JP2004230770A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】発熱抵抗体の上に積層された保護層を持たず、一般家庭用プリンタに比べて寿命が格段に延びた、例えば１０^１０回のパルス通電に耐え得るインクジェットヘッドを提供する。
【解決手段】インクジェットヘッド１０は、発熱抵抗体２０ａを有し、この発熱抵抗体２０ａを通電することにより、発熱抵抗体近傍のインクの一部を沸騰して気泡を発生させる発熱ヒータ２０と、発生した気泡の膨張によりインクを液滴として吐出する吐出ノズル１２とを備え、発熱ヒータ２０は、発熱抵抗体２０ａと気泡の発生するインクとの間に積層された保護膜を持たず、かつ、発熱抵抗体２０ａの厚さが２〜５（μｍ）である。また、発熱抵抗体２０ａの厚さに対する体積抵抗率の比が１００〜４×１０^４ （Ω）である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱ヒータを通電することによって沸騰したインクに発生する気泡の膨張力によってインクを液滴として吐出させる、サーマルインクジェット方式のインクジェットヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、発熱ヒータを通電することによってインクを沸騰させて発生する気泡の膨張力によってインクを液滴として吐出させるサーマルインクジェット方式のプリンタが広く用いられている。
この方式のプリンタに用いられるインクジェットヘッドのヘッド構成では、発熱ヒータを極めて短時間に通電してインクを加熱すればよいので、ヘッド構成が比較的簡単で済み、しかも印刷自体も正確に行うことができる他、さらに、発熱ヒータを基板上に大規模高密度に配置することもできるので、一般家庭用プリンタのみならず、捺染やオンデマンド印刷のような連続的にプリントする業務用プリンタとして用いられることも求められている。
【０００３】
ところで、サーマルインクジェット方式のインクジェットヘッドでは、インクを吐出させるために発生した気泡が消滅する場合のキャビテーションにより発熱ヒータが損傷を受ける場合が多いため、耐キャビテーション用保護膜を発熱ヒータの発熱抵抗体の上に積層して発熱抵抗体を保護することが一般的に行われている。しかし、この保護膜は、発熱抵抗体とインクとの間に位置する積層膜であるため、発熱ヒータの熱がインクに瞬時に伝達されることが好ましいにもかかわらず、インクの加熱速度が鈍くなるといった不都合がある。
これに対して、下記特許文献１では、発熱抵抗体と気泡の発生するインクとの間に保護膜を積層することを必要とせず、発熱抵抗体に積層した保護膜を持たない発熱ヒータが提案されている。
【０００４】
特許文献１によると、所定範囲の組成比率から成る膜厚が０．１μｍ（１０００Å）のＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体を発熱ヒータの発熱抵抗体として用いることで、電蝕がなく、１０^８ 回のパルス通電においてもキャビテーション破壊に耐え得るインクジェットヘッドを構成することができるとされている。
一方、下記特許文献２には、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏからなる約７０００Åの２層構造の膜を形成し、上部層に１００Å以上５００Å以下の自己酸化保護層を形成したサーマルインクジェットヘッドが記載されている。これにより、キャビテーション損傷と電蝕に強く、耐性の強いヘッドができるとされている。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１７４８４８号公報
【特許文献２】特開２０００−１６８０８８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、今日サーマルインクジェット方式のプリンタは、上述したように、一般家庭用プリンタとしてのみならず、捺染やオンデマンド印刷のような連続的にプリントする寿命の長い耐久性に優れた業務用プリンタとして用いられることも求められている。一般家庭用プリンタとして用いる場合、インクジェットヘッドの発熱ヒータが故障して使用できなくなるまでに、少なくとも１０^８ 回のパルス通電が寿命として補償されることが必要とされてきた。しかし、一般家庭用プリンタに比べて耐久性の向上が必要とされる業務用プリンタでは、寿命が一般家庭用プリンタに比べて格段に向上した、例えば１０^１０回のパルス通電に耐え得るインクジェットヘッドが望まれている。
【０００７】
