JP2018008391A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力室における液体流速を均一化する。
【解決手段】液体吐出ヘッドは、液体に吐出のためのエネルギーを与える複数のエネルギー発生素子１を備えた記録素子基板２と、エネルギー発生素子１と対向し液体を吐出する複数の吐出口３を備えた吐出口形成部材９と、記録素子基板２と吐出口形成部材９との間を延びる複数の第１の隔壁７と、を有している。複数の第１の隔壁７は、それぞれが一つのエネルギー発生素子１を備えた複数の圧力室４を形成している。複数のエネルギー発生素子１は、記録素子基板２の第１の面２ａに第１の方向Ｗに配列されており、第１の面２ａと垂直な方向Ｈにおける圧力室４の高さＨｐに対する第１の方向Ｗにおける第１の隔壁７の離間距離Ｗｐの比（Ｗｐ／Ｈｐ）が４以上である。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体吐出ヘッドと液体吐出装置に関し、特に圧力室の構成に関する。

近年、液体吐出ヘッドにおいてさらなる高画質化を求めて、微小液滴を吐出可能な吐出口を高密度に配置し、高速で高画質の印刷を長期間に渡り安定的に実現することが要求されている。また、高速かつ高画質の印刷を実現するため、被記録媒体と同等以上の幅を有する長尺の液体吐出ヘッドが多く採用されている。
長尺の液体吐出ヘッドでは、液体の吐出を制御すべき吐出口の数が液体吐出ヘッドの幅に比例して多くなり、印刷解像度や使用する液体の色数に応じて吐出口列の数も増える傾向にある。吐出口から吐出される液体の液滴量や吐出方向のばらつきは、印刷される文字や画像品位の低下につながる。

特許文献１には、１つの吐出口につき一対の液体供給口が設けられ、一対の液体供給口の間で液体を循環させる液体吐出ヘッドが開示されている。吐出口の近傍の液体は液体の循環により入れ替わるため、吐出口からの液体の揮発による液体の濃縮や吐出口内での液面の変動を抑えることができる。

米国特許第８３０８２７５号明細書

高画質の文字及び画像を高速で印刷するためには、高周波数で繰り返し吐出される微小液滴が所望の方向に吐出され、被記録媒体の所望の位置に着弾することが必要となる。微小液滴の吐出量を制御するためには、圧力室の体積を小さくすることが有効である。圧力室の体積を小さくすることにより、エネルギー発生素子から加えられる液体の吐出圧力を効率的に吐出口の外へ向かわせ、圧力室の体積により制御された量の液体を吐出口から必要な吐出速度で吐出させることが可能となる。
一方で、吐出口からの液体の揮発は、特に最初に吐出する液滴の吐出量と吐出方向の精度に大きく影響する。液体の揮発が進むと吐出口近傍における液体濃度が高くなったり、吐出口内の液面が凹んだりするため、吐出量の減少や不吐出を引き起こすことがある。吐出されても液体が所望の方向に正確に吐出されない場合もある。液体を安定して吐出するためには、吐出口近傍における液体濃度と液面の変化を小さくすることが重要である。

特許文献１に記載の液体吐出ヘッドでは、吐出口における液体濃度と液面の安定化のために液体循環機構を設けている。しかし、液体供給口からエネルギー発生素子までの流路が最適化されておらず、流路内で流速分布が不均一となったり、渦が発生したりする場合がある。特に、圧力室内における液体流束のベクトルの乱れは吐出口から吐出される液滴の乱れの原因となり、液滴が小さいほど流束のベクトルの乱れの大きさに応じた吐出方向の精度が悪化する。その結果、吐出口から吐出される液滴の着弾精度が悪化し、印刷される文字や画像の品位の低下につながる可能性がある。

本発明は、圧力室における液体の流速分布がより均一化された液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

本発明の液体吐出ヘッドは、液体に吐出のためのエネルギーを与える複数のエネルギー発生素子を備えた記録素子基板と、エネルギー発生素子と対向し液体を吐出する複数の吐出口を備えた吐出口形成部材と、記録素子基板と吐出口形成部材との間を延びる複数の第１の隔壁と、を有している。複数の第１の隔壁は、それぞれが一つのエネルギー発生素子を備えた複数の圧力室を形成している。複数のエネルギー発生素子は、記録素子基板の第１の面に第１の方向に配列されており、第１の面と垂直な方向における圧力室の高さに対する第１の方向における第１の隔壁の離間距離の比が４以上である。

本発明によれば、圧力室における液体の流速分布がより均一化された液体吐出ヘッドを提供することができる。

本発明の液体吐出ヘッドの一例を示す模式的斜視図である。 本発明の第一の実施形態の記録素子基板の概念図である。 圧力室のアスペクト比と流速分布の関係を示す図である。 圧力室の近傍のインク流と圧力室の流速分布を示す模式図である。 圧力室のアスペクト比と等価流路域の関係を示す図である。 第一の実施形態の変形例の記録素子基板の概念図である。 第一の実施形態の他の変形例の記録素子基板の概念図である。 第一の実施形態の他の変形例の記録素子基板の概念図である。 第一の実施形態の他の変形例の記録素子基板の概念図である。 第一の実施形態の他の変形例の記録素子基板の概念図である。 第一の実施形態の他の変形例の記録素子基板の概念図である。 本発明の第二の実施形態の記録素子基板の概念図である。 本発明の第三の実施形態の記録素子基板の概念図である。 図１３に示す記録素子基板の部分拡大斜視図である。

