JP2008307783A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】主滴、サテライト共に所望の吐出方向へと吐出することが可能であり、さらに、チップＡとチップＢのヒータの寿命に偏りがない液体吐出ヘッドを提供すること。
【解決手段】吐出ノズル内部にストッパを形成して、気泡発生時の可動弁の動きを制限する。
【選択図】図５

Description

本発明は、インク等の液体を吐出して記録媒体へ記録を行う液体吐出ヘッドに関するものである。

微細なインク等の液滴を記録媒体に付着させて記録を行うインクジェット方式の記録装置（以下、インクジェット記録装置ともいう）は、ランニングコストが低く、記録時の静粛性に優れ、さらには複数色のインクを用いることによって比較的容易にカラーでの記録を行えるというメリットがある。インクジェット記録装置に用いられる液体吐出ヘッドは、種々の方式により吐出液滴を形成して吐出するものが知られている。中でも液滴を吐出するためのエネルギ素子として熱電気変換素子（以下、ヒータともいう）を用いる、いわゆるバブルジェット方式は、素子を高密度に配列するのが比較的容易で、そのため高解像度の記録を行うのに有利な方式である。

このような液体吐出ヘッドとして特許文献１には、液体流路（以下、ノズルともいう）中に可動部材を備えたものが提案されている。このような可動部材を備えた液体吐出ヘッドは、熱電気変換素子によって発生させた気泡の成長を可動部材によって規制しつつ、気泡を効率よく吐出口方向へ案内することで、吐出する液滴の量のばらつきを少なくし、吐出速度を安定させるものである。

また、近年では記録の高速化が求められている。高速記録を狙いとする液体吐出ヘッドでは、吐出エネルギ発生素子へのエネルギの印加、ノズル内の液体への圧力伝播、液体の吐出という一連の動作を、高速かつ安定して連続的に行うことが可能であるという高度な吐出周波数応答性が求められる。

そして、特に産業用インクジェット記録装置においては、様々な記録媒体に記録を行うために、それぞれの記録媒体に対応できる特性を持った特殊インクを用いて記録を行うことに対する要求が高まりつつある。それらの特殊インクは、従来のインクに比べて粘性が高い等が原因で、可動弁を備えた液体吐出ヘッドでも安定した吐出ができない場合があった。

そこで特許文献２のような、特殊インクでも安定した吐出を行うために吐出エネルギ発生素子近傍のノズル形状を検討して得られた、エネルギ効率の良い吐出と高度なリフィル性能を備えた液体吐出ヘッドが知られている。特許文献２には、後述する図８（ａ）のように、２つの可動弁６とヒータ２とを有する液体吐出ヘッドで、液体流路１１を、ヒータ２が対向するように重ねて設け、２つの可動弁６が可動時に互いに近付くように変位して液体を吐出する技術が公開されている。

この方法を用いることで、吐出エネルギを増大させることが可能であるとともに、リフィル速度を向上させることができる。また、気泡の発生および成長に伴って２つの可動弁が互いに少なくとも一部で接触する工程を有するようにすることで、吐出量の安定化が図られている。

図８（ａ）から（ｆ）は、従来の対向する可動弁を備えた液体吐出ヘッドによる吐出の状態を段階的に示した横断面図である。この液体吐出ヘッドは、吐出口中心線θに対して上下対称となっており、説明の便宜上、吐出口中心線θより上部をチップＡ、下部をチップＢと称する。以下、順に吐出の工程を説明する。

図８（ａ）は、ヒータ２に通電されておらず、加熱が行われる前の状態である。図８（ｂ）および（ｃ）はヒータ２にエネルギが投入され液体を加熱することにより、膜沸騰に伴って発泡が生じた状態である。このとき、可動弁６は気泡発生に基づく圧力の伝播方向を吐出方向に導くよう、弁支持部材１０の吐出口側を支点に変位する。

図８（ｄ）および（ｅ）はヒータ２による液体の加熱が終了し、気泡が収縮過程にある状態を示す図である。気泡の収縮に伴い吐出口２付近の液体は吐出ノズル１１内に引き込まれる。液柱の先端部分には吐出方向への慣性力が働いているため、吐出ノズル１１内の液体から切り離される。切り離された液柱は表面張力によって主滴とサテライトを形成し、記録媒体に向けて飛翔する。そして、図８（ｆ）で元の図８（ａ）の状態に戻る。

