JP3907686B2 - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、例えばインク滴等の液滴を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とを挙げることができる。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とがある。いずれの方法で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気泡の成長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。

そして、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、液体吐出ヘッドの構造が簡素で、ノズルの高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短所としては、電気熱変換素子が発生する熱等が液体吐出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があった。また、インク内に溶け込んだ空気が液体吐出ヘッド内の残留気泡となることで、インク滴の吐出特性や画像品質に及ぼす悪影響があった。

これらの問題を解決する方法としては、特許文献１〜４に開示されたインクジェット記録方法および液体吐出ヘッドがある。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なっている。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が可能となる。また、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、気泡を外気に通気させるための構成としては、電気熱変換素子と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。

この種の従来の液体吐出ヘッドについて説明する。従来の液体吐出ヘッドは、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オリフィス基板とを備えている。オリフィス基板は、インク滴を吐出する複数の吐出口と、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を有している。ノズルは、電気熱変換素子によって内部のインクに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、オリフィス基板に隣接している主面の裏面側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、オリフィス基板には、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。

以上のように構成された従来の液体吐出ヘッドは、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。

そして、上述した液体吐出ヘッドを備える記録装置は、記録画像の更なる高画質出力、高品位画像、高解像度出力等を図るために、記録速度の更なる高速化が考慮されている。従来の記録装置は、記録速度を高速化するために、液体吐出ヘッドの各ノズルごとに飛翔されるインク滴の吐出回数を増加する、すなわち吐出周波数を高くする試みが、特許文献５や特許文献６に開示されている。

特に、特許文献６には、インクの流路を局所的に狭める空間や突起状の流体抵抗要素を供給口近傍に配設することによって、供給口から供給路へのインクの流れを改善する構成が提案されている。

また、特許文献７には、素子基板上に溶解可能な樹脂層を１層のみ使用して、その有機樹脂を露光・現像する際に、限度解像度以下のパターンを設けたフォトマスクを使用して、供給路に部分的な凹部を形成する製造方法が開示されている。ただし、この方法で形成される流路パターンの上面は、露光される光の散乱の影響により、微小な凹凸が生じてしまう。
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 米国特許第４，８８２，５９５号明細書 米国特許第６，１５８，８４３号明細書 特開２０００−２５５０７２号公報

ところで、上述した従来の液体吐出ヘッドは、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たインクの一部が供給路に押し戻されてしまう。このため、従来の液体吐出ヘッドでは、発泡室内のインクの体積が減少することに伴って、インク滴の吐出量が減少するという不都合がある。

また、従来の液体吐出ヘッドは、発泡室内に充填されたインクの一部が供給路に押し戻される際に、成長する気泡の供給路側に臨む圧力の一部が、供給路側に逃げ出したり、発泡室内の内壁と気泡との摩擦により圧力損失が発生したりしてしまう。このため、従来の液体吐出ヘッドは、気泡の圧力が低下することに伴って、インク滴の吐出速度が低下するという問題がある。

また、従来の液体吐出ヘッドは、発泡室内に成長する気泡によって、発泡室内に充填された微少量のインクの体積が変動するため、インク滴の吐出量にバラツキが生じるといった問題もある。

そこで、本発明は、液滴の吐出速度の高速化、液滴の吐出量の安定化を図り、液滴の吐出効率を向上することができる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、液滴を吐出させるためのエネルギを発生する吐出エネルギ発生素子を主面に備える素子基板を備えている。さらに、前記吐出エネルギ発生素子に対向して設けられた、液体を吐出するための吐出口を一端に備える吐出口部と、前記吐出口部に液体を供給するための供給路とを備えている。さらに、前記素子基板の主面を底面とし、前記供給路と連通して、前記吐出エネルギ発生素子により内部の液体に気泡が発生する第１の発泡室と、一端が前記第１の発泡室と、他端が前記吐出口部の他端とそれぞれ連通する第２の発泡室とを備えている。前記素子基板の主面に平行な面における断面積が、前記第１の発泡室の断面積が前記第２の発泡室の断面積よりも大きいとともに、前記第２の発泡室の断面積が前記吐出口部の断面積よりも大きい。前記第１の発泡室の側壁面と前記素子基板の主面とがなす角度が、前記第２の発泡室の側壁面と前記素子基板の主面とがなす角度よりも大きい。前記第１の発泡室の底面は矩形であるともに、前記第２の発泡室は円錐台形である。前記第２の発泡室の側壁面は、前記吐出口部側の端部が小さく、前記第１の発泡室側の端部が大きくなるようなテーパ形状をなしている。

上記本発明によれば、液滴の吐出速度の高速化、液滴の吐出量の安定化を図り、液滴の吐出効率を向上することができる液体吐出ヘッドを提供することができる。

以下、本発明のインク等の液滴を吐出する液体吐出ヘッドの具体的な実施の形態について、図面を参照して説明する。

まず、本実施の形態に係る液体吐出ヘッドの概略を説明する。本実施の形態の液体吐出ヘッドは、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液体吐出ヘッドである。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が達成されている。特に本実施の形態では、熱エネルギを発生する手段として発熱抵抗素子を用い、この発熱抵抗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。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、第１の実施の形態の液体吐出ヘッド１は、発熱抵抗素子である複数のヒータのそれぞれのヒータごとに、インクの流路であるノズルを個別に独立して形成するための隔離壁が、吐出口から供給口近傍まで延設された構成となっている。この構成の詳細については後述する。このような液体吐出ヘッド１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通気されている。

そして、液体吐出ヘッド１は、複数のヒータおよび複数のノズルを有し各ノズルの長手方向が平行に配列された第１のノズル列１６と、供給室を挟んで第１のノズル列に対向する位置に配列された第２のノズル列１７とを備えている。第１および第２のノズル列１６、１７は、いずれも隣接する各ノズルの間隔が６００ｄｐｉピッチに形成されている。また、第２のノズル列の各ノズル１７は、第１のノズル列１６の各ノズルに対して、隣接する各ノズルのピッチが互いに１／２ピッチずれて配列されている。

ここで、複数のヒータおよび複数のノズルが高密度に配列されている第１および第２のノズル列１６、１７を備える液体吐出ヘッド１を最適化する概念について簡単に説明する。

一般に、液体吐出ヘッドの吐出特性に影響を及ぼす物理量としては、複数設けられたノズル内におけるイナータンス（慣性力）とレジスタンス（粘性抵抗）が大きく作用している。任意の形状の流路内を移動する非圧縮性流体の運動方程式は、以下に示す２式によって表される。

Δ・ｖ＝０ （連続の式） ・・・式１
（∂ｖ／∂ｔ）＋（ｖ・Δ）ｖ＝−Δ（Ｐ／ρ）＋（μ／ρ）Δ²ｖ＋ｆ
（ナビエ・ストークスの式） ・・・式２
式１および式２を、対流項および粘性項が充分に小さく、外力がないものとして近似すると、
Δ²Ｐ＝０ ・・・式３
となり、圧力が調和関数を用いて表される。

そして、液体吐出ヘッドの場合には、図２に示すような３開口モデル、および図３に示すような等価回路によって表現される。

イナータンスは、静止流体が急に動き出す時の「動き難さ」として定義される。電気的に表現すると、電流の変化を阻害するインダクタンスＬと似た働きをする。機械的なバネマスモデルでは、重さ（ｍａｓｓ）に相当する。

イナータンスを式で表すと、開口に圧力差を与えたときの、流体体積Ｖの２階時間微分、すなわち流量Ｆ（＝ΔＶ／Δｔ）の時間微分との比で表される。

（Δ²Ｖ／Δｔ²）＝（ΔＦ／Δｔ）＝（１／Ａ）×Ｐ ・・・式４
なお、Ａ：イナータンスとする。

例えば、擬似的に、密度ρ、長さＬ、断面積Ｓｏとされたパイプ型の管流路を仮定すると、この擬似的な１次元流管路のイナータンスＡｏは、
Ａｏ＝ρ×Ｌ／Ｓｏ
で表され、流路の長さに比例し、断面積に反比例することが分かる。

