JP2001277511A - 液体吐出ヘッド及び該液体吐出ヘッドを用いた液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液体吐出ヘッドの吐出に関するエネルギ効率
を向上させ、安定した液滴の吐出を可能とする。 【解決手段】 液体吐出ヘッド３１は、前方イナータン
スＡ₁と、後方イナータンスＡ₂と、外界の圧力Ｐ
_ambと、吐出口３８から吐出された液体の体積Ｖ_dと、気
泡が発生する際の初期発泡撃力によって液体が受ける単
位面積当たりの力積である発泡撃力Πと、抵抗Ｂ₁とに
基づく無次元数αが０．５以下となるように作製された
ものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流路内の液体を加
熱して発泡させ、気泡が発生する際に生じる圧力を利用
して液体を吐出させる液体吐出ヘッド及び該液体吐出ヘ
ッドを用いた液体吐出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液体を加熱して発泡させ、その時
に発生する高圧を利用して液体を吐出させる液体吐出方
法として、以下に示すような公知例が知られている。

【０００３】特開昭５５−５９９７５号公報には、液体
の供給方向と吐出方向との角度を略９０度とすることに
よって、吐出効率、吐出応答性、吐出安定性、長時間記
録性を向上させる装置が開示されている。特開昭５５−
１３２２７０号公報には、吐出口の口径をｄとしたと
き、ノズル内の発熱体の位置を吐出口からｄないし５０
ｄの位置に設けることにより熱効率、吐出応答性、吐出
安定性を向上させる装置が開示されている。特開昭５５
−１３２２７６号公報には、発熱体の寸法、位置、液流
路長を所定の関係を満たすように構成することによって
エネルギ効率を向上させ、高速度で高品位の記録を行え
る装置が開示されている。特開昭５６−４６７６９号公
報には、液流路と発熱体とを所定の位置、寸法に構成す
ることによって、エネルギを液滴吐出のために効率よく
消費し、かつ、液滴形成が安定して行われる液体吐出ヘ
ッドが開示されている。特開昭６１−４０１６０号公報
には、流体の流れる方向によって抵抗係数の異なる抵抗
物体を発熱体に近接して配置し、液体は、液体が供給さ
れる側、すなわち、吐出口とは逆方向にはながれにく
く、一方、気泡は抵抗物体からの反力を受けて液体を吐
出口方向に押し出すように成長させる液体吐出ヘッドが
開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記各
従来例では、液流路中の流体運動におけるエネルギ効率
が考慮されることで、それぞれの装置あるいは液体吐出
ヘッドについて良好なエネルギ効率が達成されるもの
の、液流路の寸法を設計変更した場合には、最終的に吐
出する流体の運動エネルギへの変換効率は低下してしま
い、安定した液滴の吐出ができなくなる場合が生じると
いう問題があった。

【０００５】そこで本発明は、安定した液滴の吐出が可
能な液体吐出ヘッド及び該液体吐出ヘッドを用いた液体
吐出装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の液体吐出ヘッドは、液体が吐出される吐出口
と、液体が供給される供給口と、前記吐出口と前記供給
口とを連通する液流路と、前記液流路内の液体に伝熱面
から熱エネルギを与えて気泡を発生させ、前記気泡の発
泡撃力を利用して前記吐出口から液体を吐出させる、前
記液流路内に設けられたエネルギ発生手段とを有する液
体吐出ヘッドにおいて、前記気泡が発泡する際の発泡エ
ネルギを１としたとき、前記発泡エネルギのうちの、液
体を吐出するための前記液体の運動エネルギに寄与しな
いエネルギの総和を表す無次元数が０．５以下である。

【０００７】上記の通りの本発明の液体吐出ヘッドは、
気泡が発泡する際の発泡エネルギを１としたとき、発泡
エネルギのうちの、液体を吐出するための運動エネルギ
に寄与しないエネルギの総和を表す無次元数が０．５以
下である液体吐出ヘッドとすることで液体の吐出に関す
るエネルギ効率を高められる。

