JPH02223451A - 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】 鼓生分互 本発明は、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、例えば米国特許第３０６０４２９号
明細書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、−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」二に付着させて記録を行うものである。

第２の方式は、例えば米国特許第３５９６２７５号明細
書、米国特許第３２９８０３０号明細書等に開示されて
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、−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子に付着し得る様に
さ、れている。

第３の方式は、例えば米国特許第３４１６１５３号明細
書に開示されている方式（Ｉｌｅｒｔｚ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、例えば米国特許第３７４７１２０号明細
書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」二複雑であり、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」−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５〜 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十の
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、記録ヘッドの加ニーにに問題があるこ
と、所望の共振数を有するピエゾ振動素子の／ＪＸ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（前記米国特許第
３７４７１２０号明細書に対応）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」―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＝８− しか適用し得ないという制約が存在していた。

更に、特開昭６１−２４９７６６号公報には、ヘッドの
製造方法とその欠点として、以下のことを述べている。

すなわち、インフジエラ１〜記録ヘッドを製造する方法
としては、例えば、ガラス、金属等の平板に切削やエツ
チング等によって、微細な溝を形成し、更にこの溝を形
成した平板に他の適当な板を接合してインク通路を形成
する工程を含む方法、あるいは例えば吐出エネルギー発
生素子の配置された基板上に硬化した感光性樹脂の溝壁
をフォトリングラフイー工程を用いて積層した溝を形成
し、このようにして形成された溝付き板に、他の平板（
覆い）を接合してインク通路を設けた接合体を形成し、
その後、インク通路の下流側の所定の位置で、インク通
路に対して垂直に接合体を超薄型のダイヤモンドブレー
ドを回転させて切削を行なうダイシング法等によって切
削加工して切削面にオリフィスを形成する工程を含む方
法が知られている。

これらのインクジェット記録ヘッドの製造方法のなかで
、感光性樹脂を使用した後者の方法は、（基板に切削や
エツチングによって溝を形成する）前者の方法に対して
、インク通路を精度良く、かつ歩留り良く微細加工でき
、しかも量産化が容易であるので、品質が良く、より安
価なインクジェット記録ヘッドを提供することができる
という利点を有している。

ところが、１６本／ｍｍを越えるような、より高解像度
、高品質の画像の提供というインクジェット記録方式へ
の種々の方面からの要請に対応する上で、インクジェッ
ト記録ヘッドには、より良好な着弾点精度やドツトの均
−性等のより高度な記録性能が要求されている中で、上
述した感光性樹脂を用いた従来法によって作成した記録
ヘッドにおいては、上記のような要求に十分に対応した
着弾点精度が得られない、あるいは記録ヘッドの長期間
の使用に際して、インクの着弾点精度の低下がみられ、
初期の良好な記録状態が得られなくなる場合が多かった
。

１゜ 本発明者は、このような従来の記録ヘッドにおける問題
点の要因を鋭意検討したところ、前記したような接合体
の切削工程に際して、特に、形成された切削面にある各
部材の接合部での部材の微細な欠けや割れ、更には感光
性樹脂硬化膜の基板もしくは覆いからの微小な剥離等の
欠陥が生じて、あるいは、これらの欠陥部に更に長期的
にインクが接触すると、そこに感光性樹脂硬化膜の基板
や覆いからの新たな剥離や、すでにある微細な剥離の進
行拡大を誘発して、オリフィスやインク通路の所定形状
に変形を生じさせ、この変形がインクの吐出方向（例え
ばインク溝の直進性）を乱す結果、良好な着弾点精度が
得られなくなることを見い出した。また、特開昭６１−
２４９７６６号公報は、以上の欠点を解決する為に切削
面をカップリング処理するものであるが、その明細書に
述べられているようにピッチ０．１２５ｍｎ＋のそれ程
高密度ではないマルチインクジェットに適用し、効果を
見い出したものである。しかしながら、コピア等のよう
な、より高精細な画像品質を狙うには、１６木／ｌｌｌ
１１以１−の高密度なノズル配列が要求され、その場合
に、どうなるかという記載は全くなかった。本発明者ら
は、Ｉ−６／本ｍ以上で数種のヘッドを試作し、切削面
にカップリング処理を行ない、研磨平滑化したものにつ
いて吐出周波数４．２ＫＨｚ、記録紙相対速度２６．２
５ｃｍ／ｓｅｅ　（１６ドツト／■の解像度で４．２ｋ
Ｈｚの吐出周波数のプリンターに当たる。）で、２０時
間印写後の画像品質を評価したところ、ドツト位置精度
に著しい劣化が見られた。本発明者らは、このヘッドを
観察し、要因を鋭意検討したところ、感光性樹脂と蓋基
板、発熱体基板との接合部における剥離や、ノズル部端
部に微細な欠けが生じ、それにより噴射方向が変化した
ことが要因であった。即ち、１６木／１ｍ１以上の高密
度で配列したマルチノズルの場合には、隣接ノズル間が
大変接近している為に複数の隣接ノズルより吐出される
インク滴、あるいは、インク柱は、それらが、はぼ同時
に吐出するような場合には、（１）一般に吐出されるイ
ンク滴の大きさが、通常はオリフィス径よりも大きくな
ること、（２）上記したような剥離や欠けにより、イン
ク滴、あるいは、インク柱が吐出方向が変わってしまう
こと等の理由で、インク滴（柱）が併合、合体し、画像
品質の劣化を引き起こしたものである。

