(57)【要約】【課題】  エネルギー変換効率向上させるとともに、消費電力を低減し、長時間安定動作可能にした液体吐出ヘッド及び該ヘッドを用いた記録装置を提供する。【解決手段】  平板状の発熱体を流路の内壁面より浮かせた状態で支持して該平板状の発熱体の両面に気泡を発生させる液体吐出ヘッドであって、前記発熱体自体または発熱体の支持部を気泡の発生に伴う衝撃を緩和するように弾性変形させる。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を加熱して気泡を発生させ、発生する気泡により生じる圧力を用いて液体を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、液体吐出口と、該液体吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、
前記流路内に配置した面状発熱体を備え、該面状発熱体の両面に気泡を発泡させることを特徴とし、該面状発熱体もしくは該発熱体支持部が、発泡に伴う衝撃を緩和するように弾性変形することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記発熱体が平板形状であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記発熱体が前記流路に片持ち梁構造であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記発熱体が前記流路に両持ち梁構造であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記発熱体の両面で、気泡が同時に発生することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
液体を加熱して気泡を発生させ、発生する気泡により生じる圧力を用いて液体を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、液体吐出口と、該液体吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、
前記流路内に配置した面状発熱体を備え、該面状発熱体の両面に気泡を発泡させることを特徴とし、該面状発熱体もしくは該発熱体支持部が、発泡に伴う衝撃を緩和するように弾性変形する液体吐出ヘッドを有することを特徴とする記録装置。
【請求項７】
更に、複数の液体吐出ヘッドを備え、各発熱体面に膜沸騰を生じさせる電気信号を供給する手段を備えたことを特徴とする請求項６に記載の記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギーを液体に作用させることで起こる気泡の発生によって、所望の液体を吐出する液体吐出ヘッド、及び記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から液体吐出装置は、微細加工、実験分析、画像形成等の様々な分野で応用されているが、ここではインクジェットによる記録方法を例にとって説明する。
【０００３】
インク滴を吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行なうインクジェット記録方法は、高速記録が可能であり、また記録品位も高く、低騒音であるという利点を有している。さらに、この方法はカラー画像記録が容易であって、普通紙等にも記録でき、さらに装置を小型化し易いといった多くの優れた利点
を有している。
【０００４】
このようなインクジェット記録方法を用いる記録装置には、一般にインクを飛翔インク滴として吐出させるための吐出口と、この吐出口に連通するインク路と、このインク路の一部に設けられ、インク路内のインクに吐出のための吐出エネルギーを与えるエネルギー発生手段とを有する記録ヘッドが備えられる。例えば、
特公昭６１−５９９１１号、特公昭６１−５９９１２号、特公昭６１−５９９１３号、特公昭６１−５９９１４号の各公報には、エネルギー発生手段として電気変換体を用い、電気パルス印加によってこれが発生する熱エネルギーをインクに熱作用させてインクを吐出させる方法が開示されている。
