JP4994924B2 - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、インクジェット記録ヘッドに関し、特にインクをインク供給口からインク吐出口へ導くインク流路の構造に関する。

従来のインクジェット記録ヘッドは、インクをインク供給口からインク吐出口へ導くためのインク流路を有し、前記インク流路は同一の高さに形成されている（特許文献１参照）。そのため、インク吐出口が千鳥配置のように、インク吐出口の配列方向に対して直線上に配置されていない構造をしたとき、インク流路長さが異なり、インク吐出性能を損なう場合がある。また、隣接する吐出口からのインク吐出量が異なる場合もある。これらの場合には、各々のインク流路の流抵抗を最適化して吐出性能を合わせる必要があった。

しかしながら、近年のインクジェットプリンタは写真画質を提供するに至り、インク吐出口密度は高まる一方である。したがって、限られた面積の中で前述のようなインク流路の流抵抗を合わせるためには、インク流路の断面積を変える、すなわちインク流路高さが一定の場合は流路幅を変えることとなる。

高密度吐出口配置において流路幅を変えるには、流路を形成する壁の横幅を薄くする必要がある（図１１〜図１４参照）。この場合には、基板とインク流路を形成する壁との密着面積が小さくなる。そのため、インク吐出にかかわる圧力が壁にかかると、壁の剥がれが生じ、隣接するインク流路で吐出圧力の損失が発生するおそれがある。

また、上記の課題に対して、流路幅に制限を設け、流路を形成する壁の厚みを確保するためには、流路の高さを高くすることが考えられる。しかし、インク流路はインク吐出口に連通しているため、流路高さを高くすると、インク吐出口とインク吐出手段（エネルギー発生素子）との距離が長くなり、これによりインク吐出量が変わってしまう。このため、インク流路の高さを高くしてインク吐出量を一定にするためにはオリフィスプレート（吐出口及びインク流路を形成する部材）の厚みを薄くして整合性を取る必要が発生する。この場合にはオリフィスプレートの厚みはオリフィスプレートの強度に影響し、樹脂で形成されているオリフィスプレートであれば、インクに浸漬されたまま長時間放置されると膨潤し変形する不具合が出てくる。これを改善する技術として特許文献２に開示されたインクジェットヘッドがある。このヘッドでは図１５に示すように、異なる長さのインク流路１０１，１０２の幅をそれぞれ変え、しかも、それぞれのインク流路に設けられたインク供給口１０３、１０４の面積を変えることで、インク流路抵抗の整合を行っている。
特開平１０−２３５８５５号公報 特開２００３−１９７９８号公報

しかし、図１５の形態では、インク供給口が各インク流路に一対一で形成していないと使用できない。また、インク供給口を一対一で形成する場合、インク供給口が形成される基板の厚みを薄くしないと、正確な供給口の形成ができないなど、製造上の問題も有する。

また、インク供給口からインク吐出口までの距離が同じであるが、隣接する吐出口面積を変えることで隣接する吐出口からの吐出量が異なる場合、図１６に示すように吐出量が多い方のインク流路は多くのインクを供給する必要から流路幅を広く取る必要がある。しかし、吐出口の配置密度が高まると、インク吐出量の少ないほうのインク流路幅を狭くしなければならず、液滴の吐出駆動に対して吐出口へのインク補充が間に合わなくなる、すなわちリフィル周波数が足らなくなる場合がある。さらに、図１６のように吐出量が少ないほうのインク流路幅を狭く、インク吐出量が多いほうのインク流路幅を広くするという設計ではインク流路形成壁の厚みが確保できなくなる。そのため、流路幅の制限が出てきてしまい、信頼性の高い高密度吐出口配置のインクジェットプリンタを提供することが困難になってしまう問題が生じる。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、インク流路を形成する壁の厚み（壁幅）の十分な確保と、インク吐出量に適応したインク流路抵抗の確保を容易にできるインクジェットヘッドのインク流路構造及びその製法を提供することにある。すなわち、インクジェットヘッドの隣接する流路部の各々に対して設けられた吐出口からのインク吐出量が異なる場合や、隣接する流路どうしでインク供給口から吐出口までの距離が異なる場合において、上記問題を解決できるインク流路構造を提供する。