図３に示したような等価回路に基づいて、液体吐出ヘッドの吐出特性をモデル的に予測、解析することができる。

本発明の液体吐出ヘッドにおいて、吐出現象は、慣性流から粘性流に移行する現象とされている。特に、ヒータによる発泡室内での発泡初期においては、慣性流が主であり、逆に、吐出後期においては粘性流が主となる。ここで、吐出後期とは、吐出口に生じたメニスカスがインク流路側に移動を開始したときから、毛細管現象によってインクが吐出口の開口端面まで充填されて復帰するまでの時間である。その際、上述した関係式から、発泡初期には、イナータンス量の関係により、吐出特性、特に、吐出体積および吐出速度への寄与が大きくなり、吐出後期には、レジスタンス（粘性抵抗）量が、吐出特性、特に、インクのリフィルに要する時間への寄与が大きくなる。以下では、インクのリフィルに要する時間をリフィル時間と称する。

ここで、レジスタンス（粘性抵抗）は、式１と、
ΔＰ＝ηΔ²μ ・・・式５
となる定常ストークス流で記述され、粘性抵抗Ｂを求めることができる。また、吐出後期では、図２に示したモデルにおいて、吐出口近傍にメニスカスが生じて、主に毛細管力による吸引力により、インクの流動が生じるため、２開口モデル（１次元流モデル）で近似することができる。

すなわち、粘性流体を記述したポアズイユの式６から求めることができる。

（ΔＶ／Δｔ）＝（１／Ｇ）×（１／η）｛（ΔＰ／Δｘ）×Ｓ（ｘ）｝・・・式６
ここで、Ｇ：形状因子である。また、粘性抵抗Ｂは、任意の圧力差に従って流れる流体に起因するため、
Ｂ＝∫₀ ^L｛（Ｇ×η）／Ｓ（ｘ）｝Δｘ ・・・式７
により、求められる。

上述した式７により、レジスタンス（粘性抵抗）は、密度ρ、長さＬ、断面積Ｓｏであるようなパイプ型の管流路を仮定すると、
Ｂ＝８η×Ｌ／（π×Ｓｏ²） ・・・式８
となり、近似的にノズルの長さに比例し、かつ、ノズルの断面積の２乗に反比例する。

このように、液体吐出ヘッドの吐出特性、特に、吐出速度、インク滴の吐出体積、リフィル時間のいずれをも向上させるためには、以下が必要充分条件を満たす必要がある。すなわち、イナータンスの関係から、ヒータから吐出口側へのイナータンス量を、ヒータから供給口側へのイナータンス量と比較して可能な限り大きくし、かつ、ノズル内のレジスタンスを小さくすることが必要である。

本発明に係る液体吐出ヘッドは、上述した観点と、さらに、複数のヒータおよび複数のノズルを高密度に配設するという命題に対して、両方を満足させることを可能とする。

次に、実施の形態に係る液体吐出ヘッドについて、具体的な構成を図面を参照して説明する。

図４から図７に示すように、液体吐出ヘッドは、発熱抵抗素子である複数の吐出エネルギ発生素子としてのヒータ２０が設けられた素子基板１１を備えている。液体吐出ヘッドはさらに、この素子基板１１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オリフィス基板１２を備えている。

素子基板１１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、一般にはＳｉによって形成されている。

素子基板１１の主面上には、各インクの流路ごとに、ヒータ２０と、このヒータ２０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１１の主面上には、蓄熱の発散性を向上させる絶縁膜２１が、ヒータ２０を被覆するように設けられている（図８参照）。また、素子基板１１の主面上には、気泡が消泡した際に生じるキャビテーションから主面を保護するための保護膜２２が、絶縁膜２１を被覆するように設けられている（図８参照）。

オリフィス基板１２は、樹脂材料によって厚さが３０μｍ程度に形成されている。オリフィス基板１２は、図４、図５に示すように、インク滴を吐出する複数の吐出口部２６を備え、内部をインクが流動する複数のノズル２７と、これら各ノズル２７にインクを供給する供給室２８とを有している。

ノズル２７は、液滴を吐出する吐出口２６ａを有する吐出口部２６、吐出エネルギ発生素子であるヒータ２０によって内部の液体に気泡を発生させる発泡室３１、および発泡室３１に液体を供給するための供給路３２を有する。

発泡室３１は、素子基板１１の主面を底面とし供給路３２と連通していてヒータ２０によって内部の液体に気泡が発生する第１の発泡室３１ａを含んでいる。発泡室３１はさらに、第１の発泡室３１ａの素子基板１１の主面に平行な上面の開口に連通して設けられて第１の発泡室３１ａで発生した気泡が成長する第２の発泡室３１ｂを含んでいる。吐出口部２６は、第２の発泡室３１ｂの上面の開口に連通して設けられ、吐出口部２６の側壁面と第２の発泡室３１ｂの側壁面との間には段差がある。

吐出口部２６の吐出口２６ａは、素子基板１１上に設けられたヒータ２０に対向する位置に形成されており、ここでは直径が例えば１５μｍ程度の丸孔とされている。なお、吐出口２６ａは、吐出特性上の必要に応じて放射状のほぼ星形に形成されてもよい。

第２の発泡室３１ｂは円錐台形の形状となっており、その側壁が、素子基板の主面に直交する平面に対し、１０〜４５°の傾斜で吐出口方向に縮小しており、その上面は段差をもって吐出口部２６の開口と連通している。

第１の発泡室３１ａは供給路３２の延長上にあり、吐出口２６に対向する底面がほぼ矩形状をなすように形成されている。

ここで、ノズル２７は素子基板１１の主面に平行なヒータ２０の主面と吐出口２６ａとの最短距離ＨＯが３０μｍ以下となるように形成されている。

ノズル２７では、主面に平行な第１の発泡室３１ａの上面および発泡室３１に隣接する供給路３２の主面に平行な上面は同一平面で連続している。それよりも高い供給路３２の供給室２８側の素子基板の主面に平行な上面とは、主面に対して傾斜を持って設けられた段差によって接続されている。段差から第２の発泡室３１の底面の開口に至る間が制御部３３を形成しており、制御部３３は気泡によって流動される発泡室３１内のインクを制御する。素子基板１１の主面から供給路３２の上面までの最大高さが、素子基板１１の主面から第２の発泡室３１ｂの上面までの高さよりも低く設けられている。

供給路３２は、一端が発泡室３１に連通されるとともに他端が供給室２８に連通されて形成されている。

このようにノズル２７では、制御部３３によって、第１の発泡室３１ａに隣接する供給路３２の一端部から第１の発泡室３１ａにわたる部分の、素子基板１１の主面に対する高さが供給室２８に隣接する供給路３２の他の端部の高さに比較して低く形成されている。したがって、ノズル２７では、制御部３３によって、第１の発泡室３１ａに隣接する供給路３２の一端部から第１の発泡室３１ａにわたってのインクの流路の断面積が他の流路の断面積よりも小なくなるように形成されている。

また、ノズル２７は、図４および図７に示すように、流路の素子基板１１の主面に平行な面におけるインクの流動方向に直交する幅が、供給室２８から発泡室３１にわたってほぼ等しいストレート状に形成されている。また、ノズル２７は、素子基板１１の主面に対向する各内壁面が、供給室２８から発泡室３１にわたって、素子基板１１の主面に平行になるようにそれぞれ形成されている。

ここでは、ノズル２７は、素子基板１１の主面に対する制御部３３の対向面の高さが、例えば１４μｍ程度になるように形成されており、素子基板１１の主面に対する供給室２８の対向面の高さが、例えば２５μｍ程度になるように形成されている。また、ノズル２７は、インクの流動方向に平行な制御部３３の長さが、例えば１０μｍ程度に形成されている。

