JP7463196B2 - 液体吐出モジュール及び液体吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、インクなどの液体を吐出することが可能な液体吐出モジュール及び液体吐出ヘッドに関する。

インクジェット記録装置などで用いられる液体吐出ヘッドでは、液体の小液滴化や液体を吐出する吐出口の高密度化が進んでいる。特許文献１には、高密度に多数の吐出口が配されたオリフィスプレートの強度を高めるために、個々の吐出口まで液体を導くための流路内に柱を設ける構成が開示されている。

特開２０１８-１０８６９１号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、形成された柱が液体の流れを抑制し、各吐出口における吐出性能を低下させてしまうことがあった。

本発明は上記問題点を解消するためになされたものである。よって、その目的とするところは、オリフィスプレートの強度を高めつつ、各吐出口で良好な吐出動作を行うことが可能な液体吐出モジュール及び液体吐出ヘッドを提供することである。

そのために本発明は、第１の方向に配列された複数のエネルギ発生素子と、前記複数のエネルギ発生素子の列から前記第１の方向とは交差する第２の方向に離れた位置に配された第１の開口と、を有する第１の層と、前記第１の層の上に設けられ、前記複数のエネルギ発生素子のそれぞれに対応する位置に配された複数の圧力室と、前記複数の圧力室のそれぞれと連通する第１個別流路と、前記第１の開口に連通し前記複数の第１個別流路に共通して接続する第１共通流路と、前記第１共通流路を形成し前記第１の方向に延びる第１の流路壁と、を有する流路形成層と、前記流路形成層の上に設けられ、前記複数の圧力室のそれぞれと連通する複数の吐出口を有するオリフィスプレートと、を備え、前記第１の開口より供給された液体が、前記第１共通流路及び前記第１個別流路を経由して前記圧力室に収容され、前記エネルギ発生素子に電圧が印加されることによって前記吐出口から吐出されるように構成された液体吐出モジュールであって、前記第２の方向において、前記複数のエネルギ発生素子の列と前記第１の開口と前記第１の流路壁とがこの順に並び、前記流路形成層の前記第１共通流路には、前記第１共通流路の前記第１の流路壁から前記第１個別流路に向かって前記第２の方向に延在し、前記オリフィスプレートの前記第１の開口と対向する領域を支持するように構成された梁が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、オリフィスプレートの強度を高めつつ、各吐出口で良好な吐出動作を行うことが可能な液体吐出モジュール及び液体吐出ヘッドを提供することが可能となる。

インクジェット記録装置の記録部の概略構成図及び制御ブロック図 液体吐出ヘッド１００の斜視図 一般的な素子基板の構造を説明するための拡大図 第１の実施形態の素子基板の構造を説明するための図 比較例の素子基板の構造を説明するための図 応力比と流量比を比較する図 液体供給口の近傍の等流速分布図 梁のサイズに対する応力比及び流量比の関係を示す図 液体供給口及び液体排出口の形状の変形例を示す図 第２の実施形態の素子基板の構造を説明するための図 第３の実施形態の素子基板の構造を説明するための図 対向領域に作用する応力比を比較する図 素子基板における流れの方向と流速比の関係を示す図 第１の梁の別例を示す図 第１の梁の別例を示す図 第１の変形例を示す図 第２の変形例を示す図 対向領域からはみ出た梁の例を示す図

（第１の実施形態）
＜液体吐出装置の概略構成＞
図１（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の液体吐出装置として使用可能なインクジェット記録装置７００（以下、単に記録装置７００とも言う）の記録部の概略構成図及び制御ブロック図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の記録装置７００は、シートＰの幅に対応する記録領域を有する液体吐出ヘッド１００を用いたフルライン型のインクジェット記録装置である。図中、Ｘ方向は記録媒体となるシートＰの搬送方向、Ｙ方向はシートＰの幅方向、Ｚ方向は液体吐出ヘッド１００に配された吐出口（図１（ａ）では不図示）が液体を吐出する方向を示す。シートＰは、ベルト状の搬送手段７０２に搭載され、搬送ローラ７０３の回転に伴って、所定の速度でＸ方向に搬送される。

搬送経路の途中には、インクを吐出可能な複数の吐出口を備える液体吐出ヘッド１００が配されている。液体吐出ヘッド１００が、シートＰの搬送速度に対応する周波数で個々の吐出口から吐出データに従ってインクを吐出することにより、シートＰの表面に所望の画像が記録される。

図１（ｂ）は、記録装置７００の制御の構成を説明するためのブロック図である。ＣＰＵ５００は、ＲＯＭ５０１に記憶されたプログラムに従いＲＡＭ５０２をワークエリアとして使用しながら、記録装置７００全体を制御する。

例えば、ＣＰＵ５００は、外部に接続されたホスト装置６００より受信した画像データに対し、ＲＯＭ５０１に記憶されているプログラム及びパラメータに従って所定の画像処理を施し、液体吐出ヘッド１００が対応可能な吐出データを生成する。そして、この吐出データに従って液体吐出ヘッド１００を駆動し、個々の吐出口より所定の周波数でインクを吐出させる。更に、このような液体吐出ヘッド１００による吐出動作を行いながら、搬送モータ５０３を駆動して搬送ローラ７０３を回転させ、吐出周波数に対応した速度でシートＰをＸ方向に搬送する。

液体循環ユニット５０４は、液体吐出ヘッド１００においてインクを循環させるためのユニットである。液体循環ユニット５０４は、不図示の圧力制御ユニットや切替え機構などを備え、所定の圧力のもとで、液体吐出ヘッド１００に対しインクを供給したり、液体吐出ヘッド１００で使用されなかったインクを液体吐出ヘッド１００から回収したりする。

