JP2017100374A - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャビテーションによる発熱素子への影響を抑えることを可能にする大気と連通しない方式の液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】発泡室５と、発泡室に臨む面に配置され、発泡室の内部に保持された液体を加熱することが可能な発熱素子１と、発泡室が保持し加熱された液体を吐出するための吐出口２と、吐出口と発泡室の間で液体を通じさせる吐出部と、発泡室に液体を供給する液体供給口と、発泡室における液体の流れの抵抗となる流路抵抗体９と、を具え、発熱素子における液体の供給される方向に沿う長さをＬとするとき、液体の吐出される方向に沿って見たときに、吐出口の重心の位置が、発熱素子の重心の位置よりも、インクの供給される方向にＬ／３．５以上離れており、吐出部における液体の吐出される方向に沿った長さをｌ、発泡室における液体の吐出される方向に沿った長さをｈとするとき、ｌ／ｈが２以下である。【選択図】図４

Description

本発明は、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置に関し、詳しくは、インク等の液体を吐出する液体吐出ヘッドにおけるキャビテーションによる発熱素子への影響を低減する技術に関するものである。

発熱素子を用いてインクを吐出する方式では、発熱素子画発生する熱によって液体中に気泡を発生させ、この気泡の圧力によって吐出口から液体を吐出する方式である。この方式では、発熱素子上で発生した気泡がそこで消泡したときにキャビテーションが生じ、それによって発熱素子の寿命を短くするなどの影響を及ぼす場合がある。

これに対して、特許文献１には、吐出口の中心を発熱素子の中心から、発熱素子に対してインクが供給される方向にオフセットした液体吐出ヘッドが開示されている。この液体吐出ヘッドによれば、気泡の消泡過程で気泡が分断されることなく、大気連通させることができる。それによって、分断された気泡によって発熱素子上でキャビテーションが生じることを抑制でき、発熱素子の寿命に対する影響を低減することが可能となる。

特開２０１２−１７９９０２号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている記録ヘッドの吐出構成は、気泡の消泡過程で大気連通する方式のものである。このため、大気と連通しない方式の記録ヘッドでは、キャビテーションを抑制するメカニズムが異なり、特許文献１に開示される技術をそのまま用いることはできない。

本発明は、大気と連通しない方式の液体吐出ヘッドにおいて、キャビテーションによる発熱素子への影響を抑えることが可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、液体をその内部に保持することが可能な発泡室と、前記発泡室に臨む面に配置され、前記発泡室の内部に保持された液体を加熱することが可能な発熱素子と、前記発泡室が保持し加熱された液体を吐出するための吐出口と、前記吐出口と前記発泡室の間で液体を通じさせる吐出部と、前記発泡室に液体を供給する液体供給口と、前記発泡室における液体の流れの抵抗となる流路抵抗体と、を具え、前記発熱素子による加熱によって前記発泡室が保持する液体中に気泡が生成されて液体が吐出され、前記気泡が大気と連通せずに消泡する液体吐出ヘッドであって、前記発熱素子における液体の供給される方向に沿う長さをＬとするとき、液体の吐出される方向に沿って見たときに、前記吐出口の重心の位置が、前記発熱素子の重心の位置よりも、インクの供給される方向にＬ／３．５以上離れており、前記吐出部における液体の吐出される方向に沿った長さをｌ、前記発泡室における液体の吐出される方向に沿った長さをｈとするとき、ｌ／ｈが２以下であることを特徴とする。

以上の構成によれば、大気と連通しない方式の液体吐出ヘッドにおいて、キャビテーションによる発熱素子への影響を抑えることが可能となる。

本発明の液体吐出装置の一実施形態に係るインクジェット記録装置を示す斜視図である。 図１に示した本実施形態の記録ヘッドを一部破断で示す斜視図である。 図２における記録ヘッドにおけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 本発明の第１実施形態に係る、記録ヘッドの流路構造における、吐出口と発熱素子との位置関係を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、第１実施形態における記録ヘッドによるインクの吐出の際の気泡の消泡過程を時系列的に説明するための模式的な断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図５（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ対応する気泡の消泡過程を流路構造の側面から見た断面図である。 図７（ａ）〜（ｃ）は、複数の比較例についての、それぞれの記録ヘッドにおける流路の構造を示す模式的な断面図である。 比較例１におけるインクの吐出が行われる際の気泡の状態について、上方から見て時系列に示した断面図である。 比較例１におけるインクの吐出が行われる際の気泡及びメニスカスの状態について、側面から見て時系列に示した断面図である。 比較例２におけるインクの吐出が行われる際の気泡の状態について、上方から見て時系列に示した断面図である。 比較例２におけるインクの吐出が行われる際の気泡及びメニスカスの状態について、側面から見て時系列に示した断面図である。 比較例３におけるインクの吐出が行われる際の気泡の状態について、上方から見て時系列に示した断面図である。 比較例３におけるインクの吐出が行われる際の気泡及びメニスカスの状態について、側面から見て時系列に示した断面図である。 比較例４におけるインクの吐出が行われる際の気泡の状態について、上方から見て時系列に示した断面図である。 比較例４におけるインクの吐出が行われる際の気泡及びメニスカスの状態について、側面から見て時系列に示した断面図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る記録ヘッドの吐出口の周辺の状態を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る記録ヘッドの吐出口の周辺の状態を示す断面図である。 比較例５におけるインクの吐出が行われる際の気泡の状態について、上方から見て時系列に示した断面図である。 比較例６におけるインクの吐出が行われる際の気泡の状態について、上方から見て時系列に示した断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の液体吐出装置の一実施形態に係るインクジェット記録装置を示す斜視図である。インクジェット記録装置１００１のキャリッジ１００２には、液体吐出ヘッドとしての記録ヘッド１００３と共に、記録ヘッド１００３に供給するインクを貯留したインクカートリッジ１００６が着脱可能に搭載されている。なお、記録ヘッド１００３とインクカートリッジ１００６とは、別体でなく一体に形成されていてもよい。インクカートリッジ１００６は、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、イエロー（Ｙ）、ブラック（Ｋ）の色のインクに対して用意され、キャリッジ１００２にはこの４つのインクカートリッジ１００６が搭載されている。

