JP3222180B2

JP3222180B2 - インクジェット記録方法及び記録ヘッド

Info

Publication number: JP3222180B2
Application number: JP6032092A
Authority: JP
Inventors: 信彦梅澤; 卓朗関谷
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1992-03-17
Filing date: 1992-03-17
Publication date: 2001-10-22
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: JPH05261925A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インクジェット記録方
法及び記録ヘッドに関し、より詳細には、インクジェッ
トプリンタにおける画素径を変えることを可能とするイ
ンクジェット記録方法及び記録ヘッドに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ノンインパクト記録法は、記録時におけ
る騒音が無視できる程度に極めて小さいという点で、最
近注目されている。その記録法のなかで、高速記録が可
能であり、而も、普通紙に特別の定着処理を必要とする
ことがなく記録できるという、所謂インクジェット記録
手段は極めて有力な記録法であって、これまでにも種々
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。

【０００３】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（記録紙）に付着させて記録を行う
ものであり、この記録液体の小滴の発生法及び発生され
た記録液体の小滴の飛翔方向を制御する制御方法によっ
て、幾つかの方式に大別される。

【０００４】先ず、第１の方式として、例えばＵＳＰ３
０６０４２９号明細書に開示されている方式（Ｔｅｌｅ
ｔｙｐｅ方式）がある。これは、記録液体の小滴の発
生を静電吸収的に行い、発生した記録液体の小滴を記録
信号に応じて電界制御し、記録部材上に選択的に付着さ
せて記録を行うものである。これについて、更に詳述す
ると、ノズルと加速電極との間に電界を掛けて、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
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記録液体の小滴を記録部材上に
付着させて記録を行うものである。

【０００５】第２の方式は、例えばＵＳＰ３５９６２７
５号明細書，ＵＳＰ３２９８０３０号明細書等に開示さ
れている方式（Ｓｗｅｅｔ方式）であり、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記録液体の小滴
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。

【０００６】具体的には、ピエゾ振動素子の付設されて
いる記録ヘッドにおけるオリフィス（吐出口）の前に、
記録信号が印加され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
の電気信号を印加して、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
のとき、前記帯電電極によって吐出する記録液体の小滴
には電荷が静電誘導され、記録液体の小滴は記録信号に
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、記録信号を担う記録液体の小滴のみが記録部材上
に付着しうるものである。

【０００７】第３の方式は、例えばＵＳＰ３４１６１５
３号明細書の開示されている方式（Ｈｅｒｔｚ方式）で
あり、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し霧化さ
せて記録する方式である。すなわち、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記録液体の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ものである。

【０００８】第４の方式は、例えばＵＳＰ３７４７１２
０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。すなわち、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、記録信号を担った記録液体の小滴
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、この方式では、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。

【０００９】つまり、この方式は、記録液体の小滴を吐
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
翔させて記録部材上に付着させることで記録を行うもの
である。

【００１０】従来のこれ等の４つの方式は、各々特徴を
有するものであるが、その反面、解決を要する点をも有
している。すなわち、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、また、記録液体の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、構成上は簡単である
が、記録液体の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ので、高速記録に
は不向きである。

【００１１】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適するが、構成が複雑であり、ま
た、記録液体の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易いこと等の
問題がある。第３の方式は、記録液体の小滴を霧化する
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及び記録ヘッドのマルチノズ
ル化が困難であり、高速記録には不向きであること等の
諸問題を有する。

【００１２】第４の方式は、第１乃至第３の方式に比べ
て多くの利点を有している。すなわち、構成が簡単であ
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ために、第
１乃至第３の方式のように吐出飛翔する小適のうち、画
像の記録に要しなかった小滴を回収することが不要であ
ること、第１，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。

【００１３】しかしながら、他方において、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
記録液体の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。

【００１４】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、記録ヘッドのマルチノズル化、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、一長一短があり、その長所を利する用途にし
か適用できないという制約があった。

【００１５】しかし、このような不都合については、本
出願人が先に提案した液体噴射記録方法としてのインク
ジェット記録方式を採用することにより略解消すること
ができる。かかるインクジェット記録方式の一つとし
て、特公昭５６−９４２９号公報がある。これは、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翔さ
せ、記録部材上に記録させるものである。そして、その
後、この原理を改良した多くの発明がなされた。

【００１６】その改良された発明の一つとして、例え
ば、特公昭５９−３１９４３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、記録画素径を変えること
を特徴とするものである。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。

【００１７】電気熱変換体の部分の構成を得るには、薄
膜形成技術で３次元的構造を形成する必要があり、事実
上その構成を得ることは不可能に近く、また、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。また、発熱部のパターン巾を変えたものにおいて
は、そのパターンが最も狭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いと
いう問題がある。

