JPH08332728A

JPH08332728A - インク噴射型プリンタ用ヘッド

Info

Publication number: JPH08332728A
Application number: JP7142227A
Authority: JP
Inventors: Masanori Era; 正範江良
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-06-08
Filing date: 1995-06-08
Publication date: 1996-12-17

Abstract

(57)【要約】【目的】印字品質の劣化がなく、高速印字が可能な通
電加熱方式のインク噴射型プリンタ用ヘッドを実現す
る。【構成】インク室１内の絶縁基板７上に一対の対向す
る電極３を有し、電極３間に電圧を印加して沸騰気泡を
発生させ、インク室に連通するノズル孔２からインク滴
を噴射する通電加熱方式のインク噴射型プリンタ用ヘッ
ドにおいて、電極３の近傍の絶縁基板７の表面に、この
絶縁基板７よりインクに対する接触角の大きい絶縁膜４
aを積層する。接触角を大きくすると絶縁膜４aとインク
との接着仕事を減らし、インクの移動が容易になって、
高速印字が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インク滴を噴射させて
記録媒体に印字するインク噴射型プリンタ用ヘッド、特
に、インク室内に設けた一対の対向電極間に電圧を印加
して沸騰気泡を発生させ、ノズル孔からインク滴を噴射
する通電加熱方式のインク噴射型プリンタ用ヘッドに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータの高性能化、小型
化、低価格化に伴い、プリンタもコンピュータと同様な
品質が求められ、従来使われていたドットプリンタから
レーザプリンタ、インク噴射型プリンタへと印字方式が
切り換えられようとしている。

【０００３】インク噴射型プリンタ方式としては、ピエ
ゾ圧電素子の変形によりインクを押し出すタイプ、ヒー
タを加熱してインクを沸騰させインクを吐出するタイ
プ、および導電性を有するインクに通電して自己発熱に
よる沸騰によりインクを吐出するタイプ等がある。

【０００４】以下に、従来の通電加熱方式によるインク
噴射型プリンタ用ヘッドについて図４を参照して説明す
る。図４において、１はインク室、２はインク室１に連
通するノズル孔、３はインク室１の底部を構成する絶縁
基板７の上に配設された一対の対向電極、５はインク室
１の外壁を構成する樹脂シート、６は、絶縁基板７と樹
脂シート５との間に介在し、図４(b)[図４(a)のＸ−Ｘ
断面図]に示したように、電極３の対向部を囲むように
形成された絶縁層、８は配線10を介して電極３と接続さ
れた制御部、９は制御部８の電源である。また、11は記
録媒体としてのプリンタ用紙、12はインク室１に充填さ
れたインク、13はノズル孔２から吐出されたインク滴、
14はインク滴13がプリンタ用紙11に付着して形成された
印字である。さらに、15は一対の電極３間に電圧を印加
して発生させた沸騰気泡を表わしている。

【０００５】以上のように構成された従来例について、
以下その動作を説明する。まず、図５は、インク吐出時
に電極３に印加する電圧波形を示したものである。電源
９から制御部８を通じて、ドットを吐出する間隔である
印字周期を周波数５kＨzの間隔、また、交互電圧通電の
頻度である電圧変化周期を周波数３ＭＨzの間隔で交互
電圧を電極３間に印加する。印字周期はインク沸騰が発
生するのに必要な最大時間より長く設定され、電圧変化
周期は印字品質である分解能に応じたインクドットの飛
翔頻度に一致するように決定されている。

【０００６】電圧が電極３間に印加されると、インク12
中に電流が流れ、インクの電解質が振動運動を行い、ジ
ュール熱が発生し、インク12が加熱される。インク12が
加熱されると、インク12中に沸騰が起こり、電極３，３
の間に沸騰気泡15が形成される。さらに、この沸騰気泡
15が膨張するにつれて、インク室１内に充填されたイン
ク12が押し上げられ、ノズル孔２からインク滴13となっ
て吐出され、プリンタ用紙11に向かって飛翔し、このイ
ンク滴13がプリンタ用紙11に付着することによって印字
14となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来構
成のものでは、印字周波数を５kＨzより上げて高速印字
を行わせようとすると、顕著な印字品質の劣化が生じ
る。印字周波数５ｋＨzでは、印字信号は200μs毎に与
えられ、印字信号に同期して、図５に示すような25Ｖの
交互電圧を電極間に40μs間印加する。沸騰気泡の膨張
収縮は約40μs以内で終了する。沸騰気泡の収縮から次
の印字信号の入力まで最低約120μsの間隔がある。高速
印字のため印字周波数を上げて10kＨzにすると、次の印
字信号の入力までの時間は短くなり、最低約20μsとな
る。

