JP2006088647A - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】微小液滴による高画質記録を行う場合であってもフィルタ性能とインク供給特性を両立しやすいインクジェット記録ヘッドを提供する。
【解決手段】インクが吐出される複数の吐出口３と、吐出口３に連通する流路５と、流路５内のインクを吐出口３から吐出させるエネルギーを発生するヒータ６と、流路５に連通するインク供給口２とを備える基板１ａと、インク供給口２と流路５とを連通させる複数の開口部１３を備えたフィルタ１０とを有し、開口部１３のインク供給口２側の端部の径をd1、開口部１３の流路５側の端部の径をd2、吐出口３の径をd0としたとき、d0≧d2、かつ、d2＜d1の関係が満たされている
【選択図】図２

Description

本発明は、被記録媒体に向けてインク滴を飛ばして記録を行うインクジェット記録方式の記録ヘッドに関するものである。

一般的なインクジェット記録ヘッドでは、インク滴が吐出される複数の吐出口と、各吐出口にそれぞれ連通する複数の流路と、が設けられた流路形成部材が、各流路にインクを供給する共通のインク供給口と、各流路内に供給されたインクに吐出エネルギーを与える吐出エネルギー発生素子と、吐出エネルギー発生素子を駆動する電気制御回路とが設けられた基板上に設けられている。さらに具体的には、上記インク供給口は、基板の裏面から表面まで貫通しており、少なくとも吐出口、流路及び吐出エネルギー発生素子は、基板の表面側に設けられている。以後、特に断らない限り、基板の表面とは、上記吐出口等が設けられている側の面を意味し、裏面とは、表面と反対側の面を意味する用語として使用する。

上記構造を有するインクジェット記録ヘッドでは、吐出するためのインクを収容するインクタンクから吐出口までのインク供給経路に侵入した異物によって吐出口が塞がれ、インク滴の吐出が停止する“ノズル詰まり”を可能な限り防止する必要がある。そこで、インクジェット記録ヘッドのインク供給経路にフィルタを設けるなどして異物の侵入を防止する工夫がなされている。例えば特許文献１には、図７（ａ）に示す構造を有するインクジェット記録ヘッドが提案されている。図７（ａ）に示すインクジェット記録ヘッドは、Si基板５０の裏面５１に耐エッチングマスク５２を設け、異方性エッチングによってインク供給口５３を形成する際に、耐エッチングマスク５２に多数の孔５４を開設することによってフィルタ５５を形成したものである。

また、特許文献２には、図８に示す構造を有するインクジェット記録ヘッドが提案されている。図８に示すインクジェット記録ヘッドは、Si基板６０の表面に存在する耐エッチングマスク６１及び密着性向上層６２に、これらを貫通し、かつ、径が吐出口６３よりも小さな孔６３を開設することによって、フィルタ６４を形成したものである。
特開２０００−９４７００号公報 特開２００１−７１５０２号公報

しかしながら、上述の特許文献１、特許文献２とも、フィルタの穴の大きさを細かくしすぎると、フィルタによる圧力損失により、インクのリフィルに問題が発生する恐れがあり、微小液滴による高画質記録を行う場合、吐出口径によってはフィルタ機能とインク供給性能のバランスを十分考慮する必要があった。

さらに、特許文献１のように耐エッチングマスクを利用してフィルタを形成する場合、無欠陥な耐エッチングマスクの形成が困難である、という更なる問題もあった。耐エッチングマスクに欠陥（ピンホール）が存在すると、図７（ｂ）に示すように、インク供給口幅Ｙが規定のインク供給口幅Ｘ（図７（ａ））よりも大きくなり、インク滴の吐出特性に影響を与えることがある。

本発明の目的は、上記の課題を解決し、微小液滴による高画質記録を行う場合であってもフィルタ性能とインク供給特性を両立しやすいインクジェット記録ヘッドを提供することである。

さらに加えて、本発明の他の目的は、上述の目的を達成するとともに、生産性に優れたインクジェット記録ヘッドを提供することである。

上述の課題を解決するために、本発明のインクジェット記録ヘッドは、インクが吐出される複数の吐出口と、前記吐出口に連通する流路と、前記流路内のインクを前記吐出口から吐出させるエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、前記流路に連通するインク供給口と、を備える基板と、前記インク供給口と前記流路とを連通させる複数の開口部を備えたフィルタと、を有するインクジェット記録ヘッドにおいて、前記開口部の前記インク供給口側の端部の径をd1、前記開口部の前記流路側の端部の径をd2、前記吐出口の径をd0としたとき、d0≧d2、かつ、d2＜d1の関係が満たされていることを特徴とする。

