性変形を生じる。

【００２３】(8) 前記発熱体は、発熱時に弾性変形を生
じる方向を規定する内部応力が予め与えられた多層構造
の板状体であることを特徴とする。

【００２４】この構成においては、発熱体が多層構造の
板状体によって構成され、発熱前の発熱体には発熱時に
おける弾性変形の方向を規定する内部応力が予め作用し
ている。したがって、発熱体は発熱時に予め定められた
特定の方向に確実に変形する。

【００２５】(9) 第１基板の上面に間隙部材及び発熱体
をこの順に積層して形成した後に間隙部材を除去し、発
熱体の上面に所定の間隙を設けて第２基板を配置するこ
とを特徴とする。

【００２６】この構成においては、発熱体を形成した後
の第１の基板の上面から間隙部材を除去することによ
り、発熱体と第１の基板との間に間隙が形成される。し
たがって、第１の基板及び第２の基板と発熱体との間に
間隙を形成したインクジェットヘッドが容易に製造され
る。

【００２７】(10)前記発熱体の形成時に、メッキ層に圧
縮方向の内部応力を付与する電流密度による電解メッキ
工程を含むことを特徴とする。

【００２８】この構成においては、電解メッキ工程によ
ってメッキ層である発熱体に圧縮方向の内部応力が予め
付与される。したがって、発熱時の発熱体には加熱によ
る熱応力に加えて内部応力が圧縮方向に作用し、発熱時
によって所定の変形を生じさせるために発熱体が発生す
べき温度が低くなる。

【００２９】(11)前記発熱体の形成時に異なる電流密度
による電解メッキ工程を含むことを特徴とする。

【００３０】この構成においては、メッキ層に付与され
る内部応力に影響を与える電流密度が異なる電解メッキ
によって発熱体が形成される。したがって、内部応力状
態が互いに異なる複数の層が発熱体内に構成され、加熱
による熱応力が作用した際の発熱体内部における各層の
応力状態の相違によって発熱体の変形方向を一義的に設
定したインクジェットヘッドが製造される。

【００３１】

【発明の実施の形態】図１は、この発明の第１の実施形
態に係るインクジェットヘッドの構成を示す平面断面図
及び側面断面図である。インクジェットヘッド１は、第
１の基板２と第２の基板３との間にヒータ部４を配置
し、基板２及び３の一端面にノズルプレート５を固定し
たものである。基板２と基板３との間には液状のインク
が充填されるキャビティ６が形成されており、ノズルプ
レート５にはキャビティ６を外部に連通するノズル５ａ
が形成されている。ヒータ部４は、キャビティ６内に配
置されている。

【００３２】ヒータ部４は、発熱体４ａ、配線４ｂ、絶
縁膜４ｃ及び保護膜４ｄによって構成されている。発熱
体４ａは、熱膨張率及び電気抵抗値の高いＮｉ等の金属
を素材として薄板状に形成されており、配線４ｂを介し
て図外の駆動回路からのパルス電流の供給によって発熱
し、キャビティ６内のインクを膜沸騰によって発泡させ
る。絶縁膜４ｃは、発熱体４ａ及び配線４ｂと基板２と
を電気的に非接触にする。保護膜４ｄは、キャビティ６
内に充填されたインクに対する発熱体４ａ及び配線４ｂ
の水密性を維持する。

【００３３】ヒータ部４の上面と基板３との間には隔壁
７が配置されており、隔壁７によってヒータ部４と基板
３との間にキャビティ６を構成する空間が形成されてい
る。また、ヒータ部４における発熱体４ａの下方に対向
する基板２の上面には間隙８が形成されている。この間
隙８により、ヒータ部４の下面と基板２との接触面積が
小さくされている。

【００３４】したがって、ヒータ部４の発熱体４ａにお
いて発生した熱のうち基板２への伝導量が減少し、ヒー
タ部４の温度が急速に上昇するとともに、キャビティ６
内のインクが急速に加熱される。このため、発熱体４ａ
にパルス電流を供給するとキャビティ６内のインクが瞬
間的に加熱され、発熱体４ａの温度が発泡温度Ｔｂに達
したときに発泡し、ノズル５ａから吐出される。この発
泡温度Ｔｂは、使用するインクに固有の温度である。

【００３５】また、ヒータ部４は、基板２及び３の対向
面内の一方向における一方の端部がノズルプレート５の
内側面に当接しており、他方の端部が隔壁７を介して基
板２と基板３との間に挟持されている。したがって、ヒ
ータ部４は、基板２及び３の対向面内の一方向における
両端の変位を規制されている。

