JP2958502B2

JP2958502B2 - インクジェット記録ヘッド

Info

Publication number: JP2958502B2
Application number: JP28574891A
Authority: JP
Inventors: 雅樹片岡
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1991-10-05
Filing date: 1991-10-05
Publication date: 1999-10-06
Anticipated expiration: 2014-10-06
Also published as: JPH0596735A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数のインク流路とノ
ズル口を有するインクジェット記録ヘッドにおいて、改
良されたノズル構造を有するインクジェット記録ヘッド
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ノン・インパクトの記録方法は、低騒音
という点で近年プリンタをはじめとする出力方法に多く
採用されている。中でも、インクジェット記録方式は、
インクの持つ発色性の良さや、低コスト化、小型化の可
能性を持ち、注目を集めている記録方法である。

【０００３】この方式のインクジェット記録ヘッドは、
特開昭６１−２３０９５４号公報や特開平１−１６６９
６５号公報に記載されているように、ヒーター基板とチ
ャンネル基板とから構成されるのが普通である。その作
製方法を説明する。

【０００４】研磨されたウェハであるＳｉ基板上に、蓄
熱層としてＳｉＯ₂を着膜し、ヒーターとなるｐｏｌｙ
−Ｓｉを着膜後、パターニングする。さらに配線となる
Ａｌをパターニングし、ヒーターおよび配線の保護層を
着膜し、パターニングして、ヒーター基板が形成され
る。さらに、その上に感光性ポリイミドを用いてピット
層を形成する場合もある。

【０００５】一方、別のウェハである研磨されたＳｉ基
板に、異方性エッチング（ＯＤＥ）により、インク流路
（チャンネル）とインク室を形成して、チャンネル基板
が作製される。

【０００６】これら２枚のヒーター基板、チャンネル基
板を位置合わせ後、接着し、ダイシングによって１個の
プリントヘッドチップに分離される。

【０００７】図９は、上述した方法により作製されたピ
ット層を有するプリントヘッドチップの一部を切断した
斜視図である。図中、１はチャンネル基板、２はヒータ
ー基板、３はヒーター、４は気泡、５はピット、６はイ
ンク室、７はインク流路、１０はノズル口、１１はイン
ク滴、１２は電極、１３はボンディングパッド、１４は
感光性樹脂層である。なお、この図では、ヒーター３や
電極１２の保護層等の図示は省略した。ヒーター３は、
ヒーター基板２に複数個が形成され、チャンネル基板１
には、ヒーター３に対応してノズル口１０が開放された
インク流路が形成されている。各ノズル口１０において
インクは保持され、ノズル口毎に分離されたインクメニ
スカスを形成している。

【０００８】このようなインクジェット記録ヘッドにお
ける問題点としては、インクの噴射動作または外的要因
によって、インクがノズル口１０から流出し、インクメ
ニスカスの形状が変化し、崩壊することにより、インク
滴の飛翔方向のズレが発生したり、記録紙面に流出して
付着したりすることにより、印字品質が悪化するといっ
た問題があった。

【０００９】また、ノズル口を形成している材料の印字
特性に及ぼす影響も大きい。図１０は、図９のノズル口
近傍の正面図である。上述したように、チャンネル基板
１およびヒーター基板２はＳｉ基板で形成され、ヒータ
ー基板２には、感光性ポリイミド等の感光性樹脂層１４
が設けられている。したがって、ノズル口１０は、Ｓｉ
と感光性樹脂により取り囲まれ、したがって、ノズル口
は、異なる材料で構成されていることになる。

【００１０】材料が異なると、親インク性が相違するの
が普通である。図１１は、親インク性に差がある材料で
インク流路およびノズル口が構成された場合のインク滴
の飛翔状態の説明図である。感光性樹脂層１４が親イン
ク性が大きく、チャンネル基板１が親インク性が小さい
から、インク滴１１は、感光性樹脂層１４側に片寄る傾
向を示し、インク滴の飛翔方向にズレが発生したり、イ
ンク滴の尾が曲がるために、印字ドットの位置、形状が
乱れ、印字画質が悪化していた。

