JP2015116747A - 液体吐出ヘッドおよび記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吐出口オフセットにおける吐出液滴の尾曲がりを抑制して、サテライトの発生を抑制し、着弾ドット形状を良化することができる液体吐出ヘッドを提供すること。
【解決手段】吐出口が電気熱変換素子１に対して大きくオフセットする場合、突起先端間の領域を電気熱変換素子１の中心に近接するようにそれぞれの突起の長さを変える。
【選択図】図１０

Description

本発明は、インク等の液体を各種媒体に向けて吐出して記録を行う液体吐出ヘッドおよび記録装置に関する。

今日広く一般的に用いられるインクなどの液体を吐出する方式としては、インクジェット記録方式が知られている。このインクジェット記録方式には、液体を吐出するために用いられる吐出エネルギー発生素子として電気熱変換素子（ヒータ）を利用する方法と、圧電素子（ピエゾ）を利用する方法がある。いずれの素子も電気的な信号によって液滴の吐出を制御することが可能である。

これらのうち電気熱変換素子を用いた液体吐出ヘッドでは、電気熱変換素子に記録信号である電気パルスを供給して発熱させることによりインクに熱エネルギーを与える。それによるインクの相変化で生じるインクの発泡時（沸騰時）の気泡圧力を利用して、微小な吐出口からインク液を吐出させて被記録媒体に対して記録を行う。電気熱変換素子を用いたインクジェット液体吐出ヘッドは、一般に、インク滴を吐出するために開口している吐出口と、この吐出口にインクを供給するインク流路および共通液室を有している。

記録を行う際には、インクを発泡させて吐出動作が行われた後、発泡した泡は消泡するという過程を経るが、この消泡時に、消包よって生じる破壊力を持ったキャビテーションの波による衝撃力が発生する。そして、この衝撃力により電気熱変換素子が損傷を受けることで断線が発生し、耐久寿命が短くなるという問題があった。

このようなキャビテーションに対する対策としては、特許文献１や２に開示されている液体吐出ヘッドが提案されている。いずれも消泡時に発生するキャビテーションを、電気熱変換素子に対して吐出口をオフセットした位置に設けることで、消泡形状を一定の範囲で制御することにより、キャビテーションの発生を抑制している。

また、吐出口オフセットはキャビテーション対策以外にも、発泡室内の泡溜まりを抑制するための対策等々に用いられる。通常、電気熱変換素子に対する吐出口のオフセットは、記録液、吐出口形状、電気熱変換素子の寸法等々、様々な要因で最適な位置およびオフセット量が決定されるが、電気熱変換素子に対してオフセット量が大きくなると、吐出液滴への影響が大きくなる。具体的には、吐出液滴が吐出されて、吐出液滴後端部（以下尾部分）が吐出口から分離する際に、吐出液滴の尾部分が曲がってしまう現象が生じる。これは、電気熱変換素子に対する吐出口のオフセット量が大きくなったことにより、吐出工程の消泡過程で尾部分が形成される際に、メニスカスの挙動が非対称になることにより生じる。

尾部分の曲がりが大きくなるほど、吐出液滴の飛翔中に尾部分から形成される（微小吐出液滴）サテライトの軌道が、画像を形成する主滴部の軌道とずれてしまい、主滴の着弾位置とサテライトの着弾位置にズレが生じ、画像を劣化させる原因となることがある。

また、特許文献３では、液体吐出時に生じるインクミストを抑制するために吐出口に突起を設けているが、同時に吐出口に設けた突起によって尾曲がりを抑制している。吐出口に設けられた突起によって、メニスカスと吐出液滴の分離が突起間に限定されるため、吐出液滴の尾部分が分離時に大きく曲がることを抑制している。

特開２００２−３２１３６９号公報 特開２００８−２３８４０１号公報 国際公開２００７／６４０２１号公報

しかし、特許文献３の吐出口は、吐出口に突起を設けたことで、吐出口の液体吐出方向への流体抵抗が増加してしまう。そのことにより、吐出開始時の吐出安定性が低下してしまうことがある。そのような場合は、ミスト抑制に効果がある範囲において、突起を短くすることで、互いの突起の突起間隔を拡げ、吐出口の流体抵抗の増加を抑えなければならない。

