JP2010143030A - 液体記録ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 流体特性の異なるノズルが互いに隣接する場合において、各々のノズルに要求される流体特性を満たすこと。
【解決手段】 供給口に沿ってノズルが複数配列される液体記録ヘッドにおいて、前記ノズルは隣接する所定数ごとにグループをなし、該グループ内における隣接する前記ノズルの流路間に形成される流路壁の長さが、隣接する前記グループ間に形成される流路壁の長さよりも短い。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体にエネルギーを加えることによって、所望の液体を吐出する液体記録ヘッドに関するものである。

この液体記録ヘッドに関し、近年さらなる画質の向上のため、小液滴吐出が望まれている。一方でスループット向上のため、各々のノズルの最大吐出周波数の向上、吐出液滴サイズの異なるノズルの同時搭載、ノズルの高密度多数配列等によるヘッド性能アップが求められている。このような要求に対し、特許文献１には、吐出量の異なるノズル（小ノズル、中ノズルおよび大ノズル）を配置する液体記録ヘッドについて開示されている。これに類して小ノズルおよび中ノズルをインライン（直線上）に高密度配置した例を図１４および図１５に、千鳥に高密度配置した例を図１２および図１３に示す。

ここで、図１４は比較的吐出量の大きい中ノズル２３のインクリフィル速度を高めるため、中ノズル２３の流路幅Ｗ２を小ノズル２２の流路幅Ｗ１よりも広くしている構成である。

これに対して図１５は、比較的吐出量の大きい中ノズル２３の流路幅Ｗ２を小ノズル２２の流路幅Ｗ１よりも狭くしている構成である。これは、製品の使用開始時等に、吐出口１０側からインクを減圧吸引等することでノズルへのインク充填を行うが、その際に吐出口１０における抵抗が比較的大きい小ノズル２２の方が、抵抗の小さい中ノズル２３よりもインクが吸引されになる。それにより吸引不良が起こり、ノズルへのインク充填に不具合が発生する場合があるため、中ノズル２３と小ノズル２２との流抵抗のアンバランスを緩和する目的でＷ２＜Ｗ１としている。それにより中ノズル２３の流路抵抗を小ノズル２２よりも高めることでノズルへのインク充填を安定的に行う構成である。

ノズル配列を更に高密度化しようとした場合、スペースの観点から、図１４，図１５のようにインラインにノズルを配列することが難しくなるため、図１２、図１３に示すように、ノズルを千鳥上に配列する方法も従来知られている。このようにノズルを千鳥上に配列した場合においても、中ノズル、小ノズルのインクリフィル速度を重視する設計、また、インク充填性を重視する設計の２通りの設計が知られている。図１２に示す構成は、中ノズルをノズルフィルタ１１側の短ノズル２１の位置に配置し、インク上流側の抵抗を低減することで中ノズルのインクリフィル速度を重視した設計である。一方、図１３に示す構成は、中ノズルをノズルフィルタ１１から遠い側の位置（長ノズル２０）に配置し、インク吸引時の流抵抗バランスの緩和を図る構成である。
特開２００６−１６８１４３

しかしながら、上記構成では、隣接するノズル間を仕切るノズル壁１２の形状の制約でインクリフィル速度向上に限界があり、その結果、液体記録ヘッドのスループット性能向上の課題となっていた。

図１２に示す例においては、短ノズル２１を駆動した際、泡１６は図に示したように最大成長時にノズル壁１２限界近く、つまり共通液室１３との境界付近まで到達する。また、長ノズル２０のインクリフィル速度を向上させるには、流路の幅が狭くなっている部分の長さ（図中ｃ）をなるべく短くする必要があるが、これを短くすることは、即ち短ノズル２１のノズル壁１２を短くすることになる。その場合、泡１６が最大発泡時にノズル壁１２を超えて共通液室１３部にはみ出してしまう。その結果、近接する短ノズル２１に圧力が干渉（クロストーク）してしまい、吐出の不安定性、印字乱れの原因となってしまう。従って、長ノズル２０の流路長さｃは結局は短ノズル２１の流路壁の長さｂに律束されてしまい、長ノズル２０のインクリフィル速度には限界があった。

図１３に示す例においては、長ノズル２０側に吐出量２ｐｌの中ノズルを配置し、短ノズル２１側に吐出量１ｐｌの小ノズルを配置している。このような構成においては、図１２に示した例に比べ、長ノズル２０の吐出量が比較的大きい分、リフィル速度を向上させるには、より流路長さｃを短くする必要がある。しかしながら、上述したように短ノズル２１のヒーターサイズ等の制約で図中ｂの寸法に限界があり、結果的に流路長さｃを短くするにも限界があった。

