JPH04152142A - 液体噴射記録方法及び装置 - 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】 １亙分互 本発明は、液体噴射記録方法、より詳細には。

インクジェットプリンタの階調記録を可能とする液体噴
射記録方法のより安定した方法に関するものである。

盗」ｑ【１ 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、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。

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Ｕ　Ｓ　Ｐ　３０６０４２９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引的に行い１発生し
か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Ｕ　Ｓ　Ｐ　３５９６２７５、Ｕ
ＳＰ　３２９８０３０等に開示されている方式（Ｓｗｅ
ｅｔ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。この時前記帯電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Ｕ　Ｓ　Ｐ　３４１６１５３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Ｕ　Ｓ　Ｐ　３７４７１２０に開
示されている方式（Ｓｔｅｔｙｐｅ方式、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Ｓｔｅｔｙｐｅ方式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、Ｓｔｅｍｍｅｔｙｐｅ方式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滴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
加工上に問題があること、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。

このように従来の液体噴射記録方法には、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
ドツトの発生及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。

しかし、この不都合も本出頴人が先に提案したインクジ
ェット記録方式を採用することによってほぼ解消するこ
とができる。かかるインクジェット記録方式は、特公昭
５６−９４２９号公報にその詳細が説明されているが、
ここにそれを要約すれば、液室内のインクを加熱して気
泡を発生させてインクに圧力上昇を生じさせ、微細な毛
細管ノズルからインクを飛び出させて、記録するもので
ある。その後、この原理を利用して多くの発明がなされ
た。その中の１つとして、たとえば、特公昭５９−３１
９４３号公報がある。これは、発熱量調整構造を有する
発熱部を具備する電気熱変換体に階調情報を有する信号
を印加し１発熱部に信号に応じた熱量を発生させること
により階調記録を行う事を特徴とするものであった。具
体的には。

保護層、蓄熱層、あるいは発熱体層の厚さが徐々に変化
するような構造としたり、あるいは発熱体層のパターン
巾が徐々に変化するような構造としたものである。

第２８図乃至第３０図は、それぞれ上記特公昭５９−３
１９４３号公報の第４図乃至第６図に開示された電気熱
変換体の例を示す断面構造図で、図中、７１は基板、７
２は蓄熱層、７３は発熱体、７４．７５は電極、７６は
保護膜で、第２８図に示した例は、保護膜７６を電極７
４側より電極７５に向って厚み勾配をつけて設けること
により、つまり、保護膜７６の厚みをＢからＡに向って
徐々に減少させることにより１発熱部ΔＱの表面より、
該表面に接触している液体に単位時間当りに作用する発
熱量に勾配を設けたものである。

また、第２９図に示した例は、蓄積層７２の厚みを発熱
部ΔＱに於いて、ＡからＢに向って徐々に減少させて、
発熱体７３より発生される熱の基板７１への放熱量に分
布を与え１発熱部ΔＱの表面に接触している液体へ与え
る単位時間当りの熱量に勾配を設けたものである。

また、第３０図に示した例は５発熱体７３の厚みに発熱
部Δαに於いて勾配を設けて発熱体７３を蓄積層６２上
に形成するもので、ＡからＢに至るまでの各部位に於け
る抵抗の変化によって、単位時間当りの発熱量を制御す
るものである。

また、第３１図乃至第３５図は、それぞれ上記特公昭５
９−３１９４３号公報の第９図乃至第１３図に開示され
た電気熱変換体の例を示す平面構造図で、図中、８１は
発熱部、８２．８３は電極で、第３１図に示した例は、
発熱部８１の平面形状を矩形とし、電極８２と発熱部８
１との接続部を電極８３と発熱部８１との接続部より小
さくしたものである。第３２図及び第３３図に示した例
は、それぞれ発熱部８１の中央部を両端よりも細い平面
形状となしたものである。また第３４図に示した例は、
発熱部８１の平面形状を台形となし、台形の平行でない
対向する辺に於いて図の様に電極８２．８３を各々接続
したものである。

また、第３５図に示した例は、発熱部８１の中央部を両
端より広い平面形状としたもので、これらの例は、発熱
部のＡからＢに向って電流密度に負の勾配を与える様に
構成し、印加される電力レベルを変えることによって、
熱作用部に生ずる急峻な液体の状態変化を制御すること
で吐出される液滴の大きさを変え、これによって階調記
録を行うものである。

しかしながら、第２８図〜第３０図に示した例のような
３次元的構造を薄膜形成技術で形成することは、事実上
不可能に近く、又、仮にできたとしても、非常に高コス
トになるという欠点を有している。又、第３１図〜第３
５図に示したようにパターン巾を変えたものは、そのパ
ターンが最もせまくなるところで断線が生じやすく耐久
性の面から必ずしも良い結果は得られなかった。

