JPS6342578B2

JPS6342578B2 -

Info

Publication number: JPS6342578B2
Application number: JP54084852A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Matsumoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1979-07-04
Filing date: 1979-07-04
Publication date: 1988-08-24
Also published as: JPS5610471A

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は一般に、インクと呼ばれる記録液体を
微細オリフイスから小滴として吐出飛翔させ、こ
の小滴の被記録面への付着を以て記録を行う液滴
噴射記録装置、特に従来にない新規なインク吐出
原理に基づく液滴噴射記録装置に関する。現在知
られる各種記録方式の中でも、記録時に騒音の発
生がほとんどないノンインパクト記録方式であつ
て、且つ、高速記録が可能であり、しかも、普通
紙に特別の定着処理を必要とせずに記録の行える
所謂インクジエツト記録法は極めて有用な記録方
式であると認められている。このインクジエツト
記録法に就いては、これ迄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、現在もなお実用化への努力が続けられている
ものもある。インクジエツト記録法は、記録液体（以下の説
明では、インクと呼称する。）の液滴（droplet）
を種々の作用原理で飛翔させ、それを紙等の被記
録部材に付着させて記録を行うものである。そし
て、このインクジエツト記録法は、２つの方式に
大別される。その一つは、微小なインク滴を連続して噴射、
飛翔させておき、それ等の中から記録に必要とさ
れるインク滴のみを選択して被記録面上に誘導し
て、そこに付着させて記録を行う所謂、コンテイ
ニアス方式であり、他の一つは、記録に必要な時
のみ、インク滴を被記録面に向けて噴射、飛翔さ
せて記録を行う所謂、インクオンデイマンド方式
である。ところで、後者の方式を実施するためのインク
ジエツトヘツド装置に係る一つの提案が、既に特
開昭54−51837号公報に於いて為されている。ここに提案されているインクジエツトヘツド装
置は、要するに、インク供給源から液状インクを
供給されその液状インクを噴射する噴射孔を開口
されたインク液室と前記インク液室内の液状イン
クを加熱して前記インク液室内に気泡を発生させ
て前記液状インクの圧力上昇を生じさせる発熱体
と、前記インク液室内の液状インク及び前記発熱
体を冷却する冷却装置とを備えて成り、インク液
のボタ落や目詰りを防止して良好なインク液滴を
噴射することを主たる技術目的としたものであ
る。しかしながら、斯かるインクジエツト記録方式
に於いては、インク液適を噴射する為に駆動され
る発熱体に加えて、別途、ペルチエ効果素子に代
表される冷却装置を必ず併用しなければならない
方式である為、種々の不利がある。つまり、冷却装置が必須とされる上記方式に就
いては下記のような不都合を指摘することができ
る。第１に、インクジエツトヘツド部のほぼ全域を
冷却装置で被う必要があるから、実施装置の構造
が複雑なものになると共に、その製作にも多大な
手間を要する。第２に、発熱体の作動に要する電力消費の他、
ペルチエ効果素子（冷却装置）の作動にも電力消
費を要するからエネルギー効率の面で不利な記録
方式である。第３に、発熱体と冷却装置の両者を共に作動さ
せ、ここで目的としている加熱作用と吸熱作用と
を効率良く制御するには、かなり高度の技術力が
必要とされ、その実施も相当な困難さを伴うもの
である。第４に、冷却装置によつて、インク液室内のイ
ンクが急冷且つ過冷却される場合が多い為、ノズ
ル先端でメニスカスの後退し過ぎが起こり易く、
インク滴の噴射ミスをしばしば招来する。第５に、加熱とこれに続く急冷却とを繰返す方
式である為、装置の破損が生じ易く、実施装置の
使用耐久性に優れていない。そこで、本発明では、とりわけ、叙上の特開昭
54−51837号公報に於いて開示されたインクジエ
ツト記録方式に見られた重大欠点を完全に解消す
ると共に、なお一層の改善を施してなる新規構成
の液滴噴射記録装置を提案する。つまり、本発明はエネルギー効率良く、熱作用
によつてインク滴を噴射して記録を行う液滴噴射
記録装置を提供することを一つの目的としてい
る。更に、本発明に於いては、その使用寿命が長期
に亘る液滴噴射記録装置を提供することを別の目
的とする。又、本発明に於いては、構造的に簡略であると
共に熱作用によるインクの安定的吐出を長期間保
障する液滴噴射記録装置を提供することも他の目
的とする。そして叙上の目的を達成する本発明
は、要するに、記録液に熱による状態変化を生起
させ該状態変化に基づいて記録液を吐出させる吐
出オリフイスと、前記吐出オリフイスに連通する
流路と、前記流路内の一部に付設してある発熱部
とを有する液滴噴射記録装置であつて、前記発熱
部が、少なくとも一対の電極が電気的に接続され
ている発熱抵抗体とこれを前記記録液体から隔絶
する為の保護層とを少なくとも含んで成ると共
に、前記発熱部に於ける前記記録液体との接触界
面が0.05乃至2S（JIS規格B0601）の表面粗さを有
していることを特徴とする液滴噴射記録装置であ
る。本発明に係るような熱作用によるインクジエツ
ト記録方式は、その実施装置に於いて発熱抵抗体
を採用し、これをインクに接した状態で繰り返し
駆動する方式である。そして、この方式では、発
熱抵抗体に代表される発熱部がインクに接した状
態で加熱、放冷のサイクルを繰り返している間
に、酸化される等して化学的に変質したり、機械
