JP2011031400A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】液体を吐出するために利用される熱エネルギを発生するヒータを有するノズルを高密度に実装した場合にも、エネルギ効率の向上とリフィル速度の向上とを両立できる液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】平面状の発熱面を有するヒータを、その発熱面が基板面に対して垂直で、かつノズル配列方向に対して直交するように、液路の側壁に配置する。これにより、ノズルの高密度実装化に対応して液路幅を狭くする場合にも、その影響を受けずにヒータの形状および寸法を定めることができ、エネルギ効率が向上する。また、発熱面の面積を確保するためにヒータひいては液路長を拡大する必要がないので、流抵抗の増大が生じず、液体のリフィル性が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、インクジェット記録に適用されるインクジェットヘッドなどの液体吐出ヘッドに関するものである。

液体吐出ヘッドは、液体の吐出口、その吐出口に連通する液路、および、液路に配されて液体を吐出するために利用されるエネルギを発生するエネルギ発生素子（以下、特にことわらない限りこれらをノズルと総称する）を有している。そして、液体吐出ヘッド、特に液体であるインクを吐出して記録を行うインクジェット記録に適用されるインクジェットヘッドでは、記録の高速化および高精細化の観点から、多数のノズルが配列されているのが一般的である。

かかる形態の液体吐出ヘッド（以下、インクジェットヘッドまたは記録ヘッドとも言う）としては、通電に応じて発熱し、インクを発泡させる熱エネルギを付与する発熱素子（以下ヒータと称する）をエネルギ発生素子として用いるものがある。かかる記録ヘッドには、ノズルが配列された基板面に実質的に平行な方向にインクを吐出するものや、実質的に垂直な方向にインクを吐出するものがあるが、いずれも平面状のヒータがノズル配列方向ないしは基板面に平行に配置されている（例えば特許文献１）。

しかしそのようにヒータがノズル配列方向に平行に配置されている構成では、ノズルの高密度実装化に伴い、ノズル配列方向に対応したヒータの寸法（ヒータ幅）が狭くなる。従って、インクに発泡を生じさせるのに十分な熱エネルギを付与するヒータ面積を確保するためには、ノズル配列方向と直交する方向のヒータの寸法（ヒータ長）を長くしなければならない。しかしながら、ヒータ幅を縮小する一方でヒータ長を拡大するにつれて、八方が生じるのに十分な熱エネルギをインクに付与できるヒータ上の面積（以下、有効発泡面積）が小さくなって行くことが知られている。このため、ヒータの有効発泡面積を確保するにはヒータ面積全体を増やす必要が生じ、これによってさらにヒータ長を拡大しなければならないことになる。すなわち、特許文献１は、複数のノズルに共通に連通してインクを供給する共通液室から各液路に配されたヒータまでの距離を一定に保ちながらノズルを高密度実装化した構成であるため、ヒータ幅に関する寸法制約が大きい。

以上に対し、特許文献２には、特許文献１とは異なる構成の記録ヘッドが開示されている。これは、吐出口に連通する円筒状液路の内壁に円筒状のヒータを設けた構成である。かかる構成では、ノズルの高密度実装化に伴って円筒状液路の内径が小さくなると、その分円筒状ヒータの径も小さくなる。従って、円筒状ヒータでインクに発泡を生じさせると、液路内のインクは相当の流抵抗を受けながら流れることになる。つまり、ノズルの高密度実装化に伴って円筒状液路の径が小さくなるほど液路内の流抵抗が大きくなるので、インクのリフィル速度が遅くなり、駆動周波数や記録速度の低下につながる。流抵抗の増大に伴うインクの吐出効率の低下を抑制し、適正な吐出状態を維持するためには、ヒータ面積を大きくする必要があるが、しかしその分ヒータの消費電力が増加する。すると、電源の大型化が必要となり、記録装置の製造価格やランニングコストの上昇につながる。また、記録ヘッドが昇温し易くなり、吐出量や吐出速度が変動し易くなるため、記録品位の低下につながる。しかも、ヒータ面積を大きくするためには円筒状ヒータの幅の拡大が不可欠であり、そのため流抵抗はさらに大きくなり、リフィル速度が低下することになるので、ヒータ面積の増大が吐出状態の適正化に結びつかないという問題もある。

特開２００３−３１１９６４号公報 特開平０５−３３８１７２号公報

本発明は、上記特許文献１，２に開示されたような従来の構造とは全く異なる構造の液体吐出ヘッドを提供し、エネルギ効率の向上とリフィル速度の向上とを両立させることを目的とする。また、本発明は、これにより、少ない消費電力で、高精細画像を品位高くかつ高速度に形成できるようにすることを目的とする。

そのために、本発明は、液体を吐出するための吐出口と、該吐出口に連通する液路と、前記液体を吐出するために利用される熱エネルギを発生する平面状の発熱面を有する発熱素子と、を具えた液体吐出ヘッドにおいて、前記発熱面が、前記液路が設けられる基板の面と垂直となるように、前記発熱素子が配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、平面状の発熱面を有するヒータを、その発熱面が基板面に対して垂直となるように配置する。これにより、ノズルの高密度実装化に対応して液路幅を狭くする場合にも、その影響を受けずにヒータの形状および寸法を定めることができ、エネルギ効率が向上する。また、発熱面の面積を確保するためにヒータひいては液路長を拡大する必要がないので、流抵抗の増大が生じず、液体のリフィル性が向上する。