また、素子基板１１には、オリフィス基板１２に隣接する主面の裏面に、この裏面側から供給室２８にインクを供給するための供給口３６が設けられている。

また、図４、図５において、供給室２８内には供給口３６に隣接する位置に、各ノズル２７ごとにインク内の塵を濾過して除去するための円柱状のノズルフィルタ３８が、素子基板１１とオリフィス基板１２とに跨ってそれぞれ立設されている。ノズルフィルタ３８は、供給口から例えば２０μｍ程度離れた位置に設けられている。また、供給室２８内の各ノズルフィルタ３８の間隔は、例えば１０μｍ程度とされている。このノズルフィルタ３８によって、供給路３２および吐出口２６に塵が詰まることが防止されて、良好な吐出動作が確保される。

以上のように構成された液体吐出ヘッド１について、インク滴を吐出口２６から吐出する動作を説明する。

まず、液体吐出ヘッド１では、供給口３６から供給室２８内に供給されたインクが、第１および第２のノズル列１６、１７の各ノズル２７にそれぞれ供給される。各ノズル２７に供給されたインクは、供給路３２に沿って流動して発泡室３１内に充填される。発泡室３１内に充填されたインクは、ヒータ２０により膜沸騰されて発生する気泡の成長圧力によって、素子基板１１の主面に対してほぼ直交する方向に飛翔させられて、吐出口部２６の吐出口２６ａからインク滴として吐出される。

発泡室３１内に充填されたインクが、第１の発泡室３１ａ内でヒータ２０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２の発泡室３２ｂを経由して吐出される際、第２の発泡室３１ｂが円錐台形の形状となっている。その側壁が、素子基板の主面に直交する平面に対し、１０〜４０°の傾斜で吐出口方向に縮小しており、その上面は段差をもって吐出口部２６の開口と連通している。そのため、素子基板１１から吐出口２６ａに至る方向に、徐々にインク体積が減少しながら整流され、吐出口２６ａ付近では、液滴が飛翔する際に、飛翔する液滴が、基板に対して垂直に飛翔する。

発泡室３１内に充填されたインクが吐出される際、発泡室３１内のインクの一部は、発泡室３１内に発生する気泡の圧力によって供給路３２側に流動することになる。液体吐出ヘッド１では、発泡室３１内のインクの一部が供給路３２側に流動する際、制御部３３によって供給路３２の流路が狭められている。そのため、制御部３３が、発泡室３１側から供給路３２を介して供給室２８側に向かって流動するインクに対して流体抵抗として作用する。したがって、液体吐出ヘッド１では、発泡室３１内に充填されたインクが、制御部３３によって供給路３２側に流動することが抑制される。そのため、発泡室３１内のインクが減少することが防止されて、インクの吐出体積が良好に確保され、吐出口から吐出される液滴の吐出体積にバラツキが生じることが抑制されて、吐出体積が適正に確保される。

この液体吐出ヘッド１において、ヒータ２０から吐出口２６までのイナータンスＡ₁、ヒータ２０から供給口３６までのイナータンスＡ₂、ノズル２７全体のイナータンスＡ₀とすると、ヘッドの吐出口２６側へのエネルギ配分比ηは、
η＝（Ａ₁／Ａ₀）＝｛Ａ₂／（Ａ₁＋Ａ₂）｝ ・・・式９
によって表される。また、各イナータンスの値は、例えば３次元の有限要素法ソルバを用いて、ラプラス方程式を解くことによって求められる。

上述した式により、液体吐出ヘッド１は、ヘッドの吐出口２６側へのエネルギ配分比ηが０．５９とされている。液体吐出ヘッド１は、エネルギ配分比ηを従来の液体吐出ヘッドにほぼ等しい値にすることで、吐出速度と吐出体積の値を従来と同じ程度に維持することできる。また、エネルギ配分比ηは、０．５＜η＜０．８を満たすことが望ましい。液体吐出ヘッド１は、エネルギ配分比ηが０．５以下の場合、良好な吐出速度と吐出体積が確保されず、０．８以上となった場合、インクが良好に流動されなくなり、リフィルを行うことができなくなる。

また、液体吐出ヘッド１は、インクとして例えば染料系の黒色インク（表面張力４７．８×１０―³Ｎ／ｍ、粘度１．８ｃｐ、ｐＨ９．８）が用いられた場合、従来の液体吐出ヘッドに比較して、ノズル２７内の粘性抵抗値Ｂを約４０％程度低減することができる。粘性抵抗値Ｂは、例えば３次元の有限要素法ソルバによっても算出することが可能であって、ノズル２７の長さ、ノズル２７の断面積を定めることにより容易に算出することができる。

即ち、イナータンスＡは、ノズルの長さ（ｌ）に比例し、平均断面積（Ｓ_AV）に反比例することが知られている。

本発明では、ヒータから吐出口に至るまでの平均断面積を低減することにより、ヒータで発生した気泡によって、ノズル内のインクが吐出口から吐出する液滴としてより安定的に、かつ効率よく飛翔することを目指している。

したがって、本実施の形態の液体吐出ヘッド１は、従来の液体吐出ヘッドに比較して、吐出速度を約４０％程度高速化することが可能となって、約２５〜３０ｋＨｚ程度の吐出周波数応答性を実現することができる。

以上のように構成された液体吐出ヘッド１の製造方法について図８、図９および図１０を参照して簡単に説明する。

液体吐出ヘッド１の製造方法は、素子基板１１を形成する第１の工程と、素子基板１１上にインクの流路を構成する上樹脂層４２および下樹脂層４１をそれぞれ形成する第２の工程と、上樹脂層４１に所望のノズルパターンを形成する第３の工程とを含んでいる。さらに、その樹脂層の側面に傾斜を形成する第４の工程と、下樹脂層４２に所望のノズルパターンを形成する第５の工程とを含んでいる。

さらに、液体吐出ヘッド１の製造方法は、上下樹脂層４１、４２上にオリフィス基板１２となる被覆樹脂層４３を形成する第６の工程と、被覆樹脂層４３に吐出口部２６を形成する第７の工程と、素子基板１１に供給口３６を形成する第８の工程とを含んでいる。最後に、上下樹脂層４１、４２を溶出する第９の工程を経て液体吐出ヘッド１が製造される。

第１の工程は基板形成工程であり、図８（ａ）および図９（ａ）に示すように、例えばＳｉチップの主面上にパターニング処理等により複数のヒータ２０およびこれらヒータ２０に電圧を印加するための所定の配線を設ける。さらに、ヒータ２０を被覆するように蓄熱の発散性を向上させる絶縁膜２１を設ける。さらに、絶縁膜２１を被覆するように気泡が消泡した際に生じるキャビテーションから主面を保護するための保護膜２２を設けることにより素子基板１１を形成する。

第２の工程は塗布工程でり、図８（ｂ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）に示すように、素子基板１１上に、波長が３００ｎｍ以下の紫外光であるＤｅｅｐ−ＵＶ光（以下、ＤＵＶ光と称する。）を照射する。これによって、分子中の結合が破壊されて溶解可能な下樹脂層４２および上樹脂層４１を連続して、スピンコート法によりそれぞれ塗布する。この塗布工程は、下樹脂層４２として、脱水縮合反応による熱架橋型の樹脂材を用いることで、上樹脂層４１をスピンコート法によって塗布する際に、下樹脂層４２と上層樹脂４１の各樹脂層間で相互に溶融することが防止されている。下樹脂層４２としては、例えばメタクリル酸メチル（ＭＭＡ）とメタクリル酸（ＭＡＡ）をラジカル重合させて、ポリマー化させた２元共重合体（Ｐ（ＭＭＡ−ＭＡＡ）＝９０：１０）をシクロヘキサノン溶媒で溶解した液を使用した。また、上樹脂層４１としては、例えばポリメチルイソプロペニルケトン（ＰＭＩＰＫ）をシクロヘキサノン溶媒で溶解した液を使用した。下樹脂層４２として使用した２元共重合体（Ｐ（ＭＭＡ−ＭＡＡ））の脱水縮合反応による熱架橋膜を形成する科学反応式を図１１に示している。この脱水縮合反応は、１８０〜２００℃で３０分〜２時間加熱することにより、より強固な架橋膜を形成することができる。なお、この架橋膜は、溶媒不溶型になっているが、ＤＵＶ光などの電子線を照射することで、図１１に記載したような分解反応が起こり、低分子化が進み、電子線が照射された部分のみ、溶媒可溶性となる。

