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発明の名称 インクジェットヘッド
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平7−25013
公開日 平成7年(1995)1月27日
出願番号 特願平5−173066
出願日 平成5年(1993)7月13日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】武田 元敏
発明者 常盤 剛
要約 目的
基板と、この基板上の信号電極および信号電極上の耐久皮膜層の剥離強度を高めることにより導電性インクの浸透を防止し、電極寿命を確保する。

構成
導電性インクが満たされている圧力室11の一部を構成している電極用の基板1と、前記圧力室11内に設けられた一対の信号電極4がそれぞれ絶縁体,導電体であり、互いに金属間化合層24を形成する部材を使用し、両部材を熱処理することによって両部材界面に金属間化合物を形成している。また、耐久皮膜層5においてはアルミナをスパッタリング法によって形成するという構成を有している。
特許請求の範囲
【請求項1】 基板の上に設けられた一対の信号電極と、前記基板と前記一対の信号電極の間に設けられた金属間化合物層と、前記一対の信号電極のそれぞれの少なくとも一部が同空間に存在するように前記基板上に立設された仕切り板と、前記仕切り板の上にノズルプレートを設けたことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項2】 基板の上に設けられた一対の信号電極と、前記一対の信号電極の上に設けられた耐久皮膜層と、前記一対の信号電極のそれぞれの少なくとも一部が同空間に存在するように前記基板上に立設された仕切り板と、前記仕切り板の上にノズルプレートを設けたことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項3】 基板の上に設けられた一対の信号電極と、前記基板と前記一対の信号電極の間に設けられた金属間化合物層と、前記一対の信号電極の上に設けられた耐久皮膜層と、前記一対の信号電極のそれぞれの少なくとも一部が同空間に存在するように前記基板上に立設された仕切り板と、前記仕切り板の上にノズルプレートを設けたことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項4】 前記金属間化合物層がTiSi2であることを特徴とする請求項1または3記載のインクジェットヘッド。
【請求項5】 前記耐久皮膜層がAl23によって形成することを特徴とする請求項2または3記載のインクジェットヘッド。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、プリンタ等の印字ヘッドに用いられる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】近年、プリンタは印字の高速化,カラー化,低騒音化の要求が高まってきており、中でもインクジェットヘッドを用いたインクジェットプリンタが注目されてきている。
【0003】インクジェットヘッドの方式は大別して連続式とオンディマンド方式があり、さらにオンディマンド方式には、ピエゾ素子で駆動するカイザー方式,ステムメ方式,グールド方式や、熱にてバブルを発生させ、その体積変化にてインクを飛翔させるバブルジェット方式がある。これらのうち、ノズルごとにインク流路および圧力発生手段を設け、信号に応じてインク滴を吐出するオンディマンド方式は、近年要求が高まってきている高密度化に伴い、多数のインク流路を狭い範囲に製造する場合、応答周波数,飛翔の安定性,消費電力および効率等で十分でない点がでてきている。
【0004】以下に、従来のバブルジェット方式のインクジェットヘッドについて説明する。図7は従来のインクジェットヘッドのノズル1つの要部縦断面図、図8は図7の線A−A断面図である。
【0005】図7において、1は基板、2は各ノズル6間の干渉を防ぐ絶縁材からなる仕切り板、3はノズル6を有するノズルプレートで、前記基板1と仕切り板2とノズルプレート3とにより圧力室11が構成されている。7は導電性インク滴で、電気力線イに沿って流れる電流により電流通過部ロの導電性インクが自己発熱して発生する蒸気バブルにより、圧力室11に圧力変化が生じ、ノズル6より導電性インク滴7が吐出される。8は導電性インク滴7が付着する記録紙、9は信号電極29a,コモン電極29b間に電圧を加える信号発生装置である。
