JPS6342872A - インクジエツト記録ヘツド - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は一般にインクと呼ばれる記録液を小滴化し、こ
のインクの小滴を被記録面に付着させることによって記
録を行うインクジェット記録装置に適用されるインクジ
ェット記録ヘッドに関し、特に熱エネルギの作用により
記録液滴の吐出を行うインクジェット記録ヘッドに関す
るものである。

〔従来の技術〕

インクジェット記録装置に適用される記録ヘッドは、一
般に、微小な液体吐出口（オリフィス）と、液体流路と
この液体流路の一部に設けられるエネルギ作用部と、該
作用部にある液体に作用させる液滴形成エネルギを発生
するエネルギ発生手段とを具えている。

このような記録ヘッドには、エネルギ発生手段にピエゾ
素子等の電気機械変換体を用いたもの、レーザー等の電
磁波を照射してそこにある液体に吸収させて発熱させ、
該発熱による作用で液滴を吐出、飛翔させるべ（電磁波
照射手段を用いたもの、あるいは電気熱変換体を用いた
もの等がある。

中でも、電気熱変換体をエネルギ発生手段にもつインク
ジェット記録ヘッドは、記録用の液体を吐出して飛翔用
液滴を形成するための液体吐出口（オリフィス）を高密
度に配列することができるために高解像力の記録をする
ことが可能であること、記録ヘッドとして全体的なコン
パクト化も容易であること、最近の半導体分野における
技術の退歩と信頼性の向上が著しいＩＣ技術やマイクロ
加工技術の長所を十二分に活用でき、長尺化および面状
化（２次元化）が容易であること等により、マルチノズ
ル化および高密度実装化が容易で、しかも大量生産時の
生産性が良く製造費用も廉価にできるものとして特に注
目されている。

このようなエネルギ発生手段に電気熱変換体を用い半導
体製造プロセスを経てマルチノズルに形成されたインク
ジェット記録ヘッドは、各オリフィスに対応した液体流
路が設けられ、液体流路を満たす液体に熱エネルギを作
用させて対応するオリフィスより液体を吐出して飛翔液
滴を形成する手段としての電気熱変換体が液体流路毎に
設けられ、各液体流路には、各液体流路に連通している
共通液室より液体が供給されるようにした構成を有して
いる。

第３図は斯るインクジェット記録ヘッドの概略構成を示
す。この記録ヘッドは、エツチング、蒸着、スパッタリ
ング等の半導体製造プロセスを経て、例えば、ノズル密
度１６ノズル／　ｍ　ｍという高密度のノズル配置で１
２８ノズルあるいは２５６ノズルを有するように構成さ
れ、基板２上に製膜された電気熱変換体層３Ａ、電極４
、ノズル壁５および天板６から成るものである。記録用
液体１２は図示していない液体貯蔵室から液体供給管７
を介して記録・＼ラド１の共通液室８内に供給される。

なお、９は液体供給管用コネクタである。

共通液室８内に供給された記録用液体１２は毛管現象に
よりノズル断面積に供給され、ノズル先端のオリフィス
面でメニスカスを形成することにより安定に保持される
。この状態で電気熱変換体３に通電を行うことにより、
電気熱変換体面上の液体が加熱され発泡現象が生じ、そ
の発泡のエネルギによりオリフィス１１から液滴が吐出
する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、電気熱変換体を用いて高密度に配置されたマ
ルチノズルを有する記録ヘッドを構成する場合、各ノズ
ルから吐出される液滴の均一性を保つために各ノ・ズル
のノズル長、ノズル断面積、オリフィス面積、オリフィ
スと電気熱変換体との距離は全ノズルに対して均等とな
るようにされている。