【０００８】また、無次元数は、第１のイナータンス
と、第２のイナータンスと、外界の圧力と、吐出口から
吐出された液体の体積と、気泡が発生する際の初期発泡
撃力によって液体が受ける単位面積当たりの力積と、抵
抗とに基づいた値であってもよい。

【０００９】また、無次元数は、 α＝Ａ₁／（Ａ₁＋Ａ₂）＋２・Ａ₁・Ｐ_amb・Ｖ_d／Π²＋２・
Ｂ₁・Ｖ_d／Π α：無次元数 Ａ₁：第１のイナータンス Ａ₂：第２のイナータンス Ｐ_amb：外界の圧力 Ｖ_d：吐出口から吐出された液体の体積 Π：力積 Ｂ₁：抵抗 で表されるものであってもよい。

【００１０】また、エネルギ発生手段は、熱エネルギを
発生させるための電気熱変換体を備えているものであっ
てもよい。

【００１１】本発明の液体吐出装置は、本発明の液体吐
出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドから吐出された液体を
受ける被記録媒体を搬送する被記録媒体搬送手段とを有
する。

【００１２】また、本発明の液体吐出装置は、液体吐出
ヘッドからインクを吐出し、被記録媒体にインクを付着
させることで記録を行うものであってもよい。

【００１３】

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

【００１４】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態の液体吐出ヘッド１の模式的側断面図であ
る。

【００１５】液体吐出ヘッド１は、ノズル２内の液体３
に気泡４を発生させるための伝熱面５を有する発熱体６
がノズル２内に設けられており、また、液体の吐出方向
（図１中右側）には液体を吐出する吐出口８と、その反
対側には液体が供給される供給口７とが形成されてい
る。液体３は供給口７から供給され、伝熱面５上の液体
を急激に加熱して液体３に膜沸騰を生じさせ、これによ
り発生した気泡の成長に伴う圧力によって液体を吐出口
８から吐出させる。

【００１６】ここで、図１に示した液体吐出ヘッド１
は、以下に示す式（１）で表される無次元数αが０．５
以下となるように、各部の寸法が設計されている。無次
元数αは液体吐出ヘッド１の液体３の吐出に関するエネ
ルギ効率を規定するものであり、液体吐出ヘッド１に固
有の値である。 α＝Ａ₁／（Ａ₁＋Ａ₂）＋２・Ａ₁・Ｐ_amb・Ｖ_d／Π²＋２・Ｂ₁・Ｖ_d／Π …（１）

【００１７】式（１）において、Ａ₁は前方イナータン
スであり、Ａ₂は後方イナータンスであり、Ｐ_ambは外界
の圧力であり、Ｖ_dは最終的に吐出する液滴の体積であ
り、Πは初期発泡撃力によって受ける単位面積当たりの
力積（発泡撃力）であり、Ｂ₁は前方抵抗である。

【００１８】以下に、無次元数αによって、如何にエネ
ルギ効率が規定されるかについて詳細に説明する。

【００１９】まず、液体吐出ヘッド１のノズル２から液
体が吐出される状況を示す図２及び、図２に示す液体３
の吐出時における気泡内圧力と時間の関係を示すグラフ
である図３を用いて、液体３が発熱体６の伝熱面５の発
熱により発生した気泡４をどのように利用して、吐出口
８から吐出されるかを説明する。

【００２０】なお、図３に示す気泡内圧力と時間の関係
は、本発明に関与する気泡４の発生から液滴９の吐出ま
での関係のみを示したものである。

【００２１】時刻ｔ＝０において発熱体６を駆動する
と、伝熱面５上の液体３が発泡し、気泡内圧力は非常に
高圧となり、液体３は瞬間的に前方である吐出口８側に
押されるとともに、後方である供給口７にも押し戻され
る。そして、急峻に立ち上がった気泡内圧力は、時刻ｔ
＝ｄｔまでに急激に低下し、時刻ｔ＝ｄｔにおいて０と
なる。

