JP2004268430A

JP2004268430A - インクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置

Info

Publication number: JP2004268430A
Application number: JP2003062913A
Authority: JP
Inventors: Satonobu Hamazaki; 聡信浜崎; Satoru Mori; 哲毛利; Naoki Morita; 直己森田
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2004-09-30
Also published as: US20040179070A1

Abstract

【課題】発熱体としてインクへのエネルギ伝達効率が良く腐食に強い自己酸化被膜を有するＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体を用いると共に、キャビテーションによるＴａ−Ｓｉ−Ｏ系薄膜抵抗体の寿命低下を防止する。
【解決手段】ヒータ２６は、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系薄膜抵抗体からの熱エネルギによりインク中に発生した気泡の膨張によって個別流路２２のノズル１６付近に充填されたインクをノズル１６からインク液滴として吐出すると共に、このノズル１６を通して個別流路２２中に生成された気泡を大気に連通する。これにより、ヒータ２６上でのキャビテーションが発生しなくなり、キャビテーションによるＴａ−Ｓｉ−Ｏ系薄膜抵抗体の機械的破壊が防止される。またヒータ２６のＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体には表層部に自己酸化被膜が形成されており、これにより、インクによるＴａ−Ｓｉ−Ｏ系薄膜抵抗体の腐蝕が効果的に防止される。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体からの熱エネルギを利用してインクを吐出するオンデマンド型のインクジェット記録ヘッド及び、このインクジェット記録ヘッドを有するインクジェット記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリンタ装置等に用いられるインクジェット記録ヘッドとしては、インクを満たした個別流路中に電気抵抗体（以下、単に「抵抗体」という。）を発熱体とするヒータを設け、その抵抗体にパルス波形の電流（以下、単に「パルス」という。）を通電することにより、インクを急速に加熱して高圧の気泡を発生させ、その気泡の膨張によって個別流路中のインクの一部をインク液滴として吐出するバブル方式のものが知られている。この種のインクジェット記録ヘッドでは、通常、インク液滴の吐出後に気泡が消滅する際のキャビテーションやインクによる腐食（エロージョン）からヒータの抵抗体を保護する必要があり、このため、例えば、抵抗体上に電気絶縁層を挟んでＴａなどを素材とする金属保護膜を設けることが多く行われる。しかし、抵抗体上に金属保護膜を設けた場合には、抵抗体とインクとの間に金属保護膜が介在することから、抵抗体からインクへの熱伝達に損失が生じてエネルギ効率が低下するという問題があった。
【０００３】
上記のような問題に対し、特許文献１には、保護層を設けることなく抵抗体を直接インクに接触させることにより、エネルギ効率及び記録速度の向上を図った記録ヘッドが記載されている。しかし、保護層を介在させることなく抵抗体をインクに接触させた場合には、抵抗体上に保護層が設けられたヒータと比較し、キャビテーションや腐食の影響によりヒータの寿命が短くなる。
【０００４】
そこで、特許文献２には、抵抗体が直接インクに接触するヒータを使用する際に、ヒータ上に発生した気泡をノズルより外気と連通させることによりキャビテーションを防止し、ヒータの高エネルギ効率と長寿命を両立させたインクジェット記録装置が開示されている。しかし、このインクジェット記録装置でも、インクによる腐食の影響を受けることから、抵抗体の素材が電気化学反応的に高強度のものに限定される。しかも、抵抗体の素材は、所要の発熱特性を得るために固有抵抗値が狭い範囲に制限され、かつ加工コストや加工精度の観点からも厳しい制限がある。従って、これらの条件を全て満たすものを抵抗体の素材として選択することは容易ではない。
【０００５】
一方、特許文献３には、自己酸化被膜を有するＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体をヒータとするインクジェット記録ヘッドが開示されている。Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体に形成される自己酸化被膜は、数１０００Å厚さの従来の金属保護膜と比べると、数１０Åから数１００Åとたいへん薄く、このヒータは、保護膜が設けられていないヒータとほぼ同レベルのエネルギ効率を実現できる。また自己酸化被膜は、電気絶縁性に優れており、インクによる抵抗体の腐食を防止する効果を有する。しかし、自己酸化被膜は非常に薄いものであるので、Ｔａなどの金属保護膜を有するヒータと比べると、やはり機械的衝撃を伴うキャビテーションに対しては弱く、キャビテーションが生じる条件下では十分な寿命が得られない。
【０００６】
また、特許文献４には、特別な保護膜が不要なＣＲ‐Ｓｉ‐ＳｉＯ合金薄膜抵抗体をヒータとして用いたインク吐出用ヘッドが開示されており、このインク吐出用ヘッドでは、ヒータ上で発生した気泡により、吐出側インクと残留側インクを分断させることにより、印字品質の低下原因となるサブドロップの発生を抑制している。このインク吐出用ヘッドによってもヒータ上でのキャビテーションが防止され、ヒータの機械的な破壊は抑制されるが、やはり保護層なし抵抗体では、インクの種類によっては腐食によるダメージが大きくなり、十分な寿命が得られない場合がある。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭５５−１２６４６２号公報
【特許文献２】
特開平５‐１１６３０８号公報
【特許文献３】
特許第３１９４４６５号公報
【特許文献４】
