JP2022000335A - 液体吐出モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】液体吐出モジュール内でインクを循環させる際にインク中に気泡が存在すると、インクの循環量が不足し、吐出の安定性が妨げられる。【解決手段】吐出口に連通し、液体を収容する圧力室と、吐出口から液体を吐出させるためのエネルギを発生するエネルギ発生素子と、圧力室に液体を供給する供給流路と、圧力室より液体を回収する回収流路と、回収流路に接続する送液室と、送液室と供給流路とを接続する接続流路と、液体を循環させる送液手段と、を有する液体吐出モジュールであって、送液室は、連続的な傾斜構造を有し、送液室において、重力方向に対して垂直となる面と平行な断面における断面積は、重力方向の反対方向に沿って小さくなっていき、断面積が最も小さくなる部分は、接続流路に接続する部分である。【選択図】図３

Description

本発明は、液体吐出モジュールに関する。

インクジェット記録ヘッドのような液体吐出モジュールでは、吐出動作が暫く行われない吐出口において揮発成分の蒸発が進み、液体（インク）が変質する場合がある。この場合、インクの吐出量及び吐出方向がばらついてしまい、形成した画像に濃度むらやスジ等が生じることがある。このようなインクの変質を抑制するため、近年では、液体吐出モジュール内でインクを循環させて、常に新鮮なインクを吐出口に供給する方法が提案されている。

特許文献１には、吐出のためのエネルギ発生素子に隣接する位置にアクチュエータを配し、吐出口に極めて近い位置でインクの循環を促す構成の液体吐出モジュールが開示されている。

ところで、連続して吐出動作を行うと、液体吐出モジュールの回路基板が昇温し、隣接する流路内のインクが加熱される場合がある。この場合、インク中の溶存酸素が気化し、インク中に気泡が生じることがある。また何等かの原因で、外部からインク中に気泡が混入することがある。気泡が流路に滞留すると流路抵抗が増加し、エネルギ発生素子および吐出口を有する圧力室に供給するインクの量が不足する可能性がある。また、インクを循環させるアクチュエータの駆動において、圧力損失が発生し、インクの循環量が不足する可能性がある。その結果、休止直後における吐出動作や、連続的な吐出動作において、吐出の安定性が妨げられる懸念が生じる。

国際公開第２０１３／０３２４７１号

しかしながら、特許文献１に記載された液体吐出モジュールは、浮力方向に垂直かつ長い構造の流路を有しており、インク中に生じた気泡やインク中に混入した気泡が流路内に滞留しやすいという課題があった。

そこで本発明の一実施形態は、上記の課題に鑑み、吐出口近傍に新鮮なインクを循環供給しながら流路から気泡を排出し、安定した吐出動作を行うことが可能な液体吐出モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態は、吐出口に連通し、該吐出口から吐出される液体を収容する圧力室と、前記圧力室に設けられ、前記吐出口から液体を吐出させるためのエネルギを発生するエネルギ発生素子と、前記圧力室に液体を供給する供給流路と、前記圧力室より液体を回収する回収流路と、前記回収流路に接続する送液室と、前記送液室と前記供給流路とを接続する接続流路と、前記送液室の容積を膨張及び収縮させることにより、前記供給流路、前記圧力室、前記回収流路、前記送液室、及び前記接続流路において液体を循環させる送液手段と、を有する液体吐出モジュールであって、前記送液室は、連続的な傾斜構造を有し、前記送液室において、重力方向に対して垂直となる面と平行な断面における断面積は、重力方向の反対方向に沿って小さくなっていき、前記断面積が最も小さくなる部分は、前記接続流路に接続する部分であることを特徴とする液体吐出モジュールである。

本発明の一実施形態によれば、吐出口近傍に新鮮なインクを循環供給しながら流路から気泡を排出し、安定した吐出動作を行うことが可能な液体吐出モジュールを提供できる。

第１の実施形態におけるインクジェット記録ヘッドの斜視図 第１の実施形態における記録素子基板の平面透視図 第１の実施形態における記録素子基板の断面図 第１の実施形態における記録素子基板の断面図 第１の実施形態における送液機構、第１の基板、および第２の基板を含む記録素子基板１０６の断面図 第１の実施形態における送液機構、第１の基板、および第２の基板を含む記録素子基板１０６平面透視図 第１の実施形態における流路イナータンス比と、送液効率との関係を示す図 第１の実施形態における送液機構において変位に寄与する領域のサイズと、接続流路の開口のサイズとの関係を示す図 第１の実施形態における接続流路の開口部形状と、９個の吐出口近傍におけるインクの平均流速との関係を示す図 第２の実施形態における記録素子基板の断面図 第２の実施形態における接続流路の開口部形状と、９個の吐出口近傍におけるインクの平均流速との関係を示す図

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。また、以下に記載されている構成要素の内容、相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

本発明では、前述の課題を解決するにあたり、送液室３１６の側壁は連続的な傾斜を有し、重力方向の反対方向（浮力方向）に沿って送液室３１６の空間が狭まる構造を有する。この結果、インク中の気泡３０２は、浮力により上昇しつつも、側壁が連続的に傾斜していることで壁面にトラップされることなく、送液室３１６から排出される。このように、送液室３１６に気泡３０２が滞留せず、インクが安定的に循環できることを特徴とする。

