JPH01210352A - 液体噴射記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
ジェット型の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
加えられ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Ｕ　Ｓ　Ｐ　３０６０４２９に
開示されているもの（Ｔａｌｅ　ｔｙｐｅ方式）であっ
て、記緑液体の小滴の発生を静電吸収的に行い、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、−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Ｕ　Ｓ　Ｐ　３５９６２７５、Ｕ
ＳＰ　３２９８０３０等に開示されている方式（Ｓｗｅ
ｅｔ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、−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Ｕ　Ｓ’Ｐ３４１６１５３に開示さ
れている方式（Ｈｅ　ｒ　ｔ’ｚ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Ｕ　Ｓ　Ｐ　３７４７１２０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
ライトドツ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。面乍ら、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ズル化が難しく、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ＵＳ　Ｐ　
３７４７１２０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）内の液体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は、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、＝７− 記録ヘッドのマルチノズル化上、サテライトドツトの発
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５９−２０１８６８号公報には、保護層を
３層以上とし、直接重なり合った２層を構成する材料が
１つ以上の共通する構成元素をもつことにより、保護層
の耐久性を向上させるようにした液体噴射記録ヘッドが
開示されている。

第６図は、上記特開昭５９−２０１８６８号公報に開示
された記録ヘッドの一例を説明するための図で、基板１
はシリコン、ガラス、セラミックス等で形成される支持
体１１ａと、該支持体１１ａ上にＳ　ｉ　Ｏ，等よりな
る下部層１１ｂとを具備している。

下部層１１ｂは、主に熱発生部１５より発生する熱の支
持体１１ａ側への流れを制御する層として設けられるも
ので、熱作用面１４に於いて液体に熱エネルギーを作用
させる場合には、熱発生部１５より発生する熱が熱作用
面１４側により多く流れるようにし、電気熱変換体１２
への通電が○ＦＦされた際には、熱発生部１５に残存し
ている熱が、支持体１１ａ側に速やかに流れるように構
成材料の選択と、その層厚の設計が成される。

下部層１１ｂを構成する材料としては、先に挙げたＳｉ
Ｏ２の他に酸化ジルコニウム、酸化タン゛タル、酸化マ
グネシウム、酸化アルミニウム等の金属酸化物に代表さ
れる無機質材料が挙げられる。

基板への上部には、発熱抵抗層１２ａが積層され、更に
その上部に電極層１２ｂが積層される。

これ等発熱抵抗層１２ａ及び電極層１２ｂは、フォトエ
ツチング法等により所望する形状を残して基板１上から
選択的に除去される。熱発生部１５に於いては、第６図
に示す様に、電極層１２ｂは、その端部が所定の距離を
持って対向するように発熱抵抗層１２ａ上より除去され
てパターニングされる。この電極層１２ｂの除去された
発熱抵抗層１２ａの部分が電極層１２ｂに通電すること
によって熱を発生する領域（熱発生部１５）となる。

発熱抵抗層１１ｂを構成する材料は、通電されることに
よって、所望通りの熱が発生するものであれば大概のも
のが採用され得る。

電極層１２ｂ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
体的には例えば、Ａ　Ｑ　＋　Ａ　ｇ　＋　Ａ　ｕ　ｇ
　Ｐ　ｔ　ＨＣｕ等の金属が挙げられる。

発熱抵抗層１２ａ及び電極１２ｂが形成された基板１の
表面上には更に、上部層として保護層１３が積層される
。この保護層１３は、第６図に示した保護層では、第１
層１３ａ、第２層１３ｂ及び第３層１３ｃからなる３層
構造とされている。

保護層１３は、熱発生部１５上に設けられる保護層とし
て求められる特性を有し、かつ基板との接着性及び保護
層１３を形成する各層間の接着性に充分優れているよう
に各層の材料が選択され構成される。

保護層１３の最下部層として積層される第１層１３ａは
、主に発熱抵抗層１２ａ上に一対に対置して設けられた
電極１２ｂ間の絶縁性を保つために設けられる。この第
１層を構成する材料とじては、絶縁性に優れかつ比較的
熱伝導性及び耐熱性にも優れ、また基板１との接着性の
ある例えば、Ｓｉｏ２等の無機酸化物やＳｉ３Ｎ４等の
無機窒化物等の無機質絶縁材料が挙げられる。

保護層１３の最上部層として積層される第３層１３ｃは
、熱発生部１５に対応してその上部に設けられる液流路
の液体と直接接触する部位にあり、熱作用面１４を形成
しており、その主な役割は、主に保護層１３に液浸透防
止性、耐液性及び機械的強度の補強を付与することにあ
る。

