JPH0412861A - インクジェット記録ヘッド及び該記録ヘッドを備えた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］ 本発明は熱エネルギーを利用して液体を噴射して記録を
行なうためのインクジェット記録ヘッド用基体、該基体
を有するインクジェット記録ヘッド及び該インクジェッ
ト記録ヘッドを有するインクジェット記録装置に関する
。

［従来の技術］ 熱エネルギーを利用して液体を噴射（吐出）して記録を
行なうインクジェット記録方法は、高解像、高速印字が
可能で記録品位も高く、低騒音であり、しかもカラー画
像記録が容易に行なえ、普通紙等にも記録ができ、更に
記録ヘッドや装置全体の小型化が容易であるといった優
れた特徴を有している。

中でもバブルジェット記録は、インクと接触している発
熱体を急速に加熱することによって生ずる膜沸騰現象を
利用している。従って、バブルジェットプリンタ用の発
熱体表面の性質は、ブリンタの性能に対して大きな影響
を与えるので、従来から様々な工夫がなされてきた。特
開昭５６１０４７１号においては、発熱体表面を粗（Ｊ
ＩＳ粗さ０、０５Ｓ〜２Ｓ）にすることによって表面上
の凹凸に気泡核を形成し、より低温で沸騰を起こさせる
ことにより、低エネルギ消費量で記録を行うことのでき
る構成が開示されている。特開昭５６−１９７７１号に
おいては、表面を粗（ＪＩＳ粗さ０．０５Ｓ〜２Ｓ）に
した発熱体を用いて、良好な記録を行うためのエネルギ
レベルの設定方法が開示されている。特開昭６２−２０
１２５４号においては、発熱体表面を粗とするとともに
発熱体の発熱量が端部より中央部が大とすることによっ
て、階調制御可能な構成が開示されている。

また、発熱抵抗体の表面状態は、発熱体が形成される基
板の表面状態によって左右されるので、基板に対しても
工夫がなされてきた。特開昭５６−１０４７０号におい
ては、基板の表面を粗（ＪＩＳ粗さ０．１Ｓ〜５Ｓ）に
することによって、発熱体の表面に凹凸を生じさせ、特
開昭５６−１０４７１号と同様の効果を実現する構成が
開示されている。一方、発熱体の耐久性の視点からは、
発熱体表面の保護層の被覆性が重要であるから、むしろ
平滑な基板の方が好ましい。特開昭６０−２０３４５２
号および特開昭６０−２０６６５５号においては、発熱
体が設けられる基板の表面を平滑（ＪＩＳ中心線平均粗
さＲ，＜０．１μｍ）にすることによってその上に形成
される発熱体の表面を保護する層の被覆性を向上させる
構成が開丁されている。

発熱体表面に限定されない、−船釣な流路壁表面の性質
については、流体力学的な視点から様々な工夫がなされ
ている。特開昭５５−１２８４７０号においては、流路
内壁に平滑化処理を行なうことによって、流路内のイン
クの壁に対する親和性を向上し、円滑なインクの流れを
実現する構成が開示されている。特開昭５８−１．１１
７３号においては、流路を感光性樹脂の硬化膜をもって
形成し、流路内壁を微細粗面とすることによって、製造
が容易でかつインクの供飴が高速化される構成が開示さ
れている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来例においては、液体が沸騰する
時の圧力を高めるための工夫が欠けているという問題点
があった。すなわち、特開昭５６−１０４７１号、特開
昭５６−１９７７１号、特開昭６２−２（１１２５４号
、および特開昭５６−１０４７０号においては、液体が
低温で沸騰するため、発泡時の蒸気圧が小さ（、充分な
液滴吐出速度が得られない場合がある。特開昭６０−２
０３４５２号および特開昭６０−２０６６５５号におい
ては、表面の被覆性については考慮されているものの、
液体が沸騰する時の圧力を高めるためにはどのようにす
べきであるかについては、なんら示唆を与えない。特開
昭５５−１２８４７０号および特開昭５８−１１１７３
号においては、流路壁としての表面状態については、考
慮されているものの、伝熱面（熱作用面）としての発熱
体表面の性質は考慮されていないので、液体が沸騰する
時の圧力を高めるためにはどのようにすべきであるかに
ついては、なんら示唆を与えない。このため、発泡する
ときの圧力が小さくなり、高画質の記録を行うのに充分
な液滴吐出速度が得られない場合があった。