【００３６】図２は、上記インクジェットヘッドにおけ
るヒータ部の変形状態を示す側面断面の略図である。ヒ
ータ部４は、発熱体４ａの発熱により図２（Ａ）に示す
矢印方向に膨張しようとするが、上述のように基板２及
び３の対向面内の一方向における両端の変位を規制され
ているため、図２（Ａ）に示す矢印方向（圧縮方向）の
熱応力を生じる。この熱応力は発熱体４ａの温度上昇と
ともに増加し、発熱体４ａの温度が所定の座屈温度Ｔｃ
に達した時に、ヒータ部４は熱応力によって弾性変形
（弾性座屈）を生じる。よって、座屈温度Ｔｃは、ヒー
タ部４が弾性座屈を開始する温度である。

【００３７】即ち、発熱体４ａの温度が座屈温度Ｔｃ以
下である場合には、ヒータ部４は図２（Ａ）に示すよう
に基板２と基板３との間において基板２及び３に平行な
形状を維持している。発熱体４ａの温度が座屈温度Ｔｃ
に達すると、ヒータ部４は中央部が基板２側に凸となる
座屈変形を生じる。さらに、発熱体４ａが座屈温度Ｔｃ
より高い加熱温度Ｔに達した時に、ヒータ部４は図２
（Ｂ）に示すように、中央部において基板２の上面に接
触する。よって、加熱温度Ｔはヒータ部４が基板２に接
触する時の温度であり、発熱体４ａは少なくとも加熱温
度Ｔに達するまでパルス電流の供給を受ける。

【００３８】発熱体４ａの温度が加熱温度Ｔに達し、ヒ
ータ部４の中央部が基板２の上面に接触すると、ヒータ
部４の発熱体４ａに生じた熱が基板２に伝導して放熱さ
れる。このとき、発熱体４ａに対するパルス電流の供給
を停止すると、ヒータ部４の温度は急速に低下し、これ
にともなってヒータ部４に作用する熱応力が減少し、ヒ
ータ部４は弾性力によって図２（Ａ）に示す状態に復元
する。

【００３９】なお、基板２の上面に形成する間隙８の底
面を変形後のヒータ部４の下面に沿うように湾曲させる
ことにより、加熱温度Ｔに達したヒータ部４が基板２の
上面に面接触し、ヒータ部４の熱をより効果的に放熱さ
せることができる。

【００４０】一例として、発熱体４ａをＮｉにより厚さ
６．５μｍ、幅１０μｍ、長さ１５０μｍに形成し、絶
縁膜４ｃをＳｉＯ₂ により厚さ０．１μｍに形成し、保
護膜４ｄをポリイミドにより厚さ０．１μｍに形成し、
間隙８の深さを５μｍとする。この構成において、ヒー
タ部４の座屈温度Ｔｃ＝３７０°Ｃに対して、ヒータ部
４を加熱温度Ｔ＝５００°Ｃまで加熱すると、キャビテ
ィ６内のインクが発泡によってノズル５ａから吐出され
るとともに、ヒータ部４の中央部が間隙８内で基板２の
上面に接触する。

【００４１】ヒータ部４の座屈温度Ｔｃは、ヒータ部４
の厚さＨ、長さＬ及び線膨張係数αより、Ｔｃ＝（π² ／３α）×（Ｈ／Ｌ）² ・・・式１で与えられる。また、ヒータ部４の最大変位Ｙｍａｘ
は、Ｙｍａｘ＝２ｑＬ／π ・・・式２で与えられる。ここに、ｑは、ヒータ部４の加熱温度
Ｔ、座屈温度Ｔｃ、線膨張計数αを用いて、

【００４２】

【数１】

【００４３】により求まる。さらに、消費電力Ｐは、ヒ
ータ部４の厚さＨ、長さＬ、幅Ｄ、比熱Ｃ、密度ρ、加
熱温度Ｔにより、Ｐ＝ρ×Ｈ×Ｌ×Ｄ×Ｃ×Ｔ・・・式３で与えられる。

【００４４】ヒータ部４において、発熱体４ａの厚さに
対して絶縁膜４ｃ及び保護膜４ｄの厚さが十分に薄い場
合、ヒータ部４の変形状態は専ら発熱体４ａの材質及び
形状によって定まる。例えば、線膨張係数α＝１．８×
１０^-5のＮｉを素材とし、長さＬ＝１５０μｍ、幅Ｄ＝
１０μｍの発熱体４ａについて、消費電力Ｐ＝０．６
Ｗ，０．９Ｗ，１．２Ｗ，１．５Ｗ，１．８Ｗ，２．１
Ｗ，２．４Ｗのそれぞれにおいて厚さＤを１．１６μｍ
から８．０４μｍまで変化させた場合のヒータ部４の温
度ｔと変位量Ｙとの関係を図３に示す。

