JP2009190315A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】吐出ヘッド周りの構成が簡単であり、かつ液体を吐出口面に対して垂直に吐出することで、高記録品位を実現する液体吐出ヘッドを提供すること。
【解決手段】吐出口に補強壁３を設け、その補強壁３の長さを吐出口からヒータ２の近傍まで延在させる事により、液体が吐出された後の液体リフィルの際、補強壁３とヒータ２との段差による斜め方向の流れ成分が、整流される。
【選択図】図９

Description

本発明は、液体に熱エネルギを作用させることによって発生する気泡を利用して、所望の液体を吐出する液体吐出ヘッドに関するものである。

今日インクジェット記録装置は、プリンタ、複写機、ファクシミリ等の機能を有する記録装置、あるいはコンピュータやワードプロセッサ等を含む、複合型電子機器やワークステーションなどの出力機器として多く用いられている。インクジェット記録装置は、記録情報に基づいて、紙、布、プラスチックシート、ＯＨＰ用シート等の記録媒体に向けてインクを吐出することで記録を行なう。中でも、産業用に用いられるインクジェット記録装置は、記録に用いられる記録媒体も多種多様であり、これら記録媒体の材質に対する要求も様々なものがある。近年では、これらの要求に対する開発が進み、通常の記録媒体である紙や樹脂薄板などの他に、布、皮革、不織布、更には金属等を記録媒体として用いている。そしてこのインクジェット記録装置は、低騒音、低ランニングコストで、装置の小型化が容易であり、カラー化も容易であるなどの観点から広く応用されている。

前記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、液体を吐出するために利用されるエネルギとして、熱を用いる液体吐出ヘッドは、高密度のマルチノズル化を比較的容易に実現することができ、高解像度、高画質で、また高速な記録を可能とするものである。この方式は、液体吐出ヘッドにおける個々の吐出口近傍の、液体流路それぞれに記録素子（以後、ヒータともいう）を設け、これらに記録信号に応じた電気エネルギを選択的に印加することによって生ずる熱エネルギを利用して吐出を行なうものである。吐出時はヒータ上の液体を急激に加熱し、膜沸騰を生じさせ、その際に発生する気泡の圧力によって吐出口から液体を吐出する。

これらの液体吐出ヘッドは、所定数の溝が形成されたプレートを有しており、その溝が液体の流路となり、プレートの上に天板と呼ばれるプレートを付けることで構成されている。また、このような構成の液体吐出ヘッドの吐出口部に、オリフィスプレートと呼ばれる、吐出口が形成されたプレートを付ける場合もある。

しかし、このような液体吐出ヘッドは、オリフィスプレートの取り付け位置精度が記録品位に大きく影響するため、オリフィスプレートを位置精度よく取り付ける必要があり、製造が容易ではなかった。そこで、高記録品位の液体吐出ヘッドを歩留まりよく製造することが要望されていた。

よって本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、吐出ヘッド周りの構成が簡単であり、かつ液体を吐出口面に対して垂直に吐出することで、高記録品位を実現する液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

本発明の液体吐出ヘッドは、液体の流路の内壁に設けられたヒータによって前記液体を加熱して、前記液体の内部に気泡を発生させることで、吐出口から前記液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、前記流路の内壁には、前記吐出口から前記ヒータの方向に向かって延在している隆起した補強壁が設けられており、前記補強壁は、削られることによって前記吐出口周縁の一部を形成し、かつ少なくとも前記液体の液面であるメニスカスの最大後退位置まで延在していることを特徴とする。

また、本発明の液体吐出ヘッドは、液体の流路の内壁に設けられたヒータによって前記液体を加熱して、前記液体の内部に気泡を発生させることで、吐出口から前記液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、前記流路の内壁には、前記吐出口から前記ヒータの方向に向かって延在している隆起した補強壁が設けられており、前記補強壁は、削られることによって前記吐出口周縁の一部を形成し、かつ少なくとも前記気泡と接する位置まで延在していることを特徴とする。

また、本発明の液体吐出ヘッドは、液体の流路の内壁に設けられたヒータによって前記液体を加熱して、前記液体の内部に気泡を発生させることで、吐出口から前記液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、前記流路の内壁には、前記吐出口から前記ヒータの方向に向かって延在している隆起した補強壁が設けられており、前記補強壁は、削られることによって前記吐出口周縁の一部を形成し、かつ前記補強壁の長さは、前記吐出口と前記ヒータとの間の距離の１／２以上の長さを有していることを特徴とする。

