JP2017061102A - 液体吐出ヘッドおよびインクジェット記録装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】インク流路と液体供給孔との液体の流通を阻害せずに流路形成部材の強度を増すことを可能とする液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】液体を吐出するための液体吐出ヘッドは、エネルギーを発生するためのエネルギー発生素子2と、液体供給口9と、が設けられた基板と、エネルギー発生素子が発生したエネルギーを液体に作用する圧力室6Aと、圧力室に連通する吐出口7と、圧力室と液体供給口との間で液体を連通するための流路6,6Bと、を、基板と接合することによって形成するための流路形成部材8,8Aと、を具え、流路形成部材の、液体供給口に対向する領域から圧力室に向かう流路の一部の領域までの厚みbが、圧力室に対向する領域の厚みaより大きい。【選択図】図2
Description
本発明は、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、液体吐出ヘッドにおける液体流路を形成する部材の強度を増す技術に関するものである。
この種の技術として、特許文献1には、液体吐出ヘッドの液体流路を形成する部材の液体供給孔に対向する部分に、補強部材を設けることが記載されている。より詳しくは、液体吐出ヘッドの基板に形成された空洞である液体供給孔に対向する流路形成部材の部分に、基板側に向かって厚みを増すように梁状突起を設けるとともにこの梁状突起から、吐出口に連通する流路に近接するよう延在する補強リブを設けることが記載されている。
この構造によれば、流路形成部材にそれを基板側へ変形させようとする力が作用したときに、補強リブが基板と接することによって上記変形を抑制することができ、結果として流路形成部材の強度を増すことが可能となる。
しかしながら、比較的高い密度で吐出口を配列した液体吐出ヘッドの場合、補強リブを配置することによる弊害を生じるおそれがある。すなわち、補強リブが高密度に配列することにより、これと、吐出口に連通するインク流路とによって囲まれる空間が、隣接する補強リブによって液体供給孔との連通路が狭くなり、それぞれのインク流路と液体供給孔との液体の流通が阻害される。その結果、例えば、インク流路と液体供給孔との間の液体循環が抑制され、インクの増粘などが生じて吐出性能が低下することがある。
本発明は、上記課題を解決し、インク流路と液体供給孔との液体の流通を阻害せずに流路形成部材の強度を増すことが可能な液体吐出ヘッドおよびその吐出ヘッドを用いたインクジェット記録装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明は、液体を吐出するための液体吐出ヘッドであって、エネルギーを発生するためのエネルギー発生素子と、液体供給口と、が設けられた基板と、前記エネルギー発生素子が発生したエネルギーを液体に作用する圧力室と、圧力室に連通する吐出口と、前記圧力室と液体供給口との間で液体を連通するための流路と、を、前記基板と接合することによって形成するための流路形成部材と、を具え、前記流路形成部材の、前記液体供給口に対向する領域から前記圧力室に向かう前記流路の一部の領域までの厚みが、前記圧力室に対向する領域の厚みより大きいことを特徴とする。
以上の構成によれば、液体吐出ヘッドにおいて、液体供給孔からインク流路への液体の流通が阻害されることを抑制しつつ流路形成部材の強度を増すことが可能となる。
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に係る液体吐出ヘッドを、一部切り欠いて示す斜視図である。液体吐出ヘッド100は、液体としてのインクを吐出するための複数の吐出口7が形成される流路形成部材8と、それぞれの吐出口7に対応してエネルギー発生素子2が設けられた素子基板1と、を備えている。この液体吐出ヘッドは、液体としてインクを用いるインクジェット記録装置に装着されて用いられる。すなわち、インクジェット記録装置は、インクを吐出する液体吐出ヘッドを駆動してシートなどの記録媒体にインクを吐出して記録を行う。
