JP6532293B2 - 液体吐出ヘッド、吐出素子基板および液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、インク等の液体を各種媒体に向けて吐出するための液体吐出ヘッド、吐出素子基板および液体吐出装置に関する。

近年では、高速記録の要求から液体吐出ヘッドに配列される吐出口列の長尺化や多列化、そして吐出素子基板の小型化が求められ高密度化が生じており、高密度化による問題が生じている。

特許文献１には、記録素子基板において熱分布が異なり、受ける熱の影響が異なることで吐出性能（吐出量）が変わり、記録品質が低下する問題への対策が記載されている。特許文献１の対策では、吐出素子基板で熱の影響を受け易い場所に配置される吐出口列に淡い色のインクを吐出させることで、視覚的に記録品質の低下を抑制している。

特開２００５−１９３５７９号公報

しかし、特許文献１の方法では解決できない新たな課題が出てきた。吐出中の吐出素子基板で、部分的に温度が高くなることで液体の粘度が低下して、液体のリフィル速度が速くなる。これにより、リフィルされる際に液体が吐出口から溢れて吐出口表面に溜まってしまい不吐出等の吐出不良が発生し記録品質を低下させる場合がある。

よって本発明は、記録品質の低下を抑制することができる液体吐出ヘッド、吐出素子基板および液体吐出装置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と、前記吐出口に連通する流路と、前記吐出口からの液体の吐出に利用するエネルギを発生するエネルギ発生素子を備えた液体吐出ヘッドにおいて、前記吐出口が所定の方向に配列された吐出口列が前記所定の方向と交差する方向に配列された複数の吐出口列を備え、前記複数の吐出口列のうち前記交差する方向における中央部に設けられる前記吐出口列に含まれる吐出口と連通する流路の流抵抗は、その他の前記吐出口列に含まれる吐出口と連通する流路の流抵抗より高いことを特徴とする。

本発明によって、記録品質の低下を抑制することができる液体吐出ヘッド、吐出素子基板および液体吐出装置を実現することができる。

液体吐出ヘッドを示した斜視図である。 吐出素子基板を示した斜視図である。 供給口から発泡室までを示した断面図および上面図である。 変形例の吐出素子基板および流路を示した図である。 液体吐出ヘッドを示した斜視図である。 吐出素子基板を示した斜視図である。 供給口から発泡室２までを示した断面図および上面図である。 液体吐出ヘッドにおける吐出素子基板の対称性を説明するための図である。 液体吐出ヘッドの吐出口部分を示した断面図および上面図である。 液体吐出ヘッドの吐出口部分を示した断面図および上面図である。 支持部材の中央に配置されている吐出素子基板を示した模式図である。 吐出素子基板を示した模試図である。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。
図１は、本発明を適用可能な液体吐出ヘッド１を示した斜視図である。樹脂でできた筐体１０に、吐出素子基板４が設けられた支持部材９がビス５で止められている。支持部材９は、金属の場合や樹脂製の場合があり、材質は特に限定されるものではない。この支持部材９には、筐体１０を通じて液体（以下、インクともいう）が供給される供給口７と液室とが設けられている。支持部材９内部の液室と、吐出素子基板４に吐出口列ごとに設けられた供給口７と、が接続されている。吐出素子基板４に設けられた吐出口列は、吐出させるインクを保持する発泡室１７と連通した穴の吐出口１２が（所定方向に）列を成すことで形成されている。

液体吐出ヘッド１は、インクを吐出するためのエネルギとして電気エネルギを印加された発熱抵抗素子（エネルギ発生素子）から発生する熱を利用するものであり、発熱でインクに膜沸騰を生じさせ、その発泡エネルギによって吐出口１２からインクを吐出する。記録時には、液体吐出ヘッド１が図１の矢印α方向（所定方向と交差する方向）に往復移動しながら吐出口１２から記録媒体に対してインクを吐出することで記録が行われる。

