JPH1044413A - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、大小の電気熱変換素子を同時に駆動
する場合において、発泡を均一に行わせて効率の低下を
防止し、本体プリンターの製造コストを下げると共に、
ヘッドの信頼性の向上を図ることができるインクジェッ
ト記録ヘッドを提供することを目的としている。 【解決手段】本発明は、個々のノズルに対応して複数の
電気熱変換素子を基板上に内蔵し構成するインクジェッ
トヘッドにおいて、電気熱変換素子の直上部分及び隣接
する部分の保護部の構造を周辺部分と変えることによ
り、複数の電気熱変換素子を同時駆動したときの発泡形
状を安定化させるようにしたことを特徴とするものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット記
録ヘッドに関し、より詳しく言えばインク滴を吐出する
ノズル各々に複数の電気熱変換素子を配列し画像データ
ーに応じて吐出液滴の量を変換可能ないわゆる階調可能
な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】従来インクジェットヘッドを構成する技
術として代表的なものは、ピエゾ素子を利用したピエゾ
方式及び電気熱変換素子を基板上に形成しさらにそのう
えにノズルを形成したバブルジェット方式の二つの方式
である。ここで本発明の目的である吐出量の変調に関し
て述べると、ピエゾ方式はピエゾの駆動波形を変調する
ことで比較的幅広い吐出液滴の量のコントロールが可能
であり、階調制御を行うに適している。しかしピエゾ素
子を利用することからその製造行程が複雑で高密度化に
はあまり適していない。

【０００３】バブルジェット方式は、上述のピエゾ方式
に比べ生産性も高く高密度化に優れており低価格で高速
のインクジェットヘッドを生産する方式として適してい
る。しかしながらバブルジェット方式ではインク液滴の
量を変調することが難しい。そのためバブルジェット方
式における階調制御技術として考えられたのがノズル密
度をさらに上げ液滴の吐出量をたとえば１０ピコリット
ル程度まで落として、一画素を多数のドットで表現する
多値方式である。しかし上述のような微少液滴により画
素を構成するため、液滴の駆動パルス数が多値化の程度
に応じて増加するためヘッド寿命が短くなる、あるいは
従来と同じヘッド駆動周波数では記録スピードが低下す
るなどの問題点がある。このような問題を解決するため
に考えられたのが一つのノズルの中に複数の電気熱変換
素子を配置し、各々の電気熱変換素子の表面積を変え必
要に応じて各々の電気熱変換素子を駆動することにより
吐出液適量を変えようとするものである。

【０００４】図１に従来のヘッドの構造を示す。図１
（Ａ）はその平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−
Ｂ’断面図であり、電気熱変換素子部分の断面構造を示
す。蓄熱層２１を形成したシリコン基板２０上にＨｆＢ
2などの抵抗体材料による抵抗層４、Ａｌの配線層５、
ＳＩＯ2、ＳｉＮなどの絶縁材料による保護膜層６で構
成される。この上にさらにＴａなどによる耐キャビテー
ション層７が形成される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したような一つの
ノズル内に複数の電気熱変換素子を配置したインクジェ
ットヘッドでは電気熱変換素子の面積が各々変えてある
ため必要な吐出量に応じて必要な電気熱変換素子を駆動
し発泡体積を変更する事が可能であるが、ここで発泡体
積は電気熱変換素子の表面積にほぼ比例するため必要と
する吐出量に応じた必要面積を有する電気熱変換素子を
各々配置すればよい。しかし、大、小を個々に駆動した
ときの吐出量は従来通りに面積に比例するが、大＋小を
同時に駆動した場合の吐出量は面積の和と関連しないこ
とが分かった。図８に電気熱変換素子の吐出スピードと
吐出量の関係を示す。ここでは電気熱変換素子の面積小
ヒーター単独、大ヒーター単独、そして大小両方を駆動
したときの吐出量と吐出スピードを示している。図より
明らかなことは電気熱変換素子の面積に応じて吐出量と
吐出スピードが変化するが、個別に駆動した場合の吐出
量と大小両方を同時に駆動した場合の吐出量の間には比
例関係が成り立っていないことである。大小個別駆動の
場合の吐出量は大が５０ｐｌ、小が３５ｐｌで、大小同
時駆動の場合７０ｐｌであった。大小同時駆動の場合単
なる足し算つまり８５ｐｌを実現することができなかっ
た。大小同時に駆動した場合効率の低下が生じてしまう
のである。実際に試作したヘッドの吐出量を比較してみ
ると１５％から２５％程度の効率低下があることが分か
った。このときの発泡形状の観察結果を図６（Ａ），
（Ｂ）に示す。駆動パルスを電気熱変換素子に加えると
図６（Ａ）のような泡が形成される。この時の泡の断面
形状を図６（Ｃ）に示す。この泡は成長を続けるが、同
時に駆動しているにもかかわらず各々の電気熱変換素子
の直上に泡は成長し、一体化することがなかった。この
ような泡の分離はヒーターが離れているため、この間の
部分の駆動時の表面温度が発泡中心部に比べて低いこと
が要因の一つと考えられる。このような温度分布の差は
ヒーターが分離されているためその境界領域で必ず発生
するものである。このような表面温度の差の要因の一つ
として電気熱変換素子を駆動する時、基板表面に耐キャ
ビテーション層として形成された比較的熱伝導性の高い
タンタル膜を通じてタンタル膜表面から周辺への熱の逃
げにより発熱効率が下がることが考えられる。また泡の
分離の要因として、電気熱変換素子の表面状態、駆動に
用いる回路の立ち上がり特性等の違いにより大、小各々
の泡の成長タイミングが微妙に異なることもその一つと
して考えられる。

