JP2003039681A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】濃度むらの殆どない良好な画像を記録すること
が可能な、高性能のインクジェットヘッドを提供する。 【解決手段】単結晶シリコンから成るベースプレート２
の上面に、絶縁層２ａを形成するとともに該絶縁層２ａ
上に多数の発熱抵抗体３及び一対の電極４を被着・配列
させたヘッド基板１と、前記発熱抵抗体３に対応した多
数のインク吐出孔７を有する天板６とを、間に所定の間
隙を形成するように配設するとともに、前記ヘッド基板
１−天板６間の間隙にインク８を充填してなるインクジ
ェットヘッドにおいて、前記絶縁層２ａを単結晶シリコ
ンよりも小さな熱伝導率を有した無機質材料により形成
するとともに該絶縁層２ａの厚みを、発熱抵抗体３の配
列方向中央域で両端域に比し薄く成すように形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、記録紙にインク滴
を所定パターンに付着させて画像を記録するインクジェ
ットヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、記録紙に画像を記録するため
の記録デバイスとしてインクジェットヘッドが用いられ
ている。

【０００３】このようなインクジェットヘッドの記録方
式には、インク滴を記録紙に向けて吐出させるのに発熱
抵抗体の発する熱エネルギーを利用するものや圧電素子
の変形を利用するもの、更には電磁波の照射に伴って発
生する熱を利用するもの等があり、これらの中でも発熱
抵抗体の熱エネルギーを利用するサーマルジェットタイ
プのものは、発熱抵抗体のパターン形成が容易である上
に、小さな面積の発熱抵抗体であっても比較的大きな熱
エネルギーを発生させることができることから、高密度
記録への対応に適したものとして注目されている。

【０００４】かかるサーマルジェットタイプのインクジ
ェットヘッドとしては、例えば図５に示す如く、単結晶
シリコンから成るベースプレート１２の上面全体に、酸
化シリコン等からなる絶縁層１２ａを形成するとともに
該絶縁層１２ａ上に多数の発熱抵抗体１３及び一対の電
極を被着・配列させたヘッド基板１１と、前記発熱抵抗
体１３と１対１に対応するインク吐出孔１７を有する天
板１６とを間に所定の間隙を形成するように配設すると
ともに、前記ヘッド基板１１−天板１６間の間隙にイン
ク１８を充填した構造のものが知られており、記録紙Ｍ
を天板１６の上面に沿って搬送しながら、ヘッド基板１
１の一対の電極間に所定の電力を印加し、発熱抵抗体１
３を選択的にジュール発熱させるとともに、該発熱した
熱により発熱抵抗体１３上のインク１８中に気泡Ａを発
生させ、この気泡発生の際の圧力でもってインク吐出孔
１７よりインク滴ｉを外部に吐出させて記録紙Ｍに付着
させることにより所定の画像が記録される。

【０００５】尚、前記絶縁層１２ａは、ベースプレート
１２と発熱抵抗体１３，一対の電極等とを電気的に絶縁
するためのものであり、その厚みはベースプレート１２
の上面全体にわたり略均一の厚み（２．０μｍ〜３．０
μｍ）に形成されていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のインクジェットヘッドにおいては、絶縁層１２
ａを形成する酸化シリコンの熱伝導率が、ベースプレー
ト１２を形成する単結晶シリコンの熱伝導率に比し極め
て小さい（酸化シリコンの熱伝導率：０．９０Ｗ／ｍ・
Ｋ、単結晶シリコンの熱伝導率：１６８Ｗ／ｍ・Ｋ）こ
とから、記録動作時、発熱抵抗体１３の発する熱の一部
は、絶縁層１２ａの内部に蓄積されるようになってお
り、特に発熱抵抗体１３の配列方向中央域で熱が籠もる
傾向がある。そのため、長時間にわたって記録動作を繰
り返すと、絶縁層１２ａの両端域と中央域とで温度差を
生じ、インク１８中で発生する気泡Ａの大きさ、インク
１８の吐出量にバラツキを発生するとともに絶縁層１２
ａの温度分布に対応した印画の濃度むらが形成される欠
点を有していた。

