JP2000127405A

JP2000127405A - 液体吐出ヘッド、その駆動方法および液体吐出装置

Info

Publication number: JP2000127405A
Application number: JP30910498A
Authority: JP
Inventors: Masashi Miyagawa; 昌士宮川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-10-29
Filing date: 1998-10-29
Publication date: 2000-05-09

Abstract

(57)【要約】【課題】高画質記録を可能にする液体吐出ヘッド、そ
の駆動方法および液体吐出装置を提供する。【解決手段】液体を吐出するための吐出口４０を有す
る複数の液流路１０４の中の一つの液流路に対応して、
前記液体を吐出させることなく発泡させるためのみの第
１の電気熱変換素子（ヒータ２ａ）および前記液体を発
泡させて吐出させるための第２の電気熱変換素子（ヒー
タ２ｂ）が設けられている。第１のヒータ２ａを駆動す
ることで、メニスカスの位置を変動させ、その後所定の
タイミングで第２のヒータ２ｂを駆動することで液滴体
積を変調して吐出させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複写機、ファクシ
ミリ、ワープロ、ホストコンピュータの記録のための出
力用端末としてのプリンタ、ビデオプリンタ等に用いら
れる液体吐出ヘッドとしてのインクジェットヘッド、該
ヘッドにタンクを含めたインクジェットヘッドカートリ
ッジ、その駆動方法および液体吐出装置としてのインク
ジェット装置に関し、特にインクを吐出するためのエネ
ルギとして熱エネルギを発生する電気熱変換素子を形成
した基体を有する液体吐出ヘッド、その駆動方法および
該ヘッドを用いる液体吐出装置に関する。

【０００２】ここで、記録とは、布、糸、紙、シート材
等のインク付与を受けるインク支持体全てへのインク付
与等（プリント）を含むもので、また、文字等の意味の
ある画像だけでなく、パターン画像等の無意味な画像を
も含むものである。液体吐出装置のうち記録装置は、各
種情報処理装置全てあるいはその出力器としてのプリン
タを含むものであり、本発明はこれらへの用途が可能な
ものである。

【０００３】

【従来の技術】インクを吐出して記録紙等の被記録媒体
上に記録を行うインクジェット記録装置に関しては、装
置の小型化の容易性や低騒音性等の観点から多くの製品
が製造されている。

【０００４】そして、近年さらに小型化を図ることや高
画質、特に高画質カラー記録を行うことに対する要求が
高まってきている。このような要求を満たすための構成
として、一つの基板上に形成される吐出エネルギ発生素
子の数を増し、吐出ノズルの数を増やすことにより高密
度高速印字を行う方法が主として採用されている。

【０００５】また、高画質化の一つの方向性として、特
公昭６２−４８５８５号公報には、１ノズル内に複数の
電気熱変換素子を設けた構成が開示され、このような電
気熱変換素子を夫々独立に制御駆動することで、発熱面
積を異ならせ吐出されるインク滴のサイズを変調し、高
画質記録を実現する階調記録方法が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、本発明者ら
が、１ノズル内に設けた複数の電気熱変換素子を用い
て、電気熱変換素子を夫々独立に制御駆動することで、
発熱面積を異ならせ吐出されるインク滴のサイズを変調
して高画質の多階調記録を行う階調記録方法を検討した
ところ以下のことが判明した。

【０００７】１ノズル内から種々の体積の液滴を吐出さ
せる場合、その液滴速度と吐出体積との間には相関があ
り、吐出体積の大きい液滴は速度が速く、吐出体積の小
さい液滴は速度が小さいことが判明した。このことは、
液滴の吐出体積によって液滴の吐出速度が異なることを
意味し、複数のノズルを配設して多値画像を形成しよう
とした場合に、被記録媒体への着弾位置が異なり、画質
を劣化させ、精細な多値画像を形成できないことを意味
するものである。

【０００８】また、最も大きな課題として、吐出体積の
小さい液滴の速度が極めて遅く勢いの無いものとなり、
吐出方向が曲がったりして安定しないという問題があ
る。

【０００９】さらに、吐出しない時間が比較的長くなる
と、オリフィス（吐出口）近傍のインク粘度が水分の蒸
発によって高くなり、その増粘物によりオリフィスが詰
まり、インクの不吐出を招いたりして安定して液滴を吐
出することが困難で、実質的に吐出量を変調できる範囲
が極めて限られているのが現状である。

【００１０】このように、吐出体積の小さい液滴の速度
が極めて遅いことに起因して安定した記録を行えない原
因として、吐出液滴の体積を決定する要因の一つである
吐出エネルギ発生素子と吐出口との間の距離を極めて短
く構成することが、ヘッドの製法上あるいはヘッドの機
械的強度における信頼性上の観点から困難であることが
挙げられる。このことは、吐出エネルギ発生素子前方の
インク体積を少なくすることには限界があり、吐出エネ
ルギ発生素子前方の流路抵抗が大きく、小さい液滴を安
定して吐出することが困難であることを意味している。

【００１１】そこで、本発明は、前記した課題を解決
し、高階調の高画質記録を可能にし、特に、小さい液滴
も速度を低下させることなく安定して吐出することので
きる液体吐出ヘッド、その駆動方法および液体吐出装置
を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するための吐
出口を有する複数の液流路と、一つの液流路に対応して
設けられた、前記液体を吐出させることなく発泡させる
ためのみの第１の電気熱変換素子および前記液体を発泡
させて吐出させるための第２の電気熱変換素子と、を有
することを特徴とする。