【００１８】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、発熱体層の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。更に、特開昭６３−
４２８６９号公報には、抵抗体に通電する時間を変える
ことよって気泡の発生回数を変更し、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、この技術は、耐久性の面で事実上実現不可能であ
る。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来技術
においては、画素径を変えるために各種の試みがなされ
てきているが、製造上の面から、耐久性の面から、ある
いは、高密度配列の面からみて必ずしも満足のいく結果
は得られていない。本発明は、前述したような実情に鑑
みてなされたものであり、構成が簡単であり、製造も容
易であるところの画素径を容易に変更できるインクジェ
ット記録方法及び記録ヘッドを提供することを目的とす
るものである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するために、インクジェット記録方法として、一つの
吐出口に対して単一のエネルギー作用部を設け、前記吐
出口は断面積の大きさを変化させ、その断面積を変化さ
せた吐出口において形成されるインクメニスカスの位置
を、インク供給手段と吐出口との間の水頭差を変え、単
一の吐出口より質量又は径の異なるインク滴を飛翔させ
ることができることを特徴とするものである。

【００２１】

【００２２】本発明は、インクジェット記録ヘッドとし
て、インク供給手段と、該インク供給手段からのインク
を導く液室と、該液室から各吐出口にインクを導く流路
と、各流路に沿って配置され、夫々独立に駆動できる単
一のエネルギー作用部又は複数個のエネルギー作用部
と、前記各流路端に設けられた断面積を変化させたイン
クを吐出する吐出口と、前記吐出口に形成されるインク
メニスカスの位置を変える手段とを備えたインクジェッ
ト記録ヘッドにおいて、インクメニスカスの発生位置を
変える手段は、吐出口の高さに対してインク供給手段の
高さを変化させる手段であることを特徴とするものであ
る。

【００２３】

【００２４】

【００２５】

【作用】本発明の構成により、単一のエネルギー作用部
を備えたインクジェット記録ヘッドにおいて、吐出口の
高さに対してインク供給手段の高さを変化させて、断面
積の大きさを変化させた吐出口の適所にインクメニスカ
スを形成し、単一の吐出口によって画素径を容易に変更
することができる。また、複数個のエネルギー作用部を
備えたインクジェット記録ヘッドにおいて、そのうちの
少なくとも一個のエネルギー作用部をインクメニスカス
の位置切替え用として作動させ、断面積の大きさを変化
させた吐出口の適所にインクメニスカスを形成し、単一
の吐出口によって画素径を容易に変更することができ
る。

【００２６】

【実施例】先ず、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を、図
２１により説明する。図２２は図２１に示したバブルジ
ェットヘッドの斜視図、図２３は図２２のヘッドにおい
て、蓋基板（図２３（ａ））と発熱体基板（図２３
（ｂ））に分解した斜視図、図２４は、図２３（ａ）に
示した蓋基板を裏側から見た斜視図である。図中、１は
蓋基板、２は発熱体基板、３は記録液体流入口、４は吐
出口、５は流路、６は液室を形成するための領域、７は
個別（独立）電極、８は共通電極、９は発熱体（ヒー
タ）、１０はインク、１１は気泡、１２は飛翔インク液
である。

【００２７】そこで、図２１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。（ａ）は定
常状態であり、吐出口４でインク１０の表面張力と外圧
とが平衡状態にある。（ｂ）はヒータである発熱体９が
加熱されて、発熱体９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迄加熱され、微小気泡１１が点
在している状態を示す。

【００２８】（ｃ）は発熱体９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１１が成長した状態を示す。この時、ノズル内の圧力
は、気泡が成長した分だけ上昇し、吐出口面での外圧と
のバランスが崩れ、吐出口４よりインク柱が成長し始め
る。（ｄ）は気泡１１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１０が押し
出される。この時、発熱体９には電流が流れていない状
態にあり、発熱体９の表面温度は降下しつつある。気泡
１１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。

【００２９】（ｅ）は気泡１１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１１の収縮に伴ってノズル内圧の減少により、吐出
口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。

【００３０】（ｆ）は更に気泡１１が収縮し、発熱体面
にインクが接し、発熱体面が更に急激に冷却される状態
にある。オリフィス面では、外圧がイズル内圧より高い
状態になるため、メニスカスが大きくノズル内に入り込
んできている。インク柱の先端部は液滴になり、記録紙
の方向へ５〜１０ｍ／ｓｅｃの速度で飛翔している。
（ｇ）は吐出口にインクが毛細管現象により再び供給さ
れて（ａ）の状態に戻る過程であり、気泡は完全に消滅
している。

【００３１】図２５は上述した液体噴射記録ヘッドの要
部構成を説明するための実施例であり、（ａ）はバブル
ジェットヘッドの吐出口側から見た正面詳細部分図、
（ｂ）は（ａ）における一点鎖線ｘ−ｘで示す部分での
断面部分図である。この図面に示された記録ヘッド１３
の構造は、裏面に電気熱変換体１４を設けた基板１５上
に、所定の線密度で所定の巾と深さの溝を所定数設けら
れている溝付板１６を配置接合することによって形成さ
れ、その記録ヘッドの端部には、液体を飛翔させるため
の吐出口１７を含む液吐出部１８が形成されている。

