JP2004230885A

JP2004230885A - インクジェット記録ヘッド

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Publication number: JP2004230885A
Application number: JP2003427054A
Authority: JP
Inventors: Keiji Tomizawa; 恵二富澤; Shuichi Murakami; 修一村上
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Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2004-08-19
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Abstract

【課題】吐出口の小径化に伴うインク滴の吐出速度の低下を抑えたインクジェット記録ヘッドを提供する。
【解決手段】本願発明のインクジェットヘッドは、吐出口から連続する第１吐出口部と、該第１吐出口部と発泡室とを連通する第２吐出口部と、からなる吐出口部を有し、第２吐出口部は、第１吐出口部との境界部を含み素子基板の主面とが平行である端面を有し、前記第２吐出口部の前記素子基板の主面に対して平行な断面の面積が、前記発泡室側の開口面から前記第１吐出口側の前記端面に至る前記第２吐出口部のいずれの前記断面においても前記境界部の面積よりも大きく、前記第２吐出口部の前記発泡室側の開口面の、前記素子基板の主面に対して平行な断面の形状は、前記吐出口の配列方向と垂直な方向の長さが前記吐出口の配列方向と平行な方向の長さよりも長い。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えばインク等の液体を液滴として吐出させて記録媒体に記録を行うための液体吐出ヘッドに関し、特にインクジェット記録を行う液体吐出ヘッドに関する。

インクジェット記録方式は、いわゆるノンインパクト記録方式の一つである。このインクジェット記録方式は、記録時に発生する騒音が無視し得る程度に小さく、高速記録が可能である。また、インクジェット記録方式は、種々の記録媒体に対して記録が可能であり、いわゆる普通紙に対しても特別な処理を必要とせずにインクが定着して、しかも高精細な画像が廉価に得られる。このような利点から、インクジェット記録方式は、コンピューターの周辺機器としてのプリンタばかりでなく、複写機、ファクシミリ、ワードプロセッサ等の記録手段として近年急速に普及している。

一般的に利用されているインクジェット記録方式のインク吐出方法には、インク滴を吐出するために用いられる吐出エネルギ発生素子として、例えばヒータ等の電気熱変換素子を用いる方法と、例えばピエゾ素子等の圧電素子を用いる方法があり、いずれの方法も電気信号によってインク滴の吐出を制御することができる。電気熱変換素子を用いるインク吐出方法の原理は、電気熱変換素子に電圧を印加することにより、電気熱変換素子近傍のインクを瞬時に沸騰させて、沸騰時のインクの相変化により生じる急激な発泡圧によってインク滴を高速に吐出させる。一方、圧電素子を用いるインク吐出方法の原理は、圧電素子に電圧を印加することにより、圧電素子が変位してこの変位時に発生する圧力によってインク滴を吐出させる。

電気熱変換素子を用いるインク吐出方法は、吐出エネルギ発生素子を配設するためのスペースを大きく確保する必要がなく、記録ヘッドの構造が簡素で、ノズルの集積化が容易であること等の利点がある。一方で、このインク吐出方法の固有の問題としては、電気熱変換素子が発生する熱等が記録ヘッド内に蓄熱されることによって、飛翔するインク滴の体積が変動することや、消泡によって生じるキャビテーションが電気熱変換素子に及ぼす悪影響や、インク内に溶け込んだ空気が記録ヘッド内の残留気泡になることで、インク滴の吐出特性や画像品質に及ぼす悪影響等があった。

これらの問題を解決する方法としては、特開昭５４−１６１９３５号公報、特開昭６１−１８５４５５号公報、特開昭６１−２４９７６８号公報、特開平４−１０９４１号公報に開示されたインクジェット記録方法および記録ヘッドがある。すなわち、上述した公報に開示されたインクジェット記録方法は、記録信号によって電気熱変換素子を駆動させて発生した気泡を外気に通気させる構成とされている。このインクジェット記録方法を採用することにより、飛翔するインク滴の体積の安定化を図り、微少量のインク滴を高速に吐出することを可能とし、気泡の消泡時に発生するキャビテーションを解消することでヒータの耐久性の向上を図ること等が可能となり、更なる高精細画像が容易に得られるようになる。上述した公報において、気泡を外気に連通させるための構成としては、インクに気泡を発生させる電気熱変換素子と、インクが吐出される開口である吐出口との間の最短距離を、従来に比して大幅に短くする構成が挙げられている。

この種の記録ヘッドの構成について、以下で説明する。インクを吐出させる電気熱変換素子が設けられた素子基板と、この素子基板に接合されてインクの流路を構成する流路構成基板（オリフィス基板とも称す。）とを備えている。流路構成基板は、インクが流動する複数のノズルと、これら各ノズルにインクを供給する供給室と、インク滴を吐出するノズル先端開口である複数の吐出口とを有している。ノズルは、電気熱変換素子によって気泡が発生する発泡室と、この発泡室にインクを供給する供給路とからなる。素子基板には、発泡室内に位置して電気熱変換素子が配設されている。

また、素子基板には、流路構成基板に接する主面とは反対側の裏面から供給室にインクを供給するための供給口が設けられている。そして、流路構成基板には、素子基板上の電気熱変換素子に対向する位置に吐出口が設けられている。

