JP2000043269A

JP2000043269A - 液体噴射記録ヘッド及び方法

Info

Publication number: JP2000043269A
Application number: JP21699898A
Authority: JP
Inventors: Takuro Sekiya; 卓朗関谷
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2000-02-15

Abstract

(57)【要約】【課題】従来２値記録しかできなかった液体噴射記録
ヘッド（バブルジェット型インクジェット記録ヘッド）
において、階調記録（多値記録）を可能にし、かつ、そ
の階調幅を広くする。【解決手段】熱エネルギー作用部を設けた流路、該流
路に記録液体を導入するための液室、及び、該液室に記
録液体を導入する手段を備え、導入される記録液体を前
記熱エネルギー作用部により加熱して気泡を発生させ、
該気泡の体積増加にともなう作用力により、前記記録液
体を吐出口から吐出するようにした液体噴射記録ヘッド
おいて、前記熱エネルギー作用部を、独立に駆動可能で
かつ前記吐出口からほぼ等距離のところに配置した２つ
の発熱体１１₁，１１₂で構成し、かつ、一方の発熱体の
発熱能力を他方のそれの１倍より大きく２倍より小さく
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体噴射記録ヘッ
ド、より詳細には、バブルジェット型の液体噴射記録ヘ
ッドならびにその記録ヘッドを用いた階調記録を行う記
録方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】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、しかも、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。このよう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体小滴の飛翔方
向を制御するための制御方法によって、幾つかの方式に
大別される。

【０００３】先ず、第１の方法は、例えば米国特許第３
０６０４２９号明細書に開示されているもの（Tele typ
e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、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、吐出口と加速電極に電解をかけて、一様に帯電した
記録液体の小滴を吐出口より吐出させ、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ように構
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。

【０００４】第２の方法は、例えば、米国特許第３５９
６２７５号明細書，米国特許第３２９８０３０号明細書
等に開示されている方式（Ｓｗｅｅｔ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
滴を一様の電界がか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
成する一部である吐出口の前に、記録信号が印加されて
いるよう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
にかけられている偏向電極間を飛翔するとき付加された
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ようにされている。

【０００５】第３の方式は、例えば米国特許第３４１６
１５３号明細書に開示されている方式（Ｈｅｒｔｚ）で
あって、吐出口とリング状の帯電電極間に電界をかけ、
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、吐出口と帯
電電極間にか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。

【０００６】第４の方式は、例えば米国特許第３７４７
１２０号明細書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、何れも吐出
口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Ｓｔｅ
ｍｍｅ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、Ｓ
ｔｅｍｍｅ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
させることで行うものである。

【０００７】これ等従来の４つの方式は各々に特徴を有
するものであるが、また他方において、解決され得るべ
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エネルギー
であり、また小滴の偏向制御も電界制御である。そのた
め第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、また記録ヘッドのマルチノズル化が困
難である。従って、高速記録には不向きである。

【０００８】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、また記
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ットが生じやすいこと等の問題点
がある。

【０００９】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を記録できる特徴を有する
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およ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
存在する。

【００１０】第４の方式は第１乃至第３の方式に比べて
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
吐出口より吐出して記録を行うために、第１乃至第３の
方式のよう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および第
１乃至第２の方式のよう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。しかしながら、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、また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。

【００１１】更には特開昭４８−９６２２号公報（前記
米国特許第３７４７１２０号明細書に対応）には、変形
例として前記ピエゾ振動素子等の手段による機械的振動
エネルギーを利用する代わりに熱エネルギーを利用する
ことが記載されている。即ち上記公報には、圧力上昇を
生じさせる蒸気を発生するために液体を直接加熱する加
熱コイルをピエゾ振動素子の代わりの圧力上昇手段とし
て使用する、所謂バブルジェットの液体噴射記録装置が
記載されている。

【００１２】しかし、上記公報には、圧力上昇手段とし
ての加熱コイルに通電して液体インクが出入りし得る口
が一つしかない袋状のインク室（液室）内の液体インク
を、直接加熱して蒸気化することが記載されているにす
ぎず、連続繰り返し液吐出を行う場合はどのように加熱
すれば良いかについては何等示唆されるところがない。
加えて加熱コイルが設けられている位置は、液体インク
の供給路から遙かに遠い袋状液室の最深部に設けられて
いるので、ヘッド構造上複雑であるのに加えて、高速で
の連続繰り返し使用には不向きとなっている。しかも、
上記公報に記載の技術内容からでは、実用上重要である
発生する熱で液吐出を行った後に、次の液吐出の準備状
態を速やかに形成することはできない。このように、従
来法には、構成上，高速記録化，記録ヘッドのマルチノ
ズル化上，サテライトドットの発生および記録画像のカ
ブリ発生等の点において一長一短があって、その長所を
利用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。

【００１３】しかしながら、これも先に本出願人が提案
した方式（特公昭５６−９４２９号公報参照）によって
解消される。この公報記載のものは、液室内のインクを
加熱してインクの中で気泡を発生せしめ、その気泡の作
用力により吐出口よりインク滴を吐出させる、いわゆる
バブルジェット型インクジェット記録装置の基本となる
ものである。

【００１４】而して、このようなバブルジェット型イン
クジェット記録装置においては、その気泡の発生メカニ
ズムは、伝熱理倫の分野で知られているいわゆる膜沸騰
現象を利用しているものであり、この膜沸騰現象によっ
て、発生する気泡は、発生〜消滅の再現性が非常に良
く、インクジェットのインク噴射の原動力としては最適
のものである。しかしながら、その気泡の発生〜消滅の
挙動は、１か０か（気泡が発生する／消滅する）という
ように２値的な挙動であって、気泡の大きさを変化させ
ることは困難である。よって、このようなバブルジェッ
ト型インクジェット記録装置は、２値記録に適した記録
方法である。

