JP2002113873A

JP2002113873A - インクジェット記録ヘッド、インクジェット記録装置およびインクジェット記録方法

Info

Publication number: JP2002113873A
Application number: JP2001236253A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Sugioka; 秀行杉岡
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-08-04
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2002-04-16

Abstract

(57)【要約】【課題】記録素子に印加する電源電圧を安定化させる
と共に、高速化、多ノズル化に対応して、インクの種類
や記録素子に応じてインクの吐出エネルギを最適に制御
する。【解決手段】インクジェットヘッドは、素子基板上に
形成されたヒータ群１２の各発熱素子１３にヒータ印加
用電圧を供給するための所定電圧発生回路１１を有する
構成である。所定電圧発生回路１１をインクジェットヘ
ッド１に有することで、インクジェットヘッド１に供給
される外部からの入力電圧にスパイク状のノイズが重畳
したり入力電圧が電圧降下を起こした場合でも、所定電
圧発生回路１１の出力電圧がほぼ一定に維持されるた
め、ノイズ入力や外部電圧降下に対して変動が少ないヒ
ータ印加用電圧を各発熱素子１３に印加することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発泡現象を利用し
たバブルジェット（登録商標）プリンタなどに応用され
るインクジェット記録ヘッド、インクジェット記録装置
およびインクジェット記録方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、バブルジェット記録方式に適用さ
れる記録ヘッドは、一般に微細な吐出口、流路および該
流路の一部に設けられる発熱体を備えている。バブルジ
ェット記録方式とは、発熱体を用いて流路内の液体を局
所的に高温にすることにより気泡を発生させ、発泡時の
高い圧力を利用して、液体を微細な吐出口より吐出さ
せ、記録紙等の被記録媒体に付着させる記録方式であ
る。

【０００３】この種の記録技術によって記録される画像
を高精彩化するためには、微小な液滴を高密度に吐出さ
せる技術が要求される。そのため、微細な流路と微細な
発熱源を形成することが基本的に重要となる。それゆ
え、バブルジェット記録方式では構造の単純性を活かし
て、フォトリソグラフィ工程技術を駆使した高密度ヘッ
ドの作成方法が、たとえば、特開平０８−１５６２９号
公報等に開示されている。また、液滴の吐出量を調整す
るために、端部に比べ中央部の発熱量が大きい発熱体が
特開昭６２−２０１２５４号公報等に開示されている。

【０００４】発熱体としては、通常、厚さ０．０５μｍ
程度の窒化タンタル薄膜抵抗体を用い、これに通電した
時のジュール熱で液体の発泡を行う。このような抵抗発
熱体には、通常、キャビテーションによる抵抗発熱体表
面の損傷を防止するために、０．８μｍ程度のＳｉＮな
どの絶縁体を介して厚さ０．２μｍ程度のＴａなどの金
属からなる耐キャビテ−ション層が配置されている。

【０００５】また、特開昭６４−２０１５０号公報に
は、基板上に、複数の縦配線と複数の交点部分に、順電
流のみが流れる整流素子と、これに接続された発熱素子
と、を設けたことを特徴としたマルチノズルインクジェ
ット記録ヘッドが開示されている。また、特開昭５７−
３６６７９号公報には、基板上に、順方向の通電により
発熱可能なダイオードを複数個アレイ状に配列したサー
マルヘッドが開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般に、バブルジェッ
ト方式のインクジェット記録ヘッドには、インクを吐出
するための気泡を発生させるために他の方式のものと比
べて大電流を使用するので、比較的大きなノイズ電圧が
発生し易い。しかし、上述の特開昭６４−２０１５０号
公報に記載のインクジェット記録ヘッドでは、極性が定
まらないノイズ電圧など発熱素子の駆動電圧より低い電
圧が発生した場合に、駆動しない整流素子や発熱素子に
もその整流素子の順方向には電流が流れ、その整流素子
やその整流素子に接続された発熱素子に不要な発熱が生
じ、高画質の記録を安定して行えないことがあった。

【０００７】また、従来のインクジェット記録ヘッドの
多くは発熱素子とダイオードやロジック回路部を半導体
プロセス（イオン注入などの方法）でシリコン基板上に
同時に作り込むことを前提としている。したがって、比
較的ノズル数の少ないインクジェット記録ヘッドではコ
ンパクトにでき、単一の工程できるという利点がある。
しかしながら、例えば紙幅いっぱいの長さを有するフル
マルチヘッドでは、一体的に作ろうとすれば１２インチ
という長さが必要で、通常のシリコンウェハを使うこと
が難しく高コストな製法となる恐れがあった。

【０００８】それゆえ、極性によらず、低い電圧を印加
した時の抵抗値が、高い電圧を印加した時の抵抗値に比
べて高い値を示すＭＩＭ型の電流電圧特性を有し、イオ
ン注入法などの従来の半導体プロセスに頼らないで作成
できる非線形素子を用いてＢＪ用発熱素子をマトリクス
駆動することができれば、不要な発熱が生じず高画質の
記録を安定して行うことができる長尺なインクジェット
記録ヘッドを低コストで提供できる可能性がある。

【０００９】そこで、米国Ｓ／Ｎ５８６８９０には、非
線形素子であるＭＩＭ（ＭｅｔａｌＩｎｓｕｌａｔｏｒ
Ｍｅｔａｌ）素子が複数のＢＪ用発熱素子のそれぞれ
に対応して設けられ、ＭＩＭ素子を用いてＢＪ用発熱素
子をマトリクス駆動するインクジェット記録ヘッドが本
発明の発明者等から提案されている。しかし、ＢＪ用の
記録ヘッドにおいては、ヒータ部の抵抗発熱体ではおよ
そ０．１ＧＷ／ｍ²以上の電力密度を扱う必要があり、
従来のＭＩＭ素子をマトリクス駆動用の非線形素子とす
る応用製品において経験したことがない電力をＭＩＭ素
子に直列接続した抵抗素子に供給する必要があった。し
かしながら、高密度にアレイ状に配置した抵抗素子に大
電力を供給しようとするとＭＩＭ素子自体の電力損失に
よりエネルギ利用効率が低下する恐れがあった。

