JP2001225476A - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 気泡によるインクの吐出パワーのロスが少な
く、吐出口率の高い液体吐出ヘッドを実現する。 【解決手段】 複数の液流路３がそれぞれ、液体供給口
５を介して共通液体供給室６に接続され、それぞれの液
流路３が吐出口７と連通している。液体供給口５の液流
路３側の少なくとも一部に対して微小な間隔を隔てて可
動部材８が片持ち支持され、可動部材８の自由端８Ｂ側
の端部が、液体供給口５の周囲にある供給部形成部材５
Ａのストッパ部５ｂに接触している。液流路３の気泡発
生領域１１で発熱体４により気泡２１を発生させてイン
クを吐出させる動作で、気泡が発生してから、可動部材
８が変位して液体供給口５が可動部材８によって塞がれ
るまでの時間が短くなるので、液流路３から液体供給口
５へのインクの移動による吐出パワーのロスが減少し、
吐出効率が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱エネルギーを液
体に作用させて気泡を発生させることによって液体を吐
出する液体吐出ヘッド、およびその液体吐出ヘッドを用
いた液体吐出装置に関する。

【０００２】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、複写機、通
信システムを有するファクシミリ、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
合的に組み合わせた産業用記録装置に適用できる発明で
ある。

【０００３】なお、本発明における「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。

【０００４】

【従来の技術】従来、プリンター等の記録装置におい
て、流路中の液体インクに熱等のエネルギーを与えて気
泡を発生させ、それに伴う急峻な体積変化に基づく作用
力によって吐出口からインクを吐出し、これを被記録媒
体上に付着させて画像形成を行なうインクジェット記録
方法、いわゆるバブルジェット記録方法が知られてい
る。このバブルジェット記録方法を用いる記録装置に
は、米国特許第４，７２３，１２９号等に開示されてい
るように、インクを吐出するための吐出口と、この吐出
口に連通する流路と、流路内に配されたインクを吐出す
るためのエネルギー発生手段としての電気熱変換体が一
般的に配されている。

【０００５】このような記録方法によれば、品位の高い
画像を高速、低騒音で記録することができると共に、こ
の記録方法を行うヘッドではインクを吐出するための吐
出口を高密度に配置することができるため、小型の装置
で高解像度の記録画像、さらにカラー画像をも容易に得
ることができるという多くの優れた点を有している。こ
のため、このバブルジェット記録方法は近年、プリンタ
ー、複写機、ファクシミリ等の多くのオフィス機器に利
用されており、さらに、捺染装置等の産業用システムに
まで利用されるようになってきている。

【０００６】このようにバブルジェット技術が多方面の
製品に利用されるに従って様々な要求が高まっており、
例えば、高画質な画像を得るために、インクの吐出スピ
ードが速く、安定した気泡発生に基づく良好なインク吐
出を行える液体吐出方法等を与えるための駆動条件が提
案されたり、また、高速記録の観点から、吐出された液
体の液流路内への充填（リフィル）速度の速い液体吐出
ヘッドを得るために流路形状を改良したものも提案され
ている。

【０００７】このうち、ノズル内において気泡を発生さ
せ、この気泡成長に伴い液体を吐出させるヘッドにおい
て、吐出口とは反対方向への気泡成長およびこれによる
液流が吐出エネルギー効率およびリフィル特性を低下さ
せる要因として知られており、このような吐出エネルギ
ー効率およびリフィル特性を向上させる構造の発明がヨ
ーロッパ特許出願公開公報ＥＰ0436047Ａ１に提案され
ている。

【０００８】この公報に記載の発明は、吐出口近傍域と
気泡発生部との間にこれらを遮断する第１弁と、気泡発
生部とインク供給部との間にこれらを完全に遮断する第
２弁とを交互に開閉させるものである（ＥＰ４３６０４
７Ａ１の第４〜９図）。例えば同公報第７図の例では、
図２７に示すように、インク流路１１２の内壁を形成す
る基板１２５上のインク槽１１６とノズル１１５との間
のインク流路１１２のほぼ中央に発熱体１１０が設けら
れている。発熱体１１０は、インク流路１１２内部の、
周囲を全て閉じた区画１２０内に在る。インク流路１１
２は、基板１２５と、基板１２５上に直接積層した薄膜
１２３，１２６と、閉止体としての舌状片１１３、１３
０とで構成されている。開放された舌状片は図２７では
破線で示されている。基板１２５と平行な平面内に延在
してストッパ１２４で終結する別の薄膜１２３はインク
流路１１２上を遮蔽する。インク中に気泡が発生する
と、ノズル領域内の舌状片１３０の、静止状態でストッ
パ１２６に密着しているその自由端は、上に向かって変
位し、インク液は区画１２０からインク流路１１２中
へ、ついでノズル１１５を通じて射出される。このと
き、インク槽１１６の領域内に設けた舌状片１１３は静
止状態でストッパ１２４に密着しているため、区画１２
０内のインク液はインク層１１６に向かうことはない。
インク中の気泡が消泡すると、舌状片１３０は下に向け
て変位し、ストッパ１２６に再び密着する。そして、舌
状片１１３はインク区画１２０内に倒れ落ち、これによ
りインク液が区画１２０中に流入する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＥＰ0436047
Ａ１に記載の発明は、吐出口近傍域と気泡発生部とイン
ク供給部の３つの部屋を２つづつに区分してしまうため
に、吐出時には液滴に追従するインクが大きな尾引きと
なり、気泡成長・収縮・消泡を行う通常の吐出方式に比
べてサテライトドットがかなり多くなってしまう（消泡
によるメニスカス後退の効果を使えないと推定され
る）。また、気泡の吐出口側の弁は吐出エネルギーの多
大な損失を招く。さらに、リフィル時（ノズルへのイン
ク補充時）は、気泡発生部に液体が消泡に伴って供給さ
れるが、吐出口近傍域には次の発泡が生じるまで液体は
供給できないので、吐出液滴のばらつきが大きいだけで
なく、吐出応答周波数が極めて小さく、実用レベルでは
ない。

【００１０】本発明は、吐出口とは反対方向への気泡成
長成分の抑制効率を向上し、これとは相反するリフィル
特性の高効率化を満足するための画期的な方法やヘッド
構成を見い出すべく新たな着想に基づいて吐出効率の向
上をも満足する発明を提案するものである。

【００１１】本発明者達は鋭意研究の結果、直線状に形
成したノズル内で気泡を発生させ、この気泡成長に伴い
液体を吐出させる液体吐出ヘッドのノズル構造におい
て、特別な逆止弁の機能により、吐出口とは反対方向
（後方）への気泡成長を抑制し、後方への吐出エネルギ
ーを吐出口側に有効に利用できることを見い出した。そ
の上、特別な逆止弁の機能により後方への気泡成長成分
を抑制することで、吐出応答周波数が極めて高くできる
ことを見い出した。

【００１２】本発明の目的は、上記のような研究過程で
得られた、新規な弁機能を有する液体吐出ヘッドにおい
て、発熱体により発生した気泡によって弁を変位させて
ノズルからのインクを吐出させる際に、その気泡による
インクの吐出パワーのロスが少なく、吐出口率の高い液
体吐出ヘッド、およびその液体吐出ヘッドを有する液体
吐出装置を提供することにある。

【００１３】

【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、液体を吐出するための複数の吐出口と、
前記各吐出口に一端部が常に連通され、液体に気泡を発
生させる気泡発生領域を有する複数の液流路と、前記気
泡を発生し成長させるためのエネルギーを発生する気泡
発生手段と、前記複数の液流路にそれぞれ配設され、共
通液体供給室に連通する複数の液体供給口と、前記液体
供給口の前記液流路側の少なくとも一部分に対して微小
な隙間を隔てて支持された、自由端を有する可動部材と
を有し、前記可動部材の少なくとも自由端部およびそれ
に連続する両側部で囲まれる領域が前記液体供給口の液
流路に対する開口領域よりも大きくなっている液体吐出
ヘッドであって、前記可動部材が静止している状態で、
前記可動部材の前記吐出口側の部分が、前記液体供給口
を形成するための部材に接触すると共に、前記可動部材
の支点側の部分と前記液体供給口との間に微小な隙間を
有していることを特徴とする。

【００１４】また、本発明は、液体を吐出するための複
数の吐出口と、前記各吐出口に一端部が常に連通され、
液体に気泡を発生させる気泡発生領域を有する複数の液
流路と、前記気泡を発生し成長させるためのエネルギー
を発生する気泡発生手段と、前記複数の液流路にそれぞ
れ配設され、共通液体供給室に連通する複数の液体供給
口と、前記液体供給口の前記液流路側の少なくとも一部
分に対して微小な隙間を隔てて支持された、自由端を有
する可動部材とを有し、前記可動部材の少なくとも自由
端部およびそれに連続する両側部で囲まれる領域が前記
液体供給口の液流路に対する開口領域よりも大きくなっ
ている液体吐出ヘッドであって、前記可動部材が静止し
ている状態で、前記可動部材の前記吐出口側の部分が、
前記液体供給口を形成するための部材に接触すると共
に、前記可動部材の支点側の部分における側部と、前記
液体供給口を形成するための部材との間に微小な隙間を
有していることを特徴とする。

