液体吐出ヘッドおよび液体吐出方法および該ヘッドを用いた記録装置
【課題】 エネルギー変換効率向上のため流路内に発熱体を流路の内壁面より浮かせた状態で位置した液体吐出ヘッドにおいて、発熱体に加わる発泡衝撃を軽減し、耐久性を向上させる。
【解決手段】 発熱体を流路の内壁面より浮かせた状態で流路を塞がないように支持し、この支持部をヒンジ構造とする。
【解決手段】 発熱体を流路の内壁面より浮かせた状態で流路を塞がないように支持し、この支持部をヒンジ構造とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路内の液体を加熱して発泡させ、発生気泡を利用して液体を吐出する液体吐出ヘッド、液体吐出方法及び記録装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から液体吐出装置は、微細加工、実験分析、画像形成等の様々な分野で応用されているが、ここではインクジェットによる記録方法を例にとって説明する。
【０００３】
インク滴を吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行なうインクジェット記録方法は、高速記録が可能であり、また記録品位も高く、低騒音であるという利点を有している。さらに、この方法はカラー画像記録が容易であって、普通紙等にも記録でき、さらに装置を小型化し易いといった多くの優れた利点を有している。
【０００４】
このようなインクジェット記録方法を用いる記録装置には、一般にインクを飛翔インク滴として吐出させるための吐出口と、この吐出口に連通するインク路と、このインク路の一部に設けられ、インク路内のインクに吐出のための吐出エネルギーを与えるエネルギー発生手段とを有する記録ヘッドが備えられる。例えば、特公昭６１−５９９１１号、特公昭６１−５９９１２号、特公昭６１−５９９１３号、特公昭６１−５９９１４号の各公報には、エネルギー発生手段として電気熱変換体を用い、電気パルス印加によってこれが発生する熱エネルギーをインクに作用させてインクを吐出させる方法が開示されている。
【０００５】
上記各公報に開示されている記録方法は、熱エネルギーの作用を受けたインクに気泡が発生し、この気泡の急激な膨張に基づく作用力によって、記録ヘッド部先端の吐出口よりインクを吐出し、この吐出インク滴が被記録媒体に付着して画像形成を行なうものである。この方法によれば記録ヘッドにおける吐出口を高密度に配設することができるので、高解像度、高品質の画像を高速で記録することができ、この方法を用いた記録装置は、複写機、プリンタ、ファクシミリなどにおける情報出力手段として用いることができる。
【０００６】
このインクジェット記録方式においては、上述のように電気熱変換体すなわち液体を加熱するための発熱体素子が必要であり、従来は薄膜抵抗体を流路内の壁面に設置し、該薄膜抵抗体の２辺に電気パルスを印加するための電極を接続したものが用いられていた。
【０００７】
しかしながら、上記したように薄膜抵抗体を壁面に設置した場合は、該薄膜抵抗体で発生した熱エネルギーが、かなりの割合で壁面に散逸してしまう場合があった。これにより、熱エネルギーを気泡のエネルギーに変換する効率が低下し、消費電力が大きくなってしまう場合があった。この問題点を解決するために、特開昭５５−５７４７７ならびに特開昭６２−９４３４７号公報には、発熱体素子を部分的に流路内の空間に空中に延在させて設け、これにより発熱体素子からプリントヘッド本体乃至は基板に熱が散逸されることを極力防止し、発熱体で発生した熱エネルギーを効率良く気泡のエネルギーに変換することにより、消費電力を低減させる装置が開示されている。
【特許文献１】特公昭６１−５９９１１号公報
【特許文献２】特公昭６１−５９９１２号公報
【特許文献３】特公昭６１−５９９１３号公報
【特許文献４】特公昭６１−５９９１４号公報
【特許文献５】特公昭５５−５７４７７号公報
【特許文献６】特公昭６２−９４３４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、熱エネルギーを気泡のエネルギーに変換する効率を改善した上記従来技術では、以下に説明する問題点があった。
【０００９】
図７に示すように、特開昭６２−９４３４７号では、発熱体素子７０１の主として発泡する面（最も面積が広い面）が供給口から吐出口まで液体を満たすための流路に対して垂直に配置されている。この場合、発泡時には非常に大きな気泡圧力を生じ、発熱体に強い衝撃が加わることになる。従来技術においては、発熱体で発生した熱エネルギーを気泡のエネルギーに変換する効率に関しては考慮されているが、上記発泡時に加わる衝撃の緩和方法については記載されておらず、発熱体の衝撃に対する機械的耐久性については考慮されていない。
【００１０】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、発熱体素子で発生した熱エネルギーを効率良く気泡のエネルギーに変換し、さらに該気泡のエネルギーを効率良く最終的な液体吐出のエネルギーに変換することが可能であり、消費電力が低く、駆動周波数が高いうえに耐久性の高い記録装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記課題を解決するため、流路内の液体を加熱して発泡させ、発生気泡を利用して液体を吐出する液体吐出ヘッド、液体吐出方法及び記録装置を以下のように構成したことを特徴とするものである。
【００１２】
すなわち、本発明の液体吐出ヘッドは、液体を加熱して発泡させ、発生気泡を利用して液体を吐出するヘッドにおいて、液滴吐出口と、該液滴吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、前記流路の内壁面より浮かせた状態で、流路をふさがないように支持して前記流路内に配置した発熱体を備え、該支持部がヒンジ構造をなしていることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、前記発熱体の形状が平板であることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、前記平板形状発熱体の両面あるいは片面で気泡が発生することを特徴としている。