【００１０】このようなＭＩＭ素子自体による電力損失
は、液晶用など従来のＭＩＭ素子応用製品では、桁違い
に小さく、これまで問題となるものではなかった。すな
わち、ＭＩＭ素子自体の電力損失の問題は大電力を扱う
ＢＪ用ＭＩＭ素子特有の問題と考えられる。

【００１１】そこで、本発明は、非線形素子自体の電力
損失によるエネルギの利用効率の低下を防止し、長尺、
かつ、低コストのインクジェット記録ヘッド、インクジ
ェット記録装置およびインクジェット記録方法を提供す
ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明のインクジェット記録ヘッドは、抵抗発熱素子
と、前記抵抗発熱素子を駆動するために前記抵抗発熱素
子に直列接続されている、極性によらず、低い電圧を印
加した時の抵抗値が、高い電圧を印加した時の抵抗値に
比べて高い値を示すＭＩＭ型の電流電圧特性を有する非
線形素子と、を有するインクジェット記録ヘッドであっ
て、前記抵抗発熱素子と前記非線形素子とは、どちら
も、インクを吐出するための気泡の発生に寄与するもの
であることを特徴とする。

【００１３】上記の通り構成された本発明のインクジェ
ット記録ヘッドは、通電によりジュール熱を発生する抵
抗発熱素子のみならず、この抵抗発熱素子に接続され
た、極性に依らず、低い電圧を印加した時の抵抗値が、
高い電圧を印加した時の抵抗値に比べて高い値を示すＭ
ＩＭ型の電流電圧特性を示す非線形素子もインクを吐出
するための発泡に寄与するものである。すなわち、流路
内のインクを発泡させるのに抵抗発熱素子の発熱に加え
て非線形素子で生じる、従来、熱損失として捨てられて
いた熱エネルギをも用いることでインクジェット記録ヘ
ッドとしての効率の低下を防止することができる。

【００１４】さらに、本発明のインクジェット記録ヘッ
ドは、直列接続された前記抵抗発熱素子と前記非線形素
子とが、電力を供給されることにより略同時のタイミン
グで別々の気泡の発生に寄与するものであってもよい
し、異なるタイミングで別々の気泡の発生に寄与するも
のであってもよい。また、直列接続された前記抵抗発熱
素子と前記非線形素子とは、電力を供給されることによ
り１つの気泡の発生させるものであってもよい。

【００１５】また、本発明のインクジェット記録ヘッド
は、直列接続された前記抵抗発熱素子と前記非線形素子
とに電力を供給されることにより、前記抵抗発熱素子の
みを気泡の発生に寄与させることができるものであって
もよい。この場合、インクの吐出量を多値化することが
できる。

【００１６】また、直列接続された前記抵抗発熱素子と
前記非線形素子とは、インクが吐出される方向に対して
略平行に配置されているものであってもよいし、インク
が吐出される方向に対して略垂直に配置されているもの
であってもよい。

【００１７】また、直列接続された前記抵抗発熱素子と
前記非線形素子とからなるユニットが、選択電位波形を
入力する走査用電極と、画像信号に応じた情報電位波形
を入力する情報用電極とが交差することで形成されたマ
トリクス回路の交点に接続されているものであってもよ
い。

【００１８】また、直列接続された前記抵抗発熱素子と
前記非線形素子とに電圧を印加するマトリクス回路を構
成するマトリクス電極を有するものであってもよい。

【００１９】また、直列接続された前記抵抗発熱素子と
前記非線形素子とは、マトリクス電極の交点に位置する
ものであってもよい。

【００２０】また、本発明のインクジェット記録ヘッド
は、直列接続された前記抵抗発熱素子と前記非線形素子
とに発生する熱エネルギーによりインクに膜沸騰を生起
させてインクを吐出するものであってもよい。

【００２１】また、本発明のインクジェット記録装置
は、抵抗発熱素子と、前記抵抗発熱素子を駆動するため
に前記抵抗発熱素子に直列接続されている、極性によら
ず、低い電圧を印加した時の抵抗値が、高い電圧を印加
した時の抵抗値に比べて高い値を示すＭＩＭ型の電流電
圧特性を有する非線形素子と、を有するインクジェット
記録ヘッドと、被記録媒体を搬送する搬送手段と、を有
するインクジェット記録装置であって、前記インクジェ
ット記録ヘッドは、直列接続された前記抵抗発熱素子と
前記非線形素子とが、どちらも、インクを吐出するため
の気泡の発生に寄与するものであり、直列接続された前
記抵抗発熱素子と前記非線形素子とに対応して設けら
れ、被記録媒体の被記録面にインクを吐出する吐出口を
有するものであり、前記インクジェット記録装置は、直
列接続された前記抵抗発熱素子と非線形素子とに供給す
る電力の制御を行う制御部を有することを特徴とする。

【００２２】上記の通り構成された本発明のインクジェ
ット記録装置は、本発明のインクジェット記録ヘッド
と、このインクジェット記録ヘッドの非線形素子および
抵抗発熱素子への電力供給の制御を行う制御部を有す
る。したがって、流路内のインクを発泡させるのに抵抗
発熱素子の発熱に加えて非線形素子で生じる、従来、熱
損失として捨てられていた熱エネルギをも用いることで
インクジェット記録装置の効率低下を防止することがで
きる。

【００２３】さらに、本発明のインクジェット記録装置
は、直列接続された前記抵抗発熱素子と前記非線形素子
とが、電力を供給されることにより略同時のタイミング
で気泡の発生に寄与するものであってもよいし、異なる
タイミングで気泡の発生に寄与するものであってもよ
い。

