JP3548485B2 - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギーを液体に作用させて気泡を発生させることによって液体を吐出する液体吐出ヘッド、およびその液体吐出ヘッドを用いた液体吐出装置に関する。
【０００２】
また、本発明は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の被記録媒体に対して記録を行うプリンタ、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等の装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業用記録装置に適用できる発明である。
【０００３】
なお、本発明における「記録」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を被記録媒体に付与することをも意味するものである。
【０００４】
【従来の技術】
従来、プリンター等の記録装置において、流路中の液体インクに熱等のエネルギーを与えて気泡を発生させ、それに伴う急峻な体積変化に基づく作用力によって吐出口からインクを吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行なうインクジェット記録方法、いわゆるバブルジェット記録方法が知られている。このバブルジェット記録方法を用いる記録装置には、米国特許第４，７２３，１２９号等に開示されているように、インクを吐出するための吐出口と、この吐出口に連通する流路と、流路内に配されたインクを吐出するためのエネルギー発生手段としての電気熱変換体が一般的に配されている。
【０００５】
このような記録方法によれば、品位の高い画像を高速、低騒音で記録することができると共に、この記録方法を行うヘッドではインクを吐出するための吐出口を高密度に配置することができるため、小型の装置で高解像度の記録画像、さらにカラー画像をも容易に得ることができるという多くの優れた点を有している。このため、このバブルジェット記録方法は近年、プリンター、複写機、ファクシミリ等の多くのオフィス機器に利用されており、さらに、捺染装置等の産業用システムにまで利用されるようになってきている。
【０００６】
このようにバブルジェット技術が多方面の製品に利用されるに従って様々な要求が高まっており、例えば、高画質な画像を得るために、インクの吐出スピードが速く、安定した気泡発生に基づく良好なインク吐出を行える液体吐出方法等を与えるための駆動条件が提案されたり、また、高速記録の観点から、吐出された液体の液流路内への充填（リフィル）速度の速い液体吐出ヘッドを得るために流路形状を改良したものも提案されている。
【０００７】
このうち、ノズル内において気泡を発生させ、この気泡成長に伴い液体を吐出させるヘッドにおいて、吐出口とは反対方向への気泡成長およびこれによる液流が吐出エネルギー効率およびリフィル特性を低下させる要因として知られており、このような吐出エネルギー効率およびリフィル特性を向上させる構造の発明がヨーロッパ特許出願公開公報ＥＰ０４３６０４７Ａ１に提案されている。
【０００８】
この公報に記載の発明は、吐出口近傍域と気泡発生部との間にこれらを遮断する第１弁と、気泡発生部とインク供給部との間にこれらを完全に遮断する第２弁とを交互に開閉させるものである（ＥＰ４３６０４７Ａ１の第４〜９図）。例えば同公報第７図の例では、図２５に示すように、インク流路１１２の内壁を形成する基板１２５上のインク槽１１６とノズル１１５との間のインク流路１１２のほぼ中央に発熱体１１０が設けられている。発熱体１１０は、インク流路１１２内部の、周囲を全て閉じた区画１２０内に在る。インク流路１１２は、基板１２５と、基板１２５上に直接積層した薄膜１２３，１２６と、閉止体としての舌状片１１３、１３０とで構成されている。開放された舌状片は図２５では破線で示されている。基板１２５と平行な平面内に延在してストッパ１２４で終結する別の薄膜１２３はインク流路１１２上を遮蔽する。インク中に気泡が発生すると、ノズル領域内の舌状片１３０の、静止状態でストッパ１２６に密着しているその自由端は、上に向かって変位し、インク液は区画１２０からインク流路１１２中へ、ついでノズル１１５を通じて射出される。このとき、インク槽１１６の領域内に設けた舌状片１１３は静止状態でストッパ１２４に密着しているため、区画１２０内のインク液はインク層１１６に向かうことはない。インク中の気泡が消泡すると、舌状片１３０は下に向けて変位し、ストッパ１２６に再び密着する。そして、舌状片１１３はインク区画１２０内に倒れ落ち、これによりインク液が区画１２０中に流入する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＥＰ０４３６０４７Ａ１に記載の発明は、吐出口近傍域と気泡発生部とインク供給部の３つの部屋を２つづつに区分してしまうために、吐出時には液滴に追従するインクが大きな尾引きとなり、気泡成長・収縮・消泡を行う通常の吐出方式に比べてサテライトドットがかなり多くなってしまう（消泡によるメニスカス後退の効果を使えないと推定される）。また、気泡の吐出口側の弁は吐出エネルギーの多大な損失を招く。さらに、リフィル時（ノズルへのインク補充時）は、気泡発生部に液体が消泡に伴って供給されるが、吐出口近傍域には次の発泡が生じるまで液体は供給できないので、吐出液滴のばらつきが大きいだけでなく、吐出応答周波数が極めて小さく、実用レベルではない。
【００１０】
本発明は、吐出口とは反対方向への気泡成長成分の抑制効率を向上し、これとは相反するリフィル特性の高効率化を満足するための画期的な方法やヘッド構成を見い出すべく新たな着想に基づいて吐出効率の向上をも満足する発明を提案するものである。
【００１１】
本発明者達は鋭意研究の結果、直線状に形成したノズル内で気泡を発生させ、この気泡成長に伴い液体を吐出させる液体吐出ヘッドのノズル構造において、特別な逆止弁の機能により、吐出口とは反対方向（後方）への気泡成長を抑制し、後方への吐出エネルギーを吐出口側に有効に利用できることを見い出した。その上、特別な逆止弁の機能により後方への気泡成長成分を抑制することで、吐出応答周波数が極めて高くできることを見い出した。
【００１２】
本発明の目的は、上記のような研究過程で得られた、新規な弁機能を有する液体吐出ヘッドにおいて、ノズルからのインクの吐出動作でそのノズル内へのインクのリフィル特性を高効率化させることが可能な液体吐出ヘッド、およびその液体吐出ヘッドを有する液体吐出装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、液体を吐出するための複数の吐出口と、前記各吐出口に連通され、液体に気泡を発生させる気泡発生領域を有する複数の液流路と、前記気泡を発生し成長させるためのエネルギーを発生する気泡発生手段と、前記複数の液流路にそれぞれ配設され、共通液体供給室と連通する複数の液体供給口と、前記液体供給口の前記液流路への開口領域に対して隙間を隔てて支持され、気泡の発生に伴い変位する自由端を有する可動部材とを有し、前記可動部材と前記液体供給口の前記開口領域との間の前記隙間が、前記気泡発生手段により発生した気泡が等方的に成長している際に前記インク供給口の前記開口領域が前記可動部材によって実質的に塞がれるほど狭い液体吐出ヘッドであって、前記可動部材の前記吐出口側の先端が、前記液体供給口を形成するための部材における前記吐出口側の端面よりも前記吐出口側に位置していることを特徴とする。
【００１４】
上記の発明では、気泡発生手段により気泡発生領域で気泡を発生させて可動部材を変位させ、可動部材によって液流路の液体供給口をほぼ閉じることで液流路をほぼ密閉状態にしてから吐出口より液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、可動部材の吐出口側の先端が、液体供給口を形成するための部材における吐出口側の端面よりも吐出口に近くなっていることにより、気泡の液体供給口側の部分が収縮し始めた際にその気泡の収縮によるわずかな液体の移動、具体的には液体の渦に可動部材が敏感に反応して可動部材が素速く変位する。従って、可動部材の自由端側の部分が気泡発生手段から離れている場合や、可動部材の剛性が強い場合などでも、気泡の液体供給口側の部分が収縮し始めてから可動部材が変位して液体供給口が開放されるまでのタイミングにずれが生じるということが防止される。その結果、共通液体供給室から液流路への液体の補充（リフィル）が遅れるということが防止され、液体吐出ヘッドにおける液流路への液体のリフィル特性が高効率化する。
【００１５】
具体的には、前記気泡発生手段により前記気泡発生領域で気泡を発生させた際に、前記気泡の前記吐出口側の部分における前記気泡発生手段からの高さが、前記気泡発生手段から前記可動部材の前記自由端までの距離よりも大きくなるように、前記可動部材および前記液体供給口のそれぞれの位置が設定されている。
【００１６】
上記のように気泡の吐出口側の部分の高さが気泡発生手段から可動部材の自由端までの距離よりも大きくなるように可動部材および液体供給口の位置が設定されていることにより、気泡発生領域で発生した気泡の液体供給口側の部分が収縮し始めた際に、可動部材の自由端付近の側面における液体の流れにより可動部材が変位し、液体供給口を素速く開放することができる。
【００１９】
また、本発明の液体吐出装置は、上述した液体吐出ヘッドと、該液体吐出ヘッドから吐出された液体を受け取る被記録媒体を搬送する被記録媒体搬送手段とを備えている。
【００２０】
具体的には上記の液体吐出装置は、前記液体吐出ヘッドからインクを吐出し、前記被記録媒体に該インクを付着させることで記録を行う。
【００２１】
上記の液体吐出装置では、上述したような液流路内への液体のリフィル特性が高効率化された液体吐出ヘッドを備えたことにより、液体吐出ヘッドの吐出口から吐出させる液体の吐出応答周波数を大きくすることができ、記録の高速化を図ることが可能となる。
【００２２】
なお、本発明の説明で用いる「上流」「下流」とは、液体の供給源から気泡発生領域（又は可動部材）を経て、吐出口へ向かう液体の流れ方向に関して、又はこの構成上の方向に関しての表現として表されている。
【００２３】
また、気泡自体に関する「下流側」とは、気泡の中心に対して、上記流れ方向や上記構成上の方向に関する下流側、又は、発熱体の面積中心より下流側の領域で発生する気泡を意味する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態による液体吐出ヘッドの１つの液流路方向に沿った断面図、図２は図１のＸ−Ｘ’線断面図、図３は図１の吐出口中心からＹ１点で天板２側へシフトしたＹ−Ｙ’線断面図である。
【００２６】
図１〜図３に示す複数液路−共通液室形態の液体吐出ヘッドでは、素子基板１と天板２とが液路側壁１０を介して積層状態で固着され、素子基板１と天板２との間には、一端が吐出口７と常に連通し他端が閉じられた液流路３が形成されている。この液流路３は１個のヘッドに多数設けられている。また、素子基板１には各々の液流路３に対し、液流路３に補充された液体に気泡を発生させる気泡発生手段としての電気熱変換素子等の発熱体４が配されている。発熱体４と吐出液との接する面の近傍領域には、発熱体４が急速に加熱されて吐出液に発泡が生じる気泡発生領域１１が存在する。
【００２７】
多数の液流路３の各々に、供給部形成部材５Ａに形成された液体供給口５が配設され、各液体供給口５に同時に連通する大容積の共通液体供給室６が設けられている。つまり、単一の共通液体供給室６から多数の液流路３に分岐した形状となっており、各液流路３と連通する吐出口７から吐出された液体に見合う量の液体をこの共通液体供給室６から受け取る。
【００２８】
液体供給口５と液流路３との間には、可動部材８が液体供給口５の開口領域Ｓに対して微小な隙間α（例えば１０μｍ以下）を有して略平行に設けられている。可動部材８は素子基板１に対しても素子基板１に平行に位置する。そして可動部材８の一端は、素子基板１の発熱体４側に位置する自由端８Ｂであり、その他端側は固定部材９に支持されている。また、この固定部材９によって液流路３の吐出口７と反対側端が閉じられている。
【００２９】
可動部材８の少なくとも自由端部およびそれに連続する両側部で囲まれる領域が液体供給口５の開口領域Ｓよりも大きくなっており（図３参照）、かつ、可動部材８の側部と両側の流路側壁１０のそれぞれとの間は微小な隙間βを有する（図２参照）。前述した供給部形成部材５Ａは可動部材８に対して、図２に示すように隙間γを介している。隙間β、γは、流路のピッチによって異なるが、隙間γが大きければ可動部材８は開口領域Ｓを遮断し易く、隙間βが大きければ可動部材８は隙間αを介して位置する定常状態よりも消泡に伴って素子基板１側へ移動し易くなる。本実施形態では、隙間αは３μｍ、隙間βは３μｍ、隙間γは４μｍとした。
【００３０】
また、可動部材８は、流路側壁１０の間の幅方向で、上記開口領域Ｓの幅Ｗ２よりも大きい幅Ｗ１を有しており、開口領域Ｓを十分密閉できる幅を有している。可動部材８の支点８Ａは、複数の可動部材が複数液路に交差する方向に関して連続している連続部の自由端側の端部延長線上で、液体供給口５の開口領域Ｓの上流側端部を規定する（図３参照）。本実施形態では、図２および図３に示すように流路側壁１０自体の厚みよりも、供給部形成部材５Ａの、可動部材８に沿っている部分の厚みが小さく設定されており、流路側壁１０に対して供給部形成部材５Ａが積層されている。なお、供給部形成部材５Ａの、可動部材８の自由端８Ｂよりも吐出口７側は、図３に示すように流路側壁１０自体の厚みに対して同じ厚さに設定されている。以上により可動部材８は液流路３内で摩擦抵抗なく可動できる一方で、開口領域Ｓ側への変位は開口領域Ｓの周辺部で規制できる。これにより、開口領域Ｓを実質的に塞いで液流路３内部から共通液体供給室６への液流を防ぐことが可能となる一方で、気泡の消泡に伴って液流路３側へ実質密閉状態からリフィル可能状態へ移動可能となる。
【００３１】
ここで、本実施形態の液体吐出ヘッドでは、可動部材８の自由端８Ｂが、供給部形成部材５Ａの吐出口７側の側面である端面５Ｃよりも吐出口７側に近い位置にある。すなわち、可動部材８の吐出口７側の先端が、液体供給口５を形成するための供給部形成部材５Ａにおける吐出口７側の端面５Ｃよりも吐出口７側に近い位置にあることになる。このように可動部材８の自由端８Ｂが供給部形成部材５Ａの端面５Ｃよりも吐出口７側に長く延びて、端面５Ｃから突出していることにより、後述するインクの吐出動作において共通液体供給室６から液流路３へのインクの充填（リフィル）速度を速くすることが可能となっている。
