JPH05338169A - サーマルインクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構成で、キャビテーションの集中を防
止できるサーマルインクジェットヘッドを提供する。 【構成】 インクジェットヘッドはピット層１０を有す
るヒーター基板２とチャネル基板１とを接合して構成さ
れる。ピット層１０は、発熱抵抗体層４の発熱領域のノ
ズル１３側の一部がピット層１０によって覆われ、熱溜
まりを形成する。それにより、気泡の消滅過程におい
て、抵抗体保護層８の表面は、ノズル１３側がその逆側
より高温となり、気泡の消滅点をノズル側に移動でき、
キャビテーションがピット底部をアタックする成分をや
わらげることができる。また、ノズル口からの気泡の抱
き込みが防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱によりインクを気化
させ、発生する気泡の圧力を用いてインク滴を飛翔さ
せ、記録を行なうサーマル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】高速記録に適した記録方式として、イン
クジェット記録方式がある。インクジェット記録方式に
用いられるサーマルインクジェットヘッドは、インク滴
を噴出させるための毛細管状に形成された複数のノズル
と、それぞれのノズルのインク流路に配置されるインク
を加熱するための発熱素子とから構成されている。

【０００３】特開昭６２−３３６４８号公報に記載され
たサーマルインクジェットヘッドは、発熱素子の上方に
ピットと呼ばれる凹所を設けて、凹所の壁により気泡の
広がりを制限し、気泡を発熱素子の面と直角方向に成長
させるものである。

【０００４】図２は、ピットを有する従来のサーマルイ
ンクジェットヘッドの一例の要部の断面図である。図
中、１はチャネル基板、２はヒーター基板、３は蓄熱
層、４は発熱抵抗体層、５は個別電極、６は共通電極、
７は第１の抵抗体保護層、８は第２の抵抗体保護層、９
は電極保護層、１０はピット層、１１はピット、１２は
インク流路、１３はノズルである。

【０００５】このようなサーマルインクジェットヘッド
においては、その噴射原理のために、発熱抵抗体層や電
極、あるいは、それらの保護層に、キャビテーションに
よる破壊や、電気化学的腐食等が発生し、その故障によ
って、ヘッド全体の寿命が制約されている。

【０００６】発熱抵抗体層の故障原因としては、抵抗体
層と電極の接続部に形成される段差での破壊と腐食があ
る。この故障を防止するための有効な手段としては、特
開平３−２２４７４３号公報に記載されているように、
ピットの境界を段差部より抵抗体の内側にすることによ
って、ピット層によって段差部を保護する方法や、特開
平２−７５３７９号公報に記載されているように、個別
電極の境界を発熱領域の境界から離れた距離となる位置
とする方法等がある。これらの方法の採用によって、発
熱抵抗体層の寿命を大幅に伸ばすことが可能である。

【０００７】発熱抵抗体層の保護層の破壊の原因として
は、キャビテーションの集中によるダメージがある。こ
れを改善する方法としては、発熱抵抗体層の保護層自体
の耐インク性や耐強度の改善と、キャビテーションの集
中を防止するような流路構造、あるいは、抵抗体周りの
構造の改善がある。

【０００８】例えば、特開平３−８１１５５号公報に記
載されたサーマルインクジェットヘッドは、ピットの断
面形状を抵抗体層に対して非対称構造として、ピットの
ノズルと反対側の後部にキャビテーションが集中するこ
とを防止したものである。また、特開昭５９−９５１５
５号公報に記載された熱インクジェットプリンタは、抵
抗体領域の中心に電気的に接続された導電領域を設け、
キャビテーションの集中を防止するものであり、特願平
２−３０８８２８号のインクジェット記録ヘッドは、抵
抗体層の下層に蓄熱層をインク滴の飛翔方向に非対称に
設け、気泡の消滅位置を発熱領域の前方に移動させたも
のである。

【０００９】これらの改善手段は、それぞれに効果のあ
る構成ではあるが、キャビテーションの集中による発熱
抵抗体や保護層の破壊に対する改善策としては、作製の
困難さとコスト高になってしまうという問題がある。

