JP6120645B2 - 液体吐出ヘッド - Google Patents

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Description

本発明は、インク等の液体を吐出口から吐出する液体吐出ヘッドに関する。
液体吐出ヘッドを備えた記録装置は低コストで高品位な文字や画像が出力可能である。昨今、高画質化に向けて液滴の小液滴化が望まれており、ノズル寸法の微妙なバラツキが吐出に影響を与え、ひいては画質に影響を与えることがわかっている。このように高画質が求められるなか、シリコン基板上にオリフィスプレートを貼付する方法ではオリフィスプレートの上下、前後のそりや、貼り付け精度不足等の寸法公差が吐出安定性や吐出量に影響を与えてしまうことがある。さらなる高画質化に向け、液滴の小液滴化と安定的な吐出を実現するため、ノズル製法としてはシリコン基板上に樹脂を積層する方法が主流となっている。
液体吐出ヘッドにおいて、所定量のインクが圧力室から吐出された後、再度圧力室にインクが充填されるまでのリフィル時間(リフィルのしやすさ)は、インクの物性やインク流路の構造に依存する。例えば、粘度が高いインクは圧力室を含む領域の流抵抗が大きいので、リフィル時間が比較的長くなる。また、断面積が小さいインク流路の場合は、共通液室から圧力室までの流抵抗が大きくなるので、やはり相対的にリフィル時間が長くなる。1つのノズルが吐出を繰り返す周波数(吐出周波数)は、インクの物性およびインク流路の構造によって定められたリフィル時間よりも長い時間を周期とすることが求められる。
一方、リフィル時間が吐出周波数の周期に比べて必要以上に短く流抵抗が小さい場合、インク路におけるインク先端部(メニスカス)がリフィル時にオーバーシュートして、インクが吐出口周囲から溢れ出してしまうことがある。以上より、記録素子における吐出周波数は、オーバーシュートを起こさない程度に短い周期とすることが求められる。
すなわち、実使用上のリフィル周波数は、インクの物性およびインク流路の構造によって上限が定められ、この範囲以下に収まるように設定されることが望まれる。
しかし液体吐出ヘッドのさらなる高速化を実現しようとして、インクジェットプリンタのキャリッジスピードを速くしていくと今までには考えられなかった新たな課題が発生する。
すなわちキャリッジスピードを速くしていくとヘッドのリフィル周波数は必然的に高くしていかなければならない。リフィル周波数の高いヘッドは、前述したようにインクのメニスカスがリフィル時にオーバーシュートして、インクが吐出口周囲から溢れやすい傾向にある。
さらには、連続した長期間を高周波駆動で、高印字スピードで、高デューティーで、記録を実行する場合には、発生するインクミストの量が多く、吐出口形成面にインクの滴が次第に滞留するようになり、インクが吐出口から溢れやすくなる。さらには、プリントヘッドの吐出口形成面の撥水性が低下したり、あるいは親水吐出口形成面であったりすると、インク先端部のメニスカスがリフィル時にオーバーシュートすることによる吐出口周囲からのインクの溢れ出しはより顕著になる傾向にある。
吐出口周囲からのインクの溢れ出しを軽減する方法として、記録ヘッドの当該ノズルの実効的な周波数を減らすマルチパス記録方法が広く知られている。しかし、マルチパス記録方法では、キャリッジ周波数を速くしても印字の記録走査回数が増大してしまうため高速プリントの弊害となってしまう。
特許文献1には、吐出口形成面にインクの滴が滞留するのを軽減するノズルとして、吐出口面に凹部が形成されているノズルが開示されている。凹部は直径が約15μmから約40μmのほぼ円形であり、各凹部に1つずつ吐出口が配置されている。吐出口形成面に凹部が形成されたノズルでは、吐出口形成面にインク滴が滞留する代わりに、凹部にインク滴が滞留する。
米国特許第7585616号明細書
前述したリフィル周波数の高いヘッドでは、インク先端部のメニスカスがリフィル時にオーバーシュートして、凹部からインクが溢れ出てしまうという問題が生じるが、凹部の面積を大きくすることでこの問題は回避できる。しかしながら、凹部の面積を大きくすると、各凹部に1つずつしか吐出口が配置できないため、吐出口を高密度に配置することができなくなるという新たな問題が生じる。各凹部に2つ以上の吐出口を設けると、ある吐出口におけるインク溢れが同じ凹部内の隣接する吐出口に影響を与えるため不都合である。
