JP2020100105A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吐出口からの蒸発による液体の増粘を軽減し、吐出口から液体を安定して吐出できるようにすること。【解決手段】本発明は、支持基板と、前記支持基板上に配され、液体の吐出に要するエネルギーを発生するためのエネルギー発生素子と、該液体を吐出する吐出口とが設けられている液室と、前記液室を経由する前記液体の循環流路とを有する液体吐出ヘッドであって、前記循環流路における第１の循環流を形成する第１循環要素と、前記液室の内部における第２の循環流を形成する第２循環要素とを更に有することを特徴とする液体吐出ヘッドである。【選択図】図１

Description

本発明は、液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの制御方法に関する。

インクジェットプリンタには、インク等の液体を吐出するための液体吐出ヘッド（記録ヘッドとも言う）が搭載される。液体吐出ヘッドにおいて、液体を吐出する吐出口から液体中の揮発成分が蒸発する結果、吐出口付近の液体が増粘することがある。液体の増粘によって、吐出される液滴の吐出速度が変化することや、着弾精度に影響が出ることがある。特に吐出を行った後のプリンタ休止時間が長い場合、液体の増粘が進行し、液体の固形成分が吐出口付近に固着する。この結果、固形成分により液体の流体抵抗が増加し、吐出不良となる場合もある。

このような液体の増粘現象に対する対策の１つとして、液室ひいては吐出口に、未だ増粘していない液体（所謂フレッシュな液体）を流す方法が知られている。液体を流す方法の手段として、ヘッド内の液体を差圧方式により循環させる方式が知られている。特許文献１には、流路内流抵抗の非対称位置に配置した補助抵抗器による加熱発泡の後の再充填時に、流抵抗の小さい流路側からの液の引き込み流を用いる方式が開示されている。特許文献２には、交流電気浸透流（ＡＣＥＯＦ、ＡＣ ｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｔｉｃ ｆｌｏｗ）を発生させるマイクロポンプを用いる方式が開示されている。

国際公開第２０１１／１４６０６９号 国際公開第２０１３／１３００３９号

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、再充填時の流路抵抗により引き込み流の速度が左右されるため、顔料濃度が高いインク等の高粘度の液体を用いる場合や、幅や高さが小さい流路を採用する場合に、十分な流速が得られないことがある。そのため、吐出口内で濃縮した液体を送り出すのに十分なフレッシュな液体を液室内に流し込むことができず、濃縮した液体が吐出口内に溜まり易い。

特許文献２に記載の方法によれば、液室内にフレッシュな液体を流入させることは可能である。しかし、吐出口の下流側の流路にポンプの役割を担う素子が存在しないため、吐出口内の液体を流出させる効果が小さい。そのため、濃縮した液体が吐出口内に溜まり易い。このように、これらの特許文献は何れも、吐出口からの液体の蒸発により吐出口内の液体が増粘し易いという課題がある。

そこで本発明は上記の課題に鑑み、吐出口からの蒸発による液体の増粘を軽減し、吐出口から液体を安定して吐出できるようにすることを目的とする。

本発明は、支持基板と、前記支持基板上に配され、液体の吐出に要するエネルギーを発生するためのエネルギー発生素子と、該液体を吐出する吐出口とが設けられている液室と、前記液室を経由する前記液体の循環流路とを有する液体吐出ヘッドであって、前記循環流路における第１の循環流を形成する第１循環要素と、前記液室の内部における第２の循環流を形成する第２循環要素とを更に有することを特徴とする液体吐出ヘッドである。

本発明によると、吐出口からの蒸発による液体の増粘が軽減され、吐出口から液体を安定して吐出可能となる。

第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの模式図。 液流路循環流の発生メカニズムを説明するための模式図。 電気浸透流により生じる流速分布の発生メカニズムを説明するための模式図。 第１循環要素と、第２循環要素との各駆動信号を示す図。 エネルギー発生素子と、第１循環要素と、第２循環要素との各駆動タイミングを示す図。 第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの模式図。 第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの模式図。 交流熱動電流により生じる流速分布の発生メカニズムを説明するための模式図。 第４の実施形態に係る液体吐出ヘッドの模式図。 第５の実施形態に係る液体吐出ヘッドの模式図。 第６の実施形態に係る液体吐出ヘッドの模式図。

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について説明する。以下の各実施形態は、インクを吐出するインクジェット記録ヘッドとインクジェット記録装置を対象とするが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、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適用可能である。本発明は例えば、バイオチップ作製や電子回路印刷などの用途としても用いることができる。

以下に述べる実施形態は本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい様々の限定が付けられている。しかし、本発明の思想に沿う限り、本発明は以下に述べる実施形態に限定されるものではない。

［第１の実施形態］
＜液体吐出ヘッドの構造について＞
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの一部、記録素子基板１の斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す支持基板１０と吐出口形成部材１５との接合面に平行な面で記録素子基板１を切った平面における液移動方向を示す模式図である。図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＩｃ−Ｉｃ線に沿った断面における液移動方向を示す模式図である。図１（ｄ）は、図１（ｂ）のＩｄ−Ｉｄ線に沿った断面における液移動方向を示す模式図である。

記録素子基板１は、支持基板１０と、吐出口形成部材１５と、を有する。吐出口形成部材１５は、支持基板１０に接合されている。支持基板１０に、インクの吐出に必要なエネルギーを発生するためのエネルギー発生素子１１が設けられている。エネルギー発生素子１１は、液室（圧力室ともいう）２１毎に設けられる。吐出口形成部材１５には、複数の吐出口１２が配置されている。複数の吐出口１２は一列に配列して吐出口列２０を形成している。なお、本実施形態の記録素子基板１は２列の吐出口列２０を有するが、吐出口列２０の数はこれに限定されず、任意の１値を採用できる。

尚、図１（ａ）に示すように、吐出口が配列される方向をＹ軸方向、吐出口からインクが吐出される方向をＺ軸方向、Ｙ軸方向とＺ軸方向とに垂直な方向をＸ軸方向とする。この座標軸は、以降の説明でも共通して用いるものとする。