【００１５】しかしながら、近年市場ではより高画質が
要求されるようになり、単なる２値記録画像ではなく、
いわゆる階調記録が必要になってきている。そして、こ
のような階調記録を実現するための１方法として、例え
ば、特開昭５５−１３２２５９号公報に開示されている
方法がある。それによれば、少なくとも２つの独立に信
号を入力し得る発熱体の各々に入力される信号の入力タ
イミングを適宜ずらすことによって、階調記録を行うと
いうものである。つまり、２つの発熱体で、２つの気泡
を発生させ、その発生タイミングをずらして、吐出口よ
り吐出させるインク滴の量を微妙に変化させようという
ものである。

【００１６】この考え方は、アイデアとしてはおもしろ
いものではあるがもともと２値的な挙動をとる気泡に、
アナログ的な作用を持たせようとするにはやはり無理が
あり、吐出インク滴の量を変化させることは、必ずしも
再現良く実現できなかった。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のごと
き実情に鑑みてなされたもので、その目的は、第１に、
従来、２値記録しかできなかったバブルジェット型イン
クジェット記録ヘッドにおいて、階調記録（多値記録）
を可能とし、さらにその階調幅を広くできるような構造
を提案することにある。また、第２に、従来、２値記録
しかできなかったバブルジェット型インクジェット方式
による記録方法において、階調記録（多値記録）を可能
とし、さらにその階調幅を広くできるような方法を提案
することにある。さらに、第３に、このような方式によ
る記録方法において、階調記録（多値記録）を可能と
し、さらにその階調幅を広くできるような方法のより具
体的な方法を提案することにある。

【００１８】また、第４に、このような記録ヘッドにお
いて、階調記録（多値記録）を可能とし、さらにその階
調幅を広くできるような構造をより具体的に提案するこ
とにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、熱エ
ネルギー作用部を設けた流路、該流路に記録液体を導入
するための液室、及び、該液室に記録液体を導入する手
段を備え、導入される記録液体を前記熱エネルギー作用
部により加熱して気泡を発生させ、該気泡の体積増加に
ともなう作用力により、前記記録液体を前記熱エネルギ
ー作用部面とほぼ平行方向に吐出口から液滴として吐出
させる液体噴射記録ヘッドにおいて、前記熱エネルギー
作用部は、前記吐出口からほぼ等距離に配置され、独立
駆動が可能で、発熱能力が異なる２つの発熱体からな
り、該２つの発熱体のうち一方の発熱体の発熱能力は他
方のそれの１倍より大きく２倍より小さいことを特徴と
する液体噴射記録ヘッドである。

【００２０】請求項２の発明は、吐出口から等距離に配
置しかつ一方の発熱体の発熱能力が他方のそれの１倍よ
り大きく２倍より小さい２つの発熱体からなる熱エネル
ギー作用部を備えた流路中において、導入される記録液
体に前記熱エネルギー作用部によって気泡を発生させ、
該気泡の体積増加にともなう作用力により、前記記録液
体を前記吐出口から熱エネルギー作用部面とほぼ平行方
向に液滴として吐出させ、記録体に前記液滴を付着させ
て記録を行う液体噴射記録方法において、前記２つの発
熱体を、画像情報に応じて独立、あるいは共同して駆動
することにより、発生させる気泡の大きさを変え、前記
吐出口から吐出する液滴の質量を変えて階調記録を行う
ことを特徴とする液体噴射記録方法である。

【００２１】請求項３の発明は、請求項１に記載の液体
噴射記録ヘッドにおいて、前記２つの発熱体への入力エ
ネルギーは同一ではないことを特徴とする液体噴射記録
ヘッドである。

【００２２】請求項４の発明は、請求項１に記載の液体
噴射記録ヘッドにおいて、前記２つの発熱体の発熱面積
が異なることを特徴とする液体噴射記録ヘッドである。

【００２３】請求項５の発明は、請求項１又は４に記載
の液体噴射記録ヘッドにおいて、前記２つの発熱体の抵
抗値が異なることを特徴とする液体噴射記録ヘッドであ
る。

【００２４】請求項６の発明は、請求項１又は４又は５
のいずれかに記載の液体噴射記録ヘッド前記２つの発熱
体の発熱層厚さが異なることを特徴とする液体噴射記録
ヘッドである。

【００２５】請求項７の発明は、請求項１又は４乃至６
のいずれかに記載の液体噴射記録ヘッドにおいて、前記
２つの発熱体の発熱層組成が異なることを特徴とする液
体噴射記録ヘッドである。

【００２６】請求項８の発明は、請求項１又は４乃至７
のいずれかに記載の液体噴射記録ヘッドにおいて、前記
２つの発熱体の放熱能力が異なることを特徴とする液体
噴射記録ヘッドである。

【００２７】請求項９の発明は、請求項１又は４乃至８
のいずれかに記載の液体噴射記録ヘッドにおいて、前記
２つの発熱体に接続される電極の熱容量が異なることを
特徴とする液体噴射記録ヘッドである。

【００２８】請求項１０の発明は、請求項１又は４乃至
９のいずれかに記載の液体噴射記録ヘッドにおいて、前
記２つの発熱体が形成される領域の蓄熱層の厚さが異な
ることを特徴とする液体噴射記録ヘッドである。

