(57)【要約】【課題】ノズルへのインク充填を行う場合の吐出口でのオーバーシュート現象を抑制し、吐出口に安定した状態のメニスカスを速やかに復帰させる構造を有するインクジェット記録ヘッドを提供する。【解決手段】インク吐出ノズル９は、ノズル径が最小に絞られた絞り部９ａを有し、この絞り部９ａを径の変極点とし、発泡室２側から変極点に向かうまでのノズル径はテーパ状に吐出方向に縮小し、変極点を境にして吐出方向にノズル径がテーパ状に広がっている。この広がっている部分のテーパ角度をインクと吐出口プレート部材との接触角より小さくすることにより、インクはインク吐出ノズルの先端まで充填される。【選択図】　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギーにより液体に気泡を発生させるための複数の電気熱変換素子と、前記電気熱変換素子が配置された複数の発泡室と、前記各発泡室に液体を導くための複数の供給路と、前記各発泡室をヘッド外部に連通させる複数のノズルとを有するインクジェット記録ヘッドにおいて、
前記ノズルは、液体の吐出方向に径が縮小している縮小部と、液体の吐出方向に径が前記縮小部を越えてからノズル先端まで広がっている広がり部とを有し、前記ノズルの先端まで前記液体が充填されることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項２】
前記縮小部と前記広がり部の間に径の変わらない部分がある、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項３】
熱エネルギーにより液体に気泡を発生させるための複数の電気熱変換素子と、前記電気熱変換素子が配置された複数の発泡室と、前記各発泡室に液体を導くための複数の供給路と、前記各電気熱変換素子の配置面と交差する方向に前記各発泡室をヘッド外部に連通させる複数のノズルとを有するインクジェット記録ヘッドにおいて、
前記ノズルは、液流を制御する流体制御部と、液体の吐出方向に径が前記流体制御部を越えてからノズル先端まで広がっている広がり部とを有することを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項４】
前記発泡室、前記供給路および前記ノズルを形成する基板の表面に撥水材が設けられており、
前記ノズルの広がり部の、前記基板の垂線方向のノズル長さが、前記撥水材の厚みよりも厚い、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項５】
前記基板の垂線に対する前記ノズルの広がり部の角度は液体と前記基板の接触角よりも小さい、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項６】
前記基板の垂線に対する前記ノズルの広がり部の角度は３０度以下である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項７】
前記ノズルの広がり部の、前記基板の垂線方向のノズル長さが１〜５μｍである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項８】
熱エネルギーにより液体に気泡を発生させるための複数の電気熱変換素子と、前記電気熱変換素子が配置された複数の発泡室と、前記各発泡室に液体を導くための複数の供給路と、前記各発泡室をヘッド外部に連通させる複数のノズルとを有するインクジェット記録ヘッドにおいて、
前記ノズルの先端に張られるインクのメニスカスの径が前記ノズルの最小径よりも大きいことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項９】
熱エネルギーにより液体に気泡を発生させるための複数の電気熱変換素子と、前記電気熱変換素子が配置された複数の発泡室と、前記各発泡室に液体を導くための複数の供給路と、前記各発泡室をヘッド外部に連通させる複数のノズルとを有するインクジェット記録ヘッドにおいて、
前記ノズルは、液体の吐出方向に径が縮小している縮小部と、液体の吐出方向に径が前記縮小部を越えてからノズル先端まで広がっている広がり部とを有し、前記ノズルの先端の開口径でなく、ノズルの最小径によって吐出液滴の体積が決まることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項１０】
前記広がり部はドライエッチングで形成されている、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項１１】
前記気泡を大気に連通させてインクを吐出するインクジェット記録ヘッドである、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクを吐出してインク液滴を形成し、記録を行うインクジェット記録装置に用いるインクジェット記録ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリンタや複写機、ファクシミリ等のプリント装置では、画像情報に基づいて、紙やプラスチック薄板、あるいは布帛などのプリント媒体上にドットパターンからなる画像をプリントしていくように構成されている。
【０００３】
かかるプリント装置は、そのプリント方式によってインクジェット方式，ワイヤドット方式，サーマル方式及びレーザビーム方式などに分けることができる。
