JP2005231175A

JP2005231175A - インクジェット記録ヘッド

Info

Publication number: JP2005231175A
Application number: JP2004042705A
Authority: JP
Inventors: Isao Kimura; 勲木村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】インクを吐出するための発熱体での発熱状態を制御する。
【解決手段】発熱体に温度検知手段を設け前記検知手段の出力信号により、インクが発泡する温度に到達した時間に発熱抵抗体への駆動信号を遮断する。
【選択図】図１

Description

本発明はインクジェット記録ヘッドに関し、特に、プリンタ、プロッタ、複写機、ファクシミリなどの記録装置に適したオンデマンド方式サーマルインクジェット記録ヘッドに関する。

従来、オンデマンドインクジェット記録ヘッドの１つとして、熱エネルギーを利用したサーマルインクジェット記録方式が提案され、プリンタなどに応用されその普及が目覚ましい。

本方式は、発熱抵抗体を通電加熱し、発生した熱でインクを発泡させ、発泡の圧力によりインクの小液滴をノズルから吐出し記録を行う方式である。この技術は下記特許文献１、キヤノン（株）製バブルジェット（登録商標）プリンタＢＪ−１０Ｖ添付の操作説明書に原理図、記録装置の構造などが詳述されている。この方式のインクジェット記録ヘッドでは、発熱抵抗体にパルス状の駆動信号を印可した際に発生する熱エネルギーの一部がインクジェット記録ヘッド内に時間とともに蓄積され、結果的に記録ヘッドの温度が次第に上昇し、インク温度の上昇でインク粘度の低下を招くため、ノズルから吐出するインク滴量が大きくなり画像の濃度ムラが発生する。同様なことは記録ヘッドが多数のノズルから構成されている場合に、特定のノズル群のみ使用頻度が高い画像パターンを記録すると、記録ヘッド内の温度分布が生じて画像の部分的な濃度ムラが発生する。

そのためヘッド温度を検出して駆動を制御し吐出量の変化を極力抑える手段が、例えば、特許文献２、特許文献３などに提案されている。前者は記録ヘッド基体に温調用加熱素子を設けたものであり、後者は記録ヘッド基体に電気抵抗体を設け、温度検出に利用している。

また、吐出量の温度変化を制御する手段として、特許文献４にあるように、２つのパルス部Ｐ１、Ｐ３からなる複数駆動信号によって記録ヘッドの発熱素子を駆動する際に、第１パルスＰ１を記録ヘッドの温度に応じて、パルス幅変調などの波形変更を行う（ＰＷＭ制御）ことにより、記録ヘッドの昇温を制御する技術である。

一方、インクジェット記録ヘッドの発熱素子はＣＶＤ、スパッタリングなどの薄膜形成法によって作製される。これら薄膜形成法によって一度に多数の記録ヘッドに用いられる発熱抵抗層を成膜する場合、特許文献５にあるように、成膜装置内での位置により、出来上がった発熱体の抵抗値にバラツキが生じるため、記録ヘッド毎に印可する駆動電圧を調整する必要がある。そこで、発熱抵抗層を成膜する際に、その近傍にインクの吐出には用いない抵抗層を同時に成膜する。そして、プリンタ側からその抵抗値を測定することにより実際にインクの吐出を発熱抵抗層の抵抗値を推測して、推測された抵抗値に応じた駆動電圧を記録ヘッドに印可する。この抵抗値は電極の抵抗値のばらつきや、プリンタ本体側での抵抗値読みとり誤差などにより、実際の発熱抵抗層の抵抗値との間に多少の誤差を含む。その補正手段として、該記録ヘッドがインクを発泡させるための最低電力（または電圧）に対して１．２倍程度の過剰エネルギーを付与している。

このような駆動条件では、通常用いられる水性インクの発泡温度は約３００℃であるが、発泡した後の発熱部表面温度は断熱状態になるため、８００〜１０００℃に上昇すると推測されている。
特開昭５４−５９９３６号公報特開平１０−０８１０２０号公報特開平１１−１７９９１０号公報特開平５−３１９０５号公報特開平７−１２５２１８号公報

