JP3264694B2 - インクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体をオリフィスから
噴射して液滴を形成するインクジェット記録ヘッドに関
する。

【０００２】

【従来の技術】この種のインクジェット記録ヘッドに関
し、例えば特開昭５４−５１８３７に記載されているイ
ンクジェット記録法は、熱エネルギーを液体に作用させ
て、液滴吐出の原動力を得るという点において、他のイ
ンクジェット記録方法とは異なる特徴を有している。

【０００３】即ち、上述の公報に開示されている記録法
は、熱エネルギーの作用を受けた液体が過熱されて気泡
を発生し、この気泡発生に基づく作用力によって、記録
ヘッド部先端のオリフィスから液滴が形成され、この液
滴が被記録部材に付着して情報の記録が行われるという
ことを特徴としている。

【０００４】この記録法に適用される記録ヘッドは、一
般に液体を吐出するために設けられたオリフィスと、こ
のオリフィスに連通して液滴を吐出するための熱エネル
ギーが液体に作用する部分である熱作用部を構成の一部
とする液流路とを有する液吐出部、及び熱エネルギーを
発生する手段である電気熱変換体としての発熱抵抗層と
それに電気を流す電極層とを具備している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この種のインクジェッ
ト記録ヘッドは、従来記録幅が１５ｍｍ程度以下が一般
的であった。ところが、最近、高速記録を行うようにな
って記録幅が大きくなり、２００ｍｍ，３００ｍｍの幅
のものが提案されてきた。このように記録幅が大きくな
ると全ノズルが吐出状態（ベタ印字）を維持していくの
に困難になることがあった。具体的に述べると、ベタ印
字が１分間も続かないことがしばしばあった。作用面を
観察すると発泡が不安定になっていることが見られ、吐
出不安定による印字不安定であることがわかった。この
現象は、ヘッドの記録幅が３０ｍｍ以上になると多く発
生した。したがって、記録幅３０ｍｍ以上の場合設計を
変えなければならなかった。

【０００６】発泡の不安定の原因として、基板の秒単位
の温度上昇によって起ることが考えられる。基板の温度
上昇は、ヘッドの記録幅、記録密度、駆動周波数、駆動
パルス幅、ヒータ投入電力に大きく依存する。そして、
ヒータ投入電力は、発泡エネルギーと大きく関係があ
り、すなわちヒータボードの膜構成に大きく関係する。
したがって、記録幅３０ｍｍ以上のヘッドでは、これら
パラメータのバランス設計が必要である。したがって、
今後の記録速度の高速化に対して新しい設計指針を出さ
なければならなくなった。そして、それに基づき、ヒー
タの膜構成を設計、検討しなければならなくなった。

【０００７】基板温度を上昇させないために、冷却ファ
ンなど外部冷却手段を設ける方法があるが、この方法
は、コストが上り、またコンパクトにできないためヘッ
ド周りのコストの上昇、スペースの増大など種々不利な
面があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、液体吐出用の
オリフィスに連通して該液体中に熱エネルギーを与えて
液体中に気泡を形成させる熱作用部と、該熱エネルギー
を発生する電気熱変換体を構成する膜状の発熱抵抗層と
電極層とを有するインクジェット記録ヘッドにおいて、
前記発熱抵抗層と前記電極層はシリコンで構成されるヘ
ッド基板に設けられており、前記ヘッド基板の有効記録
発熱部の長さが３０ｍｍ以上で、式（１） Ｗ×ｔｐ×ｆ×ｋ≦１．２０ （１） ［式中、Ｗは熱作用部投入電力（Ｗ）、ｔｐは駆動パル
ス幅（ｓｅｃ）、ｆは駆動周波数（Ｈｚ）およびｋはヘ
ッド基板上での電気熱変換体の配置密度（個／ｍｍ）を
表わす］ の関係で前記オリフィスから液体を吐出することを特徴
とするインクジェット記録ヘッドである。また本発明
は、液体吐出用のオリフィスに連通して該液体中に熱エ
ネルギーを与えて液体中に気泡を形成させる熱作用部
と、該熱エネルギーを発生する電気熱変換体を構成する
膜状の発熱抵抗層と電極層とを有するインクジェット記
録ヘッドを用いたインクジェット記録方法において、前
記発熱抵抗層と前記電極層はシリコンで構成されるヘッ
ド基板に設けられており、前記ヘッド基板の有効記録発
熱部の長さが３０ｍｍ以上で、式（１） Ｗ×ｔｐ×ｆ×ｋ≦１．２０ （１） ［式中、Ｗは熱作用部投入電力（Ｗ）、ｔｐは駆動パル
ス幅（ｓｅｃ）、ｆは駆動周波数（Ｈｚ）およびｋはヘ
ッド基板上での電気熱変換体の配置密度（個／ｍｍ）を
表わす］ の関係で前記オリフィスから液体を吐出することを特徴
とするインクジェット記録方法である。