【０００４】
そのうち、インクジェット方式によるものは、プリントヘッドからプリント媒体上にインクを吐出してプリント（記録）を行うものであり、高精細な画像を高速でプリントすることができ、さらに、ノンインパクト方式であるため騒音が少なく、しかも多色のインクを使用してカラー画像をプリントするのが容易であるなどの利点を有している。インクジェット方式の中でも、特に、インクをヒータで膜沸騰させたときの発泡エネルギーによりインクをノズルから吐出するいわゆるバブルジェット方式が有効である。
【０００５】
さらに、バブルジェットプリント方式は、高解像度および高速プリントを実現するために、高周波数で駆動をする必要がある。そこで、インクジェットプリントヘッドの吐出部からインクを吐出させた後に、吐出部へのインクの再充填を高速に行う必要がある。
【０００６】
図１３にバブルジェット方式のインクジェット記録ヘッドを示す。この図に示すようにバブルジェットプリントヘッドは基板１０１の上層に電気熱変換素子であるヒータ１０２を有する。そして基板１０１上には、ヒータ１０２上に位置する空間部であるインク発泡室１０３と、発泡室１０３からインクを所定の方向に吐出させるためのインク吐出ノズル１０４と、発泡室１０３にインク供給室１０５からインクを導くインク供給路１０６とを形成する平板状の流路構成部材１０７が設けられている。なお、本明細書では、発泡室１０３から、インク液滴をヘッド外部に吐出する開口である吐出口１０８までの間の部分をインク吐出ノズルと記述する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１３に示すようなバブルジェット方式においては、まず、インク吐出ノズル１０４よりインク滴を吐出した後には図１３（ａ）に示すようにメニスカスが後退し、そのメニスカスが毛管力によって図１３（ｂ）に示すようにインク吐出ノズル１０４の先端まで復帰することにより、インクの再充填が行われる。その時に再充填を高速で行った場合には、図１３（ｂ）の矢印にあるような方向のインクの流速が早くなり、インク吐出ノズル１０４の先端に復帰した後、さらにその慣性で図１３（ｃ）に示すようにオーバーシュートすることが分かっている。
【０００８】
そして、オーバーシュートした場合に、その時の流速が早ければ、吐出口１０８の周縁からインクが溢れることにより流路構成部材１０７表面の吐出口１０８周囲にインクが付着する現象が発生していた。この現象により、吐出時に付着インクに吐出するインクが引っ張られて吐出方向がずれたり、また、付着インクが大きい場合には吐出しない場合もあった。また、発明者が検討を行っていく中で、この付着現象は吐出口面積が小さいほど発生し易いことが判明した。そこで、この現象に関して、吐出口面積との関係を発明者が詳細に検討を行ったところ、吐出口面積が小さいほど、オーバーシュートしたインクの保持できる量が少ないことから、溢れが発生しやすいことを突き止めた。すなわち、吐出口を充填するインクの流速が同じ場合においても、吐出口面積が小さいほど溢れが発生しやすかった。
【０００９】
また、より液滴体積を減らしていった場合には、プリント媒体上の液滴ドット径が小さくなることにより、より高いプリント解像度になるが、プリント速度を維持したり、より上げるためには高周波数でのインク吐出が必要となる。しかしながら、より高い周波数でのインク吐出を可能とするためには、インク吐出ノズル先端の吐出口へと充填するインクの流速をより早くする必要があり、オーバーシュートによって、メニスカスが凸の場合の吐出と凹の場合の吐出とで吐出滴の体積が異なったり、主滴とサテライトの形状が異なることによりプリント媒体上のドット形状が乱れたりしていた。さらには、小液滴にする場合には、主滴とサテライトの体積バラツキによるドット形状の乱れはドット径が小さいだけに影響が大きかった。
【００１０】
また、従来は、図１４（ａ）に示すようにメニスカスＭは、吐出口１０８において凹形状になっていたために、特に小液滴にする場合、吐出滴の体積が吐出口毎にばらついて、安定していなかった。
【００１１】
また、インク吐出ノズル全体が逆テーパ形状のインクジェット記録ヘッドにおいては、インク吐出ノズルの開口径が吐出口に向かって広がっていくために発泡パワーによる流体の圧力が下がる傾向にあるので、吐出速度の低下や、インク吐出ノズルでのインクの流れの乱れが発生し吐出不安定になる問題があった。
【００１２】
また、高速でのインク充填を行った場合には、吐出口でのメニスカスは水平に復帰するわけではなく、よりインク流路側からの横のインクの流れが大きいために、図１４（ｂ）に示すようにメニスカスＭは傾いた状態で復帰していた。そのために、吐出直前のメニスカス状態が傾いて吐出特性が安定しないなどの弊害も考えられる。
【００１３】
また、小液滴化するために、吐出口面積を小さくするほど吐出方向への流抵抗が高くなり、時間を置いて吐出させた時にインク吐出ノズル内でのインクの蒸発によるインク粘度上昇が発生し、１発目の吐出が不吐になったり、着弾精度が悪化したりしていた。
【００１４】
