(57)【要約】【課題】記録紙に鮮明な画像を記録することができ、しかも保護膜を長期にわたり機能させることが可能な高性能のインクジェットヘッド並びにインクジェットプリンタを提供する。【解決手段】上面に、多数の発熱素子３と、該発熱素子３に電気的に接続される給電配線４とを被着させ、発熱素子３を酸素を含む保護膜６で被覆してなるヘッド基板１上に、間に所定の間隙を形成するようにして天板７を配設してなり、前記間隙に充填されるインクを前記発熱素子の発する熱エネルギーによってインク吐出孔より吐出させるインクジェットヘッドであって、前記各発熱素子３の中央域に、その表面より所定の深さ領域まで発熱素子３を酸化してなる酸化膜３ａを形成する。【選択図】図３
2004114637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に、多数の発熱素子と、該発熱素子に電気的に接続される給電配線とを被着させ、少なくとも多数の発熱素子を、酸素を含む保護膜で被覆してなるヘッド基板上に、間に所定の間隙を形成するようにして天板を配設してなり、前記間隙に充填されるインクを前記発熱素子の発する熱エネルギーによってインク吐出孔より吐出させるインクジェットヘッドであって、
前記各発熱素子の中央域に、その表面より所定の深さ領域まで発熱素子を酸化してなる酸化膜を形成したことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記酸化膜の面積が、対応する発熱素子の表面積の２％〜２０％に設定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ヘッド。
【請求項３】
前記保護膜中の酸素含有量が２．０質量％〜１０．０質量％に設定されてい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ヘッド。
【請求項４】
前記酸化膜は、発熱素子の表面にレーザを照射することにより形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記レーザの波長が２６６ｎｍ〜１１００ｎｍに設定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ヘッド。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のインクジェットヘッドと、該インクジェットヘッドのインク吐出孔上に記録紙を搬送する搬送手段とを備えたことを特徴とするインクジェットプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、記録紙にインク滴を所定パターンに付着させて画像を記録するインクジェットヘッド、並びにインクジェットプリンタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、記録紙に画像を記録するための記録デバイスとしてインクジェットヘッドが用いられている。
【０００３】
かかるインクジェットヘッドの記録方式には、インク滴を記録紙に向けて吐出させるのに発熱素子の発する熱エネルギーを利用するものや圧電素子の変形を利用するもの、更には電磁波の照射に伴って発生する熱を利用するもの等があり、これらの中でも発熱素子の熱エネルギーを利用するサーマルジェットタイプのものは、発熱素子のパターニングが容易である上に、小さな面積の発熱素子であっても比較的大きな熱エネルギーを発生させることができることから、高密度記録への対応に適したものとして注目されている。
【０００４】
かかるサーマルジェットタイプのインクジェットヘッドとしては、図５及び図６に示す如く、アルミナセラミックスから成るベースプレート２２の上面に、直線状に配列された複数個の発熱素子２３と、該各発熱素子２３に接続される給電配線２４とを被着させ、これらをＳｉ３Ｎ４から成る保護膜２６で被覆してなるヘッド基板２１と、前記発熱素子２３と１対１に対応したインク吐出孔２８を有する天板２７とを、間に所定の間隙を形成するように配設するとともに該間隙にインク２９を充填した構造のものが知られており、記録紙を天板２７の外表面に沿ってインク吐出孔上に搬送しながら発熱素子２３を選択的に発熱させ、該発熱した熱エネルギーによってインク中に気泡Ａを発生させるとともに、この気泡発生時の圧力でもって発熱素子上のインク２９をインク吐出孔側へ押し上げ、インク２９の一部をインク吐出孔２８より記録紙に向かって吐出させることにより所定の画像が記録される（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１１８８１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来のインクジェットヘッドにおいては、個々の発熱素子２３は、発熱時、その外周域よりも中央域で発熱温度が高くなるような温度分布となっている。このような発熱素子２３を発熱させると、インク中に発生する気泡の形状が外周域よりも中央域で外側に大きく突出した形状となってしまうため、気泡の圧力によって記録紙に向かって吐出されるインクは、その吐出量が各インク吐出孔の中央域で過剰気味に、外周域で不足気味となり、それ故、記録紙に形成される各ドットの輪郭が不明確となり、画像が不鮮明となる欠点を有していた。