【００２９】請求項１１の発明は、請求項１又は４乃至
１０のいずれかに記載の液体噴射記録ヘッドにおいて、
前記２つの発熱体のどちらか一方に放熱体を設けること
を特徴とする液体噴射記録ヘッドである。

【００３０】請求項１２の発明は、請求項１又は４乃至
１０のいずれかに記載の液体噴射記録ヘッドにおいて、
前記２つの発熱体にそれぞれ放熱能力の異なる放熱体を
設けることを特徴とする液体噴射記録ヘッドである。

【００３１】請求項１３の発明は、請求項１又は４乃至
１２のいずれかに記載の液体噴射記録ヘッドにおいて、
前記２つの発熱体の保護層の厚さが異なることを特徴と
する液体噴射記録ヘッドである。

【００３２】

【発明の実施の形態】（請求項１，２の発明）以下、順
に説明する。最初に本発明が適用されるインクジェット
の構成及び原理について、図を用いて説明する。図１
は、本発明が適用されるバブルジェット型記録ヘッドの
一例を説明するための分解斜視図であって、図１（Ａ）
はヘッド斜視図、図１（Ｂ）はヘッドを構成する蓋基板
の斜視図、図１（Ｃ）は発熱体基板の斜視図、図１
（Ｄ）は蓋基盤を裏側から見た斜視図であり、図中、１
０１は蓋基板、１０２は発熱体基板、１０３は記録液体
流入口、１０４は吐出口、１０５は流路、１０６は液室
を形成するための領域、１０７は個別（独立）の制御電
極、１０８は共通電極、１０９は発熱体である。

【００３３】図２は、本発明が好適に適用される熱を利
用するいわゆるバブルジェット方式のインクジェットの
インク滴吐出の原理を説明するための図である。図２
（Ａ）は定常状態であり、吐出口面でインク１１０の表
面張力と外圧とが平衡状態にある。図２（Ｂ）は発熱体
１０９が加熱されて、発熱体１０９の表面温度が急上昇
し隣接インク層に沸騰現象が起きるまで加熱され、微小
気泡１１１が点在している状態にある。図２（Ｃ）は発
熱体１０９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１１１が成長した
状態である。この時、吐出口内の圧力は、気泡の成長し
た分だけ上昇し、吐出口面での外圧とのバランスがくず
れ、吐出口よりインク柱が成長し始める。図２（Ｄ）は
気泡が最大に成長した状態であり、吐出口面より気泡の
体積に相当する分のインク１１０が押し出される。この
時、発熱体１０９には電流が流れていない状態にあり、
発熱体１０９の表面温度は降下しつつある。気泡１１１
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
遅れる。

【００３４】図２（Ｅ）は気泡１１１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吐出内口圧の減少により吐出
口面から吐口内へインクが逆流してインク柱にくびれが
生じている。図２（Ｆ）はさらに気泡１１１が収縮し、
発熱体面にインクが接し発熱体面がさらに急激に冷却さ
れる状態にある。吐出口面では、外圧が吐出口内圧より
高い状態になるため、メニスカスが大きく吐出口内に入
り込んできている。インク柱の先端部は液滴１１２にな
り記録紙の方向へ５〜１０ｍ／ｓｅｃの速度で飛翔して
いる。

【００３５】図２（Ｇ）は吐出口にインクが毛細管現象
により再び供給（リフィル）されて図２（Ａ）の状態に
戻る過程で、気泡は完全に消滅している。以上が、従来
より知られている熱を利用したバブルジェット型記録ヘ
ッドの一般的な構成，原理であるが、本発明は、１つの
吐出口に対して、該吐出口からほぼ等距離に配設され、
独立駆動が可能で、発熱能力が異なる２つの発熱体を有
し、階調記録を可能としたインクジェットヘッドを提案
するものである。図３に本発明の発熱体基板の一例を示
す。本発明は、図１（Ｃ）の発熱体１０９をそれぞれ独
立駆動可能な２つの発熱体１１（１１₁，１１₂）にした
いものというように理解される。７₁，７₂はそれぞれに
対応した制御電極、８は共通電極である。

【００３６】図４は、本発明に使用する発熱体基板につ
いて説明するための図である。図４（Ａ）はインクジェ
ットヘッドの吐出口側から見た正面詳細部分図、図４
（Ｂ）は図４（Ａ）をＢ−Ｂ線で切断した場合の切断面
部分図である。図４に示された記録ヘッド１０は、その
表面に発熱体１１（１１₁，１１₂）が設けられている基
板１２上に、所定の線密度で、所定の幅と深さの溝が所
定数設けられている流路基板１３を、基板１２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吐
出口１４（１４₁，１４₂，１４₃）を含む液吐出部１５
が形成された構造を有している。液吐出部１５は、吐出
口１４と発熱体１１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１
６とを有する。

【００３７】なお発熱体１１（１１₁，１１₂）は、前述
のように１つの吐出口１４に対して、該吐出口１４から
ほぼ等距離に配設され、独立駆動が可能で、発熱能力が
異なる２つの発熱体であり、画像情報に応じて、発熱体
１１₁，あるいは発熱体１１₂をそれぞれ単独で駆動した
り、あるいは発熱体１１₁及び発熱体１１₂を同時に駆動
する。

