JPS62240558A - 液体噴射記録ヘツド - Google Patents

液体噴射記録ヘツド

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JPS62240558A
JPS62240558A JP8415986A JP8415986A JPS62240558A JP S62240558 A JPS62240558 A JP S62240558A JP 8415986 A JP8415986 A JP 8415986A JP 8415986 A JP8415986 A JP 8415986A JP S62240558 A JPS62240558 A JP S62240558A
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JP
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liquid
recording
heating means
nozzle
ejection
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JP8415986A
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Shinichi Hirasawa
平澤 伸一
Hirokazu Komuro
博和 小室
Koichi Sato
孝一 佐藤
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Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

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、液体吐出口から記録液を液滴として吐出、飛
翔させ、該液滴を紙などの記録媒体に着弾させて記録を
行なう液体噴射記録ヘッド、特に印字信号が加えられた
ときに吐出が行なわれるオンデマンド型の液体噴射記録
ヘッドに関し、中でも高速応答性と優れた吐出安定性を
有する液体噴射記録ヘッドに関する。 [従来の技術] 従来より、記録液を吐出、飛翔させて記録を行なう液体
噴射記録法(インクジェット記録法)が知られている。 該方法は、高速印字が可能であり、低騒音、且つ記録品
位が高く、しかもカラー画像記録が容易であり、また普
通紙等に記録できるといった優れた特長を有している。 このようなインクジェット記録方法に用いられるインク
ジェット記録装置は、一般に、記録液を飛翔液滴として
吐出噴射させるための液体吐出口(オリフィス)と、該
オリフィスに連通ずる液体流路(ノズル)および該ノズ
ルの一部に設けられ、該ノズル内の記録液に飛翔液滴を
形成するための吐出エネルギーを与える吐出エネルギー
発生手段と、該ノズルに記録液を供給するための液室を
有するインクジェット記録ヘッドを備えている。 記録は、吐出エネルギー発生手段を駆動してノズル内の
記録液に吐出エネルギーを供給し、オリフィスから記録
液を飛翔液滴として吐出させ、この液滴を記録媒体に着
弾させることによって行なうのである。 このようなインクジェット記録装置によって記録を行な
う際に使用される記録液は、一般に顔料や染料等の記録
剤部分と、これを溶解または分散するための主に水、ま
たは水と水溶性°有機溶剤あるいは非水系溶剤とからな
る溶媒成分とによって形成されている。インクジェット
記録装置においては、記録液が吐出されるノズル先端に
設けられたオリフィスは、装置の駆動の有無にかかわら
ず絶えず装置外部の外気に向けて開放されていることが
多い。そのために、記録が行なわれない状態が長時間に
わたる場合には、溶媒の一部がオリフィスから外気中へ
蒸発し、記録剤成分や揮発しにくい溶媒成分が記録液中
に残有することにより、この部分に滞留した記録液の組
成が変化して粘度が増大し、結果としてノズル部分の粘
性抵抗が増大する。そのため、印字体止後の記録再開時
直後においては、吐出用信号が印加されているにもかか
わらず、液滴が吐出されない液滴の吐出不良が起き易く
、記録画像の初期印字部等に欠陥を生じるという問題が