本発明の液体吐出ヘッドによれば、流路の内壁に、吐出口から連続面でヒータの方向に向かって延在している隆起した補強壁を設け、その補強壁は、少なくとも液体の液面であるメニスカスの最大後退位置まで延在している。これによって、液体は斜めに吐出することがなく、吐出口面に対して垂直に吐出することが可能になる。よって高品位で高速度記録が可能な液体吐出ヘッドを実現することができる。

さらに、吐出口周囲を同一の材質の樹脂にすることで、吐出口を製造する際の吐出口面の研磨によって吐出口周囲の樹脂が隆起するため、その樹脂の隆起がオリフィスプレートの役割を行なうため、吐出液柱の分離が安定し吐出方向性を安定させることができる。

また、吐出口周囲が同一の材質の樹脂で、濡れ性も同一であることから、液体吐出時に濡れ性の違いによって液体が濡れ性の早い材料の方向へ引っ張られて吐出方向が変わることがなく、吐出口面に対して垂直に吐出することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。

（補強壁の必要性）
液体吐出ヘッドの製造を簡易化する方法として、２つのインクジェット記録ヘッドの吐出口を突き合わせたような状態のものを一体に形成し、後工程において切断することによって吐出口を形成するという方法を用いた。このようにして位置精度の高い液体吐出ヘッドを作ることを試みた。

図４は、上記の方法で作ることを試みた液体吐出ヘッドを部分的に断面にしたものを表した図である。上記のような製造方法を用いて液体吐出ヘッドを製造した場合、吐出口の突き合わせ部で切断する工程において、素子基板であるヒータボード１０１の吐出口周辺部に亀裂が入ることがある。そこで、この亀裂発生防止のため、吐出口を形成する流路内壁５の一部に補強壁３を設けることが有効であることが分かった。

しかしながら、補強壁３を設けることによって切断時の吐出口における亀裂の発生は防止することができたが、補強壁３のノズル方向の長さが短い場合には補強壁３を設けることにより新たな不具合があることを見出した。

その不具合とは、ヒータ２を高い周波数で駆動発熱することで、短時間に多数の液滴を吐出させる際、吐出後に液体を補充するリフィルが間に合わない。これによって、吐出口近傍にて形成されるメニスカスが極端に後方に後退し、液体が吐出する際、吐出口面に対し、垂直に吐出せずに斜め方向に吐出してしまうという不具合である。これは、流路壁５の一部に補強壁３が取り付けられたことで、ヒータ２を具えた流路底面と補強壁３との間に段差ができ、液滴が吐出する際にこの段差を乗り上げることになり、その際、液滴に斜め方向の流れ成分が発生することが原因であると考えられる。

この現象について図を用いて説明する。
図８の（ａ）から（ｇ）は、補強壁３を設けたノズルの吐出口から液体が吐出する過程を、時間の経過に沿って表したノズル部の縦断面図である。

図８（ａ）から（ｃ）は、ヒータ２を低い周波数で駆動加熱して液滴を吐出する状態を示す図である。この状態では液体のリフィルが十分に行われることで、メニスカス１９が極端に吐出口面から後退するようなことがないため、液体の吐出方向は正常であり、吐出口面に対して垂直方向に吐出する。

図８（ｄ）から（ｇ）は、ヒータ２を高い周波数で駆動発熱して液滴を吐出する状態を示す図である。液体を吐出するサイクルが早いために、吐出した分の液体を補充するリフィルが間に合わずに、図８（ｄ）のようにメニスカス１９が補強壁３の後端部よりもさらに後方にまで後退してしまう。そして、この状態から液体が吐出される場合、液体が補強壁３に乗り上げる際に発生する液体内の斜め方向の流れ成分が、液体が吐出口に達するまでの間で充分に整流されず残ったまま吐出されてしまう。その結果、図８（ｅ）に示すように液体は斜め方向に吐出されることになり、図８（ｇ）に示すように液体は吐出口面に垂直方向ではなく、斜め方向に吐出することになる。従って、ヒータ２を高い駆動周波数で加熱して液体を吐出する場合は、所望の位置に液滴が着弾しないため、記録品位が低下してしまう。

（第１の実施形態）
本発明における第１の実施形態では、上記補強壁３の必要性にて述べた内容に加え、ヒータ２を高い周波数で駆動発熱する。これによって、液滴を吐出する時に液体リフィルの遅れによりメニスカス１９が極端に後退しても、液体が吐出口面に対して垂直に吐出することができるようにするものである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態である、液体吐出ヘッド１１０を具えたインク吐出装置１１１の内部構造を示す正面図である。図中の、液体吐出装置１１１は、複数の液体吐出ヘッド１１０、各液体吐出ヘッド１１０に対応する個別の回復ユニット１１２、液体を収納するカートリッジ１１３、記録媒体搬送部１１４、オペレーションパネル部１１５、給紙部１１６等を備えている。

