液体吐出ヘッドおよび液体吐出方法
【課題】キャビテーションによる発熱素子の破壊を防ぐとともに、液滴を吐出する際のミストの発生を抑制する。
【解決手段】液体吐出ヘッド１０１が、液体を吐出する吐出口１００と、液体を供給する液体供給口から吐出口１００へ液体を供給するための流路３００と、短辺と長辺の比が２．５以上の矩形で、その長手方向が流路３００の延在方向に沿って配置されている、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発熱素子４０１と、を備えている。吐出口１００から液体が吐出される方向から見て、発熱素子４０１の、流路３００内の液体の流れ方向における下流側の端部が、吐出口１００の下流側の端部と上流側の端部との間に位置している。
【解決手段】液体吐出ヘッド１０１が、液体を吐出する吐出口１００と、液体を供給する液体供給口から吐出口１００へ液体を供給するための流路３００と、短辺と長辺の比が２．５以上の矩形で、その長手方向が流路３００の延在方向に沿って配置されている、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発熱素子４０１と、を備えている。吐出口１００から液体が吐出される方向から見て、発熱素子４０１の、流路３００内の液体の流れ方向における下流側の端部が、吐出口１００の下流側の端部と上流側の端部との間に位置している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を吐出するための液体吐出ヘッド、特に、インクを吐出して記録媒体に記録を行うインクジェットヘッドと、液体吐出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録装置における液体吐出方法として、発熱素子を用いてインクを吐出する方法が広く用いられている。これは、インクが供給される流路（ノズル）内に配置された発熱素子により熱エネルギーを発生させ、発熱素子の周囲のインクを膜沸騰させて気泡を発生させ、発泡圧力によりインクに運動エネルギーを付与して吐出口から被記録媒体に向けて吐出する方法である。この方法では、発熱素子上に発生した気泡がそのまま消泡することによって発生するキャビテーションにより、発熱素子に損傷を与えるという問題がある。
【０００３】
特許文献１に、キャビテーションによる発熱素子の損傷を抑制できる液体吐出ヘッドおよび液体吐出方法が開示されている。この液体吐出ヘッドでは、吐出口が発熱素子の表面に対向して配置されており、吐出口の中心が発熱素子の中心に対してインクの流れ方向の上流側または下流側にずらして配置されている。それにより、液滴吐出時に、気泡が分断され難い部位で気泡と大気とが連通するため、気泡がインク流れ方向の上流側の部分と下流側の部分とに分断されることが抑制される。その結果、気泡が分断されて流路内に残ることを防ぐことができ、通常はインクの流れ方向の下流側で発生しやすいキャビテーションおよびそれに伴う発熱素子の損傷を抑えることができる。この技術は、縦横比が概ね１程度である比較的正方形に近い発熱素子を有する液体吐出ヘッドにおいて特に有効である。
【０００４】
また、特許文献２には、インクジェット記録のさらなる高密度化の要望から、吐出口および流路を、１２００ｄｐｉ（１インチ（２．５４ｃｍ）あたり１２００個）以上の高密度に配置する技術が開示されている。具体的には、特許文献１では、複数の吐出口および流路が１２００ｄｐｉの密度で１列に配置されている。
【０００５】
特許文献３，４には、インクジェット記録装置においてインクを吐出する方法の例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，１５２，９５１号明細書
【特許文献２】特開２００８−２３８４０１号公報
【特許文献３】特開平４−１０９４０号公報
【特許文献４】特開平４−１０９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に開示されているように１２００ｄｐｉ以上の高密度に吐出口および流路を配置し、１．５ｐｌ以上の液滴を吐出しようとすると、流路を細長く形成する必要がある。従って、特許文献１に記載の発明とは異なり、流路の形状に合わせた縦横比の大きな（細長い）発熱素子を使用せざるを得ない。具体的には、発熱素子の縦横比は２．５以上（縦の長さが横の長さの２．５倍以上）が必要となる。その結果、特許文献１の図１２に示されているような、キャビテーションによる発熱素子の損傷が起こり得る。
【０００８】
本発明の目的は、キャビテーションとそれに伴う発熱素子の損傷を防ぐとともに、従来の液体吐出ヘッドの一般的な課題である、液滴を吐出口から吐出する際の微小なミストの発生を抑制することができる液体吐出ヘッドおよび液体吐出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、液体を吐出する吐出口と、液体を供給する液体供給口から吐出口へ液体を供給するための流路と、短辺と長辺の比が２．５以上の矩形で、その長手方向が流路の延在方向に沿って配置されている、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発熱素子と、を備える液体吐出ヘッドに関する。そして、吐出口から液体が吐出される方向から見て、発熱素子の、流路内の液体の流れ方向における下流側の端部が、吐出口の下流側の端部と上流側の端部との間に位置することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、高密度に配列された流路において、キャビテーションとそれに伴う発熱素子の損傷を抑えるとともに、液体吐出時のミストの発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の液体吐出ヘッドの要部の一部切欠斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドの要部の拡大平面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の液体吐出方法を順番に示す断面図である。
【図４】位置ずれ量を変えて実験した液体吐出ヘッドの要部を示す平面図である。
【図５】本発明の比較例の液体吐出ヘッドの液体吐出方法を順番に示す断面図である。
【図６】本発明の比較例の液体吐出ヘッドの液体吐出方法を順番に示す断面図である。
【図７】本発明の比較例の液体吐出ヘッドの液体吐出方法を順番に示す断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態の液体吐出方法において、位置ずれ量と吐出速度の関係を示すグラフである。
【図９】（ａ）は液体吐出ヘッドの温度とミストの体積との関係を示すグラフ、（ｂ）は液滴吐出量とミストの体積との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の第２の実施形態の液体吐出ヘッドの要部の拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
まず、本発明の液体吐出ヘッドの一例であるインクジェット記録ヘッド１０１の全体構成について述べる。図１は、このインクジェット記録ヘッド１０１の要部の一部切欠斜視図である。このインクジェット記録ヘッド１０１は、複数の発熱素子（ヒータ）４０１が配設された素子基板１１０と、この素子基板１１０の主面に積層されて接合され、複数の流路３００を構成する流路形成部材１１１とを備えている。素子基板１１０には、流路形成部材１１１が接合されるのと反対側の面に、インク供給部材１５０が接合されている。
【００１４】