同様に、図１４，図１５に示す、ノズル列をインラインに配列した構成においても、発泡の長さの限界や、ヒーターの長さ等の制約で、吐出口１０から共通液室１３までの距離ａには限界があり、結局この寸法がインクリフィル速度の律束となってしまっていた。

本発明は、流路長さが異なるもしくは吐出量が異なる等、流体特性の異なるノズルが互いに隣接する液体記録ヘッドにおいて、各々のノズルに要求される流体特性を満たすことを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、液体を吐出するための吐出口と、液体を吐出するために利用される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に液体を供給する流路とを含むノズルが、該ノズルに液体を供給するための供給口に沿って複数配列される液体記録ヘッドにおいて、前記ノズルは前記配列方向に隣接する複数のノズルごとにグループをなし、該グループ内で隣接する前記ノズルの流路間に形成される流路壁の長さが、隣接する前記グループ間に形成される流路壁の長さよりも短いことを特徴とする。

本発明により流体特性の異なるノズルが互いに隣接する液体記録ヘッドにおいても、各々のノズルに要求される流体特性を満たすことが可能となる。

本説明では、本発明の適用例として、インクジェット記録方式を例に挙げて説明を行うが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、バイオッチプ作成や電子回路印刷等にも適用できる。なお、液体吐出ヘッドは、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に搭載可能である。例えば、バイオッチップ作成や電子回路印刷、薬物を噴霧状に吐出するなどの用途としても用いることができる。例えば、この液体吐出ヘッドを記録用途として用いることによって、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど種々の記録媒体に記録を行うこともできる。

なお、本明細書内で用いられる「記録」とは、文字や図形などの意味を持つ画像を記録媒体に対して付与することだけでなく、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも意味することとする。

［実施形態１］
図１〜図８は本発明の第１の実施形態を説明するための図である。本発明の特徴のひとつは、隣接するノズルを２ノズルごとにグループ（以下ペアとも称す）とし、そのペア内とペア間とでノズル壁の長さを変えることでノズルのインクリフィル速度を向上させたことにある。具体的には、グループ内における隣接するノズルの流路間に形成される流路壁の長さを、隣接するグループ間に形成される流路壁の長さよりも短くすることである。この点に関して以下に詳細に説明する。

まず、図２〜図４を用いて本発明の液体記録ヘッドの概要を説明する。図２は本発明の液体記録ヘッドの外観斜視図である。図３は図２中に一点鎖線で示した面でカットした模式的断面図を示す。図４は、図３に示した断面の記録素子基板１０１部分の拡大図である。本発明の液体記録ヘッド１２０は、筐体１０６上に、支持基板１０４を設け、支持基板１０４上にシリコン製の記録素子基板１０１を配置している。また、筐体１０６には、記録装置との電気的接続を行う電気接点１０８を備えた回路基板１０７と、回路基板１０７と記録素子基板１０１との電気的接続を可能とするフレキシブル回路基板１０５とを備える。

本液体記録ヘッド１２０は、電気接点１０８を通じて記録装置等の外部から入力される電気的信号に応じて、記録素子基板１０１上に設けられたノズルよりインクを吐出させて被記録材に記録を行うものである。電気接点１０８から入力された電気的信号は回路基板１０７に接続されたフレキシブル回路基板１０５を通じて記録素子基板１０１上に設けられた回路パターンに伝えられる。さらに、記録素子基板１０１上に設けられた液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を加熱させる。本実施形態において、エネルギー発生素子は電気熱変換体からなるヒーターである。このヒーター上には発泡液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し、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吐出口１０からインクが吐出する構成となっている。ヒーター上のインクは、記録素子基板１０１を貫通する貫通孔として設けられたインク供給口１１０から供給される。インク供給口１１０は図３に示すように、支持基板１０４に設けられた穴と筐体１０６に設けられた溝とで構成されるインク室１１７に連通しており、不図示のインクタンクからインクが供給される構造となっている。

次に記録素子基板１０１に形成された駆動回路について図７に示す。各々のノズルに対応してヒーター１１１が配置され、各々のヒーター１１１に対応してトランジスタ及びＡＮＤ回路が配置されている。これらのヒーターは隣接するノズルが同時に吐出することがないよう、セレクト信号（ＳＥＬ）、ブロックイネーブル信号（ＢＥ）等に接続されている。これにより、分散駆動され、印字データの有無はシフトレジスタ５１，ラッチレジスタ５２に一時保存され、駆動パルスはイネーブル信号（ＥＮＢ）にて与えられる。

次に本発明のノズルの構成について説明する。図１は記録素子基板１０１のノズル部分の一部を上面からみた平面図である。図に示すように、供給口１１０に沿って、ノズルが複数配列されている。ここでノズルは、吐出口１０と、エネルギー発生素子と、流路とを含むものである。