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態を説明する。以下に示す実施形態は本発明の範囲を限定するものではない。本実施形態はインクを吐出する液体吐出ヘッドに関するが、吐出する液体はインクに限定されない。本実施形態はエネルギー発生素子が発生する熱で気泡を発生させて液体を吐出するサーマル方式を用いているが、ピエゾ方式及びその他の各種液体吐出方式も本発明に適用することができる。
本実施形態の液体吐出ヘッドは被記録媒体の幅に対応した長さを有する、所謂ライン型の長尺ヘッドであるが、被記録媒体に対してスキャンを行いながら記録を行う、所謂シリアル型の液体吐出ヘッドも本発明に含まれる。シリアル型の液体吐出ヘッドは、例えばブラックインク用の記録素子基板と、カラーインク用の記録素子基板とを搭載している。数個の記録素子基板を、隣接する記録素子基板の吐出口が吐出口の配列方向にオーバーラップするよう配置することもできる。被記録媒体の幅より短く、被記録媒体に対してスキャンを行いながら記録を行う短尺のラインヘッドも本発明に含まれる。

本実施形態の液体吐出ヘッドは、少なくとも４列の吐出口列を有し、各列にインクタンクからＣＭＹＫ（シアン、マゼンタ、イエロー、ブラック）のインクが個別に供給される。これによって、本実施形態の液体吐出ヘッドはフルカラー印刷が可能である。ＣＭＹＫの各インクを吐出する吐出口列は、同一の記録素子基板上に形成することもできるし、別々の記録素子基板上に形成することもできる。後者の場合、それぞれの色のインクが吐出する記録素子基板を並べて配置し、一つの液体吐出ヘッドを構成することができる。

以下の説明において、複数のエネルギー発生素子及び複数の吐出口が配列される方向を第１の方向Ｗという。複数のエネルギー発生素子が配列される記録素子基板の第１の面と平行で第１の方向Ｗと直交する方向を第２の方向Ｄという。第２の方向Ｄは圧力室におけるインクの流路方向に等しい。第１の面と垂直な方向、すなわち第１の方向Ｗと第２の方向Ｄに直交する方向を第３の方向Ｈという。「幅」「長さ」「高さ」は特に言及のない場合、それぞれ、第１の方向Ｗ、第２の方向Ｄ、第３の方向Ｈの寸法を意味する。

（第一の実施形態）
図１は本発明の液体吐出装置の第一の実施形態に係る液体吐出ヘッド１０の模式的な斜視図である。液体吐出ヘッド１０はＡ４サイズの被記録媒体の長辺長さより大きい３００ｍｍの印字幅を有しており、１ユニット当たり２５６〜２０４８個、またはそれ以上の吐出口で構成される複数の記録素子基板を直列に配置することで、１列の吐出口列が形成されている。
液体吐出ヘッド１０は少なくとも、記録素子基板２と、フレキシブル配線基板１１に電気的に接続された電気配線基板１２と、インクの吐出制御のための電力と信号をそれぞれ供給する電力供給端子１３と信号入力端子１４と、を有している。電力供給端子１３と信号入力端子１４は液体吐出装置の印字制御回路（図示せず）と接続されている。インクはインクタンク（図示せず）から、毛細管現象によって、またはポンプによって、液体吐出ヘッド１０の圧力室４へ供給される。他の実施形態では、液体吐出ヘッド１０の上流側と下流側に２つのインクタンクを設け、一方のインクタンクから他方のインクタンクへインクを流すことにより、インクが圧力室４に供給される。

図２は、記録素子基板２の一部を拡大して示す模式図である。図２（ａ）は記録素子基板２の平面図であり、内部の圧力室等を示している。図２（ｂ）は図２（ａ）のａ１−ａ２線に沿った断面図である。記録素子基板２は第１の面２ａと、その反対面である第２の面２ｂと、を有しており、第１の面２ａにインクに吐出のためのエネルギーを与える複数のエネルギー発生素子１を備えている。吐出口形成部材９はエネルギー発生素子１と対向する位置に複数の吐出口３を有している。吐出口３は６００ｄｐｉの配置密度で配列されている。

記録素子基板２と吐出口形成部材９との間に、記録素子基板２の長辺に沿って第１の方向Ｗに延びる２つの側壁８と、記録素子基板２の短辺と平行な方向（第２の方向Ｄ）に延びる複数の第１の隔壁７と、が設けられている。２つの側壁８と複数の第１の隔壁７は吐出口形成部材９と一体化され、吐出口形成部材９を記録素子基板２に固定している。記録素子基板２と吐出口形成部材９との間に、それぞれが一つのエネルギー発生素子１を備えた複数の圧力室４が形成されている。圧力室４は、記録素子基板２と、吐出口形成部材９と、互いに隣接する第１の隔壁７と、によって画定される。圧力室４はエネルギー発生素子１を含む空間であり、より広義には、エネルギー発生素子１を駆動した際に圧力が作用する領域である。本実施形態における圧力室４の大きさは、第１の方向Ｗにおいては互いに隣接する第１の隔壁７の間隔Ｗｐに等しく、第２の方向Ｄにおいては第１の隔壁７の第２の方向Ｄの長さＤｓに等しい。また、圧力室４の第３の方向Ｈの大きさは記録素子基板２と吐出口形成部材９の間隔または側壁８の高さに等しい。第１の隔壁７の長さＤｓはエネルギー発生素子１の第２の方向Ｄにおける寸法Ｄｒより大きい。第１の隔壁７は第２の方向Ｄにおいて、エネルギー発生素子１よりも、次に述べる第１の連通孔５に近接している。この結果、インクは圧力室４の入口側の一部を第２の方向Ｄに流れた後に、エネルギー発生素子１の近傍に達する。圧力室４と第１の連通孔５の間には、圧力室４と第１の連通孔５に接続され、インクを圧力室４に供給する液体流路６が形成されている。