特開平７‐２２７９６７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記事実を考慮して、発熱体としてインクへのエネルギ伝達効率が良く腐食に強い自己酸化被膜を有するＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体を用いると共に、キャビテーションによるＴａ−Ｓｉ−Ｏ系薄膜抵抗体の寿命低下を防止できるインクジェット記録ヘッド及び、このインクジェット記録ヘッドを用い、画像記録時における電力消費の小さいインクジェット記録装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載のインクジェット記録ヘッドは、インクを吐出させるためのノズルと、前記ノズルに連通し、インクが充填される複数本の個別流路と、前記個別流路の内面の一部を形成する基板と、前記個別流路における前記ノズル付近に配置されように前記基板上に設けられると共に、少なくともインクとの接触面に自己酸化被膜が形成されたＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体と、前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体に通電して該Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体によりインクを前記ノズルから吐出させるための熱エネルギを発生させる駆動手段とを有し、前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体からの熱エネルギによりインク中に発生した気泡の膨張によって前記個別流路における前記ノズル付近に充填されたインクを前記ノズルからインク液滴として吐出すると共に、前記ノズルを通して前記個別流路中に生成された気泡を大気に連通することを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項２記載のインクジェット記録ヘッドは、請求項１に記載の構成において、前記駆動手段は、前記個別流路内のインクをインク液滴として前記ノズルから吐出させる際に、前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体に複数の駆動パルスからなる駆動信号列を通電することを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項３記載のインクジェット記録ヘッドは、請求項２記載の構成において、前記駆動手段は、気泡を発生させない程度の熱エネルギでインクを前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体により予備加熱するためのプレパルス及び、前記予備加熱されたインクに気泡が発生するように前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体によりインクを加熱するためのメインパルスからなる前記駆動信号列として前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体に通電すると共に、前記基板の温度に応じて前記プレパルスの通電数を増減することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項４記載のインクジェット記録ヘッドは、請求項３に記載の構成において、前記駆動手段は、前記個別流路内のインクをインク液滴として前記ノズルから吐出させる際に、前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体に通電する前記プレパルスの時間幅を一定にすると共に、前記駆動信号列を構成する前記プレパルス及び前記メインパルスの通電周期を一定にすることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項５記載のインクジェット記録ヘッドは、請求項１乃至４の何れか１項記載の構成において、前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体に通電するための電極を前記基板上に設けると共に、該電極を前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体により覆ったことを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項６記載のインクジェット記録ヘッドは、請求項１乃至５の何れか１項記載の構成において、前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体のインク接触面の形状を略正方形としたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項７記載のインクジェット記録ヘッドは、請求項６に記載の構成において、前記ノズルの直径及び該ノズルの入口から出口までのノズル長、並びに前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体のインク接触面から前記ノズルの入口までの距離を、前記インク接触面の一辺の長さの約１／２と略等しくしたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項８記載のインクジェット記録ヘッドは、請求項７記載の構成において、前記インク接触面の面積を、５００μｍ^２から１８００μｍ^２の範囲内から選択された値とすることを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項９記載のインクジェット記録ヘッドは、請求項７又は８記載の構成において、前記ノズルから吐出されるインク液滴の体積が２ｐｌから１６ｐｌの範囲内となるように、前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体により前記個別流路内のインクを加熱することを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項１０記載のインクジェット記録ヘッドは、請求項８又は９記載の構成において、記録媒体に対する記録時のインクジェット記録ヘッドの移動方向であるヘッド移動方向に直交する配列方向に沿って複数の前記ノズルを配列すると共に、前記配列方向に沿った複数のノズル間のピッチを、８００ｄｐｉから１６００ｄｐｉの解像度に対応する長さとしたことを特徴とする。