しかし、突起の突起間隔を拡げた吐出口で、キャビテーションの発生を抑制するために電気熱変換素子に対して吐出口をオフセットすると、吐出液滴の尾部分が分離時に大きく曲がることを抑制することができない場合がある。

そこで本発明は、吐出口オフセットにおける吐出液滴の尾曲がりを抑制して、サテライトの発生を抑制し、着弾ドット形状を良化することができる液体吐出ヘッドおよび記録装置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、電気熱変換素子の作用により吐出口から液体を吐出するための液体吐出ヘッドであり、前記吐出口は、内側に凸となる少なくとも１つの突起を備え、前記電気熱変換素子の中心と、前記吐出口の中心と、がずれて設けられた液体吐出ヘッドにおいて、前記吐出口は、前記突起の先端と、該突起の先端と対向する前記吐出口の一部の面と、の間に形成された第１の領域と、該第１の領域よりも吐出時の流体抵抗が低く、前記突起の両側部に設けられた第２の領域と、を備え、前記第１の領域は、前記吐出口の中心から前記電気熱変換素子の中心側にずれて設けられていることを特徴とする。

本発明によれば液体吐出ヘッドは、吐出口が電気熱変換素子に対して大きくオフセットする場合、オフセット量に応じて、突起先端間の領域を電気熱変換素子の中心に近接するようにそれぞれの突起の長さを変える。これによって、吐出口オフセットにおける吐出液滴の尾曲がりを抑制して、サテライトの発生を抑制し、着弾ドット形状を良化することができる。

本実施形態の液体吐出ヘッドの斜視図である。 図１に示す液体吐出ヘッドを線分Ａ−Ａ’で切った時の切断面である。 （ａ）、（ｂ）は、液体吐出ヘッドの吐出口形状を示した図である。 （ａ）〜（ｃ）は従来の円形吐出口を模式的に示した図である。 （ａ）〜（ｅ）は図４（ｂ）の吐出口の吐出動作を模式的に示した図である。 図４（ａ）〜（ｃ）の吐出口で吐出する様子を模式的に示した図である。 （ａ）〜（ｃ）は、従来の吐出口を模式的に示した図である。 （ａ）〜（ｅ）は、図７（ｂ）の吐出口の吐出動作を示した図である。 図７（ａ）〜（ｃ）の吐出口で吐出する様子を模式的に示した図である。 （ａ）、（ｂ）は、突起を備えた吐出口を模式的に示した図である。 図１０（ａ）の吐出口による吐出動作について模式的に示した図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明のオフセットした吐出口の横断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の液体吐出ヘッド１００の斜視図であり、図２は、図１に示す液体吐出ヘッド１００を線分Ａ−Ａ’で切った時の切断面である。液体吐出ヘッド１００の基板３４の上には流路構成部４および吐出口プレート８が設けられている。インク供給室１０は、基板表面に設けられた開口部のインク供給口３を介して、吐出部の共通液室および液流路につながっている。

図１に示すように基板３４の一面には、インク吐出に作用する電気熱変換素子と、長細い矩形のインク供給口３とが形成されている。インク供給口３は、基板３４の表面に形成された長溝状の貫通孔であり、インク供給室１０への開口に相当する。インク供給室１０は、基板３４の電気熱変換素子１が形成されている面とは反対側の面の溝に設けられ、インク供給口３を介して吐出部とつながっている。

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列ずつ電気熱変換素子１の間隔が６００ｄｐｉのピッチで配列されている。さらに基板３４の一面には、流路構成部４が設けられ、その上に吐出口プレート８が接合されている。吐出口プレート８には、電気熱変換素子１に対応して吐出口２が設けられている。基板３４は、流路構成部４の一部として機能し、その材質は、吐出エネルギー発生手段（電気熱変換素子）、並びに吐出口２および後述の流路を形成する材料層の支持体として機能し得るものであれば、特に限定されるものではない。本実施形態では、基板３４にシリコン基板を用いた。