インクを供給する第１の連通孔５が、記録素子基板２を第１の面２ａから第２の面２ｂまで貫通して設けられている。圧力室４は液体流路６を介して第１の連通孔５に接続されている。液体流路６内に、圧力室４に異物などが入るのを防ぐ柱状のフィルタ（図示せず）を設置してもよい。但し、圧力室４におけるインク流を乱さないようにフィルタの開口は最小限の大きさとし、少なくとも吐出口３の直径より小さい寸法とすることが望ましい。
インクタンク（図示せず）に貯蔵されたインクは、記録素子基板２の第２の面２ｂ側に設けられた共通流路（図示せず）、第１の連通孔５及び液体流路６を介して圧力室４に供給される。エネルギー発生素子１は、記録素子基板２の内部に設けられた電気配線と、記録素子基板２の表面に設けられた端子とを介し、電気配線基板１２と電気的に接続されている。エネルギー発生素子１は印字制御回路から入力されるパルス信号に基づいて発熱し、インクを沸騰させる。エネルギー発生素子１上でインクが発泡することで圧力室４に発泡圧力が生じ、その発泡圧力によってインクが吐出口３から第３の方向Ｈに吐出する。インクが吐出した後は、新たなインクが液体流路６を介して圧力室４に充填される。

吐出口３から一定量のインク液滴が第３の方向Ｈに安定して吐出されるためには、エネルギー発生素子１上でインク流速の第１の方向Ｗにおけるばらつきが小さく、圧力室４内の発泡圧力が少なくともエネルギー発生素子１上で均一化されることが望ましい。このためには、圧力室４における第２の方向Ｄにおけるインク流速が第１の方向Ｗにおいてより均一であること、あるいはインク流速がゼロであることが望ましい。しかし、高速印刷時には、吐出口３からのインク吐出と圧力室４へのインク供給が高速で繰り返されるため、インク発泡時におけるエネルギー発生素子１上でのインク流速を一定に制御することが難しい。このため、圧力室４へのインク再充填時に、インク流速の乱れが発生しやすい。本実施形態では、圧力室４の形状を最適化することにより、インク流速の乱れを抑えることが可能となる。

図３は、圧力室４の第１の方向Ｗにおける位置とインクの流速分布の関係を、圧力室４のアスペクト比をパラメータとして示している。インクの流速分布は、吐出口３の中心を通り第１の面２ａと直交し第１の方向Ｗと平行な圧力室４の断面における、圧力室４の第２の方向Ｄのインク流速の、第１の方向Ｗでの分布である。アスペクト比は、圧力室４の高さＨｐに対する、第１の方向Ｗにおいて互いに隣接する第１の隔壁７の離間距離Ｗｐの比（Ｗｐ／Ｈｐ）である。圧力室４の高さは第３の方向Ｈにおける圧力室４の寸法を意味し、第３の方向Ｈにおける記録素子基板２と吐出口形成部材９との間隔または側壁８の高さに等しい。横軸は圧力室４の第１の方向Ｗにおける位置を規準化して示しており、縦軸は第２の方向Ｄにおけるインク流速を、最大値を１として規準化して示している。圧力室４のアスペクト比が大きいほどインクと壁面の間に働く摩擦の影響が大きくなり、その結果、圧力室４における流速分布が第１の方向Ｗに均一化される範囲が拡大する。つまり、圧力室４で第１の方向Ｗにより均一なインク流速分布を得るためには、より高アスペクト比の圧力室４が望ましいことが分かる。

図４は、吐出口Ａを備えた圧力室４におけるインクの流れを模式的に示している。ここでは吐出口Ａの近傍の他の吐出口３からはインクが吐出しないと仮定する。図４（ａ）は記録素子基板２の平面図であり、吐出口Ａからインクが吐出した後に圧力室４に供給されるインクの流れを模式的に示している。図４（ｂ）及び（ｃ）は、図４（ａ）のｂ１−ｂ２線に沿った圧力室４の断面におけるインクの第２の方向Ｄの流速を、第１の方向Ｗの位置の関数として模式的に示している。図４（ｂ）は圧力室４のアスペクト比が２．０の場合を、図４（ｃ）は４．０の場合を示している。

