JPH021321A

JPH021321A - 液体噴射記録ヘッド

Info

Publication number: JPH021321A
Application number: JP5862889A
Authority: JP
Inventors: Takuro Sekiya; 卓朗関谷
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1988-03-15
Filing date: 1989-03-10
Publication date: 1990-01-05
Anticipated expiration: 2013-01-19
Also published as: JP2698418B2

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】侠権分災本発明は、液体噴射記録ヘッド、より詳細にはバブルジ
エン１〜型インクジェット記録ヘッドの発熱部における
蓄熱層の構造に関する。

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ｍ　（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ＵＳＰ第３０６０４２９号明細
書に開示されているもの（Ｔｅｌｅｔｙｐｅ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満をノズル
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ＵＳＰ第３５９６２７５号明細書
、ＵＳＰ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ｆｌｕの制御された小滴を、−様の電界
が掛けられている偏向′１１ｉ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。

共体的には、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゛１１荷量で帯電される。’ＩｉＦ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ＵＳＰ第３４１６１５３号明細書に
開示されている方式（ｌｌｃｒｔｚ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１よノズルと帯？Ｉｉ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ＵＳＰ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Ｓｔｅｒｎｍｃ方式は、記録信号に応じて吐出口よ
り記録液体の小満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、該機械的撮動に従
って前記吐出口より記録液体の小満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
、１畜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１″ヒ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、オンテ
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）商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８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。

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、特開昭５５−１２３４７８号公報には、所謂バブ
ルジェット液体噴射記録装置における熱エネルギー発生
手段を低熱伝導性の薄膜を有する基板上に設けることが
提案されている。

第６図は、上記特開昭５５−１２３４７８号公報に開示
された熱エネルギー発明の詳細な説明するための図で、
発熱抵抗体１１は、熱伝導度の大きな基板１２」二に、
熱伝導度の小さな薄膜１３をコートし、更に発熱体層１
４及び外部から信号を印加する為の電極層１５を積層ｎ
して形成される。

図に於いて■（の部分が発熱部となる。又、１６は保護
膜であり、発熱体層・電極等の保護或いは記録媒体液が
直接核発熱抵抗体に接する場合の絶縁等を］」的として
、必要に応じて設けられる。基板１２の材料としては、
例えばＡ　Ｑ　、　Ｃｕ等の金属或いはＡＱ２０．等の
セラミックスが挙げられる。

基板に積層される薄膜用の材料としては、発熱体層附近
の上昇温度範囲内で、熱による変質を受けないこと、均
一な層形成を行ない得ること、応答性・エネルギー効率
等の改良の為に０．１〜１０μｍ程度の層を容易に形成
し得ること、積層した状態でその他の層（発熱体層、基
板等）と充分な密着性を有していること等が要求される
。又、常温附近の温度で、その熱伝導度の値が０．６ｋ
ｃａｌ／ｍｈｒ’ｃ以下、好ましくは０．０５〜０．４
　ｋｃａｌ、／ｍ　ｈ　ｒ　’Ｃのものが使用される。

更に、上記の条件を満足する材料を、発熱抵抗体に印加
する信号エネルギー量、信号印加時間の間隔等を考慮し
て通常は０．１〜１０μｍ、好適には、Ｑ　、　３〜１
０　ｐ　ｒｎ、最適には１−６　μｍの範囲の厚さにノ
ｄ形成することが望ましい。

使用される材料としては、これらの条件を満足する限り
に於いて、無機或いは有機系の材料、場合によってはこ
れらの材料から成る複合材料或いは積層された複数の材
料等いずれのタイプでも良い。特に、軟化点又は融点が
１５０℃以上、更には２００℃以上の耐熱性有機高分子
材料は好適に使用される。

低熱伝導性の薄膜用の材料に有機材料が有効な理由とし
ては、一般に、薄膜を容易に形成し得ること、積層した
状態でその他の層と密着性の高いＭが得られやすいこと
、熱伝導度の値が充分低いこと等が挙げられている。

而して、」二記特開昭５５−１２３４７８号公報に記載
の発明においては、熱エネルギー発生手段が低熱伝導性
の薄膜を有する基板上に設けられてよｔす、この薄膜の
低熱伝導性は重要であるが、上記特開昭５５−１２３４
７８号公報には、他の重要な要求品質である耐久性に関
しては述べられていない。とりわけＳｉＯｘを材料とす
る蓄熱ＪＦ’Ｊについての記述はないが、バブルジェッ
トにおいては、熱エネルギー作用部は、過酷なヒートサ
イクルにさらされるため、その耐久性は重要問題である
。特に高速（たとえば４ｋｌ（ｚより高速）で連続駆動
するようなヘッドにおいては、その問題は深刻となる。

１−一匁本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、
特に、高速で連続駆動するバブルジェット型インクジェ
ット記録ヘッド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　　Ｊ又本発明は、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
ドであって、該ヘットは、４ｋ）ｌｚより高速で連続呼
動され、前記熱エネルギー作用部は、基板上に設けられ
た蓄熱層と、該蓄熱層上に設けられた発熱抵抗体層と、
該発熱抵抗体層に電気的に接続した少なくとも一対の′
電極とを有し、前記発熱抵抗体ｊ１りを前記記録液体に
接触せしめないための保護層が１）″ｌｊ記発熱抵抗体
Ｊけ上に設けられており、前記蓄熱１＋１はＳｉＯｘと
記述される物質を含み、１．８≦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１図は、本発明の一実施例を説明するための要部断面
図、つまり、熱エネルギー作用部の拡大断面図、第２図
は１本発明が適用されるインクジエソ１〜ヘツドの一例
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２３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、３３は蓄熱層、３４は発熱抵抗体保護層、
３５は電極保護層である。