共通液室１３に、ノズルの配列方向に沿ってノズルフィルタ１１が複数配置されている。これと並行にノズルフィルタ１１に近い順に、吐出量２ｐｌの液滴を吐出する吐出口１０を備える中ノズルが短ノズル２１の位置に形成されている。また、吐出量１ｐｌの液滴を吐出する吐出口１０を備える小ノズルが長ノズル２０の位置に形成されている。そして短ノズル２１と長ノズル２０とは夫々千鳥状に配置されており、夫々のノズルにおける流路の流抵抗は異なる。本実施形態においては、長ノズル２０における流路の流抵抗が相対的に大きく、短ノズル２１における流路の流抵抗が相対的に小さい。本発明において、これら、隣接する長ノズル２０と短ノズル２１とは２ノズル毎にノズルグループ３０を構成し、そのグループ内のペア内の長ノズル２０と短ノズル２１との間のノズル壁１７は、ペア間のノズル壁１２と異なる長さになっている。

具体的には、ペア内のノズル壁１７の長さを、ペア間のノズル壁１２の長さよりも短くしている。このような構成にすることにより、図１２に示した従来構成における、短ノズル２１の吐出口１０から共通液室１３までの距離ａを変えることなく、長ノズル２０の流路長さｃを短縮することが可能となった。本発明によれば、このような構成にしても、短ノズル２１の最大発泡時の泡１６が共通液室１３部分に達することが防止もしくは軽減されるため、隣接するノズルグループ内に属する短ノズル２１同士でのクロストークも軽減される。また、ノズルグループ３０内の長ノズル２０と短ノズル２１間のクロストークは元々、長ノズルの流路が長く、共通液室側の後方流路抵抗が高いため、問題とはならない。

また、本発明は、図５のように、共通液室１３の反対側にも同様に短ノズル２１、長ノズル２０が配置されているようなノズル構成であっても同様の効果を得ることができる。さらに、図６に示すように、共通液室１３の反対側に吐出量５ｐｌの大ノズルが配置されているようなノズル構成であっても本発明を適用可能である。

このように本発明は、隣接するノズルを２つのノズルごとのグループ（ペア）にし、ペア内のノズル壁とペア間のノズル壁の長さを異なる長さにすることで、隣接する短ノズル同士のクロストークを抑えながら、リフィル速度を向上させるものである。

［実施形態２］
次に図９を用いて本発明の実施形態２について説明する。

本実施形態においては、長ノズル２０側に中ノズルを配置し、短ノズル２１側に小ノズルを配置し、夫々のノズルを千鳥配置した構成である。このように、短ノズル２１側に小ノズルを配置した構成においても、本発明によれば、長ノズル２０側の流路長さを短縮することで流路抵抗を低減させることができる。結果、長ノズル２０におけるリフィル速度を向上させることができる。さらに、短ノズル２１側に配置された小ノズルの後方流路抵抗を低減させることにより、インク吸引時の抵抗バランスを改善することが可能となるものである。

［実施形態３］
図１０を用いて本発明の実施形態３について説明する。

本実施形態においては、ノズルを、上述した千鳥配置でなくインライン（直線状）に配列している点で上述した実施形態と異なる。本実施形態においては、中ノズル２３の流路幅Ｗ２が小ノズル２２の流路幅Ｗ１よりも大きいノズル構成（図１４にて説明した従来例に対応）に適用した例である。このように、本実施形態はノズルがインラインに配列されている構成についても上述した実施形態同様に効果を奏するものである。つまり、隣接する中ノズル２３と小ノズル２２を２ノズル毎に対にし、ノズルグループ３０を構成し、グループ（ペア）内のノズル壁１７をグループ（ペア）間のノズル壁１２よりも短くすることで、中ノズル２３のインクリフィル速度を向上させるものである。さらに、図１０に示したように、小ノズル２２の後方側の抵抗をより高めたい場合は、ノズル壁１７の一部にノズル幅を絞る方向に突起を設け、抵抗調整を行うことも可能である。このような構成により、インライン構成においても中、小の異なる量の液滴を好適に吐出することが可能となる。

このように、本発明は、ノズルをインラインに配列したノズル構成においても、中ノズル２３の後方流路抵抗を低減、調整することでリフィル速度が向上し、結果、スループットの高い液体記録ヘッドを提供するものである。