【００１３】前記第１および第２の電気熱変換素子は、
前記液流路に、その長さ方向に直交する方向に並列に配
列されていてもよい。

【００１４】また、前記第１および第２の電気熱変換素
子は、前記液流路に、その長さ方向に直列に配列されて
いてもよい。

【００１５】さらに、前記吐出口は前記第１および第２
の電気熱変換素子の上面に沿う方向に配されているか、
前記第１および第２の電気熱変換素子に対向する方向に
配されていてもよい。

【００１６】前記第２の電気熱変換素子は、前記液流路
の前記吐出口と前記第１の電気熱変換素子との間に配列
されていることが好ましい。

【００１７】なお、前記第１および第２の電気熱変換素
子の上には、それぞれ異なる厚さの保護膜が設けられて
おり、これらの膜厚の相違により前記第１および第２の
電気熱変換素子が前記液体に与える熱エネルギが異なる
か、または、前記第１および第２の電気熱変換素子は、
それぞれ異なる面積を有し、これらの面積の相違により
前記第１および第２の電気熱変換素子が前記液体に与え
る熱エネルギが異なってもよい。

【００１８】さらに、前記液体はインクであってもよ
い。

【００１９】また、上記課題を解決するための本発明の
液体吐出ヘッドの駆動方法は、前記液体吐出ヘッドの駆
動方法であって、前記第２の電気熱変換素子の駆動周期
の中、少なくとも一回前記第１の電気熱変換素子を駆動
し、メニスカス位置が吐出口に対して凸あるいは凹状態
のときに液体の吐出を行うことを特徴とする。

【００２０】ここで、前記第１および第２の電気熱変換
素子の駆動はパルス電圧を印加することにより行われ、
前記第１の電気熱変換素子の駆動電圧が前記第２の電気
熱変換素子の駆動電圧より低いか、前記第１および第２
の電気熱変換素子の駆動パルス電圧を印加することによ
り行われ、前記第１の電気熱変換素子のパルス幅が前記
第２の電気熱変換素子のパルス幅より狭いものであって
もよい。

【００２１】さらに、上記課題を解決するための本発明
の液体吐出装置は、前記液体吐出ヘッドが搭載される
液体吐出装置であって、前記液体吐出ヘッドの駆動条件
を異ならせて吐出を行わせるモード切換制御手段を備え
ることを特徴とする。

【００２２】ここで、前記モード切換制御手段は、前記
第２の電気熱変換素子の駆動周期の中、少なくとも一回
前記第１の電気熱変換素子を駆動し、メニスカス位置が
吐出口に対して凸あるいは凹状態のときに液体の吐出を
行う第１のモードと、前記第２の電気熱変換素子の駆動
周期の中、少なくとも一回前記第１の電気熱変換素子を
駆動し、メニスカス位置が吐出口に対して凹状態のとき
に液体の吐出を行う第２のモードと、少なくとも前記第
２の電気熱変換素子を駆動し、メニスカス位置が吐出口
に対して定常状態のときに液体の吐出を行う第３のモー
ドと、に切換可能であることが好ましい。

【００２３】本発明の液体吐出ヘッドによれば、一つの
液流路に対応して、液体を吐出させることなく発泡させ
るためのみの第１の電気熱変換素子および液体を発泡さ
せて吐出させるための第２の電気熱変換素子が設けられ
ているので、まず第１の電気熱変換素子を駆動すること
で液体を吐出させることなく発泡させることができ、こ
れによって吐出口におけるメニスカスの位置を変動させ
ることができる。次いで、このメニスカスの所定の位置
に対応させて液体を発泡させて吐出させるための第２の
電気熱変換素子を駆動することで、吐出体積が変調され
た液滴を吐出することができる。従って、多値の高階調
画像記録を行うことができる。

【００２４】本発明の液体吐出ヘッドの駆動方法によれ
ば、第２の電気熱変換素子の駆動周期の中、少なくとも
一回前記第１の電気熱変換素子を駆動し、メニスカス位
置が吐出口に対して凸あるいは凹状態のときに液体の吐
出を行うので、上述のように、吐出体積が変調された液
滴を吐出することができ、多値の高階調画像記録を行う
ことができる。なお、メニスカス位置が凹状態のときに
第２の電気熱変換素子を駆動すれば、小さい液滴であっ
ても吐出速度を低下させることなく安定して吐出させる
ことができる。

【００２５】さらに、本発明の液体吐出装置によれば、
液体吐出ヘッドの駆動条件を異ならせて吐出を行わせる
モード切換制御手段を備えているので、記録画像に応じ
た最適のモードに切り換えることができ、便利である。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。

【００２７】図１は、本発明の液体吐出ヘッドとしての
インクジェットヘッド（以下、単にヘッドともいう）の
基本的態様の一例を示す断面図であって、（ａ）〜
（ｅ）は本発明の作動原理を説明するためのものであ
る。

【００２８】本実施形態におけるヘッドでは、インクが
液流路１０４の後方の共通液室１１０より供給され、イ
ンク吐出口４０から吐出されるが、該液流路１０４には
第１および第２の電気熱変換素子としての第１および第
２のヒータ２ａ、２ｂがその長さ方向に沿って前後に直
列に配設されている。ここで、第１のヒータ２ａはイン
クを吐出させることなく発泡させるためのみのメニスカ
ス位置制御用であり、第２のヒータ２ｂはインクを発泡
させて吐出させる吐出用である。図１（ａ）に示す第１
および第２のヒータ２ａ、２ｂが共に駆動されない定常
時には、メニスカスＭは吐出口４０の外表面近傍に形成
されている。

