JP2956843B2 - 液体噴射記録ヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、液体噴射記録ヘッド、より詳細には、バブ
ルジェット型液体噴射記録ヘッドに関する。

従来技術 ノンインパクト記録法は、記録時における騒音の発生
が無視し得る程度に極めて小さいという点において、最
近関心を集めている。その中で、高速記録が可能であ
り、而も所謂普通紙に特別の定着処理を必要とせずに記
録の行える所謂インクジェット記録法は極めて有力な記
録法であって、これまでにも様々な方式が提案され、改
良が加えらて商品化されたものもあれば、現在もなお実
用化への努力が続けられているものもある。

この様なインクジェット記録法は、所謂インクと称さ
れる記録液体の小滴（droplet）を飛翔させ、記録部材
に付着させて記録を行うものであって、この記録液体の
小滴の発生法及び発生された記録液小滴の飛翔方向を制
御する為の制御方法によって幾つかの方式に大別され
る。

先ず第１の方式は例えばUSP3060429に開示されている
もの（Tele type方式）であって、記録液体の小滴の発
生を静電吸引的に行い、発生した記録液体小滴を記録信
号に応じて電界制御し、記録部材上に記録液体小滴を選
択的に付着させて記録を行うものである。

これに就いて、更に詳述すれば、ノズルと加速電極間
に電界を掛けて、一様に帯電した記録液体の小滴をノズ
ルより吐出させ、該吐出した記録液体の小滴を記録信号
に応じて電気制御可能な様に構成されたxy偏向電極間を
飛翔させ、電界の強度変化によって選択的に小滴を記録
部材上に付着させて記録を行うものである。

第２の方式は、例えばUSP3596275、USP3298030等に開
示されている方式（Sweet方式）であって、連続振動発
生法によって帯電量の制御された記録液体の小滴を発生
させ、この発生された帯電量の制御された小滴を、一様
の電界が掛けられている偏向電極間を飛翔させること
で、記録部材上に記録を行うものである。

具体的には、ピエゾ振動素子の付設されている記録ヘ
ッドを構成する一部であるノズルのオリフィス（吐出
口）の前に記録信号が印加されている様に構成した帯電
電極を所定距離だけ離して配置し、前記ピエゾ振動素子
に一定周波数の電気信号を印加することでピエゾ振動素
子を機械的に振動させ、前記吐出口より記録液体の小滴
を吐出させる。この時前記帯電電極によって吐出する記
録液体小滴には電荷が静電誘導され、小滴は記録信号に
応じた電荷量で帯電される。帯電量の制御された記録液
体の小滴は、一定の電界が一様に掛けられている偏向電
極間を飛翔する時、付加された帯電量に応じて偏向を受
け、記録信号を担う小滴のみが記録部材上に付着し得る
様にされている。

第３の方式は例えばUSP3416153に開示されている方式
（Hertz方式）であって、ノズルとリング状の帯電電極
間に電界を掛け、連続振動発生法によって、記録液体の
小滴を発生霧化させて記録する方式である。即ちこの方
式ではノズルと帯電電極間に掛ける電界強度を記録信号
に応じて変調することによって小滴の霧化状態を制御
し、記録画像の階調性を出して記録する。

第４の方式は、例えばUSP3747120に開示されている方
式（Stemme方式）で、この方式は前記３つの方式とは根
本的に原理が異なるものである。

即ち、前記３つの方式は、何れもノズルより吐出され
た記録液体の小滴を、飛翔している途中で電気的に制御
し、記録信号を担った小滴を選択的に記録部材上に付着
させて記録を行うのに対して、このStemme方式は、記録
信号に応じて吐出口より記録液体の小滴を吐出飛翔させ
て記録するものである。

つまり、Stemme方式は、記録液体を吐出する吐出口を
有する記録ヘッドに付設されているピエゾ振動素子に、
電気的な記録信号を印加し、この電気的記録信号をピエ
ゾ振動素子の機械的振動に変え、該機械的振動に従って
前記吐出口より記録液体の小滴を吐出飛翔させて記録部
材に付着させることで記録を行うものである。