【０００７】
しかも、インク中に発生する気泡の形状が外周域よりも中央域で外側に大きく突出した形状となることから、気泡消滅時に発生する衝撃が気泡の中央域で極めて大きくなり、それ故、上記衝撃によって発熱素子上の保護膜が比較的短時間で削れてしまい、保護膜を長期にわたって良好に機能させることが困難であるという欠点を有していた。
【０００８】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたものであり、その目的は記録紙に鮮明な画像を記録することができ、しかも保護膜を長期にわたり良好に機能させることが可能な高性能のインクジェットヘッド並びにインクジェットプリンタを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクジェットヘッドは、上面に、多数の発熱素子と、該発熱素子に電気的に接続される給電配線とを被着させ、少なくとも多数の発熱素子を、酸素を含む保護膜で被覆してなるヘッド基板上に、間に所定の間隙を形成するようにして天板を配設してなり、前記間隙に充填されるインクを前記発熱素子の発する熱エネルギーによってインク吐出孔より吐出させるインクジェットヘッドであって、前記各発熱素子の中央域に、その表面より所定の深さ領域まで発熱素子を酸化してなる酸化膜を形成したことを特徴とするものである。
【００１０】
また本発明のインクジェットヘッドは、前記酸化膜の面積が、対応する発熱素子の表面積の２％〜２０％に設定されていることを特徴とするものである。
【００１１】
更に本発明のインクジェットヘッドは、前記保護膜中の酸素含有量が２．０質量％〜１０．０質量％に設定されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また更に本発明のインクジェットヘッドは、前記酸化膜が発熱素子の表面にレーザを照射することにより形成されることを特徴とするものである。
【００１３】
更にまた本発明のインクジェットヘッドは、前記レーザの波長が２６６ｎｍ〜１１００ｎｍに設定されていることを特徴とするものである。
【００１４】
そして本発明のインクジェットプリンタは、上述のインクジェットヘッドと、該インクジェットヘッドのインク吐出孔上に記録紙を搬送する搬送手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１５】
本発明によれば、各発熱素子の中央域に、その表面より所定の深さ領域まで発熱素子を酸化してなる酸化膜を形成したことから、各発熱素子の電気抵抗値が中央域で上昇し、発熱素子の温度分布を各発熱素子の表面全域で略均一に成すことができる。従って、インク中に発生する気泡の形状が気泡の全域で略同じように外側に突出した形状となり、記録紙に向かって吐出されるインクの吐出量をインク吐出孔内で略均一に揃えることができ、記録紙に形成される各ドットの輪郭が明確な鮮明な画像を記録することが可能となる。
【００１６】
しかもこの場合、各発熱素子の電気抵抗値を中央域で上昇させることができるため、気泡消滅時に発生する衝撃を気泡の中央域で小さく抑えることができ、保護膜の一部が短時間で削れてしまうといった不具合を有効に防止し、保護膜を長期にわたって良好に機能させることが可能となる。
【００１７】
また本発明によれば、保護膜中の酸素含有量を２．０質量％〜１０．０質量％に設定することにより、抵抗値の上昇度合いが適度な大きさになり、より細かな抵抗値調整が可能になるという利点もある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視図、図２は図１のインクジェットヘッドの断面図、図３は図１のインクジェットヘッドに用いられるヘッド基板の平面図であり、図１に示すインクジェットヘッドは大略的にヘッド基板１と天板７とで構成され、両部材間にインク９を充填した構造となっている。
【００１９】
前記ヘッド基板１は、矩形状をなすように形成されたベースプレート２の上面に、直線状に配列した多数の発熱素子３と、該発熱素子３に電気的に接続される給電配線４とを被着・形成し、これらを保護膜６で被覆した構造を有している。