[第１の実施形態]
＜インクジェット記録ヘッドの外観＞
以下、本実施形態における液体吐出モジュール、具体的には、インクジェット記録ヘッド１００（以下、単に記録ヘッド１００と言う）について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態における記録ヘッド１００の斜視図である。記録ヘッド１００は、フレキシブル配線基板１０１、電気配線基板１０２、電力供給端子１０３、信号入力端子１０４、インク供給ユニット１０５、および記録素子基板１０６を有する。

ここで、記録ヘッド１００において、記録素子基板１０６が配列される方向をＹ方向とする。また、インクが吐出される方向をＺ方向とする。また、Ｙ方向およびＺ方向に対して垂直となる方向をＸ方向とする。

記録ヘッド１００は、複数の記録素子がＹ方向に配列して成る記録素子基板１０６を有する。ここで記録素子とは、後述する吐出口２０２と、エネルギ発生素子２０１と、圧力室２０３とを組み合わせた素子である（図２参照）。記録素子基板１０６は、Ｙ方向に複数配列される。ここでは、記録素子基板１０６がＡ４サイズの幅に対応する距離だけＹ方向に配列されることで、フルライン型の記録ヘッド１００を構成しているものとする。

記録素子基板１０６の夫々は、フレキシブル配線基板１０１を介して、電気配線基板１０２に接続されている。電気配線基板１０２は、電力を受容するための電力供給端子１０３と、吐出信号を受信するための信号入力端子１０４と、を有する。インク供給ユニット１０５には循環流路が形成されており、この循環流路を介して、不図示のインクタンクよりインクが記録素子基板１０６の夫々に供給される。また、この循環流路を介して、記録処理時に消費されなかったインクが回収される。

記録素子基板１０６に配された記録素子の夫々は、信号入力端子１０４より入力された吐出信号に基づき、電力供給端子１０３から供給された電力を用いて、インク供給ユニット１０５より供給されたインクをＺ方向に吐出する。

＜記録素子基板の流路構成＞
図２、図３、図４は、記録素子基板１０６の流路構成の一部を示す図である。図２は、吐出口２０２と対向する側から記録素子基板１０６を見たときの平面透視図である。図２に示すように、本実施形態における記録素子基板１０６は、エネルギ発生素子２０１、吐出口２０２、圧力室２０３、供給流路２０５、および回収流路２０６を有する。

図２に示すように、記録素子基板１０６において、記録素子は、Ｙ方向に所定数（例えば、数十個程度）隣接して配される。記録素子の夫々は、流路形成部材２１０によって区切られる。また、供給流路２０５は、数個の記録素子に対して１個配され、これら数個の記録素子へインクを供給する。また、回収流路２０６は、供給流路２０５がインクを供給する記録素子の数と同じ数の記録素子よりインクを回収する。１つの流路ブロックは、前述した所定数の記録素子、これらの記録素子にインクを供給する複数の供給流路２０５、およびこれらの記録素子よりインクを回収する複数の回収流路２０６により構成される。インク供給ユニット１０５より供給されたインクは、流路ブロック毎に用意された循環流路を通って、記録素子基板１０６内を循環する。また、後述する送液機構３０８は、流路ブロック毎に設けられる（図３参照）。

図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における記録素子基板１０６の断面図である。図３に示すように、本実施形態における記録素子基板１０６は、第２の基板３１３、第１の基板３１２、機能層３０９、流路形成部材２１０、および吐出口形成部材３１１を有する。記録素子基板１０６は、これらの構成要素をこの順にＺ方向に積層して形成される。機能層３０９の表面には電気熱変換素子であるエネルギ発生素子２０１が配される。吐出口形成部材３１１において、このエネルギ発生素子２０１とＺ方向に重なる位置には、吐出口２０２が形成される。エネルギ発生素子２０１は、Ｙ方向に複数配列し（図２参照）、エネルギ発生素子２０１夫々は、機能層３０９と、吐出口形成部材３１１との間に介在する流路形成部材２１０によって隔絶される。これにより、個々のエネルギ発生素子２０１及び吐出口２０２に対応する圧力室２０３が形成される。

圧力室２０３に収容されているインクは、安定状態において吐出口２０２の位置でメニスカスを形成する。吐出信号に従ってエネルギ発生素子２０１に電圧パルスが印加されると、エネルギ発生素子２０１に接触するインクに膜沸騰が生じる。この結果、インクが発泡する。この際、発生した泡の成長エネルギによって、吐出口２０２からインクが液滴３０１としてＺ方向（図３および図４の黒塗り矢印の方向）に吐出される。

図３に示すように、本実施形態の記録素子基板１０６では、第１の基板３１２、第２の基板３１３、共通供給流路３１４、機能層３０９、流路形成部材２１０、および吐出口形成部材３１１が循環流路を形成している。供給流路２０５と、回収流路２０６とは、１つの流路ブロック内の複数の記録素子において共有され、所定数の圧力室２０３に対するインクの供給と、回収とを行う。回収流路２０６は、圧力室２０３を介さずに送液機構３０８が設けられた送液室３１６に連通している。送液室３１６は、接続流路３０７を介して共通供給流路３１４に連通している。共通供給流路３１４は、供給流路２０５に連通している。