【００２９】そこで、第１のヒータ２ａに、図２に示す
ような駆動電圧パルスが印加されると、図１（ｂ）に示
すように、インクの発泡が生じ、吐出口４０においてメ
ニスカスＭが凸状態に突出するが、この第１のヒータ２
ａは上述のように、インクを吐出させることなく発泡さ
せるためのみに設定されておりインクは吐出されない。

【００３０】次いで、図１（ｃ）に示すように、第１の
ヒータ２ａの駆動によって発生された気泡の消泡に伴い
上述の突出したメニスカスＭが戻り、さらに慣性により
メニスカスＭはノズルの液流路１０４内に引き込まれた
凹状態となる。このメニスカスＭの後退位置は発生した
気泡の大きさと、液流路１０４の後部への共通液室１１
０からのインクリフィルのし易さ、すなわち、電気熱変
換素子後部の液流路抵抗とによって決定される。

【００３１】さらに、図１（ｄ）に示すように、例えば
メニスカスＭの後退位置において、第２のヒータ２ｂを
図２に示すような駆動電圧パルス（電圧の大きさまたは
パルス幅が第１のヒータ２ａの場合とは異なる）を印加
して駆動することにより、図１（ｅ）に示すように、小
体積のインク液滴Ｄを吐出させる。このメニスカスＭの
後退位置においては、上述のように、第２のヒータ２ｂ
前部のインク液の量が通常のメニスカスを後退させない
場合よりも少なく、流路抵抗が小さいので、小さい液滴
でも高速で安定して吐出することが可能となる。

【００３２】なお、第２のヒータ２ｂを図１（ｂ）から
図１（ｃ）に移行する間の所定のメニスカス位置におい
て駆動することにより、インク液滴Ｄの体積を変えるこ
とができる。すなわち、メニスカスＭが凸状態において
第２のヒータ２ｂを駆動すれば、定常的なインク液滴よ
りも大きな体積の液滴が吐出され、メニスカスＭが凹状
態において第２のヒータ２ｂを駆動すれば、定常的なイ
ンク液滴よりも小さな体積の液滴が吐出される。

【００３３】このように、記録画像の濃度に応じて、各
ノズル毎にメニスカスの位置を制御して吐出体積を変調
することにより多値の画像記録を行う（第１モード）こ
ともできるし、メニスカスが後退した位置で小体積のイ
ンク液滴を安定に吐出させることで高画質記録を行う
（第２モード）こともできるし、さらに、メニスカスの
位置制御を行うことなく通常の大きさのインク液滴で記
録する（第３モード）こともできる。

【００３４】また、第１および第２のヒータ２ａ、２ｂ
の駆動方法としては、図２に示すように、所定電圧をプ
レパルスとメインパルスに分割して付与するのが好まし
い。本発明においては、インク発泡の制御、すなわち、
メニスカスの位置の制御は、電圧（Ｖop）やプレパル
ス、メインパルスのパルス幅（ｔ１，ｔ３）およびパル
ス間隔（ｔ２）を変えるか、あるいはプレパルスを複数
にするか等の第１のヒータ２ａの駆動条件を、第２のヒ
ータ２ｂの駆動条件に対して変えることにより行うこと
ができる。

【００３５】なお、インク発泡の制御のために、ヒータ
２ａ、２ｂを同一の駆動パルスで駆動しても構わない。
この実施の形態の場合には、発泡エネルギを変えるべく
第１および第２のヒータ２ａ、２ｂの面積を異ならせる
か、保護膜の膜厚あるいは膜材質を変えればよい。すな
わち、第１のヒータ２ａの表面積に比べ第２のヒータ２
ｂの表面積を大きくする。また、表面積を等しくする場
合には、第１のヒータ２ａの保護膜に比べ第２のヒータ
２ｂの保護膜を薄くするのである。

【００３６】また、上述の実施の形態では、第１および
第２のヒータ２ａ、２ｂが液流路１０４の長さ方向に沿
って前後に直列に配設されている例につき説明したが、
これらの第１および第２のヒータ２ａ、２ｂは液流路１
０４の長さ方向に直交する方向に並列に配設されてもよ
い（図８参照）。

【００３７】さらに、本実施の形態では、図１に示すよ
うに、ヒータ２ａ、２ｂの上面に沿う方向に液体を吐出
させる、いわゆるエッジシュータタイプのヘッドを例示
して説明したが、本発明はこれに限定されることなく、
ヒータに対向する方向に液体を吐出させる、いわゆるサ
イドシュータタイプのヘッドにも適用されるものであ
る。

【００３８】

【実施例】以下図面を参照しながら本発明について詳細
に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるもの
ではないことは言うまでもない。また本実施例において
は、吐出に利用される液体として水系インクを例として
取扱っているが、これらに限定されることなく、本発明
を利用して吐出可能な液体噴射記録ヘッドであれば、い
かなる液体であっても構わない。まず、本発明の実施例
に係るインクジェットヘッドの基本的構成と製造方法に
ついて記載する。

【００３９】本発明において、電気熱変換素子は、一つ
の液流路（以下、ノズルともいう）に対して二種類設け
られており、各電気熱変換素子の構成は、例えば図３
（ａ）、（ｂ）に示されている。