【００１５】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、発生した気泡が前記液滴吐出口近傍で外気と連通することを特徴としている。
【００１６】
本発明の液体吐出方法は、発熱体を流路の内壁面より浮かせた状態で、流路を塞がないようにヒンジで支持し、前記発熱体で液体を加熱して、発生した気泡を利用して液体を吐出することを特徴としている。
【００１７】
また、本発明の液体吐出方法は、前記発熱体が平板形状であることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明の液体吐出方法は、前記平板形状発熱体の両面あるいは片面で気泡を発生させることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明の液体吐出方法は、発生した気泡が前記液滴吐出口近傍で外気と連通することを特徴としている。
【００２０】
本発明の記録装置は、液体を加熱して発泡させ、発生した気泡を利用して液体を吐出するヘッドを有する記録装置において、液滴吐出口と、該液滴吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、前記流路の内壁面より浮かせた状態で流路を塞がないように支持して前記流路内に配置した発熱体を備え、該支持部がヒンジ構造をなしていることを特徴とする液体吐出ヘッドを有する記録装置である。
【００２１】
また、本発明の記録装置は、複数の液体吐出ヘッドを備え、各発熱体に電気信号を供給する手段を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明の液体吐出装置型記録ヘッドでは、発熱体素子を流路内壁から浮かせた状態でヒンジ構造で支持することで、発熱体で発生した熱が基板に散逸するのを防ぎ、さらに発泡時の衝撃をヒンジのたわみ、あるいはねじれによって吸収することができるので、気泡のエネルギーを効率良く液体の吐出エネルギーに変換することができ、ヘッドの耐久性も向上する。また、ヒンジのねじれを応用して、流体の流れを制御することによって、リフィル時間を短縮することができる。これにより、高解像度・高速印字が可能で、従来と比較して消費電力が低い記録装置を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の液体吐出ヘッドは、流路の内壁面より浮かせた状態に支持して平板形状の発熱体を設置することにより、プリントヘッド本体や基板への熱の散逸を防止することができ、発熱体で発生した熱エネルギーを効率良く気泡のエネルギーに変換することができる。さらに、該発熱体を支持するのに弾性定数の小さなヒンジ構造を用いることにより、発泡時の衝撃等による発熱体へのダメージを抑えることができ、ヘッド自体の耐久性を向上させることができる。
【００２４】
また、本発明の液体吐出方法では、平板形状の発熱体の主として気泡が発生する面の両面に気泡を発生させることにより、従来技術の壁面に設置された発熱体と比較して、気泡の体積が約２倍となり液体の吐出エネルギーを向上させることができる。もしくは、従来技術と比較して少ない消費電力で同等の吐出エネルギーを得ることができる。
【００２５】
また、本発明の液体吐出方法では、平板形状の発熱体の主として気泡が発生する面の片面に気泡を発生させることによりヒンジ部の変形を用いて発泡時の液体の流れの方向を効率的に吐出口方向に向けることができ、発泡エネルギーを効率よく液滴に伝達することが可能となる。
【００２６】
また、本発明の液体吐出方法では、発生した気泡を液体吐出口近傍で外気と連通させることにより、吐出する液体の体積が一定となり、液体の吐出特性を安定させることができる。
【００２７】
また、本発明の記録装置は、上記した液体吐出ヘッドを複数備えることにより高速な記録が可能となり、さらに液体吐出ヘッドの各発熱体に膜沸騰を生じさせる電気信号を供給する手段を備えることにより安定した記録が可能となる。
【００２８】
また本発明の記録装置では、上記した液体吐出方法を用いて液体を吐出することにより、装置耐久性の高い記録装置となり、高解像度・高速印字が可能で高品位な記録を実現することが可能となる。
【００２９】
以下、実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。
【００３０】
（第１実施例）
図１に示したインクジェット記録ヘッドを設計、作製した。本実施例の記録ヘッドは、基板１０１上に流路１０２となる溝を形成し、該溝上に両持ち梁状に平板形状の発熱体素子１０３を形成し、該発熱体素子の両端に電極（不図示）を形成し、流路１０２となる溝を形成した天板１０４を前記基板に張合わせ、液体供給口１０５および先細形状の液滴吐出口１０６を形成したものである。前記発熱体素子１０３の各面のうち、最も面積が広い面において気泡は主として発生する。図１に示した通り、発熱体素子１０３は厚み２μｍのヒータの上下に厚み０．２μｍの通電用の電極１０７を一部積層したもので、８μｍ×１５μｍ×２．４μｍのヒンジで流路壁面に接続されている。記録ヘッドの各部の寸法は、図１に示した通りである。なお、本実施例における流路、発熱体、液滴吐出口の寸法は、設計事項として任意に変更できるものである。
【００３１】