本発明では、インク先端部のメニスカスがリフィル時にオーバーシュートしても吐出口面に形成されている凹部からインクが溢れ出てしまいにくく、且つ吐出口を高密度に配置可能な液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。
本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する複数の吐出口が第1の方向に配列される吐出口列が形成された吐出口形成面を備えた液体吐出ヘッドであって、各々の前記吐出口は、前記吐出口形成面に設けられた前記第1の方向と交差する第2の方向に延在する複数の溝の内部に形成されており、前記吐出口の中心を含み前記第1の方向に沿った前記溝の断面において、前記溝の内壁面は傾斜面であり、前記第1の方向に沿った前記吐出口の開口の幅より、前記第1の方向に沿った前記溝の開口の幅の方が大きく、前記断面における前記溝の内壁面はV字形状である。
本発明の液体吐出ヘッドは、ヘッドの吐出口形成面上に互いに平行に延びる複数の溝と、複数の溝の各々の中に配置される複数の吐出口を有する。複数の吐出口は溝が延びる方向(第2の方向)と交差する方向(第1の方向)に延びる吐出口列を形成している。溝の長さを調整することにより、リフィル周波数の高いヘッドでも、インク先端部のメニスカスがリフィル時にオーバーシュートして溝からインクが溢れ出てしまうということが起きにくい。しかも、溝が延びる方向(第2の方向)と交差する第1の方向に沿って吐出口を高密度に配置可能である。
本発明では、インク先端部のメニスカスがリフィル時にオーバーシュートしても吐出口部に形成されている凹部からインクが溢れ出てしまいにくく、且つ吐出口を高密度に配置可能な液体吐出ヘッドを提供することができる。
第1実施形態の記録ヘッドの記録素子列の一部構成の説明図である。 第1実施形態の記録ヘッドのノズルの外観の斜視図である。 第1実施形態の記録ヘッドの溝の拡大図である。 図3のA−A'及びB−B'で記録ヘッドを切断した場合の断面図である。 第1実施形態の記録ヘッドでのインクのリフィルの様子を示した図である。 第2実施形態の記録ヘッドの記録素子列の一部構成の説明図である。 第2実施形態の記録ヘッドの溝の拡大図である。 図7のC−C'及びD−D'で記録ヘッドを切断した場合の断面図である。 第3実施形態の記録ヘッドの記録素子列の一部構成の説明図である。 第3実施形態の記録ヘッドのノズルの外観の斜視図である。 図10のE−E'及びF−F'で記録ヘッドを切断した場合の断面図である。 第3実施形態の記録ヘッドでのインクのリフィルの様子を示した図である。 比較例の記録ヘッドの記録素子列の一部構成の説明図である。 比較例の記録ヘッドのノズルの外観の斜視図である。 図14のG−G'及びH−H'で記録ヘッドを切断した場合の断面図である。 比較例の記録ヘッドでのインクのリフィルの様子を示した図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、以下の実施形態において、表示された寸法、数値等は単なる一例を示したものであり、本発明はこれに限定されるものではない。また以下の実施形態において説明する液体吐出ヘッドは、インクを吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッドに代表されるが、これに限られず、吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッド全般に適用可能である。
