JP2006264048A - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 印字時間間隔が長い場合においても、大液滴、小液滴を安定して打つことができ、高画質な印刷を達成することが可能となる。
【解決手段】 インクジェットヘッドにおいて、液体が吐出口の側壁で当該液体のメニスカスを形成する第１形態の吐出口と、液体を滴として吐出する方向に、第１形態の吐出口の開口面積より広い面積で開口した凹形状部と、該凹形状部の底面部に前記液流路に通じるように設けられた細孔とを有し、前記液体が前記凹形状部内の側壁で当該液体のメニスカスを形成する第２形態の吐出口と、を同一基板上に備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体を滴として吐出する液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に関する。

液体を吐出する方法として、例えば熱エネルギーを液体に作用させることで、液体を吐出する、いわゆるインクジェット方式がある。この方式は、液体に熱エネルギーを付与することで、液体に気泡を発生させ、この気泡発生に基づく作用力によって吐出口から液滴を吐出させるものである。この方式に適用されるヘッドは、一般に液体を吐出させる吐出口と、該吐出口に連通する液流路と、発熱抵抗層と、該発熱抵抗層を液体から保護する上部保護層と、蓄熱するための下部層と、を具備している。

近年では、より高速に高精細の画像の記録を実現するため、より印字幅が広く、より吐出口の配置密度の高いものが要求されている。その要求に対応した液体吐出ヘッドの従来例として、図１１に示すように、シリコン基板１０１上にヒータ１１１を設け、ノズル材１１３で液流路を形成する。インクは、シリコン基板１０１を貫通する穴として形成されたインク供給口１１０を通じてシリコン基板１０１の裏面から液流路へと供給される。ヒータ１１１に電気エネルギーを印加してインクを加熱、発泡させることで、インクを吐出口１０２から吐出させて記録を行う。このような液体吐出ヘッドに、高密度、高精度のヘッド及び吐出口を形成する方法は引用文献１，及び引用文献２に開示されている。

また、インクを吐出するヘッド部分の形状は、上記の引用文献１及び引用文献２に開示されるような、図１１に示すような第１形態の吐出口を有するヘッドの他に、引用文献３に開示されるような、図１２に示すような、吐出口に相当する開口部１０２とヒータとの間に絞り部１１５がインクに埋没するような第２形態の吐出口を有する第２形態のヘッドをとることで微小液滴を吐出させる形態がある。
特開平５−３３００６６号公報 特開平６−２８６１４９号公報 特開２００３−１５４６６５号公報

図１１のような第１形態のヘッドにおいて、より小さな液滴を吐出するために吐出口径を小さくした場合、吐出時間間隔が長くなると、吐出口１０２先端における吐出液の乾燥に起因する吐出不良が発生する恐れがある。そこで、本発明は、安定して小液滴と大液滴とを打ち分けることが可能な液体吐出ヘッド及び液体吐出装置を提供することにある。

本願発明は、液体吐出ヘッドに関するものであって、液体を滴として吐出する方向に開口し、前記液体が前記吐出口の側壁で当該液体のメニスカスを形成する第１形態の吐出口と、液体を滴として吐出する方向に、前記第１形態の吐出口の開口面積より広い面積で開口した凹形状部と、該凹形状部の底面部に前記液流路に通じるように設けられた細孔とを有し、前記液体が前記凹形状部内の側壁で当該液体のメニスカスを形成する第２形態の吐出口と、を同一の前記基板上に備えることを特徴とする。

本発明は、第１形態の吐出口と第２形態の吐出口とを同一基板上に形成することにより、印字時間間隔が長い場合においても、大液滴、小液滴を安定して打つことができ、高画質な印刷を達成することが可能となる。

図２は本発明を適用可能な液体吐出ヘッドを具備した液体吐出ヘッドユニットの模式的斜視図である。

本発明に用いられる液体吐出ヘッドの駆動は、エネルギー発生素子としてのヒータ１１１に電気エネルギーを印加してインクに熱エネルギーを付与することで、インクに気泡を形成させてインクを滴として吐出口１０２から吐出させ、記録を行う。ヒータへの電気エネルギーの印加は、図２に示すように、外部から電気コネクタ１０８を通じて入力される信号に応じて、電気回路基板、フレキシブル回路基板１０５を通じてシリコン基板１０１上に設けられた、不図示のトランジスタ回路によって行われる。シリコン基板とフレキシブル回路基板との電気的接続部には、その実装部にインクが進入するのを防止するため、封止材１１２が盛られている。