【００２４】また、本発明のインクジェット記録装置
は、前記制御部が、直列接続された前記抵抗発熱素子と
前記非線形素子とに供給する電力を制御することによ
り、直列接続された前記抵抗発熱素子と前記非線形素子
との双方が気泡の発生に寄与するか、あるいは、前記抵
抗発熱素子のみが気泡の発生に寄与するか、を制御する
ものであってもよい。この場合、このような制御を行う
ことで、インクの吐出量を多値に制御することができ
る。

【００２５】本発明のインクジェット記録方法は、本発
明のインクジェット記録装置を用いて被記録媒体の被記
録面に記録を行うインクジェット記録方法において、前
記吐出口から吐出したインクを被記録媒体の被記録面に
付着させて記録を行う工程を含むことを特徴とする。

【００２６】上記の通りの本発明のインクジェット記録
方法は、本発明のインクジェット記録ヘッドの吐出口か
ら吐出したインクを被記録媒体の被記録面に付着させて
記録を行う工程を含む。すなわち、流路内のインクを発
泡させるのに抵抗発熱素子の発熱に加えて非線形素子で
生じる、従来、熱損失として捨てられていた熱エネルギ
をも用いる、効率低下が防止されたインクジェット記録
ヘッドを用いて記録が行われるため、記録に要するコス
トを低減することができる。

【００２７】さらに、本発明のインクジェット記録方法
は、直列接続された前記抵抗発熱素子と前記非線形素子
とに電力を供給することにより、前記抵抗発熱素子と前
記抵抗発熱素子に直列接続された非線形素子とを略同時
のタイミングで気泡の発生に寄与させるものであっても
よいし、直列接続された前記抵抗発熱素子と前記非線形
素子とを異なるタイミングで気泡の発生に寄与させるも
のであってもよい。

【００２８】また、本発明のインクジェット記録方法
は、直列接続された前記抵抗発熱素子と前記非線形素子
とに前記電力を供給することにより、前記抵抗発熱素子
のみを気泡の発生に寄与させるものであってもよい。こ
の場合、直列接続された前記抵抗発熱素子と前記非線形
素子とで別々に気泡の発生させる上記の記録方法と組み
合わせて、インクの吐出量を多値化することができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００３０】図１は、本発明の第１の実施形態によるイ
ンクジェット記録ヘッドの模式的な側断面図であり、図
２は、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの構造お
よび回路構成を説明する模式的な平面図であり、また、
図３は、本実施形態のインクジェット記録ヘッドのマト
リクス回路の概念を説明する回路図である。

【００３１】インクジェット記録ヘッドは、上面に下部
層２２が形成された基板２３と、基板２３に対向して取
り付けられた天板２１とにより形成された流路３１内
に、ＭＩＭ素子等の非線形素子１と、通電によりジュー
ル熱を発生する抵抗発熱体２とを有し、これらの構成要
素がマトリクス状に配列されている。また、後述するイ
ンクジェット記録装置には、本実施形態のインクジェッ
ト記録ヘッドの非線形素子１および抵抗発熱体２に印加
する電圧等を制御する制御部４０が設けられている。

【００３２】非線形素子１は、下部層２２の上に設けら
れた、画像信号に応じて吐出用または非吐出用情報電位
波形を入力する下側情報電極５と、抵抗発熱体２とも導
通している上側電極６と、下側情報電極５と上側電極６
とを絶縁する絶縁性薄膜２４とを有する。抵抗発熱体２
は、走査電極７と上側電極６と電気的に接続されてい
る。本実施形態のインクジェット記録ヘッドでは、イン
クを流路３１に供給する共通液室４に近い側に非線形素
子１が配置され、吐出口３０に近い側に抵抗発熱体２が
配置されている。

【００３３】図３に示す回路構成において、走査電極７
は行方向にＹ_j、Ｙ_j+1…と配列され、下側情報電極５は
列方向にＸ_j、Ｘ_j+1…と配列されることでマトリクス回
路を構成している。図３に示しているように、本実施形
態のインクジェット記録ヘッドでは、Ｙ_j、Ｙ_j+1…、Ｘ
_i、Ｘ_i+1…から成るマトリクス回路の下側情報電極５と
走査電極７との交点で、非線形素子１と抵抗発熱体２と
が上側電極６により直列に接続されている。

【００３４】制御部４０は、走査電極７に選択電位波形
を入力し、下側情報電極５に画像信号に応じて吐出用ま
たは非吐出用情報電位波形を入力することにより、画像
信号に応じて非線形素子１をオン状態またはオフ状態に
制御し、吐出口３０からの吐出液滴９の吐出および非吐
出を制御する。すなわち、オン状態に制御された非線形
素子１に対応する吐出口３０のみから吐出液滴９が吐出
される。さらに詳細には、非線形素子１をオン状態に制
御されて電力が供給された抵抗発熱体２上、あるいは、
非線形素子１上の吐出用液体３２が急速に加熱されて、
気泡６１，６２が発生する。これら気泡６１，６２は、
膜沸騰現象に基づく気泡であり、発熱体表面全域に一斉
にきわめて高い圧力を伴って発生する。この圧力によっ
て、吐出口３０から非線形素子１および抵抗発熱体２の
配置された方向に対して略平行な方向に吐出液滴９が吐
出され、被記録媒体上に画像が形成される。

【００３５】また、本発明において、発泡に寄与すると
は、図４に示すように、非線形素子１と発熱抵抗体２と
が近接している場合に、非線形素子１と抵抗発熱体２と
を用いて１つの気泡６３を発生させるものも包含してい
る。

【００３６】すなわち、本発明において、気泡の発生に
寄与するとは、非線形素子１及び抵抗発熱体２がそれぞ
れ別々に気泡６１，６２を発生させることができる熱エ
ネルギーをインクに付与すること、及び、非線形素子１
と抵抗発熱体２とが近接している場合に、非線形素子と
抵抗発熱体とのそれぞれで発生する熱エネルギーを利用
して１つの気泡が発生するようにそれらの熱エネルギー
をインクに付与することである。なお、吐出液滴９をよ
り安定して吐出するためには、気泡の発生は膜沸騰現象
によるものであることが好ましい。