本発明の一実施形態にかかる液体吐出ヘッド（記録ヘッド）を、吐出口の側から見た模式的平面図である。 正方形状のヒータを基準とし、ヒータ幅を変えたときに、当該基準の正方形ヒータの有効発泡面積を保つのに必要なヒータ面積およびヒータ長の変化をそれぞれ示す説明図である。 従来技術を適用した記録ヘッドにおいて、それぞれ、ヒータを正方形状の基準ヒータとした場合のノズルの平面図およびそのＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線の断面図である。 従来技術を適用した記録ヘッドにおいて、１２００ｄｐｉの密度で配列されたノズルで所定量のインク吐出量を実現する場合のノズル構成の２例を示す平面図である。 従来技術を適用した記録ヘッドにおいて、２４００ｄｐｉの密度で配列されたノズルで所定量のインク吐出量を実現する場合のノズル構成の例を示す平面図である。 従来技術を適用した記録ヘッドのノズルの諸元および評価の基準となる計算結果を示す説明図である。 他の従来技術を適用した記録ヘッドにおいて、６００ｄｐｉの密度で配列されたノズルで所定吐出量を実現する場合のノズルの平面図およびそのＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線の断面図である。 他の従来技術を適用した記録ヘッドにおいて、１２００ｄｐｉの密度で配列されたノズルで所定吐出量を実現する場合のノズルの平面図およびそのＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ線の断面図である。 他の従来技術を適用した記録ヘッドにおいて、１２００ｄｐｉの密度で配列されたノズルで所定吐出量を実現する場合の他のノズル構成の平面図およびそのＩＸｂ−ＩＸｂ線の断面図である。 他の従来技術を適用した記録ヘッドにおいて、２４００ｄｐｉの密度で配列されたノズルで所定吐出量を実現する場合のノズルの平面図およびそのＸｂ−Ｘｂ線の断面図である。 他の従来技術を適用した記録ヘッドのノズルの諸元および評価の基準となる計算結果を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態の特徴構成を適用した実施例１に係る記録ヘッドのノズルの平面図およびそのＸＩＩｂ−ＸＩＩｂ線の断面図である。 本発明の第１の実施形態の特徴構成を適用した実施例２に係る記録ヘッドのノズルの平面図およびそのＸＩＩＩｂ−ＸＩＩＩｂ線の断面図である。 本発明の第１の実施形態の特徴構成を適用した実施例３に係る記録ヘッドのノズルの平面図およびそのＸＩＶｂ−ＸＩＶｂ線の断面図である。 本発明の第１〜第３の実施形態を適用した記録ヘッドのノズルの諸元および評価の基準となる計算結果を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る記録ヘッドのノズルの平面図およびそのＸＶＩｂ−ＸＶＩｂ線の断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る記録ヘッドのノズルの平面図およびそのＸＶＩＩｂ−ＸＶＩＩｂ線の断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る記録ヘッドのノズルの平面図およびそのＸＶＩＩＩｂ−ＸＶＩＩＩｂ線の断面図である。

以下、図面を参照して本発明の具体的な実施形態を詳細に説明する。

１．第１実施形態
１．１ 全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係り、液体（インク）を吐出するために熱エネルギを利用する形態の液体吐出ヘッド（記録ヘッド）を、吐出口の側から見た模式的平面図である。この記録ヘッドは、Ｓｉ等の基体に、エッチング等により表裏両面を貫くインク供給孔３と、共通液室５およびこれに連通する各ノズル１０の液路１１となる溝と、が形成された基板１を有している。７は共通液室５と各液路１１との連通部付近に設けられたフィルタであり、微小な気泡や塵埃等が液路１１内に流入するのを阻止する。また、各ノズル１０の液路１１の側壁には、通電に応じて発熱することでに発泡を生じさせる発熱素子（ヒータ）１３が配置される。そして、各ノズル１０に対応して吐出口１５が形成される部材（オリフィスプレート）が基板１に密着して配されることで、記録ヘッドが構成される。

複数のノズル１０はインク供給孔３ないし共通液室５の両側に１列ずつ所定のピッチｐで配列され、これらが同じ色調のインクを吐出する吐出部を形成している。１つの吐出部に配列される２列のノズル列は互いに２分の１ピッチ（ｐ／２）だけずれて形成され、従って１ノズル列におけるノズル配列ピッチの２倍の記録密度を実現している。なお、図１においては３つの吐出部が示されているが、この数は適宜定め得るものである。また、各吐出部が吐出するインクの色調についても任意所望に定め得るものである。さらに、ノズル列はインク供給孔３ないし共通液室５の片側にのみ配されたものでもよい。

本実施形態において、ヒータ１３は液路１１の側壁に配置されている。このヒータ１３は平面状であり、その面は基板面に対して垂直で、かつノズル配列方向に対して直交する（ヒータ面の法線がノズル配列方向に平行である）ものとなっている。

