(57)【要約】【課題】キャビテーションによる衝撃によって電気熱変換素子が受ける損傷を抑制するとともに、ノズルの高密度化が可能な液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】液体吐出ヘッドは、液体を吐出する複数の吐出口２と、複数の吐出口２の各々に対応して設けられ、液体を発泡させて吐出させる複数の電気熱変換素子１と、複数の電気熱変換素子１の各々を収容し、液体を加熱して発泡させるための空間を形成する複数の発泡室５と、複数の発泡室に液体を供給する共通液室６と、複数の発泡室の各々と共通液室６とを連通させる複数の液流路７とを有し、液流路７の２つの側壁面１７、２７は、共通液室６の中心線１６に垂直な面２６から同じ向きに傾いており、且つ、液流路７と発泡室５が接続する部分における発泡室５の幅Ｄと液流路７の共通液室６の中心線１６に平行な幅Ｗが、Ｄ／４＜Ｗ＜Ｄを満たす。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出する複数の吐出口と、前記複数の吐出口の各々に対応して設けられ、液体を発泡させて吐出させる複数の電気熱変換素子と、前記複数の電気熱変換素子の各々を収容し、液体を加熱して発泡させるための空間を形成する複数の発泡室と、前記複数の発泡室に液体を供給する共通液室と、前記複数の発泡室の各々と前記共通液室とを連通させる複数の液流路とを有する液体吐出ヘッドであって、
前記液流路の２つの側壁面は、前記共通液室の中心線に垂直な面から同じ向きに傾いており、且つ、前記液流路と前記発泡室が接続する部分における前記発泡室の幅Ｄと前記液流路の前記共通液室の中心線に平行な幅Ｗが、Ｄ／４＜Ｗ＜Ｄを満たす、液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記２つの側壁面は、前記共通液室の中心線に垂直な面から同じ角度だけ傾いている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記液流路と前記共通液室が接続する部分における前記幅Ｗの中心は、前記液流路と前記発泡室が接続する部分における前記幅Ｗの中心に対し、前記共通液室の中心線と平行な方向で第１の向きにずれており、前記液流路の中心線は、前記液流路と前記発泡室が接続する部分における前記幅Ｄの中心を通り前記液流路の中心線と平行な線に対し、前記共通液室の中心線と平行な方向で前記第１の向きにずれている、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記吐出口は前記電気熱変換素子の中心からずれた位置に配置されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記吐出口は前記電気熱変換素子の中心から前記共通液室側にずれた位置に配置されている、請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
液体を吐出する吐出口と、前記吐出口に対応して設けられる、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素子と、前記電気熱変換素子を収容する室と、前記室に液体を供給するための液流路と、を有する液体吐出ヘッドであって、
前記液流路は前記室に対して傾斜して接続されており、且つ、前記液流路と前記室が接続する部分における前記室の幅Ｄと前記液流路の幅Ｗが、Ｄ／４＜Ｗ＜Ｄを満たす、液体吐出ヘッド。
【請求項７】
前記吐出口は第１の方向に沿って複数配列されており、前記液流路の液体の流れ方向に関する中心線と前記第１の方向とは傾斜しており、前記液流路の前記第１の方向に関する幅がＤである、請求項６に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項８】
前記吐出口は前記電気熱変換素子の中心からずれた位置に配置されている、請求項６または７に記載の液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インク等の液体を各種媒体に向けて吐出する液体吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日広く一般的に用いられるインクなどの液体を吐出する方式としては、インクジェット記録方式が知られている。このインクジェット記録方式には、液滴を吐出するために用いられる吐出エネルギー発生素子として電気熱変換素子（ヒータ）を利用する方法と、圧電素子（ピエゾ）を利用する方法がある。いずれの素子も電気的な信号によって液滴の吐出を制御することが可能である。
【０００３】
これらのうち、電気熱変換素子を用いたインクジェット液体吐出ヘッドは、電気熱変換素子を発泡室内に設け、これに記録信号である電気パルスを供給して発熱させる。それによりインクに熱エネルギーを与え、インクが発泡した時の気泡圧力を利用してインクを吐出させるものである。