本発明によれば、流路内への異物やゴミの侵入がフィルタによって効果的に防止され、かつ、フィルタ挿入による圧力損失も低く抑えられているインクジェット記録ヘッドが実現される。特に、フィルタを基板のエネルギー発生素子が設けられている面に備えるとともに、吐出口及び流路を形成するための流路形成部材と基板との間に密着向上層を備える形態において、フィルタを密着向上層と同材料から形成することで、欠陥のないフィルタを容易に形成することが出来、かつ、基板裏面にフィルタが露出していないので、支持部材への取り付けなど、ヘッドユニット製造の後工程の際にヘッドが破損する恐れが少ないので、生産性に優れた記録ヘッドを提供することが出来る。

（実施形態１）
以下、本発明のインクジェット記録ヘッドが搭載されたインクジェット記録ヘッドユニットの一例について説明する。本例のインクジェット記録ヘッドユニットは、支持部材と、支持部材に搭載された本発明のインクジェット記録ヘッドと、外部から入力される電気信号をインクジェット記録ヘッドに形成されている制御回路に伝達するためのフレキシブル回路基板とを少なくとも有する。もっとも、支持部材及びフレキシブル回路基板は、従来のインクジェット記録ヘッドユニットが備えるそれらと基本的に同一の構成を有する。そこで、支持部材及びフレキシブル回路基板についての説明は省略し、本例のインクジェット記録ヘッドユニットの特徴であるインクジェット記録ヘッド（以下、「記録ヘッド」と称する）について詳しく説明する。

図１は、本例における記録ヘッド１の外観を模式的に示す斜視図である。但し、図１では、記録ヘッド１の構造を明確にすべく、一部を切り欠いた状態で図示してある。図１に示すように、記録ヘッド１を構成するSi基板１ａには、該Si基板１ａの長手方向に沿って細長く、かつ、該Si基板１ａの裏面から表面に貫通するインク供給口２が形成されている。また、Si基板１ａの表面側には、流路形成部材４によって複数の吐出口３と、各吐出口３とインク供給口２とを連通させる流路５（図２）とが形成され、各流路５内には、吐出エネルギー発生素子としてのヒータ６が設けられている。より具体的には、Si基板１ａの表面には、多数のヒータ６がSi基板１ａの長手方向に沿って一定ピッチで配置されたヒータ列６Ａが２列平行に設けられており（図１では一方のヒータ列６Ａのみを図示）、インク供給口２は、２つのヒータ列６Ａの間においてSi基板１ａの表面に開口している。また、各吐出口３は、各ヒータ６の上方に位置しており、ヒータ６に電圧が印加されると、インク供給口２から流路５内に供給されたインクが対応する吐出口３から吐出される。

図２を参照しながら記録ヘッド１の構造についてさらに詳しく説明する。インク供給口２は、Si基板１ａの裏面に形成された熱酸化膜７をマスクとし、異方性エッチングによって形成されたものである。インク供給口２と流路５との間にはフィルタ１０が設けられている。このフィルタ１０は、シリコン窒化膜１１を介してSi基板１ａの表面上に形成された有機膜（熱可塑性樹脂膜１２）に多数の開口部１３が形成されたものである。尚、フィルタ１０の構造をより明確にすべく、該フィルタ１０をインク供給口２の側から見たときの平面形状を図３に模式的に示す。

インク供給口２を通過したインクは、フィルタ１０の開口部１３を抜けて流路５へ進入する。従って、開口部１３の径をできるだけ小さくすれば、より小さな異物であっても捕捉することが可能となり、フィルタ性能は向上する。しかし、開口部１３の径を小さくし過ぎると、インクが開口部１３を通過する際に大きな圧力損失（流抵抗）が発生し、インクの供給性能に悪影響を与える。すなわち、フィルタ性能の向上とインク供給性能の向上とはトレードオフの関係にある。

