JP2024007321A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 液体の増粘を抑制可能であり、かつ、体積の大きな液滴も吐出可能な液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】 吐出口を有する吐出口形成部と、吐出口から液体が吐出される方向において吐出口と対向し、吐出口に液体を供給するように構成された液室と記液室に液体を供給するための個別供給流路と、を有する流路形成部と、個別供給流路に液体を流入させるための供給流路と、液室から液体を流出させるための流出流路と、を有する基板と、を備えた液体吐出ヘッドであって、基板の面と垂直な方向における、個別供給流路の高さをＨ_ｓμｍ、液室の吐出口と対向する面から吐出口形成部材までの高さをＨ_ｊμｍとした場合に、Ｈ_ｊ＞Ｈ_ｓであり、基板の面と垂直な方向から見て、吐出口の中心を通り、液体の流れ方向に沿う直線上において、（１）供給流路側における液室の側壁面が吐出口の端面と一致する、又は、（２）側壁面が吐出口内に位置する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に関する。

近年、液体吐出ヘッドを用いた印刷分野は拡大を続けており、用途の拡大と共に種々のメディア対応性が求められている。対象のメディア毎に求められる最適な液滴量は異なり、例えば段ボールへの印刷においては１液滴の吐出量が２０～３０ｐＬの液体吐出ヘッドを用いているものがある。したがって、大きな液滴量を安定的に、より高精度に吐出することが求められている。

ところで、インク等の液体を吐出する液体吐出装置に用いられる液体吐出ヘッドにおいては、液体を吐出する吐出口から液体中の揮発成分が蒸発することで、吐出口近傍の液体の粘度が増加しうる。これによって、吐出される液滴の吐出速度が変化したり、着弾精度に影響がでたりすることがある。特に、吐出を行った後の休止時間が長い場合、液体の増粘が顕著になり、吐出口付近に固着した固形成分によって液体の流体抵抗が増加し、吐出不良となる場合がある。

このような液体の増粘を抑制するために、液体吐出ヘッドの吐出口部内（ノズル内）に入り込むように液体を流す方法が知られている。流路内だけでなく、吐出口部内にも液体の流れができることで、吐出口部内の液体は常に置換され続け、吐出口からの蒸発による増粘が抑制される。特許文献１には、流路の高さと、吐出口を形成する部材の厚さ（吐出口部の長さ）と、流路内の液体の流れ方向における吐出口の長さと、の関係を規定することで、液体吐出ヘッドの流路の液体を吐出口部内へ効率よく流す液体吐出ヘッドが開示されている。

特開２０１７‐１２４６１０号公報

特許文献１のような、吐出口部内へ液体を効率的に流れ込ませる構成の液体吐出ヘッドにおいて一つの液滴の吐出量を大きくするには、吐出口に液体を供給する流路の高さを大きくしたり、吐出口を形成する部材の厚みを大きくしたりする手段が考えられる。しかし、この場合、吐出口部内全体に液体が流れ込まず、液体の増粘抑制効果が低下してしまう。

本発明は上記課題に鑑み、液体の増粘を抑制可能であり、かつ、体積の大きな液滴も吐出可能な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、液体を吐出するための吐出口を有する吐出口形成部と、前記吐出口から液体が吐出される方向において前記吐出口と対向し、前記吐出口に液体を供給するように構成された液室と、前記液室に液体を供給するための個別供給流路と、を有する流路形成部と、前記個別供給流路に液体を流入させるように構成された供給流路と、前記液室から液体を流出させるように構成された流出流路と、を有する基板と、を備えた液体吐出ヘッドであって、前記基板の面と垂直な方向における、前記個別供給流路の高さをＨ_ｓμｍ、前記液室の前記吐出口と対向する面から前記吐出口形成部材までの高さをＨ_ｊμｍとした場合に、Ｈ_ｊ＞Ｈ_ｓであり、前記基板の面と垂直な方向から見て、前記吐出口の中心を通り、液体の流れ方向に沿う直線上において、（１）前記供給流路側における前記液室の側壁面が前記吐出口の端面と一致する、又は、（２）前記側壁面が前記吐出口内に位置する、ことを特徴とする。

本発明によれば、液体の増粘を抑制可能であり、かつ、大きな液体吐出量も吐出可能な液体吐出ヘッドの提供が可能になる。

本発明の液体吐出ヘッドの一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドにおける、吐出口およびその近傍のインク流路の構造を説明する図である。 第１の実施形態に係る液体吐出ヘッド内を流れるインク流の流速分布を示す図である。 比較例の構成における液体吐出ヘッド内を流れるインク流の流速分布を示す図である。 種々の形状の液体吐出ヘッドにおける、インク循環効率を示す図である。 種々の形状の液体吐出ヘッドにおける、インク循環効率と吐出安定性を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドにおける、吐出口およびその近傍のインク流路の構造を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドにおける、吐出口およびその近傍のインク流路の構造を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る液体吐出ヘッドにおける、吐出口およびその近傍のインク流路の構造を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る液体吐出ヘッドにおける、吐出口およびその近傍のインク流路の構造を示す図である。 本発明の第６の実施形態に係る液体吐出ヘッドにおける、吐出口およびその近傍のインク流路の構造を示す図である。 本発明の第７の実施形態に係る液体吐出ヘッドにおける、吐出口およびその近傍のインク流路の構造を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドについて説明する。以下の各実施形態は、液体としてインクを吐出するインクジェット記録ヘッドとインクジェット記録装置を対象とするが、本発明はこれに限定されるものではない。また、吐出する液体はインクに限定されない。また、本実施形態では、エネルギー発生素子として、熱によって気泡を発生させて液体を吐出するサーマル方式のものを用いているが、ピエゾ方式およびその他の各種液体吐出方式のものでも本発明を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ライン型の長尺ヘッドであっても、被記録媒体の搬送方向と垂直方向に対して走査しながら記録を行うシリアル型の液体吐出ヘッドであってもよい。シリアル型の液体吐出ヘッドには、例えば、ブラックインク用とカラーインク用とで記録素子基板を分けて搭載するものなど、複数の記録素子基板を有する場合がある。このような場合に、複数の記録素子基板を、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。