しかし、上記特許文献１の発熱ヒータは、パルス通電による寿命はせいぜい１０^８ 回程度であり、１０^１０回を越えるものではない。このため、上記特許文献１では、１０^１０回のパルス通電に耐え得るインクジェットヘッドが得られないといった問題があった。上記特許文献２においても、同様に、パルス通電による寿命が１０^１０回を越えるものではない。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、発熱抵抗体の上に積層された保護層を持たず、一般家庭用プリンタに比べて寿命が格段に延びた、例えば１０^１０回のパルス通電に耐え得るインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、発熱抵抗体を有し、この発熱抵抗体を通電することにより、発熱抵抗体近傍のインクの一部を沸騰して気泡を発生させる発熱ヒータと、発生した気泡の膨張によりインクを液滴として吐出する吐出ノズルと、を備えるインクジェットヘッドであって、前記発熱ヒータは、前記発熱抵抗体と気泡の発生するインクとの間に積層された保護膜を持たず、かつ、前記発熱抵抗体の厚さが２〜５（μｍ）であることを特徴とするインクジェットヘッドを提供する。
【００１０】
ここで、前記発熱抵抗体の前記厚さに対する前記発熱抵抗体の体積抵抗率の比が１００〜４×１０^４ （Ω）であるのが好ましい。
また、前記発熱抵抗体は、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ３元合金、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｏ３元合金、あるいは、Ｔａ，Ｃｒ，ＳｉおよびＯからなる合金材料で構成されたものであるのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のインクジェットヘッドについて、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。
【００１２】
図１（ａ）は本発明のインクジェットヘッドの一例であるインクジェットヘッド（以降、ヘッドという）１０の概略斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すヘッド１０のＡ−Ａ’線に沿った矢視断面図である。
ヘッド１０は、一方向に一定間隔で複数の円形状の吐出口１１を有する吐出ノズル１２が複数形成され、この吐出口１１からインクを液滴として吐出する装置である。吐出口１１のそれぞれに対して、吐出口１１からインク液滴を吐出させるための吐出ユニットが形成されている。
【００１３】
ヘッド１０は、図１（ａ）に示すように、Ｓｉあるいはガラス等からなるヘッド基板１４と隔壁層１６とノズルプレート１８とが積層されたヘッドであり、ヘッド基板１４に対して略垂直方向にインク液滴を吐出させるトップシュータ型のヘッド構造を有する。
図１（ｂ）に示すように、ヘッド基板１４の面上には、インクに熱エネルギを与えて部分的に沸騰させ気泡を発生させる発熱ヒータ２０が形成され、このヘッド基板１４の上に隔壁層１６が積層され、この隔壁層１６の上にノズルプレート１８が積層されて構成される。
隔壁層１６とノズルプレート１８とは、ノズルプレート１８側に熱硬化型接着剤が塗布されて形成された接着層２２によって接着されている。
【００１４】
隔壁層１６は、感光性ポリイミドをヘッド基板１４に塗布した後所望のインク供給流路２４が形成されるようにフォトドライエッチングにてパターニングして設けられたもので、厚さが例えば１０μｍである。隔壁層１６とヘッド基板１４とノズルプレート１８とがインク供給流路２４の壁面となっており、また、ヘッド基板１４に形成された発熱ヒータ２０もインク供給流路２４の壁面の一部分となっている。インク供給流路２４は図示されないインク貯蔵タンクに連通し、インク供給流路２４を介して常時発熱ヒータ２０に向けてインクが供給されるようになっている。
隔壁層１６とノズルプレート１８とを接着する接着層２２は、熱硬化型接着剤が用いられる他、紫外線硬化型接着剤や熱可塑性接着剤が用いられてもよい。
【００１５】
ノズルプレート１８は、アラミド等を材料とする厚さが例えば１０μｍのものであり、このノズルプレート１８には、インク供給流路２４を挟んで発熱ヒータ２０と対向する位置に吐出口１１をインク吐出側先端に備える円筒状の吐出ノズル１２が設けられている。
なお、ノズルプレート１８は、アラミドの他、ＰＥＮ（ポリエーテルニトリル）やポリイミド等のポリマフイルムを用いてもよい。
【００１６】
ヘッド基板１４に形成される発熱ヒータ２０は、例えば、最下層にＴａ_２ Ｏ_５ やＳｉＯ_２ 等からなる図示されない断熱層が設けられ、この上に、組成がＴａ−Ｓｉ−Ｏからなる発熱抵抗体２０ａが設けられ、さらに、この上に発熱抵抗体２０ａに電圧を印加するＮｉからなる配線電極２０ｂ，２０ｃが設けられ、発熱抵抗体２０ａに電圧を印加することで発熱し発熱抵抗体２０ａ近傍に位置するインク供給流路２４中のインクの一部を加熱する発熱ヒータ２０が形成されている。なお、発熱抵抗体２０ａは、例えば２０μｍ×２０μｍ等の正方形形状を成し、表面には、厚さが例えば０．１μｍ以下の発熱抵抗体２０ａの自己酸化被膜が形成され、発熱抵抗体２０ａの厚さが２〜３μｍとなっている。