共通供給流路３１４から供給流路２０５へ、供給流路２０５から圧力室２０３へ、圧力室２０３から回収流路２０６へ、回収流路２０６から送液室３１６へ、送液室３１６から接続流路３０７を介して再び共通供給流路３１４へ、インクが循環される。図３および図４における白抜きの矢印は、インク循環時のインクの流れを示す。このインクの循環は、送液機構３０８がインクに流れを生じさせることによって生じる。

第２の基板３１３の吐出口２０２側の面には、送液機構３０８が配される。送液機構３０８は、第１の基板３１２において、機能層３０９に接する面とは反対側の位置にあり、その体積を変位させることによりインクを循環させる（図５参照）。

図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線における記録素子基板１０６の断面図である。１つの送液機構３０８は、５０程度の記録素子内のインクを循環させる。数個程度の記録素子に対して１つの送液機構３０８を設けてもよい。

ここで、気泡３０２の排出性を高めるために、接続流路３０７の開口を大きくすることが好ましい。但し、バルブレスポンプの送液原理によると、接続流路３０７の開口を大きくするほど、送液機構３０８による流量変化を大きくすることが求められる。その結果、本実施形態のように送液機構３０８の配置領域が大きくなり、１つの送液機構３０８が受け持つ記録素子数が多くなる。

このような構成のもと、インク供給ユニット１０５より共通供給流路３１４を介して供給されたインクは、供給流路２０５、圧力室２０３、回収流路２０６、送液室３１６、接続流路３０７の順に、記録素子基板１０６内を循環する。吐出動作によって圧力室２０３内のインクが消費されると、吐出口２０２には新たなインクが供給され、メニスカスを再形成する。吐出動作が行われなくても前述の循環は行われ、吐出口２０２の近傍には常に新鮮なインクが供給されている。尚、不図示だが、供給流路２０５内には、異物や気泡３０２などの流入を防ぐためのフィルタを設けておくことが好ましい。このフィルタとして、例えば、柱状構造物などが採用される。

記録素子基板１０６は、予め構造物を形成した第１の基板３１２と第２の基板３１３とを貼り合わせることによって作製される。接続流路３０７は、第２の基板３１３を作製する際に、素材となる基板の両面からエッチングを施すことで形成される。送液室３１６における連続した傾斜構造の形成も含め、第２の基板３１３における送液室３１６などは、（１００面）Ｓｉ単結晶基板に対する異方性エッチングで形成することが好適である。

＜送液室の構造＞
本実施形態において、送液室３１６の側壁を連続的な傾斜構造にする理由について述べる。記録ヘッド１００を搭載した装置が連続的な吐出動作を行うと、記録ヘッド１００の回路基板が発熱する。その結果、記録ヘッド１００内のインクは、加熱され昇温する。インクが昇温すると、インクに溶存している酸素が気化し、インク中に微小な気泡３０２が生じやすくなる。このようにして生じた微小な気泡３０２は、合体し、サイズが大きい気泡３０２へと成長する。仮に、気泡３０２が送液室３１６中に留まると、送液機構３０８によるインクへの圧力が気泡３０２に吸収され、インク循環時のインクの流量が低下する。また、成長した気泡３０２の体積が送液機構３０８の変位量に近くなると、インクの循環は完全に停止する。

このことから、インク中に生じた気泡３０２は、送液室３１６内に留まることなく送液室３１６外に排出されることが必須である。そのため、本実施形態では、送液室３１６の側壁を段差のない連続的な傾斜構造とする。この傾斜構造は、重力方向の反対方向（気泡３０２が受ける浮力の方向）に向かうほど、送液室３１６において、重力方向に対して垂直となる面と平行な断面における断面積が小さくなるように形成される。これにより、浮力で上昇する気泡３０２が送液室３１６の側壁によってトラップされることを抑制できる。送液室３１６の傾斜構造の最端部に、接続流路３０７を設ける。接続流路３０７は、送液室３１６と共通供給流路３１４とを接続する。前述の送液室３１６の断面積は、送液室３１６と共通供給流路３１４とが接続する部分（接続流路３０７）において、最も小さくなる。接続流路３０７を液室と一体化した構造にすることで、気泡３０２の通過する経路において段差のない流路を形成できる。

送液室３１６内の気泡３０２が排出されても、インク循環動作を行うと、酸素の溶存している新たなインクが送液室３１６に流入してくる。そのため、本実施形態における送液室３１６および接続流路３０７のように、インク循環動作を行わずに、能動的に気泡３０２を排出させる構成が必要となる。

図３および図４における送液室３１６の壁面の傾斜角度３１５について説明する。検討の結果、傾斜角度３１５は、概ね３０°以上必要であることが判明した。傾斜角度３１５が小さいと、気泡３０２の受ける浮力が側壁の摩擦力に負けてしまい、気泡３０２が流路側壁に留まってしまう場合があった。送液室３１６を形成する方法に依存するが、仮に、Ｓｉ単結晶基板の異方性エッチングを想定する場合、傾斜角度３１５は約５４．８°となる。この場合、送液室３１６の傾斜構造は、Ｓｉ単結晶基板の（１１１）面により構成される。ここでは、傾斜角度３１５は、３０°以上、かつ６０°以下を想定している。