吐出口Ａからインクが吐出した後、圧力室４には第１の連通孔５から液体流路６を介してインクが再充填される。図４（ａ）に示す構成では、圧力室４が第１の隔壁７によって完全に仕切られていないため、吐出口Ａと対向する第１の連通孔５だけでなく、その連通孔と隣接する第１の連通孔５からも、吐出口Ａを備える圧力室４にインクが再充填される。そのため、圧力室４の入口では複数の第１の連通孔５から流入するインクの混合流が発生している。図４（ｂ）に示す、アスペクト比が小さい圧力室４の場合には、圧力室４におけるインク流速のばらつきが大きく、特にエネルギー発生素子１上で流速分布のばらつきが大きい。一方、図４（ｃ）に示す、アスペクト比が大きい圧力室４の場合には、第１の方向Ｗのインクの流速分布がより平坦化されており、特にエネルギー発生素子１上で流速分布のばらつきは相対的に小さく、ほぼ均一化されている。このため、隣接するエネルギー発生素子１の発泡圧力の影響が不連続的に発生する場合にも、混合流によるインク流速の時間的ゆらぎが緩和され、圧力室４内のインク流速分布をより均一化することが可能となる。

相対的に高アスペクト比の圧力室においては、より大きな壁面抵抗がインクに作用する。圧力室４の大きな壁面抵抗はインク流の整流作用を生じさせ、圧力室４に流入するインクの流速分布をより均一化する。高速印刷時には連続してインク液滴の吐出が行われるため、圧力室４内のインク流速がゼロとなる前に、次のインク液滴が吐出される場合がある。その場合にも、圧力室４のエネルギー発生素子１上で、インクの流速分布が第１の方向Ｗに均一化された広い領域が確保されるため、インク液滴の吐出速度と吐出方向を安定化させることが可能となる。
図４では、吐出口Ａだけからインクが吐出すると仮定しているが、実際には複数の吐出口３からインク液滴が次々に吐出する。隣接する吐出口３からインクが吐出する際の圧力の影響で、圧力室４に供給されるインクの流速分布はさらに乱れ不安定化する。しかし、本実施形態の高アスペクト比の圧力室４では、圧力室４に供給されたインク流が整流され、エネルギー発生素子１上でより均一なインク流速分布が実現される。

次に、インク液滴を安定して吐出するために必要となる圧力室４のアスペクト比について、図２の構成を用いて説明する。液体吐出ヘッド１０の主要部の寸法は以下のとおりである。
エネルギー発生素子１の長さＤｒ：２２μｍ
エネルギー発生素子１の幅Ｗｒ：１８μｍ
吐出口３の直径Ｒ：２０μｍ
圧力室４の幅Ｗｐ：３７．３μｍ
第１の連通孔５の断面長さＤｈ：１９μｍ
第１の連通孔５の断面幅Ｗｈ：１９μｍ
液体流路６及び圧力室４の高さ（側壁８の高さ）Ｈｐ：９μｍ
第１の隔壁７の長さＤｓ：４０μｍ
第１の隔壁７の幅Ｗｓ：５μｍ
両側の側壁８の間隔Ｄｉ：１００μｍ
吐出口形成部材９の厚み：７μｍ
インク粘度は３ｃＰ、インク吐出量（一つのインク液滴の大きさ）は２ｐＬとする。

インクの安定吐出のためには、エネルギー発生素子１の幅（Ｗｒ＝１７μｍ）上に実質的に均一とみなせるインク流速分布が得られていることが必要となる。
安定吐出のために必要となるインク流速分布の均一性を表す目安値として「等価流速域」を用いる。「等価流速域」は、圧力室４の内部における、図３に示す規準化された流速が０．９５以上となる領域の幅と定義する。すなわち、「等価流速域」の長さは吐出口３の中心を通り第１の面２ａと直交し第１の方向Ｗと平行な圧力室４の断面において、インクの流速が最大値の９５％以上となる範囲の第１の方向Ｗにおける長さである。「等価流速域」の長さがエネルギー発生素子１の幅Ｗｒより大きければ、エネルギー発生素子１上で略均一とみなせるインク流速分布が得られることになる。なお、インク流速分布は、図４（ｂ），（ｃ）に示すように第１の方向Ｗに関しほぼ対称形と考えられる。よって、「等価流速域」の長さがエネルギー発生素子１の幅Ｗｒより大きければ、エネルギー発生素子１の全幅で略均一とみなせるインク流速分布が得られる。

図５は圧力室４のアスペクト比と等価流速域との関係を示している。図２の構成において、エネルギー発生素子１の幅Ｗｒは１８μｍ、圧力室４の幅Ｗｐは３７．３μｍであるため、安定吐出のために必要となる等価流速域の下限値はＷｒ／Ｗｐ＝０．４８である。記録素子基板２の製作工程における公差を考慮し、等価流速域の下限値をＷｒ／Ｗｐ＝０．５０とする。図５を参照すると、圧力室４のアスペクト比が４．０以上のとき等価流速域が０．５１以上となり、エネルギー発生素子１上で略均一とみなせるインク流速分布が得られる。これより、等価流速域の長さがエネルギー発生素子１の幅Ｗｒより大きくなるためには、圧力室４のアスペクト比が４以上（４．０以上）であればよいことになる。
安定吐出のために必要となる等価流速域はエネルギー発生素子１の幅Ｗｒにより変わり得るが、圧力室４は所望のインク吐出量を得るための最低限の大きさを必要とする。１ｐＬのインク吐出量を得るためには、これに相当する１０μｍｘ１０μｍｘ１０μｍ程度のインク体積を圧力室４に確保することが必要である。上記アスペクト比を考慮すると、圧力室４の高さは１０μｍ以下であることが望ましい。等価流速域を０．５程度とし、圧力室４のアスペクト比の下限を４．０とすることによって、必要となるエネルギー発生素子１の幅Ｗｒに対して、インク流速分布が均一化される圧力室４の幅Ｗｐを設定することが可能となる。このように圧力室４のアスペクト比が４．０以上であれば、圧力室４における液体の流速分布のばらつきが減少し、着弾精度を向上させることができる。尚、流速分布に関しては上記アスペクト比の観点の他に、液体の粘度等の液体の物性や環境温度等のパラメータによっても変動し得る。しかながら流速分布のばらつきに関しては上述したアスペクト比に関する観点が支配的であり、このアスペクト比の影響に比べれば液体の物性や環境温度等のパラメータは実質的に無視できる。