【００１０】例えば、流路構造による改善例であるピッ
トの断面形状を発熱抵抗体に対して非対称に構成する方
法は、ピット層が一般に５〜５０μｍと厚い膜厚が要求
されるために、高密度化が要求される中で、複雑なパタ
ーニングが困難であるという問題がある。また、蓄熱
層、あるいは、発熱抵抗体層の形状や寸法の変化により
熱分布を変化させる方法も高密度化の実現には適した構
成であるということはできない。

【００１１】

【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、簡単な構成で、高密度化の
実現にも支障がなく、キャビテーションの集中を防止
し、高寿命なサーマルインクジェットヘッドを提供する
とともに、良好な噴射特性をも実現できるサーマルイン
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。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、ピット層を有
し、ピットの底部に設けられた発熱抵抗体層によりイン
クを気化させ、発生した気泡の圧力により、吐出口より
インク滴を飛翔させるサーマルインクジェットヘッドに
おいて、前記ピット層が、インク滴の飛翔方向に非対称
に発熱領域の一部を覆うことを特徴とするものである。

【００１３】発熱領域における気泡消滅側と逆側におい
て、ピット層と発熱領域とが重なるようにし、一方の重
なり量を他方よりも多くするとともに、前記ピット層の
熱伝導率をインクよりも小さい熱伝導率とすることがで
きる。前記ピット層は、耐熱温度が３００℃以上である
感光性樹脂を用いて形成することができる。

【００１４】

【作用】本発明によれば、ピット層が、インク滴の飛翔
方向に非対称に発熱領域の一部を覆うことによって、イ
ンク接触面の熱分布を制御することができ、気泡の消滅
点を設定することができる。

【００１５】キャビテーションが集中する位置は、気泡
の消滅点と考えられる。気泡の消滅点は、発熱抵抗体か
らインク飛翔口までの流路抵抗と、発熱抵抗体から共通
インク室までの流路抵抗とにより、発熱抵抗体上層部の
どの位置になるかが決定される。この位置が厳密に中央
でない限り、キャビテーションの水平成分が、ピット底
部の一方を強くアタックし、それによりピット底部がダ
メージを受け、ヘッドの短寿命の原因となる。そこで、
気泡消滅側と逆側において、その一方を他方よりも発熱
領域とピット層の重なりを多くすることにより、一方の
側に熱溜まりを故意に作製することができる。熱溜まり
が形成された一方の側においては、気泡の消滅時におけ
る温度が相対的に高いから、他方の側が気泡の消滅が早
くなり、一方の側に気泡の消滅点が移動することにな
る。流路抵抗により決定されるキャビテーションの集中
する側に対して、その逆方向側に熱溜まりによって気泡
の消滅点を移動させることにより、キャビテーションが
ピット底部をアタックする成分をやわらげて、結果とし
て、ヘッドの長寿命化が達成できる。ピット層は、熱溜
まりを作製するために、少なくともインクよりも熱伝導
率の小さい材質を用いることができる。

【００１６】

【実施例】図１は、本発明のサーマルインクジェットヘ
ッドの一実施例の要部の断面図である。図中、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。電極保
護層の開口が発熱領域となっている。ピット１１は、こ
の実施例では、ピット１１のノズル側の境界が発熱領域
の内側にあり、その逆側の境界は発熱領域の境界に一致
している。すなわち、ピット層１０が発熱領域の一部を
覆うように形成されている。