＜液体吐出ヘッドの構成＞
図２は、液体吐出ヘッド１００の斜視図である。本実施形態の液体吐出ヘッド１００は、フルライン型のインクジェット記録ヘッドであり、液体吐出モジュールとなるチップ状の素子基板２０がＡ４サイズ幅に対応する数だけＹ方向に配列されている。液体吐出ヘッド１００には、複数の素子基板２０の他、電気配線基板１０２、及び各素子基板２０を電気配線基板１０２に接続するための複数のフレキシブル配線基板１０１が設けられている。電気配線基板１０２には、記録装置７００の本体から電力を受容するための電力供給端子１０３と、吐出データを受信するための信号入力端子１０４とが設けられている。電気配線基板１０２の背面には、液体吐出ヘッド１００におけるインクの循環を制御するための液体循環ユニット５０４の一部が搭載されている。

＜一般的な素子基板の構造＞
図３（ａ）及び（ｂ）は、インクを循環させることが可能な、一般的な素子基板２０の構造を説明するための拡大図である。図３（ａ）は吐出口２の側から見た平面図であり、同図（ｂ）は断面図である。図３（ｂ）に示すように、素子基板２０は、例えばシリコンから成る基板１の上に、機能層３、流路形成層１０、及びオリフィスプレート１１がこの順に積層されて構成される。流路形成層１０とオリフィスプレート１１とは、同じ材料で一体的に構成されていてもよい。

オリフィスプレート１１には、複数の吐出口２が、１２００ｄｐｉ（ドット／インチ）の密度即ち約２１μｍの間隔でＹ方向に配列されている。基板１、機能層３及び流路形成層１０には、液体循環ユニット５０４（図１（ｂ）参照）より液体が供給される液体供給口８と、液体循環ユニット５０４へと液体が排出される液体排出口９とが貫通口として形成されている。液体供給口８と液体排出口９において、Ｘ方向の長さはＷ０＝７５μｍ、Ｙ方向の長さはＬ０＝１０１μｍとする。また、液体供給口８と液体排出口９は、Ｙ方向に１５１個／インチのピッチで配置されるものとする。

流路形成層１０には、吐出口２のそれぞれに連通する圧力室５と、各圧力室５に個別に液体を供給するための個別流路６ａと、各圧力室５から個別に液体を排出するための個別流路６ｂとが形成されている。また、流路形成層１０には、液体供給口８から供給された液体を複数の個別流路６ａに共通して供給するための共通流路７ａと、複数の個別流路６ｂから共通して液体を排出するための共通流路７ｂが形成されている。共通流路７ａ及び共通流路７ｂは、流路形成層１０の共通流路壁１３に沿って、吐出口２が配列する方向と平行にＹ方向に延在している。

基本的に空洞となる共通流路７ａ、７ｂには、オリフィスプレート１１と機能層３とを接続するいくつかの柱１４が設けられ、オリフィスプレート１１全体の強度を向上させている。また、共通流路７ａと個別流路６ａの間及び共通流路７ｂと個別流路６ｂの間には、柱状のフィルタ１２が設けられ、圧力室５へ気泡や異物が混入するのを防いでいる。

機能層３において、吐出口２と対向する位置には、圧力室５に収容されたインクに熱エネルギを付与するための電気熱変換素子４（以下、ヒータ４と言う）が設けられている。また、機能層３には、個々のヒータ４に吐出信号や電力を供給するための不図示の配線も形成されている。

以上の構成の下、液体循環ユニット５０４から液体供給口８を介して供給された液体は、共通流路７ａ及び個別流路６ａを経由して、圧力室５に収容される。そして、吐出データに従ってヒータ４に電圧が印加されると、圧力室５内のインクに膜沸騰が発生し、生成された泡の成長エネルギによって、インク滴が吐出口２から吐出される。吐出されなかったインクは、個別流路６ｂ、共通流路７ｂを経由し、液体排出口９を介して液体循環ユニット５０４に回収される。

このように、インク循環型の液体吐出ヘッド１００では、液体循環ユニット５０４を用いて、圧力室５内のインクを定常的に循環させている。これにより、個々の圧力室５において、吐出頻度によらずに常に新鮮なインクを収容させておくことができ、良好な吐出状態を維持することが可能となる。

液体供給口８と液体排出口９は、全てのヒータ４が上限の駆動周波数で駆動された場合でも、全ての圧力室５に安定してインクが供給できるように十分な大きさを有していることが好ましい。その一方で、機能層３においては配線を形成する領域も必要であり、配線の占有面積は、Ｙ方向におけるヒータ４の配列密度に応じて大きくなる。更に、複数の素子基板２０を一括して製造する半導体プロセスにおいては、１枚のウェハ上になるべく多数の素子基板２０がレイアウトされていることが求められる。以上のことを考慮し、本例では、Ｘ方向にＷ０＝７５μｍ、Ｙ方向にＬ０＝１０１μｍの大きさを有する液体供給口８と液体排出口９を、Ｙ方向に１５１個／インチのピッチで設けるものとする。

しかしながら、オリフィスプレート１１において、液体供給口８や液体排出口９と対向する領域は、フィルタ１２や柱１４を設けることができないため、他の領域に比べてどうしても強度が弱くなってしまう。図３（ａ）では、このように、液体供給口８や液体排出口９と対向する領域を対向領域１５として破線で示している。そして、液体供給口８と液体排出口９が大きいほど対向領域１５の強度は弱くなり、液体吐出ヘッド１００のメンテナンス処理の際に、オリフィスプレート１１が破損する可能性が高くなってしまう。具体的には、オリフィスプレート１１の表面をワイピングしたり、オリフィスプレート１１の表面にキャップ部材を押し当てて吸引動作を行ったりすると、対向領域１５がワイピングや吸引動作の加圧に耐えられず、破損してしまう。このため、本実施形態では、対向領域１５を支持可能な梁構造を流路形成層１０に設け、対向領域１５を補強する。

