(57)【要約】【課題】  縦長の形状を有する発熱体を備えたノズルであっても、吐出信頼性を高めることができる液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】  液体吐出ヘッドは、液体を吐出させる吐出口４と、吐出口４に連通する液流路５と、液流路５内の吐出口４に対向する位置に設けられ、吐出口４から液体を吐出させるエネルギを発生するヒータ１とを有している。吐出口４の重心位置は、ヒータ１の重心位置よりも液流路５のインク流れ方向の下流側に位置している。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出する吐出口と、該吐出口に連通する液流路と、該液流路内の前記吐出口に対向する位置に設けられ、前記吐出口から液体を吐出させるエネルギを発生する電気熱変換素子と、を含む液体吐出ヘッドにおいて、
前記吐出口の重心位置が、前記電気熱変換素子の重心位置よりも前記液流路の液体流れ方向の下流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２】
前記吐出口の重心位置と前記電気熱変換素子の重心位置との前記液体流れ方向における距離は、前記電気熱変換素子の前記液体流れ方向における長さの１０％以上の距離である、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記電気熱変換素子の前記液体流れ方向における長さは、前記電気熱変換素子の前記液体流れ方向に直交する方向における長さの２倍以上である、請求項１または２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、インク等の液体の液滴を紙等の各種の被記録媒体に向けて吐出して記録を行う液体吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体吐出方法のうち、特に液体中に気泡を急速に発生させ、その気泡の成長時の圧力を利用して吐出口から液体を液滴として吐出させるバブルジェット方式の液体吐出方法が知られている。このバブルジェット方式の液体吐出方法は、液体の吐出応答性が高く、高速記録や高密度記録に優れている。バブルジェット方式の液体吐出方法の中でも、とりわけ、発熱体上で発生した気泡を吐出口の縁部において大気と連通させる液体吐出方法が特許文献１に開示されている。
【０００３】
この方式の液体吐出方法の特徴は、第１に、液体吐出速度を高めることができるので、吐出信頼性を高めることができること、また第２に、発熱体と吐出口との間の液体をほぼ全て吐出できるので、各吐出口毎の吐出液滴体積がほぼ一様とすることが可能となり、記録画像の濃度むらを少なくすることができること、である。
【０００４】
ところで、記録技術の進歩に伴い、より小さな体積（例えば１ｐｌ以下）の液滴を被記録媒体上に高密度（例えば６００ｄｐｉ以上）にかつ高品位に記録することが求められている。このような高精細記録を行う場合、液滴が吐出される吐出口およびこの吐出口に連通する液流路を高密度に配列する必要性が生じる。例えば、上述の６００ｄｐｉの記録密度を実現するためには、吐出口の配列を２列に千鳥状（同一方向に延在された２列の吐出口列からなり、一方の列は他方の列に対して半ピッチずつ延在方向にずれている状態）に配置するとしても、一列当たり３００ｄｐｉという高い密度で液流路および吐出口を配列しなければならない。
【０００５】
より小さな液滴を用いて記録を行うために吐出液滴数が増加することによる記録速度の低下を防ぐためには、一つの吐出口から液滴が単位時間に吐出される回数（吐出周波数）を増大させる必要性があり、液滴吐出の高い信頼性が必要とされるといった課題が生じてしまう。
【０００６】
上述の課題を解決するための一つの手法として、異なる大きさの液滴を吐出し、ハイライト領域では相対的に小さな液滴を用いて粒状感を低減させ、中間調から高濃度域においては相対的に大きな液滴を用いて記録効率を向上させるという手法が知られている。このような手法は特許文献２に開示されている。
【０００７】