素子基板１１０は、例えばガラス、セラミックス、樹脂、金属等によって形成されていてよいが、特にＳｉによって形成されるのが一般的である。素子基板１１０の主面上には、各流路３００毎に、発熱素子４０１と、発熱素子４０１に電圧を印加する電極（図示せず）と、この電極に接続された配線（図示せず）とが、所定の配線パターンでそれぞれ設けられている。発熱素子４０１は、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ものである。また、素子基板１１０の主面には、蓄熱の発散性を向上させる絶縁膜（図示せず）が、発熱素子４０１を被覆するように設けられている。さらに、素子基板１１０の主面には、気泡が消泡した際に生じるキャビテーションから保護するための保護膜（図示せず）が、絶縁膜を被覆するように設けられている。
【００１５】
インク供給部材１５０は、図示しないインクタンク等から素子基板１１０に吐出用の液体であるインクを供給するためのインク供給口（「液体供給口」、「供給室」ともいう）５００を有している。
【００１６】
流路形成部材１１１は、図２に示すように、インクが供給される複数の流路（ノズル）３００と、流路３００の先端に位置して外部に開口している複数の吐出口１００と、各流路３００とインク供給口５００とをつなぐ共通液室１１２とを有している。吐出口１００は、インク素子基板１１０上の発熱素子４０１に概ね対向する位置に形成されている。インクは、流路３００内を共通液室１１２から吐出口１００に向かって流れる。
【００１７】
このインクジェット記録ヘッド１０１は、素子基板１１０上に複数の発熱素子４０１および複数の流路３００を有し、複数の流路３００は、供給室５００を挟んで互いに対向する第１および第２の流路列９００を構成している。第１の流路列を構成する複数の流路３００は、それぞれの長手方向が平行になるように配列されている。同様に、第２の流路列を構成する複数の流路３００は、それぞれの長手方向が平行になるように配列されている。そして、各流路列９００内の複数の流路３００は、１２００ｄｐｉ以上（１インチ（２．５４ｃｍ）あたり１２００個以上）の密度で形成されている。従って、各流路列９００内の、隣接する各流路３００の間隔は１／１２００インチ以下（約０．０２１ｍｍ以下）である。また、第２の流路列の各流路３００と、第１の流路列の各流路３００とは、ドット配置の理由から、必要に応じて、千鳥状に（両流路列９００の各流路３００が互い違いになるように）配列される場合もある。
【００１８】
このようなインクジェット記録ヘッド１０１は、例えば特許文献３，４に開示されたインクジェット記録方法を実施して、インク吐出時に発生する気泡が吐出口１００を介して外気に連通する構成のものもある。
【００１９】
このような基本構造を有する本発明のインクジェット記録ヘッド１０１の詳細な構造について、具体的な実施形態を挙げて以下に説明する。
【００２０】
［第１の実施形態］
図２〜６を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図２は、本実施形態のインクジェット記録ヘッド１０１の流路周辺を拡大した平面図である。本実施形態における各部分の寸法を以下に示す。
【００２１】
本実施形態のインクジェット記録ヘッド１０１の第１および第２の流路列９００内の各流路３００の配列ピッチＰは２１μｍであり、１２００ｄｐｉの高密度配列を実現している。その結果、各流路３００の幅Ｗｎは１２．８μｍであり、非常に狭い。また、この流路３００から吐出口１００を介して吐出する１回あたりの吐出液滴量は２．８ｎｇである。そのため、吐出口１００は、流路３００の幅Ｗｎの制約および有効面積の確保との兼ね合いから、幅Ｗｏが８μｍ、長さＬｏが１６μｍであり、短辺と長辺の比、すなわち縦横比（アスペクト比）が２．０（＝１６／８）の長円形である。ただし、吐出口１００の平面形状は長円形に限られず、楕円形や矩形などであってもよい。
【００２２】
発熱素子４０１は、吐出口１００と同様に流路３００の幅Ｗｎの制約および有効面積の確保との兼ね合いから、幅Ｗｈが１０．６μｍ、長さＬｈが３４．４μｍであり、短辺と長辺の比、すなわち縦横比が３．２（＝３４．４／１０．６）の細長い長方形状である。発熱素子４０１の長手方向は流路３００の延在方向に沿っている。
【００２３】
そして、本実施形態では、吐出口からインクが吐出される方向から見て、吐出口１００の中心が発熱素子４０１の中心に対してインクの流れ方向（共通液室１１２から吐出口１００に向かう方向）にずれて配置されている。流路３００の、発熱素子４０１の中心から下流側（吐出口１００側）の長さＬｎ1は２２．５μｍであり、上流側（共通液室１１２側）の長さＬｎ2は３９．６μｍである。
【００２４】
また、本実施形態では、共通液室１１２内に、流路３００同士の間の位置にそれぞれ対応する円柱状の部材である複数のノズルフィルタ１０２が設けられている。本実施形態のノズルフィルタ１０２の直径ｃは１３μｍである。そして、発熱素子４０１の中心からノズルフィルタ１０２までの距離Ｌｎfは５７．０μｍである。
【００２５】
インク供給口５００の中心から、共通液室１１２に連通する端部までの距離ａは５６μｍである。インク供給口５００の中心から発熱素子４０１の中心までの距離ｂは１３７．５μｍである。発熱素子４０１の中心から吐出口１００の中心までの距離ｄ、すなわち発熱素子４０１の中心と吐出口１００の中心の位置ずれ量ｄは、１２μｍである。この位置ずれ量ｄは、吐出口１００が、インクの流れ方向の下流側（吐出口側）において発熱素子４０１の端部を越えて存在するように設定されている。
【００２６】
このような配置にすることにより、本発明では、発熱素子４０１が、縦横比が３を超えるような細長い形状であっても、発熱素子４０１の上面におけるキャビテーションおよびそれに伴う発熱素子４０１の損傷を抑制している。その原理について以下に説明する。
【００２７】
図３（ａ）〜３（ｈ）は、本実施形態における液体吐出方法を時系列的に説明するための図であり、図２のＢ−Ｂ線の位置で切断した断面図である。
【００２８】
まず、図示しない配線および電極を介して発熱素子４０１を駆動して発熱させる。発熱素子の発熱により、インク（吐出用の液体）１２５が加熱されて発泡する。そして、図３（ａ）に示すように、加熱されて液体中（インク中）に発生した気泡１２０が成長し、その発泡圧によってインク１２５の一部が吐出口１００から突出する（インク１２５の先端部分は図示省略している）。このように気泡１２０の体積が一旦増大して最大体積に到達した後は、図３（ｂ）に示すように気泡１２０が縮小し、それに伴って、吐出口１００内に位置するインクのメニスカス１２３が後退して流路３００の内部に侵入する。
【００２９】
本実施形態では、発熱素子４０１の中心は吐出口１００の中心（重心）よりも、インクの流れ方向において上流側に位置している。従って、図３（ｂ），３（ｃ）に示すように、気泡１２０の縮小過程（収縮中）において、メニスカス１２３は、発熱素子４０１の表面上の気泡１２０に近い側（上流側）に大きく、気泡１２０から遠い側（下流側）に小さくなるように偏りながら後退する。その結果、図３（ｃ）に示すように、吐出液滴１２５の後端部（尾）は、発熱素子４０１の表面上の気泡１２０から遠ざかる方向に曲がる。この吐出液滴の尾には、液滴吐出方向（発熱素子４０１および吐出口１００に垂直な方向）に対して直交する運動成分が与えられる。従って、吐出液滴１２５の尾が、流路内に残留するインクと分離する切断ポイント６００は、図３（ｃ）に示すように、発熱素子４０１の表面上の気泡１２０から遠い側に偏った位置になる。そして、尾が分離した吐出液滴１２５ａは、吐出口１００から、外部の被記録媒体（不図示）に向かって吐出する。この時、流路３００の内部で、吐出液滴１２ａの尾が分離する際に発生する微小なミストは、吐出液滴１２５ａの尾が曲がったのと同様に、液滴吐出方向に対して直交する運動成分を受ける。このような運動成分を受けたミストは、流路３００の内壁にぶつかり、吐出口１００から外部に向かって飛散することが抑制される。
【００３０】
