(57)【要約】【課題】基板を掘ることなく、またノズル高さを高くすることによって吐出を不安定にすることなく流路抵抗を減らし、吐出口プレートの吐出口周囲の厚みを所定の厚さに維持したままの状態でリフィル周波数を向上させる。【解決手段】インクジェット記録ヘッドは、インクに気泡を発生させるための電気熱変換素子３１備えた基板３４と、インクを吐出させるための吐出口３２が形成された吐出口プレート３５と、基板３４と吐出口プレート３５との間に形成されたインク流路とを有する。吐出口３２は電気熱変換素子３１に対して所定の距離をおいて対向配置されている。吐出口プレート３５は、基板３４との間でインク流路を形成する領域であって吐出口３２に隣接する段差部３８を除く領域が、吐出口プレート３５の表面を基準として、段差部３８の厚みよりも薄く形成されている。【選択図】　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体に気泡を発生させるための熱エネルギー発生手段を備えた基板と、前記液体を吐出させるための吐出口が形成された吐出口プレートと、前記基板と前記吐出口プレートとの間に形成され、該吐出口に前記液体を供給するために前記吐出口に連通された液流路とを有し、前記吐出口が前記熱エネルギー発生手段に対して所定の距離をおいて対向配置されているインクジェット記録ヘッドであって、
前記吐出口プレートは、前記基板との間で前記液流路を形成する領域であって前記吐出口に隣接する所定の部分を除く領域が、前記吐出口プレートの前記基板に対向する面とは反対側の面を基準として、前記所定の部分の厚みよりも薄く形成されてい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】
前記気泡を前記吐出口から大気に連通させて前記液流路から消滅させるように構成されている請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項３】
前記吐出口プレートには、前記所定の部分と前記領域との間の段差をつなぐ斜面が、該斜面の表面と前記領域の表面とのなす角が鈍角となるように形成されている請求項１または２に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項４】
前記斜面の表面と前記領域の表面とのなす角は、前記気泡が成長するときに前記液流路中に渦流れが発生することを良好に抑えることができる角度である請求項３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、熱エネルギーを発生する熱エネルギー発生手段を備えた基板を有し、熱エネルギーを記録用の液体に作用させることで発生する気泡の成長によって吐出口から液体を吐出するインクジェット記録ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット記録装置のスループットを決める要因としては、紙送り速度や、キャリッジの加速・減速時間あるいはキャリッジ自体の速度がある。このうち、キャリッジの速度はインクジェット記録ヘッドの性能である駆動周波数から決まっており、また駆動周波数は液体（インク）のリフィル周波数によって決まるものである。このリフィル周波数とは、インクジェット記録ヘッドが液体を吐出した後に液体のメニスカスが初期状態に戻るまでの時間をリフィル時間としたときに、そのリフィル時間の逆数として与えられるものである。このことから、インクジェット記録ヘッドのリフィル周波数は、インクジェット記録装置のスループットを決める重要なパラメータであるといえる。
【０００３】
そこで、従来からインクジェット記録ヘッドのリフィル周波数の向上が図られてきている。例えば、インク供給口から吐出口までの距離を短くしたり、あるいはノズル高さを高くすることにより液体の流路抵抗を減らし、これによりリフィル周波数の向上が図られてきた。
【０００４】