【００１５】さらに、前記可動部材が静止している状態
で、前記可動部材の前記吐出口側の部分が、前記液体供
給口を形成するための部材を押圧することで、前記可動
部材が前記液体供給口側に向かって弾性的に凸状に湾曲
していてもよい。

【００１６】さらに、本発明は、液体を吐出するための
複数の吐出口と、前記各吐出口に一端部が常に連通さ
れ、液体に気泡を発生させる気泡発生領域を有する複数
の液流路と、前記気泡を発生し成長させるためのエネル
ギーを発生する気泡発生手段と、前記複数の液流路にそ
れぞれ配設され、共通液体供給室に連通する複数の液体
供給口と、前記液体供給口の前記液流路側の少なくとも
一部分に対して微小な隙間を隔てて支持された、自由端
を有する可動部材とを有し、前記可動部材の少なくとも
自由端部およびそれに連続する両側部で囲まれる領域が
前記液体供給口の液流路に対する開口領域よりも大きく
なっている液体吐出ヘッドであって、前記可動部材が静
止している状態で、前記可動部材の前記吐出口側の部分
が、前記液体供給口を形成するための部材を押圧するこ
とで、前記可動部材が前記液体供給口側に向かって弾性
的に凸状に湾曲していると共に、前記可動部材の支点側
の部分と前記液体供給口との間に微小な隙間を有してい
ることを特徴とする。

【００１７】上記の通りの発明では、気泡発生手段によ
り気泡発生領域で気泡を発生させて可動部材を変位さ
せ、可動部材によって液流路の液体供給口をほぼ閉じる
ことで液流路をほぼ密閉状態にしてから吐出口より液体
を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、可動部材が静止
している状態で、可動部材の吐出口側の部分が、液体供
給口を形成するための部材に接触していることにより、
気泡が発生してから液流路が吐出口を除いてほぼ密閉状
態になるまでの時間が短くなり、液流路から液体供給口
への液体の移動が最大限に抑えられる。これにより、吐
出動作において液流路から液体供給口への液体の移動に
よる吐出パワーのロスが減少し、液体吐出ヘッドの吐出
効率が向上する。また、それと共に、気泡の等方的な成
長から、気泡の吐出口側の部分が成長して気泡の液体供
給口側の部分が収縮するという部分成長部分収縮期間に
速く移行することが可能になる。さらに、可動部材が静
止している定常状態において可動部材の支点側の部分と
液体供給口との間に微小な隙間を有していたり、可動部
材の支点側の部分における側部と、液体供給口を形成す
るための部材との間に微小な隙間を有していたりするこ
とにより、可動部材の静止状態では、その微小な隙間を
通して液体供給口と液流路とが連通している。これによ
り、吐出動作で吐出口内のメニスカスが完全に復帰する
前に可動部材が静止したり、液流路への液体のリフィル
時のオーバーシュートでメニスカスが吐出口から突き出
た状態で可動部材が静止したりした場合でも、可動部材
の支点部分と液体供給口との間の微小な隙間を通して液
体が移動し、メニスカスが適切な位置に変位可能とな
る。

【００１８】また、可動部材が静止している状態で可動
部材の吐出口側の部分が、液体供給口を形成するための
部材を押圧して可動部材が液体供給口側に向かって弾性
的に凸状に湾曲していることにより、発熱体により膜沸
騰が起こり気泡が等方的に成長する際に、可動部材が液
体供給口側へ凸状にさらに湾曲することで、液体供給口
が可動部材によって塞がれ、液流路が吐出口を除いて実
質的に密閉状態になる。この時、可動部材は、気泡が最
大に成長する前に上流側に向かって凸状に弾性的に湾曲
し、発熱体の発熱特性のばらつきや周囲の温度変化等に
よる発泡状態のばらつきが可動部材の湾曲によって吸収
される。その結果、発熱体による発泡状態のばらつきや
周囲の温度変化等に起因する吐出量のばらつきが抑制さ
れる。また、この場合には、可動部材が高次振動モード
で下方変位するために、可動部材の自由端の下方変位量
は大きいが、可動部材は速く開き、速く閉じる。そのた
め、リフィル時間の短縮が可能となる。

【００１９】さらに、本発明の液体吐出装置は、上述し
たいずれかの液体吐出ヘッドと、該液体吐出ヘッドから
吐出された液体を受け取る被記録媒体を搬送する被記録
媒体搬送手段とを備えている。

【００２０】具体的には上記の液体吐出装置は、前記液
体吐出ヘッドからインクを吐出し、前記被記録媒体に該
インクを付着させることで記録を行う。

【００２１】上記の液体吐出装置では、上述したような
液体吐出ヘッドを備えたことにより、液体の吐出効率を
高くすると共に吐出量のばらつきを抑制して記録を行う
ことができる。

【００２２】なお、本発明の説明で用いる「上流」「下
流」とは、液体の供給源から気泡発生領域（又は可動部
材）を経て、吐出口へ向かう液体の流れ方向に関して、
又はこの構成上の方向に関しての表現として表されてい
る。

【００２３】また、気泡自体に関する「下流側」とは、
気泡の中心に対して、上記流れ方向や上記構成上の方向
に関する下流側、又は、発熱体の面積中心より下流側の
領域で発生する気泡を意味する。

【００２４】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００２５】（第１の実施の形態）図１は本発明の第１
の実施の形態による液体吐出ヘッドの１つの液流路方向
に沿った断面図、図２は図１のＸ−Ｘ’線断面図、図３
は図１の吐出口中心からＹ１点で天板２側へシフトした
Ｙ−Ｙ’線断面図である。

【００２６】図１〜図３に示す複数液路−共通液室形態
の液体吐出ヘッドでは、素子基板１と天板２とが液路側
壁１０を介して積層状態で固着され、両板１，２の間に
は、一端が吐出口７と連通し他端が閉じられた液流路３
が形成されている。この液流路３は１個のヘッドに多数
設けられている。また、素子基板１には各々の液流路３
に対し、液流路３に補充された液体に気泡を発生させる
気泡発生手段としての電気熱変換素子等の発熱体４が配
されている。発熱体４と吐出液との接する面の近傍領域
には、発熱体４が急速に加熱されて吐出液に発泡が生じ
る気泡発生領域１１が存在する。

【００２７】多数の液流路３の各々に、供給部形成部材
５Ａに形成された液体供給口５が配設され、各液体供給
口５に連通する共通液体供給室６が設けられている。つ
まり、単一の共通液体供給室６から多数の液流路３に分
岐した形状となっており、各液流路３と連通する吐出口
７から吐出された液体に見合う量の液体をこの共通液体
供給室６から受け取る。

【００２８】液体供給口５と液流路３との間には、可動
部材８が液体供給口５の開口領域Ｓに対して微小な隙間
を有して設けられている。可動部材８は素子基板１と平
行に位置する。可動部材８の一端は、素子基板１の発熱
体４側に位置する自由端８Ｂであり、その他端側は固定
部材９に支持されている。この固定部材９によって液流
路３の吐出口７と反対側端が閉じられている。

【００２９】図１に示すように可動部材８が静止した状
態では、可動部材８の自由端８Ｂ側の先端部がその弾性
力によって、液体供給口５を形成するための部材である
供給部形成部材５Ａに接触している。従って、供給部形
成部材５Ａの吐出口７側の部分が、可動部材８の自由端
８Ｂ側の端部が当接して可動部材８によって押圧される
ストッパ部５ｂとなっている。可動部材８の、ストッパ
部５ｂに接触する部分と、固定部材９に固定された部分
との間の部分は、液体供給口５から微小な間隔だけ離れ
ており、可動部材８と液体供給口５との微小な隙間は、
自由端８Ｂから支点８Ａ側に向かって徐々に広くなって
いる。

【００３０】可動部材８の少なくとも自由端部およびそ
れに連続する両側部で囲まれる領域が液体供給口５の開
口領域Ｓよりも大きくなっており（図３参照）、かつ、
可動部材８の側部と両側の流路側壁１０のそれぞれとの
間は微小な隙間βを有する（図２参照）。前述した供給
部形成部材５Ａは、可動部材８に対して、図２に示すよ
うに隙間γを介している。隙間β、γは、流路のピッチ
によって異なるが、隙間γが大きければ可動部材８は開
口領域Ｓを遮断し易く、隙間βが大きければ可動部材８
は液体供給口５との隙間を介して位置する定常状態より
も消泡に伴って素子基板１側へ移動し易くなる。本実施
形態では、可動部材８の支点８Ａと液体供給口５との隙
間、すなわち図２に示される隙間αは３μｍ、隙間βは
３μｍ、隙間γは４μｍとした。