【００４５】図３に明らかなように、ヒータ部４の温度
ｔが低いほど変位量Ｙが小さく、１０μｍ以上の変位量
を得るためにはヒータ部４を６００°Ｃ以上の極めて高
温にしなければならない。そこで、温度上昇に伴う弾性
変形によって間隙８内でヒータ部４を基板２に接触させ
る際に、消費電力Ｐを小さくして省電力化を図るために
は、間隙８の深さを１０μｍ以下にすべきである。ま
た、間隙８の深さを４μｍ以下とすれば、製造時に間隙
８の深さに誤差を生じた場合でも、ヒータ部４を基板２
に接触させるための加熱温度Ｔに大きな差異を生じるこ
とがなく、製品の歩留りを向上することができる。

【００４６】次に、線膨張係数α＝１．８×１０^-5のＮ
ｉを素材とし、長さＬ＝１５０μｍ、幅Ｄ＝１０μｍの
ヒータ部４において、変位量Ｙを１．０μｍ，１．５μ
ｍ，２．５μｍ，５．０μｍ，７．５μｍ，８．５μ
ｍ，１０．０μｍ，１２．５μｍのそれぞれに変化さ
せ、各変位において加熱温度Ｔを２１２°Ｃから１０５
４°Ｃまで変化させた場合のヒータ部４の長さ及び厚さ
の比（薄さ）Ｌ／Ｈと消費電力Ｐとの関係を図４に示
す。特に、ヒータ部４の変位量Ｙ＝２．５μｍにおける
薄さＬ／Ｈと加熱温度Ｔ及び座屈温度Ｔｃとの関係を図
５に示す。また、このときの薄さＬ／Ｈと加熱温度Ｔ、
座屈温度Ｔｃ及び消費電力Ｐとの関係を図６に示す。

【００４７】図４〜６に明らかなように、ヒータ部４の
薄さＬ／Ｈの値が大きいほど（ヒータ部４が薄いほ
ど）、加熱温度Ｔ及び座屈温度Ｔｃが小さくなり、消費
電力Ｐが小さくなる。例えば、間隙８の深さ（ヒータ部
４の変位量Ｙ）が２．５μｍである場合において、薄さ
Ｌ／Ｈ＝１９．０（ヒータ部４の長さＬ＝１５０μｍで
高さＨ＝７．９μｍ）のヒータ部４を用いた時は座屈温
度Ｔｃ＝５０５°Ｃ、加熱温度Ｔ＝５４２°Ｃ、消費電
力Ｐ＝２．４Ｗであり、薄さＬ／Ｈ＝３１．３（ヒータ
部４の長さＬ＝１５０μｍで高さＨ＝４．８μｍ）のヒ
ータ部４を用いた時は座屈温度Ｔｃ＝１８６°Ｃ、加熱
温度Ｔ＝２２３°Ｃ、消費電力Ｐ＝０．６Ｗである。し
たがって、発泡温度Ｔｂ＝１８６°Ｃのインクを用いた
場合、ヒータ部４の温度が１８６°Ｃになってインクが
吐出した後、さらに、３７°Ｃだけ加熱すればヒータ部
４を基板２に接触させて冷却することができる。

【００４８】また、間隙８の深さ（ヒータ部４の変位量
Ｙ）が１０．０μｍである場合において、薄さＬ／Ｈ＝
２９．３（ヒータ部４の長さＬ＝１５０μｍで高さＨ＝
５．１μｍ）のヒータ部４を用いた時は、座屈温度Ｔｃ
＝２１２°Ｃ、加熱温度Ｔ＝８３５°Ｃ、消費電力Ｐ＝
２．４Ｗである。したがって、発泡温度Ｔｂ＝２１２°
Ｃのインクを用いた場合、ヒータ部４の温度が２１２°
Ｃになってインクが吐出した後、さらに、６２３°Ｃ加
熱しなければヒータ部４を基板２に接触させて冷却する
ことができない。

【００４９】このことから、間隙８の深さ、即ち、ヒー
タ部４の変位量Ｙが小さいほどヒータ部４の薄さＬ／Ｈ
を大きくすることができ、薄さＬ／Ｈの値を１５以上、
好ましくは２０以上となる間隙８の深さを設定すべきで
ある。これによって、消費電力Ｐを小さくすることがで
きるとともに、ヒータ部４における温度変化を小さくし
て耐久性を向上することができる。

