JP6833346B2 - 記録素子基板、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、記録素子基板、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置に関する。

インクジェット装置に代表される液体吐出装置の分野では、発生したエネルギーを効率良く吐出エネルギーとして利用するために、吐出口が形成された吐出口形成部材の厚みを薄くすることが求められている。しかしながら、吐出口形成部材が薄化すると、吐出口形成部材の強度が低下する。液体吐出装置を長時間駆動すると、吐出口形成部材など液体吐出ヘッドを構成する部材は、液体の吸収による膨潤や熱の影響により変形し、厚みが薄い場合には特に変形が大きくなることが懸念される。液体を拭き取るワイプ動作などにより吐出口形成部材に外力がかかった場合にも、強度が低いと吐出口形成部材が割れて吐出性能が低下してしまうことが考えられる。
特許文献１には、吐出口形成部材の強度を向上して膨潤による変形を抑制するために、吐出口形成部材と基板との間に設けられ、吐出口形成部材を支持する支持部材を有する液体吐出ヘッドが開示されている。この液体吐出ヘッドは、基板を厚み方向に貫通する供給路の開口である供給口が、エネルギー発生素子を挟むように両側に設けられている。この構成により、エネルギー発生素子の両側から液体が供給されるため、高速駆動が可能になり、さらに吐出口周囲の対称性が向上して吐出する液滴の直進性が向上して記録品質の向上を実現することができる。支持部材は、隣接する供給口の間に１つずつ設けられており、支持部材の幅は、隣接する供給口の間隔に合わせて設けられている。

特開２０１３−２３３７９５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の液体吐出ヘッドでは、吐出口形成部材の厚みを薄くすると、吐出口形成部材が変形し、基板と支持部材の間の界面において生じる応力が集中しやすくなり、支持部材の剥がれが生じやすくなる場合があるという課題があった。
本発明の目的は、吐出口形成部材の外力に対する強度低下を抑制しつつ、吐出口形成部材の膨潤による支持部材の応力集中を抑制し、安定した液体吐出性能を実現することが可能な記録素子基板、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を提供することである。

本発明による記録素子基板は、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複数のエネルギー発生素子が並設された基板と、前記複数のエネルギー発生素子のそれぞれに対応する位置に吐出口が形成された吐出口形成部材と、前記基板の厚み方向に延びる流路であって、前記エネルギー発生素子に液体を供給する複数の供給路と、前記基板と前記吐出口形成部材との間に形成され、前記吐出口形成部材を支持する支持部材と、少なくとも１つの前記吐出口と連通する液室と、前記基板と前記吐出口形成部材との間に形成され、前記エネルギー発生素子が並ぶ方向に延びる前記液室の壁面を形成する壁部材と、を備え、前記複数の供給路の開口である供給口は、前記基板上で直線上に並設され、前記液室は、少なくとも１つの前記エネルギー発生素子と、少なくとも２つの前記供給口とを前記液室の内部に備え、前記支持部材は、前記基板上で隣接する前記供給口の間に、前記供給口が並ぶ方向に複数並んで設けられ、前記支持部材は、前記壁部材と連続している。
本発明による液体吐出ヘッドは、上記の記録素子基板を有する。
本発明による液体吐出装置は、上記の液体吐出ヘッドを有する。

本発明によれば、吐出口形成部材の外力に対する強度低下を抑制しつつ、吐出口形成部材の膨潤による支持部材の応力集中を抑制し、安定した液体吐出性能を実現することが可能である。