次に、図２を用いて、本実施例の記録ヘッドの液体吐出からリフィルまでの原理を説明する。流路２０１が液体２０２に満たされた状態（図２（ａ））で、発熱体素子２０３の両端に形成された電極（不図示）に、パルス電圧を印加することにより、発熱体の温度を、膜沸騰が生じる温度（３００℃以上）まで急速に上昇させる。これにより、発熱体の発泡面の両面に、同時に気泡２０４が発生し、急激に膨張を始める（図２（ｂ））。さらに気泡は膨張を続け、液滴を液滴吐出口２０５側に押し出す（図２（ｃ））。さらに気泡が膨張すると、独立した液滴２０６が形成され、液滴吐出口から吐出する（図２（ｄ））。その後、気泡は収縮し、液滴に取り込まれずに流路内に残った液体は、液体供給口２０７側の液体と合体してメニスカスを形成する（図２（ｅ））。続いて、該メニスカスが、ほぼ表面張力と粘性抵抗がバランスする速度で吐出口方向に移動しはじめ、最終的に吐出口まで液体が充填されて初期状態に戻る（図２（ｆ））。図２（ｂ）で示した発泡時には、大きな衝撃が発熱体に加わるが、その際ヒンジ構造がたわむことによって、その衝撃の影響を吸収することができる。
【００３２】
この記録ヘッドに、Ｃ．Ｉ．フードブラック２３．０重量％，ジエチレングリコール１５．０重量％，Ｎ−メチル−２−ピロリドン５．０重量％，イオン交換水７７．０重量％よりなる各配合成分を容器中で撹拌し、均一に混合溶解させた後、孔径０．４５μｍのポリフッ化エチレン系繊維製フィルタで濾過して得た粘度２．０ｃｐｓ（２０℃）のインクを流路に供給し吐出を試みた。
【００３３】
記録ヘッドの発熱体の加熱条件を、電圧９０Ｖ，パルス幅２．５μｓｅｃ，周波数３ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、発熱体を加熱するための駆動パルスに同期し、かつ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら液滴の吐出からリフィル終了までを観察した。その結果、吐出されたインク液滴の投影形状から概算したインク液滴の体積は、約２．０×１０４（μｍ）３であり、インク液滴の平均速度は、約１１．０ｍ／ｓであった。また、発泡開始時刻より４５μｓ後にリフィルが完了した。この駆動を１０の８乗回くりかえしたが、発熱体の破壊等はみられなかった。
【００３４】
（第２実施例）
図３に示したインクジェット記録ヘッドを設計作製した。本実施例の記録ヘッドは、第１実施例において、発熱体を、基体１０８の上に、半分だけ積層し、発泡を片面のみ、半分の領域のみとしたものである。なお、本実施例における流路、発熱体、液滴吐出口の寸法は、設計事項として任意に変更できるものである。
【００３５】
本実施例の液滴吐出原理を図４に示す、流路２０１が液体２０２に満たされた状態（図４（ａ））で、発熱体素子２０３の両端に形成された電極（不図示）に、パルス電圧を印加することにより、発熱体の温度を、膜沸騰が生じる温度（３００℃以上）まで急速に上昇させる。これにより、発熱体の発泡面の片面の半分に、気泡２０４が発生し、急激に膨張を始める（図４（ｂ））。その時、発熱体素子はヒンジで固定されているので、ヒンジを中心として回転をはじめる。さらに気泡は膨張を続け、液滴を液滴吐出口２０５側に押し出す（図４（ｃ））。この時、回転した発熱体素子は、流路をふさぐ形となり、液体を供給口側に逆流するのを防ぐ。さらに気泡が膨張すると、独立した液滴２０６が形成され、液滴吐出口から吐出する（図４（ｄ））。その後、気泡は収縮し、液滴に取り込まれずに流路内に残った液体は、液体供給口２０７側の液体と合体してメニスカスを形成する（図４（ｅ））。続いて、該メニスカスが、ほぼ表面張力と粘性抵抗がバランスする速度で吐出口方向に移動しはじめ、最終的に吐出口まで液体が充填され、発熱体も初期状態に戻る（図４（ｆ））。図４（ｂ）で示した発泡時には、大きな衝撃が発熱体に加わるが、その際ヒンジ構造がねじれることによって、その衝撃の影響を吸収することができる。
【００３６】
本実施例の記録ヘッドを用いて、第１実施例と同様のインクを吐出した。記録ヘッドの発熱体の加熱条件を、電圧９．０Ｖ，パルス幅２．５μｓｅｃ，周波数３ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させ、さらにリフィルさせた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察したところ、吐出されたインク液滴の投影形状から概算したインク液滴の体積は、約１．５×１０４（μｍ）３、インク液滴の平均速度は、約８．０ｍ／ｓであり、リフィル時間は約４０μｓであった。本実施例の記録ヘッドにおいても、第一実施例と同様、高い耐久性が確認できた。さらに、図２（ｅ）におけるメニスカス後退量が小さいので、リフィル時間も短縮することができた。
【００３７】
（第３実施例）
本実施例では、図５に示したインクジェット記録ヘッドを設計、作製した。本実施例のインクジェット記録ヘッドは、発熱体素子５０３の吐出口側端面から吐出口５０６までの距離Ｌを、第１実施例では６０μｍであったのに対して、２０μｍと短くしたことを特徴とする。それ以外の発熱体の材質および寸法、流路の形状については、第１実施例のインクジェット記録ヘッドと同様である。
【００３８】
次に、図６を用いて、本実施例の吐出原理について説明する。流路６０１が液体６０２に満たされた状態（図６（ａ））で、発熱体素子６０３の両端に形成された電極（不図示）に、パルス電圧を印加することにより、発熱体の温度を、膜沸騰が生じる温度（３００℃以上）まで急速に上昇させる。これにより、発熱体の発泡面の両面に、同時に気泡６０４が発生し、急激に膨張を始める（図６（ｂ））。さらに気泡は膨張を続け、液滴を吐出口６０５側に押し出す（図６（ｃ））。さらに気泡が膨張すると、気泡は吐出口近傍で大気と連通し、安定に独立した液滴６０６が形成され、吐出口から吐出し、流路内にはメニスカスが形成される（図６（ｄ））。続いて、該メニスカスが、ほぼ表面張力と粘性抵抗がバランスする速度で吐出口方向に移動しはじめ、最終的に吐出口まで液体が充填されて初期状態に戻る（図２（ｅ））。流路内に構造物（今の場合、平板発熱体）が存在すると、表面張力も粘性抵抗も増大するが、それぞれの増加のしかたは構造物の配置により異なり、一般に粘性抵抗の増加の割合のほうが大きい。すなわち、構造物が存在する場合、リフィル時間は一般に大きくなってしまう。本発明では、粘性抵抗の増大を極力押さえるために、平板型発熱体を流路に対して平行に配置した。
【００３９】
