JPH0811305A

JPH0811305A - インクジェット記録ヘッド

Info

Publication number: JPH0811305A
Application number: JP14919194A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Takao; 重幸高尾
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-06-30
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1996-01-16

Abstract

(57)【要約】【目的】多段沸騰が起こり難く、且つ、印字周波数が
高い時でもインク滴を正常なタイミングで安定して吐出
させることができ、ドット抜けやスプラッシュの生じな
い高い印字品質を与えることのできるインクジェット記
録ヘッドの提供することを目的とする。【構成】インク流路と、インク流路に連設された圧力
室と、圧力室の上方に穿孔されたインクノズルと、圧力
室の底面に配設された電極と、を備えたインクジェット
記録ヘッドであって、圧力室の底面や側面または上面に
配設された気泡付着膜を備えた構成を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は印字速度の速いインクジ
ェットプリンターに使用されるインクジェット記録ヘッ
ドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータ、ワードプロセッサ
等の普及に伴い、プリンターにおいても、印字の高速
化、カラー化、低騒音化が強く要求されている。中で
も、インクジェット方式の印字装置は、ノンインパクト
方式であるため低騒音であり、インク滴を飛翔させて印
字紙に文字を形成するため高速印字が可能であり、特別
な定着処理のない普通紙に印字可能であり、又、レーザ
ープリンター等に比べ構造が簡単であり安価であること
等により普及が目覚ましい。

【０００３】以下にインクジェット方式の印字機構につ
いて説明する。インクジェット方式の印字機構として
は、大別して連続式とオンデマンド方式とがあり、オン
デマンド方式には、ピエゾ素子で駆動するカイザー方
式、ステムメ方式、グールド方式や、インクを加熱し沸
騰させ、気泡を発生させることによりインクを体積変化
させ、インクを飛翔させるバルブジェット方式等があ
る。このバブルジェット方式には、加熱部を発熱させ間
接的にインクを加熱するヒータ加熱方式と、インクに直
接通電し、インク自体のジュール熱により発熱する直接
通電方式とがある。直接通電方式としては、特開平２−
２３３２５７号に、「インクの吐出孔を有するインク流
路と、前記インク流路のインクの吐出孔近傍に設けられ
た通電電極と、前記インク流路に満たされた導電性イン
クに前記通電電極を介して電流を流す駆動手段と、を有
することを特徴とするインクジェットプリンタ」が開示
されている。

【０００４】以下に従来のインクジェット記録ヘッドに
ついて説明する。図６は従来のインクジェット記録ヘッ
ドの主要断面図であり、図７はそのＢ−Ｂ’線断面図で
ある。図６及び図７において、１はホウケイ酸ガラス又
は石英ガラス等の絶縁体からなる圧力室６の底面を形成
する基板、２は基板１上にスパッタ法、蒸着法、イオン
プレーティング法等により金、白金、チタン等の不溶解
性金属よりなる薄膜を形成した後にエッチング、ミリン
グ加工等により加工された圧力室６の底面に配設される
電極、２ａ，２ｂは圧力室６の底面に露出している電極
露出部、３はポリイミド等の有機高分子又はＳｉＯ₂ 等
のセラミック等からなり基板１と電極２上に積層された
絶縁層、４はポリイミド、ポリエーテルサルフォン、ポ
リサルフォン等の合成樹脂からなる圧力室６とインク流
路（図示せず）の上面を形成するノズル板、５は絶縁層
３上に積層された接着層、６はインク流路（図示せず）
に連設された圧力室、７はエキシマレーザ等により圧力
室６の上面に穿孔されたインクノズルである。

