JP2023082851A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】長期的に安定した液体吐出が可能な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複数の吐出口５２と、共通液室５０と、共通液室５０を複数の吐出口５２のそれぞれと連通する複数の個別液室５３と、を有する枠体（４０、４２、４３）と、複数の個別液室５３のそれぞれに配置される複数のエネルギー発生素子５１と、を備える液体吐出ヘッドにおいて、共通液室５０を形成する枠体の壁の一部（４３）が、共通液室５０の容積を変化させることができるように弾性変形可能な弾性部材（４３）で形成されていることを特徴とする。【選択図】図５

Description

本発明は、液体を吐出する液体吐出ヘッドに関する。

インク等の液体を吐出する液体吐出ヘッドが知られている。液体吐出ヘッドでは、吐出口列を備える記録素子基板が支持部材の上に実装され、支持部材の内部の液室と記録素子基板に吐出口列ごとに設けられた供給口とが接続されて、液室から吐出口までの液体流路が形成される。近年においては、高速記録の要求から液体吐出ヘッドに配列される吐出口の数も多くなってきており、大流量の液体を供給できる流路設計が求められている。

液体吐出ヘッドでは、インク等の流体を取り扱うため、液体の振動によって吐出口においてメニスカスが振動し、吐出精度が低下することがある。メニスカス振動は、高密度で多くの吐出口が配列され単位時間あたりの液体流量が多い液体吐出ヘッドにおいて生じやすい。例えば、複数の吐出口からの液体吐出が一気に停止された場合、液体が吐出口の前方へ移動しようとする慣性力が大きくなり、この慣性力により吐出口内の液体が押し出されて、吐出口におけるメニスカスが飛び出した状態になる可能性がある。一方、液体の供給源である液体タンクは、一般的に供給口から液体垂れが生じないようにするため、負圧力を維持させる構成になっている。このことから、液体タンクから供給される液体には上流側（液体タンク側）へ引き戻そうとする力が作用する。よって、上述したような吐出口でメニスカスが飛び出した状態の液体は、その後、反対側に後退しようとする。

このように、吐出停止時は、吐出口においてメニスカスが前方に飛び出したり後方へ後退したりする、いわゆるメニスカス振動が誘発される。このような振動は単位時間当たりの液体流量が増えるほど大きくなる。そして、メニスカスが前方に飛び出した状態や後方に後退した状態で次の吐出が行われると、前者では小さなインク滴が飛び散り、後者では吐出速度や吐出量が小さくなり、いずれの場合も吐出乱れ等の吐出不良が生じてしまう。また、吐出の停止状態から複数の吐出口より液体吐出を一気に開始した場合、液体は停止状態から動き始めることになる。よって、液体の最初の吐出後では、液体が吐出口の前方へ移動しようとする慣性力が、吐出口内に液体を完全にリフィルするための十分な大きさにならないおそれがある。したがって、吐出口におけるメニスカスが引き込まれた状態で、次の吐出が開始されると、吐出乱れ等の吐出不良が生じてしまう。

特許文献１には、吐出口でのメニスカス振動を低減可能な液体吐出ヘッドが記載されている。特許文献１に記載の液体吐出ヘッドは、気体（例えば気泡）を蓄えるバッファ室を液室に備えている。このバッファ室内の気体によって、吐出口でのメニスカス振動を吸収減衰させる。

特開２００６－２４０１５０号公報

特許文献１に示されるようにバッファ室内の気体によって、吐出口でのメニスカス振動を吸収減衰させる場合、長時間の液体吐出によりバッファ室内の気体が液体に溶け、バッファ室内の気体の体積が減少することがある。この減少により、メニスカス振動の吸収減衰能力が低下し、吐出不良が引き起こされる。さらに特許文献１のような系ではノズルか
らバッファ室までの距離が遠く、十分な効果が得られない懸念がある。