【００３１】また、可動部材８は、流路側壁１０の間の
幅方向で、上記開口領域Ｓの幅Ｗ２よりも大きい幅Ｗ１
を有しており、開口領域Ｓを十分密閉できる幅を有して
いる。可動部材８の支点８Ａは、複数の可動部材が複数
液路に交差する方向に関して連続している連続部の自由
端側の端部延長線上で、液体供給口５の開口領域Ｓの上
流側端部を規定する（図３参照）。本実施形態では、図
２および図３に示すように流路側壁１０自体の厚みより
も、供給部形成部材５Ａの、可動部材８に沿っている部
分の厚みが小さく設定されており、流路側壁１０に対し
て供給部形成部材５Ａが積層されている。なお、供給部
形成部材５Ａの、可動部材８の自由端８Ｂよりも吐出口
７側は、図３に示すように流路側壁１０自体の厚みに対
して同じ厚さに設定されている。

【００３２】以上により可動部材８は液流路３内で摩擦
抵抗なく可動できる一方で、開口領域Ｓ側への変位は開
口領域Ｓの周辺部で規制できる。これにより、開口領域
Ｓを実質的に塞いで液流路３内部から共通液体供給室６
への液流を防ぐことが可能となる一方で、気泡の消泡に
伴って、液流路側へ実質密閉状態からリフィル可能状態
へ移動可能となる。可動部材８が静止している状態で
は、上述したように可動部材８の自由端８Ｂ側の先端部
が供給部形成部材５Ａのストッパ部５ｂに接触すると共
に、可動部材８の支点８Ａ側の部分における側部と、供
給部形成部材５Ａとの間に微小な隙間があり、その微小
な隙間を通して液体供給口５と液流路３とがわずかに連
通している。

【００３３】なお、開口領域Ｓは、液体供給口５から液
流路３に向かって液体を供給する実質的な領域であり、
本実施形態においては図１および図３に示すように液体
供給口５の３辺と固体部材９の端部９Ａで囲まれた領域
である。

【００３４】また、図４に示すように本実施形態におい
ては、電気熱変換体としての発熱体４と吐出口７との間
は弁のような障害物は無く、液流に対し直線的な流路構
造を保っている「直線的連通状態」となっている。これ
は、より好ましくは、気泡の発生時に生じる圧力波の伝
播方向とそれに伴う液体の流動方向と吐出方向とを直線
的に一致させることで、吐出滴の吐出方向や吐出速度等
の吐出状態をきわめて高いレベルで安定化させるという
理想状態を形成することが望ましい。本発明では、この
理想状態を達成、または近似させるための一つの定義と
して、吐出口７と発熱体４、特に気泡の吐出口７側に影
響力を持つ発熱体４の吐出口７側(下流側)とが直接直線
で結ばれる構成とすればよく、これは、液流路３内の流
体がない状態であれば、吐出口７の外側から見て発熱体
４、特に発熱体４の下流側が観察することが可能な状態
である（図４参照）。

【００３５】次に、本実施形態の液体吐出ヘッドにおけ
る可動部材８の動きについて詳しく説明する。図５〜図
８は図１〜図３に示した構造の液体吐出ヘッドにおける
可動部材８の動きを説明するために、液体吐出ヘッドを
液流路方向に沿った切断図で示すと共に、特徴的な現象
を図５（ａ）〜図８（ｂ）の８工程に分けて示したもの
である。

【００３６】図５（ａ）では、発熱体４に電気エネルギ
ー等のエネルギーが印加される前の状態であり、発熱体
が熱を発生する前の状態を示す。この状態では、液体供
給口５と液流路３との間に設けられた可動部材８におけ
る中央部から支点側の部分にかけて、液体供給口５の形
成面との間には微小な隙間（１０μｍ以下）が存在して
いる。

【００３７】ここで重要なことは、可動部材８が、発熱
体４の発熱によって発生する気泡に対し、この気泡の上
流側ほぼ半分に対面する位置に設けられており、かつ、
可動部材８の自由端部と供給部形成部材５Ａのストッパ
部５ｂとが気泡発生領域１１の中央上方に配置されてお
り、気泡発生前に液流路構造、可動部材８の配置位置、
および可動部材８の弾性力により可動部材８がストッパ
部５ｂに接触していることである。

【００３８】図５（ｂ）では、液流路３を満たす液体の
一部が発熱体４によって加熱され、発熱体４上に膜沸騰
が起こり気泡２１が等方的に成長した状態を示す。ここ
で、「気泡成長が等方的」とは、気泡表面の所々におい
て気泡表面の垂線方向を向いた気泡成長速度がそれぞれ
ほぼ等しい大きさである状態をいう。

【００３９】この気泡発生初期の、気泡２１の等方的な
成長過程において、可動部材８の、ストッパ部５ｂに接
触する部分と支点８Ａ近傍の部分との間の部分が液体供
給口５側に変位することで可動部材８が液体供給口５の
周辺部と密着して液体供給口５を塞ぎ、液流路３内が、
吐出口７を除いて実質的に密閉状態になる。この時、可
動部材８の支点近傍の部分が、液体供給口５側に最大変
位する量をｈ１とする。

【００４０】本実施形態では、上述したように定常状態
で可動部材８の自由端部がストッパ部５ｂに接触してい
ることにより、定常状態で可動部材８の自由端部がスト
ッパ部５ｂから離れている場合と比較して、気泡が発生
してから可動部材８によって液体供給口５が塞がれるま
での時間が短くなり、液流路３から液体供給口５へのイ
ンクの移動が最大限に抑えられる。これにより、吐出動
作において液流路３から液体供給口５へのインクの移動
による吐出パワーのロスが減少し、液体吐出ヘッドの吐
出効率が向上する。また、それと共に、気泡の等方的な
成長から、後述するように気泡２１の吐出口７側の部分
が成長して気泡２１の液体供給口５側の部分が収縮する
という部分成長部分収縮期間に速く移行することが可能
となっている。

【００４１】図６（ａ）は気泡２１が成長し続けている
状態を示す。この状態では、上述のように液流路３内が
吐出口７を除いて実質的に密閉状態になっているので、
液体の流れが液体供給口５側には行かない。そのため、
気泡２１は、吐出口７側へは大きく広がることができる
が、液体供給口５側へはあまり広がらない。そして、気
泡発生領域１１の吐出口７側では気泡成長は続くが、逆
に、気泡発生領域１１の液体供給口５側では気泡成長が
止まってしまう。つまり、この気泡成長停止状態が、気
泡発生領域１１の液体供給口５側では、最大発泡状態に
なっている。この時の発泡体積をＶｒとする。

【００４２】この時には、Ｂ領域の気泡成長が停止し、
可動部材８を液体供給口５に押圧している力が弱まる。
そうすると、可動部材８の弾性力によって、可動部材８
の中央部付近が定常状態に向かって下方変位を開始しよ
うとしている。

【００４３】ここで、図５（ａ），（ｂ）および図６
（ａ）における気泡の成長過程を図１１に基づき詳述す
る。図１１（ａ）に示すように発熱体４が加熱されると
発熱体４上に初期沸騰が生じ、その後図１１（ｂ）に示
すように発熱体４上を膜状の気泡が覆う膜沸騰に変化す
る。そして膜沸騰状態の気泡は図１１（ｂ）〜図１１
（ｃ）に示すように等方的に成長し続ける（このように
等方的に気泡成長している状態は半ピュロー状態と呼ば
れる。）。ところが図５（ｂ）に示したように液流路３
内が、吐出口７を除いて実質的に密閉状態になると、上
流側への液移動ができなくなるため、半ピュロー状の気
泡において上流側（液体供給口５側）の気泡の一部があ
まり成長できなくなり、残りの下流側（吐出口７側）の
部分が大きく成長する。この状態を表したのが、図６
（ａ）や図１１（ｄ）、（ｅ）である。ここで説明の便
宜上、発熱体４を加熱しているとき、発熱体４上におい
て気泡が成長しない領域をＢ領域とし、気泡が成長する
吐出口７側の領域をＡ領域とする。なお、図１１（ｅ）
に示すＢ領域では、発泡体積が最大となっており、この
ときの発泡体積をＶｒとした。

【００４４】次に図６（ｂ）は、Ａ領域では気泡成長が
続いており、Ｂ領域では気泡収縮が始まっている状態を
示す。この状態では、Ａ領域では吐出口側に向けて気泡
が大きく成長していく。そして、Ｂ領域における気泡の
体積は減少し始める。これにより、可動部材８の、スト
ッパ部５ｂに接触する部分と、固定部材９に固定された
部分との間の部分が、その剛性による復元力やＢ領域に
おける気泡の消泡力で定常状態位置へと下方変位し始め
る。その結果、可動部材８の支点部近傍で液体供給口５
が開き、可動部材８の支点部近傍の部分と液体供給口５
との微小な隙間を通して共通液体供給室６と液流路３が
連通状態となる。

