(57)【要約】【課題】噴射力を大きくかつ容易にインク液滴を噴射できるインクジェットプリントヘッドの液滴噴射方法及び装置を得る。【解決手段】インクジェットプリンタ１０は、インク液滴を噴射する機構部であるプリントヘッド１２を備え、プリントヘッド１２は、プリントヘッド１２内にインク液滴として噴射させるインクを循環させる循環部１５、プリントヘッド１２内に設けられたヒータを加熱するための駆動信号を供給する駆動部２０、プリントヘッド１２内に設けられたセンサの出力信号を検出するためのセンサ出力検知部１８が接続される。このヒータ３４に予備加熱パルスとトリガーパルスという２段パルスによる駆動信号が印加されるヒータ加熱で極めて大きい気泡が生成される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを貯留すると共にインク液滴を噴射するための開口部を有する液層と、前記貯留槽内に設けられかつ入力される駆動信号により前記インクにヒータ保護層などを介して熱エネルギーを印加して気泡を発生させるためのヒータと、を有するインクジェットプリントヘッドを用いて、前記開口部からインク液滴を噴射させるインクジェットプリントヘッドの液滴噴射方法であって、
前記インク液滴を噴射するために噴射熱エネルギーを印加する以前の段階に、前記ヒータに接するインク界面部分に予備的加熱を行うために、前記噴射熱エネルギーの印加時間より長い印加時間だけ前記気泡の生成が開始される際の投入電力より小さな投入電力を印加する、
ことを特徴とするインクジェットプリントヘッドの液滴噴射方法。
【請求項２】
前記熱エネルギーを印加するために前記ヒータへ入力する駆動信号は、前記噴射熱エネルギーに対応するトリガパルス信号と、前記予備熱エネルギーに対応する予備パルス信号とを含み構成され、予備パルス信号の投入電力がトリガーパルス信号の約１／４程度以下でかつ、予備パルス信号による加熱時間がトリガーパルス信号による加熱時間の約１０倍以上とすることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッドの液滴噴射方法。
【請求項３】
前記予備パルス信号により前記ヒータにより印加される熱エネルギーは、前記トリガーパルス信号により印加される熱エネルギー以上であることを特徴とする請求項２に記載のインクジェットプリントヘッドの液滴噴射方法。
【請求項４】
前記予備パルス信号により前記ヒータにより印加される熱エネルギーは、前記トリガーパルス信号により印加される熱エネルギー未満であることを特徴とする請求項２に記載のインクジェットプリントヘッドの液滴噴射方法。
【請求項５】
前記印加される熱エネルギーによるインクの温度上昇速度は約１×１０７  Ｋ／ｓ  以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のインクジェットプリントヘッドの液滴噴射方法。
【請求項６】
前記予備パルス信号による投入エネルギーの大きさは、発生させる気泡の大きさに応じて変更可能とすることを特徴とする請求項２乃至請求項５の何れか１項に記載のインクジェットプリントヘッドの液滴噴射方法。
【請求項７】
前記液層は、前記ヒータの発熱面を直径とする球の体積以上の容積を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のインクジェットプリントヘッドの液滴噴射方法。
【請求項８】
前記インクは、５ｍＰａｓ以上の高粘度であることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のインクジェットプリントヘッドの液滴噴射方法。
【請求項９】
請求項１に記載のヒータは、保護層、絶縁層を有さず、発熱体自身が直接、インクに触れることを特徴とするインクジェットプリントヘッドの液滴噴射方法。
【請求項１０】
インクを貯留すると共にインク液滴を噴射するための開口部を有する液層と、前記貯留槽内に設けられかつ入力される駆動信号により前記インクにヒータ保護層などを介して熱エネルギーを印加して気泡を発生させるためのヒータと、を有する噴射機構を含むインクジェットプリントヘッドと、
前記インク液滴を噴射するために噴射熱エネルギーを印加する以前の段階に、前記ヒータに接するインク界面部分に予備的加熱を行うために、前記噴射熱エネルギーの印加時間より長い印加時間だけ前記気泡の生成が開始される際の投入電力より小さな投入電力を印加するように駆動信号を制御する制御手段と、
を備えたインクジェットプリントヘッドの液滴噴射装置。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記熱エネルギーを印加するために前記ヒータへ入力する駆動信号を、前記噴射熱エネルギーに対応するトリガパルス信号と、前記予備熱エネルギーに対応する予備パルス信号とを含み構成し、予備パルス信号の投入電力がトリガーパルス信号の約１／４程度以下でかつ、予備パルス信号による加熱時間がトリガーパルス信号による加熱時間の約１０倍以上とすることを特徴とする請求項１０に記載のインクジェットプリントヘッドの液滴噴射装置。
【請求項１２】
前記制御手段は、前記予備パルス信号により前記ヒータにより印加される熱エネルギーが、前記トリガーパルス信号により印加される熱エネルギー以上となるように駆動信号を制御することを特徴とする請求項１１に記載のインクジェットプリントヘッドの液滴噴射装置。
【請求項１３】
前記制御手段は、前記予備パルス信号により前記ヒータにより印加される熱エネルギーが、前記トリガーパルス信号により印加される熱エネルギー未満となるように前記駆動信号を制御することを特徴とする請求項１１に記載のインクジェットプリントヘッドの液滴噴射装置。
【請求項１４】
