液体吐出方法および液体吐出ヘッド
【課題】液体吐出に伴う、主滴に追随する小液滴の発生を低減する。
【解決手段】オリフィスプレート４の裏面に配置された発熱素子２から発生させた気泡６を吐出口５内に進入させる。そして、少なくともオリフィスプレート４の液体吐出面８まで気泡６の先端を到達させ、気泡６によって挟まれ吐出口５の中心部に残った柱状の液体を吐出口５の中心部へ向かう表面張力に起因する収縮力によって分断させる。
【解決手段】オリフィスプレート４の裏面に配置された発熱素子２から発生させた気泡６を吐出口５内に進入させる。そして、少なくともオリフィスプレート４の液体吐出面８まで気泡６の先端を到達させ、気泡６によって挟まれ吐出口５の中心部に残った柱状の液体を吐出口５の中心部へ向かう表面張力に起因する収縮力によって分断させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギーを利用してインクなどの液体を粒状に吐出する液体吐出方法および液体吐出装置、特に、吐出したインク滴によって記録を行うインクジェット記録方法およびインクジェット記録ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録方法としては、熱エネルギーをインクに与えることで、インクに体積変化（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する方法が知られている。吐出したインクを被記録媒体上に付着させることによって画像形成が行われる。
【０００３】
このインク吐出を行う記録ヘッドの基本的な構造の一つとして、特許文献１〜３に記載されているような構造がある。この構造は、図９に示すように、吐出口５５を有するオリフィスプレート５４の裏面（インクの流路５３側）に発熱素子５２を設けた構造であり、バックシューター構造と呼ばれている。
【０００４】
インクジェット記録方法に対しては、より高精細な画像とより高速な記録を求める市場ニーズにより、従来と比較して小さな液滴を安定して吐出することが求められている。特に、主滴の後方に発生する、主滴より更に小粒径の、いわゆるサテライトと呼ばれる液滴が、記録画像を乱す要因となる場合があるため、このサテライトの発生を抑えることが求められる場合がある。特許文献２には、吐出口を中心に実質的にドーナッツ状になるように気泡を形成し、このドーナッツ状の気泡が膨脹して吐出口の下部（インクの流路側）で合わさり、吐出されるインク液滴の尾を切ることでサテライトの発生を抑制することが開示されている。
【特許文献１】特開平０５−３３８１７２号公報
【特許文献２】特開２００１−３４７６６６号公報
【特許文献３】特開２００４−２１６９０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本発明者らが、特許文献２に開示されたノズル構造に基づいてインクを吐出させるシミュレーションを行った結果、図１０に示すようにサテライトを抑制することができなかった。図１０は、１μｓ毎の各時点でのインクの吐出状態を示す断面図である。この際、インクの吐出速度は１５ｍ／ｓであった。
【０００６】
図１０において、詳細には示していないが発熱素子はリング状に形成されている。この発熱素子に通電すると発熱素子上の各部で均一に発泡が起こり、吐出口５５を中心に実質的にドーナッツ状の気泡５６が形成される。しかしながら、ドーナッツ状に形成された気泡５６が膨張していっても、吐出口５５の下部で合わさる（ドーナッツの穴部がつぶれて無くなる）ことはなかった。更に発熱素子に与える電気的エネルギーを増やしてみたが、ドーナッツの中心側において気泡５６は吐出口５５側に膨張し吐出口５５の下部で合わさるという現象は全く確認できなかった。更に、気泡５６に囲まれて吐出口５５の中心部に残ったインクのために吐出インクの液滴５７には尾が形成され、この尾の部分が分離してサテライト５８が発生するのが確認された。
【０００７】
ここで、仮にドーナッツ状の気泡５６が膨脹し吐出口５５の下部で合わさったとしても、この時既に気泡内部は減圧の方向に転じている。更にインクは気泡５６との気液界面を通じて気泡内部の圧力の影響を受けているので、尾引きの最後尾はノズル内側に引き込まれる。従って、単に、インク尾引きが形成された後に気泡５６の形状がドーナッツ状から楕円体状になるにすぎず、吐出初期にできるインク尾引きのために、サテライトの発生を抑制できないのはほとんど自明である。
【０００８】
本発明は、上述した従来技術の数々の問題点を解消し、バックシューター構造のインクジェットヘッドにおいて、サテライトの発生を効果的に低減するためになされたものである。その具体的な目的は、特に１０ｍ／ｓ以上の高吐出速度の条件下であっても、液体吐出に伴うサテライトの発生を低減することができる新規の液体吐出方法及び液体吐出ヘッドを提供することである。そして、サテライトの発生を低減することによって、高品位画像形成を可能とし、インクミストの発生を抑制する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記の課題を解決するための研究開発中に、先の目的を達成する新規な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る。
【００１０】
すなわち、本発明の液体吐出方法は、吐出口を有するオリフィスプレートと、オリフィスプレートの液体吐出面とは反対側の面に吐出口を中心に対称的に配置された発熱素子と、吐出口に接続する流路と、を有する液体吐出ヘッドを用い、流路内の液体を発熱素子によって加熱して気泡を発生させ、気泡の発生に伴う体積変化によって吐出口を介して液体吐出面から液体を吐出させる液体吐出方法において、発熱素子から発生させた気泡を吐出口内に進入させるとともに、少なくともオリフィスプレートの液体吐出面まで気泡の先端を到達させ、気泡によって挟まれ吐出口の中心部に残った柱状の液体を吐出口の中心部へ向かう表面張力に起因する収縮力によって分断させることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、吐出口を有するオリフィスプレートと、オリフィスプレートの液体吐出面とは反対側の面に吐出口を中心に対称的に配置された発熱素子と、吐出口に接続する流路と、を有し、流路内の液体を発熱素子によって加熱して気泡を発生させ、気泡の発生に伴う体積変化によって吐出口を介して液体吐出面から液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、吐出口の、液体吐出面に垂直な方向の長さをＰ[μｍ]、吐出口を中心に互いに対称的な位置にある発熱素子の各中心点と吐出口の中心点とを結ぶ直線に沿った吐出口の長さをＤ[μｍ]として、
Ｐ≧Ｄ／２
を満たし、流路および吐出口の内壁面に沿った、発熱素子の中心点から液体吐出面までの距離をＬ[μｍ]、発熱素子を圧力源とした時の液体領域のイナータンスをＡ[ｇ／ｃｍ3／μｍ]として、
Ｌ＜（１７３７／Ａ）1/3
を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、液体吐出においてサテライトの発生を低減することができ、それによって、高品位画像形成を可能とし、また、ヘッド周囲でのインクミストの発生を抑制して動作の信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の各実施形態では、液滴を吐出する液体吐出ヘッドとして、プリンター等に用いられて広く普及しているインクジェット記録ヘッドについて説明する。液体吐出ヘッドは、種々の薬品などを所定の平面パターンで供給する装置などとしても応用されており、本発明は、そのような液体吐出ヘッドあるいは液体吐出方法にも適用可能である。また、吐出する液体は、インクに限られることはなく、発色調整用の薬品などであってもよいが、以下では、単にインクとして説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１、２は、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの要部を示す図であり、図１は吐出口５周囲の断面図、図２は、オリフィスプレート４の液体吐出面８側から見た平面図である。なお、図２では、発熱素子２や流路３はオリフィスプレート４の裏側に配置されている為、本来この方向からは見えないが、説明の為にオリフィスプレート４を透過して見たとした場合の位置を示している。また、各図において、発熱素子２を駆動する為の電気配線などの細部については図示を省略している。
【００１５】
図１、２から分かるように、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの基本的構造は、吐出口５を有するオリフィスプレート４の裏面（液体吐出面８と反対側の面）に発熱素子２を設けた、いわゆるバックシューター構造である。
【００１６】
発熱素子２は、吐出口５を中心に対称的に配置されている。本実施形態においては、より具体的には、吐出口５と発熱素子２は夫々長方形であり、２つの発熱素子２が、その長辺が吐出口５の長辺とほぼ平行となるように吐出口５の両側に配置されている。発熱素子２の長辺は、吐出口５の、対応する長辺の長さよりも長くなっている。