【００４５】この時、可動部材８の中央部分が先に下方
変位を始め、続いて可動部材８の自由端が下方変位す
る。このため、可動部材８は２次以上の高次振動モード
で変位する。高次振動モードについては図９および図１
０を参照して後述する。

【００４６】図７（ａ）は、可動部材８の中央部分に続
いて自由端８Ｂも下方変位を開始し、それに伴い、液体
供給口５から液体の充填（リフィル）が開始した状態を
示している。その液体のリフィルに伴って、Ｂ領域の気
泡は収縮し始めているが、Ａ領域の気泡はまだ成長を続
けている。この時、可動部材８の振動は高次モードのた
め、自由端８Ｂの変位速度は大きい。

【００４７】ここで、高次振動モードについて図９およ
び図１０を用いて詳述する。片側が支持され、片側が自
由端の片持ち梁の１次振動モードを図９に示し、２次振
動モードを図１０に示す。１次振動モードに比べて２次
振動モードでは固有振動数が大きく、自由端の変位量も
大きい、従って、本実施形態において、可動部材８を２
次振動モードで振動させることにより、可動部材８の自
由端の変位量を大きくしながら、可動部材８の下方変位
の時間を短くし、リフィルを短時間で完了することが可
能となる。

【００４８】図７（ｂ）は、気泡２１がほぼ最大に成長
した状態を示す。この状態では、Ａ領域において気泡が
最大に成長し、液体供給口５からのリフィルによってＢ
領域における気泡はほとんど消泡する。さらに、可動部
材８の自由端の下方変位速度は小さくなり、その変位が
停止しようとしているが、可動部材８の中央部分付近は
既に上方変位を開始している。この時のＡ領域での最大
気泡体積をＶｆとする。また、吐出口７から吐出しつつ
ある吐出液は長い尾引の状態でメニスカスと未だ繋がっ
ている。

【００４９】図８（ａ）は、気泡のＡ領域の消泡過程を
示す図である。液体供給口５からの液体のリフィルと共
に可動部材８の自由端８Ｂが素早く上方変位を開始し、
可動部材８が定常状態へ復帰しようとしている。

【００５０】図８（ｂ）は、気泡２１の成長は止まり消
泡工程のみの段階である。Ａ領域で気泡成長から消泡に
変わった直後は、気泡２１の収縮エネルギーは全体バラ
ンスとして吐出口７近傍の液体を上流方向へ移動させる
力として働く。従って、メニスカスはこの時点で吐出口
７から液流路３内に引き込まれ、吐出液滴と繋がってい
る液柱を強い力ですばやく切り離すことになる。その一
方で、気泡の収縮に伴い、共通液体供給室６から液体供
給口５を介して液体が急速に大きな流れとなって液流路
３内へ流れ込む。これにより、メニスカスを液流路３内
へと急速に引き込む流れが急に低下するため、メニスカ
スは比較的低速で発泡前の位置へ戻り始めるので、本発
明に係る可動部材を備えていない液体吐出方式に比べて
メニスカスの振動の収束性が非常に良い。なお、可動部
材８の自由端が、気泡発生領域１１側に最大変位する量
をｈ２（図７（ｂ）参照）とする。

【００５１】最後に、気泡２１が完全に消泡すると、可
動部材８も図５（ａ）に示した定常状態位置に復帰す
る。この状態へは、可動部材８はその弾性力により上方
変位する（図８（ａ）の実線の矢印Ａ方向）。また、こ
の状態では、メニスカスはすでに吐出口７近傍で復帰し
ている。ここで、上述したように可動部材８の支点部分
と液体供給口５との間には微小な隙間があり、可動部材
８が完全に静止している状態でも、その微小な隙間を通
して液体供給口５と液流路３とが連通している。これに
より、メニスカスが完全に復帰する前に可動部材８が静
止したり、液流路３へのインクのリフィル時のオーバー
シュートでメニスカスが吐出口７から突き出た状態で可
動部材８が静止したりした場合でも、可動部材８の支点
部分と液体供給口５との間の微小な隙間を通してインク
が移動し、メニスカスが適切な位置に変位可能となって
いる。

【００５２】次に、図５〜図８におけるＡ領域とＢ領域
での気泡体積の時間変化と可動部材の挙動との相関関係
を図１２を参照して説明する。図１２はその相関関係を
表したグラフであり、曲線ＡはＡ領域における気泡体積
の時間変化を示し、曲線ＢはＢ領域における気泡体積の
時間変化を示す。

【００５３】図１２に示すように、Ａ領域での気泡の成
長体積の時間変化は極大値をもつ放物線を描く。つま
り、発泡開始されてから消泡までにおいて気泡体積は時
間経過と共に増大して、ある時点で最大となり、その後
減少する。一方、Ｂ領域については、Ａ領域の場合と比
べ、発泡開始されてから消泡までに要する時間が短く、
また気泡の最大成長体積も小さく、最大成長体積に達す
る時間も短い。つまり、Ａ領域とＢ領域とでは、発泡開
始されてから消泡までに要する時間と気泡の成長体積変
化とが大きく異なっていて、Ｂ領域の方が小さい。

【００５４】特に図１２において、気泡の発生初期は同
じ時間変化で気泡体積が増大するため、曲線Ａと曲線Ｂ
が重なってる。つまり、気泡の発生初期は気泡が等方的
に成長している（半ピュロー状の）期間が生じている。
その後、曲線Ａが極大点まで増大する曲線を描くもの
の、ある時点で曲線Ｂは曲線Ａから分岐し、気泡体積が
減少する曲線を描く。つまり、Ａ領域では気泡の体積が
増加するものの、Ｂ領域では気泡体積が減少する期間
（部分成長部分収縮期間）が生じる。

【００５５】そして、上記のような気泡成長の仕方に基
づき、図１に示したように発熱体の一部分を可動部材の
自由端が覆った形態では、可動部材は次のような挙動を
生じる。すなわち、図１２のの期間では可動部材の、
自由端部と支点近傍の部分との間の部分が液体供給口に
向かって上方変位している。同図の期間では可動部材
が液体供給口に密着し、液流路内が吐出口を除いて実質
的に密閉状態となる。この密閉状態の開始は気泡が等方
的に成長している期間で行われる。次に同図の期間で
は、可動部材の、自由端部と支点近傍の部分との間の部
分が定常状態位置に向かって下方変位している。この可
動部材による液体供給口の開放開始は部分成長部分収縮
期間開始から一定時間経過後に行われる。次に同図の
期間では、可動部材が定常状態からさらに下方変位して
いる。次に同図の期間では、可動部材の下方変位がほ
ぼ停止し、可動部材が開放位置で平衡状態になってい
る。最後に同図の期間では、可動部材が定常状態位置
に向かって上方変位している。

【００５６】このような気泡成長と可動部材の挙動との
相関関係は、可動部材と発熱体との相対位置に影響され
る。そこで、図１３および図１４を参照し、本形態と異
なる相対位置の可動部材と発熱体を備えた液体吐出ヘッ
ドにおける気泡成長と可動部材の挙動との相関関係を説
明する。

【００５７】図１３は、発熱体全体を可動部材の自由端
が覆った形態における気泡成長と可動部材の挙動との相
関関係を説明するための図で、（ａ）はその形態を、
（ｂ）はその相関関係のグラフを示している。図１３の
（ａ）で示す形態のように発熱体と可動部材が重なって
いる面積が大きいと、図１３のの期間が図１の形態の
場合と比べて短時間となり、発熱体を加熱してから短時
間で密閉状態になるので、より好ましい。なお、図１３
の〜の各期間の可動部材の挙動は図１２に基づいて
説明した挙動と同じである。また図１３の形態をとる
と、可動部材が気泡の体積減少の影響を受けやすくなる
ため、同図の期間開始時点から判るように、可動部材
による液体供給口の開放開始は部分成長部分収縮期間開
始から即座に行われる。つまり、可動部材の開放タイミ
ングが図１の形態の場合と比べて早い。同様の理由で、
可動部材８の振幅が大きくなる。

【００５８】また図１４は、発熱体と可動部材が離れて
いる形態における気泡成長と可動部材の挙動との相関関
係を説明するための図で、（ａ）はその形態を、（ｂ）
はその相関関係のグラフを示している。図１４の（ａ）
で示す形態のように発熱体と可動部材とが離れている
と、可動部材が気泡の体積減少の影響を受けにくいた
め、同図の期間開始時点から判るように、可動部材に
よる液体供給口の開放開始は部分成長部分収縮期間開始
からかなり遅れて行われる。つまり、可動部材の開放タ
イミングが図１の形態の場合と比べて遅い。同様の理由
で、可動部材の振幅が小さくなる。なお、図１４の〜
の各期間の可動部材の挙動は図１２に基づいて説明し
た挙動と同じである。