図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、吐出口形成部材１５と支持基板１０との間の空間が流路形成部材２２により仕切られることで、吐出口１２毎の液流路１３が形成されている。液流路１３は、インクが循環する流路（循環流路とする）の一部であり、液流路１３には、液流路１３それぞれに対応するエネルギー発生素子１１と吐出口１２とを備える液室２１が、支持基板１０上に複数形成されている。

吐出口形成部材１５と支持基板１０との間の空間には、流路形成部材２２により仕切られることで、液室２１が形成されている。液室２１とは、支持基板１０と吐出口形成部材１５と流路形成部材２２とによって仕切られた空間であって、液流路１３の途中に設けられており、Ｙ軸方向において液流路１３と同じ、もしくは、より長い寸法を持つ。記録素子基板１の複数の液室２１のそれぞれには、エネルギー発生素子１１と、後述する第２循環要素１７、１７´と、が配される。

吐出口１２は、支持基板１０と吐出口形成部材１５との接合面と垂直な方向においてエネルギー発生素子１１と対向する。液流路１３は、上流側の端部において、吐出口形成部材１５と支持基板１０との間に形成される第１の液供給流路１４に接続され、下流側の端部において、吐出口形成部材１５と支持基板１０との間に形成される第２の液供給流路１４´に接続される。従って、第１の液供給流路１４と、液流路１３と、液室２１と、第２の液供給流路１４´とが、吐出口１２毎の独立した流路を形成することとなる。第１の液供給流路１４と第２の液供給流路１４´とは、吐出口列２０を挟んで吐出口列２０と平行に延びており、不図示のインク供給タンクに接続されている。

インクは、第１の液供給流路１４から液流路１３を通って液室２１に供給される。液室２１に供給されたインクは、エネルギー発生素子１１で加熱され、加熱により発生した気泡の力によって吐出口１２から吐出される。吐出口１２から吐出されなかったインクは、液室２１から液流路１３を通って第２の液供給流路１４´に導かれる。第２の液供給流路１４´に導かれたインクは、他の吐出口から吐出されるか、或いは、どの吐出口からも吐出されなかったインクは最終的に、不図示のインク供給タンクに戻される。

液流路１３において第１循環要素１６が支持基板に設けられると共に、液室２１内に第２循環要素１７、１７´が設けられている。第１循環要素１６は、発熱素子等により構成される。第１循環要素１６は、エネルギー発生素子１１と同一の構成であってもよいし、異なる構成であってもよい。第２循環要素１７、１７´の電極対に含まれる第１の電極と第２の電極とは同寸法である。これらの電極は、エネルギー発生素子１１を基準としたときに対称となるように（具体的には、エネルギー発生素子１１を挟む形で）、支持基板上のエネルギー発生素子１１とは異なる高さ位置に一対形成されている。第２循環要素１７、１７´の電極対の各電極は、コンタクトホール２３を介して不図示の配線により、交流電源ＡＣの一端に接続されている。ここでは、第２循環要素１７を形成する電極は、交流電源ＡＣの＋端子に接続されている一方、第２循環要素１７´を形成する電極は、交流電源ＡＣの−端子に接続されているものとする。但し、第２循環要素１７を形成する電極が、交流電源ＡＣの−端子に接続され、第２循環要素１７´を形成する電極が、交流電源ＡＣの＋端子に接続されてもよい。

＜第１循環要素１６によって生じる液流路循環流１８について＞
第１循環要素１６の発熱素子には、加熱用パルス電流が印可される。その結果、図１（ｂ）及び図１（ｃ）で示すように、液流路１３の一方端から他方端に向かう液流路循環流１８が生じる。液流路循環流１８は、吐出する液体を液室２１に導くと共に、吐出口１２から吐出されなかった液体を液室２１から回収する流れである。液流路循環流１８が生じる理由を、図２を用いて説明する。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、図１（ｃ）で示した断面位置における、液流路循環流１８の発生メカニズムを説明するための模式図である。

図２（ａ）は、第１循環要素１６の発熱素子によりインクが加熱され、膜沸騰により生じた気泡２２０が成長する様子を示した図である。第１循環要素１６は、液流路１３の両端部位置までの距離が異なる位置、いわゆる流路内非対称位置に配置されている。液流路１３の一方の端部は第１の液供給流路１４に接続され、液流路１３の他方の端部は第２の液供給流路１４´に接続されている。液流路１３に比べ第１の液供給流路１４における流抵抗が十分に大きい場合、第１循環要素１６から第１の液供給流路１４までの範囲の液流路１３における流抵抗は、第１循環要素１６と第１の液供給流路１４との間の距離に主に依存する。同様に、液流路１３に比べ第２の液供給流路１４´における流抵抗が十分に大きい場合、第１循環要素１６から第２の液供給流路１４´までの範囲の液流路１３における流抵抗は、第１循環要素１６と第２の液供給流路１４´との間の距離に主に依存する。

図２（ａ）のケースでは、第１循環要素１６から図中左側の第１の液供給流路１４までの流抵抗の方が、第１循環要素１６から図中右側の第２の液供給流路１４´までの流抵抗より小さい。従って、膜沸騰による気泡２２０は流抵抗の小さい左側により広がって形成される。発泡による液移動２１０は、図中右側に比べ、流抵抗の小さい図中左側により大きく気泡２２０が成長することを示す。

図２（ｂ）は、気泡２２０の収縮過程を示す。気泡の収縮過程においては、矢印２１１で示すように、流抵抗の大きい図中右側の液流路１３よりも、流抵抗の小さい図中左側の液流路１３からより多くのインクが再充填される。この結果、図２（ｃ）に示すように、気泡２２０の消泡位置は、第１循環要素１６上よりも、流抵抗の大きい図中右側にシフトし、マクロ的には、液流路１３の一方端から他方端へ向けて一方向に進む流れ、つまり液流路循環流１８が発生する。この液流路循環流１８は、気泡２２０の消泡と共に減衰し、一定時間後に停止する。

