JP2008055643A - 記録ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】吸引時に高い圧力をかけてもノズル下面を閉塞することなく、安定して液室内から泡や増粘したインクを除去できるメンテナンス性に優れた記録ヘッドを提供する。
【解決手段】熱機械アクチュエータを用いて液室から液滴を吐出する記録ヘッドにおいて、前記熱機械アクチュエータの液滴吐出側表面に段差を形成する。前記熱機械アクチュエータの液滴吐出側表面から液滴吐出側に突出する突出体により形成されてもよいし、前記熱機械アクチュエータの液滴吐出側表面から液滴吐出側とは反対側に窪んだ凹状溝により形成されてもよい。あるいは、前記液室を画定する壁であって、前記液滴を吐出する吐出口が形成される壁の液室側内面に段差を形成してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、記録ヘッドに関し、より詳細には、熱機械アクチュエータによりインクを吐出し、記録を行うインクジェット記録ヘッドに関する。

インクジェット記録装置に用いられる記録ヘッドのインク吐出方式には、熱エネルギーをインクに与えて気泡を発生させる方式、圧電素子による電気機械的アクチュエータを用いた方式などが知られており、実用化されてきた。また、近年では、熱機械的アクチュエータを用いた方式も加工の容易性と、インク組織の自由度から開発が進められている。

特許文献１には、片持ち梁構造の発熱層と誘電体層の２層からなる熱機械的アクチュエータを用いた記録ヘッドが開示されている。このような片持ち梁構造の発熱層と誘電体層の２層からなる熱機械的アクチュエータの例を図５（ａ）乃至（ｃ）を用いて簡単に説明する。

図５（ａ）は、記録ヘッド吐出部の上面図（ここで、上面図とは、インク液滴が吐出する方向から見た図をいう。）である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す記録ヘッド吐出部のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。図５（ｃ）は、図５（ａ）、（ｂ）に示す記録ヘッド吐出部から液滴が吐出する状態を説明する図である。

図５（ａ）、（ｂ）に示されるように、シリコン基板１の上に液室２が形成され、ノズル３からインク液滴が吐出される。液室２には、熱機械的アクチュエータとしての片持ち梁（以下、「カンチレバー」という。）４が形成されている。カンチレバー４は、スリットにより２つの発熱部に分割された発熱層２０、２つの発熱部に電流を供給する配線部５（５ａ、５ｂ）及び２つの発熱部を接続する折り返し電極１１を形成する導体層、及び誘電体層２１を含んでいる。カンチレバー４は、最初に発熱層２０が形成され、該発熱層２０の上に導体層が積層され、最後に発熱層２０及び導体層の上に誘電体層２１が積層されることで形成される。誘電体層２１の線膨張率は、発熱層２０の線膨張率より小さく設定されている。なお、カンチレバー４全体は、インクに接触するため、不図示の薄い絶縁膜で覆われている。カンチレバー４の２つの発熱部が通電により発熱すると、発熱層２０と誘電体層２１の線膨張率の差により、図５（ｃ）に示されるように、カンチレバー４は上方（ノズル３側）に湾曲する。これにより、液室２に満たされたインク７は、ノズル３より液滴８となって吐出する。

特許文献２には、誘電体層２１が２つの発熱層２０、２０にサンドイッチ状に挟まれたカンチレバー４が開示されている。この例では、最初に、上側の発熱層２０に通電することによりカンチレバー４をノズル３とは反対方向に湾曲させる。次に、下側の発熱層２０に通電することにより、図５（ｃ）に示されるようにカンチレバー４をノズル３側に湾曲させる。このようにすることで、大きな駆動力により液滴を吐出することが可能となる。

また、特許文献３には、カンチレバー４の固定端９側の幅が自由端１０側の幅より大きい台形形状のカンチレバー４が開示されている。このようにすることでも大きな駆動力が得られ、液滴８を好適に吐出させることができる。

