JPH021314A - 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
ジェット型インクジェット記録ヘッドの記録液体と記録
ヘッドの部材から記録液体への溶出との好適な関係に関
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
行える所謂インフジエラ１−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（Ｔｅｌｓ　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１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］二に記録液体小滴を選択的に付着させて記録？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　Ｐ３５９６２７５、ＵＳ
Ｐ　３２９８０３０等に開示されている方式（Ｓｗｅｅ
ｔ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、−様の世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」―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７８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？！！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’ｆ’！！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　Ｐ　３４１６１５３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６ 第４の方式は、例えばＵ　Ｓ　Ｐ　３７４７１２０に開
示されている方式（Ｓｔａｍｍｅ方式）で、この方式は
前記３つの方式とは根本的に〃■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１村上に付着
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、ＳｔｅｍＯＩｅ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、記録部材上にサナ
ライ１〜ドツトが生じ易いこと等の問題点がある。

第３の方式は、記録液体重；青を霧化することによって
Ｍ’ｒ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、記録両像にカ
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
た小満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」二に問題があること、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５９−４３３１５号公報には、バブルジェ
ッ１へ型インクジェット記録装置において、熱作用部に
おける電気・熱変換体の液体（インク）と接する部分の
重量減少量をアルミニウムの１／１０以下として、該電
気・熱変換体を長寿命化することが開示されている。

第６図は、上記特公昭５９−４３３１５号公報に開示さ
れている液滴噴射記録ヘッドの一例を説明するための図
で、第６図（ａ）は、液体噴射記録ヘッドのオリフィス
側から見た正面部分図、第６図（ｂ）は、第６図（ａ）
に−点鎖線ＸＸで示す部分で切断した場合の切断面部分
図である。

図に示される記録ヘッド１は、その表面に電気・熱変換
体２が設けらている基板３の表面に、所定の線密度で所
定の巾と深さの溝が所定数設けられている溝付板４で覆
う様に接合することによって、オリフィス５と液吐出部
６が形成された構造を有している。図に示す記録ヘッド
１の場合、オリフィス５を複数（５，、５□、５３）有
するものとして示されているが、単一オリフィスの場合
の記録ヘッドへの適用の場合も可能である。

液吐出部６は、その終端に液滴を吐出させる為のオリフ
ィス５と、″上気熱変換体２より発生される熱エネルギ
ーが液体に作用して気泡を発生し、その体積の膨張と収
縮に依る急激な状態変化を引起す処である熱作用部７と
を有する。

熱作用部７は、電気・熱変換体２の熱発生部８の上部に
位１ａし５熱発生部８の液体と接触する部分である熱作
用面９をその底面としている。

熱発生部８は、基板３上に設けられた下部層１０．該下
部層１０上に設けられた発熱抵抗層１１、該発熱抵抗Ｊ
ｆ’Ｊ　ｌ上に設けられた上部層１２とで構成されてい
る。発熱抵抗層１１には、熱を発生させる為に該Ｊ−１
１に通電する為の電極１３゜１４がその表面に設けられ
ている。電極１３は、各液吐出部の熱発生部に共通の電
極であり、電極１４は、各液吐出部の熱発生部を選択し
て発熱させる為の選択電極であって、液吐出部の流路に
沿って設けられている。

」一部Ｊ＋１１２は、発熱抵抗層１１を使用する液体か
ら化学的・物理的に保護する為に発熱抵抗層１１と液吐
出部６にある液体と隔絶すると共に、液体を通じて電極
１３．１４間が短絡するのを防止する、発熱抵抗層１１
の保護的機能を有している。

下部層１０は、主に熱流斌制御機能を有する。

即ち、液滴吐出の際には、発熱抵抗Ｍ１１で発生する熱
が基板３側の方に伝導するよりも、熱作用部７側の方に
伝導する割合が出来る限り多くなり、液滴吐出後、つま
り発熱抵抗ＲＩ１１１への通電がＯＦＦされた後には、
熱作用部７及び熱発生部８にある熱が速かに基板３側に
放出されて、熱作用部７にある液体及び発生した気泡が
急冷される為に設けられている。

