JPH04113851A

JPH04113851A - 液体噴射記録装置

Info

Publication number: JPH04113851A
Application number: JP23529690A
Authority: JP
Inventors: Shuji Motomura; 本村　修二; Takuro Sekiya; 卓朗関谷; Takashi Kimura; 隆木村; Yoshio Watanabe; 好夫渡辺; Takayuki Yamaguchi; 隆行山口; Eiko Suzuki; 栄子鈴木
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1990-09-05
Filing date: 1990-09-05
Publication date: 1992-04-15

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】且１じＵＬ本発明は、液体噴射記録装置及び方法、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
射記録装置及び記録方法に関する。

灸來挟先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、例えば米国特許第３０６０４２９号
明細書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、例えば米国特許第３５９６２７５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、−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、例えば米国特許第３４１６１５３号明細
書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、例えば米国特許第３７４７１２０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ト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
フ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
の直接的エネルギが電気的エネルギであり、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、記録ヘット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の方式に比へ利点を比較的
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−ｄｅ＋ａａｎｄ）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
式の様に吐呂飛翔する小滴の中、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。丙午ら、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１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、記録ヘット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、この不都合も本呂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しさせ、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１７図乃至第１９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、７４．７５は電極、７６は
保護膜で、第１７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ΔＱ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１８図に示した例は、蓄積層７２の厚みを発熱
部△Ｑ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１９図に示した例は、発熱体７３の厚みに発熱
部ΔＱ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２０図乃至第２４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２０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２１図及び第２２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２３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２４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１７図〜第１９図に丞した例のような
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２０図〜第２
４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１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６３−４２８６９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６３４２８６９
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、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。

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、
第１の目的は製造が容易であり、耐久性にも優れ、高密
度配列が可能な階調記録が可能な液体噴射記録装置を提
供することにある。

構　　　成本発明は、上記目的を達成するために、（１）液体を吐
出して飛翔的液滴を形成する吐出口と、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
電気熱変換体層と、該電気熱変換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トから成り
１画像情報に応じて入力エネルギを変え、前記電気熱変
換体層は発熱量の異なる複数個の抵抗性加熱素子を直列
に並べて通電方向に熱勾配を形成し、前記電気熱変換体
層上で発生する気泡の大きさを変えて前記吐出口より吐
出する液体の量を変えること、更には、（２）前記、抵
抗性加熱素子を発熱量の異なる複数個の抵抗性加熱素子
を、該抵抗性加熱素子の発熱量が吐出口に向けて順次小
さくなる順序で配列したこと、更には、（３）前記、抵
抗性加熱素子は発熱体層の下に導電体片を設けたもので
あり、更には、（４）前記、抵抗性加熱素子は発熱体層
の間に導電体層を設けたものである。以下、本発明の実
施例に基いて説明する。

第１１図は、本発明が適用されるインクジェットヘッド
の一例としての液体噴射記録ヘッド（バブルジェットヘ
ッド）の動作説明をするための図、第１２図は、バブル
ジェットヘッドの一例を示す斜視図、第１３図は、第１
２図に示したヘットを構成する蓋基板（第１３図（ａ）
）と発熱体基板（第１３図（ｂ））に分解した時の斜視
図、第１４図は、第１３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、２
５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、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１１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〜Ｌ
ｏｒｎ／ｓｅｅ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１５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１５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１５図（ｂ）は、第１５図（ａ）に
−点鎖、ｍｘ−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側５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、各液吐出部の上
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１６図は１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１図中、６１は発熱抵抗体、
６２は電極、６３は保護層、６４は電源装置を示し、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−５ｉｎ２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１通常の場合、　０．００
１〜５μｍ、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、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的
液滴を形成する吐出口と、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電気熱変換体
層と、該電気熱変換体層に電気的に接続さ九る１対の電
極とを有する液体噴射記録ヘッドから成り、画像情報に
応じて入力エネルギを変え、前記電気熱変換体層は発熱
量の異なる複数個の抵抗性加熱素子を直列に並べて通電
方向に熱勾配を形成し、前記電気熱変換体層上で発生す
る気泡の大きさを変えて前記吐出口より吐出する液体の
量を変えることを特徴としたものである。

