JPH05155020A

JPH05155020A - インクジェット記録ヘッド

Info

Publication number: JPH05155020A
Application number: JP34852591A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Fujii; 雅彦藤井
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1991-12-06
Filing date: 1991-12-06
Publication date: 1993-06-22

Abstract

(57)【要約】【目的】厚膜樹脂層の厚みを厚くすることなく、バイ
パス部の流路断面積を広げてインク供給性を向上し、駆
動周波数を高くでき、ゴミ等の詰まりによる噴射異常を
なくすことができるヘッド構造を提供する。【構成】チャネル基板１には、異方性エッチングによ
り、チャネル溝３とインクリザーバ４が形成されてい
る。ヒーター基板２には、絶縁層８、厚膜樹脂層９が形
成されている。厚膜樹脂層９には、ヒーター７が底部に
設けられた第１の凹部１０と、チャネル基板１の未エッ
チング部６をバイパスしてチャネル溝３とインクリザー
バ４を連結する第２の凹部１１が設けられる。全ての第
２の凹部１０は互いに連結されており、バイパス部の断
面積を増加させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヒーターの発熱により
発生する蒸気バブルの圧力によってインク滴をノズルか
ら噴射して記録を行なう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】インクジェット記録方式は、高速記録が
可能であり、記録の際に発生する騒音がほとんどなく、
普通紙に直接印字でき、定着処理等を必要としないた
め、装置の小型化が図れるという点で注目を集めてい
る。

【０００３】特開６１−２３０９５４号公報に記載され
たインクジェット記録ヘッドの作製技術は、Ｓｉウェハ
の異方性エッチングにより、インクを吐出するノズルを
構成するチャネル部と、外部からチャネル部へのインク
供給を行なうインクリザーバ部とが作製される。このウ
ェハは、チャネルウェハと呼ばれているものである。Ｓ
ｉウェハの異方性エッチング技術は、結晶面の違いによ
り、エッチング速度が異なることを利用するもので、特
に、｛１１１｝結晶面のエッチング速度が他の結晶面に
比較して非常に遅いことを利用したものが一般的であ
る。（１００）結晶面を表面に持つシリコン基板を用い
た場合、開口部が正方形もしくは長方形のパターンは、
非常に精度よく形成でき、これを連結した形状では、連
結部分の精度が落ちることが知られている。したがっ
て、チャネルウェハにおいては、図８にその要部を斜視
図に示すように、異方性エッチングによって形成される
チャネル溝３とインクリザーバ４とは分離したパターン
で形成され、その中間には未エッチング部６が残る。し
たがって、チャネル溝３とインクリザーバ４とを連結す
る流路を形成する必要がある。

【０００４】図６は、従来のサーマルインクジェット記
録ヘッドの一例を示すもので、（Ａ）図はチャネル溝の
軸方向に垂直に切った断面図、（Ｂ）図は（Ａ）図のＢ
−Ｂで切った平面図である。図中、１はチャンネル基
板、２はヒーター基板、３はチャネル溝、４はインクリ
ザーバ、５はノズル、６は未エッチング部、７はヒータ
ー、８は絶縁層、９は厚膜樹脂層、１０は第１の凹部、
１１は第２の凹部、１２は隔壁、１３はインク滴、１４
は記録媒体である。この記録ヘッドにおいては、上述し
たチャネル溝とインクリザーバとを連結する流路は、特
開平１−１６６９６５号公報に記載されているように、
厚膜樹脂層９に形成された第２の凹部１１によるバイパ
ス構造と呼ばれる方法で行なわれている。

【０００５】チャネル基板１には、異方性エッチングに
より、チャネル溝３とインクリザーバ４が形成され、チ
ャネル溝３の開口部がノズル１となっている。ヒーター
基板２には、ヒーター７が形成され、ヒーター７に駆動
電流を供給するための電極、保護膜等が形成されている
が、これらの詳細は図示を省略した。また、ヒーター基
板には、絶縁層８、厚膜樹脂層９が形成されている。こ
れら２枚の基板が接合されて個々のヘッドチップに切断
分離され、記録ヘッドが作製される。

【０００６】第１の凹部１０は、ピットと呼ばれるもの
で、絶縁層８および厚膜樹脂層９をパターニングして形
成され、ヒーター７上で発生したバブルの横方向への成
長を抑制し、バブルのノズル５からの逸脱や、空気の吸
い込みの防止を図るものである。また、第２の凹部１１
は、絶縁層８の下に配置されている配線や駆動回路（図
示せず）等をインクの侵入から守るために、絶縁層８を
底部に残し、チャネル基板１の未エッチング部６に対応
した位置に厚膜樹脂層９をパターニングして形成されて
いる。