【００１７】
ここで、図では１つの吐出口５のみを示しているが、インクジェット記録ヘッドは、一般に、複数の吐出口５を有している。各吐出口５には、インクの流路３が接続されており、流路３は、本実施形態では、図２に示すように、液体吐出面８にほぼ垂直に延びている。このインクジェット記録ヘッドは、各発熱素子２の駆動用電気系およびインク供給系を備えるインクジェット記録装置（不図示）に搭載される。詳細な説明は省略するが、インクジェット記録装置は、一般に、上記の駆動用電気系やインク供給系の他、被記録媒体とインクジェット記録ヘッドとの相対位置を変化させる、被記録媒体の搬送機構やヘッドの移動機構などを有している。それによって、インクジェット記録装置は、所望の形成画像に応じて、被記録媒体とヘッドの相対位置の調整と、各吐出口５からのインクの吐出とを繰り返して、被記録媒体の適切な位置にインクを付着させ、画像を形成する。
【００１８】
次に、本実施形態のインクジェット記録ヘッドにおけるインク吐出の詳細について、図３を参照して説明する。図３は、インク吐出工程の各時点でのインクの吐出状態を時系列に示すヘッド要部の断面図である。このインク吐出は、例えば、インク滴の速度が１８ｍ／ｓで行われ、図３（ａ）〜（ｄ）は、この時の、０．２μｓ毎の各時点での状態に相当している。
【００１９】
図３（ａ）は発泡前の状態を示している。この状態から発熱素子２に瞬間的にパルス状の電圧を印加することにより電流を流し、発熱素子２の近傍のインクを加熱する。これによりインクは膜沸騰を起こして気泡６が発生する（図３（ｂ））。この際、２つの発熱素子２を同時に駆動するのが好ましい。
【００２０】
気泡６は、膨張を続けていくと、吐出口５側において、吐出口５の内壁面に沿うようにして吐出口５内部へと延びていく（図３（ｃ））。この際、吐出口５を挟んだ両側の発熱素子２で発生した各気泡６が対称的に膨張することによって、吐出口５の中心部のインクは、これらの気泡６の間に挟まれた状態となって吐出方向に伸張した細いインク柱を形成する。このインク柱の径が小さいほどインク柱の中心軸方向、すなわち吐出口５の中心に向かう表面張力に起因する収縮力が大きくなってインク柱が分断され易くなる。インク柱を分断させることによって、吐出される液滴７が尾を引くようになるのを抑制し、尾の部分が分断して小液滴、すなわち、いわゆるサテライトが発生するのを抑制することができる。この際、発熱素子２の長辺を吐出口５の長辺より長くしておくことによって、吐出口５の全域においてインク柱を分断する作用を安定して得られる。
【００２１】
本実施形態では、このように、対称的に発生させた気泡６同士が吐出口５内で十分接近しあい、気泡６で挟まれるインクの量が少なくするようにすることによって、インク柱が表面張力の作用のために分断されるようにしてインク吐出を行う。これは、後でより詳細に説明するように、吐出口５の、液体吐出面８に平行な方向の大きさと液体吐出面８に垂直な方向の長さとの関係を適切に設定することによって実現できる。また、本実施形態では、対称的に発生させた気泡６同士が接近しやすくなるように、吐出口５の形状を、気泡６を発生する両発熱素子２を結ぶ方向に延びる短辺を有する長方形状としている。すなわち、この構成では、吐出口５の面積を確保しながら短辺の長さを短くすることができ、それによって、対称的に発生させた気泡６間の距離を短くして、気泡６同士が接近しやすくなるようにすることができる。
【００２２】
上記のようにインク柱が分断された後、気泡６は外気と連通し、それによって、インクは、吐出口５側のインクから完全に分離して短い紡錘状の液滴７となって吐出される（図３（ｄ））。本実施形態では、このように、気泡６を外気と連通させてインク吐出を行う。これは、後でより詳細に説明するように、発熱素子２の位置などを適切に設定することによって実現できる。
【００２３】
また、この際、気泡６は、オリフィスプレート４の液体吐出面８を超え収縮に向かった後、外気と連通するようにするのが好ましい。それによって、気泡６が大気に連通した際に、吐出口５内に向かう方向に圧力差による力が作用するようにして、スプラッシュの発生の抑制、分断インクの吐出口側への引き込みなどの作用を得ることができる。
【００２４】
インクが吐出された後、吐出によって吐出口５および流路３の先端部に生じた空隙には、インクの表面張力と内壁面とのヌレによって、すなわち毛管力によってインクが再充填され（リフィル）、吐出前の状態（図３（ａ））に戻る。
【００２５】
次に、上記のような、サテライトの発生を低減できる好ましいインク吐出を実現するノズル構造の詳細について説明する。
【００２６】
まず、気泡が吐出口内に進入しオリフィスプレートの液体吐出面を超えて膨張する為に必要な条件を考える。
【００２７】
気泡がインクに対してする仕事Ｗの大部分は、発泡直後に撃力的に行われると考えられるので、
Ｗ≒Ｉ2／（２Ａ）
が成り立つ。上式中、Ｉは発泡による圧力の力積、Ａは発熱素子を圧力源とした時の液体領域のイナータンスである。
【００２８】
発泡による圧力の力積Ｉは、
Ｉ〜Ｐbτ
として近似的に評価できる（τは気泡圧力が初期圧力Ｐbから１／ｅになる時間）。
【００２９】
イナータンスＡは、
Ａ≡−ρ／（∫SH∇φｄＳH）
として解析的に計算することができる。ここで、∇2φ＝０、発熱素子面においてφ＝１、吐出口面においてφ＝０であり、ρはインク密度、ＳHは発熱素子の面積である。
【００３０】
気泡の圧力が発泡後すぐに飽和蒸気圧Ｐsまで低下すると仮定し、気泡体積が最大になった時の液体の運動エネルギーを無視すると、最大気泡体積Ｖmは、
Ｖm〜Ｗ／（Ｐa−Ｐs）≒Ｗ／Ｐa＝Ｐb2τ2／（２ＡＰa）
から求めることができる。ここで、Ｐaは大気圧である。
【００３１】
気泡が吐出口に進入しオリフィスプレート表面を超えて膨張する為には、気泡が半球形であるとすると、最大気泡体積Ｖmの時の半球形気泡の半径が、発熱素子の中心からオリフィスプレート表面までの距離Ｌを超えればよいから、条件
Ｌ＜（３Ｖm／２π）1/3
Ｌ＜（３Ｐb2τ2／（４πＡＰa））1/3
を得る。ここで、本発明において、気泡は、前述のように、発熱素子の形成面であるオリフィスプレート裏面に沿って広がり、さらに吐出口側へ成長すると吐出口内壁面に沿って広がる（図３（ｂ），（ｃ）参照）。したがって、距離Ｌは、オリフィスプレート裏面および吐出口内壁面に沿って測った距離である（図１参照）。
【００３２】
上式に、大気圧Ｐa＝１０１．３ｋＰａ、初期圧力Ｐb＝８５８４ｋＰａ（膜沸騰時の気泡の推定初期圧力として、３００℃での水の飽和蒸気圧とした）、τ＝０．１μｓ（実験的、理論的に求められる推定値）を代入すると、
Ｌ＜（１７３７／Ａ）1/3
を得る（Ａの単位は[ｇ／ｃｍ3／μｍ]）。
【００３３】
イナータンスＡは
Ａ〜ρＬ／ＳH
として粗く近似することもできる。これによれば、上の条件は
Ｌ＜（１７３７ＳH／ρ）1/4
と書きなおすことができる。
【００３４】
また、本実施形態におけるように、発熱素子が夫々長方形であって長辺が吐出口に面している場合を考える。この場合、気泡は、短軸と長軸の長さの比率が発熱素子の短辺と長辺の比率と等しい楕円体の、長軸と短軸を含む面で切断した半分の形状を有するものと近似できる。この時、気泡がオリフィスプレート表面を超えて膨張する条件は、最大になった気泡の、短軸方向の半径がＬを超えるという条件として修正することができ、発熱素子の短辺の長さをａ[μｍ]、長辺の長さをｂ[μｍ]とすると、
Ｌ＜（３Ｖｍ／２π・ａ／ｂ）1/3
Ｌ＜（１７３７ａ2／ρ）1/4
を得る。なお、この式において、ａは、より一般的には、発熱素子の中心と吐出口の中心を結ぶ直線に沿った発熱素子の長さであると言える。
【００３５】
次に、上の条件の下で、気泡がオリフィスプレート表面に達した時に、吐出口を中心に対称的に発生した気泡同士が吐出口内で十分接近する条件を考える。この条件を満たすようにすることによって、気泡形成時に吐出口内に残されるインクの量を少なくして吐出直後にインク液滴の先頭部分とノズル内のインクとの間で迅速に分断が行われ、長い尾引きを抑制してサテライトの発生を低減することができる。
【００３６】
ここで、発熱素子から発生する気泡の成長について、思考実験を試みる。仮に、気泡の最大膨張体積を自在にコントロールできる発熱素子を用い、オリフィスプレート表面を超えるまで気泡を膨張させたとすると、この気泡は大気と連通して膨張性を失う。すなわち、気泡の気液界面の到達距離は、最大でも、発熱素子の中心からオリフィスプレート表面までの距離程度ということになる。また、気泡の気液界面の、吐出口入口側（流路側）の縁から吐出口内壁面に沿って吐出口出口側の縁への到達距離と、吐出口入口側の縁から吐出口中心方向への到達距離は同程度になると考えられる。したがって、吐出口径がオリフィスプレート厚よりも大きい場合、気泡の気液界面の吐出口中心方向への到達距離は、最大でも、オリフィスプレート厚さ程度となる。
【００３７】
次に、吐出口を挟んで対称的な位置にある２つの発熱素子から同時に気泡を発生させた場合を考える。この場合、吐出口径をオリフィスプレート厚の２倍以下とすれば、それぞれの発熱素子から発生した気泡の気液界面が吐出口中央部においてぶつかるようにすることができることが分かる。