記録ヘッド１００３は、キャリッジ１００２に搭載されたとき、それぞれの電気接続部を介して装置本体側と電気的に接続される。これにより、記録ヘッド１００３は、本体側からの記録信号に応じてインクを吐出する動作などを行うことができる。記録ヘッド１００３は、図２およびそれ以降の図を参照して後述されるように、複数の吐出口それぞれに対応して発熱素子を備え、この発熱素子が記録信号に応じて発生する熱によってインク中に気泡を生成させて対応する吐出口から液体としてのインクを吐出する。

インクジェット記録装置１００１において、キャリッジ１００２の主走査方向に沿って延びるように、ガイドシャフト１０１３が配置されている。キャリッジ１００２は、ガイドシャフト１０１３によって摺動自在に支持されている。これにより、キャリッジ１００２は、ガイドシャフト１０１３に沿って矢印Ａ方向における移動が案内される。そして、キャリッジ１００２は、キャリッジモータの駆動力が、伝達機構としての駆動ベルト１００７を介して伝えられ、これによってキャリッジ１００２の往復移動が可能となる。以上の構成によって、記録ヘッド１００３が主走査方向へ走査しながらインクの吐出が行われることで、プラテン上の記録媒体Ｐの全幅にわたって記録が行われる。そして、不図示の搬送モータによって駆動される搬送ローラ１０１４と、記録媒体Ｐを搬送ローラ１０１４に当接させるピンチローラ１０１５とによって記録媒体Ｐを搬送方向に沿って搬送することができる。

また、記録ヘッド１００３の移動領域の端部には、吐出口をキャッピングするとともに、記録ヘッド１００３から吐出されるインクを受容可能なキャップ１２２６が配置されている。キャップ１２２６によって記録ヘッド１００３の吐出口をキャッピングした状態で、顔料インクによる予備吐出が行われ、キャップ内でインクが吸引されることで、インクによる予備吐出で吐出されたインクを回収することが可能である。また、記録媒体Ｐの搬送路の外側には、プラテン上で予備吐出が行われた際に吐出されたインクを受容できるプラテン予備吐出位置ホーム１２２４及びプラテン予備吐出位置アウェイ１２２５が配置されている。

図２は、図１に示した本実施形態の記録ヘッドを一部破断で示す斜視図である。また、図３は、図２における記録ヘッドにおけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。

これらの図において、記録ヘッド１００３は、基板３４、流路構成部４及び吐出口プレート８を有しており、基板３４の上に流路構成部４及び吐出口プレート８が設けられている。基板３４には、インク供給室１０及びインク供給口（液体供給口）３が形成されており、インク供給室１０は、基板表面に設けられた開口部のインク供給口３を介して、共通液室６及び液流路７に連通している。基板３４に、流路構成部４及び吐出口プレート８が取り付けられることにより、これらの間に発泡室５が画成される。吐出口プレート８には、発泡室５に保持されたインクを吐出するための外部への開口として吐出口２が形成されている。吐出口プレート８の内部には、発泡室５に貯留されたインクを吐出口２に供給する流路としての吐出部４０が形成されている。吐出部４０によって吐出口２と発泡室５の間でインクを流通させている。

図２に示されるように、基板３４における流路構成部４及び吐出口プレート８の取り付けられた面には、長細い矩形のインク供給口３が形成されている。インク供給口３は基板３４の表面に形成された長溝状の開口部であり、インク供給室１０への開口に相当する。インク供給室１０は、基板３４に溝として設けられ、インク供給口３及び液流路７を介して発泡室５及び吐出口２と連通している。

基板３４における発泡室５に面する位置には、インク吐出に作用する吐出エネルギー発生素子としての発熱素子１が配置されている。発熱素子１は、インク供給口３の長手方向の両側にそれぞれ１列ずつ発熱素子１の間隔が６００ｄｐｉのピッチで配列されている。吐出口プレート８には、発熱素子１に対応して吐出口２が設けられている。基板３４は、流路構成部４の一部として機能し、その材質は、吐出エネルギー発生素子、並びに吐出口２及び後述の流路を形成する材料層の支持体として機能し得るものであれば、特に限定されるものではない。本実施形態では、基板３４としてシリコン基板が用いられている。図３に示されるように、インク供給口３とそれぞれの発泡室５との間には、インク供給口３からそれぞれの発泡室５にインクを導くための液流路７が形成されている。なお、本実施形態では、吐出口プレート８と流路構成部４は同一部材であるが、別の部材であっても同様の効果が得られる。

また、本実施形態では、図３において、流路構成部４の高さｈは２０μｍであり、吐出口プレート８の厚みｌは２３μｍである。発熱素子１から吐出口２を通して吐出されるインク液滴の吐出量は１３ｎｇである。なお、本実施形態では、記録ヘッド１００３は温調部（不図示）により温められていてインクの粘度は約１．７である。

図４は、本発明の第１実施形態に係る、記録ヘッド１００３の流路構造における、吐出口２と発熱素子１などとの位置関係を示す断面図である。図４に示されるように、吐出口２は円形状で、半径１０μｍの円であり、本実施形態では発熱素子１の中心に対する吐出口２の中心のオフセット量はインク供給口３から発泡室５へインクを供給する供給方向（図中矢印で示す方向）に沿って１５μｍである。また、発熱素子１は、上記供給方向に直交する方向に沿った長さが２３．２μｍ、上記供給方向に沿った長さＬが３８．８μｍであり、縦横比が１．６７（＝３８．８／２３．４）の長方形状である。ここで、本実施形態では、円形の吐出口なので、吐出口の中心は、円の中心位置である。また、発熱素子１は、供給方向に沿って長い辺を有した長方形の形状であることから、発熱素子１の中心は、長方形の発熱素子１における対角線の交点として規定される。

