JP3839875B2 - Liquid discharge head, head cartridge, and liquid discharge apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギーを液体に作用させることで起こる気泡の発生によって、所望の液体を吐出する液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドを用いたヘッドカートリッジ、液体吐出装置に関する。
【0002】
特に本発明は、気泡の発生を利用して変位する可動部材を有する液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッドを用いたヘッドカートリッジ、液体吐出装置に関する。
【0003】
また本発明は紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の被記録媒体に対し記録を行うプリンター、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサ等の装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業用記録装置に適用できる発明である。
【0004】
なお、本発明における、「記録」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を付与することをも意味するものである。
【0005】
【従来の技術】
熱等のエネルギーをインクに与えることで、インクに急峻な体積変化(気泡の発生)を伴う状態変化を生じさせ、この状態変化に基づく作用力によって吐出口からインクを吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行なうインクジェット記録方法、いわゆるバブルジェット記録方法が従来知られている。このバブルジェット記録方法を用いる記録装置には、米国特許4,723,129号等の公報に開示されているように、インクを吐出するための吐出口と、この吐出口に連通するインク流路と、インク流路内に配されたインクを吐出するためのエネルギー発生手段としての電気熱変換体が一般的に配されている。
【0006】
この様な記録方法によれば、品位の高い画像を高速、低騒音で記録することができると共に、この記録方法を行うヘッドではインクを吐出するための吐出口を高密度に配置することができるため、小型の装置で高解像度の記録画像、さらにカラー画像をも容易に得ることができるという多くの優れた点を有している。このため、このバブルジェット記録方法は近年、プリンター、複写機、ファクシミリ等の多くのオフィス機器に利用されており、さらに、捺染装置等の産業用システムにまで利用されるようになってきている。
【0007】
このようにバブルジェット技術が多方面の製品に利用されるに従って、次のような様々な要求が近年さらにたかまっている。
【0008】
例えば、エネルギー効率の向上の要求に対する検討としては、保護膜の厚さを調整するといった発熱体の最適化が挙げられている。この手法は、発生した熱の液体への伝搬効率を向上させる点で効果がある。
【0009】
また、高画質な画像を得るために、インクの吐出スピードが速く、安定した気泡発生に基づく良好なインク吐出を行える液体吐出方法等を与えるための駆動条件が提案されたり、また、高速記録の観点から、吐出された液体の液流路内への充填(リフィル)速度の速い液体吐出ヘッドを得るために流路形状を改良したものも提案されている。
【0010】
この流路形状の内、流路構造として図42(a),(b)に示すものが、特開昭63−199972号公報等に記載されている。この公報に記載されている流路構造やヘッド製造方法は、気泡の発生に伴って発生するバック波(吐出口へ向かう方向とは逆の方向へ向かう圧力、即ち、液室12へ向かう圧力)に着目した発明である。このバック波は、吐出方向へ向かうエネルギーでないため損失エネルギーとして知られている。
【0011】
図42、(a),(b)に示す発明は、発熱素子2が形成する気泡の発生領域よりも離れ、かつ、発熱素子2に関して吐出口18とは反対側に位置する弁5を開示する。
【0012】
図42(b)においては、この弁5は、板材等を利用する製造方法によって、液流路10の天井に貼り付いたように初期位置を持ち、気泡の発生に伴って液流路10内へ垂れ下がるものとして開示されている。この発明は、上述したバック波の一部を弁5によって制御することでエネルギー損失を抑制するものとして開示されている。
【0013】
しかしながら、この構成において、吐出すべき液体を保持する液流路10内部に、気泡が発生した際を検討するとわかるように、弁5によるバック波の一部を抑制することは、液体吐出にとっては実用的なものでないことがわかる。
【0014】
もともとバック波自体は、前述したように吐出に直接関係しないものである。このバック波が液流路10内に発生した時点では、図42(a)に示すように、気泡のうち吐出に直接関係する圧力はすでに液流路10から液体を吐出可能状態にしている。従って、バック波のうち、しかもその一部を抑制したからといっても、吐出に大きな影響を与えないことは明らかである。
【0015】
他方、バブルジェット記録方法においては、発熱体がインクに接した状態で加熱を繰り返すため、発熱体の表面にインクの焦げによる堆積物が発生するが、インクの種類によってはこの堆積物が多く発生することで、気泡の発生を不安定にしてしまい、良好なインクの吐出を行うことが困難な場合があった。また、吐出すべき液体が熱によって劣化しやすい液体の場合や十分に発泡が得られにくい液体の場合においても、吐出すべき液体を変質させず、良好に吐出するための方法が望まれていた。
【0016】
このような観点から、熱により気泡を発生させる液体(発泡液)と吐出する液体(吐出液)とを別液体とし、発泡による圧力を吐出液に伝達することで吐出液を吐出する方法が、特開昭61−69467号公報、特開昭55−81172号公報、米国特許4,480,259号等の公報に開示されている。これらの公報では、吐出液であるインクと発泡液とをシリコンゴムなどの可撓性膜で完全分離し、発熱体に吐出液が直接接しないようにすると共に、発泡液の発泡による圧力を可撓性膜の変形によって吐出液に伝える構成をとっている。このような構成によって、発熱体表面の堆積物の防止や、吐出液体の選択自由度の向上等を達成している。
【0017】
しかしながら、前述のように吐出液と発泡液とを完全分離する構成のヘッドにおいては、発泡時の圧力を可撓性膜の伸縮変形によって吐出液に伝える構成であるため、発泡による圧力を可撓性膜がかなり吸収してしまう。また、可撓性膜の変形量もあまり大きくないため、吐出液と発泡液とを分離することによる効果を得ることはできるものの、エネルギー効率や吐出力が低下してしまう虞があった。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、基本的に従来の気泡(特に膜沸騰に伴う気泡)を液流路中に形成して液体を吐出する方式の、根本的な吐出特性を、従来では考えられなかった観点から、従来では予想できない水準に高めることを主たる背景課題とする。
【0019】
発明者達の一部は、液滴吐出の原理に立ち返り、従来では得られなかった気泡を利用した新規な液滴吐出方法及びそれに用いられるヘッド等を提供すべく鋭意研究を行った。このとき、流路中の可動部材の機構の原理を解析すると言った液流路中の可動部材の動作を起点とする第1技術解析、及び気泡による液滴吐出原理を起点とする第2技術解析、さらには、気泡形成用の発熱体の気泡形成領域を起点とする第3解析を行うことにした。
【0020】
これらの解析によって、可動部材の支点と自由端の配置関係を吐出口側つまり下流側に自由端が位置する関係にすること、また可動部材を発熱体もしくは、気泡発生領域に面して配することで積極的に気泡を制御する全く新規な技術を確立するに至った。
【0021】
つぎに、気泡自体が吐出量に与えるエネルギーを考慮すると気泡の下流側の成長成分を考慮することが吐出特性を格段に向上できる要因として最大であるとの知見に至った。つまり、気泡の下流側の成長成分を吐出方向へ効率よく変換させることこそ吐出効率、吐出速度の向上をもたらすことも判明した。このことから、発明者らは気泡の下流側の成長成分を積極的に可動部材の自由端側に移動させるという従来の技術水準に比べ極めて高い技術水準に至った。
【0022】
さらに、気泡を形成するための発熱領域、例えば電気熱変換体の液体の流れ方向の面積中心を通る中心線から下流側、あるいは、発泡を司る面における面積中心等の気泡下流側の成長にかかわる可動部材や液流路等の構造的要素を勘案することも好ましいということがわかった。
【0023】
また、一方、可動部材の配置と液供給路の構造を考慮することで、リフィル速度を大幅に向上することができることがわかった。
【0024】
発明者達の一部及び本出願人は、このように研究で得られた知見および、総合的観点から優れた液体の吐出原理を出願しているが、本発明者達は、この発明を前提に、より好ましい着想をするに至った。
【0025】
本発明者達が認識した点は、上述した吐出原理をより有効に活用することを狙い、可動部材の形状に着目し、それを改善することによって、より高い吐出効率及び吐出力を達成するという点である。
【0026】
本発明の主たる目的は以下の通りである。
第1の目的は、発生した気泡が可動部材に作用した際に、可動部材がより効果的に機能すべく、可動部材が変位するときに液体から受ける抵抗を小さくすることで、より高い吐出効率及び吐出力が得られる液体吐出ヘッド等を提供することにある。
【0027】
本発明の第2の目的は、第1の目的に加えて、吐出効率、吐出力の向上を図りつつ、発熱体上の液体への蓄熱を大幅に軽減できると共に、発熱体上の残留気泡の低減を図ることで、良好な液体の吐出を行いうる液体吐出ヘッド等を提供することにある。
【0028】
本発明の第3の目的は、さらにバック波による液体供給方向とは逆方向への慣性力が働くのを抑えると同時に、可動部材の弁機能によって、メニスカス後退量を低減させることで、リフィル周波数を高め、印字スピード等を向上させた液体吐出ヘッド等を提供することにある。
【0029】
本発明の第4の目的は、発熱体上への堆積物を低減すると共に、吐出用液の用途範囲を広げることができ、しかも吐出効率や吐出力が十分に高い液体吐出ヘッド等を提供することにある。
【0030】
本発明の第5の目的は、吐出する液体の選択自由度を高くできる液体吐出ヘッド等を提供することにある。
【0031】
本発明の第6の目的は複数の液体を供給するための液体導入路を少ない部品点数で構成することで製造が容易で安価なヘッドおよび装置を提供すること、また小型化が図れた液体吐出ヘッド、装置等を提供することである。
【0032】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するための本発明の代表的な要件は、次のようなものである。
【0033】
液体を吐出する吐出口と、
前記吐出口に連通する液流路と、
前記液流路内の液体に気泡を発生させる気泡発生領域と、
前記液流路内に前記気泡発生領域に面して配され、前記気泡発生領域での気泡の発生に基づく圧力によって定常状態の第1の位置から変位後の位置である第2の位置に変位し、この変位によって前記圧力を前記吐出口が配された下流側へ導き、気泡の収縮による負圧で前記第1の位置に復帰する可動部材とを有し、
前記可動部材は、前記第1の位置から前記第2の位置に変位するときの前記流路内の液体に対する抵抗が、前記第2の位置から前記第1の位置に復帰するときの抵抗よりも小さい液体吐出ヘッド。
【0034】
もしくは、液体を吐出する吐出口と、
前記吐出口に連通した第1の液流路と、
液体に熱を加えることで該液体に気泡を発生させる気泡発生領域を有する第2の液流路と、
前記第1の液流路と前記気泡発生領域との間に配され、前記気泡発生領域での気泡の発生に基づく圧力によって定常状態の第1の位置から変位後の位置である前記第1の液流路側の第2の位置へ変位し、この変位によって前記圧力を前記吐出口が配された下流側へ導き、気泡の収縮による負圧で前記第1の位置に復帰する可動部材とを有し、
前記可動部材は、前記第1の位置から前記第2の位置に変位するときの前記第1の液流路内の液体に対する抵抗が、前記第2の位置から前記第1の位置に復帰するときの抵抗よりも小さい液体吐出ヘッド。
【0035】
もしくは、液体を吐出するための複数の吐出口と、
それぞれの吐出口に対応して直接連通する複数の第1の液流路を構成するための複数の溝と、
前記複数の第1の液流路に液体を供給するための第1の共通液室を構成する凹部とを一体的に有する溝付き部材と、
液体に熱を与えることで液体に気泡を発生させるための複数の発熱体が配された素子基板と、
前記溝付き部材と前記素子基板との間に配され、前記発熱体に対応した第2の液流路の壁の一部を構成するとともに、前記発熱体に面した位置に、前記気泡の発生に基づく圧力によって定常状態の第1の位置から変位後の位置である前記第1の液流路側の第2の位置へ変位し、この変位によって前記圧力を前記吐出口が配された下流側へ導き、気泡の収縮による負圧で前記第1の位置に復帰する可動部材とを具備した分離壁とを有し、
前記可動部材は、前記第1の位置から前記第2の位置に変位するときの前記第1の液流路内の液体に対する抵抗が、前記第2の位置から前記第1の位置に復帰するときの抵抗よりも小さい液体吐出ヘッド。
【0036】
もしくは、上述の液体吐出ヘッドと、該液体吐出ヘッドに供給される液体を保持する液体容器とを有するヘッドカートリッジ。
【0037】
もしくは、上述の液体吐出ヘッドと、
該液体吐出ヘッドから液体を吐出させるための駆動信号を供給する駆動信号供給手段とを有する液体吐出装置。
【0038】
もしくは、上述の液体吐出ヘッドと、
該液体吐出ヘッドから吐出された液体を受ける被記録媒体を搬送する被記録媒体搬送手段とを有する液体吐出装置。
【0039】
本発明の代表的なものにおいては、気泡発生領域に発生した気泡の作用により可動部材が変位されるが、その際、可動部材は液流路中の液体の抵抗を受ける。この液体の抵抗は、可動部材を上記のような形状とすることで軽減される。その結果、可動部材が変位し易くなり、吐出効率及び吐出力がより向上することになる。
【0040】
加えて、上述したような、極めて新規な吐出原理に基づく本発明の液体吐出ヘッド等によると、発生する気泡とこれによって変位する可動部材との相乗効果を得ることができ、吐出口近傍の液体を効率よく吐出できるため、従来のバブルジェット方式の液体吐出ヘッド等に比べて、吐出効率を向上できる。例えば本発明の最も好ましい形態においては2倍以上という飛躍的な吐出効率の向上を達成できた。
【0041】
この発明のさらに特徴的な構成によれば、低温や低湿で長期放置を行った場合であっても不吐出になることを防止でき、仮に不吐出になっても、予備吐出や吸引回復といった回復処理をわずかに行うだけで正常状態に即座に復帰できる利点もある。
【0042】
具体的には64個の吐出口を持つ従来のバブルジェット方式のヘッドの大半が不吐出になるような長期放置条件においても、本発明のヘッドでは約半分以下の吐出口が吐出不良になるだけである。また、これらのヘッドを予備吐出で回復した場合、各吐出口に対して従来ヘッドで数千発の予備吐出を行う必要があったが、本発明では100発程度の予備吐出で回復を行うだけで十分であった。これは、回復時間の短縮や回復による液体の損失を低減でき、ランニングコストも大幅に下げることが可能であることを意味する。
【0043】
また、特に本発明のリフィル特性を向上した構成によれば、連続吐出時の応答性、気泡の安定成長、液滴の安定化を達成して、高速液体吐出による高速記録また高画質記録を可能にすることができた。
【0044】
本発明のその他の効果については、各実施例の記載から理解される。
【0045】
なお、本発明の説明で用いる「上流」「下流」とは、液体の供給源から気泡発生領域(又は可動部材)を経て、吐出口へ向かう液体の流れ方向に関して、又はこの構成上の方向に関しての表現として表されている。
【0046】
また、気泡自体に関する「下流側」とは、主として液滴の吐出に直接作用するとされる気泡の吐出口側部分を代表する。より具体的には気泡の中心に対して、上記流れ方向や上記構成上の方向に関する下流側、又は、発熱体の面積中心より下流側の領域で発生する気泡を意味する。
【0047】
また、本発明の説明で用いる「実質的に密閉」とは、気泡が成長するとき、可動部材が変位する前に可動部材の周囲の隙間(スリット)から気泡がすり抜けない程度の状態を意味する。
【0048】
さらに、本発明でいう「分離壁」とは、広義では気泡発生領域と吐出口に直接連通する領域とを区分するように介在する壁(可動部材を含んでもよい)を意味し、狭義では気泡発生領域を含む流路を吐出口に直接連通する液流路とを区分し、それぞれの領域にある液体の混合を防止するものを意味する。
【0049】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
以下、図面を参照して本発明の第1の実施例を詳細に説明する。
【0050】
まず本実施例では液体を吐出するための、気泡に基づく圧力の伝搬方向や気泡の成長方向を制御することで吐出力や吐出効率の向上を図る場合の例を説明する。
【0051】
図1はこのような本実施例の液体吐出ヘッドを液流路方向で切断した模式断面図を示しており、図2はこの液体吐出ヘッドの部分破断斜視図を示している。また図3は本実施例の液体吐出ヘッドを吐出口方向から見た模式断面図を示している。
【0052】
本実施例の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するための吐出エネルギー発生素子として、液体に熱エネルギーを作用させる発熱体2(本実施例においては40μm×105μmの形状の発熱抵抗体)が素子基板1に設けられており、この素子基板1上に発熱体2に対応して液流路10が配されている。液流路10は吐出口18に連通していると共に、複数の液流路10に液体を供給するための共通液室13に連通しており、吐出口18から吐出された液体に見合う量の液体をこの共通液室13から受け取る。
【0053】
この液流路10の素子基板1上には、前述の発熱体2に対向するように面して、金属等の弾性を有する材料で構成された平板状の可動部材31が片持梁状に設けられている。可動部材31は、発熱体2と対向する面が実質的に平面で、発熱体2の表面と平行となっている。さらに可動部材31は、発熱体2と対向する面からその反対側の面に向かって、幅が徐々に狭くなっている。可動部材31の一端は液流路10の壁や素子基板上に感光性樹脂などをパターニングして形成した土台(支持部材)34等に固定されている。これによって可動部材31は保持されると共に支点(支点部分)33を構成している。
【0054】
この可動部材31は、液体の吐出動作によって共通液室13から可動部材31を経て吐出口18側へ流れる大きな流れの上流側に支点33を持ち、この支点33に対して下流側に自由端(自由端部分)32を持つように、発熱体2に面した位置に発熱体2を覆うような状態で発熱体2から15μm程度の距離を隔てて配されている。この発熱体2と可動部材31との間が気泡発生領域11となる。なお発熱体2、可動部材31の種類や形状および配置はこれに限られることなく、後述するように気泡の成長や圧力の伝搬を制御しうる形状および配置であればよい。
【0055】
発熱体2を発熱させることで可動部材31と発熱体2との間の気泡発生領域11の液体に熱を作用させ、液体に米国特許4,723,129号に記載されているような膜沸騰現象に基づく気泡40を発生させる。気泡40の発生に基づく圧力と気泡40は可動部材31に優先的に作用し、可動部材31は図1(b)、(c)もしくは図2で示されるように支点33を中心に吐出口18側に大きく開くように変位する。可動部材31の変位若しくは変位した状態によって気泡40の発生に基づく圧力の伝搬や気泡自身の成長が吐出口18側に導かれる。
【0056】
ここで、本発明の基本的な吐出原理の一つを説明する。本発明において最も重要な原理の1つは、気泡40に対面するように配された可動部材31が気泡40の圧力あるいは気泡自体に基づいて、定常状態の第1の位置から変位後の位置である第2の位置へ変位し、この変位する可動部材31によって、気泡40の発生に伴う圧力や気泡自身を吐出口18が配された下流側へ導くことである。
【0057】
この原理を可動部材を用いない従来の液流路構造を模式的に示した図4と本発明の図5とを比較してさらに詳しく説明する。なおここでは吐出口方向への圧力の伝搬方向をVA、上流側への圧力の伝搬方向をVBとして示した。
【0058】
図4で示されるような従来のヘッドにおいては、発生した気泡40による圧力の伝搬方向を規制する構成はない。このため気泡40の圧力伝搬方向はV1〜V8のように気泡表面の垂線方向となり様々な方向を向いていた。このうち、特に液吐出に最も影響を及ぼすVA方向に圧力伝搬方向の成分を持つものは、V1〜V4即ち気泡40のほぼ半分の位置より吐出口に近い部分の圧力伝搬の方向成分であり、吐出効率、吐出力、吐出速度等に直接寄与する重要な部分である。さらにV1は吐出方向VAの方向に最も近いため効率よく働き、逆にV4はVAに向かう方向成分は比較的少ない。
【0059】
これに対して、図5で示される本発明の場合には、可動部材31が図4の場合のように様々な方向を向いていた気泡の圧力伝搬方向V1〜V4を下流側(吐出口側)へ導き、VAの圧力伝搬方向に変換するものであり、これにより気泡40の圧力が直接的に効率よく吐出に寄与することになる。そして、気泡40の成長方向自体も圧力伝搬方向V1〜V4と同様に下流方向に導かれ、上流より下流で大きく成長する。このように、気泡40の成長方向自体を可動部材31によって制御し、気泡40の圧力伝搬方向を制御することで、吐出効率や吐出力また吐出速度等の根本的な向上を達成することができる。
【0060】
次に図1に戻って、本実施例の液体吐出ヘッドの吐出動作について詳しく説明する。
【0061】