図４（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の素子基板２０の構造を説明するための図である。図４（ａ）が吐出口２の側から見た平面図であり、同図（ｂ）は断面図である。図３（ａ）及び（ｂ）と同じ符号は同じ部材を示す。以下、図３（ａ）及び（ｂ）と異なる点を説明する。

本実施形態の共通流路７ａ及び７ｂには、対向領域１５に対応する領域の一部に梁１６を設けている。梁１６は、対向領域１５においてＹ方向のほぼ中央の位置に、共通流路壁１３から圧力室５に向けてＸ方向に延在するように設けられ、オリフィスプレート１１をＺ方向に支持している。梁１６は、流路形成層１０と同じ部材で構成されていてもよいし、共通流路壁１３に固定された共通流路壁１３とは別の部材で構成されていてもよい。本実施形態において、梁１６のＸ方向の長さはＷ１＝３１μｍ、Ｙ方向の長さはＬ１＝２０μｍとする。

このような梁１６が、フィルタ１２や柱１４で支持されていないオリフィスプレート１１の対向領域１５を支持することにより、図３（ａ）及び（ｂ）で説明した従来の構成に比べ、オリフィスプレート１１全体の強度を高めることができる。

図５（ａ）及び（ｂ）は、共通流路７ａ及び７ｂに、特許文献１に開示されるような柱１７を設けた構造を比較例として示す図である。図３（ａ）及び（ｂ）や図４（ａ）及び（ｂ）と異なる点は、対向領域１５に、オリフィスプレート１１からＺ方向に延在する柱１７を２つずつ設けたことである。２つの柱１７は、対向領域１５においてＸ方向のほぼ中央の位置に、Ｙ方向には中央線に対して対称な位置に設けられ、オリフィスプレート１１をＺ方向に支持している。ここでは、２つの柱１７がオリフィスプレートと１１と接触する面積が、図４（ａ）及び（ｂ）で示した本実施形態の梁１６がオリフィスプレートと１１と接触する面積とほぼ同等となるように、各柱１７の直径をφ１＝２０μｍとしている。

図６は、オリフィスプレート１１の対向領域１５に作用する応力比と流量比を、上述した図３、図４及び図５の３つの構成で比較する図である。

ここで、各値を算出するためのシミュレーション方法を簡単に説明する。まず、オリフィスプレート１１の表面に一定荷重を付加し、有限要素法にて静解析を実施し、対向領域１５に生じる最大応力を求め、これを応力値とした。そして、図３の構成で得られた応力値に対する各構成で得られた応力値の比を、各構成の応力比として示した。

また、図３～図５の各構成についての３次元モデルを作成し、液体供給口８から液体排出口９に液体を循環させた系において有限要素法にて時刻歴解析を実施した。そして、液体供給口８の機能層３側の開口部の流量を求め、これを流量値とした。更に、図３の構成で得られた流量値に対する各構成で得られた流量値の比を、各構成の流量比として示した。

ここで、図６の応力比に着目すると、図５で示す比較例の応力比が０．９であるのに対し、本実施形態の応力比は０．７である。即ち、本実施形態の構成の方が図５で示す比較例の構成よりも、応力を小さく抑えることができる。これは、機能層３や基板１に支持された共通流路壁１３から延在する梁１６の方が、共通流路壁１３から分離されている柱１７よりも、機械的な強度を高めることができるためである。

一方、流量比に着目すると、柱１７を設けた図５の構成では、構造物を設けない図３の構成に対し流量が３％減少しているのに対し、梁１６を設けた本実施形態の構成では流量の減少を２％に抑えている。これは、圧力室５から遠い位置に設けられた梁１６の方が、圧力室５に近い位置に設けられた柱１７よりも、循環する液体の流れに与える影響を小さく抑えることができるためである。以下、詳しく説明する。

図７は、梁１６や柱１７のような構造物を設けない図３の構成で液体を循環させた場合における、液体供給口８の近傍の等流速分布図をＸＹ平面で示した図である。図中、流速の等しい位置を同じ線で結んでいる。圧力室５は図の左側に配列し、共通流路壁１３は図の右側に位置する。Ｚ方向（図の手前側）に流入した液体は、左側の圧力室５に向けて移動する。液体供給口８においては、直左に位置する圧力室５にも液体を供給するが、隣の液体供給口８との間に配された左上や左下に位置する圧力室５にも液体を供給することになる。このため、図中、左上と左下の領域は、他の領域よりも流れが速い高流速領域となる。一方、Ｙ方向の中央線近傍は、比較的低速に液体が流れる低流速領域となる。なお、液体排出口９については、図７とは左右が反転された流速分布が形成される。

このような流速分布内に新たに梁や柱を設ける場合、液体の流れに与える影響をなるべく小さく抑えるためには、これら梁や柱は流速がなるべく遅い領域に設けることが好ましい。即ち、比較例（図５）のように対向領域１５の中央に２つの柱１７を設けるよりも、本実施形態（図４）のように対向領域１５の中央に共通流路壁１３からＸ方向に延びる梁１６を設ける方が、圧力室５に供給される液体に与える影響を小さく抑えることができる。更に、梁１６を設けることで減少した２％の流量についても、基板１や機能層３の厚み、液体供給口８と液体排出口９の形状や開口面積、更には液体循環ユニット５０４からの液体の出力等を調整することによってある程度回復させることもできる。

