JP6270358B2

JP6270358B2 - 液体吐出ヘッド

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Publication number: JP6270358B2
Application number: JP2013143349A
Authority: JP
Inventors: 誠櫻井; 平山　信之; 信之平山
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2033-07-09
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Description

本発明は、インク等の液滴を吐出する液体吐出ヘッド、特に、熱エネルギーによって液滴を吐出させる液体吐出ヘッドに関する。

従来、発熱抵抗体を通電して発熱させ、その発生した熱でインクを発泡し、発泡の圧力によりインクの小液滴を吐出口から吐出し記録を行う方式がある。この方式では、インクを吐出させる熱エネルギーの一部が、発熱抵抗体を搭載した基体である液体吐出ヘッド内に時間とともに蓄積されていき、液体吐出ヘッドの温度が次第に上昇する。その結果、吐出させるインクの温度が上昇してインク粘度の低下を招くため、吐出口から吐出するインク滴量が大きくなり印刷画像の濃度ムラが発生する。

この一つの理由として、液体吐出ヘッドは、配線・発熱体・駆動素子の抵抗値にバラツキを有している。その補正手段として、該液体吐出ヘッドがインクを発泡させるための最低電力（または電圧）に対して１．２倍程度の過剰エネルギーを付与している。

このような駆動条件は、過剰なエネルギーによって発熱部表面の温度は前述のようにインクを発泡させた後も上昇し続け、熱ストレスが増大し、これによって、液体吐出ヘッドの寿命が制限されるといった課題がある。

したがって、上記の方式の液体吐出ヘッドでは余分な電気エネルギーの印加は好ましくない。このため、特許文献１では、発熱部表面上に温度センサや発泡検知センサを配置することを提案している。

特開２００５−２３１１７５号公報

しかしながら、発熱部表面の温度を検知する方策では、たとえ温度が上がったとしても、インクが接する発熱部表面が核沸騰を生じているのか、あるいは膜沸騰を生じているのかが分からず、発泡エネルギーの投入を適正化するのは困難である。

他方、発熱部上の領域内に２つの電極を配置させて発泡を検知する方策は、２つの電極間を導通しているインクが発熱部上の泡の成長で電極間に存在しなくなったとき、発熱抵抗体への駆動信号を遮断している。泡はインク吐出のために必要な大きさ（必要発泡領域）まで発熱部上で広がる必要があるが、発熱部上に２つの電極を配置する構成では各々の電極の位置や大きさはその必要発泡領域で制限される。このため、泡の広がり方によっては、十分にインクに発泡エネルギーを投入できる大きさの泡になる前に片側の電極上が泡に覆われ、発熱抵抗体への駆動信号が遮断されてしまうことがある。この結果、液滴の量や吐出速度が不安定になり、印刷画像の品位を落とす可能性がある。

本発明は、上記課題を鑑みたものである。本発明の目的の一つは、初期発泡状態を検知することで、適正な発泡エネルギーをインクに与え、安定した印刷と省エネルギーを実現する液体吐出ヘッドを提供することにある。

本発明の液体吐出ヘッドの一態様は、液体の吐出を行う吐出口と、前記吐出口と連通する液室と、基板とを備える。該基板は、前記液室の内側の、前記吐出口に対応する位置に配置された発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の上側に配置され、前記発熱抵抗体の発熱により生成される泡を検知することで前記発熱抵抗体の駆動を制御するための泡検知素子と、を備える。そして、前記泡検知素子は前記液室の内側に２つの電極を備えており、前記基板に垂直な方向からみて、前記２つの電極のうちの一方の電極が前記発熱抵抗体と重なる位置に配置され、前記２つの電極のうちの他方の電極が前記発熱抵抗体と重ならない位置に配置されている。

この態様では、発熱体抵抗体の上に発泡検知素子を備えることにより、発熱抵抗体への余分な電気エネルギーの印加を抑制することができる。特に、発熱抵抗体の領域内に２つの電極を配置させて発泡検知素子を構成する従来技術と比べ、該２つの電極のうちの一方の電極が該発熱抵抗体の上に配置され、他方の電極が該発熱抵抗体の上に重ならない領域に配置されている。このため、該発熱抵抗体の上に配置する一方の電極の大きさを、液体を吐出するのに必要な発泡の大きさ（必要発泡領域）以上の面積に形成することができる。これにより、液体吐出のための十分な発泡エネルギーをインクに投入する前に該発熱抵抗体への駆動信号が遮断される可能性を抑制できる。