【０００７】本発明は上記欠点に鑑み案出されたもの
で、その目的は、濃度むらの殆どない良好な画像を記録
することが可能な、高性能の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】本発明のインクジェット
ヘッドは、単結晶シリコンから成るベースプレートの上
面に、絶縁層を形成するとともに該絶縁層上に多数の発
熱抵抗体及び一対の電極を被着・配列させたヘッド基板
と、前記発熱抵抗体に対応した多数のインク吐出孔を有
する天板とを、間に所定の間隙を形成するように配設す
るとともに、前記ヘッド基板−天板間の間隙にインクを
充填してなるインクジェットヘッドにおいて、前記絶縁
層を単結晶シリコンよりも小さな熱伝導率を有した無機
質材料により形成するとともに該絶縁層の厚みを、発熱
抵抗体の配列方向中央域で両端域に比し薄く成したこと
を特徴とするものである。

【０００９】また、本発明のインクジェットヘッドは、
単結晶シリコンから成るベースプレートの上面に、絶縁
層を形成するとともに該絶縁層上に多数の発熱抵抗体及
び一対の電極を被着・配列させたヘッド基板と、天板と
を、間にインク吐出孔を有するノズル部材を介して配設
するとともに、前記ヘッド基板−天板の間隙にインクを
充填してなるインクジェットヘッドにおいて、前記絶縁
層を単結晶シリコンよりも小さな熱伝導率を有した無機
質材料により形成するとともに該絶縁層の厚みを、発熱
抵抗体の配列方向中央域で両端域に比し薄く成したこと
を特徴とするものである。

【００１０】更に、本発明のインクジェットヘッドは、
前記絶縁層が、酸化シリコンから成ることを特徴とする
ものである。

【００１１】また更に、本発明のインクジェットヘッド
は、前記絶縁層が、略平坦に形成されたベースプレート
の上面を熱酸化法より所定の深さ領域まで酸化すること
により形成されていることを特徴とするものである。

【００１２】本発明のインクジェットヘッドによれば、
単結晶シリコンから成るベースプレートの上面に単結晶
シリコンよりも小さな熱伝導率を有した無機質材料から
なる絶縁層を形成するとともに該絶縁層の厚みを、発熱
抵抗体の配列方向中央域で両端域に比し薄く成したこと
から、絶縁膜の熱容量は中央域に比し両端域で大きくな
る。従って、絶縁層の中央域に熱が籠もろうとしても、
絶縁層中の熱量はその全域にわたって均一化され、発熱
抵抗体の発熱温度及びインク中に形成される気泡の大き
さを略一定に揃えることにより濃度むらの殆どない鮮明
な画像を形成することが可能となる。

【００１３】また、本発明のインクジェットヘッドによ
れば、前記絶縁層を、略平坦に形成されたベースプレー
トの上面を熱酸化法より所定の深さ領域まで酸化するこ
とにより、ベースプレート上面の絶縁膜を簡単に形成す
ることができる。従って、ベースプレート上に絶縁層を
別途膜付けする場合に比べ、製造工程を簡略化でき、イ
ンクジェットヘッドの生産性が向上する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に基づい
て詳細に説明する。図１は本発明の一形態にかかるイン
クジェットヘッドの分解斜視図、図２は図１のインクジ
ェットヘッドの縦断面図、図３は図１のインクジェット
ヘッドの横断面図であり、図１に示すインクジェットヘ
ッドは、大略的にヘッド基板１と天板６とで構成され、
この両部材の間にはインク８が充填されている。

【００１５】前記ヘッド基板１は、ベースプレート２の
上面に発熱抵抗体３や一対の電極４等を被着・形成した
構造を有している。

【００１６】前記ベースプレート２は、単結晶シリコン
により矩形状に形成されており、その略平坦な上面で発
熱抵抗体３や一対の電極４等を支持する支持母材として
機能するものである。