さらに、本実施形態の流路構造は、発熱素子１の近傍に流路抵抗体９を備える。流路抵抗体９は、インク供給口３の方向に向かう面の反対側の面が凹形状である。そして、インクの供給方向に直交する方向への長さが６μｍ、インクの供給方向への長さが６μｍであり、発熱素子１の、流路抵抗体９により近い方の端辺から流路抵抗体９の中心までの距離は、５．８５μｍである。従って、発熱素子１の近い方の端辺から、流路抵抗体９の発熱素子１に近い側の液体の接触面までの距離は、２．８５μｍである。尚、２．８５μｍ以下の場合あれば、本実施形態と同様の効果が得られる。また、流路抵抗体９の高さ（図４の図面に対して垂直方向の高さ）は、流路７と同じ高さである。すなわち、流路抵抗体９は流路７の底壁面から上壁面まで延在している。

吐出口２と流路抵抗体９を以上のように配置することにより、発熱素子１の上面におけるキャビテーションおよびそれに伴う、発熱素子１への影響を抑制することができる。そのメカニズムについて以下に説明する。

図５（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態における記録ヘッド１００３によるインクの吐出の際の気泡の消泡過程を時系列的に説明するための模式的な断面図であり、発熱素子１を上から見た図である。また、図６（ａ）〜（ｄ）は、図５（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ対応する気泡の消泡過程を流路構造の側面から見た断面図であり、図５における破線Ａ−Ａ´の断面図である。

先ず、発熱素子１に電圧パルスを供給して発熱させることにより、発熱素子１上で気泡１２０が発生する。すなわち、発熱素子１の発熱により、発泡室５内部のインクが加熱されてインク内で膜沸騰を生じ気泡１２０が生じる。加熱されて発生した気泡１２０が成長し、このときの発泡圧力によって発泡室５に貯留されたインクの一部が吐出口２から吐出される。

このように気泡１２０の体積が一旦増大して最大体積に到達した後は、図５（ａ）および図６（ａ）に示すように、気泡１２０が縮小し始めると、それに伴って、吐出口２に通じる吐出部４０の内部に位置するインクのメニスカス１２３が発泡室５内の方向へ下降する。このとき、流路抵抗体９が発熱素子１に比較的近い位置に配置されていることから、流路抵抗体９の凹部分には、発泡により成長した気泡１２０が満たされている。なお、インク滴が吐出されると、気泡の収縮に伴って吐出された分に対応するインクのリフィルが発泡室５に対して行われる。

図５（ｂ）〜（ｄ）および図６（ｂ）〜（ｄ）は、メニスカス１２３が下降していく過程での気泡１２０が消泡するまでを時系列的に示している。本実施形態では、図４にて上述したように、吐出口２の中心が発熱素子１の中心に対して、インクの供給方向に大きくずれるように吐出口２の位置が定められている。その結果、図６（ｂ）〜（ｄ）に示すように、発熱素子１の発泡室５の壁面に近い奥側の領域からメニスカス１２３が下降して行く。吐出部４０から下降するメニスカス１２３は、発泡室５のインク供給方向と逆方向に向かって曲がり、インク供給口３の方向に向かって偏って変形する。

図６（ｂ）は、メニスカス１２３が吐出部４０を通って発泡室５の中に下降したときの状態を示している。また、図５（ｂ）は、そのときの発熱素子１の直上の面に沿った部分の状態を示している。図５（ｂ）に示すように、メニスカス１２０の下降に伴って、気泡１２０は、発泡室５の壁面に近い奥側の領域が押しつぶされながら気泡収縮していく。一方、このとき、発泡室５のインク供給口３に近い側の領域では、インク供給口３から液流路７を介して発泡室５の内部にインク１２５がリフィルされて行く。しかし、本実施形態の流路構造では、流路抵抗体９の凹状部分に気泡１２０が付着していることから、流路抵抗体９が位置する、流路７の中央部のインク１２５のリフィルが他の部分に比べて遅れる。その結果、気泡１２０は、図５（ｂ）に示すような形状になる。

次に、図６（ｃ）、（ｄ）は、気泡１２０が消泡する直前のときの、気泡１２０とメニスカス１２３の状態を示しており、また、図５（ｃ）（ｄ）は、そのときの発熱素子１の直上の面に沿った部分の状態を示している。本実施形態の流路構造は、上述したとおり、吐出口２の中心が発熱素子１の中心に対して、インクの供給方向に比較的大きくずれるよう、吐出口２が配置されていることから、消泡過程において、気泡１２０は、メニスカス１２３の存在によって分断され難い。これにより、発泡室５の壁面に近い奥側の領域で気泡の分断は発生することがない。また、最終的な消泡は、図５（ｃ）、（ｄ）に示すように、流路抵抗体９の凹状部分の、発熱素子１から外れた場所で大気と連通せずに消泡する。

このように、気泡１２０の消泡位置が流路抵抗体９の影響で発熱素子１から外れた位置で消泡するので、発熱素子１への衝撃が一箇所に集中して作用し続けることを抑えることができる。その結果、発熱素子１に対するキャビテーションによる影響を低減させることができる。

以上から、発泡室５内で気泡１２０を発生させた後に、消泡位置を発熱素子１から外れた位置に移動させるために、次の３つのパラメータＰ１〜Ｐ３を挙げることができる。Ｐ１：発熱素子１の中心と吐出口２の中心との位置ずれ量ｄ（図４参照）、Ｐ２：流路抵抗体９の存在、Ｐ３：流路構成部４の高さｈと吐出口プレート８の厚みｌの比（図３参照）、である。

本願の発明者等は、上記パラメータである、位置ずれ量ｄ、流路抵抗体９の有無、流路構成部４の高さｈと吐出口プレート８の厚みｌの比、がキャビテーションが発生する位置に及ぼす影響を確認するための実験を行った。