【０００５】このように構成されたインクジェット記録
ヘッドについて、図面を用いて、以下その動作について
説明する。図８（ａ）は従来のインクジェット記録ヘッ
ドのインク吐出の初期状態を示す図、図８（ｂ）は従来
のインクジェット記録ヘッドのインク吐出のインク沸騰
開始時期を示す図、図８（ｃ）は従来のインクジェット
記録ヘッドのインク吐出の気泡形成時期を示す図、図８
（ｄ）は従来のインクジェット記録ヘッドのインク吐出
のインク滴吐出時期を示す図である。図９及び図１０は
従来のインクジェット記録ヘッドのインク沸騰過程にお
ける時間と電流の関係図である。まず、図８（ａ）に示
すように、圧力室６に満たされたインク１１に電極露出
部２ａ，２ｂを通して約２５Ｖの電圧が印加される（図
９の通電開始時刻ｔ０に相当）。通電開始と同時にイン
ク１１に電流が流れ、ジュール熱により、インク１１が
加熱される。インク１１が加熱されるとインク１１の比
抵抗が小さくなり、更に、インク１１に電流が流れる。
図８（ｂ）に示すように、インク１１が沸点に達する
と、電極露出部２ａ又は２ｂの先端部に気泡９が発生す
る（図９の沸騰開始時刻ｔ１に相当）。次いで、図８
（ｃ）に示すように、気泡９が成長しその体積が最大と
なったときに、気泡の膨張過程で生じる圧力によりイン
ク１１がインクノズル７から飛び出し、この時電極露出
部２ａ，２ｂの表面は気泡９によりほぼ完全に覆われ電
流値は極小となる（図９の最大気泡時刻ｔ２に相当す
る）。その結果、図８（ｄ）に示すように、気泡９は収
縮に転じ、電極露出部２ａ又は２ｂのいずれかの表面、
又は、電極２の近傍に残留気泡１０となって残り、又、
気泡９の収縮によりインクノズル７先端のインク１１が
くびれ、インク滴１２が飛翔する。その後、通電を中止
し、インク１１がインク流路（図示せず）から供給され
る。この工程を１２５〜２００μｓｅｃ（５ＫＨｚ〜８
ＫＨｚ）の周期（以下、印字周波数と呼ぶ）で連続ある
いは断続的に繰り返すことで、記録紙上に任意のドット
記録が可能となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、気泡収縮後に生じる残留気泡が突起物であ
る電極表面に不確定に付着し易いため、付着した残留気
泡が完全に消滅するよりも速いタイミングで連続して電
圧パルスが入力されると、その残留気泡が沸騰の核とな
るため、正常な沸騰開始時間よりも早い段階でインクが
小規模な沸騰（以下、多段沸騰と呼ぶ）を起こし、イン
ク滴を正常なタイミングで安定して吐出させることが困
難になるという問題点を有していた。特に、印字周波数
を高くするとその傾向が顕著となりドット抜け（インク
滴の欠落）やスプラッシュ（インク滴が霧状となるこ
と）を起こして印字品質が著しく低下するという問題点
を有していた。

【０００７】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、残留気泡が沸騰の核となるのを防ぎ、多段沸騰が生
じるのを防止でき、且つ、特に印字周波数が高い時にイ
ンク滴を正常なタイミングで安定して吐出させることが
でき、ドット抜けやスプラッシュの生じない高い印字品
質を有するインクジェット記録ヘッドを提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド
は、インク流路と、前記インク流路に連設された圧力室
と、前記圧力室の上方に穿孔されたインクノズルと、前
記圧力室の底面に配設された電極と、を備えたインクジ
ェット記録ヘッドであって、前記圧力室の底面や側面ま
たは上面に配設された気泡付着膜を備えた構成を有して
いる。請求項２に記載のインクジェット記録ヘッドは、
請求項１において、前記気泡付着膜が、前記電極と５〜
２０μｍ、好ましくは１０〜１５μｍの間隔をあけて配
設されている構成を有している。請求項３に記載のイン
クジェット記録ヘッドは、請求項１において、前記気泡
付着膜が、有機高分子膜又は金属膜である構成を有して
いる。

【０００９】

【作用】この構成によって、気泡収縮後の残留気泡が気
泡付着膜の表面に優先的に付着することによって、残留
気泡が電極表面上や電極間（インクの発熱領域）から遠
ざかり、残留気泡が加熱領域から遠ざかることにより気
泡近傍の温度が低くなり残留気泡が小さくなる。また残
留気泡が電極露出部や加熱領域から遠ざかることによ
り、正常な沸騰開始時間よりも早い段階での小規模な沸
騰の核が生じないので、多段沸騰が生じ難く、残留気泡
が電極露出部や加熱領域から遠ざかるので、印字周波数
を高くしても十分安定して正常なインクの沸騰によるイ
ンク滴の吐出が行われ、ドット抜けやスプラッシュの生
じない高い品質の印字を行うことができる。

