JP4671525B2

JP4671525B2 - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP4671525B2
Application number: JP2001097933A
Authority: JP
Inventors: 洋一元; 保浅井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: JP2002172780A

Description

【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】
このような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抵抗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抵抗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、発熱抵抗体のパターニングが容易である上に、小さな面積の発熱抵抗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、ベースプレート２２の上面に複数個の発熱抵抗体２４を直線状に被着・配列させてなるヘッド基板２１と、発熱抵抗体２４と１対１に対応する複数個のインク吐出孔２６を有したノズル部材２５とを、間に所定の間隔を空けて配置させた上、この両者間の間隙にインク２７を充填した構造のものが知られており、記録紙をノズル部材２５の外表面に沿って搬送しなから、発熱抵抗体２４を画像データに基づいて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２７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２７の一部をノズル部材２５のインク吐出孔２６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、前記ベースプレート２２としては、アルミナ基板の上面にグレーズ層を被着させたグレーズドアルミナ基板や表面を絶縁膜でコートした単結晶シリコン基板等が用いられている。
【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よれば、ヘッド基板２１−ノズル部材２５間のインク２７中で発生した気泡Ａは、その後、時間の経過と共に萎んで小さくなるようになっており、例えば０．５ｍｓｅｃ程度の時間が経過すると完全に消滅するようになっている。
【０００７】
しかしながら、このような従来のインクジェットヘッドを用いて画像を形成する際、例えば駆動周期０．４ｍｓｅｃ以下の高速記録に対応すべく発熱抵抗体２４を短時間で繰り返し発熱させると、ベースプレート２２の内部に多くの熱が蓄積され、このような蓄熱現象によってベースプレート２２の温度が高温となることから、発熱抵抗体２４の発する熱エネルギーの多くが気泡Ａの発生に寄与することとなってインク２７中で発生する気泡Ａのサイズが過度に大きくなり、次ラインの記録動作を行うまでに気泡Ａを完全に消滅させることが難しくなる。このような残留気泡が次ラインの記録動作時に発熱抵抗体２４上に残っていると、新たに発生した気泡Ａによる圧力が前述の残留気泡により吸収されて、インク２７がインク吐出孔２６より十分に吐出されなくなり、画像が不鮮明になる欠点を有していた。
【０００８】
そこで上記欠点を解消するために、ヘッド基板２１−ノズル部材２５間のインク２７を所定の流速で流動させ、ベースプレート２２中に蓄積されている熱の一部を少しずつインク２７中へ逃がすことが検討されている。
【０００９】
しかしながら、発熱抵抗体２４の発した熱はベースプレート２２の長手方向中央域に籠もり易くなっていることから、ベースプレート２２の両端域と中央域とで温度差を生じることが多い。従って、ヘッド基板２１−ノズル部材２５間のインク２７を上述の如く流動させただけでは、ベースプレート２２が全体的に冷却されるだけで、上述の温度差を有効に解消することはできず、このような温度差がベースプレート２２の主走査方向に存在していると、インク２７中で発生する気泡Ａの大きさが発熱抵抗体２４の位置によって微妙に異なり、インク２７の吐出量にバラツキを生じて、ベースプレート２２の温度分布に対応した印画の濃度むらが形成される欠点が誘発される。
【００１０】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、高速で記録動作を行う場合であっても、濃度むらの少ない鮮明な画像を形成することが可能なインクジェットヘッドを提供することにある。