第３の工程はパターン形成工程であり、図８（ｂ）および図９（ｄ）に示すように、ＤＵＶ光を照射する露光装置を用いて、この露光装置に波長選択手段として波長２６０ｎｍ未満のＤＵＶ光を遮断するフィルターを装着する。これにより、２６０ｎｍ以上のみを透過させ、波長が２６０〜３３０ｎｍ付近のＮｅａｒ−ＵＶ光（以下、ＮＵＶ光と称する。）を照射させて、上樹脂層４１を露光および現像することによって、上樹脂層４１に所望のノズルパターンを形成する。この第３の工程では、上樹脂層にノズルパターンを形成する際、上樹脂層４１と下樹脂層４２とでは、波長２６０〜３３０ｎｍ付近のＮＵＶ光に対する感度比が約４０：１以上の差である。そのため、下樹脂層４２が感光されることなく、下樹脂層４２のＰ（ＭＭＡ−ＭＡＡ）が分解されることはない。また、下樹脂層４２は、熱架橋膜であるために、上樹脂層を現像時の現像液に溶解することもない。下樹脂層４２と上樹脂層４１との２１０〜３３０ｎｍ領域における材料の吸収スペクトル曲線を図１２に示す。

第４の工程は、図８（ｂ）および図９（ｄ）に示すように、パターン形成を行った上樹脂層４１を１４０℃で５〜２０分加熱することで、その上樹脂層の側面に１０〜４０°の傾斜を形成することができる。この傾斜角度は、上記のパターン体積（形状・膜厚）と、加熱温度・時間とに相関があり、上記の角度範囲内で指定の角度に制御することができる。

第５の工程は、図８（ｂ）および図９（ｅ）に示すように、上述した露光装置で波長２１０〜３３０ｎｍのＤＵＶ光を照射させて、下樹脂層を露光および現像することによって、下樹脂層４２に所望のノズルパターンを形成するパターン形成工程である。さらに、下樹脂層４２に使用したＰ（ＭＭＡ−ＭＡＡ）材料は、解像力が高く、５〜２０μｍ程度の厚さでも、側壁の傾斜角は、０〜５°程度のトレンチ構造に形成することが可能である。また、必要であれば、パターニング後の樹脂層４２を、１２０〜１４０℃程度で、加熱することで、その下樹脂層４２の側壁にも更なる傾斜を形成することが可能である。

第６の工程は、ノズルパターンが形成されていて、ＤＵＶ光によって分子中の架橋結合が破壊されて溶解可能となった上樹脂層４１および下樹脂層４２上に、図１０（ａ）に示すように、オリフィス基板１２となる透明な被覆樹脂層４３を塗布する塗布工程である。

第７の工程は、図８（ｃ）および図１０（ｂ）に示すように、この被覆樹脂層４３に、露光装置でＵＶ光を照射させて、吐出口部２６に相当する部分を露光および現像して除去することにより、オリフィス基板１２を形成する。そのオリフィス基板１２に形成する吐出口部２６の側壁の傾斜は、素子基板の主面に直交する平面に対し、なるべく０°付近で形成することが望ましい。しかし、０〜１０°程度であれば、液滴の吐出特性について、大きな問題は発生しない。

第８の工程は、図８（ｄ）および図１０（ｃ）に示すように、素子基板１１の裏面に化学的なエッチング処理等を行うことによって、素子基板１１に供給口３６を形成する。化学的なエッチング処理としては、例えば、強アルカリ溶液（ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＴＭＡＨ）を用いた異方性エッチング処理が適用される。

第９の工程は、図８（ｅ）および図１０（ｄ）に示すように、素子基板１１の主面側から被覆樹脂層４３を透過させて波長３３０ｎｍ以下のＤＵＶ光を照射する。これにより、素子基板１１とオリフィス基板１２との間に位置するノズル型材である上下樹脂層４１、４２を供給口３６を経由してそれぞれ溶出させる。

これによって、吐出口２６ａおよび供給口３６と、これらを連通する供給路３２に段差状に形成された制御部３３を有するノズル２７を備えるチップが得られる。このチップをヒータ２０を駆動するための配線基板（図示せず）等と電気的な接続を行うことにより、液体吐出ヘッドが得られる。

なお、上述した液体吐出ヘッド１の製造方法によれば、ＤＵＶ光によって分子中の架橋結合が破壊されて溶解可能である上樹脂層４１および下樹脂層４２を、素子基板１１の厚み方向に対してさらに階層構造にしてもよい。これにより、ノズル２７内に３段以上の段差状に形成された制御部を設けることが可能である。例えば、上樹脂層のさらに上層側に、波長４００ｎｍ以上の光に感度を有する樹脂材料を用いて、多段階のノズル構造を形成することができる。

本実施の形態に係る液体吐出ヘッド１の製造方法は、基本的に特開平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をインク吐出手段とする液体吐出ヘッドの製造方法に準ずることが好ましい。これら各公報は、ヒータによって生じた気泡を外気に通気させる構成におけるインク滴吐出方法であり、例えば５０ｐｌ以下の微少量のインク滴を吐出することができる液体吐出ヘッドを提供している。

液体吐出ヘッド１は、気泡が外気に通気されているため、吐出口２６から吐出されるインク滴の体積が、ヒータ２０と吐出口２６との間に位置するインクの体積、すなわち発泡室３１内に充填されたインクの体積に大きく依存する。換言すれば、吐出されるインク滴の体積は、液体吐出ヘッド１のノズル２７の発泡室３１部分の構造によってほぼ決定される。

したがって、液体吐出ヘッド１は、インクムラのない高品位な画像を出力することができる。本発明に係る液体吐出ヘッドは、構造として、気泡を外気に通気させるために、ヒータと吐出口との間の最短距離が３０μｍ以下とされる液体吐出ヘッドに適用することにより最大の効果を奏する。ただし、ヒータが設けられた素子基板の主面に直交する方向にインク滴を飛翔させる液体吐出ヘッドであれば、いずれも有効に作用させることができる。

上述したように、液体吐出ヘッド１は、円錐台形の第２の発泡室３１ｂを設けることによって、素子基板１１から吐出口２６ａに至る方向に、徐々にインク体積が減少しながら整流される。吐出口２６ａ付近では、液滴が飛翔する際に、飛翔する液滴が、素子基板１１に対して垂直に飛翔する。また、発泡室３１内のインクの流れを制御する制御部３３が設けられることによって、吐出されるインク滴の体積の安定化が図られて、インク滴の吐出効率が向上される。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、第１の発泡室３１ａ上に、円錐台形の第２の発泡室３１ｂを形成し、その第２の発泡室３１ｂの側壁の傾斜が、素子基板１１の主面に直交する平面に対して、１０〜４５°の傾斜で吐出口部２６方向に縮小した構成となっている。これに対し、第２の実施の形態の液体吐出ヘッド２では、発泡室内に充填されたインクが、吐出口へさらに流動しやすい構成を説明する。なお、この液体吐出ヘッド２において、上述した液体吐出ヘッド１と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。