また、以上のように構成された記録ヘッドは、供給口から供給室内に供給されたインクが、各ノズルに沿って供給されて、発泡室内に充填される。発泡室内に充填されたインクは、電気熱変換素子により膜沸騰されて発生する気泡によって、素子基板の主面に対してほぼ直交する方向に飛翔されて、吐出口からインク滴として吐出される。（このような方式のヘッドを以下、サイドシュータータイプのインクジェットヘッドと称する。）
特開昭５４−１６１９３５号公報特開昭６１−１８５４５５号公報特開昭６１−２４９７６８号公報特開平４−１０９４１号公報特開平０５−０８４９０９号公報特開平９−３２７９２１号公報

ところで、このようなサイドシュータータイプのインクジェットヘッドにおいては、インク滴を吐出する際、発泡室内に成長する気泡によって、発泡室内に充填されているインクは吐出口側と供給路側とに流れが分かれ、この際に、流体の発泡による圧力が、供給路側に逃げたり、吐出口の内壁との摩擦により圧力損失が発生したりする。この現象は、吐出に悪影響を与える現象であり、吐出される液体の滴量が少なくなる（吐出液滴の体積が小さくなる）につれ顕著になる傾向がある。すなわち、吐出液滴の体積を小さくするために吐出口径を小さくすることで、吐出口部の流体抵抗が極めて大きくなって吐出口方向の流量が減少し、供給路方向の流量が増大するため、液滴の吐出速度が低下することになる。

本願発明はこのような技術課題に鑑みなされたものであり、以下の構成からなるものである。

すなわち、液体を吐出する複数の吐出口と、電気熱変換素子が発生する熱エネルギーによって液体を吐出するために利用される気泡を発生する部分である発泡室と、前記吐出口と前記発泡室との間を連通する部分である吐出口部と、該吐出口部および前記発泡室にインクを供給する少なくとも１つの供給路とからなる流路構成基板と、前記電気熱変換素子が設けられ、前記流路構成基板が主面に接合された素子基板と、を備えるインクジェット記録ヘッドであって、前記吐出口部は、前記吐出口から連続する第１吐出口部と、該第１吐出口部と前記発泡室とを連通する第２吐出口部と、を有し、該第２吐出口部は第１吐出口部との境界部を含み前記素子基板の主面とが平行である端面を有し、前記第２吐出口部の前記素子基板の主面に対して平行な断面の面積が、前記発泡室側の開口面から前記第１吐出口側の前記端面に至る前記第２吐出口部のいずれの前記断面においても前記境界部の面積よりも大きく、前記第２吐出口部の前記発泡室側の開口面の、前記素子基板の主面に対して平行な断面の形状は、前記吐出口の配列方向と垂直な方向の長さが前記吐出口の配列方向と平行な方向の長さよりも長いことを特徴とするインクジェット記録ヘッドである。

本発明のインクジェット記録ヘッドでは、上記構成により、吐出口への液体の流動において圧力損失することが極めて少なくすることができる。その結果、ノズル先端の吐出口をさらに小さして、第１吐出口部での吐出口方向の流体抵抗が大きくなったとしても、吐出する際の吐出口方向への流量の減少を抑え、インク滴の吐出速度の低下を防ぐことができる。さらに、上記構成では、吐出口配列の高密度化を妨げることなく、第２吐出口部の大容量化を図ることができるため、吐出速度の低下を抑えつつ小さな吐出口を高密度に配列することができて、記録画像の高精細化を達成することが可能になる。

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。

本発明のインクジェット記録ヘッドは、インクジェット記録方式の中でも特に、液体のインクを吐出するために利用されるエネルギとして熱エネルギを発生する手段を備え、その熱エネルギによってインクの状態変化を生起させる方式が採用された記録ヘッドである。この方式が用いられることにより、記録される文字や画像等の高密度化および高精細化を達成している。特に本実施形態では、熱エネルギを発生する手段として電気熱変換素子を用い、この電気熱変換素子によりインクを加熱して膜沸騰させたときに発生する気泡による圧力を利用してインクを吐出している。

まず、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの全体構成について述べる。

図１は、本発明に好適なインクジェット記録ヘッドの実施の形態を一部切り欠いて見た斜視図である。

図１に示す形態のインクジェット記録ヘッドは、電気熱変換素子である複数のヒータ２を各ヒータ２に、インクの流路であるノズル５を個別に独立して形成するための隔離壁が、第１吐出口部４から供給室６近傍まで延設された構成とされている。

このインクジェット記録ヘッドは複数のヒータ２および複数のノズル５を有し、各ノズル５の長手方向が平行に配列された第１のノズル列７と、供給室６を挟んで第１のノズル列７に対向する位置に各ノズル５の長手方向が平行に配列された第２のノズル列８とを備えている。

第１および第２のノズル列７，８は、隣接する各ノズルの間隔が６００〜１２００ｄｐｉピッチに形成されている。また、第２のノズル列８の各ノズル５は、第１のノズル列７の各ノズル５に対して、隣接する各ノズル間のピッチが互いに１／２ピッチずれて配列されている。

このような記録ヘッドは、特開平４−１０９４０号公報、特開平４−１０９４１号公報に開示されたインクジェット記録方法が適用されたインク吐出手段を有しており、インクの吐出時に発生する気泡が吐出口を介して外気に連通される構造を採ることができる。