図１の基板１は、概ね次のような製造工程により作製可能である。すなわち、
（１）Ｓｉ基体のエッチングにより、インク供給孔３と、共通液室５およびこれに連通する各ノズル１０の液路１１となる溝流路を形成し、
（２）ＣＶＤ装置により液路壁面に成膜し、
（３）超音波ノズル等によりレジストをミスト化して液路壁面に所定の厚みのネガレジストを塗布し
（４）テレセントリック光学照明系とＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用い、フォトマスク無しでパターンをレジスト上に形成できる露光装置で液路壁間の隙間から流路壁を斜めに照射して液路壁面のレジストにパターン潜像形成し、
（５）レジスト未露光部を除去し、
（６）エッチングにより上記（２）の工程で成膜した膜をパターニングし、
（７）レジスト露光部を除去する、
各工程を含むものである。そして、上記工程（２）〜（７）を蓄熱層、ヒータ膜、配線、保護膜等について順次必要なパターニングを行うことにより、液路壁面にインクを加熱し発泡させることができるヒータを設けることができる。その後、吐出口１５を設けたオリフィスプレートを基盤１に接合することで、記録ヘッドが完成する。なお、ノズル寸法を適切に選択すること等により、後述する実施例１〜３等のように所望の密度を有する記録ヘッドを形成することができる。

１．２ 記録ヘッドの従来例の評価
本発明者は、まず特許文献１および２に記載された従来技術に係る記録ヘッドを作製し、次のように評価を行った。

特許文献１に係る記録ヘッドの問題点
特許文献１に開示されたような記録ヘッドでは、上述したように、ノズルの高密度実装化に対応するためにヒータ長を長くして行くと、発泡に寄与しないヒータ周縁部がヒータ面積に対して占める割合が大きくなる。これは、ヒータ周縁部は通電時に発生する熱が逃げ易く温度が低下してしまうため、ヒータの内側部分上のみで発泡が生じ、ヒータ端から内側２μｍ程度の領域上では発泡が生じないことによる。以下、この発泡が生じない領域を額縁領域、実際に発泡が生じて吐出に寄与するヒータ内側の領域を有効発泡領域（その面積が上述した有効発泡面積である）と呼称する。

図２（ａ）は、ヒータ幅２６μｍ、ヒータ長２６μｍの正方形状のヒータを基準とし、ヒータ幅を変えたときに、当該正方形ヒータの有効発泡面積４８４μｍ²（額縁領域の幅２μｍに対応した面積を除いた分）を保つのに必要なヒータ面積を示すグラフである。このグラフより明らかなように、ヒータ幅が１５μｍ程度以下となると急激に効率が低下し、必要なヒータ面積が大幅に増大してしまうことがわかる。また、このときのヒータ長の変化を図２（ｂ）に示す。ヒータ面積と同様に、ヒータ幅が１５μｍ程度以下となるとヒータ長が非常に長くなっているのがわかる。この結果、上述したような問題が生じるのであり、これは特に２４００ｄｐｉ（ドット／インチ；参考値）以上の密度でノズルを配列する場合に顕著になる。これをさらに詳細に説明する。

図３（ａ）および（ｂ）は、特許文献１に記載の技術を適用した記録ヘッドにおいて、それぞれ、ヒータ１３を正方形状の基準ヒータとした場合のノズル１０の平面図およびそのＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線の断面図である。ここで、隣接ノズル間のヒータ中心間距離は４２．３μｍ（１／６００ｄｐｉに相当）、隣接する液路１１の間を区画する液路壁１２の厚みは１０μｍ、液路奥側の壁１４とヒータ１３とのクリアランスは２μｍである。６００ｄｐｉの密度で配列されたノズルで例えば５．７ｐｌのインク吐出量を実現する場合、典型的なヒータ寸法は幅Ｙｌ＝２４μｍ、長さＸｌ＝２４μｍの正方形状である。従って、ヒータ面積は５７６μｍ²、ヒータの有効発泡面積は４００μｍ²（額縁領域の幅２μｍに対応した面積を除いた分）となる。以下、この構成の記録ヘッドを「従来例１」と称する。

次に、図４（ａ）は、特許文献１に記載の技術を適用した記録ヘッドにおいて、１２００ｄｐｉの密度で配列されたノズルで５．７ｐｌのインク吐出量を実現する場合のノズルの平面図である。この場合、隣接ノズル間のヒータ中心間距離は２１．２μｍ、液路壁の厚みおよび液路奥壁とヒータとのクリアランスは従来例１と同じで、それぞれ１０μｍおよび２μｍである。この構成で額縁領域の幅２μｍを考慮してヒータの有効発泡面積を従来例１の場合（４００μｍ²）と等しくするには、ヒータ幅Ｙｍ＝７．２μｍ、ヒータ長１３０μｍが必要となり、このときのヒータ面積は９３４μｍ²となる。これは、従来例１のヒータ面積５７６μｍ²の１．６２倍であり、従ってヒータの消費電力も１．６２倍と大幅に増加する。また、ヒータ長が１３０μｍと非常に長くなるので、液路を１３０μｍ以上の長さにする必要が生じる。その結果、液路の流抵抗が大幅に増加し、リフィル時間が大幅に長くなる。また、液路が長くなった分だけ基板１の寸法も大型化する。