【００３８】熱作用部１６は、発熱体１１の熱発生部１
７の上部に位置し、熱発生部１７の液体と接触する面と
しての熱作用面１８をその底面としている。熱発生部１
７は、基板１２上に設けられた下部層１９，該下部層１
９上に設けられた発熱抵抗層２０（２０−１₁，２０−
１₂，２０−２₁，２０−２₂，２０−３₁，２０−
３₂），該発熱体抵抗層２０上に設けられた上部層２１
とで構成される。発熱抵抗層２０（２０−１₁，２０−
１₂，２０−２₁，２０−２₂，２０−３₁，２０−３₂）
には、熱を発生させるために該層２０に通電させるため
の電極２２，２３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２０によって熱発生部１７が形成
されている。

【００３９】上部層２１は、熱発生部１７においては、
発熱抵抗層２０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２０と液吐出部１５の液流路
を満たしている液体とを隔絶するとともに、液体を通じ
て電極２２，２３間が短絡するのを防止し、さらに、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。上部層２１は、上記のような機能を有するも
のであるが、発熱抵抗層２０が耐液性であり、かつ液体
を通じて電極２２，２３間が電気的に短絡する必要が全
くない場合には、必ずしも設ける必要はなく、発熱抵抗
層２０の表面に直ちに液体が接触する構造の発熱体とし
て設計してもよい。

【００４０】下部層１９は、熱容量制御機能を有する。
すなわち、この下部層１９は液滴吐出の際には、発熱抵
抗層２０で発生する熱が基板１２側に伝導するよりも、
熱作用部１８側に伝導する割合ができる限り多くなり、
液滴吐出後、つまり発熱抵抗層２０への通電がＯＦＦさ
れた後には、熱作用部１８及び熱発生部１７にある熱が
速やかに基板１２側に放出されて、熱作用部１６にある
液体および発生した気泡が急冷されるために設けられ
る。つまり、気泡発生時には蓄熱機能を持ち、気泡消滅
時には放熱機能を持つ。

【００４１】具体的な材料としては、例えば基板として
シリコンを用いる場合には、熱酸化によってシリコン基
板上に成長させられるＳｉＯ₂、あるいはスパッタリン
グによって形成されるＳｉＯ₂が挙げられる。そして、
それらの厚さは１μｍ〜１０μｍとされる。他に基板と
してガラス等が用いられる場合は、スパッタリングによ
って形成されるＳｉＯ₂を用いてもよいし、ガラス自体
がその主成分がＳｉＯ₂であるため、特別にＳｉＯ₂を形
成することなく、基板そのものを下部層１９と兼用して
もよい。他にアルミナを基板として用いる場合には、ガ
ラス質のいわゆるグレース層が用いられる。

【００４２】発熱抵抗層２０を構成する材料として有用
なものには、タンタル−ＳｉＯ₂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挙げられる。発熱
抵抗層２０を構成するこれらの材料の中、殊に金属硼化
物を優れたものとして挙げることができ、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。

【００４３】発熱抵抗層２０は、上記の材料を用いて、
電子ビーム蒸発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。発熱抵抗層２０の膜厚は、単位時間
あたりの発熱量が所望通りとなるように、その面積，材
質および熱作用部分の形状及び大きさ、さらには実際面
での消費電力等にしたがって決定されるものであるが、
通常の場合、０.００１μｍ〜５μｍ、好適には、０.０
１μｍ〜１μｍとされる。本発明では、一例として、Ｈ
ｆＢ₂を２０００Å（０.２μｍ）スパッタリングした。

【００４４】電極２２，２３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、例えば、Ａｌ，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。本
発明では、Ａｌをスパッタリングにより１.４μｍ形成
した。

【００４５】保護層（上部層）２１に要求される特性
は、発熱抵抗層２０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層２
０を保護するということである。保護層２１を構成する
材料として有用なものには、例えば酸化シリコン，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挙げられる。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。また、炭化ケイ素，酸化アルミ
ニウム（アルミナ）等のセラミック材料も好適に用いら
れる材料である。保護膜層２１の膜圧は、通常は、０.
０１μｍ〜１０μｍ、好適には、０.１μｍ〜５μｍ、
最適には０.１μｍ〜３μｍとされるのが望ましい。本
発明では、スパッタリングにより、ＳｉＯ₂を１.２μｍ
形成した。

【００４６】このように形成した発熱体基板は、図１に
示したように、流路基板を積層してインクジェットヘッ
ドとして完成する。前述のように、本発明と類似の構成
の液体噴射記録方法が、特開昭５５−１３２２５９号公
報に開示されているが、その方法は、２つの発熱体（発
熱体）で、２つの気泡を発生させ、その発生タイミング
をずらして、吐出口より吐出させるインク滴の量を微妙
に変化させようというものであるが、もともと２値的な
挙動をとる気泡に、アナログ的な作用を持たせようとす
るにはやはり無理があり、吐出インク滴の量を変化させ
ることは、必ずしも再現良く実現できなかった。

【００４７】そこで、本発明では、１の吐出口に対して
２つの発熱体を有し、それら２つの発熱体はそれぞれ異
なる発熱能力を有するようにしている。そして、それら
２つの発熱体をそれぞれ単独で、あるいは同時に駆動し
て、それぞれの場合に流路内で異なる大きさの気泡を発
生させ、それによって吐出口より吐出させるインク滴の
量を変え、階調記録を行うというものである。

【００４８】２つの発熱体がそれぞれ異なる発熱能力を
有するようにしているのは、階調幅を増やすためであ
る。今、２つの発熱体が同じ発熱能力を有するものとし
た場合、とりうる階調段階は３段階である。つまり、１
つの発熱体の発熱能力をＪとすると、０，Ｊ，２Ｊの３
段階に発熱状態をとることが可能である（３値）。

