JPH11245410A - サーマルインクジェットヘッド - Google Patents

サーマルインクジェットヘッド

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JPH11245410A
JPH11245410A JP4646498A JP4646498A JPH11245410A JP H11245410 A JPH11245410 A JP H11245410A JP 4646498 A JP4646498 A JP 4646498A JP 4646498 A JP4646498 A JP 4646498A JP H11245410 A JPH11245410 A JP H11245410A
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JP
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ink
frame
silicon substrate
jet head
head
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JP4646498A
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Inventor
Katsuzo Uenishi
勝三 上西
Morio Ota
守雄 太田
Satoshi Kanemitsu
聡 金光
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Casio Computer Co Ltd
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Casio Computer Co Ltd
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】放熱性があり且つ製作の容易なフレーム構造を
備えたサーマルインクジェットヘッドを提供する。 【解決手段】ヘッドチップ20は、4列の発熱抵抗とこ
れらに対応するインク案内溝及びノズル孔(オリフィ
ス)列を積層され(図示省略)、左端のオリフィス列に
対応するインク供給孔22aから右端のオリフィス列に
対応するインク供給孔22dまで、4個のインク供給孔
22がそれぞれ上下に位置をずらせて形成される。この
裏面に密着してフレーム25が重ねられ、更にインク容
器接続部27が重ねられてサーマルインクジェットヘッ
ドが完成する。フレーム25の中央部から左方又は右方
に延在して上下に貫通する4個のインク供給路26a〜
26dは、インク容器接続部27の4個の接続孔29a
〜29dとヘッドチップ20の4個のインク供給孔22
a〜22dとを夫々連通させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、フレームの作成が
容易なサーマルインクジェットヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】近年、サーマルインクジェット方式を用
いたプリンタが主流を占めてきている。このサーマルイ
ンクジェット方式は、印字のために射出するインクの液
滴形成過程において、ヒータを熱してヒータ面上に核
気泡を発生させる。この核気泡が合体して膜気泡が生
まれる。この膜気泡が断熱膨脹して成長する。その
成長した膜気泡が周囲のインクに熱を取られて収縮す
る。ついには膜気泡が消滅し、次のヒータ加熱を待
つ、という一連の工程を瞬時に行うことによって成り立
っている。そして、上記の〜の工程には膜沸騰現象
が利用されている。
【0003】膜沸騰現象は、例えば鉄の焼き入れのよう
に高温に加熱された物体を液体中に漬けた場合と、液体
と接する物体の表面温度を急激に上げた場合とに発現す
るが、サーマルインクジェットプリンタに用いられる膜
沸騰現象は後者の「液体と接する物体の表面温度を急激
に上げる」方法によっている。
【0004】また、このように膜沸騰現象を利用し、三
原色のインクを吐出して、フルカラー印刷を行うインク
ジェットプリンタの印字ヘッド(サーマルインクジェッ
トヘッド)は、一般に、シリコンLSIと薄膜技術を利
用して製造される。
【0005】そして、その製造方法では、例えば解像度
