JPH0465246A - 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】 妓豊圀互 本発明は、液体噴射記録装置、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装
置に関する。

従来技術 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Ｉ！ｗ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　Ｐ３０６０４２９に開
示されているもの（Ｔｅｌｅ　ｔｙｐｅ方式）であって
、記緑液体の小滴の発生を静電吸引的に行い、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Ｕ　Ｓ　Ｐ　３５９６２７５、Ｕ
ＳＰ　３２９８０３０等に開示されている方式（５ｗｅ
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　Ｐ３７４７１２０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Ｓｔｅｍ■ｅ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、Ｓｔｅａｍｅ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−ｄｅｉ＋ａｎｄ）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６而乍ら、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、この不都合も本出願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、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２４図乃至第２６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５７４．７５は電極、７６は
保護膜で、第２４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。

発熱部△Ω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２５図に示した例は、蓄積層７２の厚みを発熱
部△Ω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、発熱部△Ｑ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２６図に示した例は、発熱体７３の厚みに発熱
部△Ｑに於いて勾配を設けて発熱体７３を蓄積層７２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２７図乃至第３１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２７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２８図及び第２９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３０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３１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１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２４図〜第２６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２７図〜第３
１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１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。

、」−一旬一 本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、
特に製造が容易であり、耐久性にも優れ、高密度配列が
可能で、階調記録が可能な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。

！−一」え 本発明は、上記目的を達成するために、液体を吐出して
飛翔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
めの発熱抵抗体層と、該発熱抵抗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具備す
る液体噴射記録装置において、前記発熱抵抗体層の近傍
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、該放熱構造体は、前記発熱抵抗体層の近傍におい
て該放熱構造体の上または下に該放熱構造体に接して存
在している層を構成する材料の熱伝導率より高い熱伝導
率を持つ材料より構成し１画像情報に応じて入力ヱネル
ギーを可変としたことを特徴としたものである。以下１
本発明の実施例に基いて説明する。

第１８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１９図は、バブルジェットヘッドの一例を
示す斜視図、第２０図は。

第１９図に示したヘッドを構成する蓋基板（第２０図（
ａ））と発熱体基板（第２０図（ｂ））に分解した時の
斜視図、第２１図は、第２０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１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１８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
０ｍ／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２２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２２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２２図（ｂ）は、第２２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。

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、各液吐山部の上
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２３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１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、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ＡＱ、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５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、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液
滴を形成するための吐出口と、前記液体に熱による状態
変化を生じせしめて該液体を吐出させるための発熱抵抗
体層と、該発熱抵抗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具備する液体噴射記
録装置において、前記発熱抵抗体層の近傍において通電
方向に熱勾配を持つように放熱構造体を形成し、該放熱
構造体は、前記発熱抵抗体層の近傍において該放熱構造
体の上または下に該放熱構造体に接して存在している層
を構成する材料の熱伝導率より高い熱伝導率を持つ材料
より構成し、画像情報に応じて入力エネルギーを可変と
したことを特徴としたものである。

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（
、）図のＢ−Ｂ線断面図を示し、図中、１０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
はそれを挾む発熱体層１２を構成する材料および保護層
１５を構成する材料のいずれよりも熱伝導率の高い材料
で構成し１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１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。

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
。放熱体を構成する材料としては、上述のごとく、発熱
体層および保護層を構成する材料よりも熱伝導率が高い
材料であること、かつ蒸着、スパッタリング等の薄膜形
成およびフォトエツチング等の微細加工が容易にできる
材料であることが好ましく、このような材料として、金
、銀、銅、アルミニウム、タングステン、クロム、ゲル
マニウム、白金、タンタル、チタン等が挙げられるが、
本発明は特にこれらに限定されるものではない。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２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
にその原理髪示す。

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３０μＳ
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は、絶縁層１７を介して発
熱体層１２の下に形成している。

従って、放熱体１６は絶縁層１７を構成する材料および
蓄熱層１１を構成する材料のいずれよりも熱伝導率の高
い材料で構成される。一般に、蓄熱層１１を構成する材
料あるいは絶縁層１７を構成する材料の熱伝導率は、保
護層１５を構成する材料の熱伝導率と同程度以下である
ので、放熱体１６を構成する材料としては、第１図で示
した実施例で挙げた放熱体の材料が、本実施例において
も適している。さらに、絶縁層１７が充分に厚くて発熱
体層１２に伝わる熱量が小さくかつ蓄熱層１１を構成す
る材料およびａｍ層１７を構成する材料の熱伝導率が発
熱体層１２を構成する材料の熱伝導率よりも低い場合は
、第２３図で説明した発熱抵抗体６１を構成する材料も
放熱体１６を構成する材料として適しており、またそれ
らの材料に限定されず広くそれらの材料と同程度の熱伝
導率を持つ材料が放熱体１６を構成する材料として使用
可能である。

第７図は、さらに別の実施例であり、この場合は、保護
層１５を構成する材料よりも熱伝導率の高い材料ででき
た放熱体１６を、保護層１５の上に形成している。この
場合にも放熱体１６を構成する材料としては、先に第１
図で示した実施例で挙げた放熱体の材料が適しているが
、保護層１５を構成する材料の熱伝導率が発熱体層１２
を構成する材料の熱伝導率よりも低い場合は、さらに第
２３図で説明した発熱抵抗体６１を構成する材料も放熱
体１６を構成する材料として適しており、また、それら
の材料に限定されず広くそれらの材料と同程度の熱伝導
率を持つ材料が放熱体１６を構成する材料として使用可
能である。