的な破損を生じて機能の劣化を起こし易い。又、
インクが発熱部にコゲ付いたり、インクが電気分
解されて所期のインク滴吐出性能を維持し難いも
のである。そこで、これ等の不都合を解消する目
的から、発熱部の表層、つまり、インクとの接触
界面に絶縁材の薄膜を配して、発熱部とインクと
の直接、接触を絶つ方策が考えられている。とこ
ろで、このように、発熱部を保護する薄膜を配す
る場合は、この薄膜が熱伝達の面で障害（バリヤ
ー）となるから、インクへの熱伝達を良くする為
には、この薄膜は薄ければ薄い程、望ましいもの
である。しかし、所謂サーマルヘツドの製造に際
して従来行われている様に例えば、SiO₂、MgO、
Al₂O₃、Ta₂O₃、TiO₂、ZrO₂等の無機質から真
空蒸着法やスパツター法によつて斯かる保護薄膜
を形成する限りでは、それが薄ければ薄い程、発
熱部を構成する電極と抵抗体との段差の部分が露
出したり、その保護薄膜自体にピンホール等の欠
損部を残し易い。従つて、この様な場合には、保
護薄膜本来の機能が果たされないことになる。そ
こで、従来は、熱伝導性を多少機能にしてでも、
電極や発熱抵抗体が露出しない程度の厚さに、こ
の保護薄膜を形成した、膜欠損を少なくするよう
にその充填密度を高めたりする工夫が必要である
と考えられて来た。又、別の観点から、本発明者は、上記本発明に
至る過程に於いて、特に、熱作用により効率良
く、液滴噴射を行う為の方策を就き、検討を重ね
てきた。そして、熱作用によるインクジエツト記
録方式では、発熱部の表面物性、とりわけその表
面の平滑度がインク滴噴射の効率の良否を左右す
る重要な因子であることを認識した。確かに、発
熱部の保護を十分にする上では、その表面層に欠
損部がないことが望ましい。ところが、本発明者の知見によれば、発熱部の
表面に膜欠損部がほとんどなく、高度に平滑な面
である場合には、インク滴を噴射する為、発熱部
を作動するのに要する電力消費が増大する傾向に
あり、逆に、発熱部の表面が適度に荒れた状態に
あるとき、インク滴噴射のエネルギー効率が良好
になる（つまり、インク滴を噴射するための発熱
部を作動するのに要する電力消費が低減する）こ
とが判明した。更に詳しく検討すると、発熱部表
面が0.05S〜2Sの表面粗さ（JIS規格；B0601に従
つて測定）を有するとき、インク滴噴射のエネル
ギー効率が非常に良好なものになることが判つ
た。叙上の知見を加味して構成された本発明の液滴
噴射記録装置では、発熱部に於いて、その駆動直
後、瞬時にして前記発熱部のほぼ全域を被うよう
な気泡がインク中に発生し、この圧力作用によつ
て、インク滴の噴射が起こる。なお、上記発熱部
に於いて、インクが加熱されるときには、先ず、
多数の小気泡が発熱部のほぼ全面に亘つて発生し
た後、それ等が瞬時に集合して１個の大気泡を形
成する。そして、このようなインク中に生ずる変
化は、発熱部が従来になく低温域で駆動される場
合であつても容易に起こる。従つて、本発明の液滴噴射記録装置ではインク
滴噴射の際、従来装置のように、発熱部の高温駆
動を必要としない。以下、添付図面を参照しつつ、具体例に基づき
本発明を詳細に説明する。第１図に、本発明の記録装置主要部、とりわけ
ヘツド部の概要を示してある。そしてこのヘツド
部は、発熱部設置基板１と別の基板３とを接合す
ることによつて構成される。更に詳しく説明すると、発熱部設置基板１の表
面には、熱作用部としての発熱部２が設けてあ
る。又、他方の基板３の材料としては、ガラス、
セラミツクス或いは、耐熱性プラスチツク等が用
いられ、この基板３には吐出前のインクを収容す
る室４′及び吐出オリフイス５を構成する長尺溝
４が予め形成してある。そして基板３と発熱部設
置基板１とは、発熱部２と溝４の位置合せをした
後、接着剤によつて接合して一体化してある。次
に、この図示装置に係るインク滴吐出原理に就い
て第２図を用いて簡単に述べる。第２図は溝４の軸線に沿つた断面図である。記
録用インクIKは図中、矢印で示される様に室
４′内へ供給されている。今、室４′内の一部に付
設された発熱部２に対して不図示の信号発生源か
ら信号が印加されると、発熱部２は発熱し、その
近傍のインクIKに熱エネルギーを与える。熱エ
ネルギーを受けたインクIKは、この発熱部２の
近傍で体積膨張或いは気泡の発生等の状態変化を
起こし、室４′内に圧力変化を生じ、この圧力変
化が吐出オリフイス５の方向に伝わり、インク
IKが小滴１０となつて吐出される。そしてこの
小滴１０が不図示の紙等、任意の被記録材に付着
することによつて記録が為される。ところで、上記発熱部２の具体的な詳細構成は
本発明を理解する上で重要な処であるから、それ
に就いて以下に詳しく説明する。第２図に於いては、この発熱部２の層状構成を
模式的に図示してある。この発熱部２は、金属
板、ガラス板、セラミツクス板等から成る基板６
上に、蓄熱層７、発熱抵抗体層１１、電極８およ
び保護層９の順に夫々を真空薄膜形成技術（これ
は真空堆積法とも略称される。）によつて積層し
た後、保護層９の表面に、後述する処理を施して
構成される。そして、このパターン化された発熱部２は保護
層９を介して室４′内に露出する構成になつてい
る。なお、先にも概略説明したとおり、この保護
層９は発熱抵抗体層１１および電極８がインク
IKと直接接触して酸化されたり、反対にインク
IKを電気分解するのを防いでいる。ここで、上記第２図に於ける発熱部２の近傍を
拡大して模式的に描いた断面図を第３図乃至第５
図として示し、これ等の図面を用いて、発熱部２
の構成及びその作用効果に関して更に詳しく説明
する。上述の如く、発熱部２の各構成要素（つまり、
蓄熱層７、発熱抵抗体層１１、電極８及び保護層
９等）を真空堆積法によつて形成した後、更に、
表層に下記の処理を施す。つまり、本発明では、
叙上の保護機能を持つ表層に加えて、適度な荒れ
状態にある層を別途形成する。この具体的方法