第１図（ａ）、（ｂ）は、本発明による液体噴射記録装
置の一実施例を示す要部（発熱体部）構成図、第２図（
ａ）、（ｂ）は１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部の構成図で、共に、図（
ａ）は平面図、図（ｂ）は図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図を
示し１図中、１は基板、２は蓄熱層、３は発熱抵抗体層
（以後、発熱体層と呼ぶ）、４は制御電極、５はアース
電極、６は保護層、７ａ、７ｂは導電体片で、本発明に
おいては、第１図（ａ）、（ｂ）に示すように、発熱体
層３に接して電気伝導率の高い材料でできた導電体片７
ａ、７ｂを設けて、該導電体片７ａ、７ｂに接している
発熱体層３部分の発熱を抑制することにより発熱体層３
を複数個の発熱部分に分離している。第１図においては
発熱体層３を３ａ、３ｂ、３ｃと３個の発熱部分に分離
しているが、本発明は３個に限定されるものではない。

前記導電体片７ａ、７ｂは、制御電極４側からアース電
極５側に行くにつれて発熱体層３の発熱部分３ａ、３ｂ
、３ｃの面積が単調に減小するように設けである。すな
わち１発熱部分３ａの面積〉３ｂの面積＞３ｃの面積に
選ばれである。

一般にバブルジェット技術においては、発熱体層３上で
膜沸騰現象による気泡が発生する際に。

発熱体層３と液体との接触面すなわち熱作用面の温度が
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、膜沸騰が生じる限界をしめず臨界温度以上にな
ることが必要である。もし臨界温度以上になる領域が発
熱体Ｍ３面上、すなわち熱作用面上の任意の位置で形成
されれば、発生気泡の大きさを任意に変えることができ
る。

第２図の通常の階調記録を行わない液体噴射記録装置に
おいては、発熱体層３に制御電極４とアース電極５を介
して電流を流して加熱したとき、発熱体層３はほぼ一様
に加熱されるので、熱作用面上の温度の空間変化は小さ
い。そのた、め、熱作用面上に、膜沸騰が生じるための
臨界温度に達した領域が出現してからその領域が熱作用
面の全面に広がるまでの時間は極めて短く、また、ある
印加電圧のもとて所定の時間電流を流したときに、膜沸
騰が生じるための臨界温度に達した領域が小さい場合に
、印加電圧をわずかに大きくすると、同じ時間電流を流
したときに膜沸騰が生じるための臨界温度に達した領域
が熱作用面に全面に広がる。従って、通電時間あるいは
印加電圧によって熱作用面上の臨界温度に達した領域の
大きさを制御するのは困難である。すなわち、従来のバ
ブルジェットにおいては、膜沸騰によって気泡が発生す
る、あるいは発生しないというｌがＯがの２値的な現象
となりがちであり、連続的に気泡の大きさを変えること
は困難であった。

これに対して１本発明の構造からなる発熱体部では通電
時間あるいは印加電圧によって気泡の大きさを制御する
ことができる。

第３図、第４図は、気泡発生の状態を説明するための図
で、第３図は、通電時間が短い場合、あるいは印加電圧
が小さい場合のもので加熱面積が大きい発熱部分３ａが
他の発熱部分３ｂ、３ｃよりも高温領域となり、気泡Ａ
は、この高温領域、すなわち制御電極４側に小さく片寄
って存在する。

第４図は、通電時間が長い場合、あるいは印加電圧が大
きい場合のもので、気泡Ａは加熱面積が大きい発熱部分
３ａから加熱面積が小さい発熱部分３ｃ、すなわちアー
ス電極５に向けて拡大した状態で存在する。すなわち、
通電時間あるいは印加電圧によって気泡Ａの大きさを制
御でき、また、気泡Ａを吐出口方向に向きを付けて成長
させることができるため大きな吐出力が得られる。

第５図は、発生気泡を示す図で、発熱体部は第１図の図
（ｂ）の断面図で、図中、Ａは発生気泡で、該発生気泡
Ａは点線で示したように入力エネルギを小さい値から大
きい値に変えてやることにより、膜沸騰による気泡発生
の臨界温度に達した領域が制御電極４側からアース電極
５側に向けて順次拡大する０点線は小さい気泡ａから徐
々に気泡ｂ、気泡Ｃという具合に気泡Ａが大きくなる様
子を示すものである。

第６図は、入力エネルギと発生する気泡の大きさの関係
を示す図、第７図は、発生した気泡と吐出されるインク
量との関係を示す図で、所定値以上の入力エネルギでは
発生する気泡の大きさはほぼ入力エネルギに比例し、吐
出インク量は気泡の大きさに比例することを示している
。すなわち入力エネルギと吐出インク量とは比例してお
り、良好な階調記録が得られることを示している。入力
エネルギとしては、パルス電圧、パルス幅の何れかを変
えてもよいが、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、パルス幅も最大３０μｓｅｃ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。

