JPH09164680A - インクジェットプリンタヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 階調印字が可能であると共に必要な配線形成
が容易で外部電源との接続が容易であるインクジェット
プリンタヘッドを提供することを目的とする。 【解決手段】 最下層の第１の絶縁層１と、第１の絶縁
層１上に形成された発熱抵抗体層４と、発熱抵抗体層４
上に形成された配線層５と、発熱抵抗体層４と配線層５
とを上面および側面から覆うように形成された第２の絶
縁層３と、第２の絶縁層３上に形成された第３の絶縁層
６と、第３の絶縁層６の一部を溝状に除去することによ
り形成された共通インク室８と、第３の絶縁層６上でか
つインク吐出口１１の下方に形成された電極７と、共通
インク室８に連通するインク流路９とインク流路９に連
通すると共にインク吐出口１１を有する圧力室１５とを
形成するように第３の絶縁層６上に形成されたノズル板
部１０とを有することにより、必要な配線形成が容易な
インクジェットプリンタヘッドが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発熱抵抗体により
予備加熱を行った後に導電性インクに通電して気泡を発
生させて階調印字を行うインクジェットプリンタヘッド
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、インクジェットプリンタは、記録
時の静粛性、記録の高速性、カラー化の容易性などに優
れていることから、家庭用・オフィス用コンピュータの
出力用プリンタとして広く利用されるようになってき
た。インクジェットプリンタはインクを小滴化して飛翔
させ、記録紙に付着させることにより記録を行うもの
で、小滴の発生法や飛翔方向の制御法によってコンティ
ニアス方式とオンデマンド方式とに大別される。

【０００３】コンティニアス方式は例えば米国特許第３
０６０４２９号に開示されている方式である。この方式
では、インクの小滴化を静電吸引的に行い、発生した小
滴を記録信号に応じて電界制御し、記録紙上に小滴を選
択的に付着させて記録を行うものであり、小滴の発生に
高電圧を要し、マルチノズル化が困難であるので、高速
記録には不適である。

【０００４】一方、オンデマンド方式は、例えば米国特
許第３１７９０４２号や特公昭６１−５９９１１号公
報、特公昭６２−１１０３５号公報、特公昭６１−５９
９１４号公報に開示されているように、電気熱変換体
（例えば発熱抵抗体）を用いて発生させる熱エネルギー
を利用してノズル中に気泡を発生・膨脹させ、その膨脹
圧を利用してインクの小滴を吐出させて記録紙に付着さ
せることで記録を行う方式である。この方式では、オン
デマンドで（要求があり次第）インクをノズル孔より吐
出して記録を行うため、コンティニアス方式のように吐
出飛翔する小滴のうち、画像の記録に要さなかった小滴
（記録紙上に付着しなかった小滴）を回収することが不
要であるため、シンプルな構成が可能である。また、高
速記録やマルチノズル化が容易であるといった特徴があ
る。

【０００５】しかし、熱エネルギーを用いるオンデマン
ド方式においては、沸騰開始までの加熱時間の制御が困
難なため、吐出させるインク滴の量を可変とすることに
より記録されるインクドットの面積を変えて画質の向上
を行う階調印字が困難である。そこで、熱エネルギーを
発生する電気熱変換体をインクの予備加熱手段として用
い、インク吐出は導電性インクに電圧を印加することに
より行う方法が提案されている。すなわち、導電性イン
クに電圧を印加することで生じるインクのジュール熱に
よって気泡を発生させ、その気泡の体積を予備加熱量に
より任意に変化させ、吐出インク滴の体積を様々な大き
さに制御して印字ドット面積を変化させることにより階
調印字を行う方法（以下、「予備加熱階調印字方法」と
いう）である。

