JP2015134494A - 記録素子基板、液体吐出ヘッドおよびインクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】記録素子基板の液体供給路の構造において、滞留する気泡の存在に係わらず液体供給路を確保するとともに、供給径路間の、供給される液体の速度差を低減することを可能とする。
【解決手段】矩形状の供給孔２１０の短い方の辺に凹部４０１を設ける。これにより、凹部４０１による流路を確保することができ、気泡２０４が供給孔２１０の一端に寄って接するようにトラップされた場合でも、その状態で発生するインク流れ４０３およびインク流れ４０４は、それらに対する流抵抗の差を小さくすることができる。このように、気泡２０４の周囲を流れるインク流れの速度を全体できに小さくでき、その結果、気泡２０４が吐出口側などへ移動することによる吐出不良を抑制することができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、記録素子基板、液体吐出ヘッドおよびインクジェット記録装置に関し、詳しくは、インク等の液体を吐出するための液体吐出ヘッドにおける基板に設けられる液体供給孔の構成に関するものである。

インクジェット記録装置で用いられる記録ヘッド等の液体吐出ヘッドでは、基板の一方の側に設けられた液体吐出部に液体を供給するために、基板に貫通孔（液体供給孔ないし液体供給路）を設け、基板の反対側の面から液体を供給する方式を採用するものがある。特許文献１には、この方式の液体吐出ヘッドの基板に設けられる液体供給孔の形状が、液体の供給方向に沿って供給路の断面積が増加しその後減少するものが記載されている。この形状を、以下では、ひし形ともいう。この供給孔がひし形形状であることにより、記録素子基板の特に幅方向のサイズを小さくでき、液体吐出ヘッドの小型化が可能となり、あるいは吐出する液体の種類の増大に伴う液体吐出ヘッドの大型化を抑制することができる。

しかし、一方で、ひし形の供給路形状を持つ液体吐出ヘッドの場合、液体中に生じた気泡がこのひし形部分に滞留し易くそれによって供給される液体の流通を妨害し液体吐出ヘッドの吐出不良を生じさせるという問題がある。これに対し、特許文献２には、インク供給孔から離れた端部領域に気泡を停滞させ、吐出不良を回避する方法が記載されている。また、特許文献３には、インク供給孔の断面形状を矩形などの多角形としたり、インク供給孔の周囲に溝を有する形状としたりすることにより、気泡が滞留しても上記角や溝の部分によって供給路を確保することが記載されている。

特開２００７−２６９０１６号公報 特開２０００−１７７１１９号公報 特開平０４−２５００４６号公報

しかしながら、特許文献２のように泡退避領域を設け、吐出不良を抑制する手法の場合、気泡サイズが小さなものに対して効果が期待できるが、液体供給孔内の比較的大きな気泡については退避領域に気泡を導いても気泡の一部が液体の流通を妨害することがある。

また、液体供給孔の、液体供給方向に直交する方向に沿った断面形状は、特許文献１（の図１）に記載されているように、矩形であることが多い。この場合、供給孔に気泡が滞留した場合でも特許文献３に記載のように矩形の角の部分によって流路を確保することができる。しかしながら、気泡が矩形の一方に寄って断面全体を塞ぐものでない場合には、その塞がれていない部分と角の部分との間で、液体を供給するときの流速の差を生じることがある。そして、流速の差によって気泡が液体吐出部側に移動し、例えば、吐出部の入り口を塞ぐなどの問題を派生させる。

本発明は、滞留する気泡の存在に係わらず液体供給路を確保するとともに、供給径路間の、供給される液体の速度差を低減することが可能な記録素子基板、液体吐出ヘッドおよびインクジェット記録装置を提供することを目的とする。