【００３７】このように、本実施形態のインクジェット
記録ヘッドは、抵抗発熱体２のみが気泡の発生に寄与す
るのではなく、抵抗発熱体２に直列に接続された、抵抗
発熱体２のオンオフ用のスイッチング素子である非線形
素子１で発生する発熱をも吐出用液体３２の発泡に積極
的に利用することにより、非線形素子１自体の電力損失
によるエネルギの利用効率の低下を防止することができ
るものである。

【００３８】ここで、ＭＩＭ素子とは、原義的には絶縁
体とこれを挟み込むように配置された金属とを有するト
ンネル接合素子であるが、通常、絶縁体とこれを挟み込
むように配置された導電体電極とを有する接合素子もＭ
ＩＭ素子と呼ばれる。

【００３９】ＭＩＭ素子での、絶縁体中の電気伝導機構
としては、プールフレンケル型伝導のような絶縁体の中
で複数のトンネリングを繰り返すホッピング型の電気伝
導や、ファウラーノルドハイム型伝導のような比較的単
純なトンネル伝導などが知られている。

【００４０】こうしたトンネル型の電流が流れ、接合素
子に電流が流れるためには、電極間の距離が極めて狭い
必要がある。ＭＩＭ素子に電流が流れる絶縁体の限界膜
厚、または、限界電極間隔は絶縁材料や電極材料の種類
や伝導機構に大きく依存するが、ＭＩＭ素子として有為
な電流が流れるためには、例えば、電極間隔を１００ｎ
ｍ以下とすることが望ましい。さらに、バブルジェット
記録ヘッドの駆動に必要な大電流を低電圧で得るために
は、好ましくは、電極間隔を４０ｎｍ以下とすることが
望ましい。

【００４１】また、電極間隔が極端に狭いと電極の金属
表面のイオンが電界放射を起こす恐れがあるため、電極
間隔を１ｎｍ以上とすることが望ましい。さらに、安定
なトンネル伝導が生じるトンネル接合を得るためには電
極間隔を４ｎｍ以上とすることが望ましい。

【００４２】すなわち、特に、電極間距離が１ｎｍ以上
１００ｎｍ以下であり、より好ましくは、４ｎｍ以上４
０ｎｍ以下であるＭＩＭ素子を非線形素子１として用い
ることが好ましい。

【００４３】また、ＺｎＯにＢｉ、ＰｒおよびＣｏ等の
金属酸化物を添加した焼結体層や、炭化珪素ＳｉＣなど
からなる粒状結晶層を、上記のＭＩＭ素子における絶縁
体の代わりに電極間に配置した、いわゆるバリスタも、
極性に依らず、高電圧側では低い抵抗値を示し、低電圧
側では高い抵抗値を示すＭＩＭ型の電流電圧特性を有す
る素子であり、ＭＩＭ素子と同様にこのバリスタを本発
明の非線形素子１として用いることができる。

【００４４】このようなＭＩＭ型の電流電圧特性を示す
非線形素子１を発熱手段として用いることによって、ノ
イズ電圧などの発熱素子の駆動電圧より低い電圧が発熱
素子に印加されても、低い電圧が印加された場合の非線
形素子１の抵抗値が大きいことにより、非線形素子１に
はほとんど電流が流れないので、非線形素子１の不要な
発熱を防止することができ、また、所望の非線形素子１
の駆動のために投入した電気エネルギが、他の非線形素
子１の不要な発熱により消費され、駆動する非線形素子
１への投入電気エネルギが小さくなって所望の発泡を発
生させられず、液体吐出量が変化して記録画像の画質を
乱すことを防止できる。

【００４５】特に、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記録ヘッドでは、気泡を発生させ
るために他の方式のものと比べて大電流を使用するの
で、比較的大きなノイズ電圧が発生し易い。そのため、
極性が定まらないノイズ電圧によって非線形素子１が発
熱しないように、非線形素子１の電流電圧特性は、正電
圧側、負電圧側とも、小さい絶対値の電圧の印加では、
充分に小さな電流しか流れない電流電圧特性であること
が望ましい。そこで、特に、非線形素子１の電流電圧特
性は、図５に示すように、所望の発泡を発生させるため
に電圧を印加した時に流れる電流に相当する絶対値Ｉ₀
の電流を与える印加電圧＋Ｖ₁と、−Ｖ₂との絶対値の比
（Ｖ₁／Ｖ₂）が０．５〜２の値であり、かつ、＋Ｖ₁／
２、−Ｖ₂／２の電圧を印加した時に流れる電流の絶対
値がＩ₀／１０以下であることが望ましい。

【００４６】こうしたＭＩＭ型の電流電圧特性を示す非
線形素子１をマトリクス電極の交点に配置することによ
り、マトリクス駆動時のバイアス電圧による非選択点で
の不要な発熱を抑制し、発熱素子のマトリクス駆動を可
能とできる。また、マトリクス駆動により、ドライバと
発熱素子の分離を容易とし、安価な非Ｓｉ基板での大量
生産も可能とできる効果がある。

【００４７】次に、制御部により電力を印加された際
の、非線形素子と吐出用液体との界面の温度Ｔ_MIMおよ
び抵抗発熱体と吐出用液体との界面の温度Ｔ_Rの定性的
な時間変化を図６に示す。

【００４８】非線形素子１および抵抗発熱体２は、同様
に温度上昇特性し、これにより非線形素子１および抵抗
発熱体２が同時刻ｔ１、ｔ２でともに発泡温度に達する
ため、非線形素子１による発泡と抵抗発熱体２による発
泡が略同時となる。すなわち、吐出液滴９を吐出させる
ために必要なエネルギを非線形素子１のみに供給するの
ではなく、抵抗発熱体２にも分担させることで、非線形
素子１のみに供給することで生じる非線形素子１自体の
電力損失によるエネルギの利用効率の低下を防止でき
る。