【０００８】沸騰気泡の収縮を高速度カメラを用いて観
察した結果、沸騰気泡は気泡頂部からつぶれていくが、
微細な気泡が残存する。10kＨzの高速印字では、沸騰気
泡の未収縮気泡が次の沸騰時に電極間に残存する場合が
あり、このときの沸騰が異常となる様子が明らかになっ
た。即ち、前記従来構成のインク噴射型プリンタ用ヘッ
ドでは、沸騰気泡の未収縮気泡による沸騰異常で、高速
印字が達成困難である。

【０００９】本発明は、上記従来の問題点を解決するも
ので、印字品質の劣化がなく、高速印字が可能な通電加
熱方式のインク噴射型プリンタ用ヘッドを提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、インク室１内の絶縁基板７上に一対の対
向する電極３を有し、前記電極３間に電圧を印加して沸
騰気泡15を発生させ、前記インク室に連通するノズル孔
２からインク滴13を噴射する通電加熱方式のインク噴射
型プリンタ用ヘッドにおいて、 (1) 図１に示したように、前記電極３の近傍の前記絶縁
基板７の表面に、この絶縁基板よりインクに対する接触
角の大きい絶縁膜４aを積層した構成とする。

【００１１】(2) また、図２に示したように、前記電極
３の近傍の前記絶縁基板７の表面に、電極３の表面との
段差を埋めるように絶縁膜４bを積層した構成とする。

【００１２】(3) 前記(2)の構成において、図３に示し
たように、絶縁膜は少なくともその表面層が、絶縁基板
７よりインクに対する接触角の大きい絶縁膜４aからな
る構成とする。

【００１３】(4) さらに、前記(1)または(3)の構成にお
いて、絶縁膜４aの表面粗さが、Ｒa(中心線平均粗さ)で
略0.005μm以下である構成とする。

【００１４】(5) また、電極近傍の絶縁基板７の表面
が、純水に対する接触角が略60°以上で、かつ表面粗さ
が、Ｒaで略0.005μm以下である構成とするものであ
る。

【００１５】

【作用】沸騰気泡15の膨張収縮は、気体・液体界面およ
び気体・固体界面の形成と消滅を伴う。ここで、気体は
水蒸気等の蒸気で構成される沸騰気泡15、液体はインク
12、固体は絶縁基板７や電極３や絶縁膜４a，４bであ
る。沸騰気泡15の膨張収縮時にはインク12はかなりの温
度変化と圧力変化を伴うため、この状態変化が起泡力と
なり、インク中の溶存空気の気泡が形成される。空気の
気泡が沸騰気泡15に合成されること、同時に、インク中
の溶存空気が直接沸騰気泡中に拡散することにより、沸
騰気泡15を構成する気体成分には蒸気成分以外に空気成
分が含有される。気泡収縮時には、蒸気成分は液体に戻
るが、僅かな空気成分は残存し、沸騰気泡の未収縮気泡
が電極３間に残る。沸騰気泡の膨張により、インク12は
ノズル孔２から吐出され、沸騰気泡の収縮と同時にノズ
ル孔とインクが形成するメニスカスが圧力差により伸長
する。メニスカスはその後表面張力により静的な状態に
戻るが、この作用によりインクはインク流路(図示せず)
から供給され、元のようにインク室１内にインク12が充
填される。インク供給時のインクの流体移動に伴い、電
極３間に残存する沸騰気泡の未収縮気泡は電極間から移
動し、空気成分がインク中に拡散することで、一定時間
後消滅する。

【００１６】そこで、上記(1)の構成によれば、電極３
近傍の絶縁基板７の表面に、その絶縁基板よりインク12
に対する接触角の大きい絶縁膜４aを積層することによ
り、インクとの接着仕事を減らすことができる。接着仕
事Ｗは、絶縁基板のインクに対する接触角をθ、インク
の表面張力をγとすると、Ｗ＝γ(１＋cosθ)である。
電極間に残留する沸騰気泡の未収縮気泡をインク供給の
際のインクの流れで電極近傍から移動させる場合、気泡
と基板が形成する気体・固体界面およびインクと基板が
形成する液体・固体界面の移動が必要である。液体・固
体界面を消失させて新たに液体表面と固体表面を形成す
るのに必要な仕事が接着仕事Ｗである。接着仕事Ｗを小
さくすることにより、電極近傍の絶縁基板上に形成され
る沸騰気泡の未収縮気泡の移動が容易になり、インク供
給の際のインクの流れにより未収縮気泡が電極間から排
出され易くなる。