また、特開昭５４−１６１９３５号公報、特開昭６１−１８５４５５号公報、特開昭６１−２４９７６８号公報、および特開平４−１０９４１号公報には、記録信号によって電気熱変換素子を駆動させることにより生じた気泡を大気に連通させて消滅させることを特徴とするインクジェット記録方法およびインクジェット記録ヘッドが開示されている。このような形態のインクジェット記録ヘッドの場合には、電気熱変換素子を駆動させることにより生じた気泡が流路内で消泡する過程が無いために、従来のサーマルインクジェット記録ヘッドよりも、液体の流路抵抗の影響をより受け易かった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インク供給口から吐出口までの距離を短くしようとする場合には、基板に電気熱変換素子への配線が設けられていることから、短くできる距離に限界があった。さらに、電気熱変換素子が備えられている基板のインク流路部分を掘ることによって流路を広くし、液体の流路抵抗を小さくしようとする場合にも、電気熱変換素子への配線が設けられていることから基板を掘る領域が限られ、液体の流路抵抗を十分に小さくすることはできなかった。
【０００６】
一方、ノズル高さを高くしようとする場合には、ノズル高さを高くしすぎると電気熱変換素子から吐出口までの距離（以下、「距離ＯＨ」という。）が長くなることや、膜沸騰によって発生した気泡が流路方向に逃げることによって吐出方向への気泡の成長が阻害されることにより吐出が不安定になる等の問題があった。そして、吐出が不安定になることによりインク滴の着弾精度が低下し、記録画像上に「すじ」が現れる等の画像乱れを生じていた。また、ノズル高さを高くした場合には、吐出口でのメニスカス振動が生じることによって、メニスカスの位置ずれが生じて吐出量のばらつきが大きくなっていた。
【０００７】
図１２は、電気熱変換素子から吐出口までの距離が一定のときの、吐出口プレートの厚みと着弾精度との関係を示すグラフである。着弾精度は、その値が小さいほど精度が良い。図７からわかるように、着弾精度を向上させるためには、吐出口周囲の吐出口プレートの厚みを厚くする方が良いが、距離ＯＨを長くしすぎると上述したように吐出が不安定になる。そして、距離ＯＨを長くせずに吐出口プレートの厚みを厚くすると、ノズル高さが低くなりリフィル周波数が不足していた。
【０００８】
このように、上記に説明した従来技術では、リフィル周波数を十分に向上させることはできなかった。
【０００９】
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、基板を掘ることなく、またノズル高さを高くすることによって吐出を不安定にすることなく流路抵抗を減らし、吐出口プレートの吐出口周囲の厚みを所定の厚さに維持したままの状態でリフィル周波数を向上させ、さらにインクジェット記録装置のスループットを向上させることができるインクジェット記録ヘッドを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のインクジェット記録ヘッドは、液体に気泡を発生させるための熱エネルギー発生手段を備えた基板と、前記液体を吐出させるための吐出口が形成された吐出口プレートと、前記基板と前記吐出口プレートとの間に形成され、該吐出口に前記液体を供給するために前記吐出口に連通された液流路とを有し、前記吐出口が前記熱エネルギー発生手段に対して所定の距離をおいて対向配置されているインクジェット記録ヘッドであって、前記吐出口プレートは、前記基板との間で前記液流路を形成する領域であって前記吐出口に隣接する所定の部分を除く領域が、前記吐出口プレートの前記基板に対向する面とは反対側の面を基準として、前記所定の部分の厚みよりも薄く形成されていることを特徴とする。
【００１１】
上記本発明のインクジェット記録ヘッドによれば、吐出口プレートの吐出口周辺部分の厚みが所定の厚さに維持されたままの状態で、液流路の高さがより高く形成される。そのため、熱エネルギー発生手段が備えられている基板の液流路を構成する部分を掘ることなく液流路を広くし、流路抵抗を低減させることが可能となり、その結果、液流路における液体のリフィル周波数が向上する。また、吐出口プレートの吐出口周辺部分の厚みが所定の厚さに維持されているので、ノズル高さ（熱エネルギー発生手段から吐出口までの高さ）を高くすることによる吐出不安定を生じさせず、吐出された液滴の着弾精度が低下することが防止される。さらに、吐出口の周辺では液流路の広さが絞られるので、メニスカスの振動が抑えられ、吐出動作毎の液体吐出量の変動が低減される。
