JP2008120039A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】液滴の吐出方向のヨレを抑え、高品位な記録が可能で、高密度に液滴を吐出する。
【解決手段】各ノズル１１８は、インク供給口１１０からインク滴を供給するための一組のインク流路を有している。そして、各インク流路は、発泡室１３３，１３４に隣接する端部が各々ストレート状に形成されている。各発泡室１３３，１３４には、一組のインク流路が、ヒーター１１１を挟んで対称に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばインク滴等の液体に外部からエネルギーを付与することによって、液体を吐出する液体吐出ヘッド、特に、熱エネルギーで液体を加熱発泡させて発生する運動エネルギーを利用して液体を吐出する液体吐出ヘッドに関する。

インク滴に外部からエネルギーを付与することによって、インク滴を吐出するインクジェット記録ヘッドが知られている。この種の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方法が開示されている（特許文献１参照）。このインクジェット記録方法は、熱エネルギーを液体に作用させて、液滴吐出の原動力を得るという点において、他のインクジェット記録方法とは異なる特徴を有している。すなわち、上述の公報に開示されている記録方法は、熱エネルギーの作用を受けた液体が加熱されて気泡を発生し、この気泡発生に基づく作用力によって、記録ヘッド部の先端のオリフィス（吐出口）から液滴が吐出されることを特徴としている。そして、この液滴が被記録部材に付着することで情報の記録が行われる。

この記録方法に適用される記録ヘッドは、一般に液体を吐出するために設けられた吐出口と、この吐出口に連通して液滴を吐出するための熱エネルギーが液体に作用する部分である熱作用部を構成の一部とする液流路とを有する液吐出部を備えている。また、この記録ヘッドは、熱エネルギーを発生するエネルギー発生素子である熱変換体としての発熱抵抗層と、この発熱抵抗層をインクから保護する上部保護層と、蓄熱するための下部層とを備えている。

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に、より一層小さな液滴を安定して所望の方向に正確に飛翔させる必要が高まっている。このような要求に対して、最も一般的に広く知られているノズルの構成について図１３および図１４に示す。図１３および図１４に示すように、このノズルは、インクを発泡するための各発泡室１１２にヒーター１１１を配置し、ヒーター１１１上部に位置する吐出口（不図示）からインク滴を吐出するものである。各々の発泡室１１２にはインクを供給するためのインク流路１１３が設けられており、共通液室１１７に連通されている。

また、図１５（特許文献２，３参照）や図１６に示すように、各発泡室１１２に対して複数のインク流路１１３がそれぞれ設けられる構成も開示されている。
特開昭５４−５１８３７号公報 特開２００２−５２７１６号公報 特許第３４７１３３０号

しかしながら、図１３に示すように、従来、最も一般的に知られているノズルの構造では、ヒーター１１１が配置された発泡室１１２に対して１つのインク流路１１３が一側のみに配置されている。このため、ヒーター１１１上で発生した気泡１２１が消泡時にインク流路１１３側に偏ってしまい、図１４に示すように、吐出口１１６から吐出されるインク滴１２２の吐出方向にヨレが生じてしまうという問題があった。

この問題の対策として、図１５や図１６に示すように、発泡室１１２に連通する２つのインク流路１１３が設けられる構成が採られている。これらの構成によれば一定の改善が得られるものの、各発泡室１１２に対して複数のインク流路１１３が設けられる構成だけでは、発泡・消泡の対称性を維持するための根本的な解決には至っていない。したがって、この構成であっても、やはり発泡・消泡の非対称性に起因するインク滴の吐出方向にヨレが生じる問題が発生してしまっていた。

また、このような構成を採ることで、図１６中に寸法Ｐで示すように、ノズルピッチ寸法が増大してしまい、ノズルを高密度に配置し、記録密度の向上を図るという要求と相反する構成になってしまう問題点があった。

そこで、本発明は、液滴の吐出方向のヨレが抑えられ、高密度に液滴を吐出することで、高品位に記録することができる液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口と、吐出口から液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子と、該エネルギー発生素子が設けられ液体を発泡させる発泡室とを有する複数のノズルが設けられた基板を備え、基板には、基板の厚さ方向に貫通してノズルに連通され、ノズルに液体を供給する液体供給口が設けられた液体吐出ヘッドであって、各ノズルが、液体供給口から液体を供給するための少なくとも一組の液体流路を有している。また、各液体流路は、発泡室に隣接する端部が各々ストレート状に形成されている。そして、各発泡室には、一組の液体流路が、エネルギー発生素子を挟んで対称に配置されている。