これに対して、図４（ｂ）に示すような構成で１２００ｄｐｉのノズル配列密度を実現すると、上記課題が改善される。図４（ｂ）に示すノズルは、同図（ａ）に示すノズルに対し、液路壁１２の厚み、ヒータと液路奥壁とのクリアランス、および、ヒータと液路壁とのクリアランスをすべて１μｍまで狭くした構成とされている。この構成では、ヒータ幅Ｙｍを１８．２μｍまで広くできるので、ヒータ長Ｘｍは３２μｍまで短くできる。その結果、ヒータ面積を５８６μｍ²まで小さくでき、ヒータの消費電力は図３（ａ）に示した従来例１のノズル（６００ｄｐｉ）のヒータ１３の１．０２倍程度とほぼ同等にできる。

しかし、図５に示すようにさらに２４００ｄｐｉのノズル配列密度とする場合を考えると、図４（ｂ）と同様に液路壁の厚み、ヒータと液路奥壁とのクリアランス、および、ヒータと液路壁とのクリアランスをすべて１μｍまで狭くしても所期の効果は得られない。つまり、ヒータ幅Ｙｈは７．６μｍに制限され、ヒータ長Ｘｈは１１６μｍまで長くなるからである。その結果、ヒータ面積は８７７μｍ²となり、図３（ａ）に示した従来例１のノズル（６００ｄｐｉ）のヒータ１３の１．５２倍と大幅に増加することになる。

図６は、特許文献１に開示の技術を適用して５．７ｐｌのインク吐出量を実現する場合の、以上の構成の諸元および評価基準となる計算結果をまとめたものである。ここで、「６００ｄｐｉ」、「１２００ｄｐｉ ｔｙｐｅＡ」、「１２００ｄｐｉ ｔｙｐｅＢ」および「２４００ｄｐｉ」の欄は、それぞれ、図３（ａ）、図４（ａ）、図４（ｂ）および図５の構成に対応している。このように、５．７ｐｌの吐出量を実現する場合において、従来例１に示す構成でノズルを１２００ｄｐｉ以上あるいは２４００ｄｐｉ以上に高密度実装していくと、ヒータ幅が狭く制限される。そしてこれにより、ヒータの面積が増加し、ヒータの消費電力が増加することがわかる。また、ヒータ長が長くなることによって液路長も長くなり、リフィル時間が長くなることがわかる。さらに、液路が長くなった分だけ基板寸法が大型化することは勿論である。なお、上述の構成は５．７ｐｌの吐出量を実現する場合であるが、吐出量が５．７ｐｌ以下の小液滴、例えば２．８ｐｌ〜０．６ｐｌの小液滴を実現する場合においても傾向は同様であり、同様の問題が顕在化する。

特許文献２に係る記録ヘッドの問題点
特許文献２に開示されたような記録ヘッドでは、上述したように、ノズルの高密度実装化に対応するために円筒状液路の径を小さくなるほど液路内の流抵抗が大きくなるために、上述したような問題が生じる。そしてこれは、特に２４００ｄｐｉ以上の密度でノズルを配列する場合に顕著になる。これを詳細に説明する。

まず、液路の流抵抗は、
流抵抗＝インク粘度×液路の断面係数×液路長／液路断面積²
で表され、以下ではインク粘度を２０［Ｐａ・ｓ］として説明する。なお、上記従来例１の場合の流抵抗は、液路幅および液路高をそれぞれ３２．３μｍおよび１４μｍ（従って液路断面積＝４５２μｍ²）、液路長を２０μｍ、断面係数を３８とすると、７．３×１０^-2［ｋＰａ・μｓ／μｍ³］となる。

図７（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、特許文献２に記載の技術を適用した記録ヘッドにおいて吐出量５．７ｐｌを実現する場合のノズルの平面図およびそのＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線の断面図である。ここで、１１１、１１３および１１５は、それぞれ、円筒状液路、円筒状ヒータおよび吐出口であり、これらがノズルを構成する。また、１０５は液路１１１に連通する液室、１１２は液路を画成する液路壁である。そして、隣接する円筒状ノズル中心間距離は４２．３μｍ（１／６００ｄｐｉに相当）、液路壁の厚みは１０μｍ、円筒液路径は３２．３μｍであり、円筒状液路断面積は８２１μｍ²である。また、５．７ｐｌの吐出量を実現するための、従来例１における幅２４μｍ×長さ２４μｍの正方形状ヒータと同じヒータ有効発泡面積を有する円筒状ヒータの寸法は円周方向長さが１０２μｍ、吐出口方向の幅Ｗｌが７．９μｍとなる。この円筒状液路の円筒状ヒータ部の幅Ｗｌ＝７．９μｍ分の流抵抗は、インク粘度を２０［Ｐａ・ｓ］、断面係数を２８とすると、６．７×１０^-3［ｋＰａ・μｓ／μｍ³］となる。すなわちこの場合は、図３（ａ）および（ｂ）に示した従来例１の構成の流抵抗より小さくなる。