【００５０】なお、ヒータ部４は、上記式１より線膨張
係数αが大きい方が座屈温度Ｔｃが低くなり、特に、線
膨張係数αが１×１０^-5／°Ｃ以上の材料を用いてヒー
タ部４を構成すると、より低温で弾性座屈を生じ、消費
電力Ｐが小さく、耐久性に優れたインクジェットヘッド
を構成することができる。

【００５１】また、発泡温度Ｔｂがヒータ部４の加熱温
度Ｔに略等しいインクを使用した場合、インクが吐出さ
れると略同時にヒータ部４が基板２に接触する。したが
って、ヒータ部４の加熱温度Ｔが低く、耐久性に優れイ
ンクジェットヘッドを構成することができる。

【００５２】さらに、ヒータ部４の座屈温度Ｔｃがイン
クの発泡温度Ｔｂに等しい場合、インクが吐出された時
点でヒータ部４が変形を開始するため、この時点ではヒ
ータ部４は未だ基板２に接触していない。したがって、
ヒータ部４の放熱量は少なく、ヒータ部４を加熱するた
めの消費電力を小さくすることができる。

【００５３】また、ヒータ部４に基板１及び基板２の上
面に平行な方向の内部応力を予め付与しておくことによ
り、ヒータ部４の座屈温度Ｔｃをより低くすることがで
きる。例えば、ヒータ部４を電解メッキによって形成す
る場合、形成されたヒータ部４には、図７に示すよう
に、電流密度に応じた内部応力を生じることから、一例
として、ヒータ部４を電流密度１ｍＡ／ｃｍ² 、ｐＨ
４．４、温度５０°Ｃの条件下でスルファミン酸Ｎｉ浴
による電解メッキによって形成すると、ヒータ部４には
面方向に約５５ＭＰａの圧縮応力を生じ、この圧縮応力
は下記式４における１４．６°Ｃの温度上昇時の応力に
相当する。

【００５４】Ｓ＝Ｅ・α・Ｔ／（１＋α・Ｔ）・・・式４但し、Ｓ：メッキ膜の応力（Ｎ／ｍ² ）Ｅ：ヤング率（Ｎｉの場合は２．１×１０¹¹Ｎ／ｍ² ） α：線膨張係数（Ｎｉの場合は１．８×１０^-5／°Ｃ）Ｔ：温度（°Ｃ）したがって、上記の電解メッキによって作成したヒータ
部４は、内部応力を付与しない場合に比較して、１４．
６°Ｃだけ低温で変形を生じ、ヒータ部４の座屈温度Ｔ
ｃ及び加熱温度Ｔの低温化による耐久性の向上及び消費
電力の低減を図ることができる。

【００５５】図８は、この発明の第２の実施形態に係る
インクジェットヘッドの要部の構成を示す側面断面図で
ある。この実施形態に係るインクジェットヘッドは、ヒ
ータ部を２層及び３層構造としたものである。図８
（Ａ）に示すインクジェットヘッド１１では、ヒータ部
１４を上層１４ａ及び下層１４ｂの２層構造とし、上層
１４ａに予め引張応力を付与し、下層１４ｂに予め圧縮
応力を付与している。また、図８（Ｂ）に示すインクジ
ェットヘッド２１では、ヒータ部２４を上層２４ａ、中
間層２４ｂ及び下層２４ｃの３層構造とし、上層２４ａ
に予め引張応力を付与し、中間層２４ｂ及び下層２４ｃ
に予め圧縮応力を付与している。

【００５６】図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、ヒー
タ部１４，２４を多層構造とし、各層に異なる内部応力
を付与すると、温度上昇による圧縮応力が作用した際
に、ヒータ部１４，２４は多層構造の各層のうち、より
大きな圧縮応力が作用している層側に凸となる座屈変形
を生じる。これは、ヒータ部１４，２４が変形により各
層における応力の差異を解消して安定した状態を維持す
るためには、他の層に比較して大きな圧縮応力が作用し
ている層が他の層より大きく伸びる必要があり、ヒータ
部１４，２４は伸び量のより大きい層を外側として湾曲
するためである。したがって、ヒータ部１４及び２４
は、図示しない発熱体の加熱による温度上昇により、常
に上層１４ａ，２４ａよりも大きな圧縮応力が作用する
下層１４ｂ，２４ｃ側に凸となる座屈変形を生じ、ヒー
タ部１４及び２４を間隙１８及び２８を形成した基板１
２及び２２の上面に確実に接触させることができる。