図1(a)は、発熱体2に電気エネルギー等のエネルギーが印加される前の状態であり、発熱体2が熱を発生する前の状態である。ここで重要なことは、可動部材31が、発熱体2の発熱によって発生した気泡40に対し、この気泡40の少なくとも下流側部分に対面する位置に設けられていることである。つまり、気泡40の下流側が可動部材31に作用するように、液流路構造上では少なくとも発熱体2の面積中心3(図1(b)参照)より下流(発熱体2の面積中心3を通って液流路10の長さ方向に直交する線より下流)の位置まで可動部材31が配されている。
【0062】
図1(b)は、発熱体2に電気エネルギー等が印加されて発熱体2が発熱し、発生した熱によって気泡発生領域11内を満たす液体の一部を加熱し、膜沸騰に伴う気泡40を発生させた状態である。
【0063】
このとき可動部材31は気泡40の発生に基づく圧力により、気泡40の圧力の伝搬方向を吐出口方向に導くように第1位置から第2位置へ変位する。ここで重要なことは前述したように、可動部材31の自由端32を下流側(吐出口側)に配置し、支点33を上流側(共通液室13側)に位置するように配置して、可動部材31の少なくとも一部を発熱体2の下流部分すなわち気泡40の下流部分に対面させることである。
【0064】
図1(c)は気泡40がさらに成長した状態であるが、気泡40発生に伴う圧力に応じて可動部材31はさらに変位している。発生した気泡40は上流より下流に大きく成長すると共に可動部材31の第1の位置(点線位置)を越えて大きく成長している。このように気泡40の成長に応じて可動部材31が変位して行くことで気泡40の圧力伝搬方向や体積移動のしやすい方向、すなわち自由端側への気泡40の成長方向を吐出口18に均一的に向かわせることができることも吐出効率を高めると考えられる。可動部材31は気泡40や発泡圧を吐出口方向へ導く際もこの伝達の妨げになることはほとんどなく、伝搬する圧力の大きさに応じて効率よく圧力の伝搬方向や気泡の成長方向を制御することができる。
【0065】
さらに、可動部材31は、上述したように発熱体2と対向する面からその反対側の面に向かって幅が徐々に狭くなっているため、気泡40の発生に基づく圧力で可動部材31が変位する際、可動部材31は液流路10内に存在する液体の抵抗を受けにくくなり、低い圧力でも変位する。従って、可動部材31の変位に費やされる気泡40の圧力成分は最小限ですみ、残りの圧力成分のほとんどが、吐出口18の方向に成長させられる。
【0066】
一方、可動部材31の発熱体2と対向する面は実質的に平面であり、また、発熱体2の表面と平行となっているため、気泡40の発生に基づく圧力を受け易くなっており、このことも可動部材31を効率的に変位させる要因となっている。気泡40の発生に基づく圧力を受けやすい構造としては、この他にも、例えば可動部材31の発熱体2と対向する面になし地仕上げを施したり、凹凸を形成したり、あるいは可動部材31の少なくとも発熱体2と対向する部位を概略凹状とし、気泡40の側面も覆うようにすること等が挙げられる。
【0067】
図1(d)は、気泡40が、前述した膜沸騰の後、気泡内部圧力の減少によって収縮し、消滅する状態を示している。
【0068】
第2の位置まで変位していた可動部材31は、気泡40の収縮による負圧と可動部材自身のばね性による復元力によって、図1(a)の初期位置(第1の位置)に速やかに復帰する。また、消泡時には、気泡発生領域11での気泡40の収縮体積を補うため、また、吐出された液体の体積分を補うために上流側(B)、すなわち共通液室側から流れのVD1、VD2のように、また、吐出口18側から流れのVcのように液体が流れ込んでくる。
【0069】
以上、気泡40の発生に伴う可動部材31の動作と液体の吐出動作について説明したが、以下に本発明の液体吐出ヘッドにおける液体のリフィルについて詳しく説明する。
【0070】
図1を用いて本発明における液供給メカニズムをさらに詳しく説明する。
【0071】
図1(c)の後、気泡40が最大体積の状態を経て消泡過程に入ったときには、消泡した体積を補う体積の液体が気泡発生領域11に、液流路10の吐出口18側と供給路12の共通液室側13から流れ込む。可動部材31を持たない従来の液流路構造においては、消泡位置に吐出口18側から流れ込む液体の量と共通液室13から流れ込む液体の量は、気泡発生領域11より吐出口18に近い部分と共通液室13に近い部分との流抵抗の大きさに起因する。(流路抵抗と液体の慣性に基づくものである。)
【0072】
このため、吐出口18に近い側の流抵抗が小さい場合には、多くの液体が吐出口18側から消泡位置に流れ込み、メニスカスMの後退量が大きくなることになる。特に、吐出効率を高めるために吐出口18に近い側の流抵抗を小さくして吐出効率を高めようとするほど、消泡時のメニスカスMの後退が大きくなり、リフィル時間が長くなって高速印字を妨げることとなっていた。
【0073】
これに対して本実施例は可動部材31を設けたため、気泡の体積Wを、可動部材31の第1位置を境に上側をW1、気泡発生領域11側をW2とした場合、消泡時に可動部材31が元の位置に戻った時点でメニスカスMの後退は止まり、その後残ったW2の体積分の液体供給は主に供給路12の流れVD2からの液供給によって成される。これにより、従来、気泡40の体積の半分程度に対応した量がメニスカスMの後退量になっていたのに対して、それより少ないW1の半分程度のメニスカス後退量に抑えることが可能になった。
【0074】
さらに、W2の体積分の液体供給は消泡時の圧力を利用して可動部材31の発熱体2側の面に沿って、主に供給路12の上流側(VD2)から強制的に行うことができるためより速いリフィルを実現できた。
【0075】
ここで特徴的なことは、従来のヘッドで消泡時の圧力を用いたリフィルを行った場合、メニスカスの振動が大きくなってしまい画像品位の劣化につながっていたが、本実施例の高速リフィルにおいては可動部材31によって吐出口18側の液流路10の領域と、気泡発生領域11との吐出口18側での液体の流通が抑制されるためメニスカスMの振動を極めて少なくすることができることである。
【0076】
このように本発明は、供給路12を介しての気泡発生領域11への強制リフィルと、上述したメニスカス後退や振動の抑制によって高速リフィルを達成することで、吐出の安定や高速繰り返し吐出、また記録の分野に用いた場合、画質の向上や高速記録を実現することができる。
【0077】
本発明の構成においてはさらに次のような有効な機能を兼ね備えている。それは、気泡40の発生による圧力の上流側への伝搬(バック波)を抑制することである。発熱体2上で発生した気泡40の内、共通液室13側(上流側)の気泡40による圧力は、その多くが、上流側に向かって液体を押し戻す力(バック波)になっていた。このバック波は、上流側の圧力と、それによる液移動量、そして液移動に伴う慣性力を引き起こし、これらは液体の液流路10内へのリフィルを低下させ高速駆動の妨げにもなっていた。本発明においては、まず可動部材31によって上流側へのこれらの作用を抑えることでもリフィル供給性の向上をさらに図っている。
【0078】
次に、本実施例の更なる特徴的な構造と効果について、以下に説明する。
【0079】
本実施例の供給路12は、発熱体2の上流に発熱体2と実質的に平坦につながる(発熱体表面が大きく落ち込んでいない)内壁を持つ。このような場合、気泡発生領域11および発熱体2の表面への液体の供給は、可動部材31の気泡発生領域11に近い側の面に沿って、VD2のように行われる。このため、発熱体2の表面上に液体が淀むことが抑制され、液体中に溶存していた気体の析出や、消泡できずに残ったいわゆる残留気泡が除去され易く、また、液体への蓄熱が高くなりすぎることもない。従って、より安定した気泡の発生を高速に繰り返し行うことができる。なお、本実施例では実質的に平坦な内壁を持つ供給路12を持つもので説明したが、これに限らず、発熱体表面となだらかに繋がり、なだらかな内壁を有する供給路であればよく、発熱体2上に液体の淀みや、液体の供給に大きな乱流を生じない形状であればよい。
【0080】
また、気泡発生領域11への液体の供給は、可動部材31の側部(スリット35)を介してVD1から行われるものもある。しかし、気泡発生時の圧力をさらに有効に吐出口18に導くために図1で示すように気泡発生領域11の全体を覆う(発熱体面を覆う)ように大きな可動部材31を用い、可動部材31が第1の位置へ復帰することで、気泡発生領域11と液流路10の吐出口18に近い領域との液体の流抵抗が大きくなるような形態の場合、前述のVD1から気泡発生領域11に向かっての液体の流れが妨げられる。しかし、本発明のヘッド構造においては、気泡発生領域11に液体を供給するための流れVD2があるため、液体の供給性能が非常に高くなり、可動部材31で気泡発生領域11を覆うような吐出効率向上を求めた構造を取っても、液体の供給性能を落とすことがない。
【0081】
ところで、可動部材31の自由端32と支点33の位置は、例えば図6で示されるように、自由端32が相対的に支点33より下流側にある。このような構成のため、前述した発泡の際に気泡の圧力伝搬方向や成長方向を吐出口18側に導く等の機能や効果を効率よく実現できるのである。さらに、この位置関係は吐出に対する機能や効果のみならず、液体の供給の際にも液流路10を流れる液体に対する流抵抗を小さくしでき高速にリフィルできるという効果を達成している。これは図6に示すように、吐出によって後退したメニスカスMが毛管力により吐出口18へ復帰する際や、消泡に対しての液供給が行われる場合に、液流路10内を流れる流れS1、S2、S3に対し、逆らわないように自由端と支点33とを配置しているためである。
【0082】
補足すれば、本実施例図1においては、前述のように可動部材31の自由端32が、発熱体2を上流側領域と下流側領域とに2分する面積中心3(発熱体2の面積中心(中央)を通り液流路10の長さ方向に直交する線)より下流側の位置に対向するように発熱体2に対して延在している。これによって発熱体2の面積中心位置3より下流側で発生する液体の吐出に大きく寄与する圧力、又は気泡を可動部材31が受け、この圧力及び気泡を吐出口18側に導くことができ、吐出効率や吐出力を根本的に向上させることができる。
【0083】
さらに、加えて上記気泡の上流側をも利用して多くの効果を得ている。
【0084】
また、本実施例の構成においては可動部材31の自由端32が瞬間的な機械的変位を行っていることも、液体の吐出に対して有効に寄与している考えられる。
【0085】
(実施例2)
図7は、本発明の液体吐出ヘッドの第2の実施例の模式断面図であり、図8は、図7に示した液体吐出ヘッドを吐出口方向から見た模式断面図である。
【0086】
本実施例では、実施例1と同様の可動部材31の幅方向の両端部に、さらに発熱体2に向かって延在する立面部31aを一体的に設けたものである。立面部31aは、可動部材31の幅方向において気泡発生領域11の外側に位置しており、気泡発生領域11で発生した気泡の側方は立面部31aで覆われる。
【0087】
これにより、可動部材31が変位する際には、実施例1と同様に液流路10に存在する液体の抵抗が小さくなることに加え、発泡圧の側方への逃げが防止され、発泡圧をより効果的に可動部材31の変位に利用している。さらに、可動部材31の変位に伴う吐出口方向以外への放圧を抑制し、より効果的に発泡圧を吐出口18に向けることができるため、気泡の圧力をより効率的に吐出に寄与させることができる。
【0088】
(実施例3)
図9は、本発明の液体吐出ヘッドの第3の実施例の模式断面図である。
【0089】
本実施例も、実施例1と同様の可動部材31を用いたものであるが、さらにその厚みが、支点33から自由端32に向かって徐々に薄くなっている。これにより、可動部材31が変位する際の際の、液流路10に存在する液体による抵抗がさらに小さくなる上に、自由端32の変位を大きくすることができるので、気泡をより積極的に吐出口18に向けて成長させることができる。
【0090】
(実施例4)
図10に本発明の第4の実施例を示す。この図10において、Aは可動部材31が変位している状態を示し(気泡は図示せず)、Bは可動部材31が初期位置(第1位置)の状態を示し、このBの状態をもって、気泡発生領域11を吐出口18に対して実質的に密閉しているとする。(ここでは図示していないが、A、B間には流路壁があり流路と流路を分離している。)
図10における可動部材31は、実施例1と同様の形状である。また、土台34を側部に2点設け、その間に液供給路12を設けている。これにより、可動部材31の発熱体2側の面に沿って、また、発熱体2の面と実質的に平坦もしくは、なだらかにつながる面を持つ液供給路から液体の供給を成すことができる。
【0091】
ここで、可動部材31の初期位置(第1位置)では、可動部材31は発熱体2の下流側および横方向に配された発熱体下流壁36と発熱体側壁37に近接または密着しており、気泡発生領域11の吐出口18側に実質的に密閉されている。このため、発泡時の気泡の圧力、特に気泡の下流側の圧力を逃がさず可動部材31の自由端32側に集中的に作用させることができる。
【0092】
また、消泡時には、可動部材31は第1位置に戻り、発熱体2上への消泡時の液供給は気泡発生領域11の吐出口18側が実質的に密閉状態になるため、メニスカスの後退抑制等、先の実施例で説明した種々の効果を得ることができる。また、リフィルに関する効果においても先の実施例と同様の機能、効果を得ることができる。
【0093】
また、本実施例においては、図2や図10のように、可動部材31を支持固定する土台34を、発熱体2より離れた上流に設けると共に、液流路10より小さな幅とすることで前述のような供給路12への液体の供給を行っている。また、土台34の形状のこれに限らず、リフィルをスムースに行えるものであればよい。
【0094】
なお、本実施例においては可動部材31と発熱体2の間隔を15μm程度としたが、気泡の発生に基づく圧力が十分に可動部材31に伝わる範囲であればよい。
【0095】
(実施例5)
図11は、本発明の基本的な概念の一つを示すもので、本発明の実施例5となる。図11は、一つの液流路10中に気泡発生領域11、そこで発生する気泡および可動部材31との位置関係を示していると共に、本発明の液体吐出ヘッドによる液体吐出方法やリフィル方法をより分かり易くした実施例である。
【0096】
前述の実施例の多くは、可動部材31の自由端32に対して、発生する気泡の圧力を集中して、急峻な可動部材31の移動と同時に気泡の移動を吐出口18側に集中させることを達成している。これに対して、本実施例は、発生する気泡の自由度を与えながら、滴吐出に直接作用する気泡の吐出口18側である気泡の下流側部分を可動部材31の自由端32側で規制するものである。
【0097】
構成上で説明すると、図11では、前述の図2(実施例1)に比較すると、図2で素子基板1上に設けられた気泡発生領域の下流端に位置するバリヤーとしての凸部(図1の斜線部分)が本実施例では設けられていない。つまり、可動部材31の自由端領域および両側端領域は、吐出口領域に対して気泡発生領域11を実質的に密閉せずに開放している。その他可動部材31の形状等は実施例1と同様である。
【0098】
本実施例では、気泡の液滴吐出に直接作用する下流側部分のうち、下流側先端部の気泡成長が許容されているので、その圧力成分を吐出に有効に利用している。加えて少なくともこの下流側部分の上方へ向かう圧力(図4のV1 、V2 、V3 の分力)を可動部材31の自由端側部分が、この下流側先端部の気泡成長に加えられるように作用するため吐出効率を上述した実施例と同様に向上する。前記実施例に比較して本実施例は、発熱体2の駆動に対する応答性が優れている。
【0099】
また、本実施例は、構造上簡単であるため製造上の利点がある。
【0100】
本実施例の可動部材31の支点部は、可動部材31の面部に対して小さい幅の1つの土台34に固定されている。従って、消泡時の気泡発生領域11への液体供給は、この土台34の両側を通って供給される(図の矢印参照)。この土台34は供給性を確保するものであればどのような構造でもよい。
【0101】
液体の供給時におけるリフィルは、本実施例の場合には、可動部材31の存在によって気泡の消泡にともなって上方から気泡発生領域11へ流れ込む流れが制御されるので、従来の発熱体のみの気泡発生構造に対して優れたものとなる。無論、これによって、メニスカスの後退量を減じることもできる。
【0102】
本実施例の変形実施例としては、可動部材31の自由端32に対する両側端(一方でも可)のみを気泡発生領域11に対して実質的に密閉状態とすることは好ましいものとして挙げられる。この構成によれば、可動部材31の側方へ向かう圧力をも先に説明した気泡の吐出口側端部の成長に変更して利用することができるので、一層吐出効率が向上する。
【0103】
(実施例6)
前述した機械的変位による液体の吐出力をさらに向上させた例を本実施例で説明する。図12はこのようなヘッド構造の横断面図である。図12においては、可動部材31の自由端32の位置が発熱体2のさらに下流側に位置するように、可動部材31が延在している実施例を示している。これによって自由端位置での可動部材31の変位速度を高くすることができ、可動部材31の変位による吐出力の発生をさらに向上させることができる。その他可動部材31の形状等は実施例1と同様である。
【0104】
また、自由端32が先の実施例に比較して吐出口18側に近づくことになるので気泡40の成長をより安定した方向成分に集中できるので、より優れた吐出を行うことができる。
【0105】
また、気泡40の圧力中心部の気泡成長速度に応じて、可動部材31は変位速度R1で変位するが、この位置より支点33に対して遠い位置の自由端32はさらに速い速度R2で変位する。これにより、自由端32を高い速度で機械的に液体に作用せしめ液移動を起こさせることで吐出効率を高めている。
【0106】
(実施例7)
図13(a)、(b)、(c)は本発明の実施例7を示す。
【0107】
本実施例の構造は先の実施例と異なり、吐出口18と直接連通する領域は液室側と連通した流路形状となっておらず、構造の簡略化が図れるものである。
【0108】
液供給は全て、可動部材31の気泡発生領域側の面に沿った供給路12からのみ行われるもので、可動部材31の形状、自由端32や支点33の吐出口18に対する位置関係や発熱体2に面する構成は前述の実施例と同様である。
【0109】
本実施例は、吐出効率や液供給性等、前述した効果を実現するものであるが、特にメニスカスの後退を抑制し消泡時の圧力を利用して、ほとんど全ての液供給を消泡時の圧力を利用して、強制リフィルを行うものである。
【0110】
図13(a)は発熱体2により液体を発泡させた状態を示しており、図13(b)は、前記発泡が収縮しつつある状態で、このとき可動部材31の初期位置への復帰とS3による液供給が行われる。
【0111】
図13(c)では、可動部材31が初期位置に復帰する際のわずかなメニスカス後退を、消泡後に吐出口18付近の毛細管力によって、リフィルしている状態である。
【0112】
(実施例8)
以下、図14〜図16を参照して本発明の実施例8について説明する。
【0113】
本実施例においても主たる液体の吐出原理については先の実施例と同じであるが、本実施例においては液流路を複流路構成にすることで、さらに、熱を加えることで発泡させる液体(発泡液)と、主として吐出される液体(吐出液)とを分けることができるものである。
【0114】
図14は、本実施例の液体吐出ヘッドの流路方向の断面模式図を示しており、図15はこの液体吐出ヘッドの部分破断斜視図を示している。
【0115】
本実施例の液体吐出ヘッドは、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを与える発熱体2が設けられた素子基板1上に、発泡用の第2液流路16があり、その上に吐出口18に直接連通した吐出液用の第1液流路14が配されている。第1液流路14の上流側は、複数の第1液流路14に吐出液を供給するための第1共通液室15に連通しており、第2液流路16の上流側は、複数の第2液流路16に発泡液を供給するための第2共通液室17に連通している。
【0116】
第1液流路14と第2液流路16との間には、金属等の弾性を有する材料で構成された分離壁30が配されており、第1液流路14と第2液流路16とを区分している。なお、発泡液と吐出液とができる限り混ざり合わない方がよい液体の場合には、この分離壁30によってできる限り完全に第1液流路14と第2液流路16の液体の流通を分離した方がよいが、発泡液と吐出液とがある程度混ざり合っても問題がない場合には、分離壁30に完全分離の機能を持たせなくてもよい。
【0117】
発熱体2の面方向上方への投影空間(以下吐出圧発生領域という。;図14中のAの領域とBの気泡発生領域11)に位置する部分の分離壁30は、スリット35によって、吐出口18側(液体の流れの下流側)が自由端32で、共通液室(15、17)側に支点33が位置する片持梁形状の可動部材31となっている。この可動部材31は、気泡発生領域11(B)に面して配されているため、発泡液の発泡によって第1液流路14側の吐出口18側に向けて開口するように動作する(図中矢印方向)。図15においても、発熱体2としての発熱抵抗部と、この発熱抵抗部に電気信号を印加するための配線電極5とが配された素子基板1上に、第2液流路を構成する空間を介して分離壁30が配置されている。
【0118】
可動部材31の支点33、自由端32の配置と、発熱体2との配置の関係については先の実施例と同様にしている。さらに、可動部材31の幅方向の断面形状についても、先の実施例と同様に、発熱体2に対向する面からその反対側の面に向かって徐々に幅が狭くなった形状となっており、可動部材31が変位した際の、第1液流路14内の液体に対する抵抗が少なくなるようにしている。
【0119】
また、先の実施例で液供給路12と発熱体2との構造の関係について説明したが、本実施例においても第2液流路16と発熱体2との構造の関係を同じくしている。
【0120】
次に図16を用いて本実施例の液体吐出ヘッドの動作を説明する。
【0121】
ヘッドを駆動させるにあたっては、第1液流路14に供給される吐出液と第2液流路16に供給される発泡液として同じ水系のインクを用いて動作させた。発熱体2が発生した熱が、第2液流路16の気泡発生領域内11の発泡液に作用することで、先の実施例で説明したのと同様に発泡液に米国特許4,723,129号に記載されているような膜沸騰現象に基づく気泡40を発生させる。
【0122】