【０００５】
上記各公報に開示されている記録方法は、熱エネルギーの作用を受けたインクに気泡が発生し、この気泡の急激な膨張に基づく作用力によつて、記録ヘッド部先端の吐出口よりインクを吐出し、この吐出インク滴が被記録媒体に付着して画像形成を行なうものである。この方法によれば記録ヘッドにおける吐出口を高密度に配設することができるので、高解像度、高品質の画像を高速で記録することができ、この方法を用いた記録装置は、複写機、プリンタ、ファクシミリなどにおける情報出力手段として用いることができる。
【０００６】
このインクジェット記録方式においては、上述のように電気熱変換体すなわち液体を加熱するための発熱体が必要であり、従来は薄膜抵抗体を流路内の壁面に設置し、該薄膜抵抗体の２辺に電気パルスを印加するための電極を接続したものが用いられていた。
【０００７】
しかしながら、上記したように薄膜抵抗体を壁面に設置した場合は、該薄膜抵抗体で発生した熱エネルギーが、かなりの割合で壁面に散逸してしまう場合があった。これにより、熱エネルギーを発泡のエネルギーに変換する効率が低下し、消費電力が大きくなってしまう。この問題点を解決するために、特開昭５５−５７４７７公報においては、発熱体を部分的に流路内の空間に空中に延在させて設け、これにより発熱体からプリントヘッド本体乃至は基板に熱が散逸されることを極力防止し、発熱体で発生した熱エネルギーを効率良く発泡のエネルギーに変換することにより、消費電力を低減させる装置が開示されている。
【０００８】
また特開昭６２−９４３４７号公報では、発熱体面上のヘッド形態についても開示している。更に、発熱体が梁形状の場合、発熱体又は発熱体支持部分を線膨張係数の違う材料による多層構造として、発熱時におけるバイモルフ効果から発熱部を振動屈曲させ、インクに運動量を付与してインク滴の形成に寄与させるものも開示している。
【特許文献１】特公昭６１−５９９１１号公報
【特許文献２】特公昭６１−５９９１２号公報
【特許文献３】特公昭６１−５９９１３号公報
【特許文献４】特公昭６１−５９９１４号公報
【特許文献５】特開昭５５−５７４７７号公報
【特許文献６】特開昭６２−９４３４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、熱エネルギーを発泡エネルギーに変換する効率を改善するために、発熱体を部分的に流路内の空間に空中に延在させて設けた上記従来技術では以下に説明する問題点があった。
【００１０】
図１（特開昭５５−５７４７７）では、電極部１０１が気泡１０２と吐出口１０３の間に立ちふさがる構成となっている。この場合、電極部側の気泡１０２は液体の慣性（動きにくさ）が大きくなり、気泡１０２は反対側の気泡１０４に比べてあまり膨張することができない。また、発熱体保護膜の表面粗さ、膜厚の差などにより、主として発泡する面における気泡１０２と気泡１０４の発生タイミングがわずかに異なる場合もある。実際の気泡発生時には瞬間的に数１０気圧程度の圧力が発生することを考慮すれば、気泡の膨張度合い、気泡の発生タイミングが異なると発熱体両面での圧力差は１０気圧以上にも達し得る。そのため、発熱体が破壊してしまったり、繰り返し加わる応力により発熱体の耐久性が著しく劣化してしまうことがある。
【００１１】
次に図２（特開昭６２−９４３４７号）では、発熱体２０１が発泡する気泡２０２の方向へ屈曲している。しかし気泡発泡時における気泡のエネルギーを考慮した場合、発泡時の衝撃は気泡２０２の進行方向（この場合液滴吐出方向）とは逆方向へかかる。ということは、この場合のように発泡衝撃に対向するように屈曲すると、発泡衝撃は特開昭５５−５７４７７に比べて大きくなり、発熱体２０１が破壊してしまったり、もしくは繰り返し加わる応力により発熱体の耐久性が著しく劣化してしまうこととなる。
【００１２】
すなわち上記従来技術においては、発熱体で発生した熱エネルギーを気泡のエネルギーに変換する効率に関しては考慮されているが、気泡のエネルギーによる発泡衝撃を緩和、解消できる発熱体形状、構造についての考慮がなされていない。
