JPH04118247A - インクジェット記録装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、ヒーターの発熱により発生する蒸気バブルの
圧力によってインクドロップを噴射し、記録を行なうイ
ンクジェット記録装置、特に、そのヘッド部の構成に関
するものである。

（従来の技術） インクジェット記録方式において、ヒーターの発熱によ
り発生する蒸気バブルの圧力によってインクドロップを
噴射させるサーマルインクジェット記録方式は、その構
造的な特徴から高密度で高速記録が十分可能であり、か
つ、マルチノズル化がきわめて容易であるため、近年注
目を集めている記録方式である。

この記録方式に用いられるサーマルインクジェットヘッ
ドにおいて、安定したインクドロップの形成を行なうこ
とができるためのヘッド部分の設計基準として、例えば
特開昭５５−１３２２７６号公報に記載されているよう
に、インク流路におけるヒーターの位置やその大きさ、
全流路長等に特定の関係を持たせることが知られている
。

しかしながら、サーマルインクジェットヘッドの使用環
境温度が比較的高温の場合や、きわめて連続的にインク
ドロップを噴射し、このためにヘッド温度力τ上昇した
場合、上記公報に記載されている設計条件にしたがって
製作されたヘッドにおいても、一部のヘッドでは噴射異
常を起こし、最悪の場合にはインクドロップを噴射でき
なくなることが本発明者らの実験により明らかになった
。

また、上記公報に示された条件を満たしていない場合に
おいても、これとは別な特定の条件を満たしている場合
には、きわめて安定な噴射を実現することが可能である
ことが明らかになった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、比較
的高い温度下においても、安定した噴射を実現するため
のサーマルインクジェットヘッドを提供することを目的
とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、インクを噴出するための噴出口と、該噴出口
に連通したインク流路と、該インク流路内に設けられた
ヒーターとを有し、該ヒーターの発熱により発生する蒸
気バブルの圧力によってインクを前記噴出口から噴出す
るインクジェット記録装置において、印字ドツトピッチ
をｐとし、発熱素子から噴出口までのインク流路の容積
Ｖ５ｈが、ｖ、ｈ≧π（ｐ／ＪΣ）　３　／４８ を満たすことを特徴とするものである 印字ドツトピッチとは、記録媒体上で所望されるドツト
ピッチ、あるいは、マルチノズルにおいてはそのノズル
ピッチをいうものである。

（作　用） 後述する第１図の説明からも明らかなように、サーマル
インクジェットヘッドは、ヒーターを設けたヒーター基
板１と、インク流路とインク流入口を形成したチャンネ
ル基板２とを位置合わせして、接着することにとり構成
される。

本発明者らはこのような構成のサーマルインクジェット
ヘッドにおいて、異なる記録密度に対応したピッチにノ
ズルを配列し、ヒーターからノズルまでの距離やノズル
径を変え、ヒーターからノズルまでの流路容積ｖｃｈを
さまざまに変えたヘッドを多数試作した。これらのヘッ
ドを用い、環境温度やヘッド温度を変えて、ドロップ体
積Ｖ、と噴射異常との関係を詳細に調査したところ、い
ずれの記録密度のヘッドにおいても、噴射されるインク
ドロップの体積は、温度とともに増加し、ドロップ体積
が流路容積ｖｃｈに近い値を超えた時に噴射異常が起こ
ることが明らかになった。（第４図） これはドロップを噴射した後の後退したメニスカスが厚
膜型絶縁層であるビット層１３によってできたビット１
４に届き、空気をビット内に残し、これが残留気泡とな
ってバブルの圧力伝搬を妨げたり、ヒーター上での不安
定なバブル生成状態を導くものと思われる。第５図は噴
射異常を起こした時の状態を計算機シミュレーションで
再現した様子である。インク１６が噴出した後、後退し
たメニスカス１７がビットに届いている様子が認められ
る。

さらに、本発明者らは、第１図で説明するようなサーマ
ルインクジェットヘッドにおいて、ビット層を設けない
ヘッドも作製した。これは、後述する第３図のようなヘ
ッドである。このようなヘッドにおいても、噴射異常と
ドロップ体積との関係を調査したところ、やはり噴射さ
れたドロップ体積が流路容積Ｖ　ａ＞に近づくと、噴射
異常が起こることがわかった。これは、後退したメニス
カスがヒータ一端部における比較的厚い電極８によるＳ
　１０２保護膜１２における段差部分１２ａに気泡を残
しているためと考えられる。

ところで最少ドツトピッチがｐである画像を得ようとす
る場合、隙間なくドツト配列するのに必要とされるドツ
ト径は、第６図に示す図から明らかなようにＪΣｐとな
る。通常、インクジェットに用いられる記録媒体におい
て、ノズルから噴射されるドロップ径と、このドロップ
によって記録媒体上に形成されるドツト径との比（広が
り係数ｋ）は実験などから１〜４の範囲にあることがわ
かっているので、ピッチｐを隙間なく埋めるのに必要な
最低ドロップ体積は、 広がり係数が１であれば、 ４π（ｐ／、Ｈｐ）　３／３ 広がり係数が４であれば、 ４π（ｐ／４　Ｊｐ＞　”　／３ となる。

