JP6296904B2 - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、インク等の液体を吐出して記録を行う液体吐出ヘッドに関するものである。

一般的に、液体を吐出して記録を行う記録方式としては、インクジェット記録方式が知られている。このインクジェット記録方式には、インク等の液体を吐出するために用いられる吐出エネルギー発生素子として発熱抵抗素子（ヒータ）を利用する方法と、圧電素子（ピエゾ）を利用する方法がある。いずれの素子も電気的な信号によって液体の吐出を制御することが可能である。これらのうち発熱抵抗素子を用いた記録ヘッドでは、発熱抵抗素子に記録信号である電気パルスを供給することにより、発熱抵抗素子から液体に熱エネルギーを付与して該液体を膜沸騰（発泡）させる。このときに生じた気泡圧力を利用して微小な開口部から液体を吐出することで、被記録媒体に対して記録が行われる。

図５に、前述の発熱抵抗素子を用いた記録ヘッドである液体吐出ヘッドの一般的な構成について一部を破断した斜視図で示す。図５に示される液体吐出ヘッドは、基板１１と、基板１１の一方の面に接合された吐出口形成部材１２を備える。基板１１には液体供給口１３としての貫通穴が形成されている。基板１１の、吐出口形成部材１２が接合された面において、液体供給口１３の開口部の両側に複数の発熱抵抗素子１４が列状に配設されている。
さらに、図６の（ａ）に液体吐出ヘッドを吐出口形成部材１２側からみた平面図を示し、図６の（ｂ）に図６（ａ）のＸ−Ｘ’断面図を示す。図６に示すように吐出口形成部材１２は、各発熱抵抗素子１４に対応して配置された圧力室１５と、複数の圧力室１５それぞれにインク等の液体を供給する複数の液流路１７と、複数の液流路１７を一括して一つの液体供給口１３に連通する共通液室１８と、各圧力室１５に連通する吐出口１９とを備える。液流路１７、共通液室１８及び吐出口１９は、吐出口形成部材１２の基板１１側の面より形成された溝または穴などの中空部からなる。

吐出口形成部材１２は、液流路１７、共通液室１８等の中空部を備えるため、外力に対して脆弱な部材である。このため、吐出口形成部材１２の、液体供給口１３に対向する共通液室１８の位置に、複数の補強リブ２０ａを有する梁状の構造（以下、梁２０）を設け、これにより吐出口形成部材１２の剛性を向上させている。梁２０および補強リブ２０ａは凸条に形成され、基板１１に密着している。
また、補強リブ２０ａは梁２０から任意の液流路１７の流入口付近に一定の太さで延びている。このとき、補強リブ２０ａは、液流路１７の流路幅ｄの中心を通る中心線Ｙを延長した線上に形成されている。
以上のような、吐出口形成部材１２の剛性を向上させるために梁２０および補強リブ２０ａを形成する点は、特許文献１に開示されている。

特開２００７−２８３５０１号公報

しかしながら、図６に示した構成では、圧力室１５の側壁のうちの液流路１７とは逆側の側壁（以下、奥壁と呼ぶ。）付近に、気泡が発生した場合、当該気泡を圧力室１５から排出させにくいことが分かった。
図６（ａ）から分かるように、液流路１７の中心線Ｙに対して補強リブ２０ａの中心線が一致しているため、補強リブ２０ａの長手方向の端部から、液流路１７の２つの側壁部１７ａの各々までの間にある２つの隙間が同じ大きさとなっている。この場合、２つの隙間から液流路１７を通って圧力室１５へ向かう液体の流れは、液流路１７の流路幅ｄにわたって均一な速さの流れとなる。これにより、圧力室１５の奥壁付近に在る気泡は、当該奥壁に押し付けられて移動できず、当該圧力室に長くとどまってしまう虞がある。
加えて、液流路１７の流入口付近に補強リブ２０ａの長手方向の端部が配置されていることで、液流路１７の流入口付近の流抵抗が高くなり、液流路１７に流れ込む液体の勢いが弱くなる。
以上の事から、圧力室１５の奥壁付近に発生した気泡を圧力室１５から排出させにくい。また、当該気泡が圧力室１５にとどまっていると、液体の発泡時の気泡の成長を阻害してしまい、安定した発泡ができず、吐出不良を引き起こす可能性がある。