本発明の目的は、長期的に安定した液体吐出が可能な液体吐出ヘッドを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドは、
液体を吐出するための複数の吐出口と、共通液室と、前記共通液室を前記複数の吐出口のそれぞれと連通する複数の個別液室と、を有する枠体と、
前記複数の個別液室のそれぞれに配置される複数のエネルギー発生素子と、
を備える液体吐出ヘッドにおいて、
前記共通液室を形成する前記枠体の壁の一部が、前記共通液室の容積を変化させることができるように弾性変形可能な弾性部材で形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、長期的に安定した液体吐出が可能な液体吐出ヘッドを提供することができる。

各実施形態の液体吐出ヘッドを示す斜視図である。 各実施形態の液体吐出ヘッドの部品構成を示す分解斜視図である。 各実施形態の液体吐出ヘッドの内部構造を示す模式的断面図である。 各実施形態における記録素子の分解図である。 第一の実施形態に係る記録素子の模式的断面図である。 第一の実施形態に係る記録素子の模式的断面図である。 第二の実施形態に係る記録素子の模式的模式図である。 第三の実施形態に係る記録素子の模式的模式図である。 第三の実施形態に係る記録素子の他の例の模式的模式図である。 第四の実施形態に係る記録素子の模式的断面図である。 第五の実施形態に係る記録素子の模式的断面図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状それらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。すなわち、この発明の範囲を以下の実施の形態に限定する趣旨のものではない。

（実施形態）
＜液体吐出ヘッドの概要説明＞
図１は、本発明の各実施形態における、インク等の液体を吐出する液体吐出ヘッド１の組み立て後の状態を示し、図２は、図１の液体吐出ヘッド１の構成と組み立て前の分解図を示している。以下で説明する液体吐出ヘッド１は、画像記録装置としてのインクジェットプリンタ等において、記録材に対して画像記録用液体としてのインクを吐出することで、記録材上に所望の画像を記録するために用いられるインクジェット記録ヘッドとして構成される。ただし、本発明は、インクジェット記録ヘッド以外の用途にも好適に適用し得るものである。

まず、液体吐出ヘッド１の全体構成についての概略を説明する。図示される液体吐出ヘッド１は、記録用の液体として、例えば、黒色（ブラック）のインクと、黒色以外の６色
のカラーインクを吐出するものである。黒色インク及びカラーインクを総称して記録液と称する場合がある。

液体吐出ヘッド１は、サブタンクユニット１０、第一弾性部材１１、ヘッド本体部１２および記録素子ユニット１４から構成される。このとき、第一弾性部材１１をサブタンクユニット１０とヘッド本体部１２で挟持し、外周部をビス止めすることでシールしている。また、第二弾性部材１３をヘッド本体部１２と記録素子ユニット１４で挟持し、外周部をビス止めすることでシールしている。記録素子ユニット１４は、支持部材３１、電気基板３２、電気配線基板３３、および記録素子３０で構成される。

図３は、図１の液体吐出ヘッド１のＡ－Ａ断面を示しており、液体吐出ヘッド１の内部のインク供給経路を示している。インクは、外部に存在する不図示のインクタンク（例えば、プリンタ本体に設けられた液体収容部）から、ジョイント部２１を介して液体吐出ヘッド１の内部に供給される。液体吐出ヘッド１の内部に供給されたインクは、インク室２２、フィルター２３を通過し、内部流路２４を介し、記録素子ユニット１４に到達する。

図４は、記録素子３０の構成を示す分解図である。記録素子３０は、シリコン（Ｓｉ）で構成される記録素子基板４０と、記録素子基板４０上にフォトリソグラフィー技術によって形成される流路部材４１によって形成される。このとき、流路部材４１は、流路形成部材４２と、流路形成部材４２と記録素子基板４０との間の密着性を向上させるための密着向上材（密着向上樹脂層）４３と、から形成されている。

ついで、記録素子３０を形成するための製造工程を説明するが、あくまでも一例であり、本実施形態における記録素子３０の製造方法は、必ずしもこの工程に限定されるものではない。