実験内容について、図７〜１５を参照して説明する。図７（ａ）〜（ｃ）は、複数の比較例についての、それぞれの記録ヘッドにおける流路７の構造を示す模式的な断面図である。図７（ａ）〜（ｄ）に示す例は、吐出口２の中心と発熱素子１の中心との間の位置ずれ量ｄと、流路抵抗体９の有無、流路構成部４の高さｈと吐出口プレート８との厚みｌの比と、が相互に異なる。

図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、これらの記録ヘッドの位置ずれ量ｄは、図７（ａ）に示す比較例１が０μｍ、図７（ｂ）に示す比較例２が６μｍ、図７（ｃ）に示す比較例３が１５μｍ、図７（ｄ）に示す比較例４が１５μｍである。すなわち、図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の例の値では、吐出口２の中心は、発熱素子１の中心よりもインク供給方向にずれている。図７（ａ）〜（ｄ）に示すそれぞれの例におけるインク吐出時の、流路７内でのキャビテーションの程度と、吐出耐久試験における発熱素子の損傷の有無を確認した。その試験の結果について、表１に示す。表１において、「キャビテーションの程度」は、発熱素子上でキャビテーションが発生していない場合を「○」、軽微であるが発生している場合を「△」、発生によって発熱素子に損傷が生じている場合を「×」、としている。なお、表１には、本実施形態の結果も併せて示している。

表１に示すように、ｌ／ｈが、ｌ／ｈ≦２を満たす比較例１〜３では、ずれ量ｄが大きいほど発熱素子のキャビテーションの程度が良化していき、発熱素子の耐久性が向上していることがわかる。つまり、ｌ／ｈが２以下の場合、吐出口２の中心と発熱素子１の中心との間のずれ量ｄを大きくすることにより、消泡時のキャビテーションによる発熱素子１への負荷を少なくしている。また、第１実施形態のように、ｌ／ｈが２以下となる外、吐出口２の中心と発熱素子１の中心との間のずれ量ｄ（図４）を大きくし、かつ流路抵抗体９を設けることによりさらに耐久性が向上していることがわかる。上記検討結果から、本実施形態の記録ヘッドにおいて、好ましいずれ量ｄの範囲は、発熱素子のインク供給方向に沿った長さＬ（図４）を用いて表すと、ｄ≧Ｌ／３．５であることが分かっている。比較例２と比較例３の間で、キャビテーションの程度が×の領域となる位置ずれ量ｄを検討したところ、約１１μｍ（＝発熱素子の長辺長さが３８．８／３．５）であった。すなわち、吐出口２の中心と発熱素子１の中心との間は、Ｌ／３．５以上離れていることが好ましい。

図８（ａ）〜（ｄ）は、上記比較例１に係る、記録ヘッドにおける消泡過程の様子を時系列的に説明する図である。図８（ａ）〜（ｄ）は、上面から見て示した模式的な断面図であり、発熱素子の直上の面に沿った断面図である。また、図９（ａ）〜（ｄ）は、比較例１の記録ヘッドにおける消泡過程の模式的な断面図である。

発熱素子１から発泡開始された気泡１２０は、体積が一旦増大して最大体積に到達した後は、図８（ａ）、図９（ａ）に示すように、気泡１２０が縮小する。その後、その縮小に伴って、吐出口２に連通する吐出部４０の内部に位置するインクのメニスカス１２３が発泡室５内の方向へ下降する。インクの吐出が行われると、発泡室５に対して、吐出された分のインクに対応したインクを充填すべく、インクが、インク供給口３から液流路７を介して発泡室５の内部にリフィルされる。図９（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、メニスカスが下降していく過程での気泡１２０が消泡するまでを時系列的に示している。本比較例１では、吐出口２の中心が発熱素子１の中心に配置するように吐出口２が配置されていることから、発熱素子１の中央領域にメニスカス１２３が下降していきインク１２５が充填されていく。

図９（ｂ）は、メニスカス１２３が吐出部４０を通って発泡室５の中に下降したときの吐出口２の周辺の状態を示している。また、図８（ｂ）は、そのときの発熱素子１の直上の面に沿った部分の断面図を示している。図８（ｂ）の示される発泡室５の中央の領域は、メニスカス１２０の下降に伴って押しつぶされながら気泡収縮していく。そのために、気泡１２０は、図８（ｂ）に示すような形状になる。

次に、図８（ｃ）（ｄ）に示す、消泡直前の気泡１２０とメニスカス１２３の状態では、吐出口２の中心が発熱素子１の中心に位置して吐出口２が配置されているため、消泡過程で気泡１２０はメニスカス１２３によって分断されてしまう。よって、発泡室５の壁面に近い奥側の領域で分断泡は発生する。また、最終的な消泡は、図８（ｃ）、（ｄ）に示すように発熱素子１の上で大気と連通せずに消泡するため、発熱素子上でキャビテーションが発生する。

図１０（ａ）〜（ｄ）は、比較例２に係る記録ヘッドにおける消泡過程の様子を時系列的に説明するための図である。図１０（ａ）〜（ｄ）は、上面から見て示した模式的な断面図であり、発熱素子の直上の面に沿った断面図である。また、図１１（ａ）〜（ｄ）は、比較例２に係る記録ヘッドにおける消泡過程を示す模式的な断面図である。発熱素子１から発泡開始された気泡１２０は、体積が一旦増大して最大体積に到達した後は、図１０（ａ）、図１１（ａ）に示されるように、気泡１２０が縮小する。その後、それに伴って、吐出口２に連通する吐出部４０の内部に位置するインクのメニスカス１２３が発泡室５内の方向へ下降する。また、インクの吐出が行われると、発泡室５にインクがリフィルされる。

図１１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、メニスカスが下降していく過程での気泡１２０が消泡するまでを時系列的に示したものである。本比較例２では、吐出口２の中心が発熱素子１の中心に対してインク供給口３から発泡室５へインクの供給される供給方向に沿って６μｍずれるように吐出口２が配置されている。そのため、発熱素子１の発泡室５の壁面側の端部領域にメニスカス１２３が下降していきインク１２５が充填されていく。