【００３２】
なお、開口領域Ｓは、液体供給口５から液流路３に向かって液体を供給する実質的な領域であり、本実施形態においては図１および図３に示すように液体供給口５の３辺と固定部材９の端部９Ａで囲まれた領域である。
【００３３】
また、図４に示すように本実施形態においては、電気熱変換体としての発熱体４と吐出口７との間は弁のような障害物は無く、液流に対し直線的な流路構造を保っている「直線的連通状態」となっている。これは、より好ましくは、気泡の発生時に生じる圧力波の伝播方向とそれに伴う液体の流動方向と吐出方向とを直線的に一致させることで、吐出滴の吐出方向や吐出速度等の吐出状態をきわめて高いレベルで安定化させるという理想状態を形成することが望ましい。本発明では、この理想状態を達成、または近似させるための一つの定義として、吐出口７と発熱体４、特に気泡の吐出口７側に影響力を持つ発熱体４の吐出口７側（下流側）とが直接直線で結ばれる構成とすればよく、これは、液流路３内の流体がない状態であれば、吐出口７の外側から見て発熱体４、特に発熱体４の下流側が観察することが可能な状態である（図４参照）。
【００３４】
次に、本実施形態の液体吐出ヘッドの吐出動作について詳しく説明する。図５〜図８は図１〜図３に示した構造の液体吐出ヘッドの吐出動作を説明するために、液体吐出ヘッドを液流路方向に沿った切断図で示すと共に、特徴的な現象を図５〜図８の７工程に分けて示したものである。また図５〜図８において符号Ｍは吐出液が形成するメニスカスを表している。
【００３５】
図５（ａ）では、発熱体４に電気エネルギー等のエネルギーが印加される前の状態であり、発熱体４が熱を発生する前の状態を示す。この状態では、液体供給口５と液流路３との間に設けられた可動部材８と、液体供給口５の形成面との間には微小な隙間（１０μｍ以下）が存在している。
【００３６】
図５（ｂ）では、液流路３を満たす液体の一部が発熱体４によって加熱され、発熱体４上に膜沸騰が起こり気泡２１が等方的に成長した状態を示す。ここで、「気泡成長が等方的」とは、気泡表面の所々において気泡表面の垂線方向を向いた気泡成長速度がそれぞれほぼ等しい大きさである状態をいう。
【００３７】
この気泡発生初期の、気泡２１の等方的な成長過程において、可動部材８が液体供給口５の周辺部と密着して液体供給口５を塞ぎ、液流路３内が、吐出口７を除いて実質的に密閉状態になる。この時、可動部材８の自由端が、液体供給口５側に最大変位する量をｈ１とする。
【００３８】
図６（ａ）は気泡２１が成長し続けている状態を示す。この状態では、上述のように液流路３内が、吐出口７を除いて実質的に密閉状態になっているので、液体の流れが液体供給口５側には行かない。そのため、気泡２１は、吐出口７側へは大きく広がることができるが、液体供給口５側へはあまり広がらない。そして、気泡発生領域１１の吐出口７側では気泡成長は続くが、逆に、気泡発生領域１１の液体供給口５側では気泡成長が止まってしまう。つまり、この気泡成長停止状態が、気泡発生領域１１の液体供給口５側では、最大発泡状態になっている。この時の発泡体積をＶｒとする。
【００３９】
ここで、図５（ａ），（ｂ）および図６（ａ）における気泡の成長過程を図９に基づき詳述する。図９（ａ）に示すように発熱体４が加熱されると発熱体４上に初期沸騰が生じ、その後図９（ｂ）に示すように発熱体４上を膜状の気泡が覆う膜沸騰に変化する。そして膜沸騰状態の気泡は図９（ｂ）〜図９（ｃ）に示すように等方的に成長し続ける（このように等方的に気泡成長している状態は半ピュロー状態と呼ばれる。）。ところが図５（ｂ）に示したように液流路３内が、吐出口７を除いて実質的に密閉状態になると、上流側への液移動ができなくなるため、半ピュロー状の気泡において上流側（液体供給口５側）の気泡の一部があまり成長できなくなり、残りの下流側（吐出口７側）の部分が大きく成長する。この状態を表したのが、図６（ａ）や図９（ｄ）、（ｅ）である。
【００４０】
ここで説明の便宜上、発熱体４を加熱しているとき、発熱体４上において気泡が成長しない領域をＢ領域とし、気泡が成長する吐出口７側の領域をＡ領域とする。なお、図９（ｅ）に示すＢ領域では、発泡体積が最大となっており、このときの発泡体積をＶｒとした。
【００４１】
また、図６（ｂ）は、Ａ領域では気泡成長が続いており、Ｂ領域では気泡収縮が始まろうとしている。この状態では、Ａ領域で吐出口側に向けて気泡２１が大きく成長していき、Ｂ領域における気泡の体積は減少し始める。このような、Ａ領域で気泡成長、Ｂ領域で気泡収縮の期間（部分成長部分収縮期間）において液体の流れを説明するのが図６（ｂ）であり、この図６（ｂ）は図６（ａ）におけるＡ−Ａ’線断面図である。
【００４２】
図６（ａ）におけるＢ領域では気泡成長が停止し、収縮に向かっているため、Ｂ領域付近の液体はＢ領域の気泡に向かって移動しようとしている。そのため、図６（ｂ）のように可動部材８の自由端８Ｂ付近の側面に、可動部材８に沿った液体の流れが生じる。この液体の流れによって、可動部材８の自由端８Ｂが早いタイミングで下方変位を開始する。このわずかな液体の流れに敏感に反応することで、Ｂ領域の気泡収縮の開始と液体供給口の開始とによるリフィル開始のタイミングのずれを短くすることが可能となる。
は、図６（ｂ）に示すように気泡２１の吐出口７側では吐出口７側に向かってインクの移動が起き、気泡２１の液体供給口５側では、可動部材８により液体供給口５がほぼ密閉状態となっているため、気泡２１のＢ領域の部分の収縮に伴ってＡ領域の気泡の付近からＢ領域の気泡の付近に向かってインクが流れるインクの渦が生じる。ここで、上述したように可動部材８の自由端８Ｂが供給部形成部材５Ａの端面５Ｃより吐出口７側に突出していることで、そのインクの渦によって、可動部材８の自由端８Ｂを定常状態の位置に向かって下方変位させるような力が可動部材８に素速く働くことになる。このようにして、可動部材８の自由端がその剛性による復元力やＢ領域における気泡の消泡力で定常状態の位置へと下方変位し始める。
次に図７（ａ）は、Ａ領域では気泡成長がさらに続いており、Ｂ領域では気泡収縮が進んだ状態を示す。この状態では、Ａ領域で気泡２１が吐出口側に向かって図６（ｂ）の状態よりもさらに大きく成長していく。そして、Ｂ領域における気泡の体積が減少したことにより、可動部材８の自由端が、その剛性による復元力と、Ｂ領域の気泡の消泡力による気泡２１の液体供給口５側でのインクの渦とによって定常状態位置へと下方変位している。その結果、液体供給口５が開いて共通液体供給室６と液流路３が連通状態となり、液体供給口５を通して共通液体供給室６から液流路３へとインクが充填（リフィル）され始める。
【００４３】
図７（ｂ）は、気泡２１がほぼ最大に成長した状態を示す。この状態では、Ａ領域において気泡が最大に成長し、これに伴ってＢ領域における気泡はほとんど無くなる。この時のＡ領域での最大気泡体積をＶｆとする。また、吐出口７から吐出しつつある吐出滴２２は、長い尾引きの状態でメニスカスＭと未だ繋がっている。
【００４４】
図８は、気泡２１の成長が止まり消泡工程のみの段階であって、吐出滴２２とメニスカスＭが分断された状態を示す。Ａ領域で気泡成長から消泡に変わった直後は、気泡２１の収縮エネルギーは全体バランスとして吐出口７近傍の液体を上流方向へ移動させる力として働く。従って、メニスカスＭはこの時点で吐出口７から液流路３内に引き込まれ、吐出液滴２２と繋がっている液柱を強い力ですばやく切り離すことになる。その一方で、気泡の収縮に伴い、共通液体供給室６から液体供給口５を介して液体が急速に大きな流れとなって液流路３内へ流れ込む。これにより、メニスカスＭを液流路３内へと急速に引き込む流れが急に低下するため、メニスカスＭは比較的低速で発泡前の位置へ戻り始めるので、本発明に係る可動部材を備えていない液体吐出方式に比べてメニスカスＭの振動の収束性が非常に良い。なお、この時の可動部材８の自由端が、気泡発生領域１１側に最大変位する量をｈ２とする。
【００４５】
最後に、気泡２１が完全に消泡すると、可動部材８も図５（ａ）に示した定常状態位置に復帰する。この状態へは、可動部材８はその弾性力により上方変位する（図８の実線の矢印方向）。また、この状態では、メニスカスＭはすでに吐出口７近傍で復帰している。
【００４６】
次に、図５〜図８におけるＡ領域とＢ領域での気泡体積の時間変化と可動部材の挙動との相関関係を図１０を参照して説明する。図１０はその相関関係を表したグラフであり、曲線ＡはＡ領域における気泡体積の時間変化を示し、曲線ＢはＢ領域における気泡体積の時間変化を示す。
【００４７】
図１０に示すように、Ａ領域での気泡の成長体積の時間変化は極大値をもつ放物線を描く。つまり、発泡開始されてから消泡までにおいて気泡体積は時間経過と共に増大して、ある時点で最大となり、その後減少する。一方、Ｂ領域については、Ａ領域の場合と比べ、発泡開始されてから消泡までに要する時間が短く、また気泡の最大成長体積も小さく、最大成長体積に達する時間も短い。つまり、Ａ領域とＢ領域とでは、発泡開始されてから消泡までに要する時間と気泡の成長体積変化とが大きく異なっていて、Ｂ領域の方が小さい。
【００４８】
特に図１０において、気泡の発生初期は同じ時間変化で気泡体積が増大するため、曲線Ａと曲線Ｂが重なっている。つまり、気泡の発生初期は気泡が等方的に成長している（半ピュロー状の）期間が生じている。その後、曲線Ａが極大点まで増大する曲線を描くものの、ある時点で曲線Ｂは曲線Ａから分岐し、気泡体積が減少する曲線を描く。つまり、Ａ領域では気泡の体積が増加するものの、Ｂ領域では気泡体積が減少する期間（部分成長部分収縮期間）が生じる。
【００４９】
そして、上記のような気泡成長の仕方に基づき、図１に示したように発熱体４の一部分を可動部材８の自由端が覆った形態では、可動部材８は次のような挙動を生じる。すなわち、図１０の▲１▼の期間では可動部材が液体供給口に向かって上方変位している。同図▲２▼の期間では可動部材が液体供給口に密着し、液流路内が吐出口を除いて実質的に密閉状態となる。この密閉状態の開始は気泡が等方的に成長している期間で行われる。次に同図▲３▼の期間では、可動部材が定常状態位置に向かって下方変位している。この可動部材による液体供給口の開放開始は部分成長部分収縮期間開始から、わずかな時間が経過した後に行われる。次に同図▲４▼の期間では、可動部材が定常状態からさらに下方変位している。次に同図▲５▼の期間では、可動部材の下方変位がほぼ停止し、可動部材が開放位置で平衡状態になっている。最後に同図▲６▼の期間では、可動部材が定常状態位置に向かって上方変位している。
【００５０】
このような気泡成長と可動部材の挙動との相関関係は、可動部材と発熱体との相対位置に影響される。そこで、図１１および図１２を参照し、本形態と異なる相対位置の可動部材と発熱体を備えた液体吐出ヘッドにおける気泡成長と可動部材の挙動との相関関係を説明する。
【００５１】
図１１は、発熱体全体を可動部材の自由端が覆った形態における気泡成長と可動部材の挙動との相関関係を説明するための図で、（ａ）はその形態を、（ｂ）はその相関関係のグラフを示している。図１１（ａ）で示す形態のように発熱体４と可動部材８が重なっている面積が大きいと、図１１（ｂ）の▲１▼の期間が図１の形態の場合と比べて短時間となり、発熱体４を加熱してから短時間で密閉状態になるので、より好ましい。なお、図１１（ｂ）の▲１▼〜▲６▼の各期間の可動部材の挙動は図１０に基づいて説明した挙動と同じである。また図１１の形態をとると、可動部材８が気泡２１の体積減少の影響を受けやすくなるため、同図▲３▼の期間開始時点から判るように、可動部材８による液体供給口５の開放開始は部分成長部分収縮期間開始から即座に行われる。つまり、可動部材８の開放タイミングが図１の形態の場合と比べて早い。同様の理由で、可動部材８の振幅が大きくなる。
【００５２】
また図１２は、発熱体と可動部材が離れている形態における気泡成長と可動部材の挙動との相関関係を説明するための図で、（ａ）はその形態を、（ｂ）はその相関関係のグラフを示している。図１２（ａ）で示す形態のように発熱体４と可動部材８とが離れていると、可動部材８が気泡の体積減少の影響を受けにくいため、図１２（ｂ）の▲３▼の期間開始時点から判るように、可動部材８による液体供給口５の開放開始は部分成長部分収縮期間開始からかなり遅れて行われる。つまり、可動部材８の開放タイミングが図１の形態の場合と比べて遅い。同様の理由で、可動部材８の振幅が小さくなる。なお、図１２（ｂ）の▲１▼〜▲６▼の各期間の可動部材の挙動は図１０に基づいて説明した挙動と同じである。
【００５３】
なお、上記可動部材８と発熱体４との位置関係は一般的な動作の説明をしたもので、可動部材の自由端の位置、可動部材の剛性等によって各動作は異なってくるものである。
【００５４】
また、図１０〜図１２から判るように、気泡発生領域１１の吐出口７側で成長する気泡（Ａ領域の気泡）の最大時の体積をＶｆとし、気泡発生領域１１の液体供給口５側で成長する気泡（Ｂ領域の気泡）の最大時の体積をＶｒとすると、Ｖｆ＞Ｖｒの関係が本発明のヘッドでは常に成り立っている。さらに、気泡発生領域１１の吐出口７側で成長する泡（Ａ領域の泡）のライフタイム（泡の発生から消泡までの時間）をＴｆとし、気泡発生領域１１の液体供給口５側で成長する泡（Ｂ領域の泡）のライフタイムをＴｒとすると、Ｔｆ＞Ｔｒの関係が本発明のヘッドでは常に成り立つ。そして、上記のような関係となるため、気泡の消泡点は、気泡発生領域１１の中心付近より吐出口７側に位置することとなる。
【００５５】
さらに本ヘッド構成では、図５（ｂ）および図８からも判るように、気泡の発生初期に可動部材８の自由端が液体供給口５側に最大変位する量ｈ１よりも、気泡の消泡と共に可動部材８の自由端が気泡発生手段４側に最大変位する量ｈ２の方が大きいという関係（ｈ１＜ｈ２）にある。例えばｈ１は２μｍ、ｈ２は１０μｍである。この関係が成り立つことにより、発泡初期での発熱体後方（吐出口に対して反対方向）への泡の成長を抑制し、発熱体前方（吐出口に向かう方向）への泡の成長をより促進させることができる。このことによって、発熱体で生じる発泡パワーを、液体が吐出口から飛翔する液滴の運動エネルギーへ変換させる効率を向上させることができる。
【００５６】
本実施形態のヘッド構成および液体吐出動作について説明したが、このような形態によれば、気泡の下流側への成長成分と上流側への成長成分が均等ではなく、上流側への成長成分がほとんどなくなり上流側への液体の移動が抑制される。上流側への液体の流れが抑制されるため、上流側に気泡成長成分が損失することなくそのほとんどが吐出口の方向に向けられ、吐出力が格段に向上する。さらに、吐出後のメニスカスの後退量が減少し、その分リフィル時にメニスカスがオリフィス面よりも突出する量も減少する。そのためメニスカス振動が抑制されることとなり、低周波数から高周波数まであらゆる駆動周波数において安定した吐出を行うことができる。
