KR101137203B1

KR101137203B1 - 액체 토출 장치

Info

Publication number: KR101137203B1
Application number: KR1020040080230A
Authority: KR
Inventors: 에구찌다께오; 도미따마나부; 우시노하마이와오; 오노쇼고
Original assignee: 소니 주식회사
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2012-04-23
Also published as: CN1607089A; KR20050035093A; EP1522409B1; DE602004021886D1; JP2005132084A; US7465031B2; JP4144518B2; US20050116996A1; EP1522409A1; CN1329195C

Abstract

본 발명은 잉크 액적의 비상 특성을 최대한 효율적으로 제어하는 액체 토출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

1개의 잉크 액실(12)내에는 동일 표면 형상 및 동일 발열 특성을 갖는 2개의 발열 소자(13)가 나란히 배치되어 있다. 2개의 발열 소자(13)에 대해 에너지를 동시에 공급함과 함께 2개의 발열 소자(13)상에서의 막 비등에 의한 기포 발생 시각이 상이하도록 2개의 발열 소자(13)에 상이한 에너지 면밀도의 에너지를 공급함으로써, 액적의 생성 과정에 있어서 노즐(18)의 토출면에 평행한 성분을 갖는 비상력을 액적에 부여하도록 제어한다.

액체 토출, 비상 특성, 잉크 액실, 발열 소자, 잉크 액적

Description

액체 토출 장치{LIQUID EJECTING APPARATUS}

도1은 본 발명에 의한 액체 토출 장치를 적용한 잉크젯 프린터의 헤드를 도시한 분해 사시도.

도2는 액체 토출부에 있어서의 발열 소자의 배치를 보다 상세하게 도시한 평면도 및 측면의 단면도.

도3은 잉크 액적의 토출 방향의 편향을 설명하는 도면.

도4는 2분할한 발열 소자의 잉크의 기포 발생 시간차(편향 전류)와 잉크 액적의 착탄 위치에서의 편향량과의 관계를 나타낸 실측치 데이터.

도5는 잉크 액적의 토출 방향을 편향하는 수단을 구체화한 회로도.

도6은 1개의 액체 토출부에 있어서, 발열 소자의 발열전 상태부터 발열후 잉크 액적이 토출될 때까지의 모습을 차례로 도시한 단면도.

도7은 1개의 액체 토출부에 있어서, 발열 소자의 발열전 상태부터 발열후 잉크가 토출될 때까지의 모습을 차례로 도시한 단면도.

도8은 발열 소자에 공급하는 에너지 차를 A영역에서의 값보다 크게 하면, 왜 반대 방향으로 잉크 액적이 토출되는지를 모식적으로 설명하는 도면.

도9는 도4의 그래프에 있어서 제1 범위, 제2 범위 및 제3 범위를 함께 도시한 도면.

도10은 제2 범위 중 편향량이 음이 되는 범위와 제3 범위 중 편향량이 양이 되는 범위의 쌍방을 이용하여 편향량을 제어하는 경우를 도시한 도면.

도11은 제2 범위 중 편향량이 양이 되는 범위와 제3 범위 중 편향량이 음이 되는 범위의 쌍방을 이용하여 편향량을 제어하는 경우를 도시한 도면.

도12는 실제 잉크 액적이 토출하는 순간을 사진 촬영한 결과를 나타낸 도면.

도13은 중앙의 액체 토출부의 발열 소자에 에너지가 부여되고, 우측 발열 소자상의 기포가 급격하게 성장하기 시작한 때의 모습을 나타낸 도면.

도14는 기포 성장이 발열 소자 전체에서 일어나고 있을 때의 모습을 나타낸 도면.

도15는 기포 수축에서 기포 소멸까지의 동안의 모습을 나타낸 도면.

도16은 노즐 시트, 노즐의 직경, 및 배리어층 등의 형상을 설명하는 단면도.

도17은 식 2에 있어서 a=12.5로 하고, K=1로 표준화하였을 때의 실험 데이터와 상기 식과의 상관성을 그래프로서 나타낸 도면.

도18은 잉크 액실의 높이를 일정값으로 하고, 노즐의 개구 직경 및 노즐 시트의 두께를 변화시켰을 때에 편향량이 어떻게 변화하는지를 나타낸 도면.

도19는 노즐의 개구 직경을 일정하게 하고, 노즐 시트의 두께 및 배리어층의 두께를 변화시켰을 때의 편향량을 나타낸 도면.

도20은 식 5를 나타낸 도면.

도21은 식 6을 나타낸 도면.

도22는 3개의 주요 파라미터를 3차원 입체로 나타낸 도면.

도23은 노즐의 개구 직경을 나타낸 평면도 및 단면도.

도24는 액체 토출부의 구체적 형상(치수)을 나타낸 단면도.

도25는 1개의 액체 토출부내의 2개의 발열 소자를 도시한 평면도.

도26은 편향량의 상수를 설명하는 도면.

도27은 실시예 2에 있어서의 헤드의 구체적 구조를 도시한 단면도.

도28은 12개의 실험 결과와 평가항을 표로서 나타낸 도면.

도29는 실험 결과와 평가항을 표로서 나타낸 도면으로서, 노즐의 개구 형상이 원과 장원(長圓)에 대해 나타낸 도면.

도30은 도28의 결과를 그래프로 나타낸 도면.

도31은 노즐의 개구 형상이 원인 경우와 장원인 경우에서 특정 범위내이면 상관의 변화가 없음을 그래프로 나타낸 도면.

도32는 실시예 3의 실험 결과로부터 복수 종류의 노즐의 개구 직경 및 노즐의 개구 면적과 도트 직경을 나타낸 도면.

도33은 도트 직경:노즐의 개구 면적을 그래프화한 도면.

도34는 종래의 라인 헤드를 도시한 평면도.

도35는 도34의 라인 헤드에서의 인화 상태를 도시한 단면도 및 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 헤드

12 : 잉크액실

13 : 발열 소자

14 : 기판 부재

15 : 반도체 기판

16 : 배리어층

17 : 노즐 시트

18 : 노즐

본 발명은 액실내의 액체를 노즐을 통해 토출시키는 액체 토출 장치에 있어서, 액체의 비상 특성 또는 착탄 위치를 제어하는 기술, 구체적으로는 액체 토출부를 복수 병설한 헤드를 구비하는 액체 토출 장치에 있어서, 액체 토출부로부터의 액체의 토출 방향(액체의 착탄 위치)을 제어하는 기술에 관한 것이다.

종래, 액체 토출부를 복수 병설한 헤드를 구비하는 액체 토출 장치의 일례로서, 잉크젯 프린터가 알려져 있다. 또한, 잉크젯 프린터의 잉크 액적의 토출 방식의 하나로서, 열에너지를 이용하여 잉크 액적을 토출시키는 서멀 방식이 알려져 있다.

이 서멀 방식의 프린터 헤드 칩의 구조의 일례로서는, 잉크 액실내의 잉크를 잉크 액실내에 배치된 발열 소자(예컨대, 발열 저항체)로 가열하고, 발열 소자상의 잉크에 기포를 발생시키고, 그 기포 발생시의 에너지에 의해 잉크의 일부를 잉크 액적으로서 토출시키는 것을 들 수 있다. 그리고, 노즐은 잉크 액실의 상면측에 형성되고, 잉크 액실내의 잉크에 기포가 발생하였을 때에 노즐의 토출구로부터 잉크 액적이 토출되도록 구성되어 있다.

그리고, 헤드 구조의 관점에서는 프린터 헤드 칩을 인화지 폭방향으로 이동시켜 인화를 행하는 시리얼 방식이 널리 알려져 있는데, 일본 특허공개 2002-36522호 공보 등에 개시되어 있는 바와 같이, 다수의 프린터 헤드 칩을 인화지 폭방향으로 나란히 배치하고, 인화지의 라인 헤드를 형성한 라인 방식이 알려져 있다.

도34는 종래의 라인 헤드(10)를 도시한 평면도이다. 도34에서는 4개의 프린터 헤드 칩(1)(「N-1」,「N」,「N+1」,「N+2」)을 도시하고 있으나, 실제로는 더욱 다수의 프린터 헤드 칩(1)이 병설되어 있다.

각 프린터 헤드 칩(1)에는 잉크 액적을 토출하는 토출구를 갖는 노즐(1a)이 복수 형성되어 있다. 노즐(1a)은 특정 방향으로 병설되어 있고, 이 특정 방향은 인화지 폭방향과 일치하고 있다. 또한, 이 프린터 헤드 칩(1)이 상기 특정 방향으로 복수 배치되어 있다. 인접하는 프린터 헤드 칩(1)은 각각 노즐(1a)이 대향하도록 배치되어 있음과 함께 인접하는 프린터 헤드 칩(1) 사이에서는 노즐(1a)의 피치가 연속하도록 배치되어 있다(A부 상세 참조).

그러나, 상술한 일본 특허공개 2002-36522호 공보의 기술에서는, 프린터 헤드 칩(1)에서 잉크 액적을 토출할 때, 잉크 액적은 프린터 헤드 칩(1)의 토출면에 대해 수직으로 토출되는 것이 이상적이나, 실제로는 여러 요인으로 인해 잉크 액적의 토출 각도가 수직으로 되지 않는 경우가 있었다.

예컨대, 발열 소자를 갖는 잉크 액실의 상면에, 노즐(1a)이 형성된 노즐 시 트를 접합하는 경우, 잉크 액실 및 발열 소자와 노즐(1a)의 접합 위치 어긋남이 문제가 된다. 잉크 액실 및 발열 소자의 중심상에 노즐(1a)의 중심이 위치하도록 노즐 시트가 접합되면, 잉크 액적은 토출면(노즐 시트면)에 수직으로 토출되는데, 잉크 액실 및 발열 소자와 노즐(1a)의 중심 위치에 어긋남이 발생하면, 잉크 액적은 토출면에 대해 수직으로 토출되지 않게 된다.

또한, 잉크 액실 및 발열 소자와 노즐 시트의 열팽창률의 차이로 인한 위치 어긋남도 발생할 수 있다.

토출면에 대해 수직으로 잉크 액적이 토출된 때에는, 이상적으로 정확한 위치에 착탄되는 것으로 하여 잉크 액적의 토출 각도가 수직에서 θ만큼 어긋나면, 토출면과 인화지면(잉크 액적의 착탄면)까지 사이의 거리(잉크젯 방식의 경우, 통상은 1～2㎜)를 H(H는 일정)로 하였을 때, 잉크 액적의 착탄 위치 어긋남(ΔL)은

ΔL=H×tanθ

가 된다.

여기서, 이러한 잉크 액적의 토출 각도의 어긋남이 발생한 때에는 시리얼 방식의 경우에는 노즐(1a) 사이에서의 잉크 액적의 착탄 피치 어긋남으로 되어 나타난다. 그리고, 라인 방식에서는 상기 착탄 피치 어긋남에 추가하여 프린터 헤드 칩(1) 사이의 착탄 위치 어긋남으로 되어 나타난다.

도35는 도34에서 도시한 라인 헤드(10)(프린터 헤드 칩(1)을 노즐(1a)의 배열 방향으로 복수 배치한 것)에서의 인화 상태를 나타내는 단면도 및 평면도이다. 도35에 있어서, 인화지(P)를 고정해서 생각하면, 라인 헤드(10)는 인화지(P)의 폭 방향으로는 이동하지 않고, 평면도에 있어서 위에서 아래로 이동하며 인화를 행한다.

도35의 단면도에서는, 라인 헤드(10) 중 N번째, N+1번째, 및 N+2번째의 3개의 프린터 헤드 칩(1)를 도시하고 있다.

단면도에 있어서, N번째의 프린터 헤드 칩(1)에서는 화살표로 나타낸 바와 같이 도면중 좌측 방향으로 잉크 액적이 경사져서 토출되고, N+1번째의 프린터 헤드 칩(1)에서는 화살표로 나타낸 바와 같이 도면중 우측 방향으로 잉크 액적이 경사져서 토출되고, N+2번째의 프린터 헤드 칩(1)에서는 화살표로 나타낸 바와 같이 토출 각도의 어긋남이 없이 수직으로 잉크 액적이 경사져서 토출되고 있는 예를 도시하고 있다.

따라서, N번째의 프린터 헤드 칩(1)에서는 기준 위치보다 좌측으로 어긋나서 잉크 액적이 착탄되고, N+1번째의 프린터 헤드 칩(1)에서는 기준 위치보다 우측으로 어긋나서 잉크 액적이 착탄된다. 따라서, 양자간은 서로 멀어지는 방향으로 잉크 액적이 착탄된다. 그 결과, N번째의 프린터 헤드 칩(1)과 N+1번째의 프린터 헤드 칩(1) 사이에는 잉크 액적이 토출되지 않는 영역이 형성된다. 그리고, 라인 헤드(10)는 인화지(P)의 폭방향으로는 이동하지 않고, 평면도에 있어서 화살표 방향으로 이동될 뿐이다. 이에 따라, N번째의 프린터 헤드 칩(1)과 N+1번째의 프린터 헤드 칩(1) 사이에는 흰색 줄(B)이 들어가서 인화 품위가 저하된다는 문제가 있었다.

또한, 상기한 바와 마찬가지로, N+1번째의 프린터 헤드 칩(1)에서는 기준 위 치보다 우측으로 어긋나서 잉크 액적이 착탄되기 때문에, N+1번째의 프린터 헤드 칩(1)와 N+2번째의 프린터 헤드 칩(1) 사이에는 잉크 액적이 겹치는 영역이 형성된다. 이에 따라, 화상이 불연속으로 되거나 본래의 색보다 짙은 색으로 되어 줄(C)이 들어가서 인화 품위가 저하된다는 문제가 있었다.

그리고, 이상과 같은 잉크 액적의 착탄 위치 어긋남이 발생한 경우에 있어서, 줄이 눈에 띄는지의 여부는 인화되는 화상에 따라서도 좌우된다. 예컨대, 문자 등에서는 공백 부분이 많기 때문에 가령 줄이 들어가도 별로 눈에 띄지 않는다. 이에 대해, 인화지의 거의 전영역에 풀 컬러로 사진 화상을 인화하는 경우에는 약간의 줄이 들어가도 이것이 눈에 띄지 않게 된다.

도35에서 설명한 바와 같은 줄의 발생 방지를 목적으로 하여 본원 출원인으로부터 일본 특허공개 2002-240287호 공보의 기술이 제안되어 있다.