次に、図８（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、特許文献２に記載の技術を適用した記録ヘッドにおいて、１２００ｄｐｉの密度で配列されたノズルで吐出量５．７ｐｌを実現する場合のノズルの平面図およびそのＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ線の断面図である。ここで、隣接する円筒状ノズル中心間距離は２１．２μｍ、液路壁の厚みは１０μｍ、円筒状液路径は１１．２μｍであり、円筒状液路断面積は９８μｍ²である。また、５．７ｐｌの吐出量を実現するための、従来例１における幅２４μｍ×長さ２４μｍの正方形状ヒータと同じヒータ有効発泡面積を有する円筒状ヒータの寸法は円周方向長さが３５μｍ、吐出口方向の幅Ｗｍが１５．４μｍとなる。この円筒状液路の円筒状ヒータ部の幅Ｗｍ＝１５．４μｍ分の流抵抗は９．１×１０^-1［ｋＰａ・μｓ／μｍ³］となり、図３（ａ）および（ｂ）に示した従来例１の構成の流抵抗の１２．５倍と大幅に増加する。従って、この構成で適正な吐出状態を維持するためにはヒータ面積を上述の寸法より大幅に大きくする必要があり、ヒータの消費電力が大幅に増加する。また、円筒状ヒータ部の大きい流抵抗によってリフィル速度は大幅に低下し、駆動周波数が低下する。さらに、適正な吐出状態を維持するためにヒータ面積を大きくすると円筒状ヒータの幅Ｗｍがさらに広がるため、円筒状ヒータ部の流抵抗は一層大きくなり、リフィル速度がさらに低下することになる。

これに対して、図９（ａ）および（ｂ）に示すような構成で１２００ｄｐｉのノズル配列密度を実現すると、上記課題が改善される。これらの図に示す構成のノズルは、隣接する円筒状ノズル中心間距離は２１．２μｍであるが、液路壁の厚みを１μｍまで狭くしている。そのため、円筒状液路径は２０．２μｍまで大きくなり、円筒状液路断面積は３１９μｍ²まで増加する。５．７ｐｌの吐出量を実現するための、従来例１における幅２４μｍ×長さ２４μｍの正方形状ヒータと同じヒータ有効発泡面積を確保する円筒状ヒータの寸法は、円周方向長さが６３μｍ、吐出口方向の幅Ｗｍが１０．３μｍとなる。この円筒状ヒータ部の幅Ｗｍ＝１０．３μｍ分の流抵抗は５．７×１０^-2［ｋＰａ・μｓ／μｍ³］となり、図３（ａ）および（ｂ）に示した従来例１の構成の流抵抗より小さくなる。

しかし、図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、さらに２４００ｄｐｉのノズル配列密度とする場合を考えると、所期の効果は得られない。図１０（ａ）および（ｂ）に示す円筒状液路構成のノズルは、液路壁の厚みは１μｍと狭いものの、隣接する円筒状ノズル中心間距離が１０．６μｍと狭くなるため、円筒状液路径は９．６μｍ、円筒状液路断面積は７２μｍ²となる。さらに、５．７ｐｌの吐出量を実現するための、従来例１における幅２４μｍ×長さ２４μｍの正方形状ヒータと同じヒータ有効発泡面積を確保する円筒状ヒータの寸法は、円周方向長さが３０μｍ、吐出口方向の幅Ｗｈが１７．３μｍとなる。この円筒状ヒータ部の幅Ｗｈ＝１７．３μｍ分の流抵抗は１．９［ｋＰａ・μｓ／μｍ³］となり、図３（ａ）および（ｂ）に示した従来例１の構成の流抵抗の２６倍と大幅に増加する。

図１１は、特許文献２に開示の技術を適用して５．７ｐｌのインク吐出量を実現する場合の、以上の構成の諸元および評価基準となる計算結果を従来例１の場合とともにまとめたものである。ここで、「円筒流路」の欄が以上の計算結果に対応したものであり、そのうち「６００ｄｐｉ」の欄が図７（ａ）および（ｂ）の構成に対応している。また、「１２００ｄｐｉ ｔｙｐｅＡ」、「１２００ｄｐｉ ｔｙｐｅＢ」および「２４００ｄｐｉ」の欄は、それぞれ、図８（ａ），（ｂ）、図９（ａ），（ｂ）、および図１０（ａ），（ｂ）の構成に対応している。このように、特許文献２に開示された構成で適正な吐出状態を維持するためにはヒータ面積を上述の寸法より大幅に大きくする必要があり、これによってヒータの消費電力が大幅に増加することが理解される。また、円筒状ヒータ部の非常に大きい流抵抗によってリフィル速度は大幅に低下し、駆動周波数が低下することが理解される。さらに、適正な吐出状態を維持するためにヒータ面積を大きくすると円筒状ヒータの幅がさらに広がるため、円筒状ヒータ部の流抵抗は一層大きくなり、リフィル速度がさらに低下することが理解される。なお、上述の構成は５．７ｐｌの吐出量を実現する場合であるが、吐出量が５．７ｐｌ以下の小液滴、例えば２．８ｐｌ〜０．６ｐｌの小液滴を実現する場合においても傾向は同様であり、同様の問題が顕在化する。

１．３ 記録ヘッドの実施例
以上に対し、本実施形態は、平面状のヒータ１３が液路１１の側壁に配置され、その面は基板面に対して垂直で、かつノズル配列方向に対して直交する（ヒータ面の法線がノズル配列方向に平行である）ことを主たる特徴としている。以下、上述した従来構成の各ノズルに対応して構成した具体的な実施例を説明する。