【００４０】図３は、電気熱変換素子基板に形成した変
換素子の形状を示す平面図（ａ）とそのＡ−Ａ断面図
（ｂ）である。

【００４１】電気熱変換素子は、熱を発生する発熱抵抗
素子（以下、ヒータとも称する）２と、このヒータ２に
半導体の生産に用いられる薄膜プロセスによって接続さ
れた電極３Ａ，３Ｂとで構成されている。そして、前記
二つの電極間に電圧を印加することで、ヒータ２に電流
を流して発熱させる。ヒータ２で生じた熱には図３
（ａ）で示す矢印１０７の方向、すなわち、平面方向に
放熱するものと、同図（ｂ）で示す断面方向で放熱する
成分がある。

【００４２】ヒータ２は熱伝導性の低い材料で構成され
る蓄熱層１０５とインクに対するヒータ２の保護のため
に形成される保護膜１０３、および発泡したインクが消
泡する際に生じる衝撃波に対する耐キャビテーション膜
１０２とで挟まれたサンドイッチ構造となっている。基
体１０６としてはシリコン基板が用いられる。それぞれ
の層の厚みは、ヒータ２の熱がより効率良くインク１０
８に伝えられるように決められ、本発明の場合は、耐キ
ャビテーション膜１０２は０．１〜１．０μｍ、保護膜
１０３は０．３〜２．０μｍ、蓄熱層１０５は０．５〜
５．０μｍ程度のものが用いられ、基体１０６は０．５
〜１．０ｍｍとされる。

【００４３】これら各層の成膜やパターニング、エッチ
ング等の加工は、汎用的な半導体製造プロセスを応用し
て作製することが可能である。また、基板を用いてイン
クジェット記録ヘッドを作製する手段の一例としては、
射出成形でインク供給口、共通インク室、およびノズル
を形成した樹脂製の天板にエキシマレーザによりインク
吐出口を形成して、ノズルとヒータを位置合わせしつつ
接合し、バネ等で固定した後、接合面を封止材等により
封止することでインクジェットヘッドを作製できる。

【００４４】ここで、インクを水系インクとした場合、
耐キャビテーション層１０２とインク１０８の接する面
の温度を約３００℃とすることにより、インク１０に発
泡が生じる。ヒータ２は、耐熱温度や保護膜１０３や蓄
熱層１０５との熱膨張係数の差による応力のため、前記
表面温度が約７００〜８００℃を越えると耐久性が急激
に悪くなる。従って、表面温度を上記の範囲にコントロ
ールすることが望ましい。

【００４５】このことを、図４のヒータの表面温度分布
を示すグラフを用いて説明する。図４中のａ−ａ′は図
３（ａ）のヒータ２の幅に対応するものであり、耐キャ
ビテーション層１０２の表面温度分布をＴｅｍｐＡで示
す。ΔＴ１は発泡開始温度で約３００℃であり、ΔＴ２
は耐久性が急激に変化する温度であり、用いる薄膜材料
によって変化するが、通常約７００〜８００℃である。
ＴｅｍｐＡでΔＴ１〜ΔＴ２温度領域の範囲が実際にヒ
ータ表面でインクが発泡する領域であり、ｂ−ｂ′で示
される範囲である。

【００４６】ここで、図４に示すように、ヒータ中央部
の温度分布はフラットである。フラット部分では極めて
安定的に発泡／消泡が繰り返されるため、この領域が大
きい方が安定的な印字性能を得ることができる。ヒータ
端部に近ずくと、図３（ａ）の矢印で示した平面方向の
放熱があるため、徐々に温度が低くなってゆき、ＷＡで
はヒータ上でありながらインクを発泡させられない非発
泡領域となる。さらに、ヒータの外側ＷＢは、前記平面
方向の放熱により、いくらかの昇温が観察されるのみで
ある。

【００４７】上記基本的特性に基づいて本発明の一実施
例を説明する。

【００４８】図５は、１ノズル内に２種の電気熱変換素
子を形成した素子基板の基本的態様を示している。基板
１００上には第１および第２の電気熱変換素子２Ａ，２
Ｂが形成され、第１の電気熱変換素子２Ａには３Ａ、３
Ｂの配線によって電圧パルスが印加される。また同様
に、第２の電気熱変換素子２Ｂに対しては配線３Ａ、３
Ｃによって電圧パルスが印加される。なお、配線３Ａに
対しては絶縁膜の下を這い回したアルミ配線がスルーホ
ールを介して接続されている。図５において、上方側に
（不図示の）吐出口が位置され、第２の電気熱変換素子
２Ｂは、液流路の吐出口と第１の電気熱変換素子２Ａと
の間に配列されている。そして、第２の電気熱変換素子
２Ｂの表面積は、第１の電気熱変換素子２Ａの表面積よ
りも大きく形成されている。

【００４９】図６は本発明の実施例に係わるインクジェ
ットヘッドの素子基板を構成する素子の配置を示す。素
子基板の上にはノズル壁５が設けられ、各ノズル壁５の
間の吐出ノズル内には表面積の小さな発熱抵抗体２ａと
大きな発熱抵抗体２ｂの二つのヒータが配設されてい
る。夫々のヒータはスルーホール４を介してヒータの下
層の層間絶縁膜の下にあるコモン配線１と接続されてお
り、このコモン配線１より電圧を印加される。配線６お
よび７は夫々、ヒータ２ａおよび２ｂをスイッチングト
ランジスタ１１および１０にスルーホール１６を介して
接続する。