【００１０】

【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。

【００１１】（実施例１、比較例１）図１は本発明の一
実施例におけるインクジェット記録ヘッドの主要断面図
であり、図２はそのＡ−Ａ’線の断面図である。図１及
び図２において、１は基板、２は電極、２ａ，２ｂは電
極露出部、３は絶縁層、４はノズル板、５は接着層、６
は圧力室、７はインクノズルであり、これらは従来例と
同様のものであり、同一の符号を付けて説明を省略す
る。８は残留気泡を付着させる、長方形のポリイミド樹
脂からなる気泡付着膜である。

【００１２】なお、第１の実施例では、気泡付着膜８の
形状は長方形状であるが、その他、馬蹄状、楕円状、円
状、正方状等が用いられる。気泡付着膜８は圧力室６の
奥部底面に配設されたものが、残留気泡１０を優先的に
付着し易くインク流路からのインク１１の圧力室６への
流入を妨げないので好ましい。気泡付着膜８と電極露出
部２ａ，２ｂとの間隔は、１０μｍ未満になるにつれ、
気泡付着膜８に付着した残留気泡１０が正常な気泡９の
形成前に小規模な気泡９の発生の核となる傾向があり、
１５μｍを越えるにつれて、残留気泡１０が気泡付着膜
８に付着しないようになる傾向があり、それぞれ好まし
くない。気泡付着膜８の厚さは電極露出部２ａ，２ｂよ
り厚いものが、残留気泡１０が優先的に付着し易いの
で、好ましい。

【００１３】尚、気泡付着膜８は第１の実施例では、ポ
リイミド樹脂を用いているが、その他、ポリエチレン、
ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリア
クリロニトリル、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポ
リメタクリル酸メチル、ポリオキシメチル、ポリスチレ
ン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド−６、ポ
リアミド−６６、エポキシ樹脂、ポリカーボネート、ポ
リエステル、ポリウレタン、ポリサルフォン、ポリエー
テルサルフォン、ＡＢＳ樹脂等の有機高分子膜や金、
銀、銅、白金、チタン、タンタル、ニッケル、モリブデ
ン、ニオブ、ルテニウム、タングステン、ジルコニウ
ム、イリジウム、ロジウム等の金属膜やＳｉＯ₂ 、Ａｌ
₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ₂ 等のセラミック膜が用いられる。

【００１４】以上のように構成された、本発明の一実施
例におけるインクジェット記録ヘッドについて、以下に
図面を用いて、その動作を説明する。図３（ａ）は本発
明の一実施例におけるインクジェット記録ヘッドのイン
ク吐出の初期状態を示す図、図３（ｂ）は本発明の一実
施例におけるインクジェット記録ヘッドのインク吐出の
インク沸騰開始時期を示す図、図３（ｃ）は本発明の一
実施例におけるインクジェット記録ヘッドのインク吐出
の気泡形成時期を示す図、図３（ｄ）は本発明の一実施
例におけるインクジェット記録ヘッドのインク吐出のイ
ンク滴吐出時期を示す図である。まず、図３（ａ）に示
すように、インク１１に電極露出部２ａ，２ｂを通して
電圧を印加する。すると、図３（ｂ）に示すように、イ
ンク１１が自己発熱し、通電開始ｔ１秒後に電極露出部
２ａ，２ｂの先端部に気泡９が生じて沸騰が始まる。こ
こまでの過程は従来のものと同じである。次に、図３
（ｃ）に示すように、沸騰開始ｔ２秒後に気泡体積が最
大になり、その膨張過程で生じる圧力によりインク１１
がインクノズル７より飛び出す。又、この時の気泡９の
体積は２００〜３００ｐＬであり、圧力室６の体積とほ
ぼ等しいから、電極露出部２ａ，２ｂおよび気泡付着膜
８の表面は気泡９によりほぼ完全に覆われる。これによ
り、電流値は極小となり、気泡９は収縮に転じるが、こ
の際、気泡９は突起等の物理的形状の異なる箇所又はイ
ンク１１に対し濡れ性が異なる材料の境界部に付着しや
すい傾向があるため、電極露出部２ａ，２ｂより突起が
大きくかつ材質の異なる気泡付着膜８の表面に優先的に
付着したまま収縮する。その結果、残留気泡１０は電極
露出部２ａ，２ｂの表面に残ることなく気泡付着膜８の
表面に残る。またこの時、図３（ｄ）に示すように、気
泡９の収縮によりインクノズル７先端のインク１１がく
びれ、インク滴１２が飛翔し、記録紙（図示せず）に到
達しドット記録を行う。さらにｔ３秒後に通電を中断す
ると残留気泡１０は消失し通電以前の状態に戻る。

