(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出するために利用される熱エネルギを発生する電気熱変換素子と、
該電気熱変換素子に対向する位置に設けられた液体を吐出する吐出口が形成されたオリフィスプレートと、
該吐出口に連通し液体を前記吐出口に供給するとともに前記電気熱変換素子を底面に有する液流路と、
を備える液体吐出ヘッドを用いて、液体に前記熱エネルギを付与することで気泡を発生し、前記気泡を大気に連通させて、２０×１０−１５ｍ３以下の体積の液体を吐出する液体吐出方法において、
前記オリフィスプレートの厚さをＴｏ、前記液流路の底面から前記オリフィスプレートの下面までの高さをＴｎとするとき、Ｔｏ+Ｔｎを２５μｍ以上とすると共に、前記電気熱変換素子の駆動電圧と吐出が可能となる最低の電圧との比を１．３５未満とし、
前記気泡が最大体積に成長した後の体積減少段階で前記気泡を前記吐出口の電気熱変換素子側で初めて大気と連通させて液体を吐出することを特徴とする液体吐出方法。
【請求項２】
液体を吐出するために利用される熱エネルギを発生する電気熱変換素子と、
該電気熱変換素子に対向する位置に設けられた液体を吐出する吐出口が形成されたオリフィスプレートと、
該吐出口に連通し液体を前記吐出口に供給するとともに前記電気熱変換素子を底面に有する液流路と、
を備える液体吐出ヘッドを用いて、液体に前記熱エネルギを付与することで気泡を発生し、前記気泡を大気に連通させて、２０×１０−１５ｍ３以下の体積の液体を吐出する液体吐出方法において、
前記オリフィスプレートの厚さをＴｏ、前記液流路の底面から前記オリフィスプレートの下面までの高さをＴｎとするとき、Ｔｏ+Ｔｎを２５μｍ以上とすると共に、前記電気熱変換素子の駆動電圧と吐出が可能となる最低の電圧との比を１．３５未満とし、
前記気泡の成長速度が負のときに前記気泡が前記吐出口の電気熱変換素子側で大気と連通し液体が吐出されることを特徴とする液体吐出方法。
【請求項３】
前記吐出口はオリフィスプレートに形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出方法。
【請求項４】
前記吐出口は前記オリフィスプレート上面の開口面積が前記オリフィスプレート下面の開口面積よりも小さくなるテーパ形状を有していることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出方法。
【請求項５】
前記吐出口が円型であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の液体吐出方法。
【請求項６】
前記吐出口が矩形であることを特徴とする１〜４のいずれかの項に記載の液体吐出方法。
【請求項７】
液体は電気熱変換素子の中央近傍で分離されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかの項に記載の液体吐出方法。
【請求項８】
液体は前記吐出口よりも電気熱変換素子側で分離されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかの項に記載の液体吐出方法。
【請求項９】
前記電気熱変換素子は、液体に熱エネルギを与えて核沸騰を急激に越える温度上昇を生ぜしめ、該温度上昇により前記液流路内に液体を吐出するのに利用される気泡を生成するものであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかの項に記載の液体吐出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク等の液体の液滴を紙等の各種媒体に向けて吐出して記録を行う液体吐出方法、特に極めて小さな液滴を吐出する液体吐出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、各種プリンタに適用され、実用化されている記録方法としては、米国特許第４，７２３，１２９号明細書、同第４，７４０，７９６号明細書に代表される熱エネルギを利用した膜沸騰による気泡を液滴形成に用いるインクジェット方式が有効である。
【０００３】
また、気泡形成時に液路を遮断しない記録方式としては、米国特許第４，４１０，８９９号明細書が知られている。
【０００４】
上記文献に記載された発明は各種記録方式に適用可能であるが、形成された気泡（バブル）を大気に連通させて記録を行う方式（以下、大気連通方式という）への適用を実用レベルまで展開した記載はない。
【０００５】
従来の大気連通方式は、気泡の破裂を用いるものであるが、安定した吐出を行えないため実用不可能である。また、吐出原理は不明であるが、希望的現象を記載した公報としては、特開昭５４−１６１９３５号公報がある。この公報は、円筒ノズル内に円筒ヒータを配置し、ノズル内部で形成した気泡でノズル内部を分断してはいるが、液滴と共にスプラッシュした微小液滴が多数発生するという不都合がある。
【０００６】
米国特許第４，６３８，３３７号明細書には、その従来技術の欄に、発熱素子から付与された熱エネルギによって液体中に発生した気泡が成長段階で大気と連通する構成が、インクの不吐出や吐出ヨレが生じる好ましくない例として示されている。
【０００７】
この現象は、特別な異常状態で生じるもので、例えばインク流路（ノズル）の吐出口近傍に形成されるべきメニスカスが著しく発熱体側へ後退しているときに、発熱体を駆動させて成長段階の気泡が液体を不安定に吐出させることを示している。
【０００８】
