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は位置した液体吐出ヘッドにおいて、リフィル特性の劣化を抑制する。
【解決手段】 発熱体を流路の内壁面より浮かせた状態で支持し、該発熱体の、前記流路に平行かつ該発熱体の発熱面に垂直な断面形状を、発熱体の中心部で厚く、端部で薄い形状とする。
【解決手段】 発熱体を流路の内壁面より浮かせた状態で支持し、該発熱体の、前記流路に平行かつ該発熱体の発熱面に垂直な断面形状を、発熱体の中心部で厚く、端部で薄い形状とする。
【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方法、液体吐出ヘッド及び記録装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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、熱エネルギーを発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発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】特開昭５５−５７４７７号公報
【特許文献６】特開昭６２−９４３４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、熱エネルギーを発泡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。
【０００８】
図７に示すように、特開昭６２−９４３４７号では、発熱体素子７０１の断面形状は考慮されず、詳述されていないが、この断面形状が、液滴吐出後、再び吐出口まで液体を充填する（以下、リフィルと呼ぶ）際に、リフィル時間の大小に効いてくる。従って、断面形状が好ましくない場合、繰り返し液滴を吐出させる場合の、吐出周波数を大きくすることができないという問題があった。すなわち、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、吐出後のリフィル特性については考慮されていない。
【０００９】
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】
【００１０】
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方法、記録ヘッド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。
【００１１】
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液体吐出方法を用いる液体吐出ヘッドにおいて、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に支持して前記流路内に配置した平板形状の発熱体を備え、前記発熱体の、前記流路に平行かつ前記平板形状発熱体面に垂直な断面形状が、平板形状発熱体の中心部で厚く、端部で薄い形状をなすことを特徴としている。すなわち、平板形状発熱体がなるべく液体の流れを阻害しない形状にすることを特徴としたものである。
【００１２】
また、本発明の液体吐出方法は、前記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、該気泡を利用して液体を吐出することを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の液体吐出方法は、前記平板状の発熱体を急速に加熱することにより、前記発熱体の主として気泡が発生する面の両面に同時に気泡を発生させることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の液体吐出方法は、前記発生した気泡を、液体吐出口近傍で外気と連通させることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明の記録装置は、上記したいずれかの本発明の記録ヘッドを複数備え、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たことを特徴としている。
【００１６】
また、本発明の記録装置は、上記したいずれかの本発明の液体吐出方法を用いて液体を吐出することを特徴とした記録装置である。
【発明の効果】
【００１７】
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、さらに発熱体素子の断面形状を、流体の流れを妨げないように、端部で薄く中央部で厚くすることによって、リフィル特性を劣化させることなく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】
【００１８】
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、吐出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発泡エネルギーに変換することができる。さらに、該発熱体の、液体再充填のため流路に平行かつ平板形状発熱体に垂直な断面形状が、平板形状発熱体の中心部で厚く、端部で薄い形状をなすようにする、すなわち、なるべく液体の流れを阻害しない形状にすることにより、リフィル時間を短くすることが可能となる。
【００１９】
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。
【００２０】
また、本発明の液体吐出方法では、発熱体を急速に加熱することにより、発熱体の温度を短時間で、一様に発泡温度以上の温度に上昇させることができる。これにより、発熱体の主として気泡が発生する面の両面での発泡時間のばらつきが小さくなり、該両面で同時に気泡を発生させることができる。これにより、液体の吐出特性を安定させることができる。
【００２１】
また、本発明の液体吐出方法では、発生した気泡を液滴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。さらに発生した気泡が外気と連通することにより、液滴吐出後の発熱体の余熱を大気側に逃がすことが出来るので、発熱体の冷却時間を短縮することができ、高い駆動周波数での液体の吐出が可能となる。
【００２２】
また、本発明の記録装置は、上記した記録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、さらに記録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。
【００２３】
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、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。
【００２４】
以下、実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。
【００２５】
（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。発熱体の断面形状の拡大図を図２に示す。図２に示した通り、平板形状発熱体素子１０３の、流路に平行かつ発熱体面に垂直な断面形状が、平板形状発熱体の中心部で厚く、端部で薄い形状をなすように作成されている。（ｔ3＞ｔ2＞ｔ1）ここで、保護膜は、上下それぞれ厚さ約０．３μｍの窒化シリコン膜、発熱体は厚さ約１μｍのポリシリコン膜を使用し、ｔ3＝１．６μｍ、ｔ2＝０．８μｍ、ｔ1＝０．３μｍとなるように作成した。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。