本発明は、上述したような従来技術の課題に鑑み、ノズルへのインク充填を行う場合の吐出口でのオーバーシュート現象を抑制し、吐出口に安定した状態のメニスカスを速やかに復帰させる構造を有するインクジェット記録ヘッドを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための第１の発明は、熱エネルギーにより液体に気泡を発生させるための複数の電気熱変換素子と、前記電気熱変換素子が配置された複数の発泡室と、前記各発泡室に液体を導くための複数の供給路と、前記各発泡室をヘッド外部に連通させる複数のノズルとを有するインクジェット記録ヘッドにおいて、前記ノズルは、液体の吐出方向に径が縮小している縮小部と、液体の吐出方向に径が前記縮小部を越えてからノズル先端まで広がっている広がり部とを有し、前記ノズルの先端まで前記液体が充填されることを特徴とする。
【００１６】
このインクジェット記録ヘッドにおいて、前記縮小部と前記広がり部の間に径の変わらない部分があってもよい。
【００１７】
第２の発明は、熱エネルギーにより液体に気泡を発生させるための複数の電気熱変換素子と、前記電気熱変換素子が配置された複数の発泡室と、前記各発泡室に液体を導くための複数の供給路と、前記各電気熱変換素子の配置面と交差する方向に前記各発泡室をヘッド外部に連通させる複数のノズルとを有するインクジェット記録ヘッドにおいて、前記ノズルは、液流を制御する流体制御部と、液体の吐出方向に径が前記流体制御部を越えてからノズル先端まで広がっている広がり部とを有することを特徴とする。
【００１８】
上記の第１及び第２の発明においては、前記発泡室、前記供給路および前記ノズルを形成する基板の表面に撥水材が設けられており、前記ノズルの広がり部の、前記基板の垂線方向のノズル長さが、前記撥水材の厚みよりも厚いことが好ましい。
【００１９】
さらに、前記基板の垂線に対する前記ノズルの広がり部の角度は液体と前記基板の接触角よりも小さいことが好ましい。前記基板の垂線に対する前記ノズルの広がり部の角度は３０度以下であることが好ましい。さらに、前記ノズルの広がり部の、前記基板の垂線方向のノズル長さが１〜５μｍであることが好ましい。
【００２０】
第３の発明は、熱エネルギーにより液体に気泡を発生させるための複数の電気熱変換素子と、前記電気熱変換素子が配置された複数の発泡室と、前記各発泡室に液体を導くための複数の供給路と、前記各発泡室をヘッド外部に連通させる複数のノズルとを有するインクジェット記録ヘッドにおいて、前記ノズルの先端に張られるインクのメニスカスの径が前記ノズルの最小径よりも大きいことを特徴とする。
【００２１】
第４の発明は、熱エネルギーにより液体に気泡を発生させるための複数の電気熱変換素子と、前記電気熱変換素子が配置された複数の発泡室と、前記各発泡室に液体を導くための複数の供給路と、前記各発泡室をヘッド外部に連通させる複数のノズルとを有するインクジェット記録ヘッドにおいて、前記ノズルは、液体の吐出方向に径が縮小している縮小部と、液体の吐出方向に径が前記縮小部を越えてからノズル先端まで広がっている広がり部とを有し、前記ノズルの先端の開口径でなく、ノズルの最小径によって吐出液滴の体積が決まることを特徴とする。
【００２２】
上記の第１乃至第４の発明において、前記広がり部はドライエッチングで形成することが可能である。さらに、上記のインクジェット記録ヘッドは、前記気泡を大気に連通させてインクを吐出するインクジェット記録ヘッドであることが好ましい。
【００２３】
本発明の最も好ましい態様は、インクジェット記録ヘッドのインクを吐出するノズルを、インク吐出方向に径が縮小している縮小部と、インク吐出方向に径が前記縮小部を越えてからノズル先端まで広がっている広がり部とを有する形状にし、前記ノズルの先端までインクが充填され、前記ノズルの先端にメニスカスが張られることである。また、ノズルの広がり部の形状においては、前記基板の垂線に対する前記ノズルの広がり部の角度をインクと前記基板の接触角よりも小さくすることが、ノズル先端にメニスカスが張る条件を満たすこととなる。
【００２４】
このように、ノズルが上記の縮小部及び広がり部を有することにより、発泡後にノズルへインクを充填する時のインクの流速が遅くなりオーバーシュートの防止になる。その原理を説明する。ノズル内のメニスカスが凹形状になれば、ノズル先端の開口面の方にはメニスカスは行かなくなる。そして、メニスカスの曲率が小さいほどメニスカス力としては大きくなりメニスカス復帰速度が高くなる。そこで、上記の縮小部及び広がり部を有することにより、ノズルへのインク充填時に、上記の縮小部と広がり部の間のノズル径が最小となった部分にてメニスカスの曲率が大きくなるので、ノズルに充填するインクの流速を、ノズルの先端に到達する直前で下げることができる。そのため、ノズル先端の吐出口でのオーバーシュート現象を抑制し、吐出口周辺へのインク溢れを防止するとともに、メニスカス振動が収束するまでの時間を短くすることができる。
【００２５】
また、ノズル先端部での流速が下がることにより、吐出直前のメニスカス状態が傾くことを低減でき、吐出特性のバラツキに対して有効となる。
【００２６】
また、ノズルの先端の開口径でなく、ノズルの最小径によって吐出液滴の体積が決まる、つまり、ノズル内の最小面積部分によって吐出量がほぼ決まることから、ノズル先端側の径を吐出方向に行くに従って広げたことにより、吐出液滴の体積を増やすことなくノズル先端の吐出口面積を広げることができる。このため、オーバーシュートした時のインクの保持量を増加させながら小液滴を吐出させることができる。
【００２７】
