JPH1067114A

JPH1067114A - プリンタヘッド，プリンタおよびプリンタヘッド用電極の製造方法

Info

Publication number: JPH1067114A
Application number: JP22856596A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Nakao; 英之中尾; Teruo Murakami; 照夫村上; Shuzo Hirahara; 修三平原; Yasuo Hosaka; 靖夫保坂; Kazushi Nagato; 一志永戸; Koichi Ishii; 浩一石井; Masayuki Nakamoto; 正幸中本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-08-29
Filing date: 1996-08-29
Publication date: 1998-03-10

Abstract

(57)【要約】【課題】毛管現象よりも重力の影響が支配的となるた
め、先細のプリンタヘッドを製作することは困難であっ
た。【解決手段】本発明では、凸状形状をなす電極1 の側面
に溝2a,2b を形成し、インクがこの溝2a,2b を経由して
電極1 先端の凹部3 に到達するように構成されている。
電極1 の側面に溝2a,2b を設けることによって電極1 表
面に段差ができるため、ヘッド先端におけるインク層形
成において重力（表面張力）の影響よりも毛管現象の影
響を支配的にすることができる。したがって、毛管現象
によるインクの供給・排出を安定かつ確実に行わせるこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体インクを小さ
な液滴として飛翔させて記録するインクジェットプリン
タ等において、溶剤中に色材成分を分散させたインクを
用いてインク中の色材成分を凝縮させ記録媒体上に飛翔
させて記録を行うためのプリンタヘッド，プリンタおよ
びプリンタヘッド用電極の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、液体インクを記録媒体上に飛
翔させて記録ドットを形成するインクジェットプリンタ
が知られている。インクジェットプリンタは、他の記録
方法と比べて記録時の騒音が少なく、また現像や定着な
どの処理が不要であるという利点があるため、普通紙記
録技術として特に注目されている。

【０００３】現在までに、インクジェットプリンタにつ
いては数多くの方式が提案されている。中でも、発熱体
の熱により発生する蒸気の圧力でインク滴を飛翔させる
方式としては特公昭56-9429 号公報や特公昭61-59911号
公報に記載された技術などが、また圧電体が発生する機
械的な圧力パルスによりインク滴を飛翔させる方式とし
ては特公昭53-12138号公報に記載された技術などが知ら
れている。これらの技術は、複数のドットを並列に記録
するマルチノズルタイプとして代表的なものである。

【０００４】しかし、これら従来技術では、記録紙上で
インクがにじむことによる画質劣化が問題となってい
る。画質向上の対策としては、例えば記録紙表面にコー
ティングを施すことによりインクがにじまないようにし
たり、あるいは速乾性のインクを使用するなどの方法が
取られているが、前者の場合は記録紙の材質が限定され
る点、後者の場合はプリンタヘッドのノズル内でインク
詰まりが促進される点が指摘されており、いずれの方法
も最適なものではない。

【０００５】また、インクを記録紙上でにじませない他
の方法として、熱溶融性のインクを用いる方法が知られ
ている。これは、記録時にプリンタヘッド内でインクを
熱溶融して飛翔させ、記録紙上で瞬時に固体化させるも
のである。しかしながら、プリンタヘッドを加熱するた
めの電力消費を考えた場合、この方法も最適であるとは
言えない。

【０００６】また、帯電した色材成分を含むインクを用
い、色材の濃度を高めて飛翔させる方式（特表平7-5022
18号公報参照）などが提案されている。この方式では、
飛翔するインクの色材成分の濃度を高くすることで粘性
を高め、記録紙上でのにじみを抑制している。この方式
は、静電気力でインクを飛翔させる静電型インクジェッ
ト方式の一種であり、静電気力でインク中の帯電粒子を
一方向に電気泳動させてインク中の帯電粒子を濃縮し、
静電気力でこれら濃縮された帯電粒子を飛翔させるもの
である。現在、このような静電記録方式のインクジェッ
トプリンタは、数多くのインクジェットプリンタ方式の
中でも特に注目されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような静電記録方
式のインクジェットプリンタの場合、インクをプリンタ
ヘッド先端にて濃縮または凝縮した後に飛翔させる必要
がある。そのためには、毛管現象などによりインクをプ
リンタヘッド先端へ安定して供給する必要がある。