一方、特開昭６３−４２８７２号公報にも類似の階調記
録技術の開示がある。これも特公昭５９−３１９４３号
公報の技術と同様に発熱体層に３次元構造をもたせるこ
とを特徴としており、製造が極めて困難であるという欠
点を有している。その他の階調記録技術として特公昭６
２−４６３５８号公報、特公昭６２−４６３５９号公報
、特公昭６２−４８５８５号公報が知られている。それ
らは、それぞれ１つの流路に配列した複数個の発熱体よ
り、所定数の発熱体を選択したり、あるいは、発熱量の
異なる複数の発熱体から１つを選択して、発生する気泡
の大きさを変えたり、複数の発熱体への駆動信号の入力
タイミングのズレを可変制御して吐出量を変えたりする
ものであった。

しかしながら、これらの技術では、複数個の発熱体が１
つの流路あるいは吐出口に対応しているため、それら複
数個の発熱体に接続される制御電極の数が増大して吐出
口を高密度に配列することが不可能であった。又、特開
昭５９−１２４８６３号公報、特開昭５９−１２４８６
４号公報では、吐出のための発熱体とは別の発熱体及び
気泡発生部を有し、吐出量制御を行う技術の開示がある
が、これらも気泡発生部の存在故に高密度配列が困難で
あるという欠点を有している。さらに特開昭６３−４２
８６９号公報には、抵抗体に通電する時間を変えること
によって気泡の発生回数を変更して吐出量を制御する技
術が開示されている。しかしながら通常のバブルジェッ
トにおいては通電時間は数〜十数μｓが限界であり、そ
れ以上の時間通電すると発熱体が断線するため、特開昭
６３−４２８６９号公報の技術は、耐久性面で事実上実
現不可能である。

以上により、従来技術においては、階調記録を行うため
に各種の試みがなされてきているが、製造上から、耐久
性から、あるいは、高密度配列面からみて必ずしも満足
のいく結果は得られていない。

１−一昨 本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、
第１の目的は製造が容易であり、耐久性にも優れ、高密
度配列が可能な階調記録が可能な液体噴射記録装置を提
供することにあり、他の目的は階調記録方法を提供する
ことにある。

本発明のさらに他の目的は、より安定した高精度なドツ
ト位置精度を確保できる階調記録方法を提供することに
ある。

盈−一双 本発明は、上記目的を達成するために、（１）液体を吐
出して飛翔的液滴を形成するための吐出口と、前記液体
を吐出するために前記液体に熱による状態変化を生じせ
しめるための電気熱変換体層と、該電気熱変換体層に電
気的に接続される１対の電極とを有する液体噴射記録ヘ
ッドを使用する液体噴射記録方法であって、画像情報に
応じて入力エネルギーを変え、前記電気熱変換体層上に
おいて通電方向に熱勾配を生じせしめ、前記電気熱変換
体層上で発生する気泡の大きさを変えて前記吐出口より
吐出する液体の量を変えて記録する方法において、前記
気泡の液体吐出方向側の長さをｌｂ、同方向に伸びた液
柱が切れる直前の最大になった時の長さをｌｊとすると
き、ｌｊ＞Ｑｂとなる条件の時に記録を行うこと、ある
いは、（２）液体を吐出して飛翔的液滴を形成するため
の吐出口と、前記液体を吐出するために前記液体に熱に
よる状態変化を生じせしめるための電気熱変換体層と、
該電気熱変換体層に電気的に接続される１対の電極とを
有する液体噴射記録ヘッドを使用する液体噴射記録方法
であって、画像情報に応じて入力エネルギーを変え、前
記電気熱変換体層の下において通電方向に熱勾配を生じ
せしめ、前記電気熱変換体層上で発生する気泡の大きさ
を変えて前記吐出口より吐出する液体の量を変えて記録
する方法において、前記気泡の液体吐出方向側の長さを
ｌｂ、同方向に伸びた液柱が切れる直前の最大になった
時の長さをＱ３とするとき、ｌｊ＞Ｑｂとなる条件の時
に記録を行うことを特徴としたものである。

以下、本発明の実施例に基いて説明する。

第２２図は、本発明が適用されるインクジェットヘッド
の一例としてのバブルジェットヘッドの動作説明をする
ための図、第２３図は、バブルジェットヘッドの一例を
示す斜視図、第２４図は。

第２３図に示したヘッドを構成する蓋基板（第２４図（
ａ））と発熱体基板（第２４図（ｂ））に分解した時の
斜視図、第２５図は、第２４図（ａ）に示した蓋基板を
裏側から見た斜視図で、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）、３０はインク、３１は気泡、３２は飛翔インク
滴で、本発明は、斯様なバブルジェット式の液体噴射記
録ヘッドに適用するものである。

最初に、第２２図を参照しながらバブルジェットによる
インク噴射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３ｏ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
生長した分だけ上昇し、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
。