特開２０００−０６２１７９号公報 特開平１０−３３７８６９号公報

しかし可動弁６が変位する際、例えば、チップＡの可動弁がチップＢの可動弁よりも屈曲しにくい場合、すなわちチップＡの可動弁６はチップＢの可動弁６よりも厚い、あるいは屈曲部の太さに差異がある場合、図８（ｃ）のようにチップＡと、チップＢとで発生する気泡の大きさに差が生じる。このような現象が生じた場合、チップＢ側の気泡が大きいため、チップＢ側の可動弁６が大きく撓み、チップＡでの圧力伝播方向とチップＢでの圧力伝播方向とのバランスが悪くなる。つまり、チップＡとチップＢの圧力伝播方向が、吐出口の中心線θに対して線対称の関係ではなくなる。

そして、液体が吐出する際、主滴は比較的質量があることから所望の方向へ吐出するが、サテライトは図８（ｅ）のように、傾斜する圧力の影響を受けて、主滴が吐出した方向とは若干ずれて飛翔する。したがって、主滴とサテライトの吐出方向に差異が発生することがある。このように主滴とサテライトの吐出方向に差異が発生した場合、サテライトによって記録品位は低下することになる。

このように、液体流路内に設けられた可動弁を対向させて配置しても、対向する可動弁に製造上の微小なばらつき（厚みや形状）がある場合、可動弁の撓み量が異なる。その結果、可動弁の可動距離の差異によって気泡の形状や大きさが異なり、液滴の吐出方向が所望の方向からずれる、いわゆる「よれ」が発生する恐れがある。また、対向する気泡発生領域に発生した気泡が消泡する際、一旦くっついて１つになった気泡は分割されることになる。その気泡が、対向する吐出エネルギ発生素子に対して均等に分割されない場合、消泡によって生じるキャビテーションが、吐出エネルギ発生素子に及ぼす影響の度合いが異なり、結果として対向する吐出エネルギ発生素子の寿命に差が生じる可能性がある。

以上のように、気泡発生領域と可動部材とを互いに、対向するように設けた構造を有する液体吐出ヘッドであっても、安定した吐出という本来の目的を、安定してかつ長期間に渡って達成することが困難な場合があった。

よって本発明は、主滴、サテライト共に所望の吐出方向へと吐出することが可能であり、さらに、チップＡとチップＢのヒータの寿命に偏りがない液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

そのため本発明の液体吐出ヘッドは、ノズル内で対向して設けられた２つのヒータによって液体を加熱発泡させて発生する２つの気泡によって前記液体を吐出させ、前記発生する気泡による圧力を受けることで変位する２つの板状の可動弁を有する、前記液体の吐出が可能な液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルの内部に、前記２つの可動弁の動きを制限するストッパを設けたことを特徴とする。

本発明によれば、ノズルの内部に、２つの可動弁の動きを制限するストッパを設けたことで、主滴、サテライト共に所望の吐出方向へと吐出することが可能になり、さらに、各ヒータの寿命に偏りがなくなった。

以下、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の液体吐出ヘッドを備えた液体吐出装置２０１の一実施形態の内部構造を示す概略正面図である。複数の液体吐出ヘッド１００、各液体吐出ヘッド用に個別に設けられた回復ユニット２０２、カートリッジ２０３、搬送部２０４、オペレーションパネル部２０５、給紙部２０６などから構成される。

図２は、本発明の液体吐出ヘッドを示す斜視図である。吐出エネルギ発生素子、ノズル、吐出口を備えた吐出エレメント１０１と電気配線基板１０２が、セラミックプレート１０３上に配置されている。吐出エレメント１０１内の後述する共通液室１２は、流路形成部材１０４の内部に設けられた流路に接続され、さらに流路形成部材１０４のインク供給口と接続されたインクタンクから液体（例えばインク）が供給される。

図３は、本発明の液体吐出ヘッドにおけるノズル近傍の断面斜視図である。ヒーターボード１には、インクを加熱発泡するためのヒータ２が複数配置されており、本実施形態では２つのヒーターボード１同士が向かい合うように配置されている。ヒータ２にはチッ化タンタル等の抵抗体が用いられ、厚さは０．０１〜０．５μｍ、シート抵抗値は単位正方形あたり１０〜３００Ωのものが用いられる。ヒータ２には通電のためのアルミニウム等の電極（図示せず）が接続されており、その一方はヒータ２への通電を制御するためのスイッチングトランジスタ（図示せず）が接続されている。スイッチトランジスタは制御用のゲート素子等の回路からなるＩＣによって駆動を制御され、ヘッド外部からの信号によって、所定のパターンで駆動するようになっている。

