JP5634583B2 - 液体吐出ヘッド - Google Patents
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Description
本発明は、液滴を記録媒体に向けて吐出する液体吐出ヘッドに関する。
記録媒体に画像を形成する画像形成装置において、液体吐出ヘッドにはインク等の液体を液滴として吐出する複数の吐出口が備えられている。液体吐出ヘッドの吐出口から吐出される液滴は、液滴先端に球状に形成された主滴部と、主滴部に後続する液柱部(尾引き)とから構成され、液柱部が主滴部から分離し、液柱部自体が分裂することで副滴部(サテライト)が形成される。記録媒体に画像を形成する場合においては、着弾位置のずれを引き起こすサテライトが少ないことが好ましい。液滴のサテライト数を少なくするために吐出口の縁部に突起が設けられた構成を有する液体吐出ヘッドが、特許文献1に開示されている。
特許文献1の液体吐出ヘッドの吐出口の突起は、液体吐出ヘッドの走査方向に平行な方向に、吐出口の内部の中心に向かって突出している。吐出口に一対の突起が吐出口の内部の中心に向かって設けられていることで、吐出口の中心付近で、吐出する液滴と残留する液体とが分離されやすくなる。さらには、一対の突起によって吐出口の内部に抵抗差が生じることで尾引きを短くすることができ、これによりサテライトの発生数が低減される。
液体吐出ヘッドは、インクを加熱して液滴として吐出するサーマル方式を利用しており、インクを加熱するヒータとヒータを内包する圧力室とを有し、ヒータの直上に吐出口が互いの中心が一致するように形成されている。液体吐出ヘッドの吐出口や圧力室等を形成するために、露光と現像によって所望の形状を得るフォトリソグラフィ技術が用いられている。
しかしながら、特許文献1に開示された発明では、フォトリソグラフィ技術で製造する際に、吐出口と圧力室の露光位置の相対関係が製造工程における加工精度のばらつきによってずれてしまうことがある。圧力室の平面形状より吐出口の平面形状の方が小さいため、このずれによって、吐出口が、吐出口の突起が突出している方向に垂直な方向にオフセットされた状態で形成されてしまうと、吐出口の縁部と圧力室の壁部との間の間隔が極端に小さくなってしまう。平面的に見て吐出口の中心と圧力室の中心の位置がずれているために、このような構成の吐出口にてインクの吐出を行うと、インクの吐出時の液滴の尾引きが吐出口の中心から吐出口の縁部と圧力室の壁部とが密接している方向に曲がってしまう。尾引きが曲がってしまうと、主滴部とサテライトとが目的の着弾位置からずれて記録媒体に着弾してしまい、記録媒体の画質品位が低下してしまうという課題があった。
そこで本発明の目的は、前記した問題を解決して、インク等の液体の吐出時のサテライトの数を少なくし、さらに尾引きの曲がりを抑制することで液滴を記録媒体の所定の位置に正確に着弾させることができる液体吐出ヘッドを提供することにある。
前記した目的を達成するために、本発明は、一方向に配列された複数の吐出口と、吐出口に対応して配置され、液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生させるエネルギー発生素子と、壁部によって区画され、エネルギー発生素子を内包し、吐出口と連通する圧力室と、圧力室に液体を供給する流路と、を有する。吐出口の縁部には、吐出口の中央部に向かって少なくとも一つの突起が設けられている。吐出口は、流路から圧力室へ液体が流れる方向の長さが、液体が流れる方向と直交する方向の幅より長い細長形状を有していることを特徴とする。
本発明によれば、吐出口の縁部に突起が設けられていることで、吐出口の中心で吐出する液滴と残留する液体とが分離されやすくなって液柱部が短くなり、サテライトの数が少なくなる。これによって、画像を形成する際の主滴部やサテライトの位置ずれによる画質品位の低下が抑制される。
また、流路から圧力室へ液体が流れる方向の吐出口の長さが、流路から圧力室へ液体が流れる方向と直交する方向の吐出口の幅よりも長いことで、吐出口の縁部と圧力室の壁部との間隔が広くなる。このような構成であるため、液滴の吐出時に尾引きを抑制でき、記録媒体の所定の位置への液滴の着弾精度を高めることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1は、画像形成装置に搭載されている本発明の液体吐出ヘッドの一部の構成を示す斜視図である。