この記録ヘッドを用い、第１実施例と同様のインクを液室に供給し吐出を試みた。
【００４０】
記録ヘッドの発熱体の加熱条件を、電圧９Ｖ，パルス幅２．５μｓｅｃ，周波数５ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、発熱体を加熱するための駆動パルスに同期し、かつ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら吐出したインクを観察した。その結果、液滴の体積のばらつき、速度のばらつきが小さくなり、第１実施例と比較して高い周波数で駆動した場合でも、安定した吐出が可能であることが判明した。
【００４１】
本実施例の記録ヘッドでは、気泡が大気と連通することにより、吐出される液滴の体積が常に一定となり、安定した吐出を行うことが可能となる。
【００４２】
また、第２実施例の記録ヘッドの発熱体素子と液滴吐出口の距離を短くすることにより、気泡と大気を導通させた場合でも、本実施例と同様の効果が得られることは明らかである。
【００４３】
また、本実施例においては、発熱体素子と液滴吐出口の距離を短くすることにより、気泡と大気を連通させたが、これ以外の方法、例えば駆動電圧を大きくすることにより気泡の体積を大きくする等の方法によって、気泡と体積を連通させても本実施例と同様の効果を得ることが可能である。
【００４４】
（第４実施例）
第２実施例のインクジェット記録ヘッドを複数装備し、発熱体駆動用回路を備え、該記録ヘッドと被記録媒体とを所望の間隔で対向させるための支持体と、入力された情報に応じて、該記録ヘッドと被記録媒体との相対位置を変化させるための機構を有する記録装置を作製した。本実施例の記録装置は、高解像度印字が可能で、従来と比較して消費電力が低かった。さらに、駆動周波数を高く設定することができ、高速印字が可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１実施例のインクジェット記録ヘッドを示す図。
【図２】本発明の第１実施例のインクジェット記録ヘッドの吐出原理を示す図。
【図３】本発明の第２実施例のインクジェット記録ヘッドを示す図。
【図４】本発明の第２実施例のインクジェット記録ヘッドの吐出原理を示す図。
【図５】本発明の第３実施例のインクジェット記録ヘッドを示す図。
【図６】本実施例の第３実施例のインクジェット記録ヘッドの吐出原理を示す図。
【図７】従来技術のインクジェット記録ヘッドを示す図。
【符号の説明】
【００４６】
１０１ 基板
１０２ 流路
１０３ 発熱体素子
１０４ 天板
１０５ 液体供給口
１０６ 液滴吐出口
１０７ 電極
１０８ 基体
２０１ 流路
２０２ 液体
２０３ 発熱体素子
２０４ 気泡
２０５ 液滴吐出口
２０６ 液滴
２０７ 液体供給口
３０１ 基板
３０２ 発熱体素子
３０３ スペーサー
３０４ 液滴吐出口
３０５ 天板
３０６ 流路
４０１ 基板
４０２ スペーサー
４０３ 発熱体素子
４０４ スペーサー
４０５ 液体吐出口
４０６ 天板
４０７ 流路
５０３ 発熱体素子
５０６ 液滴吐出口
６０１ 流路
６０２ 液体
６０３ 発熱体素子
６０４ 気泡
６０５ 液滴吐出口
６０６ 液滴
６０７ 液体供給口
７０１ 発熱体素子
７０２ 液滴吐出口
７０３ 気泡
７０４ 気泡
７０５ 液滴
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路内の液体を加熱して発泡させ、発生気泡を利用して液体を吐出する液体吐出ヘッド、液体吐出方法及び記録装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から液体吐出装置は、微細加工、実験分析、画像形成等の様々な分野で応用されているが、ここではインクジェットによる記録方法を例にとって説明する。
【０００３】
インク滴を吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行なうインクジェット記録方法は、高速記録が可能であり、また記録品位も高く、低騒音であるという利点を有している。さらに、この方法はカラー画像記録が容易であって、普通紙等にも記録でき、さらに装置を小型化し易いといった多くの優れた利点を有している。
【０００４】
このようなインクジェット記録方法を用いる記録装置には、一般にインクを飛翔インク滴として吐出させるための吐出口と、この吐出口に連通するインク路と、このインク路の一部に設けられ、インク路内のインクに吐出のための吐出エネルギーを与えるエネルギー発生手段とを有する記録ヘッドが備えられる。例えば、特公昭６１−５９９１１号、特公昭６１−５９９１２号、特公昭６１−５９９１３号、特公昭６１−５９９１４号の各公報には、エネルギー発生手段として電気熱変換体を用い、電気パルス印加によってこれが発生する熱エネルギーをインクに作用させてインクを吐出させる方法が開示されている。
【０００５】
上記各公報に開示されている記録方法は、熱エネルギーの作用を受けたインクに気泡が発生し、この気泡の急激な膨張に基づく作用力によって、記録ヘッド部先端の吐出口よりインクを吐出し、この吐出インク滴が被記録媒体に付着して画像形成を行なうものである。この方法によれば記録ヘッドにおける吐出口を高密度に配設することができるので、高解像度、高品質の画像を高速で記録することができ、この方法を用いた記録装置は、複写機、プリンタ、ファクシミリなどにおける情報出力手段として用いることができる。
【０００６】
このインクジェット記録方式においては、上述のように電気熱変換体すなわち液体を加熱するための発熱体素子が必要であり、従来は薄膜抵抗体を流路内の壁面に設置し、該薄膜抵抗体の２辺に電気パルスを印加するための電極を接続したものが用いられていた。
【０００７】