【００５９】なお、上記可動部材８と発熱体４との位置
関係は一般的な動作の説明をしたもので、可動部材の自
由端の位置、可動部材の剛性等によって各動作は異なっ
てくるものである。

【００６０】また、図１２〜図１４から判るように、気
泡発生領域１１の吐出口７側で成長する気泡（Ａ領域の
気泡）の最大時の体積をＶｆとし、気泡発生領域１１の
液体供給口５側で成長する気泡（Ｂ領域の気泡）の最大
時の体積をＶｒとすると、Ｖｆ＞Ｖｒの関係が本発明の
ヘッドでは常に成り立っている。さらに、気泡発生領域
１１の吐出口７側で成長する泡（Ａ領域の泡）のライフ
タイム（泡の発生から消泡までの時間）をＴｆとし、気
泡発生領域１１の液体供給口５側で成長する泡（Ｂ領域
の泡）のライフタイムをＴｒとすると、Ｔｆ＞Ｔｒの関
係が本発明のヘッドでは常に成り立つ。そして、上記の
ような関係となるため、気泡の消泡点は、気泡発生領域
１１の中心付近より吐出口７側に位置することとなる。

【００６１】さらに本ヘッド構成では、図５（ｂ）およ
び図７（ｂ）からも判るように、気泡の発生初期に可動
部材８の支点近傍の部分が液体供給口５側に最大変位す
る量ｈ１よりも、気泡の消泡と共に可動部材８の自由端
が気泡発生手段４側に最大変位する量ｈ２の方が大きい
という関係（ｈ１＜ｈ２）にある。例えばｈ１は２μ
ｍ、ｈ２は１０μｍである。この関係が成り立つことに
より、発泡初期での発熱体後方（吐出口に対して反対方
向）への泡の成長を抑制し、発熱体前方（吐出口に向か
う方向）への泡の成長をより促進させることができる。
このことによって、発熱体で生じる発泡パワーを、液体
が吐出口から飛翔する液滴の運動エネルギーへ変換させ
る効率を向上させることができる。

【００６２】本実施形態のヘッド構成および液体吐出動
作について説明したが、このような形態によれば、気泡
の下流側への成長成分と上流側への成長成分が均等では
なく、上流側への成長成分がほとんどなくなり上流側へ
の液体の移動が抑制される。上流側への液体の流れが抑
制されるため、上流側に気泡成長成分が損失することな
くそのほとんどが吐出口の方向に向けられ、吐出力が格
段に向上する。さらに、吐出後のメニスカスの後退量が
減少し、その分リフィル時にメニスカスがオリフィス面
よりも突出する量も減少する。そのためメニスカス振動
が抑制されることとなり、低周波数から高周波数まであ
らゆる駆動周波数において安定した吐出を行うことがで
きる。

【００６３】以上で説明したように、本実施形態の液体
吐出ヘッドでは、可動部材８が静止した状態で可動部材
８の少なくとも自由端部が供給部形成部材５Ａのストッ
パ部５ｂに接触している。これにより、気泡の発生か
ら、可動部材８により液体供給口５を塞いで液流路３を
ほぼ密閉状態にするまでの間で、液流路３から液体供給
口５へのインクの移動が最大限に抑えられる。その結
果、インク吐出動作において液流路３から液体供給口５
へのインクの移動による吐出パワーのロスが減少し、液
体吐出ヘッドの吐出効率が向上する。また、それと共
に、気泡の等方的な成長から、気泡２１の吐出口７側の
部分が成長して気泡２１の液体供給口５側の部分が収縮
するという部分成長部分収縮期間に速く移行することが
できる。

【００６４】さらに、可動部材８の振動が２次以上の高
次振動モードになることにより、可動部材８の固有振動
数が大きく、可動部材８が速く開閉すると共に下方変位
量も大きい。その結果、短時間で大量のリフィルを可能
にしている。

【００６５】（第２の実施の形態）図１５は、本発明の
第２の実施の形態による液体吐出ヘッドの１つの液流路
方向に沿った断面図であり、図１６は、図１の吐出口中
心からＹ１点で天板２側へシフトしたＹ−Ｙ’線断面図
である。本実施形態の液体吐出ヘッドは第１の実施形態
のものと比較して、可動部材が静止した初期状態におい
て可動部材の自由端側の端部が液体供給口の周辺部を押
圧して可動部材が湾曲している点が主に異なっている。
図１５および図１６では、第１の実施形態と同一の構成
部品に同一の符号を付し、以下では、第１の実施形態と
異なる点を中心に説明する。

【００６６】図１５に示すように本実施形態の液体吐出
ヘッドでは、可動部材８が静止した初期状態で可動部材
８の自由端８Ｂ側の先端部が供給部形成部材５Ａに接触
して供給部形成部材５Ａを押圧すると共に、可動部材８
が液体供給口５側に向かって弾性的に凸状に湾曲して応
力をチャージさせるまでにとどまった状態にある。すな
わち、可動部材８が静止した状態でも可動部材８がその
弾性力によって供給部形成部材５Ａに向かって力を加え
ていて、特に可動部材８の自由端８Ｂ側の先端部が液体
供給口５側に向かって弾性的に凸状に湾曲している。

【００６７】この液体吐出ヘッドにおけるインクの吐出
動作では、発熱体４上に膜沸騰が起こり気泡が等方的に
成長した際に、可動部材８が液体供給口５側へ凸状にさ
らに湾曲する。可動部材８のさらなる湾曲に伴って、可
動部材８の、ストッパ部５ｂに接触した部分と支点８Ａ
の部分との間の部分が上方変位し、可動部材８が液体供
給口５の周辺部と密着する。これにより、液体供給口５
の開口領域Ｓが可動部材８によって塞がれ、液流路３内
が、吐出口７を除いて実質的に密閉状態になる。この
時、可動部材８は、気泡が最大に成長する前に上流側に
向かって凸状に弾性的に湾曲するので、発熱体４の発熱
特性のばらつきや周囲の温度変化等による発泡状態のば
らつきが可動部材８の湾曲によって吸収される。その結
果、発熱体４による発泡状態のばらつきや周囲の温度変
化等に起因するインクの吐出量のばらつきが抑制され
る。

【００６８】本実施形態の液体吐出ヘッドの場合、発泡
時には可動部材８の凸状の湾曲以外の変位が行われな
い。そのため、液流路３内へのインクのリフィル時に
は、可動部材８が下方変位するためのエネルギーとして
可動部材３１の復元力に気泡の消泡力が加わることにな
る。

【００６９】さらに、気泡等方成長時に可動部材８の中
央部分の上方変位は第１の実施形態に比較して大きいた
めに、第１の実施形態に比較して、より大きな高次振動
モードで可動部材８が変位する。そのため、リフィル時
間を短縮することが可能となる。

【００７０】これらによって、上流側への液流を大幅に
規制し、隣接したノズルへの液体クロストークや、液流
路３への高速なリフィルを阻害する供給路系における液
の逆流や圧力振動を防止すると共に、吐出量の変動が抑
えられている。

【００７１】このような構成の液体吐出ヘッドの場合で
は、通常のインクの吐出動作を行っても可動部材８の下
方変位が小さく、可動部材８が定常状態の位置へと速く
移行する。従って、液流路３内にリフィルするインクの
量は少ないが、短時間で液流路３内へのインクのリフィ
ルが完了する。これにより、可動部材８が静止している
状態で可動部材８を弾性的に湾曲させている構成は、微
少な吐出量のインクを吐出する液体吐出ヘッドには有効
なものとなりうる。

【００７２】（第３の実施の形態）第１の実施の形態の
ヘッド構造においては図１および図３に示したように、
可動部材８の、固定部材９に対して未接合となる（すな
わち、屈曲して立ち上がる）位置が固定部材９の端部９
Ａとは同じでないため、開口領域Ｓは、液体供給口５の
３辺と固体部材９の端部９Ａで囲まれた領域となった
が、図１７および図１８に示す形態のように、可動部材
８の固定部材９からの屈曲立ち上がり位置を固定部材９
の端部９Ａとしてもよい。この形態の場合には、開口領
域Ｓは図１７および図１８に示すように、液体供給口５
の３辺と可動部材８の支点部８Ａとで囲まれた領域とな
る。

【００７３】また、第１の実施の形態のヘッド構造にお
いて液体供給口５は図３に示したように４つの壁面で囲
まれた開口としたが、図１９および図２０に示す形態の
ように、供給部形成部材５Ａ（図１参照）のうち、吐出
口７側とは反対の液体供給室６側の壁面が開放されてい
てもよい。この形態の場合には、第１の実施の形態と同
様、開口領域Ｓは図１９および図２０に示すように、液
体供給口５の３辺と固定部材９の端部９Ａとで囲まれた
領域となる。