第２の実施の形態の液体吐出ヘッド２は、第１の実施の形態と同様に、発泡室５６はヒータ２０によって気泡が発生する第１の発泡室５６ａと、その第１の発泡室５６ａから吐出口部５３に至る途中に配置された第２の発泡室５６ｂとを有している。その第２の発泡室５６ｂの側壁の傾斜が、素子基板１１の主面に直交する平面に対して、１０〜４５°の傾斜で吐出口部２６方向に縮小した構成となっている。さらに、第１の発泡室５６ａでは、複数配列された第１の発泡室５６ａを個々に区別するために設けられた壁面が、素子基板１１の主面に直交する平面に対し、０〜１０°までの傾斜で吐出口方向に縮小している。吐出口部５３では、素子基板１１の主面に直交する平面に対し、０〜５°の傾斜で吐出口５３ａの方向に縮小している。

図１３および図１４に示すように、液体吐出ヘッド２を備えるオリフィス基板５２は、樹脂材料によって厚さが３０μｍ程度に形成されている。オリフィス基板５２は、先に図１を参照して説明したように、インク滴を吐出する複数の吐出口５３ａと、インクが流動する複数のノズル５４と、これら各ノズル５４にインクを供給する供給室５５とを有している。

ノズル５４は、液滴を吐出する吐出口５３ａを有する吐出口部５３、吐出エネルギ発生素子であるヒータ２０によって内部の液体に気泡を発生させる発泡室５６、および発泡室５６に液体を供給するための供給路５７を有する。

発泡室５６は、素子基板１１の主面を底面とし供給路５７と連通していてヒータ２０によって内部の液体に気泡が発生する第１の発泡室５６ａを含んでいる。発泡室５６はさらに、第１の発泡室５６ａの素子基板１１の主面に平行な上面の開口に連通して設けられて第１の発泡室５６ａで発生した気泡が成長する第２の発泡室５６ｂを含んでいる。吐出口部５３は、第２の発泡室５６ｂの上面の開口に連通して設けられ、吐出口部５３の側壁面と第２の発泡室５６ｂの側壁面との間には段差がある。

吐出口５３ａは、素子基板１１上のヒータ２０に対向する位置に形成されており、直径が例えば１５μｍ程度の丸孔となっている。なお、吐出口５３ａは、吐出特性上の必要に応じて放射状のほぼ星形に形成されてもよい。

第１の発泡室５６ａは、吐出口５３ａに対向する底面がほぼ矩形状をなすように形成されている。また、第１の発泡室５６ａは、素子基板１１の主面に平行なヒータ２０の主面と吐出口５３ａとの最短距離ＯＨが３０μｍ以下となるように形成されている。ヒータ２０は、先に図１を参照して説明したように素子基板１１上に複数配列されており、配列密度が、６００ｄｐｉの場合、各ヒータのピッチは、約４２．５μｍになる。そして、第１の発泡室５６ａのヒータ配列方向の幅が、３５μｍで形成されると、各ヒータ間を遮蔽するノズル壁の幅が約７．５μｍになる。第１の発泡室５６ａの素子基板１１の表面からの高さは１０μｍである。第１の発泡室５６ａ上に形成される第２の発泡室５６ｂの高さが１５μｍであり、オリフィス基板５２に形成される吐出口部５３の高さが５μｍである。吐出口５３ａの形状は丸形状であり、直径は１５μｍである。第２の発泡室５６ｂの形状は円錐台形となっており、第１の発泡室５６ａと連接する底面の直径が３０μｍである場合、第２の発泡室の側壁に２０°の傾斜を作成すると、吐出口部５３側の上面の直径は、１９μｍとなる。そして、約２μｍの段差を有して、直径１５μｍの吐出口部５３と連結される。

この段差は、第２の発泡室の上面に対して吐出口部を形成する場合、製法上の公差が発生するため、第２の発泡室と吐出口部とを安定的に連通するために設けられた設計寸法である。そのため、吐出口部の中心軸と、第２の発泡室の上面の中心軸とは、必ずしも一致することはない。

第１の発泡室５６ａで発生した気泡は、第２の発泡室５６ｂおよび、供給路５７に向けて成長し、ノズル５４内に充填されていたインクが、吐出口部５３で整流されて、オリフィス基板に配置された吐出口５３ａから飛翔される。

供給路５７は、一端が発泡室５６に連通されるとともに他端が供給室５５に連通されて形成されている。

ここで、第２の発泡室５６ｂの側壁に、より大きな傾斜を設け、第１の発泡室５６ａにも傾斜を設けることで、第１の発泡室５６ａで発生した気泡により、ノズル内に充填されていたインクを、より効率良く、吐出口部５３へ移動させることができる。しかし、第１の発泡室５６ａ、第２の発泡室５６ｂ、および吐出口部５３は、すべてフォトリソグラフィプロセスで、精度良く形成されているが、完全にずれ無く形成できるわけではなくて、サブミクロンレベルでのアライメント誤差が生じる。そのために、インクを素子基板１１の主面に直交する方向に、まっすぐ飛翔させるためには、吐出口部５３において、インクの飛翔方向を正しく整流することが必要である。そのために、吐出口部５３の側壁の傾斜は、素子基板１１の主面に直交する方向になるべく平行、すなわち、０°に近い値であることが望ましい。

ただ、飛翔するインク滴をより小さくするためには、吐出口の開口面積を、より小さくする必要がある。その結果、吐出口部５３の高さ（長さ）が開口に比べて大きくなると、その部分でのインクの粘性抵抗が非常に増加するために、飛翔するインクの吐出特性を悪化することにつながる。そこで、第２の実施の形態の液体吐出ヘッド２では、第１の発泡室で発生した気泡を、第２の発泡室にまでより成長しやすくし、かつ、ノズル内に充填されたインクの第２の発泡室での流動性も良くする構成となっている。さらに、飛翔するインクの吐出方向の整流作用をするための構成となっている。ここで、素子基板１１の表面から吐出口５３ａまでの距離にもよるが、第２の発泡室の高さは３〜２５μｍ程度が望ましく、より望ましくは、５〜１５μｍ程度である。また、吐出口部５３の長さは１〜１０μｍ程度が望ましく、より望ましくは、１〜３μｍ程度である。

また、ノズル５４は、図１３に示すように、インクの流動方向に直交するとともに素子基板１１の主面に平行な流路の幅が、供給室５５から発泡室５６にわたってほぼ等しいストレート状に形成されている。また、ノズル５４は、素子基板１１の主面に対向する各内壁面が、供給室５５から発泡室５６にわたって、素子基板１１の主面に平行にそれぞれ形成されている。

以上のように構成された液体吐出ヘッド２について、インクを吐出口５３ａから吐出する動作を説明する。

まず、液体吐出ヘッド２では、供給口３６から供給室５５内に供給されたインクが、第１および第２のノズル列の各ノズル５４にそれぞれ供給される。各ノズル５４に供給されたインクは、供給路５７に沿って流動して発泡室５６内に充填される。発泡室５６内に充填されたインクは、ヒータ２０により膜沸騰されて発生する気泡の成長圧力によって、素子基板１１の主面に対してほぼ直交する方向に飛翔されて、吐出口５３ａからインク滴として吐出される。

発泡室５６内に充填されたインクが吐出される際、発泡室５６内のインクの一部は、発泡室５６内に発生する気泡の圧力によって供給路５７側に流動することになる。液体吐出ヘッド２では、第１の発泡室５６ａで発生した気泡の圧力は、第２の発泡室５６ｂにも即座に伝わり、第１および、第２の発泡室５６ａ、５６ｂに充填されていたインクは、第２の発泡室内５６ｂを移動していく。その際、内壁が傾斜しているので第１および第２の発泡室５６ａ、５６ｂ内を成長していく気泡は、内壁に当接して圧力損失することが少なく、吐出口５３ａに向かって、良好に成長していく。そして、吐出口部５３で整流されたインクは、オリフィス基板５２に配置された吐出口５３ａから、素子基板１１の主面に直交する方向に飛翔される。また、インク滴の吐出体積も良好に確保される。したがって、液体吐出ヘッド２は、吐出口５３ａから吐出されるインク滴の吐出速度の高速化を図ることができる。