【００５７】
ここで、本実施形態の液体吐出ヘッドでは、上述したように可動部材８の吐出口７側の先端が、液体供給口５を形成するための供給部形成部材５Ａにおける吐出口７側の端面５Ｃよりも吐出口７に近くなっている。このような液体吐出ヘッドでは、発熱体４により気泡発生領域１１で気泡を発生させて可動部材８を変位させ、その可動部材８によって液流路３の液体供給口５をほぼ密閉状態にしてから吐出口７よりインクを吐出させる動作において、気泡発生領域１１で発生した気泡の液体供給口５側の部分が収縮し始めた際にその気泡の収縮によるわずかなインクの移動、具体的にはインクの渦に可動部材８が敏感に反応して可動部材８が素速く下方変位する。
【００５８】
従って、可動部材８の自由端８Ｂ側の部分が発熱体４から離れている場合や、可動部材８の剛性が強い場合などでも、気泡の液体供給口５側の部分が収縮し始めてから可動部材８が変位して液体供給口５が開放されるまでのタイミングにずれが生じるということが防止される。その結果、共通液体供給室６から液流路３へのインクの補充（リフィル）が遅れるということが防止され、液流路３へのインクのリフィル特性が高効率化する。
【００５９】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態のヘッド構造においては図１および図３に示したように、可動部材８の、固定部材９に対して未接合となる（すなわち、屈曲して立ち上がる）位置が固定部材９の端部９Ａとは同じでないため、開口領域Ｓは、液体供給口５の３辺と固定部材９の端部９Ａで囲まれた領域となったが、図１３および図１４に示す形態のように、可動部材８の固定部材９からの屈曲立ち上がり位置を固定部材９の端部９Ａとしてもよい。この形態の場合には、開口領域Ｓは図１３および図１４に示すように、液体供給口５の３辺と可動部材８の支点部８Ａとで囲まれた領域となる。
【００６０】
また、第１の実施の形態のヘッド構造において液体供給口５は図３に示したように４つの壁面で囲まれた開口としたが、図１５および図１６に示す形態のように、供給部形成部材５Ａ（図１参照）のうち、吐出口７側とは反対の液体供給室６側の壁面が開放されていてもよい。この形態の場合には、第１の実施の形態と同様、開口領域Ｓは図１５および図１６に示すように、液体供給口５の３辺と固定部材９の端部９Ａとで囲まれた領域となる。
【００６１】
これらの構成の液体吐出ヘッドにおいても、図１３および図１５に示されるように可動部材８の自由端８Ｂが、供給部形成部材５Ａの吐出口７側の側面である端面５Ｃよりも吐出口７側に近い位置にあり、可動部材８の吐出口７側の先端が供給部形成部材５Ａの端面５Ｃから突出している。これにより、第１の実施形態と同様に、インクの吐出動作において共通液体供給室６から液流路３へのインクのリフィル特性の高効率化が図られている。
【００６２】
（その他の実施の形態）
以下、本発明の液体吐出原理を用いたヘッドに好適な様々な形態例を説明する。
【００６３】
＜素子基板＞
上述したような液体吐出ヘッドの発熱体４を駆動したりその駆動を制御するための回路や素子は、その機能に応じて素子基板１または天板２に分担して配置されている。また、これら回路や素子は、素子基板１および天板２がシリコン材料で構成されていることから、半導体ウェハプロセス技術を用いて容易かつ微細に形成することができる。
【００６４】
以下に、半導体ウェハプロセス技術を用いて形成された素子基板１の構造について説明する。
【００６５】
図１７は、上記各種の実施形態の液体吐出ヘッドに用いられる素子基板１の断面図である。図１７に示す素子基板１では、シリコン基板２０１の表面に、蓄熱層としての熱酸化膜２０２および、蓄熱層を兼ねる層間膜２０３がこの順番で積層されている。層間膜２０３としては、ＳｉＯ２膜またはＳｉ３Ｎ４膜が用いられている。層間膜２０３の表面に部分的に抵抗層２０４が形成され、抵抗層２０４の表面に部分的に配線２０５が形成されている。配線２０５としては、Ａｌまたは、Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ等のＡｌ合金配線が用いられている。この配線２０５、抵抗層２０４および層間膜２０３の表面に、ＳｉＯ２膜またはＳｉ３Ｎ４膜から成る保護膜２０６が形成されている。保護膜２０６の表面の、抵抗層２０４に対応する部分およびその周囲には、抵抗層２０４の発熱に伴う化学的および物理的な衝撃から保護膜２０６を守るための耐キャビテーション膜２０７が形成されている。抵抗層２０４表面の、配線２０５が形成されていない領域は、抵抗層２０４の熱が作用する部分となる熱作用部２０８である。
【００６６】
この素子基板１上の膜は半導体の製造技術によりシリコン基板２０１の表面に順に形成され、シリコン基板２０１に熱作用部２０８が備えられている。
【００６７】
図１８は、図１７に示す素子基板１の主要素子を縦断するように素子基板１を切断した模式的断面図である。
【００６８】
図１８に示すように、Ｐ導電体であるシリコン基板２０１の表層にはＮ型ウェル領域４２２およびＰ型ウェル領域４２３が部分的に備えられている。そして、一般的なＭｏｓプロセスを用いてイオンプラテーション等の不純物導入および拡散によって、Ｎ型ウェル領域４２２にＰ−Ｍｏｓ４２０が、Ｐ型ウェル領域４２３にＮ−Ｍｏｓ４２１が備えられている。Ｐ−Ｍｏｓ４２０は、Ｎ型ウェル領域４２２の表層に部分的にＮ型あるいはＰ型の不純物を導入してなるソース領域４２５およびドレイン領域４２６や、Ｎ型ウェル領域４２２の、ソース領域４２５およびドレイン領域４２６を除く部分の表面に厚さ数百オングストロームのゲート絶縁膜４２８を介して堆積されたゲート配線４３５等から構成されている。また、Ｎ−Ｍｏｓ４２１は、Ｐ型ウェル領域４２３の表層に部分的にＮ型あるいはＰ型の不純物を導入してなるソース領域４２５およびドレイン領域４２６や、Ｐ型ウェル領域４２３の、ソース領域４２５およびドレイン領域４２６を除く部分の表面に厚さ数百オングストロームのゲート絶縁膜４２８を介して堆積されたゲート配線４３５等から構成されている。ゲート配線４３５は、ＣＶＤ法により堆積した厚さ４０００オングストローム〜５０００オングストロームのポリシリコンから成るものである。これらのＰ−Ｍｏｓ４２０およびＮ−Ｍｏｓ４２１からＣ−Ｍｏｓロジックが構成されている。
【００６９】
Ｐ型ウェル領域４２３の、Ｎ−Ｍｏｓ４２１と異なる部分には、電気熱変換素子駆動用のＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０が備えられている。Ｎ−Ｍｏｓトランジスタ４３０も、不純物導入および拡散等の工程によりＰ型ウェル領域４２３の表層に部分的に備えられたソース領域４３２およびドレイン領域４３１や、Ｐ型ウェル領域４２３の、ソース領域４３２およびドレイン領域４３１を除く部分の表面にゲート絶縁膜４２８を介して堆積されたゲート配線４３３等から構成されている。
【００７０】
本実施形態では、電気熱変換素子駆動用のトランジスタとしてＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０を用いたが、複数の電気熱変換素子を個別に駆動できる能力を持ち、かつ、上述したような微細な構造を得ることができるトランジスタであれば、このトランジスタに限られない。
【００７１】
Ｐ−Ｍｏｓ４２０とＮ−Ｍｏｓ４２１との間や、Ｎ−Ｍｏｓ４２１とＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０との間等の各素子間には、５０００オングストローム〜１００００オングストロームの厚さのフィールド酸化により酸化膜分離領域４２４が形成されており、その酸化膜分離領域４２４によって各素子が分離されている。酸化膜分離領域４２４の、熱作用部２０８に対応する部分は、シリコン基板２０１の表面側から見て一層目の蓄熱層４３４としての役割を果たす。
【００７２】
Ｐ−Ｍｏｓ４２０、Ｎ−Ｍｏｓ４２１およびＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０の各素子の表面には、厚さ約７０００オングストロームのＰＳＧ膜またはＢＰＳＧ膜等から成る層間絶縁膜４３６がＣＶＤ法により形成されている。熱処理により層間絶縁膜４３６を平坦化した後に、層間絶縁膜４３６およびゲート絶縁膜４２８を貫通するコンタクトホールを介して第１の配線層となるＡｌ電極４３７により配線が行われている。層間絶縁膜４３６およびＡｌ電極４３７の表面には、厚さ１００００オングストローム〜１５０００オングストロームのＳｉＯ２膜から成る層間絶縁膜４３８がプラズマＣＶＤ法により形成されている。層間絶縁膜４３８の表面の、熱作用部２０８およびＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０に対応する部分には、厚さ約１０００オングストロームのＴａＮ０．８，ｈｅｘ膜から成る抵抗層２０４がＤＣスパッタ法により形成されている。抵抗層２０４は、層間絶縁膜４３８に形成されたスルーホールを介してドレイン領域４３１の近傍のＡｌ電極４３７と電気的に接続されている。抵抗層２０４の表面には、各電気熱変換素子への配線となる第２の配線層としての、Ａｌの配線２０５が形成されている。
【００７３】
配線２０５、抵抗層２０４および層間絶縁膜４３８の表面の保護膜２０６は、プラズマＣＶＤ法により形成された厚さ１００００オングストロームのＳｉ３Ｎ４膜から成るものである。保護膜２０６の表面に堆積された耐キャビテーション膜２０７は、Ｔａ（タンタル）、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｒ（クロム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｒｕ（ルテニウム）等から選ばれる少なくとも１つ以上のアモルファス合金の厚さ約２５００オングストロームの薄膜から成るものである。
【００７４】
＜サイドシュータタイプ＞
図１９はいわゆるサイドシュータタイプの液体吐出ヘッドの断面図を示したものである。この説明において、第１の実施の形態と同一の構成要素には同一符号を用いる。この形態の液体吐出ヘッドは、図１９に示すように発熱体４と吐出口７が平行平面上で対面し、液流路３が、吐出口７からの液体の吐出方向に沿った軸方向と直角に連通している点で、第１の実施の形態と異なっている。このような液体吐出ヘッドにおいても第１の実施の形態と同様の吐出原理に基づく効果を奏する。
【００７５】
＜可動部材＞
上述の実施形態において、可動部材を構成する材質としては吐出液に対して耐溶剤性があり、可動部材として良好に動作するための弾性を有しているものであればよい。
【００７６】
可動部材の材料としては、耐久性の高い、銀、ニッケル、金、鉄、チタン、アルミニュウム、白金、タンタル、ステンレス、りん青銅等の金属、およびその合金、または、アクリロニトリル、ブタジエン、スチレン等のニトリル基を有する樹脂、ポリアミド等のアミド基を有する樹脂、ポリカーボネイト等のカルボキシル基を有する樹脂、ポリアセタール等のアルデヒド基を持つ樹脂、ポリサルフォン等のスルホン基を持つ樹脂、そのほか液晶ポリマー等の樹脂およびその化合物、耐インク性の高い、金、タングステン、タンタル、ニッケル、ステンレス、チタン等の金属、これらの合金および耐インク性に関してはこれらを表面にコーティングしたもの若しくは、ポリアミド等のアミド基を有する樹脂、ポリアセタール等のアルデヒド基を持つ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン等のケトン基を有する樹脂、ポリイミド等のイミド基を有する樹脂、フェノール樹脂等の水酸基を有する樹脂、ポリエチレン等のエチル基を有する樹脂、ポリプロピレン等のアルキル基を持つ樹脂、エポキシ樹脂等のエポキシ基を持つ樹脂、メラミン樹脂等のアミノ基を持つ樹脂、キシレン樹脂等のメチロール基を持つ樹脂およびその化合物、さらに二酸化珪素、チッ化珪素等のセラミックおよびその化合物が望ましい。本発明における可動部材としてはμｍオーダーの厚さを対象にしている。
【００７７】
次に、発熱体と可動部材の配置関係について説明する。発熱体と可動部材の最適な配置によって、発熱体による発泡時の液の流れを適正し制御して有効に利用することが可能となる。
【００７８】
熱等のエネルギーをインクに与えることで、インクに急峻な体積変化（気泡の発生）を伴う状態変化を生じさせ、この状態変化に基づく作用力によって吐出口からインクを吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方法、いわゆるバブルジェット記録方法の従来技術においては、図２０の破線に示すように、発熱体面積とインク吐出量は比例関係にあるが、インク吐出に寄与しない非発泡有効領域Ｓが存在していることがわかる。また、発熱体上のコゲの様子から、この非発泡有効領域Ｓが発熱体の周囲に存在していることがわかる。これらの結果から、発熱体周囲の約４μｍ幅は、発泡に関与されていないとされている。これに対し、本発明の液体吐出ヘッドは、気泡発生手段を含む液流路が吐出口を除いて実質的に遮蔽されていることで最大の吐出量が規制されるため、図２０の実線で示すように、発熱体面積や発泡パワーのばらつきが大きくても吐出量が変化しない領域があり、この領域を利用することにより大ドットの吐出量安定化が図れる。
【００７９】
さらに、前述した実質的密閉空間を良好に形成するために、待機状態における可動部材と発熱体の距離は１０μｍ以下とするのが好ましい。
【００８０】
図２１は本発明の液体吐出装置の要部の側断面図を示したもので、図２１（ａ）は後述する保護膜があるヘッド、図２１（ｂ）は保護膜がないものである。
【００８１】
素子基板１上には天板２が配され、素子基板１と天板２の間に液流路３が形成されている。
【００８２】
素子基板１は、シリコン等の基体１０７に絶縁および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜またはチッ化シリコン膜１０６を成膜し、その上に発熱体１０を構成するハフニュウムボライド（ＨｆＢ２）、チッ化タンタル（ＴａＮ）、タンタルアルミ（ＴａＡｌ）等の電気抵抗層１０５（０．０１〜０．２μｍ厚）とアルミニュウム等の配線電極１０４（０．２〜１．０μｍ厚）を図２１（ａ）のようにパターニングしている。この配線電極１０４から抵抗層１０５に電圧を印加し、抵抗層１０５に電流を流し発熱させる。配線電極１０４間の抵抗層１０５上には、酸化シリコンやチッ化シリコン等の保護膜１０３を０．１〜２．０μｍ厚で形成し、さらにそのうえにタンタル等の耐キャビテーション層１０２（０．１〜０．６μｍ厚）が成膜されており、インク等の各種の液体から抵抗層１０５を保護している。
