JP6652287B2 - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体を吐出する液体吐出ヘッドおよびそれを備えた液体吐出装置に関する。

液体を吐出する液体吐出ヘッドを用いる例として、インクジェット方式の液体吐出装置が挙げられる。一般的なインクジェット方式の液体吐出装置が備える液体吐出ヘッドは、流路と、その流路の一部に設けられた吐出エネルギ発生部と、そこで発生するエネルギによって液体を吐出するための微細な吐出口とを備えている。

近年の液体吐出装置では、高速化、高画質化、高精細化が求められおり、吐出液滴の小ドット化および複数の吐出口から吐出される液滴体積の均一化が図られている。

特許文献１には、吐出口を形成する部材にスリットを設けることで、高速化を実現可能な、吐出口を多く備えた液体吐出ヘッドの信頼性を高めることが開示されている。

特開２００７−３３１２４５号公報

液体吐出ヘッドの吐出口を形成する吐出口形成部材としてエポキシ樹脂が一般的に用いられている。エポキシ樹脂を用いた液体吐出ヘッドの製造工程は、多くの場合、加熱してエポキシ樹脂を硬化させる工程を有する。エポキシ樹脂は硬化収縮にて体積収縮を起こすことが知られており、この体積収縮により吐出口面積が変化する。吐出口面積が変化した場合、液滴吐出量にばらつきが生じるため、完成した液体吐出ヘッドの出力した画像にムラが発生することがあった。

特許文献１では、エポキシ樹脂の体積収縮による、エポキシ樹脂とそれを支持する基板との接着界面における剥離の発生を抑制することはできるが、エポキシ樹脂の体積収縮による、吐出口の開口面積の変化については考慮されていない。その結果、液滴吐出量にばらつきが生じ、画像にムラが発生する虞がある。

そこで本発明は、液滴吐出量のばらつきを抑制し、ムラの発生を抑制することができる液体吐出ヘッド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、複数のエネルギ発生素子が配列された基板と、前記基板と接合されて液室を構成する天井部を備えた凹部が前記エネルギ発生素子毎に対応して前記基板と接合される一方の面に配列されて備えられるとともに、前記一方の面と反対の他方の面には前記凹部と連通した吐出口が配列されて備えられた吐出口形成部材と、を有して構成された液体吐出ヘッドにおいて、前記吐出口の配列方向と同列であって前記液室の間には、前記液室を挟むように分離壁を介在して、前記吐出口形成部材の前記他方の面側から、前記液室の前記吐出口と連通している前記天井部の位置よりも前記基板に近い位置であって、前記吐出口形成部材を貫通しない深さの溝を備えているとともに、前記吐出口の１つは、一対の前記溝の間に挟まれており、前記吐出口形成部材の、前記液室における前記吐出口と連通している天井部を形成する部分の厚さをｔとし、前記溝の前記深さをｈとし、前記吐出口の配列と同列に設けられ、かつ前記吐出口を挟んで設けられた溝における、前記配列の方向と直交する方向の幅をｓとし、前記液室の前記配列の方向における幅をＷとし、前記液室と前記溝の１つとの間の壁の厚さをＬとすると、
ｈ／ｔ≧１．０
Ｗ／Ｌ≧４．７
ｓ／Ｗ≧０．８
の関係を満たすことを特徴とする。

本発明によって、液滴吐出量のばらつきを抑制し、ムラの発生を抑制することができる液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を実現することができる。

液体吐出ヘッドにおける吐出口とその近傍を示した断面斜視図である。 液体吐出ヘッドを示した図である。 エポキシ樹脂の体積収縮によって変形した吐出口を示した図である。 液体吐出ヘッドの断面図である。 供給口が吐出口を挟んで対称に設けられた吐出口と溝とを示した図である。 エポキシ樹脂が拡大変形した場合の、吐出口とその周辺を示した図である。 液体吐出ヘッドを示した図である。 液体吐出ヘッドにおける吐出口の周辺を示した図である。 変形例を示した図である。 液体吐出ヘッドの吐出口周辺を示した図である。

（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、本実施形態の液体吐出ヘッドにおける吐出口５とその近傍を示した断面斜視図である。本実施形態の液体吐出ヘッドは、エネルギ発生素子１である発熱抵抗体が所定のピッチで並んで形成された基板２を備えている。基板２には供給口３が設けられている。基板２上には、吐出口形成部材４がある。吐出口形成部材４は、エネルギ発生素子１の上方に開口する少なくとも２つ以上の吐出口５と、供給口３と各吐出口５に繋がる液室１０とを連通する個別の供給路６と、を形成している。液室１０は、吐出口５に対応するように、吐出口と連通して設けられている。尚、図中の矢印は、吐出される液体が流れる方向を示している。液体は、吐出口５から吐出される。