したがって、ある記録密度においては、流路容積Ｖｅｈ
を、この最低ドロップ体積より大きくすることによって
、後退したメニスカスがビットやヒーター周囲の段差に
届くことを防ぎ、結果的に噴射異常を防止することがで
きる。

より具体的には、プリンタの動作環境温度の上限におい
て、または、ヘッドの温度上昇が最大時に噴射されるド
ロップ体積よりも、流路容積Ｖｃｈが大きくなるように
実験的回帰手法や計算機シミュレーションによって望ま
れる流路容積Ｖｃｈを満たすように、ノズル径、ヒータ
ー位置やヒーターサイズ、全流路長などが決められるこ
とができる。

第６図は、その決定の手順を示すフローチャートである
。

上述したことから明らかなように、流路容積Ｖｃ５とは
、第１図、第３図に示されるように、ビットが存在する
場合には、ノズル側のビット端面からノズルに至る流路
の容積、ビットがない場合には、ヒーター有効発熱領域
の端部からノズルに至る流路の容積を意味する。

（実施例） 第１図は、本発明のサーマルインクジェットヘッドの一
実施例を説明するための要部の断面図であり、第２図は
、その概略を示す斜視図である。

図中、１はヒーター基板、２はチャンネル基板、３はノ
ズル、４はインク流路、５はＳｉ基板、６は５ｉＯｚ膜
、７は発熱素子、８は共通電極、９は個別電極、１０は
Ｓｉ○２熱酸化膜、１１はＴａの保護膜、１２は５ｉｎ
２の保護膜、１３はビット層、１４はビット、１５はイ
ンク供給口である。サーマルインクジェットヘッドは、
ヒーター基板１とチャンネル基板２から構成されている
。

ヒーター基板１をその製造方法とともに説明する。先ず
、研磨されたＳｉ基板５を、約２μ口の厚さを有するＳ
ｉＯ□６で被覆し、発熱素子７を形成する。発熱素子７
としては、ドーピング済み多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−
３ｉ）を化学蒸着（ＣＶＤ）によって着膜したものを使
用した。発熱素子７を導電性インクから絶縁および保護
する目的で上記ｐｏｌｙ−３ｉの表面を酸化し、Ｓｉｏ
２熱酸化層１０を保護層として１．０μｍの厚さに成長
させる。この熱酸化物による保護層１０の上にバブル崩
壊によるキャビテーションからの耐久力を強めるためＴ
ａ層１１を約１μｍの厚さで着膜している。発熱素子７
の両端に跨るように共通電極８と個別電極９をＡ１を用
いてパターニングし、その上に、絶縁層１２としてリン
をドーピングしたＳｉＯ□をアルミ電極を覆うように着
膜する。さらにその上に、厚さ３０μｍとなるよう、例
えば、リストン（Ｒｉｓｔｏｎ）（商標登録）のような
厚膜型絶縁層を発熱素子部分を覆わないようにビット層
１３として設ける。発熱素子の上部には、ビット１４が
形成される。

チャンネル基板２は、Ｓｉ基板に異方性エツチング（Ｏ
ＤＥ）によってインク流路（チャンネル）６とインク流
入口１５が形成されたものである。

このヒーター基板１とチャンネル基板２とを位置合わせ
して、接着することによりサーマルインクジェットヘッ
ドが構成できる。

構成されたサーマルインクジェットヘッドのビット端部
に引いた一点鎖線からノズル３に至る部分のインク流路
６の容積は、上述した関係を満たすようにされている。

第３図は、本発明のサーマルインクジェットヘッドの他
の実施例を説明するための要部の断面図である。図中、
第１図と同様な部分には同じ符号を付して説明を省略す
る。この実施例においては、第１図、第２図で説明した
実施例に対して、ビット層を設けない点が異なるだけで
ある。作用のところで説明したように、この実施例にお
いても同様にインク流路の容積を考慮することにより、
安定した噴射を実現することができる。

ビットがないこの実施例のサーマルインクジェットヘッ
ドにおいては、ヒーター有効発熱領域の端部に引いた一
点鎖線からノズル３に至る部分のインク流路６の容積が
、上述した関係を満たすようにされている。

試作したヘッドについて行なった実施例について説明す
る。

−一実施例１−一 解像度３００ｄｐｉ　（ｐ＝８４．７μｍ）に対応する
ためノズルピッチを８４．７μｍにシテ、以下の仕様の
ヘッドを試作し、環境温度を上げたとき、噴射異常を起
こした温度などを測定した。

