JPH0465247A - 液体噴射記録装置及び方法 - Google Patents

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】 技術分野 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。

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Ｕ　Ｓ　Ｐ　３０６０４２９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Ｕ　Ｓ　Ｐ　３５９６２７５、Ｕ
ＳＰ　３２９８０３０等に開示されている方式（Ｓｗｅ
ｅｔ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Ｕ　Ｓ　Ｐ　３４１６１５３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Ｕ　Ｓ　Ｐ　３７４７１２０に開
示されている方式（Ｓｔｅ園ｗａｅ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Ｓｔｅａｍｓ方式は、
記録信号に応じて吐出口より記録液体のｔＪ１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、ｌ
ＪＸ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、構成上複軸であり、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品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、導電性の記録液体に使用する必要性が
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、記録ヘッド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２３図乃至第２５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２３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△Ω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２４図に示した例は、蓄積層７２の厚みを発熱
部ΔＱ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Δρ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２５図に示した例は、発熱体７３の厚みに発熱
部△Ｑに於いて勾配を設けて発熱体７３を蓄積層６２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２６図乃至第３０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２６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２７図及び第２８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２９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８２，８３ｔｒ各々
接続したものである。

また、第３０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、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２３図〜第２５図に示した例のような
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２６図〜第３
０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
タイミングのズレ髪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６３−４２８６
９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６３
−４２８６９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
供することにあり、他の目的は階調記録方法を提案する
ことにある。

濃−一戊 本発明は、上記目的を達成するために、（１）液体を吐
出して飛翔液滴を形成するための吐出口と、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
めるための電気熱変換体層と、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
ドを具備する液体噴射記録装置において、前記電気熱変
換体上及びその近傍の電極上に伝熱構造体を形成し、通
電方向に熱勾配を持つようにし、画像情報に応じて入力
エネルギーを可変としたこと、或いは。

（２）液体を吐出して飛翔液滴を形成するための吐出口
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ための電気熱変換体層と、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
体噴射記録ヘッド登使用する液体噴射記録方法において
、画像情報に応じて入力エネルギーを変え、前記電気熱
変換体上及びその近傍の電極上において通電方向に熱勾
配を生じせしめ、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
えるようにしたことを特徴としたものである。以下、本
発明の実施例に基いて説明する。

第１７図は、本発明が適用されるインクジェットヘッド
の一例としてのバブルジェットヘッドの動作説明をする
ための図、第１８図は、バブルジェットヘッドの一例を
示す斜視図、第１９図は、第１８図に示したヘッドを構
成する蓋基板（第１９図（ａ））と発熱体基板（第１９
図（ｂ））に分解した時の斜視図、第２０図は、第１９
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、２５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１７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
。

（ｃｉ）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５〜１
０　ｍ　／　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２１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２１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２１図（ｂ）は、第２１図（ａ）に
−点鎖線Ｘ−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４５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２２図は２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、図中、６１は発熱抵抗体、６
２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、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、（１）液体を吐出して
飛翔液滴を形成するための吐出口と、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た
めの電気熱変換体層と、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を具
備する液体噴射記録装置において、前記電気熱変換体上
及びその近傍の電極上に伝熱構造体を形成し、通電方向
に熱勾配を持つようにし、画像情報に応じて入力エネル
ギーを可変としたこと、或いは、（２）液体を吐出して
飛翔液滴を形成するための吐出口と、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た
めの電気熱変換体層と、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を使
用する液体噴射記録方法において、画像情報に応じて入
力エネルギーを変え、前記電気熱変換体上及びその近傍
の電極上において通電方向に熱勾配を生じせしめ、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ようにしたことを
特徴としたものである。

第１３図は、従来より知られているバブルジェット液体
噴射記録装置の発熱部を示したものである。（ａ）図は
平面図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線断面図を示し、
図中、１０は基板、１１は蓄熱層、１２は発熱体層、１
３は制御電極、１４はアース電極、１５は保護層である
。図が複雑になるのを避けるために、（ａ）図で保護層
１５を、また（ａ）図および（ｂ）図で電極保護層を省
略しであることに注意されたい。

第１４図は、第１３図の発熱部に電流を流して加熱した
ときの、第１３図中の点Ａと点Ａ′を結ぶ線上の温度分
布を示したものである。発熱部は一様に加熱されるので
、点Ａと点Ａ′を結ぶ線上の温度変化は小さい。

