JP2014012270A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】液体を吐出口まで小さいエネルギーで送ることができ、且つ流路形成部材と基板との密着性がよく、液体吐出面に液体が溢れにくい構造を有する液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口５と、吐出口５を内部に配する窪み部９と、吐出口５へ向かう通路である吐出部と、液体を吐出部へ供給する液体流路とを有している。吐出部と液体流路とは、それぞれの延びる方向が互いに交差するように配置されており、吐出部と液体流路との接続部分の吐出口５からみた平面形状及び窪み部９の平面形状は、長径部と短径部とを有する楕円形状である。
【選択図】図２

Description

本発明は、インク等の液体の吐出によって記録を行う液体吐出装置に搭載される液体吐出ヘッドに関する。

記録媒体へ高画質な記録を行うために、インク等の液体を吐出する液体吐出ヘッドの吐出口の微小化及び高密度化が求められており、特許文献１に微小且つ高密度な吐出口を有する液体吐出ヘッドの形状が開示されている。液体吐出ヘッドは、吐出口と、液体タンク（インクタンク）から液体が供給される液体流路と、吐出口を中心として液体吐出ヘッドの液体吐出面に形成された窪み部（ｌｅｎｓ）と、液体流路と吐出口とを繋ぐ通路である吐出部と、を有している。さらに、この液体吐出ヘッドは、複数の吐出口を有しており、一つの吐出口に対して、液体流路と窪み部と吐出部とがそれぞれ一つずつ形成されている。

米国特許第７５８５６１６号公報

特許文献１に開示された発明では、基板に接合されている流路形成部材に液体流路が設けられており、液体吐出ヘッドの一面に設けられた吐出口に連通する吐出部が、全周に亘ってテーパ状に形成されている。基板と流路形成部材とは、流路形成部材の液体流路が形成されていない部分が基板と接着されて互いに接合されている。吐出部がテーパ状に形成されているのは、液体を吐出口まで小さいエネルギーで送るためであるが、吐出部の広い開口部と液体流路とが接続しているため、隣り合う液体流路同士が近接してしまい、隣り合う液体流路同士の間のスペースが狭くなる。このスペースが狭くなると、基板と流路形成部材との接触面積が小さくなるため、基板と流路形成部材との密着性が弱くなるおそれがあった。

基板と流路形成部材との密着性が弱いと、液体を吐出する圧力によって流路形成部材が基板から浮いてしまうことがある。流路形成部材が基板から浮いてしまうことで液体が隣の液体流路に流入し、隣り合う液体流路の液体同士が混ざって吐出されてしまう。更には、液体を吐出するための圧力によって流路形成部材自体が基板から剥がれてしまい、液体が吐出できなくなるおそれがあった。

一方で、記録媒体への記録速度を向上させるために、液体の吐出後に次の液体を吐出するまでの周期を示すリフィル周波数は高く設定される。リフィル周波数が高いと単位時間当たりに液体を吐出する回数が増えるため、液体を吐出しやすくするために、吐出口に向かって断面積が小さくなるようなテーパ状に吐出部が構成されている。このようにすることで、吐出部が円柱状の場合に比べて、小さなエネルギーで液体が吐出口から吐出される。ところが、リフィル周波数が高く、且つ液体の流路抵抗が小さいと、吐出口で液体のメニスカスが振動しやすくなり、この振動によって液体が吐出口から液体吐出面に溢れて、液体吐出面が濡れてしまうというおそれがある。そこで、液体吐出ヘッドの液体吐出面に液体を吸収しやすくする処理膜を施して、液体吐出面に溢れた液体を施された表面処理膜によって吸収させる対策がとられている。

しかしながら、液体吐出面に溢れる液体が多量であると、液体吐出ヘッドの液体吐出面の表面処理膜だけでは溢れた液体を全て吸収することができずに、結果として液体吐出ヘッドの液体吐出面が濡れてしまう。その対策として、液体が吐出口から液体吐出ヘッドの液体吐出面に溢れないように液体の吐出口の周囲に窪み部が設けられている。ところが、高いリフィル周波数に対して窪み部の容積が小さいと、吐出口から溢れた液体を窪み部が収容しきれずに、窪み部を越えて液体が液体吐出面に溢れて、液体吐出面が濡れてしまうおそれがある。

