JP2002067324A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高速印画を行う場合であってもインク中を浮遊
する残留気泡を短時間で発熱領域上から排除して、濃度
むらの少ない良好な印画を形成することが可能な高性能
のインクジェットヘッドを提供する。 【解決手段】絶縁基板２の上面に抵抗層４及び間に所定
の間隔を空けて対向する一対の電極５，５を順次被着さ
せたヘッド基板１上に、インク吐出孔８を有するノズル
部材７を配置するとともに前記ヘッド基板１及びノズル
部材７間にインク９を充填してなり、前記インク９を流
動させながら、一対の電極５，５間の抵抗層４をジュー
ル発熱させてインク９中に気泡Ａを発生させるとともに
該発生した気泡Ａによる圧力でもってインク滴を前記イ
ンク吐出孔８より外部に吐出させるインクジェットヘッ
ドであって、前記一対の電極５，５の相対向する先端部
の厚みを、先端に向かって漸次薄くなす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、記録紙にインク滴
を所定パターンに付着させて画像を形成するインクジェ
ットヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、記録紙に画像を形成するため
の記録デバイスとしてインクジェットヘッドが用いられ
ている。

【０００３】インクジェットヘッドの記録方式には、イ
ンク滴を記録紙に向けて吐出させるのに発熱体の発する
熱エネルギーを利用するものや圧電素子の変形を利用す
るもの，更には電磁波の照射に伴って発生する熱を利用
するもの等があり、これらの中でも発熱体の熱エネルギ
ーを利用するサーマルジェットタイプのものは、発熱体
を形成する抵抗層等のパターニングが容易である上に、
小さな面積の発熱体であっても比較的大きな熱エネルギ
ーを発生させることができることから、高密度記録への
対応に適したものとして注目されている。

【０００４】かかるサーマルジェットタイプのインクジ
ェットヘッドとしては、例えば図４に示す如く、複数個
の複数個の発熱体１３と一対の電極１４，１４とが設け
られているヘッド基板１１上に、複数個のインク吐出孔
１９が設けられているノズル部材１８を間に所定の間隔
を空けて配置させるとともに、前記ヘッド基板１１−ノ
ズル部材１８間の間隙にインク２０を充填した構造のも
のが知られており、記録紙を前記ノズル部材１８の外表
面に沿って搬送しながら、一対の電極１４，１４間に電
源電力を印加して発熱体１３を画像データに基づき個々
に選択的に発熱させ、この熱エネルギーによってインク
２０中に気泡Ａを発生させるとともに、該発生した気泡
Ａによる圧力でもってインク２０の一部をノズル部材１
８のインク吐出孔１９より外部に吐出させ、これを記録
紙に付着させることによって所定の画像が記録される。

【０００５】尚、前記インク２０をインク吐出孔１９よ
り外部に吐出した後、ヘッド基板１１とノズル部材１８
との間には吐出したインク２０と同じ量のインク２０が
流れ込んで補充されるようになっており、これによって
上述の記録動作を連続的に繰り返すことができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来のインクジェットヘッドにおいては、発熱体１３を発
熱させてインク滴を吐出させた後、発熱体１３上で発生
した気泡Ａは上述したインク２０の補充によってその大
部分が消滅するものの、いくつかの細かな気泡ａが発熱
体１３上に残ってしまうことがある。このような残留気
泡ａを含んだインク２０は、次ラインの記録動作が開始
されるまでの間、そのまま同じ場所に浮遊していること
が多く、それ故、発熱体１３を再び発熱させて新たな気
泡Ａを発生させると、インク２０が小さな残留気泡ａを
含んだまま外部に吐出されてしまったり、或いは、新た
に発生した気泡Ａによる圧力を残留気泡ａが吸収する等
してインク２０の吐出量が不均一となり、印画の濃度む
らを発生する欠点を有していた。

【０００７】そこで上記欠点を解消するために、ヘッド
基板１１−ノズル部材１８間に充填されているインク２
０を所定の流速で流動させることにより、残留気泡ａを
インク２０と共に移動させて発熱体１３上より除去する
ことが検討されている。

