JP2006224604A

JP2006224604A - カーボンナノチューブ保護膜を用いたインクジェットプリントヘッド

Info

Publication number: JP2006224604A
Application number: JP2005043937A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Inoue; 智之井上
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】インク吐出エネルギー効率を向上させることによって、少ないエネルギーと短い時間で記録画像を得ることができ、さらに、連続液体吐出によるヘッドの過度の温度上昇を防ぐことができ、印字品位が向上し、印字時間の短縮を可能にする事を目的とする。
【解決手段】吐出エネルギー発生素子としての発熱素子の膜構成において、保護膜として用いる電気的絶縁材料の上に配向膜化したカーボンナノチューブを成膜することにより熱伝導率に異方性をもたせることで、発熱素子から液体への熱流束ベクトルを増大かつ安定化させる
【選択図】図１

Description

本発明は、被記録媒体に対してインクを吐出し記録画像を得るインクジェットプリントヘッドに関する。

インクジェットプリント装置は、近年の記録装置に対する高速記録、高画像品質、低騒音などの要求に答えて発達してきた。今日一般的に用いられているインクジェット記録方式の一つに吐出エネルギー発生素子として電気熱変換素子を用いる方式がある。この方式の原理は、電気熱変換素子に電気信号を与えることにより、電気熱交換素子近傍のインクを瞬時にして沸騰させ、その時のインクの相変化により生じる急激な気泡の成長によってインク滴を高速に吐出させるものである。この方式は吐出エネルギー発泡素子のスペースをそれほど設けなくて済み、インクジェットプリントヘッドの構造が単純で、ノズルの集積化が容易であること等の利点がある。この電気熱変換素子は発熱素子アレイ上にＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)によって非晶質に形成された電気的絶縁材料からなる保護膜層と耐キャビテーション層とを順次被着させた構成になっており、保護膜としての機能を損なわない範囲でその膜厚を薄くする努力が続けられ得ている。
特開平６−１８３００５

一方でこの方式の短所としては、電気熱交換素子の発生する熱エネルギーからインクを吐出させる運動エネルギーへのエネルギー変換効率が十分ではなく、電気熱交換素子を連続駆動させると、インクジェットプリントヘッド自体が過昇温し、その温度変化のためにインクの発泡状態が不安定になり、印字品位を低下させるという場合があった。また、この温度上昇のためにインク内に溶け込んだ空気が溶出しインクジェットプリントヘッド内の残留気泡となりインク吐出特性及び画像に悪影響を与えることがあった。また、これら悪影響を回避するためにインクジェットプリントヘッドの自然冷却に待機時間を要し、印字時間を引き伸ばしてしまうという問題があった。

本発明のカーボンナノチューブ保護膜を用いたインクジェットプリントヘッドは、インクジェットプリントヘッドの保護膜層として、機械的強度に優れ熱伝導性の良いカーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバのような炭素材料を用い、配向薄膜化することによって、電気熱交換素子からインクへの熱流速ベクトルを増大かつ安定化させることによってエネルギー変換効率を大幅に改善させることができる。さらに、保護膜を同一レイヤー内で配向性すなはち熱伝導率に違いのある複数の領域に分割し、保護膜に熱流束の抜け道を持たせることによってエネルギー効率を大幅に改善したプリントヘッドを用いれば、少ないエネルギーと短い時間で記録画像を得ることができる。

（作用）
請求項１，２，３の発明によれば、発熱素子から保護膜を通してインクに伝わる熱流束に異方性をもたせることで、インク吐出エネルギー効率を大幅に改善することができる。このエネルギー効率の改善によって、連続インク吐出によるプリントヘッドの過度の温度上昇を防ぐことができ、印字品位が向上し、印字時間が短縮される。

以上説明したように、本発明によれば、吐出エネルギー発生素子としての発熱素子の膜構成において、保護膜として用いる電気的絶縁材料の上に配向膜化したカーボンナノチューブを成膜することにより熱伝導率に異方性をもたせることで、発熱素子から液体への熱流束ベクトルを増大かつ安定化させることができ、エネルギー変換効率を大幅に向上させることができる。

また、発熱素子の保護膜として部分的に配向膜化したカーボンナノチューブを用いることにより、同一レイヤー内で配向性すなわち熱伝導率に違いのある複数の領域に分割し、保護膜に熱流束の抜け道をもたせることによって、エネルギー効率を向上させるとともに液体発泡安定性を向上させることができる。