発泡時のバブル内圧は、バブル発生時の温度におけるイ
ンクの蒸気圧にほぼ等しい。従って発泡時の圧力を高め
るためには、低温におけるバブルの発生を抑制し、発熱
体表面が高温になった時にはじめてバブルを発生させる
必要がある。

本発明は、発泡時の圧力が高く、そのために液滴吐出速
度が大きいバブルジェットプリンタヘッドを構成するた
めの発熱体を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明によるインク
ジェット記録ヘッド用基体は、熱作用部の表面の点γに
おける該表面とインクとの（γ）の最大値と最小値の差
をΔθとしたとき、前記表面における接触角がθ≦　１
２０’がっΔθ〈９０°である発熱素子を有することを
特徴とする特本発明インクジェット記録ヘッドは少なく
とも［イ乍　用］ 熱作用部の表面の点γにおける該表面とインクとの接触
角をθ（γ）、θ（γ）の平均値を■、前記θ（γ）の
最大値と最小値の差をΔθとしたとき、前記表面におけ
る接触角がθ≦１２０°かつΔθ≦９０°である発熱素
子を有する基体と、該発熱素子に対応して設けられた吐
出口と、該吐出口と連通ずる液路とを有することを特徴
とする。

本発明インクジェット記録装置は少なくとも熱作用部の
表面の点γにおける該表面とインクとの接触角をθ（γ
）、θ（γ）の平均値を■、前記θ（γ）の最大値と最
小値の差をΔθとしたとき、前記表面における接触角が
θ≦１２０°かつΔθ≦９０゛である発熱素子を有する
基体と該発熱素子に対応して設けられた吐出口と該吐出
口と連通ずる液路とを有するインクジェット記録ヘッド
と、前記発熱素子を駆動するための電気信号を発生する
駆動回路と、前記吐出口に対向し得る位置に設けられた
プラテンとを備えることを特徴とする。

本発明は、発熱体表面の点γにおけるインクの接触角を
θ（？）、θ（７）の平均値を刀、θ（γ）の最大値と
最小値の差をΔθとしだとき、θ≦１２０°かっΔθ〈
９０°となるようにしている。このようにインクの発熱
体表面に対するぬれ性が良いので、低温における気泡核
の発生が抑制され、発熱体表面の温度が十分に高くなっ
た時にバブルが発生する。従って発泡時の圧力を高め、
充分な吐出速度が得られると同時に吐出速度のバラツキ
が少なく、良好な印字ができる。その結果、高品位の画
像記録ができ、さらに発泡時の圧力が高（なり液体を吐
出するための作用力が強くなるため、いわゆる目詰りも
生じにくくなるという効果も得られる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明を適用した記録ヘッドを搭載しだ液体噴
射記録装置（インクジェット記録装置）の模式的構成例
、第２図はその記録ヘッドの構成例を示す。

まず、第１図において、１はヘッドカートリッジであり
、記録ヘッドとインク供給源たるインクタンクとを一体
としたものである。このヘッドカートリッジ１は、押さ
え部材２によりキャリッジ３の上に固定されており、こ
れらはシャフト４に沿って長手方向に往復動可能となっ
ている。記録ヘッドより吐出されたインクは、記録ヘッ
ドと微少間隔を置いて、プラテン５に記録面を規制され
た記録媒体６に到達し、記録媒体６上に画像を形成する
。

記録ヘッドには、ケーブル７およびこれに結合する端子
（図示せず）を介して駆動回路に接続され適宜のデータ
供給源より画像データに応じた吐土信号が供給される。

ヘッドカートリッジは、用いるインク色等に応じて、工
ないし複数個（図では２個）を設けることができる。

なお、第１図において、８はキャリッジ３をシャフト４
に沿って走査させるためのキャリッジモータ、９はモー
タ８の駆動力をキャリッジ３に伝達するワイヤである。

また、１ｏはプラテンローラ５に結合して記録媒体６を
搬送させるためのフィードモータである。また、１１は
装置本体の適宜の部位に設けられた基準温度センサであ
る。この基準温度センサｌｌは、機内昇温の影響を受け
ない適宜の部位に配置され、雰囲気温度をモニタする。

第２図は本発明を適用しつる記録ヘッドの構成例である
。ここで、１２はヒータボード（基体）であり、本発明
による電気熱変換体（吐出用発熱体）１３と、これに電
力を供給するＡ［等の配線１４とが成膜技術により形成
されて成る。そして、このヒータボード１２に対して、
記録用液体の液路（ノズル）１５を形成するための隔壁
を設けた天板１６を接着することにより、液体噴射記録
ヘッドが構成される。なお、この隔壁は、天板１６に設
ける必要はなく、ヒータボード１２上に隔壁を設け、そ
の隔壁上に隔壁を設けていない天板を設けても良いもの
である。