【００１７】この実施例のサーマルインクジェットヘッ
ドの作製工程を簡単に説明する。 ヒーター基板２上に、蓄熱層３を設ける。ヒーター
基板２としては、Ｓｉウェハ、セラミック、ガラス等が
用いられる。蓄熱層３は、ＳｉＯ₂ などが用いられる
が、ヒーター基板２として、Ｓｉウェハを用いる場合に
は、Ｓｉウェハの表面を酸化することによって蓄熱層３
を形成することができる。 蓄熱層３の上に、Ｐｏｌｙ−ＳｉやＴａＡｌ等によ
り発熱抵抗体層４を蒸着やスパッタ等により着膜する。
必要に応じて、発熱抵抗体層４に不純物をドープするな
どにより、所望の抵抗値に調整し、所望の形状にパター
ニングする。 電極層としてＡｌ等を着膜し、パターニングして、
個別電極５および共通電極６を形成する。 第１の抵抗体保護層７および第２の抵抗体保護層８
をそれぞれ着膜し、パターニングする。第１の抵抗体保
護層７としては、ＳｉＯ₂ ，ＳｉＣ，Ｓｉ₃ Ｎ₄等が用
いられ、第２の抵抗体保護層８には、Ｔａ等の金属皮膜
が用いられる。 発熱領域を除いて、電極保護層９を形成する。電極
保護層９は、シリコン酸化物やＰＳＧが用いられる。 ピット層１０を形成する。ピット層には、ＣＩＢＡ
−ＧＥＩＧＹ社製のＰｒｏｂｉｍｉｄｅ（登録商標）３
４８，Ｓｅｌｅｃｔｉｌｕｘ（登録商標）ＨＴＲ３−２
００や、ドライフィルムレジスト等の感光性樹脂をスピ
ンコートやラミネートにより着膜し、露光、現像により
所望のピット層パターンを得る。

【００１８】以上の工程により作製されたヒーター基板
と、別工程によりインク流路を形成するためのチャネル
溝とインクリザーバ、インク供給口が設けられたチャン
ネル基板１を貼り合わせた後、ダイシング工程により切
り出すことによってサーマルインクジェットヘッドが作
製される。

【００１９】上述した実施例のサーマルインクジェット
ヘッドの動作を図３により説明する。図３（Ａ）〜
（Ｅ）は、インク滴の吐出状態の時間的経過を示すもの
であり、左側にピット近傍の断面図を、右側に発熱抵抗
体層の上面の温度分布を線図で示した。縦軸が温度であ
り、横軸がチャネル溝の軸方向に沿う位置である。横軸
の左端をノズル側とした。図中、１はチャネル基板、２
はヒーター基板、４は発熱抵抗体層、１０はピット層、
１１はピット、１２はインク流路、１３はノズル、１４
は気泡、１５はインク滴である。図１で説明した電極や
保護層等の図示は省略した。

【００２０】図３（Ａ）は、発熱抵抗体層４の印字のた
めの通電が開始された状態である。インクが加熱され、
発熱抵抗体層４上の複数箇所から気泡１４が発生し、継
続する通電により図３（Ｂ），（Ｃ）に示すように、発
生した気泡１４が合体し、急激に成長してその体積が膨
張する。発熱抵抗体層４の表面の温度分布も中心部から
上昇し、図３（Ｃ）に示すように、全面がほぼ同じ温度
に上昇した高温状態となる。図３（Ｄ），（Ｅ）は、イ
ンク滴の吐出状態である。発生した気泡１４の圧力によ
って、インク滴１５が、ノズル１３から図示しない記録
紙に向けて吐出されるとともに、通電停止により発熱抵
抗体層４の温度が低下し、気泡１４が体積を収縮する。

【００２１】図３（Ｄ），（Ｅ）の過程において、従来
のサーマルインクジェットヘッドにおいては、図５に示
すように、ピット層１０は、発熱抵抗体層４に対して、
インク吐出方向に対称に、かつ、発熱領域の外側に形成
されている。図５において、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。インク滴吐出後において
は、発熱抵抗体層４の温度分布はほぼ同じ温度分布状態
で低下する。また、発熱抵抗体からインク飛翔口までの
流路抵抗が、発熱抵抗体から共通インク室までの流路抵
抗よりも小さいから、消滅する気泡の体積を埋めるイン
クは、ノズル側のインクの方からより多く供給され、し
たがって、図５の点線から実線へと変化を示したよう
に、ノズル側と逆方向側の発熱抵抗体層４の上層部に気
泡１４の消滅点ができる。