高画質化および高速化の要求に対して、吐出量の変動を抑える上述の手段、すなわちヘッドの温調用加熱素子およびヘッド温度検出、２つのパルス波形変調する（ＰＷＭ制御）手段などが提案されているが、いずれも記録ヘッド全体の温度を検出して、どのような温度環境においても記録ヘッドが安定した吐出ができるような温度範囲に制御しようとするものである。記録ヘッドの温度が基準以上になると吐出間隔を延長したり、休止時間を設けて記録ヘッドの最適動作温度まで放冷したり、同時に駆動する発熱素子数を減らして時間当たりの発熱量を抑制するなどの対策が講じられている。これらの従来技術では記録ヘッドをより高速で駆動しようとすると記録ヘッドの温度上昇が一層激しくなり、連続的に吐出を維持するという高速記録本来の目標からは一歩退いた形で実現せざるを得ない。また、記録ヘッド全体の温度変化は発熱素子上のインク温度変化に対して極めて緩慢であり、記録ドット単位での吐出量の安定化は実現されていない。そのため濃度ムラのさらなる抑制など、より高画質化の要求に対しても、平均的に吐出量を制御し、視覚的に濃度ムラが目立たないような吐出シーケンスで対処しているのが現状である。熱エネルギーを利用する以上駆動に伴う記録ヘッド自体の温度上昇は避けられないが、吐出に使われる以外の熱を少しでも減少することができれば温度上昇は現状以上に抑制できると考えられる。これが実現できれば、上述のヘッド温調やＰＷＭ制御が不要になるか簡略化できる。

また、記録ヘッドは発熱素子の抵抗値ばらつきがあるため、インクの発泡に必要な最小エネルギーの１．２倍ほどの電力を必要とする。この過剰なエネルギーはヘッド温度抑制の阻害要因である。過剰なエネルギーによって発熱部表面温度は前述のようにインクを発泡させた後も昇温を続け、断熱加熱により８００〜１０００℃、駆動条件によっては１０００℃以上の高温になる。その結果インク中の染料成分などが熱分解を受けて発熱部表面に徐々に堆積し、いわゆる“こげ”（ｋｏｇａｔｉｏｎ）を生成する。こげは発熱部のインクへの熱伝導を抑制したり、こげの表面に不均一な凹凸を形成して、安定なインクの発泡状態を阻害する原因になっている。過度の高温は発熱部の熱ストレスを増大させ記録ヘッドの寿命を制限するといったマイナス要因にもなっている。

以上の現象が引き起こされると、特に高速記録を実現しようとして、インクジェット記録ヘッドにより多くの吐出エレメントを配置して同時吐出数を増加させる場合余分なエネルギーの印可は好ましくない。さらに吐出周期を上げようとする場合でも単位時間当たりの発熱量が増加するから、余分なエネルギーの印可は極力避けたい。

少しでも発熱部表面温度を下げることができれば、省エネとこげの抑制が達成され、熱効率が優れ、安定した吐出が可能で、寿命の長い記録ヘッドを得ることができる。

本発明の目的は上記課題を解決するために、インク発泡後の発熱部の温度上昇をできる限り抑制する手段を設けることにより、記録ヘッドのきめ細かい温度制御が不要で、省エネによる高速記録、安定吐出による高画質記録、および高寿命なインクジェット記録ヘッドを提供することにある。

上記目的に鑑み、本発明者は、（Ａ）：従来の温度制御が記録ヘッド全体の温度を基準にしていることに着目し、１つの発熱素子を単位としてインクの発泡温度を基準に温度制御すれば発熱素子の抵抗値ばらつきがキャンセルされ、環境温度にも依存しない記録ヘッドが実現可能であり、さらにインクの発泡以後の加熱を中止できれば余分な発熱を抑制できる。さらに上記構成（Ａ）に加えて、（Ｂ）：発熱抵抗体の温度が印可する電力に比例し、電力Ｐ、電圧Ｖ、抵抗値Ｒとすると、Ｐ＝Ｖ^２／Ｒであるので、通電時間に逆比例して抵抗値Ｒが大きくなるような発熱抵抗体にすれば過剰な発熱を抑制できると考案した。

