JPH05185592A - 液体噴射ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数吐出口を高密度に有した液体噴射記録ヘ
ッドにおいて高速記録を安定的に行う。 【構成】 液体の吐出時には電気熱変換体５の熱によっ
て発生した気泡は、電気熱変換体５の中心より吐出口２
側に在る最大幅部分で成長し、かつ、この最大幅部分に
よって吐出方向のインピーダンスを下げることができ
る。また、液体のリフィル時には、供給口３から吐出口
２側に向かって広がり管を構成するため、リフィル時の
インピーダンスを下げることができ、また、これは吐出
時のインピーダンスを高めることになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特には熱エネルギーを
利用して吐出を行う液体噴射ヘッドに関する。本発明
は、液体を多種の目的のために噴射する装置に適用可能
で、好ましくは、プリンタおよびその複合機器に最適で
ある。

【０００２】

【従来の技術】特にこの熱エネルギーを用いる液体噴射
は、記録の分野に多くの文献を見い出すことができる。
熱エネルギーを利用して液体を吐出する液体噴射記録
は、液体吐出のエネルギー発生手段として例えば電気抵
抗素子を用い、素子から発生する熱エネルギーを直接あ
るいは間接的に液体に作用させる熱作用面を形成する。
この熱エネルギーを短時間で与えると、液体は膜沸騰を
生じ、気泡を発生させる。この気泡の生成に伴う作用力
により吐出口から液体を吐出して記録を行う。

【０００３】この方式による記録は、記録用の液体を吐
出するための吐出口を高密度に配列することができるた
め記録画像において高解像度が得られることや記録ヘッ
ドを小型化できるなどの利点を有している。

【０００４】しかしながら、吐出口を高密度に配列しよ
うとすると必然的に液流路を細くする必要がある。この
場合、液流路のイナータンスおよびインピーダンスが高
くなり液体を吐出した後、記録液が供給口から充填され
液流路の吐出口近傍にメニスカスが形成されるまでの時
間（リフィル時間）が長くなり、高速度記録を行う上で
障害となるものであった。

【０００５】特開昭６０−２０４３５２には、安定した
吐出が行えるように、液流路において電気抵抗素子より
供給口側に、記録液の供給口側への流出を低減するため
の抵抗体を付設したインクジェット記録ヘッドが開示さ
れている。しかし、この抵抗体の追加やこの制御は複雑
となるばかりか、それほど大きな効果は期待できない。

【０００６】また特開平１−８７３５６には、上記気泡
の持つエネルギーの吐出に利用する割合を向上させるた
めに、熱発生部近傍の液流路の流れに直交する断面積が
吐出口側ほど大きい構造のインクジェット記録ヘッドが
開示されている。さらに、特開平１−１９５０５０に
は、熱エネルギー作用部近傍の液流路の天井をそれ以外
の部分より高くすることにより、特開昭５６−１３９９
７０の構成要件である液流路を気泡で遮断しないことの
具体例が公開されている。

【０００７】これらは、単独の目的のみを達成しようと
するもので、総合的な効果を一層向上させるものではな
い。

【０００８】逆に、リフィル特性を向上しようとして、
共通液室側の液路断面積を液室に向って増加することを
開示する米国特許第４，７５２，７８７号明細書では、
流体抵抗の相対差が大きくなり、熱エネルギーによる気
泡の成長が液室側に伸びる傾向となる。そのため液路を
短くすることの目的に合致しない。

【０００９】他方、熱エネルギー発生体である抵抗素子
の周囲を包囲する壁を感光性樹脂の硬化層とする特公昭
６２−５９６７２号公報も知られている。この発明は壁
の液体接触面の表面性を向上した上で画期的な発明であ
る。この公報に記載されている液路は、この包囲壁の前
後で相当長い路長を示しており、この発明の優れた効果
がうかがえる。

【００１０】さらに、特開昭５５−１０９６６９号公報
は、発熱素子の利用は開示するものの、共通液室から一
つの液路に液体が流れる領域に吐出口と同じかそれより
小さい断面積の連結部を設けて、粗大ゴミのフィルター
リングを行うことが示されている。この公報は、液路の
形状をフィルターリングし易いように変形された構成を
多く示してはいるものの、抵抗素子の位置をどのように
するかを全く意図していない。図面から見るに、断面積
が吐出口に向って減少する領域に発熱素子を設けるよう
に理解できるだけである。

【００１１】このように、液路構造や発熱体（ヒータ或
は抵抗素子等）の配置を無意識或は意図的に開示する従
来技術は数多くあるが、いずれも通常の液体噴射を行う
こと基準にするものが大半である。

【００１２】

【背景技術】本発明は、液滴噴射の高画質化，高安定
化，高速記録を総合的に達成するためになされた発明で
あって、以下の検討事項を踏まえたものである。すなわ
ち、高速で高密度の記録を行うためには、ノズルの数を
増し、高い周波数で駆動する必要がある。しかし、ノズ
ル（液路）の数を増し、高い周波数で駆動すると、記録
ヘッドの消費電力が増大し、著しく昇温する。そのた
め、記録中に温度が変化し、記録画像にムラを生じた
り、最悪の場合には不吐出となる。

【００１３】高い周波数で駆動するためには、ノズル内
の泡およびインクの応答速度が早くなければならない。
吐出口からインクを吐出した後、泡が消滅し、次いで、
インクが吐出口の位置まで復帰しなければ、次の吐出を
正常に行うことができない。これに要する時間を短くす
るためには、ヒーターを小さくし、ヒーターに投入する
電力を小さくすればよい。すなわち、発生する泡の大き
さおよびパワーを小さくすれば、泡が消滅するまでに要
する時間が短くなると同時に、ノズル内のインクが吐出
口と反対方向に移動する量も少なくなり、メニスカスの
後退量が小さくなり、インクが吐出口まで復帰する時間
が短くなる。

【００１４】しかしながら、ヒーターを小さくし、ヒー
ターに投入する電力を小さくした場合には、吐出するイ
ンク滴の速度および体積が小さくなってしまう。そのた
め、外乱によって不吐出状態になったり、吐出方向が変
化するなどの問題を生じる。また、インク滴の体積が小
さいため、記録画像の濃度が不足する。