【０００６】このような原因により泡の分離が発生する
ことが吐出効率の低下につながる。そしてこのような吐
出効率の低下は結果として駆動の為の投入エネルギーの
増加をもたらし、製品に必要な吐出性能を満足させるた
めに要する投入エネルギーの増加、すなわち電源容量の
増加につながり、本体プリンターの製造コストアップと
なってしまう。また吐出量を確保したとしても投入エネ
ルギーが増大しヘッドの昇温をより助長するため連続印
字、特に高デューティー印字における不吐出など吐出信
頼性に重大な問題を生ずる。

【０００７】そこで、本発明は、上記従来のものにおけ
る課題を解決し、大小の電気熱変換素子を同時に駆動す
る場合において、発泡を均一に行わせて効率の低下を防
止し、本体プリンターの製造コストを下げると共に、ヘ
ッドの信頼性の向上を図ることができるインクジェット
記録ヘッドを提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、課題を解決す
るため、個々のノズルに対応して複数の電気熱変換素子
を基板上に内蔵し構成するインクジェットヘッドにおい
て、電気熱変換素子の直上部分及び隣接する部分の保護
部の構造を周辺部分と変えることにより、複数の電気熱
変換素子を同時駆動したときの発泡形状を安定化させる
ようにしたものである。そして、本発明においては、そ
の保護部の構造として、キャビテーション層の構造を周
辺部分と変える構成を採ることができる。その際、キャ
ビテーション層が、前記電気熱変換素子の直上部分及び
発泡に関連しない周辺部分に形成されるようにしてもよ
い。また、本発明においては、その保護部の構造とし
て、前記電気熱変換素子の直上部分及び隣接する部分の
保護部が、周辺部分の保護膜層に比べて薄く形成された
保護膜層として構成することもできる。その際、その保
護膜層は、該保護膜の薄膜部分と厚膜部分の境界が電気
熱変換素子の内側に形成されていると共に電気熱変換素
子の隣接する部分はシリコン・オン・ガラスにより平坦
化されていることが好ましい。また、本発明において
は、その保護部の構造として、保護膜層と耐キャビテー
ション層の間に熱伝導層を設けて構成してもよい。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明によれば、複数の電気熱変
換素子を同時に駆動する場合、電気熱変換素子直上の保
護膜の構造を周辺部分と変えることによって、駆動時の
基板表面の発泡領域の温度分布を抑えることが可能とな
る。また基板の表面状態、駆動回路の特性差などによる
発泡タイミングの違いが起因となる不安定な発泡を防止
することも可能となり、電気熱変換素子の面積に応じた
正常な発泡体積を確保し発泡効率の低下を防止すること
が可能となる。その結果、投入エネルギーの無駄をなく
し、本体プリンターの電源容量の増加を抑え製造コスト
を下げると共に、ヘッドの信頼性を向上させることが可
能となる。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明の実施例の説明を電気熱変換
素子の配置を１ノズル内に二ヶ所配置したものを例とし
て行うが、その配置数は二ヶ所に限られるものでないこ
とはいうまでもなく、本発明はこれらの実施例によって
何ら限定されるものではない。 ［実施例１］図２に本発明の実施例１を示す。インクジ
ェットヘッドのノズル１の中に電気熱変換素子２が並列
に配置されており、畜熱層、抵抗層、配線、保護膜層、
キャビテーションのそれぞれは、図１の従来のヘッドの
構造に対応している。ここで電気熱変換素子２について
Ａ−Ａ’の断面構造を図２（Ｂ）に示す。本発明では抵
抗層４の上面に保護膜６が成膜されさらにその上に耐キ
ャビテーション膜７が成膜されているが、ここで耐キャ
ビテーション膜７は個々の電気熱変換素子の直上と電気
熱変換素子が隣接する間の直上部分のみを覆うようにパ
ターニングされている。耐キャビテーション層７をこの
ような形状にすることによって、電気熱変換素子が同時
に駆動されたとき、熱伝導率の比較的高い金属膜である
タンタル膜の表面が均一に加熱されるため電気熱変換素
子の隣接する間の部分の上面温度の低下が従来のような
全面タンタル膜の構成に比べて著しく少なくなり、図６
（Ｃ）のような従来例で見られた不均一な発泡形状が改
善され図７（Ａ），（Ｂ）で示したような一つのまとま
った発泡となり、より発泡効率の向上がはかれる。なお
本実施例では電気熱変換素子を並列に配置した例を元に
説明をしたが、配置方法、あるいは配置数はこれに限る
ものではない。また他の実施例についても同様である。