液流路循環流１８をある時間定常的に発生させるために、前述した第１循環要素１６による発泡と再充填とを繰り返す。液流路１３に設けられた第１循環要素１６によって発生した液流路循環流１８により、フレッシュなインクが、第１の液供給流路１４から液流路１３を通って液室２１に流入する。エネルギー発生素子１１が作動している時は、液室２１に流入したインクの一部が、吐出口１２から吐出される。吐出口１２から吐出されなかったインクは、液流路１３を経由して第２の液供給流路１４´へ流出する。

エネルギー発生素子１１が作動していない時にも、第１循環要素１６の発熱素子に加熱用パルス電流を印可することにより液流路循環流１８が生じるため、インクは液流路１３を第１の液供給流路１４側から第２の液供給流路１４´側に向けて流れる。従って、仮に液室２１内でインクが濃縮しても、液室２１内における濃縮インクの滞留を抑制することができる。

発熱素子等により構成される第１循環要素１６の駆動周期は、液室２１内における濃縮インクの排出を達成できれば特に限定されるものではないが、好ましくは、第１循環要素１６は、１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚ程度で駆動することができる。但し、単位時間当たりの第１循環要素１６の駆動回数を表す駆動周波数が高い場合、発熱による液流路１３内のインク温度の上昇が課題となる可能性がある。従って、許容できる温度上昇幅に応じて、駆動周波数の上限値を設定することが好ましい。

＜第２循環要素１７、１７´によって生じる流速分布、液室循環流１９について＞
第２循環要素１７、１７´を構成する電極には、交流電圧が印加される。その結果、図１（ｄ）に矢印で示すように、液室２１内に、支持基板１０の表面で流速が大きく、吐出口形成部材１５に近づくにつれて流速がゼロに漸近する流速分布が生じる。この流速分布が生じる理由を、図３を用いて説明する。

第２循環要素１７、１７´を構成する２つの電極を、第１電極３１０、第２電極３１１とする。第１電極３１０と第２電極３１１とは、同じ寸法である。図３（ａ）に示すように、第１電極３１０と第２電極３１１とのそれぞれには電気二重層が発生する。詳しく説明すると、第１電極３１０に正電圧（＋Ｖ）が掛かり、第１電極３１０に接するインクが負電荷を帯びて、正に帯電した下層と負に帯電した上層とから成る電気二重層が形成される。同様に、第２電極３１１に負電圧（−Ｖ）が掛かり、第２電極３１１に接するインクが正電荷を帯びて、負に帯電した下層と正に帯電した上層とから成る電気二重層が形成される。

前述したインクの帯電により、インク中には第１電極３１０から第２電極３１１を向く半円状の電界Ｅが形成される。この電界は、第１電極３１０と第２電極３１１との中間の線に関し対称形となる。第１電極３１０の表面では第１電極３１０の表面と平行な電界成分Ｅ１が生じ、同様に、第２電極３１１の表面では第１電極３１１の表面と平行な電界成分Ｅ１が生じる。電界成分Ｅ１は、第１電極３１０上に誘起された電荷、及び、第２電極３１１上に誘起された電荷にクーロン力を及ぼす。電界成分Ｅ１は、第１電極３１０と第２電極３１１との間のギャップ（電極間ギャップとする）に近い位置では図中左向きとなる。正電荷は、電界と同じ向きの力を受けるため、図３（ｂ）に示すように、第２電極３１１近傍のインクが図中左向きに流れる回転渦Ｆ１が生じる。これに対し、負電荷は、電界と逆向きの力を受けるため、第１電極３１０近傍のインクが図中右向きに流れる回転渦Ｆ２が生じる。回転渦Ｆ１及び回転渦Ｆ２により、インクは電極間ギャップから離れる方向に流れるため、電極間ギャップにはインクを補充するようなインク流れＦ３が発生する。

また、各電極において、電極間ギャップから離れた方の端部では、電極間ギャップに近い方の端部と電界の向きが逆となるため、該近い方の端部において生じる回転渦とは回転方向が逆の回転渦Ｆ４が生じる。但し、電極間ギャップに近い方の端部と比べると、離れた方の端部における電界成分Ｅ１は弱いため、インクが受けるクーロン力は小さい。この結果、電極間ギャップから第１電極３１０に向かい、第１電極３１０上を電極間ギャップから離れる向きに流れる攪拌流と、電極間ギャップから第１電極３１１に向かい、第１電極３１１上を電極間ギャップから離れる向きに流れる攪拌流とが形成される。図３（ｂ）に示すように、これら２つの攪拌流は、左右対称形となる。

図３（ａ）及び図３（ｂ）では、第１電極３１０と第２電極３１１とが同じ寸法であるケースを説明した。これに対し、第１電極３１０と第２電極３１１との寸法（具体的には、幅）が異なる場合、図３（ｃ）及び図３（ｄ）で示すように、第１電極３１０と第２電極３１１とで電界分布が異なる。このような電界分布により、第２電極３１１近傍かつ電位の高い位置では、流速が大きくかつ径が小さい回転渦Ｆ５が形成される。一方、第１電極３１０近傍では、電位の低い位置で流速が小さくかつ径が小さい回転渦Ｆ７が形成され、電位の高い位置で流速が小さくかつ径が大きい回転渦Ｆ６が形成される。これらの回転渦が形成される結果、第２電極３１１から電極間ギャップにインクが引き込まれ、電極間ギャップから第１電極３１０に向けてインクが流れるインク流、マクロ的には、第２電極３１１から第１電極３１０に向けてインクが流れるインク流が生じる。