記録用の液体（インク）は、天板１６に設けた供給口１
７より共通液室１８に供給され、ここより各ノズル１５
内に導かれる。そして、通電によって発熱体１３が発熱
すると、ノズル１５内に満たされたインクに発泡が生じ
、吐出口１９よりインク滴が吐出される。

第３図は、本発明による発熱抵抗体の一実施例の断面図
を示す。本実施例は、厚さ５２５μ口のＳｉ基板２１の
表面に厚さ２．５μｍの表面酸化ＳｉＯ□層２２を形成
し、その上にスパッタリング法によって厚さ０．１　μ
ｍのＨｆＢ２抵抗層２３を、ＥＢ蒸着法によって厚さ０
．５μｍのへβ電極２４を、スパッタリング法によって
厚さ１．５μｍのＳｉＯ□絶縁層（保護膜をかねる）２
５を、スパッタリング法によって厚さ０．５μｍのＴａ
−３Ｌ−Ｂ保護層２６を、それぞれ順次形成したもので
ある。発熱抵抗体の発熱部の面積は、３０μｍ×５０μ
ｍとした。

発熱抵抗体に加熱によるエージングを行って保護層２６
の表面酸化状態を変化させると、ぬれ性が変化した。発
熱体表面にインクを滴下してインク滴を形成し、側面か
ら写真撮影を行って、インクの発熱体表面に対する接触
角を測定した。エージング条件とは接触角の間の関係に
ついては、未だ定量的な関係式を得るに至っていないの
で、試行錯誤的に定めた。

本実施例の発熱抵抗体を用い、インクとして水系インク
を用いて、？夜温を吐出させたところ、発熱体表面の点
γにおけるインクの接触角θ（γ）の平均値θが１２０
°以下のときには充分な液滴吐出速度が得られた。しか
し、接触角が１２０°をこえると充分な液滴吐出速度が
得られなかった。また、θ（γ）の最大値と最小値の差
をΔθが９０゜以下のときにはＭＡ吐比速度のバラツキ
が少なかったが、９０°をこえたときには液滴吐出速度
のバラツキが大きかった。

インクとして、水系以外のもの、例えばエタノール系を
用いた場合にも、同様の結果が得られた。

第４図は、本発明による発熱抵抗体の他の実施例の断面
図を示す。本実施例は、厚さ５２５μｍのＳｉ基板２１
の表面に厚さ２．５μｍの表面酸化ＳｉＯ□層２２を形
成し、その上にスパッタリング法によって厚さ０１μｍ
のＨｆＢ２抵抗層２３を、ＥＢ蒸着法によって厚さ０．
５μｍの／ｌ電極２４を、スパッタリング法によって厚
さ１５μｍの５ｉ０２絶縁層２５を順次形成し、さらに
スパッタリング法によって厚さ０５μｍのＴａ−３ｉ−
Ｃ保護層２７を形成したものである。

発熱抵抗体の発熱部の面積は、３０ｇｍＸ５０μｍとし
た。

発熱抵抗体に加熱によるエージングを行って保護層２７
の表面酸化状態を変化させると、ぬれ性が変化し、接触
角が変化した。この場合にも、接触角の平均が１２０°
以下、バラツキが９０°以下のときにのみ、充分な液滴
吐出速度が得られた。

（その他） なお、本発明は、特にインクジェット記録方式の中でも
バブルジェット方式の記録ヘッド、記録装置において優
れた効果をもたらすものである。

かかる方式によれば記録の高密度化、高精細化が達成で
きるからである。

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４７４０７９６号明細
書に開示されている基本的な原理を用いて行うものが好
ましい。この方式は所謂オンデマンド型、コンティニュ
アス型のいずれにも適用可能であるが、特に、オンデマ
ンド型の場合には、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いて核沸騰を越える急速な温度上昇
を与える少なくとも１つの駆動信号を印加することによ
って、−電気熱変換体に熱エネルギを発生せしめ、言己
録ヘッドの熱作用面に膜沸騰を生じさせて、結果的にこ
の駆動信号に一対−で対応した液体（インク）内の気泡
を形成できるので有効である。この気泡の成長、収縮に
より吐土用開口を介して液体（インク）を吐出させて、
少なくとも１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４３４５２
６２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。