【００２６】
次に、図３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３（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、発熱体の気泡面の両面に、同時に気泡２０４が発生し、急激に膨張を始める（図３（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３（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３（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３（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３（ｆ））。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、平板型発熱体の、流路に平行かつ平板形状発熱体面に垂直な断面形状を、発熱体端部で薄く、中央部で厚くした。
【００２７】
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。
【００２８】
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。これは、比較例として作成したヘッド（発熱体を流路の内壁面から浮かせず作成）を、本実施例の吐出特性（吐出体積、吐出速度）をほぼ等しくするように駆動した場合のリフィル時間４２μｓにくらべ、それほどリフィル時間は増加しておらず、リフィル速度を大幅に低下させることなく繰り返し駆動することができたことを示している。
【００２９】
本実施例の記録ヘッドでは、発熱体を流路の内壁面から浮かせた状態に支持してあるので、該発熱体で発生した熱は、基板（もしくは天板）に散逸せず、その殆どが気泡の発生に利用される。また、発熱体（ポリシリコン）が、保護膜によって包まれているために、端部からのしみ込み等で発熱体が液体と接触することはなく、腐食等の劣化を抑えることができる。
【００３０】
（第２実施例）
図４に示した発熱体を用い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、発熱体以外は第１実施例と同様で、発熱体のみが、積層構造ではなく、ＴａＡｌの一層構造であることが特徴である。ウェットエッチングによる、テーパーをつけたパターニングによって、図４中の、ｔ3＝０．４μｍ、ｔ2＝０．３μｍ、ｔ1＝０．２μｍと、ｔ3＞ｔ2＞ｔ1となるようにした。
【００３１】
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２．０×１０4（μｍ）3、インク液滴の平均速度は、約１１．０ｍ／ｓであり、リフィル時間は約４５μｓであった。
【００３２】
本実施例の記録ヘッドでは、発熱体は流路内に直立した状態で配置しているため、該発熱体で発生した熱は、基板（もしくは天板）に散逸せず、その殆どが気泡の発生に利用される。さらに、発熱体の断面形状がなるべく流体の流れを妨げない形状になっているので、図７に示した従来技術と異なり、リフィル速度を大幅に低下させることなく繰り返し駆動することができた。
【００３３】
（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、断面形状、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。
【００３４】
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６（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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。さらに、気泡と大気が連通することにより、発熱体の余熱を大気側に逃すことができるので、液滴吐出後の発熱体の冷却時間を短くすることができる。これにより、第１実施例と比較して、高い駆動周波数で安定した吐出を行なうことが可能となる。
【００３８】
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、気泡と大気を連通させた場合でも、本実施例と同様の効果が得られることは明らかである。
【００３９】
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。
【００４０】
（第４実施例）
第３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・高速印字が可能で、従来と比較して消費電力が低かった。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【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実施例の平板形状発熱体の断面形状を示す図。
【図３】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４】本発明の第２実施例の平板形状発熱体の断面形状を示す図。
【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】本発明の第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】
【００４２】
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
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方法、液体吐出ヘッド及び記録装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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、熱エネルギーを発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発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】特開昭５５−５７４７７号公報
【特許文献６】特開昭６２−９４３４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、熱エネルギーを発泡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。
【０００８】
図７に示すように、特開昭６２−９４３４７号では、発熱体素子７０１の断面形状は考慮されず、詳述されていないが、この断面形状が、液滴吐出後、再び吐出口まで液体を充填する（以下、リフィルと呼ぶ）際に、リフィル時間の大小に効いてくる。従って、断面形状が好ましくない場合、繰り返し液滴を吐出させる場合の、吐出周波数を大きくすることができないという問題があった。すなわち、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、吐出後のリフィル特性については考慮されていない。
【０００９】
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】
【００１０】