は、次の二つの方法に大別される。その一つは、保護層９自体に、物理的或いは化
学的な荒し加工を施して、適度な荒れ表面に仕上
げる方法であり、他の方法は、予め形成された保
護層９上に、別の材料を微細凹凸ができるように
固着させる方法である。これらの方法を、更に具体的に説明すると次の
通りである。１サンドブラスト研磨法圧縮空気を研磨剤と共に吹き付ける方法であ
つて、保護層表面を一様に荒らすことができ
る。研磨剤としては日本工業規格粒度＃300〜＃1000 （商品名；フジミ研磨剤Ａ、WA）のものが最も好ましく、容易に研磨後の表面粗
さを0.5S以下にすることができる。２バフ研磨法これは、本来鏡面仕上げの方法であるが、研
磨剤を用いて真空堆積法によつて作つた保護層
を荒らす事ができる。研磨剤として、セロツクス（東北化学金属）；カーボランダム（名古屋研磨剤）；グリーンカーボンFGC、NGC；ホワイトアランダムWA（フジミ研磨剤）等を用い良好な結果が得られる。この方法でも
研磨後の表面粗さは一般に0.5Sとなり、気泡核
を含有する表面としては充分なものである。３スプレー法液体コーテイング剤をスプレーにて保護層上
に極めて薄く吹きつけ、熱処理し凹凸層を構成
する。吹き付けた際の不均一及び保護層の濡れ
性の不均一により凹凸のある層になる。材料は
エチルシリケート系のアルール溶液やアルキル
チタネート系のアルコール溶液等が一般的であ
つて、熱処理後得られたSiO₂、TiO₂の凹凸層
が良好な気泡核が形成される。熱処理温度は普
通300℃〜600℃が望ましい。４エツチング法保護膜上全面に真空堆積法を用いて、薄膜を
形成する。その膜をエツチングにより微細パタ
ーンを抜く方法である。上記膜と、保護膜の端
部が発泡点になり得る。材料はエツチング可能な全ての金属、金属化
合物、有機物質を用いる事ができる。剥離強度を考えるとこの層は薄い方が好まし
く望ましくは、0.1〜1.0μｍの範囲である。なお、パターンの密度は発泡に大きな影響は
及ぼさない。この様にして、発熱部２の表面層（つまり、イ
ンクIKとの接触界面）には、保護層９が設けら
れた上、第３図・図示の如き微小凹部VHが相当
数、形成され、しかも発熱部２の全面に、ほぼ一
様に分布することになる。又、第３図に示される様に発熱抵抗体層１１と
電極８との断差部分に於ける発熱部２表層には前
記凹VHよりも深い切込み状の穴部CVも形成さ
れる。この穴部CVは、真空堆積法の廻り込み率
が一般に20〜30％程度である為に生ずるものであ
る。叙上のようにして構成された発熱部２にイン
クIKが接した状態で、この発熱部２が発熱する
と、上記凹部VHや穴部CVが発泡点になつて、
インクIKの沸騰が始まる。この場合、第４図に
第３図と同様な模式断面図にて示すとおり、穴部
CVで最も大きな発泡MBが起こり、同時にイン
クIKとの界面にあるその他の凹部VHに於て、
ほゞ一様に小気泡SBが発生する。これ等の気泡
は更に成長し、合体を繰返した後、終には発熱部
２のほぼ全面を被うような大気泡LBに迄、成長
する。（…第５図に図示）本発明の装置に於ては、この大気泡LBが（熱
作用）室４′の内圧を高め、それによつてインク
滴を吐出させる。以上に詳しく説明したとおり、本発明では、発
熱部２の表面に多くの発泡点が形成されているた
めに、これと接したインクIK中に起こる気泡の
発生が迅速になると共に、その際のエネルギー効
率も非常に良好になると言う効果が認められる。そして、又、本発明では叙上のとおり、インク
滴を吐出させる為の大気泡LBの生成が従来にな
く容易に為されるので、発熱部２を低温域で駆動
することが可能になつたばかりでなく、発熱部２
の主要構成（例えば、発熱抵抗体や電極）部分が
保護層によつてインクIKから完全に隔絶され、
その機能低下を起こし難くなつた為に、従来にな
く、装置全体の使用耐久性が向上し、その信頼性
が増すと言う別の効果も認められる。そして、本
発明者が検討を重ねた処によると、発熱部２の表
面状態が一般には、0.05S〜2S（JIS規格；B0601）
の表面粗さであるのが叙上の効果を得るのに有利
であることも判明した。更には、発熱部２の表面粗さが0.05S〜1Sであ
れば、実用上、最適であることも判つた。叙上のように、発熱部２を構成したことによる
効果に就いては、後に実施例で具体的に例証す
る。因に、本発明に於て、蓄熱層７を構成する材
料として有効なものには、例えば、酸化シリコ
ン、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化マグ
ネシウム、酸化アルミニウム等がある。次に、発熱抵抗体層１１を構成する材料として
有効なものには、例えば、HfB₂、ZvB₂等の硼素
含有化合物、Ta₂N、Ｗ、Ni−Cr、SnO₂、或い
はPd−Agを主成分にしたものやRuを主成分とし
たもの、更にはSi拡散抵抗体、半導体のPN結合
体等がある。また、電極８としては、アルミニウム、銅、金
等の金属膜を用いる。更に、保護層９を構成する材料としては、例え
ばSiO₂、MgO、Al₂O₃、Ta₂O₅、TiO₂、ZrO₂等
の無機質が普通用いられる。そして、これ等の発
熱部２の構成要素は、何れも、真空蒸着法、電子
ビーム蒸着法、スパツタ法、CVD法、気相成長
法、グローテイスチヤージ法等任意の真空薄膜形
成法を利用して成膜させることができる。そして、これ等の薄膜は、約300℃以上の耐熱
性を持つ様に形成されることが望ましい。ところ
で、この様な真空薄膜形成法により成膜させる蓄
熱層７の層厚は、基板６及び発熱抵抗体層１１の
材質との関連によつて適宜決定されるべきもので
あるが、一般には、0.01μｍ〜50μｍ、好適には、
0.1μｍ〜30μｍの厚さ範囲内で選定される。また、
発熱抵抗体層１１の層厚としては、その抵抗値、
耐久性を考慮して一般に、1000Å〜4000Å、好適
には、1500Å〜2500Åの厚さとする。更に、保護層９の厚さの実用範囲は、単層構