図１２（ａ）および（ｂ）は、本実施形態の特徴構成を適用した実施例１に係る記録ヘッドのノズルの平面図およびそのＸＩＩｂ−ＸＩＩｂ線の断面図である。ここで、隣接ノズル間のヒータ中心間距離は４２．３μｍ（１／６００ｄｐｉに相当）、隣接する液路１１の間を区画する液路壁１２の厚みは１０μｍ、液路奥側の壁１４とヒータ１３とのクリアランスは２μｍ、液路長は２０μｍ、液路幅は３２．３μｍである。すなわち、６００ｄｐｉの密度で配列されたノズルで５．７ｐｌのインク吐出量を実現する従来例１の構成（図３（ａ），（ｂ））に対応したものとなっている。ヒータ形状および寸法についてもこれと同等であり、幅Ｙｌ＝２４μｍ、長さＸｌ＝２４μｍの正方形状のヒータであるが、本実施例のヒータ１３は液路１１の一側壁に配されている。本実施例の液路高の寸法は、吐出口下端１５Ａとヒータ１３とのクリアランス（２μｍ）、ヒータ幅Ｙｌ（２４μｍ）、および。ヒータ１３と基板１の面とのクリアランス（４μｍ）とを加算した値（３０μｍ）となっており、その分、断面係数は小さくなる。以上から、断面係数を２９、インク粘度を２０［Ｐａ・ｓ］として本実施例の液路の流抵抗を計算すると１．２×１０^-2［ｋＰａ・μｓ／μｍ³］となり、図３（ａ）および（ｂ）に示した従来例１の構成の流抵抗より小さくなる。

図１３（ａ）および（ｂ）は、本実施形態の特徴構成を適用した実施例２に係る記録ヘッドのノズルの平面図およびそのＸＩＩＩｂ−ＸＩＩＩｂ線の断面図である。ここで、隣接ノズル間のヒータ中心間距離は２１．２μｍ（１／１２００ｄｐｉに相当）である。また、隣接する液路１１の間を区画する液路壁１２の厚み、液路奥側の壁１４とヒータ１３とのクリアランス、および、吐出口下端とヒータとのクリアランスは実施例１と同じで、それぞれ、１０μｍ、２μｍおよび２μｍである。また、液路長は実施例１の場合の１／２である１０μｍとした。

本実施例の場合、ノズル配列密度を１２００ｄｐｉとすることで隣接ノズル間のヒータ中心間距離は２１．２μｍと狭くなり、液路幅も１１．２μｍに大幅に狭くなったが、ヒータ１３を液路壁に設けてあるので、ヒータの形状および寸法はその影響を受けない。従って、実施例１と全く同じ形状および寸法のヒータとしてある。これによって、消費電力の上昇を全く伴わずに、高いエネルギ効率を得ることが可能となっている。液路幅が狭くなっている分、流抵抗の式に代入される断面係数は４１と大きくなるが、実施例１と同様に本実施例の液路の流抵抗を計算すると７．４×１０^-2［ｋＰａ・μｓ／μｍ³］となる。これは、図３（ａ）および（ｂ）に示した従来例１の構成の流抵抗とほぼ同じになっている。従って、ノズルの配列密度を２倍にしながらも、リフィル速度を従来例１と同等に保つことが可能となっている。その結果、駆動周波数を低下させずに、ノズルの高密度実装化が可能となっている。

図１４（ａ）および（ｂ）は、本実施形態の特徴構成を適用した実施例３に係る記録ヘッドのノズルの平面図およびそのＸＩＶｂ−ＸＩＶｂ線の断面図である。ここで、隣接ノズル間のヒータ中心間距離は１０．６μｍ（１／２４００ｄｐｉに相当）である。また、液路奥側の壁１４とヒータ１３とのクリアランス、および、吐出口下端とヒータとのクリアランスは実施例１と同じで、ともに２μｍである。液路壁１２の厚みは、ヒータの保護膜の厚み（例えば０．４５μｍ）、ヒータの厚み（例えば０．０５μｍ）、蓄熱層の厚み（例えば１．５μｍ）を確保して、２μｍとしてある。従って、液路幅は８．６μｍとなる。また、液路長は実施例１の場合の１／４である５μｍとした。

本実施例の場合、ノズル配列密度を２４００ｄｐｉとすることで隣接ノズル間のヒータ中心間距離は１０．６μｍと狭くなり、液路幅も８．６μｍと大幅に狭くなったが、ヒータ１３を液路壁に設けてあるので、ヒータ寸法はその影響を受けない。従って、実施例１と全く同じ形状および寸法のヒータとしてある。これによって、消費電力の上昇を全く伴わずに、高いエネルギ効率を得ることが可能となっている。液路幅が狭くなっている分、流抵抗の式に代入される断面係数は５０と大きくなるが、実施例１と同様に本実施例の液路の流抵抗を計算すると７．６×１０^-2［ｋＰａ・μｓ／μｍ³］となる。これは、図３（ａ）および（ｂ）に示した従来例１の構成の流抵抗とほぼ同じになっている。従って、ノズルの配列密度を４倍にしながらも、リフィル速度を従来例１と同等に保つことが可能となっている。その結果、駆動周波数を低下させずに、ノズルのさらなる高密度実装化が可能となっている。