【００７４】これらの構成の液体吐出ヘッドにおいて
も、図１７および図１９に示されるように、可動部材８
が静止した状態で可動部材８の自由端８Ｂ側の先端部が
その弾性力によって供給部形成部材５Ａのストッパ部５
ｂに接触している。これにより、インクの吐出動作にお
いて液流路３から液体供給口５へのインクの移動が最大
限に抑えられるので、液流路３から液体供給口５へのイ
ンクの移動による吐出パワーのロスが減少し、液体吐出
ヘッドの吐出効率が向上する。また、それと共に、気泡
の等方的な成長から、気泡２１の吐出口７側の部分が成
長して気泡２１の液体供給口５側の部分が収縮するとい
う部分成長部分収縮期間に速く移行することができる。

【００７５】また、図１７および図１８に示される液体
吐出ヘッドや、図１９および図２０に示される液体吐出
ヘッドに、第２の実施形態における可動部材４を弾性的
に湾曲させた構成を適用してもよい。そのようにするこ
とにより、発熱体４による発泡状態のばらつきや周囲の
温度変化等に起因するインクの吐出量のばらつきを抑制
することができる。また、液流路３内にリフィルするイ
ンクの量が少なくとも、短時間で液流路３内へインクを
リフィルすることができ、微少な吐出量のインクを吐出
する液体吐出ヘッドを構成することができる。

【００７６】（その他の実施の形態）以下、本発明の液
体吐出原理を用いたヘッドに好適な様々な形態例を説明
する。

【００７７】＜サイドシュータタイプ＞図２１はいわゆ
るサイドシュータタイプの液体吐出ヘッドの断面図を示
したものである。この説明において、第１の実施の形態
と同一の構成要素には同一符号を用いる。この形態の液
体吐出ヘッドは、図２１に示すように発熱体４と吐出口
７が平行平面上で対面し、液流路３が、吐出口７からの
液体の吐出方向に沿った軸方向と直角に連通している点
で、第１の実施の形態と異なっている。このような液体
吐出ヘッドにおいても第１の実施の形態と同様の吐出原
理に基づく効果を奏する。

【００７８】＜可動部材＞上述の実施形態において、可
動部材を構成する材質としては吐出液に対して耐溶剤性
があり、可動部材として良好に動作するための弾性を有
しているものであればよい。

【００７９】可動部材の材料としては、耐久性の高い、
銀、ニッケル、金、鉄、チタン、アルミニュウム、白
金、タンタル、ステンレス、りん青銅等の金属、および
その合金、または、アクリロニトリル、ブタジエン、ス
チレン等のニトリル基を有する樹脂、ポリアミド等のア
ミド基を有する樹脂、ポリカーボネイト等のカルボキシ
ル基を有する樹脂、ポリアセタール等のアルデヒド基を
持つ樹脂、ポリサルフォン等のスルホン基を持つ樹脂、
そのほか液晶ポリマー等の樹脂およびその化合物、耐イ
ンク性の高い、金、タングステン、タンタル、ニッケ
ル、ステンレス、チタン等の金属、これらの合金および
耐インク性に関してはこれらを表面にコーティングした
もの若しくは、ポリアミド等のアミド基を有する樹脂、
ポリアセタール等のアルデヒド基を持つ樹脂、ポリエー
テルエーテルケトン等のケトン基を有する樹脂、ポリイ
ミド等のイミド基を有する樹脂、フェノール樹脂等の水
酸基を有する樹脂、ポリエチレン等のエチル基を有する
樹脂、ポリプロピレン等のアルキル基を持つ樹脂、エポ
キシ樹脂等のエポキシ基を持つ樹脂、メラミン樹脂等の
アミノ基を持つ樹脂、キシレン樹脂等のメチロール基を
持つ樹脂およびその化合物、さらに二酸化珪素、チッ化
珪素等のセラミックおよびその化合物が望ましい。本発
明における可動部材としてはμｍオーダーの厚さを対象
にしている。

【００８０】次に、発熱体と可動部材の配置関係につい
て説明する。発熱体と可動部材の最適な配置によって、
発熱体による発泡時の液の流れを適正し制御して有効に
利用することが可能となる。

【００８１】熱等のエネルギーをインクに与えること
で、インクに急峻な体積変化（気泡の発生）を伴う状態
変化を生じさせ、この状態変化に基づく作用力によって
吐出口からインクを吐出し、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法、いわゆ
るバブルジェット記録方法の従来技術においては、図２
２の破線に示すように、発熱体面積とインク吐出量は比
例関係にあるが、インク吐出に寄与しない非発泡有効領
域Ｓが存在していることがわかる。また、発熱体上のコ
ゲの様子から、この非発泡有効領域Ｓが発熱体の周囲に
存在していることがわかる。これらの結果から、発熱体
周囲の約４μｍ幅は、発泡に関与されていないとされて
いる。これに対し、本発明の液体吐出ヘッドは、気泡発
生手段を含む液流路が吐出口を除いて実質的に遮蔽され
ていることで最大の吐出量が規制されるため、図２２の
実線で示すように、発熱体面積や発泡パワーのばらつき
が大きくても吐出量が変化しない領域があり、この領域
を利用することにより大ドットの吐出量安定化が図れ
る。

【００８２】図２３は本発明の液体吐出装置の要部の側
断面図を示したもので、図２３（ａ）は後述する保護膜
があるヘッド、図２３（ｂ）は保護膜がないものであ
る。

【００８３】素子基板１上には天板２が配され、素子基
板１と天板２の間に液流路３が形成されている。

【００８４】素子基板１は、シリコン等の基体１０７に
絶縁および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜またはチッ
化シリコン膜１０６を成膜し、その上に発熱体１０を構
成するハフニュウムボライド（ＨｆＢ₂）、チッ化タン
タル（ＴａＮ）、タンタルアルミ（ＴａＡｌ）等の電気
抵抗層１０５（０．０１〜０．２μｍ厚）とアルミニュ
ウム等の配線電極１０４（０．２〜１．０μｍ厚）を図
２３（ａ）のようにパターニングしている。この配線電
極１０４から抵抗層１０５に電圧を印加し、抵抗層１０
５に電流を流し発熱させる。配線電極１０４間の抵抗層
１０５上には、酸化シリコンやチッ化シリコン等の保護
膜１０３を０．１〜２．０μｍ厚で形成し、さらにその
うえにタンタル等の耐キャビテーション層１０２（０．
１〜０．６μｍ厚）が成膜されており、インク等の各種
の液体から抵抗層１０５を保護している。

【００８５】特に、気泡の発生、消泡の際に発生する圧
力や衝撃波は非常に強く、堅くてもろい酸化膜の耐久性
を著しく低下させるため、金属材料のタンタル（Ｔａ）
等が耐キャビテーション層１０２として用いられる。

【００８６】また、液体、流路構成、抵抗材料の組み合
わせにより、上述の抵抗層１０５に保護膜１０３を必要
としない構成でもよくその例を図２３（ｂ）に示す。こ
のような保護膜１０３を必要としない抵抗層１０５の材
料としてはイリジュウム−タンタル−アルミ合金等が挙
げられる。

【００８７】このように、前述の各実施形態における発
熱体４の構成としては、前述の電極１０４間の抵抗層１
０５（発熱部）だけででもよく、また抵抗層１０５を保
護する保護膜１０３を含むものでもよい。

【００８８】各実施形態においては、発熱体４として電
気信号に応じて発熱する抵抗層１０５で構成された発熱
部を有するものを用いたが、これに限られることなく、
吐出液を吐出させるのに十分な気泡を発泡液に生じさせ
るものであればよい。例えば、レーザ等の光を受けるこ
とで発熱するような光熱変換体や高周波を受けることで
発熱するような発熱部を有する発熱体でもよい。

【００８９】なお、前述の素子基板１には、前述の発熱
部を構成する抵抗層１０５とこの抵抗層１０５に電気信
号を供給するための配線電極１０４で構成される発熱体
１０の他に、この発熱体４（電気熱変換素子）を選択的
に駆動するためのトランジスタ、ダイオード、ラッチ、
シフトレジスタ等の機能素子が一体的に半導体製造工程
によって作り込まれていてもよい。

【００９０】また、前述のような素子基板１に設けられ
ている発熱体４の発熱部を駆動し、液体を吐出するため
には、前述の抵抗層１０５に配線電極１０４を介して図
２４に示されるような矩形パルスを印加し、配線電極１
０４間の抵抗層１０５を急峻に発熱させる。前述の各実
施形態のヘッドにおいては、それぞれ電圧２４Ｖ、パル
ス幅７μｓｅｃ、電流１５０ｍＡ、電気信号を６ｋＨｚ
で加えることで発熱体を駆動させ、前述のような動作に
よって、吐出口７から液体であるインクを吐出させた。
しかしながら、駆動信号の条件はこれに限られることな
く、発泡液を適正に発泡させることができる駆動信号で
あればよい。