成、重層構成に拘らず、略々0.1μｍ〜5μｍであ
り、更に好ましい厚さ範囲は0.3μｍ〜3μｍであ
る。本発明による効果は、以下に詳細する実施例
及び比較例によつて更に明確に理解されるであろ
う。実施例１〜８先ず、以下の実施例及び比較例に相当する発熱
部設置基板を以下の要領で作成した。なお、第６
図ａには該基板の拡大斜視図が示されている。アルミナ基板１２上にSiO₂蓄積層１３（厚さ
5μｍ）、HfB₂発熱抵抗体層１４（厚さ800Å）及
びアルミニウム電極層１５（厚さ5000Å）を形成
した後、選択エツチングにより幅40μｍ、長さ
200μｍの発熱部１４′を形成した。又、エツチン
グにより選択電極１５ａおよび共通電極１５ｂを
形成した。更に第６図ｂに示す様に、電極１５
ａ，１５ｂ及び発熱部１４′の表面に保護層１６
として、SiO₂を厚さ1.4μｍにスパツタリング（充
填密度；98％以上）した。そして、この保護層１６に対して下表−１に記
載どおりの処理加工を施して、実施例１〜８と比
較例１に相当する発熱部設置基板を得た。なお、各発熱設置基板に就いて最表層にの表面
粗さをJIS規格B0601に従つて測定し、その値も
下表−１に併記した。又、これ等とは別に、複数のガラス板１７に第
７図に示すような複数本の溝１８（巾40μｍ、深
さ40μｍ）と共通インク室１９を形成する溝とを
マイクロカツターを用いて切削形成してなる溝付
きプレート２０も複数作成した。このようにして作成した、各発熱部設置基板と
各溝付きプレートとを、発熱部と溝との位置合せ
をした上で接合し、更に不図示のインク供給部か
ら共通インク室１９にインクを導入するためのイ
ンク導入管２１も接続して第８図に示すような記
録ヘツドブロツク２２を一体的に複数完成した。更に、この複数のブロツク２２には夫々前述の
選択電極及び共通電極に接続されている電極リー
ド（共通電極リード、及び選択電極リード）を有
するリード基板が付設された。次で、吐出実験条
件として、前記夫々の電極リードを介して発熱抵
抗体部分に、10μsecのパルス巾（立上り100nsec、
立下り100nsec）2KHzの繰返し周期で、40vの電
圧パルスを印加した。因に用いたインクの組成
は、水ジエチレングリコール黒色染料 70重量部 29重量部１重量部であつた。上記吐出実験条件および上記インクを用いてイ
ンク液吐出実験を行つたところ、下表−２にまと
めて示すとおり、本発明による液滴噴射記録装置
は吐出エネルギー効率、並びに耐久性において優
れた結果を示した。また記録性に付いても優れて
いた。なお、これ等の実施例及び比較例に於ける耐久
性の評価は次のとおり、電気パルスの繰返し印加
可能回数により行つた。耐久性評価基準Ａ…10₉回以上Ｂ…10₈〜10₉回Ｃ…10₅回以下 The present invention generally relates to a droplet ejection recording device that ejects a recording liquid called ink as small droplets from a fine orifice and performs recording by adhering the droplets to a recording surface, and in particular, a droplet ejection recording device that uses a novel ink ejection principle not previously known. The present invention relates to a droplet jet recording device based on the present invention. Among the various recording methods currently known, this non-impact recording method generates almost no noise during recording, is capable of high-speed recording, and can record on plain paper without requiring any special fixing process. The so-called inkjet recording method that can be used is recognized as an extremely useful recording method. Various methods have been proposed for this inkjet recording method, some have been improved and commercialized, and others are still being worked on to put them into practical use. . The inkjet recording method uses droplets of recording liquid (referred to as ink in the following explanation).
Recording is performed by making the particles fly using various operating principles and attaching them to a recording material such as paper. This inkjet recording method is roughly divided into two types. One of them is to continuously eject tiny ink droplets.