以上の構成によれば、本発明は、発熱抵抗体の上に配置された電極と該発熱抵抗体の上に重ならない領域に配置された電極とを泡検知素子として使うことで、液体吐出のための十分な発泡エネルギーをインクに投入する前に該発熱抵抗体への駆動信号が遮断される可能性を抑制でき、初期発泡を正確に検知し、駆動素子を制御することができる。その結果、印刷品位を下げることなく発泡エネルギーの投入を適正化することができることで熱ストレスの低減と省エネルギーの実現が可能となる。

本発明の一つの実施形態であるインクジェット記録ヘッドに使用される基板の発熱部付近の一例を示した図である。本発明の他の実施形態であるインクジェット記録ヘッドに使用される基板の発熱部付近の一例を示した図である。本発明に係る回路図の一例である。本発明に係る泡検知素子、駆動素子、発熱抵抗体の各動作の一例を表した図である。本発明に係る発熱抵抗体上での泡の発生と広がりを示した図である。本発明に係る泡検知素子で駆動素子を制御したときとそうでない時の駆動素子の駆動時間と耐キャビ層の表面温度との時間変化曲線を比較した模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。ここでは、本発明の液体吐出ヘッドの一例として、記録シートへインク滴を吐出してインク画像を印刷するインクジェット記録ヘッドを示すが、本発明の適用はこれに限られない。

まず、本発明の一つの実施形態によるインクジェット記録ヘッドの構成について説明する。

図１の（ａ）は、一つの実施形態によるインクジェット記録ヘッドを構成する基板の発熱部付近の模式的平面図である。図１の（ｂ）は、図１の（ａ）におけるＡ−Ａ線に沿って当該基板を垂直に切断した断面を示す模式的断面図である。

図１（ａ）及び（ｂ）において、インクジェット記録ヘッドを構成する基板は、シリコンの基体１０１の一面に、熱酸化膜，ＳｉＯ膜，ＳｉＮ膜等からなる蓄熱層１０２と、発熱抵抗体層１０５とをこの順に積層した構造を含む。発熱抵抗体層１０５上には、Ａｌ，Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ等の金属材料からなる配線としての電極配線層１０６が形成されている。

電気熱変換素子としての発熱抵抗体（発熱部）１０９は、電極配線層１０６の一部を除去してギャップ（電極配線層１０６の無い部分）を形成し、その部分から発熱抵抗体層１０５を露出することで形成されている。

発熱抵抗体１０９および電極配線層１０６の上層として保護膜層１０７が設けられ、保護膜層１０７はＳｉＯ膜，ＳｉＮ膜等からなる絶縁層としても機能する。保護膜層１０７上には、発熱抵抗体１０９上に生成される泡を検知する泡検知素子１１０が構成されている。なお、発熱抵抗体１０９および電極配線層１０６を図に表すために、図１（ａ）では保護膜層１０７を省略した。

電極配線層１０６は、基体１０１の主面に形成された駆動素子１２０と、外部電源端子（不図示）とに接続されて、発熱抵抗体１０９に対する電力供給および、駆動素子１０６による発熱抵抗体１０９の発熱制御を可能にしている。

泡検知素子１１０は、一の液室１４２内に２つの電極、すなわち検知電極部１１０−１とこれと離れて対向する対向電極部１１０−２とを備えており、検知電極部１１０−１が発熱抵抗体１０９の上に配置され、対向電極部１１０−２が発熱抵抗体１０９の外側の領域に配置されている。言い換えれば、基板１０１に垂直な方向からみて、前記２つの電極のうちの一方の電極（１１０−１）が発熱抵抗体１０９と重なる位置に配置され、他方の電極（１１０−２）が発熱抵抗体１０９と重ならない位置に配置されている。