【００４９】一方、本発明のように、２つの発熱体の発
熱能力が異なるようにした場合は、４段階に発熱状態を
とることができる。つまり、第１の発熱体の発熱能力を
Ｊ１、第２の発熱体の発熱能力をＪ２とすると、本発明
では、画像情報に応じて、０，Ｊ１，Ｊ２，Ｊ１＋Ｊ２
の段階に発熱状態をとることができる（４値）。

【００５０】本発明では、さらに２つの発熱体の発熱能
力差が、一方の１倍より大きく２倍より小さいようにし
ている。これは、２値から３値の間における階調変化幅
が大きくなりすぎないようにするためである。具体例を
挙げて説明する。今、Ｊ１の発熱能力を１、Ｊ２の発熱
能力を２.５とする（これは本発明の範囲からはずれる
例である）と、その発熱状態は０，１，２.５，３.５と
いうように４値となる。しかしながら、２値から３値の
間における階調変化幅は、１から急に２.５になり、変
化率が大きすぎ（２.５倍）、滑らかな階調変化が得ら
れなくなり、画像としてみた場合、疑似輪郭が発生する
という不具合がある。

【００５１】一方、例えば、Ｊ１の発熱能力を１，Ｊ２
の発熱能力を１.５とする（これは本発明の範囲に入る
例である）と、その発熱状態は、０，１，１.５，２.５
というように４値となり、２値から３値の間における階
調変化幅は、１から１.５になり、変化率が大きすぎる
ということはなく（１.５倍）、滑らかな階調変化が得
られ、画像としてみた場合、疑似輪郭はほとんどみられ
ない。もちろんこの例では、Ｊ２の発熱能力を１.５と
したが、その発熱知能力を２に近い、例えば１.９とす
ると、２値から３値の間における階調変化幅は、１から
１.９になり、変化率も１.９倍であり、次第に階調変化
の滑らかさはなくなっていくが、それでもその変化率が
２倍より小さければ実用的な範囲であることが実験的に
わかっている。

【００５２】本発明では、さらに２つの発熱体は、吐出
口からほぼ等距離に配設するようにしている。具体的に
は、図３に示したように、２つの発熱体１１₁，１１₂を
パラレルにならべればよいが、一方で１つの吐出口に対
して、２つあるいはそれ以上の発熱体を設ける例とし
て、図５に示すように、シリーズにならべる方法も考え
られる。

【００５３】この図５の方法は、本発明に比べて、１つ
の吐出口に対して、２つあるいはそれ以上の発熱体を設
けることが容易（本発明のような発熱体の配列方法は、
実用的には２つが限界であり、それ以上の数の発熱体を
設けることは困難）に見えて、一見良さそうに見える
が、実際には、安定したインク滴吐出を行うには、吐出
口発熱体間の距離が重要であり、安定したインク滴吐出
が得られる距離は、その許容値があまり大きくなく、２
つの発熱体を設けた場合、それらと吐出口での距離はほ
ぼ等距離にするのが望ましい。

【００５４】つまり、図５のような発熱体の配列方法
は、一見、２つ以上の多くの発熱体（１１₁，１１₂，１
１₃）をならべることができて、本発明よりも良い方法
に見えるが、実は発熱体だけは２つ以上並べることがで
きても、安定したインク滴吐出ができるのは吐出口発熱
体間の距離が最適になっている１個の発熱体だけであ
り、良好なインク滴吐出を行うには不向きな構成といえ
る。

【００５５】（請求項３の発明）次に、このように２つ
の発熱体能力を異ならせる具体的な構成について説明す
る。最も簡単な方法として、発熱体へのエネルギーを変
える方法がある。この場合も単に入力エネルギーを変え
ればよいというわけではなく、２つの発熱体への入力エ
ネルギー差が、一方の１倍より大きく２倍より小さいよ
うにする。この理由は、前述の２つの発熱体の発熱能力
差が一方の１倍より大きく２倍より小さくしている場合
と同様に、２値から３値の間における階調変化幅が大き
くなりすぎないようにするためである。

【００５６】さらにまた、別の理由は、発熱体の耐久性
のためである。前述のように、このような発熱体は、シ
リコン，アルミナ，ガラス等の基板上に、薄膜形成，エ
ッチング等のプロセスによって形成されるが、２つの発
熱体はほぼ同様な組成，膜厚にされる。もちろん後述す
るようにその発熱能力を変えるために、組成，膜厚等を
変えることもあるが、基本的には２つの発熱体を形成す
るプロセスは同じか、同じようなものであり、形成され
た発熱体の耐久性が大きく違うということはない。つま
り、２つの発熱体でそれぞれ入力エネルギーを変える場
合、一方に入力するエネルギーを他方に入力するエネル
ギーの何倍にもすることは実際には不可能である（破損
する）。耐久性の面からせいぜい他方の２倍まで位にす
る必要がある。

【００５７】具体的には、例えば駆動電圧を変える場
合、一方を２０Ｖとする場合、他方は最大でも４０Ｖ未
満にすべきである。あるいは駆動パルス幅を変える場
合、一方を５μｓとする場合、他方は最大でも１０μｓ
未満にすべきである。さらにそれらを組み合わせて変え
る場合、一方を３０μＪとする場合、他方は最大でも６
０μＪ未満にするべきである。このように、２つの発熱
体への入力エネルギー差を最大でも２倍未満とすること
により、２値から３値の間における階調変化率が大きす
ぎるということはなく、滑らかな階調変化が得られ、ま
た発熱体も破損するということがない。

