JP2883171B2 - 積層インクジェットプリントヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、インクジェットプリントの記録ヘッド、特
にサーマルインクジェットプリンタに用いられる記録ヘ
ッドに関するものである。

（従来の技術） 従来、インクジェットプリンタは、小型で低騒音であ
り、カラー代が容易であるなどの利点を有している。こ
れに用いられるインクジェットヘッドとしては、種々の
方式のものがあるが、特に、サーマルインクジェットプ
リントヘッドは、マルチノイズ化が容易であるなどの利
点を有している。

サーマルインクジェットプリントヘッドは、特開昭62
−33648号公報に記載されているように、ノズルとなる
溝を設けた基板と、発熱素子を設けた基板とを接合する
方法や、特開昭62−55155号公報に記載されているよう
に、溝と発熱素子とを設けた基板を互いに接合する方法
などが知られている。第３図は、ノズルとなる複数の溝
を設けた基板と、それに対応する複数の発熱素子を設け
た基板とを接合したサーマルインクジェットプリントヘ
ッドの断面図である。図中、1,2はシリコン等の材料の
基板、３は発熱素子、４はノズルである。ノズル４は、
基板１中に設けられた図示しないインク供給路に連通し
ており、常時インクが供給されている。発熱素子に印字
信号が与えられると、発熱素子に接したインクが急激に
気化してバブルとなり、その圧力でノズル４からインク
滴を吐出する。このようなサーマルインクジェットヘッ
ドは、ノズル４を形成した基板１と、発熱素子３を形成
した基板２とを接合することにより得られる。発熱素子
３とノズル４とは、それぞれの基板１、２に複数個形成
することが可能であり、両者は位置精度よく接合され
る。

しかし、カラー化等に際して、２枚の基板よりなるサ
ーマルインクジェットヘッドを、それぞれの基板面に対
して垂直方向に複数枚積層する場合、従来は、上下間の
ノズル位置の精度が取りにくく、また、ヘッド全体のサ
イズが大きくなる等の問題点を有していた。

また、インクジェットプリントヘッドにおいては、隣
合うノズル同士の間隔をピッチと言い、印字精度に大き
く影響を与えるものであるが、印字精度を上げるために
は、このピッチを小さくする必要がある。しかし、ノズ
ルや発熱素子の形状や印字に関する様々な条件などか
ら、このピッチの最小値に限界があり、ある程度以上の
印字精度は得られないという問題点も有している。

また、インクジェットプリントヘッドを用いて、階調
を表現することも行なわれている。階調表現の方法とし
ては、特開昭51−56133号公報，特開昭55−79162号公
報，特開昭61−293863号公報などに記載されているよう
に、１つの画素に対して、階調に応じた数のインク滴を
ノズルから吐出する方法が、従来から数多く知られてい
る。

しかしながら、１つのヘッドを用いて、同一の画素に
複数回の印字を行なう場合には、印字に時間がかかると
いう問題があり、また、階調数に応じた複数のヘッドを
並列に用いる場合には、印字時間は短くなるが、ヘッド
全体が大型となるという問題点があった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上述した問題点を解決するためになされた
もので、上面に発熱素子を形成した基板の下面にノズル
を形成することによって、位置精度良く積層化し、かつ
小型化した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。

（課題を解決するための手段） 本発明は、第１発明においては、少なくとも３枚の基
板より構成され、最上部の基板は、下面に液体を噴出す
るための液流路が設けられ、最下部の基板は、上面に発
熱素子が設けられ、中間部の基板は、上面に発熱素子が
設けられ、かつ、下面に液体を噴出するための液流路と
なる溝が設けられたインクジェットプリントヘッドにお
いて、中間部および最下部の基板は、その上面に発熱素
子駆動用の回路が形成されていることを特徴とするもの
であり、第２発明においては、少なくとも３枚の基板よ
り構成され、最上部の基板は、下面に液体を噴出するた
めの液流路が設けられ、最下部の基板は、上面に発熱素
子が設けられ、中間部の基板は、上面に発熱素子が設け
られ、かつ、下面に液体を噴出するための液流路となる
溝が設けられたインクジェットプリントヘッドにおい
て、基板に設けられた前記液流路と連通するインク供給
路が、互いに上下に連通していることを特徴とするもの
である。

（作 用） 本発明は、上面に発熱素子を有し、下面に液体を噴出
するための噴出口と該噴出口に連通した液体路を有する
基板を用いることにより、発熱素子と、噴出口との位置
精度を保証できるとともに、１枚の基板の上下にノズル
と発熱素子が形成されるから、この基板を積層した場合
に、１層当りの厚みを薄くできるものである。