まず、記録素子基板４０の上に、密着向上材４３を形成する。その後、露光機とフォトマスクによって開口部を形成する。この形成方法の一例としては、密着向上材４３に感光材料を用いて、露光機とフォトマスクによって任意の形状にパターニングする方法が挙げられる。露光機からの光が照射された部分のみ密着向上材４３が硬化し、フォトマスクによって影になった部分が未硬化状態のまま残るため、光照射後に未硬化部分を洗い流すことで所望の形状が形成できるというものである。

なお、密着向上材４３に用いる材料によっては、光が照射されなかった部分のみ硬化させることができるというような性質のものも存在するが、本件においてはどちらでも構わない。少なくとも、後述するバッファ機能を発揮する弾性変形が可能な材料であればよい。続いて、任意の形状に形成された密着向上材４３の上に流路型材を配置、さらに流路形成部材４２を配置し、吐出口５２および、貫通部５５を形成する。その後、薬剤により流路型材を取り除くことで、流路部が形成される。

（第一の実施形態）
図５は、図４のＢ－Ｂ断面を示しており、図６は、図５のＣ－Ｃ断面を示している。本実施形態に係る記録素子（液体吐出素子）３０は、記録素子基板４０と、流路部材４１（流路形成部材４２、密着向上材４３と、から構成される枠体により、後述する各種液体流路を備えた構造体が形成されている。

記録素子基板４０は、複数のエネルギー発生素子としての複数のアクチュエータ５１が実装されている。記録素子基板４０は、さらに、共通液室５０を形成する壁面の一部を構成する貫通部（基板貫通部）４０５が、アクチュエータ５１の実装面で開口するように、記録素子基板４０を貫通して設けられている。アクチュエータ５１は、本実施形態では電
気熱交換素子であるが、ピエゾ素子など、他の圧力発生手段であってもよい。流路形成部材４２は、各アクチュエータ５１に対応する位置に、複数の吐出口５２を有しており、またそれぞれに対応する個別液室５３を有している。具体的には、流路形成部材４２は、記録素子基板４０に対向する対向面に凹部４２３を有している。かかる凹部４２３は、各アクチュエータ５１のそれぞれを個別に覆うとともに、記録素子基板４０の貫通部４０５と部分的に対向するように設けられ、記録素子基板４０のアクチュエータ実装面との間に複数の個別液室５３を区画形成する。また、凹部４２３において各アクチュエータ５１のぞれぞれと対向する位置に、複数の貫通孔４２２が設けられており、この貫通孔４２２が、吐出口５２を形成する。

なお、図６中の５７は、共通液室５０と各個別液室５３との間に支柱状に形成される構造部であり、流路内の異物の流通を抑制するためのフィルターである。

本実施形態では、アクチュエータ５１は、千鳥状に配置されており、片側６００ｄｐｉ、両側１２００ｄｐｉの密度で配置されている。インクは、共通液室５０から各個別液室５３に供給されたのち、アクチュエータ５１の駆動によって吐出口５２から外部へ吐出される。

複数の吐出口５２は、記録素子基板４０の長手方向に等間隔に配置された列が、本実施例では２列（第１の吐出口列と第２の吐出口列）平行に形成されている。個別液室５３は、第１の吐出口列に対応する第１の個別液室列と、第２の吐出口列に対応する第２の個別液室列と、を含み、流路形成部材４２は、共通液室５０に対して第１の個別液室列と第２の個別液室列とを仕切る壁部としてのリブ５４を有している。リブ５４は、共通液室５０と対向する位置に設けられ、基板貫通部４０５とともに共通液室５０を形成する壁面の一部を構成する。

リブ５４は、凹部４２３に対して基板貫通部４０５に向かって突出するように形成された凸部である。共通液室５０は、複数のアクチュエータ５１の並び方向と平行な記録素子基板４０の長手方向に延びて形成されており、これに合わせてリブ５４も上記長手方向に延伸した形状となっている。リブ５４は、本実施形態では、流路形成部材４２の長手方向に対して一方の端部から他方の端部に向かって延伸していて、幅Ｗ１が６０μｍ、深さがＨ１６μｍである。