図1は、画像形成装置に搭載されている本発明の液体吐出ヘッドの一部の構成を示す斜視図である。
液体吐出ヘッドは、基板34と、基板34に設けられた供給口33と、供給口33の両脇に一方向に配列された複数のヒータ(エネルギー発生素子)12と、供給口33に連通する流路14と、ヒータ12に対応して設けられた複数の吐出口11とを備えている。
基板34の表面にはヒータに接続される不図示の配線が形成されており、基板34上には、複数の吐出口11等が形成されているオリフィスプレート10が接合されている。供給口33は、液体を流路14に供給するための長溝状の貫通口である。ヒータ12は、電気エネルギーを、インクを吐出するために利用される熱エネルギーに変換して発生させる素子であり、基板34の表面に、供給口33を挟むようにして一対の列を成して形成されている。各列のヒータ12はそれぞれ600dpiの間隔で配置されており、1対の列のヒータ12が互いに千鳥状になるように配列されることで長手方向において1200dpiの間隔で配置されている。
このそれぞれのヒータ12を内包するようにして、圧力室13(図2(a)参照)が形成されている。圧力室13は壁部によって区画されており、吐出口11と圧力室13とは連通しており、吐出口11の直下にヒータ12が配置されている。流路14は、供給口33と圧力室13とを繋ぎ、インク(液体)を供給口33から圧力室13へ供給するための通路である。この流路14は、吐出口11が形成されている平面(形成面)と直交する、圧力室13の少なくとも一つの壁部を貫通して圧力室13と連通している。
図2(b)に示すように、吐出口11は、曲率を有する縁部によって形作られ、流路14から圧力室13へインクが流れる方向の長さ(a)が、インクが流れる方向と直交する方向の幅(b)より長い細長形状を有している。加えて、吐出口11は縁部に少なくとも一つ以上(本実施形態では二つ)の突起15(第1及び第2の突起)を有している。この突起15は、吐出口11の縁部から吐出口11の中央部、好ましくは内部中心に向かって突出しており、流路14の延在方向に沿って(流路14の延在方向に直交する方向における中心線に沿って)、互いに向き合って設けられている。第1の突起の根元部と第2の突起の根元部との間隔(a)は、流路の延在方向と直交する方向における吐出口の縁部の最大間隔(b)より大きい構成となっている。
突起15と吐出口11の縁部との境は曲線形状で繋がっており、流路14から圧力室13へインクが流れる方向と縁部の接線とが平行になる部分R2の曲率は、突起15に隣接している部分R1の曲率より小さい。尚、突起15に隣接している部分R1は、突起15自体は含まず、また、突起15と吐出口11の縁部との境の曲線状部分も含まない。突起15に隣接している部分R1の曲率は、突起15がないと仮定した場合の仮想的な縁部の、インクが流れる方向に実質的に直交する部分の曲率であると考えることができる。
オリフィスプレート10は感光性樹脂材で構成されており、流路14と圧力室13と吐出口11とは、オリフィスプレート10にフォトリソグラフィ技術を用いて露光と現像が行われて形成されている。フォトリソグラフィ技術を用いると、光の照射位置や屈折方向等の加工精度のばらつきによって圧力室13と吐出口11との位置関係がずれることがある。図3(a)、(b)は、フォトリソグラフィ技術を用いて流路14と圧力室13と吐出口11とが形成された際に、加工ばらつきが発生したために、吐出口11の位置が圧力室13の中心に対して右側にずれて形成された状態を示している。具体的には、吐出口11が、圧力室13に対して流路14から圧力室13へインクが流れる方向と直交する方向にずれて形成されている。このとき、吐出口11の縁部と圧力室13の壁部との間の間隔Cは、ばらつきがない状態で吐出口11が形成された時の間隔に比べて狭くなっている。
以上に説明した構成の液体吐出ヘッドによって、インクを吐出する方法を説明する。