図1は、本実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子列の一部構成を説明するための模式図である。また、図2は、記録ヘッドの外観斜視図である。図示されてはいない基板に形成された、インクを供給するための供給口から共通液室7に供給されたインクは、1列に延びる複数のインク流路4に分岐し、それぞれのインク流路4の先端に備えられた圧力室まで到達する。圧力室内のシリコンからなる基板(ウエハ)上に備えられた電気熱変換体は、記録信号に応じて電圧パルスが印加されると、急激に発熱する。この発熱により、インク流路4から圧力室に存在するインク中に膜沸騰による発泡が生じ、所定量のインク滴が吐出口1から記録ヘッドの外部に吐出される。本実施形態において吐出口1は樹脂からなるオリフィスプレートに形成されており、基板とオリフィスプレートとの接合面にインク流路4が形成される。以下では、インク流路4から吐出口1までの構成を1つのノズルと定義し、 記録ヘッドのノズル出口側の記録媒体に対向する面(吐出口が形成される面)を吐出口形成面と定義する。図1を参照すると、1列に配列された吐出口1(吐出口列6)は、1/600インチのピッチ(間隔d)で512個配列されている。すなわち、記録ヘッドが主走査方向に走査しながらインク3を吐出することにより、記録媒体には副走査方向に600dpi(ドット/インチ;参考値)で512個のドットを記録することが出来る。本実施形態の各ノズルにおいて、吐出口3の直径Rは20μm、リフィル周波数は約40kHzとなるようにノズルの流路断面積が製造されている。
図1はオリフィスプレートにおける吐出口形成面の様子を表しており、吐出口形成面には、凹んで形成されている帯状の溝2が互いに並列して形成されている。複数の溝2は図1に示す斜線部の領域によって隔てられており、互いに独立している。図2に示すように各溝2の底面部に、吐出口1が1つずつ配置されており、溝2の幅は吐出口1の口径よりも大きい。吐出口列6は溝2が延びる方向と交差(直交)する方向に延びている。図2は、オリフィスプレートの一部を透過して見た、ノズルの斜視図を示す。溝2は底部が曲面上に形成された、所謂かまぼこ形状となっており、底部に吐出口1が形成されている。本実施形態では図示されるように流路から吐出口1にかけて先細り形状となっており、そのテーパー角は約5°となっている。しかし、吐出口テーパーが無くてもなんら本発明には影響がない。図3は、図2の矢印の部分から見た溝2の形状である(吐出口は不図示)。図4(a)は図3のA−A'断面図、すなわち吐出口列6の中心軸を含み溝2が延びる方向と直交する断面図であり、最大深さは2μm、幅Wは35μmである。図4(b)は図3のB−B'断面図、すなわち吐出口1の中心を含み吐出口列6と直交する断面図である。A−A'断面での溝2の、吐出口1を除いた部分における曲率の平均値が、B−B'断面での溝2の、吐出口1を中心とし溝2の全幅に等しい幅を持つ領域の、吐出口1を除いた部分における曲率の平均値よりも大きい。ここで曲率の平均値とは平均値をとる領域(領域Pとする)にわたって曲率を積分し、その値を領域Pの長さで割った値である。図4には、A−A'断面で曲率の平均値をとる領域をQ、B−B'断面で曲率の平均値をとる領域をRと記している。図4(b)においてB−B'断面における溝2の内面(底面)は平坦なので、曲率の平均値はゼロである。つまり吐出口1の配列方向(第1の方向10)と、それに交差する方向(第2の方向11)において、溝2の内面の平均曲率が異なる。
また図4(a)に示すように、本実施形態において吐出口1を含み溝2の吐出口1の配列方向(第1の方向10)に沿った断面において、溝2の内壁面12は傾斜面(図4(a)では円弧形状)となっている。また、第1の方向10に沿った吐出口1の開口の幅Yより、第1の方向10に沿った溝2の開口の幅Wの方が大きい。
図5(a)、(b)、(c)および(d)は溝2が吐出口列に垂直方向に延在したかまぼこ形状の場合において、インク滴が吐出口1から吐出された後のインク3のリフィル過程を経時的に示す模式図である。これら図5において、1は吐出口、2は溝、3はインクをそれぞれ示している。図5(a)は吐出口内のインク3の液面と吐出口形成面とがほぼ一致している状態、図5(b)がインク3がリフィルされて吐出口1からオーバーシュートしてインク3が最大高さに盛り上がった状態を示す。盛り上がりの高さは約8μmであった。図5(c)は、インク3が最大高さに盛り上がった状態からさらに時間経過した様子を示しており、盛り上がったインク3は、凸部が連続した方向に沿って対称に分散し始めている。図5(d)は(c)の状態からさらに時間が経過した様子を示しており、インク3は完全に分散されていてかまぼこ形状の溝2を乗り超えるようなインク溢れは生じない。