JPH02137932A - 液体噴射記録装置 - 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】 栽」しｆ駅 本発明は、液体噴射記録装置に関し、より詳細には、バ
ブルジェットプリンタの記録ヘッドの構成に関する。

（泉皮権 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
行える所謂インクジェット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、Ｉ５１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、例えば米国特許第３０６０４２９号
明細書に開示されているもの（Ｔｅｌｅ　ｔｙｐｅ方式
）であって、記録液体の小滴の発生を静電吸収的に行い
、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、例えば米国特許第３５９６２７５号明細
書、米国特許第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
、この発生された帯電量の制御された小滴を、−様の電
界が掛けられている偏向電極間を飛翔させることで、記
録部材上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ｉ′！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、例えば米国特許第３４１６１５３号明細
書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。

第４の方式は、例えば米国特許第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Ｓｔａｍｍｅ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、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、該機械的振動に従
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
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
た小滴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（前記米国特許第
３７４７１２０号明細書に対応）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Ｊ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所謂バブルジェ
ットの液体噴射記録装置が記載されている。

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は、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。

このように従来法トこは、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。

特開昭５７−８７９５８号公報では、オリフィスから熱
エネルギー作用面までの距離を変えて個々のオリフィス
から吐出される液滴の大きさを均一にするものであるが
、距Ｍｔｔ変えることで必ずしも安定した液滴吐出状態
が得られるとは限らず、前記距離によっては吐出液滴が
ミスト状になったり、飛翔速度が著しく低下したりする
という欠点がある。

特開昭５７−８７９６０号公報では、熱エネルギー作用
面の面積を変えることで、個々のオリフィスから吐出さ
れる液滴の大きさを均一にするものである。これも同様
に安定した液滴吐出状態が得られるとは限らない。

且−一煎 本発明は、上記のごとき欠点を解決するためになされた
もので、液滴の安定吐出のための最適条件を提案するも
のであり、インク液滴の吐出効率とインク液滴吐出の安
定化と繰り返し周波数（連続的にインク液滴を吐出）を
向」ニさせ、高速記録。

高画品質を得るための液体噴射記録装置を提供すること
を目的としてなされたものである。

捧−一双 本発明は、上記目的を達成するために、心入される記録
液体を収容するとともに、熱によって該記録液体に気泡
を発生させ、該気泡の体積増加にともなう作用力を発生
させる少なくとも１つ以上の熱エネルギー作用部を付設
した流路と、該流路に連結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、
前記流路に連結して前記流路に前記記録液体を導入する
ための液室と、該液室に記録液体小滴入する手段とより
なる液体噴射記録装置において、前記熱エネルギー作用
部が、前記流路方向に対しその幅方向の長さをａ、前記
流路方向の長さをｂとするとき ０．２４≦ａ　／　ｂ≦１．５ の関係式を満たす形状を有することを特徴としたもので
ある。

最初に、第４図に基づいてバブルジェットによるインク
噴射の原理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、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］−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。

（（１）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ＪＪ、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／ｓｅｅ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。３２は飛翔インク滴である。

第５図は、バブルジェット記録ヘッドの斜視図、第６図
は、記録ヘッドの分解祷成図で（ａ）は蓋基板、（ｂ）
は発熱体基板を示す図、第７図は５第６図（ａ）に示し
た蓋基板の裏面図である。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）である。

第８図は、バブルジェット液体噴射記録ヘッドの部分図
で、（ａ）は、オリフィス側から見た正面部分図、（ｂ
）は、（ａ）の−点鎖線Ｘ−Ｘの切断部分図である。

第８図に示された記録ヘッド４１は、その裏面に電気熱
変換体４２が設けられている基板４３上に、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
４４を該基板４３を覆うように接合することによって、
液体を飛翔させるためのオリフィス４５を含む液吐出部
４６が形成された構造を有している。

液吐出部４６は、オリフィス４５と電気熱変換体４２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
させ、その体積の膨張と収縮による急激な状態変化を引
き起こすところである熱作用部４７とを有する。