【００１５】

【発明の概要】本発明の目的は、比較的小さなヒーター
により、インク滴の吐出速度を十分に大きくし、適正な
インク滴の体積を実現する、ノズルの構造を提供するも
のである。それにより、従来困難であった、多数のノズ
ルを高密度で並べた記録ヘッドを高い周波数で駆動する
ことを可能とするものである。

【００１６】本発明の他の目的は、上述した検討の相反
する目的を共に実用水準で満足でき、他の複雑な付加構
成を不要とした液体噴射ヘッドを提供するものである。

【００１７】本発明は、液路内の１つの面に電気抵抗素
子を有し、該電気抵抗素子に通電することにより気泡を
発生し、前記電気抵抗素子の面にほぼ平行方向にインク
を吐出するものであり、前記液路が、吐出口に隣接し
て、当該断面積がほぼ一定の部分があること、該一定の
部分の後方において、当該断面積が吐出口の２倍以上に
広がっており、当該領域に前記電気抵抗素子があるこ
と、前記断面積がほぼ一定の後端から、前記電気抵抗素
子の先端までの長さＡが、吐出口の高さＰｈの１／２よ
り大きいこと、および前記吐出口から前記電気抵抗素子
までの最短距離が、前記吐出口の高さＰｈの半分と前記
断面積一定部分の長さとの和の２倍以内であること、を
特徴とする液体噴射ヘッドを提供する。

【００１８】この発明によれば、特に小エネルギーで必
要最小限の最適な吐出量を得ることが可能となる。この
発明において、電気抵抗素子（以下、ヒーターともい
う）から吐出口までの長さを前述の状態より少し長くし
た場合には、気泡の成長過程において破れることはない
が、気泡の消滅過程において気泡が破れる。この場合、
常に気泡が破れるのではなく、１００回ないし１０００
０回に１回程度であるが、一度発生するとその後しばら
くは消滅しない空気泡がノズル内に残り、吐出速度が正
常な状態のおよそ半分程度になってしまう。従って、実
質的には速く安定な吐出速度を得ることができない。本
発明者の検討によれば、この現象は以下のようにして、
発生するものと考えられている。ヒーターから吐出口ま
での長さが短い場合には、気泡が小さくなる過程におい
て、メニスカスが後退するとき、メニスカスと気泡の間
のインクが少ないため、この部分のインクが急速に気泡
に引き込まれ、気泡とメニスカスがつながり、気泡内に
空気が入るため、消滅しなくなるものである。そこで、
吐出口とヒーターの間でノズルの断面積を２倍以上にま
で急激に拡げることにより、メニスカスを流れの方向の
みでなく幅方向に対しても成長させることにより、メニ
スカスと気泡の間のインクの厚みを確保する。

【００１９】一方、吐出口の位置に対してノズルの壁面
が吐出方向に平行な方向から大幅にずれている場合に
は、吐出方向が不安定になるという問題が有る。また、
製造上のばらつきなどにより、吐出口の大きさ，方向な
どにばらつきを生じ易い。そこで、この発明において
は、吐出口の内側に、その断面積がほぼ一定の部分を設
けることにより、この問題を解決している。この部分の
長さは、実用上、好ましくは、吐出口の幅および高さの
１／４程度以上であることが適する。

【００２０】以上の構造にしたとき、特に、前記断面積
がほぼ一定の部分の後端から、ヒーターの先端までの長
さが吐出口の高さ１／２以上有れば安定に吐出すること
がわかった。これは以下の理由による。気泡はヒーター
上で小さくなるので、メニスカスと気泡の間は、左右方
向には対称であり、比較的安定であるが、上下方向には
非対称であり不安定である。そのため、吐出口の幅より
も、吐出口の高さとこの長さの関係が吐出安定性に関わ
るパラメータとして重要である。

【００２１】吐出口からヒーターまでの長さを長くする
と、吐出速度はこれに応じて遅くなり、吐出速度は、吐
出口からヒーターまでの長さにほぼ反比例する。従っ
て、吐出口からヒーターまでの長さを、前述の安定に吐
出する長さの下限値に対し、２倍以上に長くしたので
は、前述の不安定な場合に比べて、吐出速度が必ずしも
速いとはいえない。ただし、吐出速度および体積が安定
しているという利点はある。

【００２２】さらに好ましくは、ヒーターの大きさに注
目することで有る。本発明者等の実験によれば、その面
積が概ね、吐出口の断面積の２分の１ないし３倍が適切
である。ヒーターが小さくすぎる場合には、吐出速度が
著しく遅いため、吐出状態が不安定となる場合である。
逆に大きすぎる場合は、液滴が飛び散って記録画像を乱
すなどの問題が生じることもあった。これらの課題を問
題とする場合は、１／２以上３倍以上の条件は重要とな
る。

【００２３】本発明は、前記電気抵抗素子の面積が前記
吐出口の断面積の２分の１以上３倍以下であることを特
徴とする液体噴射ヘッドを提供するものである。

【００２４】この発明によれば、吐出口に至るまでの吐
出エネルギー効率向上が達成でき、小エネルギーで、最
適の敵対吐出を行うことをより安定化できる。

【００２５】特に、タイプのヘッドを製造する過程にお
いて、１枚の基板から複数のヘッドを切断により取りだ
す場合に有効である。通常ヒーターと吐出口との距離は
一般的に数十μｍから百数十μｍという微少な距離であ
るので、製造工程における実際に生じ得る十μｍ程度の
切断位置誤差がヒーターと吐出口間の流体抵抗に与える
影響が無視できないものとなる。この発明はノズルの流
体抵抗を低く保ちつつ前記切断誤差の影響を受けにくい
ヘッドおよび装置の提供ができる。

【００２６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００２７】まず、本発明の以下で述べる各実施例に底
流する本発明の原理について説明する。