【００３８】
より一般的には、吐出口は、本実施形態におけるように長方形状とすることもできるので、対称位置にある発熱素子の中心点と吐出口の中心点の間を結ぶ直線に沿って測った吐出口の幅Ｄ[μｍ]、オリフィスプレート厚さＰ[μｍ]を用いて条件を設定できる。すなわち、この時、吐出口を中心に対称的に発生させた気泡同士を吐出口内で十分接近させるのに必要な条件は、
２Ｐ≧Ｄ
Ｐ≧Ｄ／２
となる。
【００３９】
実際に上の条件を満たすようにヘッドを試作すると、それぞれの発熱素子から発生した気泡同士が吐出口中心で接近すると同時にそれぞれが作るインク流が吐出口中央でぶつかり合い、両気泡間に挟まれたわずかなインクが吐出口中央部に残るのが確認された。その結果、サテライトの発生の低減された所望の吐出動作が得られた。
【００４０】
この際、ノズルの構造は、上記のような条件を満たす範囲内で様々なバリエーションが考えられる。そこで、実際に、上記の条件の範囲内の様々なノズル構造のヘッド（実施例１−１〜６）および、この条件の範囲外のノズル構造のヘッド（比較例１−１〜３）について吐出状態と記録状態の確認を行った。結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】
表１において、ＳOは矩形の吐出口５の面積で、短辺の長さＤ×長辺の長さＥを表記しており、矩形の発熱素子２の面積ＳHについても、短辺の長さａ×長辺の長さｂを表記している。
【００４３】
吐出と記録の状態は、密度ρ＝１ｇ／ｃｍ3、表面張力γ＝５０ｍＮ／ｍ、粘度η＝２ｃｐのインクを用いて確認し、評価した結果を示している。この際、吐出観察において吐出速度が１５ｍ／ｓ以上となっているのを確認した。評価結果では、図４に示すように、吐出観察においてサテライトが認められなかったものを◎とした。吐出観察においてサテライトは認められたがサテライト粒径が小さい（具体的には３μｍ以下）ために記録状態の確認では、サテライトの影響を無視できるものを○とした。吐出観察において大き目のサテライトが平均的に２個以下のものを△とした。それ以外を×として評価した。
【００４４】
表４に拠れば、上記の条件：Ｐ≧Ｄ／２、Ｌ＜（１７３７／Ａ）1/3、を満たす（実施例１−１〜６）ことが、良好な吐出が得られる条件になっていることがわかる。この際、この条件は、前述のように、Ｐb、τに推定値を用いて導出したものであるが、表１の結果から、これらの推定値を用いてほぼ正しい評価ができることが確認されたと考えることができる。
【００４５】
上記の条件におけるイナータンスＡは解析的に求まる値である。しかし、表１から、この条件において、Ｌに対する評価値（１７３７／Ａ）1/3の代わりに、近似値（１７３７ａ2）1/4を用いても、良好な吐出を得るための妥当な条件となっていることがわかる。
【００４６】
また、Ｐ≧Ｄ／２、Ｌ＜（１７３７／Ａ）1/3の条件を満たし、さらに、Ｌを（１７３７／Ａ）1/3と比較して十分小さくなる（表からは半分以下と読み取れる）ようにすれば、サテライトが発生しない最も良好な吐出が得られていることが分かる。したがって、このような条件を満たす構造とするのがより好ましい。
【００４７】
この際、Ｌは発熱素子の中心からオリフィスプレート表面までの、ノズル内壁面に沿った距離であるから、発熱素子の、吐出口側の辺から吐出口内壁面の縁までの距離をＨ[μｍ]としたとき、テーパー角度がついていない吐出口であれば、
Ｌ＝ａ／２＋Ｈ＋Ｐ
となる。この式において、発熱素子の短辺の長さａと、オリフィスプレートの厚さＰは、前述の良好な吐出を得るための条件によっても制約され、短くするのには限界がある。したがって、Ｌを十分に短くするということは、実質的に、Ｈを十分に短くするということと同義である。発熱素子の吐出口側に面する辺と吐出口内壁面の縁とが一致する場合がＨの下限０であり、Ｈを十分短くするとは、表１より
０≦Ｈ＜３
を満たすことである。すなわち、基本条件として、前述の条件：Ｐ≧Ｄ／２、Ｌ＜（１７３７／Ａ）1/3を満たし、かつ上記のＨの条件を満たすノズル構造とすることによって、サテライトが実質的に発生しないようにすることができる。
【００４８】
以上のように、本実施形態によれば、サテライトの発生を抑制したインク吐出を実現でき、それによって、画像の乱れを抑えて高品位の画像形成が可能となり、また、ヘッド周囲でのインクミストの発生を抑えて、記録動作の信頼性を向上させることができる。
【００４９】
なお、本実施形態の詳細は本発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で種々の修正が可能である。例えば、吐出口の出口側の面積が入口側の面積よりも小さくなるように０〜５°のテーパーをつけることは吐出安定性を得る為に好ましく、このような構成にも発明を適用することができる。また、吐出口は円形であってもよい。
【００５０】
また、本発明は、液体吐出面の裏面に、吐出口を中心に対称的に発熱素子を配置したバックシューター構造を前提としている。一方、発熱素子が吐出口に対向する位置に設けられた、いわゆるサイドシューター構造でも、吐出口のインク入口と発熱素子の距離を近づけることで気泡の連通を利用してサテライトの少ない吐出を得ることができることが知られている。これに対して、本発明の、バックシューター構造においてサテライトの発生を低減する構成では、吐出口に接続するインクの流路に対しては制約が生じない。このため、本発明には、流路を、流抵抗の小さい構成とすることが容易であり、その結果、迅速なリフィルを容易に実現できるという利点もある。
【００５１】
（第２の実施形態）
図５、６は、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの要部を示す図であり、図５は吐出口５周囲の断面図、図６は、オリフィスプレート４の液体吐出面８側から見た平面図である。これらの図において、第１の実施形態と同様の部分には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【００５２】
本実施形態は、流路３の構成が第１の実施形態と異なっており、流路３は、液体吐出面８に平行な方向に延びている。また、吐出口５は、本実施形態では円形となっている。
発熱素子２としては、長方形状のものが２つ設けられており、これらは、円形の吐出口５を挟んで互いに反対側の位置に配置されている。各発熱素子２は、長辺の一方が吐出口５に対向するように配置され、夫々の発熱素子２の長辺は吐出口５の径よりも長くなっている。
【００５３】
図７は、本実施形態のインクジェット記録ヘッドにおいて、流路３内のインクが加熱されてインク滴が吐出口５より吐出されるまでの過程を説明する図である。
【００５４】
図７（ａ）は発泡前の状態を示している。図７（ｂ）は、発熱素子２へのパルス電圧の印加によって発生した気泡６が、吐出口５に入り込み、すなわち吐出口５の内壁面に沿って延びている状態を示している。
【００５５】
図７（ｃ）は、２つの発熱素子２のそれぞれによって発生した気泡同士が、吐出口５の中心部において近接し、その結果、これらの気泡間に形成されるインク柱が表面張力によって分断されている状態を示している。このように、インク柱が分断されるようにするために気泡同士を十分に近接させる条件は、第１の実施形態と同様であり、本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、この条件を満たすように構成されている。
【００５６】
図７（ｄ）は、最終的に、気泡が外気に連通し、それによって液滴７が、吐出口５側のインクと完全に分断され、その結果、サテライトの発生を抑制した吐出が行われている状態を示している。このように、気泡が外気に連通する条件も、第１の実施形態と同様であり、本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、この条件を満たすように構成されている。
【００５７】
本実施形態において、上記の条件の範囲内の様々なノズル構造のヘッド（実施例２−１〜５）および、この条件の範囲外のノズル構造のヘッド（比較例２−１〜３）について吐出状態と記録状態の確認を行った結果を表２に示す。なお、流路３の高さ（液体吐出面８に垂直な方向の長さ）は全て１５μｍとした。
【００５８】
【表２】
【００５９】
第１の実施形態と同様に、表２において、矩形の発熱素子２の面積ＳHとしては、短辺の長さａ×長辺の長さｂを表記している。また、吐出と記録状態の確認にも、第１の実施形態と同様、密度ρ＝１ｇ／ｃｍ3、表面張力γ＝５０ｍＮ／ｍ、粘度η＝２ｃｐのインクを用い、吐出観察において吐出速度１５ｍ／ｓ以上が成立するのを確認した。吐出と記録の状態の評価基準も第１の実施形態と同様である。
【００６０】
表２に拠れば、条件：Ｐ≧Ｄ／２、Ｌ＜（１７３７／Ａ）1/3が、良好な吐出を得る条件になっていることが分かる。また、Ｌに対する評価値（１７３７／Ａ）1/3の代わりに近似値（１７３７ａ2）1/4を用いた条件も、良好な吐出を得る条件として妥当なものとなっていることが分かる。
【００６１】