第１５図は、第１３図の発熱部に電流を流して加熱した
ときの、第１３図中の発熱部と液体との接触面上の点Ｃ
と点Ｃ′を結ぶ線上の温度分布を示したものである。点
Ａと点Ａ′を結ぶ線上の温度変化が小さいことを受けて
１点Ｃと点Ｃ′を結ぶ線上の温度変化も小さい。そのた
め、発熱部と液体との接触面（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で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の全面に広がる。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２プ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１か
Ｏかの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が困難であった。

第１６図は、第１３図の発熱部に電流を流して加熱した
ときの、第１３図中の点Ａと点Ａ　ｌ　ｌを結ぶ線上の
温度分布を示したものである。上述のように点Ａと点Ａ
′を結ぶ線は発熱部上にあるのでその線上での温度変化
は小さいが、点Ａと点Ａ　ｌ　ｌを結ぶ線は発熱部から
遠ざかる方向に伸びているのでその線上の温度変化は大
きく、この温度変化を利用して膜沸騰が生じるための臨
界温度に達した領域の大きさを制御すること、いいかえ
るならば、発生する気泡の大きさを制御することは十分
可能である。

本発明は、この点Ａと点Ａｌｌを結ぶ線上の温度変化と
同様の温度変化を熱作用面上に作り出すことによって、
熱作用面上で膜沸騰が生じるための臨界温度に達する領
域の大きさを制御しようとするものである。すなわち、
伝熱体と断熱体とをうまく組み合わせることによって１
発熱体層で発生した熱を熱作用面上に効果的に漏出させ
ることにより熱作用面上に熱勾配を作り出し、膜沸騰が
生しるための臨界温度に達した領域の大きさを制御でき
るようにしようとするものである。

第１図は、本発明によるバブルジェット液体噴射記録装
置の要部（発熱体部）構成図で、（ａ）図は平面図、（
ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線断面図を示し、図中、１０
は基板、１１は蓄熱層、１２は発熱体層、１３は制御電
極、１４はアース電極、１６は断熱体、１７は伝熱体、
１８は絶縁層で１本発明においては、第１図に示すよう
に、アース電極１４側においては発熱体層１２の電極で
覆われていない部分の上および絶縁４１８を介してのア
ース電極１４の上に伝熱体１７が、また、制御電極１３
側においては、発熱体層１２の電極で覆われていない部
分の上および制御電極１３の上に断熱体１６が設けであ
る。伝熱体１７と断熱体１６の厚さは、それぞれの材質
１発熱領域の形状、印加電圧、通電時間等にしたがって
、熱作用面上の温度分布が最適になるように決定される
。

同様に、伝熱体と断熱体との境界が置かれる発熱体層上
の位置も、それぞれの材質、厚さ、発熱領域の形状、印
加電圧、通電時間等にしたがって、熱作用面上の温度分
布が最適になるように決定されるが、発熱体層の電極１
３．１４および絶縁層１８で覆われていない部分の長さ
の、アース電極１４側から１１５〜２／３の位置に来る
ようにするのが好ましい。

第２図は、第１図に示した発熱体部に電流を流して加熱
したときの縦断面温度分布を等温曲線Ｔで示したもので
ある。熱が熱伝導率の高い伝熱体。

電極および発熱体を通して拡散するため、伝熱体の発熱
部に近い部分の温度が高くなっている。

方、断熱体１６が十分に厚ければ、断熱体１６に妨げら
れて断熱体１６の上部にまで拡散する熱量は少なく、断
熱体１６の上面の温度上昇が抑制される。したがって、
第１図中に示した点りから伝熱体の上面に添って点Ｄ′
まで引いた線上の温度分布は第３図に示したようになる
。すなわち１点りの近傍からオリフィス方向に負の温度
勾配ができる。

伝熱体を構成する材料としては、一般に熱伝導率が高く
、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、このような材料として、金、銀、銅、アルミニ
ウム、タングステン、クロム、ゲルマニウム、白金、タ
ンタル、チタン等が挙げられるが、本発明は特にこれら
に限定されるものではない。断熱体を構成する材料とし
ては、一般に熱伝導率が低く、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、たとえば、酸化シ
リコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン
、酸化タンタル、酸化マグネシウムその他が挙げられ、
電子ビーム蒸着やスパッタリング等の手法で形成できる
。