本実施形態の液体吐出ヘッドでは、例えば、フルカラー印刷が可能なようにＣＭＹＫ（シアン、マゼンタ、イエロー、ブラック）のインクタンクから、それぞれの色に対応した４列の吐出口列にインクが個別に供給されるものが挙げられる。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。

以下に述べる実施形態は本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい様々の限定が付けられている。しかし、本発明の思想に沿う限り、本発明は以下に述べる実施形態に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板１００の概要を示した斜視図であり、図２は、前記液体吐出ヘッドの吐出口７近傍の一部を拡大した図である。図２（ａ）は液体吐出ヘッドの吐出口７近傍の一部を拡大した平面図、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、図２（ｄ）は図２（ａ）のＣ－Ｃ´線に沿った断面図である。

図２（ｂ）に示すように、本実施形態の液体吐出ヘッドは、基板１と、基板１の表面上に液体の個別流路８を形成する第１の流路形成部材（流路形成部）３と、第１の流路形成部材の上に接続された吐出口形成部材４と、を有する。吐出口形成部材（吐出口形成部）４は、液体を吐出するための吐出口７と、吐出口７と個別流路８とを連通する吐出口部（ノズル）７ｂと、を備える。なお、吐出口形成部材４は、複数の層を含む積層構造を有していてもよい。基板１は、インクを吐出口７より吐出させるためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子２と、個別流路８にインクを流入させるための液体供給路９ａと、個別流路８からインクを流出させるための液体回収路（流出流路）９ｂと、を備える。

吐出口７は、吐出口形成部材４において、エネルギー発生素子２と略対向するように設けられており、吐出口７とエネルギー発生素子２とで１つのインク吐出単位を形成している。図１に示すように、記録素子基板１００には複数のインク吐出単位が一列に配列して、吐出口列１１０を形成している。本実施形態では、記録素子基板１１０において、吐出口７が３００ｄｐｉの列内密度で配列され、２列の吐出口列１１０を形成しているが、吐出口列１１０の数はこれに限定されない。

図２（ｂ）は、流路内のインク１０の流れ方向に対して平行方向の断面図である。第１の流路形成部材１で形成された個別流路８内には、エネルギー発生素子２を備える液室６と、第２の流路形成部材５が配置されている。第２の流路形成部材５と吐出口形成部材４との間に位置する個別流路８は、液体供給路側に設けられ、液室６および吐出口７に液体を供給する個別供給流路８ａと、個別流路８の液体回収路側（回収流路側）に設けられ、液室６および吐出口７から液体を流出させるための個別回収流路（個別流出流路）８ｂと、を有する。なお、第２の流路形成部材５は、個別供給流路８ａ側に設けられていればよく、必ずしもエネルギー発生素子２を挟み込む形で配置する必要はない。また、第２の流路形成部材５は、第１の流路形成部材３と一体に形成されていてもよい。

個別供給流路８ａと個別供給流路８ｂはそれぞれ、基板１に設けられている液体供給路（供給流路）９ａおよび液体回収路（流出流路）９ｂと接続している。これにより、液体供給路９ａから供給されたインクは、個別供給流路８ａ、吐出口７付近および液室６、個別回収流路８ｂを介して液体回収路９ｂに至る、インク１０の流れ経路を構成している。液室６と接続し、液体供給路９ａと液体回収路９ｂとを連通する流路全体を個別流路８とみなすことができる。本実施形態では、１つの液室６に対して、液体供給路９側に個別供給流路８ａが、液体回収路９ｂ液体回収路９ｂ側に個別回収流路８ｂが形成された構成となっている。

液体供給路９ａと液体回収路９ｂとは、吐出口列１１０と平行に延びる方向に、吐出口列１１０を挟んで配置されている。液体供給路９ａと液体回収路９ｂとは、インク供給タンク（不図示）に接続された共通供給路および共通回収路（不図示）にそれぞれ接続されている。液体は、本実施形態では液体供給路９ａと液体回収路９ｂとの間に設けられた圧力差により、インク１０は個別流路内ひいては液体吐出ヘッド内と、その外部に設けられたインク供給タンクとの間を循環する。液体供給路９ａから個別供給流路８ａを通って液室６に供給されたインクは、エネルギー発生素子２の駆動によりエネルギーを加えられ、吐出口７から吐出して液滴が形成される。吐出口７から吐出しなかったインク１０は、液室６から個別回収流路８ｂを通って液体回収路９ｂに導かれる。なお、本発明のエネルギー発生素子２は、吐出口７からインク１０を吐出制御可能な吐出素子であれば特に構成は限定されない。本実施形態では一例として、抵抗型ヒータを用いたが、その他、圧電アクチュエータ、バルブ開閉式などを用いることができる。また、本発明において、インク１０を前記循環経路に流す手段は、個別接続流路９ａと９ｂの間の差圧に限定されるものではなく、例えば流路８内や液体回収路９ａおよび液体回収路９ｂ内、あるいは、共通流路に設けられた液流発生源を用いることもできる。例えば、抵抗型ヒータ、圧電アクチュエータ、電気浸透流などが挙げられる。