本発明のインクジェット記録ヘッドは、
インクの供給口を備える基板と、前記供給口から供給されるインクを吐出する吐出口と、前記供給口と前記吐出口とを連通する長さの異なる複数の流路部と、を備えるインクジェット記録ヘッドであって、
前記流路部は、前記基板の面に接して形成された第一流路と、該第一流路の前記基板の面側とは反対側に該第一流路に沿って形成された第二流路とを有し、かつ、該流路部をインクが流れる方向に関して交差する方向に沿った断面において該方向の流路幅が前記第一流路と前記第二流路とで異なる流路部を含み、
前記長さの異なる複数の流路部のうちの相対的に長い流路部は、前記第一流路の前記流路幅より前記第二流路の前記流路幅が広く、
前記長さの異なる複数の流路部のうちの相対的に短い流路部は、前記第一流路の前記流路幅より前記第二流路の前記流路幅が狭く、
前記相対的に長い流路部の前記第二流路と、前記相対的に短い流路部の前記第二流路は前記基板からの高さが対応する位置に配されており、
前記相対的に長い流路部と前記相対的に短い流路部は前記吐出口の配列方向において交互に配されることを特徴とする。

本発明の態様によれば、隣接する吐出口からの吐出量が異なる場合や、隣接する流路部どうしで流路長が異なる場合において、各流路部の流路抵抗を吐出特性に適合させる際、ヘッドの信頼性を損なわないで、高密度な吐出口配置が可能となる。つまり、流路長・吐出量に適応した流路抵抗の確保と同時に、流路部を形成する壁の厚みの十分な確保が可能になる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ここでは、インクを加熱して発泡させたときのエネルギーによりインク滴を吐出させる方式のインクジェットヘッドを例にとって説明するが、本発明はこの方式に限られない。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１によるインクジェット記録ヘッドの吐出口及びインク流路の部分を示す平面透視図である。図２は図１のA−A'断面図（インク供給方向に対して垂直な断面）、図３は図１のB−B'断面図（インク供給方向に対して平行な断面）、図４は図１のＣ−Ｃ'断面図（インク供給方向に対して垂直な断面）である。

図１〜図４を参照すると、本実施形態のインクジェットヘッドは、複数のインク吐出手段として、エネルギー発生素子（ヒータ）１４と、インク供給口１とが形成された基板２を有する。この基板２上には流路形成部材（オリフィスプレートとも呼ぶ）３が接着されている。流路形成部材３は、各ヒータを包囲する発泡室（液室）４と、各発泡室４に連通する記録液滴（例えばインク滴）の吐出口５と、インク供給口１と各発泡室４を繋ぐインク流路部６とを形成する部材である。上記ヒータが配置された発泡室４及びこの上方に位置される吐出口５の配置は、図１のように千鳥配置となっている。つまり本実施例においては、相対的に長いインク流路部と、相対的に短い流路部とが交互に配されている。

なお、図１には複数の吐出口５を備えた発泡室４が４つ示されているが、実際には４つ以上の多数の発泡室４が図面横方向に千鳥配置で存在している。また、図１に示していないが、各インク流路部６の吐出口５側とは反対側に、細長い矩形の開口形状を持つインク供給口１がＡ−Ａ'線と略平行な方向に延在している。

さらに、本実施形態の各インク流路部６は、基板２上に接する第一インク流路６Ａとこの上に連続する第二インク流路６Ｂとからなる２層構造になっている。

また、各々の吐出口５に連通する発泡室４が千鳥状に配置されているため、隣接するインク流路部６の流路長さが異なっている。一般に、流路長が長い方のインク流路部６（以下、長インク流路部と記す）における流抵抗は、流路長が短い方のインク流路部６（以下、短インク流路部と記す）における流抵抗より大きい。よって、隣接する両インク流路部において同一のインク吐出量およびインクリフィル時間を確保するためには、長インク流路部の断面積を大きくする必要がある。

そのため、隣接するインク流路部６において、長インク流路部の第一インク流路６Ａの横幅を、長インク流路部の第一インク流路６Ａと短インク流路部に連続された発泡室４との間で所定の幅Ｌを確保できる最大幅まで広げた（図２参照）。本例では、長インク流路部の第一インク流路６Ａの横幅を８μｍとした。但し、所定の幅Ｌは、その間のインク流路壁７が基板２と十分な密着面積を持ち、インク吐出に係わる圧力で剥がれない距離である。また、上記のように長インク流路部の第一インク流路６Ａの幅を拡張しても、所望の長インク流路部の断面積に満たない分は、第一インク流路６Ａの上方に配される長インク流路部の第二インク流路６Ｂの幅を広げて流路面積を確保する。