【００２２】これに対して、この実施例においては、発
熱抵抗体層４のノズル側においては、ピット層が発熱抵
抗体層４を覆っているから、覆われた部分には熱の蓄積
効果が大きく、熱溜まりが形成されている。熱溜まりの
部分の温度の低下が遅れるから、図３（Ｄ），（Ｅ）の
過程においては、発熱抵抗体層４の温度分布は、ノズル
側がより高くなり、そのため、気泡１４の消滅点は、従
来のインクリザーバ側から、発熱抵抗体層４の中央部乃
至ノズル側へと変化する。

【００２３】ピット層を有するサーマルインクジェット
ヘッドは、感光性樹脂層による段差が存在するため、段
差付近での気泡消滅は、特に、１点にキャビテーション
ダメージを集中させてしまう。ノズルの逆側のピット底
部で気泡の消滅が起こるような流路抵抗比のサーマルイ
ンクジェットヘッドにおいては、ピット底部のノズル側
に熱溜まりを作ることによって、気泡の消滅点をノズル
側に移動でき、キャビテーションがピット底部をアタッ
クする成分をやわらげることができる。それによって、
キャビテーションダメージによるヒーター破壊が防止さ
れる。

【００２４】さらに、気泡の消滅領域が、抵抗体の中央
部乃至ノズル側に移行したことにより、ノズル側方向か
らのインクの引き戻し力が低減し、ノズル口からの気泡
の抱き込みが防止でき、気泡の抱き込みによる噴射特性
の劣化、不吐出を生じない安定したサーマルインクジェ
ットヘッドを得ることができた。

【００２５】図１の実施例においては、ピット層１０の
材料として用いた感光性樹脂層の熱伝導率は、インクの
熱伝導率に対して約１／８、第２の抵抗体保護層８の熱
伝導率に対して約１／３００の材料を用いた。

【００２６】また、発熱領域に対するピット層１０の重
なりは、ノズル口の逆側で０μｍとし、ノズル口側で７
μｍとした。これにより、第２の抵抗体保護層８の表面
の温度分布は、気泡消滅開始時で図４に示すようになっ
た。図４において、８は第２の抵抗体保護層、１６は発
熱領域、１７はピット開口部、１８は等温線である。図
の上方がノズル側である。この温度分布は、図３に示し
た発熱中止後の気泡消滅過程の状態であり、ノズル側方
向の相対的温度がさらに上がり、インク飛翔方向に対し
て好ましい温度勾配を持ち、気泡消滅位置をノズル側方
向へ移動することができる。

【００２７】本発明により形成される熱溜まりは、イン
ク噴射特性の向上（インクの飛翔速度やリフィル時間
等）を目的として用いることもでき、上述した実施例だ
けに限定されるものでないことは明らかである。

【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、困難な作製プロセスによることなく、簡単な
構成で、高寿命、高密度で噴射特性の優れたヘッドを容
易に得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】 本発明のサーマルインクジェットヘッドの一
実施例の要部の断面図である。

【図２】 従来のサーマルインクジェットヘッドの一例
の要部の断面図である。

【図３】 実施例のサーマルインクジェットヘッドの動
作の説明図である。

【図４】 実施例のサーマルインクジェットヘッドの第
２の抵抗体保護層の表面の温度分布の説明図である。

【図５】 従来のサーマルインクジェットヘッドの動作
の説明図である。

【符号の説明】

１ チャネル基板、２ ヒーター基板、３ 蓄熱層、４
発熱抵抗体層、５個別電極、６ 共通電極、７ 第１
の抵抗体保護層、８ 第２の抵抗体保護層、９ 電極保
護層、１０ ピット層、１１ ピット、１２ インク流
路、１３ ノズル、１４ 気泡、１５ インク滴。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピット層を有し、ピットの底部に設けら
   れた発熱抵抗体層によりインクを気化させ、発生した気
   泡の圧力により、吐出口よりインク滴を飛翔させるサー
   マルインクジェットヘッドにおいて、前記ピット層が、
   インク滴の飛翔方向に非対称に発熱領域の一部を覆うこ
   とを特徴とするサーマルインクジェットヘッド。