特開２００３−２６０６９６号公報 特開２００４−１５１７号公報 特開２００４−８２７３３号公報

熱機械アクチュエータを用いた記録ヘッド吐出部においては、熱機械アクチュエータとしてのカンチレバーは、発熱、冷却を繰り返す。それにより、微少な気泡が発生し、この気泡が集合して液室内部に大きな泡として蓄積する。また、インクの水分が熱によりノズルから蒸発するため、インクの粘度が上がり、安定した吐出を妨げる。これらの弊害を抑えるためプリンタに備えられたポンプ（不図示）によりノズルを介してインクを吸引することで泡を取り除くとともに、増粘したインクをリフレッシュしている。

しかしながら、従来の熱機械アクチュエータにおいては、泡や増粘インクを十分に除去するために高い吸引圧力をかける必要がある。このように高い吸引圧力をかけると、図６に示されるように、熱機械アクチュエータとしてのカンチレバー４の自由端１０側は、吸引されるインク７の流れによって変位し、ノズル３下面を閉塞してしまう。この状態では、引き続き吸引を行ってもインク７を引くことができないため、十分に泡１５が取りきれないという問題が生じる。また、増粘したインクを十分リフレッシュすることができないという問題も生じる。

本発明の目的は、このような問題点に鑑み、吸引時に高い圧力をかけてもノズル下面を閉塞することなく、安定して液室内から泡や増粘したインクを除去できるメンテナンス性に優れた記録ヘッドを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る記録ヘッドは、熱機械アクチュエータを用いて液室から液滴を吐出する記録ヘッドにおいて、前記熱機械アクチュエータの液滴吐出側表面に段差を形成することを特徴とする。

該段差は、前記熱機械アクチュエータの液滴吐出側表面から液滴吐出側に突出する突出体により形成されてもよいし、前記熱機械アクチュエータの液滴吐出側表面から液滴吐出側とは反対側に窪んだ凹状溝により形成されてもよい。

本発明に係る記録ヘッドは、また、熱機械アクチュエータを用いて液室から液滴を吐出する記録ヘッドにおいて、前記液室を画定する壁であって、前記液滴を吐出する吐出口が形成される壁の液室側内面に段差を形成してもよい。

この場合、該段差は、前記前記液滴を吐出する吐出口が形成される壁の液室側内面から液室内に突出する突出体により形成されてもよいし、前記前記液滴を吐出する吐出口が形成される壁の液室側内面から液滴吐出側に窪んだ凹状通路により形成されてもよい。

本発明は、以上のような構成を備えることで、メンテナンスの際、ノズルを介して高い吸引圧でインクを吸引しても、熱機械アクチュエータを構成するカンチレバーの自由端とノズル近傍の液室内壁との間に必ず空間が形成される。すなわち、カンチレバーの自由端が高い吸引圧によりノズル下面方向に変位しても、カンチレバーの自由端がノズルを閉塞することがない。したがって、高い吸引圧を液室内に作用させることが可能となることで、液室内に蓄積された泡や増粘したインクを完全に除去することができる。

（実施例１）
図１は、本発明に係る第１の実施例を示し、（ａ）は、記録ヘッド吐出部の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う記録ヘッド吐出部の断面図である。また、（ｃ）は、記録ヘッド吐出部の液室からインクが吸引される時の状態を示す。
本実施例で適用される記録ヘッド吐出部は、カンチレバー４の構造を除き、図５（ａ）、（ｂ）に示される従来例と略同様の構成を備えている。以下に、図１（ａ）、（ｂ）を用いて簡単に説明する。

記録ヘッド吐出部は、シリコン基板１及び該シリコン基板１の上に形成された液室を含んでいる。液室２内の液体（以下、「インク」という。）は、液滴としてノズル３から吐出される。液室２には、シリコン基板１に支持される熱機械的アクチュエータとしてのカンチレバー４が延在する。カンチレバー４は、スリットにより２つの発熱部に分割された第１の層としての発熱層２０、該２つの発熱部に電流を供給する配線部５及び２つの発熱部を接続する折り返し電極を形成する導体層、及び第２の層としての誘電体層２１を含んでいる。第１の層としての発熱層２０は、抵抗体よりなり、第２の層としての誘電体層は、絶縁体よりなる。また、第２の層としての誘電体層２１は、図１（ｂ）に示されるように、第１の層である発熱層２０の上面、すなわち、発熱層２０に対して吐出側（ノズル３側）に積層される。また、熱機械的アクチュエータとしてのカンチレバー４を湾曲させるために、第２の層としての誘電体層２１は、第１の層を構成する発熱層２０に対して線膨張率が十分に小さい材料が選択される。