また、本実施形態では、前記したように、吐出口１００が発熱素子４０１に対して、インクの流れ方向において下流側にずらして配置されているため、吐出口１００の近傍で気泡１２０が分断されることが抑制される。つまり図３（ｂ），３（ｃ）に示すように、発熱素子４０１の表面上の気泡１２０は、分断されるのではなく、吐出口１００の近傍から共通液室１１２側に向かって順次つぶれていく。その後、図３（ｄ），３（ｅ）に示されているように、メニスカス１２３が共通液室側１１２側に向かってさらに後退するとともに、発熱素子４０１の表面上の気泡１２０が縮小する。そして、図３（ｆ）に示されているように、気泡１２０が消泡する前、すなわち気泡１２０の縮小中に、メニスカス１２３が気泡１２０に到達して、メニスカス１２３と気泡１２０が泡連通ポイント６０１においてつながる。その結果、気泡１２０は外気に開放され、気泡の内圧が外気圧と一致するようになる。
【００３１】
本発明では、平面的に（吐出口よりインクが吐出される方向から）見て、吐出口１００と発熱素子４０１が部分的に重なる（吐出口１００の上流側の一部が発熱素子４０１の下流側端部と重なる）ように、吐出口１００と発熱素子４０１の位置をずらしている。それによって、泡連通ポイント６０１が、発熱素子４０１の上流側端部付近、すなわち流路３００内の、吐出口１００から離れた位置に生じる。メニスカス１２３がこの泡連通ポイント６０１に到達するのは、吐出液滴１２５ａが、流路３００内部に残留するインク１２５と分離した後である。従って、気泡１２０が外気に連通して、気泡の内圧が外気圧と一致するのは、吐出液滴１２５ａが、流路３００内部に残留するインク１２５と分離した後のタイミングである。一般に気泡が外気（大気）に連通する現象は、吐出のイベントごとに乱れ、バラツキが大きくなる。そのため、仮に、流路３００内部に残留するインク１２５と分離する前にメニスカス１２３が気泡に連通する場合、吐出液滴１２５ａの尾引きは、気泡が大気連通する際のバラツキの影響を受けてしまい、イベントごとの尾の乱れにつながってしまう。このように、吐出液滴１２５ａが、流路３００内部に残留するインク１２５と分離する前、またはそれに近いタイミングで、気泡１２０が外気に連通して気泡の内圧が外気圧と一致する場合に比べて、本発明の構成によれば吐出液滴１２５ａの尾の乱れが抑制される。その結果、吐出液滴１２５ａの尾が、流路３００内部に残留するインク１２５と分離する際に発生するミストの量が極めて少なくなる。さらに、泡連通ポイント６０１にて気泡１２０が外気と連通する際に発生する可能性がある微小なミストは、その発生位置が、流路３００内の、吐出口１００から離れた発熱素子の中心（重心）よりも上流側の位置である。従って、ミストが吐出口１００から外部に流れ出す可能性が極めて低い。
【００３２】
メニスカス１２３と気泡１２０が泡連通ポイント６０１においてつながった後は、図３（ｇ）〜３（ｉ）に示されているように、毛管力によって共通液室１１２から流路３００内にインク１２５が再充填され、吐出口１００内に再びメニスカス１２３が生じる。
【００３３】
このような液体吐出方法を実現するためには、発熱素子４０１の中心と吐出口１００の中心との位置ずれ量ｄ（図２）が重要なパラメータとなる。本出願人は、この位置ずれ量ｄが液体吐出方法に及ぼす影響を確認するための実験を行った。この実験内容について、図４〜６を参照して説明する。図４（ａ）〜４（ｉ）は、様々な位置ずれ量ｄを有する複数の液体吐出ヘッド１０１の試作品の流路３００をそれぞれ示す模式的上面図である。図４（ａ）〜（ｉ）に示すように、これらの液体吐出ヘッド１０１の位置ずれ量ｄは０μｍから２５μｍまでの範囲である。位置ずれ量ｄが１０μｍ〜２２．５μｍの範囲（図４（ｃ）〜４（ｈ））では、インクが吐出される方向から見て、吐出口１００が発熱素子４０１の下流側端部と重なっている。図４（ａ）〜（ｉ）に示す構成を有する液体吐出ヘッド１０１における液体吐出時の、流路３００内の上流側のキャビテーションの有無と、下流側のキャビテーションの有無と、吐出耐久試験における発熱素子４０１の損傷の有無を確認した。その結果を表１に示す。なお、位置ずれ量ｄは、吐出口１００の中心（重心）が発熱素子４０１の中心（重心）から下流側に離れている距離を表している。図４（ａ）〜（ｆ）では省略しているが、単位はμｍである。表１では、キャビテーションの発生防止の程度と発熱素子４０１の耐久性（損傷防止の程度）をそれぞれ、◎：良い（余裕あり）、○：良い、×：悪い（損傷あり）の３段階で表している。
【００３４】
【表１】
【００３５】
表１を見ると、吐出方向から見て吐出口１００全体が発熱素子４０１に完全に重なり、発熱素子４０１の下流側端部が吐出口１００の外側に位置している、位置ずれ量ｄが５μｍ以下の場合には、発熱素子の下流側にキャビテーションが発生した。その結果、発熱素子４０１の損傷が生じ、耐久性が悪くなっている。これに対し、位置ずれ量ｄが１０μｍ以上の場合には、下流側のキャビテーションが発生しなかった。これは、先に説明したように、気泡１２０が吐出口１００の近傍で分断されることなく、吐出口１００の近傍から共通液室１１２側に向かって順次つぶれていったからである（図３（ｂ）〜３（ｅ）参照）。
【００３６】
一方、吐出口１００の中心が発熱素子４０１の中心から大幅に離れている、位置ずれ量ｄが２０μｍ以上の場合には、発熱素子の上流側にキャビテーションが発生した。その結果、発熱素子４０１の損傷が生じ、耐久性が悪くなっている。これは、吐出口１００が発熱素子４０１の中心から遠過ぎたため、図３（ｆ）に示すように後退したメニスカス１２３が気泡１２０に到達することなく、つまり、気泡１２０がメニスカス１２３とつながらずに消泡してキャビテーションが生じたからである。これに対し、吐出口１００の中心が発熱素子４０１の端部と一致する、位置ずれ量ｄが１７．２μｍの場合、およびそれ以下の場合には、上流側のキャビテーションが発生しなかった。
【００３７】
このような現象についてさらに詳しく説明する。吐出口１００の中心と発熱素子４０１の中心とが一致または近接している場合（位置ずれ量ｄが０μｍ以上かつ１０μｍ未満の場合）の、典型的な液体吐出状態を図５（ａ）〜５（ｈ）に示している。この場合、図５（ａ）〜５（ｃ）に示すように、気泡１２０が成長して吐出液滴１２５ａが吐出口１００から外部に吐出される際に、発熱素子４０１の表面上で気泡１２０が分断される。分断された気泡１２０のうちの一方（上流側の気泡）は、後退してきたメニスカス１２３とつながる可能性がある。しかし、分断された気泡１２０のうちの他方（下流側の気泡）は、後退してきたメニスカス１２３とつながることなく消泡し、発熱素子４０１にキャビテーションダメージを与える（図５（ｄ）〜５（ｆ）参照）。
【００３８】
このような流路３００において、発熱素子４０１に印加する電気エネルギーを低減した場合を、図６（ａ）〜６（ｈ）に示す。この場合、発熱素子４０１の表面上で分断された気泡１２０がいずれも、後退してきたメニスカス１２３とつながることなく消泡し、発熱素子４０１にキャビテーションダメージを与える（図６（ｄ）〜６（ｆ）参照）。逆に、発熱素子４０１に印加する電気エネルギーを大きくした場合を、図７（ａ）〜７（ｅ）に示している。この場合、気泡１２０は、吐出口１００を介してメニスカス１２３とつながり外気に連通する。このような状態では、発熱素子４０１にキャビテーションダメージは発生しない。しかし、図７（ｂ）に示すように、吐出液滴１２５ａの尾がちりぢりに引きちぎられて、主滴の他に多数のサテライトやミストが発生してしまい、印字品位を低下させるとともに、周囲へのミスト汚染を発生してしまう。このように、発熱素子４０１に印加する電気エネルギーの調節によって、キャビテーションダメージの防止とミスト発生の防止とを両立することは容易ではない。
【００３９】
そこで、本発明では、吐出口１００の中心と発熱素子４０１の中心との位置ずれ量ｄを適切に選択することによって、キャビテーションダメージの防止とミスト発生の防止との両立を図っている。
【００４０】
表１に示すように、吐出口１００の中心と発熱素子４０１の中心との位置ずれ量ｄが１０μｍ以上かつ１７．２μｍ以下である液体吐出ヘッド１０１は、耐久性が良好であった。これは、吐出方向から見て、吐出口１００が発熱素子４０１に部分的に重なり、発熱素子４０１の下流側の端部が吐出口１００の内側に位置することで、下流側において気泡が分断されることを防止している結果である。この構成では、吐出口１００の中心が発熱素子４０１の内側に位置しており、吐出口１００と発熱素子４０１とがあまり遠くに離れ過ぎず、後退したメニスカス１２３が、縮小した気泡１２０に到達してつながることが可能である。その結果、気泡１２０の内圧が外気圧に一致して、キャビテーションの原因とならないことが、表１に示されている。吐出口１００の中心と発熱素子４０１の中心との位置ずれ量ｄが１０μｍ以上かつ１７．２μｍ以下であると、上流側でも下流側でもキャビテーションが発生せず、発熱素子４０１の断線等の問題が発生しないことが確認された。