【０００４】
そのような気泡圧力を利用したインクジェット液体吐出ヘッドでは、気泡の消泡時にキャビテーションの崩壊による衝撃力が発生する。従来の液体吐出ヘッドのノズルにおいては、吐出口、電気熱変換素子、発泡室や、インクを供給するインク流路などが、電気熱変換素子の中心を通ってノズル列方向に垂直な直線（以下、電気熱変換素子の中心線と呼ぶ）に対して、左右対称な形状であることが多い。そのようなノズルでは、発泡のゆらぎは左右方向には生じにくく、気泡の消泡位置は一定になりやすい。特定の箇所がキャビテーションによる衝撃を受ける為、電気熱変換素子が損傷を受けやすく、耐久寿命が短くなってしまうという問題があった。
【０００５】
このような、安定した消泡によるキャビテーションの衝撃集中への対策法は、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１では、電気熱変換素子の中心線に対して、インク流路の中心線をオフセットして配置し、更に発泡室を円形にしている。これにより気泡の消泡時に、消泡に伴うインクのリフィルの流れによって、気泡を電気熱変換素子の側方に偏った位置に押し流し、広い領域で消泡が行われ、消泡時のキャビテーション位置を分散させて、電気熱変換素子への影響を小さくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３２１３６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１では、矩形の電気熱変換素子に対して円形の発泡室を備え、且つ、電気熱変換素子の中心線に対してインク流路をオフセットしている為に、１つのノズルが占める体積が大きくなってしまい高密度にノズルを並べることが困難である。
【０００８】
近年の液体吐出ヘッドにおいては、ノズルの高密度化により隣接ノズルとの距離が近接しているためにノズル設計に制約があり、このような構成を選択できない場合が多々ある。
【０００９】
本発明では、キャビテーションによる衝撃によって電気熱変換素子が受ける損傷を抑制するとともに、ノズルの高密度化が可能な液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する複数の吐出口と、前記複数の吐出口の各々に対応して設けられ、液体を発泡させて吐出させる複数の電気熱変換素子と、前記複数の電気熱変換素子の各々を収容し、液体を加熱して発泡させるための空間を形成する複数の発泡室と、前記複数の発泡室に液体を供給する共通液室と、前記複数の発泡室の各々と前記共通液室とを連通させる複数の液流路とを有する液体吐出ヘッドであって、前記液流路の２つの側壁面は、前記共通液室の中心線に垂直な面から同じ向きに傾いており、且つ、前記液流路と前記発泡室が接続する部分における前記発泡室の幅Ｄと前記液流路の前記共通液室の中心線に平行な幅Ｗが、Ｄ／４＜Ｗ＜Ｄを満たす。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の液体吐出ヘッドでは、消泡点が分散されて、キャビテーションによる衝撃で電気熱変換素子が受ける損傷が抑えられる。また、特許文献１のように１つのノズルが占める体積が大きくなってしまうような構成ではないため、ノズルの高密度化が可能である。
【００１２】
本発明では、キャビテーションによる衝撃によって電気熱変換素子が受ける損傷を抑制するとともに、ノズルの高密度化が可能な液体吐出ヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る液体吐出ヘッドの斜視図である。
【図２】図１に示す液体吐出ヘッドを線分Ａ−Ａ’で切断した断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドのノズルを示す正面図である。
【図４】従来の液体吐出ヘッドのノズルを示す正面図である。
【図５】本発明のノズルでの消泡過程を模式的に示した図である。
【図６】従来のノズルでの消泡過程を模式的に示した図である。
【図７】消泡の偏り量と傾き量の定義を説明した図である。
【図８】発泡室幅に対する液流路幅の比の関数としての消泡の偏り量のグラフである。
【図９】共通液室に対する液流路の角度を変化させたノズルを示す図である。
【図１０】液流路角度の変化に伴う消泡の偏り量と傾き量の変化を示すグラフである。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドのノズルを示す正面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドのノズルを示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明に係る液体吐出ヘッドの斜視図であり、図２は図１に示される液体吐出ヘッドを線分Ａ−Ａ’で切った時の断面図である。