前記制御手段は、前記印加される熱エネルギーによるインクの温度上昇速度が約１×１０７  Ｋ／ｓ  以上となるように駆動信号を制御することを特徴とする請求項１０乃至請求項１３の何れか１項に記載のインクジェットプリントヘッドの液滴噴射装置。
【請求項１５】
前記制御手段は、前記予備パルス信号による投入エネルギーの大きさが、発生させる気泡の大きさに応じて変更可能とする変更手段を含むことを特徴とする請求項１１乃至請求項１４の何れか１項に記載のインクジェットプリントヘッドの液滴噴射装置。
【請求項１６】
前記液層は、前記ヒータの発熱面を直径とする球の体積以上の容積を有することを特徴とする請求項１０乃至請求項１５の何れか１項に記載のインクジェットプリントヘッドの液滴噴射装置。
【請求項１７】
前記インクは、５ｍＰａｓ以上の高粘度であることを特徴とする請求項１０乃至請求項１６の何れか１項に記載のインクジェットプリントヘッドの液滴噴射装置。
【請求項１８】
請求項１０に記載のヒータは保護層、絶縁層を有さず、発熱体自身が直接、インクに触れることを特徴とするインクジェットプリントヘッドの液滴噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットプリントヘッドの液滴噴射方法及び装置にかかり、特に、熱エネルギーの印加によりインク液滴を噴射させるインクジェットプリントヘッドの液滴噴射方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、画像形成装置として、インク液滴を噴射することにより画像を形成する急速加熱沸騰を用いる熱沸騰型のプリントヘッドを有するサーマルインクジェットプリンタが実用化されている。
【０００３】
このような急速加熱沸騰を用いる熱沸騰型のサーマルインクジェット（ＴＩＪ）技術は小型、低コストにすぐれ急激な進展を遂げている。現在、より高機能インクを用いることで、画質、信頼性の向上が図られている。ここで、より高機能であるインクを作製するためには、発色性を高めるため色材である染料または顔料濃度を高め、かつ、水分蒸発を防ぐ保湿剤の分量を増やし、あるいはこげつきを抑制するための添加剤、さらには紙面上での凝集固化を促す添加剤等をインクに含有させる必要がある。これらの施策はインクとしては高粘度化を招くことになるが、ＴＩＪにおける粘度は発泡に基づく噴射力とのバランスから室温において、３ｍＰａｓないし４ｍＰａｓ程度に抑制されているのが現状である。
【０００４】
ここで、急速加熱沸騰を用いる熱沸騰型のプリントヘッドにおいて、噴射力を高める、すなわち、大きな気泡を生成するための液滴量制御技術として、ヒータに与えるパルス波形を制御することは効果がある。その一例として、吐出用パルスの立ち上がり前にプレヒートバイアスを与えたり、気泡を形成しない予備発熱用信号を与えたり、予熱により噴射滴の容積を変更したりする、ヒータ駆動波形を単一矩形波から変更する技術が提案されている（特許文献１、特許文献２，特許文献３，特許文献４を参照）。
【０００５】
また、ヒータ構造の詳細として、一般には、インク側よりヒータ保護層、電気絶縁層、発熱体と構成されるのが、一般的である。が、保護層、電気絶縁層を必要とせず、発熱体自身が形成するごく薄い酸化膜層を介して直接ヒータがインクに触れる構造が提案されている。（特許文献５を参照）
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６３−１３２０５９号公報
【特許文献２】
特開昭５４−３９４７０号公報
【特許文献３】
特開平２−２１４６６４号公報
【特許文献４】
特開２０００−２４６８９９号公報
【特許文献５】
特許第３１９４４６５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のようにインクジェットで用いるインクを噴射するためのヒータ駆動信号であるパルス信号について、単一のヒータ駆動波形を単純に変更したのでは、高い粘度のインクや機能性液体の噴射について噴射力が不十分である。
【０００８】
すなわち、従来の技術は、安定的な噴射状態を得るものであり、噴射力を考慮したものではない。熱沸騰型のプリントヘッドで大きな噴射力を得るためには、熱エネルギーを与えることによる急速加熱沸騰に基づく気泡の生成についての挙動を把握しなければならない。このため、その挙動を考慮して付与する熱エネルギーを付与する必要がある。
【０００９】
本発明は、上記事実を考慮して、噴射力を大きくかつ容易にインク液滴を噴射できるインクジェットプリントヘッドの液滴噴射方法及び装置を得ることが目的である。なおかつ、より熱効率の良い、ヒータの提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、インクを貯留すると共にインク液滴を噴射するための開口部を有する液層と、前記貯留槽内に設けられかつ入力される駆動信号により前記インクにヒータ保護層などを介して熱エネルギーを印加して気泡を発生させるためのヒータと、を有するインクジェットプリントヘッドを用いて、前記開口部からインク液滴を噴射させるインクジェットプリントヘッドの液滴噴射方法であって、前記インク液滴を噴射するために噴射熱エネルギーを印加する以前の段階に、前記ヒータに接するインク界面部分に予備的加熱を行うために、前記噴射熱エネルギーの印加時間より長い印加時間だけ前記気泡の生成が開始される際の投入電力より小さな投入電力を印加することを特徴とする。
【００１１】
ここで、本発明者は、インクに熱エネルギーを印加することにより気泡を発生させてインク液滴を噴射させるときに、その液滴量を十分にとるためには、熱エネルギーを印加するヒータに接する液層に十分な過熱を事前に与えることが好ましいという知見を得た。このためには、急速加熱沸騰に基づく気泡の生成が開始される以前に、ヒータとインクの界面にインクが発泡しない程度の加熱、すなわちヒータに接するインク界面に十分な予備熱エネルギーを与えることが好ましい、という知見も得た。