（ｄ）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
にあり、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
０Ｉｌ／ｓｅｃ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。

第２６図は、上述のごとき液体噴射記録ヘッドの要部構
成を説明するための典型例を示す図で、第２６図（ａ）
は、バブルジェット記録ヘッドのオリフィス側から見た
正面詳細部分図、第２６図（ｂ）は、第２６図（、）に
−点鎖線Ｘ−Ｘで示す部分で切断した場合の切断面部分
図である。

これらの図に示された記録ヘッド４１は、その表面に電
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５ｏ、該下部層５０上に
設けられた発熱抵抗層５１、該発熱抵抗層５１上に設け
られた上部層５２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数層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。

保護層５２は、熱発生部４８においては発熱抵抗層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の液流路を満たしている
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し、更に隣接する電極間における
電気的リークを防止する役目を有している。

各液吐出部に設けられている液流路は、各液吐出部の上
流において、液流路の一部を構成する共通液室（不図示
）を介して連通されている。各液吐出部に設けられた電
気熱変換体４２に接続されている電極５３，５４はその
設計上の都合により、前記上部層に保護されて熱作用部
の上流側において前記共通液室下を通るように設けられ
ている。

第２７図は、発熱抵抗体を用いる気泡発生手段の構造を
説明するための詳細図で、図中、６１は発熱抵抗体、６
２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−５ｉＯ□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５
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量
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０．０１〜１μｍとされる。

電極６２を構成する材料としては１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Ａｆｌ、Ａｇ、Ａｕ、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。

以上のような原理、あるいは発熱体構造をもつバブルジ
ェット技術において、本発明は、液体を吐出して飛翔的
液滴を形成するための吐出口と、前記液体を吐出するた
めに前記液体に熱による状態変化を生じせしめるための
電気熱変換体層及び該電気熱変換体層に電気的に接続さ
れる１対の電極とを有する液体噴射記録ヘッドを使用す
る液体噴射記録方法において、前記電気熱変換体層上も
しくはその下において通電方向に熱勾配を持つように放
熱構造体を形成し、画像情報に応じて、入力エネルギー
を可変としたこと、或いは、液体を吐出して飛翔的液滴
を形成するための吐出口と、前記液体を吐出するために
前記液体に熱による状態変化を生じせしめるための電気
熱変換体層及び該電気熱変換体層に電気的に接続される
１対の電極とを有する液体噴射記録ヘッドを使用する液
体噴射記録方法において、画像情報に応じて入力エネル
ギーを変え、前記電気熱変換体層上もしくはその下にお
いて通電方向に熱勾配を生じせしめ、前記電気熱変換体
層上で発生する気泡の大きさを変えて前記吐出口より吐
出する液体の量を変えるようにし、その際、前記気泡の
液体吐出方向側の長さをｌｂ、同方向に伸びた液柱が切
れる直前の最大になった時の長さをｌｊとするとき、ｌ
ｊ＞Ｑｂとなる条件の時に記録を行うようにしたもので
ある。

第１図は１本発明によるバブルジェット液体噴射記録装
置の要部（発熱体部）構成図、第２図は、通常の階調記
録を行わないバブルジェット液体噴射記録装置の発熱体
部の構成図で、共に、（ａ）図は平面図、（ｂ）図は（
ａ）図のＢ−Ｂ線断面図を示し、図中、１ｏは基板、１
１は蓄熱層、１２は発熱体層、１３は制御電極、１４は
アース電極、１５は保護層、１６は放熱体、１７は絶縁
層で、本発明においては、第１図に示すように、発熱体
層１２の上に放熱体１６が設けである。この放熱体１６
は発熱体層１２の全面に均一に設けるのではなく、第１
図に示したように制御電極１３側からアース電極１４側
へいくにつれて、発熱体層１２をおおう面積が変わるよ
うに設けられる。こうすることによって、発熱体層上で
は、放熱体の効果により、通電方向に熱勾配を持たせる
ことが可能となる。放熱体を形成する材料としては、一
般に熱伝導率が高く、蒸着、スパッタリング等の薄膜形
成及びフォトエツチング等の微細加工が容易にできるＡ
ｆｆｉ、Ａｕ等が好適に用いられる。本発明では、放熱
体をこのように平面的（２次元的）に形成するので、製
造面において、あるいは構造面において、容易かつ、シ
ンプルにできるというメリットがある。なお、第１図の
場合、放熱体１６は発熱体層の上に直接接触して形成さ
れているが、該放熱体１６がアース電極の役割をしない
ように、放熱体１６のパターンは、アース電極１４とは
接触しないで、適当な絶縁処理１７がなされている。こ
のような発熱体層上で熱勾配を持つヘッドに対して、本
発明では、更に、画像情報に応じて、発熱体層への入力
エネルギーを変えるようになっている。一般に、バブル
ジェット技術においては発熱体層上で膜沸騰現象により
気泡が発生する際に、発熱体層上の表面温度が瞬時的に
ある一定以上の温度になることが必要である。

