JPH08169113A

JPH08169113A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JPH08169113A
Application number: JP31341494A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tokiwa; 剛常盤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-12-16
Filing date: 1994-12-16
Publication date: 1996-07-02

Abstract

(57)【要約】【目的】キャビテーションに対して極めて強固な耐久
皮膜を提供することにより、電極とインクとの界面での
腐食反応および溶解を防ぐことのできる、耐久性のある
インクジェットヘッドを提供することを目的とする。【構成】一対の電極３Ａの一方の電極の上面の露出面
積と一対の電極３Ａの他方の電極の上面の露出面積との
比が所定比率となるように電極３Ａの上面に耐久皮膜５
Ａを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インク滴を吐出させて
印刷用紙に印字又は印画させ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】近年、プリンタは、印字の高速化、カラ
ー化、低騒音化の要求が高まってきており、なかでもイ
ンクジェットヘッドを用いたインクジェットプリンタが
注目されてきている。

【０００３】インクジェットヘッドの印字方式は大別し
て連続方式とオンディマンド方式とがあり、更にオンデ
ィマンド方式には、ピエゾ素子で駆動するカイザー方
式、ステムメ方式、グールド方式があるが、インクを加
熱することによりバブルを発生させ、その体積変化によ
ってインクを飛翔させるバブルジェット方式が注目され
ている。

【０００４】以下に、従来のインクジェットヘッドにつ
いて図８、図９を用いて説明する。図８は従来のインク
ジェットヘッドを示す断面図、図９は図８のＡ−Ａ´線
断面図である。図８、図９において、１は導電性インク
（以下、単にインクという）が満たされた圧力室、２は
圧力室１の上部に形成されたノズル孔、３は圧力室１の
底部に配設された一対の電極、４は圧力室１の底面を形
成する基板、５は有機高分子又はセラミックスなどの耐
久皮膜、６は圧力室１の中央部側面を形成する仕切り
板、７はノズル孔２が形成され圧力室１の上部側面を形
成するノズルプレート、８は電極３に送る信号を発生す
る信号発生装置、９はノズル孔２から吐出したインク
滴、１０はノズル孔２の全面に配置された記録媒体（た
とえば印刷用紙）、１１はインクの発熱を基板４に逃が
さないように基板４の上面に積層された断熱層、１２は
圧力室１に連設されたインク供給孔、矢印１３は電極３
間を通る電気力線、矢印１４はインク中を通る電流通過
部である。

【０００５】次に、以上のように構成されたインクジェ
ットヘッドの製造方法について説明する。ガラスあるい
はシリコンなどのセラミックスからなる非導電性の基板
４上に、Ａｒガス圧１０ｍＴｏｒｒ、出力３００Ｗで３
０分間スパッタし、１μｍ厚のＳｉＯ₂ 層としての断熱
層１１を形成する。次に、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉなど
の導電性の層を断熱層１１上に蒸着法、スパッタリング
法などの物理成膜法あるいはメッキ法により積層する。
上記導電性の層を積層した基板４上に（正確には上記導
電性の層の上に）フォトリソグラフィ法により電極３の
パターンを形成し、電極３のパターン以外の部分をイオ
ンミリングまたはケミカルエッチングにより除去する。
パターン形成した電極３の圧力室１に露出している部分
以外となるべき部分に、有機高分子あるいはセラミック
スなどの耐久皮膜５を塗布又はスパッタリング法により
形成する。この耐久皮膜５と電極３とを積層した基板４
上に高分子樹脂からなる仕切り板６と、エキシマレーザ
ー加工機により形成されたノズル孔２を有するノズルプ
レート７とを、ノズル孔２が一対の電極３の中心部に位
置するように接着する。次に、以上のようにして製造さ
れた図８のインクジェットヘッドの動作について説明す
る。まず、圧力室１、インク供給孔１２にはインクが充
満している。信号発生装置８で発生された信号は電極３
間に電圧を印加する。次に、電極３間に充満しているイ
ンク中に電気力線１３が発生する。インクは所定の抵抗
率を有するので、インク中の電流通過部１４に電流が流
れる。その結果インク中にジュール熱が発生するので、
インクの温度が上昇し、圧力室１内の電極３上にバブル
（図示せず）が発生する。このバブルが大きくなると、
圧力室１内の圧力が急激に上昇し、圧力室１内のインク
がノズル孔２から記録媒体１０に向かって吐出する。こ
のとき圧力室１内の体積減少により、インク供給孔１２
からインクが供給されて、インク吐出の１サイクルを完
了する。信号発生装置８からの信号に応じてこのサイク
ルを繰り返すことにより記録媒体１０に任意のドットが
形成される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のインクジェットヘッドでは、長時間使用すると、毛
細管現象によりインクが電極３と耐久皮膜５との間に浸
入してきたり、インクが沸騰した際に起こるキャビテー
ション現象により、基板４と電極３（正確には断熱層１
１と電極３）との間あるいは耐久皮膜５と電極３との間
が剥離したりするので、電極３とインク中に存在する電
解質との酸化還元反応が生じ、電極３が腐食したり、電
極３から電解気泡が発生したり、また電極３が溶解した
りするという問題点を有していた。