【００１１】［実施例２］図３（Ａ）に本発明の実施例
２を示す。本発明では抵抗層４の上面に保護膜６が成膜
されさらにその上に耐キャビテーション膜７が成膜され
ているが、ここでまず保護膜は個々の電気熱変換素子の
直上と電気熱変換素子が隣接する間の直上部分のみを他
の部分に比してその厚みを薄くする。そしてこの保護膜
の上部に成膜される耐キャビテーション膜７は個々の電
気熱変換素子の直上と電気熱変換素子が隣接する間の部
分のみを覆うようにパターニングされている。耐キャビ
テーション層７をこのような形状にすることによって、
電気熱変換素子が同時に駆動されたとき、熱伝導率の比
較的高い金属膜であるタンタル膜の表面が均一に加熱さ
れるため電気熱変換素子の隣接する間の部分の上面温度
の低下が従来のような全面タンタル膜の構成に比べて著
しく少なくなる。さらに保護膜も同様な形状とすること
によって電気熱変換素子駆動による熱が保護膜を伝わり
周辺に発散することなくタンタル膜に電熱されることに
よってよりタンタル膜による熱的な絶縁が効果的になり
図６（Ｃ）のような従来例で見られた不均一な発泡形状
が改善され図７（Ａ），（Ｂ）で示したような一つのま
とまった発泡となり、より発泡効率の向上がはかれる。

【００１２】図３（Ａ）では保護膜６の薄膜部分と厚膜
部分の境界を電気熱変換素子の外側としたがこのように
すると電気熱変換素子周辺での段差が大きくなり段差部
分での膜のカバレッジ不良によるピンホール、クラック
の可能性が増大する。従って、図３（Ｂ）のように境界
部分を電気熱変換素子の内側とすると共に電気熱変換素
子の隣接する部分はＳＯＧ（シリコン・オン・ガラス）
９により平坦化することによってこのような問題を防止
することも可能である。

【００１３】［実施例３］図４に本発明実施例３を示
す。図４では電気熱変換素子２について図２のＡ−Ａ’
と同様な場所の断面構造を示している。本発明では抵抗
層４の上面に保護膜６が成膜されさらにその上に耐キャ
ビテーション膜が成膜されているが、ここで耐キャビテ
ーション膜は個々の電気熱変換素子の直上と電気熱変換
素子が隣接する間の直上部分及び発泡に関連しない周辺
領域の部分に形成されている。耐キャビテーション層を
このような形状にすることによって、電気熱変換素子が
同時に駆動されたとき、熱伝導率の比較的高い金属膜で
あるタンタル膜の表面が均一に加熱されるため電気熱変
換素子の隣接する間の部分の上面温度の低下が従来のよ
うな全面タンタル膜の構成に比べて著しく少なくなり、
図６（Ｃ）のような従来例で見られた不均一な発泡形状
が改善され 図７（Ａ），（Ｂ）で示したような一つの
まとまった発泡となり、より発泡効率の向上がはかれ
る。また発泡に関連しない周辺領域に関してもタンタル
膜領域を形成し電気熱変換素子の上部領域の熱的絶縁性
は維持しながらなるべく広い領域のインクに接する部分
をタンタル膜で覆う事により、例えば高アルカリインク
などを利用した場合の保護膜としての役割をタンタル膜
に持たせ、より利用できるインクの制限をなくすことが
可能である。