つまり膜沸騰が生じるためには、ある臨界温度以上にな
ることが必要なわけであるが、その臨界温度になる領域
が発熱体層上の任意の位置で形成されれば、発生気泡の
大きさが任意に変えられることを意味している。第３図
にその原理を示す。第３図は、第１図の断面部に発生気
泡を点線で示したものである。上述のように、本発明で
は、発熱体層１２上に設けられた放熱体１６により発熱
体層上で通電方向に対して熱勾配をもっている。従って
、入力エネルギーを小さい値から大きい値に変えてやる
ことにより、膜沸騰による気泡発生の臨界点位置が熱勾
配に応じて順次移動する。それにより、第３図の点線で
示したように、小さい気泡１から、徐々に２，３．４と
いう具合に気泡１８が大きくなるのである。

第４図に、入力エネルギーと発生する気泡の大きさの関
係を、第５図には、発生した気泡と吐出されるインク量
の関係を示す。入力エネルギーとしては、パルス電圧、
パルス巾のどちらを変えても良いが、瞬時的に膜沸騰現
象を利用して気泡を発生させるためには、パルス電圧を
変えるのが望ましい。ただし、パルス巾も最大５０μｓ
ｅｃ程度までの範囲で変えるのであれば、実用上は問題
はない。

第６図は、本発明の別の実施例を説明するための図であ
り、この場合は、放熱体１６を発熱体層１２の下に形成
している。第７図は、さらに別の実施例であり、この場
合は、放熱体１６を保護層１５の上に形成している。第
８図、第９図は、放熱体のパターンの変形実施例で、第
８図のようにすると、フォトマスクを製作する時のコス
トが下がり有利である。一方、第９図のように両側に放
熱体を形成すると、発生気泡の対称性が良くなり安定す
るという利点がある。

以上に本発明の実施例について簡単に説明してきたが、
図が複雑になることを考慮して説明を省略したところが
ある。たとえば第１図、第２図。

第６図、第７図の断面図（（ｂ）図）、及び第３図にお
いて電極がムキ出しになっているが、これは適当な保護
膜（ポリイミド等）によってインクに直接接触しないよ
うにすることが好ましい。又、放熱体についても同様に
、もしインクに腐食されるような材料（たとえばＡＱ）
を使用する場合には、保護膜を設けるべきである。又、
第１図、第２図、第６図、第７図、第１０図の平面図（
（ａ）図）及び第８図、第９図において、発熱体層上の
保護膜が省略されているが、これも図が複雑になるのを
さけるためであり、実際には、保護膜が存在する。

次に、第１図に示した液体噴射記録ヘッドの具体的な製
造方法について説明する。まず、シリコンウェハを熱酸
化により、表面にＳｉｏ２膜を２μｍ成長させて蓄熱層
１２とする。次に、発熱体層１３として、ＨｆＢ２を２
２００人スパッタリングする。次に、放熱体１６として
、Ａｕを８０００人蒸着九九。次に、電［１ｔ１３，１
４としてＡｕを１００００人蒸着し九０この時、放熱体
ＡＱと電極Ａｕが接触しないように絶縁層１７としてＳ
ｉＯ２を形成しておく。次に、発熱体層の保護膜１５と
してＳｉＯ２を９０００人スパッタリングした。さらに
、その上に耐キヤビテーシヨン層としてＴａを３０００
人スパッタリングした。これらの各膜形成途中において
は周知のフォトリソ技術、フォトエツチング技術を利用
し、最終的な発熱体のパターンは２４μｍ　Ｘ　８０μ
ｍの長方形としている。なお、電極巾は、発熱体パター
ンの短手方向の２４μｍである。

第１０図は、本発明の別の実施例である６而して、第１
図に示した実施例において、放熱体１６はアース電極１
４と接触しないように５ｉｎ２の絶縁層１７が設けられ
ているが、第１ｏ図に示した実施例では、ＳｉＯ２の絶
縁層がなく、放熱体１６はアース電極１４に接触してい
る。従って、放熱体１６はアース電極の役割もしており
、いいかえるならば１発熱体層の発熱部分が長方形では
なく、第１０図の放熱体がかかっていない部分、つまり
第１０図（ａ）の直角三角形状部分となり、発熱体層そ
のものが熱勾配をもつようにしたものである。この場合
は放熱体の熱勾配と発熱体層の熱勾配の両方が作用する
ようになる。

また第１図の場合の製造方法の説明では、放熱体と電極
（アース電極）を別々に製造することを示したが、第１
ｏ図の場合においては、同時に（一体）に製造してもよ
い。

第１１図は、さらに別の実施例であり、たとえば、１６
本／ｍｎ以上の高密度配列を可能にするために電極積層
構造とした発熱体基板に本発明を適用し、放熱体を形成
したものである。電極積層構造の発熱体基板の製造方法
を簡単に説明する。

