JP2006035536A - 液体吐出ヘッド、ヘッドカートリッジ、インクジェット記録装置、及び薬剤吸入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 微小滴を形成する液体吐出ヘッドにおいて、吐出効率が高く、微小滴を安定して長い間吐出し続ける高耐久性の液体吐出ヘッド、及び液体吐出装置を提供する。
【解決手段】 液流路３と、液体を滴として吐出するための吐出口４が開口した吐出口プレート５と、前記吐出口４に対応して設けられ、前記液体に与えるエネルギを発生させるエネルギ発生素子１とを有し、前記吐出口４には、前記吐出口プレート５の前記吐出口４が開口した面に対して凹部となる位置の略中央に細孔７ａを配した絞り部７が設けられ、前記液体が、前記絞り部７が前記液体中に位置するように前記吐出口４内でメニスカス８を形成して保持される液体吐出ヘッドにおいて、前記絞り部７が前記エネルギ発生素子１によるエネルギによって変位するのを抑制する抑制手段７ｂを備えた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、インクジェット記録分野において記録用のインクを吐出するのに使用されるインクジェット（液体）吐出ヘッド、医療分野において液状薬剤を霧状として肺吸入させるさいに使用される薬剤吸入装置、液体を微小液滴にして液体を塗布する、とくに立体物へ液体を塗布するのに有効な塗布装置などに好適に用いられる、液体吐出ヘッドに関するものである。

インクジェット吐出ヘッドの記録品位に対する要求はさらに高まっており、近年ではとくに、記録媒体に付着したインクの粒状感を目立たなくするために、吐出する液滴の微小化の要求が増大していることは知られている（例えば、特許文献１ないし４参照）。
液滴の体積がサブピコリットルオーダー以下にまで微小化することを達成できれば、インクジェット記録分野だけでなく、他の分野への応用も考えられる。例えばサブピコリットルオーダー以下といった極めて微小な液滴を吐出する液体吐出ヘッドが提案されている。
特許文献１ないし特許文献３には、サブピコリットルオーダー以下の微小な液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの構成が提案されている。特許文献４には、口腔及び／または鼻腔経由でタンクの内容物（ニコチン、アスコルビン酸、メントール、その他各種香料）を適量吸入させる少なくとも微小液滴噴射機構と、この微小液滴噴射機構に繋がったタンクと、噴射量調整機構と、呼吸感知機構からなる吸入装置が提案されている。
特開２００３−１５４６５５公報 特開２００３−１５４６６４公報 特開２００３−１５４６６５公報 特開２００１−１６１８１９公報

特許文献１ないし特許文献３に開示された液体吐出ヘッドでは、吐出開始前は、吐出口形成部材の吐出口においてメニスカスが形成され、絞り部の細孔が液中に位置する状態である。そして、液吐出のために発熱素子を駆動すると、気泡が発生、成長し、それに伴い気泡と吐出口との間にある液体は少なくとも吐出口側に移動する。
このとき、液体は吐出口側への移動にさいして、絞り部の細孔を通過する。その結果、細孔を通過した後の液体の移動速度がその通過前より格段と速くなり、さらに、吐出口を開口する凹部内の液体の移動において、細孔に対応する流速が相対的に速くなる。
したがって、吐出口におけるメニスカスの、細孔に相対する中央部が盛り上がって液滴が吐出される。すなわち、吐出口を開口する凹部内の液体の全体的な吐出にならないので、極微小の液滴を吐出することが可能である。
しかしながら、発熱素子を駆動し発生した気泡は数十ＫＨｚの周波数で数μｍ（従来例の実施例では１μｍ）の厚さの絞り部に衝撃を与えることになり、絞り部の耐久性が悪いといった課題が生じる。とくに絞り部の固定端に亀裂が入って破損するケースが多く見られる。
また、発熱素子の熱によって液体が気化してできた気泡からの圧力は液体を絞り部の細孔を通過させるために使われるが、気泡を絞り部へ接触させるので、直接気泡の力が直接絞り部に伝わり絞り部が変位することで気泡の力がロスすることになり、液滴の吐出に使われるエネルギ効率が悪くなる。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、微小滴を形成する液体吐出ヘッドにおいて、吐出効率が高く、微小滴を安定して長い間吐出し続ける高耐久性の液体吐出ヘッド、液体吐出装置、及び薬剤吸入装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、液流路と、液体を滴として吐出するための吐出口が開口した吐出口プレートと、前記吐出口に対応して設けられ、前記液体に与えるエネルギを発生させるエネルギ発生素子とを有し、前記吐出口には、前記吐出口プレートの前記吐出口が開口した面に対して凹部となる位置の略中央に細孔を配した絞り部が設けられ、前記液体が、前記絞り部が前記液体中に位置するように前記吐出口内でメニスカスを形成して保持される液体吐出ヘッドにおいて、前記絞り部が前記エネルギ発生素子によるエネルギによって変位するのを抑制する抑制手段を備えた液体吐出ヘッドを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、前記凹部の絞り部にリブを有する請求項１記載の液体吐出ヘッドを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、前記凹部の絞り部に有するリブが前記細孔の一部を成すことが無い請求項２記載の液体吐出ヘッドを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、前記凹部の前記絞り部の固定端での厚みが前記細孔近傍での厚みよりも厚い請求項１記載の液体吐出ヘッドを特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、前記エネルギ発生素子が発熱素子であり、この発熱素子の熱によって前記液体が気化した気泡を前記絞り部に接触させる請求項１ないし４のいずれか１項記載の液体吐出ヘッドを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、前記絞り部が前記吐出口プレートの厚さ方向の間の位置に設けられている請求項１ないし５のいずれか１項記載の液体吐出ヘッドを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、インク滴を吐出するインクジェットヘッドとこのインクジェットヘッドにインクを供給するインクタンクを一体化したヘッドカートリッジにおいて、前記インクジェットヘッドが請求項１ないし６のいずれか１項記載の液体吐出ヘッドであるヘッドカートリッジを特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、インク滴を吐出するインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置において、前記インクジェットヘッドが請求項１ないし６のいずれか１項記載の液体吐出ヘッドあるいは請求項７記載のヘッドカートリッジであるインクジェット記録装置を特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、前記液体が、肺吸入に用いられる薬剤である、請求項１ないし６のいずれか１項記載の液体吐出ヘッド及びその液体吐出ヘッドを搭載した薬剤吸入装置を特徴とする。