本発明を適用可能な液体吐出ヘッドユニットが搭載された液体吐出装置２２０の模式的斜視図を図３に示す。液体吐出ヘッドユニット１２０には、インクタンクが装着され、各々の液体吐出ヘッドから各色のインクが吐出される。液体吐出ヘッドユニット１２０の後方に載置された記録用紙２０１は不図示のモーター、給紙ローラーによって給紙され、不図示のキャリッジモーターの駆動により、液体吐出ヘッドユニット１２０が左右にスキャンしながらインクを吐出して印字記録を行う。

次に、本発明に好適に用いられる液体吐出ヘッドの説明を行う。

図１は、図２中、Ａ−Ａ’一点鎖線で示した平面の断面図である。

図１における液体吐出ヘッドは、シリコン基板１０１上に不図示のヒータを設け、ノズル材１１３で液流路を形成する。インクは、支持部材１０６中に形成された共通液室１１７から、プレート１０４を通り、シリコン基板１０１を貫通する穴として形成されたインク供給口１１０を通じてシリコン基板１０１の裏面から、液流路を通ってヒータ上に供給される。インク供給口１１０は、シリコン基板１０１の裏面から吐出口１０２側に貫通している。

インク供給口１１０の形成法は、シリコンの異方性エッチング法を用いて形成しても良いし、シリコン基板１０１に機械加工を施して形成しても良いが、本実施例では、シリコン基板を異方性エッチングして穴あけ加工を施した。

図１に示したシリコン基板１０１上にはそれぞれ、第１形態の吐出口を有する第１形態のヘッド１１４（ａ）と第２形態の吐出口を有する第２形態のヘッドと１１４（ｂ）が作製されている。

図６に、図１の丸Ｊで示す部分の拡大図の模式図を示す。第１形態のヘッドは、図６の１１４（ａ）に示すように、直径ｄ１の開口部である吐出口１０２がヒータに対応する部分に設けられている。本実施形における第１形態の吐出口は、ノズル材を円柱形状にくりぬいた形状をとり、吐出口内の側壁で吐出する液体のメニスカスを保持し、大液滴用のヘッドとして用いる。

第２形態のヘッドは、図６の１１４（ｂ）に示すように、直径Ｄ２の開口部である凹形状の吐出口１０２がヒータに対応する部分に設けられている。この凹形状の底面部のヒータに対応する部分に、Ｄ２より小さい直径ｄ２を有する細孔としての絞り部１１５が形成されている。ここで、インクの液面であるメニスカスは、凹形状の吐出口内の側面で保持される為、絞り部１１５はインクに埋没する。本実施例においては、小液滴用のヘッドとして用いる。

図６における第２形態のヘッド１１４（ｂ）は、第１形態のヘッド１１４（ａ）よりも小さな液滴を吐出するため、第１形態のヘッド１１４（ａ）の開口部である吐出口の直径ｄ１と第２形態のヘッド１１４（ｂ）の細孔の開口面積の直径ｄ２との関係は、ｄ１＞ｄ２としている。この形態における液体の吐出の原理は、細孔が液流路から吐出口が開口した面までの経路における液体中に位置するように構成されているので、液体が吐出口へ移動する際に絞り部である細孔を通過すると、細孔の通過後の液体の移動速度がその通過前より格段と速くなる。さらに、吐出口を開口する凹部内の液体の移動において、細孔に対応する流速が相対的に早くなる。よって、吐出口におけるメニスカスの、細孔に相対する部分のみが盛り上がって微細な液滴が吐出されることになる。すなわち、吐出口を開口する凹部内の液体の全体的な吐出に至らず、極微小の液滴を吐出することが可能となる。

このように、微小な液滴を吐出する為に、単に第１形態の吐出口径を小さくすることで対応した場合に比べ、第２形態の吐出口は、液体に埋没された絞り部１１５等によって吐出液量を調整し、絞り部１１５の細孔の開口面積より大きな開口部１０２にメニスカスを保持する吐出口を有する為、吐出口１０２先端における吐出液の乾燥に起因する吐出不良を抑制することができる。