以上説明したように、本実施形態によれば、液体供給口８及び液体排出口９それぞれの対向領域１５におけるＹ方向の中央の位置に、共通流路壁１３から圧力室５に向けてＸ方向に延在する梁１６を設けている。これにより、循環する液体の流れに大きな影響を与えることなく、オリフィスプレート１１の強度を従来よりも効果的に高めることが可能となる。

なお、図３～５の説明では、図の右側の開口を液体供給口８とし左側の開口を液体排出口９としたが、無論これらは逆転させてもよい。即ち、液体循環ユニット５０４から供給される液体を図の左側の開口から流入させ、図中液体を左から右方向に流動させ、図の右側の開口を介して液体循環ユニット５０４に液体を流出させる構成としてもよい。

（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態に対し、更に梁のサイズの適正化を行う。

図８（ａ）～（ｃ）は梁のサイズに対する応力比及び流量比の関係を示す図である。各値の算出方法については、図６で説明した方法と同様である。各図において、横軸は、Ｘ方向における、対向領域１５の長さＷ０に対する梁１６の長さＷ１の比（Ｗ１／Ｗ０）を示す。また、縦軸は、Ｙ方向における、対向領域１５の長さＬ０に対する梁の長さＬ１の比（Ｌ１／Ｌ０）を示す。横軸（Ｌ１／Ｌ０＝０）、縦軸（Ｗ１／Ｗ０＝０）自体は、応力比や流量比が１である場合、即ち対向領域に梁や柱などの構造物を設けていない場合の応力比や流量比に相当する。

図８（ａ）は、応力比の等高線を示している。例えば凡例０．９は、０．９の応力比が得られる梁の寸法条件を示している。つまり、凡例０．９が示す実線上にある点に対応する寸法比（Ｗ１／Ｗ０、Ｌ１／Ｌ０）で梁を形成した場合、オリフィスプレート１１の対向領域１５において、０．９の応力比が得られることになる。そして、縦軸及び横軸と凡例０．９の実線の間の領域に対応する寸法比で梁を形成した場合、０．９～１．０の間の応力比が得られることになる。

また、凡例０．８が示す破線上にある点に対応する寸法比で梁を形成した場合、オリフィスプレート１１の対向領域１５において、０．８の応力比が得られることになる。そして、凡例０．９の実線と凡例０．８の破線の間の領域に対応する寸法比で梁を形成した場合、０．８～０．９の間の応力比が得られることになる。０．７以下の凡例についても同様である。

図８（ａ）のグラフより、梁のサイズ（Ｗ１、Ｌ１）が大きくなるほど、応力比が小さくなること即ち強度が強くなることが分かる。但し、応力比は０．３で飽和するため、凡例０．３で示した破線より右上の領域の応力比は、全て０．３となる。

ここで、図５で説明した比較例よりも応力比を小さく抑える条件を考える。この場合、図５の構成における応力比は０．９であるから（図６参照）、凡例０．９の実線よりも右上の領域に対応する寸法比で梁を形成すればよい。

具体的には、下記に示す（式１）が満たされていればよいことになる。
Ｌ１／Ｌ０＞７．５×１０＾（－４）×ｅｘｐ（（Ｗ０／Ｗ１）＾０．６）＋０.０４５・・（式１）

また、図８（ａ）を見ると分かるように、応力比が０．９～０．６では等高線の間隔が狭い。これは、応力比が０．６以上の領域で梁を製造した場合、製造誤差が応力比に与える影響が大きいことを意味している。この場合、個体差やロット差によって素子基板２０の強度がばらつき、液体吐出ヘッドの寿命が不安定になるおそれが生じる。一方、応力比が０．６以下の領域では等高線の間隔が広くなっており、当該領域で梁を製造すれば製造誤差が応力比に与える影響が小さく、強度や寿命のばらつきも抑えられる。以上のことより、梁は、応力比が０．６以下となる領域で形成することが好ましいと言える。

具体的には、下記に示す（式２）が満たされていればよい。
Ｌ１／Ｌ０≧９．４×１０＾（－３）×ｅｘｐ（（Ｗ０／Ｗ１）＾０．７）＋０.１５・・（式２）

次に、好ましい流量比について説明する。図８（ｂ）は、流量比の等高線を示している。例えば凡例０．９は、０．９の流量比が得られる梁の寸法条件を示している。つまり、凡例０．９が示す実線上にある点に対応する寸法比で梁を形成した場合、オリフィスプレート１１の対向領域１５において、０．９の流量比が得られることになる。そして、縦軸及び横軸と凡例０．９の実線の間の領域に対応する寸法比で梁を形成した場合、０．９～１．０の間の流量比が得られることになる。

また、凡例０．８は、０．８の流量比が得られる梁の寸法条件を示している。つまり、凡例０．８の破線上にある点に対応する寸法比で梁を形成した場合、オリフィスプレート１１の対向領域１５では、０．８の流量比が得られることになる。そして、凡例０．９の実線と凡例０．８の破線の間の領域に対応する寸法比で梁を形成した場合、０．８～０．９の間の流量比が得られることになる。０．７以下の凡例についても同様である。

図８（ｂ）のグラフより、梁のサイズ（Ｗ１、Ｌ１）が大きくなるほど、流量比が小さくなることが分かる。これは、梁が大きくなるほど流路抵抗が増大するためである。また、流量比は、０．９を下回ると急激に減少することも分かる。これは、流量比が０．９以下になるような梁を製造した場合、製造誤差が流量比に与える影響が大きくなり、素子基板２０の個体差やロット差に応じて吐出状態がばらつくことを意味する。