この第３層１３ｃを構成する材料は、粘りがあって比較
的機械的強度に優れ、熱伝導性、耐液性及び液浸透防止
性にも優れた材料である。

この様な材料で構成された第３層１３ｃを保護層１３の
表面に設けることによって熱作用面１４に於いて、液体
吐出の際に生ずるキャビテーション作用からのショック
を充分吸収することができ、熱発生部の寿命を格段に延
ばす効果がある。

更に、保護層１３の第１層１３ａと第３層１３Ｃの間に
は、液体噴射記録ヘッドの特徴でもある第２層１３ｂが
設けられている。従来の液体噴射記録ヘッドに於いては
、熱発生部上に設けられた保護層は、基本的には、第１
層１３ａと第３層１３ｃとに相当する２層によって構成
されていた。

この様な保護層に於いては、積層された各型なり合う眉
間の接着力が必ずしも充分でなく、記録ヘッドの製造工
程及び実際の使用期間にわたって、各層間での剥離や浮
き止りなどが生じ、このことによって液体噴射記録ヘッ
ドの信頼性、耐久性が損なわれていた。

この様な欠点を取り除く為に設けられる本発明の保護層
１３を形成する第２層１３ｂの主な役割りは、第１層１
３ａと第３層１３ｃとの接着性を強固にすることにある
。

第２層１３ｂを構成する材料としては、第１層１３ａと
第３層１３ｃとの接着性を高めかつ熱発生部上に設ける
ことによって要求される保護層の特性を損なわない材料
の多くが利用できるが、最適なものとして、第１層１３
ａを構成する材料の構成元素と少なくとも一つの共通す
る第１の元素を含有し、かつ第３層１３ｃを構成する材
料の構成元素と少なくとも一つの共通する第２の元素を
含有する材料が挙げられる。前記第１の元素及び第２の
元素は、必ずしも異なっている必要はなく、同一のもの
であっても良い。

この様な第２層１３ｂを構成する材料の好適な例として
、第１層１３ａが酸化物であり第３層１３ｃが金属であ
る場合には、第２層１３ｂを構成する材料は、第３層１
３ｃを構成する金属の酸化物、また第１層１３ａが窒化
物又は炭化物であり、第３層１３ｃが金属である場合に
は、その金属の窒化物又は炭化物とする組み合わせが挙
げられる。更に、第２層１３ｂを構成する材料の第１層
１３ａと第３層１３ｃとの組み合わせに於ける好適な具
体例として、第１層１３ａに酸化シリコン、第３層１３
ｃにタンタルをその層の構成材料に使用し第２層１３ｂ
に酸化タンタルを使用する。

以上の様な第２層１３ｂを設けることにより、保護層１
３全体の接着性は、大幅に高められる。

しかし、上記特開昭５９−２０１８６８号公報に記載さ
れた発明は、保護層の耐久性は向上できるが、その他の
層（発熱層、蓄積層等）の耐久性に関しては言及されて
おらず、保護層の耐久性は維持できるものの、他の部分
で不具合（液浸透、機械的強度不足等）が生ずる欠点が
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熱エネル
ギー作用部の機械的強度の向上、液浸透防止を図り、高
耐久性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、導入される記録
液体を収容するとともに、該記録液体に熱によって気泡
を発生させ、該気泡の体積増加にともなう作用力を発生
させる熱エネルギー作用部を付設した流路と、該流路に
連絡して前記記録液体を前記作用力によって液滴として
吐出させるためのオリフィスと、前記流路に連絡して、
該流路に前記記録液体を導入するための液室と、該液室
に前記記録液体を導入する手段よりなる液体噴射記録ヘ
ッドにおいて、前記熱エネルギー作用部は少なくとも、
基板−蓄熱層一発熱体一保護膜のような層構造に構成さ
れ、それらの層が直接重なり合った２層を構成するそれ
ぞれの材料が１つ以上の共通する構成元素を含有してい
ることを特徴としたものである。以下、本発明の実施例
に基づいて説明する。

本発明は、前記従来技術（特開昭５９−２０１８６８号
公報）の欠点に鑑みてなされたもので、特に、保護層（
膜）のみならず、熱エネルギー作用郡全体の機械的強度
の向上、液浸透防止を図り、高耐久性ヘッドの構造を提
供するものである。

