JP2001191528A - 気泡により可撓性薄膜を駆動するインクジェットプリンタヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可撓性薄膜が高繰り返し速度のインクジェッ
ト作動に耐えられ、且つ気化した作動流体に対して非浸
透性を有する、気泡により可撓性薄膜を駆動するインク
ジェットプリンタヘッドが提供される。 【解決手段】 誘電体基板と、前記誘電体基板上に形成
され、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するための
抵抗を有する加熱層と、前記加熱層上に形成された放熱
層と、前記放熱層における前記抵抗の上方に形成され、
内部に作動流体が充填される作動流体室と、前記放熱層
上に形成され、ノズルを有するノズル板と、前記ノズル
板内に形成され、内部にインキが充填されるインキ室
と、前記放熱層と前記ノズル板との間に形成され、前記
作動流体室と前記インキ室を隔てるための可撓性薄膜
と、を備える、気泡により可撓性薄膜を駆動するインク
ジェットプリンタヘッド。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はインクジェットプリ
ンタヘッドに関し、特に気泡により可撓性薄膜を駆動す
るインクジェットプリンタヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】図1は従来の気泡駆動式インクジェット
プリンタヘッドを示す図である。図1に示すように、従
来の気泡駆動式インクジェットプリンタヘッドは、基板
1と、基板1上に形成され、抵抗3を有する加熱層2と、加
熱層2上に形成された誘電体層4と、誘電体層4上に形成
され、略中央部にノズル6が形成されたノズル板5と、誘
電体層4内に形成され、加熱層2とノズル板5との間に位
置して、内部にインキが充填されるインキ室7と、外部
のインキカートリッジに接続されるインキチャンネル8
とを含む。

【０００３】抵抗3に電圧パルスが印加される場合、熱
が発生し、抵抗3に近いインキが気化する。よってイン
キ室７内に気泡が生じる。気泡によりインキ室７内の圧
力が増大し、ノズル6からインキが噴出される。その
後、印加された電圧パルスが消える場合、気泡も消え
る。前述のように、抵抗3に印加される電圧パルスを制
御することにより、インキを繰り返して噴出させること
ができる。

【０００４】前記従来の気泡駆動式インクジェットプリ
ンタヘッドは、直接にインキを加熱することによって気
化させるため、熱安定性、低導電率及び低化學活性など
の特殊な成分を有するインキを要するとの欠点がある。
また、気泡は抵抗3の近くに生じる又は消える際に、抵
抗3に大きな衝撃力を与える。かつ、インキ自身の成分
も抵抗3に傷を付けるため、抵抗の使用寿命が大幅に下
がる。また、気泡の発生又は消失はインキの温度に依存
するので、インキが抵抗に加熱されてから、インクジェ
ットプリンタヘッドの作動の繰り返し速度を上げるた
め、すぐに放熱する必要がある。なお、インキが噴出し
てから、ノズル板の外側に殘留する可能性があるので、
プリントの品質が影響される。

【０００５】気泡により可撓性薄膜を駆動するインクジ
ェットプリンタヘッドは米国特許番号4480259号公報に
開示されている。図2に示すように、前記インクジェッ
トプリンタヘッドは、基板11と、基板11上に形成され、
抵抗13を有する加熱層12と、加熱層12上に形成され、加
熱層12との間に作動流体を入れるための作動流体室15が
形成された可撓性薄膜14と、可撓性薄膜14上に形成さ
れ、略中央部にインキ室17が形成された誘電体層16と、
誘電体層16上に形成され、略中央部にノズル19が形成さ
れたノズル板18を含む。

【０００６】抵抗13に電圧パルスが印加される場合、熱
が発生し、抵抗13の近くにある作動流体が気化し、作動
流体室15内に気泡が生じる。気泡により作動流体室15内
の圧力が増大し、よって可撓性薄膜14が外側へ変形す
る。これにより、圧力波がインキ室17のインキに伝わ
り、インキがノズル19から噴出する。抵抗13に印加され
る電圧パルスを制御することにより、気泡が抵抗13の近
くに素早く消えるので、インキを繰り返して噴出させる
ことができる。

【０００７】前述した気泡により可撓性薄膜を駆動する
従来のインクジェットプリンタヘッドは、直接にインキ
を加熱する代わりに、所定の作動流体を加熱するため、
通常のインキ及び抵抗に傷を付けない作動流体を用いる
ことができる。しかしながら、この先行技術は、放熱又
はインキがノズル板の外側に殘留することについて、ま
だ未解決である。また、作動流体室同士はチャネルを介
して相互に接続し、密閉の作動流体チャネルシステムを
形成する。作動流体室における作動流体は気泡が生じる
場合、作動流体は非圧縮的であるので、生じた圧力波は
他の作動流体室に伝わるため、間違ったインクジェット
作動を引き起こす可能性がある。また、薄膜自身の材料
は加圧で気化した作動流体に対して非浸透性を有せず、
かつその強度が高繰り返し速度のインクジェット作動に
耐えられない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、可撓
性薄膜が高繰り返し速度のインクジェット作動に耐えら
れ、且つ気化した作動流体に対して非浸透性を有する、
気泡により可撓性薄膜を駆動するインクジェットプリン
タヘッドを提供することである。

