JP2008254304A - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】共通インク流路のインクの流れを生じさせ、吸引回復時に共通インク流路の気泡を効果的に除去できるインクジェット記録ヘッドを提供する。
【解決手段】熱エネルギーによりインクに気泡を発生させることでインク吐出を行わせる素子１が配置された複数の発泡室のそれぞれに、インク供給口３から直接的にインクを導くよう形成された第１インク流路部７１と、発泡室の配列に関しインク供給口とは反対側に形成された共通インク流路８からインクを導くよう形成された第２インク流路部７２とを設ける。ここで、複数の第１インク流路部には、第２インク流路部に比べてインクが流れ易いものと、インクが流れにくいものとが含まれるようにする。その結果、吸引回復時に共通インク流路内にインクの流れを生じさせ、共通インク流路内の気泡を効果的に除去することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、インクジェット記録ヘッドに関し、特に、インクを吐出する吐出口からインクを吸引することで吐出性能を良好な状態に維持または回復させるための吸引回復を行なうのに適したインクジェット記録ヘッドに関する。

近年、インクジェット記録装置では記録の一層の高精細化および高速化が要望されている。

記録の高精細化のための一つの手段としては、ノズルを高密度に配置したインクジェット記録ヘッド（以下、記録ヘッドとも言う）を用いることで、解像度を高めることが挙げられる。なおノズルとは、インクを吐出する吐出口、その吐出を生じさせるために利用されるエネルギーを発生する素子、この素子が配置され、その発生エネルギーをインクに作用させるエネルギー作用室、およびこれに連通してインクを供給する流路を総称して言う。

また、記録の高速化のための一つの手段としては、インクジェット記録ヘッドの吐出周波数の向上が上げられる。記録ヘッドの吐出周波数の上限を決める一因として、インクを吐出させた後にノズル内へインクが供給されて再びインクで満たされるまでの時間（以下リフィル時間とも言う）がある。したがって、リフィル時間が短くなるほど、より高い吐出周波数で記録を行うことが可能になる。

図１は、従来のインクジェット記録ヘッドにおいて使用されている流路構成を示す模式的平面図である。この流路構成は、インクを吐出させるために利用されるエネルギーとしてインクに膜沸騰を生じさせる電気熱変換体１が配置されたエネルギー作用室（発泡室）５が備えられ、その発泡室５に対向して、図に垂直な方向（Ｚ方向）に吐出口が配置される。発泡室５に対しては、１つのインク流路７を介して、Ｙ方向にインクが供給される。なお、符号６で示すものは、気泡や塵埃等がノズル内に侵入しないようにするためにインク流路入口付近に配置されたフィルタである。このような流路構成を備える記録ヘッドでは、リフィル時間がノズルのピッチに依存する傾向がある。すなわち、解像度を高くする場合、高密度にノズルを配置するため、液路が小さくなりインクの流路抵抗が高くなるからである。

このような流路構成に対して、リフィル時間を短縮するために、図２に示されるような流路構成が知られている。この流路構成では、流路７が発泡室５の両側に２つ形成されており、２方向からインクが供給されるために、リフィル時間を短くすることができる。

また、図１に示すような従来のインクジェット記録ヘッドのノズル構造は、電気熱変換素子１のＸ方向の中心軸に対して流路構成部材４が非対称なため、Ｚ方向への吐出が電気熱変換素子１の平面に対して垂直にならず、斜めに吐出することがあった。

一方、特許文献１に開示される図２に示す構造では、電気熱変換素子のＸ方向の中心軸に対して流路構成部材４が対称であるため、Ｚ方向への吐出は、電気熱変換素子の平面に対して垂直に吐出させることができる。

図３は、図２に示す流路構成部材を備えたインクジェット記録ヘッド用基板の具体的な構成を示す正面図である。この構成では、基板に備えられた一つのインク供給口３の両側にノズル列が配置されている。各ノズルの発泡室５に対して、インクは、インク供給口３に向き合うインク流路７を介して直接供給されると共に、ノズル列の奥側を通る共通インク流路８を介しても供給される。