【０００８】しかしながら、上述したインクジェットヘ
ッドの発熱体１３や一対の電極１４，１４を従来周知の
薄膜形成技術により形成するには、まず抵抗層と金属層
とを従来周知のスパッタリング等によってヘッド基板１
１の上面に順次、被着させ、しかる後、従来周知のフォ
トリソグラフィー技術やエッチング技術等を採用し、金
属層の一部を除去するとともに抵抗層の一部を露出させ
ることによってパターン形成するのが一般的であり、こ
の場合、薄膜抵抗層から成る発熱体１３の上面と薄膜金
属層から成る一対の電極１４，１４の上面との間には所
定の段差が形成され、その上に被着される保護膜１５の
表面には上記段差に起因する大きな窪みが形成される。
このような窪みの中に前述の残留気泡ａが入り込んでし
まうと、インク２０を所定の流速で流動させたとして
も、残留気泡ａが窪みの内壁に引っ掛かってスムーズに
排出されずに窪みの中に残ってしまい、特に高速印画を
行う場合には次ラインの記録動作が始まるまでに残留気
泡ａを完全に排除することが難しく、結局、上述の欠点
と同様の欠点が誘発されていた。

【０００９】本発明は上記欠点に鑑み案出されたもの
で、その目的は、高速印画を行う場合であってもインク
中を浮遊する残留気泡を短時間で抵抗層の発熱領域（発
熱体）上から排除して、濃度むらの少ない良好な印画を
形成することが可能な高性能のインクジェットヘッドを
提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
ヘッドは、絶縁基板の上面に抵抗層及び間に所定の間隔
を空けて対向する一対の電極を順次被着させたヘッド基
板上に、インク吐出孔を有するノズル部材を配置すると
ともに前記ヘッド基板及びノズル部材間にインクを充填
してなり、該インクを流動させながら、一対の電極間の
抵抗層をジュール発熱させてインク中に気泡を発生させ
るとともに該発生した気泡による圧力でもってインク滴
を前記インク吐出孔より外部に吐出させるインクジェッ
トヘッドであって、前記一対の電極の相対向する先端部
の厚みが、先端に向かって漸次薄くなっていることを特
徴とするものである。

【００１１】本発明のインクジェットヘッドによれば、
ヘッド基板−ノズル部材間のインクを流動させるととも
に、一対の電極の相対向する先端部の厚みを、先端に向
かって漸次薄くなすようにしたことから、一対の電極間
の領域やその近傍から大きな窪みは無くなり、高速印画
を行う場合であっても、次ラインの記録動作が始まるま
での短い間に前ラインの記録動作時に発生した残留気泡
をインクと共にスムーズ゛に移動させて、これを抵抗層
の発熱領域上より良好に除去することができる。これに
より、ノズル部材のインク吐出孔より吐出されるインク
の量が均一化されて、濃度むらの少ない良好な印画を形
成することが可能となる。

【００１２】また本発明のインクジェットヘッドによれ
ば、ヘッド基板−ノズル部材間のインクを流動させるよ
うにしたことから、抵抗層の発熱領域で発した熱等によ
ってインク中の水分もしくは油分がインク吐出孔から多
量に蒸発し、インク吐出孔内のインクの粘度が上昇しよ
うとしても、この部分にはインク吐出孔の直下を流れる
インクから水分もしくは油分が順次補給されることによ
りインクが固まってしまうことはなく、インク吐出孔の
目詰まりを有効に防止することもできる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に基づい
て詳細に説明する。図１は本発明の一形態に係るインク
ジェットヘッドの分解斜視図、図２は図１のインクジェ
ットヘッドの断面図であり、同図に示すインクジェット
ヘッドは、大略的に、ヘッド基板１とノズル部材７とで
構成され、この両者間に出来る間隙にインク９が充填さ
れる。

【００１４】前記ヘッド基板１は、アルミナセラミック
ス等の電気絶縁性材料から成る絶縁基板２をベースと
し、その上面でグレーズ層３や抵抗層４，一対の電極
５，５，保護膜６等を支持するようになっている。

【００１５】前記絶縁基板２は、例えばアルミナセラミ
ックスから成る場合、アルミナ、シリカ、マグネシア等
のセラミックス原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加
・混合して泥漿状に成すとともに、これを従来周知のド
クターブレード法やカレンダーロール法等を採用するこ
とによってセラミックグリーンシートを得、しかる後、
前記セラミックグリーンシートを所定形状に打ち抜いた
上、高温で焼成することによって製作される。