そのために本発明では、液体を吐出するための吐出口が設けられた記録素子基板であって、前記記録素子基板には、前記吐出口が設けられた側の面と反対側の面から前記吐出口が設けられた側の面に向かう方向に沿って形成された液体供給路であって、前記方向に直交する方向に沿った断面の面積が前記方向に沿って増大しその後減少する形状を有した液体供給路が設けられ、前記液体供給路は、前記吐出口が設けられた側の面と反対側の面に矩形状の開口端を有し、当該矩形状の短い方の辺に、前記吐出口が設けられた側の面に向かう方向に所定の深さを有した凹部が形成されていることを特徴とする。

以上の構成によれば、滞留する気泡の存在に係わらず液体供給路を確保できるとともに、供給径路間の、供給される液体の速度差を低減することができ、気泡が移動することによる吐出不良を抑制することが可能となる。

本発明の液体吐出ヘッドの一実施形態であるインクジェット記録ヘッドを示す斜視図である。 従来技術に係る液体吐出ヘッドの、主に記録素子基板の構成を示す断面図である。 図２のIII−III断面を示す断面図である。 図３のIV−IV断面を示す断面図である。 図４のV−V断面を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る、図２のＶ−Ｖ断面と同じ断面を示す断面図である。 図６のVII−VII断面を示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る供給孔２１０変形例を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る、図６のVII−VII断面と同じ位置の断面を示す断面図である。

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、本発明の液体吐出ヘッドの一実施形態であるインクジェット記録ヘッドを示す斜視図である。図１において、本実施形態の記録ヘッド（以下、液体吐出ヘッドともいう）１００は、記録素子基板１０１と記録素子基板１０１から吐出するためのインクを収容したインク貯蔵部１０２とを有して構成される。詳しくは、記録素子基板１０１は、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）のインクをそれぞれ吐出する、複数の吐出口（ノズル）を配列した、３列の吐出口列を備えている。インク貯蔵部１０２は、これに応じてＣ、Ｍ、Ｙのインクを収容するそれぞれの貯蔵部を備えている。記録素子基板１０１とインク貯蔵部１０２は、支持部材１０４を介して互いに接続され、この支持部材１０４にインク貯蔵部１０２と記録素子基板１０１の吐出口との間のインク通路が設けられている。記録素子基板１０１の周囲およびインク貯蔵部１０２の一部には電気配線基板１０３が設けられ、これにより、記録ヘッドがインクジェット記録装置に装着されたときに、装置制御部と記録ヘッドとの間で電気接続をすることが可能となる。

次に、本発明の一実施形態に係る記録素子基板におけるインク供給孔の説明をする前に、特許文献１などに記載の従来技術に係る記録ヘッドにおける、主に、インク供給孔（液体供給路）の構成を説明する。

図２は、特許文献１などの従来技術に係る液体吐出ヘッドの、主に記録素子基板の構成を示す図であり、図１におけるII‐II線に沿った断面（本発明の実施形態の断面構成とは異なる構成）を示している。図２に示すように、記録素子基板１０１は、基板２０３と吐出口形成部材２０２とを有して構成されている。そして、基板２０３には、貫通孔であり、その断面がひし形状となる液体供給孔２１０が形成されている。詳細には、液体供給路２１０は、基板２０３の吐出口２０１が設けられた側の面と反対側の面（裏面）から吐出口が設けられた側の面に向かう方向に沿って形成される。そして、液体供給路２１０は、上記吐出口が設けられた側の面に向かう方向に直交する方向に沿った断面の面積が、上記吐出口が設けられた側の面に向かう方向に沿って増大しその後減少する形状を有している。また、吐出口形成部材２０２には、上述した吐出口（ノズル）２０１が形成され、この吐出口に対向する基板２０３の面に吐出に利用される熱エネルギーを発生するためのヒータ（吐出エネルギー発生素子；不図示）が設けられている。以上のように構成される記録素子基板１０１は、記録ヘッドの支持部材１０４に接着剤２０６によって接合されている。支持部材１０４の内部には、Ｃ、Ｍ、Ｙそれぞれのインクのインク流路２０５が設けられ、これらのインク流路２０５はそれぞれ対応するインク貯蔵部に連通している。

