JP2005205721A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱素子上以外での気泡発生率をできる限り小さくすることにより、気泡発生特有の現象であるスジの発生を抑制する。
【解決手段】複数の発熱素子１２を半導体基板１１上に配列したヘッドチップ１０ａと、各発熱素子１２上にそれぞれ位置するようにノズル１８を形成したノズルシート１７と、ヘッドチップ１０ａとノズルシート１７との間に設けられたバリア層１３と、バリア層１３の一部によって形成され、各発熱素子１２上の領域とその上部のノズル１８との間に設けられた液室１３ａとを備え、バリア層１３の一部によって形成されるとともに、液室１３ａが形成された領域以外の少なくとも一部の領域に設けられ、共通流路及び液室１３ａと連通し、ノズルシート１７の少なくとも一部の領域と液体が接触するように液体を貯留する液体貯留室１３ｂを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、インクジェットプリンタ等に用いられるサーマル方式の液体吐出ヘッド、及びこの液体吐出ヘッドを備えるインクジェットプリンタ等の液体吐出装置に関し、液体吐出ヘッドの冷却、換言すれば液体吐出ヘッドの単位時間当たりの温度変化を少なくする技術に関するものである。

従来より、例えばインクジェットプリンタに代表される液体吐出装置に用いられる液体吐出ヘッドでは、発生させた気泡の膨張及び収縮を利用するサーマル方式と、形状や体積の変動を利用するピエゾ方式とが知られている。
そして、サーマル方式では、半導体基板上に発熱素子を設け、この発熱素子によって液室内の液体に気泡を発生させ、発熱素子上に配置されたノズルから液体を液滴として吐出させ、記録媒体等に着弾させるものである。

図１７は、従来のこの種の液体吐出ヘッド１（以下、単にヘッド１という。）を示す外観斜視図である。図１７において、ノズルシート１７は、バリア層３上に貼り合わせられるが、このノズルシート１７を分解して図示している。
また、図１８は、図１７のヘッド１の流路構造を示す断面図である。

図１７及び図１８において、半導体基板１１上には、複数の発熱素子１２が配列されている。また、半導体基板１１上には、バリア層３及びノズルシート１７が順次積層される。ここで、半導体基板１１上に発熱素子１２が形成されるとともに、その上部にバリア層３が形成されたものを、ヘッドチップ１ａと称する。そして、ヘッドチップ１ａ上にノズルシート１７が貼り合わせられたものを、ヘッド１と称する。

ノズルシート１７は、各発熱素子１２上にそれぞれノズル（液滴を吐出するための孔）１８が位置するように、ノズル１８が配列されたものである。また、バリア層３は、半導体基板１１上に設けられることにより、発熱素子１２とノズル１８との間に介在して、発熱素子１２上とノズル１８との間に液室３ａを形成している。

図１７に示すように、バリア層３は、平面的に見て略櫛歯状に形成されることで、各発熱素子１２の３辺が囲まれるとともに、１辺のみが開口されるようになる。この開口された部分は、個別流路３ｄを形成し、共通流路２３と連通する。

また、発熱素子１２は、半導体基板１１の１辺の近傍に配列されている。そして、図１８中、半導体基板１１（ヘッドチップ１ａ）の左側には、ダミーチップＤが配置されることで、半導体基板１１（ヘッドチップ１ａ）の一側面と、ダミーチップＤの一側面とで、共通流路２３を形成している。なお、共通流路２３を形成できる部材であれば、ダミーチップＤに限らず、いかなる部材を用いても良い。

さらにまた、図１８に示すように、半導体基板１１の発熱素子１２が設けられた面と反対側の面には、流路板２２が配置されている。この流路板２２には、図１８に示すように、インク供給口２２ａと、このインク供給口２２ａと連通するように断面形状が略凹状をなす供給流路２４が形成されている。そして、この供給流路２４と、共通流路２３とが連通している。

これにより、インクは、インク供給口２２ａから供給流路２４及び共通流路２３に送られるとともに、個別流路３ｄを通って液室３ａに入り込む。そして、発熱素子１２が加熱されることで、液室３ａ内の発熱素子１２上に気泡が発生し、この気泡発生時の飛翔力によって、液室３ａ内の液体の一部を液滴としてノズル１８から吐出させる。

なお、図１７及び図１８では、実際の形状を無視して、理解の容易のために、形状を誇張して表示している。例えば半導体基板１１の厚みＴ（図１９参照）は、約６００〜６５０μｍであり、ノズルシート１７やバリア層３の厚みは、約１０〜２０μｍである。

図１９は、図１８において、液滴が吐出するときの発熱状態を示す断面図である。図１９中、発熱素子１２の中心から（ヘッドチップ１ａの）端面までの距離Ｙｎは、通常は、約１００〜２００μｍ程度に設計される。これに対して、ヘッドチップ１ａの幅は、Ｙｎの約１０倍程度、すなわち一桁違う値となる。このため、発熱素子１２は、ヘッドチップ１ａの端部に位置していることとなる。

このような構造において、発熱素子１２が駆動され、高温になると（瞬時には数百℃に至ると考えられている）、その熱は、先ず、接触している発熱素子１２上にある液体の沸騰に用いられるが、同時に、図１９において、その下面の半導体基板１１側にも熱エネルギーがロスとして流れ込むこととなる。通常、このロスを最小限に抑えるためにに、発熱素子１２と半導体基板１１との間には、熱伝導性の低い酸化シリコン等による熱遮断層が設けられる。

また、発熱素子１２の発熱により、半導体基板１１側に流れる熱のうち、最初に到達する面は、発熱素子１２と同じ半導体基板１１の上面であって液体に接する部分である。次に到達する面は、図１９中、発熱素子１２の左側にある半導体基板１１の端面（共通流路２３を形成している一方の面）である。