図２は、液体吐出ヘッド１１０を分解した状態を示す分解斜視図である。
ヒータボード１０１は、セラミック製のベースプレート１００によって支持されており、そのヒータボード１０１をベースプレート１００と挟む形で配線基板１０２が配置されている。そして、ヒータボード１０１上のヒータと配線基板１０２上の端子とは各々の配線に対応してワイヤボンディングにより電気的に接続されている。

図３は、本発明の一実施形態である液体吐出装置１１１における、液体供給系の構成を示す図である。
本実施形態の液体供給系は、着脱可能なカートリッジ１１３、メニスカスの位置を適正に保つための圧力を発生するサブタンク１１８、カートリッジ１１３からサブタンク１１８へインクを供給するための供給ポンプ１１９を備えている。さらに、本実施形態の液体供給系は、サブタンク１１８から液体吐出ヘッド１１０へインクを供給するための加圧ポンプ１２０、および液体吐出ヘッド１１０からインクのリターン流路を閉鎖するための回復弁１２１を備えている。

供給ポンプ１１９は、後述するリサイクル動作にも使用され、その際の経路選択のため供給弁１２２が配置されている。

液体吐出ヘッド１１０より排出されたインクを再利用するリサイクル動作は、液体吐出ヘッド吐出面下方に設置された回復桶１２３、回復桶１２３からサブタンク１１８へのインクの流路選択のためのリサイクル弁１２４により行なわれる。

図５および図６は、本実施形態のヘッド吐出ノズル近傍の状態を示す断面斜視図であり、図７は、液体吐出ヘッド１１０の吐出口周辺の構成を示す断面図である。
図９は、液体が吐出する過程を時間の経過に沿って表したノズル部側面の断面図である。

以下に図５、図６、図７および図９を参照して液体の吐出メカニズムを説明する。
ヒータボード１０１には液体を加熱発泡するための複数のヒータ２が配置されている。ヒータ２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（不図示）が接続されており、電極にはヒータ２に通電を制御するためのスイッチングトランジスタ（不図示）が接続されている。

スイッチングトランジスタは、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。

複数のヒータ各々に対応して吐出ノズル１４が形成されており、吐出ノズル１４は複数の各吐出口と連通し、また、吐出ノズル１４はヒータボード１０１と、ノズル壁５と、厚さ２μｍ程度の天板樹脂７と、から囲まれた管状をなしている。補強壁３は吐出口から連続面で、ヒータ２にできるだけ近接した位置まで延在するよう構成されており、かつヒータ２を有する流路底面から隆起した状態になっており、その隆起量は流路底面から天板樹脂７までの寸法の１／４以下となっている。

なお、図５と図６については、どちらも補強壁３をヒータ２にできるだけ近づくように構成されており、図のどちらの方法で補強壁３をヒータ２に近づけてもよい。
可動弁６は、自由端９を吐出口方向に向け、支点１０を共通液室内に位置させた片持ち状態になるよう設けられており、支点１０は弁支持部材１１に取り付けられ、弁支持部材１１は弁台座１２によってヒータボード１０１に取り付けられている。

天板樹脂７は、Ｓｉ等で構成される天板８に貼り付けられており、天板８は異方性エッチング等で形成された液体供給開口１７を備え、外部からの液体を供給液室１６に導入可能としている。共通液室１６から吐出ノズル１４に供給された液体は吐出ノズル１４内の所定の位置に配置されたヒータ２で加熱されて発泡する。発泡に伴って吐出ノズル１４内の液体の発泡が始まると、気泡の発生に伴い可動弁６も変位を開始し、液体の流れが吐出口方向へ向かうのを容易にする。そして、気泡に押し出されるかたちで吐出口から液滴が吐出することになる。

図９（ａ）は、ヒータ２に電気エネルギが印加される前の状態であり、ヒータ２に熱が発生する前の状態である。

図９（ｂ）は、ヒータ２に電気エネルギが印加されて、ヒータ２が発熱し、その熱によって気泡発生領域内を満たす液体の一部を加熱し、膜沸騰に伴う気泡を発生させた状態を示した図である。このとき、可動弁６は気泡発生に基づく圧力により気泡圧力の伝搬方向を吐出口方向に導くよう、弁台座１２の吐出口側の支点１０を支点にして変位する。