図２（ｃ）は、個別流路（個別供給流路８ａ）付近における、流路内のインク流れ方向に対して垂直方向の断面図である。流路８は、吐出口形成部材４と第２の流路形成部材５によって形成され、インク吐出方向（液体吐出方向）に高さＨ_ｓ（μｍ）を有する。

図２（ｄ）は、液室６の中心付近における、流路内のインク流れ方向に対して直交する方向の断面図である。液室６は、基板１、吐出口形成部材４、第１の流路構成部材３により形成されている。また、吐出口形成部材４には、エネルギー発生素子２に対応する位置に吐出口７が形成されている。以降、インク吐出方向における、液室６のエネルギー発生素子２が配置された面から、吐出口形成部材４（吐出口部７ｂ）の個別流路側の面までの高さをＨ_ｊ（μｍ）と表す。同様に、液室６のエネルギー発生素子２が配置された面から、個別供給流路８ａの液室６側（基板側）の面までの高さをＨ_ｗ（μｍ）と表す。ここで、本発明の目的である、大きな液滴体積を得るには、Ｈ_ｊが４０μｍ以上であることが好ましい。また、吐出口の直径Ｄ（μｍ）が２０μｍ以上であることが好ましい。これらを満足することで、２０ｐＬ以上のインク吐出量（一つのインク液滴の体積）を得るのに有利な構成となる。

上述のように、本発明においては、Ｈ_ｊ＞Ｈ_ｓとなるような液室６を設ける、すなわち、個別供給流路よりも液体が吐出される方向と反対側に凹んだ液室を有することにより、本発明の課題である大きな液滴体積を得ている。これにより、液滴体積を大きくする手段として吐出口の直径Ｄを大きくする場合と比べ、隣接する吐出口間に必要な距離が小さく済むため、吐出口の解像度を高めることができるといった利点がある。

本発明の液体吐出ヘッドは、インク流れ方向に沿い、吐出口７の中心を通る直線上において、液室６の開口の長さが吐出口７の長さ（直径Ｄ）よりも小さいことが好ましい。図３および図４は、液体吐出ヘッド内を流れるインクの循環が定常状態になったときの、インクの流速分布を示す図である。図３および図４中の矢印は、個別供給流路８ａから液室６、吐出口７および個別回収流路８ｂにおけるインクの流れの速さを示しており、矢印の長さでインクの流速の大きさを表している。図３に示す構成では、インク流れ方向に沿い、吐出口の中心を通る直線上において、液室６の開口の長さは吐出口７の直径Ｄより小さい。この場合、インクが、吐出口部内７ｂに流れ込み、吐出口７の液面付近（メニスカス位置）まで達した後に、再び吐出口部７ｂ内を通って個別回収流路８ｂへ向かう流れが形成される。このようなインク流れにおいて、蒸発の影響を受けやすい吐出口部７ｂ内だけでなく、蒸発の影響が特に顕著な吐出口７の液面近傍においても、濃縮されたインクが滞ることなく、液体供給路９ａから供給されるインクにより置換される。

一方で、図４に示す構成では、インク流れ方向に沿い、吐出口の中心を通る直線上において、方向において、液室６の開口の長さは吐出口７の直径Ｄよりも大きい。この場合、吐出口部７ｂ内に向かうインク流は小さく、吐出口部内の濃縮したインクを置換する作用は弱い。

上記のように、インク流れ方向に沿い、吐出口の中心を通る直線上において、液室６の開口の長さは吐出口７の直径Ｄよりも小さいことが好ましい。この場合、インク吐出方向から平面視して、インク流れ方向において第２の流路形成部材５の吐出口側における側壁面（液室６の側壁面）は、吐出口内に位置する。この場合、第２の流路形成部材５と吐出口７とが重なり量Ｌで重なる領域で、吐出口部７ｂ内へ向かう流れ場が形成される。ここで重なり量Ｌとは、インク吐出方向から見て、インク流れ方向に沿い、吐出口の中心を通る直線上において、吐出口７内に位置する第２の流路形成部材５の長さを指す。重なり量Ｌが大きいほど、吐出部７ｂ内へ効率的にインクが入り込み、吐出口７の液面近傍へ向かうインク流が強く形成される。インク吐出方向から見て、第２の流路形成部材５の吐出口側における壁面と、吐出口７の端面とが略一致している構成（重なり量Ｌ＝０）であっても、図３と同様のインク流形成効果が得られる。以上のことから、重なり量Ｌが０以上である構成が好ましい。なお、本発明の液体吐出ヘッドにおいては、個別供給流路８ａ側における重なり量Ｌが０以上であれば、液室６の開口の長さが吐出口７の直径Ｄよりも大きい構成であっても、本発明の効果を得られる。

個別流路８の高さＨ_ｓと、液室６の高さＨ_ｗとの関係は、Ｈ_ｗ≧Ｈ_ｓであることがより好ましい。これにより、吐出される液滴体積の増加と、吐出口７からの液体の蒸発による液体の増粘を軽減する効果が得られる。具体的には、Ｈ_ｗが大きいことで液室６の体積を十分に確保することができ、そのうえで、Ｈ_ｓが小さいことでインクの流速が大きくなり、吐出口部７ｂ内にインクが流れ込みやすくなる。

