JP3652016B2 - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出方法 - Google Patents

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ることで起こる気泡の発生によって、所望の液体を吐出する液体吐出方法、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に関し、特に、気泡の発生を利用して変位する可動部材を有する液体吐出方法、液体吐出ヘッド及び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付与することをも意味するものである。
【０００４】
【従来の技術】
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従来知られている。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号明細書等の公報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インク流路と、インク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】
この様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ともに、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、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、次のような様々な要求が近年さらにたかまっている。
【０００７】
例えば、エネルギー効率の向上の要求に対する検討としては、保護膜の厚さを調整するといった発熱体の最適化が挙げられている。この手法は、発生した熱の液体への伝搬効率を向上させる点で効果がある。
【０００８】
また、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。
【０００９】
この流路形状の内、特開昭６３−１９９９７２号公報等に記載されている流路構造やヘッド製造方法は、気泡の発生に伴って発生するバック波（吐出口へ向かう方向とは逆の方向へ向かう圧力、即ち、液室へ向かう圧力）に着目した発明である。このバック波は、吐出方向へ向かうエネルギーでないため損失エネルギーとして知られている。
【００１０】
しかしながら、この構成において、吐出すべき液体を保持する流路内部に、気泡が発生した際を検討するとわかるように、バック波の一部を抑制することは、液体吐出にとっては実用的なものでないことがわかる。
【００１１】
もともとバック波自体は、前述したように吐出に直接関係しないものである。このバック波が流路内に発生した時点では、気泡のうち吐出に直接関係する圧力はすでに流路から液体に吐出可能状態にしている。従って、バック波のうち、しかもその一部を抑制したからといっても、吐出に大きな影響を与えないことは明らかである。
【００１２】
他方、バブルジェット記録方法においては、発熱体がインクに接した状態で加熱を繰り返すため、発熱体の表面にインクの焦げによる堆積物が発生するが、インクの種類によってはこの堆積物が多く発生することで、気泡の発生を不安定にしてしまい、良好なインクの吐出を行うことが困難な場合があった。また、吐出すべき液体が熱によって劣化しやすい液体の場合や十分に発泡が得られにくい液体の場合においても、吐出すべき液体を変質させず、良好に吐出するための方法が望まれていた。
【００１３】
このような観点から、熱により気泡を発生させる液体（発泡液）と吐出する液体（吐出液）とを別液体とし、発泡による圧力を吐出液に伝達することで吐出液を吐出する方法が、特開昭６１−６９４６７号公報、特開昭５５−８１１７２号公報、米国特許第４,４８０,２５９号明細書等の公報に開示されている。これらの公報では、吐出液であるインクと発泡液とをシリコンゴムなどの可撓性膜で完全分離し、発熱体に吐出液が直接接しないようにするとともに、発泡液の発泡による圧力を可撓性膜の変形によって吐出液に伝える構成をとっている。このような構成によって、発熱体表面の堆積物の生成の防止や、吐出液体の選択自由度の向上等を達成している。
【００１４】
しかしながら、前述のように吐出液と発泡液とを完全分離する構成のヘッドにおいては、発泡時の圧力を可撓性膜の伸縮変形によって吐出液に伝える構成であるため、発泡による圧力を可撓性膜がかなり吸収してしまう。また、可撓性膜の変形量もあまり大きくないため、吐出液と発泡液とを分離することによる効果を得ることはできるものの、エネルギー効率や吐出力が低下してしまうおそれがあった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本願出願人は、基本的に従来の気泡（特に膜沸騰に伴う気泡）を液流路中に形成して液体を吐出する方式の、根本的な吐出特性を、従来では考えられなかった観点から、従来では予想できない水準に高めることを主たる課題とし、気泡自体が吐出量に与えるエネルギーを考慮すると気泡の下流側の成長成分を考慮することが吐出特性を格段に向上でき、気泡の下流側の成長成分を吐出方向へ効率よく変換させ、気泡の下流側の成長成分を積極的に可動部材の自由端側に移動させるという従来の技術水準に比べ極めて高い技術水準の発明を出願している。
【００１６】
本発明は、先行発明の画期的な吐出原理や作用効果を一層優れたものにできる新たな吐出方法及び吐出原理を提供すべく新たな知見に基づいてなされた発明である。
【００１７】
すなわち、新たな知見とは、可動部材の自由端の変位開始前の現象解析により変位環境をより良好にし、気泡発生領域から得られるパワーを所望の目的として有効利用できる構成をも含めて、総合的に形成される気泡及び液体の移動が吐出口側へより一層の成長あるいは誘導を可能ならしめたる技術を得たことである。
【００１８】
本発明は、可動部材と気泡の物理的な状態関係に着目してなされた発明であり、新たな吐出原理、構造的特徴等多くの発明を含むものである。
【００１９】
本発明の主たる目的は以下の通りである。その第１の目的は、発生した気泡を根本的に制御することで極めて新規な液体吐出原理を提供することにある。
【００２０】
本発明の第２の目的は、気泡発生時に発生する液体中の圧力分布を改良し、吐出効率を一層向上でき、可動部材の自由端の変位環境を改良した上で、気泡を吐出口方向に向けることで優れた液体の吐出を行いうる液体吐出方法及び液体吐出ヘッド等を提供することにある。
【００２１】
本発明の第３の目的は、バック波による液体供給方向とは逆方向への慣性力が働くのを抑えると同時に、可動部材の弁機構によって、メニスカス後退量を低減させることで、リフィル周波数を高め、印字スピード等を向上することのできる液体吐出方法及び液体吐出ヘッド等を提供することにある。
【００２２】
【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に係る液体吐出ヘッドは、液体が流れる液流路の下流側に配された吐出口と、前記液流路の内壁を構成する様に設けられ、前記吐出口から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電気熱変換体と、該電気熱変換体に対向する様に前記液流路内に配され、前記液流路の上流側に支点を、前記液流路の下流側に自由端を有する可動部材と、を有する。前記電気熱変換体は、発泡が初期に生じない面を除いた実質的に気泡を発生する面状の有効発泡領域を有する。前記可動部材の前記自由端は、前記有効発泡領域の中心部より下流側であって前記有効発泡領域の下流側の端部より上流側に対向する様に配されていることを特徴とする。
【００２６】
また、前記気泡は、発熱体の有効発泡領域での膜沸騰現象によって発生することを特徴とする。
【００３１】
また、前記気泡は、発熱体の有効発泡領域での膜沸騰現象によって発生することを特徴とする。
【００３４】
また、前記液体吐出ヘッドを用いて液体を吐出する装置であって、前記液体吐出ヘッドから吐出する液体が付与される印字領域に被記録媒体を搬送する手段と、前記液体吐出ヘッドの電記熱変換体に膜沸騰を生じせしめる駆動条件を与える駆動手段とを有することを特徴とする。
また、本発明に係る液体吐出方法は、前記液体吐出ヘッドを用いて液体を吐出する。
【００３５】
（作用）本発明でいう「気泡の有効発泡領域」とは、電気熱変換体のうち、発泡を初期に生じさせることがない面を除いた領域のように、実質的に発泡を発生する領域を意味する。
【００３６】