第１図は、本発明の一実施例を説明するための要部、す
なわちバブルジェット型液体噴射記録ヘッドの熱エネル
ギー作用部を示す断面図、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−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側から見た斜視図
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も適用可
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）は気泡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５〜１
０　ｒｎ／　ｓｅｅ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、本発明においては、第１図に示すように、基板
２．２上に蓄熱層３３が設けられ、その上に、発熱体２
９、電極２７．２８、保護膜が設けられているが電極は
、本発明とは直接関係はない。

本発明は、第１図に示すように、熱エネルギー作用部が
、基板−蓄熱層一発熱体一保護膜という層構造をなすも
のであり、それらの層が直接重なり合った２層を構成す
るそれぞれの材料が１つ以上の共通する構成元素を含有
してなるものである。

以下、実施例に従って説明する。

基板２２としては、通常、熱伝導性のよいアルミナ（Ａ
’１２２０３）が用いられる。蓄熱層３３としては、Ｓ
ｉｎ、膜あるいは、ガラスが用いられる。

ガラスを用いる場合は、アルミナ上にガラスが何らかの
方法で付設された基板を（蓄熱層一体型基板として）用
いる。発熱体２９は、たとえば、ＴａとＳｉＯ２をある
一定の比率で混合したものをターゲットとして、スパッ
タリングによって形成される。形成された発熱体２９は
、ターゲットと同じように、ＴａとＳ　ｉ　Ｏ２が一定
の比率になっている。ここで、その比率を変えることに
より、発熱体２９の抵抗値を変えることができ、所望と
する最適の抵抗のものを得ることが容易にできる。

保護膜３４としてはスパッタリング等で形成されるＳｉ
Ｏ２膜が用いられる。

以上の実施例の場合、直接重なり合った２層を構成する
材料の共通する構成元素は、以下の通りである。

基　板−蓄熱層・・・○ 蓄熱層−発熱体・・・Ｓｉ、０ 発熱体−保護膜・・・Ｓｉ、０ 前記の構成は、−例であって、たとえば、保護層３４と
して、Ｔａを用いたりあるいはＴａ、Ｏ。

を用いてもよい。その場合の共通する構成元素はＴａで
あり、又、Ｏである。又、保護膜３４を２層構造にして
、たとえば、第１の保護膜Ｓ　ｉ　Ｏ２上に第２の保護
膜ＳｉＣを設けてもよい。その場合、共通元素は、Ｓｉ
である。さらに、保護膜３４として第１の保護膜をＳｉ
３Ｎ４、第２の保護膜をＳｉＣとすることも可能である
。その場合、発熱体と第１の保護膜の共通元素はＳｉで
あり、第１の保護膜と第２の保護膜の共通元素もＳｉで
ある。基板２２の他の例として、ＳｉＣをあげることが
できる。この場合、基板２２と蓄熱層３３の共通元素は
Ｓｉである。以上述べてきたように、本発明のバリエー
ションはいろいろあるが、重要な点は直接重なり合う２
層が共通元素を含有していることである。

効　　　果 以上の説明から明らかなように、本発明によると、重な
り合った２層が共通元素を含有していることにより、元
素どうしの結びつきが強く、層の密着性が大変良い。従
って、熱エネルギー作用部＝２０− の機械的強度が向上し、液浸透防止を図ることができ、
耐久性の高い液体噴射記録ヘッドとなる。

【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図は、従来のバブルジェット記
録ヘッドの一例を説明するための図である。 ２１．２２・・・基板、２７．２８・・・電極、２９・
・・発熱体、３０・・・記録液、３１・・・気泡、３２
・・・噴射滴。 ３３・・・蓄熱層、３４・・・保護層。 特許出願人　　　株式会社　リコー

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、導入される記録液体を収容するとともに、該記録液
   体に熱によって気泡を発生させ、該気泡の体積増加にと
   もなう作用力を発生させる熱エネルギー作用部を付設し
   た流路と、該流路に連絡して前記記録液体を前記作用力
   によって液滴として吐出させるためのオリフィスと、前
   記流路に連絡して、該流路に前記記録液体を導入するた
   めの液室と、該液室に前記記録液体を導入する手段より
   なる液体噴射記録ヘッドにおいて、前記熱エネルギー作
   用部は少なくとも基板−蓄熱層−発熱体−保護膜のよう
   な層構造に構成され、それらの層が直接重なり合った２
   層を構成するそれぞれの材料が１つ以上の共通する構成
   元素を含有していることを特徴とする液体噴射記録ヘッ
   ド。