以上の内容は、第２電極３１１に正電圧（＋Ｖ）、第１電極３１０に負電圧（−Ｖ）が印加されている場合にも同様に当てはまる。つまり、印加電圧の極性が反転しても、電荷の符号と電界の向きとが共に反転するため、生じる流れの向きは変化しない。従って、電極の幅寸法が小さい第２電極３１１から電極の幅寸法が大きい第１電極３１０に向かう定常的な流れが生じることになる。この流れは、交流周波数１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚで流速が大きく、交流電気浸透流（ＡＣＥＯＦ、ＡＣ ｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｔｉｃ ｆｌｏｗ）と呼ばれる。印加電圧値によっては水の電気分解が発生するため、水の電気分解が発生しない範囲内で印加電圧値を設定することが好ましい。

このような定常的な流れの電気浸透流により、エネルギー発生素子１１または吐出口１２を基準に概ね対称となる位置に２つの渦を形成する流速分布が生じる（図１（ｄ）参照）。吐出口１２近傍を通る流れ成分が形成されるため、吐出口１２近傍の濃縮したインクを流動させ、液室内に送ることができる。従って、吐出口１２近傍でのインクの濃縮を抑制し易い。第２循環要素１７、１７´は交流電源ＡＣに接続されているため、直流電源ＤＣに比べ水の電気分解による泡の発生が抑制され、駆動電圧の高電圧化が可能である。

本実施形態では、第１循環要素１６と第２循環要素１７とを組み合わせて用いることにより、吐出口１２内の濃縮インクを効率良く押し出し、フレッシュなインクと置換できる構成を実現している。

第１循環要素１６による液流路循環流１８のみでも吐出口１２内の濃縮インクを押し流す効果は得られる。しかし、流速が十分ではない場合にはその効果は限定され、十分な吐出安定性を確保できない可能性がある。また、第２循環要素１７、１７´による液室循環流１９のみでも、吐出口１２内の濃縮インクを液室２１内に送り出し、液室内でインクの濃縮を希釈する効果は得られる。しかし、エネルギー発生素子１１による吐出が一定時間以上行われないような場合には、液室２１内のインク濃縮が進み、吐出口１２からのインク吐出ができなくなってしまう可能性がある。このように、第１循環要素１６と第２循環要素１７、１７´との何れかを用いた場合、十分な吐出安定性を確保できない可能性がある。

この課題を解決するため、本実施形態では、第１循環要素１６と第２循環要素１７、１７´とを組み合わせることで、吐出口１２内の濃縮インクを攪拌流により液室２１内に送りつつ、該送った濃縮インクを液流路循環流１８によりフレッシュなインクと置換する。これにより、液流路循環流１８が従来の速度より低速であっても吐出安定性を確保することが可能となり、第１循環要素１６の駆動条件が緩和される。よって、様々な粘度のインクに関する選択肢の幅も広げることができる。

＜第１循環要素１６及び第２循環要素１７、１７´の駆動方法について＞
次に、図４（ａ）及び図５（ａ）を用いて、第１循環要素１６と、第２循環要素１７、１７´との駆動方法について説明する。図４（ａ）は、第１循環要素１６と、第２循環要素１７、１７´とが共に駆動している場合の、それぞれの循環要素の駆動信号のイメージ図である。図５（ａ）は、エネルギー発生素子１１と、第１循環要素１６と、第２循環要素１７、１７´との駆動タイミングのイメージ図である。

本実施形態においては、第１循環要素１６は、発熱素子である。図４（ａ）の符号１１０は、第１循環要素１６の駆動信号としてのパルス波を示す。図４（ａ）に示すように、第１循環要素１６を駆動するため、２４Ｖの電圧が１ｋＨｚで印加される。

また、第２循環要素１７、１７´は、交流電気浸透流発生素子である。図４（ａ）の符号１１１は、第２循環要素１７、１７´の駆動信号である正弦波を示す。図４（ａ）に示すように、第２循環要素１７、１７´を駆動するため、±２．５Ｖの範囲で変動する正弦波交流電圧が５００Ｈｚで印可される。なお、本実施形態に係る第１循環要素１６と第２循環要素１７、１７´との駆動信号について、それぞれの信号波形は限定されるものではない。前述の液流路循環流１８と液室循環流１９とが所望の流速で得られる範囲で、電圧、周波数、駆動信号の波形を選択的に設定することができる。

図５（ａ）に示すように、第１循環要素１６の駆動タイミングは、エネルギー発生素子１１の駆動タイミングと連動している。具体的には、発熱素子であるエネルギー発生素子１１による発泡とインク再充填による圧力変動の影響を受けないよう、エネルギー発生素子１１の駆動中と駆動の前後一定期間とを避けて第１循環要素１６が駆動し、液流路循環流１８が形成されている。一方、第２循環要素１７、１７´の駆動タイミングは、エネルギー発生素子１１の駆動タイミングと連動していない。吐出の有無にかかわらず第２循環要素１７、１７´が常時駆動することにより、液室循環流１９が形成されている。

尚、本実施形態では、図４（ａ）に示す信号を印加するためのゲートアレイと、該信号を図５（ａ）に示すタイミングで印加するゲートアレイとを組み合わせて用いることで、前述の液流路１３毎の駆動制御を実現している。しかし、ハードウェアによる制御ではなくソフトウェアによる制御により、この駆動制御を実現しても良い。例えば、インクジェット記録装置が、ＣＰＵと、ＲＯＭと、ＲＡＭと、を有し、ＲＯＭに記憶されたプログラムがＲＡＭに展開され、ＣＰＵが該展開されたプログラムを実行することで、第１循環要素と第２循環要素との駆動を制御するよう設計されていてもよい。

＜本実施形態の効果について＞
以上の構成により、第１循環要素１６により液流路１３内を一方端から他方端に向かうインク流が生じ、液室２１を横断するフレッシュなインク流が発生する。このため、液室２１内に濃縮したインクが滞留することを抑制できる。また、第２循環要素１７、１７´により、液室２１内にて吐出口１２に向かうインクの流れ成分が発生する。このため、吐出口１２内のインク濃縮を効率的に抑制することができる。本実施形態では、以上の２つを組合せた構成により、吐出口１２内の増粘インクを液室２１内に押し出し、液室２１にフレッシュなインクを送り込むことにより、液室２１の外部へ効率良く濃縮インクを排出することが可能となる。よって、吐出口１２内のインク増粘の軽減効果が大きく、増粘の程度が小さい比較的フレッシュなインクを吐出することができる。結果、画像の色ムラを低減することが可能となる。