以下、インク液滴の安定吐出のために、さらに望ましい液体吐出ヘッドの形態について説明する。なお、図６〜１３は図２と同様の図であり、（ａ）は記録素子基板２の平面図を、（ｂ）は（ａ）のａ１−ａ２線に沿った断面図を示している。

図２に示す液体吐出ヘッド１０では、エネルギー発生素子１が６００ｄｐｉの配置密度で配置され、第１の連通孔５がエネルギー発生素子列の片側に、エネルギー発生素子１に沿って６００ｄｐｉの配置密度で配置されている。エネルギー発生素子１と第１の連通孔５は等ピッチで同数配置され、かつ、エネルギー発生素子１の中心とこれと対向する第１の連通孔５の中心とを結ぶ直線が第２の方向Ｄと平行である。複数の第１の連通孔５からなる連通孔列の第１の方向Ｗにおける中心位置が、複数の圧力室４からなる圧力室列の第１の方向Ｗにおける中心位置と、第１の方向Ｗにおいて一致している。これにより、圧力室４に流入するインク流は第２の方向Ｄの速度成分が多くなり、圧力室４内におけるインク流速分布の乱れを最小限に抑えることができる。
圧力室４の流路断面積（第２の方向Ｄと直交する断面における流路面積）は第１の連通孔５の最少流路断面積（第３の方向Ｈと直交する断面における最少流路面積）より小さい。これによって圧力室４のインク流速が第１の連通孔５のインク流速よりも大きくなるため、圧力室４におけるインクの滞留領域が小さくなり、さらにインク流速分布の均一化を図ることができる。本構成は、記録素子基板２の製造プロセスの制約や隣接する吐出口３間での圧力伝搬の防止のために、インク流路に屈曲部または行き止まり部を設ける場合にも効果的である。

図６は本実施形態の液体吐出ヘッド１０の変形例を示している。互いに隣接する第１の連通孔５の間に第２の隔壁１０７が設けられている。第２の隔壁１０７は第１の隔壁７と一体化されているが、第１の隔壁７から分離されていてもよい。図７は本実施形態の液体吐出ヘッド１０の他の変形例を示している。一体化された第１の隔壁７と第２の隔壁１０７（隔壁２０７）は２つの側壁８とともに、第１の連通孔５及び圧力室４を他の第１の連通孔５及び圧力室４から完全に仕切っている。液体流路６と圧力室４は同じ流路幅Ｗｐと流路高さＨｐを有しており、いずれもアスペクト比Ｗｐ／Ｈｐ≧４の条件を満たしている。これらの変形例は、隣接する圧力室４でのインク吐出による圧力振動や、第１の連通孔５からのインク供給量のばらつきが必要な吐出精度に対して問題となる場合に有効である。

図８は本実施形態の液体吐出ヘッド１０の他の変形例を示している。両側の隔壁２０７から液体流路６に突き出す２つの突起１８が設けられている。２つの突起１８は好ましくは同じ形状を有し、第２の方向Ｄに関して同じ位置に設けられている。突起１８はエネルギー発生素子１と第１の連通孔５との間に位置している。突起１８は圧力室４で発生した吐出圧力が第１の連通孔５に向けて拡散することを抑制する。圧力室４はアスペクト比Ｗｐ／Ｈｐ≧４の条件を満たしている。好ましくは、最も狭い流路幅Ｗｄとなる２つの突起１８間でアスペクト比Ｗｄ／Ｈｐ≧４が満たされることで、より均一なインク流速分布が実現される。

図９は本実施形態の液体吐出ヘッド１０の他の変形例を示している。液体流路６に段差２１が形成されており、液体流路６の高さが圧力室４の入口よりも第１の連通孔５の近傍で大きくなっている。段差の形状はこれに限定されず、第３の方向Ｈにおける液体流路６の高さが液体流路６に沿った２以上の位置で互いに異なっていればよい。また、段差の代わりになめらかな曲面が設けられてもよい。図９に示す液体流路６はより多くのインクを圧力室４に供給できるが、インクの流れが乱されやすい。しかし、圧力室４がアスペクト比Ｗｐ／Ｈｐ≧４の条件を満たすことで、エネルギー発生素子１上でより均一なインク流速分布が実現される。

図１０は本実施形態の液体吐出ヘッド１０の他の変形例を示している。互いに隣接する第１の連通孔５の間に２つの第２の隔壁３０７ａ，３０７ｂが設けられている。第１の連通孔５の間に設けられる第２の隔壁３０７ａ，３０７ｂの数はこれに限定されない。第２の隔壁３０７ａ，３０７ｂは第１の隔壁７から分離しているが、第１の隔壁７と一体化されていてもよい。吐出口形成部材９を第１の隔壁７と側壁８だけでなく、第２の隔壁３０７ａ，３０７ｂでも支持することができるため、外力や膨潤に対する吐出口形成部材９の変形を抑えることが可能となる。本実施形態でも流路幅Ｗｐと流路高さＨｐはアスペクト比Ｗｐ／Ｈｐ≧４の条件を満たしている。