【０００７】しかしながら、従来のインクジェット記録
ヘッドにおいては、この第２の凹部１１をインク流路と
するバイパス部の流路断面積が狭いため、インクリザー
バ４からのインクの供給性が悪く、高い繰り返し周波数
で記録ヘッドを駆動することができなかった。また、イ
ンクに混入した微小なゴミ等がこのバイパス部に溜ま
り、正常なインク噴射を阻害することもあった。これを
解決する手段として、厚膜樹脂層９の厚みを増し、バイ
パス部の流路断面積を大きくすることが考えられる。

【０００８】しかし、厚膜樹脂層９の厚みを厚くしすぎ
ると、第１の凹部１０において発生したバブル圧力が減
衰してしまい、噴射されるインク滴の速度が低下する。
また、厚膜樹脂層９の表面の平坦性がその厚みと相関を
持つため、厚くなるほど厚膜樹脂層９の平坦性が悪化
し、チャネル基板との接着強度が弱くなる。したがっ
て、これらの理由から、厚膜樹脂層９の厚みを増大させ
るには限界があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した事
情に鑑みてなされたもので、厚膜樹脂層の厚みを厚くす
ることなく、バイパス部の流路断面積を広げてインク供
給性を向上し、駆動周波数を高くでき、ゴミ等の詰まり
による噴射異常をなくすことができるヘッド構造を提供
することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、異方性エッチ
ングによって複数のチャネル部とインクリザーバ部とが
形成された第１の基板と、前記チャネル部に対応した複
数のヒーターを有する基板上に厚膜絶縁層を有し、該厚
膜絶縁層にヒーターが配置された第１の凹部と前記チャ
ネル部とインクリザーバ部とを連結する第２の凹部とが
形成された第２の基板とを接合してなるインクジェット
記録ヘッドにおいて、請求項１の発明においては、複数
の第２の凹部を互いに連結したことを特徴とするもので
あり、請求項２の発明においては、同じタイミングで電
圧パルスが印加される複数のヒーターに対応する隣接す
る第２の凹部を互いに連結したことを特徴とするもので
ある。

【００１１】

【作用】本発明によれば、チャネル溝とインクリザーバ
を連結する複数の第２の凹部を互いに連結することによ
り、従来隣接流路との隔壁となっていた部分がインク供
給に使用されることになり、流路１つあたりのバイパス
部の断面積が増加する。それにより、インクリザーバか
らのインク供給性を向上し、周波数応答性を改善すると
ともに、ゴミの詰まり等を原因とする噴射異常をなくす
ことができる。

【００１２】さらに、インクリザーバからヒーター部へ
のインク供給性を向上させるため、第１の凹部から第２
の凹部にいたる距離を短くし、流路抵抗を減少させた構
造も考えられる。このようにすると、発生した圧力パル
スが連結されたバイパス部を経て他の流路へ伝搬するこ
とがある。これは隣接する複数のヒーターを１ブロック
とし、この１ブロックを１単位として同一のタイミング
で電圧パルスを印加し、印加するブロックを順次ずらし
ながら噴射するインクジェット記録ヘッドにおいては、
このブロックと異なるタイミングで噴射される他のブロ
ックへ圧力パルスが伝搬するため、特に、噴射状態に影
響を及ぼすことがある。これを防止するため、同一タイ
ミングで電圧パルスが印加されるブロック内の隣接する
第２の凹部のみを互いに連結するようにする。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明のインクジェット記録ヘッド
の第１の実施例を示すもので、（Ａ）図はチャネル溝の
軸方向に垂直に切った断面図、（Ｂ）図は（Ａ）図のＢ
−Ｂで切った平面図である。図中、図６と同様な部分に
は同じ符号を付して説明を省略する。この実施例では、
絶縁層８は厚膜樹脂層で形成されているから、凹部を形
成する厚膜樹脂層は２層により構成される。この厚膜樹
脂層の厚みとしては、絶縁層８は０．５〜３０μｍ、好
ましくは３〜１０μｍであり、この厚みは樹脂層の下に
位置する配線部や、駆動回路をインクの侵入から保護す
るのに十分な厚みである。厚膜樹脂層９の厚みは５〜５
０μｍ、好ましくは１５〜３０μｍであり、樹脂層の平
坦性やインク噴射速度の下限値から決定される。この実
施例では絶縁層８の厚みを５μｍ、厚膜樹脂層９の厚み
を２０μｍにした。また、バイパス部のその他の寸法
は、（Ｂ）図および図７を参照して、第１の凹部１０か
ら第２の凹部１１までの距離Ｌ₁を５０μｍ、第２の凹
部１１のヒーター側の端部からチャネル基板の未エッチ
ング部６までの距離Ｌ₂を６０μｍ、未エッチング部６
の厚みｄを２０μｍ、第２の凹部１１のインクリザーバ
側の端部から未エッチング部までの距離Ｌ₃を６０μｍ
にした。このようなインクジェット記録ヘッドは、特開
平１−１６６９６５号公報に記載されているような方法
で作製した。ただし、全ての第２の凹部、すなわちバイ
パス部は、（Ｂ）図に示すように、互いに連結される。