ここで、気泡の発生メカニズムについて言及する。
発熱素子１２等の発熱体とインク等の液体とが接しており、その発熱体の熱エネルギーによって液体が熱せられ、その結果としてその液体の沸点を超えると沸騰が生じることは一般的に広く知られている。ここでいう「沸騰」とは、学術的には「核沸騰」と称されるものであり、発熱体の表面に小さな傷やくぼみがあって、予め気泡核と称される空気の固まりが存在しうるところに気泡が発生するというのが一般的に知られた学説である。

すなわち、同一温度であっても、表面状態によっては、液体に接していながら、気泡の発生しやすいものと、そうでないものとがある。それを分けるのが気泡核の存在であり、一般的には表面が平坦でなく、ざらざらした突起の多いものは気泡核が発生しやすく、平坦であればあるほど気泡核が存在しにくい性質がある。

ところで、ヘッドチップ１ａ上の発熱素子１２が設けられた面は、半導体のプロセスを経てきわめて緻密に平坦化されている面である。一方、ヘッドチップ１ａの端面は、ダイシング（回転鋸等による切断）等により処理されるため、そのままでは表面が凹凸になっているので、気泡核が生成されやすい。図２０では、ヘッドチップ１ａの表面と、ダイシングによる切断面とを顕微鏡により拡大撮影した結果を示す図である。
以上より、ヘッドチップ１ａの端面では、この端面に接する液体に気泡が発生しやすくなる。

ここで、端面に気泡を発生させないようにするためには、以下の方法が考えられる。
第１の方法として、発熱素子１２をヘッドチップ１ａの端面から十分に離して配置し、発熱素子１２で発生した熱が、端面まで届きにくくするすることで、ヘッドチップ１ａの端面に伝わる熱エネルギーでは、液体が簡単には沸騰に至らなくすることである。

また、第２の方法として、ヘッドチップ１ａの端面の表面を平坦化し、気泡核になるような凹凸をなくすることである。
さらにまた、第３の方法としては、ヘッドチップ１ａの中央部に、異方性エッチングでインク供給口（開口部）を形成し、このインク供給口の近傍に発熱素子を設けることが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−１１４７９号公報

以上の方法において、上記第１の方法では、ヘッドチップ１ａの端部に設けられる発熱素子１２のさらに外側に多くのスペースを設けることとなるので、無駄なスペースが生じてしまう。このことは、ヘッドチップ１ａ上の高密度実装に反するとともに、ヘッド１が大型化する原因にもなる。
また、上記第２の方法では、ダイシングによる切断後に、切断した端面の後処理を行わなければならず、コスト高になる。

さらにまた、第３の方法では、異方性エッチングを施すことにより、インク供給口を形成する面の平坦性がきわめて良くなるので、その部分に気泡が発生しなくなる。しかし、ヘッドチップ１ａの中央部にインク供給口を形成することは、特殊な構造となり、従来より一般的に使用されるヘッドチップ１ａのように、半導体基板１１の一端面に発熱素子１２を配列する構造にはなじまない。

次に、ヘッドチップ１ａの端面に気泡が発生すると、どのような問題が生じるかについて具体的に説明する。図２１は、図１８と同様のヘッド１において、気泡が発生している様子を示す断面図である。なお、図２１では、実際の使用状態で図示しているため、図１８等と異なり、発熱素子１２が下面側を向いている。
前述のように、気泡が最も発生するのは、インクに接している部分であり、温度が最も高くなる、気泡核が存在する部分である。この部分は、図２１では、気泡発生部分の最下端付近である。

また、インク中に発生した気泡は、浮力によって上方に移動するのであるが、実際には、液滴の吐出時には、液室３ａ内のインク量が減少するため、気泡発生部分のインクには、ノズル１８の方向（液室３ａの方向）に引き込まれる力が働く。したがって、気泡もまた、その力によって共通流路２３や個別流路３ｄ側に引き込まれる。

図２２は、ノズルシート１７を透明体から形成して、液滴の吐出動作直後のヘッド１内における気泡発生の様子を拡大して写真撮影した結果を示す図である。図２２において、白の円で現れているものが気泡である。なお、黒の円で現れているものは、液滴吐出に伴う液滴の飛沫である。

このように、個別流路３ｄや、個別流路３ｄに近い共通流路２３に気泡が発生した場合において、それがごくわずかであれば、吐出に大きな影響を与えないが、それでも影響が出る場合がある。さらに、気泡の量が増大すると、小さな気泡同士が合体して大きな気泡に成長する場合がある。このようになると、その気泡の表面張力によって細い流路（特に、個別流路３ｄ）へのインクの供給（流入）量が低下したり、さらにはインクが流入しなくなったりするおそれがある。
図２３は、ヘッド１において、合体・成長した大きな気泡の存在により、インクの供給不足が生じた部分を拡大して写真撮影した結果を示す図である。

このように、流路のうち、特に個別流路３ｄへのインクの供給量が不足した場合には、吐出される液滴の量の不足、さらには液滴の不吐出になるおそれもある。
ここで、シリアルプリンタのようなシリアルヘッドにより印画を行う場合には、少しずつ位置を移動させて重ね塗りをするものであるので、平均化することにより、吐出不良を目視ではほとんど判別できない程度まで修復することができる。
これに対し、ラインプリンタのラインヘッドのように、１回塗りで記録を完結する場合には、液滴の吐出不良が存在する部分では、スジ（白スジ）となって現れてしまうという問題がある。

図２４は、ラインヘッドにおいて、気泡の発生により液室３ａへのインク供給不足となり、スジが発生した様子を拡大して写真撮影した結果を示す図である。図２４に示すように、横幅が６４ノズル分（約２．７ｍｍ）に対して、約４ノズル分程度の幅が吐出不良となっていることを示している。

以上のような気泡発生の問題を解決するためには、
（１）限られたヘッドチップサイズ内において、図１９中、Ｙｎの値を最小にしつつ、発熱素子１２上以外での気泡発生率をできる限り小さくすること、
（２）多少の気泡発生があっても、実質的にはその気泡にほとんど影響を受けないようにすること、
が考えられる。