【００１６】また前記絶縁基板２の上面には、断面円弧
状のグレーズ層３が部分的に被着・形成され、その上面
には、抵抗層４と、間に所定の間隔を空けて対向する一
対の電極５，５とが順次、被着されている。

【００１７】前記グレーズ層３はガラス等によって形成
され、その表面は極めて平滑であることから、その上面
に抵抗層４や一対の電極５，５を従来周知の薄膜形成技
術によってパターン形成する際、抵抗層４等の微細加工
を容易になすことができる。

【００１８】また前記グレーズ層２の上面に被着されて
いる抵抗層４は、ＴａＮやＴａＳｉＯ，ＴａＳｉＮＯ，
ＴｉＳｉＯ，ＴｉＳｉＣＯ，ＮｂＳｉＯ等の電気抵抗材
料から成っているため、一対の電極５，５を介して電源
電力が印加されると、一対の電極５，５間の領域（発熱
領域４ａ）がジュール発熱を起こし、インク９中で気泡
Ａを形成するのに必要な熱エネルギーを発生するように
なっている。尚、このような発熱領域４ａは主走査方向
（図２の紙面と垂直な方向）に複数個、並設される。

【００１９】そして前記抵抗層４に電力を供給する一対
の電極５，５は、アルミニウムや銅等の金属から成り、
発熱領域４ａを挟んで相対向する先端部の厚みが、先端
に向かって漸次薄くなしてある。

【００２０】例えば、一対の電極５，５の最大厚みが１
μｍの場合、先端より１．２μｍ〜５．７μｍだけ離れ
た箇所から先端に向かって徐々に厚みを薄くなしてあ
り、このような先端部の上面はその下地となる抵抗層４
の上面に対して例えば１０°〜４０°だけ傾斜して設け
られている。

【００２１】従って、発熱領域４ａの上面と一対の電極
５，５の上面との間に大きな段差は形成されず、一対の
電極５，５間に位置する抵抗層上面の両側には一対の電
極５，５の上面が連続的に配された形となる。

【００２２】尚、前記グレーズ層３は、ガラスから成る
場合、ガラス粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して
得た所定のガラスペーストを絶縁基板２の上面に従来周
知のスクリーン印刷等によって帯状に印刷・塗布し、こ
れを高温で焼き付けることにより断面円弧状をなすよう
に形成され、また前記抵抗層４及び一対の電極５，５
は、前記グレーズ層３の上面に抵抗層４を形成するＴａ
Ｎ等の電気抵抗材料と一対の電極５，５を形成するアル
ミニウム等の金属を従来周知のスパッタリング法によっ
て順次、被着させ、これを従来周知のフォトリソグラフ
ィー技術及びエッチング技術を採用して所定パターンに
加工することにより形成される。このとき、一対の電極
５，５の先端部を数回エッチングして先端部の一部を削
り取ることにより、上述の如きテーパー形状が実現され
る。

【００２３】また更に前記抵抗層４一対の電極５，５の
上面には、保護膜６が略一定の厚みに被着され、該保護
膜６によって抵抗層４の発熱領域４ａや一対の電極５，
５の表面が被覆されている。

【００２４】前記保護膜６は、例えば窒化珪素（Ｓｉ₃
Ｎ₄）等によって形成され、インク９中に含まれている
アルカリイオンや水分等が抵抗層４や一対の電極５，５
の表面に接触してこれらを腐食したり、或いは、インク
９中に含まれている染料の固まり等が抵抗層４の表面に
付着したりするのを有効に防止する作用を為す。

【００２５】前記保護膜６は、例えば窒化珪素から成る
場合、従来周知のスパッタリング法を採用することによ
って抵抗層４の発熱領域４ａ及び一対の電極５，５の上
面に２μｍ〜２０μｍの厚みに被着・形成される。

【００２６】このとき、保護膜６の下地となる発熱領域
４ａの上面と一対の電極５，５の上面との間には、前述
した如く、大きな段差は存在しないことから、これらの
上にスパッタリング法等によって被着される保護膜６の
上面も下地の表面形状に応じた滑らかなものとなる。

【００２７】また一方、前記ノズル部材７は、先に述べ
たヘッド基板１との間に例えば３０μｍ〜６００μｍの
間隙を設けるようにして、図示しないスペーサを介して
ヘッド基板１上に載置される。