具体的には、図４に示すように、隣接するインク流路部６同士の第一インク流路６Ａの高さ及び第二インク流路６Ｂの高さは同一であるが、長インク流路部の第一インク流路６Ａの横幅は短インク流路部の第一インク流路６Ａの横幅と比較して広くなっている。そして、長インク流路部の第二のインク流路６Ｂの横幅が、同じ長インク流路部の第一インク流路６Ａの横幅より広くなっている。なお、本実施形態では、短インク流路部の第二のインク流路６Ｂの横幅が、同じ短インク流路部の第二のインク流路６Ｂの横幅と比較して狭くされている。つまり相対的に長い流路部は、基板に近い側の流路部の幅より、基板に遠い側の流路部の幅が広く形成され、相対的に短い流路部は、基板に近い側の流路部の幅より、基板に遠い側の流路部の幅が狭くなっている。本実施例においては、第一インク流路６Ａと第二インク流路６Ｂとの境界部は、段差部（屈曲部）を含む構成となっている。これにより、各流路における強度を確保することが出来、また高密度に流路を配置した場合においても、流路を構成する壁と基板との密着を確保することが可能となる。また、本実施例においては、第一インク流路部６Ａ及び第二インク流路部６Ｂの側壁を基板に対して垂直な構成としているが、本発明はこれに限られるものではない。各インク流路部の側壁を基板に対して傾斜（テーパー）させてもよい。この場合、インクの供給特性を考慮すると、基板から遠くなる方向に、流路幅が狭くなるような傾斜（テーパー）が好ましい。

次に、本実施形態の隣接するインク流路部の製造方法について説明する。図５にその製造方法を断面図で示す。

まず、図５（ａ）に示すように、ヒータ（不図示）とこれに電気信号を供給する半導体回路とが形成されている基板２上に、第一インク流路材８を塗布する。第一インク流路材８は東京応化工業製ＯＤＵＲ１０１０を使用し、厚みは１４μｍとした。

その後、図５（ｂ）に示すように、第一インク流路材８の上に第二インク流路材９を塗布する。第二インク流路材９はＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）を使用し、厚みは５μｍとした。

そして、図５（ｃ）に示すように、第二インク流路材９に対し、フォトリソグラフィ法によりマスク１０を使用して第二インク流路６Ｂ（図４）のパターンを露光し、現像を行い、第二のインク流路型１１を形成する。このとき、その露光波長が第一インク流路材８の露光波長にかからないようフィルタリングを行う。さらに、後で行われる第一インク流路材８の現像時にて第二インク流路型１１が溶解されるのを防止するために、第二インク流路型１１を１５０度で加熱する。

その後、図５（ｄ）に示すように、第一インク流路材８に対し、フォトリソグラフィ法によりマスク１２を使用して第一インク流路６Ａ（図４）のパターンを露光し、現像を行い、第一の流路型１３を形成する。このとき、その露光波長が第二インク流路材９の露光波長にかからないようフィルタリングを行う。

その後は、基板２上に流路形成部材３を塗布し、フォトリソグラフィ法により吐出口５をパターニングして流路形成部材３の表面を保護する（不図示）。そして、エッチングにより流路形成部材３の裏面からインク供給口１を形成し、流路形成部材３の表面の保護膜を除去する。さらに、第一インク流路型１３と第二インク流路型１１を除去して、流路形成部材３を完全に硬化する。最後に、所望の大きさにヘッドを切断し、本発明によるインクジェットヘッドは完成する。

（実施形態２）
図６は本発明の実施形態２によるインクジェットヘッドの吐出口及びインク流路の部分を示す平面透視図である。図７は図６のＤ−Ｄ'断面図である。これらの図に基づく説明において、実施形態１と同一の構成要素には同一符号を用い、その説明は省略し、異なる点を主に説明する。

図６，７を参照すると、本実施形態では、吐出口５に連通した発泡室４が、吐出口の配列方向に対して一直線上に存在していて、隣接するインク流路部６の流路長さが同じになっている。しかし、一直線上に並んだ吐出口群は、相対的に開口面積の小さい吐出口５Ａとこれより開口面積の大きい吐出口５Ｂとが交互に配置されている。したがって、吐出口５Ｂからのインク吐出量の方が吐出口５Ａよりも多い。つまり本実施形態においては、相対的に大きい吐出口に連通する流路部は、基板に近い側の流路部の幅より、基板に遠い側の流路部の幅が広い。しかも、相対的に小さい吐出口に連通する流路部は、基板に近い側の流路部の幅より、基板に遠い側の流路部の幅が狭くなっている。