【０００９】上記の関係式が成り立つインクジェット記
録ヘッドを作成することによって、前記発熱抵抗層と前
記電極層とが設けられ、シリコン単結晶で構成されるヘ
ッド基板の記録幅が３０ｍｍ以上のヘッドのベタ印字状
態を維持することができた。したがって、高速記録がで
きるローコストでコンパクトなヘッドを作ることが可能
になった。

【００１０】本発明は、特にインクジェット記録方式の
中でも、熱エネルギーを利用して飛翔液滴を形成し、記
録を行なうインクジェット記録方式の記録ヘッド、記録
装置に於いて、優れた効果をもたらすものである。

【００１１】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４７４０
７９６号明細書に開示されており、本発明はこれらの基
本的な原理を用いて行なうものが好ましい。この記録方
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。

【００１２】この記録方式を簡単に説明すると、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液体
（インク）に核沸騰現象を越え、膜沸騰現象を生じる様
な急速な温度上昇を与えるための少なくとも一つの駆動
信号を印加することによって、熱エネルギーを発生せし
め、記録ヘッドの熱作用面に膜沸騰を生じさせる。この
様に液体（インク）から電気熱変換体に付与する駆動信
号に一対一対応した気泡を形成出来るため、特にオンデ
マンド型の記録法には有効である。この気泡の成長、収
縮により吐出孔を介して液体（インク）を吐出させて、
少なくとも一つの滴を形成する。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なわれる
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４３４５
２６２号明細書に記載されているようなものが適してい
る。尚、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、更に優れた記録を行なうことができる。

【００１３】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孔、液流路、電気熱変換
体を組み合わせた構成（直線状液流路又は直角液流路）
の他に、米国特許第４５５８３３３号明細書、米国特許
第４４５９６００号明細書に開示されている様に、熱作
用面が屈曲する領域に配置された構成を持つものも本発
明に含まれる。

【００１４】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孔とする構成を開
示する特開昭５９年第１２３６７０号公報や熱エネルギ
ー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年第１３８４６１号公報に基づいた
構成においても本発明は有効である。

【００１５】更に、本発明が有効に利用される記録ヘッ
ドとしては、記録装置が記録できる記録媒体の最大幅に
対応した長さのフルラインタイプの記録ヘッドがある。
このフルラインヘッドは、上述した明細書に開示されて
いるような記録ヘッドを複数組み合わせることによって
フルライン構成にしたものや、一体的に形成された一個
のフルライン記録ヘッドであっても良い。

【００１６】加えて、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でも本発明は有効で
ある。

【００１７】又、本発明の記録装置に、記録ヘッドに対
する回復手段や、予備的な補助手段等を付加すること
は、本発明の記録装置を一層安定にすることができるの
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
手段を付加することも安定した記録を行なうために有効
である。

【００１８】更に、記録装置の記録モードとしては黒色
等の主流色のみを記録するモードだけではなく、記録ヘ
ッドを一体的に構成したものか、複数個の組み合わせて
構成したものかのいずれでも良いが、異なる色の複色カ
ラー又は、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。

【００１９】以上説明した本発明実施例においては、液
体インクを用いて説明しているが、本発明では室温で固
体状であるインクであっても、室温で軟化状態となるイ
ンクであっても用いることができる。上述のインクジェ
ット装置ではインク自体を３０℃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良い。

【００２０】加えて、熱エネルギーによるヘッドやイン
クの過剰な昇温をインクの固形状態から液体状態への状
態変化のエネルギーとして使用せしめることで積極的に
防止するか又は、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ことも出来る。いずれにし
ても熱エネルギーの記録信号に応じた付与によってイン
クが液化してインク液状として吐出するものや記録媒体
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、熱エネルギーの付与によって初めて液化する性質を
持つインクの使用も本発明には適用可能である。