【００１３】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、発熱体で発生した熱エネルギーを効率良く気泡のヱネルギーに変換することが可能な液体吐出ヘッドを提供することであり、さらには消費電力が低くかつ長時間安定動作可能な記録装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は上記課題を解決するため、流路内の液体を加熱して発泡させ、発生気泡を利用して液体を吐出する液体吐出ヘッド、および記録装置を以下のように構成したことを特徴とするものである。
【００１５】
すなわち、本発明の液体吐出装置は、液体を加熱して気泡を発生させ、発生する気泡により生じる圧力を用いて液体を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、液体吐出口と、該液体吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、前記流路内に配置した面状発熱体を備え該面状発熱体の両面に気泡を発泡させることを特徴とし、該面状発熱体もしくは該発熱体支持部が、発泡に伴う衝撃を緩和するように弾性変形することを特徴としている。
【００１６】
また、本発明の液体吐出装置は、前記発熱体が平板形状であることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明の液体吐出装置は、前記発熱体が前記流路に片持ち梁構造であることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明の液体吐出装置は、前記発熱体が前記流路に両持ち梁構造であることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明の液体吐出装置は、前記発熱体の両面で、気泡が同時に発生することを特徴としている。
【００２０】
本発明の記録装置は、液体を加熱して気泡を発生させ、発生する気泡により生じる圧力を用いて液体を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、液体吐出口と、該液体吐出口に連通して配置された液体を満たすための流路と、前記流路内に配置した面状発熱体を備え、該面状発熱体の両面に気泡を発泡させることを特徴とし、該面状発熱体もしくは該発熱体支持部が、発泡に伴う衝撃を緩和するように弾性変形する液体吐出ヘッドを有することを特徴としている。
【００２１】
また、本発明の記録装置は、複数の液体吐出ヘッドを備え、各発熱体面に膜沸騰を生じさせる電気信号を供給する手段を備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明の液体吐出装置型吐出ヘッドは、発熱体を流路の内壁に宙空に設置することで、発熱体で発生した熱が基板に散逸するのを防ぎ、また発熱体もしくは発熱体支持部分が、発泡に伴う衝撃を緩和・解消するように弾性変形できる構造を備えたことにより、液体の慣性の効果や、気泡発生に伴う気泡のエネルギーによる衝撃応力から発熱体の破壊、劣化を防ぐことができた。これにより、高解像度・高速印字が可能で、従来と比較して消費電力が低くかつ長時間安定動作可能な記録装置を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、気泡発生、気泡成長、気泡発泡に至るまでに発熱体にかかる応力の緩和、解消手段について説明する。実際、発熱体にかかる応力は、気泡発泡する時の発泡衝撃応力や液体の慣性の効果による応力である。
【００２４】
例えば、発熱体の発泡する面の周囲における液体の慣性（動きにくさ）の効果が、発熱体面を挟んで発熱体面垂直方向で大きく異なった場合を考えてみる。（気泡発泡した発熱体を断面図示、図３）発熱体の全面において一様に気泡発泡したと仮定し、発熱体断面図Ａ側の圧力Ｐ３０１、体積Ｖ３０２、発熱体断面図Ｂ側の圧力Ｐ３０３、体積Ｖ３０４、とする。気泡発泡初期時から、発熱体の各面で発生した熱エネルギーが広い空間に伝達しない時間までにおいては、液体の慣性の効果により、Ｖ３０２＞Ｖ３０４、Ｐ３０３≧Ｐ３０１の関係が維持されているものとする。この場合、慣性の効果による応力を緩和・解消するために発熱体もしくは発熱体支持部はＡ側へ弾性変形し、慣性の効果による応力を運動（弾性変形）エネルギーに変換して消費し、発熱体の破損を回避することができる。