일본 특허공개 2002-240287호 공보는, 잉크 액실내에 개별적으로 구동 가능한 복수의 발열 소자(히터)를 설치하고, 각 발열 소자를 독립적으로 구동함으로써 잉크 액적의 토출 방향을 변경할 수 있도록 한 것이다. 이 특허공개 2002-240287호 공보의 기술에 의해 상기 줄(흰색 줄(B) 및 줄(C))의 발명은 해결할 수 있다고 생각되었다.

그러나, 일본 특허공개 2002-240287호 공보는, 복수의 발열 소자를 각각 독립적으로 제어함으로써 잉크 액적의 토출 방향을 편향시키는 것인데, 그 후의 검토에 의해 일본 특허공개 2002-240287호 공보의 방법을 채택한 경우에는 잉크 액적의 토출이 불안정해지는 경우가 있어, 안정되게 고품질의 인화를 얻을 수 없다는 문제 가 있음이 판명되었다.

본원 발명자들의 검토에 의하면, 액체 토출부로부터의 잉크 액적의 토출량은 통상 발열 소자에 인가하는 전력의 증가에 따라 단조롭게 증가하는 경우는 없고, 소정 전력을 가할 때까지는 토출에 이르지 않는다. 다시 말하면, 소정치 이상의 전력을 공급하지 않으면 충분한 양의 잉크 액적을 토출할 수 없다.

따라서, 복수의 발열 소자를 각각 독립적으로 구동하는 경우에 있어서, 일부의 발열 소자만을 구동하여 잉크 액적을 토출시키고자 할 때에는, 그 일부의 발열 소자의 구동만으로 잉크 액적의 토출에 충분한 열량을 발생시킬 필요가 있다. 때문에, 복수의 발열 소자를 각각 독립적으로 구동하는 경우에 있어서, 일부의 발열 소자만으로 잉크 액적을 토출하고자 할 때에는 그 일부의 발열 소자에 대해 공급하는 전력을 크게 할 필요가 발생한다. 이러한 상황은 최근의 고해상도화에 따른 발열 소자의 소형화에 대해 불리한 상황을 낳는다.

즉, 잉크 액적을 안정되게 토출하기 위해서는, 각 발열 소자의 단위 면적당 에너지 발생량을 종래에 비해 매우 높게 할 필요가 발생하고, 그 결과 소형화된 발열 소자가 받는 데미지가 증대한다. 따라서, 발열 소자의 수명이 저하되고, 나아가서는 헤드의 수명이 저하된다는 문제가 발생한다.

이상으로부터 고해상도화에 따라 소형화된 발열 소자를 갖는 헤드에서는, 상기 각종 기술로는 상기 줄무늬의 발생을 방지할 수 없다.

본 발명은 이하의 해결 수단에 의해 상기 기술한 과제를 해결한다.

본 발명은 토출해야 할 액체를 수용하는 액실과, 액실내에 설치된 발열 소자와, 액실 내로부터 액적을 토출시키기 위한 노즐을 형성한 노즐 형성 부재를 구비하고, 발열 소자에 가열을 위한 에너지를 공급하여, 발열 소자상에서 막 비등에 의한 기포를 발생시키고, 그 기포의 발생에 의해 액실내의 액체에 비상력을 부여함과 함께, 기포 발생후의 수축에 의한 압력 변화에 의해 액실내의 액체의 일부를 액적으로서 분리시켜 노즐로부터 토출시키고, 1개의 액실내에 설치된 발열 소자는, 동일 표면 형상 및 동일 발열 특성을 갖는 2개의 기포 발생 영역이 나란히 배치된 것이며, 2개의 기포 발생 영역에 대해 에너지를 동시에 공급함과 함께, 2개의 기포 발생 영역상에서의 막 비등에 의한 기포 발생 시각이 상이하도록 2개의 기포 발생 영역에 상이한 에너지 면밀도의 에너지를 공급함으로써, 액적의 생성 과정에 있어서 노즐의 토출면에 평행한 성분을 갖는 비상력을 액적에 부여하도록 제어하고, 또한, 2개의 기포 발생 영역의 에너지 면밀도의 차가 0이며 액적의 비상력 중 노즐의 토출면에 평행한 성분이 0이 되는 점을 원점으로 하여, 에너지 면밀도의 차의 증대에 수반하여 액적의 비상력 중 노즐의 토출면에 평행한 성분이 증가함과 함께 피크치에 도달하고, 그 후 노즐의 토출면에 평행한 성분이 감소하도록 변화하는 범위내로서, 원점을 중심으로 에너지 면밀도의 차의 증대에 수반하여 액적의 비상력 중 노즐의 토출면에 평행한 성분이 피크치까지 증가하는 제1 범위, 제1 범위에 인접하는 범위로서, 2개의 기포 발생 영역의 에너지 면밀도의 차의 축소에 수반하여 액적의 비상력 중 노즐의 토출면에 평행한 성분이 0이 되는 점을 포함하는 범위에서 노즐의 토출면에 평행한 성분이 피크치까지 변화하는 제2 범위, 제1 범위에 인접함과 함께 2개의 기포 발생 영역의 에너지 면밀도의 차가 0인 점에 대해 제2 범위와 대칭인 범위이고, 제2 범위에 있어서의 2개의 기포 발생 영역에 공급하는 에너지의 조건을 역전함으로써 얻어지는 관계로서, 2개의 기포 발생 영역의 에너지 면밀도의 차의 증대에 수반하여 액적의 비상력 중 노즐의 토출면에 평행한 성분이 0이 되는 점을 포함하는 범위에서 노즐의 토출면에 평행한 성분이 피크치 이후에 변화하는 제3 범위 중 어느 하나의 범위 내 또는 복수의 범위 내에서 2개의 기포 발생 영역에 공급하는 에너지 면밀도의 차를 변화시킴으로써, 액적의 비상력 중 노즐의 토출면에 평행한 성분의 크기를 변화시키도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서는, 1개의 액실내에는 동일 표면 형상 및 동일 발열 특성을 갖는 2개의 기포 발생 영역이 나란히 배치되어 있다. 그리고, 액적의 토출시에는 2개의 기포 발생 영역상에서의 막 비등에 의한 기포 발생 시각이 상이하도록 2개의 기포 발생 영역에 상이한 에너지 면밀도의 에너지가 동시(동시각)에 부여된다.

그리고, 본 발명의 「2개의 기포 발생 영역」은 이하의 실시 형태에서는 2개의 발열 소자(13)를 사용하여 설명하였으나, 이 발열 소자(13)는 2개로 완전히 분 할(분리)되어 있는 것이 아니라 연결된 것으로서, 각 발열 소자(13)마다 기포 발생 영역을 갖는 것이다. 따라서, 「2개의 기포 발생 영역」은 실시 형태의 「2개의 발열 소자(13)」와 동일한 의미이다.

본 발명에 의하면, 동일 표면 형상 및 동일 발열 특성을 갖는 2개의 기포 발생 영역에 동시에 에너지를 공급함과 함께, 공급하는 에너지의 에너지 면밀도를 변경함으로써, 액적에는 토출에 필요한 비상력이 부여됨과 함께, 액적의 비상력에는 노즐의 토출면에 평행한 성분을 갖게 된다. 그리고, 공급하는 에너지 면밀도의 차에 따라 액적의 토출 방향(예컨대, 어느 정도 편향시킬 것인지나 어느 방향으로 액적을 토출할 것인지 등)을 쉽게 제어할 수 있다.

본건 발명자들은 아직 공개되지 않은 선원 기술인 일본 특허출원 2002-320861호나 동 특허출원 2003-55236호 등을 통해 이미 제안한 바 있다. 이들 기술에 의해 발열 소자의 수명을 저하시키지 않고 안정되게 액체를 토출할 수 있게 하면서 잉크 액적의 비상 특성 또는 착탄 위치를 제어할 수 있게 되었다.

또한, 본건 발명자들은 실용화를 위해 잉크 액적의 비상 특성의 편차를 어떻게 줄일지를 그 후에도 계속 검토해 왔다. 그리고, 본건 발명자들에 의해 이미 제안되어 있는 상기 일본 특허출원 2002-320861호나 동 2003-55236호 등의 기술을 기초로, 노즐 직경이나 액실의 치수 등에 어떠한 관계를 부여하여 설정하였을 때에 잉크 액적의 비상 특성을 최대한 효율적으로 제어할 수 있게 될지를 해명하였다.

도1은 본 발명에 의한 액체 토출 장치를 적용한 잉크젯 프린터(이하, 간단히 「프린터」라 함)의 헤드(11)를 도시한 분해 사시도이다. 도1에 있어서, 노즐 시 트(본 발명에 있어서의 노즐 형성 부재에 상당하는 것)(17)는 배리어층(16)상에 접합되는데, 이 노즐 시트(17)를 분해하여 도시하고 있다.

헤드(11)에 있어서, 기판 부재(14)는 실리콘 등으로 이루어진 반도체 기판(15)과, 이 반도체 기판(15)의 일측 면에 석출 형성된 발열 소자(특히 본 실시 형태에서는 저항에 의해 형성한 발열 저항체)(13)를 구비하는 것이다. 발열 소자(13)는 반도체 기판(15)상에 형성된 도체부(도시 생략)를 통해 후술하는 회로와 전기적으로 접속되어 있다.

또한, 배리어층(16)은 예컨대 감광성 감화 고무 레지스트나 노광 경화형 드라이 필름 레지스트로 이루어지고, 반도체 기판(15)의 발열 소자(13)가 형성된 면의 전체에 적층된 후, 포토리소그래픽 프로세스에 의해 불필요한 부분이 제거됨으로써 형성되어 있다.

또한, 노즐 시트(17)는 복수의 노즐(18)이 형성된 것으로서, 예컨대 니켈에 의한 전주(電鑄) 기술에 의해 형성되고, 노즐(18)의 위치가 발열 소자(13)의 위치와 맞도록, 즉 노즐(18)이 발열 소자(13)에 대향하도록 배리어층(16)의 위에 접합되어 있다.

잉크 액실(12)은 발열 소자(13)를 둘러싸도록 기판 부재(14)와 배리어층(16)과 노즐 시트(17) 및 노즐(18)로 구성된 것이다. 즉, 기판 부재(14)는 도면중 잉크 액실(12)의 저벽을 구성하고, 배리어층(16) 및 노즐(18)의 내벽면은 잉크 액실(12)의 측벽을 구성하고, 노즐 시트(17)의 표면은 잉크 액실(12)의 천정면을 구성한다.

이에 따라, 잉크 액실(12)은 도1 중 우측 전방면에 개구면을 갖고, 이 개구면과 잉크 유로(도시 생략)가 연통된다.

상기 1개의 헤드(11)에는 통상 100개 단위의 복수의 발열 소자(13) 및 각 발열 소자(13)를 구비한 잉크 액실(12)을 구비하고, 프린터의 제어부로부터의 지령에 의해 이들 발열 소자(13)의 각각을 일의적으로 선택하여 발열 소자(13)에 대응하는 잉크 액실(12)내의 잉크를, 잉크 액실(12)에 대향하는 노즐(18)로부터 토출시킬 수 있다.

즉, 헤드(11)와 결합된 잉크 탱크(도시 생략)로부터 잉크 액실(12)에 잉크가 채워진다. 그리고, 발열 소자(13)에 단시간, 예컨대 1～3μsec 동안 펄스 전류를 흘려보냄으로써, 발열 소자(13)가 급속하게 가열되고, 그 결과 발열 소자(13)와 접하는 부분에 기상(氣相)의 잉크 기포가 발생하고, 그 잉크 기포의 팽창에 의해 소정 체적의 잉크가 밀려난다(잉크가 비등한다). 이에 따라, 노즐(18)에 접하는 부분의 상기 밀려난 잉크와 거의 동등한 체적의 잉크가 액적으로서 노즐(18)로부터 토출되어 인화지(액체 토출 대상체)상에 착탄된다.

그리고, 본 명세서에 있어서 1개의 잉크 액실(12)과, 이 1개의 잉크 액실(12)내에 배치된 발열 소자(13)와, 그 상부에 배치된 노즐(18)을 포함한 노즐 시트(17)로 구성되는 부분을 「액체(잉크) 토출부」라 한다. 즉, 헤드(11)는 복수의 액체 토출부를 병설한 것이다.

또한, 실시 형태에 있어서도, 종래 기술에서 설명한 바와 같이 복수의 헤드(11)를 인화지 폭방향으로 늘어놓아 라인 헤드를 형성하고 있다. 이 경우에는 복 수의 헤드 칩(헤드(11) 중 노즐 시트(17)가 설치되어 있지 않은 것)을 늘어놓은 후, 1장의 노즐 시트(17)(각 헤드 칩의 모든 잉크 액실(12)에 대응하는 위치에 노즐(18)이 형성된 것)를 접합시켜 라인 헤드를 형성한다.

도2는 액체 토출부에 있어서의 발열 소자(13)의 배치를 보다 상세하게 도시한 평면도 및 측면의 단면도이다. 도2의 평면도에서는 노즐(18)을 일점쇄선으로 도시하고 있다.

도2에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 1개의 잉크 액실(12)내에 2분할된 발열 소자(13)가 병설되어 있다. 그리고, 2분할된 발열 소자(13)의 배열 방향은 노즐(18)의 배열 방향(도2 중 좌우 방향)이다.

한편 「2분할된」이란, 2개의 발열 소자(13)가 물리적으로 완전하게 분리되어 있는 것만을 의미하는 것은 아니다. 후술하는 실시예에서는 2개의 발열 소자(13)는 일부에서 연결되어 있다. 그 2개의 발열 소자(13)는 평면적으로 보았을 때에 대략 오목형을 이루고 있고, 그 대략 오목형의 양선단부와 중앙의 꺽임(변곡) 부분에 전극을 설치함으로써, 실질적으로 2개의 발열 소자가 2분할된 것 같은 형상을 이루는 것이다.

1개의 발열 소자(13)를 세로로 나눈 2분할형의 것에서는 길이가 동일하고 폭이 절반으로 되기 때문에, 발열 소자(13)의 저항치는 2배의 값이 된다. 이 2개의 분할된 발열 소자(13)를 직렬로 접속하면, 2배의 저항치를 갖는 발열 소자(13)가 직렬로 접속되게 되어 저항치는 4배가 된다(또, 이 값은 도2에 있어서 병설되어 있는 각 발열 소자(13) 사이의 거리를 고려하지 않은 경우의 계산치이다).