また、インク吐出方向における吐出口形成部材４の高さＨ_ｎ（μｍ）と、Ｈ_ｗとの関係は、Ｈ_ｗ≧Ｈ_ｎであることがより好ましい。これにより、吐出される液滴体積の増加と、吐出口７からの液体の蒸発による液体の増粘を軽減する効果が得られる。具体的には、Ｈ_ｗが大きいことで液室６の体積を十分に確保することができ、そのうえで、Ｈ_ｎが小さいことで吐出口部７ｂ内に流れこんだインクが吐出口７の液面近くまで流れ込みやすくなる。

次に、吐出口７内のインクが効率的に置換される条件について説明する。図３は、液体吐出ヘッドの個別流路８、吐出口部７ｂ、および液室６内を流れるインク１０のインク流（図２（ｂ）参照）が定常状態になったときの吐出口７、吐出口部７ｂ、液室６、および個別流路８におけるインク１０の流速分布を示す図である。図３中の矢印は、インクの流れの速さを示しており、矢印の長さでインクの流速の大きさを表している。

本実施形態の液体吐出ヘッドは個別供給流路８ａの高さＨ_ｓと、吐出口形成部材４の厚さＨ_ｎと、インク流れ方向における吐出口７の直径Ｄが下記式（１）の関係にある時、吐出口部７ｂ内へより効率的にインクが流れ込む効果を得られる。

Ｈ_ｓ ^{－０．３４}×Ｈ_ｎ ^{－０．６６}×Ｄ＞１．７ （１）
以下では、上記式（１）の左辺の値を循環効率Ｊと呼ぶ。上記式（１）を満たすことで図３に示すように、個別供給流路８ａを流れるインクは吐出部７ｂ内に流れ込み、再び個別流路８（個別回収流路８ｂ）に戻る流れとなる。この流れにより、吐出口部７ｂ内におけるインクの増粘を抑制することができる。循環効率の値が大きいほど、インクの増粘の抑制効果がより高いレベルで得られる。

本発明の液体吐出ヘッドを含む、種々の形状の液体吐出ヘッドにおける、吐出口７付近の寸法と循環効率との関係について説明する。図５は吐出口部周辺の構造寸法と循環効率Ｊの関係を示す。図５中の４つの曲線は、前記式（１）を満たす液体吐出ヘッドにおいて、それぞれ循環効率が１．０、１．７、２．５、４．０となる場合の、Ｈ_ｎ、Ｈ_ｓおよびＤの取りうる値の関係を示す等高線である。本発明の液体吐出ヘッドは、Ｈ_ｓ、Ｈ_ｎ，Ｄが前記式（１）を満たす、図５中のＪ＝１．７の曲線より上側の領域に来る構成であることが好ましい。特に、インク吐出方向において、Ｈ_ｎが１５μｍ以下であり、かつＨ_ｓが２０μｍ以下であり、かつＤが３０μｍ以上である液体吐出ヘッドは、より高精細な記録が可能となり好ましい。

なお、吐出口部７ｂ内のインク置換量は、循環流速により決定する。本実施形態においては、前記供給流路となる個別流路が液室に接続する箇所の高さが最も小さい箇所（個別供給流路８ａ）でのインク流速は、例えば０．１～１００ｍｍ／ｓｅｃ程度である。この場合、吐出口部７ｂ内でインク流を形成させつつ、インクが流れた状態で吐出動作を行っても、着弾精度などに与える影響を比較的小さなものとできる。

次に、本発明の液体吐出ヘッドにおける、吐出口７近傍の寸法と循環効率Ｊと重なり量Ｌとの、吐出安定性への影響について説明する。図６は、種々の形状の液体吐出ヘッドにおける、循環効率Ｊと吐出安定性とを示す図である。基準インクを用いた場合の、吐出口部付近の寸法構成例におけるインク吐出性能の安定性を示す。ここで、基準インクとは、本液体吐出ヘッドが想定するインク特性を代表した液体であり、粘度および表面張力が調整されたものである。例えば、インクの粘度１．５～１０ｃＰ、表面張力２０～５０ｍＮ／ｍの範囲にある液体を使用した。図６に示すように、前記式（１）を満たし、かつ、循環係数Ｊが４．４と十分に大きな構成例１では、Ｌ＝０およびＬ＝５の両方で、吐出安定性は良好であった。また、式（１）を満たさない比較例１～３では、Ｌ＝５であっても良好な吐出安定性は得られなかった。式（１）を満たすものの、構成例１よりも循環効率Ｊの小さな構成例２～４では、Ｌ＝５の場合に良好な吐出安定性が得られた。以上の結果より、本発明の液体吐出ヘッドにおいて吐出口部内の液体の濃縮を抑制し、安定して吐出を行うには、循環効率Ｊが大きいことに加え、重なり量Ｌの存在が重要であることがわかる。

重なり量Ｌは、Ｈ_ｎ以上の十分な長さがあることが好ましい。この場合、循環効率Ｊは前記式（１）を満たす１．７μｍ程度以上であれば、吐出口部７ｂへのインクの流れ込みが十分に得られる。一方で、重なり量Ｌが短い場合、吐出口部７ｂへのインクを十分に流れ込ませるには、より高い循環効率Ｊとなる構成が必要である。循環効率Ｊと重なり量Ｌとの値は、目的とする液滴体積が得られるよう、液体吐出ヘッドにおける各寸法の値を決定すればよい。

