JP2008238401A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱素子１８によって発生する気泡が大気と連通する方式によってインクが吐出される記録ヘッド１０において、キャビテーションの発生を抑制し、耐久性が向上した記録ヘッド１０を提供すること。
【解決手段】記録ヘッド１０は、気泡が最大体積に成長した後の体積減少段階で初めて気泡と大気とが連通する吐出方式によって発泡室１９内部の液体を吐出する。そして、吐出口１４の中心Ｏ２が、発熱素子１８の中心Ｏ１に対してインク供給口１１から吐出口１４に向かう方向にずれて吐出口１４及び発熱素子１８が配置されている。吐出口１４の少なくとも一部が発熱素子１８における実質的に気泡の生成に寄与する有効発泡領域２０の外側に位置している。発泡室１９における発泡室奥側壁２４と発熱素子１８における有効発泡領域２０におけるインク供給口１１に向かう側とは逆側の端部との間の距離は、３μｍ以上有している。
【選択図】図４

Description

本発明は、吐出エネルギー発生素子にエネルギーを発生させて液体にエネルギーを与え、吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドから液体を吐出する液体吐出方法に関する。

今日、インクジェット記録装置におけるインク吐出方法として、発熱素子を用いてインクを吐出する方法が広く用いられている。このインク吐出方法は、まず、インク流路を介して共通液室内にインクが供給されて充填された状態で、エネルギー作用室としての発泡室内に配置された発熱素子に電気信号を与えて発熱させる。これにより、発泡室内における発熱素子の周囲のインクが瞬時に加熱されて発熱素子周辺のインクが沸点に達して沸騰し、発熱素子上で気泡が生じる。このときの相変化により急激に生じる気泡の大きな発泡圧によって、発泡液室内部のインクに運動エネルギーが与えられ、インクを吐出口から外部へ吐出させる。このようにして、発熱素子によってインクに与えられる熱エネルギーが吐出される液滴の運動エネルギーに変換され、インクが発泡室に連通した吐出口から吐出され、記録媒体に対し記録を行うものである。この種の記録装置は構造が単純であるので、インク流路の集積化が容易である等の利点を有している。

この吐出方式によってインクを吐出する場合、発熱素子上で発生した気泡が成長し、インクを吐出した後に発熱素子及びその周囲に存在するインクの有する熱が周囲に拡散することによって気泡の体積が減少していく。そして、気泡が消泡する際に、気泡が発泡室内部のインクによってつぶされて崩壊する。このとき、気泡が崩壊することで、気泡の周囲に損傷を与えることがある。つまり、発熱素子の駆動に伴ってキャビテーションが発生することで、発熱素子表面に対して損傷を与え得るのである。そのため、発熱素子表面にＴａ等の保護層を形成する等の対策を行うことにより、発熱素子に実用可能な耐久性を持たせている。

このようなキャビテーションに対する対策として、例えば、特許文献１に開示されている記録ヘッドが提案されている。特許文献１には、発熱素子の中心線が発泡室へ向かうインク流路の中心線に対してオフセットされて発熱素子が配置されている記録ヘッドが開示されている。このように発熱素子の中心線をインク流路の中心線に対してずらすことで、消泡する位置が一点に集中することを防いでいる。これにより、キャビテーションの発生位置を分散させ、このキャビテーションによる発熱素子の損傷を抑えている。また、気泡が消泡する位置を発熱素子上から外し、キャビテーションが発熱素子上で発生することを防いでいる。これにより、キャビテーションが発生することによって発熱素子が損傷することを抑えている。

また、特許文献２には、気泡が成長してインクが吐出される際に、気泡が大気と連通する吐出方法が開示されている。このインク吐出方法を用いれば、気泡が大気と連通することにより気泡内部の圧力が大気と同程度まで降下するので、気泡がそのままインクによってつぶされずに大気に押し出される。そして、そのまま吐出された分のインクが発泡室内部に再充填される。従って、発泡室内に気泡が残り難いので、キャビテーションが発生し難く、発熱素子の表面の損傷が抑えられる。

さらに、特許文献３では、特許文献２のように気泡が大気と連通する吐出方法であって、インクを吐出しながら気泡がいったん最大体積に成長し、その後の気泡の体積が減少していく段階で初めて気泡が大気と連通するインクの吐出方法が提案されている。この方法を用いてインクを吐出することにより、前述のようにキャビテーションが発生し難くなることに加え、インクを吐出した後の吐出口に存在する液面が吐出方向とは逆方向に降下することになる。従って、サテライト滴となるインクが、吐出される主滴から分離されて吐出口内の液面に吸収され易くなる。これにより、ミストの発生が抑えられ、高画質な記録が可能となる。

特開２００２−３２１３６９号公報 特開平４−１０９４０号公報 特開平１１−１８８８７０号公報

このように、特許文献２、３に提案されているような大気連通方式の液体吐出方法を用いることで、キャビテーションが発生し難い構成となっている。しかしながら、このような液体吐出方法を採用したとしても、キャビテーションが全く発生しないというわけではなく、場合によってはキャビテーションが発生することもある。

特許文献３に提案されているような、インクを吐出しながら気泡がいったん最大体積に成長し、その後の気泡の体積が減少していく段階で初めて気泡が大気と連通するインクの吐出方法によるインクの吐出工程の一例を、図１２を参照して説明する。

図１２（ａ）に示されるように、記録信号等に基づいた発熱素子への通電に伴い発熱素子上のインク流路内に気泡が生成されると、気泡が急激に体積膨張して成長する。そして、図１２（ｂ）に示されるように、気泡の生成によって得られる発泡圧によって、インクが吐出口から吐出される。インクが吐出されると、気泡がいったん最大体積に達し、その後図１２（ｃ）に示されるように、気泡の体積が減少する方向に転じる。そして、これとほぼ同時に吐出口の内部ではメニスカスの形成が始まる。そして、インクが吐出されて発泡室内のインク量が減少することにより、図１２（ｄ）に示されるようにメニスカスが発熱素子の方向へ移動する。このメニスカスの移動速度は気泡の収縮速度よりも速く、図１２（ｅ）、（ｆ）に示されるように、メニスカスが気泡に追いついて吐出口の下面近傍で気泡が大気に連通する。このとき、気泡と大気とは、発熱素子の中心に近い位置で連通することになる。