以下に、本発明の主要部となるインクジェット記録ヘッドのノズル（吐出口部）の構造について説明する。

本発明のインクジェット記録ヘッドは、インクが流動する複数のノズル、これら各ノズルにインクを供給する供給室６、およびインク滴を吐出するノズル先端開口である複数の第１吐出口部４とを有し、前記ノズルが、第１吐出口部４を含む吐出口部、電気熱変換素子であるヒータ１が発生する熱エネルギーによって気泡が発生する発泡室１１、前記吐出口部と発泡室１１との間を連通する第２吐出口部１０、および発泡室１１にインクを供給する供給路９とからなる流路構成基板と、ヒータ１が設けられ、前記流路構成基板を主面に接合した素子基板２とを備える。第２吐出口部１０は、第１吐出口部４および発泡室１１にそれぞれ段差をもって接続され、前記素子基板の主面に対して垂直方向から見た平面透視図において、第２吐出口部１０の、前記素子基板の主面と略平行な方向に沿った断面が、同方向の吐出口断面の外側にあって、同方向の発泡室断面よりも内側にあるインクジェットプリントヘッドである。

上記のような構成のヘッドでは、第２吐出口部１０が第１吐出口部４との境界部を含み素子基板２の主面（素子基板２の流路構成基板が接合された面）とが平行である端面を有し、第２吐出口部１０の素子基板２の主面に対して平行な断面の面積が、発泡室１１側の開口面から第１吐出口部１側の端面に至るいずれの断面においてもこの境界部（第１吐出口部４の第２吐出口１０側の開口面）の面積よりも大きく、かつ、第２吐出口部１０の発泡室側の開口面の、素子基板の主面に対して平行な断面の形状を、吐出口の配列方向と垂直な方向の長さが吐出口の配列方向と平行な方向の長さよりも長くした第２吐出口部を設けることで、吐出口方向の全体の流体抵抗が小さくなり、発泡が吐出口方向に圧力損失することが少なく成長するため、流路方向へ逃げ出す流量を抑制し、インク滴の吐出速度の低下を防ぐことが出来る。

また、吐出される液体の滴量を少なくする（液滴の体積を小さくする）ために、ノズルの小型化が必要となるが、その際に、供給路の流体抵抗が大幅に増大する。すると、リフィルに要する時間が、ノズルの小型化をする以前と比べ増大する。そこで、発熱抵抗体を挟んで対向する２つのインクの供給路を設けることで、トータルのインク供給路の流体抵抗を小さくし、リフィルに要する時間を短くすることが出来る。そして、このようにより高周波数のリフィル周波数にしようとしたとき、リフィル時にインクが流れる、比較的断面積が小さく、流体抵抗が大きい２つの供給路のノズル配列方向と垂直な方向の長さを短くすることが有利になるため、本発明の構成は好適である。

さらに前記吐出口の配列方向と垂直な方向の長さが、平行な長さよりも長いヒータを設けた場合には、発泡圧が前記吐出口の配列方向と垂直な方向に広がりを持つが、第２吐出口部の発泡室側への開口面が、前記吐出口の配列方向と垂直な方向に広いので、広がりを持った発泡圧を吐出方向へのエネルギとして十分に取り込むことができるのである。また、ヒータの有効発泡面積に合わせて、第２吐出口部を設けることができ発泡状態をより安定化させることができる。

以下に、本発明の主要部となるインクジェット記録ヘッドのノズル構造について種々の具体的な形態例を挙げて説明する。

（第１の実施形態）
図２は本発明の第１の実施形態によるインクジェット記録ヘッドのノズル構造を示している。図２（ａ）はインクジェット記録ヘッドの複数のノズルのうちの１つを素子基板２の主面（素子基板２の流路構成基板が接合された面）に対して垂直な方向から見た平面透視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

本形態のノズル構造を持つ記録ヘッドは、図１に示したように、電気熱変換素子である複数のヒータ１が設けられた素子基板２と、この素子基板２の主面に積層されて接合されて複数のインクの流路を構成する流路構成基板３とを備えている。

素子基板２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おり、一般にＳｉによって形成されている。素子基板２の主面上には、各インクの流路毎に、ヒータ１と、このヒータ１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）が所定の配線パターンでそれぞれ設けられている。また、素子基板２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、ヒータ１を被覆するように設けられている。また、素子基板２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。

流路構成基板３は、図１に示したように、インクが流動する複数のノズル５と、これら各ノズル５にインクを供給する供給室６、およびインク滴を吐出するノズル５の先端開口である複数の第１吐出口部４とを有している。第１吐出口部４は、素子基板２上のヒータ１に対向する位置に形成されている。ノズル５は、図２に示すように、ほぼ一定の径を持つ第１吐出口部４と、ヒータの吐出口側における流体抵抗を低減させるための第２吐出口部１０と、発泡室１１と、供給路９（図中の斜線部）とを有している。なお、発泡室１１はヒータ１上に、第１吐出口部４の開口面に対向する底面が略矩形状をなすように形成されている。供給路９は、一端が発泡室１１に連通されるとともに他端が供給室６に連通されていて、供給路９の幅が供給室６から発泡室８に亘ってほぼ等しいストレート状で形成されている。また、第２吐出口部１０は発泡室１１上に連続して形成されている。さらに、ノズル５は、第１吐出口部４からインク液滴が飛翔される吐出方向と、供給路９内を流動するインク液の流動方向とが直交されて形成されている。