【００１１】これら対策として、特開昭５８−１７５６
６６号公報に記載されているように、ノズル面を表面処
理することが提案されている。しかしながら、表面処理
剤によって、表面処理を行なう際に、ノズル内に表面処
理剤が入ることなくノズル口の周囲の表面に均一に表面
処理剤を塗布することは、非常に困難であり、記録ヘッ
ドの低価格化に大きな障害であった。

【００１２】他の方法として、特公平２−２５３３５号
公報に記載されているように、ノズル口を全て感光性樹
脂のような同一材料で形成する方法も提案されている。
図１２は、ヒーター基板２の上に、配線部の保護層とし
て感光性樹脂層１４を形成し、天板１６には感光性樹脂
層１５によりインク流路を形成し、両者を貼り合わせて
ノズル口１０を形成したものである。この場合は、イン
ク流路およびノズル口が、同一材料である感光性樹脂に
より形成されているので、ノズル口周囲の材料の親イン
ク性に差はない。しかしながら、一般に感光性樹脂のよ
うな材料は、親インク性が高いことにより、インク流出
が発生しやすく、インクメニスカスが安定的に形成でき
ない。また、ノズル口の形状が角部を有することから、
インク滴の尾が、四角形のどこかの角に引っ張られやす
くなる。これにより印字画質が悪化していた。

【００１３】これらの問題点を改善した構成として、ル
ーフシューター型と呼ばれているものがある。図１３
は、ルーフシューター型の一例である。（Ａ）図は正面
図、（Ｂ）図は（Ａ）図のＢ−Ｂ断面図である。この例
は、特開昭和６１−４９７３４号公報，特開昭６２−２
５３４５６号公報，特開昭６３−２７２５５８号公報等
に記載されている。これは、ノズルプレート１７にスリ
ット状のノズル口１０を形成したものである。この構成
は、作製が容易であり、また、高密度化が可能である。
しかしながら、隣接のドットのインクの吐出の影響を受
けやすく、また、スリット方向でのインクの吐出方向性
が悪いという問題点がある。

【００１４】

【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、安定的なインク
メニスカスを形成し、容易に作製可能で、高速印字可能
なノズル構造を有するインクジェット記録ヘッドを提供
することを目的とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、複数のインク
流路と、該インク流路上に圧力発生手段を有するインク
ジェット記録ヘッドにおいて、前記インク流路の開口部
の周壁と間隔をおいて開口を有する板部材を設けて、前
記開口部の周壁と前記板部材との間に溝またはスリット
を形成し、該溝またはスリットの毛細管力によって保持
されるインクがインクメニスカスに対してダンパーの役
目を果たすようにしたことを特徴とするものである。

【００１６】前記溝またはスリットは、ノズル口側にお
いて、複数のインク流路間に共通となるように形成する
ことができる。

【００１７】

【作用】図７により本発明の作用を説明する。図７は、
ノズル口近傍の断面図であり、図中、７はインク流路、
９はスリットまたは溝、１１はインク滴、１８はインク
である。スリットまたは溝９は、ここではスリットとし
て説明する。（Ａ）図は、定常状態のインクメニスカス
状態を表している。スリット９には、その毛細管力でイ
ンクが保持されている。インク流路７にインク噴射用エ
ネルギーが与えられると、（Ｂ）図に示すように、メニ
スカスは急激に成長する。インク滴１１を噴射した直後
には、（Ｃ）図に示すように、インクメニスカスが大き
く後退するが、スリット９に毛細管力で保持されている
インクが、インク流路７内に引き込まれることにより、
後退する量を減少させることができる。次に、インクが
図示しないインク室よりインク流路７を経由して供給さ
れるが、通常は、インクの慣性力によって、メニスカス
は、（Ａ）図に示す定常状態以上に成長してしまい、イ
ンクの流出の原因となっている。本発明によれば、
（Ｄ）図に示すように、インク流路７に直交するスリッ
ト９の毛細管力により、インクがスリット内に引き寄せ
られるため、メニスカスの成長しすぎる量は、小さく抑
えられる。その後、メニスカスは、小さな振動を伴いな
がら、（Ｅ）図の定常状態へ収束し、（Ａ）図へ戻る。