図２は、本実施形態における吐出素子基板４を示した斜視図である。ここで、液体吐出ヘッド１の吐出口列について詳細に説明する。吐出口列の長さは１インチ以上あり、吐出口１２は、配列密度１２００ｄｐｉで１つの吐出口列に１５００個以上有り、１つの吐出口１２あたりの吐出量は約４ｎｇ±１ｎｇである。また、供給口７から発泡室１７までの間には、個別の発泡室１７までインクを供給する経路である共通流路１８が形成されている。また、共通流路１８は流路と接続されており、流路は一方側で吐出口と連通し、他方側で共通流路と接続されている。共通流路１８には、発泡室１７に繋がる流路の入口（共通流路と流路との接続部）に、ゴミが侵入するのを防止する突起状（円柱状）のフィルタが設けられている。本実施形態では図１に示すように、支持部材９には吐出素子基板４が１つ取り付けられており、この吐出素子基板４には、吐出口列が６列あるように見える。しかし、図２に示した拡大部で明らかなように、１つの供給口７に対して両側に２列ずつ共通の吐出口列があるので、供給口７の両側の吐出口列で１列という扱いとするので、この記録素子には３列（Ａ列、Ｂ列、Ｃ列）の吐出口列があるものとする。

図３（ａ）、（ｂ）は、吐出素子基板４における供給口７から発泡室１７までが分かるように示した断面図および上面図である。本実施形態では、フィルタ１６が設けられた共通流路１８と発泡室１７とを連通する流路１９の幅をｄ、ｄ’、長さをｓとし、フィルタ１６の径をＬと定義する。

上述の通り、記録中の吐出素子基板では記録に伴い熱が発生する。発生した熱は吐出素子基板の周囲に伝達し、吐出素子基板および支持部材を介して放熱される。しかし、単位時間当たりに放熱される量は限られており、高速記録時のように単位時間当たりの発熱量が多いと十分に放熱ができなくなり、部分的に（中心部で）温度が高くなる。特に吐出素子基板に設けられた吐出口列で、吐出素子基板の中心に近い吐出口列で発生した熱は、放熱されにくく、吐出素子基板の中央部で温度が高くなる。このように吐出素子基板の中央部で温度が高くなることで、インク粘度が低下してインクのリフィル速度が速くなり、インクが吐出口から溢れて吐出口面の周囲に溜まることで吐出不良が発生し、記録品質を低下させる。よって、記録品質を低下させないための対策が必要となる。

そこで本実施形態では、吐出素子基板４の３列の吐出口列（配置エリア）で、（吐出口が配列される所定方向と交差する方向での）真中に位置するＢ列に対応する流路１９の流抵抗を他の吐出口列（Ａ列、Ｃ列）に対応する流路１９の流抵抗よりも大きくしている。つまり、Ａ列とＣ列の吐出口列は図３（ａ）に示すように流路１９の幅を広い幅である、幅ｄとし、Ｂ列の吐出口列では、図３（ｂ）に示すように流路１９の幅を狭い幅である、幅ｄ’としている（ｄ＞ｄ’）。このようにＢ列の吐出口列では、流路１９の幅を狭くすることで、流路１９における流抵抗を大きくしている。このように流路１９における流抵抗を大きくすることで、Ｂ列の吐出口列における温度が高くなってインク粘度が低下しても、流抵抗が高いことで、インクのリフィル速度が速くならずインクが吐出口から溢れることがない。よって、吐出不良の発生を抑制し、記録品質が低下するのを抑制することができる。

なお、Ｂ列の吐出口列における流路１９の流抵抗を大きくした構造は、低温でも十分にリフィル速度が間に合う設計となっている。具体的な流路の寸法としては、Ａ列、Ｃ列の吐出口列に対応する流路の流路幅を１４μｍとし、Ｂ列の吐出口列に対応する流路の流路幅を１０μｍとした。

また、ここではＡ列、Ｃ列の吐出口列がそれぞれ同じ構造である前提の説明をしたが、中央の吐出口列（Ｂ列）の流路の吐出口に対応する流路の流抵抗が一番大きければよく、他の列が同じ構造でなくてもよい。例えば、図４のように、３列の吐出口列で、中央の吐出口列に対応する流路の幅を最も狭くして、３種類とも異なる流路幅を備えていてもよい。

このように、支持部材の中央に最も近い吐出素子基板で、吐出素子基板の中央に最も近い吐出口列の吐出口に対応する流路の流抵抗を高くする。これによって、記録品質の低下を抑制することができる液体吐出ヘッド、吐出素子基板および液体吐出装置を実現することができた。

（第２の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。

図５は、本発明を適用可能な液体吐出ヘッド２０を示した斜視図である。本実施形態の液体吐出ヘッド２０は、支持部材９に吐出素子基板２４が３つ取り付けられている。１つの吐出素子基板２４には、４列の吐出口列がそれぞれ設けられている。