【０００６】従来、予備加熱階調印字方法が適用される
インクジェットプリンタヘッドとしては、図４、図５に
記載されたものが知られている。図４、図５において、
絶縁基板１はインクジェットプリンタヘッドの基板をな
し、インク加熱用の発熱抵抗体層４は絶縁基板１上にパ
ターン形成され、配線層５と電気的に接続される。沸騰
開始用の電極７は導電性インクを吐出するインク吐出口
１１に対応して絶縁基板１上にパターン形成され、導電
性インク中に高密度でエネルギーを発生する。インク流
路９はインク吐出口１１を有する後述の圧力室１５に導
電性インクを供給する。オリフィス部材１２は発熱抵抗
体層４に対向して後述の流路壁１７上に形成され、イン
ク滴１３はオリフィス部材１２から吐出される。保護膜
１４は発熱抵抗体層４を絶縁、保護するものである。圧
力室１５は絶縁基板１とオリフィス部材１２と流路壁１
７とから構成される。記録紙１６はインク滴１３を付着
させて画像等を得るためのものである。流路壁１７は絶
縁基板１上に形成され、複数の発熱抵抗体層４を仕切
る。

【０００７】図６は図４、図５のインクジェットプリン
タヘッドを分解して示す分解図である。図６において、
絶縁基板１、インク吐出口１１、オリフィス部材１２、
圧力室１５、流路壁１７は図４、図５と同様のものなの
で、説明は省略する。共通インク室８は圧力室１５に導
電性インクを供給するために絶縁基板１を貫通してお
り、絶縁基板１とインク流路９の流路壁１７とオリフィ
ス部材１２とにより形成されている。

【０００８】図７は、図４〜図６のインクジェットプリ
ンタヘッドの絶縁基板１上の発熱抵抗体層４、電極７お
よび共通インク室８の配置を模式的に示す模式図であ
る。図７において、配線層５は発熱抵抗体層４上に形成
され、この配線層５を通して発熱抵抗体層４に通電され
る。

【０００９】以上のように構成された従来のインクジェ
ットプリンタヘッドについて、その階調印字動作を１つ
のノズルを例にとって説明する。まず、必要なドット面
積の印字情報に対応して、発熱抵抗体層４にパルス電圧
を印加する。このパルス電圧により発熱抵抗体層４が発
熱し、圧力室１５内に満たされた導電性インクを加熱す
る。このとき発熱抵抗体層４に印加される電圧は導電性
インクの沸騰に必要な電圧より小さく、発熱抵抗体層４
のみでは沸騰は起こらない。ついで、発熱抵抗体層４の
通電加熱を開始してからしかるべき時間をおき、周辺の
導電性インクが所望の温度になった瞬間に電極７に電圧
を印加する。これにより電極７は瞬間的に高密度のエネ
ルギーを電極間のみに発生させる。このとき印加する電
圧は電極７の損耗を防ぐため交流電圧としている。この
電圧印加により電極７の間に電位差が生じると、所定の
体積抵抗率を持つ導電性インク中で電気力線が発生し、
この電気力線に沿って電流が流れる。導電性インクはＩ
²×Ｒ（Ｉは電流、Ｒは導電性インクの抵抗）で自己発
熱するため、電極７の間で導電性インクは周囲よりも高
温になり、ついには導電性インク中の微小な気泡が発泡
核となって気泡が発生する。このとき発生した気泡は発
熱抵抗体層４により加熱された周辺の導電性インクから
の蒸発によって急速に膨脹し、周辺の導電性インクの温
度により決まる体積まで膨脹する。これにより圧力室１
５内の導電性インクの圧力が急激に高まり、インク吐出
口１１からインク滴１３が飛び出し、飛翔して記録紙１
６に付着し、ドットを形成する。インク滴１３の体積は
発生した気泡体積により変化し、気泡体積の変化に伴っ
てドットの面積も変化する。インク滴１３の吐出にとも
ない消費された分の導電性インクはインクタンク（図示
せず）から共通インク室８、インク流路９を通って圧力
室１５に供給され、初期の状態に戻る。以上の動作の繰
返しにより、階調印字に必要な任意のドット面積を有す
るインク滴１３の吐出が連続的に行われる。