上記の液体噴射記録ヘッド１においては、その特徴とし
て、熱作用部７の液体と接触する壁面の部分である熱作
用部９が、純！９９．９％のアルミニウム板をテストス
タンダードとして、その重機減少試験における試験面の
単位面積当りの重量減少量ΔＷ（ＡＩ２）が１■／ｄに
なる時の、テスト開始からの経過時間ｔにおける単位面
積当りの重量減少量ΔＷがΔＷ（ＡＭ）の１／１０以下
である物質で構成されており、これにより、使用寿命を
長くするとともに、高速記録を行う為に液滴形成頻度を
著しく高めても、又、電気熱変換体に入力されるパルス
信号のレベル値が高くなっても長時間連続して安定な液
滴吐出を行う事が出来るようにしている。

而して、上記特公昭５９−４３３１５号公報に記載の発
明は、電気熱変換体の寿命の観点から重量減少量を論じ
ているが、現実問題としては、破壊が生ずる以前に、イ
ンクに異変が生じ、満足な吐出性能が得られなくなる。

満足な吐出性能とは。

オリフィスの目づまりのない、又、噴射方向に曲がりの
ない吐出をいう。

また、」−記特公昭５９−４３３１５号公報においては
、アルミニウムの重量減少を基準に、熱作用部の重量減
少量を規定しているが、バブルジエン１〜型インクジェ
ット記録装置においては、アルミニウムがインクに直接
接触するような構造はふつうはとることがなく（アルミ
ニウムがすぐにインクに腐蝕されるため）、そのような
材料を基準にすることは、現実無視といわざるを得ない
。実際に使用される材料を基準にして重量減少量を論す
ることは意味があるが、上記特公昭５９−４３３１５号
公報において、アルミニウムという材料の選定の理由が
あいまいで、その技術的根拠は低いといわざるを得ない
。

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、バブルジェノ１〜型液体噴射記録ヘッドの目づま
りを防止することを目的としてなされたものである。

遭−−」父 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
吐出させろ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］１ｊ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、該液体噴射記録ヘッドを構成する部
材から、前記液体噴射記録ヘッドに使用する前記記録液
体へ溶出する元素のうちＳｉが、前記部材が一定時間、
一定温度で前記記録液体に接触した場合、１５ｐｐｍ以
下であること、更には、前記液体噴射記録ヘッドにおい
て、前記溶出する元素がＴａであることを特徴とする特
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断面
図（熱エネルギー作用部所面図）、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３０の表面張力と外圧とが平衡
状態にある。

７（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ＷＪ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
０ｍ／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、現実に使用されるバブルジェッ
ト型液体噴射記録ヘッドの部材が記録液体（インク）に
接触した場合に生ずる不具合を分析してなされたもので
ある。

而して、第１図は、バブルジェット型インクジェット記
録ヘッドにおける熱エネルギー作用部の断面積であり、
このうち記録液体（インク）に接触するのは、保護）ｍ
　３４と、電極保護Ｎ３５（一般に有機材料が用いられ
る）である。

今、保護層３４としては、ＳｉＯ□、Ｓｉ、Ｎ４あるい
はＴａ等が一般に用いられる。これらの材料は、発熱Ｗ
Ｊ　２９　（発熱抵抗体）を記録液体３０から保護する
ためのものであり、これらの保護＃３４が破壊されて発
熱層２９に記録液体３０がとどくようなことはあっては
ならない。これは、記録ヘッド側からみた場合の保護層
３４の役割であるが、一方、記録液体側からみた場合、
より厳しい条件であることが要求される。すなわち、保
護層３４が破壊に至る以前に、保護層材料の金属元素が
記録液体と化学反応をおこし、記録液体を変質せしめる
という問題がある。変質した記録液体のひきおこす最も
重要な問題は、オリフィスの目づまりである。オリフィ
スの目づまりはインクジェット記録特有の問題として、
今までも問題になっており、その解決方法もいろいろ提
案されている。しかし、バブルジェット技術においては
、その熱エネルギー作用部において、記録液体のヒート
サイクルがあるため５通常のＰＺＴを用いるドロップオ
ンデマンド方式や、あるいは、連続流型インクジェット
のようなそれほど熱作用を大きくうけない方式とは異な
ったより厳しい条件にさらされている。ヒートサイクル
により化学反応が促進されるため、従来のインフジエラ
１〜技術では問題とならなかったようなことでも、バブ
ルジェット技術では、重要な問題となるのである。