本実施例における熱機械アクチュエータとしてのカンチレバー４は、第２の層である誘電体層２１に対して段差を形成する（図１（ｂ）参照）ように、突出体３０が誘電体層２１上面に積層されている。すなわち、突出体３０は、カンチレバー４に対して液滴吐出側（ノズル３側）のカンチレバー４表面に設けられる。該突出体３０は、インク吐出口としてのノズル３にかからないように、ノズル３に対してカンチレバー４の固定端９側上面に設けられる。突出体３０は、また、図１（ａ）に示されるように第２の層である誘電体層２１を横断する帯状体として誘電体層２１上面に形成されることが好ましいが、これに限られるものではない。例えば、突出体３０は円柱状や円錐状をなしていてもよい。なお、突出体３０は、絶縁体からなる誘電体層２１上面に積層されることから、耐インク性があればよく、樹脂や金属など様々な材料を用いることができる。

このような構成を備える記録ヘッド吐出部における熱機械アクチュエータとしてのカンチレバー４の動作につき、図１（ｃ）を用いて説明する。

図１（ｃ）に示されるように、液室２内の泡や増粘したインクを除去するために、プリンタ本体側に備えられたポンプによりノズル３を介して液室２内のインク７を高い圧力で吸引する。この時、カンチレバー４の自由端１０が吸引されるインク７の流れによって変位しても、突出体３０がノズル３下面としての液室２の天井壁内面２ａに当接する。それにより、カンチレバー４の自由端１０の変位が規制され、カンチレバー４の自由端１０側がノズル３の下面を閉塞することがない。すなわち、カンチレバー４上面に突出体３０を設けることで、吸引時、カンチレバー４の自由端１０がノズル３側に変位しても、カンチレバー４とノズル３の下面との間に、必ず泡やインク７が通り得る空間が存在することになる。したがって、吸引時、液室２内から泡や増粘したインクを安定して除去することができる。

（実施例２）
図２は、本発明に係る第２の実施例を示し、（ａ）は、記録ヘッド吐出部の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う記録ヘッド吐出部の断面図である。また、（ｃ）は、記録ヘッド吐出部の液室からインクが吸引される時の状態を示す。
本実施例で適用される記録ヘッド吐出部は、カンチレバー４を除き、上記第１の実施例と略同様の構成を備えている。

本実施例における熱機械アクチュエータとしてのカンチレバー４は、第２の層である誘電体層２１に対して段差を形成する（図２（ｂ）参照）ように、凹状溝３１が誘電体層２１上面に形成されている。凹状溝３１は、誘電体層２１のノズル３に対向する位置に形成され、図２（ｂ）において上方、すなわち、インク吐出口としてのノズル３に向かって開放された有底穴である。言い換えると、凹状溝３１は、カンチレバー４に対して液滴吐出側（ノズル３側）のカンチレバー４表面に、該表面から液滴吐出側とは反対側に窪むように形成されている。

本実施例では、該凹状溝３１の断面形状は、該ノズル３の断面形状に相似する円形状をなし、該ノズル３の断面形状より若干大きい。凹状溝３１の形状は、円形状でなくてもよい。要は、その断面形状が、ノズル３の断面形状より大きければどのような形状であってもよい。凹状溝３１は、図２（ａ）に示されるように、凹状溝３１と同じ深さを有する、上方が開放された凹状通路３１ａを介してカンチレバー４の自由端１０から液室２内に向かってさらに開放されている。あるいは、凹状溝３１は、凹状通路３１ａを介してカンチレバー４の両側部（図２（ａ）において、上下縁部）から液室２内に向かって開放されていてもよい。