【００２８】前記ノズル部材７は、抵抗層４の発熱領域
４ａの上方（真上）にインク吐出孔８を有しており、イ
ンクジェットヘッドの記録動作時、前記インク吐出孔８
より記録紙に向けてインク滴を吐出するようになってい
る。

【００２９】尚、前記ノズル部材７は、感光性のエポキ
シ樹脂やポリイミド樹脂，モリブデン，アルミナセラミ
ックス等を所定形状に加工したり、或いは、上記の材料
を組み合わせることによって形成され、例えばモリブデ
ンから成る場合、モリブデンのインゴット（塊）を従来
周知の金属加工法によって所定厚みの板体と成し、得ら
れた板体に従来周知のレーザー加工によって直径１０μ
ｍ〜１００μｍのインク吐出孔８を穿設することにより
製作される。

【００３０】そして、ヘッド基板１−ノズル部材７間の
間隙に充填されるインク９としては、例えば顔料タイプ
の油性インクや水性染料インク等が用いられ、その粘度
は例えば０．３ｍＰａ・ｓ〜３．０ｍＰａ・ｓ（２５℃）
に調整される。

【００３１】前記インク９は、図示しないインクタンク
よりヘッド基板１−ノズル部材７間に供給され、前述し
た抵抗層４の熱エネルギーによってインク９中に気泡Ａ
が発生すると、該気泡Ａによる圧力を受けてインク９の
一部がインク吐出孔８より外部に吐出される。

【００３２】また前記ヘッド基板１−ノズル部材７間に
充填されたインク９は、発熱領域４ａとインク吐出孔８
との間を副走査方向（発熱領域４ａの配列と直交する方
向）に流動するように、図示しないポンプ等によって前
述したインクタンクとの間を循環する。

【００３３】前記インク８の流速は、例えば５０μｍ／
ｓｅｃ〜２０００μｍ／ｓｅｃに設定され、常に略等し
い流速に保たれる。

【００３４】この場合、ヘッド基板１の表面に被着され
ている保護膜６の上面は、前述した如く滑らかであり、
保護膜６の表面に大きな窪みは存在しないことから、高
速印画を行う場合であっても、次ラインの記録動作が始
まるまでの短い間に前ラインの記録動作時に発生した残
留気泡ａをインク９と共にスムーズに移動させて、これ
を発熱領域４ａ上より良好に除去することができる。こ
れにより、インク吐出孔８より吐出されるインク９の量
が均一化され、濃度むらの少ない良好な印画を形成する
ことが可能となる。

【００３５】また前記ヘッド基板１−ノズル部材７間の
インク９を上述の如く流動させることにより、抵抗層４
の発した熱等によってインク９中の水分もしくは油分が
インク吐出孔８から多量に蒸発し、インク吐出孔８内の
インク９の粘度が上昇しようとしても、この部分にはイ
ンク吐出孔８の直下を流れるインク９から水分もしくは
油分が順次補給されることによりインク９が固まってし
まうことはなく、インク吐出孔８の目詰まりを有効に防
止することもできる。

【００３６】更にこの場合、インク吐出孔８の直下領域
を流動するインク９は、グレーズ層３や抵抗層４の発熱
領域４ａを被覆する保護膜６と常に接していることか
ら、インクジェットヘッドを長時間にわたって使用する
場合にグレーズ層３等の内部に蓄積される熱は、保護膜
６上を流動するインク９により良好に吸収されるように
なっており、これによってヘッド基板１の温度を記録動
作に適した温度に維持することができる。従って、各ラ
インの記録動作の間に十分な冷却時間を設けることな
く、インク吐出孔８からのインク９の吐出量を略一定に
制御することができ、濃度むらの少ない鮮明な画像を高
速で記録することが可能となる。

【００３７】尚、前記インク９は、ヘッド基板１とノズ
ル部材７との間の領域を通過した後、一旦、前述のイン
クタンクに戻って、再度、ヘッド基板１とノズル部材７
との間の領域に供給されるようになっており、これによ
ってインク９がヘッド基板１−ノズル部材７間の領域と
インクタンクとの間を繰り返し循環することとなる。こ
の場合、ヘッド基板１−ノズル部材７間を流動するイン
ク９がグレーズ層３等より吸収した熱は、前述の如き循
環経路を流動する過程で外部に放散され、再びヘッド基
板１−ノズル部材７間に供給されるまでの間には十分に
低い温度に冷却される。