【００１０】

【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プリンタヘッドでは、発熱抵抗体層
４と電極７とが絶縁基板１上の同一平面上に形成され、
圧力室１５に導電性インクを供給するために不可欠な共
通インク室８が絶縁基板１を貫通しているため、図７に
示すように、複数の発熱抵抗体層４に通電するための配
線層５と電極７を制御するために必要な配線とが密集し
てしまう。従って、用いられている解像度が３００ｄｐ
ｉ以上の高解像であるという現状を考慮すると、従来の
インクジェットプリンタヘッドでは必要な配線形成が困
難であり、外部電源との接続が困難であるという問題点
を有していた。

【００１１】このインクジェットプリンタヘッドにおい
ては、必要な配線形成が容易で外部電源との接続が容易
であることが要求されている。

【００１２】本発明は、階調印字が可能であると共に必
要な配線形成が容易で外部電源との接続が容易であるイ
ンクジェットプリンタヘッドを提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、最下層の第１の絶縁層と、第１の絶縁層上
に形成された発熱抵抗体層と、発熱抵抗体層上に形成さ
れた配線層と、発熱抵抗体層と配線層とを上面および側
面から覆うように形成された第２の絶縁層と、第２の絶
縁層上に形成された第３の絶縁層と、第３の絶縁層の一
部を溝状に除去することにより形成された共通インク室
と、第３の絶縁層上でかつインク吐出口の下方に形成さ
れた電極と、共通インク室に連通するインク流路とイン
ク流路に連通すると共にインク吐出口を有する圧力室と
を形成するように第３の絶縁層上に形成されたノズル板
部とを有するように構成した。

【００１４】これにより、階調印字が可能であると共に
必要な配線形成が容易で外部電源との接続が容易である
インクジェットプリンタヘッドが得られる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、最下層の第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に形成さ
れた発熱抵抗体層と、発熱抵抗体層上に形成された配線
層と、発熱抵抗体層と配線層とを上面および側面から覆
うように形成された第２の絶縁層と、第２の絶縁層上に
形成された第３の絶縁層と、第３の絶縁層の一部を溝状
に除去することにより形成された共通インク室と、第３
の絶縁層上でかつインク吐出口の下方に形成された電極
と、共通インク室に連通するインク流路とインク流路に
連通すると共にインク吐出口を有する圧力室とを形成す
るように第３の絶縁層上に形成されたノズル板部とを有
することとしたものであり、発熱抵抗体層にはその上に
形成された配線層を通して電圧が印加され、電極には第
３の絶縁層上に配置したそのリード部を通して電圧が印
加されるという作用を有する。

【００１６】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、発熱抵抗体層に配線層を通して可変幅
のパルス電圧を印加した後に電極を通して導電性インク
に可変幅のパルス電圧を印加する電圧供給部を設けるこ
ととしたものであり、発熱抵抗体層で発生する熱エネル
ギーが可変幅のパルス電圧により可変になるという作用
を有する。

【００１７】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の発明において、電圧供給部は配線層又は電極を通して
供給される可変幅のパルス電圧の幅を変化させることに
より導電性インクの吐出量を変化させて階調印字を得る
こととしたものであり、吐出インクの量が任意に変化す
るという作用を有する。

【００１８】請求項４に記載の発明は、請求項１、請求
項２又は請求項３に記載の発明において、少なくとも第
３の絶縁層の側面に接合され、貫通した空間を有し、共
通インク室と共通インク室に導電性インクを供給するた
めのインクタンクとを結合する結合部を設けることとし
たものであり、導電性インクが結合部を介してインクタ
ンクから共通インク室に供給されるという作用を有す
る。