異なる大きさの液滴を吐出するためには、それぞれの液滴のサイズにあわせて発熱体の面積と吐出口の面積を決定する必要性がある。面積が異なる発熱体を異なる基板上に形成することはもちろん可能であるが、複数の基板を張り合わせる際のアライメント精度や、チップサイズが大きくなるなどの問題もあるため、それらは同一基板上に形成することが一般的である。また、面積が異なる発熱体を同一基板上に形成することで液流路の共通化などが可能となることから、面積が異なる発熱体を同一基板上に形成するメリットは大きい。
【０００８】
同一基板上に形成された発熱体へのエネルギーの供給は、駆動電圧をパルス制御することで実現されている。この駆動電圧は、発熱体のサイズ毎に独立させることも可能であるが、コスト的な観点から単一の電圧であることが望ましい。つまり、異なるサイズの液滴を吐出する液体吐出ヘッドにおける最も好ましい形態は同一基板上に異なるサイズの発熱体および吐出口を有し、それらの発熱体に供給される駆動電圧は単一の電圧である。発熱体に供給される駆動電圧はそのパルス幅が制御される。
【０００９】
ここで、発熱体における発泡寄与面積が同じになるように構成された、縦横サイズ比が１：１の発熱体と、２：１の発熱体とを考えてみる。発熱体を構成する抵抗材料および厚みが一定であれば、縦横サイズ比が２：１の発熱体は縦方向の抵抗値が相対的に大きくなる。これらの発熱体に配線部を介して単一の電圧を印加すると、発熱体の抵抗値が大きいものは相対的に短いパルス幅で駆動することができる。このように、発熱体の抵抗値は縦横サイズ比で変わるため、発熱体はその抵抗値に対して最適なパルス幅で駆動される。
【００１０】
発熱体が単位時間および単位面積あたりに伝達する熱量（以下、「熱流束」と呼ぶ。）は、発熱体に印加される電圧の２乗に比例する。発熱体の抵抗値が大きい場合（縦横サイズ比が比較的大きい場合）は、配線等の抵抗との割合が相対的に大きくなるため熱流束が大きくなる。この熱流束が大きくなると熱が発熱体を効率良く伝播するため、電気熱変換効率としては良くなる。
【００１１】
逆に熱流速が低い場合（縦横サイズ比が比較的小さい場合）、つまり発熱体に印加される電圧が低く、相対的に長いパルス幅で駆動する場合には、電気熱変換効率は悪くなる。しかしこの場合には、発熱体上の液体（インク）中における発泡領域が集約されるため、一般的に発泡パワーは大きくなる。
【００１２】
このような理由から、詳細は後述するが、発熱体の縦横寸法比の違いによって熱流束が変わる、つまり発泡パワーの強弱に違いが生じることが理解できる。異なる大きさの液滴を吐出するためには、それぞれの液滴のサイズにあわせて発熱体の面積と吐出口の面積を決定する必要性があるが、その組合せによっては発熱体の形状が著しく縦長になってしまうことがある。
【特許文献１】特開平４−１０９４０号公報
【特許文献２】特開２００１−１３００３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
このように著しく縦長の形状を有する発熱体を備えたノズルでは、発熱体に対向する位置に設けられた吐出口の重心位置と、発熱体の重心位置とをほぼ同軸上に配置すると、液流路の供給側から離れた位置（ノズル先端部）にインクの流れが非常に悪い「よどみ」が生じてしまう。その「よどみ」に溜まったインクには、発泡後に残存した泡が溜まる「泡たまり」が生じ、これが吐出動作に悪影響を及ぼす場合がある。
【００１４】
このような状態を解消するために、液体吐出ヘッドを駆動するプリント装置に設けられたメンテナンス機構によって吐出口から液体を強制的に吸引する吸引回復動作が行われるが、上記のように構成されたノズルは先端部のインクの流れが悪いため、ノズルの先端に溜まった気泡を吐出口から十分に排出させることができない。
【００１５】