【００１２】
また、前記気泡を前記吐出口から大気に連通させて前記液流路から消滅させるように構成されていてもよい。
【００１３】
さらに、前記吐出口プレートには、前記所定の部分と前記領域との間の段差をつなぐ斜面が、該斜面の表面と前記領域の表面とのなす角が鈍角となるように形成されている構成とすることにより、熱エネルギー発生手段を駆動させることによって液体中に生じた気泡が液流路の方向に成長するときに、段差部の近傍で液体に渦流れが生じることが防止される。そのため、液体に渦流れが生じることに起因して液体中に発生する小泡が低減されるので、その小泡を核として核沸騰を生じ、吐出パワーを著しく低下させ液体吐出動作を不安定にさせることが抑えられる。
【００１４】
さらには、前記斜面の表面と前記領域の表面とのなす角は、前記気泡が成長するときに前記液流路中に渦流れが発生することを良好に抑えることができる角度である構成とすることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１は本発明のインクジェット記録ヘッドの第１の実施形態を、一部を破断した状態で示す斜視図、図２は図１に示したインクジェット記録ヘッドのＡ−Ａ線における断面図である。
【００１７】
本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、電気熱変換素子３１およびインク供給口３３を備えた基板３４を有している。熱エネルギー発生手段である複数の電気熱変換素子３１は、長溝状の貫通口からなるインク供給口３３の長手方向の両側にそれぞれ１列ずつ千鳥状に、互いに隣接する各電気熱変換素子同士の間隔が３００ｄｐｉのピッチとなるように配列されている。また、基板３４上には、インク流路を形成するためのインク流路壁３７となる被覆樹脂層３６が設けられている。このインク流路壁３７の上には、複数の吐出口３２が形成された吐出口プレート３５が設けられている。吐出口３２は、電気熱変換素子３１に対して所定の距離をおいて対向配置されている。
【００１８】
ここで、図１および図２にはインク流路壁３７と吐出口プレート３５とが別部材として示されているが、インク流路壁をスピンコート等の手法によって基板３４上に形成することにより、インク流路壁と吐出口プレートとを同一部材として同時に形成することも可能である。
【００１９】
なお、図１および図２には、電気熱変換素子３１を駆動するための電気的な配線等は図示していない。本実施形態における基板３４は、ガラス、セラミックス、プラスチックあるいは金属等から形成される。本実施形態の基板３４は、Ｓｉ基板（ウエハー）を用いて形成されている。基板３４の材質は本発明の本質ではなく、インク流路構成部材の一部として機能し、インク吐出発生素子（電気熱変換素子３１）、インク流路壁３７および吐出口プレート３５を支持するための支持体として機能し得るものであれば、その材料は特に限定されるものではない。
【００２０】
図３は、図１および図２に示したインクジェット記録ヘッドのノズル構造を示す図であり、同図（ａ）はそのノズル構造の断面図、同図（ｂ）はそのノズル構造のインク流路を示す平面図である。
【００２１】
本実施形態では、吐出口プレート３５の厚さが１８μｍ、ノズル高さが２０μｍ、流路高さが２４μｍに形成されている。また、電気熱変換素子３１は縦２１μｍ×横２１μｍの寸法に形成されている。さらに、本実施形態の吐出口プレート３５は、基板３４との間でインク流路を形成する領域であって、吐出口３２に隣接する所定の部分である段差部３８を除く領域が、吐出口プレート３５の表面（すなわち、基板３４に対向する面とは反対側の面）を基準として、段差部３８の部分の厚みよりも薄く形成されている。また、段差部３８の幅Ａは１０μｍに形成されている。このような流路構造とすることにより、吐出口プレートの厚さが１８μｍでノズル高さが２０μｍの従来の流路構造よりもインク流路の流路抵抗を小さくすることができ、リフィル周波数を従来の１５ｋＨｚから１８ｋＨｚに向上させることができた。