図２は、本実施形態の液体吐出ヘッドを示した図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＩＩＢ−ＩＩＢにおける断面図である。以下、図面を参照して本実施形態の液体吐出ヘッドの特徴的構成について説明する。

本実施形態の液体吐出ヘッドは、吐出口形成部材４における、隣接する吐出口５同士の間であり、エネルギ発生素子１により発生されるエネルギが液体に作用する隣接する液室１０同士の間に溝９が設けられている。溝９は、吐出口５が並ぶ吐出口列と同一の列で、所定のピッチで並んで形成されている。また、溝９は、吐出口５と液室１０とを挟むように形成されている。さらに、溝９は、吐出口５を中心として対称に設けられている。

本実施形態では、吐出口形成部材４の材料としてエポキシ樹脂を用いている。吐出口形成部材４がエポキシ樹脂を含む場合、加熱してエポキシ樹脂を硬化させることが多い。エポキシ樹脂は硬化収縮にて体積収縮を起こすことが知られており、この体積収縮により吐出口５の開口面積が変化することがある。但し、この現象はエポキシ樹脂に限られず、他の樹脂を用いた場合にも発生し得る。

図３（ａ）、（ｂ）は、エポキシ樹脂の体積収縮によって変形した吐出口を示した図であり、図４（ａ）、（ｂ）は、液体吐出ヘッドの断面図である。図３（ａ）、（ｂ）では、実線が変形後の吐出口を示し、点線が変形前の吐出口を示している。従来は、図３（ａ）のように吐出口形成部材４が縮小変形すると、吐出口５の直径は伸びて、変形前と比べて吐出口が拡大する傾向にあった。このような変形における変形量は、温度に依存することから、温度分布によって吐出口の開口面積がばらつく原因となっていた。

そこで本実施形態では、図３（ｂ）のように溝９を設けることで、温度分布による吐出口の開口面積のばらつきを抑制している。本実施形態では、図３（ｂ）のように吐出口列と同列で、各吐出口５の両側に溝９が配置されるように構成されている。

ここで、吐出口５と溝９とが配列している方向をＹ方向とし、Ｙ方向と直交する方向をＸ方向とすると、吐出口周囲で、吐出口５に対してＹ方向におけるエポキシ樹脂の量は、吐出口５に対してＸ方向におけるエポキシ樹脂の量よりも少なくなっている。従って、吐出口形成部材４が縮小変形する際の変形量が、吐出口５に対してＹ方向とＸ方向とでは異なる。具体的には、吐出口５に対してＸ方向ではエポキシ樹脂の量が多いため、縮小変形における変形量が、Ｙ方向における変形量よりも多くなる。

また、溝９の存在により、吐出口形成部材４は液室１０近傍に自由変形が可能な領域（分離壁１１）を有する。エポキシ樹脂の縮小変形に伴う応力が十分に大きい場合、分離壁１１が撓むことが可能となっている。

その結果、図３（ｂ）のように、吐出口５は、Ｘ方向における径はΦｘ、Ｙ方向における径がΦｙ（Φｘ＞Φｙ）となり楕円形状に変形する。この変形後の吐出口５の径であるΦｘとΦｙとは、変形前の吐出口５の径のΦと、Φｘ＞Φ＞Φｙという関係になる。つまり、Ｘ方向においては元の径よりも大きくなり、Ｙ方向においては元の径よりも小さくなる。このように、吐出口周辺におけるＸ方向とＹ方向とで、エポキシ樹脂の体積を異ならせ、異なる収縮率の縮小変形を生じさせる。そして更に変形時に分離壁１１が撓むことで変形前の吐出口の径に対して、Ｘ方向とＹ方向との径を小さくする変形と大きくする変形という関係の変形を生じさせる。その結果、変形後の吐出口５は楕円形となり、その開口面積は、変形前の吐出口５の開口面積と大きく変わらない。このように、本実施形態では、従来例と比較して、エポキシ樹脂の体積収縮による吐出口５の開口面積の変動を抑制することができる。