여기서, 잉크 액실(12)내의 잉크를 비등시키기 위해서는, 발열 소자(13)에 일정한 전력을 가하여 발열 소자(13)를 가열할 필요가 있다. 이 비등시의 에너지에 의해 잉크를 토출시키기 위함이다. 그리고, 저항치가 작으면, 흐르는 전류를 크게 할 필요가 있으나, 발열 소자(13)의 저항치를 높게 함으로써, 적은 전류로 비등시킬 수 있게 된다.

이에 따라, 전류를 흘리기 위한 트랜지스터 등의 크기도 작게 할 수 있어 에너지 절약을 도모할 수 있다. 또, 발열 소자(13)의 두께를 얇게 형성하면 저항치를 높게 할 수 있으나, 발열 소자(13)로서 선정되는 재료나 강도(내구성)의 관점에서 발열 소자(13)의 두께를 얇게 하기에는 일정한 한계가 있다. 따라서, 두께를 얇게 하지 않고 분할함으로써 발열 소자(13)의 저항치를 높이고 있다.

또한, 1개의 잉크 액실(12)내에 2분할된 발열 소자(13)를 구비한 경우에는, 각각의 발열 소자(13)가 잉크를 비등시키는 온도에 도달할 때까지의 시간(기포 발생 시간)을 동시로 하는 것이 통상이다. 2개의 발열 소자(13)의 기포 발생 시간에 시간차가 발생하면, 잉크 액적의 토출 각도는 수직이 아니게 되어 잉크 액적의 토출 방향은 편향된다.

도3은 잉크 액적의 토출 방향의 편향을 설명하는 도면이다. 도3에 있어서, 잉크 액적(i)의 토출면에 대해 수직으로 잉크 액적(i)이 토출되면, 편향없이 잉크 액적(i)이 토출된다. 이에 비해, 잉크 액적(i)의 토출 방향이 편향되어 토출 각도가 수직 위치에서 θ만큼 어긋나면(도3 중 Z1 또는 Z2 방향), 토출면과 인화지(P)면(잉크 액적(i)의 착탄면)까지의 사이의 거리를 H라 했을 때, 잉크 액적(i)의 착 탄 위치는

ΔL=H×tanθ

만큼 어긋나게 된다.

도4는 2분할한 발열 소자(13)의 잉크의 기포 발생 시간차로서, 2분할한 발열 소자(13) 사이의 전류량의 차이의 2분의 1을 편향 전류로서 횡축에 나타내고, 잉크 액적의 착탄 위치에서의 편향량(잉크 액적의 토출면에서 인화지의 착탄 위치까지의 사이의 거리를 약 2㎜로 하여 실측)을 종축에 나타낸 경우의 실측치 데이터이다. 도4에서는 각 발열 소자(13)의 저항치를 약 75Ω으로 하고, 발열 소자(13)의 주전류를 80㎃로 하여 2개의 발열 소자(13)의 중점에 편향 전류를 흘려보냄으로써 잉크 액적를 편향 토출하였다.

노즐(18)의 배열 방향으로 2분할한 발열 소자(13)의 기포 발생에 시간차를 갖는 경우에는, 도4에 도시한 바와 같이 편향 전류치에 따라 잉크 액적의 토출 각도가 수직으로 되지 않게 함으로써, 잉크 액적의 착탄 위치가 어긋나게(편향하게) 된다.

그래서, 본 실시 형태에서는 이 특성을 이용하여 2개의 발열 소자(13)를 직렬로 접속하여 그 중점(또는 중계점)에 전류를 흘려보내 발열 소자(13)에 흐르는 전류량의 밸런스를 변화함으로써, 2개의 발열 소자(13)상의 기포 발생 시간에 시간차가 발생하도록(상이한 시각에 발생하도록) 제어하여 잉크 액적의 토출 방향을 편향시키도록 하고 있다.

그리고, 예컨대 2분할한 발열 소자(13)의 저항치가 제조 오차 등에 의해 동일한 값으로 되지 않은 경우에는, 2개의 발열 소자(13)에 기포 발생 시간차가 발생하기 때문에, 잉크 액적의 토출 각도가 수직으로 되지 않게 되어, 잉크 액적의 착탄 위치가 본래의 위치에서 어긋난다. 그러나, 2분할된 발열 소자(13)에 흘리는 전류량을 변경함으로써, 각 발열 소자(13)상의 기포 발생 시간을 제어하여 2개의 발열 소자(13)의 기포 발생 시간을 동시로 하면, 잉크 액적의 토출 각도를 수직으로 할 수도 있게 된다.

예컨대, 라인 헤드에 있어서 특정 1 또는 2 이상의 헤드(11) 전체의 잉크 액적의 토출 방향을 본래의 토출 방향에 대해 편향시킴으로써, 제조 오차 등으로 인해 잉크 액적이 인화지의 착탄면에 수직으로 토출되지 않는 헤드(11)의 토출 방향을 교정하여 수직으로 잉크 액적이 토출되도록 할 수 있다.

또한, 1개의 헤드(11)에 있어서 1 또는 2 이상의 특정 액체 토출부로부터의 잉크 액적의 토출 방향만을 편향시키는 것을 들 수 있다. 예컨대, 1개의 헤드(11)에 있어서 특정 액체 토출부로부터의 잉크 액적의 토출 방향이 다른 액체 토출부로부터의 잉크 액적의 토출 방향에 대해 평행하지 않은 경우에는, 그 특정 액체 토출부로부터의 잉크 액적의 토출 방향만을 편향시켜 다른 액체 토출부로부터의 잉크 액적의 토출 방향에 대해 평행해지도록 조정할 수 있다.

그리고, 다음과 같이 잉크 액적의 토출 방향을 편향시킬 수 있다.

예컨대, 인접하는 액체 토출부「N」와 액체 토출부「N+1」로부터 잉크 액적을 토출하는 경우에 있어서, 액체 토출부「N」 및 액체 토출부「N+1」로부터 각각 잉크 액적이 편향없이 토출되었을 때의 착탄 위치를 각각 착탄 위치「n」 및 착탄 위치「n+1」이라 한다. 이 경우에는, 액체 토출부「N」으로부터 잉크 액적을 편향없이 토출하여 착탄 위치「n」에 착탄시킬 수 있음과 함께, 잉크 액적의 토출 방향을 편향시켜 착탄 위치「n+1」에 잉크 액적을 착탄시킬 수 있다.

마찬가지로, 액체 토출부「N+1」로부터 잉크 액적을 편향없이 토출하여 착탄 위치「n+1」에 착탄시킬 수 있음과 함께, 잉크 액적의 토출 방향을 편향시켜 착탄 위치「n」에 잉크 액적을 착탄시킬 수 있다.

이렇게 함으로써, 예컨대 액체 토출부「N+1」에 눈 막힘 등이 일어나서 잉크 액적을 토출할 수 없게 된 경우에는, 본래대로라면 착탄 위치「n+1」에는 착탄시킬 수 없게 되어, 도트가 빠져서 그 헤드(11)는 불량이 된다.

그러나, 이러한 경우에는 액체 토출부「N+1」에 인접하는 다른 액체 토출부「N」, 또는 액체 토출부「N+2」에 의해 잉크를 편향시켜 토출하고, 잉크 액적을 착탄 위치「n+1」에 착탄시킬 수 있게 된다.

도5는 잉크 액적의 토출 방향을 편향하는 수단을 구체화한 회로도이다. 우선, 이 회로에 사용되는 요소 및 접속 상태를 설명한다.

도5에 있어서, 저항(Rh-A 및 Rh-B)은 상술한 2분할된 발열 소자(13)의 저항으로서, 양자는 직렬로 접속되어 있다. 전원(Vh)은 저항(Rh-A 및 Rh-B)에 전류를 흘리기 위한 전원이다.

도5에 나타낸 회로에서는, 트랜지스터로서 M1～M21을 구비하고 있고, 트랜지스터(M4, M6, M11, M14, M16, M19 및 M21)는 PMOS 트랜지스터이고, 그 외에는 NMOS 트랜지스터이다. 도5의 회로에서는, 예컨대 트랜지스터(M2, M3, M4, M5 및 M6)에 의해 1세트의 커런트 미러 회로(이하, 「CM」회로라 약칭함)를 구성하고 있고, 합계 4세트의 CM 회로를 구비하고 있다.

이 회로에서는 트랜지스터(M6)의 게이트와 드레인 및 트랜지스터(M4)의 게이트가 접속되어 있다. 또한, 트랜지스터(M4와 M3) 및 트랜지스터(M6와 M5)의 드레인 끼리가 접속되어 있다. 다른 CM 회로에 대해서도 동일하다.

또한, CM 회로의 일부를 구성하는 트랜지스터(M4, M9, M14 및 M19), 그리고 트랜지스터(M3, M8, M13 및 M18)의 드레인은 저항(Rh-A와 Rh-B)의 중점에 접속되어 있다.

또한, 트랜지스터(M2, M7, M12 및 M17)는 각각 각 CM 회로의 정전류원이 되는 것으로서, 그 드레인이 각각 트랜지스터(M3, M5, M8, M10, M13, M15, M18 및 M20)의 소스에 접속되어 있다.

또한, 트랜지스터(M1)는 그 드레인이 저항(Rh-B)과 직렬로 접속되어 토출 실행 입력 스위치(A)가 “1”(ON)로 되었을 때에 ON으로 되고, 저항(Rh-A 및 Rh-B)에 전류를 흘리도록 구성되어 있다.

또한, AND 게이트(X1 내지 X9)의 출력 단자는 각각 트랜지스터(M1, M3, M5, …)의 게이트에 접속되어 있다. 또, AND 게이트(X1 내지 X7)는 2입력 타입의 것이지만, AND 게이트(X8 및 X9)는 3입력 타입의 것이다. AND 게이트(X1～X9)의 입력 단자의 적어도 1개는 토출 실행 입력 스위치(A)와 접속되어 있다.

또한, XNOR 게이트(X10, X12, X14 및 X16) 중 1개의 입력 단자는 편향 방향 전환 스위치(C)와 접속되어 있고, 다른 1개의 입력 단자는 편향 제어 스위치(J1 내 지 J3) 또는 토출 각도 보정 스위치(S)와 접속되어 있다.

편향 방향 전환 스위치(C)는 잉크 액적의 토출 방향을 노즐(18)의 배열 방향에 있어서 어느쪽으로 편향시킬지를 전환하기 위한 스위치이다. 편향 방향 전환 스위치(C)가 “1”(ON)이 되면 XNOR 게이트(X10)의 일측 입력이 “1”로 된다.

또한, 편향 제어 스위치(J1 내지 J3)는 각각 잉크 액적의 토출 방향을 편향시킬 때의 편향량을 결정하기 위한 스위치로서, 예컨대 입력 단자(J3)가 “1”(ON)이 되면 XNOR 게이트(X10)의 입력 중 하나가 “1”로 된다.

또한, XNOR 게이트(X10 내지 X16)의 각 출력 단자는, AND 게이트(X2, X4, …) 중 하나의 입력 단자에 접속됨과 함께, NOT 게이트(X11, X13, …)를 통해 AND 게이트(X3, X5, …) 중 하나의 입력 단자에 접속되어 있다. 또한, AND 게이트(X8 및 X9)의 입력 단자 중 하나는 토출각 보정 스위치(K)와 접속되어 있다.

또한, 편향 진폭 제어 단자(B)는 편향 1단계의 진폭을 결정하기 위한 단자로서, 각 CM 회로의 정전류원이 되는 트랜지스터(M2, M7, …)의 전류치를 결정하는 단자이고, 트랜지스터(M2, M7, …)의 게이트에 각각 접속되어 있다. 편향 진폭을 0으로 하기 위해서는 이 단자를 0V로 하면, 전류원의 전류가 0이 되어 편향 전류가 흐르지 않아 진폭을 0으로 할 수 있다. 이 전압을 서서히 높여 가면, 전류치는 점차 증대하여 편향 전류를 많이 흘릴 수 있으므로 편향 진폭도 크게 할 수 있다.

즉, 적정한 편향 진폭을 이 단자에 인가하는 전압으로 제어할 수 있는 것이다.

또한, 저항(Rh-B)에 접속된 트랜지스터(M1)의 소스 및 각 CM 회로의 정전류 원이 되는 트랜지스터(M2, M7, …)의 소스는 그라운드(GND)에 접지되어 있다.

이상의 구성에 있어서, 각 트랜지스터(M1 내지 M21)에 괄호로 표시한 「×N(N=1, 2, 4 또는 50)」의 숫자는, 소자의 병렬 상태를 나타내고, 예컨대 「×1」(M12 내지 M21)은 표준 소자를 갖는 것을 나타내고, 「×2」(M7 내지 M11)는 표준 소자 2개를 병렬로 접속한 것과 등가의 소자를 갖는 것을 나타낸다. 이하, 「×N」는 표준 소자 N개를 병렬로 접속한 것과 등가인 소자를 갖는 것을 나타내고 있다.

이에 따라, 트랜지스터(M2, M7, M12 및 M17)는 각각 「×4」, 「×2」, 「×1」, 「×1」이기 때문에, 이들 트랜지스터의 게이트와 그라운드 사이에 적당한 전압을 부여하면, 각각의 드레인 전류는 4:2:1:1의 비율로 된다.

이어서, 본 회로의 동작에 대해 설명하는데, 먼저 트랜지스터(M3, M4, M5 및 M6)로 이루어진 CM 회로에만 착안하여 설명한다.

토출 실행 입력 스위치(A)는 잉크를 토출할 때에만 “1”(ON)이 된다.

예컨대, A=“1”, B=2.5V 인가, C=“1” 및 J3=“1”일 때, XNOR 게이트(X10)의 출력은 “1”이 되므로, 이 출력 “1”과 A=“1”이 AND 게이트(X2)에 입력되고, AND 게이트(X2)의 출력은 “1”로 된다. 따라서, 트랜지스터(M3)는 ON으로 된다.

또한, XNOR 게이트(X10)의 출력이 “1”일 때에는 NOT 게이트(X11)의 출력은 “0”이기 때문에, 이 출력“0”과, A=“1”이 AND 게이트(X3)의 입력이 되므로, AND 게이트(X3)의 출력은 “0”이 되고, 트랜지스터(M5)는 OFF로 된다.