【００８３】
特に、気泡の発生、消泡の際に発生する圧力や衝撃波は非常に強く、堅くてもろい酸化膜の耐久性を著しく低下させるため、金属材料のタンタル（Ｔａ）等が耐キャビテーション層１０２として用いられる。
【００８４】
また、液体、流路構成、抵抗材料の組み合わせにより、上述の抵抗層１０５に保護膜１０３を必要としない構成でもよくその例を図２１（ｂ）に示す。このような保護膜１０３を必要としない抵抗層１０５の材料としてはイリジュウム−タンタル−アルミ合金等が挙げられる。
【００８５】
このように、前述の各実施形態における発熱体４の構成としては、前述の電極１０４間の抵抗層１０５（発熱部）だけででもよく、また抵抗層１０５を保護する保護膜１０３を含むものでもよい。
【００８６】
各実施形態においては、発熱体４として電気信号に応じて発熱する抵抗層１０５で構成された発熱部を有するものを用いたが、これに限られることなく、吐出液を吐出させるのに十分な気泡を発泡液に生じさせるものであればよい。例えば、レーザ等の光を受けることで発熱するような光熱変換体や高周波を受けることで発熱するような発熱部を有する発熱体でもよい。
【００８７】
なお、前述の素子基板１には、前述の発熱部を構成する抵抗層１０５とこの抵抗層１０５に電気信号を供給するための配線電極１０４で構成される発熱体１０の他に、この発熱体４（電気熱変換素子）を選択的に駆動するためのトランジスタ、ダイオード、ラッチ、シフトレジスタ等の機能素子が一体的に半導体製造工程によって作り込まれていてもよい。
【００８８】
また、前述のような素子基板１に設けられている発熱体４の発熱部を駆動し、液体を吐出するためには、前述の抵抗層１０５に配線電極１０４を介して図２２に示されるような矩形パルスを印加し、配線電極１０４間の抵抗層１０５を急峻に発熱させる。前述の各実施形態のヘッドにおいては、それぞれ電圧２４Ｖ、パルス幅７μｓｅｃ、電流１５０ｍＡ、電気信号を６ｋＨｚで加えることで発熱体を駆動させ、前述のような動作によって、吐出口７から液体であるインクを吐出させた。しかしながら、駆動信号の条件はこれに限られることなく、発泡液を適正に発泡させることができる駆動信号であればよい。
【００８９】
＜吐出液体＞
このような液体のうち、記録を行う上で用いる液体（記録液体）としては従来のバブルジェット装置で用いられていた組成のインクを用いることができる。
【００９０】
また、従来吐出が困難であった発泡性が低い液体、熱によって変質、劣化しやすい液体や高粘度液体等であっても利用できる。
【００９１】
ただし、吐出液の性質として吐出液自身、吐出や発泡または可動部材の動作等を妨げないような液体でないことが望まれる。
【００９２】
記録用の吐出液体としては、高粘度インク等をも利用することができる。
【００９３】
本発明においては、さらに吐出液に用いることができる記録液体として以下のような組成のインクを用いて記録を行ったが、吐出力の向上によってインクの吐出速度が高くなったため、液滴の着弾精度が向上し非常に良好な記録画像を得ることができる。
【００９４】
【表１】
【００９５】
＜液体吐出装置＞
図２３は、上述の各種の実施形態で説明した構造の液体吐出ヘッドを装着して適用することのできる液体吐出装置の一例であるインクジェット記録装置の概略構成を示している。図２３に示されるインクジェット記録装置６００に搭載されたヘッドカートリッジ６０１は、上述した構造の液体吐出ヘッドと、その液体吐出ヘッドに供給される液体を保持する液体容器とを有するものである。ヘッドカートリッジ６０１は、図２３に示すように、駆動モータ６０２の正逆回転に連動して駆動力伝達ギヤ６０３および６０４を介して回転するリードスクリュー６０５の螺旋溝６０６に対して係合するキャリッジ６０７上に搭載されている。駆動モータ６０２の動力によってヘッドカートリッジ６０１がキャリッジ６０７ともとにガイド６０８に沿って矢印ａおよびｂの方向に往復移動される。インクジェット記録装置６００には、ヘッドカートリッジ６０１から吐出されたインク等の液体を受ける被記録媒体としてのプリント用紙Ｐを搬送する被記録媒体搬送手段（不図示）が備えられている。その被記録媒体搬送手段によってプラテン６０９上を搬送されるプリント用紙Ｐの紙押さえ板６１０は、キャリッジ６０７の移動方向にわたってプリント用紙Ｐをプラテン６０９に対して押圧する。
【００９６】
リードスクリュー６０５の一端の近傍には、フォトカプラ６１１および６１２が配設されている。フォトカプラ６１１および６１２は、キャリッジ６０７のレバー６０７ａの、フォトカプラ６１１および６１２の領域での存在を確認して駆動モータ６０２の回転方向の切り換え等を行うためのホームポジション検知手段である。プラテン６０９の一端の近傍には、ヘッドカートリッジ６０１の吐出口のある前面を覆うキャップ部材６１４を支持する支持部材６１３が備えられている。また、ヘッドカートリッジ６０１から空吐出等されてキャップ部材６１４の内部に溜まったインクを吸引するインク吸引手段６１５が備えられている。このインク吸引手段６１５によりキャップ部材６１４の開口部を介してヘッドカートリッジ６０１の吸引回復が行われる。
【００９７】
インクジェット記録装置６００には本体支持体６１９が備えられている。この本体支持体６１９には移動部材６１８が、前後方向、すなわちキャリッジ６０７の移動方向に対して直角な方向に移動可能に支持されている。移動部材６１８には、クリーニングブレード６１７が取り付けられている。クリーニングブレード６１７はこの形態に限らず、他の形態の公知のクリーニングブレードであってもよい。さらに、インク吸引手段６１５による吸引回復操作にあたって吸引を開始するためのレバー６２０が備えられており、レバー６２０は、キャリッジ６０７と係合するカム６２１の移動に伴って移動し、駆動モータ６０２からの駆動力がクラッチ切り換え等の公知の伝達手段で移動制御される。ヘッドカートリッジ６０１に設けられた発熱体に信号を付与したり、前述した各機構の駆動制御を司ったりするインクジェット記録制御部は記録装置本体側に設けられており、図２３では示されていない。
【００９８】
上述した構成を有するインクジェット記録装置６００では、前記の被記録媒体搬送手段によりプラテン６０９上を搬送されるプリント用紙Ｐに対して、ヘッドカートリッジ６０１がプリント用紙Ｐの全幅にわたって往復移動する。この移動時に不図示の駆動信号供給手段からヘッドカートリッジ６０１に駆動信号が供給されると、この信号に応じて液体吐出ヘッド部から被記録媒体に対してインク（記録液体）が吐出され、記録が行われる。
【００９９】
図２４は、本発明の液体吐出装置によりインクジェット式記録を行なうための記録装置全体のブロック図である。
【０１００】
記録装置は、ホストコンピュータ３００より印字情報を制御信号として受ける。印字情報は印字装置内部の入力インターフェイス３０１に一時保存されると同時に、記録装置内で処理可能なデータに変換され、ヘッド駆動信号供給手段を兼ねるＣＰＵ（中央処理装置）３０２に入力される。ＣＰＵ３０２はＲＯＭ（リード・オンリー・メモリー）３０３に保存されている制御プログラムに基づき、前記ＣＰＵ３０２に入力されたデータをＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリー）３０４等の周辺ユニットを用いて処理し、印字するデータ（画像データ）に変換する。
【０１０１】
また、ＣＰＵ３０２は前記画像データを記録用紙上の適当な位置に記録するために、画像データに同期して記録用紙およびヘッドカートリッジ６０１を搭載したキャリッジ６０７を移動する駆動用モータ６０２を駆動するための駆動データを作る。画像データおよびモータ駆動データは、各々ヘッドドライバ３０７と、モータドライバ３０５を介し、ヘッドカートリッジ６０１および駆動用モータ６０２に伝達され、それぞれ制御されたタイミングで駆動され画像を形成する。
【０１０２】
このような記録装置に用いられ、インク等の液体の付与が行われる被記録媒体１５０としては、各種の紙やＯＨＰシート、コンパクトディスクや装飾板等に用いられるプラスチック材、布帛、アルミニウムや銅等の金属材、牛皮、豚皮、人工皮革等の皮革材、木、合板等の木材、竹材、タイル等のセラミックス材、スポンジ等の三次元構造体等を対象とすることができる。
【０１０３】
また、この記録装置として、各種の紙やＯＨＰシート等に対して記録を行うプリンタ装置、コンパクトディスク等のプラスチック材に記録を行うプラスチック用記録装置、金属板に記録を行う金属用記録装置、皮革に記録を行う皮革用記録装置、木材に記録を行う木材用記録装置、セラミックス材に記録を行うセラミックス用記録装置、スポンジ等の三次元網状構造体に対して記録を行う記録装置、または布帛に記録を行う捺染装置等をも含むものである。
【０１０４】
また、これらの液体吐出装置に用いる吐出液としては、それぞれの被記録媒体や記録条件に合わせた液体を用いればよい。
【０１０５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、気泡により変位した可動部材によって液体供給口を閉じることで、吐出口を除いて液流路をほぼ密閉状態にしてから吐出口より液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、可動部材の吐出口側の先端を、液体供給口を形成するための部材における吐出口側の端面よりも吐出口に近くしたことにより、気泡の液体供給口側の部分が収縮し始めてから可動部材が変位して液体供給口が開放されるまでのタイミングのずれを短くすることができ、液流路への液体のリフィル特性が高効率化するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による液体吐出ヘッドの１つの液流路方向に沿った断面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ’線断面図である。
【図３】図１のＹ−Ｙ’線断面図である。
【図４】「直線的連通状態」を説明する流路の断面図である。
【図５】図１〜図３に示した構造の液体吐出ヘッドの吐出動作を説明するために、液体吐出ヘッドを液流路方向に沿った切断図で示すと共に、特徴的な現象を分けて示したものである。
【図６】図５の続きの吐出動作を説明するために、液体吐出ヘッドを液流路方向に沿った切断図で示したものである。
【図７】図６の続きの吐出動作を説明するために、液体吐出ヘッドを液流路方向に沿った切断図で示したものである。
【図８】図７の続きの吐出動作を説明するために、液体吐出ヘッドを液流路方向に沿って切断図で示したものである。
【図９】図５（ｂ）の気泡の等方的な成長状態を示す図である。
【図１０】図５〜図７におけるＡ領域とＢ領域での気泡成長の時間変化と可動部材の挙動との相関関係を表したグラフである。
【図１１】図１に示した可動部材と発熱体の相対位置とは異なる形態の液体吐出ヘッドにおける、気泡成長の時間変化と可動部材の挙動との相関関係を表したグラフである。
【図１２】図１に示した可動部材と発熱体の相対位置とは異なる形態の液体吐出ヘッドにおける、気泡成長の時間変化と可動部材の挙動との相関関係を表したグラフである。
【図１３】本発明の第２の実施の形態の第１変形例による液体吐出ヘッドの１つの液流路方向に沿った断面図である。
【図１４】図１３のＹ−Ｙ‘線断面図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態の第２変形例による液体吐出ヘッドの１つの液流路方向に沿った断面図である。
【図１６】図１５のＹ−Ｙ‘線断面図である。
【図１７】各種の実施形態の液体吐出ヘッドに用いられる素子基板の断面図である。
【図１８】図１７に示す素子基板の主要素子を縦断するように素子基板を切断した模式的断面図である。
【図１９】本発明の液体吐出方法を適用したサイドシュータタイプのヘッドの例を説明するための図である。
【図２０】発熱体面積とインク吐出量との相対関係を示すグラフである。
【図２１】本発明の液体吐出ヘッドの縦断面図を示したもので、（ａ）は保護膜があるもの、（ｂ）は保護膜がないものである。
【図２２】本発明に使用する発熱体を駆動する波形の図である。
【図２３】本発明の液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置の概略構成を示す図である。
【図２４】本発明の液体吐出方法および液体吐出ヘッドにおいて液体吐出記録を行なうための装置全体のブロック図である。
【図２５】従来の液体吐出ヘッドにおける可動部材の様子を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 素子基板
２ 天板
３ 液流路
４ 発熱体（気泡発生手段）
５ 液体供給口
５Ａ 供給部形成部材
５Ｃ 端面
６ 共通液体供給室
７ 吐出口
８ 可動部材
８Ａ 支点
８Ｂ 自由端
９ 固定部材
９Ａ 端部
１０ 流路側壁
１１ 気泡発生領域
２１ 気泡
２２ 吐出滴
１０２ 耐キャビテーション層
１０３ 保護膜
１０４ 配線電極
１０５ 抵抗層
１０６ チッ化シリコン膜
１０７ 基体
２０１ シリコン基体
２０２ 熱酸化膜
２０３ 層間膜
２０４ 抵抗層
２０５ 配線
２０６ 保護層
２０７ 耐キャビテーション膜
２０８ 熱作用部
３００ ホストコンピュータ
３０１ 入出力インターフェイス
３０２ ＣＰＵ
３０３ ＲＯＭ
３０４ ＲＡＭ
３０５ モータドライバ
３０７ ヘッドドライバ
６００ インクジェット記録装置
６０１ ヘッドカートリッジ
６０２ 駆動モータ
６０３、６０４ 駆動伝達ギア
６０５ リードスクリュー
６０６ 螺旋溝
６０７ キャリッジ
６０７ａ レバー
６０８ ガイド
６０９ プラテン
６１０ 紙押さえ板
６１１、６１２ フォトカプラ
６１３ 支持部材
６１４ キャップ部材
６１５ インク吸引手段
６１７ クリーニングブレード
６１８ 移動部材
６１９ 本体支持体
６２０ レバー
６２１ カム
α、β、γ 隙間
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギーを液体に作用させて気泡を発生させることによって液体を吐出する液体吐出ヘッド、およびその液体吐出ヘッドを用いた液体吐出装置に関する。
【０００２】
また、本発明は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の被記録媒体に対して記録を行うプリンタ、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等の装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業用記録装置に適用できる発明である。