図２（ａ）に示すように、本実施形態では、インク吐出方向から見てインク流れ方向と直交する方向の液室６の幅Ｗを、個別流路８の幅よりも小さくしている。これにより、吐出口７付近におけるインクの流速をより高める構成としている。一方で、本構成ではインク吐出後のインクの再充填速度が低下するため、目的に応じて最適な構造を選択すればよい。

また、本実施形態では、吐出口列内で隣接するインク吐出単位間においては、インク流れ方向は同じである。そのため、複数の液体供給路９ａと連通する共通供給路と、複数の液体回収路９ｂと連通する共通回収路との間に差圧を設けることにより、複数のインク吐出単位に対して吐出口部７ｂ内のインク濃縮抑制を達成することが可能となる。

以上の構成により、吐出口部７ｂ内に濃縮したインクが滞留している場合も、インク流により液体供給路９ａから供給されたインクを吐出口部７ｂ内に流れ込ませることで、濃縮されたインクを吐出口部７ｂの外に押し流すことができる。これにより、吐出口７内のインク増粘を軽減でき、インク吐出により記録される画像の色ムラを低減することが可能となる。

本実施形態は、インク等の液体をタンクと液体吐出ヘッドとの間で循環させる形態のインクジェット記録装置（記録装置）について説明したが、その他の形態であってもよい。その他の形態としては、例えばインクを循環せずに、液体吐出ヘッド上流側と下流側に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、個別流路内のインクを流動させる形態であってもよい。

本実施形態における具体的な構成は、一例として、エネルギー発生素子２は４２μｍ×３０μｍの長方形、第１の流路形成部材３の高さＨ_ｊは４０μｍ、吐出口形成部材４の厚さＨ_ｎは１０μｍである。吐出口７はインク流れ方向に長径が沿う、端部が半円形の長円形で、長径（直径Ｄ）は４５μｍ、短径は２０μｍである。また、第２の流路形成部材５の、高さＨ_ｗは３０μｍ、インク流れ方向の長さは３０μｍである。インク吐出方向から見て、インク流れ方向と直交する方向の幅は、液室６付近（Ｗ）で６０μｍ、液室６付近以外で７０μｍである。重なり量Ｌは７．５μｍ、第２の流路形成部材５と吐出口形成部材４の間に形成される個別供給流路８ａの高さＨ_ｓは１０μｍ、液室の流れ方向の長さが３５μｍである。この場合、前記式（１）で定義される循環効率は４．５μｍである。また、インク粘度は４ｃＰで、この場合のインク吐出量（一つのインク液滴の体積）は約２５ｐＬである。

液体供給路９ａと液体回収路９ｂ間の差圧が２００ｍｍＨ_２Ｏでは、吐出口部７へのインク流れ込み流速は最大で約１０ｍｍ／ｓｅｃとなり、吐出口７内に向かうインク流が十分に得られ、吐出口７内のインク濃縮を抑制する効果が得られる。

（第２の実施形態）
図７を用いて、本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドを説明する。なお、以下の説明においては第１の実施形態との違いを主に説明するため、第１の実施形態と同様の構成に関しては具体的な説明を省略した。

図７（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの一部を拡大した平面図である。図７（ｂ）は図７（ａ）のＤ－Ｄ´線に沿った断面図、図７（ｃ）は図７（ａ）のＥ－Ｅ´線に沿った断面図、図７（ｄ）は図７（ａ）のＦ－Ｆ´線に沿った断面図である。

図７（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態では、インク吐出方向から平面視して、インク流れ方向に沿い、吐出口の中心を通る直線上において、吐出口７の中心は、液室６の中心に対して、個別供給流路側にシフトして配置されている。すなわち、インク吐出方向から見て吐出口７が、個別供給流路８ａ側の第２の流路形成部材５に重なるように位置しており、すなわち、重なり量Ｌが存在し、吐出口部内にインクが流れ込みやすい構成となっている。また、図７（ｃ）に示すように、個別供給流路８ａは、液体流れ方向と直交する方向の幅が、液室６と比べて小さくなっている。これにより、吐出口部７ｂに流れ込むインクの流速を高める効果が得られる。

図７（ｄ）に示すように、本実施形態における液体回収路９ｂ側の個別流路８では、液体流れ方向と直交する方向の幅が、個別流路８の幅よりも小さな第２の流路形成部材５が配置されている。この場合、液体回収路９ｂ側の個別流路８は、個別回収流路８ｂ以外に、第１の流路形成部材３と第２の流路形成部材５との間にバイパス流路を有する。これにより、個別回収流路８ｂにおける流抵抗が小さくなるため、インク吐出後の液室６および吐出口７へのインクの再充填がより早く進む。一方で、吐出口部７ｂに流れ込むインクの流速は小さくなるため、吐出口部７ｂにおける循環効率と、インク再充填速度を考慮して、最適な構造を選択すればよい。

また、本実施形態においては吐出口７の形状を円形とすることでインク吐出の安定性が高められている。一方で、吐出口７の形状をインク流れ方向に長い長円形にした場合には、吐出口部７ｂ内にインクが流れ込みやすい効果が得られる。本発明における吐出口７の形状は、円や楕円など、既知の形状を用いればよい。

