JP2007237511A - インクジェットプリントヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波駆動によって制限される短いパルス幅であっても発熱素子のスペースを広げることなく高抵抗化を図ることができ、高い吐出エネルギーを得ることができるようにする。 また、高密度に集積されたノズルから多種多様なインク滴を高周波で吐出することを可能にする。
【解決手段】 一つの発熱素子に対向配置した該個別電極１と共通電極２の間を流れる電流の方向が曲がることを特徴とし、特に一つの発熱素子に対応する抵抗体層３を単位面積当たりの抵抗値が異なる二つ以上の領域に分け、より電流の向きが曲がりやすいように誘導し、一つの発熱素子が全体として高い電気抵抗を持つようにする。
【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発熱素子を用いる方式がある。この方式の原理は、発熱素子に電気信号を与えることにより、発熱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。一方、インクジェットプリント装置には高速印刷が要求されており、このためプリントヘッド素子には発熱素子の高周波駆動が求められている。高周波駆動によって制限される短いパルス幅で高い発泡熱エネルギーを得るためには発熱素子の高抵抗化を図る必要があり、これまでは、発熱ヒーターの形状を変えたり、発熱ヒーターのシート抵抗値（単位面積当たりの抵抗値）を調整して高い熱エネルギーを得るための努力が続けられている。

又、別の従来例としては、特許文献１をあげることが出来る。
特開2005-254666号公報

インクジェットプリントヘッドに求められる高速印刷を実現するために、インク吐出エネルギー駆動素子（サーマルインクジェット記録方式では発熱素子）の高周波応答性が求められている。高周波によって制限される短い印可パルスで高い発泡熱エネルギーを得るためには発熱素子の高抵抗化を図る必要があり、これまでに発熱素子を長方形とし長辺を伸ばして高抵抗化する試みがなされた(図２ｂ)。しかしながら、発泡領域が縦長になり記録インク滴吐出の安定性を損なう恐れがあった。また別の手段として、発泡領域をなるべく正方形に保つために、発熱素子を二つに分けて一方を折り返し、隣り合わせかつ直列に接続する試みがなされた(図２ｃ)。しかしながら隣り合わせの二つの発熱素子の間に、せまい絶縁領域を設ける必要があり耐久信頼性や発泡安定性を損なう恐れがあった。さらに、これらの手法では、発泡素子のスペースが大きくなり、高密度化に不利であり、サーマルヘッド基板のウエハーからの取り個数が少なくなり製造コストを押し上げる要因になるという課題があった。また、サーマルインクジェットプリントヘッドには、物性や吐出量の異なる複数種類のインク滴をそれぞれに最適な発泡エネルギーで吐出させることも望まれており、同一の電源系において、それぞれの発熱素子に最適な電気抵抗を設計できる自由度が求められている。

上記目的を達成するため、本発明のプリントヘッドは、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、この発熱阻止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、一つの発熱素子に対向配置した該個別電極と共通電極の間を流れる電流の方向が曲がることを特徴とする。また、特に一つの発熱素子に対応する抵抗体層を単位面積当たりの抵抗値が異なる二つ以上の領域に分け、より電流の向きが曲がりやすいように誘導し、一つの発熱素子が全体として高い電気抵抗を持つようにする。このような手段を用いることで、高周波駆動によって制限される短いパルス幅であっても発熱素子のスペースを広げてコストアップすることなく高抵抗化を図ることができ、高い吐出エネルギーを得ることができる。さらに、電流の向きの曲がり具合を発熱素子ごとにパターンによって制御できるために、同じレイヤー内の個別の発熱素子に最適な電気抵抗を設計できる自由度が得られ、物性や吐出量の異なる複数種類のインク滴をそれぞれに最適な発泡エネルギーで吐出させることができる。

（作用）
請求項１〜請求項４の発明によれば、一つの発熱素子に対向配置した該個別電極と共通電極の間を流れる電流の方向が曲がることを特徴とし、特に一つの発熱素子に対応する抵抗体層を単位面積当たりの抵抗値が異なる二つ以上の領域に分け、より電流の向きが曲がりやすいように誘導し、一つの発熱素子が全体として高い電気抵抗を持つようにする。このような手段を用いることで、高周波駆動によって制限される短いパルス幅であっても発熱素子のスペースを広げることなく高抵抗化を図ることができ、高い吐出エネルギーを得ることができる。さらに、同じレイヤー内の個別の発熱素子に最適な電気抵抗を設計できる自由度が得られ、物性や吐出量の異なる複数種類のインク滴をそれぞれに最適な発泡エネルギーで吐出させることができる。すなわち、高密度に集積されたノズルから多種多様なインク滴を高周波で吐出することを可能にする。

以上説明したように、本発明によれば、一つの発熱素子に対向配置した該個別電極と共通電極の間を流れる電流の方向が曲がることを特徴とし、特に一つの発熱素子に対応する抵抗体層を単位面積当たりの抵抗値が異なる二つ以上の領域に分け、より電流の向きが曲がりやすいように誘導し、一つの発熱素子が全体として高い電気抵抗を持つようにすることで、高周波駆動によって制限される短いパルス幅であっても発熱素子のスペースを広げることなく高抵抗化を図ることができ、高い吐出エネルギーを得ることができる。さらに、同じレイヤー内の個別の発熱素子に最適な電気抵抗を設計できる自由度が得られ、物性や吐出量の異なる複数種類のインク滴をそれぞれに最適な発泡エネルギーで吐出させることができる。すなわち、高密度に集積されたノズルから多種多様なインク滴を高周波で吐出することを可能にする。