【００２２】時刻ｔ＝ｄｔ以降は、気泡４の圧力が外部
の圧力Ｐ_ambよりも小さくなり、負圧（外圧との差はほ
とんど−Ｐ_amb）の状態となるが液体３は慣性により運
動を続け、気泡４はさらに大きくなる。そして、気泡４
の負圧及び液体３の粘性の影響により、液体３の運動速
度は減速してゆき、時刻ｔ＝ｔ１において液滴９が形成
され、吐出口８より吐出される。

【００２３】その後、液滴９に取り込まれずにノズル２
内に残った液体３は最終的に供給口７から供給される液
体３と合体し、初期状態へと戻る。

【００２４】すなわち、気泡４の発泡による瞬間的な撃
力を受けた液体３がその直後から気泡４による負圧及び
液体３の粘性で減速されながら運動してゆき、最終的に
液滴９が形成され、吐出口８から外界へと吐出される。

【００２５】ここで、初期の撃力によって受ける単位面
積当たりの力積であるΠを発泡撃力と呼ぶ（〜Ｐ₀・ｄｔ
／２：ここで、Ｐ₀は初期発泡圧力）こととする。ま
た、ここではＰ₀＞＞Ｐ_ambとした。

【００２６】次に液体吐出ヘッド１内の液体の運動を数
式的に示すモデルについて説明する。

【００２７】液体吐出ヘッド１は図４に示すように、伝
熱面Ｓ₁と、吐出口Ｓ₂と、供給口Ｓ ₃とを開口とした３
開口の流体系と考え、また、液体３の吐出現象を、液体
３の慣性が支配的である初期（発泡直後）と、液体３の
粘性が支配的となる後期とに分けて考える。

【００２８】液滴９の吐出現象の初期（発泡直後）にお
いては、液体３の圧縮性、対流、粘性は無視でき、液体
３の慣性の効果がメインであるので、伝熱面５にかかる
圧力Ｐ₁、吐出口８にかかる圧力Ｐ₂、供給口７にかかる
圧力Ｐ₃、伝熱面５での液体３の体積変化Ｖ₁、吐出口８
での液体３の体積変化Ｖ₂、供給口７での液体３の体積
変化Ｖ₃とすると、これらの関係式は

【００２９】

【数１】 で表される。ただし、各体積変化は外向きを正としてい
る。また、前方イナータンスＡ₁、後方イナータンス
Ａ₂、Ａ₃はノズルの形状のみで定まる量であり、

【００３０】

【数２】 である。ここで、ρは液体３の密度、φ₁はラプラス方
程式

【００３１】

【数３】 の解である。ただし、伝熱面Ｓ₁上でφ₁＝１、吐出口Ｓ
₂、供給口Ｓ₃上でφ₁＝０、壁面上でφ₁の法線方向微分
＝０である。また、φ₂はラプラス方程式

【００３２】

【数４】 の解であり、ｎ₂、ｎ₃はそれぞれ吐出口Ｓ₂、供給口Ｓ₃
から液体３へ向かう法線単位ベクトルである。ただし、
吐出口Ｓ₂上でφ₂＝１、供給口Ｓ₃、伝熱面Ｓ₁上でφ₂
＝０、壁面上でφ₂の法線方向微分＝０である。

【００３３】一方、吐出現象の後期においては、液体３
の粘性の影響がメインとなり、また、流体３の速度変化
は初期に比べ小さくなるので、定常ストークス流で近似
して、

【００３４】

【数５】 と表せる。ここで、Ｂ₁（前方抵抗）、Ｂ₂、Ｂ₃は粘度
μに比例する量で、液体３の圧力をｐ、速度ベクトルを
ｖとして、方程式

【００３５】

【数６】 及び連続の式からｐ、ｖを求め、吐出口Ｓ₂上で速度ベ
クトルの法線成分を積分する（ｄＶ₂／ｄｔを計算す
る）ことによって決定できる。Ｂ₂、Ｂ₃についても同様
である。

【００３６】以上のように、吐出現象の初期の液体３の
体積変位加速度は、開口部の圧力とイナータンスにより
表され、吐出現象の後期の液体３の体積変位加速度は、
開口部の圧力と抵抗により表される。さらに、初期と後
期の両者を総合的に扱うのであれば、３開口系の問題は
近似的に図５に示す等価回路で考えてもよい。表１に図
５に示した等価回路と３開口系との対応関係をまとめ
る。