そこで本発明の目的は、前記した問題を解決して、液体を吐出口まで小さいエネルギーで送ることができ、且つ流路形成部材と基板との密着性がよく、液体吐出面に液体が溢れにくい構造を有する液体吐出ヘッドを提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口と、吐出口を内部に配する窪み部と、吐出口へ向かう通路である吐出部と、液体を吐出部へ供給する液体流路と、を有し、それぞれの延びる方向に互いが交差するように吐出部と液体流路とが配置されており、吐出部と液体流路との接続部分の、吐出口からみた平面形状は、長径部と短径部とを有する楕円形状であり、窪み部の平面形状は長径部と短径部とを有する楕円形状であることを特徴とする。

本発明によれば、液体吐出ヘッドの吐出口に設けられた窪み部の平面形状を楕円形状にすることで、窪み部の容積が大きくなる。従って、液体の吐出後にメニスカスの振動によって液体が液体吐出ヘッドの液体吐出面に溢れて、液体吐出面が濡れてしまうおそれが抑制される。

本発明の液体吐出ヘッドを示す斜視図である。 図１に示す液体吐出ヘッドのＡ部拡大図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 図２のＣ−Ｃ断面図である。 図３ａのＤ−Ｄ断面図である。 図３ａのＥ−Ｅ断面図である。 従来技術を用いた液体吐出ヘッドの吐出口に液体が充填された状態を示す断面図である。 本発明の液体吐出ヘッドの吐出口に液体が充填された状態を示す断面図である。 本発明の液体吐出ヘッドの窪み部及び吐出口を形成する工程を示す平面図である。 図６ａのＦ−Ｆ断面図である。 図６ａのＧ−Ｇ断面図である。 従来技術を用いた液体吐出ヘッドを示す平面図である。 図７ａのＨ−Ｈ断面図である。 本発明の液体吐出ヘッドのφ２０μｍの吐出口の端部から窪み部の端部までの距離と吐出部のテーパ角度との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の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は、本発明の実施形態における液体吐出ヘッドの斜視図であり、図２はその要部拡大図である。

液体吐出装置は、インク等の液体を吐出する吐出口５を一面に備えた液体吐出ヘッドを有している。液体吐出ヘッドは、主に基板１と流路形成部材４とから構成されており、吐出エネルギー発生素子２と、液体流路３と、吐出部２０と、吐出口５と、窪み部９とを有している。液体を吐出するためのエネルギーを発生させる吐出エネルギー発生素子２は、基板１に所定のピッチで規則的に形成され、基板１から電気エネルギーを受け取ることによって熱エネルギーを発生することができる。図３ａと図３ｂに示すように、液体流路３は、不図示の液体タンクから液体を供給される流路で、吐出エネルギー発生素子２と同じ所定のピッチで流路形成部材４に形成されている。液体を吐出する吐出口５は、液体吐出ヘッドの流路形成部材４の液体吐出面７（一面）に設けられている。吐出部２０は、液体流路３と連通しており、それぞれの延びる方向（液体の流れる方向）が互いに交差（本実施形態では直交）するように吐出部２０と液体流路３とが配置されている。吐出部２０と液体流路３との接続部分２０ａの、吐出口５からみた平面形状は楕円形状となっている。更に、この吐出部２０は、吐出口５に連通しており、液体流路３との接続部分２０ａ（図４ａ参照）から吐出口５に向かって断面積が小さくなるようなテーパ状に形成された通路である。一つの吐出口５に対して、液体流路３と窪み部９と吐出部２０と吐出エネルギー発生素子２とが、それぞれ一つずつ形成されている。吐出口５は流路形成部材４の一面（吐出口形成面）に形成されており、この吐出口形成面には窪み部９が形成されている。つまり、窪み部９の内部（凹部内）に吐出口５が形成されている。