あった。 また、インクジェット記録装置によって液滴を縁り返し
吐出させるためには、吐出によフて失われた分の液体を
次の吐出までに補充しなければならない。そのための代
表的な方法は、液体の表面張力を利用し、毛細管現象に
よって液体をオリフィスに導くというものである。この
場合、液体をオリフィスに導くのに要する時間L2は、
t2 =d / u によって定まる。ただし、dは液滴切断後、ノズルに残
った液体かもとの位置から後退した距離であり、Uは毛
細管現象による液体の移動速度である。上記時間t2は
、液滴が形成されるのに要する時間t、に比べて通常道
かに大きく、 f = 1 / (L、 +L2) で定まる繰り返し駆動可能周波数fは、事実上
【電によ
って制限されてしまい、いかに遠く液滴を形成しても、
繰り返し駆動周波数を高くすることができないという問
題があった。 このような問題を解決する有効な方法の一つとしてノズ
ルの長さを短くすることがある。ノズルの長さを短くす
ることは、ノズル壁の流れに対する抵抗を小さくするこ
とに等しく、前記t2の短縮に結びつく。しかしながら
、ノズルを短くすることは飛翔液滴の速度低下、速度不
安定の増加の原因となり、安定な記録を行なえないとい
う問題をひきおこしていた。 [発明が解決しようとする問題点] 本発明は、上記従来例の問題点に鑑みてなされたもので
、長時間放置後にも液滴の吐出不良を生じず、また高い
繰返し駆動周波数による高速安定記録が可能な新規なイ
ンクジェット記録ヘッドを提供することを目的とする。 [問題点を解決するための手段] 本発明の上記目的は、以下の本発明によって達成される
。 記録液を吐出させるためのオリフィスを終端とするノズ
ルと、該ノズルに連通ずる液室と、前記ノズルに併設さ
れ、前記記録液に吐出エネルギーを供給する吐出エネル
ギー発生手段とを有するインクジェット記録ヘッドにお
いて、前記吐出エネルギー発生手段とは別に、前記ノズ
ルに第1の加熱手段を、また前記液室に第2の加熱手段
をそれぞれ有し、前記第1の゛加熱手段を前記吐出エネ
ルギー発生手段と前記第2の加熱手段との間に設けたこ
とを特徴とするインクジェット記録ヘッド。 すなわち本発明は、吐出エネルギー発生手段の他に、主
として吐出液滴の速度増加および安定化をはかる目的の
第1の加熱手段と、主として前記t2の短縮をはかる目
的の第2の加熱手段を設け、これら第1および第2の加
熱手段を利用することにより、記録時における液滴吐出
の高速応答性を可能にするとともに、長時間放置放置後
の記録再開時における記録液の吐出不良をも解消したも
のである。 [実施例] 以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明の詳細な
説明する。 第1図は本発明の好適な一実施態様の概略的説明図であ
る。本例の記録ヘッドは、吐出エネルギー発生手段2、
第1の加熱手段3および第2の加熱手段4を設けた基板
1上に、更に隔壁5−1および外壁5−2を設け、これ
に天板5を重ねてノズル7および液室8を形成したもの
である。30はノズル7の終端に位置し、記録液を飛翔
液滴として吐出させるためのオリフィスであり、6は液
室8に記録ヘッド外部から記録液を供給するために必要
に応じて設けられる液供給口である。 本発明では、吐出エネルギー発生手段2および第1の加
熱手段3をノズル7内においてオリフィス30側から吐
出エネルギー発生手段2および第1の加熱手段3の順に
、また第2の加熱手段4をノズル7の後方の液室8内に
設置することが必要であるが、このような加熱手段を設
ける以外の記録ヘッドの部材構成や形成方法は特に限定
されるものではなく、従来のインクジェット記録ヘッド
におけると同様の所望のものとしてよい。もちろん、ノ
ズル数、オリフィス形状あるいは液室形状等は所望のも
のとしてよいことは言うまでもない。 本発明における吐出エネルギー発生手段2としては、従
来例のインクジェット記録ヘッドにおけると同様に液滴
の吐出を行ない得るものであれば如何なるものでもよく
、具体的には例えば各種の発熱抵抗体を利用した熱エネ
ルギー発生手段によるもの、あるいは各種の圧電体を利
用した圧力エネルギー発生手段によるものなどが代表的
なものとして挙げられる。尚、第1図には吐出エネルギ
