JP4217331B2 - インクジェット記録ヘッドの駆動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクに熱エネルギーを作用させ、これにより発生する気泡の生成に基づいてインクを吐出するインクジェット記録ヘッドの駆動方法および該記録方法を行うインクジェット記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクを加熱して気泡を発生させ、この気泡の発生に基づいてインクを吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方式は、高速記録が可能であり、また比較的記録品位も高く、低騒音であるという利点を有している。
【０００３】
また、この方式はカラー画像記録が比較的容易であって、普通紙等にも記録でき、装置の小型化も容易であり、さらに、記録ヘッドの吐出口を高密度に配設することができるので、高解像度、高品位の画像を高速で記録することができるといった多くの優れた利点を有している。この方法を用いた記録装置は、複写機、プリンタ、ファクシミリ等における情報出力手段として用いられている。
【０００４】
このようなインクジェット記録方式を行う記録ヘッドの一般的構造は、インクを吐出するための吐出口と、これに連通しインクが流通するインク流路と、このインク流路中に設けられ熱エネルギーを発生するための電気熱変換素子（発熱体）とを具備している。この発熱体は、薄膜抵抗体で構成されているものが一般的であり、この発熱体に対して電極配線を介してパルス的に通電（駆動パルスの印加）することによって熱エネルギーを発生させる。
【０００５】
熱エネルギーを発熱体近傍のインクに与えることで発泡エネルギーを蓄えるための過熱液層をインク中に形成しようとしても、発熱体表面（インク加熱面）の状態がインクの焦げや傷等により部分的に変化していたりインク中に不純物や気体が混入している場合には、発泡核が加熱の早期に発生してしまうため過熱液層への熱の流入が阻害されてしまい発熱体表面上でのインクの発泡開始時刻にばらつきが生じてしまう。このような発泡開始時刻のばらつきは気泡の発泡エネルギーのばらつきとなるため、インクの吐出量や吐出速度の変化が生じ画像品位が劣化する場合がある。
【０００６】
従って、吐出量、吐出速度等のインク滴の吐出特性の再現性の良いインクジェット記録ヘッドを提供する上では、発泡開始時刻のばらつきを小さくすることが必要である。このためには、発泡時刻ｔ＝ｔ０の温度上昇率ｄＴ（ｔ０）を大きくすることが重要である。図１６を用い、以下にその理由を説明する。
【０００７】
インク中の温度分布に依存するが、インクの発泡確率は、インク中で最も高温の部分の温度Ｔが、過熱限界付近の温度帯Ｔ１＜Ｔ＜Ｔ２を低温側から高温側へ推移するときに０から１に変化する。図１６は、最も高温となる発熱体表面に接するインクの温度Ｔの変化を示す線図である。発泡時刻ｔ＝ｔ０の温度上昇率をｄＴ（ｔ０）とすると、発泡時刻のばらつきΔｔは、
【０００８】
【外５】
によって与えられる。従って、発泡開始時刻のばらつきΔｔを小さくするには、温度上昇率ｄＴ（ｔ０）を大きくすることになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
Δｔを小さくするためには、インクと発熱体表面との界面において発泡核が生じる前に発熱体表面近傍のインクの温度を均一核生成（homogeneous nucleation）温度まで急激に加熱する急速加熱が有効であることが知られている（A. Asai et al., "Bubble Generation Mechanism in the Bubble Jet Recording Process", Journal of Imaging Technology, Vol. 14, pp 120-124, 1988）。
【００１０】
このような急速加熱を行う場合、駆動信号の印加時間を短くすればする程、時間的に十分にインクに熱量が流入できないため、発泡核が気泡に成長できる過熱状態にあるインク（過熱液層）の厚みが薄くなる。
【００１１】
急速加熱における均一核生成を始めた過熱液層が必要とする大きな気化潜熱は主として発熱体側から供給されるが、過熱液層の外側は低温のインクであり、薄い過熱液層から大きな温度差のある過熱液層の外側のインク側に流出する熱量が多いため、駆動信号の印加時間（加熱時間）を短くして急速過熱を行うと本来必要とする気化潜熱が過熱液層に十分には与えられなくなっていく。
【００１２】
したがって、加熱時間を短くしていくと、発泡エネルギーが減少し、十分な吐出速度を得ることが困難になってしまう。（A. Asai, "Bubble Dynamics in Boiling Under High Heat Flux pulse Heating", J. Heat Transfer, Vol. 113, pp 973-979, 1991、三谷等「超高速加熱時における核沸騰とインク吐出特性」、Japan Hardcopy '96, A-40）。
【００１３】
その結果、加熱時間を短くして急速過熱を行うと発一性（ノズルからインク滴を吐出させた後、一定時間インク吐出を行うことがなかった場合に、そのノズルから次の１滴目のインクを吐出させると、インクの増粘により、安定した吐出を行えず、印字が乱れてしまうといった不都合を起こす事があり、次の１滴の吐出性能を発一性と呼ぶ）が低下し、最悪の場合には不吐となる可能性が出てくる。
【００１４】
また、従来の駆動方法では問題とならなかったような記録ヘッド毎の薄膜抵抗体の抵抗ばらつきや薄膜抵抗体上に形成した保護層の膜厚ばらつきが、記録ヘッドの過熱液層の厚みばらつきとして現れやすくなり、記録ヘッド間の吐出量、吐出速度等にばらつきが生じる虞がある。同様に、発泡を繰り返す間に薄膜抵抗体の抵抗変化が起こる場合には、同一の記録ヘッドで吐出特性が変化することになる。
【００１５】
以上のように、急速過熱により発泡開始時刻のばらつきを低減できるものの発泡エネルギーが減少するような急速過熱領域の駆動方法では発泡エネルギーが小さいために、記録ヘッドの吐出特性が不安定且つ不均一となる虞があり、画像品位が劣化することが危惧されている。
【００１６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、
（１）発泡開始時刻のばらつきを小さく、安定した発泡を行え、
（２）発泡エネルギーの大きな、十分な吐出量及び吐出速度を確保できる
安定したインク吐出を行うことが可能なインクジェット記録ヘッドの駆動方法およびこの駆動方法を行う記録装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成する本発明のインクジェット記録ヘッドの駆動方法は、インクを吐出する吐出口と、この吐出口に連通するインク流路と、駆動信号を印加することにより前記インク流路内のインクを加熱して気泡を発生させるための発熱体とを具えたインクジェット記録ヘッドを用い、前記気泡の発生に基づいて前記吐出口からインクを吐出するインクジェット記録ヘッドの駆動方法において、前記駆動信号は、前記発熱体の表面温度をインクの沸点温度以上でインクが均一核生成を開始する発泡温度未満に加熱する第１駆動信号であって発泡エネルギーをインクに蓄えるための当該第１駆動信号と、インクに気泡を発生させるための第２駆動信号と、を有し、前記第２駆動信号の印加開始から気泡を発生するまでの時間をｔ＝δｔ、前記第１駆動信号を印加せずに前記第２駆動信号と同じ単一駆動信号のみで気泡を発生させた場合に発泡エネルギーが減少する境界発泡時間をｔ＝ｔｓとすると、δｔ、ｔｓが
δｔ＜ｔｓ
の関係を満たすと共に、前記第１駆動信号の印加を開始した時刻から前記第２駆動信号を開始するまでの時刻の差である第１駆動信号の印加時間をｔ１、第２駆動信号の印加時間を（ｔ２―ｔ１）、駆動信号による発熱体の発熱量をＱ（ｔ）とするとき、ｔ１、ｔ２、Ｑ（ｔ）が
【００１８】
【外６】
を満たす駆動信号を前記発熱体に印加することで気泡を発生させることを特徴とするインクジェット記録ヘッドの駆動方法である。
【００２０】
上述のインクジェット記録ヘッドの駆動方法は、第2駆動信号によって気泡を発生する時刻をｔ＝δｔこの時の温度上昇率をｄＴ（δｔ）、前記第1駆動信号を印加せずに第2駆動信号のみで気泡を発生させた場合に発泡エネルギーが減少する境界発泡時間をｔ＝ｔｓとし、この時の温度上昇率をｄＴ（ｔｓ）とすると、各温度上昇率が
ｄＴ（δｔ）＞ｄＴ（ｔｓ）
を満たしてもよい。
【００２１】
また、第1駆動信号は前記発熱体から熱を受けるインクの過熱インク層の厚さを厚くするための信号であってもよい。
【００２２】
また、第2駆動信号を印加する前の発熱体の表面温度を前記第１駆動信号により沸点温度以上まで加熱してもよい。
【００２３】
また、第2駆動信号の印加開始から気泡を発生するまでの時刻をｔ＝δｔ、前記第2駆動信号にて気泡を発生する時刻をｔ＝δｔ、前記第1駆動信号を印加せずに第2駆動信号のみで気泡を発生させた場合に発泡エネルギーが減少する境界発泡時間をｔ＝ｔｓとし、インクの沸点をＴｂ、発泡温度をＴｇ、第1駆動信号を印可する前のインクの温度をＴａｍｂとした場合、δｔが
【００２４】
【外７】
を満たしてもよい。
【００２５】
また、第1駆動信号を印加せずに第2駆動信号のみで形成された気泡の発泡エネルギーＪ１と、第１駆動信号と第2駆動信号により形成された気泡の発泡エネルギーＪ０との比Ｊ１／Ｊ０が
Ｊ１／Ｊ０ ×１００ ≦ ５０（％）
を満たしてもよい。
【００２６】
また、第2駆動信号の発熱体の発熱量が、第1駆動信号を印加せずに第2駆動信号のみで気泡を発生させた場合に発泡エネルギーが減少する境界発泡時間ｔ＝ｔｓでの発熱体の発熱量に比べて、同等もしくはそれ以上であってもよい。
【００２７】
また、前記ｔｓが、気泡の寿命が低下する時の境界発泡時間であってもよい。
【００２８】
また、前記ｔｓが、吐出速度が低下する時の境界発泡時間であってもよい。
【００２９】
また、前記第1駆動信号と前記第2の駆動信号とは連続した信号であってもよい。
【００３０】
また、前記第1の駆動信号と前記第2の駆動信号とは休止時間を挟んでいてもよい。
【００３１】
また、第１駆動信号が複数パルスからなり、パルス間の休止時間が次第に長くなされていてもよい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明のインクジェット記録ヘッドの駆動方法および記録装置を詳細に説明する。
【００３７】
なお、以下本発明において用いる「記録」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなくパターン等の意味を持たない画像を付与することをも意味するものである。
【００３８】
また、本発明は紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の被記録媒体に対し記録を行う、プリンター、複写機、通信システムを有するファクシミリや通信システムとプリンタ部を組み合わせたプリンタシステム、プリンタ部を有するワードプロセッサ等の装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合せた産業用記録装置に適用可能な発明である。
【００３９】
さらに、以下本発明において用いる「素子基体」とは、シリコン半導体からなる単なる基体を指し示すものではなく、各駆動回路素子や配線等が設けられた基体を示すものである。
【００４０】
従来のように単一駆動信号を用いて駆動信号のパルス幅を短くすることで急速過熱による気泡を発生させようとすると、図１７の模式図に示すとおり、図中ｔｓ（境界発泡時間）を境にこの境界発泡時間より短い加熱時間では発泡エネルギーが急激に減少してしまう（図１７のパルス幅（加熱時間）には、駆動信号を印加してから発泡する時間までの発泡時間ｔｇを用いている）。
【００４１】
これは、急速加熱により発生した気泡が成長するに十分な気化潜熱が過熱液層に与えられないことによると考えられる。上述のように、パルス幅ｔｇ＝ｔｓを境に発泡エネルギーが急激に減少するのに伴い、吐出速度も同様に減少する（以下、本発明の説明において「急速加熱」とは、発泡エネルギーもしくは吐出速度が低下する加熱時間（ｔｇ＜ｔｓ）での加熱を意味する）。
【００４２】
本発明の駆動方法は、急速加熱の領域においても十分な発泡エネルギーを確保することを目的としており、第1駆動信号による加熱により、均一核生成を始めるに必要とする気化潜熱を蓄えた過熱液層を形成し、十分な過熱液層の厚みを確保し、この後に第2駆動信号による急速加熱を行い発泡の安定化を図るものである。
【００４３】
インクに熱を与えることで気泡を発生させる本発明の駆動信号は、インクに気化潜熱を与えることで所望の厚さの過熱液層を形成し第2駆動信号だけでは減少してしまう発泡エネルギーを補足するための第1駆動信号と、急速加熱を行うことで発熱体上での発泡開始時刻のばらつきを低減するための第2駆動信号とによって構成されている。そして本発明では第1駆動信号による加熱によって、発泡安定化のためのトリガーとなる第2駆動信号とは独立に過熱液層の厚みによる発泡エネルギーを制御可能である。
【００４４】
第1駆動信号による加熱によって、急速加熱駆動の前のインク中の最も高温の部分となる発熱体表面の温度（以後Ｔｐと記す）を沸点温度（以後Ｔｂと記す）以上にして、発泡核が成長する過熱液層を形成することが必要であり、発熱体表面の温度は、第1駆動信号だけで発泡してしまわないように、均一核生成を開始する発泡温度（以後Ｔｇと記す）未満にする。