【００１１】
【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、ベースプレートの上面に、複数個の発熱抵抗体を直線状に被着・配列したヘッド基板と、前記発熱抵抗体に対応する複数個のインク吐出孔を有したノズル部材とを間に所定の間隔をあけて配置させ、ヘッド基板及びノズル部材間の間隙にインクを充填してなり、該インクを発熱抵抗体の配列と直交する方向に流動させながらその一部をインク吐出孔より吐出させて印画を形成するインクジェットヘッドであって、前記複数個の発熱抵抗体上を流れるインクの流速を、ベースプレートの両端域に比し中央域で速くなすようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明のインクジェットヘッドの具体的な第１の態様は、前記ベースプレートに、インクをヘッド基板の下面側よりヘッド基板−ノズル部材間の間隙に供給する複数個のインク供給孔が発熱抵抗体の配列に沿って略一定の間隔をあけて設けられており、且つ該インク供給孔の開口面積がベースプレートの両端域に比し中央域で大となしてあることを特徴とするものである。
【００１３】
更に本発明のインクジェットヘッドの具体的な第２の態様は、前記ベースプレートに、インクをヘッド基板の下面側よりヘッド基板−ノズル部材間の間隙に供給する複数個のインク供給孔が略等しい開口面積で、発熱抵抗体の配列に沿って設けられており、且つ該インク供給孔がベースプレートの両端域に比し中央域で高密度に配されていることを特徴とするものである。
【００１４】
また更に本発明のインクジェットヘッドは、前記ベースプレートが、上面を｛１００｝面に設定した単結晶シリコンにより形成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
更にまた本発明のインクジェットヘッドは、前記インク供給孔が、ベースプレートを形成する単結晶シリコンに対する異方性エッチングにて穿設されたものであることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明のインクジェットヘッドによれば、ヘッド基板−ノズル部材間の間隙に充填されるインクを所定の流速で流動させることにより、インクがベースプレートや発熱抵抗体、或いはこれらを被覆する保護膜等と常に接するようになることから、高速記録に対応すべく発熱抵抗体を短時間で繰り返し発熱させる場合であっても、ベースプレートの内部に蓄積される熱はインク側に少しずつ逃がされ、これによってベースプレートの温度を全体的に冷却せしめ、ベースプレートの温度が過度に高温となるのを有効に防止することができる。
【００１７】
また本発明のインクジェットヘッドによれば、複数個の発熱抵抗体上を流れるインクの流速をベースプレートの主走査方向の両端域に比し中央域で速くなしたことから、流動するインクには、熱が籠もり易いベースプレートの中央域においてより多くの熱を吸収されるようになり、ベースプレートの両端域と中央域との間に出来る温度差を極力小さくすることができる。従って、インク中に形成される気泡の大きさ、並びにインク吐出量は略一定に制御されるようになり、濃度むらの少ない鮮明な画像を形成することが可能となる。
【００１８】
更に本発明のインクジェットヘッドによれば、上述の如くインクを流動させることにより、発熱抵抗体の発する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て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が有効に防止される。
【００１９】
【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は本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッドの断面図、図２は図1のインクジェットヘッドに用いられるヘッド基板の平面図であり、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８とで構成され、両者間の間隙にインク１０が充填される。
【００２０】
前記ヘッド基板１は、ベースプレート２の上面に、発熱抵抗体４や給電配線５，ドライバーＩＣ７等を取着させ、これらの存在しない領域（空白部）に複数個のインク供給孔２ａを穿設した構造を有している。
【００２１】
前記ベースプレート２としては、アルミナ基板２ｂの上面に断面円弧状のグレーズ層２ｃを部分的に被着させたグレーズドアルミナ基板が用いられ、かかるグレーズ層２ｃの頂部付近に発熱抵抗体４が配設され、グレーズ層２ｃの存在しない部位にインク供給孔２ａやドライバーＩＣ７等が配設される。