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方法、記録ヘッド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。
【００１１】
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液体吐出方法を用いる液体吐出ヘッドにおいて、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に支持して前記流路内に配置した平板形状の発熱体を備え、前記発熱体の、前記流路に平行かつ前記平板形状発熱体面に垂直な断面形状が、平板形状発熱体の中心部で厚く、端部で薄い形状をなすことを特徴としている。すなわち、平板形状発熱体がなるべく液体の流れを阻害しない形状にすることを特徴としたものである。
【００１２】
また、本発明の液体吐出方法は、前記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、該気泡を利用して液体を吐出することを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の液体吐出方法は、前記平板状の発熱体を急速に加熱することにより、前記発熱体の主として気泡が発生する面の両面に同時に気泡を発生させることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の液体吐出方法は、前記発生した気泡を、液体吐出口近傍で外気と連通させることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明の記録装置は、上記したいずれかの本発明の記録ヘッドを複数備え、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たことを特徴としている。
【００１６】
また、本発明の記録装置は、上記したいずれかの本発明の液体吐出方法を用いて液体を吐出することを特徴とした記録装置である。
【発明の効果】
【００１７】
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、さらに発熱体素子の断面形状を、流体の流れを妨げないように、端部で薄く中央部で厚くすることによって、リフィル特性を劣化させることなく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】
【００１８】
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、吐出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発泡エネルギーに変換することができる。さらに、該発熱体の、液体再充填のため流路に平行かつ平板形状発熱体に垂直な断面形状が、平板形状発熱体の中心部で厚く、端部で薄い形状をなすようにする、すなわち、なるべく液体の流れを阻害しない形状にすることにより、リフィル時間を短くすることが可能となる。
【００１９】
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。
【００２０】
また、本発明の液体吐出方法では、発熱体を急速に加熱することにより、発熱体の温度を短時間で、一様に発泡温度以上の温度に上昇させることができる。これにより、発熱体の主として気泡が発生する面の両面での発泡時間のばらつきが小さくなり、該両面で同時に気泡を発生させることができる。これにより、液体の吐出特性を安定させることができる。
【００２１】
また、本発明の液体吐出方法では、発生した気泡を液滴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。さらに発生した気泡が外気と連通することにより、液滴吐出後の発熱体の余熱を大気側に逃がすことが出来るので、発熱体の冷却時間を短縮することができ、高い駆動周波数での液体の吐出が可能となる。
【００２２】
また、本発明の記録装置は、上記した記録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、さらに記録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。
【００２３】
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、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。
【００２４】
以下、実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。
【００２５】
（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。発熱体の断面形状の拡大図を図２に示す。図２に示した通り、平板形状発熱体素子１０３の、流路に平行かつ発熱体面に垂直な断面形状が、平板形状発熱体の中心部で厚く、端部で薄い形状をなすように作成されている。（ｔ3＞ｔ2＞ｔ1）ここで、保護膜は、上下それぞれ厚さ約０．３μｍの窒化シリコン膜、発熱体は厚さ約１μｍのポリシリコン膜を使用し、ｔ3＝１．６μｍ、ｔ2＝０．８μｍ、ｔ1＝０．３μｍとなるように作成した。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。
【００２６】
次に、図３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３（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、発熱体の気泡面の両面に、同時に気泡２０４が発生し、急激に膨張を始める（図３（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３（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３（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３（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３（ｆ））。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、平板型発熱体の、流路に平行かつ平板形状発熱体面に垂直な断面形状を、発熱体端部で薄く、中央部で厚くした。
【００２７】
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。
【００２８】
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。これは、比較例として作成したヘッド（発熱体を流路の内壁面から浮かせず作成）を、本実施例の吐出特性（吐出体積、吐出速度）をほぼ等しくするように駆動した場合のリフィル時間４２μｓにくらべ、それほどリフィル時間は増加しておらず、リフィル速度を大幅に低下させることなく繰り返し駆動することができたことを示している。
【００２９】
本実施例の記録ヘッドでは、発熱体を流路の内壁面から浮かせた状態に支持してあるので、該発熱体で発生した熱は、基板（もしくは天板）に散逸せず、その殆どが気泡の発生に利用される。また、発熱体（ポリシリコン）が、保護膜によって包まれているために、端部からのしみ込み等で発熱体が液体と接触することはなく、腐食等の劣化を抑えることができる。
【００３０】
（第２実施例）