【００２２】
また、上記のような構成とすることにより、単にノズル高さを高くしたときよりも吐出口プレート３５の厚みを吐出口３２の周囲で厚くすることができるので、単にノズル高さを高くした従来の流路構造（電気熱変換素子から吐出口までの距離ＯＨが３８μｍ、ノズル高さが２４μｍ、吐出口プレートの厚さが１４μｍ）と比較して、着弾精度も７μｍから５μｍと向上した。
【００２３】
図４は、図３に示したインクジェット記録ヘッドのノズル構造において、吐出口プレートから段差部を除去してノズル高さを高くした状態を示す断面図である。図４に示すように構成されたインクジェット記録ヘッドでは、電気熱変換素子３１’上で膜沸騰によって発生した気泡がインク供給口側に成長し、吐出が不安定となり、吐出速度のゆらぎや液滴形状の乱れが生じてしまう。
【００２４】
一方、図３に示すように構成された本実施形態のインクジェット記録ヘッドによれば、図５に示すように、電気熱変換素子３１上で膜沸騰によって発生した気泡が図４に示した構成に比べてインク供給口側に成長せず、気泡が吐出口３２の方向へ成長しやすくなるために、インク吐出動作が安定し、吐出速度のゆらぎや液滴形状の乱れを抑えることができる。また、本実施形態は、段差部３８によってインク流路が一部で絞られた形状に形成されているために、インク流路へインクが再充填（リフィル）される過程でメニスカスに振動が生じにくくなり、また吐出量のばらつき具合に関しても、従来の流路構造よりも低減することができる。
【００２５】
なお、本実施形態では段差部３８の幅Ａを１０μｍに形成したが、インク流路の流路抵抗を減らすという観点から、段差部３８の幅Ａは、吐出口３２の縁から３μｍの位置までの大きさから、吐出口プレート３５のインク供給口３３に対向する位置の前までの大きさとすることが好ましい。さらにいえば、段差部３８の幅Ａは、吐出口３２の縁から３μｍ〜３０μｍの大きさとすることが好ましい。また、本実施形態では、ノズル高さと流路高さの差（段差部３８の高さ）を４μｍとしたが、両者の差はこの値に限定されるものではない。
【００２６】
（第２の実施形態）
図６は、本発明のインクジェット記録ヘッドの第２の実施形態におけるノズル構造を示す図であり、同図（ａ）はそのノズル構造の断面図、同図（ｂ）はそのノズル構造のインク流路を示す平面図である。
【００２７】
本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、吐出口１３２の形状がテーパ状でなく真っ直ぐになっている点を除いて、電気熱変換素子１３１、吐出口プレート１３５、インク供給口、基板、被覆樹脂層、インク流路壁（いずれも不図示）の各構成は図１等に示したインクジェット記録ヘッドと同様である。
【００２８】
本実施形態では、吐出口プレート１３５の厚さが８μｍ、ノズル高さが１２μｍ、流路高さが１６μｍ、段差部１３８の幅Ｂが１４μｍに形成されている。また、電気熱変換素子は縦３０μｍ×横３０μｍの寸法に形成されている。本実施形態は、電気熱変換素子１３１から吐出口１３２の先端までの寸法を２５μｍと短くすることで、電気熱変換素子１３１を駆動させることにより生じた気泡を外気と連通させるインクジェット記録ヘッドの構造とされている。
【００２９】
本実施形態では、上記のような段差部１３８を有する流路構造にすることにより、吐出口プレートの厚さが８μｍでノズル高さが１２μｍの従来の流路構造と比較して、インク流路の流路抵抗が低減され、リフィル周波数が９ｋＨｚから１２Ｈｚに向上した。
【００３０】
ここで、気泡を大気と連通させるインクジェット記録ヘッド構造におけるインクのリフィル過程を、図７を参照して詳細に説明する。
【００３１】