そして、本発明が解決しようとする課題は、前者（上記（１））、すなわちＹｎの値を最小にしつつ、発熱素子上以外での気泡発生率をできる限り小さくすることにより、気泡発生特有の現象であるスジの発生を抑制することである。

本発明は、以下の解決手段によって、上述の課題を解決する。
本発明の１つである請求項１の発明は、複数の発熱素子を基板上に配列したヘッドチップと、各前記発熱素子上にそれぞれ位置するようにノズルを形成したノズル層と、前記ヘッドチップと前記ノズル層との間に設けられたバリア層と、前記バリア層の一部によって形成され、各前記発熱素子上の領域とその上部の前記ノズルとの間に設けられた液室とを備え、前記発熱素子に加熱のためのエネルギーを与え、前記発生素子上で気泡を発生させ、その気泡の発生によって前記液室内の液体に飛翔力を与えることにより、前記液室内の液体を前記ノズルから吐出させる液体吐出ヘッドであって、各前記液室と連通し、前記液室内に液体を供給するための共通流路と、前記バリア層の一部によって形成されるとともに、前記液室が形成された領域以外の少なくとも一部の領域に設けられ、前記共通流路及び前記液室と連通し、前記ノズル層の少なくとも一部の領域と液体が接触するように液体を貯留する液体貯留室とを備えることを特徴とする。

（作用）
上記発明においては、液体吐出ヘッド内に液体が満たされると、液室のみならず、液体貯留室内も液体で満たされる。そして、液体貯留室内の液体は、ノズル層と接している。これにより、ヘッドチップ（発熱素子）で発生した熱は、液体貯留室内の液体に伝達され、液体貯留室内の液体からノズル層に伝達される。

本発明によれば、ヘッドチップの動作温度を従来のものより低減することができるので、それだけ、核沸騰を生じにくくする（気泡の発生を抑制する）ことができる。すなわち、それだけ温度上昇に対して余裕をとることができる。
また、核沸騰を生じにくくする分に相当する分だけ吐出周波数を上げることができるので、吐出・リフィル周期を短くして吐出サイクルを上げることができ、高速化を図ることができる。

さらにまた、ラインヘッドを形成した場合には、ラインヘッド内の全てのヘッドチップの動作温度を近い温度に保つことができるので、温度変化による吐出液適量の変化が少なくなり、濃度ムラを軽減することができる。

以下、図面等を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による液体吐出装置に実装される液体吐出ヘッド１０（以下、単にヘッド１０という。）の第１実施形態を分解して示す斜視図であり、従来例で示した図１７に対応する図である。図１では、図１７と同様に、ノズルシート１７（本発明におけるノズル層に相当するもの）は、バリア層１３上に貼り合わせられるが、このノズルシート１７を分解して図示している。また、従来例と同様に、半導体基板１１上に発熱素子１２が形成されるとともに、その上部にバリア層１３が形成されたものを、ヘッドチップ１０ａと称する。そして、ヘッドチップ１０ａ上にノズルシート１７が貼り合わせられたものを、ヘッド１０と称する。

また、図２は、図１のヘッドチップ１０ａ全体を示す平面図である。図２では、従来のヘッドチップ１ａとの差を容易に理解できるようにするために、（Ａ）に従来のヘッドチップ１ａを図示しており、（Ｂ）に本実施形態のヘッドチップ１０ａを図示している。
なお、図２では、ノズルシート１７の図示を省略しているが、ノズルシート１７に設けられる排気孔１７ａを併せて図示している。

図１において、半導体基板１１及び発熱素子１２は、図１７のものと同様である。さらに、発熱素子１２の周囲部には、バリア層１３によって、液室１３ａと、この液室１３ａに連通する個別流路１３ｄとが形成されている。この点もまた、従来のヘッド１と同様である。

また、従来のヘッドチップ１ａでは、図１７に示すように、半導体基板１１上の領域は、液室３ａ及び個別流路３ｄ、さらには接続電極領域（図１７では図示していない）を除いて、バリア層３で占められている。すなわち、従来のヘッドチップ１ａでは、その上面全体の領域に対して、約１０％以下の領域に液室３ａや個別流路３ｄが形成されている。

これに対し、本実施形態では、液室１３ａ及び個別流路１３ｄは、略櫛歯状に形成されているが、その後方のバリア層１３は、複数（多数）の支柱１３ｃを配列した構造となっている。この支柱１３ｃは、バリア層１３上にノズルシート１７が積層されたときに、バリア層１３とノズルシート１７とを接着する領域にするとともに、支柱１３ｃの高さを一定にすることで、液室１３ａの高さを一定にするために設けられる。

また、支柱１３ｃの厚みは、液室１３ａ及び個別流路１３ｄを形成している略櫛歯状部分と同一厚みである。さらにまた、支柱１３ｃの大きさとしては、平面的に見たときに、例えば２０μｍ×３０μｍ程度の略長方形状をなしている。なお、支柱１３ｃの配列パターンや、配列ピッチは、いかなるものであっても良い。
以上の支柱１３ｃが形成された部分は、本発明では、液体貯留室１３ｂを形成する。

また、本実施形態では、半導体基板１１上において、発熱素子１２が配列された側の１辺を除いた３辺の外縁部には、バリア層１３が壁状に形成される。そして、この部分には、接続電極領域１９が設けられる。
以上より、液体貯留室１３ｂは、バリア層１３のうち発熱素子１２が配列された側の１辺を除いた３辺の外縁部と、液室１３ａ及び個別流路１３ｄを形成している略櫛歯状の部分とによって囲まれている。

さらに、この液体貯留室１３ｂは、ヘッド１０の共通流路（各液室１３ａと連通し、液室１３ａ内に液体を供給するための流路であって、従来例で示した共通流路２３と同様のものである。）側（図１中、右前方側。また、図２中、ヘッドチップ１０ａの下外縁側。）において、両端部が開口され、共通流路と連通している。これにより、液体貯留室１３ｂは、共通流路、及び個別流路１３ｄを介して液室１３ａと連通している。