このことは、米国特許第４，６３８，３３７号明細書に好ましくない例として表示されていることから明らかである。
【０００９】
一方、上記とは異なり、大気連通方式の実用的な適用は、特開平４−１０９４０号公報、特開平４−１０９４１号公報、特開平４−１０９４２号公報、特開平４−１２８５９号公報に開示されている。かかる公報に記載された発明は、気泡破裂によってもたらされるスプラッシュや不安定な液滴形成の原因を追求することによりなされたもので、液路に対して熱エネルギを与えて核沸騰を急激に越える温度上昇により液路内に気泡を生成する工程と、該液路の吐出口近傍で前記気泡を大気と連通させる工程とを含む記録方法である。
【００１０】
このような記録方法によれば、従来のプリンタ等において吐出口の周縁近傍で大気と連通することでスプラッシュすることなく、また、霧（ミスト）状の液滴を発生させることなく、液体を記録信号に応じて吐出することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の大気連通方式の液体吐出方法においては、気泡の成長および気泡が外気に連通する際の均一性の観点から、吐出口を電気熱変換素子に対向する位置に設けた、いわゆるサイドシュータ構造の液体吐出ヘッドの方が安定した液体の吐出のためには好ましい。
【００１２】
しかし、上述のサイドシュータ構造の液体吐出ヘッドを用いて高画質画像を形成するにあたって、吐出される液滴の体積を減少させていくと、気泡と外気との連通特性が吐出液滴の吐出方向に影響を与えはじめることが判明するに至った。特に、吐出される液体の体積を２０×１０-15 ｍ3 以下とすると、尾引き（液路と液滴の主滴をつなぐ液）およびこの尾引きによって形成されるサテライト滴が画質に影響を与えることになり、加えて微小ミストが霧状になって浮遊する割合が増加し、記録媒体の被記録面に付着して記録品位が低下するという新たな課題が生じた。
【００１３】
本発明の目的は、極めて小さな液滴を吐出する液体吐出ヘッドを用い、大気連通方式の液体吐出方法であって、吐出ヨレのない吐出信頼性を保持することによって高品位の記録を行う方法を提供することにある。
【００１４】
また、本発明の他の目的は、微小液滴であってもミスト現象の発生しない高品位記録を可能とする液体吐出方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、先に開示している大気連通方式の液体吐出方法について前記の課題を解決するための研究開発中に新規な大気連通方式による液体吐出方法を見出したことによって得られたものであり、上記目的を達成するために本発明者達により見出された知見は次のようなものである。
【００１６】
本発明は、熱による膜状気泡の形成が極めて安定したものであるが、高画質用の微小液滴レベルの体積になると、その気泡がわずかに変動しても、その変化量自体が無視できなくなる点、さらに吐出口周辺のインク液滴のわずかな「ぬれ」も液滴の吐出方向に対して無視できなくなる点に着目してなされたもので、従来、気泡が大気に連通するまでの工程に着目していたが、本発明ではその工程に加えて気泡が大気に連通した後の工程にも着目したものである。
【００１７】
以上のような種々の知見に基づいてなされた本発明の代表的な要件は次のようなものである。
【００１８】
すなわち、本発明は、液体を吐出するために利用される熱エネルギを発生する電気熱変換素子と、該電気熱変換素子に対向する位置に設けられた液体を吐出する吐出口が形成されたオリフィスプレートと、該吐出口に連通し液体を前記吐出口に供給するとともに前記電気熱変換素子を底面に有する液流路と、を備える液体吐出ヘッドを用いて、液体に前記熱エネルギを付与することで気泡を発生し、前記気泡を大気に連通させて、２０×１０−１５ｍ３以下の体積の液体を吐出する液体吐出方法において、前記オリフィスプレートの厚さをＴｏ、前記液流路の底面から前記オリフィスプレートの下面までの高さをＴｎとするとき、Ｔｏ+Ｔｎを２５μｍ以上とすると共に、前記電気熱変換素子の駆動電圧と吐出が可能となる最低の電圧との比を１．３５未満とし、前記気泡が最大体積に成長した後の体積減少段階で前記気泡を前記吐出口の電気熱変換素子側で初めて大気と連通させて液体を吐出することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、液体を吐出するために利用される熱エネルギを発生する電気熱変換素子と、該電気熱変換素子に対向する位置に設けられた液体を吐出する吐出口が形成されたオリフィスプレートと、該吐出口に連通し液体を前記吐出口に供給するとともに前記電気熱変換素子を底面に有する液流路と、を備える液体吐出ヘッドを用いて、液体に前記熱エネルギを付与することで気泡を発生し、前記気泡を大気に連通させて、２０×１０−１５ｍ３以下の体積の液体を吐出する液体吐出方法において、前記オリフィスプレートの厚さをＴｏ、前記液流路の底面から前記オリフィスプレートの下面までの高さをＴｎとするとき、Ｔｏ+Ｔｎを２５μｍ以上とすると共に、前記電気熱変換素子の駆動電圧と吐出が可能となる最低の電圧との比を１．３５未満とし、前記気泡の成長速度が負のときに前記気泡が前記吐出口の電気熱変換素子側で大気と連通し液体が吐出されることを特徴とする。
【００２２】