［第２の実施形態］
以下、本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板について説明する。なお、以下の説明においては第１の実施形態との違いを主に説明する。具体的な説明を省略した個所については、第１の実施形態と同様の内容である。

図６（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板１の構造を示す模式図であり、具体的には、支持基板１０と吐出口形成部材１５との接合面に平行な面で記録素子基板１を切った平面を示す図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＶＩｂ−ＶＩｂ線に沿った断面における液移動方向を示す模式図である。図６（ｃ）は、図６（ｂ）に示す断面における流速分布を示す模式図である。図６（ｄ）は、図６（ａ）のＶＩｄ−ＶＩｄ線に沿った断面における流速分布を示す模式図である。なお、図６（ａ）は、１つの吐出口１２、並びに、それと対応する液流路１３及び液供給流路１４、１４´だけを示しているが、吐出口列２０と液供給流路１４、１４´の構成は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態では、液流路１３に第１循環要素１６、１６´を構成する電極が設けられ、液室２１に第２循環要素１７、１７´を構成する電極が設けられている。第１循環要素１６、１６´と第２循環要素１７、１７´とは何れも支持基板１０上に設けられている。第１循環要素１６、１６´に関し、一方の要素は交流電源ＡＣの一端（＋端子）に接続されており、他方の要素は交流電源ＡＣの他端（−端）に接続されている。

第１循環要素１６に関し、インクの流れ方向、即ち液流路１３に沿った方向の寸法は、第１循環要素１６´の寸法より大きい一方で、第１循環要素１６のインクの流れ方向と直交する方向の寸法は、第１循環要素１６´の寸法と同程度である。従って、第１循環要素１６においてインクが接する表面積は、第１循環要素１６´においてインクが接する表面積より大きい。

第１循環要素１６、１６´は液流路１３に複数対設けられ、かつ、第１循環要素１６と第１循環要素１６´とは交互に設けられている。循環流が形成される液流路１３には互いに隣接する第１循環要素が１６、１６´が少なくとも１対設けられていればよい。なお、図６に例示する構成では、液流路１３に４対の第１循環要素１６、１６´が配置されている。１または複数の第１循環要素１６はそれぞれ、共通の第１の配線に接続されており、１または複数の第１循環要素１６´はそれぞれ、共通の第２の配線に接続されている（図示せず）。液室２１内に設けられている１対の第２循環要素１７、１７´は、第１の実施形態と同様である。

第１循環要素１６、１６´を構成する電極には、交流電圧が印加される。その結果、図６（ｃ）に矢印で示すように、液流路１３内に、支持基板１０の表面で流速が大きく、吐出口形成部材１５に近づくにつれて流速がゼロに漸近する流速分布が生じる。従って、第１循環要素１６、１６´の各対において、流路方向寸法が小さい第１循環要素１６´から、流路方向寸法が大きい第１循環要素１６に向かう定常的な流れが生じる。

第２循環要素１７、１７´を構成する電極には、交流電圧が印可される。その結果、図６（ｄ）で示すように、液室２１内に、支持基板１０の表面で流速が大きく、吐出口形成部材１５に近づくにつれて流速がゼロに漸近する流速分布が生じる結果、液室循環流１９が形成される。

図４（ｂ）は、本実施形態に係る第１循環要素１６、１６´と第２循環要素１７、１７´とが共に駆動している場合の、それぞれの循環要素の駆動信号のイメージ図である。図４（ｂ）において、符号１１０は、第１循環要素１６、１６´の駆動信号としての正弦波を示す。第１循環要素１６、１６´は交流電気浸透流発生素子であり、第１循環要素１６、１６´を駆動するため、±２．５Ｖの範囲で変動する正弦波交流電圧が５００Ｈｚで印可される。

また、図４（ｂ）において、符号１１１は、第２循環要素１７、１７´の駆動信号としての正弦波を示す。第２循環要素１７、１７´は交流電気浸透流発生素子であり、第２循環要素１７、１７´を駆動するため、±３．０Ｖの範囲で変動する正弦波交流電圧が１ｋＨｚで印可される。なお、本実施形態に係る第１循環要素１６、１６´と第２循環要素１７、１７´との駆動信号について、それぞれの信号波形は前述したものに限定されない。前述の液流路循環流１８と液室循環流１９とが所望の流速で得られる範囲で電圧、周波数、駆動波形を選択的に設定することができる。

第１循環要素１６、１６´及び第２循環要素１７、１７´の駆動タイミングは、図５（ｂ）に示すように、エネルギー発生素子１１の駆動タイミングと連動していない。吐出待機状態においては第１循環要素１６と第２循環要素１７、１７´とが共に常時駆動することにより、液流路循環流１８及び液室循環流１９が形成されている。

＜本実施形態の効果について＞
以上の構成により、第１循環要素１６、１６´により液流路１３内を一方端から他方端に向かうインク流が生じ、液室２１を横断するフレッシュなインク流が発生する。また、第２循環要素１７、１７´により、液室２１内にて吐出口１２に向かうインクの流れ成分が発生する。このような第１循環要素と第２循環要素とを組合せた構成により、吐出口１２内の増粘インクを液室２１内に押し出し、液室２１にフレッシュなインクを送り込むことにより、濃縮インクを液室２１外へ効率良く排出することが可能となる。従って、本実施形態によると、吐出口１２内のインク増粘の軽減効果が大きく、増粘の程度が小さい比較的フレッシュなインクを吐出することができる。更に、本実施形態は、液流路循環流１８の形成に発熱素子を用いない構成を採用することで、液体吐出ヘッドの温度上昇を、第１の実施形態より小さく抑えることを可能としている。結果、画像の色ムラを低減することが可能となる。