第１形態の吐出口と第２形態の吐出口とを同一基板に配置することで、ヨレ問題が顕著となる大液滴を吐出する場合は、ヨレが起こりにくい第１形態の吐出口を、吐出口の乾燥による吐出不良が顕著となる小液滴を吐出する場合は、乾燥に強い第２の形態の吐出口を用いることができ、安定して大液滴と小液滴を吐出し、高画質な画質が得られる液体吐出ヘッドの作製が可能となる。

さらに、比較的吐出口の乾燥による吐出不良が問題となりやすい第１形態の吐出口の側に、インクを保持する開口部の大きな第２の形態の吐出口を配置することで、吐出口付近の水分蒸発を抑制し、乾燥による吐出不良を抑えることもできる。

［実施例１］
図４は本実施例における液体吐出ヘッドを吐出口側からみた上面図である。図５は、図４のＤで示した領域の拡大図、図６は、図５中のＥ−Ｅ’断面図である。

本実施例においては、図２における液体吐出ヘッドユニット１２０は、上述のシリコン基板１０１が３枚搭載されており、その各々に図１に示すように共通液室１１７が設けられている。共通液室には、それぞれに例えばシアン、マゼンタ、イエロー等の３色が充填できる構造になっている。各々のシリコン基板１０１上には、第１形態のヘッド１１４（ａ）と第２形態のヘッド１１４（ｂ）とが交互に配置されており、これらのヘッドを使い分けて吐出液量を異ならせることで、階調表現を行うものである。

また、第１形態の吐出口ヘッドと第２形態の吐出口との直径の関係は、図６に示すように、第１形態のヘッド１１４（ａ）の吐出口１０２直径ｄ１、第２形態のヘッド１１４（ｂ）の吐出口１０２直径Ｄ２、第２形態のヘッド１１４（ｂ）の絞り部１１５の細孔の直径ｄ２、とすると、Ｄ２＞ｄ１、ｄ１＞ｄ２である。

さらに、各々の吐出口１０２が近接しないよう配置するため、図５に示すように、第１形態のヘッド１１４（ａ）の吐出口と第２形態のヘッド１１４（ｂ）の吐出口とを同一吐出口列内で交互になるよう配置し、隣り合う列においても第１形態のヘッド１１４（ａ）の吐出口と第２形態のヘッド１１４（ｂ）の吐出口とが交互になるよう配置した。

このように、同一のシリコン基板１０１上に、大液滴用として第１形態のヘッド１１４（ａ）を、小液滴用として第２形態のヘッド１１４（ｂ）を作製し、さらに、図６に示すように、第１形態のヘッドのヒータから吐出口１０２までの距離（液体が流れる液流路の高さに相当）ｈ１と、第２形態のヘッドの、ヒータから吐出口１０２までの距離（液流路の高さ+絞り部の厚さ）ｈ２を同一の厚さで同一のノズル材１１３で形成することが可能となり、径の異なる液滴を吐出する液体吐出ヘッドを安定した液滴の吐出を維持しつつ、よりシンプルな構成にし、低コストかつコンパクトな液体吐出ヘッドを提供することができる。

［実施例２］
本実施例において、上述の実施例１と同様の部分の説明は省略する。図７は本実施例の液体吐出ヘッドの上面図、図８は図７のＦで示した領域の拡大図、図９は図７のＧで示した領域の拡大図、図１０は図７のＨで示した領域の拡大図である。図８は、絞り部１１５の細孔はそれぞれのヒータに対応して設けられており、第２形態のヘッドの第２形態の吐出口１０２を形成する凹部が隣接する吐出口同士で共有されている形態を示す。図９、図１０の第１及び第２形態のヘッドの形状は、実施例１で示した形状と同様である。 実施例１との相違点は、第１、第２形態の吐出口の配置にある。実施例１においては、第１形態のヘッド１１４（ａ）と第２形態のヘッド１１４（ｂ）とを同一列上に交互に配置したが、本実施例においては、第１形態の吐出口の列、第２形態の吐出口の列、とを供給口を挟んで別々の列に配置している。