なお、本実施形態は、前述のように、発熱素子２に対向する位置に流路底面を形成する部材があり、この部材とオリフィスプレート４との間に流路３が形成されている構造である。この際、本発明では、上記の条件を満足することによってサテライトの発生を抑制することができ、この条件は、流路３の高さ、すなわち、発熱素子２に対向する部材とオリフィスプレート４の間の距離を制約しない。したがって、サテライトの発生の抑制を可能としながら、この距離を長くとることができ、それによって、流路３における流抵抗を小さく抑えて、迅速なリフィルを可能とすることができる。
【００６２】
（第３の実施形態）
図８に、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの要部の断面図を示す。同図において、第１、２の実施形態と同様の部分には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【００６３】
オリフィスプレート４裏面に設ける発熱素子２は、オリフィスプレート４の液体吐出面８に平行に配置する必要はない。本発明において、ヘッドは、各発熱素子２から発生する気泡を吐出口５内に進入させ、各気泡の先端をオリフィスプレート４の液体吐出面８まで到達させることができるような構成であればよい。本実施形態は、このような例であり、オリフィスプレート４は、液体吐出面８の反対側に、吐出口５から離れるにしたがって液体吐出面８からの距離が長くなるようになった傾斜面を有し、発熱素子２はこの傾斜面上に配置されている。
【００６４】
本実施形態の場合、第１、第２の実施形態において示した、サテライトの発生を抑制するための条件におけるオリフィスプレートの厚みＰ[μｍ]を、吐出口５の、液体吐出面８に垂直な方向の長さと置き換える必要がある。すなわち、一般には、前述のＰは、このように定義される。このこと以外は、第１、第２の実施形態と同様の条件を満たすことによって、サテライトの発生を抑制したインク吐出を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１の実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル断面図。
【図２】図１のインクジェット記録ヘッドの、液体吐出面側から見た平面図。
【図３】図１のインクジェット記録ヘッドの、インク吐出工程を説明する図。
【図４】吐出状態と印字状態の評価基準を説明する図。
【図５】本発明の第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル断面図。
【図６】図５のインクジェット記録ヘッドの、液体吐出面側から見た平面図。
【図７】図５のインクジェット記録ヘッドの、インク吐出工程を説明する図。
【図８】本発明の第３の実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル断面図。
【図９】従来のバックシューター構造のインクジェット記録ヘッドにおけるインク吐出工程を時系列に示すノズル断面図。
【図１０】従来のバックシューター構造のインクジェット記録ヘッドにおけるインク吐出のシミュレーション結果を示す図。
【符号の説明】
【００６６】
２ 発熱素子
３ 流路
４ オリフィスプレート
５ 吐出口
８ 液体吐出面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギーを利用してインクなどの液体を粒状に吐出する液体吐出方法および液体吐出装置、特に、吐出したインク滴によって記録を行うインクジェット記録方法およびインクジェット記録ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録方法としては、熱エネルギーをインクに与えることで、インクに体積変化（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する方法が知られている。吐出したインクを被記録媒体上に付着させることによって画像形成が行われる。
【０００３】
このインク吐出を行う記録ヘッドの基本的な構造の一つとして、特許文献１〜３に記載されているような構造がある。この構造は、図９に示すように、吐出口５５を有するオリフィスプレート５４の裏面（インクの流路５３側）に発熱素子５２を設けた構造であり、バックシューター構造と呼ばれている。
【０００４】
インクジェット記録方法に対しては、より高精細な画像とより高速な記録を求める市場ニーズにより、従来と比較して小さな液滴を安定して吐出することが求められている。特に、主滴の後方に発生する、主滴より更に小粒径の、いわゆるサテライトと呼ばれる液滴が、記録画像を乱す要因となる場合があるため、このサテライトの発生を抑えることが求められる場合がある。特許文献２には、吐出口を中心に実質的にドーナッツ状になるように気泡を形成し、このドーナッツ状の気泡が膨脹して吐出口の下部（インクの流路側）で合わさり、吐出されるインク液滴の尾を切ることでサテライトの発生を抑制することが開示されている。
【特許文献１】特開平０５−３３８１７２号公報
【特許文献２】特開２００１−３４７６６６号公報
【特許文献３】特開２００４−２１６９０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本発明者らが、特許文献２に開示されたノズル構造に基づいてインクを吐出させるシミュレーションを行った結果、図１０に示すようにサテライトを抑制することができなかった。図１０は、１μｓ毎の各時点でのインクの吐出状態を示す断面図である。この際、インクの吐出速度は１５ｍ／ｓであった。
【０００６】
図１０において、詳細には示していないが発熱素子はリング状に形成されている。この発熱素子に通電すると発熱素子上の各部で均一に発泡が起こり、吐出口５５を中心に実質的にドーナッツ状の気泡５６が形成される。しかしながら、ドーナッツ状に形成された気泡５６が膨張していっても、吐出口５５の下部で合わさる（ドーナッツの穴部がつぶれて無くなる）ことはなかった。更に発熱素子に与える電気的エネルギーを増やしてみたが、ドーナッツの中心側において気泡５６は吐出口５５側に膨張し吐出口５５の下部で合わさるという現象は全く確認できなかった。更に、気泡５６に囲まれて吐出口５５の中心部に残ったインクのために吐出インクの液滴５７には尾が形成され、この尾の部分が分離してサテライト５８が発生するのが確認された。
【０００７】
ここで、仮にドーナッツ状の気泡５６が膨脹し吐出口５５の下部で合わさったとしても、この時既に気泡内部は減圧の方向に転じている。更にインクは気泡５６との気液界面を通じて気泡内部の圧力の影響を受けているので、尾引きの最後尾はノズル内側に引き込まれる。従って、単に、インク尾引きが形成された後に気泡５６の形状がドーナッツ状から楕円体状になるにすぎず、吐出初期にできるインク尾引きのために、サテライトの発生を抑制できないのはほとんど自明である。
【０００８】
本発明は、上述した従来技術の数々の問題点を解消し、バックシューター構造のインクジェットヘッドにおいて、サテライトの発生を効果的に低減するためになされたものである。その具体的な目的は、特に１０ｍ／ｓ以上の高吐出速度の条件下であっても、液体吐出に伴うサテライトの発生を低減することができる新規の液体吐出方法及び液体吐出ヘッドを提供することである。そして、サテライトの発生を低減することによって、高品位画像形成を可能とし、インクミストの発生を抑制する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記の課題を解決するための研究開発中に、先の目的を達成する新規な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る。
【００１０】
すなわち、本発明の液体吐出方法は、吐出口を有するオリフィスプレートと、オリフィスプレートの液体吐出面とは反対側の面に吐出口を中心に対称的に配置された発熱素子と、吐出口に接続する流路と、を有する液体吐出ヘッドを用い、流路内の液体を発熱素子によって加熱して気泡を発生させ、気泡の発生に伴う体積変化によって吐出口を介して液体吐出面から液体を吐出させる液体吐出方法において、発熱素子から発生させた気泡を吐出口内に進入させるとともに、少なくともオリフィスプレートの液体吐出面まで気泡の先端を到達させ、気泡によって挟まれ吐出口の中心部に残った柱状の液体を吐出口の中心部へ向かう表面張力に起因する収縮力によって分断させることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、吐出口を有するオリフィスプレートと、オリフィスプレートの液体吐出面とは反対側の面に吐出口を中心に対称的に配置された発熱素子と、吐出口に接続する流路と、を有し、流路内の液体を発熱素子によって加熱して気泡を発生させ、気泡の発生に伴う体積変化によって吐出口を介して液体吐出面から液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、吐出口の、液体吐出面に垂直な方向の長さをＰ[μｍ]、吐出口を中心に互いに対称的な位置にある発熱素子の各中心点と吐出口の中心点とを結ぶ直線に沿った吐出口の長さをＤ[μｍ]として、