本発明によれば、可動部材の支点よりも自由端が吐出口側に位置する前提条件下で、有効発泡領域から発生する気泡のうち、吐出口へ直接導かれる部分がこの支点から自由端への方向に関して、有効発泡領域の中央から下流側の前方部分であることを、自由端の直接の移動をもたらす圧力勾配形成に対して、自由端が移動し易い環境形成に利用するということができ、総合的に吐出効率を向上できる。
【００３９】
以下、本発明のさらなる利点や構成変形例は、以下の具体的な説明から理解されよう。
【００４０】
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。
【００４１】
また、気泡自体に関する「下流側」とは、主として液滴の吐出に直接作用するとされる気泡の吐出口側部分を代表する。より具体的に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。
【００４２】
また、本発明の説明で用いる「実質的に密閉」とは、気泡が成長するとき、可動部材が変位する前に可動部材の周囲の隙間（スリット）から気泡がすり抜けない程度の状態を意味する。
【００４３】
さらに、本発明でいう「分離壁」とは、広義では気泡発生領域と吐出口に直接連通する領域とを区分するように介在する壁（可動部材を含んでもよい）を意味し、狭義では気泡発生領域を含む流路を吐出口に直接連通する液流路とを区分し、それぞれの領域にある液体の混合を防止するものを意味する。
【００４４】
加えて、本発明でいう「実質的に接触」とは、物理的に気泡と可動部材とが少なくとも一部で接触している状態、及び、わずかな液膜が気泡と可動部材との間に介在するが、気泡の成長あるいは可動部材の移動を規制する状態をも含むものとする。
【００４５】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の第１の実施の形態を図１及び図４乃至図７を用いて詳細に説明する。
【００４６】
まず本実施の形態では液体を吐出するための、気泡に基づく圧力の伝搬方向や気泡の成長方向を制御することで、吐出力や吐出効率の向上を図る場合の例を説明する。
【００４７】
図１は、このような本形態の液体吐出ヘッド１を液流路方向で切断した断面模式図を示しており、図１（Ｂ），（Ｃ）は、図１を模式化したモデル図を示し、図４は、この液体吐出ヘッドの部分破断斜視図を示している。
【００４８】
本実施の形態の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するための吐出エネルギー発生素子として、液体に熱エネルギーを作用させる発熱体２（本実施の形態においては４０μｍ×１１５μｍの有効発泡領域２Ｈ（図中の長さがＬ）を形成する電気熱変換体としての発熱抵抗体）が素子基板１に設けられており、この素子基板１上に発熱体２に対応して液流路が配されている。図４でわかるように、液流路１０は不図示の吐出口１８に連通している第１液流路を有し、複数の液流路に液体を供給するための共通液室１３に連通しており、吐出口から吐出された液体に見合う量の液体をこの共通液室１３から受け取る。図１に示すように、発熱体２は、電極２Ａとともに保護層２Ｂを有しており、電極２Ａを介して、膜沸騰を生じせしめる駆動パルスを受けて気泡４０を発生せしめる。
【００４９】
この液流路１０の素子基板１上には、前述の発熱体２に対向するように面して、金属等の弾性を有する（本形態では５μｍ厚のＮｉ製）材料で構成され、平面部を有する板状の可動部材３１が片持梁状に設けられている。この可動部材３１の一端は液流路１０の壁や素子基板１上に感光性樹脂などをパターニングして形成した土台（支持部材）３４等に固定されている。これによって、可動部材は保持されるとともに支点（支点部分）３３を構成している。
【００５０】
この可動部材３１は、液体の吐出動作によって共通液室１３から可動部材３１を経て吐出口１８側へ流れる大きな流れの上流側に支点（支点部分；固定端）３３を持ち、この支点３３に対して下流側に自由端（自由端部分）３２を持つように、発熱体２に面した位置に発熱体２を覆うような状態で発熱体２から所定の距離を隔てて配されている。この発熱体２と可動部材３１との間が気泡発生領域となる。なお発熱体２、可動部材３１の種類や形状および配置はこれに限られることなく、後述するように気泡の成長を吐出口側に導く形状や圧力の伝搬を制御しうる形状および配置であればよい。なお、上述した液流路１０は、後に取り上げる液体の流れの説明のため、図１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示される状態の可動部材３１を境にして、吐出口１８に直接連通している部分を第１の液流路１４とし、気泡発生領域１１や液体供給路１２を有する部分を第２の液流路の２つの領域に分けて説明する。
【００５１】
発熱体２を発熱させることで可動部材３１と発熱体２との間の気泡発生領域１１の液体に熱を作用せしめ、液体に米国特許第４,７２３,１２９号明細書に記載されているような膜沸騰現象に基づく気泡を発生させる。気泡の発生に基づく圧力と気泡は可動部材に優先的に作用し、可動部材３１は、もしくは図４で示されるように、支点３３を中心に吐出口側に大きく開くように変位する。可動部材３１の変位若しくは変位した状態によって、気泡の発生に基づく圧力の伝搬や気泡自身の成長が吐出口側に導かれる。
【００５２】
ここで、本発明の基本的な吐出原理の１つを説明する。本発明において最も重要な原理の１つは、気泡発生領域に対面し、且つ中心３（ＣＨ）より下流側に配された可動部材の自由端が、気泡の発生に伴い気泡発生領域が可動部材に対面していない部分気泡発生領域Ｚ（本形態では長さが１０μｍ）により改善された気泡の発生時の圧力分布に基づいて、定常状態の第１の位置から最大変位後の位置である第２の位置へ優先的に変位し、液体の移動方向が異なる分断領域を可動部材の自由端３２から支点３３へシフトされることにより、液体が吐出口側へ多く移動せしめられるとともに、可動部材が変位しやすくなり、同時に気泡の成長方向を吐出口側へより確実に指向せしめることができることである。
【００５３】
この原理を、可動部材を用いない従来の液流路構造を模式的に示した図５と本発明の図６とを比較して、さらに詳しく説明する。なおここでは吐出口方向への圧力の伝搬方向をＶ_A、上流側への圧力の伝搬方向をＶ_Bとして示した。
【００５４】
図５で示されるような従来のヘッドにおいては、発生した気泡４０による圧力の伝搬方向を規制する構成はない。このため気泡４０の圧力伝搬方向は、Ｖ₁〜Ｖ₈のように気泡表面の法線方向となり、様々な方向を向いていた。このうち、特に液吐出に最も影響を及ぼすＶ_A方向に圧力伝搬方向の成分を持つものは、Ｖ₁〜Ｖ₄すなわち気泡のほぼ半分の位置より吐出口に近い部分の圧力伝搬の方向成分であり、液吐出効率、液吐出力、吐出速度等に直接寄与する重要な部分である。さらに、Ｖ₁は吐出方向Ｖ_Aの方向に最も近いため効率よく働き、逆にＶ₄はＶ_Aに向かう方向成分は比較的少ない。
【００５５】
これに対して、図６で示される本発明の場合には、前述した部分気泡発生領域Ｚの存在により優先的に移動変位した自由端を含む可動部材３１が、図５の場合のように様々な方向を向いていた気泡の圧力伝搬方向Ｖ₁〜Ｖ₄を効率良く下流側（吐出口側）へ導き、Ｖ_Aの圧力伝搬方向に変換するものであり、これにより気泡４０の成長が吐出口へ一層指向せしめられ、液体も吐出口側へ移動するので、部分気泡発生領域Ｚからの圧力分布形成が直接的に効率よく吐出に寄与することになる。そして、気泡の成長方向自体も圧力伝搬方向Ｖ₁〜Ｖ₄と同様に下流方向に導かれ、上流より下流で大きく成長する。このように、気泡の成長方向自体を可動部材によって制御し、気泡の圧力伝搬方向を制御することで、吐出効率や吐出力また吐出速度等の根本的な向上を達成することができる。
【００５６】
図１及び図４では、可動部材３１が、発熱体２の発熱によって発生した気泡に対し、この気泡の少なくとも下流側部分に対面する位置に設けられていることである。つまり、気泡４０の下流側が可動部材３１に作用するように、液流路構造上では少なくとも発熱体２の面積中心３より下流（発熱体２の面積中心（ＣＨ）３を通って流路の長さ方向に直交する線より下流）の位置まで可動部材３１が配されている。つまり、前述の部分気泡発生領域Ｚは、この面積中心ＣＨ（３）よりも下流側に位置し、この領域Ｚを決定する自由端３２も中心ＣＨ（３）よりも下流側の発熱体２に対向している。
【００５７】
上述したように、可動部材３１は気泡や発泡圧を吐出口１８方向へ導くのに積極的に寄与し、効率よく圧力の伝搬方向や気泡の成長方向を制御することができる。この後、気泡４０が、前述した膜沸騰の後気泡内部圧力の減少によって収縮し、消滅すると、可動部材３１は、気泡の収縮による負圧と可動部材３１自身のばね性による復元力によって、図１（Ｂ）の初期位置（第１の位置）に復帰する。この気泡の消泡時には、気泡発生領域１１での気泡の収縮体積を補うため、また吐出された液体の体積分を補うために上流側の供給側ＬＢ、すなわち共通液室側からの流れと、吐出口側ＬＢからの流れとが発生し、液体が流れ込んでくる。