本発明は、この点に鑑み、保護層の金属元素の記録液体
中への溶出がどこまで許容されるかについて繰り返し実
験を行ない、その許容値を厳密に決めたものである。本
発明者の実験によれば、記録ヘットを構成する部材、と
りわけ保護層に含有されるＳｉ、Ｔａが、その部材を１
０００時間、５０℃の条件で記録液体に接触させた場合
の溶出量が、１５ρρｍ以下であることが望ましく、最
適にはｌｏｐρｍ以下である必要がある。表１に結果の
一例を示す。

なお、溶出量は、プラズマ発光分析法によって測定した
。噴射性能の測定は、金属元素の溶出量がわかっている
記録液体を記録ヘッドに充てんし、１０分間連続噴射、
（ｆ：１．５に玉にて）した後の結果である。なお、溶
出量を変えた記録液体は、保護層の面積あるいは、真空
たい積法（本発明に使用される保護層Ｓｉｏ、、Ｓｉ、
Ｎ４あるいはＴａは、真空たい積法によって形成される
のが望ましい）の条件を変えたサンプルを記録液体中に
１０００時間５０℃の浸せきすることによって作られた
。

ここで使用したヘッドは、中〜高解像の印字品質を狙っ
たオリフィス配列密度１６本／ｌ１１１１のものである
。インクジェットの目づまりという信頼性に関する問題
は、オリフィス配列密度あるいは、オリフィスサイズ等
に関係なく解決されねばならないが、現実には、より高
解像の印字品質を狙う、すなわち、オリフィス配列密度
を上げるほどよりきびしく管理されねばならない。

表１の結果から１６本／ｍ程度の配列密度のヘッドにお
いては、元素の容量量が１５ｐｐｍ以下であれば、目づ
まり等が発生せず、はぼ満足な結果が得られることがわ
かる。

次に、より高精細な印字品質を狙うにく、１６本／ｍ以
上の配列密度をもつヘッドを試作し、同様の試験を行な
った結果を表２に示す。

以」二より、溶出量は１５ｐｐｍ以下であることが望ま
しく、又、より高精細な印字品質を狙うには。

ｔｏｐρｍ以下である必要があることがわかる。

効　　　果 以−Ｈの説明から明らかなように、本発明によると、オ
リフィスの目づまり、あるいは部分的にたい植物が生ず
ることがなく、安定した吐出性能が得られる。

【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ノ１−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、従来のバブルジェノ１
−記録ヘッドの一例を説明するための図である。 ２１・・・蓋Ｊ、（板、２２・・・発熱体基板、２７．
２８・・・電極、２９・・・発熱体、３３・・・蓄熱層
、３４・・・保護層、３５・・・電極保護層。 一 伯 シ ・右 ３　・図 第 （ｂ）

Claims (1)

1. 【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、該液体噴射記録ヘッ
   ドを構成する部材から、前記液体噴射記録ヘッドに使用
   する前記記録液体へ溶出する元素のうちＳｉ又はＴａが
   、前記部材が一定時間、一定温度で前記記録液体に接触
   した場合、１５ｐｐｍ以下であることを特徴とする液体
   噴射記録ヘッド。ここで、一定時間は１０００時間、一
   定温度は５０℃とする。 ２、前記液体噴射記録ヘッドにおいて、前記溶出する元
   素がＴａであることを特徴とする請求項第１項に記載の
   液体噴射記録ヘッド。