JP3152304B2 - 液体噴射記録方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、液体噴射記録方法及び装置、より詳細に
は、サーマルインクジェットヘッドへの信号入力方法及
び該方法を適用した装置に関する。

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
録方法であって、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USP3060429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、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、一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USP3596275、USP3298030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USP3416153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USP3747120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Stemme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、Stemme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
の電気的制御が高速で困難であること、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。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式には、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
トドッ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、この原理と同じインクジェット記録方法及び
記録装置に関する多くの発明がなされているが、それら
の中で、たとえば、特開昭55−132267号公報、あるいは
特開昭55−161665号公報に記載の発明が知られている。
これらは、それぞれオリフィスからのメニスカスの後退
し過ぎを防止したり、あるいは、気泡の体積変化率をあ
る範囲に規定することによって良好な吐出を行うという
内容のものである。ところで、これらの明細書中には、
その吐出原理に関する説明がなされているが、本出願人
の実験と一部一致しない点があることが見いだされた。

つまり、前記特開昭55−132267号公報の発明では、該
公報の第３図に、特開昭55−161665号公報の発明では、
該公報の第２図にその説明がなされているが、気泡成長
の仕方が必ずしも後述する本発明のそれと一致しないの
である。考えられる理由としてあげられるのは、吐出オ
リフィス密度である。特開昭55−132267号公報の発明で
検討されている実施例では、吐出オリフィス密度が８〜
12本/mm程度であり、特開昭55−161665号公報の発明で
は、発熱抵抗体パターンのサイズが80μｍ×200μｍで
あり、流路及びオリフィスとなる溝の大きさが幅80μｍ
×深さ80μｍであることから、８本/mm程度の吐出オリ
フィス密度と考えられる。

而して、本出願人は、より高精細、高画質密度の記録
を行うために、24本/mm以上の配列密度をもつヘッドを
試作、評価したが、必ずしも前述の特開昭55−132267号
公報あるいは特開昭55−161665号公報に記載されている
ものと同じ結果にはならなかった。

目的 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、超高密度な印写を行なうためのサーマルイン
クジェットヘッドの最適な駆動方法及び装置を提供し、
もって、安定した気泡生成〜インク吐出を実現すること
を目的とするものである。

構成 本発明は、上記目的を達成するために、液滴を吐出す
るために設けられたオリフィスと、該オリフィスに連通
し、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とを有する液吐出部と、熱エネル
ギーを発生する手段としての電気熱変換体とを具備する
記録ヘッドを使用する液体噴射記録方法であって、前記
オリフィスおよび電気熱変換体は、600dpi〜1600dpi（o
r 24本/mm〜64本/mm）相当の印写を行うための微小イン
ク滴を吐出させるための微小なオリフィスおよび電気熱
変換体であって、オン−オフ動作で１つの電気信号が前
記電気熱変換体に入力される時、前記電気熱変換体から
発生した熱が前記熱作用部にある液に作用して気泡を発
生させ、該気泡の体積増加にともなう作用力で、前記オ
リフィスより液滴を吐出、飛翔させ、被記録面に付着さ
せて記録を行う液体噴射記録方法、或いは、装置におい
て、前記電気信号のパルス波形がピーク値である時の時
間の最終時と気泡が最大体積になった時点の時間がほぼ
同等もしくは気泡が最大体積になった時点の時間が前記
最終時以前となるように前記電気信号の通電時間及び駆
動電圧を設定して記録するようにしたものである。以
下、本発明の実施例にもとづいて説明する。

本発明は前述のように、従来にはない超高密度な吐出
オリフィス密度を有するサーマルインクジェットに適用
されるものである。従って、まず、そのような超高密度
なヘッドを製作する方法について説明する。

第１図は、本発明による液体噴射記録ヘッド発熱体基
板の一実施例を説明するための要部断面図で、図中、10
は基板、11は第１の電極、12は絶縁層、13は発熱抵抗体
層、14は第２の電極、15は保護層（耐インク）で、第１
電極11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２図（ａ）〜（ｄ）は、第１図に示した構成を得る
ための手順の示す図で、はじめに、第１の電極11が基板
上10に形成されるが（第２図（ａ））、この電極11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13が接続する部分Ｂを除いて、絶縁層12が設け
られる（第２図（ｂ））。次に、発熱抵抗体層13が設け
られ（第２図（ｃ））、そして、最後に第２の電極14
が、発熱抵抗体層13の第１の電極11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２図
（ｄ））。