【００９１】＜吐出液体＞このような液体のうち、記録
を行う上で用いる液体（記録液体）としては従来のバブ
ルジェット装置で用いられていた組成のインクを用いる
ことができる。

【００９２】また、従来吐出が困難であった発泡性が低
い液体、熱によって変質、劣化しやすい液体や高粘度液
体等であっても利用できる。

【００９３】ただし、吐出液の性質として吐出液自身、
吐出や発泡または可動部材の動作等を妨げないような液
体でないことが望まれる。

【００９４】記録用の吐出液体としては、高粘度インク
等をも利用することができる。

【００９５】本発明においては、さらに吐出液に用いる
ことができる記録液体として以下のような組成のインク
を用いて記録を行ったが、吐出力の向上によってインク
の吐出速度が高くなったため、液滴の着弾精度が向上し
非常に良好な記録画像を得ることができる。

【００９６】

【表１】 ＜液体吐出装置＞図２５は、上述の各種の実施形態で説
明した構造の液体吐出ヘッドを装着して適用することの
できる液体吐出装置の一例であるインクジェット記録装
置の概略構成を示している。図２５に示されるインクジ
ェット記録装置６００に搭載されたヘッドカートリッジ
６０１は、上述した構造の液体吐出ヘッドと、その液体
吐出ヘッドに供給される液体を保持する液体容器とを有
するものである。ヘッドカートリッジ６０１は、図２５
に示すように、駆動モータ６０２の正逆回転に連動して
駆動力伝達ギヤ６０３および６０４を介して回転するリ
ードスクリュー６０５の螺旋溝６０６に対して係合する
キャリッジ６０７上に搭載されている。駆動モータ６０
２の動力によってヘッドカートリッジ６０１がキャリッ
ジ６０７ともとにガイド６０８に沿って矢印ａおよびｂ
の方向に往復移動される。インクジェット記録装置６０
０には、ヘッドカートリッジ６０１から吐出されたイン
ク等の液体を受ける被記録媒体としてのプリント用紙Ｐ
を搬送する被記録媒体搬送手段（不図示）が備えられて
いる。その被記録媒体搬送手段によってプラテン６０９
上を搬送されるプリント用紙Ｐの紙押さえ板６１０は、
キャリッジ６０７の移動方向にわたってプリント用紙Ｐ
をプラテン６０９に対して押圧する。

【００９７】リードスクリュー６０５の一端の近傍に
は、フォトカプラ６１１および６１２が配設されてい
る。フォトカプラ６１１および６１２は、キャリッジ６
０７のレバー６０７ａの、フォトカプラ６１１および６
１２の領域での存在を確認して駆動モータ６０２の回転
方向の切り換え等を行うためのホームポジション検知手
段である。プラテン６０９の一端の近傍には、ヘッドカ
ートリッジ６０１の吐出口のある前面を覆うキャップ部
材６１４を支持する支持部材６１３が備えられている。
また、ヘッドカートリッジ６０１から空吐出等されてキ
ャップ部材６１４の内部に溜まったインクを吸引するイ
ンク吸引手段６１５が備えられている。このインク吸引
手段６１５によりキャップ部材６１４の開口部を介して
ヘッドカートリッジ６０１の吸引回復が行われる。

【００９８】インクジェット記録装置６００には本体支
持体６１９が備えられている。この本体支持体６１９に
は移動部材６１８が、前後方向、すなわちキャリッジ６
０７の移動方向に対して直角な方向に移動可能に支持さ
れている。移動部材６１８には、クリーニングブレード
６１７が取り付けられている。クリーニングブレード６
１７はこの形態に限らず、他の形態の公知のクリーニン
グブレードであってもよい。さらに、インク吸引手段６
１５による吸引回復操作にあたって吸引を開始するため
のレバー６２０が備えられており、レバー６２０は、キ
ャリッジ６０７と係合するカム６２１の移動に伴って移
動し、駆動モータ６０２からの駆動力がクラッチ切り換
え等の公知の伝達手段で移動制御される。ヘッドカート
リッジ６０１に設けられた発熱体に信号を付与したり、
前述した各機構の駆動制御を司ったりするインクジェッ
ト記録制御部は記録装置本体側に設けられており、図２
５では示されていない。

【００９９】上述した構成を有するインクジェット記録
装置６００では、前記の被記録媒体搬送手段によりプラ
テン６０９上を搬送されるプリント用紙Ｐに対して、ヘ
ッドカートリッジ６０１がプリント用紙Ｐの全幅にわた
って往復移動する。この移動時に不図示の駆動信号供給
手段からヘッドカートリッジ６０１に駆動信号が供給さ
れると、この信号に応じて液体吐出ヘッド部から被記録
媒体に対してインク（記録液体）が吐出され、記録が行
われる。

【０１００】図２６は、本発明の液体吐出装置によりイ
ンクジェット式記録を行なうための記録装置全体のブロ
ック図である。

【０１０１】記録装置は、ホストコンピュータ３００よ
り印字情報を制御信号として受ける。印字情報は印字装
置内部の入力インターフェイス３０１に一時保存される
と同時に、記録装置内で処理可能なデータに変換され、
ヘッド駆動信号供給手段を兼ねるＣＰＵ（中央処理装
置）３０２に入力される。ＣＰＵ３０２はＲＯＭ（リー
ド・オンリー・メモリー）３０３に保存されている制御
プログラムに基づき、前記ＣＰＵ３０２に入力されたデ
ータをＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリー）３０４
等の周辺ユニットを用いて処理し、印字するデータ（画
像データ）に変換する。

【０１０２】また、ＣＰＵ３０２は前記画像データを記
録用紙上の適当な位置に記録するために、画像データに
同期して記録用紙およびヘッドカートリッジ６０１を搭
載したキャリッジ６０７を移動する駆動用モータ６０２
を駆動するための駆動データを作る。画像データおよび
モータ駆動データは、各々ヘッドドライバ３０７と、モ
ータドライバ３０５を介し、ヘッドカートリッジ６０１
および駆動用モータ６０２に伝達され、それぞれ制御さ
れたタイミングで駆動され画像を形成する。

【０１０３】このような記録装置に用いられ、インク等
の液体の付与が行われる被記録媒体１５０としては、各
種の紙やＯＨＰシート、コンパクトディスクや装飾板等
に用いられるプラスチック材、布帛、アルミニウムや銅
等の金属材、牛皮、豚皮、人工皮革等の皮革材、木、合
板等の木材、竹材、タイル等のセラミックス材、スポン
ジ等の三次元構造体等を対象とすることができる。

【０１０４】また、この記録装置として、各種の紙やＯ
ＨＰシート等に対して記録を行うプリンタ装置、コンパ
クトディスク等のプラスチック材に記録を行うプラスチ
ック用記録装置、金属板に記録を行う金属用記録装置、
皮革に記録を行う皮革用記録装置、木材に記録を行う木
材用記録装置、セラミックス材に記録を行うセラミック
ス用記録装置、スポンジ等の三次元網状構造体に対して
記録を行う記録装置、または布帛に記録を行う捺染装置
等をも含むものである。

【０１０５】また、これらの液体吐出装置に用いる吐出
液としては、それぞれの被記録媒体や記録条件に合わせ
た液体を用いればよい。

【０１０６】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、気泡によ
り変位した可動部材によって液体供給口を閉じること
で、吐出口を除いて液流路をほぼ密閉状態にしてから吐
出口より液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、可
動部材が静止している状態で、可動部材の吐出口側の部
分が、液体供給口を形成するための部材に接触している
ことにより、吐出動作において液流路から液体供給口へ
の液体の移動による吐出パワーのロスが減少し、液体吐
出ヘッドの吐出効率が向上するという効果がある。ま
た、それと共に、気泡の等方的な成長から、気泡の吐出
口側の部分が成長して気泡の液体供給口側の部分が収縮
するという部分成長部分収縮期間に速く移行できるとい
う効果がある。さらに、可動部材が静止している定常状
態において可動部材の支点側の部分の近傍に、液体供給
口と液流路とが連通する微小な隙間があることにより、
吐出動作で吐出口内のメニスカスが完全に復帰する前に
可動部材が静止したり、液流路への液体のリフィル時の
オーバーシュートでメニスカスが吐出口から突き出た状
態で可動部材が静止したりした場合でも、その微小な隙
間を通して液体が移動し、メニスカスが適切な位置に変
位可能となる。

【０１０７】また、可動部材が静止している状態で可動
部材の吐出口側の部分が、液体供給口を形成するための
部材を押圧して可動部材が液体供給口側に向かって弾性
的に凸状に湾曲していることにより、発熱体による発泡
状態のばらつきや周囲の温度変化等に起因する吐出量の
ばらつきを抑制することが可能になるという効果があ
る。また、この場合、可動部材を高次振動モードで変位
させることにより、下方変位量を大きくすると共に下方
変位期間を短くすることができる。このため、リフィル
時間の短縮が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による液体吐出ヘッ
ドの１つの液流路方向に沿った断面図である。