ここで、図１２（ｄ）に示されるように、メニスカスが発熱素子の方向へ移動する際には、発熱素子の方向に移動する液面がメニスカスと発熱素子との間に存在するインク及び気泡を押さえつけて圧縮する。これにより、気泡が発熱素子の略中心で圧縮されることで凹んで、気泡における発熱素子の中心に対向した部位が環状になる。そして、図１２（ｅ）に示されるように、環状部分を有する気泡が、大気と連通する前に、発泡室奥側部分とインク供給口側部分とに分断される。図１２（ｅ）においては、分断された気泡のうち大きな体積を有するインク供給口側部分は、大気と連通するので気泡内部の圧力が大気と同程度の圧力になる。そして、大気に連通した側の気泡は、図１２（ｆ）に示されるように、大気に連通したままインクが発泡室内に再充填されて消泡していく。ところが、分断された気泡のうち発泡室奥側部分は大気と連通しないので、発泡室内に残されてキャビテーションが発生してしまう。このように、発熱素子の中心に近い位置において気泡が大気と連通することで気泡が分断され易く、分断された気泡が大気に連通しないで残されることによりキャビテーションが発生してしまうことがあることを見出した。そして、このキャビテーションが発生することにより、発熱素子の表面に形成された保護層に損傷が与えられ、発熱素子の耐久性が低下することを引き起こすことがある。

また、気泡がいったん最大体積に達し、その後、気泡の体積が減少する際に気泡と外気とが連通する現象は、発泡室におけるインク流路の高さによっても変わる。この発泡室におけるインク流路の高さが高ければ、インク吐出後、メニスカスの移動速度と気泡の収縮速度の差が小さくなる。これにより、気泡と大気とが連通するまでの時間が長くなる。従って、大気と気泡とが連通するタイミングが遅くなり、気泡がより圧縮されてつぶされた状態で大気と連通することになる。これにより、気泡がより分断され易くなり、分断された気泡が発泡室内に残ってキャビテーションが発生し易くなる。

そこで、本発明の目的は上記の事情に鑑み、発熱素子によって発生する気泡が大気と連通する方式によってインクが吐出される記録ヘッドにおいて、キャビテーションの発生を抑制し、耐久性が向上した記録ヘッドを提供することである。

本発明の液体吐出ヘッドは、液体供給口から液体が供給され、該液体を吐出するための吐出口に連通するエネルギー作用室と、前記吐出口に対向して前記エネルギー作用室に配置され、前記液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生する発熱素子と、を具え、前記熱エネルギーによって気泡が生成されることで前記吐出が行われるとともに、前記気泡が最大体積に成長した後の体積減少段階で初めて前記気泡と大気とが連通する方式の液体吐出ヘッドにおいて、前記エネルギー作用室に対して液体が供給される方向に関し、前記吐出口の中心が前記発熱素子の中心に対して前記方向にずれて前記吐出口及び前記発熱素子が配置され、前記吐出口の少なくとも一部が前記発熱素子における前記気泡の生成に寄与する有効発泡領域の外側に位置し、前記エネルギー作用室における前記方向上の端部における壁面と、前記発熱素子の前記有効発泡領域における前記液体供給口から遠い側の端部との間の距離が３μｍ以上あることを特徴とする。

また、本発明の液体吐出ヘッドは、液体供給口から液体が供給され、該液体を吐出するための吐出口に連通するエネルギー作用室と、前記吐出口に対向して前記エネルギー作用室に配置され、前記液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生する発熱素子と、を具え、前記熱エネルギーによって気泡が生成されることで前記吐出が行われるとともに、前記気泡が最大体積に成長した後の体積減少段階で初めて前記気泡と大気とが連通する方式の液体吐出ヘッドにおいて、前記エネルギー作用室に対して液体が供給される方向に関し、前記吐出口の中心を前記発熱素子の中心に対して前記液体供給口の方へ１μｍ以上ずらして前記吐出口及び前記発熱素子が配置されていることを特徴とする。

また、本発明の液体吐出方法は、液体供給口から供給されてエネルギー作用室の内部に貯留された液体に対して発熱素子によって熱エネルギーを付与し、前記発熱素子によって熱が加えられて気泡が生成されることで前記気泡による発泡圧によって運動エネルギーが与えられて液体が吐出口から吐出され、前記気泡は、最大体積に成長した後の体積減少段階で初めて前記気泡と大気とが連通する吐出方式によって前記エネルギー作用室内部の液体を吐出する液体吐出ヘッドによる液体吐出方法において、前記吐出口の中心に対して前記液体供給口とは逆側にずれて位置した中心を有する前記発熱素子によって液体に熱が加えられて前記気泡が生成され、前記吐出口からエネルギー作用室内に移動した液面が、生成された前記気泡と接触して一体化することで前記気泡と大気とが連通し、前記発熱素子の中心よりも前記液体供給口とは逆側にずれた位置で前記気泡と大気とが連通することを特徴とする。

また、本発明の液体吐出方法は、液体供給口から供給されてエネルギー作用室の内部に貯留された液体に対して発熱素子によって熱エネルギーを付与し、前記発熱素子によって熱が加えられて気泡が生成されることで前記気泡による発泡圧によって運動エネルギーが与えられて液体が吐出口から吐出され、前記気泡は、最大体積に成長した後の体積減少段階で初めて前記気泡と大気とが連通する吐出方式によって前記エネルギー作用室内部の液体を吐出する液体吐出ヘッドによる液体吐出方法において、前記吐出口の中心に対して前記液体供給口の方へずれて位置した中心を有する前記発熱素子によって液体に熱が加えられて前記気泡が生成され、前記吐出口から前記エネルギー作用室内に移動した液面が、生成された前記気泡と接触して一体化することで前記気泡と大気とが連通し、前記発熱素子の中心よりも前記液体供給口に近い位置で前記気泡と大気とが連通することを特徴とする。

