JPH0473153A - インクジェットプリンタヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はバブルジェット方式やピエゾ方式などのインク
ジェットプリンタヘッドに関するものである。

従来の技術 近年、静粛で高密度印刷が可能なプリンタヘッドとして
インクジェットプリンタヘッドが開発された。これは、
所定の圧力発生手段でオリフィスからインク滴やインク
蒸気を吐出させて印刷用紙に定着させるもので、圧力発
生手段として電歪素子を利用したピエゾ方式の他、圧力
発生手段として発熱素子を利用するサーマル方式やバブ
ルジェット方式等が提案されている。これらの方式では
サーマルヘッドに関する既存の技術を応用することがで
きるため、簡易に高性能なインクジェットプリンタヘッ
ドを得られる方式として期待されている。

ここで、バブルジェット方式のインクジェットプリンタ
ヘッドとは、オリフィス後方の圧力室内に充填したイン
クの一部を瞬間的に加熱して蒸発させ、形成される気泡
の体積変化による圧力でインク滴をオリフィスから吐出
させるようになっている。

上述のようなインクジェットプリンタヘッドの形態とし
ては各種のものが考えられるが、例えば、圧力発生手段
と圧力室を形成する隔壁とを備えた第一のプレートとオ
リフィスが形成された第二のプレートとを別個に形成し
て接合したような構造のインクジェットプリンタヘッド
が特開昭５８−８．６５９号公報、特開昭５９−２０７
２６１号公報、Ｕ　Ｓ　Ｐ４，７１６゜４２３、Ｕ　Ｓ
　Ｐ４，７７９，０９９等に開示されている。このよう
な構造のインクジェットプリンタヘッドの第一のプレー
トは既存のサーマルヘッドと同様に製作することが可能
であるが、装置の性能を左右する第二のプレートの製作
方法としては各種の提案が行なわれている。

例えば、特開昭５５−１６０７０号公報や特開昭５５−
１６０７１号公報等に開示された提案では、単結晶シリ
コンの異方性エツチングを利用して先端部が細く末端部
が拡開したオリフィスを形成し、流体特性が良好な第二
のプレートを製作するようになっている。また、特開昭
５８−８６５９号公報には第二のプレートの製作方法と
して切削加工とフォトエツチングとを組合わせることや
電鋳を利用することが提案されている。さらに、Ｕ　Ｓ
　Ｐ４，７１６，４２３には電鋳を利用することで先端
部が細く末端部か拡開したオリフィスを備えた第二のプ
レートを製作することが提案されており、Ｕ　Ｓ　Ｐ４
，４１２，２２４には感光性樹脂の利用が提案されてい
る。

ここで、本出願人が特願平１−２９４２４０号において
提案したインクジェットプリンタヘッドを先行技術とし
て第８図ないし第１３図に基づいて説明する。このイン
クジェットプリンタヘッド１の主要構造は、第１θ図及
び第１１図に例示するように、基板２と圧力室層３と供
給路層４及びオリフィス板５が順次積層された構造とな
っている。そして、第８図に例示するように、このオリ
フィス板５にアレイ状に連続形成されたオリフィス６と
前記基板２の表面に形成された圧力発生手段である発熱
抵抗体７とが各々同軸上に位置しており、この発熱抵抗
体７を略中心とする矩形環状の隔壁８が形成された前記
圧力室層３により前記オリフィス６の軸心に対して対称
形の圧力室９が形成され、この圧力室９と対向する部分
が開口した前記供給路層４により前記オリフィス６の軸
心に対して全周方向に開口したインク供給路１０が形成
されている。なお、このインクジェットプリンタヘッド
１では、前記圧力室層３の隔壁８間にインク貯蔵室１１
が形成されており、このインク貯蔵室１１に連通したイ
ンク補給孔１２が前記基板２に形成されている。

