JPH0454584B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はインクジエツト・プリンタに係る。

(1) 技術分野の背景 一般にインクジエツト・プリンタのヘツドにお
ける故障原因の一つは、噴射中に発生した蒸気バ
ブルの高速崩壊が反復繰り返されることにより、
噴射部材（例えば熱インクジエツト・プリンタに
おける抵抗体）とその保護膜及び該保護膜の下に
ある基板が徐々に侵食されることである。しかし
て、これらヘツドの寿命は、基板上における抵抗
体の配列、抵抗材料及びインク流体の選択によつ
てある程度の改善が図られた。

しかしながら、キヤビテーシヨン損傷によりヘ
ツドの寿命が制限されることは問題であり、特に
製造コストが高いうえに統計的に故障し易い大規
模の噴射部配列の場合には問題である。

(2) 本発明の目的 本発明は上記キヤビテーシヨン損傷に関する問
題点を解決せんとするものであり、それには基板
構造内の圧力波を徐々に吸収するために適当な抵
抗損失係数をもち、そして見掛上音響インピーダ
ンスの整合が達成できる材料を選択すれば、かな
りの長さにわたりバブルの崩壊圧力波を吸収する
ことができる、という事実を利用している。

(3) 本発明の概説 基板の保護膜上に形成された噴射用抵抗体は、
キヤビテーシヨン圧力波パルスの最高周波数にお
いて音響透過性であるように選択される。上記の
保護膜はインク貯蔵壁を構成する基板上に支持さ
れ、そして噴射用抵抗体は吸音性材料を含む基板
中の穴に配置される。前記抵抗体の加熱により発
生する蒸気バブルにより所定のインクが噴射され
る。なお、蒸気バブルが崩壊するときに発生する
音波は、吸音性材料により有効に消散されるの
で、インクジエツト・プリンタのヘツドを損傷さ
せることがない。

(4) 従来ヘツドの説明 第１図は従来の熱インクジエツト・プリンタの
ヘツドを示す要部断面図である。図において、基
板１０、熱的絶縁層２０、抵抗体３０及び保護膜
層４０は、音響学的に『固い』、且つその音響イ
ンピーダンスは作業流体５０（例えばインク）の
それとは相当に異なる。このため、インク５０を
オリフイス５５から噴射するために抵抗体３０の
加熱により発生される蒸気バブルの崩壊で生じた
圧力波は、その構造体６０から強く反射されるこ
とになる。これにより、高レベルの圧縮応力が構
造体６０内に発生し、ついには該構造体６０の材
料が侵食されることになる。

(5) 本発明の実施例 本発明では第２図の要部断面図に示す如く、抵
抗体３０が独立の薄膜７０に装着されている。前
記薄膜７０の材料は、厚みが約１ミクロンであ
り、そして侵食に対して強い不活性物質（例えば
炭化ケイ素）が選ばれている。薄膜７０の背後に
ある穴８０内で前記薄膜７０と抵抗体３０に接触
している吸音材９０は、次の特性を具えている。

(イ) 音響インピーダンス（インピーダンスの実数
部）はインク５０のそれとほぼ等しい。

(ロ) 沸点及び／又は分解点が、抵抗体３０が到達
する最高温度より高い。

(ハ) 抵抗体３０により発生される熱エネルギーの
大半が吸音材９０ではないインク５０の方に移
動するけれども、緩和時間が所定の最大ジエツ
ト加熱の反復速度に調和するように前記吸音材
の熱伝導率が選定されている。なお、適切な熱
応答特性と熱効率を得るために、抵抗体３０と
吸音材９０との間に熱的絶縁層１００（例えば
厚さが約２ミクロンの二酸化ケイ素の薄膜）を
挿入してもよい。

(ニ) 音響吸収性（これはインピーダンスの虚数部
で示される）が、吸音材９０の終端部１１０か
ら音波が反射する前にその音波を吸収するよう
に選定されている。

(ホ) 薄膜構造１２０としては、物理的な接触が良
好に維持されるような物性の材料が選定され
る。

上記の諸特性が要求されるけれども、薄膜７
０、抵抗体３０及び熱的絶縁層１００（但し、使
用された場合）は、圧力波として例えば100kHz
ないし10MHzの振動数において音響学的には薄
い。ここで、前記の『薄い』という語は、音響学
上の厚みが圧力波の波長より相当小さいことを意
味する。従つて、腹膜構造１２０は、吸収も比較
的小さいから、音響学的に『不可視』である。し
かして、吸音材９０のインピーダンスはインク５
０のそれに適切に整合し、そして音波は穴８０に
入つて比較的長い距離にわたつて消散するので、
蒸気バブルの崩壊により生成される応力は大幅に
減少する。