【００４５】
以下に、発泡前の発熱体表面からのインクの温度分布を模式的に説明する線図（図１）を用いて、本発明の第1駆動信号の特徴を詳細に説明する。
【００４６】
図１（ａ）は、従来の急速加熱による駆動方法、同図（ｂ）は従来のインク粘度を低減する予備加熱と、この予備加熱に続けて急速加熱を行う新規の駆動方法、同図（ｃ）は本発明の最適な駆動方法を説明する図である。
【００４７】
図中、縦軸は温度、横軸はインクと発熱体表面（発熱抵抗体表面上に保護層が設けられているときには保護層のインクと接触する面を発熱体表面としている）との接触面からインク中への距離Ｚを示している。各図の実線は気泡発生直前のインク中の温度分布を示しており、図１（ｂ）、（ｃ）の点線は発泡を行わせるための加熱直前（発泡を行わせるための第2信号の印加直前）のインクの温度分布を示している。発泡核は、沸点以下の状況に置かれると崩壊し気泡に成長することができない。このため、発泡核の成長に寄与する過熱液層は、主として沸点以上のインク領域となる。
【００４８】
図１（ａ）で示す急速加熱では、駆動パルスの印加時間が短いため十分にインクに熱量が流入できず、発泡核の成長に寄与する過熱液層の厚み（ｔｈ）が薄くなる。
【００４９】
図１（ｂ）に示すような予備加熱は、インク粘度を低減させインクの抵抗を小さくすることで気泡の成長を大きくすることを主目的としている。このため、発熱体からノズルに至るより広い領域を加熱できる様に予備加熱開始からインクを吐出するための加熱開始までの時間を長く取ると共に、インク中の不純物や気体から形成される発泡核が成長しないように沸点以下での加熱を行う。したがって過熱液層の厚みは急速加熱による加熱によってほぼ決定されるので、図１（ａ）より過熱液層の厚み（ｔｈ）は若干厚くなるもののその液層厚みはまだ薄い。
【００５０】
これに対して、第1駆動信号によって沸点以上の加熱を行う図１（ｃ）では、過熱液層の厚み（ｔｈ）を第1駆動信号による加熱にて略決めることができ、発泡安定化のためのトリガーとなる第2信号とは独立に発泡エネルギーを制御することができるとともに、十分な発泡エネルギーを得るための潜熱を第2信号印加前に既にインクに与えることで、急速加熱時の発泡エネルギーの減少や吐出速度の低下を補うことができる。
【００５１】
また、発一性を改善するために、本発明の第1駆動信号を行う前に、従来の予備加熱を合わせて行うことは、本発明の駆動方法に適用可能であることは言うまでもない。
【００５２】
本発明の第2駆動信号により急速加熱を行うためには、第2駆動信号による発熱体の平均発熱量を、第1駆動信号による平均発熱量より大きくする（以下の式２で示す）。
【００５３】
これにより、第1駆動信号での発泡を回避し、確実に第2駆動信号によって急速加熱を行うことが可能となる。ここで、第2駆動信号を開始するまでの第１駆動信号の印加時間をｔ１、第２駆動信号の印加時間を（ｔ２―ｔ１）、駆動信号による発熱体の発熱量をＱ（ｔ）とする。
【００５４】
【外９】
【００５５】
また、十分な発泡エネルギーを得る場合であっても、第1駆動信号により予め発熱体表面が加熱され、またインクに十分な過熱液層が形成されていることから、単一駆動信号により急速加熱を開始する図１７を用いて説明した時間ｔｓに対して、第2駆動信号の印加開始から発泡開始する発泡時間δｔはｔｓ未満とすることができる。
【００５６】
第2駆動信号の発泡時間δｔでの温度上昇率は、従来の単一駆動信号による急速加熱を開始する発泡時刻の温度上昇率と同等もしくはそれ以上とすることで急速加熱時の発泡時刻ばらつきを抑えることが可能である。
【００５７】
これより、第2駆動信号の発熱体の平均発熱量は、単一駆動信号でのｔ＝ｔｓでの発熱体の平均発熱量以上にすることとなる。なお、第1駆動信号を印加しない場合には、第2駆動信号を印加する時の発熱体の表面温度はインク初期温度（以後Ｔａｍｂと記す）である。
【００５８】
なお、従来の単一駆動信号による急速加熱の発熱量と本発明の第2駆動信号の発熱量を同等とする条件の下では、A. Asaiの論文（A. Asai, "Application of the Nucleation Theory to the Design of Bubble Jet Printers", J.J.A.P..Vol. 28, No. 5, p909, 1989）中の式（１５）より、δｔとｔｓとの比は近似的に、（Ｔｇ−Ｔｐ）と（Ｔｇ−Ｔａｍｂ）の比と見做せ、さらに第１駆動信号による発熱体表面温度を沸点以上とする条件よりＴｐをＴｂに置き換えると、δｔは少なくとも以下の式を満たす必要がある。
【００５９】
【外１０】
【００６０】
発泡安定化をはかるためには第2駆動信号の駆動パルスの印加時間をなるべく短くすることが好ましい。このことは、第2駆動信号の発泡エネルギーへの寄与分は、第1駆動信号の寄与分に比べ、相対的に小さくなる方向であり、第1駆動信号による発泡エネルギー寄与分が大きくなり、発泡エネルギーの制御は実質的第1の駆動信号で行うことになる。
【００６１】
これより、第1駆動信号により、発泡エネルギーを制御するには、少なくとも、第1駆動信号を印加せずに第2駆動信号のみで形成された気泡の発泡エネルギーと、第１駆動信号と第2駆動信号により形成された気泡の発泡エネルギーとの比が５０％以下、すなはち第1駆動信号による発泡エネルギーの寄与分を５０％より大きくする駆動条件を満たすことが望ましい。
【００６２】
発泡エネルギーへの急速加熱の付与分を低減することにより、急速加熱にて問題となった発一性の低下、過熱液層の厚みばらつきに伴う吐出速度、吐出量の不安定性を低減できることとなる。第1駆動信号による発泡エネルギーの寄与分はなるべく大きいほうが好ましく、５０％より大きければ、急速加熱による発泡エネルギーの減少を、少なくとも半分以下に抑えることができる。液滴の運動エネルギーは発泡エネルギーに比例し、液滴の運動エネルギーは吐出速度の2乗に比例することから、発泡エネルギーの減少を半分以下に抑えられれば、吐出速度の減少は、最大でも３０％とすることが可能となる。
【００６３】
さらに好ましくは、第1駆動信号による発泡エネルギーの寄与分を７０％より大きくすることであり、このことで発泡エネルギー低減に伴う吐出速度の減少を２０％以下に抑えることができる。
【００６４】
以下に本発明のインクジェット記録ヘッドの駆動方法をより具体的に説明するが、まず、本発明の駆動方法を行うインクジェット記録ヘッドや記録装置の構成例について説明を行う。
【００６５】
図２に、インクジェット記録ヘッドのインク流路構成の断面図を示す。シリコン等で構成された基板１上に薄膜抵抗体層２を具え、この基板に、隔壁（不図示）や共通液室を構成するための凹部や複数のインク流路を構成するための溝が複数形成された溝付き天板４が接合されることによって、共通液室５、インク流路６、吐出口７が形成される。
【００６６】
薄膜抵抗体層２に接続された選択電極８、共通電極９より駆動信号を印加することにより、この選択電極８と共通電極９との間の薄膜抵抗層（発熱体；ヒータ）が発熱し、この熱によってインク中に気泡を発生させることでインク３を吐出口７から吐出する。ここでは、薄膜抵抗体層の材料としてＰｔ、共通電極及び選択電極の材料にＡｕを用いた。Ｐｔは化学的に安定であり且つ温度による抵抗変化が大きいため、これを利用して発熱体の抵抗を測定することにより発熱体温度を直接計測することができる。発熱体の寸法は１００μm×２００μmである。基板は、シリコン基板に熱酸化膜を２．７μm成膜した基板を用いており、インク流路および吐出口を形成するためのガラス製の溝付き天版を接合し、記録ヘッドが構成した。
【００６７】
なお、従来の駆動信号のパルス幅は２〜１０μｓｅｃであったが、急速過熱では、さらに印加時間の短いパルスを用いて発泡させるため、発熱体の熱流束を効率良く速やかにインクに作用させることが重要である。
【００６８】
この様な駆動信号に対する応答性が高い記録ヘッドの一例としては、特開昭５５−１２６４６２号に記載された、発熱体の発熱部分がインクに直接接触する発熱体上に保護層の無い構成の記録ヘッドがある。このような記録ヘッドに用いられる薄膜抵抗体の材料としては、主要構成元素の１つとしてＴａ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｔ等の元素を含む合金が好ましく、さらに好ましくはこれら元素のうち少なくとも１種と、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａのうちの少なくとも1種を含む合金である。また、薄膜抵抗体の抵抗値を上昇させるためには、上記の合金に、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ等を添加しても良い。もちろん熱流速を効率よく速やかにインクに作用させることができる範囲で保護膜を用いてもよい。
【００６９】
また、用いたインクの配合成分は、以下のとおりである。
黒色染料 ３．０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％
この水系インクの発泡温度Ｔｇは約３００℃であった。
【００７０】
図３は、インクジェット記録ヘッドに供給されるインクを保持したインクタンクとインクジェット記録ヘッドとが着脱分離可能に構成されたインクジェットヘッドカートリッジIJCの構成を示す概観斜視図である。インクカートリッジIJCは、図３に示すように境界線Ｋの位置でインクタンクITとインクジェット記録ヘッドIJHとが分離可能である。インクカートリッジIJCにはキャリッジに搭載されたときに、キャリッジHC側から供給される電気信号を受けるための電極（不図示）が設けられており、この電気信号に応じて前述のように記録ヘッドIJCの発熱体が駆動される。
【００７１】
なお、図３において符号７はインク吐出口であり、この吐出口が複数配列されている。また、インクタンクITにはインクを保持するために繊維質状もしくは多孔質状のインク吸収体が設けられており、そのインク吸収体によってインクが保持される。
【００７２】
図４は、本発明の駆動方法を行うインクジェット記録装置の一例を説明するための概観斜視図である。図４において、駆動モータ5013の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア5009〜5011を介してリードスクリュー5005が回転する。キャリッジHCはこのリードスクリュー5005の螺旋溝5004に対して係合するピン（不図示）を有し、ガイドレール5003に指示されて矢印a、b方向を往復移動する。キャリッジHCには、上述のインクヘットカートリッジIJCが搭載されている。符号5002は紙押え板であり、キャリッジHCの移動方向に沿って被記録媒体である記録用紙Ｐをプラテン5000に対して押圧する。
【００７３】
符号5016は記録ヘッドIJHの前面をキャップするキャップ部材5022を支持する部材で、5015はこのキャップ内を吸引する吸引器で、キャップ内開口5023を介して記録ヘッドの吸引回復を行う。
【００７４】
また、この記録装置内には、インクジェット記録ヘッドの発熱体を発熱させるための駆動信号を供給するための駆動信号供給手段を有している。
【００７５】
図５は上述のインクジェット記録装置の制御回路の構成を示すブロック図である。符号1700はインタフェース、符号1701はMPU、符号1702はMPU1701が実行する制御プログラムを格納するROM、符号1703は各種データ（上記記録信号や記録ヘッドIJHに供給される記録データ等）を保存しておくDRAMである。符号1704は記録ヘッドIJHに対する記録データの供給制御を行う（Ｇ．Ａ．）であり、インタフェース1700、MPU1701、RAM1703間のデータ転送制御をも行う。
【００７６】
符号1710は記録ヘッドIJHを搬送するためのキャリアモータであり、符号1709は被記録媒体搬送のための搬送モータである。符号1705は記録ヘッドIJHを駆動するためのヘッドドライバであり、1706、1707はそれぞれ搬送モータ1709、キャリアモータ1710を駆動するためのモータドライバである。
【００７７】
上記制御構成の動作を説明すると、インタフェース1700に記録信号が入るとゲートアレイ1704とMPU1701との間で記録信号が記録を行うためのプリント用の記録データに変換される。そして、モータドライバ1706、1707が駆動されると共に、ヘッドドライバ1705に送られた記録データにしたがった駆動信号によって記録ヘッドIJHが駆動され記録が行われる。
【００７８】
次に上述したインクジェット記録ヘッド等の構成を用いて行う本発明の駆動方法を、図６〜９を用いてさらに詳細に説明する。
【００７９】
第1及び第2駆動信号のパルス電圧値（パルス波形）と発熱体の発熱量を図６に示す。図６の駆動信号波形は上述した式（２）の関係を満たしている。第1駆動信号として、ｔ＝０からｔ＝ｔ１の時刻に発熱体の発熱量がＱ１となるパルス電圧Ｖ１の駆動信号を発熱体に与え、第２駆動信号としてｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ２の時刻に、発熱体の発熱量Ｑ２となるパルス電圧Ｖ２の駆動信号を発熱体に与える。比較例として、ｔ＝０からｔ＝ｔ３の時刻に、発熱体の発熱量Ｑ３となるパルス電圧Ｖ３の単一矩形パルスの駆動信号（図７）を用いた。