具体的には、
構成（Ａ）：インクが発泡する温度を検知する手段を有し、前記検知手段の出力信号により、インクが発泡する温度に到達した時間に発熱抵抗体への駆動信号を遮断する駆動回路を有するインクジェット記録ヘッドである。ここで、インクの発泡する温度を検知する手段が、発熱部表面に形成された薄膜熱電対であるか、発熱部表面に形成された薄膜電気抵抗体、または、発熱部表面に、発熱素子とインク流路からなる１組の吐出要素ごとに他の吐出要素とは電気的に分離して形成された金属薄膜であればよい。この金属薄膜は通常、発熱抵抗体をインクの化学的腐食から保護する最上部層として機能している。その一部を温度検知用の電極として用いる手段であるが、この金属薄膜の抵抗温度係数は温度に対してリニアーな特性を持つことが好ましい。

サーマルインクジェット記録に利用するインクは染料などの導電性成分を含むからインク中にさらされた電極はインクを介して微弱な電流で導通させることが可能であり、また、発泡したとき泡の内部はほぼ真空と考えられるから、インクが発泡することにより通電が遮断される検知電極を発熱部の上部に設け、前記検知電極への通電が遮断されると発熱抵抗体への駆動信号を遮断する駆動回路を有するインクジェット記録ヘッドとすれば本発明の目的は達せられる。

構成（Ｂ）：上記インクの発泡以後の加熱を中止できる手段（Ａ）に加えて、電極と接続された発熱抵抗体に通電することによりインクに熱エネルギーを作用させてインクを発泡させ、インクの小液滴をノズルから吐出させ記録を行うインクジェット記録ヘッドにおいて、発熱抵抗体の一部または全部が、正の抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する材料で構成すればよい。より好ましくは、発熱抵抗体の抵抗温度係数が、＋７００ｐｐｍ／℃以上である材料で構成する。

通常、サーマルインクジェットに利用する発熱抵抗体は、Ｐｔ、Ｉｒ、ＴａＳｉ_２、ＴａＣ、ＨｆＢ_２、ＴａＮ、ＴａＡｌなどの高融点金属、高融点金属化合物薄膜、高融点合金薄膜であり、スパッタリング、真空蒸着などの薄膜形成法を用いてＳｉなどの基板上に作製する。いずれも材料組成などを調節して、高温領域での抵抗値の安定を図るため、抵抗温度係数がほぼ０または若干マイナスとなるように作製されている。高温でも抵抗値が安定しているのは、特定の結晶構造をとるように膜の組成を化学量論比に相当する組成としているからであり、そのような薄膜では、結晶学的に安定した構造であるから高温での抵抗値も安定している。従ってＴＣＲを正にするには結晶学的に不安定な構造を作成すればよい。そのために上記発熱抵抗体材料に、Ｂ（硼素）、Ｃ（炭素）、Ｎ_２（窒素）、Ｏ_２（酸素）、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣなどの元素、化合物をドープして結晶構造を乱してやればよい。一例として純Ｔａをアルゴン圧５ｍＴｏｒｒ、窒素分圧０．２ｍＴｏｒｒの雰囲気中でスパッタリングして得られた薄膜はＴａＮ_０．１の組成でＴＣＲは＋４００ｐｐｍ／℃である。さらにＳｉＯ_２をＴａとともに窒素雰囲気中で同時スパッタリングし作成された、ＴａＮ_０．１ＳｉＯ_２ではＳｉＯ_２のドープ量（Ｓｉとして０〜３０モル％）に応じて、ＴＣＲが＋４００〜＋２０００ｐｐｍの薄膜が得られる。

インクの発泡温度を３００℃、発泡前のインク温度をＴ_ｒ℃として、ある発熱素子がインクを発泡させる電力をＰｔｈ、そのときの駆動電圧をＶ_ｔｈ、発熱抵抗体の抵抗値をＲ_ｔｈとし、実際の駆動電力を、
Ｐ_ｏｐ、過剰電圧比をＫ（Ｋは自然数）、抵抗温度係数をＲ_ｔ（ｐｐｍ／℃）とすると、
Ｐ_ｔｈ＝Ｖ_ｔｈ ^２／Ｒ_ｔｈであり、 ……（１）
Ｐ_ｏｐ＝（Ｋ・Ｖ_ｔｈ）^２／｛Ｒ_ｔｈ＋Ｒ_ｔｈ＊（３００−Ｔ_ｒ）＊Ｒ_ｔ｝……（２）
発泡した瞬間に電力がＰ_ｔｈ以下まで下がるためには、
Ｒ_ｔ＝（Ｋ^２−１）／（３００−Ｔ_ｒ）の関係を満たせばよい。 ……（３）
Ｋ＝１．０５，１．１０，１．１５，１．２０の場合、Ｔ_ｒ＝２５℃なら、
Ｒ_ｔはそれぞれ、３７３，７６４，１１７３，１６００ｐｐｍ／℃となる。