【００１７】
図２は、発熱ヒータ２０を詳細に説明した拡大断面図である。
発熱ヒータ２０は、配線電極２０ｂ，２０ｃと発熱抵抗体２０ａとを有して構成され、配線電極２０ｃは、図１（ｂ）に示される駆動回路２８に接続され、発熱ヒータ２０の発熱のための駆動信号が供給される。一方、配線電極２０ｃは、配線電極２０ｃと同様の各吐出ユニットの配線電極とまとめられて共通電極となって接地されている。
ヘッド基板１４には、最下層にＴａ_２ Ｏ_５ やＳｉＯ_２ 等からなる図示されない断熱層が設けられ、この上に、組成がＴａ−Ｓｉ−Ｏからなる発熱抵抗体層３０が形成される。
【００１８】
発熱抵抗体層３０は、例えば、ＴａおよびＳｉからなる酸化物の含まれないＨＩＰ法焼結ターゲットを用いてＲＦマグネトロンスパッタにより成膜されたものである。
なお、成膜直前の真空チャンバ内のベース圧を１０^−５（Ｐａ）とした後、ＡｒとＯ_２ とからなるガス雰囲気（Ａｒに対するＯ_２ の原子％の比が０．１〜０．２）のガス圧を０．６（Ｐａ）とし、ＲＦマグネトロンスパッタにより、投入エネルギを１５〜５０（ｋＷ／ｍ^２ ）として、ヘッド基板１４を加熱、冷却することなく成膜する。
この後、高磁場中での高速スパッタ法で電極層を形成し、この電極層をフォトエッチングで配線電極２０ｂ，２０ｃの形状に加工して、発熱抵抗体２０ａが表面に露出した発熱ヒータ２０が作られる。
【００１９】
なお、発熱抵抗体２０ａの最表面には、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏの３元合金の自己酸化被膜が形成されている。この自己酸化被膜は耐キャビテーション性に優れた被膜であり、電蝕を防止することができる。発熱抵抗体２０ａは、この自己酸化被膜を含めた厚さが２〜５μｍであることを特徴とし、これにより、後述するように１０^１０回のパルス通電に耐え得ることができる。
【００２０】
なお、発熱抵抗体２０ａの厚さは２〜５μｍであり厚膜となっているので、抵抗値自体が低下する傾向にある。それ故、発熱抵抗体２０ａの厚さに対する発熱抵抗体２０ａの体積抵抗率の比率を１００（Ω）より小さくすると、インクを加熱して気泡を発生させる程度の熱エネルギーを投入するために多大の電流を流す必要が生じ、この多大の電流を流すことができるように配線電極２０ｂ，２０ｃの幅や厚さ等のサイズを限定したり駆動回路２８の構成を定めなければならず、コストが増大し実用的なインクジェットヘッドを提供することができない。一方、発熱抵抗体２０ａの厚さに対する発熱抵抗体２０ａの体積抵抗率の比率を４×１０^４ （Ω）より大きくすると、発熱抵抗体２０ａの抵抗値自体が高くなるため、駆動電圧が高くなり駆動回路２８のコストが増大し、実用的なインクジェットヘッドを提供することはできない。
これより、発熱抵抗体２０ａの厚さに対する発熱抵抗体２０ａの体積抵抗率の比率は１００〜４×１０^４ （Ω）であるのが好ましい。なお、体積抵抗率に電流の流れる発熱抵抗体２０ａの距離を乗算し、発熱抵抗体２０ａの電流の流れる断面積で除算することで発熱抵抗体の抵抗値が得られる。
これにより、例えば２０μｍ×２０μｍ等の正方形形状の発熱抵抗体２０ａの抵抗値を、上限として４×１０^４ （Ω）とすることができ、インクの吐出に必要な電力を１Ｗとすると、駆動電圧を実用範囲の上限である２００（Ｖ）に設定することができる。
【００２１】
【実施例】
このような発熱ヒータのヒータサイズを２０μｍ□、隔壁層１６の隔壁高さを１０μｍとし、ノズルプレート１８の厚さを１０μｍとし、吐出口１１の径を１５μｍとしたトップシュータ型のヘッドを、発熱抵抗体の厚さを０．７５〜５μｍの範囲で種々変えて作製し（実施例１，２と比較例１，２）、各ヘッドの寿命を調べた。なお、発熱抵抗体の厚さを５μｍを越すものは、安定して作製することができなかった。
【００２２】
なお、発熱抵抗体層をＲＦマグネトロンスパッタにより成膜する際のスパッタに用いるパワーを１（ｋＷ）とし、Ａｒに対するＯ_２ の原子％の比を０．２とした雰囲気中で、ＴａおよびＳｉからなる酸化物の含まれないＨＩＰ法焼結ターゲットを用いてスパッタを行った。発熱抵抗体は、予めＲＦマグネトロンスパッタによる発熱抵抗体の積層レートを求めておき、この積層レートを基にスパッタ時間を制御することによって、所望の厚さのものを作製した。
発熱抵抗体の抵抗値を直接測定し、さらに、吐出したインク液滴の吐出速度を測定して吐出速度が１０％減少した時のパルス通電回数の時点を寿命と定めて寿命を測定した。
下記表１には、発熱抵抗体の厚さと抵抗値および寿命の測定結果が示されている。
【００２３】
【表１】

【００２４】
上記表１より、発熱抵抗体の厚さが２〜５（μｍ）の場合、パルス通電回数の寿命が１０^１０を越え、厚さが（２μｍ）より小さい場合、寿命が１０^１０回を下回っている。
【００２５】