［実施形態４］
図１１を用いて本発明の実施形態４について説明する。

本実施形態は、本発明を、ノズルをインラインに配列し、中ノズル２３の流路幅Ｗ１が小ノズル２２の流路幅Ｗ２よりも小さいノズル構成（図１５にて説明した従来例に対応）に適用した例である。このように、本発明は、ノズルがインラインに配列されている構成についても同様に隣接するノズルを２ノズル毎に対にし、ノズルグループ３０を構成する。グループ（ペア）内のノズル壁１７をペア間のノズル壁１２よりも短くすることで、小ノズル２２の後方側の流路抵抗を低減し、インク吸引時のインク充填性を向上させるものである。このような構成においても、図１１に示したように、中ノズル２３の後方抵抗を更に高めたい場合は、ノズル壁１２に突起を設けて抵抗調整を行うことが可能であることは実施形態３と同様である。

このように、本発明は、ノズルをインラインに配列し、小ノズル２２の後方側の流路抵抗を低減させたいノズル構成においても、有効に応用できるものであり、結果として信頼性の高い液体記録ヘッドを提供することも可能である。

［実施形態５］
図１６を用いて本発明の実施形態５について説明する。本実施形態は実施形態１の構成と類似しており、第１の実施形態との相違点についてのみ以下に述べる。

本実施形態においては、ノズルグループ３０内のノズル壁１７が短ノズル２１側に向かって突出起している。このような形状にすることにより、長ノズル２０、短ノズル２１を千鳥状に配置したノズル構成においても、実施形態３、４と同様、ノズルグループ３０内のノズルの後方側の流路抵抗を調整することが可能である。

このように本実施形態は、第１の実施形態に比べ、更に後方抵抗の調整を行う手段を備える点で好適である。

［実施形態６］
図１７を用いて本発明の実施形態６について説明する。上述した実施形態１〜５においては、各ノズルグループ３０を２ノズルずつのペアにして構成した例について説明してきたが、本実施形態は３ノズルごとにノズルグループ３０を構成している点で異なる。このように、ノズルグループ３０は必ずしも２ノズルごとに構成する必要はなく、３ノズル以上の所定数で構成しても本発明の効果を得ることは可能である。

本発明の実施形態１を示すノズル形状の平面図 本発明の液体記録ヘッドの外観斜視図 本発明の液体記録ヘッドの断面図 本発明の液体記録ヘッドの記録素子基板の断面図 本発明の実施形態１を示すノズル形状の平面図 本発明の実施形態１を示すノズル形状の平面図 本発明の実施形態１を示す液体記録ヘッドの駆動回路 本発明の実施形態１を示す液体記録ヘッドの駆動タイミングチャート 本発明の実施形態２を示すノズル形状の平面図 本発明の実施形態３を示すノズル形状の平面図 本発明の実施形態４を示すノズル形状の平面図 従来の液体記録ヘッドのノズル形状の平面図 従来の液体記録ヘッドのノズル形状の平面図 従来の液体記録ヘッドのノズル形状の平面図 従来の液体記録ヘッドのノズル形状の平面図 本発明の実施形態５を示すノズル形状の平面図 本発明の実施形態６を示すノズル形状の平面図

符号の説明

１０ 吐出口
１１ ノズルフィルタ
１２ ノズル壁
１３ 共通液室
１６ 泡
２０ 長ノズル
２１ 短ノズル
２２ 小ノズル
２３ 中ノズル
２４ 大ノズル
３０ ノズルグループ

Claims (7)

1. 液体を吐出するための吐出口と、液体を吐出するために利用される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に液体を供給する流路とを含むノズルが、該ノズルに液体を供給するための供給口に沿って複数配列される液体記録ヘッドにおいて、
   前記ノズルは前記配列方向に隣接する複数のノズルごとにグループをなし、該グループ内で隣接する前記ノズルの流路間に形成される流路壁の長さが、隣接する前記グループ間に形成される流路壁の長さよりも短いことを特徴とする液体記録ヘッド。
2. 前記グループ内には、前記流路における液体の流抵抗が異なるノズルを含み、前記流抵抗が相対的に大きいノズルから吐出される液体の量が、前記流抵抗が相対的に小さいノズルから吐出される液体の量よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の液体記録ヘッド。
3. 前記グループ内には、前記流路における液体の流抵抗が異なるノズルを含み、前記流抵抗が相対的に大きいノズルから吐出される液体の量が、前記流抵抗が相対的に小さいノズルから吐出される液体の量よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の液体記録ヘッド。
4. 前記グループは互いに隣接する２つのノズルからなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の液体記録ヘッド。
5. 前記吐出口から前記供給口までの距離が異なるノズルが前記供給口に沿って千鳥状に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の液体記録ヘッド。
6. 前記吐出口から前記供給口までの距離が同じノズルが前記供給口に沿って配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の液体記録ヘッド。
7. 前記グループ内における隣接する前記ノズルの流路間に形成される流路壁には、前記流路の幅を絞る方向に突出する突起が形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の液体記録ヘッド。

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