図４ａに示すように、所定のピッチで基板１に形成された隣り合う液体流路３同士の間のスペースを広くするために、液体流路３と吐出部２０との接続部分２０ａの楕円形状の短径方向に沿うように、複数の吐出部２０が配列されている。図７ａと図７ｂとに示すように、従来技術では液体流路３と吐出部２０との接続部分２０ａの吐出口５からみた形状は真円形状であるため、隣り合う液体流路３同士の間のスペースが狭くなり、基板１と流路形成部材４との密着性が弱くなっている。

本実施形態の窪み部９は、図２に示すように、吐出口５を中心にして液体吐出ヘッドの液体吐出面７に設けられた楕円形状の窪みであり、楕円形状の長径部は吐出エネルギー発生素子２の所定のピッチ（配列間隔）より長い。また、この窪み部９は、隣り合う窪み部９と干渉しないように、窪み部９の楕円形状の長径部に平行な方向に沿う二列を成して、同一方向を向いて千鳥状に配置されている。従って、窪み部９が千鳥状に配置されていることに伴い、吐出エネルギー発生素子２と吐出部２０と吐出口５とが千鳥状に配置されている。

図３ａと図３ｂとに示すように、本実施形態において、基板１及び流路形成部材４の厚さ方向に沿う基板１から吐出口５までの高さＸは４３μｍ、基板１及び流路形成部材４の厚さ方向に沿う液体流路３の高さＹは２０μｍに設定されている。図２に示すように、平面的にみた吐出口５の直径Ｄはφ２０μｍ、液体流路３の幅方向に沿う吐出口５のピッチＰは２１μｍ（１２００ｄｐｉ）に設定されている。図４ｂに示すように、平面的にみた液体流路３の長さＬ１とＬ２がＬ１＝７５μｍとＬ２＝１０５μｍである二種類の液体流路３が、交互に配置されている。また、図２と図３ａに示すように、平面的にみた窪み部９の長径部ｄ３は６０μｍ、窪み部９の短径部ｄ１は２４μｍ、基板１及び流路形成部材４の厚さ方向における窪み部９の深さＨは４μｍ、液体のリフィル周波数は４０ｋＨｚに設定されている。

尚、本実施形態では、窪み部９と、吐出部２０と液体流路３との接続部分２０ａとは、いずれも楕円状の平面形状を有しているが、その向きは交差している。即ち、窪み部９の長径部と接続部分２０ａの長径部とが交差しており、本実施形態では直交している。このようにして、後述する液体吐出面７における液体の溢れ防止と、液体を吐出するエネルギー効率の向上と、基板１と流路形成部材４との接着力低下の防止と、を実現している。

以上に説明した構成の液体吐出ヘッドによって、液体を吐出する方法を説明する。

不図示の液体タンクが液体を供給するための電気信号を受け取ると、液体タンクから液体吐出ヘッドへ液体が供給される。液体は不図示の供給ルートを通って、吐出部２０と交差する方向に延在している液体流路３に供給される。液体が液体流路３に供給されると、吐出部２０に液体が流入し、図５ｂに示すように一面に形成された吐出口５に液面がメニスカス力によって形成される。次に、液体を吐出させるために、吐出エネルギー発生素子２が駆動して発熱する。吐出エネルギー発生素子２が発した熱によって、液体が液体流路３で発泡させられて、吐出口５から液体が吐出される。

近年は、高画質な記録を実現可能な液体吐出装置が求められており、高画質の記録を実現するためには、記録媒体への定着性を向上させた高粘度の液体を用いる必要がある。高粘度の液体を発泡させて吐出させるためには、大きな熱エネルギーが必要となる。吐出エネルギー発生素子２は大きな電気エネルギーを基板１から受け取り、液体を発泡させて吐出させるための熱エネルギーを生み出す。しかしながら、吐出エネルギー発生素子２が液体を吐出させるために大きな熱エネルギーを生み出すと、液体吐出ヘッドが熱を帯び、液体の吐出量の変化等の吐出特性に変化が生じてしまう。そのため、高粘度の液体を出来るだけ小さい熱エネルギーで吐出させて、液体吐出ヘッドが帯びる熱量を減らす必要があった。