【００１９】
本発明の請求項１１記載のインクジェット記録装置は、請求項１乃至請求項１０の何れか１項記載のインクジェット記録ヘッドと、前記インクジェット記録ヘッドをヘッド移動方向に沿って駆動するヘッド駆動手段と、記録媒体を前記インクジェット記録ヘッドに対して前記配列方向に沿って相対的に移動させる送り手段と、を有することを特徴とするインクジェット記録装置。
【００２０】
本発明のインクジェット記録ヘッドによれば、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体からの熱エネルギによりインク中に発生した気泡の膨張によって個別流路におけるノズル付近に充填されたインクをノズルからインク液滴として吐出すると共に、このノズルを通して個別流路中に生成された気泡を大気に連通することにより、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系薄膜抵抗体上におけるキャビテーションを防止できるので、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体のキャビテーションによる機械的破壊を防止し、キャビテーションによるＴａ−Ｓｉ−Ｏ系薄膜抵抗体の寿命低下を効果的に防止できる。
【００２１】
また、駆動手段が個別流路内のインクをインク液滴としてノズルから吐出させる際に、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体に複数のパルスからなる駆動信号列を通電することにより、温度環境等の影響を受け難くなり、安定してインク液滴吐出後にＴａ−Ｓｉ−Ｏ系薄膜抵抗体上の気泡を大気に排出させることができるので、確実にキャビテーションを防止できる。
【００２２】
このとき、駆動手段が、気泡を発生させない程度の熱エネルギでインクをＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体により予備加熱するためのプレパルス及び、予備加熱されたインクに気泡が発生するようにＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体によりインクを加熱するためのメインパルスからなる駆動信号列としてＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体に通電すると共に、基板の温度に応じてプレパルスの通電数を増減することにより、基板の温度変化の影響によりインク液滴の吐出及び気泡の大気への連通が不安的になることを防止できる。
【００２３】
また、駆動手段が、個別流路内のインクをインク液滴として前記ノズルから吐出させる際に、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体に通電する複数のパルス（プレパルス及びメインパルス）の時間幅を互いに一定にすると共に、駆動信号列を構成するプレパルス及びメインパルスの通電周期を一定にすることにより、駆動手段の制御回路等の構成を簡素化できる。
【００２４】
また、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体に通電するための電極を基板上に設けると共に、この電極をＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体により覆ったことにより、電極をインクから保護するための特別な電極保護層を不要にできるので、電極保護層による生じるエネルギロスを防止し、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系薄膜抵抗体のエネルギ効率をさらに向上できる。
【００２５】
さらに、ノズルの直径、ノズルの入口から出口までの路長、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体のインク接触面からノズル入口までの距離等を、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系薄膜抵抗体におけるインク接触面の一辺の長さの約１／２と略等しくすることにより、上述の効果を保ちつつ、吐出されるインク液滴体積を変えることができるので、解像度や濃度などから決まる画質の要求に対応することができる。
【００２６】
また本発明のインクジェット記録装置によれば、上述したような効果を奏する本発明のインクジェット記録ヘッドを採用したことにより、記録ヘッドに対する交換、修理等のメンテナンスを長期間に亘り不要にでき、かつ電力の消費量を低減できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッド及び、このインクジェットが適用されたインクジェットプリンタについて図面を参照して説明する。
【００２８】
先ず、図１を参照し、本発明の実施の形態に係るインクジェット記録ヘッド（以下、単に「記録ヘッド」という。）を備えたインクジェットプリンタについて簡単に説明する。インクジェットプリンタ１０（以下、単に「プリンタ」という。）は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置から入力した画像情報に対応する画像を記録紙Ｐにインクを用いて記録するためのものである。プリンタ１０には、外殻部としてケーシング１２が設けられると共に、このケーシング１２内にインクジェット記録ヘッド（以下、単に「記録ヘッド」という。）１４が配置されている。またプリンタ１０には、記録ヘッド１４を所定の主走査方向（図１の矢印Ｓ方向）へ移動させるためのヘッド駆動機構（図示省略）及び記録紙Ｐを走査方向と直交する副走査方向（図１の矢印Ｆ方向）へ搬送するための紙送り機構（図示省略）が設けられている。
【００２９】
