(57)【要約】【課題】液体供給路等を含めた本体構造を簡単にし、液体の供給不良による吐出不良を低減して、安定した液体の吐出を可能にする。【解決手段】吐出液と発泡液を可動膜により分離し、加熱により前記発泡液を発泡させることにより、可動膜を変形させ、前記可動膜の変形による圧力により、吐出液を吐出させる液体吐出方法であって、前記発泡液を前記可動膜によって形成される空間内に密封するとともに、前記発泡液の発泡により前記可動膜が変形する際の変形量を規制するようにしたことを特徴とする液体吐出方法及びこの方法を実施する液体吐出ヘッドを提供することにより前記課題を解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吐出液と発泡液を可動膜により分離し、加熱により前記発泡液を発泡させることにより、可動膜を変形させ、前記可動膜の変形による圧力により、吐出液を吐出させる液体吐出方法であって、
前記発泡液を前記可動膜によって形成される空間内に密封するとともに、
前記発泡液の発泡により前記可動膜が変形する際の変形量を規制するようにしたことを特徴とする液体吐出方法。
【請求項２】
前記発泡液を発泡させる加熱エネルギは、前記発泡液の発泡により発生した気泡が、前記可動膜の変形が前記規制された変形量に達するまで成長するのに必要なエネルギ以上である請求項１に記載の液体吐出方法。
【請求項３】
吐出液と発泡液を分離する可動膜と、前記発泡液を加熱して発泡させる加熱手段とを備え、前記発泡液の発泡により前記可動膜を変形させ、前記可動膜の変形による圧力により、前記吐出液を吐出させる液体吐出ヘッドであって、
前記発泡液を密封するために前記可動膜によって形成された空間と、
前記発泡液の発泡により前記可動膜が変形する際の変形量を規制する規制部材とを有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記液体吐出ヘッドは、前記加熱手段に対向して設けられたノズルプレートから、前記吐出液を、前記加熱手段と略垂直方向に吐出させるトップシュータ型であって、前記規制部材を前記ノズルプレートによって構成した請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記規制部材を、前記ノズルプレートの前記加熱手段に対向した側の断面形状をハの字型のテーパ状にして構成した請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体吐出方法及び液体吐出ヘッドに係り、特に、熱エネルギ等により液体を発泡させ、その気泡の圧力により吐出口から液体を吐出させる液体吐出方法及び液体吐出ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体吐出方法の例として、例えば、熱エネルギ等を利用して、インクジェット記録ヘッドから紙等の記録媒体に対しインクを吐出させて、画像等を記録するインクジェット記録方法において、従来より、熱等によりインクを発泡させ、その気泡の圧力によって吐出口からインク滴を吐出させる、いわゆるバブルジェット（登録商標）記録方法が知られている。
【０００３】
従来のバブルジェット（登録商標）記録方法では、直接インクを加熱して発泡させていたため、発熱体の表面にインクの焦げによる堆積物が付着したり、インクが熱によって劣化したりして、十分な発泡が得られず、高画質の記録が得られない場合もあった。そこで、このような点を改良するものとして、熱により気泡を発生させる発泡液と、インクのように実際に吐出して紙等に記録を行う吐出液とを分離するようにしたものが開発されている。
【０００４】
例えば、従来の液体吐出技術として、発泡液と吐出液を可動分離膜により分離し、発泡の圧力によって生じた力で可動分離膜を変形させて吐出液に圧力を伝達する際に、その圧力を吐出口方向に導き、吐出効率を損なうことなく、高い吐出力を得るようにした液体吐出方法及び液体吐出ヘッドが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
この液体吐出ヘッドは、図５（ａ）に示すように、吐出液を吐出する吐出口１１０と連通する第１の液流路１１２と、発泡液で満たされる第２の液流路１１４とは、可動分離膜１１６で分離され、第１の液流路１１２の吐出液と、第２の液流路１１４の発泡液は混ざらないようになっている。
また、素子基板１１８上に配置されている発熱体１２０が第２の液流路１１４の発熱体１２０近傍の気泡発生領域１２２内にある液体（発泡液）を加熱し、膜沸騰を発生させることで、この領域で気泡を発生させるようになっている。
さらに、可動分離膜１１６の第１の液流路１１２側には、吐出口１１０側を自由端とする可動部材１２４が、可動分離膜１１６に密着して設けられている。
【０００６】