これ等、従来の４つの方式は各々に特長を有するもの
であるが、又、他方において解決され得る可き点が存在
する。

即ち、前記第１から第３の方式は記録液体の小滴の発
生の直接的エネルギーが電気的エネルギーであり、又、
小滴の偏向制御も電界制御である。その為、第１の方式
は、構成上はシンプルであるが、小滴の発生に高電圧を
要し、又、記録ヘッドのマルチノズル化が困難であるの
で高速記録には不向きである。

第２の方式は、記録ヘッドのマルチノズル化が可能で
高速記録に向くが、構成上複雑であり、又記録液体小滴
の電気的制御が高度で困難であること、記録部材上にサ
テライトドットが生じ易いこと等の問題点がある。

第３の方式は、記録液体小滴を霧化することによって
階調性に優れた画像が記録され得る特長を有するが、他
方霧化状態の制御が困難であること、記録画像にカブリ
が生ずること及び記録ヘッドのマルチノズル化が困難
で、高速記録には不向きであること等の諸問題点が存す
る。

第４の方式は、第１乃至第３の方式に比べ利点を比較
的多く有する。即ち、構成上シンプルであること、オン
デマンド（on−demand）で記録液体をノズルの吐出口よ
り吐出して記録を行う為に、第１乃至第３の方式の様に
吐出飛翔する小滴の中、画像の記録に要さなかった小滴
を回収することが不要であること及び第１乃至第２の方
式の様に、導電性の記録液体を使用する必要性がなく記
録液体の物質上の自由度が大であること等の大きな利点
を有する。而乍ら、一方において、記録ヘッドの加工上
に問題があること、所望の共振数を有するピエゾ振動素
子の小型化が極めて困難であること等の理由から記録ヘ
ッドのマルチノイズ化が難しく、又、ピエゾ振動素子の
機械的振動という機械的エネルギーによって記録液体小
滴の吐出飛翔を行うので高速記録には向かないこと、等
の欠点を有する。

更には、特開昭48−9622号公報（前記USP3747120に対
応）には、変形例として、前記のピエゾ振動素子等の手
段による機械的振動エネルギーを利用する代わりに熱エ
ネルギーを利用することが記載されている。

即ち、上記公報には、圧力上昇を生じさせる蒸気を発
生する為に液体を直接加熱する加熱コイルをピエゾ振動
素子の代りの圧力上昇手段として使用することが記載さ
れている。

しかし、上記公報には、圧力上昇手段としての加熱コ
イルに通電して液体インクが出入りし得る口が一つしか
ない袋状のインク室（液室）内の液室インクを直接加熱
して蒸気化することが記載されているに過ぎず、連続繰
返し液吐出を行う場合に、どの様に加熱すれば良いか
は、何等示唆されるところがない。加えて、加熱コイル
が設けられている位置は、液体インクの供給路から遥か
に遠い袋状液室の最深部に設けられているので、ヘッド
構造上複雑であるに加えて、高速での連続繰返し使用に
は、不向きとなっている。

しかも、上記公報に記載の技術内容からでは、実用上
重要である発生する熱で液吐出を行った後に次の液吐出
の準備状態を速やかに形成することは出来ない。

このように従来法には、構成上、高速記録化上、記録
ヘッドのマルチノズル化上、サテライトドットの発生お
よび記録画像のカブリ発生等の点において一長一短があ
って、その長所を利する用途にしか適用し得ないという
制約が存在していた。

また、特開昭55−57476号公報には、発熱体表面と記
録媒体の間の距離が100μｍ以下となるようにした液体
噴射記録ヘッドが提案されている。

第６図は、上記特開昭55−57476号公報に開示された
液体噴射記録装置を説明するための図で、記録媒体供給
部１よりポンプ２により圧力が調整され、バルブ３によ
り流量が調整された記録媒体４が液室５内に供給され、
該液室５の一部を構成する熱伝導率の大きい放熱基板
５′上に前記録媒体と接するか又は近接して設けられた
熱体６に記録入力に応じて電圧パルス供給手段11から電
圧パルスが供給されることにより加熱されて状態変化を
おこす。その状態変化は、供給電圧パルスに対応するパ
ルス状の液体膨張又は気泡発生の態様でおこり、図中、
これを気泡７として示している。この状態変化によって
オリフィス８より記録媒体４の液滴９が吐出飛翔し、紙
10上に付着して記録情報に対応した画像が記録される。
前記発熱体６の表面は液室（発熱体６の発生する熱エネ
ルギーが記録媒体に作用する部分を少なくとも含む）５
の内壁面に略々一致させるか記録媒体４に対して100μ
ｍ以下の距離隔てられており、これにより長時間連続記
録を行う場合でも、発生する液滴の径は常時実質的に均
一であり、又、発熱体の駆動周波数の高い領域において
も滴発生周波数が充分追従し得、従って、長時間連続的
に高速記録を安定した状態で行えると共に得られる記録
は原情報に忠実なものとして再現し得るというものであ
る。

