JP4632421B2

JP4632421B2 - インクジェット記録ヘッド

Info

Publication number: JP4632421B2
Application number: JP2004354072A
Authority: JP
Inventors: 健土井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2024-12-07
Also published as: JP2006159616A; US20060119663A1; US7399060B2

Description

本発明は、被記録媒体に対してインクを吐出して画像を記録するインクジェット記録ヘッドに関するものである。

従来のインクジェット記録ヘッド（以下「記録ヘッド」と略す場合もある）の一例を図７及び図８に示す。図７及び図８は、インクが吐出される吐出口１０５の近傍の拡大断面図である。吐出口１０５の下方には、ヒータ１０２が設けられた圧力室１０３と、その圧力室１０３と吐出口１０５とを連通させるノズル部１０１と、圧力室１０３へインクを供給するためのインク流路１０６とが設けられている。インク流路１０６を介して圧力室１０３に供給されたインクは、ヒータ１０２から発せられる熱によって加熱され、その際にインク中に発生する気泡の圧力によってノズル部１０１を通って吐出口１０５から吐出される。

図７に示す記録ヘッドのノズル部１０１は、インク吐出方向と直交する断面の面積が一定である。一方、図８に示す記録ヘッドのノズル部１０１は、同断面の面積が圧力室１０３に近いほど大きくなっている。以後、図７に示すノズル部１０１を「ストレートノズル」、図８に示すノズル部１０１を「テーパノズル」と称して区別する場合がある。ここで、ストレートノズルは、インクの流抵抗が大きく、インク吐出のエネルギー効率が悪い。そのため、インク吐出のエネルギー効率を上げるために、流抵抗が小さいテーパノズルが現在の主流となっている。

例えば、吐出口１０５からヒータ１０２の上面までの距離OHが７５μｍ、インク流路の高さHが２０μmの場合、ノズル部１の厚み（長さ）は、ストレートノズル、テーパノズル共に５５μｍとなるが、それぞれのノズル部１０１のイナータンス、粘性抵抗は表１のようになる。

ノズル部１０１のイナータンス、粘性抵抗はインクを吐出させる際の抵抗として作用し、これらが大きいと吐出エネルギー効率が低下する。イナータンス、粘性抵抗はそれぞれ下記式によって表される。

イナータンスＭ（ｋPa/(μm³/μs²)）

但し、ここで
ＯＰノズル部の厚み
Ｓ（ｘ）ノズル部下端から距離ｘの位置のインク流路断面積［μｍ²］
ρ インク比重

粘性抵抗Ｒ（kPa/（μm³/μs））

但し、ここで
Ｄ（ｘ）はノズルの形状係数で、
ノズルが矩形の場合
Ｄ（ｘ）＝12.0×（0.33＋1.02×(a(x)/b(x)+b(x)/a(x)))
ノズルが円筒形の場合
Ｄ（ｘ）＝８π

ＯＰノズル部の厚み
Ｓ（ｘ）ノズル部下端から距離ｘの位置のインク流路断面積［μｍ²］
η インク粘度［Pa・s］

尚、表1中のイナータンス、粘性抵抗は相対比較する目的なので計算を簡略化して求めてある。具体的にはイナータンスは比重ρ＝１で計算され、粘性抵抗はノズル断面形状係数＝１、粘度η＝1e−3Pa・ｓとして計算されている。これはこの後記載されている全てのイナータンス、粘性抵抗値に共通である。厳密なイナータンスを求めるためには使用するインクの比重を用いる必要があり、また厳密な粘性抵抗を求めるためには使用するインクの粘度ηとノズルの断面形状に即した断面形状係数D（ｘ）を用いて計算する必要がある。

表１に示すように、ストレートノズルはイナータンス、粘性抵抗が大きく、効率が悪いことがわかる。これに対し、テーパノズルはテーパ角を大きくするほどイナータンス、粘性抵抗とも小さくなる。具体的には、テーパ角５°では、ストレートノズルに対しイナータンスが７２％、粘性抵抗が５４％となる。また、テーパ角１２°では、ストレートノズルに対しイナータンスが約半分の５１％、粘性抵抗が３０％まで小さくなる。さらにテーパ角１９°にすると、ストレートノズルに対しイナータンスが３９％、粘性抵抗が１／５の２０％まで小さくなる。このようにテーパノズルではテーパ角を大きくすることによって吐出エネルギー効率を飛躍的に高めることができる。
特開２００１−１００５４号公報