熱作用部４７は、電気熱変換体４２の熱発生部４８の上
部に位置し、熱発生部４８の液体と接触する面としての
熱作用面４９をその低面としている。熱発生部４８は、
基体４３上に設けられた下部層５０、該下部Ｍ２Ｏ上に
設けられた発熱抵抗ＪｔＷ５１、該発熱抵抗層５１上に
設けられた上部Ｊｎ５２とで構成される。

発熱抵抗層５１には、熱を発生させるために核層５１に
通電するための電極５３．５４がその表面に設けられて
おり、これらの電極間の発熱抵抗層によって熱発生部４
８が形成されている。

電極５３は、各液吐出部の熱発生部に共通の電極であり
、電極５４は、各液吐出部の熱発生部を選択して発熱さ
せるための選択電極であって、液吐出部の液流路に沿っ
て設けられている。

上記層５２は、発熱抵抗層５１を使用する液体から化学
的、物理的に保護するために発熱抵抗層５１と液吐出部
４６にある液体とを隔絶すると共に、液体を通じて電極
５３，５４間が短絡するのを防止するのを防止する発熱
抵抗層５１の保護的機能を有している。

上部層５２は、上記の様な機能を有するものであるが、
発熱抵抗）ＣＩＪ５１が耐液性であり、且つ液体を通じ
て電極５３．５４間が電気的に短絡する必要が全くない
場合には、必ずしも設ける必要はなく、発熱抵抗層５１
の表面に直ちに液体が接触する構造の電気熱変換体とし
て設計しても良い。

下部層５０は、次に熱流量制御機能を有する即ち、液滴
吐出の際には、発熱抵抗層５１で発生する熱が基板４３
側の方に伝導するよりも、熱作用部４７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
抵抗層５１への通電がＯＦＦされた後には、熱作用部４
７及び熱発生部４８にある熱が速やかに基板４３側に放
出されて、熱作用部４７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る。

以下、本発明の実施例に基づいて説明する。

第１図は、第８図（ｂ）の熱作用部４９を説明するため
に第８図（ｂ）を溝付板４４の方向から見たものである
。７は共通電極、８．〜８．は選択電極、９．〜９．は
熱作用面を示す。またａは、熱作用面の流路方向に対し
その幅方向の長さを表わし、ｂは熱作用面の流路方向の
長さを表わす。但し、実用−Ｌはインクによる腐食を防
ぐために共通電極７２選択電極８、熱作用部９の上に保
護層を設けることが多い。

バブルジェット技術においては、飛翔インク液滴は、サ
テライト滴がなく、又、ミスト状に飛翔しない吐出が要
求される。又、吐出しないで吐出口（オリフィス）から
だれるというようなこともあってはならない。本発明者
らは実験を繰り返し上記のような不都合を解決すべきた
めに最適吐出が以下の条件を満たすときに得られること
を見いだした。

０．２４≦ａ　／　ｂ≦１．５ このような条件は、第１図における熱作用部９の長さａ
及びｂをいろいろ変えてヘッドを試作し、飛翔インク液
滴をストロボで同期させ１位相を変化させて観察するこ
とにより見い出された。本発明は、最適吐出条件を決定
する因子として最適条件に最も影響を及ぼすものの１つ
である熱作用部９の長さａ、ｂの関係を求めたものであ
り、この条件に設定してヘッドを駆動することにより安
定したインク液滴の吐出が得られるものである。

第２図は、発熱抵抗体を用いる気泡発生手段の構造を説
明するための図で、図中、６１は発熱抵抗体、６２は電
極、６３は保護層、６４は電源装置を示し、発熱抵抗体
６１を構成する材料として、有用なものには、たとえば
、タンタル−３ｉＯ□の混合物、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６１を構成する材料の中、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、硼化ランタン、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６１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６１の膜厚は、単位時間当りの発熱斌
が所望通りとなるように、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ｏ、ｏｉ〜１μｍとされる。

電極６２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、
たとえばＡＩ２＋　Ａｇｏ　Ａｎ、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。

