JP3950730B2

JP3950730B2 - インクジェット記録ヘッドおよびインク吐出方法

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Publication number: JP3950730B2
Application number: JP2002121204A
Authority: JP
Inventors: 峰夫金子; 健土井; 真樹及川; 賢治矢部; 圭一郎佃
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-04-23
Filing date: 2002-04-23
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2022-04-23
Also published as: US7172264B2; US20070040190A1; US7527352B2; JP2003311961A; US20030222941A1; US6988786B2; US20060077233A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、記録媒体にインクを吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッドおよびインクを吐出するインク吐出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、インクジェット記録装置は高品位の文字や画像が手軽に得られることから、特にコンピューターの出力機器として広く用いられている。なかでも、ノズル内のインクを急速に沸騰させることで生じる急激な圧力変化により、インクをノズルから吐出させるバブルジェット方式は、多数のノズルをシンプルな構成で高密度に配置することが容易であることから、インクジェット記録装置の主流となっている。
【０００３】
さらに近年では、インクジェット記録装置の普及に伴って、その性能、特に画質と記録スピードに対する要求が高まっている。画質の向上には記録媒体（特に記録紙）上に記録されたドット径を小さくすることが重要であり、その要求は文字文書の場合に比べ写真に代表される画像の記録の場合に特に著しい。例えば、文字文書を記録する場合において文字の美しさや小さな文字の解像に必要な解像度は６００ｄｐｉから１２００ｄｐｉであり、吐出される液滴は、ドット径が８０〜９０μｍ（体積で表せば約３０ｐｌ）程度であれば十分である。
【０００４】
これに対し、画像記録を行う場合には、例えば銀塩写真に匹敵する滑らかな階調を表現するためには１２００ｄｐｉから２４００ｄｐｉの解像度が必要である。このような解像度で記録する場合、吐出される液滴のドット径が４０μｍ（体積で表せば約４ｐｌ）であれば、染料濃度が１／４から１／６程度異なる２種類のインクを画像濃度に応じて使い分けることが要求される。吐出される液滴のドット径を２０μｍ（体積で表せば約０．５ｐｌ）程度に小さくすれば、単一濃度の１種類のインクで、高濃度部における濃度と低濃度部における滑らかさとを両立させることができる。このように、銀塩写真並みの画質を得るためには、吐出される液滴の小液滴化を図ることが必須である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
小液滴を安定的に吐出させるためのインク吐出方式としては、特開平４−１０９４０号公報、特開平４−１０９４１号公報、特開平４−１０９４２号公報、特開平４−１２８５９号公報、特開平１１−１８８７０号公報にそれぞれに開示されているような、発熱体を吐出口に近づけて配置し、インクが沸騰して発泡した気泡が外気と連通することにより気泡の収縮時に発生する負圧による液滴体積の不安定性を最小限にし、かつ液滴に高い吐出エネルギーを与えることができる方式が知られている。この方式は小液滴を安定に吐出させる方式として優れているが、気泡が外気と連通することにより液滴が形成されるため、連通時の液表面の形状によって液滴の形状や吐出速度、吐出方向が影響を受ける。
【０００６】
例えば、特開平１１−１８８８７０号公報に記載されているように、気泡の成長時に気泡が外気と連通すると、吐出液滴に続く液柱が吐出口の片側の側壁に繋がった状態になりやすく、主液滴の切断および分離は吐出口中心に対してずれた状態で行われ、吐出方向に狂いを生じる。これを防止する方法として、上記公報には、気泡の収縮時に気泡を外気と連通させることにより、主液滴の分離を吐出口よりも発熱体に近い側で行わせ、液柱を側壁に繋げずに主液滴を吐出口中央から吐出させることにより、その吐出方向の精度を高める方法が記載されている。
【０００７】
しかしながら、更なる小液滴化および記録解像度の向上を図るためには、液滴の吐出方向の精度を更に向上させる必要であった。また、別の問題として、インクジェット記録ヘッドはその構成が微細であることから、図９に示すように、製造工程で生じるばらつきにより、基板１１０１上に設けられた発熱体１１０２の中心と、流路形成部材１１０３に設けられた吐出口１１０４の中心とがずれてしまう場合がある。
【０００８】
気泡は、沸騰直後の偏平な状態から成長するに連れて、その表面張力により中央部が高い半球状になる性質があり、したがって気泡の中央部が液面の外気との界面に最も近くなり、外気との連通はこの部分で起こりやすい。気泡の中央は発熱体１１０２の中央と一致しているため、発熱体１１０２と吐出口１０４との相対位置がずれていると、気泡と外気との連通位置が偏ってしまい、液滴の終端が吐出口１１０４の壁面にくっついた状態となる。この終端部分で構成される微小液滴は、吐出口１１０４の壁面との粘性抵抗によりゆっくりした速度で主液滴とは異なる方向に飛翔するため、図１０のように記録媒体上で主液滴と離れた位置に着弾し、画像品位を損ねる。特に、従来に比べて小さな液滴においては、粘性抵抗の影響を受けやすい上に、吐出方向のずれが画像に及ぼす影響が大きいため、従来にも増して吐出方向のずれを発生しにくくすることが必要である。