素子基板1は、シリコン(Si)を材料して形成されている。なお、材料はこれに限られず、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂、金属等によって形成することもでる。素子基板1の上面には、流路形成部材8のそれぞれの吐出口7に対向する位置に、エネルギー発生素子として電気熱変換素子2が設けられており、また、電気熱変換素子2に電圧を印加するための電極(不図示)やこの電極に接続された配線(不図示)が所定のパターンでそれぞれ設けられている。この電気熱変換素子2に電圧パルスを印加することにより、インクに気泡を生じさせてその気泡の圧力によって吐出口7からインクを吐出することができる。また、素子基板1の上面には、蓄熱の発散性を向上させる絶縁膜(図示せず)が、電気熱変換素子2を被覆するように設けられている。さらに、素子基板1の主面には、気泡が消泡した際に生じるキャビテーションから保護するための保護膜(図示せず)が、絶縁膜を被覆するように設けられている。素子基板1にはその裏側の面から上面まで貫通するインク供給口(液体供給口)9が設けられている。この共通に設けられたインク供給口9を介して、吐出口ごとの、インク流路および圧力室にインクが供給される。
流路形成部材8は、素子基板1と接合することにより、それぞれの吐出口ごとの圧力室(不図示)、インク流路6、6Bを形成するものである。圧力室はその内部に電気熱変換素子2を含み、電気熱変換素子を駆動することで圧力室内のインクに気泡を生じさせる。インク流路6、6Bは圧力室とインク供給口9との間のインクの流路を形成する。
素子基板1は、支持部材101によって支持され、これにより、液体吐出ヘッド100の主要部が構成される。
本実施形態の液体吐出ヘッド100は、基板1のインク供給口9の長手方向軸に関して対称な、2つの吐出口列を有するものである。これらの吐出口列は、それぞれ600dpi相当のピッチで吐出口7を配列するともに、2つの吐出口列が相互に、配列ピッチの1/2だけずれて配置されることにより、2つの吐出口列全体では、配列方向において1200dpi相当のピッチで吐出口を配列したものである。また、本実施形態の液体吐出ヘッドは、例えば、特開平4−10940号公報などに開示された、インクの吐出時に発生する気泡が吐出口を介して外気に連通した後、圧力室中のインクからインク滴が離れて吐出方式のものである。
以下では、上述した本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの流路形成部材のいくつかの実施形態を説明する。
(第1実施形態)
図2(a)および(b)は、本発明の第1実施形態に係る液体吐出ヘッドの、主に流路形成部材8の構造を示す図である。詳しくは、図2(a)は、流路形成部材8のうち上部分を除いて圧力室6Aやインク流路6、6Bが表れるように示す上面図であり、図2(b)は、図2(a)のA−A´線断面図で、流路形成部材8の上記上部分を除かない状態を示している。また、これらの図は、相互に対称な2つの吐出口列のうち一方の吐出口列に係る部分の流路形成部材8の構造を示しており、上記対称の軸が直線CLとして示されている。さらに、図2(a)において、吐出口7は、実際には見ることができないが、電気熱変換素子2との位置関係を示しため、一点鎖線で示している。
図2(a)および(b)は、本発明の第1実施形態に係る液体吐出ヘッドの、主に流路形成部材8の構造を示す図である。詳しくは、図2(a)は、流路形成部材8のうち上部分を除いて圧力室6Aやインク流路6、6Bが表れるように示す上面図であり、図2(b)は、図2(a)のA−A´線断面図で、流路形成部材8の上記上部分を除かない状態を示している。また、これらの図は、相互に対称な2つの吐出口列のうち一方の吐出口列に係る部分の流路形成部材8の構造を示しており、上記対称の軸が直線CLとして示されている。さらに、図2(a)において、吐出口7は、実際には見ることができないが、電気熱変換素子2との位置関係を示しため、一点鎖線で示している。