リブ５４は、さらに、凸部貫通部としての貫通部５５を有している。この貫通部５５は、リブ５４の先端で開口しており、本実施形態では、リブ５４の長手方向に延伸して設けられている。本実施形態では、貫通部５５の幅Ｗ２は、４５μｍとなっている。また、リブ５４の共通液室５０に対向する先端面には、貫通部５５の開口部を塞ぐように弾性部材としての密着向上材４３の一部４３ａが密着している。

この密着向上材４３ａは、記録素子３０の製造過程において、基板貫通部４０５の形成によって、基板貫通部４０５による空間（共通液室５０）に露出するようになった密着向上材４３の一部である。ただし、密着向上材４３ａの形成方法はこれに限定されず、後から接着させて設けるようにしてもよい。

密着向上材４３は、２μｍの厚さで弾性を有しており、共通液室５０内の圧力が大気圧に対して変化した場合に変形することができる。すなわち、共通液室５０の容積を変化させることができるように弾性変形可能に構成されている。吐出口５２から瞬間的に外部にインクが排出され、共通液室５０の圧力が大気圧に対して過渡的に減少した場合でも、密着向上材４３が変形することでバッファとして機能し、印字品位の悪化を防ぐことができる。このような吐出開始時の過渡的なインク供給能力の低下を補うためのバッファ機能を
持つ構成を、本実施形態では、共通液室５０から供給されたインクが各個別液室５３に供給される分岐地点であるリブ５４に設けている。こうすることで、バッファ機能が各個別液室５３に均等に付与される。また、従来の構成よりも個別液室５３の近傍にバッファ機能を持たせているため、より大きなバッファ効果を期待することができる。また、流路内に泡を持たない構成のため、経時的に変化することのない持続的なバッファ効果を得ることができる。

すなわち、本実施形態によれば、長期的に安定した液体吐出が可能となる。また、本実施形態によれば、多ノズル化し大流量となった系においても、瞬間的な供給不足による吐出不良の発生を防ぐことができる。また、インク流動にバッファ部に蓄積された泡が流されることなく、泡がノズルへ流入、保持されることに伴う印字弊害も発生しない。

（第二の実施形態）
図７を参照して、本発明の第二の実施形態を説明する。第二の実施形態において、第一の実施形態と同様の構成には第一の実施形態と同一の符号を付け、詳細な説明は省略する。第二の実施形態においてここで特に説明しない事項は、第一の実施形態と同様である。

図７は、第二の実施形態に係る記録素子の模式的断面図である。第二の実施形態の貫通部５５ｂ（の開口部）は、リブ５４が延伸する長手方向の一端から他端まで断続的に設けられた構成となっている。すなわち、長手方向に沿って分割された構成となっている。この構成であれば、リブ５４と密着向上材４３の接着面が大きくなるため、より高い耐久性を期待することができる。

（第三の実施形態）
図８、図９を参照して、本発明の第三の実施形態を説明する。第三の実施形態において、上記実施形態と同様の構成には上記実施形態と同一の符号を付け、詳細な説明は省略する。第三の実施形態においてここで特に説明しない事項は、上記実施形態と同様である。

図８は、第三の実施形態に係る記録素子の模式的断面図であり、図９は、第三の実施形態に係る記録素子の他の例の模式的断面図である。本実施形態では、貫通部（の開口部）が長手方向と直交する方向に間隔を空けて互いに平行に並ぶように、複数設けている。より具体的には、リブ５４をより太く設計し、リブ５４の長手方向に対して２列の貫通部５５ｃを設けている。この形態であれば、バッファ機能を持つ密着向上材４３の面積が増えるためバッファ機能の向上が期待できる。また、個別液室５３とバッファ効果を持つ密着向上材４３の距離がより縮まるため、よりバッファ効果を大きくすることができる。なお、貫通部の列の数は３列以上でもよい。

また、図９に示す貫通部５５ｄのように、２列の貫通部（の開口部）を、リブ５４の長手方向に対して断続的に分割して設けるようにしてもよい。この構成によれば、リブ５４と密着向上材４３の接触面が大きくなるためより大きな耐久性を付与することができる。さらに、図９に示すように、２列の貫通部５５（の開口部）を千鳥状に配置する、すなわち、長手方向と直交する方向に互いに隣接する貫通部５５（の開口部）の長手方向における位置が、互いにずれるように配置してよい。