ー発生手段2の例として発熱抵抗体が例示されている。 第1および第2の加熱手段は、このような吐出エネルギ
ー発生手段2とは別に設けられるが、その材質や形状等
、特に限定されるものではなく、上記吐出エネルギー発
生手段と同様の発熱抵抗体などが利用し得る代表的なも
のとして挙げられる。尚、本発明を有効なものとするた
めには、第1の加熱手段3を吐出エネルギー発生手段2
に近接させるのが良い。また、第2の加熱手段4に関し
ても、ノズル7直後の液室8内において、供給時に必要
な記録液を確保し得る範囲内でノズル7に近接させるの
が好ましいものである。 以下、吐出エネルギー発生手段2、第1の加熱手段3、
第2の加熱手段4のすべてを発熱抵抗体とした場合の記
録時における動作例を示し、本発明を更に説明する。 第2図(a)〜 (f)は、吐出エネルギー発生手段2
、第1の加熱手段3、第2の加熱手段4の動作を説明す
るために、時間を追って示した第1図のA−A断面の概
略部分図である。 第2図(a)は、吐出エネルギー発生手段2、第1の加
熱手段3、第2の加熱手段4が非動作状態、且つ液室8
よりノズル7に記録液が供給された印字可能な状態にお
ける記録ヘッドの様子である。 このような非動作状態(a)から、まず第1の加熱手段
2に記録信号を送り動作状態とする。第1の加熱手段3
の動作開始直後、吐出エネルギー発生手段2の動作を開
始する。これら加熱手段3および吐出エネルギー発生手
段2の動作により記録液に熱エネルギーが供給され、こ
の熱エネルギーにより記録液に発泡現象を生じ、該手段
3および2のそれぞれに接する部分の記録液に第2図(
b)に示す如き蒸気泡9および10が生成する。 第2図(b)は第1の加熱手段3を動作させることによ
り生じる蒸気泡9の最大体積時の様子を示、している。 第2図(C)は吐出エネルギー発生手段2(発熱抵抗体
)による蒸気泡10の最大体積時の様子である。尚、(
C)の状態は、第1の加熱手段3による蒸気泡9の自己
収縮開始直前から直後であることが望ましい。 この(b)〜(C)の状態において、第1の加熱手段に
より形成される蒸気泡9では液滴吐出が行なわれない。 これは、蒸気泡9の成長による作用力のオリフィス方向
成分が、ノズル構成壁によって記録液に生じる流れに対
する抵抗損失が大きいためである。また、第1の加熱手
段によって蒸気泡9を形成する目的は、吐出を行なうこ
とではなく、以下に述べるように、液滴吐出時における
エネルギー損失をなくlへ吐出エネルギーを有効利用す
るための流体ダイオードとして機能させることにあるの
で、吐出への寄与は牢でも一向にかまわない。 液滴】3の形成は、吐出エネルギー発生手段による蒸気
泡lOが発泡成長し、自己収縮する過程で行なわれる(
第2図(d)参照)。蒸気泡IOが発泡し成長する時の
作用力には液滴吐出のエネルギー損失となる液室方向成
分が存在する。この時、該方向への流れに対する抵抗を
大きくし、液滴吐出に寄与しない液室方向への作用力を
減じてやれば、全作用力・の吐出への寄与率をあげるこ
とができる訳である。この寄与率を向上させる方法とし
て、例えばノズルを長くしてノズル壁による抵抗を大き
くする、あるいは障壁を設けるなどの方法が考えられる
が、いずれも吐出後の記録液の供給時間t2を長くして
しまう。これに対して、本発明では、液滴吐出を行なう
時のみ抵抗を大きくし、供給時には該抵抗を小さくする
ことができるのである。すなわち、吐出を行なう時に第
1の加熱手段3による蒸気泡9がノズル7の液室方向へ
の抵抗を大きくして前記作用力の吐出への寄与率を高く
し、液滴の飛翔速度を大きく且つ安定なものとする。更
に、例えば長時間の放置後において吐出不良を発生する
ような高粘度の記録液に対しても、第1の加熱手段の作
用によって吐出エネルギーの有効利用ができるため、粘
性抵抗に打ち勝って液滴を吐出させることが可能となり
、記録再開直後の吐出不良発生頻度が減少するのである
。 蒸気泡IOが自己収縮すると液滴が形成され、メニスカ
ス12がオリフィス30よりノズル内へ後退し、毛管力
による記録液供給が始まる。この時、第2の加熱手段4
を動作状態にすることにより、該手段4と接する液室8
内の記録液に蒸気泡11が形成され、この発泡によりノ
ズル内に記録液が強制的に押込まれる。第2図(d)〜