【００５０】スイッチングトランジスタ１０および１１
も、ヒータ下層の層間絶縁膜の下に配設されている。さ
らにトランジスタ１０および１１のＯＮ／ＯＦＦを制御
するため、信号配線１７および１８がトランジスタ１０
および１１とシフトレジスタラッチ回路１９および２０
に接続されている。これにより、ヒータの駆動を、シフ
トレジスタラッチ回路で取込んだデータによりトランジ
スタをＯＮ／ＯＦＦさせて制御する。また、グランド配
線１２，１３，１４および１５は夫々スイッチングトラ
ンジスタ８，９，１０および１１のエミッタに接続され
る。

【００５１】図６のインクジェットヘッドを駆動させる
等価回路を図７に示す。図７ではシフトレジスタラッチ
回路１９，２０を詳細に示す。シフトレジスタ３６に
は、ＣＬＫ信号線３７とシリアルデータ線３５とが入力
され、シリアルデータをクロック信号によりシフトレジ
スタ３６に展開する。シフトレジスタ３６に入力された
データはラッチ３３にラッチ信号線３４からのラッチ信
号で保持される。次に、イネーブル信号線３２はＡＮＤ
ゲート３１に接続され、ラッチ３３のデータをトランジ
スタ１１に印加するタイミング信号を入力する。イネー
ブル信号線３２が２本あるためヒータ２ａ，２ｂは同時
でも、あるいはタイミングをずらしても駆動可能であ
る。

【００５２】実際の記録時における第１ないし第３モー
ドの選択に関しては、２本のイネーブル信号線３２での
スイッチングのタイミングを制御することにより行うこ
とができる。

【００５３】すなわち、記録画像の濃度に応じて、各ノ
ズル毎にメニスカスの位置を制御して吐出体積を変調す
ることにより多値の画像記録を行う第１モードの場合に
は、イネーブル信号線３２の一方でトランジスタ１１を
ONさせ、第１のヒータ２ａを駆動することによりインク
の発泡のみを生じさせる。そして、この発泡に伴いメニ
スカス位置が変動するが、所定の変動位置に対応するタ
イミングで、イネーブル信号線３２の他方でトランジス
タ１０をONさせ第２のヒータ２ｂを駆動することにより
インクを吐出させる。

【００５４】また、メニスカスが後退した位置で小体積
のインク液滴を安定に吐出させることで高画質記録を行
う第２モードの場合には、第１モードの場合と同様に、
まずイネーブル信号線３２の一方でトランジスタ１１を
ONさせ、第１のヒータ２ａを駆動することによりインク
の発泡のみを生じさせた後、この発泡に伴うメニスカス
の後退位置に対応するタイミングで、イネーブル信号線
３２の他方でトランジスタ１０をONさせ第２のヒータ２
ｂを駆動することによりインクを吐出させるのである。

【００５５】さらに、メニスカスの位置制御を行うこと
なく通常の大きさのインク液滴で記録する第３モードの
場合には、イネーブル信号線３２の両方でトランジスタ
１０および１１を同時にONさせ、第１のヒータ２ａおよ
び第２のヒータ２ｂを同時に駆動することによりインク
を吐出させる。

【００５６】従来、１ノズル内に二つのヒータを設けて
吐出体積を変調する場合、二つのヒータの面積を異なら
せ、小さい吐出ヒータによる吐出、大きい吐出ヒータに
よる吐出および二つのヒータを同時に駆動することによ
る吐出の３種の液滴を吐出させ、４値の多値画像を形成
する方法が提案されているが、前記したように単に吐出
体積を小さくした場合、液滴の吐出速度は遅くなって画
像の信頼性が低下する場合が多かった。

【００５７】ところが、本発明においては、一つのヒー
タにて発生した気泡によりメニスカス位置の変動を誘発
させ、例えば、消泡によりメニスカスが最も後退した位
置に対応するタイミングで他方のヒータを駆動すること
で流路抵抗を小さくし、小液滴の場合でも吐出速度を十
分に速くすることを可能としているのである。

【００５８】次に、以上説明した構成のヘッドの要部の
具体的態様の一例を図８に示す。基板素子上には前記し
た第１および第２のヒータ２ａ，２ｂが形成（但し、本
例では液流路の長さ方向に直交する方向に並列に配置）
されており、素子基板１００は放熱を良好に行うためア
ルミ等で形成したベースプレート４１上に接着してあ
る。ベースプレートには基板後方に記録装置とのコンタ
クトを行うための配線基板（図示せず）を接着し、この
配線基板と素子基板は不図示のワイヤーボンディングに
より接続されている。また、天板１０１は前記したよう
に射出成形で作製され、ノズル１０４がノズル壁５で仕
切られて形成されている。ノズル前方にはインク吐出口
４０がエキシマレーザ加工によって形成されている。

【００５９】現在一般的なインクジェットヘッドはノズ
ルピッチが約７０．５μｍであり解像度３６０ｄｐｉで
作製されている。更に高解像度化を図り、７２０ｄｐｉ
のヘッドを作製するためには、ノズルピッチを約３５μ
ｍ程度とする必要があるが、このような微細な加工を行
うには製造方法の大幅な変更が必要となる。しかし、本
発明によれば、上述の第２モードを用いて吐出体積を小
さくし、２パスでの印字を行うことにより７２０ｄｐｉ
の記録を行うことが可能であり、従来のインクジェット
ヘッドの製造技術を用いたまま高解像度化を図ることが
できる。

【００６０】図９は、本発明のインクジェットヘッド５
００と該ヘッドにインクを供給するためのインクタンク
５０１を結合して作製したインクジェットヘッドカート
リッジを示す斜視図である。