しかしながら、上記したように薄膜抵抗体を壁面に設置した場合は、該薄膜抵抗体で発生した熱エネルギーが、かなりの割合で壁面に散逸してしまう場合があった。これにより、熱エネルギーを気泡のエネルギーに変換する効率が低下し、消費電力が大きくなってしまう場合があった。この問題点を解決するために、特開昭５５−５７４７７ならびに特開昭６２−９４３４７号公報には、発熱体素子を部分的に流路内の空間に空中に延在させて設け、これにより発熱体素子からプリントヘッド本体乃至は基板に熱が散逸されることを極力防止し、発熱体で発生した熱エネルギーを効率良く気泡のエネルギーに変換することにより、消費電力を低減させる装置が開示されている。
【特許文献１】特公昭６１−５９９１１号公報
【特許文献２】特公昭６１−５９９１２号公報
【特許文献３】特公昭６１−５９９１３号公報
【特許文献４】特公昭６１−５９９１４号公報
【特許文献５】特公昭５５−５７４７７号公報
【特許文献６】特公昭６２−９４３４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、熱エネルギーを気泡のエネルギーに変換する効率を改善した上記従来技術では、以下に説明する問題点があった。
【０００９】
図７に示すように、特開昭６２−９４３４７号では、発熱体素子７０１の主として発泡する面（最も面積が広い面）が供給口から吐出口まで液体を満たすための流路に対して垂直に配置されている。この場合、発泡時には非常に大きな気泡圧力を生じ、発熱体に強い衝撃が加わることになる。従来技術においては、発熱体で発生した熱エネルギーを気泡のエネルギーに変換する効率に関しては考慮されているが、上記発泡時に加わる衝撃の緩和方法については記載されておらず、発熱体の衝撃に対する機械的耐久性については考慮されていない。
【００１０】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、発熱体素子で発生した熱エネルギーを効率良く気泡のエネルギーに変換し、さらに該気泡のエネルギーを効率良く最終的な液体吐出のエネルギーに変換することが可能であり、消費電力が低く、駆動周波数が高いうえに耐久性の高い記録装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記課題を解決するため、流路内の液体を加熱して発泡させ、発生気泡を利用して液体を吐出する液体吐出ヘッド、液体吐出方法及び記録装置を以下のように構成したことを特徴とするものである。
【００１２】
すなわち、本発明の液体吐出ヘッドは、液体を加熱して発泡させ、発生気泡を利用して液体を吐出するヘッドにおいて、液滴吐出口と、該液滴吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、前記流路の内壁面より浮かせた状態で、流路をふさがないように支持して前記流路内に配置した発熱体を備え、該支持部がヒンジ構造をなしていることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、前記発熱体の形状が平板であることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、前記平板形状発熱体の両面あるいは片面で気泡が発生することを特徴としている。
【００１５】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、発生した気泡が前記液滴吐出口近傍で外気と連通することを特徴としている。
【００１６】
本発明の液体吐出方法は、発熱体を流路の内壁面より浮かせた状態で、流路を塞がないようにヒンジで支持し、前記発熱体で液体を加熱して、発生した気泡を利用して液体を吐出することを特徴としている。
【００１７】
また、本発明の液体吐出方法は、前記発熱体が平板形状であることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明の液体吐出方法は、前記平板形状発熱体の両面あるいは片面で気泡を発生させることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明の液体吐出方法は、発生した気泡が前記液滴吐出口近傍で外気と連通することを特徴としている。
【００２０】
本発明の記録装置は、液体を加熱して発泡させ、発生した気泡を利用して液体を吐出するヘッドを有する記録装置において、液滴吐出口と、該液滴吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、前記流路の内壁面より浮かせた状態で流路を塞がないように支持して前記流路内に配置した発熱体を備え、該支持部がヒンジ構造をなしていることを特徴とする液体吐出ヘッドを有する記録装置である。
【００２１】
また、本発明の記録装置は、複数の液体吐出ヘッドを備え、各発熱体に電気信号を供給する手段を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明の液体吐出装置型記録ヘッドでは、発熱体素子を流路内壁から浮かせた状態でヒンジ構造で支持することで、発熱体で発生した熱が基板に散逸するのを防ぎ、さらに発泡時の衝撃をヒンジのたわみ、あるいはねじれによって吸収することができるので、気泡のエネルギーを効率良く液体の吐出エネルギーに変換することができ、ヘッドの耐久性も向上する。また、ヒンジのねじれを応用して、流体の流れを制御することによって、リフィル時間を短縮することができる。これにより、高解像度・高速印字が可能で、従来と比較して消費電力が低い記録装置を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の液体吐出ヘッドは、流路の内壁面より浮かせた状態に支持して平板形状の発熱体を設置することにより、プリントヘッド本体や基板への熱の散逸を防止することができ、発熱体で発生した熱エネルギーを効率良く気泡のエネルギーに変換することができる。さらに、該発熱体を支持するのに弾性定数の小さなヒンジ構造を用いることにより、発泡時の衝撃等による発熱体へのダメージを抑えることができ、ヘッド自体の耐久性を向上させることができる。
【００２４】