本実施例においては、気泡発生領域11の上流側を除く、3方からの発泡圧の逃げがないため、この気泡発生にともなう圧力が吐出圧発生部に配された可動部材31側に集中して伝搬し、気泡40の成長を伴って可動部材31が図16(a)の状態から図16(b)のように第1液流路14側に変位する。この可動部材31の動作によって第1液流路14と第2液流路16とが大きく連通し、気泡40の発生に基づく圧力が第1液流路14の吐出口側の方向(A方向)に主に伝わる。この圧力の伝搬と、前述のような可動部材31の機械的変位によって液体が吐出口から吐出される。
【0123】
次に、気泡40が収縮するに伴って可動部材31が図16(a)の位置まで戻ると共に、第1液流路14では吐出された吐出液体の量に見合う量の吐出液体が上流側から供給される。本実施例においても、この吐出液体の供給は前述の実施例と同様に可動部材31が閉じる方向であるため、吐出液体のリフィルを可動部材31で妨げることがない。
【0124】
本実施例は、可動部材31が変位しやすいこと、可動部材31の変位に伴う発泡圧力の伝搬、気泡40の成長方向、バック波の防止等に関する主要部分の作用や効果については先の実施例1等と同じであるが、本実施例のような2流路構成をとることによって、さらに次のような長所がある。
【0125】
すなわち、上述の実施例の構成によると、吐出液と発泡液とを別液体とし、発泡液の発泡で生じた圧力によって吐出液を吐出することができる。このため従来、熱を加えても発泡が十分に行われにくく吐出力が不十分であったポリエチレングリコール等の高粘度の液体であっても、この液体を第1液流路14に供給し、発泡液として発泡が良好に行われる液体(エタノール:水=4:6の混合液1〜2cp程度等)や低沸点の液体を第2液流路16に供給することで良好に吐出させることができる。
【0126】
また、発泡液として、熱を受けても発熱体2の表面にコゲ等の堆積物を生じない液体を選択することで、発泡を安定化し、良好な吐出を行うことができる。
【0127】
さらに、本発明のヘッドの構造においては先の実施例で説明したような効果をも生じるため、さらに高吐出効率、高吐出力で高粘性液体等の液体を吐出することができる。
【0128】
また、加熱に弱い液体の場合においてもこの液体を第1液流路14に吐出液として供給し、第2液流路16で熱的に変質しにくく良好に発泡を生じる液体を供給すれば、加熱に弱い液体に熱的な害を与えることなく、しかも上述のように高吐出効率、高吐出力で吐出することができる。
【0129】
(その他の実施例)
以上、本発明の液体吐出ヘッドや液体吐出方法の要部の実施例について説明を行ったが、以下にこれらの実施例に好ましく適用できる実施態様例について図面を用いて説明する。但し、以下の説明においては前述の1流路形態の実施例と2流路形態の実施例のいずれかを取り上げて説明する場合があるが特に記載しない限り、両実施例に適用しうるものである。
【0130】
〈可動部材の幅方向の断面形状〉
上述した実施例では、可動部材の幅方向の断面形状として、図3に示したような形状や図8に示したような形状を例に挙げたが、その他にも種々の変形例が考えられる。それらの例を図17に示す。
【0131】
図17(a)〜(d)に示した可動部材31は、それぞれ図3に示した可動部材31の変形例であり、発熱体と対向する面を平面として、それと反対側の面の形状を変えたものである。図17(e)〜(h)に示した可動部材31は、それぞれ図17(a)〜(d)に示した可動部材31の発熱体と対向する面の形状が、発熱体と反対側の面の形状と同じであり、幅方向の両端部が中央部よりも発熱体側に突出した形状となっている。これにより、図8に示した可動部材31と同様の効果を得ている。図17(i)に示した可動部材31は、図17(a)に示した可動部材31の幅方向の両端部にさらに立面部を設けたもので、これも図8に示した可動部材31の変形例である。
【0132】
<液流路の天井形状>
図18は本発明の液体吐出ヘッドの流路方向断面図であるが、第1液流路14(若しくは図1における液流路10)を構成するための溝が設けられた溝付き部材50が分離壁30上に設けられている。本実施例においては可動部材31の自由端32位置近傍の流路天井の高さが高くなっており、可動部材31の動作角度θをより大きく取れるようにしている。この可動部材31の動作範囲は、液流路の構造、可動部材31の耐久性や発泡力等を考慮して決定すればよいが、吐出口18の軸方向の角度を含む角度まで動作することが望ましいと考えられる。なお、図9に示したように、支点33から自由端32に向かって可動部材31の厚みを徐々に薄くすることで、可動部材31の動作角度θをより大きくすることができる。
【0133】
また、この図で示されるように吐出口18の直径より可動部材31の自由端32の変位高さを高くすることで、より十分な吐出力の伝達が成される。また、この図で示されるように、可動部材31の自由端32位置の液流路天井の高さより可動部材31の支点33位置の液流路天井の高さの方が低くなっているため、可動部材31の変位による上流側への圧力波の逃げがさらに有効に防止できる。
【0134】
<第2液流路と可動部材との配置関係>
図19は、上述の可動部材31と第2液流路16との配置関係を説明するための図であり、同図(a)は分離壁30、可動部材31近傍を上方から見た図であり、同図(b)は、分離壁30を外した第2液流路16を上方から見た図である。そして、同図(c)は、可動部材6と第2液流路16との配置関係を、これらの各要素を重ねることで模式的に示した図である。なお、いずれの図も図面下方が吐出口が配されている前面側である。
【0135】
本実施例の第2液流路16は発熱体2の上流側(ここでの上流側とは第2共通液室側から発熱体位置、可動部材、第1流路を経て吐出口に向う大きな流れの中の上流側のことである。)に狭窄部19を持っており、発泡時の圧力が第2液流路16の上流側に容易に逃げることを抑制するような室(発泡室)構造となっている。
【0136】
従来のヘッドのように、発泡する流路と液体を吐出するための流路とが同じで、発熱体より液室側に発生した圧力が共通液室側に逃げないように狭窄部を設けるヘッドの場合には、液体のリフィルを充分考慮して、狭窄部における流路断面積があまり小さくならない構成を採る必要があった。
【0137】
しかし、本実施例の場合、吐出される液体の多くを第1液流路内の吐出液とすることができ、発熱体2が設けられた第2液流路16内の発泡液はあまり消費されないようにできるため、第2液流路16の気泡発生領域への発泡液の充填量は少なくて良い。従って、上述の狭窄部19における間隔を数μm〜十数μmと非常に狭くできるため、第2液流路16で発生した発泡時の圧力をあまり周囲に逃がすことをさらに抑制でき、集中して可動部材31側に向けることができる。そしてこの圧力を可動部材31を介して吐出力として利用することができるため、より高い吐出効率、吐出力を達成することができる。ただ、第2液流路16の形状は上述の構造に限られるものではなく、気泡発生に伴う圧力が効果的に可動部材31側に伝えられる形状であれば良い。
【0138】
なお、可動部材31の発熱体2との対向面は実質的に平面であり、さらに、図19(C)で示されるように、可動部材31の側方は第2液流路16を構成する壁の一部を覆っている。このことで、可動部材31の第2液流路16への落ち込みが防止できる。これによって、前述した吐出液と発泡液との分離性をさらに高めることができる。また、気泡のスリット35からの逃げの抑制ができるため、さらに吐出圧や吐出効率を高めることができる。さらに、前述の消泡時の圧力による上流側からのリフィルの効果を高めることができる。
【0139】
なお、図16(b)や図18においては、可動部材31の第1液流路14側への変位に伴って、第2液流路16の気泡発生領域11で発生した気泡40の一部が第1液流路14側に延在しているが、この様に気泡40が延在するような第2液流路16の高さにすることで、気泡40が延在しない場合に比べ更に吐出力を向上させることができる。この様に気泡40が第1液流路14に延在するようにするためには、第2液流路16の高さを最大気泡の高さより低くすることが望ましく、この高さを数μm〜30μmとすることが望ましい。なお、本実施例においてはこの高さを15μmとした。
【0140】
<可動部材および分離壁>
図20は可動部材31の他の平面形状を示すもので、35は、分離壁に設けられたスリットであり、このスリット35によって可動部材31が形成されている。同図(a)は長方形の形状であり、(b)は支点側が細くなっている形状で可動部材の動作が容易な形状であり、同図(c)は支点側が広くなっており、可動部材31の耐久性が向上する形状である。動作の容易性と耐久性が良好な形状として、図19(a)で示したように、支点側の幅が円弧状に狭くなっている形態が望ましいが、可動部材31の形状は第2液流路16側に入り込むことがなく、容易に動作可能な形状で、耐久性に優れた形状であればよい。
【0141】
先の実施例においては、板状の可動部材31及びこの可動部材31を有する分離壁は厚さ5μmのニッケルで構成したが、これに限られることなく、可動部材31、分離壁を構成する材質としては発泡液と吐出液に対して耐溶剤性があり、可動部材31として良好に動作するための弾性を有し、スリットの形成や厚み方向の形状の制御が行えるものであればよい。
【0142】
可動部材31の材料としては、耐久性の高い、銀、ニッケル、金、鉄、チタン、アルミニュウム、白金、タンタル、ステンレス、りん青銅等の金属、およびその合金、または、アクリロニトリル、ブタジエン、スチレン等のニトリル基を有する樹脂、ポリアミド等のアミド基を有する樹脂、ポリカーボネイト等のカルボキシル基を有する樹脂、ポリアセタール等のアルデヒド基を持つ樹脂、ポリサルフォン等のスルホン基を持つ樹脂、そのほか液晶ポリマー等の樹脂およびその化合物、耐インク性の高い、金、タングステン、タンタル、ニッケル、ステンレス、チタン等の金属、これらの合金および耐インク性に関してはこれらを表面にコーティングしたもの若しくは、ポリアミド等のアミド基を有する樹脂、ポリアセタール等のアルデヒド基を持つ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン等のケトン基を有する樹脂、ポリイミド等のイミド基を有する樹脂、フェノール樹脂等の水酸基を有する樹脂、ポリエチレン等のエチル基を有する樹脂、ポリプロピレン等のアルキル基を持つ樹脂、エポキシ樹脂等のエポキシ基を持つ樹脂、メラミン樹脂等のアミノ基を持つ樹脂、キシレン樹脂等のメチロール基を持つ樹脂およびその化合物、さらに二酸化珪素等のセラミックおよびその化合物が望ましい。
【0143】
分離壁30の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、メラミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリブタジエン、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルサルフォン、ポリアリレート、ポリイミド、ポリサルフォン、液晶ポリマー(LCP)等の近年のエンジニアリングプラスチックに代表される耐熱性、耐溶剤性、成型性の良好な樹脂、およびその化合物、もしくは、二酸化珪素、チッ化珪素、ニッケル、金、ステンレス等の金属、合金およびその化合物、もしくは表面にチタンや金をコーティングしたものが望ましい。
【0144】
また、分離壁30の厚さは、分離壁30としての強度を達成でき、可動部材31として良好に動作するという観点からその材質と形状等を考慮して決定すればよいが、0.5μm〜10μm程度が望ましい。
【0145】
なお、可動部材31を形成するためのスリット35の幅は本実施例では2μmとしたが、発泡液と吐出液とが異なる液体であり、両液体の混液を防止したい場合は、スリット幅を両者の液体間でメニスカスを形成する程度の間隔とし、夫々の液体同士の流通を抑制すればよい。例えば、発泡液として2cp(センチポアズ)程度の液体を用い、吐出液として100cp以上の液体を用いた場合には、5μm程度のスリットでも混液を防止することができるが、3μm以下にすることが望ましい。
【0146】
本発明における可動部材としてはμmオーダーの厚さ(tμm)を対象としており、cmオーダーの厚さの可動部材は意図していない。μmオーダーの厚さの可動部材にとって、μmオーダーのスリット幅(Wμm)を対象とする場合、製造のバラツキをある程度考慮することが望ましい。
【0147】
本発明の「実質的な密閉状態」を与えるスリットとしては、このような数μmオーダであればより確実である。
【0148】
上述のように、発泡液と吐出液とに機能分離させた場合、可動部材がこれらの実質的な仕切部材となる。この可動部材が気泡の生成に伴って移動する際に吐出液に対して発泡液がわずかに混入することが見られる。画像を形成する吐出液は、インクジェット記録の場合、色材濃度を3%乃至5%程度有するものが一般的であることを考慮すると、この発泡液が吐出液滴に対して20%以下の範囲で含まれても大きな濃度変化をもたらさない。従って、このような混液としては、吐出液滴に対して20%以下となるような発泡液と吐出液との混合を本発明に含むものとする。
【0149】
尚、上記構成例の実施では、粘性を変化させても上限で15%の発泡液の混合であり、5cp以下の発泡液では、この混合比率は、駆動周波数にもよるが、10%程度を上限とするものであった。
【0150】
特に、吐出液の粘度を20cp以下にすればする程、この混液は低減(例えば5%以下)できる。
【0151】
次に、このヘッドにおける発熱体と可動部材の配置関係について、図を用いて説明する。ただし、可動部材と発熱体の形状および寸法,数は、以下に限定されるものではない。発熱体と可動部材の最適な配置によって、発熱体による発泡時の圧力を吐出圧として有効に利用することが可能となる。
【0152】
熱等のエネルギーをインクに与えることで、インクに急峻な体積変化(気泡の発生)を伴う状態変化を生じさせ、この状態変化に基づく作用力によって吐出口からインクを吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方法、いわゆるバブルジェット記録方法の従来技術においては、図21に示すように、発熱体面積とインク吐出量は比例関係にあるが、インク吐出に寄与しない非発泡有効領域Sが存在していることがわかる。また、発熱体上のコゲの様子から、この非発泡有効領域Sが発熱体の周囲に存在していることがわかる。これらの結果から、発熱体周囲の約4μm幅は、発泡に関与されていないとされている。
【0153】
したがって、発泡圧を有効利用するためには、発熱体の周囲から約4μm以上内側の発泡有効領域の直上が可動部材の可動領域で覆われるように、可動部材を配置するのが効果的であると、言える。本実施例においては、発泡有効領域を発熱体周囲から約4μm以上内側としたが、発熱体の種類や形成方法によっては、これに限定されるものではない。
【0154】
図22に、58×150μmの発熱体2に可動領域の総面積が異なる可動部材31a((a)図)、可動部材31b((b)図)を配置したときの上部から見た模式図を示す。
【0155】
可動部材31aの寸法は、53×145μmで、発熱体2の面積よりも小さいが、発熱体2の発泡有効領域と同じ程度の寸法であり、該発泡有効領域を覆うように、配置されている。一方、可動部材31bの寸法は、53×220μmで発熱体2の面積よりも大きく(幅寸法を同じにした場合、支点33〜可動先端間の寸法が発熱体2の長さよりも長い)、可動部材31aと同じように発泡有効領域を覆うように配置されている。上記2種の可動部材31a,31bに対し、それらの耐久性と吐出効率について測定を行った。測定条件は以下の通りである。
【0156】
発泡液 : エタノール40%水溶液
吐出用インク: 染料インク
電圧 : 20.2V
周波数 : 3kHz
この測定条件で実験を行った結果、可動部材の耐久性に関しては、(a)可動部材31aの方は、1×107パルス印加したところで可動部材31aの支点部分に損傷が見られた。(b)可動部材31bの方は、3×108パルス印加しても、損傷は見られなかった。また、投入エネルギーに対する吐出量と吐出速度からもとまる運動エネルギーも約1.5〜2.5倍程度向上することが確認された。
【0157】
以上の結果から、耐久性、吐出効率の両面からみても、発泡有効領域の真上を覆うように可動部材を設け、該可動部材の面積が発熱体の面積よりも大きい方が、優れていることがわかる。
【0158】
図23に発熱体のエッジから可動部材の支点までの距離と、可動部材の変位量の関係を示す。また、図24に、発熱体2と可動部材31との位置関係を側面方向から見た断面構成図を示す。発熱体2は40×105μmのものを用いた。発熱体2のエッジから可動部材31の支点33までの距離lが大きい程、変位量が大きいことがわかる。したがって、要求されるインクの吐出量や吐出液の流路構造および発熱体形状などによって、最適変位量を求め、可動部材31の支点33の位置を決めることが望ましい。
【0159】
また、可動部材31の支点33が発熱体2の発泡有効領域直上に位置する場合は、可動部材31の変位による応力に加え、発泡圧力が直接支点33に加わるため可動部材31の耐久性が低下してしまう。本発明者の実験によると、発泡有効領域の真上に支点33を設けたものでは、1×106パルス程度で、可動壁に損傷が生じており、耐久性が低下してしまうことが分かっている。したがって、可動部材31の支点33は、発熱体2の発泡有効領域直上外に配置することで耐久性がそれ程高くない形状や材質の可動部材31であっても実用可能性が高くなる。ただし、前記発泡有効領域直上に支点33がある場合でも形状や材質を選択すれば、良好に用いることができる。かかる構成において、高吐出効率および耐久性に優れた液体吐出ヘッドが得られる。
【0160】
<素子基板>
以下に液体に熱を与えるための発熱体が設けられた素子基板の構成について説明する。
【0161】
図25は本発明の液体吐出ヘッドの縦断面図を示したもので、図25(a)は後述する保護膜(耐キャビテーション層)があるヘッド、同図(b)は保護膜がないものである。
【0162】
素子基板1上に第2液流路16、分離壁30、第1液流路14、第1液流路14を構成する溝を設けた溝付き部材50が配されている。
【0163】
素子基板1には、シリコン等の基体107に絶縁および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜またはチッ化シリコン膜106を成膜し、その上に発熱体2を構成するハフニュウムボライド(HfB2)、チッ化タンタル(TaN)、タンタルアルミ(TaAl)等の電気抵抗層105(0.01〜0.2μm厚)とアルミニュウム等の配線電極(0.2〜1.0μm厚)を図15のようにパターニングしている。この2つの配線電極104から電気抵抗層105に電圧を印加し、電気抵抗層105に電流を流し発熱させる。配線電極104間の電気抵抗層105上には、酸化シリコンやチッ化シリコン等の保護層103を0.1〜2.0μm厚で形成し、さらにそのうえにタンタル等の耐キャビテーション層102(0.1〜0.6μm厚)が成膜されており、インク等の各種の液体から電気抵抗層105を保護している。
【0164】
特に、気泡の発生、消泡の際に発生する圧力や衝撃波は非常に強く、堅くてもろい酸化膜の耐久性を著しく低下させるため、金属材料のタンタル(Ta)等が耐キャビテーション層102として用いられる。
【0165】
また、液体、液流路構成、抵抗材料の組み合わせにより上述の耐キャビテーション層102を必要としない構成でもよく、その例を図25(b)に示す。このような耐キャビテーション層を必要としない電気抵抗層105の材料としてはイリジュウム−タンタル−アルミ合金等が挙げられる。
【0166】
このように、前述の各実施例における発熱体2の構成としては、前述の配線電極104間の電気抵抗層(発熱部)105だけででもよく、また電気抵抗層105を保護する保護層103を含むものでもよい。
【0167】
本実施例においては、発熱体2として電気信号に応じて発熱する電気抵抗層105で構成された発熱部を有するものを用いたが、これに限られることなく、吐出液を吐出させるのに十分な気泡を発泡液に生じさせるものであればよい。例えば、発熱部としてレーザ等の光を受けることで発熱するような光熱変換体や高周波を受けることで発熱するような発熱部を有する発熱体でもよい。
【0168】
なお、前述の素子基板1には、前述の発熱部を構成する電気抵抗層105とこの電気抵抗層105に電気信号を供給するための配線電極104で構成される電気熱変換体の他に、この電気熱変換素子を選択的に駆動するためのトランジスタ、ダイオード、ラッチ、シフトレジスタ等の機能素子が一体的に半導体製造工程によって作り込まれていてもよい。
【0169】
また、前述のような素子基板1に設けられている電気熱変換体の発熱部を駆動し、液体を吐出するためには、前述の電気抵抗層105に配線電極104を介して図26で示されるような矩形パルスを印加し、配線電極104間の電気抵抗層105を急峻に発熱させる。前述の各実施例のヘッドにおいては、それぞれ電圧24V、パルス幅7μsec、電流150mA、電気信号を6kHzで加えることで発熱体を駆動させ、前述のような動作によって、吐出口18から液体であるインクを吐出させた。しかしながら、駆動信号の条件はこれに限られることなく、発泡液を適正に発泡させることができる駆動信号であればよい。
【0170】
<2流路構成のヘッド構造>
以下に、第1、第2の共通液室に異なる液体を良好に分離して導入でき部品点数の削減を図れ、コストダウンを可能とする液体吐出ヘッドの構造例について説明する。
【0171】
図27は、このような液体吐出ヘッドの構造を示す模式図であり、先の実施例と同じ構成要素については同じ符号を用いており、詳しい説明はここでは省略する。
【0172】
本実施例においては、溝付き部材50は、吐出口18を有するオリフィスプレート51と、複数の第1液流路14を構成する複数の溝と、複数の第1液流路14に共通して連通し、各第1液流路14に液体(吐出液)を供給するための第1共通液室15を構成する凹部とから概略構成されている。
【0173】
この溝付き部材50の下側部分に分離壁30を接合することにより複数の第1液流路14を形成することができる。このような溝付き部材50は、その上部から第1共通液室15内に到達する第1液体供給路20を有している。また、溝付き部材50は、その上部から分離壁30を突き抜けて第2共通液室17内に到達する第2液体供給路21を有している。