【００６１】図１０は、以上のようにして構成されるイ
ンクジェット記録ヘッドを用いる本発明の液体吐出装置
としてのインクジェット記録装置の一構成例を示す模式
的斜視図である。このインクジェット記録装置ＩＪＲＡ
は、駆動モータ２０１０の正逆回転に連動して駆動力伝
達ギア２０２０，２０３０を介して回転するリードスク
リュ２０４０を有する。インクジェット記録ヘッドとイ
ンクタンクとが一体化されたインクジェットカートリッ
ジＩＪＣが載置されるキャリッジＨＣは、キャリッジ軸
２０５０およびリードスクリュ２０４０の螺旋溝２０４
１に対して係合するピン（図示せず）を有しており、リ
ードスクリュ２０４０の回転に伴って、矢印ａ，ｂ方向
に往復移動される。

【００６２】２０６０は紙押さえ板であり、キャリッジ
移動方向にわたって紙Ｐをプラテンローラ２０７０に対
して押圧する。２０８０および２０９０はフォトカップ
ラで、これらは、キャリッジＨＣに設けられたレバー２
１００のこの域での存在を確認してモータ２０１０の回
転方向切替等を行うためのホームポジション検知手段と
して動作する。２１１０は記録ヘッドの前面をキャップ
するキャップ部材であり、支持部材２１２０により支持
されている。

【００６３】２１３０はこのキャップ内を吸引する吸引
手段であり、キャップ内開口を介して記録ヘッドの吸引
回復を行う。記録ヘッドの端面をクリーニングするクリ
ーニングブレード２１４０は、前後方向に移動可能に部
材２１５０に設けられており、これらは本体支持板２１
６０に支持されている。ブレード２１４０はこの形態に
限定されず、周知のクリーニングブレードが本例に適用
できることは言うまでもない。また２１７０は吸引回復
の吸引を開始するためのレバーであり、キャリッジＨＣ
と係合するカム２１８０の移動に伴って移動するように
なっており、これにより駆動モータ２０１０からの駆動
力がクラッチ切替等の公知の伝達手段で移動制御され
る。

【００６４】これらのキャッピング、クリーニング、吸
引回復は、キャリッジＨＣがホームポジション側領域に
きたときにリードスクリュ２０４０の作用によってそれ
らの対応位置で所望の処理が行えるように構成されてい
るが、周知のタイミングで所望の作動を行うようにすれ
ば、本例には何れも適用できる。

【００６５】（その他）なお、本発明は、特にインクジ
ェット記録方式の中でも、インク吐出を行わせるために
利用されるエネルギとして熱エネルギを発生する手段
（例えば電気熱変換体やレーザ光等）を備え、前記熱エ
ネルギによりインクの状態変化を生起させる方式の記録
ヘッド、記録装置において優れた効果をもたらすもので
ある。かかる方式によれば記録の高密度化，高精細化が
達成できるからである。

【００６６】その代表的な構成や原理については、例え
ば、米国特許第４７２３１２９号明細書，同第４７４０
７９６号明細書に開示されている基本的な原理を用いて
行うものが好ましい。この方式は所謂オンデマンド型，
コンティニュアス型のいずれにも適用可能であるが、特
に、オンデマンド型の場合には、液体（インク）が保持
されているシートや液路に対応して配置されている電気
熱変換体に、記録情報に対応していて核沸騰を越える急
速な温度上昇を与える少なくとも１つの駆動信号を印加
することによって、電気熱変換体に熱エネルギを発生せ
しめ、記録ヘッドの熱作用面に膜沸騰を生じさせて、結
果的にこの駆動信号に一対一で対応した液体（インク）
内の気泡を形成できるので有効である。この気泡の成
長，収縮により吐出用開口を介して液体（インク）を吐
出させて、少なくとも１つの滴を形成する。この駆動信
号をパルス形状とすると、即時適切に気泡の成長収縮が
行われるので、特に応答性に優れた液体（インク）の吐
出が達成でき、より好ましい。このパルス形状の駆動信
号としては、米国特許第４４６３３５９号明細書，同第
４３４５２６２号明細書に記載されているようなものが
適している。なお、上記熱作用面の温度上昇率に関する
発明の米国特許第４３１３１２４号明細書に記載されて
いる条件を採用すると、さらに優れた記録を行うことが
できる。

【００６７】記録ヘッドの構成としては、上述の各明細
書に開示されているような吐出口，液路，電気熱変換体
の組合せ構成（直線状液流路または直角液流路）の他に
熱作用部が屈曲する領域に配置されている構成を開示す
る米国特許第４５５８３３３号明細書，米国特許第４４
５９６００号明細書を用いた構成も本発明に含まれるも
のである。加えて、複数の電気熱変換体に対して、共通
するスリットを電気熱変換体の吐出部とする構成を開示
する特開昭５９−１２３６７０号公報や熱エネルギの圧
力波を吸収する開孔を吐出部に対応させる構成を開示す
る特開昭５９−１３８４６１号公報に基いた構成として
も本発明の効果は有効である。すなわち、記録ヘッドの
形態がどのようなものであっても、本発明によれば記録
を確実に効率よく行うことができるようになるからであ
る。

【００６８】さらに、記録装置が記録できる記録媒体の
最大幅に対応した長さを有するフルラインタイプの記録
ヘッドに対しても本発明は有効に適用できる。そのよう
な記録ヘッドとしては、複数記録ヘッドの組合せによっ
てその長さを満たす構成や、一体的に形成された１個の
記録ヘッドとしての構成のいずれでもよい。

