JP6910911B2 - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッドに関する。

インク等の液体を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、液体中の揮発成分が蒸発することで、吐出口内の液体が増粘する場合がある。特に液体の粘度の増加が顕著な場合、流体抵抗が増加して液体の吐出不良が発生する場合がある。このような液体の増粘現象に対する対策の一つとして、吐出口内に増粘していないフレッシュな液体を流す方法が知られている。前記液体を流す方法として、例えば交流電気浸透流（ＡＣＥＯ）のようなμポンプを用いた方法が挙げられる（特許文献１）。

国際公開第２０１３／１３００３９号

特許文献１では、液体の流れを発生させる電極は基板上に配置されている。この電極について、本発明者らの検討によれば、以下のような課題がある。
ＡＣＥＯ方式では電極表面近傍に液体の流れが発生するため、特許文献１に記載の電極の配置では、基板側において液体の流れが速い。このような電極配置では、吐出口内に粘度の低いフレッシュな液体を流し込む効率が低いことがある。

そこで、前記効率の向上を目的として、前記電極を流路と接する流路形成部材の表面上に配置する構成が考えられる。電極を流路形成部材の表面上に配置する場合、電極と流路形成部材との高い密着性が要求される。長期間の使用によって密着力が低下し、電極に剥がれや浮きが発生する場合があるためである。流路形成部材から電極が剥離した場合、電極が流路内に落込み、ＡＣＥＯの駆動能力が維持できなくなったり、液体の流れの障害となって液体の吐出不良が発生したりする。
本発明は、流路形成部材からの電極の剥離を抑制できる液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

本発明に係る液体吐出ヘッドは、液体を吐出するために利用されるエネルギー発生素子を備えた基板と、
前記基板と接合され、前記基板との間に液体の流路を形成するとともに、前記エネルギー発生素子と対向した部分に液体を吐出する吐出口を有した流路形成部材と、
前記流路内に前記液体の流れを生起させる電極と、
を備える液体吐出ヘッドであって、
前記電極は前記流路形成部材の前記基板と対面した天井部分に設けられているとともに、前記電極の少なくとも一部が前記流路形成部材に埋め込まれていることを特徴とする。

本発明によれば、流路形成部材からの電極の剥離が抑制された液体吐出ヘッドを提供することができる。

本発明に係る液体吐出ヘッドの一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態の一例を示す平面模式図と断面模式図である。 本発明の実施形態の一例を示す断面模式図である。 本発明の実施形態の一例を示す平面模式図と断面模式図である。 本発明の実施形態の一例を示す平面模式図と断面模式図である。 本発明の実施形態の一例を示す平面模式図である。 本発明の実施形態の一例を示す平面模式図と断面模式図である。

本発明に係る液体吐出ヘッドは、基板と、エネルギー発生素子と、流路形成部材と、電極とを備える。前記エネルギー発生素子は、前記基板上に設けられ、液体を吐出するために利用される。前記流路形成部材は、前記液体を吐出する吐出口を有し、前記基板との間に前記液体の流路を形成する。前記電極は、前記流路と接する前記流路形成部材の表面上に設けられ、前記液体の流れを発生させる。ここで、前記電極の少なくとも一部は、前記流路形成部材に内包されている。

本発明に係る液体吐出ヘッドでは、電極の少なくとも一部が流路形成部材の内部に包含されている。すなわち、電極の少なくとも一部が流路形成部材に覆われている。そのため、電極の流路形成部材に内包された部分は液体に曝されず、流路形成部材との密着性を維持することができ、長期間の使用においても流路形成部材からの電極の剥離を抑制することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドについて説明する。以下の各実施形態では、本発明の一実施形態である液体としてインクを吐出するインクジェット記録ヘッドについて具体的な構成を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明に係る液体吐出ヘッドは、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に適用可能である。例えば、バイオチップ作製や電子回路印刷などの用途としても用いることができる。また、以下に述べる実施形態は本発明の適切な具体例であるため、技術的に好ましい様々な限定が付与されている。しかしながら、本発明の思想に沿うものであれば、本実施形態は本明細書の実施形態やその他の具体的な方法に限定されるものではない。