画像形成装置が画像データを受信すると、液体吐出ヘッドの走査経路や吐出するインクの種類やタイミング等が設定される。不図示のインクタンクからインクが供給口33へ送られて、流路14を介して圧力室13に供給される。液体吐出ヘッドが記録媒体の記録面の直上を走査するタイミングに合わせて、図4(a)〜(h)に示すように、ヒータ12が熱エネルギーを発生させてインクを膜沸騰させ気泡を形成し、その気泡に押し出されて吐出口11からインクが吐出される。尚、各吐出口11の一回の平均インク吐出量は約12plである。
インクは液滴として吐出され、液滴は液滴先端に球状に形成された主滴部と、主滴部に後続する液柱部(尾引き)とから構成され、液柱部自体が分裂することで副滴部(サテライト)が形成される。記録媒体の記録面上の複数の所望の位置への主滴部の着弾を繰り返すことによって画像が形成される。しかしながら、画像形成するための主滴部のみならずサテライトも記録媒体の記録面上に着弾し、サテライトの数が多いと記録媒体の画像の品位低下につながるため、サテライトの数を減らす必要がある。本実施形態においては、吐出口11に二つの突起が設けられていることで、吐出口11の内部に意図的に抵抗差を生じさせて、尾引きが短くなる効果が得られている。液滴の尾引きが短くなるとサテライトの数も減少するため、記録媒体の画像の品位低下が抑制される。
インクを吐出する際にヒータ12が発生させる気泡は、インクを圧力室13から吐出口11の方向へ押し出すだけでなく、圧力室13から流路14の方向へも押し出す。この圧力室13から流路14への方向のインクの流れは、インク吐出時の液滴の尾引き最後端部を流路14方向へ曲げる力となる。この力によって尾引きに曲がりが発生すると、サテライトが主滴部の吐出方向と異なる方向に吐出して着弾不良を起こしたり、サテライトの数が増加してしまうことで、画質品位が低下してしまう。そのため、本実施形態では、吐出口11の縁部に設けられた突起が流路14と平行な方向に突出するように構成することで、流路14方向への尾引きの曲がりを突起が抑制している。これによって、インク吐出時の尾引きの曲がりが抑えられることで、主滴部とサテライトの吐出方向が揃い、またサテライトの数が減少することで、画質品位の低下が抑制されている。
一方で、前述したように、フォトリソグラフィ技術を用いて流路14と圧力室13と吐出口11とを製造する際に、加工精度のばらつきが発生してしまうことがある。図5に示すように、従来技術の、流路14から圧力室13へインクが流れる方向と直交する方向の吐出口11の開口部の長さは、本実施形態の、流路14から圧力室13へインクが流れる方向と直交する方向の吐出口11の開口部の長さより長く構成されている。そのため、図6(a)、(b)に示すように、従来技術において吐出口11の位置が圧力室13の中心に対してずれて形成されると、吐出口11の縁部と圧力室13との間の間隔Cが極めて小さくなってしまう。この状態でインクを吐出すると、吐出口11の縁部と圧力室13の壁部との間の間隔Cが狭いことで吐出口11の内部においてインクの流速分布に偏りが発生し、図11(a1)〜(a3)に示すように、尾引きが吐出口11の中心からずれた位置に形成される。ここで、図11(a1)〜(a3)は比較例の構成を示し、図11(b1)〜図11(b3)は本実施形態の構成を示す。
また、吐出口11において、吐出されるインクは残留するインクと吐出口11の中心で分離するため、インクの尾引きが、吐出口11の中心からずれている位置から吐出口11の中心に向かって曲がってしまう。この結果、サテライトの吐出方向が主滴部の吐出方向と異なってしまい、サテライトの着弾位置が主滴部の着弾位置からずれてしまうことで画質品位が低下する。
本実施形態では、吐出口11の形状が、流路14から圧力室13へインクが流れる方向の長さが、インクが流れる方向と直交する方向の幅より長い細長形状に構成されていることで、吐出口11の縁部と圧力室13の壁部との間の間隔Cが広くなる。これにより、吐出口11の内部におけるインクの流速分布に偏りが発生しにくくなり、図11(b3)に示すように、インク吐出時の尾引きの曲がりが減少し、記録媒体の画像の品位低下が抑制される。また、上記の圧力室13の中心に対する吐出口11のずれが図11の状態よりさらに悪い場合は、図12に示すような吐出状態となる。図12(a1)〜(a3)に示す比較例の構成では、吐出口11内部を突起15を境に左右に分けた領域のうち、一部は圧力室13の壁部と干渉している。これによって、吐出時の吐出口11内部のインク流速が、壁部と干渉している側で極端に遅くなり、その反対側での相対的なインク流速が速くなり、尾引きが長くなる。結果として、突起によるサテライト低減効果が損なわれる。