図２に示すように、吐出口２０１の近傍や供給孔２１０、インク流路２０５などのインク供給系に存在する気泡が集まってあるいは成長して比較的大きな気泡２０４となって、供給孔２１０内にトラップされることがある。この気泡２０４は、その表面張力と浮力との関係が、インク流路２０５側からみて供給孔２１０の形状が次第に広がる形状によってトラップされる方向に力を作用させるからである。このような、比較的大きな気泡２０４がトラップされた状態で、高周波駆動で大量のインク吐出を行うと、図３〜図５にて後述するように、供給孔２１０内の気泡２０４が吐出口２０１側に引き込まれ、吐出不良が発生することがある。

図３は、図２のIII−III断面を示す断面図である。図３に示すように、気泡２０４が供給孔２１０の中央付近にトラップされている場合、インク流れ３１１とインク流れ３１２の流速はほぼ等しくなる。これに対し、図４は、図３のIV−IV断面を示す断面図であり、図４に示すIII−III断面およびＶ−Ｖ断面は、図２のそれぞれ同じIII−III断面およびＶ−Ｖ断面を示している。図４に示す、Ｖ−Ｖ断面位置の気泡２０４のように、断面形状が矩形をなす供給孔２１０の一方の端に寄って気泡がトラップされる場合がある。図５は、この場合のＶ−Ｖ断面を示す断面図である。図５に示すように、供給孔２１０の一方の端部に気泡２０４がトラップされた状態では、インク流れ３０１とインク流れ３０２の流抵抗の差が大きくなり、また、インク流れ３０２の速度が増大する。インク流れ３０２の速度は、図３に示した気泡２０４の両端をほぼ均等に流れるインク流れ３１１および３１２に比べて、約２倍程度となることがある。このような現象によって、駆動周波数が高く、高デューティーの吐出を行う場合、インク流れ３０２の流速は極めて増大する。そのため、気泡２０４の下側の圧力が低下し、ある流速を超えると吐出口２０１側へ気泡２０４が引き込まれることがある。

さらに、本例のように３色一体の液体吐出ヘッドの場合、図２および図４に示すように、基板２０３内に供給孔２１０が並列に並ぶ構成となることが多い。その結果、中央の供給孔２１０に接続するインク流路２０５の形状が、両側のインク流路２０５の構造に対して自由度が低いため、インク流路２０５の幅が狭い領域が長く、気泡２０４を退避させる体積も小さくなる傾向がある。例えば、図５に示すように、インク流路２０５の形状が狭く長い領域の場合、気泡２０４が浮力によって、図５において、供給孔２１０の上方に退避する際、これを妨害する位置に支持部材１０４が存在することもある。その結果、中央の供給孔２１０およびインク流路２０５内の気泡２０４はインク貯蔵部（不図示）側に退避することなく、とどまる傾向になる。

図５において、インク流れ３０２の流速は、概略、気泡２０４の下側に存在する吐出口の数と駆動周波数等に比例し、気泡２０４の下側のインク供給孔の断面積に反比例する。そのため、トラップされた気泡２０４の長さが長くなる（体積が大きい）ほど、インク流れ３０２の流速が増加する。そして、供給孔２１０および支持部材の流路２０５が狭小になるほど、トラップされる気泡２０４長さが長くなる傾向にあり、吐出不良の発生率も増加する。

以下では、上述した従来技術における気泡による問題を解決する本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドは、図１にて上述したものである。また、本実施形態に係る図１のII-II線断面の構成は、図２に示したのと同様、断面がひし形形状の供給孔となる。以下の説明では、図２〜図５に示したヘッド構造と異なる点を、主に説明する。