特開昭５８−８６５８号公報

ところで、一般に、インクジェット記録ヘッドでは、記録ヘッドをプリンタ本体へ装着した際にノズルにインクを充満させるため、また、ノズル内に溜まる気泡等の除去を行うために、回復動作と称される処理が行われる。回復動作は、例えば、記録ヘッドの吐出口形成面にキャップと称される部材を接合させ、キャップ内をポンプ等で減圧することによって吸引力を作用させることで行われる。

しかしながら、図３の構成のように、ノズル列の奥側をインクが通る構成では、共通インク流路８に気泡が滞留することがある。これは、共通インク流路を通ってインクが供給されるよりも、インク供給口３から直接発泡室５へインクが供給されやすいために、共通インク流路８でのインクの流動が行われずに気泡が滞留してしまうことのである。

これは特に、一つのインク供給口３に対して配置されるノズル数が多くなるほど著しい。例えば、１列あたり１２８個のノズルが備えられる記録ヘッドでは、吸引回復に際してノズル列の端の数ノズル分の発泡室に対しては両側からインクが流れ込む。しかしながら、ノズル列の中心部分にあるノズルでは、インクはインク供給口３側から流れ込むことが多く、共通インク流路８側からはわずかな量のインクしか流れ込まない。これは、ノズル列の端では、インク供給口３からの距離が短いために共通インク流路８のインクが流動し易いが、中央部に行くに従いインクが流動しにくくなることによる。また、吸引時の発泡室へのインクの流れは、インク供給口３に向き合う流路７からの吐出口への流れが支配的であり、共通インク流路８のインクはよどみとなってほとんど動いていないことがある。このように、共通インク流路８側ではインクの流動性が低いことにより、気泡が除去されにくくなることがある。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、共通インク流路の全体にわたって好ましいインクの流れを生じさせ、吸引回復時に共通インク流路側の気泡を効果的に除去できるインクジェット記録ヘッドを提供することを目的とする。

そのために本発明のインクジェット記録ヘッドは、インクを供給するインク供給口と、該インク供給口に沿って配列され、インクを吐出するためのエネルギーを前記インクに作用させる複数のエネルギー作用室と、該複数のエネルギー作用室のそれぞれに、前記インク供給口から直接的にインクを導くよう形成された複数の第１インク流路部と、前記複数のエネルギー作用室のそれぞれに、前記複数のエネルギー作用室の配列に関し前記インク供給口とは反対側に形成された共通インク流路からインクを導くよう形成された複数の第２インク流路部と、を具えたインクジェット記録ヘッドであって、前記複数のエネルギー作用室に対応して設けられた複数の前記第１インク流路部には、前記第２インク流路部に比べて流抵抗が小さい第１インク流路部と、前記第２インク流路部に比べて流抵抗が大きい第１インク流路部とが含まれていることを特徴とする。

以上の構成によれば、インク供給口から吐出口までのインクの流れが生じ易いノズルと、流れが生じにくいノズルを設けることができる。その結果、共通インク流路のインクの流れを生じさせ、吸引回復時に共通インク流路内の気泡を効果的に除去することができる。

以下、本発明の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４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を示す斜視図である。また、図５は、図４のＡ−Ａ’線に沿った断面を示す図である。なお、本図および他の図において、インク吐出に利用されるエネルギーを発生する素子としての電気熱変換素子１を駆動するための電気的な配線等は図示していない。

これらの図に示すように、基板３４の上面には、インク吐出に作用する吐出エネルギー発生手段である電気熱変換素子１と、細長い矩形状のインク供給口３とが形成されている。インク供給口３は、基板３４の上下面間を貫通して形成された長溝状のインク供給室１０の開口として位置する。電気熱変換素子１は、インク供給口３の長手方向の両側にそれぞれ１列ずつ、６００ｄｐｉのピッチで配列されている。列間の関係では、電気熱変換素子１は半ピッチずらして形成されている。さらに、基板３４の上面には流路構成部材４が配置され、流路構成部材４の上に吐出口プレート９が接合される。流路構成部材４は、インク供給口３から供給するインクを各々の電気熱変換素子１上に導くための隔壁をなし、一方吐出口プレート９には電気熱変換素子１に対向する部位に吐出口２が形成されている。これらを基板３４上に配置することによって、複数のインク流路７が形成されるとともに、吐出口２に対向する部位にエネルギー作用室としての発泡室５が形成される。

