JPH01238949A

JPH01238949A - 液体噴射記録ヘッド

Info

Publication number: JPH01238949A
Application number: JP6683988A
Authority: JP
Inventors: Takuro Sekiya; 卓朗関谷
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1988-03-18
Filing date: 1988-03-18
Publication date: 1989-09-25

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】韮皇公互本発明は、液体噴射記録ヘッド、より詳細にはバブルジ
ェット型インクジェット記録ヘッドにおける発熱部の保
護層に関する。

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（Ｔｅｌｅ　ｔｙｐｅ方式）であっ
て、記録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ｉｔｔ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ｉ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（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Ｕ　Ｓ　Ｐ３７４７１２０に開示
されている方式（Ｓｔｅｖ＋＋ｅ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５ｔｅＩＩＩＩＩｅ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。丙午ら、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　Ｐ３
７４７１２０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所謂バブルジェ
ットの液体噴射記録装置が記載されている。

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、ヘッド梼造
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、特公昭５９−３１９４２号公報には、記録液体を
収容することのできる液室の中に導入された記録液体に
対して、情報信号として熱的パルスを与え、前記液体が
状態変化を起こすことによって生じる作用力に従って、
前記液室に付設したオリフィスより、前記液体を小液滴
として吐出・飛翔せしめ、これを被記録部材に付着させ
て記録を行う液体噴射記録ヘッドにおいて、前記小滴吐
出の作用力の発生源として充填率が０．９以上の薄層を
少なくとも一層含んでなる保護層によりその外表が被覆
された電気・熱変換体を上記室の少なくとも一部に内設
し、もって、熱作用による記録液体の安定的吐出を長期
間保障することが提案されている。

しかし、上記特公昭５９−３１９４２号公報に開示され
た発明においては、インクジェット用インクに耐え得る
（とりわけ、ヒートサイクルが加わるバブルジェット用
インクに耐え得る）保護層は、使用できる材料が限定さ
れるにもかかわらず、前記特公昭５９−３１９４２号公
報には、〃充填率０．９以上〃と表現されているのみで
、非常に広範な、いいかえれば、実用上使用不可能な材
料までをも含むことになり、厳密さを欠いている。

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、バブルジェット型インクジェット記録ヘッドにお
いて、発熱部の耐久性を向上させ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、発熱抵抗体層
と、該発熱抵抗体層に電気的に接続した少なくとも一対
の電極と、前記発熱抵抗体層上に設けられて該発熱抵抗
体層を前記記録液体に接触せしめないための保護層とを
有し、該保護層はＳｉＯｘと記述される物質を含み、か
つ、１．９≦ｘ≦２．０を満足することを、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
。

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、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
体噴射記録ヘットに適用するものである。

最初に、第２図を参照しながらバブルジエソトによるイ
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３０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３ｏ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、ヒータ而にインクが
接しヒータ而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　ｍ　／　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。

本発明は、上述のごときバブルジェット型インクジェッ
ト記録ヘッドにおいて、バブルジェット用インクジェッ
トヘッドの発熱体をインク及びヒートサイクルから保護
し、そのライフタイムを向トさせるための保護層の材料
を、数多くの実験及び数多くのヘッドの試作を通じて厳
選、及び、その組成を限定し、真に実用化できる構成を
提案するものである。

第１図は、本発明の一実施例を説明するための要部（熱
エネルギー作用部）断面図で、図中、１０は基板、１１
は蓄熱層、１２は発熱抵抗体、１３は各発熱体に対応し
て設けられた独立電極、１４は各発熱体に対して共通し
て設けられた共通電極、１５は発熱抵抗体保護膜、１６
は電極保護膜である。

而して、本発明では、発熱抵抗体Ｍ１２をインクから保
護するための保護Ｎ１５の材料として、ケイ素化合物を
選定している。これは、この材料が、アルカリ性のイン
クに対する耐食性に優れ、又、３００℃はどの温度が加
わった状態であってもその性能が維持され、更に、絶縁
材料としても優れた性能を示すからである。

本発明は、更に、上記材料のうち特に上記条件を満足す
る上で優れている酸化物と、窒化物を選定している。こ
れらは、スパッタリング法、ＣＶＤ法等によって容易に
製作され得るが、安易な条件のもとで製作されたものは
、たとえケイ素化合物といえども保護膜に要求される厳
しい耐久性を満足できなく、インク中に溶出、発熱抵抗
体の破壊を引き起こすことがある。厳しい要求を満たす
ために材料に要求されることは、ケイ素（Ｓｉ）に何が
（どんな元素が）、どのくらい結合しているかを厳密に
規定してやることである。

本発明では、その材料として、Ｓ　ｉ　Ｏｘ、ここでＸ
が取りえる値は、１．９≦ｘ≦２．０であり、また、５
ｉ３Ｎｙ、ここでｙが取りえる値は３．８≦ｙ≦４．０
としてその材料に要求される条件を満足させようとする
ものである。尚、これらの膜を形成する際には、例えば
、Ｓｉに結合して欲しくはない元素が結合して、５ｉＯ
ｘＮｙＨｚとなったとしても、Ｘが上記の値を満足して
いれば、耐インク性の保護膜としての条件は満たされ、
使用できる。尚、保護層の膜圧は、通常は０．０１〜Ｉ
Ｏ，ｕｎ、好適には０．１〜５μｍ、最適には０．１〜
３μｍとされるのが望ましい。

発熱抵抗体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、クロム、バナジウム等の金属の硼化物があ
げられる。これらの発熱抵抗体層を構成する材料のうち
、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。

発熱抵抗体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。

発熱抵抗体層の膜厚は、単位時間当たりの発熱量が所望
どうりとなるように、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０．００１〜５μ
ｍ、好適には０．０１〜１μｍ、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、例え
ばＡｔ、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。

効　　　果以上の説明から明らかなように、本発明によると、発熱
抵抗体を気泡発生手段として用いるバブルジェット型イ
ンクジェット記録ヘッドにおいて、発熱抵抗体部の耐久
性を著しく向上させることができる。

【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１分解斜視図、第５図は、蓋基板
を裏側から見た図である。１０・・・基板、１１・・・蓄熱層、１２・・・発熱抵
抗体、１３．１４・・・電極、１５・・・発熱抵抗体保
護膜、１６・・−電極保護層。第１図第　２　図第　５　・ん

Claims

【特許請求の範囲】

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、発熱抵抗体層と、該発熱抵抗体層に電気的に接続
した少なくとも一対の電極と、前記発熱抵抗体層上に設
けられて該発熱抵抗体層を前記記録液体に接触せしめな
いための保護層とを有し、該保護層はＳｉＯ＿ｘと記述
される物質を含み、かつ、１．９≦ｘ≦２．０を満足す
ることを特徴とする液体噴射記録ヘッド。