ここで、記録ヘッド１４には、後述するように、搬送方向に沿って配列された複数のノズルが設けられており、これらのノズルは、記録される画像の解像度に応じたピッチ毎に配置されている。各ノズルからは、微小体積（本実施形態では、２ｐｌ〜１６ｐｌ）を有するインク液滴がそれぞれ吐出可能とされている。プリンタ１０では、記録ヘッド１４を走査方向へ所定の走査速度で移動させつつ、画像情報に応じて各ノズルからのインク液滴の吐出及び吐出停止を制御することにより、所定数の主走査ライン上の画像を記録紙Ｐ上に形成し、更に主走査ライン上への画像形成に同期して記録紙Ｐを所定のピッチ単位で搬送することで、記録紙Ｐへの二次元的な画像記録が可能になっている。
【００３０】
図２及び図３には本発明の実施形態に係る記録ヘッドの構成が示されている。この記録ヘッド１４は、複数のノズル１６が穿設されたノズルプレート１８、ヘッダ部２０及び個別流路２２が形成された樹脂プレート２４、ヒータ２６及びインレット２８が設けられたＳｉ基板３０、インレット２８のインレット２８に接続されるインク供給口３２が形成されたマニホールド３４、マニホールド３４に接続されてインク供給口３２へインクを補充するためのインク供給管３６を備えている。記録ヘッド１４では、ノズルプレート１８、樹脂プレート２４及びＳｉ基板３０が厚さ方向（矢印Ｔ方向）に沿って互いに積層されて一体化され、これらがマニホールド３４上に固定されている。
【００３１】
ここで、ノズルプレート１８は、樹脂フィルムや金属板などが加工素材としており、レーザ加工やエッチングによりノズル１６が形成されている。また樹脂プレート２４はＳＵ‐８などにより成形され、個別流路２２及びヘッダ部２０がエッチングにより形成されている。Ｓｉ基板３０上のヒータ２６は、ＴａとＳｉからなるターゲットを用いた反応性スパッタリング法により厚さ約１０００ÅのＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体（以下、単に「薄膜抵抗体」という。）４０が形成された後、熱処理によって抵抗体上に厚さ数１０Åから数１００Åの自己酸化被膜を形成することによって作成されている。Ｓｉ基板３０を貫通しているインレット２８は、異方性エッチングにより形成されている。またＳｉ基板３０には、ヒータ２６及びインレット２８に加えて、図示されていない電極、ドライバトランジスタ、ロジック回路、パッド等が公知のＬＳＩプロセスにより形成されている。
【００３２】
記録ヘッド１４のＳｉ基板３０にはヘッド駆動回路（図示省略）が接続されており、このヘッド駆動回路から出力された駆動制御信号はパッドを通じてＳｉ基板３０上のロジック回路に入力され、これにより、ロジック回路からは各ビットに対応するドライバトランジスタを駆動するための信号（ビット信号）が出力される。ヒータ２６の一端は共通電極に接続され、他端は信号電極に接続されており、この信号電極の先には前記ドライバトランジスタが接続されている。これにより、前記駆動制御信号の入力によりドライバトランジスタが駆動されて、各ビットに対応する薄膜抵抗体にパルスが通電される。
【００３３】
インク供給管３６はマニホールド３４をインクタンク（図示省略）に接続しており、このインクタンクのインクは、インク供給管３６、インク供給口３２、インレット２８を通して樹脂プレート２４のヘッダ部２０へ供給され、ヘッダ部２０から櫛歯状に分岐した各個別流路２２にそれぞれ流入する。ヘッド非駆動時には、ノズル１６内におけるインクメニスカスによる毛管力とインクタンク内で発生している負圧とが釣り合い、各個別流路３中のインクは静止状態となる。
【００３４】
図３（Ａ）の平面図及び（Ｂ）の断面図にはそれぞれ記録ヘッドにおける個別流路、ヒータ及びノズルが示されている。ノズルプレート１８には、図２に示されるように、複数のノズル１６が副走査方向に沿って直線的に配列されたノズル列が２列設けられており、ノズル列における各ノズル１６のピッチＰ（図３（Ａ）参照）は４２μｍとされ、また一方のノズル列におけるノズル１６と他方のノズル列におけるノズル１６とは互いに半ピッチずれて配置されている。
【００３５】
ヒータ２６のＳｉ基板３０表面に沿った面形状は、ノズル１６に対する軸対称性、アスペクト比で決まるヒータ抵抗、加工性等の作製しやすさなどの観点から略正方形とされている。例えば、ヒータ２６の面形状をアスペクト比が大きい長方形とすると、ノズル１６に対する軸対称性が低下することにより、噴射方向性やエネルギ効率が低下し易くなると共に、ヒータ抵抗値の変動が大きくなって駆動上の問題が発生し易くなる。ここで、駆動上の問題とは、例えば、アスペクト比が１より大きくなりすぎると、ヒータ抵抗値が大きくなるので、駆動電圧を上げなければならず、これに対応するためにドライバトランジスタや電源を大型化しなければならないことであり、一方でアスペクト比が１より小さくなりすぎると、ヒータ抵抗値が小さくなるので、抵抗値の減少に従って駆動電流を増やさなければならず、これに対応するために電極を大型化しなければならない。
【００３６】
また、個別流路２２のＳｉ基板３０表面に沿った流路形状は主走査方向を長手方向とする長方形とする。すなわち、一般に、個別流路２２におけるインレット２８側の端部に絞り部を設けることにより、気泡の圧力がインレット側へ逃げる割合を調整する方法も多く用いられているが、絞り部の寸法精度を十分に高くできないと、各ノズル間に吐出特性のばらつきが生じ易い。このため、個別流路２２の流路形状を単純な長方形としたものである。
【００３７】
図４には本実施形態に係る記録ヘッドにおけるインク噴射時の気泡の発生から消滅までの状態が時系列的に示されており、この本実施形態との比較のために、図５には従来の記録ヘッドにおけるにおけるインク噴射時の気泡の発生から消滅までの状態が時系列的に示されている。
【００３８】
先ず、従来の記録ヘッドによるインク吐出時の気泡状態を説明する。図５（Ａ）に示される初期状態からヒータ１００へ所定パターンの駆動パルスを通電することにより、図５（Ｂ）に示されるように、ヒータ１００上の一部のインクＩが急速に加熱されて相変化することで、ヒータ１００上には高圧の気泡Ｂが発生する。この気泡Ｂは、図５（Ｃ）〜（Ｅ）に示されるように、高圧時に発生したインクＩの慣性力により膨張し、この膨張に従って気泡Ｂ内は減圧していき、その慣性力と減圧された内圧が釣り合った時に、図５（Ｆ）に示されるように最大体積となる。
【００３９】