【００２８】液体噴射ヘッドにおける液路の構造は、面
状の電気抵抗素子のサイズ、位置、発生する熱エネルギ
ー、液路の流路抵抗、吐出口の大きさ、形状等の全てを
考慮し、吐出される液の量とスピードを目標値に合せて
決定するが、上記したそれぞれの要素は製造プロセス
上、あるいは幾何学的な制限を有するので任意に設定で
きないことがある。もしこのような制限がないならば、
液路は流路抵抗（インピーダンス、イナータンス）が小
さいほど効率が良くなるので大きくかつ短くし、電気抵
抗素子のサイズと位置および吐出口の大きさ等を調整
し、液の量とスピードを目標値に合せることができる。
しかし、例えばマルチノズル（複数吐出口）の場合に
は、隣接液路との間に隔壁が存在することによって液路
の幅は制限を受けるし、隔壁を薄くしすぎて強度不足に
なることを避ける配慮も必要になるなど様々な制限的要
素が存在する。

【００２９】本発明は、流体インピーダンスの方向性お
よび流量依存性を利用したものである。すなわち、液路
のインピーダンスを液路全体にわたってできるだけ小さ
くしたいのは前述の通りだが、液路のインピーダンス
を、液の吐出時と液の供給時のそれぞれに異ならせるこ
とによって方向性および流量依存性を持たせ、結果とし
て吐出やリフィルの効率を良くするものである。

【００３０】この説明には、液路のインピーダンスを電
気抵抗素子より吐出口側（前方）と供給口側（後方）に
分けて考えるとわかりやすい。液吐出時には、液が前方
に動きやすく後方に動きにくいと効率良く吐出を行え
る。すなわち、インピーダンスは後方にくらべて前方を
より小さくすることが望ましい。一方、液の供給時は、
液路内で後退した液を元の位置に戻そうとするので、前
方でも後方でも液が動きやすいことが望ましい。つまり
インピーダンスは前方、後方とも小さくする必要があ
る。すなわち、前方のインピーダンスは常に小さく、後
方のそれは、液の吐出時は大きく、供給時は小さいと効
率良い吐出やリフィルが行える。このように、後方のイ
ンピーダンスには場合によって相反する特性が求められ
る。

【００３１】液路の長さと幅の調整は、液路のインピー
ダンスを効果的に変える方法である。本発明は幅に注目
しなされた。液路幅とインピーダンスの間には、一般
に、幅を大きくするとインピーダンスが小さくなり、幅
を小さくするとインピーダンスが大きくなるという関係
がある。上述したことから、液吐出時は前方の幅を大き
くし後方の幅は小さくすることが望ましいが、液の供給
時には後方の幅は大きくするのが良く、矛盾した特性が
求められる。しかし、吐出時と供給時の液の動き方の違
いを加味するとこの矛盾をほぼ解消することができる。

【００３２】すなわち、本発明者らは吐出と供給に必要
な時間の差に注目した。吐出は供給に比べて短時間で行
われるので流速が速く、供給はそれより遅い流れであ
る。この流速差と液路構造の工夫でインピーダンスに方
向性及び流速依存性を持たせることができる。

【００３３】まず、液路の後方について説明する。本発
明の液路構造によれば、吐出時の液は電気抵抗素子から
供給口に向って幅の小さくなる管（狭まり管）を速く流
れることになるので流れにくい。つまり、幅が一定のと
きに比べると吐出方向と反対方向の流れに対してインピ
ーダンスは大きくなり、効率良く吐出が行える。一方、
供給時は流れの向きが逆になり供給口から電気抵抗素子
に向い幅の大きくなる管（広がり管）をゆっくりと流れ
ることになるのでこの流れに対するインピーダンスは低
くなり液供給が速やかに行われる。次に、液路の前方部
について説明する。前方部では吐出時、供給時ともに液
の流れは電気抵抗素子から吐出口側に向っている。従っ
て効率を良くするには吐出口に向い広がり管の構造であ
れば良い。

【００３４】以上から、路全体としては供給口から吐出
口にむかって広がり管の構造にすると効率が良いことに
なる。しかし、液路の前方構造には吐出液の量、吐出速
度の制御という重要な役割があるので、上述のように吐
出等の効率を優先させる要因だけによってその構造を決
定することはできない。また、上述のような単なる広が
り管の構造では液路の高密度化、マルチノズル化に限界
がある。そこで本発明の前方構造が生れた。すなわち、
吐出液の量，吐出速度の制御のため電気抵抗素子部分か
ら吐出口に向かって、液路の幅が減少する構造とした。
このとき、液路の最大幅部は、より前方（吐出口側）に
あることが望ましいが、吐出圧力発生のための熱作用中
心となる電気抵抗素子より吐出口側にあれば本発明の効
果は実現できる。この構造によれば、吐出等の効率を向
上させるから液を所望の吐出量、吐出速度に制御するこ
とが比較的容易であり、かつ高密度化、マルチノズル化
が可能となる。

【００３５】すなわち、本発明によれば、供給口側から
電気抵抗素子部に向い広がり管となる液路構造は、電気
抵抗素子中央部より前方に少なくとも最大の液路幅とな
る部分を有するようにしたのでこの幅は液路のピッチを
考慮した最大限にとることができる。これにより、液路
全体の液路インピーダンスを下げることができる。これ
に対して、従来の液路は、液路自体が長ので、相対的に
最大液路幅部の延長が長くなる。このため、隔壁の強度
や気泡圧力の隣接液路への影響を考慮すると隔壁を薄く
することはできず、液路のピッチに対してこの最大幅
は、小さなものとしなければならなかった。本発明によ
ればマルチノズル化を小型に実現できる。本発明におい
て、最大液路幅を構成する部分の長さは、液路の隔壁を
構成する材料の特性、また、吐出口および供給口に向い
単調に減少する割合などから決定する。また、最大幅の
部分で電気抵抗素子と液路壁との距離を大きくとれるの
で、気泡が壁におさえられずに無理なく成長するように
なり、気泡のエネルギーを吐出エネルギーに変換する効
率も向上する。