しかしながら、図８に示すようなテーパノズルでは、テーパ角が大きくなるほど、図中斜線で示された圧力室１０３の天井部の面積が小さくなる（具体的な数値に関しては表１参照）。圧力室１０３の天井部の面積は、テーパ角５°ではストレートノズルの８７％、テーパ角１２°では６０％、テーパ角１９°では２２％にまで減少する。圧力室１０３の天井部の面積は、気泡が消泡する際に、天井部に略水平なインクの運動に対する抵抗として作用するものであり、この抵抗が大きいほど、消泡過程における気泡の運動損失が大きくなり、消泡時の衝撃力が弱まる。流抵抗が小さいテーパノズルは、本来的に消泡時のノズル部１０１内のインクの運動エネルギーが大きいことに加え、圧力室１０３内の水平方向のインクの運動エネルギーも大きくなるので消泡時に発生する衝撃力が非常に大きくなる。その結果、消泡時に発生する衝撃力、すなわちキャビテーション崩壊時に発生する衝撃力が大きくなり、ヒータ１０２が損傷し易いという問題があった。

本発明の目的は、インク吐出のエネルギー効率を高く保ちつつ、気泡の消泡時に発生する衝撃力を抑制したインクジェット記録ヘッドを提供することである。

本発明のインクジェット記録ヘッドは、インクが吐出する吐出口と、インクに吐出用のエネルギーが付与される圧力室と、圧力室と吐出口とを連通させるノズル部とを有するインクジェット記録ヘッドであって、ノズル部には、吐出口の面積よりも断面積が大きな大径部と、大径部よりも断面積の小さな小径部とがインクの吐出方向に沿って設けられ、かつ、小径部は、大径部よりも圧力室に近い位置に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、圧力室の天井面積の減少を回避しつつ、ノズル部の流抵抗を低減することが可能である。よって、インク吐出のエネルギー効率を高く保ったまま、消泡時に圧力室内で発生する衝撃力を抑制することができる。

（実施形態１）
以下、本発明のインクジェット記録ヘッドの実施形態の一例を図１（ａ）（ｂ）を参照しながら説明する。図１は、本例の記録ヘッドのノズル部の拡大断面図であり、（ａ）はインク吐出方向と平行な断面、（ｂ）はインク吐出方向と直交する断面をそれぞれ示している。

ノズル部１の一端は、ヒータ２が設けられた圧力室３に連通し、他端はインクが吐出される吐出口５に連通している。さらに、圧力室３には該圧力室３にインクを供給するためのインク流路６が連通している。インク流路６は、不図示のインク供給口に連通しており、このインク供給口を介してインクが供給される。インク供給口から供給されたインクは、インク流路６を介して圧力室３に供給される。通常、圧力室３及びノズル部１は前記のようにして供給されたインクによって満たされており、吐出口５にはインクのメニスカス７が形成されている。この状態でヒータ２が発熱すると、その熱によってインクが加熱され、インク中に発生した気泡の圧力によって吐出口５から所定量のインク（インク滴）が吐出する。

ノズル部１のインク吐出方向途中には、吐出口５よりも断面積の大きな大径部８が形成されており、大径部８と圧力室３との間には、大径部８よりも断面積の小さな小径部９が形成されている。大径部８を有することにより、ノズル部１の流抵抗は、従来のストレートノズルに比べて大幅に小さくなっている。例えば、吐出口５からヒータ２の上面までの距離OHが７５μｍ、インク流路６の高さHが２０μmの場合、吐出口５から大径部８までの距離ｈｔ、大径部８の高さｈｂ、小径部９の高さｈｓをそれぞれ、ｈｔ＝１０μｍ、ｈｂ＝３５μｍ、ｈｓ＝１０μｍとしたもの（構成Ａ）と、ｈｔ＝５μｍ、ｈｂ＝４５μｍ、ｈｓ＝５μｍとしたもの（構成Ｂ）とについて、ノズル部１のイナータンス、粘性抵抗、圧力室３の天井部の面積を表１のデータと併せて表２に示す。

構成Ａのノズル部のイナータンスは、ストレートノズルの５２％あり、テーパ角１２°のテーパノズルのそれとほぼ等しく、構成Ｂのノズル部のイナータンスは、ストレートノズルの３９％であり、テーパ角１９°のテーパノズルのそれとほぼ等しい。また、構成Ａの粘性抵抗は、ストレートノズルの４０％であり、テーパ角１２°のテーパノズルのそれと近く、構成Ｂの粘性抵抗は、ストレートノズルの２３％であり、テーパ角１９°のテーパノズルのそれと非常に近い。このように本発明によれば、ノズル部の抵抗が大幅に低減され、吐出エネルギー効率が著しく向上することがわかる。