【００４１】
なお、図８に示すように、吐出口１００の中心と発熱素子４０１の中心との位置ずれ量ｄが大きいほど、発熱素子４０１と吐出口１００との間の流路抵抗が大きくなるため、エネルギー効率が低下し、液滴の吐出速度が低下する。そのため、エネルギー効率の低下を抑えつつ、前記したようにキャビテーションダメージが発生しない構成が好ましい。表１および図８に示されている実験結果を考慮すると、吐出口１００の中心と発熱素子４０１の中心との位置ずれ量ｄが１２μｍである場合が特に好ましい。
【００４２】
また、この好ましい構成（位置ずれ量ｄが１２μｍ）の液体吐出ヘッド１０１と、位置ずれ量ｄが３μｍの液体吐出ヘッド１０１の液体吐出実験を行った。具体的には、各液体吐出ヘッド１０１の温度を変えながら液体吐出を行った時の、流路３００の周囲に浮遊するミストの体積を測定した結果を、図９（ａ）に示している。そして、発泡エネルギーを変えて液滴吐出量を変えながら液体吐出を行った時の、流路３００の周囲に浮遊するミストの体積を測定した結果を、図９（ｂ）に示している。
【００４３】
図９（ａ），９（ｂ）に示すように、今回実験した両方の液体吐出ヘッド１０１において、液体吐出ヘッド１０１の温度が高いほど、また、液体吐出量が大きいほど、ミストが増大する傾向がある。しかし、ミストの発生量（体積）は、位置ずれ量ｄが１２μｍの液体吐出ヘッド１０１の方が、位置ずれ量ｄが３μｍの液体吐出ヘッド１０１に比べて大幅に小さい。これは、適切な位置ずれ量ｄが設定されていると、メニスカス１２３が偏って形成され、吐出液滴１２５ａの尾が曲がって形成されるとともに、液滴の分離時に発生するミストも吐出液滴１２５の尾が曲がるのと同じ方向の運動成分を受けるからである。このような運動成分を受けたミストは、吐出口１００へは向かわずに流路３００の内壁にぶつかるため、吐出口１００から外部に向かって飛散することがない。また、後退したメニスカス１２３と縮小した気泡１２５とがつながる泡連通ポイント６０１が、流路３００内の、吐出口１００から離れた位置に生じる。従って、吐出液滴１２５ａが流路３００内部に残留するインクと分離した後に、メニスカス１２３が気泡１２０とつながって、気泡の内圧が外気圧と一致する。その結果、吐出液滴１２５ａが尾を引く状態が乱れにくくなる。また、泡連通ポイント６０１においてミストが発生しても、その発生位置が、流路３００内の、吐出口１００から離れた位置であるため、ミストが吐出口１００から外部に飛散する可能性は低い。
【００４４】
このように、本発明によると、液体吐出ヘッドにおけるキャビテーションダメージの防止と、ミストやサテライトの抑制とを両立することができる。例えば１．５ｐｌ以上の液滴を吐出するために発熱素子４０１が縦横比２．５以上の細長い形状に形成される場合でもこのような効果を得ることができ、さらに縦横比３以上の細長い形状に形成される場合であっても有効であり、非常に効果的である。
【００４５】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について、図１０（ａ），１０（ｂ）を参照して説明する。
【００４６】
前記した第１の実施形態では、共通液室１１２の両側にそれぞれ列を成して位置する吐出口１００および発熱素子４０１が、一直線上に並んで配列されている。これに対し、第２の実施形態では、各々の列内の吐出口１００および発熱素子４０１が、千鳥状に配置されている。さらに、吐出口１００は円形であり、相対的に流路が長い側の吐出口１００は、外部に向かって先細のテーパー形状に形成されている。その他の構成については、第１の実施形態と同様である。
【００４７】
本実施形態では、吐出口１００が千鳥状に配置されているため、長い流路３００と短い流路３００とが混在する。そして、記録品位の観点から、長い流路３００からは１ｎｇの液滴を吐出し、短い流路３００からは２ｎｇの液滴を吐出するように設定している。そして、吐出量が１ｎｇである長い流路３００には、吐出の効率を上げるために、テーパー形状の吐出口１０が設けられている。
【００４８】
図１０（ｂ）は、平面図である図１０（ａ）のＣ−Ｃ線で切断した断面図である。第１の実施形態と同様に吐出口１００の中心と発熱素子４０１の中心との位置ずれ量ｄを適切に設定することは、吐出口１００が千鳥状に配置されて流路３００の長さが一定である構成でも、特に、発熱素子の縦横比が大きい場合に効果的である。なお、吐出口１００がテーパー形状である場合には、吐出口１００の直径が大きい部分（吐出口の発熱素子側の開口）において、その直径が発熱素子４０１の下流側端部と交わるように配置されることが、下流側における気泡の分断を防ぐために有効である。
【符号の説明】
【００４９】
１００ 吐出口
１０１ 液体吐出ヘッド
１２０ 気泡
１２３ メニスカス
１２５ 吐出用の液体（インク）
１２５ａ 吐出液滴
３００ 流路（ノズル）
４０１ 発熱素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を吐出するための液体吐出ヘッド、特に、インクを吐出して記録媒体に記録を行うインクジェットヘッドと、液体吐出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録装置における液体吐出方法として、発熱素子を用いてインクを吐出する方法が広く用いられている。これは、インクが供給される流路（ノズル）内に配置された発熱素子により熱エネルギーを発生させ、発熱素子の周囲のインクを膜沸騰させて気泡を発生させ、発泡圧力によりインクに運動エネルギーを付与して吐出口から被記録媒体に向けて吐出する方法である。この方法では、発熱素子上に発生した気泡がそのまま消泡することによって発生するキャビテーションにより、発熱素子に損傷を与えるという問題がある。
【０００３】
特許文献１に、キャビテーションによる発熱素子の損傷を抑制できる液体吐出ヘッドおよび液体吐出方法が開示されている。この液体吐出ヘッドでは、吐出口が発熱素子の表面に対向して配置されており、吐出口の中心が発熱素子の中心に対してインクの流れ方向の上流側または下流側にずらして配置されている。それにより、液滴吐出時に、気泡が分断され難い部位で気泡と大気とが連通するため、気泡がインク流れ方向の上流側の部分と下流側の部分とに分断されることが抑制される。その結果、気泡が分断されて流路内に残ることを防ぐことができ、通常はインクの流れ方向の下流側で発生しやすいキャビテーションおよびそれに伴う発熱素子の損傷を抑えることができる。この技術は、縦横比が概ね１程度である比較的正方形に近い発熱素子を有する液体吐出ヘッドにおいて特に有効である。
【０００４】
また、特許文献２には、インクジェット記録のさらなる高密度化の要望から、吐出口および流路を、１２００ｄｐｉ（１インチ（２．５４ｃｍ）あたり１２００個）以上の高密度に配置する技術が開示されている。具体的には、特許文献１では、複数の吐出口および流路が１２００ｄｐｉの密度で１列に配置されている。
【０００５】
特許文献３，４には、インクジェット記録装置においてインクを吐出する方法の例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，１５２，９５１号明細書
【特許文献２】特開２００８−２３８４０１号公報
【特許文献３】特開平４−１０９４０号公報
【特許文献４】特開平４−１０９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に開示されているように１２００ｄｐｉ以上の高密度に吐出口および流路を配置し、１．５ｐｌ以上の液滴を吐出しようとすると、流路を細長く形成する必要がある。従って、特許文献１に記載の発明とは異なり、流路の形状に合わせた縦横比の大きな（細長い）発熱素子を使用せざるを得ない。具体的には、発熱素子の縦横比は２．５以上（縦の長さが横の長さの２．５倍以上）が必要となる。その結果、特許文献１の図１２に示されているような、キャビテーションによる発熱素子の損傷が起こり得る。