【００１２】
そこで、インク液滴を噴射するために噴射熱エネルギーを印加する以前の段階に、ヒータに接するインク界面部分に予備的加熱を行うために、噴射熱エネルギーの印加時間より長い印加時間だけ気泡の生成が開始される際の投入電力より小さな投入電力を印加する。これによって、ヒータの発熱面積より大きな気泡を生成させてインク液滴を噴射することができる。
【００１３】
前記熱エネルギーを印加するために前記ヒータへ入力する駆動信号は、前記噴射熱エネルギーに対応するトリガパルス信号と、前記予備熱エネルギーに対応する予備パルス信号とを含み構成され、予備パルス信号の投入電力がトリガーパルス信号の約１／４程度以下でかつ、予備パルス信号による加熱時間がトリガーパルス信号による加熱時間の約１０倍以上とすることを特徴とする。
【００１４】
この場合、予備パルス信号による熱エネルギー印加時においては発泡しないこと、前記インクの沸点以上に過熱すること、トリガーパルス信号による沸騰がヒータ面に微細な気泡を多数発生せしめる（主として自発核生成に基づく）ものであること、が好ましい。
【００１５】
前記予備パルス信号により前記ヒータにより印加される熱エネルギーは、前記トリガーパルス信号により印加される熱エネルギー以上であることを特徴とする。
【００１６】
前記予備パルス信号により前記ヒータにより印加される熱エネルギーは、前記トリガーパルス信号により印加される熱エネルギー未満であることを特徴とする。
【００１７】
前記印加される熱エネルギーによるインクの温度上昇速度は約１×１０７  Ｋ／ｓ  以上であることを特徴とする。
【００１８】
前記予備パルス信号による投入エネルギーの大きさは、発生させる気泡の大きさに応じて変更可能とすることを特徴とする。
【００１９】
前記液層は、前記ヒータの発熱面を直径とする球の体積以上の容積を有することを特徴とする。
【００２０】
前記インクは、５ｍＰａｓ以上の高粘度であることを特徴とする。
【００２１】
前記ヒータは、保護層、絶縁層を有さず、発熱体自身が直接、インクに触れることを特徴とする。
【００２２】
前記インクジェットプリントヘッドの液滴噴射方法は、以下のインクジェットプリントヘッドの液滴噴射装置によって容易に実現可能である。
【００２３】
本発明のインクジェットプリントヘッドの液滴噴射装置は、インクを貯留すると共にインク液滴を噴射するための開口部を有する液層と、前記貯留槽内に設けられかつ入力される駆動信号により前記インクにヒータ保護層などを介して熱エネルギーを印加して気泡を発生させるためのヒータと、を有する噴射機構を含むインクジェットプリントヘッドと、前記インク液滴を噴射するために噴射熱エネルギーを印加する以前の段階に、前記ヒータに接するインク界面部分に予備的加熱を行うために、前記噴射熱エネルギーの印加時間より長い印加時間だけ前記気泡の生成が開始される際の投入電力より小さな投入電力を印加するように駆動信号を制御する制御手段と、を備えている。
【００２４】
前記制御手段は、前記熱エネルギーを印加するために前記ヒータへ入力する駆動信号を、前記噴射熱エネルギーに対応するトリガパルス信号と、前記予備熱エネルギーに対応する予備パルス信号とを含み構成し、予備パルス信号の投入電力がトリガーパルス信号の約１／４程度以下でかつ、予備パルス信号による加熱時間がトリガーパルス信号による加熱時間の約１０倍以上とすることを特徴とする。
【００２５】
前記制御手段は、前記予備パルス信号により前記ヒータにより印加される熱エネルギーが、前記トリガーパルス信号により印加される熱エネルギー以上となるように駆動信号を制御することを特徴とする。
【００２６】
前記制御手段は、前記予備パルス信号により前記ヒータにより印加される熱エネルギーが、前記トリガーパルス信号により印加される熱エネルギー未満となるように前記駆動信号を制御することを特徴とする。
【００２７】
前記制御手段は、前記印加される熱エネルギーによるインクの温度上昇速度が約１×１０７  Ｋ／ｓ  以上となるように駆動信号を制御することを特徴とする。
【００２８】
前記制御手段は、前記予備パルス信号の大きさが、発生させる気泡の大きさに応じて変更可能とする変更手段を含むことを特徴とする。
【００２９】
前記液層は、前記ヒータの発熱面を直径とする球の体積以上の容積を有することを特徴とする。
【００３０】
また、前記インクは、５ｍＰａｓ以上の高粘度であることを特徴とする。
【００３１】
また前記ヒータは保護層、絶縁層を有さず、発熱体自身が直接、インクに触れることを特徴とする。より熱効率の良い、ヒータの提供のためには、インクとヒータの間に絶縁層、保護層のない構造とすることが、効果的である。この場合、ヒータ部の熱容量が低下するため、熱効率の向上が得られる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。本実施の形態は、インクジェットプリンタに本発明を適用したものである。
【００３３】
図２０に示すように、本実施の形態にかかるインクジェットプリンタ１０は、ガイドシャフト２４２に沿って走査されるキャリッジ２４４にインクカートリッジ２４６が装着され、インクカートリッジ先端に一体的にプリントヘッド１２が設けられている。このプリントヘッド１２から用紙２２にインク液滴２４が吐出されることによって、用紙２２に画像が記録される。
【００３４】
図２１に示すように、インクジェットプリンタ１０は、制御部２５０を備えている。制御部２５０は、ＣＰＵ２５２、ＲＯＭ２５４、ＲＡＭ２５６、Ｉ／Ｏ２５８を備え、データやコマンドを授受可能に接続されている。Ｉ／Ｏ２５８には、後述する駆動条件設定テーブルおよび駆動制御の処理ルーチンが格納されたメモリ２６０が接続されている。この駆動条件設定テーブルは、プリントヘッド１２に設けられたヒータ３４を駆動する駆動パルスの条件を設定するためのものである。なお、メモリ２６０を設けることなく、ＲＯＭ２５４に格納してもよい。