【００５８】
本実施の形態では可動部材３１を設けたため、気泡の体積Ｗを可動部材３１の第１の位置を境に上側をＷ１、気泡発生領域１１側をＷ２とした場合、消泡時に可動部材３１が元の位置に戻った時点でメニスカスの後退は止まり、その後残ったＷ２の体積分の液体供給は主に第２の液流路１６の流れからの液供給によってなされる。これにより、従来、気泡Ｗの体積の半分程度に対応した量がメニスカスの後退量になっていたのに対して、それより少ないＷ１の半分程度のメニスカス後退量に抑えることが可能になった。
【００５９】
さらに、Ｗ２の体積分の液体供給は、消泡時の圧力を利用して可動部材３１の発熱体側の面に沿って、主に第２の液流路の上流側から強制的に行うことができるため、より速いリフィルを実現できた。
【００６０】
ここで特徴的なことは、従来のヘッドで消泡時の圧力を用いたリフィルを行った場合、メニスカスの振動が大きくなってしまい画像品位の劣化につながっていたが、本実施の形態の高速リフィルにおいては、可動部材３１によって、吐出口側の第１の液流路１４の領域と気泡発生領域１１との吐出口側での液体の流通が抑制されるため、メニスカスの振動を極めて少なくすることができることである。
【００６１】
このように本発明は、第２の液流路１６の液供給路１２を介しての発泡領域への強制リフィルと、上述したメニスカス後退や振動の抑制によって高速リフィルを達成することで、吐出の安定や高速繰り返し吐出、また記録の分野に用いた場合、画質の向上や高速記録を実現することができる。
【００６２】
本発明の構成においてはさらに次のような有効な機能を兼ね備えている。それは、気泡の発生による圧力の上流側への伝搬（バック波）を抑制することである。発熱体２上で発生した気泡の内、共通液室１３側（上流側）の気泡による圧力は、その多くが、上流側に向かって液体を押し戻す力（バック波）になっていた。このバック波は、上流側の圧力と、それによる液移動量、そして液移動に伴う慣性力を引き起こし、これらは液体の液流路内へのリフィルを低下させ高速駆動の妨げにもなっていた。本発明においては、まず可動部材３１によって上流側へのこれらの作用を抑えることでもリフィル供給性の向上をさらに図っている。
【００６３】
次に、本実施の形態の更なる特徴的な構造と効果について、以下に説明する。本実施の形態の第２の液流路１６は、発熱体２の上流に発熱体２と実質的に平坦につながる（発熱体表面が大きく落ち込んでいない）内壁を持つ液体供給路１２を有している。このような場合、気泡発生領域１１及び発熱体２の表面への液体の供給は、可動部材３１の気泡発生領域１１に近い側の面に沿って行われる。このため、発熱体２の表面上に液体がよどむことが抑制され、液体中に溶存していた気体の析出や、消泡できずに残ったいわゆる残留気泡が除去されやすく、また、液体への蓄熱が高くなりすぎることもない。従って、より安定した気泡の発生を高速に繰り返し行うことができる。なお、本実施の形態では実質的に平坦な内壁を持つ液体供給路１２を持つもので説明したが、これに限らず、発熱体表面となだらかにつながり、なだらかな内壁を有する液供給路であればよく、発熱体上に液体のよどみや、液体の供給に大きな乱流を生じない形状であればよい。
【００６４】
ところで、可動部材３１の自由端３２と支点３３の位置は、例えば図１，図７で示されるように、自由端３２が相対的に支点３３より下流側にある。このような構成のため、前述した発泡の際に気泡の圧力伝搬方向や成長方向を吐出口側に導く等の機能や効果を効率よく実現できるのである。さらに、この位置関係は、吐出に対する機能や効果のみならず、液体の供給の際にも液流路１０を流れる液体に対する流抵抗を小さくでき高速にリフィルできるという効果を達成している。これは、図７に示すように、吐出によって後退したメニスカスが毛管力により吐出口１８へ復帰する際や、消泡に対しての液供給が行われる場合に、液流路１０（第１の液流路１４、第２の液流路１６を含む）内を流れる流れＳ1、Ｓ2、Ｓ3に対し、逆らわないように自由端３２と支点３３とを配置しているためである。
【００６５】
補足すれば、本実施の形態の図１，図４においては、前述のように可動部材３１の自由端３２が、発熱体２を上流側領域と下流側領域とに２分する面積中心３（発熱体の面積中心（中央）を通り液流路の長さ方向に直交する線）より下流側の位置に対向するように発熱体２に対して延在している。これによって、発熱体２の面積中心位置３より下流側で発生する液体の吐出に大きく寄与する圧力または気泡を可動部材３１が受け、この圧力及び気泡を吐出口側に導くことができ、吐出効率や吐出力を根本的に向上させることができる。
【００６６】
さらに、加えて上記気泡の上流側をも利用して多くの効果を得ている。
【００６７】
また、本実施の形態の構成においては、可動部材３１の自由端３２が瞬間的な機械的変位を行っていることも、液体の吐出に対して有効に寄与していると考えられる。
【００６８】
ここで、図１に戻り、部分有効発泡領域Ｚの構成条件及び作用について補足する。
【００６９】
図中の発熱抵抗体２は、電極２Ａ及び保護層２Ｂによって発熱体を形成するが、有効発泡領域２Ｈは、その発熱体２の長さをよりわずかに小さい長さＬの領域となる。本実施の形態は、可動部材３１に対向せずに第１液流路１４と直接連通する連通部（図では分離壁３２Ａと自由端との間）を長さＬＳで備え、この連通部に対向する発熱体２の有効発泡領域が部分有効発泡領域Ｚとなる。
【００７０】
この部分発泡領域Ｚは、有効発泡領域２Ｈの下流側端部に近接した位置となっているが、より好ましくは、この下流側端部を含むことが、より吐出効率を向上できるもので好ましい。上記のように、領域Ｚの長さ（支点３３から自由端３２に向かう方向に関する）は、本形態では、Ｌ＝１１５μｍに対してＺ＝１０μｍであり、有効発泡領域の中心ＣＨ（図４の３）よりも下流側に位置している。従って、可動部材３１の可動範囲に対しては、十分な有効発泡領域が対向しており、気泡４０の吐出口側半分が可動部材に対向することになる。これにより、気泡の成長が可動部材により制御され、第１液流路１４の吐出口側ＬＦの方向へ、より確実に安定して導くことができる。
【００７１】
図１（Ａ）のように、上記部分有効発泡領域Ｚが上記連通部を介して第１液流路中にもたらす作用は、自由端３２の直接の移動を支配する圧力勾配形成に対して、自由端が移動し易い環境形成に音響波の伝達を利用するということができ、総合的に吐出効率を向上できる。即ち、有効発泡領域から気泡発生時にもたらされる音響波（疎密波）が直接液体中を伝搬して、変位領域内の液体中に圧力勾配（分布）を、可動部材の変位領域（液流路）に対して早期且つ確実に形成する。この結果、可動部材の自由端及び自由端近傍の可動部材面の移動方向に位置する液体に吐出口へ移動する量を増大させることができる。
【００７２】
この圧力勾配は、図１において、音響波Ｐ１（直接伝搬するもの），Ｐ２（可動部材を通過したもの）が気泡４０が形成される前の０．２μｓｅｃ時間中に略１０００ｍ／ｓｅｃの速度で伝達されるため、液流路内を（最大でも行程距離１００μｍ以下）を往復することで形成される。この圧力分布を模式的に示したものが曲線ＰＷである。音響波Ｐ１による圧力分布形成は、可動部材の自由端３２の近傍で最大化し、ここから、可動部材の支点３３側へ向かう可動部材の面に対応した第１液流路１４内の液体を大きく移動せしめる環境を形成する。つまり、変位領域において吐出口側、支点側の夫々に液体の流れが分散される分断領域を可動部材の面領域の支点側へシフトできるので、液体の吐出量をより一層安定化でき、吐出効率を向上し、リフィル時のリフィル作用も合理的に行われ、リフィル時間を短時間化できる。
【００７３】
なお、ＰＷＳは、この圧力分布Ｐ１が圧力勾配を強化した場合を示しており、可動部材の面の上方及び支点側へ液体の移動初期力が強く与えられる範囲が拡大できることを示している。この圧力分布の曲線ＰＷＳは、上述した連通部の長さＬＳ（分離壁３２Ａと対向する可動部材の自由端との間）が増大するほど大きく得ることができるが、少なくとも自由端３２が有効発泡領域の長さＬの半分である中心ＣＨ（３）よりも上流側であることが必要であるから、Ｌ／２よりも小さい。実用上は、有効発泡領域の長さＬにもよるが、５μｍより大きく３０μｍ以下の範囲内で設定することが好ましい。また、本実施の形態では、有効発泡領域Ｌの範囲の内側に上記連通部を対向させているが、効率としては、領域Ｌの下流端を含む領域に対向させるようにすることが好ましい。
【００７４】