つぎに、上述のような構造のインクジェットプリンタヘ
ッド１の各部の構造を製造方法と共に以下に詳述する。

まず、第１２図に例示するように、前記基板２は厚さ０
．１−１．０（ｍｍ）程度の放熱性が良好なＳｉウェハ
ー等で形成されており、この表面に厚さ２．０（μｍ）
程度のＳｉｎ、やＡｌ、０３などからなる蓄熱層１３を
形成する。つぎに、この上に厚さ０．４（μｍ）のＴａ
ＡＱやＴａＮをスパッタリングしてエツチングでパター
ニングすることで前記発熱抵抗体７となる厚さ０．４（
μｍ）の抵抗層１４を形成し、同様に厚さ０．５（μｍ
）のＡＱからなる共通電極１５と個別電極１６とを各々
形成する。次に、これらの上に厚さ０．３（μｍ）程度
のＳｉ、Ｎ、やＳｉｎ、からなる第一の保護膜１７と厚
さ０．２（μｍ）程度の耐キャビテーション性が良好な
Ｔａからなる第二の保護膜１８とを各々ＣＶ　Ｄ　（Ｃ
ｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法
やスパッタリングで順次積層形成する。

なお、上述のようにして形成された発熱抵抗体７の形状
は、例えば、６０　Ｘ　６０　（μｍ）の正方形になっ
ている。また、以下の説明では、前記基板２とは上述の
各部材１３〜１８が形成された状態のものを意味する。

そして、上述のようにして発熱抵抗体７等が形成された
基板２上に前記圧力室層３が形成されることになる。こ
の圧力室層３は、第１３図（ａ）。

（ｂ）に例示するように、前記基板２上に塗布して半キ
ユア（乾燥）させた厚さ３０（μｍ）の感光性樹脂の一
つである感光性ポリイミド１９を光パターニングして前
記隔壁８と外周部２０とを形成し、前記圧力室９と前記
インク貯蔵室１１とを設ける。

さらに、このインク貯蔵室１１を介して前記基板２にレ
ーザ加工で前記インク補給孔１２を形成する。例えば、
上述のようにして形成された圧力室９の形状としては前
記発熱抵抗体７を中心とする７０　Ｘ　７０　（μｍ）
の正方形となっており、前記隔壁８の幅は３０（μｍ）
になっている。

ここでは上述のようにして前記基板２上に圧力室層３を
形成したものを第一のプレート２１と称し、前記供給路
層４と前記オリフィス板５とで形成されて前記第一のプ
レート２１に一体的に接合されるものを第二のプレート
２２と称するものとする。

そこで、この第二のプレート２２の構造を以下に説明す
る。まず、第１３図（Ｃ）に例示するように、ＳＵＳ基
板等の治具基板２３上に所定パターンのマスク２４を取
付けてＮｉを厚さ４０（μｍ）に電鋳し、この電鋳した
Ｎ１がマスク２４の周囲に盛り上がることを利用して末
端部より先端部が細い最小径が５０（μｍ）程の前記オ
リフィス６を備えたオリフィス板５を形成する。これを
前記治具基板２３上から剥離させて前記マスク２４を取
外した後に厚さ０．１（μｍ）のＡｕメツキ（図示せず
）を行なって前記治具基板２３上に再度固着させる。そ
こで、第１３図（ｄ）に例示するように、前記オリフィ
ス板５の上に未硬化の感光性ポリイミド２５を厚さ１０
（μｍ）に塗布し、第１３図（ｅ）に例示するように、
これを前述の圧力室層３と同様に加工して前記オリフィ
ス６を中心とする前記インク供給路１０を形成する。こ
のようにして前記供給路層４が一体的に形成された前記
オリフィス板５を前記治具基板２３上から取外して所定
形状に切断することで、前記第二のプレート２２が形成
される。

そして、第１３図（ｆ）、（ｇ）に例示するように、上
述のようにして製作した第一第二のプレート２１．２２
の少なくとも一方の外周部２０等に接着材（図示せず）
を塗布し、前記オリフィス６や前記発熱抵抗体７の細心
を一致させた状態で互いに圧着することでインクジェッ
トプリンタヘッド１が製作される。

このような構成において、このインクジェットプリンタ
ヘッドｌは、各電極１５．１６に駆動回路（図示せず）
が接続されてインク補給孔１２に連通管等でインク槽（
共に図示せず）が連結され、第８図に例示するように、
相対的に副走査移動する印刷用紙２６に対向配置される
。そこで、このインクジェットプリンタヘッド１は、各
電極１５゜１６から電力が印加されて発熱抵抗体７が発
熱すると、これに接触しているインク２７が蒸発して゛
気泡２８が発生する。この時、この気泡２８の発生によ
るインク２７の圧力変化の伝播方向は、圧力室９に規制
されてオリフィス６に向かうことになる。そこで、この
オリフィス６からインク２７が吐出するタイミングに同
期して電極１５．１６からの電力供給が停止され、発熱
抵抗体７の温度が低下して気泡２８が収縮する。すると
、この気泡２８の収縮によるインク２７の圧力変化によ
ってオリフィス６から突出していたインク２７の一部が
切断され、これがインク滴２７ａとなって飛翔する。そ
こで、発熱抵抗体７を選択的に発熱駆動して所定のオリ
フィス６からインク滴２７ａを飛翔させることで、相対
的に副走査移動する印刷用紙２６の表面に画像を形成す
ることができる。