This is a so-called continuous method in which only the ink droplets necessary for recording are selected from among the ink droplets that are left flying, guided onto the recording surface, and recorded by being deposited there. One is the so-called ink-on-demand method, in which recording is performed by ejecting and flying ink droplets toward the recording surface only when necessary for recording. By the way, one proposal regarding an inkjet head device for implementing the latter method has already been made in Japanese Patent Laid-Open No. 54-51837. In short, the ink jet head device proposed here includes an ink chamber that is supplied with liquid ink from an ink supply source and has an ejection hole for ejecting the liquid ink, and that heats the liquid ink in the ink chamber. The apparatus includes a heating element that generates air bubbles in the ink liquid chamber to increase the pressure of the liquid ink, and a cooling device that cools the liquid ink in the ink liquid chamber and the heating element. The main technical purpose of this technology is to eject good ink droplets while preventing clogging. However, in such an inkjet recording method, in addition to the heating element that is driven to eject the ink droplet, a separate cooling device such as a Peltier effect element must be used in conjunction with the system. Therefore, there are various disadvantages. In other words, the following disadvantages can be pointed out in the above system in which a cooling device is essential. First, since it is necessary to cover almost the entire area of the inkjet head with a cooling device, the structure of the implementation device becomes complicated and a great deal of effort is required to manufacture it. Second, in addition to the power consumption required to operate the heating element,
This recording method is disadvantageous in terms of energy efficiency because power consumption is also required to operate the Peltier effect element (cooling device). Third, in order to operate both the heating element and the cooling device together, and to efficiently control the heating and endothermic effects that we are aiming for here, a fairly high level of technical ability is required, and it also takes a considerable amount of effort to do so. It is difficult. Fourth, because the ink in the ink liquid chamber is often rapidly cooled and supercooled by the cooling device, the meniscus tends to retreat too much at the nozzle tip.
This often results in misjet of ink droplets. Fifth, since the method involves repeating heating followed by rapid cooling, the device is likely to be damaged and the durability of the device is not excellent. Therefore, in the present invention, in particular,
The present invention proposes a droplet jet recording device having a new configuration, which completely eliminates the serious drawbacks of the inkjet recording system disclosed in Japanese Patent No. 54-51837, and which is further improved. That is, one object of the present invention is to provide a droplet jet recording apparatus that performs recording by jetting ink droplets by thermal action in an energy efficient manner. Another object of the present invention is to provide a droplet jet recording device that has a long service life. Another object of the present invention is to provide a droplet jet recording device that is structurally simple and ensures stable ejection of ink over a long period of time due to thermal effects. In short, the present invention for achieving the above-mentioned objects includes: an ejection orifice that causes a state change in the recording liquid due to heat and ejects the recording liquid based on the state change; a flow path communicating with the ejection orifice; A droplet jet recording device having a heat generating part attached to a part of a flow path, wherein the heat generating part includes a heat generating resistor to which at least a pair of electrodes are electrically connected, It is characterized in that it comprises at least a protective layer for isolation from the liquid, and that the contact interface with the recording liquid in the heating section has a surface roughness of 0.05 to 2S (JIS standard B0601). This is a droplet jet recording device. The thermal inkjet recording method according to the present invention employs a heating resistor in its implementation apparatus, and repeatedly drives the resistor while it is in contact with ink. In this method, the heating element, represented by the heating resistor, is repeatedly heated and cooled while in contact with the ink, so that it may become chemically deteriorated due to oxidation, etc., or mechanically deteriorate. It is easy to cause severe damage and functional deterioration. or,
The ink may burn on the heat generating portion or be electrolyzed, making it difficult to maintain the desired ink droplet ejection performance. Therefore, in order to eliminate these inconveniences, a method has been considered to dispose a thin film of insulating material on the surface layer of the heat generating part, that is, on the contact interface with the ink, to cut off direct contact between the heat generating part and the ink. There is. By the way, when a thin film is placed to protect the heat generating part, this thin film becomes an obstacle (barrier) in terms of heat transfer, so in order to improve heat transfer to the ink, this thin film must be thin. The thinner it is, the more desirable it is. However, in the conventional manufacturing of so-called thermal heads, for example, SiO ₂ , MgO,
As long as such a protective thin film is formed from an inorganic material such as Al ₂ O ₃ , Ta ₂ O ₃ , TiO ₂ , ZrO ₂ by vacuum evaporation or sputtering, the thinner it is, the better the heat generating part will be formed. The step between the electrode and the resistor is likely to be exposed, and defects such as pinholes are likely to be left in the protective thin film itself. Therefore, in such a case, the original function of the protective thin film will not be fulfilled. Therefore, in the past, even if thermal conductivity was used as a function,
It has been thought that it is necessary to form this protective thin film to a thickness that does not expose the electrodes or heating resistor, and to increase its packing density to reduce film defects. In addition, from another perspective, in the process leading up to the present invention, the present inventors have developed and repeatedly studied measures for efficient droplet jetting, particularly by thermal action. In the thermal inkjet recording system, it has been recognized that the surface properties of the heat generating part, especially the smoothness of the surface, are important factors that determine the efficiency of ink droplet ejection. Indeed, in order to sufficiently protect the heat generating part, it is desirable that there be no defects in the surface layer. However, according to the findings of the present inventors, if the surface of the heat generating part has almost no film defects and is a highly smooth surface, the power required to operate the heat generating part to eject ink droplets is low. Consumption tends to increase, and conversely, when the surface of the heat generating part is in a moderately rough condition, the energy efficiency of ink droplet ejection becomes better (that is, the energy efficiency of ink droplet ejection becomes better) It was found that the power consumption required for A more detailed study revealed that when the surface of the heat generating part has a surface roughness of 0.05S to 2S (measured according to JIS standard B0601), the energy efficiency of ejecting ink droplets becomes very good. In the droplet jet recording apparatus of the present invention, which is constructed by taking into consideration the above-mentioned knowledge, immediately after the heat generating section is driven, bubbles are formed in the ink that instantly cover almost the entire area of the heat generating section. This pressure action causes the ejection of an ink droplet. Note that when the ink is heated in the heat generating section, first,