また、３１Ｓは、可動部材の変位の一部を示し、Ｘは自由端３２の軌跡を示す。
【００７５】
図１（Ｂ），（Ｃ）は、上述した音響波による圧力分布及び液体分断領域の形成を模式的に表現したもので、図１（Ａ）の構成によるものである。
【００７６】
図１（Ｂ）の状態で気泡が発生した状態では、液体を▲１▼〜▲６▼と６個の
【００７７】
【外１】

と６個の◎とで３段６列で示される粒子は上記圧力分布によって移動加速を与えられている。この後、可動部材が移動するとともに気泡４０が体積増加をするが、その際、これらの粒子の大半は、吐出口側ＬＦの方向へシフトし、▲６▼，
【００７８】
【外２】

，◎の列よりも支点側に液体分断領域が形成されていることがわかる。同時に、図１（Ｃ）の各粒子の移動方向でわかるように、分離壁３２Ａと自由端３２との間の空間は、第１液流路内の上流側の液体が流れ込んで、高密度というような圧縮域となる一方で、気泡４０にとって移動しやすい環境を形成している。この後、気泡４０は、図６で示すように、吐出口側へ移動し、可動部材３１によって実質的に制御されることになる。
【００７９】
図１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はには、上記圧力分布をわずかに変化させる構造体として音響波反射用の傾斜面ＳＷを第２液流路１６に設けてある。この傾斜面ＳＷは、気泡発生時の領域Ｌの端部から発生した音響波の一部ＰＹ，ＰＺを上記連通部を介して可動部材の面の支点側の第１液流路へ導いている。この傾斜面ＳＷによる圧力分布の修正効果は、環境変動によるばらつきを補う量の液体供給を行えるもので好ましいものである。
【００８０】
この例のように、音響波反射または誘導構造自体によれば、単独でも上記の圧力勾配（分布）を強化でき、所望の液体の移動をもたらすことができる。本発明の変位領域直接対向の有効発泡領域に加えて、この反射または誘導構造によれば、さらに上記環境形成を確実で優れたものにできる。また、この構造を利用して上記吐出口側への気泡誘導を、より合理的に実施することも可能となり、上記請求項１の発明に加えた発明（後述）は総合的吐出効率を向上したものとなる。
【００８１】
この反射または誘導構造は、可動部材自体の音響伝達係数を変えたり、自由端形状または自由端に対向し上記連通部を形成する部分、即ち、分離壁３２Ａの形状を変化させることも含むものである。
【００８２】
図２，図３は、夫々図１の基本的構造である上記連通部（部分有効発泡領域Ｚ）を持つことを前提とするヘッド構造例を示すものである。
【００８３】
以下、簡単に図２，図３を説明する。
【００８４】
図２（Ａ）は、分離壁３２、自由端３２を共に吐出口側へ音響波を導くような方向に傾斜させたもので、相対的に吐出特性を向上できるものであり、図２（Ｂ）は、自由端３２を自ら移動しやすい環境にするため、自由端３２の形状を支点側に傾斜した斜面としている。
【００８５】
図２（Ｃ）は、第１液流路側で上記連通部の長さＬＳが増加するように、分離壁３２Ａ，自由端３２を異なる方向に傾斜させたもので、可動部材の長手方向にわたって大きな圧力分布の範囲を広げて自由端の移動を、より簡単に行わせる構造を示している。
【００８６】
図２（Ｄ）は、図２（Ｂ）の構成に、図１（Ａ）の傾斜面ＳＷを加えた構造体で、図のように、圧力分布を改良でき、より好ましい環境を作ることができる。
【００８７】
図３（Ａ）は、可動部材３１に対して、気泡発生領域を変化させたもので、吐出口側に向けて有効発泡領域全体の音響波伝搬を行わせしめると同時に、発生する気泡の成長方向をより吐出口側へ指向せしめる構成である。
【００８８】
図３（Ｂ）は、可動部材自体が、音響波を屈折せしめて第１液流路内では吐出口側へ指向せしめる材質のもので構成されている。また、上記連通部は、図２（Ａ）の構造としたもので、総合的に吐出性能を向上している。
【００８９】
以上説明したように、本発明の吐出方法及びそれを実施する第１のヘッド形態においては、従来に比べて、格段に優れ、また、先願発明に対しても優れた効果を得ることができる。
【００９０】
次に、図８乃至図２０を用いて、本発明の別のヘッド形態及び装置の具体的な形態例を説明する。これらの実施例において、本発明の前記部分有効発泡領域と前記連通部の対向関係を満足していることはいうまでもなく、図面から理解できるので、構成及び作用の説明は省くことにする。
【００９１】
（実施のヘッド形態２）
図８に、本発明の第２の実施のヘッド形態を示す。
【００９２】
この図８において、Ａは可動部材が変位している状態を示し（気泡は図示せず）、Ｂは可動部材が初期位置（第１の位置）の状態を示し、このＢの状態をもって、気泡発生領域１１を吐出口１８に対して実質的に密閉しているとする（ここでは、図示していないがＡ、Ｂ間には流路壁があり流路と流路を分離している。）。
【００９３】
図８における可動部材３１は、土台３４を側部に２点設け、その間に液供給路１２を設けている。これにより、可動部材３１の発熱体側の面に沿って、また、発熱体２の面と実質的に平坦もしくは、なだらかにつながる面を持つ液供給路から液体の供給を成すことができる。
【００９４】
ここで、可動部材３１の初期位置（第１の位置）では、可動部材３１は発熱体２の下流側および横方向に配された発熱体下流壁３６と発熱体側壁３７に近接または密着している。このため、発泡時の気泡の圧力を可動部材３１の自由端側に集中的に作用させることができる。
【００９５】
また、消泡時には、可動部材３１は第１の位置に戻り、発熱体２上への消泡時の液供給は気泡発生領域３１の吐出口側が実質的に密閉状態になるため、メニスカスの後退抑制等、先の実施の形態で説明した種々の効果を得ることができる。また、リフィルに関する効果においても、先の実施の形態と同様の機能、効果を得ることができる。
【００９６】
また、本実施の形態においては、図４や図８のように、可動部材３１を支持固定する土台３４を発熱体２より離れた上流に設けるとともに、液流路１０より小さな幅の土台３４とすることで、前述のような液供給路１２への液体の供給を行っている。また、土台３４の形状のこれに限らず、リフィルをスムースに行えるものであればよい。
【００９７】
（実施のヘッド形態３）
図９は、本発明の基本的な概念の一つを示すもので、本発明の第３の実施のヘッド形態となる。
【００９８】
図９は、一つの液流路中に気泡発生領域、そこで発生する気泡及び可動部材との位置関係を示しているとともに、本発明の液体吐出方法やリフィル方法をより分かり易くした実施の形態である。
【００９９】
前述の実施の形態の多くは、可動部材の自由端に対して、発生する気泡の圧力を集中して、急峻な可動部材の移動と同時に気泡の移動を吐出口側に集中させることを達成している。これに対して、本実施の形態は、発生する気泡の自由度を与えながら、液滴吐出に直接作用する気泡の吐出口側である気泡の下流側部分を可動部材３１の自由端側で規制するものである。
【０１００】
構成上で説明すると、図９では、前述の図４（第１の実施の形態）に比較すると、図４の素子基板１上に設けられた気泡発生領域の下流端に位置するバリヤーとしての凸部（図４の２４）が本実施の形態では設けられていない。つまり、可動部材３１の自由端領域および両側端領域は、吐出口領域に対して気泡発生領域を実質的に密閉せずに開放しており、この構成が本実施の形態である。
【０１０１】
本実施の形態では、気泡の液滴吐出に直接作用する下流側部分のうち、下流側先端部の気泡成長が許容されているので、その圧力成分を吐出に有効に利用している。加えて少なくともこの下流側部分の上方へ向かう圧力（図５のＶ ₂ , Ｖ ₃ , Ｖ ₄ の分力）を可動部材３１の自由端側部分が、この下流側先端部の気泡成長に加えられるように作用するため，吐出効率を上述した実施の形態と同様に向上する。前記実施の形態に比較して本実施の形態は、発熱体の駆動に対する応答性が優れている。
【０１０２】
また、本実施の形態は、構造上簡単であるため製造上の利点がある。
【０１０３】
本実施のヘッド形態の可動部材３１の支点部は、可動部材の面部に対して小さい幅の１つの土台３４に固定されている。従って、消泡時の気泡発生領域１１への液体供給は、この土台３４の両側を通って供給される（図の矢印参照）。この土台は、供給性を確保するものであればどのような構造でもよい。
【０１０４】
液体の供給時におけるリフィルは、本実施の形態の場合には、可動部材３１の存在によって気泡の消泡にともなって上方から気泡発生領域１１へ流れ込む流れが制御されるので、従来の発熱体のみの気泡発生構造に対して優れたものとなる。無論、これによって、メニスカスの後退量を減じることもできる。
【０１０５】