したがって、液体吐出ヘッド２は、従来の液体吐出ヘッドに比較して、吐出速度および吐出体積から算出されるインク滴の運動エネルギが向上する。そのため、吐出効率を向上することができるとともに、上述した液体吐出ヘッド１と同様に吐出周波数特性を高速化することができる。

以上のように構成された液体吐出ヘッド２の製造方法について簡単に説明する。液体吐出ヘッド２の製造方法は、上述した液体吐出ヘッド１の製造方法とほぼ同一であるため、同一部材に同一符号を付すとともに同一工程については説明を省略する。

液体吐出ヘッド２の製造方法は、上述した液体吐出ヘッド１の製造方法に準じており、
第１の工程は、図８（ａ）および図９（ａ）に示すように、例えばＳｉチップ上にパターニング処理等により複数のヒータ２０およびこれらヒータ２０に電圧を印加するための所定の配線を設けることにより素子基板１１を形成する基板形成工程である。

第２の工程は塗布工程であり、図８（ｂ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）に示すように、素子基板１１上に、波長が３３０ｎｍ以下の紫外光であるＤＵＶ光を照射する。これによって分子中の結合が破壊されて溶解可能なる、下樹脂層４２および上樹脂層４１を連続して、スピンコート法によりそれぞれ塗布する。下樹脂層４２の膜厚は、１０μｍ、上樹脂層４１の膜厚は、１５μｍである。

第３の工程はパターン形成工程であり、図８（ｂ）および図９（ｄ）に示すように、ＤＵＶ光を照射する露光装置を用いて、この露光装置に、２６０ｎｍ以上のみを透過させる波長選択手段として、波長２６０ｎｍ未満のＤＵＶ光を遮断するフィルターを装着する。これにより、波長が２６０〜３３０ｎｍ付近のＮＵＶ光を照射させて、上樹脂層４１を露光および現像することによって、上樹脂層４１に所望のノズルパターンを形成する。

第４の工程では、図８（ｂ）および図９（ｄ）に示すように、パターン形成を行った上樹脂層４１を１４０℃で１０分加熱することで、その上樹脂層４１の側面に２０°の傾斜を形成した。

第５の工程は、図８（ｂ）および図９（ｅ）に示すように、上述した露光装置で波長２１０〜３３０ｎｍのＤＵＶ光を照射させて、下樹脂層４２を露光および現像することによって、下樹脂層４２に所望のノズルパターンを形成するパターン形成工程である。

第６の工程は、ノズルパターンが形成されていて、ＤＵＶ光によって分子中の架橋結合が破壊されて溶解可能となった上樹脂層４１および下樹脂層４２上に、図１０（ａ）に示すように、オリフィス基板５２となる透明な被覆樹脂層４３を塗布する塗布工程である。被覆樹脂層４３の膜厚は、３０μｍである。

第７の工程は、図８（ｃ）および図１０（ｂ）に示すように、この被覆樹脂層４３に、露光装置でＵＶ光を照射させて、吐出口部５３に相当する部分を露光および現像して除去することにより、オリフィス基板５２を形成する。吐出口部５３の長さは５μｍである。

第７の工程は、図８（ｄ）および図１０（ｃ）に示すように、素子基板１１の裏面に化学的なエッチング処理等を行うことによって、素子基板１１に供給口３６を形成する。化学的なエッチング処理としては、例えば、強アルカリ溶液（ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＴＭＡＨ）を用いた異方性エッチング処理が適用される。

第８の工程は、図８（ｅ）および図１０（ｄ）に示すように、波長３３０ｎｍ以下のＤＵＶ光を素子基板１１の主面側から被覆樹脂層４３を透過させて照射する。これにより、素子基板１１とオリフィス基板５２との間に位置するノズル型材である上下樹脂層４１、４２をそれぞれ溶出させる。

これによって、吐出口５３ａおよび供給口３６と、これらを連通する供給路５７に段差状に形成された制御部５８を有するノズル５４を備えるチップが得られる。このチップをヒータ２０を駆動するための配線基板（図示せず）等と電気的な接続を行うことにより、液体吐出ヘッド２が得られる。

上述したように、液体吐出ヘッド２は、円錐台形の第２の発泡室５６ｂを設け、第１の発泡室５６ａの壁面に傾斜を設けることによって、素子基板１１から吐出口５３ａに至る方向に、徐々にインク体積が減少しながら整流される。吐出口５３ａ付近では、液滴が飛翔する際に、飛翔する液滴が、素子基板１１に対して垂直に飛翔する。また、発泡室５６内のインクの流れを制御する制御部５８が設けられることによって、吐出されるインク滴の体積の安定化が図られて、インク滴の吐出効率が向上される。

（参考形態）
なお、上述した液体吐出ヘッド２の第１の発泡室の高さをさらに小さくし、かつ、第２の発泡室を高くした参考形態の液体吐出ヘッド３について図面を参照して簡単に説明する。なお、この液体吐出ヘッド３において、上述した液体吐出ヘッド１、２と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。

参考形態の液体吐出ヘッド３では、第１の実施の形態と同様に、発泡室６６はヒータ２０によって気泡が発生する第１の発泡室６６ａと、その第１の発泡室６６ａから吐出口部６３に至る途中に配置された第２の発泡室６６ｂとを有している。その第２の発泡室６６ｂの側壁の傾斜が、素子基板１１の主面に直交する平面に対して、１０〜４５°の傾斜で吐出口部２６方向に縮小した構成となっている。さらに、第１の発泡室５６ａでは、複数配列された第１の発泡室５６ａを個々に区別するために設けられた壁面が、素子基板１１の主面に直交する平面に対し、０〜１０°までの傾斜で吐出口方向に縮小している。吐出口部５３では、素子基板１１の主面に直交する平面に対し、０〜５°の傾斜で吐出口５３ａの方向に縮小している。

図１５、図１６に示すように、液体吐出ヘッド３を備えるオリフィス基板６２は、樹脂材料によって厚さが３０μｍ程度に形成されている。オリフィス基板６２は、先に図１を参照して説明したように、インク滴を吐出する複数の吐出口６３と、インクが流動する複数のノズル６４と、これら各ノズル６４にインクを供給する供給室６５とを有している。

吐出口６３ａは、素子基板１１上のヒータ２０に対向する位置に形成されており、直径が例えば１５μｍ程度の丸孔となっている。なお、吐出口６３ａは、吐出特性上の必要に応じて放射状のほぼ星形に形成されてもよい。

第１の発泡室６６ａは、吐出口６３ａに対向する底面がほぼ矩形状をなすように形成されている。また、第１の発泡室６６ａは、素子基板１１の主面に平行なヒータ２０の主面と吐出口６３ａとの最短距離ＯＨが３０μｍ以下となるように形成されている。第１の発泡室６６ａの上面の素子基板１１の表面からの高さが、例えば８μｍに形成されており、第１の発泡室６６ａ上に形成される第２の発泡室６６ｂの高さが１８μｍに形成されている。第２の発泡室６６ｂは四角錐台形の形状となっており、第１の発泡室６６ａ側の１辺の長さが２８μｍであり、角には２μｍのＲが形成されている。そして、第２の発泡室６６ｂの側壁は、吐出口部６３側に向けて縮小するように、素子基板１１の主面に直交する平面に対し、１５°の傾斜を有している。そして、第２の発泡室６６ｂの上面と直径が１５μｍの吐出口部６３とは、最少が約１．７μｍの段差をもって、連通している。

オリフィス基板６２に形成される吐出口部６３の高さは４μｍである。吐出口６３ａの形状は丸形状であり、直径は１５μｍである。

第１の発泡室６６ａで発生した気泡は、第２の発泡室６６ｂおよび、供給路６７に向けて成長し、ノズル６４内に充填されていたインクが、吐出口部６３で整流されて、オリフィス基板６２に配置された吐出口６３ａから飛翔される。