【００４９】また、本実施形態のインクジェット記録ヘ
ッドは、非線形素子１による発泡閾値電圧Ｖｔｈ１と抵
抗発熱体２による発泡閾値電圧Ｖｔｈ２とが異なるもの
を用いた構成とすることにより、あるいは、制御部４０
によってマトリクス回路の交点に印加する電圧を制御す
ることで、非線形素子１による発泡と抵抗発熱体２によ
る発泡の両面発泡か、それらの一面のみの発泡かを制御
することも可能である。すなわち、非線形素子１および
抵抗発熱体２に印加する電圧のパルス幅またはパルス高
を適当に変化させることにより、抵抗発熱体２だけを発
泡させる場合と、抵抗発熱体２と非線形素子１との両方
を発泡させる場合に制御できるため、吐出量を多値に制
御できる。

【００５０】例えば、図７に示すように、制御部４０に
より電圧Ｖ１を時間ｔ０だけ印加した場合、まず抵抗発
熱体２と吐出用液体３２の界面の温度Ｔ_Rが時間ｔ２で
発泡温度に達し、次いで時間ｔ１で非線形素子１と吐出
用液体３２の界面の温度Ｔ_MI _Mが発泡温度に達するよう
にする（ｔ１＜ｔ２＜ｔ０）ことで、抵抗発熱体２側を
先に発泡させ、次いで非線形素子１側を発泡させる構成
にしてもよい。あるいは、逆に図８に示すように、ｔ２
＜ｔ１＜ｔ０となるようにして、非線形素子１側を先に
発泡させ、次いで抵抗発熱体２側を発泡させる構成にし
てもよい。

【００５１】さらに、図９に示すように、印加する電圧
Ｖ２と電圧Ｖ１とがＶ２＜Ｖ１の関係であり、Ｖ２を非
線形素子１上の液体が発泡する閾値電圧Ｖｔｈ１より低
く、かつ、抵抗発熱体２上の液体が発泡する閾値電圧Ｖ
ｔｈ２より高く設定することにより、抵抗発熱体２部分
にのみ泡を発生させることができるようにしてもよい。
この場合、発泡時に気泡が大気と連通する発泡モ−ドで
あれば、図９に示すように電圧Ｖ２を印加することで抵
抗発熱体２上のみで吐出用液体３２が発泡するため、抵
抗発熱体２の略前方の液体体積Ｖｂを吐出させることが
でき、あるいは、図示しないが閾値電圧Ｖｔｈ１より高
い電圧Ｖ１を印加することで非線形素子１上および抵抗
発熱体２上の両方で吐出用液体３２が発泡するため、非
線形素子１の略前方の液体体積Ｖａ（＞Ｖｂ）を吐出さ
せることができ、吐出量を多値に制御できる。

【００５２】このように、本実施形態のインクジェット
記録ヘッドは、非線形素子１と抵抗発熱体２との熱エネ
ルギーを発生するタイミングが、略同時であってもよい
し、ずらすように制御されていてもよいし、あるいは、
抵抗発熱体２のみが熱エネルギーを発生するように制御
されるものであってもよい。

【００５３】以上説明したように、本実施形態のインク
ジェット記録ヘッドによれば、吐出用液体３２を発泡さ
せるのに抵抗発熱体２の発熱に加えて非線形素子１で生
じる、従来、熱損失として捨てられていた熱エネルギを
用いることでインクジェット記録ヘッドとしての効率の
低下を防止することができる。

【００５４】また、従来の半導体プロセスに頼らないで
作成できる、ＭＩＭ素子等の非線形素子１をマトリクス
駆動する構成であるため、長尺なインクジェット記録ヘ
ッド

【００５５】（第２の実施形態）を低コストで提供する
ことができる。次に、本発明の第２の実施形態によるイ
ンクジェット記録ヘッドの模式的な側断面図を図１０に
示す。

【００５６】本実施形態のインクジェット記録ヘッド
は、吐出口１３０に近い側に非線形素子１０１が配置さ
れ、抵抗発熱体１０２が配置されている。すなわち、第
１の実施形態で示したインクジェット記録ヘッドの非線
形素子１と抵抗発熱体２との配置が逆になった以外は、
基本的に同様の構成であるため、詳細の説明は省略す
る。

【００５７】以上説明したように、本実施形態のインク
ジェット記録ヘッドによれば、第１の実施形態と同様
に、吐出用液体１３２を発泡させるのに抵抗発熱体１０
２の発熱に加えて非線形素子１０１で生じる、従来、熱
損失として捨てられていた熱エネルギを用いることでイ
ンクジェット記録ヘッドとしての効率の低下を防止する
ことができる。

【００５８】また、従来の半導体プロセスに頼らないで
作成できる、ＭＩＭ素子等の非線形素子１０１をマトリ
クス駆動する構成であるため、長尺なインクジェット記
録ヘッドを低コストで提供することができる。

【００５９】（第３の実施形態）次に、本発明の第３の
実施形態によるインクジェット記録ヘッドの模式的な側
断面図を図１１に示す。

【００６０】本実施形態のインクジェット記録ヘッド
は、吐出液滴２０９を吐出する吐出口２３０が、流路２
３１を形成するために基板２２３に対向して取り付けら
れた吐出口形成部材２５２に形成されている。また、こ
の吐出口２３０は、基板２２３側に設けられた非線形素
子２０１と抵抗発熱体２０２との間の対向した位置に形
成されている。

【００６１】また、吐出用液体を供給する吐出液体供給
口２５４は、流路２３１の下壁に相当する下部層２２２
を貫通して基板２２３に形成されている。抵抗発熱体２
０２は、非線形素子２０１よりも吐出液体供給口２５４
に近い側に設けられている。

【００６２】すなわち、本実施形態のインクジェット記
録ヘッドは、吐出液滴２０９が基板２２３に対して略垂
直方向に吐出される構成となっているが、基本的な構成
は、第１および第２の実施形態で示したインクジェット
記録ヘッドと同様であるため、詳細の説明は省略する。