ここで前記吸音材９０として好適な材料は、例
えばダウ・コーニング社製のDC−200形のシリコ
ン油や、RTV3145形の高温シリコンエラストマ
ーがある。もし、所定の流体又はエラストマー内
での吸収長が長すぎるならば、該流体に金属粉等
の微粒子を混入懸濁させることにより、吸音材９
０を音響学的により消散的にすることができる。

また、薄膜構造体１２０を構成するのに適した
製造技術は、1982年11月24日米国出願の特願第
444412号逆順プロセス抵抗ヒータ
（INVERSELYPROCESSED RESISTANCE
HEATER；米国特許第4734563号）と題する明
細書に開示されている。ここに開示された製造技
術による薄膜構造体１２０は、従来のフイルム抵
抗体に比して逆の順序で製造され、次いで下層基
板（図示せず）をエツチング除去する。更に、１
〜２ミクロンの二酸化ケイ素や炭化ケイ素などの
パツシベーシヨン・フイルム７０が、シリコンや
ガラスなどの第１基層（図示せず）上に直接装着
され、これにより平滑なパツシベーシヨン磨耗層
が形成される。その後、500オングストロームの
タンタル／アルミニウム及び１ミクロンのアルミ
ニウムから成る抵抗体３０及び導電層（図示せ
ず）の付着とパターニングとが順次行なわれる。
次いで、例えば２〜３ミクロンの二酸化ケイ素等
の熱絶縁層１００が抵抗体３０及び導電層（図示
せず）のパターン上に付着され、更にはニツケル
や銅などの厚い金属層１３０（10〜1000ミクロ
ン）が設けられる。この金属層は最後の支持基板
１３０として機能する。

ここで、前述の支持基板１３０に穴を食刻する
か、または成形工程中に穴をあけることにより、
吸音材９０に対するキヤビテイすなわち穴８０が
形成される。かくして、抵抗体３０は薄膜７０に
よつて穴８０上を橋絡し、そしてインク５０内に
おける蒸気バブルの崩壊圧力波は、吸音材９０に
伝達され、そして確実に吸収される。

一例として、２〜３ミクロンの炭化ケイ素から
成る薄膜７０を考察する。まず、材料物性の数値
を用いて、縦波音速Ｃを計算すると、Ｃ＝12000
ｍ／秒となる。

熱インクジエツト・プリンタにおいて重要な振
動数ｆは、50MHzより相当に低い。従つて、炭化
ケイ素内での波長Ｌは12000ｍ／秒／50MHz＝250
ミクロンよりも長い。そして、薄膜７０の厚みは
約１〜２ミクロンであるから、前記波長Ｌはこの
膜厚より十分に大きく、従つて第１要件の『不可
規』を満すことを示す。

更に、インク５０（典型的には水性インク）の
音響インピーダンスと吸音材９０として使用し得
る高温油のそれと比較し、それが第１図に示した
従来の構造に比べて音響反射を1/3〜1/10あるい
はそれ以下に減少させるに十分なインピーダンス
整合を得ることができる。

前述のような音響反射の減少によつて、キヤビ
テーシヨン衝撃応力が1/3〜1/10あるいはそれ以
下に減少する。しかも、薄膜構造体１２０の故障
は疲労現象の一種であることを考えると、薄膜構
造体１２０の寿命は数桁向上する。疲労による寿
命は、多くの場合、所定の材料に対して応力の関
数である。したがつて、応力が1/2に減少しただ
けで、故障前の応力サイクル数が数桁も増加す
る。

次の実験データからも明らかなように、故障率
は大幅に減少した。すなわち、Ta−Ｗ−Niの非
晶質金属から作られた抵抗体３０と共に、シリコ
ン基板１３０上に支持された炭化ケイ素薄膜７０
が製作された。上記の基板１３０は抵抗体３０の
背後に貫設された穴８０を具え、そして穴８０に
は吸音材９０としてシリコン油が埋装されてい
る。作動流体５０として水を用い、そして抵抗体
３０に繰り返し衝撃波を加えると、従来の熱イン
クジエツト・プリンタの場合と同じように蒸気バ
ブルが高速で生成、崩壊した。

侵食（キヤビテーシヨン損傷ではない）に起因
する故障の前兆が観察される前に、約９千万個の
蒸気バブルが生成された。第１図に示した『硬
い』すなわち音響学的裏付けのない基板の場合に
は、条件が同一でもキヤビテーシヨン損傷を誘発
する前は、わずかに百万個程度のパルスが生成さ
れただけである。