【０００８】また、画質の高精細化のために飛翔インク
滴の大きさを小さくしたり、あるいはインクを飛翔し易
くするためには、プリンタヘッドの先端部分を先細形状
に形成する必要がある。

【０００９】ところが、プリンタヘッドの先端部分が先
細になればなる程、ヘッド先端におけるインク層形成に
は毛管現象よりも重力（表面張力）の影響の方が支配的
となってしまう。さらに、水平度や振動等の影響により
ヘッド先端への安定したインク供給が困難となる恐れが
あった。

【００１０】そこで本発明では、毛管現象によって先端
部分に安定してインクを供給させることのできるプリン
タヘッド、およびこのプリンタヘッドを用いたプリン
タ、さらにはプリンタヘッド用電極の製造方法を提供す
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明は、凸状形状をなし側面に溝が形成された電
極と、色材を含有するインクを前記電極に供給する供給
路と、前記電極を搭載し、少なくともインク中の色材を
飛翔させるための電圧を前記電極に印加するためのヘッ
ド基板とを有するプリンタヘッドとした。

【００１２】また、凸状形状をなし側面に溝が形成され
た電極と、色材を含有するインクを前記電極に供給する
供給路と、前記電極を搭載し、少なくともインク中の色
材を飛翔させるための電圧を前記電極に印加するための
ヘッド基板と、前記電極と対向する位置に記録媒体を保
持する媒体保持手段と、前記媒体保持手段を駆動する駆
動手段とを有するプリンタとした。

【００１３】また、第１の基板にエッチングにより深さ
の異なる複数の凹部を設ける工程と、前記凹部を含む前
記基板表面にエッチング停止層を形成する工程と、前記
エッチング停止層が設けられた前記凹部内を埋めつつ前
記エッチング停止層上に電極層を形成する工程と、構造
基板からなる第２の基板を、前記電極層に対して前記第
１の基板と反対側に接合する工程と、前記第１の基板を
エッチングにより除去する工程と、前記エッチング停止
層を除去して凸状の電極を露出させて形成する工程と、
前記凸状の電極の側面に溝を形成するためのエッチング
を行う工程とを有するプリンタヘッド用電極の製造方法
とした。

【００１４】なお、上述の各構成においては、電極の先
端部分に凹部を形成してもよい。この凹部は、例えばエ
ッチング工程により形成される。このように構成された
本発明によれば、凸状電極の側面に溝を設けることによ
って電極表面に段差ができるため、ヘッド先端における
インク層形成において重力（表面張力）の影響よりも毛
管現象の影響を支配的にすることができる。したがっ
て、先端部分に安定してインクを供給させることのでき
るプリンタヘッド、およびこのプリンタヘッドを用いた
プリンタ、さらにはプリンタヘッド用電極の製造方法が
提供される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例を説明する。図１は本発明のプリンタヘッドの主要
部分、すなわち電極付近を示す斜視図である。同図に示
すように、本発明で使用される電極1 は全体として略四
角柱状の凸状形状をなしており、相対する２つの側面に
それぞれ溝2a,2b を備えている。

【００１６】ここで溝2a,2b は全長にわたって均一の深
さで、電極1 の先端に向かうにしたがってその幅が徐々
に小さくなるように形成されている。また、溝2a,2b の
最下端に位置するヘッド材料層109 は窪んだ状態に形成
されている。

【００１７】また、電極1 の先端部分は略四角形の平坦
面となっており、そこに円形の凹部3 が形成されてい
る。この凹部3 は溝2a,2b と連通する関係に形成されて
いる。以上のような形状をなす電極1 は、パイレックス
ガラス基板111 とヘッド材料層110 との２層構造からな
る基板4 上に形成され、その表面は全体的にモリブデン
層109 で覆われている。

【００１８】図２は、上述のような電極1 を採用したプ
リンタヘッドの断面図、図３はその斜視図である。図３
に示すように、電極1 は基板4 上にライン状に複数個が
並設されており、それぞれが同一の形状および機能を持
つように形成されている。

【００１９】インク5 は、ここでは10⁸ Ω・cm以上の絶
縁性の溶媒中にコロイド状に、プラス帯電性の色材を帯
電制御材やバインダなどとともに分散させたものを使用
しており、例えばＹＭＣＢの４色が別々に用意されてい
る。このようなインク5 はインクタンク（図示せず）内
に収納されており、インク還流機構（図示せず）によっ
て矢印Ａから矢印Ｂに至る経路で供給される。また、基
板4 上に設けられた凸部6 とスリット板7 とで仕切られ
た領域内、すなわちそれぞれの電極1 に沿って延びる平
行な領域内がインク5 の流路として使用される。