これらのいずれかの構成によれば、液滴体積を減少させていっても、いわゆるサイドシュータ構造の液体吐出ヘッドの液流路内において、気泡の体積減少段階で気泡を初めて大気に連通させることで、気泡の直上直近の液滴部分であって主滴の下側部分に収縮方向である下方向（電気熱変換素子側）成分を発生させて、主滴と、もし吐出されていればサテライト滴となっていた液体とを分離し、吐出時にスプラッシュの原因となり得るサテライト部分を主滴から切り離すことができ、これによりミストが減少して記録媒体の被記録面を汚さないことになる。あるいは、もし吐出されていればサテライト滴となっていた液体を電気熱変換素子上に落とし込み、その落とし込まれた液体は電気熱変換素子上で水平成分の速度ベクトルを有するため、主滴から容易に分離され、サテライト部分を主滴から切り離すことができ、上記と同様ミストが減少して記録媒体の被記録面を汚さないことになり、いずれにしても高画質画像を形成することができる。さらに、上の構成によれば、主滴が主滴の中心軸上において切断されるので、ほとんど垂直方向に安定させることができるため、いわゆるヨレの少ない高画質記録を行うことができる。
【００２３】
気泡が成長段階で大気と連通するか、あるいは気泡が収縮段階で大気と連通するかは、液流路および吐出口の幾何学的要因、電気熱変換素子の大きさ、さらには記録液の物性にも依存する。
【００２４】
液流路の流路抵抗（電気熱変換素子と供給路との間）が低いと、供給路の方向へ気泡が成長し易くなる結果、気泡の吐出方向への成長速度が下がるので、気泡の収縮段階での外気連通が実現され易い。吐出口の形成されたプレート（以下、オリフィスプレートという）が厚いと、気泡成長時の記録液の粘性抵抗が上がるので、気泡収縮時の外気との連通が実現され易い。特に、オリフィスプレートが厚いと、液滴吐出方向への安定性が増し、吐出ヨレが少なくなるので、この点からも好適である。また、電気熱変換素子が大きすぎると、成長時の外気連通になり易いので、注意が必要である。記録液の粘度が高いと、気泡収縮時の外気連通が実現され易い。
【００２５】
さらに、オリフィスプレートの吐出口の断面形状によっても気泡が連通する様子が変わる。すなわち、吐出口上面の開口面積が同じであれば、オリフィスプレートの断面形状にテーパがついているほど（オリフィスプレート上面の開口面積がオリフィスプレート下面の開口面積より小さいほど）、気泡収縮時に外気連通し易い。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
【００２７】
（実施形態１）
図１（ａ）および（ｂ）は、本発明の液体吐出方法を適用し得る液体吐出ヘッドの概略構成を示す図であって、図１（ａ）は外観を示す斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００２８】
図１において、符号１は後述の電気熱変換素子としてのヒータ１とこのヒータ１に対向する吐出口４が薄膜技術により形成されたＳｉ素子基板である。この素子基板２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の配線部分とはワイヤ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例えば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に設けられた吐出口に液体（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。
【００２９】
素子基板２の内部には、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、各吐出口に連通する液流路とも連通しており、共通液室としての役割を担っている。
【００３０】
図２（ａ）および（ｂ）は、図１（ａ）および（ｂ）に示した液体吐出ヘッドの要部を示す図であって、図２（ａ）は吐出口を側面から視た側断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の上面図である。
【００３１】
図２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のヒータ１が設けられている。このヒータ１上には、オリフィスプレート３が配設されており、このオリフィスプレート３は上記ヒータ１の対向する位置に矩形状に開口する吐出口４を有している。なお、この例では、吐出口４の開口形状を矩形としたが、これに限らず、円形等の形状であってもよい。また、吐出口４の上部開口面積と下部開口面積とを等しく設定したが、吐出口４の上部開口面積を下部開口面積よりも小さくして吐出口４の側壁をテーパ形状としてもよい。このような構造とすることで、吐出安定性を向上させることが可能である。
【００３２】
また、ヒータ１とオリフィスプレート３との間隔は、図２（ａ）に示すように液流路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。この液流路５が図２（ｂ）に示すようにｘ方向に延在されている場合には、液流路５に連通する吐出口４は、ｘ方向と直交する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４から液流路５までの距離に相当するオリフィスプレート３の厚さをＴ0 とすると、ヒータ１の表面から吐出口４までの距離は、（Ｔ0 Ｔn ）で表すことができる。本実施形態では、例えば、Ｔ0 ＝１２μｍ、Ｔn ＝１３μｍである。
【００３３】
なお、本実施形態における駆動パルス幅を例えば２．９μｓｅｃ．とし、駆動電圧を例えば吐出閾値の１．２倍である９．８４Ｖの単パルスとすることができる。また、本実施形態で用いられる液体としてのインクの物性値は、例えば次の通りである。
【００３４】
粘度：２．２×１０-2Ｎ／ｓｅｃ．