また、本発明の液体吐出方法では、平板形状の発熱体の主として気泡が発生する面の両面に気泡を発生させることにより、従来技術の壁面に設置された発熱体と比較して、気泡の体積が約２倍となり液体の吐出エネルギーを向上させることができる。もしくは、従来技術と比較して少ない消費電力で同等の吐出エネルギーを得ることができる。
【００２５】
また、本発明の液体吐出方法では、平板形状の発熱体の主として気泡が発生する面の片面に気泡を発生させることによりヒンジ部の変形を用いて発泡時の液体の流れの方向を効率的に吐出口方向に向けることができ、発泡エネルギーを効率よく液滴に伝達することが可能となる。
【００２６】
また、本発明の液体吐出方法では、発生した気泡を液体吐出口近傍で外気と連通させることにより、吐出する液体の体積が一定となり、液体の吐出特性を安定させることができる。
【００２７】
また、本発明の記録装置は、上記した液体吐出ヘッドを複数備えることにより高速な記録が可能となり、さらに液体吐出ヘッドの各発熱体に膜沸騰を生じさせる電気信号を供給する手段を備えることにより安定した記録が可能となる。
【００２８】
また本発明の記録装置では、上記した液体吐出方法を用いて液体を吐出することにより、装置耐久性の高い記録装置となり、高解像度・高速印字が可能で高品位な記録を実現することが可能となる。
【００２９】
以下、実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。
【００３０】
（第１実施例）
図１に示したインクジェット記録ヘッドを設計、作製した。本実施例の記録ヘッドは、基板１０１上に流路１０２となる溝を形成し、該溝上に両持ち梁状に平板形状の発熱体素子１０３を形成し、該発熱体素子の両端に電極（不図示）を形成し、流路１０２となる溝を形成した天板１０４を前記基板に張合わせ、液体供給口１０５および先細形状の液滴吐出口１０６を形成したものである。前記発熱体素子１０３の各面のうち、最も面積が広い面において気泡は主として発生する。図１に示した通り、発熱体素子１０３は厚み２μｍのヒータの上下に厚み０．２μｍの通電用の電極１０７を一部積層したもので、８μｍ×１５μｍ×２．４μｍのヒンジで流路壁面に接続されている。記録ヘッドの各部の寸法は、図１に示した通りである。なお、本実施例における流路、発熱体、液滴吐出口の寸法は、設計事項として任意に変更できるものである。
【００３１】
次に、図２を用いて、本実施例の記録ヘッドの液体吐出からリフィルまでの原理を説明する。流路２０１が液体２０２に満たされた状態（図２（ａ））で、発熱体素子２０３の両端に形成された電極（不図示）に、パルス電圧を印加することにより、発熱体の温度を、膜沸騰が生じる温度（３００℃以上）まで急速に上昇させる。これにより、発熱体の発泡面の両面に、同時に気泡２０４が発生し、急激に膨張を始める（図２（ｂ））。さらに気泡は膨張を続け、液滴を液滴吐出口２０５側に押し出す（図２（ｃ））。さらに気泡が膨張すると、独立した液滴２０６が形成され、液滴吐出口から吐出する（図２（ｄ））。その後、気泡は収縮し、液滴に取り込まれずに流路内に残った液体は、液体供給口２０７側の液体と合体してメニスカスを形成する（図２（ｅ））。続いて、該メニスカスが、ほぼ表面張力と粘性抵抗がバランスする速度で吐出口方向に移動しはじめ、最終的に吐出口まで液体が充填されて初期状態に戻る（図２（ｆ））。図２（ｂ）で示した発泡時には、大きな衝撃が発熱体に加わるが、その際ヒンジ構造がたわむことによって、その衝撃の影響を吸収することができる。
【００３２】
この記録ヘッドに、Ｃ．Ｉ．フードブラック２３．０重量％，ジエチレングリコール１５．０重量％，Ｎ−メチル−２−ピロリドン５．０重量％，イオン交換水７７．０重量％よりなる各配合成分を容器中で撹拌し、均一に混合溶解させた後、孔径０．４５μｍのポリフッ化エチレン系繊維製フィルタで濾過して得た粘度２．０ｃｐｓ（２０℃）のインクを流路に供給し吐出を試みた。
【００３３】
記録ヘッドの発熱体の加熱条件を、電圧９０Ｖ，パルス幅２．５μｓｅｃ，周波数３ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、発熱体を加熱するための駆動パルスに同期し、かつ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら液滴の吐出からリフィル終了までを観察した。その結果、吐出されたインク液滴の投影形状から概算したインク液滴の体積は、約２．０×１０４（μｍ）３であり、インク液滴の平均速度は、約１１．０ｍ／ｓであった。また、発泡開始時刻より４５μｓ後にリフィルが完了した。この駆動を１０の８乗回くりかえしたが、発熱体の破壊等はみられなかった。
【００３４】
（第２実施例）
図３に示したインクジェット記録ヘッドを設計作製した。本実施例の記録ヘッドは、第１実施例において、発熱体を、基体１０８の上に、半分だけ積層し、発泡を片面のみ、半分の領域のみとしたものである。なお、本実施例における流路、発熱体、液滴吐出口の寸法は、設計事項として任意に変更できるものである。
【００３５】
本実施例の液滴吐出原理を図４に示す、流路２０１が液体２０２に満たされた状態（図４（ａ））で、発熱体素子２０３の両端に形成された電極（不図示）に、パルス電圧を印加することにより、発熱体の温度を、膜沸騰が生じる温度（３００℃以上）まで急速に上昇させる。これにより、発熱体の発泡面の片面の半分に、気泡２０４が発生し、急激に膨張を始める（図４（ｂ））。その時、発熱体素子はヒンジで固定されているので、ヒンジを中心として回転をはじめる。さらに気泡は膨張を続け、液滴を液滴吐出口２０５側に押し出す（図４（ｃ））。この時、回転した発熱体素子は、流路をふさぐ形となり、液体を供給口側に逆流するのを防ぐ。さらに気泡が膨張すると、独立した液滴２０６が形成され、液滴吐出口から吐出する（図４（ｄ））。その後、気泡は収縮し、液滴に取り込まれずに流路内に残った液体は、液体供給口２０７側の液体と合体してメニスカスを形成する（図４（ｅ））。続いて、該メニスカスが、ほぼ表面張力と粘性抵抗がバランスする速度で吐出口方向に移動しはじめ、最終的に吐出口まで液体が充填され、発熱体も初期状態に戻る（図４（ｆ））。図４（ｂ）で示した発泡時には、大きな衝撃が発熱体に加わるが、その際ヒンジ構造がねじれることによって、その衝撃の影響を吸収することができる。