（第四の実施形態）
図１０を参照して、本発明の第四の実施形態を説明する。第四の実施形態において、上記実施形態と同様の構成には上記実施形態と同一の符号を付け、詳細な説明は省略する。第四の実施形態においてここで特に説明しない事項は、上記実施形態と同様である。

図１０は、第四の実施形態に係る記録素子の模式的断面図であり、（ａ）は図５のＣＣ
断面に対応する断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＤＤ断面図である。本実施形態では、リブ５４に設ける貫通部５５に関して一部のみに大気と連通する連通口５６を設けている。連通口５６は、流路形成部材４２ｅの上面（記録素子基板４０に積層される面とは反対側の面）に開口し、大気側に対して貫通部５５を部分的に開放する。連通口５６は複数有してもよい。

連通口５６は、吐出口５２を形成する方法と同様に形成する。連通口５６を複数形成することで、貫通部５５を形成する際に型材を残留させることを防ぐことができる。この構成をとることで、貫通部５５に異物が詰まりバッファ機能が低下することを防ぐことができる。また、ワイピングなどで密着向上材４３が傷つけられることでバッファ機能が低下することを防ぐことができる。

（第五の実施形態）
図１１を参照して、本発明の第五の実施形態を説明する。第五の実施形態において、上記実施形態と同様の構成には上記実施形態と同一の符号を付け、詳細な説明は省略する。第五の実施形態においてここで特に説明しない事項は、上記実施形態と同様である。

図１１は、第五の実施形態に係るに係る記録素子の模式的断面図である。本実施形態では、リブ５４の先端に設ける貫通部５５の開口部に段差を設けている。より具体的には、リブ５４の先端は、密着向上材４３が接合される接合面５４ａと、接合面５４ａに対して基板貫通部４０５から離れる方向に凹んだ凹面５４ｂと、を有しており、貫通部５５は、凹面５４ｂで開口するように設けられている。この形態によれば、密着向上材４３の貫通部５５に向かう方向の変形を段差によって抑制することができる。一方で、共通液室５０に向かう方向への変形は抑制しない。

本実施形態によれば、液体吐出ヘッドにインクを充填する際や、印字不良の改善のためにインクを吸引する回復動作を行った場合においても、密着向上材４３の変形が抑制される。これにより、リブ５４と密着向上材４３の密着面に加わる力を抑制することができるためバッファ機能としての耐久性を向上させることができる。なお、上記段差の数は２段以上としてもよい。

上記各実施形態の構成は、技術的な矛盾が生じない限り、それぞれの構成を互いに組み合わせることができる。

１…液体吐出ヘッド、１０…サブタンクユニット、１４…記録素子ユニット、２２…インク室、３０…記録素子、３１…支持部材、３２…電気基板、３３…電気配線基板、４０…記録素子基板、４１…流路部、４２…流路形成部材、４３…密着向上材、５０…共通液室、５１…アクチュエータ（エネルギー発生素子）、５２…吐出口、５３…個別液室、５４…リブ（凸部）、５５…貫通部、５６…連通口

Claims (13)