After many small bubbles are generated over almost the entire surface of the heat generating part, they instantly gather to form one large bubble. Such changes in the ink easily occur even when the heat generating section is driven at an unprecedentedly low temperature range. Therefore, the droplet jet recording apparatus of the present invention does not require high-temperature driving of the heat generating section, unlike the conventional apparatus, when jetting ink droplets. Hereinafter, the present invention will be described in detail based on specific examples with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows an overview of the main parts of the recording apparatus of the present invention, particularly the head part. This head section is constructed by joining the heat generating section installation substrate 1 and another substrate 3. To explain in more detail, a heat generating part 2 as a heat acting part is provided on the surface of the heat generating part installation board 1. Further, the material of the other substrate 3 is glass,
Ceramics, heat-resistant plastic, or the like is used, and a long groove 4 forming a chamber 4' for accommodating ink before ejection and an ejection orifice 5 is formed in advance on the substrate 3. The substrate 3 and the heat generating part installation board 1 are joined together with an adhesive after aligning the heat generating part 2 and the groove 4 to be integrated. Next, the principle of ejecting ink droplets related to this illustrated device will be briefly described using FIG. 2. FIG. 2 is a cross-sectional view of the groove 4 along its axis. Recording ink IK is supplied into the chamber 4' as indicated by the arrow in the figure. Now, when a signal is applied from a signal generation source (not shown) to the heat generating part 2 attached to a part of the chamber 4', the heat generating part 2 generates heat and gives thermal energy to the ink IK in its vicinity. . The ink IK that has received thermal energy undergoes a change in state such as volumetric expansion or generation of bubbles in the vicinity of the heat generating part 2, causing a pressure change in the chamber 4', and this pressure change is transmitted in the direction of the discharge orifice 5. ,ink
The IK is ejected as a droplet 10. Recording is performed by attaching these droplets 10 to an arbitrary recording material such as paper (not shown). By the way, since the specific detailed configuration of the heat generating section 2 is important for understanding the present invention, it will be explained in detail below. In FIG. 2, the layered structure of the heat generating section 2 is schematically illustrated. This heat generating part 2 includes a substrate 6 made of a metal plate, a glass plate, a ceramic plate, etc.
A heat storage layer 7, a heating resistor layer 11, an electrode 8, and a protective layer 9 are laminated thereon in this order by vacuum thin film forming technology (also abbreviated as vacuum deposition method), and then the protective layer 9 is laminated in this order. It is constructed by subjecting the surface to the treatment described below. The patterned heat generating section 2 is exposed into the chamber 4' through the protective layer 9. Note that, as outlined above, this protective layer 9 has heat generating resistor layer 11 and electrode 8 coated with ink.
The ink may be oxidized by direct contact with the IK or vice versa.
Prevents IK from being electrolyzed. Here, sectional views schematically drawn by enlarging the vicinity of the heat generating part 2 in FIG. 2 are shown in FIGS. 3 to 5.
The heat generating part 2 is shown as a diagram, and using these drawings,
The structure and its effects will be explained in more detail. As mentioned above, each component of the heat generating section 2 (that is,
After forming the heat storage layer 7, heating resistor layer 11, electrode 8, protective layer 9, etc.) by the vacuum deposition method, further,
The surface layer is subjected to the following treatment. That is, in the present invention,
In addition to the surface layer that has the protective function described above, a separate layer that is in a moderately rough state is formed. This specific method is roughly divided into the following two methods. One method is to physically or chemically roughen the protective layer 9 itself to give it a moderately rough surface. This is a method of fixing materials so that they form fine irregularities. These methods will be explained in more detail as follows. 1. Sandblasting method A method in which compressed air is sprayed together with an abrasive, and the surface of the protective layer can be uniformly roughened. The most preferred abrasive is one having a particle size of #300 to #1000 according to Japanese Industrial Standards (trade name: Fujimi Abrasive A, WA), and can easily reduce the surface roughness to 0.5S or less after polishing. 2 Buffing method This method is originally a mirror finishing method, but it can use an abrasive to roughen the protective layer made by the vacuum deposition method. Good results can be obtained using abrasives such as Serox (Tohoku Kagaku Metals); Carborundum (Nagoya Abrasives); Green Carbon FGC, NGC; White Alundum WA (Fujimi Abrasives), etc. Even with this method, the surface roughness after polishing is generally 0.5S, which is sufficient for a surface containing bubble nuclei. 3. Spray method A very thin liquid coating agent is sprayed onto the protective layer and heat treated to form an uneven layer. The layer becomes uneven due to non-uniform spraying and non-uniform wettability of the protective layer. The material is generally an ethyl silicate-based Allure solution or an alkyl titanate-based alcohol solution, and the uneven layer of SiO ₂ and TiO ₂ obtained after heat treatment forms good bubble nuclei. The heat treatment temperature is usually preferably 300°C to 600°C. 4 Etching method A thin film is formed on the entire surface of the protective film using a vacuum deposition method. This method involves removing fine patterns from the film by etching. The membrane and the edges of the protective membrane can become foaming points. All metals, metal compounds, and organic materials that can be etched can be used as materials. In consideration of peel strength, this layer is preferably thinner, preferably in the range of 0.1 to 1.0 μm. Note that the density of the pattern does not have a large effect on foaming. In this way, the protective layer 9 is provided on the surface layer of the heat generating part 2 (that is, the contact interface with the ink IK), and a considerable number of minute recesses VH as shown in FIG. 3 are formed. Moreover, it is distributed almost uniformly over the entire surface of the heat generating section 2. Further, as shown in FIG. 3, a cut-shaped hole CV deeper than the recess VH is also formed in the surface layer of the heat generating portion 2 at the difference between the heat generating resistor layer 11 and the electrode 8. This hole CV occurs because the wrap-around rate in the vacuum deposition method is generally about 20 to 30%. When the heat generating section 2 configured as described above generates heat while the ink IK is in contact with the heat generating section 2, the recesses VH and holes CV become bubbling points.