一方、構成Ａ、Ｂにおける圧力室の天井部の面積は、表３に示すように、構成Ａ、Ｂともにストレートノズルと同じ面積が維持されている。従って、消泡時における圧力室の天井に略水平なインクの運動の損失は従来のテーパノズルに比べて大幅に低減する。この結果、気泡の消泡時に発生する衝撃力が弱まり、ヒータの損傷が低減され、ヒータ寿命が大幅に延びる。

以上のように、本発明によれば、インク吐出のエネルギー効率を高く保ちつつ、気泡の消泡時に発生する衝撃力を抑制し、ヒータの損傷を抑え、ヒータの断線寿命を飛躍的に延ばすことが可能である。

尚、従来のストレートノズル、テーパノズルのいずれにおいても、製造工程によっては吐出口の下端部周囲に凸状の突起物が生成されることがある。しかし、この突起物の大きさはせいぜい１μｍ程度であり、圧力室の天井部の面積に与える影響はほとんど無視できる。具体的には、テーパ角が５°の場合、テーパノズルの圧力室の天井部の面積は、ストレートノズルに対し、突起物が無いときに８７％だったのが、突起物が有ると９０％となる程度である。また、テーパ角が１２°の場合、テーパノズルの圧力室の天井部の面積は、ストレートノズルに対し、突起物が無いときに６０％だったのが、突起物が有ると６４％となる程度である。さらに、テーパ角が１９°の場合、テーパノズルの圧力室の天井部の面積は、ストレートノズルに対し、突起物が無いときに２２％だったのが、突起物が有ると２８％となる程度である。

上記のように、製造工程によって吐出口の下端部周囲に生成された１μｍ程度の凸状の突起物が圧力室の天井部の面積に与える影響、すなわち天井部に対して略水平なインクの運動に与える影響はほとんど無視できる。

次に、本例の記録ヘッドの製造工程を図２（ａ）〜（ｉ）に示す。まず、不図示のヒータが形成されている基板２０の上に、ポジ型の型材２１を塗布する（図２ａ）。その後、型材２１を露光、現像して、所望のインク流路に相当するパターンを形成する（図２ｂ）。次に、型材２１の上にネガ型のノズル材２３を塗布し（図２ｃ）、最終的にノズル部の小径部となる部分以外の部分を露光、現像して小径部に相当する部分のノズル材２３を除去する（図２ｄ）。次に、再度型材２５を塗布し（図２ｅ）、最終的に大径部となる部分以外の部分を露光、現像し、大径部に相当する部分以外の型材２５を除去する（図２ｆ）。そして、再度ノズル材２６を塗布し（図２ｇ）、吐出口に相当する部分以外の部分を露光、現像して吐出口５を形成する（図２ｈ）。最後に型材２３を全て現像し、ノズル部１、圧力室３及びインク流路６を形成する（図２ｉ）。

（実施形態２）
以下、本発明のインクジェット記録ヘッドの実施形態の他例について図３を参照しながら説明する。本例の記録ヘッドの基本構成は実施形態１の記録ヘッドと同一である。異なるのは、吐出口５と大径部８との間に、大径部８側から吐出口５側に向けて次第に先細りになるテーパ部が設けられていることである。本例の記録ヘッドでは、テーパ部３０が設けられていることによって、該テーパ部３０を通過するインクの流抵抗が小さくなり、吐出口５から大径部８までの距離ｈｔ、大径部８の高さｈｂ、小径部９の高さｈｓを実施形態１のそれらと同一に保ったままで、ノズル部１全体の流抵抗がさらに低減される。この結果、実施形態１の記録ヘッドに比べて、さらに吐出エネルギー効率を向上させることが可能となる。尚、圧力室３の天井部の面積は実施形態１の記録ヘッドと同一に保たれているので、気泡の消泡時に発生する衝撃力を抑制し、ヒータ２の損傷を抑え、ヒータ２の断線寿命を飛躍的に延ばすという効果は損なわれない。

（実施形態３）
以下、本発明のインクジェット記録ヘッドの実施形態の他例について図４を参照しながら説明する。本例の記録ヘッドの基本構成は実施形態２の記録ヘッドと同一である。異なるのは、ノズル部１の小径部９と圧力室３との間の壁面３１に、ノズル部１が圧力室３側に向けて次第に先細りになるようにテーパを付けて小径部９を形成したことである。