保護層６３に要求される特性は、発熱抵抗体６１で発生
された熱を記録液体に効果的に伝達することを妨げずに
、記録液体より発熱抵抗体６１を保護するということで
ある。保護層６３を構成する材料として有用なものには
、たとえば酸化シリコン、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。保護
層６３の膜厚は１通常は０．０１〜１０μｍ、好適には
０．１〜５μｍ、最適には０．１〜３μｍとされるのが
望ましい。

第３図は１本発明による記録ヘッドの熱作用部の構成図
である。

１０１はＳｉ基板、１０２は下部層、１０３は発熱抵抗
層、１０４は電極、１０５は第１の保護層、１０６は第
２の保護層、１０７は樹脂層。

１０８は熱作用面である。

Ｓｉ基板１０１上に下部１ｆ！ｊ　１０２としてＳｉＯ
□を５μｍの厚さでスパッタリングした後、フォトリソ
技術、エツチング技術、スパッタリング技術等を利用し
、発熱抵抗層１０３として、Ｔａ・５ｉ０２を４００人
、さらに電極１０４としてＡＱを５０００人の厚さで所
望の形状とした。

次に、第１の保護層１０５として、ＳｉＯ２を５０００
人の厚さでスパッタリングし、さらに、第２の保護層１
０６としてＳｉ、Ｎ、を５０００人の厚さでスパッタリ
ングし、ＡＱが積層されているところのみにレジン（樹
脂）層をパターニングしヒーターボードを形成した。

ヒーターボード上に感光性ドライフィルムをラミネート
し所望のインク室及び流路の壁を形成する。次にガラス
天板と接着層を介して接合する。

この基板をスライサーで切断することで吐出口を形成す
る。

このようにして製作した該吐出エレメントを用いて飛翔
インク液滴の吐出状態を測定した。この結果は、以下の
第１表に示しである。

第１表 単位は〔μｍ〕 ０・・・良好、Ｘ・・・不良 以上の結果から１本発明において熱作用面の長さを最適
条件に選べば、安定したインク液滴の吐出が容易に得ら
れることがわかる。

蟇−一米 以上の説明から明らかなように、本発明によると、液体
噴射記録装置において、液体噴射記録ヘッドの熱作用面
を前記最適条件に選ぶことで安定したインク液滴の吐出
が得られ、繰り返し周波数特性を向上させ、高速記録、
高画像品質を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の記録ヘッドの一実施例を説明するた
めの図で、熱作用の長さの関係を示す図、第２図は、記
録ヘッドの発熱抵抗体を用いる気泡発生手段の構成図、
第３図は、記録ヘッドの熱作用部の構成図、第４図は、
記録ヘッドのバブルジェットインク吐出と気泡発生・消
滅の原理図、第５図は、記録ヘッドの斜視図、第６図は
、記録ヘッドの分解構成図で、（、）は蓋基板、（ｂ）
は発熱体基板を示す図、第７図は、記録ヘッドの蓋基板
の裏面図、第８図は、記録ヘッドの部分図で、（ａ）は
ヘッドのオリフィス側より見た正面部分図、（ｂ）は（
、）のＸ−Ｘ線切断部分図である。 ７・・・共通電極、８．〜・・・選択電極、９．〜・・
・熱作用面、２４．４５・・・オリフィス、２５山流路
、２６・・・液室。 第 図 第 図 第 図 第 ３図 第 図 第 図 ＩＱ） 図 （ｂン

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、熱によっ
   て該記録液体に気泡を発生させ、該気泡の体積増加にと
   もなう作用力を発生させる少なくとも１つ以上の熱エネ
   ルギー作用部を付設した流路と、該流路に連結して前記
   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、前記流路に連結して前記流路に前記
   記録液体を導入するための液室と、該液室に記録液体を
   導入する手段とよりなる液体噴射記録装置において、前
   記熱エネルギー作用部が、前記流路方向に対しその幅方
   向の長さをａ、前記流路方向の長さをｂとするとき ０．２４≦ａ／ｂ≦１．５ の関係式を満たす形状を有することを特徴とする液体噴
   射記録装置。