【００３２】液吐出部１８は、吐出口１７と、電気熱変
換体１４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１９とを有す
る。熱作用部１９は、電気熱変換体１４の熱発生部２０
の上部に位置し、熱発生部２０の液体と接触する面とし
ての熱作用面２１をその底面としている。熱発生部２０
は、基体１５上に設けられた下部層２２、該下部層２２
上に設けられた発熱抵抗層２３、該発熱抵抗層２３上に
設けられた上部層である保護層２４とで構成される。

【００３３】発熱抵抗層２３には、熱を発生させるため
に該層２３に通電するための電極２５，２６がその表面
に設けられており、これらの電極間に発熱抵抗層２３に
よって熱発生部２０が形成されている。電極２５は、各
液吐出部１８の熱発生部２０に共通の電極であり、電極
２６は、各液吐出部１８の熱発生部２０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１８の液流路
に沿って設けられている。

【００３４】保護層２４は、熱発生部２０においては発
熱抵抗層２３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２３と液吐出部１８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２５，２６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１８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と共に、
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１４に接続されている電極
２５，２６は、その設計上の都合により、前記上部層で
ある保護層２４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。

【００３５】図２６は、発熱抵抗体を用いる気泡発生部
の構造を説明するための詳細図であり、図中、２７は発
熱抵抗体、２８は電極、２９は保護層、３０は電源装置
を示している。発熱抵抗体２７を構成する材料として、
有用なものには、例えば、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
げられる。

【００３６】これらの発熱抵抗体２７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２７は、上記材料を用いて、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２７の膜厚は、単位時間当
たりの発熱量が所望の値になるように、その面積、材質
及び熱作用部分の形状や大きさ、更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り、通常の場
合、０．００１〜５μｍ、好ましくは０．０１〜１μｍ
とされる。

【００３７】電極２８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でき、
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段で所定位置
において、所定の大きさ、形状、厚さで設けられる。

【００３８】保護層２９に要求される特性は、発熱抵抗
体２７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、且つ記録液体より発熱抵抗体２７を保護す
るということである。保護層２９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あげられる。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。保護層２９の膜厚は、通常、０．０１〜
１０μｍ，好ましくは０．１〜５μｍ，最適には０．１
〜３μｍに形成されるのが望ましい。

【００３９】以上のような原理に基づき、発熱体構成を
備えるバブルジェット技術において、本発明は、図１の
概念図に示すように、インク吐出領域Ｔと、インク吐出
領域近傍の流路５に設ける発熱体部Ｓの構成に特徴を有
するものである。すなわち、インク吐出領域Ｔの形状
は、断面積の小さい吐出口４Ａと、該吐出口４Ａから外
側に開口した断面積の大きい吐出口４Ｂとからなり、こ
のインク吐出領域近傍の流路５には、夫々独立して制御
することができる第１の発熱体（吐出用発熱体）９Ａと
第２の発熱体（インクメニスカス形成用発熱体）９Ｂが
流路５に沿って配置されている。図示されていないが、
流路５には、公知のように液室及び該液室にインクを導
入するインク供給手段が接続されており、前記インク吐
出領域Ｔ及び発熱体部Ｓを備えた流路部分と共にインク
ジェットヘッドを構成している。

【００４０】吐出インク滴の質量は、インク吐出口のデ
ィメンション（断面積及び吐出口部の長さ）に依存す
る。よって、吐出インク滴の質量を変えるには、インク
吐出口の径を変えればよい。本発明では、吐出インク滴
の質量を変えるために、吐出時におけるインクメニスカ
スの発生位置を、断面積の小さい第１の吐出口４Ａの近
傍とするか、断面積の大きい第２の吐出口４Ｂの近傍と
するかによって、吐出インク滴の質量を変えている。な
お、インクメニスカスの発生位置を変えるための手段に
ついては、後述する。

【００４１】図２には、インクメニスカスの位置を、断
面積の小さい第１の吐出口４Ａの近傍に発生させた場
合、図３には、インクメニスカスの位置を、断面積の大
きい第２の吐出口４Ｂの近傍に発生させた場合を示し、
そして、夫々の場合において吐出インク滴１２Ａ，１２
Ｂの質量（大きさ）の違いを示している。インクメニス
カスの位置は、第２の発熱体９Ｂの作用に起因して、第
１の吐出口４Ａ，第２の吐出口４Ｂに形成することがで
き、吐出口の所定位置に形成されたインクの吐出する際
の原理は、前述の図２１で説明したと同様に、第１の発
熱体９Ａの作用によるバブルジェットのインク噴射に基
づく動作と同じである。