【００８０】
ここで、Rayleighの理論（Philos. Mag. 34, pp 94-98, 1917）より、気泡の最大半径が気泡が崩壊するまでの時間τに比例し、発泡エネルギーが気泡の発泡体積に略比例することから、発泡エネルギーは気泡寿命τの３乗に比例していると見做せる。
【００８１】
発熱体に駆動信号を与え、形成された気泡の寿命τおよび寿命の時間ばらつき△τを測定することにより、発泡エネルギーの大きさ及び安定性を相対的に評価することができる。以下、発泡エネルギーに関し、τ、△τを用いて説明する。
【００８２】
図８は、図６および図７に示した駆動信号を与えた時の発熱体の抵抗変化から求めた発熱体表面温度の時間変化を示した図（図６の駆動信号による温度変化は実線、図７の駆動信号による温度変化は破線）であり、図９は気泡の寿命τの発泡時刻の依存性を示した図である。ここで、Ｔａｍｂ、Ｔｂ、Ｔｐ、Ｔｇは、夫々インクの初期温度、沸点温度、第1駆動信号による発熱体の最終表面温度、発泡温度である。
【００８３】
図９の発泡時刻として、図６の駆動信号による駆動方法では第2駆動信号の印加開始から発泡を開始するまでの時間である発泡時間δｔを、図７の駆動信号による駆動方法では駆動信号を印加してから発泡するまでの時間である発泡時間ｔｇを用いた。図６の信号を用いた本発明の駆動方法では、図８に示すように発熱体の表面温度曲線はｔ＝ｔ１前後で下に凸となる曲線となり、ｔ＝ｔ１以後急激に上昇する。
【００８４】
まず、図７の駆動信号を用いた駆動からｔｓ（境界発泡時間）を求める。図７の駆動信号を用いる駆動方法のパルス電圧Ｖ３は、パルス幅ｔ３で気泡が発生する最低の電圧の１．１倍（ｋ値）となるように設定した。インクの初期温度は２３℃である。図７の単一矩形パルス駆動では、τはｔｇ＞１．８μｓｅｃでは寿命が長く十分な発泡エネルギーを確保できているが、ｔｇ＜１．８μｓｅｃでは急激に低下している（図９）。この結果、用いたインクのｔｓを１．８μｓｅｃとした。この時の発熱体の発熱量Ｑ３は５５０ＭＷ／ｍ2であり、発泡時刻ｔｇ＝ｔｓの温度上昇率は６×１０7℃／ｓｅｃであった。
【００８５】
ここでは、用いたインクのｔｓを求める場合に、発泡エネルギーが急激に減少する境界時間として求めたが、インクの速度の変化は、発泡エネルギーの変化に対応しているため、インクの吐出速度の変化からｔｓを求めてもよい。
【００８６】
図１０はインクの吐出速度を測定するための概略構成説明するための模式図である。インクジェット記録ヘッド100から吐出した液滴の軌道に対して垂直にランプ104からレンズ103を介して平行光106を照射する。レンズと対向する位置に一定間隔ΔＬ離して２つのフォトダイオードを配置し、平行光をこのフォトダイオードに照射する。フォトダイオード102に入射する光が液滴により遮られるのを信号として捕らえオシロスコープ101等で捕らえて２つのフォトダイオードに表れる信号の時間間隔Δｔを測定する。この時間間隔Δｔと上述の間隔ΔＬから液滴速度（吐出速度）得ることができる。
【００８７】
ここで、インクジェット記録ヘッドの発熱体10に印加する駆動信号のパルス幅を変化させることにより、吐出速度が急激に減少し始める点を見出しｔｓを求めればよい。
【００８８】
前出の数式（３）を満たすことを考慮した場合には、δｔは、δｔ＜１．３μｓｅｃとなる条件を満たすことがより望ましい。温度測定より、ｔ＝ｔ３での発熱体の表面温度は３６０〜３７０℃であった。ｔｇ＝1μｓｅｃの寿命は１５．６μｓｅｃであり、この時の駆動周波数１００Ｈｚで１０秒間の１０００回の寿命を測定し、寿命時間ばらつき△τと平均寿命｜τ｜との比（△τ／｜τ｜）を調べた。この結果、ｔｇ＝1μｓｅｃの時の△τ／｜τ｜はｔｇ＝１．８μｓｅｃの時の△τ／｜τ｜と比べ、２分の１以下となっていた。単一矩形パルス駆動では、パルス幅を短くすると、発泡開始時刻のばらつきは減少するが、発泡エネルギーも減少していることが分かる。
【００８９】
（実施例１）
図６の波形の駆動信号を用いた駆動方法において、第1駆動信号はｔ１＝１０μｓｅｃとし、ｔ＝ｔ１での発熱体の表面温度Ｔｐを沸点温度より高い約１５０℃となるよう駆動電圧Ｖ１及びＱ１を設定した。インクの初期温度は２３℃である。駆動電圧Ｖ２は、パルス幅ｔ２で気泡が発生する最低の電圧の１．１倍（ｋ値）となるように設定した。発泡時刻の温度上昇率が約６×１０7℃／ｓｅｃとなる発泡時刻δｔ1は１．２〜１．３μｓｅｃであり、δｔ1＝１μｓｅｃの時の気泡の寿命を測定したところ、２０μｓｅｃあり（図９参照）、この時の寿命時間ばらつきは図７の信号波形を用いた場合のｔｇ＝ｔｓと比べて小さくなっていた。δｔ1は、数式（３）（δｔ＜１．３μｓｅｃ）を満たしており、本発明の駆動方法を用いることで、発泡エネルギーを単一矩形信号のｔｇ＝ｔｓと略等しくでき、且つ寿命時間ばらつきを小さくすることができた。
【００９０】
また、第1駆動信号を印加せずに第2駆動信号のみで形成されたｔｇ＝１μｓｅｃの時の発泡エネルギーと、δｔ1＝１μｓｅｃの発泡エネルギーの比は、夫々の気泡の寿命の3乗にて計算でき、第2駆動信号の発泡エネルギーの付与は４７％となり、発泡エネルギーの略半分以上を第1駆動信号により制御できたことが分かった。
【００９１】
（比較例１）
この第1駆動信号の条件で、第2駆動信号の発熱量Ｑ２を、０．９×Ｑ３とした時、δｔ2＜１．３μｓｅｃでは気泡ができず、気泡寿命のばらつきを低減することはできなかった。
【００９２】
（実施例２）
次に、図６の波形の駆動信号を用いた駆動方法において、第1駆動信号はｔ１＝５μｓｅｃとし、ｔ＝ｔ１での発熱体の表面温度Ｔｐを沸点温度より高い約１８０℃になるようにＶ１及びＱ１を設定した。駆動電圧Ｖ２は、パルス幅ｔ２で気泡が発生する最低の電圧の１．２５倍（ｋ値）となるように設定した。第2駆動信号の駆動電圧Ｖ２を変えた時の発泡時刻δｔ2と気泡の寿命を図９に示す。インクの初期温度は共に２３℃である。発泡時刻の温度上昇率が約６×１０7℃／ｓｅｃとなる発泡時刻δｔ2は約１．２μｓｅｃであり、この時の発熱量Ｑ２は７００ＭＷ／ｍ2であった。これより、δｔ2＜１．２μｓｅｃにて急速加熱となる。
【００９３】
図９より、δｔ2≦１．１μｓｅｃの領域での気泡の寿命は、図７の駆動方法のｔｇ≦１．１μｓｅｃの領域での気泡寿命と比べて十分に大きく、第1駆動信号を印加せずに第2駆動信号のみで形成された発泡エネルギーと、第1及び第2駆動信号による発泡エネルギーの比は、夫々の気泡の寿命の3乗にて計算すると、１．１μｓｅｃ以下の発泡時刻の領域で第2駆動信号の発泡エネルギーの付与は４５％以下となっている。これより、発泡エネルギーの略半分以上を第1駆動信号により制御できたことが分かった。さらに、ｔｇ＝１．８μｓｅｃの単一矩形パルス駆動の気泡の寿命と比べても長く、本発明の駆動方法により十分な発泡エネルギーを確保することが可能であることが分かった。
【００９４】
また、δｔ2＝１．１μｓｅｃでの寿命時間ばらつき△τは、図3のｔｇ＝１．８μｓｅｃに比べて小さくなっていた。
【００９５】
（比較例２）
実施例１の第1駆動信号の条件で、第2駆動信号の発熱量Ｑ２を、Ｑ２＜Ｑ３とした時、δｔ2＜１．８μｓｅｃで気泡が出来ず、気泡寿命のばらつきも低減することはできなかった。
【００９６】
以上のような本発明の駆動方法より、第1駆動信号による加熱にて、均一核生成を始めるに必要とする気化潜熱を蓄えた過熱液層を形成し、十分な過熱液層の厚みを確保し、この後に第2駆動信号による急速加熱を行い、発泡安定性を確保しつつ、発泡エネルギーを増大させることが可能となった。
【００９７】
（その他の態様）
数式（３）において、インク初期温度が常温（２０〜３５℃）以上となる場合、式の左辺が大きくなり、δｔの条件は緩やかになる。常温で液状のインクは、水、有機溶剤及び着色剤を含有し、好ましい含有量は夫々、５０〜９９重量％、１〜３０重量％、０．２〜２０重量％の範囲である。このような範囲の配合成分のインクを用いる場合には、図６から図９の上記例と同様に、夫々の沸点と発泡温度を数式（３）に導入することで、駆動方法の条件を得ることができる。
【００９８】
上記例では、発熱体を構成する発熱抵抗層が直接インク接触する記録ヘッドを用いて説明したが、記録ヘッドとしては、従来からの薄膜抵抗体層と、絶縁体からなる保護層と、キャビテーションエロージョンや、接触するインクによる電気化学反応による腐蝕、繰り返し発熱、酸化等に耐性のある耐キャビテーション層で構成される発熱体を用いることもできる。
【００９９】
この時、駆動信号に対する応答性が高く、発熱体から発生する熱を効率良く、且つ速やかにインクに作用するよう、保護層と耐キャビテーション層の膜厚を薄くする方が良い。耐キャビテーション層としては、従来より、Ｔａ、Ｔａ―Ａｌ、Ｉｒ等の金属または合金を用いる。保護層としては従来より、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、Ｔａ−Ｏ、Ｔａ−Ａｌ−Ｏ等の熱伝導性の悪い絶縁体薄膜が用いられており、該保護層の厚みを薄くすることが発熱体への熱伝導の効率を良くする上で好ましい。水系インクを用いた場合、図６〜図９を用いて説明したように、発泡時刻δｔを１．３μｓｅｃ未満とすることが必要であり、発泡安定化の点ではδｔは短ければ短い程よく好ましく１μｓｅｃ以下である。
【０１００】
図６に示した信号波形の第１駆動信号は、第2駆動信号より低く一定の駆動電圧である駆動信号としたが、単一の駆動パルス、複数のパルス、階段状のパルス等の様々の駆動信号波形を用いることができる。図１１〜図１４に、本発明の駆動方式の駆動信号波形の幾つかの例を示す。
【０１０１】
図１１は駆動電圧が等しい第１駆動信号と第2駆動信号からなり、第１駆動信号がパルス幅Ｗ１１の矩形パルスと休止時間ＷＳ１１からなる本発明の駆動波形図である。図１２は、第1駆動信号と第2駆動信号の駆動電圧が等しく、第1駆動信号がパルス幅Ｗ２１、休止時間ＷＳ２１の周期のパルスをｎ個（図では2個のみを記す）を印加した後に最後のパルス印加後にＷＳ２２の休止時間を設けた本発明の駆動波形図である。図１２の駆動信号波形によって、加熱液層の厚みをパルス数に応じて厚くすることができる。図１３は、図１２の第１駆動信号の複数パルスの間隔が次第に広がる例を示す駆動波形図であり、第1駆動信号と第2駆動信号の駆動電圧が等しく、第1駆動信号の矩形パルスのパルス幅Ｗ３１を等しくとり、パルス間隔がＷＳ３１、ＷＳ３２と次第に大きくなる駆動波形図である。発熱体の表面温度を上げた後に、休止時間ＷＳ３２を長く取ることで、発熱体の表面温度を低く保ったままでインクの過熱液層の厚みを厚くすることができる。発泡エネルギーを増す上で有効となる駆動方法である。図１４は、第1駆動信号が階段状に減少していく駆動信号であり、図６と図１１の駆動信号波形を組み合わせたものであり、図１３と同様に、発熱体の表面温度を速やかに上げ後に、低い電圧で過熱液層の厚みを厚くできるように低い電圧で加熱する駆動方法である。
【０１０２】
また、本発明のインクジェット記録の駆動方法は、気泡連通吐出方式においても有効な構成となる。ここに記載した気泡連通吐出方式とは、吐出のためにインクを加熱することにより生成される膜沸騰による気泡を該気泡の内圧が負圧時等に吐出口近傍で外気に連通させてインクの吐出を行うインクジェット記録方式であり、特開平２−１１２８３２号、特開平２−１１２８３３号、特開平２−１１２８３４号、特開平２−１１４４７２号等において記載されている方式である。
【０１０３】
この気泡連通吐出方式によれば、気泡を形成しているガスが吐出されるインク液滴と共に噴出することはないので、スプラッシュやミスト等の発生を低減し、被記録媒体乗の地汚れや装置内の汚れを防ぐことができる。また、気泡連通吐出方式の基本的な作用として、気泡が生成される部位より吐出出口側にあるインクは原理的に全てインク液滴となって吐出されるということがある。このため、吐出インク量は、吐出出口から上記気泡生成部位までの距離等、記録ヘッドの構造によって定めることができる。この結果、上記気泡連通吐出方式によれば、インク温度の変化等の影響をそれほど受けずに吐出量の安定した吐出を行うことが可能となる。
【０１０４】
以下、図１５を参照して上記連通吐出方式について説明する。図１５（ａ）および（ｂ）は、上記連通吐出方式を適用して好適な記録ヘッドおよびその吐出方法を示すものであり、この記録ヘッドの具体的インク路構成の２例を示す。しかしながら、本発明はこのインク流路構成例に限定されないことは言うまでもない。
【０１０５】
図１５（ａ）に示すインク流路構成は、基板（不図示）上に発熱体１０を具えた、この素子基体上に、隔壁や溝付き天板を設けることによって、共通液室Ｃやインク流路Ｂが形成される。また、これとともにインク流路Ｂの端部に吐出口１５５が形成される。Ｅ１，Ｅ２は、それぞれ、発熱体１０にパルス状の駆動信号を印加するための選択電極、共通電極を示す。さらにＤは保護層である。電極Ｅ１，Ｅ２を介した、記録データに基づく上記電気信号の印加に応じて、電極Ｅ１，Ｅ２間の発熱体１０は、蒸気膜を生じる急激な温度上昇を短時間のうちに発生し（約３００℃）、これにより気泡１５６が生成される。この気泡１５６は成長し、やがて吐出口５における基板側の端部Ａで大気と連通する。
【０１０６】