図２に示すように、インク供給口３から各電気熱変換素子１上の発泡室５にインクを導く為の液流路７が形成されている。そして、吐出口プレート８には、発泡室５を外部に通じさせる開口である吐出口２が形成されており、そこから媒体に対してインク滴を吐出して記録等を行う。なお、本実施形態では、吐出口プレート８と流路構成部４は同一部材であるが、別の部材であっても同様の効果が得られる。

図３（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の液体吐出ヘッド１００の吐出口形状を示した図である。吐出口は電気熱変換素子１の真上ではなく、共通液室６側にオフセットされて設けられており、円形状の内側に突出する２本のそれぞれ長さの異なる突起１１、１２を備えている。その突起は、共通液室６から発泡室５に向かう方向に沿って、互いに対向するように配されている。

図３（ｂ）は、吐出口のみを示した図である。吐出口開口部内の点線で示した領域１３は、２本の突起の間の領域で、インクが吐出時に、吐出口の中で流体抵抗が高くなる領域（高抵抗領域）（第１の領域）となっている。同様に領域１４、１５は、領域１３の周囲を取り囲むように（第１の領域の両側部に）位置しており、領域１３と比較して、流体抵抗が低い領域（低抵抗領域）（第２の領域）となっている。吐出動作においては、吐出液滴の尾部分の分離は、図中１３の高抵抗領域で行われる。

領域１３では流体抵抗が高く、領域１４、１５は流体抵抗が低いため、吐出動作中のインクは、突起間の高抵抗の領域１３では、インクは動きづらく、低抵抗の領域１４、１５では動き易くなる。よって、吐出動作中のメニスカスの挙動は、領域１３における挙動は小さく、領域１４、１５における挙動が支配的となる。その為、例えばキャビテーションによる断線の対策として、消泡過程を制御する為に吐出口をオフセットした際に、領域１３は、メニスカスや発泡の挙動に大きな影響を与えない。よって、吐出口オフセットの元々の目的であるキャビテーション抑制の効果を保持したまま、領域１３の位置を変化させることができる。

図４（ａ）から（ｃ）は、従来の円形吐出口を備えた吐出口を模式的に示した図である。図４では、電気熱変換素子１に対して吐出口２の位置を、（ａ）オフセット無し（ｂ）共通液室側にオフセット（ｃ）発泡室奥側にオフセットした構成を示している。

図５（ａ）〜（ｅ）は、一例として図４（ｂ）に示した吐出口による吐出動作について模式的に示した図であり、図６は、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）で示した吐出口における吐出液滴とメニスカスが分離する様子を模式的に示した図である。電気熱変換素子１から吐出口表面までの高さは４０μｍで、電気熱変換素子１から発泡室５の上部までが２０μｍである。

ここで、図５を参照して、従来の吐出口における吐出液滴とメニスカスとの分離について説明する。電気熱変換素子１にエネルギーが印加されると図５（ｂ）のようにインクが発泡し、吐出動作が開始される。発泡したインクは、消泡する際にメニスカスを引き込んでいくが、その時、消泡動作は、電気熱変換素子１の中心に向かって行われる。その為、メニスカスは図５（ｃ）のように非対称に電気熱変換素子１に向かって引き込まれていく。それによって、図５（ｄ）のようにメニスカスと繋がっている吐出液滴の後端の尾部分が曲げられる。そして、後端の尾部分が曲がったまま、吐出液滴がメニスカスと分離する。このように、後端の尾部分が曲がったまま、吐出液滴がメニスカスと分離する為、図５（ｅ）のように、吐出液滴前端部の主滴と後端部のサテライトとの軌道にズレが生じ、着弾位置にも乱れが生じることになる。

電気熱変換素子１に対する吐出口の位置によって、消泡やメニスカス後退の動作が変化する。図６（ａ）のように電気熱変換素子１に対して吐出口が真上に設けられていると、吐出液滴の後端は曲がらずに吐出する。しかし図６（ｂ）、（ｃ）のように電気熱変換素子１に対して吐出口の位置がずれていると、吐出液滴の後端は図のように曲がって吐出することになる。