気泡３０２の滞留防止の観点からみると、傾斜角度３１５は、大きいほど好ましいが、傾斜角度３１５が大きくなると、送液機構３０８から接続流路３０７までの距離が遠くなる。この場合、送液室３１６の容積が増加する。送液室３１６の容積が増加すると、送液室３１６のコンプライアンス（剛性の逆数）が増加し、系全体の周波数応答性が低下してしまうため、駆動する上で好ましくない。傾斜角度３１５は、最大でも６５°以下であることが好ましい。

また、図３および図４に示すように、送液機構３０８と、接続流路３０７の開口位置との配置関係は、送液室３１６を挟み込んで対向させることが好ましい。送液機構３０８の変位高さは、たかだか１μｍ程度と小さい。しかし、本実施形態における流路構成を前提として、送液機構３０８にバルブレスポンプとしての機能を求める場合、送液機構３０８の変位体積量として数十ｐＬ〜１００（百）ｐＬ以上が求められる。従って、送液機構３０８の変位体積量を大きくするために、送液機構３０８の設置面積を大きくする必要がある。そのため、送液機構３０８の配置領域は大きくなる。インク色間の間隔は１ｍｍ程度であり、その空間に供給流路２０５、圧力室２０３、吐出口２０２、回収流路２０６、送液機構３０８、送液室３１６、および接続流路３０７を配する必要がある。送液機構３０８の配置領域を最大限に確保するためには、送液機構３０８および接続流路３０７の開口位置を対向配置にすることが好適となる。

接続流路３０７の付近は流れが激しく切り替わるので、接続流路３０７は、層流が求められる回収流路２０６から遠ざけて配されることが好ましい。接続流路３０７と、回収流路２０６との配置関係が近い場合、接続流路３０７の激しい流れが回収流路２０６の緩やかな流れに影響を与え、送液性能の低下を招く恐れがある。そのため、回収流路２０６は、接続流路３０７より送液機構３０８に近い位置関係にしておくことが好ましい。本実施形態において、回収流路２０６は、送液機構３０８に隣接するように送液室３１６に接続される。

また、供給流路２０５へ接続する共通供給流路３１４の一部の流路形状は、段差の無い連続的な傾斜構造が好ましい。段差形状があると、気泡３０２がトラップされやすくなるからである。微小な気泡３０２がトラップされると、それは次第に大きな気泡３０２へと成長してしまう。供給流路２０５側に大きな気泡３０２が存在すると、インクの循環が妨げられる。また、この大きな気泡３０２から分離した気泡３０２が圧力室２０３および送液室３１６に流れ込む場合もある。

このような状況を招かないため、共通供給流路３１４の一部を、隣接する送液室３１６の壁面の傾きに沿った形状としておくことが空間使用効率の観点からも好ましい。Ｓｉ（１００）単結晶基板に対するアルカリ溶液によるウェットエッチングによって、共通供給流路３１４の一部および送液室３１６を形成する場合、共通供給流路３１４の一部および送液室３１６における傾斜構造の傾斜角度３１５は±１°以内で一致する。これにより、共通供給流路３１４の一部は、本実施形態のように隣接する送液室３１６の壁面に沿った形状として形成され、送液室３１６の壁面と略平行となる。尚、２つの構造のなす角度が±１°であった場合、それらの構造は略平行とする。

＜送液機構の構成＞
以下、送液機構３０８の構成について、図５および図６を用いて説明する。まず、送液機構３０８として薄膜圧電体５２６をポンプアクチュエータとして用いた場合の構成について、図５を用いて説明する。図５は、送液機構３０８、第１の基板３１２、および第２の基板３１３を含む記録素子基板１０６の断面図である。送液機構３０８には、ユニモルフの圧電アクチュエータが用いられる。ユニモルフの圧電アクチュエータとは、ダイヤフラム５２１の片面側に圧電素子や電歪素子等を使用した薄膜圧電体５２６が形成される構成である。薄膜圧電体５２６は、電圧が印加されると、ダイヤフラム５２１の第１の基板３１２側を変位させ、送液室３１６の容積を膨張及び収縮させる。図５の双方向の白抜き矢印は、ダイヤフラム５２１が変位する方向を示す。

送液室３１６を大気側から区分するようダイヤフラム５２１を構成し、薄膜圧電体５２６は大気側に配置する。薄膜圧電体５２６の配置位置に対応するように、第１の基板３１２側には掘り込み構造が施されており、第１の基板３１３および第２の基板３１３は、薄膜圧電体５２６を外気やインクの侵入から遮断するように封着される。