（第一の実施形態）
図１は本発明の一実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す斜視図である。基板１上に流路形成部材４が接合されており、流路形成部材４には複数の吐出口２が配置されている。吐出口２は複数配列して吐出口列３を形成している。流路形成部材４は、その形成において寸法自由度が向上する観点から、エポキシ樹脂等の有機材料を含むことができる。

図２（Ａ）は、本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す平面模式図である。図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ−Ａ’における断面模式図である。図２（Ｃ）は図２（Ａ）のＢ−Ｂ’における断面模式図である。図２（Ｄ）は図２（Ｂ）におけるインクの流速分布を示した模式図である。

図２に示されるように、基板１は、インクを吐出するエネルギーを発生するエネルギー発生素子５を有する。図２ではエネルギー発生素子５は基板１に埋まるように模式的に示されているが、これに限られない。例えばシリコンで形成された基板１上にＴａＳｉＮで形成されたエネルギー発生素子５があり、エネルギー発生素子５の上にＳｉＮからなる絶縁層やＴａからなる保護膜が設けられている構成とすることができる。また、基板１には、基板１の一方の面から他方の面へ貫通したインクの供給口７が設けられている。基板１上には、エネルギー発生素子５に対向する位置に設けられたインクを吐出する吐出口２を有し、基板１との間でインクの流路６を形成する流路形成部材４が設けられている。供給口７から流路６内へ供給されたインクは、エネルギー発生素子５によりエネルギーが付与され、吐出口２から記録媒体等の被記録体へ吐出される。

基板１に対向し、流路６と接する流路形成部材４の表面上には、交流電気浸透流により矢印で示す流れ方向８へのインクの流れを発生させる複数の電極９が配置されている。複数の電極９は第一の電極と第二の電極とを含み、一方の電極がＡＣ電源の＋端子、他方の電極が−端子にそれぞれ繋がっている。交流電気浸透流によりインクを流す場合、図２（Ｄ）に示されるように流路６内のインクの流速分布は、流路形成部材４の表面上で流速が大きく、基板１の表面に近づくにつれて流速が０に漸近する分布を示す。したがって、電極９を基板１上に配置する構成と比較して、電極９を流路形成部材４上に配置する構成の方が、粘度の低いフレッシュなインクを効率的に吐出口２内へ流れ込むことができる。

電極９を流路形成部材４上に配置する場合、前述したように、インクへの長期暴露により電極９と流路形成部材４との密着力が低下し、流路形成部材４から電極９が剥離する場合がある。しかしながら、図２（Ｃ）に示されるように、本実施形態では電極９の一部が流路形成部材４に内包されているため、電極９の流路形成部材４に内包された部分はインクに曝されず、流路形成部材４との密着性を維持することができる。これにより、流路形成部材４からの電極９の剥離を抑制することができる。

インク（液体）の吐出方向から見た場合、電極９の全体の面積に対する、流路形成部材４に内包された電極９の部分の面積の割合は、０．５％以上３０％以下であることが好ましい。なお、インクの吐出方向とは、図２（Ａ）の方向であり、基板１の表面と対向する側から基板１の表面に向かう方向である。また、電極９の少なくとも一部が流路形成部材４の側壁部に内包されていることが好ましい。

特に、本実施形態では、図２（Ａ）及び（Ｃ）に示されるように、電極９が、流路６内でのインクの流れ方向８（以下、流れ方向８とも示す）に対して垂直な方向において、流路６を橋渡すように設けられている。すなわち、流路６の流れ方向８に対して垂直な方向全体に渡るように電極９が設けられている。また、流れ方向８に対して垂直な方向における電極９の両端部が流路形成部材４に内包されている。このため、電極９と流路形成部材４との界面における密着力が低下しても、電極９の両端がインクに直接接触せずに流路形成部材４内で固定されているため、電極９が剥がれ落ちることがない。また、仮に電極９に多少の浮きが発生したとしても、電気浸透流ポンプとしての電極機能は消失せず、また流路内の閉塞によりインクの吐出が不能となることを避けることができる。

