JPH07156403A

JPH07156403A - インクジェット記録ヘッド及び製造方法

Info

Publication number: JPH07156403A
Application number: JP30370093A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Komuro; 博和小室; Makoto Shibata; 誠柴田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-12-03
Filing date: 1993-12-03
Publication date: 1995-06-20

Abstract

(57)【要約】【目的】液室内の圧力変動によりインク吐出が阻害さ
れることのないインクジェット記録ヘッドを提供する。【構成】インクジェット記録ヘッドの液室内の任意の
位置に気泡を安定的に保持する気泡トラップ構造を有す
るインクジェット記録ヘッドにおいて、前記気泡トラッ
プ構造内でインクに接する構造材料の一部がイオン注入
法により撥水性を付与されたことを特徴とするインクジ
ェット記録ヘッド。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インクジェット記録ヘ
ッドの液室、またはインク供給系に安定的に気泡を保持
し、連続的なインクの吐出を安定して行うためのインク
ジェット記録ヘッドの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年コンピュータの普及に伴い各種の応
用機種の開発が盛んに行われている。特に複写機、ファ
クシミリ、ワードプロセッサその他のいわゆるパーソナ
ルコンピュータ等のオフィースオートメーション用の事
務機器の開発及び普及には著しいものがある。

【０００３】これらの事務機器において、処理されたデ
ータあるいは文章等の出力用機器としてのいわゆるプリ
ンタが必須の装置である。

【０００４】従来、このようなプリンタとしては、ワイ
ヤードットプリンタ等のインパクト方式のプリンタや、
静電複写方式を用いたレーザービームプリンタ、熱転写
プリンタ等のノンインパクト方式のプリンタが用いられ
ているが、インクジェット記録方式によるプリンタも近
年そのすぐれた特徴が注目されて各種の方式の開発が進
められている。

【０００５】プリンタによる印字や画像が美しく精細で
あることが望ましいことは言うまでもないことで、これ
らのプリンタ技術の目標とする所もここにある。

【０００６】そのためプリンタに搭載されるインクジェ
ット記録ヘッドとしては、インク吐出ノズルを小さく形
成し、インクを高速度かつ高密度に吐出させるようにし
たものがある。また、インク吐出ノズルを小さくかつ密
接して配置することが考えられ、そのためにいわゆるマ
イクロリソグラフィの技術を用いた微細加工方式を用い
て多数の吐出口を密接して製作する方法が知られてい
る。

【０００７】図２はこのような方法により製造された従
来のインクジェットヘッドの構成例を示す。図におい
て、たとえばシリコン基板１上にヒータ２を形成し、そ
の上にノズル３、液室６を形成するための壁を感光性樹
脂で形成し、更に液室６、供給口が形成されているガラ
ス板５を接着し、最後にインクチューブ７を接着しイン
クジェットヘッドが形成される。ノズル３はたとえば３
６０ｄｐｉのピッチで並んでいる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】複数のノズルを有する
インクジェット記録ヘッドに於て、任意の１本のノズル
よりインクが吐出するとこのインク滴の運動エネルギー
の反作用として、このノズルの後方のインクは液室方向
に運動し、液室内の圧力変動を引き起こす。この圧力変
動は、インクの吐出していないノズルのメニスカスを振
動させる。このメニスカス振動において、たとえば、あ
るノズルのメニスカスがせり出している時、このノズル
よりインクを吐出させると、メニスカスが静止している
時よりインク滴が大きくなり、逆にメニスカスがへこん
でいる状態ではインク滴は小さくなる。

【０００９】このように、インクの吐出によって生じる
液室内の圧力変動は、ヘッド全体のノズルに影響を及ぼ
し、連続的な安定な吐出を阻害し、印字品位を劣化させ
る。特にノズル数が多くなったり、駆動周波数を上げて
いくと、メニスカス振動の影響は大きくなり、ついには
連続的に吐出さえしなくなる。このメニスカス振動の対
策として、液室内の圧力変動をおさえるために次のよう
な対策が提案されている。