【００４２】次に、本発明に適用されるバブルジェット
ヘッドの製作方法を、図４〜図８に示した製作工程に従
って説明する。ここで示す実施例は、感光性樹脂の硬化
膜から成る吐出口、流路、共通液室に関するものであ
る。図中、３１は基板、３２はインク吐出圧発生素子、
３３は薄膜、３４は接着剤層、３５はドライフイルムフ
ォトレジスト、３６はフォトマスク、３７接着剤、３８
は平板、３９は溝である。

【００４３】図４の工程では、シリコン，ガラス，セラ
ミック，プラスチック，或いは金属等の基板３１上に発
熱素子やピエゾ素子等のインク吐出圧発生素子３２を所
望の個数配設し、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３３を被覆する。尚、インク吐出圧発生素子３
２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。

【００４４】図５に示す工程では、上記インク吐出圧発
生素子３２を有する基板３１の表面に接着剤層３４を約
１μ〜５μ程度の厚さに形成する。このとき、所望の液
体接着剤を周知の手法、例えば、スピンナーコート法，
ディップコート法，ローラーコート法によって、基板表
面に塗工した後、半硬化させておく。尚、具体的には、
スピンナーコート法の場合、粘度２〜１５ｃｐの接着剤
を１０００〜５０００ｒｐｍで塗布する。又、ディップ
コート法の場合は、粘度２０〜３０ｃｐの接着剤中に基
板１を浸漬した後、２０〜５０ｃｍ／分の一定速度で引
揚げる。更に、ローラーコート法の場合には、粘度１０
０〜３００ｃｐの接着剤をローラー間速６０〜２００ｃ
ｍ／分で塗布する。

【００４５】ここで使用する接着剤の種類は、所定の接
着力が示されれば、特に限定されないが、本発明におい
ては、とりわけ、光硬化性樹脂接着剤が製造上の便宜か
ら推奨されるものである。この様に、本発明において、
好適な光硬化性樹脂接着剤としては、例えば、不飽和ポ
リエステル樹脂と、分子中に少なくとも１つの不飽和二
重結合を有するモノマー，ダイマー或いはオリゴマー化
合物（メチルメタアクリレート、スチレン、ジアリルフ
タレート等）１又は不飽和ポリエステルと少なくとも１
つの不飽和二重結合を末鎖基或いは主鎖中持つように変
性したシリコン、ウレタン、エポキシ等の樹脂単数或い
はこれと、前記モノマー、ダイマー、オリゴマー等の組
合せ等からなるものである。又、本発明において、これ
らの接着剤の被接着剤界面がＳｉを基本とする化合物で
形成されている場合は、上記接着剤にシランカップリン
グ剤を混合するか、前もって基板３１の表面をシランカ
ップリング剤で処理することも有効である。

【００４６】続く図６に示す工程では、図５に示す工程
を経て得られた基板３１の接着剤層３４の表面を清浄化
すると共に乾燥させた後、接着剤層３４に重ねて、８０
℃〜１００℃程度に加温されたドライフイルムフォトレ
ジスト３５（膜厚、約２５μ〜１００μ）を０．３〜
０．４ｆ／分の速度、１〜３ｋｇ／ｃｍ²の加圧条件下
でラミネートする。このとき、ドライフイルムフォトレ
ジスト３５は、接着剤層３４に融着する。

【００４７】この後、使用した接着剤の性状に合わせ
て、接着剤層３４を紫外線で照射して本硬化させる。以
後、ドライフイルムフォトレジスト３５に相当の外圧が
加わった場合にも、基板３１から剥離することはない。
続いて、図６に示すように、基板面に設けたドライフイ
ルムフォトレジスト３５上に所定のパターンを有するフ
ォトマスク３６を重ね合わせた後、このフォトマスク３
６の上部から露光を行う。

【００４８】このとき、インク吐出圧発生素子３２の設
置位置と上記パターンの位置合わせを周知の手段で行っ
ておく必要がある。そして、本発明のヘッドにおいて、
吐出口先端部であるインク吐出領域Ｔは、図１〜３に示
すように、断面積の小さい第１の吐出口４Ａから断面積
の大きい第２の吐出口４Ｂと、その断面積が一定ではな
いので、上記パターンは前記インク吐出領域の形状に一
致するような形状を用いることとなる。

【００４９】図７は、上記露光済のドライフイルムフォ
トレジスト３５の未露光部分を、所定の有機溶剤からな
る現像液により溶解除去した工程後の状態を示す説明図
である。次に、基板３１に残されたドライフイルムフォ
トレジスト３５の露光された部分３５Ｐの耐インク性向
上のため、熱硬化処理（例えば、１５０〜２５０℃で３
０分〜６時間加熱）、又は紫外線照射（例えば、５０〜
２００ｍｗ／ｔｍ²、又はそれ以上の紫外線強度で）を
行い、充分に重合硬化反応を強める。上記熱硬化と紫外
線による硬化の両方を併用するのも効果的である。