図６は、本実施形態に係る、図２のＶ−Ｖ断面と同じ位置の断面を示す断面図である。図６において、記録素子基板１０１は支持部材１０４と接合されており、記録素子基板１０１は、吐出口を備える部材である吐出口形成部材２０２基板２０３とを含んでいる。基板２０３は吐出口形成部材２０２との接合面（第１面）と、支持部材１０４との接合面（第２面）とを備え、第１面と第２面とを連通する供給孔２１０を備える。図７は、図６のＶII−ＶII断面を示す断面図である。この切断面では、図７に示すように、供給孔２１０は矩形状の開口端を有している。図６および図７に示すように、本実施形態は、矩形状の供給孔２１０の短い方の辺の両方に凹部４０１を設ける。図６に示すように、凹部４０１は吐出口側に向かって所定の深さを有している。また、凹部４０１は上記矩形状の長い方の辺に沿った方向に延在している。尚、基板２０３の、支持部材１０４と接合される接合面における供給孔２１０の形状も、上述したＶII−ＶII断面を示す断面図である図７の形状と実質的に同じである。つまり基板２０３の接合面においても凹部４０１が形成されている。

以上の凹部の構造によって、凹部による流路を確保することができ、気泡２０４が供給孔２１０の一端に寄って接するようにトラップされた場合でも、その状態で発生するインク流れ４０３およびインク流れ４０４は、それらに対する流抵抗の差を小さくすることができる。そして、この場合のインク流れ４０４の流速は、図５の状態のときのインク流れ３０２と比べて小さくなる。このように、気泡２０４の周囲を流れるインク流れの速度を全体できに小さくでき、その結果、気泡２０４が吐出口側などへ移動することによる吐出不良を抑制することができる。

本実施形態では、結晶軸異方性エッチングによるエッチングを行うことにより、インク供給孔２１０を形成する。図７の断面図で示す矩形状の開口を形成するため、基板２０３の接合面に設けたマスクによってエッチング部位を選択する。その際、断面がひし形形状の供給孔２０１とともに凹部４０１を形成することができる。また、凹部４０１は、吐出口２０１側に向かうよう形成され、これにより、３つの供給孔２０４のピッチに影響を及ぼすことはない。

図８は、本実施形態に係る供給孔２１０変形例を示す断面図であり、それぞれの供給孔２１０に２つの凹部を設けた例を示している。これにより、図７に示す凹部４０１よりも確保される流路の断面積を広くでき、流抵抗をさらに小さくすることができる。この構成は、結晶軸異方性エッチングにおいて、マスクおよびエッチング条件によって形成することができる。なお、この凹部の数は２つに限られず、形成される部位のサイズなどに応じて３つ以上の複数設けてもよい。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、供給孔２１０の両端に、第１実施形態で説明した凹部４０１に加えて供給孔の矩形形状の短手方向に沿った凹部を設ける形態に関するものである。図９は、本実施形態に係る、図６のVII−VII断面と同じ位置の断面を示す断面図である。図９に示すように、３列の供給孔２１０のうち中央の供給孔２１０の長手方向両端に、凹部４０１に加えて供給孔の矩形形状の短手方向に沿った凹部４０２が設けられる。

図５に関して前述したように、３色のインクの供給孔２１０を持つ基板２０３を使用する液体吐出ヘッドの場合、中央の供給孔２１０に対応する支持部材１０４内の流路２０５の構造が、両端の流路構造に比べ狭い流路形状が長くなる傾向にある。そのため、中央の供給孔２１０や流路２０５内に気泡がより滞留し易くなる。そして、供給孔２１０内にトラップされた気泡の長さが長くなり易い。

これに対し、本実施形態では、３列の供給孔２１０のうち、中央の供給孔２１０の長手方向両端に、凹部４０１に加えて供給孔の矩形形状の短手方向に沿った凹部４０２を設ける。これにより、供給孔２１０の長手方向端部に気泡２０４が接するように滞留した場合でも十分な流量を確保することができる。また、３つの総ての供給孔２１０の短手方向に沿って凹部４０１を設ける場合に、３つの供給孔の間の距離が小さくなって、例えば、記録素子基板１０１と支持部材１０４との接着面積を確保できなくなることを回避することができる。