Ink IK begins to boil. In this case, as shown in FIG. 4, which is a schematic cross-sectional view similar to FIG.
The largest foaming MB occurs in the CV, and at the same time in the other concave VH at the interface with the ink IK,
Small bubbles SB are generated almost uniformly. These bubbles grow further and, after repeating coalescence, eventually grow into large bubbles LB that cover almost the entire surface of the heat generating section 2. (...shown in FIG. 5) In the apparatus of the present invention, the air bubbles LB increase the internal pressure of the (thermal action) chamber 4', thereby causing the ink droplets to be ejected. As explained in detail above, in the present invention, since many bubble points are formed on the surface of the heat generating part 2, bubbles are generated quickly in the ink IK that comes into contact with the bubbles, and The effect of improving energy efficiency is also recognized. Furthermore, as mentioned above, in the present invention, the generation of air bubbles LB for ejecting ink droplets is made easier than ever before, so it has just become possible to drive the heat generating part 2 in a low temperature range. Not heat generating part 2
The main components (e.g. heating resistor and electrodes) are completely isolated from the ink IK by a protective layer,
Since the deterioration of the function is less likely to occur, the durability of the entire device in use is improved and its reliability is increased, which is unprecedented. According to the inventor's repeated studies, the surface condition of the heat generating part 2 is generally 0.05S to 2S (JIS standard; B0601).
It has also been found that a surface roughness of Furthermore, it has been found that it is optimal for practical use if the surface roughness of the heat generating part 2 is 0.05S to 1S. As mentioned above, the effects of configuring the heat generating section 2 will be specifically illustrated later in Examples. Incidentally, in the present invention, effective materials for forming the heat storage layer 7 include, for example, silicon oxide, zirconium oxide, tantalum oxide, magnesium oxide, and aluminum oxide. Next, effective materials for forming the heating resistor layer 11 include boron-containing compounds such as HfB ₂ and ZvB 2, Ta ₂ N, W, Ni- _Cr , SnO ₂ , or Pd-Ag. There are those with Ru as the main component, those with Ru as the main component, Si diffused resistors, semiconductor PN combinations, etc. Further, as the electrode 8, a metal film of aluminum, copper, gold, or the like is used. Further, as the material constituting the protective layer 9, inorganic materials such as SiO ₂ , MgO, Al ₂ O ₃ , Ta ₂ O ₅ , TiO ₂ and ZrO ₂ are commonly used. These components of the heat generating part 2 can be formed using any vacuum thin film forming method such as vacuum evaporation, electron beam evaporation, sputtering, CVD, vapor deposition, glow-taste charge, etc. It is possible to form a film by doing this. It is desirable that these thin films be formed to have heat resistance of about 300° C. or more. By the way, the layer thickness of the heat storage layer 7 formed by such a vacuum thin film forming method should be appropriately determined in relation to the materials of the substrate 6 and the heating resistor layer 11, but generally, 0.01 μm to 50 μm, preferably
The thickness is selected within the range of 0.1 μm to 30 μm. Also,
The thickness of the heating resistor layer 11 is determined by its resistance value,
In consideration of durability, the thickness is generally 1000 Å to 4000 Å, preferably 1500 Å to 2500 Å. Furthermore, the practical range of the thickness of the protective layer 9 is approximately 0.1 μm to 5 μm, regardless of whether the protective layer 9 has a single layer structure or a multilayer structure, and a more preferable thickness range is 0.3 μm to 3 μm. The effects of the present invention will be more clearly understood from the following detailed examples and comparative examples. Examples 1 to 8 First, heat generating unit installation boards corresponding to the following Examples and Comparative Examples were created in the following manner. In addition, the 6th
Figure a shows an enlarged perspective view of the substrate. SiO ₂ accumulation layer 13 (thickness
After forming the HfB ₂ heating resistor layer 14 (thickness: 800 Å) and aluminum electrode layer 15 (thickness: 5000 Å), selective etching was performed to form a pattern with a width of 40 μm and a length of 40 μm.
A heat generating portion 14' of 200 μm was formed. Further, a selection electrode 15a and a common electrode 15b were formed by etching. Furthermore, as shown in FIG. 6b, the electrode 15
A, 15b and a protective layer 16 on the surfaces of the heat generating part 14'.