なお、基板３４の材質としてはＳｉを用いることができるが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、電気熱変換素子が形成されるとともに、インク流路７、インク吐出口２等を形成する材料層の支持体として機能し得る材質でなるものであればいかなるものでもよく、例えば、ガラス、セラミックス、プラスチック、金属等を用いることも可能である。また、吐出口プレート９と流路構成部材４とは同一部材で形成することもできるし、別の部材で形成されていてもよい。

図６は、図４に示すインクジェット記録基板を、吐出口プレート９を取り外して示す正面図である。また、図７は、図６の一部を拡大して示す図、図８は、図６のＢ−Ｂ’線断面図である。

図６に示すように、１つの発泡室５に対するインク流路７は、それぞれ２つのインク流路部で構成されている。すなわち、インク供給口３から直接的に流れてくるインクを発泡室５に導く第１インク流路部７１と、インク供給口３からノズル列の反対側にある共通インク流路８を介して流れてくるインクを発泡室５に導く第２インク流路部７２とが設けられている。

また、図６に示すように、基板３４上、インク供給口３の長辺と短辺とに沿って円柱状のノズルフィルタ６が複数立設されている。ここで、インク供給口３の長辺に沿うノズルフィルタ６は、第１インク流路部７１の入口付近に各２個ずつ配置される。一方、インク供給口３の短辺に沿うノズルフィルタ６は、各ノズルの反対側の第２インク流路部７２に至る共通インク流路に配置されるものとなる。なお、ノズルフィルタ６は、流路構成部材４と同じ材料を用いて、流路構成部材４と同一工程で形成することが可能である。

本実施形態では、各ノズルの第１インク流路部７１の入口付近に配置されるノズルフィルタ６の寸法（直径）を適切に定めることにより、吸引回復時に好ましいインクの流れを生じさせ、気泡の確実な除去を行わせるようにするものである。以下、具体的な数値を挙げてこれを説明する。

図８において、流路の高さ（Ｎ１０）は１４μｍ、吐出口プレートの厚み（Ｎ１１)は１１μｍ、吐出口径（Ｎ１２）は直径１２μｍであるとする。また、インク供給口の幅（Ｎ１３）は１１２μｍ、インク供給口の縁部から電気熱変換素子１の中心までの距離（Ｎ１４）は７０μｍであるとする。

また、図７において、発泡室の中心から発泡室端部までの距離はＮ１＝１６μｍであるとする。発泡室の中心から共通インク流路８に面した第２インク流路部７２の端部までの距離はＮ２＝３４μｍ、インク供給口３側の第１インク流路部７１の端部までの距離もＮ３＝３４μｍであるとする。また、発泡室の中心から共通インク流路８を画成する側壁部までの距離はＮ４＝８４μｍ、発泡室の中心からノズルフィルタ６の中心までの距離はＮ５＝４７μｍであるとする。さらに、流路幅はＮ６＝１７μｍ、発泡室の幅はＮ７＝３２μｍであるとする。

図７に示すように、本実施形態では、隣接する２つの発泡室を一組として、一組毎に径の異なるノズルフィルタを交互に適用している。すなわち、１つの発泡室に対しては２つのノズルフィルタが配設されているので、第１インク流路７１の列に沿って比較的大径の４つのノズルフィルタ６ａと、比較的小径の４つのノズルフィルタ６ｂとが交互に配列されることになる。具体的には、径が大きいノズルフィルタ６ａは直径が１２μｍ、径が小さいノズルフィルタ６ｂは直径が６μｍであるとする。