【００３８】かくして上述したインクジェットヘッド
は、記録紙をノズル部材７の外表面に沿って搬送しなが
ら、一対の電極５，５間の抵抗層４に電力を印加して抵
抗層４の発熱領域４ａを選択的に発熱させ、この熱エネ
ルギーによって発熱領域４ａ上のインク９中に気泡Ａを
発生させるとともに、該発生した気泡Ａによる圧力でも
ってインク滴をインク吐出孔８より外部に吐出させ、こ
れを記録紙に付着させることによって所定の画像が記録
される。

【００３９】尚、本発明は上記形態に限定されるもので
はなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の
変更、改良等が可能である。

【００４０】例えば上述の形態においては一対の電極
５，５の先端部の上面を平面状になしたが、これに代え
て一対の電極５，５の先端部の上面を、図３に示す如
く、曲面状になしても構わない。

【００４１】また上述の形態においては抵抗層４の発熱
領域４ａや一対の電極５，５を保護膜６で被覆するよう
にしたが、抵抗層４や一対の電極５，５がインク９に対
する耐腐食性に優れた材料により形成されている場合、
保護膜６は必ずしも必要ではなく、抵抗層４や一対の電
極５，５をインク９と直に接触させるようにしても構わ
ない。

【００４２】更に上述の形態においてはグレーズ層３を
絶縁基板２の上面に部分的に形成するようにしたが、グ
レーズ層を絶縁基板の上面全域に形成する場合やグレー
ズ層を絶縁基板上に設けない場合においても本発明は適
用可能である。

【００４３】

【発明の効果】本発明のインクジェットヘッドによれ
ば、ヘッド基板−ノズル部材間のインクを流動させると
ともに、一対の電極の相対向する先端部の厚みを、先端
に向かって漸次薄くなすようにしたことから、一対の電
極間の領域やその近傍から大きな窪みは無くなり、高速
印画を行う場合であっても、次ラインの記録動作が始ま
るまでの短い間に前ラインの記録動作時に発生した残留
気泡をインクと共にスムーズ゛に移動させて、これを抵
抗層の発熱領域上より良好に除去することができる。こ
れにより、ノズル部材のインク吐出孔より吐出されるイ
ンクの量が均一化されて、濃度むらの少ない良好な印画
を形成することが可能となる。

【００４４】また本発明のインクジェットヘッドによれ
ば、ヘッド基板−ノズル部材間のインクを流動させるよ
うにしたことから、抵抗層の発熱領域で発した熱等によ
ってインク中の水分もしくは油分がインク吐出孔から多
量に蒸発し、インク吐出孔内のインクの粘度が上昇しよ
うとしても、この部分にはインク吐出孔の直下を流れる
インクから水分もしくは油分が順次補給されることによ
りインクが固まってしまうことはなく、インク吐出孔の
目詰まりを有効に防止することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一形態に係るインクジェットヘッドの
分解斜視図である。

【図２】図１のインクジェットヘッドの断面図である。

【図３】本発明の他の形態に係るインクジェットヘッド
の断面図である。

【図４】従来のインクジェットヘッドの断面図である。

【符号の説明】

１・・・ヘッド基板、２・・・絶縁基板、４・・・抵抗
層、４ａ・・・発熱領域、５・・・一対の電極、６・・
・保護膜、７・・・ノズル部材、８・・・インク吐出
孔、９・・・インク

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁基板の上面に抵抗層及び間に所定の間
   隔を空けて対向する一対の電極を順次被着させたヘッド
   基板上に、インク吐出孔を有するノズル部材を配置する
   とともに前記ヘッド基板及びノズル部材間にインクを充
   填してなり、該インクを流動させながら、一対の電極間
   の抵抗層をジュール発熱させてインク中に気泡を発生さ
   せるとともに該発生した気泡による圧力でもってインク
   滴を前記インク吐出孔より外部に吐出させるインクジェ
   ットヘッドであって、前記一対の電極の相対向する先端
   部の厚みが、先端に向かって漸次薄くなっていることを
   特徴とするインクジェットヘッド。