供給路６７は、一端が発泡室６６に連通されるとともに他端が供給室６５に連通されて形成されている。

第１の発泡室６６ａは、素子基板上に形成される。この高さを小さくすることで、第１の発泡室６６ａに隣接する供給路６７の一端部から第１の発泡室６６ａにわたってインクの流路の断面積が小さくなるように形成され、第２の実施の形態の液体吐出ヘッド２のノズル５４に比してさらに断面積が小さくなっている。

一方、第２の発泡室６６ｂの高さを高くすることで、第１の発泡室６６ａで発生した気泡の圧力は、第２の発泡室６６ｂに伝わりやすくなる。そして、第１の発泡室６６ａから一端が連通している供給路６７には伝わりにくくなり、吐出口部６３へのインクの移動を、素早く、効率良くおこなうことができる。

また、ノズル６４は、インクの流動方向に直交するとともに素子基板１１の主面に平行な流路の幅が、供給室６５から発泡室６６にわたってほぼ等しい、ストレート状に形成されている。また、ノズル６４は、素子基板１１の主面に対向する各内壁面が、供給室６５から発泡室６６にわたって、素子基板１１の主面に平行にそれぞれ形成されている。

以上のように構成された液体吐出ヘッド３について、吐出口６３からインクを吐出する動作を説明する。

まず、液体吐出ヘッド３では、供給口３６から供給室６５内に供給されたインクが、第１および第２のノズル列の各ノズル６４にそれぞれ供給される。各ノズル６４に供給されたインクは、供給路６７に沿って流動して発泡室６６内に充填される。発泡室６６内に充填されたインクは、ヒータ２０により膜沸騰されて発生する気泡の成長圧力によって、素子基板１１の主面に対してほぼ直交する方向に飛翔されて、吐出口６３からインク滴として吐出される。

発泡室６６内に充填されたインクが吐出される際、発泡室６６内のインクの一部は、第１の発泡室６６ａ内に発生する気泡の圧力によって供給路６７側に流動することになる。液体吐出ヘッド３は、第１の発泡室６６ａ内のインクの一部が供給路６７側に流動する際、第１の発泡室６６ａの高さが小さくなっている。そのため、供給路６７の流路が狭められているため、第１の発泡室６６ａ側から供給路６７を介して供給室６５側に向かって流動するインクに対して供給路６７の流路の流体抵抗値が増す。したがって、液体吐出ヘッド３は、発泡室６６内に充填されたインクが、供給路６７側に流動することがさらに抑制される。そのため、第１の発泡室６６ａから第２の発泡室６６ｂへの気泡の成長がより増長され、インクの流動性が、吐出口側へ移動しやすくなって、インクの吐出体積がさらに良好に確保される。

また、液体吐出ヘッド３は、第１の発泡室６６ａから第２の発泡室６６ｂに伝わる気泡の圧力が、さらに効率良くなり、かつ、第１の発泡室６６ａならびに第２の発泡室６６ｂの壁面が傾斜している。そのため、第１の発泡室６６ａおよび第２の発泡室６６ｂ内に成長する気泡が、発泡室６６内の内壁に当接して圧力を損失することが抑制されるため、気泡が良好に成長される。したがって、液体吐出ヘッド３は、吐出口６３から吐出されるインクの吐出速度が向上される。

上述した液体吐出ヘッド３によれば、第１の発泡室６６ａおよび第２の発泡室６６ｂ内でのインクの移動がより素早く、より抵抗なく行うことができる。さらに、吐出口部の長さが短くなることで、液体吐出ヘッド１、２に比較してインクの整流作用がより迅速に行えるため、インク滴の吐出効率をさらに向上することができる。

（第３の実施の形態）
最後に、上述した液体吐出ヘッド１ないし３では、第１のノズル列１６と第２のノズル列１７の各ノズルが等しく形成された。第１のノズル列と第２のノズル列の形状およびヒータの面積が互いに異なる第３の実施の形態の液体吐出ヘッド４について図面を参照して説明する。

図１７（ａ）、（ｂ）に示すように、液体吐出ヘッド４が備える素子基板９６には、素子基板の主面に平行な面積が互いに異なる第１および第２のヒータ９８、９９がそれぞれ配設されている。

また、液体吐出ヘッド４が備えるオリフィス基板９７には、第１および第２のノズル列１０１、１０２の各吐出口１０６、１０７の開口面積および各ノズルの形状が互いに異なるように形成されている。第１のノズル列１０１の各吐出口１０６は、丸孔に形成されている。この第１のノズル列１０１の各ノズルは、上述した液体吐出ヘッド２と構成が同一であるため、説明を省略するが、発泡室内のインクの流動をよくするために、第１の発泡室上に、第２の発泡室１０９が形成されている。また、第２のノズル列１０２の各吐出口１０７は、放射状に略星型に形成されている。この第２のノズル列１０２の各ノズルは、発泡室から吐出口にわたってインクの流路の断面積が変化しないでストレート状に形成されている。

また、素子基板９６には、第１および第２のノズル列１０１、１０２にインクを供給するための供給口１０４が設けられている。

ところで、ノズル内のインクの流れは、吐出口から飛翔されるインク滴の体積Ｖｄによって生じており、インク滴が飛翔された後にメニスカスが復帰する作用が、吐出口の開口面積に応じて発生する毛細管力によって行われる。ここで、吐出口の開口面積Ｓ₀、吐出口の開口縁の外周Ｌ₁、インクの表面張力γ、インクとノズルの内壁との接触角θとすると、毛細管力ｐは、
ｐ＝γｃｏｓθ×Ｌ₁／Ｓ₀
によって表される。また、メニスカスは、飛翔されたインク滴の体積Ｖｄのみによって発生されて、吐出周波数時間ｔ（リフィル時間ｔ）後に復帰すると仮定すると、
ｐ＝Ｂ×（Ｖｄ／ｔ）
の関係が成り立つ。

液体吐出ヘッド４によれば、第１および第２のノズル列１０１、１０２が、第１および第２のヒータ９８、９９の面積、および吐出口１０６、１０７の開口面積が互いに異なる。これによって、単一の液体吐出ヘッド４から異なる吐出体積のインク滴を飛翔させることができる。

また、液体吐出ヘッド４は、第１および第２のノズル列１０１、１０２から吐出されるインクの物性値である表面張力、粘度、ｐＨが同一である。各ノズルの構造に対応して、イナータンスＡおよび粘性抵抗Ｂである物理量を、各吐出口１０６、１０７から吐出されるインク滴の吐出体積に応じて設定することで、第１及び第２のノズル列１０１、１０２の吐出周波数応答性をほぼ等しくすることが可能となる。

すなわち、液体吐出ヘッド４において、第１および第２のノズル列１０１、１０２ごとにそれぞれ吐出させる各インク滴の吐出量を例えば４．０（ｐｌ）と１．０（ｐｌ）とした場合について考える。この場合、各ノズル列１０１、１０２のリフィル時間ｔをほぼ等しくすることは、吐出口１０６、１０７の開口縁の外周Ｌ₁と吐出口１０６、１０７の開口面積Ｓ₀との比であるＬ₁／Ｓ₀と、粘性抵抗Ｂをほぼ等しくすることと同義である。

以上のように構成された液体吐出ヘッド４の製造方法について図面を参照して説明する。

液体吐出ヘッド４の製造方法は、上述した液体吐出ヘッド１、２の製造方法に準じており、上下樹脂層４１、４２にノズルパターンをそれぞれ形成する各パターン形成工程を除く他の工程が同一とされている。液体吐出ヘッド４の製造方法は、パターン形成工程において、図１８（ａ）〜（ｃ）に示すように、素子基板９６上に上下樹脂層４１、４２をそれぞれ形成する。その後に、図１８（ｄ）及び（ｅ）に示すように、第１および第２のノズル列１０１、１０２ごとに所望の各ノズルパターンがそれぞれ形成される。すなわち、第１および第２のノズル列１０１、１０２の各ノズルパターンは、供給口１０４に対して非対称にそれぞれ形成される。すなわち、液体吐出ヘッド４の製造方法は、上下樹脂層４１、４２のノズルパターンの形状を部分的に変更するだけで、液体吐出ヘッド４を容易に形成することできる。図１９に示されるそれ以降の工程は第１の実施の形態で説明した工程と同じなので説明を省略する。