本発明の目的は、上述した問題に鑑み、吐出口形成部材の剛性を向上しつつ、吐出動作に関係の無い気泡を圧力室から排出しやすくして吐出不良の可能性を軽減する液体吐出ヘッドを提供することである。

本発明の一態様は、基板と、該基板に接合され、液体を吐出する吐出口が形成された吐出口形成部材とを備える液体吐出ヘッドに係る。基板の吐出口形成部材が接合された面には、液体を吐出するエネルギーを発生する複数のエネルギー発生素子が列状に配置され、さらに、基板には、該面に開口部を有する液体供給口が形成されている。
吐出口形成部材は、複数のエネルギー発生素子に対応して形成され、吐出口に連通する複数の圧力室と、複数の圧力室に液体を供給する複数の液流路と、複数の液流路と液体供給口を連通する共通液室と、共通液室内に形成され、液体供給口に対向する位置から液流路の流入口に向けて延びる補強リブと、を有する。補強リブの長手方向の端部が液流路の流入口近傍に配置され、かつ、吐出口の配列方向に関する液流路の中心を通る中心線から該吐出口の配列方向に補強リブの中心線がずれて形成されている。
上記のように、補強リブを、吐出口の配列方向に関する液流路の中心線から当該配列方向にずらして形成したことにより、液流路に供給される液体の流抵抗を液流路の幅方向で異ならせることができる。その結果、液流路を通って圧力室の内部へ向かう液体の流れは、液流路の流路幅にわたって均一な速さの流れにならず、圧力室での液体の流れは渦巻くような流れになる。これにより、圧力室の奥壁付近に在る気泡は奥壁に押し付けられずに移動するので、液体の吐出時などに吐出口から排出可能となる。

本発明によれば、圧力室の奥壁付近に気泡が発生した場合であっても、当該気泡が排出しやすくなる。これにより、吐出不良の可能性を軽減するとともに、外力に対して脆弱な吐出口形成部材の剛性を向上させることができる。

第一の実施形態による液体吐出ヘッドを説明する図。 第一の実施形態の、圧力室への液体の流入動作を模式的に示した図。 図２の液体流入動作と比較するための図。 第二の実施形態による液体吐出ヘッドを説明する図。 インクジェット記録方式をとる一般的な液体吐出ヘッドを示す図。 従来の液体吐出ヘッドの構成を示す図。

（第一の実施形態）
図１（ａ）に第一の実施形態による液体吐出ヘッドを、吐出口が形成された面（以下、吐出口面と呼ぶ。）側からみた平面図を示し、図１の（ｂ），（ｃ）に図１（ａ）のＡ−Ａ断面図を示す。以下に第一の実施形態を説明するが、図６に示した液体吐出ヘッドの構成要素と同じものには同一の符号を使用して説明する。
図１に示すように、液体供給口１３が基板１１の第１の面から当該面の反対面となる第２の面まで貫通している。第１の面には吐出口形成部材１２が接合されている。第１の面における液体供給口１３の開口部は矩形の形状を有する。さらに第１の面には吐出エネルギー発生素子として発熱抵抗素子１４が、液体供給口１３の矩形の開口部の２つの長辺それぞれに沿って配設されている。２つの長辺に沿って列状に配設された複数の発熱抵抗素子１４からなる素子列の２つは千鳥配列とされている。各素子列は３００ｄｐｉのピッチで配列された発熱抵抗素子１４を有し、２列の素子列（両列の発熱抵抗素子１４の合計で５２８個）を千鳥配列することで、６００ｄｐｉのピッチのドット画像を印刷可能にしている。
基板１１の第１の面に接合された吐出口形成部材１２は感光性の樹脂部材からなる。吐出口形成部材１２には、各発熱抵抗素子１４に対応して配置された圧力室１５と、複数の圧力室１５にそれぞれインク等の液体を供給する複数の液流路１７と、複数の液流路１７を一括して一つの液体供給口１３に連通する共通液室１８と、各圧力室１５に連通する吐出口１９が形成されている。
圧力室１５、液流路１７、共通液室１８、および吐出口１９は、感光性樹脂層の一の面に溝または穴をフォトリソグラフィ法で加工することで形成されている。なお、樹脂部材以外の材料を用いて、上記圧力室１５等の要素を有する吐出口形成部材１２を形成してもよい。また、発熱抵抗素子を利用した吐出方式では圧力室１５は発泡室とも呼ばれる。