なお、各圧力室９には、インク補給孔１２がら順次補給
されるインク２７がインク貯蔵室１１がらインク供給路
１０を経て供給されることになる。

そして、このインクジェットプリンタヘッド１では、イ
ンク供給路１ｏと圧力室９との形状や発熱抵抗体７の位
置がオリフィス６の細心に対して対称になっているので
、この部分での圧力変化の作用方向やりフィール方向が
対称であり、インク滴２７ａはオリフィス６の軸心方向
に飛翔することになる。

しかも、このインクジェットプリンタヘッド１では、基
板２上の発熱抵抗体７が隔壁８で囲まれてオリフィス６
と対向しているので、発熱抵抗体７の表面で発生する圧
力が側方などに流出することなくオリフィス６に伝達さ
れることになり、その駆動効率が良好で機器の省力化も
実現できる。

発明が解決しようとする課題 前述のような各種の提案を実施することでオリフィスが
形成された第二のプレートを製作することができるが、
このような方法で実際に第二のプレートを製作してもオ
リフィスは表面粗さが大きくなって流体特性が悪いもの
となる。

これは、前述した各種の提案では第二のプレートのオリ
フィスの表面粗さを規定する製作条件が開示されていな
いことによる。

課題を解決するための手段 圧力発生手段と圧力室を形成する隔壁とがアレイ状に形
成された第一のプレートとオリフィスがアレイ状に形成
された第二のプレートとを接合して圧力発生手段とオリ
フィスとが圧力室を介して対向するインクジェットプリ
ンタヘッドにおいて、第二のプレートを材料のイオウの
含有濃度が０．０１０％以上の電鋳品とした。

作用 イオウの含有濃度が０．０１０％以上の材料を電鋳して
第二のプレートを製作することで、第二のプレートの表
面粗さを小さくしてオリフィスの流体特性を向上させる
ことができる。

実施例 本発明の実施例を第１図ないし第７図に基づいて説明す
る。まず、本実施例のインクジェットプリンタヘッド２
９は、第６図に例示するように、供給路層を有しない第
二のプレート３０に先端部が細く末端部が拡開したオリ
フィス３１が形成されており、このオリフィス３１の末
端部より外周部が小さい圧力室９の隔壁３２が第一のプ
レート３３に形成されている。そして、これらの第一第
二のプレート３３．３０が一体的に接合された状態で、
前記圧力室９の隔壁３２の先縁部と前記オリフィス３１
の末端部との間の間隙でインク供給路３４が形成されて
いる。

このような構成において、このインクジェットプリンタ
ヘッド２９は前述のインクジェットプリンタヘッドｌと
同様に、発熱抵抗体７の表面で発生する圧力を圧力室９
の隔壁３２で偏向してオリフィス３１から高効率にイン
ク滴２７ａを突出する。そして、このインクジェットプ
リンタヘッド２９では、オリフィス３１を先端部が細く
末端部が拡開した形状とすることで流体特性を良好にし
て圧力の伝達効率を向上させている。

つぎに、このインクジェットプリンタヘッド２９の第二
のプレート３０の製作方法を第１図に基づいて説明する
。まず、第１図（ａ）〜第１図（ｃ）に例示するように
、ステンレスやアルミ等からなる導電性が高い基板３５
の上にレジスト等の非導電性材料３６等を一様に塗布し
、これをフォトエツチングでパターニングすることで、
導電性の基板３５の上に非導電性のマスク３７が所定形
状に形成された状態とする。そこで、この状態の基板３
５をＮｉやＣｕの電鋳浴（図示せず）中に浸漬して基板
３５がマイナスとなるように通電を行なうと、第１図（
ｄ）に例示するように、基板３５上にマスり３７上の部
分が開口した電鋳品３８が膜形成されるので、第１図（
ｅ）に例示するように、この電鋳品３８を基板３５から
取外すことでテーパ状のオリフィス３１を備えた第二の
プレート３０を得ることができる。