【００１５】以上のように構成されたインクジェット記
録ヘッドについて、図１及び図２を用いてその製造方法
を説明する。まず、チタンの電極２を基板１上に従来の
方法で、厚さが１μｍになるように積層した。次に、電
極２を積層した基板１上に感光性ポリイミド（フォトニ
ース、旭化成）を塗布した後に、絶縁層３と気泡付着膜
８となる部分を残して他の部分を露光して現像すること
により除去し、更に、大気中または真空中で熱硬化また
は紫外線硬化することにより絶縁層３と気泡付着膜８を
同時に積層した。その後、ノズル板４、接着層５、圧力
室６、インクノズル７を従来の方法と同一の方法で形成
した。

【００１６】第１の実施例と気泡付着膜８の無い第１の
比較例を印字周波数を１〜９ＫＨｚに変化させてその時
の多段沸騰発生率を測定し、結果を図４に示した。図４
は本発明の第１の実施例と第１の比較例の印字周波数と
多段沸騰発生率の関係図である。多段沸騰発生率はデジ
タルオシロスコープに１００パルス分の沸騰電流波形を
取り込み、その中で所定の沸騰開始時間ｔ１以前に沸騰
電流波形に電流の立ち下がりが見られる沸騰が多段であ
るものの数を計測し、その割合を表した。

【００１７】図４から明らかなように、本実施例による
インクジェット記録ヘッドは、印字周波数を８ＫＨｚま
で上げても多段沸騰発生率は極めて低いという点で優れ
た効果が得られる。これは気泡付着膜８を積層したこと
により残留気泡が電極露出部２ａ，２ｂ表面上よりむし
ろ気泡付着膜８上へ付着し易くなり、たとえ残留気泡の
消失時間よりも早いタイミングで次の電圧パルスを入力
しても付着箇所がインク１１の発熱領域から離れている
ため次の沸騰の核とならなくなったためである。

【００１８】以上のように本実施例によれば、圧力室６
奥部に配設された、ポリイミドからなる電極露出部２
ａ，２ｂより厚さの厚い長方形状の気泡付着膜８を設け
たことにより、残留気泡１０を気泡付着膜８に優先的に
付着させることができ、正常なタイミングより速い小規
模な気泡９の生成を防ぐことができ、印字周波数の高い
領域においても他段沸騰が生じず、ドット抜けやスプラ
ッシュを防ぐことができるので、品質の高い印字を可能
にすることができる。

【００１９】（実験例１）本発明の第１の実施例におけ
るインクジェット記録ヘッドの気泡付着膜８と電極露出
部２ａ，２ｂの間隔を３〜１９μｍまで変化させたイン
クジェット記録ヘッドを製造し、その各々のインクジェ
ット記録ヘッドの電極表面上の残留気泡数及びインク吐
出過程における多段沸騰発生率を観察し、結果を図５に
示した。図５は実験例の電極露出部と気泡付着膜との距
離と多段沸騰発生率及び残留気泡数の関係図である。電
極露出部上の残留気泡数はインクジェット記録ヘッドに
交流矩形波を１００パルス入力した直後にストロボ連動
の高速カメラにて電極２の平面写真（図２）を撮影する
ことで残留気泡数を計測し、又、多段沸騰発生率はデジ
タルオシロスコープに１００パルス分の沸騰電流波形を
取り込み、その中で所定の沸騰開始時間ｔ１以前に沸騰
電流波形に電流の立ち下がりが見られる沸騰が多段であ
るものの数を計測し、その割合を表した。