【０００９】
また、小液滴を吐出する構成のインクジェット記録ヘッドでは、時間あたりの液滴吐出回数を増加する必要があることから、発熱体に流れる電流量が増大し、発熱体に至るまでの配線部の寄生抵抗での電圧降下が激しく、吐出効率が低下するという問題もあった。これを防ぐためには、発熱体の抵抗値を増加させて電流値を減らす方法が効果的である。その手段として、発熱体の材料の抵抗値を増加させることが考えられるが、発熱体の材料を変えて抵抗値を増加させることには限界があり、また、新たな材料を用いた場合でも機能上問題が無いかどうかを十分に検証する必要が生じることから、その実現化は困難である。
【００１０】
そこで、本発明は、吐出口から吐出される液滴の吐出方向の精度を向上し、吐出口から比較的微小な液滴を効率よく吐出させることができるインクジェット記録ヘッドおよびインク吐出方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した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、インクに気泡を発生させるための発熱体が表面に設けられた基板と、前記基板の表面に対向しインクを吐出するための複数の吐出口および前記各吐出口にインクを供給する複数のインク流路を有し、前記基板の表面上に設けられた流路形成部材と、を備え、前記気泡を発生させることにより生じる圧力によって前記吐出口からインクを吐出させるインクジェット記録ヘッドにおいて、
前記インク流路内には複数の前記発熱体が設けられ、前記吐出口は、前記複数の発熱体とその間の部分からなる領域の中心から前記基板の表面に対して法線方向に延びる延長線上に配置され、
前記複数の発熱体の間に非発泡領域が設けられ、該非発泡領域の一部が前記基板の表面上に前記吐出口を投影した投影面積内に設けられ、
前記複数の発熱体の各々によって形成された複数の気泡は、当該複数の気泡間にインク柱が存在した状態で成長するとともに、最大体積に成長した後の体積減少段階で初めて外気に連通されることを特徴とする。
【００１３】
以上のように構成した本発明のインクジェット記録ヘッドによれば、発熱体に通電したとき、発熱体の温度が上昇し、熱伝導によりインクが過熱されて沸騰する。このとき、非発泡領域の表面においては、沸騰温度に到達せず発泡しない。したがって、発泡時の気泡の中央部が外気に連通することが抑えられるため、発熱体の中心と吐出口の中心との相対位置に多少のずれが生じた場合であっても、記録ヘッドは液滴の吐出方向に影響を受けることが抑制されて、吐出方向の精度が向上される。
【００１４】
また、本発明のインクジェット記録ヘッドは、複数の発熱体のうち互いに最も離れて配置されている２つの発熱体の各々の中心間の距離ｄ_hcが、吐出口の開口径ｄ_oより大きいことが好ましい。これによって、吐出口の中心位置と圧力発生領域の中心位置とが多少ずれている場合であっても、吐出口を通って吐出されるインクの液柱が、上記２つの発熱体の一方の発熱体によって発生される気泡と、他方の発熱体によって発生される気泡との間に形成されるため、吐出口の側壁面に接することがなくなる。したがって、インクの主液滴は吐出方向のずれを生じることなく吐出口から吐出される。また、液柱が吐出口の側壁面に接しなければ、主液滴が液柱から分離する部分が一定するので、主液滴の大きさ、すなわち主液滴が記録紙等に着弾して形成されるドットの大きさを安定させることが可能になる。
【００１５】
また、本発明のインクジェット記録ヘッドは、延長線に対する吐出口の中心のずれ量をｄ_errとしたときに、距離ｄ_hc、開口径ｄ_o、およびずれ量ｄ_errが、ｄ_hc＞ｄ_o＋２ｄ_errの関係を満たしていることが好ましい。これによって、主液滴と液柱との分離部分に生じる微小液滴を主液滴の着弾位置に着弾させることが可能になるとともに、主液滴の着弾位置を安定させることが可能になり、着弾した液滴により形成されるドットの形状と位置が安定する。
【００１６】
また、本発明に係るインク吐出方法は、インクに気泡を発生させるための発熱体が表面に設けられた基板と、前記基板の表面に対向しインクを吐出するための複数の吐出口および前記各吐出口にインクを供給する複数のインク流路を有し、前記基板の表面上に設けられた流路形成部材と、を備え、前記気泡を発生させることにより生じる圧力によって前記吐出口からインクを吐出させるインク吐出方法において、
前記インク流路内には複数の前記発熱体が設けられ、前記吐出口は、前記複数の発熱体とその間の部分からなる領域の中心から前記基板の表面に対して法線方向に延びる延長線上に配置され、
前記複数の発熱体の間に位置して非発泡領域が設けられ、該非発泡領域の一部が前記基板の表面上に前記吐出口を投影した投影面積内に設けられ、
前記複数の発熱体の各々によって形成された複数の気泡は、当該複数の気泡間にインク柱が存在した状態で成長するとともに、最大体積に成長した後の体積減少段階で初めて外気に連通されることを特徴とする。
【００１７】
【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。
【００１８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態のインクジェット記録ヘッドにおけるインク流路、発熱体、および吐出口の配置関係を示す透視平面図である。
【００１９】