したがって抵抗の温度変化を利用して過剰エネルギーを抑制するためには、＋４００ｐｐｍ／℃以上の抵抗温度係数を有する発熱抵抗体であればよい。ヘッド内の抵抗値ばらつきを十分に吸収するためにはＴＣＲが＋７００ｐｐｍであればより好ましい。

以上述べたように本発明のインクジェット記録ヘッドは、１つの発熱素子を単位としてインクの発泡温度（または発泡状態）を基準に各種の手段で温度制御することにより、発熱素子の抵抗値ばらつきがキャンセルされ、環境温度にも依存せず、インクの発泡以後の加熱を中止できるので余分な発熱を抑制できるため発熱部表面の堆積物（Ｋｏｇａｔｉｏｎ）が少なく印字品位の劣化を少なくすることができる。

以上の結果、記録ヘッドのきめ細かい温度制御が不要で、省エネによる高速記録、安定吐出による高画質記録、および高寿命なインクジェット記録ヘッドが実現可能である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の第一の実施例であるインクジェット記録ヘッドの発熱素子部の構成の一例を示す。図中Ｈの点線で囲われた領域が発熱部である。２は発熱抵抗体１に電力を供給するための電極であり、保護膜３は発熱抵抗体１および電極２をインクなどの化学的腐食から保護するための層であり、通常ＳｉＯ_２、ＳｉＮなどの薄膜で形成する。図中４は発熱素子を支持するための基板であり、発熱抵抗体１と接する表面を熱酸化したＳｉが好適に用いられる。

発熱部Ｈ表面に薄膜熱電対を形成した第２の実施例である。図中５および６はそれぞれ異種材料薄膜からなる熱電対（熱電対素子）であり、発熱部Ｈ表面に接合部７で各々が接合されている。熱電対５および６はインクジェット記録ヘッドの駆動回路へ接続し、熱電対の出力信号レベルに応じて発熱抵抗体のＯＮ−ＯＦＦができるような構成にした。代表的な記録ヘッドの回路構成を図９に示す。図において、「発泡検知」と記載した部分が本実施例２の熱電対である。熱電対５，６の素子形状は本実施例以外の形状でも発熱素子表面温度をモニターできれば特に制約はない。２は発熱抵抗体１に電力を供給するための電極であり、３は発熱抵抗体１および電極２をインクなどの化学的腐食から保護するための層であり、通常ＳｉＯ_２、ＳｉＮなどの薄膜で形成する。図中４は発熱素子を支持するための基板であり、Ｓｉが好適に用いられる。本実施例では発熱抵抗体１はＴａＮ（膜厚０．０４μｍ、シート抵抗４１．５Ω）を使用した。

熱電対を構成する材料は、５がクロメル（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ）と６がアルメル（Ｎｉ−Ｆｅ−Ｍｎ−Ａｌ−Ｓｉ）であり、スパッタリング法により０．１μｍの厚さに形成した。図には示していないが、熱電対をインクからの腐食から保護するための絶縁層（材料はＳｉＯ_２）を熱電対５，６の表面を被覆するように０．０５μｍ形成してある。本実施例以外に適用可能な材料の組み合わせは、Ｐｔ−ＲｈＰｔ、Ｗ−Ｒｈ、Ｆｅ−コンスタンタン、Ｃｕ−コンスタンタン、Ａｕ−Ｃｏ、Ｂｉ−Ｓｂ、Ｗ−ＷＭｏ、Ｗ−Ｒｅなどである。