【００１７】また、上記(2)の構成によれば、電極３と
絶縁基板７が形成する段差がなくなることにより、沸騰
気泡15の未収縮気泡が残留する電極３近傍でのインク12
の流れがよくなり、インク供給の際のインク12の流れに
より未収縮気泡が電極３間から排出され易くなる。

【００１８】また、上記(3)の構成によれば、(1)の構成
と(2)の構成の両作用により、インク供給の際のインク1
2の流れによる沸騰気泡15の未収縮気泡の電極３からの
排出をさらに促進することができる。

【００１９】さらに、上記(4)および(5)の構成によれ
ば、インク12と接する面のインク12に対する接触角を大
きくした場合、構造上の段差や表面粗さ等の凹凸に沸騰
気泡15の未収縮気泡がとらわれ、インク供給の際のイン
ク12の流れにより未収縮気泡が電極３間から排出されに
くくなることを防止する。

【００２０】

【実施例】以下、具体的実施例について詳細に説明す
る。 (第１の実施例）図１に示す構造を有する。ガラスより
なる絶縁基板７上にスパッタリング成膜法によりＴiを
膜厚２μm形成した後、フォトリソグラフィ法により電
極以外の部分をケミカルエッチングにより除去して電極
３のパターンを形成する。電極３の先端寸法は、電極幅
が30μm、電極間隔４μmである。

【００２１】次に、ネガの感光性ポリイミドをスピンコ
ートを用いて膜厚0.5μm成膜し、電極パターン形成に使
用したマスクと先端形状の同じマスクを用いてフォトリ
ソグラフィ法によりネガの感光性ポリイミドを感光し、
現像することで、電極３上のポリイミドのみを除去す
る。窒素雰囲気中で400℃の熱処理を30分間行い、電極
３近傍の絶縁基板７の表面を全て覆う絶縁膜４aを形成
する。

【００２２】さらに、感光性ポリイミドをスピンコート
を用いて膜厚３μm成膜し、フォトリソグラフィ法によ
り、感光性ポリイミドを感光した後、現像することで電
極３の先端がインク室１に露出する70μm角の窓以外の
部分にポリイミドを残す。窒素雰囲気中で400℃の熱処
理を30分間行い硬化して、図１(b)[図１(a)のＡ−Ａ断
面図]に示すように絶縁層６を形成する。この電極３、
絶縁膜４a、絶縁層６を形成した絶縁基板７上に、エキ
シマレーザ加工機によりノズル孔２を形成した樹脂シー
ト５を、ノズル孔２が電極３の中心部に位置するように
して接着する。

【００２３】ここでは、絶縁基板７よりインク12に対す
る接触角の大きい絶縁膜４aとして、パターンの形成が
容易な感光性ポリイミドを使用した。絶縁基板７のガラ
スは、純水に対する接触角θが約10°、ポリイミド膜で
約60°である。

【００２４】(第２の実施例）構造は第１の実施例と同
様に図１で示される。ここでは、絶縁膜４aとして、撥
水性を有する有機系被膜として一般的に使用されるフッ
素含有アミノシラン化合物を用いた。この絶縁膜の純水
に対する接触角θは約110°である。形成方法は、電極
３近傍の絶縁膜４aを形成する面以外の部分にレジスト
パターンを形成し、撥水性を有する絶縁膜を0.01μm蒸
着する。次に、リフトオフ法によりレジストパターンと
共にその上の絶縁膜を除去し、電極３近傍の絶縁基板７
上のみに撥水性の絶縁膜４aを形成する。

【００２５】(第３の実施例）図２の構造を有する。絶
縁基板７上に電極３を形成した後、ネガの感光性ポリイ
ミドをスピンコートを用いて膜厚1.8μm成膜し、電極パ
ターン形成に使用したマスクと先端形状の同じマスクを
用いてフォトリソグラフィ法によりネガの感光性ポリイ
ミドを感光し、現像することで、電極３上のポリイミド
のみを除去する。窒素雰囲気中で400℃の熱処理を30分
間行い、電極３近傍の絶縁基板７の表面を全て覆う絶縁
膜４bを形成する。以下、第１の実施例と同様に、感光
性ポリイミドを用いた絶縁層６を形成し、さらにノズル
孔２を有する樹脂シート５の貼り付けを行う。