そして、この連通後、安定した吐出インク滴（破線１５７）が形成される。この吐出において、気泡１５６がその成長過程でインク路Ｂを完全に遮断しない（インク路Ｂ内のインクが吐出口１５５から突出したインクと連続している）ので後続の吐出に対するリフィルが速やかに行われること、また、３００℃以上の比較的高温となった気泡の熱も外気に放出されること等によって大きな蓄熱の問題（蓄熱によるインク粘性低下や気泡形成の不安定化）も生ぜず、各発熱体の駆動デューティーを高くすることができる。
【０１０７】
図１５（ｂ）は、共通液室Ｃを不図示としているが、インク路Ｂを屈曲した形状としているものであり、屈曲部の素子基体面に発熱体１０を具えている。吐出口１５５は、吐出方向にその断面積を減少する形状であり、発熱体１０に対向してその開口が設けられている。この吐出口１５５はオリフィスプレートＯＰに形成される。
【０１０８】
図１５（ｂ）においても、上記図１５（ａ）の構成と同様に蒸気膜（約３００℃）を生じさせて気泡１５６を生成する。この気泡の生成により、オリフィスプレートＯＰの厚み部分のインクを吐出方向に押しやり、その部分のインクを希薄にする。その後気泡１５６は、吐出口１５５の外気側周縁Ａ１から内部側の吐出口近傍領域Ａ２の範囲で大気と連通する。この時、気泡１５６の成長は、インク流路を遮断しないもので、吐出方向へ向かう必要のないインクをインク路Ｂ内のインクと連続した連続体として残すことができ、インク滴７の吐出量の安定化および吐出速度の安定化を実現することができる。
【０１０９】
このような連通吐出方式によれば、吐出口近傍への気泡成長を急激にしかも確実に行うことができるので、上記非遮断状態のインク路によるリフィル性も手伝って、高安定高速記録を達成できる。また、気泡と大気とを連通させることによって、気泡の消泡過程が無くなり、キャビテーションによる発熱体や基板の損傷を防止することもできる。
【０１１０】
以下本発明のインクジェット記録の駆動方法を図１１ないし図１３の図面に示す駆動信号例を用いて説明する。
【０１１１】
（実施例３）
本実施例で用いた記録ヘッドは、図２に示したと同様のものを用いた。図１１の駆動信号波形を用いて気泡の寿命を測定した。Ｗ１１＝０．３μｓｅｃ、ＷＳ１１＝０．５μｓｅｃ、Ｗ１２＝０．８μｓｅｃとした。第1駆動信号による発熱体の表面温度Ｔｐは約１３０℃であった。発泡時刻δｔ＝０．５μｓｅｃであり、発泡時刻の温度上昇率ｄＴ（ｔ０）が同じとなる図７の単一パルス駆動の発泡時刻はｔｇ＝１μｓｅｃであった。図９によりｔｓは１．８μｓｅｃであり、この時の駆動周波数１００Ｈｚで１０秒間の１０００回の寿命を測定し、寿命時間ばらつき△τと平均寿命｜τ｜との比（△τ／｜τ｜）を調べた結果、δｔ＝０．５μｓｅｃの時の△τ／｜τ｜と、単一パルス駆動でのｔｇ＝１．８μｓｅｃの時の△τ／｜τ｜と比べたところ、２分の１以下となっていた。本実施例の駆動波形を用いることにより発泡安定化をはかることができた。
【０１１２】
次に、上記本発明の駆動信号による寿命（２０μｓｅｃ）と、ｔｇ＝０．５μｓｅｃの単一パルス駆動信号の寿命（１２μｓｅｃ）との比の3乗を計算することによりをとり、発泡エネルギーへの第2駆動信号の付与分を求めたところ、２２％となった。
【０１１３】
以上より、本発明の駆動方法により、過熱液層の厚みを第1駆動信号による加熱にて略決めることができ、発泡安定化のためのトリガーとなる第2信号とは独立に発泡エネルギーを制御することができた。
【０１１４】
（実施例４）
本実施例で用いた記録ヘッドは、図１に示したと同様のものを用いた。図１２の駆動信号波形を用いて気泡の寿命を測定した。Ｗ２１＝０．５μｓｅｃ、ＷＳ２１＝０．５μｓｅｃ、ｎ＝２、ＷＳ２２＝２．０μｓｅｃ、Ｗ２２＝０．８μｓｅｃとした。第1駆動信号による発熱体の表面温度Ｔｐは約２００℃であった。 発泡時刻δｔ＝０．３μｓｅｃであり、発泡時刻の温度上昇率ｄＴ（ｔ０）が同じとなる図７の単一パルス駆動の発泡時刻はｔｇ＝０．８μｓｅｃであった。
【０１１５】
図９によりｔｓは１．８μｓｅｃであり、この時の駆動周波数１００Ｈｚで１０秒間の１０００回の寿命を測定し、寿命時間ばらつき△τと平均寿命｜τ｜との比（△τ／｜τ｜）を調べた結果、本実施例の△τ／｜τ｜と、単一パルス駆動でのｔｇ＝１．８μｓｅｃの時の△τ／｜τ｜と比べたところ、２分の１より小さいくなっていた。本実施例の駆動波形を用いることにより発泡安定化をはかることができた。
【０１１６】
次に、上記本発明の駆動信号による寿命は２３μｓｅｃであった。単一パルス駆動信号によるｔｇ＝０．３μｓｅｃでは、発熱体電圧が大きいために過電流が発熱体に流れ、発熱体が破損し、寿命を測定することができなかった。また、図９より、ｔｇ＝０．３μｓｅｃでは、寿命は１０μｓｅｃ未満と考えらる。よって、発泡エネルギーは、略第１駆動信号により決定できるものと考えられる。
【０１１７】
以上より、本発明の駆動方法により、過熱液層の厚みを第1駆動信号による加熱にて略決めることができ、発泡安定化のためのトリガーとなる第2信号とは独立に発泡エネルギーを制御することができた。
【０１１８】
（実施例５）
本実施例で用いた記録ヘッドは、図２に示したと同様のものを用いた。図１３の駆動信号波形を用いて気泡の寿命を測定した。Ｗ３１＝０．３μｓｅｃ、ＷＳ３１＝０．３μｓｅｃ、ＷＳ３２＝０．５μｓｅｃ、ＷＳ３３＝１．０μｓｅｃ、Ｗ３２＝０．７μｓｅｃとした。第1駆動信号による発熱体の表面温度Ｔｐは約１６０℃であった。発泡時刻δｔ＝０．３μｓｅｃであり、発泡時刻の温度上昇率ｄＴ（ｔ０）が同じとなる図７の単一パルス駆動の発泡時刻はｔｇ＝０．６μｓｅｃであった。
【０１１９】
図９によりｔｓは１．８μｓｅｃであり、この時の駆動周波数１００Ｈｚで１０秒間の１０００回の寿命を測定し、寿命時間ばらつき△τと平均寿命｜τ｜との比（△τ／｜τ｜）を調べた結果、本実施例の△τ／｜τ｜と、単一パルス駆動でのｔｇ＝１．８μｓｅｃの時の△τ／｜τ｜と比べたところ、２分の１より小さいくなっていた。本実施例の駆動波形を用いることにより発泡安定化をはかることができた。
【０１２０】
（比較例３）
次に、上記本発明の駆動信号による寿命は２０．８μｓｅｃであった。単一パルス駆動信号によるｔｇ＝０．３μｓｅｃでは、発熱体電圧が大きいために過電流が発熱体に流れ、発熱体が破損し、寿命を測定することができなかった。また、図９より、ｔｇ＝０．３μｓｅｃでは、寿命は１０μｓｅｃ未満と考えらる。よって、発泡エネルギーは、略第１駆動信号により決定できるものと考えられる。
【０１２１】
以上より、本発明の駆動方法により、過熱液層の厚みを第1駆動信号による加熱にて略決めることができ、発泡安定化のためのトリガーとなる第2信号とは独立に発泡エネルギーを制御することができた。
【０１２２】
また、本発明の駆動方法を用いることにより、ｔｇ＝１．８μｓｅｃの単一矩形パルス駆動の気泡の寿命と比べて略同等の気泡の寿命を得ることができ、十分な発泡エネルギーを確保することが可能であった。
【０１２３】
（実施例６）
本実施例にて図１５を用いて説明した連通吐出方式に適用した例について示す。記録ヘッドは図１５（ｂ）の形式のものを用いた。
【０１２４】
基板として、結晶方位（１００）、p型のシリコンウエハを用い、このウエハを熱酸化して二酸化シリコン膜を０．６μm形成し、この二酸化シリコン膜上に常圧ＣＶＤ法によりＰＳＧ膜を０．７μm堆積し、さらにプラズマＣＶＤ法によりプラズマシリコン酸化膜（ｐ−ＳｉＯ）を堆積させたものを用いてある。この基板上にＴａ−Ｎからなる発熱体の薄膜抵抗体及び、薄膜抵抗体に駆動信号を印加するＡｌ−Ｃｕの配線電極が形成されてある。薄膜抵抗体の上には保護膜となる０．２μｍのプラズマシリコン窒化膜（ｐ―ＳｉＮ）が形成され、さらにこのプラズマシリコン窒化膜（ｐ―ＳｉＮ）上に耐キャビテーションエロージョン及び電気化学反応による腐蝕耐性を持つＴａ膜を２３００Åが形成してある。この発熱体上に、インク路及び吐出口プレートとなるオリフィスプレートが設けてある。基板には、裏面よりシリコンの異方性エッチングによりエッチングすることで形成した貫通孔が設けてあり、この貫通孔をインク供給口として用いる。薄膜抵抗体のサイズは２６μｍ×３２μｍ、吐出口のサイズは２３μｍ×２３μｍ、インク路の高さは１２μｍ、薄膜抵抗体から吐出口側端の高さは２０μｍである。発熱体のシート抵抗は５３Ω／□である。以上の構成によりなる記録ヘッドを１インチ当たり３６０個の密度で４８個配置してある。
【０１２５】
この記録ヘッドを用いて、図１１の駆動信号波形を用いた本発明の駆動方法による液滴の吐出速度及び速度ばらつきを測定した。インクは、図２を用いて説明したものと同様のものを用いた。駆動信号電圧を気泡が発生する最低の電圧の１．１倍に設定した。以下の表に測定した液滴の吐出速度を示す。吐出速度は１０００回吐出を行った時の全吐出速度の平均を表している。単一駆動信号によるパルス幅を変え、吐出速度の減少する発泡時刻を測定した。ｔｇ〜１．５μｓｅｃより、吐出速度が減少し始めて、十分な発泡エネルギーを得ることができなくなっている。以下に単一パルスによる駆動と本発明の駆動方法の駆動信号のパルス幅条件を示す。
【０１２６】
【表１】
【０１２７】
比較例４の吐出速度と比べて、急速加熱となる比較例５の吐出速度は3分の２まで低下した。液滴の運動エネルギーは発泡エネルギーに比例し、運動エネルギーは吐出速度の2乗に比例することから、表１より略５０％低下したことになる。本発明の駆動方法である実施例４では、吐出速度は従来例４に比べて大きくなり、急速加熱となる従来例５に対しては第2駆動信号の駆動パルスの印加時間が短いにも係わらず、その吐出速度は１．４４倍となっていた。
【０１２８】
次に、吐出速度の測定より、吐出速度の変動幅を吐出速度の平均で割った値である吐出速度変動量を測定したところ、実施例６では、従来例４比べてその値が３分の１に低減していた。
【０１２９】
以上より、本発明の駆動方法により、過熱液層の厚みを第1駆動信号による加熱にて略決めることができ、発泡安定化のためのトリガーとなる第2信号とは独立に発泡エネルギーを制御することができた。
【０１３０】
【発明の効果】
以上説明したように、上述の本発明の駆動方法や記録装置によると、インクに生成する気泡を安定して形成できることで発泡エネルギーのゆらぎを低減しつつ、発泡エネルギーを十分に高くすることができるため、インクの吐出速度等のインクの吐出特性の向上を図ることが可能となった。、これにより高品位の画像を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の駆動方法と従来駆動方法の違いによる発熱体表面からのインクの温度分布を説明するための図である。
【図２】記録ヘッドの要部断面図である。
【図３】インクジェットヘッドカートリッジの構成をしめす斜視図である。
【図４】インクジェット記録装置の構成を説明するための斜視図である。
【図５】インクジェット記録装置の制御回路の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の駆動方法の駆動信号波形の第1の例を示す図である。
【図７】単一駆動信号波形を示す図である。
【図８】本発明の駆動信号を与えた時の発熱体の抵抗変化から求めた発熱体表面温度の時間変化を示す図である。
【図９】本発明の駆動信号を与えた時の気泡の寿命τの発泡時刻の依存性を示す図である。
【図１０】液滴の吐出速度を測定するための測定系を説明するための図である。
【図１１】本発明の駆動方法の駆動信号波形の第２の例を示す図である。
【図１２】本発明の駆動方法の駆動信号波形の第３の例を示す図である。
【図１３】本発明の駆動方法の駆動信号波形の第４の例を示す図である。
【図１４】本発明の駆動方法の駆動信号波形の第５の例を示す図である。
【図１５】（ａ）及び（ｂ）は、夫々本発明を適用して好適な記録ヘッド及びその吐出方法を説明するための記録ヘッドの要部断面図である。
【図１６】インク加熱のための発熱体表面に接するインク温度の変化を示す線図である。
【図１７】気泡の寿命の単一駆動信号による発泡時間の依存性を説明する模式図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 薄膜抵抗体層
３ インク
４ 天板
５ 共通液室
６ インク路
７ 吐出口
８ 選択電極
９ 共通電極
１０ 発熱体
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクに熱エネルギーを作用させ、これにより発生する気泡の生成に基づいてインクを吐出するインクジェット記録ヘッドの駆動方法および該記録方法を行うインクジェット記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクを加熱して気泡を発生させ、この気泡の発生に基づいてインクを吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方式は、高速記録が可能であり、また比較的記録品位も高く、低騒音であるという利点を有している。
【０００３】
また、この方式はカラー画像記録が比較的容易であって、普通紙等にも記録でき、装置の小型化も容易であり、さらに、記録ヘッドの吐出口を高密度に配設することができるので、高解像度、高品位の画像を高速で記録することができるといった多くの優れた利点を有している。この方法を用いた記録装置は、複写機、プリンタ、ファクシミリ等における情報出力手段として用いられている。
【０００４】