【０００７】また、インクの沸騰時に生じるキャビテー
ションによりそれぞれの電極でインク中への露出面積が
異なってくると、露出面積の広い電極の電気抵抗が低下
し、より多くの電流が電極間に流れるので、露出面積の
狭い方の電極の電流密度を高め、この電極が溶解すると
いう問題点があった。本発明は上記従来の問題点を解決
するもので、キャビテーションに対して極めて強固な耐
久皮膜を提供することにより、電極とインクとの界面で
の腐食反応および溶解を防ぐことのできる、耐久性のあ
るインクジェット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記載のインクジェットヘッドは、導
電性インクが満たされた圧力室と、圧力室の上部に形成
されたノズル孔と、圧力室の底部に配設された一対の電
極と、一対の電極の上面に形成された耐久皮膜と、圧力
室に連設されたインク流路とを有するインクジェットヘ
ッドであって、耐久皮膜は、一対の電極の一方の電極の
上面の露出面積と一対の電極の他方の電極の上面の露出
面積との比が所定比率となるように電極の上面に形成さ
れた構成を有している。

【０００９】請求項２記載のインクジェットヘッドは、
請求項１において、所定比率を０．９より大きく１．１
より小さくした構成を有している。

【００１０】請求項３記載のインクジェットヘッドは、
請求項１において、耐久皮膜の開口部の形状を楕円形も
しくは凸の曲線によって角を丸めた長方形となした構成
を有している。

【００１１】請求項４記載のインクジェットヘッドは、
請求項３において、耐久皮膜の厚さを電極の膜厚よりも
大きくした構成を有している。

【００１２】ここで、上記所定比率を０．９５より大き
く１．０５より小さくすれば、更にインクジェットヘッ
ドの長寿命化を図ることができる。また、耐久皮膜の開
口部の形状は、角部が直線が交差したような形状でなけ
ればよく、例えば円に近い形状でも良く、キャビテーシ
ョンの発生によるインクの耐久皮膜と電極との間への浸
入を更に効果的に防ぐことができる。

【００１３】

【作用】上記構成によって、一対の電極のインク中への
露出面積が長時間に亘って同等に維持されるので、電流
密度のアンバランスに伴う電極の片減りが発生すること
がなくなる。その結果電極とインク中のアニオンやカチ
オンとの酸化還元反応が少なく、電極の腐食や溶解を防
止することができる。また、耐久皮膜の開口部の形状に
おいて、角に丸みを帯びた形状となしたことにより、沸
騰気泡のキャビテーションに対して耐久皮膜の剥離や破
れが起きにくいので、電極と耐久皮膜との接着が強固に
行われ、電極の腐食や溶解を防止できる耐久力に優れた
インクジェットヘッドを得ることができる。さらに、耐
久皮膜の厚みを電極の皮膜の厚みより大きくして一層効
果的に、電極の腐食、溶解を防止することができる。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の一実施例について図を用いて
説明する。