本発明によれば、絞り部が、前記エネルギ発生素子によるエネルギによって変位するのを抑制することによって、数十ＫＨｚの周波数で発熱素子を駆動し発生した気泡が数μｍの厚さの絞り部に衝撃を与えることがあっても、絞り部の固定端での破損がなくなり、絞り部の耐久性の向上に繋がって、微小滴を安定して長い間吐出し続けることが可能となる。
また、エネルギ発生素子のエネルギは液体が絞り部の細孔を通過するために使われるが、そのエネルギは有効に液滴の吐出に使われるので、液滴の吐出に使われるエネルギ効率が高くなる。
さらに、本発明による液体吐出ヘッドを用いると、より小さな微小滴を高速で吐出可能であり、そのためより多くの薬液を口や鼻孔から効率よく肺まで到達させることが可能な吸入装置が実現可能である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明における「記録」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を被記録媒体に付与することにも関する。
図１は本発明による液体吐出ヘッドの第１の実施の形態を示す平面図である。図２は図１の液体吐出ヘッドのＸ−Ｘ線断面図である。図１に示す第１の実施の形態の液体吐出ヘッドでは、液体を吐出するためのエネルギ発生素子である発熱素子１が基板２上に設けられている。
発熱素子１は間隔規定部材６によって画成された各液流路３に対応して配置されている。基板２は本実施の形態では面方位＜１００＞のシリコン単結晶で形成されている。基板２の上面には、発熱素子１、この発熱素子１を駆動するための駆動トランジスタ等からなる駆動回路が配置されている。
基板２の上面には、また、配線板と接続するためのコンタクトパッド、駆動回路とコンタクトパッドとを接続する配線等が半導体プロセスを用いて形成されているが、図１では本発明に関わる主要部のみを示している。
図１では、発熱素子１及び液流路３は３つしか示していないが、実際には、１枚の基板２上に複数の発熱素子１が多数配列されており、発熱素子１ごとに液流路３が配置されている。
なお、エネルギ発生素子は発熱素子１のような電気熱変換素子に限らず、圧電素子のような振動エネルギ発生素子であってもよい。間隔規定部材６により画成された液流路３は、液体を滴として吐出するための吐出口４が開口した吐出口プレート５と、この吐出口プレート５と基板２の間の間隔を規定する間隔規定部材６とにより囲まれて、発熱素子１に対応して構成されている。

液流路３へはインク供給路１１を介して共通液室１２から液が供給される。吐出口４には、吐出口プレート５の吐出口４が開口した面である吐出口面５ａに対して凹となる位置に、絞り部７、すなわち吐出口４の横断面積を他の部分と比較して急激に絞り込んだ部分が設けられている。
また、吐出口４の凹部内は親水性表面であり、吐出口４の周辺の吐出口面５ａは撥水性表面となっている。よって、吐出される液体Ｌは吐出口４内において、吐出口面５ａと絞り部７との間でメニスカス８を形成して保持される。
したがって、絞り部７は液流路３から吐出口プレート５の吐出口面５ａまでの経路における液Ｌ中に位置している。吐出口４は６００ｄｐｉ（約４２μｍ）の密度で並んでおり、吐出口４の開口径は１０μｍ、絞り部７での開口領域である細孔７ａの孔径は３μｍ、発熱素子１は１０μｍ四方の正方形とした。
また、吐出口プレート５の厚さは５μｍ、液流路３の高さは５μｍとした。絞り部７の厚さは細孔７ａの位置で１μｍ、絞り部７の固定端７ｂの位置で２μｍとした。絞り部７は細孔７ａから固定端７ｂにかけて連続的に厚さが変化（テーパー状の漸増）している。
本発明の各実施形態では、絞り部７がエネルギ発生素子１によるエネルギによって変位するのを抑制する抑制手段として、絞り部７の肉厚を内径側と外径側とで異ならせた構成が特徴的である。