【００１６】
基板３４の上に流路構成部４及び吐出口プレート８が設けられている。インク供給室１０は、基板表面に設けられた開口部のインク供給口３を介して、吐出部の共通液室６及び液流路７につながっている。
【００１７】
図１に示すように基板３４の一面には、インク吐出に作用する吐出エネルギー発生素子と、長細い矩形のインク供給口３とが形成されている。インク供給口３は基板３４の表面に形成された長溝状の貫通孔であり、インク供給室１０への開口に相当する。
【００１８】
電気熱変換素子１は、インク供給口３の長手方向の両側にそれぞれ１列ずつ１ｃｍあたり１５２４ドット（６００ｄｐｉ）の間隔で配列されている。さらに、基板３４の一面には流路構成部４が設けられ、その上に吐出口プレート８が接合されている。吐出口プレート８には、電気熱変換素子１に対応して吐出口２が設けられている。なお、本実施形態では、吐出口プレート８と流路構成部４は同一部材であるが、別の部材であっても同様の効果が得られる。
【００１９】
基板３４は、流路構成部４の一部として機能し、その材質は、吐出エネルギー発生手段、並びに吐出口２及び後述の液流路７を形成する材料層の支持体として機能し得るものであれば、特に限定されるものではない。本実施形態では、基板３４にシリコン基板を用いた。
【００２０】
図２に示すように、液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口２と、電気熱変換素子１と、発泡室５と、共通液室６と、液流路７と、を有する。発泡室５は、電気熱変換素子１を収容し、液体を加熱して発泡させるための空間を形成する。液流路７は発泡室５と共通液室６を連通させる。
【００２１】
図３は本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの吐出口プレート正面から見たノズルを示す図である。比較の為、図４に同様に吐出口プレート正面から見た従来のノズルを示した。図３において、液流路７の４つの側壁面のうち２つの側壁面１７、２７は吐出口２の開口面に垂直である。液流路７の２つの側壁面１７、２７は共通液室６の中心線１６に垂直な面２６から同じ向き（図３では左向き）に傾いている。一方、図４では、液流路７の２つの側壁面１７、２７は傾いていない。ここで、液流路７の中心面と共通液室６の中心線１６との成す角をθ１、液流路７の２つの側壁面１７、２７と共通液室６の中心線１６との成す角をそれぞれθ２、θ３とする。図３（ａ）に示した典型例では、液流路７の２つの側壁面１７、２７が面２６から同じ向きに同じ角度だけ傾いており、θ１＝θ２＝θ３となっている。一方、もし液流路７の２つの側壁面１７、２７が面２６から逆向きに傾いている、すなわち、例えばθ２は鋭角で、θ３は鈍角となっていると、液流路７の中心面の傾きθ１が９０°に近づく為に液流路７を傾けた効果が薄れてしまう。また、液流路幅が広がってしまう為、１つのノズルの占める領域が広がってしまい、本発明の意図を成さなくなる。
【００２２】
図３（ｂ）ではノズルを複数並べた様子を示しており、それぞれのノズルの液流路７の傾きは、同一方向に傾けて配置している。これにより、従来のノズルを示す図４（ｂ）と比較しても、密度を低下させることなくノズルを配置することが可能であることがわかる。
【００２３】
電気熱変換素子１を用いた液体吐出ヘッドでは、電気熱変換素子１でインクに熱を与え、インクが発泡してインクが吐出し、発泡した泡は消泡すると共にインクが最充填されるというのが一般的な吐出工程である。図５及び図６では、そのような吐出工程の中で、発泡した泡が消泡していく消泡過程における泡形状を模式的に示したもので、図５に本発明のノズルにおける消泡の様子を示し、図６に従来のノズルにおける消泡の様子を示す。図５、図６で、（ａ）は、発泡した泡が最大に成長した時の様子を示す。その状態から、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）と消泡過程における泡の形状が変化する様子と、消泡に伴って共通液室からインクが流れ込んでくる時のインクの流れを図中に矢印で示した。
【００２４】
従来のノズルの場合、図６（ａ）で発泡が最大となった後、（ｂ）では、液流路７の流抵抗が最も低い液流路７の中心線に沿って、消泡およびインクの流入が行われる。ノズルが対称形である為、その後、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）で示すように、共通液室６から発泡室５に向かって、直線的にインクが流入し、消泡も左右対称形を保ったまま、電気熱変換素子１の上で行われる。このように従来のノズルでは、電気熱変換素子１の中心に対して、線対称に安定して消泡が進行し、電気熱変換素子１の特定の位置で消泡しやすい。よって、電気熱変換素子１の特定の位置がキャビテーションにより損傷を受けてしまうことになる。