図６は図１のインクジェット記録ヘッドの発熱部の保護膜（図１の３）（従来例と本実施例とでは保護膜３の材料と厚みは等しい。；以下の説明でも同じ）表面の通電にともなう温度変化を、インクをＨ_２Ｏと仮定して２次元伝熱シミュレーションした結果である。Ｔａはインクの発泡前温度、Ｔｅはインクの発泡温度、Ｔｍは本発明の発熱抵抗体を使用した場合の保護膜表面到達温度である。Ｔｘは従来の発熱抵抗体を使用した場合の保護膜表面到達温度であって、Ｔｘ＞Ｔｍ＞Ｔｅの関係にある。図６下の図は発熱抵抗体１に印可する駆動パルス波形であり、Ｐｗ（μｓｅｃ）の幅のパルスを時間ｔ_０で投入し、発泡温度Ｔｅに時間ｔ_１で到達する。ｔ_２は保護膜表面が最高温度に到達する時間である。従来の記録ヘッドでは、定電圧（Ｖ）で駆動し、発熱抵抗体のＴＣＲはほぼ０であるから、Ｖと全く同じ波形で電流ｉが流れる。時間ｔ_１〜ｔ_２の間は発泡以降も加熱を続ける領域であり、斜線部面積Ａがインクの発泡に必要なエネルギーに対して過剰なエネルギーを表す。本発明の記録ヘッドでは、定電圧（Ｖ）で、従来例と同じパルス幅Ｐｗで駆動すると、発泡温度Ｔｅに到達した瞬間（ｔ１）以降０．１μｓｅｃ以内に発熱抵抗体への通電がカットオフされるため、発泡以後の保護膜表面温度は従来例より上がらず、パルス波形の斜線部Ｂに相当するエネルギーが低減される。

また、保護膜表面最高温度が下がる結果、インク滴を１Ｘ１０^８回吐出させた後の保護膜表面状態は、従来の記録ヘッドで１Ｘ１０^８回吐出させたものに比べて、明らかに堆積物（Ｋｏｇａｔｉｏｎ）の量が少ないことを確認した。この間の印字品位は初期状態と区別がつきにくいほど劣化が少ないものであった。さらにマルチノズルを有するインクジェット記録ヘッドに本構成を適用した結果、インクの発泡タイミングが、発泡温度で規定されるため、各ノズル間でインク滴の大きさがほぼ一定であり、従来の駆動に比べて印字物の濃度ムラが格段に少ないことを確認した。

図２は発熱部Ｈ表面に薄膜電気抵抗体を形成した第２実施例である。図中８は抵抗体材料薄膜（材料；Ｔａ膜厚０．０５μｍ）からなる温度検知素子（薄膜電気抵抗体）であり、発熱部表面に９を温度検知部として作用するように形成されている。薄膜電気抵抗体８はインクジェット記録ヘッドの駆動回路へ接続し、電気抵抗体の抵抗値を読みとり、抵抗値のレベルに応じて発熱抵抗体のＯＮ−ＯＦＦができるような構成にした。代表的な記録ヘッドの回路構成を図８に示す。図８中「発泡検知」と記載した部分が本実施例２の薄膜電気抵抗体である。薄膜電気抵抗体８の素子形状は本実施例以外の形状でも発熱素子表面温度をモニターできれば特に制約はない。２は発熱抵抗体１に電力を供給するための電極であり、３は発熱抵抗体１および電極２をインクなどの化学的腐食から保護するための層であり、通常ＳｉＯ_２、ＳｉＮなどの薄膜で形成する。図中４は発熱素子を支持するための基板であり、Ｓｉが好適に用いられる。本実施例では発熱抵抗体１はＴａＮ（膜厚０．０４μｍ、シート抵抗４１．５Ω）を使用した。

薄膜電気抵抗体８を構成する材料は、電極材料に使用されるアルミニウムより比抵抗が大きい材料で、抵抗値が温度に対してできるだけリニアーに増加するものであればよく、単金属であればＮｉ，Ｔａ，Ｐｔ，Ｗなどがよい。また、発熱抵抗体１と同じ材料で形成すれば工程が簡略化でき記録ヘッドのコストダウンにもなる。