尚、本実施形態のような変形を得るためには、分離壁１１を十分に撓ませることが重要となる。ここで、溝９の深さをｈとし、吐出口列と同列で、前記吐出口の両側に設けられた一対の溝とを結ぶＹ方向と直交するＸ方向の溝９の幅をｓとし、液室１０の溝９に挟まれた方向における幅をＷとし、液室１０と溝９との間の壁（分離壁１１）の厚さをＬとする（図２参照）。本発明者らの検討によれば、分離壁１１を十分に撓ませるには、
ｈ／ｔ≧１．０
ｓ／Ｗ≧０．８
Ｗ／Ｌ≧４．７
の関係を満たすことが重要であることが分かった。尚、吐出口５の直径はΦで示す部分である。

溝９の底部は、液室１０を構成する天井部材の基板側の面の位置よりも基板側に近い位置に形成することが好ましい。このようにして底部の厚さを薄くすることで、分離壁１１を撓み易くすることができる。また、天井幅Ｗに対して、溝幅ｓを十分に大きくすることで、天井が収縮する応力に対して分離壁１１が撓み易くなる。さらにまた、天井幅Ｗに対して分離壁の幅Ｌを十分に薄くすることで、天井部材が収縮する応力に対して分離壁１１が撓み易くなる。

そして、溝９を吐出口５が配列する吐出口列と同じ列、即ち吐出口列の中に、吐出口５を挟んで設けることで、分離壁１１の撓みが吐出口５の変形として効果的に伝わる。そして、溝９を吐出口５に対して対称に設置することで、所定方向（溝配列方向）において、変形後の吐出口の対称性を維持することができる。このような分離壁１１の撓みと、体積収縮とが生じることで、変形後の吐出口開口面積のばらつきを抑制し、吐出する液滴の量のばらつきを抑制することができる。

図５は、供給口が吐出口を挟んで対称に設けられた場合の吐出口と溝とを示した図である。図５のように、吐出口５を挟んで供給口１２を設ける構成でもよい。吐出口５を挟んで供給口１２を設ける構成によって、液滴の吐出時の吐出性能も向上することができる。さらに、吐出口を挟んで対称に供給口を設けた構成では、吐出口５に対して液滴が左右両方から供給されるため、液体供給性能も向上する。

図６（ａ）、（ｂ）は、エポキシ樹脂が拡大変形した場合の、吐出口とその周辺を示した図である。上記説明ではエポキシ樹脂が縮小変形する場合を例にとって説明したが、エポキシ樹脂が拡大変形をする場合であっても同様の効果が得られる。すなわち、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、直径変化方向が正負逆転するだけであって、直径Φｙは拡大する方向に変形し、直径Φｘは縮小する方向に変形することが可能である。拡大変形する場合であっても、従来例と比較して吐出口の開口面積の変動を抑制することができる。

また、本実施形態では、吐出口５を挟んで溝９を形成したが、これに限定するものではない。つまり、吐出口を挟んで樹脂の体積を減少させて形成した空間を備えていればよい。

このように、吐出口を挟んで両側に、所定の幅および所定の深さの溝を形成する。そして上記関係、即ちｈ／ｔ≧１．０、Ｗ／Ｌ≧４．７、ｓ／Ｗ≧０．８の関係を満たす。これによって、液滴吐出量のばらつきを抑制し、ムラの発生を抑制することができる液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を実現することができる。

（参考例）
以下、図７から図９を参照して本発明の実施形態の参考例を説明する。尚、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７（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の液体吐出ヘッドを示した図であり、図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢにおける断面図である。本実施形態の液体吐出ヘッドは、吐出口５を備えた天井部材に、吐出口５に対して液室１０と反対側の部分に、吐出口形成部材が窪んだ窪み領域１３が形成されている。吐出口５は、窪み領域１３内に存在し、窪み領域１３の段差は、溝９と実質的に平行に窪みが成されている。また、窪み領域１３の幅は、天井部材の幅よりも狭く形成されている。

図８（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の液体吐出ヘッドにおける吐出口の周辺を示した図であり、図８（ａ）は正面図、図８（ｂ）は断面図である。本実施形態において、体積収縮が生じた場合の変形について説明する。第１の実施形態と同様、溝９の存在により吐出口のＹ方向における径がΦｙに縮小変形し、Ｘ方向における径がΦｘに拡大変化する（Φｘ＞Φｙ）。このような変化をする理由は、図８（ｂ）の断面模式図において矢印に示すとおり、分離壁１１が液室１０側に撓むことおよびエポキシ樹脂自体の体積収縮による。

また、本実施の形態においては、窪み領域１３が天井部材の幅よりもせまく形成されている。このような窪み領域１３が存在すると応力の関係で天井部材を表面側（図中上側）に持ち上げる力が作用する。第１の実施形態においては、分離壁１１が撓んだ場合、吐出口近傍は、全体的に基板側に落ち込む方向に変化、すなわち基板２の表面と吐出口５の表面との距離が近づくように変化する。この変化が大きくなると、液滴形成精度低下や液滴体積の変化が発生しやすくなる場合がある。結果として出力した画像に影響が出る可能性がある。