Ｐ≧Ｄ／２
を満たし、流路および吐出口の内壁面に沿った、発熱素子の中心点から液体吐出面までの距離をＬ[μｍ]、発熱素子を圧力源とした時の液体領域のイナータンスをＡ[ｇ／ｃｍ3／μｍ]として、
Ｌ＜（１７３７／Ａ）1/3
を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、液体吐出においてサテライトの発生を低減することができ、それによって、高品位画像形成を可能とし、また、ヘッド周囲でのインクミストの発生を抑制して動作の信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の各実施形態では、液滴を吐出する液体吐出ヘッドとして、プリンター等に用いられて広く普及しているインクジェット記録ヘッドについて説明する。液体吐出ヘッドは、種々の薬品などを所定の平面パターンで供給する装置などとしても応用されており、本発明は、そのような液体吐出ヘッドあるいは液体吐出方法にも適用可能である。また、吐出する液体は、インクに限られることはなく、発色調整用の薬品などであってもよいが、以下では、単にインクとして説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１、２は、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの要部を示す図であり、図１は吐出口５周囲の断面図、図２は、オリフィスプレート４の液体吐出面８側から見た平面図である。なお、図２では、発熱素子２や流路３はオリフィスプレート４の裏側に配置されている為、本来この方向からは見えないが、説明の為にオリフィスプレート４を透過して見たとした場合の位置を示している。また、各図において、発熱素子２を駆動する為の電気配線などの細部については図示を省略している。
【００１５】
図１、２から分かるように、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの基本的構造は、吐出口５を有するオリフィスプレート４の裏面（液体吐出面８と反対側の面）に発熱素子２を設けた、いわゆるバックシューター構造である。
【００１６】
発熱素子２は、吐出口５を中心に対称的に配置されている。本実施形態においては、より具体的には、吐出口５と発熱素子２は夫々長方形であり、２つの発熱素子２が、その長辺が吐出口５の長辺とほぼ平行となるように吐出口５の両側に配置されている。発熱素子２の長辺は、吐出口５の、対応する長辺の長さよりも長くなっている。
【００１７】
ここで、図では１つの吐出口５のみを示しているが、インクジェット記録ヘッドは、一般に、複数の吐出口５を有している。各吐出口５には、インクの流路３が接続されており、流路３は、本実施形態では、図２に示すように、液体吐出面８にほぼ垂直に延びている。このインクジェット記録ヘッドは、各発熱素子２の駆動用電気系およびインク供給系を備えるインクジェット記録装置（不図示）に搭載される。詳細な説明は省略するが、インクジェット記録装置は、一般に、上記の駆動用電気系やインク供給系の他、被記録媒体とインクジェット記録ヘッドとの相対位置を変化させる、被記録媒体の搬送機構やヘッドの移動機構などを有している。それによって、インクジェット記録装置は、所望の形成画像に応じて、被記録媒体とヘッドの相対位置の調整と、各吐出口５からのインクの吐出とを繰り返して、被記録媒体の適切な位置にインクを付着させ、画像を形成する。
【００１８】
次に、本実施形態のインクジェット記録ヘッドにおけるインク吐出の詳細について、図３を参照して説明する。図３は、インク吐出工程の各時点でのインクの吐出状態を時系列に示すヘッド要部の断面図である。このインク吐出は、例えば、インク滴の速度が１８ｍ／ｓで行われ、図３（ａ）〜（ｄ）は、この時の、０．２μｓ毎の各時点での状態に相当している。
【００１９】
図３（ａ）は発泡前の状態を示している。この状態から発熱素子２に瞬間的にパルス状の電圧を印加することにより電流を流し、発熱素子２の近傍のインクを加熱する。これによりインクは膜沸騰を起こして気泡６が発生する（図３（ｂ））。この際、２つの発熱素子２を同時に駆動するのが好ましい。
【００２０】
気泡６は、膨張を続けていくと、吐出口５側において、吐出口５の内壁面に沿うようにして吐出口５内部へと延びていく（図３（ｃ））。この際、吐出口５を挟んだ両側の発熱素子２で発生した各気泡６が対称的に膨張することによって、吐出口５の中心部のインクは、これらの気泡６の間に挟まれた状態となって吐出方向に伸張した細いインク柱を形成する。このインク柱の径が小さいほどインク柱の中心軸方向、すなわち吐出口５の中心に向かう表面張力に起因する収縮力が大きくなってインク柱が分断され易くなる。インク柱を分断させることによって、吐出される液滴７が尾を引くようになるのを抑制し、尾の部分が分断して小液滴、すなわち、いわゆるサテライトが発生するのを抑制することができる。この際、発熱素子２の長辺を吐出口５の長辺より長くしておくことによって、吐出口５の全域においてインク柱を分断する作用を安定して得られる。
【００２１】
本実施形態では、このように、対称的に発生させた気泡６同士が吐出口５内で十分接近しあい、気泡６で挟まれるインクの量が少なくするようにすることによって、インク柱が表面張力の作用のために分断されるようにしてインク吐出を行う。これは、後でより詳細に説明するように、吐出口５の、液体吐出面８に平行な方向の大きさと液体吐出面８に垂直な方向の長さとの関係を適切に設定することによって実現できる。また、本実施形態では、対称的に発生させた気泡６同士が接近しやすくなるように、吐出口５の形状を、気泡６を発生する両発熱素子２を結ぶ方向に延びる短辺を有する長方形状としている。すなわち、この構成では、吐出口５の面積を確保しながら短辺の長さを短くすることができ、それによって、対称的に発生させた気泡６間の距離を短くして、気泡６同士が接近しやすくなるようにすることができる。
【００２２】
上記のようにインク柱が分断された後、気泡６は外気と連通し、それによって、インクは、吐出口５側のインクから完全に分離して短い紡錘状の液滴７となって吐出される（図３（ｄ））。本実施形態では、このように、気泡６を外気と連通させてインク吐出を行う。これは、後でより詳細に説明するように、発熱素子２の位置などを適切に設定することによって実現できる。
【００２３】
また、この際、気泡６は、オリフィスプレート４の液体吐出面８を超え収縮に向かった後、外気と連通するようにするのが好ましい。それによって、気泡６が大気に連通した際に、吐出口５内に向かう方向に圧力差による力が作用するようにして、スプラッシュの発生の抑制、分断インクの吐出口側への引き込みなどの作用を得ることができる。
【００２４】
インクが吐出された後、吐出によって吐出口５および流路３の先端部に生じた空隙には、インクの表面張力と内壁面とのヌレによって、すなわち毛管力によってインクが再充填され（リフィル）、吐出前の状態（図３（ａ））に戻る。
【００２５】
次に、上記のような、サテライトの発生を低減できる好ましいインク吐出を実現するノズル構造の詳細について説明する。
【００２６】
まず、気泡が吐出口内に進入しオリフィスプレートの液体吐出面を超えて膨張する為に必要な条件を考える。
【００２７】
気泡がインクに対してする仕事Ｗの大部分は、発泡直後に撃力的に行われると考えられるので、
Ｗ≒Ｉ2／（２Ａ）
が成り立つ。上式中、Ｉは発泡による圧力の力積、Ａは発熱素子を圧力源とした時の液体領域のイナータンスである。
【００２８】
発泡による圧力の力積Ｉは、
Ｉ〜Ｐbτ
として近似的に評価できる（τは気泡圧力が初期圧力Ｐbから１／ｅになる時間）。
【００２９】
イナータンスＡは、
Ａ≡−ρ／（∫SH∇φｄＳH）
として解析的に計算することができる。ここで、∇2φ＝０、発熱素子面においてφ＝１、吐出口面においてφ＝０であり、ρはインク密度、ＳHは発熱素子の面積である。
【００３０】
気泡の圧力が発泡後すぐに飽和蒸気圧Ｐsまで低下すると仮定し、気泡体積が最大になった時の液体の運動エネルギーを無視すると、最大気泡体積Ｖmは、
Ｖm〜Ｗ／（Ｐa−Ｐs）≒Ｗ／Ｐa＝Ｐb2τ2／（２ＡＰa）
から求めることができる。ここで、Ｐaは大気圧である。
【００３１】
気泡が吐出口に進入しオリフィスプレート表面を超えて膨張する為には、気泡が半球形であるとすると、最大気泡体積Ｖmの時の半球形気泡の半径が、発熱素子の中心からオリフィスプレート表面までの距離Ｌを超えればよいから、条件
Ｌ＜（３Ｖm／２π）1/3
Ｌ＜（３Ｐb2τ2／（４πＡＰa））1/3
を得る。ここで、本発明において、気泡は、前述のように、発熱素子の形成面であるオリフィスプレート裏面に沿って広がり、さらに吐出口側へ成長すると吐出口内壁面に沿って広がる（図３（ｂ），（ｃ）参照）。したがって、距離Ｌは、オリフィスプレート裏面および吐出口内壁面に沿って測った距離である（図１参照）。
【００３２】
上式に、大気圧Ｐa＝１０１．３ｋＰａ、初期圧力Ｐb＝８５８４ｋＰａ（膜沸騰時の気泡の推定初期圧力として、３００℃での水の飽和蒸気圧とした）、τ＝０．１μｓ（実験的、理論的に求められる推定値）を代入すると、
Ｌ＜（１７３７／Ａ）1/3