このような発熱体層近傍で温度勾配を持つヘッドに対し
て、本発明では、更に、画像情報に応じて、発熱体層へ
の入力エネルギーを変えるようになっている。一般に、
バブルジェット技術においては発熱体層上で膜沸騰現象
により気泡が発生する際には、熱作用面の温度が瞬時的
にある臨界温度以上の温度になることが必要である。こ
の臨界温度以上になる領域の大きさを入力エネルギーに
よって変えることができれば、発生気泡の大きさを制御
することができる。本発明のヘッドでは、第４図に１，
２で示したように、通電時間を長くするあるいは印加電
圧を大きくするにしたがって。

膜沸騰が生じるための臨界温度に達した領域がオリフィ
ス方向に伸びていく、第５図は、第１図の断面部に発生
した気泡を点線で示したもので、入力エネルギーを小さ
い値から大きい値に変えてやることにより、膜沸騰によ
る気泡発生の臨界点位置が温度勾配に応じて順次移動す
るため、第５図の点線で示したように、小さい気泡１か
ら徐々に２．３という具合に気泡１９が大きくなるので
ある。

第６図に、入力エネルギーと発生する気泡の大きさの関
係を、第７図には１発生した気泡と吐出されるインク量
の関係を示す、入力エネルギーとしては、パルス電圧、
パルス巾のどちらを変えても良いが、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、パルス巾も最大３０μｓ
ｅｃ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。

第８図は、本発明の別の実施例を説明するための図であ
り、（ａ）図は平面図、（ｂ）図は（ａ）図のＢ−Ｂ線
断面図を示し、図中、１０は基板、１１は蓄熱層、１２
は発熱体層、１３は制御電極、１４はアース電極、１６
は断熱体、１７は伝熱体。

１８は絶縁層である。この場合は、第１図の場合と層構
成は同じであるが、伝熱体と断熱体の位置関係が第１図
の場合と逆になっている。この場合は、熱作用面上にで
きる温度勾配は、第１図の場合と逆向き、すなわちオリ
フィス方向に正となる。

この場合も気泡の大きさを制御できるという点は、第１
図の場合とまったく同じであるが、第１図の場合の方が
、気泡がオリフィス側に拡大していくため、この場合よ
り液体の吐出効率がやや良い。

第９図は、本発明のさらに別の実施例を説明するための
図であり、この場合は、アース電極１４が伝熱体の一部
を兼ねている。第９図中には明示していないがアース電
極１４と伝熱体１７の間には電気の絶縁処理がなされて
いる。第９図の発熱体部に電流を流して加熱したときの
縦断面温度分布を、第１０図に等温曲線Ｔにて示す。

第１１図は、本発明のさらに別の実施例を説明するため
の図であり、この場合は、発熱体層１２の一部が伝熱体
を兼ねている。

第１２図は、本発明のさらに別の実施例を説明するため
の図であり、この場合は、断熱体１６で覆われている発
熱体層１２の下に放熱体２ｏを設けである。この放熱体
２０は、断熱体で覆われている部分に熱がこもるのを防
止する働きをする。

以上に本発明の実施例について簡単に説明してきたが、
図が複雑になることを考慮して説明を省略した所がある
。例えば、第１図、第５図、第８図の断面図（（ｂ）図
）および第９図、第１２図、第１３図において電極がむ
き出しになっているところがあるが、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接触しないよ
うにすることが好ましい。また、第１−図、第５図、第
８図、第９図、第１２図の伝熱体および断熱体、第１１
図の発熱体および断熱体についても同様に、もしインク
に腐食されるような材料を使用する場合は、保護膜を設
けるべきである。また、第１３図（ａ）の平面図におい
て、発熱体層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。

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、熱酸化によりシリコン
ウェハの表面にＳｉＣ２膜を２μｍ成長させて蓄熱層１
１とした。次に、発熱体層１２として、Ｔａ２Ｎを２２
００人スパッタリングした。