本発明によれば、液体が吐出される際、気泡が分断され難い部位で気泡と大気とが連通することになる。従って、気泡が分断されてエネルギー作用室内に残ることを防ぐことができ、キャビテーションが発生することを抑えることができる。これにより、液体吐出ヘッドの耐久性を向上させることができる。

（第一実施形態）
以下、本発明を実施するための第一実施形態を添付図面を参照しながら説明する。なお、以下の各実施形態において、用いる寸法、数値等は一例を示したものであり、これに限定されるものではない。

図１に、本発明のインクジェット記録装置１の斜視図を示す。本実施形態のインクジェット記録装置１は、インクジェットヘッドカートリッジ（不図示）を搭載するキャリッジ２を備えている。キャリッジ２は、キャリッジ駆動モータ３及びその駆動力を伝達する駆動力伝達機構４により、主走査方向に往復動される。また、インクジェット記録装置１は、キャリッジ２の位置を読み取る光学式位置センサ５を備えている。そして、インクジェット記録装置１は、不図示の制御部から電気信号をインクジェットカートリッジに送るためのフレキシブルケーブル６を有している。また、インクジェット記録装置１には、インクジェットヘッドカートリッジの有する記録ヘッドに対して回復処理を行なうための回復手段７が備えられている。本実施形態においては、カラープリントに対応するために複数種類のインクタンクをそれぞれ着脱可能に保持するインクジェットヘッドカートリッジを配置するためのスペースが確保されている。

また、インクジェット記録装置１は、記録媒体を積層状態で蓄える給紙トレイ８及び排紙トレイ９を有している。給紙トレイ８に蓄えられた記録媒体は、給紙トレイ８からインクジェット記録装置１内部の不図示の搬送機構を介して、排紙トレイ９まで搬送される。その搬送される間に、インクジェット記録装置１内部で記録媒体に対して記録が行われる。

このような構成のインクジェット記録装置１に備えられたキャリッジ２は、記録媒体の搬送方向（副走査方向）と直交する主走査方向にスキャンされながら記録を行う。この過程でインクジェット記録ヘッドの吐出口（ノズル）の配列範囲に対応した幅の記録を行なう一方、各スキャン間では記録媒体を所定量搬送する。

次に、本実施形態に用いられる記録ヘッド（液体吐出ヘッド）１０について図面を参照して説明する。図２は、図１に示したインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドカートリッジに備えられた記録ヘッド１０の一部を破断した斜視図である。図３は、図２のIII−III線に沿う断面のうちの一部を示す断面図である。

この記録ヘッド１０は、オリフィスプレート１２が流路構成部材１５を挟んで基板１３に接合されることで形成されている。記録ヘッド１０はインク供給口（液体供給口）１１を有しており、このインク供給口１１に対しインクが供給される。

インク供給口１１は、基板１３を貫通するように形成されている。本実施形態においては、インク供給口１１は、基板１３の裏面すなわちインク供給路の上流側から、表面すなわちオリフィスプレート１２が配置される側の面へ向かうにつれて開口幅が狭まるように形成されている。本実施形態では、基板１３はＳｉで形成されている。しかし、基板１３は、ガラス、セラミックス、プラスチックあるいは金属等から形成されていても良い。基板１３が流路構成部材の一部として機能し、後述する発熱素子、インク流路及び吐出口を形成する材料層の支持体として機能し得るのであれば、特に限定されるものではない。

オリフィスプレート１２における記録媒体と対向することになる面には、複数の吐出口１４が形成されている。また、オリフィスプレート１２、流路構成部材１５及び基板１３によって、各吐出口１４にそれぞれ連通する複数のインク流路１６と、インク供給口１１から供給されるインクを貯留してインク流路１６に分配する共通液室１７とが画成される。各インク流路１６の共通液室１７側端部とは逆側の端部にはエネルギー作用室としての発泡室１９が具えられている。そして、エネルギー作用室内部としての発泡室１９内部には、吐出されるべきインクが、インク供給口１１から供給されて貯留されている。

また、記録ヘッド１０は、インク吐出圧力発生素子としての発熱素子１８を具えている。基板１３には、発熱素子１８が所定のピッチで２列に並んで配置されている。発熱素子１８は、吐出口１４に対向して発泡室１９に配置され、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生させ、発泡室１９の内部に貯留されたインクに対してその熱エネルギーを付与する。そして、オリフィスプレート１２に形成されている吐出口１４は、基板１３に配置されている発熱素子１８に対応して形成されている。すなわちインクは、発熱素子１８によって熱が加えられて膜沸騰による気泡が生成されることで、その気泡による発泡圧によって運動エネルギーが与えられ、吐出口１４から吐出される。本実施形態では、吐出口１４は、発熱素子１８の間隔に対応して千鳥状に６００ｄｐｉのピッチで各列３８４個ずつ、２列で合計７６８個配列されている。

図４にインク供給口１１からのインク流路の平面図を示す。また、図５に、図４におけるＶ−Ｖ線に沿う断面図を示す。発熱素子１８の大きさとしては、インク供給口１１から吐出口１４に向かう方向に対する長さＬが２１．２μｍであり、インク供給口１１から吐出口１４に向かう方向に対して直交する方向に２０．４μｍの長さを有している。インク流路１６の高さは１６μｍである。インク流路１６の発熱素子１８が配置された底面からオリフィスプレート１２の吐出口面までの高さＯＨは２６μｍであり、各吐出口１４の直径は１３．５μｍである。また、発泡室の幅ＨＷは２５μｍ、発泡室長さＨＨは２６μｍ、発熱素子中心から流路先端までの距離ＨＳは３１μｍである。本実施形態で用いられているインクの物性値は、表面張力＝３２ｄｙｎ/ｃｍ、粘度＝３．０ｃｐｓ、密度＝１．０６ｇ/ｍｌである。なお、使用されるインクとしては、上記の物性値を有したインクに限定されない。

吐出口１４の中心Ｏ２が、発熱素子１８の中心Ｏ１に対して発泡室１９に対してインクが供給される方向にずらされて吐出口１４及び発熱素子１８が配置されている。本実施形態では、吐出口１４の中心Ｏ２は、発熱素子１８の中心Ｏ１に対して３μｍ発泡室１９の奥側へずらされて配置（オフセット）されている。この発熱素子１８の中心Ｏ１に対する吐出口１４の中心Ｏ２のずれ量を、図４にｌで示す。