表面張力：３８×１０-3Ｎ／ｍ
密度：１．０４ｇ／ｃｍ3
次に、上述の構成を有する液体吐出ヘッドを用いて本発明の液体吐出方法の一実施形態を説明する。
【００３５】
図３（ａ）〜（ｈ）は、本発明の液体吐出方法を適用した液体吐出ヘッドの動作を説明するための断面図であり、その切断方向は図２（ａ）の切断方向と同じである。図３（ａ）はヒータ上に膜状の気泡が生成した状態を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）の約１μ秒後、図３（ｃ）は図３（ａ）の約２．５μ秒後、図３（ｄ）は図３（ａ）の約３μ秒後、図３（ｅ）は図３（ａ）の約４μ秒後、図３（ｆ）は図３（ａ）の約４．５μ秒後、図３（ｇ）は図３（ａ）の約６μ秒後、図３（ｈ）は図３（ａ）の約９μ秒後の状態をそれぞれ示している。なお、図３（ａ）〜図３（ｈ）における水平方向にハッチングを施した部分はオリフィスプレートまたは流路壁を示し、短い線分を施した部分は液体を示し、その線分の密度は液体の速度を示している。すなわち、線分の高密度部分は高速度であることを示し、低密度部分は低速度であることを示している。
【００３６】
まず、図３（ａ）に示すように、記録信号等に基づいたヒータ１への通電に伴いヒータ１上の液流路５内に気泡３０１が生成されると、約２．５μ秒間に図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように急激に体積膨張して成長する。気泡３０１の最大体積時における高さはオリフィスプレート上面を上回るが、このとき、気泡の圧力は大気圧の数分の１から１０数分の１にまで減少している。次に、気泡３０１の生成から約２．５μ秒後の時点で気泡３０１は上述のように最大体積から体積減少に転じるが、これとほぼ同時にメニスカス３０２の形成も始まる。このメニスカス３０２も図３（ｄ）に示すようにヒータ１側への方向に後退、すなわち落下していく。
【００３７】
これまで述べた「落下」または「落とし込み」、「落ち込み」とは、いわゆる重力方向への落下という意味ではなく、ヘッドの取り付け方向によらず、電気熱変換体の方向への移動をいう。以下も同様である。
【００３８】
このメニスカス３０２の落下速度が気泡３０１の収縮速度よりも速いために、図３（ｅ）に示すように気泡の生成から約４μ秒後の時点で気泡３０１が吐出口４の下面近傍で大気に連通する。このとき、吐出口４の中心軸近傍の液体（インク）はヒータ１に向かって落ち込んでいく。これは、大気に連通する前の気泡３０１の負圧によってヒータ１側に引き戻された液体（インク）が、気泡３０１の大気連通後も慣性でヒータ１面方向の速度を保持しているからである。ヒータ１側に向かって落ち込んでいった液体（インク）は、図３（ｆ）に示すように気泡３０１の生成から約４．５μ秒後の時点でヒータ１の表面に到達し、図３（ｇ）に示すようにヒータ１の表面を覆うように拡がっていく。このようにヒータ１の表面を覆うように拡がった液体はヒータ１の表面に沿った水平方向のベクトルを有するが、ヒータ１の表面に交差する、例えば垂直方向のベクトルは消滅し、ヒータ１の表面上に留まろうとし、それよりも上側の液体、すなわち吐出方向の速度ベクトルを保つ液体を下方向に引っ張ることになる。その後、ヒータ１の表面に拡がった液体と上側の液体（主滴）との間の液柱３０３が細くなっていき、気泡３０１の生成から約９μ秒後の時点でヒータ１の表面の中央で液柱３０３が切断され、吐出方向の速度ベクトルを保つ主滴とヒータ１の表面上に拡がった液体とに分離される。このように分離の位置は液流路内部、より好ましくは吐出口よりも電気熱変換体側が望ましい。主滴は吐出方向に偏りがなく、吐出ヨレすることなく、吐出口４の中央部分から吐出され、記録媒体の被記録面の所定位置に着弾される。また、ヒータ１の表面上に拡がった液体は、従来であれば主滴の後続としてサテライト滴となって飛翔するものであるが、ヒータ１の表面上に留まり、吐出されない。このようにサテライト滴の吐出を抑制することができるため、サテライト滴の吐出により発生し易いスプラッシュを防止することができ、霧状に浮遊するミストにより記録媒体の被記録面が汚れるのを確実に防止することができる。
【００３９】
本実施形態では、１０ｋＨｚの吐出周波数で液体吐出ヘッドを駆動し、実画像の印字を行ったが、吐出ヨレは最大で、正規の吐出方向に対し０．４゜程度、ミストは黒文字のまわりでも肉眼で検知不能であって、良好な記録を行うことが可能である。
【００４０】
また、本実施形態における主滴の吐出体積は９×１０-15 ｍ3 程度であり、その吐出速度は１６ｍ／ｓｅｃ程度であり、リフィル周波数は１１ｋＨｚ程度とされるが、これらに限定されない。
【００４１】
（比較例）
図２（ａ）および（ｂ）に示す構造の液体吐出ヘッドであって、吐出口４から液流路５までの距離に相当するオリフィスプレート３の厚さＴ0 ＝９μｍ、液流路５の高さＴn ＝１２μｍであるヘッドを比較例として作製した。なお、この比較例で用いた駆動パルスは、パルス幅２．９μｓ、駆動電圧は吐出閾値の１．２倍である９．７２Ｖの単パルスである。また、この比較例で用いた液体としてのインクの物性は、上記実施例で用いた液体としてのインクの物性と同じである。
【００４２】
次に、上述の構成を有する液体吐出ヘッドを用いて従来の大気連通方式の液体吐出方法を説明する。
【００４３】