図１５は、実施例１〜実施例３の構成の諸元および評価基準となる計算結果を従来例１の場合とともにまとめたものである。ここで、「液路壁面ヒータ」の欄に上述の計算結果に対応したものが示されており、そのうち「６００ｄｐｉ」の欄が図１２（ａ）および（ｂ）の構成に対応している。また、「１２００ｄｐｉ」が図１３（ａ）および（ｂ）の構成に、「２４００ｄｐｉ ｔｙｐｅ Ａ」が図１４（ａ）および（ｂ）の構成に対応している。このように、本実施形態の構成によれば、液路壁厚みを充分に厚く確保する一方、ヒータは最も効率の良い正方形状のものを採用できる。かつ、流抵抗を増加させることなく、１２００ｄｐｉひいては２４００ｄｐｉという高密度実装化に対応することが可能となる。その結果、エネルギ効率が高く、かつ高いリフィル速度を有する構造のノズルを高密度に実装した記録ヘッドを実現することが可能となる。従って、消費電力を増加させずに、高駆動周波数で高精細の記録が可能となり、電力コストや電源コストを低く維持し、記録ヘッドの昇温を抑制し、吐出特性を良好な状態に保ちながら高品位な画像を高いスループットで出力することが可能となる。

なお、実施例１〜実施例３の構成はすべて５．７ｐｌの吐出量を得る際の構造であるが、５．７ｐｌより小さい吐出量を得るノズルはヒータ寸法が小さくなることを意味するので、本実施形態の特徴構成をより容易に適用できるようになることは勿論である。これは、以下に述べる第２〜第４の実施形態についても同様である。

２．第２実施形態
図１６（ａ）および（ｂ）は、第２の実施形態に係る記録ヘッドのノズルの平面図およびそのＸＶＩｂ−ＸＶＩｂ線の断面図である。本実施形態は、対向する液路側壁に、吐出口を中心に対称にヒータを設けたことに特徴があり、これによって吐出口位置に対する発泡位置の対称性が保たれ、吐出される液滴の飛翔方向が安定化する。ここで、隣接ノズル間のヒータ中心間距離は１０．６μｍ（１／２４００ｄｐｉに相当）である。また、液路奥側の壁１４とヒータ１３とのクリアランス、および、吐出口下端とヒータとのクリアランスは第１実施形態の実施例１と同じで、ともに２μｍである。液路壁１２の厚みは、ヒータの保護膜の厚み（例えば０．４５μｍ）、ヒータの厚み（例えば０．０５μｍ）、蓄熱層の厚み（例えば１．５μｍ）を確保して、３μｍとしてあり、従って、液路幅は７．６μｍとなる。また、液路長は実施例１の場合の１／４である５μｍとした。液路高はこれまで説明してきた構成より１０μｍ高い４０μｍとした。

本例において、液路両側の液路壁１２のそれぞれに、幅Ｙｌ＝１８μｍ、長さＸｌ＝１８μｍの正方形状のヒータ１３を設けてある。これによって、従来例１における幅２４μｍ×長さ２４μｍの正方形状ヒータと同等の５．７ｐｌの吐出量を得るのに必要な有効発泡面積を確保してある。この構成ではヒータ面積は６４８μｍ²となり、従来例１に係るヒータより消費電力は１２．５％増加するが、従来例１に対応した２４００ｄｐｉの構成に係るヒータでは消費電力が５２％増加することに比べれば（図６参照）、消費電力は格段に低いものである。一方、本例の流抵抗は７．７×１０^-2［ｋＰａ・μｓ／μｍ³］となり、これは、図３（ａ）および（ｂ）に示した従来例１の構成の流抵抗とほぼ同じになっている。本例についての計算結果は、図１５の「２４００ｄｐｉ ｔｙｐｅ Ｂ」の欄に示されている。

本実施形態でも上述した第１実施形態と同様の効果が得られる。また、本例の構成では吐出口を中心に対称にヒータを設けてあるので、吐出口から吐出される液滴が受ける力が吐出口を中心に対称となり、液滴は吐出口面に対し垂直に吐出されて行くことになる。その結果、記録媒体上での着弾位置が安定化し、高品位な画像を一層安定して形成することが可能となる。

３．第３実施形態
図１７（ａ）および（ｂ）は、第３の実施形態に係る記録ヘッドのノズルの平面図およびそのＸＶＩＩｂ−ＸＶＩＩｂ線の断面図である。本実施形態は、液路の両側壁にヒータが配置されるが、隣接ノズル間のヒータが共用されること、すなわち両面が発熱するヒータ１３’が設けられていることに特徴がある。ここで、１つの液路の両側にある２個のヒータ１３’の面がともに発熱した場合にはインクが吐出されるが、一方のヒータ面だけ発熱した場合の発泡ではインクが吐出できず、吐出口に形成されているインクのメニスカスが振動するだけに終わる構成とされる。これによって、記録データに応じインク吐出を行わないノズルから不本意な吐出が生じるのを抑制することができる。また、インク吐出を行うノズルに隣接する、インク吐出を行わないノズルのメニスカスを振動させることで、その吐出口先端部分のインクの粘度増加を軽減しインクの粘度増加に伴って発生する吐出不良を抑制できる。

本例において、隣接ノズル間のヒータ中心間距離は１０．６μｍ（１／２４００ｄｐｉに相当）である。また、液路奥側の壁１４とヒータ１３とのクリアランス、および、吐出口下端とヒータとのクリアランスは第１実施形態の実施例１と同じで、ともに２μｍである。液路壁１２の厚みは、例えばヒータ１３'の厚みを０．０５μｍとするとともに、その両面のそれぞれに保護膜の厚みおよび蓄熱層の厚み（例えばともに０．４７５μｍ）を確保して１μｍとしてあり、従って、液路幅は７．６μｍとなる。また、液路壁が薄くなった分、液路長は実施例１の構成より長くでき、これを７μｍとした。また、液路高は３０μｍとした。