以上の実施形態により、吐出口近傍のインクの増粘を抑制することができ、かつ、一つのインク液滴の体積を大きくすることができる。

本実施形態における具体的な構成は、一例として、液室６に対する吐出口７のシフト量は７．５μｍ、吐出口７の直径は３０μｍで、重なり量Ｌは５μｍである。第１の流路形成部材の高さＨ_ｊが６０μｍ、吐出口形成部材の厚みＨ_ｎが７．５μｍ、第２の流路形成部材の高さＨ_ｗは４５μｍである。第２の流路形成部材５と吐出口形成部材４との間に形成される個別供給流路８ａの高さＨ_ｓは１５μｍであり、この場合、前記式（１）で定義される循環効率Ｊは３．２μｍである。液室６の幅Ｗは個別流路８の幅と同じ７０μｍである。また、液体回収路９ｂ側の第２の流路形成部材５の幅は３０μｍであり、インク流れ方向から見て個別流路８の中心に配置されている。そのため、液体回収路９ｂ側の個別流路８は、インク流れ方向から見て第２の流路形成部材５の両側に、幅２０μｍのバイパス流路を有する。インク粘度は３ｃＰで、この場合のインク吐出量（一つのインク液滴の体積）は約３５ｐＬである。

（第３の実施形態）
図８を用いて、本発明の第３の実施形態に係るインク吐出ヘッドを説明する。なお、以下の説明においては第１の実施形態との違いを主に説明するため、第１の実施形態と同様の構成に関しては具体的な説明を省略した。

図８（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの一部を拡大した平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＧ－Ｇ´線に沿った断面図である。

図８（ａ）に示すように、本実施形態では、液体流れ方向に沿った向きに延びる隔壁によって、個別流路８が分けられており、これにより、吐出口の解像度が高められている。また、隔壁の無い場合と同等の印字解像度を得るのに、必要な吐出口列数が半分にすることが可能である。

図８において、液体供給路９ａ側における重なり量Ｌは、吐出口形成部材４の高さＨ_ｎと同程度になるよう位置している。これにより、より効率的に吐出口部内にインクが流れ込む効果が得られる。加えて、インク流れ方向における第２の流路形成部材５の長さは、第１、第２の実施形態よりも短い。これにより、液体供給路９ａおよび液体回収路９ｂと、個別流路８との接続部分における体積が大きくなり、インク吐出後の液室６および吐出口７へのインクの再充填がより早く進む。

以上の実施形態により、吐出口近傍のインクの増粘を抑制することができ、かつ、一つのインク液滴の体積を大きくすることができる。

本実施形態における各部位の具体的な寸法の一例を以下に示す。個別流路８は隣接する２つのインク吐出単位で同じ液体供給路９に連通しており、吐出口７解像度は６００ｄｐｉである。吐出口７は、インク流れ方向に長辺が沿う、端部が半円形の長円形であり、長径（直径Ｄ）は４０μｍ、短径は２０μｍである。吐出口７は液室６に対して、個別供給流路８ａ側に１０μｍシフトして配置されており、重なり量Ｌは１０μｍである。また、第１の流路形成部材３の高さＨ_ｊは４４μｍ、吐出口形成部材４の厚みＨ_ｎは１０μｍである。第２の流路形成部材５の高さＨ_ｗは２４μｍ、第２の流路形成部材５と吐出口形成部材４との間に形成される個別供給流路８ａの高さＨ_ｓは１５μｍであり、吐出口部７ｂにおける循環効率Ｊは３．２μｍである。液室６の幅Ｗは個別流路８の幅と同じ３６μｍであり、第２の流路形成部材５の流れ方向の長さは１５μｍ、エネルギー発生素子は３５μｍ×３８μｍの長方形である。インク粘度は３ｃＰで、この場合のインク吐出量（一つのインク液滴の体積）は約２０ｐＬである。

（第４の実施形態）
図９を用いて、本発明の第４の実施形態に係るインク吐出ヘッドを説明する。なお、以下の説明においては第１の実施形態との違いを主に説明するため、第１の実施形態と同様の構成に関しては具体的な説明を省略した。

図９は本発明の第４の実施形態に係る液体吐出ヘッドの一部を拡大した断面図である。本実施形態では、個別流路８は、個別回収流路８ｂ以外に、インク吐出方向から見て個別回収流路８ｂの下方に、液室６と液体回収路９ｂとを連通するバイパス流路８ｃを有する。図９に示す構成では、液体回収路９ｂ側において、基板垂直方向の高さが異なる位置に、個別回収流路８ｂとバイパス流路８ｃとの２本の流路を設けている。これにより、液室内に偶発的に気泡が滞留しても、当該気泡を排出し、吐出口からのインク吐出を安定化させる効果が得られる。加えて、液体供給路９ａ側は個別供給流路８ａ１本のみであることにより、吐出口部７ｂ内に効率的にインクが流れ込む構成としている。

なお、図９においては、液室６に３つの流路（８ａ、８ｂ、８ｃ）が接続しているが、バイパス流路８ｃは２本以上設けられていてもよく、個別供給流路８ａ側に設けられていてもよい。ただし、バイパス流路が設けられた場合、個別供給流路８ａおよび個別回収流路８ｂを流れるインク循環流が小さくなり、吐出口部７ｂに流れ込むインク流が小さくなってしまうため、目的に応じてバイパス流路の配置を決定すればよい。

液室に接続するバイパス流路の配置は、吐出口部のインク循環効率と、液室内からの気泡排出や液室内におけるインクの一定量のインク置換とを実現する構成であればよい。

以上の実施形態により、吐出口近傍のインクの増粘を抑制することができ、かつ、一つのインク液滴の体積を大きくすることができる。

（第５の実施形態）
図１０を用いて、本発明の第５の実施形態に係るインク吐出ヘッドを説明する。なお、以下の説明においては第１の実施形態との違いを主に説明するため、第１の実施形態と同様の構成に関しては具体的な説明を省略した。