【００１０】対策１：インク供給チューブをシリコンチ
ューブのような弾力性のあるものにして圧力振動を吸収
する。この方法では供給チューブがノズルの近傍にない
と効果はなく、設計上の自由度がない。また、ノズル数
が増えると供給チューブがノズルから離れてしまい、こ
の対策は利用できない。また、シリコンチューブはガス
透過性が良く、空気を透過してチューブ内に気泡を詰ま
らせ、インクの供給を阻害する。

【００１１】対策２：液室内に気泡を入れて、圧力振動
を吸収する。気泡をトラップする空間を液室内に作り
（今後この空間をバッファ室と呼ぶ）、最初にインクを
充填する時、そのバッファ室に気泡を入れても、今度は
気泡を安定的に保持することは難しく、実使用中にバッ
ファ室から液室へ気泡が移動して、バッファ室中に気泡
がなくなる。このように、液室内のインクの圧力振動を
他へ悪影響を与えず、更に恒久的に押さえる方法がなか
った。

【００１２】ところで、対策２を恒久的にするために、
バッファ室内を撥水処理する方法が提案されている。バ
ッファ室内の一部を撥水処理することにより、撥水処理
された面と処理されなかった面との境界で、気泡の気−
液境界面が保持されるため、バッファ室内に気泡が安定
にトラップされる。しかしながら、従来の撥水処理は、
撥水材を塗布したり、蒸着したりして形成する方法であ
り、長期にインクに接していると撥水材が剥がれたり、
撥水材の撥水性が弱くなったりすることがあった。

【００１３】本発明は上記の問題点にかんがみて、液室
内に気泡を安定的に保持しうるインクジェット記録ヘッ
ドを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、インクジェット記録ヘッドの液室内の任意の位置
に気泡を安定的に保持する気泡トラップ構造を有するイ
ンクジェット記録ヘッドにおいて、前記気泡トラップ構
造内でインクに接する一部又は全部の構造材料がイオン
注入法により撥水性を付与されたことを特徴とするイン
クジェット記録ヘッドである。

【００１５】また、本発明は、インクジェット記録ヘッ
ドの液室内の任意の位置に気泡を安定的に保持する気泡
トラップ構造を有するインクジェット記録ヘッドの製造
方法において、この気泡トラップ構造内でインクに接す
る一部又全部の構造材料にイオン注入法により撥水性を
付与することを特徴とするインクジェット記録ヘッドの
製造方法である。

【００１６】

【作用】本発明においては、イオン注入法で構造材の表
面を撥水性に改質することにより、長期にわたってトラ
ップ構造内の撥水性を維持でき、長期使用後でも液室内
の圧力変動を押えることができ、長期にわたって良好な
印字が可能なインクジェット記録ヘッドを提供すること
ができる。

【００１７】本発明において気泡トラップ構造として
は、液室内に気泡をトラップできるバッファ室を設ける
構造がとりわけ好適である。

【００１８】またバッファ室内で撥水性をもたせる部位
はバッファ室内に撥水処理面と被処理面との境界が存在
し、該境界の存在により気泡の気−液境界面が安定に保
持されるものであれば、特に限定されない。

【００１９】バッファ室を形成したときに、上記部位に
該当する構造材料は予め以下に示すイオン注入法により
撥水処理されることが好ましい。

【００２０】以下に、イオン注入法の条件について述べ
る。

【００２１】イオン源としてＣＦ₄，Ｃ₂Ｆ₆，ＣＨＦ
₃など少なくともＣとＦを含む常圧、減圧下でガスであ
るものすべて及び、Ｆ₂＋ＣＨ₄などＦを含むガスとＣ
を含むガスの組み合わせなどがある。更に、イオン注入
する材料がＣを含むときはＦを含むガスのみでも良い。