これに対し、図12(b1)〜(b3)に示す本実施形態では、図12(a1)〜(a3)に示す比較例と、圧力室13の中心に対する吐出口11のずれ量が同じ場合でも、吐出口11と圧力室13の干渉は図12(a1)〜(a3)よりも少ない。そのため、吐出口11の内部を突起15を境に左右に分けた領域において、互いの流速が大きくは異ならず、サテライト低減効果が維持される。
(第2の実施形態)
図7(a)と(b)は、本発明の第2の実施形態の液体吐出ヘッドにおけるインク吐出面を示す平面図である。
図7(a)と(b)は、本発明の第2の実施形態の液体吐出ヘッドにおけるインク吐出面を示す平面図である。
液体吐出ヘッドに備えられている吐出口11は、曲率を有する縁部によって形作られ、流路14から圧力室13へインクが流れる方向の長さ(a)が、インクが流れる方向と直交する方向の幅(b)より長い細長形状を有している。流路14から圧力室13へインクが流れる方向の吐出口11の長さは、第1の実施形態の吐出口と同じであるが、インクが流れる方向と直交する方向の幅は、第1の実施形態の吐出口より短く形成されている。この吐出口11には、流路14から圧力室13へインクが流れる方向に平行な直線部16が、縁部に設けられている。加えて、吐出口11は縁部に少なくとも一つ以上(本実施形態では二つ)の突起15を有している。この突起15は、吐出口11の縁部から吐出口11の中央部、好ましくは内部中心に向かって突出しており、流路14に平行な方向に互いに向き合って設けられている。
突起15と吐出口11の縁部との境は曲線形状で繋がっており、流路14から圧力室13へインクが流れる方向と縁部の接線が平行になる部分R2の曲率は、突起15に隣接している部分R1の曲率より小さい。流路14から圧力室13へインクが流れる方向と直交する方向の吐出口11の長さが、第1の実施形態の吐出口より短いため、突起15に隣接している部分R1の曲率は第1の実施形態の突起15に隣接している部分R1の曲率より小さい。
その他の構成については、第1の実施形態と同様であるため省略する。
図8(a)、(b)は、フォトリソグラフィ技術を用いて流路14と圧力室13と吐出口11とが形成された際に、加工ばらつきが発生したために、吐出口11の位置が圧力室13の中心に対して右側にずれて形成された状態を示している。吐出口11が、圧力室13に対して流路14から圧力室13へインクが流れる方向と直交する方向にずれて形成されている。しかしながら、吐出口11に、直線部16が設けられていることで、直線部16が設けられていない場合に比べて吐出口11の縁部と圧力室13の壁部との間の間隔Cが広くなる。これにより、吐出口11の内部におけるインクの流速分布に偏りが発生しにくくなり、図11(c1)〜(c3)に示すように、インク吐出時の尾引きの曲がりが減少し、記録媒体の画像の品位低下が抑制される。
さらには、直線部16が設けられていると、吐出口11の内部の粘性抵抗が低くなるため、インクを吐出する際に必要な熱エネルギーを抑えることができ、少ないエネルギーでインクを吐出できるため液体吐出ヘッドのインク吐出効率が向上する。これによって、液体吐出ヘッドがインクを吐出するために必要な熱エネルギーを発生させるための電気エネルギーの省エネルギー化が見込める。
また、吐出口11の内部の粘性抵抗が低くなることでインクが吐出しやすくなり、その結果としてインクの吐出速度が向上する。インクの吐出速度が向上すると空気抵抗等を受けにくくなるため、インクが記録媒体の所定の位置に着弾する信頼性が向上する。
(第3の実施形態)
図9(a)と(b)は、本発明の第3の実施形態の液体吐出ヘッドにおけるインク吐出面を示す平面図である。
図9(a)と(b)は、本発明の第3の実施形態の液体吐出ヘッドにおけるインク吐出面を示す平面図である。