【００２２】
前記ベースプレート２に穿設された複数個のインク供給孔２ａは、図示しないインクタンクからのインク１０をヘッド基板１の下面側より上面側に導入するためのものであり、これらインク供給孔２ａのヘッド基板下面側の開口部にはインクタンクからのインク１０を供給するためのインク供給管１１が接続される。
【００２３】
これらのインク供給孔２ａは、後述する発熱抵抗体４の配列に沿って間に略一定の間隔をあけて配列され、その開口面積はベースプレート２の両端域に比し中央域で大きくなしてあるため、ベースプレート２の中央域に設けたインク供給孔２ａからは両端域のものに比し一度に多くのインク１０が供給される。
【００２４】
尚、前記ベースプレート２のグレーズ層２ｃは、例えば１０μｍ〜１００μｍの厚みでガラスを焼き付けたものであり、その表面は極めて平滑に形成されることから、かかるグレーズ層２ｃの上面に発熱抵抗体４等を従来周知の薄膜手法によって形成する際、パターニングの精度は高く維持される。
【００２５】
このようなベースプレート２は、まずアルミナ、シリカ、マグネシア等のセラミックス原料粉末を用いて形成したセラミックグリーンシートを矩形状に打ち抜いて高温で焼成することによってアルミナ基板２ｂを形成し、次に得られた基板２ｂの上面にガラスペーストの塗布・焼き付けによってグレーズ層２ｃを形成し、最後にアルミナ基板２の所定箇所に従来周知のレーザー加工等により孔明けして、インク供給孔２ａを穿設することによって製作される。
【００２６】
また前記ベースプレート２の上面、具体的には、グレーズ層２ｃの頂部付近には主走査方向に沿って複数個の発熱抵抗体４が被着・配列されている。
【００２７】
前記発熱抵抗体４は、例えば６００ｄｐｉ(dot per inch)の密度で主走査方向に直線状に配列されており、その各々がＴａＮやＴａＳｉＯ,ＴａＳｉＮＯ,ＴｉＳｉＯ，ＴｉＳｉＣＯ，ＮｂＳｉＯ等の電気抵抗材料から成っているため、その両端に接続される給電配線５等を介して電源電力が印加されるとジュール発熱を起こし、インク１０中で気泡Ａを発生させるのに必要な熱エネルギーを発生する。
【００２８】
このような発熱抵抗体４や給電配線５は、従来周知の薄膜手法、具体的には、スパッタリングやフォトリソグラフィー，エッチング等を採用し、前述の電気抵抗材料や給電配線５を形成するアルミニウム等の金属をベースプレート２の上面に所定パターンに被着させることによって形成される。
【００２９】
更に前記発熱抵抗体４等の表面は窒化珪素やガラス等の無機質材料から成る保護膜６で被覆され、このような保護膜６によって、発熱抵抗体４や給電配線５をインク１０中に含まれているアルカリイオンや水分等の接触による腐食から保護するとともに、インク１０中に含まれている染料の固まり等が発熱抵抗体４の表面に付着するのを有効に防止している。
【００３０】
そして、前記ベースプレート２の上面に取着させたドライバーＩＣ７は、先に述べたグレーズ層２ｃより所定の距離だけ離れた位置に並設される。
【００３１】
前記ドライバーＩＣ７の各出力端子は給電配線５等を介して対応する発熱抵抗体４に電気的に接続されており、該ドライバーＩＣ７に外部から画像データ等の印画信号が供給されると、これらの信号に基づいて発熱抵抗体４への通電を制御し、複数個の発熱抵抗体４を個々に選択的にジュール発熱させる。
【００３２】
尚、前記ドライバーＩＣ７は、従来周知のフェースダウンボンディング等によってベースプレート２の上面に搭載される。
【００３３】
一方、前記ノズル部材８は、ヘッド基板１の発熱抵抗体４と１対１に対応する複数個のインク吐出孔９を有し、これらのインク吐出孔９が対応する発熱抵抗体４の真上に位置するようにしてヘッド基板１との間に３０μｍ〜６００μｍの間隔をあけて配置される。
【００３４】
前記ノズル部材８のインク吐出孔９は、発熱抵抗体４と略等しい密度で主走査方向に直線状に配列されており、インクジェットヘッドの記録動作時、インク滴を記録紙に向けて吐出する。
【００３５】
このノズル部材８は、感光性のエポキシ樹脂やポリイミド樹脂，或いは、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構成され、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、得られた板体の所定箇所に従来周知のレーザー加工によって直径１０μｍ〜１００μｍのインク吐出孔９を複数個、穿設することにより製作され、得られたノズル部材８を図示しないスペーサを介してヘッド基板１上に載置させることによりノズル部材８がヘッド基板１上の所定位置に固定される。
【００３６】