本実施例のインクジェット記録ヘッドを用いて、染料３％−グリセリン１０％−残部Ｈ２Ｏからなるインクを発泡、吐出させたところ、実施例１と同様に図６示したようなエネルギー消費の少ない駆動パルスでの動作を確認した。すなわち、Ｔａはインクの発泡前温度、Ｔｅはインクの発泡温度、Ｔｍは本実施例の発泡温度検知による発熱抵抗体への通電をＯＦＦにした場合の保護膜表面到達温度である。Ｔｘは従来の駆動パルスを使用した場合の保護膜表面到達温度であって、Ｔｘ＞Ｔｍ＞Ｔｅの関係にある。図６の下図は発熱抵抗体に印可する駆動パルス波形であり、Ｐｗ（μｓｅｃ）の幅のパルスを時間ｔ０で投入し、発泡温度Ｔｅに時間ｔ_１で到達する。ｔ_ｍ、ｔ_２は保護膜表面が最高温度に到達する時間である。従来の記録ヘッドでは、定電圧（Ｖ）で駆動し、発熱抵抗体のＴＣＲはほぼ０であるから、Ｖと全く同じ波形で電流ｉが流れる。時間ｔ_１〜ｔ_２の間は発泡以降も加熱を続ける領域であり、斜線部面積Ａがインクの発泡に必要なエネルギーに対して過剰なエネルギーを表す。本実施例の記録ヘッドでは、定電圧（Ｖ）で、従来例と同じパルス幅Ｐｗで駆動すると、発泡温度Ｔｅに到達した瞬間（ｔ１）以降０．１μｓｅｃ以内に発熱抵抗体への通電がカットオフされるため、発泡以後の保護膜表面温度は従来例より上がらず、パルス波形の斜線部Ｂに相当するエネルギーが低減される。

また、保護膜表面最高温度が下がる結果、インク滴を１Ｘ１０^８回吐出させた後の保護膜表面状態は、従来の記録ヘッドで１Ｘ１０^８回吐出させたものに比べて、明らかに堆積物（Ｋｏｇａｔｉｏｎ）の量が少なく、さらに実施例１のインクジェット記録ヘッドよりも少ないことを確認した。この間の印字品位は初期状態と区別がつきにくいほど劣化が少ないものであった。

図３は発熱部Ｈ表面に、発熱素子とインク流路からなる１組の吐出要素Ｅ１ごとに他の吐出要素Ｅ２とは電気的に分離して形成された金属薄膜を形成した第３の実施例であり、この金属薄膜は発熱素子の最表面を形成する膜と共通な材料である。図中ａ，ｂ，ｄはＴａからなる金属薄膜（膜厚０．３μｍ）であり、図３の下図（上図Ｘ−Ｙに沿った断面図）に示すように発熱部表面にパターンアイソレーション溝ｃによって金属薄膜ａおよびｂが他の部分ｄと電気的に分離され、金属薄膜ａ部が温度検知部として、金属薄膜ｂ部が電極として作用するように形成されている。

金属薄膜ａ部はインクジェット記録ヘッドの駆動回路へ接続し、該薄膜の抵抗値を読みとり、抵抗値のレベルに応じて発熱抵抗体のＯＮ−ＯＦＦができるような構成にした。代表的な記録ヘッドの回路構成を図８に示す。図８中「発泡検知」と記載した部分が本実施例３の金属薄膜である。金属薄膜のパターン形状は本実施例以外の形状でも発熱素子表面温度をモニターできれば特に制約はない。２は発熱抵抗体１に電力を供給するための電極であり、３は発熱抵抗体１および電極２をインクなどの化学的腐食から保護するための層であり、通常ＳｉＯ_２、ＳｉＮなどの薄膜で形成する。図中４は発熱素子を支持するための基板であり、Ｓｉが好適に用いられる。本実施例では発熱抵抗体はＴａＮ（膜厚０．０４μｍ、シート抵抗４１．５Ω）を使用した。

金属薄膜を構成する材料は、電極材料に使用されるアルミニウムより比抵抗が大きい材料で、抵抗値が温度に対してできるだけリニアーに増加するもので、さらにインクに直接接触するため、化学的に安定な材料であればよく、単金属であればＮｉ，Ｒｈ，Ｔａ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕなどがよい。また、耐食性の高い合金材料でもよい。