が360dpi(ドット/インチ)の印字ヘッドであれ
ば128個のインク吐出ノズルを、それぞれ個々に駆動
回路を対応させて一括して製造する方法が知られてい
る。また、解像度が720dpiの場合であれば256
個のインク吐出ノズルが個々の駆動回路と共に形成され
る。
【0006】これを簡単に説明すると、先ず、工程1と
して、4インチ以上のシリコン基板にLSI形成処理に
より駆動回路とその端子を形成する。次に、工程2とし
て、薄膜技術によりNiなどによる電極、Ta−Si−
SiOなどの微細抵抗を形成する。続いて、工程3とし
て、ウェットエッチングまたはサンドブラスト法などに
より上記シリコン基板にインク供給路とインク供給孔を
形成する。更に、工程4として、感光性ポリイミドなど
の有機材料を用いて個々のインク吐出口に対応するイン
ク溝を形成すべく隔壁を積層する。そして、工程5とし
て、エポキシ樹脂接着剤などのついた鋼薄板またはポリ
イミド等によりなる薄板部材をシリコン基板に張り付け
て上記隔壁によって形成されたインク溝に蓋をして個別
の微細通路(インク案内路)を形成する。また更に、工
程6として、上記薄板部材の上記微細抵抗に対応する部
分にECRなどのドライエッチング又はエキシマレーザ
などにより40μm〜20μmの孔を空けて、多数のノ
ズル孔(オリフィスともいう)を一括形成する。ここま
でが、ウェハの状態で処理される。そして、最後に、工
程7として、ダイシングソーなどを用いてカツテングし
て、単位毎に個別に分割する。尚、オリフィスは、一般
には導波管等の終端または壁面に形成されたエネルギー
伝達用の孔又は窓の意として用いられている。
【0007】図4(a),(b),(c) 及び図5(a),(b),(c)
は、上記のサーマルインクジェットヘッドの製造方法を
工程順に示す図である。図4(a),(b),(c) はそれぞれ概
略の平面図とそのA−A′断面図を示しており、図5
(a),(b),(c) はそれぞれ上段に図4(a),(b),(c) の詳細
拡大部分図、中段に上段のB−B′断面矢視図、下段に
上段のC−C′断面矢視図を示している。
【0008】尚、これらの図では、説明の便宜上いずれ
も1個の発熱ヘッドのみを示しているが、実際にはこの
ような発熱ヘッドが複数個連なって1枚のシリコン基板
上に形成される。また、図4(a),(b),(c) のそれぞれ下
に示している断面図は、図5(a),(b),(c) のそれぞれ中
段に示すA−A′断面矢視図と同一のものである。
【0009】上記の図4(a) 及び図5(a) は上述した工
程1〜工程3が終了した直後の状態を示している。すな
わち、シリコン基板1上には、共通電極2、共通電極給
電端子3(図4(a) 参照)、個別配線電極4、抵抗5、
駆動回路6、駆動回路端子7(図4(a) 参照)、インク
供給路8及びインク供給孔10が形成されている。
【0010】この例では、1個の発熱ヘッドに形成され
る後述するノズル孔の数(抵抗5の数に対応している)
は256個であり、このノズル孔に対して一つの供給孔
10を設けている。この供給孔10は、インク溝に対し
てインクを供給するためのものであり、コンダクタンス
は大きいことが望ましい。
【0011】次に図4(b) 及び図5(b) は、上述の工程
4が終了した直後の状態を示している。すなわち、共通
電極2のインク供給路8の左側に位置する部分と、個別
配線電極4が配設されている部分、及び各抵抗5と抵抗
5の間に、隔壁部材9が積層されている。隔壁部材9の
上記各抵抗5間に積層される部分は、個別配線電極4上
の部分9−1を櫛の胴とすれば、各抵抗5間に伸び出す
部分9−2は櫛の歯に相当する形状をなしている。これ
により、この櫛の歯を隔壁として、その歯と歯の間の付
け根部分に抵抗5が位置する微細なインク案内溝が、抵
抗5の数だけ形成される。この隔壁部材9は、10μm
以上の厚さを有している。
【0012】そして、図4(c) 及び図5(c) は、上述し
た工程5と工程6が終了した直後の状態を示している。
すなわち、薄板部材11が駆動回路6と給電端子3及び
7の部分を除く全領域を覆っており、上記のインク案内
溝も上を覆われて隔壁部材9の厚さ10μmに対応する
高さのインク案内路12を形成している。そして、抵抗
5に対応する部分にノズル孔13が形成されており、こ