さらに、ノズル先端からの蒸発による１発目の吐出が不吐になったり記録媒体への着弾精度が悪化したりする現象に関しても、ノズル先端の吐出口面積が増えた効果により、ノズル先端のインク粘度上昇が低減でき、従来の吐出性能よりも向上させることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２９】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態によるインクジェット記録ヘッドの斜視図、図２は図１のＡ−Ａ’線に沿った断面を示している。なお、本図およびこの他において、電気熱変換素子を駆動するための電気的な配線等は図示していない。例えば、ガラス、セラミックス、プラスチックあるいは金属等からなる基板３４が用いられる。基板３４の材質は、本発明の本質ではなく、流路構成部材の一部として機能し、吐出エネルギー発生素子および、後述するインク流路、インク吐出口を形成する材料層の支持体として機能し得るものであれば、特に限定されるものではない。そこで、本形態では、Ｓｉ基板（ウエーハ）を用いた場合で説明する。図２に示すように基板３４の一面には、インク吐出に作用する熱エネルギー発生手段である電気熱変換素子１と、長細い矩形のインク供給口３とが形成されている。インク供給口３は基板４に形成された長溝状の貫通孔からなるインク供給室４の開口である。電気熱変換素子１は、インク供給口３の長手方向の両側にそれぞれ１列ずつ千鳥状に電気熱変換素子の間隔が６００ｄｐｉのピッチで各列２５６個ずつ、２列で合計５１２個配列されている。さらに基板３４の一面には流路構成部材７が設けられ、その上に吐出口プレート８が接合されている。流路構成部材７にはインク供給口３から供給するインクを各々の電気熱変換素子１上の発泡室２に導く複数のインク供給路５が形成されている。そして吐出口プレート８には、流路構成部材７の発泡室２を外部に連通するようにインク吐出ノズル９が形成されており、吐出口プレート７表面に露出するインク吐出ノズル９先端の開口がインク滴の吐出口２６となっている。
【００３０】
図３（ａ）は本実施形態のインクジェット記録ヘッドに形成された吐出部の正面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の吐出口及びインク流路を通って切断したときの断面図、同図（ｃ）は同図（ｂ）にてインクを吐出口まで充填した状態の断面図、同図（ｄ）は同図（ｂ）のインク吐出ノズルの変形例を示す断面図である。なお、図において吐出口プレート８は透明部材として示している。
【００３１】
本発明の記録ヘッドでは、図３（ｂ）〜（ｄ）に示すようにインク吐出ノズル９は、液体の吐出方向に径が縮小している縮小部（流体制御部とも称す。）と、液体の吐出方向に径が前記縮小部を越えてからノズル先端まで広がっている広がり部（逆テーパ部とも称す。）とを有する。符号９ａはノズル径が最小に絞られた絞り部９ａを示す。より詳しくは、この絞り部９ａを径の変極点とし、発泡室２側から変極点に向かうまでのノズル径はテーパ状に吐出方向に縮小し、変極点を境にして吐出方向にノズル径がテーパ状に広がっている。上記の流体制御部は発泡により発生するノズル内の流体の流れを吐出口方向へ集中させる働きがある。
【００３２】
なお、図２に示したように吐出口プレートと流路構成部材が別部材ではなく同一部材になっているが、別部材でも同様の効果が得られる。また、電気熱変換素子１は１８μｍの正方形であり、インク流路５の高さは１０μｍ、流路構成部材を兼ねる吐出口プレート８の厚みは１０μｍ、ノズル開口径はインク吐出ノズル９の変極点である絞り部９ａで直径７μｍである。
【００３３】
また、インク吐出ノズル９の、絞り部９ａを境にして吐出方向に向かう部分（逆テーパ部）に関しては、吐出口プレート８の垂線方向の深さが３μｍ、インクの接触角が３０度であることから吐出口プレート８の垂線からのテーパ角度は２０度である。さらに、インク吐出ノズル９の、絞り部９ａを境にして発泡室２側の部分（流体制御部）に関しても、吐出口プレート８の垂線からのテーパ角度は２０度である。このように前記テーパ角度をインクと吐出口プレート部材との接触角より小さくすることにより、図３（ｃ）に示すようにインクはインク吐出ノズルの先端まで充填される。つまり、ノズル先端までメニスカスが復帰する。そして、吐出口プレート７表面の吐出口２６の径（ノズル先端の開口径）は直径で約９μｍとなる。
【００３４】
本形態においては、電気熱変換素子１によりインクを膜沸騰させたときの発泡がインク吐出ノズル９を通って大気と連通する吐出方式（いわゆるバブルスルー方式）となっている。
【００３５】
このような吐出部のインクジェット記録ヘッドにおいて発明者が詳細に検討を行ったところ、本発明のノズル形状によれば、発泡時にインク吐出ノズル９の吐出口から吐出される液滴体積は、ノズル先端の開口径（吐出口径）でなく、ノズルの最小径（絞り部９ａの径）によって決まることが確認された。また、上記の寸法にてノズル先端側の一部のみを逆テーパ部としたことで、インクの発泡によって吐出に必要な流体の圧力が十分上がった後に逆テーパ領域になるので吐出の不安定性がなく安定な吐出が得られた。
【００３６】
また、インク吐出ノズル９へのインク再充填時のメニスカスのオーバーシュート現象の観察において、図１３に示した従来のノズル形状ではノズル先端の吐出口２６から突出する凸形状のメニスカスがはっきりと観察できたのに対し、本実施形態のノズル形状ではほとんど分からなかった。