【００３６】実施例１ 図１は実施例による液体噴射ヘッドの平面図である。こ
の噴射ヘッドは、基板上に隔壁７が形成されることによ
り、吐出口２，液路１等が構成される。また基板上の液
路１には電気抵抗素子５が形成される。液路１の長さ２
００μｍ、電気抵抗素子５の面積を４５×３５μｍ² と
した。この例では、本発明の特色である広い液路幅の効
果を最大限利用しており、最大液路幅および電気抵抗素
子５を吐出口２側に近づけ、電気抵抗素子５の幅を広
げ、液路１の長さを短くした。

【００３７】電気抵抗素子５を吐出口２に近づけること
のできた理由は、幅方向に気泡が自由に成長できるため
である。すなわち、従来例のように液路幅を大きくでき
ない場合、電気抵抗素子５を吐出口２に近づけすぎると
気泡が外気と連通し液路１内に空気が入り吐出不良の原
因となる場合がある。これに対し、本実施例ではこの心
配がなくなった。さらに、本例によれば電気抵抗素子５
が吐出口２に近いので小さな面積の電気抵抗素子５でも
って吐出を行えるようになり、効率が良くかつ省エネル
ギーも実現した。また、流長が短かいので液路１全体の
インピーダンスを小さくする効果もあり、従来に比べて
かなりの吐出効率アップとなった。

【００３８】実施例２ 図２に示すように、基板４上に電気抵抗素子５を一定の
間隔をおいて形成した（図２は分かり易さを優先させた
ため省略がある）。また天板６の、上記電気抵抗素子５
に対応する位置に溝を設けて液路１を形成した。天板６
と基板４を合せて液体噴射ヘッドを得た。各液路１は隔
壁７により隔てられる。吐出される液体は供給口３から
供給され、吐出口２から吐出される。

【００３９】電気抵抗素子５のほぼ中央付近では、隔壁
７の幅をほぼゼロとして（図においては説明のためにあ
る程度の幅をとってある）液路幅を最大にするととも
に、液路高さを最大にして、液路１の断面積をこの部分
において最大とした。

【００４０】各部の寸法は、吐出口面積３５×３５μｍ
² 、液路最大高さ６０μｍとした。

【００４１】図３（ａ）は、本実施例２の液路の部分を
示した平面図であり、図３（ｂ）はそのａ−ａ′断面
図、図３（ｃ）はそのｂ−ｂ′断面図である。

【００４２】

【表１】

【００４３】表１に本実施例１、２の液体噴射ヘッド特
性を示す。表からわかるように実施例の液体噴射記録ヘ
ッドは優れた特性を有する。

【００４４】実施例３ 図４はそれぞれ図１と同様の図を示す。すなわち、液路
１の最大幅部分を、電気抵抗素子５の中央部から、さら
に吐出口側へ配置した実施例を示す。これにより、気泡
８の成長を吐出口２側へ促し、より吐出効率を高めるこ
とができる。

【００４５】なお、以下に記す各実施例も、同様に最大
幅位置をより吐出口側へ配置したものである。

【００４６】また、本例に示す構成において、図３に示
した実施例と同様に、液路の最大幅の位置でその高さも
最大とする構成としてもよい。

【００４７】さらに、図４中に破線ａ，ｂおよびｃとで
それぞれ示すように、液路１の構造を、これら破線のい
ずれかあるいはこれらの組合せで示される構造としても
よい。特に、破線ｂを採用した構成は、以下の実施例で
示すように、気泡形成の初期を安定化でき、より好まし
い形状である。すなわち、電気抵抗素子に沿ったある長
さの最大幅部分を有していることは、この部分での気泡
の成長を均一なものとすることができる。また、破線ｃ
を採用した構成は、吐出速度を安定化でき、好ましい形
状である。

【００４８】実施例４ 図５は図１と同様の図を示し、実施例１の変形例を示す
ものである。本例は、液路１の最大幅位置を実施例１の
場合よりも吐出口２側へ移した構造を示す。

【００４９】なお図１，図５の構成において、電気抵抗
素子５のインク流れ方向に関した幅は、図４の実施例の
幅に比べて大きく、図１，図５の電気抵抗素子５のイン
ク流れ方向に関した長さよりも大きい。この構成は、気
泡の幅方向への成長を確実にし、電気抵抗素子５よりも
吐出口側にあるインクを確実にしかも早急に吐出せしめ
ることが可能であると共に、リフィル特性をより向上で
きるので好ましいものである。また、この構成に加え、
破線ｂを採用した液路形状とすると、以上の効果をより
確実なものとすることができる。

【００５０】加えて、図１，図５の実施例の吐出口の幅
は、この電気熱変換体５の幅よりも小さいため、液路内
の急激かつ早急なインク吐出力をより集中させて良好な
記録を可能にしている。

【００５１】さらに、図５の構成は、電気抵抗素子５の
吐出口２側の端部が、液路幅が単調減少する領域ではな
く、ほぼ等しい液路幅の部分（或は、単調増加する領域
でも良い）にある。

【００５２】これらによれば、成長した気泡は、最大幅
よりも小さい幅の上流側で両側壁へ向って成長し易いの
で、電気抵抗素子以降の下流側域のインクを急激に吐出
口側へ指向せしめることができる。しかも本例では気泡
の成長は、上流側へは相対的に小さくすることができる
のでリフィル効果も優れたものとなる。

【００５３】図６は上述した液体噴射ヘッドを示し、イ
ンクタンクを一体とした交換自在な形態のものである。

【００５４】図に示す記録ヘッド１０は、上述したよう
に液路および共通液室を構成するための凹部（溝）を形
成した天板と、吐出エネルギーを発生するための電気抵
抗素子およびこれに電気信号を供給するためのＡｌ配線
等が成膜技術によってSi基板上に形成された基板とを接
合することによって構成される。