本実施例のインクジェット記録ヘッドを用いて、染料３％−グリセリン１０％−残部Ｈ２Ｏからなるインクを発泡、吐出させたところ、実施例２と同様に図６に示したようなエネルギー消費の少ない駆動パルスでの動作を確認した。すなわち、Ｔａはインクの発泡前温度、Ｔｅはインクの発泡温度、Ｔｍは本実施例の発泡温度検知による発熱抵抗体への通電をＯＦＦにした場合の保護膜表面到達温度である。Ｔｘは従来の駆動パルスを使用した場合の保護膜表面到達温度であって、Ｔｘ＞Ｔｍ＞Ｔｅの関係にある。図６の下の図は発熱抵抗体に印可する駆動パルス波形であり、Ｐｗ（μｓｅｃ）の幅のパルスを時間ｔ_０で投入し、発泡温度Ｔｅに時間ｔ１で到達する。ｔ_ｍ、ｔ_２は保護膜表面が最高温度に到達する時間である。従来の記録ヘッドでは、定電圧（Ｖ）で駆動し、発熱抵抗体のＴＣＲはほぼ０であるから、Ｖと全く同じ波形で電流ｉが流れる。時間ｔ_１〜ｔ_２の間は発泡以降も加熱を続ける領域であり、斜線部面積Ａがインクの発泡に必要なエネルギーに対して過剰なエネルギーを表す。本実施例の記録ヘッドでは、定電圧（Ｖ）で、従来例と同じパルス幅Ｐｗで駆動すると、発泡温度Ｔｅに到達した瞬間（ｔ_１）以降０．１μｓｅｃ以内に発熱抵抗体への通電がカットオフされるため、発泡以後の保護膜表面温度は従来例より上がらず、パルス波形の斜線部Ｂに相当するエネルギーが低減される。

図４は、第４の実施例であり、インクが発泡することにより通電が遮断される検知電極を発熱部の上部に設け、前記検知電極への通電が遮断されると発熱抵抗体への駆動信号を遮断するように形成されたインクジェット記録ヘッドである。

図４中、１０および１１が検知電極であり、検知電極１０および１１の先端１２がインクを介して検知電極１０および１１間の導通を検出する部分である。インクによる導通を検出する部分１２を除いた検知電極１０および１１の表面は絶縁材料でインクとは電気的に絶縁されている必要がある。他の記号は前述の実施例と同じ材料であり、２は発熱抵抗体１に電力を供給するための電極であり、保護膜３は発熱抵抗体１および電極２をインクなどの化学的腐食から保護するための層であり、通常ＳｉＯ_２、ＳｉＮなどの薄膜で形成する。図中４は発熱素子を支持するための基板であり、Ｓｉが好適に用いられる。本実施例では発熱抵抗体１はＴａＮ（膜厚０．０４μｍ、シート抵抗４１．５Ω）を使用した。

検知電極１０および１１は、本実施例５ではＴａ薄膜であり、薄膜のパターン形状は本実施例以外の形状でも発熱素子表面の発泡部分に配置できれば特に制約はない。

検知電極薄膜を構成する材料は、インクに直接接触するため、化学的に安定な材料であればよく、単金属であればＮｉ，Ｒｈ，Ｔａ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕなどがよい。また、耐食性の高い合金材料でもよい。

図５に本実施例の動作の模式図を示す。

図５の上図はインクが発泡する前の状態を示し、一対の検知電極１２がインクを介して微弱な電流をモニターしているようすを示す。使用したインク組成は、染料Ｃ．Ｉ．ＦｏｏｄＢｌａｃｋ−２；３％−グリセリン１０％−残部Ｈ２Ｏで、インクの導電率は２．５ｍＳ／ｃｍである。

図５の下図はインクが発泡した瞬間の模式図であり、一対の検知電極１２は気泡によって通電が遮断される。この発泡により通電が遮断された状態を図９に示した回路で発熱抵抗体への通電をスイッチング素子で遮断すれば、発泡以降の発熱抵抗体への通電が中止できる。その結果、図７に示すように従来の駆動より少ない電力消費で、保護膜表面温度も従来に比べて大幅に低下することがわかった。

図１０は、発熱抵抗体の一部または全部が、正の抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する材料で構成され、かつ、インクが発泡する温度を検知する手段を有し、前記検知手段の出力信号により、インクが発泡する温度に到達した時間に発熱抵抗体への駆動信号を遮断する駆動回路を有するインクジェット記録ヘッドの保護膜表面温度の時間変化曲線および駆動パルス波形の模式図である。ここで、インクが発泡する温度を検知する手段は、前述の実施例で示したように、発熱部表面に形成された薄膜熱電対または薄膜電気抵抗体または実施例４のような通電電極であり、発熱素子とインク流路からなる１組の吐出要素ごとに他の吐出要素とは電気的に分離して形成された金属薄膜等であればよい。

ＴＣＲが正なる発熱抵抗体の温度上昇による電力消費低減と発泡温度検知による通電遮断により、これまで述べた実施例中、最も電力消費、保護膜表面温度上昇が少ない構成である。

