JPH0412862A - 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
。

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。

（以下余白） ［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
れた特長を有している。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、プリンタの
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５６−１０４７１号におい
ては、発熱体表面を粗（ＪＩＳ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６２−２０１２５４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Ｒ８〈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
構成が開示されている。

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５５−１：！８４７０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５８−１１１
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給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６２−２０１２５４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く、充分な液
滴吐出速度が得られない場合がある。特開昭６０−２０
３４５２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（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１ 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、ＪＩＳ最大高さ（Ｒ□う
）で表された熱作用部の表面粗さがインクの沸点＋　１
００°Ｃにおける該インクの臨界気泡半径以下である表
面を有する発熱素子を有することを特徴とする。

本発明インクジェット記録ヘッドは少なくともＪＩＳ最
大高さ（Ｒ，、、）で表された熱作用部の表面粗さがイ
ンクの沸点＋　１００℃における該インクの臨界気泡半
径以下である表面を有す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ＪＩＳ最大
高さ（Ｒ，、、）で表された熱作用部の表面粗さがイン
クの沸点＋　１００℃における該インクの臨界気泡半径
以下である表面を有す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。

［イ乍　用］ 本発明においては、発熱体のＪＩＳ表面粗さＲ□８をイ
ンクの沸点＋　１００℃におけるインクの臨界気泡半径
Ｒｅ＝　２σ／（ｐ、−ｐ、、ｂ）　（甲藤好部「伝熱
概論」参照）以下にしている。ここで、σはインクの沸
点＋　１００℃におけるインクの表面張力、ｐ８はイン
クの沸点＋１００℃におけるインクの蒸気圧、ｐ　ａｍ
ｂは標準大気圧（＝　１０１．３ｋＰａ）である。臨界
気泡半径は気泡の半径がそれを超えると気泡が成長し、
それ以下では消滅する臨界値である。従って本発明では
インクの温度がその沸点＋１００℃以下では気泡が発生
し難い。このように表面上の気泡核の活性化温度を高（
することによって、発泡時の圧力を高（し、液滴吐出速
度を太き（することができる。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。

［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て適宜のデー
タ供給源より画像データに応じた吐出信号が供給される
。ヘッドカートリッジは、用いるインク色等に応じて、
１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、ｌＯ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ｒｊｓ温度センサ１１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Ｌ９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？＆体の波路（ノズル）　１５を形成するための
隔壁を設けた天板托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０．１μｍ
のＨｆＢ２抵抗層２３を、ＥＢ蒸着法によって厚さ０．
５μｍのＡＩ２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
−３ｉ−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。

保護層２６の組成比を変化させると、Ｔａの結晶粒径が
変化し、保護層２６の表面粗さが変化した。表面粗さは
触針法によって測定した。組成比と表面粗さの間の関係
については、成膜装置の状態などの不確定要素があり、
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、液滴を吐出させたところ、表面粗さＲ□８が
インクの沸点＋　１００℃におけるインクの臨界気泡半
径（ＲＣ＝０．０６μｍ）以下のときには、充分な液滴
吐出速度が得られたが、Ｒｅをこえたときには充分な液
滴吐土速度が得られなかった。

インクとして、水系以外のものを用いた場合にも、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０．１μ
ｍ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１．５　ＬＬｍのＳｉＯ□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−
５ｉ−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、３０ＬＬｍＸ５０μ田と
した。

保護層２７の組成比を変化させると、Ｔａ−５ｉ−Ｃの
結晶粒径が変化することによって、保護層２７の表面粗
さが変化した。保護層の材質が異なっても、その表面の
粗さＲｍａＸがインクの沸点＋　１００　’Ｃにおける
臨界気泡半径以下の場合は、先の実施例と同様の効果が
認められた。

（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、記録ヘ
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
吐出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４３４５２６２
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、記録装置が配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
た記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がいずれでもよ
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は、
インクを液体として説明しているが、室温やそれ以下で
同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同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
インクを用いるかして、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、多孔質シート凹部または貫
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ＪＩＳ表面粗さＲｌＸを、インクの沸点＋１００℃に
おけるインクの臨界気泡半径より小さ（することによっ
て、気泡時の圧力が高くなり、液滴吐出速度が大きくな
り、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・・・Ｓｉ基板、 ２２・・・表面酸化層、 ２３・・・ＨｆＢ２抵抗層、 ２４・・・Ａβ電極、 ２５・・・Ｓｉｎ、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）ＪＩＳ最大高さ（Ｒｍａｘ）で表された熱作用部の
   表面粗さがインクの沸点＋１００℃における該インクの
   臨界気泡半径以下である表面を有す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ＪＩＳ最大高さ（Ｒｍａｘ）で表された
   熱作用部の表面粗さがインクの沸点＋１００℃における
   該インクの臨界気泡半径以下である表面を有する発熱素
   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ＪＩＳ最大高さ（Ｒｍａｘ）で表され
   た熱作用部の表面粗さがインクの沸点＋１００℃におけ
   る該インクの臨界気泡半径以下である表面を有する発熱
   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。