次に、従来の互いに同じ長さの突起を備えた吐出口について円形形状の場合と同様に、図７、図８、図９を用いて説明する。
図７（ａ）から（ｃ）は、従来の互いに同じ長さの突起を備えた吐出口を模式的に示した図である。図８（ａ）〜（ｅ）は、一例として図７（ｂ）に示した吐出口による吐出動作について模式的に示した図であり、図９は、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）で示した吐出口における吐出液滴とメニスカスが分離する様子を模式的に示した図である。

突起１１、１２は、共通液室６から発泡室５へインクが供給される方向と並行する方向に互いに対向するように設けられている。前述したように突起付き吐出口では、突起先端間に流体の抵抗が高い領域が存在し、その領域のメニスカスと液滴後端部、即ち尾部分で分離が起こる。その為、円形形状の吐出口と比較して、吐出口重心位置から突起先端部までの距離が近い位置にあり、吐出口が電気熱変換素子１に対して大きくオフセットした位置にある場合でも、円形状と比較して液滴後端部の曲がりは抑制される。

図８で示した吐出動作は、前述の円形吐出口の場合と同様であるが、円形状の外縁部に対して、突起が突出している分だけ曲がりが抑制されている。

電気熱変換素子１に対する吐出口の位置によって、消泡やメニスカス後退の動作が変化するのは円形の吐出口の場合と同様である。図９（ａ）のように電気熱変換素子１に対して吐出口が真上に設けられていると、吐出液滴の後端は曲がらずに吐出する。しかし図９（ｂ）、（ｃ）のように電気熱変換素子１に対して吐出口の位置がずれていると、吐出液滴の後端は図のように曲がって吐出することになるが、突起が突出している分だけ曲がりが抑制される。

次に、本発明の特徴的な構成である異なる長さの突起を備えた吐出口の場合について説明する。

図１０（ａ）、（ｂ）は、異なる長さの突起を備えた吐出口を模式的に示した図である。また、図１１は、図１０（ａ）の吐出口による吐出動作について模式的に示した図であり、図１２（ａ）、（ｂ）は、図１０（ａ）、（ｂ）で示した吐出口における吐出液滴とメニスカスが分離する様子を模式的に示した図である。

本発明では、電気熱変換素子１に対する吐出口オフセットの方向と量によって、２本の突起長さを変えた構成を採用している。図１０（ａ）で示すように、電気熱変換素子１に対して吐出口を共通液室６の方向へずらした場合、共通液室６側にある突起１２を長く、発泡室５奥側の突起１１を短くしている。吐出口外縁部の円形状部は、半径１０μｍの円であり、突起１１の長さは、２μｍで、突起１２の長さが６μｍ、また突起の太さは１１、１２とも３μｍである。また電気熱変換素子１に対する吐出口のオフセット量は３〜２０μｍであることが好ましく、本実施形態では１０μｍである。電気熱変換素子１は、横方向２６μｍ、縦方向３４μｍの長方形形状である。図１０（ｂ）では、その逆で、吐出口が発泡室奥側にあるときは、共通液室６側の突起を短く、発泡室５奥側の突起を長くしている。このとき、２本の突起の先端間の距離は一定に保つように突起長さを変えている。

これは、前述したように、突起付き吐出口はインクミスト低減効果と吐出口の前方抵抗の増加という作用があるが、これは突起の先端間の距離に大きく依存するため、２つの相反する作用のバランスは変化させないことが好ましい。即ち突起先端間の距離は一定に保ったまま、突起の長さを変化させることが必要となる。

従来の吐出口における吐出液滴とメニスカスとが分離する位置を示した図８（ｄ）と、本実施形態の吐出口における吐出液滴とメニスカスとが分離する位置を示した図１１（ｄ）とを比較してみる。図１１（ｄ）の本実施形態の吐出口の方が、突起が中心に近い位置まで延びているため、吐出液滴の後端の曲がりが抑制されている。それに伴い、図１１（ｅ）のように、サテライトの吐出方向と主滴の吐出方向とのずれが少なくなっており、着弾位置も主滴とサテライトとで大きくずれることが抑制される。