本実施形態において電極部１１０−１，１１０−２の材料はＴａ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｕ等から選ばれる白金族を用いて構成されているため、耐キャビテーション（発泡の衝撃力に耐える）機能を有する。

泡検知素子１１０は検知電極部１１０−１と１１０−２の通電情報を用いて初期発泡を検知するもので、発熱抵抗体１０９上で発生する気泡が十分な吐出を行なえる大きさでない場合や不均一な気泡が成長したときは、泡検知素子１１０の電極部対（１１０−１，１１０−２）はインクを介して電気的に導通している状態にある（泡検知素子１１０のＯＮ状態：図４のＴ１やＴ３の状態）。

一方、発熱抵抗体１０９の温度が上がって、検知電極部１１０−１を含む発熱抵抗体１０９の表面に接するインクが発泡により移動すると、電極部間（１１０−１，１１０−２）にインクが介在しなくなり、該電極部間の導通がなくなる、もしくは変化する（泡検知素子１１０のＯＦＦ状態：図４のＴ２の状態）。これにより、十分に吐出可能に成長した発熱抵抗体１０９上の泡を検知することが出来る。このように駆動素子１２０は、該電極部間の通電情報を泡検知素子の情報とし、これと制御信号を用いて駆動を制御されることで適切な発泡エネルギーで動作されることができる。

なお、図１に示した例では、発熱抵抗体層１０５上に電極配線層１０６を配置しているが、電極配線層１０６を基体１０１または蓄熱層１０２上に形成し、その一部を部分的に除去してギャップを形成した上で発熱抵抗体層を配置する構成を採用してもよい。

以上のように構成された基板の上には、図１（ｂ）に示すように流路形成部材１４０が接合されている。流路形成部材１４０は、発熱抵抗体１０９を包囲する液室１４２を含む流路と、液体の吐出を行うために発熱抵抗体１０９に対応して形成され液室１４２に連通する吐出口１４１とを備えている。当該ヘッド用基板には、液室１４２にインクを供給する供給口１３０が形成されている。図１（ａ）では、検知電極部１１０と液室１４２との位置を示すために流路形成部材１４０の一部を破線で示している。上記の検知電極部１１０−１は一の液室１４２内の、発熱抵抗体１０９の上側に配置され、もう一方の対向電極部１１０−２は当該一の液室１４２内の、発熱抵抗体１０９の上に重ならない領域に配置される。

次に、本実施形態に係る駆動回路について説明する。

図３は、本実施形態に適用される回路例を示した図である。

発熱抵抗体１０９（ヒータ）と駆動素子１２０（トランジスタ）が直列接続され、発熱抵抗体１０９の駆動素子１２０とは接続されていない側の端子は電源（不図示）に接続され、駆動素子１２０の発熱抵抗体１０９とは接続されていない側の端子は接地されている。

泡検知素子１１０と制御信号入力部１１１はａｎｄ回路１１２の２つの入力端子にそれぞれ接続され、駆動素子１２０を成すトランジスタのベース側はａｎｄ回路１１２の１つの出力端子と接続されている。ａｎｄ回路１１２は泡検知素子１１０と制御信号入力部１１１の両方から信号が入力されると駆動素子１２０にベース電流を流し、これによって、駆動素子１２０がオン動作する。つまり、発熱抵抗体１０９に電源の電流が流れる。なお、泡検知素子１１０からａｎｄ回路１１２への信号入力は、前述したように泡検知素子１１０がＯＮ状態のとき（電極部１１０−１，１１０−２がインクを介して電気的に導通しているとき）に行われる。

図４の（ａ），（ｂ）は、制御信号入力部１１１、泡検知素子１１０、発熱抵抗体１０９、及び駆動素子１２０それぞれのＯＮ／ＯＦＦのタイミングチャートの例である。

タイミングＴ１では、制御信号入力部１１１と泡検知素子１１０の両方がＯＮ状態（制御信号があり、泡検知素子の電極部１１０−１，１１０−２間が導通）にされていることが駆動素子１２０を動作させ、発熱抵抗体１０９が発熱しインクが吐出する。