【００１５】図１は本発明の一実施例に係るインクジェ
ットヘッドを示す断面図である。図１において、１は圧
力室、２はノズル孔、４は基板、７はノズルプレート、
８は信号発生装置、９はインク滴、１０は記録媒体であ
り、これらは従来例を示す図８と同様のものなので、同
一符号を付して説明は省略する。また、３Ａは電極、５
Ａは耐久皮膜、６Ａは仕切り板である。ここで、一対の
電極３Ａの一方の電極の上面のインク中への露出面積を
Ｓ１とし、一対の電極３Ａの他方の電極の上面のインク
中への露出面積をＳ２としたとき、耐久皮膜５ＡはＳ１
／Ｓ２が０．９より大きく１．１より小さくなるように
形成される。

【００１６】以上のように構成されたインクジェットヘ
ッドの動作について図１を用いて説明する。まず、信号
発生装置８に発生した０．１ＭＨｚ以上の交流電圧を電
極３Ａに印加する。これにより、互いに対向する電極３
Ａの間にあるインク中を電流が流れるので、インクの電
気抵抗によりインク自体にジュール熱が発生し、インク
が加熱される。インクが沸点に達すると、インク中にバ
ブル（図示せず）が発生する。このバブルが膨脹する
と、バブル中には電流は流れないのでバブル表面に電流
が集中し、バブル表面が更に加熱され、バブルが成長す
る。その結果、圧力室１内のインクの圧力が急激に高ま
り、ノズル孔２からインク滴９が吐出される。このイン
ク滴９が記録媒体１０に付着して、ドットが形成され
る。バブルがインク滴９を吐出させるほど大きくなると
電極３Ａの間のインクが少なくなり、電極間に電流が流
れなくなる。電流が流れなくなるとジュール熱の発生が
少なくなり、インクが冷却され、バブルが消滅する。イ
ンク供給孔１２（図５参照）からインクが圧力室１に供
給され、圧力室１内が初期の状態に戻る。再びインクが
沸騰を開始するには数マイクロ秒以上の加熱時間を必要
とするが、このあいだ信号発生装置８は電極３Ａへの電
圧の印加を休止し、インクの二重沸騰による不必要なイ
ンク滴９の吐出を防止する。

【００１７】次に、耐久皮膜５Ａの形成方法について図
２（ａ）〜（ｆ）を用いて説明する。

【００１８】図２（ａ）は電極形成工程図、図２（ｂ）
はレジスト膜形成工程図、図２（ｃ）はレジストパター
ン形成工程図、図２（ｄ）は電極パターン形成工程図、
図２（ｅ）は耐久皮膜形成工程図、図２（ｆ）は耐久皮
膜パターン形成工程図である。また、図２（ａ）〜
（ｆ）において、３ａはＴｉ薄膜、４は基板、１５はレ
ジスト膜、３Ａは電極、５ａはパターン形成前の耐久皮
膜、５Ａはパターン形成後の耐久皮膜である。

【００１９】まず図２（ａ）に示すように、Ｔｉをター
ゲットとしてスパッタ法にてＡｒガス圧５０ｍＴｏｒ
ｒ、基板温度４００℃で高周波電力を２００Ｗ、３０分
間印加してＴｉ薄膜３ａをほう珪酸ガラスの基板４上に
２μｍ形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、フェ
ノール樹脂を主成分とする感光性レジスト材料をスピン
コーターにより、Ｔｉ薄膜３ａを形成した基板４上に塗
布した後に、９０℃で３０分間焼成を行い、厚さ７μｍ
のレジスト膜１５を形成する。次に、図２（ｃ）に示す
ように、電極３Ａのパターンを有するフォトマスクをレ
ジスト膜１５上に重ねて、紫外線（ＵＶ）照射器により
７秒間露光した後に現像を行い、電極３Ａのパターンを
形成した。次に、図２（ｄ）に示すように、基板４に対
して、Ａｒガス圧２×１０^-4Ｔｏｒｒ、ビームパワー３
００Ｗ、ステージ傾斜角４５度、ミリング時間７０分の
成形条件でアルゴンビームによるミリング加工を行い、
所定パターンの電極３Ａを形成する。電極３Ａ上のレジ
スト膜１５は溶剤により溶解する。次に、図２（ｅ）に
示すように、感光性ポリイミドを３０００ｒｐｍ、塗布
時間３０秒の条件で基板４上にスピンコートした後に、
８０℃で３０分間焼成を行い、耐久皮膜５ａを形成し
た。次に、図２（ｆ）に示すように、耐久皮膜５Ａのパ
ターンを有するフォトマスクを耐久皮膜５ａ上に重ね
て、ＵＶ照射器により７秒間露光を行い、現像をした後
に、４００℃で１時間の焼成を行い、所定パターンの耐
久皮膜５Ａを形成する。このようにしてインクジェット
ヘッドの下部が形成される。