このように凹状溝３１及び凹状通路３１ａを設けることで、カンチレバー４がノズル３下面を塞ぐように変位しても、該凹状溝３１及び凹状通路３１ａがノズル３と液室２を連絡する液流路を形成し、泡及びインクの流れが遮断されることがない。

このような構成を備える記録ヘッド吐出部における熱機械アクチュエータとしてのカンチレバー４の動作につき、図２（ｃ）を用いて説明する。

図２（ｃ）に示されるように、液室２内の泡や増粘したインクを除去するために、プリンタ本体側に備えられたポンプによりノズル３を介して液室２内のインク７を高い圧力で吸引する。この時、カンチレバー４の自由端１０が吸引されるインクの流れによって変位し、自由端１０側がノズル３の下面としての液室２の天井壁内面２ａに当接しても、上述したように、カンチレバー４の自由端１０側がノズル３の下面を閉塞することがない。すなわち、ノズル３と液室２とを連絡する凹状溝３１及び凹状通路３１ａが設けられているので、第１の実施例と同様、カンチレバー４とノズル３の下面との間に、必ず泡やインク７が通り得る空間が存在することになる。したがって、吸引時、液室２内から泡や増粘したインクを安定して除去することができる。

（実施例３）
図３は、本発明に係る第３の実施例を示し、（ａ）は、記録ヘッド吐出部の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う記録ヘッド吐出部の断面図である。また、（ｃ）は、記録ヘッド吐出部の液室からインクが吸引される時の状態を示す。
本実施例で適用される記録ヘッド吐出部は、カンチレバー４上面に設けられた突出体３０が対向する液室２の天井壁内面２ａに設けられた点を除き、上記第１の実施例と略同様の構成を備えている。

本実施例においては、突出体３２が液室２を画定する内壁のうち、インク吐出口としてのノズル３が形成される天井壁の内面２ａ（すなわち、ノズル３の下面）に対して段差を形成するように、該天井壁内面２ａに積層される。言い換えると、突出体３２は、液室２の天井壁内面２ａから液室２内に向かって突出形成される。突出体３２は、ノズル３にかからないように、ノズル３からカンチレバー４の固定端９寄りに形成される。該突出体３２の形状は、第１の実施例と同様に、カンチレバー４を横断するような帯状体であってもよし、あるいは円柱状などであってもよい。突出体３２は、また、樹脂や金属などどのような材料を用いてもよい。

記録ヘッド吐出部をこのように構成することで、吸引時、カンチレバー４の自由端１０が吸引されるインク７の流れによって変位しても、突出体３２がカンチレバー４の上面に当接する。それにより、図３（ｃ）に示されるように、本実施例においても、カンチレバー４の自由端１０の変位が規制され、カンチレバー４の自由端１０側がノズル３の下面を閉塞することがない。すなわち、吸引時、カンチレバー４の自由端１０がノズル３側に変位しても、カンチレバー４とノズル３の下面との間に、必ず泡やインク７が通り得る空間が存在することになる。したがって、第１の実施例と同様、本実施例も、吸引時、液室２内から泡や増粘したインクを安定して除去することができる。

（実施例４）
図４は、本発明に係る第４の実施例を示し、（ａ）は、記録ヘッド吐出部の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＶ−ＩＶ線に沿う記録ヘッド吐出部の断面図である。また、（ｃ）は、記録ヘッド吐出部の液室からインクが吸引される時の状態を示す。
本実施例における記録ヘッド吐出部は、液室２を画定する天井壁内面（ノズル３下面）２ａに対して段差を形成する（図４（ｂ）参照）ように、凹状通路３３が該天井壁内面２ａに形成されている。本実施例における記録ヘッド吐出部は、この点においてその構成を異にするが、その他の構成は上記第２の実施例と同じである。該凹状通路３３は、下方（液室２内）に向かって開放されるとともに、ノズル３に向かって開放されている。すなわち、凹状通路３３は、液室２を画定する天井壁内面（ノズル３下面）２ａに、該内面２ａから液滴吐出側（液室２と反対側）に窪むように形成されている。