［第３の実施形態］
以下、本発明の第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板について説明する。なお、以下の説明においては第１の実施形態との違いを主に説明する。具体的な説明を省略した個所については、第１の実施形態と同様の内容である。

図７（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板１の構造を示す模式図であり、具体的には、支持基板１０と吐出口形成部材１５との接合面に平行な面で記録素子基板１を切った平面を示す図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線に沿った断面における液移動方向及び流速分布を示す模式図である。

図７（ａ）に示すように、本実施形態では、吐出口１２毎の液流路１３が途中で１８０°向きを変え、流路の両端で同じ液供給流路１４に接続している。つまり、液供給流路１４から供給されたインクは液流路１３、液室２１を経由して、再び液供給流路１４に戻る構成となっている。このような構成を採用した場合、第１の実施形態（図１（ｂ）参照）のように、１つの吐出口に対して、液供給流路を２つ配置する必要がない。従って、本実施形態は、第１の実施形態に比べて支持基板１０の幅方向の寸法を縮小することが容易であり、記録素子基板１の小型化が可能である。

本実施形態においては、第１循環要素１６は発熱素子である。図４（ｃ）の符号１１０は、第１循環要素１６の駆動信号としてのパルス波を示す。図４（ｃ）に示すように、第１循環要素１６を駆動するため、２４Ｖの電圧が１ｋＨｚで印加される。その結果、図７（ａ）及び図７（ｂ）で示すように、液流路１３の一方端から他方端に向かう液流路循環流１８が生じる。

第２循環要素１７、１７´は２つの電極から構成される。本実施形態では、図７（ａ）に示すように、液流路１３の流れ方向に並ぶように、液室２１内のエネルギー発生素子１１の脇に第２循環要素１７、１７´が配置されている。なお、第２循環要素の配置位置はこれに限定されるものではなく、液室２１内の任意の位置に配置することが可能である。

図４（ｃ）に示すように、第２循環要素１７、１７´を駆動するため、±１５Ｖの範囲で変動する正弦波交流電圧が１ＭＨｚで印可される。その結果、図７（ｂ）で示すように、液室２１内に、支持基板１０の表面で流速が大きく、吐出口形成部材１５に近づくにつれて流速がゼロに漸近する流速分布が生じる結果、液室循環流１９が形成される。この流速分布が生じる理由を、図８を用いて説明する。

第２循環要素１７、１７´を構成する２つの電極を、第１電極３１０、第２電極３１１とする。第１電極３１０と第２電極３１１とは、同じ寸法である。本実施形態では、これらの電極に印可される駆動信号の周波数は、１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚ程度であり、高周波の交流電圧が印加される。薄膜電極間に交流電圧を印可すると、ジュール熱により溶液中に、図８（ａ）に示すような温度分布が形成される。また、印可されている電場により誘起される電荷が泳動し、図８（ｂ）に矢印で示すような流れが発生する。この流れは、交流熱動電流（ＡＣＥＴＦ、ＡＣ ｅｌｅｃｔｒｏｔｈｅｒｍａｌ ｆｌｏｗ）と呼ばれる。

交流熱動電流は主に、高周波（具体的には１００ｋＨｚ以上）、かつ、高導電率（具体的には０．１Ｓｍ^-1以上）条件下で顕在化する流動現象であり、図８（ｃ）に矢印で示すような循環流を形成する。電気浸透流が電気伝導率の低いインクで強い液流が得られるのに対し、交流熱動電流は電気伝導率の高いインクで強い液流が得られる特徴がある。また、駆動に際し必要となる電源仕様も異なることから、循環流速、インク種、記録素子の構成等に応じて、第１循環要素１６及び第２循環要素１７に用いる素子を任意に選択可能である。

このような定常的な流れの電気熱動電流により、エネルギー発生素子１１または吐出口１２を基準に概ね対称となる位置に２つの渦を形成する流速分布が生じる（図７（ｂ）参照）。吐出口１２近傍を通る流れ成分が形成されるため、吐出口１２近傍の濃縮したインクを流動させることができる。従って、吐出口１２近傍でのインクの濃縮を抑制し易い。第２循環要素１７、１７´は交流電源ＡＣに接続されており、第１の実施形態に比べ高周波の駆動電圧を印可するため、水の電気分解による泡の発生が抑制され、第１の実施形態より駆動電圧の高電圧化が可能になる。

図５（ｃ）に示すように、第１循環要素１６と第２循環要素１７、１７´との駆動タイミングはそれぞれ、エネルギー発生素子１１の駆動タイミングと連動している。具体的には、発熱素子であるエネルギー発生素子１１による発泡とインク再充填による圧力変動との影響を受けないよう、エネルギー発生素子１１の駆動中と駆動前後一定期間とを避けて第１循環要素１６が駆動し、液流路循環流１８が形成されている。そして、発泡による発熱の影響を低減するため、周期的に駆動と非駆動とを繰り返している。また、液室２１内循環流による吐出への影響を抑えるため、第２循環要素１７、１７´もエネルギー発生素子１１の駆動中と駆動前後一定区間とを避けて駆動する。なお、第１循環要素の駆動頻度（単位時間当たりの駆動回数）は、第２循環要素の駆動頻度より低いことが好ましい。ただし、本実施形態の駆動条件は一例であり、電圧、周波数、駆動信号の波形、駆動タイミングは限定されるものではない。

＜本実施形態の効果について＞
本実施形態では、インクが吐出されていない時も、液供給流路１４から液流路１３に流入したインクが、再び液供給流路１４に戻る流れが形成される。また、第２循環要素１７、１７´を第１の実施形態より高電圧条件で駆動することができるため、第１の実施形態より強い液室内循環流を形成することが可能となる。このため、第１の実施形態と同様、液室２１内における濃縮インクの滞留を抑制する効果が得られる。