【００２５】
また次に、発熱体保護膜の表面粗さ、膜厚の差などにより、主として気泡発泡に寄与するいくつかの発熱体面での気泡発泡タイミングのずれが生じたり、発熱体面一様に気泡発泡しない場合を考えてみる。（気泡発泡した発熱体を断面図示、図４）発熱体断面図Ａ側の圧力Ｐ４０１、気泡発泡した発熱体面積Ｓ４０２、発熱体断面図Ｂ側の圧力Ｐ４０３、気泡発泡した発熱体面積Ｓ４０４、両者とも気泡初期時からの時間変化をΔｔ、またＳ４０２＞Ｓ４０４とする。衝撃力としてはＦ・Δｔかかるので、Ａ側はＰ４０１・Ｓ４０２・Δｔ、Ｂ側はＰ４０３・Ｓ４０４・Δｔとなる。圧力Ｐ４０１、Ｐ４０３は気泡発泡時の液体の蒸気圧のみに依存しＰ４０１＝Ｐ４０３で、単純に液体の慣性の効果を無視出来た場合、圧力の時間変化は両者間で一定、すなわちＰ４０１（Ｔ）＝Ｐ４０３（Ｔ）の関係が維持され、結果Ａ側とＢ側における衝撃力の大小としては面積Ｓで規定されることなる。この場合Ｓ４０２＞Ｓ４０４なので、発生する衝撃力は力Ａ側＞力Ｂ側になり、発熱体もしくは発熱体支持部はＢ側へ弾性変形し、発泡衝撃による応力を運動（弾性変形）エネルギーに変換して消費し、発熱体の破損を回避することができる。但し、実際の気泡発泡では液体の慣性の効果が関係してくることも充分考えられるため、応力の総和としての向きを考慮しなくてはいけない場合もある。
【００２６】
結果として、連続した気泡発泡を行った場合、上記双方の応力を緩和・解消する向きに発熱体もしくは発熱体支持蔀が弾性変形できる必要がある。またその際の発熱体の支持構造に関しては、上記両者とも、流路に対して両持ち梁状でも片持ち梁状でも問題無いが、その支持構造の降伏応力が発生する応力以上になるように適宜設計されなければならない。
【００２７】
本発明の液体吐出ヘッドでは、液体が満たされた流路に対して宙空に発熱体を設置する（流路内の空間に空中に配置する）ことにより、ヘッド本体や基板への熱の散逸を防止することができ、発熱体で発生した熱エネルギーを効率良く発泡エネルギーに変換することができる、また発熱体もしくは発熱体支持部が、気泡発泡に伴う衝撃を緩和・解消するように弾性的に変形できる構造を備えたことにより、長時間に渡る吐出安定性、液滴吐出ヘッドの耐久性が得られる。その際の発熱体の支持構造は、流路に対して両持ち染状でも片持ち梁状でも良いが、その支持構造の降伏応方が発生する応力以上になるように適宜設計されなければならない。その際、発熱体全域で一様なる気泡発泡ができるように、発熱体と導伝部との接合形状を形成する必要がある。
【００２８】
発熱体の形状は、平板形状とした場合に特に効率の損失が小さいが、これ以外の形状であっても良い。発泡面は、平板形状の発熱体の場合、最も面積が広い面であることが多い。
【００２９】
また、本発明の液体吐出ヘッドでは、平板形状の発熱体を用いた場合に、発熱体の面積が最も広い面を発泡面とし、その両面に同時に気泡を発生させることにより、吐出特性を安定させることができる。というのも、発熱体にかかる発泡衝撃を緯和・解消するために発熱体が弾性変形しようとしたときに、別の発熱面からその弾性変形を遮る向きに気泡発生することがなく、発熱体が発泡衝撃に挟まれることがなくなるからである。実際、発熱体両面で、同時に気泡を発生させるためには、例えば、発熱体を膜沸騰が生じる温度まで急速に加熱すれば良い。これにより、発熱体の温度は短時間で一様に発泡温度以上に上昇するので、発熱体両面での発泡時間のばらつきが小さくなり、発熱体両面でほぼ同時に気泡を発生させることができる。もちろん両面で気泡発泡することで、従来技術の壁面に設置された発熱体と比較して、気泡の体積が約２倍となり液体の吐出エネルギーを向上させることができる。もしくは、従来技術と比較して少ない消費電力で同等の吐出エネルギーを得ることができる。
【００３０】
また、本発明の記録装置は、上記した記録ヘッドを複数備えることにより高速な記録が可能となり、さらに記録ヘッドの各発熱体に膜沸騰を生じさせる電気信号を供給する手段を備えることにより安定した記録が可能となる。