【００５７】図９は、この発明の第１の実施形態に係る
インクジェットヘッドの製造方法を示す図である。な
お、図９（Ａ）〜（Ｈ）それぞれにおいて左から、各工
程におけるインクジェットヘッドの平面図、平面図にお
けるＹ−Ｙ部断面図、及び、平面図におけるＸ−Ｘ部断
面図である。この発明の第１の実施形態に係るインクジ
ェットヘッド１を製造する場合には、先ず、ガラス又は
金属を素材とする第１の基板２の上面に、ポリイミド又
はＡｌ等の間隙材料８ａをスピナー又はスパッタリング
等により、形成すべき間隙８の深さに応じた厚さ（例え
ば５μｍ）に成膜した後、その上面に間隙８の平面形状
に応じたフォトレジストのパターニングを施し、間隙材
料８ａを１規定のＮａＯＨ溶液等により間隙８の平面形
状を残してエッチングし、さらに、間隙８の平面形状の
上面に残留しているフォトレジストを剥離する。これに
より、基板２の上面に間隙材料８ａによって間隙８の立
体形状が形成される（図９（Ａ））。

【００５８】次に、間隙８の立体形状の間隙材料８ａを
含む基板２の上面に、ＳｉＯ₂ 等をスパッタリング等に
よって絶縁膜４ｃとして所定の厚さ（例えば０．１μ
ｍ）に成膜した後、フォトレジストを介してＣＦ₄ ガス
によるＲＩＥ（反応イオンエッチング）等の乾式エッチ
ングを行い、さらに、フォトレジストを剥離する。これ
により、基板２の上面において間隙部材の上面の一部８
ａを除く範囲に絶縁膜４ｃが形成される（図９
（Ｂ））。

【００５９】さらに、間隙部材８ａ及び絶縁膜４ｃを含
む基板２の上面に厚さ１００ÅのＴａ、及び、厚さ２０
０ÅのＮｉをこの順にスパッタリング等によって成膜し
た後、フォトレジストを介してエッチングを行い、さら
に、フォトレジストを剥離する。これにより、基板２の
上面において間隙部材の上面の一部８ａを除く範囲に、
絶縁膜４ｃと発熱体４ａを構成するＮｉとの密着性を向
上させるＴａ膜、及び、発熱体４ａを形成するメッキ処
理の下地であるＮｉ膜が形成される（図９（Ｃ））。な
お、間隙部材の上面において、絶縁膜４ｃ、Ｔａ膜及び
Ｎｉ膜は、平面形状における面積が徐々に狭くなるよう
に形成され、Ｎｉ膜の上面に形成される発熱体４ａが絶
縁膜４ｃによって確実に被覆されるようにしている。

【００６０】この後、間隙材料、絶縁膜４ｃ、Ｔａ膜及
びＮｉ膜を含む基板２の上面にネガタイプのフォトレジ
ストを発熱体４ａの膜厚に等しい厚さ（例えば６．５μ
ｍ）に塗布した後、形成すべき発熱体４ａの立体形状に
対応する形状にパターニングする。このとき、ネガタイ
プのフォトレジストを使用するのは、発熱体４ａをテー
パ状に形成するのに好適だからである。次いで、Ｎｉ膜
を電極とするスルファミン酸Ｎｉ浴により電流密度２０
ｍＡ／ｃｍ² 、ＰＨ４．４、温度５０°Ｃの条件下で電
解メッキを行い、基板２の上面においてパターニングさ
れたフォトレジスト３１以外の範囲に発熱体４ａの膜厚
でＮｉ層を形成する（図９（Ｄ））。図７に示すよう
に、上記条件下における電解メッキにより形成されたＮ
ｉ層には内部応力は生じない。

【００６１】さらに、Ｎｉ層の上面にフォトレジストを
所定の配線パターンにパターニングした後、Ｎｉ層を電
極とするスルファミン酸Ｎｉ浴により所定の条件下で電
解メッキを行い、Ｎｉ層の上面に発熱体４ａに対する所
定の厚さ（例えば１０μｍ）の配線４ｂを形成する（図
９（Ｅ））。

【００６２】以上の処理により、発熱体４ａ及び配線４
ｂを形成した基板２を、１規定のＮａＯＨ溶液に浸漬
し、フォトレジスト３１及び間隙部材８ａを除去する。
これによって、基板２の上面において発熱体４ａの底面
に対向する部分には、間隙部材８ａの膜厚に応じた深さ
の間隙８が形成される（図９（Ｆ））。

【００６３】次いで、フォトレジスト３１及び間隙部材
８ａを除去したＮｉ層の上面において配線４ｂの上面を
除く範囲に、フォトレジストを介してＳｉＯ₂ 又はＳｉ
Ｎ等をスパッタリング又は蒸着等により所定の厚さ（例
えば０．１μｍ）に成膜して保護膜４ｄを形成した後、
配線４ｂ上のフォトレジストをアセトン等を用いたリフ
トオフ法等によって除去する。これにより、基板２上に
ヒータ部４が形成される（図９（Ｇ））。