図2(a)および(b)に示されるように、流路形成部材8の素子基板1側に増厚領域102、103が設けられる。これらの増厚領域102、103は、流路形成部材8の一部として一体に形成されるものである(図では領域を明確にするために、異なる模様で示している)。なお、この形態に限られず、別の部材を流路形成部材に接合して厚みを増した部分を形成するようにしてもよい。このように、本実施形態の流路形成部材8は、圧力室6A、インク流路6の一部に対向する部分6Bが、厚みaを有し、一方、インク供給口9に対向する部分8Aが厚みbを有している。そして、増厚領域102は、この厚みbの部分が、インク供給口9からインク流路6に入り込む部分まで延在するものである。また、増厚領域103は、流路形成部材の部分8Aの凹部を埋めるように設けられる。また、図2(a)に示されるように、これらの増厚領域102、103は、吐出口7が配列する範囲に対応して延在している。なお、増厚領域102がインク流路に入り込んで延在する長さは、流路形成部材について求める所望の強度の範囲に対して、インク供給口9から圧力室6Aへのインク供給特性などを考慮して定めることができる。例えば、流路形成部材8の厚さは、必要なインク供給量や素子基板1周囲及び電気接続部上部の封止層(不図示)の弾性等に応じて設定する。
従来の流路形成部材は、特に、増厚領域102がない形態であり、そのため、流路形成部材に作用する素子基板1側に向かう力に対して変形し易いものとなる。これに対し、本実施形態の流路形成部材8は、上述したように、特に、増厚領域102を有することによって、流路形成部材の厚みを増すことができ、これにより、流路形成部材に作用する素子基板1側に向かう力に対抗し得る強度を得ることができる。
以上のように増厚領域が設けられた液体吐出ヘッドは、一例として、インク供給口9に近いインク流路6Bの高さdは5〜15μm、また、圧力室6Aと同じ高さのインク流路6の高さcは10〜30μm程度とすることができる。この場合、増厚領域の厚み(b−a)は、少なくとも5μm以上となる。また、流路形成部材8の厚さは20〜80μm程度であり、吐出口7の径は5〜20μm程度である。
以上説明した第一実施形態に係る流路形成部材の構造による効果ついて、さらに、比較例との比較において説明する。
図3(a)および(b)は、第1の比較例に係る液体吐出ヘッドの構造を示す図であり、それぞれ図2(a)および(b)と同様の図である。図2(a)および(b)と同様の要素には同じ符号を付し、その説明は省略する。図3(a)および(b)に示すように、この比較例では、インク流路6のインク供給口9の近傍において素子基板1側へ突出する円柱部10が設けられている。この円柱部10が素子基板1と接することにより、流路形成部材8が素子基板側へ変形するのを抑制することができる。
しかし、何らかの原因で液体吐出ヘッドの流路形成部材に応力が作用すると、図3に示す比較例の構成においては、特に、図3において矢印で示した箇所で、基板側に変形しやすくなる。すなわち、この比較例に係る流路形成部材は、円柱部10があっても、その箇所から離れた、インク供給口9に対向する位置である、図中、矢印の部分で変形し易くなる。その結果、例えば、流路形成部材8と基板1の剥離が生じる。そして、剥離が生じると所望の吐出性能を維持出来なくなる。
図4(a)および(b)は、第2の比較例に係る液体吐出ヘッドの構造を示す図であり、それぞれ図2(a)および(b)と同様の図である。図2(a)および(b)と同様の要素には同じ符号を付し、その説明は省略する。
図4(a)および(b)に示すように、この比較例は、流路形成部材8が、特許文献1と同様、リブ11をインク流路ごとに有する形態である。これにより、第1の比較例で上述したような、インク供給口9に対向する箇所で流路形成部材8が変形することを抑制することができる。また、素子基板1と流路形成部材8の接触面積が増加することにより流路形成部材8と基板1との剥離が生じ難くすることができる。
しかしながら、特許文献1について上述したように、インク流路6を高密度に配列した形態では、インク流路6と、隣接するリブ11によってインク供給口9と、の連通路が狭くなり、それぞれのインク流路とインク供給口とのインクの流通が阻害される。
以上の比較例に対し、図2(a)および(b)に示す本実施形態の構造は、変形が生じ易いインク供給口9に対向する部分からインク流路6の一部までに増厚領域を設けて、流路形成部材の厚みを厚くする。これにより、変形しやすいインク供給口9に対向する部分の剛性を高めることができる。これと同時にインク流路6とインク供給口9の間はリブ11のようにインク流通を阻害するものが無く、インク循環を良好に行うことが可能となる。本実施形態の流路形成部材を有する液体吐出ヘッドをプリンタに搭載して記録を行ったところ、従来の使用期間に対し、良好な記録が可能となる期間が2倍以上となった。