を得る（Ａの単位は[ｇ／ｃｍ3／μｍ]）。
【００３３】
イナータンスＡは
Ａ〜ρＬ／ＳH
として粗く近似することもできる。これによれば、上の条件は
Ｌ＜（１７３７ＳH／ρ）1/4
と書きなおすことができる。
【００３４】
また、本実施形態におけるように、発熱素子が夫々長方形であって長辺が吐出口に面している場合を考える。この場合、気泡は、短軸と長軸の長さの比率が発熱素子の短辺と長辺の比率と等しい楕円体の、長軸と短軸を含む面で切断した半分の形状を有するものと近似できる。この時、気泡がオリフィスプレート表面を超えて膨張する条件は、最大になった気泡の、短軸方向の半径がＬを超えるという条件として修正することができ、発熱素子の短辺の長さをａ[μｍ]、長辺の長さをｂ[μｍ]とすると、
Ｌ＜（３Ｖｍ／２π・ａ／ｂ）1/3
Ｌ＜（１７３７ａ2／ρ）1/4
を得る。なお、この式において、ａは、より一般的には、発熱素子の中心と吐出口の中心を結ぶ直線に沿った発熱素子の長さであると言える。
【００３５】
次に、上の条件の下で、気泡がオリフィスプレート表面に達した時に、吐出口を中心に対称的に発生した気泡同士が吐出口内で十分接近する条件を考える。この条件を満たすようにすることによって、気泡形成時に吐出口内に残されるインクの量を少なくして吐出直後にインク液滴の先頭部分とノズル内のインクとの間で迅速に分断が行われ、長い尾引きを抑制してサテライトの発生を低減することができる。
【００３６】
ここで、発熱素子から発生する気泡の成長について、思考実験を試みる。仮に、気泡の最大膨張体積を自在にコントロールできる発熱素子を用い、オリフィスプレート表面を超えるまで気泡を膨張させたとすると、この気泡は大気と連通して膨張性を失う。すなわち、気泡の気液界面の到達距離は、最大でも、発熱素子の中心からオリフィスプレート表面までの距離程度ということになる。また、気泡の気液界面の、吐出口入口側（流路側）の縁から吐出口内壁面に沿って吐出口出口側の縁への到達距離と、吐出口入口側の縁から吐出口中心方向への到達距離は同程度になると考えられる。したがって、吐出口径がオリフィスプレート厚よりも大きい場合、気泡の気液界面の吐出口中心方向への到達距離は、最大でも、オリフィスプレート厚さ程度となる。
【００３７】
次に、吐出口を挟んで対称的な位置にある２つの発熱素子から同時に気泡を発生させた場合を考える。この場合、吐出口径をオリフィスプレート厚の２倍以下とすれば、それぞれの発熱素子から発生した気泡の気液界面が吐出口中央部においてぶつかるようにすることができることが分かる。
【００３８】
より一般的には、吐出口は、本実施形態におけるように長方形状とすることもできるので、対称位置にある発熱素子の中心点と吐出口の中心点の間を結ぶ直線に沿って測った吐出口の幅Ｄ[μｍ]、オリフィスプレート厚さＰ[μｍ]を用いて条件を設定できる。すなわち、この時、吐出口を中心に対称的に発生させた気泡同士を吐出口内で十分接近させるのに必要な条件は、
２Ｐ≧Ｄ
Ｐ≧Ｄ／２
となる。
【００３９】
実際に上の条件を満たすようにヘッドを試作すると、それぞれの発熱素子から発生した気泡同士が吐出口中心で接近すると同時にそれぞれが作るインク流が吐出口中央でぶつかり合い、両気泡間に挟まれたわずかなインクが吐出口中央部に残るのが確認された。その結果、サテライトの発生の低減された所望の吐出動作が得られた。
【００４０】
この際、ノズルの構造は、上記のような条件を満たす範囲内で様々なバリエーションが考えられる。そこで、実際に、上記の条件の範囲内の様々なノズル構造のヘッド（実施例１−１〜６）および、この条件の範囲外のノズル構造のヘッド（比較例１−１〜３）について吐出状態と記録状態の確認を行った。結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】
表１において、ＳOは矩形の吐出口５の面積で、短辺の長さＤ×長辺の長さＥを表記しており、矩形の発熱素子２の面積ＳHについても、短辺の長さａ×長辺の長さｂを表記している。
【００４３】
吐出と記録の状態は、密度ρ＝１ｇ／ｃｍ3、表面張力γ＝５０ｍＮ／ｍ、粘度η＝２ｃｐのインクを用いて確認し、評価した結果を示している。この際、吐出観察において吐出速度が１５ｍ／ｓ以上となっているのを確認した。評価結果では、図４に示すように、吐出観察においてサテライトが認められなかったものを◎とした。吐出観察においてサテライトは認められたがサテライト粒径が小さい（具体的には３μｍ以下）ために記録状態の確認では、サテライトの影響を無視できるものを○とした。吐出観察において大き目のサテライトが平均的に２個以下のものを△とした。それ以外を×として評価した。
【００４４】
表４に拠れば、上記の条件：Ｐ≧Ｄ／２、Ｌ＜（１７３７／Ａ）1/3、を満たす（実施例１−１〜６）ことが、良好な吐出が得られる条件になっていることがわかる。この際、この条件は、前述のように、Ｐb、τに推定値を用いて導出したものであるが、表１の結果から、これらの推定値を用いてほぼ正しい評価ができることが確認されたと考えることができる。
【００４５】
上記の条件におけるイナータンスＡは解析的に求まる値である。しかし、表１から、この条件において、Ｌに対する評価値（１７３７／Ａ）1/3の代わりに、近似値（１７３７ａ2）1/4を用いても、良好な吐出を得るための妥当な条件となっていることがわかる。
【００４６】
また、Ｐ≧Ｄ／２、Ｌ＜（１７３７／Ａ）1/3の条件を満たし、さらに、Ｌを（１７３７／Ａ）1/3と比較して十分小さくなる（表からは半分以下と読み取れる）ようにすれば、サテライトが発生しない最も良好な吐出が得られていることが分かる。したがって、このような条件を満たす構造とするのがより好ましい。
【００４７】
この際、Ｌは発熱素子の中心からオリフィスプレート表面までの、ノズル内壁面に沿った距離であるから、発熱素子の、吐出口側の辺から吐出口内壁面の縁までの距離をＨ[μｍ]としたとき、テーパー角度がついていない吐出口であれば、
Ｌ＝ａ／２＋Ｈ＋Ｐ
となる。この式において、発熱素子の短辺の長さａと、オリフィスプレートの厚さＰは、前述の良好な吐出を得るための条件によっても制約され、短くするのには限界がある。したがって、Ｌを十分に短くするということは、実質的に、Ｈを十分に短くするということと同義である。発熱素子の吐出口側に面する辺と吐出口内壁面の縁とが一致する場合がＨの下限０であり、Ｈを十分短くするとは、表１より
０≦Ｈ＜３
を満たすことである。すなわち、基本条件として、前述の条件：Ｐ≧Ｄ／２、Ｌ＜（１７３７／Ａ）1/3を満たし、かつ上記のＨの条件を満たすノズル構造とすることによって、サテライトが実質的に発生しないようにすることができる。
【００４８】
以上のように、本実施形態によれば、サテライトの発生を抑制したインク吐出を実現でき、それによって、画像の乱れを抑えて高品位の画像形成が可能となり、また、ヘッド周囲でのインクミストの発生を抑えて、記録動作の信頼性を向上させることができる。
【００４９】
なお、本実施形態の詳細は本発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で種々の修正が可能である。例えば、吐出口の出口側の面積が入口側の面積よりも小さくなるように０〜５°のテーパーをつけることは吐出安定性を得る為に好ましく、このような構成にも発明を適用することができる。また、吐出口は円形であってもよい。
【００５０】
また、本発明は、液体吐出面の裏面に、吐出口を中心に対称的に発熱素子を配置したバックシューター構造を前提としている。一方、発熱素子が吐出口に対向する位置に設けられた、いわゆるサイドシューター構造でも、吐出口のインク入口と発熱素子の距離を近づけることで気泡の連通を利用してサテライトの少ない吐出を得ることができることが知られている。これに対して、本発明の、バックシューター構造においてサテライトの発生を低減する構成では、吐出口に接続するインクの流路に対しては制約が生じない。このため、本発明には、流路を、流抵抗の小さい構成とすることが容易であり、その結果、迅速なリフィルを容易に実現できるという利点もある。
【００５１】
（第２の実施形態）
図５、６は、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの要部を示す図であり、図５は吐出口５周囲の断面図、図６は、オリフィスプレート４の液体吐出面８側から見た平面図である。これらの図において、第１の実施形態と同様の部分には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【００５２】
本実施形態は、流路３の構成が第１の実施形態と異なっており、流路３は、液体吐出面８に平行な方向に延びている。また、吐出口５は、本実施形態では円形となっている。
発熱素子２としては、長方形状のものが２つ設けられており、これらは、円形の吐出口５を挟んで互いに反対側の位置に配置されている。各発熱素子２は、長辺の一方が吐出口５に対向するように配置され、夫々の発熱素子２の長辺は吐出口５の径よりも長くなっている。
【００５３】
図７は、本実施形態のインクジェット記録ヘッドにおいて、流路３内のインクが加熱されてインク滴が吐出口５より吐出されるまでの過程を説明する図である。