かくして、本発明によるヘツドの抵抗体３０の
故障率を1/90以下に減少させることができるの
で、実用に供して効果大である。

なお、特許請求の範囲における「インク」の意
義は、プリントヘツドが使用される機器の構成・
用途、印刷媒体における発色機構等により相対的
に決まるものであるから、およそ液体であれば、
特許請求の範囲にいう「インク」となりうること
は言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のインクジエツト・プリンタにお
けるヘツドの要部断面図、第２図は本発明の一実
施例によるヘツドの要部断面図である。 １０，１３０：基板、２０：熱絶縁層、３０：
抵抗体、４０：保護膜、５０：作動流体、５５：
オリフイス、７０：薄膜、９０：吸音材、１２
０：薄膜構造体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ インクを噴射する力を発生させる手段をイン
   クリザーバと吸音材との間に位置せしめると共
   に、該インクリザーバと該吸音材との間を実質的
   に音響透過構造としたことを特徴とするインクジ
   エツト・プリントヘツドにおけるキヤビテーシヨ
   ン損傷の防止構造。 ２ 前記インクを噴射する力を発生させる手段
   は、バブル発生手段であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載のインクジエツト・プリ
   ントヘツドにおけるキヤビテーシヨン損傷の防止
   構造。 ３ 前記バブル発生手段は、抵抗であることを特
   徴とする特許請求の範囲第２項に記載のインクジ
   エツト・プリントヘツドにおけるキヤビテーシヨ
   ン損傷の防止構造。 ４ 前記吸音材は、該吸音材の音響インピーダン
   スの実数成分が、前記リザーバ内のインクの音響
   インピーダンスの実数成分と実質的に等しいもの
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項又
   は第２項又は第３項に記載のインクジエツト・プ
   リントヘツドにおけるキヤビテーシヨン損傷の防
   止構造。 ５ 前記吸音材は、該吸音材の音響インピーダン
   スの吸収成分が、該吸音材に入つた音波が終端部
   で反射する前に実質的に吸収されるように、前記
   リザーバ内のインクの音響インピーダンスの吸収
   成分と相違するようにしたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項又は第２項又は第３項又は第４
   項に記載のインクジエツト・プリントヘツドにお
   けるキヤビテーシヨン損傷の防止構造。 ６ 前記音響透過構造は、前記インクリザーバと
   前記吸音材とが膜により隔てられ、該膜に、前記
   インクを噴射する力を発生させる手段が直接的も
   しくは間接的に接しているものであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項又は第２項又は第３
   項又は第４項又は第５項に記載のインクジエツ
   ト・プリントヘツドにおけるキヤビテーシヨン損
   傷の防止構造。 ７ 前記吸音材は、少なくとも一部が前記膜に直
   接的に接しているものであることを特徴とする特
   許請求の範囲第６項に記載のインクジエツト・プ
   リントヘツドにおけるキヤビテーシヨン損傷の防
   止構造。 ８ 前記吸音材は、少なくとも一部が前記膜に間
   接的に接しているものであることを特徴とする特
   許請求の範囲第６項に記載のインクジエツト・プ
   リントヘツドにおけるキヤビテーシヨン損傷の防
   止構造。 ９ 前記吸音材は、前記インクを噴射する力を発
   生させる手段を介して前記膜に接していることを
   特徴とする特許請求の範囲第８項に記載のインク
   ジエツト・プリントヘツドにおけるキヤビテーシ
   ヨン損傷の防止構造。 １０ 前記吸音材は、熱的絶縁層を介して前記膜
   に接しているものであることを特徴とする特許請
   求の範囲第８項又は第９項に記載のインクジエツ
   ト・プリントヘツドにおけるキヤビテーシヨン損
   傷の防止構造。 １１ 前記膜は、炭化けい素であることを特徴と
   する特許請求の範囲第６項又は第７項又は第８項
   又は第９項又は第１０項に記載のインクジエツ
   ト・プリントヘツドにおけるキヤビテーシヨン損
   傷の防止構造。 １２ 前記吸音材は、シリコン油であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項又は第
   ３項又は第４項又は第５項又は第６項又は第７項
   又は第８項又は第９項又は第１０項又は第１１項
   に記載のインクジエツト・プリントヘツドにおけ
   るキヤビテーシヨン損傷の防止構造。 １３ 前記吸音材は、シリコンエラストマである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２
   項又は第３項又は第４項又は第５項又は第６項又
   は第７項又は第８項又は第９項又は第１０項又は
   第１１項に記載のインクジエツト・プリントヘツ
   ドにおけるキヤビテーシヨン損傷の防止構造。 １４ 前記吸音材は、固体微粒子が混入されたも
   のであることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   又は第２項又は第３項又は第４項又は第５項又は
   第６項又は第７項又は第８項又は第９項又は第１
   ０項又は第１１項又は第１２項又は第１３項に記
   載のインクジエツト・プリントヘツドにおけるキ
   ヤビテーシヨン損傷の防止構造。