【００２１】このようなインクは、特開昭５４−５６８
４７号公報あるいは特開昭６０−７１２６０号公報に記
載されるような、多孔質シートの凹部又は貫通孔に液状
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良い。

【００２２】本発明において、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。

【００２３】図７は本発明により得られる記録ヘッドを
インクジェットヘッドカートリッジ（ＩＪＣ）として装
着したインクジェット記録装置（ＩＪＲＡ）の一例を示
す外観斜視図である。

【００２４】図において、２０はプラテン２４上に送紙
されてきた記録紙の記録面に対向してインク吐出を行な
うノズル群を備えたインクジェットヘッドカートリッジ
（ＩＪＣ）である。１６はＩＪＣ２０を保持するキャリ
ッジＨＣであり、駆動モータ１７の駆動力を伝達する駆
動ベルト１８の一部と連結し、互いに平行に配設された
２本のガイドシャフト１９Ａおよび１９Ｂと摺動可能と
することにより、ＩＪＣ２０の記録紙の全幅にわたる往
復移動が可能となる。

【００２５】２６はヘッド回復装置であり、ＩＪＣ２０
の移動経路の一端、例えばホームポジションと対向する
位置に配設される。伝動機構２３を介したモータ２２の
駆動力によって、ヘッド回復装置２６を動作せしめ、Ｉ
ＪＣ２０のキャッピングを行なう。このヘッド回復装置
２６のキャップ部２６ＡによるＩＪＣ２０へのキャッピ
ングに関連させて、ヘッド回復装置２６内に設けた適宜
の吸引手段によるインク吸引もしくはＩＪＣ２０へのイ
ンク供給経路に設けた適宜の加圧手段によるインク圧送
を行い、インク吐出口より強制的に排出させることによ
りノズル内の増粘インクを除去する等の吐出回復処理を
行なう。また、記録終了時等にキャッピングを施すこと
によりＩＪＣが保護される。

【００２６】３０はヘッド回復装置２６の側面に配設さ
れ、シリコンゴムで形成されるワイピング部材としての
ブレードである。ブレード３０はブレード保持部材３０
Ａにカンチレバー形態で保持され、ヘッド回復装置２６
と同様、モータ２２および伝動機構２３によって動作
し、ＩＪＣ２０の吐出面との係合が可能となる。これに
より、ＩＪＣ２０の記録動作における適切なタイミング
で、あるいはヘッド回復装置２６を用いた吐出回復処理
後に、ブレード３０をＩＪＣ２０の移動経路中に突出さ
せ、ＩＪＣ２０の移動動作に伴なってＩＪＣ２０の吐出
面における結露、濡れあるいは塵埃等をふきとるもので
ある。

【００２７】

【実施例】以下に実施例によって本発明を説明する。

【００２８】図１は、本発明の実施例１，２の各グルー
プのヒータボードの平面図、図２は、図１のＸ−Ｙ断面
図である。図３は、本発明の実施例３，４の各グループ
のヒータボードの平面図、図４は、図３のＸ−Ｙ断面図
である。図５は、実施例１，２の各グループのヘッドの
斜視図、図６は、実施例３，４の各グループのヘッドの
斜視図である。表１は、本発明の実施例の膜構成、駆動
条件、記録密度、表２は、本発明の実施例の計算値と印
字評価結果を示す。

【００２９】まず、基板１０１のシリコン上に、蓄熱層
１０２として熱酸化によってＳｉＯ₂ を３．０μｍ形成
する。次に、発熱抵抗層１０３としてスパッタによって
ＨｆＢ₂ を０．１μｍ成膜する。シート抵抗は２０Ω／
口であった。次に電極層１０４としてＴｉを０．００５
μｍ、Ａｌを０．６μｍ蒸着で成膜する。そして、フォ
トリソ技術により実施例１，２のグループは図１、実施
例３，４のグループは図３に示す回路パターンを形成
し、表１に示す大きさの発熱部分（ヒータ）２０１を表
１に示す記録密度で形成する。有効記録発熱部の幅（ヘ
ッド基板の記録幅）はそれぞれの実施例につき表２に示
すように１５ｍｍ，３０ｍｍ，５０ｍｍ，１００ｍｍ，
２００ｍｍとした。また、電極の抵抗値は実施例１と２
のグループは２０Ω、実施例３と４は５Ωにした。次
に、第１の保護層１０５としてＳｉＯ₂ をバイアススパ
ッタ法で表１に示す膜厚で成膜する。次に、第２の保護
層１０６としてＴａをスパッタ法で表１に示す膜厚で成
膜し、フォトリソ技術によって実施例１，２のグループ
は図１、実施例３，４のグループは図３に示すバー状パ
ターンにする。最後に、段３の保護層１０７として感光
性ポリイミドを塗布し、実施例１，２のグループは図
１、実施例３，４のグループは図３に示すパターンにす
る。このようにして、ヒータボードが完成する。