【００１４】このようなインクジェット記録ヘッドに対
して、パルス幅３μｓｅｃでインクが噴射する最低電圧
の１．２倍の電圧パルスを印加し、繰り返し周波数を上
げてインク滴の噴射状態を観測し、噴射されるドロップ
１個あたりの体積を測定した。その結果、図２の曲線ａ
に示すように、７ｋＨｚを超えるとドロップ体積が減少
を始めた。これはインクリザーバからインク流路へのイ
ンク供給が噴射周波数に追いつかなくなったためであ
る。また、実験中において、噴射の異常は観測されなか
った。

【００１５】比較例として上記記録ヘッドと同じ寸法で
第２の凹部を互いに連結しない従来構造の記録ヘッドも
作製し、繰り返し周波数を変えてドロップ体積を測定し
た。ただし、図７の断面図（図６（Ａ）のＣ−Ｃ断面図
に相当する。）に示す第２の凹部の幅ＰＷは５０μｍで
ある。この結果、図２の曲線ｂに示すように、４．５ｋ
Ｈｚを超えるとドロップ体積が低下した。また、実験中
にドロップが曵糸状になり、画質が著しく低下する噴射
異常がいくつかのノズルで観測された。そこで、この記
録ヘッドのチャネル基板とヒーター基板とを分離し、流
路を詳しく観測したところ、バイパス部の第２の凹部に
微小なゴミが停滞し、インクの再供給を妨げていること
がわかった。

【００１６】第１の実施例と同じ構造の記録ヘッドにお
いて、第１の凹部１０と第２の凹部１１との距離を短く
した記録ヘッドを試作した。すなわち、第１の実施例に
おいては第１の凹部１０と第２の凹部１１までの距離Ｌ
₁は５０μｍであったが、試作した記録ヘッドにおいて
は２０μｍとした。また、記録ヘッドの駆動方法は、図
４に示すように、１４４個あるヒーター７を、中央から
２つに分け、端のノズル番号１からと、中央のノズル番
号７３から、各４個ずつを１ブロックとして、ぞれぞれ
ブロック番号１から１８までの１８ブロックに分割し、
同一ブロック番号内の８個のヒーターには同じタイミン
グで電圧パルスを印加するようにし、さらに、第１ブロ
ックから第１８ブロックまで順次電圧パルスを印加する
ようにした。印加した電圧パルス幅は３μｓｅｃ、電圧
はインクが噴射する最低電圧の１．２倍、１つのブロッ
クに印加したパルスの立ち下がりから次のブロックに印
加するパルスの立ち上がりまでの時間間隔は１μｓｅｃ
とした。

【００１７】この記録ヘッドについて、駆動周波数を上
げてインク滴の噴射状態を観測しドロップ体積を測定し
た。この結果、図５の曲線ｃに示すように、インクの供
給性は曲線ａで示す第１の実施例の場合よりもさらに向
上し、９ｋＨｚまでドロップ体積の低下は見られなかっ
た。しかし、電圧パルスが印加されていないノズルから
インク滴が湧きだしたり、噴射インク滴が細長くなるよ
うな噴射異常が観測された。これはあるブロックに電圧
パルスを印加したとき、発生した圧力パルスが、共通に
連結された第２の凹部を経て他の流路に伝搬するいわゆ
るクロストークの影響と考えられる。