本第３の実施のヘッド形態の変形実施の形態としては、可動部材の自由端に対する両側端（一方でも可）のみを気泡発生領域１１に対して実質的に密閉状態とすることは、好ましいものとして挙げられる。この構成によれば、可動部材３１の側方へ向かう圧力をも先に説明した気泡の吐出口側端部の成長に変更して利用することができるので、一層吐出効率が向上する。
【０１０６】
（実施のヘッド形態４）
本実施の形態においても主たる液体の吐出原理については先の実施の形態と同じであるが、本実施の形態においては液流路を複流路構成にすることで、さらに熱を加えることで発泡させる液体（発泡液）と、主として吐出される液体（吐出液）とを分けることができるものである。
【０１０７】
図１０は、本実施の形態の液体吐出ヘッドの流路方向の断面模式図を示しており、図１１はこの液体吐出ヘッドの部分破断斜視図を示している。
【０１０８】
本実施の形態の液体吐出ヘッドは、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを与える発熱体２が設けられた素子基板１上に、発泡用の第２の液流路１６があり、その上に吐出口１８に直接連通した吐出液用の第１の液流路１４が配されている。
【０１０９】
第１の液流路１４の上流側は、複数の第１の液流路に吐出液を供給するための第１の共通液室１５に連通しており、第２の液流路１６の上流側は、複数の第２の液流路に発泡液を供給するための第２の共通液室１７に連通している。
【０１１０】
但し、発泡液と吐出液を同じ液体とする場合には、共通液室を一つにして共通化させてもよい。
【０１１１】
第１と第２の液流路の間には、金属等の弾性を有する材料で構成された分離壁３０が配されており、第１の液流路１４と第２の液流路１６とを区分している。なお、発泡液と吐出液とができる限り混ざり合わない方がよい液体の場合には、この分離壁によってできる限り完全に第１の液流路１４と第２の液流路１６の液体の流通を分離した方がよいが、発泡液と吐出液とがある程度混ざり合っても、問題がない場合には、分離壁に完全分離の機能を持たせなくてもよい。
【０１１２】
発熱体の面方向上方への投影空間（以下吐出圧発生領域という。；図１０中のＡの領域とＢの気泡発生領域１１）に位置する部分の分離壁は、スリット３５によって吐出口側（液体の流れの下流側）が自由端で、共通液室（１５、１７）側に支点３３が位置する片持梁形状の可動部材３１となっている。この可動部材３１は、気泡発生領域１１（Ｂ）に面して配されているため、発泡液の発泡によって第１の液流路側の吐出口側に向けて開口するように動作する（図中矢印方向）。図１１においても、発熱体２としての発熱抵抗部（電気熱変換体）と、この発熱抵抗部に電気信号を印加するための配線電極５とが配された素子基板１上に、第２の液流路を構成する空間を介して分離壁３０が配置されている。
【０１１３】
可動部材３１の支点３３、自由端３２の配置と、発熱体との配置の関係については、先の実施の形態と同様にしている。
【０１１４】
また、先の実施の形態で液供給路１２と発熱体２との構造の関係について説明したが、本実施の形態においても、第２の液流路１６と発熱体２との構造の関係を同じくしている。
【０１１５】
次に、図１２を用いて本実施の形態の液体吐出ヘッドの動作を説明する。
【０１１６】
ヘッドを駆動させるにあたっては、第１の液流路１４に供給される吐出液と第２の液流路１６に供給される発泡液として、同じ水系のインクを用いて動作させた。
【０１１７】
発熱体２が発生した熱が、第２の液流路１６の気泡発生領域１１内の発泡液に作用することで、先の実施の形態で説明したのと同様に、発泡液に米国特許第４,７２３,１２９号明細書に記載されているような膜沸騰現象に基づく気泡４０を発生させる。
【０１１８】
本実施のヘッド形態においては、気泡発生領域１１の上流側を除く、３方からの発泡圧の逃げがないため、この気泡発生にともなう圧力が吐出圧発生部に配された可動部材３１側に集中して伝搬し、気泡の成長をともなって可動部材３１が図１２（ａ）の状態からその最大変位位置まで変位する。そして可動部材３１は、その弾性力により、図１２（ｂ）のように第２の液流路側に戻り変位する。この可動部材３１の一連の動作によって第１の液流路１４と第２の液流路１６とが大きく連通し、気泡の発生に基づく圧力が可動部材３１の戻り変位に制御されて第１の液流路の吐出口側の方向に主に伝わる。この圧力の伝搬と、前述のような可動部材３１の機械的変位によって、液体が吐出口から吐出される。
【０１１９】
次に、気泡が収縮するに伴って可動部材３１が図１２（ａ）の位置まで戻るとともに、第１の液流路１４では、吐出された吐出液体の量に見合う量の吐出液体が上流側から供給される。本実施の形態においても、この吐出液体の供給は前述の実施の形態と同様に可動部材３１が閉じる方向であるため、吐出液体のリフィルを可動部材３１で妨げることがない。
【０１２０】
本実施の形態は、可動部材３１の変位に伴う発泡圧力の伝搬、気泡の成長方向、バック波の防止等に関する主要部分の作用や効果については先の第１の実施の形態等と同じであるが、本実施の形態のような２流路構成をとることによって、さらに次のような長所がある。
【０１２１】
すなわち、上述の実施の形態の構成によると、吐出液と発泡液とを別液体とし、発泡液の発泡で生じた圧力によって吐出液を吐出することができる。このため従来、熱を加えても発泡が十分に行われにくく吐出力が不十分であったポリエチレングリコール等の高粘度の液体であっても、この液体を第１の液流路に供給し、発泡液に発泡が良好に行われる液体（エタノール：水＝４：６の混合液１〜２ｃＰ程度等）や低沸点の液体を第２の液流路に供給することで、良好に吐出させることができる。
【０１２２】
また、発泡液として、熱を受けても発熱体の表面にコゲ等の堆積物を生じない液体を選択することで、発泡を安定化し、良好な吐出を行うことができる。
【０１２３】
さらに、本発明のヘッドの構造においては先の実施の形態で説明したような効果をも生じるため、さらに高吐出効率、高吐出力で高粘性液体等の液体を吐出することができる。
【０１２４】
また、加熱に弱い液体の場合においてもこの液体を第１の液流路に吐出液として供給し、第２の液流路で熱的に変質しにくく良好に発泡を生じる液体を供給すれば、加熱に弱い液体に熱的な害を与えることなく、しかも上述のように高吐出効率、高吐出力で吐出することができる。
【０１２５】
＜第２液流路と可動部材との配置関係＞
図１３は、上述の可動部材３１と第２の液流路１６との配置関係を説明するための図であり、図１３（ａ）は分離壁３０、可動部材３１近傍を上方から見た図であり、図１３（ｂ）は、分離壁３０を外した第２の液流路１６を上方から見た図である。そして、図１３（ｃ）は、可動部材６と第２の液流路１６との配置関係を、これらの各要素を重ねることで模式的に示した図である。なお、いずれの図も図面下方が、吐出口が配されている前面側である。
【０１２６】
本実施の形態の第２の液流路１６は、発熱体２の上流側（ここでの上流側とは第２共通液室側から発熱体位置、可動部材、第１の液流路を経て吐出口に向う大きな流れの中の上流側のことである。）に狭窄部１９を持っており、発泡時の圧力が第２の液流路１６の上流側に容易に逃げることを抑制するような室（発泡室）構造となっている。
【０１２７】
従来のヘッドのように、発泡する流路と液体を吐出するための流路とが同じで、発熱体より液室側に発生した圧力が共通液室側に逃げないように狭窄部を設けるヘッドの場合には、液体のリフィルを充分考慮して、狭窄部における流路断面積があまり小さくならない構成を採る必要があった。
【０１２８】
しかし、本実施の形態の場合、吐出される液体の多くを第１の液流路１４内の吐出液とすることができ、発熱体２が設けられた第２の液流路１６内の発泡液はあまり消費されないようにできるため、第２の液流路の気泡発生領域１１への発泡液の充填量は少なくて良い。従って、上述の狭窄部１９における間隔を数μｍ〜十数μｍと非常に狭くできるため、第２の液流路で発生した発泡時の圧力をあまり周囲に逃がすことをさらに抑制でき、集中して可動部材３１側に向けることができる。そしてこの圧力を可動部材３１を介して吐出力として利用することができるため、より高い吐出効率、吐出力を達成することができる。ただ、第２液流路の１６の形状は上述の構造に限られるものではなく、気泡発生に伴う圧力が効果的に可動部材３１側に伝えられる形状であれば良い。
【０１２９】
なお、図１３（ｃ）で示されるように可動部材３１の側方は、第２の液流路１６を構成する壁の一部を覆っており、このことで、可動部材３１の第２の液流路への落ち込みが防止できる。これによって、前述した吐出液と発泡液との分離性をさらに高めることができる。また、気泡のスリットからの逃げの抑制ができるため、さらに吐出圧や吐出効率を高めることができる。さらに、前述の消泡時の圧力による上流側からのリフィルの効果を高めることができる。