【００５５】また、図中６００は記録ヘッド本体１０に
隣接して配設されるサブインクタンクであり、このサブ
インクタンク６００および上記本体は蓋３００および８
００によって支持される。さらに、１０００はカートリ
ッジ本体、１１００はカートリッジ本体の蓋部材であ
る。カートリッジ本体内部にはインクタンクが内蔵さ
れ、サブインクタンク６００に適宜インクを供給する。
以上の記録ヘッド本体１０とカートリッジ本体１０００
とによってこれらが一体の記録ヘッドカートリッジ８０
を得ることができる。

【００５６】本発明の記録ヘッドは、図６に示すように
カートリッジ８０の形態で得ることもでき、さらにこれ
を用いて図７のような液体噴射記録装置を構成すること
ができる。

【００５７】なお、図７において８０は図６に示したカ
ートリッジであり、このカートリッジ８０は、押え部材
８１によりキャリッジ５１の上に固定されており、これ
らはシャフト２１に沿って長手方向に往復動可能となっ
ている。また、キャリッジ５１に対する位置決めは、例
えば蓋３００に設けた穴と、キャリッジ１５側に設けた
ダボ等により行うことができる。さらに、電気的接続は
配線基板に設けた接続パッドに、キャリッジ５１上のコ
ネクタを結合させればよい。

【００５８】記録ヘッドにより吐出されたインクは、記
録ヘッドと微少間隔をおいて、プラテン１９に記録面を
規制された記録媒体１８に到達し、記録媒体１８上に画
像を形成する。

【００５９】記録ヘッドには、ケーブル１６およびこれ
に結合する端子を介して適宜のデータ供給源より画像デ
ータに応じた吐出信号が供給される。カートリッジ８０
は、用いるインク色等に応じて、１ないし複数個（図で
は２個）を設けることができる。

【００６０】また、図７において、１７はキャリッジ５
１をシャフト２１に沿って走査させるためのキャリッジ
モータ、２２はモータ１７の駆動力をキャリッジ５１に
伝達するワイヤである。また、２０はプラテンローラ１
９に結合して記録媒体１８を搬送させるためのフィード
モータである。

【００６１】本実施例の吐出口部は、単調に減少した端
部として図示してあるが、吐出口部を単調減少した部分
端よりもさらに小面積の吐出口部としても良く、吐出口
部に厚み（流れ方向に関しての長さ）を持たせた吐出部
としても良い。

【００６２】実施例５ 図８は本発明に実施例にかかる記録ヘッドの液路部分の
模式的平面図である。この噴射ヘッドは１２８個の吐出
口およびこれに連通する液路が一体に作られている。上
記液路等は６３．５μｍのピッチで並べられている。な
お、本発明はこのピッチ以下の噴射ヘッドに好適であ
る。これら液路等の底面および上面は平面な部材によっ
て構成される。

【００６３】この噴射ヘッドは以下の工程で製作した。
シリコンウエハーに厚さ１μｍの熱酸化ＳｉＯ₂ 層を形
成する。次に、ＨｆＢ₂ およびＡｌをスパッタリングに
より成膜し、これをフォトリソグラフィーにより所定の
電気抵抗素子および電極の形状にする。次に、ＳｉＯ₂
およびＴａをスパッタリングにより成膜し、不要な部分
をフォトリソグラフィーにより取り除く。以上の工程に
より、ヒーターボードが完成する。次に、ヒーターボー
ド上にネガ型ドライフィルムを張り付け、所定の形状に
露光し、現像することにより、液路の隔壁の部分を形成
する。この上に、硝子よりなる天板を張り付ける。次
に、吐出口の部分および噴射ヘッドの周囲を切断する。
以上により記録ヘッドの主要部が完成する。これに、支
持体，インク供給系，電気的駆動のための部品などを取
り付けて、噴射ヘッドが完成する。

【００６４】本実施例においては、電気抵抗素子の配線
形状は、２個の電気抵抗素子に対して３本の配線が設け
られているが、図においては省略してある。本実施例に
おいては、液路の後端部が、吐出口と同様に狭くなって
いる。これにより、電気抵抗素子による熱作用面で発泡
を生じたときに液路から共通液室へのインクの流れが制
限され、不必要なメニスカスの後退を防ぎ、リフィルを
速くする。また、リフィルの後のメニスカスの振動を抑
える働きもある。

【００６５】この図において、Ａ，Ｌ，Ｗｏ，ＨＬおよ
び吐出口の高さＰｈ（電気抵抗素子からの高さ）の異な
るヘッドを試作し、その結果を比較した。駆動電圧はそ
れぞれのヘッドにおいて、吐出する最低の電圧の１．２
倍とし、駆動パルス幅は、４μｓｅｃとした。

【００６６】図９にその結果を示す。インクの吐出量
は、それぞれのヘッドで異なる。Ｐｈが０．０２ｍｍの
場合には、Ａが０．０１ｍｍ以下で、Ｐｈが０．０３ｍ
ｍの場合には、Ａが０．０１５ｍｍ以下で、吐出速度が
２つの状態を取っている。

【００６７】この例では、Ｐｈが０．０２ｍｍのとき、
Ａを０．０１ｍｍより大きく、０．０３５ｍｍ程度以下
とすれば、安定して、速い吐出速度となる。また、Ｐｈ
が０．０３ｍｍのときは、Ａを０．０１５ｍｍ以上とす
ればよい。

【００６８】駆動可能周波数は、Ｐｈが０．０２ｍｍ、
Ａが０．０１５ｍｍのとき、１６ｋＨｚであり極めて高
速である。Ａが０．０４ｍｍでは、１０ｋＨ以下であっ
た。インクの吐出量は、それぞれ、１１ｐｌ，６ｐｌで
あった。

【００６９】Ｐｈが０．０２ｍｍの場合について、Ｗｏ
を、０．０１６ｍｍ，０．０２２ｍｍとした場合も試み
たが、Ａの適正範囲は、同じであった。しかし、Ｗｏを
０．０２６ｍｍとすると、Ａを０．０２ｍｍとした場合
でも、吐出速度が不安定であった。