(e)はその様子を示している。この動作により、前記
1zが大幅に短縮され、高い繰返し駆動周波数での記録
が可能となるのである。 蒸気泡11は、その後、自己収縮し消滅するが、このと
きメニスカスI2がノズル内に引込まれることは殆どな
い。この様子を第2図(f)に示した。 これは、以下の理由によるものと思われる。すなわち、
蒸気泡の成長と収縮を比較するとJ発泡時には高い圧力
を持った蒸気の核が発生し、周囲と力学的に平衡となる
まで蒸気泡が一気に成長するが、収縮は蒸気が記録液に
溶解しつつ行なわれるので、成長の3〜5倍の時間を要
することになる。このような急激な体積変化を伴なう成
長時の作用力は、必然的に収縮時に比べて大きなものと
なる。この発泡時の作用力はノズル壁の抵抗に打ち勝つ
に充分な大きなもので、メニスカスをオリフィス方向へ
強制的に押しやるが、収縮時にはノズル壁の抵抗で作用
力が損失しメニスカスの後退が防止されるのである。 以下、このような動作を行なう吐出エネルギー発生手段
および第1並びに第2の加熱手段を戴積した基板の細部
構成の一例と記録ヘッドの製造方法の−・例を示し、本
発明を更に説明する。 第3図(a)および(b)は、それぞれ本発明のインク
ジェット記録ヘッドに用いる基板の一例の平面部分図と
そのA−A断面図である。 この基板1には、吐出エネルギー発生手段としての発熱
抵抗体2、液滴吐出時に上記の如くノズル後方への流れ
に対する抵抗を大きくし、記録液の後退防止をする第1
の加熱手段としての発熱抵抗体3、液滴吐出後に上記の
如く記録液の単時間供給を達成し、液滴吐出の高速応答
性を実現する第2の加熱手段としての発熱抵抗体4、お
よびこれら丼発熱抵抗体に吐出パターンに応じた所望の
電気信号を印加するための共通電極14と個別電極15
.16.17が設置されている。そして、第3図(b)
に示すように、これらは例えばガラス、セラミックス、
Si等の所望の材質からなる基板1上に共通電極14、
絶縁保護層18、各発熱抵抗層2.3.4、各個別電極
15.16.17および絶縁保護層19を順に積層した
積層構成とされている。 このような基板は、例えば以下のように作成される。 まず、基板1に八u、 AI等で共通電極14を形成す
る。本例では、その表面に2〜5鱗の厚さの熱酸化層を
有するSi基板1上に八uを0.5μmの厚さにイオン
ビーム蒸着して作成した。次に、絶縁保護層18を作成
するが、該保護層18を構成する材料としては、例えば
酸化チタン、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化モリブ
デン、酸化タンタル、酸化タングステン、酸化クロム、
酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化ランタン、酸
化イツトリウム、酸化マンガン等の遷移金属化合物、更
に酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチ
ウム、酸化バリウム、酸化シリコン等の金属酸化物及び
それらの複合体、窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒
化ボロン、窒化タンタル等の高抵抗窒化物およびこれら
酸化物、窒化物の複合体、更にアモルファスシリコン、
アモルファスセレン等の半導体などバルクでは低抵抗で
あってもスパッタリング法、CVD法、蒸着法、気相反
応法、液体コーティング法等の製造過程で高抵抗化し得
る薄膜材料を挙げることが出来、その層厚としては一般
に0.1u1〜5u+、好ましくは0.2p〜3pとさ
れるのが望ましい。本実施例ではスパッタリング法によ
り、厚さ2μの5in2層を作成した。 次に、発熱抵抗体層2.3.4を作成する。発熱抵抗体
層を構成する材料は、通電されることによって、所望通
りの熱が発生するものであれば大概の物が採用され得る
。 そのような材料としては、具体的には例えば窒化タンタ
ル、ニクロム、銀−パラジウム合金、シリコン半導体、
或いはハフニウム、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等が好ましいものとして