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、液路、電気熱変換体の組合せ構成
（直線状液流路または直角液流路）の他に熱作用部が屈
曲する領域に配置されている構成を開示する米国特許第
４５５８３３３号明細書、米国特許第４４５９６００号
明細書を用いた構成も本発明に含まれるものである。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部とする構成を開示する特開昭５
９−１２３６７０号公報や熱エネルギの圧力波を吸収す
る開孔を吐出部に対応させる構成を開示する特開昭５９
−１３８４６１号公報に基いた構成としても本発明の効
果は有効である。すなわち、記録ヘッドの形態がどのよ
うなものであっても、本発明によれば記録を確実に効率
よ（行うことができるようになるからである。

さらに、記録装置が記録できる記録媒体の最大幅に対応
した長さを有するフルラインタイプの記録ヘッドに対し
ても本発明は有効に適用できる。

そのような記録ヘッドとしては、複数記録ヘッドの組合
せによってその長さを満たす構成や、一体的に形成され
た１個の記録ヘッドとしての構成のいずれでもよい。

加えて、上側のようなシリアルタイプのものでも、装置
本体に固定された記録ヘッド、あるいは装置本体に装着
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インク
タンクが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。

また、本発明に記録装置の構成として設けられる、記録
ヘッドに対しての回復手段、予備的な補助手段等を付加
することは本発明の効果を一層安定できるので、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
或は吸引手段、電気熱変換体或はこれとは別の加熱素子
或はこれらの組み合わせによる予備加熱手段、記録とは
別の吐出を行なう予備吐出モードを行なうことも安定し
た言己録を行なうために有効である。

また、搭載される記録ヘッドの種類ないし個数について
も、例えば単色のインクに対応して１個のみが設けられ
たものの他、記録色や濃度を異にする複数のインクに対
応して複数個数設けられるものであってもよい。すなわ
ち、例えば記録装置の記録モードとしては黒色等の主流
色のみの記録モードだけではな（、記録ヘッドを一体的
に構成するか複数個の組み合わせによるかいずれでもよ
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。

さらに加えて、以上説明した本発明実施例においてば、
インクを液体として説明しているが、室温やそれ以下で
固化するインクであって、室温で軟化もしくは液化する
もの、あるいはインクジェット方式ではインク自体を３
０℃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よい。加えて、積極的に熱エネルギ
による昇温をインクの固形状態から液体状態への状態変
化のエネルギとして使用せしめることで防止するか、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
インクを用いるがして、いずれにしても熱エネルギの記
録信号に応じた付与によってインクが液化し、液状イン
クが吐出されるものや、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、熱エネルギによって
初めて液化する性質のインクを使用する場合も本発明は
適用可能である。このような場合のインクは、特開昭５
４−５６８４７号公報あるいは特開昭６０−７１２６０
号公報に記載されるような、多孔質シ−ト凹部または貫
通孔に液状又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よい。本発
明においては、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。

さらに加えて、本発明インクジェット記録装置の形態と
しては、コンピュータ等の情報処理機器の画像出力端末
として用いられるものの他、リーグ等と組合せた複写装
置、さらには送受信機能を有するファクシミリ装置の形
態を採るもの等であってもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、発熱抵抗体表面
の接触角の平均値を小さくし、同時にバラツキを小さく
することによって、高画質の記録を行うことができる。