気泡Ｂは、最大体積に達した後、図５（Ｇ）、（Ｈ）に示されるように、インクＩの静圧を受けて収縮していく。この気泡Ｂは、図５（Ｉ）に示されるように、ヒータ１００上で消滅し、消滅時にキャビテーションを引き起こす。この気泡Ｂの発生から消滅までの間に、図５（Ｆ）に示されるように、気泡Ｂの膨張及び収縮の作用によりノズル１０２から所定体積のインク液滴Ｄが噴射される。このインク液滴Ｄの噴射後に、図５（Ｊ）に示されるようにノズル１０２内には、毛管力によりインクＩが個別流路１０４から再供給される。
【００４０】
上記のように、従来の記録ヘッドでは、気泡Ｂがヒータ１００上で消滅することからキャビテーションが生じ、このキャビテーションが繰り返されることにより、ヒータ１００におけるＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体上の自己酸化膜が機械的に破壊されて行き、ヒータの寿命が短くなっていた。
【００４１】
次に、本実施形態の記録ヘッドによるインク噴射時の気泡状態を説明する。図４（Ａ）に示される初期状態からヒータ２６へパルスを通電することにより、図４（Ｂ）に示されるようにヒータ２６上に高圧の気泡Ｂが発生する。この気泡Ｂは、図４（Ｃ）〜（Ｄ）に示されるように高圧時に発生したインクＩの慣性力により膨張して行き、図４（Ｅ）に示されるように、その膨張過程においてインク液滴Ｄをノズル１６から噴射させると共に、インク液滴Ｄの噴射と略同時に、ノズル１６を通して大気と連通する。大気と連通した気泡Ｂは、図４（Ｆ）〜（Ｈ）に示されるように、ノズル１６からのインク液滴Ｄの噴射後に内部の低圧気体がノズル１６を通して大気中へ排出されることにより収縮して行き、図４（Ｉ）に示されるように、ノズル１６内に凹状のメニスカスを残して消滅する。この後、ノズル１６内には、図４（Ｊ）に示されるように、毛管力によりインクが再供給される。
【００４２】
上記したような、本実施形態の記録ヘッド１４におけるインク噴射時の一連の動作では、ヒータ２６上にはキャビテーションが発生せず、ヒータ２６を構成する自己酸化被膜を有するＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体にはキャビテーションによる機械的破壊が生じない。ここで、ヒータ２６は、厚さ約１０００ÅのＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体上に、熱酸化処理により厚さ数１０Åから数１００Åの自己酸化被膜を形成したものであり、従来のＴａなどの金属保護膜を有するヒータに比べると熱エネルギの伝達効率が良く、また自己酸化被膜によりインクとの接触面の腐食が防止される。
【００４３】
上記のようなインク噴射動作を可能とする記録ヘッド１４の構造について具体的に説明する。記録ヘッド１４の特性を決定するためのパラメータ（構造パラメータ）としては、図３に示されるヒータ２６表面の主走査方向に沿った幅であるヒータ幅ＨＷ、ヒータ２６表面の副走査方向に沿った幅であるヒータ長さＨＬ、ノズル径ＮＤ、個別流路２２の主走査方向に沿った幅である個別流路幅ＣＷ、個別流路２２の副走査方向に沿った長さである個別流路長さＣＬ、ノズル１６の厚さ方向に沿った長さであるノズル長さＮＨ、ヒータ２６表面からノズル１６の入口部までの距離である個別流路高さＣＨが挙げられる。なお、本実施形態ではヒータ２６の面形状を正方形としたので、ヒータ幅ＨＷとヒータ長さＨＬは実質的に等しい値となる。
【００４４】
下記（表１）には、計算機によるシミュレーション実験により得られた構造パラメータの変化に対するインク液滴Ｄの噴射状況の変化についての演算結果を示す。また図６〜図１４には、それぞれ上記シミュレーションによい得られたモデル１〜モデル９における気泡Ｂ及びインクメニスカスの状態が示され、図１５（Ａ）〜（Ｈ）には、（表１）に示されたインク液滴体積、インク液滴速度等と各構造パラメータとの関係がグラフとして示されている。なお、上記シミュレーション実験は、フローサイエンス社の流体解析ソフトウエアＦＬＯＷ‐３Ｄ（商品名）を用いて行った。このとき、初期条件としては、過去のシミュレーション結果及び実験結果との比較から妥当と考えられる圧力値を有するバブルＢをヒータ２６上に配置した。またインクＩの物性値は、比重１．０、粘度２．０ｍＰａ・ｓ、表面張力３７ｍＮ／ｍとした。
【００４５】
【表１】

【００４６】
（表１）のモデル１〜モデル３では、ヒータ２６におけるインクＩとの接触面の一辺のサイズ（ヒータサイズ）を１０μｍピッチで小さくした。本実施形態の記録ヘッド１４では、ノズル１６が４２μｍピッチで配置されているので、ヒータサイズは３０μｍ×３０μｍ（モデル１）がほぼ上限値である。モデル１（図６参照）に対して、ヒータサイズを２０μｍ×２０μｍに減少したモデル２（図７参照）では、記録ヘッド１４におけるインク液滴Ｄの体積及び速度はそれぞれ減少する。更に、モデル１に対して、ノズル１６のサイズを１０μｍ×１０μｍまで減少したモデル３（図８参照）では、ノズル１６からインク液滴Ｄが噴射不能になってしまう。
【００４７】
また、ノズル径ＮＤが１５μｍとされたモデル１に対して、ノズル径ＮＤを１０μｍに縮小したモデル４（図９参照）では、ヒータ２６上に生成された気泡Ｂが大気に連通せず、インク液滴Ｄの体積及び速度もそれぞれ減少する。一方、モデル１に対して、ノズル径ＮＤを２０μｍに拡大したモデル５（図１０参照）では、インク液滴Ｄの形状のひずみが大きくなり、インクＩの小滴が飛散するスプラッシュが発生し、画質を劣化させる原因となる。
【００４８】
また、ノズル長さＮＨが１５μｍとされたモデル１に対して、ノズル長さＮＨを１０μｍに減少したモデル６（図１１参照）では、インク液滴Ｄの速度は増加するが、スプラッシュが発生しやすくなる。これと逆に、ノズル長さＮＨを２０μｍに増加したモデル７（図１２参照）では、気泡Ｂが大気に排出されなくなる。また個別流路長さＣＬについては、６８μｍ（モデル１）に対して、モデル８（図１３参照）のように４８μｍであっても、モデル９（図１４参照）のように８８μｍであっても、気泡Ｂの大気との連通状態、インク液滴Ｄの体積、インク液滴の速度には大きな変化が生じない。
【００４９】
以上説明した（表１）の結果からは、インク液滴Ｄの体積及び速度を確保しつつ、気泡Ｂを大気に排出し、インクスプラッシュを発生させないためには、ヒータサイズと個別流路２２の所定部分の各寸法を、モデル１における各構造パラメータの寸法比等を基準として適宜、設定すれば良いことが推定される。
【００５０】