【００１８】図８は、時間（ｔ）とインクメニスカス位
置の変動の状態を示す。従来例の変動状態を点線で図示
したが、インクの再供給時のメニスカス位置の変動が大
きくなっている。このような状態であると、メニスカス
の端部を保持する材料によるインク接触角と、インクの
表面張力およびノズル口の径とで決定される保持可能な
メニスカスの限界位置に近いから、なんらかのトリガー
によって、容易にインクの流出が発生してしまう。これ
に対して、本発明によるインクメニスカスの変動状態
は、図８の実線に示すように、インクの再供給時のメニ
スカス位置の変動は、非常に小さくなっている。これ
は、図７で説明したように、インクメニスカスが形成さ
れる部分の近傍にスリットまたは溝が形成されているこ
とにより、メニスカスの限界位置に対してのマージンが
大きくなり、安定であるということができる。この現象
は、インク噴射時のみではなく、外部からの衝撃等に対
しても同様のことがいえる。

【００１９】メニスカスの振動がほぼ停止するまでの時
間Ｔは、安定噴射の印字周波数ｆを決定するものであ
る。すなわち、ｆ≦１／Ｔの関係にあるから、Ｔが大きい記録ヘッドにおいては、
印字周波数の限界値は小さくなり、高速印字を行なうこ
とはできない。本発明のＴ₁は、従来例のＴ₂に対し
て、Ｔ₁＜Ｔ₂ であり、メニスカスの振動がほぼ停止するまでの時間が
短くなっている。

【００２０】以上説明したように、本発明によれば、ノ
ズル口付近でインク流路にほぼ直交した溝またはスリッ
トの毛細管力によって保持されるインクがダンパーの役
割を果たし、インクメニスカスの変動量を小さく抑える
ために、ノズル口でのインク流出が発生しにくく、高品
位で安定的な印字を行なうことができるとともに、イン
ク噴射後にインクメニスカスを定常状態へ回復するまで
の時間が短くなるため、高速な印字が可能となる。

【００２１】

【実施例】図１は、本発明のインクジェット記録ヘッド
の参考例を説明するためのもので、（Ａ）図は正面図、
（Ｂ）図は（Ａ）図のＢ−Ｂ断面図である。図中、１は
チャンネル基板、２はヒーター基板、３はヒーター、５
はピット、６はインク室、７はインク流路、９ａは溝、
１０はノズル口、１４は感光性樹脂層、Ｃ_Wはインク流
路幅、Ｃ_Hはインク流路高さ、Ｄ_Wは溝幅である。この
実施例では、ヒーター基板２には、複数のヒーター３が
形成され、ヒーター部を開口してピット５を形成した感
光性樹脂層１４が設けられている。チャンネル基板１に
は、ヒーター３に対応した溝がインク流路７として形成
され、インク溜め用凹部として形成されたインク室６に
連通している。インク流路７内には、ヒーター３の位置
よりインク吐出側に、インク流路７とほぼ直角に溝９ａ
が設けられている。インク流路７には、それぞれ隔壁が
設けられ、隣接するインク流路とは独立しているが、溝
９ａは、ノズル並び方向に複数のインク流路７にまたが
って設けられているが、すべてのインク流路７にまたが
った溝として形成するのがよい。この溝９ａは、ヒータ
ー基板２とチャンネル基板１とを接合する前に、切削加
工によりあらかじめ形成したものである。溝幅Ｄ_Wは、
インク流路７の高さＣ_Hおよび幅Ｃ_Wよりも狭く選択さ
れている。これら両基板が接合されてインクジェット記
録ヘッドが構成されている。溝９ａを設けたことによ
り、上述した作用を達成することができる。