【００３１】
以下に具体的な実施例を示すが、基板、天板、流路、発熱体、液滴吐出口等の寸法や形状や材質、駆動条件等は一例であり、設計事項として任意に変更できるものである。
【００３２】
以下実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。
【００３３】
（第１実施例）
図５に示したインクジェット記録ヘッドを設計、作製した。本実施例の吐出ヘッドは、単結晶シリコン基板５０１に、流路５０２となる溝を有するエポキシ系樹脂で形成したスペーサー５０３を形成し、スペーサーの溝に架かる片持ち梁状の導伝部５０４を有する発熱体５０５を形成し、さらに流路５０２となる溝を有するスペーサー５０６を形成し、円形の液体吐出口５０７を有する天板５０８を張合わせたものである。前記発熱体の各面のうち、最も面積の広い面（以下、発泡面と記述する。）において気泡は主として発生する。
【００３４】
ここで発熱体は、不純物を導入して導電性を持たせたｐｏｌｙ−Ｓｉの両面にＳｉ3Ｎ4よりなる保護層（不図示）を形成した平板形状であり、発泡面は液体吐出方向に対して垂直となるように配置されている。また導伝部は、多量の不純物を導入して金属的導電性を持たせたｐｏｌｙ−Ｓｉ電極を用い、発熱体に生じる電流密度が略一定になるように導伝部と発熱体の接合を形成してある。吐出ヘッドの各部の寸法は、図５に示した通りである。
【００３５】
次に、本実施例の吐出ヘッドの液体吐出原理を説明する。
【００３６】
まず、液体の改正による効果で、発熱体支持部が弾性変形する場合を考えてみる。
【００３７】
流路が液体に満たされた状態（図６（ａ））で、発熱体の両端に形成された電極に、パルス電圧を印加することにより、発熱体の温度を、膜沸騰が生じる温度（３００℃以上）まで急速に上昇させる。その際、図６における構造では、液滴吐出口に近い発泡面（気泡６０１）はもう一方に比べて液体の慣性が小さいため発熱体支持部である導伝部６０２が液滴吐出口側に弾性的に歪み、発熱体にかかる応力を緩和・解消する。さらに気泡は膨張を続け、液滴を液滴吐出口側に押し出す（図６（ｃ））。さらに気泡が膨張すると、独立した液滴６０３が形成され、液滴吐出口６０４から吐出する。（図６（ｄ））。液滴が吐出すると発熱体支持部である導伝部が弾性的に振動しながら定常位置に戻る。その後、液滴に取り込まれずに流路内に残った液体は、液体供給口６０５側の液体と合体して初期状態に戻る（図６（ｅ））。
【００３８】
次に気泡の発泡衝撃応力によって、発熱体もしくは発熱体支持部が弾性変形する場合を考えてみる。
【００３９】
流路が液体に満たされた状態（図７（ａ））で、発熱体の両端に形成された電極に、パルス電圧を印加することにより、発熱体の温度を、膜沸騰が生じる温度（３００℃以上）まで急速に上昇させる。これにより、発熱体の発泡面の両面に、同時に気泡が発生し、急激に膨張を始める。その際、仮に発熱体７０１側において発熱面での一様なる気泡発泡が行われなかった場合は、発熱体７０２側で気泡発泡した衝撃で発熱体支持部である導伝部７０３が液的吐出口とは反対側に弾性的に歪み、発熱体にかかる応力を緩和・解消する。もちろん、発熱体７０２側で一様に気泡発泡しなかった場合はこの逆の現象が生じる。
【００４０】
さらに気泡は膨張を続け、液滴を液滴吐出口側に押し出す（図７（ｃ））。さらに気泡が膨張すると、独立した液滴７０４が形成され、液滴吐出口７０５から吐出する（図７（ｄ））。液滴が吐出すると発熱体支持部である導伝部７０３が定常位置に戻り、その後、液滴に取り込まれずに流路内に残った液体は、液体供給口側の液体と合体して初期状態に戻る（図７（ｅ））。
【００４１】
この吐出ヘッドに、Ｃ．Ｉ．フードブラック２３．０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％よりなる各配合成分を容器中で撹拌し、均一に混合溶解させた後、孔径０．４５μｍのポリフッ化エチレン系繊維製フィルタで濾過して得た粘度２．０ｃｐｓ（２０℃）のインクを流路に供給し吐出を試みた。
【００４２】