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。

（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、　ｔｉｌｌ膜を作り、この気泡３
１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。

（ｃ）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。

（Ｉ゛）はさＪ♂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８Ｍ−の方向へ
５〜１０ｍ／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ノ１−用、インクジェ
ットヘッドの熱エネルギー作用部をヒートサイクルから
保護し、そのライフタイムを向上させるための蓄熱層の
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
提供するものである。

第１図は、本発明による液体噴射記録ヘッドの一実施例
を説明するための要部断面図、換言すれば、熱エネルギ
ー作用部の拡大断面図で、本発明においては発熱抵抗体
２９が形成される部分、つまりｌ−熱層３３の材料とし
てケイ素酸化物（ＳＩＯｘ）を使用するように選定して
いる。この理１１０よ、ケイ素酸化物は熱伝導率が低く
、又、絶縁材料としても優れた性能を示し、発熱体２９
で発生した熱エネルギーを気泡が発生する間、基板側２
２に逃げないようにするからである。この蓄熱層３３は
スパッタリング法、ＣＶＤ法等によって容易に製作され
えるが、最も好ましい方法としては、基板２２をシリコ
ンとし、熱酸化によって、シリコン、ケイ素酸化物（Ｓ
　ｉ　Ｏｘ）を成長させることか良い。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
厳しいヒートサイクルにさらされることにより耐久性を
維持できなくなり、熱エネルギー作用部の破壊を引き起
こすことがある。この問題は、くりかえしのビー１−サ
イクルが多くなればなるほど深刻化する問題であり、高
速記録を狙って４ｋｌ（ｚよりも高速で、連続駆動させ
るようなことがあるヘッドにおいては、特に重要である
。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、ＳｉＯｘ、ここでＸが取り得る値
は、１．８≦ｘ≦２．０とし、その材料に要求される品
質を満足させようとするものである。なお、これらの膜
を形成する際には、たとえば、Ｓｉに結合して欲しくな
い元素が結合して、Ｓ　ｉ　０ｘＮｙＨｚとなったとし
ても、Ｘが上記の値を満足していれば、蓄熱層としての
品質は満たされ、使用できる。

なお、蓄熱層の厚さは通常２μｍ以上とされる。

熱エネルギー作用部を構成する他の材料について以下に
簡単に説明する。

発熱抵抗体層２９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、硬化ランタン、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Ｊけ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ＷＪ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〜
５μｍ、好適には０．０１〜１μｍ、とされる。

電極２７．２８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ＡＩ、Ａｇ、Ａυ、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。

保ｍＲ１３４，に要求される特性は、発熱抵抗体で発生
された熱を記録液体（インク）に効果的に伝達すること
を妨げずに、かつインクより発熱抵抗体を保護するとい
うことである。保護層を構成する材料として有用なもの
には、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、酸化マグネ
シウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ジルコ
ニウム等があげられ、これらは、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。

保１１ｐノ１ηの膜ｌｒＸは、通９．１’は０．０１−
１０μｍ、好適には０．１〜５μｒｎ、最適には０．１
〜３μｍとされるのが望ましい。

尖ｊＨ’ｌｌｌシリコン基板上にスパッタリングで５ｉｎ２とＴａをタ
ーゲットとして、両者の比がおよそ８：２となるような
膜を形成した。膜厚は２．５μｍである。その後、第１
図に示すような構成で、窒化タンタル（発熱体）を０．
３μｍ、金（電極）０．８μｍ、発熱体の保護膜として
は、Ｓｉｎ、を１μｍとして形成した。発熱体の有効サ
イズは、２５μｍＸ１００μｍであり、１６本／ｍの配
列密度となるようにしたものである。これをインク中で
駆動したところ、２ｋＨｚの連続脈動では問題はなかっ
たが、５　ｋ　［Ｉｚで駆動したところ、数分後に破損
した。

尖に低又シリコン基板上に、熱酸化しこより５ｉｎ２膜を成長さ
せた。その際高圧熱酸化の手法を用い、よりち密な５ｉ
ｎ２膜を形成するよう心がけた厚さは２μｍである。

その後のパターン形成は、実施例１と同じである。この
ようにしてできた発熱体基板をインク中で駆動したとこ
ろ、５ｋＨｚで陳動しても異常は認められず、１０９回
以上のくりかえしサイクルが得られた。

効　　　果以」二の説明から明らかなように、本発明によると蓄熱
層の耐久性が向上し、熱エネルギー作用郡全体の寿命が
著しく長くなる利点がある。

【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１本発明が適用されるインフジエラ１〜ヘ
ツ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で、第６図は、従来技術を説明する
ための図である。２２・・・発熱体基板、２７．２８、・・・電極、２９
・・発熱抵抗体、３３・・・蓄熱層、３４・・・発熱抵
抗体保護ＪＩ’Ｊ、３５・・電極保護層。

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、基板上に設けられた蓄熱層と、該蓄熱層上に設け
られた発熱抵抗体層と、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を有し、前記発熱抵抗体層
を前記記録液体に接触せしめないための保護層が前記発
熱抵抗体層上に設けられており、前記蓄熱層はＳｉＯｘ
と記述される物質を含み、１．８≦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。