本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、表面に多数の発熱体２が設けられた基板１と、その基板１の上に設けられた流路形成部材３とを有している。流路形成部材３は、多数の発熱体２を２つずつに仕切る隔壁３ａと、基板１に対向する天井壁３ｂとを有している。隔壁３ａは、仕切った２つの発熱体２で構成される圧力発生領域にインクを供給する複数のインク流路５を形成している。また、各インク流路５では、２つの発熱体２からなる圧力発生領域の中心から、その圧力発生領域の表面に対して法線方向に延びる延長線上の天井壁３ｂに、吐出口４が形成されている。すなわち、吐出口４の開口中心は、基板の表面に対して垂直方向の、圧力発生領域の中心を通る垂線上に位置している。各インク流路５はそれぞれインク供給路６に共通して連通しており、不図示のインクタンク等のインク供給手段からインク供給路６に送られたインクが、そのインク供給路６から各インク流路５に供給されるようになっている。
【００２０】
このように本実施形態では、１つの吐出口４を有する１つのインク流路５に２つの発熱体２からなる圧力発生領域がそれぞれ配置されており、２つの発熱体２の間の非発泡領域が、基板１上に投影された吐出口４の投影面積内のほぼ中心に位置している。なお、投影面積は、正射影における投影面積を指す。
【００２１】
この構成により、発熱体２に通電してインクが沸騰し気泡が形成され吐出口４からインクが押し出される際に、インク柱の尾部は、非発泡領域と繋がっており、吐出口４のほぼ中心に位置する。また、この構成により、気泡が外気と連通して液滴が分断されるときには、液滴を挟んで２つの気泡がほぼ同時に対称な位置で外気とそれぞれ連通するため、従来例であるように外気連通後に液滴が非連通側に引き寄せられることが無い。なお、記録ヘッドでは、気泡が最大体積に成長した後の体積減少段階で初めて気泡が外気に連通される。これらの効果により、液滴は、精度良く吐出口４の中心に位置し、液滴の吐出方向の精度が極めて高い。
【００２２】
さらに、本実施形態では、２つの発熱体２の中心間距離ｄ_hcが吐出口４の開口径ｄ_oよりも大きく設定されている。これにより、吐出口４の中心位置が、記録ヘッドの製造時に、図２（ａ）に示すように発熱体２の中心位置からずれた場合でも、吐出口４を通って吐出されるインクの液柱は、２つの発熱体２の一方の発熱体２によって発生される気泡と、他方の発熱体２によって発生される気泡との間に形成され、図２（ｂ）に示すように液柱の両側で気泡が外気と連通するため、液柱が吐出口４の側壁面に接することがなくなることから、主液滴が吐出方向のずれを生じることなく吐出口４から吐出される。また、液柱が吐出口４の側壁面に接しなければ、主液滴が液柱から分離する部分が一定するので、主液滴の大きさ、すなわち主液滴が記録紙等に着弾して形成されるドットの大きさを安定させることができる。
【００２３】
また、本実施形態のように、２つの発熱体２からなる圧力発生領域の中心位置のほぼ真上に吐出口４を配置した構成では、図２のように吐出口４の中心が各発熱体２の中心位置からずれる（すなわち、吐出口４の中心は各発熱体２の中心のほぼ真上からずれた位置に位置する）ことから、各発熱体２によって生成される気泡の中心は吐出口４の中心から外れる。したがって、インク流路５内のインクが形成する液面の、外気との界面に最も近い部分（吐出口４の中心部分）が、気泡の最も成長した部分（各発熱体２の中心のほぼ真上の部分）から離れることから、気泡が外気と連通するタイミングが、発熱体２の中心が吐出口４の中心と一致している場合に比べて遅くなる。そのため、特開平１１−１８８８７０号公報に記載されているような、インク流路５内での外気連通状態を形成しやすくなる。
【００２４】
インク流路５内に外気連通状態を形成できれば、図２（ｂ）に示すように２つの発熱体２の間から吐出口４を通って延びる液柱を形成することができる。これにより、主液滴の吐出方向を所定の範囲内に規制することができるので、主液滴の吐出方向をより一層安定させることが可能になる。
【００２５】
本実施形態の一例として、吐出口４の開口径ｄ_oを１１μｍとし、各発熱体２の幅を１２μｍ、長さを２７μｍとし、２つの発熱体２同士の配置間隔ｄ_hhを３μｍとして、２つの発熱体２の中心間距離ｄ_hcを１４μｍとした。また、インク流路５の高さを１３μｍ、流路形成部材３の厚み（基板１に接する面と吐出口４が開口している面との間の幅）を２５μｍとした。
【００２６】
このように構成したインクジェット記録ヘッドを、記録ヘッドの吐出口４が開口している面が記録紙（不図示）から２ｍｍ離れる位置に配置し、１５インチ（約３８ｃｍ）／秒の速度で走査しながら発熱体２に０．９μｓの電流パルスを流すことにより記録紙に液滴を吐出した。この動作を、２つの発熱体２からなる圧力発生領域の中心位置からの吐出口４の中心位置の相対的な位置ずれ量ｄ_errが異なるいくつかのインクジェット記録ヘッドについて行った。
【００２７】
そして、記録紙に着弾した液滴から、２つの発熱体２からなる圧力発生領域の中心位置からの吐出口４の中心位置の相対的な位置ずれ量ｄ_errと、記録紙に着弾した液滴のドット形状との関係を解析したところ、位置ずれ量ｄ_errが２μｍまでであれば、図３のような、主液滴と液柱との分離部分に生じる微小液滴によるサテライトドットの無い良好なドット形状となり、また吐出方向のばらつきは殆ど無かった。しかし、位置ずれ量ｄ_errが２μｍを超えると、位置ずれ量ｄ_errが大きくなるにつれて徐々にサテライトドットが主液滴のドットから離れていき、かつ、液滴の着弾位置のばらつきが大きくなった。
【００２８】
このことから、２つの発熱体２の中心間距離ｄ_hcは、吐出口４の開口径ｄ_o＋（位置ずれ量ｄ_err×２）よりも大きく設定することが好ましいことが分かった。
【００２９】
さらに、隣接する発熱体２の間に構成される非発熱部の領域が広すぎると、この領域にインク中に残留する気泡が滞留し、この残留気泡が発泡時に生じる吐出圧力を吸収してしまう。これを防止するため、非発熱部である２つの発熱体２同士の間隔ｄ_hhは、各発熱体２の隔壁３ａに隣接する端と隔壁３ａとの間隔ｄ_hnの２倍以下にすることが好ましい。具体的には、ｄ_hnが２μｍ程度である場合には、ｄ_hhを４μｍ以下とすることが好ましい。
【００３０】