そこで本発明は、縦長の形状を有する発熱体を備えたノズルであっても、吐出信頼性を高めることができる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】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口と、該吐出口に連通する液流路と、該液流路内の前記吐出口に対向する位置に設けられ、前記吐出口から液体を吐出させるエネルギを発生する電気熱変換素子と、を含む液体吐出ヘッドにおいて、前記吐出口の重心位置が、前記電気熱変換素子の重心位置よりも前記液流路の液体流れ方向の下流側に位置していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
上記本発明によれば、縦長の形状を有する発熱体を備えたノズルであっても、吐出信頼性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
図１（ａ）および図１（ｂ）は本発明の一実施形態にかかる液体吐出ヘッドの概略構成を示す図であり、図１（ａ）はその外観を示す斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００２０】
図１において、符号２は後述の電気熱変換素子としてのヒータが薄膜技術により形成されたＳｉ素子基板を示している。この素子基板２の上方には、図１（ａ）に示すように２列に配列された複数の吐出口４が千鳥状に設けられている。素子基板２はＬ字状に加工された支持部材１０２の一部に接着固定されている。同じく支持部材１０２上には、配線基板１０４が固定され、この配線基板１０４の配線部分と素子基板２の配線部分とはボンディングにより電気的に接続されている。支持部材１０２は、コスト、加工性等の観点からアルミニウム材で形成される。モールド部材１０３は、その内部に支持部材１０２の一部を挿入させ、支持部材１０２を支持すると共に、その内部に形成された液体供給路１０７を介して液体貯留部（図示略）から前述の素子基板２の上方に設けられた吐出口４に液体（例えば、インク）を供給するための部材である。また、モールド部材１０３は、本実施形態の液体吐出ヘッド全体を後述の液体吐出装置に着脱自在に固定するための装着、位置決め部材としての役割を果たす。
【００２１】
素子基板２には、モールド部材１０３の液体供給路１０７を介して供給される液体を吐出口までさらに供給するための連通路１０５が、素子基板２を貫通して設けられている。この連通路１０５は、各吐出口４に連通する液流路と連通しており、共通液室としての役割を担っている。
【００２２】
図２（ａ）および図２（ｂ）は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示した液体吐出ヘッドの要部を示す図であり、図２（ａ）は吐出口を側面から視た側断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の上面図である。
【００２３】
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、素子基板２上の所定位置には、電気熱変換素子としての矩形形状のヒータ（発熱体）１が設けられている。素子基板２の上方にはオリフィスプレート３が配設されており、オリフィスプレート３はヒータ１の中央部分と対向する位置に円形状に開口する吐出口４を有している。吐出口４の吐出口面積は図２（ｂ）において「Ｓｏ」で示されている。なお、符号４１は吐出口４の上面、符号４２は吐出口４の下面をそれぞれ示している。この上面４１および下面４２は、オリフィスプレート３の延長線がなす仮想面である。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、ヒータ１とオリフィスプレート３との間の間隔は、液流路５の高さＴｎと等しく、液流路壁６の高さによって規定されている。液流路５が図２（ｂ）に示すようにｘ方向に延在している場合には、液流路５と連通する吐出口４はｘ方向に直交するｙ方向に複数配列されている。複数の液流路５は、図１（ｂ）に示した共通液室としても機能する連通路１０５に連通している。なお、吐出口の上面４１と下面４２との距離に相当するオリフィスプレート３の厚さをＴｏとする。
【００２５】
図３は、発熱体Ａに配線を介して駆動パルスを印加し、駆動方法１〜９の条件にて吐出速度の測定を行った結果を示した表およびグラフである。測定は、各駆動パルス幅における吐出開始電圧を実験的に求め、その駆動電圧を１．１５倍した条件にて行った。