液体吐出ヘッドの構成を説明するための斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る記録素子基板の構成を示す図である。 図２の記録素子基板の詳細な構成を説明するための図である。 支持部材の数とせん断応力との関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る記録素子基板の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る記録素子基板の構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る記録素子基板の構成を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る記録素子基板の構成を示す図である。 本発明の比較例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、同一の機能を有する構成要素については同じ符号を付することにより重複説明を省略する場合がある。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る記録素子基板を適用可能な液体吐出ヘッドの構成を説明するための斜視図である。
液体吐出ヘッドは、ヘッド本体２０と、接続部材２１と、記録素子基板１００とを有する。記録素子基板１００は、基板１と、基板１上に設けられた吐出口形成部材８とを有し、吐出口形成部材８には複数の吐出口９が並設されている。記録素子基板１００は、接続部材２１を挟んでヘッド本体２０上に設けられる。液体吐出ヘッドは、インクジェット記録装置に代表される液体吐出装置に搭載されて、インクなどの液体を吐出口９から吐出する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る記録素子基板１００の構成を示す図である。
記録素子基板１００は、基板１と、吐出口形成部材８とを有しており、吐出口形成部材８には、複数の吐出口９が並設されている。この図の下側は、記録素子基板１００から吐出口形成部材８を取り外した状態を示しており、基板１上の構成が示されている。
図３は、図２の記録素子基板１００のより詳細な構成を説明するための図である。図３（ａ）は、図２の部分Ａの拡大図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のｄ−ｄ断面図である。なお、図３（ａ）では吐出口形成部材８を省略して基板１上の構成を示しているが、図３（ｂ）では吐出口形成部材８を含めた断面構成を示している。
図３（ａ）および（ｂ）に示すように基板１上には、複数のエネルギー発生素子２が直線上に並設されてエネルギー発生素子列を形成している。エネルギー発生素子２の両側には、複数の供給路４のエネルギー発生素子２が設けられる側の開口である供給口４ａが並設されている。供給路４は、基板１の厚み方向に延びる流路であり、エネルギー発生素子２に液体を供給する。複数の供給路４は、エネルギー発生素子２が並ぶ方向と略平行に供給口４ａが直線上に並ぶように設けられている。
基板１と吐出口形成部材８との間には、流路形成部材５と支持部材１０とが設けられている。基板１と吐出口形成部材８との間の空間は、流路形成部材５と支持部材１０とによって、複数の液室３に分けられている。流路形成部材５は、エネルギー発生素子２が並ぶ方向に延びる連続した壁面を形成する壁部材５ａと、隣接するエネルギー発生素子２の間を隔てる隔壁を形成する隔壁部材５ｂとを含む。液室３は、少なくとも１つのエネルギー発生素子２と、少なくとも２つの供給口４ａとを内部に備え、少なくとも１つの吐出口９と連通する空間である。図３の例では、液室３は、２つのエネルギー発生素子２と２つの供給口４ａとを内部に備え、２つの吐出口９と連通する空間である。
支持部材１０は、板状の部材であり、基板１に接して設けられている。支持部材１０は、基板１上で隣接する供給口４ａの間に設けられており、供給口４ａが並ぶ方向に複数の支持部材１０が並んでいる。この例では、隣接する供給口４ａの間の基板１上の面に２つの支持部材１０が設けられている。支持部材１０は、厚み方向を供給口４ａが並ぶ方向に向けて配置されている。支持部材１０は、基板１の面上で供給口４ａが並ぶ方向と直交する方向が支持部材１０の面内方向となり、支持部材１０が基板１と垂直となるように配置されている。図３の例では、支持部材１０は、壁部材５ａおよび隔壁部材５ｂから独立して設けられており、各部材の間には隙間が存在する。
ここで、エネルギー発生素子２が配列された第１の方向で、基板１に設けられた複数の供給口４ａを並ぶ順に第１の供給口４ａ、第２の供給口４ａ、第３の供給口４ａと称する。第１および第２の供給口４ａの間には、第１の方向に沿って並列する複数の支持部材１０が並んで設けられている。また第２および第３の供給口４ａの間には、第１および第２の供給口４ａの間に設けられた支持部材とは異なる別の支持部材が、第１の方向に沿って並列して設けられている。支持部材１０は、第１の方向と交差する第２の方向に延在する板状の部材である。
液室３は、壁部材５ａ、隔壁部材５ｂおよび支持部材１０によって隔てられた空間であり供給路４の供給口４ａを含む共通液室３ａと、隔壁部材５ｂにより隔てられた空間でありエネルギー発生素子２を内部に備える圧力室７とを含む。液室３は、共通液室３ａと圧力室７とを接続する流路６をさらに含む。なお、図３では圧力室７の流路６との接続部の幅を狭くする形状としているが、これに限らず、例えば隔壁部材５ｂを支持部材１０のようにストレート形状とすることも可能である。
図３では図示していないが、供給口４ａから圧力室７に液体が流れる経路、例えば流路６には、圧力室７へ不純物が進入するのを防ぐために、フィルタが設けられてもよい。
吐出口９の配置間隔は６００ｄｐｉであり、供給口４ａの配置間隔は吐出口９に沿って３００ｄｐｉである。供給口４ａは、吐出口９と対応する位置に設けられたエネルギー発生素子２を挟んで両側に設けられており、液体は、エネルギー発生素子２に両側から供給される。この構成により、吐出口９の周辺において、液体の流れの対称性が向上するため、吐出される液滴の直進性が向上する。したがって所望の位置に液滴を着弾させることが容易となり、記録画質の向上につながる。
供給口４ａは、本実施形態では一辺が４０μｍの正方形状であり、支持部材１０は、供給口４ａが並ぶ方向の長さが７μｍ、隣接する支持部材１０の間隔が５μｍである。供給口４ａの上方では、吐出口形成部材８と基板１との間には空間が設けられる。このため、供給口４ａの周辺に支持部材１０を設けて吐出口形成部材８を支えることが好ましい。長時間液体吐出ヘッドを駆動していると、吐出口形成部材８が膨潤によって変形することがある。この場合、支持部材１０と基板１との界面にせん断応力が生じて基板１から支持部材１０が剥がれやすくなる場合がある。