【００３５】
また、制御部２５０は、プリントヘッド１２に接続された各種のインタフェース部２６２，２６４，２６６，２６８を備えており、これらのインタフェース部は、Ｉ／Ｏ２５８に接続されている。プリントヘッド１２は、後述する構成によるセンサ４２、インク調整機構部１６、ポンプ１４、ヒータ３４などを備えており、インタフェース部２６２は、センサ４２からのセンサ出力信号を受け取るためのものである。インタフェース部２６４は、インク調整機構部１６に対してインク３８の性質（粘度）を調整するためにインク調整機構部１６を制御する制御信号を出力するためのものである。インタフェース部２６６は、ポンプ１４を駆動するための信号を出力するためのものである。インタフェース部２６８は、ヒータ３４へ加熱のための駆動信号を出力するためのものであり、ヒータ３４に対する駆動用のパルス信号（駆動信号）を生成し出力する駆動部（パルス発生器）２０を含んでいる。
【００３６】
この制御部２５０は、プリントヘッド１２を統括制御するためのものであり、具体的には、後述するセンサ出力検知部１８、ポンプ１４、インク調整機構部１６、及び駆動部２０を統括的に制御する。また制御部２５０は、インク液滴を噴射するための噴射データを制御する機能も有している。
【００３７】
図２２及び図２３に示すように、プリントヘッド１２は、発熱基板２１２と流路基板２１４を接合して形成されたものであり、流路基板２１４の表面に開口したインク供給口２１６から供給されたインクが、共通液室２１８、個別流路２２０を介してノズル端面２２１に開口したノズル２２２からインク液滴２４として吐出される構成である。
【００３８】
共通液室２１８の個別流路２２０近傍には、図２３に示すように、一定間隔で柱が形成されたフィルタ２２４が形成されており、個別流路２２０が共通液室２１８に流入したゴミによって目詰まりし、インクドロップが吐出不能となることを防止している。個別流路２２０は、ノズル側と共通液室側にそれぞれ前方絞り２２６と後方絞り２２８を備えると共に、凹部２３０を備えることによって、後述するバブルによって効率的にインク液滴２４を吐出するようにされている。
【００３９】
一方、発熱体基板２１２には、流路基板２１４の凹部２３０に対応する位置にヒータ３４が配置されている。また、プリントヘッド１２内には、センサ４２が配設されており、これによってインク３８の性質（粘度）が検出される。
【００４０】
なお、以下の説明を簡単にするため、プリントヘッド１２の構成は、機能部分を概念構成で説明する。
【００４１】
図１は、本発明の実施の形態にかかるインクジェットプリンタ１０の液滴噴射機能についての概念構成を示したものである。インクジェットプリンタ１０は、インク液滴を噴射する機構部であるプリントヘッド１２を備えている。このプリントヘッド１２は、プリントヘッド１２内にインク液滴として噴射させるインクを循環させる循環部１５、プリントヘッド１２内に設けられたヒータを加熱するための駆動信号を供給する駆動部２０、プリントヘッド１２内に設けられたセンサの出力信号を検出するためのセンサ出力検知部１８が接続されている。
【００４２】
この循環部１５は、ポンプ１４及びインク調整機構部１６を備えており、ポンプ１４及びインク調整機構部１６は、循環路１３によって連通されている。また、センサ出力検知部１８は、センサ信号線１７によりプリントヘッド１２に接続されており、駆動部２０は、駆動信号線２１によりプリントヘッド１２に接続されている。
【００４３】
このプリントヘッド１２は、詳細は後述するが、内部に設けられたヒータの駆動によりインクの一部がインク液滴２４として噴射され、用紙２２へ至る。また、図示は省略したが、プリントヘッド１２は、搬送系に搭載され、用紙２２との関係が相対的に移動可能とされており、空間内を自在に移動できる構成とすることで、インクを位置自在に噴射できるようになっている。
【００４４】
図２には、プリントヘッド１２を構成する１インク液滴を噴射する単位構成部３０の概念を示した。プリントヘッド１２の単位構成部３０は、基板４０上に設けられたヒータ３４を備えており、ヒータ３４は電極３６を備えている。ヒータ３４から離間した位置には、開口を有するノズル３２が設けられており、このノズル３２とヒータ３４を有する基板４０側とが架橋部３３により連結されている。これらのノズル３２、架橋部３３、及び基板４０側によりインク３８を収容するインク室３１を構成している。このインク室３１は、循環路１３に連通されており、インク室３１内のインク３８を循環可能とされている。
【００４５】
上記単位構成部３０のノズル３２側をインク液滴２４の噴射側として、単位構成部３０を、１列または２次元的に複数配設することにより、複数のインク液滴を噴射可能に構成することができる。
【００４６】
ここで、インク３８の噴出のため、大きな気泡を得ることが可能な高噴射効率のプリントヘッド１２を構成するためには、インク室３１の容積を十分確保することが好ましい。
【００４７】
例えば、図３に示すように、ヒータ３４とノズル３２のインク室３１側の面が近接している場合は、噴射可能部３７の容積は僅かになる。この場合、大きな気泡を生成することが困難な場合がある。このため、インク室３１の設計にあたっては、ヒータ面を半球の底面とする気泡体積の約２倍、少なくともヒータ面を直径面とする球体以上の容積を確保することが好ましい。これにより、高効率のプリントヘッドを得ることができる。なお、この際、ノズル径も重要なパラメータであるが、設計はそのインクの噴射速度、インク液滴の量を画像設計から勘案する必要があり、最適化の範囲で決定することができる。
【００４８】