【0174】
第1の液体(吐出液)は、図27の矢印Cで示すように、第1液体供給路20を経て、第1共通液室15、次いで第1液流路14に供給され、第2の液体(発泡液)は、図27の矢印Dで示すように、第2液体供給路21を経て、第2共通液室17、次いで第2液流路16に供給されるようになっている。
【0175】
本実施形態例では、第2液体供給路21は、第1液体供給路20と平行して配されているが、これに限ることはなく、第1共通液室15の外側に配された分離壁30を貫通して、第2共通液室17に連通するように形成されればどのように配されてもよい。
【0176】
また、第2液体供給路21の太さ(直径)に関しては、第2液体の供給量を考慮して決められる。第2液体供給路21の形状は丸形状である必要はなく、矩形状等でもよい。
【0177】
また、第2共通液室17は、溝付き部材50を分離壁30で仕切ることによって形成することができる。形成の方法としては、図28で示す本実施例の分解斜視図のように、素子基板1上にドライフィルムで共通液室枠71と第2液路壁72を形成し、分離壁30を固定した溝付き部材50と分離壁30との結合体と素子基板1とを貼り合わせることにより第2共通液室17や第2液流路16を形成してもよい。
【0178】
本実施形態例では、アルミニュウム等の金属で形成された支持体70上に、前述のように、発泡液に対して膜沸騰による気泡を発生させるための熱を発生する発熱体としての電気熱変換素子が複数設けられた素子基板1が配されている。
【0179】
この素子基板1上には、第2液路壁72により形成された第2液流路16を構成する複数の溝と、複数の発泡液流路に連通し、それぞれの発泡液路に発泡液を供給するための第2共通液室(共通発泡液室)17を構成する凹部と、前述した可動壁31が設けられた分離壁30とが配されている。
【0180】
溝付き部材50は、分離壁30と接合されることで吐出液流路(第1液流路)14を構成する溝と、吐出液流路に連通し、それぞれの吐出液流路に吐出液を供給するための第1共通液室(共通吐出液室)15を構成するための凹部と、第1共通液室15に吐出液を供給するための第1液体供給路(吐出液供給路)20と、第2共通液室17に発泡液を供給するための第2液体供給路(発泡液供給路)21とを有している。第2の供給路21は、第1共通液室15の外側に配された分離壁30を貫通して第2共通液室17に連通する連通路に繋がっており、この連通路によって吐出液と混合することなく発泡液を第2共通液室17に供給することができる。
【0181】
素子基板1、分離壁30、溝付き部材50の配置関係は、素子基板1の発熱体2に対応して可動部材31が配置されており、この可動部材31に対応して吐出液流路14が配されている。また、本実施形態例では、1つの第2液体供給路21を溝付き部材50に配した例を示したが、供給量に応じて複数設けてもよい。さらに第1液体供給路20と第2液体供給路21の流路断面積は供給量に比例して決めればよい。このような流路断面積の最適化により溝付き部材50等を構成する部品をより小型化することも可能である。
【0182】
以上説明したように本実施例によれば、第2液流路16に第2液体を供給する第2液体供給路21と、第1液流路14に第1液体を供給する第1液体供給路20とが同一の溝付き部材50からなることにより部品点数が削減でき、工程の短縮化とコストダウンが可能となる。
【0183】
また第2液流路16に連通した第2共通液室17への、第2液体の供給は、第1液体と第2液体を分離する分離壁30を突き抜ける方向で第2液流路16によって行なわれる構造であるため、前記分離壁30と溝付き部材50と素子基板1との貼り合わせ工程が1度で済み、作りやすさが向上すると共に、貼り合わせ精度が向上し、良好に吐出することができる。
【0184】
また、第2液体は、分離壁30を突き抜けて第2共通液室17へ供給されるため、第2液流路16に第2液体の供給が確実となり、供給量が十分確保できるため、安定した吐出が可能となる。
【0185】
<吐出液体、発泡液体>
先の実施例で説明したように本発明においては、前述のような可動部材を有する構成によって、従来の液体吐出ヘッドよりも高い吐出力や吐出効率でしかも高速に液体を吐出することができる。本実施例の内、発泡液と吐出液とに同じ液体を用いる場合には、発熱体から加えられる熱によって劣化せずに、また加熱によって発熱体上に堆積物を生じにくく、熱によって気化、凝縮の可逆的状態変化を行うことが可能であり、さらに液流路や可動部材や分離壁等を劣化させない液体であれば種々の液体を用いることができる。
【0186】
このような液体の内、記録を行う上で用いる液体(記録液体)としては従来のバブルジェット装置で用いられていた組成のインクを用いることができる。
【0187】
一方、本発明の2流路構成のヘッドを用い、吐出液と発泡液を別液体とした場合には、発泡液として前述のような性質の液体を用いればよく、具体的には、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ヘキサン、n−ヘプタン、n−オクタン、トルエン、キシレン、二塩化メチレン、トリクレン、フレオンTF、フレオンBF、エチルエーテル、ジオキサン、シクロヘキサン、酢酸メチル、酢酸エチル、アセトン、メチルエチルケトン、水等およびこれらの混合物が挙げられる。
【0188】
吐出液としては、発泡性の有無、熱的性質に関係なく様々な液体を用いることができる。また、従来吐出が困難であった発泡性が低い液体、熱によって変質、劣化しやすい液体や高粘度液体等であっても利用できる。
【0189】
ただし、吐出液の性質として吐出液自身、又は発泡液との反応によって、吐出や発泡また可動部材の動作等を妨げるような液体でないことが望まれる。
【0190】
記録用の吐出液体としては、高粘度インク等をも利用することができる。その他の吐出液体としては、熱に弱い医薬品や香水等の液体を利用することもできる。
【0191】
本発明においては、吐出液と発泡液の両方に用いることができる記録液体として以下のような組成のインクを用いて記録を行ったが、吐出力の向上によってインクの吐出速度が高くなったため、液滴の着弾精度が向上し非常に良好な記録画像を得ることができた。
【0192】
【外1】
【0193】
また、発泡液と吐出液に以下で示すような組成の液体を組み合わせて吐出させて記録を行った。その結果、従来のヘッドでは吐出が困難であった十数cp粘度の液体はもちろん150cpという非常に高い粘度の液体でさえも良好に吐出でき、高画質な記録物を得ることができた。
【0194】
【外2】
【0195】
ところで、前述したような従来吐出されにくいとされていた液体の場合には、吐出速度が低いために、吐出方向性のバラツキが助長され記録紙上のドットの着弾精度が悪く、また吐出不安定による吐出量のバラツキが生じこれらのことで、高品位画像が得にくかった。しかし、上述の実施例の構成においては、気泡の発生を発泡液を用いることで充分に、しかも安定して行うことができる。このことで、液滴の着弾精度向上とインク吐出量の安定化を図ることができ記録画像品位を著しく向上することができた。
【0196】
〈可動部材の製造〉
次に、本発明の最も大きな特徴である可動部材の製造工程の例について、前述の実施例で示した様々の形状の中からいくつかを選んで説明する。
【0197】
まず、図3に示した可動部材31の製法の一例について図29(a)〜(c)を用いて説明する。
【0198】
(a)SUS基板1100上に厚さ0.5μmのレジスト1101をパターニングする。パターニングするレジスト1101の幅は、スリットとして残す幅を3μmとしたとき、0.5μm厚のレジストの場合、12μmとする。
【0199】
(b)SUS基板1100に対して電気メッキを行ってSUS基板1100上にニッケル層1102を5μm成長させる。メッキ液としては、スルフォミン酸ニッケルに応力減少剤(ワールドメタル社製:ゼオロール)と、ほう酸、ピット防止剤(ワールドメタル社製:NP−APS)、塩化ニッケルを使用した。電着時の電界のかけ方としては、アノード側に電極を付け、カソード側に既にレジスト1101をパターニングしたSUS基板1100を取り付け、メッキ液の温度を50℃とし、電流密度を5A/cm2 とした。
【0200】
この条件下でニッケル層1102を成長させると、ニッケル層1102は、0.5μm成長した時点から厚さ方向以外にレジスト1101を覆う方向にも成長する。そして、総厚が5μmとなったときには、ニッケル層1102はレジスト1101の両側方をそれぞれ約4.5μm覆う。その結果、レジスト1101上では3μm幅の隙間がレジスト1101のパターンに沿って形成され、この隙間の部分でのニッケル層1102の厚み方向での曲率半径は4.5μmとなる。
【0201】
(c)メッキを終了したSUS基板1100に超音波振動を与え、ニッケル層1102の部分をSUSU基板1100から剥離し、図示上方に向かって幅が徐々に狭くなっていく形状の可動部材31を得る。
【0202】
ここで、可動部材31の図示下面にはレジスト1101の跡である段差が生じているが、この段差の高さは0.5μmであるので、可動部材31の図示下面は実質的に平面である。
【0203】
次に、図17(c)に示した可動部材31の製法の一例について図30(a)〜(e)を用いて説明する。
【0204】
(a)SUS基板1100上に厚さ2.5μmのレジスト1101aをパターニングする。パターニングするレジスト1101aの幅は、スリットとして残す幅に合わせる。
【0205】
(b)SUS基板1100に対して電気メッキを行ってSUS基板1100上にニッケル層1102aを2.5μm成長させる。メッキ液としては、スルフォミン酸ニッケルに応力減少剤(ワールドメタル社製:ゼオロール)と、ほう酸、ピット防止剤(ワールドメタル社製:NP−APS)、塩化ニッケルを使用した。電着時の電界のかけ方としては、アノード側に電極を付け、カソード側に既にレジスト1101a,1101bをパターニングしたSUS基板1100を取り付け、メッキ液の温度を50℃とし、電流密度を5A/cm2 とした。
【0206】
(c)上述したレジスト1101aに重ねて、再び厚さ2.5μmのレジスト1101bをパターニングする。このレジスト110bの幅は、初めにパターニングしたレジスト1101aの幅よりも大きいものとする。
【0207】
(d)上述のニッケル層1102aに対して再び電気メッキを行い、2層目のニッケル層1102bを2.5μm成長させる。メッキの条件は、1層目のニッケル層1102aを形成したときと同じである。
【0208】
(e)レジスト1101a,1101bを除去した後、SUS基板1100に超音波振動を与え、1層目のニッケル層1102aの部分をSUS基板1100から剥離し、2段形状の可動部材31を得る。
【0209】
次に、図17(d)に示した可動部材31の製法の一例について図31(a)〜(c)を用いて説明する。
【0210】
(a)SUS基板1100上に厚さ15μmのレジスト1101をパターニングする。この際、パターニング後のレジスト1101の側面に傾斜がつくように、露光時の焦点をずらす。
【0211】
(b)SUS基板1100に対して電気メッキを行ってSUS基板1100上にニッケル層1102を5μm成長させる。メッキ液としては、スルフォミン酸ニッケルに応力減少剤(ワールドメタル社製:ゼオロール)と、ほう酸、ピット防止剤(ワールドメタル社製:NP−APS)、塩化ニッケルを使用した。電着時の電界のかけ方としては、アノード側に電極を付け、カソード側に既にレジスト1101をパターニングしたSUS基板1100を取り付け、メッキ液の温度を50℃とし、電流密度を5A/cm2 とした。
【0212】
(c)上記のようなメッキを終了したSUS基板1100に超音波振動を与え、ニッケル層1102の部分をSUS基板1100から剥離する。これを上下反転すると、台形状の可動部材31が得られる。
【0213】
次に、図17(h)に示した可動部材31の製法の一例について図32(a)〜(c)を用いて説明する。
【0214】
(a)SUS基板1100上にレジスト1101aをパターニングする。
【0215】
(b)レジスト1101をパターニングしたSUS基板1100をエッチング液(塩化第2鉄または塩化第2銅の水溶液)に浸漬し、レジスト1101aから露出している部分を5μmエッチングする。その後、レジスト1101aを剥離する。
【0216】
(c)SUS基板1100のエッチングされた面全体に、再びレジスト1101bを塗布する。
【0217】
(d)上記工程で塗布したレジスト1101bを、SUS基板1100のエッチングされた部位の底部のみにレジスト110bが残るように、露光によりパターニングする。
【0218】
(e)上述のようにしたSUS基板1100を母材として、SUS基板1100に対して電気メッキを行ってSUS基板1100上にニッケル層1102を5μm成長させる。メッキ液としては、スルフォミン酸ニッケルに応力減少剤(ワールドメタル社製:ゼオロール)と、ほう酸、ピット防止剤(ワールドメタル社製:NP−APS)、塩化ニッケルを使用した。電着時の電界のかけ方としては、アノード側に電極を付け、カソード側に既にレジスト1101bをパターニングしたSUS基板1100を取り付け、メッキ液の温度を50℃とし、電流密度を5A/cm2 とした。
【0219】
(f)上記のようなメッキを終了したSUS基板1100に超音波振動を与え、ニッケル層1102の部分をSUS基板1100から剥離し、幅方向の両端に立面部が一体的に設けられた可動部材31が得られる。
【0220】
<液体吐出ヘッドの製造>
次に、本発明の液体吐出ヘッドの製造工程について説明する。
【0221】
図2で示したような液体吐出ヘッドの場合には、素子基板1上に可動部材31を設けるための土台34をドライフィルム等をパターニングすることで形成し、この土台34に、例えば前述のようにして形成した可動部材31を接着、もしくは溶着固定した。その後、各液流路10を構成する複数の溝と吐出口18と共通液室13を構成する凹部を有する溝付き部材を、溝と可動部材31が対応するような状態で素子基板1に接合することで形成した。
【0222】
次に、図14や図28で示されるような2流路構成の液体吐出ヘッドの製造工程について説明する。
【0223】
大まかには、素子基板1上に第2液流路16の壁を形成し、その上に、可動部材31を有する分離壁30を取り付け、さらにその上に第1液流路14を構成する溝等が設けられた溝付き部材50を取り付ける。もしくは、第2液流路16の壁を形成した後、この壁の上に分離壁30を取り付けた溝付き部材50を接合することでヘッドの製造を行った。
【0224】
さらに第2液流路16の作製方法について詳しく説明する。
【0225】
図33(a)〜(e)は、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の一例を説明するための概略断面図である。
【0226】
本例においては、(a)に示すように、素子基板(シリコンウエハ)1上に半導体製造工程で用いるのと同様の製造装置を用いてハフニュウムボライドやチッ化タンタル等からなる発熱体2を有する電気熱変換用素子を形成した後、次工程における感光性樹脂との密着性の向上を目的として素子基板1の表面に洗浄を施した。さらに、密着性を向上させるには、素子基板1の表面に紫外線−オゾン等による表面改質を行った後、例えばシランカップリング剤(日本ユニカ製:A189)をエチルアルコールで1重量%に希釈した液を上記改質表面上にスピンコートすることで達成される。
【0227】
次に、表面洗浄を行い、密着性を向上した素子基板1上に、(b)に示すように、紫外線感光性樹脂フィルム(東京応化製:ドライフィルム オーディルSY−318)DFをラミネートした。
【0228】
次に、(c)に示すように、ドライフィルムDF上にフォトマスクPMを配し、このフォトマスクPMを介してドライフィルムDFのうち、第2流路壁として残す部分に紫外線を照射した。この露光工程は、キヤノン(株)製:MPA−600を用いて行い、約600mJ/cm2の露光量で行った。
【0229】
次に、(d)に示すように、ドライフィルムDFを、キシレンとブチルセルソルブアセテートとの混合液からなる現像液(東京応化製:BMRC−3)で現像し、未露光部分を溶解させ、露光して硬化した部分を第2液流路16の壁部分として形成した。さらに、素子基板1表面に残った残渣を酸素プラズマアッシング装置(アルカンテック社製:MAS−800)で約90秒間処理して取り除き、引き続き、150℃で2時間、さらに紫外線照射100mJ/cm2を行って露光部分を完全に硬化させた。
【0230】
以上の方法により、上記シリコン基板から分割、作製される複数のヒータボード(素子基板)に対し、一様に第2液流路16を精度よく形成することができる。シリコン基板を、厚さ0.05mmのダイヤモンドブレードを取り付けたダイシングマシン(東京精密製:AWD−4000)で各々のヒータボード1に切断、分離した。分離されたヒータボード1を接着剤(東レ製:SE4400)でアルミベースプレート(支持体)70上に固定した(図36)。次いで、予めアルミベースプレート70上に接合しておいたプリント配線基板73(図36)と、ヒータボード1とを直径0.05mmのアルミワイヤ(図示略)で接続した。
【0231】
次に、このようにして得られたヒータボード1に、図33(e)に示すように、上述の方法で溝付き部材50と分離壁30との接合体を位置決め接合した。すなわち、分離壁30を有する溝付き部材50とヒータボード1とを位置決めし、押さえバネ78(図36)により係合、固定した後、インク・発泡液用供給部材80(図36)をアルミベースプレート70上に接合固定し、アルミワイヤ間、溝付き部材50とヒータボード1とインク・発泡液用供給部材80との隙間をシリコーンシーラント(東芝シリコーン製:TSE399)で封止して完成させた。
【0232】
以上の製法で第2液流路16を形成することにより、各ヒータボード1の各発熱体2に対して位置ズレのない精度の良い流路を得ることができる。特に、溝付き部材50と分離壁30とをあらかじめ先の工程で接合しておくことで、第1液流路14と可動部材31の位置精度を高めることができる。
【0233】
そして、これらの高精度製造技術によって、吐出安定化が図られ印字品位が向上する。また、ウエハ上に一括で形成することが可能なため、多量に低コストで製造することが可能である。
【0234】
なお、本例では、第2液流路16を形成するために紫外線硬化型のドライフィルムを用いたが、紫外域、特に248nm付近に吸収帯域をもつ樹脂を用い、ラミネート後、硬化させ、エキシマレーザで第2液流路16となる部分の樹脂を直接除去することによっても得ることが可能である。
【0235】
図34(a)〜(d)は、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の他の例を説明するための概略断面図である。
【0236】
本例においては、(a)に示すように、SUS基板1100上に厚さ15μmのレジスト101を第2液流路の形状でパターニングした。
【0237】
次に、(b)に示すように、SUS基板1100に対して電気メッキを行ってSUS基板1100上にニッケル層1102を同じく15μm成長させた。メッキ液としては、スルフォミン酸ニッケルに応力減少剤(ワールドメタル社製:ゼロオール)とほう酸、ピット防止剤(ワールドメタル社製:NP−APS)、塩化ニッケルを使用した。電着時の電界のかけ方としては、アノード側に電極を付け、カソード側に既にパターニングしたSUS基板1100を取り付け、メッキ液の温度を50℃とし、電流密度を5A/cm2とした。
【0238】
次に、(c)に示すように、上記のようなメッキを終了したSUS基板1100に超音波振動を与え、ニッケル層1102の部分をSUS基板1100から剥離し、所望の第2の液流路を得た。
【0239】
一方、電気熱変換用素子を配設したヒータボードを、半導体と同様の製造装置を用いてシリコンウエハに形成した。このウエハを先の実施例と同様に、ダイシングマシンで各々のヒータボードに分離した。このヒータボード1を、予めプリント配線基板73が接合されたアルミベースプレート70に接合し、プリント配線基板73とアルミワイヤ(図示略)とを接続することで電気的配線を形成した。このような状態のヒータボード1上に、図34(d)に示すように、先の工程で得た第2液流路16を位置決め固定した。この固定に際しては、後工程で、図33を用いて説明した例と同様に分離壁を固定した溝付き部材と押さえバネによって係合・密着されるため、溝付き部材接合時に位置ズレが発生しない程度に固定されていれば十分である。
【0240】
本例では、上記位置決め固定に紫外線硬化型接着剤(グレースジャパン製:アミコンUV−300)を塗布し、紫外線照射装置を用い、露光量を100mJ/cm2として約3秒間で固定を完了した。
【0241】
本例の製法によれば、発熱体2に対して位置ズレのない精度の高い第2液流路16を得ることができることに加え、ニッケルで流路壁を形成しているため、アルカリ性の液体に強く、信頼性の高いヘッドを提供することが可能となる。
【0242】
図35(a)〜(d)は、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法のさらに他の例を説明するための概略断面図である。
【0243】
本例においては、(a)に示すように、アライメント穴1100aあるいはマークを有する厚さ15μmのSUS基板1100の両面にレジスト1103を塗布した。ここで、レジスト1103としては、東京応化製のPMERP−AR900を使用した。
【0244】
この後、(b)に示すように、SUS基板1100のアライメント穴1100aに合わせて、露光装置(キヤノン(株)製:MPA−600)を用いて露光し、第2液流路を形成すべき部分のレジスト1103を除去した。露光は800mJ/cm2の露光量で行った。
【0245】
次に、(c)に示すように、両面のレジスト1103がパターニングされたSUS基板1100を、エッチング液(塩化第2鉄または塩化第2銅の水溶液)に浸漬し、レジスト1103から露出している部分をエッチングした後、レジスト1103を剥離した。
【0246】