図６は、本実施形態における吐出素子基板２４を示した斜視図である。吐出素子基板２４における各吐出口列は、図中左からＡ列、Ｂ列、Ｃ列、Ｄ列とする。

図７（ａ）、（ｂ）は、吐出素子基板２４における供給口７から発泡室２７までが分かるように示した断面図および上面図である。本実施形態では、共通流路２８と発泡室２７とを連通する流路２９の幅をｄ、ｄ’とし、長さをｓとし、フィルタの径をＬと定義する。

図５において３つ配置された吐出素子基板２４の中で真中の吐出素子基板２４の４列の吐出口列で、真中に位置しているＢ列およびＣ列の吐出口列に対応する流路２９の流抵抗は、他の吐出口列（Ａ列、Ｄ列）に対応する流路２９の流抵抗よりも大きくなっている。つまり、Ａ列とＤ列は図７（ａ）に示すように流路２９の幅は広い幅である、幅ｄとなっており、Ｂ列、Ｃ列では、図７（ｂ）に示すように流路２９の幅は狭い幅である、幅ｄ’となっている（ｄ＞ｄ’）。このようにＢ列、Ｃ列では流路２９の幅を狭くして流路の断面積を小さくすることで、流路２９における流抵抗を大きくしている。このように流路２９における流抵抗を大きくすることで、Ｂ列、Ｃ列における温度が高くなってインク粘度が低下しても、インクのリフィル速度が速くなってしまうことがなく、吐出不良の発生を抑制し、記録品質が低下するのを抑制することができる。

なお、３つ配置されている吐出素子基板２４の中で、真中以外（左右両端）に位置している吐出素子基板２４の吐出口列については、全ての吐出口列が同じ（流路における流抵抗を高くしていない）構成を備えているものとする。

また、本実施形態ではＡ列、Ｄ列や、Ｂ列、Ｃ列がそれぞれ同じ構造であると説明したが、最も中央に近い列（Ｂ列ないしＣ列、若しくは両方）の流路の流抵抗が一番大きければよく、他の列の流路の形状に関しては特に限定しない。しかし、支持部材中央の吐出素子基板におけるＢ列、Ｃ列のみ流路２９の幅が狭く、他の吐出素子基板の列は同じ構造であることが最も望ましい。その理由は、同じ設計であれば、色の入れ替えの自由度があり、吐出素子基板の種類も２種類で済むため、製造時にも比較的安価となる。また、シンメトリになっていると、少ない色数を複数列に均等配置した場合に優位になる。

図８は、液体吐出ヘッドにおける吐出素子基板の対称性を説明するための図である。例えば、シアンＣ、マゼンタＭ、イエローＹ、フォトシアンＰＣ、フォトマゼンタＰＭ、フォトブラックＰＢＫ、マットブラックＭＢＫ、グレーＧｙの８色を使用する場合、中央列の流路の流抵抗を最も大きくする。そして、他列において、ある色に最適な流路設計を行い異なる２種類の流路を有した吐出素子基板をＡとＣとに備えた液体吐出ヘッドの構成を考える。

左右端部の吐出口列における流路が異なる吐出素子基板のＡとＣは共通となるので、液体吐出ヘッド全体としては対称性が損なわれる。更に、インクによっては吐出素子基板Ａのａ列で使用できるインク色が、吐出素子基板Ｃのｉ列にも配置されなければならず、自由度が低くなるだけでなく、使えるインク色が無い場合もある。その場合、もう１種類吐出素子基板を準備しなければならずコストアップになる。

しかし吐出素子基板ＡとＣとが全て共通構造の吐出口列若しくはシンメトリを保つ構造であれば、ａ列からｌ列に対応するインクをＣ、Ｍ、Ｙ、ＰＣ、ＰＢＫ、ＭＢＫ、ＭＢＫ、Ｇｙ、ＰＭ、Ｙ、Ｍ、Ｃのように標準的なＣ、Ｍ、Ｙの濃色がシンメトリ配置となる。このようなシンメトリ配置の場合、液体吐出ヘッドが双方向に移動して記録することが可能となり高速化を実現することができる。

このように、支持部材の中央に最も近い吐出素子基板で、吐出素子基板の中央に最も近い吐出口列の吐出口に対応する流路の流抵抗を高くする。これによって、記録品質の低下を抑制することができる液体吐出ヘッド、吐出素子基板および液体吐出装置を実現することができた。