さらに、図２（Ｂ）において、ノズルシート１７には、ノズルシート１７を貫通するとともに、その下層に液体貯留室１３ｂが存在する部分に、排気孔１７ａが形成されている。図２（Ｂ）では、５つの排気孔１７ａを図示している。この排気孔１７ａは、液体貯留室１３ｂのうち、液室１３ａや個別流路１３ｄから遠ざかる位置に設けられている。

以上の構成により、バリア層１３の一部によって、各発熱素子１２上とそれに対応するノズル１８との間に液室１３ａが形成されるとともに、この液室１３ａに連通するとともに液室１３ａへの液体の流路を形成する個別流路１３ｄが形成される。一方、バリア層１３の一部によって、液室１３ａ及び個別流路１３ｄが形成された領域以外の少なくとも一部の領域に、液室１３ａと連通し、液体を貯留する液体貯留室１３ｂが形成される。

上記構成においては、インクを収容したインクタンク等からインクが供給されると、そのインクは、共通流路に流れ込むので、この共通流路からインクが個別流路１３ｄを通って液室１３ａ内に流れ込み、液室１３ａ内がインクで満たされる。同時に、共通流路から、共通流路と連通している液体貯留室１３ｂにインクが流れ込み、液体貯留室１３ｂの内部もまた、インクで満たされる。

この場合に、最初に液体貯留室１３ｂに液体が満たされる前は、液体貯留室１３ｂ内は空気で満たされている。したがって、インクを液体貯留室１３ｂ内に送り込むと、それまで存在していた空気は、排気孔１７ａを通して外部に排出される。これにより、液体貯留室１３ｂ内は、インクのみで満たされ、空気を存在させないようにすることができる。

さらに、液体貯留室１３ｂにインクが満たされると、そのインクは、排気孔１７ａの出口部分（ノズルシート１７の表面）にまで到達するが、この場合に、排気孔１７ａの開口面積がノズル１８の開口面積と同一であれば、オリフィス面に働く表面張力は等しくなる。そして、インク内に圧力が加わったときには、インクの出口は、ノズル１８と排気孔１７ａだけであるので、その圧力は、ノズル１８及び排気孔１７ａのオリフィス部分に伝達されるが、排気孔１７ａの開口面積がノズル１８の表面の開口面積以下であれば、加えられた圧力によって排気孔１７ａから先にインクが漏れ出すことはない。

したがって、排気孔１７ａの開口面積は、ノズル１８の表面の開口面積より小さくしている。これにより、輸送中等の、環境条件が変化したときでも、排気孔１７ａを、ノズル１８と同じ取扱いにすることができる。

なお、ヘッド１０の駆動時、すなわち液室１３ａからの液滴の吐出及び液室１３ａへのインクの供給時には、共通流路から個別流路１３ｄを通じてインクが液室１３ａ内に満たされるが、このときには、液体貯留室１３ｂ内のインクの移動はほとんどない。

また、ノズルシート１７の下面側は、支柱１３ｃの上面と接着されている。さらにまた、支柱１３ｃとの接着領域を除き、液体貯留室１３ｂ内の液体は、ノズルシート１７の下面と接触する状態となる。

ここで、従来のヘッドチップ１ａでは、発熱素子１２で発生した熱のほとんどは、バリア層３を介してノズルシート１７に伝達されるが、バリア層３は、上述したような材料から形成されており、熱伝導性が良くないので、バリア層３からノズルシート１７を通じての放熱は、十分とはいえない。

これに対して、本実施形態のヘッド１０では、発熱素子１２で発生した熱は、液体貯留室１３ｂ内のインクに伝えることができる。そして、液体貯留室１３ｂ内のインクとノズルシート１７の下面側とが直接接触しているので、液体貯留室１３ｂ内のインクを通して熱がノズルシート１７に伝わりやすくなる。したがって、ノズルシート１７の表面から放熱を行うことができるので、十分な放熱効果が得られる。

このようなことから、液体貯留室１３ｂは、蓄熱液体層（室）又は熱のコンデンサー層（室）ともいうことができる。
また、ヘッドチップ１０ａ内の発熱量は一定であるので、本実施形態のような構造で放熱量が多くなれば、その分、ヘッドチップ１０ａ内の温度を低下させることができる。

図３は、従来のヘッド１における放熱と、本実施形態のヘッド１０における放熱とを対比して示す断面図である。
図中、（Ａ）は、従来のヘッド１であり、（Ｂ）は、本実施形態のヘッド１０である。図中、半導体基板１１の左端近傍に発熱素子１２が設けられており、その上部のノズルシート１７にノズル１８が設けられている（図３では、発熱素子１２及びノズル１８の図示を省略する）。

従来のヘッド１では、発熱素子１２で発生した熱は、ノズルシート１７のうちの、液室３ａの上部及び左側を中心に熱が伝わる構造である。これに対し、本実施形態のヘッド１０は、液室１３ａ上部及び左側のみならず、液体貯留室１３ｂも含めて、その上部のノズルシート１７に熱を伝えることができる。

すなわち、発熱素子１２が設けられたヘッドチップ１０ａとノズルシート１７との間に、比熱の大きなインクを介在させることで、ヘッドチップ１０ａ単体の急激な温度上昇を抑制するとともに、バリア層１３自体よりも熱伝導率の高いインクが効率良くノズルシート１７に熱を伝えることができるので、いち早く熱をノズルシート１７に伝え、放射冷却を行うことができる。