図４に示した発熱体を用い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、発熱体以外は第１実施例と同様で、発熱体のみが、積層構造ではなく、ＴａＡｌの一層構造であることが特徴である。ウェットエッチングによる、テーパーをつけたパターニングによって、図４中の、ｔ3＝０．４μｍ、ｔ2＝０．３μｍ、ｔ1＝０．２μｍと、ｔ3＞ｔ2＞ｔ1となるようにした。
【００３１】
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２．０×１０4（μｍ）3、インク液滴の平均速度は、約１１．０ｍ／ｓであり、リフィル時間は約４５μｓであった。
【００３２】
本実施例の記録ヘッドでは、発熱体は流路内に直立した状態で配置しているため、該発熱体で発生した熱は、基板（もしくは天板）に散逸せず、その殆どが気泡の発生に利用される。さらに、発熱体の断面形状がなるべく流体の流れを妨げない形状になっているので、図７に示した従来技術と異なり、リフィル速度を大幅に低下させることなく繰り返し駆動することができた。
【００３３】
（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、断面形状、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。
【００３４】
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６（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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。さらに、気泡と大気が連通することにより、発熱体の余熱を大気側に逃すことができるので、液滴吐出後の発熱体の冷却時間を短くすることができる。これにより、第１実施例と比較して、高い駆動周波数で安定した吐出を行なうことが可能となる。
【００３８】
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、気泡と大気を連通させた場合でも、本実施例と同様の効果が得られることは明らかである。
【００３９】
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。
【００４０】
（第４実施例）
第３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・高速印字が可能で、従来と比較して消費電力が低かった。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【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実施例の平板形状発熱体の断面形状を示す図。
【図３】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４】本発明の第２実施例の平板形状発熱体の断面形状を示す図。
【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】本発明の第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】
【００４２】
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
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液体吐出方法を用いる液体吐出ヘッドにおいて、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に支持して前記流路内に配置した平板形状の発熱体を備え、前記発熱体の、前記流路に平行かつ前記平板形状発熱体面に垂直な断面形状が、平板形状発熱体の中心部で厚く、端部に薄い形状をなすことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の液体吐出ヘッドを用いた液体吐出方法であって、前記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、該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３】
前記平板形状の発熱体を急速に加熱することにより、前記発熱体の主として気泡が発生する面の両面に同時に気泡を発生させることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出方法。
【請求項４】
前記発生した気泡を、前記液体吐出口近傍で外気と連通させることを特徴とする請求項２または３に記載の液体吐出方法。
【請求項５】
請求項１に記載のヘッドを複数備え、各発熱体面に膜沸騰を生じさせる電気信号を供給する手段を備えたことを特徴とする記録装置。
【請求項６】
請求項２から４のいずれか一項に記載の液体吐出方法を用いて吐出された液体により記録を行なうことを特徴とした請求項５に記載の記録方法。
【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液体吐出方法を用いる液体吐出ヘッドにおいて、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に支持して前記流路内に配置した平板形状の発熱体を備え、前記発熱体の、前記流路に平行かつ前記平板形状発熱体面に垂直な断面形状が、平板形状発熱体の中心部で厚く、端部に薄い形状をなすことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の液体吐出ヘッドを用いた液体吐出方法であって、前記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、該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３】
前記平板形状の発熱体を急速に加熱することにより、前記発熱体の主として気泡が発生する面の両面に同時に気泡を発生させることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出方法。
【請求項４】
前記発生した気泡を、前記液体吐出口近傍で外気と連通させることを特徴とする請求項２または３に記載の液体吐出方法。
【請求項５】
請求項１に記載のヘッドを複数備え、各発熱体面に膜沸騰を生じさせる電気信号を供給する手段を備えたことを特徴とする記録装置。
【請求項６】
請求項２から４のいずれか一項に記載の液体吐出方法を用いて吐出された液体により記録を行なうことを特徴とした請求項５に記載の記録方法。
【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２００８−１５５４０４（Ｐ２００８−１５５４０４Ａ）
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４４６１３（Ｐ２００６−３４４６１３）
【出願日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【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１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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