【０００３】
なお、本発明における「記録」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を被記録媒体に付与することをも意味するものである。
【０００４】
【従来の技術】
従来、プリンター等の記録装置において、流路中の液体インクに熱等のエネルギーを与えて気泡を発生させ、それに伴う急峻な体積変化に基づく作用力によって吐出口からインクを吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行なうインクジェット記録方法、いわゆるバブルジェット記録方法が知られている。このバブルジェット記録方法を用いる記録装置には、米国特許第４，７２３，１２９号等に開示されているように、インクを吐出するための吐出口と、この吐出口に連通する流路と、流路内に配されたインクを吐出するためのエネルギー発生手段としての電気熱変換体が一般的に配されている。
【０００５】
このような記録方法によれば、品位の高い画像を高速、低騒音で記録することができると共に、この記録方法を行うヘッドではインクを吐出するための吐出口を高密度に配置することができるため、小型の装置で高解像度の記録画像、さらにカラー画像をも容易に得ることができるという多くの優れた点を有している。このため、このバブルジェット記録方法は近年、プリンター、複写機、ファクシミリ等の多くのオフィス機器に利用されており、さらに、捺染装置等の産業用システムにまで利用されるようになってきている。
【０００６】
このようにバブルジェット技術が多方面の製品に利用されるに従って様々な要求が高まっており、例えば、高画質な画像を得るために、インクの吐出スピードが速く、安定した気泡発生に基づく良好なインク吐出を行える液体吐出方法等を与えるための駆動条件が提案されたり、また、高速記録の観点から、吐出された液体の液流路内への充填（リフィル）速度の速い液体吐出ヘッドを得るために流路形状を改良したものも提案されている。
【０００７】
このうち、ノズル内において気泡を発生させ、この気泡成長に伴い液体を吐出させるヘッドにおいて、吐出口とは反対方向への気泡成長およびこれによる液流が吐出エネルギー効率およびリフィル特性を低下させる要因として知られており、このような吐出エネルギー効率およびリフィル特性を向上させる構造の発明がヨーロッパ特許出願公開公報ＥＰ０４３６０４７Ａ１に提案されている。
【０００８】
この公報に記載の発明は、吐出口近傍域と気泡発生部との間にこれらを遮断する第１弁と、気泡発生部とインク供給部との間にこれらを完全に遮断する第２弁とを交互に開閉させるものである（ＥＰ４３６０４７Ａ１の第４〜９図）。例えば同公報第７図の例では、図２５に示すように、インク流路１１２の内壁を形成する基板１２５上のインク槽１１６とノズル１１５との間のインク流路１１２のほぼ中央に発熱体１１０が設けられている。発熱体１１０は、インク流路１１２内部の、周囲を全て閉じた区画１２０内に在る。インク流路１１２は、基板１２５と、基板１２５上に直接積層した薄膜１２３，１２６と、閉止体としての舌状片１１３、１３０とで構成されている。開放された舌状片は図２５では破線で示されている。基板１２５と平行な平面内に延在してストッパ１２４で終結する別の薄膜１２３はインク流路１１２上を遮蔽する。インク中に気泡が発生すると、ノズル領域内の舌状片１３０の、静止状態でストッパ１２６に密着しているその自由端は、上に向かって変位し、インク液は区画１２０からインク流路１１２中へ、ついでノズル１１５を通じて射出される。このとき、インク槽１１６の領域内に設けた舌状片１１３は静止状態でストッパ１２４に密着しているため、区画１２０内のインク液はインク層１１６に向かうことはない。インク中の気泡が消泡すると、舌状片１３０は下に向けて変位し、ストッパ１２６に再び密着する。そして、舌状片１１３はインク区画１２０内に倒れ落ち、これによりインク液が区画１２０中に流入する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＥＰ０４３６０４７Ａ１に記載の発明は、吐出口近傍域と気泡発生部とインク供給部の３つの部屋を２つづつに区分してしまうために、吐出時には液滴に追従するインクが大きな尾引きとなり、気泡成長・収縮・消泡を行う通常の吐出方式に比べてサテライトドットがかなり多くなってしまう（消泡によるメニスカス後退の効果を使えないと推定される）。また、気泡の吐出口側の弁は吐出エネルギーの多大な損失を招く。さらに、リフィル時（ノズルへのインク補充時）は、気泡発生部に液体が消泡に伴って供給されるが、吐出口近傍域には次の発泡が生じるまで液体は供給できないので、吐出液滴のばらつきが大きいだけでなく、吐出応答周波数が極めて小さく、実用レベルではない。
【００１０】
本発明は、吐出口とは反対方向への気泡成長成分の抑制効率を向上し、これとは相反するリフィル特性の高効率化を満足するための画期的な方法やヘッド構成を見い出すべく新たな着想に基づいて吐出効率の向上をも満足する発明を提案するものである。
【００１１】
本発明者達は鋭意研究の結果、直線状に形成したノズル内で気泡を発生させ、この気泡成長に伴い液体を吐出させる液体吐出ヘッドのノズル構造において、特別な逆止弁の機能により、吐出口とは反対方向（後方）への気泡成長を抑制し、後方への吐出エネルギーを吐出口側に有効に利用できることを見い出した。その上、特別な逆止弁の機能により後方への気泡成長成分を抑制することで、吐出応答周波数が極めて高くできることを見い出した。
【００１２】
本発明の目的は、上記のような研究過程で得られた、新規な弁機能を有する液体吐出ヘッドにおいて、ノズルからのインクの吐出動作でそのノズル内へのインクのリフィル特性を高効率化させることが可能な液体吐出ヘッド、およびその液体吐出ヘッドを有する液体吐出装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、液体を吐出するための複数の吐出口と、前記各吐出口に連通され、液体に気泡を発生させる気泡発生領域を有する複数の液流路と、前記気泡を発生し成長させるためのエネルギーを発生する気泡発生手段と、前記複数の液流路にそれぞれ配設され、共通液体供給室と連通する複数の液体供給口と、前記液体供給口の前記液流路への開口領域に対して隙間を隔てて支持され、気泡の発生に伴い変位する自由端を有する可動部材とを有し、前記可動部材と前記液体供給口の前記開口領域との間の前記隙間が、前記気泡発生手段により発生した気泡が等方的に成長している際に前記インク供給口の前記開口領域が前記可動部材によって実質的に塞がれるほど狭い液体吐出ヘッドであって、前記可動部材の前記吐出口側の先端が、前記液体供給口を形成するための部材における前記吐出口側の端面よりも前記吐出口側に位置していることを特徴とする。
【００１４】
上記の発明では、気泡発生手段により気泡発生領域で気泡を発生させて可動部材を変位させ、可動部材によって液流路の液体供給口をほぼ閉じることで液流路をほぼ密閉状態にしてから吐出口より液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、可動部材の吐出口側の先端が、液体供給口を形成するための部材における吐出口側の端面よりも吐出口に近くなっていることにより、気泡の液体供給口側の部分が収縮し始めた際にその気泡の収縮によるわずかな液体の移動、具体的には液体の渦に可動部材が敏感に反応して可動部材が素速く変位する。従って、可動部材の自由端側の部分が気泡発生手段から離れている場合や、可動部材の剛性が強い場合などでも、気泡の液体供給口側の部分が収縮し始めてから可動部材が変位して液体供給口が開放されるまでのタイミングにずれが生じるということが防止される。その結果、共通液体供給室から液流路への液体の補充（リフィル）が遅れるということが防止され、液体吐出ヘッドにおける液流路への液体のリフィル特性が高効率化する。
【００１５】
具体的には、前記気泡発生手段により前記気泡発生領域で気泡を発生させた際に、前記気泡の前記吐出口側の部分における前記気泡発生手段からの高さが、前記気泡発生手段から前記可動部材の前記自由端までの距離よりも大きくなるように、前記可動部材および前記液体供給口のそれぞれの位置が設定されている。
【００１６】
上記のように気泡の吐出口側の部分の高さが気泡発生手段から可動部材の自由端までの距離よりも大きくなるように可動部材および液体供給口の位置が設定されていることにより、気泡発生領域で発生した気泡の液体供給口側の部分が収縮し始めた際に、可動部材の自由端付近の側面における液体の流れにより可動部材が変位し、液体供給口を素速く開放することができる。
【００１９】
また、本発明の液体吐出装置は、上述した液体吐出ヘッドと、該液体吐出ヘッドから吐出された液体を受け取る被記録媒体を搬送する被記録媒体搬送手段とを備えている。
【００２０】
具体的には上記の液体吐出装置は、前記液体吐出ヘッドからインクを吐出し、前記被記録媒体に該インクを付着させることで記録を行う。
【００２１】
上記の液体吐出装置では、上述したような液流路内への液体のリフィル特性が高効率化された液体吐出ヘッドを備えたことにより、液体吐出ヘッドの吐出口から吐出させる液体の吐出応答周波数を大きくすることができ、記録の高速化を図ることが可能となる。
【００２２】
なお、本発明の説明で用いる「上流」「下流」とは、液体の供給源から気泡発生領域（又は可動部材）を経て、吐出口へ向かう液体の流れ方向に関して、又はこの構成上の方向に関しての表現として表されている。
【００２３】
また、気泡自体に関する「下流側」とは、気泡の中心に対して、上記流れ方向や上記構成上の方向に関する下流側、又は、発熱体の面積中心より下流側の領域で発生する気泡を意味する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態による液体吐出ヘッドの１つの液流路方向に沿った断面図、図２は図１のＸ−Ｘ’線断面図、図３は図１の吐出口中心からＹ１点で天板２側へシフトしたＹ−Ｙ’線断面図である。
【００２６】
図１〜図３に示す複数液路−共通液室形態の液体吐出ヘッドでは、素子基板１と天板２とが液路側壁１０を介して積層状態で固着され、素子基板１と天板２との間には、一端が吐出口７と常に連通し他端が閉じられた液流路３が形成されている。この液流路３は１個のヘッドに多数設けられている。また、素子基板１には各々の液流路３に対し、液流路３に補充された液体に気泡を発生させる気泡発生手段としての電気熱変換素子等の発熱体４が配されている。発熱体４と吐出液との接する面の近傍領域には、発熱体４が急速に加熱されて吐出液に発泡が生じる気泡発生領域１１が存在する。
【００２７】
多数の液流路３の各々に、供給部形成部材５Ａに形成された液体供給口５が配設され、各液体供給口５に同時に連通する大容積の共通液体供給室６が設けられている。つまり、単一の共通液体供給室６から多数の液流路３に分岐した形状となっており、各液流路３と連通する吐出口７から吐出された液体に見合う量の液体をこの共通液体供給室６から受け取る。
【００２８】
液体供給口５と液流路３との間には、可動部材８が液体供給口５の開口領域Ｓに対して微小な隙間α（例えば１０μｍ以下）を有して略平行に設けられている。可動部材８は素子基板１に対しても素子基板１に平行に位置する。そして可動部材８の一端は、素子基板１の発熱体４側に位置する自由端８Ｂであり、その他端側は固定部材９に支持されている。また、この固定部材９によって液流路３の吐出口７と反対側端が閉じられている。
【００２９】
可動部材８の少なくとも自由端部およびそれに連続する両側部で囲まれる領域が液体供給口５の開口領域Ｓよりも大きくなっており（図３参照）、かつ、可動部材８の側部と両側の流路側壁１０のそれぞれとの間は微小な隙間βを有する（図２参照）。前述した供給部形成部材５Ａは可動部材８に対して、図２に示すように隙間γを介している。隙間β、γは、流路のピッチによって異なるが、隙間γが大きければ可動部材８は開口領域Ｓを遮断し易く、隙間βが大きければ可動部材８は隙間αを介して位置する定常状態よりも消泡に伴って素子基板１側へ移動し易くなる。本実施形態では、隙間αは３μｍ、隙間βは３μｍ、隙間γは４μｍとした。
【００３０】
また、可動部材８は、流路側壁１０の間の幅方向で、上記開口領域Ｓの幅Ｗ２よりも大きい幅Ｗ１を有しており、開口領域Ｓを十分密閉できる幅を有している。可動部材８の支点８Ａは、複数の可動部材が複数液路に交差する方向に関して連続している連続部の自由端側の端部延長線上で、液体供給口５の開口領域Ｓの上流側端部を規定する（図３参照）。本実施形態では、図２および図３に示すように流路側壁１０自体の厚みよりも、供給部形成部材５Ａの、可動部材８に沿っている部分の厚みが小さく設定されており、流路側壁１０に対して供給部形成部材５Ａが積層されている。なお、供給部形成部材５Ａの、可動部材８の自由端８Ｂよりも吐出口７側は、図３に示すように流路側壁１０自体の厚みに対して同じ厚さに設定されている。以上により可動部材８は液流路３内で摩擦抵抗なく可動できる一方で、開口領域Ｓ側への変位は開口領域Ｓの周辺部で規制できる。これにより、開口領域Ｓを実質的に塞いで液流路３内部から共通液体供給室６への液流を防ぐことが可能となる一方で、気泡の消泡に伴って液流路３側へ実質密閉状態からリフィル可能状態へ移動可能となる。
【００３１】
ここで、本実施形態の液体吐出ヘッドでは、可動部材８の自由端８Ｂが、供給部形成部材５Ａの吐出口７側の側面である端面５Ｃよりも吐出口７側に近い位置にある。すなわち、可動部材８の吐出口７側の先端が、液体供給口５を形成するための供給部形成部材５Ａにおける吐出口７側の端面５Ｃよりも吐出口７側に近い位置にあることになる。このように可動部材８の自由端８Ｂが供給部形成部材５Ａの端面５Ｃよりも吐出口７側に長く延びて、端面５Ｃから突出していることにより、後述するインクの吐出動作において共通液体供給室６から液流路３へのインクの充填（リフィル）速度を速くすることが可能となっている。
【００３２】
なお、開口領域Ｓは、液体供給口５から液流路３に向かって液体を供給する実質的な領域であり、本実施形態においては図１および図３に示すように液体供給口５の３辺と固定部材９の端部９Ａで囲まれた領域である。
【００３３】
また、図４に示すように本実施形態においては、電気熱変換体としての発熱体４と吐出口７との間は弁のような障害物は無く、液流に対し直線的な流路構造を保っている「直線的連通状態」となっている。これは、より好ましくは、気泡の発生時に生じる圧力波の伝播方向とそれに伴う液体の流動方向と吐出方向とを直線的に一致させることで、吐出滴の吐出方向や吐出速度等の吐出状態をきわめて高いレベルで安定化させるという理想状態を形成することが望ましい。本発明では、この理想状態を達成、または近似させるための一つの定義として、吐出口７と発熱体４、特に気泡の吐出口７側に影響力を持つ発熱体４の吐出口７側（下流側）とが直接直線で結ばれる構成とすればよく、これは、液流路３内の流体がない状態であれば、吐出口７の外側から見て発熱体４、特に発熱体４の下流側が観察することが可能な状態である（図４参照）。