また、液体吐出時には、図５（ｂ）に示すように、発熱体１２０により、第２の液流路１１４の気泡発生領域１２２において発生した気泡１２６の圧力により、可動分離膜１１６は上方に押し上げられるが、吐出口１１０側に自由端を有して可動分離膜１１６に密着して設けられている可動部材１２４によって、可動分離膜１１６の変位方向は、吐出口１１０側へ規制されている。そのため、可動分離膜１１６は、吐出口１１０側へ変位、伸長し、吐出口１１０より吐出液の液滴１２８が吐出される。
【０００７】
また、その他に、インク（液）と発泡液とを可撓性フィルム（可動分離膜）で分離し、発泡液中に発生する気泡により可撓性フィルムが変位する際の圧力によりインクを吐出するようにしたインクジェットプリントヘッドも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
これは、図６に示すように、可撓性フィルム１３０で密閉された空間内に封入された発泡液１３２を、発熱体１３４で加熱し、気泡１３６を発生させ、これにより可撓性フィルム１３０を変位させ、その圧力により吐出口１３８からインク１４０を吐出させるものである。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−３３７８７０号公報
【特許文献２】
特開平０５−２２９１２２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１に記載された液体吐出ヘッドは、吐出液と発泡液とを分離した構造となっており、吐出液及び発泡液はそれぞれの液流路を通して本体から供給されているため、これら２種類の液体を常に安定して供給しなければならず、吐出条件が複雑になり、また吐出部を含めた液供給路その他の構造も複雑となるため、これら液体の供給不良の可能性も高まるという問題がある。
【００１１】
また、一方、前記特許文献２に記載されたインクジェットプリントヘッドは、発泡液を供給するのではなく、可撓性フィルム１３０で密閉された空間内に発泡液を封入するようにしているため、上記特許文献１に記載されたもののように液体供給路等の構造を複雑化させるという問題はない。
しかし、これは図６からもわかるように、可撓性フィルム１３０の変形量及び変位方向は、発泡媒体の気泡１３６の成長の成り行き任せのため、可撓性フィルム１３０の体積変化量及び変位方向が安定せず、そのため、インク１４０の吐出量を安定化させることができないという問題がある。
【００１２】
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであり、液体供給路等を含めた本体構造を簡単にし、液体の供給不良による吐出不良を低減して、安定した液体の吐出を可能にした液体吐出方法及び液体吐出ヘッドを提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の第一の態様は、吐出液と発泡液を可動膜により分離し、加熱により前記発泡液を発泡させることにより、可動膜を変形させ、前記可動膜の変形による圧力により、吐出液を吐出させる液体吐出方法であって、前記発泡液を前記可動膜によって形成される空間内に密封するとともに、前記発泡液の発泡により前記可動膜が変形する際の変形量を規制するようにしたことを特徴とする液体吐出方法を提供する。
【００１４】
また、前記発泡液を発泡させる加熱エネルギは、前記発泡液の発泡により発生した気泡が、前記可動膜の変形が前記規制された変形量に達するまで成長するのに必要なエネルギ以上であることが好ましい。
【００１５】
また、同様に前記課題を解決するために、本発明の第二の態様は、吐出液と発泡液を分離する可動膜と、前記発泡液を加熱して発泡させる加熱手段とを備え、前記発泡液の発泡により前記可動膜を変形させ、前記可動膜の変形による圧力により、前記吐出液を吐出させる液体吐出ヘッドであって、前記発泡液を密封するために前記可動膜によって形成された空間と、前記発泡液の発泡により前記可動膜が変形する際の変形量を規制する規制部材とを有することを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。
【００１６】
また、前記液体吐出ヘッドは、前記加熱手段に対向して設けられたノズルプレートから、前記吐出液を、前記加熱手段と略垂直方向に吐出させるトップシュータ型であって、前記規制部材を前記ノズルプレートによって構成したことが好ましい。
【００１７】
また、前記規制部材を、前記ノズルプレートの前記加熱手段に対向した側の断面形状をハの字型のテーパ状にして構成したことが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の液体吐出方法及び液体吐出ヘッドについて、添付の図面に示される好適実施形態を基に詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドの、一つのノズル（吐出口）付近の概略を示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態の液体吐出ヘッド１は、Ｓｉ基板１０上に発熱抵抗体１２及びこの発熱抵抗体１２に電流を流して発熱させるための電極１４が設けられている。