（第３の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第３の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。

図９は、本実施形態における液体吐出ヘッドの吐出口部分を示した断面図および上面図である。第２の実施形態の図７（ａ）と比較して、本実施形態では、中央に最も近い吐出口列に対応するフィルタ４６の径を大きくする（変化させる）ことで、発泡室４７へ連通する流路４９の入口が狭くなるように構成されている。発泡室４７へ連通する流路４９の入口を狭くすることで流抵抗を高くしている。中央に最も近い吐出口列以外の他の列は、図７（ａ）に示した吐出口部分と同じ構造であり、中央よりもフィルタの径が小さい流路設計となっている。

なお、本実施形態ではフィルタの径を大きくすることで、発泡室へ連通する流路の入口を狭くして流抵抗を高くしたが、フィルタの径は変えずに、フィルタ自体を流路の入口に近づけることで、発泡室へ連通する流路の入口を狭くして、流抵抗を高くしてもよい。

このように、支持部材の中央に最も近い吐出素子基板で、吐出素子基板の中央に最も近い吐出口列の吐出口に対応する流路の流抵抗を高くする。これによって、記録品質の低下を抑制することができる液体吐出ヘッド、吐出素子基板および液体吐出装置を実現することができた。

（第４の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第４の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。

図１０は、本実施形態における液体吐出ヘッドの吐出口部分を示した断面図および上面図である。上記の各実施形態では、発泡室へ連通する流路の流抵抗を変える手段として、発泡室まで続いている流路の幅や、フィルタの径を変えることを説明したが、本実施形態では流路の長さを変えることで、流路における流抵抗を変えている。

図１０のように本実施形態では流路の長さをｓ’で定義しており、第２の実施形態の図７（ａ）と比較して、フィルタ径や流路の幅が同じで、長さがｓよりも長いｓ’となっており、これによって、中央に最も近い吐出口列に対応する流路の流抵抗を大きくしている。

なお、ここでは不図示だが、細くなっている部分だけでなく、インク供給路から発泡室を含めた全体の長さを延ばすことで、流抵抗を大きくしてもよい。

このように、支持部材の中央に最も近い吐出素子基板で、吐出素子基板の中央に最も近い吐出口列の吐出口に対応する流路の流抵抗を高くする。これによって、記録品質の低下を抑制することができる液体吐出ヘッド、吐出素子基板および液体吐出装置を実現することができた。

（第５の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第５の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。

上記の各実施形態では、発泡室へ連通する流路の幅とフィルタの径や流路の長さのどれか１つのファクタのみの変更で流路の流抵抗に差を設けたが、発泡室へ至るまでのトータルの流路の流抵抗が大きくなればよい。つまり、流路幅、流路長さ、フィルタ径全てが異なっていて、組み合わされた構成でもよい。なお、様々なバリエーションがあり、特に限定していないのでここでは図面は省略している。

このように、支持部材の中央に最も近い吐出素子基板で、吐出素子基板の中央に最も近い吐出口列の吐出口に対応する流路の流抵抗を高くする。これによって、記録品質の低下を抑制することができる液体吐出ヘッド、吐出素子基板および液体吐出装置を実現することができた。

（第６の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第６の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。

図１１は、本実施形態の支持部材における中央に配置されている吐出素子基板１１０を示した模式図である。本実施形態では、吐出素子基板１１０に吐出口列が奇数列設けられていおり、吐出口列が５列（Ａ列、Ｂ列、Ｃ列、Ｄ列、Ｅ列）ある。吐出素子基板上の中央の列は、Ｃ列であり、Ｃ列の吐出口列に対応する流路の流抵抗を最も大きくなるようにする。

このように、支持部材の中央に最も近い吐出素子基板で、吐出素子基板の中央に最も近い吐出口列の吐出口に対応する流路の流抵抗を高くする。これによって、記録品質の低下を抑制することができる液体吐出ヘッド、吐出素子基板および液体吐出装置を実現することができた。

（第７の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第７の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。

図１２は、第７の実施形態の吐出素子基板を示した模試図であり、本実施形態では、吐出素子基板に吐出口列が２列設けられている。この場合、液体吐出ヘッドの支持部材の中央に配された吐出素子基板の２列の流路の流抵抗を大きくする。支持部材に複数の吐出素子基板が設けられている場合には、支持部材の中央に最も近い吐出素子基板の２列の流路の流抵抗を大きくし、他の吐出素子基板は流路の流抵抗を大きくすることなく、同じ構成の吐出素子基板とする。