【００２２】図２は、本発明のインクジェット記録ヘッ
ドの第１の実施例を説明するためのもので、（Ａ）図は
正面図、（Ｂ）図は（Ａ）図のＢ−Ｂ断面図である。図
中、図１と同様な部分には同じ符号を付して説明を省略
する。８は板部材、９ｂは溝、１５は感光性樹脂層であ
る。この実施例においても、ヒーター基板２には、複数
のヒーター３が形成され、ヒーター部を開口してピット
５を形成した感光性樹脂層１４が設けられている。しか
し、感光性樹脂層１４は、ウェハの切断位置よりヒータ
ー側にパターニングされている。チャンネル基板１に
は、インク室６となる凹部が形成され、さらに、感光性
樹脂層１５が設けられて、各ヒーター３に対応してイン
ク流路７が形成されるよう、インク流路壁が形成されて
いる。感光性樹脂層１５の先端部も、感光性樹脂層１４
と同じく、ウェハの切断位置よりヒーター側にパターニ
ングされている。これら両基板を接合して切断した後、
インク流路７に対応したノズル口１０が設けられた板部
材８をインク吐出口の側面に接合して、インクジェット
記録ヘッドが作製される。感光性樹脂層１４，１５が切
断面より後退していることにより、感光性樹脂層１４，
１５の先端面と板部材８の内面との間に溝９ｂが形成で
きる。板部材８は、撥インク性材料を用いるか、また
は、撥インク性処理した材料を用いるのが好ましい。

【００２３】この実施例によれば、インク流路７を取り
巻く壁および溝９ｂの手前部は、すべて親インク性のよ
い感光性樹脂層で形成されている。また、感光性樹脂層
１４，１５の先端面は、パターニングで形成されるか
ら、溝の内面が、切削による場合と異なり、精度よく形
成でき、工数の増加もないという利点がある。また、２
枚の基板を張り合わせた後の切断工程において、切削す
る部分には感光性樹脂層がなく、同一の材質であるか
ら、切削が容易であるとともに、多少の欠け等が発生し
ても、印字特性に影響しないため、作製歩留まりが大き
く上昇できる。

【００２４】図３は、本発明のインクジェット記録ヘッ
ドの第２の実施例を説明するためのもので、（Ａ）図は
正面図、（Ｂ）図は（Ａ）図のＢ−Ｂ断面図である。図
中、図１，図２と同様な部分には同じ符号を付して説明
を省略する。１９は板部材に形成された開口、２０は共
通メニスカスである。この実施例のヒーター基板２は、
第２の実施例と同様に、複数のヒーター３が設けられた
基板上に、ヒーター部を開口し、切断位置よりヒーター
側にパターニングされた感光性樹脂層１４が設けられて
いる。チャンネル基板１は、図４に示すように、Ｓｉ基
板に、インク室６となる凹部と、インク流路７となる溝
を異方性エッチングにより形成し、切断位置の手前で、
ヒーター基板２の感光性樹脂層１４の先端に対応する位
置に、エッチング面方向より切削により溝９ａを形成す
る。ついで、これら両基板を接合して切断した後、ノズ
ル口の並び方向に長い開口１９が設けられた板部材８を
切断面に接合して、インクジェット記録ヘッドが作製さ
れる。ヒーター基板２の感光性樹脂層１４が、切断面よ
り後退していることと、ならびに、チャンネル基板１に
切削による溝９ａを形成したことにより、板部材８の内
面との間に溝９ａ，９ｂが形成でき、長い開口１９に共
通メニスカス２０が形成できる。板部材８は、撥インク
性材料を用いるか、または、撥インク性処理した材料を
用いるのが好ましい。

【００２５】この実施例によれば、切削溝により形成さ
れた面、および、切断により形成された面に、多少の欠
け等が発生しても、印字特性に影響しないため、作製歩
留まりが大きく上昇できる。