メニスカス１２３が吐出部４０を通って発泡室５の中に下降したときの状態の吐出口２の周辺についての断面図を図１１（ｂ）に示す。また、そのときの発熱素子１の直上の面に沿った断面図を図１０（ｂ）に示す。図１０（ｂ）の示される発泡室５の壁面側の端部領域は、メニスカス１２０の下降に伴って押しつぶされながら気泡収縮していく。そのために、気泡１２０は図１０（ｂ）のような形状になる。

次に、消泡直前の気泡１２０とメニスカス１２３の状態を図１０（ｃ）（ｄ）に示し、そのときの発熱素子１の直上の面に沿った断面図を図１１（ｃ）（ｄ）に示す。本比較例２では、前述したように吐出口２の中心が発熱素子１の中心に対して６μｍずれて吐出口２が配置されている。そのため消泡過程で気泡１２０は、メニスカス１２３によって発熱素子１上の発泡室５の壁面側に近い端部領域で分断される。本比較例２の形態では、気泡の先端の形状が比較例１よりも細くなっており分断される気泡も微小なものとなる。最終的な消泡は、比較例１と同様に、図１０（ｃ）、（ｄ）に示すように発熱素子１の上で大気と連通せずに消泡するため、発熱素子上で、キャビテーションが発生する。

図１２（ａ）〜（ｄ）は、比較例３に係る記録ヘッドにおける消泡過程の様子を時系列的に説明するための図である。図１２（ａ）〜（ｄ）は、記録ヘッドを上面から見て示した模式的な断面図であり、発熱素子の直上の面に沿った部分を示す断面図である。また、図１３（ａ）〜（ｄ）は、比較例３ｈに係る記録ヘッドにおける消泡過程の模式的な断面図である。発熱素子１から発泡開始された気泡１２０は、体積が一旦増大して最大体積に到達した後は、図１２（ａ）、図１３（ａ）に示されるように、気泡１２０が縮小する。その後、それに伴って、吐出口２に連通する吐出部４０の内部に位置するインクのメニスカス１２３が発泡室５内の方向へ下降する。インクの吐出が行われると、発泡室５へインクがリフィルされる。図１３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、メニスカスが下降していく過程での気泡１２０が消泡するまでを時系列的に示したものである。本比較例３では、吐出口２の中心が発熱素子１の中心に対してインク供給口３から発泡室５へインクの供給される供給方向に沿って１５μｍずれるように吐出口２が配置されている。そのため、発熱素子１の発泡室５の壁面側の端部領域にメニスカス１２３が下降して行きインク１２５が充填されていく。

メニスカス１２３が吐出部４０を通って発泡室５の中に下降したときの状態の吐出口２の周辺についての断面図を図１３（ｂ）に示す。また、そのときの発熱素子１の直上の面に沿った断面図を図１２（ｂ）に示す。図１２（ｂ）に示す発泡室５の壁面側の端部領域は、メニスカス１２０の下降に伴って押しつぶされながら気泡収縮していく。しかし、比較例２とは異なり比較的大きく１５μｍずれて吐出口が位置しているため、比較例２の実施形態とは異なり、発泡室５の壁面側の端部領域に全く気泡１２０は存在しない。そのため、図１３（ｂ）に示すように、気泡１２０は発熱素子１のインク供給口側に位置に偏って存在し、メニスカス１２３は気泡１２０の負圧に引き寄せられて曲げられる。また、インク供給口３からインクがリフィルされる過程で流路７の中央部のほうが流速が速いために、気泡１２０は、図１２（ｂ）に示すような形状になる。

次に、消泡直前の気泡１２０とメニスカス１２３の状態を図１２（ｃ）（ｄ）に示し、そのときの発熱素子１の直上の面に沿った断面図を図１３（ｃ）（ｄ）に示す。破線で示しているのが、発熱素子１の外周領域である。図１２（ｂ）に示す状態からさらに時間が経過すると、発熱素子１のインク供給口側の流路７の中央付近の気泡の細くなった場所を起点に気泡が分断される。このときに分断して発生した微小気泡（不図示）が、発熱素子１の上で大気と連通せずに消泡するため、キャビテーションが発生する。さらに時間が経過した図１２（ｄ）に示す状態では、上下に分断した気泡１２０が最終的に消泡する。

以上のように、本比較例３では、図１０（ｃ）、（ｄ）に示すように発熱素子１の上で大気と連通せずに消泡するため、発熱素子上でキャビテーションが発生するが、損傷の程度は比較例１、２に比べて軽微である。

次に、吐出口プレートの厚みが大きい場合の比較例４に係る記録ヘッドについて説明する。上述した比較例１〜３は、吐出口プレートの厚みｌ、流路７及び発泡室５のインク吐出方向に沿う長さ（高さ）をｈとすると、総てｌ／ｈ≦２の場合である。表１の検討結果において、ｌ／ｈ≦２を満たす比較例１〜３では、吐出口２を発熱素子１の中心からずらす程耐久性が向上する。しかし、１／ｈ＞２を満たす本比較例４の場合は、その傾向が異なる。以下にその説明を行う。

図１４（ａ）〜（ｄ）は、比較例４に係る記録ヘッドにおける消泡過程の様子を時系列的に示した断面図である。また、図１５（ａ）〜（ｄ）は、その場合の記録ヘッドにおける消泡過程を上面から見て示した模式的な断面図であり、発熱素子１の直上の面に沿った断面図である。

本比較例４に係る記録ヘッドは、図７（ｄ）に示されるように、第１実施形態と同様に吐出口２の中心が発熱素子１の中心に対してインク供給口３から発泡室５へインクの供給される供給方向に沿って１５μｍずれるように吐出口２が配置されているため。さらに第１実施形態と同様の位置に同形状の流路抵抗体が設けられている。気泡１２０の発泡が開始され、体積が一旦増大して最大体積に到達した後は、図１４（ａ）、図１５（ａ）に示されるように、気泡１２０が縮小する。その後それに伴って、吐出口２に連通する吐出部４０の内部に位置するインクのメニスカス１２３が発泡室５内の方向へ下降する。このとき、図１４（ａ）に示す流路抵抗体９が発熱素子１に比較的近い位置に配置されているため、流路抵抗体９の凹部分には、発泡により成長した気泡１２０が満たされている。