【００３７】
実際には、図４に示すように同図（ａ）で最大発泡になり、同図（ｂ）及び（ｃ）においてはノズル先端に向けてインク充填のためにメニスカスが復帰している。特に図４（ｂ）においてはインクと吐出口プレート８の材料との接触角からメニスカスの曲率が大きくなり毛管力が大きく、さらに図４（ｃ）ではメニスカスの曲率が小さくなり毛管力が小さくなっている。このようなインク充填のためにメニスカスが復帰する過程において、インク吐出ノズル９の絞り部９ａにてメニスカスの曲率が大きくなるので、インク吐出ノズル９に充填するインクの流速を、インク吐出ノズル９の先端に到達する直前で下げることができる。そのため、ノズル先端の吐出口２６でのオーバーシュート現象を抑制し、吐出口２６周辺へのインク溢れを防止するとともに、メニスカス振動が収束するまでの時間を短くすることができた。また、ノズル先端部での流速が下がることにより、吐出直前のメニスカス状態が傾くことを低減できた。従来のインクジェット記録ヘッドでは３０ｋＨｚ駆動でインク溢れが発生したのに対し、６０ｋＨｚ駆動においてもインク溢れの発生を抑制することができ、良好な吐出特性を得られた。
【００３８】
また、本実施形態では、インク吐出ノズル９の発泡室側から絞り部９ａまでの部分（流体制御部）のノズル深さを７μｍとしたが、これを５μｍとして上記の逆テーパ部を３μｍとし、図３（ｄ）に示すようにノズル径の変わらない直線部９ｂを２μｍ程度設けた形状においても、同様な効果が得られた。
【００３９】
（第２の実施形態）
図５（ａ）は本発明の第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドの吐出部において吐出口及びインク流路を通って切断したときの断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のインク吐出ノズル先端付近の拡大図、同図（ｃ）は同図（ａ）のインク吐出ノズルの変形例を示している。以下では第１の実施形態と異なる点を主に説明する。
【００４０】
本実施形態においても、図５（ａ）および（ｃ）に示すようにインク吐出ノズル９は、液体の吐出方向に径が縮小している縮小部（流体制御部とも称す。）と、液体の吐出方向に径が前記縮小部を越えてからノズル先端まで広がっている広がり部（逆テーパ部とも称す。）とを有する。符号９ａはノズル径が最小に絞られた絞り部９ａを示す。より詳しくは、この絞り部９ａを径の変極点とし、発泡室２側から変極点に向かうまでのノズル径は吐出方向に向かって縮小し、変極点を境にして吐出方向にノズル径がテーパ状に広がっている。しかし、第１の実施形態と比べて、インク吐出ノズル９の、発泡室２側から変極点に向かうまでの部分（流体制御部）の形状が異なっている。
【００４１】
本形態ではインク吐出ノズル９の発泡室２側の開口径が、インク吐出ノズル９の先端の開口径（吐出口プレート７表面の吐出口２６の径）に比べて大きく形成されている。インク吐出ノズル９の流体制御部の深さが厚さ７μｍであり、流体制御部の発泡室２側の開口径を２０μｍで図５（ａ）に示すような流体制御部のテーパ角度を吐出口プレート８の垂線に対して２０度にしているために、流体制御部の吐出口プレート表側の開口径は１５μｍである。さらに、インク吐出ノズル９の、絞り部９ａを境にして吐出方向に向かう部分（逆テーパ部）は、深さが３μｍで、この逆テーパ部のテーパ角度は吐出口プレート８の垂線に対して２０度で形成されている。
【００４２】
また、図５（ｂ）に示すように吐出口プレート８表面には撥水処理がされていて、プレート表面に処理された撥水材１０の膜厚は０．５μｍである。この撥水処理では、吐出口プレート表面にされているために、ノズル先端の内側部分にもその厚みだけ撥水領域がある。
【００４３】
このような構成において、吐出口プレート８における逆テーパ部分の厚みは撥水材１０の厚みよりも大きくなければ、逆テーパ部にインクが復帰してこないために、厚みを３μｍとしている。
【００４４】
図５に示すように流体制御部と逆テーパ部の側壁が成すエッジ角度が第１の実施形態と比較して大きいことにより、流体制御部から逆テーパ部に液体が移動するときに、流速が第１の実施形態よりも急に低下することになるので、第１の実施形態よりも大きな効果が得られた。
【００４５】
本発明者の検討においては、吐出ノズル先端が逆テーパでない従来形状では、吐出ノズル先端部への再充填に約１μｓの時間がかかったのが観察されたのに対し、本発明のノズル形状では約２μｓの時間をかけることができ、約１／２の流速に下げることができた。このように、吐出ノズル先端にのみ逆テーパ形状を形成することにより、吐出ノズル先端までインクを再充填する時間の全体のうちの最後の数μｓのみの時間を遅らせるだけで、メニスカスの復帰速度を下がることができる。
【００４６】
また、本実施形態では、インク吐出ノズル９における流体制御部のノズル深さを７μｍとしたが、これを５μｍとして上記の逆テーパ部を３μｍとし、図５（ｄ）に示すようにノズル径の変わらない直線部９ｂを２μｍ程度設けた形状においても、同様な効果が得られた。
【００４７】
（第３の実施形態）