本発明に使用される材料は、例えば、電極材料として
はAl,Au等があげられ、蒸着、スパッタリング、或いは
メッキ等の技術を用いて付与され、よく知られているよ
うに、フォトリソグラフィー技術によってパターンが形
成される。絶縁層の材料として、SiO₂,Si₃N₄等がやはり
同様な手法で付与、パターン形成される。発熱抵抗体層
も形成手段は同様で、材料としては、窒化タンタル、ニ
クロム、或いは、フッ化ハフニウム等があげられる。

尚、本発明では、説明を簡略化するために、必要最小
限の構成のみについて説明したが、例えば、電極の形成
方法として、Au或いはAlをうすく蒸着した後、Auメッキ
によって厚く形成してなる２層構造とすることも考えら
れるし、絶縁層も多層構造であってもよい。更に、発熱
抵抗体層及び第２の電極を形成後に、それらをインクか
ら保護するための保護膜を形成することも必要であろ
う。

又、基板には、発熱抵抗層の熱を逃がさないような蓄
熱層を設けることも必要であろう。なお、図示の実施例
は、本発明の技術的思想を説明するための概略図であ
り、必要最小限の構成を示したものである。

第３図は、第２図に示される第１電極11が、複数の第
２電極14及び発熱体13に対して、共通電極となるように
構成された実施例を示す図である。

このような方法で本出願人は、最高配列密度64本/mm
（1600dpi）の発熱体基板を製作した（１枚の基板上の
発熱体は64個）。

次に、この発熱体基板をヘッドとして完成するために
流路〜オリフィスを形成する必要がある。たとえば、前
述の発熱体基板に第４図に示すような溝17及び凹部18を
形成した蓋基板16を接合することによってヘッドは完成
するが、本発明では、配列密度を24本/mm、32本/mm、48
本/mm、64本/mmという具合に非常に高密度にしているの
で、高精度な流路パターン精度を得るためにフォトリソ
技術によってヘッド形成を行った。

次に、第５図〜第12図を用いて、フォトリソ技術によ
ってヘッドを形成する例について説明する。

第５図において、21は基板、22はインク吐出圧発生素
子、23は薄膜で、第５図に示した工程では、シリコン、
ガラス、セラミックスの材料よりなる基板21上に発熱素
子からなるインク吐出圧発生素子22を所要の個数配置
し、更に必要に応じて耐インク性、電気絶縁性を付与す
る目的で、SiO₂,Ta₂O₅,ガラス等の薄膜23を被覆する。
なお、インク吐出圧発生素子22には、図示されていない
が、信号入力用電極が接続してある。

続く、第６図に示す工程では、第５図の工程を経て得
られた基板21の薄膜層23の表面を清浄化すると共に乾燥
させた後、スピンコーティングによって液状フォトレシ
ストを塗布し、プリベーキング（たとえば80℃30分）を
行う。液状フォトレジストは、他にロールコーティン
グ，ディップコーティングなどによっても良好に塗布で
きる。なお、従来、流路パターンを形成するために、ド
ライフィルムフォトレジストを使用することが提案され
ているが、ドライフィルムフォトレジストは、本来の使
用目的（プリント基板のパターン形成用）からして、高
密度パターンを形成するには難がある。現状では、16本
/mm程度のものまではできるが、それ以上の高密度配列
は困難であり、本発明のような、超高密度なパターンを
形成するには適さない。本発明では、液状フォトレジス
トとして東京応化工業製BMRS−1000を使用しスピンコー
ディング時の回転数を500〜2500回転と変化させること
により、その厚さを７〜30μｍまで変えることができ
た。

続いて、第６図に示すように、基板面に設けたフォト
レジスタ24上に所定のパターンを有するフォトマスク25
を重ね合わせた後、このフォトマスク25の上部から露光
を行う。このとき、インク吐出圧発生素子22の設置位置
と上記パターンの位置合せを周知の方法で行っておく必
要がある。