【００３７】

【表１】

【００３８】これにより、前述のように伝熱面Ｓ₁上で
発泡撃力Πを受けた後、吐出口Ｓ₂、供給口Ｓ₃にかかる
圧力がＰ_ambで、伝熱面Ｓ₁がほとんど負圧状態で吐出口
に向かう液体の運動は、 Ａ₁・ｄ²Ｖ₂／ｄｔ²＋Ｂ₁・ｄＶ₂／ｄｔ＝−Ｐ_amb …（１０） という方程式で記述できる。ｔ＝０での初期条件として
は、 ｄＶ₂／ｄｔ＝Π／Ａ₁ …（１１） である。また、ｔ＝０において液体３に投入される発泡
エネルギは、 Ｅ_in＝（Ａ₁＋Ａ₂）／（２・Ａ₁・Ａ₂）・Π² …（１２） である。この方程式において、Ｖ₂＝Ｖ_d（液滴体積）と
なる時刻τは、 τ〜Ａ₁・Ｖ_d／Π …（１３ ） であり、その時、体積変位速度ｄＶ₂／ｄｔは、 ｄＶ₂／ｄｔ〜Π／Ａ₁・｛１−（Ａ₁・Ｐ_amb・Ｖ_d／Π²）−（Ｂ₁・Ｖ_d／Π） ｝ …（１４） となる。したがって、最終的に吐出される液滴９の運動
エネルギは、 Ｅ_drop＝Ａ₁・（ｄＶ₂／ｄｔ）²／２ 〜Π²／（２・Ａ₂）・｛１−（Ａ₁・Ｐ_amb・Ｖ_d／Π²）−（Ｂ₁・Ｖ_d ／Π）²｝ …（１５ ） と、見積もることができる。

【００３９】以上より、発泡エネルギから液滴９の運動
エネルギに変換される効率ξは、 ξ＝Ｅ_drop／Ｅ_in＝（１−α₁）・（１−α₂−α₃）²〜１−（α₁＋２・α₂＋２・ α₃）＝１−α …（１６） となる。ここで、無次元数α、α₁、α₂、α₃は、 α＝α₁＋２・α₂＋２・α₃ …（１７ ） α₁＝Ａ₁／（Ａ₁＋Ａ₂） …（１８） α₂＝Ａ₁・Ｐ_amb・Ｖ_d／Π² …（１９） α₃＝Ｂ₁・Ｖ_d／Π …（２０） であり、液体吐出ヘッド１に固有の無次元数αにより、
エネルギ効率を評価することができる。

【００４０】ここで、図６を用いて無次元数α₁、α₂、
α₃について説明する。

【００４１】気泡４の発泡エネルギは、大きく分けて、
吐出口３方向に液体を運動させる前方運動エネルギと、
供給口７側に液体３を押し戻す後方運動エネルギとに分
けられる。このうち、前方運動エネルギは、さらに液滴
９を吐出させるために用いられるエネルギである液滴運
動エネルギと、液体３の粘性により消費される粘性ロス
と、大気圧に対する仕事とに分けられる。

【００４２】α₁は、後方運動エネルギ／発泡エネルギ
であり、２α₂は外圧（大気圧）に対する仕事／発泡エ
ネルギであり、２α₃は、粘性ロス／発泡エネルギであ
る。

【００４３】すなわち、本実施形態の液体吐出ヘッド１
は、発泡エネルギを１としたとき、液滴９を吐出するた
めの運動エネルギに寄与しないエネルギの総和を表す無
次元数αを０．５以下、すなわち、運動エネルギに寄与
しないエネルギの総和を発泡エネルギの半分以下とする
ものである。