挙げられる。 これ等の発熱抵抗体層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挙げることが出来、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、硼化ニオブの順である。 発熱抵抗体層は、上記した材料を使用して、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
出来る。 その後、フォトリソグラフィーやエツチングなどの周知
のバターニング手法を用いて、これら各層の不要部分を
取り除いた後、電極14.15.16.17となる層を
作成し、上記同様のバターニング手法を用いて不要部分
を取り除き、所望とするパターンの電極層を作成する。 更に、必要に応じ、絶縁保護層19を作成する。本実施
例では絶縁保護層19として、スパッタリングにより5
i02を2騨成膜した。 更に蒸気泡消滅時に発生する機械的衝箪力に対する耐久
性能をより高性能にする目的で、AJ、Ta、 Ti、
 Zr、 +lf、 V、 Nb、 Mg、 Si、 
Mo、 W、 Y。 Laなとの金属及びそれらの合金、あるいはそれら金属
及び合金の酸化物、炭化物、窒化物、硼化物等を使用し
て保護層を設けてもよい。 尚、図には特に示さなかったが、各電極にはボンディン
グ等の方法で外部とコネクトするためのムキ出し部分が
設けである。また、前記発熱抵抗体は、目的を達成し得
る形状、大きさであれば所望のものとしてよく、各々が
異なる形、大きさでよい。しかし、本実施例においては
、駆動回路が複雑にならずにすむように、全て同じ大き
さ、形とし、幅30μ、長さ 150JLllとした。 以上のようにして作成したインクジェット記録ヘッド用
基板に、ノズル、液室、液供給口等を設け、例えば前述
の第1図に例示の如き本発明のインクジェット記録ヘッ
ドを完成する。第4図は、このような本発明のインクジ
ェット記録ヘッドの別の例であり、第4図には該ヘッド
の部分斜視図が示されている。 ノズル7としては、例えば感光性樹脂膜、感光性ガラス
等の感光性材料を利用して形成してもよいし、ガラスな
どの適当な平板に機械的方法、エツチング等で溝を形成
し、これを前記インクジェット記録ヘッド用基板に貼り
付ける等の方法で製造することもできる。また、この時
、液室、液供給口等を一体化して製造してもよい。本実
施例においては、感光性樹脂膜31を用い、フォトリソ
グラフィ工程、エツチング工程によりノズル壁および液
室壁を作成し、その上に図示していない液供給口付きの
ガラスプレートを接合してインクジェット記録ヘッドを
構成した。 ノズル7の長さは、短いほど前記t2が短くなるが、吐
出速度低下、安定性低下をひきおこすことは萌述した。 本発明では第1の加熱手段3により、該問題を解消して
いるのでノズルは必要なだけ短くすることができ、記録
ヘッドのコンパクト化が可能でとなる。しかし、第1の
加熱手段3はノズル7内に設置することが必要である。 本実施例ではノズル長さを5QOpとした。 以上の方法で作成した第4図に例示のインクジェット記
録ヘッドに、第5図(aL、 (b) 、(c)に示す
パルス信号を印加し、各発熱抵抗体2.3.4を順次動
作させた。本実施例においては、3つの発熱抵抗体は全
く同じ形、同じ抵抗値なので、同じ電圧波形で駆動でき
る。電圧波形はパルス状の矩形波であり、パルス幅はl
OμSQCを使用した。パルス幅は、飛翔液滴の速度、
繰返し安定性の観点からは、短いほど好ましいが、短く
することは発熱抵抗体により大きな電圧をかける必要を
生じ、発熱抵抗体の耐久性能を短くする原因となる。ま
た、パルス幅を必要以上に長くすると、液層の吐出に不
要な泡も発生するようになり好ましくない。従って、パ
ルス幅の選定は、上記諸点を考慮したバランス設計で決
定される。パルス幅は、50μsec以下の笥囲にある
ことが好ましく、好適には20μsec以内、最適には
10μsec以内である。 動作は、次のように行なう。まず、第1の発熱抵抗体3
を第5図(a)で示すタイミングで動作させ、蒸気泡を
生成させる。′fJ6図はそのような蒸気泡の成長曲線
である。図にて明らかなように、第1の発熱抵抗体3に
よる蒸気泡は最大体積の前後で急激な変化を生じず、液