図5(a)〜(j)は、本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法を説明する図である。
先ず、図5(a)に示すように、エネルギー発生素子2を含むシリコン製の基板1上に、流路を形成するための型となる第1の流路パターン51を形成する。第1の流路パターンとなるレジスト材料としてはエネルギー発生素子2との位置関係を精度良くパターニングするために感光性材料が望ましい。本実施形態ではポリメチルイソプロペニルケトン(PMIPK)をポジ型レジスト(ポジ型感光性樹脂)として使用した。レジスト層の形成の方法としては適当な溶剤に溶解し、スピンコート法、ロールコート法等で被膜を形成する方法がある。このとき、図5(b)に示すように、マスク61を介してパターン露光を行うことにより、PMIPKは感光波長領域の260nm〜300nmの紫外光で露光した。
次いで、図5(c)および(d)に示すように、第1の流路パターン51上に、第2の流路を形成するための第2の流路パターン53を形成する。第2の流路パターン53を構成する溶解可能な樹脂(第2のポジ型感光性樹脂)としては、PMMAと呼ばれるポジ型レジストを使用した。PMMAは、メタクリル酸メチル(MMA)とメタクリル酸(MAA)をラジカル重合させて、ポリマー化させた2元共重合体(P(MMA−MAA)=90〜70:10〜30)をシクロヘキサノン溶媒で溶解したものである。このPMMAの2元共重合体(P(MMA−MAA))の脱水縮合反応による熱架橋膜を形成する(不図示)。この脱水縮合反応は、180〜200℃で30〜120分加熱することにより、より強固な架橋膜を形成することができる。なお、この架橋膜は、溶媒不溶型になっているが、DUV光などの電子線が照射された部分のみ、溶媒可溶性となるポジ型レジストである。特に、このPMMAは感光波長領域が260nm未満の紫外光に感光するのに対し、PMIPKは感光波長領域が260nm〜300nmの紫外光に感光するので、露光波長によって選択露光が可能である。尚、ここでは上記第2のポジ型感光性樹脂として、主成分のメタクリル酸メチルにメタクリル酸を重合させた共有重合体を示したが、そのメタクリル酸に替えて無水メタクリル酸を重合したものでもよい。なお、このように選択露光が可能なポジ型レジストであれば、第1及び第2の流路パターンはこれらの材料に限らず、形成方法も上記の方法に限ったものではない。
次いで、図5(e)、(f)に示すように、マスク62とDUV光を照射させる露光装置を用い、この露光装置に波長選択手段として波長260nm以上の紫外光を遮断するフィルターを装着して260nm未満のみの紫外光をレジスト11に照射させる。これにより、第1の流路パターン51を感光することなく第2の流路パターン53を形成することができる。
次いで、図5(g)、(h)に示すように、第2の感光性被覆樹脂層54を塗布して、マスク63を介してパターン露光を行うことにより、吐出口7を形成する。この工程で使用する感光性被覆樹脂層54は、流路壁の構造材料としての高い機械的強度、素子基板1との密着性と耐溶剤性が要求される。また、吐出口7との連通部とエネルギー発生素子2との位置関係を精度良くパターニングするためにフォトリソグラフィーにて形成できる感光性のものが望ましい。さらに、溶解可能な樹脂からなる第1の流路パターン51および第2の流路パターン53を完全に被覆しなければならないので、それ相応の厚さでコーティングしなければならない。本実施形態ではカチオン重合性化合物と光カチオン重合開始剤を含有するネガ型感光性樹脂を用いたが、同様の機能を有する材料であればそれに限ったものではない。その後、図5(i)、(j)に示すように、素子基板1にエッチング等にてインク供給口9を形成し、第1の流路パターン51および第2の流路パターン53を除去することにより、素子基板1上に流路形成部材8を形成する。
(第2実施形態)
図6(a)および(b)は、本発明の第2の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構造を示す図であり、それぞれ図2(a)および(b)と同様の図である。図2(a)および(b)と同様の要素には同じ符号を付し、その説明は省略する。