【０００８】
本発明の目的は、キャビテーションとそれに伴う発熱素子の損傷を防ぐとともに、従来の液体吐出ヘッドの一般的な課題である、液滴を吐出口から吐出する際の微小なミストの発生を抑制することができる液体吐出ヘッドおよび液体吐出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、液体を吐出する吐出口と、液体を供給する液体供給口から吐出口へ液体を供給するための流路と、短辺と長辺の比が２．５以上の矩形で、その長手方向が流路の延在方向に沿って配置されている、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発熱素子と、を備える液体吐出ヘッドに関する。そして、吐出口から液体が吐出される方向から見て、発熱素子の、流路内の液体の流れ方向における下流側の端部が、吐出口の下流側の端部と上流側の端部との間に位置することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、高密度に配列された流路において、キャビテーションとそれに伴う発熱素子の損傷を抑えるとともに、液体吐出時のミストの発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の液体吐出ヘッドの要部の一部切欠斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドの要部の拡大平面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の液体吐出方法を順番に示す断面図である。
【図４】位置ずれ量を変えて実験した液体吐出ヘッドの要部を示す平面図である。
【図５】本発明の比較例の液体吐出ヘッドの液体吐出方法を順番に示す断面図である。
【図６】本発明の比較例の液体吐出ヘッドの液体吐出方法を順番に示す断面図である。
【図７】本発明の比較例の液体吐出ヘッドの液体吐出方法を順番に示す断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態の液体吐出方法において、位置ずれ量と吐出速度の関係を示すグラフである。
【図９】（ａ）は液体吐出ヘッドの温度とミストの体積との関係を示すグラフ、（ｂ）は液滴吐出量とミストの体積との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の第２の実施形態の液体吐出ヘッドの要部の拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
まず、本発明の液体吐出ヘッドの一例であるインクジェット記録ヘッド１０１の全体構成について述べる。図１は、このインクジェット記録ヘッド１０１の要部の一部切欠斜視図である。このインクジェット記録ヘッド１０１は、複数の発熱素子（ヒータ）４０１が配設された素子基板１１０と、この素子基板１１０の主面に積層されて接合され、複数の流路３００を構成する流路形成部材１１１とを備えている。素子基板１１０には、流路形成部材１１１が接合されるのと反対側の面に、インク供給部材１５０が接合されている。
【００１４】
素子基板１１０は、例えばガラス、セラミックス、樹脂、金属等によって形成されていてよいが、特にＳｉによって形成されるのが一般的である。素子基板１１０の主面上には、各流路３００毎に、発熱素子４０１と、発熱素子４０１に電圧を印加する電極（図示せず）と、この電極に接続された配線（図示せず）とが、所定の配線パターンでそれぞれ設けられている。発熱素子４０１は、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ものである。また、素子基板１１０の主面には、蓄熱の発散性を向上させる絶縁膜（図示せず）が、発熱素子４０１を被覆するように設けられている。さらに、素子基板１１０の主面には、気泡が消泡した際に生じるキャビテーションから保護するための保護膜（図示せず）が、絶縁膜を被覆するように設けられている。
【００１５】
インク供給部材１５０は、図示しないインクタンク等から素子基板１１０に吐出用の液体であるインクを供給するためのインク供給口（「液体供給口」、「供給室」ともいう）５００を有している。
【００１６】
流路形成部材１１１は、図２に示すように、インクが供給される複数の流路（ノズル）３００と、流路３００の先端に位置して外部に開口している複数の吐出口１００と、各流路３００とインク供給口５００とをつなぐ共通液室１１２とを有している。吐出口１００は、インク素子基板１１０上の発熱素子４０１に概ね対向する位置に形成されている。インクは、流路３００内を共通液室１１２から吐出口１００に向かって流れる。
【００１７】
このインクジェット記録ヘッド１０１は、素子基板１１０上に複数の発熱素子４０１および複数の流路３００を有し、複数の流路３００は、供給室５００を挟んで互いに対向する第１および第２の流路列９００を構成している。第１の流路列を構成する複数の流路３００は、それぞれの長手方向が平行になるように配列されている。同様に、第２の流路列を構成する複数の流路３００は、それぞれの長手方向が平行になるように配列されている。そして、各流路列９００内の複数の流路３００は、１２００ｄｐｉ以上（１インチ（２．５４ｃｍ）あたり１２００個以上）の密度で形成されている。従って、各流路列９００内の、隣接する各流路３００の間隔は１／１２００インチ以下（約０．０２１ｍｍ以下）である。また、第２の流路列の各流路３００と、第１の流路列の各流路３００とは、ドット配置の理由から、必要に応じて、千鳥状に（両流路列９００の各流路３００が互い違いになるように）配列される場合もある。
【００１８】
このようなインクジェット記録ヘッド１０１は、例えば特許文献３，４に開示されたインクジェット記録方法を実施して、インク吐出時に発生する気泡が吐出口１００を介して外気に連通する構成のものもある。
【００１９】
このような基本構造を有する本発明のインクジェット記録ヘッド１０１の詳細な構造について、具体的な実施形態を挙げて以下に説明する。
【００２０】
［第１の実施形態］
図２〜６を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図２は、本実施形態のインクジェット記録ヘッド１０１の流路周辺を拡大した平面図である。本実施形態における各部分の寸法を以下に示す。
【００２１】
本実施形態のインクジェット記録ヘッド１０１の第１および第２の流路列９００内の各流路３００の配列ピッチＰは２１μｍであり、１２００ｄｐｉの高密度配列を実現している。その結果、各流路３００の幅Ｗｎは１２．８μｍであり、非常に狭い。また、この流路３００から吐出口１００を介して吐出する１回あたりの吐出液滴量は２．８ｎｇである。そのため、吐出口１００は、流路３００の幅Ｗｎの制約および有効面積の確保との兼ね合いから、幅Ｗｏが８μｍ、長さＬｏが１６μｍであり、短辺と長辺の比、すなわち縦横比（アスペクト比）が２．０（＝１６／８）の長円形である。ただし、吐出口１００の平面形状は長円形に限られず、楕円形や矩形などであってもよい。
【００２２】
発熱素子４０１は、吐出口１００と同様に流路３００の幅Ｗｎの制約および有効面積の確保との兼ね合いから、幅Ｗｈが１０．６μｍ、長さＬｈが３４．４μｍであり、短辺と長辺の比、すなわち縦横比が３．２（＝３４．４／１０．６）の細長い長方形状である。発熱素子４０１の長手方向は流路３００の延在方向に沿っている。
【００２３】
そして、本実施形態では、吐出口からインクが吐出される方向から見て、吐出口１００の中心が発熱素子４０１の中心に対してインクの流れ方向（共通液室１１２から吐出口１００に向かう方向）にずれて配置されている。流路３００の、発熱素子４０１の中心から下流側（吐出口１００側）の長さＬｎ1は２２．５μｍであり、上流側（共通液室１１２側）の長さＬｎ2は３９．６μｍである。