通常、発泡前はインクが液室１４２内を満たしており、電極部１１０−１，１１０−２間が導通されているので、液体の吐出前は、泡検知素子１１０はＯＮの状態である。そこへ制御信号入力部１１１がＯＮになると駆動素子１２０がＯＮとなり、発熱抵抗体１０９がＯＮとなることで発熱抵抗体１０９上のインクが発泡する。

その後吐出に必要なエネルギーまでその泡が成長すると、泡検知素子１１０がＯＦＦの状態になる。これにより駆動素子１２０がＯＦＦとなり、発熱抵抗体１０９もＯＦＦになる（タイミングＴ２）。

発熱抵抗体１０９がＯＦＦになって泡が縮小することで液室１４２内にインクが補充されると、泡検知素子１１０はＯＮの状態になる。このタイミングで制御信号入力部１１１の制御信号はＯＦＦの状態にされる（タイミングＴ３）。このため、再び制御信号が入力されるまで、駆動素子１２０および発熱抵抗体１０９はＯＦＦのままである。

このような制御により、基体１０１への過剰な熱ストレスを低減し、省エネでかつ安定した印刷の実現が可能となる。

なお、上記の泡検知素子１１０の検知電極部１１０−１と対向電極部１１０−２とがインクを介して導通した状態となるために、本実施形態では導電性を有するインクが用いられる。

以下、上記実施形態のより具体的な構成を例示する。

（実施例１）
実施例１のインクジェット記録ヘッドは、図１（ａ）及び（ｂ）を参照すると、基板１０１、駆動素子１２０、供給口１３０、配線１０６、発熱抵抗体１０９、流路形成部材１４０、および蓄熱層１０２を有する。

発熱抵抗体１０９と駆動素子１２０であるトランジスタとが、シリコン基板である基板１０１上に形成される。

駆動素子１２０は、通常のＩＣ製造工程と同じように、イオン注入と基板１０１上にゲート酸化膜と素子分離用酸化膜を形成することを実施して形成される。

ゲート用配線のポリシリコンを成膜した後に、ゲート酸化膜の一部をエッチングで除去し、スパッタ法により、ポリシリコン上に、ドレイン、ソース、Ａｌ等の配線を形成する。

その後、ＣＶＤ法により、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＣＮ等の蓄熱層１０２である層間絶縁膜を形成する。反応性スパッタリング法により、ＴａＳｉＮ等の発熱抵抗体１０９を形成し、その上にＡｌ等の配線１０６を形成する。ＣＶＤ法により、ＳｉＮやＳｉＣＮ膜の保護膜層１０７（絶縁膜）を形成する。スパッタリング法により、Ｔａ、Ｒｔ、ＩｒもしくはＲｕで耐キャビテーション層（以下、耐キャビ層と略す）１０８を形成する。

耐キャビ層１０８をＣｌ_２、ＢＬ_３、Ａｒ等の混合ガス用いたドライエッチング法で加工することにより、泡検知素子１１０を形成する。つまり、このドライエッチング加工により、発熱抵抗体１０９の上に電極１１０−１を形成し、これと分離して対向する電極１１０−２を発熱抵抗体１０９と供給口１３０との間の位置に形成する。

このようにして、泡検知素子１１０を構成する２つの電極のうちの一方の電極１１０−１を発熱抵抗体１０９の上に配置し、他方の電極１１０−２を発熱抵抗体１０９の上に重ならない領域に配置している。これにより、発熱抵抗体１０９に対して液体吐出のための十分な発泡エネルギーを投入する前に発熱抵抗体１０９への駆動信号が遮断される可能性を抑制でき、初期発泡を正確に検知し、駆動素子１２０を制御することができる。

なお、発熱抵抗体１０９上の電極１１０−１の形状を発熱抵抗体１０９の形状に合わせて四角形としている。この部分が、発熱抵抗体１０９の中心から広がって発熱抵抗体１０９の外周より内側に設けられ、かつ、インクを吐出するために必要な発泡の大きさ（必要発泡領域）以上の面積を備えていることがより好ましい。このように設けることで、電極１１０−１によって発熱部上に溝状のくぼみや不規則な段差が生じないので、より安定的な発泡が可能となる。