メニスカス１２３の、そのときの落ち込んできた状態を図１５（ａ）に示す。吐出部の厚みと液流路７及び発泡室５の高さとの関係が１／ｈ＞２である本例の場合は、吐出口プレート８の厚みｌが厚いため、第１実施形態と比較してメニスカス１２３面の位置が高い。

次に、メニスカス１２３がさらに落ち込んできた状態を、図１４（ｂ）および図１５（ｂ）に示す。本比較例４の形態では、第１実施形態の形態とは違って吐出口プレート８の厚みｌが厚いため、第１実施形態に係る図６（ｂ）に示す状態と比較しても、メニスカス１２３面の位置が高く未だ発泡室５の内側に侵入していない。そのため、図１４（ｂ）と図５（ｂ）を比較すると、本比較例の気泡１２０メニスカス１２３の下降に伴う変形の影響を受けにくい。その結果、発泡室５の壁面側の端部領域にそのまま気泡１２０が存在している。一方、発泡室５のインク供給口３に近い側の領域は、インク供給口３から液流路７を介して発泡室５の内部にインク１２５がリフィルされていく。しかし、流路抵抗体９の凹部分に気泡１２０が付着しているために、流路抵抗体９が位置する中央部の領域のインク１２５のリフィルが端部に比べて遅れが生じる。そのために、気泡１２０は図１４（ｂ）に示すような形状になる。

次に、メニスカス１２３がさらに落ち込んできた状態を図１４（ｃ）および図１５（ｃ）に示す。本比較例４では、第１実施形態の形態とは違って吐出口プレート８の厚みｌが厚いため、第１実施形態に係る図６（ｂ）に示す状態と比較しても、メニスカス１２３面の位置が高く未だ発泡室５の内側に侵入していない。本比較例４の形態では発熱素子１の発泡室５の壁面側の気泡１２０の体積が、本第１実施形態の形態に比較して大きい。そのために、図１４（ｂ）において流路抵抗体９に付着してインクは細長く伸長して気泡１２０の収縮過程で切断されてしまい、図１５（ｃ）のように発泡室５の壁面側のほうの気泡１２０が残り、この気泡１２０が消泡していくことになる。

次に、消泡直前の気泡１２０とメニスカス１２３の状態を図１４（ｄ）に示し、そのときの発熱素子１の直上の面に沿った断面図を図１５（ｄ）に示す。図１４（ｃ）に示す状態から、さらに時間が経過すると、発熱素子１の壁面側の端部領域で気泡１２０が最終的に消泡する。吐出部の厚みと流路７及び発泡室５の高さとの関係が１／ｈ＞２である本比較例４では、吐出口プレート８の厚みｌが厚いために、図１５（ｄ）の最終的な消泡時刻においてもメニスカス１２３における発泡室５の内側へ突出する量が少ない。そして、このときに気泡１２０が発熱素子の上で大気と連通せずに消泡するため、キャビテーションが発生する。

以上の検討結果から、発熱素子１上のキャビビテーションを抑制するには、上述した３つのパラメータが重要となる。

なお、流路抵抗体の数を複数に増やした図１６（ａ）に示す形態や、流路抵抗体９のインク接触面が曲面形状になっている図１６（ｂ）に示す形態でも同様の効果が得られる。

また、吐出口の形状は円形に限定されず、長円形状や突起付き吐出口であってもよい。また、流路７についても必ずしも対称な形状である必要ではなく、非対称な流路や偏りをもった形状でも本発明を適用することができる。その場合には、吐出口の中心の位置としては、吐出口の（液体の吐出される方向に垂直な）断面の重心の位置が用いられる。また、発熱素子についても、上記実施形態では、長方形のものが用いられているが、これに限定されない。別の形状を有する発熱素子が用いられてもよい。その場合には、発熱素子の中心として、発熱素子における表面の重心の位置が用いられる。

また、上述した記録装置は、記録ヘッドの主走査方向の移動と、記録媒体の副走査方向の搬送と、を伴って画像を記録するいわゆるシリアルスキャンタイプの記録装置である。しかしながら、本発明は記録媒体の幅方向の全域に亘って延在する記録ヘッドを用いるフルラインタイプの記録装置にも適用可能である。

また、本明細書において、「記録」とは、文字、図形等有意の情報を形成する場合のみならず、有意無意を問わずに用いられる。また、人間が視覚で知覚し得るように顕在化したものであるか否かを問わず、広く記録媒体上に画像、模様、パターン等を形成する、または記録媒体の加工を行う場合も表すものとする。

また、「記録装置」とは、プリンタ、プリンタ複合機、複写機、ファクシミリ装置などのプリント機能を有する装置、ならびにインクジェット技術を用いて物品の製造を行なう製造装置を含む。

また、「記録媒体」とは、一般的な記録装置で用いられる紙のみならず、広く、布、プラスチック・フィルム、金属板、ガラス、セラミックス、木材、皮革等、インクを受容可能なものを表すものとする。

さらに、「インク」（「液体」と言う場合もある）とは、上記「記録」の定義と同様広く解釈されるべきものである。記録媒体上に付与されることによって、画像、模様、パターン等の形成または記録媒体の加工、或いはインクの処理（例えば記録媒体に付与されるインク中の色剤の凝固または不溶化）に供され得る液体を表すものとする。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態は、発熱素子１の中心に対する吐出口２の中心のオフセット量（ｄ）が、圧力室５に対するインクの供給方向に沿って１２μｍである。発熱素子１は、上記供給方向に直交する方向に沿った長さが２７．４μｍ、上記供給方向に沿った長さが３４．４μｍであり、縦横比が１．２４（＝３４．４／２７．４）の長方形状である。流路抵抗体９は、正方形の形状であり、６μｍ角の大きさである。発熱素子１の近い方の端辺から流路抵抗体９の中心までは５．８５μｍである。従って、発熱素子１の近い方の端辺から、流路抵抗体９の発熱素子１に近い側の液体の接触面までの距離は、２．８５μｍである。尚、２．８５μｍ以下の場合あれば、本実施形態と同様の効果が得られる。