【００４４】次に、発泡衝撃Π、及び液滴体積Ｖ_dの測
定方法に関して説明する。

【００４５】これらは、液体吐出ヘッド１の上方あるい
は側方からストロボ、レーザ、ＬＥＤ等のパルス状に発
光できる光源によって液体吐出ヘッドを照射し、顕微鏡
により観察を行うことで測定可能である。すなわち、液
体吐出ヘッド１のノズル２内の発熱体６に与える駆動パ
ルスに同期させてパルス光源を発光させ、発泡開始から
十分小さい時間刻みで発光までの遅延時間を変化させ、
吐出口８から吐出されようとしている液体３の体積変位
量を観察し、これらを基に時刻０（発泡時刻）での体積
変位速度を求めることにより、発泡衝撃Πを算出する。
また、液滴体積Ｖ_dに関しては、上記測定方法と同様に
パルス光源を照射して観察することで液滴体積Ｖ_dを見
積もる。

【００４６】以上説明したように、液体吐出ヘッド１に
固有の無次元数αを０．５以下とした液体吐出ヘッド１
とすることで、液滴９を吐出するための運動エネルギに
寄与しないエネルギを減少させることとなり、よって、
液滴９の吐出に関するエネルギ効率を高め、安定した液
滴９の吐出を実現することができる。

【００４７】（第２の実施形態）次に、図７（ａ）及び
図７（ｂ）に本発明の第２の実施形態の液体吐出ヘッド
３１の模式的な平面図及び側断面図をそれぞれ示す。

【００４８】本実施形態の液体吐出ヘッド３１は発熱体
３６の伝熱面３５に実質的に平行に対面する様に吐出口
３８が配された、いわゆるサイドシュータタイプのヘッ
ドであるが、吐出方向が第１の実施形態の液体吐出ヘッ
ド１と異なるだけで、それ以外の液体３３が供給口３７
から供給され、伝熱面３５上の液体を急激に加熱して膜
沸騰を生じさせ、これにより発生した気泡の成長に伴う
圧力によって液体３３を吐出口３８から吐出させるとい
った、液体３３の吐出方法は第１の実施形態と同様であ
るため、詳細の説明は省略する。また、エネルギ効率の
評価は、第１の実施形態の液体吐出ヘッド１と本実施形
態の液体吐出ヘッド３１とは形状が異なるものの、無次
元数αにより液体３３の吐出に関するエネルギ効率の評
価を行うため、第１の実施形態と同様の取り扱いが可能
である。

【００４９】すなわち、本実施形態も第１の実施形態と
同様に、液体吐出ヘッド３１に固有の無次元数αを０．
５以下とした液体吐出ヘッド３１とすることで、液体３
３を吐出するための運動エネルギに寄与しないエネルギ
を減少させることとなり、よって、液体３３の吐出に関
するエネルギ効率を高め、安定した液体３３の吐出を実
現することができる。

【００５０】以上、第１及び第２の実施形態を例に挙げ
て本発明の液体吐出ヘッド１、３１について説明した
が、以下に、本発明の液体吐出ヘッド１、３１が適用さ
れた液体吐出装置２００について、その一例の外観図を
示す図８を用いて説明する。

【００５１】なお、以下の説明に用いる記号は、代表と
して第１の実施形態で用いられた記号を用いる。

【００５２】本発明の液体吐出ヘッド１は、駆動モータ
２０１の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア２０２、２
０３を介して回転するリードスクリュー２０４の螺旋溝
２２１に対して係合するキャリッジ２１２上に搭載され
ており、駆動モータ２０１の動力によってキャリッジ２
１２とともにガイド２１９に沿って矢印ａ、ｂ方向に往
復移動される。不図示の記録媒体給送装置によってプラ
テン２０６上に搬送される記録用紙Ｐ用の紙押さえ板２
０５は、キャリッジ２１２の移動方向にわたって記録用
紙をプラテン２０６に対して押圧する。

【００５３】フォトカプラ２０７、２０８は、キャリッ
ジ２１２のレバー２０９のこの域での存在を確認して駆
動モータ２０１の回転方向切り替え等を行うためのホー
ムポジション検知手段である。支持部材２２３は液体吐
出ヘッド１の全面をキャップするキャップ部材２１１を
支持するものであり、また、吸引手段２３０はキャップ
部材２１１内を吸引するものであり、キャップ内開口２
１３を介して液体吐出ヘッド１の吸引回復を行う。