【0006】28は前記基板1上に積層された断熱層で、導電性インクの自己発熱を基板1に逃さず効果的にバブル発生を行わせるためのものである。30aおよび30bは信号電極29aおよびコモン電極29b上にコートされた酸化物もしくは貴金属よりなる耐久皮膜である。また、31はインク流路である。
【0007】以上のように構成された従来のインクジェットヘッドの動作を以下に説明する。
【0008】まず、信号発生装置9により信号電極29a,コモン電極29b間に電圧を加えると、図7および図8に示すように所定の体積抵抗率を有する導電性インクの電流通過部ロで、電気力線イがコモン電極29bに対して発生し、電流がこの電気力線イに沿って流れ、電流通過部ロの導電性インクが自己発熱して沸騰が始まり、バブル(図示せず)が発生する。このバブルにより圧力室11内の導電性インクの圧力が急激に高まり、ノズル6から導電性インク滴7が飛び出し、飛翔して記録紙8に付着しドットの形成を行う。このドットの形成に伴い消費された導電性インクは常時インク流路31から補給され、信号発生装置9からの信号に応じた導電性インク滴7が連続的に生成され、記録紙8に対して任意の連続的なドット形成が行われる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の従来の構成では、耐久皮膜30a,30bは樹脂材料によって形成されているうえに圧力室11内に露出しているので、導電性インクの毛細管力や沸騰による圧力液により断熱層28と耐久皮膜30a,30bの隙間から導電性インクが侵入し、耐久皮膜30a,30bで保護された信号電極29a,コモン電極29bに達し、耐久皮膜30a,30bと信号電極29a,コモン電極29bとで局部電池を形成して信号電極29a,コモン電極29bを溶解したり、導電性インクそのものが信号電極29a,コモン電極29bを腐食したり、腐食反応気泡圧力による耐久皮膜30a,30bや信号電極29a,コモン電極29bの剥離脱落を招くことによる電極性能の劣化が発生するという課題を有していた。
【0010】本発明は上述した耐久皮膜や信号電極,コモン電極の剥離脱落に基づく電極性能の劣化を防止し、安定した電極性能を有するインクジェットヘッドの提供を目的とする。
【0011】
【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に、導電性インクが満たされている圧力室の一部を構成している電極用の基板と、前記圧力室内に設けられた一対の電極がそれぞれ絶縁体,導電体であり、互いに金属間化合物を形成する部材を使用し、両部材を熱処理することによって両部材界面に金属間化合物を形成している。また、耐久皮膜層においてはアルミナをスパッタリング法によって形成するという構成を有している。
【0012】
【作用】本発明によれば、上記構成によって電極と基板の間に両部材の金属間化合物が形成されているため界面の金属組織に欠陥が少なく、腐食反応気泡圧力による電極の剥離がなくなる。また、電極と耐久皮膜層との密着が面で達成され、導電性インクの浸透が困難になるので導電性インクが電極に接触することがほとんどなくなる。また、アルミナ薄膜の硬度は高く、導電性インクの沸騰による圧力波および腐食反応気泡に対する強度が強いため、耐久皮膜層の剥離強度が飛躍的に向上し、耐久皮膜層の剥離脱落を防止することができる。
【0013】
【実施例】図1は本発明の一実施例におけるインクジェットヘッドの縦断面図である。図1において、1は基板、2は圧力室11を形成する仕切り板、3はノズルプレート、4は基板1上にパターン形成された信号電極、24は前記基板1と信号電極4の界面に形成された金属間化合物層、5は前記信号電極4上にコートされたアルミナよりなる耐久皮膜層、6は前記ノズルプレート3に設けられたノズル、7はノズル6より吐出された導電性インク滴、8は導電性インク滴7が付着する記録紙である。また、9は互いに隣り合う電極同士に電圧を加える信号発生装置、10は信号発生装置9により発生する導電性インク中の電界の集中する電極間電界集中部を示している。
【0014】図2は図1の分解斜視図である。図2において、12は圧力室11へ導電性インクを導くための共通インク室、13は前記共通インク室12より各圧力室11へ導電性インクを供給するためのインク供給孔である。
【0015】図3は本発明の一実施例におけるインクジェットヘッドをインクカートリッジへの組み込み図(a)とインクジェットヘッドを組み込むインクカートリッジの一部切断斜視図(b)を示している。図3において、14は本発明の一実施例におけるインクジェットヘッド、15はインクジェットヘッド14を固定するインクカートリッジ、16はインクタンク18内の導電性インクに含まれるゴミ,塵などを除去するインクフィルター、17は導電性インクを共通インク室12に導くインク導入溝である。