［第４の実施形態］
以下、本発明の第４の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板について説明する。なお、以下の説明においては第１の実施形態との違いを主に説明する。具体的な説明を省略した個所については、第１の実施形態と同様の内容である。

図９（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板１の構造を示す模式図であり、具体的には、支持基板１０と吐出口形成部材１５との接合面に平行な面で記録素子基板１を切った平面を示す図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＩＸｂ−ＩＸｂ線に沿った断面における液移動方向及び流速分布を示す模式図である。図９（ｃ）は、図９（ｂ）の一点鎖線領域ＩＸｃの拡大図である。

支持基板１０には、支持基板１０を表面から裏面まで貫通する複数の貫通口２４と、複数の貫通口２４´とが形成されている。図９（ａ）に示すように、液室２１と貫通口２４、２４´とは、対応する吐出口１２毎に設けられる。複数の吐出口１２から成る吐出口列を挟んで、複数の貫通口２４から成る第１の貫通口列と、複数の貫通口２４´とから成る第２の貫通口列とが平行に延びている。また、図９（ｂ）では示していないが、図９（ｂ）において支持基板１０の下側に、貫通口２４と貫通口２４´との両方に連通する液供給流路が設けられており、この液供給流路は、貫通口２４と貫通口２４´とで共用される。

本実施形態では、第１循環要素１６は発熱素子であり、支持基板１０に形成されている。また、第２循環要素１７、１７´は熱動電流素子であり、吐出口形成部材１５の液流路１３側の面に形成されている。本実施形態の構成により、図９（ｂ）に示すように、前述の実施形態と比べて吐出口１２の（図中上下方向における）より近傍に第２循環要素１７、１７´を配置することができる。また、図９（ａ）に示すように、支持基板１０の平面内においてエネルギー発生素子１１と重なるように第２循環要素１７、１７´を配置することが可能となる。従って、前述の実施形態と比べて吐出口１２の（図中左右方向における）より近傍に第２循環要素１７、１７´を配置することも可能となる。よって、吐出口１２近傍において、吐出口形成部材１５から支持基板１０に向かう強い渦流としての液室循環流１９を形成することができる。かかる渦流の形成に伴い、巻き込み流２５が発生し、吐出口１２内のインクをより効率的に置換できる。

＜本実施形態の効果について＞
本実施形態では、インクが吐出されていない時も、貫通口２４から液流路１３へ流入したインクが、貫通口２４´から液流路１３外へ流出する流れが形成される。また、吐出口１２近傍に配置された第２循環要素１７、１７´により、前述の実施形態（図１（ｄ）等）より効果的な液室循環流１９を形成することが可能となり、吐出口１２内の濃縮インクを効率良く置換することができる。このため、第１の実施形態と同様、液室２１内における濃縮インクの滞留を抑制する効果が得られる。

［第５の実施形態］
以下、本発明の第５の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板について説明する。なお、以下の説明においては第１の実施形態との違いを主に説明する。具体的な説明を省略した個所については、第１の実施形態と同様の内容である。

図１０（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板１の構造を示す模式図であり、具体的には、支持基板１０と吐出口形成部材１５との接合面に平行な面で記録素子基板１を切った平面を示す図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＸｂ−Ｘｂ線に沿った断面における液移動方向及び流速分布を示す模式図である。図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）の一点鎖線領域Ｘｃの拡大図である。

前述の第４の実施形態では、吐出口１２毎の貫通口２４、２４´が設けられていた（図９（ａ）参照）。これに対し本実施形態では、図１０（ａ）に示すように、複数（例えば３個）の吐出口１２に対して、１対の貫通口２４、２４´を共用する。尚、複数の吐出口１２から成る吐出口列を挟んで、複数の貫通口２４から成る第１の貫通口列と、複数の貫通口２４´とから成る第２の貫通口列とが平行に延びている点は、第４の実施形態と同様である。

このような構成を採用することで、吐出口列２０の伸長方向と平行な方向について、第４の実施形態と比べて、貫通口２４、２４´の寸法を実質的に大きくすることができる。従って、その分、吐出口列２０の伸長方向と直行する方向については、第４の実施形態と比べて、貫通口２４、２４´の寸法を小さくすることができる。このため、第３の実施形態に比べて記録素子基板１の幅方向寸法を縮小することが容易で、記録素子基板１の小型化が可能である。なお、２つの貫通口のうち何れか一方は、第３の実施形態と同様、液流路１３毎に設けられていてもよい。

本実施形態では、第１循環要素１６、１６´は非対称電極対を配置した熱動電流素子であり、図１０（ｂ）に示すように、支持基板１０上に形成されている。第１循環要素１６、１６´を流路方向の長さが非対称な電極対とすることで、流路方向に非対称な電界場が形成され、電極長さが短い電極から長い電極へ向かう一方向の液流が発生する。また、第２循環要素１７、１７´は、熱動電流素子であり、図１０（ｃ）に示すように、吐出口形成部材１５における吐出口１２側の側壁面に形成されている。このような構成にすることで、第２循環要素１７、１７´を吐出口１２の内部に配置することができる。よって、吐出口１２内のインクを、前述の実施形態より効率的に置換する流れ分布を形成することができる。尚、ここでは、第２循環要素１７、１７´の電極対に関し、電極全体が吐出口１２の内部に配置されたケースを示したが、電極の少なくとも一部が吐出口１２の内部に配置されていればよい。

＜本実施形態の効果について＞
本実施形態では、インクが吐出されていない時も、貫通口２４から液流路１３へ流入したインクが、貫通口２４´から液流路１３外へ流出する流れが形成される。また、吐出口１２内に配置された第２循環要素１７、１７´により、前述の実施形態（図１（ｄ）等参照）より効果的な液室循環流１９を形成することが可能となり、吐出口内の濃縮インクを効率良く置換することができる。このため、第１の実施形態と同様、液室２１内における濃縮インクの滞留を抑制する効果が得られる。