次に、(d)に示すように、先の製造方法の例と同様に、ヒータボード1上に、エッチングされたSUS基板1100を位置決め固定して第2液流路16を有する液体吐出ヘッドを組み立てた。
【0247】
本例の製法によれば、発熱体2に対し位置ズレのない精度の高い第2液流路16を得ることができることに加え、SUSで流路を形成しているため、酸やアルカリ性の液体に強く信頼性の高い液体吐出ヘッドを提供することができる。
【0248】
以上説明したように、本例の製造方法によれば、素子基板状に予め第2液流路の壁を配設することによって、発熱体と第2液流路とが高精度に位置決めすることが可能となる。また、切断、分離前の基板上の多数の素子基板に対して第2液流路を同時に形成することができるので、多量に、かつ、低コストの液体吐出ヘッドを提供することができる。
【0249】
また、本例の製造方法によって得られた液体吐出ヘッドは、発熱体と第2液流路とが高精度に位置決めされているので、電気熱変換体の発熱による発泡の圧力を効率よく受けることができ、吐出効率に優れたものとなる。
【0250】
<液体吐出ヘッドカートリッジ>
次に、上記実施形態例に係る液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出ヘッドカートリッジを概略説明する。
【0251】
図36は、前述した液体吐出ヘッドを含む液体吐出ヘッドカートリッジの模式的分解斜視図であり、液体吐出ヘッドカートリッジは、主に液体吐出ヘッド部200と液体容器90とから概略構成されている。
【0252】
液体吐出ヘッド部200は、素子基板1、分離壁30、溝付き部材50、押さえバネ78、液体供給部材80、アルミベースプレート(支持体)70等から成っている。素子基板1には、前述のように発泡液に熱を与えるための発熱抵抗体が、複数個、列状に設けられており、また、この発熱抵抗体を選択的に駆動するための機能素子が複数設けられている。この素子基板1と可動壁を持つ前述の分離壁30との間に発泡液路が形成され発泡液が流通する。この分離壁30と溝付き部材50との接合によって、吐出される吐出液体が流通する吐出流路(不図示)が形成される。
【0253】
押さえバネ78は、溝付き部材50に素子基板1方向への付勢力を作用させる部材であり、この付勢力により素子基板1、分離壁30、溝付き部材50と、後述する支持体70とを良好に一体化させている。
【0254】
支持体70は、素子基板1等を支持するためのものであり、この支持体70上にはさらに素子基板1に接続し電気信号を供給するためのプリント配線基板73や、装置側と接続することで装置側と電気信号のやりとりを行うためのコンタクトパッド74が配置されている。
【0255】
液体容器90は、液体吐出ヘッド部200に供給される、インク等の吐出液体と気泡を発生させるための発泡液とを内部に区分収容している。液体容器90の外側には、液体吐出ヘッド部200と液体容器90との接続を行う接続部材を配置するための位置決め部94と、接続部材を固定するための固定軸95が設けられている。吐出液体の供給は、液体容器90の吐出液体供給路92から接続部材の供給路84を介して液体供給部材80の吐出液体供給路81に供給され、各部材の液供給路83,79,20を介して第1の共通液室に供給される。発泡液も同様に、液体容器90の発泡液体供給路93から接続部材の供給路を介して液体供給部材80の発泡液供給路82に供給され、各部材の液供給路84,79,21を介して第2液室に供給される。
【0256】
以上の液体吐出ヘッドカートリッジにおいては、発泡液と吐出液が異なる液体である場合も、供給を行いうる供給形態および液体容器90で説明したが、吐出液体と発泡液体とが同じである場合には、発泡液と吐出液の供給経路および容器を分けなくてもよい。
【0257】
なお、この液体容器90には、各液体の消費後に液体を再充填して使用してもよい。このためには液体容器90に液体注入口を設けておくことが望ましい。又、液体吐出ヘッド部200と液体容器90とは一体であってもよく、分離可能としてもよい。
【0258】
<液体吐出装置>
図37は、前述の液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置の概略構成を示している。本実施例では特に吐出液体としてインクを用いたインク吐出記録装置IJRAを用いて説明する。液体吐出装置のキャリッジHCは、インクを収容する液体容器90と液体吐出ヘッド部200とが着脱可能なヘッドカートリッジを搭載しており、被記録媒体搬送手段で搬送される記録紙等の被記録媒体150の幅方向(矢印a,b方向)に往復移動する。
【0259】
不図示の駆動信号供給手段からキャリッジHC上の液体吐出手段に駆動信号が供給されると、この信号に応じて液体吐出ヘッド部200から被記録媒体150に対して記録液体が吐出される。
【0260】
また、本実施例の液体吐出装置においては、被記録媒体搬送手段とキャリッジHCを駆動するための駆動源としてのモータ111、駆動源からの動力をキャリッジHCに伝えるためのギア112,113、及びキャリッジ軸85等を有している。この記録装置及びこの記録装置で行う液体吐出方法によって、各種の被記録媒体に対して液体を吐出することで良好な画像の記録物を得ることができた。
【0261】
図38は、本発明の液体吐出ヘッドを適用したインク吐出記録装置を動作させるための装置全体のブロック図である。
【0262】
記録装置は、ホストコンピュータ300より印字情報を制御信号として受ける。印字情報は印字装置内部の入出力インタフェイス301に一時保存されると同時に、記録装置内で処理可能なデータに変換され、ヘッド駆動信号供給手段を兼ねるCPU302に入力される。CPU302はROM303に保存されている制御プログラムに基づき、前記CPU302に入力されたデータをRAM304等の周辺ユニットを用いて処理し、印字するデータ(画像データ)に変換する。
【0263】
またCPU302は前記画像データを記録用紙上の適当な位置に記録するために、画像データに同期して記録用紙およびヘッド200を移動する駆動用モータ306を駆動するための駆動データを作る。画像データおよびモータ駆動データは、各々ヘッドドライバ307と、モータドライバ305を介し、ヘッド200および駆動モータ306に伝達され、それぞれ制御されたタイミングで駆動され画像を形成する。
【0264】
上述のような記録装置に適用でき、インク等の液体の付与が行われる被記録媒体としては、各種の紙やOHPシート、コンパクトディスクや装飾板等に用いられるプラスチック材、布帛、アルミニュウムや銅等の金属材、牛皮、豚皮、人工皮革等の皮革材、木、合板等の木材、竹材、タイル等のセラミックス材、スポンジ等の三次元構造体等を対象とすることができる。
【0265】
また上述の記録装置として、各種の紙やOHPシート等に対して記録を行うプリンタ装置、コンパクトディスク等のプラスチック材に記録を行うプラスチック用記録装置、金属板に記録を行う金属用記録装置、皮革に記録を行う皮革用記録装置、木材に記録を行う木材用記録装置、セラミックス材に記録を行うセラミックス用記録装置、スポンジ等の三次元網状構造体に対して記録を行う記録装置、又布帛に記録を行う捺染装置等をも含むものである。
【0266】
またこれらの液体吐出装置に用いる吐出液としては、夫々の被記録媒体や記録条件に合わせた液体を用いればよい。
【0267】
<記録システム>
次に、本発明の液体吐出ヘッドを記録ヘッドとして用い被記録媒体に対して記録を行う、インクジェット記録システムの一例を説明する。
【0268】
図39は、前述した本発明の液体吐出ヘッドを用いたインクジェット記録システムの構成を説明するための模式図である。本実施例における液体吐出ヘッドは、被記録媒体150の記録可能幅に対応した長さに360dpiの間隔で吐出口を複数配したフルライン型のヘッドであり、イエロー(Y),マゼンタ(M),シアン(C),ブラック(Bk)の4色に対応した4つのヘッド201a〜201dをホルダ202によりX方向に所定の間隔を持って互いに平行に固定支持されている。
【0269】
これらのヘッド201a〜201dに対してそれぞれ駆動信号供給手段を構成するヘッドドライバ307から信号が供給され、この信号に基づいて各ヘッド201a〜201dの駆動が成される。
【0270】
各ヘッド201a〜201dには、吐出液としてY,M,C,Bkの4色のインクがそれぞれインク容器204a〜204dから供給されている。なお、符号204eは発泡液が蓄えられた発泡液容器であり、この発泡液容器204eから各ヘッド201a〜201dに発泡液が供給される構成になっている。
【0271】
また、各ヘッド201a〜201dの下方には、内部にスポンジ等のインク吸収部材が配されたヘッドキャップ203a〜203dが設けられており、非記録時に各ヘッド201a〜201dの吐出口を覆うことでヘッド201a〜201dの保守を成すことができる。
【0272】
符号206は、先の各実施例で説明したような各種、非記録媒体を搬送するための搬送手段を構成する搬送ベルトである。搬送ベルト206は、各種ローラにより所定の経路に引き回されており、モータドライバ305に接続された駆動用ローラにより駆動される。
【0273】
本実施例のインクジェット記録システムにおいては、記録を行う前後に被記録媒体に対して各種の処理を行う前処理装置251および後処理装置252をそれぞれ被記録媒体搬送経路の上流と下流に設けている。
【0274】
前処理と後処理は、記録を行う被記録媒体の種類やインクの種類に応じて、その処理内容が異なるが、例えば、金属、プラスチック、セラミックス等の被記録媒体に対しては、前処理として、紫外線とオゾンの照射を行い、その表面を活性化することでインクの付着性の向上を図ることができる。また、プラスチック等の静電気を生じやすい被記録媒体においては、静電気によってその表面にゴミが付着しやすく、このゴミによって良好な記録が妨げられる場合がある。このため、前処理としてイオナイザ装置を用い被記録媒体の静電気を除去することで、被記録媒体からごみの除去を行うとよい。また、被記録媒体として布帛を用いる場合には、滲み防止、染着率の向上等の観点から布帛にアルカリ性物質、水溶性物質、合成高分子、水溶性金属塩、尿素およびチオ尿素から選択される物質を付与する処理を前処理として行えばよい。前処理としては、これらに限らず、被記録媒体の温度を記録に適切な温度にする処理等であってもよい。
【0275】
一方、後処理は、インクが付与された被記録媒体に対して熱処理、紫外線照射等によるインクの定着を促進する定着処理や、前処理で付与し未反応で残った処理剤を洗浄する処理等を行うものである。
【0276】
なお、本実施例では、ヘッド201a〜201dとしてフルラインヘッドを用いて説明したが、これに限らず、前述したような小型のヘッドを被記録媒体の幅方向に搬送して記録を行う形態のものであってもよい。
【0277】
<ヘッドキット>
以下に、本発明の液体吐出ヘッドを有するヘッドキットを説明する。図40は、このようなヘッドキットを示した模式図である。このヘッドキット500は、インクを吐出するインク吐出部511を有する本発明のヘッド510と、このヘッド510と不可分もしくは分離可能な液体容器であるインク容器520と、このインク容器520にインクを充填するためのインクを保持したインク充填手段530とを、キット容器501内に納めたものである。
【0278】
インクを消費し終わった場合には、インク容器520の大気連通口521やヘッド510との接続部や、もしくはインク容器520の壁に開けた穴などに、インク充填手段530の挿入部(注射針等)531の一部を挿入し、この挿入部531を介してインク充填手段530内のインクをインク容器520内に充填すればよい。
【0279】
このように、本発明のヘッド510と、インク容器520やインク充填手段530等を一つのキット容器501内に納めてキットにすることで、インクが消費されてしまっても前述のようにすぐに、また容易にインクをインク容器520内に充填することができ、記録の開始を迅速に行うことができる。
【0280】
なお、本実施例のヘッドキット500では、インク充填手段530が含まれるもので説明を行ったが、ヘッドキットとしては、インク充填手段を持たず、インクが充填された分離可能タイプのインク容器とヘッドとがキット容器510内に納められている形態のものであってもよい。
【0281】
また、この図40では、インク容器520に対してインクを充填するインク充填手段530のみを示しているが、インク容器520の他に発泡液を発泡液容器に充填するための発泡液充填手段をキット容器内に納めた形態のものであってもよい。
【0282】
本発明は、上述したような発熱体の面に沿う方向に設けられた液流路の一端に吐出口を有する、いわゆるエッジシュータタイプの液体吐出ヘッドに限定されることなく、例えば図41に示すような発熱体2の面に対向する位置に吐出口18を有する、いわゆるサイドシュータタイプの液体吐出ヘッドにも適用可能である。
【0283】
図41に示したサイドシュータタイプの液体吐出ヘッドは、各吐出口18ごとに、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを与える発熱体2が設けられた素子基板1上に、発泡液用の第2液流路16が形成され、その上に溝付き部材50に設けられた吐出口18に直接連通した吐出液用の第1液流路14が形成され、第1液流路14と第2液流路16とは、金属等の弾性を有する材料で構成された分離壁30により区分されている点で、上述のエッジシュータタイプの液体吐出ヘッドと同様である。
【0284】
サイドシュータタイプの液体吐出ヘッドは、上記第1液流路14上に配された溝付き部材(オリフィスプレート)50のうち、発熱体2の直上の部分に吐出口18が設けられている点に特徴がある。この吐出口18と発熱体2との間の分離壁30には、観音開きに開口しそれぞれ発熱体2と対向する面からその反対側の面に向かって幅が小さくなっている一対の可動部材31が設けられている。両可動部材31は支点33で支持される片持梁形状のもので、両方の自由端32同士は、非吐出時においては、吐出口18の中央部分の直下に位置するスリット35によりわずかに離間して対向している。吐出時においては、両可動部材31は、図41中の矢印で示すように、気泡発生領域11における発泡液の発泡によって第1液流路14側に開口し、発泡液の収縮によって閉口する。この領域Cには、吐出液を貯留する吐出液タンク(不図示)から吐出液がリフィルされて吐出可能状態となり、次の発泡液の発泡に備えることができる。
【0285】
第1液流路14は、他の吐出口18の第1液流路14とともに、第1共通液室15を介して吐出液タンクに連絡しており、第2液流路16も、他の吐出口18の第2液流路16とともに、第2共通液室17を介して、発泡液を貯留する発泡液タンク(不図示)に連絡している。
【0286】
このような構成を有するサイドシュータタイプの液体吐出ヘッドにおいても、エッジシュータタイプの液体吐出ヘッドとほぼ同様に、吐出液のリフィルを向上させつつ、高吐出効率、高吐出圧で液体を吐出することができるという優れた効果を得ることができる。
【0287】
また、製造方法については、溝付き部材50に設けられる吐出口18の位置が異なることと共通液室15,17の位置及び構造が異なること以外は、エッジシュータタイプの液体吐出ヘッドと実質的に同じである。すなわち、可動部材31を有する分離壁30と第2液流路16を構成する流路壁との関係は両者とも同じである。
【0288】
さらに、上述した各実施例では、可動部材の形状によって、変位する際の液体に対する抵抗を小さくした例を示したが、発熱体と対向する面と反対側の面の液体の接触角を、発熱体と対向する面のそれよりも小さくするような処理を可動部材に行うことでも、変位する際の液体に対する抵抗を小さくすることもできる。
【0289】
【発明の効果】
上述したような、定常状態の第1の位置から変位後の位置である第2の位置へ変位するときの流路内の液体に対する抵抗を小さくした可動部材を用い、気泡の発生に基づく圧力により可動部材を変位させて液体を吐出口側に導く本発明の液体吐出ヘッドによると、可動部材が変位し易くなり、吐出効率及び吐出力をより向上することができる。さらに、可動部材の発熱体との対向面を平面としたり、あるいは幅方向の両端部を中央部よりも発熱体側に突出させた形状とすることで、可動部材は気泡の圧力成分を受けやすく、あるいは逃し難くなり、気泡の発生に基づく圧力をより効果的に可動部材の変位に利用することができる。
【0290】
また、本発明の特徴的な構成によれば、低温や低湿で長期放置を行った場合であっても不吐出になることを防止でき、仮に不吐出になっても予備吐出や吸引回復といった回復処理をわずかに行うだけで正常状態に即座に復帰できる利点もある。これに伴い、回復時間の短縮や回復による液体の損失を低減でき、ランニングコストも大幅に下げることが可能である。
【0291】
また、特に本発明のリフィル特性を向上した構成によれば、連続吐出時の応答性、気泡の安定成長、液滴の安定化を達成して、高速液体吐出による高速記録また高画質記録を可能にすることができた。
【0292】
また、2流路構成のヘッドにおいて発泡液として、発泡しやすい液体や、発熱体上への堆積物(こげ等)が生じにくい液体を用いることで、吐出液の選択の自由度が高くなり、発泡が生じにくい高粘性液体、発熱体上に堆積物を生じやすい液体等、従来のバブルジェット吐出方法で吐出することが困難であった液体についても良好に吐出することができた。
【0293】
さらに熱に弱い液体等も、この液体に熱による悪影響を与えず吐出することができた。
【0294】
また、本発明の液体吐出ヘッドを記録用の液体吐出記録ヘッドとして用いることで、さらに高画質な記録を達成することができた。
【0295】
また、本発明の液体吐出ヘッドを用い、液体の吐出効率等がさらに向上した液体吐出装置や記録システム等を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の液体吐出ヘッドの一例を示す模式断面図である。
【図2】図1に示した液体吐出ヘッドの部分破断斜視図である。
【図3】図1に示した液体吐出ヘッドを吐出口方向から見た模式断面図である。
【図4】従来のヘッドにおける気泡からの圧力伝搬を示す模式図である。
【図5】本発明の液体吐出ヘッドにおける気泡からの圧力伝搬を示す模式図である。
【図6】図1に示した液体吐出ヘッドの液体の流れを説明するための模式図である。
【図7】本発明の第2の実施例における液体吐出ヘッドの模式断面図である。
【図8】図7に示した液体吐出ヘッドを吐出口方向から見た模式断面図である。
【図9】本発明の第3の実施例における液体吐出ヘッドの模式断面図である。
【図10】本発明の第4の実施例における液体吐出ヘッドの部分破断斜視図である。
【図11】本発明の第5の実施例における液体吐出ヘッドの部分破断斜視図である。
【図12】本発明の第6の実施例における液体吐出ヘッドの断面図である。
【図13】本発明の第7の実施例における液体吐出ヘッドの模式断面図である。
【図14】本発明の第8の実施例における液体吐出ヘッド(2流路)の断面図である。
【図15】図14に示した液体吐出ヘッドの部分破断斜視図である。
【図16】可動部材の動作を説明するための図である。
【図17】可動部材の種々の変形例(a)〜(i)を示す断面図である。
【図18】第1液流路の天井形状の他の例を説明するための図である。
【図19】第2液流路と可動部材との配置関係を説明するための図である。
【図20】可動部材の他の形状を説明するための図である。
【図21】発熱体面積とインク吐出量の関係を示すグラフである。
【図22】可動部材と発熱体との配置関係を示す図である。
【図23】発熱体のエッジと支点までの距離と可動部材の変位量の関係を示すグラフである。
【図24】発熱体と可動部材との配置関係を説明するための図である。
【図25】本発明の液体吐出ヘッドの縦断面図である。
【図26】駆動パルスの形状を示す模式図である。
【図27】本発明の液体吐出ヘッドの供給路を説明するための断面図である。
【図28】本発明のヘッドの分解斜視図である。
【図29】図3に示す可動部材の製造方法を説明するための工程図である。
【図30】図17の(c)に示す可動部材の製造方法を説明するための工程図である。
【図31】図17の(d)に示す可動部材の製造方法を説明するための工程図である。
【図32】図17の(h)に示す可動部材の製造方法を説明するための工程図である。
【図33】本発明の液体吐出ヘッドの製造方法を説明するための工程図である。
【図34】本発明の液体吐出ヘッドの製造方法を説明するための工程図である。
【図35】本発明の液体吐出ヘッドの製造方法を説明するための工程図である。
【図36】液体吐出ヘッドカートリッジの分解斜視図である。
【図37】液体吐出装置の概略構成図である。
【図38】装置ブロック図である。
【図39】液体吐出記録システムを示す図である。
【図40】ヘッドキットの模式図である。
【図41】本発明を適用したサイドシュータタイプの液体吐出ヘッドの一例の断面図である。
【図42】従来の液体吐出ヘッドの液流路構造を説明するための図である。
【符号の説明】
1 素子基板
2 発熱体
3 面積中心
10 液流路
11 気泡発生領域
12 供給路
13 共通液室
14 第1液流路
15 第1共通液室
16 第2液流路
17 第2共通液室
18 吐出口
19 狭窄部
20 第1供給路
21 第2供給路
22 第1液流路壁
23 第2液流路壁
24 凸部
30 分離壁
31 可動部材
31a 立面部
32 自由端
33 支点
34 支持部材
35 スリット
36 気泡発生領域前壁
37 気泡発生領域側壁
40 気泡
50 溝付き部材
70 支持体
78 押えバネ
80 供給部材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid discharge head that discharges a desired liquid by generation of bubbles caused by applying thermal energy to the liquid, a head cartridge that uses the liquid discharge head, and a liquid discharge apparatus.