【0016】図4は本発明の一実施例におけるインクジェットヘッドを組み込んだインクカートリッジを取り付けたインクジェットプリンタの一部切断斜視図である。図4において、19はインクカートリッジ15をプリンタに入れるカートリッジ挿入口、20は挿入されたインクカートリッジ15を固定するキャリッジ、21はシリアルに往復するキャリッジ20を導くガイドシャフト、22は記録紙8を送るプラテンローラである。
【0017】以上のように構成されたインクジェットヘッドについて、図1ないし図4を用いてその動作を説明する。まず、信号発生装置9により信号電極4に電圧を加え、互いに隣接する信号電極間に電位差が発生すると、所定の体積抵抗率を有する導電性インク内を電気力線イが互いに隣接する電極間に発生し、電流がこの電気力線イに沿って流れ、I2R(I:電流,R:導電性インクの抵抗)で表される電流のジュール損失によって電流が流れた部分の導電性インクが自己発熱し、時間の経過に伴い電流が流れた導電性インクの電流通過部ロの部分より沸騰が始まり、バブル(図示せず)が発生し、膨張する。
【0018】このバブルの膨張に伴い、導電性インク内の電流はバブルが絶縁体でその中を電流が通過できないため、バブルの両側へ曲げられ、電流密度はバブル表面で最も高くなる。これによって、バブル表面が最も加熱されてバブルの膨張が一層加速され、バブルの膨張により、圧力室11内の導電性インクの圧力が急激に高まる。この高圧になった導電性インクはノズル6と共通インク室12の方向へ移動しようとするが、インク供給孔13が存在するために、急激な圧力変化による急な導電性インクの流れには流体的な抵抗がノズル6と比較して大きいため、圧力変化による急激な導電性インクの流れはノズル6へ向かい、ノズル6から導電性インク滴7が飛び出し、記録紙8に飛翔して付着し、ドットの形成が行われる。
【0019】バブルの膨張が最大の大きさに達すると電流通過部ロは、かなりの部分をバブルが占めるようになるので、導電性インクに流れる電流が低下し、バブルの熱が導電性インク,ノズルプレート3,信号電極4,仕切り板2,基板1へ奪われ、バブルが急激に収縮し消滅する。このバブルは、バブル自身の持つ熱が全方向から奪われるので、導電性インク中で最終的にバブルが消滅することになる。バブルの消滅に伴い、圧力室11内の導電性インクは、消滅時の負圧により撹拌され電流通過部ロの温度が下がり、再び導電性インクに電流が流れ出すが、電流通過部ロから沸騰を開始するのには数マイクロ秒以上の加熱時間を必要とする。この沸騰を開始するまでの加熱時間の間に、信号発生装置9は信号電極4への電圧の印加を中止し、導電性インクの二重沸騰による不必要な導電性インク滴7の飛翔を防止する。
【0020】導電性インク滴7の飛翔により、消費された導電性インクは導電性インクの表面張力により常時、共通インク室12より圧力室11へ補給され待機状態に戻る。圧力室11内の導電性インクは、導電性インク滴7の飛翔後、僅かに温度が上昇しているが、この導電性インクは待機状態の間に信号電極4,ノズルプレート3,仕切り板2,基板1に熱を奪われ、ほぼ初期状態の温度近くまで冷却される。
【0021】以上の動作の繰り返しにより、例えば、コンピュータ等から送られてくる印字信号に応じて、カートリッジ挿入口19より挿入され、キャリッジ20へ装着されたインクカートリッジ15がガイドシャフト21に沿って往復運動し、キャリッジ20の位置に合わせて信号発生装置9が任意の信号電極4に駆動電圧を印加し、導電性インク滴7が連続的に生成され、プラテンローラ22によって送られる記録紙8に付着し、記録紙8へのドットによる印字が可能となる。
【0022】導電性インクは印字動作に伴い、インクタンク18よりインクフィルター16を介してインク導入溝17を通り共通インク室12に入り、インク供給孔13より圧力室11へ供給される。圧力室11内でバブルが膨張,収縮を繰り返すと、通常、インクの圧力変化による衝撃によって耐久皮膜層5および信号電極4へのキャピテーションが起こる。耐久皮膜層5をフェノール樹脂やポリイミド樹脂を主成分とするレジスト材料で形成すると、このキャピテーションに耐えることができず、電極が剥離してしまうという問題があった。
【0023】また、図2(c)に示すように対向した隣同士の信号電極4はそれぞれ同面積ずつ耐久皮膜層5から露出しているが、前記キャピテーションによってレジスト材で形成された耐久皮膜層5のどちらか片方が部分的に剥離すると、信号電極4の露出面積が片方だけ広くなり、露出部の広い信号電極の電気抵抗値が低下し、より多くの電流が両信号電極間に流れるようになる。その結果、耐久皮膜層5が剥離した信号電極に対向する信号電極の電流密度が上昇し、信号電極の消耗を促すことになる。