続いて、この吐出素子基板において、最も好ましいインクの配置に関して述べる。リフィル速度が速いとリフィル時の溢れによる不吐出が生じるため、中央に配置された吐出口列に対応する流路の流抵抗を最大限に大きくした列に、最もリフィル速度の速いインクを配置した設計が最も望ましい。こうすることで、高速吐出以外の低温時の記録においても、溢れに関して強くなりより弊害が出にくくなる。ここで、リフィル速度が速いとは、表面張力が高いインクや、粘度が低いインクのことである。

更に、好ましくは、流路の流抵抗が大きい中央列には、吐出速度の遅いインクを配置する。例として、記録素子上に炭素の焦げ付きが最も多くなる顔料ブラック等があげられる。焦げ付きが多くなると、記録素子の熱がインクに伝わりにくくなるため、吐出速度が落ちてしまう。一方で、流抵抗を大きくする副次的な効果として、発泡室より後ろの抵抗が高くなることが挙げられ、発泡室から吐出口までの抵抗と流路部の抵抗との比が変わり、吐出効率が良くなるので吐出速度が出やすくなる。

更に、同じリフィル速度の場合でも、吐出速度が速い方がより顕著に溢れて吐出不良になることも検討によりわかっており、この点からも中央に配置される吐出口列には吐出速度の遅いリフィル速度が速いインクが配されるのがよい。

また、通常写真やポスタを記録するインクジェットプリンタで使用される顔料や染料のインクに関しては、多少のインク物性の差によらず流抵抗が支配的であり本件によって課題に対しての所望の効果を得ることができる。

１ 液体吐出ヘッド
９ 支持部材
４ 吐出素子基板
７ 供給口
１２ 吐出口
１７ 発泡室
１８ 共通流路

Claims (11)

1. 液体を吐出する複数の吐出口と、前記吐出口に連通する流路と、前記吐出口からの液体の吐出に利用するエネルギを発生するエネルギ発生素子を備えた液体吐出ヘッドにおいて、
   前記吐出口が所定の方向に配列された吐出口列が前記所定の方向と交差する方向に配列された複数の吐出口列を備え、
   前記複数の吐出口列のうち前記交差する方向における中央部に設けられる前記吐出口列に含まれる吐出口と連通する流路の流抵抗は、その他の前記吐出口列に含まれる吐出口と連通する流路の流抵抗より高いことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記流路の幅を狭くして前記流路の断面積を小さくすることで、前記流路の流抵抗を高くしていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記吐出口と連通する前記流路は、一方側で前記吐出口と連通し、他方側で共通流路と接続されており、前記共通流路と前記流路との接続部には、フィルタが設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記フィルタは、円柱状のフィルタであり、前記フィルタの径を変化させることで前記流路の流抵抗を高くしていることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記フィルタは、円柱状のフィルタであり、前記フィルタの位置を変化させることで前記流路の流抵抗を高くしていることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記流路の長さを長くすることで、前記流路の流抵抗を高くしていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 所定の方向に列を成した複数の前記吐出口列は、吐出素子基板に設けられており、
   前記吐出素子基板は、奇数列の吐出口列を備え、中央の吐出口列以外の吐出口列が備える吐出口に対応した流路は、同じ構造を備えていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記吐出素子基板の前記所定の方向と交差する方向における、前記吐出素子基板の中央に近い複数の前記吐出口列ほど、高い流抵抗の前記流路と連通した前記吐出口で形成されていることを特徴とする請求項７に記載の液体吐出ヘッド。
9. 複数の前記吐出素子基板を備えていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の液体吐出ヘッド。
10. 液体を吐出する複数の吐出口と、前記吐出口に連通する流路と、液体の吐出に利用するエネルギを発生するエネルギ発生素子と、を備えた吐出素子基板において、
    前記吐出口が所定の方向に配列された吐出口列が前記所定の方向と交差する方向に配列された複数の吐出口列を備え、
    前記複数の吐出口列のうち前記交差する方向における中央部に設けられる前記吐出口列に含まれる吐出口と連通する流路の流抵抗は、その他の前記吐出口列に含まれる吐出口と連通する流路の流抵抗より高いことを特徴とする吐出素子基板。
11. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを備えていることを特徴とする液体吐出装置。