このように、発熱素子の保護膜を、熱伝導性に優れたカーボンナノチューブを配向膜化してエネルギー効率を向上させることによって、少ないエネルギーと短い時間で記録画像を得ることができ、さらに、連続液体吐出によるヘッドの過度の温度上昇を防ぐことができ、印字品位が向上し、印字時間の短縮を可能にする。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

（実施例１）
図３はインクジェットプリンタ装置の概略図を示す。図３において１３はプリントヘッド、１２は被記録媒体、１４はプリントヘッドの主走査方向、１６はプリンタ装置本体である。プリントヘッド１３は、プリンタ本体１６に主走査方向１４にしたがって被記録媒体１２に対し水平に移動できる構成になっている。

図４はプリントヘッドの概略図を示す。図４において１０はプリントヘッド１３の被記録媒体１２と向きあう複数のインク吐出ノズル１１を備えたフェイス面である。インク吐出ノズル１１はフェイス面１０上に規則的に配され、プリントヘッド１３が主走査方向１４に移動しながら記録画像情報にしたがって記録インクを吐出・飛翔させ、被記録媒体１２上に記録する構成になっている。

図５はプリントヘッド１３内部の電気熱交換素子１５を駆動させることによって、近傍の記録インク自身を瞬時にして沸騰させ、その時のインクの相変化により生じる急激な気泡１７の成長によって、記録インク８がインク吐出ノズル１１から高速で吐出し、被記録媒体１２に向かって飛翔していく様子を示している。図５において、１０はフェイス面を９はノズル材を示している。

図１はプリントヘッド１３内部の電気熱交換素子１５の膜構成を示す。図１において１８はSi基板、７は表面酸化膜SiO₂であり絶縁膜および蓄熱層として機能する。３は発熱抵抗層、１，２はAl配線電極、４は絶縁層、５は耐熱衝撃・耐キャビテーション膜である。ここでは、４と５をあわせて保護膜とする。本発明では、カーボンナノチューブあるいはカーボンナノファイバと呼ばれる6個のカーボン（炭素）の原子が亀甲状を基本にラセン状につながって円筒を形成した物質６を保護膜として用いることとし、さらに、この保護膜を配向膜化して熱伝導率に異方性を持たせ、発熱素子からインクへの熱流速ベクトルを増大かつ安定化させることによって発熱素子で発生した熱エネルギーを効率よくインクの発泡エネルギーに変換することができる。カーボンナノチューブの熱伝導性については、理想的な格子の形成されている単層チューブに関して軸方向への選択的な極めて高い熱伝導率が予想され、電子伝導の影響を取り除いた格子振動分のみの理論シミュレーションでは、熱伝導率ｋ（温度勾配∂Ｔ／∂ｙと熱流速ｑの積，ｙは軸方向）は金などに近く、２００Ｗ/ｍＫ程度である。これまで保護膜として一般的に使われてきた窒化ケイ素の熱伝導率が、１２．６〜７０Ｗ/ｍＫであることを参考にすれば、本発明により、熱エネルギーから発砲エネルギーへの変換効率を大幅に改善させることができる。また、カーボンナノチューブは優れた機械的特性（靭性、表面硬さ；同じ炭素でできたダイヤモンドより優れている）とも言われ、耐キャビテーション膜としての機能は十分果たすことができる。

カーボンナノチューブを配向して成長させるための手段は、さまざまな方法が提案されているが、図６に示すように、本実施例では金属触媒であるコバルトナノ粒子を発熱素子上に蒸着させその粒子をカーボンナノチューブ膜の種とし、金属触媒を含む金属有機化合物を原料として化学気相成長法により選択的にファイバー状の炭素を析出させる方法を採用した場合の例である。

まず、Al配線電極１，２、絶縁層４、Ｓｉ基板１８の表面酸化膜SiO₂７を含むヒーター回路をフォトリソグラフィ技術により成膜した後、窒化ケイ素で絶縁保護膜４として回路全体を覆う。このとき絶縁保護膜は、ヒーターからの熱伝導を妨げないように十分薄く成膜されなければならない。ヒーター部以外をレジスト材料１９でマスキングした後、触媒となる金属（ニッケル、コバルト、鉄）の微粒子２０をヒーター部のみに蒸着し配向性カーボンナノチューブ膜の種とする。この種をもとに、真空下でのＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)やＰＶＤ(Plazma Vapor Deposition)などの化学的気相成長法を用いて、基板上の特定の場所に選択的に配向性カーボンナノチューブ６を成長させる。そのあと、ヒーター部以外を覆っているレジスト材料１９を除去して最終的な発熱素子膜を得る。このようにして得た配向性カーボンナノチューブ保護膜５を用いたインクジェットプリントヘッドでは、電気熱交換素子からインクへの熱流速ベクトルを増大かつ安定化させることによってエネルギー変換効率を大幅に改善させることができる。このエネルギー効率の改善によって、連続インク吐出によるプリントヘッドの過度の温度上昇を防ぐことができ、印字品位が向上し、印字時間が短縮される。