次に、このような形態の液体吐出ヘッドの吐出動作を説明する。図３ないし図７は図１の第１の実施の形態の液体吐出ヘッドを駆動させたときの液体吐出の様子を示している。
図３は図１の第１の実施の形態の液体吐出ヘッドの吐出開始前の状態を示す断面図である。図３に示すように、吐出口プレート５の吐出口４において充填された液体Ｌにメニスカス８が形成され、絞り部７の細孔７ａが液中に位置する状態である。
図４は絞り部の細孔に相対するメニスカスの中央部が盛り上がる状態を示す断面図である。液吐出のために発熱素子１に電圧を印加すると、図４に示すように発熱素子１が発熱する。それにより発熱素子１表面と接する液流路３の液体が加熱され、その液体に膜沸騰に伴う気泡が発生する。
膜沸騰に伴う気泡１２が発生すると、その気泡１２の体積は急峻に成長するため、それに伴い液体は下流側（吐出口４側）及び上流側（液体供給側）に移動する。したがって、吐出口４に対応する液体表面のメニスカス８の、細孔７ａに相対する中央部が盛り上がってくる。

図５はメニスカスが尾を長く引いた形状に盛り上がった状態を示す断面図である。さらに気泡１２が成長すると、図５に示すように、メニスカス８が尾を長く引いた形状に盛り上がる。
このとき、液体は吐出口４側への移動にさいして、絞り部７の細孔７ａを通過する。その結果、細孔７ａの通過後の液体の移動速度がその通過前より格段と速くなり、さらに、吐出口４を開口する凹部内の液体の移動において、細孔７ａに対応する流速が相対的に速くなる。
図６はメニスカスの尾が分離されて形成される液滴を示す断面図である。発熱素子１に印加している電圧を切ると気泡１２は収縮し、それに伴いメニスカス８面は液流路３内の負圧により下方へ変位する。絞り部７の下方への変位によって、メニスカス８の尾が分離され、液滴１３が形成される。
本発明の液体吐出ヘッドによれば、発熱素子１の熱によって液体が気化してできた気泡１２は液体が絞り部７の細孔７ａを通過するために使われるが、気泡１２の力は有効に液滴の吐出に使われる。その結果、効率よくエネルギを液体に伝えることができる。
また、絞り部７の固定端７ｂが細孔７ａ近傍と較べて厚くなっているので、絞り部７の厚さが均一な従来例と比較して絞り部７が気泡１２の圧力を受けても変位し難く、絞り部７の固定端７ｂでの破損は抑えられ、絞り部７の耐久性が向上した。つまり、絞り部７の断面形状が、絞り部がエネルギ発生素子によるエネルギによって変位するのを抑制する抑制手段を構成している。

図７は気泡が消滅し初期状態に戻り、次の電圧が印加されるまでの待機状態にあることを示す断面図である。図７に示すように、気泡１２が消滅し初期状態に戻り、次の電圧が印加されるまで待機状態となる。
吐出口４を開口する凹部内の液体の全体的な吐出にならないので、１ｐｌ（ピコリットル）以下の極微小の液滴を吐出することが可能である。また、細孔７ａが液中に位置するように吐出口４を開口する凹部内に液体が溜まっているため、細孔７ａ内の液体が乾燥によって目詰まりを起こすことがなく、吐出開始から良好な液滴を吐出することができる。
以上の説明は熱エネルギによる膜沸騰により生じる気泡の圧力を利用して、吐出口よりインク等の液体を吐出するサーマルインクジェット方式を例としたが、吐出原理はこれに限られるものではない。
例えば、圧電素子の変位を用いて液体を吐出する圧電型、静電気力によって振動板を変位させ振動板の復元力によって液体を吐出する静電型などにも同様に適用できる。
しかし、エネルギ発生手段によって押し出される液体の体積である排除体積はサーマルインクジェット方式では、その他の方式よりも大きい。圧電型や静電型では、排除体積は変位する領域の面積と、変位量の積であり、サーマルインクジェット方式では気泡の体積となる。
また、サーマルインクジェット方式では本実施の形態に示したように、気泡の力を直接絞り部に伝えることができるが、その他の方式ではこのような動作はできない点からも、サーマルインクジェット方式を好適に用いることができる。
６００〜２４００ｄｐｉからなる吐出口４のピッチサイズにおいては、絞り部７の厚さは、比較的ヤング率の小さい樹脂材料では１μｍ〜１０μｍ、ヤング率が１００〜３００ＧＰａである比較的硬い材料、例えば、金属、シリコンあるいは金属酸化物、金属窒化物、シリコン酸化物、シリコン窒化物などでは０．１μｍ〜３μｍを用いることができる。
歩留り、生産性の点を考慮に入れると０．２μｍ〜１．５μｍがさらに好適である。絞り部７はまた単層だけではなく、積層でもよい。これらの無機材料膜は、スパッタ、プラズマＣＶＤ、蒸着などの成膜手段により容易に、制御性良く作製が可能である。