また、第１吐出口部４と、第２吐出口部１０と、発泡室１１と、供給路９とからなる図１に示したノズル５は、素子基板２の主面に対向する内壁面が、供給室６から発泡室１１に亘って、素子基板２の主面に平行にそれぞれ形成されている。

図２（ａ）〜図２（ｃ）から明らかなように、本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、第２吐出口部１０が第１吐出口部４との境界部を含み素子基板２の主面（素子基板２の流路構成基板が接合された面）とが平行である端面を有し、第２吐出口部１０の第１吐出口部４側の端面の面積がこの境界部（第１吐出口部４の第２吐出口１０側の開口面）の面積よりも大きい。また、第２吐出口部１０の発泡室１１側の開口面の、素子基板２の主面に平行な断面の形状は、第１吐出口部４の配列方向と垂直な方向の長さが、第１吐出口部４の配列方向と平行な方向の長さよりも長い形状である。また、第２吐出口部１０は、吐出口部側の端面が、発泡室１１側の開口面と合同な断面形状である。なお、図２（ａ）では、第２吐出口部１０の、ヒータ１の形成面に対して略平行な方向に切断した断面を略矩形形状で記載した。

また、発泡圧を第１吐出口部に対して、出来るだけ垂直方向に均一に伝えるため、第２吐出口部１０は、第１吐出口部４の中心から、前記素子基板の主面におろした垂線に対して対称形にし、バランスのとれた形状にする。なお、第１吐出口部４の中心を通り、前記素子基板の主面に垂直な、いかなる断面においても、第２吐出口部１０の側壁は直線で表され、かつ、第２吐出口部１０の第１吐出口部側の開口面、発泡室１１側の開口面、および前記素子基板の主面とが実質的に平行である。

次に、図１及び図２に基づき、上記のように構成された記録ヘッドにてインク滴を第１吐出口部４から吐出する動作を説明する。

まず、供給室６内に供給されたインクが、第１のノズル列７および第２のノズル列８の各ノズル５にそれぞれ供給される。各ノズル５に供給されたインクは、供給路９に沿って流動されて発泡室１１内に充填される。発泡室１１内に充填されたインクは、ヒータ１により膜沸騰されて発生する気泡の成長圧力によって、第１吐出口部４からインク滴として吐出される。

また、発泡室１１内に充填されたインクが吐出される際、発泡室１１内のインクの一部は、発泡室１１内に発生する気泡の圧力によって供給路９側に流動することになる。ここで、ノズルの発泡から吐出までの様子を局所的に見れば、発泡室１１で発生した気泡の圧力は、第２吐出口部１０にも即座に伝わり、発泡室１１及び第２吐出口部１０に充填されていたインクは、第２吐出口部１０内を移動していくことになる。

この際に、吐出口部として第２吐出口部１０を持たず、円柱形の第１吐出口部４のみを持つ図１１の記録ヘッドに比べ、第１の実施形態では第２吐出口部１０の、素子基板２の主面に平行な断面、すなわち空間容積が大きいため、圧力損失することが極めて少なく、第１吐出口部４に向かって、良好に吐出されることになる。こうすることで、ノズル先端の吐出口がさらに小さくなって、吐出口部での吐出口方向の流体抵抗が大きくなったとしても、吐出する際の吐出口方向への流量の減少を抑え、インク滴の吐出速度の低下を防ぐことができる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、第２吐出口部でのインクの淀みを低減させることを目的として第２吐出口部をテーパー形状にしたノズル構造を示す。ここでは図３に基づいて第１の実施形態に比べて異なる点を主に説明する。

図３は本発明の第２の実施形態によるインクジェット記録ヘッドのノズル構造を示している。図３（ａ）はインクジェット記録ヘッドの複数のノズルのうちの１つを基板の主面に対して垂直な方向から見た平面透視図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

図３（ａ）〜図３（ｃ）から明らかなように、本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、第１の実施形態と同様に第２吐出口部１０が第１吐出口部４との境界部を含み素子基板２の主面（素子基板２の流路構成基板が接合された面）とが平行である端面を有し、第２吐出口部１０の第１吐出口部４側の端面の面積がこの境界部（第１吐出口部４の第２吐出口１０側の開口面）の面積よりも大きい。また、第２吐出口部１０の発泡室１１側の開口面の、素子基板２の主面に平行な断面の形状は、第１吐出口部４の配列方向と垂直な方向の長さが、第１吐出口部４の配列方向と平行な方向の長さよりも長い形状である、また、第２吐出口部１０は、第１吐出口部４側の端面が発泡室１１側の開口面と相似形であり、かつ、第１吐出口部４側の端面が発泡室１１側の開口面よりも面積が小さい断面形状である。なお、図３（ａ）では、第２吐出口部１０の、ヒータ１の形成面に対して略平行な方向に切断した断面を略矩形形状で記載した。

本実施形態においても、ノズル内の吐出口部４が円柱形である図１１の記録ヘッドに比べ、第２吐出口部１０の、素子基板２の主面に平行な断面が第１吐出口部４と第２吐出口部との境界部より大きく、すなわち空間容積が大きいため、圧力損失することが極めて少なく、第１吐出口部４に向かって、良好に吐出されることになる。こうすることで、ノズル先端の吐出口がさらに小さくなって、第１吐出口部での吐出口方向の流体抵抗が大きくなったとしても、吐出する際の吐出口方向への流量の減少を抑え、インク滴の吐出速度の低下を防ぐことができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態についても、吐出体積のバラツキが少なくなるように、インクの淀み領域を小さくすることを目的としている。なお、第２の実施形態は第２吐出口の断面形状がほぼ長方形であったが、本実施形態では楕円形状となっている。