【００２０】図３は図２（ａ）〜（ｆ）の方法により形
成されたインクジェットヘッドの下部を示す平面図であ
り、同図で、３Ａは電極、４は基板、５Ａは耐久皮膜で
あり、これらは図１と同様なものなので、同一符号を付
して説明は省略する。図３のｌ１、ｌ２については後述
する。また図４は図３に示すインクジェットヘッドの下
部の斜視図である。さらに、図５は図４に示すインクジ
ェットヘッドの下部にインクジェットヘッドの上部を接
合する場合を示す分解斜視図である。図５で、２はノズ
ル孔、５Ａは耐久皮膜、６Ａは仕切り板、７はノズルプ
レートであり、これらは図１と同様なものなので、同一
符号を付して説明は省略する。また、１２はインク供給
孔である。

【００２１】図６は左右電極の対照性と電極溶解との関
係を示すグラフ図である。図６で、縦軸は非対照パラメ
ータ（Asymmetry Parameter ）を示し、横軸は印加パル
ス数を示している。縦軸の非対照パラメータは図３に示
す耐久皮膜５Ａの開口部から露出した一対の電極３Ａの
露出長さｌ１、ｌ２の比で表している（これは、左右の
電極の幅が同じで、ｌ１、ｌ２の比が左右の電極の面積
比を表すことによる）。すなわち、非対照パラメータ＝ｌ１／ｌ２と決めて、所定パルス数印加時での電極３Ａの露出長さ
を測定した。図６中のａ〜ｆはそれぞれ同じブラックの
インクで通電したものである。図６のグラフ図に見られ
るように、非対照パラメータが１．０から離れるに従っ
て、その電極は印加パルス数が増す毎に対照性が悪くな
っていることが分かる。これは、初期の対照性が悪いも
のは、電圧印加の経過時間と共に耐久皮膜６Ａの開口部
からの電極の露出長さが短い方が更に短くなり、電極の
片減りを起こしていることを示している。本実施例に用
いたインクジェットヘッドであっても、非対照パラメー
タが５％以上のもの（つまり非対照パラメータ＜０．９
５又は非対照パラメータ＞１．０５）は電極の片減りが
顕著に起きていた。また、非対照パラメータを５％以下
（つまり０．９５＜非対照パラメータ＜１．０５）に抑
えて耐久皮膜５Ａが作製されたもの（図６のｂ）は１億
パルスまで電極寸法の変化がなく、安定した沸騰寿命が
得られた。

【００２２】以上のように本実施例によれば、耐久皮膜
５Ａの開口部による電極３Ａの露出面積の比が０．９５
より大きく１．０５より小さくなるように耐久皮膜５Ａ
を形成することにより、電極３Ａの溶解や腐食を防止す
ることができる。ここで、耐久皮膜５Ａを形成する際の
電極３Ａの露出面積の比は０．９より大きく１．１より
小さくする。好ましくは上述したように０．９５〜１．
０５である。なお、電極３Ａの露出面積の比が０．９〜
１．１であるインクジェットヘッドに３０Ｖ、１ＭＨｚ
の交流電圧を印加した場合、インクジェットヘッドの寿
命は５０００万〜１０億パルスであった。