ヒータ２各々に対応して板状の可動弁６が配設されており、可動弁６の自由端８は、吐出口３方向に向けており、可動弁６の支点９は共通液室１２内に位置して設けられている。支点９は、弁支持部材１０に取り付けられ、弁支持部材１０はヒーターボード１に形成された弁台座（図示せず）に実装されている。

一方、複数のヒータ２各々に対応して吐出ノズル１１が形成されており、図中下側のヒーターボード１に設けられたヒータ２と対向するように図中上側のヒーターボード１に不図示のヒータが設けられている。各吐出ノズル１１は、各吐出口３および共通液室１２と連通している。吐出ノズル１１は、２つのヒーターボード１の各ヒータ２実装面を対向するように配置することで天井面および底面を形成し、両側面をノズル壁４とすることで、管状をなしている。

対向して設けられているそれぞれの可動弁６の自由端８先端に挟まれた空間には、ノズル壁４に接合された弁ストッパ７がある。ストッパ７は対向する可動弁６からの距離が各々同一となるように位置と高さが決定される。本実施形態において、弁ストッパ７およびノズル壁４、吐出口３の周囲を形成するノズル土手５は、感光性樹脂により形成されている。

共通液室１２から吐出ノズル１１に供給されたインクは、吐出ノズル１１内の所定の位置に配置されたヒータ２で加熱され発泡する。発泡に伴って吐出ノズル１１内のインクの動作が始まると同時に可動弁６も変位し、インクの流れを制御する。そして吐出口３からインクが吐出する。

次に図４、図５を用いて、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法を説明する。本実施形態の液体吐出ヘッドは、ヒータ２を有する２つのヒーターボード１（以下、各ヒーターボード１をチップＡ、チップＢともいう）が互いに対向するように接合されている。その向かい合う２つのヒーターボード１の形成は、途中工程までは同じ工程によって形成される。したがって、先ず、以下に途中までの同様の工程について説明する。

図４（ａ）から（ｈ）は液体吐出ヘッドの製造工程順を正面から示した断面図であり、図５（ａ）から（ｈ）はその側面断面図であり、図４の（ａ）から（ｈ）とそれぞれ対応している。ここでは先ず、図４（ａ）から図４（ｅ）までの工程を説明する。図４（ａ）の工程では、ヒーターボード１にヒータ２を形成する。図４（ｂ）では、ヒータ２を設けたヒーターボード１の上に紫外線感光樹脂フィルム１４をラミネートし、フォトマスクを介して紫外線を照射する。これによって図４（ｃ）のように、ノズル壁４の一部と、後に可動弁の台座となる台座１３とが形成される。さらに、紫外線感光樹脂フィルムをラミネートし、紫外線照射を行うことにより図６（ｄ）のようにノズル土手５の段差やノズル壁４等が形成される。次に、上記の方法にて形成したノズル土手５や弁台座１３、ノズル壁４等をキシレンとブチルセルソルブアセテートとの混合液からなる現像液等で現像し、未露光部分を融解させ、露光して硬化させる。このようにしてノズル壁４を形成した後、図４（ｅ）のように弁台座１３に可動弁６を固定する。

ここまでの工程は、チップＡ、チップＢとも同様の工程である。以下、チップＡのみの工程について説明する。図４（ｆ）と図４（ｇ）はチップＡのみの工程であり、チップＢの形成ではこの工程に対応する工程は無い。図４（ｆ）では、図４（ｅ）で形成されたチップＡのノズル壁４の上に紫外線感光樹脂フィルムをラミネートし、紫外線照射を行う。そして、キシレンとブチルセルソルブアセテートとの混合液からなる現像液等で現像し、未露光部分を融解させ、露光して硬化させる。その結果、図４（ｇ）に示すようなノズル壁４および弁ストッパ７が形成される。弁ストッパ７の下面と可動弁６の自由端８の間には間隙を有し、弁ストッパ７は両端がノズル壁（側壁）に接続されるように構成されている。

このように、チップＡにストッパ７を形成した後、図４（ｈ）のようにチップＡと、図４（ｅ）までの工程を経て形成されたチップＢとを接合する。この接合の際には、チップＢのノズル壁４上面に感光性樹脂フィルムをラミネートし、その後、チップＡのヒータ２の中心とチップＢのヒータ２の中心とを、それぞれ精密に位置決めした状態で接合する。そして接合した状態で加熱することによって感光性樹脂フィルムが硬化し、チップＡとチップＢとを完全に接着することができる。