さらに、発泡時の圧力が高くなり液体を吐出するための
作用力が強くなるためいわゆる目詰りも生じにくくなる
という効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した記録ヘッドを搭載したインク
ジェット記録装置の構成例を示す図、第２図は本発明発
熱体の適用しつる記録ヘッドの構成例を示す図、 第３図は本発明の実施例における発熱抵抗体の断面図、 第４図は本発明の他の実施例における発熱抵抗体の断面
図である。 １・・・ヘッドカートリッジ、 ２・・・押さえ部、 ３・・・キャリッジ、 ４・・・シャフト、 ５・・・プラテン、 ６・・・記録媒体、 ７・・・ケーブル、 ８・・・キャリッジモータ、 ９・・・ワイヤ、 １０・・・フィードモータ、 １１・・・基準温度センサ、 １２・・・ヒータボード、 １３・・・発熱体、 １４・・・配線、 １５・・・ノズル、 １６・・・天板、 １７・・・供給口、 １８・・・共通液室、 １９・・・吐出口、 ２１・・・ＳＬ基板、 ２２・・・表面酸化層、 ２３・・・ＨｆＢ２抵抗層、 ２４・・・Ａ℃電極、 ２５・・・ＳｉＯ□絶縁層、 ２６＝−Ｔａ−３ｉ−Ｂ保護層、 ２７−４ａ−３ｉ−Ｃ保護層。 第１図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）熱作用部の表面の点■における該表面とインクとの
   接触角をθ（■）、θ（■）の平均値を＠θ＠、前記θ
   （■）の最大値と最小値の差をΔθとしたとき、前記表
   面における接触角が＠θ＠≦１２０゜かつΔθ≦９０゜
   である発熱素子を有することを特徴とするインクジェッ
   ト記録ヘッド用基体。 ２）前記発熱素子が発熱抵抗体層と該発熱抵抗体層に電
   気的に接続される少なくとも一対の電極を有することを
   特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド
   用基体。 ３）前記発熱素子が前記発熱抵抗体と前記少なくとも一
   対の電極を覆う保護層をさらに有することを特徴とする
   請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド用基体。 ４）前記保護層は複数層であることを特徴とする請求項
   ３に記載のインクジェット記録ヘッド用基体。 ５）前記保護層はＴａを含有することを特徴とする請求
   項３に記載のインクジェット記録ヘッド用基体。 ６）前記保護層はＳｉ、ＢおよびＣのうちの少なくとも
   一種をさらに含有することを特徴とする請求項５に記載
   のインクジェット記録ヘッド用基体。 ７）前記インクが水系インクであることを特徴とする請
   求項１に記載のインクジェット記録ヘッド用基体。 ８）少なくとも熱作用部の表面の点■における該表面と
   インクとの接触角をθ（■）、θ（■）の平均値を＠θ
   ＠、前記θ（■）の最大値と最小値の差をΔθとしたと
   き、前記表面における接触角が＠θ＠≦１２０゜かつΔ
   θ≦９０゜である発熱素子を有する基体と、該発熱素子
   に対応して設けられた吐出口と、該吐出口と連通する液
   路とを有することを特徴とするインクジェット記録ヘッ
   ド。 ９）前記発熱素子が発熱抵抗体層と該発熱抵抗体層に電
   気的に接続される少なくとも一対の電極を有することを
   特徴とする請求項８に記載のインクジェット記録ヘッド
   。 １０）前記発熱素子が前記発熱抵抗体と前記少なくとも
   一対の電極を覆う保護層をさらに有することを特徴とす
   る請求項９に記載のインクジェット記録ヘッド。 １１）前記保護層は複数層であることを特徴とする請求
   項１０に記載のインクジェット記録ヘッド。 １２）前記保護層はＴａを含有することを特徴とする請
   求項１０に記載のインクジェット記録ヘッド。 １３）前記保護層はＳｉ、ＢおよびＣのうちの少なくと
   も一種をさらに含有することを特徴とする請求項１２に
   記載のインクジェット記録ヘッド。 １４）少なくとも熱作用部の表面の点■における該表面
   とインクとの接触角をθ（■）、θ（■）の平均値を■
   、前記θ（■）の最大値と最小値の差をΔθとしたとき
   、前記表面における接触角が＠θ＠≦１２０゜かつΔθ
   ≦９０゜である発熱素子を有する基体と該発熱素子に対
   応して設けられた吐出口と該吐出口と連通する液路とを
   有するインクジェット記録ヘッドと、前記発熱素子を駆
   動するための電気信号を発生する駆動回路と、前記吐出
   口に対向し得る位置に設けられたプラテンとを備えるこ
   とを特徴とするインクジェット記録装置。 １５）前記発熱素子が発熱抵抗体層と該発熱抵抗体層に
   電気的に接続される少なくとも一対の電極を有すること
   を特徴とする請求項１４に記載のインクジェット記録装
   置。 １６）前記発熱素子が前記発熱抵抗体と前記少なくとも
   一対の電極を覆う保護層をさらに有することを特徴とす
   る請求項１５に記載のインクジェット記録装置。 １７）前記保護層は複数層であることを特徴とする請求
   項１６に記載のインクジェット記録装置。 １８）前記保護層はＴａを含有することを特徴とする請
   求項１６に記載のインクジェット記録装置。 １９）前記保護層はＳｉ、ＢおよびＣのうちの少なくと
   も一種をさらに含有することを特徴とする請求項１８に
   記載のインクジェット記録装置。