[0002]
In particular, the present invention relates to a liquid ejection head having a movable member that is displaced by using the generation of bubbles, a head cartridge using the liquid ejection head, and a liquid ejection apparatus.
[0003]
The present invention also relates to a printer for recording on a recording medium such as paper, thread, fiber, fabric, leather, metal, plastic, glass, wood, ceramics, a copier, a facsimile having a communication system, a word processor having a printer section, etc. And an industrial recording apparatus combined with various processing apparatuses.
[0004]
In the present invention, “recording” means not only giving an image having a meaning such as a character or a figure to a recording medium but also giving an image having no meaning such as a pattern. To do.
[0005]
[Prior art]
By applying energy such as heat to the ink, the ink undergoes a change in state accompanied by a steep volume change (bubble generation), and the ink is discharged from the discharge port by the action force based on this change in state, and this is recorded 2. Description of the Related Art An ink jet recording method for forming an image by adhering to a medium, a so-called bubble jet recording method is conventionally known. In a recording apparatus using this bubble jet recording method, as disclosed in US Pat. No. 4,723,129, etc., an ejection port for ejecting ink and an ink flow path communicating with the ejection port In general, an electrothermal converter as an energy generating means for discharging the ink disposed in the ink flow path is disposed.
[0006]
According to such a recording method, a high-quality image can be recorded at high speed and with low noise, and the ejection ports for ejecting ink can be arranged with high density in the head that performs this recording method. Therefore, it has many excellent points that a high-resolution recorded image and a color image can be easily obtained with a small apparatus. For this reason, in recent years, this bubble jet recording method has been used in many office devices such as printers, copiers, and facsimiles, and has also been used in industrial systems such as textile printing apparatuses.
[0007]
As the bubble jet technology is used in various products in this way, the following various demands have been increasing in recent years.
[0008]
For example, as a study on the demand for improvement in energy efficiency, optimization of a heating element such as adjusting the thickness of a protective film is cited. This method is effective in improving the propagation efficiency of the generated heat to the liquid.
[0009]
In addition, in order to obtain a high-quality image, a drive condition for providing a liquid discharge method capable of performing a good ink discharge based on the generation of a stable bubble with a high ink discharge speed is proposed. From the viewpoint, there has also been proposed an improved flow channel shape in order to obtain a liquid discharge head having a high filling (refill) speed of discharged liquid into the liquid flow channel.
[0010]
Of these channel shapes, the channel structure shown in FIGS. 42A and 42B is described in JP-A-63-199972. In the flow path structure and the head manufacturing method described in this publication, a back wave generated with the generation of bubbles (pressure toward the direction opposite to the direction toward the discharge port, that is, pressure toward the liquid chamber 12). It is the invention which paid attention to. This back wave is known as loss energy because it is not energy in the ejection direction.
[0011]
The invention shown in FIGS. 42A and 42B discloses the
[0012]
In FIG. 42 (b), this
[0013]
However, in this configuration, as can be understood from the case where bubbles are generated inside the
[0014]
Originally, the back wave itself is not directly related to ejection as described above. When this back wave is generated in the
[0015]
On the other hand, in the bubble jet recording method, since heating is repeated while the heating element is in contact with the ink, deposits are generated due to scorching of ink on the surface of the heating element, but depending on the type of ink, this deposit is often generated. As a result, the generation of bubbles becomes unstable, and it may be difficult to perform good ink ejection. In addition, even when the liquid to be discharged is a liquid that is easily deteriorated by heat, or when it is difficult to obtain sufficient foaming, there has been a demand for a method for discharging well without changing the liquid to be discharged. .
[0016]
From such a point of view, a method of discharging the discharge liquid by transferring the pressure due to foaming to the discharge liquid by separating the liquid (foam liquid) that generates bubbles by heat and the liquid to be discharged (discharge liquid) into separate liquids, It is disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 61-69467, 55-81172, US Pat. No. 4,480,259, and the like. In these gazettes, the ink that is the discharge liquid and the foam liquid are completely separated by a flexible film such as silicon rubber so that the discharge liquid does not come into direct contact with the heating element, and pressure due to foaming of the foam liquid is allowed. The configuration is such that the fluid is transferred to the discharge liquid by deformation of the flexible film. With such a configuration, it is possible to prevent deposits on the surface of the heating element, improve the degree of freedom in selecting the discharge liquid, and the like.
[0017]
However, the head configured to completely separate the discharge liquid and the foaming liquid as described above is configured to transmit the pressure at the time of foaming to the discharge liquid by the expansion and contraction of the flexible film. The sexual membrane absorbs considerably. Further, since the deformation amount of the flexible film is not so large, the effect of separating the discharge liquid and the foaming liquid can be obtained, but there is a possibility that the energy efficiency and the discharge force may be reduced.
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention basically has a fundamental discharge characteristic of a method of discharging a liquid by forming a conventional bubble (especially a bubble accompanying film boiling) in a liquid flow channel from a point of view that has not been considered in the past. The main background issue is to raise it to a level that could not be predicted in the past.
[0019]
A part of the inventors returned to the principle of droplet ejection, and conducted earnest research to provide a novel droplet ejection method using bubbles, a head used therefor, and the like, which were not obtained in the past. At this time, a first technique analysis starting from the operation of the movable member in the liquid flow path that analyzes the principle of the mechanism of the movable member in the flow path, and a second technique starting from the droplet discharge principle by the bubbles Analysis, and further, the third analysis starting from the bubble formation region of the heating element for forming bubbles was decided to be performed.
[0020]
Based on these analyses, the arrangement relationship between the fulcrum of the movable member and the free end is set so that the free end is located on the discharge port side, that is, the downstream side, and the movable member is arranged facing the heating element or the bubble generation region. This led to the establishment of a completely new technology that actively controls bubbles.
[0021]
Next, in view of the energy that the bubble itself gives to the discharge amount, the inventors have come to the knowledge that considering the growth component on the downstream side of the bubble is the largest factor that can significantly improve the discharge characteristics. That is, it has been found that efficient conversion of the growth component downstream of the bubbles in the discharge direction can improve the discharge efficiency and discharge speed. From this, the inventors have reached an extremely high technical level compared to the conventional technical level in which the growth component on the downstream side of the bubbles is positively moved to the free end side of the movable member.
[0022]
Furthermore, it is involved in the growth of a heat generation region for forming bubbles, for example, the downstream of the center line passing through the center of the area of the electrothermal transducer in the liquid flow direction, or the downstream of the bubble such as the center of the area on the surface that controls foaming. It has been found preferable to consider structural elements such as the movable member and the liquid flow path.
[0023]
On the other hand, it has been found that the refill speed can be significantly improved by considering the arrangement of the movable member and the structure of the liquid supply path.
[0024]
A part of the inventors and the present applicant have applied for the knowledge obtained in this way and the principle of liquid discharge excellent from a comprehensive viewpoint, but the present inventors presuppose this invention. I came up with a better idea.
[0025]
The point recognized by the present inventors is to achieve higher discharge efficiency and discharge power by focusing on the shape of the movable member with the aim of making more effective use of the discharge principle described above and improving it. Is a point.
[0026]
The main objects of the present invention are as follows.
The first object is to reduce the resistance received from the liquid when the movable member is displaced so that the movable member functions more effectively when the generated bubbles act on the movable member. Another object is to provide a liquid discharge head or the like that can obtain discharge force.
[0027]
In addition to the first object, the second object of the present invention can greatly reduce the heat storage in the liquid on the heating element while improving the discharge efficiency and the ejection force, and can reduce the residual bubbles on the heating element. An object of the present invention is to provide a liquid discharge head or the like that can perform good liquid discharge by reducing it.
[0028]
The third object of the present invention is to further suppress the inertia force in the direction opposite to the liquid supply direction due to the back wave and at the same time reduce the meniscus retraction amount by the valve function of the movable member. An object of the present invention is to provide a liquid discharge head or the like that improves the printing speed and the like.
[0029]
A fourth object of the present invention is to provide a liquid discharge head or the like that can reduce the deposits on the heating element, expand the application range of the discharge liquid, and have sufficiently high discharge efficiency and discharge force. There is.
[0030]
A fifth object of the present invention is to provide a liquid discharge head or the like that can increase the degree of freedom in selecting the liquid to be discharged.
[0031]
A sixth object of the present invention is to provide a head and apparatus that are easy to manufacture and inexpensive by configuring a liquid introduction path for supplying a plurality of liquids with a small number of parts, and to reduce the size of the liquid ejection. It is to provide a head, a device, and the like.
[0032]
[Means for Solving the Problems]
The typical requirements of the present invention to achieve the above object are as follows.
[0033]
A discharge port for discharging liquid;
A liquid flow path communicating with the discharge port;
A bubble generation region for generating bubbles in the liquid in the liquid flow path;
Displaced from the first position in the steady state to the second position after being displaced by the pressure based on the generation of bubbles in the bubble generation region. By this displacement, the pressure is guided to the downstream side where the discharge port is disposed, and the first pressure is generated by the negative pressure due to the contraction of bubbles. 1 A movable member that returns to the position of
The movable member has a resistance to the liquid in the flow path when the movable member is displaced from the first position to the second position, more than a resistance when the movable member returns from the second position to the first position. Small liquid discharge head.
[0034]
Or a discharge port for discharging the liquid;
A first liquid flow path communicating with the discharge port;
A second liquid flow path having a bubble generation region for generating bubbles in the liquid by applying heat to the liquid;
The first liquid is disposed between the first liquid flow path and the bubble generation region, and is a position after being displaced from the first position in a steady state by pressure based on generation of bubbles in the bubble generation region. Displacement to the second position on the liquid flow path side, and this displacement leads the pressure to the downstream side where the discharge port is arranged, and the first pressure is generated by the negative pressure due to the contraction of bubbles. 1 A movable member that returns to the position of
When the movable member is displaced from the first position to the second position, the resistance to the liquid in the first liquid flow path returns from the second position to the first position. The liquid discharge head is smaller than the resistance.
[0035]
Or a plurality of discharge ports for discharging liquid;
A plurality of grooves for configuring a plurality of first liquid flow paths that directly communicate with each discharge port;
A grooved member integrally having a concave portion constituting a first common liquid chamber for supplying a liquid to the plurality of first liquid flow paths;
An element substrate provided with a plurality of heating elements for generating bubbles in the liquid by applying heat to the liquid;
The bubble is generated between the grooved member and the element substrate and forms a part of the wall of the second liquid flow path corresponding to the heating element, and at a position facing the heating element. Is displaced from the first position in the steady state to the second position on the first liquid flow path side, which is the position after displacement, by this displacement, and the pressure is moved to the downstream side where the discharge port is disposed by this displacement. Leading to the negative pressure due to the contraction of bubbles 1 A separation wall having a movable member that returns to the position of
When the movable member is displaced from the first position to the second position, the resistance to the liquid in the first liquid flow path returns from the second position to the first position. The liquid discharge head is smaller than the resistance.
[0036]
Alternatively, a head cartridge having the above-described liquid discharge head and a liquid container that holds the liquid supplied to the liquid discharge head.
[0037]
Or the above-described liquid discharge head;
A liquid discharge apparatus comprising drive signal supply means for supplying a drive signal for discharging liquid from the liquid discharge head.
[0038]
Or the above-described liquid discharge head;
A liquid discharge apparatus comprising: a recording medium transport unit that transports a recording medium that receives the liquid ejected from the liquid ejection head.
[0039]
In the representative one of the present invention, the movable member is displaced by the action of the bubbles generated in the bubble generation region. At this time, the movable member receives the resistance of the liquid in the liquid flow path. The resistance of the liquid is reduced by making the movable member have the shape as described above. As a result, the movable member is easily displaced, and the discharge efficiency and the discharge force are further improved.
[0040]
In addition, according to the liquid discharge head of the present invention based on the extremely novel discharge principle as described above, a synergistic effect between the generated bubbles and the movable member displaced thereby can be obtained, and the liquid in the vicinity of the discharge port can be obtained. Therefore, the discharge efficiency can be improved as compared with a conventional bubble jet type liquid discharge head or the like. For example, in the most preferable embodiment of the present invention, a drastic improvement in discharge efficiency of twice or more can be achieved.
[0041]
According to a further characteristic configuration of the present invention, it is possible to prevent non-ejection even when left for a long time at a low temperature and low humidity, and even if non-ejection occurs, recovery such as preliminary ejection and suction recovery is possible. There is also an advantage that the normal state can be instantly restored with a small amount of processing.
[0042]
Specifically, even in a long-term leaving condition in which most of the conventional bubble jet type heads having 64 discharge ports do not discharge, only about half or less of the discharge ports cause defective discharge. It is. Further, when these heads are recovered by preliminary discharge, it has been necessary to perform several thousand preliminary discharges with each of the conventional heads for each discharge port. However, in the present invention, only recovery is performed with about 100 preliminary discharges. Was enough. This means that the recovery time can be shortened and the liquid loss due to the recovery can be reduced, and the running cost can be greatly reduced.
[0043]
In particular, according to the configuration with improved refill characteristics of the present invention, it is possible to achieve high-speed recording or high-quality recording by high-speed liquid ejection by achieving responsiveness during continuous ejection, stable bubble growth, and droplet stabilization. I was able to.
[0044]
Other effects of the present invention will be understood from the description of each example.
[0045]
The terms “upstream” and “downstream” used in the description of the present invention are related to the flow direction of the liquid from the liquid supply source to the discharge port through the bubble generation region (or movable member), or the direction of this configuration. It is expressed as an expression.
[0046]
The “downstream side” related to the bubble itself represents a portion of the bubble outlet side which is supposed to act directly on the droplet discharge. More specifically, it means a bubble generated in a region downstream of the center of the bubble with respect to the flow direction or the structural direction, or in a region downstream of the center of the area of the heating element.
[0047]
In addition, the term “substantially sealed” used in the description of the present invention means a state where bubbles do not pass through gaps (slits) around the movable member before the movable member is displaced when the bubbles grow. .
[0048]
Further, the “separation wall” as used in the present invention means a wall (which may include a movable member) interposed so as to separate a bubble generation region and a region directly communicating with the discharge port in a broad sense, and in a narrow sense, a bubble. This means that the flow path including the generation area is divided from the liquid flow path that directly communicates with the discharge port to prevent mixing of the liquid in each area.
[0049]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Example 1
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0050]
First, in this embodiment, an example will be described in which the ejection force and ejection efficiency are improved by controlling the propagation direction of pressure based on bubbles and the growth direction of bubbles for ejecting liquid.
[0051]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the liquid discharge head of this embodiment cut in the liquid flow path direction, and FIG. 2 is a partially broken perspective view of the liquid discharge head. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the liquid discharge head of this embodiment as viewed from the discharge port direction.
[0052]
In the liquid discharge head of this embodiment, a heating element 2 (in this embodiment, a heating resistor having a shape of 40 μm × 105 μm) that applies thermal energy to the liquid is an element substrate as a discharge energy generating element for discharging the liquid. The
[0053]
On the
[0054]
The
[0055]
By causing the
[0056]
Here, one of the basic ejection principles of the present invention will be described. One of the most important principles in the present invention is that the
[0057]
This principle will be described in more detail by comparing FIG. 4 schematically showing a conventional liquid channel structure without using a movable member and FIG. 5 of the present invention. Here, the pressure propagation direction toward the discharge port is indicated as VA, and the pressure propagation direction toward the upstream side is indicated as VB.