また、第４図（Ａ）および第４図（Ｂ）に示すように、
従来は電気熱変換体３の幅ｋ、長さ！および膜厚ｄも全
ノズルに対して均等となるように設定されていた。一方
、電気熱変換体３への通電により発生した熱エネルギに
より、電気熱変換体３上面でノズル内インクが発泡する
領域Ｖは、電気熱変換体３ａ面積（ｋＸｊ７．）に支配
されるので、記録用の吐出、液滴量は一定量となる。従
って、従来、このような電気熱変換体を用いたインクジ
ェット記録ヘッドでは、吐出液滴】を制御することによ
って所望の階調を有する階調記録を行うことが難しいと
いう問題点があった。

〔間通点を解決するための手段〕

本発明は、かかる従来の問題点を育決し、熱エネルギを
利用して液体吐出を行うインクジェット記録ヘッドにお
いて、吐出液滴量を制御することにより階調記録を行う
ことができるインクジェット記録ヘッドを提供すること
を目的とする。

そのため、本発明では、液体を吐出して飛翔液滴を形成
するための吐出口と、液体を吐出するための熱エネルギ
を発生するための電気熱変換体層および電気熱変換体層
に電気的に接続される一対の電極を有する電気熱変換体
とを具えたインクジェット記録ヘッドにおいて、電気熱
変換体は電気熱変換体の通電方向に垂直な方向における
電気熱変換体層の層厚が、垂直な方向における電気熱変
換体の中心線から左右対称に中心線部分が連続的に厚く
なるよう変化していることを特徴とするインクジェット
記録ヘッドを、提供する。

〔作用〕

すなわち、本発明によれば、電気熱変換体に供給する駆
動信号の通電時間または電圧を変更すれば、吐出口ごと
に液体の発泡体積を変更して吐出量を１周整することが
できるようになり、階調記録が容易かつ確実に行えるよ
うになる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

一般に、熱伝導率Ｋが場所によらず一定の場合の熱伝導
方程式は次式で与えられる。

ａｃ（δＴ／δｔ）＝Ｋ［（δ２　ｒ／δｘ２）＋（δ
２　Ｔ　／δｙ２）＋（δ２Ｔ／δｚ２）］　　　　　
　　・・・（１）ここで、Ｃは物体の比熱、ａは物体の
密度、Ｔは温度、ｔは時間である。

従って、例えば、位置方向（Ｘ方向）に温度勾配があり
、Ｘ＝Ｏの位置の温度がＴ。に、Ｘ＝ｄの位置の温度が
Ｔｏの温度に保たれているときの定常的な温度分布およ
び熱流は 温度分布；　Ｔ＝Ｔｏ　＋（Ｔ＋　　Ｔｏ）　ｘ／　ｄ
　　・・・（２）熱流；　Ｊ＝Ｋ（Ｔｏ−Ｔｏ）／ａ　
　　　　　　　・−（３）で与えられる。

また、第２図に示すように、均一な層構成を有する電気
熱変換体ｌの電気抵抗は、Ｒを電気抵抗、ρを比抵抗、
Ｓを断面積、ｌを長さとしたとき、次式２式％（４） で与えられ、また電気熱変換体にパルス電流Ｉを通電し
た際に電気熱変換体層で発生する熱エネルギＷは Ｗ　＝　Ｉ”　Ｒ＝ρｌＩ２／Ｓ　　　　　　　　　　
・・・（５）で与えられる。

従って、第４図（Ａ）に示したように通電方向に垂直な
断面で膜厚ｄで均一な断面積５＝ｄＸｋの膜厚構成をし
た電気熱変換体の場合は、（２）式および（５）式より
電気熱変換体の記録液に接する表面温度は均一となり、
また第４図（Ｂ）に示したように電気熱変換体面上で発
泡する発泡体積Ｖが実質的に均一となり、吐出される液
体の体積がそれ程太き（変化させることができないので
より巾広い、滑らかな階調記録が難しかった。

そこで、本発明に於いては、電気熱変換体層の通電方向
に垂直な断面での膜厚に連続的な分布をもたせる事によ
り、パルス電流通電後の電気熱変換体層の表面に温度勾
配を形成し、インクの発泡体積を変化させ、吐出インク
液滴の体積を可変可能にした。

