JPH091799A

JPH091799A - 記録用ヘッド

Info

Publication number: JPH091799A
Application number: JP15032695A
Authority: JP
Inventors: Toyoji Tsunoda; 豊慈角田; Kazumi Otsubo; 一三大坪; Yasuhide Sonoda; 康英園田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-06-16
Filing date: 1995-06-16
Publication date: 1997-01-07

Abstract

(57)【要約】【目的】導電性インク中での電極表面の電流密度を低
減して電極消耗を軽減するとともに、高密度化，階調制
御に対応する。【構成】内周側，外周側の各電極13，12およびギャッ
プｇの形状を同心円状で、かつギャップｇを一定とする
ことによって電極間の対向面積が増大する。これによっ
て、電極間の電界集中を小さくして、電極先端部での酸
化溶解の電極反応を抑制し、インク気泡の発生を安定化
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプリンタ，プロッタ，複
写機，ファクシミリ装置等のインクジェット記録装置に
適用可能な記録用ヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のインクジェット型の記録用ヘッド
を用いた印刷記録方式としては、電気機械エネルギ変換
として、例えば、圧電材料を利用したもの、静電的に吸
引する力を利用してインク液滴を飛翔させるもの、また
電気ジュール熱発生によるものとして、例えば、サーマ
ルヘッドによりインク液滴を吐出させるものなどが実用
化されている。

【０００３】これらの方式を比較すると、電気ジュール
熱を利用した、いわゆるバブルジェットは構造が簡単で
あり、薄膜プロセスないしは半導体プロセスを利用して
高密度にインク吐き出し素子を配列することができるた
め、印字品質を向上したり、高速の印字を行わせるのに
適した方式である。

【０００４】図８は従来のインクジェット型の記録用ヘ
ッドの構造例図を示し、これは導電性のインク中に一対
の電極を配置して通電し、インクの自己発熱により気泡
を発生してインクを吐出させるものである。ここで、図
８(a)はインクジェット型の記録用ヘッドの電気ジュー
ル熱による気泡発生部およびノズルの構造を示す要部平
面図、図８(b)はそのＡ−Ａ′断面図である。図８にお
いて、樹脂ベース８上に設けたガラス基板１上に電極２
が設けられ、これはスパッタリングなどの蒸着方法を用
いて薄膜状にしたＴ_i，Ｔ_aあるいはこれらの窒化物の材
料をホトリソグラフィーの技術により加工して微小なギ
ャップｇを形成する。絶縁膜３は電極２の必要な部分以
外を、導電性のインクと接触させないためのマスク材で
あり、ポリイミド，シリコンなどの有機膜をコーティン
グしたものである。前記電極２および絶縁膜３は、いず
れも膜厚が0.5〜３μmである。

【０００５】ノズル板４は、厚さが50〜100μmのポリイ
ミドシートないしはポリエステルシートであり、インク
に通電して沸騰させるためのインク室６、インクをイン
ク室６に供給する流路５、およびインクを吐出させるノ
ズル７が、エキシマレーザ加工により形成されている。
インク室６の径は略100μmであり、ノズル７の穴径は30
〜50μmである。インクの供給は、ガラス基板１に設け
たインク供給孔９を通して行われる。

【０００６】次に図８におけるインク室６内における気
泡の発生およびインク吐出の過程について図８の要部を
拡大した図９を用いて説明する。ここで、図９(a)は要
部拡大平面図、図９(b)は(a)のＡ−Ａ′断面図であり、
電極２の材料としてＴiを用いた例であり、断面はコラ
ム構造となっている。このような膜構造は、スパッタ条
件をコントロールすることによって得られる。例えば、
ガラス基板１の温度573°Ｋ，Ａrガス圧4.0〜6.5Ｐa，
スパッタパワー1.5〜２Ｗ／cm²によってコラム径ｄは0.
2〜0.3μmとなる。膜厚ｔ＝２μm，ギャップｇ＝４μm
に対して、図10(a)に示す電圧を電極２，２間に印加(Ｔ
_on…電圧印加時のタイミング)すると、インク中を流れ
る電流は図10(b)の波形(Ｔ₁，Ｔ₂…電流変化のタイミン
グ)となる。なお、図10(c)は電流変化のタイミング
(Ｔ₃，Ｔ₄)が図10(b)に比べて速い場合を示す。このと
きのインクの導電率は20〜30Ω・cmを用いており、電極
間の電流分布に従ってインクが自己発熱する。さらに、
コラム構造のＴi表面はおよそ酸化皮膜で覆われている
が、電界が集中する部分では局部的に高い電流密度とな
り、ジュール熱が高くなるとともに図９(b)に示すよう
な微小な気泡kが発生する。