【００３４】
次に、本実施形態の液体吐出ヘッドの吐出動作について詳しく説明する。図５〜図８は図１〜図３に示した構造の液体吐出ヘッドの吐出動作を説明するために、液体吐出ヘッドを液流路方向に沿った切断図で示すと共に、特徴的な現象を図５〜図８の７工程に分けて示したものである。また図５〜図８において符号Ｍは吐出液が形成するメニスカスを表している。
【００３５】
図５（ａ）では、発熱体４に電気エネルギー等のエネルギーが印加される前の状態であり、発熱体４が熱を発生する前の状態を示す。この状態では、液体供給口５と液流路３との間に設けられた可動部材８と、液体供給口５の形成面との間には微小な隙間（１０μｍ以下）が存在している。
【００３６】
図５（ｂ）では、液流路３を満たす液体の一部が発熱体４によって加熱され、発熱体４上に膜沸騰が起こり気泡２１が等方的に成長した状態を示す。ここで、「気泡成長が等方的」とは、気泡表面の所々において気泡表面の垂線方向を向いた気泡成長速度がそれぞれほぼ等しい大きさである状態をいう。
【００３７】
この気泡発生初期の、気泡２１の等方的な成長過程において、可動部材８が液体供給口５の周辺部と密着して液体供給口５を塞ぎ、液流路３内が、吐出口７を除いて実質的に密閉状態になる。この時、可動部材８の自由端が、液体供給口５側に最大変位する量をｈ１とする。
【００３８】
図６（ａ）は気泡２１が成長し続けている状態を示す。この状態では、上述のように液流路３内が、吐出口７を除いて実質的に密閉状態になっているので、液体の流れが液体供給口５側には行かない。そのため、気泡２１は、吐出口７側へは大きく広がることができるが、液体供給口５側へはあまり広がらない。そして、気泡発生領域１１の吐出口７側では気泡成長は続くが、逆に、気泡発生領域１１の液体供給口５側では気泡成長が止まってしまう。つまり、この気泡成長停止状態が、気泡発生領域１１の液体供給口５側では、最大発泡状態になっている。この時の発泡体積をＶｒとする。
【００３９】
ここで、図５（ａ），（ｂ）および図６（ａ）における気泡の成長過程を図９に基づき詳述する。図９（ａ）に示すように発熱体４が加熱されると発熱体４上に初期沸騰が生じ、その後図９（ｂ）に示すように発熱体４上を膜状の気泡が覆う膜沸騰に変化する。そして膜沸騰状態の気泡は図９（ｂ）〜図９（ｃ）に示すように等方的に成長し続ける（このように等方的に気泡成長している状態は半ピュロー状態と呼ばれる。）。ところが図５（ｂ）に示したように液流路３内が、吐出口７を除いて実質的に密閉状態になると、上流側への液移動ができなくなるため、半ピュロー状の気泡において上流側（液体供給口５側）の気泡の一部があまり成長できなくなり、残りの下流側（吐出口７側）の部分が大きく成長する。この状態を表したのが、図６（ａ）や図９（ｄ）、（ｅ）である。
【００４０】
ここで説明の便宜上、発熱体４を加熱しているとき、発熱体４上において気泡が成長しない領域をＢ領域とし、気泡が成長する吐出口７側の領域をＡ領域とする。なお、図９（ｅ）に示すＢ領域では、発泡体積が最大となっており、このときの発泡体積をＶｒとした。
【００４１】
また、図６（ｂ）は、Ａ領域では気泡成長が続いており、Ｂ領域では気泡収縮が始まろうとしている。この状態では、Ａ領域で吐出口側に向けて気泡２１が大きく成長していき、Ｂ領域における気泡の体積は減少し始める。このような、Ａ領域で気泡成長、Ｂ領域で気泡収縮の期間（部分成長部分収縮期間）において液体の流れを説明するのが図６（ｂ）であり、この図６（ｂ）は図６（ａ）におけるＡ−Ａ’線断面図である。
【００４２】
図６（ａ）におけるＢ領域では気泡成長が停止し、収縮に向かっているため、Ｂ領域付近の液体はＢ領域の気泡に向かって移動しようとしている。そのため、図６（ｂ）のように可動部材８の自由端８Ｂ付近の側面に、可動部材８に沿った液体の流れが生じる。この液体の流れによって、可動部材８の自由端８Ｂが早いタイミングで下方変位を開始する。このわずかな液体の流れに敏感に反応することで、Ｂ領域の気泡収縮の開始と液体供給口の開始とによるリフィル開始のタイミングのずれを短くすることが可能となる。
は、図６（ｂ）に示すように気泡２１の吐出口７側では吐出口７側に向かってインクの移動が起き、気泡２１の液体供給口５側では、可動部材８により液体供給口５がほぼ密閉状態となっているため、気泡２１のＢ領域の部分の収縮に伴ってＡ領域の気泡の付近からＢ領域の気泡の付近に向かってインクが流れるインクの渦が生じる。ここで、上述したように可動部材８の自由端８Ｂが供給部形成部材５Ａの端面５Ｃより吐出口７側に突出していることで、そのインクの渦によって、可動部材８の自由端８Ｂを定常状態の位置に向かって下方変位させるような力が可動部材８に素速く働くことになる。このようにして、可動部材８の自由端がその剛性による復元力やＢ領域における気泡の消泡力で定常状態の位置へと下方変位し始める。
次に図７（ａ）は、Ａ領域では気泡成長がさらに続いており、Ｂ領域では気泡収縮が進んだ状態を示す。この状態では、Ａ領域で気泡２１が吐出口側に向かって図６（ｂ）の状態よりもさらに大きく成長していく。そして、Ｂ領域における気泡の体積が減少したことにより、可動部材８の自由端が、その剛性による復元力と、Ｂ領域の気泡の消泡力による気泡２１の液体供給口５側でのインクの渦とによって定常状態位置へと下方変位している。その結果、液体供給口５が開いて共通液体供給室６と液流路３が連通状態となり、液体供給口５を通して共通液体供給室６から液流路３へとインクが充填（リフィル）され始める。
【００４３】
図７（ｂ）は、気泡２１がほぼ最大に成長した状態を示す。この状態では、Ａ領域において気泡が最大に成長し、これに伴ってＢ領域における気泡はほとんど無くなる。この時のＡ領域での最大気泡体積をＶｆとする。また、吐出口７から吐出しつつある吐出滴２２は、長い尾引きの状態でメニスカスＭと未だ繋がっている。
【００４４】
図８は、気泡２１の成長が止まり消泡工程のみの段階であって、吐出滴２２とメニスカスＭが分断された状態を示す。Ａ領域で気泡成長から消泡に変わった直後は、気泡２１の収縮エネルギーは全体バランスとして吐出口７近傍の液体を上流方向へ移動させる力として働く。従って、メニスカスＭはこの時点で吐出口７から液流路３内に引き込まれ、吐出液滴２２と繋がっている液柱を強い力ですばやく切り離すことになる。その一方で、気泡の収縮に伴い、共通液体供給室６から液体供給口５を介して液体が急速に大きな流れとなって液流路３内へ流れ込む。これにより、メニスカスＭを液流路３内へと急速に引き込む流れが急に低下するため、メニスカスＭは比較的低速で発泡前の位置へ戻り始めるので、本発明に係る可動部材を備えていない液体吐出方式に比べてメニスカスＭの振動の収束性が非常に良い。なお、この時の可動部材８の自由端が、気泡発生領域１１側に最大変位する量をｈ２とする。
【００４５】
最後に、気泡２１が完全に消泡すると、可動部材８も図５（ａ）に示した定常状態位置に復帰する。この状態へは、可動部材８はその弾性力により上方変位する（図８の実線の矢印方向）。また、この状態では、メニスカスＭはすでに吐出口７近傍で復帰している。
【００４６】
次に、図５〜図８におけるＡ領域とＢ領域での気泡体積の時間変化と可動部材の挙動との相関関係を図１０を参照して説明する。図１０はその相関関係を表したグラフであり、曲線ＡはＡ領域における気泡体積の時間変化を示し、曲線ＢはＢ領域における気泡体積の時間変化を示す。
【００４７】
図１０に示すように、Ａ領域での気泡の成長体積の時間変化は極大値をもつ放物線を描く。つまり、発泡開始されてから消泡までにおいて気泡体積は時間経過と共に増大して、ある時点で最大となり、その後減少する。一方、Ｂ領域については、Ａ領域の場合と比べ、発泡開始されてから消泡までに要する時間が短く、また気泡の最大成長体積も小さく、最大成長体積に達する時間も短い。つまり、Ａ領域とＢ領域とでは、発泡開始されてから消泡までに要する時間と気泡の成長体積変化とが大きく異なっていて、Ｂ領域の方が小さい。
【００４８】
特に図１０において、気泡の発生初期は同じ時間変化で気泡体積が増大するため、曲線Ａと曲線Ｂが重なっている。つまり、気泡の発生初期は気泡が等方的に成長している（半ピュロー状の）期間が生じている。その後、曲線Ａが極大点まで増大する曲線を描くものの、ある時点で曲線Ｂは曲線Ａから分岐し、気泡体積が減少する曲線を描く。つまり、Ａ領域では気泡の体積が増加するものの、Ｂ領域では気泡体積が減少する期間（部分成長部分収縮期間）が生じる。
【００４９】
そして、上記のような気泡成長の仕方に基づき、図１に示したように発熱体４の一部分を可動部材８の自由端が覆った形態では、可動部材８は次のような挙動を生じる。すなわち、図１０の▲１▼の期間では可動部材が液体供給口に向かって上方変位している。同図▲２▼の期間では可動部材が液体供給口に密着し、液流路内が吐出口を除いて実質的に密閉状態となる。この密閉状態の開始は気泡が等方的に成長している期間で行われる。次に同図▲３▼の期間では、可動部材が定常状態位置に向かって下方変位している。この可動部材による液体供給口の開放開始は部分成長部分収縮期間開始から、わずかな時間が経過した後に行われる。次に同図▲４▼の期間では、可動部材が定常状態からさらに下方変位している。次に同図▲５▼の期間では、可動部材の下方変位がほぼ停止し、可動部材が開放位置で平衡状態になっている。最後に同図▲６▼の期間では、可動部材が定常状態位置に向かって上方変位している。
【００５０】
このような気泡成長と可動部材の挙動との相関関係は、可動部材と発熱体との相対位置に影響される。そこで、図１１および図１２を参照し、本形態と異なる相対位置の可動部材と発熱体を備えた液体吐出ヘッドにおける気泡成長と可動部材の挙動との相関関係を説明する。
【００５１】
図１１は、発熱体全体を可動部材の自由端が覆った形態における気泡成長と可動部材の挙動との相関関係を説明するための図で、（ａ）はその形態を、（ｂ）はその相関関係のグラフを示している。図１１（ａ）で示す形態のように発熱体４と可動部材８が重なっている面積が大きいと、図１１（ｂ）の▲１▼の期間が図１の形態の場合と比べて短時間となり、発熱体４を加熱してから短時間で密閉状態になるので、より好ましい。なお、図１１（ｂ）の▲１▼〜▲６▼の各期間の可動部材の挙動は図１０に基づいて説明した挙動と同じである。また図１１の形態をとると、可動部材８が気泡２１の体積減少の影響を受けやすくなるため、同図▲３▼の期間開始時点から判るように、可動部材８による液体供給口５の開放開始は部分成長部分収縮期間開始から即座に行われる。つまり、可動部材８の開放タイミングが図１の形態の場合と比べて早い。同様の理由で、可動部材８の振幅が大きくなる。
【００５２】
また図１２は、発熱体と可動部材が離れている形態における気泡成長と可動部材の挙動との相関関係を説明するための図で、（ａ）はその形態を、（ｂ）はその相関関係のグラフを示している。図１２（ａ）で示す形態のように発熱体４と可動部材８とが離れていると、可動部材８が気泡の体積減少の影響を受けにくいため、図１２（ｂ）の▲３▼の期間開始時点から判るように、可動部材８による液体供給口５の開放開始は部分成長部分収縮期間開始からかなり遅れて行われる。つまり、可動部材８の開放タイミングが図１の形態の場合と比べて遅い。同様の理由で、可動部材８の振幅が小さくなる。なお、図１２（ｂ）の▲１▼〜▲６▼の各期間の可動部材の挙動は図１０に基づいて説明した挙動と同じである。
【００５３】
なお、上記可動部材８と発熱体４との位置関係は一般的な動作の説明をしたもので、可動部材の自由端の位置、可動部材の剛性等によって各動作は異なってくるものである。
【００５４】
また、図１０〜図１２から判るように、気泡発生領域１１の吐出口７側で成長する気泡（Ａ領域の気泡）の最大時の体積をＶｆとし、気泡発生領域１１の液体供給口５側で成長する気泡（Ｂ領域の気泡）の最大時の体積をＶｒとすると、Ｖｆ＞Ｖｒの関係が本発明のヘッドでは常に成り立っている。さらに、気泡発生領域１１の吐出口７側で成長する泡（Ａ領域の泡）のライフタイム（泡の発生から消泡までの時間）をＴｆとし、気泡発生領域１１の液体供給口５側で成長する泡（Ｂ領域の泡）のライフタイムをＴｒとすると、Ｔｆ＞Ｔｒの関係が本発明のヘッドでは常に成り立つ。そして、上記のような関係となるため、気泡の消泡点は、気泡発生領域１１の中心付近より吐出口７側に位置することとなる。
【００５５】
さらに本ヘッド構成では、図５（ｂ）および図８からも判るように、気泡の発生初期に可動部材８の自由端が液体供給口５側に最大変位する量ｈ１よりも、気泡の消泡と共に可動部材８の自由端が気泡発生手段４側に最大変位する量ｈ２の方が大きいという関係（ｈ１＜ｈ２）にある。例えばｈ１は２μｍ、ｈ２は１０μｍである。この関係が成り立つことにより、発泡初期での発熱体後方（吐出口に対して反対方向）への泡の成長を抑制し、発熱体前方（吐出口に向かう方向）への泡の成長をより促進させることができる。このことによって、発熱体で生じる発泡パワーを、液体が吐出口から飛翔する液滴の運動エネルギーへ変換させる効率を向上させることができる。
【００５６】
本実施形態のヘッド構成および液体吐出動作について説明したが、このような形態によれば、気泡の下流側への成長成分と上流側への成長成分が均等ではなく、上流側への成長成分がほとんどなくなり上流側への液体の移動が抑制される。上流側への液体の流れが抑制されるため、上流側に気泡成長成分が損失することなくそのほとんどが吐出口の方向に向けられ、吐出力が格段に向上する。さらに、吐出後のメニスカスの後退量が減少し、その分リフィル時にメニスカスがオリフィス面よりも突出する量も減少する。そのためメニスカス振動が抑制されることとなり、低周波数から高周波数まであらゆる駆動周波数において安定した吐出を行うことができる。
【００５７】
ここで、本実施形態の液体吐出ヘッドでは、上述したように可動部材８の吐出口７側の先端が、液体供給口５を形成するための供給部形成部材５Ａにおける吐出口７側の端面５Ｃよりも吐出口７に近くなっている。このような液体吐出ヘッドでは、発熱体４により気泡発生領域１１で気泡を発生させて可動部材８を変位させ、その可動部材８によって液流路３の液体供給口５をほぼ密閉状態にしてから吐出口７よりインクを吐出させる動作において、気泡発生領域１１で発生した気泡の液体供給口５側の部分が収縮し始めた際にその気泡の収縮によるわずかなインクの移動、具体的にはインクの渦に可動部材８が敏感に反応して可動部材８が素速く下方変位する。