ダイヤフラム５２１には、必要な機械的特性、耐信頼性などの条件を満たすシリコン窒化膜、シリコン、金属、耐熱ガラスなどが使用される。

薄膜圧電体５２６の形成方法は、真空スパッタ成膜、ゾルゲル成膜、ＣＶＤ成膜などから選択できる。薄膜圧電体５２６は、成膜後に焼成を伴うものが多い。薄膜圧電体５２６は、例えば、成膜後にランプアニール加熱などを用いて酸素雰囲気下にて最大６５０℃程度で焼成することによって形成される。また、薄膜圧電体５２６は、プロセスフローの整合を鑑みて、ダイヤフラム５２１に直接成膜し、一体焼成により形成してもよい。また、薄膜圧電体５２６は、別の基板上に成膜し焼成してからダイヤフラム５２１側に剥離転写してもよい。また、薄膜圧電体５２６は、別の基板上に成膜しダイヤフラム５２１側に剥離転写してから一体焼成するなどにより形成してもよい。ここでは、薄膜圧電体５２６には、ＰＺＴ系の圧電材料が使用されることを想定している。この圧電材料は、電圧の応答変位特性として線形性の高い材料であり、線形性の高い電圧範囲にて駆動することが好ましい。但し、現実においては、分極の飽和特性、電歪の非線形特性が、変位特性に混入したとしても致し方ない。

電極５２７には、焼成プロセスを経るならばＰｔ系の材料が使用されるが、焼成工程を分離できるならばＡＬ系の材料が使用されてもよい。本実施形態において、ダイヤフラム５２１には、約１〜２μｍのＳＯＩ基板が用いられる。ダイヤフラム５２１側の電極５２７はＴｉ層とＰｔ層とを組み合わせて形成される。薄膜圧電体５２６は、約１〜３μｍのＰＺＴ層により形成される。薄膜圧電体５２６を間に挟み、ダイヤフラム５２１側の電極５２７と対向する位置に配される電極５２７はＴｉ系合金により形成され、その最外層はＳｉＮ系の保護膜により覆われる。

図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線における平面透視図である。ここでは、ダイヤフラム５２１の領域は最大で６００μｍ（短辺側）×１２００μｍ（長辺側）程度である。

電極５２７に電圧を印加すると、ダイヤフラム５２１に薄膜圧電体５２６による撓みが発生する。本実施形態の構成において、市販の有限要素シミュレータを用い、流路負荷を踏まえて、アクチュエータの剛性量と変位量のバランスを考慮した設計をした場合、系全体の共振周波数は、１００〜２００ｋＨｚとなる。系全体の共振周波数は、容器共鳴を意味するヘルムホルツ周波数とも呼ばれる。ヘルムホルツ共振周波数は、吐出モジュールに組み込まれた各送液装置について、インクを充填した状態にてインピーダンス測定を実施することで導出できる。

本実施形態の送液機構３０８は、系全体の共振周波数を利用して駆動される。バルブレスポンプの送液原理は、速い流れによる渦流および遅い流れによる層流における流路抵抗の非線形変化を利用したものである。ここで、送液機構３０８を速く膨張させる速度として２．５μｓ〜５．０μｓを想定するため、系全体の共振周波数として１００〜２００ＫＨｚが必要となる。

＜流路構成の寸法例＞
以下、本実施形態における流路構成の具体的な寸法例について説明する。本実施形態では、以降の寸法例を基準とするが、各部の寸法値は一例に過ぎず、要求仕様に応じて、適宜変更することができる。

記録ヘッド１００における個々の記録素子、即ち、エネルギ発生素子２０１、吐出口２０２、および圧力室２０３は、Ｙ方向に１２００ｎｐｉ（ｎｏｚｚｌｅ ｐｅｒ ｉｎｃｈｓ）の密度で配列される。エネルギ発生素子２０１の大きさは、３２μｍ×１２μｍ程度である。吐出口２０２の直径は、１５μｍ程度であり、吐出口２０２の厚さは、８μｍで程度ある。圧力室２０３の大きさは、Ｘ方向３７μｍ（長さ）×Ｙ方向１７μｍ（幅）×Ｚ方向１３μｍ（高さ）程度である。供給流路２０５の断面形状は、７５μｍ×７５μｍ程度であり、供給流路２０５の長さは、２００μｍ程度である。回収流路２０６の断面形状は、７５μｍ×５０μｍ程度であり、回収流路２０６の長さは、２００μｍ程度である。

送液室３１６は、Ｓｉ基板が異方性エッチングされることにより形成され、その形状は、第２の基板３１３において、送液機構３０８が配された側を底面とし、接続流路３０７の開口面を上面とする４角錐台である。この４角錐台の底面は、最大で７００μｍ（短辺）×１２００μｍ（長辺）程度であり、この４角錐台の上面は、３０〜５０μｍ（短辺）×５００μｍ（長辺）程度である。送液室３１６を形成するＳｉ基板の厚みは、凡そ５００μｍ程度である。吐出口形成部材３１１の厚みは６μｍ程度である。使用されるインクの粘度は３ｃＰ程度であり、個々の吐出口２０２から吐出されるインク吐出量は４ｐＬ程度である。