れにより、1列のノズル孔13を備えた発熱ヘッド14
が完成する。
【0013】通常フルカラー印字においては、減法混色
の三原色であるイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シア
ン(C)の3色に、文字や画像の黒部分に専用されるブ
ラック(Bk)を加えて合計4色のインクを必要とす
る。したがって、最低でも4列のノズル列が必要であ
る。そして、上述した製造方法によれば4列の素子をモ
ノリシック(monolithic)に構成することは可能であ
り、各列の位置関係も今日の半導体の製造技術により正
確に配置することが可能である。
【0014】図6は、上述の図4(c) 及び図5(c) に示
した発熱ヘッド14を4列並べてフルカラーのサーマル
インクジェットヘッドをシリコン基板1上に構成した状
態を示す平面図とそのD−D′断面図である。同図に示
すように、サーマルインクジェットヘッド15は、4個
の発熱ヘッド14(14a、14b、14c、14d)
が並んで配置されている。そして、例えばインク供給孔
10aからYインクが発熱ヘッド14aのインク供給路
8aを介してインク案内路12(図5(c) 及び図6(c)
参照)に供給され、インク供給孔10bからMインクが
発熱ヘッド14bのインク供給路8bを介してインク案
内路12に供給され、インク供給孔10cからCインク
が発熱ヘッド14cのインク供給路8cを介してインク
案内路12に供給され、そして、インク供給孔10dか
らはBkインクが発熱ヘッド14dのインク供給路8d
を介してはインク案内路12に供給される。
【0015】これらの4個のインク供給孔10a〜10
dは、シリコン基板1の裏面からサンドブラスト又はウ
ェットエッチングで形成されており、各発熱ヘッド毎に
同一の位置に形成されている。
【0016】このサーマルインクジェットヘッド15の
大きさは、320dpiの解像度で256個のノズル孔
を有するものとして略20mm×8.5mm程度、12
8個のノズル孔の場合には略10mm×8.5mm程度
である。
【0017】印字に際しては、抵抗5が印字情報に応じ
て選択的に通電され、瞬時に発熱して膜沸騰現象を発生
させ、その抵抗5に対応するノズル孔13からインク滴
が吐出される。このようなインクジェット方式ではイン
ク滴はノズル孔13の径に対応する大きさの略球形で吐
出され、紙面上には略その倍の径の大きさとなって印字
される。
【0018】図7(a) の上は、このようなサーマルイン
クジェットヘッド15が形成されたシリコン基板1の裏
面図であり、下にそのE−E′断面図を示している。
尚、この断面図には、シリコン基板1の上面に配設され
ている図4(c) 、図5(c) 又は図6に示した各部の構成
の図示を省略しており、説明に必要な部分にのみ図4〜
図6と同一の番号を付与して示している。
【0019】また、図7(b) の上は、このサーマルイン
クジェットヘッド15にインクを供給するインク通路を
形成するためにシリコン基板1の裏面に密着して重ねら
れるフレームの底面図であり、下にそのF−F′断面矢
視図を示している。同図(b)に示すように、フレーム1
6は、不図示のインク容器と接続する4個のインク容器
接続部17(17a、17b、17c、17d)と、こ
れらのインク容器接続部17に夫々連通してフレーム1
6を上面まで貫通する4個のインク通路孔18と、これ
らのインク通路孔18と、上記シリコン基板1の裏面に
密着したときインク供給孔10(10a〜10d)とを
夫々連通させる4本のインク通路溝19を備えている。
【0020】これにより、このフレーム16が、シリコ
ン基板1の裏面に密着して積層されインク容器接続部1
7とインク容器とが接続されて、上述したように各色の
インクを夫々対応するインク容器接続部17、インク通
路孔18、インク通路溝19、インク供給孔10、イン
ク供給路8、及びインク案内路12を介してノズル孔1
3に供給することが可能となる。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のフレ
ーム16は、シリコン基板1との熱膨張係数との関係を
考慮して一般にFe−Ni合金が使用される。そして、
図7(b) に示したように、フレーム16には表面(底
面)の4ケ所にインク容器接続部17を作成し、重ね合