図１１は本実施形態の液体吐出ヘッド１０の他の変形例を示している。第１の連通孔５の配列間隔はエネルギー発生素子１の配列間隔より大きく、１つの第１の連通孔５に複数の（本実施形態では２つの）圧力室４が割り当てられている。本変形例では、第１の連通孔５を形成するためのプロセス解像度の制限よりも高い解像度（配置密度）で吐出口３を形成することが可能となる。第１の連通孔５から供給されたインクは２つの圧力室４に斜め方向に流入するため、圧力室４内のインク流速分布の乱れが発生しやすい。しかし、圧力室４のアスペクト比をＷｐ／Ｈｐ≧４とすることで、インク流速分布の均一化を実現できる。

以上述べた本実施形態とその変形例に係るライン型の液体吐出ヘッド１０においては、共通のインクタンクから長尺の液体吐出ヘッド１０にインクが供給される。このため、インクタンクから第１の連通孔５までの流路長が第１の連通孔５によって大きく異なり、第１の連通孔５に供給されるインク圧力に差が生じやすい。しかし、圧力室４のアスペクト比をＷｐ／Ｈｐ≧４とすることで、多数の吐出口３を有するライン型の液体吐出ヘッドにおいても、インク流速分布を均一化し、インク液滴の着弾位置のばらつきを抑えることができる。

（第二の実施形態）
本実施形態の液体吐出ヘッドの基本的な構成は第一の実施形態と同様であり、特徴的な構成についてのみ説明する。
図１２を参照すると、液体吐出ヘッド１０は、圧力室４に関し第１の連通孔５の反対側に、記録素子基板２を貫通し、圧力室４と連通する第２の連通孔２０５を有している。エネルギー発生素子１は６００ｄｐｉの配置密度で配置されており、エネルギー発生素子１の両側に第１の連通孔５と第２の連通孔２０５がそれぞれ６００ｄｐｉの配置密度で配置されている。液体吐出ヘッド１０は４３０ｍｍの印字幅を有するライン型の液体吐出ヘッドであり、１ユニット当たり２５６〜２０４８個、またはそれ以上の吐出口３で構成される複数の記録素子基板２が直列に配置されている。
圧力室４の第１の方向Ｗにおける両側には第１の隔壁７が設けられ、第１の方向Ｗに互いに隣接する第１の連通孔５間及び第２の連通孔２０５間には第２の隔壁１０７が設けられている。第１の隔壁７と第２の隔壁１０７は第１の連通孔５から第２の連通孔２０５まで連続するように一体化されているが、分離されていてもよい。本実施形態の液体吐出ヘッド１０の主要部の寸法は以下のとおりである。
エネルギー発生素子１の長さＤｒ：２０μｍ
エネルギー発生素子１の幅Ｗｒ：１５μｍ
吐出口３の直径Ｒ：２０μｍ
圧力室４の幅Ｗｐ：３７．３μｍ
連通孔５，２０５の断面長さＤｈ：２０μｍ
連通孔５，２０５の断面幅Ｗｈ：２０μｍ
液体流路６及び圧力室４の高さ（側壁８の高さ）Ｈｐ：８μｍ
隔壁の長さ（隔壁７，１０７を合わせた全長）Ｄｓ：１４０μｍ
隔壁７，１０７の幅Ｗｓ：５μｍ
両側の側壁８の間隔Ｄｉ：１６０μｍ
吐出口形成部材９の厚み：６μｍ

本実施形態の液体吐出ヘッド１０においては、圧力室４のアスペクト比Ｗｐ／Ｈｐを４．６６以上とすることで等価流速域の下限値を確保することができる。また、圧力室４の両側に第１の連通孔５と第２の連通孔２０５が設けられ、圧力室４の両側からインクが供給される。このため、吐出口３の両側におけるインクの流速分布の対称性が向上し、インクが第２の方向Ｄに沿って安定して流れる。これらの効果によりインク液滴の着弾精度をさらに高めることができる。また、本実施形態の液体吐出ヘッド１０は双方向からインクが供給されるため、高速駆動が可能である。
さらに本実施形態では、液体流路６の最小高さが吐出口３の最大径よりも小さくされている。このため、仮に液体流路６内に異物が発生したり混入したりした場合でも、吐出口３の最大径より大きな異物が圧力室４に供給されることはなく、吐出口３への異物の詰まりによる不吐出を防止し、インク液滴の着弾位置のばらつきを抑えることができる。

（第三の実施形態）
本実施形態の液体吐出ヘッド１０の基本的な構成は第二の実施形態と同様であり、特徴的な構成についてのみ説明する。
図１３は本実施形態の液体吐出ヘッド１０の記録素子基板２の構成を示している。本実施形態の液体吐出ヘッド１０では圧力室４内のインクが第１の連通孔１０５から第２の連通孔３０５に向けて循環する。このため、本実施形態の液体吐出ヘッド１０を備える液体吐出装置は、圧力室内のインクを圧力室の外部との間で循環する手段を有している。本実施形態では、インクをインクタンクと液体吐出ヘッド１０との間で循環させているが、液体吐出ヘッド１０の上流側と下流側に２つのタンクを設け、一方のタンクから他方のタンクへインクを流すことで圧力室４内のインクを循環させてもよい。
本実施形態の液体吐出ヘッド１０の主要部の寸法は以下のとおりである。
連通孔の断面長さＤｈ：２０μｍ
連通孔の幅Ｗｈ：５０μｍ
第１の隔壁７の長さＤｓ：８０μｍ
第１の隔壁７の幅Ｗｓ：５μｍ
第２の隔壁３０７ａ，３０７ｂ，４０７ａ，４０７ｂの長さＤｓ：３０μｍ
第２の隔壁３０７ａ，３０７ｂ，４０７ａ，４０７ｂの幅Ｗｓ：４μｍ
両側の側壁８の間隔Ｄｉ：１６０μｍ