따라서, 트랜지스터(M4 와 M3)의 드레인끼리 및 트랜지스터(M6과 M5)의 드레인끼리가 접속되어 있기 때문에, 상술한 바와 같이 트랜지스터(M3)가 ON, 또한 트랜지스터(M5)가 OFF일 때에는, 트랜지스터(M4)에서 트랜지스터(M3)로 전류가 흐르는데, 트랜지스터(M6)에서 트랜지스터(M5)로는 전류가 흐르지 않는다. 또한, CM 회로의 특성에 따라 트랜지스터(M6)에 전류가 흐르지 않을 때에는 트랜지스터(M4)에도 전류는 흐르지 않는다. 또한, 트랜지스터(M2)의 게이트에 2.5V 인가되어 있기 때문에, 이에 따른 전류가 상술한 경우에는 트랜지스터(M3, M4, M5 및 M6) 중 트랜지스터(M3)에서 트랜지스터(M2)로만 흐른다.

이 상태에 있어서, 트랜지스터(M5)의 게이트가 OFF되어 있기 때문에 트랜지스터(M6)에는 전류가 흐르지 않고, 그 미러가 되는 트랜지스터(M4)도 전류는 흐르지 않는다. 저항(Rh-A 및 Rh-B)에는 본래 동일한 전류(Ih)가 흐르는데, 트랜지스터(M3)의 게이트가 ON되어 있는 상태에서는, 트랜지스터(M2)로 결정한 전류치를 트랜지스터(M3)를 통해 저항(Rh-A 및 Rh-B)의 중점으로부터 인출하기 때문에, 저항(Rh-A)측에서는 트랜지스터(M2)에서 결정한 전류치가 가산되고, 저항(Rh-B)측에서는 감산된다.

따라서, IRh-A＞ IRh-B로 된다.

이상은 C=“1”인 경우인데, 이어서 C=“0”인 경우, 즉 편향 방향 전환 스위치(C)의 입력만을 달리 한 경우(그 외의 스위치(A, B, J3)는 상기와 마찬가지로 “1”로 한다)는 다음과 같이 된다.

C=“0” 또한 J3=“1”일 때에는 XNOR 게이트(X10)의 출력은 “0”이 된다. 이에 따라, AND 게이트(X2)의 입력은 (“0”, “1”(A=“1”))로 되기 때문에, 그 출력은 “0”이 된다. 따라서, 트랜지스터(M3)는 OFF로 된다.

또한, XNOR 게이트(X10)의 출력이 “0”으로 되면, NOT 게이트(X11)의 출력은 “1”로 되기 때문에, AND 게이트(X3)의 입력은 (“1”, “1”(A=“1”))로 되어 트랜지스터(M5)는 ON이 된다.

트랜지스터(M5)가 ON일 때, 트랜지스터(M6)에는 전류가 흐르는데, 이것과 CM 회로의 특성으로부터 트랜지스터(M4)에도 전류가 흐른다.

따라서, 전원(Vh)에 의해 저항(Rh-A), 트랜지스터(M4) 및 트랜지스터(M6)에 전류가 흐른다. 그리고, 저항(Rh-A)에 흐른 전류는 모두 저항(Rh-B)로 흐른다(트랜지스터(M3)는 OFF이기 때문에, 저항(Rh-A)을 흘러나온 전류는 트랜지스터(M3)측으로는 분기하지 않는다). 또한, 트랜지스터(M4)를 흐른 전류는 트랜지스터(M3)가 OFF이기 때문에, 모두 저항(Rh-B)측으로 유입된다. 또한, 트랜지스터(M6)로 흐른 전류는 트랜지스터(M5)로 흐른다.

이상으로부터 C=“1”일 때에는, 저항(Rh-A)을 흐른 전류는 저항(Rh-B)측과 트랜지스터(M3)측으로 분기하여 흘러 나오지만, C=“0”일 때에는 저항(Rh-B)에는 저항(Rh-A)을 흐른 전류 외에 트랜지스터(M4)를 흐른 전류가 들어온다. 그 결과, 저항(Rh-A)과 저항(Rh-B)에 흐른 전류는 IRh-A＜IRh-B로 된다. 그리고, 그 비율은 C=“1”과 C=“0”에서 대칭이 된다.

이상과 같이 하여, 저항(Rh-A)과 저항(Rh-B)에 흐르는 전류의 밸런스를 변경함으로써, 2분할한 발열 소자(13)상의 기포 발생 시간차를 둘 수 있다. 이에 따 라, 잉크 액적의 토출 방향을 편향시킬 수 있다.

또한, C=“1”과 C=“0”에서 잉크 액적의 편향 방향을 노즐(18)의 배열 방향에 있어서 대칭 위치로 전환할 수 있다.

또, 이상의 설명은 편향 제어 스위치(J3)만이 ON/OFF일 때이지만, 편향 제어 스위치(J2 및 J1)를 추가로 ON/OFF시키면, 더욱 세세하게 저항(Rh-A)과 저항(Rh-B)에 흐르는 전류량을 설정할 수 있다.

즉, 편향 제어 스위치(J3)에 의해 트랜지스터(M4) 및 트랜지스터(M6)에 흐르는 전류를 제어할 수 있으나, 편향 제어 스위치(J2)에 의해 트랜지스터(M9) 및 트랜지스터(M11)에 흐르는 전류를 제어할 수 있다. 또한, 편향 제어 스위치(J1)에 의해 트랜지스터(M14) 및 트랜지스터(M16)에 흐르는 전류를 제어할 수 있다.

그리고, 상술한 바와 같이 각 트랜지스터에는 트랜지스터(M4 및 M6):트랜지스터(M9 및 M11):트랜지스터(M14 및 M16)=4:2:1의 비율의 드레인 전류를 흘릴 수 있다. 이에 따라, 잉크 액실의 편향 방향을 편향 제어 스위치(J1～J3)의 3비트를 이용하여 (J1, J2, J3)=(0, 0, 0),(0, 0, 1),(0, 1, 0),(0, 1, 1),(1, 0, 0),(1, 0, 1),(1, 1, 0) 및 (1, 1, 1)의 8단계로 변화시킬 수 있다.

그리고, 트랜지스터(M2, M7, M12 및 M17)의 게이트와 그라운드 사이에 부여하는 전압을 변경하면, 전류량을 변경할 수 있기 때문에, 각 트랜지스터에 흐르는 드레인 전류의 비율은 4:2:1인 상태에서 1단계당 편향량을 변경할 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이 편향 방향 전환 스위치(C)에 의해 그 편향 방향을 노즐(18)의 배열 방향에 대해 대칭 위치로 전환할 수 있다.

라인 헤드에 있어서는 복수의 헤드(11)를 인화지 폭방향으로 늘어놓음과 함께, 이웃끼리의 헤드(11)가 대향하도록(인접하는 헤드(11)에 대해 180도 회전시켜 배치하여), 소위 지그재그 배열을 하는 경우가 있다. 이 경우에는, 이웃에 있는 2개의 헤드(11)에 대해 편향 제어 스위치(J1～J3)로부터 공통의 신호를 보내면, 이웃에 있는 2개의 헤드(11)에서 편향 방향이 역전되어 버린다. 따라서, 본 실시 형태에서는 편향 방향 전환 스위치(C)를 설치하여 1개의 헤드(11) 전체의 편향 방향을 대칭으로 전환할 수 있게 하고 있다.

이에 따라, 복수의 헤드(11)를 소위 지그재그 배열하여 라인 헤드를 형성한 경우, 헤드(11) 중 짝수 위치에 있는 헤드(N, N+2, N+4, …)에 대해서는 C=“0”으로 설정하고, 홀수 위치에 있는 헤드(N+1, N+3, N+5, …)에 대해서는 C=“1”으로 설정하면, 라인 헤드에 있어서의 각 헤드(11)의 편향 방향을 일정 방향으로 할 수 있다.

또한, 토출각 보정 스위치(S 및 K)는 잉크 액적의 토출 방향을 편향시키기 위한 스위치인 점에서 편향 제어 스위치(J1～J3)와 동일하나, 잉크 액적의 토출 각도의 보정을 위해 이용되는 스위치이다.

우선, 토출각 보정 스위치(K)는 보정을 할지의 여부를 결정하기 위한 스위치이고, K=“1”에서 보정을 행하고, K=“0”에서 보정을 행하지 않도록 설정된다.

또한, 토출각 보정 스위치(S)는 노즐(18)의 배열 방향에 대해 어느 방향으로 보정할지를 결정하기 위한 스위치이다.

예컨대, K=“0”(보정을 하지 않을 경우)일 때, AND 게이트(X8 및 X9)의 3입 력 중 1입력이 “0”이 되기 때문에, AND 게이트(X8 및 X9)의 출력은 모두 “0”이 된다. 따라서, 트랜지스터(M18 및 M20)는 OFF로 되기 때문에, 트랜지스터(M19 및 M21)도 또한 OFF로 된다. 이에 따라, 저항(Rh-A)과 저항(Rh-B)에 흐르는 전류에 변화는 없다.

이에 대해, K=“1”일 때에 예컨대 S=“0” 및 C=“0”이라 하면, XNOR 게이트(X16)의 출력은 “1”로 된다. 따라서, AND 게이트(X8)에는 (1, 1, 1)이 입력되기 때문에, 그 출력은 “1”로 되고, 트랜지스터(M18)는 ON이 된다. 또한, AND 게이트(X9)의 입력 중 하나는 NOT 게이트(X17)를 통해 “0”이 되기 때문에, AND 게이트(X9)의 출력은 “0”이 되고, 트랜지스터(M20)는 OFF로 된다.

따라서, 트랜지스터(M20)가 OFF로 되기 때문에, 트랜지스터(M21)에는 전류가 흐르지 않는다.

또한, CM 회로의 특성에 의해, 트랜지스터(M19)에도 전류는 흐르지 않는다. 그러나, 트랜지스터(M18)는 ON이기 때문에, 저항(Rh-A)과 저항(Rh-B)의 중점에서 전류가 유출되어 트랜지스터(M18)에 전류가 흘러 들어간다. 따라서, 저항(Rh-A)에 비해 저항(Rh-B)에 흐르는 전류량을 작게 할 수 있다. 이에 따라, 잉크 액적의 토출 각도를 보정하여 잉크 액적의 착탄 위치를 노즐(18)의 배열 방향으로 소정량만큼 보정할 수 있다.

또, 상기 실시 형태에서는 토출각 보정 스위치(S 및 K)로 이루어진 2비트에 의한 보정을 행하도록 하였으나, 스위치수를 증가시키면 더욱 세세한 보정을 할 수 있다.

이상의 J1～J3, S 및 K의 각 스위치를 이용하여 잉크 액적의 토출 방향을 편향시킬 경우에 그 전류(편향 전류 Idef)는

Idef=J3×4×ls＋J2×2×ls＋J1×ls＋S×K×ls=(4×J3＋2×J2＋J1＋S×K)×ls

로 표시할 수 있다.

식 1에 있어서, J1, J2 및 J3에는 +1 또는 -1이 부여되고, S에는 +1 또는 -1이 부여되고, K에는 +1 또는 0이 부여된다.

식 1에서 이해할 수 있는 바와 같이, J1, J2 및 J3의 각 설정에 의해 편향 전류를 8단계로 설정할 수 있음과 함께, J1～J3의 설정과 독립적으로 S 및 K에 의해 보정할 수 있다.

또한, 편향 전류는 양의 값으로서 4단계, 음의 값으로서 4단계로 설정할 수 있기 때문에, 잉크 액적의 편향 방향은 노즐(18)의 배열 방향에 있어서 양방향으로 설정할 수 있다. 예컨대, 도3에 있어서 수직 방향에 대해 좌측으로 θ만큼 편향시킬 수도 있고(도면중 Z1 방향), 우측으로 θ만큼 편향시킬 수도 있다(도면 중 Z2 방향). 그리고, θ의 값, 즉 편향량은 임의로 설정할 수 있다.

이어서, 잉크 액적이 편향 토출될 때의 현상을 더 상세하게 설명한다.

도6은 1개의 액체 토출부에 있어서, 발열 소자(13)의 발열전 상태부터 발열후 잉크 액적이 토출될 때까지의 모습을 차례로 도시한 단면도이다.

(A) 정지 상태

발열 소자(13)에 전류가 흐르지 않는 상태이다. 이 상태에서는 발열 소자(13)는 발열하지 않는다. 또한, 잉크 액실(12)내 및 노즐(18)내에는 잉크가 채워져 있다. 노즐(18)내의 잉크 토출면에는 메니스커스(잉크 액면)가 형성되어 있는데, 잉크 액실(12)내는 대기압보다도 압력이 낮게 유지되어 있기 때문에, 메니스커스는 아래로 볼록해져 있다.

(B) 가열?기포 발생 상태

이 상태는, 발열 소자(13)가 급속하게 가열된 상태이다. 이 경우에는, 발열 소자(13)에 접하고 있는 잉크는 통상의 비점을 넘는 온도로 가열된다. 또한, 발열 소자(13)의 표면이 얇은 점에서 한번에 비등 상태(막 비등 상태)로 된다. 또한, 이 상태는 비등의 개시 순간이기 때문에, 발열 소자(13)상에 발생한 기포의 체적은 작고 잉크에 가해지는 압력은 작다.

(C) 기포 성장?잉크 액적 조성 상태

발열 소자(13)로의 에너지 공급은 기포 발생 직전에 정지되도록 설정되어 있다. 따라서, 발열 소자(13)에 일단 에너지가 공급되면, 「(B) 가열?기포 발생 상태」로부터 다음의 「(C) 기포 성장?액적 조성 상태」로 이행하는데, 이 시점에서는 발열 소자(13)로의 에너지 공급은 이미 정지하고 있다.

이와 같이 설정하는 것은, 기포 발생후에는 발열 소자(13)가 잉크에 접하지 않게 되기 때문에, 급속한 온도 상승에 의해 발열 소자(13)가 손상되어 버리는 것을 방지하기 위함이다. 단, 발열 소자(13)는 여열(余熱)에 의해 상당한 고온으로 되어 있다.

(C) 기포 성장?잉크 액적 조성 상태에 있어서, 발생한 기포 주변은 비점을 훨씬 초과한 잉크가 둘러싸고 있기 때문에, 기포에 접하는 표면에서 활발한 비등이 계속된다. 또한, 잉크 표면은 급속히 팽창함과 함께 기화열에 의해 열이 빼앗긴다. 또한, 2개의 발열 소자(13)에 의한 기포가 성장하면, 2개의 기포가 서로 접촉한 시점에서 합체된다고 생각된다. 또한, 기포가 성장하여 기포 내부가 대기압 이하로 되어도 최초의 기포 팽창시의 관성력에 의해 계속 팽창한다.