接続流路３０７近傍に逆止弁となる渦流を発生させるには、接続流路３０７におけるレイノルズ数を高くする事が必須である。レイノルズ数を構成する変数は複数あるものの、流速を高くすることが最も有効である。ここでは、送液機構３０８の変位体積量を最大限に接続流路３０７側に配分し、併せて接続流路３０７の開口を絞ることにより流速が高速化される。送液機構３０８の変位体積量は有限であるため、接続流路３０７において渦流を発現する流速を得るためには、開口面積を適切に定める必要がある。

ここまで示した流路寸法を採用した場合における、送液室３１６の一部、回収流路２０６、圧力室２０３、および供給流路２０５を第１経路とする。また、第１経路に含まれない送液室３１６の部分および接続流路３０７を第２経路とする。この場合、送液機構３０８からみた第１経路のイナータンスは、送液機構３０８からみた第２経路のイナータンスの約２０倍となる。

第１経路のイナータンスが第２経路のイナータンスより約２０倍大きいことは、送液機構３０８からみて第１経路の駆動負荷は重く、第２経路の駆動負荷が軽いことを意味する。即ち、送液機構３０８の変位体積量の内、最大で９５％が第２経路側に配分される。

＜イナータンス比と、送液効率との関係＞
以下、イナータンス比と、送液効率との関係について、図７を用いて説明する。以降、イナータンス比とは、送液機構３０８からみた第１経路のイナータンス／送液機構３０８からみた第２経路のイナータンスを指す。図７は、イナータンス比と、送液効率との関係を示す図である。図７に示すように、送液効率を高める場合、イナータンス比には最適値が存在し、その最適値は、５程度である。但し、送液室３１６内に存在する気泡排出性を高めるには、接続流路３０７の開口面積をできるだけ大きくしておくことが好ましい。

イナータンス比は、第２経路の断面積に反比例する。接続流路３０７の開口面積を大きくすると、第２経路のイナータンスが小さくなり、イナータンス比は、大きくなる。イナータンス比が大きくなると、送液室３１６を介して第２経路から第１経路へインクが送液される際に、第２経路の慣性抵抗が大きすぎるために、送液室３１６への第２経路からのインク吸い込み量が少量となる。イナータンスが大きい場合、一般的にレジスタンス（粘性抵抗、ＤＣ抵抗）も大きい。この場合、インクの流量が少なくなる。以上、説明したように、気泡排出性を高めることと、送液性能を高めることとは相反するので、目的に合わせ流路構成を適宜選択する。

本実施形態の流路構成において、接続流路３０７の開口形状の長辺が５００μｍかつ短辺が３０μｍの場合、イナータンス比は約１９となり、接続流路３０７の開口形状の長辺が５００μｍかつ短辺が５０μｍの場合、イナータンス比は約２２となる。発明者が鋭意検討を行った結果、気泡排出性より送液を重視する場合、第１経路のイナータンス比は、少なくとも第２経路のイナータンスの２．５倍以上が好ましいことを見出した。また、気泡排出性を重視しつつも送液を行う場合、第１経路のイナータンス比は、大きくても第２経路のイナータンスの２５倍以下が好ましいことを見出した。

＜送液機構において変位に寄与する領域のサイズと、接続流路の開口とのサイズの関係＞
図８は、送液機構３０８において変位に寄与する領域のサイズと、接続流路３０７との開口のサイズとの関係を示す図である。図８のＸ軸は、送液機構３０８全体のサイズに対する送液機構３０８において変位に寄与する実効的な領域のサイズの割合を示す。送液機構３０８に圧電薄膜を用いた場合、実効的に変位する送液機構３０８の領域は、送液機構３０８全体のサイズより小さくなる。その理由は、圧電薄膜の電気的な接続や、駆動配線の引き回し、隣接する送液機構と切離すための隔壁接着部、アクチュエータの端部剛性を維持する送液機構３０８の領域の一部に割り当てられるためである。そのため、送液機構３０８の概ね７０％〜９５％が実効的に変位する領域となる。

図８のＹ軸は、（接続流路３０７の開口領域）／（変位に寄与する送液機構３０８の実効領域）を示す。接続流路３０７の形状によって、（接続流路３０７の開口領域）／（変位に寄与する送液機構３０８の実効領域）で示される特性比は、ある一定の幅を有する。ここでは、この特性比は、２％〜６％を示し、凡そ数％の幅を有する。

ここで、図８に示されるプロットは、送液機構３０８および接続流路３０７の設計水準の一部を示すものであり、送液機構３０８および接続流路３０７の設計は、これだけに限るものではない。記録素子基板１０６における他の部分の構造の水準も考慮すると、前述の特性比は、少なくとも１％以上から、大きくても１０％以下が好ましい。１％という閾値は、接続流路３０７の開口を絞りすぎず、かつ、気泡排出性を維持することを条件として導出した値である。また、１０％という閾値は、接続流路３０７の開口を開けすぎず、かつ、バルブレスポンプを機能させることを条件として導出した値である。