ここでは、第３の実施形態について、図４に基づいて第１の実施形態に比べて異なる点を主に説明する。

図４は本発明の第３の実施形態によるインクジェット記録ヘッドのノズル構造を示している。図４（ａ）はインクジェット記録ヘッドの複数のノズルのうちの１つを素子基板２の主面に対して垂直な方向から見た平面透視図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

図４（ａ）の平面透視図に示すように、第２吐出口部１０の発泡室１１側の開口面は、第１吐出口部４の配列方向と平行な方向の径が、第１吐出口部４の配列方向と垂直な方向の径よりも長い楕円、もしくは長円である。

また、第２吐出口部１０は、吐出口部側の端面が、発泡室１１側の開口面と相似形であり、かつ、吐出口部側の端面が発泡室１１側の開口面よりも面積が小さい断面形状である。このように第２吐出口部１０の、ヒータ１の形成面に対して略平行な方向に切断した断面を楕円もしくは長円にすることで、断面が略矩形の場合にできる四隅の淀み領域を省くことが可能である。

ここで、注意したいのは、本実施形態では、第２吐出口部１０の素子基板２の主面に平行な断面を、楕円もしくは長円にすることで、四隅の面積分が小さくなるため、第１、２の実施形態に比べ、第２吐出口部１０全体の流体抵抗としては大きくなる可能性があることである。しかしながら、四隅の面積部では、実際、流体は流れない淀み部であるので、結果的に、第１、２の実施形態と同等の流体抵抗が維持される。

また、本実施形態では、高周波数で連続的に吐出がなされる場合、第１、２の実施形態に比べ、第２吐出口部１０の素子基板２の主面に平行な断面について四隅の面積分が小さくなり、インクの淀み領域も小さくなるため、より吐出液滴の体積のバラツキが少なくなる。

また、本実施形態においても、ノズル内の吐出口部４が円柱形である図１１の記録ヘッドに比べ、第２吐出口部１０の、素子基板２の主面に平行な断面、すなわち空間容積が大きいため、圧力損失することが極めて少なく、第１吐出口部４に向かって、良好に吐出されることになる。こうすることで、ノズル先端の吐出口がさらに小さくなって、第１吐出口部での吐出口方向の流体抵抗が大きくなったとしても、吐出する際の吐出口方向への流量の減少を抑え、インク滴の吐出速度の低下を防ぐことができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態についても、吐出体積のバラツキが少なくなるように、第１の実施形態よりもインクの淀み領域を小さくすることを目的としている。また、第５の実施形態については、第１吐出口部４の中心から前記素子基板の主面におろした垂線に対して第１吐出口部の第２吐出口部への開口面と、第２吐出口部の第１吐出口部側の端面とが、同心円状に（リング型になるように）形成し、その段差部分にできる淀み領域の偏りによる不安定吐出を解消することも目的としている。

ここでは、第４の実施形態について、図５に基づいて第１の実施形態に比べて異なる点を主に説明する。

図５は本発明の第４の実施形態によるインクジェット記録ヘッドのノズル構造を示している。図５（ａ）はインクジェット記録ヘッドの複数のノズルのうちの１つを素子基板２の主面に対して垂直な方向から見た平面透視図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

図５（ａ）の平面透視図に示すように、第２吐出口部１０の発泡室１１側の開口面は、第１吐出口部４の配列方向と平行な方向の径が、第１吐出口部４の配列方向と垂直な方向の径よりも長い楕円、もしくは長円である。

また、第２吐出口部は、第１吐出口部側の端面が円形で、かつ、発泡室１１側の開口面の内側にある。このような形状では、第１吐出口部の第２吐出口への開口面と、第２吐出口部の第１吐出口部側の端面が、第１吐出口部の中心から前記素子基板の主面におろした垂線に対して、同心円状に形成されているため、第１吐出口部と第２吐出口部の段差におけるインクの淀み領域の偏りによる不安定吐出を引き起こすおそれがない。要するに、第２吐出口部１０と第１吐出口部との段差部分が点対称に形成されていることで、この段差部分全体においてインクの淀み部が偏ることがないため、上述した各実施形態に比べ、吐出特性が安定する。

ここで、注意したいのは、本実施形態では、第２吐出口部の素子基板の主面に平行な断面が小さくなるので、第１の実施形態に比べ、第２吐出口部の全体抵抗としては大きくなる可能性があるということである。しかしながら、第１吐出口部と第２吐出口部との段差部分は、実際、流体は流れない淀み部であるので、結果的に、第１の実施形態と同等の流体抵抗で維持される。

また、本実施形態においても、ノズル内の吐出口部４が円柱形である図８の記録ヘッドに比べ、第２吐出口部１０の、素子基板２の主面に平行な断面、すなわち空間容積が大きいため、圧力損失することが極めて少なく、第１吐出口部４に向かって、良好に吐出されることになる。こうすることで、ノズル先端の吐出口がさらに小さくなって、吐出口部での吐出口方向の流体抵抗が大きくなったとしても、吐出する際の吐出口方向への流量の減少を抑え、インク滴の吐出速度の低下を防ぐことができる。