【００５０】ところで、使用した接着剤層３４が溝３９
内に残存すると、インク中に溶出してインクを変質させ
たり、インク通路を目詰らせたり、或いは、インク吐出
圧発生素子３２の機能を損なう恐れがあるので、本発明
においては、ドライフイルムフォトレジスト３５に対す
るパターン露光時（図６）に接着剤層３４も同時に光硬
化させ、続く、有機溶剤による現像段階で未硬化の接着
剤層３４をドライフイルムフォトレジスト３５と共に溶
解除去する（図７）。

【００５１】図８は、上記のように充分な重合を終えて
硬化したドライフイルムフォトレジスト３５Ｐにより、
インク通路となる溝３９の形成された基板３１に、天井
を構成するため、平板３８を接着するか、単に圧着して
固定した状態を示す図面である。図８に示す工程におい
て、天井を構成するための具体的方法を下記に示す。
１）ガラス，セラミック，金属，プラスチック等の平板
３８に、エポキシ系接着剤を厚さ３〜４μだけスピンナ
ーコートした後、予備加熱して接着剤３７を、所謂Ｂス
テージ化させ、これを硬化したドライフイルムフォトレ
ジスト３５Ｐ上に貼り合わせて前記接着剤を本硬化させ
る。或いは、２）アクリル系樹脂，ＡＢＳ樹脂，ポリエ
チレン等の熱可塑性樹脂の平板３８を硬化したドライフ
イルムフォトレジスト３５Ｐ上に、直接熱融着させる方
法を用いることができる。

【００５２】次に、本発明の断面形状を異にするインク
吐出領域において、インクメニスカスの発生位置を変え
るための手段について説明する。その手段として、ヘッ
ドに係る背圧をコントロールする方法、或いは、ヒータ
ーによって気泡を発生させてコントロールする方法等を
適用することができる。

【００５３】先ず、最初に、ヘッドに係る背圧をコント
ロールする方法について説明する。図９はその具体的実
施例であり、記録ヘッドのオリフィス部分とインク供給
手段との関連を示したものである。ヘッドＨにおける流
路４５，インクを吐出するオリフィス４４の部分と、イ
ンク供給手段５３との間には、高さｈの水頭差による静
圧と、流路４５及びオリフィス４４における流体抵抗及
びオリフィス４４の表面張力によるインクメニスカス保
持力とのバランスがとれて、インクはオリフィス４４か
ら流れ出ないようになっている。

【００５４】この図９の実施例においても、図面上で明
らかに示されていないが、インクを吐出するオリフィス
４４の形状は、図１で示したと同様に、断面積の小さい
吐出口と大きい吐出口とからなり、前記水頭差によって
インクメニスカスを形成する位置を変更することができ
る。この図面において、４１は蓋基板、４２は発熱体基
板、４３は記録液体流入口、４６は液室を形成するため
の領域、４９は発熱体である。

【００５５】本発明では、図中に示した矢印Ａのよう
に、インク供給手段５３はその高さを可変として調整す
ることができる。このように、流路４５及びオリフィス
４４の側に対してインク供給手段としてのインク容器５
３の高さを可変とすることにより、本発明の記録ヘッド
Ｈのオリフィス部４４におけるインクメニスカスの位置
を容易に変えることができる。

【００５６】図９の実施例では、インク供給手段５３は
記録ヘッドのオリフィス部側より高い位置となるように
構成されているが、インク供給手段５３の位置を記録ヘ
ッドＨのオリフィス部よりも低い位置とすることによ
り、オリフィス４４におけるインクメニスカスを断面積
の小さい液室４６側に後退させることも可能である。
又、上記説明したようにインク供給手段５３の高さを可
変にする機構として、インク供給手段を取付保持する部
材に、ソレノイドを連結し、電気的手段でソレノイドを
上下に制御し、インク供給手段の高さを変えることが可
能である。

【００５７】次に、本発明の他の実施例として、複数個
のエネルギー作用部として、２個の発熱体９Ａ，９Ｂを
使用し、これら２個の発熱体９Ａ，９Ｂを吐出口４近傍
の流路５に沿って配置し、前記吐出口４としては、断面
積の小さい吐出口４Ａと断面積の大きい吐出口４Ｂとか
ら構成し、この２個の発熱体９Ａ，９Ｂをコントロール
し、吐出口４におけるインクメニスカスの位置を変え、
且つ流路に位置するインクに気泡を発生させて、吐出口
から飛翔させるインク滴の大きさを変化させる場合につ
いて説明する。この実施例を説明するため、吐出口及び
発熱体部分におけるインクの変化が、図１０〜図１７に
より示されている。図１０〜図１７の夫々は、上面図
（ａ），側断面図（ｂ）とからなる。