＜接続流路の開口部形状と、吐出口近傍におけるインクの平均流速との関係＞
図９は、接続流路３０７の開口部形状と、９個の吐出口２０２近傍におけるインクの平均流速との関係を示す図である。一般に流れを評価する手法としてＰＩＶ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）、ＰＴＶ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）という手法が広く知られているが、どちらの手法を用いて評価しても構わない。ここでは、インクの流れを評価する手法として、ＰＴＶを用いた。具体的には、光学顕微鏡および高速度カメラを使用して、直径１μｍのトレーサ粒子を加えて撹拌したインクを循環させた状態における吐出口２０２近傍（圧力室２０３）のインクの流れに対する観察と、解析とを行った。この観察結果および解析結果より、９個の吐出口２０２近傍におけるインクの平均流速を導出した。吐出口形成部材３１１は光学的に透明であるため、光学顕微鏡および高速度カメラを使用して、圧力室２０３内を流れるトレーサ粒子を観察することは可能である。

開口部形状が異なる３種の接続流路３０７に対して、インクの流れを評価した。３種の接続流路３０７夫々の開口部形状は、長辺は３種とも約５００μｍとし、短辺は３０、４０、５０μｍとした。駆動電圧条件は、条件Ａおよび条件Ｂの２種とした。条件Ａは、ＤＣ−ＢＩＡＳ電圧として−３０Ｖを印加し、立上の時間を３μｓ、立下の時間を４７μｓとし、のこぎり波形が周波数２０ＫＨｚで繰り返されるようにした。条件Ａにおいて、Ｘ軸（接続流路３０７の短辺）が５０μｍ〜３０μｍへと小さくなるにつれ、吐出口２０２近傍において観察されるインクの流速は、１ｍｍ／ｓ〜４ｍｍ／ｓへと速くなっていた。

また、条件Ｂは、電圧値を条件Ａの１．５倍にしたものである。条件Ｂにおいて、Ｘ軸が５０μｍ〜３０μｍへと小さくなるにつれ、吐出口２０２近傍において観察されるインクの流速は、２ｍｍ／ｓ〜１１ｍｍ／ｓへと条件Ａの場合より速くなっていた。

ここで、インクの循環による吐出特性の改善効果を得るには、インク循環時の吐出口２０２近傍における流速は、１ｍｍ／ｓから１０ｍｍ／ｓ程度であることが好ましい。本実施形態の送液装置は、単体であってもよいし、単体を複数組み合わせたものであってもよい。例えば、送液装置は、大きなものを１つ配してもよいし、小さなものを複数配してもよいし、大きさが異なるものを複数配してもよい。

＜吐出速度の安定性＞
記録ヘッド１００に内蔵した送液機構３０８の送液能力を評価するために、休止期間から吐出開始し始めた際のインクの吐出速度の安定性を評価した。インクは、粘度が３ｃｐｓのものを使用した。駆動条件は、ＤＣ−ＢＩＡＳ電圧として−３０Ｖを印加し、立上の時間を３μｓ、立下の時間を４７μｓとし、のこぎり波形が周波数２０ＫＨｚで繰り返されるようにした。この駆動条件のもと、送液装置を駆動させた。この場合、休止期間を数ｓ〜数十ｓとしても、インクの吐出速度に不安定さは見られず、インクの液滴３０１が不吐になる吐出口２０２は見られなかった。

＜本実施形態の効果＞
送液室３１６の側壁が連続的な傾斜構造となる構成において、各記録素子に送液装置を組み込み、インクを循環させると、気泡３０２が送液室３１６の側壁にトラップされることを抑制できる。これにより、各記録素子内の吐出口２０２近傍のインクを安定的に循環させることが可能となる。その結果、インク吐出部におけるインク蒸発によるインクの粘度増加に起因する吐出不良を抑制でき、初期吐出の特性を改善できる。

[第２の実施形態]
本実施形態では、記録素子は、１２００ｎｐｉ×２列に配され、第１の実施形態より細密に配される。図１０は、本実施形態における記録素子基板１０６の断面図である。図１０に示すように、本実施形態では、供給流路２０５を吐出口列間で共有している。夫々の吐出口列に対して送液機構３０８が適宜配される。本実施形態は、２列の吐出口列が供給流路２０５を共有している点で第１の実施形態と異なる。

＜接続流路の開口部形状と、吐出口近傍におけるインクの平均流速との関係＞
第１の実施形態と同様に、インクの流れを評価する手法として、ＰＴＶを用いて吐出口２０２近傍におけるインクの流速を評価した。インクを循環させた状態において、９個の吐出口２０２近傍（圧力室２０３）のインクへの流れに対する観察と、解析とを行い、吐出口２０２近傍におけるインクの平均流速を導出した。図１１は、本実施形態における接続流路３０７の開口部形状と、９個の吐出口２０２近傍におけるインクの平均流速との関係を示す図である。

開口部形状が異なる３種の接続流路３０７に対して、インクの流れを評価した。３種の接続流路３０７夫々の開口部形状は、長辺は３種とも約５００μｍとし、短辺が２０、３０、５０μｍとした。駆動電圧条件は、条件Ｃおよび条件Ｄの２種とした。条件Ｃは、ＤＣ−ＢＩＡＳ電圧として−３０Ｖを印加し、立上の時間を３μｓ、立上後の状態で維持する時間を１０μｓ、立下の時間を３７μｓとし、のこぎり波形が周波数２０ＫＨｚで繰り返されるようにした。条件Ｃにおいて、Ｘ軸（接続流路３０７の短辺）が５０〜２０μｍへと小さくなるにつれ、吐出口２０２より観察される流速は、１ｍｍ／ｓ弱〜約１ｍｍ／ｓへと速くなっていた。