［第６の実施形態］
図１１を用いて、本発明の第６の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板の構成を説明する。なお、以下の説明においては第１の実施形態との違いを主に説明するため、具体的な説明を省略した個所については、第１の実施形態と同様の内容である。

図１１（ａ）は本発明の第６の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板１の構造を示す模式図であり、具体的には、支持基板１０と吐出口形成部材１５との接合面に平行な面で記録素子基板１を切った平面を示す図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＸＩｂ−ＸＩｂ線に沿った断面における液移動方向を示す模式図である。

図１１（ａ）に示すように、本実施形態では、吐出口１２毎の液流路１３が途中で１８０°向きを変え、流路の両端で同じ液供給流路１４に接続している。液供給流路１４には、複数の液流路１３にまたがる貫通口２４が形成されている。このように、貫通口２４は、吐出口列２０の伸長方向に垂直な方向と比べると、該伸長方向に長い幅を持つ。

本実施形態では、第１循環要素１６は、支持基板１０に配置される発熱素子である。第１循環要素１６のサイズとエネルギー発生素子１１のサイズとが略同一であった第３の実施形態（図７（ａ）参照）と比べて、本実施形態に係る第１循環要素１６のインクに接する部分の面積は大きく、液流路循環流１８をより強く発生させることが可能である。第２循環要素１７、１７´は電気浸透流素子であり、支持基板１０上かつ液室２１内に、エネルギー発生素子１１を挟む形で形成されている。

＜本実施形態の効果について＞
本実施形態では、前述の実施形態より大きい第１循環要素１６を採用することで、インクが吐出されていない時も、貫通口２４から液流路１３流入したインクが、貫通口２４から液流路１３外へ流出する流れがより強く形成される。また、液室２１内に配置された第２循環要素１７、１７´により吐出口１２内の濃縮インクを置換することができる。このため、第１の実施形態と同様、吐出口１２内及び液室２１内における濃縮インクの滞留を抑制する効果が得られる。

［その他の実施形態］
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。尚、前述した第１〜第６の実施形態について、各実施形態の構成を適宜組み合わせて用いてもよい。

１０ 支持基板
１２ 吐出口
１３ 液流路
１６、１６´ 第１循環要素
１７、１７´ 第２循環要素
１８ 液流路循環流
１９ 液室循環流
２１ 液室

Claims (19)

1. 支持基板と、
   前記支持基板上に配され、液体の吐出に要するエネルギーを発生するためのエネルギー発生素子と、該液体を吐出する吐出口とが設けられている液室と、
   前記液室を経由する前記液体の循環流路と
   を有する液体吐出ヘッドであって、
   前記循環流路における第１の循環流を形成する第１循環要素と、
   前記液室の内部における第２の循環流を形成する第２循環要素と
   を更に有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記第１循環要素は、前記液室の外部に配され、
   前記第２循環要素は、前記液室の内部に配される
   請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記第１の循環流は、前記液体を前記液室に導くと共に、前記吐出口から吐出されなかった該液体を該液室から回収する流れであり、
   前記第２の循環流は、前記液室の内部を循環する流れである
   請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記第２の循環流は、前記液室の内部から前記吐出口に向かう流れ成分を含む
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記第１循環要素は、発熱素子又は電極対であり、
   前記第２循環要素は、電極対である
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記第１循環要素は、発熱素子であり、
   前記発熱素子のサイズは、前記エネルギー発生素子のサイズより大きい
   請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記第１循環要素が電極対の場合、前記第１の循環流は、交流電気浸透流又は交流熱動電流であり、
   前記第２の循環流は、交流電気浸透流又は交流熱動電流である
   請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記第２循環要素の前記電極対を構成する第１の電極と第２の電極とは、前記吐出口を基準に対称となるように配される
   請求項７に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記第１の電極の近傍に形成される第１の渦流の回転方向は、前記第２の電極の近傍に形成される第２の渦流の回転方向と逆である
   請求項８に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記第１循環要素の駆動頻度は、前記第２循環要素の駆動頻度より低い
    請求項１乃至９の何れか１項に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記第１循環要素と前記第２循環要素との少なくとも一方は、前記エネルギー発生素子が駆動するタイミングと連動して駆動する
    請求項１乃至１０の何れか１項に記載の液体吐出ヘッド。
12. 前記第１循環要素と前記第２循環要素との少なくとも一方は、前記エネルギー発生素子の駆動中と駆動の前後一定期間とを避けて駆動する
    請求項１１に記載の液体吐出ヘッド。
13. 前記第１循環要素と前記第２循環要素とは共に、前記支持基板に設けられている
    請求項１乃至１２の何れか１項に記載の液体吐出ヘッド。
14. 前記吐出口は、前記支持基板が支持する部材に形成され、
    前記第１循環要素と前記第２循環要素とは、前記支持基板と前記部材との接合面に垂直な方向における異なる高さに設けられている
    請求項１乃至１２の何れか１項に記載の液体吐出ヘッド。
15. 前記第１循環要素は、前記支持基板に設けられ、
    前記第２循環要素は、前記部材に設けられている
    請求項１４に記載の液体吐出ヘッド。
16. 前記第２循環要素の少なくとも一部が、前記吐出口の内部に配される
    請求項１５に記載の液体吐出ヘッド。
17. 前記循環流路における上流側の端部と該循環流路における下流側の端部とはそれぞれ、同一の流路に連通している
    請求項１乃至１６の何れか１項に記載の液体吐出ヘッド。
18. 支持基板と、
    前記支持基板上に配され、液体の吐出に要するエネルギーを発生するためのエネルギー発生素子と、該液体を吐出する吐出口とが設けられている液室と、
    前記液室を経由する前記液体の循環流路と
    を有する液体吐出ヘッドの制御方法であって、
    前記循環流路における第１の循環流を形成する第１のステップと、
    前記液室の内部における第２の循環流を形成する第２のステップと
    を有することを特徴とする制御方法。
19. 前記第１のステップと前記第２のステップとを同じタイミングで実行する
    請求項１８に記載の制御方法。

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