【００３０】次に実施例１と実施例２のグループは、ノ
ズル壁を感光性樹脂で作成しその上にインク液室、イン
ク供給口が設けられている板を貼付け、切断によって吐
出口を形成する。実施例１は、吐出口が２０μｍ×２０
μｍ、実施例２は、２０μｍ×２０μｍである。そし
て、電気実装をして図５に示すヘッド５０１が完成す
る。このヘッドはインクがヒータの面方向に吐出する。

【００３１】また、実施例３と実施例４のグループはヒ
ータボードにインク供給口のための穴を開け、吐出口、
インク液室が設けられているオリフィスプレートを貼付
ける。実施例３は吐出口が６０μｍ径であり、実施例４
は１００μｍ径である。そして、電気実装をして図６に
示すヘッド６０１が完成する。このヘッドは、ヒータの
面に垂直にインクを吐出する。

【００３２】次に完成したヘッドの印字試験をおこなっ
た。表１に発泡電圧を示す。駆動条件は周波数、パルス
幅に関しては表１に示してある。また、駆動電圧は印字
安定性が良い下限の電圧として発泡電圧の１．１５倍と
した。ちなみに駆動電圧を大きくすれば、熱作用部投入
電力が大きくなり印字持続性が悪くなる。

【００３３】評価の方法は、全ノズルが吐出した状態
（ベタ印字）での印字持続性を評価した。すぐに印字が
悪くなるものを×、１分以内で悪くなるものを△、１分
以上持続するものを○とした。そして、○のものを良い
として判断した。結果を表２に示す。

【００３４】 また、Ｗ×ｔｐ×ｆ×ｋ （１） Ｗ ：熱作用部投入電力（Ｗ） ｔｐ：駆動パルス幅（ｓｅｃ） ｆ ：駆動周波数（Ｈｚ） ｋ ：記録密度（本／ｍｍ） 上記（１）式にしたがって、各実施例について計算した
値を表２に示す。

【００３５】たとえば、実施例１−１の場合を計算して
みる。

【００３６】熱作用部投入電力（Ｗ）は Ｗ＝（ヒータ電流）×（ヒータ電流）×（ヒータ抵抗
値）＝｛（発泡電圧×１．１５）／総抵抗値｝² ×（ヒ
ータ抵抗値） で表わされる。

【００３７】ここで、ヒータシート抵抗は２０Ω／口な
のでヒータ抵抗は２０×１００μ／２０μ＝１００Ωと
なる。

【００３８】又、総抵抗値は（ヒータ抵抗＋電極抵抗）
で表わされるので１００＋２０＝１２０Ωとなる。

【００３９】従って上式にこれらを代入すると Ｗ＝｛（１３．１×１．１５）／１２０｝² ×１００ ＝１．５８ を得る。

【００４０】 駆動パルス幅（ｔｐ）はｔｐ＝１０μｓｅｃ ＝１０×１０^-6ｓｅｃ 駆動周波数（ｆ）は ｆ＝６ｋＨｚ ＝６×１０³ Ｈｚ 記録密度（Ｋ）は Ｋ＝４００ｄｏｔ／ｉｎｃｈ ＝１５．７４本／ｍｍ 従って、式（１）の値は Ｗ×ｔｐ×ｆ×ｋ＝１．５８×（１０×１０^-6）×（６×１０³ ）×１５． ７４＝１．４９ であり、１．２０より大きい値である。

【００４１】表２の結果を見ればわかるとおり、記録幅
３０ｍｍ以上の場合、式（１）の値を１．２０以下にし
なければベタ印字状態での印字持続性が悪くなる。した
がって、記録幅３０ｍｍ以上のヘッドを作成する場合式
（１）の値を１．２０以下にすることによって、ベタ印
字状態での印字持続性が良いヘッドを供給することがで
きる。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】