吐出ヘッドの発熱体の加熱条件を、パルス幅２．５μｓｅ、周波数３ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、発熱体を加熱するための駆動パルスに同期し、かつ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、発泡状況を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。その結果、液滴吐出時において発熱体支持部である導伝部分が、液体の慣性や、また気泡の発泡衝撃で弾性変形していることが確認された。
【００４３】
本実施例の吐出ヘッドでは、発熱体を流路の内壁面から浮かせた状態に支持してあるので、該発熱体で発生した熱は、基板（もしくは天板）に散逸せず、その殆どが気泡の発生に利用される。更に、該発熱体の導伝部分が弾性変形可能な形状を備えたため、発熱体の破壊及び劣化を防ぐことができた。
【００４４】
（第２実施例）
図８に示したインクジェット記録ヘッドを設計、作製した。本実施例の吐出ヘッドは、単結晶シリコン基板８０１に、流路８０２となる溝を有するスペーサー８０３を形成し、スペーサーの溝に架かる両持ち梁状の導伝部８０４を有する発熱体８０５を形成し、さらに流路８０２となる溝を有するスペーサー８０６を形成し、円形の液体吐出口８０７を有する天板８０８を張合わせたものである。前記発熱体の各面のうち、最も面積の広い面（以下、発泡面と記述する。）において気泡は主として発生する。
【００４５】
ここで発熱体は、第１実施例の発熱体の抵抗値に相当するように不純物を導入して導電性を持たせたｐｏｌｙ−Ｓｉの両面にＳｉ3Ｎ4よりなる保護層（不図示）を形成した平板形状であり、発泡面は液体吐出方向に対して垂直となるように配置されている。また導伝部は、多量の不純物を導入して金属的導電性を持たせたｐｏｌｔｙ−Ｓｉ電極を用い、発熱体に生じる電流密度が略一定になるように導伝部と発熱体の接合を形成してある。吐出ヘッドの各部の寸法は、図８に示した通りである。
【００４６】
次に、本実施例の吐出ヘッドの液体吐出原理を説明する。基本的には第一実施例の吐出原理と同じであるが、この場合の発熱体形状は、発熱体と導伝部両方が弾性的に歪むことができるようになっている。
【００４７】
まず液体の慣性による効果で、発熱体もしくは発熱体支持部が弾性変形する場合を考えてみる。
【００４８】
流路が液体に満たされた状態で、発熱体の両端に形成された電極に、パルス電圧を印加することにより、発熱体の温度を、膜沸騰が生じる温度（３００℃以上）まで急速に上昇させる。これにより、発熱体の発泡面の両面一様に、同時に気泡が発生し、急激に膨張を始める。その際、図８における構造では、液滴吐出口に近い発泡面はもう一方に比べて液体の慣性が小さいため発熱体の前方の凸型部が液的吐出口側に弾性的に歪み、発熱体にかかる応力を緩和・解消する。さらに気泡は膨張を続け、液滴を液滴吐出口側に押し出す。さらに気泡が膨張すると、独立した液滴が形成され、液滴吐出口から吐出する。液滴が吐出すると発熱体の前方の凸型部が弾性的に振動しながら定常位置に戻る。その後、液滴に取り込まれずに流路内に残った液体は、液体供給口側の液体と合体して初期状態に戻る。
【００４９】
次に気泡の発泡衝撃力によって、発熱体もしくは発熱体支持部が弾性変形する場合を考えてみる。
【００５０】
流路が液体に満たされた状態で、発熱体の両端に形成された電極に、パルス電圧を印加することにより、発熱体の温度を、膜沸騰が生じる温度（３００℃以上）まで急速に上昇させる。これにより、発熱体の発泡面の両面に、同時に気泡が発生し、急激に膨張を始める。その際、仮に発熱体８０９側において発熱面での一様なる気泡発泡が行われなかった場合は、発熱体８０１０側で気泡発泡した衝撃で発熱体の前方の凸型部が液的吐出口とは反対側に弾性的に歪み、発熱体にかかる応力を緩和・解消する。反対に、発熱体８０１０側が一様に気泡発泡しなかった場合はこの逆の現象が生じる。
【００５１】
さらに気泡は膨張を続け、液滴を液滴吐出口側に押し出す。さらに気泡が膨張すると、独立した液滴が形成され、液滴吐出口から吐出する。液滴が吐出すると発熱体の前方の凸型部が定常位置に戻り、その後、液滴に取り込まれずに流路内に残った液体は、液体供給口側の液体と合体して初期状態に戻る。