1. 液体を吐出するための複数の吐出口と、共通液室と、前記共通液室を前記複数の吐出口のそれぞれと連通する複数の個別液室と、を有する枠体と、
   前記複数の個別液室のそれぞれに配置される複数のエネルギー発生素子と、
   を備える液体吐出ヘッドにおいて、
   前記共通液室を形成する前記枠体の壁の一部が、前記共通液室の容積を変化させることができるように弾性変形可能な弾性部材で形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記枠体は、
   前記複数のエネルギー発生素子が実装される基板と、
   前記基板の前記エネルギー発生素子の実装面に積層され、前記基板との間に前記個別液室及び前記共通液室を含む液体の流路を形成する流路形成部材と、
   を含み、
   前記基板は、
   前記実装面で開口するように前記基板を貫通し、前記共通液室を形成する壁面の一部を構成する基板貫通部を有し、
   前記流路形成部材は、
   前記基板に対向する対向面に設けられた凹部であって、前記複数のエネルギー発生素子のそれぞれを個別に覆うとともに、前記基板貫通部と部分的に対向するように設けられ、前記実装面との間に前記複数の個別液室を形成する凹部と、
   前記凹部における前記複数のエネルギー発生素子のぞれぞれと対向する位置で開口し、前記複数の吐出口を形成する複数の貫通孔と、
   前記基板貫通部と対向する位置に設けられ、前記基板貫通部とともに前記共通液室を形成する壁面の一部を構成する壁部と、
   を有し、
   前記壁部の一部が前記弾性部材で形成されている請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記壁部は、
   前記流路形成部材において前記凹部に対して前記基板貫通部に向かって突出するように形成された凸部と、
   前記凸部の先端で開口するように前記流路形成部材を貫通する凸部貫通部と、
   を有し、
   前記弾性部材は、前記凸部の先端における前記凸部貫通部の開口部を塞ぐように設けられている請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記共通液室は、前記複数のエネルギー発生素子の並び方向と平行な長手方向に延びており、
   前記凸部は、前記共通液室の前記長手方向に沿って延びるように設けられている請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記凸部の先端における前記凸部貫通部の開口部は、前記複数のエネルギー発生素子の並び方向と平行な長手方向に沿って延びている請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記凸部の先端における前記凸部貫通部の開口部は、前記複数のエネルギー発生素子の並び方向と平行な長手方向に沿って複数に分割されている請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記凸部の先端における前記凸部貫通部の開口部は、前記複数のエネルギー発生素子の
   並び方向と平行な長手方向に沿って延びているとともに、前記長手方向と直交する方向に間隔を空けて互いに平行に並ぶように、複数設けられている請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記凸部の先端における前記凸部貫通部の開口部は、前記複数のエネルギー発生素子の並び方向と平行な長手方向に沿って複数に分割され、複数の前記開口部が前記長手方向に並ぶ列を形成するとともに、
   前記列は、前記長手方向と直交する方向に間隔を空けて互いに平行に並ぶよう、複数形成され、
   前記長手方向と直交する方向に互いに隣接する前記開口部は、長手方向における位置が互いにずれるように配置されている請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記凸部貫通部は、前記流路形成部材の前記対向面とは反対側の面に、前記凸部貫通部を大気と連通する連通口を有し、
   前記連通口は、前記反対側の面より外部に対して前記凸部貫通部を部分的に開放するように開口する請求項３～８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記凸部貫通部は、前記連通口を複数有する請求項９に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記凸部の先端は、前記弾性部材が接合される接合面と、前記接合面に対して前記基板貫通部から離れる方向に凹んだ凹面と、を有し、
    前記凸部の先端における前記凸部貫通部の開口部は、前記凹面に設けられている請求項３～１０のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
12. 前記複数の吐出口は、第１の吐出口列と、前記第１の吐出口列と平行な第２の吐出口列と、を含み、
    前記複数の個別液室は、前記第１の吐出口列に対応する第１の個別液室列と、前記第２の吐出口列に対応する第２の個別液室列と、を含み、
    前記枠体は、前記複数のエネルギー発生素子が実装される基板を含み、
    前記基板は、前記基板の前記エネルギー発生素子の実装面で開口するように前記基板を貫通し、前記共通液室を形成する壁面の一部を構成する基板貫通部を有し、
    前記基板貫通部と対向する位置に設けられ、前記基板貫通部とともに前記共通液室を形成する壁面の一部を構成する壁部は、前記共通液室に対して前記第１の個別液室列と前記第２の個別液室列とを仕切るように設けられている請求項１～１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
13. 前記枠体は、前記複数のエネルギー発生素子が実装される基板と、前記基板の前記エネルギー発生素子の実装面に積層され、前記基板との間に前記個別液室及び前記共通液室を含む液体の流路を形成する流路形成部材と、を含み、前記基板と前記流路形成部材との間に積層される密着向上材をさらに備え、
    前記弾性部材は、前記密着向上材の一部である請求項１～１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

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