【００７０】Ｐｈが０．０２ｍｍでＡが０．０１ｍｍの
場合について、Ｌを０．０２ｍｍとしても吐出速度は二
つの状態を取ることに変わりはなかった。また、Ａが
０．０１５ｍｍの場合について、Ｌを０．０１ｍｍとし
た場合、吐出速度は１６ｍ／ｓｅｃで一定であり、良好
であった。

【００７１】電気抵抗素子の吐出方向の長さＨＬについ
ては、０．０１８ｍｍないし０．０２８ｍｍで問題を生
じなかった。

【００７２】実施例６ 図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施例６にかかる
噴射ヘッドの液路のそれぞれ平面図および断面図を示
す。図には１個の液路のみを示しているが、本例のヘッ
ドは２５６個の液路を一体に形成する。隣接する液路間
のピッチは５３μｍであり、４８０ドット／インクの記
録が可能である。

【００７３】この記録ヘッドは、以下に工程により作成
する。ヒーターボードを作成する工程は、上記実施例５
と同様である。次に、ネガ型レジストを塗布し、液路の
下部の形に対応して露光する。次に、ネガ型レジストを
再度塗布し、液路の上部の形に対応して露光する。次
に、これを現像すると、液路の形にネガ型レジストが残
る。この上に、光硬化型樹脂を流し、硝子よりなる天板
をのせ、紫外線を照射する。次に、吐出口の部分および
ヘッドの周囲を切断する。次に、溶剤により、ネガ型レ
ジストを洗い流し、取り去る。以上の工程により、記録
ヘッドの主要部が完成する。これに、支持体，インク供
給系，電気的駆動のための部品などを取り付けて噴射ヘ
ッドが完成する。

【００７４】この記録ヘッドは、前述のように、二段の
レジストの露光工程を行っているので、液路の断面は、
図１０（ｂ）に示すように幅方向だけでなく高さ方向に
も変化している。

【００７５】図１０（ａ）および図１０（ｂ）におい
て、各部分の寸法を変化させた場合の結果を、下記の表
２に示す。

【００７６】

【表２】

【００７７】駆動条件は実施例４と同様である。表から
明らかな通り、設計１，設計２は良好な性能を示してい
る。設計３は設計１に比べてＡが長いが、その結果吐出
速度および駆動可能周波数が大幅に劣っている。設計３
は、Ａを短くしているが、その結果吐出状態が不安定で
あり、吐出速度などを測定できなかった。

【００７８】実施例７ 実施例５と同様にしてヒーターボードを製作し、次にポ
ジ型レジストを塗布し、露光および現像により、図８の
液路の形にポジ型レジストを残す。次に、これを金型に
入れ、熱硬化型樹脂を流し込み、トランスファー成型す
る。次に、吐出口の部分および噴射ヘッドの周囲を切断
し、ポジ型レジストを洗い流す。この製造方法において
は、ポジ型レジストの耐熱性が比較的低く、トランスフ
ァー成型の温度が高い場合、ポジ型レジストが成型時に
変形し、吐出口の形状が図１１に示すようにほぼ半円形
になる場合が有る。本実施例はそのようにして製作した
ものである。液路形状は、図８と同様であり、電気抵抗
素子部分における液路の高さは、０．０２２ｍｍであ
る。吐出口は、底面長さが０．０２ｍｍ、最大高さが
０．０１ｍｍのほぼ半円形である。Ｌを０．０１ｍｍ、
ＨＬを０．０２０ｍｍとし、Ａを０．０８ｍｍとしたと
き、吐出速度は、１２ｍ／ｓｅｃで安定であった。

【００７９】実施例８および９ 以下の実施例８および９にかかる液体噴射ヘッドの構成
を以下に説明する。

【００８０】液路が吐出口近傍において断面積が変化し
ている場合（例えばテーパー形状の場合）、吐出口を切
断によって加工する際の切断位置ずれにより吐出口の断
面積が変化することになる。吐出断面積の変化は、吐出
液の体積に大きな影響を与える。このため、この位置ず
れによって吐出液体積のばらつきが著しくなり、画像濃
度にムラを生じる。さらに液の吐出方向にばらつきが生
じたり不安定になりやすいという問題が生ずる。そこで
液路において吐出口に隣接した部分を、その断面積をほ
ぼ一定とする。しかしながら、単に液路断面積が一定の
部分を設けるだけでは不充分である。すなわち、前述の
切断位置ずれが仮に液路断面積が一定の領域におさまっ
ていても、吐出口と電気抵抗素子の距離のばらつきによ
り、この間の流体抵抗のばらつきを生じ、同様に吐出体
積のばらつきが生じ画像濃度がばらつき得る。

【００８１】これは、電気抵抗素子により生成された気
泡の圧力によって液を吐出する方式特有の現象である。
例えば、ピエゾ素子の変形圧力によって液を吐出する方
式においては、液が吐出口から外に出始めた後のピエゾ
素子駆動電圧の変化のさせ方によって吐出体積が定ま
り、ピエゾ素子と吐出口の間の液路抵抗が吐出体積に与
える影響はほとんどない。この方式によれば、例えば、
液を早い時機に吐出口から切離して結果的に体積を下げ
たい場合、ピエゾ素子の変位復帰タイミングを早めれば
これを実現できる。

【００８２】一方、気泡による方式の場合、気泡圧力は
生成時の内部エネルギ，インクの温度分布，液路内のイ
ンクの動力学等によって変化するものであり、制御不可
能である。吐出体積は電気抵抗素子，吐出口間の粘性抵
抗に主に依存している。したがって原則的には、電気抵
抗素子，吐出口間の寸法ばらつきが直接、吐出液体積の
ばらつきに結びつく。

【００８３】本発明者は、ある寸法条件の範囲で、この
ばらつきが最小に押さえることができることを論理的，
実験的に見いだした。

【００８４】非常に広い容器にラッパ形入口を持つ管が
接続されているとき、一般に、ラッパ形入口を持つ管に
おいて、流体の助走距離Ｌは、ｄを管径、Ｒｅをレイノ
ルズ数として、次式で与えられる。