また、絞り部７を形成する部材と、吐出口４が形成される部材を別の材料で形成することも可能である。このような構成とすることによって、絞り部７をスパッタ、プラズマＣＶＤ、蒸着などの薄膜成膜により厚さ精度よく作製できる。
また、細孔７ａはドライエッチ、ウェットエッチ、レーザ加工などの方法により、精度よく、均一に、生産性良く作製することが可能である。その上に３〜１０μｍと比較的厚く形成可能な樹脂などで吐出口４を形成することが可能である。樹脂に感光性樹脂を使い吐出口４を作製することも可能である。
また、レーザ加工、マスキングしてエッチングすることによる吐出口４の形成も可能である。本発明の液体吐出ヘッドは、微小な液滴を吐出（噴霧も含む）するための装置に好適に用いることができる。
その具体的な例としては、例えば、インクジェット記録分野におけるインクジェット記録ヘッドや、医療分野における薬剤吸入用のヘッドが挙げられる。本発明の液体吐出ヘッドをインクジェット記録ヘッドとして用いる場合は、吐出口を１列または複数列に配列して構成する。
吐出する液体としては、インクや、記録シートへのインクの滲みを防止するためにインクに先立って記録シートへ付着させる表面処理液などの記録用液体が用いられる。
吐出口４の配列方向及び配列長さを適宜設定することで、シリアルタイプのインクジェット記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッドとすることもできるし、ラインタイプのインクジェット記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッドとすることもできる。
また、本発明の液体吐出ヘッドを薬剤吸入用のヘッドとして用いる場合は、液体吐出ヘッドを薬剤のディスペンサと連結した構成とし、吐出する液体としては、インスリン、人成長ホルモン、性腺刺激ホルモンなどの蛋白製剤、ニコチン、または麻酔薬などが用いられる。

図８は図１に示した液体吐出ヘッドの第１の変形例を示す平面図である。図９は図８の液体吐出ヘッドの第１の変形例のＸ−Ｘ線断面図である。図８に図１に示した液体吐出ヘッドの第１の変形例を示しており、共通の部位は同一番号を付して説明する。簡単化のため１つの液流路のみを示している。
図８及び図９に示す第１の変形例では、絞り部７によって形成される細孔７ａの近傍の厚さは均一で、固定端７ｂ近傍の厚さのみが厚くなっている点が、図１に示したものと異なっている。
このように、絞り部７の固定端７ｂ近傍のみの厚さを厚くするだけでも絞り部７の面積、形状、厚さ、材質などによっては十分に機能する。
吐出口４の凹部内の絞り部７の固定端７ｂ近傍の厚さを厚くする。これにより、発熱素子１を駆動し発生した気泡が絞り部７を押し上げようとしても固定端７ｂ近傍の厚さが厚いことによって絞り部７の変位は抑制される。したがって、絞り部７の耐久性の向上に繋がって、微小滴を安定して長い間吐出し続けることが可能となる。
発熱素子１の熱によって液体が気化してできた気泡は液体が絞り部７の細孔７ａを通過するために使われるが、気泡の力は有効に液滴の吐出に使われる。その結果、効率よくエネルギを液体に伝えることができる。
また、絞り部７の固定端７ｂが細孔７ａ近傍と較べて厚くなっているので、絞り部７が気泡（図示せず）の圧力を受けても変位し難く、絞り部７の固定端７ｂでの破損は抑えられ、絞り部７の耐久性が向上した。
吐出口４は６００ｄｐｉ（約４２μｍ）で並んでおり、吐出口４の開口径は１０μｍ、絞り部７での開口領域である細孔７ａの孔径は３μｍ、発熱素子１は１０μｍ四方の正方形とした。また、吐出口プレート５の厚さは５μｍ、液流路３の高さは５μｍとした。
絞り部７の厚さは細孔７ａの場所で１μｍ、固定端７ｂ近傍の厚さは、１μｍのＲ（曲線）を付け、固定端７ｂでは絞り部７の厚さを含め２μｍとしている。絞り部７の固定端７ｂから１μｍの位置で、絞り部７の厚さの１μｍとなるよう徐々に厚さを変化させている。

図１０は本発明による液体吐出ヘッドの第２の実施の形態を示す平面図である。図１１は図１０の液体吐出ヘッドのＸ−Ｘ線断面図である。図１０は本発明による液体吐出ヘッドの第２の実施の形態を示しており、図１の第１の実施の形態共通の部位は同一符号を付して説明する。
図１０に示す第２の実施の形態では、吐出口４の凹部内の絞り部７上面に細孔７ａから固定端７ｂにかけて、放射状に４本のリブ（突条）９を設けている。ここではリブ９を放射状に４本設けているが、４本に限ったことではなく、液滴を噴射させる上で絞り部７の変位が問題にならなければ２本でも、３本でも良くまた５本以上でもかまわない。
これは絞り部７の面積、形状、厚さ、材質などによって適宜選ぶことができる。吐出口４の凹部内の絞り部７上にリブ９を設けることにより、発熱素子１を駆動し発生した液流路３内の気泡が絞り部７を押し上げようとしてもリブ９により絞り部７の変位は抑制される。
これが絞り部７の耐久性の向上に繋がって、微小滴を安定して長い間吐出し続けることが可能となる。発熱素子１の熱によって液体が気化してできた気泡は液体が絞り部７の細孔７ａを通過するために使われるが、気泡の力は有効に液滴の吐出に使われる。その結果、効率よくエネルギを液体に伝えることができる。
吐出口４は６００ｄｐｉ（約４２μｍ）で並んでおり、吐出口４の開口径は１０μｍ、絞り部７での開口領域である細孔７ａの孔径は３μｍ、発熱素子１は１０μｍ四方の正方形とした。
また、吐出口プレート５の厚さは５μｍ、液流路３の高さは５μｍとした。絞り部７の厚さは細孔７ａの場所で１μｍ、リブ９の厚さは絞り部７の厚さを含めて２μｍとした。