【００２０】
前記ベースプレート２は、単結晶シリコン等の半導体材料、或いは、グレーズドアルミナセラミックス等の電気絶縁性材料によって形成されており、その上面で発熱素子３や給電配線４，保護膜６等を支持するための支持母材として機能する。
【００２１】
このようなベースプレート２は、例えば単結晶シリコンから成る場合、従来周知のチョコラルスキー法（引き上げ法）等を採用することによって単結晶シリコンのインゴット（塊）を形成し、これを所定厚みにスライスした上、外形加工することによって製作される。尚、この場合、ベースプレート２の表面には酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の電気絶縁性材料から成る絶縁膜（図示せず）が例えば１μｍ〜３μｍの厚みに設けられ、このような絶縁膜によってベースプレート２を形成する単結晶シリコンを発熱素子３等から電気的に絶縁している。
【００２２】
また前記ベースプレート２の上面に設けられている多数の発熱素子３は、例えば６００ｄｐｉ（ｄｏｔ　ｐｅｒ　ｉｎｃｈ）の密度で主走査方向に直線状に配列されており、その各々がＴａＮやＴａＳｉＯ，ＴａＳｉＮＯ，ＴｉＳｉＯ，ＴｉＳｉＣＯ，ＮｂＳｉＯ等の電気抵抗材料から成る抵抗薄膜により０．０１μｍ〜０．２μｍの厚みに形成されている。
【００２３】
前記発熱素子３は、それ自体が電気抵抗材料から成っているため、給電配線４等を介して電源電力が供給されると、ジュール発熱を起こし、インク９中で気泡Ａを発生させるのに必要な所定の熱エネルギーを発生する。
【００２４】
そして各発熱素子３には、その表面の中央域に、該表面より所定の深さ領域（発熱素子３の厚みの２％〜５０％の深さ）まで発熱素子３を酸化してなる酸化膜３ａが形成されている。
【００２５】
前記酸化膜３ａは、例えば発熱素子３がＴａＳｉＯにより形成されている場合、Ｔａ２Ｏ５を主成分とし、その内部に微量のＳｉを含んだ組成となっており、その形状は円形状や楕円形状、多角形状等、種々の形状に形成され、かかる酸化膜３ａの面積が対応する発熱素子３の表面積の２％〜２０％に設定されている。例えば、発熱素子３が２５μｍ×２５μｍの正方形状を成す場合、酸化膜３ａは５μｍ×５μｍの正方形状に形成される。
【００２６】
このような酸化膜３ａは、その電気抵抗値が発熱素子を構成する電気抵抗材料よりも大きいことから、発熱素子３の中央域の電気抵抗値が上昇し、発熱素子３の発熱時の温度分布を各発熱素子３の表面全域で略均一となる。
【００２７】
このため、発熱素子３を発熱させた際に、ヘッド基板１−天板７間のインク９中に発生した気泡Ａの形状は、気泡Ａの全域で略同じように外側に突出した形状となり、記録紙に向かって吐出されるインク９の吐出量を天板７に穿設されるインク吐出孔８内で略均一に揃えることができ、記録紙に形成される各ドットの輪郭が明確な鮮明な画像を記録することが可能となる。
【００２８】
しかもこの場合、各発熱素子３の電気抵抗値を中央域で上昇させるようにしたことから、気泡消滅時に発生する衝撃を気泡Ａの中央域で小さく抑えることができ、保護膜６の一部が短時間で削れてしまうといった不具合を有効に防止し、保護膜６を長期にわたって良好に機能させることが可能となる
更に前記発熱素子３には、給電配線４が電気的に接続されている。
【００２９】
前記給電配線４は、先に述べた発熱素子３に電源電力を印加するためのものであり、その一端は後述するインク９の充填領域外まで導出され、該導出部で図示しないドライバーＩＣ等の端子に接続される。
【００３０】
そして前記発熱素子３や給電配線４等を被覆する保護膜６は、インク９中に含まれているアルカリイオンや水分等が発熱素子３や給電配線４に接触してこれらを腐食したり、或いは、インク９中に含まれている染料の固まり等が発熱素子３の表面に付着するのを有効に防止するためのものであり、シリコン及び酸素を含む無機質材料、例えばＳｉＯ２やＳｉ−Ｏ−Ｎ，ガラス等によって０．２μｍ〜２．０μｍの厚みに形成される。
【００３１】
かかる保護膜６中の酸素は、酸化反応にて発熱素子３の抵抗値を上昇させる際に、発熱素子３を形成する抵抗材料と結合して発熱素子３の表面に薄い酸化膜を形成する作用を為すものであり、その含有量は２．０質量％〜１０．０質量％に設定されている。
【００３２】