図６は本発明の第３の実施形態のインクジェット記録ヘッドの吐出部付近をインク流路に沿って切断した断面図である。この図に示す形態においては、基本構成は第２の実施形態と同様であるが、異なる点は、逆テーパ部のテーパ角度を吐出口プレート８の垂線に対して２６度に設定して、インクと吐出口プレートとの接触角である３０度により近づけた。このように構成することにより、吐出ノズル先端で張られた吐出前のメニスカス形状において、凹形状が軽減され、吐出ノズル毎のメニスカス形状も安定し、吐出体積のバラツキも軽減した。
【００４８】
（その他の実施形態）
以上のように構成されたインクジェット記録ヘッドの吐出部の製造方法について図７〜図１１を参照して簡単に説明する。なお、図８〜図１１は便宜上、製造工程を分けて示しており、各工程は図の順番に連続している。
【００４９】
上述した構成のインクジェット記録ヘッドの製造方法は、電気熱変換素子１および電気配線等が形成された素子基板３４を形成する第１の工程と、素子基板３４上にインクの供給路、発泡室およびインク吐出ノズル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にインク吐出ノズルの一部となる所望のパターンを形成し、この樹脂層パターンの側面に傾斜を形成する第３の工程と、下樹脂層４２に発泡室およびインク供給路となる所望のパターンを形成する第４の工程とを経る。
【００５０】
また、この記録ヘッドの製造方法は、上樹脂層４２および下樹脂層４１の上に吐出口プレート８となる被覆樹脂層４３を形成する第５の工程と、被覆樹脂層４３に前記インク吐出ノズルの残りの部分を形成する第６の工程と、素子基板３４にインク供給室４となる貫通孔を形成する第７の工程と、上樹脂層４２および下樹脂層４１を溶出する第８の工程とを経てインクジェット記録ヘッドを製造する。なお、このインクジェット記録ヘッドは図２に示した構造と同様であるが、吐出口プレートが流路構成部材とは別部材ではなく、流路構成部材と同一部材で構成されたものとなっている。
【００５１】
第１の工程は、例えばＳｉチップ上にパターニング処理等により複数の電気熱変換素子１としてのヒータおよびこれらヒータ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３４を形成する基板形成工程である。このとき、図８（ａ）に示すように、Ｓｉ基板５１の表面にはポリシリコン層５２が所望のパターンで形成され、さらにメンブレン膜５３を介して高耐熱可塑性コーティング材である表面ポリエーテルアミド層５４が所望のパターンで形成されている。また、Ｓｉ基板５１の裏面には酸化シリコン層５５が形成され、さらに高耐熱可塑性コーティング材である裏面ポリエーテルアミド層５６が所望のパターンで形成されている。
【００５２】
第２の工程は、図７（ａ）及び（ｂ），図８（ｂ）及び９（ａ）に示すように、素子基板３４上に、波長が３３０ｎｍ以下の紫外光であるＤｅｅｐ−ＵＶ光（以下、ＤＵＶ光と称する。）を照射することによって、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塗布工程である。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。
【００５３】
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。なお、Ｐ（ＭＭＡ−ＭＡＡ）は、［Ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ　ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ−ｍｅｔｈａｃｒｙｌｉｃ　ａｃｉｄ）］の略称である。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。下樹脂層として使用した２元共重合体（Ｐ（ＭＭＡ−ＭＡＡ））は脱水縮合反応によって熱架橋膜を形成する。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。尚、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、分解反応が起こり、低分子化が進み、電子線が照射した部分のみ、溶媒可溶性となる。
【００５４】
本例では素子基板３４上に下樹脂層４２としてのＰ（ＭＭＡ−ＭＡＡ）をスピンコート法で塗布した後、Ｐ（ＭＭＡ−ＭＡＡ）を２００℃で６０ｍｉｎ加熱した。さらに、下樹脂層４２上に、上樹脂層４１としてのＰＭＩＰＫ（ＯＤＵＲ１０１０Ａ）をスピンコート法で塗布した後、ＰＭＩＰＫ（ＯＤＵＲ１０１０Ａ）を１４０℃で１０ｍｉｎ加熱した。このとき、下樹脂層が熱架橋型レジストであるために、上樹脂層との相溶は起こらない。
【００５５】
第３の工程は、図７（ｃ）および図９（ｂ）に示すように、波長２９０ｎｍ付近のＤＵＶ光を照射する露光装置（不図示）を用いて、この露光装置に波長２６０ｎｍ未満のＤＵＶ光を遮断するフィルターを装着することで、２６０ｎｍ以上のみを透過させる波長選択手段を用いて、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をマスク５７を介して露光し現像することによって、上樹脂層４１にインク吐出ノズルの一部となる所望のパターンを形成するパターン形成工程である。
【００５６】
この第３の工程は、上樹脂層４１に所望のパターンを形成する際、上樹脂層４１と下樹脂層４２とは、波長２６０〜３３０ｎｍ付近のＮＵＶ光に対する感度比が約４０：１以上の差であるため、下樹脂層４２が感光されることなく、下樹脂層４２である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４１を現像時の現像液に溶解することもない。