各吐出口１９は、各々の発熱抵抗素子１４に対応する位置に設けられている。このため、吐出口形成部材１２には複数の吐出口１９からなる吐出口列が形成されており、吐出口１９の配列方向は液体供給口１３の矩形開口部の長手方向に沿っている。吐出口列の長さは例えば約０．４３インチである。
吐出口形成部材１２の中空部である共通液室１８内には、複数の補強リブ２０ａを有する梁２０（梁状の突起）、および、複数の柱２１（柱状の突起）が設けられ、これにより吐出口形成部材１２の剛性を向上させている。梁２０、補強リブ２０ａ、および柱２１は、吐出口形成部材１２から基板１１の第１の面に向けて凸状に一体に形成され、基板１１に接合されている。
梁２０は、第１の面に矩形に開口する液体供給口１３の開口部の長手方向にわたって配置されている。梁２０の長手方向両端は液体供給口１３を跨いで基板１１に密着している（不図示）。梁２０の中央には梁２０の長手方向に沿って溝（以下、スリット１６と呼ぶ。）が形成されている。
梁２０と吐出口形成部材１２の厚さ（基板１１の第１の面からの高さ）は等しく、２６μｍである。スリット１６の深さは、吐出口形成部材１２の、圧力室１５や液流路１７等が形成された部分の厚さと等しく、１０μｍである。梁２０の幅はスリット１６を含めて６２．５μｍであり、スリット１６の幅は１４μｍである。

柱２１は、吐出口１９へゴミを到達させない目的で、各々の圧力室１５に連通する各液流路１７の流入口近傍に配設されている。また、補強リブ２０ａは、上記の共通液室内に形成され、液体吐出口１３に対向する位置にある梁２０の両側壁部から、梁２０の延在方向と交差する方向に向けて延ばされている。各々の補強リブ２０ａの長手方向の先端部は各液流路１７の流入口付近に配置されている。補強リブ２０ａの太さ（補強リブ２０ａの延在方向に直交し、かつ基板１１の第１の面に平行な方向における幅）は柱２１の直径と等しい。補強リブ２０ａと柱２１の厚みは吐出口形成部材９の厚みと等しく、２６μｍである。

第一の実施形態の場合、液流路１７ごとに、補強リブ２０ａと柱２１が配置され、かつ、柱２１と補強リブ２０ａは吐出口１９の配列方向に沿って交互に配置されている。また、各々の液流路１７の流入口付近に配置された補強リブ２０ａと柱２１は、中心線Ｙを延長した線に対して互いに反対方向にずれた位置にある。また、補強リブ２０ａと柱２１は、液流路１７の流路幅ｄの中心を通る中心線Ｙを吐出口１９の配列方向にずらした線上に形成されている。

なお、吐出口形成部材１２は樹脂からなるため、吐出口から吐出させる液体としてインクを使用したときにインクの溶媒により膨潤する。図１（ｃ）に示すように、吐出口形成部材１２が膨潤すると、補強リブ２０ａや柱２１への剪断応力とスリット１６への曲げ力が伝わる。補強リブ２０ａが設けられていることにより、吐出口形成部材１２と基板１１との密着面積が確保され、補強リブ２０ａの延長方向への剛性が向上している。また、スリット１６の部分は吐出口形成部材１２の厚みが減少しているため柔らかく曲がりやすい。これらの効果により、補強リブ２０ａと柱２１が基板１１から剥がれることなく、スリット１６の部分が変形する。変形するスリット１６の部分は各吐出口１９の吐出性能に関係しないため、吐出口形成部材１２が膨潤しても吐出不良は発生しない。なお、上記のように吐出口形成部材１２の剛性を補強リブ２０ａだけで向上させられるならば、柱２１は無くてもよい。

ここで、本実施形態の液体吐出ヘッドを、紙や樹脂シート等の被記録媒体に対してインクを吐出してインク画像を記録するインクジェット記録ヘッドに適用した場合における吐出動作を述べる。図示しないインク供給部からインクが液体供給口１３および共通液室１８を介して液流路１７を通り圧力室１５に供給されて、吐出口１９にインクが満たされる。図示しないプリンタから印字信号がインクジェット記録ヘッドの吐出制御部に伝えられると、印字したい画像に応じて任意の発熱抵抗素子１４が選択され、発熱抵抗素子１４に電流が流れる。発熱抵抗素子１４によりインクが加熱され、発熱抵抗素子１４上でインクが膜沸騰（発泡）する。発泡により吐出口からインク滴が吐出され、図示しない被記録媒体上に画像が形成される。
なお、本実施形態の液体吐出ヘッドは、インクジェット記録ヘッドのように記録に用いることに限定されず、金、銀、銅などの導電性ナノ粒子インク、レジスト、ＵＶ硬化樹脂、タンパク質、特殊液などの液体をインクジェット方式で吐出する吐出装置のヘッドとして適用してもよい。