【００２２】イオン種としてはＣＦ₃ ⁺，Ｃ₂Ｆ₆ ⁺，
Ｃ₂Ｆ₃ ⁺イオンなど上記イオン源から発生するＣとＦ
を含むイオン種すべて、及びＦ⁺イオンとＣ⁺イオンの
組み合わせが好ましい。更にイオン注入する材料がＣを
含むときはＦ⁺イオンのみでも良い。

【００２３】イオン注入量はドーズ量１×１０¹⁴ｃｍ^-2
〜１×１０¹⁸ｃｍ^-2が好ましく、１×１０¹⁵ｃｍ^-2〜１
×１０¹⁷ｃｍ^-2が特に好ましい。ドーズ量が１×１０¹⁴
ｃｍ ^-2よりも少ない場合には撥水効果が不十分の場合が
あり、またドーズ量が１×１０¹⁸ｃｍ^-2を越える場合は
温度上昇のため不都合の場合がある。

【００２４】また、注入の際のイオン加速エネルギーと
しては５ｋｅＶ〜１００ｋｅＶ、特に１０ｋｅＶ〜６０
ｋｅＶが好ましい。１００ｋｅＶを越える場合は基板の
温度上昇を生じ、またイオンが内部に深くに注入される
ので好ましくない場合がある。また５ｋｅＶ未満の場合
にはイオン加速の安定性が悪い。

【００２５】イオン注入の後、撥水作用を高めるために
熱処理を施しても良い。

【００２６】尚、イオン注入により撥水性を付与できる
材料は、インクジェット記録ヘッドを構成するあらゆる
材料、例えば、半導体（Ｓｉなど）、ガラス、セラミッ
クス、半導体の酸化物等の無機化合物、有機高分子や有
機樹脂などの有機化合物である。

【００２７】本発明は、特にインクジェット記録方式の
中でも、熱エネルギーを利用して飛翔液滴を形成し、記
録を行うインクジェット記録方式の記録ヘッド、記録装
置において、優れた効果をもたらすものである。

【００２８】その代表的な構成や原理については、例え
ば、米国特許第４７２３１２９号明細書、同第４７４０
７９６号明細書に開示されており、本発明はこれらの基
本的な原理を用いて行うものが好ましい。この記録方式
はいわゆるオンデマンド型、コンティニュアス型のいず
れにも適用可能である。

【００２９】この記録方式を簡単に説明すると、液体
（インク）が保持されているシートや液路に対応して配
置されている電気熱変換体に、記録情報に対応して液体
（インク）に核沸騰現象を越え、膜沸騰現象を生じるよ
うな急速な温度上昇を与えるための少なくとも一つの駆
動信号を印加することによって、熱エネルギーを発生せ
しめ、記録ヘッドの熱作用面に膜沸騰を生じさせる。こ
のように液体（インク）から電気熱変換体に付与する駆
動信号に一対一対応した気泡を形成できるため、特にオ
ンデマンド型の記録法には有効である。この気泡の成
長、収縮により吐出口を介して液体（インク）を吐出さ
せて、少なくとも一つの滴を形成する。この駆動信号を
パルス形状とすると、即時適切に気泡の成長収縮が行わ
れるので、特に応答性に優れた液体（インク）の吐出が
達成でき、より好ましい。このパルス形状の駆動信号と
しては、米国特許第４４６３３５９号明細書、同第４３
４５２６２号明細書に記載されているようなものが適し
ている。なお、上記熱作用面の温度上昇率に関する発明
の米国特許第４３１３１２４号明細書に記載されている
条件を採用すると、さらに優れた記録を行うことができ
る。

【００３０】記録ヘッドの構成としては、上述の各明細
書に開示されているような吐出口、液流路、電気熱変換
体を組み合わせた構成（直線状液流路または直角液流
路）の他に、米国特許第４５５８３３３号明細書、米国
特許第４４５９６００号明細書に開示されているよう
に、熱作用部が屈曲する領域に配置された構成を持つも
のも本発明に含まれる。