また、条件Ｄは、電圧値を条件Ｃの１．５倍にしたものである。条件Ｄにおいて、Ｘ軸が５０μｍ〜２０μｍへと小さくなるにつれ、吐出口２０２より観察される流速は、１ｍｍ／ｓ弱から約３ｍｍ／ｓへと速くなっていた。以上より、本実施形態における構成において、インク循環時の吐出口２０２近傍（圧力室２０３）における流速を１ｍｍ／ｓ以上とすることが可能である。

本実施形態において、インク循環時の吐出口２０２近傍（圧力室２０３）における流速が第１の実施形態と比較して小さい原因は、本実施形態の色間距離が第１の実施形態と同様に１ｍｍ程度でありながら、その中に送液機構３０８を２つ配しているためである。この結果、第１の実施形態と比較して、送液機構３０８の配置領域が小さくなり、送液機構３０８の絶対的な変位体積量が小さくなる。これにより、接続流路３０７近傍に速い流れを生じさせることが難しくなり、渦流の程度が弱くなる。

＜吐出速度の安定性＞
ここで、第１の実施形態と同様に、記録ヘッド１００に内蔵した送液機構３０８の送液能力を評価するために、休止期間からと吐出開始し始めた際のインクの吐出速度の安定性を評価した。この評価の結果、休止期間を充分長くおいても、インクの吐出速度に不安定さは見られず、インクの液滴３０１が不吐になる吐出口２０２は見られなかった。

＜本実施形態の効果＞
供給流路２０５を吐出口列間で共有し、夫々に送液機構３０８が配された２列の吐出口２０２において、インク吐出部におけるインク蒸発によるインクの粘度増加に起因する吐出不良を抑制でき、初期吐出の特性を改善できる。

１００：記録ヘッド
２０１：エネルギ発生素子
２０２：吐出口
２０３：圧力室
２０５：供給流路
２０６：回収流路
３０７：接続流路
３０８：送液機構
３１４：共通供給流路
３１５：傾斜角度
３１６：送液室

Claims (10)

1. 吐出口に連通し、該吐出口から吐出される液体を収容する圧力室と、
   前記圧力室に設けられ、前記吐出口から液体を吐出させるためのエネルギを発生するエネルギ発生素子と、
   前記圧力室に液体を供給する供給流路と、
   前記圧力室より液体を回収する回収流路と、
   前記回収流路に接続する送液室と、
   前記送液室と前記供給流路とを接続する接続流路と、
   前記送液室の容積を膨張及び収縮させることにより、前記供給流路、前記圧力室、前記回収流路、前記送液室、及び前記接続流路において液体を循環させる送液手段と、
   を有する液体吐出モジュールであって、
   前記送液室は、連続的な傾斜構造を有し、
   前記送液室において、重力方向に対して垂直となる面と平行な断面における断面積は、重力方向の反対方向に沿って小さくなっていき、
   前記断面積が最も小さくなる部分は、前記接続流路に接続する部分であることを特徴とする液体吐出モジュール。
2. 前記送液手段は、前記送液室を挟み込むように前記接続流路の開口位置と対向する位置に配置される請求項１に記載の液体吐出モジュール。
3. 前記回収流路は、前記接続流路より前記送液手段に近い位置に配置される請求項１又は２に記載の液体吐出モジュール。
4. 前記送液手段からみた前記供給流路、前記圧力室、前記回収流路、および前記送液室の一部のイナータンスは、前記送液手段からみた前記送液室の一部ではない残りの部分および前記接続流路のイナータンスの２．５倍以上、且つ２５倍以下である請求項１乃至３の何れか１項に記載の液体吐出モジュール。
5. 前記送液手段は、圧電素子または電歪素子からなるアクチュエータを含む構成である請求項１乃至４の何れか１項に記載の液体吐出モジュール。
6. 前記接続流路の開口面積は、前記送液手段を構成する圧電素子または電歪素子からなるアクチュエータの面積に対して小さくとも１％以上、且つ大きくとも１０％以下である請求項５に記載の液体吐出モジュール。
7. 前記送液室における前記傾斜構造の傾斜角度は、前記送液手段が配置される面に対して３０°以上、且つ６０°以下である請求項１乃至６の何れか１項に記載の液体吐出モジュール。
8. 前記送液室における前記傾斜構造は、Ｓｉ単結晶基板の（１１１）面により構成されることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の液体吐出モジュール。
9. 複数の前記供給流路へインクを供給する共通供給流路を更に有し、
   前記共通供給流路は、前記送液室の壁面と略平行になる側壁を有することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の液体吐出モジュール。
10. 第１の吐出口列と、
    第２の吐出口列と、
    を更に有し、
    前記第１の吐出口列における前記吐出口と、前記第２の吐出口列における前記吐出口とが前記供給流路を共有する請求項１乃至９の何れか１項に記載の液体吐出モジュール。

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