図１２（ａ）、（ｂ）は、本発明のオフセットした吐出口の横断面図である。図１２で示すように、吐出口のオフセット位置によって突起長さを変化させることで、分離位置を適正に制御することができる。つまり、吐出口をオフセットした方向で、電気熱変換素子の中心から遠い方の突起を長くし、電気熱変換素子の中心に近い方の突起を短くする。

なお、本実施形態では円形の吐出口について説明したが、円形以外の吐出口であっても、吐出口をオフセットすることで尾引き曲がりが発生するような吐出口では、突起を設けることで尾引き曲がりを抑制し、サテライトの着弾位置ズレを抑制することができる。

また、吐出口が電気熱変換素子１からオフセットする量が、本実施形態よりも更に大きな場合、本実施形態のように２つの向かい合った突起を設けなくとも、吐出口に１つの突起を設ける構成でもよい。ただし、その場合も、インクミスト低減効果と吐出口の前方抵抗の増加が得られるように、突起先端から対抗する吐出口周囲までの距離を一定として突起の長さを設定することが好ましい。

このように、吐出口が電気熱変換素子１に対して大きくオフセットする場合、オフセット量に応じて、突起先端間の領域を電気熱変換素子１の中心側にずらすようにそれぞれの突起の長さを変える。これによって、液滴とメニスカスの分離位置を制御し、尾曲がりの少ない吐出を実現することができた。

以上のように、吐出口オフセットにおける吐出液滴の尾曲がりを抑制することで、サテライトの軌道を制御し、着弾ドット形状を良化させ高品位な画像を得ることが可能な液体吐出ヘッドを実現することができた。

１ 電気熱変換素子
２ 吐出口
３ インク供給口
５ 発泡室
８ 吐出口プレート
１０ インク供給室
１３ 領域
１４ 領域
１５ 領域
３４ 基板
１００ 液体吐出ヘッド

Claims (6)

1. 電気熱変換素子の作用により吐出口から液体を吐出するための液体吐出ヘッドであり、
   前記吐出口は、内側に凸となる少なくとも１つの突起を備え、
   前記電気熱変換素子の中心と、前記吐出口の中心と、がずれて設けられた液体吐出ヘッドにおいて、
   前記吐出口は、前記突起の先端と、該突起の先端と対向する前記吐出口の一部の面と、の間に形成された第１の領域と、
   該第１の領域よりも吐出時の流体抵抗が低く、前記突起の両側部に設けられた第２の領域と、を備え、
   前記第１の領域は、前記吐出口の中心から前記電気熱変換素子の中心側にずれて設けられていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記吐出口は対向して位置する２つの突起を備えており、前記第１の領域は、前記２つの突起の間の領域であ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. 前記電気熱変換素子の中心と前記吐出口の中心とのずれ量は、３〜２０μｍである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. 前記電気熱変換素子の中心と前記吐出口の中心とのずれ量が多いほど、前記第１の領域は、前記吐出口が前記電気熱変換素子からずれた方向と逆の方向に、前記吐出口の中心から多くずれて位置するように前記突起が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを用いて媒体に記録を行うことを特徴とする記録装置。
6. 電気熱変換素子の作用により吐出口から液体を吐出するための液体吐出ヘッドであり、
   前記吐出口は、内側に凸となる少なくとも１つの突起を備え、
   前記電気熱変換素子の中心と、前記吐出口の中心と、がずれて設けられた液体吐出ヘッドにおいて、
   前記吐出口は、吐出時の流体抵抗が高い高抵抗領域と、
   該高抵抗領域の両側に位置し、前記高抵抗領域よりも吐出時の流体抵抗が低い低抵抗領域と、を備え、
   前記高抵抗領域は、前記吐出口の中心から前記電気熱変換素子の中心側にずれて設けられていることを特徴とする液体吐出ヘッド。

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