Then, SiO ₂ was sputtered to a thickness of 1.4 μm (filling density: 98% or more). Then, this protective layer 16 was subjected to the treatments shown in Table 1 below to obtain heat generating part installed substrates corresponding to Examples 1 to 8 and Comparative Example 1. The surface roughness of the outermost layer of each heat generating substrate was measured in accordance with JIS standard B0601, and the values are also listed in Table 1 below. Separately, a plurality of grooves 18 (width 40 μm, depth 40 μm) and a groove forming a common ink chamber 19 as shown in FIG. 7 are cut in a plurality of glass plates 17 using a micro cutter. A plurality of grooved plates 20 formed by cutting were also created. Each heat generating unit installation board and each grooved plate created in this way are joined together after aligning the heat generating unit and the groove, and then ink is supplied from an ink supply unit (not shown) to the common ink chamber 19. A plurality of recording head blocks 22 as shown in FIG. 8 were integrally completed by connecting an ink introduction tube 21 for introducing the ink. Further, each of the plurality of blocks 22 was attached with a lead board having electrode leads (a common electrode lead and a selection electrode lead) connected to the aforementioned selection electrode and common electrode. Next, as the discharge experimental conditions, a pulse width of 10 μsec (rising 100 nsec,
A voltage pulse of 40 V was applied at a repetition period of 2 KHz (falling time: 100 nsec). The composition of the ink used was 70 parts by weight, 29 parts by weight, and 1 part by weight of water diethylene glycol black dye. When an ink liquid ejection experiment was conducted using the above ejection experimental conditions and the above ink, as summarized in Table 2 below, the droplet jet recording device according to the present invention showed excellent results in terms of ejection energy efficiency and durability. Indicated. It also had excellent recording properties. The durability of these Examples and Comparative Examples was evaluated based on the number of times electric pulses could be repeatedly applied, as follows. Durability evaluation criteria A...10 ₉ times or more B...10 ₈ to 10 ₉ times C...10 ₅ times or less

【表】【table】

【表】叙上の実験結果から、前記保護層上に、本発明
所定の処理を施すと、インク滴吐出のための閾値
電力を低くできる（つまり、エネルギー効率を高
めることができる）と共に、記録ヘツド装置の使
用耐久性を実用域迄、十分に高め得ることが判
る。なお、本発明装置に適用する為の記録用インク
は、水、エタノール等のアルコール、或いはトル
エン等を例とする主溶媒に、エチレングリコール
等を例とする湿潤剤、界面活性剤、及び各種染料
等を溶解或いは分散させて作成される。なお、オ
リフイスを詰らさないために、作成後フイルター
でロ過したり、インク流路中にフイルターを設け
たりする工夫は既存のインクジエツト記録法の場
合と同様に有効なことである。以上詳説したとおり、本発明によれば、常にイ
ンク吐出が低電力消費の下で安定的に行われ、高
速度で良品位の記録画を与える高性能の液滴噴射
記録装置を提供することができる。[Table] From the above experimental results, it has been found that when the protective layer is subjected to the prescribed treatment of the present invention, the threshold power for ejecting ink droplets can be lowered (that is, the energy efficiency can be increased), and the recording It can be seen that the usability durability of the head device can be sufficiently increased to the practical level. The recording ink to be applied to the apparatus of the present invention contains a main solvent such as water, alcohol such as ethanol, or toluene, a wetting agent such as ethylene glycol, a surfactant, and various dyes. It is created by dissolving or dispersing etc. Note that in order to avoid clogging the orifice, it is effective to filter the ink after it is prepared or to provide a filter in the ink flow path, as in the case of existing inkjet recording methods. As described in detail above, according to the present invention, it is possible to provide a high-performance droplet jet recording device that always performs stable ink discharge with low power consumption and provides high-quality recorded images at high speed. can.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図及び第２図は共に、本発明装置の液滴噴
射原理を説明するため、記録装置の主要部のみを
描いた略図、第３図乃至第５図は、本発明の主要
部のみを拡大して略画的に描いた説明図、第６図
ａ、第６図ｂ、第７図及び第８図は、何れも本発
明の実施例を説明するための略図である。図に於て、１は発熱部設置基板、２，１４′は
発熱部、４，１８は溝、４′は室、５は吐出オリ
フイス、６，１２は基板、７，１３は蓄熱層、
８，１５，１５ａ，１５ｂは電極、９，１６は保
護層、１１，１４は発熱抵抗体層、１９は共通イ
ンク室、２０は溝付きプレート、２２は記録ヘツ
ドブロツク、VHは微少凹部、CVは穴部である。 Both FIGS. 1 and 2 are schematic diagrams depicting only the main parts of the recording apparatus in order to explain the droplet ejection principle of the apparatus of the present invention, and FIGS. 3 to 5 are schematic diagrams depicting only the main parts of the present invention. The enlarged and schematic explanatory drawings, FIG. 6a, FIG. 6b, FIG. 7, and FIG. 8 are all schematic diagrams for explaining the embodiments of the present invention. In the figure, 1 is a heat generating part installation board, 2 and 14' are heat generating parts, 4 and 18 are grooves, 4' is a chamber, 5 is a discharge orifice, 6 and 12 are substrates, 7 and 13 are heat storage layers,
8, 15, 15a, 15b are electrodes, 9, 16 are protective layers, 11, 14 are heating resistor layers, 19 is a common ink chamber, 20 is a grooved plate, 22 is a recording head block, VH is a minute recess, CV is It is a hole.

Claims

【特許請求の範囲】[Claims]

１記録液に熱による状態変化を生起させ該状態
変化に基づいて記録液を吐出させる吐出オリフイ
スと、前記吐出オリフイスに連通する流路と、前
記流路内の一部に付設してある発熱部とを有する
液滴噴射記録装置であつて、前記発熱部が、少な
くとも一対の電極が電気的に接続されている発熱
抵抗体とこれを前記記録液体から隔絶する為の保
護層とを少なくとも含んで成ると共に、前記発熱
部に於ける前記記録液体との接触界面が0.05乃至
2S（JIS規格B0601）の表面粗さを有していること
を特徴とする液滴噴射記録装置。1. An ejection orifice that causes a state change in the recording liquid due to heat and ejects the recording liquid based on the state change, a flow path communicating with the ejection orifice, and a heat generating part attached to a part of the flow path. A droplet jet recording device having a droplet jet recording device, wherein the heat generating section includes at least a heat generating resistor to which at least a pair of electrodes are electrically connected, and a protective layer for separating the heat generating resistor from the recording liquid. and the contact interface with the recording liquid in the heating section is 0.05 to 0.05.
A droplet jet recording device characterized by having a surface roughness of 2S (JIS standard B0601).