（実施例２）
本実施例では、図２に示すように発熱素子上に保護膜が配向性に違いのある複数の領域で形成され、その境界が前記熱発生素子の中心を軸とした点対称形状（円形、正方形、星形等）に形成されることを特徴とする例である。実施例１に示すように配向性カーボンナノチューブ保護膜５を選択的に成膜させることができる手法を用いれば、一つのヒーター上で熱伝導率の異なる保護膜を形成することが可能となる。たとえば図２の斜線部に示すように、比較的発泡効率の悪いヒーター周辺部の保護膜を、中央部に比べて熱伝導率の良い配向性カーボンナノチューブ膜にすることで発泡ムラを軽減し、発泡安定性・インク吐出安定性を増すことができる。すなわち、印字品位が良化し、プリントヘッドとしての性能向上を図ることができる。

本発明の液体吐出ヘッドにおける発熱素子の膜構成を示す模式断面図である。本発明の実施例２における液体吐出ヘッドの発熱素子の保護膜構成を示し、熱伝導率に違いのある複数の領域に分割した場合の模式断面図である。本発明のインクジェットプリンタの構成を示す模式図である。本発明の液体吐出ヘッドの構成を示す模式図である。本発明の液体吐出ヘッドのインク吐出原理を示した模式図である。本発明のカーボンナノチューブを選択された領域に配向膜化するプロセスを模式的に示した図である。

符号の説明

１，２配線電極
３発熱抵抗層
４絶縁層（保護膜）
５カーボンナノチューブ配向膜（保護膜）
６カーボンナノチューブ
７表面酸化膜（蓄熱層）
８記録インク
９ノズル材
１０フェイス面
１１インク吐出ノズル
１２被記録媒体
１３液体吐出ヘッド
１４主走査方向
１５発熱素子
１６プリンタ本体
１７気泡
１８Ｓｉ基板

Claims

基板上に蓄熱層と抵抗体層とを順次形成し、この抵抗体層上に個別電極と共通電極とを対向配置して発熱素子となすとともに、該発熱素子を複数個配列して発熱素子アレイを形成し、この発熱素子アレイ上に電気的絶縁材料からなる絶縁膜層と耐キャビテーション層とを順次被着させた保護膜を備えたサーマルヘッドと、該サーマルヘッド上に配してオリフィスが設けられたオリフィスプレートと、これらサーマルヘッドとオリフィスプレートとでインク流路をなす流路部とを具備するとともに、該流路部に導入されたインクのうち上記熱発生素子付近のインクが急速加熱により発泡する事により、オリフィスよりインク液滴が吐出するようにしたインクジェットプリントヘッドであって、前記耐キャビテーション層がカーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバのうちの少なくとも一方を含む炭素材料から成ることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。
前記カーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバは、前記絶縁材料からなる保護膜層に対して所定方向に配向していることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
前記耐キャビテーション膜を構成するカーボンナノチューブ及びカーボンナノファイバのうちの少なくとも一方が、熱伝導（フォノン振動）の繊維方向依存性を持ち、前記耐キャビテーション膜の熱伝導に異方性を持たせる事を特徴とする請求項１及び２に記載のインクジェットプリントヘッド。
前記保護膜が、真空下でのＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)やＰＶＤ(Plazma Vapor Deposition)などの化学的気相成長法を用いて、基板上の特定の場所に選択的にカーボンナノチューブを成長させ、その際バイアス電圧、雰囲気制御、あるいは触媒金属により配向性を持たせるようにすることを特徴とする請求項１及び２及び３に記載のインクジェットプリントヘッド。
前記保護膜が配向性に違いのある複数の領域で形成され、その境界が前記熱発生素子の中心を軸とした点対称形状（円形、正方形、星形等）に形成されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。