わせ面(上面)には、縦方向に直線上に並んだ容器接続
部17からシリコン基板1のインク供給孔10に接続す
るためのインク通路溝19が形成されている。このイン
ク通路溝19の溝の探さとしてはおよそ0.2〜1mm
程度が必要である。
【0022】このサーマルインクジェットヘッド15は
上述したように、例えば360dpiの解像度、1個の
発熱ヘッドで128個のノズル孔として、4色用に4個
の発熱ヘッドでは全体として略8・5mm×10.0m
mの大きさに形成される。このように小型の印字ヘッド
に4種類(4色、4個)のインク容器を接続しなければ
ならない。
【0023】このためには、先ずインク容器接続部17
を、図7(b) に示すように、対応するシリコン基板のオ
リフィス列に沿った長手方向に一直線に並べて配置せざ
るを得ない。そして。この容器接続部17をインク供給
孔10に接続するためにインク通路溝19の形成は、ど
うしても必要な措置である。
【0024】このように1単位として切り出されるサー
マルインクジェットヘッド15の1チップ毎に取り付け
るフレームに、図7(b) に示すような複雑な溝加工を行
うのは、なかなか手数のかかる面倒な作業である。ま
た、貫通孔ではなく溝の形成であるため、加工のし易す
さと強度の両面から材料設計に制約を受けるという不便
があった。
【0025】本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、
任意の材料を使用でき且つ製作の容易なフレーム構造を
備えたサーマルインクジェットヘッドを提供することで
ある。
【0026】
【課題を解決するための手段】以下に、本発明のサーマ
ルインクジェットヘッドの構成を述べる。本発明のサー
マルインクジェットヘッドは、複数の発熱素子をアレー
状に配設した発熱ヘッドを複数設け、上記発熱素子上に
供給されるインクを上記発熱素子にて加熱し、上記イン
クと上記発熱素子の界面に気泡を発生させることにより
該発熱素子に対応するオリフィスからインク滴を吐出す
るサーマルインクジェットヘッドであって、シリコン基
板の一面に配設された夫々複数の少なくとも上記発熱ヘ
ッドと、上記オリフィスと、該オリフィスにインクを供
給するインク溝と、該インク溝から上記シリコン基板の
他面に貫通する複数のインク供給孔と、上記シリコン基
板の他面に密着し少なくとも上記インク供給孔に対応す
る箇所に貫通孔が設けられたフレームと、該フレームの
上記シリコン基板と密着する面の反対面に密着し上記貫
通孔にインクを供給するインク供給部材とを有して構成
される。
【0027】上記フレームは、例えば請求項2記載のよ
うに、良熱伝導材料からなるように構成される。また、
上記インク供給孔は、例えば請求項3記載のように、上
記アレー状の配設方向へ互いに位置ずれして配置される
ことを特徴とする請求項1記載のサーマルインクジェッ
トヘッド。
【0028】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。図1(a) は、一実施の形態に
おけるサーマルインクジェットヘッドの構成を示す平面
図とそのH−H′断面矢視図であり、同図(b) は、その
裏面図である。尚、同図(a),(b) に示すサーマルインク
ジェットヘッド20は、一部の工程を除いては、図4及
び図5に示した従来の発熱ヘッドと同様の製作工程を経
て、シリコンウエハにモノリシックに形成されたものの
中から4個を1組として切り出して示したものである。
【0029】図1(a),(b) に示すサーマルインクジェッ
トヘッドチップ(以下、単にヘッドチップという)20
は、通常の500μmから600μmの厚さのシリコン
基板を用い、前述した工程3において、従来とは異な
り、表面からの深さおよそ200μmから250μmま
でのインク供給孔に代わる4個の溝22(22a、22
b、22c、22d)を形成する。その後、シリコン基
板上での他の加工が終了し、ダイシングの直前に、裏面
側を研磨して、基板全体を厚さ200μmから250μ
mに薄くする。
【0030】これにより、シリコン基板21の図1(a)
の断面図に示す破線23の部分が削り取られ、薄くなっ
たシリコン基板21を溝22が貫通して、図1(b) に示
すように4個のインク供給孔22(22a、22b、2
2c、22d)が形成される。この4個のインク供給孔