本発明によれば、各々の発泡室のエネルギー発生素子の主面上の中心に対する発泡・消泡現象の非対称性がほぼ完全に排除され、これに起因する液滴の吐出方向のヨレを防止することができる。したがって、本発明によれば、高品位な記録が可能で、高密度に液滴を吐出することができる。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１〜図６は、第１の実施形態のインクジェット記録ヘッドを説明するための図である。

図４はインクジェット記録ヘッドの外観を示す斜視図である。図５は図４中で一点鎖線で示した平面で切断して模式的に示す断面図である。

図４および図５に示すように、本実施形態のインクジェット記録ヘッド１２０は、主に支持部材１０６上に、シリコン基板１０１が配置された支持部材１０４、電気回路基板１０７、フレキシブル回路基板１０５が載置されて構成されている。本実施形態のインクジェット記録ヘッド１２０は、電気接点１０８を介して外部から入力された電気信号に応じて、シリコン基板１０１上に設けられたノズルからインクを吐出させることで、被記録材に記録を行う。

電気接点１０８から入力された電気信号は、電気回路基板１０７に接続されたフレキシブル回路基板１０５を通じてシリコン基板１０１上に設けられた回路パターンに伝えられる。この回路パターンを介して、シリコン基板１０１上に設けられたエネルギー発生素子としてのヒーターが加熱される。ヒーター上には、発泡される液体であるインクが導かれており、ヒーターの加熱時にはこのインクが加熱発泡され、その運動エネルギーを利用して、ヒーターの上部に設けられたノズルからインクが吐出されるように構成されている。ヒーター上のインクは、シリコン基板１０１上にその厚み方向に貫通する穴として設けられたインク供給口１１０から各発泡室内に供給される。インク供給口１１０は、図５に示すように、支持基板１０４に設けられた穴と、支持部材１０６に設けられた溝とで構成される共通液室１１７に連通されており、不図示のインクタンクからインクが供給されるように構成されている。

図３に、インクジェット記録ヘッド１２０のシリコン基板１０１を示す。図３（ａ）はシリコン基板１０１を示す平面図であり、図３（ｂ）はシリコン基板を模式的に示す斜視図である。上述したように、このシリコン基板１０１の主面の中央には、シリコン基板１０１の裏面からインクを供給するための長尺状のインク供給口１１０が貫通して設けられている。シリコン基板１０１には、インク供給口１１０の短辺方向の両側からインク供給口１１０を挟み込むように、インクを吐出するための円筒状の吐出口１１６が列状にそれぞれ配置されている。図６にシリコン基板１０１の断面図を示す。図６に示すように、シリコン基板１０１の上面には、ノズル材１０３によってインク流路１１３およびノズル１１８が形成されている。ノズル材１０３には、ノズル１１８の上部に吐出口１１６が設けられ、底部にヒーター１１１が設けられている。

次に、本実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル構造について、図１を参照して説明する。図１（ａ）は、第１の実施形態のインクジェット記録ヘッドの主要部を示す平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。図１（ｃ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。なお、本実施形態のインク流路は、ノズル材１０３内に形成された多層の空間として構成されており、その層の構成を明示するために、図１（ａ）〜図１（ｃ）では、インク流路として連通されている場合においても層ごとに異なるハッチングで示している。また、図１（ａ）では、ノズル材１０３を省略して示す。

図１（ｂ）に示すように、本実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズルは、シリコン基板１０１上に配置されたノズル材１０３内の空間として形成された流路構造を有している。図１（ｃ）に示すように、ノズル材１０３の最上面には、インクを吐出する吐出口１１６が開口して形成されており、各々の吐出口１１６に対応して第１および第２の発泡室１３３，１３４がそれぞれ設けられている。これら第１および第２の発泡室１３３，１３４は、シリコン基板１０１側から順に、第１の流路層１３１、中段層１３０、第２の流路層１３２の３つの層が積層されて構成されている。

各第１および第２の発泡室１３３，１３４には、一組の第１層のインク流路１３５と、一組の第２層のインク流路１３６がそれぞれ設けられている。各発泡室１３３，１３４にそれぞれ一組ずつ配置された第１層および第２層のインク流路１３５，１３６は、図１（ａ）に示すように、互いにヒーター１１１の主面上の中心を通り、ノズル列方向に直交する直線Ｐに対して線対称な位置にそれぞれ設けられている。一組のインク流路１３５，１３６は、共通液室１１７からの流動抵抗が互いに等しくなるように、各発泡室１３３，１３４に対して対称な形状に形成されている。