また、本実施形態は、上記のように細長い形状に形成された２つの発熱体２を配線で電気的に直列に接続する構成になっている。これにより、図９に示す従来の比較的大面積の発熱体に比べて３．５倍から６倍の高い抵抗値を得ることができ、必要とする電流値を従来の約１／２にすることが可能になっている。そのため、吐出液滴の小液滴化に伴って吐出動作の高速化を図る場合であっても、発熱体２に流れる電流量が増大することを抑えることができ、また、発熱体２に至るまでの配線部の抵抗による発熱や電圧降下、さらには配線部を大きな電流が流れることで発生する誘導ノイズを抑えることができる。
【００３１】
なお、液滴の小液滴化に伴って吐出動作の高速化を図る場合に電流量の増加を抑えるという電気的な要請や、沸騰した気泡が内部の負圧により崩壊するときに生じるキャビテーション破壊により発熱体が衝撃を受けることを防止するという観点から、発熱体を分割して配置するという提案は過去にもなされている。しかし、本実施形態は、１つのインク流路５内に配置された複数の発熱体２、すなわち複数の圧力発生源が吐出性能に対してどのような影響を与えるかという観点から、発熱体２とインク流路５や吐出口４との最適な配置関係について検討したものであり、このような例は過去に提案されていない。
【００３２】
（第２の実施形態）
図４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におけるインク流路、発熱体、および吐出口の配置関係を示す図であり、同図（ａ）はその平面図、同図（ｂ）はその断面図である。
【００３３】
特に図４（ａ）に示すように、本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、一つのインク流路５内に４つの発熱体２を一組とした圧力発生領域が設けられている。これらの発熱体２は、インク供給路６側から発熱体２に向かうインク流路５内のインク流れ方向をＸ方向とし、このＸ方向に直交する方向をＹ方向としたときに、Ｘ方向に２つ、Ｙ方向に２つずつ配置されている。また、これらの発熱体２は配線によって電気的に直列に接続されている。吐出口４は、４つの発熱体２からなる圧力発生領域の中心からその圧力発生領域の表面に対する法線方向に延びる延長線上に配置されている。
【００３４】
本実施形態においても第１の実施形態と同様に、隣り合う発熱体２同士の中心間距離ｄ_hcは、吐出口４の開口径ｄ_o＋（位置ずれ量ｄ_err×２）よりも大きく設定され、発熱体２同士の間隔ｄ_hhは、各発熱体２の隔壁３ａに隣接する端と隔壁３ａとの間隔ｄ_hnの２倍以下に設けられている。
【００３５】
本実施形態の構成によれば、圧力発生領域の中心位置に対する吐出口４の中心位置が、Ｙ方向のみならずＸ方向にずれている場合であっても、液柱が吐出口４の側壁面に接することがなくなることから、主液滴が吐出方向のずれを生じることなく吐出口４から吐出され、さらに主液滴の大きさ、すなわち主液滴が記録紙等に着弾して形成されるドットの大きさを安定させることができる。
【００３６】
このように、第１の実施形態は２つの発熱体２からなる圧力発生領域の中心位置に対する吐出口４の中心位置がＹ方向にずれた場合にその効果を発揮する構成であるのに対し、本実施形態はＹ方向のみならずＸ方向にずれた場合にもその効果を発揮するように構成されているので、液滴の吐出をさらに安定して行うことが可能である。
【００３７】
なお、本発明のインクジェット記録ヘッドは、第１の実施形態および第２の実施形態のように１つのインク流路５内に２つまたは４つの発熱体２が設けられている場合にのみ適用されるのではなく、１つのインク流路５内に２以上の複数の発熱体が設けられている場合の全般において適用されうる。
【００３８】
この場合、上記の距離ｄ_hcは「複数の発熱体のうち互いに最も離れて配置されている２つの発熱体の各々の中心間の距離」と定義され、また、上記の間隔ｄ_hhは「複数の発熱体のうちの、インク流路を仕切る隔壁間の方向に関して互いに最も離れて隣接している２つの発熱体同士の間隔」と定義される。
【００３９】
（参考例）
図５は、本発明の参考例のインクジェット記録ヘッドにおけるインク流路、発熱体、および吐出口の配置関係を示す図である。
【００４０】
本参考例のインクジェット記録ヘッドは、１つのインク流路５内に正方形状の１つの発熱体２のみが配設されている構成が上述した実施形態と異なる。本参考例の記録ヘッドでは、その他の構成が第１の実施形態とほぼ同様であるため、便宜上、同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００４１】
本参考例では、各発熱体２を幅２６μｍ×長さ２６μｍの正方形状とし、吐出口４の開口径ｄ_oを１６μｍとした。また、発熱体２上には、図５に示すように、第１および第２の保護膜７，８と、非発泡領域形成膜９とがそれぞれ積層されている。
【００４２】
発熱体２に隣接する第１の保護膜７は、絶縁層であり、窒化珪素や酸化珪素等に代表される無機膜であることが好ましい。第１の保護膜７は、絶縁性が確保されるように、膜厚を１０００〜５０００Åに形成することが好ましい。第２の保護膜８は、第１の保護膜７をインクから保護するために、タンタル等の耐インク性が比較的高い金属膜によって形成されることが好ましい。第２の保護膜８の膜厚は、第１の保護膜７と同程度の膜厚に形成することが通例であり、本参考例では３０００Åに形成した。
【００４３】
非発泡領域形成膜９は、第２の保護膜８上に形成され、発熱体２の中心の一部を覆う程度の大きさであって、本実施形態では４μｍ×４μｍの正方形状に形成した。この非発泡領域形成膜９は、非発泡領域を形成するために、第２の保護膜８と比べて熱伝導性が低い材料によって形成される、あるいは膜厚を第２の保護膜８の膜厚より厚くする必要がある。したがって、非発泡領域形成膜９として、本参考例では、膜厚３０００Åの酸化珪素からなる膜を用いた。
【００４４】