【００６９】加えて、上例のようなシリアルタイプのも
のでも、装置本体に固定された記録ヘッド、あるいは装
置本体に装着されることで装置本体との電気的な接続や
装置本体からのインクの供給が可能になる交換自在のチ
ップタイプの記録ヘッド、あるいは記録ヘッド自体に一
体的にインクタンクが設けられたカートリッジタイプの
記録ヘッドを用いた場合にも本発明は有効である。

【００７０】また、本発明の記録装置の構成として、記
録ヘッドの吐出回復手段、予備的な補助手段等を付加す
ることは本発明の効果を一層安定できるので、好ましい
ものである。これらを具体的に挙げれば、記録ヘッドに
対してのキャッピング手段、クリーニング手段、加圧或
は吸引手段、電気熱変換体或はこれとは別の加熱素子或
はこれらの組み合わせを用いて加熱を行う予備加熱手
段、記録とは別の吐出を行なう予備吐出手段を挙げるこ
とができる。

【００７１】また、搭載される記録ヘッドの種類ないし
個数についても、例えば単色のインクに対応して１個の
みが設けられたものの他、記録色や濃度を異にする複数
のインクに対応して複数個数設けられるものであっても
よい。すなわち、例えば記録装置の記録モードとしては
黒色等の主流色のみの記録モードだけではなく、記録ヘ
ッドを一体的に構成するか複数個の組み合わせによるか
いずれでもよいが、異なる色の複色カラー、または混色
によるフルカラーの各記録モードの少なくとも一つを備
えた装置にも本発明は極めて有効である。

【００７２】さらに加えて、以上説明した本発明実施例
においては、インクを液体として説明しているが、室温
やそれ以下で固化するインクであって、室温で軟化もし
くは液化するものを用いてもよく、あるいはインクジェ
ット方式ではインク自体を３０℃以上７０℃以下の範囲
内で温度調整を行ってインクの粘性を安定吐出範囲にあ
るように温度制御するものが一般的であるから、使用記
録信号付与時にインクが液状をなすものを用いてもよ
い。加えて、熱エネルギによる昇温を、インクの固形状
態から液体状態への状態変化のエネルギとして使用せし
めることで積極的に防止するため、またはインクの蒸発
を防止するため、放置状態で固化し加熱によって液化す
るインクを用いてもよい。いずれにしても熱エネルギの
記録信号に応じた付与によってインクが液化し、液状イ
ンクが吐出されるものや、記録媒体に到達する時点では
すでに固化し始めるもの等のような、熱エネルギの付与
によって初めて液化する性質のインクを使用する場合も
本発明は適用可能である。このような場合のインクは、
特開昭５４−５６８４７号公報あるいは特開昭６０−７
１２６０号公報に記載されるような、多孔質シート凹部
または貫通孔に液状又は固形物として保持された状態
で、電気熱変換体に対して対向するような形態としても
よい。本発明においては、上述した各インクに対して最
も有効なものは、上述した膜沸騰方式を実行するもので
ある。

【００７３】さらに加えて、本発明インクジェット記録
装置の形態としては、コンピュータ等の情報処理機器の
画像出力端末として用いられるものの他、リーダ等と組
合せた複写装置、さらには送受信機能を有するファクシ
ミリ装置の形態を採るもの等であってもよい。

【００７４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の液体吐出ヘッドによれば、一つの液流路に対応して、
液体を吐出させることなく発泡させるためのみの第１の
電気熱変換素子および液体を発泡させて吐出させるため
の第２の電気熱変換素子が設けられているので、まず第
１の電気熱変換素子を駆動することで液体を吐出させる
ことなく発泡させることができ、これによって吐出口に
おけるメニスカスの位置を変動させることができる。次
いで、このメニスカスの所定の位置に対応させて液体を
発泡させて吐出させるための第２の電気熱変換素子を駆
動することで、吐出体積が変調された液滴を吐出するこ
とができる。従って、多値の高階調画像記録を行うこと
ができる。

【００７５】また、本発明の液体吐出ヘッドの駆動方法
によれば、第２の電気熱変換素子の駆動周期の中、少な
くとも一回前記第１の電気熱変換素子を駆動し、メニス
カス位置が吐出口に対して凸あるいは凹状態のときに液
体の吐出を行うので、上述のように、吐出体積が変調さ
れた液滴を吐出することができ、多値の高階調画像記録
を行うことができる。なお、メニスカス位置が凹状態の
ときに第２の電気熱変換素子を駆動すれば、小さい液滴
であっても吐出速度を低下させることなく安定して吐出
させることができる。

【００７６】さらに、本発明の液体吐出装置によれば、
液体吐出ヘッドの駆動条件を異ならせて吐出を行わせる
モード切換制御手段を備えているので、記録画像に応じ
た最適のモードに切り換えることができ、便利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の作動原理を説明するための液体吐出ヘ
ッドとしてのインクジェットヘッドの要部を示す断面図
であり、（ａ）は停止状態、（ｂ）は一つのヒータの駆
動による発泡でメニスカスが凸状態となったとき、
（ｃ）は消泡でメニスカスが凹状態となったとき、
（ｄ）は他のヒータの駆動により発泡が生じたとき、お
よび、（ｅ）は（ｄ）における発泡により小液滴が吐出
された状態を示す。