また、吐出口１４は、発泡室１９における、発泡室１９に対してインクが供給される方向上の端部における壁面である発泡室奥側壁２４に接触せずに配置されている。そして、吐出口１４は、その全ての領域で発泡室１９に連通している。

発泡室１９内部のインク吐出のための発熱素子１８による気泡の生成過程では、発熱素子１８の全ての領域が気泡の生成に寄与するわけではない。この発熱素子１８のうち、気泡の生成に寄与する有効発泡領域２０を以下に説明する。本実施形態に用いられる発熱素子１８の断面図を図６に示す。発熱素子１８は、発熱素子層２５上に、２層の保護層２１、２２を有している。発熱素子１８は、短時間に大きな温度の上昇及び下降にさらされ、さらに後述するキャビテーションの発生がもたらす機械的衝撃が加わるなど、厳しい環境に置かれている。このように、厳しい環境から発熱素子１８の表面を保護するために、機械的安定性の高い金属であるタンタル（Ｔａ）等により形成された保護層２１、２２が発熱素子１８の共通液室１７に面する側の表面に形成されている。

発熱素子１８には、これに通電させるためのＡｌ配線２３が接続されている。発泡室１９内における発熱素子１８の周辺では、発熱素子１８に接するインクが全て発泡するのではない。発熱素子１８の保護層２１、２２を面方向に熱が伝わってゆく過程で発熱素子１８の周辺に熱が逃げたり、また特に熱伝導率の高いＡｌ配線２３部分へ熱が伝わったりすることにより、発熱素子１８の外周部分でインクの沸点を上回らない部分が存在する。従って、発熱素子１８の全ての領域で気泡を生成するわけではなく、インクの沸点を上回った温度を有する部分のみで気泡を生成する。従って、気泡の沸点を上回り発泡温度まで達して気泡の生成に寄与する領域は、発熱素子１８全体の面積よりも小さくなる。この、インクの沸点を上回る温度を有し、気泡の生成に寄与する領域を、有効発泡領域２０とする。

そして、吐出口１４の少なくとも一部が発熱素子１８における実質的に気泡Ｂの生成に寄与する有効発泡領域２０の外側に位置している。

本実施形態による発熱素子１８上の発泡現象を観察したところ、有効発泡領域２０は、発熱素子１８全体よりも２μｍ内側の領域であることが分かった。従って、本実施形態では発泡領域はインク供給口から吐出口に向かう方向に１７．２（＝２１．２−４．０）μｍであり、インク供給口から吐出口に向かう方向に対して直交する方向に１６．４（＝２０．４−４．０）μｍの長さを有している。また、図４に示される発熱素子１８の中心Ｏ１から発泡室奥側壁方向の発泡領域までの距離ｈは、８．６μｍである。また、吐出口１４の中心Ｏ２は発熱素子１８の中心Ｏ１から発泡室奥側へオフセットされている長さｌは３μｍであるので、発熱素子１８の中心Ｏ１から吐出口１４の発泡室奥側への距離ｋは、３＋（１３．５／２）＝９．７５μｍである。そして、本実施形態においては、発泡室１９におけるインク供給口１１から遠い側の端部にある発泡室奥側壁２４から発熱素子１８における有効発熱領域２０の奥側の端部までの距離ｄは、４．４μｍである。また、本実施形態では、発熱素子１８の中心Ｏ１から吐出口１４の奥側の端部までの距離ｋが、発熱素子１８の中心Ｏ１から有効発泡領域２０の奥側の端部までの距離ｈよりも大きな長さを有している。このように、有効発泡領域２０から吐出口１４が奥側に突出しているような位置関係を有して発熱素子及び吐出口１４が配置されている。

次に、本実施形態における記録ヘッド１０からのインクの吐出について説明する。本実施形態でのインクの吐出工程を説明するための説明図を図７（ａ）〜（ｆ）に示す。図７（ａ）〜（ｆ）は、それぞれインク供給口１１からのインク流路１６を時間の経過ごとに示す断面図である。

図７（ａ）に示されるように、吐出口１４からインクを吐出する際には、まず発熱素子１８を通電させて発熱させ、気泡Ｂを生成する。このとき、気泡Ｂが生成される段階においては、発熱素子１８における有効発泡領域２０でのみ気泡Ｂが生成されることになる。そして、そこから気泡Ｂが成長し、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示されるように、インクを発泡圧によって吐出する。気泡Ｂの成長においては、体積が最大となるところでその成長がいったん止まる。この気泡Ｂの成長の際、発泡室１９における発泡室奥側壁２４付近のインクは、壁面に近いので移動し難い。従って、気泡Ｂは、発泡室奥側壁２４に向かう方向には成長し難く、その分、気泡Ｂはインク供給口１１に向かう方向に成長することになる。これにより、気泡Ｂの形状は、発熱素子１８から発泡室奥側壁２４に向かう方向には短く、インク供給口１１に向かう方向にはインク流路１６に沿って長い形状を有することになる。

そして、図７（ｃ）に示されるように、気泡Ｂが最大体積に達した後は体積減少に転じることになる。このとき、気泡Ｂが体積減少に転じるのと略同時に、吐出口１４内における吐出される主滴の液柱の根本部外周の液面が凹状となり、液面にメニスカスＭが形成されるようになる。インクが吐出されると発泡室１９内部のインクの量が減少することから、吐出口１４の外でインクの逆流が生じ、メニスカスＭが発泡室１９の方へ移動する。インクが逆流することによりメニスカスＭはさらに発泡室１９内部の方へ進み、図７（ｄ）に示されるように、メニスカスＭが発泡室１９の内部に入り込む。また、それと共に気泡Ｂの収縮が進み、メニスカスＭの液面と気泡Ｂとが近接するようになる。このとき、メニスカスＭにおける液面の近くに存在するインクは発泡室１９の内部に引き込まれているので、メニスカスＭが移動すると共に、気泡ＢとメニスカスＭとの間にあるインク及び気泡ＢをメニスカスＭの移動方向に押し込み、気泡Ｂを凹ませる。このときのメニスカスＭの移動速度は、気泡Ｂの収縮速度よりも速い。