滴吐出における液体ダイオードとして十分に機能する。 第1の発熱抵抗体3の蒸気泡が該状態にある時、吐出エ
ネルギー発生手段としての発熱抵抗体2による蒸気泡が
最大となるように、該発熱抵抗体2に電気信号を印加す
る(第5図(b)参照)。本実施例では第5図(b)の
タイミングで吐出エネルギー発生手段を動作させて生じ
る液滴の吐出スピードを、第1の発熱抵抗体3による蒸
気泡の存在により、約50%前後はやくすることができ
た。 第1の発熱抵抗体3および吐出エネルギー発生手段2に
よる蒸気泡が消滅し、メニスカスの交代が終了して記録
液の供給が開始された時、第2の発熱抵抗体4にパルス
を加える。本実施例では、第5図(C)に示すように第
1の発熱抵抗体3の動作開始から50μsec遅れて動
作させた。これにより、記録液の供給時間が短縮され、
最高IOにHzの繰返し周波数を得ることができた。更
に、第1の発熱抵抗体3による蒸気泡により、従来より
も吐出に係るエネルギーが増加し、長時間の放置後にに
おける記録液の粘度上昇による吐出不良を防止すること
ができ、長時間放置後にも安定な記録を行ない得るよう
になった。 第7図に、このような本発明のインクジェット記録ヘッ
ドを用いたインクジェット記録装置の一例としてのイン
クジェットプリンターを示す。 尚、第7図のプリンターは第4図に例示の記録ヘッドを
利用したものである。 このプリンターは、キャリッジ21に搭載した記録ヘッ
ド20をレール22および23上で左右に移動させなが
ら記録液を吐出させ、記録液のトッドマトリックスによ
って記録媒体に文字を印字するもので、25は記録媒体
としての紙、24は記録媒体を支持するプラテンである
。 [作用] 本発明では、吐出エネルギー発生手段とは別に、第1加
熱手段をノズルに、また第2の加熱手段を液室にそれぞ
れ設けることにより、液滴の飛翔速度を大きくすること
ができ、これによって飛翔が安定化し、記録媒体への着
弾位置の誤差が小さくなり、記録品位が向上した。また
、吐出エネルギーを記録液に有効に付与し得るようにな
ったので、長時間放置後にも安定な吐出を行なえるよう
になり、インクジェット記録ヘッドの信頼性を向上させ
ることができた。 [発明の効果] 以上に説明した如く、本発明によって、液滴吐出の高速
応答性と吐出安定性に優れた新規なインクジェット記録
ヘッドを提供し得るようになった。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明のインクジェット記録ヘッドの一例の
概略的説明図、第2図(a)〜(f)は吐出エネルギー
発生手段および第1並びに第2の加熱手段の動作例を説
明するために時間を追って示した第1図のA−A断面の
部分概略図、第3図(a)および(b)はそれぞれ本発
明のインクジェット記録ヘッドに用いる基板の一例の平
面部分図とそのA−A断面図、第4図は本発明のインク
ジェット記録ヘッドの別の例の概略的説明図、第5図(
a)〜(C)は本発明のインクジェット記録ヘッドに印
加するパルス信号パターンの一例を示す図、第6図は第
1の加熱手段による蒸気泡の成長曲線の一例を示す図、
第7図は本発明のインクジェットエ己録ヘット°を川し
またインクジェットプリンターの一例を説明する図であ
る。 1;基板 2:吐出エネルギー発生手段

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)記録液を吐出させるための液体吐出口を終端とす
    る液体流路と、該液体流路に連通する液室と、前記液体
    流路に併設され、前記記録液に吐出エネルギーを供給す
    る吐出エネルギー発生手段とを有する液体噴射記録ヘッ
    ドにおいて、前記吐出エネルギー発生手段とは別に、前
    記液体流路に第1の加熱手段を、また前記液室に第2の
    加熱手段をそれぞれ有し、前記第1の加熱手段を前記吐
    出エネルギー発生手段と前記第2の加熱手段との間に設
    けたことを特徴とする液体噴射記録ヘッド。
JP8415986A 1986-04-14 1986-04-14 液体噴射記録ヘツド Pending JPS62240558A (ja)

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