【００６４】この後、配線４ｂの一部及び保護膜４ｄの
一部の上面にポリイミド又はドライフィルム等を所定の
厚さ（例えば１０μｍ）の所定の形状に成膜して隔壁７
を形成し、隔壁７の上面にガラス等を素材とする第２の
基板３を接着した後、ノズル５ａを形成したノズルプレ
ート５を基板２及び基板３の端部に接着する。これによ
り、この発明の第１の実施形態に係るインクジェットヘ
ッド１が完成する（図９（Ｈ））。

【００６５】図１０は、上記第１の実施形態に係るイン
クジェットヘッドの別の製造方法を示す図である。な
お、図１０は、（Ａ），（Ｂ）のそれぞれにおいて左か
ら、各工程におけるインクジェットヘッドの平面図、平
面図におけるＹ−Ｙ部断面図、及び、平面図におけるＸ
−Ｘ部断面図を示している。この製造方法では、上面の
全面が熱酸化膜２ａによって覆われたＳｉの第１の基板
２の上面に図９（Ｂ）と同様の方法によって絶縁膜４ｃ
を形成し（図１０（Ａ））した後、図９（Ｃ）〜（Ｅ）
と同様の方法によってヒータ部４を構成するＴａ膜、Ｎ
ｉ膜、Ｎｉ層及び配線４ｂをこの順に形成する。次い
で、ヒータ部４の下方において基板２の上面から熱酸化
膜２ａをフッ酸（ＨＦ）によるエッチングによって除去
することにより、基板２とヒータ部４との間に間隙８を
形成する（図１０（Ｂ））。なお、絶縁膜４ｃ及び保護
膜４ｄは、ＨＦによりエッチングされることがないよう
にするため、ＳｉＮを素材として構成する必要がある。

【００６６】この製造方法によれば、間隙部材８ａを使
用することなく間隙８を形成することができ、インクジ
ェットヘッド１の製造工程を簡略化してコストダウンを
実現することができる。また、基板２の上面に形成され
る熱酸化膜２ａは、熱酸化の時間や加熱温度等の条件の
選択によって膜厚を１μｍ以下に制御することができる
ため、間隙８の深さを比較的浅くすることができ、放熱
効率を向上することができる。さらに、熱酸化膜２ａは
基板２の上面に均一の厚さに成膜し易く、製品の歩留り
を向上することができる。

【００６７】図１１は、この発明の第２の実施形態に係
るインクジェットヘッドの製造方法を説明する図であ
る。ヒータ部１４を内部応力の異なる多層構造とした第
２の実施形態に係るインクジェットヘッド１１を製造す
る場合には、図９（Ｄ）に示した発熱体４ａを構成する
Ｎｉ層の電解メッキ工程を、図７の関係に基づいて電流
密度を互いに異なる値に制御した状態で複数回に分けて
実行する。

【００６８】図９（Ｄ）に示した電解メッキ工程を、電
流密度１ｍＡ／ｃｍ² で膜厚３．５μｍの第１層４１を
作成する工程と、電流密度２０ｍＡ／ｃｍ² で膜厚３．
０μｍの第２層４２を作成する工程と、に分けてこの順
に行った場合、図１１（Ａ）に示すように、下側に位置
する第１層４１に約５５ＭＰａの圧縮応力が付与され、
上側に位置する第２層４２に内部応力が付与されないヒ
ータ部１４が形成される。これによって、加熱したヒー
タ部１４において第１層４１に作用する圧縮応力が第２
層４２に作用する圧縮応力よりも大きくなり、ヒータ部
１４は常に下方に凸となる変形を生じ、加熱によってヒ
ータ部１４の中央部が基板１２の上面に確実に接触す
る。

【００６９】これとは逆に、電解メッキ工程を、電流密
度２０ｍＡ／ｃｍ² で膜厚３．５μｍの第１層４１を作
成する工程と、電流密度１ｍＡ／ｃｍ² で膜厚３．０μ
ｍの第２層４２を作成する工程と、に分けてこの順に行
った場合、図１１（Ｂ）に示すように、上側に位置する
第２層４２に約５５ＭＰａの圧縮応力が付与され、下側
に位置する第１層４１に内部応力が付与されないヒータ
部１４が形成される。これによって、加熱したヒータ部
１４において第２層４２に作用する圧縮応力が第１層４
１に作用する圧縮応力よりも大きくなり、ヒータ部１４
は常に上方に凸となる弾性変形を生じる。