第１形態の吐出口径ｄ１と第２形態の吐出口径Ｄ２との関係は、実施例１と同様に、Ｄ２＞ｄ１とし、本実施例においていはｄ１＞ｄ２とした。ここで、本実施例においては、印字時にヘッドを走査した際、供給口を挟んで配置された第１形態の吐出口列と第２形態の吐出口列の配置は、吐出口径の大きな第２形態の吐出口列が、ヘッド走査方向側に位置することを特徴とする。図７は、図中左側にヘッドを走査する時のみ印字を行う片方向印字のヘッドの例を示す。

図７に示すように、第１形態の吐出口列に対して、ヘッド走査方向側の隣接する位置に第２形態の吐出口列があることが望ましい。このような構成にすることにより、印字時にヘッドを走査した際、吐出口の凹部の開口径の大きな第２形態の吐出口列が、ヘッド走査方向側に位置することになり、その結果、ヘッド走査方向側の第２形態の吐出口からの水分蒸発により、隣接する吐出口の開口部が小さく乾燥による影響を受けやすい第１形態の吐出口列の吐出口付近の湿度が向上し、その水分蒸発量が抑制され、印字時間間隔が大きくなっても、より安定した吐出が可能な液体吐出ヘッドを提供することができる。このように、少なくとも、ヘッド走査方向において、最上流側に位置する吐出口の形状が第２形態の吐出口とすればよい。更に、図８に示すような、吐出口１０２が隣接する吐出口同士で共有化されたヘッドを用いることで、下流側の湿度向上は更に向上する。

また、双方向印字を行うヘッドにおいては、少なくとも走査方向において両端に位置する吐出口列は第２形態の吐出口にするのが好ましい。

一実施例による液体吐出ヘッドの断面図 一実施例による液体吐出ヘッドの斜視図 一実施例による液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置の斜視図 一実施例による液体吐出ヘッドを吐出口側からみた上面図 図４のＤで示した領域の拡大図 図５のＥ−Ｅ’線における断面図 一実施例による液体吐出ヘッドを吐出口側からみた上面図 図７のＦで示した領域の拡大図 図７のＧで示した領域の拡大図 図７のＨで示した領域の拡大図 従来の液体吐出ヘッドの主要部の断面図 従来の液体吐出ヘッドの主要部の断面図

符号の説明

１０１ シリコン基板
１０２ 吐出口
１１０ インク供給口
１１１ ヒータ
１１５ 絞り部
１１４（ａ） 第１の形態のヘッド
１１４（ｂ） 第２の形態のヘッド

Claims (5)

1. 液体に吐出用エネルギーを与えるエネルギー発生素子が形成された基板と、前記エネルギー発生素子に対向した位置に液体を滴として吐出する吐出口が設けられたノズル材と、前記吐出口に連通し、前記基板と前記ノズル材の間に形成された液流路と、を有する液体吐出ヘッドであって、
   液体を滴として吐出する方向に開口し、前記液体が前記吐出口の側壁で当該液体のメニスカスを形成する第１形態の吐出口と、
   液体を滴として吐出する方向に、前記第１形態の吐出口の開口面積より広い面積で開口した凹形状部と、該凹形状部の底面部に前記液流路に通じるように設けられた細孔とを有し、前記液体が前記凹形状部内の側壁で当該液体のメニスカスを形成する第２形態の吐出口と、
   を同一の前記基板上に備えることを特徴とする、液体吐出ヘッド。
2. 前記第２形態の吐出口に連通する前記液流路の高さと前記細孔の厚さとを合わせた距離は、前記第１形態の吐出口に連通する前記液流路の高さと等しいことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記第１形態の吐出口と、前記第２形態の吐出口とは、同一の吐出口列に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記第１形態の吐出口を有する吐出口列と、前記第２形態の吐出口を有する吐出口列と、が隣接して設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを、被プリント材に対して相対的に移動させさせながら前記吐出口から前記液体を滴として吐出することで、前記被プリント材にドットを形成する液体吐出記録装置であって、
   前記液体吐出ヘッドの前記移動する方向の最上流の吐出口列は前記第２形態の吐出口を有することを特徴とする液体吐出装置。

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