ここで図９の比較例を参照しながら、本実施形態の効果について説明する。図９（ａ）は、本発明の比較例にかかる記録素子基板９００の構成を示している。図９（ｂ）は、図９（ａ）のｐ−ｐ断面図であり、膨潤による変形を強調して示している。図９（ｃ）は、図９（ａ）のｐ−ｐ断面図であり、外力によりせん断応力が発生する箇所を示している。
比較例に係る記録素子基板９００は、支持部材１０が供給口４ａの並ぶ方向で、隣接する供給口４ａの間に１つだけ設けられている点で、本発明の第１の実施形態に係る記録素子基板１００と異なる。この場合、吐出口形成部材８が変形したとき、支持部材１０と基板１との間に、図９（ｂ）においてＱ部分に示すように、せん断応力が生じる。図９（ｃ）に示すように、吐出口形成部材８の上部から基板１に向けて外力Ｆが加わると、Ｒ部分に示す吐出口形成部材８と支持部材１０との間にせん断応力が生じる。吐出口形成部材８の厚みを薄くするほど、変形や外力Ｆの影響が大きくなる。特に、吐出口形成部材８を１１μｍ以下程度にするとその影響が大きくなる。
図４は、せん断応力と支持部材１０の構成との関係を示す図である。図４（ａ）は、図９（ｂ）の部分Ｑに示す支持部材１０と基板１との間のせん断応力を支持部材１０の厚みと数量ごとに示している。図４（ｂ）は、図９（ｃ）の部分Ｒに示す支持部材１０と吐出口形成部材８との間のせん断応力を支持部材１０の厚みと数量ごとに示している。ここで支持部材１０の厚みとは、供給口４ａが並ぶ方向における支持部材１０の長さを示すものとする。なお、ここで縦軸はせん断応力を支持部材の数量が２つで支持部材の厚みが７μｍのときの値が１となるように基準化した値（以下、せん断応力比と称する）で示している。
図４（ａ）には、隣接する供給口４ａの間に１つずつ支持部材１０を配置した構成において、支持部材１０の厚みを１９μｍから７μｍにした場合、支持部材１０と基板１との間のせん断応力が低下することが示されている。本発明の第１の実施形態のように、隣接する供給口４ａの間に、厚みが７μｍの支持部材１０を２つ配置した場合にも、厚みが７μｍの支持部材１０を１つ配置したものと同程度にせん断応力を抑制することができる。
図４（ｂ）には、隣接する供給口４ａの間に１つずつ支持部材１０を配置した構成において、支持部材１０の厚みを１９μｍから７μｍにした場合、支持部材１０と吐出口形成部材８との間のせん断応力が増大することが示されている。支持部材１０の厚みを小さくすると、供給口４ａを挟んで隣接する支持部材１０の間隔が広くなるため、支持部材１０と吐出口形成部材８との間のせん断応力が増大する。本発明の第１の実施形態のように、隣接する供給口４ａの間に厚みが７μｍの支持部材１０を２つ配置した場合、支持部材１０と吐出口形成部材８との間のせん断応力は、厚みが１９μｍの支持部材１０を１つ配置した場合よりも低下する。これは、支持部材１０の数を増やすことで、隣接する支持部材１０の間隔が狭くなるのでせん断応力が減少し、さらに、支持部材１０にかかる応力が分散されるためと考えられる。したがって、膨潤によって吐出口形成部材８が変形したり外力Ｆが加わった場合であっても、隣接する供給口４ａの間の基板上に複数の支持部材１０を配置することで、支持部材１０と基板１および吐出口形成部材８それぞれとの間の応力を低減することができる。したがって、吐出口形成部材８の変形や外力Ｆの影響を抑制することができ、この記録素子基板１００を用いた液体吐出ヘッドの液体吐出性能を安定化することが可能になる。