【００２０】このように供給されるインク5 は、毛管現
象によって基板4 表面に沿って流れ、電極1 周囲に供給
される。そして、電極1 の稜面の麓から毛管現象により
溝2a,2b 内を上昇し、電極1 先端の凹部3 （飛翔ポイン
ト）に到達する。

【００２１】この際、インク5 を飛翔させるために、電
極1 にバイアス電源から常時バイアスとして、例えばDC
1Kv の電圧が印加され、駆動回路からの画像信号に応じ
て、例えば200Vの信号パルス電圧が重畳される。この
時、電極1 の先端からインク液内の凝集された色材が基
板4 の表面に対してほぼ垂直方向に射出され、離間して
配置された記録紙8 の背面に設けられた対向電極9 に引
っ張られて飛翔する。そして、飛翔した色材が記録紙8
に到達することにより、文字や画像の印刷が可能とな
る。

【００２２】続いて、図４を参照して本発明に係るプリ
ンタヘッドの電極部分の具体的な製造方法について説明
する。まず、ｐ型で(100) 結晶面方位のSi単結晶基板101 上
に、厚さ0.1 μｍのSiO２熱酸化層102 をドライ酸化法
により形成し、さらにレジスト103 をスピンコート法に
より塗布する。（図４( ａ) ）次に、例えばステッパを用いて50μｍ幅のストライプ状
開口部104 が得られるように露光，現像などのパターニ
ングを行った後、NH４F ・HF混合溶液によってSiO ２膜
のエッチングを行う。（図４( ｂ) ）レジスト除去後、30wt％のKOH 水溶液を用いて異方性エ
ッチングを行い、深さ30μｍの凹状の第１凹部112 に形
成する。この第１凹部112 がインク5 を供給・排出する
溝2a,2b の土手となる。（図４( ｃ) ）そして、第１凹部112 が形成されたSi単結晶基板101 上
のSiO ２熱酸化層102を一旦除去し、厚さ0.1 μｍのSiO
２熱酸化層105 をドライ酸化法により形成する。（図
４( ｄ) ）さらに、レジスト106 をスピンコート法により塗布す
る。そして、例えばステッパを用いて100 μｍ角の正方
形開口部107 が得られるように露光，現像などのパター
ニングを行った後、NH４F ・HF混合溶液によってSiO ２
膜のエッチングを行う。（図４( ｅ) ）レジスト除去後、30wt％のKOH 水溶液を用いて異方性エ
ッチングを行い、深さ71μｍの逆ピラミッド状の第２凹
部113 をSi単結晶基板101 上に形成する。（図４( ｆ)
）次に、 NH ４F ・HF混合溶液を用いて、SiO ２熱酸化層
105 を一旦除去した後、Si単結晶基板101 上に第１凹部
112 内を含めてエッチング停止層となるSiO ２熱酸化絶
縁層108 をWet 酸化法により形成する。（図４( ｇ) ）そして、SiO ２熱酸化絶縁層108 に例えばモリブデン
層，タンタル層やクロム層などのプリンタヘッド材料
を、第１凹部112 および第２凹部113 に充填されるよう
に形成する。（図４( ｈ) ）なお、本実施例ではヘッド材料層109 としてモリブデン
を用い、厚さ5 μｍとなるようにスパッタリング法を用
いて形成した。また、本実施例ではヘッド材料層109 が
電極1 への配線を兼ねているが、インク5 との濡れ性を
考慮したヘッド材料の材質や導電性によっては、さらに
ITO 層などの導電層を形成してもよい。

【００２３】仮にヘッド形状を大きくすることを要求さ
れた場合、もしくは第１凹部112 や第２凹部113 の大き
さや、その深さを大きくする必要が生じた場合には、ヘ
ッド材料層109 を用いるだけでは第１凹部112 内や第２
凹部113 内を充填することが困難な場合がある。そのよ
うな場合には、芯材として他の単数の材料層を用いて充
填することも可能である。本実施例では図４( ｈ) に示
すように、ヘッド材料層109 としてモリブデン層を用い
る他に、芯材からなる２層目のヘッド材料層110 を採用
している。