【００３６】
本実施例の記録ヘッドを用いて、第１実施例と同様のインクを吐出した。記録ヘッドの発熱体の加熱条件を、電圧９．０Ｖ，パルス幅２．５μｓｅｃ，周波数３ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させ、さらにリフィルさせた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察したところ、吐出されたインク液滴の投影形状から概算したインク液滴の体積は、約１．５×１０４（μｍ）３、インク液滴の平均速度は、約８．０ｍ／ｓであり、リフィル時間は約４０μｓであった。本実施例の記録ヘッドにおいても、第一実施例と同様、高い耐久性が確認できた。さらに、図２（ｅ）におけるメニスカス後退量が小さいので、リフィル時間も短縮することができた。
【００３７】
（第３実施例）
本実施例では、図５に示したインクジェット記録ヘッドを設計、作製した。本実施例のインクジェット記録ヘッドは、発熱体素子５０３の吐出口側端面から吐出口５０６までの距離Ｌを、第１実施例では６０μｍであったのに対して、２０μｍと短くしたことを特徴とする。それ以外の発熱体の材質および寸法、流路の形状については、第１実施例のインクジェット記録ヘッドと同様である。
【００３８】
次に、図６を用いて、本実施例の吐出原理について説明する。流路６０１が液体６０２に満たされた状態（図６（ａ））で、発熱体素子６０３の両端に形成された電極（不図示）に、パルス電圧を印加することにより、発熱体の温度を、膜沸騰が生じる温度（３００℃以上）まで急速に上昇させる。これにより、発熱体の発泡面の両面に、同時に気泡６０４が発生し、急激に膨張を始める（図６（ｂ））。さらに気泡は膨張を続け、液滴を吐出口６０５側に押し出す（図６（ｃ））。さらに気泡が膨張すると、気泡は吐出口近傍で大気と連通し、安定に独立した液滴６０６が形成され、吐出口から吐出し、流路内にはメニスカスが形成される（図６（ｄ））。続いて、該メニスカスが、ほぼ表面張力と粘性抵抗がバランスする速度で吐出口方向に移動しはじめ、最終的に吐出口まで液体が充填されて初期状態に戻る（図２（ｅ））。流路内に構造物（今の場合、平板発熱体）が存在すると、表面張力も粘性抵抗も増大するが、それぞれの増加のしかたは構造物の配置により異なり、一般に粘性抵抗の増加の割合のほうが大きい。すなわち、構造物が存在する場合、リフィル時間は一般に大きくなってしまう。本発明では、粘性抵抗の増大を極力押さえるために、平板型発熱体を流路に対して平行に配置した。
【００３９】
この記録ヘッドを用い、第１実施例と同様のインクを液室に供給し吐出を試みた。
【００４０】
記録ヘッドの発熱体の加熱条件を、電圧９Ｖ，パルス幅２．５μｓｅｃ，周波数５ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、発熱体を加熱するための駆動パルスに同期し、かつ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら吐出したインクを観察した。その結果、液滴の体積のばらつき、速度のばらつきが小さくなり、第１実施例と比較して高い周波数で駆動した場合でも、安定した吐出が可能であることが判明した。
【００４１】
本実施例の記録ヘッドでは、気泡が大気と連通することにより、吐出される液滴の体積が常に一定となり、安定した吐出を行うことが可能となる。
【００４２】
また、第２実施例の記録ヘッドの発熱体素子と液滴吐出口の距離を短くすることにより、気泡と大気を導通させた場合でも、本実施例と同様の効果が得られることは明らかである。
【００４３】
また、本実施例においては、発熱体素子と液滴吐出口の距離を短くすることにより、気泡と大気を連通させたが、これ以外の方法、例えば駆動電圧を大きくすることにより気泡の体積を大きくする等の方法によって、気泡と体積を連通させても本実施例と同様の効果を得ることが可能である。
【００４４】
（第４実施例）
第２実施例のインクジェット記録ヘッドを複数装備し、発熱体駆動用回路を備え、該記録ヘッドと被記録媒体とを所望の間隔で対向させるための支持体と、入力された情報に応じて、該記録ヘッドと被記録媒体との相対位置を変化させるための機構を有する記録装置を作製した。本実施例の記録装置は、高解像度印字が可能で、従来と比較して消費電力が低かった。さらに、駆動周波数を高く設定することができ、高速印字が可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１実施例のインクジェット記録ヘッドを示す図。
【図２】本発明の第１実施例のインクジェット記録ヘッドの吐出原理を示す図。
【図３】本発明の第２実施例のインクジェット記録ヘッドを示す図。
【図４】本発明の第２実施例のインクジェット記録ヘッドの吐出原理を示す図。
【図５】本発明の第３実施例のインクジェット記録ヘッドを示す図。
【図６】本実施例の第３実施例のインクジェット記録ヘッドの吐出原理を示す図。
【図７】従来技術のインクジェット記録ヘッドを示す図。
【符号の説明】
【００４６】
１０１ 基板
１０２ 流路
１０３ 発熱体素子
１０４ 天板
１０５ 液体供給口
１０６ 液滴吐出口
１０７ 電極
１０８ 基体
２０１ 流路
２０２ 液体
２０３ 発熱体素子
２０４ 気泡
２０５ 液滴吐出口
２０６ 液滴
２０７ 液体供給口
３０１ 基板
３０２ 発熱体素子
３０３ スペーサー
３０４ 液滴吐出口
３０５ 天板
３０６ 流路
４０１ 基板
４０２ スペーサー
４０３ 発熱体素子
４０４ スペーサー
４０５ 液体吐出口
４０６ 天板
４０７ 流路
５０３ 発熱体素子
５０６ 液滴吐出口
６０１ 流路
６０２ 液体
６０３ 発熱体素子
６０４ 気泡
６０５ 液滴吐出口
６０６ 液滴
６０７ 液体供給口
７０１ 発熱体素子
７０２ 液滴吐出口
７０３ 気泡
７０４ 気泡
７０５ 液滴