凹状通路３３は、また、カンチレバー４が天井壁内面２ａに当接する領域を越えて外側にまで延在している。凹状通路３３は、本実施例では図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、天井壁に隣接する図において右側の側壁内面にまで延在している。凹状通路３３は、これに限られるものではなく、例えば、図において、上下の側壁内面にまで延在していてもよい。

このような凹状通路３３を天井壁内面２ａに形成することで、カンチレバー４がノズル３の下面を塞いでも、ノズル３と液室２との間を連絡する通路が形成され、泡やインクの流れが遮断されることはない。

したがって、本実施例においても、吸引時、カンチレバー４の自由端１０が吸引されるインク７の流れによって変位し、ノズル３の下面を閉塞しても、図４（ｃ）に示されるように、ノズル３と液室２との間を遮断されることがない。言い換えれば、吸引時、カンチレバー４の自由端１０がノズル３側に変位しても、カンチレバー４とノズル３の下面との間に、必ず泡やインク７が通り得る空間が存在することになる。したがって、上記実施例と同様、本実施例も、吸引時、液室２内から泡や増粘したインクを安定して除去することができる。

本発明に係る第１の実施例を示し、（ａ）は、記録ヘッド吐出部の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う記録ヘッド吐出部の断面図であり、（ｃ）は、記録ヘッド吐出部の液室からインクが吸引される時の状態を示す。 本発明に係る第２の実施例を示し、（ａ）は、記録ヘッド吐出部の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う記録ヘッド吐出部の断面図であり、（ｃ）は、記録ヘッド吐出部の液室からインクが吸引される時の状態を示す。 本発明に係る第３の実施例を示し、（ａ）は、記録ヘッド吐出部の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う記録ヘッド吐出部の断面図であり、（ｃ）は、記録ヘッド吐出部の液室からインクが吸引される時の状態を示す。 本発明に係る第４の実施例を示し、（ａ）は、記録ヘッド吐出部の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩＶ−ＩＶ線に沿う記録ヘッド吐出部の断面図であり、（ｃ）は、記録ヘッド吐出部の液室からインクが吸引される時の状態を示す。 従来の熱機械アクチュエータを用いた記録ヘッドを示し、（ａ）は、記録ヘッド吐出部の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す記録ヘッド吐出部のＶ−Ｖ線に沿う断面図であり、（ｃ）は、記録ヘッド吐出部から液滴が吐出される状態を説明する図である。 図５に示される従来の記録ヘッド吐出部の液室からインクが吸引されるときの状態を示す。

符号の説明

２ 液室
２ａ 天井壁内面
３ 吐出口（ノズル）
４ 熱機械アクチュエータ（カンチレバー）
３０ 突出体
３１ 凹状溝
３１ａ 凹状通路
３２ 突出体
３３ 凹状通路

Claims (6)

1. 熱機械アクチュエータを用いて液室から液滴を吐出する記録ヘッドにおいて、
   前記熱機械アクチュエータの液滴吐出側表面に段差を形成することを特徴とする記録ヘッド。
2. 前記段差は、前記熱機械アクチュエータの液滴吐出側表面から液滴吐出側に突出する突出体により形成されることを特徴とする請求項１に記載の記録ヘッド。
3. 前記段差は、前記熱機械アクチュエータの液滴吐出側表面から液滴吐出側とは反対側に窪んだ凹状溝により形成されることを特徴とする請求項１に記載の記録ヘッド。
4. 熱機械アクチュエータを用いて液室から液滴を吐出する記録ヘッドにおいて、
   前記液室を画定する壁であって、前記液滴を吐出する吐出口が形成される壁の液室側内面に段差を形成することを特徴とする記録ヘッド。
5. 前記段差は、前記前記液滴を吐出する吐出口が形成される壁の液室側内面から液室内に突出する突出体により形成されることを特徴とする請求項４に記載の記録ヘッド。
6. 前記段差は、前記前記液滴を吐出する吐出口が形成される壁の液室側内面から液滴吐出側に窪んだ凹状通路により形成されることを特徴とする請求項４に記載の記録ヘッド。
   

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