【０００９】本発明のもう一つの目的は、インキが噴出
してから、インクジェットプリンタヘッドの外側に残留
することなく、プリント品質を向上させる、気泡により
可撓性薄膜を駆動するインクジェットプリンタヘッドを
提供することである。

【００１０】本発明の更にもう一つの目的は、優れた放
熱効果を有し、作動の繰り返し速度及びプリント品質を
向上させる、気泡により可撓性薄膜を駆動するインクジ
ェットプリンタヘッドを提供することである。

【００１１】本発明の更にもう一つの目的は、プリント
する際に、作動流体室における作動流体の圧力波が他の
接続している作動流体室に伝わり、間違ったプリント作
動を生じることがなく、プリント品質を向上させる、気
泡により可撓性薄膜を駆動するインクジェットプリンタ
ヘッドを提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記諸目的を達成するた
め、本発明に係わる気泡により可撓性薄膜を駆動するイ
ンクジェットプリンタヘッドは、誘電体基板と、前記誘
電体基板上に形成され、電気エネルギーを熱エネルギー
に変換するための抵抗を有する加熱層と、前記加熱層上
に形成された放熱層と、前記放熱層における前記抵抗の
上方に形成され、内部に作動流体が充填される作動流体
室と、前記放熱層上に形成され、ノズルを有するノズル
板と、前記ノズル板内に形成され、内部にインキが充填
されるインキ室と、前記放熱層と前記ノズル板との間に
形成され、前記作動流体室と前記インキ室を隔てるため
の可撓性薄膜と、を備え、前記加熱層の抵抗に電圧パル
スが印加される場合、熱が生じ、抵抗に近い作動流体が
気化し、作動流体室内に気泡が生じる。気泡により作動
流体室内の圧力が増大するので、可撓性薄膜は外側へ変
形する。従って、圧力波がインキ室のインキに伝わり、
インキがノズルから噴出する。その後、電圧パルスが印
加されない場合、気泡は消える。これにより、抵抗に印
加される電圧パルスを制御することにより、インキを繰
り返して噴出させることができる。

【００１３】本発明の第１の形態によれば、積層構造で
ある可撓性薄膜は高繰り返し速度のインクジェット作動
に耐えられ、且つ気化した作動流体に対して非浸透性を
有する。

【００１４】本発明の第２の形態によれば、作動流体室
の周囲の放熱層は優れた放熱効果を有し、作動の繰り返
し速度及びプリント品質を向上させることが可能であ
る。

【００１５】本発明の第３の形態によれば、ノズル板に
おける前記インキ室に接触する内表面は良い湿潤性を持
っているため、インキがノズル板の内表面に対して優れ
た湿潤性を有する。また、ノズル板における外に接触す
る外表面は悪い湿潤性を持っているため、インキが噴出
してから、インクジェットプリンタヘッドの外側に残留
することがなく、プリント品質が向上される。

【００１６】本発明の第４の形態によれば、作動流体は
良い流体抵抗特性を持っているので、プリントする際
に、作動流体室の圧力波は接続している他の作動流体室
に伝わることがなく、間違ったプリント作動が発生しな
い。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明に係る気泡により可撓性薄膜を駆動するインクジェッ
トプリンタヘッドの好適な実施の形態を説明する。

【００１８】図3に示すように、本発明に係る気泡によ
り可撓性薄膜を駆動するインクジェットプリンタヘッド
は、誘電体基板21と、誘電体基板21上に形成され、電気
エネルギーを熱エネルギーに変換するための抵抗23を有
する加熱層22と、加熱層22上に形成された放熱層24と、
放熱層24における抵抗23の上方に形成され、内部に作動
流体が充填される作動流体室25と、放熱層24上に形成さ
れ、ノズル27を有するノズル板26と、ノズル板26内に形
成され、内部にインキが充填されるインキ室28と、放熱
層24とノズル板26との間に形成され、作動流体室25とイ
ンキ室28を隔てるための可撓性薄膜29と、を備える。