そこで、モデル１のようにノズル径ＮＤ、ノズル長さＮＨ、個別流路高さＣＨが互いに等しく、これらの値がそれぞれヒータ２６の一辺の長さ（以下、「ヒータ長さ」という。）の１／２に設定された記録ヘッド１４において、ヒータサイズを段階的に変化させつつ、シミュレーションを行った結果を下記（表２）に示す。
【００５１】
【表２】

【００５２】
ヒータサイズが３０μｍ×３０μｍのモデル１に対して、ヒータサイズを２４μｍ×２４μｍに減少してモデル１０、ヒータサイズを３６μｍ×３６μｍに増加したモデル１１、ヒータサイズを更に４２μｍ×４２μｍに増加したモデル１２では、それぞれインク液滴Ｄの噴射状態は良好であった。
【００５３】
図１６（Ａ）及び（Ｂ）には、モデル１、モデル１０、モデル１１、モデル１２の各記録ヘッド１４におけるヒータサイズとインク液滴Ｄの体積及び速度との関係がそれぞれ示されている。この図１６から明らかなように、所定の構造パラメータを有する記録ヘッド１４では、ヒータサイズを変えることによりインク液滴Ｄの速度をほとんど変えることなく、インク液滴Ｄの体積を広い範囲で変えることができる。ここで、各記録ヘッド１４におけるヒータ幅ＨＷに対して、個別流路２２を形成する隔壁部分の幅などを確保するためのマージンを１２μｍとすると、各記録ヘッド１４にけるノズル１６の配列方向（副走査方向）に沿った間隔（ノズルピッチ）は、下記（表３）に示したようになる。
【００５４】
【表３】

【００５５】
図２に示されるように、２列のノズル列が１／２ピッチずつずれて並んでいる場合には、ノズル列毎のノズル１６のノズルピッチとして、（表３）に示される各ノズルピッチを採用すると、各記録ヘッド１４における１インチ当たりのノズル数（ノズル密度）及び、記録画像の１インチ当たりの画素数（解像度）は、それぞれ（表３）に示されるようになる。
【００５６】
図１７には、（表３）に示された構造パラメータから決まる解像度とインク液滴Ｄの体積との関係及び、画質から要求される解像度とインク液滴Ｄの体積との関係をそれぞれ示している。ここでは、構造パラメータから決まる解像度とインク液滴Ｄの体積との関係が“●”記号のプロット位置により示され、また画質から要求される解像度とインク液滴Ｄの体積との関係が“×”記号のプロット位置により示されている。
【００５７】
図１７から明らかなように、構造パラメータから決まる解像度とインク液滴Ｄの体積とは、画質から要求される解像度とインク液滴Ｄの体積と比較的近似したものになっており、ヒータサイズと個別流路２２の寸法をさらに微調整することにより、更に画質からの要求値に十分に近似させることが可能である。但し、画質から要求される解像度とインク液滴Ｄの体積との関係の関係は、通常、使用するインクや記録紙Ｐの紙質によって多少変化する。
【００５８】
ところで、図５に示されるように、ヒータ１００上で発生した気泡Ｂが大気へ連通しない従来の記録ヘッドでは、駆動パルスの時間長及び通電数が固定の場合、ヘッド温度が環境温度やプリントパターンのパターン密度などによって随時変化することから、その影響を受けてヒータ１００上に発生する気泡Ｂの最大体積が変化し、インク液滴Ｄの体積や速度が変化することが良く知られている。一般に、ヘッド温度が高くなるほど気泡Ｂの最大体積は大きくなり、インク液滴Ｄの体積と速度は大きくなる傾向を示す。
【００５９】
一方、本実施形態の記録ヘッド１４では、ヒータ２６上に発生した気泡Ｂは最大体積になる前に大気と連通してしまうが、ヘッド温度が変化すると、前述のように調整したヒータサイズと個別流路２２の各寸法とのバランスがくずれて、インク液滴Ｄの噴射状態が不安定になって、所要のインク液滴Ｄの体積及び速度が得られなくなるおそれがある。そこで、記録ヘッド１４では、ヘッド温度に応じて駆動パルスの通電パターンを変えることにより、インク液滴Ｄの噴射状態を安定化している。ここで、ヘッド温度とは、基本的に記録ヘッド１４におけるインクＩと接触し、かつヒータに十分に近接した任意の部分であれば良いが、本実施形態では、インク液滴Ｄへの影響が特に大きいＳｉ基板３０の表面温度をヘッド温度とし、このヘッド温度を制御パラメータとして駆動パルスの通電パターンを変更する。
【００６０】
具体的には、本実施形態の記録ヘッド１４では、図１８に示されるように、インク液滴Ｄを噴射する際に、１個又は複数個のプレパルス及び１個のメインパルスからなる駆動信号列をヒータ２６に通電する。ここで、プレパルスの時間幅は０．１μｓｅｃ、メインパルスの時間幅は１μｓｅｃ、パルスオフからオンまでの通電間隔は０．５μｓｅｃで、それぞれ固定されている。またプレパルスの通電数（プレパルス数）は、適宜、０個〜１０個の範囲で増減する。
【００６１】
下記（表４）には、ヘッド温度とプレパルス数をパラメータとしたインク液滴Ｄの噴射状態の観察結果を示す。各ヘッド温度に対して、噴射状態が良好となるプレパルス数はシフトしていく。（表４）からは、プレパルス数が多すぎるとスプラッシュが多くなり、プレパルス数が少ないとインク液滴速度が遅くなり噴射が不安定または噴射不能となることが理解される。
【００６２】
【表４】

【００６３】
記録ヘッド１４には、図２に示されるように、Ｓｉ基板３０表面にサーミスタなどの温度センサ３８が設けられており、この温度センサ３８はＳｉ基板３０の温度を検出して検出信号をヘッド駆動回路へ出力する。ヘッド駆動回路は、インク液滴Ｄを噴射する際に、温度センサ３８による検出温度に応じたプレパルス数を選択し、Ｓｉ基板３０のロジック回路へ選択されたプレパルス数に対応する駆動制御信号を出力する。これにより、ロジック回路は、駆動制御信号に対応するビット信号によりドライバトランジスタを駆動することにより、ドライバトランジスタにより選択されたプレパルス数のプレパルスをヒータ２６に通電した後、１個のメインパルスを通電する。
【００６４】
以上説明したように本実施形態の記録ヘッド１４では、インク液滴Ｄを噴射する際に、ヘッド温度に応じてヒータ２６に通電するプレパルス数を増減することにより、ヘッド温度の変化に伴ってインク液滴Ｄの噴射状態が悪化することを防止できるので、ヘッド温度に関係なく常にインク液滴Ｄの噴射状態を良好に維持でき、かつインク液滴Ｄの噴射状態を良好に維持できるヘッド温度の対応範囲を十分に広くできる。
【００６５】