第１図（Ａ）及び第１図（Ｂ）は本発明の電気・熱変換
体３０の構成の一例を示す斜視図及び平面図である。電
気・熱変換体層の中央部の膜厚ｄ′　を最大として、中
央部から両端部へと左右対称的に連続的に膜厚を薄くし
た構成をしている。

かかる構成の電気熱変換体３０に図示していない駆動パ
ルス電源からパルス電流を印加すると、電気熱変換体３
０の下層の蓄熱層への熱伝導および上層のインクへの熱
伝導の影響と（２）式に示した温度分布の関係とにより
電気熱変換体の上層での温度分布は中央部が一番高く、
端部になるにつれて連続的に温度が低（なることから、
電気熱変換体３０に供給する駆動パルスについてその通
電時間あるいはパルス電工を変化させれば、電気熱変換
体、３０での発熱量を変化させ、従って電気熱変換体面
上でのインクの発泡開始温度に達する領域を変化させる
ことが可能となる。

よって第１図（Ｂ）に示すように、駆動パルスによる発
生エネルギを徐ヤに増加させることにより、インクの発
１を体積を電気熱変換体の発泡開始温度到達領域分布に
応じて、ｖｏくｖ２くｖ３の様に徐々に大きくすること
ができ、従って第２図に示すように吐出インク体積をｖ
　１　＜　ｖ　２　＜　ｖ　３の様に徐々に太き（変化
させることが可能となる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、熱エ
ネルギを利用して液滴吐出を行うインクジェット記録ヘ
ッドにおいて、層厚が通電方向に垂直な方向における電
気熱変換体の中心線から左右対称に中心部分が連続的に
厚くなるように変化させた電気熱変換体を各ノズルに設
けたので、この電気熱変換体に供給する駆動パルスのパ
ルス電流印加時間或いはパルス電圧を変化させることに
より、ノズル毎に吐出液７ｉｉｔを制御して階調記録が
可能となる。

又、流路中に配された熱作用部に液体が流入する流路方
向に対する中心線に対して左右対称形とし、中央部領域
に常に発泡の実質的中心が生ずるようにすることで階調
記録に際してもその実質的中心が変化しない。従って、
形成される液、商の飛翔経路に乱れが生じず、また、液
体の供給も常にスムースに行われる。

更に、電気熱変換体の通電方向に垂直な方向における電
気熱変換体層の層厚が、前記垂直な方向における電気熱
変換体の中心線から左右対称に中心線部分、が連続的に
厚（なるよう変化しているので、吐出口からの液滴吐出
量をアナログ的に制御して良好な階調記録を行なうこと
ができる。

加えて、このような電気熱変換体上に保護層を設ける場
合にも、ステップカバレージの良好な保護層を形成する
ことができるので、インクからの保護効果やキャビテー
ションに対する耐性も非常に良い。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）および第１図（Ｂ）は本発明インクジェッ
ト記録ヘッドにおける電気熱変換体の一構成例を示す斜
視図および平面図、 第２図はインクの発泡体積と吐出インク体積との関係を
説明するための線図、 第３図はインクジェット記録ヘッドの一構成例を示す斜
視図、 第４図（Ａ）および（Ｂ）は従来のインクジェット記録
ヘッドにおける電気熱変換体を示す斜視図および平面図
である。 ｌ・・・・・・・・・・・・記録ヘッド、３．３０・・
・・・・・・・電気熱変換体、１０・・・・・・・・・
ノズル、 １１・・・・・・・・・オリフィス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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の熱エネルギを発生するため
   の電気熱変換体層および該電気熱変換体層に電気的に接
   続される一対の電極を有する電気熱変換体とを具えたイ
   ンクジェット記録ヘッドにおいて、前記電気熱変換体は
   該電気熱変換体の通電方向に垂直な方向における前記電
   気熱変換体層の層厚が、前記垂直な方向における前記電
   気熱変換体の中心線から左右対称に中心線部分が連続的
   に厚くなるよう変化していることを特徴とするインクジ
   ェット記録ヘッド。