【００１９】請求項５に記載の発明は、請求項１、請求
項２、請求項３又は請求項４に記載の発明において、発
熱抵抗体層の複数の外部電源端子は第１の絶縁層上にお
いて電極の複数の外部電源端子とは反対方向に延設され
ることとしたものであり、発熱抵抗体層と電極とに対す
る外部電源の供給が互いに反対の方向からなされるとい
う作用を有する。

【００２０】以下、本発明の実施の形態について、図１
〜図３を用いて説明する。図１は本発明の一実施の形態
によるインクジェットプリンタヘッドを示す断面図であ
る。また、図２は図１のインクジェットプリンタヘッド
を示す模式図である。図１、図２において、第１の絶縁
層としての絶縁基板１はインクジェットプリンタヘッド
の基板をなし、発熱抵抗体層４は絶縁基板１上に形成さ
れ、配線層５は発熱抵抗体層４上に形成されている。図
２に示すように、発熱抵抗体層４、配線層５は共に複数
の層から構成される。第２の絶縁層としての接着ガラス
層３は発熱抵抗体層４および配線層５を上面および側面
から覆うように形成されている。第３の絶縁層としての
絶縁性基板６は接着ガラス層３上に形成されている。共
通インク室８は絶縁性基板６の一部を溝状に除去するこ
とにより形成され、従って、絶縁性基板６と接着ガラス
層３と後述のノズル板部１０とで囲まれた構造となって
いる。電極７は絶縁性基板６上でかつインク吐出口１１
の下方に形成されている。ノズル板部１０は絶縁性基板
６上に形成され、共通インク室８に連通するインク流路
９とインク流路９に連通すると共にインク吐出口１１を
有する圧力室１５とがその内部に形成されている。結合
部１８は、共通インク室８と共通インク室８に導電性イ
ンクを供給するためのインクタンク（図示せず）との結
合を行うためのものであり、少なくとも絶縁性基板（第
３の絶縁層）６の側面に接合され、導電性インクを通行
させるための貫通した空間を有する。図２から分かるよ
うに、発熱抵抗体層４の複数の並列配置の外部電源端子
は点線で示すように発熱抵抗体層４の上方に延設されて
おり、また、電極７の複数の並列配置の外部電源端子は
発熱抵抗体層４の下方に延設されている。つまり、発熱
抵抗体層４の複数の並列配置の外部電源端子は、電極７
の複数の並列配置の外部電源端子とは逆の方向に延設さ
れている。このように互いに逆の方向に外部電源端子が
延設されることにより、外部電源との配線が容易にな
る。

【００２１】図３はノズル板部１０を示す平面図であ
る。図３において、インク流路９、インク吐出口１１は
図１、図２と同様のものなので、説明は省略する。ノズ
ル板部内共通インク室２は全てのインク流路９がお互い
につながっているノズル板部１０での共通インク室であ
る。