(D) 기포 수축?잉크 액적 이탈 상태

이 상태는 기포가 급격한 팽창에 의해 기화열이 빼앗겨, 외기보다 기압이 낮아진 기포가 급속히 수축을 시작하는 상태이다. 기압의 저하에 의해 내부로 잉크를 뽑아 들이려고 하는 힘이 작용하지만, 상술한 관성력(잉크 액적이 날아가려고 하는 비상력)이 서로 끌어당기게 된다. 그 결과, 잉크 액적은 도면에 도시한 바와 같이 비상한다.

그리고, 비상한 잉크 액적에 의해 열이 외부로 방출되기 때문에, 잉크 액실(12)의 내부는 온도가 내려가서 기포가 수축하여 부압이 커지고, 이 부압에 끌려서 유로로부터 새로운 잉크(비상한 잉크 액적과 같은 양의 잉크)가 유입된다. 그 결과, 기포의 수축이 더욱 진행하여 결국 기포는 소멸한다.

또한, 잉크 액적의 비상에 의해 오리피스(노즐(18)의 토출면의 내측 가장자리)에 작용하는 표면 장력으로 통상의 레벨보다 훨씬 내려가 있는 메니스커스는 잉크가 잉크 액실(12) 내부로 공급됨에 따라 서서히 초기 상태로 되돌아간다.

그런데, 이상의 설명은 2개의 발열 소자(13)에 의해 동시에 기포가 발생한 경우이지만, 2개의 발열 소자(13)의 기포 발생 시간이 상이한 경우에는 잉크 액적의 토출 방향이 변화하게 된다.

도7은 1개의 액체 토출부에 있어서, 발열 소자(13)의 발열전 상태부터 발열후 잉크가 토출될 때까지의 모습을 차례로 도시한 단면도이다. 또한, 도7에서는 도면 중 우측의 발열 소자(13)가 먼저 기포를 발생시키는 경우를 예로 들고 있다.

(A) 정지 상태

이 상태는 도6의 (A) 정지 상태와 동일하므로 설명을 생략한다.

(B) 가열?기포 발생 상태

이 상태는 우선 먼저 도면 중 우측 발열 소자(13)상에서 기포가 발생하여 막 비등 상태에 이르는 예를 들고 있다. 또, 이 상태에서는 비등이 막 시작된 시점이기 때문에, 발생한 기포 전체의 체적은 작고, 기포는 발열 소자의 표면에 붙어 있어 그 상부의 잉크에 가해지는 압력은 아직 작다.

(C) 기포 성장?잉크 액적 조성 상태

도면 중, 우측 발열 소자의 기포는 상기 (B)의 상태에서 성장한다. 한편, 도면 중 좌측 발열 소자(13)상에서도 기포가 발생하여 막 비등 상태로 된다. 그리고, 2개의 발열 소자(13)에서의 비점에 도달한 시간이 다르기 때문에, 노즐(18)로부터 토출하고자 하는 잉크 액적에는, 경사 방향(도면 중 왼쪽 상측 방향)의 비상력이 작용한다. 즉, 도면 중 우측 발열 소자(13)상에서 발생한 기포의 압력에 의해, 우측 발열 소자(13)(의 중심)와, 노즐(18) 토출면상의 노즐(18)의 중심을 연결하는 선상의 벡터의 힘이 작용하기 때문이다.

즉, 상술한 예에서의 2개의 발열 소자(13)상에서 동시에 기포가 발생한다고 하면, 잉크 액적의 비상력은 노즐의 중심축에 일치하는 방향이 된다.

이에 비해, 2개의 발열 소자(13)상에서의 기포 발생 시간이 상이한 경우에는, 잉크 액적의 비상력은 노즐(18)의 중심축에는 일치하지 않는다. 노즐(18)의 중심축에 일치하는 방향이 잉크 액적의 비상력의 주된 성분이 되지만, 이 성분과 함께 이 성분에 수직인 방향, 즉 노즐(18)의 토출면에 평행한 방향의 성분도 갖게 된다.

이 노즐(18)의 토출면에 평행한 힘의 성분이 잉크 액적을 편향 토출시키기 위한 힘이 된다. 이 힘은 잉크 액적을 토출하는 직접적인 힘(노즐(18)의 중심축 방향의 힘)이 충분히 발달하기 전인, 한쪽의 발열 소자(13)상에서의 기포 발생시에 발생한다고 생각된다.

또한, 2개의 발열 소자(13)상에서의 기포 발생 시간이 상이하도록 제어하는 경우에는, 실제로 시간차를 두고 동일 에너지를 발열 소자(13)에 부여하는 것도 가능하다. 그러나, 도5의 회로에서 나타낸 바와 같이, 2개의 발열 소자(13)에 대해 동시(동시각)에 에너지를 공급함과 함께, 상이한 에너지 면밀도의 에너지를 공급함으로써, 2개의 발열 소자(13)상에서의 (막 비등에 의한) 기포 발생 시간이 상이하도록 제어하는 것이 설계상 용이하여 바람직하다고 할 수 있다.

여기서, 에너지의 단위는 주울(J)이고, 시간당의 에너지의 단위는 와트(W)이기 때문에, 단위 면적당 에너지(에너지 면밀도)의 단위는,

J/sec?㎡=W/㎡이 된다.

이상과 같이, 2개의 발열 소자(13)상에서의 기포 발생 시간이 상이하도록 제어함으로써, 잉크 액적의 생성 과정에서 노즐(18)의 토출면에 평행한 성분을 갖는 비상력을 잉크 액적에 부여하도록 제어할 수 있다.

또한, 2개의 발열 소자(13)에 공급하는 에너지 면밀도의 차를 변화시킴으로써, 잉크 액적의 비상력 중 노즐(18)의 토출면에 평행한 성분의 크기를 변화시켜 잉크 액적의 착탄 위치를 변화시키(즉, 편향량을 변화시키)도록 제어할 수 있다.

(D) 기포 성장?합체 상태

이 상태는 양쪽의 발열 소자(13)상의 기포의 선단끼리가 접촉하기 시작한 시점에서, 기포가 합체하여 1개가 된다. 또한, 초기의 메니스커스에 가해진 힘에 의해 상기 (C)와 동일한 힘이 노즐(18)로부터 토출하고자 하는 잉크 액적에 작용하고 있다.

(E) 기포 수축?잉크 액적 이탈 상태

상기한 바와 같이 하여 발열 소자(13)에 가해지는 에너지는 단시간(본 실시형태에서는 1.5μs 정도)이기 때문에, 기포의 성장도 단시간에 종료한다. 또한, 가해진 열의 대부분은 기화열과 잉크 액적에 의해 빼앗기기 때문에, 기포는 급속하게 수축한다. 또한, 상술한 바와 같이 처음으로 부여된 잉크 액적의 비상력과 기포 수축시의 힘이 상반되어 잉크의 일부가 잉크 액적으로서 분리하여 이탈(토출)한다.

(F) 기포 소멸?잉크 보충 상태

노즐(18)로부터 분리된 잉크 액적은 비상한다. 또한, 잉크 액실(12)내에서는 기포가 소멸됨과 함께, 잉크 액적이 토출된 직후에는 극도의 부압으로 되어 유로로부터 잉크가 보충된다.

이상의 설명과 같이, 2개의 발열 소자(13)상의 기포 발생 시간차에 의해 잉크 액적은 노즐(18)의 중심축으로부터 어긋나 토출된다.

계속해서, 기포 발생 시간차와 잉크 액적의 토출 방향의 관계에 대해 설명한다. 이상의 설명은 도4 중 「A영역」에서의 동작을 설명하는 것이다. 즉, 2개의 발열 소자(13)에 흐르는 편향 전류(2개의 발열 소자(13)에 공급하는 에너지 차)를 크게 해 감에 따라, 편향량(기록 매체상에 있어서의 노즐(18)의 중심축과의 교점과 잉크액적의 착탄 위치 사이의, 2개의 발열 소자(13)의 배열 방향에 있어서의 어긋남량)이 커지는(거의 비례 관계에 있는) 것이었다.

그러나, 도4 중 B영역 및 C영역에서는 이러한 관계로는 되지 않는다. 예컨대, C영역은 편향 전류에 대한 편향량의 변화율이 A영역의 약 2배나 된다. 이러한 거동을 나타내는 이유를 이하에 설명한다.

도8은 발열 소자(13)에 공급하는 에너지 차를 A영역에서의 값보다 크게 하면, 왜 반대 방향으로 잉크액적이 토출되는 것인지를 모식적으로 설명하는 도면이다. 도8에서는 좌측에서 우측으로 순차 시간이 경과하는 모습을 나타내고 있고, 힘의 방향이 변하는 부분만을 도시하여 하고 있다.

(1) 시각 1의 경우(도4 중 A영역에서의 동작)

도8에 있어서, 시간 1은 상술한 도7과 동일한 기포 발생 시간차를 갖는 경우(A영역의 경우)이고, 우측 발열 소자(13)상에서의 기포 발생 시각이 좌측 발열 소자(13)상에서의 기포 발생 시각보다 빠른 경우이다. 이 경우에는 기포가 성장함에 따라, 메니스커스가 도면의 우측 노즐(18)의 토출면보다 상승하고, 동시에 그것을 평균화하도록 표면 장력이 좌측 방향으로 작용한다. 그리고, 노즐(18)의 토출면에 평행한 좌측 방향의 힘의 성분을 갖는 비상력에 의해 잉크액적이 토출된다.

또한, 노즐(18)의 토출면으로부터 튀어나온 잉크는 좌우로 진동함과 동시에, 그 잉크의 점성 저항에 의해 서서히 수속하는 감쇠 진동을 한다고 생각된다.

(2) 시각 2의 경우(도4 중 C영역에서 편향량이 0이 되는 위치에서의 동작)

A영역의 경우보다 발열 소자(13) 사이의 에너지 차가 크면, 후발(後發) 기포는 토출할 정도로는 발달하지 않고 있다. 또한, 후발 기포가 발달하는 동안에도 선발(先發) 기포에 의해 노즐(18) 밖으로 밀려난 잉크의 표면은 이동하여 밸런스가 변화하고, 진동의 위상이 기록 매체에 착탄하는 위치가 토출이 없는 위치와 동일한 위치로 되는 순간에 토출되는 경우이다.

(3) 시각 3의 경우(도4 중 C영역에서 편향량이 0이 되는 점보다 우측 영역에서의 동작)

이 경우는, 상기 진동의 위상이 더욱 진행하여, 편향량이 0이 되는 점을 지나쳐서 반대 방향으로 향하는(도면 중, 우측 방향의 벡터가 되는) 시점에서 잉크 액적이 토출된 경우이다.

이상과 같이, 도4에 도시한 바와 같이 편향 전류의 변화에 따른 편향량의 변화는, A영역, B영역 및 C영역에서 상이하게 된다. 따라서, 이들 영역을 이용하여 편향량을 변화시킬 수 있다.

도9는 도4의 그래프에 있어서 제1 범위, 제2 범위 및 제3 범위(각각 일점쇄 선으로 둘러싼 범위)를 함께 도시한 것이다.

도9의 그래프(제1 범위, 제2 범위 및 제3 범위 모두를 포함하는 범위)에서는, 2개의 발열 소자(13)의 에너지 면밀도의 차가 0으로서 잉크 액적의 비상력 중 노즐(18)의 토출면에 평행한 성분이 0이 되는 점을 원점(도9 중, 그래프의 횡축에 있어서, 편향 전류=0(㎃)가 되는 점)으로 하여, 에너지 면밀도의 차가 증대함에 따라 잉크 액적의 비상력 중 노즐(18)의 토출면에 평행한 성분이 증가함과 함께 피크치에 도달하고, 그 후 노즐(18)의 토출면에 평행한 성분이 감소하도록 변화하고 있다.

그리고, 「제1 범위」는 상기 원점을 중심으로 에너지 면밀도의 차의 증대에 따라 잉크 액적의 비상력 중 노즐(18)의 토출면에 평행한 성분이 상기 피크치까지 증가하는 범위이다.

또한, 「제2 범위」는 제1 범위에 인접하는 범위로서, 2개의 발열 소자(13)의 에너지 면밀도의 차가 축소함에 따라 잉크 액적의 비상력 중 노즐(18)의 토출면에 평행한 성분이 0이 되는 점(도9 중, 그래프의 횡축에 있어서 편향 전류=-12.5(㎃) 부근을 지나는 점)을 포함하는 범위에서 노즐(18)의 토출면에 평행한 성분이 상기 피크치까지 변화하는 범위이다.

또한, 「제3 범위」는 제1 범위에 인접함과 함께 2개의 발열 소자(13)의 에너지 면밀도의 차가 0인 점에 대해 제2 범위와 대칭에 있는 범위이고, 제2 범위에 있어서의 2개의 발열 소자(13)에 공급하는 에너지의 조건을 역전함으로써 얻어지는 관계로서, 2개의 발열 소자(13)의 에너지 면밀도의 차가 증대함에 따라 잉크 액적의 비상력 중 노즐(18)의 토출면에 평행한 성분이 0이 되는 점(도9 중, 그래프의 횡축에 있어서 편향 전류=+12.5(mA) 부근을 지나는 점)을 포함하는 범위에서 노즐(18)의 토출면에 평행한 성분이 상기 피크치 이후 변화하는 범위이다.

이들 3개의 범위 중, 어느 하나의 범위내에서 2개의 발열 소자(13)에 공급하는 에너지 면밀도의 차를 변화시킴으로써, 잉크 액적의 비상력 중 노즐(18)의 토출면에 평행한 성분의 크기를 변화시키도록 제어하면 된다.

또한, 이들 3개의 범위 중, 복수의 범위내에서 2개의 발열 소자(13)에 공급하는 에너지 면밀도의 차를 변화시킴으로써, 잉크 액적의 비상력 중 노즐(18)의 토출면에 평행한 성분의 크기를 변화시키도록 제어할 수도 있다.

예컨대, 도10에서는 제2 범위 중 편향량이 음이 되는 범위와 제3 범위 중 편향량이 양이 되는 범위의 쌍방(도면 중, 이중파선으로 나타낸 범위)을 이용하여 편향량을 제어하는 경우를 나타내고 있다.

또한, 도11에서는 제2 범위 중 편향량이 양이 되는 범위와 제3 범위 중 편향량이 음이 되는 범위의 쌍방(도면 중, 이중파선으로 나타낸 범위)을 이용하여 편향량을 제어하는 경우를 나타내고 있다.

이와 같이, 어느 범위를 이용하여 편향량을 제어해도 된다.