【０００７】この初期的な気泡発生は核沸騰と呼ぶべき
ものであり、次第に成長して膜状の気泡Ｋとなる。当初
はギャップｇの近傍の電流密度が高いため、この部分で
膜状の気泡が生じるが、それによって電流が電極に流れ
るのを妨げるため、電流密度の高い部分はギャップｇの
位置より離れた方向に向かって移動し、気泡は図９(b)
に示すように成長していく。この体積膨張が図８のイン
ク室６内に圧力を与えノズル７よりインクを吐出する。

【０００８】以上説明したように、気泡発生の機構とし
て、導電性インクを流れる電流によるインクの自己発熱
とともに、電極２，２上の電流集中による気泡発生が重
要な役割を果たす。なお、電極２，２間に印加する電圧
は交番電圧となっているが、もし直流電圧を印加すると
電極が消耗してしまうため、一般には25Ｖ，３MHzのチ
ェーンパルスで駆動している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来例のインク
ジェット型の記録用ヘッドは、構造的に両電極２，２の
最近接部に電界が集中し、高い電流密度となるためにこ
の部分での発熱が大きく、電極反応としての酸化が激し
い。

【００１０】また、酸化が進行することによって、電流
は流れにくくなり、インク中に気泡が発生するまでの時
間が長くなるという問題があった。

【００１１】例えば、両電極２，２間に６〜10mＡの電
流を通電したとき、気泡が発生するまでの初期の通電時
間は15〜25μsであり、通電回数が2000万〜3000万回と
なるにつれて、通電時間は30〜40μsに増大する。この
現象は通電回数が、5000万〜１億回まで延長した場合も
気泡が発生するまでの通電時間は増加の傾向にあり、気
泡の安定性、並びに記録用ヘッドの高速応答性を確保す
る点で大きな欠点となっていた。

【００１２】前述のように電極先端部での電流密度が高
く、酸化溶解の電極反応が激しいため、その消耗が顕著
である。例えば、図９において電極幅が30μmのときに
流す電流が６〜10mＡである場合は、電流密度は700〜11
00Ａ／cm²となり、通常のメッキにおける通電電流0.02
Ａ／cm²に比べて極めて大きい。両電極が近接するギャ
ップｇの付近ではさらに高い電流密度となっている。

【００１３】実験によれば極端に酸化の激しい領域は電
極端面より１〜３μmの範囲であり、この領域の電流密
度を抑制して所望の領域のインクを加熱昇温することが
必要となる。

【００１４】また印字画像の品質を改善するために階調
方式がとられるが、記録用ヘッド自体には、これまで有
効な手段がなかった。

【００１５】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、気泡を安定に発生させ、また階調印字に適応する記
録用ヘッドの構造を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、請求項１の発明は、複数の微小なインク室を
満たすインク中に気泡を発生させる一対の電極を複数個
設けた基板と、前記気泡の膨張によってインクを吐出す
る複数のノズルを有するインクジェット型の記録用ヘッ
ドであって、前記一対の電極間ギャップが周回形状を有
し、その電極間距離が一定であることを特徴とする。

【００１７】請求項２の発明は、前記一対の電極の内周
側電極と外周側電極の形状が同心円または長円形状に形
成されていることを特徴とする。

【００１８】請求項３の発明は、前記一対の同心円状の
外周側電極の一部は開口部を有し、内周側電極の端子引
き出し部としたことを特徴とする。

【００１９】請求項４の発明は、前記一対の電極の形状
がほぼＵ字形状を有し、その電極間距離が一定であるこ
とを特徴とする。

【００２０】請求項５の発明は、前記一対の電極の外周
側電極がほぼＶ字形状を有し、そのＶ字形状の開口部が
内周側電極の端子引き出し部をなし、かつ前記内周側電
極との距離が前記開口部に向かって次第に大きくなるよ
うに勾配をもって形成されたことを特徴とする。