【００５７】
第４の工程は、図７（ｄ）および図９（ｂ）に示すように、現像して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、この上樹脂層４１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、上記のように形成されたパターンの体積（形状、膜厚）と、加熱温度及び時間と相関があり、上記の角度内で指定の角度に制御することができる。
【００５８】
第５の工程は、図７（ｅ）及び（ｆ）並びに図１０（ａ）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、ポジ型レジストである下樹脂層４２をマスク５７を介して露光し現像することによって、下樹脂層４２に発泡室およびインク供給路となる所望の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。
【００５９】
また、必要であれば、下樹脂層４２をパターニング後に、１２０〜１４０℃程度で、加熱することで、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。
【００６０】
第６の工程は、これまでの工程により発泡室及び吐出ノズルの一部を含む所望のパターンが形成され、かつ、ＤＵＶ光によって分子中の架橋結合が破壊されて溶解可能な上樹脂層４１および下樹脂層４２上に、図１０（ｆ）に示すように、吐出口プレートとなる透明な被覆樹脂層４３を塗布する塗布工程である。
【００６１】
第７の工程は、図１０（ｆ）に示すように、被覆樹脂層４３上に撥水層５８を塗布し、この撥水層５８及び被覆樹脂層４３に、露光装置（不図示）でＵＶ光を照射させて、吐出ノズル先端に相当する部分５９を露光および現像して除去することにより、吐出口プレート８を形成する。この吐出口プレート８に形成するノズル先端部分５９の側壁の傾斜は、液滴を素子基板３４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。また、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。
【００６２】
第７の工程は、図１１（ａ）に示すように、吐出口プレート８を耐エッチング材で被覆して保護し、素子基板３４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３４にインク供給室４となる貫通孔を形成する。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。
【００６３】
第８の工程は、図１１（ｂ）に示すように、波長３３０ｎｍ以下のＤＵＶ光を素子基板３４の主面側から被覆樹脂層４３を透過させて照射することにより、素子基板３４とオリフィス基板８との間に位置する、インク吐出ノズル９及びインク供給路５の型材である上樹脂層４１，下樹脂層４２をそれぞれ溶出させる。これにより、吐出口２６と発泡室２とを連通するインク吐出ノズル９に吐出方向に従ってノズル径を縮小した形状の流体制御部を有するチップが得られる。このチップをヒータを駆動するための配線基板（不図示）等と電気的な接続を行うことにより、インクジェット記録ヘッドが得られる。
【００６４】
なお、上述したインクジェット記録ヘッド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な上樹脂層４１および下樹脂層４２を、素子基板３４の厚み方向に対して更に階層構造にすることによって、インク吐出ノズル９内に３段以上の段差状に形成された流体制御部を設けることが可能となる。例えば、上樹脂層４１の更に上層側に、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。
【００６５】
本実施形態に係る記録ヘッドの製造方法は、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記録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５ｐｌ以下の微少量のインク滴を吐出することができるインクジェット記録ヘッドを開示している。
【００６６】
また、インク吐出ノズル９先端の逆テーパ部の形成に関しては、図１０に示した被覆樹脂層４３の吐出口となる部分に対してドライエッチングを行うことで形成する。例えば図１２に示すように、被エッチング膜６０上に、逆テーパ部分を形成するドライエッチングのマスク６１となるレジストパターンを被覆する。このレジストパターンの断面形状は、レジスト開口の上端部がその下端部より大きいテーパ形状である。このようなパターン形状のマスクを用いれば、ドライエッチングによりレジストテーパ部が後退していくことにより、被エッチング膜６０に断面形状がテーパ状の穴が形成される。つまり、ドライエッチングによって形成される穴の断面形状は、マスク６１に用いるレジストパターンの断面形状同様、穴の上端部＜穴の下端部　とすることができる。
【００６７】