このようなインクジェット記録方式を行う記録ヘッドの一般的構造は、インクを吐出するための吐出口と、これに連通しインクが流通するインク流路と、このインク流路中に設けられ熱エネルギーを発生するための電気熱変換素子（発熱体）とを具備している。この発熱体は、薄膜抵抗体で構成されているものが一般的であり、この発熱体に対して電極配線を介してパルス的に通電（駆動パルスの印加）することによって熱エネルギーを発生させる。
【０００５】
熱エネルギーを発熱体近傍のインクに与えることで発泡エネルギーを蓄えるための過熱液層をインク中に形成しようとしても、発熱体表面（インク加熱面）の状態がインクの焦げや傷等により部分的に変化していたりインク中に不純物や気体が混入している場合には、発泡核が加熱の早期に発生してしまうため過熱液層への熱の流入が阻害されてしまい発熱体表面上でのインクの発泡開始時刻にばらつきが生じてしまう。このような発泡開始時刻のばらつきは気泡の発泡エネルギーのばらつきとなるため、インクの吐出量や吐出速度の変化が生じ画像品位が劣化する場合がある。
【０００６】
従って、吐出量、吐出速度等のインク滴の吐出特性の再現性の良いインクジェット記録ヘッドを提供する上では、発泡開始時刻のばらつきを小さくすることが必要である。このためには、発泡時刻ｔ＝ｔ０の温度上昇率ｄＴ（ｔ０）を大きくすることが重要である。図１６を用い、以下にその理由を説明する。
【０００７】
インク中の温度分布に依存するが、インクの発泡確率は、インク中で最も高温の部分の温度Ｔが、過熱限界付近の温度帯Ｔ１＜Ｔ＜Ｔ２を低温側から高温側へ推移するときに０から１に変化する。図１６は、最も高温となる発熱体表面に接するインクの温度Ｔの変化を示す線図である。発泡時刻ｔ＝ｔ０の温度上昇率をｄＴ（ｔ０）とすると、発泡時刻のばらつきΔｔは、
【０００８】
【外５】
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
Δｔを小さくするためには、インクと発熱体表面との界面において発泡核が生じる前に発熱体表面近傍のインクの温度を均一核生成（homogeneous nucleation）温度まで急激に加熱する急速加熱が有効であることが知られている（A. Asai et al., "Bubble Generation Mechanism in the Bubble Jet Recording Process", Journal of Imaging Technology, Vol. 14, pp 120-124, 1988）。
【００１０】
このような急速加熱を行う場合、駆動信号の印加時間を短くすればする程、時間的に十分にインクに熱量が流入できないため、発泡核が気泡に成長できる過熱状態にあるインク（過熱液層）の厚みが薄くなる。
【００１１】
急速加熱における均一核生成を始めた過熱液層が必要とする大きな気化潜熱は主として発熱体側から供給されるが、過熱液層の外側は低温のインクであり、薄い過熱液層から大きな温度差のある過熱液層の外側のインク側に流出する熱量が多いため、駆動信号の印加時間（加熱時間）を短くして急速過熱を行うと本来必要とする気化潜熱が過熱液層に十分には与えられなくなっていく。
【００１２】
したがって、加熱時間を短くしていくと、発泡エネルギーが減少し、十分な吐出速度を得ることが困難になってしまう。（A. Asai, "Bubble Dynamics in Boiling Under High Heat Flux pulse Heating", J. Heat Transfer, Vol. 113, pp 973-979, 1991、三谷等「超高速加熱時における核沸騰とインク吐出特性」、Japan Hardcopy '96, A-40）。
【００１３】
その結果、加熱時間を短くして急速過熱を行うと発一性（ノズルからインク滴を吐出させた後、一定時間インク吐出を行うことがなかった場合に、そのノズルから次の１滴目のインクを吐出させると、インクの増粘により、安定した吐出を行えず、印字が乱れてしまうといった不都合を起こす事があり、次の１滴の吐出性能を発一性と呼ぶ）が低下し、最悪の場合には不吐となる可能性が出てくる。
【００１４】
また、従来の駆動方法では問題とならなかったような記録ヘッド毎の薄膜抵抗体の抵抗ばらつきや薄膜抵抗体上に形成した保護層の膜厚ばらつきが、記録ヘッドの過熱液層の厚みばらつきとして現れやすくなり、記録ヘッド間の吐出量、吐出速度等にばらつきが生じる虞がある。同様に、発泡を繰り返す間に薄膜抵抗体の抵抗変化が起こる場合には、同一の記録ヘッドで吐出特性が変化することになる。
【００１５】
以上のように、急速過熱により発泡開始時刻のばらつきを低減できるものの発泡エネルギーが減少するような急速過熱領域の駆動方法では発泡エネルギーが小さいために、記録ヘッドの吐出特性が不安定且つ不均一となる虞があり、画像品位が劣化することが危惧されている。
【００１６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、
（１）発泡開始時刻のばらつきを小さく、安定した発泡を行え、
（２）発泡エネルギーの大きな、十分な吐出量及び吐出速度を確保できる
安定したインク吐出を行うことが可能なインクジェット記録ヘッドの駆動方法およびこの駆動方法を行う記録装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成する本発明のインクジェット記録ヘッドの駆動方法は、インクを吐出する吐出口と、この吐出口に連通するインク流路と、駆動信号を印加することにより前記インク流路内のインクを加熱して気泡を発生させるための発熱体とを具えたインクジェット記録ヘッドを用い、前記気泡の発生に基づいて前記吐出口からインクを吐出するインクジェット記録ヘッドの駆動方法において、前記駆動信号は、前記発熱体の表面温度をインクの沸点温度以上でインクが均一核生成を開始する発泡温度未満に加熱する第１駆動信号であって発泡エネルギーをインクに蓄えるための当該第１駆動信号と、インクに気泡を発生させるための第２駆動信号と、を有し、前記第２駆動信号の印加開始から気泡を発生するまでの時間をｔ＝δｔ、前記第１駆動信号を印加せずに前記第２駆動信号と同じ単一駆動信号のみで気泡を発生させた場合に発泡エネルギーが減少する境界発泡時間をｔ＝ｔｓとすると、δｔ、ｔｓが
δｔ＜ｔｓ
の関係を満たすと共に、前記第１駆動信号の印加を開始した時刻から前記第２駆動信号を開始するまでの時刻の差である第１駆動信号の印加時間をｔ１、第２駆動信号の印加時間を（ｔ２―ｔ１）、駆動信号による発熱体の発熱量をＱ（ｔ）とするとき、ｔ１、ｔ２、Ｑ（ｔ）が
【００１８】
【外６】
【００２０】
上述のインクジェット記録ヘッドの駆動方法は、第2駆動信号によって気泡を発生する時刻をｔ＝δｔこの時の温度上昇率をｄＴ（δｔ）、前記第1駆動信号を印加せずに第2駆動信号のみで気泡を発生させた場合に発泡エネルギーが減少する境界発泡時間をｔ＝ｔｓとし、この時の温度上昇率をｄＴ（ｔｓ）とすると、各温度上昇率が
ｄＴ（δｔ）＞ｄＴ（ｔｓ）
を満たしてもよい。
【００２１】
また、第1駆動信号は前記発熱体から熱を受けるインクの過熱インク層の厚さを厚くするための信号であってもよい。
【００２２】
また、第2駆動信号を印加する前の発熱体の表面温度を前記第１駆動信号により沸点温度以上まで加熱してもよい。
【００２３】
また、第2駆動信号の印加開始から気泡を発生するまでの時刻をｔ＝δｔ、前記第2駆動信号にて気泡を発生する時刻をｔ＝δｔ、前記第1駆動信号を印加せずに第2駆動信号のみで気泡を発生させた場合に発泡エネルギーが減少する境界発泡時間をｔ＝ｔｓとし、インクの沸点をＴｂ、発泡温度をＴｇ、第1駆動信号を印可する前のインクの温度をＴａｍｂとした場合、δｔが
【００２４】
【外７】
【００２５】
また、第1駆動信号を印加せずに第2駆動信号のみで形成された気泡の発泡エネルギーＪ１と、第１駆動信号と第2駆動信号により形成された気泡の発泡エネルギーＪ０との比Ｊ１／Ｊ０が
Ｊ１／Ｊ０ ×１００ ≦ ５０（％）
を満たしてもよい。
【００２６】
また、第2駆動信号の発熱体の発熱量が、第1駆動信号を印加せずに第2駆動信号のみで気泡を発生させた場合に発泡エネルギーが減少する境界発泡時間ｔ＝ｔｓでの発熱体の発熱量に比べて、同等もしくはそれ以上であってもよい。
【００２７】
また、前記ｔｓが、気泡の寿命が低下する時の境界発泡時間であってもよい。
【００２８】
また、前記ｔｓが、吐出速度が低下する時の境界発泡時間であってもよい。
【００２９】
また、前記第1駆動信号と前記第2の駆動信号とは連続した信号であってもよい。
【００３０】
また、前記第1の駆動信号と前記第2の駆動信号とは休止時間を挟んでいてもよい。
【００３１】
また、第１駆動信号が複数パルスからなり、パルス間の休止時間が次第に長くなされていてもよい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明のインクジェット記録ヘッドの駆動方法および記録装置を詳細に説明する。
【００３７】
なお、以下本発明において用いる「記録」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなくパターン等の意味を持たない画像を付与することをも意味するものである。
【００３８】
また、本発明は紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の被記録媒体に対し記録を行う、プリンター、複写機、通信システムを有するファクシミリや通信システムとプリンタ部を組み合わせたプリンタシステム、プリンタ部を有するワードプロセッサ等の装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合せた産業用記録装置に適用可能な発明である。
【００３９】
さらに、以下本発明において用いる「素子基体」とは、シリコン半導体からなる単なる基体を指し示すものではなく、各駆動回路素子や配線等が設けられた基体を示すものである。
【００４０】
従来のように単一駆動信号を用いて駆動信号のパルス幅を短くすることで急速過熱による気泡を発生させようとすると、図１７の模式図に示すとおり、図中ｔｓ（境界発泡時間）を境にこの境界発泡時間より短い加熱時間では発泡エネルギーが急激に減少してしまう（図１７のパルス幅（加熱時間）には、駆動信号を印加してから発泡する時間までの発泡時間ｔｇを用いている）。
【００４１】
これは、急速加熱により発生した気泡が成長するに十分な気化潜熱が過熱液層に与えられないことによると考えられる。上述のように、パルス幅ｔｇ＝ｔｓを境に発泡エネルギーが急激に減少するのに伴い、吐出速度も同様に減少する（以下、本発明の説明において「急速加熱」とは、発泡エネルギーもしくは吐出速度が低下する加熱時間（ｔｇ＜ｔｓ）での加熱を意味する）。
【００４２】
本発明の駆動方法は、急速加熱の領域においても十分な発泡エネルギーを確保することを目的としており、第1駆動信号による加熱により、均一核生成を始めるに必要とする気化潜熱を蓄えた過熱液層を形成し、十分な過熱液層の厚みを確保し、この後に第2駆動信号による急速加熱を行い発泡の安定化を図るものである。
【００４３】
インクに熱を与えることで気泡を発生させる本発明の駆動信号は、インクに気化潜熱を与えることで所望の厚さの過熱液層を形成し第2駆動信号だけでは減少してしまう発泡エネルギーを補足するための第1駆動信号と、急速加熱を行うことで発熱体上での発泡開始時刻のばらつきを低減するための第2駆動信号とによって構成されている。そして本発明では第1駆動信号による加熱によって、発泡安定化のためのトリガーとなる第2駆動信号とは独立に過熱液層の厚みによる発泡エネルギーを制御可能である。
【００４４】
第1駆動信号による加熱によって、急速加熱駆動の前のインク中の最も高温の部分となる発熱体表面の温度（以後Ｔｐと記す）を沸点温度（以後Ｔｂと記す）以上にして、発泡核が成長する過熱液層を形成することが必要であり、発熱体表面の温度は、第1駆動信号だけで発泡してしまわないように、均一核生成を開始する発泡温度（以後Ｔｇと記す）未満にする。
【００４５】
以下に、発泡前の発熱体表面からのインクの温度分布を模式的に説明する線図（図１）を用いて、本発明の第1駆動信号の特徴を詳細に説明する。
【００４６】
図１（ａ）は、従来の急速加熱による駆動方法、同図（ｂ）は従来のインク粘度を低減する予備加熱と、この予備加熱に続けて急速加熱を行う新規の駆動方法、同図（ｃ）は本発明の最適な駆動方法を説明する図である。
【００４７】
図中、縦軸は温度、横軸はインクと発熱体表面（発熱抵抗体表面上に保護層が設けられているときには保護層のインクと接触する面を発熱体表面としている）との接触面からインク中への距離Ｚを示している。各図の実線は気泡発生直前のインク中の温度分布を示しており、図１（ｂ）、（ｃ）の点線は発泡を行わせるための加熱直前（発泡を行わせるための第2信号の印加直前）のインクの温度分布を示している。発泡核は、沸点以下の状況に置かれると崩壊し気泡に成長することができない。このため、発泡核の成長に寄与する過熱液層は、主として沸点以上のインク領域となる。
【００４８】
図１（ａ）で示す急速加熱では、駆動パルスの印加時間が短いため十分にインクに熱量が流入できず、発泡核の成長に寄与する過熱液層の厚み（ｔｈ）が薄くなる。
【００４９】
図１（ｂ）に示すような予備加熱は、インク粘度を低減させインクの抵抗を小さくすることで気泡の成長を大きくすることを主目的としている。このため、発熱体からノズルに至るより広い領域を加熱できる様に予備加熱開始からインクを吐出するための加熱開始までの時間を長く取ると共に、インク中の不純物や気体から形成される発泡核が成長しないように沸点以下での加熱を行う。したがって過熱液層の厚みは急速加熱による加熱によってほぼ決定されるので、図１（ａ）より過熱液層の厚み（ｔｈ）は若干厚くなるもののその液層厚みはまだ薄い。