【００２１】請求項６の発明は、前記一対の電極の形状
がほぼＵ字形状を有し、その電極間距離が電極先端部か
ら電極基部に向かって次第に大きくなるように勾配をも
って形成されたことを特徴とする。

【００２２】請求項７の発明は、前記一対の電極の内周
側電極と外周側電極が同心円状を形成し、その電極間距
離が中心部より外周側に向かって階段状に大きくなるよ
うに形成されたことを特徴とする。

【００２３】

【作用】本発明によれば、上記の構造によって、必要な
インクの昇温領域で電極間の対向する面積を大きくとる
ことができ、電極上の発熱面積も大きくとれるので、結
果的に電極間の電界集中を小さくすることができる。し
たがって電極先端部での酸化溶解の電極反応を抑制する
ことができ、気泡の発生が安定し、インクの吐出に対し
て長寿命化を図ることができる。

【００２４】また、電極間ギャップに勾配を持たせるこ
とによって電流エネルギの印加時間または通電量を加減
することによって、容易に気泡のサイズを変化させ、イ
ンクの吐出量を変える。すなわち階調印字対応の記録ヘ
ッドとして機能する。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の各実施例について図面を参照
しながら説明する。図１は本発明の第１の実施例におけ
る記録用ヘッドの要部の平面図(a)と、そのＡ−Ａ′断
面図(b)と、電極間の電流密度の分布図(c)を示すもので
ある。図１において、１はガラス基板、10は下部導体、
11はＳiＯ₂絶縁層、12，13は同心円状に形成された外周
側，内周側の各電極であり、両電極間のギャップｇは一
定である。また、14は絶縁膜である。これらの材料，製
法については従来例と同様のものであり、説明を省略す
る。

【００２６】電極12，13に流れる電流密度の分布は図１
(c)に示すように、電極間12，13のギャップｇに面した
位置でピーク電流値ｉ_pをとる。この電流密度分布の形
を決めるものは、電極に流れる全電流に対するエネルギ
が最小となる条件によって定まる。前述のピーク電流値
ｉ_pは、内周側電極13の半径をｒ(μm)、ギャップ寸法を
ｇ(μm)として、

【００２７】

【数１】

【００２８】である。

【００２９】導電性インクの比抵抗を20〜30Ω・cm、電
極間の通電電流を６〜10mＡとした場合に、インク吐出
のための気泡を発生させる実用的な範囲は

【００３０】

【数２】

【００３１】である。このときギャップｇは3.5〜6.0μ
mであり、ｒは10〜20μmとなる。ギャップに面した電極
部のピーク電流値は従来例に比べて１／２〜１／４に低
減できる。したがって本実施例の電極構造によって、電
極端部の損耗が著しく少なくなり、電極間に通電する電
流の安定化とともに気泡の発生およびインクの吐出が安
定する。

【００３２】図２は本発明の第２の実施例における記録
用ヘッドの要部平面図(a)と、そのＡ−Ａ′断面図(b)で
ある。図２において、１はガラス基板、15は下部導体、
16はＳiＯ₂絶縁層、17，18は長円形状に形成された外周
側，内周側の各電極であり、両電極間のギャップｇは一
定である。また19は絶縁膜である。これらの材料，製法
は従来例と同様であり、説明を省略する。

【００３３】電極17，18は前述のとおり長円形状であ
り、一対の電極を複数個ライン状に配列する場合の高密
度化に対応することが可能であり、前述の図１の第１の
実施例と同じく、電極間のギャップｇに面した位置でピ
ーク電流値をとり、電極端面の電流密度を低減できる。

【００３４】図３は本発明の第３の実施例における記録
用ヘッドの要部平面図(a)と、そのＡ−Ａ′断面図(b)で
ある。図３において、１はガラス基板、20は開口部20a
を有する外周側電極、21は前記外周側電極20の開口部20
aを端子引出し部21aとした内周側電極であり、両電極の
ギャップｇは一定である。また、22は絶縁膜であり、こ
れらの材料，製法は従来例と同様であり、説明を省略す
る。

【００３５】本実施例においては図３(b)に示すように
電極20，21を一層で構成でき、構造が簡単なため、製造
上のプロセスも簡単になる。なお、前述の図１の第１の
実施例と同じく電極間のギャップｇに面した位置でピー
ク値をとり、電極端面の電流密度を軽減できる。