図１２は図１０の本発明による液体吐出ヘッドの第２の実施の形態の変形例を示す平面図である。図１３は図１２の液体吐出ヘッドのＸ−Ｘ線断面図である。図１２は、図１０に示す液体吐出ヘッドの変形例を示しており、共通の部位は同一番号を付して説明する。
この図に示す変形例では、絞り部７の細孔７ａと固定端７ｂとの間にリング状のリブ９を設けている。ここではリブ９をリング状に１本設けているが、１本に限ったことではなく、液滴を噴射させる上で絞り部７の変位が問題にならないよう２本以上同心円状に設けてもかまわない。
これは絞り部７の面積、形状、厚さ、材質などによって適宜選ぶことができる。吐出口４の凹部内の絞り部７上にリブ９を設けることにより、発熱素子１を駆動し発生した気泡が絞り部７を押し上げようとしてもリブ９により絞り部７の変位は抑制される。
したがって、絞り部７の耐久性の向上に繋がって、微小滴を安定して長い間吐出し続けることが可能となる。発熱素子１の熱によって液体が気化してできた気泡は液体が絞り部７の細孔７ａを通過するために使われるが、気泡の力は有効に液滴の吐出に使われる。その結果、効率よくエネルギを液体に伝えることができる。
吐出口４は６００ｄｐｉ（約４２μｍ）で並んでおり、吐出口４の開口径は１０μｍ、絞り部７での開口領域である細孔７ａの孔径は３μｍ、発熱素子１は１０μｍ四方の正方形とした。
また、吐出口プレート５の厚さは５μｍ、液流路３の高さは５μｍとした。絞り部７の厚さは細孔７ａの場所で１μｍ、リブ９の厚さは絞り部７の厚さを含めて１．５μｍとした。

次に、細孔７ａについての他の実施の形態を説明する。これらの実施の形態は第１及び第２の実施の形態及びそれら変形例全てに適応可能であるが、説明は第１の実施の形態の構成をもって説明する。図中の番号は第１の実施の形態と同じにする。
図１４は図１に示す液体吐出ヘッドの細孔部に関する第１の変形例を示す断面図である。ここでは簡単化のため１つの液流路のみを示している。この図に示す第１の変形例では、絞り部７によって形成される細孔７ａの孔径が液流路３側から吐出口面５ａ側に向けてテーパ状に細くなっている点が、図１に示したものと異なっている。
このように、絞り部７の細孔７ａをテーパ状としても、図１に示した液体吐出ヘッドと同様の効果が得られる。なお、図１４に示した第１の変形例では、孔径が液流路３側から吐出口面５ａ側に向けて細くなる細孔７ａを示した。
しかしながら、絞り部７の細孔７ａの孔径が吐出口面５ａ側から液流路３側に向けて細くなるものや、絞り部７の細孔７ａの孔径が液流路３側から吐出口面５ａ側に向けて一度細くなり再び拡大するものであってもよい。
また、絞り部７の細孔７ａの角部の角がとれていてもよい。さらに言えば、絞り部７の細孔７ａの孔径が、液体の吐出方向に関して変化していれば、細孔７ａの内壁や角部の形状は任意である。
図１５は図１に示す液体吐出ヘッドの細孔部に関する第２の変形例を示す断面図である。図１５に示す第２の変形例では、絞り部７によって形成される細孔７ａが１つの発熱素子１に対して複数設けられている。
このように、吐出口４に複数の細孔７ａを設けることで、上述した効果に加え、１つの吐出口４から複数の液滴を同時に吐出することができる。絞り部７の細孔７ａの厚さよりも固定端７ｂの厚さを厚くしていることで、絞り部７の変位を抑制できる。
気泡の力は絞り部７の変位でロスすることなく液体が絞り部７の細孔７ａを通過するために使われるので、効率良くエネルギを液体へ伝えることができるため、このような構成を取って複数の液滴を同時に吐出することが可能になっている。
また、細孔７ａの向きは液滴を飛ばす方向を決めるが、本発明では上述のように絞り部７の変位、変形を抑制しているので、複数の液滴は分離されたまま、同一方向へ飛翔させることができる。

次に、絞り部７の位置を変えた実施の形態について説明する。本実施の形態は前記の第１及び第２の実施の形態、それらの変形例及び細孔部に関する変形例６全てに適応可能であるが、説明は第１の実施の形態の構成をもって説明する。図中、参照符号は第１の実施の形態と同じにする。
図１６は図１に示した液体吐出ヘッドの絞り部の位置を変えた変形例を示す断面図である。図１６に示す変形例では、絞り部７の位置が、吐出口プレート５の吐出口４が開口した面と、液流路３の高さを規定する間隔規定部材６の上面との間に設定されている点が、図１に示したものと異なっている。詰まり、絞り部７を形成する高さ位置を、吐出口４の内壁の下端縁に設けるのではなく、吐出口４の上端縁と下端縁との中間位置（下端縁寄り位置）に設けている。
このように、吐出口４内における絞り部７の位置を、吐出口面５ａに対して凹となる範囲で変更しても、図１に示した液体吐出ヘッドと同様の効果が得られる。
また、液流路３側にも凹部が形成されるため、気泡の横方向への成長が阻害され、液滴吐出方向へ気泡の力が有効的に働くため、効率が良くなるという利点がある。なお、以上説明した第１及び第２の実施の形態、それらの変形例及び細孔部に関する変形例は、単独で適用することは勿論のこと、適宜組み合わせて本発明の液体吐出ヘッドに適用することが可能である。