これは、１６本／■以上の高密度の場合、ノズル間の流
路壁を構成する感光性樹脂の巾Ｌｗ（第４図）が狭い為
、特開昭６１−２４９７６６号公報に開示しているよう
なカップリング処理を施しても、長時間のまたは繰り返
しの記録紙やノズル面清掃用ワイピング部材との接触に
対して十分な強度を得ることができない。即ちカップリ
ング処理により切削加工時の傷は補修されるが、使用時
の衝撃や摩耗による剥離や欠けに対しては、程んど効果
を有さず、耐久性の点で十分とは言えなかった。また、
１６本／＋ｎｍ以」−の高密度ヘッドの場合、上述のよ
うにして発生したわずかな傷でも、そこからインクの腐
食がおこり、あるいは、インク流による浸食により欠け
や剥離が進行拡大し、ついには、流路壁を横断するに至
りスプラッシュや吐出不能を引き起こす要因ともなった
。また、特開昭６１−２４．９７６６号公報は、その明
細書に述べられているように、２ＫＨｚの周波数で駆動
することにより安定な吐出が得られるものである。

しかしながら、より高い周波数で駆動（例えば４ｋＨｚ
より−ヒ）する場合には、どうしたらよいかという記載
はなく、欠けや剥離の発生、進行拡大は、それだけ頻度
が増し、特開昭６１−２４９７６６号公報の発明では安
定吐出ができなかった。

すなわち、ノズル部端面ばインクによる腐食あるいは記
録紙との摩擦により、かけが生じたり、腐食したりする
。そのため、ノズル端面は耐腐食性や耐摩耗性が要求さ
れる。本発明者らは、ダイヤモンド状カーボンがこれら
の要求を満足する最適な材料であることにいち早く気付
き、それをバブルジェット型インクジェットのノズル端
面保護材として適用することを提案するものである。

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、
バブル・ジェット型インクジェットの記録ヘッドにおい
て、ノズル部端面の耐摩耗性や耐インク性を向上させる
ことで長期使用に際し、耐久性にすぐれ信頼性の高い液
体噴射記録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。

本発明の他の目的は、より高密度に配列された（例えば
１６本／ｍ以上で配列された）マルチノズル型ヘッドの
インク滴吐出性能の向上を図ることである。

本発明のさらに他の目的は、より高速で駆動（例えば４
ｋＨｚより上）マルチノズル型ヘッドのインク滴吐出性
能の向上を図ることである。

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
なう液体噴射記録法において、前記オリフィスの形成さ
れた端部をダイヤモンド状カーボンで被覆したことを特
徴としたものである。

なお、本発明は、従来よりある２４Ｘ２４ドツトマトリ
ツクスで印字するプリンタのように中程度の印字密度（
１８０ｄｐｉ相当）をもつマルチインクジェットに適用
できることはいうまでもないが、より高密度、高精細な
品質を要求されるコピア（例えば、１６本／■以上の高
密度）に適用するのがよい。

また、コピアのように高精細の画像を形成するためには
、画素径が小さくなる為、必然的に紙面に打ち込むドツ
ト数は多くなり、単純に考えれば一枚の画像を形成する
のには、時間が多くかかる。

従って、高い駆動周波数ヘッドを駆動するのがよく、そ
の意味からも、本発明は高い周波数で駆動（例えば４Ｋ
Ｈｚより上）するヘッドにおいて適用するのがよい。

最初に、第３図に基づいてバブルジェットによるインク
噴射の原理について説明する。図中、２１は蓋基板、２
２は発熱体基板、２７は選択（独立）電極、２８は共通
電極、２９は発熱体、３０はインク、３１は気泡、３２
は飛翔インク滴である。

（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。

（Ｑ）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　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。