第７図は、第６図の発熱体部分を紙面に垂直に切った
断面図で、熱伝導率の大きい基板12上に熱伝導率の小さ
な耐熱性膜13を0.5〜50μｍ程度、好ましくは１〜10μ
ｍ程度コートし、次に発熱体６及び通電のための電極14
₁,14₂をつくり、発熱体６および電極14₁,14₂上の保護膜
15を設け、この厚さを100μｍ以下としている。

上述のように、上記特開昭55−57476号公報に開示さ
れた発明は、発熱体より発生した熱が効率よく記録媒体
に伝達するように、保護膜の厚さを100μｍ以下とした
ものがあるが、100μｍ以下という範囲はあまりにも広
すぎ実用的とはいえない。又、熱を効率よく記録媒体
（インク）に伝達するためには、単に保護膜の厚さだけ
で議論できる話ではなく、発熱体の下の層（蓄熱層）と
の関係をあわせて検討すべきである。

目的 本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもの
で、特に、バブルジェット型液体噴射記録ヘッドの気泡
を効率よく発生させ、安定した液滴吐出を行なうことの
できるヘッドを提供することを目的としてなされたもの
である。

構成 本発明は、上記目的を達成するために、液室内の記録
液に熱エネルギーを作用させるための熱エネルギー発生
手段を有し、該熱エネルギーの作用により前記記録液中
の熱エネルギー作用部に気泡を生じせしめ、該気泡の体
積増加にともなう作用力で吐出オリフィスより前記記録
液を液滴として飛翔させ、被記録面に付着させて記録を
行なう液体噴射記録ヘッドにおいて、前記熱エネルギー
作用部が、基板上に少なくともシリコン酸化物よりなる
蓄熱層、金属硼化物よりなる厚さ0.01μｍ〜１μｍに形
成した発熱層、前記蓄熱層の密度と異なる密度のシリコ
ン酸化物よりなる保護層の３層がこの順序に配設され
た、前記蓄熱層は前記保護層より密度が小さくかつ厚さ
が厚いことを特徴としたものである。以下、本発明の実
施例に基いて説明する。

第１図は、本発明の一実施例を説明するための要部構
成図、第２は、本発明が適用されるインクジェットヘッ
ドの一例としてのバブルジェットヘッドの動作説明をす
るための図、第３図は、バブルジェットヘッドの一例を
示す斜視図、第４図は、第３図に示したヘッドを構成す
る蓋基板（第４図（ａ））と発熱体基板（第４図
（ｂ））に分解した時の斜視図、第５図は、第４図
（ａ）に示した蓋基板を裏から見た斜視図で、図中、21
は蓋基板、22は発熱体基板、23は記録液体流入口、24は
オリフィス、25は流路、26は液室を形成するための領
域、27は個別（独立）電極、28は共通電極、29は発熱体
（ヒータ）、30はインク、31は気泡、32は飛翔インク滴
で、本発明は、斯様なバブルジェット式の液体噴射記録
ヘッドに適用可能なものである。

最初に、第２図を参照しながらバブルジェットによる
インク噴射について説明すると、 （ａ）は定常状態であり、オリフィス面でインク10の表
面張力と外圧とが平衡状態にある。

（ｂ）はヒータ29が加熱されて、ヒータ29の表面温度
が急上昇し隣接インク層に沸騰現像が起きるまで加熱さ
れ、微小気泡31が点在している状態にある。

（ｃ）はヒータ29の全面で急激に加熱された隣接イン
ク層が瞬時に気化し、沸騰膜を作り、この気泡31が生長
した状態である。この時、ノズル内の圧力は、気泡の生
長した分だけ上昇し、オリフィス面での外圧とのバラン
スがくずれ、オリフィスよりインク柱が生長し始める。