図１７は本発明の液体吐出ヘッドをインクジェットヘッドに用いた場合の実施の形態を示す平面図である。図１８は図１７の液体吐出ヘッドのＹ−Ｙ線断面図である。図中、参照番号は第１の実施の形態と同じにする。
本実施の形態では大滴用の吐出口並び１５と、微小滴用の吐出口並び１６を備えている。吐出口並び１６の断面は図２に示すものと同様である。吐出口並び１６では０．０５〜１ｐｌの微小インク滴を吐出する。したがって、符号３は液流路、４は吐出口、７ａは絞り部７の細孔、１１はインク供給路、そして１２は共通液室を示している。
図１８は大滴用吐出口並び１５のＹ−Ｙにおける断面図を示し、吐出口１４は１０μｍの径のものを用いており、吐出口並び１６のような凹部を設けていない。よって、従来のインクジェットヘッドの吐出口と同様のものであり、３〜８ｐｌ程度のインク滴を吐出する。
大滴用と小滴用の２つ種類の吐出口を設けたことにより、文字、グラフィックや塗りつぶし領域などは大滴用吐出口、グラフィックや写真のハイライト部分は微小滴用吐出口というように使い分けることによって、粒状性の少ない高画質な画像を高速で印字することができる。
微小滴は１ｐｌ以下とすることによって、被記録媒体上で人間の目にはドットとして認識できない。その結果、画像の粒状性が感じられなく、良好な画像が得られる。本実施の形態の説明では、或る色における吐出口配列を例としたが、色ごとに、例えば、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの４色に本構成の吐出口並びを設けることによって、フルカラーの画像を得ることができる。

図１９は図１５の液体吐出ヘッドをインクジェットヘッドに用いた場合の実施の形態を示す平面図である。図中の参照番号は図１７の実施の形態と同一にしている。本実施の形態では図１７の実施の形態と同様に、大滴用の吐出口並び１５と、微小滴用の吐出口並び１６を備えている。
図示してないが大滴用吐出口並び１５のＹ−Ｙ線断面図は図１８の図１７の液体吐出ヘッドのＹ−Ｙ線断面図と同一である。３〜８ｐｌ程度のインク滴を吐出する。また、吐出口並び１６の断面は図１５に示すものと同様であるものを用いた。
吐出口並び１６では０．０５〜１ｐｌの微小インク滴を複数同時に吐出する。本実施の形態では５滴の微小滴を吐出するが、５滴とは限らない。３〜５滴が液滴飛翔時に互いに結合することなく被記録媒体上に着弾させることができ好適である。
なお、図１９においては図１及び図２におけると同様に、符号３は液流路、４は吐出口、７ａは絞り部７の細孔、１１はインク供給路、そして１２は共通液室を示している。
微小滴を用いることによって粒状性の少ない画像が得られるが、被記録媒体上で色として認識するためには微小滴を多数打ち込まなければならない。そのため印字に時間が掛かってしまう。本実施の形態では、複数の微小滴を吐出させる吐出口を設けたので、速く印字が可能である。
本実施の形態においても、色ごとに本構成の吐出口並びを設けることによって、フルカラーの画像を得ることができる。図１７及び図１９の実施の形態では、２種類の吐出口を設けた例を示したが、３種類以上の吐出口を備えたものでもよい。
図２０は液体吐出ヘッドと液体容器を一体化または分離可能に保持するヘッドカートリッジを示す斜視図である。図２０には以上説明したいずれかの液体吐出ヘッド２１と、それに供給する液体を保持する液体容器を一体化または分離可能に保持するヘッドカートリッジ２０を示している。極微小滴を吐出可能であるので、高画質印字が可能なヘッドカートリッジの実現が可能である。なお、符号１は発熱素子を含む素子基板を示している。

図２１は本発明によるインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置を説明する概略斜視図である。図２２は図２１のインクジェット記録装置を搭載した複写装置の機構部の側面説明図である。
このインクジェット記録装置は、記録装置本体２３の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明を実施したインクジェットヘッドからなる液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部２４等を収納する。
図２１及び図２２において、装置本体２３の下方部には前方側から多数枚の用紙２５を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい）２６を抜き差し自在に装着することができる。
また、用紙２５を手差しで給紙するための手差しトレイ２７を開倒することができ、給紙カセット２６或いは手差しトレイ２７から給送される用紙２５を取り込み、印字機構部２４によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ２８に排紙する。
印字機構部２４は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド２９と従ガイドロッド３０とで、キャリッジ３１を主走査方向に摺動自在に保持する。
このキャリッジ３１にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する本発明に係るインクジェットヘッドからなるヘッド３２を複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。
また、キャリッジ３１にはヘッド３２に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ３３を交換可能に装着している。インクカートリッジ３３は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有している。
多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクを僅かな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド３２を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。