【００５８】
従って、可動部材８の自由端８Ｂ側の部分が発熱体４から離れている場合や、可動部材８の剛性が強い場合などでも、気泡の液体供給口５側の部分が収縮し始めてから可動部材８が変位して液体供給口５が開放されるまでのタイミングにずれが生じるということが防止される。その結果、共通液体供給室６から液流路３へのインクの補充（リフィル）が遅れるということが防止され、液流路３へのインクのリフィル特性が高効率化する。
【００５９】
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態のヘッド構造においては図１および図３に示したように、可動部材８の、固定部材９に対して未接合となる（すなわち、屈曲して立ち上がる）位置が固定部材９の端部９Ａとは同じでないため、開口領域Ｓは、液体供給口５の３辺と固定部材９の端部９Ａで囲まれた領域となったが、図１３および図１４に示す形態のように、可動部材８の固定部材９からの屈曲立ち上がり位置を固定部材９の端部９Ａとしてもよい。この形態の場合には、開口領域Ｓは図１３および図１４に示すように、液体供給口５の３辺と可動部材８の支点部８Ａとで囲まれた領域となる。
【００６０】
また、第１の実施の形態のヘッド構造において液体供給口５は図３に示したように４つの壁面で囲まれた開口としたが、図１５および図１６に示す形態のように、供給部形成部材５Ａ（図１参照）のうち、吐出口７側とは反対の液体供給室６側の壁面が開放されていてもよい。この形態の場合には、第１の実施の形態と同様、開口領域Ｓは図１５および図１６に示すように、液体供給口５の３辺と固定部材９の端部９Ａとで囲まれた領域となる。
【００６１】
これらの構成の液体吐出ヘッドにおいても、図１３および図１５に示されるように可動部材８の自由端８Ｂが、供給部形成部材５Ａの吐出口７側の側面である端面５Ｃよりも吐出口７側に近い位置にあり、可動部材８の吐出口７側の先端が供給部形成部材５Ａの端面５Ｃから突出している。これにより、第１の実施形態と同様に、インクの吐出動作において共通液体供給室６から液流路３へのインクのリフィル特性の高効率化が図られている。
【００６２】
（その他の実施の形態）
以下、本発明の液体吐出原理を用いたヘッドに好適な様々な形態例を説明する。
【００６３】
＜素子基板＞
上述したような液体吐出ヘッドの発熱体４を駆動したりその駆動を制御するための回路や素子は、その機能に応じて素子基板１または天板２に分担して配置されている。また、これら回路や素子は、素子基板１および天板２がシリコン材料で構成されていることから、半導体ウェハプロセス技術を用いて容易かつ微細に形成することができる。
【００６４】
以下に、半導体ウェハプロセス技術を用いて形成された素子基板１の構造について説明する。
【００６５】
図１７は、上記各種の実施形態の液体吐出ヘッドに用いられる素子基板１の断面図である。図１７に示す素子基板１では、シリコン基板２０１の表面に、蓄熱層としての熱酸化膜２０２および、蓄熱層を兼ねる層間膜２０３がこの順番で積層されている。層間膜２０３としては、ＳｉＯ２膜またはＳｉ３Ｎ４膜が用いられている。層間膜２０３の表面に部分的に抵抗層２０４が形成され、抵抗層２０４の表面に部分的に配線２０５が形成されている。配線２０５としては、Ａｌまたは、Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ等のＡｌ合金配線が用いられている。この配線２０５、抵抗層２０４および層間膜２０３の表面に、ＳｉＯ２膜またはＳｉ３Ｎ４膜から成る保護膜２０６が形成されている。保護膜２０６の表面の、抵抗層２０４に対応する部分およびその周囲には、抵抗層２０４の発熱に伴う化学的および物理的な衝撃から保護膜２０６を守るための耐キャビテーション膜２０７が形成されている。抵抗層２０４表面の、配線２０５が形成されていない領域は、抵抗層２０４の熱が作用する部分となる熱作用部２０８である。
【００６６】
この素子基板１上の膜は半導体の製造技術によりシリコン基板２０１の表面に順に形成され、シリコン基板２０１に熱作用部２０８が備えられている。
【００６７】
図１８は、図１７に示す素子基板１の主要素子を縦断するように素子基板１を切断した模式的断面図である。
【００６８】
図１８に示すように、Ｐ導電体であるシリコン基板２０１の表層にはＮ型ウェル領域４２２およびＰ型ウェル領域４２３が部分的に備えられている。そして、一般的なＭｏｓプロセスを用いてイオンプラテーション等の不純物導入および拡散によって、Ｎ型ウェル領域４２２にＰ−Ｍｏｓ４２０が、Ｐ型ウェル領域４２３にＮ−Ｍｏｓ４２１が備えられている。Ｐ−Ｍｏｓ４２０は、Ｎ型ウェル領域４２２の表層に部分的にＮ型あるいはＰ型の不純物を導入してなるソース領域４２５およびドレイン領域４２６や、Ｎ型ウェル領域４２２の、ソース領域４２５およびドレイン領域４２６を除く部分の表面に厚さ数百オングストロームのゲート絶縁膜４２８を介して堆積されたゲート配線４３５等から構成されている。また、Ｎ−Ｍｏｓ４２１は、Ｐ型ウェル領域４２３の表層に部分的にＮ型あるいはＰ型の不純物を導入してなるソース領域４２５およびドレイン領域４２６や、Ｐ型ウェル領域４２３の、ソース領域４２５およびドレイン領域４２６を除く部分の表面に厚さ数百オングストロームのゲート絶縁膜４２８を介して堆積されたゲート配線４３５等から構成されている。ゲート配線４３５は、ＣＶＤ法により堆積した厚さ４０００オングストローム〜５０００オングストロームのポリシリコンから成るものである。これらのＰ−Ｍｏｓ４２０およびＮ−Ｍｏｓ４２１からＣ−Ｍｏｓロジックが構成されている。
【００６９】
Ｐ型ウェル領域４２３の、Ｎ−Ｍｏｓ４２１と異なる部分には、電気熱変換素子駆動用のＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０が備えられている。Ｎ−Ｍｏｓトランジスタ４３０も、不純物導入および拡散等の工程によりＰ型ウェル領域４２３の表層に部分的に備えられたソース領域４３２およびドレイン領域４３１や、Ｐ型ウェル領域４２３の、ソース領域４３２およびドレイン領域４３１を除く部分の表面にゲート絶縁膜４２８を介して堆積されたゲート配線４３３等から構成されている。
【００７０】
本実施形態では、電気熱変換素子駆動用のトランジスタとしてＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０を用いたが、複数の電気熱変換素子を個別に駆動できる能力を持ち、かつ、上述したような微細な構造を得ることができるトランジスタであれば、このトランジスタに限られない。
【００７１】
Ｐ−Ｍｏｓ４２０とＮ−Ｍｏｓ４２１との間や、Ｎ−Ｍｏｓ４２１とＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０との間等の各素子間には、５０００オングストローム〜１００００オングストロームの厚さのフィールド酸化により酸化膜分離領域４２４が形成されており、その酸化膜分離領域４２４によって各素子が分離されている。酸化膜分離領域４２４の、熱作用部２０８に対応する部分は、シリコン基板２０１の表面側から見て一層目の蓄熱層４３４としての役割を果たす。
【００７２】
Ｐ−Ｍｏｓ４２０、Ｎ−Ｍｏｓ４２１およびＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０の各素子の表面には、厚さ約７０００オングストロームのＰＳＧ膜またはＢＰＳＧ膜等から成る層間絶縁膜４３６がＣＶＤ法により形成されている。熱処理により層間絶縁膜４３６を平坦化した後に、層間絶縁膜４３６およびゲート絶縁膜４２８を貫通するコンタクトホールを介して第１の配線層となるＡｌ電極４３７により配線が行われている。層間絶縁膜４３６およびＡｌ電極４３７の表面には、厚さ１００００オングストローム〜１５０００オングストロームのＳｉＯ２膜から成る層間絶縁膜４３８がプラズマＣＶＤ法により形成されている。層間絶縁膜４３８の表面の、熱作用部２０８およびＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０に対応する部分には、厚さ約１０００オングストロームのＴａＮ０．８，ｈｅｘ膜から成る抵抗層２０４がＤＣスパッタ法により形成されている。抵抗層２０４は、層間絶縁膜４３８に形成されたスルーホールを介してドレイン領域４３１の近傍のＡｌ電極４３７と電気的に接続されている。抵抗層２０４の表面には、各電気熱変換素子への配線となる第２の配線層としての、Ａｌの配線２０５が形成されている。
【００７３】
配線２０５、抵抗層２０４および層間絶縁膜４３８の表面の保護膜２０６は、プラズマＣＶＤ法により形成された厚さ１００００オングストロームのＳｉ３Ｎ４膜から成るものである。保護膜２０６の表面に堆積された耐キャビテーション膜２０７は、Ｔａ（タンタル）、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｒ（クロム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｒｕ（ルテニウム）等から選ばれる少なくとも１つ以上のアモルファス合金の厚さ約２５００オングストロームの薄膜から成るものである。
【００７４】
＜サイドシュータタイプ＞
図１９はいわゆるサイドシュータタイプの液体吐出ヘッドの断面図を示したものである。この説明において、第１の実施の形態と同一の構成要素には同一符号を用いる。この形態の液体吐出ヘッドは、図１９に示すように発熱体４と吐出口７が平行平面上で対面し、液流路３が、吐出口７からの液体の吐出方向に沿った軸方向と直角に連通している点で、第１の実施の形態と異なっている。このような液体吐出ヘッドにおいても第１の実施の形態と同様の吐出原理に基づく効果を奏する。
【００７５】
＜可動部材＞
上述の実施形態において、可動部材を構成する材質としては吐出液に対して耐溶剤性があり、可動部材として良好に動作するための弾性を有しているものであればよい。
【００７６】
可動部材の材料としては、耐久性の高い、銀、ニッケル、金、鉄、チタン、アルミニュウム、白金、タンタル、ステンレス、りん青銅等の金属、およびその合金、または、アクリロニトリル、ブタジエン、スチレン等のニトリル基を有する樹脂、ポリアミド等のアミド基を有する樹脂、ポリカーボネイト等のカルボキシル基を有する樹脂、ポリアセタール等のアルデヒド基を持つ樹脂、ポリサルフォン等のスルホン基を持つ樹脂、そのほか液晶ポリマー等の樹脂およびその化合物、耐インク性の高い、金、タングステン、タンタル、ニッケル、ステンレス、チタン等の金属、これらの合金および耐インク性に関してはこれらを表面にコーティングしたもの若しくは、ポリアミド等のアミド基を有する樹脂、ポリアセタール等のアルデヒド基を持つ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン等のケトン基を有する樹脂、ポリイミド等のイミド基を有する樹脂、フェノール樹脂等の水酸基を有する樹脂、ポリエチレン等のエチル基を有する樹脂、ポリプロピレン等のアルキル基を持つ樹脂、エポキシ樹脂等のエポキシ基を持つ樹脂、メラミン樹脂等のアミノ基を持つ樹脂、キシレン樹脂等のメチロール基を持つ樹脂およびその化合物、さらに二酸化珪素、チッ化珪素等のセラミックおよびその化合物が望ましい。本発明における可動部材としてはμｍオーダーの厚さを対象にしている。
【００７７】
次に、発熱体と可動部材の配置関係について説明する。発熱体と可動部材の最適な配置によって、発熱体による発泡時の液の流れを適正し制御して有効に利用することが可能となる。
【００７８】
熱等のエネルギーをインクに与えることで、インクに急峻な体積変化（気泡の発生）を伴う状態変化を生じさせ、この状態変化に基づく作用力によって吐出口からインクを吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方法、いわゆるバブルジェット記録方法の従来技術においては、図２０の破線に示すように、発熱体面積とインク吐出量は比例関係にあるが、インク吐出に寄与しない非発泡有効領域Ｓが存在していることがわかる。また、発熱体上のコゲの様子から、この非発泡有効領域Ｓが発熱体の周囲に存在していることがわかる。これらの結果から、発熱体周囲の約４μｍ幅は、発泡に関与されていないとされている。これに対し、本発明の液体吐出ヘッドは、気泡発生手段を含む液流路が吐出口を除いて実質的に遮蔽されていることで最大の吐出量が規制されるため、図２０の実線で示すように、発熱体面積や発泡パワーのばらつきが大きくても吐出量が変化しない領域があり、この領域を利用することにより大ドットの吐出量安定化が図れる。
【００７９】
さらに、前述した実質的密閉空間を良好に形成するために、待機状態における可動部材と発熱体の距離は１０μｍ以下とするのが好ましい。
【００８０】
図２１は本発明の液体吐出装置の要部の側断面図を示したもので、図２１（ａ）は後述する保護膜があるヘッド、図２１（ｂ）は保護膜がないものである。
【００８１】
素子基板１上には天板２が配され、素子基板１と天板２の間に液流路３が形成されている。
【００８２】
素子基板１は、シリコン等の基体１０７に絶縁および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜またはチッ化シリコン膜１０６を成膜し、その上に発熱体１０を構成するハフニュウムボライド（ＨｆＢ２）、チッ化タンタル（ＴａＮ）、タンタルアルミ（ＴａＡｌ）等の電気抵抗層１０５（０．０１〜０．２μｍ厚）とアルミニュウム等の配線電極１０４（０．２〜１．０μｍ厚）を図２１（ａ）のようにパターニングしている。この配線電極１０４から抵抗層１０５に電圧を印加し、抵抗層１０５に電流を流し発熱させる。配線電極１０４間の抵抗層１０５上には、酸化シリコンやチッ化シリコン等の保護膜１０３を０．１〜２．０μｍ厚で形成し、さらにそのうえにタンタル等の耐キャビテーション層１０２（０．１〜０．６μｍ厚）が成膜されており、インク等の各種の液体から抵抗層１０５を保護している。
【００８３】
特に、気泡の発生、消泡の際に発生する圧力や衝撃波は非常に強く、堅くてもろい酸化膜の耐久性を著しく低下させるため、金属材料のタンタル（Ｔａ）等が耐キャビテーション層１０２として用いられる。
【００８４】
また、液体、流路構成、抵抗材料の組み合わせにより、上述の抵抗層１０５に保護膜１０３を必要としない構成でもよくその例を図２１（ｂ）に示す。このような保護膜１０３を必要としない抵抗層１０５の材料としてはイリジュウム−タンタル−アルミ合金等が挙げられる。
【００８５】