よって、流量比の観点で考えると、梁は、凡例０．９の実線よりも左下の領域に対応する寸法で形成することが好ましい。

具体的には、下記に示す（式３）が満たされていればよい。
Ｌ１／Ｌ０≦０．７５×（（２×１０＾（-５））×ｅｘｐ（８×（Ｗ０／Ｗ１））+０．４５）・・（式３）

図８（ｃ）は、応力比と流量比の観点から見た、梁の寸法比の適正領域を示す図である。即ち、応力比が０．６以下且つ流量比が０．９以上である図中斜線で示す領域が、梁の寸法比として好ましい適正領域となる。このような領域の下で梁を作成すれば、各吐出口で良好な吐出動作を行いつつ、オリフィスプレート１１の強度を効果的に高めることが可能となる。

ここで、図８（ａ）～（ｃ）を求めるためのシミュレーションの条件を、図４（ａ）を参照しながら簡単に説明する。まず、対向領域１５は、Ｘ方向の長さＷ０とＹ方向の長さＬ０が等しい正方形（Ｗ０／Ｌ０＝１）と仮定した。そして、正方形以外（Ｗ０／Ｌ０≠１）については、実測の寸法比から補正した値を、縦軸の値（Ｌ１／Ｌ０）及び横軸の値（Ｗ１／Ｗ０）とした。具体的には、実測の寸法がＷ０／Ｌ０＜１の場合、Ｘ方向については実測の寸法比（Ｗ１／Ｗ０）を横軸の値とし、Ｙ方向については実測の寸法比（Ｌ１／Ｌ０）に（Ｗ０／Ｌ０）を乗算した値を縦軸の値とした。また、Ｗ０／Ｌ０＞１の場合、Ｘ方向については実測の寸法比（Ｗ１／Ｗ０）に（Ｌ０／Ｗ０）を乗算した値を横軸の値とし、Ｙ方向については実測の寸法比（Ｌ１／Ｌ０）を縦軸の値とした。本実施形態（図４）は、前者（Ｗ０／Ｌ０＜１）の場合に相当することになる。

この際、液体供給口８や液体排出口９の形状は正確な長方形でなくてもよい。例えば、図９（ａ）に示すような四隅の角が取れた形状であってもよく、同図（ｂ）に示すような円形であってもよい。図９（ａ）の場合、対向領域１５は、開口のＸ方向の最大幅Ｗ０と、Ｙ方向の最大幅Ｌ０とで定義すればよい。また、図９（ｂ）の場合、対向領域１５は、円形状の開口と同等の面積となる正方形の１辺の長さを、Ｗ０＝Ｌ０と定義すればよい。但し、機能層３における各ヒータへの配線を考慮すると、液体供給口８や液体排出口９の形状は単純な多角形であることが好ましい。

図１０（ａ）及び（ｂ）は、上記条件を満たす梁２３を形成した本実施形態の素子基板２０の構造を説明するための図である。図１０（ａ）が吐出口２の側から見た平面図であり、同図（ｂ）は断面図である。図４（ａ）及び（ｂ）で示した第１の実施形態の構造に対し、対向領域１５のサイズは同等であるが梁２３のサイズを異ならせている。本実施形態において、梁２３のＸ方向の長さはＷ１＝３８μｍ、Ｙ方向の長さはＬ１＝８５μｍとする。

この場合、図８（ａ）～（ｃ）における横軸の値（Ｗ１／Ｗ０）は０．５１（＝３８／７５）となり、縦軸の値（Ｌ１／Ｌ０）は、０．６３（＝８５／１０１×（７５／１０１））となる。よって、図８（ａ）より、応力比は０．３～０．４の間にあることが分かる。また、図８（ｂ）より、流量比は０．９～１．０の間にあることが分かる。即ち、図１０（ａ）及び（ｂ）で示した本実施形態の構造によれば、梁２３のサイズは図８（ｃ）に示す斜線の適正領域に含まれることになる。

一方、梁１６のサイズがＷ１＝３１μｍ及びＬ１＝２０μｍである第１の実施形態の場合、横軸の値（Ｗ１／Ｗ０）は０．４１（＝３１／７５）となり、縦軸の値（Ｌ１／Ｌ０）は、０．１５（＝２０／１０１×（７５／１０１））となる。そして、この座標を図８（ｃ）にプロットすると、斜線の適正領域に含まれていない。

即ち、本実施形態によれば、図８（ｃ）に示す適正領域に含まれるような梁２３を設けることにより、オリフィスプレート１１の強度を第１の実施形態よりも更に効果的に高めることが可能となる。
（第３の実施形態）
図１１（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の素子基板２０の構造を説明するための図である。図１１（ａ）が吐出口２の側から見た平面図であり、同図（ｂ）は断面図である。図４（ａ）及び（ｂ）と同じ符号は同じ部材を示す。

本実施形態の素子基板２０において、ヒータ４の列と吐出口２の列は配列方向とは交差するＸ方向に２つ並列している。そして、これら２列の吐出口列の内側に、それぞれの吐出口列に液体を共通して供給するための共通流路７ａが配され、２列の吐出口列の外側に、それぞれの吐出口列から液体を排出するための共通流路７ｂが配されている。共通流路７ａは、液体循環ユニット５０４から液体を供給するための液体供給口８と連通し、共通流路７ｂは、液体循環ユニット５０４へ液体を排出するための液体排出口９と連通している。

以上の構成の下、液体供給口８を介して供給された液体は、共通流路７ａ及び個別流路６ａを経由して、２列それぞれの圧力室５に収容される。そして、吐出データに従ってヒータ４に電圧が印加されると、圧力室５内のインクに膜沸騰が発生し、生成された泡の成長エネルギによって、インク滴が吐出口２から吐出される。吐出されなかったインクは、個別流路６ｂ、共通流路７ｂを経由し、両側に配された液体排出口９を介して液体循環ユニット５０４に排出される。