【００５８】（請求項４の発明）次に、このように２つ
の発熱体の発熱能力を異ならせる他の具体的な構成につ
いて説明する。前述のように、本発明の発熱体は、シリ
コン，アルミナ，ガラス等の基板上に、薄膜形成，エッ
チング等のいわゆる半導体プロセスによって形成される
が、その際、エッチングのためのフォトマスクのパター
ンサイズを変えることにより、簡単に２つの大きさの異
なる発熱体を形成できる。この場合も前述と同様に２つ
の発熱体の発熱能力差が、一方の１倍より大きく２倍よ
り小さくなるように２つの発熱体の大きさは決められ
る。具体的には、面積を他方の２倍未満にすればよい。

【００５９】（請求項５の発明）次に、このように２つ
の発熱体の発熱能力を異ならせるさらに他の具体的な構
成について説明する。ここでは発熱体の抵抗値を異なら
せる例を説明する。例えば、発熱体材料として、タンタ
ル−ＳｉＯ₂の混合物を用いた場合、タンタルとＳｉＯ₂
の割合を変えることによって形成される２つの発熱体の
抵抗値を容易に変えることができる。通常発熱体の抵抗
値は、５０〜１５０Ω程度にするが、例えば一方の発熱
体の抵抗値を１００Ωとした場合、他方の発熱体は１５
０Ω程度にする。この場合も最大でも、一方の発熱体の
２倍未満の抵抗値とする。

【００６０】抵抗値を高くする場合は、この例ではＳｉ
Ｏ₂の比率が高くなるようにすればよい。また２つの発
熱体でそれぞれ抵抗値が異なるので、発熱体部の薄膜形
成〜フォトリソ等の工程は２つの発熱体で別々に行う必
要がある。なお、ここではタンタル−ＳｉＯ₂の混合物
の例をあげたが、他の材料でも同様に比率を変えたり、
あるいは添加する不純物の量を変えることによって、抵
抗値を変えることができる。

【００６１】（請求項６の発明）次に、このように２つ
の発熱体の発熱能力を異ならせるさらに他の具体的な構
成について説明する。ここでは発熱体の厚さを異ならせ
る例を説明する。前述のように、本発明の発熱体は、シ
リコン，アルミナ，ガラス等の基板上に、薄膜形成，エ
ッチング等のいわゆる半導体プロセスによって形成され
るが、スパッタリング等による発熱体材料の薄膜形成時
に、その形成時間をコントロールして、膜厚を変えれば
よい。この場合も前述と同様に２つの発熱体の発熱能力
差が、一方の１倍より大きく２倍より小さくなるように
２つの発熱体の厚さは決められる。また２つの発熱体で
それぞれ厚さが異なるので、発熱体部の薄膜形成〜フォ
トリソ等の行程は２つの発熱体で別々に行う必要があ
る。

【００６２】（請求項７の発明）次に、このように２つ
の発熱体の発熱能力を異ならせるさらに他の具体的な構
成について説明する。ここでは、発熱体の材質を異なら
せる例を説明する。前述のように、本発明に使用される
発熱体の材料は、タンタル−ＳｉＯ₂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るが、２つの
発熱体でそれぞれ別々の材料で薄膜形成を行えばよい。
その際、形成された２つの発熱体は、この場合も最大で
も、一方の発熱体の２倍未満の抵抗値となるようにす
る。

【００６３】（請求項８の発明）次に、このように２つ
の発熱体の発熱能力を異ならせるさらに他の具体的な構
成について説明する。ここでは、発熱体の放熱特性を異
ならせる例を説明する。本発明では、インク中で発熱体
を瞬時に発熱させ、いわゆる膜沸騰気泡を発生させ、そ
の気泡の成長による作用力でインク滴を吐出口より噴射
させるわけであるが、発生する気泡の大きさは、発熱体
の発熱能力によって変わることはいうまでもないが、発
熱体の放熱特性によっても変わる。別の表現をするなら
ば、発熱体及びその周辺の領域の放熱特性、あるいは発
熱体およびその周辺の領域の熱容量，熱伝導特性の違い
によっても変わる。

【００６４】つまり、２つの発熱体に同じ入力エネルギ
ーを加えても、発熱体の放熱特性、あるいは熱容量等が
異なれば、結果として気泡を発生させるための発熱能力
が異なることと同じである。この場合も、前述と同様
に、２つの発熱体の放熱特性、あるいは熱容量等の差
は、一方の１倍より大きく２倍より小さくなるように決
められる。

【００６５】（請求項９の発明）次に、このように２つ
の発熱体の放熱特性、あるいは熱容量等を異ならせる具
体的な構成について説明する。図６は、２つの発熱体
（１１₁，１１₂）を、それぞれ独立駆動させるための電
極（７₁，７₂）の幅を変えた例である。通常このような
電極は、Ａｌ等の金属材料が用いられるが、Ａｌは非常
に熱伝導率の高い材料であるため、発熱体で発生した熱
は、発生と同時にＡｌの方に移動する。言い換えるなら
ば、このようなＡｌの電極は放熱性がよいということで
ある。

【００６６】よって、図６のように、２つの発熱体で電
極幅を異ならせれば、この２つの発熱体は発熱能力が同
じであったとしても、放熱能力が異なるため、結果とし
て気泡を発生させる能力が異なったものとなる。つま
り、電極幅が細い方の発熱体は、電極幅が太い方の発熱
体よりも熱が逃げにくいので、気泡発生能力が大きいと
いうことができる（大きい気泡が発生する）。なお、こ
こではＡｌを例に挙げて説明したが、他のＡｕ，Ｃｕ等
の金属材料であってもよいことはいうまでもない。