【００１７】また、前記ベースプレート２の上面には、
絶縁層２ａが形成され、該絶縁層２ａ上には多数の発熱
抵抗体３及び該発熱抵抗体３の両端に接続される一対の
電極４が被着・配列されている。

【００１８】前記絶縁層２ａは、ベースプレート２と発
熱抵抗体３，一対の電極４等とを電気的に絶縁するため
のものであり、ベースプレート２を形成する単結晶シリ
コンよりも小さな熱伝導率を有した無機質材料、例えば
酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）
等により形成され、酸化シリコンの熱伝導率は単結晶シ
リコンの熱伝導率に比し極めて小さい（酸化シリコンの
熱伝導率：０．９Ｗ／ｍ・Ｋ、単結晶シリコンの熱伝導
率：１６８Ｗ／ｍ・Ｋ）ため、発熱抵抗体３の発する熱
の一部が絶縁層２ａの内部に蓄積されるようになってい
る。

【００１９】また、前記絶縁層２ａは、その厚みが前記
発熱抵抗体３の配列方向の両端域に比し中央域で薄く成
すように形成されており（両端域の厚みが１．１μｍ〜
３．０μｍの場合、中央域の厚みは両端域の厚みの７１
％〜９３％に形成される）、絶縁膜２ａの熱容量は中央
域に比し両端域で大きくなっている。従って、絶縁層２
ａに蓄積される熱量を発熱抵抗体３の配列方向全域にわ
たって略均一となる。

【００２０】尚、前記ベースプレート２は、従来周知の
チョコラルスキー法（引き上げ法）等によって形成した
単結晶シリコンのインゴット（塊）を、所定厚みにスラ
イスすることにより製作される。また、前記絶縁層２ａ
は、従来周知の熱酸化法を採用することによりベースプ
レート２の上面に形成され、より具体的にはベースプレ
ート２の発熱抵抗体３の配列方向中央域にマスクを被着
させた状態で、従来周知の熱酸化法を採用することによ
り露出したベースプレート２の上面を所定の深さ領域ま
で酸化した後、上記マスクを取り外し、再度、従来周知
の熱酸化法を採用することによりベースプレート２の上
面全体を所定の深さ領域まで酸化することにより形成さ
れる。このように、絶縁層２ａを熱酸化法よりベースプ
レート２の上面を所定の深さ領域まで酸化することによ
り、ベースプレート上面の絶縁膜２ａを簡単に形成する
ことができる。従って、ベースプレート２上に絶縁層２
ａを別途膜付けする場合に比べ、製造工程が簡単で済
み、インクジェットヘッドの生産性が向上する。

【００２１】前記絶縁層２ａ上に被着されている多数の
発熱抵抗体３は、例えば６００ｄｐｉ（dot per inch）
の密度でベースプレート２の長手方向にわたって直線状
に配列されており、その各々がＴａＮやＴａＳｉＯ，Ｔ
ａＳｉＮＯ，ＴｉＳｉＯ，ＴｉＳｉＣＯ，ＮｂＳｉＯ等
の電気抵抗材料により形成されているため、この両端に
接続される一対の電極４介して電源電力が印加されると
ジュール発熱を起こし、インク８中に気泡Ａを発生させ
るのに必要な所定の温度となる。

【００２２】前記一対の電極４は、アルミニウム、銅等
の金属材料により所定パターンに形成されており、各発
熱抵抗体３にジュール発熱を起こさせるために必要な所
定の電力を印加する作用を為す。

【００２３】尚、前記発熱抵抗体３及び一対の電極４
は、従来周知の薄膜形成技術、具体的には、スパッタリ
ング、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術等
を採用し、前述の電気抵抗材料や金属材料を所定パター
ンに被着させることにより形成される。