図１０は本発明の第５の実施形態に係る液体吐出ヘッドの一部を拡大した断面図である。本実施形態では、第２の流路形成部材５が、液体供給路９ａ側の個別供給流路８ａにのみに配置されており、液体回収流路９ｂ側の個別流路には配置されていない。すなわち、液室６と個別回収流路８ｂとが一体となっている。この場合、個別流路８は、液体供給路９ａ側（個別供給流路８ａ）よりも、液体回収路９ｂ側の高さが大きくなっている。よって、液室６に気泡が滞留してもより効果的に気泡を液室６から排出することが可能となり、吐出口７からのインク吐出を安定化させる効果が得られる。一方で、液体が供給される個別供給流路８ａは、吐出口７近傍に位置するため、吐出口部７ｂ内には効率的にインクが流れ込む構成となっている。

以上の実施形態により、吐出口近傍のインクの増粘を抑制することができ、かつ、一つのインク液滴の体積を大きくすることができる。

（第６の実施形態）
図１１を用いて、本発明の第６の実施形態に係るインク吐出ヘッドの記録素子基板の構成を説明する。なお、以下の説明においては第１の実施形態との違いを主に説明するため、具体的な説明を省略した個所については第１の実施形態と同様の構成である。

図１１（ａ）は本発明の第６の実施形態に係る液体吐出ヘッドの一部を拡大した平面図である。図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＨ－Ｈ´線に沿った断面図である。

本実施形態では、インク流れ方向に沿い、吐出口７の中心を通る直線上において、吐出口７と液室６との中心は一致しており、かつ、吐出口７の直径Ｄよりも、インク流れ方向の液室６の長さの方が大きい。そのため、第２の流路形成部材５と吐出口７に重なり量Ｌがない構成となっている。一方で、第２の流路形成部材５の吐出口７側の側壁には、インク吐出方向から見て、液室６の中心に向かって吐出口７に重なるように突出した突起５１が設けられている。前記突起５１は、インク吐出方向から見て、インク流れ方向に沿い、吐出口７の中心を通る直線上に設けられ、図１１においては、吐出口７の中心に対して略対称に２つ設けられている。この突起５１の存在により、吐出口部７ｂへインクが流れ込みやすくなる効果が得られる。さらに、図１１に示す構成において突起５１は、吐出口７の中心を通り、インク流れ方向に沿った直線上において、液室６の中心に対して略対称に配置されている。これにより、エネルギー発生素子による吐出圧力に対してインクの吐出がよれず、尾引きが安定可される効果が得られる。ここで、突起５１は、第２の流路構成部材５と連続して設けられる必要はなく、液室６内に設けられていれば、第１の流路形成部材３や、吐出口形成部材４、基板１に支持される形で設けられていてもよいし、複数設けられていてもよい。

また、図１１（ｃ）に示すように、インクの吐出安定化のために吐出口７にも第２の流路形成部材５と同様の突起が設けられていてもよい。この場合、インクの循環流が吐出口７の液面近傍に流れ込みにくくなる可能性があるが、インク吐出方向から見て、突起５１と重なるように突起５２を配置することで、吐出口部７ｂ内へのインクの流れ込み効果を得ることができる。図１１（ｃ）において突起５２は、インク吐出方向から見て、インク流れ方向に沿い、吐出口７の中心を通る直線上に設けられている。また、２つの突起５２は、吐出口７の中心に対して略対称に２つ設けられている。突起５２の存在により、吐出液滴の尾引きが短くなる効果を得られる。具体的に説明すると、２つの突起２７間に形成されるインクのメニスカスが、その他の部分のメニスカスに比べて維持されやすくなる。このために、吐出口７から延出する液滴の尾引きを、より早いタイミングで切断することができ、主滴に付随して発生する微小液滴であるミストの発生を抑制することができる。

突起２７同士の間隔が広くなると、吐出液滴の尾引きが長くなって小さなサテライトが発生しやすくなる。このため、インク吐出方向から見てインク流れ方向に沿い吐出口７の中心を通る直線上における突起５２間の間隔は５．０μｍ以下であることが望ましい。一方で、狭くなりすぎると突起の成形が困難であったり、吐出液滴が二つに分離したりする場合があるため、突起５２間の間隔は２．０μｍ以上であることが望ましい。すなわち、突起５２間の間隔は、２．０μｍ以上５．０μｍ以下であることが望ましい。

以上の実施形態により、吐出口近傍のインクの増粘を抑制することができ、かつ、一つのインク液滴の体積を大きくすることができる。

（第７の実施形態）
図１２を用いて、本発明の第６の実施形態に係るインク吐出ヘッドの記録素子基板の構成を説明する。なお、以下の説明においては第１の実施形態との違いを主に説明するため、第１の実施形態と同様の構成に関しては具体的な説明を省略した。

図１２（ａ）は本発明の第７の実施形態に係る液体吐出ヘッドの一部を拡大した平面図である。図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＩ－Ｉ´線に沿った断面図である。