図２４、図２５は、気泡の成長方向とインクの噴射方向が９０度異なる形態でのプリントヘッド１２を示したものである。図２４は従来のサーマルインクジェット型（ＴＩＪ）のプリントヘッド１２のヘッド構造であり、図２５は本発明が適用されたプリントヘッドのヘッド構造である。図２５から理解されるように、インク室、すなわちヒータ上に十分な容積を有することが示される。
【００４９】
図４には、上記単位構成部３０をノズル３２側から見た概念の平面図を示した。図４に示すように、ヒータ３４の両脇には、センサ４２が設置されている。センサ４２は、インク室３１内のインク３８の状態として、インク３８の性質（粘度）を検出するための検出器である。本実施の形態では、インクの物性値をヒータ近傍で測定可能とする一例を採用し、センサ４２間に流れる電流をセンサ４２によって検知する。例えば、センサ４２間でインク３８の導電率（Ｓ／ｍ）を検知し、粘度に換算することで、インクの粘度を検知する。この導電率を一定に維持する調整を行うことによって、粘度を一定に維持することができる。
【００５０】
このセンサ４２の電流値が所定値や所定範囲内のときに、インク３８が同一物性値であるとする。このセンサ４２の電流値は、センサ出力検知部１８へ入力される。センサ出力検知部１８は、入力された電流値からインク３８の性質（粘度）を一定に保つべく、調整信号をインク調整機構部１６へ出力する。インク調整機構部１６は、入力された調整信号によりインク３８の成分を調整する。これにより、インクの物性値を一定すなわちインク３８の性質（粘度）を一定に維持することができる。
【００５１】
なお、本実施の形態では、インク３８はプリンタの目的に応じて色や成分を選択可能であり、後述するように、インクの物性に応じて、急速加熱沸騰の開始温度、急速加熱沸騰を実現する投入電力および加熱速度、過熱エネルギーなどを考慮することで、プリントヘッド１２を構成したり、制御したりすることが可能である。
【００５２】
図５は、本実施の形態のプリントヘッド１２に利用可能なヒータ３４の一例を示したものである。ヒータ３４は、発熱有効矩形領域（長さＸｔｈ、幅Ｙｔｈ）を有するものであり、その中腹部に駆動信号を供給するための電極３６を備えている。この電極３６は発熱効率を考慮して、所定幅（例えば０．０１ｍｍ）の引き出し線として所定間隔（例えば、０．２５ｍｍ）を隔てて設けられている。
【００５３】
本実施の形態では、発熱有効矩形領域として図示される有効発熱長さ４００μｍ、発熱幅１００μｍの白金製矩形ヒータをヒータ３４として利用した。この白金製矩形ヒータは、石英ガラス面上にチタン及び白金を所定厚さ（Ｔｉ：０．０５μｍ、Ｐｔ：０．２０μｍ）で順位積層するべく蒸着して構成したものである。
【００５４】
なお、本実施の形態では、ヒータ材料として、腐食に強い白金を用いているが、他ヒータとして適した金属材料としてＴａ、ＴａＳｉ，ＴａＮ等があげられる。またＰｏｌｙ  Ｓｉなど、トランジスタ工程に適した材料を用いることも可能である。
【００５５】
次に、本実施の形態のプリントヘッド１２において、インク３８をヒータ３４で加熱することで気泡を発生させてインク液滴２４を噴射する過程を図６を参照して説明する。
【００５６】
作動前には、単位構成部３０のインク室３１にインク３８が収容されて（図６（ａ）参照）、ヒータ３４が発熱することによりインク室３１内のインク３８に気泡（Ｂｕｂｂｌｅ）が発生する。気泡は、急激に成長すると共にその気泡の膨張に応じてインク３８はノズル３２の開口部を超える（図６（ｂ）参照）。この後、気泡が消滅に至るときに、液柱が生じ（図６（ｃ）参照）、その液柱がインク室３１内のインク３８から分断され、インク液滴２４として噴射される（図６（ｄ）参照）。そして、噴射されたインク３８の量に見合うインク３８が補充される（図６（ｅ）参照）。このようにして、インク液滴２４がプリントヘッド１２から噴射される。
【００５７】
ここで、本発明者は、加熱により気泡を発生させてインク液滴を噴射させるときに、そのインク液滴量を十分にとるためには、加熱量（熱エネルギー）を印加するヒータ３４に接する液層に十分な過熱を事前に与えることが好ましく、また、急速加熱沸騰に基づく気泡の生成が開始される以前に、ヒータ３４とインク３８の界面にインク３８が発泡しない程度の加熱、すなわちヒータ３４に接する液体界面に十分な予熱を与えることが好ましいという知見を、各種の検討及び実験によって得た。
【００５８】
このインク液滴を噴射するときに、インク液滴量を十分に得ることが可能な加熱すなわち熱エネルギーの印加について説明する。
【００５９】
図７は、ヒータ３４を加熱するために、電力を有する単パルスを与えた結果、生成される気泡が時間とともに変化していく様子を平面的に示したものである。また、図８は、図７の断面図である。
【００６０】
ヒータ３４に単パルスを与えると、ヒータ３４が発熱を開始し、これと共に気泡が発生し（図７（ａ）参照）、そしてヒータ３４の発熱面に散在して気泡が発生する（図７（ｂ）参照）。この後、散在した多数の気泡が合体し（図７（ｃ）参照）、最大となる（図７（ｄ）参照）。この後に、気泡が消滅へと移行する（図７（ｅ）、（ｆ）参照）。
【００６１】
図９は、加熱するためにヒータ３４へ単パルスの駆動信号を与えたときの、投入電力の変化に対する最大気泡面積の関係を示したものである。図では、横軸に電力（Ｗ）、縦軸に面積比（気泡最大面積Ａｂｍａｘ／ヒータ面積Ａｈ）としたものである。
【００６２】
図９に示すように、投入電力が高いほど、すなわち加熱速度（単位時間あたりの温度上昇Ｋ／ｓ）が速いほど気泡の面積は大きくなるが、その後安定し、気泡面積はヒータ面積の約１．５倍程度で飽和することが解される。従って、約１４Ｗ近傍から単に投入電力を増大させても気泡面積は飽和する。また、図７に示される気泡の挙動は図９において、気泡面積が投入電力に対して安定である領域で現れる。
【００６３】