また、各々のインク流路１３５，１３６は、各発泡室１３３，１３４に隣接する端部であるインク流入部が、図１（ａ）に寸法Ｓ１，Ｓ２で示すように、ノズル列方向と平行なストレート状にそれぞれ形成されている。各インク流路１３５，１３６がこのように構成されることで、ヒーター１１１の発泡・消泡時に発泡室１３３，１３４内のインク・泡の挙動に非対称性が生じることが防止されている。

ノズル材１０３は、第１の発泡室１３３と、第２の発泡室１３４との２種類の発泡室を有しており、これら各発泡室１３３，１３４が列状に交互に配置されている。第１の発泡室１３３は、第１の流路層１３１（層厚ｈ１）で形成されている第１層のインク流路１３５からインクが供給される。第２の発泡室１３４は、第２の流路層１３２（層厚ｈ２）で形成されている第２層のインク流路１３６からインクが供給される。

このように、ノズル列方向で隣接する第１層のインク流路１３５と第２層のインク流路１３６が、シリコン基板１０１の主面に平行な平面上に投影したときに互いに重なる位置に配置されている（オーバーラップされている）。これによって、上述したような、発泡室１３３，１３４の対向する位置にインク流入部をそれぞれ有するノズルを高密度に配置することができる。

また、本実施形態では、ノズル列方向で隣接する各ノズルのインク吐出量はすべて等しく設定されているため、第１層のインク流路１３５と第２層のインク流路１３６との流動抵抗は互いにほぼ等しくなるように構成されている。

なお、各第１および第２の発泡室１３３，１３４を形成する第１の流路層１３１、中段層１３０、第２の流路層１３２の各幅寸法Ｗ１，Ｗ０，Ｗ２については、本実施形態では、図２（ａ）に示すように、Ｗ２＜Ｗ０＜Ｗ１を満たしている。なお、図２（ｂ）に示すように、各幅が、Ｗ０＝Ｗ１＝Ｗ２として構成された場合でも、図２（ｃ）に示すように、Ｗ０＜Ｗ１＝Ｗ２として構成された場合であっても、特に本発明の本質には関わりない。

しかしながら、吐出口１１６の直径ｄに対して第２の流路層１３２の幅Ｗ２が極端に大きく構成された場合、図２（ｃ）に示すように、吐出口１１６の下方に気泡１２１が溜まってしまい、吐出不良になることもある。このため、図2（ａ）に示すように、吐出口１１６の直径ｄと各幅寸法Ｗ１，Ｗ０，Ｗ２とが、Ｗ１＞Ｗ０＞Ｗ２＞ｄを満たすように、発泡室１３３，１３４内に比較的大きな段差部がなるべく発生しないように構成することが望ましい。

以上、説明したように、本発明の特徴は、以下の２点にある。
（１）各ノズルの発泡室に、少なくとも一組のインク流路がそれぞれ設けられ、その各インク流路の流動抵抗をほぼ等しく形成し、各インク流路は、発泡室に隣接する端部であるインク流入部がストレート状に形成される点。この構成によって、各発泡室のヒーターの主面上の中心に対して、発泡・消泡現象の非対称性がほぼ完全に排除され、これに起因するインク滴の吐出方向のヨレが防止される。
（２）各発泡室に設けられた一組のインク流路が、ノズル列方向に対して隣接するノズル同士で互いに、シリコン基板１０１の厚み方向に対して異なる位置に独立して配置され、かつシリコン基板１０１の主面に平行な平面上に投影したときに重なる位置に配置される点。この構成によって、ノズルの配列密度の高密度化が図られる。

本実施形態のインクジェット記録ヘッドによれば、以上のような構成にすることで、インク滴の吐出方向のヨレを抑え、高品位な記録が可能で、高密度にインク滴を吐出することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドについて、図７〜図９を参照して説明する。図７（ａ）は第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドの主要部を示す平面図である。図７（ｂ）は図７（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図、図７（ｃ）は図７（ａ）におけるＧ−Ｇ断面図である。

本実施形態は、第１の実施形態と、各インク流路の形状が異なっている。第１の実施形態では、第１層のインク流路１３５および第２層のインク流路１３６がそれぞれ独立して直接インク供給口１１０に連通される構成が採られている。この構成に対して、本実施形態では、発泡室１３３，１３４とインク供給口１１０との間で、第１の流路層１３１、中段層１３０、第２の流路層１３２が、図７（ｂ）に示すように、シリコン基板１０１の厚み方向につながっている。そして、第１層のインク流路１３５は、第１の流路層１３１内でそれぞれ連通されている。また、第２層のインク流路１３６は、第２の流路層１３２内でそれぞれ連通されている。