【００５０】
これに対して、第1駆動信号によって沸点以上の加熱を行う図１（ｃ）では、過熱液層の厚み（ｔｈ）を第1駆動信号による加熱にて略決めることができ、発泡安定化のためのトリガーとなる第2信号とは独立に発泡エネルギーを制御することができるとともに、十分な発泡エネルギーを得るための潜熱を第2信号印加前に既にインクに与えることで、急速加熱時の発泡エネルギーの減少や吐出速度の低下を補うことができる。
【００５１】
また、発一性を改善するために、本発明の第1駆動信号を行う前に、従来の予備加熱を合わせて行うことは、本発明の駆動方法に適用可能であることは言うまでもない。
【００５２】
本発明の第2駆動信号により急速加熱を行うためには、第2駆動信号による発熱体の平均発熱量を、第1駆動信号による平均発熱量より大きくする（以下の式２で示す）。
【００５３】
これにより、第1駆動信号での発泡を回避し、確実に第2駆動信号によって急速加熱を行うことが可能となる。ここで、第2駆動信号を開始するまでの第１駆動信号の印加時間をｔ１、第２駆動信号の印加時間を（ｔ２―ｔ１）、駆動信号による発熱体の発熱量をＱ（ｔ）とする。
【００５４】
【外９】
また、十分な発泡エネルギーを得る場合であっても、第1駆動信号により予め発熱体表面が加熱され、またインクに十分な過熱液層が形成されていることから、単一駆動信号により急速加熱を開始する図１７を用いて説明した時間ｔｓに対して、第2駆動信号の印加開始から発泡開始する発泡時間δｔはｔｓ未満とすることができる。
【００５６】
第2駆動信号の発泡時間δｔでの温度上昇率は、従来の単一駆動信号による急速加熱を開始する発泡時刻の温度上昇率と同等もしくはそれ以上とすることで急速加熱時の発泡時刻ばらつきを抑えることが可能である。
【００５７】
これより、第2駆動信号の発熱体の平均発熱量は、単一駆動信号でのｔ＝ｔｓでの発熱体の平均発熱量以上にすることとなる。なお、第1駆動信号を印加しない場合には、第2駆動信号を印加する時の発熱体の表面温度はインク初期温度（以後Ｔａｍｂと記す）である。
【００５８】
なお、従来の単一駆動信号による急速加熱の発熱量と本発明の第2駆動信号の発熱量を同等とする条件の下では、A. Asaiの論文（A. Asai, "Application of the Nucleation Theory to the Design of Bubble Jet Printers", J.J.A.P..Vol. 28, No. 5, p909, 1989）中の式（１５）より、δｔとｔｓとの比は近似的に、（Ｔｇ−Ｔｐ）と（Ｔｇ−Ｔａｍｂ）の比と見做せ、さらに第１駆動信号による発熱体表面温度を沸点以上とする条件よりＴｐをＴｂに置き換えると、δｔは少なくとも以下の式を満たす必要がある。
【００５９】
【外１０】
発泡安定化をはかるためには第2駆動信号の駆動パルスの印加時間をなるべく短くすることが好ましい。このことは、第2駆動信号の発泡エネルギーへの寄与分は、第1駆動信号の寄与分に比べ、相対的に小さくなる方向であり、第1駆動信号による発泡エネルギー寄与分が大きくなり、発泡エネルギーの制御は実質的第1の駆動信号で行うことになる。
【００６１】
これより、第1駆動信号により、発泡エネルギーを制御するには、少なくとも、第1駆動信号を印加せずに第2駆動信号のみで形成された気泡の発泡エネルギーと、第１駆動信号と第2駆動信号により形成された気泡の発泡エネルギーとの比が５０％以下、すなはち第1駆動信号による発泡エネルギーの寄与分を５０％より大きくする駆動条件を満たすことが望ましい。
【００６２】
発泡エネルギーへの急速加熱の付与分を低減することにより、急速加熱にて問題となった発一性の低下、過熱液層の厚みばらつきに伴う吐出速度、吐出量の不安定性を低減できることとなる。第1駆動信号による発泡エネルギーの寄与分はなるべく大きいほうが好ましく、５０％より大きければ、急速加熱による発泡エネルギーの減少を、少なくとも半分以下に抑えることができる。液滴の運動エネルギーは発泡エネルギーに比例し、液滴の運動エネルギーは吐出速度の2乗に比例することから、発泡エネルギーの減少を半分以下に抑えられれば、吐出速度の減少は、最大でも３０％とすることが可能となる。
【００６３】
さらに好ましくは、第1駆動信号による発泡エネルギーの寄与分を７０％より大きくすることであり、このことで発泡エネルギー低減に伴う吐出速度の減少を２０％以下に抑えることができる。
【００６４】
以下に本発明のインクジェット記録ヘッドの駆動方法をより具体的に説明するが、まず、本発明の駆動方法を行うインクジェット記録ヘッドや記録装置の構成例について説明を行う。
【００６５】
図２に、インクジェット記録ヘッドのインク流路構成の断面図を示す。シリコン等で構成された基板１上に薄膜抵抗体層２を具え、この基板に、隔壁（不図示）や共通液室を構成するための凹部や複数のインク流路を構成するための溝が複数形成された溝付き天板４が接合されることによって、共通液室５、インク流路６、吐出口７が形成される。
【００６６】
薄膜抵抗体層２に接続された選択電極８、共通電極９より駆動信号を印加することにより、この選択電極８と共通電極９との間の薄膜抵抗層（発熱体；ヒータ）が発熱し、この熱によってインク中に気泡を発生させることでインク３を吐出口７から吐出する。ここでは、薄膜抵抗体層の材料としてＰｔ、共通電極及び選択電極の材料にＡｕを用いた。Ｐｔは化学的に安定であり且つ温度による抵抗変化が大きいため、これを利用して発熱体の抵抗を測定することにより発熱体温度を直接計測することができる。発熱体の寸法は１００μm×２００μmである。基板は、シリコン基板に熱酸化膜を２．７μm成膜した基板を用いており、インク流路および吐出口を形成するためのガラス製の溝付き天版を接合し、記録ヘッドが構成した。
【００６７】
なお、従来の駆動信号のパルス幅は２〜１０μｓｅｃであったが、急速過熱では、さらに印加時間の短いパルスを用いて発泡させるため、発熱体の熱流束を効率良く速やかにインクに作用させることが重要である。
【００６８】
この様な駆動信号に対する応答性が高い記録ヘッドの一例としては、特開昭５５−１２６４６２号に記載された、発熱体の発熱部分がインクに直接接触する発熱体上に保護層の無い構成の記録ヘッドがある。このような記録ヘッドに用いられる薄膜抵抗体の材料としては、主要構成元素の１つとしてＴａ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｔ等の元素を含む合金が好ましく、さらに好ましくはこれら元素のうち少なくとも１種と、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａのうちの少なくとも1種を含む合金である。また、薄膜抵抗体の抵抗値を上昇させるためには、上記の合金に、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｓｉ等を添加しても良い。もちろん熱流速を効率よく速やかにインクに作用させることができる範囲で保護膜を用いてもよい。
【００６９】
また、用いたインクの配合成分は、以下のとおりである。
黒色染料 ３．０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％
この水系インクの発泡温度Ｔｇは約３００℃であった。
【００７０】
図３は、インクジェット記録ヘッドに供給されるインクを保持したインクタンクとインクジェット記録ヘッドとが着脱分離可能に構成されたインクジェットヘッドカートリッジIJCの構成を示す概観斜視図である。インクカートリッジIJCは、図３に示すように境界線Ｋの位置でインクタンクITとインクジェット記録ヘッドIJHとが分離可能である。インクカートリッジIJCにはキャリッジに搭載されたときに、キャリッジHC側から供給される電気信号を受けるための電極（不図示）が設けられており、この電気信号に応じて前述のように記録ヘッドIJCの発熱体が駆動される。
【００７１】
なお、図３において符号７はインク吐出口であり、この吐出口が複数配列されている。また、インクタンクITにはインクを保持するために繊維質状もしくは多孔質状のインク吸収体が設けられており、そのインク吸収体によってインクが保持される。
【００７２】
図４は、本発明の駆動方法を行うインクジェット記録装置の一例を説明するための概観斜視図である。図４において、駆動モータ5013の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア5009〜5011を介してリードスクリュー5005が回転する。キャリッジHCはこのリードスクリュー5005の螺旋溝5004に対して係合するピン（不図示）を有し、ガイドレール5003に指示されて矢印a、b方向を往復移動する。キャリッジHCには、上述のインクヘットカートリッジIJCが搭載されている。符号5002は紙押え板であり、キャリッジHCの移動方向に沿って被記録媒体である記録用紙Ｐをプラテン5000に対して押圧する。
【００７３】
符号5016は記録ヘッドIJHの前面をキャップするキャップ部材5022を支持する部材で、5015はこのキャップ内を吸引する吸引器で、キャップ内開口5023を介して記録ヘッドの吸引回復を行う。
【００７４】
また、この記録装置内には、インクジェット記録ヘッドの発熱体を発熱させるための駆動信号を供給するための駆動信号供給手段を有している。
【００７５】
図５は上述のインクジェット記録装置の制御回路の構成を示すブロック図である。符号1700はインタフェース、符号1701はMPU、符号1702はMPU1701が実行する制御プログラムを格納するROM、符号1703は各種データ（上記記録信号や記録ヘッドIJHに供給される記録データ等）を保存しておくDRAMである。符号1704は記録ヘッドIJHに対する記録データの供給制御を行う（Ｇ．Ａ．）であり、インタフェース1700、MPU1701、RAM1703間のデータ転送制御をも行う。
【００７６】
符号1710は記録ヘッドIJHを搬送するためのキャリアモータであり、符号1709は被記録媒体搬送のための搬送モータである。符号1705は記録ヘッドIJHを駆動するためのヘッドドライバであり、1706、1707はそれぞれ搬送モータ1709、キャリアモータ1710を駆動するためのモータドライバである。
【００７７】
上記制御構成の動作を説明すると、インタフェース1700に記録信号が入るとゲートアレイ1704とMPU1701との間で記録信号が記録を行うためのプリント用の記録データに変換される。そして、モータドライバ1706、1707が駆動されると共に、ヘッドドライバ1705に送られた記録データにしたがった駆動信号によって記録ヘッドIJHが駆動され記録が行われる。
【００７８】
次に上述したインクジェット記録ヘッド等の構成を用いて行う本発明の駆動方法を、図６〜９を用いてさらに詳細に説明する。
【００７９】
第1及び第2駆動信号のパルス電圧値（パルス波形）と発熱体の発熱量を図６に示す。図６の駆動信号波形は上述した式（２）の関係を満たしている。第1駆動信号として、ｔ＝０からｔ＝ｔ１の時刻に発熱体の発熱量がＱ１となるパルス電圧Ｖ１の駆動信号を発熱体に与え、第２駆動信号としてｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ２の時刻に、発熱体の発熱量Ｑ２となるパルス電圧Ｖ２の駆動信号を発熱体に与える。比較例として、ｔ＝０からｔ＝ｔ３の時刻に、発熱体の発熱量Ｑ３となるパルス電圧Ｖ３の単一矩形パルスの駆動信号（図７）を用いた。
【００８０】
ここで、Rayleighの理論（Philos. Mag. 34, pp 94-98, 1917）より、気泡の最大半径が気泡が崩壊するまでの時間τに比例し、発泡エネルギーが気泡の発泡体積に略比例することから、発泡エネルギーは気泡寿命τの３乗に比例していると見做せる。
【００８１】
発熱体に駆動信号を与え、形成された気泡の寿命τおよび寿命の時間ばらつき△τを測定することにより、発泡エネルギーの大きさ及び安定性を相対的に評価することができる。以下、発泡エネルギーに関し、τ、△τを用いて説明する。
【００８２】
図８は、図６および図７に示した駆動信号を与えた時の発熱体の抵抗変化から求めた発熱体表面温度の時間変化を示した図（図６の駆動信号による温度変化は実線、図７の駆動信号による温度変化は破線）であり、図９は気泡の寿命τの発泡時刻の依存性を示した図である。ここで、Ｔａｍｂ、Ｔｂ、Ｔｐ、Ｔｇは、夫々インクの初期温度、沸点温度、第1駆動信号による発熱体の最終表面温度、発泡温度である。
【００８３】
図９の発泡時刻として、図６の駆動信号による駆動方法では第2駆動信号の印加開始から発泡を開始するまでの時間である発泡時間δｔを、図７の駆動信号による駆動方法では駆動信号を印加してから発泡するまでの時間である発泡時間ｔｇを用いた。図６の信号を用いた本発明の駆動方法では、図８に示すように発熱体の表面温度曲線はｔ＝ｔ１前後で下に凸となる曲線となり、ｔ＝ｔ１以後急激に上昇する。
【００８４】