【００８５】

【数１】

【００８６】ここで、流体の助走距離Ｌの意味は次のと
おりである。管の入口に隣接した領域（上記Ｌよりもず
っと短い領域）では、流速が断面内でほぼ一様であり、
管壁からの粘性抵抗より、管入口部における方向の向か
い合う流体の運動量の相殺によって生じる圧力損失が支
配的である。この領域では流体抵抗がほぼ一定値とな
る。これより長い領域では、流速の断面内分布が生じは
じめ、管壁からの粘性抵抗を受け、流路抵抗は長さの増
加関数になるが、長さに比例する程ではない。そして管
入口からＬより入ると流体は充分発達し（流速の断面内
分布が一定となり）、流路抵抗は管路長に比例する。

【００８７】さて、通常、気泡による噴射方式では、吐
出口の幅ｄは５０μｍ以下、液密度ρｈａ１ｇ／ｃｍ³
程度、液粘度ηは０．００１Ｐａ・ａｓｅｃ以上、流速
はυは２０ｍ／ｓ以下であるので、Ｒｅ＝ρυ／η＜２
０００が成り立つ。従って上記噴射方式は液路内の流れ
が層流である流れを対象にしているといえる。また、前
述の流路抵抗がほぼ一定である管の入口に隣接した領域
は、流体の相似則からＲｅ・ｄに比例していると考えら
れる。もし、吐出口隣接領域の液路断面積が一定の部分
がこの距離以内で変動するのであれば、電気抵抗素子と
吐出口間の流路抵抗は、ほぼ一定値をとり、したがって
吐出体積もほぼ一定となる。本願発明者は、この液路断
面積が一定の領域の長さｌ_S を変化させたとき、この長
さが０．０１５Ｒｅ・ｄ以下の時吐出体積がほとんど変
化しないことを見いだした。

【００８８】さらに前節で述べた、切断位置が多少変動
しても吐出口の内側の液路断面積が一定の部分におさま
るという必要性および、吐出方向の安定性から、ｌ_S が
ｄ／４以上が望ましいことも見いだした。

【００８９】なお、本発明においても、吐出する液の吐
出速度は一定とはならず、上に記したｌ_S に大きく依存
する。しかし吐出速度が記録特性にあたえる影響は小さ
いので、これは実用上問題はない。

【００９０】吐出速度は、発泡の瞬間に吐出口付近のイ
ンクがどの程度加速されるかによって決まるのである
が、ｌ_S が長い場合には、高速に加速すべきインクの量
が多くなるので、加速度が小さくなり、従って吐出速度
が小さくなる。

【００９１】実施例８ 図１２は実施例８にかかる噴射ヘッドの液路を示す模式
的平面図である。本実施例で用いるヘッドは、シリコン
ウエハに電気抵抗素子５および不図示の電極をスパッタ
リングにより形成し、ＳｉＯ₂ 保護膜を約１μｍ成膜し
た上に、感光性樹脂によって隔壁７を形成した後、ガラ
ス天板（不図示）を接着し、各ヘッドを切断により取り
出したものである。なお切断面は吐出口面と平行であ
る。２は吐出口、Ｃは吐出口に隣接した液路断面積が一
定の部分で、その長さｌ_S は１５μｍである。吐出口サ
イズは、幅２０μｍ，高さ２０μｍである。ｄとしては
吐出口幅２０μｍをとる。電気抵抗素子５のサイズは２
５μｍ×３０μｍであり、電気抵抗素子５の前縁（吐出
口側縁）から吐出口２までの長さは３５μｍである。Ｐ
Ｗは電気抵抗素子５がある部分の液路幅で４５μｍであ
る。したがって、電気抵抗素子の部分の液路断面積は、
吐出口隣接領域の液路断面積の２．２５倍である。液路
は電気抵抗素子付近で一定の断面形状４５μｍ×２０μ
ｍである。このい部分の長さは８０μｍである。その後
方（共通液室側）では、再び液路断面積が３０μｍ×２
０μｍに減少している。液路全長は１７０μｍである。

【００９２】本例では、水８０：ディ・エチレン・グリ
コール２０を主成分とする液を用いており、この液の粘
度ηは０．００２４Ｐａ・ｓｅｃ，密度ρ＝１．０２ｇ
／ｃｍ³ ，表面張力４２ｄｙｎ／ｃｍである。この液を
用いて噴射ヘッドを駆動した結果、吐出速度υは１０．
７ｍ／ｓｅｃ，吐出体積は約８×１０^-9ｃｍ³ であっ
た。このときｌ_S ／（ρυｄ² ／η）の値は０．０１１
であった。

【００９３】本例および、比較例として、ｌ_S が２．５
μｍ，１０μｍ，２０μｍ，２５μｍ，３０μｍ，３５
μｍ，４０μｍであるヘッドの吐出速度υと吐出体積Ｖ
_d の値を図１３（ａ）に、その時のｌ_S ／（ρυｄ² ／
η）の値を図１３（ｂ）に示す。吐出速度はｌ_S が増す
に従って徐々に下がっていくが、吐出体積はｌ_S ≦２５
μｍの範囲でほぼ一定となった。但しｌ_S ＝２．５μｍ
の場合（ｌ_S ＜ｄ／４）、吐出方向が不安定であった。
ｌ_S ≧５μｍの場合は吐出方向は安定していた。

【００９４】図１３（ｂ）の斜線部はある特定の液およ
び記録ヘッドを用いた場合の範囲を示したものである
が、ｌ_S がこの範囲に入っているときは、吐出方向は安
定していて、かつ吐出体積もほぼ同じ値をとった。

【００９５】このように、前述の如く、切断によって各
ヘッドを取り出しているが、その位置が吐出方向に±５
μｍ程度誤差を生じることはさけられない。この場合、
ｌ_Sの範囲は１５μｍを中心に±５μｍ変動し得るが、
この変動に対しても吐出方向および吐出体積は影響を受
けなくすことができる。

【００９６】実施例９ 図１４（ａ）および図１４（ｂ）は実施例９にかかる噴
射ヘッドの平面図およびそのＡ−Ａ′線断面図である。
本例では、電気抵抗素子の部分で液路幅を広くする平面
的余裕がない場合（例えば液路密度２４個／ｍｍ）、液
路の高さを変化させることによって、電気抵抗素子部分
の液路断面積を吐出口断面積より大きくしている。