このように本実施形態においては溝2の内部に吐出口1が形成されているので、リフィル周波数が約40kHzと高いヘッドでも、インク3のメニスカスがリフィル時にオーバーシュートが抑制される。また吐出口1からインク3がオーバーシュートした場合においてもインク3が溝2から溝2の外部にあふれ出すことが抑制される。本実施例の構成の液体吐出ヘッドでは、インクジェット記録装置で実行する駆動周波数を30kHz、キャリッジ速度を50インチ/秒で走査しても安定して1パスで連続した高速印字が可能であった。なお、本実施形態を含め全ての実施形態で吐出口1の上面分及び、溝内部は撥水処理が施されていない非撥水の状態であるが、撥水や親水処置が施されていても構わない。このように本実施形態では吐出口1の配列方向(第1の方向10)と、それに交差する第2の方向11において、溝2の内面の平均曲率が異なる。隣接する吐出口側の曲率が大きいため、インク吐出後、吐出口1から外方に対して突出したインク3が隣接する吐出口側に対するインク3の溢れだしを抑制できる。本実施形態のように駆動周波数が高く、インクリフィル後のインク3の突出が比較的大きい場合においても、溝2に沿った方向(第2の方向11)へインク3が広がるので隣接する吐出口側へのインク3の溢れだしが抑制できる。
図6は、第2の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子列の一部構成を説明するための模式図である。本実施形態の各ノズルにおいても第1の実施形態と同様に、吐出口1の直径Rは20μm、リフィル周波数は約40kHzとなるようにノズルを構成している。図6の溝2は斜線部よりも凹んで複数並列して形成されている。第2の実施形態では、各々の溝2に、吐出口1が2つずつ設けられており、溝2の延びる方向(第2の方向11)に直交する方向(第1の方向10)に2本の吐出口列6(互いに平行な第1及び第2の吐出口列)が形成されている。図7は、溝2の斜視図を示す(吐出口は不図示)。本実施形態では、溝2はV字形状をしており、図示はされていないが、V字形状をした溝2に吐出口1が2つ形成されている。図8(a)は図7のC−C'断面図、すなわち吐出口1の中心を含み第1の方向10に沿った断面図であり、溝2の最大深さは2μm、幅Wは35μmである。図8(b)は図7のD−D'断面図、すなわち吐出口1の中心を含み第2の方向11に沿った断面図である。
また図8(a)に示すように、本実施形態において吐出口1の中心を含み第1の方向10に沿った断面において、溝2の内壁面はV字形状である。また、第1の方向10に沿った吐出口1の開口の幅より、第1の方向10に沿った溝2の開口の幅の方が大きい。
の方が大きい。
本実施形態でも、第1の実施形態と同様の効果が得られ、リフィル周波数が約40kHzと高いヘッドでも、インクのメニスカスがリフィル時にオーバーシュートすることが抑制され、インクが吐出口周囲から溢れることを抑制できる。インクジェット記録装置で実行する駆動周波数を30kHz、キャリッジ速度を50インチ/秒で走査しても安定して1パスで連続した高速印字が可能であった。
図9は、第3の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子列の一部構成を説明するための模式図である。また、図10は、記録ヘッドの外観斜視図である。図9及び図10を参照すると、共通液室7に対し左右に延びる複数のインク流路4は、それぞれの列において1/600インチのピッチdで512個ずつ配列し、更に右列と左列では図の上下方向に互いに半ピッチずれている。すなわち、記録ヘッドが主走査方向に走査しながらインク3を吐出することにより、記録媒体には副走査方向に1200dpi(ドット/インチ;参考値)で1024個のドットを記録することが出来る。
本実施形態の各ノズルにおいて、吐出口1の直径Rは20μm、リフィル周波数は約40kHzとなるノズル形状としている。
図9の溝2は長円状の領域に凹んで形成されている。溝2に吐出口1が1つずつ設けられている。溝2の延びる方向(第2の方向11)に直交する方向(第1の方向10)に吐出口列6が形成される。
図10は、ノズルの外観図を示す。長円形状した溝2に吐出口1が形成されている。本実施形態では図示されるように吐出口テーパー角が約5°ついているが、吐出口テーパーが無くてもなんら本発明には影響がない。