【図２】図１のＸ−Ｘ’線断面図である。

【図３】図１のＹ−Ｙ’線断面図である。

【図４】「直線的連通状態」を説明する流路の断面図で
ある。

【図５】図１〜図３に示した構造の液体吐出ヘッドの吐
出動作を説明するために、液体吐出ヘッドを液流路方向
に沿った切断図で示すと共に、特徴的な現象を分けて示
したものである。

【図６】図５の続きの吐出動作を説明するために、液体
吐出ヘッドを液流路方向に沿った切断図で示したもので
ある。

【図７】図６の続きの吐出動作を説明するために、液体
吐出ヘッドを液流路方向に沿った切断図で示したもので
ある。

【図８】図７の続きの吐出動作を説明するために、液体
吐出ヘッドを液流路方向に沿った切断図で示したもので
ある。

【図９】片側が自由端の片持ち梁の１次振動モードを示
す図である。

【図１０】片側が自由端の片持ち梁の２次振動モードを
示す図である。

【図１１】図５（ｂ）の気泡の等方的な成長状態を示す
図である。

【図１２】図５〜図８におけるＡ領域とＢ領域での気泡
成長の時間変化と可動部材の挙動との相関関係を表した
グラフである。

【図１３】図１に示した可動部材と発熱体の相対位置と
は異なる形態の液体吐出ヘッドにおける、気泡成長の時
間変化と可動部材の挙動との相関関係を表したグラフで
ある。

【図１４】図１に示した可動部材と発熱体の相対位置と
は異なる形態の液体吐出ヘッドにおける、気泡成長の時
間変化と可動部材の挙動との相関関係を表したグラフで
ある。

【図１５】本発明の第２の実施の形態による液体吐出ヘ
ッドの１つの液流路方向に沿った断面図である。

【図１６】図１５のＹ−Ｙ’線断面図である。

【図１７】本発明の第３の実施の形態の第１変形例によ
る液体吐出ヘッドの１つの液流路方向に沿った断面図で
ある。

【図１８】図１７のＹ−Ｙ’線断面図である。

【図１９】本発明の第３の実施の形態の第２変形例によ
る液体吐出ヘッドの１つの液流路方向に沿った断面図で
ある。

【図２０】図１９のＹ−Ｙ’線断面図である。

【図２１】本発明の液体吐出方法を適用したサイドシュ
ータタイプのヘッドの例を説明するための図である。

【図２２】発熱体面積とインク吐出量との相対関係を示
すグラフである。

【図２３】本発明の液体吐出ヘッドの縦断面図を示した
もので、（ａ）は保護膜があるもの、（ｂ）は保護膜が
ないものである。

【図２４】本発明に使用する発熱体を駆動する波形の図
である。

【図２５】本発明の液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出
装置の概略構成を示す図である。

【図２６】本発明の液体吐出方法および液体吐出ヘッド
において液体吐出記録を行なうための装置全体のブロッ
ク図である。

【図２７】従来の液体吐出ヘッドにおける可動部材の様
子を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 素子基板 ２ 天板 ３ 液流路 ４ 発熱体（気泡発生手段） ５ 液体供給口 ５Ａ 供給部形成部材 ５ｂ ストッパ部 ６ 共通液体供給室 ７ 吐出口 ８ 可動部材 ８Ａ 支点 ８Ｂ 自由端 ９ 支持部材 ９Ａ 端部 １０ 流路側壁 １１ 気泡発生領域 ２１ 気泡 １０２ 耐キャビテーション層 １０３ 保護膜 １０４ 配線電極 １０５ 抵抗層 １０６ チッ化シリコン膜 １０７ 基体 ２０１ シリコン基体 ２０２ 熱酸化膜 ２０３ 層間膜 ２０４ 抵抗層 ２０５ 配線 ２０６ 保護層 ２０７ 耐キャビテーション膜 ２０８ 熱作用部 ３００ ホストコンピュータ ３０１ 入出力インターフェイス ３０２ ＣＰＵ ３０３ ＲＯＭ ３０４ ＲＡＭ ３０５ モータドライバ ３０７ ヘッドドライバ ６００ インクジェット記録装置 ６０１ ヘッドカートリッジ ６０２ 駆動モータ ６０３、６０４ 駆動伝達ギア ６０５ リードスクリュー ６０６ 螺旋溝 ６０７ キャリッジ ６０７ａ レバー ６０８ ガイド ６０９ プラテン ６１０ 紙押さえ板 ６１１、６１２ フォトカプラ ６１３ 支持部材 ６１４ キャップ部材 ６１５ インク吸引手段 ６１７ クリーニングブレード ６１８ 移動部材 ６１９ 本体支持体 ６２０ レバー ６２１ カム α、β、γ 隙間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 工藤 清光 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 竹之内 雅典 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 2C056 EA01 FA03 HA05 KB03 KB09 2C057 AF06 AF23 AF51 AG46 AG76 BA03 BA04 BA13

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体を吐出するための複数の吐出口と、 前記各吐出口に一端部が常に連通され、液体に気泡を発
   生させる気泡発生領域を有する複数の液流路と、 前記気泡を発生し成長させるためのエネルギーを発生す
   る気泡発生手段と、 前記複数の液流路にそれぞれ配設され、共通液体供給室
   に連通する複数の液体供給口と、 前記液体供給口の前記液流路側の少なくとも一部分に対
   して微小な隙間を隔てて支持された、自由端を有する可
   動部材とを有し、 前記可動部材の少なくとも自由端部およびそれに連続す
   る両側部で囲まれる領域が前記液体供給口の液流路に対
   する開口領域よりも大きくなっている液体吐出ヘッドで
   あって、 前記可動部材が静止している状態で、前記可動部材の前
   記吐出口側の部分が、前記液体供給口を形成するための
   部材に接触すると共に、前記可動部材の支点側の部分と
   前記液体供給口との間に微小な隙間を有していることを
   特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 【請求項２】 液体を吐出するための複数の吐出口と、 前記各吐出口に一端部が常に連通され、液体に気泡を発
   生させる気泡発生領域を有する複数の液流路と、 前記気泡を発生し成長させるためのエネルギーを発生す
   る気泡発生手段と、 前記複数の液流路にそれぞれ配設され、共通液体供給室
   に連通する複数の液体供給口と、 前記液体供給口の前記液流路側の少なくとも一部分に対
   して微小な隙間を隔てて支持された、自由端を有する可
   動部材とを有し、 前記可動部材の少なくとも自由端部およびそれに連続す
   る両側部で囲まれる領域が前記液体供給口の液流路に対
   する開口領域よりも大きくなっている液体吐出ヘッドで
   あって、 前記可動部材が静止している状態で、前記可動部材の前
   記吐出口側の部分が、前記液体供給口を形成するための
   部材に接触すると共に、前記可動部材の支点側の部分に
   おける側部と、前記液体供給口を形成するための部材と
   の間に微小な隙間を有していることを特徴とする液体吐
   出ヘッド。
3. 【請求項３】 前記可動部材が静止している状態で、前
   記可動部材の前記吐出口側の部分が、前記液体供給口を
   形成するための部材を押圧することで、前記可動部材が
   前記液体供給口側に向かって弾性的に凸状に湾曲してい
   る請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 【請求項４】 液体を吐出するための複数の吐出口と、 前記各吐出口に一端部が常に連通され、液体に気泡を発
   生させる気泡発生領域を有する複数の液流路と、 前記気泡を発生し成長させるためのエネルギーを発生す
   る気泡発生手段と、 前記複数の液流路にそれぞれ配設され、共通液体供給室
   に連通する複数の液体供給口と、 前記液体供給口の前記液流路側の少なくとも一部分に対
   して微小な隙間を隔てて支持された、自由端を有する可
   動部材とを有し、 前記可動部材の少なくとも自由端部およびそれに連続す
   る両側部で囲まれる領域が前記液体供給口の液流路に対
   する開口領域よりも大きくなっている液体吐出ヘッドで
   あって、 前記可動部材が静止している状態で、前記可動部材の前
   記吐出口側の部分が、前記液体供給口を形成するための
   部材を押圧することで、前記可動部材が前記液体供給口
   側に向かって弾性的に凸状に湾曲していると共に、前記
   可動部材の支点側の部分と前記液体供給口との間に微小
   な隙間を有していることを特徴とする液体吐出ヘッド。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載の液
   体吐出ヘッドと、該液体吐出ヘッドから吐出された液体
   を受け取る被記録媒体を搬送する被記録媒体搬送手段
   と、を備えた液体吐出装置。
6. 【請求項６】 前記液体吐出ヘッドからインクを吐出
   し、前記被記録媒体に該インクを付着させることで記録
   を行うことを特徴とする請求項５に記載の液体吐出装
   置。