22は、各発熱ヘッド24に対して同一位置ではなく、
抵抗等のアレー状の配設方向(図の上下の方向)へ互い
に位置ずれして配置されている。
【0031】このように、シリコン基板21を薄くする
(インク供給孔22を浅くする)のは、インク供給孔2
2のコンダクタンスを大きくすると共に、後述するフレ
ームへの熱伝動を良くして抵抗の発熱後の放熱を容易に
するためである。また、研磨による薄型化を、シリコン
基板上での他の加工が全て終了してからダイシングの直
前に行うのは、最初に薄型化してしまうと、取り扱い上
において破損の危険が増加し、加工作業が難しくなるか
らである。
【0032】上記に続いて、そのように形成したヘッド
チップ20に4種類のインクを供給するためのインク通
路を取り付ける。以下これについて説明する。図2(a)
は、図1(b) に示したヘッドチップ20の裏面に張り合
わせて一体化されるフレームの平面図を上に示し、下に
そのJ−J′断面矢視図を示している。そして、図2
(b) は、密着して重ねられたヘッドチップ20の裏面と
フレーム25の平面図を下に示し、上にそのK−K′断
面矢視図を示している。
【0033】図2(a) に示すフレーム25は、熱伝導の
良い500μm程度の厚さの鋼板にエッチング又はプレ
スにより夫々異なる形状のインク供給路26(26a、
26b、26c、26d)が形成されている。インク供
給路26はいずれも上から下までの単なる貫通孔である
ので、これらの孔空け加工は容易である。このフレーム
25を図1(b) に示すヘッドチップ20の裏面に重ねて
密着させる。
【0034】この状態で、図2(b) に示すように、フレ
ーム25のインク供給路26a及び26bはそれらの左
端がインク供給孔22a及び22bに夫々連通し、イン
ク供給路26c及び26dはそれらの右端がインク供給
孔22c及び22dとそれぞれ連通している。このよう
に、フレーム25には、ヘッドチップ20の裏面に重ね
たとき、インク供給孔22に接続する形で、プレス加工
等による単純な貫通孔からなるインク供給路26が形成
されている。
【0035】図3(a) は、これらの上に被せられる(下
方から外嵌する)インク容器接続部の構成を示す平面図
及びそのM−M′断面図である。このインク容器接続部
27は、樹脂成型などで作成され、フレーム25に密着
する上面28には、4個の接続孔29a、29b、29
c、29dが形成され、その上面28の周辺には縁部3
1が形成され、この凹部に嵌入するヘッドチップ20と
フレーム25を保持するような形状になっている。この
インク容器接続部27を、フレーム25とヘッドチップ
20に下方からこれらを包みこむように被せると、4個
の接続孔29a及び29bが、図2(b) に示すフレーム
25のインク供給路26a及び26bの右端にそれぞれ
連通し、接続孔29c及び29dがインク供給路26c
及び26dの左端にそれぞれ連通する。
【0036】図3(b) は、そのようにしてヘッドチップ
20と、フレーム25と、インク容器接続部27が3層
に重なって完成したサーマルインクジェットヘッドを示
す側断面図である。尚、同図(b) には、ヘッドチップ2
0上に積層されている素子構成は図示を省略している。
また、同図(b) は同図(a) に示すM−M′断面部分と同
一の位置を示している。
【0037】この図3(b) に示すように、インク容器接
続部27の接続孔29aには不図示のインク容器から図
の矢印に示すようにインク(4種類の中の1色のイン
ク)が送りこまれ、このインクはフレーム25で形成さ
れているインク供給路26aを経由して、ヘッドチップ
20のインク供給孔22aを介して、当該発熱ヘッドの
オリフィス列に供給される。他の3色のインク容器のイ
ンクも同様に、インク容器接続部27の他の接続孔29
b、29c、29d、フレーム25の他のインク供給路
26b、26c、26d、及びヘッドチップ20の他の
インク供給孔22b、22c、22dを介して夫々に対
応する発熱ヘッドのオリフィス列に供給される。
【0038】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、フレームに対して単に孔空け加工のみで溝の形成
は行わないので、フレームをプレス加工等によって容易
に形成でき、したがって、経済性が向上する。また、同
様にフレームの孔が単純な貫通孔であるので、材料とし