なお、上記のようなマスク６１を形成するには、マスクパターンにポジレジストを使用して、露光時のフォーカスや現像条件を調節すれば、このポジレジストパターンの断面形状を、ポジレジスト開口の上端部＜ポジレジスト開口の下端部となるような、テーパー形状を有する断面形状とすることが可能になる。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、インクジェット記録ヘッドのインクを吐出するノズルを、インク吐出方向に径が縮小している縮小部と、インク吐出方向に径が前記縮小部を越えてからノズル先端まで広がっている広がり部とを有する形状にし、前記ノズルの先端までインクが充填され、前記ノズルの先端にメニスカスが張られる構成としたことにより、ノズルへのインク充填時に、上記の縮小部と広がり部の間のノズル径が最小となった部分にてメニスカスの曲率が大きくなるので、ノズルに充填するインクの流速を、ノズルの先端に到達する直前で下げることができる。
【００６９】
そのため、ノズル先端の吐出口でのオーバーシュート現象が抑制されるため、吐出口周辺へのインク溢れによる吐出方向のずれや不吐が防止できる。さらに、オーバーシュート現象が抑制されたことで、メニスカス振動の振幅が小さくなりこの振動の収束時間が短くなるので、より高い周波数での駆動が可能になる。より小液滴化するために、より高周波数での吐出駆動が必要となってノズルへのインク充填速度が速くなっても、上記のようにメニスカス振動の収束が早いので、小液滴ヘッドにおいても安定した液滴体積で吐出が可能である。また、ノズル先端部での流速が下がることにより、吐出直前のメニスカス状態が傾くことを低減でき、吐出特性のバラツキに対して有効となる。
【００７０】
また、ノズルの先端の開口径でなく、ノズルの最小径によって吐出液滴の体積が決まることから、ノズル先端側の径を吐出方向に行くに従って広げたことにより、吐出液滴の体積を増やすことなくノズル先端の吐出口面積を広げることができる。このため、オーバーシュートした時のインクの保持量を増加させながら小液滴を吐出させることができる。
【００７１】
さらに、ノズル先端からの蒸発による１発目の吐出が不吐になったり記録媒体への着弾精度が悪化したりする現象に関しても、ノズル先端の吐出口面積が増えた効果により、ノズル先端のインク粘度上昇が低減でき、従来の吐出性能よりも向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態によるインクジェット記録ヘッドの斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図３】（ａ）は第１の実施形態のインクジェット記録ヘッドに形成された吐出部の正面図、同図（ｂ）は同図（ａ）の吐出口及びインク流路を通って切断したときの断面図、同図（ｃ）は同図（ｂ）にてインクを吐出口まで充填した状態の断面図、同図（ｄ）は同図（ｂ）のインク吐出ノズルの変形例を示す断面図である。
【図４】第１の実施形態のインクジェット記録ヘッドの吐出部における発泡〜インク充填のインク流れを示す断面図である。
【図５】（ａ）は第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドの吐出部において吐出口及びインク流路を通って切断したときの断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のインク吐出ノズル先端付近の拡大図、同図（ｃ）は同図（ａ）のインク吐出ノズルの変形例を示す断面図である。
【図６】第３の実施形態のインクジェット記録ヘッドを吐出部及びインク流路を通って切断したときの断面図である。
【図７】本発明のインクジェット記録ヘッドの吐出部の製法例を説明するための工程図である。
【図８】本発明のインクジェット記録ヘッドの吐出部の製法例を説明するための工程図である。
【図９】本発明のインクジェット記録ヘッドの吐出部の製法例を説明するための工程図である。
【図１０】本発明のインクジェット記録ヘッドの吐出部の製法例を説明するための工程図である。
【図１１】本発明のインクジェット記録ヘッドの吐出部の製法例を説明するための工程図である。
【図１２】本発明のインクジェット記録ヘッドのインク吐出ノズル先端の逆テーパ部分の形成例を示す工程図である。
【図１３】従来のインクジェット記録ヘッドの吐出部の構成、およびインク発泡〜インク充填までのインク流れを示す断面図である。
【図１４】従来のインクジェット記録ヘッドの吐出口におけるメニスカスの状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１　　電気熱変換素子
２　　発泡室
３　　インク供給口
４　　インク供給室
５　　インク供給路
７　　流路構成部材
８　　吐出口プレート
９　　吐出口ノズル
９ａ　　絞り部
９ｂ　　直線部
１０　　撥水材
２６　　吐出口
３４　　素子基板
４１　　上樹脂層
４２　　下樹脂層
５１　　Ｓｉ基板
５２　　ポリシリコン層
５３　　メンブレン膜
５４　　表面ポリエーテルアミド層
５５　　酸化シリコン層
５６　　裏面ポリエーテルアミド層
５７　　マスク
５８　　撥水層
５９　　吐出口となる部分
６０　　被エッチング膜
６１　　マスク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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