また、本実施形態においても、第２吐出口部１０の発泡室側の開口面の、吐出口の配列方向と垂直な方向の長さを吐出口の配列方向と平行な方向の長さよりも長くにすることにより、小液滴化に伴って発泡室１１の幅が狭くなった場合でもその幅に制限されることなく第２吐出口部の断面積を大きくすることができるので、吐出口方向の全体の流体抵抗がより小さくすることができる。

（第５の実施形態）
本実施形態では、副供給路を設けることで、２つの供給路（供給路９、副供給路１２）でのトータルの流体抵抗を小さくし、高周波数のリフィル工程を可能とする。また、ここでは図８に基づいて第１の実施形態に比べて異なる点を主に説明する。

図６は本発明の第５の実施形態によるインクジェット記録ヘッドのノズル構造を示している。図６（ａ）はインクジェット記録ヘッドの複数のノズルのうちの１つを素子基板の主面に対して垂直な方向から見た平面透視図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、図６（ｃ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

図６（ａ）の平面透視図に示すように、第２吐出口部１０の発泡室１１側の開口面は、第１吐出口部４の配列方向と垂直な方向の長さが、第１吐出口部４の配列方向と平行な方向の長さよりも長い形状である。また、第２吐出口部１０は、第１吐出口部側の端面が発泡室１１側の開口面と相似形であり、かつ、第１吐出口部側の端面が発泡室１１側の開口面よりも面積が小さい断面形状である。なお、図６（ａ）では、第２吐出口部１０の、ヒータ１の形成面に対して略平行な方向に切断した断面を略矩形形状で記載した。

また、高周波数のリフィルを実現するため、インク供給路９に加え、副インク供給路１２を設けている。

次に、図１及び図６に基づき、上記のように構成された記録ヘッドにてインク滴を第１吐出口部４から吐出する動作を説明する。

また、発泡室１１内に充填されたインクが吐出される際、発泡室１１内のインクの一部は、発泡室１１内に発生する気泡の圧力によって供給路９、及び、副供給路１２側に流動することになる。ここで、ノズルの発泡から吐出までの様子を局所的に見れば、発泡室１１で発生した気泡の圧力は、第２吐出口部１０にも即座に伝わり、発泡室１１及び第２吐出口部１０に充填されていたインクは、第２吐出口部１０内を移動していくことになる。

この際に、ノズル内の吐出口部４が円柱形である図１１の記録ヘッドに比べ、第２の実施形態では第２吐出口部１０の、素子基板２の主面に平行な断面、すなわち空間容積が大きいため、圧力損失することが極めて少なく、第１吐出口部４に向かって、良好に吐出されることになる。こうすることで、ノズル先端の吐出口がさらに小さくなって、第１吐出口部での吐出口方向の流体抵抗が大きくなったとしても、吐出する際の吐出口方向への流量の減少を抑え、インク滴の吐出速度の低下を防ぐことができる。

本実施形態では、吐出される液体の滴量の減少（小液滴化）に伴って、２つの供給路を設けることにより、２つの供給路でのトータルの流体抵抗を小さくして、高周波数でリフィルを行うことができる。さらに、本実施形態では、第２吐出口部の発泡室側の開口面の吐出口の配列方向と垂直な方向の長さを、吐出口の配列方向と平行な方向の長さよりも長くすることにより、第２吐出口部の発泡室側の開口面を大きくするとともに、第２吐出口部よりも流体抵抗が大きい２つの供給路（つまり、供給路９と副供給路１２）のノズル配列方向と垂直な方向（すなわち、液体の供給方向）の長さを短くしている。その結果、供給口６から吐出口に至る供給経路トータルの流体抵抗をより小さくすることができ、より高周波数のリフィル周波数を達成している。

（第６の実施形態）
吐出される液体の滴量を少なくする（吐出液滴の体積を小さくする）ためには、吐出口を小さくしなくてはならないため、吐出口方向の流体抵抗が極めて大きくなる。その解決策として、流体抵抗の小さい第２吐出口部を設けることで、吐出効率を向上させることは先述したが、その他の方法として、ヒータのエネルギを、すなわち、ヒータ面積を大きくすることが挙げられる。しかしながら、吐出液滴の体積を小さくし、印字ドット径が小さくなることで、印字形成上の問題から、ノズル配列密度は高くしていかなくてはならず、そのノズル形状が吐出口の配列方向と平行な方向に小さくなっているため、ヒータはノズル配列方向に大きくすることは出来ず、吐出口の配列方向におけるヒータの長さとこの方向における第２吐出口部の発泡室側の開口面の長さとは実質的に同等にしている。そのため、本実施形態では、前記吐出口の配列方向と垂直な方向の長さが、平行な長さよりも長いヒータ（縦長ヒータ）を設けた。また省エネの観点から、小電流で現状と同等の吐出エネルギを出力することが必要であり、その際には、ヒータの電気抵抗を高くすることが必須となるが、縦長ヒータは、配線方向に長い形状である（図示せず）ことからヒータの電気抵抗は増大するため、この観点からも適していると言える。また、このような縦長ヒータを有する第６の実施形態では、発泡圧が前記吐出口の配列方向と垂直な方向に広がりを持つが、第２吐出口部の発泡室側への開口面が前記吐出口の配列方向と垂直方向に大きいので、広がりを持った発泡圧でも、吐出方向へのエネルギとして十分に取り込むことが出来る。また、ここでは図７に基づいて第１の実施形態に比べて異なる点を主に説明する。