【００２４】
また、本実施形態では、共通液室１１２内に、流路３００同士の間の位置にそれぞれ対応する円柱状の部材である複数のノズルフィルタ１０２が設けられている。本実施形態のノズルフィルタ１０２の直径ｃは１３μｍである。そして、発熱素子４０１の中心からノズルフィルタ１０２までの距離Ｌｎfは５７．０μｍである。
【００２５】
インク供給口５００の中心から、共通液室１１２に連通する端部までの距離ａは５６μｍである。インク供給口５００の中心から発熱素子４０１の中心までの距離ｂは１３７．５μｍである。発熱素子４０１の中心から吐出口１００の中心までの距離ｄ、すなわち発熱素子４０１の中心と吐出口１００の中心の位置ずれ量ｄは、１２μｍである。この位置ずれ量ｄは、吐出口１００が、インクの流れ方向の下流側（吐出口側）において発熱素子４０１の端部を越えて存在するように設定されている。
【００２６】
このような配置にすることにより、本発明では、発熱素子４０１が、縦横比が３を超えるような細長い形状であっても、発熱素子４０１の上面におけるキャビテーションおよびそれに伴う発熱素子４０１の損傷を抑制している。その原理について以下に説明する。
【００２７】
図３（ａ）〜３（ｈ）は、本実施形態における液体吐出方法を時系列的に説明するための図であり、図２のＢ−Ｂ線の位置で切断した断面図である。
【００２８】
まず、図示しない配線および電極を介して発熱素子４０１を駆動して発熱させる。発熱素子の発熱により、インク（吐出用の液体）１２５が加熱されて発泡する。そして、図３（ａ）に示すように、加熱されて液体中（インク中）に発生した気泡１２０が成長し、その発泡圧によってインク１２５の一部が吐出口１００から突出する（インク１２５の先端部分は図示省略している）。このように気泡１２０の体積が一旦増大して最大体積に到達した後は、図３（ｂ）に示すように気泡１２０が縮小し、それに伴って、吐出口１００内に位置するインクのメニスカス１２３が後退して流路３００の内部に侵入する。
【００２９】
本実施形態では、発熱素子４０１の中心は吐出口１００の中心（重心）よりも、インクの流れ方向において上流側に位置している。従って、図３（ｂ），３（ｃ）に示すように、気泡１２０の縮小過程（収縮中）において、メニスカス１２３は、発熱素子４０１の表面上の気泡１２０に近い側（上流側）に大きく、気泡１２０から遠い側（下流側）に小さくなるように偏りながら後退する。その結果、図３（ｃ）に示すように、吐出液滴１２５の後端部（尾）は、発熱素子４０１の表面上の気泡１２０から遠ざかる方向に曲がる。この吐出液滴の尾には、液滴吐出方向（発熱素子４０１および吐出口１００に垂直な方向）に対して直交する運動成分が与えられる。従って、吐出液滴１２５の尾が、流路内に残留するインクと分離する切断ポイント６００は、図３（ｃ）に示すように、発熱素子４０１の表面上の気泡１２０から遠い側に偏った位置になる。そして、尾が分離した吐出液滴１２５ａは、吐出口１００から、外部の被記録媒体（不図示）に向かって吐出する。この時、流路３００の内部で、吐出液滴１２ａの尾が分離する際に発生する微小なミストは、吐出液滴１２５ａの尾が曲がったのと同様に、液滴吐出方向に対して直交する運動成分を受ける。このような運動成分を受けたミストは、流路３００の内壁にぶつかり、吐出口１００から外部に向かって飛散することが抑制される。
【００３０】
また、本実施形態では、前記したように、吐出口１００が発熱素子４０１に対して、インクの流れ方向において下流側にずらして配置されているため、吐出口１００の近傍で気泡１２０が分断されることが抑制される。つまり図３（ｂ），３（ｃ）に示すように、発熱素子４０１の表面上の気泡１２０は、分断されるのではなく、吐出口１００の近傍から共通液室１１２側に向かって順次つぶれていく。その後、図３（ｄ），３（ｅ）に示されているように、メニスカス１２３が共通液室側１１２側に向かってさらに後退するとともに、発熱素子４０１の表面上の気泡１２０が縮小する。そして、図３（ｆ）に示されているように、気泡１２０が消泡する前、すなわち気泡１２０の縮小中に、メニスカス１２３が気泡１２０に到達して、メニスカス１２３と気泡１２０が泡連通ポイント６０１においてつながる。その結果、気泡１２０は外気に開放され、気泡の内圧が外気圧と一致するようになる。
【００３１】
本発明では、平面的に（吐出口よりインクが吐出される方向から）見て、吐出口１００と発熱素子４０１が部分的に重なる（吐出口１００の上流側の一部が発熱素子４０１の下流側端部と重なる）ように、吐出口１００と発熱素子４０１の位置をずらしている。それによって、泡連通ポイント６０１が、発熱素子４０１の上流側端部付近、すなわち流路３００内の、吐出口１００から離れた位置に生じる。メニスカス１２３がこの泡連通ポイント６０１に到達するのは、吐出液滴１２５ａが、流路３００内部に残留するインク１２５と分離した後である。従って、気泡１２０が外気に連通して、気泡の内圧が外気圧と一致するのは、吐出液滴１２５ａが、流路３００内部に残留するインク１２５と分離した後のタイミングである。一般に気泡が外気（大気）に連通する現象は、吐出のイベントごとに乱れ、バラツキが大きくなる。そのため、仮に、流路３００内部に残留するインク１２５と分離する前にメニスカス１２３が気泡に連通する場合、吐出液滴１２５ａの尾引きは、気泡が大気連通する際のバラツキの影響を受けてしまい、イベントごとの尾の乱れにつながってしまう。このように、吐出液滴１２５ａが、流路３００内部に残留するインク１２５と分離する前、またはそれに近いタイミングで、気泡１２０が外気に連通して気泡の内圧が外気圧と一致する場合に比べて、本発明の構成によれば吐出液滴１２５ａの尾の乱れが抑制される。その結果、吐出液滴１２５ａの尾が、流路３００内部に残留するインク１２５と分離する際に発生するミストの量が極めて少なくなる。さらに、泡連通ポイント６０１にて気泡１２０が外気と連通する際に発生する可能性がある微小なミストは、その発生位置が、流路３００内の、吐出口１００から離れた発熱素子の中心（重心）よりも上流側の位置である。従って、ミストが吐出口１００から外部に流れ出す可能性が極めて低い。
【００３２】
メニスカス１２３と気泡１２０が泡連通ポイント６０１においてつながった後は、図３（ｇ）〜３（ｉ）に示されているように、毛管力によって共通液室１１２から流路３００内にインク１２５が再充填され、吐出口１００内に再びメニスカス１２３が生じる。
【００３３】
このような液体吐出方法を実現するためには、発熱素子４０１の中心と吐出口１００の中心との位置ずれ量ｄ（図２）が重要なパラメータとなる。本出願人は、この位置ずれ量ｄが液体吐出方法に及ぼす影響を確認するための実験を行った。この実験内容について、図４〜６を参照して説明する。図４（ａ）〜４（ｉ）は、様々な位置ずれ量ｄを有する複数の液体吐出ヘッド１０１の試作品の流路３００をそれぞれ示す模式的上面図である。図４（ａ）〜（ｉ）に示すように、これらの液体吐出ヘッド１０１の位置ずれ量ｄは０μｍから２５μｍまでの範囲である。位置ずれ量ｄが１０μｍ〜２２．５μｍの範囲（図４（ｃ）〜４（ｈ））では、インクが吐出される方向から見て、吐出口１００が発熱素子４０１の下流側端部と重なっている。図４（ａ）〜（ｉ）に示す構成を有する液体吐出ヘッド１０１における液体吐出時の、流路３００内の上流側のキャビテーションの有無と、下流側のキャビテーションの有無と、吐出耐久試験における発熱素子４０１の損傷の有無を確認した。その結果を表１に示す。なお、位置ずれ量ｄは、吐出口１００の中心（重心）が発熱素子４０１の中心（重心）から下流側に離れている距離を表している。図４（ａ）〜（ｆ）では省略しているが、単位はμｍである。表１では、キャビテーションの発生防止の程度と発熱素子４０１の耐久性（損傷防止の程度）をそれぞれ、◎：良い（余裕あり）、○：良い、×：悪い（損傷あり）の３段階で表している。
【００３４】
【表１】
【００３５】