[0058]
In the conventional head as shown in FIG. 4, there is no configuration for restricting the propagation direction of pressure by the generated bubbles 40. For this reason, the pressure propagation direction of the
[0059]
On the other hand, in the case of the present invention shown in FIG. 5, the pressure propagation directions V1 to V4 of the bubbles in which the
[0060]
Next, returning to FIG. 1, the discharge operation of the liquid discharge head of this embodiment will be described in detail.
[0061]
FIG. 1A shows a state before energy such as electric energy is applied to the
[0062]
In FIG. 1B, electric energy or the like is applied to the
[0063]
At this time, the
[0064]
FIG. 1C shows a state where the
[0065]
Furthermore, since the width of the
[0066]
On the other hand, the surface of the
[0067]
FIG. 1D shows a state in which the
[0068]
The
[0069]
The operation of the
[0070]
The liquid supply mechanism in the present invention will be described in more detail with reference to FIG.
[0071]
After the
[0072]
For this reason, when the flow resistance on the side close to the
[0073]
On the other hand, since the
[0074]
Further, the liquid supply for the volume of W2 is forcibly performed mainly from the upstream side (VD2) of the
[0075]
What is characteristic here is that when refilling using pressure at the time of defoaming was performed with a conventional head, the vibration of the meniscus increased and led to deterioration of the image quality. In this case, the
[0076]
As described above, the present invention achieves high-speed refill by forced refill to the
[0077]
The configuration of the present invention further has the following effective functions. That is, to suppress the upstream propagation (back wave) of the pressure due to the generation of the
[0078]
Next, further characteristic structures and effects of the present embodiment will be described below.
[0079]
The
[0080]
Further, the liquid is supplied to the
[0081]
By the way, the position of the
[0082]
In addition, in FIG. 1 of the present embodiment, as described above, the
[0083]
In addition, many effects are obtained by utilizing the upstream side of the bubbles.
[0084]
Further, in the configuration of the present embodiment, the momentary mechanical displacement of the
[0085]
(Example 2)
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a second embodiment of the liquid discharge head of the present invention, and FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the liquid discharge head shown in FIG. 7 viewed from the discharge port direction.
[0086]
In the present embodiment, the vertical surfaces 31 a extending toward the
[0087]
As a result, when the
[0088]
Example 3
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a third embodiment of the liquid discharge head of the present invention.
[0089]
This embodiment also uses the same
[0090]
Example 4
FIG. 10 shows a fourth embodiment of the present invention. In FIG. 10, A shows a state in which the
The
[0091]
Here, at the initial position (first position) of the
[0092]
Further, at the time of defoaming, the
[0093]
Further, in this embodiment, as shown in FIGS. 2 and 10, the
[0094]
In the present embodiment, the distance between the
[0095]
(Example 5)
FIG. 11 shows one of the basic concepts of the present invention, which is a fifth embodiment of the present invention. FIG. 11 shows the positional relationship between the
[0096]
In many of the above-described embodiments, the pressure of the generated bubbles is concentrated on the
[0097]
Explaining in terms of configuration, in FIG. 11, as compared with the above-described FIG. 2 (Example 1), a convex portion as a barrier (FIG. 2) located at the downstream end of the bubble generation region provided on the
[0098]
In the present embodiment, among the downstream portions directly acting on the bubble droplet ejection, the bubble growth at the downstream tip is allowed, so the pressure component is effectively used for ejection. In addition, the pressure (V in FIG. 1 , V 2 , V Three Therefore, the free end side portion of the
[0099]
In addition, this embodiment has a manufacturing advantage since it is simple in structure.
[0100]
The fulcrum portion of the
[0101]
In the case of the present embodiment, the refill at the time of supplying the liquid is controlled by the presence of the
[0102]
As a modified example of the present embodiment, it is preferable that only the both side ends (or one side) of the
[0103]
(Example 6)
An example in which the liquid ejection force due to the mechanical displacement described above is further improved will be described in the present embodiment. FIG. 12 is a cross-sectional view of such a head structure. FIG. 12 shows an embodiment in which the
[0104]
In addition, since the
[0105]
Further, the
[0106]
(Example 7)
FIGS. 13A, 13B, and 13C show Example 7 of the present invention.
[0107]
Unlike the previous embodiment, the structure of the present embodiment does not have a flow channel shape communicating with the liquid chamber side directly in the region that communicates with the
[0108]
All the liquid supply is performed only from the
[0109]
This example realizes the above-mentioned effects such as discharge efficiency and liquid supply property, but particularly suppresses meniscus retraction and uses the pressure during defoaming to remove almost all liquid supply during defoaming. Forced refill is performed using the pressure of
[0110]
FIG. 13A shows a state in which the liquid is foamed by the
[0111]
FIG. 13C shows a state where a slight meniscus retraction when the
[0112]
(Example 8)
Embodiment 8 of the present invention will be described below with reference to FIGS.
[0113]
In this embodiment, the main liquid discharge principle is the same as that of the previous embodiment. However, in this embodiment, the liquid flow path has a multi-flow path configuration, and further, a liquid that is foamed by applying heat ( The foaming liquid) and the liquid that is mainly discharged (discharge liquid) can be separated.
[0114]
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of the liquid discharge head of the present embodiment in the flow path direction, and FIG. 15 is a partially broken perspective view of the liquid discharge head.
[0115]
The liquid discharge head according to the present embodiment has a second
[0116]
A
[0117]
A portion of the
[0118]
The relationship between the arrangement of the
[0119]
In the previous embodiment, the relationship between the structure of the
[0120]
Next, the operation of the liquid discharge head of this embodiment will be described with reference to FIG.
[0121]
In driving the head, it was operated using the same water-based ink as the discharge liquid supplied to the first
[0122]
In this embodiment, since there is no escape of the foaming pressure from the three sides except for the upstream side of the
[0123]
Next, as the
[0124]
In the present embodiment, the action and effect of the main parts relating to the fact that the
[0125]
That is, according to the configuration of the above-described embodiment, the discharge liquid and the foaming liquid can be separate liquids, and the discharge liquid can be discharged by the pressure generated by the foaming of the foaming liquid. For this reason, conventionally, even if it is a highly viscous liquid such as polyethylene glycol, which is not sufficiently foamed even when heat is applied and the discharge force is insufficient, this liquid is supplied to the first
[0126]
In addition, by selecting a liquid that does not produce deposits such as kogation on the surface of the
[0127]
Furthermore, since the head structure of the present invention produces the effects described in the previous embodiments, it is possible to discharge liquid such as highly viscous liquid with higher discharge efficiency and higher discharge force.
[0128]
Further, even in the case of a liquid that is weak to heating, if this liquid is supplied to the first
[0129]
(Other examples)
As mentioned above, although the Example of the principal part of the liquid discharge head of this invention and the liquid discharge method was demonstrated, the example of an embodiment which can be applied preferably to these Examples is demonstrated using drawing below. However, in the following description, there are cases where either the above-described one-channel embodiment or the two-channel embodiment is taken up and explained. However, unless otherwise stated, it can be applied to both embodiments. is there.
[0130]
<Cross sectional shape of movable member in width direction>
In the embodiment described above, the shape as shown in FIG. 3 and the shape as shown in FIG. 8 are given as examples of the cross-sectional shape in the width direction of the movable member, but various other modifications can be considered. . Examples thereof are shown in FIG.
[0131]
The
[0132]
<Ceiling shape of liquid flow path>
FIG. 18 is a cross-sectional view of the liquid discharge head of the present invention in the direction of the flow path. The
[0133]
Further, as shown in this figure, by making the displacement height of the
[0134]
<Arrangement relationship between second liquid flow path and movable member>
FIG. 19 is a view for explaining the positional relationship between the above-described
[0135]
The second
[0136]
Like the conventional head, the flow path for foaming and the flow path for discharging liquid are the same, and the head is provided with a constricted portion so that the pressure generated on the liquid chamber side from the heating element does not escape to the common liquid chamber side In this case, it is necessary to take a configuration in which the cross-sectional area of the flow path in the narrowed portion is not so small in consideration of the refill of the liquid.
[0137]
However, in the case of the present embodiment, most of the discharged liquid can be used as the discharged liquid in the first liquid flow path, and the foamed liquid in the second
[0138]
Note that the surface of the
[0139]
In FIG. 16B and FIG. 18, a part of the
[0140]
<Moveable member and separation wall>
FIG. 20 shows another planar shape of the
[0141]
In the previous embodiment, the plate-shaped
[0142]
The material of the
[0143]
The material of the
[0144]
Further, the thickness of the
[0145]
Although the width of the
[0146]
The movable member in the present invention is intended for a thickness (μm) on the order of μm, and a movable member with a thickness on the order of cm is not intended. For a movable member having a thickness on the order of μm, when a slit width (W μm) on the order of μm is targeted, it is desirable to consider manufacturing variations to some extent.
[0147]
The slit that gives the “substantially sealed state” of the present invention is more reliable if it is on the order of several μm.
[0148]
As described above, when the foaming liquid and the discharge liquid are function-separated, the movable member becomes the substantial partition member. It can be seen that the foaming liquid is slightly mixed with the discharge liquid when the movable member moves as the bubbles are generated. In consideration of the fact that the discharge liquid for forming an image generally has a colorant concentration of about 3% to 5% in the case of ink jet recording, the foaming liquid is in a range of 20% or less with respect to the discharge droplets. Even if it is contained in, it does not cause a large concentration change. Therefore, as such a mixed liquid, the present invention includes a mixture of a foaming liquid and a discharged liquid that is 20% or less with respect to the discharged liquid droplets.
[0149]
In the implementation of the above configuration example, even if the viscosity is changed, the upper limit is 15% of the foaming liquid, and in the case of the foaming liquid of 5 cp or less, the mixing ratio is about 10% although it depends on the driving frequency. It was the upper limit.
[0150]
In particular, the liquid mixture can be reduced (for example, 5% or less) as the viscosity of the discharged liquid is reduced to 20 cp or less.
[0151]
Next, the positional relationship between the heating element and the movable member in this head will be described with reference to the drawings. However, the shape, size, and number of the movable member and the heating element are not limited to the following. By optimal arrangement of the heating element and the movable member, the pressure at the time of foaming by the heating element can be effectively used as the discharge pressure.
[0152]
By applying energy such as heat to the ink, the ink undergoes a change in state accompanied by a steep volume change (bubble generation), and the ink is discharged from the discharge port by the action force based on this change in state, and this is recorded In the conventional technique of the ink jet recording method in which an image is formed by adhering to a medium, that is, the so-called bubble jet recording method, as shown in FIG. 21, the heating element area and the ink discharge amount are in a proportional relationship, but contribute to ink discharge. It can be seen that there is a non-foaming effective region S that does not. Further, it can be seen from the state of the kogation on the heating element that this non-foaming effective region S exists around the heating element. From these results, the width of about 4 μm around the heating element is not involved in foaming.
[0153]
Therefore, in order to effectively use the foaming pressure, it is effective to dispose the movable member so that the movable region of the movable member covers the portion immediately above the effective foaming region about 4 μm or more from the periphery of the heating element. I can say. In this embodiment, the effective foaming area is set to about 4 μm or more inside from the periphery of the heating element, but it is not limited to this depending on the type of heating element and the forming method.
[0154]
FIG. 22 is a schematic view seen from above when a movable member 31a (FIG. (A)) and a
[0155]
The dimension of the movable member 31a is 53 × 145 μm, which is smaller than the area of the
[0156]
Foaming solution:
Discharge ink: Dye ink
Voltage: 20.2V
Frequency: 3kHz
As a result of experiments conducted under these measurement conditions, regarding the durability of the movable member, (a) the movable member 31a is 1 × 10 7 When the pulse was applied, damage was observed at the fulcrum portion of the movable member 31a. (B) The
[0157]
From the above results, from the viewpoint of both durability and discharge efficiency, a movable member is provided so as to cover just above the effective foaming region, and the area of the movable member is larger than the area of the heating element. I understand that.
[0158]
FIG. 23 shows the relationship between the distance from the edge of the heating element to the fulcrum of the movable member and the amount of displacement of the movable member. FIG. 24 is a cross-sectional configuration diagram of the positional relationship between the
[0159]
Further, when the
[0160]
<Element substrate>
The structure of the element substrate provided with a heating element for applying heat to the liquid will be described below.
[0161]
FIG. 25 is a longitudinal sectional view of the liquid discharge head of the present invention. FIG. 25 (a) shows a head having a protective film (anti-cavitation layer) described later, and FIG. 25 (b) shows a head without a protective film. is there.
[0162]
On the
[0163]
On the
[0164]
In particular, the pressure and shock wave generated when bubbles are generated and defoamed are very strong, and the durability of the hard and fragile oxide film is remarkably lowered. Therefore, a metal material such as tantalum (Ta) is used as the
[0165]
Moreover, the structure which does not require the above-mentioned cavitation-
[0166]
Thus, the configuration of the
[0167]
In the present embodiment, the
[0168]
In addition to the electrothermal transducer formed of the above-described
[0169]
Further, in order to drive the heat generating portion of the electrothermal transducer provided on the
[0170]
<Head structure with two flow paths>
In the following, an example of the structure of a liquid discharge head will be described in which different liquids can be well separated and introduced into the first and second common liquid chambers, the number of parts can be reduced, and the cost can be reduced.
[0171]
FIG. 27 is a schematic diagram showing the structure of such a liquid discharge head. The same reference numerals are used for the same components as in the previous embodiment, and detailed description thereof is omitted here.
[0172]
In the present embodiment, the
[0173]
A plurality of first
[0174]
As shown by an arrow C in FIG. 27, the first liquid (discharge liquid) is supplied to the first
[0175]
In the present embodiment, the second
[0176]
Further, the thickness (diameter) of the second
[0177]
The second
[0178]
In the present embodiment, as described above, electrothermal conversion as a heating element that generates heat for generating bubbles due to film boiling of the foamed liquid on the
[0179]
On the
[0180]
The
[0181]
With respect to the arrangement relationship of the
[0182]
As described above, according to the present embodiment, the second
[0183]
The second liquid is supplied to the second
[0184]
In addition, since the second liquid penetrates the
[0185]
<Discharged liquid, foamed liquid>
As described in the previous embodiment, in the present invention, the structure having the movable member as described above can discharge liquid at a high speed with higher discharge force and discharge efficiency than the conventional liquid discharge head. In the present embodiment, when the same liquid is used for the foaming liquid and the discharge liquid, it does not deteriorate due to the heat applied from the heating element, and it is difficult to cause deposits on the heating element by heating, and it is vaporized by heat. Various liquids can be used as long as they can reversibly change the state of condensation and do not deteriorate the liquid flow path, the movable member, the separation wall, and the like.
[0186]
Among such liquids, as a liquid (recording liquid) used for recording, ink having a composition used in a conventional bubble jet apparatus can be used.
[0187]
On the other hand, in the case of using the two-flow path head of the present invention and the discharge liquid and the foaming liquid are separate liquids, the liquid having the above-described properties may be used as the foaming liquid. Ethanol, n-propanol, isopropanol, n-hexane, n-heptane, n-octane, toluene, xylene, methylene dichloride, trichrene, freon TF, freon BF, ethyl ether, dioxane, cyclohexane, methyl acetate, ethyl acetate, acetone , Methyl ethyl ketone, water and the like and mixtures thereof.
[0188]
As the discharge liquid, various liquids can be used regardless of the presence or absence of foamability and thermal properties. Further, it can be used even for liquids that have been difficult to discharge, such as liquids with low foamability, liquids that are easily altered or deteriorated by heat, and high-viscosity liquids.
[0189]
However, it is desirable that the liquid is not a liquid that obstructs discharge, foaming, operation of the movable member, or the like due to a reaction with the discharge liquid itself or the foam liquid as a property of the discharge liquid.
[0190]
High viscosity ink or the like can also be used as the recording discharge liquid. As other discharge liquids, liquids such as medicines and perfumes that are weak against heat can be used.
[0191]
In the present invention, recording was performed using an ink having the following composition as a recording liquid that can be used for both the ejection liquid and the foaming liquid, but because the ejection speed of the ink increased due to the improvement in ejection force, The droplet landing accuracy was improved and a very good recorded image could be obtained.
[0192]
[Outside 1]
[0193]
In addition, recording was performed by discharging a foamed liquid and a discharge liquid in combination with a liquid having the following composition. As a result, not only a liquid with a dozen cp viscosity, which was difficult to discharge with a conventional head, but also a liquid with a very high viscosity of 150 cp could be discharged well, and a high-quality recorded matter could be obtained.
[0194]
[Outside 2]
[0195]
By the way, in the case of the liquid that has been conventionally difficult to be ejected as described above, since the ejection speed is low, the variation in ejection directionality is promoted, the dot landing accuracy on the recording paper is poor, and the ejection is unstable. Variations in the discharge amount occurred, and it was difficult to obtain a high-quality image. However, in the configuration of the above-described embodiment, bubbles can be generated sufficiently and stably by using the foaming liquid. As a result, the droplet landing accuracy can be improved and the ink discharge amount can be stabilized, and the quality of the recorded image can be remarkably improved.
[0196]
<Manufacture of movable members>
Next, examples of the manufacturing process of the movable member, which is the greatest feature of the present invention, will be described by selecting some of the various shapes shown in the above-described embodiments.
[0197]
First, an example of the manufacturing method of the
[0198]
(A) A resist 1101 having a thickness of 0.5 μm is patterned on the
[0199]
(B) Electroplating is performed on the
[0200]
When the
[0201]
(C) Ultrasonic vibration is applied to the plated
[0202]
Here, a step which is a trace of the resist 1101 is formed on the lower surface of the
[0203]
Next, an example of a manufacturing method of the
[0204]
(A) A resist 1101a having a thickness of 2.5 μm is patterned on the
[0205]
(B) Electroplating is performed on the
[0206]
(C) Overlaying the resist 1101a described above, the resist 1101b having a thickness of 2.5 μm is patterned again. The width of the resist 110b is assumed to be larger than the width of the resist 1101a patterned first.
[0207]
(D) The above nickel layer 1102a is electroplated again to grow a
[0208]
(E) After removing the resists 1101a and 1101b, ultrasonic vibration is applied to the
[0209]
Next, an example of a manufacturing method of the
[0210]
(A) A resist 1101 having a thickness of 15 μm is patterned on the
[0211]
(B) Electroplating is performed on the
[0212]
(C) Ultrasonic vibration is applied to the
[0213]
Next, an example of the manufacturing method of the
[0214]
(A) A resist 1101a is patterned on the
[0215]
(B) The
[0216]
(C) The resist 1101b is applied again to the entire etched surface of the
[0217]
(D) The resist 1101b applied in the above process is patterned by exposure so that the resist 110b remains only at the bottom of the etched portion of the
[0218]
(E) Using the
[0219]
(F) Movable ultrasonic vibration is applied to the
[0220]
<Manufacture of liquid discharge head>
Next, the manufacturing process of the liquid discharge head of the present invention will be described.
[0221]
In the case of the liquid discharge head as shown in FIG. 2, a
[0222]
Next, a manufacturing process of a liquid discharge head having a two-channel structure as shown in FIGS. 14 and 28 will be described.
[0223]
Roughly, a wall of the second
[0224]
Further, a method for producing the second
[0225]
33 (a) to 33 (e) are schematic cross-sectional views for explaining an example of the manufacturing method of the liquid discharge head of the present invention.
[0226]
In this example, as shown in (a), a
[0227]
Next, surface cleaning was performed, and an ultraviolet-sensitive resin film (manufactured by Tokyo Ohka: dry film OD-318) DF was laminated on the
[0228]
Next, as shown in (c), a photomask PM was placed on the dry film DF, and ultraviolet light was irradiated to the portion of the dry film DF left as the second flow path wall through the photomask PM. This exposure process is performed using Canon Inc .: MPA-600, and is about 600 mJ / cm. 2 The exposure amount was.