【００５８】図１０は定常状態であり、４Ａ，４Ｂから
なる吐出口４において、インク１０の表面張力と外圧と
が平衡状態にある。この場合、インクメニスカスは断面
積の小さい吐出口４Ｂに位置している。図１１では、吐
出口４から離れた流路５に配置されたエネルギー作用部
の一つである第２の発熱体９Ｂが加熱される。この場
合、第２の発熱体９Ｂは、図１０に位置するインクメニ
スカスの位置を、断面積の小さい第１の吐出口４Ａの位
置から断面積の大きい第２の吐出口４Ｂへ移動させるよ
うに作用し、したがって、インクが吐出口４から吐出し
ない程度の低いエネルギーが与えられ、その低いエネル
ギーによって気泡１１Ａが発生し、その気泡１１Ａの圧
力により、インクメニスカスは断面積の大きい第２の吐
出口４Ｂの近傍まで押し出される。

【００５９】その後、図１２に示されるように、第１の
発熱体９Ａが加熱されて、第１の発熱体９Ａ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迄加熱さ
れ、微小気泡１１Ｂが点在している状態を示す。更に引
き続いて、図１３のように、第１の発熱体９Ａ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１１Ｂが成長した状態を示す。この
時、ノズル内の圧力は、気泡が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崩れ、吐出口４Ｂより
インク柱が成長し始める。

【００６０】図１４は気泡１１Ｂ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
１０が押し出される。この時、第１の発熱体９Ａには電
流が流れていない状態にあり、第１の発熱体９Ａの表面
温度は降下しつつある。気泡１１Ｂ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。

【００６１】図１５は気泡１１Ｂ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１１Ｂの収縮に伴ってノズル内圧の減少により、
吐出口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。

【００６２】図１６は更に気泡１１Ｂが収縮し、二つの
発熱体９Ａ，９Ｂ面にインクが接し、発熱体面が更に急
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きている。インク柱の先端部は
液滴１２になり、記録紙の方向へ５〜１０ｍ／ｓｅｃの
速度で飛翔している。図１７は吐出口４にインクが毛細
管現象により再び供給されて図１０の状態に戻る過程で
あり、気泡は完全に消滅している。なお、気泡１１Ａは
気泡１１Ｂと同時或いはそれより前に消滅する。

【００６３】本発明は、エネルギー作用部として発熱体
を使用する代わりに、電歪振動子（ピエゾ素子）を使用
することも可能であり、電歪振動子を使用したオンデマ
ンド型のインクジェット方式にも適用できる。図１８に
は、エネルギー作用部として電歪振動子（ピエゾ素子）
５６を使用し、この電歪振動子（ピエゾ素子）５６にパ
ルス状の信号電圧を印加し、電歪振動子（ピエゾ素子）
を歪ませ、インク圧力室５７の容積を減少させて圧力波
を発生させ、オリフィス５８からインク滴５９を吐出さ
せる原理を示している。６０はインク供給口である。勿
論、インク圧力室及び電歪振動子（ピエゾ素子）を複数
個配列してマルチオリフィスヘッドを構成し、この構成
に本発明を適用できることは当然である。

【００６４】本発明において、インクメニスカスの位置
を変える手段として、エネルギー作用部を利用する場合
に、実施例としては、２個のエネルギー作用部を用いて
説明したが、これに限定されるものではなく、複数個の
作用部を組み合わせることによって可能であることを示
したものである。

【００６５】次に、本発明の具体例について説明する。具体例１図１の形状を有するインクジェットヘッドにおいて、断
面積の小さい第１の吐出口４Ａから断面積の大きい第２
の吐出口４Ｂからなるインク吐出領域は、第１の吐出口
４Ａの長さａを３２μｍ、第２の吐出口４Ｂの長さｂを
５０μｍとし、第１のヒーター９Ａのサイズを３０μｍ
×１００μｍとし、その抵抗値を１２０Ωとした。

【００６６】このような条件を有するインクジェットヘ
ッドにおいて、インクメニスカスの位置は断面積の小さ
い第１の吐出口４Ａの部分にあり、この状態において、
第１のヒーター９Ａのみを、駆動電圧を２５Ｖ、パルス
幅を６μｓ、連続駆動周波数を４ｋＨｚの条件で駆動し
た。この条件によって、記録された画素の平均径は、φ
９５μｍ（ｎ＝１０の平均値）であった。

【００６７】前記具体例１において、前述したと同様に
第１のヒーター９Ａに加えて、サイズ：３０μｍ×１０
０μｍとし、その抵抗値：１２０Ωからなる第２のヒー
ター９Ｂを図１に示すように設けた。そして、インクメ
ニスカスの位置は断面積の小さい第１の吐出口４Ａの部
分にある状態において、先ず、第２のヒーター９Ｂを、
次の条件により駆動した。駆動電圧：２０Ｖ、パルス幅：５μｓ、連続駆動周波
数：４ｋＨｚ