この記録ヘッドでは、発熱体２に通電したとき、発熱体２の温度が上昇し、熱伝導により、第２の保護膜８の表面を介してインクが過熱されて沸騰する。このとき、非発泡領域の表面においては、第２の保護膜８に対して熱伝導が低いため、沸騰温度に到達せず発泡しない。したがって、発泡時の気泡の中央部が外気に連通することが抑えられるため、発熱体２の中心と吐出口４の中心との相対位置に多少のずれが生じた場合であっても、記録ヘッドは液滴の吐出方向に影響を受けることが抑制される。このことにより、単一の発熱体２によっても第１の実施形態と同様に高い吐出方向の精度が得られる。
【００４５】
なお、本参考例では、非発泡領域を得るために第２の保護膜８と異なる材料からなる非発泡領域形成膜９を使用したが、非発泡領域形成膜を第２の保護膜と同一材料で形成し、非発泡領域をなす一部のみの膜厚を厚くしても良い。このように薄膜の一部の膜厚を厚く形成する場合には、例えばドライエッチング処理等によって非発泡領域以外をハーフエッチング処理することで容易に得られる。
【００４６】
（第３の実施形態）
図６は本発明の第３の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの要部を模式的に示す図であり、同図（ａ）はその平面図、同図（ｂ）は吐出口列の配置を説明するための図、同図（ｃ）はその断面図である。
【００４７】
図６（ｃ）に示すように、本実施形態の記録ヘッド３００は、エネルギー変換素子としての発熱抵素子１５ａ，１５ｂを含む基板１７と、吐出口３１および吐出口３１にインクを供給するインク流路３０を形成するオリフィスプレート１６とを備えている。
【００４８】
基板１７は、本実施形態では面方位＜１００＞のシリコン単結晶で形成され、この上面（オリフィスプレート６との接続面）には、発熱抵素子１５ａ，１５ｂ、これらの発熱抵抗素子１５ａ，１５ｂを駆動するための駆動トランジスタ等からなる駆動回路３３、後述の配線板と接続されるコンタクトパッド１９、および駆動回路３３とコンタクトパッド１９とを接続する配線１８等が、半導体プロセスを用いて形成されている。また、基板１７には、上述の駆動回路３３、発熱抵抗素子１５ａ，１５ｂ、配線１８、およびコンタクトパッド１９が設けられている領域以外の領域に、異方性エッチングにより形成された貫通口が５つ設けられており、これら貫通口は、それぞれ後述する吐出口列２１ａ，２１ｂ、２２ａ，２２ｂ、２３ａ，２３ｂ、２４ａ，２４ｂ、２５ａ，２５ｂに液体を供給するためのインク供給口３２を形成している。なお、図６（ａ）は基板１７に対して略透明なオリフィスプレート１６を載せた状態を模式的に表しており、上述のインク供給口３２は省略して描かれている。
【００４９】
吐出口列２１ａ，２１ｂ、２２ａ，２２ｂ、２３ａ，２３ｂ、２４ａ，２４ｂ、２５ａ，２５ｂはそれぞれ同じインク供給口３２に連通するもの同士が組になって、５つの吐出口列組２１，２２，２３，２４，２５を構成している。これらの吐出口列組のうち、吐出口列組２１，２５にはシアン（Ｃ）色のインクが供給され、吐出口列組２２，２４にはマゼンタ（Ｍ）色のインクが供給され、吐出口列組２３にはイエロー（Ｙ）色のインクが供給されるようになっている。また、各吐出口列組では、隣り合う吐出口列は、例えば吐出口列組２３について図６（ｂ）に示すように、配列方向にｔａだけ互いにずれている。
【００５０】
この基板１７上に設けられるオリフィスプレート１６は感光性エポキシ樹脂で形成され、例えば、特開昭６２−２６４９５７号に記載されるような工程により、前述の発熱抵抗素子１５ａ，１５ｂに対応して吐出口３１および液流路３０が形成されている。ここで、特開平９−１１４７９号公報に記載されているように、シリコン基板１７上に酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜（不図示）を形成した後、吐出口３１と液流路３０とを備えたオリフィスプレート１６を形成し、インク供給口３２を成す部分の酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜を前述の異方性エッチングにより除去することによって上述の記録ヘッドを作製することは、安価で精密な記録ヘッドを作製する上で望ましい。
【００５１】
図７は、図６に示したインクジェット記録ヘッドを備えたインクジェット記録カートリッジの一例を示す図である。
【００５２】
上記のような基板１７およびオリフィスプレート１６を有する記録ヘッド３００は、発熱抵抗素子１５ａ，１５ｂによって印加される熱エネルギーによる膜沸騰により生じる気泡の圧力を利用して、吐出口３１よりインク等の液体を吐出して記録を行うものである。記録ヘッド３００は、図７（ａ）に示すように、上述のインク供給口３２にインクを供給するインク流路形成部材１２に固定され、コンタクトパッド１９を配線板１３と接続することで、この配線板１３に設けられた電気的接続部１１が後述する記録装置の電気接続部と接続した際に、駆動信号等を記録装置から受け取ることができる。
【００５３】
インク流路形成部材１２には、上述のＹ，Ｍ，Ｃの各インクを吐出可能な記録ヘッド３００の他に、ブラックインク（Ｂｋ）を吐出させるための吐出口列４０，４１を備えた記録ヘッド４００が固定されており、これらが組み合わされて４色のインクを吐出可能な記録ヘッドカートリッジ１００が形成されている。
【００５４】
図７（ｂ）および図７（ｃ）は上述の記録ヘッド３００を備えた記録ヘッドカートリッジ１００の一例を示す斜視図である。この記録ヘッドカートリッジ１００は、図７（ｃ）に示すように、上述したインク流路形成部材１２にインクを供給するためのインクタンク２００Ｙ，２００Ｍ，２００Ｃ，２００Ｂｋを保持するためのタンクホルダ１５０を備えている。
【００５５】
再び図６を参照すると、本実施形態の記録ヘッド３００は一枚の基板１７上に１０列の吐出口列が構成されており、基板には５つのスリット状のインク供給口３２が設けられ、各吐出口列組の各吐出口列はインク供給口３２の長手方向に沿って両側に１列ずつ配置されている。