次に、電極１３．１４としてＡｕを８０００人蒸着九九
。次に、電極１４の上に、絶縁体として５１０２を５０
００人スパッタリングした。次に、発熱体層の電極に覆
われていない部分の電極１４側４分の１部分の上および
絶縁体の上に、伝熱体としてＡＵを］００００人蒸着九
九。次に、発熱体層の電極または絶縁体に覆われていな
い部分および電極１３を覆うように、断熱体としてＳ　
ｉ　Ｏ２を１５０００人スパッタリングした。さらに、
伝熱体および断熱体の上に耐キヤビテーシヨン層として
、Ｔａを３０００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、最終的な発熱体のパターンは、２
４μｍ　Ｘ　８０μｍの長方形としている。なお、電極
幅は、発熱体パターンの短手方向の２４μｍであり、断
熱体幅は、４８μｍである。

免−一部 以上の説明から明らかなように、請求項第１項に記載の
発明によると、従来より知られているバブルジェットヘ
ッドの発熱体部分に薄膜形成技術、フォトリソ技術、フ
ォトエツチング技術等を用いて、平面的に伝熱体および
断熱体を形成できるので、製造が容易で、しかも高精度
にできる。また。

請求項第２項に記載された発明によると、上述のように
して形成されたヘッドを用いて入力エネルギーを変える
ことにより、容易に吐出インク量を制御できるため、階
調記録が可能となる、等の利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるバブルジェット液体噴射記録装
置の発熱部の構成を示す図、第２図は、第１図に示した
発熱体部に電流を流して加熱した時の縦断面温度分布を
示す図、第３図は、伝熱体の上面に沿う温度分布を示す
図、第４図は、臨界温度領域を説明するための図、第５
図は、気泡発生の大きさを変える原理を説明するための
図、第６図は、入力エネルギーと気泡の大きさの関係を
示す図、第７図は、気泡の大きさと出力インク量の関係
を示す図、第８図及び第９図は、それぞれ本発明の他の
実施例を示す図、第１０図は、第９図の発熱体部に電流
を流して加熱した時の縦断面温度分布を示す図、第１１
図及び第１２図は、それぞれ本発明の他の実施例を説明
するための図、第１３図は、従来のバブルジェット液体
噴射記録装置の発熱部を説明するための図、第１４図乃
至第１６図は、それぞれ第１３図に示した発熱体部上の
温度分布を示す図、第１７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バブルジェットヘッ
ドの動作説明をするための図、第１８図は、バブルジェ
ットヘッドの一例を示す斜視図、第１９図は、分解斜視
図、第２０図は、蓋基板を裏面から見た図、第２１図は
、バブルジェット記録ヘッドの詳細を説明するための図
、第２２図は、発熱抵抗体を用いた気泡発生手段の構造
を説明するための図、第２３図乃至第３０図は、それぞ
れ従来の発熱体層の構成を示す図で、第２３図乃至第２
５図は、保護層、蓄熱層、或いは、発熱体層の厚を徐々
に変えるようにした例、第２６図乃至第３０図は、発熱
体層のパターン巾を徐々に変えるようにした例である。 １０・・・基板、１１・・・蓄熱層、１２・・・発熱体
層。 １３・・・制御電極、１４・・・アース電極、１５・・
・保護層、１６・・・断熱体、１７・・・伝熱体、１８
・・・絶縁層、１９・・・気泡、２０・・・放熱体。 第 図 第 図 第 図 第１図 （Ｃ） ｆｂ） 入力エネルギ 気泡の大ぎぎ（Ｉｊｍ＋ 第８図 （Ｏン 第 図 、　ＴＯ 第 図 〜！Ｏ 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 ２］ 図 （Ｑ） （ｂン 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第２４ 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、液体を吐出して飛翔液滴を形成するための吐出口と
   、前記液体を吐出するために前記液体に熱による状態変
   化を生じせしめるための電気熱変換体層と、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
   噴射記録ヘッドを具備する液体噴射記録装置において、
   前記電気熱変換体上及びその近傍の電極上に伝熱構造体
   を形成し、通電方向に熱勾配を持つようにし、画像情報
   に応じて入力エネルギーを可変としたことを特徴とする
   液体噴射記録装置。 ２、液体を吐出して飛翔液滴を形成するための吐出口と
   、前記液体を吐出するために前記液体に熱による状態変
   化を生じせしめるための電気熱変換体層と、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
   噴射記録ヘッドを使用する液体噴射記録方法において、
   画像情報に応じて入力エネルギーを変え、前記電気熱変
   換体上及びその近傍の電極上において通電方向に熱勾配
   を生じせしめ、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
   るようにしたことを特徴とする液体噴射記録方法。