【００２４】一方、前記天板６は、前記ヘッド基板１上
に、間に所定の間隙（例えば２０μｍ〜３００μｍ）を
形成するようにして略平行に配設される。

【００２５】前記天板６は、発熱抵抗体３と１対１に対
応する略円形状のインク吐出孔７を多数有しており、こ
れらのインク吐出孔７が前記発熱抵抗体３の真上に位置
するようにしてスペーサを介してヘッド基板１上に固定
される。

【００２６】また、前記多数のインク吐出孔７は、各々
が直径１０μｍ〜１００μｍの大きさに設定されてお
り、インクジェットヘッドの記録動作時、発熱抵抗体３
の発熱に伴いインク８中に気泡Ａが発生すると、この気
泡発生時の圧力でもってインク滴ｉをインク吐出孔７よ
り記録紙Ｍに向けて吐出するようになっている。

【００２７】尚、前記天板６は、モリブデン等の金属や
アルミナセラミックス等の電気絶縁性材料あるいは感光
性樹脂から成り、例えばモリブデンから成る場合、モリ
ブデンのインゴット（塊）を従来周知の金属加工法によ
って所定厚みの板体と成し、得られた板体に従来周知の
レーザー加工によってインク吐出孔７を厚み方向に穿設
することにより製作され、得られた天板６をヘッド基板
１上にスペーサを介して載置することで固定される。

【００２８】そして、ヘッド基板１−天板６間に形成さ
れる隙間にはインク８が充填される。

【００２９】前記インク８としては、例えば顔料タイプ
の水性インクや水性染料インク等が使用され、該インク
８は図示しないインクタンクからヘッド基板１−天板６
間に供給され、前述した発熱抵抗体３の発熱に伴う熱エ
ネルギーによってインク８中に気泡Ａが発生すると、該
気泡Ａによる圧力でもってインク８の一部がインク滴ｉ
となってインク吐出孔７より外部に吐出される。

【００３０】かくして上述したインクジェットヘッド
は、記録紙Ｍを天板６の上面に沿ってインク吐出孔７上
に搬送しながら、多数の発熱抵抗体３を外部からの画像
データに基づいて個々に選択的に発熱させ、この熱エネ
ルギーによって発熱抵抗体３上に気泡Ａを発生させると
ともに、該発生した気泡Ａによる圧力でもってインク８
の一部を天板６のインク吐出孔７より外部に吐出させ、
吐出したインク滴ｉを記録紙Ｍに付着させることによっ
て所定の画像が記録される。

【００３１】以上のような本実施形態のインクジェット
ヘッドにおいては、単結晶シリコンから成るベースプレ
ート２の上面に、単結晶シリコンよりも小さな熱伝導率
を有した無機質材料から成る絶縁層２ａを形成するとと
もに該絶縁層２ａの厚みを、発熱抵抗体３の配列方向両
端域に比し中央域で薄く成したことから、上述した如
く、絶縁膜２ａの熱容量は中央域に比し両端域で大きく
なり、絶縁層２ａの中央域に熱が籠もろうとしても、絶
縁層２ａ中の熱量はその全域にわたって均一化され、発
熱抵抗体３の発熱温度及びインク８中に形成される気泡
Ａの大きさを略一定に揃えることにより、濃度むらの殆
どない鮮明な画像を形成することが可能となる。

【００３２】尚、本発明は上述の形態に限定されるもの
ではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々
の変更、改良等が可能である。

【００３３】例えば、上述の実施形態においては、イン
ク吐出孔７を天板６に設け、インク吐出孔７を発熱抵抗
体３の真上に配置させるようにしたが、これに代えて、
インク吐出孔７を発熱抵抗体３に対してずらして配置さ
せるようにしても良いし、或いは、図４に示すような、
インク滴ｉをヘッド基板１のエッジより吐出させるエッ
ジシュータータイプのインクジェットヘッドに本発明を
適用するにあたり、インク吐出孔７’を天板６には設け
ず、ヘッド基板１の一端側で天板６’と直交する方向に
配設されるノズル部材９に穿設するようにしても構わな
い。