図１７（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２実施形態に係る記録ヘッドにおけるインクの吐出の際の気泡の消泡過程を時系列的に説明するための模式的な断面図であり、発熱素子１の直上の面に沿った断面図である。図１７における破線Ａ−Ａ´で側面から見た断面図は、第１実施形態と同様なので、図６を参照する。

先ず、発熱素子１の発熱によって発熱素子１上で気泡が発生し、加熱されて発生した気泡１２０が成長し、このときの発泡圧によって発泡室５に貯留されたインクの一部が吐出口２から吐出される。このように気泡１２０の体積が一旦増大して最大体積に到達した後は、図１７（ａ）に示されるように、気泡１２０が縮小し、それに伴って、吐出口２に連通する吐出部４０の内部に位置するインクのメニスカス１２３（図６参照、以下同様）が発泡室５内の方向へ下降する。このとき、図１７（ａ）に示す流路抵抗体９が発熱素子１に比較的近い位置に配置されていることから、流路抵抗体９の直線部分には、発泡により成長した気泡１２０が完全に付着している。

次に、図１７（ｂ）に示すように、メニスカス１２３が吐出部４０を通って発泡室５の中に下降したとき、気泡１２０の、発泡室５の壁面に近い奥側の領域は、押しつぶされながら気泡収縮していく。一方、発泡室５のインク供給口３に近い側の領域は、インク供給口３から液流路７を介して発泡室５の内部にインク１２５がリフィルされていく。しかし、流路抵抗体９の直線部分に気泡１２０が付着しているために、流路抵抗体９が位置する中央部の領域のインク１２５のリフィルが端部に比べて遅れが生じる。そのために、気泡１２０は図１７（ｂ）に示すような形状になる。

次に、消泡直前の気泡１２０とメニスカス１２３の状態を、発熱素子１の直上の面に沿った断面図を用いて図１７（ｃ）、（ｄ）に示す。破線部で示しているのが、発熱素子１の外周領域である。本実施形態では、吐出口２の中心が発熱素子１の中心に対してインク供給口３から発泡室５へインクの供給される供給方向に沿って大きくずれるように吐出口２が配置されており、消泡過程で、気泡１２０はメニスカス１２３によって分断され難い。よって発泡室５の壁面に近い奥側の領域で分断泡は発生することがない。また、最終的な消泡は、図１７（ｃ）、（ｄ）に示すように、流路抵抗体９近傍の発熱素子１から外れた場所で大気と連通せずに消泡する。

このように気泡１２０の消泡位置が流路抵抗体９の影響で発熱素子１から外れた位置で消泡するので、発熱素子１への衝撃が一箇所に集中して作用し続けることを抑えることができる。そのため、発熱素子１への負荷を少なく抑えることができ、キャビテーションによる影響を低減させることができる。

本願発明者等は、発泡室５内で気泡１２０を発生させた後に、消泡位置を発熱素子１の外に移動させるには、流路抵抗体９の発熱素子１からの距離、および流路抵抗体の形状がキャビテーションが発生する位置に及ぼす影響を確認するための実験を行った。

ここで、第１実施形態、第２実施形態、比較例５および比較例６についての記録ヘッドを用いてインク吐出時の、流路７内でのキャビテーションの程度と、吐出耐久試験における発熱素子１の損傷の有無を確認した。その確認の結果を、表２に示す。

先ず、流路抵抗体９の液体接触面の形状が、キャビテーションが発生する位置に及ぼす影響について説明する。図１８（ａ）〜（ｄ）は、比較例５に係る記録ヘッドにおけるインクの吐出の際の気泡の消泡過程を時系列的に説明するための模式的な断面図であり、発熱素子１の直上の面に沿った部分の断面図である。図１８における破線Ａ−Ａ´で側面から見た断面図は、第１実施形態と同様なので省略する。第１実施形態に係る図５（ａ）と比較すると、本比較例５は、流路抵抗体の形状が円柱形状であり、流路抵抗体９と発熱素子１の最短距離は比較例５とほぼ等しい。このとき、図１８（ａ）に示す流路抵抗体９が発熱素子１に比較的近い位置に配置されているため、流路抵抗体９の表面部分には、発泡により成長した気泡１２０が完全に付着している。しかし、流路抵抗体９が円柱形状であるため、流路抵抗体９近傍部の発泡室５の方向に向かうインクの流速が第１実施形態の凹形状の流路抵抗体に比べて速い。また、この発泡室５の方向に向かう速いインクの流速が発生している領域が大きい。そのため、図１８（ｂ）に示すように、流路抵抗体９の円（凸）部分に付着する気泡１２０の長さが凹形状の流路抵抗体に比べて短くなる傾向にある。その結果、図１８（ｃ）、（ｄ）に示すように、最終的な消泡位置は、発熱素子１上の位置となり、発熱素子上でキャビテーションが発生する。本比較例５の結果から、流路抵抗体９の形状が円柱（凸）形状のものは、第１実施形態の凹形状の流路抵抗体９に比べて気泡の消泡位置を発熱素子１の外に制御する効果が弱いと言える。

次に、流路抵抗体９の液体接触面の位置が、キャビテーションが発生する位置に及ぼす影響について説明する。図１９（ａ）〜（ｄ）は、比較例６に係る記録ヘッドにおけるインク吐出の際の気泡の消泡過程を時系列的に説明するための模式的な断面図であり、発熱素子１の直上の面に沿った部分の断面図である。図１９における破線Ａ−Ａ´で側面から見た断面図は、第１実施形態と同様なので省略する。第１実施形態に係る図５（ａ）と比較すると、流路抵抗体の形状が同一で、比較例６は流路抵抗体９から発熱素子の距離が第１実施形態と比較して３．１５μｍさらに長くなっている。