保護膜１０７の一部をエッチングにより開口して、配線１０６を露出させることで、電源や、駆動素子１２０を動作させるための制御信号、泡検知素子１１０等と接続する外部接続電極を形成する。

以上のように基板１０１上に駆動素子１２０、配線１０６、発熱抵抗体１０９、蓄熱層１０２を形成した後に、後に流路になる除去可能な部材上に、スピンコート法で樹脂材である流路形成部材１４０を形成し、フォトリソグラフィーを用いて、複数の吐出口１４１および液室１４２を形成する。このとき、各々の液室１４２内に発熱抵抗体１０９ならびに２つの電極１１０−１，１１０−２からなる泡検知素子１１０が配置される。

基板１０１の裏面より、異方性エッチング法、サンドブラスト法、ドライエッチング法などを用いて、液室１４２に連通する供給口１３０を形成する。

図３に示すように、駆動素子１２０に配線１０６で外部からａｎｄ回路１１２を接続し、ａｎｄ回路１１２に泡検知素子１１０と制御信号入力部１１１を接続して、発熱抵抗体１０９を制御する。

図５は、発熱抵抗体１０９上での泡の発生と広がりを例示した図である。図５の（ａ）−１と（ａ）−２は、膜沸騰による泡１５０がまだ十分に、発熱抵抗体１０９上の泡検知素子１１０の一方の電極１１０−１を覆っていない状況を示している。

上記泡１５０がさらに広がると、図５の（ｂ）−１と（ｂ）−２に示すように泡１５０が電極１１０−１を完全に覆う状況になる。液室１４２のうちのインク供給口１３０に連通する部分は他の部分よりもよりも液体の抵抗が小さいために、成長した泡１５０は、インク供給口１３０が在る方向に広がりやすい。そのため、泡検知素子１１０のもう一方の電極１１０−２をインク供給口１３０側に配置することで、泡検知をしやすくなる。

以上の工程を経て、インクジェット記録ヘッドは製造される。

図１に示した構成のヘッドで液滴を吐出した結果、図６に示すように、駆動素子の駆動時間が従来よりも短くなり、耐キャビ層１０８の表面温度が下がることで、１×１０^９回液滴を吐出させても省エネルギー（電力低減）と安定な印刷を実現できる。

（実施例２）
次に、実施例２のインクジェット記録ヘッドを説明する。図２の（ａ）及び（ｂ）に実施例２のインクジェット記録ヘッドを示し、（ａ）はその模式的平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’線に沿って基板を垂直に切断した状態で示す模式的断面図である。

実施例２は、泡の成長を考慮に入れてより確実に発泡を検知するための構成である。実施例２のインクジェット記録ヘッドは、基板１０１、駆動素子１２０、供給口１３０、配線１０６、発熱抵抗体１０９、流路形成部材１４０、および蓄熱層１０２を有する。

耐キャビ層１０８をＣｌ_２、ＢＬ_３、Ａｒ等の混合ガス用いたドライエッチング法で加工することにより、泡検知素子１１０を形成する。つまり、このドライエッチング加工により、発熱抵抗体１０９の上に電極１１０−１を形成し、これと分離して対向する電極１１０−２を発熱抵抗体１０９を囲うように形成する。本実施例では、矩形である発熱抵抗体１０９の三辺に沿って電極１１０−２を配置した構成である。

このようにして、泡検知素子１１０を構成する一対の電極のうちの一方の電極１１０−１を発熱抵抗体１０９の上に配置し、他方の電極１１０−２を発熱抵抗体１０９の上に重ならない領域に配置している。これにより、発熱抵抗体１０９に対して液体吐出のための十分な発泡エネルギーを投入する前に駆動信号が遮断される可能性を抑制でき、初期発泡を正確に検知し、駆動素子１２０を制御することができる。

なお、実施例１のように本実施例もまた、電極１１０−１の形状が発熱抵抗体１０９の形状に合わせて四角形にされ、この電極部１１０−１は、発熱抵抗体１０９の中心から広がって発熱抵抗体１０９の外周より内側に設けられ、かつ、インクを吐出するために必要な発泡の大きさ（必要発泡領域）以上の面積を備えていることが望ましい。