【００３１】加えて、複数の電気熱変換体に対して、共
通するスリットを電気熱変換体の吐出口とする構成を開
示する特開昭５９年第１２３６７０号公報や熱エネルギ
ーの圧力波を吸収する開孔を吐出部に対応させる構成を
開示する特開昭５９年第１３８４６１号公報に基づいた
構成においても本発明は有効である。

【００３２】さらに、本発明が有効に利用される記録ヘ
ッドとしては、記録装置が記録できる記録媒体の最大幅
に対応した長さのフルラインタイプの記録ヘッドがあ
る。このフルラインヘッドは、上述した明細書に開示さ
れているような記録ヘッドを複数組み合わせることによ
ってフルライン構成にしたものや、一体的に形成された
一個のフルライン記録ヘッドであっても良い。

【００３３】加えて、装置本体に装着されることで、装
置本体との電気的な接続や装置本体からのインクの供給
が可能になる交換自在のチップタイプの記録ヘッド、あ
るいは記録ヘッド自体に一体的に設けられたカートリッ
ジタイプの記録ヘッドを用いた場合にも本発明は有効で
ある。

【００３４】また、本発明の記録装置に、記録ヘッドに
体する回復手段や、予備的な補助手段等を付加すること
は、本発明の記録装置を一層安定にすることができるの
で好ましいものである。これらを具体的に挙げれば、記
録ヘッドに対しての、キャッピング手段、クリーニング
手段、加圧あるいは吸引手段、電気熱交換体あるいはこ
れとは別の加熱素子、あるいはこれらの組み合わせによ
る予備加熱手段、記録とは別の吐出を行う予備吐出モー
ドを行う手段を付加することも安定した記録を行うため
に有効である。

【００３５】さらに、記録装置の記録モードとしては黒
色等の主流色のみを記録するモードだけではなく、記録
ヘッドを一体的に構成したものか、複数個を組み合わせ
て構成したものかのいずれでも良いが、異なる色の複色
カラーまたは、混色によるフルカラーの少なくとも一つ
を備えた装置にも本発明は極めて有効である。

【００３６】以上説明した本発明実施例においては、液
体インクを用いて説明しているが、本発明では室温で固
体状であるインクであっても、室温で軟化状態となるイ
ンクであっても用いることができる。上述のインクジェ
ット装置ではインク自体を３０℃以上７０℃以下の範囲
内で温度調整を行ってインクの粘性を安定吐出範囲にあ
るように温度制御するものが一般的であるから、使用記
録信号付与時にインクが液状をなすものであれば良い。

【００３７】加えて、熱エネルギーによるヘッドやイン
クの過剰な昇温をインクの固形状態から液体状態への状
態変化のエネルギーとして使用せしめることで積極的に
防止するかまたは、インクの蒸発防止を目的として放置
状態で固化するインクを用いることもできる。いずれに
しても熱エネルギーの記録信号に応じた付与によってイ
ンクが液化してインク液状として吐出するものや記録媒
体に到達する時点ではすでに固化し始めるもの等のよう
な、熱エネルギーの付与によって初めて液化する性質を
持つインクの使用も本発明には適用可能である。

【００３８】このようなインクは、特開昭５４ー５６８
４７号公報あるいは特開昭６０ー７１２６０号公報に記
載されるような、多孔質シートの凹部または貫通孔に液
状または固形物として保持された状態で、電気熱変換体
に対して対向するような形態としても良い。

【００３９】本発明において、上述した各インクに対し
て最も有効なものは、上述した膜沸騰方式を実行するも
のである。

【００４０】図３は本発明により得られた記録ヘッドを
インクジェットヘッドカートリッジ（ＩＪＣ）として装
着したインクジェット記録装置（ＩＪＲＡ）の一例を示
す外観斜視図である。