まず、図７の駆動信号を用いた駆動からｔｓ（境界発泡時間）を求める。図７の駆動信号を用いる駆動方法のパルス電圧Ｖ３は、パルス幅ｔ３で気泡が発生する最低の電圧の１．１倍（ｋ値）となるように設定した。インクの初期温度は２３℃である。図７の単一矩形パルス駆動では、τはｔｇ＞１．８μｓｅｃでは寿命が長く十分な発泡エネルギーを確保できているが、ｔｇ＜１．８μｓｅｃでは急激に低下している（図９）。この結果、用いたインクのｔｓを１．８μｓｅｃとした。この時の発熱体の発熱量Ｑ３は５５０ＭＷ／ｍ2であり、発泡時刻ｔｇ＝ｔｓの温度上昇率は６×１０7℃／ｓｅｃであった。
【００８５】
ここでは、用いたインクのｔｓを求める場合に、発泡エネルギーが急激に減少する境界時間として求めたが、インクの速度の変化は、発泡エネルギーの変化に対応しているため、インクの吐出速度の変化からｔｓを求めてもよい。
【００８６】
図１０はインクの吐出速度を測定するための概略構成説明するための模式図である。インクジェット記録ヘッド100から吐出した液滴の軌道に対して垂直にランプ104からレンズ103を介して平行光106を照射する。レンズと対向する位置に一定間隔ΔＬ離して２つのフォトダイオードを配置し、平行光をこのフォトダイオードに照射する。フォトダイオード102に入射する光が液滴により遮られるのを信号として捕らえオシロスコープ101等で捕らえて２つのフォトダイオードに表れる信号の時間間隔Δｔを測定する。この時間間隔Δｔと上述の間隔ΔＬから液滴速度（吐出速度）得ることができる。
【００８７】
ここで、インクジェット記録ヘッドの発熱体10に印加する駆動信号のパルス幅を変化させることにより、吐出速度が急激に減少し始める点を見出しｔｓを求めればよい。
【００８８】
前出の数式（３）を満たすことを考慮した場合には、δｔは、δｔ＜１．３μｓｅｃとなる条件を満たすことがより望ましい。温度測定より、ｔ＝ｔ３での発熱体の表面温度は３６０〜３７０℃であった。ｔｇ＝1μｓｅｃの寿命は１５．６μｓｅｃであり、この時の駆動周波数１００Ｈｚで１０秒間の１０００回の寿命を測定し、寿命時間ばらつき△τと平均寿命｜τ｜との比（△τ／｜τ｜）を調べた。この結果、ｔｇ＝1μｓｅｃの時の△τ／｜τ｜はｔｇ＝１．８μｓｅｃの時の△τ／｜τ｜と比べ、２分の１以下となっていた。単一矩形パルス駆動では、パルス幅を短くすると、発泡開始時刻のばらつきは減少するが、発泡エネルギーも減少していることが分かる。
【００８９】
（実施例１）
図６の波形の駆動信号を用いた駆動方法において、第1駆動信号はｔ１＝１０μｓｅｃとし、ｔ＝ｔ１での発熱体の表面温度Ｔｐを沸点温度より高い約１５０℃となるよう駆動電圧Ｖ１及びＱ１を設定した。インクの初期温度は２３℃である。駆動電圧Ｖ２は、パルス幅ｔ２で気泡が発生する最低の電圧の１．１倍（ｋ値）となるように設定した。発泡時刻の温度上昇率が約６×１０7℃／ｓｅｃとなる発泡時刻δｔ1は１．２〜１．３μｓｅｃであり、δｔ1＝１μｓｅｃの時の気泡の寿命を測定したところ、２０μｓｅｃあり（図９参照）、この時の寿命時間ばらつきは図７の信号波形を用いた場合のｔｇ＝ｔｓと比べて小さくなっていた。δｔ1は、数式（３）（δｔ＜１．３μｓｅｃ）を満たしており、本発明の駆動方法を用いることで、発泡エネルギーを単一矩形信号のｔｇ＝ｔｓと略等しくでき、且つ寿命時間ばらつきを小さくすることができた。
【００９０】
また、第1駆動信号を印加せずに第2駆動信号のみで形成されたｔｇ＝１μｓｅｃの時の発泡エネルギーと、δｔ1＝１μｓｅｃの発泡エネルギーの比は、夫々の気泡の寿命の3乗にて計算でき、第2駆動信号の発泡エネルギーの付与は４７％となり、発泡エネルギーの略半分以上を第1駆動信号により制御できたことが分かった。
【００９１】
（比較例１）
この第1駆動信号の条件で、第2駆動信号の発熱量Ｑ２を、０．９×Ｑ３とした時、δｔ2＜１．３μｓｅｃでは気泡ができず、気泡寿命のばらつきを低減することはできなかった。
【００９２】
（実施例２）
次に、図６の波形の駆動信号を用いた駆動方法において、第1駆動信号はｔ１＝５μｓｅｃとし、ｔ＝ｔ１での発熱体の表面温度Ｔｐを沸点温度より高い約１８０℃になるようにＶ１及びＱ１を設定した。駆動電圧Ｖ２は、パルス幅ｔ２で気泡が発生する最低の電圧の１．２５倍（ｋ値）となるように設定した。第2駆動信号の駆動電圧Ｖ２を変えた時の発泡時刻δｔ2と気泡の寿命を図９に示す。インクの初期温度は共に２３℃である。発泡時刻の温度上昇率が約６×１０7℃／ｓｅｃとなる発泡時刻δｔ2は約１．２μｓｅｃであり、この時の発熱量Ｑ２は７００ＭＷ／ｍ2であった。これより、δｔ2＜１．２μｓｅｃにて急速加熱となる。
【００９３】
図９より、δｔ2≦１．１μｓｅｃの領域での気泡の寿命は、図７の駆動方法のｔｇ≦１．１μｓｅｃの領域での気泡寿命と比べて十分に大きく、第1駆動信号を印加せずに第2駆動信号のみで形成された発泡エネルギーと、第1及び第2駆動信号による発泡エネルギーの比は、夫々の気泡の寿命の3乗にて計算すると、１．１μｓｅｃ以下の発泡時刻の領域で第2駆動信号の発泡エネルギーの付与は４５％以下となっている。これより、発泡エネルギーの略半分以上を第1駆動信号により制御できたことが分かった。さらに、ｔｇ＝１．８μｓｅｃの単一矩形パルス駆動の気泡の寿命と比べても長く、本発明の駆動方法により十分な発泡エネルギーを確保することが可能であることが分かった。
【００９４】
また、δｔ2＝１．１μｓｅｃでの寿命時間ばらつき△τは、図3のｔｇ＝１．８μｓｅｃに比べて小さくなっていた。
【００９５】
（比較例２）
実施例１の第1駆動信号の条件で、第2駆動信号の発熱量Ｑ２を、Ｑ２＜Ｑ３とした時、δｔ2＜１．８μｓｅｃで気泡が出来ず、気泡寿命のばらつきも低減することはできなかった。
【００９６】
以上のような本発明の駆動方法より、第1駆動信号による加熱にて、均一核生成を始めるに必要とする気化潜熱を蓄えた過熱液層を形成し、十分な過熱液層の厚みを確保し、この後に第2駆動信号による急速加熱を行い、発泡安定性を確保しつつ、発泡エネルギーを増大させることが可能となった。
【００９７】
（その他の態様）
数式（３）において、インク初期温度が常温（２０〜３５℃）以上となる場合、式の左辺が大きくなり、δｔの条件は緩やかになる。常温で液状のインクは、水、有機溶剤及び着色剤を含有し、好ましい含有量は夫々、５０〜９９重量％、１〜３０重量％、０．２〜２０重量％の範囲である。このような範囲の配合成分のインクを用いる場合には、図６から図９の上記例と同様に、夫々の沸点と発泡温度を数式（３）に導入することで、駆動方法の条件を得ることができる。
【００９８】
上記例では、発熱体を構成する発熱抵抗層が直接インク接触する記録ヘッドを用いて説明したが、記録ヘッドとしては、従来からの薄膜抵抗体層と、絶縁体からなる保護層と、キャビテーションエロージョンや、接触するインクによる電気化学反応による腐蝕、繰り返し発熱、酸化等に耐性のある耐キャビテーション層で構成される発熱体を用いることもできる。
【００９９】
この時、駆動信号に対する応答性が高く、発熱体から発生する熱を効率良く、且つ速やかにインクに作用するよう、保護層と耐キャビテーション層の膜厚を薄くする方が良い。耐キャビテーション層としては、従来より、Ｔａ、Ｔａ―Ａｌ、Ｉｒ等の金属または合金を用いる。保護層としては従来より、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、Ｔａ−Ｏ、Ｔａ−Ａｌ−Ｏ等の熱伝導性の悪い絶縁体薄膜が用いられており、該保護層の厚みを薄くすることが発熱体への熱伝導の効率を良くする上で好ましい。水系インクを用いた場合、図６〜図９を用いて説明したように、発泡時刻δｔを１．３μｓｅｃ未満とすることが必要であり、発泡安定化の点ではδｔは短ければ短い程よく好ましく１μｓｅｃ以下である。
【０１００】
図６に示した信号波形の第１駆動信号は、第2駆動信号より低く一定の駆動電圧である駆動信号としたが、単一の駆動パルス、複数のパルス、階段状のパルス等の様々の駆動信号波形を用いることができる。図１１〜図１４に、本発明の駆動方式の駆動信号波形の幾つかの例を示す。
【０１０１】
図１１は駆動電圧が等しい第１駆動信号と第2駆動信号からなり、第１駆動信号がパルス幅Ｗ１１の矩形パルスと休止時間ＷＳ１１からなる本発明の駆動波形図である。図１２は、第1駆動信号と第2駆動信号の駆動電圧が等しく、第1駆動信号がパルス幅Ｗ２１、休止時間ＷＳ２１の周期のパルスをｎ個（図では2個のみを記す）を印加した後に最後のパルス印加後にＷＳ２２の休止時間を設けた本発明の駆動波形図である。図１２の駆動信号波形によって、加熱液層の厚みをパルス数に応じて厚くすることができる。図１３は、図１２の第１駆動信号の複数パルスの間隔が次第に広がる例を示す駆動波形図であり、第1駆動信号と第2駆動信号の駆動電圧が等しく、第1駆動信号の矩形パルスのパルス幅Ｗ３１を等しくとり、パルス間隔がＷＳ３１、ＷＳ３２と次第に大きくなる駆動波形図である。発熱体の表面温度を上げた後に、休止時間ＷＳ３２を長く取ることで、発熱体の表面温度を低く保ったままでインクの過熱液層の厚みを厚くすることができる。発泡エネルギーを増す上で有効となる駆動方法である。図１４は、第1駆動信号が階段状に減少していく駆動信号であり、図６と図１１の駆動信号波形を組み合わせたものであり、図１３と同様に、発熱体の表面温度を速やかに上げ後に、低い電圧で過熱液層の厚みを厚くできるように低い電圧で加熱する駆動方法である。
【０１０２】
また、本発明のインクジェット記録の駆動方法は、気泡連通吐出方式においても有効な構成となる。ここに記載した気泡連通吐出方式とは、吐出のためにインクを加熱することにより生成される膜沸騰による気泡を該気泡の内圧が負圧時等に吐出口近傍で外気に連通させてインクの吐出を行うインクジェット記録方式であり、特開平２−１１２８３２号、特開平２−１１２８３３号、特開平２−１１２８３４号、特開平２−１１４４７２号等において記載されている方式である。
【０１０３】
この気泡連通吐出方式によれば、気泡を形成しているガスが吐出されるインク液滴と共に噴出することはないので、スプラッシュやミスト等の発生を低減し、被記録媒体乗の地汚れや装置内の汚れを防ぐことができる。また、気泡連通吐出方式の基本的な作用として、気泡が生成される部位より吐出出口側にあるインクは原理的に全てインク液滴となって吐出されるということがある。このため、吐出インク量は、吐出出口から上記気泡生成部位までの距離等、記録ヘッドの構造によって定めることができる。この結果、上記気泡連通吐出方式によれば、インク温度の変化等の影響をそれほど受けずに吐出量の安定した吐出を行うことが可能となる。
【０１０４】
以下、図１５を参照して上記連通吐出方式について説明する。図１５（ａ）および（ｂ）は、上記連通吐出方式を適用して好適な記録ヘッドおよびその吐出方法を示すものであり、この記録ヘッドの具体的インク路構成の２例を示す。しかしながら、本発明はこのインク流路構成例に限定されないことは言うまでもない。
【０１０５】
図１５（ａ）に示すインク流路構成は、基板（不図示）上に発熱体１０を具えた、この素子基体上に、隔壁や溝付き天板を設けることによって、共通液室Ｃやインク流路Ｂが形成される。また、これとともにインク流路Ｂの端部に吐出口１５５が形成される。Ｅ１，Ｅ２は、それぞれ、発熱体１０にパルス状の駆動信号を印加するための選択電極、共通電極を示す。さらにＤは保護層である。電極Ｅ１，Ｅ２を介した、記録データに基づく上記電気信号の印加に応じて、電極Ｅ１，Ｅ２間の発熱体１０は、蒸気膜を生じる急激な温度上昇を短時間のうちに発生し（約３００℃）、これにより気泡１５６が生成される。この気泡１５６は成長し、やがて吐出口５における基板側の端部Ａで大気と連通する。
【０１０６】
そして、この連通後、安定した吐出インク滴（破線１５７）が形成される。この吐出において、気泡１５６がその成長過程でインク路Ｂを完全に遮断しない（インク路Ｂ内のインクが吐出口１５５から突出したインクと連続している）ので後続の吐出に対するリフィルが速やかに行われること、また、３００℃以上の比較的高温となった気泡の熱も外気に放出されること等によって大きな蓄熱の問題（蓄熱によるインク粘性低下や気泡形成の不安定化）も生ぜず、各発熱体の駆動デューティーを高くすることができる。
【０１０７】
図１５（ｂ）は、共通液室Ｃを不図示としているが、インク路Ｂを屈曲した形状としているものであり、屈曲部の素子基体面に発熱体１０を具えている。吐出口１５５は、吐出方向にその断面積を減少する形状であり、発熱体１０に対向してその開口が設けられている。この吐出口１５５はオリフィスプレートＯＰに形成される。
【０１０８】
図１５（ｂ）においても、上記図１５（ａ）の構成と同様に蒸気膜（約３００℃）を生じさせて気泡１５６を生成する。この気泡の生成により、オリフィスプレートＯＰの厚み部分のインクを吐出方向に押しやり、その部分のインクを希薄にする。その後気泡１５６は、吐出口１５５の外気側周縁Ａ１から内部側の吐出口近傍領域Ａ２の範囲で大気と連通する。この時、気泡１５６の成長は、インク流路を遮断しないもので、吐出方向へ向かう必要のないインクをインク路Ｂ内のインクと連続した連続体として残すことができ、インク滴７の吐出量の安定化および吐出速度の安定化を実現することができる。
【０１０９】
このような連通吐出方式によれば、吐出口近傍への気泡成長を急激にしかも確実に行うことができるので、上記非遮断状態のインク路によるリフィル性も手伝って、高安定高速記録を達成できる。また、気泡と大気とを連通させることによって、気泡の消泡過程が無くなり、キャビテーションによる発熱体や基板の損傷を防止することもできる。
【０１１０】
以下本発明のインクジェット記録の駆動方法を図１１ないし図１３の図面に示す駆動信号例を用いて説明する。