ここで、キャリッジ３１は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド３１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド３０に摺動自在に載置している。
そして、このキャリッジ３１を主走査方向に移動走査するために、主走査モータ３４で回転駆動される駆動プーリ３５と従動プーリ３６との間にタイミングベルト３７を張装し、このタイミングベルト３７をキャリッジ３１に固定しており、主走査モータ３４の正逆回転によりキャリッジ３１が往復駆動される。
一方、給紙カセット２６にセットした用紙２５をヘッド３２の下方側に搬送するために、給紙カセット２６から用紙２５を分離給装する給紙ローラ３８及びフリクションパッド３９と、用紙２５を案内するためのガイド部材４０を備えている。
さらに、給紙された用紙２５を反転させて搬送する搬送ローラ４１と、この搬送ローラ４１の周面に押し付けられる搬送コロ４２及び搬送ローラ４１からの用紙２５の送り出し角度を規定する先端コロ４３とを設けている。
搬送ローラ４１は副走査モータ４４によってギヤ列を介して回転駆動される。そして、キャリッジ３１の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ４１から送り出された用紙２５をヘッド３２の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材（図示せず）を設けている。
この印写受け部材の用紙搬送方向下流側には、用紙２５を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ４５、拍車４６を設け、さらに用紙２５を排紙トレイ２８に送り出す排紙ローラ４７及び拍車４８と、排紙経路を形成するガイド部材４９、５０とを配設している。

記録時には、キャリッジ３１を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド３２を駆動することにより、停止している用紙２５にインクを吐出して１行分を記録し、用紙２５を所定量搬送後次の行の記録を行う。
記録終了信号または、用紙２５の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙２５を排紙する。また、キャリッジ３１の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド３２の吐出不良を回復するための回復装置５１を配置している。
回復装置５１はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ３１は印字待機中にはこの回復装置５１側に移動されてキャッピング手段でヘッド３２をキャッピングし、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。
また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド３２の吐出口（ノズル）を密封する。
チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（図示せず）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
このように、このインクジェット記録装置においては本発明を実施したインクジェットヘッドを搭載しているので、粒状性の少ない階調性のよい画像が得られ、印字速度が速いインクジェット記録装置が実現可能である。

上述したように（例えば、図１ないし図１３参照）、凹部の絞り部７にリブ９を設けることにより、エネルギ発生素子１を駆動し発生するエネルギが絞り部７を押し上げようとしても絞り部７の変位は抑制され、絞り部７の耐久性の向上に繋がって、微小滴を安定して長い間吐出し続けることが可能となる。
また、エネルギ発生素子１のエネルギは液体が絞り部７の細孔７ａを通過するために使われるが、そのエネルギは有効に液滴の吐出に使われるので、液滴の吐出に使われるエネルギ効率が高くなる。
凹部（吐出口４）の絞り部７に有するリブ９は細孔７ａの一部となっていないので、細孔７ａの厚さはリブ９の形状に依らず決めることができ一定の厚さにできるので、液滴の吐出特性を保持したまま、リブ９の導入が絞り部７の耐久性の向上に繋がって、微小滴を安定して長い間吐出し続けることが可能となる。
凹部の絞り部７の固定端７ｂの厚みを絞り部７の細孔７ａ近傍の厚みよりも厚くしているので、エネルギ発生素子１を駆動し発生するエネルギが絞り部７を押し上げようとしても絞り部７の変位は抑制され、また、絞り部７の固定端７ｂでの破損はなくなり、絞り部の耐久性の向上に繋がって、微小滴を安定して長い間吐出し続けることが可能となる。
エネルギ発生素子１は発熱素子を用い、熱エネルギによる膜沸騰により生じる気泡の圧力を利用して、吐出口４より液体を吐出するにあたり、発熱素子１の熱によって液体が気化した気泡１２を、絞り部７に接触させるので、気泡１２の力を直接絞り部７に伝えることができる。それによってより小さな微小滴を安定して形成することができ、吐出速度を大きくすることができる。
絞り部７は、吐出口プレート５の厚さ方向の間の位置に設けられているので、液流路３側にも凹部が形成され、エネルギの横方向への伝播が阻害され、液滴吐出方向へのエネルギが有効的に働き効率が良くなる。
とくに、エネルギ発生素子として発熱素子１を用い、この発熱素子１の熱によって液体が気化してできた気泡１２を用いる構成では、気泡１２の横方向への成長が阻害され、液滴吐出方向へ気泡１２の力が有効的に働き効率が良くなる。
インク滴を吐出するインクジェットヘッドとこのインクジェットヘッドにインクを供給するインクタンクを一体化したヘッドカートリッジ２０（図２０参照）に本発明による液体吐出ヘッドを適用したので、極微小滴の吐出が可能となり、高画質印字ができるヘッドカートリッジが実現できる。
インクジェットヘッドが本発明による液体吐出ヘッドあるいはヘッドカートリッジであるので、粒状性の少ない階調性のよい画像が得られ、印字速度が速いインクジェット記録装置が実現可能である。