【００１４】［実施例４］図５に本発明の実施例４を示
す。図５では電気熱変換素子２について図２のＡ−Ａ
‘と同様な場所の断面構造を示している。本発明では抵
抗層４の上面に保護膜６が成膜されると共にその上部に
熱伝導層８が設けられる。この熱伝導層８はＡｕ，Ａ
ｇ，Ｃｕ，Ａｌ等の比較的熱伝導率の高い金属膜で作成
することが望ましい。熱伝導層８を設けることにより電
気熱変換素子からの熱は均一にさらに上層の保護膜、耐
キャビテーション層に伝えることが可能となり、その結
果耐キャビテーション層表面での均一な温度分布が得ら
れるため電気熱変換素子の隣接する間の部分の上面温度
の低下が従来構造に比べて著しく少なくなり、図６
（Ｃ）のような従来例で見られた不均一な発泡形状が改
善され 図７（Ａ），（Ｂ）で示したような一つのまと
まった発泡となり、より発泡効率の向上がはかれる。ま
た、耐キャビテーション膜７は実施例１、２、３に述べ
たように、個々の電気熱変換素子の直上と電気熱変換素
子が隣接する間の直上部分のみを覆うようにパターニン
グされた例を述べたが、耐キャビテーション層を全面に
設けた従来の形状でも良い。

【００１５】

【発明の効果】本発明は、以上のようにインクジェット
ヘッドにおける電気熱変換素子の直上部分及び隣接する
部分の保護部の構造を周辺部分と変えることによって、
大小の電気熱変換素子を同時に駆動する場合、発泡を均
一に行わせて、効率の低下を防止することができ、本体
プリンターの製造コストを下げることが可能となると共
に、ヘッドの信頼性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（Ａ），（Ｂ）はインクジェットヘッドの
従来例に関する説明図である。

【図２】図２（Ａ），（Ｂ）は本発明における実施例１
の説明図である。

【図３】図３（Ａ），（Ｂ）は本発明における実施例２
の説明図である。

【図４】本発明における実施例３の説明図である。

【図５】本発明における実施例４の説明図である。

【図６】図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は電気熱変換素子
を同時駆動した場合の従来例に関する説明図である。

【図７】図７（Ａ），（Ｂ）は電気熱変換素子を同時駆
動した場合の本発明における説明図である。

【図８】電気熱変換素子の吐出スピードと吐出量の関係
を示す図である。

【符号の説明】

１：ノズル ２、３：電気熱変換素子 ４：抵抗層 ５：配線層 ６：保護層 ７：キャビテーション層 ８：熱伝導層 ９：ＳＯＧ（シリコン・オン・ガラス） ２０：シリコン基板 ２１：蓄熱層

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 個々のノズルに対応して複数の電気熱変
   換素子を基板上に内蔵し構成するインクジェットヘッド
   において、電気熱変換素子の直上部分及び隣接する部分
   の保護部の構造を周辺部分と変えることにより、複数の
   電気熱変換素子を同時駆動したときの発泡形状を安定化
   させたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 【請求項２】 前記電気熱変換素子の直上部分及び隣接
   する部分の保護部が、耐キャビテーション層であること
   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。
3. 【請求項３】 前記耐キャビテーション層が、前記電気
   熱変換素子の直上部分及び発泡に関連しない周辺部分に
   形成されていることを特徴とする請求項２に記載のイン
   クジェット記録ヘッド。
4. 【請求項４】 前記電気熱変換素子の直上部分及び隣接
   する部分の保護部が、周辺部分の保護膜層に比べて薄く
   形成された保護膜層であることを特徴とする請求項１ま
   たは請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 【請求項５】 前記保護膜層は、該保護膜の薄膜部分と
   厚膜部分の境界が電気熱変換素子の内側に形成されてい
   ると共に電気熱変換素子の隣接する部分はシリコン・オ
   ン・ガラスにより平坦化されていることを特徴とする請
   求項４に記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 【請求項６】 前記電気熱変換素子の直上部分及び隣接
   する部分の保護部が、保護膜層と耐キャビテーション層
   の間に熱伝導層を設けて構成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。