【００２２】以上のように構成されたインクジェットプ
リンタヘッドについて、その階調印字動作を説明する。
まず、インクタンクから結合部１８に導電性インクが供
給され、結合部１８に供給された導電性インクは共通イ
ンク室８を通ってインク流路９から圧力室１５に供給さ
れる。次いで、必要なドット面積の印字情報に対応して
発熱抵抗体層４に印加するパルス電圧が電圧供給部（図
示せず）からそれぞれの配線層５に印加される。このと
き６μｓｅｃ〜１２μｓｅｃの時間幅のパルス電圧をそ
れぞれの発熱抵抗体層４に印加し、発熱抵抗体層４を発
熱させ、絶縁性基板６および接着ガラス層３を介して圧
力室１５内に満たされている導電性インクを加熱する。
このとき発熱抵抗体層４に印加される電圧は沸騰に必要
な電圧より小さく、発熱抵抗体層４のみの発熱では沸騰
は起こらない。次いで、発熱抵抗体層４へのパルス電圧
の印加終了後、すなわち周辺の導電性インクが所望の温
度になった瞬間に、上記電圧供給部は電極７に６μｓｅ
ｃの時間幅のパルス電圧を与える。これにより電極７は
瞬間的に高密度のエネルギーを電極間のみに発生させ
る。このとき印加する電圧は電極７の損耗を防ぐために
交流電圧としている。この電圧印加により電極７の間に
電位差が生じると、導電性インクはＩ²×Ｒ（Ｉは電
流、Ｒは導電性インクの抵抗）で自己発熱するため、電
極７の間で導電性インクは周囲よりも高温になり、つい
には導電性インク中の微小な気泡が発泡核となって気泡
が発生する。このとき発生した気泡は発熱抵抗体層４に
より加熱された周辺の導電性インクからの蒸発によって
急速に膨脹し、周辺の導電性インクの温度により決まる
体積まで膨脹する。これにより圧力室１５内の導電性イ
ンクの圧力が急激に高まり、インク吐出口１１からイン
ク滴が飛び出し、飛翔して記録紙に付着し、インクドッ
トを形成する。インク滴の体積は、発熱抵抗体層４に印
加するパルス電圧の時間幅（印加時間）と電極７に印加
するパルス電圧の時間幅（印加時間）とにより変化する
気泡体積により変化し、その結果インクドットの面積も
変化する。従って、このときそれぞれのノズルから得ら
れるインクドット面積は、パルス電圧の印加時間に対応
したいろいろな面積となる。或る条件下での実験による
インクドット面積の分布は直径において７０μｍ〜１１
０μｍであった。次いで、次のインク吐出までの間に、
インク滴の吐出にともない消費された分の導電性インク
が、インクタンクから結合部１８を通り、共通インク室
８、インク流路９を通って圧力室１５に補充される。以
上の動作の繰返しにより、階調印字に必要な任意のイン
クドット面積を有するインク滴の吐出が連続的に行われ
る。

【００２３】上記実験に実際に使用したヘッド、導電性
インクの構成を次に示す。まず、絶縁基板１の材質はア
ルミナで、発熱抵抗体層４の材質はハフニウム（Ｈｆ）
とホウ素（Ｂ）の合金とした。配線層５の材質は銅と
し、接着ガラス層３は主成分を（Ｓｉ−Ｂ−Ｐｂ）−Ｏ
系ガラス、副成分をＣａＯ、アルミナ、ＣｕＯとした。
絶縁性基板６の材質はＳｉＯ₂系ガラス、電極７の材質
はチタン（Ｔｉ）、ノズル板部１０の材質はポリイミド
とした。導電性インクとしては、２５℃で、比抵抗２０
Ωｃｍ、粘度１．８ｃｐ、表面張力４０ｄｙｎｅ／ｃｍ
の物性のものを使用した。また、ヘッド内の発熱抵抗体
層４、配線層５、電極７および電極７のリード部（図示
せず）は、スパッタ法とエッチング法を用いる薄膜形成
法により作製し、絶縁性基板６は、ガラス板を接着ガラ
ス層３に接着した後、平均粒径０．１μｍのダイヤモン
ド粒子を砥粒とするスラリーを用いた湿式ラップによる
研磨を行って作製した。ノズル板部１０は、ポリイミド
薄膜をエキシマレーザを用いて加工することにより作製
した。

【００２４】以上のように本実施の形態によれば、発熱
抵抗体層４に印加するパルス電圧の印加時間と電極７に
印加するパルス電圧の印加時間とを制御することによ
り、発生する気泡体積を制御するようにしたので、その
結果インクドットの面積も制御され、任意の階調印字を
得ることが可能となる。また、配線層５と電極７のリー
ド部とは上下に層を成すようにしたので、必要な配線形
成が容易となり、外部電源（電圧供給部）との接続が容
易となる。