【００５４】
図７（ａ）は発泡前の状態を示している。図７（ｂ）は、発熱素子２へのパルス電圧の印加によって発生した気泡６が、吐出口５に入り込み、すなわち吐出口５の内壁面に沿って延びている状態を示している。
【００５５】
図７（ｃ）は、２つの発熱素子２のそれぞれによって発生した気泡同士が、吐出口５の中心部において近接し、その結果、これらの気泡間に形成されるインク柱が表面張力によって分断されている状態を示している。このように、インク柱が分断されるようにするために気泡同士を十分に近接させる条件は、第１の実施形態と同様であり、本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、この条件を満たすように構成されている。
【００５６】
図７（ｄ）は、最終的に、気泡が外気に連通し、それによって液滴７が、吐出口５側のインクと完全に分断され、その結果、サテライトの発生を抑制した吐出が行われている状態を示している。このように、気泡が外気に連通する条件も、第１の実施形態と同様であり、本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、この条件を満たすように構成されている。
【００５７】
本実施形態において、上記の条件の範囲内の様々なノズル構造のヘッド（実施例２−１〜５）および、この条件の範囲外のノズル構造のヘッド（比較例２−１〜３）について吐出状態と記録状態の確認を行った結果を表２に示す。なお、流路３の高さ（液体吐出面８に垂直な方向の長さ）は全て１５μｍとした。
【００５８】
【表２】
【００５９】
第１の実施形態と同様に、表２において、矩形の発熱素子２の面積ＳHとしては、短辺の長さａ×長辺の長さｂを表記している。また、吐出と記録状態の確認にも、第１の実施形態と同様、密度ρ＝１ｇ／ｃｍ3、表面張力γ＝５０ｍＮ／ｍ、粘度η＝２ｃｐのインクを用い、吐出観察において吐出速度１５ｍ／ｓ以上が成立するのを確認した。吐出と記録の状態の評価基準も第１の実施形態と同様である。
【００６０】
表２に拠れば、条件：Ｐ≧Ｄ／２、Ｌ＜（１７３７／Ａ）1/3が、良好な吐出を得る条件になっていることが分かる。また、Ｌに対する評価値（１７３７／Ａ）1/3の代わりに近似値（１７３７ａ2）1/4を用いた条件も、良好な吐出を得る条件として妥当なものとなっていることが分かる。
【００６１】
なお、本実施形態は、前述のように、発熱素子２に対向する位置に流路底面を形成する部材があり、この部材とオリフィスプレート４との間に流路３が形成されている構造である。この際、本発明では、上記の条件を満足することによってサテライトの発生を抑制することができ、この条件は、流路３の高さ、すなわち、発熱素子２に対向する部材とオリフィスプレート４の間の距離を制約しない。したがって、サテライトの発生の抑制を可能としながら、この距離を長くとることができ、それによって、流路３における流抵抗を小さく抑えて、迅速なリフィルを可能とすることができる。
【００６２】
（第３の実施形態）
図８に、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの要部の断面図を示す。同図において、第１、２の実施形態と同様の部分には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【００６３】
オリフィスプレート４裏面に設ける発熱素子２は、オリフィスプレート４の液体吐出面８に平行に配置する必要はない。本発明において、ヘッドは、各発熱素子２から発生する気泡を吐出口５内に進入させ、各気泡の先端をオリフィスプレート４の液体吐出面８まで到達させることができるような構成であればよい。本実施形態は、このような例であり、オリフィスプレート４は、液体吐出面８の反対側に、吐出口５から離れるにしたがって液体吐出面８からの距離が長くなるようになった傾斜面を有し、発熱素子２はこの傾斜面上に配置されている。
【００６４】
本実施形態の場合、第１、第２の実施形態において示した、サテライトの発生を抑制するための条件におけるオリフィスプレートの厚みＰ[μｍ]を、吐出口５の、液体吐出面８に垂直な方向の長さと置き換える必要がある。すなわち、一般には、前述のＰは、このように定義される。このこと以外は、第１、第２の実施形態と同様の条件を満たすことによって、サテライトの発生を抑制したインク吐出を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１の実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル断面図。
【図２】図１のインクジェット記録ヘッドの、液体吐出面側から見た平面図。
【図３】図１のインクジェット記録ヘッドの、インク吐出工程を説明する図。
【図４】吐出状態と印字状態の評価基準を説明する図。
【図５】本発明の第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル断面図。
【図６】図５のインクジェット記録ヘッドの、液体吐出面側から見た平面図。
【図７】図５のインクジェット記録ヘッドの、インク吐出工程を説明する図。
【図８】本発明の第３の実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル断面図。
【図９】従来のバックシューター構造のインクジェット記録ヘッドにおけるインク吐出工程を時系列に示すノズル断面図。
【図１０】従来のバックシューター構造のインクジェット記録ヘッドにおけるインク吐出のシミュレーション結果を示す図。
【符号の説明】
【００６６】
２ 発熱素子
３ 流路
４ オリフィスプレート
５ 吐出口
８ 液体吐出面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吐出口を有するオリフィスプレートと、該オリフィスプレートの液体吐出面とは反対側の面に前記吐出口を中心に対称的に配置された発熱素子と、前記吐出口に接続する流路と、を有する液体吐出ヘッドを用い、前記流路内の液体を前記発熱素子によって加熱して気泡を発生させ、該気泡の発生に伴う体積変化によって前記吐出口を介して前記液体吐出面から前記液体を吐出させる液体吐出方法において、
前記発熱素子から発生させた気泡を前記吐出口内に進入させるとともに、少なくとも前記オリフィスプレートの前記液体吐出面まで前記気泡の先端を到達させ、前記気泡によって挟まれ前記吐出口の中心部に残った柱状の液体を前記吐出口の中心部へ向かう表面張力に起因する収縮力によって分断させることを特徴とする液体吐出方法。
【請求項２】
前記気泡の先端が前記オリフィスプレートの前記液体吐出面に達してから当該気泡が収縮して前記吐出口内へ戻る最中に、当該気泡と外気とが連通することを特徴とする請求項１に記載の液体吐出方法。
【請求項３】
複数の前記発熱素子を同じタイミングで駆動す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】
吐出口を有するオリフィスプレートと、
該オリフィスプレートの液体吐出面とは反対側の面に前記吐出口を中心に対称的に配置された発熱素子と、
前記吐出口に接続する流路と、
を有し、
前記流路内の液体を前記発熱素子によって加熱して気泡を発生させ、該気泡の発生に伴う体積変化によって前記吐出口を介して前記液体吐出面から前記液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、
前記吐出口の、前記液体吐出面に垂直な方向の長さをＰ[μｍ]、前記吐出口を中心に互いに対称的な位置にある前記発熱素子の各中心点と前記吐出口の中心点とを結ぶ直線に沿った前記吐出口の長さをＤ[μｍ]として、
Ｐ≧Ｄ／２
を満たし、
前記流路および前記吐出口の内壁面に沿った、前記発熱素子の中心点から前記液体吐出面までの距離をＬ[μｍ]、前記発熱素子を圧力源とした時の液体領域のイナータンスをＡ[ｇ／ｃｍ3／μｍ]として、
Ｌ＜（１７３７／Ａ）1/3
を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記イナータンスＡは、∇2φ＝０、発熱素子面でφ＝１、吐出口面でφ＝０、前記液体の密度をρ[ｇ／ｃｍ3]、個々の前記発熱素子の面積をＳH[μｍ2]として、
Ａ≡−ρ／（∫SH∇φｄＳH）
として計算される量である、請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
吐出口を有するオリフィスプレートと、
該オリフィスプレートの液体吐出面とは反対側の面に前記吐出口を中心に対称的に配置された発熱素子と、
前記吐出口に接続する流路と、
を有し、
前記流路内の液体を前記発熱素子によって加熱して気泡を発生させ、該気泡の発生に伴う体積変化によって前記吐出口を介して前記液体吐出面から前記液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、
前記吐出口の、前記液体吐出面に垂直な方向の長さをＰ[μｍ]、前記吐出口を中心に互いに対称的な位置にある前記発熱素子の各中心点と前記吐出口の中心点とを結ぶ直線に沿った前記吐出口の長さをＤ[μｍ]として、