また１本発明の構造の発熱体部は、発熱体層３上に発熱
量の異なる複数個の抵抗性加熱素子を直列に並べて通電
方向に熱勾配を形成したものであるから、第１７〜１９
図に図示した従来技術、すなわち発熱体層または蓄熱層
または保護層の厚さに勾配を設けて熱作用面上の高温領
域の大きさを制御する方式に比べて作成が容易である。

また、第２０〜２４図に図示した従来技術、すなわち、
発熱体層のパターン幅を変えることにより熱作用面上の
高温領域の大きさを制御する方式に比べて耐久性が高い
。

第８図は、本発明の他の実施例を説明するための図で１
図中、第１図と同じ作用を有する要素には同一の符号を
付しである。８ａ、８ｂは導電体片で、該導電体片８ａ
、８ｂを発熱体層３の下部に形成しており、該導電体片
８ａ、８ｂにより発熱体層３を発熱部分９ａ、９ｂ、９
ｃに区分し、各々の発熱部分は発熱部分９ａの面積＞９
ｂの面積＞９ｃの面積の関係を有し１発熱部分９ａ、９
ｂ、９ｃの発熱量が制御電極４からアース電極５に向け
て、すなわち吐出口に向けて順に小さくしたもので、第
１図（ａ）、（ｂ）の場合と同様の気泡発生作用が得ら
れる。

第９図は、本発明の他の実施例を説明するための図で、
図中、第１図と同じ作用を有する要素には同一の符号を
付しである。１０ａ、１０ｂおよび１０ｃは分離した発
熱体層、ｌｌａ、ｌｌｂは導電体片で１分離した発熱体
層１０ａ、１０ｂおよび１０ｃは発熱体層１０ａの面積
＞１０ｂの面積〉１０ｃの面積に定められ、相隣る区分
した発熱体層１０　ａ　、　１０．　ｂ　、　１０　ｃ
間を導電体片１１ａ、ｌｌｂで直列に接続し１分離した
発熱部分１０ａ、１０ｂ、１０ｃの発熱量は吐出口に向
けて順次小さくしており第１図（ａ）、（ｂ）の場合と
同様の気泡発生作用が得られる。

第１０図（ａ）、（ｂ）は、本発明の他の実施例を説明
するための図で、図（ａ）は平面図、図（ｂ）は図（ａ
）のＢ−Ｂ＠断面である。図中、第１図と同じ作用を有
する要素には同一の符号を付している。１２ａ、１２ｂ
および１２ｃは発熱体部分であり、該発熱体部分１２ａ
、１２ｂおよび１２ｃは電気抵抗率が各々異なり、制御
電極４側からアース電極５側に向って順次小さくなるよ
うに配置して直列接続し一つの発熱体層を構成している
。なお、発熱体の各部分１２ａ、１２ｂおよび１２ｃの
通電方向の幅は通電時の熱作用面上の温度勾配が適切に
なるように１発熱体の各部分の電気抵抗率を考慮して定
められるもので、等幅に図示しているが、この条件を満
足するのであれば等幅にするとは限らない、また、図中
、発熱体部分を３個としているが、３個に限る必要はな
い。

以上に本発明の実施例について簡単に説明してきたが５
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０例えば第１図、第２図、第５図、第８図、第９図
、第１０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
接触しないようにすることが好ましい、また第２図およ
び第１０図の平面図（図（ａ））において、発熱体層上
の保護膜が、さらに第１図の平面図（図（ａ））、第３
図、第４図において、発熱体層および導電体片上の保護
膜が、省略されているが、これも図が複雑になるのを避
けるためであり、実際には、保護膜が存在する。

導電体片を構成する材料としては、電極を構成する材料
と同様に、電気伝導率が高く、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１例えばＡＱ、Ａｇ
、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ等が挙げられ、これらを使用して、
導電体片を蒸着やスパッタリング等の手法で所定位置に
、所定の大きさ、形状、厚さで形成することができる。

導電体片を構成する材料と電極を構成する材料とは同じ
ものであっても構わない。導電体片の膜厚は、第１図お
よび第８図の実施例の構成においては１発熱体層のそれ
に接している部分の発熱量が所望の値にまで低下するよ
うに、また第９図の実施例の構成においては、導電体片
自身の発熱量が所望の値にまで低下するように、導電体
片の材質及び発熱体層の材質と厚さ、印加電圧、通電時
間等により決定されるものであるが、通常の場合、０．
００１〜５μｍである。導電体片の幅および導電体片を
置く位置は、導電体片により分離された発熱体層の各部
分からの発熱量が互いに適切な割合をなし１通電時の熱
作用面上の温度勾配が適切になるように、導電体片およ
び発熱体層の電気抵抗率を考慮して決める。