단, 상기 제1 범위만을 이용하면, 편향 전류의 절대치를 작은 범위로 제어할 수 있기 때문에(다른 2개의 범위에 대해 편향 전류의 절대치가 1/2～1/3로 적다), 소비 전력 및 코게이션의 점에서 보면, 실용상은 제1 범위를 사용하는 것이 바람직하다.

단, 사테라이트(잉크 액적의 토출시에 잉크 액적의 후방으로 연장되는 꼬리 부분이 토출시의 잉크 액적과는 별도의 작은 잉크 액적이 되어 함께 토출되는 것) 특성에서 보면, 제1 범위보다 제2 범위나 제3 범위가 사테라이트가 적은 것 등을 실험상 알고 있기 때문에, 이러한 관점에서 제2 범위나 제3 범위를 사용하는 의의가 있다.

이어서, 잉크 액적 토출시의 노즐 시트(17)의 변형에 대해 설명한다.

노즐 시트(17) 및 배리어층(16)을 강체로 간주하여, 토출 동작에 의해 압력이 걸리더라도 이들 부분의 변형량은 작아 무시해도 된다고 생각할 수도 있다.

그러나, 실태는 이들 부분에는 토출시에 매우 높은 압력이 발생하여 변형을 일으킴을 알 수 있었다. 도12는 실제의 잉크 액적이 토출하는 순간을 사진 촬영한 결과를 나타낸 도면으로서, 각각 (A)는 잉크 액적을 좌측 방향으로 편향 토출시킨 경우, (b)는 편향이 없이 토출시킨 경우, (C)는 잉크 액적을 우측 방향으로 편향 토출시킨 경우를 나타낸다. 도12에 나타낸 바와 같이, 잉크 액적은 실제의 토출시에는 매우 가늘고 긴 형상으로 되어 있음을 알 수 있다. 또, 잉크 액적은 실제로는 하향 토출되지만, 도12에서는 상향으로 토출되고 있다. 도12에 나타낸 바와 같이, 토출 순간에는 노즐 시트(17)가 약간 휘는 것이 관측되었다.

도13 내지 도15는 토출에 수반하는 압력 변화에 의한 노즐 시트(17) 및 배리어층(16)의 변형을 설명하는 단면도(상정도)이다. 한편, 이들 도면에 있어서 변형을 더욱 이해하기 쉽게 하기 위해 변형의 양을 과장하여 도시하고 있다. 도면 중, 점선으로 나타낸 부분은 변형이 없는 경우의 노즐 시트(17)의 위치를 나타내고 있 다.

도13은 중앙의 액체 토출부의 발열 소자(13)에 에너지가 부여되고, 우측 발열 소자(13)상의 기포가 급격하게 성장하기 시작한 때의 모습을 나타낸 도면이다. 잉크 액실(12)내의 우측에서 심한 압력 변동이 생겨 노즐 시트(17) 및 배리어층(16)이 좌우에서 상이한 양의 변형을 발생시키는 모습을 나타내고 있다.

이 상태에서는 잉크 액실(12)이 팽창하기 때문에, 원래의 상태보다도 압력이 내려가는 것, 노즐(18)의 토출면이 약간 기울어지는 점에서 토출각이 커지는 것 등에 따라 자신의 토출 특성이 영향을 받는데, 이 상태에서의 양측의 액체 토출부에서의 잉크 액적의 토출은 없으므로 인접하는 액체 토출부로의 영향은 없다.

또한, 이 휨의 영향은 노즐 시트(17)에 니켈 전주(電鑄)를 이용한 본 실시 형태의 경우, 노즐 시트(17)의 두께가 10㎛ 이하가 되면, 이 휨의 영향이 현저해지는 것이 확인되었다. 이는 보의 강도 문제와 마찬가지로, 노즐 시트(17)의 두께의 변화에 대해 급격하게 휨량이 변화하는 것으로 이해할 수 있다.

도14는 기포 성장이 발열 소자 전체에서 일어나고 있을 때의 모습을 나타낸 도면이다.

이 경우에는 노즐 시트(17)의 양측에서 동일한 레벨의 변형이 일어나고 있다고 생각된다. 또한, 잉크 액실(12) 전체의 용적이 증가하기 때문에, 토출 압력이 약간 떨어지는 것으로 생각되지만, 도13의 경우와 달리 노즐(18)의 토출면에서의 변형이 노즐(18)의 중심축에 대해 대칭으로 일어나기 때문에, 잉크 액적의 토출 방향으로의 영향은 적다고 생각된다.

편향 토출의 경우에도, 편향이 없는 토출의 경우에도 발열 소자(13)가 2개일 때에는, 최종적인 토출에 이르는 시점에서 1개의 기포로부터 밀려나오게 된다고 생각해도 되지만, 노즐(18)의 토출면에 평행한 연동 방향은 지금까지의 설명으로부터도 기포 발생의 초기 상태로 결정된다고 생각되기 때문에, 노즐 시트(17)의 변형이 양자에게 미치는 영향은 다르다고 할 수 있다.

또한, 도15는 기포 수축에서 기포 소멸까지 동안의 모습을 나타낸 도면이다. 이 경우, 잉크 액실(12)내로 급속하게 또한 큰 부압이 발생한다고 생각된다. 이 상태에서는 이미 잉크 액적은 노즐(18)을 떠나 비상의 단계에 있기 때문에, 노즐 시트(17)의 변형은 크지만 토출 각도로의 영향은 없다고 생각된다.

이상의 설명과 같이, 노즐 시트(17)의 변형은 잉크 액적의 토출에 영향을 미친다.

다시 말하면, 노즐 시트(17)의 두께는 편향 토출에 영향을 미치는 파라미터 중 하나라고 생각된다. 따라서, 이 점을 고려하여 노즐 시트(17)의 두께를 결정하는 것이 바람직하다.

이어서, 액체 토출부의 구체적 형상에 대해 설명한다.

도16은 노즐 시트(17), 노즐(18)의 개구 직경, 배리어층(16) 등의 형상을 설명하는 단면도이다. 도16에 있어서, 노즐 시트(17)의 두께(높이)를 N, 배리어층(16)의 두께(높이)를 K, 잉크 액실(12)의 높이(발열 소자(13)의 표면에서 노즐(18)의 토출면까지의 높이)를 H라 한다. 따라서, N＋K=H로 된다.

또한, 노즐(18)의 개구 직경을 Dx라 한다. 여기서, 노즐(18)의 개구 직경(Dx)이란, 노즐(18)의 토출면(표면)에 있어서의 개구 직경이고, 2개의 발열 소자(13)의 배열 방향(후술하는 중심간 거리(B)와 동일 방향)으로 측정한 개구 직경을 가리킨다. 이와 같이 정의한 것은, 후술하는 바와 같이 노즐(18)의 개구 직경 중 2개의 발열 소자(13)의 배열 방향의 개구 직경(Dx)과, 2개의 발열 소자(13)의 배열 방향에 수직인 방향의 개구 직경(Dy)에서 상이한 경우가 있기 때문이다. 즉, 노즐(18)의 개구 형상이 원(圓)인 경우에 한하지 않고, 타원이나 장원인 경우도 있을 수 있기 때문이다.

한편, 「장원」이란 본 명세서에서는 타원과 달리 소위 엽전 형상을 의미하며, 적어도 일부에 직선을 포함하는 것이다.

또한, 2개의 발열 소자(13)의 중심간 거리를 B라 하고, 노즐 시트(17)에 있어서의 노즐(18)의 테이퍼각(노즐(18)의 내면과 노즐(17)의 중심축에 평행한 선이 이루는 각)을 θ라 한다.

이상에 있어서, X=Dx/H라 하고, 기록 매체의 잉크 액적의 착탄면과 잉크 액적의 토출면 사이의 수직 거리가 1.5(㎜)일 때의 편향량을 Y라 하였을 때,

Y=aK(X-0.5);a는 임의의 상수

의 실험식을 얻었다(이 실험식의 근거에 대해서는 후술한다).

도17은 식 2에 있어서 a=12.5로 하고, K=1로 표준화하였을 때의 실험 데이터와 상기 식의 상관성을 그래프로서 나타낸 도면이다.

도17에 있어서, 예컨대 X(=Dx/H)=0.9일 때의 Y의 값은 5가 되기 때문에, 배 리어층(16)의 두께(K)를 10(㎛)이라 하면, 동일 조건(기록 매체의 잉크 액적의 착탄면과 잉크 액적의 토출면 사이의 수직 거리가 1.5(㎜))에서 편향량(Y)은 5×10=50(㎛)이 된다.

또한, 도17의 실험 데이터로부터는 X(=Dx/H)=0.5일 때의 편향량(Y)는 0이 됨을 알 수 있다.

이상의 식 2를 기초로 잉크 액적의 편향 토출의 최적화, 즉 편향량(Y)을 크게 할 수 있는 조건에 대해 설명한다.

도18은 잉크 액실(12)의 높이(H(=N＋K))를 일정치인 25㎛로 하고, 노즐(18)의 개구 직경(Dx) 및 노즐 시트(17)의 두께(N)를 변화시켰을 때에, 편향량(Y)이 어떻게 변화하는지를 나타낸 것이다. 도18에서는 식 2 중 a=12.5로 하고 있다. 이 도18은 도17을 실제의 구체적인 수치로 나타낸 것이 된다.

도18에서는, 도17과 마찬가지로 Dx=12.5(㎛)일 때에 편향량(Y)이 0(편향 감도가 0)가 되는 특이점이 존재한다. 도18로부터 개구 직경(Dx)의 증대와 함께 편향량(Y)가 증대함을 이해할 수 있다.

또한, 도19는 개구 직경(Dx)를 일정(19(㎛))하게 하고, 노즐 시트(17)의 두께(N) 및 배리어층(16)의 두께(K)를 변화시켰을 때의 편향량(Y)을 나타낸 것이다.

도19의 특성으로부터 알 수 있는 것은, 개구 직경(Dx)이 일정한 때에는 노즐 시트(17)의 두께(N)에 대해 편향량(Y)를 최대로 하는 K의 값이 존재한다는 것이다.

그리고, 편향량(Y)을 최대로 하기 위해서는 착안하는 변수로 편향량(Y)의 편미분을 취하고, 그 값이 0이 되는 조건을 구하면 된다.

따라서,

로 두고, K에 대해 정리하면,

를 얻을 수 있다.

여기서, K는 양의 값이기 때문에 근호가 양의 값을 취하면, 식 4는

가 된다. 이 식 5가 도19에서의 변곡점을 부여하는 조건이 된다. 식 5를 식 2에 대입하였을 때의 편향량(Y)의 값을 Ymax라 하면,

을 얻을 수 있다.

도20은 식 5를 나타낸 도면이고, 도21은 식 6을 나타낸 도면이다. 도20 및 도21에서는 노즐 시트(17)의 두께(N)의 각 점에 있어서 얻어지는 Ymax를 연결한 것이다.

상술한 도18 내지 도21은 편향 특성을 결정하는 3개의 주요 파라미터인 (1) 개구 직경(Dx), (2) 배리어층(16)의 두께(K), 및 (3) 노즐 시트(17)의 두께(N)를 2차원의 그래프로 순차 나타낸 것이다. 이에 대해, 도22는 상기 3개의 주요 파라미터를 3차원의 입체로 나타낸 도면이다. 또, 도22에서는 개구 직경(Dx)=20(㎛)으로 설정되어 있고, 도21보다 노즐 시트(17)의 두께(N)의 범위가 좁게 표시되어 있다.

이상의 고찰로부터, 액체 토출부의 구체적 형상은 다음과 같이 설계하는 것이 바람직하다.

먼저, 1개의 잉크 액실(12)내의 2개의 발열 소자(13)는 동일 표면 형상 및 동일 발열 특성을 갖는 2개의 기포 발생 영역이 나란히 배치되어 있을 것이 중요하다.

또한, 1개의 잉크 액실(12)내에 형성된 2개의 발열 소자(13)(2개의 기포 발생 영역)는, 노즐(18)의 중심축을 지나 노즐(18)의 토출면에 수직인 면에 대해 대칭으로 배치됨과 함께, 잉크 액실(12) 및 노즐(18)은 상기 면에 대해 대칭 형상이 되도록 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이와 같이 형성함으로써, 편향 특성을 편향량(Y)가 0이 되는 점을 중심으로 하여 좌우대칭의 관계로 할 수 있다. 또한, 2개의 발열 소자(13)에 공급하는 에너지량을 반대로 한 경우에는, 편향량(Y)이 지금까지와는 미러 대칭의 관계로 되도록, 노즐(18)의 중심축에 대해 노즐(18), 잉크 액실(12) 및 발열 소자(13)의 형상이나, 2개의 발열 소자(13)의 배치 등을 대략 면대칭으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 1개의 잉크 액실(12)내에 형성된 2개의 발열 소자(13)의 중심을 그 2개의 발열 소자(13)의 배열 방향으로 잇는 중심간 거리(B)와, 잉크 액실(12)내의 2 개의 발열 소자(13)의 배열 방향에서의 노즐(18)의 토출면의 개구 직경(Dx)의 관계가

Dx＞B

이고, 또한 노즐 시트(17)의 두께(N)와 중심간 거리(B)의 관계가

N＜2×B

인 것이 바람직하다.

그 근거는, 식 7의 관계는 도18에 나타낸 바와 같이, 식 8의 관계는 도21에 나타낸 바와 같이, 식 7 및 식 8의 2개의 관계가 만족되는 영역에서는 충분히 의미가 있는 편향량(Y)을 확보할 수 있기 때문이다.

또한, 식 7 및 식 8에서는 중심간 거리(B)를 기준으로 하고 있다. 그 이유 중 하나는 편향 방향이 항상 발열 소자(13)의 배열 방향이면 노즐(18)의 배열 피치를 기준으로 취할 수도 있지만, 목적에 따라서는 노즐(18)의 배열 방향이 아니고, 그 방향에 수직인 방향으로 편향시키는 경우도 상정할 수 있기 때문이다. 또한, 다른 이유는 후술하는 바와 같이, 노즐(18)의 개구 직경(Dx)은 2개의 발열 소자(13)의 배열 방향(편향 방향)에 있어서의 직경으로 하였을 때에 식 2에 가장 적합한 것이 확인되었기 때문이다.

또한, 잉크 액실(12)내의 2개의 발열 소자(13)의 배열 방향에서의 노즐(18)의 토출면의 개구 직경(Dx)과, 잉크 액실(12)내의 2개의 발열 소자(13)의 배열 방 향에 수직인 방향에서의 노즐(18)의 토출면의 개구 직경(이 개구 직경을 이하 Dy라 한다)의 관계가

Dx＞Dy

인 것이 바람직하다.