Ｐ≧Ｄ／２
を満たし、
前記流路および前記吐出口の内壁面に沿った、前記発熱素子の中心点から前記液体吐出面までの距離をＬ[μｍ]、前記発熱素子の面積をＳH[μｍ2]、前記液体の密度をρ[ｇ／ｃｍ3]として、
Ｌ＜（１７３７ＳH／ρ）1/4
を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項７】
前記発熱素子は夫々長方形であり、該発熱素子の長辺が前記吐出口に面しており、該長辺の長さが、該長辺の方向に沿った前記吐出口の長さより長いことを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項８】
吐出口を有するオリフィスプレートと、
該オリフィスプレートの液体吐出面とは反対側の面に前記吐出口を中心に対称的に配置された発熱素子と、
前記吐出口に接続する流路と、
を有し、
前記流路内の液体を前記発熱素子によって加熱して気泡を発生させ、該気泡の発生に伴う体積変化によって前記吐出口を介して前記液体吐出面から前記液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、
前記吐出口の、前記液体吐出面に垂直な方向の長さをＰ[μｍ]、前記吐出口を中心に互いに対称的な位置にある前記発熱素子の各中心点と前記吐出口の中心点とを結ぶ直線に沿った前記吐出口の長さをＤ[μｍ]として、
Ｐ≧Ｄ／２
を満たし、
前記流路および前記吐出口の内壁面に沿った、前記発熱素子の中心点から前記液体吐出面までの距離をＬ[μｍ]、前記発熱素子の中心と前記吐出口の中心を結ぶ直線に沿った前記発熱素子の長さをａ[μｍ]、前記液体の密度をρ[ｇ／ｃｍ3]として、
Ｌ＜（１７３７ａ2／ρ）1/4
を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項９】
前記発熱素子の前記吐出口側に面する辺から前記吐出口の内壁面の縁までの距離をＨ[μｍ]として、
Ｐ≧Ｄ／２ かつ ０≦Ｈ＜３
を満たすことを特徴とする請求項４から８のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１０】
前記吐出口は、前記液体吐出面側に向かうにつれて小さくなるようにテーパーを付けられていることを特徴とする請求項４から９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１】
吐出口を有するオリフィスプレートと、該オリフィスプレートの液体吐出面とは反対側の面に前記吐出口を中心に対称的に配置された発熱素子と、前記吐出口に接続する流路と、を有する液体吐出ヘッドを用い、前記流路内の液体を前記発熱素子によって加熱して気泡を発生させ、該気泡の発生に伴う体積変化によって前記吐出口を介して前記液体吐出面から前記液体を吐出させる液体吐出方法において、
前記発熱素子から発生させた気泡を前記吐出口内に進入させるとともに、少なくとも前記オリフィスプレートの前記液体吐出面まで前記気泡の先端を到達させ、前記気泡によって挟まれ前記吐出口の中心部に残った柱状の液体を前記吐出口の中心部へ向かう表面張力に起因する収縮力によって分断させることを特徴とする液体吐出方法。
【請求項２】
前記気泡の先端が前記オリフィスプレートの前記液体吐出面に達してから当該気泡が収縮して前記吐出口内へ戻る最中に、当該気泡と外気とが連通することを特徴とする請求項１に記載の液体吐出方法。
【請求項３】
複数の前記発熱素子を同じタイミングで駆動す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】
吐出口を有するオリフィスプレートと、
該オリフィスプレートの液体吐出面とは反対側の面に前記吐出口を中心に対称的に配置された発熱素子と、
前記吐出口に接続する流路と、
を有し、
前記流路内の液体を前記発熱素子によって加熱して気泡を発生させ、該気泡の発生に伴う体積変化によって前記吐出口を介して前記液体吐出面から前記液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、
前記吐出口の、前記液体吐出面に垂直な方向の長さをＰ[μｍ]、前記吐出口を中心に互いに対称的な位置にある前記発熱素子の各中心点と前記吐出口の中心点とを結ぶ直線に沿った前記吐出口の長さをＤ[μｍ]として、
Ｐ≧Ｄ／２
を満たし、
前記流路および前記吐出口の内壁面に沿った、前記発熱素子の中心点から前記液体吐出面までの距離をＬ[μｍ]、前記発熱素子を圧力源とした時の液体領域のイナータンスをＡ[ｇ／ｃｍ3／μｍ]として、
Ｌ＜（１７３７／Ａ）1/3
を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項５】
前記イナータンスＡは、∇2φ＝０、発熱素子面でφ＝１、吐出口面でφ＝０、前記液体の密度をρ[ｇ／ｃｍ3]、個々の前記発熱素子の面積をＳH[μｍ2]として、
Ａ≡−ρ／（∫SH∇φｄＳH）
として計算される量である、請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項６】
吐出口を有するオリフィスプレートと、
該オリフィスプレートの液体吐出面とは反対側の面に前記吐出口を中心に対称的に配置された発熱素子と、
前記吐出口に接続する流路と、
を有し、
前記流路内の液体を前記発熱素子によって加熱して気泡を発生させ、該気泡の発生に伴う体積変化によって前記吐出口を介して前記液体吐出面から前記液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、
前記吐出口の、前記液体吐出面に垂直な方向の長さをＰ[μｍ]、前記吐出口を中心に互いに対称的な位置にある前記発熱素子の各中心点と前記吐出口の中心点とを結ぶ直線に沿った前記吐出口の長さをＤ[μｍ]として、
Ｐ≧Ｄ／２
を満たし、
前記流路および前記吐出口の内壁面に沿った、前記発熱素子の中心点から前記液体吐出面までの距離をＬ[μｍ]、前記発熱素子の面積をＳH[μｍ2]、前記液体の密度をρ[ｇ／ｃｍ3]として、
Ｌ＜（１７３７ＳH／ρ）1/4
を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項７】
前記発熱素子は夫々長方形であり、該発熱素子の長辺が前記吐出口に面しており、該長辺の長さが、該長辺の方向に沿った前記吐出口の長さより長いことを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項８】
吐出口を有するオリフィスプレートと、
該オリフィスプレートの液体吐出面とは反対側の面に前記吐出口を中心に対称的に配置された発熱素子と、
前記吐出口に接続する流路と、
を有し、
前記流路内の液体を前記発熱素子によって加熱して気泡を発生させ、該気泡の発生に伴う体積変化によって前記吐出口を介して前記液体吐出面から前記液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、
前記吐出口の、前記液体吐出面に垂直な方向の長さをＰ[μｍ]、前記吐出口を中心に互いに対称的な位置にある前記発熱素子の各中心点と前記吐出口の中心点とを結ぶ直線に沿った前記吐出口の長さをＤ[μｍ]として、
Ｐ≧Ｄ／２
を満たし、
前記流路および前記吐出口の内壁面に沿った、前記発熱素子の中心点から前記液体吐出面までの距離をＬ[μｍ]、前記発熱素子の中心と前記吐出口の中心を結ぶ直線に沿った前記発熱素子の長さをａ[μｍ]、前記液体の密度をρ[ｇ／ｃｍ3]として、
Ｌ＜（１７３７ａ2／ρ）1/4
を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項９】
前記発熱素子の前記吐出口側に面する辺から前記吐出口の内壁面の縁までの距離をＨ[μｍ]として、
Ｐ≧Ｄ／２ かつ ０≦Ｈ＜３
を満たすことを特徴とする請求項４から８のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項１０】
前記吐出口は、前記液体吐出面側に向かうにつれて小さくなるようにテーパーを付けられていることを特徴とする請求項４から９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
【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２００８−５５６３０（Ｐ２００８−５５６３０Ａ）
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３２１８１（Ｐ２００６−２３２１８１）
【出願日】平成１８年８月２９日（２００６．８．２９）
【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２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２９日（２００６．８．２９）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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