【００１９】加熱層22の抵抗23に電圧パルスが印加され
る場合、熱が生じ、抵抗23に近い作動流体が瞬間に気化
し、作動流体室25内に気泡が生じる。気泡により作動流
体室25内の圧力が増大するので、可撓性薄膜29は外側へ
変形する。従って、圧力波がインキ室28のインキに伝わ
り、インキがノズル27から噴出する。その後、電圧パル
スが印加されない場合、気泡は消える。これにより、抵
抗23に印加される電圧パルスを制御することにより、イ
ンキを繰り返して噴出させることができる。

【００２０】抵抗23に電圧パルスを印加できるように、
加熱層22はアルミ二ウム等のような導体材料により構成
され、その厚さは1.5〜2μｍである。また、抵抗23は多
結晶シリコンにより構成されることができ、その厚さは
約0.6μｍであり、抵抗値は25〜35Ωである。

【００２１】各作動流体室25は他のプリントヘッドの作
動流体室25に接続する作動流体チャネル30を有する。よ
って、すべてのプリントヘッドの作動流体室と作動流体
チャネルは密閉の作動流体チャネルシステムを形成す
る。また、インクジェットプリンタヘッドを高温の環境
でも正常に運転させるため、作動流体は熱安定性及び適
切な物理特性を具備する。例えば、本実施の形態におい
て、作動流体は摂氏300度〜350度の環境でもやはり安定
であり、化學構造は分解又は変更せず、かつ抵抗値が10
8Ωより大きい。21ボルト以下の電圧で印加する場合、
作動流体はイオン化しない。なお、作動流体の沸点は正
常気圧では摂氏100〜150度であり、飽和気圧では摂氏25
0〜350度である。前述のように、作動流体は混合液体を
用いることができ、その混合液体の一つの成分は沸点が
摂氏90〜110度であり、飽和蒸気圧が高い。もう一つの
成分はより高い沸点及び素晴らしい熱伝導性を有する。
従って、作動流体としてキシレン、メチルベンゼン、へ
プタン、エチレングリコール及びエタノールから選ぶこ
とができる。

【００２２】各インキ室28にインキを供給するため、そ
のインキ室28は外のインキカートリッジに接続するイン
キチャネル31を有する。

【００２３】図4は放熱層24の構造を示す。放熱層24は
多種の金属から構成することができ、例えば、本実施の
形態において、放熱層24は多結晶シリコン誘電体層24
1、クロム層242、黄銅層243、クロム層244、及び多結晶
シリコン誘電体層245により構成される。その中、クロ
ム層242は粘着の機能を有し、クロム層244は粘着及び保
護の機能を有する。素晴らしい放熱効果により、インキ
噴出時の作動効率を上げるため、各金属層242、243及び
244の厚さ総和が放熱層24の厚さ総和の半分以上、即
ち、作動流体室25の高さの半分以上であることが好まし
い。

【００２４】図5はノズル板26の拡大図である。インキ
が噴出した後、インクジェットプリンタヘッドの外側に
残留せず、プリント品質を向上させるため、ノズル板26
の外表面と内表面にはそれぞれ抗湿潤層と湿潤層が設け
られる。例えば、本実施の形態において、ノズル板26は
ニッケルにより構成されることが可能である。ノズル板
26の内表面、つまりインキ室28の内壁は、インキの湿潤
性を保つため、ポリイミドにより構成され、厚さ約2〜3
μｍの湿潤層262で覆われている。一方、ノズル板26の
外表面において、インキに対する抗湿潤性を図るため、
テフロン（登録商標）により構成され、厚さ約2〜3μｍ
の抗湿潤層261で覆われている。

【００２５】図6は高分子粘着層291、障壁金属層292及
び保護層293から構成される可撓性薄膜29の概略図であ
る。可撓性薄膜29を粘着し、かつ障壁金属層292を保護
するため、高分子粘着層291と保護層293はポリイミドに
より構成されることができる。障壁金属層292はクロム
により構成され、その強度は高繰り返し速度のインクジ
ェット作動に耐えられ、且つ気化した作動流体が可撓性
薄膜29への浸透を防止することが可能である。

【００２６】図7はインクジェットプリンタヘッド同士
の間、作動流体室25と作動流体チャネル30との間の接続
関係を示す。各インクジェットプリンタヘッドの作動流
体室25と作動流体チャネル30とは相互に接続し、密閉の
作動流体チャネルシステムを形成する。作動流体チャネ
ルの流体抵抗Rrは次式によって決められる。 Ｒｒ＝η×ｌ／（ｈ×ｂ）＋Ｋ ここで、lは作動流体チャネル30の長さを表し、hは作動
流体チャネル30の断面高さを表し、bは作動流体チャネ
ル30の断面幅を表し、Kは作動流体チャネル30の曲げ数
及び曲げ程度に依存する係数である。詳細に、作動流体
チャネル30の曲げ数が多いほど、Kの値が大きくなる。
ηは作動流体の粘度及び作動流体が加熱層22に対する湿
潤性によって決められ、単位が長さ（メートル）であ
り、次式によって決められる。 η＝（ｂ／ｈ）×（６４ν／Ｖ） ここで、νは作動流体の粘度を表し、Vは作動流体の流
れ速度を表し、bとhは前述したように、それぞれ作動流
体チャネル30の断面幅と断面高さを表す。