１００ 液体吐出ヘッド
１０１ 液体吐出ヘッド用基板
１０４ 支持部材
２０１ 吐出口（ノズル）
２０２ 吐出口形成部材
２０３ 基板
２０４ 気泡
２０５ インク流路
４０１、４０２ 凹部

Claims (13)

1. 液体を吐出するための吐出口が設けられた記録素子基板であって、
   前記記録素子基板には、前記吐出口が設けられた側の面と反対側の面から前記吐出口が設けられた側の面に向かう方向に沿って形成された液体供給路であって、前記方向に直交する方向に沿った断面の面積が前記方向に沿って増大しその後減少する形状を有した液体供給路が設けられ、
   前記液体供給路は、前記吐出口が設けられた側の面と反対側の面に矩形状の開口端を有し、当該矩形状の短い方の辺に、前記吐出口が設けられた側の面に向かう方向に所定の深さを有した凹部が形成されていることを特徴とする記録素子基板。
2. 前記凹部は、前記短い方の辺に複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の記録素子基板。
3. 前記凹部は、前記矩形状の長い方の辺に沿った方向に延在していることを特徴とする請求項１または２に記載の記録素子基板。
4. 複数の前記液体供給路を並列に配列し、当該配列において端に配列されない液体供給路の前記矩形状の短い方の辺の端部には、さらに前記短い方の辺に沿って凹部が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の記録素子基板。
5. 液体吐出ヘッドであって、
   液体を吐出するための吐出口が設けられた記録素子基板であって、前記吐出口が設けられた側の面と反対側の面から前記吐出口が設けられた側の面に向かう方向に沿って形成された液体供給路であって、前記方向に直交する方向に沿った断面の面積が前記方向に沿って増大しその後減少する形状を有した液体供給路が設けられた記録素子基板、
   を具え、前記液体供給路は、前記吐出口が設けられた側の面と反対側の面に矩形状の開口端を有し、当該矩形状の短い方の辺に、前記吐出口が設けられた側の面に向かう方向に所定の深さを有した凹部が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
6. 前記凹部は、前記短い方の辺に複数設けられていることを特徴とする請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記凹部は、前記矩形状の長い方の辺に沿った方向に延在していることを特徴とする請求項５または６に記載の液体吐出ヘッド。
8. 複数の前記液体供給路を並列に配列し、当該配列において端に配列されない液体供給路の前記矩形状の短い方の辺の端部には、さらに前記短い方の辺に沿って凹部が設けられていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
9. 請求項５ないし７のいずれかに記載の液体吐出ヘッドを用いてインクを吐出し記録を行うインクジェット記録装置。
10. 液体吐出ヘッドであって、
    液体を吐出する吐出口が配列される吐出口列を備える部材と、
    前記部材と接合される第１面と、前記第１面の裏面である第２面と、前記第１面と前記第２面とを連通し前記第２面に沿った断面の面積が、前記第２面から前記第１面に向かう第１方向に増大する部分と減少する部分とを備える、前記吐出口列に沿った第２方向に延在する液体供給路と、を備える基板と、
    を具え、前記液体供給路の前記第２面における開口の前記第２方向における端部に、前記第１方向に所定の深さを有した凹部が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
11. 前記第２方向と直交する第３方向における前記凹部の長さは、前記開口の端部の前記第３方向の長さより短いことを特徴とする請求項１０に記載の液体吐出ヘッド。
12. 前記凹部の前記第２方向の長さは、前記凹部の、前記第２方向と直交する第３方向の長さより長いことを特徴とする請求項１０に記載の液体吐出ヘッド。
13. 前記凹部は前記液体供給路の前記断面の面積が増大する部分に設けられていることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。

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