第１２図は、本発明の他の実施例を説明するための断面
図で、図中、１０は基板、１２は発熱抵抗体層、１３は
第１の電極、１４は第２の電極、１５は保護層（耐イン
ク）、１７は絶縁層で、第１電極１３のＡ部はリード線
を取り出す部分、Ｂは発熱抵抗体が接続される部分であ
る。

第１３図（ａ）〜（ｅ）は、第１２図に示した構成を得
るための手順を示す図で、はじめに、第１の電極１３が
基板上１０に形成されるが（第１３図（ａ））、この電
極１３上には少なくともリード線をとり出す部分Ａと、
後述の発熱抵抗体層１２が接続する部分Ｂを除いて、絶
縁層１７が設けられる（第１３図（ｂ））。次に、発熱
抵抗体層１２が設けられ（第１３図（Ｃ））、そして。

第２の電極１４が、発熱抵抗体層１２の第１の電極１３
と接続されている部分Ｂと対向する位置で接続されて形
成される（第１３図（ｄ））。最後に、保護膜１５が発
熱抵抗体層１２をインクから保護するために形成されて
完成する（第１３図（ｅ））。なお、これ以外にも電極
保護層あるいは、必要に応じて耐キヤビテーシヨン保護
膜も設けられるが、ここでは、簡略化するために説明を
省略した。第１１図は、上述のようなプロセスで製造さ
れる電極積層構造発熱体基板に本発明の放熱体１６を付
与した場合の例を示す平面構成図である。

第１４図（ａ）〜（ｇ）は、本発明の発熱体基板の製造
プロセスを示す図で、第１５図は、第１４図（ｇ）にお
いて完成した発熱体基板のＡ−Ａ断面図である。図中、
９１は発熱体（Ｈｆ　Ｂ、）。

９２は第１電極（ＡＭ）、９３は絶縁層（ＳｉＯ２）、
９４は第２電極（Ａｆｌ）、９５は熱絶縁層（Ｓｉｎ２
）、９６は耐キヤビテーシヨン層（Ｔ　ａ　）、９７は
電極保護層（フォトニース）、９８はポンディングパッ
ドである。斜線部が各工程での形成パターンである。

（、）熱酸化等によって表面に５ｉｎ２膜を形成したＳ
ｉウェハに発熱体９１を形成する。ここでは、発熱体材
料として、ＨｆＢ２を３０００人スパッタリングによっ
て形成した。

（ｂ）第１の電極としてＡＱ９２を１００００人スパッ
タリングによって形成した。

（Ｃ）絶縁層９３としてＳｉｏ２を８０００人スパッタ
リングによって形成した。なお、このパターンを形成す
る時、後述する第２の電極と接続する部分と、ポンディ
ングパッドの部分には絶縁層はつかないようにしている
。

（ｄ）第２の電極としてＡｆ１９４を１００００人スパ
ッタリングによって形成した。この第２電極は放熱構造
体を兼ねており、図より明らかなように絶縁層を介して
発熱体の上の部分において０通電方向に放熱により熱勾
配を持つように、その占める領域が連続的に変わってい
る。なお、Ａｆｌは電極材料として優れ、又、その熱伝
導性が良好なことから放熱構造体にも最適な材料の１つ
である。

（ｅ）次に熱絶縁層９５としてＳｉＯ２を５０００人ス
パッタリングによって形成した。これは後述の耐キヤビ
テーシヨン層と、前述の放熱構造体とを熱的に離間し、
放熱構造体がその機能をより良く発揮させるためのもの
である。

（ｆ）耐キヤビテーシヨン層９６としてＴａを３０００
人スパッタリングによって形成した。これは発生した気
泡が消滅する際の物理的な衝撃力を吸収し、発熱体部を
損傷から保護し、寿命を長くするためのものである。

（ｇ）電極保護層９７として、フォトニース（東しく株
）製）を１２０００人形成した。

第１６図（ａ）〜（ｇ）は本発明の発熱体基板の製造プ
ロセスの他の実施例を示す図で、第１７図は、第１６図
（ｇ）において完成した発熱体基板のＢ−Ｂ断面図であ
る。図中、１０１は第１電極（ＡＱ）、１０２は＃＠縁
層（Ｓｉｎ、）　、　　１０３は発熱体（ＨｆＢ、）、
１０４は第２電極（Ａ　Ｑ）、１０５は発熱体保護層（
ＳｉＯ２）　、１０６は耐キヤビテーシヨン層（Ｔａ）
、ｘｏ７は電極保護層（フォトニース）、１０８はポン
ディングパッドである。斜線部が各工程での形成パター
ンである。