そこで、本発明者は、各種検討を行い、ヒータ３４に対して単パルス供給ではなく、図１０に示す予備加熱パルスとトリガーパルスという２段パルスによるヒータ加熱を行った場合、図１１（ｃ）に示す極めて大きい気泡が生成されることを見出した。
【００６４】
ここで、ヒータ３４に付与する駆動信号は、時間ｔ１の予備加熱パルス信号と時間ｔ２のトリガパルス信号とから構成される（図１０）。この駆動信号を付与したときのプリントヘッド１２における気泡の挙動は、図１１に示すように、ヒータ３４に２段パルスを与えると、ヒータ３４が発熱を開始し、これと共に気泡が発生し（図１１（ａ）参照）、そしてヒータ３４の発熱面の中央付近に気泡が散在して発生する（図１１（ｂ）参照）。この後、散在した多数の気泡が合体してゆき、最大となる（図１１（ｃ）参照）。この後に、気泡が消滅へと移行する（図１１（ｄ）、（ｅ）参照）。
【００６５】
このように、より大きい気泡を得るために２段パルス波形の詳細な検討を行った結果を以下に示す。
【００６６】
＜第１の駆動条件＞
第１の駆動条件では、図１２に示すように、トリガーパルス信号の時間ｔ２を一定（１μ秒）に設定しかつ予備加熱パルス信号の時間ｔ１を可変に設定した場合における最大気泡面積を計測して検討した。この可変時間は、１０〜６０μ秒について１０μ秒づつ増加した段階で計測した。
【００６７】
なお、トリガーパルス信号の電力は、６．０Ｗとし、予備加熱パルス信号の電力は、１．５Ｗに設定した。この電力比率は、１／４に設定したが、本発明はこれに限定されない。但し、電力比率は、１／３より小さいほうが好ましい場合もあり、約１／４の設定がさらに好ましい場合がある。すなわち、予備加熱パルス信号で与えられるエネルギー（電力×時間：単位Ｊｏｕｌｅ）は、トリガーパルス信号で与えられるエネルギーと同等でもよく、またはそれ以上でもよく、さらにそれ以下でもよい。
【００６８】
図１３には、予備加熱パルス信号の時間ｔ１と、面積比（気泡最大面積Ａｂｍａｘ／ヒータ面積Ａｈ）の関係を示した。図１３からも理解されるように、予備加熱パルス信号の時間ｔ１を増加するのに従って面積比が増大すなわち最大気泡面積が増加した。ここで、気泡面積は単パルス信号を供給したときの２倍程度であることが理解される。
【００６９】
なお、この駆動条件において、予備加熱パルス信号の時間ｔ１を７０μ秒以上とすると、予備加熱パルス信号の印加の終了時点近傍で発泡を開始するが、気泡の大きな成長は得られなかった。
【００７０】
以上のことから、大きな気泡を得るためには予備加熱パルス信号の時間ｔ１をトリガーパルス信号の時間ｔ２の１０倍程度以上とすることが好ましいと解される。
【００７１】
＜第２の駆動条件＞
第２の駆動条件では、図１２と同様に予備加熱パルス信号の時間ｔ１を変化させて最大気泡面積を計測する場合に、図１４に示すように、予備加熱パルス信号による電力Ｑｔ１を可変とし最大気泡面積を計測し検討したものである。ここでは、電力Ｑｔ１はヒータ３４へ供給する電圧値及び電流値に対応する。
【００７２】
まず、トリガーパルス信号の電力を、６．０Ｗとし、予備加熱パルス信号により与えられる電力を、０．２５Ｗに設定した場合を説明する。この電力比率は、１／２４であり、予備加熱パルス信号による電力Ｑｔ１について、第１の駆動条件との比は１／６である。これらの比は上記の数値による設定の一例であり限定されるものではない。
【００７３】
ここで、本駆動条件では、予備加熱パルス信号により与えられる電力を低下させているので、予備加熱パルス信号の時間ｔ１を増加させることが可能である。そこで、本駆動条件では、予備加熱パルス信号の時間ｔ１として、１５００〜４５００μ秒について１０００μ秒づつ増加した段階で計測した。
【００７４】
図１５には、本駆動条件における予備加熱パルス信号の時間ｔ１と、面積比（Ａｂｍａｘ／Ａｈ）の関係を示した。図１５からも理解されるように、予備加熱パルス信号の時間ｔ１を増加するのに従って面積比が大幅に増大すなわち最大気泡面積が大幅に増加した。ここで、気泡面積は単パルス信号を供給したときの６倍程度（９／１．５）であることが理解される。ここで、気泡体積を単純に面積の３／２乗とすると、気泡体積は単パルス信号により発生される気泡体積の約１５倍の体積が得られたことになる。
【００７５】
次に、図１６に示すように、トリガーパルス信号により与えられる電力を、６．０Ｗとし、予備加熱パルス信号の電力を、０．４Ｗに設定した場合を説明する。この電力比率は、１／１５であり、予備加熱パルス信号による電力Ｑｔ１について、第１の駆動条件との比は１／３．７５である。この条件は、予備加熱パルス信号による電力について、図１４の条件よりやや大きく、図１２の条件より小さい場合である。
【００７６】
なお、ここでは、予備加熱パルス信号の時間ｔ１を２段階（５００μ秒と１０００μ秒）に可変して、各時間ｔ１について、気泡生成開始後の気泡面積（すなわち気泡が成長していく様子）を計測して検討した。
【００７７】
図１７には、気泡生成開始後の時間ｔと、面積比（Ａｂｍａｘ／Ａｈ）の関係を示した。図１７では、予備加熱パルス信号を与えない２．５Ｗの電力による単パルス信号で気泡生成開始後の気泡面積を計測した特性を曲線Ｃｕ１で示し、５００μ秒の予備加熱パルス信号による気泡生成開始後の気泡面積を計測した特性を曲線Ｃｕ２で示し、１０００μ秒の予備加熱パルス信号による気泡生成開始後の気泡面積を計測した特性を曲線Ｃｕ３で示した。
【００７８】
ここで、図１７に示すように、各曲線の傾き、すなわち気泡の成長速度は、いずれの場合も同程度であることが理解される。従って、低電力の長さが長いパルス信号を予熱として与えた場合でも、気泡の成長速度が十分早いことが理解される。すなわち、気泡の駆動力としては、単一パルス信号と同等の力を発生していることが理解される。これは沸騰状態が、双方ともに同様に自発核生成に基づく瞬時の爆発的生成および成長であることで説明できる。