【００６８】その後、第２のヒーター９Ｂの駆動後、３
０μｓｅｃを経過した後に、第１のヒーター９Ａを、次
の条件で駆動した。駆動電圧：２５Ｖ、パルス幅：６μｓ、連続駆動周波
数：４ｋＨｚこのように、第２のヒーター９Ｂ、第１のヒーター９Ａ
の駆動により、吐出口から吐出された画素の平均径は、
φ１４０μｍ（ｎ＝１０の平均値）であった。また、こ
の例におけるインクメニスカスの位置は、断面積の小さ
い第１の吐出口４Ａの部分から断面積の大きい第２の吐
出口４Ｂの部分に移動していることが観察された。

【００６９】具体例２具体例１と同様の第１のヒーター９Ａ、第２のヒーター
９Ｂを使用し、第２のヒーター９Ｂは下記に示す表１の
条件で駆動し、この第２のヒーター９Ｂの駆動後、表１
に示す時間の経過した後に、第１のヒーター９Ａを具体
例１と同様の駆動条件で駆動した場合において、表１に
示すような画素径を有する画素が得られた。

【表１】

【００７０】具体例３図９の実施例に関するものであり、図１９に示す具体例
において、断面積の小さい第１の吐出口４Ａから断面積
の大きい第２の吐出口４Ｂからなるインク吐出領域は、
第１の吐出口４Ａの長さａを３２μｍ、第２の吐出口４
Ｂの長さｂを５０μｍとし、インク吐出領域の長さＬを
５０μｍとし、吐出口の端部とヒーター４９との間の距
離Ｔを１６０μｍとした。そして、ヒーター４９のサイ
ズを３０μｍ×１００μｍとし、その抵抗値：１２０Ω
とした。そして、ヒーター４９には、連続駆動周波数：
４ｋＨｚを与えた。

【００７１】この具体例３では、吐出口４４の中心から
インク供給タンク５３のインク面までの距離をｈとし、
供給タンク５３を図示の位置から前記距離ｈの上方への
移動を正で表し、下方への移動を負で表し、その移動量
に基づく画素の径は表２に示すように変化した。

【表２】

【００７２】具体例４この例では、エネルギー作用部として、ピエゾ素子を使
用している。図２０に示されるように、インク吐出領域
として、流路の端部には、断面積の小さい第１の吐出口
４Ａの部分の長さａを４２μｍ、断面積の大きい第２の
吐出口４Ｂの部分の長さｂを６０μｍとした。そして、
流路において、第１の吐出口４Ａに近い部分に１．５ｍ
ｍ（ｙ）×４ｍｍ（ｘ）の第１のピエゾ素子５６Ａが配
置されている。

【００７３】そして、インクメニスカスの位置が断面積
の小さい第１の吐出口４Ａの部分にあるインクに対し
て、第１のピエゾ素子５６Ａのみを次の駆動条件により
駆動した。駆動電圧：４５Ｖ、パルス幅：６μｓ、最大駆動周波
数：３．２ｋＨｚこの条件により、第１のピエゾ素子５６Ａが駆動された
結果、記録された画素の平均径は、φ１３５μｍ（ｎ＝
１０の平均値）となった。

【００７４】前記具体例４において、エネルギー作用部
には、前記第１のピエゾ素子５６Ａの他に、第２のピエ
ゾ素子５６Ｂが吐出領域と反対側の流路５に沿って配置
される。その第２のピエゾ素子５６Ｂの大きさは１．５
ｍｍ（ｙ）×２ｍｍ（ｘ）である。そこで、インクメニ
スカスの位置が断面積の小さい第１の吐出口４Ａの部分
にあるインクに対して、先ず、第２のピエゾ素子５６Ｂ
が、駆動電圧：３０Ｖ、パルス幅：５μｓ、最大駆動周
波数：３．２ｋＨｚで駆動された。

【００７５】そして、第２のピエゾ素子５６Ｂが駆動さ
れてから、４０μｓｅｃ経過した後、第１のピエゾ素子
５６Ａが、駆動電圧：２６．５Ｖ、パルス幅：６μｓ、
最大駆動周波数：３．２ｋＨｚで駆動された。この結
果、記録された画素の平均径は、φ１６２μｍ（ｎ＝１
０の平均値）となった。また、第２のピエゾ素子５６Ｂ
の作用により、インクメニスカスの位置が断面積の小さ
い第１の吐出口４Ａの部分から断面積の大きい第２の吐
出口４Ｂの部分に移動していることが観察された。

【００７６】

【発明の効果】本発明の構成により、インクジェットプ
リンタ等における各種のインクジェット記録手段におい
て、インク吐出領域の断面形状を変化させ、インクメニ
スカスの位置をエネルギー作用部の作用により又は吐出
口の中心からインク供給タンクの高さを変化させること
により変えることができ、１つの吐出口から質量，径の
異なるインク滴を吐出することができる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット記録手段におけるイン
ク吐出領域と発熱体部との構成を概略的に説明する図面
である。

【図２】本発明のインクジェット記録手段においてイン
クメニスカスの位置と飛翔インク滴との関連を示し、
（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

【図３】本発明のインクジェット記録手段において他の
インクメニスカスの位置と飛翔インク滴との関連を示
し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