【００２６】
図３に示す結果から分かるように、吐出速度は駆動パルス幅が１．２０μｓｅｃに至るまで上昇し、その後は飽和傾向にある。一般的に発泡パワーと吐出速度の相関は強く、発泡パワーは１．２０μｓｅｃ程度で最大を迎えると推測される。０．５μｓｅｃ以下の駆動パルス幅においては吐出速度が１０ｍ／ｓｅｃを下回っており、被記録媒体上への液滴の着弾精度が低下したり、吐出口近傍のインク蒸発に伴うインク粘度上昇によって吐出が不安定になったりする場合がある。一方、駆動パルス幅が１．２μｓｅｃを越えると、気泡の成長が過度となり、その気泡が液体の吐出に関与した後に生じるメニスカスの後退が大きくなってリフィル時間が長くなるなど、高速記録に対応できなくなってしまう問題も生じる。よって、この発熱体Ａに与える吐出駆動パルス幅としては、０．８μｓｅｃ〜１．２μｓｅｃ程度が好適である。
【００２７】
また、駆動電圧については、液滴吐出の閾値電圧Ｖｔｈの１．１倍から１．３倍が本発明の目的を達成するために好適な値である。駆動電圧がＶｔｈの１．１倍より低いと、たとえ発泡・吐出したとしても、液滴吐出速度が低すぎて液滴の吐出方向がよれたり、高周波数での駆動が不安定になる。また、駆動電圧がＶｔｈの１．３倍より高いと、発泡安定性に欠けたり、発熱体への負担が大幅に増えて耐久性が低下するなどの問題が生じてしまう。従って、本発明にとって上記の駆動電圧の範囲は好ましい条件の１つとなる。
【００２８】
次に、上述の構成を有する液体吐出ヘッドによる液体吐出動作について説明する。図４（ａ）〜（ｇ）は、本実施形態の液体吐出ヘッドによる液体吐出動作を説明する図である。
【００２９】
定常状態においては、図４（ａ）に示すように、吐出口４の上端にメニスカス１１が達している。
【００３０】
次に、駆動電圧を印加すると、図４（ｂ）に示すように、ヒータ１上の液体中に気泡３０１が生成され始め、気泡３０１の成長に伴って、気泡３０１の上側の吐出口４および液流路５内の液体が吐出口４の上端から上方に盛り上がる。この過程で、大気圧以上であった気泡３０１の圧力は大気圧未満に転じる。
【００３１】
次に、図４（ｃ）に示すように、気泡３０１がさらに成長すると、気泡３０１の上側の吐出口４および液流路５内の液体が吐出口４の上端から上方に吐出する。しかし、この段階では、気泡３０１はまだ大気と連通しておらず、気泡３０１の更なる成長により液流路５内のメニスカスが後退を続ける。この時、気泡３０１が大気と連通する直前の時点で、液流路５内の記録液は吐出口４の下面４２まで存在する状態になっているとともに、この吐出口下面４２の記録液は吐出口内壁に残っている記録液と連通した状態になっている。そして、気泡３０１が大気と連通するまでは、気泡３０１の内圧は大気圧未満の状態に維持される。なお、気泡３０１の内圧が大気圧と等しいか、またはそれを越えた状態で、気泡３０１が大気と連通すると、連通時に吐出口近傍で液体が不安定に飛散し、その不安定な液体を液流路内に引き込む力が全く働かず、不安定液体の飛散防止効果を得ることができない。
【００３２】
次に、図４（ｄ）に示すように、気泡３０１が大気と連通すると同時か、その直後に、液滴１２が吐出口４の上端を離れ、吐出される。この時、液滴１２が吐出口４の図中左側で切断される際には、吐出口内壁に残っていた記録液の大部分が、負圧を有する前記吐出口下面４２に残っている記録液によって引かれて最終的に液流路５内に記録液と合体して液流路５内に移動している。なお、この連通時よりも少し後に、メニスカス１１は最も後退し、最大メニスカス後退量に達し、これを境に、図４（ｅ）〜（ｇ）に示すように、液体が吐出され、その後、吐出口内に記録液がリフィルされて定常状態に戻る。
【００３３】
図５は発熱体の縦横サイズ比と駆動パルス幅の関係を示した表であり、図５（ａ）は液滴体積が５．７ｐｌで駆動電圧が２４Ｖの場合、図５（ｂ）は液滴体積が１．４ｐｌの場合をそれぞれ示している。発熱体は、横方向の両端部０．５μｍと縦方向の両端部１μｍは発泡に寄与しない領域とした。さらに、発熱体は、その領域を除いた発泡寄与領域の面積が、液滴体積が５．７ｐｌの発熱体では４０５μｍ2、液滴体積が１．４ｐｌの発熱体では１８５μｍ2となるように縦横サイズ比を調整した。