【００７９】
また、上記の結果から、加熱速度は、１×１０の７乗程度以上であることが好ましいという結果を得た。
【００８０】
以上述べたように、ヒータ３４に与える駆動信号についてそのパルス条件を変化させることで、大きな気泡を発生させることができるので、この原理を本実施の形態のプリントヘッド１２に適用することにより、従来では得られない大きなインク噴射力を有するプリントヘッドを得ることができる。
【００８１】
次に、本実施の形態のインクジェットプリンタ１０の作動について図１８のフローチャートを参照しつつ説明する。
【００８２】
本実施の形態では、プリントヘッド１２は、図示は省略した搬送系により、用紙２２と相対的な位置関係に移動されて、インクを噴射可能にされる。この時に、インクジェットプリンタ１０では、図１８の処理ルーチンが実行され、ステップ１００において、インク３８の循環を開始する。ここでは、ポンプ１４が作動されることに相当する。
【００８３】
次のステップ１０２では、センサ４２の出力信号によりインク３８の物性値を検知し、次のステップ１０４において一定の性質（粘度）にするべくインク調整機構部１６へ制御信号を出力する。これによって、ポンプ１４により循環路１３及びインク室３１内を循環するインク３８は一定の性質（粘度）が維持される。ここでは、センサ出力検知部１８の信号によりインク調整機構部１６がインク３８の成分を調整することに相当する。
【００８４】
次のステップ１０６では、プリントヘッド１２からインク液滴２４を噴射するか否かを表す噴射データ（画像データ）を読み取り、次のステップ１０８で噴射するか否かを判断する。噴射する場合には、ステップ１１０へ進み、噴射しない場合には、ステップ１１６へ進む。
【００８５】
ステップ１１０では、上記説明した２段パルス信号による駆動信号のパターンを読み取り、次のステップ１１２において、その駆動信号について、電力及び時間を設定する。すなわち、予備加熱パルス信号の電力及び時間ｔ１、トリガーパルス信号の電力及び時間ｔ２を設定する。
【００８６】
次のステップ１１４では、上記ステップ１１２で設定がなされた駆動信号をヒータ３４へ出力する。この駆動信号を出力することは、駆動部２０により駆動信号を出力することに相当する。
【００８７】
ステップ１１６では、プリントヘッド１２の駆動を終了するか否かを判断し、否定されるとステップ１００へ戻り、上記処理を繰り返し、肯定されると、本ルーチンを終了する。このようにして、インクジェットプリンタ１０て画像が形成される。
【００８８】
このように、本実施の形態によれば、インク液滴を噴射するときの駆動信号を予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号とから構成しているので、ヒータの発熱面積より大きな気泡を生成させてインク液滴を噴射することができる。
【００８９】
図２６は、本実施の形態のインクジェットプリンタ１０において、インクの噴射力をインク速度でとらえ、従来方式のパルス加熱と本実施の形態でのパルス加熱を比較した結果を示したものである。図では、従来の結果を丸印で示し、本実施の形態による結果を×印で示した。従来の技術ではインクの粘度が高まるにつれて、インク噴射速度が大きく低下したが、本実施の形態によれば高粘度インクでも十分な噴射速度を有することが理解される。これによって、本実施の形態では、安定的に印字動作が可能であることが理解される。
【００９０】
上記実施の形態では、駆動信号の波形パターンとして、一定の予備加熱パルス信号に一定のトリガーパルス信号が連続する場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号が分断されていてもよく、予備加熱パルス信号及びトリガーパルス信号の少なくとも一方の信号が変動してもよい。
【００９１】
図１９には、駆動信号の波形パターンの変形例を示した。図１９（ａ）には予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号が分断されて時間差を有する場合の一例を示した。インクジェットプリンタ１０を実際のシステムに適用する場合、電力切り替え時などに、電流が瞬断される場合がある。この場合にあっても、その瞬断時間を短く維持ことで効果が得られる。
【００９２】
図１９（ｂ）には、予備加熱パルス信号の電力が線形的に増加された波形パターンを示した。また、図１９（ｄ）には、予備加熱パルス信号の電力が曲線的に減少された波形パターンを示した。この場合、アナログ的な増加はある程度許容され、本プリントヘッド１２の作動に影響を及ぼさない範囲において、問題はない。
【００９３】
図１９（ｃ）には、予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号が分断されて時間差を有しかつ、予備加熱パルス信号の電力が微増する波形パターンを示した。
【００９４】
なお、図１９（ａ）、（ｃ）は予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号が分断される瞬断が存在するばあいにも相当するが、上述のように、予備加熱パルス信号の目的はヒータ上のインクを十分な過熱エネルギーを有する液層とすることであるので、これらの各波形パターンに至っても効果的な気泡生成を得ることができる。
【００９５】
また、予熱電力の勾配が図１９（ｂ）と逆になる、図１９（ｅ）の波形パターンの場合、すなわち、予熱開始時より、予熱終了時の電力が低いという加熱方法が示される。加熱時間を短縮する観点で本波形は好ましいが、予熱開始時に沸騰しないよう電力過多となることに注意する必要があり、これはシステム設計上で適宜選択することができる。
【００９６】