【００５４】移動部材２１５は、クリーニングブレード
２１４を前後方向に移動可能にするものであり、本体支
持板２１６にこれらは支持されている。なお、クリーニ
ングブレード２１４は、この形態でなく周知のクリーニ
ングブレードが本体に適用できることは言うまでもな
い。

【００５５】また、レバー２１７は、吸引回復の吸引を
開始するためのもので、キャリッジ２１２と係合するカ
ム２１８の移動に伴って移動し、駆動モータ２０１から
の駆動力がクラッチ切り替え等の公知の伝達手段で移動
制御される。液体吐出ヘッド１に設けられた発熱部（不
図示）に信号を付与したり、上述した各機構の駆動制御
を司ったりする記録制御部は、液体吐出装置２００本体
側に設けられている（不図示）。

【００５６】上述したような構成の液体吐出装置２００
は、前記記録媒体給送装置によってプラテン２０６上に
搬送される記録用紙Ｐに対し、液体吐出ヘッド１が前記
記録用紙Ｐの全幅にわたって往復移動しながら記録を行
うものである。

【００５７】なお、液体吐出ヘッド１はキャリッジ２１
２と一体となったものでもよいし、着脱可能に搭載され
ているものでもよい。また、液体吐出ヘッド１に対して
供給されるインクを貯溜するためのインク貯溜部（不図
示）と液体吐出ヘッド１とは、お互いが一体となったも
のでもよいし、それぞれが互いに別体として取り外し可
能に組み合わせた形態のものであってもよい。

【００５８】さらに、本発明において称する液体吐出装
置２００は、ワードプロセッサ、コンピュータ等の情報
処理機器の出力端末として一体的に、また別体として設
けられるものの他、情報読み取り機器等と組合わされた
複写装置、情報送受信機能を有するファクシミリ装置、
布への捺染を行う機械等の種々の形態を包含するものを
意味する。

【００５９】

【実施例】次に、上記の実施形態の実施例について以下
に説明する。

【００６０】本実施例では、上述の第２の実施形態で示
したサイドシュータタイプと同形式の液体吐出ヘッド４
１を設計、製作した。

【００６１】図９に液体吐出ヘッド４１の各部寸法を示
す。ただし、図９中に示す各寸法の単位はμｍである。

【００６２】液体吐出ヘッド４１は、液体の流路となる
液流路４９と、発熱体４６の設けられた液室４９と、液
体が吐出される吐出口４８とからなるノズル５５を有す
る。

【００６３】供給口４７の寸法は幅３０［μｍ］、高さ
１２［μｍ］であり、供給口４７と液室５０とを連通す
る液流路４９は、長さが１００［μｍ］で、供給口４７
と同寸法の幅３０［μｍ］、高さ１２［μｍ］である。
液室５０と液流路４９との境界には高さ２［μｍ］の段
差５２が形成されており、液室５０の高さは１０［μ
ｍ］である。また、液室５０は、段差５２のところで液
流路４９と同じ幅の３０［μｍ］で、そこから奥行き２
５［μｍ］のところの奥壁５３の幅が１５［μｍ］であ
る。すなわち、液室５０の平面形状は台形形状を呈して
いる。液室５０の下壁に設けられた伝熱面４５を有する
１３［μｍ］角の発熱体４６の上方の投影された位置
に、１３［μｍ］角の吐出口４８が形成されている。す
なわち、吐出口４８は、段差５２の稜線に平行な吐出口
４８の２つの辺が、段差５２から液室５０の方に１０
［μｍ］の位置と、液室５０の奥壁５３から液室５０の
方に２［μｍ］の位置にそれぞれ形成され、また、液流
路４９の側壁５４に平行な吐出口４８の２つの辺が、液
流路４９の両側壁５４からそれぞれ液流路４９側に８．
５［μｍ］の位置に形成されているものである。この吐
出口４８の吐出方向長さは４［μｍ］である。