【００５６】
各インクタンク２００Ｙ〜２００Ｂｋからインク流路形成部材１２を経て各インク供給口３２に導入されたインクは、基板１７の裏面側から表面側へ供給され、基板１７の表面上に形成されたインク流路３０を通して吐出口３１内へ導かれる。そして、そのインクは、基板１７の表面における各吐出口３１の近傍に設けられている発熱抵抗素子１５ａ，１５ｂで加熱沸騰されることで生じる気泡の圧力によって、吐出口３１から吐出される。
【００５７】
上述したように、各インク供給口３２には、図６（ｂ）の左側から順にシアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）のインクがそれぞれ供給されており、したがって、シアンインクを吐出するのは４列の吐出口列２１ａ，２１ｂ，２５ａ，２５ｂ、マゼンタインクを吐出するのは４列の吐出口列２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ、イエローインクを吐出するのは２列の吐出口列２３ａ，２３ｂになっている。記録ヘッド３００を図６（ａ）の矢印の左方向に走査しているときには吐出口列組２１，２２，２３からインクを吐出して記録を行い、右方向に走査しているときには吐出口列組２５，２４，２３からインクを吐出して記録を行う。このように各吐出口列へ各色のインクを供給する構成とすることにより、記録ヘッド３００を図６（ａ）の矢印方向のどちらへ移動させながら記録を行う場合（双方向記録）でも、往路方向への移動時と復路方向への移動時とで記録媒体上でのインク色の重なり順が同じになるので、色むらのない高画質な画像を高速に記録することが可能となる。
【００５８】
本実施形態の記録ヘッド３００における、シアンインクを吐出する吐出口列組２１，２５とマゼンタインクを吐出する吐出口列組２２，２４とは、それぞれ吐出される液適の大きさが互いに異なる吐出口からなる２列の吐出口列から成っている。つまり、シアンインクを吐出する吐出口列組２１，２５は、それぞれ、比較的大きな液滴を吐出する吐出口からなる吐出口列２１ａ，２５ａと、比較的小さな液滴を吐出する吐出口からなる吐出口列２１ｂ，２５ｂとからなる。また、マゼンタインクを吐出する吐出口列組２２，２４は、それぞれ、比較的大きな液滴を吐出する吐出口からなる吐出口列２２ａ，２４ａと、比較的小さな液滴を吐出する吐出口からなる吐出口列２２ｂ，２４ｂとからなる。
【００５９】
これに対応して、比較的大きな液滴を吐出する吐出口列２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａの各吐出口内には比較的大きな発熱抵抗素子１５ａが設けられ、比較的小さな液滴を吐出する吐出口列２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂの各吐出口内には比較的小さな発熱抵抗素子１５ｂが設けられている。
【００６０】
前述のように、このような記録ヘッドを用いて記録を行う際には、まず記録ヘッドをＸ方向に走査して１行分の記録を行い、続いて記録媒体を１行分Ｙ方向に走査した後、記録ヘッドをＸ方向に対して前述と逆方向に走査して一行分の記録を行い、これらの走査を順次繰り返して１ページの画像を形成する。このため、液滴の吐出方向がＹ方向に対して傾いた場合には、この傾いて吐出された液滴と、この液滴を吐出した吐出口に隣接する各吐出口からそれぞれ吐出された各液滴との距離が不均等となるため、記録媒体に記録ヘッドの走査方向と平行なスジが発生しやすい。本実施形態の構成のように、２つの発熱体２を吐出口４の中心に対してＹ方向に対称にそれぞれ配置することにより、吐出方向の精度がＸ方向の精度に比べＹ方向の精度が高くなり、高画質化を図る上で有利になる。また、図１からわかるように、インク流路５がＸ方向に延在しているため、例えば２つの発熱体を、吐出口に対してＸ方向に対称にそれぞれ配置した場合には、流路の影響により、流路に近い側の発熱体によって生じた気泡と、流路から遠い側の発熱体によって生じた気泡とでは、気泡の成長のプロフィールが異なり、外気と連通するタイミングも僅かにずれが生じてしまう。したがって、２つの発熱体２をＹ方向に配置した方が望ましく、吐出方向の精度を僅かに向上させることができる。
【００６１】
このような構成によれば、記録画像の高精細な記録を要する部分は比較的小さな液滴を吐出する吐出口３１ｂを用いて記録し、それ以外の部分は比較的大きな液滴を吐出する吐出口３１ａを用いて記録するというように、記録に用いる吐出口を使い分けることにより、記録動作の高速性を維持しつつ、高画質な記録を行うことが可能になる。これらの高画質性と高速性とをもっともバランスよく成立させるためには、比較的大きな液滴を吐出する吐出口列２１ａ，２２ａ，２４ａ，２５ａの各吐出口から吐出される液滴の量（大きさ）と、比較的小さな液滴を吐出する吐出口列２１ｂ，２２ｂ，２４ｂ，２５ｂの各吐出口から吐出される液滴の量（大きさ）との比を２：１もしくはそれ以上に設定することが好ましい。
【００６２】
また、イエローインクを吐出する吐出口列組２３は、比較的大きな液滴を吐出する吐出口からなる２列の吐出口列２３ａからなり、各吐出口列２３ａの各吐出口内には、吐出口列２１ａ，２２ａ，２４ａ，２５ａに用いられているものと同じである、比較的大きな発熱抵抗素子１５ａが設けられている。
【００６３】