このような形態では、図１６を用いて上述したように、吐出量の多い方（吐出口の開口面積が大きい方）のインク流路部６に十分なインクを供給するためにインク流路部６の幅を広くする必要がある。そして、これと同時に、インク流路壁７の（横幅）厚みが不十分にならないよう、吐出量の少ない方のインク流路部６の幅を狭くせざるを得ない状況が起こりうる。

上記状況を生じさせないため、本実施形態において、インク流路部６における第一インク流路６Ａの横幅は同じであるが、第二インク流路６Ｂの横幅は隣接するインク流路部で異なっている。つまり、吐出量の多い方のインク流路部６における第二インク流路６Ｂの幅が、吐出量の多い方のインク流路部６の第一インク流路６Ａの横幅よりも広くなっている。さらに、吐出量の多い方のインク流路部６における第二インク流路６Ｂの幅が、吐出量の少ない方のインク流路部６における第二インク流路６Ｂの幅よりも広くなっている。また、吐出量の少ない方のインク流路部６における第二のインク流路６Ｂの横幅が、同じインク流路部の第一のインク流路６Ａの横幅と比較して狭くされている。なお、インク流路部６同士の第一インク流路６Ａの高さや第二インク流路６Ｂの高さは同一である。

このように第二インク流路６Ｂを形成することで、高密度に配置された吐出口であっても、インク流路形成壁と基板との密着を保ちつつ、吐出量が少ない方の吐出口５Ａに繋がるインク流路部６のリフィル周波数を確保できる。その上、吐出量の多い方のインク流路部のインク流量も確保できる。これらの結果、高速なインクジェットプリンタへの適用が可能である。

また、図８に本実施形態の変形例を示す。図８は吐出量の異なる隣接したインク流路部の断面模式図である。この図に示す例では、インク流路部６における第一インク流路６Ａの横幅および高さは同じであり、吐出量の多い方のインク流路部６（図８の右側の流路部）にのみ、第一インク流路６Ａ上に第二インク流路６Ｂが形成されている。このような構成においても、上記図６，７に示す構成と同様の効果が得られる。

（実施形態３）
図９は本発明の実施形態３によるインクジェットヘッドの、隣接したインク流路部の断面模式図である。ここでは、実施形態１と同一の構成要素に同一符号を用い、異なる点を主に説明する。図９は図１におけるC−C´断面に対応する。

本実施形態では、図９に示すように、隣接するインク流路部６において第一インク流路６Ａの幅が異なり、一方が大きく、他方は小さくしている。そして、第一インク流路６Ａの流路幅が大きい方のインク流路部６における第二インク流路６Ｂの幅は、下部の第一インク流路６Ａの幅より狭くなっている。また、第一インク流路６Ａの流路幅が小さい方のインク流路部６における第二インク流路６Ｂの幅は、下部の第一インク流路６Ａの幅より広くなっている。なお、隣接するインク流路部６同士の第一インク流路６Ａの高さや第二インク流路６Ｂの高さは同一である。

これは、インク供給口から近い発泡室と遠い発泡室のように、吐出口に連通した発泡室が千鳥配置されている場合に有効で、インク流路形成壁の十分な厚みを確保できるのは実施形態１と同様である。とりわけ、図３のように第二インク流路が発泡室まで連続していない場合、第一インク流路６Ａの高さが発泡室４への連通断面積を決定するため、より大きな断面積を必要とする長い流路長の方のインク流路部において幅の広い第一インク流路６Ａを形成する。また、そのために断面積が不足する短い流路長の方のインク流路部においては第二インク流路６Ｂを幅広く取ることで流抵抗を小さくする。このような場合に本実施形態の使用が好ましい。

（実施形態４）
図１０は本発明の実施形態４によるインクジェットヘッドの隣接したインク流路部の断面模式図である。ここでは、実施形態１と同一の構成要素に同一符号を用い、異なる点を主に説明する。図１０は図１におけるC−C´断面に対応する。

本実施形態では、図１０に示すように、隣接するインク流路部６において第一インク流路６Ａの幅が異なり、一方が大きく、他方は小さくしている。そして、第一インク流路６Ａの流路幅が小さい方のインク流路部６にのみ、第一インク流路６Ａ上に第二インク流路６Ｂが形成されている。但し、第一インク流路６Ａの高さは同じである。