【００６３】以上説明したように、本実施形態のインク
ジェット記録ヘッドによれば、第１および第２の実施形
態と同様に、吐出用液体２３２を発泡させるのに抵抗発
熱体２０２の発熱に加えて非線形素子２０１で生じる、
従来、熱損失として捨てられていた熱エネルギを用いる
ことでインクジェット記録ヘッドとしての効率の低下を
防止することができる。

【００６４】また、従来の半導体プロセスに頼らないで
作成できる、ＭＩＭ素子等の非線形素子２０１をマトリ
クス駆動する構成であるため、長尺なインクジェット記
録ヘッドを低コストで提供することができる。

【００６５】（第４の実施形態）次に、本発明の第４の
実施形態によるインクジェット記録ヘッドの模式的な側
断面図を図１２に示す。

【００６６】本実施形態のインクジェット記録ヘッド
は、吐出液体供給口３５４に近い側に非線形素子３０１
が配置され、抵抗発熱体３０２が配置されている。すな
わち、第３の実施形態で示したインクジェット記録ヘッ
ドの非線形素子２０１と抵抗発熱体２０２との配置が逆
になった以外は、基本的に同様の構成であるため、詳細
の説明は省略する。

【００６７】以上説明したように、本実施形態のインク
ジェット記録ヘッドによれば、第１ないし第３の実施形
態と同様に、吐出用液体３３２を発泡させるのに抵抗発
熱体３０２の発熱に加えて非線形素子３０１で生じる、
従来、熱損失として捨てられていた熱エネルギを用いる
ことでインクジェット記録ヘッドとしての効率の低下を
防止することができる。

【００６８】また、従来の半導体プロセスに頼らないで
作成できる、ＭＩＭ素子等の非線形素子３０１をマトリ
クス駆動する構成であるため、長尺なインクジェット記
録ヘッドを低コストで提供することができる。

【００６９】次に、上述した各実施形態で示したインク
ジェット記録ヘッドを搭載したインクジェット記録装置
の一例を、図１３に模式的に示す。

【００７０】このインクジェット記録装置は、駆動回路
４０３によりその駆動を制御される紙送りローラ４０５
で被記録媒体である紙４０６を搬送する構成となってい
る。また、上述した各実施形態で示した、制御部４０に
より制御されるインクジェット記録ヘッド４０７は、そ
の各吐出口が、搬送されてくる紙４０６に対向するよう
に設けられており、制御部４０からの信号に応じて各吐
出口からインクを吐出し、紙４０６上に画像を形成す
る。インクジェット記録ヘッド４０７へのインクはイン
クタンク４０２から供給される。

【００７１】なお、本発明は、第１ないし第４の実施形
態を例として説明してきたが、これらになんら限定され
るものではない。また、以下に第１および第２の実施形
態の実施例を示すが、本発明はこれらによって何ら限定
されるものでもない。

【００７２】

【実施例】（第１の実施例）次に、本発明の第１の実施
例として、上述の第１の実施形態で示したインクジェッ
ト記録ヘッドの製作および特性に関して説明する。な
お、以下の説明に用いる記号は、第１の実施形態で用い
た記号と同じ記号を用いるものとする。

【００７３】非線形素子１はＭＩＭ素子であり、金属電
極である下側情報電極５を陽極酸化して得られる酸化絶
縁膜である絶縁性薄膜２４上に、金属電極である上側電
極６を、下側情報電極５に対して交差して作成したもの
である。下側情報電極５および上側電極６としては、厚
さ約３００ｎｍのＴａ薄膜をＲＦスパッタ法で作成し、
その表面を陽極酸化法で酸化し、厚さ約３２ｎｍのＴａ
₂Ｏ₅薄膜の絶縁性薄膜２４を形成する。この時、ＲＦス
パッタは約１．３３Ｐａ程度のＡrガス雰囲気中で行
う。また、陽極酸化は０．８重量％のクエン酸水溶液中
でメッシュ状白金電極を陰極として行う。また、上側電
極６および走査電極７は、厚さ約２３ｎｍのＴa薄膜電
極であり、基板２３は、結晶軸＜１１１＞、厚さ０．６
２５ｍｍのＳｉ基板であり、下部層２２は厚さ２．７５
μｍのＳｉ熱酸化膜であり、抵抗発熱体２は、厚さ０．
０５μｍの窒化Ｔa薄膜である。

【００７４】また、流路３１の幅は４０μｍ、抵抗発熱
体２の大きさは２９．１μｍ×２９．１μｍであり、抵
抗発熱体２の面積は８４６．８７５μｍ²であり、抵抗
発熱体２の素子抵抗は５３Ωである。また、各流路３１
間の間隔は４０μｍであり、非線形素子１の大きさは２
９．１μｍ×１４５．５３μｍで、面積が４２３５μｍ
²の吐出方向を長手方向とした長方形である。このと
き、非線形素子１の面積は、抵抗発熱体２の面積の５倍
であり、非線形素子１の両端、すなわち、下側情報電極
５と上側電極６との間に印加される電圧３３．５Ｖに対
する素子抵抗は２６５Ωである。

【００７５】ここで、下側情報電極５と走査電極７間に
４０．２Ｖの電圧を印加すると、非線形素子１に３３．
５Ｖの電圧が印加され、抵抗発熱体２に６．７Ｖの電圧
が印加されて、１２６ｍＡの電流が流れる。この時、非
線形素子１で熱に変換される消費電力は４．２３５Ｗで
あり、抵抗発熱体２で熱に変換される消費電力は０．８
４７Ｗである。また、非線形素子１の電力密度は１ＧＷ
／ｍ²、抵抗発熱体部２の電力密度は１ＧＷ／ｍ²とな
り、抵抗発熱体部２のみならず、非線形素子１の吐出用
液体３２に接する面でも発泡させることができる。