また、ノズルシート１７の材質としては、種々のものが考えられるが、金属材料、又は金属材料を主とする材料から形成すれば、放熱効果はより高くなる。
さらに、複数のヘッドチップ１０ａによってヘッド１０が形成される場合、例えば各色ごとにヘッドチップ１０ａを備えるカラープリンタヘッド等の場合や、ラインプリンタのラインヘッドのように、ヘッドチップ１０ａが共通流路に沿って複数配列されている場合であっても、全てのヘッドチップ１０ａのノズル１８を形成した１枚のノズルシート１７を設けることが好ましい。このようにすれば、ヘッド１０の温度が常に平均化される。

さらに、ラインヘッドの場合には、ヘッドチップ１０ａごとに液滴の吐出量（駆動量）が異なるので、大量の熱を発生するヘッドチップ１０ａや、全く使用されるにほとんど発熱していないヘッドチップ１０ａとが混在することがある。ヘッドチップ１０ａの半導体基板１１は、シリコン等からなるので熱伝導率が良く、ほぼ同一温度になるが、外部への放熱が良好でなければヘッドチップ１０ａの温度はすぐに上昇してしまう。

この場合に、全てのヘッドチップ１０ａで同一の（１枚の）ノズルシート１７を有していれば、全てのヘッドチップ１０ａの温度をほぼ同一にすることができる。また、全てのヘッドチップ１０ａの液体貯留室１３ｂ内の液体により熱容量を大きく取ることができ、さらに放熱面積も大きく取ることができるので、温度上昇をより緩やかにすることができる。その結果、ヘッドチップ１０ａの温度上昇も抑制することができる。
以上のようにしてヘッドチップ１０ａの温度上昇を抑制することで、ヘッドチップ１０ａ内、特に個別流路１３ｄ〜液室１３ａ間のインクに、気泡が発生しにくくなる。

図４は、ヘッドチップ１０ａを図中、左右方向にライン状に並列するとともに、それを４列形成して、４色のカラーラインヘッドを形成した例を示す平面図である。
図４では、ハッチングを付したヘッドチップ１０ａが発熱したことを示しており、さらに、ハッチングが密であるほど高温であることを意味している。

この場合、上側の図では、ノズルシート１７の熱伝導率が低い場合を示し、下側の図では、ノズルシート１７の熱伝導率が高い場合を示している。
これにより、上側の図では、発熱したヘッドチップ１０ａだけが温度が特に上昇している。これに対し、下側の図では、発熱したヘッドチップ１０ａの熱がノズルシート１７全体に伝達され、全てのヘッドチップ１０ａの温度が均一化されている（すなわち、ヘッドチップ１０ａの駆動条件が等しくなる）。

以上述べたような、本実施形態におけるヘッド１０及びこのヘッド１０を備えるインクジェットプリンタ等の液体吐出装置によれば、以下のような効果がある。
（１）図１９において、Ｙｎを長くとることで、ヘッドチップ１０ａの駆動時に、ヘッドチップ１０ａの端面の凹凸を気泡核とする核沸騰が生じないようにする（気泡が発生しないようにする）ことができるが、本実施形態のように構成することで、同一条件を考えれば、ヘッドチップ１０ａの動作温度を従来のものより低減することができる。したがって、ヘッドチップ１０ａの動作温度を従来のものと同一温度に保つ場合には、Ｙｎの値を従来の値より小さく設定することができる。

（２）Ｙｎの値を小さく設定しない場合には、本実施形態のように構成することでヘッドチップ１０ａの動作温度を低くすることができるので、それだけ、核沸騰を生じにくくすることができる。すなわち、それだけ温度上昇に対して余裕をとることができる。
（３）ヘッドチップ１０ａの端面で核沸騰を生じにくくする分に相当する分だけ吐出周波数を上げることができる。これにより、吐出・リフィル周期を短くすることができるので、吐出サイクルを上げることができ、高速化を図ることができる。

（４）複数のヘッドチップ１０ａを配列してラインヘッドを形成した場合には、ラインヘッド内の全てのヘッドチップ１０ａの動作温度を近い温度に保つことができる。これにより、温度変化による吐出液適量の変化が少なくなり、濃度ムラを軽減することができる。

次に、他の実施形態について説明する。
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態のヘッドチップ１０ｂを示す平面図である。図５のヘッドチップ１０ｂにおいて、図２のヘッドチップ１０ａと異なる点は、液室１３ａと、その後方に配置されている液体貯留室１３ｂとが、共通流路と反対側で連通されている点である。図５中、詳細図に示すように、第２実施形態では、発熱素子１２は、一方向に一定のピッチで配列されているものの、一直線上に配列されているものではなく、隣り合う発熱素子１２（ノズル１８）の中心は、配列方向に垂直な方向に所定間隔（０より大きい実数）を隔てて配置されているものである。

これにより、隣り合うノズル１８の中心間距離は、発熱素子１２（ノズル１８）の配列ピッチより大きい値となるので、液滴の吐出に伴う圧力変動によるノズル１８及びその周辺領域の変形量が少なくなり、液滴の吐出量、及び吐出方向を安定させることができる。なお、この技術は、本件出願人より既に提案されている技術である（特願２００３−３８３２３２）。

さらに、各発熱素子１２の配列方向における両側には、平面的に見て略長方形状をなすようにバリア層１３が設けられているが、発熱素子１２の配列方向に垂直な方向における両側（共通流路側及びその反対側）には、個別流路１３ｄがバリア層１３によって形成されている。そして、液体貯留室１３ｂ側に形成された個別流路１３ｄと液体貯留室１３ｂとが連通されている。

なお、第２実施形態では、液室１３ａと液体貯留室１３ｂとは、個別流路１３ｄによって直接連通されているが、液体貯留室１３ｂでは、液室１３ａの周辺を除いて、液体の移動はほとんどないと考えられる。