次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

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内部の発熱素子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１９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はノズル構成材を示している。

図２(a), 図２(b), 図２(c)は従来のプリントヘッド内部の発熱素子の発熱抵抗領域を示した模式図であり、それぞれ正方形ヒーター、長方形ヒーター、折り返しヒーターを示している。

図１(a), 図１(b), 図１(c), 図１(d)は、プリントヘッド１３内部の発熱素子１５の発熱抵抗領域と電流経路を示した概念図である。図１において、３は発熱抵抗層、１，２はAl配線電極（個別配線および共通配線）、６は絶縁領域、８は発熱抵抗層３よりもシート抵抗（単位面積当たりの抵抗値）が大きい発熱抵抗領域である。ここでは、３と８をあわせてヒーターとする。本発明では、電流がより抵抗の低いところを最短距離で流れようとする自然法則を利用して、ヒーター内を流れる電流の向きを曲げることにより、ヒーター全体としての抵抗値を高めることを特徴としている。図１では、図１(d)から図１(c)、図１(b)、図１(a)の順にヒーター全体としての抵抗が高くなっている。図１(c)、図１(d)において、個別電極１から流れてきた電流は、共通電極２に至る途中で絶縁領域６を避けるように迂回する。絶縁領域による個別電極から共通電極への最短経路の遮断が図１(d)に示すヒーター構成よりも図１(c)に示すほうが多く複雑である。この電流の迂回に要した経路分だけヒーター全体としての抵抗値が高まることとなる。図１(a)、図１(b)においても同様に、個別電極１から流れてきた電流は、共通電極２に至る途中で絶縁領域６を避けるように迂回するが、より短い経路を通ろうとするために絶縁領域に近い部分１７に集中する。この部分１７に電流集中を緩和するために発熱抵抗層３よりもシート抵抗（単位面積当たりの抵抗値）が大きい発熱抵抗領域８を設ける。絶縁領域に近い部分１７への電力集中を緩和することによって、ヒーター全体に万遍なく電流が流れることになる。このように一つの発熱素子に対応する抵抗体層が、シート抵抗値が異なる二つの領域３，８からなっており、発熱素子に対向配置した個別電極１と共通電極２との距離が最短であるような直線上の一部に絶縁領域６とシート抵抗が大きい領域８とがあるようなヒーター構成にすると、電流の迂回に要する経路は図１(c)、図１(d)に示すよりもヒーター全体としての抵抗値が高まることとなる。高周波駆動によって制限される短いパルス幅であっても発熱素子の大きさを変えずに、図１ (d)から図１(c)、図１(b)、図１(a)の順に高抵抗化を図ることができ、高い吐出エネルギーを得ることができる。シート抵抗値を領域によって変えるためには、別々に違う発熱抵抗材料を成膜する手法や、同じ材料を用いて発熱抵抗層の厚さを変える手法などが考えられるが、手法の違いによって本発明は限定されるものではない。

また、図１の(a)と(b)、あるいは(c)と(d)の違いのように、個別電極配線、共通電極配線の接続位置と絶縁領域６の領域をヒーター毎に設計することが可能なので、同じ基板上に、任意の抵抗値をもったヒーターを集積することができる。そうすれば、物性や吐出量の異なる複数種類のインク滴をそれぞれに最適な発泡エネルギーで吐出させることができる。すなわち、高密度に集積されたノズルから多種多様なインク滴を高周波で吐出することを可能にする。

本発明のプリントヘッド内部の発熱素子の発熱抵抗領域と電流経路を示した概念図である。 従来のプリントヘッド内部の発熱素子の発熱抵抗領域を示した模式図である。 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。

符号の説明

１ 個別配線電極
２ 共通配線電極
３ 発熱抵抗層
４ 絶縁層（保護膜）
５ 耐熱衝撃膜
６ 絶縁領域
７ 表面酸化膜（蓄熱層）
８ シート抵抗値の大きい発熱抵抗層領域
９ ノズル構成材
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 絶縁領域に近い部分
１８ Ｓｉ基板
１９ 急激な気泡

Claims (4)

1. 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、この発熱阻止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、一つの発熱素子に対向配置した該個別電極と該共通電極の間を流れる電流の方向が、発熱素子の発熱抵抗層内にスリット状に進入している絶縁領域を避けるように曲がることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。
2. 前記発熱素子に対向配置した前記個別電極と前記共通電極の少なくとも一方が、発熱素子中央から離れて片寄った部位で接続され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。
3. 一つの発熱素子に対応する抵抗体層が、単位面積当たりの抵抗値が異なる二つ以上の領域からなっていること特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
4. 前記一つの発熱素子に対応する抵抗体層が、単位面積当たりの抵抗値が異なる二つ以上の領域からなっており、発熱素子に対向配置した前記個別電極と前記共通電極との距離が最短であるような直線上の一部に前記絶縁領域と単位面積当たりの抵抗値が最も大きい領域とがあること特徴とする請求項３に記載のインクジェットプリントヘッド。

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