図４（ａ）〜（ｇ）は、従来の液体吐出方法を適用した液体吐出ヘッドの動作を説明するための断面図であり、その切断方向は図２（ａ）の切断方向と同じである。図４（ａ）はヒータ上に膜状の気泡が生成した状態を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）の約０．５μ秒後、図４（ｃ）は図４（ａ）の約１．５μ秒後、図４（ｄ）は図４（ａ）の約２μ秒後、図４（ｅ）は図４（ａ）の約３μ秒後、図４（ｆ）は図４（ａ）の約５μ秒後、図４（ｇ）は図４（ａ）の約７μ秒後の状態をそれぞれ示している。なお、図４（ａ）〜図４（ｇ）における水平方向にハッチングを施した部分は先の実施形態と同様でオリフィスプレートまたは流路壁を示し、短い線分を施した部分は液体の速度の大きさを示している。
【００４４】
まず、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、気泡３０１は膜状のものとして生成した後、急激に体積膨張して成長する。次に、図４（ｃ）に示すように、気泡３０１の体積膨張時、すなわち成長段階において気泡３０１は大気と連通する。このとき、連通位置は吐出口４の上部近傍、すなわちオリフィスプレートの上面近傍である。この直後においては、図４（ｄ）〜図４（ｇ）に示すように、吐出される主滴部分に続く液柱３０３は吐出口４の片側の側壁とだけ繋がっており、主滴部分と液柱３０３とは吐出口上面の近傍で切断され、両者は分離される。この場合、液柱３０３が吐出口の側壁の片側に「ぬれる」ために、主滴の切断および分離は吐出口の中心軸から偏移した位置で発生する。したがって、主滴の吐出方向にヨレとミストが生じ易くなる。本比較例では正規の吐出方向に対し、最大で１．５゜の吐出方向ズレを生じた。また、黒文字まわりのミストもわずかであるが肉眼で検知された。
【００４５】
そもそも、図２（ａ）および図２（ｂ）に示した構造の液体吐出ヘッドの液路形状はｙ軸と平行なヒータ１の中央を通過する想像線に対して非対称であることから、流体的にも非対称である。このため、大気連通位置も吐出口４の中心軸から偏っている。さらに、吐出口４を含む面（以下、吐出口面という）に対して均一に撥水処理を施していても、繰り返し駆動させてヘッドを使用することで吐出口４近傍が不規則に「ぬれ」ている状態に変わることがあり、この不規則な「ぬれ」の影響で吐出ヨレが生じることがある。
【００４６】
このため、上記比較例では、上述の液体吐出ヘッドの構造上および撥水処理上の影響を排除することができず、吐出ヨレを完全に防止することができない。
【００４７】
これに対して、本発明では、液体吐出ヘッドの構造に帰因する流体的非対称や吐出口面の「ぬれ」等による偶発的非対称による影響で吐出ヨレが発生する可能性のあるヘッドを用いた場合であっても、その影響を排除して液滴の吐出方向を安定させて吐出ヨレを完全に防止することができる。
【００４８】
本発明の液体吐出方法を良好に実施する条件としては、上述のようにＴn または／およびＴ0 を大きくすることが挙げられる。さらに、駆動条件としては、駆動電圧と吐出閾値電圧との比を１．３５以上に大きくしないことが重要である。この比を１．３５以上に大きくし過ぎると（すなわち、駆動電圧を上げ過ぎると）、気泡の大気連通位置が吐出口４寄りに上昇してしまい、吐出ヨレを起こし易くなる不都合が生じる。
【００４９】
（他の実施例）
図２と同様の形状で液流路の高さＴn （＝１０μｍ）とオリフィスプレートの厚さＴ0 （＝１５μｍ）のみ、先の実施例と異なる液体吐出ヘッドで印字を行った。使用したインクは先の実施例と同じである。駆動条件もほぼ同じで、パルス幅２．８μｓｅｃ，駆動電圧は吐出閾値の１．２倍の９．９６Ｖの単パルスとした。
【００５０】
本実施例においては、約９×１０-15 ｍ3 の液滴体積と、１５ｍ／ｓの吐出速度が得られ、１０ｋＨｚの吐出周波数で液体吐出ヘッドを駆動し、吐出ヨレ、ミストの少ない良好な記録を行うことができた。
【００５１】
本発明は、図２（ｂ）に示すような液流路の幅が一定の構成のみならず、図７（ａ）や図７（ｂ）に示すように、液流路の幅が電気熱変換素子に向かって狭くなっていくヘッドや電気熱変換素子の近傍に液体バリアを設けてあるヘッドにも実施することができる。さらには、吐出口形状も四角のみならず、円、楕円の場合にも実施することができる。
【００５２】
次に、図５（ａ）〜図５（ｆ）に示すように、図２（ａ）および図２（ｂ）に示した液体吐出ヘッドの製造方法の一例を説明する。
【００５３】
図５（ａ）〜図５（ｆ）は、上述の液体吐出ヘッドの製造方法を工程順に配列した断面図である。
【００５４】
まず、例えば図５（ａ）に示されるような、ガラス、セラミックス、プラスチックあるいは金属等からなる基板１１を用意する。
【００５５】
このような基板１１は、液流路構成部材の一部として機能し、また、後述のインク流路およびインク吐出口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、その形状、材質等に特に限定されることなく使用できる。上記基板１１上には、電気熱変換素子あるいは圧電素子等のインク吐出エネルギ発生素子１２が所望の個数配置される。このような、インク吐出エネルギ発生素子１２によって記録液小滴を吐出させるための吐出エネルギがインク液に与えられ、記録が行われる。ちなみに、例えば、上記インク吐出エネルギ発生素子１２として電気熱変換素子が用いられる場合には、この素子が近傍の記録液を加熱することにより、記録液に状態変化を生起させ吐出エネルギを発生する。また、例えば、圧電素子が用いられる場合には、この素子の機械的振動によって、吐出エネルギを発生する。
【００５６】