表１を見ると、吐出方向から見て吐出口１００全体が発熱素子４０１に完全に重なり、発熱素子４０１の下流側端部が吐出口１００の外側に位置している、位置ずれ量ｄが５μｍ以下の場合には、発熱素子の下流側にキャビテーションが発生した。その結果、発熱素子４０１の損傷が生じ、耐久性が悪くなっている。これに対し、位置ずれ量ｄが１０μｍ以上の場合には、下流側のキャビテーションが発生しなかった。これは、先に説明したように、気泡１２０が吐出口１００の近傍で分断されることなく、吐出口１００の近傍から共通液室１１２側に向かって順次つぶれていったからである（図３（ｂ）〜３（ｅ）参照）。
【００３６】
一方、吐出口１００の中心が発熱素子４０１の中心から大幅に離れている、位置ずれ量ｄが２０μｍ以上の場合には、発熱素子の上流側にキャビテーションが発生した。その結果、発熱素子４０１の損傷が生じ、耐久性が悪くなっている。これは、吐出口１００が発熱素子４０１の中心から遠過ぎたため、図３（ｆ）に示すように後退したメニスカス１２３が気泡１２０に到達することなく、つまり、気泡１２０がメニスカス１２３とつながらずに消泡してキャビテーションが生じたからである。これに対し、吐出口１００の中心が発熱素子４０１の端部と一致する、位置ずれ量ｄが１７．２μｍの場合、およびそれ以下の場合には、上流側のキャビテーションが発生しなかった。
【００３７】
このような現象についてさらに詳しく説明する。吐出口１００の中心と発熱素子４０１の中心とが一致または近接している場合（位置ずれ量ｄが０μｍ以上かつ１０μｍ未満の場合）の、典型的な液体吐出状態を図５（ａ）〜５（ｈ）に示している。この場合、図５（ａ）〜５（ｃ）に示すように、気泡１２０が成長して吐出液滴１２５ａが吐出口１００から外部に吐出される際に、発熱素子４０１の表面上で気泡１２０が分断される。分断された気泡１２０のうちの一方（上流側の気泡）は、後退してきたメニスカス１２３とつながる可能性がある。しかし、分断された気泡１２０のうちの他方（下流側の気泡）は、後退してきたメニスカス１２３とつながることなく消泡し、発熱素子４０１にキャビテーションダメージを与える（図５（ｄ）〜５（ｆ）参照）。
【００３８】
このような流路３００において、発熱素子４０１に印加する電気エネルギーを低減した場合を、図６（ａ）〜６（ｈ）に示す。この場合、発熱素子４０１の表面上で分断された気泡１２０がいずれも、後退してきたメニスカス１２３とつながることなく消泡し、発熱素子４０１にキャビテーションダメージを与える（図６（ｄ）〜６（ｆ）参照）。逆に、発熱素子４０１に印加する電気エネルギーを大きくした場合を、図７（ａ）〜７（ｅ）に示している。この場合、気泡１２０は、吐出口１００を介してメニスカス１２３とつながり外気に連通する。このような状態では、発熱素子４０１にキャビテーションダメージは発生しない。しかし、図７（ｂ）に示すように、吐出液滴１２５ａの尾がちりぢりに引きちぎられて、主滴の他に多数のサテライトやミストが発生してしまい、印字品位を低下させるとともに、周囲へのミスト汚染を発生してしまう。このように、発熱素子４０１に印加する電気エネルギーの調節によって、キャビテーションダメージの防止とミスト発生の防止とを両立することは容易ではない。
【００３９】
そこで、本発明では、吐出口１００の中心と発熱素子４０１の中心との位置ずれ量ｄを適切に選択することによって、キャビテーションダメージの防止とミスト発生の防止との両立を図っている。
【００４０】
表１に示すように、吐出口１００の中心と発熱素子４０１の中心との位置ずれ量ｄが１０μｍ以上かつ１７．２μｍ以下である液体吐出ヘッド１０１は、耐久性が良好であった。これは、吐出方向から見て、吐出口１００が発熱素子４０１に部分的に重なり、発熱素子４０１の下流側の端部が吐出口１００の内側に位置することで、下流側において気泡が分断されることを防止している結果である。この構成では、吐出口１００の中心が発熱素子４０１の内側に位置しており、吐出口１００と発熱素子４０１とがあまり遠くに離れ過ぎず、後退したメニスカス１２３が、縮小した気泡１２０に到達してつながることが可能である。その結果、気泡１２０の内圧が外気圧に一致して、キャビテーションの原因とならないことが、表１に示されている。吐出口１００の中心と発熱素子４０１の中心との位置ずれ量ｄが１０μｍ以上かつ１７．２μｍ以下であると、上流側でも下流側でもキャビテーションが発生せず、発熱素子４０１の断線等の問題が発生しないことが確認された。
【００４１】
なお、図８に示すように、吐出口１００の中心と発熱素子４０１の中心との位置ずれ量ｄが大きいほど、発熱素子４０１と吐出口１００との間の流路抵抗が大きくなるため、エネルギー効率が低下し、液滴の吐出速度が低下する。そのため、エネルギー効率の低下を抑えつつ、前記したようにキャビテーションダメージが発生しない構成が好ましい。表１および図８に示されている実験結果を考慮すると、吐出口１００の中心と発熱素子４０１の中心との位置ずれ量ｄが１２μｍである場合が特に好ましい。
【００４２】
また、この好ましい構成（位置ずれ量ｄが１２μｍ）の液体吐出ヘッド１０１と、位置ずれ量ｄが３μｍの液体吐出ヘッド１０１の液体吐出実験を行った。具体的には、各液体吐出ヘッド１０１の温度を変えながら液体吐出を行った時の、流路３００の周囲に浮遊するミストの体積を測定した結果を、図９（ａ）に示している。そして、発泡エネルギーを変えて液滴吐出量を変えながら液体吐出を行った時の、流路３００の周囲に浮遊するミストの体積を測定した結果を、図９（ｂ）に示している。
【００４３】
図９（ａ），９（ｂ）に示すように、今回実験した両方の液体吐出ヘッド１０１において、液体吐出ヘッド１０１の温度が高いほど、また、液体吐出量が大きいほど、ミストが増大する傾向がある。しかし、ミストの発生量（体積）は、位置ずれ量ｄが１２μｍの液体吐出ヘッド１０１の方が、位置ずれ量ｄが３μｍの液体吐出ヘッド１０１に比べて大幅に小さい。これは、適切な位置ずれ量ｄが設定されていると、メニスカス１２３が偏って形成され、吐出液滴１２５ａの尾が曲がって形成されるとともに、液滴の分離時に発生するミストも吐出液滴１２５の尾が曲がるのと同じ方向の運動成分を受けるからである。このような運動成分を受けたミストは、吐出口１００へは向かわずに流路３００の内壁にぶつかるため、吐出口１００から外部に向かって飛散することがない。また、後退したメニスカス１２３と縮小した気泡１２５とがつながる泡連通ポイント６０１が、流路３００内の、吐出口１００から離れた位置に生じる。従って、吐出液滴１２５ａが流路３００内部に残留するインクと分離した後に、メニスカス１２３が気泡１２０とつながって、気泡の内圧が外気圧と一致する。その結果、吐出液滴１２５ａが尾を引く状態が乱れにくくなる。また、泡連通ポイント６０１においてミストが発生しても、その発生位置が、流路３００内の、吐出口１００から離れた位置であるため、ミストが吐出口１００から外部に飛散する可能性は低い。
【００４４】
このように、本発明によると、液体吐出ヘッドにおけるキャビテーションダメージの防止と、ミストやサテライトの抑制とを両立することができる。例えば１．５ｐｌ以上の液滴を吐出するために発熱素子４０１が縦横比２．５以上の細長い形状に形成される場合でもこのような効果を得ることができ、さらに縦横比３以上の細長い形状に形成される場合であっても有効であり、非常に効果的である。
【００４５】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について、図１０（ａ），１０（ｂ）を参照して説明する。
【００４６】
前記した第１の実施形態では、共通液室１１２の両側にそれぞれ列を成して位置する吐出口１００および発熱素子４０１が、一直線上に並んで配列されている。これに対し、第２の実施形態では、各々の列内の吐出口１００および発熱素子４０１が、千鳥状に配置されている。さらに、吐出口１００は円形であり、相対的に流路が長い側の吐出口１００は、外部に向かって先細のテーパー形状に形成されている。その他の構成については、第１の実施形態と同様である。
【００４７】