これは、インク供給口から近い発泡室と遠い発泡室のように、吐出口を備えた発泡室が千鳥配置されている場合に有効で、インク流路形成壁の十分な厚みを確保できるのは実施形態１と同様である。とりわけ、上述した実施形態３同様、第一インク流路６Ａの高さが発泡室４への連通断面積を決定するため、より大きな断面積を必要とする長い流路長の方のインク流路部において幅の広い第一インク流路６Ａを形成する。この幅の広いインク流路部の流抵抗は十分確保できるが、短い流路長の方のインク流路部の幅だけでは十分な流抵抗が確保できない様な吐出量の場合には、この幅の狭いインク流路部に第二インク流路６Ｂを確保する事が必要となる。このような千鳥配置された発泡室で、かつ吐出量の異なる場合でも流抵抗をおのおのに最適に設計する事が出来る。

なお、本実施形態では、第一インク流路６Ａの流路幅が小さい方のインク流路部６における第二インク流路６Ｂの幅を、下部の第一インク流路６Ａよりも狭くした構成を示した。しかし、図１０の第二インク流路６Ｂの幅が下部の第一インク流路６Ａの幅より広くなっても上記の効果がより拡大されるため使用可能であることは言うまでも無い。また、第二インク流路６Ｂの下部にある第一インク流路の幅が、隣接する第一流路の幅より大きい構成でも使用可能である。

以上各種実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態を組み合わせたものでも適用可能である。また、上述した各実施形態は、第一インク流路と第二インク流路との２層構成について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、３層以上のインク流路構成にも適用可能である。

本発明の実施形態１によるインクジェットヘッドの吐出口及びインク流路の部分を示す平面透視図である。 図１のA−A'断面図である。 図１のB−B'断面図である。 図１のＣ−Ｃ'断面図である。 本発明の実施形態１のインク流路部の製造方法を示す断面図である。 本発明の実施形態２によるインクジェットヘッドの吐出口及びインク流路の部分を示す平面透視図である。 図６のＤ−Ｄ'断面図である。 本発明の実施形態２の変形例を示す断面模式図である。 本発明の実施形態３によるインクジェットヘッドの隣接するインク流路部を示す断面模式図である。 本発明の実施形態４によるインクジェットヘッドの隣接するインク流路部を示す断面模式図である。 従来のインクジェットヘッドの、流路長の異なる隣接したインク流路部周辺を示す平面図で、吐出口の配置密度が低く、インク流路壁厚が十分な場合を示す図である。 図１１のＦ−Ｆ'断面図である。 従来のインクジェットヘッドの、流路長の異なる隣接したインク流路部周辺を示す平面図で、吐出口の配置密度が高く、インク流路壁厚が不十分な場合を示す図である。 図１３のＧ−Ｇ'断面図である。 特許文献２に開示された従来例を示す図である。 従来のインクジェットヘッドで、同じ流路長のインク流路部を持ち、かつ、隣接する吐出口からの吐出量が異なる場合の課題を説明するための図である。

符号の説明

１ インク供給口
２ 基板
３ 流路形成部材
４ 発泡室
５、５Ａ、５Ｂ 吐出口
６ インク流路部
６Ａ 第一インク流路
６Ｂ 第二インク流路
７ インク流路壁
８ 第一インク流路材
９ 第二インク流路材
１０、１２ マスク
１１ 第二インク流路型
１３ 第一インク流路型

Claims (3)

1. インクの供給口を備える基板と、前記供給口から供給されるインクを吐出する吐出口と、前記供給口と前記吐出口とを連通する長さの異なる複数の流路部と、を備えるインクジェット記録ヘッドであって、
   前記流路部は、前記基板の面に接して形成された第一流路と、該第一流路の前記基板の面側とは反対側に該第一流路に沿って形成された第二流路とを有し、かつ、該流路部をインクが流れる方向に関して交差する方向に沿った断面において該方向の流路幅が前記第一流路と前記第二流路とで異なる流路部を含み、
   前記長さの異なる複数の流路部のうちの相対的に長い流路部は、前記第一流路の前記流路幅より前記第二流路の前記流路幅が広く、
   前記長さの異なる複数の流路部のうちの相対的に短い流路部は、前記第一流路の前記流路幅より前記第二流路の前記流路幅が狭く、
   前記相対的に長い流路部の前記第二流路と、前記相対的に短い流路部の前記第二流路は前記基板からの高さが対応する位置に配されており、
   前記相対的に長い流路部と前記相対的に短い流路部は前記吐出口の配列方向において交互に配されることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記相対的に長い流路部における前記第一流路の高さと、前記相対的に短い流路部における前記第一流路の高さは等しいことを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 前記第一流路と前記第二流路との境界部に屈曲部が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。

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