【００２６】(第４の実施例）図３の構造を有する。こ
こでは、電極３近傍の絶縁基板７の表面に絶縁膜４ｂを
形成した後、その表面層に絶縁基板７よりインクに対す
る接触角の大きい絶縁膜４ａを積層したものである。ま
ず、絶縁基板７上に電極３を形成した後、ネガの感光性
ポリイミドをスピンコートを用いて膜厚1.8μm成膜し、
電極パターン形成に使用したマスクと先端形状の同じマ
スクを用いてフォトリソグラフィ法によりネガの感光性
ポリイミドを感光し、現像することで、電極３上のポリ
イミドのみを除去する。窒素雰囲気中で400℃の熱処理
を30分間行い、電極３近傍の絶縁基板７の表面を全て覆
う絶縁膜４bを形成する。次に、絶縁膜４b以外の部分に
レジストパターンを形成し、蒸着により接着力改善のた
めのＳiＯ₂膜を0.05μm成膜し、さらにその上に撥水性
を有する被膜を0.01μm成膜する。そして、リフトオフ
法によりレジストパターンと共にその上のＳiＯ₂膜およ
び撥水性の被膜を除去し、絶縁膜４aを形成する。以
下、第１の実施例と同様の工程を採る。

【００２７】(比較例）本発明による上記第１ないし第
４の実施例の優位性を確認するため、図４に示す構成を
比較例とした。即ち、第１の実施例のうち、電極３近傍
の絶縁基板７の表面を覆う絶縁膜４aの形成を行わず、
基板表面を露出したままとしたものである。

【００２８】（比較例と実施例との特性比較）第１ない
し第４の実施例および比較例について、電極３間に通電
したときの電流波形の乱れ発生率を測定した。図５に示
す電圧が電極３間に印加されると、電極３間に流れる電
流は図６(a)に示したように変化する。即ち、電圧印加
後から沸騰開始までの状態１では、図６(b)に示したよ
うに、導電性インクに電流が流れ、インクがジュール熱
により発熱することでインクの温度が上昇する。導電性
インクは温度が上昇するに従い、電解質の電離量が促進
され、電気抵抗が減少する。このため、電極３間に一定
電圧を印加すると、インクは加熱され、通電電流は一様
に増加する。電極３間のインクが十分加熱され、電極３
間に気泡核が発生して膨張を開始(沸騰開始)すると、電
極３間の通電電流は図６(a)に示す状態２となる。状態
２では、図６(c)に示したように、電極３間に沸騰気泡1
5が形成され、通電電流は沸騰気泡15によりほとんど流
れなくなる。

【００２９】沸騰開始時間(状態１の時間)の乱れや沸騰
気泡15が電極３間に滞在する(状態２)際の電流値の乱れ
は、沸騰気泡15のばらつきにより生じる。このことを利
用して、電極３間の電流波形の乱れを調べることによ
り、印字の際のインク吐出の駆動力となる沸騰気泡15の
膨張収縮のばらつきを調べることができる。電流波形の
乱れ発生率は、200波形から判断した。電流波形は５千
回沸騰毎に１波形を抽出した。各周波数で５回ずつ波形
乱れ発生率を測定した。

【００３０】図７は比較例における印字周波数に対する
電流波形の乱れ発生率を示したものである。また、図８
(a)〜図８(d)は、それぞれ本発明の第１の実施例〜第４
の実施例における印字周波数に対する電流波形の乱れ発
生率を示したものである。

【００３１】第１の実施例〜第４の実施例のものは、比
較例に比べていずれも８kＨz以上の印字周波数で電流波
形の乱れ発生率が少なく、従って、高速印字での印字品
質の劣化が小さい。また、電極３近傍の絶縁基板７の表
面を覆う絶縁膜が、インクに対する接触角の大きい絶縁
膜ほど、そして、電極３との段差がないほど、その傾向
は顕著になる。

【００３２】(第５の実施例）次に、沸騰気泡15の発生
部における表面粗さに付いて検討してみる。比較例およ
び本発明の実施例１，２におけるＴi電極３を形成する
際、ケミカルエッチングとイオンミリングによるドライ
エッチングを併用し、エッチング後のガラス基板７の表
面粗さを、Ｒaで0.002μm、0.005μm、0.01μmの３種類
でヘッドを作成した。純水に対する接触角は、比較例の
ガラス基板自体で約10°、第１の実施例のポリイミドの
絶縁膜で約60°、第２の実施例の撥水性の絶縁膜で約11
0°である。