図6(a)および(b)は、本発明の第2の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構造を示す図であり、それぞれ図2(a)および(b)と同様の図である。図2(a)および(b)と同様の要素には同じ符号を付し、その説明は省略する。
本実施形態が、第1実施形態の液体吐出ヘッドと異なる点は、インク流路6に対向する流路形成部材8の少なくとも1箇所に、素子基板1側に延在するリブ12を設けた点である。このリブ12は、素子基板1と接しており密着している。すなわち、本実施形態は、第1実施形態の増厚領域102、103に加え、吐出口7の配列方向において所定の間隔でリブ12を設けたものである。これにより、流路形成部材8を変形させる応力が発生した際に、流路形成部材8に存在する段差部(境界部)で応力集中を緩和することができる。その結果、第1実施形態と比べてさらにインク供給口9に対向する流路形成部材8の剛性が向上し、流路形成部材8の変形を小さくすることが可能となる。
本実施形態では、リブ12は、インク流路6からインク供給口9との間の領域に配置されており、2つのインク流路6に対し1つの間隔で設けられる。なお、この配置間隔はこれに限定するものではなく、インク流路6の配置密度、形状等を考慮してインク吐出性能上問題とならない範囲でなるべく多く配置することが望ましい。これにより、インク供給口9に対向する流路形成部材8の変形をさらに小さくすることが可能となる。本発明の流路形成部材を備えた液体吐出ヘッドをプリンタに搭載して記録を行ったところ、従来の使用期間に対し、良好な記録が可能となる使用期間が2倍以上となり、第1の実施形態以上の使用期間とすることができた。
(第3実施形態)
図7(a)および(b)は、本発明の第3の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構造を示す図であり、それぞれ図2(a)および(b)と同様の図である。図2(a)および(b)と同様の要素には同じ符号を付し、その説明は省略する。
図7(a)および(b)は、本発明の第3の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構造を示す図であり、それぞれ図2(a)および(b)と同様の図である。図2(a)および(b)と同様の要素には同じ符号を付し、その説明は省略する。
本実施形態は、図3(a)および(b)に示す比較例と同様、円柱部10を設けるものである。これとともに、増厚領域102が延在する長さを、図2(a)および(b)に示す第1実施形態と比較して、円柱部10からインク供給口9側へ所定長さだけ短くしたものである。
これは、プリンタで使用するインクの物性によってはインク供給口9近傍の流路形成部材8の厚さがインクの吐出性能に与える影響が大きい場合がある。つまり、各インク流路6と連通する円柱部10周囲の流路の流路形成部材8の厚さを、よりインク供給口9側の位置まで維持して流路形成部材8の厚さを薄くする。これにより、各インク流路6の流抵抗が流路形成部材8の増厚領域によって大きくなるのを抑制し、例えば、粘性の高いインクでも使用可能となる。
またこの時、インク流路6Bの高さcと増厚領域に対応する流路の高さcが切り替わる位置から円柱部10までの距離eの関係は、「距離e>高さ(c−d)」の関係である。例えば、高さdが10μm、高さcが15μmである場合は、円柱部10からの距離eは5μmより短い3μm程度である。
以上の本実施形態によれば、流路形成部材8をインク供給口9と反対方向凸となるような変形を生じさせる力が作用した場合、円柱部10からの距離eは、縮まる方向に変形する。この場合、上述した関係「距離e>高さ(c−d)」によって、上記凸状の流路形成部材8の変形に対して、流路形成部材8の増厚領域102による段差部と円柱部10とが干渉することによって変形を抑制することが可能となる。
(第4実施形態)
図8(a)および(b)は、本発明の第3の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構造を示す図であり、それぞれ図2(a)および(b)と同様の図である。図2(a)および(b)と同様の要素には同じ符号を付し、その説明は省略する。