なお、上記実施の形態ではインクの粘度制御の一例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、管理すべきインクの物性値はプリンタシステムが例えば表面張力に大きく影響されるならば、ぬれ性を検知するセンサーを設けることで噴射状態の制御が可能となる。
【００９７】
また、プリンタの速度確保のためには、繰り返し周波数が高いことが望まれる。例えば、図１４の駆動条件においては、予熱に１ｍｓを要し、高速化のためには、好ましくない場合がある。このため、画像情報、画像密度等に応じて、予熱パルス信号の時間を設定する、またはプリントヘッドを搭載するキャリッジ速度を変化させる、などの調整機構を設けることで、さらに本発明を有効活用するための施策となる。
【００９８】
また、先に一般的なヒータ材料として金属材料、Ｓｉ材料等をあげたが、これらは図２７に示すように一般に発熱体とインクの間に電気絶縁層（例：ＳｉＯ、ＳｉＮ）と沸騰現象に基づく気泡の収縮時に発生するキャベテーション対策としての保護層（例：Ｔａ）を有する。ここで、これら中間層を不要とするヒータ材料としてＴａ，Ｓｉ，Ｏの化合物が挙げられる。本材料を用い、表面層をわずか０．０１μｍ酸化することで、絶縁層を得ることができる。この構成の場合、ヒータ全体における熱容量が低下し、ヒータによる発熱はより効果的にインク側に伝わるため沸騰のためのエネルギー効率が従来より約３０から４０％程度改善される。
【００９９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、インク液滴を噴射するために噴射熱エネルギーを印加する以前の段階に、ヒータに接する液体界面部分に予備的加熱を行うために、ヒータの面積より極めて大きな気泡を生成させてインク液滴を噴射することができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるインクジェットプリンタの概略構成を示すブロック図である。
【図２】本実施の形態にかかるプリントヘッドの構成を示す断面図である。
【図３】本実施の形態にかかるプリントヘッドの構成を示す断面図である。
【図４】本実施の形態にかかるプリントヘッドの構成を示す平面図である。
【図５】本実施の形態にかかるヒータの構成を示す斜視図である。
【図６】インク液滴を噴射する過程を説明するための説明図である。
【図７】ヒータ加熱による気泡の発生から消滅までの過程を説明するための説明図である。
【図８】図７の断面図である。
【図９】単一パルス信号の電力と気泡の面積との関係を示す特性図である。
【図１０】予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号との関係を示す波形パターン図である。
【図１１】予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号とにより生成される気泡の挙動を示すイメージ図である。
【図１２】予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号との関係を示す波形パターン図である。
【図１３】予備加熱パルス信号の時間変化によるヒータの加熱により発生された気泡の大きさを示す特性図である。
【図１４】予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号との関係を示す波形パターン図である。
【図１５】予備加熱パルス信号の時間変化によるヒータの加熱により発生された気泡の大きさを示す特性図である。
【図１６】予備加熱パルス信号とトリガーパルス信号との関係を示す波形パターン図である。
【図１７】ヒータの加熱により気泡が生成された後の時間と気泡の面積との関係を示す特性図である。
【図１８】本発明の実施の形態にかかるプリントヘッドを駆動するための処理の流れを示すフローチャートである。
【図１９】本発明の実施の形態にかかるヒータを駆動するための波形パターンの変形例を示す線図である。
【図２０】本発明の実施の形態にかかるインクジェットプリンタを示す斜視図である。
【図２１】本発明の実施の形態にかかるインクジェットプリンタの制御部を示すブロック図である。
【図２２】本発明の実施の形態に係るプリントヘッドの模式断面図である。
【図２３】図２２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図２４】従来の技術によるプリントヘッドの断面図である。
【図２５】本発明が適用された他例のプリントヘッドの断面図である。
【図２６】インクの噴射力をインクの速度として捉えたときの評価を説明するための説明図である。
【図２７】通常のヒータ断面構成図と保護層を有していないヒータの断面構成図である。
【符号の説明】
Ｂｕｂｂｌｅ…気泡
ｔ１…予備加熱パルス信号の時間
ｔ２…トリガーパルス信号の時間
１０…インクジェットプリンタ
１２…プリンタヘッド
１３…循環路
１４…ポンプ
１５…循環部
１６…インク調整機構部
１８…センサ出力検知部
２０…駆動部
２２…用紙
２４…インク液滴
３０…単位構成部
３１…インク室
３２…ノズル
３３…架橋部
３４…ヒータ
３６…電極
３８…インク
４０…基板
４２…センサ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2004345326.tif 000017
【図１６】
2004345326.tif 000018
【図１７】
2004345326.tif 000019
【図１８】
2004345326.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2004345326.tif 000027
【図２６】
2004345326.tif 000028
【図２７】
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