第７図は、上記露光済みのフォトレジスト24の未露光
部分をトリクロルエタンの所定の有機溶剤から成る現像
液にて溶解除去した工程を示す説明図で、基板21に残さ
れたフォトレジストの露光された部分24Pの耐インク性
向上のため、熱硬化処理（例えば150〜250℃で30分〜６
時間加熱）又は、紫外線照射（例えば50〜200mW/cm²又
はそれ以上の紫外線強度）を行い、充分に重合硬化反応
を進める。上記熱硬化と紫外線による硬化の両方を兼用
するのも効果的である。

第８図は、インク通路28の覆いを構成する電磁波を透
過する材料、例えば、透紫外光材料よりなる平板状部材
26の裏面に感光性樹脂膜27、例えば、ドライフィルムフ
ォトレジストをラミネートした場合の図である。ドライ
フィルムフォトレジストのラミネート方法は、市販のラ
ミネータを使用して、平板状部材26とドライフィルムフ
ォトレジストとの間に空気がはいらないようにラミネー
トされる。

本発明では、ドライフィルムフォトレジストとして東
京応化工業製SY−325を使用した。

第９図は、第８図について説明した方法により作成し
た前記インク通路28の覆いを構成する平板状部材26およ
び紫外線硬型樹脂膜27を押圧貼付した場合の説明図であ
る。

次に、透紫外光材料からなる平板状部材26にラミネー
トされたドライフィルム27に、非酸素雰囲気下で紫外線
照射（例えば50〜200mW/cm²又はそれ以上の紫外線強
度）を行ないドライフィルム27を充分に硬化させる。更
に熱硬化処理（例えば130〜250℃で30分〜６時間）する
のも有効である。

ここで、第９図の工程終了後のヘッド外観を第10図に
模式的斜視図で示す。第10図中、28−１はインク供給
室、28−２はインク細流路、29はインク供給室28−１に
不図示のインク供給管を通結させるための貫通孔を示し
ている。

以上のとおり、インク流路を形成した基板とインク通
路の覆いとの接合が完了した後、第10図のＣ−Ｃ′線に
沿って切断する。これは、インク細流路28−２に於て、
インク吐出圧発生素子22とインク吐出口28−３との間隔
を最通化するために行うものであり、ここで切断する領
域は適宜決定される。この切断に際しては、半導体工業
で通常採用されているダイシング法が採用される。

第11図は、第10図のＺ−Ｚ′線切断面図である。次い
で、切断面を研磨して平滑化し、貫通孔29にインク供給
管30を取り付けて第12図に示したインクジェット記録ヘ
ッドが完成する。

以上のような方法により、本出願人は、前述のよう
に、レジスト厚さを変えることにより24本/mmから、最
高64本/mmまでの配列密度の流路〜オリフィスを前述の
発熱体基板上に形成し、ヘッドとして完成させた。

本出願人は、このヘッドを用いて、種々の実験を行う
うちに、従来にない特徴を有していることを見い出し
た。

第13図は、本発明の特徴を説明するための概念図であ
り、入力パルス波形と発生する気泡の大きさが時間とと
もに変わる様子を示している。今、発熱体に第13図に示
すようなパルス波形の電気信号Ｐを入力した際に、熱作
用部において発生する気泡の体積Ｖは時間とともに変化
する。発熱体に時刻toと時刻t_rにおいてオン−オフされ
るパルス状の電気信号が入力されると、時刻t_iで熱作用
部において気泡が発生し、この気泡の体積Ｖは、時刻t_i
より増加し始め、時刻tpにおいて最大体積に到達する。

表１は、本発明のヘッドを駆動した結果であり、好適
に駆動された場合とそうでない場合を示している。条件
の詳細は次のとおりである。

表１よりわかることは、超高密度のヘッドで、微小な
気泡を発生させ、微小なインク滴を吐出させようとした
場合、総エネルギー値がほぼ同じであっても、吐出でき
る場合とできない場合があるということである。これ
は、超高密度（ここでは800dpi）になった場合、オリフ
ィスサイズが小さくなるため、オリフィス部で液の表面
張力に打ち勝って吐出するには、大きなオリフィスから
吐出するより大きな力が必要となるために、ある条件を
選ばないと良好に吐出できないためと考えられる。