【００３６】図４は本発明の第４の実施例における記録
用ヘッドの要部平面図(a)とそのＡ−Ａ′断面図(b)であ
る。図４において、１はガラス基板、23，24はほぼＵ字
形状を有する電極であり、両電極間のギャップｇは一定
である。また、25は絶縁膜である。これらの材料，製法
は従来例と同様であり、説明を省略する。

【００３７】本実施例は、電極23，24がほぼＵ字形状と
なっており、記録用ヘッド素子として占有できる面積内
で電極間の対向面積を大きくとることができ、電流密度
低減の効果が大きい。

【００３８】図５は本発明の第５の実施例における記録
用ヘッドの要部平面図(a)とそのＡ−Ａ′断面図(b)であ
り、これは階調記録用に好適な記録用ヘッドである。図
５において、１はガラス基板、28は開口部28aを有する
ほぼＶ字形状の外周側電極、29は前記外周側電極28の開
口部28aを端子引出し部29aとした内周側電極であり、両
電極間のギャップｇ₁，ｇ₂，ｇ₃はＡ部からＢ部そして
開口部28aに向かって次第に大きく(ｇ₁＜ｇ₂＜ｇ₃)なる
ように勾配を持って形成されている。また、30は絶縁膜
である。これらの材料，製法は従来例と同様であり、説
明を省略する。

【００３９】本実施例は、両電極間のギャップがＡ部か
らＢ部そして開口部28aに向かって勾配をもって拡がっ
ているため、電極間に通電することによって、初期にＡ
部に気泡が発生し、時間経過とともにＢ部に向かって成
長する。そしてＡ部のギャップｇ₁長を例えば、３〜４
μm、Ｂ部のギャップｇ₂長を例えば、６〜８μmに設定
することによって通電時間を伸縮し、気泡サイズを選ぶ
ことができる。

【００４０】図６は本発明の第６の実施例における記録
用ヘッドの要部平面図(a)とそのＡ−Ａ′断面図(b)であ
り、これは階調記録用に好適な記録用ヘッドである。図
６において、１はガラス基板、31，32はほぼＵ字形状を
有する電極であり、その電極間のギャップｇ₁，ｇ₂，ｇ
₃は電極先端部Ｃから電極基部Ｄに向かって次第に大き
く(ｇ₁＜ｇ₂＜ｇ₃)なるように勾配をもって形成されて
いる。また、33は絶縁膜であり、これらの材料，製法は
従来例と同様であり、説明を省略する。

【００４１】本実施例は、両電極間のギャップが電極先
端部Ｃから電極基部Ｄに向かって勾配をもって拡がって
いるため、前記第５の実施例と同様、気泡サイズを容易
に可変とするとともに所定の占有面積内で電極端面の電
流密度を効率よく低減しうる。

【００４２】図７は本発明の第７の実施例における記録
用ヘッドの要部平面図(a)とそのＡ−Ａ′断面図(b)であ
り、これは階調記録用に好適な記録用ヘッドである。図
７において、１はガラス基板、34，35は同心円状に形成
された外周側，内周側の各電極であり、両電極間のギャ
ップｇ₁，ｇ₂，ｇ₃は内周側より外周側に向かって、階
段状に大きく(ｇ₁＜ｇ₂＜ｇ₃)なるように形成されてい
る。また、36は絶縁膜であり、これらの材料，製法は従
来例と同様であり、説明を省略する。

【００４３】本実施例においては、電極間のギャップが
内周側より外周側へｇ₁＜ｇ₂＜ｇ₃と階段状に変化して
おり、気泡サイズを段階的に変化させるのに適してい
る。同時に気泡の発生位置は円の中心より同心状に成長
する特徴を備えて、インクを安定に吐出させる効果を生
む。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の記録用ヘッ
ドは、導電性のインク中に対向して配置された電極の最
も電流密度の高くなる部分について、従来例より大幅に
低減できるので、電極端部の酸化や溶解などの電極反応
を軽減し、気泡の発生を安定化するとともに記録用ヘッ
ドとしての寿命を延長することができる。