【００７６】（第２の実施例）本実施例も第１の実施例
と同様に上述の第１の実施形態で示したインクジェット
記録ヘッドの製作および特性に関して説明する。なお、
以下の説明に用いる記号は、第１の実施形態で用いた記
号と同じ記号を用いるものとする。また、本実施例にお
いて、非線形素子１は、第１の実施例と同様に製作さ
れ、その形状、特性も同様であり、流路３１の幅、流路
間の間隔も第１の実施例と同じであるため、これらに関
する説明は省略する。

【００７７】本実施例の抵抗発熱体２の大きさは２８μ
ｍ×２８μｍであり、抵抗発熱体２の面積は７８４μｍ
²であり、２の素子抵抗は５３Ωある。

【００７８】このとき、非線形素子１の面積は、抵抗発
熱体２の面積の５．４倍であり、非線形素子１の両端、
すなわち、下側情報電極５と上側電極６との間に印加さ
れる電圧３３．５Ｖに対する素子抵抗は２６５Ωであ
る。

【００７９】ここで、下側情報電極５と走査電極７間に
４０．２Ｖの電圧を印加すると、非線形素子１および抵
抗発熱体のそれぞれに３３．５Ｖおよび６．７Ｖの電圧
が印加され、１２６ｍＡの電流が流れる。この時、非線
形素子１で熱に変換される消費電力は４．２３５Ｗおよ
び抵抗発熱体２で熱に変換される消費電力は０．８４７
Ｗであり、非線形素子１の電力密度は１ＧＷ／ｍ²、抵
抗発熱体部２の電力密度は１．０８ＧＷ／ｍ²となり、
抵抗発熱体部２のみならず、非線形素子１の吐出用液体
３２に接する面でも発泡させることができる。

【００８０】なお、本実施例では、非線形素子１の電力
密度が抵抗発熱体部２の電力密度より小さく、非線形素
子１による発泡が抵抗発熱体２による発泡より時間的に
遅れて発生する。

【００８１】（その他の実施形態）なお、本発明は、上
述した通り、インクジェット記録方式の中でも、インク
吐出を行わせるために利用されるエネルギとして熱エネ
ルギを発生する手段を備え、前記熱エネルギによりイン
クの状態変化を生起させる方式の記録ヘッド、記録装置
である。

【００８２】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いる基本的な原理を用いて
行うものが好ましい。この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が、特
に、オンデマンド型の場合には、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（本発明においては、非線形素子１及び発熱抵
抗体２である。）に、記録情報に対応していて核沸騰を
越える急速な温度上昇を与える少なくとも１つの駆動信
号を印加することによって、電気熱変換体に熱エネルギ
を発生せしめ、記録ヘッドの熱作用面に膜沸騰を生じさ
せて、結果的にこの駆動信号に一対一で対応した液体
（インク）内の気泡を形成できるので有効である。この
気泡の成長，収縮により吐出用開口を介して液体（イン
ク）を吐出させて、少なくとも１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４３４５２６２号明細書に記載されているよう
なものが適している。なお、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、さらに優れた記録を行
うことができる。

【００８３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、エ
ネルギ発生手段として抵抗発熱素子のみならず、非線形
素子を有する。すなわち、流路内のインクを発泡させる
のに抵抗発熱素子の発熱に加えて非線形素子で生じる、
従来、熱損失として捨てられていた熱エネルギを用いる
ことでインクジェット記録ヘッドとしての効率の低下を
防止することができる。

【００８４】また、従来の半導体プロセスに頼らないで
作成できる、ＭＩＭ素子等の非線形素子をマトリクス駆
動する構成であるため、長尺なインクジェット記録ヘッ
ドおよびインクジェット記録装置を低コストで提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態によるインクジェット
記録ヘッドの模式的な側断面図である。

【図２】図１に示したインクジェット記録ヘッドの構造
および回路構成を説明する模式的な平面図である。

【図３】図１に示したインクジェット記録ヘッドのマト
リクス回路の概念を説明する回路図である。

【図４】本発明の第１の実施形態による別のインクジェ
ット記録ヘッドの模式的な側断面図である。

【図５】本発明の第１の実施形態によるインクジェット
記録ヘッドの発熱素子の電流電圧特性を示した図であ
る。

【図６】非線形素子と抵抗発熱体とが略同時に吐出用液
体を発泡させる温度に到達する場合の、各発熱素子と吐
出用液体との界面の各温度変化の定性的な特性を示すグ
ラフである。

【図７】非線形素子が抵抗発熱体よりも先に吐出用液体
を発泡させる温度に到達する場合の、各発熱素子と吐出
用液体との界面の各温度変化の定性的な特性を示すグラ
フである。

【図８】抵抗発熱体が非線形素子よりも先に吐出用液体
を発泡させる温度に到達する場合の、各発熱素子と吐出
用液体との界面の各温度変化の定性的な特性を示すグラ
フである。