なお、これらの素子１２には、これら素子を動作させるための制御信号入力用電極（図示せず）が接続されている。また、一般にはこれら吐出エネルギ発生素子の耐用性の向上を目的として、保護層等の各種機能層が設けられるが、もちろん本発明においてもこのような機能層を設けることは一向に差し支えない。
【００５７】
図５（ａ）において、インク供給のための開口部１３を基板１１上に予め設けておき、基板１１の後方よりインクを供給する形態を例示した。開口部１３の形成においては、基板１１に穴を形成できる手段であれば、いずれの方法も使用できる。例えば、ドリル等機械的手段で形成しても構わないし、レーザ等の光エネルギを使用しても構わない。また、基板１１にレジストパターン等を形成して化学的にエッチングしても構わない。
【００５８】
もちろん、インク供給口１３を基板１１に形成せず、樹脂パターンに形成し、基板１１に対してインク吐出口２１と同じ面に設けてもよい。
【００５９】
次いで、図５（ａ）に示すように、基板１１上に上記インク吐出エネルギ発生素子１２を覆うように溶解可能な樹脂でインク流路パターン１４を形成する。最も一般的な手段としては感光性材料で形成する手段が挙げられるが、スクリーン印刷法等の手段でも形成は可能である。感光性材料を使用する場合においては、インク流路パターンが溶解可能であるため、ポジ型レジストか、あるいは溶解性変化型のネガ型レジストの使用が可能である。
【００６０】
レジスト層の形成の方法としては、基板上にインク供給口を設けた基板を使用する場合には、該感光性材料を適当な溶剤に溶解し、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などのフィルム上に塗布、乾燥してドライフィルムを作成し、ラミネートによって形成することが好ましい。上述のドライフィルムとしては、ポリメチルイソプロピルケトン、ポリビニルケトン等のビニルケトン系光崩壊性高分子化合物を好適に用いることができる。これは、これら化合物が光照射前において高分子化合物としての特性（被膜性）を維持しており、インク供給口１３上にも容易にラミネート可能であるためである。
【００６１】
また、インク供給口１３に後工程で除去可能な充填物を配置し通常のスピンコート法、ロールコート法等で被膜を形成しても構わない。
【００６２】
このようにインク流路をパターニングした溶解可能な樹脂材料層１４上に、図５（ｂ）に示すように、さらに被覆樹脂層１５を通常のスピンコート法、ロールコート法等で形成する。ここで、被覆樹脂層１５を形成する工程において、溶解可能な樹脂パターンを変形せしめない等の特性が必要となる。すなわち、被覆樹脂層１５を溶剤に溶解し、これをスピンコート、ロールコート等で溶解可能な樹脂パターン１４上に形成する場合、溶解可能な樹脂パターン１４を溶解しないように溶剤を選択する必要がある。
【００６３】
ここで、被覆樹脂層１５について説明する。被覆樹脂層１５としては、後述のインク吐出口をフォトリソグラフィで容易にかつ精度よく形成できることから、感光性のものが好ましい。このような感光性被覆樹脂層１５は、構造材料としての高い機械的強度、基板１１との密着性、耐インク性と、同時にインク吐出口の微細なパターンをパターニングするための解像性が要求される。ここで、エポキシ樹脂のカチオン重合硬化物が構造材料として優れた強度、密着性、対インク性を有し、かつ前記エポキシ樹脂が常温で固体状であれば、優れたパターニング特性を有することが見いだされている。
【００６４】
まず、エポキシ樹脂のカチオン重合硬化物は、通常の酸無水物もしくはアミンによる硬化物に比較して高い架橋密度（高Ｔｇ）を有するため、構造材として優れた特性を示す。また、常温で固体状のエポキシ樹脂を用いることで、光照射によりカチオン重合開始剤より発生した重合開始種のエポキシ樹脂中への拡散が抑えられ、優れたパターニング精度、形状を得ることができる。
【００６５】
溶解可能な樹脂層上に被覆樹脂層を形成する工程は、常温で固体状の被覆樹脂を溶剤に溶解し、スピンコート法で形成することが望ましい。
【００６６】
薄膜コーティング技術であるスピンコート法を用いることで、被覆樹脂層１５は均一にかつ精度良く形成することができ、従来方法では困難であったインク吐出圧力発生素子１２とオリフィス間の距離（ＯＨ距離）を短くすることができ、小液滴吐出を容易に達成することができる。
【００６７】
また、被覆樹脂として上述のいわゆるネガ型の感光性材料を用いた場合、通常は基板面からの反射、およびスカム（現像残渣）が発生する。しかしながら、本発明の場合、溶解可能な樹脂で形成されたインク流路上に吐出口パターンを形成するため、基板からの反射の影響は無視でき、さらに現像時に発生するスカムは、後述のインク流路を形成する溶解可能な樹脂を洗い出す工程でリフトオフされるため、悪影響を及ぼさない。
【００６８】
本発明に用いる固体状のエポキシ樹脂としては、ビスフェノールＡとエピクロヒドリンとの反応物のうち分子量がおよそ９００以上のもの、含ブロモスフェノールＡとエピクロヒドリンとの反応物、フェノールノボラックあるいはｏ−クレゾールノボラックとエピクロヒドリンとの反応物、特開昭６０−１６１９７３号公報、特開昭６３−２２１１２１号公報、特開昭６４−９２１６号公報、特開平２−１４０２１９号公報に記載のオキシシクロヘキサン骨格を有する多感応エポキシ樹脂等があげられるが、もちろん本発明はこれら化合物に限定されるわけではない。
【００６９】
上記エポキシ樹脂を硬化させるための光カチオン重合開始剤としては、芳香族ヨードニウム塩、芳香族スルホニウム塩［Ｊ．ＰＯＬＹＭＥＲ  ＳＣＩ：Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  No. ５６  ３８３−３９５（１９７６）参照］や旭電化工業株式会社より上市されているＳＰ−１５０、ＳＰ−１７０等が挙げられる。