そして、図７（ｅ）に示されるように、メニスカスＭが気泡Ｂに追いつき、吐出口から発泡室１９内に移動した液面Ｍが生成された気泡Ｂと接触し一体化する。従って、メニスカスＭの外部である大気と気泡Ｂとが連通する。本実施形態は、気泡Ｂが最大体積に成長した後の体積減少段階で初めて気泡Ｂと大気とが連通する吐出方式である。ここで、発熱素子１８の中心Ｏ１よりもインク供給口１１とは逆側、即ち発泡室奥側壁２４の方にずれた位置で気泡Ｂと大気とが連通する。そして、図７（ｆ）に示されるような状態から、気泡Ｂが大気に連通したままインクが発泡室内に再充填され、大気と連通した気泡Ｂを形成する空気が吐出口１４から外部に排出されて消泡していく。このとき、気泡Ｂは大気と連通しているので、その圧力は大気と同程度である。

本実施形態では、吐出口１４における発泡室奥側壁２４に向かう方向にある奥側の端部が有効発泡領域２０よりも奥側に存在するように、吐出口１４及び発熱素子１８の位置関係が構成されている。従って、メニスカスＭと気泡Ｂとが一体化して大気と気泡Ｂとが連通する位置は、気泡Ｂにおける発熱素子の中心Ｏ１に近い位置ではなく、その位置よりも気泡Ｂの奥側に偏った位置で連通することになる。つまり本実施形態においては、発熱素子１８の中心Ｏ１よりも発泡室奥側壁２４の方にずれた位置で気泡Ｂと大気とが連通する。気泡Ｂの外周部分で大気と連通することになるので、気泡Ｂが発泡室奥側壁２４の側とインク供給口１１側とに分断され難くなる。これにより、従来生じていた気泡Ｂの分によるキャビテーションの発生を抑制することができ、記録ヘッド１０の耐久性を向上させることができる。

（第二実施形態）
次に、図８を用いて、第二実施形態の記録ヘッド１０'について説明する。なお、上記第一実施形態と同様に構成できる部分については図中同一符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図８に第二実施形態におけるインク供給口１１からのインク流路１６の平面図を示す。発熱素子１８の大きさとしては、インク供給口１１から吐出口１４に向かう方向に対する長さＬが２１．２μｍであり、インク供給口１１から吐出口１４に向かう方向に対して直交する方向に２０．４μｍの長さを有している。インク流路１６の高さは１６μｍである。インク流路１６の発熱素子１８が配置された底面からオリフィスプレート１２の吐出口面までの高さＯＨは２６μｍであり、各吐出口１４の直径は１３．５μｍである。また、発泡室の幅ＨＷは２３μｍ、発泡室長さＨＨは２３．２μｍ、発熱素子１８の中心Ｏ１からインク供給口１１までの距離ＨＳは３１μｍである。そして、第一実施形態と同様に第二実施形態においても、吐出口１４の中心Ｏ２の発熱素子１８の中心Ｏ１に対するオフセットされたずれ量ｌは３μｍである。吐出口１４の中心Ｏ２は、発熱素子１８の中心Ｏ１から発泡室奥側壁２４の方にオフセットされて配置されている。

本実施形態においては、発熱素子１８の有効発泡領域２０におけるインク供給口１１から遠い側の端部から発泡室奥側壁２４までの距離ｄを３．０μｍとしている。ここで、本実施形態の記録ヘッド１０'においては、有効発泡領域２０と発泡室奥側壁２４との間の距離ｄが、第一実施形態の記録ヘッド１０に比べて小さくはなっているが、まだ十分に取れている。

本実施形態においても、気泡と大気とが連通する位置をずらすために、発熱素子１８の中心Ｏ１から吐出口１４の奥側端部までの距離ｋを発熱素子１８の中心Ｏ１から有効発泡領域２０の奥側端部までの距離ｈよりも長くしている。このように、有効発泡領域２０から吐出口１４が奥側に突出しているような位置関係を有している位置関係を前提としている。そして、本実施形態においては、その位置関係を維持したまま距離ｄが３．０μｍの長さを確保している。従って、吐出口１４が発熱素子１８に対してずれたまま、吐出口１４の奥側の端部から発泡室奥側壁２４までの距離ｒが十分に確保されている。従って、吐出口１４の周囲のインクのうち、発泡室奥側壁２４の壁面に近い部分に存在するインクが、壁面との間の摩擦抵抗によって移動が妨げられることを抑えることができる。その結果、インクが吐出口１４から吐出された後のメニスカスの移動の際に、発泡室奥側壁２４の壁面に近いインクの移動が妨げられることでメニスカスＭの移動量が偏ることを防ぐことができる。

ここで、第二実施形態におけるインクの吐出について、比較例を用いて検討する。以下、第二実施形態の記録ヘッド１０'と比較するための比較例について説明する。

図９（ａ）〜（ｆ）に比較例１の吐出工程を説明するための説明図を示す。比較例１の記録ヘッドと第二実施形態の記録ヘッド１０'との相違点は、比較例１の記録ヘッドの発泡室１９におけるインク供給口１１から発泡室奥側壁２４に向かう方向の長さＨＨが２２．５μｍと短く形成されていることである。また、それに伴い、発泡室奥側壁２４から有効発泡領域２０における奥側の端部までの距離ｄが２．７μｍと、短く形成されていることである。

図９（ａ）に示されるように、記録信号等に基づいた発熱素子１８への通電に伴い発熱素子１８上に気泡Ｂが生成される。このとき、気泡Ｂは急激に体積が膨張して成長し、これによって発生する発泡圧によって吐出口１４からインクが吐出される。そして、図９（ｂ）に示されるように、気泡は最大体積に達する。次に、図９（ｃ）に示されるように、気泡Ｂが体積減少に転じる。そして、これと略同時に吐出口１４内の液面が凹状に変形し、メニスカスＭの形成が始まる。そして、このメニスカスＭが発熱素子１８の方へ移動していく。ここまでは第一実施形態及び第二実施形態の記録ヘッドと同様である。