【００２５】

【発明の効果】以上のように本発明のインクジェットプ
リンタヘッドによれば、配線層と電極とが上下に層を成
すようにしたので、必要な配線形成、すなわち発熱抵抗
体層に接続される配線層の配線形成および電極のリード
部の配線形成を容易なものとすることができ、外部電源
との接続を容易なものとすることができるという有利な
効果が得られる。また、発熱抵抗体層と導電性インクと
に印加するそれぞれのパルス電圧を可変幅とすることに
より、発生する気泡体積を制御することができ、従っ
て、記録紙に付着するインクドット面積すなわち印字の
階調を制御することができるという有利な効果が得られ
る。さらに、共通インク室とインクタンクとの間に結合
部を配置したことにより、インクタンクから共通インク
室への導電性インクの供給が円滑化されるという有利な
効果が得られる。さらに、発熱抵抗体層の複数の外部電
源端子が電極の複数の外部電源端子とは反対方向に延設
されたことにより、２種類の外部電源端子は互いに逆の
方向となるので、必要な配線形成が容易であると共に外
部電源との配線接続が容易になるという有利な効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態によるインクジェットプ
リンタヘッドを示す断面図

【図２】本発明の一実施の形態によるインクジェットプ
リンタヘッドを示す模式図

【図３】本発明の一実施の形態によるインクジェットプ
リンタヘッドのノズル板部を示す平面図

【図４】従来のインクジェットプリンタヘッドを示す断
面図

【図５】図４のＡ−Ａ線断面図

【図６】従来のインクジェットプリンタヘッドを示す分
解図

【図７】従来のインクジェットプリンタヘッドを示す模
式図

【符号の説明】

１ 絶縁基板（第１の絶縁層） ２ ノズル板部内共通インク室 ３ 接着ガラス層（第２の絶縁層） ４ 発熱抵抗体層 ５ 配線層 ６ 絶縁性基板（第３の絶縁層） ７ 電極 ８ 共通インク室 ９ インク流路 １０ ノズル板部 １１ インク吐出口 １５ 圧力室 １８ 結合部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】最下層の第１の絶縁層と、第１の絶縁層上
   に形成された発熱抵抗体層と、前記発熱抵抗体層上に形
   成された配線層と、前記発熱抵抗体層と前記配線層とを
   上面および側面から覆うように形成された第２の絶縁層
   と、前記第２の絶縁層上に形成された第３の絶縁層と、
   前記第３の絶縁層の一部を溝状に除去することにより形
   成された共通インク室と、前記第３の絶縁層上でかつイ
   ンク吐出口の下方に形成された電極と、前記共通インク
   室に連通するインク流路と前記インク流路に連通すると
   共に前記インク吐出口を有する圧力室とを形成するよう
   に前記第３の絶縁層上に形成されたノズル板部とを有す
   るインクジェットプリンタヘッド。
2. 【請求項２】前記発熱抵抗体層に前記配線層を通して可
   変幅のパルス電圧を印加した後に前記電極を通して導電
   性インクに可変幅のパルス電圧を印加する電圧供給部を
   設けた請求項１記載のインクジェットプリンタヘッド。
3. 【請求項３】前記電圧供給部は前記配線層又は前記電極
   を通して供給される前記可変幅のパルス電圧の幅を変化
   させることにより導電性インクの吐出量を変化させて階
   調印字を得る請求項２記載のインクジェットプリンタヘ
   ッド。
4. 【請求項４】少なくとも前記第３の絶縁層の側面に接合
   され、貫通した空間を有し、前記共通インク室と前記共
   通インク室に導電性インクを供給するためのインクタン
   クとを結合する結合部を設けた請求項１、請求項２又は
   請求項３記載のインクジェットプリンタヘッド。
5. 【請求項５】前記発熱抵抗体層の複数の外部電源端子は
   前記第１の絶縁層上において前記電極の複数の外部電源
   端子とは反対方向に延設された請求項１、請求項２、請
   求項３又は請求項４記載のインクジェットプリンタヘッ
   ド。