本実施形態では、第２の流路形成部材は、インク吐出方向から見て吐出口７内に存在し、第１の流路形成部材３と第２の流路形成部材５の、インク吐出方向における高さが同じである。第２の流路形成部材５は液体供給路９ａ側の個別流路８の一部を遮断する形で配置されている。液体供給路９ａ側から吐出口部７ｂへ連通する個別流路８の幅が狭められていることで、インクは吐出口部７ｂ内へ流れ込み、吐出口部７ｂ内のインクを押し流して、液体回収路９ｂへと排出される。本実施形態の液体供給路９ａ側の個別流路８の形状を規定する、第１の流路構成部材３と第２の流路形成部材５との配置と形状は、図１２に示す構造に限定されるものではない。吐出口部内に効率的にインクが流れ込むとともに、吐出するインクの安定性と、インクの再充填速度とを考慮した条件にて自由に設計することが可能である。また、吐出口を円形とすることでインク吐出の安定性が高められている。

以上の実施形態により、吐出口近傍のインクの増粘を抑制することができ、かつ、一つのインク液滴の体積を大きくすることができる。

１ 基板
２ エネルギー発生素子
３ 第１の流路形成部材
４ 吐出口形成部材
５ 第２の流路形成部材
６ 液室
７ 吐出口
７ｂ 吐出口部
８ 個別流路
８ａ 個別供給流路
８ｂ 個別回収流路
８ｃ バイパス流路
９ａ 液体供給路
９ｂ 液体回収路
１０ インク
１００ 記録素子基板
１１０ 吐出口列

Claims (15)

1. 液体を吐出するための吐出口を有する吐出口形成部と、
   前記吐出口から液体が吐出される方向において前記吐出口と対向し、前記吐出口に液体を供給するように構成された液室と、前記液室に液体を供給するための個別供給流路と、を有する流路形成部と、
   前記個別供給流路に液体を流入させるように構成された供給流路と、前記液室から液体を流出させるように構成された流出流路と、を有する基板と、
   を備えた液体吐出ヘッドであって、
   前記基板の面と垂直な方向における、前記個別供給流路の高さをＨ_ｓμｍ、前記液室の前記吐出口と対向する面から前記吐出口形成部材までの高さをＨ_ｊμｍとした場合に、Ｈ_ｊ＞Ｈ_ｓであり、
   前記基板の面と垂直な方向から見て、前記吐出口の中心を通り、液体の流れ方向に沿う直線上において、
   （１）前記供給流路側における前記液室の側壁面が前記吐出口の端面と一致する、又は、
   （２）前記側壁面が前記吐出口内に位置する、
   液体吐出ヘッド。
2. 液体を前記吐出口から吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子が、前記液室内に設けられている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記流路形成部は、さらに、前記液室と前記流出流路とを連通する個別流出流路を有する、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記流路形成部の内部の液体は、当該流路形成部の外部との間で循環されるように構成された、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
5. 液体の流れ方向に沿い、前記吐出口の中心を通る直線上において、前記液室の開口の長さは、前記吐出口の長さよりも小さい、請求項１に記載の液体吐出ヘッド
6. 前記液体吐出方向から平面視して、液体の流れ方向に沿い、吐出口の中心を通る直線上において、前記吐出口の中心が、前記液室の中心に対して前記個別供給流路側に位置する、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記吐出口の中心を通り、前記液体の流れ方向に沿った直線上において、前記供給流路と前記流出流路が前記吐出口の中心に対して略対称に配置されている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記供給流路もしくは前記流出流路と、前記液室と、を連通するバイパス流路を有する、請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記液体の流れ方向と直交する方向における幅は、前記供給流路、前記流出流路、および前記個別供給流路よりも、前記液室において小さい、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記液室は、前記個別供給流路よりも液体が吐出される前記方向と反対側に凹んでいる、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記液体吐出方向における前記吐出口形成部の厚みをＨ_ｎ、前記液体の流れ方向における前記吐出口形成部の厚みをＤμｍとした場合に、
    Ｈ_ｓ ^{－０．３４}×Ｈ_ｎ ^{－０．６６}×Ｄ＞１．７
    を満たす、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
12. 前記液体吐出方向における前記吐出口形成部の厚みをＨ_ｎ、前記液体の流れ方向における前記吐出口形成部の厚みをＤμｍとした場合に、
    前記Ｈ_ｎが１５μｍ以下、前記Ｈ_ｓが２０μｍ以下、前記Ｄが３０μｍ以上である、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
13. 前記Ｈ_ｊが４０μｍ以上、前記液体の流れ方向における前記吐出口形成部の厚みＤが２０μｍ以上で、前記吐出口から吐出される液体の吐出量が２０ｐＬ以上である、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
14. 液体を吐出するための吐出口と、前記吐出口に液体を供給するための吐出口部と、前記吐出口部に液体を供給するための個別流路と、前記個別流路に液体を流入させるように構成された供給流路と、前記個別流路から液体を流出させるように構成された流出流路と、を備えた液体吐出ヘッドであって、
    前記個別流路は、前記吐出口から液体が吐出される方向において前記吐出口と対向するように配置された液室と、液体の流れ方向において前記液室よりも前記供給流路側に配置された個別供給流路と、を有し、
    前記液室は、前記個別供給流路よりも液体が吐出される前記方向と反対側に凹んでおり、
    液体が吐出される前記方向から見て、前記吐出口の中心を通り、前記液体の流れ方向に沿う直線上において、
    （１）前記供給流路側における前記液室の側壁面が前記吐出口の端面と一致する、または、
    （２）前記側壁面が前記吐出口内に位置する
    ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
15. 請求項１又は１４に記載の液体吐出ヘッドを備え、前記液体吐出ヘッドに対して、液体を前記供給流路に供給させ、前記流出流路から液体を流出させて、液体の循環を行うように構成された液体吐出装置。

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