【００５２】
本実施例の吐出ヘッドを用いて、第１実施例と同様のインクを吐出した。吐出ヘッドの発熱体の加熱条件を、パルス幅２．５μｓｅｃ，周波数３ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、発熱体を加熱するための駆動パルスに同期し、かつ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、発泡状況を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。その結果、液滴吐出時において発熱体の前方の凸型部が、液体の慣性の効果や、また気泡の発泡衝撃で弾性変形していることが確認された。
【００５３】
（第３実施例）
図９に示したインクジェットヘッドを設計、作成した。本実施例の吐出ヘッドは、単結晶シリコン基板９０１に、流路９０２となる溝をエッチングにより形成し、発熱体９０３の導伝部９０４を溝に対して片持ち梁状となるように配置し、流路９０２となる溝を形成した単結晶シリコンによりなる天板９０５を前記基盤に張合わせ、液体供給口９０６および先細形状の液滴吐出口９０７を形成したものである。前記発熱体の各面のうち、最も面積の広い面（以下、発泡面と記述する。）において気泡は主として発生する。
【００５４】
ここで発熱体は、不純物を導入して導電性を持たせたｐｏｌｙ−Ｓｉの両面にＳｉ3Ｎ4よりなる保護層（不図示）を形成した平板形状であり、発泡面は液体吐出方向に対して平行となるように配置されている。また導伝部は、多量の不純物を導入して金属的導電性を持たせたｐｏ１ｙ−Ｓｉ電極を用い、発熱体に生じる電流密度が略一定になるように導伝部と発熱体の接合を形成してある。吐出ヘッドの各部の寸法は、図９に示した通りである。
【００５５】
ただしこの実施例では実際の液滴吐出において、気泡発泡時の発熱体に対して液体の慣性の効果が大きくなるように、また発泡タイミングのずれ、片面発泡に相当する状況を想定して、流路に対し発熱体を強制的に非対称に配置し、液滴吐出を試みている。こうすると、慣性の比が両発泡面において大きく異なるためほぼ片面側で気泡発生、気泡成長し、気泡発泡もほぼ片側でのみの気泡が寄与することになる。そうなると発熱体は実質片側において発泡している状況と等しく、液体の慣性の効果による応力や、また気泡発泡のエネルギーによる衝撃応力にさらされていることになる。更に本実施例の材料強度は、もしこのヘッド構造において弾性変形しない発熱体であった場合、確実に降伏するように設定されている。
【００５６】
次に、本実施例の吐出ヘッドの液体吐出原理を説明する。基本的に第一実施例の吐出原理と同じであるが、発泡面が、液体吐出方向に対して平行となるように配置されている点が異なっている。
【００５７】
流路が液体に満たされた状態で、発熱体の両端に形成された電極に、パルス電圧を印加することにより、発熱体の温度を、膜沸騰が生じる温度（３００℃以上）まで急速に上昇させる。これにより、発熱体の発泡面の両面一様に、同時に気泡が発生し、急激に膨張を始める。その際、図９における構造では、発泡面９０８はもう一方に比べて液体の慣性が小さいため発熱体支持部である導伝部が発泡面９０８側に弾性的に歪み、発熱体にかかる応力を経和・解消する。さらに気泡は膨張を続け、液滴を液滴吐出口側に押し出す。
【００５８】
さらに気泡が膨張すると、独立した液滴が形成され、液滴吐出口から吐出する。液滴が吐出すると発熱体支持部である導伝部が弾性的に振動しながら定常位置に戻る。その後、液滴に取り込まれずに流路内に残った液体は、液体供給口側の液体と合体して初期状態に戻る。
【００５９】
また発熱体両面において一様なる気泡発泡が行えなかった場合は、発泡衝撃が生じそれを緩和・解消する向きに発熱体支持部である導伝部が弾性的に変形する。
【００６０】