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を加熱して発泡させ、発生気泡を利用して液体を吐出するヘッドにおいて、液滴吐出口と、該液滴吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、前記流路の内壁面より浮かせた状態で、流路をふさがないように支持して前記流路内に配置した発熱体を備え、該支持部がヒンジ構造をなしていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記発熱体が平板形状であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記平板形状発熱体の両面で気泡が発生することを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記平板形状発熱体の片面で気泡が発泡することを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
発生した気泡が液体吐出口近傍で外気と連通することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
発熱体を流路の内壁面より浮かせた状態で、液体の吐出方向を塞がないようにヒンジで支持し、前記発熱体で液体を加熱して、発生した気泡を利用して液体を吐出することを特徴とする液体吐出方法。
【請求項７】
前記発熱体が平板形状であることを特徴とする請求項６に記載の液体吐出方法。
【請求項８】
前記平板形状発熱体の両面で気泡を発生させることを特徴とする請求項７に記載の液体吐出方法。
【請求項９】
前記平板形状発熱体の片面で気泡を発生させることを特徴とする請求項７に記載の液体吐出方法。
【請求項１０】
発生した気泡が前記液滴吐出口近傍で外気と連通することを特徴とする請求項６から９のいずれか一項に記載の液体吐出方法。
【請求項１１】
液体を加熱して発泡させ、発生した気泡を利用して液体を吐出するヘッドを有する記録装置において、液滴吐出口と、該液滴吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、前記流路の内壁面より浮かせた状態で流路を塞がないように支持して前記流路内に配置した発熱体を備え、該支持部がヒンジ構造をなしていることを特徴とする液体吐出ヘッドを有する記録装置。
【請求項１２】
複数の液体吐出ヘッドを備え、各発熱体に電気信号を供給する手段を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の記録装置。
【請求項１】
液体を加熱して発泡させ、発生気泡を利用して液体を吐出するヘッドにおいて、液滴吐出口と、該液滴吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、前記流路の内壁面より浮かせた状態で、流路をふさがないように支持して前記流路内に配置した発熱体を備え、該支持部がヒンジ構造をなしていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記発熱体が平板形状であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記平板形状発熱体の両面で気泡が発生することを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記平板形状発熱体の片面で気泡が発泡することを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
発生した気泡が液体吐出口近傍で外気と連通することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
発熱体を流路の内壁面より浮かせた状態で、液体の吐出方向を塞がないようにヒンジで支持し、前記発熱体で液体を加熱して、発生した気泡を利用して液体を吐出することを特徴とする液体吐出方法。
【請求項７】
前記発熱体が平板形状であることを特徴とする請求項６に記載の液体吐出方法。
【請求項８】
前記平板形状発熱体の両面で気泡を発生させることを特徴とする請求項７に記載の液体吐出方法。
【請求項９】
前記平板形状発熱体の片面で気泡を発生させることを特徴とする請求項７に記載の液体吐出方法。
【請求項１０】
発生した気泡が前記液滴吐出口近傍で外気と連通することを特徴とする請求項６から９のいずれか一項に記載の液体吐出方法。
【請求項１１】
液体を加熱して発泡させ、発生した気泡を利用して液体を吐出するヘッドを有する記録装置において、液滴吐出口と、該液滴吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、前記流路の内壁面より浮かせた状態で流路を塞がないように支持して前記流路内に配置した発熱体を備え、該支持部がヒンジ構造をなしていることを特徴とする液体吐出ヘッドを有する記録装置。
【請求項１２】
複数の液体吐出ヘッドを備え、各発熱体に電気信号を供給する手段を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の記録装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−１４９６７５（Ｐ２００８−１４９６７５Ａ）
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４２５３３（Ｐ２００６−３４２５３３）
【出願日】平成１８年１２月２０日（２００６．１２．２０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２０日（２００６．１２．２０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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