次に、本実施形態の液体吐出ヘッドによる作用および効果を説明する。図２は、圧力室１５の奥壁（圧力室１５の側壁のうちの液流路１７とは逆側の側壁）付近に気泡が発生している場合において、共通液室１８から液流路１７を通って圧力室１５に供給される液体の流れとともに気泡の動作を模式的に示した図である。なお、図２中の矢印は液体の流れと方向、および、流れの進行位置を示している。
図２（ａ）に示すように、液流路１７の流入口近傍には、補強リブ２０ａの一端部、および、柱２１が設置されている。これらは、共通液室１８から液流路１７へ供給される液体の流れを阻害する。補強リブ２０ａと柱２１は、液流路１７の中心線Ｙを延長した線に対して互いに反対方向にずれた位置にあり、特に、補強リブ２０ａは、液流路１７の流入口付近から梁２０まで延びていて、柱２１の直径よりも長い。したがって、柱２１の近傍の流抵抗と比べて、補強リブ２０ａの近傍の流抵抗の方が大きい。
このため、液流路１７に供給される液体の流速については、図２（ｂ）に示すように、柱２１が配置されている側からの液体供給速度よりも、補強リブ２０ａが配置されている側からの液体供給速度の方が遅くなる。このように液体供給速度の差が生じた液体が、図２（ｃ）に示すように液流路１７から圧力室１５の奥壁に向かって流れ込むため、圧力室１５内の気泡は移動する。
つまり、圧力室１５で液体の流れが例えば渦巻くような流れになり、圧力室１５内の気泡の移動を促すことができる。これにより、図２（ｄ）に示すように圧力室１５の奥壁に気泡が張り付くことなく発熱抵抗素子１４上に移動する。発熱抵抗素子１４上に移動した気泡は、次の吐出の際に液体と共に吐出口１９より排出されるため、安定した発泡が可能となり、吐出不良を抑制することができる。
特に、本発明の液体吐出ヘッドを、発熱抵抗素子を用いたインクジェット記録ヘッドに利用した場合は、インク吐出のための発泡動作が安定するため、被記録媒体における記録品位が低下しない。

本実施形態と比較するために、図３に、図６に示した従来の液体吐出ヘッドにて圧力室１５の奥壁付近に気泡が発生した場合の気泡の動作を模式的に示す。なお、図３中の矢印もまた、液体の流れと方向、および、流れの進行位置を示している。
図３（ａ）に示される補強リブ２０ａは、リブ中心が液流路１７の中心線Ｙと一致し、かつ、液流路１７の中心線Ｙの延長線を中心に左右均等な幅で形成されている。そのため、補強リブ２０ａの長手方向の端部から、液流路１７の２つの側壁部１７ａの各々までの間にある２つの隙間が同じ大きさになっている。
この場合、図３（ｂ）に示すように、補強リブ２０ａを中心とした両側の中空部の各々から液流路１７に供給される液体の流速に差が生じない。したがって、図３（ｃ）に示すように、液流路１７から圧力室１５の奥壁に向かう液体の流れが、液流路１７の流路幅ｄにわたって均一な流速の流れとなる。これにより、図３（ｄ）に示すように圧力室１５の奥壁付近にある気泡は当該圧力室の奥壁に押し付けられて、移動しにくい。このような現象に加え、補強リブ２０ａが液流路１７に供給される液体の流れを阻害し、圧力室１５内への液体の供給速度が十分でない。したがって、従来の液体吐出ヘッド（図６）の補強リブ２０ａの構成では、圧力室１５の奥壁付近にある気泡が排出されにくい。