てプレス加工の容易で且つ熱伝導性の良い金属板を使用
することができ、したがって、シリコン基板の発熱の拡
散板を兼用することができて放熱性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a) は一実施の形態におけるサーマルインクジ
ェットヘッドチップの構成を示す平面図とそのH−H′
断面矢視図、(b) はその裏面図である。
【図2】(a) はヘッドチップの裏面に張り合わせて一体
化されるフレームの平面図とそのJ−J′断面矢視図、
(b) は密着して重ねられたヘッドチップの裏面とフレー
ムの平面図及びそのK−K′断面矢視図である。
【図3】(a) はインク容器接続部の構成を示す平面図及
びそのM−M′断面図、(b) はヘッドチップとフレーム
とインク容器接続部が3層に重なって完成したサーマル
インクジェットヘッドを示す側断面図である。
【図4】(a),(b),(c) は従来のサーマルインクジェット
ヘッドの発熱ヘッドの製造方法を工程順に示す概略の平
面図とA−A′断面図である。
【図5】(a),(b),(c) は従来の発熱ヘッドの詳細な拡大
部分平面図を上段に、そのB−B′断面矢視図を中段
に、C−C′断面矢視図を下段に示す図である。
【図6】従来の発熱ヘッドを4列並べてフルカラーのサ
ーマルインクジェットヘッドをシリコンチップ上に構成
した状態を示す平面図とそのD−D′断面図である。
【図7】(a),(b) は従来のサーマルインクジェットヘッ
ドにインクを供給するインク通路の構成を示す図であ
る。
【符号の説明】
1 シリコン基板 2 共通電極 3 共通電極給電端子 4 個別配線電極 5 抵抗 6 駆動回路 7 駆動回路端子 8(8a、8b、8c、8d) インク供給路 9 隔壁部材 9−1 櫛の胴相当部分 9−2 櫛の歯相当部分 10(10a、10b、10c、10d) インク供給
孔 11 薄板部材 12 インク案内路 13 ノズル孔(オリフィス) 14(14a、14b、14c、14d) 発熱ヘッド 15 フルカラー用サーマルインクジェットヘッド 16 フレーム 17(17a、17b、17c、17d) インク容器
接続部 18 インク通路孔 19 インク通路溝 20 サーマルインクジェットヘッド 21 シリコン基板 22(22a、22b、22c、22d) 溝(インク
供給孔) 24 発熱ヘッド 25 フレーム 26(26a、26b、26c、26d) インク通路
孔 27 インク容器接続部 28 フレーム上面 29a、29b、29c、29d 接続孔 31 フレーム上面縁部

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の発熱素子をアレー状に配設した発
    熱ヘッドを複数設け、前記発熱素子上に供給されるイン
    クを前記発熱素子にて加熱し、前記インクと前記発熱素
    子の界面に気泡を発生させることにより該発熱素子に対
    応するオリフィスからインク滴を吐出するサーマルイン
    クジェットヘッドであって、 シリコン基板の一面に配設された夫々複数の少なくとも
    前記発熱ヘッドと、前記オリフィスと、該オリフィスに
    インクを供給するインク溝と、 該インク溝から前記シリコン基板の他面に貫通する複数
    のインク供給孔と、 前記シリコン基板の他面に密着し少なくとも前記インク
    供給孔に対応する箇所に貫通孔が設けられたフレーム
    と、 該フレームの前記シリコン基板と密着する面の反対面に
    密着し前記貫通孔にインクを供給するインク供給部材
    と、 を有することを特徴とするサーマルインクジェットヘッ
    ド。
  2. 【請求項2】 前記フレームは、良熱伝導材料からなる
    ことを特徴とする請求項1記載のサーマルインクジェッ
    トヘッド。
  3. 【請求項3】 前記インク供給孔は、前記アレー状の配
    設方向へ互いに位置ずれして配置されることを特徴とす
    る請求項1記載のサーマルインクジェットヘッド。
JP4646498A 1998-02-27 1998-02-27 サーマルインクジェットヘッド Withdrawn JPH11245410A (ja)

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