これは、キャビーテーションにより発熱抵抗体の表層に形成されている自己酸化被膜が一部損傷し、内部の発熱抵抗体が一部露出したとしても、インク吐出のための発熱により電蝕を防止する程度の自己酸化被膜が短時間で新たに形成されて依然としてインク液滴を吐出させる発熱抵抗体としての機能を有するものと考えられる。このため、パルス通電による発熱抵抗体は、キャビテーションにより発熱抵抗体の深さ方向にある程度削り取られ、気泡の発生のための発熱作用を部分的に起こさなくなって発生する気泡のサイズが実質的に減少した場合、初めて寿命を迎えるものといえる。したがって、本発明では、パルス通電の寿命を１０^１０回以上とするために、発熱抵抗体の厚さは２μｍ以上であることが必要である。
一方、発熱抵抗体の厚さが５（μｍ）を越えると、発熱抵抗体の内部応力が大きくなり、発熱抵抗体がヘッド基板から自ら剥離したり割れが発生し、安定して発熱抵抗体を得ることができない。たとえ、厚さが５（μｍ）を越える発熱抵抗体を得ることができたとしても、発熱抵抗体の厚さが厚くなることにより抵抗値が低下し、このため、上述したように印加する電圧および電流を考慮して配線電極のサイズおよび駆動回路の構成を設定しなければならず、コストが増大し実用的インクジェットヘッドを提供できなくなる。
【００２６】
なお、上記実施形態の発熱抵抗体は、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ３元合金を用いたものであるが、本発明においては、これに限定されず、耐電蝕性、耐キャビテーション性に優れた合金材料であればよい。例えば、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｏ３元合金を発熱抵抗体に用いてもよい。例えば、ＣｒおよびＳｉからなる酸化物の含まれないＨＩＰ法焼結ターゲットを用いてＲＦマグネトロンスパッタにより成膜される。
さらには、Ｔａ，Ｃｒ，ＳｉおよびＯからなる合金材料で構成された発熱抵抗体であってもよい。
【００２７】
以上、本発明のインクジェットヘッドについて詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。例えば、発熱ヒータの形成されたヘッド基板に対して平行な方向にインク液滴を吐出させるサイドシュータ型のインクジェットヘッドであってもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明のインクジェットヘッドは、発熱抵抗体と気泡の発生するインクとの間に積層された保護膜を持たない発熱ヒータであって、発熱抵抗体の厚さを２〜５（μｍ）とするので、一般家庭用プリンタに比べて寿命が格段に延びた、例えば１０^１０回のパルス通電に耐え得るインクジェットヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明のインクジェットヘッドの一例であるヘッドの概略斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示すヘッドのＡ−Ａ’矢視断面図である。
【図２】図１（ｂ）に示す発熱ヒータの拡大断面図である。
【符号の説明】
１０ インクジェットヘッド
１１ 吐出口
１２ 吐出ノズル
１４ ヘッド基板
１６ 隔壁層
１８ ノズルプレート
２０ 発熱ヒータ
２０ａ 発熱抵抗体
２０ｂ，２０ｃ 配線電極
２２ 接着層
２４ インク供給流路
２８ 駆動回路
３０ 発熱抵抗体層

Claims (3)

1. 発熱抵抗体を有し、この発熱抵抗体を通電することにより、発熱抵抗体近傍のインクの一部を沸騰して気泡を発生させる発熱ヒータと、発生した気泡の膨張によりインクを液滴として吐出する吐出ノズルと、を備えるインクジェットヘッドであって、
   前記発熱ヒータは、前記発熱抵抗体と気泡の発生するインクとの間に積層された保護膜を持たず、かつ、前記発熱抵抗体の厚さが２〜５（μｍ）であることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記発熱抵抗体の前記厚さに対する前記発熱抵抗体の体積抵抗率の比が１００〜４×１０^４ （Ω）である請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記発熱抵抗体は、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ３元合金、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｏ３元合金、あるいは、Ｔａ，Ｃｒ，ＳｉおよびＯからなる合金材料で構成されたものである請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。

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