図8(a)および(b)は、本発明の第3の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構造を示す図であり、それぞれ図2(a)および(b)と同様の図である。図2(a)および(b)と同様の要素には同じ符号を付し、その説明は省略する。
本実施形態の液体吐出ヘッドは、エネルギー発生素子2は、千鳥状に例えば2400dpiの密度で配列している。また、図8(b)に示すように、エネルギー発生素子2の配列方向に対し、ほぼ垂直方向の両側のインク流路6を介して、それぞれのインク供給口9からインクが供給される形態である。
本実施形態においても、流路形成部材8のそれぞれのインク供給口9に対向する部分に、増厚領域102を設ける。これにより、変形しやすい箇所の流路形成部材8の厚さを増し、流路形成部材8の強度を高くすることができる。
それ以外の流路形成部材の構成及び柱状梁部である円柱部10の構成は第1から第3の実施形態のいずれかに準じておれば良い。
それ以外の流路形成部材の構成及び柱状梁部である円柱部10の構成は第1から第3の実施形態のいずれかに準じておれば良い。
1 基板
2 エネルギー発生素子(電気熱変換素子)
6、6B インク流路
6A 圧力室
7 吐出口
8、8A 流路形成部材
9 インク供給口
10 円柱部
11、12 リブ
102、103 増厚領域
2 エネルギー発生素子(電気熱変換素子)
6、6B インク流路
6A 圧力室
7 吐出口
8、8A 流路形成部材
9 インク供給口
10 円柱部
11、12 リブ
102、103 増厚領域
Claims (5)
- 液体を吐出するための液体吐出ヘッドであって、
エネルギーを発生するためのエネルギー発生素子と、液体供給口と、が設けられた基板と、
液体を吐出する吐出口を備える流路形成部材と、
前記基板と前記流路形成部材との間に設けられる、前記吐出口と連通するとともに前記エネルギー発生素子を内部に備える圧力室および、当該圧力室と前記供給口とを連通する流路と、
を具え、
前記流路形成部材の、前記液体供給口に対向する領域から前記圧力室に向かう前記流路の一部の領域までの厚みが、前記圧力室に対向する領域の厚みより大きいことを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記流路形成部材の、前記液体供給口に対向する領域から前記圧力室に向かう前記流路の領域は、前記圧力室に向かう方向に沿ったリブであって、当該領域の厚みより大きな厚みのリブを有することを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
- 複数の前記リブが、前記エネルギー発生素子の配列方向に沿って配置され、前記リブは、前記圧力室と前記液体供給口との間の領域に設けられることを特徴とする請求項2に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記流路形成部材の、前記液体供給口に対向する領域から前記圧力室に向かう前記流路の一部の領域は、円柱部を有し、前記円柱部は、前記厚みが異なる領域の境界に対して前記圧力室の側に設けられることを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
- インクを吐出して記録媒体に記録を行うインクジェット記録装置であって、
インクを吐出するための液体吐出ヘッドであって、エネルギーを発生するためのエネルギー発生素子と、インク供給口と、が設けられた基板と、液体を吐出する吐出口を備える流路形成部材と、前記基板と前記流路形成部材との間に設けられる、前記吐出口と連通するとともに前記エネルギー発生素子を内部に備える圧力室および、当該圧力室と前記供給口とを連通する流路と、を具え、前記流路形成部材の、前記液体供給口に対向する領域から前記圧力室に向かう前記流路の一部の領域までの厚みが、前記圧力室に対向する領域の厚みより大きい液体吐出ヘッドと、
前記液体吐出ヘッドから記録媒体にインクを吐出させて記録を行う記録手段と、
を具えたことを特徴とするインクジェット記録装置。
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