（ａ）熱酸化等によって表面にＳｉＯ２膜を形成したＳ
ｉウェハに第１の電極１０１としてＡＱをｔｏｏｏｏ人
スパッタリングによって形成した。この第１の電極は、
放熱構造体を兼ねており１図より明らかなように、後述
の絶縁層を介して形成される発熱体が積層される部分の
パターンは、その発熱体の通電方向に放熱により熱勾配
を持つように、その占める領域が連続的に変わっている
。

（ｂ）絶縁層１０２として、Ｓｉｏ２を８０００人スパ
ッタリングによって形成した。なお、このパターンを形
成する時後述する第２の電極と接続する部分とボンディ
ングバットの部分には絶縁層はつかないようにしている
。

（Ｃ）発熱体１０３として、ＨｆＢ２を３００ＯＡスパ
ッタリングによって形成した。

（ｄ）第２の電極１０４としてＡＱを１００００人スパ
ッタリングによって形成した。

（ｅ）次に発熱体保護層１０５としてＳｉｏ２を１００
００人スパッタリングによって形成した。これは主に発
熱体がインクによる化学的腐食をうけないようにするた
めのものであり、ピンホール等の欠陥が少なくなるよう
に形成される。つまりできるだけ膜厚を厚く形成される
。一方でインクへの熱伝達効率、あるいは熱ストレスの
面からはできるだけうすく形成されることが望ましく、
本発明ではそれらの最適値として、１００００人を採用
している。

（ｆ）耐キヤビテーシヨン層１０６としてＴａを３００
０人スパッタリングによって形成した。これは発生した
気泡が消滅する際の物理的な衝撃力を吸収し、発熱体部
を損傷から保護し、寿命を長くするためのものである。

（ｇ）電極保護層１０７としてフォトニース（東しく株
）＃りを１２０００人形成した。なお、説明は省略した
が、上記第１４図〜第１７図に説明したそれぞれの実施
例ともに、そのパターンの形成法は各層をスパッタリン
グで形成した後、ポジ型フォトレジスト０ＦＰＲ（東京
応化（株）製）によってフォトリソを行ない、エツチン
グを施して各パターンを形成した。

第１８図（、）〜（ｎ）は１本発明の液体噴射記録装置
の一実施例を説明するためのものであり、製造プロセス
を順に示したものである。以下簡単に説明する。なお、
図中の枝番１は平面図で、２は１のＡＡ断面図を各々示
す。

（ａ）Ｓｉウェハに熱酸化によりＳｉＯ２膜を１〜２μ
ｍ成長させる。

（ｂ）発熱体材料として、ＨｆＢ２をスパッタリングす
る。

（Ｃ）第１電極材料としてＡｆｌをスパッタリングする
。

（ｄ）リード電極のパターンになるように、フォトリソ
、エツチングによりパターンを形成する。

なお、ここでは簡単のために、平面図（ｄ）−１では、
２素子のみを示す。

（ｅ）フォトリソ、エツチングにより発熱体部のＡＱを
除去し、発熱層を露出させる。

（ｆ）全面にＳｉｏ２をスパッタリングし、Ｍ縁層を形
成する。

（ｇ）フォトリソ、エツチングにより、コンタクトホー
ル部のＳｕｎ、を除去する。

（ｈ）第２電極材料として、ＡＱをスパッタリングする
。

（ｉ）フォトリソ、エツチングにより発熱体上、リード
電極上の一部及びポンディングパッド領域のＡＱを除去
する。第２電極としてＡＱは、本発明では放熱構造体を
兼ねているので、発熱体上のＡＱはすべて除去するので
はなく、ＡＱがカバーしている領域が徐々に変化するよ
うな形状となるように除去する。なお、後述する（ｎ）
で吐出口を形成する際に切断工程がはいるが、その際に
ＡＱが露出しないようにＡＱの存在領域は切断部より右
側（発熱体側）とする。

（ｊ）熱絶縁層及び保護層としてＳｉｏ、を全面にスパ
ッタリングし、フォトリソ、エツチングによりポンディ
ングパッド部のＳｉＯ２を除去する。

（ｋ）耐キヤビテーシヨン層として、Ｔａをスパッタリ
ングし、フォトリソ、エツチングにより発熱体近傍をカ
バーするように形成する。

（１）リード電極部の保護層としてポリイミド層を形成
する。

（ｍ）ドライフィルムフォトレジストをラミネートし、
フォトリソにより流路パターンを形成する。本発明では
図の左方が吐出口となるようにパターンを形成し、放熱
構造体と吐出口の位置関係が以下のようになっている。

つまり放熱構造体は吐出口側により大きな放熱作用をす
るように設けられている。

（ｎ）蓋板をドライフィルム流路の上に接合し、吐出口
部を切断し、吐出口を完成させる。

第１９図は、本発明の記録方法を用いた噴射によりイン
ク吐出量が変わる原理を理解しやすくするために、吐出
口方向に長くのびた長方形状の発熱体部と、その上（あ
るいは下）に形成されたＡＱの放熱構造体と、インク流
路と吐出口を示したものである。