すなわち、同一の発泡室１３３，１３４から延びている一組の各インク流路１３５，１３６が互いに連通された構造となっている。したがって、この連通されている部分をなす、図７（ａ）中における領域Ｌの流動抵抗を低減させることができる。

図８（ａ）に示すように、ヒーター１１１の両側から、ヒーター列方向と同一方向に電極１１９を引き出すことが可能な構成であれば、図８（ｂ）に示すような構成、または第１の実施形態における各インク流路の構成の方が、インク流路の流動抵抗を低減させることができる。しかしながら、ヒーター１１１のサイズ、電極１１９の配置ラインとスペース、ノズルの配置ピッチ等の関係上、図９（ａ）に示すように、ヒーター１１１の電極１１９をノズル列方向に対して直交する方向から引き出す必要がある場合がある。この場合、第１の実施形態のような構成では、図９（ｂ）に示すような流路形状となってしまい、インク流路の流動抵抗が増大してしまう懸念がある。（領域Ｌ２＞領域Ｌ１）
本実施形態では、このように、図９（ａ）に示すような電極配置の構成を採る場合には、図９（ｃ）に示すように第１および第２層のインク流路１３５，１３６を、第１および第２の流路層１３１，１３２内でそれぞれ連通させることで、特に効果を発揮する構成である。

なお、図７（ａ）に示した構成では、第２の流路層１３２によって構成された発泡室１３３，１３４の上部の形状が、円形状に形成されている。この構成は、発泡室１３３，１３４の上部の断面積を小さくすることで、発泡室１３３，１３４内に泡だまりが生じるのを防止することを目的としている。加えて、発泡室１３３，１３４の上部が円形状に形成された実施形態は、本発明の本質とは直接関係はないが、本発明が、任意の発泡室の形状に対しても適用可能であることを例示するものである。

このように、本実施形態では、発泡室１３３，１３４とインク供給口１１０との間で、第１層のインク流路１３５、第２層のインク流路１３６、中段層１３０をノズル材１０３の各層内で連通させている。これによって、同一の発泡室１３３，１３４から分岐された一組の各インク流路１３５，１３６が連通されることで、流動抵抗の低減を図る構成である。このような構成を採ることで、第１の実施形態で示したインクジェット記録ヘッドの吐出周波数を上げることを可能にする。

（第３の実施形態）
第３の実施形態のインクジェット記録ヘッドについて、図１０を参照して説明する。図１０は、第３の実施形態のインクジェット記録ヘッドの主要部を示す平面図である。

本実施形態と上述の第１、第２の実施形態は、インク供給口１１０の構成が異なっている。第１、第２の実施形態では、ノズル列方向の全域に亘って、各ノズルで共通するインク供給口１１０が形成される構成が採られたが、本実施形態では、図１０に示すように、各々のノズルごとに独立してインク供給口１１０がそれぞれ形成されている。各インク供給口１１０は、ノズル列を間に挟んで両側に、吐出口１１６が配列されたノズル列方向に沿ってそれぞれ配置されている。

本実施形態のインクジェット記録ヘッドのように、発泡室１３３，１３４ごとに独立して形成された複数のインク供給口１１０を有する構成にも同様に適応することができ、上述した実施形態と同様の効果が得られる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態のインクジェット記録ヘッドについて、図１１および図１２を参照して説明する。図１１は第４の実施形態のインクジェット記録ヘッドを示す主要部を示す平面図である。図１２（ａ）は、図１１におけるＤ−Ｄ断面図である。図１２（ｂ）は、図１１におけるＥ−Ｅ断面図であり、また図１２（ｃ）は図１１におけるＦ−Ｆ断面図である。

本実施形態と第１の実施形態との相違点は、長尺状のインク供給口１１０の短辺方向の一方側に配置された複数の吐出口１１６が、インク供給口１１０の短辺方向に対して千鳥状に交互に位置をずらして配列されている点である。すなわち、本実施形態と第１の実施形態との相違点は、インク供給口１１０を挟む両側の一方側に配置された複数の吐出口１１６が、ノズル列方向に直交する方向に対して千鳥状に交互に位置をずらして配列されている点である。この構成によって、ノズルの配置密度が更に向上されている。