【００３４】また、上述の実施形態において、ベースプ
レート２上に発熱抵抗体３の発熱を制御するドライバー
ＩＣを搭載したり、或いは、前記発熱抵抗体３や前記一
対の電極４等を窒化珪素等からなる保護膜によって被覆
するようにしても良いことは言うまでもない。

【００３５】

【発明の効果】本発明のインクジェットヘッドによれ
ば、単結晶シリコンから成るベースプレートの上面に単
結晶シリコンよりも小さな熱伝導率を有した無機質材料
からなる絶縁層を形成するとともに該絶縁層の厚みを、
発熱抵抗体の配列方向中央域で両端域に比し薄く成した
ことから、絶縁膜の熱容量は中央域に比し両端域で大き
くなる。従って、絶縁層の中央域に熱が籠もろうとして
も、絶縁層中の熱量はその全域にわたって均一化され、
発熱抵抗体の発熱温度及びインク中に形成される気泡の
大きさを略一定に揃えることにより濃度むらの殆どない
鮮明な画像を形成することが可能となる。

【００３６】また、本発明のインクジェットヘッドによ
れば、前記絶縁層を、略平坦に形成されたベースプレー
トの上面を熱酸化法より所定の深さ領域まで酸化するこ
とにより、ベースプレート上面の絶縁膜を簡単に形成す
ることができる。従って、ベースプレート上に絶縁層を
別途膜付けする場合に比べ、製造工程を簡略化でき、イ
ンクジェットヘッドの生産性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一形態にかかるインクジェットヘッド
の斜視図である。

【図２】図１のインクジェットヘッドの縦断面図であ
る。

【図３】図１のインクジェットヘッドの横断面図であ
る。

【図４】本発明の他の形態にかかるインクジェットヘッ
ドの横断面図である。

【図５】従来のインクジェットヘッドの縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１・・・ヘッド基板、２・・・ベースプレート、２ａ・
・・絶縁層、３・・・発熱抵抗体、４・・・一対の電
極、６,６’・・・天板、７・・・インク吐出孔、８・
・・インク、９・・・ノズル部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単結晶シリコンから成るベースプレートの
   上面に、絶縁層を形成するとともに該絶縁層上に多数の
   発熱抵抗体及び一対の電極を被着・配列させたヘッド基
   板と、前記発熱抵抗体に対応した多数のインク吐出孔を
   有する天板とを、間に所定の間隙を形成するように配設
   するとともに、前記ヘッド基板−天板間の間隙にインク
   を充填してなるインクジェットヘッドにおいて、前記絶
   縁層を単結晶シリコンよりも小さな熱伝導率を有した無
   機質材料により形成するとともに該絶縁層の厚みを、発
   熱抵抗体の配列方向中央域で両端域に比し薄く成したこ
   とを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 【請求項２】単結晶シリコンから成るベースプレートの
   上面に、絶縁層を形成するとともに該絶縁層上に多数の
   発熱抵抗体及び一対の電極を被着・配列させたヘッド基
   板と、天板とを、間にインク吐出孔を有するノズル部材
   を介して配設するとともに、前記ヘッド基板−天板の間
   隙にインクを充填してなるインクジェットヘッドにおい
   て、前記絶縁層を単結晶シリコンよりも小さな熱伝導率
   を有した無機質材料により形成するとともに該絶縁層の
   厚みを、発熱抵抗体の配列方向中央域で両端域に比し薄
   く成したことを特徴とするインクジェットヘッド。
3. 【請求項３】前記絶縁層が、酸化シリコンから成ること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載のインクジ
   ェットヘッド。
4. 【請求項４】前記絶縁層が、略平坦に形成されたベース
   プレートの上面を熱酸化法より所定の深さ領域まで酸化
   することにより形成されていることを特徴とする請求項
   ３に記載のインクジェットヘッド。