そこで、図４（ａ）に示すように、開口部１３の断面形状をその内径が上流側（インク供給口２側）から下流側（流路５側）に向けて次第に細くなるテーパー状とすることによって、インク供給性能を維持しつつ、圧力損失の低減を図っている。より具体的には、開口部１３の上流側端部の径をd1、下流側端部の径をd2、吐出口の径をd0（図２）としたとき、d0≧d2、かつ、d2＜d1の関係が成立するように、上記各部の寸法が設定されている。

図４（ｂ）に示すように、開口部１３の径を上流側から下流側に向けて段階的に絞ることによってもインク供給性能を維持しつつ、圧力損失の低減を図ることは可能である。但し、圧力損失をなるべく小さくし、インクの流れに淀みを発生なせないためには、開口部１３の内壁に角や屈曲が存在しないことが望ましい。かかる観点からは、開口部１３の形状としては、図４（ｂ）に示す形状よりも同図（ａ）に示す形状の方が優れている。このような形状は、いずれも熱可塑性樹脂膜の選定により、容易に形成可能である。

図２に示すように、Si基板１ａと流路形成部材４との間は、シリコン窒化膜１１からなる層と、熱可塑性樹脂膜１２（フィルタ１０）からなる層とが設けられているが、必要に応じてSi基板１ａと流路形成部材４との間に各種膜を追加して三層以上の多層構造とすることもできる。例えば、フィルタ１０が無機膜によって形成される場合には、該無機膜によって形成されたフィルタ１０と流路形成部材４との密着性を高めるために、両者の間に有機膜を追加して密着性向上層を形成することができる。尚、本例では、フィルタ１０が有機膜である熱可塑性樹脂膜１２によって形成されているので、上記密着性向上層を設ける必要はない。換言すれば、熱可塑性樹脂膜１２からなるフィルタ１０は、流路形成部材４とシリコン窒化膜１１との密着性を向上させる密着性向上層としても機能している。

（実施形態２）
以下、本発明のインクジェット記録ヘッドが搭載されたインクジェット記録ヘッドユニットの他例について説明する。本例のインクジェット記録ヘッドユニットの基本構成は、実施形態１のインクジェット記録ヘッドユニットと同一である。異なるのは、搭載されている記録ヘッドが二重のフィルタを備えている点である。そこで、実施形態１における記録ヘッドと同一の構成については説明を省略し、本例における記録ヘッドの特徴部分についてのみ以下に説明する。

図５に、本例における記録ヘッド３０の模式的断面を示す。図５に示すように、記録ヘッド３０を構成するSi基板３０ａにはインク供給口３１及び流路３２が設けられ、それらインク供給口３１と流路３２との間にはフィルタ３３と、フィルタ３４とが重ねて配置されている。より具体的には、Si基板３０ａの表面上に、シリコン窒化膜３５を介してフィルタ３３が設けられ、フィルタ３３の上に空隙３５を介してフィルタ３４が設けられている。フィルタ３３、３４は、共に熱可塑性樹脂膜に多数の開口部３６が形成されたものである点、開口部３６の断面形状がインク供給経路の上流側から下流側に向けて次第に細くなるテーパー状となっている点で共通している。しかし、相対的にインク供給口３１に近い位置に配置されているフィルタ３３が備える開口部３６の上流側端部の径をd4、下流側端部の径d5とし、相対的に流路３２に近い位置に配置されているフィルタ３４が備える開口部３６の上流側端部の径をd6、下流側端部の径をd7とし、吐出口３７の径をd8としたとき、d4＞d5＞d6＞d7、かつ、d7＜d8の関係が成立するように、上記各部の寸法が設定されている。尚、上流側及び下流側の意味は、実施形態１と同様である。