【０１３０】
特に、本発明の可動部材の自由端の変位開始が、気泡が可動部材に接する前に生じるとする発明は、可動部材の弾性係数や吐出液体及び発泡液体の圧力伝達性能や気泡形成用の駆動条件あるいは各液路構造等の相互のバランスを考慮することで実施され、弾性変形しやすく、圧力伝達しやすく、気泡成長速度が速いほど、また、（可動部材の移動に対する）流路抵抗が小さいほど、得やすいものである。この発明では、気泡発生時の圧力波が吐出口側に導かれることになるので、追従してくる気泡の成長が、吐出口側に向って、より確実かつ効率よく案内できる。
【０１３１】
＜可動部材および分離壁＞
図１４は可動部材３１の他の形状を示すもので、符号３５は分離壁に設けられたスリットであり、このスリット３５によって、可動部材３１が形成されている。図１４（ａ）は長方形の形状であり、図１４（ｂ）は支点側が細くなっている形状で可動部材の動作が容易な形状であり、図１４（ｃ）は支点側が広くなっており、可動部材の弾力性及び耐久性が向上する形状である。動作の容易性と耐久性が良好な形状として、図１３（ａ）で示したように、支点側の幅が円弧状に狭くなっている形態が望ましいが、可動部材の形状は第２の液流路側に入り込むことがなく、容易に動作可能な形状で、耐久性に優れた形状であればよい。
【０１３２】
先の実施の形態においては、板状可動部材３１及びこの可動部材３１を有する分離壁３０は厚さ３μｍのニッケルで構成したが、これに限られることなく、可動部材、分離壁を構成する材質としては、発泡液と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。
【０１３３】
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、さらに二酸化珪素等のセラミックおよびその化合物が望ましい。
【０１３４】
分離壁の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリブタジエン、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルサルフォン、ポリアリレート、ポリイミド、ポリサルフォン、液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の近年のエンジニアリングプラスチックに代表される耐熱性、耐溶剤性、成型性の良好な樹脂、およびその化合物、もしくは、二酸化珪素、チッ化珪素、ニッケル、金、ステンレス等の金属、合金およびその化合物、もしくは表面にチタンや金をコーティングしたものが望ましい。
【０１３５】
本発明における可動部材としてはμｍオーダーの厚さ（ｔμｍ）を対象としており、ｃｍオーダーの厚さの可動部材は意図していない。μｍオーダーの厚さの可動部材にとって、μｍオーダーのスリット幅（Ｗμｍ）を対象とする場合、製造のバラツキをある程度考慮することが望ましい。
【０１３６】
本発明の「実質的な密閉状態」を与えるスリットとしては、このような数μｍオーダであればより確実である。
【０１３７】
＜素子基板＞
以下に、液体に熱を与えるための発熱体が設けられた素子基板の構成について説明する。
【０１３８】
図１５は本発明の液体吐出ヘッドの縦断面図を示したもので、図１５（ａ）は後述する保護膜があるヘッド、図１７(b)は保護膜がないものである。
【０１３９】
素子基板１上に第２の液流路１６、分離壁３０、第１の液流路１４を構成する溝を設けた溝付き部材５０が配されている。
【０１４０】
素子基板１には、シリコン等の基板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、その上に発熱体を構成するハフニウムボライド（ＨｆＢ₂）、チッ化タンタル（ＴａＮ）、タンタルアルミニウム（ＴａＡｌ）等の電気抵抗層１０５（０.０１〜０.２μｍ厚）とアルミニウム等の配線電極（０.２〜１.０μｍ厚）を図１３のようにパターニングされている。この２つの配線電極１０４から抵抗層１０５に電圧を印加し、抵抗層に電流を流し発熱させる。配線電極間の抵抗層上には、酸化シリコンやチッ化シリコン等の保護層１０３を０.１〜２.０μｍ厚で形成し、さらにその上にタンタル等の耐キャビテーション層（０.１〜０.６μｍ厚）１０２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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
また、液体、液流路構成、抵抗材料の組み合わせにより上述の保護層を必要としない構成でもよく、その例を図１５（ｂ）に示す。このような保護層を必要としない抵抗層の材料としては、イリジウム−タンタル−アルミニウム合金等が挙げられる。
【０１４３】
このように、前述の各実施の形態における発熱体の構成としては、前述の電極間の抵抗層（発熱部）だけででもよく、また抵抗層を保護する保護層を含むものでもよい。
【０１４４】
本実施の形態においては、発熱体として電気信号に応じて発熱する抵抗層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、発熱部として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。
【０１４５】
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とこの抵抗層に電気信号を供給するための配線電極１０４で構成される電気熱変換体（素子）の他に、この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。
【０１４６】
また、前述のような素子基板１に設けられている電気熱変換体の発熱部を駆動し、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１６で示されるような矩形パルスを印加し、配線電極間の抵抗層１０５を急峻に発熱させる。前述の各実施の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。
【０１４７】
＜２流路構成のヘッド構造＞
以下に、第１、第２の共通液室に異なる液体を良好に分離して導入でき部品点数の削減を図れ、コストダウンを可能とする液体吐主ｔヘッドの構造例について説明する。
【０１４８】
図１７は、このような液体吐出ヘッドの構造を示す模式図であり、先の実施形態例と同じ構成要素については同じ符号を用いており、詳しい説明はここでは省略する。
【０１４９】
本実施の形態においては、溝付き部材５０は、吐出口１８を有するオリフィスプレート５１と、複数の第１液流路１４を構成する複数の溝と、複数の液流路１４に共通に連通し、各第１の液流路３に液体（吐出液）を供給するための第１の共通液室１５を構成する凹部とから構成されている。
【０１５０】
この溝付き部材５０の下側部分に分離壁３０を接合することにより
複数の第１液流路１４を形成することができる。このような溝付き部材５０は、その上部から第１共通液室１５内に到達する第１液体供給路２０を有している。また、溝付き部材５０は、その上部から分離壁３０を突き抜けて第２共通液室１７内に到達する第２の液体供給路２１を有している。
【０１５１】
第１の液体（吐出液）は、図１７の矢印Ｃで示すように、第１液体供給路２０を経て、第１の共通液室１５、次いで第１の液流路１４に供給され、第２の液体（発泡液）は、図１７の矢印Ｄで示すように、第２液体供給路２１を経て、第２共通液室１７、次いで、第２液流路１６に供給されるようになっている。
【０１５２】
本実施の形態では、第２液体供給路２１は、第１液体供給路２０と平行して配されているが、これに限られることはなく、第１共通液室１５の外側に配された分離壁３０を貫通して、第２共通液室１７に連通するように形成されればどのように配されてもよい。
【０１５３】
また、第２液体供給路２１の太さ（直径）に関しては、第２液体の供給量を考慮して決められる。第２液体供給路２１の形状は丸形状である必要はなく、矩形状等でもよい。
【０１５４】
また、第２共通液室１７は、溝付き部材５０を分離壁３０で仕切ることによって形成することができる。形成の方法としては、図１８で示す本実施の形態の分解斜視図のように、素子基板１上にドライフィルムで共通液室枠７１と第２液路壁７２とを形成し、分離壁を固定した溝付き部材５０と分離壁３０との結合体と素子基板１とを貼り合わせることにより第２共通液室１７や第２液流路１６を形成してもよい。
【０１５５】
本実施の形態では、アルミニウム等の金属で形成された支持体７０上に、前述のように、発泡液に対して膜沸騰による気泡を発生させるための熱を発生する発熱体としての電気熱変換体が複数設けられた素子基板１が配されている。