（第３実施形態）
図６は、第３実施形態のヘッドチップ１０ｃを示す平面図である。第３実施形態では、シリアルヘッドに適用したものである。
シリアルヘッドに適用した場合に、上記各実施形態と比較して異なる点は、接続電極領域１９を、ヘッドチップ１０ｃの長手方向の両端部に設けたことである。また、第３実施形態では、液体供給孔１１ａをヘッドチップ１０ｃの中央部に設けている。ただし、これに限らず、ヘッドチップ１０ｃの両端部に設けることも可能である。シリアルヘッドに適用した場合には、接続電極領域１９の設け方がラインヘッドの場合と異なるため、液体貯留室１３ｂを効率良く設けることができる可能性がある。
なお、図６では詳細な図示を省略しているが、バリア層１３のうち、液室１３ａや液体貯留室１３ｂの構造は、上記実施形態で例示したいずれのものであっても良い。

（実施例）
続いて、本発明の実施例について説明する。
従来構造のヘッド１と実施形態のヘッド１０（図５（第２実施形態）のヘッドチップ１０ｂを有するもの）とで、図２２に示したものと全く同一の仕様のものを製作し、比較測定を行った。
図７は、それぞれのヘッド１、１０の仕様概要を表にして示す図である。
図７において、ノズル１８の配列は、図５の詳細図で示したように、隣接するノズル１８の位置が、ノズル１８の配列方向に垂直な方向にオフセットを有するものであり、そのオフセット量は、ノズル１８の配列ピッチの１／２である。

また、図８は、ヘッドチップ１ａ、１０ｂ内部における実効回路のスペース配分を示す図である。図８に示すように、ヘッドチップ１ａ、１０ｂの横幅は、１５４００μｍであり、縦幅は、１５４０μｍである。また、従来のヘッドチップ１ａの場合には、インクの浸漬部分は、発熱素子１２（液室３ａ）の部分である２２０μｍである。これに対し、実施例１では、パワートランジスタの部分に液体貯留室１３ｂを形成し、２２０＋４１０＝６３０μｍの範囲をインクの浸漬部分とした。さらに実施例２では、論理回路部の部分まで含めた液体貯留室１３ｂを形成し、２２０＋４１０＋５１０＝１１４０μｍの範囲をインクの浸漬部分とした。
なお、実験結果から、実施例１と実施例２とでは、ほとんど差が認められたかったので、以下、これらを総称して実施例として取り扱う。

従来のヘッドチップ１ａと、実施例のヘッドチップ１０ｂとで、実施例の方が従来のものに比べてインクの浸漬部分が約３倍となっている。しかし、従来のヘッドチップ１ａ、及び実施例のヘッドチップ１０ｂのいずれにおいても、ノズル１８の近傍では、吐出時に大きな圧力がかかったときにバリア層３、１３とノズルシート１７との接着が破壊されないようにするために接着面積を大きく取る構造としている。したがって、ノズル１８の近傍では、インクが直接ノズルシート１７に触れる面積は、相対的に小さい。このような事情を勘案すれば、従来のヘッドチップ１ａと、実施例のヘッドチップ１０ｂとでは、インクがノズルシート１７に触れる面積は、実質的には４〜５倍になっていると考えられる。

次に、上記構造のヘッド１、１０を用いた観測方法であるが、
（１）同じ内容の記録を（各ヘッド１、１０での印画率２０％の単調ドット配列パターン） 、
（２）同じ時間（同じ印画枚数）動作させ（Ａ４サイズ２０枚連続）、
（３）温度上昇の程度差を観測
できる方法で行えば良い。しかし、（３）については、内部の温度を正確に測定する手段が備わっていないので、実施例では、先ず、気泡発生の度合いで比較することとした。
そのため、ノズルシート１７は、使用予定であったニッケル電鋳のものを用いず、高分子材料（ポリイミド）による透明なノズルシート１７を用いることとした。なお、その厚みは、２５μｍのものを用いた。

図９は、従来のヘッド１を写真撮影した結果を示す図である。後述する図１０も同様であるが、図９では、印画直後にヘッド１（ヘッドブロック）を取り出し、下側（記録媒体側）からマゼンタ色のインクのヘッド１内部を写真撮影したものである。気泡は、ヘッドチップ１ａに沿って発生しているが、対向側に設けられているダミーチップＤには、気泡は発生していない。

これらの気泡は、比較的安定であり、気泡周囲の温度が下がれば消滅するが、観測結果から、実施例の構造では、一度気泡が発生すると、後から発生する気泡との合体は起こるが、それらが全て消滅するには数時間を要することがわかった。

図１０は、実施例のヘッド１０を写真撮影した結果を示す図である。図１０からわかるように、気泡は、１つも発生しなかった。
なお、本実施例では、ヘッドチップ１０ｂの端部に沿って、２ノズルごとに排気孔１７ａを実験的に配置したが、この排気孔１７ａによって気泡が抜け出たわけではないのは明らかである。

すなわち、排気孔１７ａは、大量の気泡が溜まった場合には有効に気泡を減らす効果があることが認められたが、図９からもわかるように、通常、気泡は、発生当初の小さな物から合体後の大きな物まで種々の物があるので、これらが発生と同時に排気孔１７ａから全て外部に排出されてしまうことは考えられない。したがって、実施例の場合に、全く気泡がないということは、気泡が発生していないと考えるのが妥当である。
以上の観測結果より、本発明は、サーマル方式の液体吐出ヘッド（ヘッドチップ）を冷却するには有効であることが確認された。

上述したように、ヘッドチップ１ａ、１０ｂ内部の温度を正確に測定することは難しい。しかし、実施例のヘッドチップ１ａ、１０ｂには、接続電極領域１９（例えば１４本の電極）が設けられており、電極からは金線のボンディングワイヤで外部に接続されている。このため、ボンディング端子は、ヘッドチップ１ａ、１０ｂに直接接続されているため、ヘッドチップ１ａ、１０ｂの温度は、ボンディング端子近傍の温度を測定することができれば、大体の目安となる。
そこで、この方法を用いて、間接的ではあるが、この方法で測定を試みた。