以上のような工程によって、吐出ノズル１１内で２つのヒータ２が対向し、２つの可動弁６が対向する液体吐出ヘッドの吐出エレメント１０１が完成する。

図６（ａ）から（ｆ）は、本実施形態の液体吐出ヘッドでの吐出の様子を段階的に示した横断面図である。以下、図面を参照して本実施形態の液体吐出ヘッドによる吐出の様子を説明する。図６（ａ）はヒータ２に通電されておらず、加熱が行われる前の状態である。吐出口３付近のインクはメニスカス１５を形成し、吐出ノズル１１内に保持されている。図６（ｂ）および（ｃ）はヒータ２にエネルギが投入され、インクを加熱することにより、膜沸騰に伴って発泡が生じた状態である。このとき、可動弁６は気泡発生に基づく圧力の伝播方向を吐出方向に導くよう、弁支持部材１０の吐出口３側を支点に変位する。ノズル内のインクは、発泡によって生じた圧力によって吐出口３から押し出され、気泡の成長に伴ってインク柱を形成する。図６（ｃ）において、チップＡの可動弁とチップＢの可動弁６の吐出口方向先端部がストッパ７に接触している。このストッパ７は、最大気泡発泡時に変位したチップＡとチップＢの可動弁６同士が接触する位置に設けられ、さらに、気泡が発生していない状態で、可動弁６の自由端８からストッパ７までの距離が、チップＡとチップＢとで同一になるように設計されている。したがって可動弁６の可動距離はチップＡとチップＢで同等であり、気泡の大きさはチップＡ側とチップＢ側とで同等になる。図６（ｃ）においてストッパＡ側で発生した気泡と、ストッパＢ側で発生した気泡とは接触しているが、接触していなくてもよい。

このようにストッパ７を設けることで、気泡発生時に発生する圧力の伝播方向がチップＡ側とチップＢ側とで吐出口中心線θに対して線対称になり、主滴１６、サテライト１７共に所望の吐出方向へと吐出することが可能になる。さらに、チップＡ側とチップＢ側とで気泡の大きさが同等であるため、キャビテーションの強さは対向するヒータ間で均等となり、チップＡとチップＢのヒータの寿命を等しくすることが可能である。

図６（ｄ）および（ｅ）は、ヒータ２によるインクの加熱が終了し、気泡が収縮過程にある状態を示した図である。気泡の収縮に伴い吐出口３付近のインクはノズル内に引き込まれる。インク柱の先端部分には吐出方向への慣性力が働いているため、ノズル内のインクから切り離される。切り離されたインク柱は表面張力によって主滴１７とサテライト１６を形成し、記録媒体に向けて飛翔する。

図６（ｆ）は、インク滴が吐出した後の状態であり、メニスカス１５は吐出口３付近に復帰している。上記のように、図６（ａ）から（ｆ）の動作を繰り返すことによってインク滴がメディアに向けて吐出され、画像を形成する。

このように、吐出ノズル内部にストッパ７を形成して、液体吐出時の可動弁６の動きを制限することで、気泡発生時に発生する圧力の伝播方向がチップＡ側とチップＢ側とで吐出口中心線θに対して線対称になった。その結果、主滴１６、サテライト１７共に所望の吐出方向へと吐出することが可能になり、さらに、キャビテーションの強さが対向するヒータ間で均等となり、チップＡとチップＢのヒータ２の寿命を同等にすることができた。

なお、本実施形態では、チップＡにストッパ７を形成した上に、チップＢを乗せることで吐出エレメント１０１を形成したが、ストッパ７を形成するのは、チップＡに限らず、チップＢに形成されていてもよい。

また、本実施形態では、チップＡにストッパ７を形成した上に、チップＢを乗せることで吐出エレメント１０１を形成したが、チップＢにもストッパを形成して、それを、ストッパ７が形成されたチップＡに載せることで形成されてもよい。

（他の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の別の実施形態を説明する。
本実施形態の液体吐出ヘッドは、前述の実施形態の液体吐出ヘッドとほぼ同様であるが、ストッパの寸法が異なる。その他の構成は前述の実施形態と同様であるので、説明は省略する。