図７（ａ）に示すように、インクのメニスカスは、発生した気泡が最大に成長した後に復帰し始める。同図（ａ）〜（ｂ）に示すように、メニスカスがインク流路に位置している過程においては、リフィルを行うためのメニスカス力がノズル高さによって決まっている。以下、この領域を「Ａ領域」と呼ぶこととする。
【００３２】
次に、同図（ｃ）〜（ｄ）に示すように、メニスカスが電気熱変換素子１３１を覆う。この過程においては、メニスカスの張る位置がノズル内で一定せず、上記のＡ領域および下記に説明するＣ領域に比べてメニスカス力が相対的に弱い。この領域を「Ｂ領域」と呼ぶこととする。
【００３３】
最後に、同図（ｄ）〜（ｅ）に示す過程においては、吐出口１３２の径によってメニスカスが決定される。この領域を「Ｃ領域」と呼ぶこととする。
【００３４】
以上から、Ｂ領域にかかるノズル部の容積を減らすことは、リフィル周波数の向上において有効であることがわかる。
【００３５】
図８は、本実施形態，従来技術１および従来技術２のインクジェット記録ヘッドにおける、Ａ，Ｂ，Ｃの各領域におけるリフィル時間を比較した結果を示す表である。なお、従来技術１はプレートの厚さが８μｍでノズル高さが１２μｍに形成されたものであり、従来技術２はプレート厚が８μｍでノズル高さおよび流路高さが１６μｍに形成されたものである。
【００３６】
段差部を有する流路構造ではＢ領域が短いことにより、図８に示したＣ領域の結果から各々のリフィル周波数を求めると、従来技術１のリフィル周波数は１０．８［ｋＨｚ］（１／９２．５［μｓ］＊１０００）、従来技術２のリフィル周波数は１２．９［ｋＨｚ］（１／７７．５［μｓ］＊１０００）、本実施形態のリフィル周波数は１３．８［ｋＨｚ］（１／７２．５［μｓ］＊１０００）となる。
【００３７】
このように、流路高さが同じ場合でも、段差部を有する流路構造にした方が、Ｂ領域におけるリフィル時間が短くなり、気泡を大気と連通させてインク流路から消滅させるインクジェット記録ヘッドにおいて、リフィル周波数の向上に有効であるといえる。
【００３８】
また、本実施形態によれば、ノズル高さを単に高くした場合と比較して、吐出口プレート１３５の厚みを吐出口１３２の周囲で厚くすることができ、その結果として着弾精度を向上させることができる。また、ノズル高さを単に高くした場合に比べて、電気熱変換素子１３１上で膜沸騰によって発生した気泡がインク供給口側に成長せず、気泡が吐出口１３２の方向へ成長しやすくなるために、インク吐出動作が安定し、吐出速度のゆらぎや液滴形状の乱れを抑えることができる。
【００３９】
なお、本実施形態では段差部１３８の幅Ｂを１４μｍに形成したが、ノズル構造における発泡室の容積を減らしながらインク流路の流路抵抗を減らすという観点から、段差部１３８の幅Ｂは、吐出口１３２の縁から３μｍの位置までの大きさから、吐出口プレート１３５のインク供給口に対向する位置の前までの大きさとすることが好ましい。さらにいえば、段差部１３８の幅Ｂは、吐出口１３２の縁から３μｍ〜３０μｍの大きさとすることが好ましい。また、本実施形態では、ノズル高さと流路高さの差（段差部１３８の高さ）を４μｍとしたが、両者の差はこの値に限定されるものではない。
【００４０】
（第３の実施形態）
図９は、本発明のインクジェット記録ヘッドの第３の実施形態におけるノズル構造を示す図であり、同図（ａ）はそのノズル構造の断面図、同図（ｂ）はそのノズル構造のインク流路を示す平面図である。
【００４１】
本実施形態では、吐出口プレート１３５の厚さが１１μｍ、ノズル高さが１４μｍ、流路高さが１８μｍ、段差部２３８の幅Ｃおよび幅Ｄが８μｍに形成されている。また、電気熱変換素子は縦３０μｍ×横３０μｍの寸法に形成されている。本実施形態は、電気熱変換素子２３１から吐出口２３２の先端までの寸法を２５μｍと短くすることで、電気熱変換素子２３１を駆動させることにより生じた気泡を大気と連通させてインク流路から消滅させるインクジェット記録ヘッドの構造とされている。これにより、本実施形態では、プレートの厚さが１１μｍでノズル高さが１４μｍの従来の流路構造と比較してインク流路の流路抵抗が低減され、リフィル周波数が９ｋＨｚから１２．５Ｈｚに向上した。
【００４２】