図11(a)は図10のE−E'断面図、すなわち吐出口1の中心を含み第1の方向10に沿った断面図であり、溝2の最大深さは2μm、幅Wは35μm、長さLは幅W以上の長さが望ましい。図11(b)は図10のF−F'断面図、すなわち吐出口1の中心を含み第2の方向11に沿った断面図である。E−E'断面での溝2の、吐出口を除いた部分における曲率の平均値が、F−F'断面での溝2の、吐出口1を中心とし溝2の全幅に等しい幅を持つ領域の、吐出口を除いた部分における曲率の平均値よりも大きい。図11には、E−E'断面で曲率の平均値をとる領域をS、F−F'断面で曲率の平均値をとる領域をTと記している。
図12(a)、(b)、(c)および(d)は溝2がノズル列に垂直方向に延在した長円形状においてインク滴が吐出され後のインク3のリフィル過程を経時的に示す模式図である。これら図12において、1は吐出口、2は溝、3はインクをそれぞれ示している。図12(a)はインク吐出前の状態、図12(b)はインク3を吐出後、リフィルされたインク3が吐出口からオーバーシュートして最大に盛り上がった状態を示す。盛り上がりの高さは約8μmであった。図12(c)は、最大に盛り上がった状態からさらに時間経過した様子を示している。図から明らかなように、長円形状の凸部の長手方向に沿って対称に分散し始めている。図12(d)は(c)の状態からさらに時間が経過した様子を示す。このように吐出口1からオーバーシュートしたインク3は溝2があることによって、吐出口の周囲にインクがあふれ出すことを抑制できる。本実施形態ではリフィル周波数が約40kHzと高いヘッドでも、インクのメニスカスがリフィル時にオーバーシュートすることが抑制でき、溝2からインクがあふれ出すことが抑制できた。インクジェット記録装置で実行する駆動周波数を30kHz、キャリッジ速度を50インチ/秒で走査しても安定して1パスで連続した高速印字が可能であった。
図13から図16は本発明の比較例を説明するための模式図である。また、図14は、記録ヘッドの外観斜視図であり、上述した各実施形態の溝2に代えて凹部5を備える液体吐出ヘッドとなっている。
図13のオリフィスプレートには斜線部よりも凹んで形成されている複数の凹部5が形成され、凹部5の内部に吐出口1が1つずつ設けられている。
図14は、ノズルの外観図を示す。円形状した凹部5に吐出口1が形成されている。
図15(a)は、図14のG−G'断面図であり凹部5の最大深さは2μm、凹部5の直径は35μmである。図15(b)は図14のH−H'断面図であり凹部の直径は同様に35μmである。G−G'断面の吐出口を除いた凹部の全幅における曲率の平均値が、H−H'断面の吐出口を除いた凹部の全幅における曲率の平均値とほぼ等しい。図15には、G−G'断面で曲率の平均値をとる領域をU、H−H'断面で曲率の平均値をとる領域をVと記している。
図16(a)、(b)、(c)および(d)は円形状の凹部5においてインク滴が吐出された後のインクのリフィル過程を経時的に示す模式図である。これら図16において、1は吐出口、3はインク、5は凹部をそれぞれ示している。図16(a)はインク吐出前の状態、図16(b)はインク3を吐出した後、リフィルされたインク3がオーバーシュートして最大に盛り上がった状態を示す。盛り上がりの高さは約8μmであった。
図16(c)は、最大に盛り上がった状態からさらに時間経過した様子を示している。盛り上がっていたインク3は、どの方向においても対称に円を描くように等しく分散される。図16(d)は(c)の状態からさらに時間が経過した様子を示しており、インク3は凹部5を乗り超えてしまい、インク溢れが生じている。インク溢れは、図示されてはいないが隣接ノズルまで及んでしまっている。
このように、上述の本発明に関連する液体吐出ヘッドでは、リフィル周波数が約40kHzと高いヘッドは、インクのメニスカスがリフィル時にオーバーシュートしてしまい、インクが吐出口周囲から溢れてしまった。インクジェット記録装置で実行する駆動周波数を30kHz、キャリッジ速度を50インチ/秒で走査すると、印字ヨレが発生してしまった。円形状の凹部5のヘッドでは、安定して1パスで連続した高速印字することが不可能であった。