＜第２の実施形態＞
図５は、本発明の第２の実施形態に係る記録素子基板２００の構成を示している。図５は図３（ａ）と同様に、吐出口形成部材８を省略して基板１上の構成を示している。記録素子基板２００の全体構成は、図２に示した記録素子基板１００と同様である。以下、第１の実施形態に係る記録素子基板１００と異なる点について主に説明する。
記録素子基板２００は、支持部材１０が、エネルギー発生素子２の並ぶ方向に延びる連続した壁面を形成する壁部材５ａと連続して一体に形成されている。支持部材１０が壁部材５ａと一体化されることで、吐出口形成部材８の強度がより向上する。

＜第３の実施形態＞
図６は、本発明の第３の実施形態に係る記録素子基板３００の構成を示している。図６も図３（ａ）と同様に、吐出口形成部材８を省略して基板１上の構成を示している。記録素子基板３００の全体構成は、図２に示した記録素子基板１００と同様である。以下、記録素子基板１００と異なる点について主に説明する。
記録素子基板３００は、支持部材１０が、隣接するエネルギー発生素子２の間を隔てる隔壁を形成する隔壁部材５ｂと連続して一体に形成されている。支持部材１０が隔壁部材５ｂと一体化されることで、吐出口形成部材８の強度が向上する。

＜第４の実施形態＞
図７は、本発明の第４の実施形態に係る記録素子基板４００の構成を示している。図７も図３（ａ）と同様に、吐出口形成部材８を省略して基板１上の構成を示している。記録素子基板４００の全体構成は、図２に示した記録素子基板１００と同様である。以下、記録素子基板１００と異なる点について主に説明する。
記録素子基板４００は、支持部材１０が、壁部材５ａおよび隔壁部材５ｂの両方と連続して一体に形成されている。支持部材１０が壁部材５ａおよび隔壁部材５ｂの両方と一体化されることで、吐出口形成部材８の強度がより向上する。

＜第５の実施形態＞
図８は、本発明の第５の実施形態に係る記録素子基板５００の構成を示している。図８も図３（ａ）と同様に、吐出口形成部材８を省略して基板１上の構成を示している。記録素子基板５００の全体構成は、図２に示した記録素子基板１００と同様である。以下、記録素子基板１００と異なる点について主に説明する。
第１〜第４の実施形態の支持部材１０は、板状の部材であり、隣接する供給口４ａの間には、供給口４ａが並ぶ方向で複数の支持部材１０が配置されており、供給口４ａが並ぶ方向と交わる（図８では直交する）方向では１つの支持部材１０が配置されていた。第５の実施形態では、供給口４ａが並ぶ方向と交わる方向においても複数の支持部材１０が配置されている。具体的には、記録素子基板５００は、供給口４ａが並ぶ方向で２つ、供給口４ａが並ぶ方向と直交する方向で４つの、合計８つの柱状の支持部材１０を隣接する供給口４ａの間に有している。
この記録素子基板５００は、エネルギー発生素子２の配置間隔が６００ｄｐｉであり、エネルギー発生素子２に対応する位置に吐出口９が配置されているため、吐出口９の配置間隔も６００ｄｐｉとなる。エネルギー発生素子２を挟んで両側に、２つのエネルギー発生素子２に対して１つの供給口４ａが配置されており、供給口４ａの配置間隔は３００ｄｐｉとなる。供給口４ａの並ぶ方向において、支持部材１０の長さは７μｍであり、隣接する支持部材１０の間隔は５μｍである。供給口４ａの並ぶ方向と直交する方向においても、隣接する支持部材１０の間隔は５μｍである。
このように、隣接する供給口４ａの間に、供給口４ａが並ぶ方向および供給口４ａが並ぶ方向と交わる方向の両方に複数の柱状の支持部材１０を並設することで、隣接する供給口４ａの間で液体が流れるようになる。この構成により、共通液室３ａ内で泡が滞留することを抑制することができるため、より液体吐出性能を安定化することが可能になる。また、隣接する支持部材１０の間隔が狭くなるため、外力に対する吐出口形成部材８の強度を向上させることができる。なお、本実施例では供給口４ａの間に支持部材１０の数を８つずつとしたがこれに限られず、供給口４ａの間に少なくとも支持部材１０が２つ並列する構成であればよく、それぞれの供給口４ａ間に配置する支持部材１０の個数が異なっていてもよい。また各支持部材１０の形状も図８の構成に限られず、例えば、さらに厚みの薄い支持部材が並列する構成であってもよい。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の技術的思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
例えば、上記実施形態では、隣接する供給口４ａの間に設けられる支持部材１０の数は、供給口４ａが並ぶ方向で２つとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、３以上の支持部材１０が隣接する供給口４ａの間に設けられてもよい。さらに上記実施形態では、支持部材１０の基板１の面に平行な断面形状は矩形状としたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、支持部材１０の断面形状は、円形状、楕円形状や、矩形状以外の多角形状であってもよい。
上記各実施形態では、記録素子基板は、２つのエネルギー発生素子２に対して、エネルギー発生素子２が並ぶ素子列の両側に１つずつ供給口４ａを有するが、本発明はかかる例に限定されない。基板１上の各構成要素の配置については、様々な変形を加えることができる。
例えば、上記実施形態では、エネルギー発生素子２の両側に設けられた供給路４は、いずれも液体を圧力室７に供給するための流路であり、液体は供給路４から圧力室７に流れるものとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、エネルギー発生素子２の両側の供給路４のうち一方は、圧力室７から液体を回収する回収路として機能してもよい。この場合、液体は、供給路４の一方から圧力室７を通って他方の供給路４に回収される。このような構成により圧力室７内の液体が圧力室７の外部との間で循環される構成が可能となる。