本実施形態において、図１１および図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、インク供給口１１０に近い側のノズルのインク流路１３５は、第１の流路層１３１によって形成されている。また、インク供給口１１０から遠い側のノズルのインク流路１３６は、第２の流路層１３２によって形成されている。各々のノズルの発泡室１３３，１３４には、不図示のヒーターの主面上の中心を通り、ノズル列方向に直交する直線に対して線対称な位置に、各インク流路１３５，１３６の一端部である各インク流入部がそれぞれ設けられている。

また、各一組のインク流路１３５とインク流路１３６は、インク供給口１１０に連通される端部が、インク供給口１１０近傍の領域で、第１および第２の流路層１３１，１３２内で連通されている。また、これら各一組のインク流路１３５とインク流路１３６は、インク供給口１１０近傍の領域で、シリコン基板１０１の厚み方向に直交する平面上に投影したときに重なる位置に配置されて、オーバーラップしている。このように、吐出口１１６が配列されてなるノズル列が必ずしも完全な一列ではなく、ノズル列方向に直交する方向に千鳥状に交互に位置をずらして配置されることで記録密度を高めたノズル配置の構成にも本発明は適用可能である。また、本実施形態は、発泡室１３３，１３４に対して一組のインク流路１３５，１３６が対称に設けられることで、良好な吐出動作の実現とノズル配置の高密度化を両立することができる。

本実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル部を示す模式図である。 インクジェット記録ヘッドのノズル部を示す模式図である。 インクジェット記録ヘッドのシリコン基板を示す模式図である。 インクジェット記録ヘッドを模式的に示す斜視図である。 インクジェット記録ヘッドを模式的に示す断面図である。 インクジェット記録ヘッドのシリコン基板を示す断面図である。 第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル部を示す模式図である。 第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル部を示す模式図である。 第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル部を示す模式図である。 第３の実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル部を示す模式図である。 第４の実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル部を示す平面図である。 第４の実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル部を示す模式図である。 従来のインクジェット記録ヘッドのノズル部を示す模式図である。 従来のインクジェット記録ヘッドのノズル部を示す模式図である。 従来のインクジェット記録ヘッドのノズル部を示す模式図である。 従来のインクジェット記録ヘッドのノズル部を示す模式図である。

符号の説明

１０１ シリコン基板
１０３ ノズル材
１０４ 支持基板
１１０ インク供給口
１１１ ヒーター
１１３ インク流路
１１６ 吐出口
１１７ 共通液室
１１８ ノズル
１２０ インクジェット記録ヘッド
１２１ 気泡
１２２ インク滴
１３０ 中段層
１３１ 第１の流路層
１３２ 第２の流路層
１３３ 第１の発泡室
１３４ 第２の発泡室
１３５ 第１層のインク流路
１３６ 第２層のインク流路

Claims (8)

1. 液体を吐出する吐出口と、該吐出口から液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子と、該エネルギー発生素子が設けられ液体を発泡させる発泡室とを有する複数のノズルが設けられた基板を備え、
   前記基板には、前記基板の厚さ方向に貫通して前記ノズルに連通され、前記ノズルに液体を供給する液体供給口が設けられた液体吐出ヘッドであって、
   前記各ノズルは、前記液体供給口から液体を供給するための少なくとも一組の液体流路を有し、
   前記ノズルが列状に配置されたノズル列に対して、前記各液体流路の前記発泡室に隣接する端部が、各々ストレート状に形成され、
   前記各発泡室には、前記一組の液体流路が、前記エネルギー発生素子を挟んで対称に配置されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記一組の液体流路は流動抵抗が等しくされている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記液体供給口は、前記ノズル列を挟む両側の少なくとも一方側に設けられ、
   前記ノズル列方向に対して隣接する前記ノズル同士は、該各ノズルに設けられた前記各液体流路が、前記基板の厚み方向に対して異なる位置に独立して配置され、かつ前記基板の主面に平行な平面上に投影したときに重なる位置に配置されている、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記液体供給口は、複数の前記ノズルにそれぞれ連通され、前記ノズル列を挟んで一方側のみに位置して設けられている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記ノズル列を挟んで両側には、前記各ノズルにそれぞれ対応する複数の前記液体供給口が、前記ノズル列方向に直交する方向に対して千鳥状に交互に位置をずらして設けられている、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記複数の前記ノズルは、前記ノズル列方向に直交する方向に対して千鳥状に交互に位置をずらして配置されている、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記各ノズルに配置された前記一組の液体流路は、前記基板の厚み方向の位置がそれぞれ等しく形成されている、請求項３ないし６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記ノズル列方向に対して隣接する前記ノズル同士は、前記吐出口から吐出される液体の吐出量がそれぞれ等しくされている、請求項３ないし７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

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