図１１は、温度測定中のノズルシート１７とボンディング孔付近の状態を写真撮影した結果を示す図である。図１１では、赤外線カメラと熱画像処理プログラムによるものである。なお、ヘッドチップ１ａ、１０ｂの各ボンディング部分の構造は同一である。以上のようにして、ボンディング端子上での温度を測定した。図１１中、ａ〜ｅの各十字で示したマークは、温度測定点を示している。

図１２は、上記の方法で温度測定した結果を表にして示す図である。また、図１３は、温度測定した結果をグラフにして示す図である。
測定は、ボンディング端子表面については、図１１中、ノズルシート１７上の長円状に抜かれた部分で行い、対向する２つのヘッドチップ１ａ、１０ｂの４か所（ａ〜ｄ）で測定し、平均値をとったものである。また、ノズルシート１７の表面については、ｅ点での測定値である。
また、図１３では、それぞれ、ボンディング端子表面での温度を表す実験式を併記している。

図１２及び図１３から明らかなように、実施例の構造では、従来構造と比較して、ボンディング端子付近で約５℃（差分；６２．４９−５７．６６＝４．８３）程度、温度が低下していることがわかる。
このことから、従来構造において、いずれかの位置で、気泡発生温度である１００℃に達している部分があったとすれば、実施例の構造では、７〜８℃以上の温度低下を期待できるので、それだけ気泡発生確率を低くできることが確認された。なお、従来構造と実施例の構造とで、ノズルシート１７の表面の温度はほとんど同じであることも併せて確認された。

次に、等価回路モデルを用いた冷却効果について説明する。
発熱素子１２を電源に、熱抵抗（熱伝導度）を電気抵抗に、各部品の熱容量をキャパシターに、関心のある観測点の温度を電圧に置き換えると、簡単な電気回路で状況を表すことができる。
図１４は、そのモデルの概念を示す図である。図１４中、（Ｂ）の等価回路において、Ｐｎ（Ｐ１〜Ｐ４）で表される点（場所）は、他の部分に比べて熱伝導率が高く、部材そのものがほぼ同一温度にあると考えて良い部分（等価回路上でほぼ等電位点として扱える部分）を示す。Ｐ１からＰ４までの状況を考えると、
Ｐ１：測定可能点（３５０℃近傍にある）
Ｐ２：温度を測定したい点（従来構造については、液体が気化し始めるので、１００℃付近にある）
Ｐ３：外部に露出しているので測定可能な点
Ｐ４：Ｐ３に同じだが、図１４（Ｃ）では不要
となる。

ところで、図１４（Ｂ）に示すように、全体の温度が安定しない過渡状態を考えると熱容量が絡むので、等価回路が複雑になるが、十分長い時間動作させた後で系の温度が安定した状態を考えると、同図（Ｃ）のように簡略化して考えても良い。図１５は、簡略化して考えてもそれほど誤差が大きくならない根拠を表にして示す図である。

図１２に示した既に得られている結果と、図１４（Ｃ）の等価回路とを対比して、本発明の効果を検証してみると、本発明の構造に変えることによって変化するパラメータは、Ｒ２とＲ３であるので、
Ｐ１：３５０℃で一定（吐出に一定の温度が必要）、
Ｐ２：従来構造での動作中は６２．５℃（図１３中の式において、小数点第２位を四捨五入）であるが、実施例の構造では、５７．７℃に変化している、
Ｐ３：従来構造も実施例の構造も、約３２．４℃でほぼ同じ、
測定場所での周囲温度：２５℃、
等の条件から、
（式１）Ｒ１／（Ｒ２＋Ｒ３）＝（３５０−６２．５）／（６２．５−２５）＝２８７．５／３７．５
となる。

従来構造と実施例の構造とでは、バリア層３、１３を除いてヘッドチップ１ａ、１０ｂ等は、同一構造であるので、Ｒ１＝一定であり、Ｐ２点の温度変化は、全てＲ２、Ｒ３の変化によるものなので、実施例の構造でのこれらの値をＲ２’、Ｒ３’として、
（式２）Ｒ１／（Ｒ２’＋Ｒ３’）＝（３５０−５７．７）／（５７．７−２５）＝２９２．３／３２．７
となる。
そして、（式１）／（式２）を求めれば、
（式３）（Ｒ２’＋Ｒ３’）／（Ｒ２＋Ｒ３）≒０．８６
が得られる。

さらに、ノズルシート１７上での温度は、従来構造も実施例の構造も同じことから、上と同様の計算をすれば、
（式４）Ｒ２／Ｒ３＝（６２．５−３２．４）／（３２．４−２５）＝４．０７
（式５）Ｒ２’／Ｒ３’＝（５７．７−３２．４）／（３２．４−２５）＝３．４２
が得られる。
（式４）よりＲ２＝４．０７×Ｒ３、（式５）よりＲ２’＝３．４２×Ｒ３’として、（式３）に代入すれば、
（１＋３．４２）Ｒ３’／（１＋４．０７）Ｒ３＝０．８６
となるので、
（式６）Ｒ３’／Ｒ３＝０．９９
となる。

同じく、（式４）よりＲ３＝Ｒ２／４．０７、（式５）よりＲ３’＝Ｒ２’／３．４２として、（式３）に代入すれば、
（式７）Ｒ２’／Ｒ２＝０．８３
が得られる。
（式６）及び（式７）の結果から、実施例の構造では、ノズルシート１７からの自然放熱による特性は従来構造と同じだが、ノズルシート１７に熱を伝える効率は、約１７％改善できたことがわかる。

実施例の構造で、液体の浸漬部分が数倍に増加したわりには、改善がこの程度に留まった理由としては、新しく液体を浸漬させた部分においては、従来の構造に比べて液体供給による流れが少ない（ほとんどない）ことによる冷却効果の差であると推測できる。
なお、図１６は、参考として、発熱素子１２の表面を３５０℃（一定）とした根拠である写真撮影結果を示す図である。図１６では、空焼き（インクなし）状態を顕微鏡写真で撮影したものである。