【００６７】（請求項１０の発明）次に、このように２
つの発熱体の放熱特性、あるいは熱容量等を異ならせる
他の具体的な構成について説明する。前述のように、本
発明の下部層１９は、熱容量制御機能を有する。すなわ
ち、２つの発熱体が形成される領域のこの下部層１９の
厚さを変えることによって２つの発熱体の放熱特性、あ
るいは熱容量等を異ならせることができる。具体的に
は、例えば、基板としてシリコンを用い、熱酸化によっ
てシリコン基板上にＳｉＯ₂を成長させた後に、フォト
リソ，エッチングを行って、２つの発熱体が形成される
領域の一方のＳｉＯ₂を薄くする。この場合も、この熱
作用領域の発熱能力の差が、一方の１倍より大きく２倍
より小さくなるように下部層１９の厚さが決められる。

【００６８】（請求項１１，１２の発明）次に、このよ
うに２つの発熱体の放熱特性、あるいは熱容量等を異な
らせるさらに他の具体的な構成について説明する。前述
の（請求項９関連の説明）ように、Ａｌ等の金属材料が
熱伝導率が高く、発熱体で発生した熱の放熱量を制御で
きることを説明した。そこで、ここでは、前述の例のよ
うに、Ａｌ等の金属材料を電極として用いるだけではな
く、放熱体として用いる例を説明する。

【００６９】つまり、前記２つの発熱体のどちらか一方
に放熱体を設けるか、もしくは両方にそれぞれ放熱能力
の異なる放熱体を設けるものである。図７に示すものは
はその一例であり、図３に示した２つの発熱体の一方の
上（又は下）にＡｌ等の金属材料層２４を形成し、その
領域の放熱特性を高くした例である。このように一方の
発熱体の放熱特性を高くすることにより、２つの発熱体
の発熱能力が異なり、それぞれで発生させる気泡の大き
さを変えることができる。

【００７０】この場合も、この熱作用領域の発熱能力の
差が、一方の１倍より大きく２倍より小さくなるように
上記金属層２４による放熱体形成領域の広さが決められ
る。またこのような金属層は、Ａｕ等のように耐インク
腐食性に優れた材料である場合には、発熱領域の最表面
（インクに接する面）に形成してもよいが、Ａｌ，Ｃｕ
等のように耐インク腐食性に劣る材料を使用する場合に
は、直接インクに接しないように、保護層より下の層の
どこかに形成する。また、不必要な導通を避けるため
に、絶縁処理をしておくことはいうまでもない。

【００７１】（請求項１３の発明）次に、このように２
つの発熱体の放熱特性、あるいは熱容量等を異ならせる
さらに他の具体的な構成について説明する。前述のよう
に、本発明の保護層（上部層）２１の代表例としてＳｉ
Ｏ₂が挙げられるが、これは下部層１９の例でも説明し
たように、熱容量制御機能を有する。従って、下部層１
９の場合と同じように、２つの発熱体が形成される領域
のこの保護層（上部層）２１の厚さを変えることによ
り、２つの発熱体の放熱特性、あるいは熱容量等を異な
らせることができる。具体的には、スパッタリング等に
よってＳｉＯ₂の保護層を形成した後に、フォトリソ，
エッチングを行って、２つの発熱体が形成される領域の
一方のＳｉＯ₂を薄くすればよい。この場合も、この熱
作用領域の発熱能力の差が、一方の１倍より大きく２倍
より小さくなるように保護層（上層部）２１の厚さが決
められる。なお、保護層（上部層）２１の材料としてＳ
ｉＯ₂の例で説明したが、他の材料であってもよいこと
はいうまでもない。

【００７２】

【発明の効果】請求項１，２に対応した効果：１つの吐
出口に対応して、発熱能力が異なる２つの発熱体を設
け、画像情報に応じてそれぞれの発熱体を独立、あるい
は共同して駆動して、発生させる気泡の大きさを変え、
前記吐出口から吐出する液滴の質量を変えて、階調記録
を行うようにさせたので、従来、２値記録しかできなか
ったバブルジェット方式による記録ヘッド／記録方法に
おいて、被記録体上におけるドット径を変える。いわゆ
るドット径変調による階調記録（多値記録）が可能であ
る。さらに２つの発熱体の発熱能力差を、自然数倍とせ
ず、一方の１倍より大きくし、２倍より小さくしたの
で、通常、普通に考えられる２つの同一の発熱能力の発
熱体を有する場合や、あるいは２つの発熱体の発熱能力
差が自然数倍であるような場合に比べて、それぞれの発
熱体を、順次独立に駆動したりあるいは２つを組み合わ
せて駆動したりして、その階調レベルを変える場合に、
その階調幅がとれる範囲が広くなり、非常に高画質な記
録ができる。

【００７３】請求項３に対応した効果：このようなバブ
ルジェット方式による記録方法において、２つの発熱体
への入力エネルギーを変えるようにしたので、電気的な
制御によって、容易に２つの発熱体の発熱量を変えるこ
とができるようになった。それにより、それぞれの発熱
体によって形成される気泡の大きさが違うため、それら
を単独、あるいは組み合わせて使用した場合に、吐出口
から吐出する液滴の質量を変えることができ、被記録体
上におけるドット径を変える、いわゆるドット径変調に
よる階調記録（多値記録）が簡単な電気的制御のみによ
って可能となり、さらにその階調幅がとれる範囲が広
く、非常に高画質な記録ができる。