上記のように、フィルタの開口部の径が上流側から下流側に向けて次第に細くなっていることによって、インク供給性能を損なうことなく、圧力損失の低減が図られる点は、実施形態１と同様である。但し、二重（二層）のフィルタ３３、３４を有する本例の記録ヘッド３０では、さらに次のような作用効果が得られる。すなわち、フィルタが単層の場合は、大きなゴミや異物によってフィルタの開口部が閉塞されてしまうと、実質的なフィルタ面積が減少し、大きな圧力損失が発生することがある。図６（ａ）は、単層のフィルタ４０の開口部４１が異物４２によって閉塞された状態を模式的に示す拡大断面図である。これに対し、本例の記録ヘッド３０には、二層のフィルタ３３、３４が設けられ、それらフィルタ３３、３４が備える開口部３６の径が上記関係を満たすように設定されている。このため、より大きな異物４２ほどインク供給口３１に近い位置に配置されているフィルタ３３によって捕捉される。図６（ｂ）はこの状態を模式的に示す拡大断面図である。ここで、径の大きな開口部３６を有するフィルタ３３による圧力損失は、径の小さな開口部３６を有するフィルタ３４による圧力損失との関係では無視し得る程度に小さい。さらに、フィルタ３３と３４との間に空隙３５が存在しているので、異物４２によって閉塞されていないフィルタ３３の開口部３６を通って必要十分な量のインクが空隙３５へ供給され、インク供給性能が維持される。尚、ここでは、フィルタが二層の場合について説明したが、フィルタが三層以上の場合にも上記作用効果が得られることは明らかである。また、積層される各フィルタは同一材料によって形成されたものであっても、異なる材料によって形成されたものであってもよい。例えば、無機膜又は有機膜に開口部が形成されてなるフィルタを二層以上積層してもよく、無機膜に開口部が形成されてなるフィルタと有機膜に開口部が形成されてなるフィルタとを積層してもよい。

本発明のインクジェット記録ヘッドは、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの各種機器、さらには、各種処理装置と複合的に組み合わされた産業記録装置に搭載することができる。そして、本発明のインクジェット記録ヘッドを用いることによって、紙、糸、繊維、布、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなどの各種被記録媒体に記録を行うことができる。ここで、“記録”とは、文字や図形などといった特定の意味を持つ画像を被記録媒体に表示することのみでなく、特定の意味を持たない幾何学的パターンなどを表示することも含む。

本発明のインクジェット記録ヘッドの一例を示す模式的斜視図である。 図１に示すインクジェット記録ヘッドのＡ−Ａ'線に沿った断面図である。 フィルタの模式的平面図である。 （ａ）はフィルタの断面形状を模式的に示す拡大断面図であり、（ｂ）はフィルタの断面形状の他例を模式的に示す拡大断面図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドの他例を示す模式的断面図である。 （ａ）は単層のフィルタに異物が詰まった状態を模式的に示す拡大断面図であり、（ｂ）は二層の図５に示すフィルタに異物が詰まった状態を模式的に示す拡大断面図である。 （ａ）（ｂ）は、従来のインクジェット記録ヘッドの一例を示す模式的断面図である。 従来のインクジェット記録ヘッドの他例を示す模式的断面図である。

符号の説明

１、３０ 記録ヘッド
１ａ、３０ａ Si基板
２、３１ インク供給口
３、３７ 吐出口
４ 流路形成部材
５、３２ 流路
６ ヒータ
７ 熱酸化膜
１０、３３、３４ フィルタ
１２ 熱可塑性樹脂膜
１３、３６ 開口部
３５ 空隙

Claims (6)

1. インクが吐出される複数の吐出口と、
   前記吐出口に連通する流路と、
   前記流路内のインクを前記吐出口から吐出させるエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、前記流路に連通するインク供給口と、を備える基板と、
   前記インク供給口と前記流路とを連通させる複数の開口部を備えたフィルタと、を有するインクジェット記録ヘッドにおいて、
   前記開口部の前記インク供給口側の端部の径をd1、
   前記開口部の前記流路側の端部の径をd2、
   前記吐出口の径をd0としたとき、
   d0≧d2、かつ、d2＜d1の関係が満た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。
2. 前記フィルタがインクの供給経路に沿って複数積層されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 前記積層されている２以上のフィルタのうち、相対的に前記流路に近い位置に存在するフィルタが備える開口部の最大径が、相対的にインク供給口に近い位置に存在するフィルタが備える開口部の最小径よりも小さいことを特徴とする請求項２記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記積層された２以上のフィルタの間に空隙が設けられていることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 前記フィルタは前記基板の前記エネルギー発生素子が設けられている面に備えられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 前記吐出口及び前記流路を形成するための流路形成部材を備えるとともに、該流路形成部材と前記基板との間に前記流路形成部材の前記基板への密着を向上させるための密着向上層を備え、前記フィルタは前記密着向上層と同材料からなることを特徴とする請求項５に記載のインクジェット記録ヘッド。
   
   
   

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