【発明の効果】以上説明した通り、 Ｗ×ｔｐ×ｆ×ｋ≦１．２０ Ｗは熱作用部投入電力
（Ｗ） ｔｐは駆動パルス幅（ｓｅｃ） ｆは駆動周波数（Ｈｚ） ｋはヘッド基板上での電気熱変換体の配置密度 （個／ｍ
ｍ） 上記の関係式が成り立つようなインクジェット記録ヘッ
ドを作成することによって、前記発熱抵抗層と前記電極
層とが設けられ、シリコンで構成されるヘッド基板に設
けられており、前記ヘッド基板の有効記録発熱部の長さ
が３０ｍｍ以上の記録幅の大きなヘッドのベタ印刷状態
を１分以上持続することができた。したがって、高速記
録ができるヘッドをローコストでコンパクトに作ること
が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１，２の各グループのヒータボ
ードの平面図である。

【図２】図１のヒータボードのＸ−Ｙ断面図である。

【図３】本発明の実施例３，４の各グループのヒータボ
ードの平面図である。

【図４】図３のヒータボードのＸ−Ｙ断面図である。

【図５】本発明の実施例１，２の各グループのヘッドの
斜視図である。

【図６】本発明の実施例３，４の各グループのヘッドの
斜視図である。

【図７】本発明に係るインクジェット記録ヘッドを備え
た記録装置の１例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１６ キャリッジ １７ 駆動モータ １８ 駆動ベルト １９Ａ，１９Ｂ ガイドシャフト ２０ インクジェットヘッドカートリッジ ２２ クリーニング用モータ ２３ 伝動機構 ２４ プラテン ２６ キャップ部材 ３０ ブレード ３０Ａ ブレード保持部材 １０１ 基板 １０２ 蓄熱層 １０３ 発熱抵抗層 １０４ 電極 １０５ 第１保護層 １０６ 第２保護層 １０７ 第３保護層 ２０１ 発熱部 ５０１ インクジェット記録ヘッド ５０２ インク吐出口 ５０３ インク供給口 ６０１ インクジェット記録ヘッド ６０２ オリフィスプレート

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体吐出用のオリフィスに連通して該液
   体中に熱エネルギーを与えて液体中に気泡を形成させる
   熱作用部と、該熱エネルギーを発生する電気熱変換体を
   構成する膜状の発熱抵抗層と電極層とを有するインクジ
   ェット記録ヘッドにおいて、 前記発熱抵抗層と前記電極層はシリコンで構成されるヘ
   ッド基板に設けられており、前記ヘッド基板の有効記録
   発熱部の長さが３０ｍｍ以上で、式（１） Ｗ×ｔｐ×ｆ×ｋ≦１．２０ （１） ［式中、Ｗは熱作用部投入電力（Ｗ）、ｔｐは駆動パル
   ス幅（ｓｅｃ）、ｆは駆動周波数（Ｈｚ）およびｋはヘ
   ッド基板上での電気熱変換体の配置密度（個／ｍｍ）を
   表わす］ の関係で前記オリフィスから液体を吐出することを特徴
   とするインクジェット記録ヘッド。
2. 【請求項２】 記録媒体の記録領域の全幅にわたって吐
   出口が複数設けられているフルラインタイプである請求
   項１記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 【請求項３】 記録媒体の被記録面に対向してインクを
   吐出するインク吐出口が設けられている請求項１記載の
   インクジェット記録ヘッドと、該記録ヘッドを載置する
   ための部材とを少なくとも具備することを特徴とする記
   録装置。
4. 【請求項４】 液体吐出用のオリフィスに連通して該液
   体中に熱エネルギーを与えて液体中に気泡を形成させる
   熱作用部と、該熱エネルギーを発生する電気熱変換体を
   構成する膜状の発熱抵抗層と電極層とを有するインクジ
   ェット記録ヘッドを用いたインクジェット記録方法にお
   いて、 前記発熱抵抗層と前記電極層はシリコンで構成されるヘ
   ッド基板に設けられており、前記ヘッド基板の有効記録
   発熱部の長さが３０ｍｍ以上で、式（１） Ｗ×ｔｐ×ｆ×ｋ≦１．２０ （１） ［式中、Ｗは熱作用部投入電力（Ｗ）、ｔｐは駆動パル
   ス幅（ｓｅｃ）、ｆは駆動周波数（Ｈｚ）およびｋはヘ
   ッド基板上での電気熱変換体の配置密度（個／ｍｍ）を
   表わす］ の関係で前記オリフィスから液体を吐出することを特徴
   とするインクジェット記録方法。