このように、前述の各実施形態における発熱体４の構成としては、前述の電極１０４間の抵抗層１０５（発熱部）だけででもよく、また抵抗層１０５を保護する保護膜１０３を含むものでもよい。
【００８６】
各実施形態においては、発熱体４として電気信号に応じて発熱する抵抗層１０５で構成された発熱部を有するものを用いたが、これに限られることなく、吐出液を吐出させるのに十分な気泡を発泡液に生じさせるものであればよい。例えば、レーザ等の光を受けることで発熱するような光熱変換体や高周波を受けることで発熱するような発熱部を有する発熱体でもよい。
【００８７】
なお、前述の素子基板１には、前述の発熱部を構成する抵抗層１０５とこの抵抗層１０５に電気信号を供給するための配線電極１０４で構成される発熱体１０の他に、この発熱体４（電気熱変換素子）を選択的に駆動するためのトランジスタ、ダイオード、ラッチ、シフトレジスタ等の機能素子が一体的に半導体製造工程によって作り込まれていてもよい。
【００８８】
また、前述のような素子基板１に設けられている発熱体４の発熱部を駆動し、液体を吐出するためには、前述の抵抗層１０５に配線電極１０４を介して図２２に示されるような矩形パルスを印加し、配線電極１０４間の抵抗層１０５を急峻に発熱させる。前述の各実施形態のヘッドにおいては、それぞれ電圧２４Ｖ、パルス幅７μｓｅｃ、電流１５０ｍＡ、電気信号を６ｋＨｚで加えることで発熱体を駆動させ、前述のような動作によって、吐出口７から液体であるインクを吐出させた。しかしながら、駆動信号の条件はこれに限られることなく、発泡液を適正に発泡させることができる駆動信号であればよい。
【００８９】
＜吐出液体＞
このような液体のうち、記録を行う上で用いる液体（記録液体）としては従来のバブルジェット装置で用いられていた組成のインクを用いることができる。
【００９０】
また、従来吐出が困難であった発泡性が低い液体、熱によって変質、劣化しやすい液体や高粘度液体等であっても利用できる。
【００９１】
ただし、吐出液の性質として吐出液自身、吐出や発泡または可動部材の動作等を妨げないような液体でないことが望まれる。
【００９２】
記録用の吐出液体としては、高粘度インク等をも利用することができる。
【００９３】
本発明においては、さらに吐出液に用いることができる記録液体として以下のような組成のインクを用いて記録を行ったが、吐出力の向上によってインクの吐出速度が高くなったため、液滴の着弾精度が向上し非常に良好な記録画像を得ることができる。
【００９４】
【表１】
＜液体吐出装置＞
図２３は、上述の各種の実施形態で説明した構造の液体吐出ヘッドを装着して適用することのできる液体吐出装置の一例であるインクジェット記録装置の概略構成を示している。図２３に示されるインクジェット記録装置６００に搭載されたヘッドカートリッジ６０１は、上述した構造の液体吐出ヘッドと、その液体吐出ヘッドに供給される液体を保持する液体容器とを有するものである。ヘッドカートリッジ６０１は、図２３に示すように、駆動モータ６０２の正逆回転に連動して駆動力伝達ギヤ６０３および６０４を介して回転するリードスクリュー６０５の螺旋溝６０６に対して係合するキャリッジ６０７上に搭載されている。駆動モータ６０２の動力によってヘッドカートリッジ６０１がキャリッジ６０７ともとにガイド６０８に沿って矢印ａおよびｂの方向に往復移動される。インクジェット記録装置６００には、ヘッドカートリッジ６０１から吐出されたインク等の液体を受ける被記録媒体としてのプリント用紙Ｐを搬送する被記録媒体搬送手段（不図示）が備えられている。その被記録媒体搬送手段によってプラテン６０９上を搬送されるプリント用紙Ｐの紙押さえ板６１０は、キャリッジ６０７の移動方向にわたってプリント用紙Ｐをプラテン６０９に対して押圧する。
【００９６】
リードスクリュー６０５の一端の近傍には、フォトカプラ６１１および６１２が配設されている。フォトカプラ６１１および６１２は、キャリッジ６０７のレバー６０７ａの、フォトカプラ６１１および６１２の領域での存在を確認して駆動モータ６０２の回転方向の切り換え等を行うためのホームポジション検知手段である。プラテン６０９の一端の近傍には、ヘッドカートリッジ６０１の吐出口のある前面を覆うキャップ部材６１４を支持する支持部材６１３が備えられている。また、ヘッドカートリッジ６０１から空吐出等されてキャップ部材６１４の内部に溜まったインクを吸引するインク吸引手段６１５が備えられている。このインク吸引手段６１５によりキャップ部材６１４の開口部を介してヘッドカートリッジ６０１の吸引回復が行われる。
【００９７】
インクジェット記録装置６００には本体支持体６１９が備えられている。この本体支持体６１９には移動部材６１８が、前後方向、すなわちキャリッジ６０７の移動方向に対して直角な方向に移動可能に支持されている。移動部材６１８には、クリーニングブレード６１７が取り付けられている。クリーニングブレード６１７はこの形態に限らず、他の形態の公知のクリーニングブレードであってもよい。さらに、インク吸引手段６１５による吸引回復操作にあたって吸引を開始するためのレバー６２０が備えられており、レバー６２０は、キャリッジ６０７と係合するカム６２１の移動に伴って移動し、駆動モータ６０２からの駆動力がクラッチ切り換え等の公知の伝達手段で移動制御される。ヘッドカートリッジ６０１に設けられた発熱体に信号を付与したり、前述した各機構の駆動制御を司ったりするインクジェット記録制御部は記録装置本体側に設けられており、図２３では示されていない。
【００９８】
上述した構成を有するインクジェット記録装置６００では、前記の被記録媒体搬送手段によりプラテン６０９上を搬送されるプリント用紙Ｐに対して、ヘッドカートリッジ６０１がプリント用紙Ｐの全幅にわたって往復移動する。この移動時に不図示の駆動信号供給手段からヘッドカートリッジ６０１に駆動信号が供給されると、この信号に応じて液体吐出ヘッド部から被記録媒体に対してインク（記録液体）が吐出され、記録が行われる。
【００９９】
図２４は、本発明の液体吐出装置によりインクジェット式記録を行なうための記録装置全体のブロック図である。
【０１００】
記録装置は、ホストコンピュータ３００より印字情報を制御信号として受ける。印字情報は印字装置内部の入力インターフェイス３０１に一時保存されると同時に、記録装置内で処理可能なデータに変換され、ヘッド駆動信号供給手段を兼ねるＣＰＵ（中央処理装置）３０２に入力される。ＣＰＵ３０２はＲＯＭ（リード・オンリー・メモリー）３０３に保存されている制御プログラムに基づき、前記ＣＰＵ３０２に入力されたデータをＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリー）３０４等の周辺ユニットを用いて処理し、印字するデータ（画像データ）に変換する。
【０１０１】
また、ＣＰＵ３０２は前記画像データを記録用紙上の適当な位置に記録するために、画像データに同期して記録用紙およびヘッドカートリッジ６０１を搭載したキャリッジ６０７を移動する駆動用モータ６０２を駆動するための駆動データを作る。画像データおよびモータ駆動データは、各々ヘッドドライバ３０７と、モータドライバ３０５を介し、ヘッドカートリッジ６０１および駆動用モータ６０２に伝達され、それぞれ制御されたタイミングで駆動され画像を形成する。
【０１０２】
このような記録装置に用いられ、インク等の液体の付与が行われる被記録媒体１５０としては、各種の紙やＯＨＰシート、コンパクトディスクや装飾板等に用いられるプラスチック材、布帛、アルミニウムや銅等の金属材、牛皮、豚皮、人工皮革等の皮革材、木、合板等の木材、竹材、タイル等のセラミックス材、スポンジ等の三次元構造体等を対象とすることができる。
【０１０３】
また、この記録装置として、各種の紙やＯＨＰシート等に対して記録を行うプリンタ装置、コンパクトディスク等のプラスチック材に記録を行うプラスチック用記録装置、金属板に記録を行う金属用記録装置、皮革に記録を行う皮革用記録装置、木材に記録を行う木材用記録装置、セラミックス材に記録を行うセラミックス用記録装置、スポンジ等の三次元網状構造体に対して記録を行う記録装置、または布帛に記録を行う捺染装置等をも含むものである。
【０１０４】
また、これらの液体吐出装置に用いる吐出液としては、それぞれの被記録媒体や記録条件に合わせた液体を用いればよい。
【０１０５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、気泡により変位した可動部材によって液体供給口を閉じることで、吐出口を除いて液流路をほぼ密閉状態にしてから吐出口より液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、可動部材の吐出口側の先端を、液体供給口を形成するための部材における吐出口側の端面よりも吐出口に近くしたことにより、気泡の液体供給口側の部分が収縮し始めてから可動部材が変位して液体供給口が開放されるまでのタイミングのずれを短くすることができ、液流路への液体のリフィル特性が高効率化するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による液体吐出ヘッドの１つの液流路方向に沿った断面図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ’線断面図である。
【図３】図１のＹ−Ｙ’線断面図である。
【図４】「直線的連通状態」を説明する流路の断面図である。
【図５】図１〜図３に示した構造の液体吐出ヘッドの吐出動作を説明するために、液体吐出ヘッドを液流路方向に沿った切断図で示すと共に、特徴的な現象を分けて示したものである。
【図６】図５の続きの吐出動作を説明するために、液体吐出ヘッドを液流路方向に沿った切断図で示したものである。
【図７】図６の続きの吐出動作を説明するために、液体吐出ヘッドを液流路方向に沿った切断図で示したものである。
【図８】図７の続きの吐出動作を説明するために、液体吐出ヘッドを液流路方向に沿って切断図で示したものである。
【図９】図５（ｂ）の気泡の等方的な成長状態を示す図である。
【図１０】図５〜図７におけるＡ領域とＢ領域での気泡成長の時間変化と可動部材の挙動との相関関係を表したグラフである。
【図１１】図１に示した可動部材と発熱体の相対位置とは異なる形態の液体吐出ヘッドにおける、気泡成長の時間変化と可動部材の挙動との相関関係を表したグラフである。
【図１２】図１に示した可動部材と発熱体の相対位置とは異なる形態の液体吐出ヘッドにおける、気泡成長の時間変化と可動部材の挙動との相関関係を表したグラフである。
【図１３】本発明の第２の実施の形態の第１変形例による液体吐出ヘッドの１つの液流路方向に沿った断面図である。
【図１４】図１３のＹ−Ｙ‘線断面図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態の第２変形例による液体吐出ヘッドの１つの液流路方向に沿った断面図である。
【図１６】図１５のＹ−Ｙ‘線断面図である。
【図１７】各種の実施形態の液体吐出ヘッドに用いられる素子基板の断面図である。
【図１８】図１７に示す素子基板の主要素子を縦断するように素子基板を切断した模式的断面図である。
【図１９】本発明の液体吐出方法を適用したサイドシュータタイプのヘッドの例を説明するための図である。
【図２０】発熱体面積とインク吐出量との相対関係を示すグラフである。
【図２１】本発明の液体吐出ヘッドの縦断面図を示したもので、（ａ）は保護膜があるもの、（ｂ）は保護膜がないものである。
【図２２】本発明に使用する発熱体を駆動する波形の図である。
【図２３】本発明の液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置の概略構成を示す図である。
【図２４】本発明の液体吐出方法および液体吐出ヘッドにおいて液体吐出記録を行なうための装置全体のブロック図である。
【図２５】従来の液体吐出ヘッドにおける可動部材の様子を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 素子基板
２ 天板
３ 液流路
４ 発熱体（気泡発生手段）
５ 液体供給口
５Ａ 供給部形成部材
５Ｃ 端面
６ 共通液体供給室
７ 吐出口
８ 可動部材
８Ａ 支点
８Ｂ 自由端
９ 固定部材
９Ａ 端部
１０ 流路側壁
１１ 気泡発生領域
２１ 気泡
２２ 吐出滴
１０２ 耐キャビテーション層
１０３ 保護膜
１０４ 配線電極
１０５ 抵抗層
１０６ チッ化シリコン膜
１０７ 基体
２０１ シリコン基体
２０２ 熱酸化膜
２０３ 層間膜
２０４ 抵抗層
２０５ 配線
２０６ 保護層
２０７ 耐キャビテーション膜
２０８ 熱作用部
３００ ホストコンピュータ
３０１ 入出力インターフェイス
３０２ ＣＰＵ
３０３ ＲＯＭ
３０４ ＲＡＭ
３０５ モータドライバ
３０７ ヘッドドライバ
６００ インクジェット記録装置
６０１ ヘッドカートリッジ
６０２ 駆動モータ
６０３、６０４ 駆動伝達ギア
６０５ リードスクリュー
６０６ 螺旋溝
６０７ キャリッジ
６０７ａ レバー
６０８ ガイド
６０９ プラテン
６１０ 紙押さえ板
６１１、６１２ フォトカプラ
６１３ 支持部材
６１４ キャップ部材
６１５ インク吸引手段
６１７ クリーニングブレード
６１８ 移動部材
６１９ 本体支持体
６２０ レバー
６２１ カム
α、β、γ 隙間
Claims (3)
- 液体を吐出するための複数の吐出口と、
前記各吐出口に連通され、液体に気泡を発生させる気泡発生領域を有する複数の液流路と、
前記気泡を発生し成長させるためのエネルギーを発生する気泡発生手段と、
前記複数の液流路にそれぞれ配設され、共通液体供給室と連通する複数の液体供給口と、
前記液体供給口の前記液流路への開口領域に対して隙間を隔てて支持され、気泡の発生に伴い変位する自由端を有する可動部材とを有し、
前記可動部材と前記液体供給口の前記開口領域との間の前記隙間が、前記気泡発生手段により発生した気泡が等方的に成長している際に前記インク供給口の前記開口領域が前記可動部材によって実質的に塞がれるほど狭い液体吐出ヘッドであって、
前記可動部材の前記吐出口側の先端が、前記液体供給口を形成するための部材における前記吐出口側の端面よりも前記吐出口側に位置していることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項１に記載の液体吐出ヘッドと、該液体吐出ヘッドから吐出された液体を受け取る被記録媒体を搬送する被記録媒体搬送手段と、を備えた液体吐出装置。
- 前記液体吐出ヘッドからインクを吐出し、前記被記録媒体に該インクを付着させることで記録を行うことを特徴とする請求項２に記載の液体吐出装置。
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