【００３３】図９(a)〜図９(c)は、表面粗さ毎に表わし
たガラス基板自体、ポリイミド絶縁膜および撥水性絶縁
膜の純水に対する接触角と電流波形の乱れ発生率の関係
を示したものである。印字周波数は10kＨzである。ポリ
イミド絶縁膜および撥水性絶縁膜を形成したもので、表
面粗さがＲaで略0.005μm以下であれば、比較例のガラ
ス基板(接触角10°，Ｒa0.002μm)に対し電流波形の乱
れ発生率が低く、改善効果が見られる。

【００３４】なお、絶縁基板の材質により、電極近傍の
絶縁基板７の表面が、純水に対する接触角略60°以上
で、かつ表面粗さが、Ｒaで略0.005μm以下であれば、
絶縁膜を形成したと同等の作用効果を有することは言う
までもない。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
通電加熱方式のインク噴射型プリンタ用ヘッドにおい
て、対向電極近傍のインクが接する基板表面あるいはそ
の上に形成した絶縁膜の純水に対する接触角が略60°以
上で、かつその表面粗さが、Ｒaで略0.005μm以下であ
れば、従来のように沸騰気泡の未収縮気泡が電極間に残
留して次の沸騰時に沸騰異常を引き起こすという問題を
回避することができ、従って、印字品質を低下すること
なく高速印字が可能になるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１および第２の実施例のインク噴射
型プリンタ用ヘッドの断面図である。

【図２】本発明の第３の実施例のインク噴射型プリンタ
用ヘッドの断面図である。

【図３】本発明の第４の実施例のインク噴射型プリンタ
用ヘッドの断面図である。

【図４】従来例の断面図である。

【図５】電極間に印加する電圧波形の模式図である。

【図６】本発明の実施例の動作説明図である。

【図７】比較例の印字周波数に対する電流波形の乱れ発
生率を示す特性図である。

【図８】本発明の第１の実施例〜第４の実施例の印字周
波数に対する電流波形の乱れ発生率を示す特性図であ
る。

【図９】ガラス基板自体(比較例)、ポリイミド絶縁膜、
撥水性絶縁膜の各表面粗さ、純水に対する接触角と電流
波形の乱れ発生率の関係を示す図である。

【符号の説明】

１…インク室、２…ノズル孔、３…電極、４a，
４b…絶縁膜、５…樹脂シート、６…絶縁層、７
…絶縁基板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インク室内の絶縁基板上に一対の対向す
る電極を有し、前記電極間に電圧を印加して沸騰気泡を
発生させ、前記インク室に連通するノズル孔からインク
滴を噴射する通電加熱方式のインク噴射型プリンタ用ヘ
ッドにおいて、前記電極の近傍の前記絶縁基板の表面
に、該絶縁基板よりインクに対する接触角の大きい絶縁
膜を積層してなることを特徴とするインク噴射型プリン
タ用ヘッド。
【請求項２】インク室内の絶縁基板上に一対の対向す
る電極を有し、前記電極間に電圧を印加して沸騰気泡を
発生させ、前記インク室に連通するノズル孔からインク
滴を噴射する通電加熱方式のインク噴射型プリンタ用ヘ
ッドにおいて、前記電極の近傍の前記絶縁基板の表面
に、前記電極の表面との段差を埋めるように絶縁膜を積
層してなることを特徴とするインク噴射型プリンタ用ヘ
ッド。
【請求項３】絶縁膜は、少なくともその表面層が絶縁
基板よりインクに対する接触角の大きい絶縁膜からなる
ことを特徴とする請求項２記載のインク噴射型プリンタ
用ヘッド。
【請求項４】絶縁膜の表面粗さが、Ｒaで略0.005μm
以下であることを特徴とする請求項１または３記載のイ
ンク噴射型プリンタ用ヘッド。
【請求項５】インク室内の絶縁基板上に一対の対向す
る電極を有し、前記電極間に電圧を印加して沸騰気泡を
発生させ、前記インク室に連通するノズル孔からインク
滴を噴射する通電加熱方式のインク噴射型プリンタ用ヘ
ッドにおいて、前記電極近傍の絶縁基板の表面が、純水
に対する接触角が略６０°以上で、かつ表面粗さがＲa
で略0.005μm以下であることを特徴とするインク噴射型
プリンタ用ヘッド。