[0229]
Next, as shown in (d), the dry film DF is developed with a developer (Tokyo Ohka: BMRC-3) made of a mixed solution of xylene and butyl cellosolve acetate, and the unexposed part is dissolved. The exposed and cured part was formed as a wall part of the second
[0230]
By the above method, the second
[0231]
Next, as shown in FIG. 33 (e), the joined body of the grooved
[0232]
By forming the second
[0233]
These high-precision manufacturing techniques stabilize the discharge and improve the print quality. Further, since it can be formed on the wafer in a lump, it can be manufactured in large quantities at a low cost.
[0234]
In this example, an ultraviolet curable dry film was used to form the second
[0235]
34A to 34D are schematic cross-sectional views for explaining another example of the method of manufacturing the liquid ejection head of the present invention.
[0236]
In this example, as shown in (a), a resist 101 having a thickness of 15 μm was patterned on the
[0237]
Next, as shown in (b), electroplating was performed on the
[0238]
Next, as shown in (c), ultrasonic vibration is applied to the
[0239]
On the other hand, a heater board provided with an electrothermal conversion element was formed on a silicon wafer using a manufacturing apparatus similar to a semiconductor. This wafer was separated into each heater board by a dicing machine as in the previous example. The
[0240]
In this example, an ultraviolet curable adhesive (Grace Japan: Amicon UV-300) is applied to the positioning and fixing, and an ultraviolet irradiation device is used, and an exposure amount is 100 mJ / cm. 2 Fixing was completed in about 3 seconds.
[0241]
According to the manufacturing method of the present example, in addition to being able to obtain the second
[0242]
FIGS. 35A to 35D are schematic cross-sectional views for explaining still another example of the method for manufacturing a liquid discharge head according to the present invention.
[0243]
In this example, as shown in (a), a resist 1103 was applied to both surfaces of an alignment hole 1100a or a
[0244]
Thereafter, as shown in (b), exposure is performed using an exposure apparatus (manufactured by Canon Inc .: MPA-600) in accordance with the alignment hole 1100a of the
[0245]
Next, as shown in (c), the
[0246]
Next, as shown in (d), as in the example of the previous manufacturing method, the liquid discharge head having the second
[0247]
According to the manufacturing method of this example, in addition to being able to obtain the second
[0248]
As described above, according to the manufacturing method of this example, the heating element and the second liquid flow path can be positioned with high accuracy by arranging the wall of the second liquid flow path in advance in the element substrate shape. Is possible. In addition, since the second liquid flow path can be formed simultaneously on a large number of element substrates on the substrate before cutting and separation, a large amount and a low cost liquid discharge head can be provided.
[0249]
Further, in the liquid discharge head obtained by the manufacturing method of this example, since the heating element and the second liquid channel are positioned with high accuracy, the pressure of foaming due to heat generation of the electrothermal transducer is efficiently received. And the discharge efficiency is excellent.
[0250]
<Liquid discharge head cartridge>
Next, a liquid discharge head cartridge equipped with the liquid discharge head according to the above embodiment will be schematically described.
[0251]
FIG. 36 is a schematic exploded perspective view of a liquid discharge head cartridge including the liquid discharge head described above. The liquid discharge head cartridge is mainly composed of a liquid
[0252]
The liquid
[0253]
The holding
[0254]
The
[0255]
The
[0256]
In the above liquid discharge head cartridge, the description has been given with respect to the supply mode and the
[0257]
The
[0258]
<Liquid ejection device>
FIG. 37 shows a schematic configuration of a liquid discharge apparatus equipped with the above-described liquid discharge head. In this embodiment, an ink discharge recording apparatus IJRA using ink as the discharge liquid will be described in particular. The carriage HC of the liquid ejection apparatus is equipped with a head cartridge in which a
[0259]
When a drive signal is supplied from a drive signal supply unit (not shown) to the liquid discharge unit on the carriage HC, the recording liquid is discharged from the liquid
[0260]
In the liquid ejection apparatus according to the present embodiment, the
[0261]
FIG. 38 is a block diagram of the entire apparatus for operating the ink discharge recording apparatus to which the liquid discharge head of the present invention is applied.
[0262]
The recording apparatus receives print information from the
[0263]
In order to record the image data at an appropriate position on the recording paper, the
[0264]
The recording medium that can be applied to the recording apparatus as described above and to which liquid such as ink is applied includes various papers, OHP sheets, plastic materials used for compact discs, decorative plates, etc., fabrics, aluminum, copper, etc. Metal materials, leather materials such as cowhide, pig skin, and artificial leather, wood such as wood and plywood, ceramic materials such as bamboo and tiles, and three-dimensional structures such as sponges can be targeted.
[0265]
Further, as the above-mentioned recording apparatus, a printer apparatus that records on various papers and OHP sheets, a recording apparatus for plastic that records on a plastic material such as a compact disk, a recording apparatus for metal that records on a metal plate, leather For recording apparatus for leather, recording apparatus for wood for recording on wood, recording apparatus for ceramics for recording on ceramic material, recording apparatus for recording on three-dimensional network structure such as sponge, and fabric It also includes a textile printing apparatus that performs recording.
[0266]
In addition, as a discharge liquid used in these liquid discharge apparatuses, a liquid suitable for each recording medium and recording conditions may be used.
[0267]
<Recording system>
Next, an example of an ink jet recording system that performs recording on a recording medium using the liquid discharge head of the present invention as a recording head will be described.
[0268]
FIG. 39 is a schematic diagram for explaining the configuration of an ink jet recording system using the above-described liquid discharge head of the present invention. The liquid discharge head in this embodiment is a full-line type head in which a plurality of discharge ports are arranged at a distance corresponding to 360 dpi in a length corresponding to the recordable width of the
[0269]
A signal is supplied to each of these heads 201a to 201d from a
[0270]
Each of the heads 201a to 201d is supplied with inks of four colors Y, M, C, and Bk from the
[0271]
Further, below the heads 201a to 201d, there are provided
[0272]
[0273]
In the ink jet recording system of this embodiment, a
[0274]
The pre-processing and post-processing differ depending on the type of recording medium to be recorded and the type of ink. For example, for recording media such as metal, plastic, ceramics, etc. Ink adhesion can be improved by irradiating ultraviolet rays and ozone and activating the surface. Further, in a recording medium such as plastic that easily generates static electricity, dust is likely to adhere to the surface due to static electricity, and good recording may be hindered by the dust. For this reason, it is preferable to remove dust from the recording medium by removing static electricity from the recording medium using an ionizer device as pretreatment. When a fabric is used as a recording medium, the fabric is selected from alkaline materials, water-soluble materials, synthetic polymers, water-soluble metal salts, urea and thiourea from the viewpoint of preventing bleeding and improving the dyeing rate. The treatment for applying the substance may be performed as a pretreatment. The preprocessing is not limited to these, and may be a process for setting the temperature of the recording medium to an appropriate temperature for recording.
[0275]
On the other hand, post-processing includes a fixing process that promotes fixing of the ink by heat treatment, ultraviolet irradiation, etc., on the recording medium to which the ink has been applied, a process of washing the unreacted processing agent that has been applied in the pre-process Is to do.
[0276]
In this embodiment, the full line head is used as the heads 201a to 201d. However, the present invention is not limited to this, and recording is performed by transporting a small head as described above in the width direction of the recording medium. It may be a thing.
[0277]
<Head kit>
Below, the head kit which has the liquid discharge head of this invention is demonstrated. FIG. 40 is a schematic view showing such a head kit. The
[0278]
When the ink is consumed, the insertion portion (injection needle) of the ink filling means 530 is inserted into a connection portion between the
[0279]
In this way, by placing the
[0280]
The
[0281]
FIG. 40 shows only the ink filling means 530 that fills the
[0282]
The present invention is not limited to a so-called edge shooter type liquid discharge head having a discharge port at one end of the liquid flow path provided in the direction along the surface of the heating element as described above. The present invention is also applicable to a so-called side shooter type liquid discharge head having the
[0283]
The side shooter type liquid discharge head shown in FIG. 41 has a foaming liquid on the
[0284]
The side shooter type liquid discharge head is characterized in that a
[0285]
The first
[0286]
In the side shooter type liquid discharge head having such a configuration, the liquid is discharged with high discharge efficiency and high discharge pressure while improving the refilling of the discharge liquid in substantially the same manner as the edge shooter type liquid discharge head. It is possible to obtain an excellent effect of being able to.
[0287]
The manufacturing method is substantially the same as that of the edge shooter type liquid discharge head except that the position of the
[0288]
Further, in each of the above-described embodiments, the example in which the resistance to the liquid at the time of displacement is reduced depending on the shape of the movable member is shown. However, the contact angle of the liquid on the surface opposite to the surface facing the heating element is set to generate heat. The resistance to the liquid at the time of displacement can also be reduced by performing processing on the movable member so as to make it smaller than that of the surface facing the body.
[0289]
【The invention's effect】
As mentioned above, From the first position in the steady state to the second position after the displacement The liquid in the flow path when displaced versus According to the liquid discharge head of the present invention that uses a movable member with reduced resistance and displaces the movable member by pressure based on the generation of bubbles and guides the liquid to the discharge port side, the movable member is easily displaced, and the discharge efficiency and The discharge force can be further improved. Furthermore, by making the surface facing the heating element of the movable member flat or by making the both ends of the width direction protrude toward the heating element rather than the central part, the movable member is likely to receive pressure components of bubbles, Or it becomes difficult to escape and the pressure based on generation | occurrence | production of a bubble can be utilized for the displacement of a movable member more effectively.
[0290]
Further, according to the characteristic configuration of the present invention, it is possible to prevent non-ejection even when left for a long time at low temperature and low humidity, and recovery such as preliminary ejection and suction recovery even if non-ejection occurs. There is also an advantage that the normal state can be instantly restored with a small amount of processing. Accordingly, the recovery time can be shortened, the liquid loss due to the recovery can be reduced, and the running cost can be greatly reduced.
[0291]
In particular, according to the configuration with improved refill characteristics of the present invention, it is possible to achieve high-speed recording or high-quality recording by high-speed liquid ejection by achieving responsiveness during continuous ejection, stable bubble growth, and droplet stabilization. I was able to.
[0292]
In addition, by using a liquid that easily foams or a liquid that does not easily generate deposits (burning, etc.) on the heating element as a foaming liquid in a head having a two-channel configuration, the degree of freedom in selecting a discharge liquid increases. Liquids that were difficult to be ejected by conventional bubble jet ejection methods, such as highly viscous liquids that are less prone to foaming and liquids that tend to cause deposits on the heating element, could be satisfactorily ejected.
[0293]
Furthermore, liquids that are vulnerable to heat could be discharged without adversely affecting the liquids.
[0294]
Further, by using the liquid discharge head of the present invention as a recording liquid discharge recording head, it was possible to achieve recording with higher image quality.
[0295]
In addition, it was possible to provide a liquid ejection apparatus, a recording system, and the like that further improved the liquid ejection efficiency using the liquid ejection head of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a liquid discharge head of the present invention.
FIG. 2 is a partially broken perspective view of the liquid discharge head shown in FIG.
3 is a schematic cross-sectional view of the liquid discharge head shown in FIG. 1 as viewed from the discharge port direction.
FIG. 4 is a schematic diagram showing pressure propagation from bubbles in a conventional head.
FIG. 5 is a schematic diagram showing pressure propagation from bubbles in the liquid ejection head of the present invention.
6 is a schematic diagram for explaining the flow of liquid in the liquid discharge head shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a liquid discharge head in a second embodiment of the present invention.
8 is a schematic cross-sectional view of the liquid discharge head shown in FIG. 7 as viewed from the discharge port direction.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a liquid discharge head according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a partially broken perspective view of a liquid discharge head according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a partially broken perspective view of a liquid discharge head according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view of a liquid discharge head according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a liquid discharge head according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view of a liquid discharge head (two flow paths) in an eighth embodiment of the present invention.
15 is a partially broken perspective view of the liquid discharge head shown in FIG.
FIG. 16 is a diagram for explaining the operation of the movable member.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing various modifications (a) to (i) of the movable member.
FIG. 18 is a diagram for explaining another example of the ceiling shape of the first liquid channel.
FIG. 19 is a diagram for explaining an arrangement relationship between a second liquid channel and a movable member.
FIG. 20 is a view for explaining another shape of the movable member.
FIG. 21 is a graph showing the relationship between the heating element area and the ink discharge amount.
FIG. 22 is a diagram illustrating an arrangement relationship between a movable member and a heating element.
FIG. 23 is a graph showing the relationship between the distance between the edge of the heating element and the fulcrum and the amount of displacement of the movable member.
FIG. 24 is a diagram for explaining an arrangement relationship between a heating element and a movable member.
FIG. 25 is a longitudinal sectional view of a liquid discharge head according to the present invention.
FIG. 26 is a schematic diagram showing the shape of a drive pulse.
FIG. 27 is a cross-sectional view for explaining a supply path of the liquid ejection head of the present invention.
FIG. 28 is an exploded perspective view of the head of the present invention.
FIG. 29 is a process diagram for describing the manufacturing method of the movable member shown in FIG. 3;
30 is a process diagram for describing a method of manufacturing the movable member shown in FIG.
FIG. 31 is a process diagram for describing a method of manufacturing the movable member shown in FIG.
FIG. 32 is a process diagram for describing the manufacturing method for the movable member shown in FIG.
FIG. 33 is a process diagram for describing the manufacturing method for the liquid ejection head according to the present invention.
FIG. 34 is a process diagram for describing the manufacturing method of the liquid ejection head of the present invention.
FIG. 35 is a process diagram for describing the manufacturing method of the liquid ejection head of the present invention.
FIG. 36 is an exploded perspective view of the liquid discharge head cartridge.
FIG. 37 is a schematic configuration diagram of a liquid ejection apparatus.
FIG. 38 is a device block diagram.
FIG. 39 is a diagram illustrating a liquid discharge recording system.
FIG. 40 is a schematic diagram of a head kit.
FIG. 41 is a cross-sectional view of an example of a side shooter type liquid discharge head to which the present invention is applied.
FIG. 42 is a diagram for explaining a liquid flow path structure of a conventional liquid discharge head.
[Explanation of symbols]
1 Element substrate
2 Heating element
3 Area center
10 Liquid flow path
11 Bubble generation area
12 Supply path
13 Common liquid chamber
14 First liquid flow path
15 First common liquid chamber
16 Second liquid flow path
17 Second common liquid chamber
18 Discharge port
19 Stenosis
20 First supply path
21 Second supply path
22 First liquid channel wall
23 Second liquid flow path wall
24 Convex
30 separation wall
31 Movable member
31a Elevation
32 Free end
33 fulcrum
34 Support members
35 slits
36 Front wall of bubble generation area
37 Side wall of bubble generation area
40 bubbles
50 Grooved member
70 Support
78 Presser spring
80 Supply members
Claims (31)
前記吐出口に連通する液流路と、
前記液流路内の液体に気泡を発生させる気泡発生領域と、
前記液流路内に前記気泡発生領域に面して配され、前記気泡発生領域での気泡の発生に基づく圧力によって定常状態の第1の位置から変位後の位置である第2の位置に変位し、この変位によって前記圧力を前記吐出口が配された下流側へ導き、気泡の収縮による負圧で前記第1の位置に復帰する可動部材とを有し、
前記可動部材は、前記第1の位置から前記第2の位置に変位するときの前記流路内の液体に対する抵抗が、前記第2の位置から前記第1の位置に復帰するときの抵抗よりも小さい液体吐出ヘッド。A discharge port for discharging liquid;
A liquid flow path communicating with the discharge port;
A bubble generation region for generating bubbles in the liquid in the liquid flow path;
Displaced from the first position in the steady state to the second position after being displaced by the pressure based on the generation of bubbles in the bubble generation region. And a movable member that guides the pressure to the downstream side where the discharge port is disposed by this displacement, and returns to the first position by a negative pressure due to contraction of bubbles,
The movable member has a resistance to the liquid in the flow path when the movable member is displaced from the first position to the second position, more than a resistance when the movable member returns from the second position to the first position. Small liquid discharge head.
前記吐出口に連通した第1の液流路と、
液体に熱を加えることで該液体に気泡を発生させる気泡発生領域を有する第2の液流路と、
前記第1の液流路と前記気泡発生領域との間に配され、前記気泡発生領域での気泡の発生に基づく圧力によって定常状態の第1の位置から変位後の位置である前記第1の液流路側の第2の位置へ変位し、この変位によって前記圧力を前記吐出口が配された下流側へ導き、気泡の収縮による負圧で前記第1の位置に復帰する可動部材とを有し、
前記可動部材は、前記第1の位置から前記第2の位置に変位するときの前記第1の液流路内の液体に対する抵抗が、前記第2の位置から前記第1の位置に復帰するときの抵抗よりも小さい液体吐出ヘッド。A discharge port for discharging liquid;
A first liquid flow path communicating with the discharge port;
A second liquid flow path having a bubble generation region for generating bubbles in the liquid by applying heat to the liquid;
The first liquid is disposed between the first liquid flow path and the bubble generation region, and is a position after displacement from the first position in a steady state by pressure based on generation of bubbles in the bubble generation region. A movable member that is displaced to a second position on the liquid flow path side, guides the pressure to the downstream side where the discharge port is disposed by this displacement, and returns to the first position by negative pressure due to contraction of bubbles. And
When the movable member is displaced from the first position to the second position, the resistance to the liquid in the first liquid flow path returns from the second position to the first position. The liquid discharge head is smaller than the resistance.
それぞれの吐出口に対応して直接連通する複数の第1の液流路を構成するための複数の溝と、
前記複数の第1の液流路に液体を供給するための第1の共通液室を構成する凹部とを一体的に有する溝付き部材と、
液体に熱を与えることで液体に気泡を発生させるための複数の発熱体が配された素子基板と、
前記溝付き部材と前記素子基板との間に配され、前記発熱体に対応した第2の液流路の壁の一部を構成するとともに、前記発熱体に面した位置に、前記気泡の発生に基づく圧力によって定常状態の第1の位置から変位後の位置である前記第1の液流路側の第2の位置へ変位し、この変位によって前記圧力を前記吐出口が配された下流側へ導き、気泡の収縮による負圧で前記第1の位置に復帰する可動部材とを具備した分離壁とを有し、
前記可動部材は、前記第1の位置から前記第2の位置に変位するときの前記第1の液流路内の液体に対する抵抗が、前記第2の位置から前記第1の位置に復帰するときの抵抗よりも小さい液体吐出ヘッド。A plurality of outlets for discharging liquid;
A plurality of grooves for configuring a plurality of first liquid flow paths that directly communicate with each discharge port;
A grooved member integrally having a concave portion constituting a first common liquid chamber for supplying a liquid to the plurality of first liquid flow paths;
An element substrate provided with a plurality of heating elements for generating bubbles in the liquid by applying heat to the liquid;
The bubble is generated between the grooved member and the element substrate, forming a part of the wall of the second liquid flow path corresponding to the heating element, and at a position facing the heating element. Is displaced from the first position in the steady state to the second position on the first liquid flow path side, which is the position after displacement, by this displacement, and the pressure is moved to the downstream side where the discharge port is disposed by this displacement. And a separation wall provided with a movable member that returns to the first position with a negative pressure due to the contraction of bubbles,
When the movable member is displaced from the first position to the second position, the resistance to the liquid in the first liquid flow path returns from the second position to the first position. The liquid discharge head is smaller than the resistance.
該液体吐出ヘッドから液体を吐出させるための駆動信号を供給する駆動信号供給手段とを有する液体吐出装置。A liquid discharge head according to claim 1, 2, or 6,
A liquid discharge apparatus comprising drive signal supply means for supplying a drive signal for discharging liquid from the liquid discharge head.
該液体吐出ヘッドから吐出された液体を受ける被記録媒体を搬送する被記録媒体搬送手段とを有する液体吐出装置。A liquid discharge head according to claim 1, 2 or 6,
A liquid discharge apparatus comprising: a recording medium transport unit that transports a recording medium that receives the liquid ejected from the liquid ejection head.
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