【図２】ヒータに印加する電圧パルスの形状を示したグ
ラフである。

【図３】電気熱変換素子基板に形成した変換素子の形状
を示す平面図（ａ）とＡ−Ａ断面図（ｂ）である。

【図４】電気熱変換素子の発泡領域を説明するためのグ
ラフである。

【図５】二つのヒータを１つの流路内に配置する構成の
一例を示した平面図である。

【図６】本発明の一実施例に係るインクジェット記録ヘ
ッドの基体を構成する基板上の素子配置を示す平面図で
ある。

【図７】図６の等価回路を示す図である。

【図８】本発明の液体吐出ヘッドとしてのインクジェッ
トヘッドの要部を示す分解斜視図である。

【図９】本発明の液体吐出ヘッドを含むインクジェット
ヘッドカートリッジの基本的態様を示す概略斜視図であ
る。

【図１０】本発明のインクジェットヘッドカートリッジ
を搭載して記録を行う記録装置の基本的態様を示す概略
斜視図である。

【符号の説明】

１コモン配線２Ａ，２Ｂ，２ａ，２ｂ電気熱変換素子３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，６，７配線電極５ノズル壁８，９，１０，１１スイッチングトランジスタ１２，１４，１５グランド配線１７，１８信号配線１９，２０シフトレジスタラッチ回路３１ＡＮＤゲート３２イネーブル信号３３ラッチ３４ラッチ信号線３５シリアルデータ線３６シフトレジスタ３７ＣＬＫ信号線３８デコーダー回路３９デコーダー信号線４０オリフィス（吐出口）４１ベースプレート１００基板１０１天板１０２耐キャビテーション膜１０３保護膜１０４液流路（ノズル）１０５蓄熱層１０６基体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体を吐出するための吐出口を有する複
数の液流路と、一つの液流路に対応して設けられた、前記液体を吐出さ
せることなく発泡させるためのみの第１の電気熱変換素
子および前記液体を発泡させて吐出させるための第２の
電気熱変換素子と、を有することを特徴とする液体吐出
ヘッド。
【請求項２】前記第１および第２の電気熱変換素子
は、前記液流路に、その長さ方向に直交する方向に並列
に配列されていることを特徴とする請求項１記載の液体
吐出ヘッド。
【請求項３】前記第１および第２の電気熱変換素子
は、前記液流路に、その長さ方向に直列に配列されてい
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４】前記吐出口は前記第１および第２の電気
熱変換素子の上面に沿う方向に配されていることを特徴
とする請求項１〜３のいずれかに記載の液体吐出ヘッ
ド。
【請求項５】前記吐出口は前記第１および第２の電気
熱変換素子に対向する方向に配されていることを特徴と
する請求項１〜３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】前記第２の電気熱変換素子は、前記液流
路の前記吐出口と前記第１の電気熱変換素子との間に配
列されていることを特徴とする請求項３または４に記載
の液体吐出ヘッド。
【請求項７】前記第１および第２の電気熱変換素子の
上には、それぞれ異なる厚さの保護膜が設けられてお
り、これらの膜厚の相違により前記第１および第２の電
気熱変換素子が前記液体に与える熱エネルギが異なるこ
とを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の液
体吐出ヘッド。
【請求項８】前記第１および第２の電気熱変換素子
は、それぞれ異なる面積を有し、これらの面積の相違に
より前記第１および第２の電気熱変換素子が前記液体に
与える熱エネルギが異なることを特徴とする請求項１な
いし７のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
【請求項９】前記液体はインクであることを特徴とす
る請求項１ないし８のいずれかに記載の液体吐出ヘッ
ド。
【請求項１０】請求項１ないし９のいずれかに記載の
液体吐出ヘッドの駆動方法であって、前記第２の電気熱変換素子の駆動周期の中、少なくとも
一回前記第１の電気熱変換素子を駆動し、メニスカス位
置が吐出口に対して凸あるいは凹状態のときに液体の吐
出を行うことを特徴とする液体吐出ヘッドの駆動方法。
【請求項１１】前記第１および第２の電気熱変換素子
の駆動はパルス電圧を印加することにより行われ、前記
第１の電気熱変換素子の駆動電圧が前記第２の電気熱変
換素子の駆動電圧より低いことを特徴とする請求項１０
に記載の液体吐出ヘッドの駆動方法。
【請求項１２】前記第１および第２の電気熱変換素子
の駆動はパルス電圧を印加することにより行われ、前記
第１の電気熱変換素子のパルス幅が前記第２の電気熱変
換素子のパルス幅より狭いことを特徴とする請求項１０
に記載の液体吐出ヘッドの駆動方法。
【請求項１３】請求項１ないし９のいずれかに記載の
液体吐出ヘッドが搭載される液体吐出装置であって、前記液体吐出ヘッドの駆動条件を異ならせて吐出を行わ
せるモード切換制御手段を備えることを特徴とする液体
吐出装置。
【請求項１４】前記モード切換制御手段は、前記第２の電気熱変換素子の駆動周期の中、少なくとも
一回前記第１の電気熱変換素子を駆動し、メニスカス位
置が吐出口に対して凸あるいは凹状態のときに液体の吐
出を行う第１のモードと、前記第２の電気熱変換素子の駆動周期の中、少なくとも
一回前記第１の電気熱変換素子を駆動し、メニスカス位
置が吐出口に対して凹状態のときに液体の吐出を行う第
２のモードと、少なくとも前記第２の電気熱変換素子を駆動し、メニス
カス位置が吐出口に対して定常状態のときに液体の吐出
を行う第３のモードと、に切換可能であることを特徴と
する請求項１３に記載の液体吐出装置。