１ 基板
２ エネルギー発生素子
３ 液室
３ａ 共通液室
４ 供給路
４ａ 供給口
５ 流路形成部材
５ａ 壁部材
５ｂ 隔壁部材
７ 圧力室
８ 吐出口形成部材
９ 吐出口
１０ 支持部材

Claims (7)

1. 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複数のエネルギー発生素子が並設された基板と、
   前記複数のエネルギー発生素子のそれぞれに対応する位置に吐出口が形成された吐出口形成部材と、
   前記基板の厚み方向に延びる流路であって、前記エネルギー発生素子に液体を供給する複数の供給路と、
   前記基板と前記吐出口形成部材との間に形成され、前記吐出口形成部材を支持する支持部材と、
   少なくとも１つの前記吐出口と連通する液室と、
   前記基板と前記吐出口形成部材との間に形成され、前記エネルギー発生素子が並ぶ方向に延びる前記液室の壁面を形成する壁部材と、を備え、
   前記複数の供給路の前記エネルギー発生素子が設けられる側の開口である供給口は、前記基板上で直線上に並設され、
   前記液室は、少なくとも１つの前記エネルギー発生素子と、少なくとも２つの前記供給口とを前記液室の内部に備え、
   前記支持部材は、前記基板上で隣接する前記供給口の間に、前記供給口が並ぶ方向に複数並んで設けられ、
   前記支持部材は、前記壁部材と連続していることを特徴とする、記録素子基板。
2. 隣接する前記エネルギー発生素子の間に設けられた隔壁部材をさらに備え、
   前記支持部材は、前記隔壁部材および前記壁部材と連続している、請求項１に記載の記録素子基板。
3. 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複数のエネルギー発生素子が並設された基板と、
   前記複数のエネルギー発生素子のそれぞれに対応する位置に吐出口が形成された吐出口形成部材と、
   前記基板の厚み方向に延びる流路であって、前記エネルギー発生素子に液体を供給する複数の供給路と、
   前記基板と前記吐出口形成部材との間に形成され、前記吐出口形成部材を支持する支持部材と、
   隣接する前記エネルギー発生素子の間に設けられた隔壁部材と、を備え、
   前記複数の供給路の前記エネルギー発生素子が設けられる側の開口である供給口は、前記基板上で直線上に並設され、
   前記支持部材は、前記基板上で隣接する前記供給口の間に、前記供給口が並ぶ方向に複数並んで設けられ、
   前記支持部材は、前記隔壁部材と連続していることを特徴とする記録素子基板。
4. 前記支持部材は、前記基板に接している、請求項１から３のいずれか１項に記載の記録素子基板。
5. 前記エネルギー発生素子を内部に備える圧力室を有し、前記圧力室の内部の液体は当該圧力室の外部との間で循環される、請求項１から４のいずれか１項に記載の記録素子基板。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の記録素子基板を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド。
7. 請求項６に記載の液体吐出ヘッドを備えることを特徴とする液体吐出装置。

Images