本実施形態では、吐出口１００が千鳥状に配置されているため、長い流路３００と短い流路３００とが混在する。そして、記録品位の観点から、長い流路３００からは１ｎｇの液滴を吐出し、短い流路３００からは２ｎｇの液滴を吐出するように設定している。そして、吐出量が１ｎｇである長い流路３００には、吐出の効率を上げるために、テーパー形状の吐出口１０が設けられている。
【００４８】
図１０（ｂ）は、平面図である図１０（ａ）のＣ−Ｃ線で切断した断面図である。第１の実施形態と同様に吐出口１００の中心と発熱素子４０１の中心との位置ずれ量ｄを適切に設定することは、吐出口１００が千鳥状に配置されて流路３００の長さが一定である構成でも、特に、発熱素子の縦横比が大きい場合に効果的である。なお、吐出口１００がテーパー形状である場合には、吐出口１００の直径が大きい部分（吐出口の発熱素子側の開口）において、その直径が発熱素子４０１の下流側端部と交わるように配置されることが、下流側における気泡の分断を防ぐために有効である。
【符号の説明】
【００４９】
１００ 吐出口
１０１ 液体吐出ヘッド
１２０ 気泡
１２３ メニスカス
１２５ 吐出用の液体（インク）
１２５ａ 吐出液滴
３００ 流路（ノズル）
４０１ 発熱素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出する吐出口と、液体を供給する液体供給口から前記吐出口へ液体を供給するための流路と、短辺と長辺の比が２．５以上の矩形で、その長手方向が前記流路の延在方向に沿って配置されている、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発熱素子と、を備える液体吐出ヘッドであって、
前記吐出口から液体が吐出される方向から見て、前記発熱素子の、前記流路内の液体の流れ方向における下流側の端部が、前記吐出口の下流側の端部と上流側の端部との間に位置することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記吐出口から液体が吐出される方向から見て、前記吐出口の中心は前記発熱素子に重なっていることを特徴とする、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記吐出口は楕円形または長円形である、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
複数の前記吐出口が、１インチ（２．５４ｃｍ）あたり１２００個以上の密度で列をなすように配置されている、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】
前記吐出口からの１回の液滴吐出量が１．５ｐｌ以上である、請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
前記発熱素子の短辺と長辺の比が３以上である、請求項１から５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項７】
液体を吐出する吐出口と、液体を供給する液体供給口から前記吐出口へ液体を供給するための流路と、短辺と長辺の比が２．５以上の矩形で、その長手方向が前記流路の延在方向に沿って配置されている、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発熱素子と、を備える液体吐出ヘッドの液体吐出方法であって、
前記発熱素子を駆動して液体中に気泡を発生させ、前記気泡が増大した後の該気泡の収縮中に、前記吐出口から前記流路の内部に侵入してきたメニスカスを、前記発熱素子の前記長手方向の中心より前記流路内の液体の流れ方向における上流側で前記気泡とを連通させて前記気泡を外気に連通させることを特徴とする液体吐出方法。
【請求項８】
前記吐出口から液体が吐出される方向から見て、前記吐出口の中心は前記発熱素子に重なっている、請求項７に記載の液体吐出方法。
【請求項９】
前記吐出口から液体が吐出される方向から見て、前記発熱素子の、前記流路内の液体の流れ方向における下流側の端部が、前記吐出口の下流側の端部と上流側の端部との間に位置する、請求項７または８に記載の液体吐出方法。
【請求項１０】
前記吐出口から外部に吐出する液滴の後端部が、前記流路の内部に残留する前記液体と分離した後に、前記気泡と外気とが連通する、請求項７から９のいずれか１項に記載の液体吐出方法。
【請求項１】
液体を吐出する吐出口と、液体を供給する液体供給口から前記吐出口へ液体を供給するための流路と、短辺と長辺の比が２．５以上の矩形で、その長手方向が前記流路の延在方向に沿って配置されている、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発熱素子と、を備える液体吐出ヘッドであって、
前記吐出口から液体が吐出される方向から見て、前記発熱素子の、前記流路内の液体の流れ方向における下流側の端部が、前記吐出口の下流側の端部と上流側の端部との間に位置することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記吐出口から液体が吐出される方向から見て、前記吐出口の中心は前記発熱素子に重なっていることを特徴とする、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記吐出口は楕円形または長円形である、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
複数の前記吐出口が、１インチ（２．５４ｃｍ）あたり１２００個以上の密度で列をなすように配置されている、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】
前記吐出口からの１回の液滴吐出量が１．５ｐｌ以上である、請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
前記発熱素子の短辺と長辺の比が３以上である、請求項１から５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項７】
液体を吐出する吐出口と、液体を供給する液体供給口から前記吐出口へ液体を供給するための流路と、短辺と長辺の比が２．５以上の矩形で、その長手方向が前記流路の延在方向に沿って配置されている、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発熱素子と、を備える液体吐出ヘッドの液体吐出方法であって、
前記発熱素子を駆動して液体中に気泡を発生させ、前記気泡が増大した後の該気泡の収縮中に、前記吐出口から前記流路の内部に侵入してきたメニスカスを、前記発熱素子の前記長手方向の中心より前記流路内の液体の流れ方向における上流側で前記気泡とを連通させて前記気泡を外気に連通させることを特徴とする液体吐出方法。
【請求項８】
前記吐出口から液体が吐出される方向から見て、前記吐出口の中心は前記発熱素子に重なっている、請求項７に記載の液体吐出方法。
【請求項９】
前記吐出口から液体が吐出される方向から見て、前記発熱素子の、前記流路内の液体の流れ方向における下流側の端部が、前記吐出口の下流側の端部と上流側の端部との間に位置する、請求項７または８に記載の液体吐出方法。
【請求項１０】
前記吐出口から外部に吐出する液滴の後端部が、前記流路の内部に残留する前記液体と分離した後に、前記気泡と外気とが連通する、請求項７から９のいずれか１項に記載の液体吐出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１７９９０２（Ｐ２０１２−１７９９０２Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２１６７８（Ｐ２０１２−２１６７８）
【出願日】平成２４年２月３日（２０１２．２．３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月３日（２０１２．２．３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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