本出願人の実験結果では、入力信号入力後、その通電
時間とほぼ同等もしくはそれより短い時間に発生する気
泡の体積が最大となるような駆動条件（パルス幅、電
圧）を選ぶことにより、良好なインク吐出が得られるこ
とがわかった。なお、従来例のように、入力信号が通電
を終了した後に、気泡体積が最大値となるような駆動条
件は、本発明のような超高密度のヘッドの場合、吐出さ
せることはできなかった。

効果 以上の説明から明らかなように、本発明のような駆動
条件を選ぶことにより、超高密度な印写を行なうために
微小インク滴を形成し、高精細、高画質記録を行うヘッ
ドにおいて、良好なインク吐出性能を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による液体噴射記録ヘッドの発熱体基
板の一例を説明するための要部断面図、第２図は、第１
図に示した発熱体基板を得るための手順を説明するため
の図、第３図は、第２図に示した電極11を電極14及び発
熱体13に対して共通電極とした場合の例を示す図、第４
図は、インクジェットヘッドの蓋基板を示す図、第５図
及至第12図は、フォトリソ技術によるインクジェットヘ
ッドを形成する場合の例を示す図、第13図は、発熱体に
印加する入力パルスと熱作用部において発生する気泡と
の関係を説明するための図である。 10……基板、11……電極、12……絶縁層、14……電極、
15……保護層、16……蓋部材、21……基板、22……イン
ク吐出圧力発生素子、23……薄膜、24……フォトレジス
ト、25……フォトマスク、26……平板状部材、27……感
光性樹脂膜、28……インク通路、30……インク供給管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−135673（ＪＰ，Ｕ) 特開 平２−50842（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−258267（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液滴を吐出するために設けられたオリフィ
   スと、該オリフィスに連通し、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とを有
   する液吐出部と、熱エネルギーを発生する手段としての
   電気熱変換体とを具備する記録ヘッドを使用する液体噴
   射記録方法であって、前記オリフィスおよび電気熱変換
   体は、600dpi〜1600dpi（or 24本/mm〜64本/mm）相当の
   印写を行うための微小インク滴を吐出させるための微小
   なオリフィスおよび電気熱変換体であって、オン−オフ
   動作で１つの電気信号が前記電気熱変換体に入力される
   時、前記電気熱変換体から発生した熱が前記熱作用部に
   ある液体に作用して気泡を発生させ、該気泡の体積増加
   にともなう作用力で、前記オリフィスより液滴を吐出、
   飛翔させ、被記録面に付着させて記録を行う液体噴射記
   録方法において、前記電気信号のパルス波形がピーク値
   である時間の最終時と気泡が最大体積になった時点の時
   間がほぼ同等もしくは気泡が最大体積になった時点の時
   間が前記最終時以前となるように前記電気信号の通電時
   間及び駆動電圧を設定して記録することを特徴とする液
   体噴射記録方法。
2. 【請求項２】液滴を吐出するために設けられたオリフィ
   スと、該オリフィスに連通し、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とを有
   する液吐出部と、熱エネルギーを発生する手段としての
   電気熱変換体とを具備する記録ヘッドを使用する液体噴
   射記録方法であって、前記オリフィスおよび電気熱変換
   体は、600dpi〜1600dpi（or 24本/mm〜64本/mm）相当の
   印写を行うための微小インク滴を吐出させるための微小
   なオリフィスおよび電気熱変換体であって、オン−オフ
   動作で１つの電気信号が前記電気熱変換体に入力される
   時、前記電気熱変換体から発生した熱が前記熱作用部に
   ある液体に作用して気泡を発生させ、該気泡の体積増加
   にともなう作用力で、前記オリフィスより液滴を吐出、
   飛翔させ、被記録面に付着させて記録を行う液体噴射記
   録方法において、前記電気信号のパルス波形がピーク値
   である時間の最終時と気泡が最大体積になった時点の時
   間がほぼ同等もしくは気泡が最大体積になった時点の時
   間が前記最終時以前となるように前記電気信号の通電時
   間及び駆動電圧が設定されていることを特徴とする液体
   噴射記録装置。