【００４５】また、電極形状を同心円状，長円状，ほぼ
Ｕ字状とすることによって、記録用ヘッド素子を列状に
配列する場合に高密度化が可能である。

【００４６】また、本発明は一対の電極間ギャップに勾
配を設けて配設したので、両電極間に通電するときの印
加時間により気泡サイズを変えることが容易となる。す
なわち階調制御に対応した記録用ヘッドとして適してい
る。さらに、電極間ギャップを階段状に変化させた構造
とすることによって、気泡サイズを段階的に制御しう
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における記録用ヘッドの
要部平面図(a)，そのＡ−Ａ′断面図(b)，電極間の電流
密度の分布図(c)である。

【図２】本発明の第２の実施例における記録用ヘッドの
要部平面図(a)とそのＡ−Ａ′断面図(b)である。

【図３】本発明の第３の実施例における記録用ヘッドの
要部平面図(a)とそのＡ−Ａ′断面図(b)である。

【図４】本発明の第４の実施例における記録用ヘッドの
要部平面図(a)とそのＡ−Ａ′断面図(b)である。

【図５】本発明の第５の実施例における記録用ヘッドの
要部平面図(a)とそのＡ−Ａ′断面図(b)である。

【図６】本発明の第６の実施例における記録用ヘッドの
要部平面図(a)とそのＡ−Ａ′断面図(b)である。

【図７】本発明の第７の実施例における記録用ヘッドの
要部平面図(a)とそのＡ−Ａ′断面図(b)である。

【図８】従来のインクジェット型の記録用ヘッドの構造
例図である。

【図９】図８の要部を拡大した図である。

【図１０】図９の動作を説明する印加電圧波形図と流れ
る電流波形図である。

【符号の説明】

１…ガラス基板、 10，15…下部導体層、 11，16…Ｓ
iＯ₂絶縁層、 12，17，20，28，34…外周側電極、 1
3，18，21，29，35…内周側電極、 14，19，22，25，3
0，33，36…絶縁膜、 23，24，31，32…ほぼＵ字形の
電極、 20a，28a…開口部、 21a，29a…端子引出し
部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の微小なインク室を満たすインク中
に気泡を発生させる一対の電極を複数個設けた基板と、
前記気泡の膨張によってインクを吐出する複数のノズル
を有するインクジェット型の記録用ヘッドであって、前
記一対の電極間ギャップが周回形状を有し、その電極間
距離が一定であることを特徴とする記録用ヘッド。
【請求項２】前記一対の電極の内周側電極と外周側電
極の形状が同心円または長円形状に形成されていること
を特徴とする請求項１記載の記録用ヘッド。
【請求項３】前記一対の同心円状の外周側電極の一部
は開口部を有し、内周側電極の端子引き出し部としたこ
とを特徴とする請求項１記載の記録用ヘッド。
【請求項４】複数の微小なインク室を満たすインク中
に気泡を発生させる一対の電極を複数個設けた基板と、
前記気泡の膨張によってインクを吐出する複数のノズル
を有するインクジェット型の記録用ヘッドであって、前
記一対の電極の形状がほぼＵ字形状を有し、その電極間
距離が一定であることを特徴とする記録用ヘッド。
【請求項５】複数の微小なインク室を満たすインク中
に気泡を発生させる一対の電極を複数個設けた基板と、
前記気泡の膨張によってインクを吐出する複数のノズル
を有するインクジェット型の記録用ヘッドであって、前
記一対の電極の外周側電極がほぼＶ字形状を有し、その
Ｖ字形状の開口部が内周側電極の端子引き出し部をな
し、かつ前記内周側電極との距離が前記開口部に向かっ
て次第に大きくなるように勾配をもって形成されたこと
を特徴とする記録用ヘッド。
【請求項６】複数の微小なインク室を満たすインク中
に気泡を発生させる一対の電極を複数個設けた基板と、
前記気泡の膨張によってインクを吐出する複数のノズル
を有するインクジェット型の記録用ヘッドであって、前
記一対の電極の形状がほぼＵ字形状を有し、その電極間
距離が電極先端部から電極基部に向かって次第に大きく
なるように勾配をもって形成されたことを特徴とする記
録用ヘッド。
【請求項７】複数の微小なインク室を満たすインク中
に気泡を発生させる一対の電極を複数個設けた基板と、
前記気泡の膨張によってインクを吐出する複数のノズル
を有するインクジェット型の記録用ヘッドであって、前
記一対の電極の内周側電極と外周側電極が同心円状を形
成し、その電極間距離が中心部より外周側に向かって階
段状に大きくなるように形成されたことを特徴とする記
録用ヘッド。