【０１５６】
この素子基板１上には、第２液流路７２により形成された液流路１６を構成する複数の溝と、複数の発泡液流路に連通し、それぞれの発泡液流路に発泡液を供給するための第２共通液室（共通発泡液室）１７を構成する凹部と、前述した可動壁３１が設けられた分離壁３０とが配されている。
【０１５７】
溝付き部材５０は、分離壁３０と接合されることで吐出液流路（第１液流路）１４を構成する溝と、吐出液流路に連通し、それぞれの吐出液流路に吐出液を供給するための第１の共通液室（共通吐出液室）１５を構成するための凹部と、第１共通液室１７に発泡液を供給するための第２の供給路（発泡液供給路）２１とを有している。第２の供給路２１は、第１の共通液室１５の外側に配された分離壁３０を貫通して第２の共通液室１７に連通する連通路に繋がっており、この連通路によって吐出液と混合することなく発泡液を第２の共通液室に供給することができる。
【０１５８】
なお、素子基板１、分離壁３０、溝付き部材５０の配置関係は、素子基板１の発熱体に対応して可動部材３１が配置されており、この可動部材３１に対応して吐出液流路１４が配されている。また、本実施の形態では、第２の供給路を１つ溝付き部材に配した例を示したが、供給量に応じて複数設けてもよい。さらに吐出液流路２０と発泡液供給路２１の流路断面積は供給量に比例して決めればよい。
【０１５９】
このような流路断面積の最適化により溝付き部材５０等を構成する部品をより小型化することも可能である。
【０１６０】
以上説明したように本実施の形態によれば、第２液流路に第２液体を供給する第２の供給路と、第１液流路に第１液体を供給する第１の供給路とが同一の溝付き部材としての溝付き天板からなることにより部品点数が削減でき、工程の短縮化とコストダウンが可能となる。
【０１６１】
また、第２液流路に連通した第２の共通液室への、第２液体の供給は、第１液体と第２液体Ｔとを分離する分離壁を突き抜ける方向で第２液流路によって行われる構造であるため、前記分離壁と溝付き部材と発熱体形成基板との貼り合わせ工程が１度で済み、作りやすさが向上するとともに、貼り合わせ精度が向上し、良好に吐出することができる。
【０１６２】
また、第２液体は、分離壁を突き抜けて第２液体共通液室１７へ供給されるため、第２液流路に第２液体の供給が確実となり、供給量が十分確保できるため、安定した吐出が可能となる。
【０１６３】
＜吐出液体、発泡液体＞
先の実施の形態で説明したように本発明においては、前述のような可動部材を有する構成によって、従来の液体吐出ヘッドよりも高い吐出力や吐出効率でしかも高速に液体を吐出することができる。本実施の形態の内、発泡液と吐出液とに同じ液体を用いる場合には、発熱体から加えられる熱によって劣化せずに、また加熱によって発熱体上に堆積物を生じにくく、熱によって気化、凝縮の可逆的状態変化を行うことが可能であり、さらに液流路や可動部材や分離壁等を劣化させない液体であれば種々の液体を用いることができる。
【０１６４】
このような液体の内、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。
【０１６５】
一方、本発明の２流路構成のヘッドを用い、吐出液と発泡液を別液体とした場合には、発泡液として前述のような性質の液体を用いればよく、具体的には、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ヘキサン、ｎ−ヘプタン、ｎ−オクタン、トルエン、キシレン、二塩化メチレン、トリクレン、フレオンＴＦ、フレオンＢＦ、エチルエーテル、ジオキサン、シクロヘキサン、酢酸メチル、酢酸エチル、アセトン、メチルエチルケトン、水等およびこれらの混合物が挙げられる。
【０１６６】
吐出液としては、発泡性の有無、熱的性質に関係なく様々な液体を用いることができる。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。
【０１６７】
ただし、吐出液の性質として吐出液自身、または発泡液との反応によって、吐出や発泡また可動部材の動作等を妨げるような液体でないことが望まれる。
【０１６８】
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。その他の吐出液体としては、熱に弱い医薬品や香水等の液体を利用することもできる。
【０１６９】
本発明においては、吐出液と発泡液の両方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た。
【０１７０】
染料インク（粘度２ｃＰ）の組成
（Ｃ.Ｉ.フードブラック２）染料 ３重量％
ジエチレングリコール １０重量％
チオジグリコール ５重量％
エタノール ３重量％
水 ７７重量％
また、発泡液と吐出液に以下で示すような組成の液体を組み合わせて吐出させて記録を行った。その結果、従来のヘッドでは吐出が困難であった十数ｃＰ粘度の液体はもちろん、１５０ｃＰという非常に高い粘度の液体でさえも良好に吐出でき、高画質な記録物を得ることができた。
【０１７１】
発泡液１の組成
エタノール ４０重量％
水 ６０重量％
発泡液２の組成
水 １００重量％
発泡液３の組成
イソプロピルアルコール １０重量％
水 ９０重量％
吐出液１顔料インク（粘度約１５ｃＰの組成）
カーボンブラック５ ５重量％
スチレン−アクリル酸−エチル共重合体 １重量％
（酸価１４０、重量平均分子量８０００）
モノエタノールアミン ０.２５重量％
グリセリン ６９重量％
チオジグリコール ５重量％
エタノール ３重量％
水 １６.７５重量％
吐出液２（粘度５５ｃＰ）の組成
ポリエチレングリコール２００ １００重量％
吐出液３（粘度１５０ｃＰ）の組成
ポリエチレングリコール６００ １００重量％
ところで、前述したような従来吐出されにくいとされていた液体の場合には、吐出速度が低いために、吐出方向性のバラツキが助長され記録紙上のドットの着弾精度が悪く、また吐出不安定による吐出量のバラツキが生じ、これらのことで高品位画像が得にくかった。しかし、上述の実施の形態の構成においては、気泡の発生を発泡液を用いることで充分に、しかも安定して行うことができる。このことで、液滴の着弾精度向上とインク吐出量の安定化を図ることができ、記録画像品位を著しく向上することができた。
【０１７２】
［ヘッドカートリッジ構成］
以下に、上述した本発明の液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出ヘッドカートリッジの概略説明を行う。
【０１７３】
図１９は、液体吐出ヘッドカートリッジの模式的分解斜視図であり、液体吐出ヘッドカートリッジは、主に液体吐出ヘッド部２００と液体容器９０とから構成されている。
【０１７４】
液体吐出ヘッド部２００は、素子基板１、分離壁３０、溝付き部材５０、押えバネ７８、液体供給部材８０、支持体７０とから成っている。
【０１７５】
素子基板１には、前述のように発泡液に熱を与えるための発熱抵抗体が複数個列状に設けられており、また、この発熱抵抗体を選択的に駆動するためのきのう素子が複数設けられている。この素子基板１と可動部を持つ前述の分離壁３０との間に発泡液路が形成され発泡液が流通する。この分離壁３０と溝付き部材５０との接合によって、吐出される吐出液体が流通する吐出流路（不図示）が形成される。
【０１７６】
押えバネ７８は、溝付き部材５０に素子基板１方向への付勢力を作用させる部材であり、この付勢力により素子基板１、分離壁３０、溝付き部材５０と、後述する支持体７０とを良好に一体化させている。
【０１７７】
支持体７０は、素子基板１等を支持するためのものであり、この支持体７０上にはさらに素子基板に接続し、電気信号を供給するためのプリント配線基板７３や、装置側と接続することで装置側と電気信号のやりとりを行うためのコンタクトパッド７４が配置されている。
【０１７８】
液体容器９０は、液体吐出ヘッドに供給される、インク等の吐出液体と気泡を発生させるための発泡液とを内部に収容している。液体容器の外側には、液体吐出ヘッド２００と液体容器９０との接続を行う位置決め部９４と固定するための固定軸９５が設けられている。吐出液体の供給は、液体容器９０の吐出液体供給路９２から接続部材の供給路８４を介して液体供給部材８０の吐出液体供給路８１に供給され、各部材の吐出液体供給口８３，７９，２０を介して第１の液室に供給される。発泡液の供給も同様に、液体容器９０の発泡液体供給路９３から接続部材の供給路を介して液体供給部材８０の発泡液供給路８２に供給され、各部材の発泡液体供給口８４，７９，２１を介して第２の液室に供給される。
【０１７９】