吐出口１４内で形成されたメニスカスＭは、発泡室１９の内部へ移動する。ここで、比較例１では、発泡室奥側壁２４から有効発泡領域２０における奥側の端部までの距離ｄが２．７μｍと短く形成されているので、吐出口１４の奥側の端部が発泡室奥側壁２４に近接している。従って、吐出口１４の奥側の端部付近のインクに対して、発泡室奥側壁２４の壁面との間で摩擦抵抗が作用し、そこの部分にあるインクが移動し難い状態にある。そのため、メニスカスＭの発熱素子１８の方への移動量において、奥側とインク供給口１１側との間で差が生じ、メニスカスＭの形状がインク供給口１１側に偏ってしまう。メニスカスＭがインク供給口１１側に偏っているので、吐出口１４の中心Ｏ２が発熱素子１８の中心Ｏ１に対して発泡室奥側壁２４側にずれて配置されている効果が相殺されてしまい、メニスカスＭと気泡Ｂとが気泡Ｂの中央部に近い位置で連通することになる。これにより、気泡Ｂの中央部に近い部分が環状に変形して凹み、気泡Ｂが分断される可能性が高くなる。それに伴い、キャビテーションが発生する可能性も高くなる。比較例１では、図９（ｅ）に示されるように、気泡Ｂが分断されて発泡室１９内に残っている。そして、この分断されて気泡Ｄが残ることによりキャビテーションが発生し、図９（ｆ）に示されるように消泡する際に、分断された気泡Ｄが崩壊することで発熱素子１８等の周囲の壁面に対して衝撃を与え、損傷させることがある。このように、比較例１の記録ヘッドでは、発泡室奥側壁２４から有効発泡領域２０における奥側の端部までの距離ｄが２．７μｍと短すぎることに起因してキャビテーションが発生し、記録ヘッドの耐久性を低下させる可能性がある。

ここで、第一実施形態、第二実施形態、比較例１及び比較例２についての記録ヘッドを用いて耐久試験を行った結果を表１に示す。表１は、発泡室奥側壁２４及び発熱素子１８の位置関係とキャビテーションの有無との関係を調べた実験結果である。比較例２は、比較例１よりもさらに発泡室１９のインク供給口１１から発泡室奥側壁２４に向かう方向の長さＨＨが短く形成され、ＨＨが２２．０μｍである。また、これに伴い、発泡室奥側壁２４から有効発泡領域２０における奥側の端部までの距離ｄが２．４μｍと、さらに短く形成されている。

第一実施形態では発泡室奥側壁２４から有効発泡領域２０における奥側の端部までの距離ｄが４．４μｍであり、第二実施形態では距離ｄが３．０μｍである。また、比較例１では、距離ｄは２．７μｍであり、比較例２では距離ｄは２．４μｍである。実験結果から、比較例１、２ではキャビテーションの発生が耐久試験後に観察された。対照的に、第一実施形態、第二実施形態の記録ヘッドによれば、キャビテーションの発生は観察されなかった。

以上から、発泡室１９における発泡室奥側壁２４と、発熱素子１８の有効発泡領域２０におけるインク供給口１１から遠い側の端部との間の距離ｄは、３μｍ以上が有効とされる。発泡室奥側壁２４から有効発泡領域２０における奥側の端部までの距離ｄを３μｍ以上とすれば、メニスカスＭの形状がインク供給口１１側へ偏ってずれてしまうことを低減し、気泡の分断を抑えることができる。従って、キャビテーションの発生を抑えることができ、記録ヘッドの耐久性を向上させることができる。

（第三実施形態）
次に、図１０を用いて、第三実施形態の記録ヘッド１０''について説明する。なお、上記第一実施形態と同様に構成できる部分については図中同一符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図１０に第三実施形態におけるインク供給口１１からのインク流路１６の平面図を示す。発熱素子１８の大きさとしては、インク供給口１１から吐出口１４に向かう方向に対する長さＬが２１．２μｍであり、インク供給口１１から吐出口１４に向かう方向に対して直交する方向に２０．４μｍの長さを有している。インク流路１６の高さは１６μｍである。インク流路１６の発熱素子１８が配置された底面からオリフィスプレート１２の吐出口面までの高さＯＨは２６μｍであり、各吐出口１４の直径は１３．５μｍである。また、発泡室の幅ＨＷは２５μｍ、発泡室長さＨＨは２６μｍ、発熱素子１８の中心Ｏ１からインク供給口１１までの距離ＨＳは３１μｍである。そして、本実施形態においては、発泡室１９に対してインクが供給される方向に関し、吐出口１４の中心Ｏ２を、発熱素子１８の中心Ｏ１に対してインク供給口１１の方（図１０の矢印Ａ側）へずらして吐出口１４及び発熱素子１８が配置されている。オフセットされているずれ量ｌは、３μｍである。吐出口１４の中心Ｏ２は、発熱素子１８の中心Ｏ１から発泡室奥側壁２４の方にオフセットされて配置されている。第三実施形態の記録ヘッド１０'と第三実施形態の記録ヘッド１０''との相違点は、吐出口１４の中心Ｏ２が発熱素子１８の中心Ｏ１に対して、発泡室奥側壁２４の方ではなくインク供給口１１方へずれていることである。

また、吐出口１４は、発泡室１９における壁面には接触せずに配置され、吐出口１４の全ての領域で発泡室１９に連通している。概ね、発泡室１９におけるインク供給口１１側には壁は形成されていないのであるが、インク流路１６の形状によってはインク供給口１１と発泡室１９との間の流路が狭められている記録ヘッドも考えられる。インク供給口１１と発泡室１９との間の流路が狭い記録ヘッドを用いた場合に吐出口１４をインク供給口１１側にずらした結果、吐出口１４がインク流路１６を画成する壁面にかかってしまうような場合も考えられる。従って、そうならないように、吐出口１４は発泡室１９における壁面には接触せずに配置され、吐出口１４の全ての領域が発泡室１９に連通するように吐出口１４が形成されることとする。