（ｄ）は気泡が最大に生長した状態であり、オリフィ
ス面より気泡の体積に相当する分面より気泡の気泡の体
積に相当せれ分のインク30が押し出される。この時、ヒ
ータ29には電流が流れていない状態にあり、ヒータ29の
表面温度は降下しつつある。気泡31の体積の最大値は電
気パルス印加のタイミングからややおくれる。

（ｅ）は機泡31がインクなどにより冷却されて収縮を
開始し始めた状態を示す。インク柱の先端部では押し出
された速度を保ちつつ前進し、後端部では気泡の収縮に
伴ってノズル内圧の減少によりオリフィス面からノズル
内へインクが逆流してインク柱にくびれが生じている。

（ｆ）はさらに気泡31が収縮し、ヒータ面にインクが
接しヒータ面がさらに急激に冷却される状態にある。オ
リフィス面では、外圧がノズル内圧より高い状態になる
ためメニスカスが大きくノズル内に入り込んで来てい
る。インク柱の先端部は液滴になり記録紙の方向へ５〜
10m/secの速度で飛翔している。

（ｇ）はオリフィスにインクが毛細管現象により再び
供給（リフィル）されて（ａ）の状態にもどる過程で、
気泡は完全に消滅している。

而して、本発明は、発熱部の熱伝導について深く研
究、実験し、蓄熱、放熱の問題に関して最適の条件を見
い出し、効率の良い気泡発生を得たもので、図示のよう
に、基板22上には、蓄熱層33、発熱層29、電極27,28、
保護層34が形成されている。

バブルジェット技術においては、記録情報に応じて発
熱層にパルス状エネルギーが加えられ、それによって発
熱層が発熱し、そこに気泡を発生させる。ここで重要な
ことは、発生した熱が効率よく記録液（インク）に伝達
し、効率よく（低エネルギーで）気泡を発生させること
である。そのためには、熱エネルギー発生部の構成は、
パルス状熱エネルギーが基板の方へあまりいかないで、
保護層の方向（つまりインク側）へ伝達しやすいように
することが必要である（第１図の矢印Ｘ方向へ熱エネル
ギーが伝達しやすいようにすることがポイント）。

一方、材料からみると、保護層に要求される条件とし
て、耐インク性（ふつうはアルカリ性インクに対する耐
腐食性）があげられ、これを満たす材料としては、酸化
シリコン膜が好適である。蓄熱層に要求される条件とし
ては、熱が逃げないことが必要である。これを満たす材
料としても酸化シリコン膜はアルミナあるいは金属等に
くらべて熱伝導率が低く、好適である。

本発明では、蓄熱層及び保護層を実質上ほぼ同一の同
じ材料によって形成している。同一材料にすることによ
るメリットは、コストダウンが図れるということである
（たとえば、蓄熱層、保護層ともにスパッタ等の方法で
基板上に形成することを考えてみると、同一ターゲッ
ト、同一チャンバーが利用でき、その製造上のコストダ
ウンははかりしれない）。次に、本発明では、蓄熱層の
厚さをta、保護層の厚さをtbとした時、ta＞tbとしてい
る。熱伝達を考える場合、熱容量が重要であるが、本発
明では、蓄熱層、保護層ともに、同じ材料を用いるた
め、熱容量は、厚さに大きく依存するわけである。

蓄熱層、発熱層の材料としては、前述のように、スパ
ッタ等の方法による膜が望ましいが、別の例として、蓄
熱層としては酸化シリコンとほぼ同一の組成をとるガラ
スを用いてもよい。これは、ガラス基板そのものを蓄熱
層として使用してもよい（基板がなくて、蓄熱層を厚く
し、基板の役割を兼ねる）し、アルミナ等のセラミック
基板上にはりあわされたガラスであってもよい（アルミ
ナ上にガラスをはりあわせた、あるいは、何らかの方法
でガラスを形成した基板上に、発熱層、保護層を形成す
る）。