また、電極１４上には、発熱抵抗体１２の部分を除いて隔壁１６が設けられ、隔壁１６の存在しない発熱抵抗体１２の部分には、可動膜１８が設けられ、これらにより密閉された空間２０が形成され、この空間２０内には発泡液２２が封入されている。後述するように、発泡液２２は、ヘッド製造時に予め組み込まれる。発泡液２２は、加熱されると気泡を発生する低沸点の液体である。発泡液２２は、空間２０内に１００％充填されていてもよいし、空間内の一部にのみ封入されていてもよい。
【００２０】
隔壁１６上には、ノズルプレート２４が設けられ、隔壁１６とノズルプレート２４との間に、液通路２６が形成されている。液通路２６には、図示しないヘッド本体側からインク（吐出液）２８が供給される。
発熱抵抗体１２（及び可動膜１８）に対向するノズルプレート２４の部分には、吐出口（ノズル）３０が設けられ、ここからインク２８が、発熱抵抗体１２に対し略垂直方向（図の上方）に吐出される。すなわち、本実施形態の液体吐出ヘッド１は、トップシュータ型である。
【００２１】
また、吐出口３０の、発熱抵抗体１２（可動膜１８）に面するノズルプレート２４の内側断面は、ハの字型のテーパ状の断面形状３２を有している。後述するように、このハの字型のテーパ状の断面形状３２により、可動膜１８の変形量が規制されるようになっている。
【００２２】
以下、本実施形態の作用を説明する。
図１に示すように、初期状態においては、液通路２６内のインク（吐出液）２８が、例えば毛細管力等によって吐出口３０付近まで引き込まれている。
この状態において、電極１４により発熱抵抗体１２にパルス電流を流すことにより、発熱抵抗体１２に熱エネルギが与えられると、発熱抵抗体１２は、急速に加熱される。発熱抵抗体１２が加熱されると、これにより発泡液２２が発泡し、気泡が発生する。
【００２３】
図２に示すように、発泡液２２内に発生した気泡３４は、膜状となり、気泡３４の膨張する圧力により可動膜１８は変形し、（図２において）上に押し上げられる。
気泡３４がさらに成長すると、図２に示すように、可動膜１８は、吐出口３０下部のテーパ状の断面形状３２に接触するまで変形し、そこで変形が規制される。これにより、インク２８が、吐出口３０から、発熱抵抗体１２に対し略垂直方向（図２の上方）に吐出される。このとき、常に、変形した可動膜１８が上記断面形状３２に接触するまで発泡液２２の気泡３４が成長するように加熱するものとする。
【００２４】
このように、本実施形態では、ノズルプレート２４の内側の吐出口３０下部をハの字型のテーパ状の断面形状３２として、これにより可動膜１８の変形量を規制するようにし、可動膜１８が断面形状３２に接触するまで変形させるようにしたため、可動膜１８の変形量は常に一定となる。その結果、液体吐出ヘッド１は、吐出口３０から、常に、一定量のインク２８を吐出する。従って本実施形態によれば、インク吐出量を安定化することが可能となる。
また、発泡液を可動膜等で形成された閉空間に密封するようにしたため、発泡液の流路抵抗等を考慮する必要がなく、吐出液を供給するのみでよく、液供給路等の本体構造が複雑にならず、液供給不良による吐出不良を招くことなく、発泡のエネルギを効率よく吐出エネルギに変換することができ、高粘度のインクを安定して吐出することが可能となる。
【００２５】
なお、ノズルプレート２４の内側の吐出口３０下部の断面形状は、上記のようなハの字型のテーパ状に限定されるものではなく、例えば、図３に示すように、円弧状の断面形状３６であってもよい。
いずれにしても、ノズルプレート２４の一部により、可動膜１８の変形量を規制する部材を構成するようにすることにより、別途この規制部材を設ける必要がなく、部品点数を増やすことなく、インク吐出量の安定化を図ることができる。
【００２６】
以下、本実施形態の液体吐出ヘッド１の製造方法について簡単に説明する。
図４（ａ）〜（ｄ）に、本実施形態の液体吐出ヘッド１の製造工程を示す。
まず、図４（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１０上に、半導体装置の製造工程と同様にして、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏあるいは窒化タンタル等からなる発熱抵抗体１２及びＷ−Ａｌ、Ｗ−Ｔｉ等にＡｕを積層した電極１４を形成する。
なお、発熱抵抗体１２及び電極１４からなるヒーターは、このようにＳｉ基板１０上に設けるのではなく、Ｓｉ基板１０をエッチング等によって彫り込んで、その中に形成するようにしてもよい。
【００２７】
次に、図４（ｂ）に示すように、発熱抵抗体１２及び電極１４の形成されたＳｉ基板１０上の全面にポリイミド樹脂をコーティングして、キュア（乾燥硬化、焼成）して、隔壁１６として固着させる。
固着した隔壁１６の発熱抵抗体１２の部分をエッチングにより除去して、空間２０を形成し、そこに発泡液２２を組み込む。