ここで、第三実施形態における記録ヘッド１０''を用いたインクの吐出について説明する。図１１（ａ）〜（ｆ）に、第三実施形態における記録ヘッド１０''の吐出工程を説明するための説明図を示す。

図１１（ａ）に示されるように、記録信号等に基づいた発熱素子１８への通電に伴い発熱素子１８上に気泡Ｂが生成される。このとき、気泡Ｂは急激に体積が膨張して成長し、これによって発生する発泡圧によって吐出口１４からインクが吐出される。そして、図１１（ｂ）に示されるように、気泡は最大体積に達する。次に、図１１（ｃ）に示されるように、気泡Ｂが体積減少に転じる。そして、これと略同時に吐出口１４内の液面が凹状に変形し、メニスカスＭの形成が始まる。そして、このメニスカスＭが発熱素子１８の方へ移動していく。ここまでは第一実施形態及び第二実施形態の記録ヘッドと同様である。

次に、図１１（ｄ）に示されるように、メニスカスＭが発熱素子１８の方向への移動することにより、メニスカスＭと気泡Ｂとの間に存在するインクが発熱素子１８の方向に押し込まれる。これにより、気泡ＢにおけるメニスカスＭに近接した部位が発熱素子１８の方に凹み、変形することになる。このとき、気泡Ｂは中央部に近い部位で大気と連通するので、気泡Ｂは中央部が環状になるくらいに凹んで大きく変形する。そして、気泡Ｂの変形量が大きくなっていき、吐出口１４から発泡室１９内に移動したメニスカスＭが生成された気泡Ｂと接触して一体化する。これにより、気泡Ｂと大気とが連通することになる。本実施形態では、気泡ＢとメニスカスＭとが一体化して連通した際には、図１１（ｅ）に示されるように、気泡Ｂが分断されている。

本実施形態においては、吐出口１４の中心Ｏ２が発熱素子１８の中心Ｏ１よりもインク供給口１１側にずれて配置されているので、発熱素子１８の中心Ｏ１よりもインク供給口１１に近い位置で気泡Ｂと大気とが連通することになる。従って、第一実施形態及び第二実施形態で用いられている記録ヘッドはもちろん、従来用いられている記録ヘッドよりも気泡Ｂにおけるさらに中央に近い部位で気泡Ｂと大気とが連通することになる。従って、気泡Ｂと大気とが連通する際には、気泡Ｂが大きく凹み、気泡Ｂが分断されることになる。そして、分断された側の気泡Ｄの大きさは、第一実施形態及び第二実施形態で用いられている記録ヘッドはもとより、従来の記録ヘッドのものよりも大きなものとなる。従って、分断された側の気泡は、分断気泡Ｄとして一時的に発生して発泡室１９内に存在することになるが、この分断気泡Ｄはかなりの大きさを有しているので、消泡されるまでに十分な時間を要することになる。これにより、分断された気泡Ｄが、消泡される前に、メニスカスと一体化し、大気と連通することが可能となる。本実施形態では、図１１（ｆ）に示されるように、気泡Ｂが大気と連通する際に、分断された気泡Ｄが大きさを有したまま残ることでキャビテーションが発生せずに消泡されている。このように、分断された気泡Ｄを大きくすることにより消泡するまでの時間を長くし、これによって分断された気泡Ｄを大気と連通させてキャビテーションの発生を抑えている。従って、キャビテーションの発生が抑えられるので、記録ヘッド１０''の耐久性を向上させている。

表２に、吐出口１４の中心Ｏ２からの発熱素子１８の中心Ｏ１のずれ量ｌとキャビテーションの発生の有無を調べた結果を示す。表２においては、第三実施形態の記録ヘッド１０''と比較例３、４、５とを比較している。ここで、比較例３、４、５について説明する。第三実施形態の記録ヘッド１０''と比較例３、４、５の記録ヘッドとの相違点は、吐出口１４の中心Ｏ２からの発熱素子１８の中心Ｏ１のずれ量ｌと、発泡室１９の長さＨＨである。ずれ量ｌに関しては、比較例３は１．０μｍであり、比較例４は０であり、比較例５は０．５μｍである。また、発泡室１９の長さＨＨに関しては、比較例３は２５．０μｍであり、比較例４は２２．５μｍであり、比較例５は２２．０μｍである。

表２についての検討結果を以下に述べる。吐出口中心を１．０μｍインク供給口１１側にずらした比較例３では、キャビテーションは発生しなかった。これに対して、吐出口１４の中心Ｏ２と発熱素子１８の中心Ｏ１とが一致した比較例４では、キャビテーションが発生した。また、吐出口１４の中心Ｏ２を発熱素子１８の中心Ｏ１に対してインク供給口１１側に０．５μｍずらした比較例５でも、キャビテーションが発生した。

このことから、吐出口中心を１．０μｍインク供給口側にずらした比較例３では、分断された気泡Ｄは十分に大きくなるので、分断気泡Ｄが大気と連通するのに十分な時間を得ることができる。従って、ずれ量ｌが１．０μｍでは、分断気泡Ｄは、大気に連通するのに十分な大きさを有していることになる。

また、吐出口１４の中心Ｏ２と発熱素子１８の中心Ｏ１とが一致した比較例４では、分断された気泡Ｄの大きさが十分ではなく、大気に連通する前に消泡することになる。従って、分断された気泡Ｄが大気と連通せずに崩壊し、その際に発熱素子１８の表面等に損傷を与え得る。表２に示される試験においても、比較例４の結果において、キャビテーション痕が確認された。

また、吐出口１４の中心Ｏ２からの発熱素子１８の中心Ｏ１のずれ量ｌが０．５μｍの比較例５においてもキャビテーション痕が確認された。このことから、吐出口１４の中心Ｏ２を発熱素子１８の中心Ｏ１に対してインク供給口１１側にずらしたとしても、そのずれ量ｌが０．５μｍの場合はずれ量ｌが不足していることになるので、キャビテーションが発生することが確認された。ずれ量ｌが０．５μｍ以下であれば、分断される気泡Ｄの大きさが十分ではなく、大気と連通する前に分断された気泡Ｄが崩壊して周囲の壁面に衝撃を与え得る。