【００２７】作動流体の特性に基づいて作動流体チャネ
ル30を設計し、作動流体チャネル30における作動流体の
流体抵抗Rrを2より大きくすれば、インクジェットプリ
ンタヘッドの作動流体室25において、気化した作動流体
による圧力波は密閉の作動流体チャネルシステムを介し
て隣接するインクジェットプリンタヘッドの作動流体室
25に伝わることがなく、間違ったプリント作動を回避す
ることができる。

【００２８】なお、実験によれば、作動流体チャネル30
の曲げ状態によって係数Kを6に設定し、作動流体の流れ
速度及び粘度によって作動流体チャネル30のηを0.0001
〜0.01に設定すれば、間違ったプリント作動を更に回避
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の気泡駆動式インクジェットプリンタヘッ
ドを示す図である。

【図２】従来の気泡により可撓性薄膜を駆動するインク
ジェットプリンタヘッドを示す図である。

【図３】本発明に係る気泡により可撓性薄膜を駆動する
インクジェットプリンタヘッドを示す図である。

【図４】本発明に係る気泡により可撓性薄膜を駆動する
インクジェットプリンタヘッドにおける放熱層の構造を
示す図である。

【図５】本発明に係る気泡により可撓性薄膜を駆動する
インクジェットプリンタヘッドにおけるノズル板の構造
を示す図である。

【図６】本発明に係る気泡により可撓性薄膜を駆動する
インクジェットプリンタヘッドにおける可撓性薄膜の構
造を示す図である。

【図７】本発明に係る気泡により可撓性薄膜を駆動する
インクジェットプリンタヘッドにおける作動流体チャネ
ルシステムの構造を示す図である。

【符号の説明】

1 基板 2 加熱層 3 抵抗 4 誘電体層 5 ノズル板 6 ノズル 7 インキ室 8 インキチャネル 11 基板 12 加熱部材 13 抵抗 14 可撓性薄膜 15 作動流体室 16 誘電体層 17 インキ室 18 ノズル板 19 ノズル 21 基板 22 加熱層 23 抵抗 24 放熱層 241 多結晶シリコン誘電体層 242 クロム層 243 黄銅層 244 クロム層 245 多結晶シリコン誘電体層 25 作動流体室 26 ノズル板 27 ノズル 28 インキ室 29 可撓性薄膜 291 高分子粘着層 292 障壁金属層 293 保護層 30 作動流体チャネル 31 インキチャネル

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体基板と、前記誘電体基板上に形成
   され、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するための
   抵抗を有する加熱層と、前記加熱層上に形成された放熱
   層と、前記放熱層における前記抵抗の上方に形成され、
   内部に作動流体が充填される作動流体室と、前記放熱層
   上に形成され、ノズルを有するノズル板と、前記ノズル
   板内に形成され、内部にインキが充填されるインキ室
   と、前記放熱層と前記ノズル板との間に形成され、前記
   作動流体室と前記インキ室を隔てるための可撓性薄膜
   と、を備える、気泡により可撓性薄膜を駆動するインク
   ジェットプリンタヘッド。
2. 【請求項２】 前記可撓性薄膜は、前記放熱層上に形成
   された高分子粘着層、前記高分子粘着層上に形成された
   障壁金属層及び前記障壁金属層上に形成された保護層を
   含む積層構造であり、高繰り返し速度のインクジェット
   作動に耐えられ、且つ気化した作動流体に対して非浸透
   性を有する、請求項１に記載の気泡により可撓性薄膜を
   駆動するインクジェットプリンタヘッド。
3. 【請求項３】 前記作動流体室の周囲の放熱層は優れた
   放熱効果を有する、請求項1に記載の気泡により可撓性
   薄膜を駆動するインクジェットプリンタヘッド。
4. 【請求項４】 前記ノズル板における前記インキ室に接
   触する内表面は良い湿潤性を持っており、前記ノズル板
   における外に接触する外表面は悪い湿潤性を持ってお
   る、請求項１に記載の気泡により可撓性薄膜を駆動する
   インクジェットプリンタヘッド。
5. 【請求項５】 前記作動流体室内の作動流体は良い流体
   抵抗特性を持っておる、請求項１に記載の気泡により可
   撓性薄膜を駆動するインクジェットプリンタヘッド。