以下、本発明の実施例に基づいて説明する。

第１図は、本発明による記録ヘッドの一実施例を説明す
るための斜視図、第２図は、記録ヘッドを構成する蓋基
板（ａ）と発熱体基板（ｂ）の分解斜視図で、図中、２
０はノズル部端面、２３は記録液体流入口、２４はオリ
フィスである。蓋基板（、）と発熱体基板（ｂ）は接着
され、第１図の記録ヘッド部が構成される。その後、Ａ
−Ａ’でカットされ端面を研磨してヘッド部が完成され
る。また別の方法を第４図に示し、それによると、発熱
体基板２２にフォトリソ技術で感光性樹脂から成る流路
壁４１を形成し、蓋基板４２を接着して記録ヘッド部を
構成し、その後、第１図と同様にカットし記録ヘッド部
を完成させる。いずれの場合も発熱体基板２２としては
シリコン、アルミナ、ガラス等が用いられ、特に好適に
用いられるシリコンは、長期的使用に際し、インクによ
る腐食、摩耗によるかけ等が生じてしまう。よって、本
発明によりＡ−Ａ’でカットした端面部をダイヤモンド
状カーボンで被覆し、ヘッドの寿命、安定性、信頼性を
屑曜的に向上させたものである。

ダイヤモンド状カーボンを合成する方法は、これまでに
も各種のものが提案されているが、大別すると、 ■イオンビーム・デポジション（ＩＢＤ）法■化学蒸着
（ｃｖＤ）法 ■プラズマＣＶＤ法 に分けられる。

ここでは、本発明者らが実験的に試作したプラズマＣＶ
Ｄ法を例にとって説明する。

まず、真空装置内のＲＦ給電側にサンプルを付け、炭化
水素（ＣＨ４，Ｃ２Ｈ６，Ｃ３ＨＩｌ、Ｃ４Ｈ１ｏ。

Ｃ２Ｈ４等）と水素からなるガス雰囲気中で平行平板電
極に高周波電界（１３，５６ＭＨｚ）を印加すると、グ
ロー放電が発生し、原料ガスはラジカルおよびイオンに
分解されサンプル上に炭素原子と水素原子とからなる硬
質炭素膜（ダイヤモンド状カーボン）が堆積する、その
ダイヤモンド状カーボンの物性は、 比抵抗＝１０６〜１０１３ΩＧ 熱伝導＝２００〜８００Ｗ−ｍ−１・Ｋ誘電率二〜５ ビッカース硬度：９５００ｋｇ／ｎ。

屈折率：１．９〜２．４ 欠陥密度＝１０７〜１０１ｇＧ である。

なお、ダイヤモンド状カーボンは、生成過程からｉ−カ
ーボンと呼ばれたり、結晶性から、アモルファスカーボ
ンと呼ばれたりすることもある。

又、結晶性であり、格子間隔などから天燃ダイヤモンド
と近い構造をもつダイヤモンド薄膜も本願の明細書にお
いてはダイヤモンド状カーボンとして含まれるものであ
る。

以下の第１表に本発明者らが前述のダイヤモンド状カー
ボンの合成法及び、その膜質で実際にヘッドを試作・評
価した結果の１例を示す。なお、試作したヘッドユニツ
１−のノズル数は、すべて２５６個で、流路壁を感光性
樹脂（ドライフィルム）で作製した。また、比較例とし
て、切削面処理を行なわないヘッドと、カップリング処
理（シランカップリング剤による）を行なったものを列
記した。

Ａ：ダイヤモンド状カーボン、Ｂニジランカップリング
剤処理、Ｃ：なし ◎：２０時間後の印字位置バラツキ５％以下、Δ：同２
０％以下、×：同２０％以上 ＝２２ 効　　果 以１−の説明から明らかなように、本発明によると、ダ
イヤモンド状カーボンは、耐食性、耐摩耗性に優れてい
る為、ヘッドの寿命を著しく向」−させることができ、
信頼性のある長期的に安定なインクジェットヘッドを提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明による液体噴射記録ヘッドの一実施例
を説明するための斜視図、第２図は、記録ヘッドの分解
構成図で、（ａ）は蓋基板、（ｂ）は発熱体基板を示す
図、第３図は、記録ヘッドのバブルジェットインクの吐
出を気泡発生・消滅を説明するための原理図、第４図は
、記録ヘッドの他の実施例を示す図である。 ２０・・・ノズル部端面、２１・・・蓋基板、２２・・
−発熱体基板、２３・・・記録液体流入口、２４・・オ
リフィス、２７・・・選択（独立）電極、２８・・・共
通電極、２９・・・発熱体（ヒータ）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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法において、前記
   オリフィスの形成された端部をダイヤモンド状カーボン
   で被覆したことを特徴とする液体噴射記録ヘッド。