【0024】しかし、本実施例では圧力室11内でバブルが膨張,収縮を繰り返しても、基板1上に形成された信号電極4は双方の界面において金属間化合物層24を形成しているうえ、信号電極4上に形成された耐久皮膜層5はアルミナをスパッタによって形成しているため、信号電極4や耐久皮膜層5の剥離,脱落も極めて起こりにくく、安定した電極性能を得ることができる。
【0025】次に、基板1上の信号電極4および耐久皮膜層5の形成方法について、図5および図6の形成工程図を用いて説明する。まず、清浄化された基板(シリカガラス等)上にDCスパッタによってTiをコーティングする。スパッタ条件は、ターゲットと基板間の距離が80mm、アルゴン圧5mTorr、DCパワー300W、基板温度25℃、スパッタ時間40分で、厚さ2μmのTi膜23を形成し、図5(a)に示す基板1を得る。
【0026】該基板1を真空加熱炉に入れ、1×10~5Torrに真空引きを行い、1時間で750℃にまで加熱し、1時間保持した後、100℃/hで冷却を行い、基板1とTi膜23との界面にTiSi2なる金属間化合物層24を形成し、図5(b)に示す基板1を得た。
【0027】次に、該基板1上にフェノール樹脂を主成分とする感光体レジスト材料をスピンコーターによって約7μmの厚さに形成し、90℃で30分間プリベークを行う。この基板1上にフォトマスクを重ねてマスクアライナーにより20秒間露光した後、現像を行い、図5(c)に示すようにヘッド形成用のレジストパターン25を形成する。
【0028】レジストパターン25を形成した該基板1にアルゴンビームによるミリングをアルゴン圧2×10~4Torr、ビームパワー300W、ステージ傾斜角45度、ミリング時間80分で行い、レジストパターン25を施した箇所以外のTi膜23を取り除く。Ti膜23のミリングとともにレジストパターン25もミリングを受けるが、Ti膜パターン上に残ったレジスト材は有機溶剤中で洗浄し、完全に除去する。こうして、図5(d)に示すようにTi膜23の信号電極4のパターンを形成する。
【0029】さらに、純度92%のアルミナを該Ti膜パターン上全面にスパッタする。このときのスパッタ条件は、アルゴン圧10mTorr、ACパワー800W、スパッタ時間3時間、基板温度25℃で行い、約2μmのアルミナ膜26を該基板全面に形成し、図6(a)に示す基板1を得る。こうしてアルミナを基板全面に形成した該基板上に図6(b)に示すように耐久皮膜層として形成する箇所にフェノール樹脂を主成分とするレジストパターン27を形成する。
【0030】この耐久皮膜形成用のレジストパターン27の形成は、まずアルミナ膜26を全面に形成した基板1にフェノール樹脂系レジスト材をスピンコートによって約7μmの厚さに塗布し、90℃で30分間プリベークを行う。該基板上にフォトマスクを重ねてマスクアライナーにより20秒間露光した後、現像を行い、Al23なる耐久皮膜のレジストパターン27を形成する。前記基板をアルゴンビームによるミリングをアルゴン圧2×10~4Torr、ビームパワー300W、ステージ傾斜角45度、ミリング時間70分で行い、レジストパターン27を施した箇所以外のアルミナ膜26を取り除く。ミリングの際、レジストパターン27もミリングされるが、ミリングを終了した時点でアルミナ上に残っているレジストは有機溶剤によって完全に洗浄,除去する。以上の工程によって図6(c)に示す耐久皮膜層5を有す信号電極4が形成される。
【0031】SiO2基板1上にTi膜23をスパッタにより形成した後、750℃で熱処理を行うことによって、基板1とTi膜23との界面にTiSi2なる金属間化合物層24が形成され、Tiの剥離強度が熱処理を施さない場合に比べて、55gfから70gfへと向上した。また、アルミナによる耐久皮膜層5は剥離強度が100gf以上であり、強固な耐久皮膜層5が形成された。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のインクジェットヘッドは、電極と基板の間に両部材の金属間化合物層が形成されているため界面の金属組織に欠陥が少なく、電極の剥離が起こりにくい。また、電極と耐久皮膜層との密着が面で達成され、導電性インクの浸透が困難になるので導電性インクが電極に接触することが困難であるうえ、アルミナ薄膜の剥離強度も高いため、耐久皮膜層の剥離,脱落も極めて起こりにくく、安定した電極性能を得ることができる優れたインクジェットヘッドを実現できるものである。




 

 


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