このように、本実施形態においては、インク供給口から発泡室までの流れの抵抗を一組のノズルごとに変化させるようにしている。これにより、小径のノズルフィルタ６ｂが配置されるノズルでは、第１インク流路部７１へのインク流入口が広く、共通インク流路８から第２インク流路部７２を介するよりも、インク供給口３から第１インク流路部７１を介してインクが流れ易い。これに対し、大径のノズルフィルタ６ａが配置されるノズルでは、第１インク流路部７１へのインク流入口が狭くなっており、インク供給口３から第１インク流路部７１を介するよりも、共通インク流路８から第２インク流路部７２を介してインクが流れ易い。

図９は、本実施形態における吐出口からの吸引回復時の流体シミュレーション結果の概略図を示す。吸引回復に際して吐出口群に吸引力を作用させると、吐出口へはインクの流れ易い流路部を介してインクが流れることになる。すなわち、大径のノズルフィルタ６ａが配置されるノズルでは、主として第２インク流路部７２を介してインクの流入が生じ、吐出口から吸引される。一方、小径のノズルフィルタ６ｂが配置されるノズルでは、主としてインク供給口３から第１インク流路部７１を介してインクの流入が生じ、吐出口から吸引されなかった一部のインクは、第２インク流路部７２を介して共通インク流路８へと流れる。これらのようにインクの流れが生じることで、共通インク流路８内でも好ましいインクの流動が生じ、従ってここに存在する気泡が効果的に除去されることになる。

本発明者は、実際に、上記諸元を有する本実施形態の記録ヘッドと、従来構造（一律に小径のノズルフィルタを設けたもの）とに対して吸引回復処理を施して検証を行った。具体的には、透明な部材で形成されてなる吐出口プレート９をもつそれぞれの記録ヘッドをインクジェット記録装置に装着し、吸引回復処理を行った。その後に記録ヘッドを取り外し、記録ヘッドの吐出口形成面の正面から顕微鏡にて観察を行い、共通インク流路８に気泡が残留するかどうかを検討した。すると、従来の構造のヘッドにおいては共通インク流路８に気泡が残留したのに対して、本実施形態の構造においては共通インク流路８への気泡の残留は観察されなかった。

なお、本実施形態では、ノズルフィルタの大きさが同じノズルは、２ノズルを一組としているが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、３以上のノズルを一組としたり、１ノズル毎に大径のノズルフィルタおよび小径のノズルフィルタが交互に配置されるようにしてもよく、一組とするノズルの数が限定されるものではない。ただし、一組のノズル数を多くすると、共通インク流路でのインクの移動距離が大きくなり気泡除去性が低下するおそれがあるため、一組のノズル数はこれを考慮して定めることが強く望ましい。

また、吐出口の直径が同じノズル列の中において異なっている場合は、吸引時の流抵抗が吐出口の大小で変化するので、それに対応してノズルフィルタ径やインク流路幅を適宜変えてもよい。

（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態におけるインクジェット記録基板を、吐出口プレート９を取り外して示す正面図である。

本実施形態における記録基板は、第１の実施形態における一組のノズルの奥側の共通インク流路８の部分の中央に流路制御構造１１を設けたものである。第１の実施形態では、図９に示すように、比較的大径のノズルフィルタが配される一組のノズルの奥側の共通インク流路８の部分によどみ領域が発生することがある。

つまり、共通インク流路において、隣接するフィルタ径が小さいノズル間の領域、及び隣接するフィルタ径が大きいノズル間の領域においてインクの流れがよどむ可能性がある。

したがって、上記のようによどむ可能性のある領域に流路制御構造１１を設けることにより、共通インク流路８での好ましい流れがより生じやすくし、かつ流れのよどみ領域を低減させる構造としている。これにより、吸引回復処理等のインクの排出において、気泡除去性能をより向上することができる。

（第３の実施形態）
上述の各実施形態においては、大小２種の径を有するノズルフィルタを採用することで流路抵抗を変えるようにしたが、その他の構造を採用することで流路抵抗を変えることも可能である。