【００７４】請求項４乃至１３に対応した効果：バブル
ジェット方式による記録ヘッドにおいて、それぞれの請
求項で規定する構成を採用したことにより、通常、普通
に考えられる２つの大きさの発熱体を有する記録ヘッド
に比べて、それぞれの発熱体を、順次独立に駆動した
り、あるいは２つを組み合わせて駆動したりして、その
階調レベルを変える場合に、その階調幅がとれる範囲が
広くなり、非常に高画質な記録ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される液体噴射記録ヘッドの分
解斜視図である。

【図２】本発明が適用されるバブルジェット方式のイ
ンクジェットのインク滴吐出の原理を説明するための図
である。

【図３】本発明の発熱体基板の斜視図である。

【図４】本発明の発熱体基板を説明するための断面図
であって、図４（Ａ）は表面詳細図、図４（Ｂ）は図４
（Ａ）におけるＢ―Ｂ断面図である。

【図５】電極及び発熱体の配列例を説明するための図
である。

【図６】電極及び発熱体の他の配列例を説明するため
の図である。

【図７】放熱特性、あるいは熱容量を異ならせた２つ
の発熱体を備えた本発明の発熱体基板の斜視図である。

【符号の説明】８，１０８…共通電極、１０…ノズル、１１…発熱体、
１２…基板、１３…流路基板、１４…吐出口、１５…液
吐出部、１６…熱作用部、１７…熱発生部、１８…熱作
用部、１９…下層部、２０…発熱抵抗層、２１…上部
層、２２，２３…電極、２４…金属材料層、１０１…蓋
基板、１０２…発熱体基板、１０３…記録液体流入口、
１０４…吐出口、１０５…流路、１０６…液室を形成す
る領域、１０７…個別制御電極、１０９…発熱体、１１
０…インク、１１１…気泡、１１２…液滴。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱エネルギー作用部を設けた流路、該流
路に記録液体を導入するための液室、及び、該液室に記
録液体を導入する手段を備え、導入される記録液体を前
記熱エネルギー作用部により加熱して気泡を発生させ、
該気泡の体積増加にともなう作用力により、前記記録液
体を前記熱エネルギー作用部面とほぼ平行方向に吐出口
から液滴として吐出させる液体噴射記録ヘッドにおい
て、前記熱エネルギー作用部は、前記吐出口からほぼ等
距離に配置され、独立駆動が可能で、発熱能力が異なる
２つの発熱体からなり、該２つの発熱体のうち一方の発
熱体の発熱能力は他方のそれの１倍より大きく２倍より
小さいことを特徴とする液体噴射記録ヘッド。
【請求項２】吐出口から等距離に配置しかつ一方の発
熱体の発熱能力が他方のそれの１倍より大きく２倍より
小さい２つの発熱体からなる熱エネルギー作用部を備え
た流路中において、導入される記録液体に前記熱エネル
ギー作用部によって気泡を発生させ、該気泡の体積増加
にともなう作用力により、前記記録液体を前記吐出口か
ら熱エネルギー作用部面とほぼ平行方向に液滴として吐
出させ、記録体に前記液滴を付着させて記録を行う液体
噴射記録方法において、前記２つの発熱体を、画像情報
に応じて独立、あるいは共同して駆動することにより、
発生させる気泡の大きさを変え、前記吐出口から吐出す
る液滴の質量を変えて階調記録を行うことを特徴とする
液体噴射記録方法。
【請求項３】前記２つの発熱体への入力エネルギーは
同一ではないことを特徴とする請求項１に記載の液体噴
射記録ヘッド。
【請求項４】前記２つの発熱体の発熱面積が異なるこ
とを特徴とする請求項１に記載の液体噴射記録ヘッド。
【請求項５】前記２つの発熱体の抵抗値が異なること
を特徴とする請求項１又は４に記載の液体噴射記録ヘッ
ド。
【請求項６】前記２つの発熱体の発熱層厚さが異なる
ことを特徴とする請求項１又は４又は５に記載の液体噴
射記録ヘッド。
【請求項７】前記２つの発熱体の発熱層組成が異なる
ことを特徴とする請求項１又は４乃至６のいずれかに記
載の液体噴射記録ヘッド。
【請求項８】前記２つの発熱体の放熱能力が異なるこ
とを特徴とする請求項１又は４乃至７のいずれかに記載
の液体噴射記録ヘッド。
【請求項９】前記２つの発熱体に接続される電極の熱
容量が異なることを特徴とする請求項１又は４乃至８の
いずれかに記載の液体噴射記録ヘッド。
【請求項１０】前記２つの発熱体が形成される領域の
蓄熱層の厚さが異なることを特徴とする請求項１又は４
乃至９のいずれかに記載の液体噴射記録ヘッド。
【請求項１１】前記２つの発熱体のどちらか一方に放
熱体を設けることを特徴とする請求項１又は４乃至１０
のいずれかに記載の液体噴射記録ヘッド。
【請求項１２】前記２つの発熱体にそれぞれ放熱能力
の異なる放熱体を設けることを特徴とする請求項１又は
４乃至１０のいずれかに記載の液体噴射記録ヘッド。
【請求項１３】前記２つの発熱体の保護層の厚さが異
なることを特徴とする請求項１又は４乃至１２のいずれ
かに記載の液体噴射記録ヘッド。