図７（ａ）から（ｆ）は、本実施形態の液体吐出ヘッドによって液体を吐出する様子を段階的に示した横断面図である。図７（ａ）から（ｆ）に示すように、本実施形態の液体吐出ヘッドに備えられているストッパ７０は、前述の実施形態のストッパ７を吐出口３側および共通液室１２側に伸長したものである。ノズル断面は吐出口中心線θに対して上下対称となっており、説明の便宜上、吐出口中心線θより上部をチップＡ、下部をチップＢと称する。

図７（ｃ）、（ｄ）以外は、前述の実施形態と同様であるため説明を省略する。図７（ｃ）において、チップＡの可動弁とチップＢの可動弁６の吐出口方向先端部が弁ストッパ７０に接触している。このストッパ７は、最大気泡発泡時に変位したチップＡとチップＢの可動弁６同士が接触する位置に設けられ、さらに、気泡が発生していない状態で、可動弁６の自由端８からストッパ７０までの距離が、チップＡとチップＢとで同一になるように設計されている。したがって可動弁６の可動距離はチップＡとチップＢで同等であり、気泡の大きさはチップＡ側とチップＢ側とで同等になる。また、ストッパ７０が吐出口２０の方向に伸びているため、最大気泡発泡時でもチップＡ側の気泡とチップＢ側の気泡とが接触することがない。図７（ｄ）はヒータ２による液体の加熱が終了し、気泡が収縮過程にある状態を示した図である。図７（ｃ）において最大体積となったチップＡ側およびチップＢ側の気泡は、ストッパ７０によって完全に分離されているため、消泡時に気泡が片方のチップ側に偏向することがなく、チップＡ側とチップＢ側とに均等な液体の引き込みが行われ、均等にインクのリフィルが行われる。

このように、ストッパ７０によって可動弁６の動きを制限し、かつ、気泡の成長をも制限することで、発泡時の圧力伝播と消泡時のインクの引込みとが、チップＡ側とチップＢ側とで吐出口中心線θに対して線対称になった。その結果、主滴１６、サテライト１７共に所望の吐出方向へと吐出することが可能になり、さらに、キャビテーションの強さが対向するヒータ間で均等となり、チップＡとチップＢのヒータの寿命を同等にすることができた。

なお、上記各実施形態では、フルラインタイプの記録方式に適用した例を示したが、これに限定するものではなく、記録時に記録ヘッドの移動を伴うシリアルタイプの記録方式にも適用することができる。

本発明の液体吐出ヘッドを備えた液体吐出装置の一実施形態の内部構造を示す概略正面図である。 本発明の液体吐出ヘッドを示す斜視図である。 本発明の液体吐出ヘッドにおけるノズル近傍の断面斜視図である。 （ａ）から（ｈ）は製造工程順に液体吐出ヘッドの正面を示した図である。 （ａ）から（ｈ）は製造工程順に液体吐出ヘッドの側面を示した図である。 （ａ）から（ｆ）は、本発明の実施形態の液体吐出ヘッドでの吐出の様子を段階的に示した横断面図である。 （ａ）から（ｆ）は、他の実施形態の液体吐出ヘッドによって液体を吐出する様子を段階的に示した横断面図である。 （ａ）から（ｆ）は、従来の対向する可動弁を備えた液体吐出ヘッドによる吐出の状態を段階的に示した横断面図である。

符号の説明

１ ヒーターボード
２ ヒータ
３ 吐出口
４ ノズル壁
５ ノズル土手
６ 可動弁
７ ストッパ
８ 自由端
１０ 弁支持部材
１１ 吐出ノズル
１２ 共通液室
１５ メニスカス
７０ ストッパ
１００ 液体吐出ヘッド
１０１ 吐出エレメント
２０１ 液体吐出装置

Claims (7)

1. ノズル内で対向して設けられた２つのヒータによって液体を加熱発泡させて発生する２つの気泡によって前記液体を吐出させ、前記発生する気泡による圧力を受けることで変位する２つの板状の可動弁を有する、前記液体の吐出が可能な液体吐出ヘッドにおいて、
   前記ノズルの内部に、前記２つの可動弁の動きを制限するストッパを設けたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記ストッパは、前記２つの可動弁の自由端の位置を制限する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２つの可動弁の自由端から前記ストッパまでのそれぞれの距離は等しい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２つの可動弁と気泡を発生させるヒータは、互いに同じ大きさであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記可動弁は前記液体吐出時に前記ストッパに接触することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記ストッパは前記ノズルを形成する側壁に支持されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記ストッパは前記２つの気泡を隔てていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。

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