（第二の実施形態）
次に第二の実施形態を説明するが、前述した第一の実施形態の液体吐出ヘッドの構成要素と同じものには同一の符号を使用して説明する。図４に、第二の実施形態による液体吐出ヘッドを、吐出口面側からみた平面図を示す。
第一の実施形態では、複数の液流路１７のそれぞれに対して、補強リブ２０ａと柱２１が配設されていた。しかし、図４に示すように、一つ置きの液流路１７に対して、補強リブ２０ａと柱２１が配設され、それ以外の液流路１７に対しては、２本の柱２１が配設された構成であってもよい。
このような構成では、２本の柱２１が配設された液流路１７に関しては補強リブ２０ａが配設されていないので、液流路１７に供給される液体の流れが阻害されず、圧力室１５内の泡を移動させるのに十分な速度で液体を圧力室１５へ供給できる。また、第一の実施形態と比べて補強リブ２０ａを少なくしたことで、液体供給口１３から吐出口形成部材１２の各圧力室１５までの流抵抗を下げることができるため、吐出口列全体に対する液体のリフィル速度を上げることができる。
勿論、上記のように複数本の液流路１７に対して１本置きに補強リブ２０ａを配設することには限定されず、補強リブ２０ａは、複数本の液流路１７に対して数本置きに配設（例えば３本の液流路を置いて配設）されてもよい。

また、補強リブ２０ａが配設された液流路１７に関しては、圧力室１５に供給される液体の供給速度が液流路１７の流路幅ｄにわたって均一でない。これにより、吐出口１９から液体が吐出される時の液体の尾引きの部分の形状が吐出口１９の配列方向に偏ってしまう。その結果、隣り合う吐出口１０で液体の吐出方向が異なり、吐出対象上の目標位置への液体の着弾精度を低下させる可能性がある。なお、「尾引き」とは、吐出口１９から液体が吐出されるときに液体から後方に尾を引く現象をいう。
上記のような液体吐出時の液体の尾引き部分の形状の偏りを抑制するため、図４に示すように、各吐出口１９の内側面に対し、相対する２つの突起１９ａが形成され、かつ、各突起１９ａが、吐出口１９の配列方向に直交する方向に突出している。これにより、隣り合う吐出口１９からの液体の吐出方向が揃うため、吐出対象上の目標位置への液体の着弾精度が低下しない。このように吐出口１９に突起１９ａを形成する点は第一の実施形態に適用してもよい。

１１ 基板
１２ 吐出口形成部材
１３ 液体供給口
１４ 発熱抵抗素子
１５ 圧力室
１７ 液流路
１９ 吐出口
２０ 梁
２０ａ 補強リブ

Claims (8)

1. 基板と、該基板に接合され、液体を吐出する吐出口が形成された吐出口形成部材と、前記基板の前記吐出口形成部材が接合された面に列状に配置され、液体を吐出するエネルギーを発生する複数のエネルギー発生素子と、前記基板に形成され、前記面に開口部を有する液体供給口と、を備え、
   前記吐出口形成部材は、前記複数のエネルギー発生素子に対応して形成され、前記吐出口に連通する複数の圧力室と、前記複数の圧力室に液体を供給する複数の液流路と、前記複数の液流路と前記液体供給口を連通する共通液室と、前記共通液室内に形成され、前記液体供給口に対向する位置から前記液流路の流入口に向けて延びる補強リブと、を有する液体吐出ヘッドであって、
   前記補強リブの長手方向の端部が前記液流路の流入口近傍に配置され、かつ、前記吐出口の配列方向に関する前記液流路の中心を通る中心線から前記配列方向に前記補強リブの中心線がずれて形成されている液体吐出ヘッド。
2. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドであって、
   前記補強リブは、前記複数の液流路の各々に対応して形成されている液体吐出ヘッド。
3. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドであって、
   前記補強リブは、数本置きの前記液流路に対応して形成されている液体吐出ヘッド。
4. 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であって、
   前記吐出口形成部材は、前記液流路の流入口近傍に設置され、前記吐出口形成部材から前記基板に延びる柱をさらに備えた液体吐出ヘッド。
5. 請求項４に記載の液体吐出ヘッドであって、
   前記液流路の流入口近傍において、前記柱と前記補強リブが前記中心線に対して互いに反対方向にずれた位置にある液体吐出ヘッド。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドであって、
   前記吐出口の内側面に突起を有する液体吐出ヘッド。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドであって、
   前記吐出口形成部材が樹脂からなる液体吐出ヘッド。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドであって、
   前記エネルギー発生素子が発熱抵抗素子である液体吐出ヘッド。

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