液体吐出ヘッドに備えられている吐出口11は、曲率を有する縁部によって形作られ、流路14から圧力室13へインクが流れる方向の長さ(a)が、インクが流れる方向と直交する方向の幅より長い細長形状(b)を有している。加えて、吐出口11は縁部に少なくとも一つ以上(本実施形態では二つ)の突起15と、滑らかな流線形を有する少なくとも一つ以上(本実施形態では二つ)の凸部17とを有している。突起15は、吐出口11の縁部から吐出口11の中央部、好ましくは内部中心に向かって突出しており、流路14に平行な方向に互いに向き合って設けられている。凸部17は、流路14から圧力室13へインクが流れる方向と縁部の接線が平行になる部分R2に設けられており、流路14に直交する方向に互いに向き合って設けられている。
吐出口11の縁部から凸部17の先端までの突出量は、吐出口11の縁部から突起15の先端までの突出量より小さい。一例を挙げると、突起15の突出量が4μmで、凸部17の突出量が2μmである。また、吐出口11の縁部において、縁部と凸部17との境目同士の間の領域(凸部設置領域)の直線距離は、縁部と突起15との境目同士の間の領域(突起設置領域)より大きくなっている。一例を挙げると、突起設置領域の直線距離が3μmで、凸部設置領域の直線距離が6μmである。また、凸部17の幅(突出する方向と交差する方向の長さ)は、凸部15の幅よりも広い。
その他の構成については、第1の実施形態と同様であるため省略する。
図10(a)、(b)は、フォトリソグラフィ技術を用いて流路14と圧力室13と吐出口11とが形成された際に、加工ばらつきが発生したために、吐出口11の位置が圧力室13の中心に対して右側にずれて形成された状態を示している。具体的には、吐出口11が、圧力室13に対して流路14から圧力室13へインクが流れる方向と直交する方向にずれて形成されている。
しかしながら、流路14から圧力室13へインクが流れる方向と縁部の接線が平行になる部分R2に凸部17が設けられていることで、凸部17が設けられていない場合に比べて吐出口11の縁部と圧力室13の壁部との間の間隔Cがとても広くなる。これにより、吐出口11の内部におけるインクの流速分布に偏りが発生しにくくなり、インク吐出時の尾引きの曲がりが減少し、図11(d1)〜(d3)に示すように、記録媒体の画像の品位低下が抑制される。
さらには、滑らかな流線形を有する凸部17が設けられていると、吐出口11の内部の粘性抵抗が低くなるため、インクを吐出する際に必要な熱エネルギーを抑えることができ、液体吐出ヘッドの吐出効率が向上する。これによって、液体吐出ヘッドがインクを吐出するために必要な熱エネルギーを発生させるための電気エネルギーの省エネルギー化が見込める。
また、吐出口11の内部の粘性抵抗が低くなることでインクが吐出しやすくなり、その結果としてインクの吐出速度が向上する。インクの吐出速度が向上すると空気抵抗等を受けにくくなるため、インクが記録媒体の所定の位置に着弾する信頼性が向上する。
以上のように、吐出口11の縁部に突起15を設けることによって、液滴の尾引きの長さが短くなりサテライトの数が減少するので、記録媒体の画像の品位低下が抑制される。さらに、製造工程のばらつきによる吐出口11の位置ずれが発生しても、吐出口11が凸部を有することで吐出口11の縁部と圧力室13の壁部との間の間隔が広くなる。これによって、インク吐出時の尾引きの曲がりが抑えられることで、主滴部とサテライトの吐出方向が揃い、またサテライトの数が低下することで、画質品位の低下が抑制されている。
(第4の実施形態)
図13(b1)〜13(b3)は、本発明の第4の実施形態の吐出口の平面図と断面図を示す。図13(a1)〜13(a3)は、比較対象として本発明の第2の実施形態の吐出口を示している。
図13(b1)〜13(b3)は、本発明の第4の実施形態の吐出口の平面図と断面図を示す。図13(a1)〜13(a3)は、比較対象として本発明の第2の実施形態の吐出口を示している。
本実施形態が第2の実施形態と異なる点は、吐出口11の中心(重心)位置をヒータ12の中心(重心)位置に対して、インク供給側にずらして設置している点である。具体的な設計寸法を下記に記す。ヒータサイズXh:35μm、Yh:26μm、吐出口面積Sa:310μm2、圧力室サイズXc:40μm、Yc:28μm、吐出口ずらし量Xa:2μm。