（実施例） 第１図（Ａ）は、本発明の基本的構成の概略を説明す
るためのインクジェットプリントヘッドの断面図であ
る。第３図と同様な部分は、同じ符号を付して説明を省
略する。この基板構成においては、基板５と基板１とが
接合されている。基板５の上面は、従来のものと同様に
発熱素子３が設けられているが、その下面には基板１の
下面に設けられたノズル４と同様のノズルが形成され
る。したがって、基板５は、１枚の基板の上面に発熱素
子、下面にノズルが形成されるから、発熱素子とノズル
との相互の位置関係を精度良く形成することができる。

これに対して、基板１は後述するように基板５と同じ
製造工程で、発熱素子を形成する工程を省略するだけで
製造できるから、ノズル４の位置関係は、基板５におけ
る下面のノズル４と同じ精度で製造でき、したがって、
基板５における発熱素子基板１におけるノズル４との位
置関係の精度は、良好なものにできる。

なお、基板１における発熱素子の形成工程を省略せ
ず、基板１として、基板５と同じものを用いてもよい。

第１図（Ｂ）は、４層分のインクジェットプリントヘ
ッドの断面図である。

上述した発熱素子３とノズル４とが形成されている基
板５を３個用い、最上部に上述した基板１を用い、最下
部に基板５におけるノズルの形成を省略したものを用い
る。これらを積層して接合したもので、中間の基板の一
方の面に発熱素子、他方の面にノズルが形成されている
から、５枚の基板で４層の記録ヘッドが構成できる。し
たがって、２枚の基板からなるヘッドを４つ積層して８
枚の基板から構成される４層の記録ヘッドに比較して、
ヘッド全体の形状を著しく小型化することができる。な
お、最上部の基板１や、最下部の基板２にも、基板５と
同様の基板を用いてもよい。

基板２の製造も、基板５の製造工程において、発熱素
子の形成工程で終了してノズル部の形成工程を省略すれ
ばよく、全ての基板が同じ工程、もしくは、その一部を
省略した工程で製造できるので、きわめて精度よく製造
することができる。

第２図は、上述した第１図（Ｂ）の４層インクジェッ
トプリントヘッドをインク噴出口側から見た斜視図であ
る。１層のノズルは、多数設けられるが、その一部を省
略して図示した。このインクジェットプリントヘッド
は、カラープリンタ用のヘッドであり、各層のノズル4
1,42,43,44は、それぞれブラック、イエロー、マゼン
タ、シアンのインクのノズルである。各層間のノズルの
位置ずれは制度良く製造され接合されているから、噴出
された各色のインク間での色ずれを抑制することができ
る。また、単独ヘッドの４倍のノズル数を有するため、
一度に４倍のジェットの噴射が可能であり、これを単一
色のインクを用いて印字を行なう場合には、同時に４倍
のドット分の印字ができるから、印字速度の高速化を図
ることができる。

第４図は、ノズルと発熱素子を両面に有する基板の作
成方法を説明するための工程図である。（Ａ）図は、シ
リコンを材料とする基板51に発熱素子３を形成したもの
である。この図では、先ず、基板にピットを形成し、そ
の底部に発熱素子３を配置したものであるが、ピットを
設けることは必ずしも必要ではない。次いで、基板51の
全面にシリコン窒化膜８をLPCVD（Low Pressure Chemic
al Vapor Deposition）法により成膜し（（Ｂ）図）、
ホトリソプロセスを用いて、ノズルに該当する部分のシ
リコン窒化膜８を除去し（（Ｃ）図）、KOH等を用いて
エッチングすることにより、ノズルを形成する溝を作成
する（（Ｄ）図）。その後、CDE（Chemical Dry Etch）
でシリコン窒化膜を除去し、所望の基板51を得ることが
できる（（Ｅ）図）。

また、このように作成された基板は、基板上にホトリ
ソプロセスの際に設けたアライメントマークを利用し
て、相対位置の精度を良く張り合わせることができる。

第５図はインクジェットプリントヘッドの他の構成例
を説明するためのインク吐出口側から見た斜視図であ
る。

この構成例においては、３枚の基板1,5,2を用いて、
２層に配置されたノズル41,41,41・・・と、42,42,42・
・・を有している。各層のノズル間隔であるピッチは、
85μｍであり、約300SPI（Spot Per Inch）に対応す
る。ここで、２層間のノズルのずれを、42.5μｍにする
ことで、得られる印字精度は、42.5μｍ、すなわち、60
0SPIとなり、簡単に１層の場合の２倍の精度を得ること
ができる。したがって、各基板単独で得られるノズル間
ピッチより細かいピッチとなり、印字精度を向上させる
ことができるものである。