【００２６】図５は、本発明のインクジェット記録ヘッ
ドの第３の実施例を説明するためのもので、（Ａ）図は
正面図、（Ｂ）図は（Ａ）図のＢ−Ｂ断面図である。図
中、図１乃至図３と同様な部分には同じ符号を付して説
明を省略する。９ｃはスリット、２１はスペーサ部材で
ある。この実施例では、まず、複数のヒーター３が設け
られたヒーター基板２と、インク室６となる凹部および
インク流路７となるインク流路用溝が形成されたチャン
ネル基板１とを接合し、接合された２枚の基板を所定の
位置で切断する。ついで、ノズル面に、スペーサ部材２
１を形成した後、開口１９が形成された板部材８を、接
合または押し当てして作製される。開口１９は、ノズル
口１０の並び方向に長く、幅がノズル口１０の高さより
大きいように、板部材８に形成される。これにより、図
５に示すように、ノズル口１０の並び方向において、複
数のインク流路７に共通なインクメニスカス２０が形成
できることになる。スペーサ部材２１は、複数設けら
れ、切断面と板部材８との間に隙間を形成するために設
けられるもので、この隙間がスリット９ｃとして毛細管
力によりインクを保持し、上述したように、安定的にメ
ニスカスを形成できることになる。また、板部材８とし
て、撥インク性材料を用いるか、または、撥インク性処
理した材料を用いることにより、さらに、インクメニス
カスの安定化を図ることができる。

【００２７】図６は、図５で説明した第３の実施例にお
けるインク吐出過程の説明図である。（Ａ）図は、定常
状態であり、ノズル口１０の前面に共通のメニスカス２
０が形成されている。ヒーター３に印字信号が与えられ
ると、（Ｂ）図に示すように、気泡４が発生し、（Ｃ）
図に示すように、気泡４の急激な成長によって、インク
は、共通メニスカス２０を突き破って突出する。気泡に
より押し出されたインクが、インク的として分離する寸
前においても、（Ｄ）図に示すように、インクはどちら
かに引き寄せられることはない。すなわち、インク滴が
形成される局部では、周囲はすべてインクであるから、
従来のように、インク滴が形成される周囲の部材の親イ
ンク性の差による問題を引き起こすことはない。（Ｅ）
図に示すように、インク滴１１が吐出されるが、インク
滴の吐出方向は均一な所定の方向となる。インク吐出後
のインクのリフィルにおいても、図７で説明したよう
に、スリットの毛細管力によるインク保持作用により、
メニスカスが安定した状態で形成できる。

【００２８】

【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、インクメニスカスが安定に形成されるから、
均一で、高品質、高精度、かつ、高速印字が可能なイン
クジェット記録ヘッドが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット記録ヘッドの参考例
の説明図である。

【図２】本発明のインクジェット記録ヘッドの第１の
実施例の説明図である。

【図３】本発明のインクジェット記録ヘッドの第２の
実施例の説明図である。

【図４】図３のチャンネル基板の斜視図である。

【図５】本発明のインクジェット記録ヘッドの第３の
実施例の説明図である。

【図６】図５におけるインクの吐出過程の説明図であ
る。

【図７】本発明のインクジェット記録ヘッドの作用の
説明図である。

【図８】図７のインクメニスカス位置の時間経過を示
す線図である。

【図９】従来のインクジェット記録ヘッドの一部を切
断した斜視図である。

【図１０】図９のノズル口近傍の正面図である。

【図１１】従来のインクジェット記録ヘッドにおける
インク滴の飛翔状態の説明図である。

【図１２】従来のインクジェット記録ヘッドの一例の
ノズルの説明図である。

【図１３】従来のインクジェット記録ヘッドの他の例
のノズルの説明図である。

【符号の説明】

１…チャンネル基板、２…ヒーター基板、３…ヒータ
ー、５…ピット、６…インク室、７…インク流路、８…
板部材、９，９ａ，９ｂ…溝、９ｃ…スリット、１０…
ノズル口、１４，１５…感光性樹脂層、１９…開口、２
０…共通メニスカス、２１…スペーサ部材。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のインク流路と、該インク流路上に
圧力発生手段を有するインクジェット記録ヘッドにおい
て、前記インク流路の開口部の周壁と間隔をおいて開口
を有する板部材を設けて、前記開口部の周壁と前記板部
材との間に溝またはスリットを形成し、該溝またはスリ
ットの毛細管力によって保持されるインクがインクメニ
スカスに対してダンパーの役目を果たすようにしたこと
を特徴とするインクジェット記録ヘッド。