第２０図（ａ）〜（ｃ）は本発明の記録方法を用いた噴
射によりインク吐出量が変わる様子を示したもので、（
ａ）は入力エネルギー小、（ｂ）は入力エネルギー中、
（ｃ）は入力エネルギー大の場合を各々示す。本発明で
は、放熱構造体が吐出口側により大きな放熱作用をする
ように形成されている。従って、第２０図（ａ）のよう
に、発熱体への入力エネルギーが小の時は発熱体で発生
する多くの熱が瞬時に放熱構造体によってうばわれ、そ
して拡散していくため膜沸騰をおこす領域が図で示した
よう吐出口から遠い領域となり、その領域はせまく発生
する気泡も小さい。従って吐出口より噴射されるインク
滴の体積は小さく微小ドツトを形成するのに用いられる
。次いで（ｂ）。

（ｃ）のように徐々に入力エネルギーを増加させていく
と、具体的には、発熱体の駆動電圧を上げる、もしくは
、あまり長くならない程度である（５０μｓｅｃ以下）
ならばパルス幅を長くすると、放熱構造体による放熱作
用よりも発熱体による発熱作用の方が系を左右するので
、入力エネルギーに応じて膜沸騰領域が吐出口方向へ増
加していく。

つまり膜沸騰が生じる温度以上となる領域が吐出口方向
へ増加していくことにより沸騰膜が吐出口方向へインク
を押し出すように成長する。

このように形成した本発明による発熱体基板には、必要
に応じて前述のような、ポリイミドの電極保護層が０．
５〜５μｍ形成されている。こうしてできた本発明の発
熱体基板には第２４図（、）に示した蓋基板を接合して
ヘッドとして完成する。

次に、このヘッドを用いて、駆動電圧Ｖ。を変化させ、
気泡長さｌｂ、液柱長さｌｊを変化させ、印写評価した
結果を、次の実施例１，２の表１゜２に示す。ここで気
泡長さＱｂは、第２１図に示すように、液体吐出方向側
の長さをいい、液柱長さＲｊは同方向に伸びた液柱が吐
出口面から切れる直前の最大になった時の長さとする。

又、液柱成長速度Ｖｊは液柱の先端部の液柱の成長速度
である。なお、実施例１，２において、ドツト径Ｄ０は
サンプル数ｎ＝３Ｑ個の平均値である。

実施例１゜ 使用ヘッド　：第１８図に示したプロセスによって製作
したヘッド。

発熱体サイズ＝５６μｍＸ３３６μｍ 発熱体抵抗値：１３ｏΩ 使用インク　：キヤノン社製ＢＪ１３０インク（印写時
）使用液　　　：キヤノン社製ＢＪ１３０インクと同等
物性をもつビークル（気泡長さ、液柱長さ測定時）駆動
パルス幅＝１０μｓｅｃ 駆動周波数　：５００Ｈｚ オリフィスサイズ：４０μｍ　Ｘ　３０μｍ印写に使用
した紙：三菱製紙製ＮＭマッドコート紙この表１より、
本発明の記録方法により５　ドツト径のサイズを変える
ことができ、階調記録ができることがわかるが、紙面上
での高精度なドツト位置精度をも確保するためには、気
泡長さＩ２ｂが、液柱長さｌｊよりも短い条件で使用す
る必要があることがわかる。

実施例２゜ 使用ヘッド　：第１８図に示したプロセスによって製作
したヘッド。

発熱体サイズ：　２０ｉｔｍＸ１００Ｉｔｍ発熱体抵抗
値＝９１Ω 使用インク　：キヤノン社製ＢＪ１３０インク（印写時
）使用液　　　：キヤノン社製ＢＪ１３０インクと同等
物性をもつビークル（気泡長さ、液柱長さ測定時）駆動
パルス幅二６μｓｅｃ 駆動周波数　：１ｋＨｚ オリフィスサイズ＝２０μｍＸ１８μｍ印写に使用した
紙：三菱製紙製ＮＭマッドコート紙（以下余白） この表２より、実施例１の場合と同様に、高精度なドツ
ト位置精度を確保して階調記録を行うには、気泡長さＱ
ｂが、液柱長さｌｊよりも短い条件で使用する必要があ
ることがわかる。