第６図乃至第９図は、基板を階調数に応じて積層化す
ることによって高速の階調表現を可能としたインクジェ
ットプリントヘッドの構成例を説明するためのものであ
る。図中、11はノズルを形成した基板、21は発熱素子及
び電極部を形成した基板、51〜53は中間部の基板、31〜
34は発熱素子、4,41〜43はノズル、6,61〜63はインク供
給口、71〜74は個別電極、8,9はシリコン窒化膜であ
る。

第６図は、２層分のインクジェットプリントヘッドの
断面図である。基板11は、下面にノズル４を有するとと
もにノズル４から基板の上面に貫通するインク供給口６
を有している。中間の基板51は、基板11と同様のノズル
41およびインク供給口61を有しており、上面に、第１図
で説明したと同様な発熱素子31を有している。しかし、
基板51のインク供給口61は、基板11より後部の位置に設
けられる。また、基板51の後部上面には、駆動用の個別
電極71が設けられ、発熱素子31の一端に接続される。最
下部の基板21は、上面に発熱素子32と個別電極72が設け
られる点は、基板51と同様であるが、ノズルおよびイン
ク供給口は省略できるものである。これらの基板を積層
して、小型の２層のインクジェットプリントヘッドが得
られる。

ここで、インク供給口６および61に同色のインクを供
給すれば、同時に２列分の印字ができるので、１層の場
合に比べて、最大約1/2の印字速度が達成できる。

第７図は本発明の他の実施例を説明するための４層イ
ンクジェットプリントヘッドを、ノズルを通る面で切断
した斜視図である。

この実施例では、第６図における中間部の基板51と同
様の基板51,52,53を用いて４層のインクジェットプリン
トヘッドを構成したものである。第１図（Ｂ）で説明し
たと同様に、各層のノズル4,41,42,43に、インク供給口
6,61,62,63から、適宜の色ののインクを供給することに
より、カラー印字を行なうことができる。

また、インク供給口6,61,62,63に同色のインクを供給
すうようにすれば、１層の場合に比べて印字速度の高速
化が実現できる。

あるいは、このインクジェットプリントヘッドを用い
て階調制御を行なうこともできる。すなわち、各層の印
字タイミングをヘッドの移動に同期してずらせることに
より、同一の画素に重ねてインクを吐出することがで
き、階調制御が達成できる。2000ドット１ラインを４階
調で階調制御を行なうようにすると、従来の１ヘッドを
用いる場合には、１ラインについて、 2000×４＝8000 ステップ分の時間が必要であるが、このヘッドを用いれ
ば、 2000＋３＝2003 ステップ分の時間で完了する。この様子を第８図に示
す。図中、Ｈは上述した４層のインクジェットプリント
ヘッド、Ｐは記録紙、ｐは印字位置である。インクジェ
ットプリントヘッドＨの移動に伴って、（Ａ）〜（Ｄ）
図の４ステップで同じｐ点に最大で４回の印字ができ、
４階調を実現できる。なお、ｐ点より先のドット位置に
も印字する場合は、（Ｂ）図、あるいは、（Ｃ）図，
（Ｄ）図において、それに対応した各層のノズルからも
同時に印字が行なわれる。

また、階調制御を行なわない場合は、単純に４倍の印
字速度が得られることは言うまでもない。

第９図は、第６図および第７図における発熱素子，電
極，ノズル，インク供給口を有する基板の作成方法を説
明するための工程図である。（Ａ）図は、シリコンを材
料とする基板51にLSIプロセスにより、発熱素子31及び
電極71を形成したところである。次いで、基板51の全面
にシリコン窒化膜８をLPCVDにより形成し、（（Ｂ）
図）、ホトリソプロセスを用いてノズルを形成する部分
のシリコン窒化膜８を除去し、（（Ｃ）図）、KOH等を
用いてエッチングしてノズル41を形成する（（Ｄ）
図）。さらに、インク供給口を形成するために、もう一
度、ホトリソプロセスによりシリコン窒化膜マスク９を
形成し（（Ｅ）図）、再びKOH等によりエッチングし
て、インク供給口61を形成する（（Ｆ）図）。その後、
CDEによって、シリコン窒化膜９を除去して、所望の基
板を得ることができる（（Ｇ）図）。なお、（Ｃ）図の
工程において、ノズルとインク供給口を形成する部分の
シリコン窒化膜８を同時に除去し、除去した部分の面積
を適当にすることにより、KOHによるエッチングの速度
を制御できるから、ノズル41とインク供給口61を一度の
工程で形成することもできる。本発明の実施例において
は、発熱素子を有する中間部の基板51,52,53、および、
最下部の基板21においては、基板上に駆動用の回路をLS
Iプロセスにより作成するようにした。そうすると、ヘ
ッド部への接続電極の数を大幅に減することができる。
駆動用のLSIは、第７図の実施例においては、基板後部
に形成してもよいが、ノズル内の一部に形成してもよ
い。もちろん、それ以外の基板表面の適宜の部分に形成
することができる。