図１１は、第３の実施形態におけるインクジェット記録基板を、吐出口プレート９を取り外して示す正面図である。

本実施形態において、流路の高さは１４μｍ、吐出口プレートの厚みは１１μｍ、吐出口の径は直径１２μｍ、インク供給口の幅は設計形態において任意であり、インク供給口から電気熱変換素子中心までの距離は７０μｍであるとする。また、共通インク流路８は、インク供給口３の端部と連通しており、ノズル列の両端からインクが供給される。なお、共通インク流路の幅は５０μｍであるとする。

本実施形態においては、ノズルフィルタについては同一径を有するものを一律に配置する一方で、インク供給口３から発泡室５までの流路の断面寸法（幅）を２ノズルおきに変えることにより、２ノズルを一組として流路抵抗を変えるようにしている。広い方の流路幅は、３２μｍ、狭い方の流路幅は１７μｍであるとする。このような構成においても、インクは、インク供給口からノズル幅が広いノズルを通る。また、共通インク流路を通り、ノズル幅が狭いノズルの吐出口へ流れる。その結果、ノズルフィルタと共通インク流路とのインクの流れが生じ、気泡を除去することができる。

従来使用されている流路構成部材を示す図である。 従来使用されている流路構成部材を示す図である。 図２に示す流路構成部材を備えたインクジェット記録基板の吐出部を示す正面図である。 本発明の第１の実施形態のインクジェット記録ヘッドを示す斜視図である。 図４のＡ−Ａ’線に沿った断面を示す図である。 図４に示すインクジェット記録基板に形成された吐出部を示す正面図である。 図６に示す吐出部を示す正面図の拡大図である。 図６に示す吐出部を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態における吐出口からの吸引回復時の流体シミュレーション結果を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態におけるインクジェット記録基板に形成された吐出部を示す正面図である。 本発明の第３の実施形態におけるインクジェット記録基板に形成された吐出部を示す正面図である。

符号の説明

１ 電気熱変換素子
２ 吐出口
３ インク供給口
４ 流路構成部材
５ 発泡室
６、６ａ、６ｂ ノズルフィルタ
７ インク流路
８ 共通インク流路

Claims (5)

1. インクを供給するインク供給口と、
   該インク供給口に沿って配列され、インクを吐出するためのエネルギーを前記インクに作用させる複数のエネルギー作用室と、
   該複数のエネルギー作用室のそれぞれに、前記インク供給口から直接的にインクを導くよう形成された複数の第１インク流路部と、
   前記複数のエネルギー作用室のそれぞれに、前記複数のエネルギー作用室の配列に関し前記インク供給口とは反対側に形成された共通インク流路からインクを導くよう形成された複数の第２インク流路部と、
   を具えたインクジェット記録ヘッドであって、
   複数の前記第１インク流路部には、前記第２インク流路部に比べて流抵抗が小さい第１インク流路部と、前記第２インク流路部に比べて流抵抗が大きい第１インク流路部とが含ま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. 前記インク供給口から前記第１インク流路部へのインク流入口にはフィルタが配置され、該フィルタの寸法を異ならせることで、前記第２インク流路部に比べて流抵抗が小さい第１インク流路部と、前記第２インク流路部に比べて流抵抗が大きい第１インク流路部とが設けられ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. 流路の断面寸法を異ならせることで、前記第２インク流路部に比べて流抵抗が小さい第１インク流路部と、前記第２インク流路部に比べて流抵抗が大きい第１インク流路部とが設けられ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。
4. 隣接する２つの前記第１インク流路部を一組として、前記第２インク流路部に比べて流抵抗が小さい第１インク流路部の組と前記第２インク流路部に比べて流抵抗が大きい第１インク流路部の組とが交互に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
5. インクを吐出するインク吐出口に吸引力を作用させることでインクを排出させる処理に際して、前記共通インク流路によどみが生じないようにするための流路制御構造が前記共通インク流路に設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。

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