【００７０】このようにして、インクジェットヘッド１
１の構造や取付状態に応じて、ヒータ部１４の上方に位
置する図外の上側基板による放熱効果がヒータ部１４の
下方に位置する基板１２よりも大きい場合には、ヒータ
部１４を上側基板側に変形させることができる。即ち、
ヒータ部１４の作成に係る電解メッキ工程における電流
密度を制御することにより、基板１２及び上側基板のう
ち、放熱効率がより高い方にヒータ部１４を変形させる
ことができる。

【００７１】また、電解メッキ工程を、電流密度１ｍＡ
／ｃｍ² で膜厚３．５μｍの第１層４１を作成する工程
と、電流密度４０ｍＡ／ｃｍ² で膜厚３．０μｍの第２
層４２を作成する工程と、に分けてこの順に行った場
合、図１１（Ｃ）に示すように、下側に位置する第１層
４１に約５５ＭＰａの圧縮応力が付与され、上側に位置
する第２層４２に約５５ＭＰａの引張応力が付与された
ヒータ部１４が形成される。これによって、加熱したヒ
ータ部１４において第１層４１に作用する圧縮応力が第
２層４２に作用する圧縮応力よりも極めて大きくなり、
ヒータ部１４の中央部が基板１２の上面により確実に接
触する。

【００７２】

【発明の効果】この発明によれば、以下の効果を奏する
ことができる。

【００７３】(1) 第１の基板及び第２の基板に対して非
接触に配置された発熱体を、発熱時の熱応力によって第
１の基板又は第２の基板に接触する状態に弾性変形させ
ることにより、発熱体の発熱時に、発熱体に発生した熱
が基板を介して放熱されることがなく、発熱体に接触す
るインクを効率的に加熱することができる。また、発熱
体が発熱した後に、発熱体の熱を第１の基板又は第２の
基板を介して放熱させて発熱体を素早く冷却することが
でき、印字データに対するインクの吐出の応答性を向上
させることができる。

【００７４】(2) 発熱体の温度が所定温度まで上昇した
時に発熱体を弾性座屈によって急激に変形させることに
より、温度変化によって発熱体を第１の基板又は第２の
基板に素早く近接又は接触させることができ、発熱体を
素早く冷却することができる。

【００７５】(3) 発熱によって弾性変形を生じた発熱体
を第１の基板又は第２の基板に面接触させることによ
り、第１の基板又は第２の基板を介して発熱体から大量
の熱を放熱させ、発熱体をより素早く冷却することがで
き、印字データに対するインクの吐出の応答性をより向
上させることができる。

【００７６】(4) 発熱体における第１の基板又は第２の
基板との対向面内の少なくとも一方向についての両端部
を固定し、発熱時の弾性変形によって発熱体の両端部が
変位しないようにすることにより、発熱時に生じる弾性
変形によって発熱体の中間部が第１の基板又は第２の基
板に近接又は接触する方向に変位させることができ、発
熱体の熱を基板を介して確実に放熱させることができ
る。

【００７７】(5) 板状体の発熱体における第１の基板又
は第２の基板との対向面の全周を、第１の基板と第２の
基板との間に挟持し、発熱時の弾性変形によって発熱体
の周縁部が変位しないようにすることにより、発熱時に
生じる弾性変形により、発熱体の中央部を第１の基板又
は第２の基板に近接又は接触する方向に確実に変位させ
ることができ、発熱体の熱を基板を介してより確実に放
熱させることができる。

【００７８】(6) 発熱体を、インクが発泡する温度と略
等しい温度まで温度上昇した時に、弾性変形によって第
１の基板又は第２の基板に近接又は接触させることによ
り、発泡したインクがノズルから吐出された直後に第１
の基板又は第２の基板による放熱によって発熱体を冷却
することができ、インクの吐出が完了する前に発熱体の
温度が低下することがなく、印字データに対するインク
の吐出の応答性を向上させることができる。

【００７９】(7) 発熱前の発熱体に第１の基板又は第２
の基板との対向面内の一方向について圧縮方向の残留応
力を予め作用させておくことより、発熱時に加わる圧縮
方向の熱応力によって発熱体を確実に弾性変形させるこ
とができるとともに、発熱体に所定の弾性変形を生じさ
せるために発熱体が発生すべき温度を低くすることがで
き、消費電力を低減することができる。

【００８０】(8) 発熱体を多層構造の板状体によって構
成し、発熱前の発熱体に発熱時における弾性変形の方向
を規定する内部応力を予め作用させておくことにより、
発熱時に発熱体を予め定められた特定の方向に確実に変
形させることができる。