上述した液体吐出ヘッド４によれば、第１及び第２のノズル列１０１、１０２の各ノズルの構造を互いに異なるように形成される。これにより、各ノズル列１０１、１０２ごとに吐出体積が異なる各インク滴をそれぞれ吐出することが可能とされて、高速化が図られた最適な吐出周波数で安定的にインク滴を飛翔させることが容易に可能とされる。

また、液体吐出ヘッド４によれば、毛細管力による流動抵抗の釣り合いを調整することによって、回復機構によって回復動作を行う際にインクを均一かつ迅速に吸引することが可能とされるとともに、回復機構を簡素に構成にすることができる。そのため、液体吐出ヘッド４の吐出特性の信頼性を向上することができ、記録動作の信頼性が向上された記録装置を提供することが可能とされる。

本発明に係る液体吐出ヘッドの全体の構成を説明するための模式的斜視図である。 液体吐出ヘッドの流体の流れを３開口モデルによって示す模式図である。 液体吐出ヘッドを等価回路によって示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態の液体吐出ヘッドの１個のヒータとノズルの組み合わせ構造を説明するための部分断面斜視図である。 本発明の第１の実施の形態の液体吐出ヘッドの複数のヒータとノズルの組み合わせ構造を説明するための部分断面斜視図である。 本発明の第１の実施の形態の液体吐出ヘッドの１個のヒータとノズルの組み合わせ構造を説明するための側面断面図である。 本発明の第１の実施の形態の液体吐出ヘッドの１個のヒータとノズルの組み合わせ構造を説明するための平面断面図である。 本発明の第１の実施の形態の液体吐出ヘッドの製造方法を説明するための斜視図である。ａ）は素子基板である。ｂ）は素子基板に下樹脂層と上樹脂層とが形成された状態である。ｃ）は被覆樹脂層が形成された状態である。ｄ）は供給口が形成された状態である。ｅ）は内部の下樹脂層と上樹脂層とを溶解流出させた状態である。 本発明の第１の実施の形態の液体吐出ヘッドの各製造工程を説明するために示す第１の縦断面図である。ａ）は素子基板である。ｂ）は素子基板に下樹脂層が形成された状態である。ｃ）は素子基板に上樹脂層が形成された状態である。ｄ）は素子基板に形成された上樹脂層にパターン形成を行い、側面に傾斜を形成した状態である。ｅ）は素子基板に形成された下樹脂層にパターン形成を行った状態である。 本発明の第１の実施の形態の液体吐出ヘッドの各製造工程を説明するために示す第２の縦断面図である。ａ）はオリフィス基板となる被覆樹脂層が形成された状態である。ｂ）は吐出口部が形成された状態であるｃ）は供給口が形成された状態である。ｄ）は内部の下樹脂層と上樹脂層とを溶解流出させて液体吐出ヘッドが完成した状態である。 電子線の照射による上樹脂層、下樹脂層の化学変化を示す化学反応式である。 下樹脂層と上樹脂層との２１０〜３３０ｎｍ領域における材料の吸収スペクトル曲線を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態の液体吐出ヘッドの１個のヒータとノズルの組み合わせ構造を説明するための部分断面斜視図である。 本発明の第２の実施の形態の液体吐出ヘッドの１個のヒータとノズルの組み合わせ構造を説明するための側面断面図である。 本発明の参考形態の液体吐出ヘッドの１個のヒータとノズルの組み合わせ構造を説明するための部分断面斜視図である。 本発明の参考形態の液体吐出ヘッドの１個のヒータとノズルの組み合わせ構造を説明するための側面断面図である。 本発明の第３の実施の形態の液体吐出ヘッドの１個のヒータとノズルの組み合わせ構造を説明するための部分断面斜視図である。ａ）は第１のノズル列のノズルである。ｂ）は第２のノズル列のノズルである。 本発明の第３の実施の形態の液体吐出ヘッドの各製造工程を説明するために示す第１の縦断面図である。ａ）は素子基板である。ｂ）は素子基板に下樹脂層が形成された状態である。ｃ）は素子基板に上樹脂層が形成された状態である。ｄ）は素子基板に形成された上樹脂層にパターン形成を行い、側面に傾斜を形成した状態である。ｅ）は素子基板に形成された下樹脂層にパターン形成を行った状態である。 本発明の第３の実施の形態の液体吐出ヘッドの各製造工程を説明するために示す第２の縦断面図である。ａ）はオリフィス基板となる被覆樹脂層が形成された状態である。ｂ）は吐出口部が形成された状態である。ｃ）は供給口が形成された状態である。ｄ）は内部の下樹脂層と上樹脂層とを溶解流出させて液体吐出ヘッドが完成した状態である。

符号の説明

１，２，３，４ 液体吐出ヘッド
１１ 素子基板
１２，５２，６２，９７ オリフィス基板
１６，１０１ 第１のノズル列
１７，１０２ 第２のノズル列
２０ ヒータ
２１ 絶縁膜
２２ 保護膜
２６ａ，５３ａ，６３ａ，１０６，１０７ 吐出口
２６，５３，６３ 吐出口部
２７，５４，６４， ノズル
２８，５５，６５，１０４ 供給室
３１，５６，６６ 発泡室
３１ａ，５６ａ，６６ａ 第１の発泡室
３１ｂ，５６ｂ，６６ｂ，１０９ 第２の発泡室
３２，５７，６７ 供給路
３３，５８，６８，１０８ 制御部
３６ 供給口
３８ ノズルフィルタ
４１ 上樹脂層
４２ 下樹脂層

Claims (4)

1. 液滴を吐出させるためのエネルギを発生する吐出エネルギ発生素子を主面に備える素子基板と、前記吐出エネルギ発生素子に対向して設けられた、液体を吐出するための吐出口を一端に備える吐出口部と、前記吐出口部に液体を供給するための供給路と、前記素子基板の主面を底面とし、前記供給路と連通して、前記吐出エネルギ発生素子により内部の液体に気泡が発生する第１の発泡室と、一端が前記第１の発泡室と、他端が前記吐出口部の他端とそれぞれ連通する第２の発泡室と、を備えた液体吐出ヘッドにおいて、
   前記素子基板の主面に平行な面における断面積が、前記第１の発泡室の断面積が前記第２の発泡室の断面積よりも大きいとともに、前記第２の発泡室の断面積が前記吐出口部の断面積よりも大きく、
   前記第１の発泡室の側壁面と前記素子基板の主面とがなす角度が、前記第２の発泡室の側壁面と前記素子基板の主面とがなす角度よりも大きく、
   前記第１の発泡室の底面は矩形であるともに、前記第２の発泡室は円錐台形であり、
   前記第２の発泡室の側壁面は、前記吐出口部側の端部が小さく、前記第１の発泡室側の端部が大きくなるようなテーパ形状をなしていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記吐出口部の側壁面は、前記素子基板の主面に直交する平面に対し０°から１０°の角度をなしている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記第２の発泡室の側壁面は、前記素子基板の主面に直交する平面に対し１０°から４５°の傾斜をなしている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記吐出口から液滴が飛翔される吐出方向と、前記供給路内を流動する液体の流動方向とが直交するように形成され、
   前記吐出エネルギ発生素子の主面と前記吐出口との距離が３０μｍ以下であり、
   前記吐出エネルギ発生素子によって発生する気泡が前記吐出口を介して外気に通気される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
   
   
   

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