本実施形態では、比較的大きな液滴を吐出する吐出口列２１ａ〜２５ａの各吐出口３１ａは、インク流路３０内のインク流れ方向の径が１９．５μｍ、これに直交する方向の径が１２μｍの長円形に形成され、比較的小さな液滴を吐出する吐出口列２１ｂ〜２５ｂの各吐出口３１ｂは、直径が１１μｍの円形に形成されている。比較的大きな液滴を吐出する吐出口３１ａが設けられているインク流路３０内には、幅が１２μｍで長さが２８μｍの２つの発熱抵抗素子１５ａが、互いにＹ方向に４μｍの間隔をおいて、互いの中心間距離を１６μｍとして配置されている。一方、比較的小さな大きな液滴を吐出する吐出口３１ｂが設けられているインク流路３０内には、幅が１２μｍで長さが２７μｍの２つの発熱抵抗素子１５ｂが、互いにＹ方向に３μｍの間隔をおいて、互いの中心間距離を１５μｍとして配置されている。なお、流路形成部材（オリフィスプレート１６）の厚みは２５μｍであり、いずれの吐出口３１ａ，３１ｂに関しても、流路の高さ（基板表面から吐出口の開口面までの高さ）は共通して１３μｍに形成されている。
【００６４】
このように構成された記録ヘッド３００は、比較的大きな液滴を吐出する吐出口３１ａからは約５ｐｌの液滴が、比較的小さな液滴を吐出する吐出口３１ｂからは約２．５ｐｌの液滴がそれぞれ安定して吐出されるので、優れた着弾精度とドット形状により高画質な画像を得ることができる。
【００６５】
なお、本実施形態においては最適の構成を説明したが、各インク供給口３２から供給されるインクの種類、インク供給口３２、吐出口列の数については上記の構成に制限されるものではなく、適宜変更することが可能である。
【００６６】
（その他の実施形態）
最後に、図８を参照して、上述の各実施形態において説明したインクジェット記録ヘッド、あるいは記録ヘッドカートリッジを搭載可能な記録装置を説明する。図８は、本発明のインクジェット記録ヘッドを搭載可能な記録装置の一例を示す概略構成図である。
【００６７】
図８に示すように、記録ヘッドカートリッジ１００は、キャリッジ１０２に交換可能に搭載される。記録ヘッドカートリッジ１００は、記録ヘッドユニットおよびインクタンクを備え、また、ヘッド部を駆動するための信号などを授受するためのコネクタ（不図示）が設けられている。
【００６８】
記録ヘッドカートリッジ１００はキャリッジ１０２に位置決めして交換可能に搭載されており、キャリッジ１０２には、上記コネクタを介して各ヘッド部に駆動信号等を伝達するための電気接続部が設けられている。
【００６９】
キャリッジ１０２は、主走査方向（図示矢印方向）に延在して装置本体に設置されたガイドシャフト１０３に沿って往復移動可能に案内支持されている。そして、キャリッジ１０２は主走査モータ１０４によりモータプーリ１０５、従動プーリ１０６、およびタイミングベルト１０７等の駆動機構を介して駆動されるとともに、その位置および移動が制御される。また、ホームポジションセンサ１３０がキャリッジ１０２に設けられている。これにより、キャリッジ１０２上のホームポジションセンサ１３０が遮蔽板１３６の位置を通過したことを検出することによって、キャリッジ１０２がホームポジションに配置されたことを知得することが可能となる。
【００７０】
記録用紙やプラスチック薄板等の記録媒体１０８は、給紙モータ１３５を駆動してギアを介してピックアップローラ１３１を回転させることにより、オートシートフィーダ１３２から一枚ずつ分離されて給紙される。記録媒体１０８は、さらに、搬送ローラ１０９の回転により、ヘッドカートリッジ１００の吐出口面と対向する位置（プリント部）を通って搬送（副走査）される。搬送ローラ１０９は、ＬＦモータ１３４を駆動させるとギアによってその駆動力が伝達されて回転する。その際、記録媒体１０８が実際に給紙されたかどうかの判定と、給紙時の頭出し位置の確定は、記録媒体１０８の搬送方向先端部がペーパーエンドセンサ１３３を通過した時点で行われる。また、ペーパーエンドセンサ１３３は、記録媒体１０８の後端が実際にどこに有るかを検出し、実際の後端から現在の記録位置を最終的に割り出すためにも使用されている。
【００７１】
なお、記録媒体１０８は、プリント部において平坦なプリント面を形成するように、その裏面をプラテン（不図示）により支持されている。この場合、キャリッジ１０２に搭載された記録ヘッドカートリッジ１００は、その吐出口面がキャリッジ１０２から下方へ突出して、記録媒体１０８と平行になるように保持されている。
【００７２】
記録ヘッドカートリッジ１００は、吐出口列の配列方向が上述したキャリッジ１０２の走査方向に対して交わる方向になるようにキャリッジ１０２に搭載され、これらの吐出口列からインクを吐出しながら記録ヘッドカートリッジ１００を走査して主走査方向に記録を行う動作と、搬送ローラ１０９によって１走査分の記録幅だけ記録媒体１０８を副走査方向に搬送する動作とを繰り返して、記録媒体１０８に記録を行う。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、各インク流路内に設けられた１つの発熱体の主面の中心から基板の表面に対して法線方向に延びる延長線上に配置された吐出口を、基板の表面上に投影した吐出口の投影面積内の中心に、非発泡領域が設けられることにより、非発泡領域の表面が沸騰温度に到達せず発泡しないため、発泡時の気泡の中央部が外気に連通することが抑えられる。このため、本発明によれば、発熱体の中心と吐出口の中心との相対位置に多少のずれが生じた場合であっても、液滴の吐出方向に影響を受けることが抑制されて、吐出方向の精度を向上することができる。
【００７４】
また、本発明のインクジェット記録ヘッドによれば、複数の発熱体のうち互いに最も離れて配置されている２つの発熱体の各々の中心間の距離ｄ_hcが、吐出口の開口径ｄ_oより大きいことによって、インクの吐出方向にずれを生じることなく吐出口から吐出させるとともに、インクが記録媒体に着弾して形成されるドットの大きさを安定させることができる。
【００７５】
また、本発明のインクジェット記録ヘッドによれば、延長線に対する吐出口の中心のずれ量をｄ_errとしたときに、距離ｄ_hc、開口径ｄ_o、およびずれ量ｄ_errが、ｄ_hc＞ｄ_o＋２ｄ_errの関係を満たしていることによって、記録媒体上に形成されるドットの形状と位置が安定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のインクジェット記録ヘッドにおけるインク流路、発熱体、および吐出口の配置関係を示す透視平面図である。