【００１８】第２の実施例は、このクロストークの影響
を改善したものである。図３は、本発明のインクジェッ
ト記録ヘッドの第２の実施例を示すもので、図１（Ｂ）
と同様な平面図である。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。この実施例は、同時に
電圧パルスを印加する同一ブロック内の隣接する第２の
凹部のみを互いに連結したものである。隣接するブロッ
クの凹部とは、従来の記録ヘッドと同様に隔壁１２によ
り互いに分離されている。試作した記録ヘッドのバイパ
ス部の各寸法はＬ₁が２０μｍ、Ｌ₂は６０μｍ、Ｌ₃
は６０μｍ、ｄは２０μｍである。

【００１９】このように作製された記録ヘッドの駆動周
波数に対する挙動は、図５の曲線ｄで示すように、ドロ
ップ体積が低下する周波数は８．４ｋＨｚであり、全て
連結した構造の曲線ｃに比べて、ドロップ体積が低下す
る周波数は若干下がったものの、クロストークの影響と
見られる噴射異常は全く観測されなかった。

【００２０】なお、上述した実施例では、絶縁層８は、
厚膜樹脂層９と同じ材料で形成して、厚膜樹脂層を多層
にして構成したものであるが、絶縁層８を厚膜樹脂層９
と異なる材料、例えば、ＳｉＯ₂やＰＳＧ等の無機材
料、その他の材料を用いることできる。

【００２１】

【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、インクリザーバから流路へインクを供給する
ための複数の第２の凹部を互いに連結したことにより、
インクの再供給性が向上し、高い周波数応答を実現でき
る記録ヘッドを得ることができる。またバイパス部にお
けるゴミ等の詰まりに起因する噴射異常を防止すること
ができる。

【００２２】さらに、第１の凹部と第２の凹部の距離を
短くすることにより、周波数応答性を高めることができ
るが、同時タイミングで電圧パルスを印加する複数のヒ
ーターを１ブロックとし、電圧パルスを印加するタイミ
ングをブロックごとに順次ずらしながら駆動を行なう記
録ヘッドにおいては、同一ブロック内の隣接する第２の
凹部のみを連結することにより、クロストークによる噴
射異常を防止することができるという効果がある。

【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第１の
実施例を示すもので、（Ａ）図はチャネル溝の軸方向に
垂直に切った断面図、（Ｂ）図は（Ａ）図のＢ−Ｂで切
った平面図である。

【図２】第１の実施例の周波数応答を示す線図であ
る。

【図３】本発明のインクジェット記録ヘッドの第２の
実施例を示すもので、図１（Ｂ）と同様な平面図であ
る。

【図４】第２の実施例のヒーターの配置図である。

【図５】第２の実施例の周波数応答を示す線図であ
る。

【図６】従来のインクジェット記録ヘッドの一例を示
すもので、（Ａ）図はチャネル溝の軸方向に垂直に切っ
た断面図、（Ｂ）図は（Ａ）図のＢ−Ｂで切った平面図
である。

【図７】図６（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。

【図８】チャネルウェハの要部の斜視図である。

【符号の説明】

１チャンネル基板、２ヒーター基板、３チャネル
溝、４インクリザーバ、５ノズル、６未エッチン
グ部、７ヒーター、８絶縁層、９厚膜樹脂層、１
０第１の凹部、１１第２の凹部、１２隔壁、１３
インク滴、１４記録媒体。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】異方性エッチングによって複数のチャネ
ル部とインクリザーバ部とが形成された第１の基板と、
前記チャネル部に対応した複数のヒーターを有する基板
上に厚膜絶縁層を有し、該厚膜絶縁層にヒーターが配置
された第１の凹部と前記チャネル部とインクリザーバ部
とを連結する第２の凹部とが形成された第２の基板とを
接合してなるインクジェット記録ヘッドにおいて、複数
の第２の凹部を互いに連結したことを特徴とするインク
ジェット記録ヘッド。
【請求項２】異方性エッチングによって複数のチャネ
ル部とインクリザーバ部とが形成された第１の基板と、
前記チャネル部に対応した複数のヒーターを有する基板
上に厚膜絶縁層を有し、該厚膜絶縁層にヒーターが配置
された第１の凹部と前記チャネル部とインクリザーバ部
とを連結する第２の凹部とが形成された第２の基板とを
接合してなるインクジェット記録ヘッドにおいて、同じ
タイミングで電圧パルスが印加される複数のヒーターに
対応する隣接する第２の凹部を互いに連結したことを特
徴とするインクジェット記録ヘッド。