本発明による液体吐出装置に実装される液体吐出ヘッドの第１実施形態を分解して示す斜視図である。 図１のヘッドチップ全体を示す平面図であり、従来のヘッドチップとの対比を図示したものである。 従来のヘッドにおける放熱と、本実施形態のヘッドにおける放熱とを対比して示す断面図である。 ヘッドチップを図中、左右方向にライン状に並列したものを４列形成し、カラーラインヘッドを形成した例を示す平面図である。 第２実施形態のヘッドチップを示す平面図である。 第３実施形態のヘッドチップを示す平面図である。 実施例のヘッドの仕様概要を表にして示す図である。 ヘッドチップ内部における実効回路のスペース配分を示す図である。 従来のヘッドを写真撮影した結果を示す図である。 実施例のヘッドを写真撮影した結果を示す図である。 温度測定中のノズルシートとボンディング孔付近の状態を写真撮影した結果を示す図である。 温度測定した結果を表にして示す図である。 温度測定した結果をグラフにして示す図である。 等価回路モデルの概念を示す図である。 等価回路の要素とその有効性の根拠を表にして示す図である。 発熱素子の表面を３５０℃（一定）とした根拠である写真撮影結果を示す図である。 従来の液体吐出ヘッドを示す外観斜視図である。 図１７のヘッドの流路構造を示す断面図である。 図１８において、液滴が吐出するときの発熱状態を示す断面図である。 ヘッドチップの表面と、ダイシングによる切断面とを顕微鏡により拡大撮影した結果を示す図である。 図１８と同様のヘッドにおいて、気泡が発生している様子を示す断面図である。 液滴の吐出動作直後のヘッド内における気泡発生の様子を拡大して写真撮影した結果を示す図である。 合体・成長した大きな気泡の存在により、インクの供給不足が生じた部分を拡大して写真撮影した結果を示す図である。 ラインヘッドにおいて、気泡の発生により液室へのインク供給不足となり、スジが発生した様子を拡大して写真撮影した結果を示す図である。

符号の説明

１０ 液体吐出ヘッド（ヘッド）
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ ヘッドチップ
１１ 半導体基板
１２ 発熱素子
１３ バリア層
１３ａ 液室
１３ｂ 液体貯留室
１３ｃ 支柱
１３ｄ 個別流路
１７ ノズルシート（ノズル層）
１７ａ 排気孔
１８ ノズル
１９ 接続電極領域

Claims (8)

1. 複数の発熱素子を基板上に配列したヘッドチップと、
   各前記発熱素子上にそれぞれ位置するようにノズルを形成したノズル層と、
   前記ヘッドチップと前記ノズル層との間に設けられたバリア層と、
   前記バリア層の一部によって形成され、各前記発熱素子上の領域とその上部の前記ノズルとの間に設けられた液室と
   を備え、
   前記発熱素子に加熱のためのエネルギーを与え、前記発生素子上で気泡を発生させ、その気泡の発生によって前記液室内の液体に飛翔力を与えることにより、前記液室内の液体を前記ノズルから吐出させる液体吐出ヘッドであって、
   各前記液室と連通し、前記液室内に液体を供給するための共通流路と、
   前記バリア層の一部によって形成されるとともに、前記液室が形成された領域以外の少なくとも一部の領域に設けられ、前記共通流路及び前記液室と連通し、前記ノズル層の少なくとも一部の領域と液体が接触するように液体を貯留する液体貯留室と
   を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
   前記ノズル層は、金属材料からなる１部材によって形成されている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
3. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
   前記液体吐出ヘッドは、前記ヘッドチップが複数設けられることによりラインヘッドを形成しており、
   複数の前記ヘッドチップは、前記共通流路に沿って各前記液室の開口側が前記共通流路を向くように配置されており、
   前記ノズル層は、全ての前記ヘッドチップの前記発熱素子上にぞれぞれ前記ノズルが位置するように、金属材料からなる１部材によって形成されている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
4. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
   前記液室は、前記発熱素子を囲むように前記共通流路側のみが開口された形状をなし、
   前記液体貯留室は、前記ヘッドチップの長手方向における両端部で前記共通流路と連通している
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
5. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
   前記液室は、前記共通流路側及びその反対側が開口された形状をなし、
   前記液体貯留室は、前記共通流路に対して前記液室を隔てた側に設けられている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
6. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
   前記ノズル層のうち、前記ノズル層の下層に前記液体貯留室が位置する部分には、前記ノズル層を貫通して前記液体貯留室と連通する少なくとも１つの排気孔が形成されている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
7. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
   前記ノズル層のうち、前記ノズル層の下層に前記液体貯留室が位置する部分には、前記ノズル層を貫通して前記液体貯留室と連通する少なくとも１つの排気孔が形成されており、
   前記ノズル層の液体吐出面における前記排気孔の開口面積は、前記ノズル層の表面における前記ノズルの前記開口面積より小さい
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
8. 複数の発熱素子を基板上に配列したヘッドチップと、
   各前記発熱素子上にそれぞれ位置するようにノズルを形成したノズル層と、
   前記ヘッドチップと前記ノズル層との間に設けられたバリア層と、
   前記バリア層の一部によって形成され、各前記発熱素子上の領域と前記ノズルとの間にそれぞれ形成された液室と
   を備え、
   前記発熱素子に加熱のためのエネルギーを与え、前記発生素子上で気泡を発生させ、その気泡の発生によって前記液室内の液体に飛翔力を与えることにより、前記液室内の液体を前記ノズルから吐出させる液体吐出ヘッドを備える液体吐出装置であって、
   前記液体吐出ヘッドは、
   各前記液室と連通し、前記液室内に液体を供給するための共通流路と、
   前記バリア層の一部によって形成されるとともに、前記液室が形成された領域以外の少なくとも一部の領域に設けられ、前記共通流路及び前記液室と連通し、前記ノズル層の少なくとも一部の領域と液体が接触するように液体を貯留する液体貯留室とを備える
   ことを特徴とする液体吐出装置。