また記録ヘッド１４では、各プレパルスの時間幅を全て一定とし、かつプレパルス及びメインパルスの通電間隔も一定としたことにより、電気的な制御フローが簡単になり、ロジック回路、ドライブトランジスタ等の駆動回路の構成を単純化できる。またプレパルスの通電数は、記録ヘッド１４の個体差等により生じるインク液滴Ｄの噴射特性のバラツキを補正するために用いても良い。
【００６６】
図１９には本実施形態に係る自己酸化被膜が形成されたＴａ−Ｓｉ−Ｏ系薄膜抵抗体を発熱体とするヒータが示され、また図２０には薄膜抵抗体上に金属保護層が形成された従来のヒータが示されている。
【００６７】
先ず、本実施形態に係るヒータ２６との比較のため従来の記録ヘッド（図５参照）におけるヒータ１００の構造について説明する。図２０（Ｂ）に示されるように、ヒータ１００には、Ｓｉ基板に形成された薄膜抵抗体１０８が設けられると共に、この薄膜抵抗体１０８上に電極１１４が形成されており、更に電極１１４上には電気絶縁層１１０を介して金属保護膜１１２が形成されている。薄膜抵抗体１０８は、例えばＴａＮなどを素材として厚さ１０００Å程度に形成されている。電極１１４は、Ａｌなどを素材として厚さ５０００Å程度に形成されている。電気絶縁層１１０は、ＳｉＮやＳｉＯ_２などを素材として厚さ２０００Å程度に形成されている。また金属保護膜１１２は、例えばＴａなどを素材として厚さ２０００Å程度に形成されている。
【００６８】
しかし、上記のようなヒータ１００では、薄膜抵抗体１０８による発熱領域のうち電極１１４先端付近の領域（図２０（Ａ）で斜線が付された領域）ＬＳからの熱エネルギの大部分が電気絶縁層１１０及び金属保護層１１２により吸収されてエネルギロスとなり、薄膜抵抗体１０８からインクＩへの熱エネルギの伝達効率を著しく低下させている。
【００６９】
一方、図１９（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、本実施形態に係るヒータ２６では、Ｓｉ基板３０上に一対の電極４２が形成されており、これらの電極４２は、その先端部を互いに対向させるように配置されている。抵抗体４０は、一対の電極４２を覆うように厚さ１０００Å程度で形成されており、一対の電極４２の先端部間が発熱領域（図１９（Ａ）で斜線が付された領域）ＨＴ（となっている。また抵抗体４０の表層部には、厚さ数１０Åから数１００Å程度の非常に薄い自己酸化被膜（図示省略）が形成されている。
【００７０】
本実施形態に係るヒータ２６によれば、図２０に示された従来のヒータ１００と比較し、インクＩとの間に電気絶縁層及び保護層が介在せず、これらと比較して非常に薄く熱容量が小さい自己酸化被膜が介在するだけなので、抵抗体４０からインクＩへ熱エネルギを効率的に伝達できるようになり、プリンタ１０へ適用されることで、画像記録時の消費電力の低減を容易に実現できる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のインクジェット記録ヘッドによれば、発熱体としてインクへのエネルギ伝達効率が良く腐食に強い自己酸化被膜を有するＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体を用いると共に、キャビテーションによるＴａ−Ｓｉ−Ｏ系薄膜抵抗体の寿命低下を防止できる。
【００７２】
また本発明のインクジェット記録装置によれば、本発明のインクジェット記録ヘッドを用いたことにより、画像記録時における電力消費を効果的に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを用いたインクジェットプリンタの概略を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの構成を示す分解斜視図である。
【図３】図２に示されるインクジェット記録ヘッドの平面図及び側面断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る記録ヘッドにおけるインク噴射時の気泡の発生から消滅までの状態が時系列的に示された側面断面図である。
【図５】従来の記録ヘッドにおけるインク噴射時の気泡の発生から消滅までの状態が時系列的に示された側面断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドのモデル１における気泡及びインクメニスカスの状態変化が示された側面断面図である。
【図７】本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドのモデル２における気泡及びインクメニスカスの状態変化が示された側面断面図である。
【図８】本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドのモデル３における気泡及びインクメニスカスの状態変化が示された側面断面図である。
【図９】本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドのモデル４における気泡及びインクメニスカスの状態変化が示された側面断面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドのモデル５における気泡及びインクメニスカスの状態変化が示された側面断面図である。
【図１１】本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドのモデル６における気泡及びインクメニスカスの状態変化が示された側面断面図である。
【図１２】本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドのモデル７における気泡及びインクメニスカスの状態変化が示された側面断面図である。
【図１３】本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドのモデル８における気泡及びインクメニスカスの状態変化が示された側面断面図である。
【図１４】本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドのモデル９における気泡及びインクメニスカスの状態変化が示された側面断面図である。
【図１５】（表１）に示されたインク液滴体積、インク液滴速度等と各構造パラメータとの関係示されたグラフである。
【図１６】本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドのモデル１、モデル１０、モデル１１及びモデル１２におけるヒータサイズとインク液滴の体積及び速度との関係が示されたグラフである。