도23은 노즐의 개구 직경(Dx)과 개구 직경(Dy(Dy1, Dy2, Dy3))의 관계를 나타낸 평면도 및 단면도이다.

식 9와 같이 정의한 것은, 노즐(18)의 개구 형상으로서는 원형이 일반적이지만, 반드시 원형일 필요는 없고, 노즐(18)의 배열 방향에 있어서의 개구 직경(Dx)이 일정하면, 편향량(Y)도 거의 일정량이 확보되기 때문이다.

즉, Dx의 값이 일정하면, Dy의 값이 다소 변화하더라도 편향 특성은 별로 영향을 받지 않음을 알 수 있기 때문에(후술하는 실시예 참조), 잉크젯 프린터 등에서는 화질 향상을 위해 토출하는 잉크 액적량을 비교적 적게 하여 편향량(Y)만을 확보하고자 하는 요구가 있기 때문에, Dx를 크게 취하고 Dy를 억제한 개구 형상으로 하면, 이 목적을 달성할 수 있다.

또한, 노즐(18)의 개구 형상은 원 또는 타원으로 한정하지 않고, 타원이나 기본 형상을 정사각형이나 직사각형 등의 다각형으로 하고, 필요에 따라 필요한 양만큼 모서리부를 둥글게 한 것이어도 된다.

또한, 도23에서는 DX의 값이 동일한 3개의 형상(원(Dy1), 타원(Dy2), 장원(Dy3))의 예를 나타내고 있다.

또한, 배리어층(16)의 두께(K)(발열 소자(13)의 표면에서 노즐 시트(17)의 발열 소자(13)측의 면까지의 거리)는,

으로 실현되는 최대의 편향량(Y)에 대해, -25% 이내(0.75≤K/Kopt≤1)의 K의 값, 다시 말하면 K는

의 범위내로 설정되어 있는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 최대의 편향량(Y)을 결정하기 위한 3개의 주요 파라미터는, 노즐(18)의 개구 직경(Dx), 배리어층(16)의 두께(K), 및 노즐 시트(17)의 두께(N)이다. 여기서, 최대의 편향량(Y)이란, 동시에 2개의 발열 소자(13)에 에너지를 공급함과 함께, 2개의 발열 소자(13)상에서의 막 비등에 의한 기포 발생 시각이 상이하도록 2개의 발열 소자(13)에 상이한 에너지 면밀도의 에너지를 공급하고, 전기적으로는 최대의 조건으로 편향 토출을 했을 때에 얻어지는 편향량(Y)을 의미한다.

상술한 도18 내지 도22에서 알 수 있는 바와 같이, 편향량(Y)은 개구 직경 (Dx)을 크게 할 수록, 또한 노즐 시트(17)의 두께(N)를 얇게 할 수록 증대하는, 즉 단조 증가(개구 직경)(Dx1)에 대해) 또는 단조 감소(노즐 시트(17)의 두께(N)에 대해) 함수이지만, 배리어층(16)의 두께(K)에 관해서는 단조 증가 또는 단조 감소 함수로는 되지 않고, 부여된 Dx와 N에 대해 편향량(Y)를 최대로 하는 특정한 K의 값 (Kopt)이 존재한다.

또한, 이상적으로는 K=Kopt이지만, K의 값이 Kopt에 대해 약간 어긋난 값이더라도, 잉크젯 프린터 등에서 요구되는 편향량이 그다지 크지 않은 것이라면, 반드시 K=Kopt가 아니어도 된다.

따라서, 실험 결과 등에 기초하여 본 발명에서는 식 11의 범위내(-25%까지)로 결정하였다.

이상 설명한, 편향량(Y)을 결정하는 3개의 주요 파라미터 Dx, N, 및 K에 관한 수치의 선택 기준에 대해 정리하면, 다음과 같이 된다.

(1) 개구 직경(Dx)

편향량(Y)를 가능한 한 크게 취하기 위해서는, 개구 직경(Dx)은 큰 편이 유리하다. 단, 단순히 크게하여 버리면 그만큼 기록 매체에 형성되는 도트 직경이 커져 버리기 때문에, 잉크젯 프린터의 경우에는 화질 열화(껄끔거림의 증대, 도트 배열의 불일치 등)의 원인이 된다. 따라서, 개구 직경(Dy)(Dx에 수직인 방향의 개구 직경)을 작게 취하여 노즐(18)의 개구 면적이 커지지 않도록 하는 것이 바람직하다.

(2) 노즐 시트(17)의 두께(N)

잉크 액적의 토출시의 압력 변동에 견딜 수 있는 강도(강성)를 확보할 수 있으면, 두께(N)를 얇게 할 수록 편향량(Y)을 크게 할 수 있다. 다만, 두께(N)는 재료의 물리적 특성과 액체 토출부의 구조에 의해 거의 일의적으로 결정된다.

한편, 편향 토출을 하지 않은 액체 토출부이면 두께(N)를 두껍게 함으로써 잉크 액적을 더 곧장 토출할 수 있다.

(3) 배리어층(16)의 두께(K)

상술한 바와 같이, 배리어층(K)의 두께에는 최적치가 존재한다. K의 값으로서, 식 5 또는 Kopt의 값에 가까운 값을 취함으로써, 편향량 Y의 값을 최대로 할 수 있다.

(4) 편향량(Y)의 특이점

상술한 바와 같이, 편향량(Y)에는 특이점이 존재한다. 이 점에서는 잉크 액적이 거의 편향 토출되지 않은 것을 의미한다. 이 특이점의 이용 방법으로서는, Dx에 대해서는 편향량(Y)를 크게 취할 수 있는 값으로 함과 함께, Dy에 대해서는 특이점 부근에 설정함으로써, Dy의 방향(발열 소자(13)의 배열 방향에 수직인 방향)에 대해서는 잉크 액적이 거의 편향되지 않도록 설정할 수도 있다.

또한, 노즐(18)의 형상에 관한 것으로서, (발열 소자(13)의 배열 방향에서의) 노즐(18)의 토출면의 개구 직경(Dx)과 노즐(18)의 발열 소자(13)측의 개구 직경(Dx')의 관계가

Dx＜Dx'

인 것이 바람직하다.

예컨대, 노즐(18)의 내면을 테이퍼면으로 한 경우에, 도16 중 테이퍼각(θ)이 음이 되면(즉, 이 경우에는 Dx＞Dx'가 된다.), 노즐(18)의 발열 소자(13)측에서 받는 외란이 커져서 편향량(Y)이나 편향 특성에 영향을 미치게 된다. 따라서, Dx＜Dx'로 하는 것이 바람직하다.

또, 노즐(18)의 내측(공간의) 형상은 원뿔대 형상(사다리꼴을 상하 방향의 중심축에서 회전시켰을 때에 형성되는 형상)과 같이, 노즐(18)의 내측 형상을 단면도로 보았을 때에 측벽면이 직선인 경우 외에, 도2에 도시한 바와 같이 곡선이어도 된다.

예컨대, 노즐(18)의 내벽면을 테이퍼면에 형성하는 경우에는, 노즐(18)의 개구 직경(Dx)이 발열 소자(13)측을 향함에 따라 커지는 테이퍼면으로 하면 된다.

계속해서, 헤드(11)의 바람직한 구성에 대해 설명한다.

먼저, 2개의 발열 소자(13)의 배열 방향으로, 복수의 동일 형상의 액체 토출부가 배열되어 있는 것은 도1에 도시한 바와 같지만, 여기서 양단에 위치하는 노즐(18)의 외측에는 노즐 시트(17)가 더욱 연장되어 있음과 함께, 잉크 액적의 토출을 행하지 않은 액체 토출부를 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 이 액체 토출부는 발열 소자(13)가 아니어도 되지만, 적어도 노즐(18)(노즐 시트(17))와 잉크 액실(12)(배리어층(16))이 형성되어 있는 것이다.

상술한 바와 같이, 잉크 액적의 토출시에는 노즐 시트(17)가 변형되지만, 양측에 액체 토출부가 형성되어 있는 액체 토출부로부터의 잉크 액적의 토출시와, 단부에 위치하는(일측에는 액체 토출부가 없는) 액체 토출부로부터의 잉크 액적의 토출시에서는 토출 특성이 상이하게 된다. 그 토출 특성의 변화가 무시할 수 있는 정도로 작은(거의 영향을 미치지 않는) 경우에는 괜찮지만, 더욱 고정밀도의 토출 특성을 구할 때에는 헤드(11)의 양측에는 더미의 액체 토출부(잉크 액적을 토출하지 않은 액체 토출부)를 설치하여, 잉크 액적을 토출하는 액체 토출부의 양측에는 항상 액체 토출부가 존재하는 것으로 하고, 잉크액적의 토출시에는 그 액체 토출부의 양측의 노즐 시트(17)가 탄성 변형하도록 하여, 그 변형의 밸런스를 취하는 것이 바람직하다.

또한, 헤드(11)에 있어서의 복수의 모든 노즐(18)은 일방향(특히, 본 실시 형태에서는 직선상)으로 배치되고, 복수의 모든 노즐(18)의 토출면은 동일 평면에 위치하도록 배치되어 있는 것이 바람직하다.

노즐(18)이 일방향으로 배치됨으로써, 노즐(18)의 배열 방향에서의 잉크 액적의 착탄 피치를 정확한 것으로 할 수 있다.

한편, 노즐(18)의 배열은 일방향라면 반드시 직선상이 아니어도 된다. 본건 출원인은 공개되지 않은 선원 기술인 일본 특허출원 2003-383232호를 이미 제안하고 있으나, 이 기술은 「복수의 액체 토출부(노즐)가 일정한 피치(P)로 배열되어 있고, 그 복수의 액체 토출부 중, 인접하는 액체 토출부의 노즐의 중심은 복수의 액체 토출부의 배열 방향으로 수직한 방향으로 간격(X)(X는 0보다 큰 실수)을 두고 배치되어 있는」 것이다. 다시 말하면, 액체 토출부(노즐)가 지그재그 형상으로 배열된 것이다.

이 기술에 의해, 잉크 액적의 토출에 수반하는 압력 변동에 의한 노즐(18) 및 그 주변 영역의 변형량이 적어져서 잉크 액적의 토출량 및 토출 방향을 안정시킬 수 있다. 따라서, 편향 토출시에는 노즐 시트(17)의 두께를 얇게 한 쪽이 유리하기 때문에, 상기 기술을 이용함으로써 노즐 시트(17)의 두께를 얇게 해도, 잉크 액적의 토출시의 노즐(18)의 주변 영역이 휨을 억제하여, 안정되고 또한 고품위인 잉크 액적의 토출을 할 수 있게 된다.

또한, 노즐(18)의 토출면을 동일 평면에 배치함으로써, 편향 토출시의 잉크 액적의 착탄 위치 정밀도를 더욱 정확한 것으로 할 수 있다.

예컨대, 복수의 노즐(18)의 토출면이 동일 평면에 없는 경우에는, 노즐(18)의 토출면과 기록 매체 사이의 거리가 노즐(18) 사이에서 상이하게 된다.

이 경우에 잉크 액적의 편향 토출을 행하면, 착탄 위치가 상이하게 된다. 따라서, 특히 편향 토출을 행하는 경우에는 노즐(18)의 토출면이 복수의 노즐(18) 사이에서 동일 평면에 있도록 배치하는 것(노즐(18)이 형성된 노즐 시트(17)의 표면에 변형이 없고, 높은 평면도를 갖는 것)이 바람직하다.

이어서, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

(실시예 1)

도24는 액체 토출부의 구체적 형상(치수)을 도시한 단면도이다. 또한, 도25는 1개의 액체 토출부내의 2개의 발열 소자를 도시한 평면도이다.

도24에 도시한 바와 같이, 노즐(18)의 직경(D)을 15㎛로 하였다. 여기서, 실시예 1에서는 노즐(18)의 개구 형상을 원형으로 하였기 때문에 직경(D)(=Dx=Dy)을 이용하였다.

또한, 노즐 시트(17)의 두께(N)를 12㎛, 배리어층(16)의 두께(K)를 12㎛로 하였다. 따라서, K＋N=24㎛가 된다. 또한, 배리어층(16)내에 있어서의 발열 소자(13)의 배열 방향의 길이를 24㎛로 하였다.

또한, 도25에 도시한 바와 같이 발열 소자(13)의 기포 발생 영역(발열 영역) 을 20×20㎛의 정사각형으로 하고, 2개의 기포 발생 영역의 간극(슬릿폭)을 0.8㎛로 하였다.

한편, 상술한 설명에서는 1개의 액체 토출부내에 설치된 2개의 발열 소자(13)를 「2분할되었다」고 설명하였으나, 실제로는 1개의(물리적으로 분리하지 않은) 발열 소자(13)를 도25에 도시한 바와 같은 대략 역U자 형상으로 형성함과 함께, 그 양단부 및 그 중앙 상부의 변곡 부분의 합계 3개소에 전극을 형성하여 2개의 병설된 기포 발생 영역(발열 영역)을 형성한 것이다. 이와 같이 「2개의 발열 소자(13)」는 완전히 물리적으로 분리되어 있을 필요는 없고, 설계상은 도25에 도시한 형상의 쪽이 제작하기가 쉽다.

또한, 2개의 기포 발생 영역은 동일한 표면 형상 및 동일한 발열 특성을 갖 도록 설정한다. 한편, 발열 소자(13)에는 탄탈을 스퍼터링에 의해 형성한 것을 이용하고, 저항치는 1개의 기포 발생 영역에서 약75Ω으로, 2개의 기포 발생 영역을 직렬로 접속하여 약 150Ω으로 하였다.

또한, 도25에서는 노즐(18)의 위치를 파선으로 나타내고 있으나, 2개의 기포 발생 영역은 노즐(18)의 중심(축)에 대해 대칭이 되도록 배치된다.

도26은 편향량(Y)의 상수를 설명하는 도면이다. 실제 잉크 액적의 토출 각도는, 노즐(18)의 중심축에 대해 고작 3～4도 정도이기 때문에, 이것을 정확히 측정하기는 어렵다. 그래서, 잉크 액적을 편향시키지 않고 (노즐(18)의 중심축과 일치하는 방향으로) 토출하였을 때의 잉크 액적의 착탄 위치에 대한, 잉크 액적을 편향 토출하였을 때의 착탄 위치를, 도26 중 편향량(Y)으로서 측정하였다(또, 노즐 (18)의 토출면에서 기록매체까지의 수직 거리를 약 1.5㎜로 하였다.).