以上の液体吐出ヘッドカートリッジにおいては、発泡液と吐出液が異なる液体である場合も、供給を行いうる供給形態及び液体容器９０で説明したが、吐出液体と発泡液体とが同じである場合には、発泡液と吐出液の供給経路及び容器を分けなくてもよい。
【０１８０】
なお、この液体容器９０には、各液体の消費後に液体を再充填して使用してもよい。このためには液体容器９０に液体注入口を設けておくことが望ましい、また、液体吐出ヘッド２００と液体容器９０とは一体であってもよく、分離可能としてもよい。
【０１８１】
［液体吐出ヘッド産業用装置・インクジェット記録システム］
次に、本発明の液体吐出装置によって被記録媒体に対して記録を行う、インクジェット記録システムの一例を説明する。
【０１８２】
図２０は、前述した本発明の液体吐出ヘッドを用いたインクジェット記録システムの構成を説明するための模式図である。
【０１８３】
本実施例における液体吐出ヘッドは、被記録媒体１５０の記録幅に対応した長さに３６０ｄｐｉの間隔で吐出口を複数配したフルライン型のヘッドであり、イエロー（Ｙ），マゼンダ（Ｍ），シアン（Ｃ），ブラック（Ｂｋ）の４色に対応した４つのヘッド２０１ａ〜２０１ｄをホルダー２０２によりＸ方向に所定の間隔を持って互いに平行に固定支持されている。
【０１８４】
これらのヘッドに対してそれぞれの駆動信号供給手段を構成するヘッドドライバ３０７から信号が供給され、この信号に基づいて各ヘッドの駆動が成される。
【０１８５】
各ヘッドには、吐出液としてＹ，Ｍ，Ｃ，Ｂｋの４色のインクがそれぞれインク容器２０４ａ〜２０４ｄから供給されている。なお、符号２０４ｅは発泡液が蓄えられた発泡液容器であり、この容器から各ヘッドに発泡液が供給される構成になっている。
【０１８６】
また、各ヘッドの下方には、内部にスポンジ等のインク吸収部材が配されたヘッドキャップ２０３ａ〜２０３ｄが設けられており、非記録時に各ヘッドの吐出口を覆うことでヘッドの保守をなすことができる。
【０１８７】
符号２０６は、先の各実施例で説明したような各種、被記録媒体を搬送するための搬送手段を構成する搬送ベルトである。搬送ベルト２０６は、各種ローラにより所定の経路に引き回されており、モータドライバ３０５に接続された駆動用ローラにより駆動される。
【０１８８】
本実施例のインクジェット記録システムにおいては、記録を行う前後に被記録媒体に対して各種の処理を行う前処理装置２５１及び後処理装置２５２をそれぞれ被記録媒体搬送経路の上流と下流に設けている。
【０１８９】
前処理と後処理は、記録を行う被記録媒体の種類やインクの種類に応じて、その処理内容が異なるが、例えば、金属、プラスチック、セラミックス等の被記録媒体に対しては、前処理として、紫外線とオゾンの照射を行い、その表面を活性化することでインクの付着製の向上を図ることができる。また、プラスチック等の静電気を生じやすい被記録媒体においては、静電気によってその表面にごみが付着しやすく、このごみによって良好な記録が妨げられる場合がある。このため、前処理としてイオナイザ装置を用い被記録媒体の静電気を除去することで、被記録媒体からごみの除去を行うとよい。また、被記録媒体として布帛を用いる場合には、にじみ防止、先着率の向上等の観点から布帛にアルカリ性物質、水溶液物質、合成高分子、水溶性金属塩、尿素及びチオ尿素から選択される物質を付与する処理を前処理として行えばよい。前処理としては、これらに限らず、被記録媒体の温度を記録に適切な温度にする処理などであってもよい。
【０１９０】
一方、本実施例では、ヘッドとしてのフルラインヘッドを用いて説明したが、これに限らず、前述したような小型のヘッドを被記録媒体の幅方向に搬送して記録を行う形態のものであってもよい。
【０１９１】
さらに、上述した実施例は、可動部材を気泡発生時の圧力に応じて変位せしめる最も合理的な構成であるが、本発明は、可動部材をわずかに変位せしめる別の手段によって移動せしめるか、あるいは、この手段によって先行して移動させつつ気泡生成時の圧力波によって移動せしめるようにしてもよい。この別の手段としては、バイメタル構造の可動部材とし、これを駆動して変位させる手段等、多くの可動部材変位手段を利用することができる。
【０１９２】
【発明の効果】
本発明は、上記のように構成される条件を有しているので、可動部材の自由端の変位開始が、早急且つ確実であり、気泡発生時の圧力波が吐出口側及び可動部材の支点側にも十分に導かれることになるので、追従してくる気泡の成長が吐出口側に向かって、より確実、かつ、効率良く案内できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の液体吐出ヘッドの一例を示す模式断面図であり、（Ｂ），（Ｃ）はヘッド内圧力分布の説明図である。
【図２】本発明の液体吐出ヘッド例の部分破断図である。
【図３】本発明の他の液体吐出ヘッド例の部分破断斜視図である。
【図４】図１に示した液体吐出ヘッド例の部分破断斜視図である。
【図５】従来のヘッドにおける気泡からの圧力伝搬を示す模式図である。
【図６】本発明のヘッドにおける気泡からの圧力伝搬を示す模式図である。
【図７】本発明の液体の流れを説明するための模式図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における液体吐出ヘッドの部分破断斜視図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態における液体吐出ヘッドの部分破断斜視図である。
【図１０】本発明の液体吐出ヘッド例の流路方向の断面模式図である。
【図１１】図１０に示した液体吐出へっどの部分破断斜視図である。
【図１２】可動部材の動作を説明するための図である。
【図１３】可動部材と液流路の構造を説明するための図である。
【図１４】可動部材の他の形状を説明するための図である。
【図１５】本発明の液体吐出ヘッドの縦断面図である。
【図１６】駆動パルスの形状を示す模式図である。
【図１７】本発明の液体吐出ヘッドの供給路を説明するための断面図である。
【図１８】本発明の液体吐出ヘッドの分解斜視図である。
【図１９】本発明の液体吐出ヘッドカートリッジの一実施例を示す模式的分解斜視図である。
【図２０】本発明の液体吐出装置の一実施例によって記録を行うためのインクジェット記録システムの一例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１ 素子基板
２ 発熱体
３ 面積中心
１０ 液流路
１１ 気泡発生領域
１２ 供給路
１３ 共通液室
１４ 第１の液流路
１５ 第１の共通液室
１６ 第２の液流路
１７ 第２の共通液室
１８ 吐出口
１９ 狭窄部
２０ 第１供給路
２１ 第２供給路
２２ 第１液流路壁
２３ 第２液流路壁
２４ 凸部
３０ 分離壁
３１ 可動部材
３２ 自由端
３３ 支点
３４ 支持部材
３５ スリット
３６ 気泡発生領域前壁
３７ 気泡発生領域側壁
４０ 気泡
５０ 溝付き部材（天板）
５１ オリフィスプレート
７０，２４０ 支持体（アルミベースプレート）
７１ 共通液室枠
７２ 第２液流路壁
８０ 供給部材
２００ 液体吐出ヘッド部
２２０ 押えばね

Claims (4)

1. 液体が流れる液流路の下流側に配された吐出口と、
   前記液流路の内壁を構成する様に設けられ、前記吐出口から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電気熱変換体と、
   該電気熱変換体に対向する様に前記液流路内に配され、前記液流路の上流側に支点を、前記液流路の下流側に自由端を有する可動部材と、を有し、
   前記電気熱変換体は、発泡が初期に生じない面を除いた実質的に気泡を発生する面状の有効発泡領域を有し、
   前記可動部材の前記自由端は、前記有効発泡領域の中心部より下流側であって前記有効発泡領域の下流側の端部より上流側に対向する様に配されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
   前記気泡は、前記電気熱変換体の前記有効発泡領域での膜沸騰現象によって発生することを特徴とする液体吐出ヘッド。
3. 請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッドを用いて液体を吐出する装置であって、
   前記液体吐出ヘッドから吐出する液体が付与される印字領域に被記録媒体を搬送する手段と、
   前記液体吐出ヘッドの前記電記熱変換体に膜沸騰を生じせしめる駆動条件を与える駆動手段とを有することを特徴とする液体吐出装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッドを用いて液体を吐出する液体吐出方法。

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