【００２５】
それに対して、図５では、（ａ）で泡の発泡が最大となった後、（ｂ）で示すように共通液室６と液流路７が接続している接続部の液流路７中心からインクが流入すると共に消泡が進行する。その後、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）と、液流路７の壁に沿うようにインク並びに消泡の進行方向を変化させ、電気熱変換素子１の中心線に対して非対称な形状を形成しながら消泡する。すなわち、電気熱変換素子１の中心線に対して、偏った位置から消泡し、且つ、電気熱変換素子１に対して斜めに入射するように消泡する。そのため、発泡の大きさの揺らぎに起因する消泡形状の不特定さが顕著になり、消泡点が分散されて、キャビテーションによる衝撃で電気熱変換素子が受ける損傷が抑えられる。
【００２６】
このように共通液室６に対して液流路７を傾けることで、消泡位置の分散に対して２つの効果が生まれる。それは、（１）電気熱変換素子１に対して、偏った位置から消泡させることで非対称な形状で消泡させる。（２）電気熱変換素子１に対して斜めに傾いた速度ベクトルで消泡を進行させる。以下では（１）、（２）の効果について、（１）を消泡の偏り、（２）を消泡の傾きと呼ぶことにする。
【００２７】
ここで、以降のメカニズム説明の為に、図７を用いて消泡の偏り量と、消泡の傾き量をそれぞれ定義しておくことにする。消泡の偏り量は、図７の（ア）に示すように、消泡が最も進行している泡の凹部分が電気熱変換素子１を横断するときの、凹先端部と電気熱変換素子１の中心線との間の距離とする。消泡の傾き量については、図７の（イ）に示すように、泡の凹部の進行方向と電気熱変換素子１の中心線との成す角とする。
【００２８】
まず、消泡の偏りを実現する為に必要な要素として、発泡室５と液流路７の幅の関係がある。消泡の電気熱変換素子１に対する偏りの大きさは、液流路７の幅により限定されるため、発泡室５に対して偏りを持たせるためには、ある程度の液流路幅が必要であることが考えられる。
【００２９】
これについて、本発明者がシミュレーションにて検討した結果について図７、図８を用いて説明する。図７で示すように、発泡室幅をＤ、液流路の共通液室に平行な幅をＷとして、Ｗ／Ｄの値を変化させたノズルにおいてシミュレーションを行い、各々の消泡の偏り量を計算した。シミュレーション結果を図８に示す。
【００３０】
図８（ａ）のグラフは、横軸が発泡室幅Ｄに対する液流路幅Ｗの比、Ｗ／Ｄで、縦軸が図７の（ア）で示される矢印方向の偏り量である。グラフ中の番号は、図８（ｂ）で示したノズルに振られている番号に対応しており、Ｗ／Ｄの値が１．０、０．５、０．３３、０．２５のノズルを示している。
【００３１】
図８（ａ）から、Ｗ／Ｄが小さくなるにつれて、偏り量も小さくなり、液流路幅が最も狭いノズル（Ｗ＝Ｄ／４）では偏り量が０となってしまっている。偏り量の大きさは、液流路幅の範囲内に限られるため、発泡室幅に対して液流路幅が狭くなると偏り効果も小さくなる。
【００３２】
また偏り量は、液流路７の共通液室６に対する角度にも依存する。
【００３３】
図９は、共通液室６に対する液流路７の傾きが（ａ）傾き無し（θ＝０°）から、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）と徐々に傾きを大きくしたノズルを示している。図中の点Ｘ１は、共通液室６と液流路７の接続部における液流路幅の中点である。図中の点Ａは発泡室５と液流路７の接続部における液流路幅の中点にあたり、点Ｂは、発泡室壁と液流路壁の接続部のうち液流路壁上にある点である。
【００３４】
また図１０（ａ）、（ｂ）は、（ａ）が液流路の傾きの変化に伴って点Ｘ１が移動したときの消泡の偏り量を、（ｂ）が同様に消泡の傾き量を模式的に示したものである。
【００３５】
まず点Ｘ１の位置と偏り量の関係に注目すると、図９（ａ）に示すように、液流路７に傾きが無い従来のノズルでは、図の矢印で示されたＸ方向に対して、Ｘ１＝Ａとなっている。この場合、図６でも示したように、消泡は偏らず、共通液室６から発泡室５に向かって液流路７の中心に沿って進行するため、偏り量は０である。従って図１０（ａ）で示すように、Ｘ１＝Ａの時は、偏り量は０となる。次に図９（ｂ）、（ｃ）のように、Ａ＜Ｘ１＜Ｂの時、Ｘ１からインクの流入が始まる為、Ｘ１とＡの位置差により偏りが発生する。
【００３６】
そして、図９（ｄ）のように、Ｂ≦Ｘ１となる時、偏り量の最大値は、液流路幅により制限を受けるため、液流路の半値幅程度で偏り量は一定になる。それを模式的に示したのが図１０（ａ）のグラフである。
【００３７】