本実施例の吐出ヘッドを用いて、第１実施例と同様のインクを吐出した。吐出ヘッドの発熱体の加熱条件を、パルス幅２．５μｓｅｃ，周波数３ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、吐出口よりインクを吐出させた。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、発熱体を加熱するための駆動パルスに同期し、かつ所定の遅延時間においてパルス光を発光させながら、発泡状況を観察した。この状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。その結果、長時間にわたり安定した吐出が可能であったことから、該発熱体もしくはその支持部分が弾性変形可能な形状を備えることは、発熱体の破壊及び劣化を防ぐことに有効であることが確認された。
【００６１】
本実施例の吐出ヘッドでは、発熱体を流路の内壁面から浮かせた状態に支持してあるので、該発熱体で発生した熱は、基板（もしくは天板）に散逸せず、その殆どが気泡の発生に利用される。更に、発熱体を液体の吐出方向を塞がないように支持し、発熱体の発泡面が液体の吐出方向に対して平行に配置されているので、発生した気泡のエネルギーは効率良く液体の吐出エネルギーに変換される。また、該発熱体の導伝部分が弾性変形可能な形状を備えたため、発熱体の破壊及び劣化を防ぐことができた。
【００６２】
（第４実施例）
第４実施例のインクジェット吐出ヘッドを複数装備し、発熱体駆動用回路を備え、該吐出ヘッドと被記録媒体とを所望の間隔で対向させるための支持体と、入力された惰報に応じて、該吐出ヘッドと被記録媒体との相対位置を変化させるための機構を有する記録装置を作製した。本実施例の記録装置は、高解像度・高速印字が可能で、従来と比較して消費電力が低かった。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】従来技術のインクジェット吐出ヘッドを示す図。
【図２】従来技術のインクジェット吐出ヘッドを示す図。
【図３】癸熱体両面で一様に気泡発泡した状態を示す図。（発熱体断面図）
【図４】発熱体両面で一様に気泡発泡しなかった状態を示す図。（発熱体断面図）。
【図５】本実施例の第１実施例のインクジェット吐出ヘッドを示す図。
【図６】本実施例の第１実施例のインクジェット吐出ヘッドの吐出原理を示す図。（液体の慣性による効果）
【図７】本実施例の第１実施例のインクジェット吐出ヘッドの吐出原理を示す図。（気泡の発泡衝撃による効果）
【図８】本実施例の第２実施例のイシクジェット吐出ヘッドを示す図。
【図９】本実施例の第３実施例のインクジェット吐出ヘッドを示す図。
【符号の説明】
【００６４】
１０１  電極部
１０２  気泡
１０３  吐出口
１０４  気泡
２０１  発熱体
２０２  気泡
３０１  発熱体Ａ側で発生した気泡の圧力Ｐ
３０２  発熱体Ａ側で発生した気泡の体積Ｖ
３０３  発熱体Ｂ側で発生した気泡の圧力Ｐ
３０４  発熱体Ｂ側で発生した気泡の体積Ｖ
４０１  発熱体Ａ側で発生した気泡の圧力Ｐ
４０２  発熱体Ａ側で気泡発泡した発熱体の面積Ｓ
４０３  発熱体Ｂ側で発生した気泡の圧力Ｐ
４０４  発熱体Ｂ側で気泡発泡した発熱体の面積Ｓ
５０１  単結晶シリコン基板
５０２  流路
５０３  スペーサー
５０４  導伝部
５０５  発熱体
５０６  スペーサー
５０７  液体吐出口
５０８  天板
６０１  発泡面（気泡）
６０２  導伝部
６０３  液滴
６０４  液滴吐出口
６０５  液体供給口
７０１  発熱体の発泡面
７０２  発熱体の発泡面
７０３  導伝部
７０４  液滴
７０５  液滴吐出口
８０１  単結晶シリコン基板
８０２  流路
８０３  スペーサー
８０４  導伝部
８０５  発熱体
８０６  スペーサー
８０７  液体吐出口
８０８  天板
８０９  発熱体の発泡面
８１０  発熱体の発泡面
９０１  単結晶シリコン基板
９０２  流路
９０３  発熱体
９０４  導伝部
９０５  天板
９０６  液体供給口
９０７  液滴吐出口
９０８  発熱体の発泡面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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