(실시예 2)

도27은 실시예 2에 있어서의 헤드의 구체적 구조를 도시한 단면도이다. 도27에 도시한 바와 같이, 실험에서는 반도체칩 상에 직접 포토리소그래피 기술을 이용하여 노즐(18)을 형성하는 OCN(온?칩?노즐) 구조의 노즐군을 형성하고, 동일 칩상에 여러가지 파라미터를 갖는 노즐을 시험 제작하였다.

또, OCN 구조를 이용한 이유로서는, 첫째 노즐(18)을 투명한 아크릴 등으로 형성할 수 있으므로 노즐(18)의 내부에서 발생한 현상을 시각적으로 관측할 수 있을 것, 및 둘째 다양한 노즐(18)을 정확히 만들 수 있으므로 변화시킬 필요가 있는 파라미터 이외에는 가능한 한 다른 조건의 노즐과 동일 조건을 유지하여, 실험에서 얻어지는 수치의 신뢰성을 높이는 것이다.

(실시예 3)

실시예 1에서는 개구 형상이 원형인 노즐(18)을 이용하였으나, 실시예 3에서는 노즐(18)의 개구 형상을 원 이외의 타원이나 장원으로 하여(Dx≠Dy) 개구 직경(DX 및 Dy)을 변화시켰다.

한편, 실시예 3에서는 노즐(18)의 개구 형상 이외의 파라미터는 모두 동일한 것으로 하였다.

도28은 12개의 실험 결과와 평가항을 표로서 나타낸 도면이다. 여기서는 편향량(Y)에 크게 영향을 미친다고 생각되는 3개의 파라미터(D(=Dx=Dy): 노즐(18)의 직경, K: 배리어층(16)의 두께, N: 노즐 시트(17)의 두께)를 적당히 선택하여 실측 하였다. 또한, 편향량(Y)의 측정은 도26에 나타낸 바와 같다. 또한, 평가항 1～5는 상관 관계를 보기 위한 시산(試算)이다.

또한, 도29는 도28과 마찬가지로 실험 결과와 평가항을 표로서 나타낸 도면으로, 노즐(18)의 개구 형상이 원과 장원인 경우에 대해 나타낸 것이다. 도29에서는 노즐(18)의 개구 형상의 차이로 어떻게 변화하는지를 보기 위해, 노즐(18)의 형상 이외의 파라미터는 동일한 조건으로 하고 있다.

또한, 도30은 도28의 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 도30의 8개의 그래프에서는 모든 도트가 모두 동일한 실험 결과에 기초한 것으로서, 단지 그 결과의 평가 방법을 변경했을 뿐이다. 도30에 있어서, 세로 열의 4개의 그래프(1, 3, 5, 7)는 편향량(Y)에 관한 평가 조작을 하고 있고, 가로 열의 2개의 그래프(2, 4, 6, 8)는 노즐(18)의 직경(D)에 관한 평가 조작를 하고 있다.

도30의 그래프에서는 「1」이 상관이 매우 좋은 것을 표시하고 있고, 「8」이 다음으로 이어지는 높은 상관을 표시하고 있을 알 수 있다.

또한, 도30 중, 「8」의 그래프의 식을 식 2의 경우에 준하여 기재하면,

Y=b(Dx-N);b

는 식 2에 있어서의 a의 1/2에 상당하는 상수라는 형태로 된다.

통상의 실용적인 잉크 액실(12)의 구조에서는, K와 N의 값이 상당히 가까운 값이 되기 때문에, K≠N이라고 생각해도 된다. 따라서, 이 조건을 식 2에 대입하면,

Y=aK(X-0.5)=aN(Dx/(2N)-0.5)=a(Dx-N)/2=b(Dx-N)

으로 되어, 식 12와 같아진다.

또한, 도31은 노즐(18)의 개구 형상이 원인 경우(Dx=Dy)와 장원인 경우(Dx≠Dy)라도 특정한 범위내이면 상관의 변화가 없음을 그래프로 나타낸 것이다. 또한, 도31에서는 도30 중 「1」과 「8」의 조합을 이용하고 있다.

도31의 결과로부터, 노즐(18)의 개구 형상이 변하더라도 편향량(Y)은 거의 Dx의 값에 의해서만 결정되는 것을 알 수 있다.

이어서, 노즐(18)의 개구 형상과 도트 직경의 변화에 대해 설명한다.

도32는 실시예 3의 실험 결과로부터, 복수 종류의 노즐(18)의 개구 직경(Dx) 및 개구 직경(Dy), 그리고 노즐(18)의 개구 면적(S)과 (기록 매체에 기록된) 도트 직경(φ)을 나타낸 것이다. 또한, 도33은 토출되는 잉크 액적량은 도트 직경(φ)과 1 대 1로 대응하는 것으로 하여 φ:S를 그래프화한 도면이다.

도33에서, (최대) 편향량(Y)은 발열 소자(13)의 배열 방향에서의 노즐(18)의 개구 직경(Dx)에 대해서는 상당히 충실하게 비례 관계를 나타낸다. 한편, 도트 직경(φ), 즉 토출되는 잉크 액적량에 관해서는 거의 노즐(18)의 개구 면적(S)만으로 결정되는 것임을 알 수 있다.

상기한 내용은, 원형의 노즐(18)의 개구 형상만을 생각한다면, 최대의 편향량(Y)이 결정되면 필연적으로 도트 직경(φ)도 결정되어 버린다. 이에 비하여, 개구 직경(Dx)만을 동일하게 한 타원이나 장원(이에 준하는 형상을 포함함)을 선택하 고, 개구 면적(S)를 적당히 선택함으로써 도트 직경(φ)을 어느 범위내에서 선택하는 것이 가능함을 의미하고 있다.

또한, 도33 중, 「포화 영역」이라고 한 영역은 개구 면적(S)이 증대하고 있음에도 불구하고, 도트 직경(φ)이 변화하지 않게 되는(증대하지 않게 되는) 영역이다. 이는 액체 토출부의 구조상, 발열 소자(13)의 표면적과 잉크 액실(12)의 용적이 한번에 토출에 관여하는 잉크 액적량을 결정하기 위해, 토출되는 잉크 액적의 체적이 그 양에 가까와짐에 따라 도트 직경(φ)도 개구 면적(S)에 관계없이 일정치로 수속하기 때문이다.

이상의 실시예에 대해 정리하면, 이하의 것을 말할 수 있다.

(1) 편향량(Y)은 노즐(18)의 개구 직경, 특히 발열 소자(13)의 배열 방향에서의 개구 직경(Dx)에 비례한다.

(2) 잉크 액실의 높이(H)(=K＋N)를 일정하게 하였을 때, 편향량(Y)은 배리어층(16)의 두께(K)에 비례한다.

(3) 편향량(Y)은 잉크 액실의 높이(H)에 반비례한다.

(4) 편향량(Y)은 D:H=1:2인 점을 기점으로 하여 D/H의 변화에 대해 직선적으로 변화한다.

(5) 실시예 2의 파라미터의 변화 범위에서는, 노즐 시트(17)의 두께(N)는 잉크 액실의 높이(H)가 일정하면 편향 특성에는 거의 영향을 미치지 않는다.

이들로부터 상술한 식 2가 유도된다.

본 발명에 따르면, 동일 표면 형상 및 동일 발열 특성을 갖는 2개의 기포 발생 영역에 동시에 에너지를 공급함과 함께, 공급하는 에너지의 에너지 면밀도를 변경함으로써, 액적에는 토출에 필요한 비상력이 부여됨과 함께, 액적의 비상력에는 노즐의 토출면에 평행한 성분을 갖게 된다. 그리고, 공급하는 에너지 면밀도의 차에 따라 액적의 토출 방향(예컨대, 어느 정도 편향시킬 것인지나 어느 방향으로 액적을 토출할 것인지 등)을 쉽게 제어할 수 있는 액체 토출 장치를 제공할 수 있다.

Claims

토출해야 할 액체를 수용하는 액실과,

상기 액실내에 설치된 발열 소자와,

상기 액실 내로부터 액적을 토출시키기 위한 노즐을 형성한 노즐 형성 부재를 구비하고,

상기 발열 소자에 가열을 위한 에너지를 공급하여, 상기 발열 소자상에서 막 비등에 의한 기포를 발생시키고, 그 기포의 발생에 의해 상기 액실내의 액체에 비상력을 부여함과 함께, 기포 발생후의 수축에 의한 압력 변화에 의해 상기 액실내의 액체의 일부를 액적으로서 분리시켜 상기 노즐로부터 토출시키고,

1개의 상기 액실내에 설치된 상기 발열 소자는, 동일 표면 형상 및 동일 발열 특성을 갖는 2개의 기포 발생 영역이 나란히 배치된 것이며,

2개의 상기 기포 발생 영역에 대해 에너지를 동시에 공급함과 함께, 2개의 상기 기포 발생 영역상에서의 막 비등에 의한 기포 발생 시각이 상이하도록 2개의 상기 기포 발생 영역에 상이한 에너지 면밀도의 에너지를 공급함으로써, 액적의 생성 과정에 있어서 상기 노즐의 토출면에 평행한 성분을 갖는 비상력을 액적에 부여하도록 제어하고,

또한,

2개의 상기 기포 발생 영역의 에너지 면밀도의 차가 0이며 액적의 비상력 중 상기 노즐의 토출면에 평행한 성분이 0이 되는 점을 원점으로 하여, 에너지 면밀도의 차의 증대에 수반하여 액적의 비상력 중 상기 노즐의 토출면에 평행한 성분이 증가함과 함께 피크치에 도달하고, 그 후 상기 노즐의 토출면에 평행한 성분이 감소하도록 변화하는 범위내로서,

상기 원점을 중심으로 에너지 면밀도의 차의 증대에 수반하여 액적의 비상력 중 상기 노즐의 토출면에 평행한 성분이 상기 피크치까지 증가하는 제1 범위,

상기 제1 범위에 인접하는 범위로서, 2개의 상기 기포 발생 영역의 에너지 면밀도의 차의 축소에 수반하여 액적의 비상력 중 상기 노즐의 토출면에 평행한 성분이 0이 되는 점을 포함하는 범위에서 상기 노즐의 토출면에 평행한 성분이 상기 피크치까지 변화하는 제2 범위,

상기 제1 범위에 인접함과 함께 2개의 상기 기포 발생 영역의 에너지 면밀도의 차가 0인 점에 대해 상기 제2 범위와 대칭인 범위이고, 상기 제2 범위에 있어서의 2개의 상기 기포 발생 영역에 공급하는 에너지의 조건을 역전함으로써 얻어지는 관계로서, 2개의 상기 기포 발생 영역의 에너지 면밀도의 차의 증대에 수반하여 액적의 비상력 중 상기 노즐의 토출면에 평행한 성분이 0이 되는 점을 포함하는 범위에서 상기 노즐의 토출면에 평행한 성분이 상기 피크치 이후에 변화하는 제3 범위

중 어느 하나의 범위 내 또는 복수의 범위 내에서 2개의 상기 기포 발생 영역에 공급하는 에너지 면밀도의 차를 변화시킴으로써, 액적의 비상력 중 상기 노즐의 토출면에 평행한 성분의 크기를 변화시키도록 제어하는, 액체 토출 장치.
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제1항에 있어서,

1개의 상기 액실내에 설치된 상기 발열 소자의 2개의 상기 기포 발생 영역은, 상기 노즐의 중심축을 지나 상기 노즐의 토출면에 수직인 면에 대해 대칭으로 배치됨과 함께,

상기 액실 및 상기 노즐은 상기 면에 대해 대칭 형상으로 되도록 형성되어 있는, 액체 토출 장치.
제1항에 있어서,

1개의 상기 액실내에 설치된 상기 발열 소자의 2개의 상기 기포 발생 영역의 중심을 그 2개의 상기 기포 발생 영역의 배열 방향으로 연결하는 중심간 거리(B)와, 상기 액실내의 2개의 상기 기포 발생 영역의 배열 방향에 있어서의 상기 노즐의 토출면의 개구 직경(Dx)의 관계가 Dx＞B이며,

또한,

상기 노즐 형성 부재의 두께(N)와 상기 중심간 거리(B)의 관계가 N＜2×B인, 액체 토출 장치.
제1항에 있어서,

상기 액실내의 2개의 상기 기포 발생 영역의 배열 방향에 있어서의 상기 노즐의 토출면의 개구 직경(Dx)과, 상기 액실내의 2개의 상기 기포 발생 영역의 배열 방향에 수직인 방향에 있어서의 상기 노즐의 토출면의 개구 직경(Dy)의 관계가 Dx＞Dy인, 액체 토출 장치.
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제1항에 있어서,

상기 액실내의 2개의 상기 기포 발생 영역의 배열 방향에 있어서의 상기 노즐의 토출면의 개구 직경(Dx)과, 상기 액실내의 2개의 상기 기포 발생 영역의 배열 방향에 있어서의 상기 노즐의 상기 발열 소자측의 면의 개구 직경(Dx')의 관계가 Dx＜Dx'인, 액체 토출 장치.
제1항에 있어서,

상기 노즐의 내벽면은 상기 노즐의 개구 직경이 상기 노즐의 토출면으로부터 상기 발열 소자측을 향함에 따라 커지도록 형성된 테이퍼면인, 액체 토출 장치.
제1항에 있어서,

1개의 상기 액실내의 상기 발열 소자에 있어서의 2개의 상기 기포 발생 영역의 배열 방향으로 복수의 동일 형상의 상기 액실, 상기 발열 소자 및 상기 노즐이 배열되어 있는, 액체 토출 장치.
제1항에 있어서,

1개의 상기 액실내의 상기 발열 소자에 있어서의 2개의 상기 기포 발생 영역의 배열 방향으로 복수의 동일 형상의 상기 액실, 상기 발열 소자 및 상기 노즐이 배열되어 있고,

양단에 위치하는 상기 노즐의 외측에는 또한 상기 노즐 형성 부재가 연장되어 있음과 함께, 액체를 토출하지 않는 상기 노즐 및 상기 액실이 설치되어 있는, 액체 토출 장치.
제1항에 있어서,

1개의 상기 액실내의 상기 발열 소자에 있어서의 2개의 상기 기포 발생 영역의 배열 방향으로 복수의 동일 형상의 상기 액실, 상기 발열 소자 및 상기 노즐이 배열되어 있고,

복수의 모든 상기 노즐은 일방향으로 배치되고,

복수의 모든 상기 노즐의 토출면은 동일 평면에 위치하도록 배치되어 있는, 액체 토출 장치.