【００９７】１０４はシリコン基板、１０２はシリコン
基板上に実施例７と同様の方法で形成された電気抵抗素
子、１０３は吐出口、１０４は成形によって作られた樹
脂製の天板でそのうち、１０５はヒーター部の掘り込み
部分、１０６は共通液室に対応した掘り込み部分であ
る。１０７は実施例７と同様に設けられた隔壁である。
前記天板を隔壁１０７上に接着させた後、実施例７と同
様に切断により各ヘッドを切り出している。したがって
吐出口隣接領域の液路断面積が一定の部分１０８の領域
の長さｌ_S は、それにより変動して２５μｍ±１０μｍ
であり、吐出口は幅２７μｍ，高さ２５μｍ、電気抵抗
素子部分の液路断面積は幅２７μｍ，高さ４５μｍ、隔
壁の幅は約１５μｍ、長さは３２０μｍである。電気抵
抗素子のサイズは、１８μｍ×６０μｍであり、この素
子の前縁から吐出口までの距離は６０μｍ±１０μｍで
ある。使用した液は実施例７と同じである。本例の場
合、ｄとしては吐出口高さ２５μｍをとる。

【００９８】図１５（ａ）および図１５（ｂ）は２μｍ
≦ｌ_S ≦４５μｍの範囲で変化させた時の吐出速度，吐
出体積およびｌ_S ／（ρυｄ² ／η）の値を示したもの
である。このうちｌ_S ＝７，１５，２０，２５，３０，
３５μｍが本例の範囲である。ｌ_S ＝３μｍの場合は、
吐出方向が不安定であった。

【００９９】７μｍ≦ｌ_S ≦３５μｍの場合、吐出体積
も（２１±０．５）×１０^-9ｃｍ³で安定していた。３
５μｍ＜ｌ_S の場合は、ｌ_S が増すにしたがって吐出体
積の低下が見られた。したがって、７ｌｍ≦ｌ_S ≦３５
μｍが吐出が安定し、かつ体積も安定した領域である。
このときｌ_S ／（ρυｄ² ／η）はおよそ０．０１５以
内かつ、ｌ_S ＞ｄ／４に入っている（図１５（ｂ）の斜
線部分）。

【０１００】以上述べたように本発明では吐出口から後
方において、液路幅が広がっている場合のみならず、液
路高さが高くなっている場合にも有効である。言うまで
もなく、液路幅と高さが共に広くなっている時にも本発
明は有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例１の液体噴射ヘッドの液路部分の
平面図である。

【図２】本発明実施例２の液体噴射記録ヘッドの部分斜
視図である。

【図３】（ａ）は図２に示した液路部分の平面図、
（ｂ）はそのａ−ａ′線断面図、（ｃ）はそのｂ−ｂ′
線断面図である。

【図４】本発明実施例３の液体噴射ヘッドの液路部分の
平面図である。

【図５】本発明実施例４の液路部分の平面図である。

【図６】本発明の実施例にかかる液体噴射記録ヘッドを
用いて構成されるヘッドカートリッジの外観斜視図であ
る。

【図７】上記カートリッジを用いることが可能な液体噴
射記録装置の外観斜視図である。

【図８】本発明実施例５の液体噴射ヘッドの液路の平面
図である。

【図９】実施例５の効果を説明するための線図である。

【図１０】（ａ）は本発明実施例６の液体噴射ヘッドの
液路の平面図、（ｂ）はその断面図である。

【図１１】実施例５の変形例を示す噴射ヘッドの平面図
である。

【図１２】本発明実施例８の液体噴射ヘッドの液路の平
面図である。

【図１３】（ａ），（ｂ）は実施例８の効果を説明する
ための線図である。

【図１４】（ａ）は本発明実施例９の液体噴射ヘッドの
液路の平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ′線断面図である。

【図１５】（ａ），（ｂ）は実施例９の効果を説明する
ための線図である。

【符号の説明】

１ 液路 ２ 吐出口 ３ 供給口 ４ 基板 ５ 電気熱変換体 ６ 天板 ７ 隔壁 ８ バブル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 博人 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 稲田 源次 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 前田 浩行 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 平澤 伸一 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液路内の１つの面に電気抵抗素子を有
   し、該電気抵抗素子に通電することにより気泡を発生
   し、前記電気抵抗素子の面にほぼ平行方向にインクを吐
   出するものであり、前記液路が、 吐出口に隣接して、当該断面積がほぼ一定の部分がある
   こと、 該一定の部分の後方において、当該断面積が吐出口の２
   倍以上に広がっており、当該領域に前記電気抵抗素子が
   あること、 前記断面積がほぼ一定の後端から、前記電気抵抗素子の
   先端までの長さＡが、吐出口の高さＰｈの１／２より大
   きいこと、および前記吐出口から前記電気抵抗素子まで
   の最短距離が、前記吐出口の高さＰｈの半分と前記断面
   積一定部分の長さとの和の２倍以内であること、 を特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 【請求項２】 前記電気抵抗素子の面積が前記吐出口の
   断面積の２分の１以上３倍以下であることを特徴とする
   請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 【請求項３】 液路内の１つの面に電気抵抗素子を有
   し、該電気抵抗素子に通電することにより気泡を発生
   し、前記電気抵抗素子の面にほぼ平行方向に液体を吐出
   するものであり、前記液路が、 前記吐出口に隣接して、当該断面積がほぼ一定の部分が
   あり、該部分の長さがｄ／４以上、かつ０．０１５ρυ
   ｄ² ／η以下であること、ここで、ρは液体の密度、υ
   は吐出速度、ｄは吐出口の幅又は高さ、ηは記録液の粘
   度、 および前記断面積一定部分に関して吐出方向と反対側の
   部分の断面積が前記吐出口の断面積の２倍以上に広がっ
   ていること、 を特徴とする液体噴射ヘッド。