なお、Ｈｗはヒーター幅であり、その他のパラメータは
、第１図、第２図に図示したものである。

ヘッドＡ ｐ＝８４．７　　１□＝５０　１□＝１１ＯＬ＝２９０
　　　　ｄ＝６４　　　　ｈ＝４５Ｈｗ＝３５　　　Ｈ
１＝１３０ ヘッドＢ ｐ＝８４．７　　１□＝７０　１□＝１３０Ｌ＝３３０
　　　　ｄ＝６４　　　　ｈ＝４５Ｈｗ３５　　　　Ｈ
１＝１３０ ヘッドＣ ｐ＝８４．　７　　１１＝　１１０　１□＝１３５Ｌ＝
３９５　　　　ｄ＝３８　　　　ｈ＝４５Ｈｗ＝３５　
　　Ｈ１＝１５０ 試作したこれらのヘッドはいずれも温度２５６Ｃにおい
て噴射されるドロップ体積は、第８図に示すように、８
４〜８５ｐｌ　（ピコリットル）になり、広がり係数に
＝２．２である記録紙上でビット８４．７μｍを隙間な
くドツトで埋められるよう、また繰り返し周波数やドロ
ップ速度が十分速くなるよう実験的回帰手段によって設
計されたものである。

第８図に、これらのヘッドの２５６Ｃでのドロップ体積
、噴射異常が観測された温度、ドロップを噴射するのに
必要な最低エネルギーＥ　ｔｈを示す。

本実験や前記実験、以下に示すすべての実験において使
用したインクは水６０重量％、ジエチレングリコール３
８重量％、染料２重量％からなるものを使用した。ヘッ
ドの駆動条件としては、パルス幅を３μｓｅｃとし、印
加エネルギーがＥｔｈの１．３倍となるような駆動電圧
を２ｋＨｚの繰り返し周波数で印加した。

室温においてこれらヘッドをプリンタに登載して全ノズ
ルを連続的に噴射した場合、ヘッド温度は、３１．５℃
まで上昇した。

次に、このインクジェットヘッドの動作環境温度として
上限３５℃を保証する場合、ヘッドＢ。

Ｃが適していることがわかる。しかしながら、実際には
、必要エネルギーが小さいＢのヘッドが採用される。

ｍ−実施例２−− ヘッド温度を一定に保つ温度コントロール機能を有し、
環境温度に左右されることなく常時４０℃でドロップを
噴射する４００ｄｐｉのヘッドを第７図にしたがって設
計した。実施例１で使用したに＝２．２の記録紙をここ
でも使用する。したがって、必要なドロップ体積は、３
５．６ｐｌである。マージンを考慮してｖｃｈを５０ｐ
１とした。

ノズル径　　ｄ＝４２μｍ ノズル高さ　ｈ＝２９．７μｍ としたので １□＝８０μｍ となる。１□、Ｈｗ、Ｈｌは実験的回帰手法により、他
の特性も考慮して １□＝１０５　　Ｈｗ＝３０　　Ｈ１二９５とした。

このヘッドの噴射異常を起こす温度を測定したところ、
６５℃であった。

ｍ−実施例３−− 次に、広がり係数に＝３の記録紙を用いた。この記録紙
において、３００ｄｐｉの解像度で隙間なく画像を埋め
るのに必要な最低ドロップ体積は、３３．３ｐｌである
。

この実施例では、実施例２で用いた＋ｏｏａｐｉのヘッ
ドと全く同じ仕様で、ノズルピッチのみを３００ｄｐｉ
にしたヘッドを試作した。また、実施例２では印加エネ
ルギーをＥｔｈの１．３倍にしていたが、これでは、３
６．５ｐｌのインクドロップを噴射するため、この実施
例では、Ｅ、ｈの１．２７倍で駆動したところ、３３．
ａｐｌのインクドロップを得ることができた。

このとき噴射異常を起こす温度を測定したところ６８°
Ｃに上昇していた。

なお、本発明は、上述した実施例に示したヘッド構成、
インク、駆動条件に限定されるものではない。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、きわ
めて安定な噴射を実現することができるインクジェット
ヘッドを提供できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のサーマルインクジェットヘッドの一
実施例を説明するための要部の断面図、第２図は、その
概略を示す斜視図、第３図は、本発明のサーマルインク
ジェットヘッドの他の実施例を説明するための要部の断
面図、第４図乃至第７図は、作用の説明図、第８図は、
実験結果の説明図である。 １・・・ヒーター基板、２・・・チャンネル基板、３・
・・ノズル、４・・・インク流路、５・・・Ｓｉ基板、
６・・・ＳｉＯ２膜、７・・・発熱素子、８・・・共通
電極、９・・・個別電極、１０・・・ＳｉＯ２熱酸化膜
、１１・・・Ｔａの保護膜、１２・・・ＳｉＯ２の保護
膜、１３・・・ビット層、１４・・・ビット、１５・・
・インク供給口、１８・・・バブル。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 菓８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 インクを噴出するための噴出口と、該噴出口に連通した
   インク流路と、該インク流路内に設けられたヒーターと
   を有し、該ヒーターの発熱により発生する蒸気バブルの
   圧力によってインクを前記噴出口から噴出するインクジ
   ェット記録装置において、 印字ドットピッチをｐとし、発熱素子から噴出口までの
   インク流路の容積Ｖ＿ｃ＿ｈが、Ｖ＿ｃ＿ｈ≧π（ｐ／
   √２）＾３／４８ を満たすことを特徴とするインクジェット記録装置。