第１０図の実施例の場合は、発熱体の各部分を成す材料
としては、タンタル−８ｉ○２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１、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等の発熱抵抗体のうち
から、通電時の熱作用面上の温度勾配が適切になるよう
に、各部分の面積および電気抵抗率を考慮して、適切な
材質のものを選択し組合わせて使用する。

次に、第１図に示した液体噴射記録ヘットの具体的な製
造方法について説明する。まず、熱酸化により基板１の
シリコンウェハ表面にＳ　ｉ　Ｏ２膜を２μｍ成長させ
て蓄熱層２とした。次に、発熱体層３として、Ｔａ２Ｎ
を２２００人スパッタリングした。次に、電極４．５お
よび導電体片７としてＡｕを８０００人蒸着した。この
とき、電極４，５の間の距離は８５μｍとし、制御電極
４からアース電極５側へ計って３０〜４５μｍおよび６
０〜７５μｍの位置に＠１５μｍの導電体片が存在する
ようにした。次に、発熱体層の保護膜６としてＳ　ｉ　
Ｏ２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（図示せず）として、Ｔａを３
０００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
を利用した。導電体片を併せた発熱体部分の形状は、２
４μｍ×８５μｍの長方形であり、このうち２４μｍ　
Ｘ　１．５μｍの長方形２個分が導電体片で占められて
いる。なお電極幅は、発熱体部分形状の短手方向の２４
μｍである。

効　　　果以上の説明から明らかなように、本発明によると以下の
ような効果がある。

（１）シリコンウェハの基板上に、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
に電気熱変換層を形成できるので、製造が容易で高密度
配列を可能とし、しかも高精度な液体噴射記録装置を提
供することができる。また、電気熱変換体層が発熱量の
異なる複数個の加熱素子を並べて形成されていることに
より、気泡の体積の入力エネルギ変化に対する感度が増
大し、入力エネルギによるインク吐出量の制御能力が増
し、階調性の優れた記録が得られる。

（２）前記加熱素子の発熱量が、吐出口方向に順次小さ
くなっていることにより、気泡成長の吐出口方向への指
向性が増すのでインク吐出力が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による液体噴射記録装置の一実施例を
示す要部構成図、第２図は、通常の階調記録を行わない
液体噴射記録装置の要部構成図。第３図、第４図は、気泡発生の状態を説明するための図
、第５図は、発生気泡を示す図、第６図は。入力エネルギと発生する気泡の大きさの関係を示す図、
第７図は１発生した気泡と吐出されるインク量との関係
を示す図、第８図乃至第１０図は、本発明の他の実施例
を説明するための図、第１１図は１本発明が適用される
液体噴射記録ヘッドの動作を説明するための図、第１２
図は、液体噴射記録ヘッドの一例を示す斜視図、第１３
図は、第１２図に示したヘッド蓋基板と発熱体基板を分
解した斜視図、第１４図は、第１３図に示した蓋基板を
裏側から見た斜視図、第１５図は、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、第１６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、第１７図乃至第１９図は、従来の電気熱
変換体の例を示す断面図、第２０乃至第２４図は、従来
の電気熱変換体の例を示す平面構造図である。１・・・基板、２・・・蓄熱層、３，９，１０，１２・
・・発熱体層、４・・・制御電極、５・・・アース電極
、６・・保護層、７，８．１１・・・導電体片。第図（ｂ）第図（ｂ）第図第図蔦　１０　　図１０＋（ｂ）第図第図第図第図第図第］コ図（ｅ） ○熔＝＝第図第図／ｆ”１１第図第図第図第図第１５図（Ｑ。（ｂ）第図第図第図第図

Claims

【特許請求の範囲】１、液体を吐出して飛翔的液滴を形成する吐出口と、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
生じせしめる電気熱変換体層と、該電気熱変換体層に電
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
ッドから成り、画像情報に応じて入力エネルギを変え、
前記電気熱変換体層は発熱量の異なる複数個の抵抗性加
熱素子を直列に並べて通電方向に熱勾配を形成し、前記
電気熱変換体層上で発生する気泡の大きさを変えて前記
吐出口より吐出する液体の量を変えることを特徴とする
液体噴射記録装置。２、発熱量の異なる複数個の抵抗性加熱素子を、該抵抗
性加熱素子の発熱量が吐出口に向けて順次小さくなる順
序で配列したことを特徴とする請求項１記載の液体噴射
記録装置。