また、ヘッド基板１−ノズル部材８間に充填されるインク１０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使用され、その粘度は例えば０．３ｍＰａ・ｓ〜３．０ｍＰａ・ｓ（２５℃）に調整される。
【００３７】
前記インク１０は前述したインクタンクからインク供給管１１及びインク供給孔２ａを介してヘッド基板１−ノズル部材８間に供給され、前述した発熱抵抗体４の熱エネルギーによってインク１０中に気泡Ａが発生すると、該気泡Ａによる圧力でもってインク１０の一部がインク吐出孔９より外部に吐出される。
【００３８】
また、このようなインク１０は、少なくとも発熱抵抗体４とインク吐出孔９との間で副走査方向（発熱抵抗体４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インクタンクとの間を循環させている。
【００３９】
前記インク１０の流速は、例えば５０μｍ／ｓｅｃ〜２０００μｍ／ｓｅｃに設定され、記録動作時、待機状態にかかわらず、常に略等しい流速に保たれる。
【００４０】
このように、ヘッド基板１−ノズル部材８間のインク１０を流動させることにより、インク１０がベースプレート２や発熱抵抗体４を被覆する保護膜６等と常に接するようになることから、例えば駆動周期０．４ｍｓｅｃ以下の高速記録に対応すべく発熱抵抗体４を短時間で繰り返し発熱させる場合であっても、ベースプレート２の内部に蓄積される熱は、保護膜６上を流動するインク１０側に少しずつ逃がされ、これによってベースプレート２の温度を全体的に冷却せしめ、ベースプレート２の温度が過度に高温となるのを有効に防止することができる。
【００４１】
しかもこの場合、ベースプレート２に穿設したインク供給孔２ａの開口面積はベースプレート２の両端域に比し中央域で大となしてあり、発熱抵抗体４上を流れるインク１０の流速はベースプレート２の両端域に比し中央域で速くなることから、熱が籠もり易いベースプレート２の中央域でインク１０はより多くの熱を吸収するようになり、ベースプレート２の両端域と中央域との間の温度差を有効に防止することができる。従って、インク１０中に形成される気泡Ａの大きさ、並びにインク吐出量は略一定に制御されるようになり、濃度むらの少ない鮮明な画像を形成することが可能となる。
【００４２】
また上述の如くインク１０を流動させることにより、発熱抵抗体４の発する熱等によってインク１０中の水分もしくは油分がインク吐出孔９から多量に蒸発し、インク吐出孔９内のインク１０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９の直下を流れるインク１０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１０が固まってしまうことはなく、インク吐出孔９の目詰まりが有効に防止される利点もある。
【００４３】
かくして上述した本形態のインクジェットヘッドは、記録紙をノズル部材８の外表面に沿って搬送しながら、複数個の発熱抵抗体４をドライバーＩＣ７の駆動に伴って個々に選択的に発熱させ、この熱エネルギーによって発熱抵抗体４上のインク１０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１０の一部をノズル部材８のインク吐出孔９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。
【００４４】
尚、本発明は上述の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。
【００４５】
例えば上述の実施形態においてはヘッド基板１のベースプレート２としてグレーズドアルミナ基板を用いるようにしたが、これに代えて、ベースプレートを単結晶シリコンや金属等により形成するようにしても構わない。その場合、ベースプレート２’の表面を、図３に示す如く、酸化シリコン等から成る厚み１μｍ〜３μｍ程度の絶縁膜３で被覆しておく必要があり、このような絶縁膜３によって発熱抵抗体４や給電配線５がベースプレート２’を形成する単結晶シリコン等と確実に絶縁される。また、ベースプレート２’を単結晶シリコンを用いて形成する場合は、その上面を単結晶シリコンの｛１００｝面と合致させておくようにすれば、ヘッド基板１にインク供給孔２ａを穿設する際、従来周知の異方性エッチングを採用することによってインク供給孔２ａをベースプレート２’の厚み方向に精度良く、しかも容易に形成することができる利点がある。
【００４６】