図７は本発明の第６の実施形態によるインクジェット記録ヘッドのノズル構造を示している。図７（ａ）はインクジェット記録ヘッドの複数のノズルのうちの１つを素子基板２の主面に対して垂直な方向から見た平面透視図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、図７（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

図７（ａ）の平面透視図に示すように、第２吐出口部１０の素子基板２の主面に平行な断面の形状は、発泡室１１側の開口面から第１吐出口部４側の端面に至る第２吐出口部１０のいずれの断面においても、第１吐出口部４の配列方向と垂直な方向の長さが、第１吐出口部４の配列方向と平行な方向の長さよりも長い形状であり、第１吐出口部側の開口面は、発泡室１１側の開口面と相似形で、かつ、発泡室１１側の開口面よりも面積が小さい断面形状である。但し、図７（ａ）では、第２吐出口部１０の、ヒータ１の形成面に対して略平行な方向に切断した断面をほぼ長方形で記載した。

また、ヒータ１は前記吐出口の配列方向と垂直な方向の長さが、平行な長さよりも長い矩形状（長方形）である。

第６の実施形態は、前記吐出口の配列方向と垂直な方向の長さが、平行な長さよりも長いヒータを設けた場合の実施形態で、このような場合、ヒータが発生する熱エネルギーによる発泡圧が前記吐出口の配列方向と垂直な方向に広がりを持つが、本実施形態では第２吐出口部の発泡室側への開口面が前記吐出口の配列方向大きいので、広がりを持った発泡圧でも、吐出方向へのエネルギとして十分に取り込むことが出来る。

また、本実施形態では、第２吐出口部の発泡室側の開口面の形状をヒータの形状と実質的に等しい長方形にして、ヒータに対向する位置に設けている。

なお、ヒータはヒータの縁から４μｍ程度までの領域が発泡に寄与しないため、第２吐出口部の第１吐出口部側の開口面の形状を発泡に寄与する有効発泡領域と同様の形状にしてもよい。ここでは、このように有効発泡領域を考慮してヒータの方が第２吐出口部の第１吐出口部側の開口面よりも若干大きい場合でも、第２吐出口部の発泡室側の開口面の形状がヒータの形状と実質的に等しいものであるとする。

（その他の実施形態）
上記の各実施形態は以下のような実施形態に適用可能である。

図８及び図９は、それぞれ上記のインクジェット記録ヘッドの複数のノズルの配列を示している。図８及び図９では、複数の吐出口が供給口６に沿って１２００ＤＰＩのピッチで配列されている。これらのインクジェット記録ヘッドに上記の各実施形態のノズルを適用して、第２吐出口部１０の素子基板２の主面に対して平行な断面の形状が、前記発泡室側の開口面から前記第１吐出口側の前記端面に至る前記第２吐出口部のいずれの前記断面においても前記吐出口の配列方向と垂直な方向の長さが前記吐出口の配列方向と平行な方向の長さよりも長い構成を採ることにより、吐出口の配列の高密度化を妨げることなく、吐出口方向の流体抵抗を小さくすることができ、吐出口配列の高密度化を図りつつ、第２吐出口部の容積を大きくして小液滴化に伴う液滴の吐出速度の低下を抑えて、記録画像の高精細化を達成することが可能になる。

また、吐出口配列の高密度化を図りつつ第２吐出口部を大容量化するためには、上述の各実施形態の各ノズルにおいて、第２吐出口部１０の第１吐出口部４側の端面における第１吐出口部４、第２吐出口部１０の断面形状を、吐出口の配列方向と垂直な方向における第１吐出口部４の長さに対する第２吐出口部１０の長さの比が、前記吐出口の配列方向と平行な方向における第１吐出口部４の長さに対する第２吐出口部１０の長さの比よりも大きい構成とすることが好ましい。

さらに、図９に示すように、複数のノズルを千鳥状に配置すれば、ノズル間の壁を厚くして流路構成基板と素子基板との密着性を高めることができる。

また、上述の各実施形態は、複数の異なる体積の液滴を吐出させるインクジェット記録ヘッドに適用することもできる。この場合、図１０に示すように相対的に体積の小さい液滴を吐出するノズルに上述の各実施形態の構成を適用することが好ましい。しかし、相対的に体積の大きい液滴を吐出するノズルにも、上述の各実施形態の構成を適用することもできる。

本発明に好適なインクジェット記録ヘッドの実施の形態を一部切り欠いて見た斜視図である。本発明の第１の実施形態によるインクジェット記録ヘッドのノズル構造を説明するための図である。本発明の第２の実施形態によるインクジェット記録ヘッドのノズル構造を説明するための図である。発明の第３の実施形態によるインクジェット記録ヘッドのノズル構造を説明するための図である。本発明の第４の実施形態によるインクジェット記録ヘッドのノズル構造を説明するための図である。本発明の第５の実施形態によるインクジェット記録ヘッドのノズル構造を説明するための図である。本発明の第６の実施形態によるインクジェット記録ヘッドのノズル構造を説明するための図である。本発明の他の実施形態によるインクジェット記録ヘッドのノズル構造を説明するための図である。本発明の更に他の実施形態によるインクジェット記録ヘッドのノズル構造を説明するための図である。本発明の更に他の実施形態によるインクジェット記録ヘッドのノズル構造を説明するための図である。従来例のインクジェットプリントヘッドにおける複数のノズルのうちの１つを代表して示す図である。