【００２３】（実施例２）図７は本発明の第２の実施例
に係るインクジェットヘッドの下部を示す平面図であ
る。図７において、３Ａは電極、４は基板、５Ａは耐久
皮膜であり、これらは図１と同様なものなので、同一符
号を付して説明は省略する。図７においては、耐久皮膜
５Ａの開口部はその形状が外側に凸の曲線によって角を
丸めた長方形である。なお、図７に示す形状以外に、楕
円形でも又円形に近い形状でも同様の効果を奏すること
ができ、要は角部が直線が交差したような形状でなけれ
ばよい。図７のインクジェットヘッドの下部は、耐久皮
膜５Ａの開口部の形状が異なる以外は図３のインクジェ
ットヘッドの下部と同様であり、図２に示す工程と同様
の工程により製造することができる。このように耐久皮
膜５Ａの角を曲線によって構成することにより、沸騰気
泡によるキャビテーションによって耐久皮膜５Ａの開口
部の角部の破れの発生が極めて少なくなり、耐久皮膜５
Ａと電極３Ａとの密着性を安定して得ることができ、電
極３Ａの腐食や溶解を防止することができる。また、耐
久皮膜５Ａの膜厚を電極３Ａの膜厚より大きくすれば、
沸騰気泡のキャビテーションに対して耐久皮膜５Ａの剥
離や破れを一層起きにくいものとすることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明は、一対の電極の一
方の電極の上面の露出面積と一対の電極の他方の電極の
上面の露出面積との比が所定比率となるように電極の上
面に耐久皮膜を形成したことにより、一対の電極の露出
面積が長時間に亘って同等に維持され、電流密度のアン
バランスに伴う電極の片減りが発生することがなくなる
ので、電極の腐食や溶解を防止することができるインク
ジェットヘッドを実現することができる。

【００２５】また、耐久皮膜の開口部の形状を楕円形も
しくは凸の曲線によって角を丸めた長方形となしたこと
により、沸騰気泡のキャビテーションに対して耐久皮膜
の剥離や破れが起きにくいので、電極と耐久皮膜との接
着が強固に行われ、電極の腐食が溶解を防止できる耐久
力に優れたインクジェットヘッドを実現することができ
る。

【００２６】さらに、耐久皮膜の開口部の形状を楕円形
もしくは凸の曲線によって角を丸めた長方形となし、か
つ耐久皮膜の厚さを電極の膜厚よりも大きくしたことに
より、一層効果的に電極の腐食、溶解を防止することが
できるインクジェットヘッドを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るインクジェットヘッド
を示す断面図

【図２】（ａ）電極形成工程図（ｂ）レジスト膜形成工程図（ｃ）レジストパターン形成工程図（ｄ）電極パターン形成工程図（ｅ）耐久皮膜形成工程図（ｆ）耐久皮膜パターン形成工程図

【図３】本発明の一実施例に係るインクジェットヘッド
の下部を示す平面図

【図４】図３の斜視図

【図５】本発明の一実施例に係るインクジェットヘッド
の下部とインクジェットヘッドの上部とを接合する場合
を示す分解斜視図

【図６】左右電極の対照性と電極溶解との関係を示すグ
ラフ図

【図７】本発明の第２の実施例に係るインクジェットヘ
ッドの下部を示す平面図

【図８】従来のインクジェットヘッドを示す断面図

【図９】図８のＡ−Ａ´線断面図

【符号の説明】

１圧力室２ノズル孔３，３Ａ電極４基板５Ａ耐久皮膜６Ａ仕切り板７ノズルプレート８信号発生装置９インク滴１０記録媒体１１断熱層１２インク供給孔１３電気力線１４電流通過部１５レジスト膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性インクが満たされた圧力室と、前記
圧力室の上部に形成されたノズル孔と、前記圧力室の底
部に配設された一対の電極と、前記一対の電極の上面に
形成された耐久皮膜と、前記圧力室に連設されたインク
流路とを有するインクジェットヘッドであって、前記耐
久皮膜は、前記一対の電極の一方の電極の上面の露出面
積と前記一対の電極の他方の電極の上面の露出面積との
比が所定比率となるように前記電極の上面に形成された
ことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】前記所定比率は０．９より大きく１．１よ
り小さいことを特徴とする請求項１記載のインクジェッ
トヘッド。
【請求項３】前記耐久皮膜の開口部の形状は楕円形もし
くは凸の曲線によって角を丸めた長方形であることを特
徴とするインクジェットヘッド。
【請求項４】前記耐久皮膜の厚さは前記電極の膜厚より
も大きいことを特徴とする請求項３記載のインクジェッ
トヘッド。