【００２４】また、ヘッド材料層109 の厚さが薄く構造
基板として不十分な場合には、構造基板となるパイレッ
クスガラス基板を、例えば静電接着法を用いて、Si単結
晶基板101 とヘッド材料層109 を介するように接着して
もよい。本実施例ではパイレックスガラス基板111 が２
層目のヘッド材料層110 上に接着されており、プリンタ
ヘッドの強度をさらに補強している。

【００２５】次に、エチレンジアミン，ピロカテコー
ル，およびピラジンの混合水溶液でSi単結晶基板101 の
みをエッチング除去し、さらにSiO ２熱酸化絶縁層108
をNH４F ・HFなどの各種混酸またはHF水溶液を用いて除
去する。これによって先端に平坦面を持つピラミッド状
のプリンタヘッド（電極1 ）が形成される。（図４(
ｉ) ）続いて、電極1 の先端の平坦面の凹部3 、および稜面の
ヘッド材料層109 に溝2 を形成するためのエッチングを
行う。まず、全面にレジストをコーティングし、ヘッド
材料層が凸状電極および配線部に残るようにパターニン
グする。（図４( ｊ) ）そして、ヘッド材料層109 をエッチングすることで、先
端の平坦面に凹部3 を持ち、側面に溝2 を持つ凸状の電
極1 が形成される。（図４( ｌ) および図４(k) ）このような工程によって製作されたインクジェットプリ
ンタヘッドは、従来のインクジェットプリンタとは異な
り、異方性エッチングにより設けられた凹部を有するSi
単結晶基板上にSiO ２熱酸化絶縁層をまず形成し、その
後、プリンタヘッドとなる物質をこの凹部内に充填して
形成している。そのため、凹部の形状に応じて均一性・
再現性に優れたプリンタヘッドを形成することができ
る。もちろん、熱酸化法は一般的な半導体製造工程との
プロセス整合性が良く、工程の簡易化を図ることもでき
る。

【００２６】以上のような構成からなる本発明によれ
ば、単に電極を凸状に形成した場合には重力（表面張
力）の影響の方が毛管現象の影響よりも支配的になって
しまい、ヘッド先端にインクが供給されないという問題
を解消するために、電極の側面に溝を設けてインクの供
給をスムーズに行わせるようにしている。

【００２７】すなわち、凸状電極の側面に溝を設けるこ
とによって電極表面に段差ができるため、溝のない凸状
電極を用いた場合に見られる、表面張力によってインク
が電極の先端に到達しないといった不具合が解消され、
ヘッド先端におけるインク層形成において重力（表面張
力）の影響よりも毛管現象の影響を支配的にすることが
できる。

【００２８】したがって、毛管現象によるインクの供給
・排出を安定かつ確実に行わせることができる。また、
毛管現象によるインクの供給・排出が行われることによ
り、電界集中効果を大幅に高めるべく電極を容易に凸状
形状に形成することができる。そして、ヘッド先端に高
電圧を印加する必要がなく、低電圧駆動が可能になると
同時に、電極の形状不均一性に起因する異常放電を防止
することができる。

【００２９】また本発明では、電極がプリンタヘッドの
基板端面とは離間した位置に設けられている。そのた
め、電極が基板端面付近に形成される場合と異なり、破
損の恐れを極力回避することができる。

【００３０】なお、インクに対して十分な電界を与える
ことができれば、電極の一部または全部が絶縁層で覆わ
れていてももちろんよい。また、使用される色材はマイ
ナス帯電性であっても構わず、その場合には、各電極の
印加電圧の極性を全て逆にすればよい。

【００３１】図５はおよび図６は、本発明に係る電極1
の先端部分に関する各種変形例である。これらの図に示
すように、電極1 先端の凹部3 の形状としてはいろいろ
な形態が考えられ、いずれも図４に示した製造方法によ
り製作することが可能である。

【００３２】例えば図５は凹部3 の表面形状を示したも
のであり、同図( ａ) はひし形の凹部、同図( ｂ) は正
方形の凹部、同図( ｃ) は多角形の凹部を示したもので
ある。また、図６は凹部3 の奥行き形状を示したもので
あり、同図( ａ) は溝2a,2bと同じ深さを持つもの、同
図( ｂ) は溝2a,2b に比べて深い奥行きとなるように断
面略半円形に形成したものである。