【０１１１】
（実施例３）
本実施例で用いた記録ヘッドは、図２に示したと同様のものを用いた。図１１の駆動信号波形を用いて気泡の寿命を測定した。Ｗ１１＝０．３μｓｅｃ、ＷＳ１１＝０．５μｓｅｃ、Ｗ１２＝０．８μｓｅｃとした。第1駆動信号による発熱体の表面温度Ｔｐは約１３０℃であった。発泡時刻δｔ＝０．５μｓｅｃであり、発泡時刻の温度上昇率ｄＴ（ｔ０）が同じとなる図７の単一パルス駆動の発泡時刻はｔｇ＝１μｓｅｃであった。図９によりｔｓは１．８μｓｅｃであり、この時の駆動周波数１００Ｈｚで１０秒間の１０００回の寿命を測定し、寿命時間ばらつき△τと平均寿命｜τ｜との比（△τ／｜τ｜）を調べた結果、δｔ＝０．５μｓｅｃの時の△τ／｜τ｜と、単一パルス駆動でのｔｇ＝１．８μｓｅｃの時の△τ／｜τ｜と比べたところ、２分の１以下となっていた。本実施例の駆動波形を用いることにより発泡安定化をはかることができた。
【０１１２】
次に、上記本発明の駆動信号による寿命（２０μｓｅｃ）と、ｔｇ＝０．５μｓｅｃの単一パルス駆動信号の寿命（１２μｓｅｃ）との比の3乗を計算することによりをとり、発泡エネルギーへの第2駆動信号の付与分を求めたところ、２２％となった。
【０１１３】
以上より、本発明の駆動方法により、過熱液層の厚みを第1駆動信号による加熱にて略決めることができ、発泡安定化のためのトリガーとなる第2信号とは独立に発泡エネルギーを制御することができた。
【０１１４】
（実施例４）
本実施例で用いた記録ヘッドは、図１に示したと同様のものを用いた。図１２の駆動信号波形を用いて気泡の寿命を測定した。Ｗ２１＝０．５μｓｅｃ、ＷＳ２１＝０．５μｓｅｃ、ｎ＝２、ＷＳ２２＝２．０μｓｅｃ、Ｗ２２＝０．８μｓｅｃとした。第1駆動信号による発熱体の表面温度Ｔｐは約２００℃であった。 発泡時刻δｔ＝０．３μｓｅｃであり、発泡時刻の温度上昇率ｄＴ（ｔ０）が同じとなる図７の単一パルス駆動の発泡時刻はｔｇ＝０．８μｓｅｃであった。
【０１１５】
図９によりｔｓは１．８μｓｅｃであり、この時の駆動周波数１００Ｈｚで１０秒間の１０００回の寿命を測定し、寿命時間ばらつき△τと平均寿命｜τ｜との比（△τ／｜τ｜）を調べた結果、本実施例の△τ／｜τ｜と、単一パルス駆動でのｔｇ＝１．８μｓｅｃの時の△τ／｜τ｜と比べたところ、２分の１より小さいくなっていた。本実施例の駆動波形を用いることにより発泡安定化をはかることができた。
【０１１６】
次に、上記本発明の駆動信号による寿命は２３μｓｅｃであった。単一パルス駆動信号によるｔｇ＝０．３μｓｅｃでは、発熱体電圧が大きいために過電流が発熱体に流れ、発熱体が破損し、寿命を測定することができなかった。また、図９より、ｔｇ＝０．３μｓｅｃでは、寿命は１０μｓｅｃ未満と考えらる。よって、発泡エネルギーは、略第１駆動信号により決定できるものと考えられる。
【０１１７】
以上より、本発明の駆動方法により、過熱液層の厚みを第1駆動信号による加熱にて略決めることができ、発泡安定化のためのトリガーとなる第2信号とは独立に発泡エネルギーを制御することができた。
【０１１８】
（実施例５）
本実施例で用いた記録ヘッドは、図２に示したと同様のものを用いた。図１３の駆動信号波形を用いて気泡の寿命を測定した。Ｗ３１＝０．３μｓｅｃ、ＷＳ３１＝０．３μｓｅｃ、ＷＳ３２＝０．５μｓｅｃ、ＷＳ３３＝１．０μｓｅｃ、Ｗ３２＝０．７μｓｅｃとした。第1駆動信号による発熱体の表面温度Ｔｐは約１６０℃であった。発泡時刻δｔ＝０．３μｓｅｃであり、発泡時刻の温度上昇率ｄＴ（ｔ０）が同じとなる図７の単一パルス駆動の発泡時刻はｔｇ＝０．６μｓｅｃであった。
【０１１９】
図９によりｔｓは１．８μｓｅｃであり、この時の駆動周波数１００Ｈｚで１０秒間の１０００回の寿命を測定し、寿命時間ばらつき△τと平均寿命｜τ｜との比（△τ／｜τ｜）を調べた結果、本実施例の△τ／｜τ｜と、単一パルス駆動でのｔｇ＝１．８μｓｅｃの時の△τ／｜τ｜と比べたところ、２分の１より小さいくなっていた。本実施例の駆動波形を用いることにより発泡安定化をはかることができた。
【０１２０】
（比較例３）
次に、上記本発明の駆動信号による寿命は２０．８μｓｅｃであった。単一パルス駆動信号によるｔｇ＝０．３μｓｅｃでは、発熱体電圧が大きいために過電流が発熱体に流れ、発熱体が破損し、寿命を測定することができなかった。また、図９より、ｔｇ＝０．３μｓｅｃでは、寿命は１０μｓｅｃ未満と考えらる。よって、発泡エネルギーは、略第１駆動信号により決定できるものと考えられる。
【０１２１】
以上より、本発明の駆動方法により、過熱液層の厚みを第1駆動信号による加熱にて略決めることができ、発泡安定化のためのトリガーとなる第2信号とは独立に発泡エネルギーを制御することができた。
【０１２２】
また、本発明の駆動方法を用いることにより、ｔｇ＝１．８μｓｅｃの単一矩形パルス駆動の気泡の寿命と比べて略同等の気泡の寿命を得ることができ、十分な発泡エネルギーを確保することが可能であった。
【０１２３】
（実施例６）
本実施例にて図１５を用いて説明した連通吐出方式に適用した例について示す。記録ヘッドは図１５（ｂ）の形式のものを用いた。
【０１２４】
基板として、結晶方位（１００）、p型のシリコンウエハを用い、このウエハを熱酸化して二酸化シリコン膜を０．６μm形成し、この二酸化シリコン膜上に常圧ＣＶＤ法によりＰＳＧ膜を０．７μm堆積し、さらにプラズマＣＶＤ法によりプラズマシリコン酸化膜（ｐ−ＳｉＯ）を堆積させたものを用いてある。この基板上にＴａ−Ｎからなる発熱体の薄膜抵抗体及び、薄膜抵抗体に駆動信号を印加するＡｌ−Ｃｕの配線電極が形成されてある。薄膜抵抗体の上には保護膜となる０．２μｍのプラズマシリコン窒化膜（ｐ―ＳｉＮ）が形成され、さらにこのプラズマシリコン窒化膜（ｐ―ＳｉＮ）上に耐キャビテーションエロージョン及び電気化学反応による腐蝕耐性を持つＴａ膜を２３００Åが形成してある。この発熱体上に、インク路及び吐出口プレートとなるオリフィスプレートが設けてある。基板には、裏面よりシリコンの異方性エッチングによりエッチングすることで形成した貫通孔が設けてあり、この貫通孔をインク供給口として用いる。薄膜抵抗体のサイズは２６μｍ×３２μｍ、吐出口のサイズは２３μｍ×２３μｍ、インク路の高さは１２μｍ、薄膜抵抗体から吐出口側端の高さは２０μｍである。発熱体のシート抵抗は５３Ω／□である。以上の構成によりなる記録ヘッドを１インチ当たり３６０個の密度で４８個配置してある。
【０１２５】
この記録ヘッドを用いて、図１１の駆動信号波形を用いた本発明の駆動方法による液滴の吐出速度及び速度ばらつきを測定した。インクは、図２を用いて説明したものと同様のものを用いた。駆動信号電圧を気泡が発生する最低の電圧の１．１倍に設定した。以下の表に測定した液滴の吐出速度を示す。吐出速度は１０００回吐出を行った時の全吐出速度の平均を表している。単一駆動信号によるパルス幅を変え、吐出速度の減少する発泡時刻を測定した。ｔｇ〜１．５μｓｅｃより、吐出速度が減少し始めて、十分な発泡エネルギーを得ることができなくなっている。以下に単一パルスによる駆動と本発明の駆動方法の駆動信号のパルス幅条件を示す。
【０１２６】
【表１】
比較例４の吐出速度と比べて、急速加熱となる比較例５の吐出速度は3分の２まで低下した。液滴の運動エネルギーは発泡エネルギーに比例し、運動エネルギーは吐出速度の2乗に比例することから、表１より略５０％低下したことになる。本発明の駆動方法である実施例４では、吐出速度は従来例４に比べて大きくなり、急速加熱となる従来例５に対しては第2駆動信号の駆動パルスの印加時間が短いにも係わらず、その吐出速度は１．４４倍となっていた。
【０１２８】
次に、吐出速度の測定より、吐出速度の変動幅を吐出速度の平均で割った値である吐出速度変動量を測定したところ、実施例６では、従来例４比べてその値が３分の１に低減していた。
【０１２９】
以上より、本発明の駆動方法により、過熱液層の厚みを第1駆動信号による加熱にて略決めることができ、発泡安定化のためのトリガーとなる第2信号とは独立に発泡エネルギーを制御することができた。
【０１３０】
【発明の効果】
以上説明したように、上述の本発明の駆動方法や記録装置によると、インクに生成する気泡を安定して形成できることで発泡エネルギーのゆらぎを低減しつつ、発泡エネルギーを十分に高くすることができるため、インクの吐出速度等のインクの吐出特性の向上を図ることが可能となった。、これにより高品位の画像を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の駆動方法と従来駆動方法の違いによる発熱体表面からのインクの温度分布を説明するための図である。
【図２】記録ヘッドの要部断面図である。
【図３】インクジェットヘッドカートリッジの構成をしめす斜視図である。
【図４】インクジェット記録装置の構成を説明するための斜視図である。
【図５】インクジェット記録装置の制御回路の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の駆動方法の駆動信号波形の第1の例を示す図である。
【図７】単一駆動信号波形を示す図である。
【図８】本発明の駆動信号を与えた時の発熱体の抵抗変化から求めた発熱体表面温度の時間変化を示す図である。
【図９】本発明の駆動信号を与えた時の気泡の寿命τの発泡時刻の依存性を示す図である。
【図１０】液滴の吐出速度を測定するための測定系を説明するための図である。
【図１１】本発明の駆動方法の駆動信号波形の第２の例を示す図である。
【図１２】本発明の駆動方法の駆動信号波形の第３の例を示す図である。
【図１３】本発明の駆動方法の駆動信号波形の第４の例を示す図である。
【図１４】本発明の駆動方法の駆動信号波形の第５の例を示す図である。
【図１５】（ａ）及び（ｂ）は、夫々本発明を適用して好適な記録ヘッド及びその吐出方法を説明するための記録ヘッドの要部断面図である。
【図１６】インク加熱のための発熱体表面に接するインク温度の変化を示す線図である。
【図１７】気泡の寿命の単一駆動信号による発泡時間の依存性を説明する模式図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 薄膜抵抗体層
３ インク
４ 天板
５ 共通液室
６ インク路
７ 吐出口
８ 選択電極
９ 共通電極
１０ 発熱体
Claims (8)
- インクを吐出する吐出口と、この吐出口に連通するインク流路と、駆動信号を印加することにより前記インク流路内のインクを加熱して気泡を発生させるための発熱体とを具えたインクジェット記録ヘッドを用い、前記気泡の発生に基づいて前記吐出口からインクを吐出するインクジェット記録ヘッドの駆動方法において、
前記駆動信号は、前記発熱体の表面温度をインクの沸点温度以上でインクが均一核生成を開始する発泡温度未満に加熱する第１駆動信号であって発泡エネルギーをインクに蓄えるための当該第１駆動信号と、インクに気泡を発生させるための第２駆動信号と、を有し、
前記第２駆動信号の印加開始から気泡を発生するまでの時間をｔ＝δｔ、前記第１駆動信号を印加せずに前記第２駆動信号と同じ単一駆動信号のみで気泡を発生させた場合に発泡エネルギーが減少する境界発泡時間をｔ＝ｔｓとすると、δｔ、ｔｓが
δｔ＜ｔｓ
の関係を満たすと共に、前記第１駆動信号の印加を開始した時刻から前記第２駆動信号を開始するまでの時刻の差である第１駆動信号の印加時間をｔ１、第２駆動信号の印加時間を（ｔ２―ｔ１）、駆動信号による発熱体の発熱量をＱ（ｔ）とするとき、ｔ１、ｔ２、Ｑ（ｔ）が
【外１】
を満たす駆動信号を前記発熱体に印加することで気泡を発生させることを特徴とするインクジェット記録ヘッドの駆動方法。 - 前記時間ｔ＝δｔにおける温度上昇率をｄＴ（δｔ）、前記境界発泡時間ｔ＝ｔｓにおける温度上昇率をｄＴ（ｔｓ）とすると、各温度上昇率が
ｄＴ（δｔ）＞ｄＴ（ｔｓ）
を満たす請求項１に記載のインクジェット記録ヘッドの駆動方法。 - 前記第１駆動信号は前記発熱体から熱を受けるインクの過熱インク層の厚さを厚くするための信号である請求項１もしくは請求項２に記載のインクジェット記録ヘッドの駆動方法。
- インクの沸点をＴｂ、発泡温度をＴｇ、前記第１駆動信号を印加する前のインクの温度をＴａｍｂとした場合、δｔが
【外２】
を満たす請求項１〜３のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッドの駆動方法。 - 前記第２駆動信号による発熱体の発熱量が、前記境界発泡時間ｔ＝ｔｓにおける発熱体の発熱量に比べて、同等もしくはそれ以上である請求項１〜４のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッドの駆動方法。
- 前記第１駆動信号と前記第２の駆動信号とは連続した信号である請求項１〜５のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッドの駆動方法。
- 前記第１の駆動信号と前記第２の駆動信号とは休止時間を挟んでいる請求項１〜５のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッドの駆動方法。
- 前記第１駆動信号が複数パルスからなり、パルス間の休止時間が次第に長くなされている請求項７に記載のインクジェット記録ヘッドの駆動方法。
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