本例の記録ヘッドでは、大径部８と吐出口５との間にあるテーパ部３０と、小径部９のテーパ（テーパ部３０とは逆向きのテーパ）との相乗効果によって、ノズル部１の流抵抗がさらに小さくなる。よって、吐出口５から大径部８までの距離ｈｔ、大径部８の高さｈｂ、小径部９の高さｈｓを実施形態２のそれらと同一に保ったままで、ノズル部１全体の流抵抗をさらに低減することができる。この結果、実施形態２の記録ヘッドに比べて、さらに吐出エネルギー効率を向上させることが可能となる。尚、圧力室３の天井部の面積は実施形態２の記録ヘッドと同一に保たれているので、気泡の消泡時に発生する衝撃力を抑制し、ヒータ２の損傷を抑え、ヒータ２の断線寿命を飛躍的に延ばすという効果は損なわれない。

（実施形態４）
以下、本例のインクジェット記録ヘッドの実施形態の他例について図５を参照しながら説明する。本例の記録ヘッドは、ノズル部１のインク吐出方向任意の位置Ｐよりも吐出口５側に、吐出口５から圧力室３に向けて次第に断面積が拡大するようにテーパを付けて大径部８を形成すると共に、上記位置Ｐよりも圧力室３側に、圧力室３に向けて次第に断面積が縮小するように逆テーパを付けて小径部９を形成したことを特徴とする。本例の記録ヘッドも、ノズル部１全体の流抵抗が低減され、吐出エネルギー効率を向上させつつ、気泡の消泡時に発生する衝撃力が抑制されるという効果を奏する。

図６（ａ）〜（ｇ）に、本例の記録ヘッドの製造工程を示す。まず、不図示のヒータが形成されている基板２０の上に、ポジ型の型材２１を塗布する（図６ａ）。その後、型材２１を露光、現像して、所望のインク流路に相当するパターンを形成する（図６ｂ）。次に、型材２１の上にネガ型のノズル材２３を塗布する（図６（ｃ））。ここまでの工程は、実施形態１の記録ヘッドの製造工程と同じである。次に、最終的に小径部となる部分以外の部分を露光する際に、露光パターンを形成するためのマスクをノズル材２３の表面から所定量だけオフセットさせ、小径部に相当する部分に上記逆テーパが形成されるように露光、現像する（図６ｄ）。ここで再度型材２５を塗布し（図６ｅ）、今度は上記テーパ（大径部）が形成されるように、マスクと型材２５の表面との距離を調節して露光、現像し、吐出口５及びノズル部１（小径部９及び大径部８）を形成する（図６ｆ）。最後に型材２１を全て除去して、圧力室３及びインク流路６を形成する（図６ｇ）。

以上のように、本例の記録ヘッドは、実施形態１、２及び３の記録ヘッドよりも簡略な工程によって製造可能であり、製造コストが大幅に低減する。

本発明のインクジェット記録ヘッドの実施形態の一例を示す断面図であって、（ａ）はインク吐出方向と平行な断面を示す図、（ｂ）はインク吐出方向と直交する断面を示す図である。（ａ）〜（ｉ）は、図１の記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。本発明のインクジェット記録ヘッドの実施形態の他例を示す断面図であって、インク吐出方向と平行な断面の図である。本発明のインクジェット記録ヘッドの実施形態の他例を示す断面図であって、インク吐出方向と平行な断面の図である。本発明のインクジェット記録ヘッドの実施形態の他例を示す断面図であって、インク吐出方向と平行な断面の図である。（ａ）〜（ｇ）は、図５の記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。従来のインクジェット記録ヘッドの一例を示す断面図であって、（ａ）はインク吐出方向と平行な断面を示す図、（ｂ）はインク吐出方向と直交する断面を示す図である。従来のインクジェット記録ヘッドの実施形態の他例を示す断面図であって、（ａ）はインク吐出方向と平行な断面を示す図、（ｂ）はインク吐出方向と直交する断面を示す図である。

符号の説明

１ノズル部
２ヒータ
３圧力室
５吐出口
６インク流路
７メニスカス
８大径部
９小径部
２０基板
２１型材
２３ノズル材
２５型材
３０テーパ部
３１壁面

Claims

インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生するヒータと、該ヒータに対向した位置に設けられる、インクが吐出する吐出口と、前記ヒータが配される圧力室と、前記圧力室と前記吐出口とを連通させるノズル部と、を有するインクジェット記録ヘッドであって、
前記ノズル部は、前記吐出口の面積よりも断面積が大きくインクの吐出方向に沿って前記断面積が一定である大径部と、前記大径部と前記圧力室との間に配され前記大径部から前記圧力室に向けて次第に断面積が小さくなる小径部と、を含み、
前記吐出方向に関して、前記大径部の長さが前記小径部の長さより長く、
前記大径部と前記吐出口との間に、該吐出口に向けて次第に先細りになるテーパ部が設けられているインクジェット記録ヘッド。