尚、前記発熱素子３や給電配線４は、従来周知の薄膜形成技術、例えば、スパッタリング、フォトリソグラフィー、エッチング技術等によって形成される。具体的には、まずＴａＳｉＯ等の抵抗材料とアルミニウム等の金属材料を従来周知のスパッタリングによりベースプレート２の上面に順次被着させることによって抵抗薄膜及び金属薄膜から成る積層体を形成し、これを従来周知のフォトリソグラフィー及びエッチング技術にて微細加工することにより発熱素子３や給電配線４が所定形状にパターニングされ、また、前記パッド５は、従来周知の無電解メッキ法を採用することによりＮｉ及びＡｕを給電配線４の所定箇所に順次積層することによって形成される。
【００３３】
また、前記保護膜６は、従来周知のスパッタリングや真空蒸着法，プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等を採用し、発熱素子３や給電配線４等の表面に前述の無機質材料を所定厚みに被着させることによって形成される。
【００３４】
そして、前記酸化膜３ａは、保護膜６の形成後、従来周知のレーザ照射法、具体的には、ＹＡＧレーザを用いて発熱素子３の所定領域に２６６ｎｍ〜１１００ｎｍの波長を有したレーザを所定時間照射させることにより、該照射した部分の発熱素子３を高温に成し、これによって発熱素子３の一部を保護膜６中の酸素と反応させることにより円形状、楕円形状、多角形状等の種々の形状に形成される。このとき、保護膜中の酸素含有量が２．０質量％〜１０．０質量％に設定されていることから、抵抗値の上昇度合いが適度な大きさになり、より細かな抵抗値調整が可能になるという利点がある。
【００３５】
ここで、保護膜中の酸素含有量が２．０質量％よりも小さいと、保護膜中の酸素が不足気味になって抵抗値の上昇度合いが小さくなる傾向にあり、一方保護膜中の酸素含有量が１０．０質量％よりも大きいと、酸素が過剰気味になって抵抗値の上昇度合いが大きくなる傾向にある。従って、保護膜中の酸素含有量を２．０質量％〜１０．０質量％に設定しておくことが好ましい。なお、酸化膜３ａの厚みはレーザの照射時間によって調整され、酸化膜３ａの厚みを厚くする場合にはレーザの照射時間をそれに応じて長くすれば良い。
【００３６】
また一方、上述したヘッド基板１上には、間に所定の間隙（例えば、２０μｍ〜３００μｍ）を形成するようにして天板７が配設される。
【００３７】
前記天板７は、発熱素子３と１対１に対応する多数のインク吐出孔８を有し、その外形は副走査方向の寸法がヘッド基板１よりも小型となるように、具体的には、天板７の一端がパッド５の位置よりも発熱素子３側に位置するように配置されている。
【００３８】
かかる天板７は、インク吐出孔８が対応する発熱素子３の真上に位置するように配置されており、インクジェットヘッドの記録動作時、インク吐出孔８よりインク滴ｉを記録紙に向けて吐出するようになっている。
【００３９】
尚、前記天板７は、モリブデン等から成る金属製の板体、アルミナセラミックス等から成るセラミック製の板体、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の樹脂製の板体、或いは、上記の材料を組み合わせることによって形成され、例えばモリブデンから成る場合、モリブデンのインゴット（塊）を従来周知の金属加工法により板状に成形するとともに、該板体の所定箇所に従来周知のエッチング技術等を採用して孔あけを行い、直径１０μｍ〜１００μｍ程度のインク吐出孔８を多数、穿設することによって製作され、得られた天板７を図示しないスペーサを介してヘッド基板１上に載置・接着させることにより天板７がヘッド基板１上の所定位置に固定される。
【００４０】
そして前記ヘッド基板１と天板７との間隙に充填されるインク９としては、例えば水性染料インク等が好適に使用され、その粘度は、例えば０．３ｍＰａ・ｓ〜３．０ｍＰａ・ｓ（２５℃）に調整される。
【００４１】
このようなインク９は、図示しないインクタンクからヘッド基板１−天板７間の間隙に供給されるようになっており、前述した発熱素子３からの熱エネルギーによってインク９中に気泡Ａが発生すると、該気泡発生時の圧力によってインク９の一部がインク吐出孔８よりインク滴ｉとなって外部に吐出され、これらのインク滴ｉを天板７の外表面に沿って搬送される記録紙の表面に付着させることにより所定の画像が形成される。
【００４２】
そして、上述のようなインクジェットヘッドが組み込まれるインクジェットプリンタは、図４に示す如く、筐体内に、上述したインクジェットヘッドＩＪと、記録紙をインクジェットヘッドＩＪのインク吐出孔８上に搬送する搬送手段としての複数の搬送ローラ等が配設される。
【００４３】
前記複数の搬送ローラは、その外周部が金属やゴム等によって形成されており、インクジェットヘッドＩＪに対し感熱記録媒体の搬送方向上流側と下流側に分かれて配設され、これらの搬送ローラとで記録紙の走行を支持している。
【００４４】