【００３３】もちろん、図５および図６に示した凹部形
状に限定されることなく、例えばインクの粘性などの材
料特性を考慮して最適な形状を選択することが好まし
い。また、電極の高さ（先細の度合い）も任意に決定す
ることができる。

【００３４】図７は本発明のプリンタヘッドの第２実施
例であり、電極付近を斜視的に示したものである。本実
施例が前述の第１実施例と異なる点は、電極1 の両脇に
それぞれ凸部10を設けた点にある。具体的には、凸部10
は電極1 と基板4 とにわたって一体的に、かつインク5
の流路を閉塞する状態に形成されている。なお、凸部10
を除く構成要素は第１実施例と同一であるので、ここで
は重複する説明は省略する。

【００３５】このような構成からなる本実施例によれ
ば、図中矢印ＡからＢに向かってインクが流れる際、凸
部10がインク流通の障壁となるために電極1 の上流付近
にインク溜りが形成される。つまり、インクが電極1 の
脇を迂回して通過してしまうことを避けるために凸部10
が設けられ、これによってインクが電極1 の溝2b内を経
て凹部3 に到達し易くなっている。したがって、少ない
インク量であっても電極1 から飛翔させることのできる
インク量を十分に確保することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、毛
管現象を利用してインクの供給を安定して行わせること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプリンタヘッドの主要部分である電極
付近を示す斜視図。

【図２】図１に示した電極を採用したプリンタヘッドの
断面図。

【図３】プリンタヘッドの斜視図。

【図４】本発明に係るプリンタヘッド用電極の製造方法
を説明するための断面図。

【図５】電極先端の凹部の表面形状の変形例を示した平
面図。

【図６】電極先端の凹部の奥行き形状の変形例を示した
平面図。

【図７】本発明のプリンタヘッドの主要部分である電極
付近の第２実施例を示す斜視図。

【符号の説明】

1 電極 2,2a,2b 溝 3 凹部 4 基板 5 インク 6 凸部 7 スリット板 8 記録紙 9 対向電極 10 凸部 101 Si単結晶基板 102 SiO ２熱酸化層 103 レジスト 104 ストライプ状開口部 105 SiO ２熱酸化層 106 レジスト 107 正方形開口部 108 SiO ２熱酸化絶縁層 109 ヘッド材料層（モリブデン層） 110 ヘッド材料層 111 パイレックスガラス基板 112 第１凹部 113 第２凹部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者保坂靖夫神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者永戸一志神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者石井浩一神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者中本正幸神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】凸状形状をなし側面に溝が形成された電極
と、色材を含有するインクを前記電極に供給する供給路と、前記電極を搭載し、少なくともインク中の色材を飛翔さ
せるための電圧を前記電極に印加するためのヘッド基板
とを有することを特徴とするプリンタヘッド。
【請求項２】前記電極の先端部分に凹部を設けてなるこ
とを特徴とする請求項１記載のプリンタヘッド。
【請求項３】凸状形状をなし側面に溝が形成された電極
と、色材を含有するインクを前記電極に供給する供給路と、前記電極を搭載し、少なくともインク中の色材を飛翔さ
せるための電圧を前記電極に印加するためのヘッド基板
と、前記電極と対向する位置に記録媒体を保持する媒体保持
手段と、前記媒体保持手段を駆動する駆動手段とを有することを
特徴とするプリンタ。
【請求項４】前記電極の先端部分に凹部を設けてなるこ
とを特徴とする請求項３記載のプリンタ。
【請求項５】第１の基板にエッチングにより深さの異な
る複数の凹部を設ける工程と、前記凹部を含む前記基板表面にエッチング停止層を形成
する工程と、前記エッチング停止層が設けられた前記凹部内を埋めつ
つ前記エッチング停止層上に電極層を形成する工程と、構造基板からなる第２の基板を、前記電極層に対して前
記第１の基板と反対側に接合する工程と、前記第１の基板をエッチングにより除去する工程と、前記エッチング停止層を除去して凸状の電極を露出させ
て形成する工程と、前記凸状の電極の側面に溝を形成するためのエッチング
を行う工程とを有することを特徴とするプリンタヘッド
用電極の製造方法。
【請求項６】前記凸状の電極の先端部分に凹部を形成す
るためのエッチング工程を含むことを特徴とする請求項
５記載のプリンタヘッド用電極の製造方法。