【００３４】
図３を参照して説明したように好適なパルス幅は０．８〜１．２μｓｅｃであり、本実施形態では液滴体積が１．４ｐｌの発熱体の縦横サイズ比が３．２となる組合せで、０．８μｓｅｃのパルス幅が実現可能でなる。更に著しい縦長形状になると、横方向に対して発泡が不安定となり、吐出状態にゆらぎが大きくなるなどの問題が生じてしまう。
【００３５】
図６は駆動パルス幅が０．８μｓｅｃとなる発熱体を備えたノズルを示す図であり、図６（ａ）は液滴体積が５．７ｐｌの発熱体を備えたノズルを示し、図６（ｂ）は液滴体積が１．４ｐｌの発熱体を備えたノズルを示している。図６（ａ）に示すノズルでは、発熱体のサイズが縦２７．０μｍ×横２１．６μｍ（縦横サイズ比１．３）で吐出口面積が約２１４μｍ2である。一方、図６（ｂ）に示すノズルでは、発熱体のサイズが縦２８．３μｍ×横１１．６μｍ（縦横サイズ比２．４）で吐出口面積が約６６μｍ2である。各ノズルにおいて、液流路高さとオリフィスの寸法は共通している。また、いずれのノズルにおいても、発熱体の重心位置と吐出口の重心位置とが同軸上に一致するように配置されている。ここで、「重心位置」とは発熱体と吐出口のそれぞれの平面図形の重心の位置を意味している。また、発熱体のサイズに関する説明において、「縦」方向は液流路５におけるインクの流れ方向を意味し、「横」方向はそのインク流れ方向に直交する方向を意味している。
【００３６】
このような構成のノズルを有する液体吐出ヘッドに対し、液流路にインクがない状態から、記録装置の吸引回復機構（不図示）を駆動させて液体吐出ヘッド内にインクを供給する吸引回復処理を実行し、各ノズルに対してのインク充填性試験を行った。その結果、図６（ｂ）に示した構成の多数のノズルにおいて、ノズル先端部分に投影面積比で吐出口面積の約７０％を占める気泡が残存していた。このように発泡室内部に気泡が残存した状態で吐出を行うと、液滴が適正な形状となる発泡状態が得られず、安定した吐出は不可能となり、その状態で連続的に吐出動作をすると不吐状態に至る場合もある。
【００３７】
図７は、縦長形状の発熱体を有するノズルの先端部分に気泡が残存する推定メカニズムを説明するための図である。図７は、液体吐出ヘッドの吐出口形成面にキャップを押し当て、記録装置のポンプで負圧を発生させた場合の液流路内における液体（インク）の流れを示している。液流路先端部分は、インクの流速が吐出口部分に比べて著しく低く、インクが流れ難い領域となっている。液流路にインクが無い状態、いわゆる「インク落ち」と呼ばれる状態から吸引回復動作を行って液流路にインクが流入し始めた際にその先端部分に気泡が一旦入り込むと、その後は泡が残留した状態になってしまうと推測される。
【００３８】
次に、図８（ａ）〜（ｅ）に示すように、発熱体の重心位置に対する吐出口の重心位置が異なる種々の液体吐出ヘッドに対して上記と同様の吸引回復処理を行い、液流路先端部分の気泡残存を試験した。なお、図８（ａ）〜（ｅ）に示す構成では、発熱体の縦横サイズは約３０μｍ×１０μｍであり、発熱体の縦横サイズ比は約３：１である。
【００３９】
図８（ａ）は、発熱体の重心位置に対して吐出口の重心位置を液流路内のインク流れ方向下流側へ＋７μｍずらした配置構成を示している。同様に、液流路のインク流れ方向下流側への、発熱体の重心位置に対する吐出口の重心位置のずれ量は、図８（ｂ）では＋５μｍ、図８（ｃ）では＋３μｍ、図８（ｄ）では０μｍ、図８（ｅ）では−３μｍである。
【００４０】
このような構成の液体吐出ヘッドの吐出口形成面にキャップを押し当て、液流路にインクがない状態から吐出口からインクを強制的に吸引する吸引回復処理を行い、液流路先端部分に気泡の残存が見られるか否かを試験した。その際、図９に示すような２種類の圧力波形Ａ（ピーク圧０．２ａｔｍ）および圧力波形Ｂ（ピーク圧０．４ａｔｍ）で吸引動作を行った。図１０はその結果を示す表である。
【００４１】