【図４】本発明に適用されるバブルジェットヘッドの製
作方法の第１段階を示す説明図である。

【図５】本発明に適用されるバブルジェットヘッドの製
作方法の第２段階を示す説明図である。

【図６】本発明に適用されるバブルジェットヘッドの製
作方法の第３段階を示す説明図である。

【図７】本発明に適用されるバブルジェットヘッドの製
作方法の第４段階を示す説明図である。

【図８】本発明に適用されるバブルジェットヘッドの製
作方法の最終段階を示す説明図である。

【図９】本発明の一実施例を説明するための概略断面図
に関し、記録ヘッドに係る背圧をコントロールし、断面
積を変化させた吐出口におけるインクメニスカスの位置
を変える手段を示す。

【図１０】本発明の二つの熱エネルギー作用部を使用
し、インクメニスカスの位置を変え、インク滴を飛翔さ
せるための説明図である。

【図１１】本発明の二つの熱エネルギー作用部を使用
し、インクメニスカスの位置を変え、インク滴を飛翔さ
せるための説明図である。

【図１２】本発明の二つの熱エネルギー作用部を使用
し、インクメニスカスの位置を変え、インク滴を飛翔さ
せるための説明図である。

【図１３】本発明の二つの熱エネルギー作用部を使用
し、インクメニスカスの位置を変え、インク滴を飛翔さ
せるための説明図である。

【図１４】本発明の二つの熱エネルギー作用部を使用
し、インクメニスカスの位置を変え、インク滴を飛翔さ
せるための説明図である。

【図１５】本発明の二つの熱エネルギー作用部を使用
し、インクメニスカスの位置を変え、インク滴を飛翔さ
せるための説明図である。

【図１６】本発明の二つの熱エネルギー作用部を使用
し、インクメニスカスの位置を変え、インク滴を飛翔さ
せるための説明図である。

【図１７】本発明の二つの熱エネルギー作用部を使用
し、インクメニスカスの位置を変え、インク滴を飛翔さ
せるための説明図である。

【図１８】本発明を適用することができる電歪振動子を
使用したオンデマンド型のインクジェット方式の概略を
示す説明図である。

【図１９】図９の実施例を具体例として説明するための
説明図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図であ
る。

【図２０】図１８の電歪振動子（ピエゾ素子）を使用し
た具体例を説明するための説明図である。

【図２１】（ａ）〜（ｇ）は本発明が適用されるバブル
ジェットヘッドの動作説明図である。

【図２２】図２１に示したバブルジェットヘッドの斜視
図である。

【図２３】（ａ），（ｂ）は図２のヘッドにおいて、蓋
基板と発熱体基板に分解した斜視図である。

【図２４】図２３（ａ）に示した蓋基板を裏側から見た
斜視図である。

【図２５】液体噴射記録ヘッドの要部構成を説明するた
めの図面であり、（ａ）は吐出口側から見た正面詳細部
分図、（ｂ）は（ａ）図の一点鎖線ｘ−ｘで示す部分で
の断面部分図である。

【図２６】記録ヘッドにおいて発熱抵抗体を用いる気泡
発生部の構造を説明するための断面図である。

【符号の説明】

４Ａ断面積の小さい吐出口４Ｂ断面積の大きい吐出口５流路９発熱体（ヒータ）９Ａ第１の発熱体（吐出用発熱体）９Ｂ第２の発熱体（インクメニスカス形成
用発熱体）１０インク１１気泡１２飛翔インク滴４９発熱体５３インク容器（インク供給手段）５６Ａ第１の電歪振動子（ピエゾ素子）５６Ｂ第２の電歪振動子（ピエゾ素子）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−251150（ＪＰ，Ａ) 特開平３−213346（ＪＰ，Ａ) 特開平３−146349（ＪＰ，Ａ) 特開平３−81154（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/05 B41J 2/205

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一つの吐出口に対して単一のエネルギー
作用部を設け、前記吐出口は断面積の大きさを変化さ
せ、その断面積を変化させた吐出口において形成される
インクメニスカスの位置を、インク供給手段と吐出口と
の間の水頭差を変え、単一の吐出口より質量又は径の異
なるインク滴を飛翔させることができることを特徴とす
るインクジェット記録方法。
【請求項２】インク供給手段と、該インク供給手段か
らのインクを導く液室と、該液室から各吐出口にインク
を導く流路と、各流路に沿って配置され、夫々独立に駆
動できる単一のエネルギー作用部又は複数個のエネルギ
ー作用部と、前記各流路端に設けられた断面積を変化さ
せたインクを吐出する吐出口と、前記吐出口に形成され
るインクメニスカスの位置を変える手段とを備えたイン
クジェット記録ヘッドにおいて、インクメニスカスの発
生位置を変える手段は、吐出口の高さに対してインク供
給手段の高さを変化させる手段であることを特徴とする
インクジェット記録ヘッド。