電力消費の低減量は図１０下図の領域Ｂで示した。また、保護膜表面最高温度が下がる結果、インク滴を１Ｘ１０^８回吐出させた後の保護膜表面状態は、従来の記録ヘッドで１Ｘ１０^８回吐出させたものに比べて、明らかに堆積物（Ｋｏｇａｔｉｏｎ）の量が少なく、さらに実施例１〜４のインクジェット記録ヘッドよりも少ないことを確認した。この間の印字品位は初期状態と区別がつきにくいほど劣化が少ないものであった。

発熱部表面に薄膜熱電対を形成した本発明のインクジェット記録ヘッドの第１の実施例を示す図発熱部表面に薄膜電気抵抗体を形成した本発明のインクジェット記録ヘッドの第２の実施例を示す図発熱部表面に、発熱素子とインク流路からなる１組の吐出要素ごとに他の吐出要素とは電気的に分離して形成された金属薄膜を形成した第３の実施例を示す図インクが発泡することにより通電が遮断される検知電極を発熱部の上部に設け、前記検知電極への通電が遮断されると発熱抵抗体への駆動信号を遮断するように形成された第４の実施例としてのインクジェット記録ヘッドを示す図図４のインクジェット記録ヘッドの動作の模式図実施例１〜３のインクジェット記録ヘッドの保護膜表面温度の時間変化曲線、および駆動パルス波形の、本発明と従来例との比較図実施例４のインクジェット記録ヘッドの保護膜表面温度の時間変化曲線、および駆動パルス波形の、本発明と従来例との比較図インクの発泡温度または発泡状態を検知して、発熱抵抗体への通電を制御する駆動回路構成の一例を示す図実施例４の構成におけるインクの発泡温度または発泡状態を検知して、発熱抵抗体への通電を制御する駆動回路の一例を示す図発熱抵抗体の一部または全部が、正の抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する材料で構成され、かつ、インクが発泡する温度を検知する手段を有し、前記検知手段の出力信号により、インクが発泡する温度に到達した時間に発熱抵抗体への駆動信号を遮断する駆動回路を有するインクジェット記録ヘッドの保護膜表面温度の時間変化曲線および駆動パルス波形の模式図

符号の説明

１発熱抵抗体
２電極層
３保護膜
４基板
５、６異種材料薄膜からなる熱電対
７熱電対の異種材料薄膜接合部分
８薄膜電気抵抗体
９温度検知部
１０、１１インクの発泡により通電が遮断される検知電極
１２インクによる導通を検出する部分
ａ，ｂ，ｄ金属薄膜
Ｈインクジェット記録ヘッドの発熱部

Claims

電極と接続された発熱抵抗体に通電することによりインクに熱エネルギーを作用させてインクを発泡させ、インクの小液滴をノズルから吐出させ記録を行うインクジェット記録ヘッドにおいて、インクが発泡する温度を検知する手段を有し、前記検知手段の出力信号により、インクが発泡する温度に到達した時間に発熱抵抗体への駆動信号を遮断する駆動回路を有するものであることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
請求項１におけるインクの発泡する温度を検知する手段が、発熱部表面に形成された薄膜熱電対であることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
請求項１におけるインクの発泡する温度を検知する手段が、発熱部表面に形成された薄膜電気抵抗体であることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
請求項１におけるインクの発泡する温度を検知する手段が、発熱部表面に、発熱素子とインク流路からなる１組の吐出要素ごとに他の吐出要素とは電気的に分離して形成された金属薄膜であることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
電極と接続された発熱抵抗体に通電することによりインクに熱エネルギーを作用させてインクを発泡させ、インクの小液滴をノズルから吐出させ記録を行うインクジェット記録ヘッドにおいて、インクが発泡することにより通電が遮断される検知電極を発熱部の上部に設け、前記検知電極への通電が遮断されると発熱抵抗体への駆動信号を遮断する駆動回路を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
電極と接続された発熱抵抗体に通電することによりインクに熱エネルギーを作用させてインクを発泡させ、インクの小液滴をノズルから吐出させ記録を行うインクジェット記録ヘッドにおいて、前記発熱抵抗体の一部または全部が、正の抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有する材料で構成され、かつ、インクが発泡する温度を検知する手段を有し、前記検知手段の出力信号により、インクが発泡する温度に到達した時間に発熱抵抗体への駆動信号を遮断する駆動回路を有するものであることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。