免−一見 以上の説明から明らかなように、本発明の記録ヘッドは
、従来より知られているバブルジェットヘッドの発熱体
部分に薄膜形成技術、フォリソ技術、フォトエツチング
技術等を用いて、平面的に放熱体を形成できるので、製
造が容易で、しかも高精度にできる。又、このようにし
て形成されたヘッドを用いて、入力エネルギーを変える
ことにより、容易に吐出インク量を制御できるため、階
調記録が可能となる。さらに、その駆動条件を選び、気
泡長さが液柱長さよりも短いような条件で使用すること
により高精度なドツト位置精度が確保でき、高画質階調
記録が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるバブルジェット液体噴射記録装
置の発熱部の構成を示す図、第２図は、通常の階調記録
を行わないバブルジェット液体噴射記録装置の発熱体部
構成図、第３図は、気泡発生の大きさを変える原理を説
明するための図、第４図は、入力エネルギーと気泡の大
きさの関係を示す図、第５図は、気泡の大きさと出力イ
ンク量の関係を示す図、第６図及び第７図は、それぞれ
本発明の他の実施例を示す図、第８図及び第９図は、そ
れぞれ放熱体パターンの変形例を示す図、第１０図は、
本発明の他の実施例を説明するための図、第１１図乃至
第１３図は、更に本発明の他の実施例を説明するための
図、第１４図及び第１５図は、本発明の発熱体基板の製
造プロセスを示す図、第１６図及び第１７図は１本発明
の発熱体基板の製造プロセスの他の実施例を示す図、第
１８図（ａ）〜（ｎ）は１本発明による液体噴射記録装
置の放熱構造体と吐出口との位置関係を製造プロセスの
順に示した図、第１９図は、放熱構造体とインク流路、
吐出口との関係を示す図、第２０図（ａ）〜（ｃ）は、
インク吐出量の変化する様子を示す図、第２１図は、気
泡長さＱｂと液柱長さｆｌｊの定義を説明するための図
、第２２図は、本発明が適用されるインクジェットヘッ
ドの一例としてのバブルジェットヘッドの動作説明をす
るための図、第２３図は、バブルジェットヘッドの一例
を示す斜視図、第２４図は、分解斜視図、第２５図は、
蓋基板を裏面から見た図、第２６図は、バブルジェット
記録ヘッドの詳細を説明するための図、第２７図は、発
熱抵抗体を用いた気泡発生手段の構造を説明するための
図、第２８図乃至第３５図は、それぞれ従来の発熱体層
の構成を示す図で、第２８図乃至第３０図は、保護層、
蓄熱層、或いは、発熱体層の厚みを徐々に変えるように
した例、第３１図乃至第３５図は、発熱体層のパターン
巾を徐々に変えるようにした例を示す図である。 １０・・・基板、１１・・・蓄熱層、１２・・・発熱体
層、１３・・・制御電極、１４・・・アース電極、１５
・・・保護層、１６・・・放熱体、１７・・・絶縁層、
１８・・・発生気泡。 第１区 ＩＱ） 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 ＩＱノ （ａン （ｂ） 篤 図 第 図 第 図 とσノ （ｂ） 第 図 １．５ 第 図 第 図 第 図 （ｄコーｌ 第 図 第 図 （Ｉλ−１ ＜ｋｒ−１ 第 図 （１ン　−ｌ 第 １つ 図 第 図 第２１図 第 図 （ｄ） Ｏ＃＝＝ 第 図 第 図 第 図 第 図 ＩＱ） （ｂン 第 図 第 図 第 ２つ 区

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、液体を吐出して飛翔的液滴を形成するための吐出口
   と、前記液体を吐出するために前記液体に熱による状態
   変化を生じせしめるための電気熱変換体層と、該電気熱
   変換体層に電気的に接続される１対の電極とを有する液
   体噴射記録ヘッドを使用する液体噴射記録方法であって
   、画像情報に応じて入力エネルギーを変え、前記電気熱
   変換体層上において通電方向に熱勾配を生じせしめ、前
   記電気熱変換体層上で発生する気泡の大きさを変えて前
   記吐出口より吐出する液体の量を変えて記録する方法に
   おいて、前記気泡の液体吐出方向側の長さをｌｂ、同方
   向に伸びた液柱が切れる直前の最大になった時の長さを
   ｌｊとするとき、ｌｊ＞ｌｂとなる条件の時に記録を行
   うことを特徴とする液体噴射記録方法。 ２、液体を吐出して飛翔的液滴を形成するための吐出口
   と、前記液体を吐出するために前記液体に熱による状態
   変化を生じせしめるための電気熱変換体層と、該電気熱
   変換体層に電気的に接続される１対の電極とを有する液
   体噴射記録ヘッドを使用する液体噴射記録方法であって
   、画像情報に応じて入力エネルギーを変え、前記電気熱
   変換体層の下において通電方向に熱勾配を生じせしめ、
   前記電気熱変換体層上で発生する気泡の大きさを変えて
   前記吐出口より吐出する液体の量を変えて記録する方法
   において、前記気泡の液体吐出方向側の長さをｌｂ、同
   方向に伸びた液柱が切れる直前の最大になった時の長さ
   をｌｊとするとき、ｌｊ＞ｌｂとなる条件の時に記録を
   行うことを特徴とする液体噴射記録方法。