圧力波形Ａ，Ｂの何れに基づく吸引回復処理においても、図８（ａ）〜図８（ｃ）の配置構成に関しては液流路先端部分に気泡の残存は見られず、液滴の吐出状態も良好であった。一方、図８（ｄ）および図８（ｅ）の配置構成では、液流路先端部分に気泡が残存していることが確認され、その状態で吐出を行った結果、何れも吐出方向のよれや不吐といった吐出不良の状態に陥った。これらの結果から、縦横サイズ比が約３：１の発熱体を備えたノズルにおいては、発熱体の重心位置と吐出口の重心位置とが同軸上に位置する場合、あるいは吐出口の重心位置が発熱体の重心位置よりも液流路のインク流れ方向上流側に位置する場合には、吸引回復処理によって液流路先端部分における気泡除去が十分に行えず、吐出口の重心位置を発熱体の重心位置よりも液流路のインク流れ方向下流側へ＋３μｍ以上の位置に配置すると、液流路先端部分における気泡を除去できることがわかる。
【００４２】
同様に、図１１（ａ）に示すように縦横サイズ比が約２：１の発熱体を備えたノズルを有する液体吐出ヘッドに対し、上述と同じ圧力波形にて吸引回復処理を行った。この場合も、図１１（ｂ）に示すように、吐出口の重心位置を発熱体の重心位置よりも液流路のインク流れ方向下流側に＋２μｍ以上の位置に配置した構成では、液流路先端部分における気泡を除去できることがわかる。
【００４３】
これらの結果から、本実施形態のように縦横サイズ比が２：１以上の縦長形状の発熱体を有するノズルにおいては、吐出口の重心位置を発熱体の重心位置よりも液流路のインク流れ方向下流側に配置することで、インクを液流路全域にわたって良好に充填することが可能となる。この場合、吐出口の重心位置は、発熱体の重心位置よりも液流路のインク流れ方向下流側に発熱体の縦寸法（液流路のインク流れ方向の長さ）の１０％以上の位置に配置することで、液流路内の気泡除去効果がより顕著に現れる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態にかかる液体吐出ヘッドの概略構成を示す図である。
【図２】図１に示した液体吐出ヘッドの要部を示す図である。
【図３】発熱体に配線を介して駆動パルスを印加し、各条件の駆動方法にて吐出速度の測定を行った結果を示した表およびグラフである。
【図４】図１等に示した液体吐出ヘッドによる液体吐出動作を説明する図である。
【図５】発熱体の縦横サイズ比と駆動パルス幅の関係を示した表である。
【図６】駆動パルス幅が０．８μｓｅｃとなる発熱体を備えたノズルを示す図である。
【図７】縦長形状の発熱体を有するノズルの先端部分に気泡が残存する推定メカニズムを説明するための図である。
【図８】発熱体の重心位置に対する吐出口の重心位置が異なるノズルを備えた液体吐出ヘッドの各ノズル構成を示す図である。
【図９】吸引回復処理時におけるキャップ内の圧力波形を示す図である。
【図１０】図８に示した各ノズル構成を有する液体吐出ヘッドの吸引回復処理を行った際の、液流路先端部分における気泡の残存試験の結果を示す表である。
【図１１】図（ａ）は縦横サイズ比が約３：１の発熱体を備えたノズルの構成を示す図であり、図（ｂ）はそのノズルを有する液体吐出ヘッドの吸引回復処理を行った際の、液流路先端部分における気泡の残存試験の結果を示す表である。
【符号の説明】
【００４５】
１  ヒータ
２  素子基板
３  オリフィスプレート
４  吐出口
５  液流路
【図１】
2006334935.tif 000003
【図２】
2006334935.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006334935.tif 000006
【図５】
2006334935.tif 000007
【図６】
2006334935.tif 000008
【図７】
2006334935.tif 000009
【図８】
2006334935.tif 000010
【図９】
2006334935.tif 000011
【図１０】
2006334935.tif 000012
【図１１】
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