【図１７】（表３）に示された構造パラメータから決まる解像度とインク液滴の体積との関係及び画質から要求される解像度とインク液滴の体積との関係が示されたグラフである。
【図１８】本発明の実施形態に係るヒータに通電されるプレパルス及びメインパルスの制御パターンが示されたタイミングチャートである。
【図１９】本発明の実施形態に係るヒータの構造を示す平面図及び側面断面図である。
【図２０】従来のヒータの構造を示す平面図及び側面断面図である。
【符号の説明】
１０インクジェットプリンタ（インクジェット記録装置）
１４インクジェット記録ヘッド
１６ノズル
２２個別流路
２６ヒータ
３０Ｓｉ基板（基板）
３８温度センサ
４０抵抗体（Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系薄膜抵抗体）
４２電極

Claims

インクを吐出するためのノズルと、前記ノズルに連通し、インクが充填される複数本の個別流路と、前記個別流路の内面の一部を形成する基板と、前記個別流路における前記ノズル付近に配置されように前記基板上に設けられると共に、少なくともインクとの接触面に自己酸化被膜が形成されたＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体と、前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体に通電して該Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体によりインクを前記ノズルから吐出させるための熱エネルギを発生させる駆動手段とを有し、
前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体からの熱エネルギによりインク中に発生した気泡の膨張によって前記個別流路における前記ノズル付近に充填されたインクを前記ノズルからインク液滴として吐出すると共に、前記ノズルを通して前記個別流路中に生成された気泡を大気に連通することを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
前記駆動手段は、前記個別流路内のインクをインク液滴として前記ノズルから吐出させる際に、前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体に１個又は複数個の駆動パルスからなる駆動信号列を通電することを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記駆動手段は、気泡を発生させない程度の熱エネルギでインクを前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体により予備加熱するためのプレパルス及び、前記予備加熱されたインクに気泡が発生するように前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体によりインクを加熱するためのメインパルスからなる前記駆動信号列として前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体に通電すると共に、前記基板の温度に応じて前記プレパルスの通電数を増減することを特徴とする請求項２記載のインクジェット記録ヘッド。
前記駆動手段は、前記個別流路内のインクをインク液滴として前記ノズルから吐出させる際に、前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体に通電する前記プレパルスの時間幅を一定にすると共に、前記駆動信号列を構成する前記プレパルス及び前記メインパルスの通電間隔を一定にすることを特徴とする請求項３に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体に通電するための電極を前記基板上に設けると共に、該電極を前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体により覆ったことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載のインクジェット記録ヘッド。
前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体のインク接触面の形状を略正方形としたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載のインクジェット記録ヘッド。
前記ノズルの直径及び該ノズルの入口から出口までのノズル長、並びに前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体のインク接触面から前記ノズルの入口までの距離を、前記インク接触面の一辺の長さの約１／２と略等しくしたことを特徴とする請求項６に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記インク接触面の面積を、５００μｍ^２から１８００μｍ^２の範囲内から選択された値とすることを特徴とする請求項７記載のインクジェット記録ヘッド。
前記ノズルから吐出されるインク液滴の体積が２ｐｌから１６ｐｌの範囲内となるように、前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体により前記個別流路内のインクを加熱することを特徴とする請求項７又は８記載のインクジェット記録ヘッド。
記録媒体に対する記録時のインクジェット記録ヘッドの移動方向であるヘッド移動方向に直交する配列方向に沿って複数の前記ノズルを配列すると共に、前記配列方向に沿った複数のノズル間のピッチを、８００ｄｐｉから１６００ｄｐｉの解像度に対応する長さとしたことを特徴とする請求項８又は９記載のインクジェット記録ヘッド。
請求項１乃至請求項１０の何れか１項記載のインクジェット記録ヘッドと、
前記インクジェット記録ヘッドをヘッド移動方向に沿って駆動するヘッド駆動手段と、
記録媒体を前記インクジェット記録ヘッドに対して前記配列方向に沿って相対的に移動させる送り手段と、
を有することを特徴とするインクジェット記録装置。