この対策として、吐出口５に向けて断面積が小さくなるようなテーパ角度１７（図３ｂ及び７ｂ参照）を有するテーパ状に吐出部２０が形成されている。このようにすることで、吐出部２０が円柱形状である場合よりも液体が流れる抵抗が小さくなり、小さいエネルギーで液体が吐出される。このとき、テーパ角度１７が大きいと液体が流れる抵抗が小さくなるため、テーパ角度１７は５°以上２０°以下になることが好ましい。しかしながら、基板１に多くのスペースがある場合等、テーパ角度１７を２０°以上に設定できる状態であれば、テーパ角度１７は２０°以上であってもよい。

ここで、本実施形態における窪み部９の技術的意義について説明する。従来技術の液体吐出ヘッドでは、液体吐出ヘッドの液体吐出面に窪み部を有しておらず、吐出口が液体吐出面上に設けられていた。この構成の液体吐出ヘッドで液体を吐出すると、液体吐出面に液体が溢れてしまい、適切な記録が出来なかった。

図５ａに示すように、液体が吐出口５から吐出した直後には、吐出部２０から吐出した分の液体が減り、液面が吐出口５から吐出部２０にまで下がる。その後、液体のメニスカス力によって、再度液面は吐出口５に戻る。しかしながら、高速記録のためにリフィル周波数を向上させると、液体の液面が吐出口５を越えて液体吐出ヘッドの液体吐出面７に溢れてしまうオーバーシュートが発生しやすくなる。この場合に、吐出口５に窪み部がないと、液体が直ちに液体吐出ヘッドの液体吐出面７に溢れてしまい、液体吐出ヘッドの液体吐出面７に不均一に広がる。この状態で液体の吐出を行うと、液体吐出ヘッドの液体吐出面７に不均一に広がった液体によって液体の吐出口５からの吐出が妨げられ、適切な記録ができなくなる。

そのため、図７ａと図７ｂに示すように、オーバーシュートが発生しても直ぐに液体が液体吐出ヘッドの液体吐出面７に溢れてしまわないように、吐出口５に真円の円形窪み部２１が設けられた。この円形窪み部２１が設けられたおかげで、オーバーシュートによって液体が溢れても直ちに液体吐出面７に液体が溢れることがなくなった。しかしながら、円形窪み部２１の容積が小さいと、オーバーシュートした液体が直ぐに円形窪み部２１から溢れだしてしまい、結果として液体吐出ヘッドの液体吐出面７に液体が溢れてしまう。従って、円形窪み部２１の容積が大きくなるように形成される必要がある。

ところが、円形窪み部２１の容積を大きくしたために、隣り合う円形窪み部２１同士が繋がった状態で形成されてしまうと、オーバーシュートによって円形窪み部２１に溢れた液体が隣り合う繋がった円形窪み部２１に流れ込んでしまう。この状態では、円形窪み部２１に溢れた液体と隣り合う円形窪み部２１から流れ込んだ液体とが混ざってしまい、適切な記録が出来なくなるおそれがある。

そこで、図２に示すように、本実施形態では窪み部９の形状を楕円状に形成し、窪み部９が楕円形状の長径部に平行な方向に沿う二列に千鳥状に配置されることによって、窪み部９の容積を大きくしつつ、隣り合う窪み部９同士が重ならないようにした。このようにすることで、液体がオーバーシュートによって液体吐出ヘッドの液体吐出面７に溢れたり、窪み部９同士が繋がって窪み部９内で液体が混ざったりすることがなくなるため、記録媒体に適切な記録ができる。