第１の連通孔１０５の間には２つの第２の隔壁３０７ａ，３０７ｂが設けられ、第２の連通孔３０５の間には２つの第２の隔壁４０７ａ，４０７ｂが設けられている。第２の隔壁３０７ａ，３０７ｂ，４０７ａ，４０７ｂは第１の隔壁７から分離しているが、第１の隔壁７と一体化されていてもよい。吐出口形成部材９を第１の隔壁７と側壁８だけでなく、第２の隔壁３０７ａ，３０７ｂ，４０７ａ，４０７ｂでも支持することができるため、外力や膨潤に対する吐出口形成部材９の変形を抑えることが可能となる。
第１の連通孔１０５及び第２の連通孔３０５の配列間隔はエネルギー発生素子１の配列間隔より大きく、１つの第１の連通孔１０５及び１つの第２の連通孔３０５に複数の（本実施形態では２つの）圧力室４が割り当てられている。本実施形態では、第１の連通孔１０５及び第２の連通孔３０５を形成するためのプロセス解像度の制限よりも高い解像度（配置密度）で吐出口３を形成することが可能となる。第１の連通孔１０５及び第２の連通孔３０５から供給されたインクは２つの圧力室４に向かって斜め方向に流入するため、圧力室４内におけるインク流速の乱れが発生しやすい。しかし、圧力室４のアスペクト比をＷｐ／Ｈｐ≧４とすることで、インクの流速分布の均一化を実現できる。

図１４は、本実施形態における液体吐出ヘッド１０の一部を拡大した斜視図であり、インクが供給、排出される経路を示している。記録素子基板２の第２の面２ｂ側に第１の共通流路１５と第２の共通流路１６が形成されている。第１の共通流路１５と第２の共通流路１６には常にインクが流れている。第１の共通流路１５を流れるインクの一部が第１の連通孔１０５を介して圧力室４へ供給される。圧力室４へ供給されたインクは第２の連通孔３０５を介して、第２の共通流路１６に排出される。第１の共通流路１５から第２の共通流路１６へのインクの流れは第１の共通流路１５と第２の共通流路１６の差圧によって得られる。このため、液体吐出ヘッド１０でインクの吐出が行われている際に、吐出が行われていない圧力室４においてもインクの流れが生じ、増粘したインクやインク中の異物が第２の共通流路１６に排出される。従って、圧力室４及び吐出口３におけるインクの滞留や増粘を抑制することができる。吐出周波数や周囲の吐出口３からのインク吐出量に応じ、第１の共通流路１５から第２の共通流路１６にインクが流れる状態と、第１の共通流路１５と第２の共通流路１６の双方から圧力室４にインクが供給される状態と、を選択することができる。
本実施形態では、インクが循環する流路構成により、インク特性の変化が少ない状態を保つことができ、最初の液滴の吐出から安定した吐出性能を得ることができる。また、増粘したインクが圧力室４に滞留しにくいため、第二の実施形態と同様にインク液滴の着弾位置のばらつきを抑えることができる。

本実施形態の変形例では、バイモルポンプやチューブポンプを用いてインクを循環させることができる。これらのポンプを用いる場合、ポンプ出力に起因するインクの脈動が発生する場合がある。本実施形態では、圧力室４がダンパと同様の機能を有しており、圧力室４に供給されるインクが壁面抵抗による整流効果を受ける。このため、インクの脈動によるインク流速の時間的な変動を低減することができる。その結果、ポンプ出力によるインクの脈動流に起因するインク流速のゆらぎを小さくすることが可能であり、インク液滴の着弾位置の時間的なばらつきを抑えることができる。
さらに、液体吐出装置の稼働開始時などインク循環の開始時に、吐出口３からの揮発で粘度が高くなったインクを循環させ、圧力室のほぼ全域を流速分布が均一化されたインク流で置換することができる。このため、インク液滴が安定的に吐出されるまでの所要時間を短くすることが可能となる。

（第四の実施形態）
本実施形態の液体吐出ヘッド１０の基本的な構成は第三の実施形態と同様であり、特徴的な構成についてのみ、図１３を用いて説明する。
エネルギー発生素子１は１２００ｄｐｉの配列密度で配置されている。
本実施形態の液体吐出ヘッド１０の主要部の寸法は以下のとおりである。
エネルギー発生素子１の長さＤｒ：１８μｍ
エネルギー発生素子１の幅Ｗｒ：１０ｍ
吐出口３の直径Ｒ：１５μｍ
圧力室４の幅Ｗｐ：１７．７μｍ
連通孔１０５，３０５の断面長さＤｈ：２０μｍ
連通孔１０５，３０５の幅Ｗｈ：３０μｍ
液体流路６及び圧力室４の高さ（側壁８の高さ）Ｈｐ：３．５μｍ
第１の隔壁７の長さＤｓ：７０μｍ
第１の隔壁７の幅Ｗｓ：３．５μｍ
第２の隔壁３０７ａ，３０７ｂ，４０７ａ，４０７ｂの長さＤｓ：３０μｍ
第２の隔壁３０７ａ，３０７ｂ，４０７ａ，４０７ｂの幅Ｗｓ：３．５μｍ
両側の側壁８の間隔Ｄｉ：１５０μｍ
吐出口形成部材９の厚み：４μｍ
インク粘度は２ｃＰで、インク吐出量は１ｐＬとしている。