発泡液２２としては、アルコール系、その他の低沸点の液体、飽和蒸気圧の高い液体等であればよく、特に限定されるものではない。
また、空間２０に発泡液２２を組み込む際、空間２０全体を満たすように発泡液２２を１００％充填してもよいし、空間２０の一部のみに発泡液２２を入れるようにしてもよい。
【００２８】
次に、図４（ｃ）に示すように、その上に、全面に亙ってポリイミド樹脂を塗布して、可動膜１８を形成する。可動膜１８は、上で形成した発熱抵抗体１２上の空間２０を覆う部分のみを残して、残りの部分はエッチング等により除去するが、残しておいてもよい。
このとき、可動膜１８の下側に板ばねを付設して、可動膜１８の動きを補助するようにしてもよい。
また、前述したように、Ｓｉ基板１０をエッチング等により多少掘り下げてその中にヒーター部を設けた場合には、そこに発泡液２２を封入する空間２０ができるので、可動膜１８は直接Ｓｉ基板１０上に設置するようにしてもよい。
【００２９】
また、可動膜１８の上に、上述した隔壁１６の形成と同様にして、ポリイミドをコーティングして隔壁２５を形成し、その後エッチング等により、吐出液の液通路２６を形成する。液通路２６に供給される吐出液２８は、特に限定はなく、通常のインクジェット記録ヘッドに用いられるインクでよいが、本発明によれば、特に、高粘度のインクであっても効率的に安定して吐出可能である。
【００３０】
最後に、図４（ｄ）に示すように、吐出口３０の内側下部にテーパ状の断面形状３２の形成されたポリイミドからなるノズルプレート２４を、接着剤等により、液通路２６の形成された隔壁２５の表面に固着する。
なお、ノズルプレート２４の表面には、金属薄膜をコーティングするようにしてもよい。
【００３１】
このように、本実施形態の液体吐出ヘッドは、発泡液と吐出液を可動膜によって分離し、さらに、発泡液は、可動膜で密閉された空間に、予め製造時に組み込むようにし、吐出液のみを供給するようにしたため、液体供給路は１つのみでよく、液供給路等の本体構造を簡単化することができる。
また、液体吐出ヘッドをトップシュータ型とし、発泡液の発泡により可動膜が変形した際の、変形量を規制する部材を設け、可動膜変形時には、常に、可動膜が規制部材に突き当たるまで気泡が成長するのに必要なエネルギ以上の熱エネルギを発泡液に付加するようにしたため、可動膜の変形量は、常に一定量となるため、吐出液の吐出量を一定に保つことができ、吐出液を効率よく安定して吐出させることができる。特に、高粘度のインクであっても安定したインク吐出を維持することができる。
【００３２】
また、発泡液を製造時に作り込むようにしたため、液を供給する場合における供給不良という問題がなく、常に、安定した、気泡の発生及びこれによる可動膜の変形動作が保証される。
また、特に、上記可動膜の変形量規制部材を、ノズルプレート内側の吐出口下部の部分をテーパ状の断面形状として構成することにより、可動膜の変形量規制部材を別部品で構成する必要がなく、部材点数を増加させることがないため、コスト増を招くこともない。
【００３３】
以上、本発明の液体吐出方法及び液体吐出ヘッドについて、詳細に説明したが、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのはもちろんである。
【００３４】
【発明の効果】
以上、説明した通り、本発明によれば、発泡液を可動膜によって形成される空間内に密封し、発泡液の発泡により可動膜が変形する際の変形量を規制するようにしたため、発泡液を供給する液供給路等の構成を簡単化することができるとともに、可動膜の変形量を一定量に規制できるため、吐出液の吐出量を一定にし、安定した吐出を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドの吐出口付近の概略を示す断面図である。
【図２】本実施形態の液体吐出ヘッドにおいて吐出液を吐出させている状態を示す断面図である。
【図３】可動膜規制部材を構成する吐出口下部の他の形状を示す断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の液体吐出ヘッドの製造工程を示す説明図である。
【図５】従来の液体吐出ヘッドの例を示す断面図であり、（ａ）は初期状態、（ｂ）は液体吐出時を示す。
【図６】従来の液体吐出ヘッドの他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１　　液体吐出ヘッド
１０　Ｓｉ基板
１２　発熱抵抗体
１４　電極
１６　隔壁
１８　可動膜
２０　空間
２２　発泡液
２４　ノズルプレート
２６　液通路
２８　吐出液
３０　吐出口（ノズル）
３２、３６　断面形状
３４　気泡
【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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