（テーパ形状の形成方法）
図６ａ〜図６ｃは、フォトリソグラフィ技術を用いて吐出部２０にテーパ形状を形成する方法を示している。

まず、ネガ型感光性樹脂層８の表面に、遮光部と非遮光部とを有するマスクが被せられる。非遮光部の形状は、窪み部９の形状に相当するように楕円形状をしている。非遮光部の楕円形状の長径部と短径部の長さは、吐出部２０のテーパ角度１７を決定する要素であるため、事前にシミュレーションを行い設定される。マスクが被せられたネガ型感光性樹脂層８の表面に、マスクを通して露光用に光が照射される。光が照射された後にマスクがネガ型感光性樹脂層８から外され、現像液（アルカリ溶液）にネガ型感光性樹脂層８が晒される。すると、図６ａに示すように、ネガ型感光性樹脂層８の表面にマスクの非遮光部に沿って、短径部と長径部とを有する窪み部９が形成される。窪み部９の深さは、照射される光の波長や照射時間によって変化するため、所望の深さになるように事前にシミュレーションを行い、照射する光の波長や照射時間が設定される。

次に、直径ｄ２の遮光領域１６を有するマスク１５で、遮光領域１６がネガ型感光性樹脂層８の表面にある窪み部９に重なるようにネガ型感光性樹脂層８の表面が覆われる。このとき、窪み部９の短径部ｄ１と遮光領域１６の直径ｄ２との間には、ｄ１＞ｄ２の関係が成り立つ。この状態で、マスク１５を通してネガ型感光性樹脂層８に露光用の光が照射される。図６ｂに示すように、窪み部９の短径部において、遮光領域１６によって遮光されない光１９は、窪み部９の照射部１８に照射された後に、ネガ型感光性樹脂層８の内部に屈折して入射する。このとき、窪み部９の照射部１８における接線をＬ１、接線Ｌ１の垂線をＬ２とすると、光１９の入射角は、光１９の入射光とＬ２とがなす角度θ１である。

ここで、光１９の屈折光とＬ２とがなす屈折角をθ２、光１９が入射する窪み部９における屈折率をｎ１、ネガ型感光性樹脂層８の屈折率をｎ２とすると、スネルの法則によって、ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２の関係が成り立つ。ネガ型感光性樹脂層８への光の照射が大気中で行われたとすると、窪み部９における屈折率ｎ１＝１となり、ネガ型感光性樹脂層８の屈折率ｎ２は１より大きいため、（光１９の入射角θ１）＞（光１９の屈折角θ２）が成り立つ。この結果から、窪み部９から照射部１８を経由してネガ型感光性樹脂層８に入射した光１９は、照射部１８に形成される吐出口５より断面積が大きくなるように広がってネガ型感光性樹脂層８の内部に進んでいくことになる。従って、ネガ型感光性樹脂層８を現像すると、液体流路３から吐出口５に向かって断面積が小さくなるテーパ状の吐出部２０が形成される。

一方で、図６ｃに示すように、窪み部９の長径部においては、遮光領域１６によって遮光されない光１９は、窪み部９の長径部の照射部１８’に照射された後に、ネガ型感光性樹脂層８の内部に屈折して入射する。このとき、窪み部９の長径部の照射部１８’における接線をＬ３、接線Ｌ３の垂線をＬ４とすると、光１９の入射角は、光１９の入射光とＬ４とがなす角度θ３である。長径部の照射部１８’は、窪み部９の長径方向にあるため、短径方向にある照射部１８に比べて曲率が小さい。そのため、長径部の照射部１８’における接線Ｌ３は、照射部１８における接線Ｌ１に比べて傾きが小さく、長径部の照射部１８’における垂線Ｌ４は、照射部１８における垂線Ｌ２に比べて傾きが大きい。従って、（光１９の長径部の照射部１８’における入射角θ３）＜（光１９の照射部１８における入射角θ１）という関係が成り立つ。更に、光１９は、前述した条件と同じ条件でネガ型感光性樹脂層８に入射するため、（光１９の長径部の照射部１８’における屈折角θ４）＜（光１９の照射部１８における屈折角θ２）が成り立つ。この結果から、長径部の照射部１８’からネガ型感光性樹脂層８に入射した光１９は、照射部１８から入射した光１９より広がらずにネガ型感光性樹脂層８の内部を進んでいく。よって、長径部の照射部１８’から入射した光が形成する吐出部２０のテーパ角度１７は、照射部１８から入射した光が形成する吐出部２０のテーパ角度１７より小さくなる。