【００７０】
また、上述の光カチオン重合開始剤は、還元剤を併用し加熱することによって、カチオン重合を促進（単独の光カチオン重合に比較して架橋密度が向上する。）させることができる。ただし、光カチオン重合開始剤と還元剤を併用する場合、常温では反応せず一定温度以上（好ましくは６０℃以上）で反応するいわゆるレドックス型の開始剤系になるように、還元剤を選択する必要がある。このような還元剤としては、銅化合物、特に反応性とエポキシ樹脂への溶解性を考慮して銅トリフラート（トリフルオロメタンスルフォン酸銅（II））が最適である。また、アスコルビン酸等の還元剤も有用である。また、ノズル数の増加（高速印刷性）、非中性インクの使用（着色剤の耐水性の改良）等、より高い架橋密度（高Ｔｇ）が必要な場合は、上述の還元剤を後述のように前記被覆樹脂層の現像工程後に溶液の形で用いて被覆樹脂層を浸漬および加熱する後工程によって、架橋密度を上げることができる。
【００７１】
さらに上記組成物に対して必要に応じて添加剤など適宜添加することが可能である。例えば、エポキシ樹脂の弾性率を下げる目的で可撓性付与剤を添加したり、あるいは基板との更なる密着力を得るためにシランカップリング剤を添加することなどがあげられる。
【００７２】
次いで、上記化合物からなる感光性被覆樹脂層１５に対して、図５（ｃ）に示すように、マスク１６を介してパターン露光を行う。感光性被覆樹脂層１５は、ネガ型であり、インク吐出口を形成する部分をマスクで遮蔽する（むろん、電気的な接続を行う部分も遮蔽する。図示せず。）。
【００７３】
パターン露光は、使用する光カチオン重合開始剤の感光領域に合わせて紫外線、Ｄｅｅｐ−ＵＶ光、電子線、Ｘ線などから適宜選択することができる。
【００７４】
ここで、これまでの工程は、すべて従来のフォトリソグラフィ技術を用いて位置合わせが可能であり、オリフィスプレートを別途作成し基板と張り合せる方法に比べて、格段に精度を上げることができる。こうしてパターン露光された感光性被覆樹脂層１５は、必要に応じて反応を促進するために、加熱処理を行ってもよい。ここで、前述のごとく、感光性被覆樹脂層は常温で固体状のエポキシ樹脂で構成されているため、パターン露光で生じるカチオン重合開始種の拡散は制約を受け、優れたパターニング精度、形状を実現できる。
【００７５】
次いで、パターン露光された感光性被覆樹脂層１５は、適当な溶剤を用いて現像され、図５（ｄ）に示すように、インク吐出口２１を形成する。ここで、未露光の感光性被覆樹脂層の現像時に同時にインク流路を形成する溶解可能な樹脂パターン１４を現像することも可能である。ただし、一般的に、基板１１上には複数の同一または異なる形態のヘッドが配置され、切断工程を経てインクジェット液体吐出ヘッドとして使用されるため、切断時のごみ対策として、図５（ｄ）に示すように感光性被覆樹脂層１５のみを選択的に現像することにより、インク流路２２を形成する樹脂パターン４を残し（液室内に樹脂パターン１４が残存するため切断時に発生するゴミが入り込まない）、切断工程後に樹脂パターン１４を現像することも可能である（図５（ｅ）参照）。また、この際、感光性被覆樹脂層１５を現像する時に発生するスカム（現像残渣）は、溶解可能な樹脂層１４と共に溶出されるためノズル内には残渣が残らない。
【００７６】
前述したように架橋密度を上げる必要がある場合には、この後、インク流路２２およびインク吐出口２１が形成された感光性被覆樹脂層１５を還元剤を含有する溶液に浸漬および加熱することにより後硬化を行う。これにより、感光性被覆樹脂層１５の架橋密度はさらに高まり、基板に対する密着性および耐インク性は非常に良好となる。もちろん、この銅イオン含有溶液に浸漬加熱する工程は、感光性被覆樹脂層１５をパターン露光し、現像してインク吐出口２１を形成した直後に行っても一向にさしつかえなく、その後で溶解可能な樹脂パターン１４を溶出しても構わない。また浸漬、加熱工程は、浸漬しつつ加熱しても構わないし、浸漬後に加熱処理を行っても構わない。
【００７７】
このような還元剤としては、還元作用を有する物質であれば有用であるが、特に銅トリフラート、酢酸銅、安息香酸銅など銅イオンを含有する化合物が有効である。前記化合物の中でも、特に銅トリフラートは非常に高い効果を示す。さらに前記以外にアスコルビン酸も有用である。
【００７８】
このようにして形成したインク流路およびインク吐出口を形成した基板に対して、インク供給のための部材１７およびインク吐出圧力発生素子１２を駆動するための電気的接合（図示せず）を行ってインクジェット液体吐出ヘッドが形成される（図５（ｆ）参照）。
【００７９】
本製造例では、インク吐出口２１の形成をフォトリソグラフィによって行ったが、本発明はこれに限ることなく、マスクを変えることによって、酸素プラズマによるドライエッチングやエキシマレーザによってもインク吐出口２１を形成することができる。エキシマレーザやドライエッチングによってインク吐出口２１を形成する場合には、基板が樹脂パターンで保護されてレーザやプラズマによって傷つくことがないため、精度と信頼性の高いヘッドを提供することも可能となる。さらに、ドライエッチングやエキシマレーザ等でインク吐出口２１を形成する場合は、被覆樹脂層１５は感光性のもの以外にも熱硬化性のものも適用可能である。
【００８０】
本発明は、記録紙の全幅にわたり同時に記録ができるフルラインタイプの液体吐出ヘッドとして、さらには液体吐出ヘッドを一体的にあるいは複数個組み合わせたカラー液体吐出ヘッドにも有効である。