符号の説明

１ヒータ
２素子基板
３オリフィス基板
４第１吐出口部
５ノズル
６供給口
７第１のノズル列
８第２のノズル列
９供給路
１０第２吐出口部
１１発泡室

Claims

液体を吐出する複数の吐出口と、電気熱変換素子が発生する熱エネルギーによって液体を吐出するために利用される気泡を発生する部分である発泡室と、前記吐出口と前記発泡室との間を連通する部分である吐出口部と、該吐出口部および前記発泡室にインクを供給する少なくとも１つの供給路とを有する流路構成基板と、前記電気熱変換素子が設けられ、前記流路構成基板が主面に接合された素子基板と、を備えるインクジェット記録ヘッドであって、
前記吐出口部は、前記吐出口から連続する第１吐出口部と、該第１吐出口部と前記発泡室とを連通する第２吐出口部と、を有し、
該第２吐出口部は、前記第１吐出口部との境界部を含み前記素子基板の主面とが平行である端面を有し、前記第２吐出口部の前記素子基板の主面に対して平行な断面の面積が、前記発泡室側の開口面から前記第１吐出口側の前記端面に至る前記第２吐出口部のいずれの前記断面においても前記境界部の面積よりも大きく、
前記第２吐出口部の前記発泡室側の開口面の、前記素子基板の主面に対して平行な断面の形状は、前記吐出口の配列方向と垂直な方向の長さが前記吐出口の配列方向と平行な方向の長さよりも長いことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
前記第２吐出口部の前記第１吐出口部側の前記端面における前記吐出口部の断面形状は、前記吐出口の配列方向と垂直な方向における前記第１吐出口部の長さに対する第２吐出口部の長さの比が、前記吐出口の配列方向と平行な方向における第１吐出口部の長さに対する第２吐出口部の長さの比よりも大きい請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記第２吐出口部の発泡室側の開口面が、楕円もしくは長円である、請求項１または２に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記第２吐出口部の前記発泡室側の開口面と、前記第２吐出口部の前記第１吐出口部側の端面とは相似形状となっている請求項１〜３のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記第２吐出口部の第１吐出口部側の前記端面は、前記第２吐出口部の発泡室側の前記開口面よりも小さい請求項１〜３のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記第２吐出口部の前記発泡室側の開口面と、前記第２吐出口部の前記第１吐出口部側の端面とは同一形状となっている請求項１または２に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記電気熱変換素子の前記吐出口の配列方向と垂直な方向の長さが、前記吐出口の配列方向と平行な長さよりも長い請求項１〜６のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記吐出口の配列方向における前記第２吐出口部の前記発泡室側の開口面の長さが、前記吐出口の配列方向における前記電気熱変換素子の長さと実質的に同等である請求項１〜７のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記電気熱変換素子をはさんで前記供給路の対向側には流路壁がある請求項１〜８のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記電気熱変換素子に対して対向する２方向に前記供給路が設けられている請求項１〜８のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記流路構成基板には、複数の前記電気熱変換素子および複数の前記吐出口部を有し、各吐出口部の長手方向が平行に配列された第１の吐出口列と、前記供給室を挟んで前記第１の吐出口列に対向する位置に各吐出口部の長手方向が平行に配列された第２の吐出口列とがそれぞれ設けられていて、前記第２の吐出口列の各吐出口は、前記第１の吐出口列の各吐出口部に対して、隣接する前記各吐出口部間のピッチが互いに１／２ピッチずれて配列されている請求項１〜１０のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記電気熱変換素子によって発生する気泡が外気に連通する請求項１〜１１のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
液体を吐出する複数の吐出口と、吐出エネルギ発生素子によって液体を吐出させるために利用される圧力が発生する部分である圧力室と、前記吐出口と前記圧力室との間を連通する部分である吐出口部と、該吐出口部および前記圧力室にインクを供給する少なくとも１つの供給路とを有する流路構成基板と、前記吐出エネルギ発生素子が設けられ、前記流路構成基板が主面に接合された素子基板と、を備えるインクジェット記録ヘッドであって、
前記吐出口部は、前記吐出口から連続する第１吐出口部と、該第１吐出口部と前記圧力室とを連通する第２吐出口部と、を有し、
該第２吐出口部は、第１吐出口部との境界部を含み前記素子基板の主面とが平行である端面を有し、前記第２吐出口部の前記素子基板の主面に対して平行な断面の面積が、前記圧力室側の開口面から前記第１吐出口側の前記端面に至る前記第２吐出口部のいずれの前記断面においても前記境界部の面積よりも大きく、
前記第２吐出口部の前記圧力室側の開口面の、前記素子基板の主面に対して平行な断面の形状は、前記吐出口の配列方向と垂直な方向の長さが前記吐出口の配列方向と平行な方向の長さよりも長く、
前記第２吐出口部の前記第１吐出口部側の前記端面における前記吐出口部の断面形状は、前記吐出口の配列方向と垂直な方向における前記第１吐出口部の長さに対する第２吐出口部の長さの比が、前記吐出口の配列方向と平行な方向における第１吐出口部の長さに対する第２吐出口部の長さの比よりも大きいことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。