【００４１】図３において、１２０はプラテン１２４上
に送紙されてきた記録紙の記録面に対向してインク吐出
を行うノズル群を具えたインクジェットヘッドカートリ
ッジ（ＩＪＣ）である。１１６はＩＪＣ１２０を保持す
るキャリッジＨＣであり、駆動モータ１１７の駆動力を
伝達する駆動ベルト１１８の一部と連結し、互いに平行
に配設された２本のガイドシャフト１１９Ａおよび１１
９Ｂと摺動可能とすることにより、ＩＪＣ１２０の記録
紙の全幅にわたる往復移動が可能となる。

【００４２】１２６はヘッド回復装置であり、ＩＪＣ１
２０の移動経路の一端、例えばホームポジションと対向
する位置に配設される。伝動機構１２３を介したモータ
１２２の駆動力によって、ヘッド回復装置１２６を動作
せしめ、ＩＪＣ１２０のキャッピングを行う。このヘッ
ド回復装置１２６のキャップ部１２６ＡによるＩＪＣ１
２０へのキャッピングに関連させて、ヘッド回復装置１
２６内に設けた適宜の吸引手段によるインク吸引もしく
はＩＪＣ１２０へのインク供給経路に設けた適宜の加圧
手段によるインク圧送を行い、インクを吐出口より強制
的に排出させることによりノズル内の増粘インクを除去
する等の吐出回復処理を行う。また、記録終了時等にキ
ャッピングを施すことによりＩＪＣが保護される。

【００４３】１３０はヘッド回復装置１２６の側面に配
設され、シリコンゴムで形成されるワイピング部材とし
てのブレードである。ブレード１３０はブレード保持部
材１３０Ａにカンチレバー形態で保持され、ヘッド回復
装置１２６と同様、モータ１２２および伝動機構１２３
によって動作し、ＩＪＣ１２０の吐出面との係合が可能
となる。これにより、ＩＪＣ１２０の記録動作における
適切なタイミングで、あるいはヘッド回復装置１２６を
用いた吐出回復処理後に、ブレード１３０をＩＪＣ１２
０の移動経路中に突出させ、ＩＪＣ１２０の移動動作に
伴ってＩＪＣ１２０の吐出面における結露、濡れあるい
は塵埃等をふきとるものである。

【００４４】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。

【００４５】図１に示す構成のインクジェット記録ヘッ
ドを以下の要領で作製した。

【００４６】熱酸化ＳｉＯ₂付きシリコンウエハ上に抵
抗体としてＨｆＢ₂、電極材料としてＡｌをスパッタリ
ングで順次積層し、フォトリソグラフィ技術により電
極、およびヒータを形成した。次にＳｉＯ₂、Ｔａをス
パッタリングで積層して同様の技術で対キャビテーショ
ン膜、及び保護膜を形成した。

【００４７】このようにして作成したヒーターボード上
にネガ型のドライフィルムでノズル壁、気泡トラップ構
造としてのバッファ室８の壁を形成し、更に液室の形成
された掘り込みのある天板ガラス５を接着して吐出エレ
メントを作成した。天板ガラスには予め、所定の領域９
（図中斜線部）にイオン注入法により撥水処理を施し
た。この領域９は撥水処理されることにより、バッファ
室内で気泡の気−液境界面を安定に保持しうる条件を満
足すれば形状、大きさ、位置はこの例に限定されない。

【００４８】なお、イオン注入の条件はイオンとしてＣ
₂Ｆ₄ ⁺イオンを加速エネルギー２０ｋｅＶ、ドーズ量
１×１０¹⁶ｃｍ^-2の条件で領域９に注入した。領域９に
限定して注入する方法として、領域を限定して、イオン
打ち込みをスキャンできるイオン注入装置でおこなって
も良いし、レジストなどのマスクをもちいて注入しない
領域をカバーしてイオン注入し、後にマスクを除去して
もよい。