本比較例６は、第１実施形態とは異なり、図１９（ａ）に示すように、流路抵抗体９が発熱素子１により遠い位置に配置されている。このため、流路抵抗体９の凹部分には、発泡により成長した気泡１２０が完全に付着しない。そのため、図１９（ｂ）に示すように、流路抵抗体９には気泡１２０は付着せず、消泡する気泡１２０の位置が第１実施形態に比べて気泡を制御する効果がない分だけ、発泡室５の壁面方向に移動する傾向にある。その結果、図１９（ｃ）、（ｄ）に示すように、最終的な消泡位置は、発熱素子１上の位置で消泡し、キャビテーションが発生する。本比較例６の結果から、流路抵抗体９の位置が比較的遠いものは、第１実施形態の凹形状の流路抵抗体９を用いても消泡位置を発熱素子１の外に制御する効果が弱いと言える。

さらに、本願発明者等は、第２実施形態の構造において、流路抵抗体９が正方形の形状であって３μｍ角の大きさである比較例７についてもインク吐出時の、流路７内でのキャビテーションの程度と、吐出耐久試験における発熱素子１の損傷の有無を確認した。比較例７では、発熱素子１の端辺から流路抵抗体９の中心までの距離は、４．３５μｍで、流路抵抗体９と発熱素子１の最短距離は２．８５μｍで第２実施形態と同様である。この場合は、流路抵抗体９の液体接触面の長さが第２実施形態の半分なので、比較例６のように、流路抵抗体９の直線部分に付着する気泡１２０の長さが短くなる傾向にある。その結果、比較例６と同様に、最終的な消泡位置は、発熱素子１上の位置で消泡し、キャビテーションが発生する。すなわち、流路抵抗体９の位置が近いものであっても、流路抵抗体の液体接触面の長さはある程度は必要なことがわかる。また、発明者等のさらなる検討から、発熱素子１のアスペクト比が高いほど発熱素子１の長辺方向の長さが大きくなるが、発熱素子１の長辺方向の長さが大きいほど流路抵抗体９と発熱素子１の中心との距離が大きくなる。従って、発熱素子１のアスペクト比が高いほど、気泡の消泡位置を発熱素子１の外に制御する効果が弱い。よって、発熱素子１上の位置で消泡してキャビテーションが発生しないようにするには、流路抵抗体９の長さは、発熱素子１の長辺方向の長さが長い場合はさらに必要となる。発明者等の検討の結果、Ｌ／６μｍ以上必要なことがわかっている。

また、上記検討結果から、本実施形態の記録ヘッドにおいて、好ましいずれ量ｄの範囲は、発熱素子のインク供給方向に沿った長さＬ（図４）を用いて表すと、ｄ≧Ｌ／３．５であることが分かっている。実施形態２と同様の発熱素子で流路抵抗体９がないヘッドでキャビテーションの程度が×の領域となる位置ずれ量ｄの限界を検討したところ、約１０μｍ（＝発熱素子の長辺長さが３４．４／３．５）であった。すなわち、吐出口２の中心と発熱素子１の中心との間は、Ｌ／３．５以上離れていることが好ましい。

１ 発熱素子
２ 吐出口
３ インク供給口
５ 発泡室
７ 流路
８ 吐出口プレート
９ 流路抵抗体
４０ 吐出部
１２０ 気泡
１２３ メニスカス
１２５ インク
１００３ 記録ヘッド

Claims (5)

1. 液体をその内部に保持することが可能な発泡室と、
   前記発泡室に臨む面に配置され、前記発泡室の内部に保持された液体を加熱することが可能な発熱素子と、
   前記発泡室が保持し加熱された液体を吐出するための吐出口と、
   前記吐出口と前記発泡室の間で液体を通じさせる吐出部と、
   前記発泡室に液体を供給する液体供給口と、
   前記発泡室における液体の流れの抵抗となる流路抵抗体と、
   を具え、前記発熱素子による加熱によって前記発泡室が保持する液体中に気泡が生成されて液体が吐出され、前記気泡が大気と連通せずに消泡する液体吐出ヘッドであって、
   前記発熱素子における液体の供給される方向に沿う長さをＬとするとき、液体の吐出される方向に沿って見たときに、前記吐出口の重心の位置が、前記発熱素子の重心の位置よりも、インクの供給される方向にＬ／３．５以上離れており、
   前記吐出部における液体の吐出される方向に沿った長さをｌ、前記発泡室における液体の吐出される方向に沿った長さをｈとするとき、ｌ／ｈが２以下であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記流路抵抗体における前記発熱素子に近い側の前記液体の接触面と、前記発熱素子の前記液体供給口に近い辺との距離が３μｍ以下であ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. 前記流路抵抗体における液体接触面の長さがＬ／６μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記流路抵抗体の形状は、前記液体供給口の方向と逆の方向に向かって凹形状であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 液体をその内部に保持することが可能な発泡室と、
   前記発泡室に臨む面に配置され、前記発泡室の内部に保持された液体を加熱することが可能な発熱素子と、
   前記発泡室が保持し加熱された液体を吐出するための吐出口と、
   前記吐出口と前記発泡室の間で液体を通じさせる吐出部と、
   前記発泡室に液体を供給する液体供給口と、
   前記発泡室における液体の流れの抵抗となる流路抵抗体と、
   を具え、前記発熱素子による加熱によって前記発泡室が保持する液体中に気泡が生成されて液体が吐出され、前記気泡が大気と連通せずに消泡する液体吐出ヘッドを用い、前記液体吐出ヘッドから液体を吐出する液体吐出装置であって、
   前記発熱素子における液体の供給される方向に沿う長さをＬとするとき、液体の吐出される方向に沿って見たときに、前記吐出口の重心の位置が、前記発熱素子の重心の位置よりも、インクの供給される方向にＬ／３．５以上離れており、
   前記吐出部における液体の吐出される方向に沿った長さをｌ、前記発泡室における液体の吐出される方向に沿った長さをｈとするとき、ｌ／ｈが２以下であることを特徴とする液体吐出装置。

Images