本例のヒータ１３'は、幅Ｙｌ＝１８μｍ、長さＸｌ＝１８μｍの正方形状を有する。これによって、全ノズルから吐出を行う場合には、第２実施形態に係る構成の約１／２の電力で済み、大幅に消費電力を減らすことができる。また、本例の流抵抗は７．８×１０^-2［ｋＰａ・μｓ／μｍ³］となり、これは、図３（ａ）および（ｂ）に示した従来例１の構成の流抵抗とほぼ同じになっている。本例についての計算結果は、図１５の「２４００ｄｐｉ ｔｙｐｅ Ｃ」の欄に示されている。

本実施形態でも上述した各実施形態と同様の効果が得られる。また、本例の構成ではインク吐出を行わないノズルのメニスカスを振動させることで、その吐出口先端部分のインクの粘度増加を軽減しインクの粘度増加に伴って発生する吐出不良を抑制できる。この結果、回復処理によってインクを排出する回数が減り、記録のスループット向上と廃インク量の低減とが可能となり、記録装置のランニングコスト低減に資することができる。

４．第４実施形態
図１８（ａ）および（ｂ）は、第４の実施形態に係る記録ヘッドのノズルの平面図およびそのＸＶＩＩＩｂ−ＸＶＩＩＩｂ線の断面図である。本実施形態は、実施例１と同様の構成を有するが、吐出口１５を液路の長さ方向の中心軸から液路の片側の壁面に設けたヒータ１３に偏倚させてオフセット配置したことに特徴がある。

吐出口１５がヒータ位置から遠くなると、ヒータ１３で気泡を生成させたときに液滴はノズル配列方向への力を受けるので、基板面に対して斜めに吐出される。その際、吐出液滴のいわゆる尾引き部分がノズル配列方向に非対称な力を受けるため、尾引き部分が曲がり易く、その結果、分離したサテライトの着弾位置の乱れが生じ、画像品位の低下を生じさせる恐れがある。一方、吐出口１５をヒータ位置に近づけると、吐出口中心とヒータ中心とを結ぶ直線とノズル配列方向の直線とが成す角度が基板面に対して垂直に近づくことになる。従って、ヒータで気泡を生成させたとき、液滴はノズル配列方向ないし基板面に対してより垂直に近い方向の力を受けるので、より垂直に吐出される。これによって、吐出液滴のいわゆる尾引き部分はノズル配列方向に非対称な力を受けることが少なくなり、尾引き部分が曲がりにくく、その結果、サテライトの着弾位置が安定化することになるのである。

本実施形態でも上述した各実施形態と同様の効果が得られることに加え、サテライトの着弾位置を安定化することで、品位の高い画像形成が可能となる。

５．その他
以上、種々の実施形態ないしは実施例に基いて本発明を説明したが、以上で述べられた数値は単に例示であることは言うまでもない。

また、以上ではノズルが配列された基板面に実質的に垂直な方向にインク（液体）を吐出する形態の記録ヘッド（液体吐出ヘッド）に本発明を適用した場合について説明した。しかし本発明は、実質的に平行な方向にインクを吐出する形態の液体吐出ヘッドにも適用可能であることは勿論である。

さらに、以上では平面状ヒータを、その発熱面が基板面に対して垂直かつノズル配列方向に対して直交する方向を向くように配置した。しかし、液路幅が狭くなってもその影響を受けず、全面積に対する有効発泡面積の比率が高い形状とでき、かつ発泡により生じる力が液体を吐出させる方向に有効に作用させることができるのであれば、発熱面がノズル配列方向を向いていることを必須としない。例えば、図１２（ａ）および（ｂ）に示した構成において、ヒータ１３を液路１１の奥側の壁１４に配置することも可能である。

１ 基板
１０ ノズル
１１ 液路
１２ 液路壁
１３、１３’ 発熱素子（ヒータ）
１５ 吐出口

Claims (9)

1. 液体を吐出するための吐出口と、該吐出口に連通する液路と、前記液体を吐出するために利用される熱エネルギを発生する平面状の発熱面を有する発熱素子と、を具えた液体吐出ヘッドにおいて、
   前記発熱面が、前記液路が設けられる基板の面と垂直となるように、前記発熱素子が配置されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 複数の前記液路が配列され、前記発熱面が前記複数の液路の配列方向と直交するように前記発熱素子が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記発熱素子は前記基板と垂直な前記液路の壁面に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記発熱素子は、前記壁面と、これに対向する壁面とに配置されていることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記壁面に配置される前記発熱素子と、前記対向する壁面に配置される前記発熱素子とが、前記吐出口を中心に対称に位置することを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
6. 両面に前記発熱面を有する前記発熱素子が、隣接する前記液路を区画する壁に配置されていることを特徴とする請求項４または５に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記吐出口は、前記液路の長さ方向の中心軸から、前記発熱素子が配置される前記壁面の側に偏倚して配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記複数の液路の配列密度が１２００ｄｐｉ以上であることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記複数の液路の配列密度が２４００ｄｐｉ以上であることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。

Images