【００８１】(9) 発熱体を形成した後の第１の基板の上
面から間隙部材を除去することにより、発熱体と第１の
基板との間に間隙を形成し、第１の基板及び第２の基板
と発熱体との間に間隙を形成したインクジェットヘッド
を容易に製造することができる。

【００８２】(10)電解メッキ工程によってメッキ層であ
る発熱体に圧縮方向の内部応力を予め付与することによ
り、発熱体を確実に弾性変形させることができるインク
ジェットヘッドを容易に製造することができる。

【００８３】(11)メッキ層に付与される内部応力に影響
を与える電流密度が異なる電解メッキによって発熱体を
形成することにより、発熱時に発熱体を予め定められた
特定の方向に確実に変形させることができるインクジェ
ットヘッドを容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態に係るインクジェッ
トヘッドの構成を示す平面断面図及び側面断面図であ
る。

【図２】上記インクジェットヘッドにおけるヒータ部の
変形状態を示す側面断面の略図である。

【図３】同ヒータ部の温度と変位量との関係を示す図で
ある。

【図４】同ヒータ部の薄さと消費電力との関係を示す図
である。

【図５】同ヒータ部の薄さと加熱温度及び座屈温度との
関係を示す図である。

【図６】同ヒータ部の薄さと座屈温度、加熱温度及び消
費電力との関係を示す図である。

【図７】一般的なＮｉ電解メッキにおける電流密度とメ
ッキ層の内部応力との関係を示す図である。

【図８】この発明の第２の実施形態に係るインクジェッ
トヘッドの要部の構成を示す側面断面図である。

【図９】この発明の第１の実施形態に係るインクジェッ
トヘッドの製造方法を示す図である。

【図１０】上記第１の実施形態に係るインクジェットヘ
ッドの別の製造方法を示す図である。

【図１１】この発明の第２の実施形態に係るインクジェ
ットヘッドの製造方法を説明する図である。

【符号の説明】

１−インクジェットヘッド２，３−基板４−ヒータ部４ａ−発熱体４ｂ−電極４ｃ−絶縁膜４ｄ−保護膜５−ノズルプレート５ａ−ノズル８−間隙

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに対向してインクが充填される空間を
形成する第１の基板及び第２の基板間に発熱体を配置
し、発熱体に選択的に電圧を印加することにより空間内
のインクを加熱して発泡させ、ノズルから吐出させるイ
ンクジェットヘッドにおいて、発熱体が、第１の基板及び第２の基板との間のそれぞれ
に間隙を設けて配置されるとともに、発熱時の熱応力に
より生じる弾性変形によって第１の基板又は第２の基板
に接近又は当接することを特徴とするインクジェットヘ
ッド。
【請求項２】前記弾性変形が、発熱体が所定の温度に達
した時に生じる弾性座屈である請求項１に記載のインク
ジェットヘッド。
【請求項３】前記第１の基板又は第２の基板は、発熱体
との対向面が弾性変形後の発熱体が面接触する形状を呈
することを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジ
ェットヘッド。
【請求項４】前記発熱体は、第１の基板又は第２の基板
との対向面内の少なくとも一方向についての両端部が固
定された板状体であることを特徴とする請求項１乃至３
のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】前記発熱体は、第１の基板又は第２の基板
との対向面の全周にわたって第１の基板と第２の基板と
の間に挟持された板状体であることを特徴とする請求項
４に記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】前記発熱体は、インクが発泡する温度に略
等しい温度における熱応力によって弾性変形を生じるこ
とを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のイン
クジェットヘッド。
【請求項７】前記発熱体は、第１の基板又は第２の基板
との対向面内の一方向について圧縮方向の内部応力が予
め与えられていることを特徴とする請求項１乃至６のい
ずれかに記載のインクジェットヘッド。
【請求項８】前記発熱体は、発熱時に弾性変形を生じる
方向を規定する内部応力が予め与えられた多層構造の板
状体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか
に記載のインクジェットヘッド。
【請求項９】第１基板の上面に間隙部材及び発熱体をこ
の順に積層して形成した後に間隙部材を除去し、発熱体
の上面に所定の間隙を設けて第２基板を配置することを
特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項１０】前記発熱体の形成時に、メッキ層に圧縮
方向の内部応力を付与する電流密度による電解メッキ工
程を含むことを特徴とする請求項９に記載のインクジェ
ットヘッドの製造方法。
【請求項１１】前記発熱体の形成時に異なる電流密度に
よる電解メッキ工程を含むことを特徴とする請求項９に
記載のインクジェットヘッドの製造方法。