【００２０】図５から明らかなように、気泡付着膜８と
電極露出部２ａ，２ｂの間隔が１０〜１５μｍであるイ
ンクジェット記録ヘッドでは電極表面上の残留気泡数が
少なくなっており、多段沸騰の発生頻度が極めて少ない
ことがわかった。これは気泡９が収縮する際、電極露出
部より突起の大きい気泡付着膜８の表面に優先的に付着
し、かつ付着箇所が電極露出部２ａ，２ｂ及び電極間
（インクの発熱領域）から離れていることで連続的に電
圧パルスを印加しても次の沸騰の核とならなくなったた
めである。気泡付着膜８と電極露出部２ａ，２ｂとの間
隔が５μｍ未満になるにつれて電極表面上の残留気泡数
が多くなっており、又、多段沸騰発生率も高くなってい
る。これは気泡付着膜８の表面に付着した残留気泡１０
がインク１１の発熱領域中に入り、次の沸騰の核をなっ
たものである。気泡付着膜８と電極露出部２ａ，２ｂと
の間隔が１５を越えるにつれ、やはり残留気泡数が増
え、多段発生率も高くなっている。これは気泡付着膜８
と電極露出部２ａ，２ｂとの間隔が大きすぎるため気泡
付着膜の表面に残留気泡１０が付着し難く、残留気泡１
０が電極露出部２ａ，２ｂに付着するためである。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明は、圧力室の底面や
側面又は上面に配設された気泡付着膜を設けることによ
り、気泡の収縮時に生じる残留気泡を気泡付着膜に優先
的に付着させることができ、電極露出部や電極間（イン
ク加熱域）から残留気泡を取り除くことができるので、
正常な気泡の形成前の小規模なインク吐出を止めること
ができる。また多段沸騰を防止することができるととも
に、且つ、特に印字周波数の速い印字工程でも、多段沸
騰を少なくすることができ、ドット抜け（インク滴の欠
落）やスプレッシュ（インク滴が霧状になること）を起
こすことがなく、印字品質が著しく向上する高速応答性
と吐出安定性に優れたインクジェット記録ヘッドを実現
できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるインクジェット記録
ヘッドの主要断面図

【図２】本発明の一実施例におけるインクジェット記録
ヘッドの図１のＡ−Ａ’線の断面図

【図３】（ａ）本発明の一実施例におけるインクジェッ
ト記録ヘッドのインク吐出の初期状態を示す図（ｂ）本発明の一実施例におけるインクジェット記録ヘ
ッドのインク吐出のインク沸騰開始時期を示す図（ｃ）本発明の一実施例におけるインクジェット記録ヘ
ッドのインク吐出の気泡形成時期を示す図（ｄ）本発明の一実施例におけるインクジェット記録ヘ
ッドのインク吐出のインク滴吐出時期を示す図

【図４】本発明の第１の実施例と第１の比較例の印字周
波数と多段沸騰発生率の関係図

【図５】実験例の電極露出部と気泡付着膜との距離と多
段沸騰発生率及び残留気泡数の関係図

【図６】従来のインクジェット記録ヘッドの主要断面図

【図７】従来のインクジェット記録ヘッドの図６のＢ−
Ｂ’線断面図

【図８】（ａ）従来のインクジェット記録ヘッドのイン
ク吐出の初期状態を示す図（ｂ）従来のインクジェット記録ヘッドのインク吐出の
インク沸騰開始時期を示す図（ｃ）従来のインクジェット記録ヘッドのインク吐出の
気泡形成時期を示す図（ｄ）従来のインクジェット記録ヘッドのインク吐出の
インク滴吐出時期を示す図

【図９】従来のインクジェット記録ヘッドのインク沸騰
過程における時間と電流の関係図

【図１０】従来のインクジェット記録ヘッドのインク沸
騰過程における時間と電流の関係図

【符号の説明】

１基板２電極２ａ，２ｂ電極露出部３絶縁層４ノズル板５接着層６圧力室７インクノズル８気泡付着膜９気泡１０残留気泡１１インク１２インク滴

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インク流路と、前記インク流路に連設され
た圧力室と、前記圧力室の上方に穿孔されたインクノズ
ルと、前記圧力室の底面に配設された電極と、を備えた
インクジェット記録ヘッドであって、前記圧力室の底面
や側面または上面に配設された気泡付着膜を備えたこと
を特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項２】前記気泡付着膜が、前記電極と５〜２０μ
ｍ、好ましくは１０〜１５μｍの間隔をあけて配設され
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
ト記録ヘッド。
【請求項３】前記気泡付着膜が、有機高分子膜又は金属
膜であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載
のインクジェット記録ヘッド。