【図２】図１に示したインクジェット記録ヘッドにおける吐出口の中心位置が２つの発熱体の中心位置からずれている場合を示す図であり、同図（ａ）はその平面図、同図（ｂ）はその断面図である。
【図３】図１に示したインクジェット記録ヘッドから吐出された液滴で形成されたドットの形状を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドにおけるインク流路、発熱体、および吐出口の配置関係を示す図であり、同図（ａ）はその平面図、同図（ｂ）はその断面図である。
【図５】本発明の参考例のインクジェット記録ヘッドにおけるインク流路、発熱体、および吐出口の配置関係を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの要部を模式的に示す図であり、同図（ａ）はその平面図、同図（ｂ）は吐出口列の配置を説明するための図、同図（ｃ）はその断面図である。
【図７】図６に示したインクジェット記録ヘッドを備えたインクジェット記録カートリッジの一例を示す図である。
【図８】本発明のインクジェット記録ヘッドを搭載可能な記録装置の一例を示す概略構成図である。
【図９】従来のインクジェット記録ヘッドにおけるインク流路、発熱体、および吐出口の配置関係を示す透視平面図である。
【図１０】従来のインクジェット記録ヘッドから吐出された液滴で形成されたドットの形状を示す図である。
【符号の説明】
１，１７基板
２発熱体
３流路形成部材
３ａ隔壁
３ｂ天井壁
４，３１，３１ａ，３２ｂ吐出口
５，３０インク流路
６，３２インク供給路
７第１の保護膜
８第２の保護膜
９非発泡領域形成膜
１１電気的接続部
１２インク流路形成部材
１３配線板
１５ａ，１５ｂ発熱抵抗素子
１８配線
１９コンタクトパッド
２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ，４０，４１吐出口列
２１，２２，２３，２４，２５吐出口列群
１００記録ヘッドカートリッジ
１０２キャリッジ
１０３ガイドシャフト
１０４主走査モータ
１０５モータプーリ
１０６従動プーリ
１０７タイミングベルト
１０８記録媒体
１０９搬送ローラ
１３０ホームポジションセンサ
１３１ピックアップローラ
１３２オートシートフィーダ
１３３ペーパーエンドセンサ
１３４ＬＦモータ
１３５給紙モータ
１３６遮蔽板
１５０タンクホルダ
２００Ｃ，２００Ｍ，２００Ｙ，２００Ｂｋインクタンク
３００，４００記録ヘッド

Claims

インクに気泡を発生させるための発熱体が表面に設けられた基板と、前記基板の表面に対向しインクを吐出するための複数の吐出口および前記各吐出口にインクを供給する複数のインク流路を有し、前記基板の表面上に設けられた流路形成部材と、を備え、前記気泡を発生させることにより生じる圧力によって前記吐出口からインクを吐出させるインクジェット記録ヘッドにおいて、
前記インク流路内には複数の前記発熱体が設けられ、前記吐出口は、前記複数の発熱体とその間の部分からなる領域の中心から前記基板の表面に対して法線方向に延びる延長線上に配置され、
前記複数の発熱体の間に非発泡領域が設けられ、該非発泡領域の一部が前記基板の表面上に前記吐出口を投影した投影面積内に設けられ、
前記複数の発熱体の各々によって形成された複数の気泡は、当該複数の気泡間にインク柱が存在した状態で成長するとともに、最大体積に成長した後の体積減少段階で初めて外気に連通されることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
前記非発泡領域は、前記投影面積内のほぼ中心に位置する請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記複数の発熱体のうち互いに最も離れて配置されている２つの発熱体の各々の中心間の距離ｄhcが、前記吐出口の開口径ｄoより大きい請求項１または２に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記延長線に対する前記吐出口の中心のずれ量をｄerrとしたときに、前記距離ｄhc、前記開口径ｄo、および前記ずれ量ｄerrが、ｄhc＞ｄo＋２ｄerrの関係を満たしている請求項３に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記基板には、前記インク流路にインクを供給するインク供給路が設けられ、該インク供給路から前記発熱体に向かうインクの流れ方向が、インク吐出時に前記インクジェット記録ヘッドが記録媒体に対し相対的に移動する方向と平行にされて、
前記インク流路内には、前記複数の発熱体が、前記吐出口に対し少なくとも前記記録媒体の移動方向に対して対称にそれぞれ配置されている請求項１から４のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
インクに気泡を発生させるための発熱体が表面に設けられた基板と、前記基板の表面に対向しインクを吐出するための複数の吐出口および前記各吐出口にインクを供給する複数のインク流路を有し、前記基板の表面上に設けられた流路形成部材と、を備え、前記気泡を発生させることにより生じる圧力によって前記吐出口からインクを吐出させるインク吐出方法において、
前記インク流路内には複数の前記発熱体が設けられ、前記吐出口は、前記複数の発熱体とその間の部分からなる領域の中心から前記基板の表面に対して法線方向に延びる延長線上に配置され、
前記複数の発熱体の間に位置して非発泡領域が設けられ、該非発泡領域の一部が前記基板の表面上に前記吐出口を投影した投影面積内に設けられ、
前記複数の発熱体の各々によって形成された複数の気泡は、当該複数の気泡間にインク柱が存在した状態で成長するとともに、最大体積に成長した後の体積減少段階で初めて外気に連通されることを特徴とするインク吐出方法。