このように、窪み部９の光が照射される部分の曲率を変えることによって、吐出部２０のテーパ角度１７を変えることができるため、吐出する液体の特性に応じた吐出部２０のテーパ形状が形成される。粘度の高い液体を吐出する場合には、テーパ角度１７を大きくするように形成し、粘度の低い液体を吐出する場合には、基板１と流路形成部材４との接着力を向上させるため、テーパ角度１７を小さくするように形成することが好ましい。また、吐出部２０にテーパを設けたくない場合には、光１９の入射角が０°にする必要があるため、窪み部９の光が照射される部分を水平面にするとよい。

図８は、φ２０μｍの吐出口５の端部から窪み部９の端部までの距離を変化させたときに、吐出部２０に形成されるテーパ角度１７の変化を描いたグラフである。

本実施形態では、窪み部９の長径部は６０μｍ、窪み部９の短径部は２４μｍに設定されている。そのため、長径方向の吐出口５の端部から窪み部９の端部までの距離は２０μｍ、短径方向の吐出口５の端部から窪み部９の端部までの距離は２μｍとなる。これを図８のグラフに当てはめると、長径方向の吐出部２０のテーパ角度１７はほぼ０°となり、短径方向の吐出部２０のテーパ角度１７は１１°になることがわかる。

１ 基板
２ 吐出エネルギー発生素子
３ 液体流路
４ 流路形成部材
５ 吐出口
７ 液体吐出面
８ ネガ型感光性樹脂層
９ 窪み部
１５ マスク
１６ 遮光領域
１７ テーパ角度
１８ 照射部
２０ 吐出部
２１ 円形窪み部

Claims (8)

1. 液体を吐出する吐出口と、前記吐出口を内部に配する窪み部と、前記吐出口へ向かう通路である吐出部と、前記液体を前記吐出部へ供給する液体流路と、を有し、
   それぞれの延びる方向に互いが交差するように前記吐出部と前記液体流路とが配置されており、前記吐出部と前記液体流路との接続部分の、前記吐出口からみた平面形状は、長径部と短径部とを有する楕円形状であり、前記窪み部の平面形状は長径部と短径部とを有する楕円形状であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 隣り合う前記吐出部が、前記吐出部と前記液体流路とが接続する部分の楕円形状の短径方向に沿って配列されてい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. 前記吐出部と前記液体流路とが接続する部分の楕円形状の短径部の長さは、前記吐出口の直径と同じであることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記窪み部の長径部が、該長径部に平行な方向における複数の前記吐出口の配列間隔より長く、隣り合う前記窪み部が同一方向を向いて配列されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 隣り合う前記窪み部が、前記窪み部の長径部に平行な方向へ沿って二列を成して、千鳥状に配列されていることを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記吐出部と前記液体流路とが接続する部分の楕円形状の長径方向と、前記窪み部の長径方向とが、交差することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 液体を吐出する吐出口が形成される一面と、前記一面に形成されて前記吐出口を内部に配する窪み部と、前記吐出口へ向かう通路である吐出部と、前記通路と交差する方向に延在して前記液体を前記吐出部へ供給する液体流路と、を有し、
   前記吐出部と前記液体流路との接続部分の、前記吐出口からみた平面形状は、長径部と短径部とを有する楕円形状であり、前記窪み部の平面形状は長径部と短径部とを有する楕円形状であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
8. 前記吐出部と前記液体流路との接続部分の楕円形状の長径方向と、前記窪み部の長径方向とが、交差することを特徴とする請求項７に記載の液体吐出ヘッド。

Images