第６図乃至第８図で説明した構成例は、数層分のイン
クジェットプリントヘッドを構成する場合に、第７図に
示すように、各基板51,52,53に、それぞれインク供給口
61,62,63と電極71,72,73を露出できるように形成しなけ
ればならないため、ノズル方向の長さが長くなることが
考えられる。

第10図，第11図は、多層にした場合においても、その
長さがさほど長くならないように考慮した実施例であ
る。図中、第６図，第７図と同様な部分には、同じ符号
を付して説明を省略する。

第10図は、２層に積層するための積層インクジェット
プリントヘッドの断面図である。第６図との対比から明
らかなように、この実施例においては、基板51のインク
供給口61の位置を基板11のインク供給口６の位置に合わ
せて、インク供給口61とインク供給口６とを上下に貫通
させたものである。階調制御などのように単一インクを
使用する場合は、各層のノズルに同じインクが供給され
るから、このようなインク供給口の配置を採用すること
ができる。第６図に示した積層インクジェットプリント
ヘッドに比べて、ノズル方向の長さを短くでき、記録ヘ
ッドの小型化が実現できる。

第11図は、ノズル列を４層とした実施例を説明するた
めのインクジェットプリントヘッドのノズルを通る面で
切断した斜視図である。この実施例は、上部基板11,下
部基板21と中間部の基板51,52,53によって、４階調の制
御に適したプリントヘッドを構成したものである。各層
のインク供給口6,61,62,63は上下に貫通して直結され、
インク供給口には同一のインクが供給され、各層のノズ
ルに分配される。インク供給口を貫通したことにより、
インクジェットプリントヘッドの小型化が実現できるこ
とは、第10図の実施例と同様である。もちろん、４ドッ
トを同時に印字して、印字速度の高速化を図るように用
いることもできる。

なお、基板の作成方法は、第９図で説明した工程と同
様の工程でもよいことは明らかである。

（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、上
面に発熱素子を有し、下面に液体を噴出するための噴出
口と該噴出口に連通した液体路を有する基板を用いるこ
とにより、発熱素子と、噴出口との位置精度を保証でき
るとともに、１枚の基板の上下にノズルと発熱素子が形
成されるから、この基板を積層した場合に、１層当りの
厚みを薄くできる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の基本的構成の概略を説明するための
インクジェットプリントヘッドの断面図、第２図は、第
１図（Ｂ）のインクジェットプリントヘッドの一実施例
の斜視図、第３図は、従来のインクジェットプリントヘ
ッドの断面図、第４図は、第３図のインクジェットプリ
ントヘッドの製造方法を説明するための工程図、第５図
は、他の構成例のインクジェットプリントヘッドの斜視
図、第６図は、他の構成例のインクジェットプリントヘ
ッドの断面図、第７図は、他の構成例および実施例を説
明するための４層インクジェットプリントヘッドを、ノ
ズルを通る面で切断した斜視図、第８図は、第７図の構
成例のインクジェットプリントヘッドを用いて階調制御
を行なう動作の説明図、第９図は、第７図のインクジェ
ットプリントヘッドの製造方法を説明するための工程
図、第10図は、他の実施例のインクジェットプリントヘ
ッドの断面図、第11図は、他の実施例の４層インクジェ
ットプリントヘッドを、ノズルを通る面で切断した斜視
図である。 1,11,2,21,51,52,53……基板、 3,31,32,33,34……発熱素子、 4,41,42,43……ノズル、 6,61,62,63……インク供給口、 71,72,73,74……電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−11168（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−198466（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B41J 2/05

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも３枚の基板より構成され、最上
   部の基板は、下面に液体を噴出するための液流路が設け
   られ、最下部の基板は、上面に発熱素子が設けられ、中
   間部の基板は、上面に発熱素子が設けられ、かつ、下面
   に液体を噴出するための液流路となる溝が設けられたイ
   ンクジェットプリントヘッドにおいて、中間部および最
   下部の基板は、その上面に発熱素子駆動用の回路が形成
   されていることを特徴とするインクジェットプリントヘ
   ッド。
2. 【請求項２】少なくとも３枚の基板より構成され、最上
   部の基板は、下面に液体を噴出するための液流路が設け
   られ、最下部の基板は、上面に発熱素子が設けられ、中
   間部の基板は、上面に発熱素子が設けられ、かつ、下面
   に液体を噴出するための液流路となる溝が設けられたイ
   ンクジェットプリントヘッドにおいて、基板に設けられ
   た前記液流路と連通するインク供給路が、互いに上下に
   連通していることを特徴とするインクジェットプリント
   ヘッド。