そして、これと同時に多数の発熱素子３を選択的に発熱させるとともに、該発熱した熱によってインク９中に気泡を発生させ、気泡発生時の圧力でもって前記インク９の一部をインク吐出孔８より記録紙に向かって吐出させ、これを記録紙に付着させることにより、記録紙に対して所定の画像を記録する。
【００４５】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
【００４６】
例えば、上述の実施形態において、前記酸化膜３ａの厚みを発熱素子３の中心より外周に向かって漸次薄くなるように設定しておけば、発熱素子３の電気抵抗値が中央域より外周域に向かって滑らかに変動するようになり、発熱素子３の温度分布を極めて均一な状態となすことができ、上述の実施形態よりも更にドットが明確な画像を記録することが可能となる。
【００４７】
このような酸化膜３ａを形成するには、上述のレーザを複数箇所で照射時間を異ならせるように照射すればよく、具体的には、レーザの照射時間が発熱素子３の中心付近で長く、中心より離間するにつれて短くなるように照射すればよい。
【００４８】
また、上述の実施形態においては、インク吐出孔８を天板７に設け、インク吐出孔８を発熱素子３の真上に配置させるようにしたが、これに代えて、インク吐出孔８を発熱素子３に対してずらして配置させるようにしても良いし、或いは、インク滴ｉをヘッド基板１のエッジより吐出させるエッジシュータータイプのインクジェットヘッドに本発明を適用しても構わない。
【００４９】
更に、上述の実施形態において、前記発熱素子３ＴａＳｉＯ系抵抗材料により形成し、且つＴａ含有率を５０原子％〜６０原子％に設定しておけば、発熱素子３の電気抵抗値を従来周知のレーザ照射法にて調整する際、レーザを照射したときに発熱素子３の表面に適度な速度で酸化膜３ａを形成することができ、酸化膜３ａの厚み調整がしやすくなるという利点がある。
【００５０】
ここで、発熱素子３内のＴａ含有率が６０原子％よりも大きいと、レーザを照射したとき、酸化膜３ａの形成速度が大きくなって酸化膜３ａの厚み調整が困難になる傾向があり、一方、発熱素子３内のＴａ含有率が５０原子％よりも小さいと、レーザを照射したときの酸化膜３ａの形成速度が小さいため、酸化膜３ａの形成に長時間を要し、インクジェットヘッドの生産性を低下させるおそれがある。従って、発熱素子３を形成する抵抗材料中のＴａ含有率を５０原子％〜６０原子％に設定しておくことが好ましい。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、各発熱素子の中央域に、その表面より所定の深さ領域まで発熱素子を酸化してなる酸化膜を形成したことから、各発熱素子の電気抵抗値が中央域で上昇し、発熱素子の温度分布を各発熱素子の表面全域で略均一に成すことができる。従って、インク中に発生する気泡の形状が気泡の全域で略同じように外側に突出した形状となり、記録紙に向かって吐出されるインクの吐出量をインク吐出孔内で略均一に揃えることができ、記録紙に形成される各ドットの輪郭が明確な鮮明な画像を記録することが可能となる。
【００５２】
しかもこの場合、各発熱素子の電気抵抗値を中央域で上昇させることができるため、気泡消滅時に発生する衝撃を気泡の中央域で小さく抑えることができ、保護膜の一部が短時間で削れてしまうといった不具合を有効に防止し、保護膜を長期にわたって良好に機能させることが可能となる。
【００５３】
また本発明によれば、保護膜中の酸素含有量を２．０質量％〜１０．０質量％に設定することにより、抵抗値の上昇度合いが適度な大きさになり、より細かな抵抗値調整が可能になるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視図である。
【図２】図１のインクジェットヘッドの断面図である。
【図３】図１のインクジェットヘッドを構成するヘッド基板の要部拡大平面図である。
【図４】図１のインクジェットヘッドを用いて構成したインクジェットプリンタの概略図である。
【図５】従来のインクジェットヘッドの断面図である。
【図６】図５のインクジェットヘッドを構成するヘッド基板の要部拡大平面図である。
【符号の説明】
１・・・ヘッド基板
２・・・ベースプレート
３・・・発熱素子
３ａ・・・酸化膜
４・・・給電配線
５・・・パッド
６・・・保護膜
７・・・天板
８・・・インク吐出孔
９・・・インク
Ａ・・・気泡
ｉ・・・インク滴
【図１】
2004114637.tif 000003
【図２】
2004114637.tif 000004
【図３】
2004114637.tif 000005
【図４】
2004114637.tif 000006
【図５】
2004114637.tif 000007
【図６】
2004114637.tif 000008