本実施形態の構成は、分離壁１１の撓みによって吐出口近傍１４が落ち込む作用を緩和する効果を有する。結果として、吐出口５と基板表面との距離を一定に保ちながら、吐出口面積の変化を低減することができる。

図９は、本実施形態の変形例を示した図である。図９のように、天井部材の窪み領域１３がすり鉢状の曲面で形成される場合は、段差部の応力集中が緩和されるため、部材割れ等の破壊が抑制されるため、信頼性を更に向上することができる。

（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。尚、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周辺を示した図である。吐出口形成部材４としてエポキシ樹脂を用いた液体吐出ヘッドの場合、ネガ型の感光性樹脂としてエポキシ樹脂を使用して、フォトリソグラフィにて吐出口を形成し、その後加熱工程にてエポキシ樹脂を硬化させる工程を有する製造方法が一般的である。このような製造方法においては、吐出口を楕円形状、かつ長軸方向が溝の対向方向と実質的に平行であるように形成することが好ましい。この構成によると、加熱工程によるエポキシ樹脂の収縮変形によって、図１０の点線で示す楕円形状の吐出口を実線で示す円形形状の吐出口へと変形させることができる。よって、完成時に真円度が高い吐出口を有する液体吐出ヘッドを作製することができ、液滴形成の安定性が向上し、結果として液体吐出ヘッドで出力する画像の劣化を防ぐことができる。

ここで、実際に複数種類の液体吐出ヘッドを製造して実際に出力を行い、出力画像に発生するムラの有無を確認した。液体吐出ヘッドの製造は、第１の実施形態の方法に従って行った。尚、液体吐出ヘッドの作製にあたり、吐出口形成部材にはエポキシ樹脂（ＥＨＰＥ３１５０、ダイセル製）を用いた。最終工程としてエポキシ樹脂の硬化反応を促進するために、オーブンにて２００℃、１時間の焼成を行った。そして、各液体吐出ヘッドの各部の寸法、吐出口面積の変化、各部の寸法比および判定結果を表１に示す。

各実施例では、ｈ／ｔ≧１．０、Ｗ／Ｌ≧４．７、ｓ／Ｗ≧０．８の関係を満たしている。その結果、吐出口面積の変化ΔＳは±６％以下の変化に抑えられた。また、比較例に比べて歩留まりが向上し、出力画像でのムラの発生を抑制することができた。

３ 供給口
４ 吐出口形成部材
５ 吐出口
９ 溝
１０ 液室
１１ 分離壁
１２ 供給口
１３ 窪み領域

Claims (6)

1. 複数のエネルギ発生素子が配列された基板と、
   前記基板と接合されて液室を構成する天井部を備えた凹部が前記エネルギ発生素子毎に対応して前記基板と接合される一方の面に配列されて備えられるとともに、前記一方の面と反対の他方の面には前記凹部と連通した吐出口が配列されて備えられた吐出口形成部材と、
   を有して構成された液体吐出ヘッドにおいて、
   前記吐出口の配列方向と同列であって前記液室の間には、前記液室を挟むように分離壁を介在して、前記吐出口形成部材の前記他方の面側から、前記液室の前記吐出口と連通している前記天井部の位置よりも前記基板に近い位置であって、前記吐出口形成部材を貫通しない深さの溝を備えているとともに、前記吐出口の１つは、一対の前記溝の間に挟まれており、
   前記吐出口形成部材の、前記液室における前記吐出口と連通している天井部を形成する部分の厚さをｔとし、
   前記溝の前記深さをｈとし、
   前記吐出口の配列と同列に設けられ、かつ前記吐出口を挟んで設けられた溝における、前記配列の方向と直交する方向の幅をｓとし、
   前記液室の前記配列の方向における幅をＷとし、
   前記液室と前記溝の１つとの間の壁の厚さをＬとすると、
   ｈ／ｔ≧１．０
   Ｗ／Ｌ≧４．７
   ｓ／Ｗ≧０．８
   の関係を満たすことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記溝は、前記吐出口が列を成した吐出口列の中に形成されている請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記溝は、それぞれの吐出口を中心として対称に形成されている請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記液室に液体を供給する供給口と、
   前記供給口と前記液室とを繋ぐ供給路と、を備えている請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記吐出口形成部材は、エポキシ樹脂からなる請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 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を備えていることを特徴とする液体吐出装置。