【００４９】他の条件として、たとえばイオンとしてＣ
⁺イオンを加速エネルギー２０ｋｅＶ、ドーズ量１×１
０¹⁶ｃｍ^-2の条件で注入し、イオンとしてＦ⁺イオンを
加速エネルギー２０ｋｅＶ、ドーズ量２×１０¹⁶ｃｍ^-2
の条件で注入した。

【００５０】この吐出エレメントとドライバーＩＣを搭
載したＰＣＢは、アルミ製のベースプレート上にそれぞ
れ接着され、両者はワイヤーボンディングで接続され、
さらにインク供給系を天板ガラス上に接着してインクジ
ェット記録ヘッドが完成した。この時試作したヘッド
は、ノズル数２５６本、ノズル密度３６０ｄｐｉであ
る。

【００５１】このようにして作製した、インクジェット
記録ヘッドにインクを詰め、長期にわたって印字をし
た。

【００５２】インクを詰める時バッファ室内には気泡が
存在し、初期において高い周波数の駆動でも安定した吐
出性能が得られた。また、印字は良好であった。このイ
ンクジェットヘッドを長期にわたって印字を行ないその
後、バッファ室の気泡を観察したところ初期と同様な大
きさの気泡の存在が確認された。このヘッドの吐出を観
察したところ、高い周波数まで良好な吐出であった。そ
のヘッドを使用して印字したところ、良好な印字が確認
された。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、液室内の任意の位
置に気泡を安定的に保持しうる気泡トラップ構造を有
し、この気泡トラップ構造内でインクに接する一部又は
全部の構造材料をイオン注入法により撥水性を付与する
ことにより、液室内に気泡を安定的に長期に保持し、吐
出によって発生する液室内の圧力振動を吸収し、メニス
カスの振動を抑えることにより、安定な吐出を可能にし
た。したがって、長期にわたって、良好な印字を得るこ
とができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明インクジェット記録ヘッドの一態様を示
す模式図であり、（ａ）平面図、（ｂ）Ａ−Ｂ切断面を
矢印方向からみた断面図である。

【図２】従来のインクジェット記録ヘッドの一例を示す
模式図であり、（ａ）平面図、（ｂ）Ａ−Ｂ切断面を矢
印方向からみた断面図である。

【図３】本発明に係わるインクジェット記録装置の一態
様を示す斜視図である。

【符号の説明】

１シリコン基板２熱発生部３ノズル５天板ガラス６液室７インク供給チューブ８バッファ開口部９イオン注入撥水領域１０ワイヤーボンディングパット部１１６キャリッジ１１７駆動モータ１１８駆動ベルト１１９Ａ，１１９Ｂガイドシャフト１２０インクジェットヘッドカートリッジ１２２クリーニング用モータ１２３伝動機構１２４プラテン１２６ヘッド回復装置１２６Ａキャップ部１３０ブレード１３０Ａブレード保持部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インクジェット記録ヘッドの液室内の任
意の位置に気泡を安定的に保持する気泡トラップ構造を
有するインクジェット記録ヘッドにおいて、前記気泡ト
ラップ構造内でインクに接する構造材料の一部がイオン
注入法により撥水性を付与されたことを特徴とするイン
クジェット記録ヘッド。
【請求項２】インクジェット記録ヘッドの液室内の任
意の位置に気泡を安定的に保持する気泡トラップ構造を
有するインクジェット記録ヘッドの製造方法において、
この気泡トラップ構造内でインクに接する構造材料の一
部にイオン注入法により撥水性を付与することを特徴と
するインクジェット記録ヘッドの製造方法。
【請求項３】記録媒体の被記録面に対向してインクを
吐出する吐出口が設けられている請求項１に記載のイン
クジェット記録ヘッドと、該ヘッドを載置するための部
材とを少なくとも具備することを特徴とするインクジェ
ット記録装置。