【図９】抵抗発熱体のみが吐出用液体を発泡させる温度
に到達する場合の、各発熱素子と吐出用液体との界面の
各温度変化の定性的な特性を示すグラフである。

【図１０】本発明の第２の実施形態によるインクジェッ
ト記録ヘッドの模式的な側断面図である。

【図１１】本発明の第３の実施形態によるインクジェッ
ト記録ヘッドの模式的な側断面図である。

【図１２】本発明の第４の実施形態によるインクジェッ
ト記録ヘッドの模式的な側断面図である。

【図１３】本発明のインクジェット記録ヘッドを搭載し
た、本発明のインクジェット記録装置の一例を示す模式
図である。

【符号の説明】

１、１０１、２０１、３０１非線形素子２、１０２、２０２、３０２抵抗発熱体４共通液室５下側情報電極６上側電極７走査電極９、１０９、２０９、３０９吐出液滴２１天板２２、２２２下部層２３、２２３基板２４絶縁性薄膜３０、１３０、２３０、３３０吐出口３１、２３１流路３２、１３２、２３２、３３２吐出用液体６１、６２、６３気泡２５２、３５２吐出口形成部材２５４、３５４吐出液体供給口４０２インクタンク４０３駆動回路４０５紙送りローラ４０６紙４０７インクジェット記録ヘッド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】抵抗発熱素子と、前記抵抗発熱素子を駆
動するために前記抵抗発熱素子に直列接続されている、
極性によらず、低い電圧を印加した時の抵抗値が、高い
電圧を印加した時の抵抗値に比べて高い値を示すＭＩＭ
型の電流電圧特性を有する非線形素子と、を有するイン
クジェット記録ヘッドであって、前記抵抗発熱素子と前記非線形素子とは、どちらも、イ
ンクを吐出するための気泡の発生に寄与するものである
ことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項２】直列接続された前記抵抗発熱素子と前記
非線形素子とは、電力を供給されることにより略同時の
タイミングで別々の気泡の発生させる請求項１に記載の
インクジェット記録ヘッド。
【請求項３】直列接続された前記抵抗発熱素子と前記
非線形素子とは、電力を供給されることにより異なるタ
イミングで別々の気泡の発生させる請求項１に記載のイ
ンクジェット記録ヘッド。
【請求項４】直列接続された前記抵抗発熱素子と前記
非線形素子とは、電力を供給されることにより１つの気
泡の発生させる請求項１に記載のインクジェット記録ヘ
ッド。
【請求項５】直列接続された前記抵抗発熱素子と前記
非線形素子とに電力を供給されることにより、前記抵抗
発熱素子のみを気泡の発生に寄与させることができる請
求項１ないし４のいずれか１項に記載のインクジェット
記録ヘッド。
【請求項６】直列接続された前記抵抗発熱素子と前記
非線形素子とは、インクが吐出される方向に対して略平
行に配置されている請求項１ないし５のいずれか１項に
記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項７】直列接続された前記抵抗発熱素子と前記
非線形素子とは、インクが吐出される方向に対して略垂
直に配置されている請求項１ないし５のいずれか１項に
記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項８】直列接続された前記抵抗発熱素子と前記
非線形素子とからなるユニットが、選択電位波形を入力
する走査用電極と、画像信号に応じた情報電位波形を入
力する情報用電極とが交差することで形成されたマトリ
クス回路の交点に配置されている請求項１ないし７のい
ずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項９】直列接続された前記抵抗発熱素子と前記
非線形素子とに電圧を印加するためのマトリクス回路を
構成するマトリクス電極を有する請求項１ないし８のい
ずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項１０】前記非線形素子は、前記マトリクス電
極の交点に配置されている請求項９に記載のインクジェ
ット記録ヘッド。
【請求項１１】直列接続された前記抵抗発熱素子と前
記非線形素子とに発生する熱エネルギーによりインクに
膜沸騰を生起させてインクを吐出する請求項１ないし１
０のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項１２】抵抗発熱素子と、前記抵抗素子を駆動
するために前記抵抗素子に直列接続されている、極性に
よらず、低い電圧を印加した時の抵抗値が、高い電圧を
印加した時の抵抗値に比べて高い値を示すＭＩＭ型の電
流電圧特性を有する非線形素子と、を有するインクジェ
ット記録ヘッドと、被記録媒体を搬送する搬送手段と、
を有するインクジェット記録装置であって、前記インクジェット記録ヘッドは、前記抵抗発熱素子と
前記非線形素子とが、どちらも、インクを吐出するため
の気泡の発生に寄与するものであり、直列接続された前
記抵抗発熱素子と前記非線形素子とに対応して設けら
れ、被記録媒体の被記録面にインクを吐出する吐出口を
有するものであり、直列接続された前記抵抗発熱素子と前記非線形素子とに
供給する電力の制御を行う制御部を有することを特徴と
するインクジェット記録装置。
【請求項１３】直列接続された前記抵抗発熱素子と前
記非線形素子とは、電力を供給されることにより略同時
のタイミングで別々の気泡の発生させる請求項１２に記
載のインクジェット記録装置。
【請求項１４】直列接続された前記抵抗発熱素子と前
記非線形素子とは、電力を供給されることにより異なる
タイミングで別々の気泡の発生させる請求項１２に記載
のインクジェット記録装置。
【請求項１５】直列接続された前記抵抗発熱素子と前
記非線形素子とは、電力を供給されることにより１つの
気泡の発生させる請求項１２に記載のインクジェット記
録装置。
【請求項１６】前記制御部は、直列接続された前記抵
抗発熱素子と前記非線形素子とに供給される電力を制御
することにより、直列接続された前記抵抗発熱素子と前
記非線形素子との双方が気泡の発生に寄与するか、ある
いは、前記発熱素子のみが気泡の発生に寄与するか、を
制御する請求項１２ないし１５のいずれか１項に記載の
インクジェット記録装置。
【請求項１７】請求項１２ないし１６のいずれか１項
に記載のインクジェット記録装置を用いて記録を行うイ
ンクジェット記録方法であって、前記インクジェット記録ヘッドから吐出したインクを被
記録媒体の被記録面に付着させて記録を行う工程を有す
ることを特徴とするインクジェット記録方法。
【請求項１８】直列接続された前記抵抗発熱素子と前
記非線形素子とに電力を供給することにより略同時に別
々の気泡の発生させてインクを吐出する請求項１７に記
載のインクジェット記録方法。
【請求項１９】直列接続された前記抵抗発熱素子と前
記非線形素子とに電力を供給することにより異なるタイ
ミングで別々の気泡の発生させてインクを吐出する請求
項１７に記載のインクジェット記録方法。
【請求項２０】直列接続された前記抵抗発熱素子と前
記非線形素子とに電力を供給することにより１つの気泡
の発生させてインクを吐出する請求項１７に記載のイン
クジェット記録装置。
【請求項２１】直列接続された前記抵抗発熱素子と前
記非線形素子とに電力を供給することにより、前記抵抗
発熱素子のみで気泡の発生させてインクを吐出する請求
項１７ないし２０のいずれか１項に記載のインクジェッ
ト記録方法。