同様に消泡の傾き量について図９と図１０（ｂ）のグラフを使って説明する。前述したように、傾きは液流路壁に流れが沿うように発生するため、壁の傾き角度が大きければ、傾きも大きくなる。まず図９（ａ）では液流路の傾きが０°であるため、消泡の傾きも生じない。次に（ｂ）では、液流路に傾きが生じるが、Ｘ１＜Ｂの為、液流路の傾きと比較して消泡は小さい傾きとなる。（ｃ）では、ＢとＸとが近接した位置となり、（ｂ）と比較して、より壁の傾きの影響が大きくなる。そして（ｄ）のようにＢ＜Ｘ１となると、傾きは壁の傾きと同等の傾きを持つようになり、その後は、液流路の傾きが大きくなるに従って、消泡の傾きも大きくなる。それを模式的に示したのが図１０（ｂ）のグラフである。
【００３８】
上述のようなメカニズムにより、消泡の偏りと傾きはそれぞれ液流路７の共通液室６に対する角度に依存する。実際の消泡は、上記で示した偏りと傾きを合わせた流れとなる。
【００３９】
以上のように、共通液室６に対する液流路７の角度を変化させることで、消泡に偏り、および傾きを生じさせることが可能となり、それにより消泡点を大きく分散させることが可能となる。
【００４０】
また消泡を偏らせる方向については、上記から明らかなように、共通液室６と液流路７の接続部の中心が、電気熱変換素子１の中心線に対する偏り方向となるので、偏らせたい方向に対して、適宜液流路７を調整すればよい。
【００４１】
図１１は本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドのノズルを示す図である。図１１（ｂ）は図１１（ａ）のノズルを複数並べた様子を示す正面図である。この第２の実施形態は、第１の実施形態のノズルに対して、別のノズル形状を示したものであり、その他の点では、第１の実施形態と同一である。そのために以下では、ノズル形状のみを説明することとし、重複した説明を省略する。
【００４２】
図１１で示すように、第２の実施形態のノズルは液流路７を傾けると共に、液流路７を発泡室５の片側に寄せた形状である。すなわち、液流路７は以下のように配置される。液流路７と共通液室６が接続する部分における幅Ｗ（図７参照）の中心が、液流路７と発泡室５が接続する部分における幅Ｗの中心に対し、共通液室６の中心線１６と平行な方向でずれている向きを第１の向きとする。そして、液流路７の中心線が、液流路７と発泡室５が接続する部分における幅Ｄ（図７参照）の中心を通り液流路７の中心線と平行な線に対し、共通液室６の中心線１６と平行な方向で上記第１の向きにずれているように、液流路７は配置される。
【００４３】
それにより、インクの流入口であるところの共通液室６と液流路７の接続部の中心を電気熱変換素子１の中心線に対して更に偏らせることができ、液流路７の偏りと液流路７の傾きの双方の効果が得られる。
【００４４】
図１２は本発明の第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドのノズルを示す図である。この第３の実施形態についても、第２の実施形態と同様に重複する説明は省略する。
【００４５】
図１２に示すように、第３の実施形態のノズルは、吐出口２の位置を、吐出口２の中心を通って共通液室６に平行な直線Ｂ−Ｂ’が電気熱変換素子１の中心を通って共通液室６に平行な直線Ａ−Ａ’に対して共通液室側にずれて配置されるように取ったものである。これにより、前述の共通液室６から発泡室５へ向かう方向の消泡についてだけでなく、吐出口２から電気熱変換素子１に向かう方向の消泡についても、消泡形状の対称性を崩すことができ、分散効果を上げることが可能となる。
【００４６】
他の実施形態としては、吐出口が単一である場合も考えられる。すなわち、吐出口と、吐出口に対応して設けられる、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素子と、電気熱変換素子を収容する室と、室に液体を供給するための液流路と、を有する液体吐出ヘッドである。ここで、液流路は室に対して傾斜して接続されており、且つ、液流路と室が接続する部分における室の幅Ｄと液流路の幅Ｗが、Ｄ／４＜Ｗ＜Ｄを満たす。
【００４７】
また、他の実施形態としては、吐出口が第１の方向に沿って複数配列されていて、液流路の液体の流れ方向に関する中心線と上記第１の方向とは傾斜している場合が考えられる。この場合、液流路の上記第１の方向に関する幅がＤである。
【００４８】
また、他の実施形態としては、吐出口は電気熱変換素子の中心からずれた位置に配置されている場合がある。
【符号の説明】
【００４９】
１  電気熱変換素子
２  吐出口
５  発泡室
６  共通液室
７  液流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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