ここで、本出願人が実際にイオウの含有濃度を５各種値
に設定した材料で電鋳品３８である第二のプレート３０
を製作して表面粗さを測定したところ、これは下記のテ
ーブル及び第２図のグラフに例示するようなものとなっ
た。

テーブル 上述のテーブル及び第２図のグラフから自明であるよう
に、電鋳で製作した第二のプレート３０は、その材料の
イオウの含有濃度が０．０１０％より少ないと表面粗さ
は極度に大きくなり、イオウの含有濃度が０．０１０％
以上では表面粗さは０．５（μｍ）より小さくなって誤
差範囲も小さい。

そこで、本出願人が上述のような各種の第二のプレート
３０でインクジェットプリンタヘッド２９を製作して印
刷実験を行なったところ、イオウの含有濃度が０．０１
０％より少ないものでは各オリフィス３１毎にインク滴
の吐出方向が曲がって均一にならず、イオウの含有濃度
が０．０１０％以上のものでは各オリフィス３１からイ
ンク滴が垂直に吐出されて方向が均一であることが確認
された。

そこで、上述のような第二のプレート３０のオリフィス
３１を観察したところ、イオウの含有濃度が０．０１０
％以上のものではオリフィス３１は輪郭が滑らかで真円
となっており、イオウの含有濃度が０．０１０％より少
ないものではオリフィス３１は輪郭がギザギザになって
真円となっていないことが判明した。また、上述の印刷
実験から第二のプレート３０の表面粗さが０．５（μｍ
）以下となるとインクジェットプリンタヘッド２９とし
て良好な特性が得られることが判明した。

そして、本発明によるインクジェットプリンタヘッド２
９では、電鋳で製作する第二のプレート３０の材料のイ
オウの含有濃度をＯ＋、　ＯＩ　０３以上に規定するこ
とで、第二のプレート３０の表面粗さが０．５（μｍ）
以下と小さくなってオリフィス３１の流体特性が良好に
なるので、各オリフィス３１のインク滴の吐出方向が均
一で印刷品質が高いインクジェットプリンタヘッド２９
を得ることができる。

ここで、このインクジェットプリンタヘッド２９では、
上述のように第二のプレート３０を電鋳で製作すること
で、オリフィス３１を先端部が細く末端部が拡開して流
体特性が良好な形状に形成している。つまり、第３図に
例示するように、基板３５の上に形成される電鋳品３８
は、厚さ方向と幅方向とで成長速度が略均等なので、マ
スク３７の上に開口として形成されるオリフィス３１は
側面が略４５度に傾斜したテーパ状のものとなる。

すなわち、本発明のインクシェツトプリンタヘッド２９
では、第二のプレート３０をイオウの含有濃度が０．０
１０％以上の材料から電鋳で製作することで、オリフィ
ス３１を先端部が細く末端部が拡開した形状に形成する
と共に、その表面粗さを０．５（μｍ）以下とすること
ができ、オリフィス３１の流体特性が棲めて良好で印刷
品質が高いインクシェツトプリンタヘッド２９を実施す
ることができる。

ここで、本出願人が各種直径のマスク３７を製作して電
鋳品３８の厚さとオリフィス３１の直径を測定したとこ
ろ、第４図に例示するグラフのようになり、オリフィス
３１の直径はマスク３７の直径に比例して電鋳品３８の
厚さに反比例していることが確認された。つまり、高解
像度印刷が可能なインクジェットプリンタヘッド２９を
得るためにオリフィス３１の配列を高密度化する場合、
オリフィス３１の孔径や配列密度と共に第二のプレート
３０の厚さも考慮する必要がある二とになる。

例えば、オリフィス３１の孔径がφ、配列ピッチがＱ、
第二のプレート３０の厚さがｔとすると、実際の電鋳品
３８の幅方向の成長速度は厚さ方向の０．９〜１．０倍
なので、第５図に例示するように、マスク３７の直径Ｘ
は、 φ＋２ｔｘ０．９≦Ｘ≦φ＋２し となる。ここで、オリフィス３１の配列ピッチＱの最小
値はマスク３７の最小配列ピッチと同等になるので、 αくφ＋２ｔｘ０．９ となる。つまり、このインクジェットプリンタヘッド２
つでは、上述のような関係を満足する範囲で装置を設計
することで、装置強度と印刷性能とを両立した装置を容
易に製作することができる。