本実施形態の共通流路７ａにおいて、対向領域１５に対応する領域には、Ｙ方向に延在する第１の梁２６が設けられている。第１の梁２６のＸ方向の長さはＷ２＝９μｍ、Ｙ方向の長さはＬ２＝１０１μｍとする。一方、液体を排出するための２つの共通流路７ｂのそれぞれには、共通流路壁１３から圧力室５に向けてＸ方向に延在する第２の梁２７が左右対称に設けられている。第２の梁２７のＸ方向の長さはＷ３＝３８μｍ、Ｙ方向の長さはＬ３＝３０μｍとする。第１の梁２６及び第２の梁２７は、流路形成層１０と同じ部材で構成されていてもよいし、別の部材で構成されていてもよい。

図１２は、第１の梁２６及び第２の梁２７を設けた場合と設けなかった場合とで、対向領域１５に作用する応力比を比較する図である。各値の算出方法については、図６で説明した方法と同様である。梁を設けない構成の応力値に対する第１の梁２６を設けた構成の応力値の比と、梁を設けない構成の応力値に対する第２の梁２７を設けた構成の応力値の比を、応力比としてそれぞれ示している。図によれば、梁を設けない構成に対し、第１の梁２６を設けた構成では応力比が０．６１となり、第２の梁２７を設けた構成では応力比が０．５８となっている。第１の梁２６や第２の梁２７を設けることにより、対向領域１５の応力を抑えオリフィスプレート１１の強度が高められることが分かる。

なお、以上では中央の液体供給口８から液体を供給し、両側の液体排出口９から液体を排出する構成で説明したが、本実施形態の素子基板２０において、液体の流れは逆転させてもよい。即ち、液体循環ユニット５０４から供給される液体を、両側の開口（液体排出口９）から素子基板２０に流入させ、中央の開口（液体供給口８）から液体を流出させてもよい。

図１３は、素子基板２０における流れの方向と流速比の関係を示す図である。本図における流速比とは、吐出口２の近傍を流れる液体の最大流速と最小流速の比を示している。流速比の値が１に近いほど、吐出口２の近傍を流れる液体の流速ばらつきが小さく、流れが安定していることを意味する。なお、流速は、図１１に示す構成についての３次元モデルを作成し、有限要素法にて時刻歴解析を実施することによって取得した。

図１３によれば、液体供給口８から液体を流入させ液体排出口９から液体を排出させた場合の流速比が０．９４であるのに対し、逆の方向で液体を流した場合の流速比が０．９０であることが分かる。これは、本実施形態の素子基板２０においては、中央の液体供給口８から液体を供給し両側の液体排出口９から液体を排出する方が、吐出口２の近傍を流れる流体の流速を安定させることができることを意味している。但し、このような流れの方向は本実施形態を限定するものではない。両側の液体排出口９（開口）から液体を流入させ、中央の液体供給口８（開口）から液体を流出させる構成であっても、オリフィスプレート１１の強度を高めるという十分な効果を得ることはできる。

以上説明したように、本実施形態によれば、中央の開口の対向領域１５にＹ方向に延在する第１の梁２６を設け、両側の２つの開口の対向領域１５のそれぞれに共通流路壁１３から圧力室５に向けてＸ方向に延在する第２の梁２７を設ける。これにより、循環する液体の流れに大きな影響を与えることなく、オリフィスプレート１１の強度を従来よりも効果的に高めることが可能となる。

なお、以上の説明では、第１の梁２６において、Ｘ方向の長さをＷ２＝９μｍ、Ｙ方向の長さをＬ２＝１０１μとした。即ち、対向領域１５のＹ方向の長さをカバーできる長さとした。しかしながら、無論、このような値は適宜変更可能である。

図１４（ａ）及び（ｂ）は、第１の梁の別例を示す図である。本例では、第１の梁２８のＸ方向の長さをＷ４＝７５μｍ、Ｙ方向の長さをＬ４＝９μとし、Ｘ方向の両端でフィルタ１２と一体化させている。このような第１の梁２８は、図１３（ａ）及び（ｂ）で説明した第１の梁２６の形状に比べ、応力比は増大するものの流速比は低減させることができる。

図１５は、本実施形態における第１の梁の更に別例を示す図である。本例の第１の梁２９は、対向領域１５の中心より±Ｘ方向に延在する２つの梁と±Ｙ方向に延在する２つの梁とを有する。このように、１つの対向領域１５に対し複数の梁を設けることにより、流速比は増大するものの、応力比は低減させることができる。

本実施形態においては、図１１、図１４及び図１５のいずれの構成も採用することができる。また、第２の梁２７についても、必ずしも左右対称に設けなくてもよい。いずれにしても、応力比と流量比が適切な範囲に収まるように、梁の形状やサイズは適宜調整されることが好ましい。

（その他の実施形態）
以上説明した実施形態では、ほぼ矩形で構成される梁について説明した。しかしながら、梁の形状は様々に変更することができる。

図１６（ａ）及び（ｂ）は、第１の変形例を示す図である。図１６（ａ）が吐出口２の側から見た平面図であり、同図（ｂ）は断面図である。両図共に、素子基板２０の対向領域１５の部分を拡大して示している。第１の変形例の梁３０は、図４（ａ）及び（ｂ）で説明した第１の実施形態の梁１６に対し、共通流路壁１３の側を更に広くしている。本例のような梁形状とすることにより、図４（ａ）及び（ｂ）と同等の流速比を保ちながら、応力を更に低減させることができる。