図３に示したように、駆動素子１２０に配線１０６で外部からａｎｄ回路１１２を接続し、ａｎｄ回路１１２に泡検知素子１１０と制御信号入力部１１１を接続して、発熱抵抗体１０９を制御する。

図２に示した構成のヘッドで液滴を吐出した結果、実施例１（図１の構成）のときよりも省エネルギー（電力低減）と安定な印刷を実現できる。

１０１基板
１０９発熱抵抗体
１１０泡検知素子
１１０−１泡検知素子を成す２つの電極のうちの一方の電極（検知電極部）
１１０−２泡検知素子を成す２つの電極のうちのもう一方の電極（対向電極部）
１３０供給口
１４１吐出口
１４２液室

Claims

液体の吐出を行う吐出口と、
前記吐出口と連通する液室と、
前記吐出口に対応する位置に配置された発熱抵抗体を備えた面と、前記発熱抵抗体の上側に配置され、前記発熱抵抗体の発熱により生成される泡を検知することで前記発熱抵抗体の駆動を制御するための泡検知素子と、を備えた基板と、
を有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記泡検知素子は前記液室の内側に２つの電極を備えており、
前記基板の前記面に垂直な方向からみて、前記２つの電極のうちの一方の電極が前記発熱抵抗体と重なる位置に配置され、前記２つの電極のうちの他方の電極が前記発熱抵抗体と重ならない位置に配置されており、
前記一方の電極の前記面に沿う方向における面積は、液体を吐出するために必要な泡の前記基板上の面積以上であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
液体の吐出を行う吐出口と、
前記吐出口と連通する液室と、
前記吐出口に対応する位置に配置された発熱抵抗体を備えた面と、前記発熱抵
抗体の上側に配置され、前記発熱抵抗体の発熱により生成される泡を検知することで前記
発熱抵抗体の駆動を制御するための泡検知素子と、を備えた基板と、
を有する液体吐出ヘッドにおいて、
前記泡検知素子は前記液室の内側に２つの電極を備えており、
前記基板の前記面に垂直な方向からみて、前記２つの電極のうちの一方の電極が前記発熱抵抗体
と重なる位置に配置され、前記２つの電極のうちの他方の電極が前記発熱抵抗体と重なら
ない位置に配置されており、
前記発熱抵抗体の形状は四角形であり、
前記垂直な方向からみて、前記他方の電極は、前記発熱抵抗体の三つの辺に沿い、前記発熱抵抗体を囲うように配置されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
前記他方の電極の少なくとも一部が、前記液室に液体を供給する供給口と前記発熱抵抗体との間に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
前記一方の電極は、耐キャビテーション層を兼ねることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
前記一方の電極の材料が、Ｔａ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｕから選ばれることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
前記一方の電極は、前記発熱抵抗体より内側に形成され、前記一方の電極の面積は、前記発熱抵抗体の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
液体の吐出を行う吐出口と、
前記吐出口と連通する液室と、
前記吐出口に対応する位置に配置された発熱抵抗体を備えた面と、前記液室の内側に設けられた２つの電極と、を備えた基板と、
を有する液体吐出ヘッドの制御方法において、
前記基板の前記面に垂直な方向からみて、前記２つの電極のうちの一方の電極が前記発熱抵抗体と重なる位置に配置され、前記２つの電極のうちの他方の電極が前記発熱抵抗体と重ならない位置に配置されており、
前記発熱抵抗体の発熱により生成された泡の大きさが、液体を吐出するために必要な泡の大きさよりも小さい第１の状態では、前記一方の電極と前記他方の電極とは前記液室内の液体を介して導通しており、
前記発熱抵抗体の発熱により生成された泡の大きさが、液体を吐出するために必要な泡の大きさ以上である第２の状態では、前記泡が前記一方の電極を覆い、前記一方の電極と前記他方の電極との前記液室内の液体を介した導通を遮断することで、前記発熱抵抗体の駆動を停止することを特徴とする液体吐出ヘッドの制御方法。