その他の材料については、たとえば、基板としては、
熱伝導率の良い亜鉛、アルミニウム、アンチモン、イリ
ジウム、インジウム、黄銅、カドミウム、銅、スズ、タ
ングステン、鉄、銅、ニッケル、ベリリウム、砲金等の
金属材料、あるいは、アルミナ、炭化ケイ素等のセラミ
ック材料、あるいはシリコン、ゲルマニウム等の半導体
材料等が用いられる。又、発熱層を構成する材料として
有用なものには、たとえば、窒化タンタル、ニクロム、
銀−パラジウム合金、シリコン半導体、あるいはハフニ
ウム、ランタン、ジルコニウム、チタン、タンタル、タ
ングステン、モリブデン、ニオブ、バナジウム等の金属
の硼化物があげられる。

これらの発熱層を構成する材料の中、殊に金属硼化物
が優れたものとしてあげることができ、その中でも最も
特性の優れているのが、硼化ハフニウムであり、次いで
硼化ジルコニウム、硼化ランタン、硼化タンタル、硼化
バナジウム、硼化ニオブの順となっている。

発熱層は、上記の材料を用いて電子ビーム蒸着やスパ
ッタリング等の手法を用いて形成することができる。発
熱層の膜厚は、単位時間当りの発熱量が所望通りとなる
ように、その面積、材質及び熱作用部分の形状及び大き
さ、更には実際面での消費電力等に従って決定されるも
のであるが、通常の場合、0.001〜５μｍ、好適には0.0
1〜１μｍとされる。

電極を構成する材料としては、通常使用されている電
極材料の多くのものが有効に使用され、具体的には、た
とえばAl,Ag,Au,Pt,Cu等があげられ、これらを使用して
蒸着等の手法で所定位置に所定の大きさ、形状、厚さで
設けられる。

なお、基板上の蓄熱層、発熱層、保護層という構成
は、必要最小限の構成であり、たとえば、蓄熱層、保護
層が多層構造をとってもよい。

本発明では、さらにほぼ同一の材料よりなる蓄熱層及
び保護層は、その密度が異なっている。たとえば、蓄熱
層は保護層よりも厚いため、その層の形成には時間がか
かる。一方、蓄熱層は保護層とちがって、インクに直接
ふれるわけではないので、耐インク性の面からみて保護
層ほどじょうぶな膜でなくてもよい。上記のことを考え
ると、蓄熱層は、膜質が保護層ほどち密でなくてもよ
く、しかも、膜厚が厚いので速く形成されることが製造
コスト面から望まれる。このような理由から本発明で
は、蓄熱層と保護層は、ほぼ同一の材料、たとえばスパ
ッタによる酸化シリコンで形成されるが、その密度は異
なっている（この場合蓄熱層の密度が小で、保護層の密
度が大であるが、蓄熱層を別の方法、たとえばガラスで
形成した場合、その大小関係はかならずしもこのとおり
でなくてもよい）。

効果 以上の説明から明らかなように、本発明によると、気
泡発生が効率よく行なわれ、低エネルギーで、インク滴
の安定吐出が行なわれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を説明するための要部構成
図、第２図は、本発明が適用されるインクジェットヘッ
ドの一例としてのバブルジェットヘッドの動作説明をす
るための図、第３図は、バブルジェットヘッドの一例を
示す斜視図、第４図は、分解斜視図、第５図は、蓋基板
を裏側から見た図、第６図及び第７図は、従来技術の一
例を説明するための図である。 21……蓋基板、22……発熱体基板、23……記録液体流入
口、24……オリフィス、25……流路、26……液室を形成
するための領域、27……個別（独立）電極、28……共通
電極、29……発熱体（ヒータ）、33……蓄熱層、34……
保護層。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液室内の記録液に熱エネルギーを作用させ
   るための熱エネルギー発生手段を有し、該熱エネルギー
   の作用により前記記録液中の熱エネルギー作用部に気泡
   を生じせしめ、該気泡の体積増加にともなう作用力で吐
   出オリフィスより前記記録液を液滴として飛翔させ、被
   記録面に付着させて記録を行なう液体噴射記録ヘッドに
   おいて、前記熱エネルギー作用部が、基板上に少なくと
   もシリコン酸化物よりなる蓄熱層、金属硼化物よりなる
   厚さ0.01μｍ〜１μｍに形成した発熱層、前記蓄熱層の
   密度と異なる密度のシリコン酸化物よりなる保護層の３
   層がこの順序に配設され、前記蓄熱層は前記保護層より
   密度が小さくかつ厚さが厚いことを特徴とする液体噴射
   記録ヘッド。