そして、気泡３１が大きくなるにつれ液体は吐出口方向に押し出される形となり、液体は吐出口において液柱２０となる。

図９（ｃ）は、膜沸騰で発生した気泡３１によって、吐出口から液体が吐出される瞬間の図である。
液体が吐出されるとき、気泡３１内部圧の減少により気泡３１は収縮している状態にある。気泡３１が収縮されることで液柱２０のメニスカス１９は共通液室側へと引き込まれ、液柱２０は、吐出口エッジ部２４によって均等に広がっている横ダレ液２１と切り離される。

図９（ｄ）は、気泡が消滅すると共に吐出液柱２０は液体から切り離され、主滴２２、副滴２３として吐出される状態を示す図である。この時後退したメニスカス１９は矢印Ｙ方向に戻り、ノズル１４内に液体が供給される状態を表す図である。

本実施形態は、約２０ｎｇの液体を吐出する液体吐出ヘッドであり、補強壁３の一端である吐出口側を前端部として、前端部から他端の後端部までの距離Ｌ２は、吐出口１３からメニスカス１９の後退位置Ｓまでの距離Ｌ１よりも長く（Ｌ２＞Ｌ１）延在している。こうすることで、吐出時に液体が吐出口１３の開口面（以下、吐出口面ともいう）に達するまでの間に整流され、液体が持つ斜め方向の流れ成分が無くなる。そして、液体の流れが吐出口１３に対して垂直となり、吐出された液体は吐出口面に対して垂直方向に吐出する事になる。

図９（ｅ）から（ｇ）は、繰り返し液体の吐出を行った場合の図９（ｄ）以後の状態を示す図である。

以上のように、補強壁３の長さをヒータ２の近傍まで伸ばす事により、液体が吐出された後、ノズルに再び液体が供給される際、補強壁３とヒータ２との間の段差により生じる斜め方向の流れ成分が、整流されることにより無くなる。これによって、液体を吐出口面に対して垂直方向に吐出させる事が可能になった。

また、吐出口周囲が同一材料でない場合には、材料ごとの濡れ性の違いにより吐出する液体が吐出時に濡れ性の良い材料の方向に引っ張られることがあった。しかし、補強壁３を設けることで吐出口周囲が同一の樹脂材料になったため、濡れ性の違いによる吐出方向の曲がりも無くすことができた。さらには補強壁３を設けることで吐出口周囲が同一の樹脂材料になったため、吐出口形成時に吐出口を突き合わせたような状態のものを切断後に切断面に一定の圧力をかけながら研磨を行ない吐出口周囲の樹脂材料部を隆起させた。この形状により、吐出液柱の分離が均一になり吐出方向が安定する。この樹脂の隆起は、切断時の基準部材である素子基板と、吐出口周囲を形成している樹脂材料の弾力性の違いを利用したもので、樹脂材料の弾力性が高いために研磨加工後に樹脂材料を素子基板の研磨面よりも隆起させている。

以上のような方法で製造した液体吐出ヘッドによって、吐出する液体が所望の位置に着弾し高品位の記録が可能な液体吐出ヘッドを実現することができた。

なお、本実施形態において流路壁５の形成には紫外線感光樹脂のフィルムを使用したが、他の材質の物で形成されても良い。また、ヒータ２に用いる材質および寸法は本実施形態にて述べた限りでなく、他の材質および他の寸法を用いてもよい。また、本実施形態において補強壁３の形成には紫外線感光性樹脂のフィルムを使用したが、他の材質の物で形成されても良い。また、本実施形態では吐出口１３からメニスカス１９の最大後退位置Ｓまでの距離Ｌ１よりも長くなるよう補強壁３を構成したが、補強壁３の長さＬ２は、吐出口１３からヒータまでの距離Ｌ３の１/２以上の長さでもよい。補強壁３の長さをこのような長さにすることによって液体が吐出するまでの間に整流され、吐出口面に対して垂直方向に吐出する事が可能となる。

また、本実施形態では吐出口１３からメニスカス１９の後退位置Ｓまでの距離Ｌ１よりも長くなるよう補強壁３を構成した。しかし、ヒータ２と補強壁３との距離が、ヒータ２の膜沸騰によって発生する気泡３１の一部が補強壁３の後端部Ｐに接触する程度の距離であり、その距離は１０μｍ以内であってもよい。補強壁３の長さをこのような長さにすることによって、気泡３１が補強壁３に乗り上げる際に発生する斜め方向の流れ成分を最小限にすることができた。また、補強壁３が整流するために充分な長さを有していることから、吐出口面に対して垂直方向に吐出することが可能となる。