また上述の実施形態においては複数個のインク供給孔２ａを発熱抵抗体４の配列に沿って略一定の間隔で配列させ、個々のインク供給孔２ａの開口面積をベースプレート２の両端域に比し中央域で大となすことによってベースプレート２の中央域を流れるインクの流速を両端域に比し速くなすようにしたが、これに代えて、複数個のインク供給孔の開口面積を全て略等しくなし、これらをベースプレートの両端域に比し中央域で高密度に配することによってベースプレートの中央域を流れるインクの流速を両端域に比し速くなすようにしても構わない。
【００４７】
【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−ノズル部材間の間隙に充填されるインクを所定の流速で流動させることにより、インクがベースプレートや発熱抵抗体、或いはこれらを被覆する保護膜等と常に接するようになることから、高速記録に対応すべく発熱抵抗体を短時間で繰り返し発熱させる場合であっても、ベースプレートの内部に蓄積される熱はインク側に少しずつ逃がされ、これによってベースプレートの温度を全体的に冷却せしめ、ベースプレートの温度が過度に高温となるのを有効に防止することができる。
【００４８】
また本発明のインクジェットヘッドによれば、複数個の発熱抵抗体上を流れるインクの流速をベースプレートの主走査方向の両端域に比し中央域で速くなしたことから、流動するインクには、熱が籠もり易いベースプレートの中央域においてより多くの熱を吸収されるようになり、ベースプレートの両端域と中央域との間に出来る温度差を極力小さくすることができる。従って、インク中に形成される気泡の大きさ、並びにインク吐出量は略一定に制御されるようになり、濃度むらの少ない鮮明な画像を形成することが可能となる。
【００４９】
更に本発明のインクジェットヘッドによれば、上述の如くインクを流動させることにより、発熱抵抗体の発する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て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が有効に防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッドの断面図である。
【図２】図1のインクジェットヘッドに用いられるヘッド基板の平面図である。
【図３】本発明の他の実施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・・・ベースプレート、２ａ・・・インク供給孔、３・・・グレーズ層、４・・・発熱抵抗体、８・・・ノズル部材、９・・・インク吐出孔、１０・・・インク

Claims

ベースプレートの上面に複数個の発熱抵抗体を直線状に被着・配列したヘッド基板と、前記発熱抵抗体に対応する複数個のインク吐出孔を有したノズル部材とを間に所定の間隔をあけて配置させ、ヘッド基板及びノズル部材間の間隙にインクを充填してなり、該インクを発熱抵抗体の配列と直交する方向に流動させながらその一部を前記インク吐出孔より吐出させて印画を形成するインクジェットヘッドであって、前記ベースプレートに、インクをヘッド基板の下面側よりヘッド基板−ノズル部材間の間隙に供給する複数個のインク供給孔が発熱抵抗体の配列に沿って略一定の間隔をあけて設けられており、且つ該インク供給孔の開口面積がベースプレートの両端域に比し中央域で大となしてあることによって、前記複数個の発熱抵抗体上を流れるインクの流速を、ベースプレートの両端域に比し中央域で速くなすようにしたことを特徴とするインクジェットヘッド。
ベースプレートの上面に複数個の発熱抵抗体を直線状に被着・配列したヘッド基板と、前記発熱抵抗体に対応する複数個のインク吐出孔を有したノズル部材とを間に所定の間隔をあけて配置させ、ヘッド基板及びノズル部材間の間隙にインクを充填してなり、該インクを発熱抵抗体の配列と直交する方向に流動させながらその一部を前記インク吐出孔より吐出させて印画を形成するインクジェットヘッドであって、前記ベースプレートに、インクをヘッド基板の下面側よりヘッド基板−ノズル部材間の間隙に供給する複数個のインク供給孔が略等しい開口面積で、発熱抵抗体の配列に沿って設けられており、且つ該インク供給孔がベースプレートの両端域に比し中央域で高密度に配されていることによって、前記複数個の発熱抵抗体上を流れるインクの流速を、ベースプレートの両端域に比し中央域で速くなすようにしたことを特徴とするインクジェットヘッド。
前記ベースプレートが、上面を｛１００｝面に設定した単結晶シリコンにより形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
前記インク供給孔が、ベースプレートを形成する単結晶シリコンに対する異方性エッチングにて穿設されたものであることを特徴とする請求項３に記載のインクジェットヘッド。