図１７（ａ）及び（ｂ）は、第２の変形例を示す図である。図１７（ａ）が吐出口２の側から見た平面図であり、同図（ｂ）は断面図である。両図共に、素子基板２０の対向領域１５の部分を拡大して示している。第２の変形例の梁３１は、図４（ａ）及び（ｂ）で説明した第１の実施形態の梁１６に対し、Ｙ方向の長さを更に大きくしオリフィスプレート１１との接触面積を増大させている（図１７（ａ）参照）。その一方で、圧力室５に近い側においては、Ｚ方向の厚みを薄くしている（図１７（ｂ）参照）。オリフィスプレート１１との接触面積を増大させることにより、オリフィスプレート１１の強度は高まるが、共通流路７ｂの容積が減ることに伴い流量の減少が懸念される。本例の様に、梁３１の厚みを圧力室５に近い側に段階的に薄くすることにより、液体供給口８から個別流路６ａへの流れや、個別流路６ｂから液体排出口９への流れを促すことができる。

また、以上では、ＸＹ平面において、梁の全領域が対向領域１５に含まれる形態で説明したが、梁は対向領域１５からはみ出ていてもよい。

図１８（ａ）は、梁４０の一部が対向領域１５からＸ方向にはみ出た形態を示している。このような場合、図８（ｂ）で説明した流量比については、梁４０のＸ方向の大きさＷ１を、梁４０が対向領域１５に含まれる部分の大きさＷ１´に置き換えて、横軸の値（Ｗ１´／Ｗ０）とすればよい。また、図１８（ｂ）は、梁４１の一部が対向領域１５からＹ方向にはみ出した場合を示している。このような場合、図８（ｂ）で説明した流量比については、梁４１のＹ方向の大きさＬ１を、梁４１が対向領域１５に含まれる部分の大きさＬ１´に置き換えて、縦軸の値（Ｌ１´／Ｌ０）とすればよい。

また、以上ではヒータに電圧が印加されることにより、圧力室内のインクに膜沸騰が発生し、生成された泡の成長エネルギによって、インク滴が吐出口から吐出される構成の液体吐出ヘッドを例に説明したが、インクを吐出するための構成は上記に限らない。例えば、ヒータの代わりに電圧を印加することによって体積が変化する圧電素子を配し、当該圧電素子の体積変化に応じて吐出口より液体を吐出する構成としてもよい。いずれにしても、圧力室に対応する位置にインクを吐出するためのエネルギを生成するエネルギ発生素子が配されていれば上記実施形態の効果を得ることはできる。

更に、以上説明した実施形態では、素子基板２０と液体循環ユニット５０４との間で液体を循環させる構成を前提として説明したが、液体吐出ヘッド１００内で液体を循環させることは必須の要件ではない。特許文献１のように、吐出されなかった液体を排出するための構成は備えず、吐出動作によって消費された量の液体を、液体供給口を介して補充するのみの構成としてもよい。この場合、例えば図４（ａ）及び（ｂ）の構成であれば、液体供給口８及び液体排出口９として説明した２つの開口を、いずれも液体を供給するための開口として利用すればよい。また、図１１（ａ）及び（ｂ）の構成であれば、両側の開口９と中央の開口８の全てを、液体を供給するための開口として利用すればよい。但し、以上説明した実施形態の様に、液体吐出ヘッド１００内で液体を循環させる構成であれば、素子基板２０における液体の流れの状態が、液体吐出ヘッドの吐出性能により大きな影響を与えるため、梁を設けることで一層の効果が得られると言える。

更にまた、以上では、図１及び図２を用い、フルライン型のインクジェット記録装置を例に説明したが、無論、上記実施形態で説明した素子基板２０は、シリアル型のインクジェット記録装置で採用される液体吐出ヘッドにも使用可能である。シリアル型のインクジェット記録装置の場合、液体吐出ヘッドには、１つの素子基板２０のみが配された構成であってもよいし、２つ以上の素子基板２０が配された構成であってもよい。

いずれにしても、複数の圧力室に液体を供給する流路を備えた素子基板において、液体が供給される開口に対応する領域にオリフィスプレートを支持する梁を設けることにより、オリフィスプレートの強度を高めつつ、良好な吐出動作を行うことが可能となる。

２ 吐出口
３ 機能層
４ ヒータ（エネルギ発生素子）
５ 圧力室
６ａ 個別流路（第１の個別流路）
７ａ 共通流路（第１の共通流路）
８ 液体供給口
１０ 流路形成層
１１ オリフィスプレート
１３ 流路壁
１６ 梁
２０ 素子基板（液体吐出モジュール）

Claims (19)