本実施形態では、等価流速域の下限値はＷｒ／Ｗｐ＝０．５６である。図５を参照すると、圧力室４のアスペクト比が５．０以上のとき等価流速域が０．５７以上となり、エネルギー発生素子１上で略均一とみなせるインク流速分布が得られる。その結果、インク液滴の着弾位置のばらつきを抑えることができる。

１ エネルギー発生素子
２ 記録素子基板
３ 吐出口
４ 圧力室
７ 第１の隔壁
９ 吐出口形成部材

Claims (17)

1. 液体に吐出のためのエネルギーを与える複数のエネルギー発生素子を備えた記録素子基板と、前記エネルギー発生素子と対向し前記液体を吐出する複数の吐出口を備えた吐出口形成部材と、前記記録素子基板と前記吐出口形成部材との間を延びる複数の第１の隔壁と、を有し、
   前記複数の第１の隔壁は、それぞれが一つの前記エネルギー発生素子を備えた複数の圧力室を形成し、
   前記複数のエネルギー発生素子は、前記記録素子基板の第１の面に第１の方向に配列されており、前記第１の面と垂直な方向における前記圧力室の高さに対する前記第１の方向における前記第１の隔壁の離間距離の比が４以上である、液体吐出ヘッド。
2. 前記圧力室の前記高さが１０μｍ以下である、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 液体に吐出のためのエネルギーを与える複数のエネルギー発生素子を備えた記録素子基板と、前記エネルギー発生素子と対向し前記液体を吐出する複数の吐出口を備えた吐出口形成部材と、前記記録素子基板と前記吐出口形成部材との間を延びる複数の第１の隔壁と、を有し、
   前記複数の第１の隔壁は、それぞれが一つの前記エネルギー発生素子を備えた複数の圧力室を形成し、
   前記複数のエネルギー発生素子は、前記記録素子基板の第１の面に第１の方向に配列されており、前記吐出口の中心を通り前記第１の面と直交し前記第１の方向と平行な前記圧力室の断面において、前記液体の流速が最大値の９５％以上となる範囲の前記第１の方向における長さが、前記エネルギー発生素子の前記第１の方向における寸法より大きい、液体吐出ヘッド。
4. 前記複数の第１の隔壁は前記第１の面と平行で前記第１の方向と直交する第２の方向に延び、前記第１の隔壁の長さは前記エネルギー発生素子の前記第２の方向における寸法より大きい、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。
5. 前記記録素子基板を貫通し、前記圧力室と連通し、前記圧力室に前記液体を供給する複数の第１の連通孔を有し、前記圧力室の流路断面積が前記第１の連通孔の最少の流路断面積より小さい、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。
6. 前記複数の第１の連通孔は前記第１の方向に配列されており、前記複数の第１の連通孔の配列間隔は前記複数のエネルギー発生素子の配列間隔より大きい、請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記第１の連通孔を前記圧力室に接続し、前記液体を前記圧力室に供給する液体流路と、前記第１の隔壁から前記液体流路に突き出す突起と、を有している、請求項５または６に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記第１の連通孔を前記圧力室に接続し、前記液体を前記圧力室に供給する液体流路を有し、前記第１の面と垂直な方向における前記液体流路の最小高さが前記吐出口の最大径より小さい、請求項５または６に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記第１の連通孔を前記圧力室に接続し、前記液体を前記圧力室に供給する液体流路を有し、前記第１の面と垂直な方向における前記液体流路の高さが前記液体流路に沿った位置によって異なる、請求項５または６に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記複数の第１の連通孔からなる連通孔列の前記第１の方向における中心位置が、前記複数の吐出口からなる吐出口列の前記第１の方向における中心位置と、前記第１の方向において一致している、請求項５から９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記圧力室に関し前記第１の連通孔の反対側に、前記記録素子基板を貫通し、前記圧力室と連通する第２の連通孔を有している、請求項５から１０のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
12. 互いに隣接する前記第１の連通孔の間に第２の隔壁が設けられている、請求項５から１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
13. 複数の前記第２の隔壁が互いに隣接する前記第１の連通孔の間に設けられている、請求項１２に記載の液体吐出ヘッド。
14. 前記第２の隔壁は前記第１の隔壁から分離している、請求項１２または１３に記載の液体吐出ヘッド。
15. 前記第２の隔壁は前記第１の隔壁と一体化されている、請求項１２または１３に記載の液体吐出ヘッド。
16. 前記圧力室内の液体は当該圧力室の外部との間で循環される、請求項１から１５のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
17. 請求項１１に記載の液体吐出ヘッドと、前記圧力室の液体を前記第１の連通孔から前記第２の連通孔に向けて循環させる手段と、を有する液体吐出装置。

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