【００８１】
また、本発明の液体吐出方法に用いられる液体吐出ヘッドは、ある温度以上で液化する固体インクにも好適に適用される。
【００８２】
次に、上述の液体吐出ヘッドの搭載が可能な液体吐出装置の一例を説明する。
【００８３】
図６において符号２００は上述の液体吐出ヘッドを着脱自在に装着するためのキャリッジである。本例では、液体吐出ヘッドは液体としてのインクの色の種類に応じて４種類装着され、各ヘッドは、イエローインクのタンク２０１Ｙ，マゼンタインクのタンク２０１Ｍ，シアンインクのタンク２０１Ｃ，ブラックインクのタンク２０１Ｂと共にキャリッジ２００上に搭載されている。
【００８４】
キャリッジ２００は、ガイドシャフト２０２に支持され、モータ２０３により順方向または逆方向に駆動される無端ベルト２０４によりガイドシャフト２０２上を矢印Ａ方向に往復移動可能とされる。無端ベルト２０４はプーリ２０５および２０６間に巻回されている。
【００８５】
記録媒体としての記録紙Ｐは、矢印Ａ方向に直交する矢印Ｂ方向に間欠的に搬送される。記録紙Ｐは上流側の一対のローラユニット２０７、２０８と、下流側の一対のローラユニット２０９、２１０とにより、挟持され、一定の張力を印加され、ヘッドに対する平面性を確保しながら搬送される。各ローラユニットに対する駆動力の付与は駆動部２１１により行われるが、前述の駆動モータを利用して上記ローラユニットを駆動する構成としてもよい。
【００８６】
キャリッジ２００は、記録開始時または記録中に必要に応じてホームポジションに停止する。このポジションには、各ヘッドの吐出口面をキャップするキャップ部材２１２が設けられ、このキャップ部材２１２には、吐出口面の吐出口に対して強制的に吸引して吐出口内の目詰まりを防止するための吸引回復手段（図示略）が接続されている。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、液滴体積を減少させていっても、いわゆるサイドシュータ構造の液体吐出ヘッドの液流路内において、気泡の体積減少段階で気泡を初めて大気に連通させることで、気泡の直上直近の液滴部分であって主滴の下側部分に収縮方向である下方向（電気熱変換素子側）成分を発生させて、主滴と、もし吐出されていればサテライト滴となっていた液体とを分離し、吐出時にスプラッシュの原因となり得るサテライト部分を主滴から切り離すことができ、これによりミストが減少して記録媒体の被記録面を汚さないことになる。あるいは、もし吐出されていればサテライト滴となっていた液体を電気熱変換素子上に落とし込み、その落とし込まれた液体は電気熱変換素子上で水平成分の速度ベクトルを有するため、主滴から容易に分離され、サテライト部分を主滴から切り離すことができ、上記と同様ミストが減少して記録媒体の被記録面を汚さないことになり、いずれにしても高画質画像を形成することができる。さらに、上の構成によれば、主滴が主滴の中心軸上において切断されるので、ほとんど垂直方向に安定させることができるため、いわゆるヨレの少ない高画質記録を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、本発明の液体吐出方法を適用し得る液体吐出ヘッドの概略構成を示す図であって、（ａ）は外観を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、図１（ａ）および（ｂ）に示した液体吐出ヘッドの要部を示す図であって、図２（ａ）は吐出口を側面から視た側断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の上面図である。
【図３】（ａ）〜（ｈ）は、本発明の液体吐出方法の一実施形態を適用した液体吐出ヘッドの動作を説明するための断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｇ）は、従来の液体吐出方法を適用した液体吐出ヘッドの動作を説明するための断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の液体吐出方法の実施に好適に用いられる液体吐出ヘッドの製造方法の一例を工程順に配列した断面図である。
【図６】本発明の液体吐出方法の実施に好適に用いられる液体吐出ヘッドの搭載が可能な液体吐出装置の一例を示す概略斜視図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は本発明の液体吐出方法の実施に好適に用いられる液体吐出ヘッドの他の例の要部を示す上面図である。
【符号の説明】
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
６  液流路壁
１１  素子基板
１２  インク吐出エネルギ発生素子
１３  開口部
１４  インク流路パターン
１５  感光性被覆樹脂層
１６  マスク
１７  インク供給部材
２１  インク吐出口
２２  インク流路
Ｔ0   オリフィスプレートの厚さ
Ｔn   液流路の高さ
Ｓ0   吐出口の開口面積
Ｓh   電気熱変換素子の開口面積
１０２  支持部材
１０３  モールド部材
１０４  配線基板
１０５  連通路
１０７  液体供給路
３０１  気泡
３０２  メニスカス
３０３  液柱
【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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