このように、吐出口１４の中心Ｏ２からの発熱素子１８の中心Ｏ１のずれ量ｌが１μｍ以上であれば、分断される気泡Ｄの大きさが十分に確保され、大気に連通し易くなり、キャビテーションの発生が抑制される。従って、記録ヘッドの壁面への損傷が抑えられるので、記録ヘッドの耐久性を向上させることができる。

（他の実施形態）
なお、本発明の液体吐出ヘッドは、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などの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に搭載可能である。そして、この液体吐出ヘッドを用いることによって、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど種々の記録媒体に記録を行うことができる。なお、本明細書内で用いられる「記録」とは、文字や図形などの意味を持つ画像を記録媒体に対して付与することだけでなく、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも意味することとする。

さらに、「インク」または「液体」とは、広く解釈されるべきものであり、記録媒体上に付与されることによって、画像、模様、パターン等の形成、記録媒体の加工、或いはインクまたは記録媒体の処理に供される液体を言うものとする。ここで、インクまたは記録媒体の処理としては、例えば、記録媒体に付与されるインク中の色材の凝固または不溶化による定着性の向上や、記録品位ないし発色性の向上、画像耐久性の向上などのことを言う。

本発明の第一実施形態に係る記録ヘッドを用いたインクジェット記録装置の斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る記録ヘッドの一部を破断した斜視図である。 図２の記録ヘッドにおけるIII−III線に沿う断面図である。 図３の記録ヘッドにおけるIV−IV線に沿う断面図である。 図４の記録ヘッドにおけるV−V線に沿う断面図である。 図４の発熱素子の断面図である。 図４の記録ヘッドにおけるインク吐出を説明するための説明図である。 本発明の第二実施形態に係る記録ヘッドの要部の断面図である。 比較例１の記録ヘッドにおけるインク吐出を説明するための説明図である。 本発明の第三実施形態に係る記録ヘッドの要部の断面図である。 図１０の記録ヘッドにおけるインク吐出を説明するための説明図である。 従来の記録ヘッドにおけるインク吐出を説明するための説明図である。

符号の説明

１０ 記録ヘッド
１１ インク供給口
１４ 吐出口
１８ 発熱素子
１９ 発泡室
２４ 発泡室奥側壁
Ｏ１ 発熱素子中心
Ｏ２ 吐出口中心
Ｂ 気泡
Ｄ 分断気泡
Ｍ メニスカス

Claims (6)

1. 液体供給口から液体が供給され、液体を吐出するための吐出口に連通するエネルギー作用室と、
   前記吐出口に対向して前記エネルギー作用室に配置され、液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生する発熱素子と、
   を具え、前記熱エネルギーによって気泡が生成されることで前記吐出が行われるとともに、
   前記気泡が最大体積に成長した後の体積減少段階で初めて前記気泡と大気とが連通する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記エネルギー作用室に対して液体が供給される方向に関し、前記吐出口の中心が前記発熱素子の中心に対して前記方向にずれて前記吐出口及び前記発熱素子が配置され、前記吐出口の少なくとも一部が前記発熱素子における前記気泡の生成に寄与する有効発泡領域の外側に位置し、
   前記エネルギー作用室における前記方向上の端部における壁面と、前記発熱素子の前記有効発泡領域における前記液体供給口から遠い側の端部との間の距離が３μｍ以上あることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記吐出口は、前記エネルギー作用室における前記方向上の端部における壁面に接触せずに配置され、前記吐出口の全ての領域で前記エネルギー作用室に連通していることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 液体供給口から液体が供給され、液体を吐出するための吐出口に連通するエネルギー作用室と、
   前記吐出口に対向して前記エネルギー作用室に配置され、液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生する発熱素子と、
   を具え、前記熱エネルギーによって気泡が生成されることで前記吐出が行われるとともに、
   前記気泡が最大体積に成長した後の体積減少段階で初めて前記気泡と大気とが連通する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記エネルギー作用室に対して液体が供給される方向に関し、前記吐出口の中心を前記発熱素子の中心に対して前記液体供給口の方へ１μｍ以上ずらして前記吐出口及び前記発熱素子が配置されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
4. 前記吐出口は、前記エネルギー作用室における壁面には接触せずに配置され、前記吐出口の全ての領域で前記エネルギー作用室に連通していることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 液体供給口から供給されてエネルギー作用室の内部に貯留された液体に対して発熱素子によって熱エネルギーを付与し、
   前記発熱素子によって熱が加えられて気泡が生成されることで前記気泡による発泡圧によって運動エネルギーが与えられて液体が吐出口から吐出され、
   前記気泡は、最大体積に成長した後の体積減少段階で初めて前記気泡と大気とが連通することによって前記エネルギー作用室内部の液体を吐出する液体吐出ヘッドによる液体吐出方法において、
   前記吐出口の中心に対して前記液体供給口とは逆側にずれて位置した中心を有する前記発熱素子によって液体に熱が加えられて前記気泡が生成され、
   前記吐出口からエネルギー作用室内に移動した液面が、生成された前記気泡と接触することで前記気泡と大気とが連通し、
   前記発熱素子の中心よりも前記液体供給口とは逆側にずれた位置で前記気泡と大気とが連通することを特徴とする液体吐出方法。
6. 液体供給口から供給されてエネルギー作用室の内部に貯留された液体に対して発熱素子によって熱エネルギーを付与し、
   前記発熱素子によって熱が加えられて気泡が生成されることで前記気泡による発泡圧によって運動エネルギーが与えられて液体が吐出口から吐出され、
   前記気泡は、最大体積に成長した後の体積減少段階で初めて前記気泡と大気とが連通することによって前記エネルギー作用室内部の液体を吐出する液体吐出ヘッドによる液体吐出方法において、
   前記吐出口の中心に対して前記液体供給口の方へずれて位置した中心を有する前記発熱素子によって液体に熱が加えられて前記気泡が生成され、
   前記吐出口から前記エネルギー作用室内に移動した液面が、生成された前記気泡と接触することで前記気泡と大気とが連通し、
   前記発熱素子の中心よりも前記液体供給口に近い位置で前記気泡と大気とが連通することを特徴とする液体吐出方法。

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