【００６４】以上のような形状の液体吐出ヘッド４１に
おける本実施例での計算領域は、吐出されるべき液体が
存在するノズル５６内を計算領域とした。この計算領域
を１ミクロン立方のメッシュで分割し、第１及び第２の
実施形態で示した方程式を有限要素法により解き、前方
イナータンスＡ₁と、後方イナータンスＡ₂と、前方抵抗
Ｂ₁とを求めた。すなわち、 Ａ₁＝０．０４３３［ｎｇ／μｍ⁴］ Ａ₂＝０．５１０［ｎｇ／μｍ⁴］ Ｂ₁＝０．００５６４［ｎｇ／（μｍ⁴・μｓ）］ を得た。なお、実際に使用するインクにあわせ、液体の
密度は１．０［ｇ／ｃｍ ³］、粘度を２．２［ｃＰ］と
して計算した。

【００６５】また、第１及び第２の実施形態で示した方
法により発泡衝撃Πを見積もるため、発熱体４６の加熱
のためのパルスを印加して実際に気泡を発泡させ、スト
ロボ顕微鏡により観察したところ、 Π＝２５０［ｎｇ／（μｍ・μｓ）］ を得た。また、液滴体積Ｖ_dは、 Ｖ_d＝２．０１×１０³［μｍ³］ を得た。

【００６６】なお、外部の（吐出口４８、供給口４７の
外）圧力は大気圧 Ｐ_amb＝１０１［ｋＰａ］ とした。

【００６７】以上の値を第１の実施形態で示した方程式
（１７）〜方程式（２０）に代入することにより得られ
た無次元数αはα＝０．４５となった。すなわち、無次
元数αが０．５以下の液体吐出ヘッドを作製した。

【００６８】一方、比較のために、液体吐出ヘッド４１
の吐出口４８及び発熱体４６の寸法を１３［μｍ］角か
ら、１１［μｍ］角へと小さくした比較用液体吐出ヘッ
ドを、液体吐出ヘッド４１と同様の作製方法及び材料を
用いて作製した。この比較用液体吐出ヘッドの前方イナ
ータンスＡ₁と、後方イナータンスＡ₂と、前方抵抗Ｂ ₁
として、 Ａ₁＝０．０５６３［ｎｇ／μｍ⁴］ Ａ₂＝０．４８７［ｎｇ／μｍ⁴］ Ｂ₁＝０．０１７４［ｎｇ／（μｍ⁴・μｓ）］ を得た。

【００６９】また、発泡衝撃Π及び液滴体積Ｖ_dとし
て、 Π＝２５０［ｎｇ／（μｍ・μｓ）］ Ｖ_d＝１．５０×１０³［μｍ³］ を得た。

【００７０】これらの値を用いて、この比較用液体吐出
ヘッド無次元数αを求めたところ α＝０．５９ を得た。すなわち、無次元数αが０．５より大きい比較
用液体吐出ヘッドを作製した。

【００７１】以上、無次元数αが０．５以下の液体吐出
ヘッド４１と、無次元数αが０．５より大きい比較用液
体吐出ヘッドとの２つの液体吐出ヘッドを実際に使用
し、液滴の連続吐出、及びインターバルをおいての液滴
の吐出の試験を行ったところ、無次元数αが０．５以下
の液体吐出ヘッド４１の場合、全ての試験条件下におい
て、液滴の体積、速度にばらつきのない、安定した液滴
の吐出が可能であった。一方、無次元数αが０．５より
大きい比較用液体吐出ヘッドの場合、吐出の繰り返し周
波数を変えると、液滴の体積、速度にばらつきが見ら
れ、安定した吐出ができなかった。これは、吐出に関す
るエネルギ変換効率が低いことで液滴のもつ運動エネル
ギが小さくなり、液滴が外乱あるいはヘッド自体の温度
変化等の影響を受けやすくなったことが原因の一つとし
て考えられる。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、気泡が発
泡する際の発泡エネルギを１としたとき、発泡エネルギ
のうちの、液体を吐出するための液体の運動エネルギに
寄与しないエネルギの総和を表す無次元数が０．５以下
である液体吐出ヘッドとすることで液体の吐出に関する
エネルギ効率を高め、安定した液体の吐出が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドの模
式的側断面図である。