また、上記実施形態では吐出口を形成する際に、吐出口を突き合わせた状態のようなものを切断し、その後切断面を研磨することによって形成しているが、この方法に限定するものではない。つまり、上記にある切断した状態のものを単体で製造し、その後に吐出口を有する面を研磨する製造方法でもよい。

本発明の一実施形態である、液体吐出ヘッドを具えたインク吐出装置の内部構造を示す正面図である。 液体吐出ヘッドを分解した状態を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態であるインク吐出装置における、液体供給系の構成を示す図である。 ヘッド吐出ノズル近傍を示す断面斜視図である。 本発明の一実施形態であるヘッド吐出ノズル近傍を示す断面斜視図である。 本発明の一実施形態であるヘッド吐出ノズル近傍を示す断面斜視図である。 液体吐出ヘッドの吐出口周辺の構成を示す断面図である。 （ａ）は、ヒータに電気エネルギが印加される前の状態であり、ヒータに熱が発生する前の状態を表したノズル部側面の断面図であり、（ｂ）は、ヒータに電気エネルギが印加されて、ヒータが発熱し熱によって、気泡発生領域内を満たす液体の一部を加熱し、膜沸騰に伴う気泡を発生させた状態を示したノズル部側面の断面図であり、（ｃ）は、気泡が前述した膜沸騰後、液体が吐出される瞬間を示したノズル部側面の断面図であり、（ｄ）は、気泡が消滅すると共に液柱は液体から切り離され、主滴、副滴として吐出される状態を示すノズル部側面の断面図であり、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）は繰り返し液体の吐出を行った場合の（ｄ）以後の状態を示したノズル部側面の断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、ヒータを低い周波数で駆動発熱して液滴を吐出する場合のインク吐出状態を示したノズル部側面の断面図であり、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）はヒータを高い周波数で駆動発熱して液滴を吐出する場合の吐出状態を示したノズル部側面の断面図である。

符号の説明

２ ヒータ
３ 補強壁
５ 流路壁
６ 可動弁
７ 天板樹脂
８ 天板
１３ 吐出口
１９ メニスカス
２０ 液柱
２１ 横ダレ液
２２ 主滴
２３ 副滴
２４ 吐出口エッジ部
３１ 気泡
１０１ ヒータボード
１１０ 液体吐出ヘッド

Claims (11)

1. 液体の流路の内壁に設けられたヒータによって前記液体を加熱して、前記液体の内部に気泡を発生させることで、吐出口から前記液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、
   前記流路の内壁には、前記吐出口から連続面で前記ヒータの方向に向かって延在している隆起した補強壁が設けられており、
   前記補強壁は、少なくとも前記液体の液面であるメニスカスの最大後退位置まで延在していることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 液体の流路の内壁に設けられたヒータによって前記液体を加熱して、前記液体の内部に気泡を発生させることで、吐出口から前記液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、
   前記流路の内壁は、前記吐出口が設けられた面よりも吐出口周囲の樹脂材料が隆起している事を特徴とする液体吐出ヘッド。
3. 液体の流路の内壁に設けられたヒータによって前記液体を加熱して、前記液体の内部に気泡を発生させることで、吐出口から前記液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、
   前記流路の内壁には、前記吐出口から前記ヒータの方向に向かって延在している隆起した補強壁が設けられており、
   前記補強壁は、削られることによって前記吐出口周囲の一部を形成し、かつ少なくとも前記気泡と接する位置まで延在していることを特徴とする液体吐出ヘッド。
4. 液体の流路の内壁に設けられたヒータによって前記液体を加熱して、前記液体の内部に気泡を発生させることで、吐出口から前記液体を吐出させる液体吐出ヘッドにおいて、
   前記流路の内壁には、前記吐出口から前記ヒータの方向に向かって延在している隆起した補強壁が設けられており、
   前記補強壁は、削られることによって前記吐出口周囲の一部を形成し、かつ前記補強壁の長さは、前記吐出口と前記ヒータとの間の距離の１/２以上の長さを有していることを特徴とする液体吐出ヘッド。
5. 前記ヒータが設けられた内壁は素子基板であ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. 前記補強壁は、前記素子基板の上に設けられ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. 前記吐出口を互いに突き合わせたような状態で一体に形成された、複数の前記液体吐出ヘッドを、切断することで前記吐出口を形成することを特徴とした請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記液体の流路内に、前記ヒータの発泡に伴い自由端が変位するよう片持ち状態に配された可動弁を有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記補強壁は樹脂材料であることを特徴とする、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記吐出口の周囲は同一の樹脂材料で構成されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記樹脂材料は紫外線感光樹脂であることを特徴とする、請求項９または請求項１０に記載の液体吐出ヘッド。

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