1. 第１の方向に配列された複数のエネルギ発生素子と、前記複数のエネルギ発生素子の列から前記第１の方向とは交差する第２の方向に離れた位置に配された第１の開口と、を有する第１の層と、
   前記第１の層の上に設けられ、前記複数のエネルギ発生素子のそれぞれに対応する位置に配された複数の圧力室と、前記複数の圧力室のそれぞれと連通する第１個別流路と、前記第１の開口に連通し前記複数の第１個別流路に共通して接続する第１共通流路と、前記第１共通流路を形成し前記第１の方向に延びる第１の流路壁と、を有する流路形成層と、
   前記流路形成層の上に設けられ、前記複数の圧力室のそれぞれと連通する複数の吐出口を有するオリフィスプレートと、
   を備え、
   前記第１の開口より供給された液体が、前記第１共通流路及び前記第１個別流路を経由して前記圧力室に収容され、前記エネルギ発生素子に電圧が印加されることによって前記吐出口から吐出されるように構成された液体吐出モジュールであって、
   前記第２の方向において、前記複数のエネルギ発生素子の列と前記第１の開口と前記第１の流路壁とがこの順に並び、
   前記流路形成層の前記第１共通流路には、前記第１共通流路の前記第１の流路壁から前記第１個別流路に向かって前記第２の方向に延在し、前記オリフィスプレートの前記第１の開口と対向する領域を支持するように構成された梁が形成されていることを特徴とする液体吐出モジュール。
2. 前記梁は、前記第１の方向において前記第１の開口の中央に位置し、前記第１の方向に対称な形状を有する請求項１に記載の液体吐出モジュール。
3. 前記第１の開口及び前記梁は、前記第１の方向の長さが前記第２の方向の長さよりも長い形状を有する請求項２に記載の液体吐出モジュール。
4. 前記第１の層は、前記第１の方向に配列された複数の前記第１の開口を有し、少なくとも１つの前記第１の開口に対応して前記梁が形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
5. 前記第１の方向において、前記第１の開口の大きさをＬ０、前記梁の大きさをＬ１とし、前記第２の方向において、前記第１の開口の大きさをＷ０、前記梁の大きさをＷ１とした場合、
   Ｌ１／Ｌ０＞７．５×１０＾（－４）×ｅｘｐ（（Ｗ０／Ｗ１）＾０．６）＋０.０４５
   の関係が満たされる請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
6. 前記第１の方向において、前記第１の開口の大きさをＬ０、前記梁の大きさをＬ１とし、前記第２の方向において、前記第１の開口の大きさをＷ０、前記梁の大きさをＷ１とした場合、
   Ｌ１／Ｌ０≦０．７５×（２×１０＾（－５）×ｅｘｐ（８×（Ｗ０／Ｗ１））＋０.４５）
   の関係が満たされる請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
7. 前記流路形成層は、前記複数の圧力室のそれぞれと連通する複数の第２個別流路と、前記複数の第２個別流路に共通して接続する第２共通流路と、前記第２共通流路を形成し前記第１の方向に延びる第２の流路壁を更に有し、
   前記第１の層は前記第２共通流路と連通する第２の開口を更に有し、
   前記流路形成層の前記第２共通流路には、前記第２共通流路の前記第２の流路壁から前記第２個別流路に向かって前記第２の方向に延在し、前記オリフィスプレートの前記第２の開口と対向する領域を支持する梁を更に有する請求項１から６のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
8. 前記第１の開口、前記第１共通流路及び前記第１個別流路と、前記第２の開口、前記第２共通流路及び前記第２個別流路とは、前記複数のエネルギ発生素子の配列に対し前記第２の方向に対称に配置されている請求項７に記載の液体吐出モジュール。
9. 前記第１の開口、前記圧力室、前記第２の開口の順に液体が流れるように構成された請求項７に記載の液体吐出モジュール。
10. 複数のエネルギ発生素子が第１の方向に配列して成り、前記第１の方向とは交差する第２の方向に離れて配置された２列のエネルギ発生素子の列と、前記第２の方向において、前記２列のエネルギ発生素子の列の外側に配された第１の開口と、前記２列のエネルギ発生素子の列の内側に配された第２の開口と、を有する第１の層と、
    前記第１の層の上に設けられ、前記複数のエネルギ発生素子のそれぞれに対応する位置に配された複数の圧力室と、前記第１の開口に連通する第１共通流路と、前記第１共通流路を形成し前記第１の方向に延びる第１の流路壁と、前記第２の開口に連通する第２共通流路と、前記第２共通流路を形成し前記第１の方向に延びる第２の流路壁と、前記複数の圧力室のそれぞれと前記第１共通流路を接続する複数の第１個別流路と、前記複数の圧力室のそれぞれと前記第２共通流路を接続する複数の第２個別流路と、を有する流路形成層と、
    前記流路形成層の上に設けられ、前記複数の圧力室のそれぞれと連通する複数の吐出口を有するオリフィスプレートと、
    を備え、
    前記第１の開口または前記第２の開口の少なくとも一方より供給された液体が、前記圧力室に収容され、前記エネルギ発生素子に電圧が印加されることによって前記吐出口から吐出されるように構成された液体吐出モジュールであって、
    前記第２の方向において、前記複数のエネルギ発生素子の列と前記第１の開口と前記第１の流路壁とがこの順に並び、
    前記流路形成層の前記第１共通流路には、前記第１共通流路の前記第１の流路壁から前記第１個別流路に向かって前記第２の方向に延在し、前記オリフィスプレートの前記第１の開口と対向する領域を支持するように構成された梁が形成されていることを特徴とする液体吐出モジュール。
11. 前記流路形成層の前記第２共通流路には、前記オリフィスプレートの前記第２の開口と対向する領域を支持するように構成された第２の梁が形成されている請求項１０に記載の液体吐出モジュール。
12. 前記梁は、前記第１の方向の幅、又は前記吐出口から液体が吐出される方向の厚みの少なくとも一方が、前記第１共通流路の流路壁から前記第１個別流路に向かって、段階的に小さくなる請求項１から１１のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
13. 前記梁の前記第２の方向における先端は、平面視で前記第１の開口と対向する前記領域内に含まれる請求項１から１２のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
14. 前記第１の方向又は前記第２の方向において、前記梁は前記第１の開口と対向する前記領域からはみ出している請求項１から１１のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
15. 前記オリフィスプレートにおいて、複数の前記吐出口は１２００ｄｐｉの密度で前記第１の方向に配列されている、請求項１から１４のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
16. 前記流路形成層と前記オリフィスプレートとが一体に形成されている、請求項１から１５のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
17. 前記エネルギ発生素子に電圧が印加されることによって、前記圧力室内の液体に膜沸騰が発生し、生成された泡の成長エネルギによって、前記圧力室内の液体が前記吐出口から吐出されるように構成された請求項１から１６のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
18. 前記第１の層の下に設けられ、前記第１の方向に並んだ複数の前記第１の開口と連通する液体供給口を有する基板を更に備える請求項１から１７のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
19. 請求項１から１８のいずれか１項に記載の液体吐出モジュールが複数、前記第１の方向に配列された液体吐出ヘッド。

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