【図２】図１に示した液体吐出ヘッドのノズルから液体
が吐出される状況を示す図である。

【図３】図２に示す液体の吐出時における気泡内圧力と
時間の関係を示すグラフである。

【図４】伝熱面と、吐出口と、供給口とを開口とした３
開口の流体系のモデル図である。

【図５】図４に示した３開口系との等価回路を示す図で
ある。

【図６】本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドに固
有の各無次元数を説明する図である。

【図７】本発明の第２の実施形態の液体吐出ヘッドの模
式的平面図及び側断面図である。

【図８】本発明の液体吐出ヘッドが適用された液体吐出
装置の一例の外観図である。

【図９】本発明の実施例の液体吐出ヘッドの模式的平面
図及び側断面図である。

【符号の説明】

１、３１、４１ 液体吐出ヘッド ２、５５ ノズル ３、３３ 液体 ４、３４ 気泡 ５、３５、４５ 伝熱面 ６、３６、４６ 発熱体 ７、３７、４７ 供給口 ８、３８、４８ 吐出口 ９ 液滴 １５ 第１のノード １７ 第２のノード １８ 第３のノード ４９ 液流路 ５０ 液室 ５２ 段差 ５３ 奥壁 ５４ 側壁 ２００ 液体吐出装置 ２０１ 駆動モータ ２０２、２０３ 駆動伝達ギア ２０４ リードスクリュー ２０５ 紙押さえ板 ２０６ プラテン ２０７、２０８ フォトカプラ ２０９、２１７ レバー ２１１ キャップ部材 ２１２ キャリッジ ２１３ キャップ内開口 ２１４ クリーニングブレード ２１５ 移動部材 ２１６ 本体支持板 ２１８ カム ２１９ ガイド ２２０ 液体吐出ヘッド ２２１ 螺旋溝 ２２３ 支持部材 ２３０ 吸引手段

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体が吐出される吐出口と、液体が供給
   される供給口と、前記吐出口と前記供給口とを連通する
   液流路と、前記液流路内の液体に伝熱面から熱エネルギ
   を与えて気泡を発生させ、前記気泡の発泡撃力を利用し
   て前記吐出口から液体を吐出させる、前記液流路内に設
   けられたエネルギ発生手段とを有する液体吐出ヘッドに
   おいて、 前記気泡が発泡する際の発泡エネルギを１としたとき、
   前記発泡エネルギのうちの、液体を吐出するための前記
   液体の運動エネルギに寄与しないエネルギの総和を表す
   無次元数が０．５以下であることを特徴とする液体吐出
   ヘッド。
2. 【請求項２】 前記無次元数が、 第１のイナータンスと、 第２のイナータンスと、 外界の圧力と、 前記吐出口から吐出された液体の体積と、 前記気泡が発生する際の初期発泡撃力によって液体が受
   ける単位面積当たりの力積と、 抵抗とに基づいた値である請求項１に記載の液体吐出ヘ
   ッド。
3. 【請求項３】 前記無次元数が、 α＝Ａ₁／（Ａ₁＋Ａ₂）＋２・Ａ₁・Ｐ_amb・Ｖ_d／Π²＋２・
   Ｂ₁・Ｖ_d／Π α：無次元数 Ａ₁：第１のイナータンス Ａ₂：第２のイナータンス Ｐ_amb：外界の圧力 Ｖ_d：吐出口から吐出された液体の体積 Π：力積 Ｂ₁：抵抗 である請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 【請求項４】 前記エネルギ発生手段は、熱エネルギを
   発生させるための電気熱変換体を備えている請求項１な
   いし３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれか１項に記載
   の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドから吐出され
   た液体を受ける被記録媒体を搬送する被記録媒体搬送手
   段とを有する液体吐出装置。
6. 【請求項６】 前記液体吐出ヘッドからインクを吐出
   し、被記録媒体にインクを付着させることで記録を行う
   請求項５に記載の液体吐出装置。