本実施形態の吐出口プレート２３５には、図９（ａ）に示すように、段差部２３８と吐出口プレート２３５の薄く形成されている領域とをつなぐ斜面が設けられている。この斜面は、斜面の表面と吐出口プレート２３５の前記領域の表面とのなす角αが鈍角となるように形成されている。
【００４３】
図１０は、段差部に斜面を有しないインクジェット記録ヘッドのノズル構造における、気泡の成長する様子を示す図である。図１０に示すように構成されたインクジェット記録ヘッドでは、膜沸騰によって生じた気泡の流路方向への成長時に、段差部２３８’の付近でインク流れに渦流れが生じ、これにより小泡が発生してしまう。この小泡がリフィル時に電気熱変換素子２３１’上に移動すると、小泡を核として核沸騰が生じてしまい、バブルジェット記録ヘッドの吐出パワーを著しく低下させ、インク吐出動作を不安定にさせてしまう。
【００４４】
一方、図９に示すように構成された本実施形態のインクジェット記録ヘッドによれば、図１１に示すように、膜沸騰によって生じた気泡の流路方向への成長時に、渦流れによる小泡の発生を低減することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のインクジェット記録ヘッドは、吐出口プレートの、基板との間で液流路を形成する領域であって吐出口に隣接する所定の部分を除く領域が、吐出口プレートの基板に対向する面とは反対側の面を基準として、所定の部分の厚みよりも薄く形成されているので、基板の液流路部分を掘ることなく液流路を広くし、流路抵抗を低減させることができるため、液流路における液体のリフィル周波数を向上させることができる。さらに、吐出口プレートの吐出口周辺部分の厚みは従来と同様の厚みに維持されるので、ノズル高さを高くすることによる吐出不安定を生じさせず、液滴の着弾精度が低下することを防止することができる。さらに、吐出口の周辺では液流路の広さが絞られるので、メニスカスの振動が抑えられ、吐出動作毎の液体吐出量の変動を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェット記録ヘッドの第１の実施形態を、一部を破断した状態で示す斜視図である。
【図２】図１に示したインクジェット記録ヘッドのＡ−Ａ線における断面図である。
【図３】図１および図２に示したインクジェット記録ヘッドのノズル構造を示す図である。
【図４】図１等に示したインクジェット記録ヘッドとは異なる形態のインクジェット記録ヘッドにおける、気泡の成長する様子を示す図である。
【図５】図１等に示したインクジェット記録ヘッドにおける、気泡の成長する様子を示す図である。
【図６】本発明のインクジェット記録ヘッドの第２の実施形態におけるノズル構造を示す図である。
【図７】気泡を外気と連通させるインクジェット記録ヘッド構造におけるインクのリフィル過程を説明する図である。
【図８】第２の実施形態，従来技術１および従来技術２のインクジェット記録ヘッドにおける、Ａ，Ｂ，Ｃの各領域におけるリフィル時間を比較した結果を示す表である。
【図９】本発明のインクジェット記録ヘッドの第３の実施形態におけるノズル構造を示す図である。
【図１０】段差部に斜面を有しないインクジェット記録ヘッドのノズル構造における、気泡の成長する様子を示す図である。
【図１１】図９に示したインクジェット記録ヘッドにおける、気泡の成長する様子を示す図である。
【図１２】電気熱変換素子から吐出口までの距離が一定のときの、吐出口プレートの厚みと着弾精度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
３１，１３１，２３１　　電気熱変換素子
３２，１３２，２３２　　吐出口
３３　　インク供給口
３４　　基板
３５，１３５，２３５　　吐出口プレート
３６　　被覆樹脂層
３７　　インク流路壁
３８，１３８，２３８　　段差部
【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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