1 吐出口
2 溝
3 インク
5 凹部
6 吐出口列

Claims (12)

  1. 液体を吐出する複数の吐出口が第1の方向に配列される吐出口列が形成された吐出口形成面を備えた液体吐出ヘッドであって、
    各々の前記吐出口は、前記吐出口形成面に設けられた前記第1の方向と交差する第2の方向に延在する複数の溝の内部に形成されており、
    前記吐出口の中心を含み前記第1の方向に沿った前記溝の断面において、前記溝の内壁面は傾斜面であり、
    前記第1の方向に沿った前記吐出口の開口の幅より、前記第1の方向に沿った前記溝の開口の幅の方が大きく、
    前記断面における前記溝の内壁面はV字形状である、液体吐出ヘッド。
  2. 液体を吐出する複数の吐出口が第1の方向に配列される吐出口列が形成された吐出口形成面を備えた液体吐出ヘッドであって、
    各々の前記吐出口は、前記吐出口形成面に設けられた前記第1の方向と交差する第2の方向に延在する複数の溝の内部に形成されており、
    前記吐出口の中心を含み前記第1の方向に沿った前記溝の断面において、前記溝の内壁面は傾斜面であり、
    前記第1の方向に沿った前記吐出口の開口の幅より、前記第1の方向に沿った前記溝の開口の幅の方が大きく、
    前記吐出口の中心を含み前記第1の方向に沿った前記断面における前記溝の内壁面は円弧形状であり、
    前記吐出口の中心を含み前記第2の方向に沿った前記溝の断面において、前記溝の内壁面は円弧形状であり、
    前記第1の方向に沿った前記溝の断面における円弧形状の曲率は、前記第2の方向に沿った前記溝の断面における円弧形状の曲率より大きい、液体吐出ヘッド。
  3. 液体を吐出する複数の吐出口が第1の方向に配列される吐出口列が形成された吐出口形成面を備えた液体吐出ヘッドであって、
    各々の前記吐出口は、前記吐出口形成面に設けられた前記第1の方向と交差する第2の方向に延在する複数の溝の内部に形成されており、
    前記吐出口の中心を含み前記第1の方向に沿った前記溝の断面において、前記溝の内壁面は傾斜面であり、
    前記第1の方向に沿った前記吐出口の開口の幅より、前記第1の方向に沿った前記溝の開口の幅の方が大きく、
    前記吐出口形成面には前記吐出口列に平行に第2の吐出口列が形成されており、前記溝の各々には、前記吐出口列に含まれる吐出口と、前記第2の吐出口列に含まれる吐出口とが形成されている、液体吐出ヘッド。
  4. 前記吐出口形成面には前記吐出口列に平行に第2の吐出口列が形成されており、前記溝の各々には、前記吐出口列に含まれる吐出口と、前記第2の吐出口列に含まれる吐出口とが形成されている、請求項1または2に記載の液体吐出ヘッド。
  5. 前記吐出口形成面には前記吐出口列に平行に第2の吐出口列が形成されており、前記吐出口列に含まれる吐出口と、前記第2の吐出口列に含まれる吐出口とは異なる溝に形成されている、請求項1または2に記載の液体吐出ヘッド。
  6. 前記吐出口の中心を含み前記第2の方向に沿った前記溝の断面において、前記溝の底面は前記吐出口を除いて直線である、請求項1または3に記載の液体吐出ヘッド。
  7. 前記断面における前記溝の内壁面は円弧形状である、請求項に記載の液体吐出ヘッド。
  8. 前記断面における前記溝の内壁面はV字形状である、請求項に記載の液体吐出ヘッド。
  9. 前記吐出口を含まない前記第1の方向に沿った前記溝の断面において、前記溝の内壁面は円弧形状である、請求項2または7に記載の液体吐出ヘッド。
  10. 前記吐出口を含まない前記第1の方向に沿った前記溝の断面において、前記溝の内壁面はV字形状である、請求項1または8に記載の液体吐出ヘッド。
  11. 前記複数の溝は互いに独立している、請求項1から10のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  12. 前記複数の溝は並列して形成されている、請求項1から11のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
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