このように、吐出口をインク供給側にずらすことによる効果を図13(a1),13(b1)のB−B断面図である図13(a2),13(a3),13(b2),13(b3)を使って説明する。図13(a2),(b2)は吐出時のヒータ上の発泡状態を示している。図13(b2)に示す本実施形態は吐出口をインク供給側にずらすことにより、図13(a2)に示す第2の実施形態よりもインク供給側に気泡が延伸している。このため、吐出口11内のインク流速が若干インク供給側で速くなり、2つの突起15の間で流速の偏りを生じる。そのため、図13(a3)に示す第2の実施形態よりも図13(b3)に示す本実施形態の方が、より早期に吐出の尾切れが起き、サテライト数をより低減することができる。
11 吐出口
12 ヒータ
13 圧力室
14 流路
15 突起
16 直線部
17 凸部
12 ヒータ
13 圧力室
14 流路
15 突起
16 直線部
17 凸部
Claims (8)
- 一方向に配列された複数の吐出口と、
前記吐出口に対応して配置され、液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生させるエネルギー発生素子と、
壁部によって区画され、前記エネルギー発生素子を内包し、前記吐出口と連通する圧力室と、
前記圧力室に液体を供給する流路と、を有し、
前記吐出口の縁部には前記吐出口の中央部に向かって少なくとも一つの突起が設けられており、前記吐出口は、前記流路から前記圧力室へ液体が流れる方向の長さが、前記液体が流れる方向と直交する方向の幅より長い細長形状を有していることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記流路から前記圧力室へ液体が流れる方向と前記縁部の接線が平行になる部分の前記縁部の曲率が、前記突起が設けられている部分を除いた前記突起に隣接している該縁部の曲率より小さいことを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記吐出口の縁部は、前記流路から前記圧力室へ液体が流れる方向に平行な直線部を有していることを特徴とする請求項1または2に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記突起は、前記流路から前記圧力室への液体が流れる方向と平行な方向に突出していることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記吐出口の縁部は、前記流路から前記圧力室へ液体が流れる方向と前記縁部の接線が平行になる部分に、該縁部から前記吐出口の中央部に向かって突出している少なくとも一つの凸部を有しており、該凸部の突出量は前記突起の突出量より小さいことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 液体を吐出する吐出口と、
液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生する素子と、
壁部によって区画され、前記素子を内包し前記吐出口と連通する圧力室と、
前記圧力室に液体を供給する流路と、を備える液体吐出ヘッドであって、
前記吐出口には、該吐出口の縁部から中央部に向かって、かつ前記流路の延在方向と直交する方向における当該流路の中心線に沿って延在する第1及び第2の突起が設けられており、
前記流路の延在方向における前記第1の突起の根元部と前記第2の突起の根元部との間隔は、前記直交する方向における前記吐出口の縁部の最大間隔より大きいことを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記吐出口から液体が吐出される方向から見て、前記吐出口の重心と前記エネルギー発生素子の重心とは、前記直交する方向に関してずれていることを特徴とする請求項6に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記吐出口から液体が吐出される方向から見て、前記吐出口の重心と前記エネルギー発生素子の重心とは、前記流路の延在方向に関してずれていることを特徴とする請求項6または7に記載の液体吐出ヘッド。
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