例えば、解像度が１８０（ＤＰＩ）のインクシェツトプ
リンタヘッド２９を製作する場合、オリフィス３１の配
列ピッチＱは０．１４１（ｍｍ）からオリフィス３］の
孔径φと第二のプレー）３０の厚さもとの関係は、 ０、１４１（φ＋２ｔＸ０．９ ０、１４］−１，８ｔ　（φ となるので、設計値として第二のプレート３０の必要強
度かオリフィス３１の孔径φかを設定すると他方の設定
範囲が決定される。

なお、上述のインクジェットプリンタヘッド２９では、
圧力室９の隔壁３２で発熱抵抗体７を囲んだものを例示
したが、これは発熱抵抗体７の大部分が圧力室９の隔壁
３２内に位置すれば機能するので、例えば、発熱抵抗体
７の表面上に圧力室９の隔壁３２を形成することも可能
である。

また、本実施例では第二のプレート３０の製作方法とし
て導電性の基板３５上に形成するものを例示したが、本
発明は上記方式に限定されるものではなく、ガラス等の
非導電性の基板３９上に電鋳品４０を製作することも可
能である。つまり、第７図（ａ）〜第７図（ｃ）に例示
するように、非導電性の基板３９上にＣｒやＡＱ及びＩ
Ｔ○等の導電性の薄膜４１を形成してマスク４２を製作
し、第７図（ｄ）に例示するように、これを電鋳浴に浸
漬して通電を行なうことで電鋳品４０が形成されるので
、第７図（ｅ）に例示するように、この電鋳品４０を基
板３９から剥離させることでテーパ状のオリフィス４３
を備えた第二のプレート４４を得ることができる。

さらに、上述のインクジェットプリンタヘッド２９では
、圧力発生手段として発熱抵抗体７を利用してオリフィ
ス３１からインク滴２７ａを吐出するバブルジェット方
式のものを例示したが、本発明は上記方式に限定される
ものではなく、圧力発生手段として電歪素子を利用した
ピエゾ方式のものや、オリフィスから昇華性インクの蒸
気を吐出する方式のものなどにも適用可能である。

発明の効果 本発明は上述のように、圧力発生手段と圧力室を形成す
る隔壁とがアレイ状に形成された第一のプレートとオリ
フィスがアレイ状に形成された第二のプレートとを接合
して圧力発生手段とオリフィスとが圧力室を介して対向
するインクジェットプリンタヘッドにおいて、第二のプ
レートを材料のイオウの含有濃度が０．０１０％以上の
電鋳品としたことにより、第二のプレートの表面粗さを
小さくしてオリフィスの流体特性を向上させることがで
きるので、各オリフィスのインク滴の吐出方向が均一で
印刷品質が高いインクジェットプリンタヘッドを得るこ
とができる等の効果を有するものである。

図は特性図、第５図は基板の縦断側面図、第６図は全体
の縦断側面図、第７図は変形例を示す製作工程図、第８
図は特願平１−２９４２４０号に開示された先行技術を
示すインクジェットプリンタヘッドの縦断側面図、第９
図は各部を分解した平面図、第１０図は分解斜視図、第
１１図は斜視図、第１２図は要部の縦断側面図、第１３
図は製作工程図である。

７・・・圧力発生手段、９・・圧力室、２９　インクジ
ェットプリンタヘッド、３０，４４・・第二のプレート
、３１．４３・・・オリフィス、３２・・・隔壁、３３
・・・第一のプレート、３８．４０・・・電鋳品

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す製作工程図、第２図は特
性図、第３図は要部の縦断側面図、第４出　願　人　　
　東京電気株式会社 」 図 ｑ 」 ｑ 図 （ａ） （ｂ） へＱ ゎ□−ノーーーー １　、ＩＺ　図 ？ ｚ１４　　６

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧力発生手段と圧力室を形成する隔壁とがアレイ状に形
   成された第一のプレートとオリフィスがアレイ状に形成
   された第二のプレートとを接合して前記圧力発生手段と
   前記オリフィスとが前記圧力室を介して対向するインク
   ジェットプリンタヘッドにおいて、第二のプレートを材
   料のイオウの含有濃度が０．０１０％以上の電鋳品とし
   たことを特徴とするインクジェットプリンタヘッド。