第８図、第９図は、放熱体１６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と
き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３図、第６図、第７図の断面図（（ｂ）図）において
電極がむき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Ｓｉｎ、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
、ＡＱを１００００人蒸着し九０次に、電極１３．１４
としてＡｕを８０００人蒸着九九。この時、放熱体ＡΩ
と電極Ａｕが接触しないように絶縁層１７としてＳ　ｉ
　Ｏ２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２４μｍｘ８０μｍの
長方形としている。なお、電極巾は１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。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１０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、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。この場合の放熱体兼アース電極の材料とし
ては、第２３図に示した電極６２を構成する材料が使用
できる。

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
０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／閣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、本発明の一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１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（構成５
に対応）。図中、９１は発熱体（ＨｆＢ２）　、９２は
第１電極（ＡＱ）、９３は絶縁層（Ｓｕｎ、）、９４は
第２電極（ＡＱ）、９５は熱絶縁層（Ｓｉｏ２）、９６
は耐キヤビテーシヨン層（Ｔａ）、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。

（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１００
００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ＡＱ　９４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、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、
ＡＱ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５ｉｎ２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１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（構成６に対応）。図中、１０１は第１電極（ＡＱ）
、１０２は絶縁層（Ｓｉｎ、）　、１０３は発熱体（Ｈ
ｆＢ、）、１０４は第２電極（Ａｆｉ）、１０５は発熱
体保護層（ＳｘＯｚ）、１０６は耐キヤビテーシヨン層
（Ｔａ）、１０７は電極保護層（フォトニース）、１０
８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Ｓｉ
ｎ、膜を形成したＳｉウェハに第１の電極１０１として
ＡＱを１００００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、５ｉ
ｎ２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。

（ｃ）発熱体１０３として、ＨｆＢ２を３０００人スパ
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５ｉｎ２を
１００００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１０７としてフォトニース（東しく株）製
）を１２０００人形成した。なお、説明は省略したが、
上記第１４図〜第１７図に説明した構成５及び構成６の
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。

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２０図（ａ）に示した蓋基板を接合して
ヘッドとして完成する。

このヘッドを用いて入力パルス電圧を１８〜４０Ｖまで
変化させたところ気泡の大きさ（発熱体パターン上の気
泡の長さ）を１５〜１１０μｍまで変化させることがで
き、それに応じて吐出インク量が変わり、紙面上の画素
径を５０μｍ〜１２０μｍまで変えることができた。な
お、この時のパルス巾は、６μｓｅｃである。

と ・薄膜形成技術、フォトリソ技術、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。

・放熱体の熱伝導率がそれを挾む層の熱伝導率よりも高
いので、熱発生部が液体と接触するところの熱作用面に
おいて熱勾配を持たせることが容易にできる。

上記本発明の効果を検証するために、既述の実施例に加
えて、さらに次の二つの実施例および比較例を試作し吐
出実験を行なった。

太盪奥↓ 構造：第１図と同じ 層の材料と厚さ：　放熱体１６・・・Ａ　ｆｌ　（１０
０００人）発熱体層１２−＝ＴａＳｉＯ，，（３０００
人）保護層１５・・・Ｓ　ｉｏ、　（１００００人）結
果：熱エネルギー作用部で熱勾配が付き、入力エネルギ
ーに応じて気泡の大きさが変わり、吐出インク量も変え
ることができた。

大ｊＭＪｆ！Ｌ４ 構造：第１図と同じ 層の材料と厚さ：　放熱体１６・・・Ａ　Ｑ　（１００
００人）発熱体層１２−Ｔａ２Ｎ　（２５００人）保護
層１５・・・Ｓ　１ｏ２（１００００人）結果：熱エネ
ルギー作用部で熱勾配が付き、入力エネルギーに応じて
気泡の大きさが変わり、吐出インク量も変えることがで
きた。

よ１但 構造：第１図と同じ 層の材料と厚さ：　放熱体１６・・・Ｓ　ｉ　Ｏ２（８
０００人）発熱体層１２−ＴａＳｉ○２（３０００人）
保護層１５−　Ｓ　１ｏ２（１００００人）結果：熱エ
ネルギー作用部に熱勾配ができず、放熱体の効果が全く
認められなかった。

【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１
７図は、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、第１８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１９図は、バブルジェットヘ
ッドの一例を示す斜視図、第２０図は、分解斜視図、第
２１図は、蓋基板を裏面から見た図、第２２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２
３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２４図乃至第３１図は、それぞれ従来
の発熱体層の構成を示す図で、第２４図乃至第２６図は
、保護層、蓄熱層、或いは、発熱体層の厚を徐々に変え
るようにした例、第２７図乃至第３１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・

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、液体を吐出して飛翔液滴を形成するための吐出口と
   、前記液体に熱による状態変化を生じせしめて該液体を
   吐出させるための発熱抵抗体層と、該発熱抵抗体層に電
   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
   ッドを具備する液体噴射記録装置において、前記発熱抵
   抗体層の近傍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、該放熱構造体は、前記発熱抵抗体層
   の近傍において該放熱構造体の上または下に該放熱構造
   体に接して存在している層を構成する材料の熱伝導率よ
   り高い熱伝導率を持つ材料より構成し、画像情報に応じ
   て入力エネルギーを可変としたことを特徴とする液体噴
   射記録装置。