図２３は本発明による液体吐出ヘッドを液状薬剤の肺吸入用の薬剤吸入装置に用いた実施の形態を示す概略図である。図２３には本発明による液体吐出ヘッドを医療分野において液状薬剤を霧状として肺吸入させるさいに使用される薬剤吸入装置に用いた実施の形態を示している。
薬剤吸入装置５２はより多くの薬液を効率よく肺まで到達させることが必要である。本発明の液滴吐出ヘッドを吸入装置５２に搭載することにより、極微小滴を高速で吐出することが可能であるので、より多くの薬液を肺まで送ることができる。
本発明の液体吐出ヘッドを薬剤吸入用のヘッドとして用いる場合は、液体吐出ヘッドを薬剤のディスペンサと連結した構成とし、吐出する液体としては、インスリン、人成長ホルモン、性腺刺激ホルモンなどの蛋白製剤、ニコチン、または麻酔薬などが用いられる。さらにはアスコルビン酸、メントール、その他各種香料なども用いられる。
本発明は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の被記録媒体に対して記録を行うプリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの画像記録装置に応用できる。
本発明は、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業用記録装置、電子デバイス、電気配線部品などの配線形成装置に適用できる記録ヘッド及びその応用装置にも関連する。

本発明による液体吐出ヘッドの第１の実施の形態を示す平面図である。 図１の液体吐出ヘッドのＸ−Ｘ線断面図である。 図１の第１の実施の形態の液体吐出ヘッドの吐出開始前の状態を示す断面図である。 絞り部の細孔に相対するメニスカスの中央部が盛り上がる状態を示す断面図である。 メニスカスが尾を長く引いた形状に盛り上がった状態を示す断面図である。 メニスカスの尾が分離されて形成される液滴を示す断面図である。 気泡が消滅し初期状態に戻り、次の電圧が印加されるまでの待機状態にあることを示す断面図である。 図１に示した液体吐出ヘッドの第１の変形例を示す平面図である。 図８の体吐出ヘッドの第１の変形例のＸ−Ｘ線断面図である。 本発明による液体吐出ヘッドの第２の実施の形態を示す平面図である。 図１０の液体吐出ヘッドのＸ−Ｘ線断面図である。 図１０の本発明による液体吐出ヘッドの第２の実施の形態の変形例を示す平面図である。 図１２の液体吐出ヘッドのＸ−Ｘ線断面図である。 図１に示す液体吐出ヘッドの細孔部に関する第１の変形例を示す断面図である。 図１に示す液体吐出ヘッドの細孔部に関する第２の変形例を示す断面図である。 図１に示した液体吐出ヘッドの絞り部の位置を変えた変形例を示す断面図である。 本発明の液体吐出ヘッドをインクジェットヘッドに用いた場合の実施の形態を示す平面図である。 図１７の液体吐出ヘッドのＹ−Ｙ線断面図である。 図１５の液体吐出ヘッドをインクジェットヘッドに用いた場合の実施の形態を示す平面図である。 液体吐出ヘッドと液体容器を一体化または分離可能に保持するヘッドカートリッジを示す斜視図である。 本発明によるインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置を説明する概略斜視図である。 図２１のインクジェット記録装置を搭載した複写装置の機構部を示す側面説明図である。 本発明による液体吐出ヘッドを液状薬剤の肺吸入用の薬剤吸入装置に用いた実施の形態を示す概略図である。

符号の説明

１ エネルギ発生素子（発熱素子、素子基板）
２ 基板
３ 液流路
４ 吐出口（凹部）
５ 吐出口プレート
７ 絞り部
７ａ 細孔
７ｂ 固定端
８ メニスカス
９ 抑制手段リブ（リブ）
１２ 気泡
２０ ヘッドカートリッジ
２１ 液体吐出ヘッド
５２ 薬剤吸入装置

Claims (9)

1. 液流路と、液体を滴として吐出するための吐出口が開口した吐出口プレートと、前記吐出口に対応して設けられ、前記液体に与えるエネルギを発生させるエネルギ発生素子とを有し、前記吐出口には、前記吐出口プレートの前記吐出口が開口した面に対して凹部となる位置の略中央に細孔を配した絞り部が設けられ、前記液体が、前記絞り部が前記液体中に位置するように前記吐出口内でメニスカスを形成して保持される液体吐出ヘッドにおいて、前記絞り部が前記エネルギ発生素子によるエネルギによって変位するのを抑制する抑制手段を備えたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記凹部の絞り部にリブを有することを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記凹部の絞り部に有するリブが前記細孔の一部を成していないことを特徴とする請求項２記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記凹部の前記絞り部の固定端での厚みが前記細孔近傍での厚みよりも厚いことを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記エネルギ発生素子が発熱素子であり、この発熱素子の熱によって前記液体が気化した気泡を前記絞り部に接触させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記絞り部が前記吐出口プレートの厚さ方向の間の位置に設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の液体吐出ヘッド。
7. インク滴を吐出するインクジェットヘッドとこのインクジェットヘッドにインクを供給するインクタンクを一体化したヘッドカートリッジにおいて、前記インクジェットヘッドが請求項１ないし６のいずれか１項記載の液体吐出ヘッドであることを特徴とするヘッドカートリッジ。
8. インク滴を吐出するインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置において、前記インクジェットヘッドが請求項１ないし６のいずれか１項記載の液体吐出ヘッドあるいは請求項７記載のヘッドカートリッジであることを特徴とするインクジェット記録装置。
9. 前記液体が、肺吸入に用いられる薬剤である、請求項１ないし６のいずれか１項記載の液体吐出ヘッド及びその液体吐出ヘッドを搭載したことを特徴とする薬剤吸入装置。

Images