なお、本実施形態では、基板１に対向し、流路６と接する流路形成部材４の表面上に、すなわち流路６の天井領域に電極９が配置されているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、流路６の側壁領域に電極９が配置されていてもよい。電極９を配置する位置は、発生させる流れの向きや強さを考慮して適宜選択することができる。しかしながら、吐出口２内へより効率的に粘度の低いフレッシュなインクを流し込む観点から、基板１に対向し、流路６と接する流路形成部材４の表面上に、すなわち流路６の天井領域に電極９が配置されていることが好ましい。

（第二の実施形態）
図３（Ａ）は、本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す断面模式図である。本実施形態では、電極９の、流路６内でのインクの流れ方向における両端部が、流路形成部材４に内包されている。すなわち、電極９が流路形成部材４に埋め込まれるように設置されている。電極９の側面が流路形成部材４で保持されるため、電極９の浮きや剥れを十分に抑制することができる。

ここで、電極９の、基板１に対して略水平な面における断面積は、流路形成部材４と接触する面から流路６と接する面へ向けて小さくなることが好ましい。例えば、図３（Ａ）にて丸印で囲まれた領域Ｃの拡大図である図３（Ｂ）に示されるように、電極９の断面がテーパー形状を有し、流路形成部材４と接触する面から流路６と接する面へ向けてすぼまる形状であることができる。また、図３（Ｃ）に示されるように、電極９の断面が階段状の形状を有し、流路形成部材４と接触する面から流路６と接する面へ向けて多段階的に幅が狭くなる形状であることができる。電極９の断面形状をこのようにすることで、仮に流路形成部材４と電極９との界面における密着力が低下しても、流路形成部材４が物理的に電極９を支持することが可能となり、電極９の剥離をより抑制することができる。なお、基板１に対して略水平な面とは、基板１の表面に対して±５°の範囲内で水平な面を示す。

また、電極９の、流路６内でのインクの流れ方向における両端部が、流路形成部材４に内包されるように折り曲げられていることが好ましい。例えば、図３（Ｄ）に示されるように、電極９は、インクに接する第一の電極領域１０と、電極９が折り曲げられていることによってインクに接しない第二の電極領域１１とを有することができる。図３（Ｄ）に示されるように、電極９は、第二の電極領域１１の少なくとも一部において、基板１に対して略水平に配置されることが好ましい。電極９の断面形状をこのようにすることで、仮に流路形成部材４と電極９との界面における密着力が低下しても、流路形成部材４が物理的に電極９を支持することが可能となり、電極９の剥離をより抑制することができる。

（第三の実施形態）
図４（Ａ）は、本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す平面模式図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＡ−Ａ’における断面図である。本実施形態では、電極９が、基板１の供給口７に対向する流路形成部材４の表面上に設けられている。基板１上に電極９を配置する構成においては、供給口７とエネルギー発生素子５との間に電極９を配置する必要があったため、電極９の配置領域が制限され、電極９の本数を増加させることが困難であった。一方、本実施形態に係る構成では、流路６と接する流路形成部材４の表面上に電極９が配置され、かつ、供給口７に対向する位置に電極９が配置されている。このため、供給口７により電極９の配置領域が制限されず、チップサイズを変更することなく電極９の本数を増加させることができ、電気浸透流ポンプ能力を強化することができる。

なお、図４に示される構成では、電極９が、流路６内でのインクの流れ方向に対して垂直な方向において、流路６を橋渡すように設けられているため、供給口７と、供給口７に隣接する供給口（図示せず）との間に、流路形成部材４の壁が設置されている。図４においては、１つの供給口７に対してその両側に流路形成部材４の壁が設置されているが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、複数個の供給口７ごとに該壁を設置してもよい。該壁の設置は、電極９の配線の引回しや、液体リフィル性能等の観点から適宜決定することができる。

（第四の実施形態）
図５（Ａ）は、本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す平面模式図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＡ−Ａ’における断面図である。図５（Ｃ）は、図５（Ａ）のＢ−Ｂ’における断面図である。本実施形態では、第三の実施形態と同様に電極９が供給口７に対向する流路形成部材４の表面上に設けられている。また、第二の実施形態である図３（Ｄ）に示されるように、電極９が、インクに接する第一の電極領域１０と、電極９が折り曲げられていることによってインクに接しない第二の電極領域１１とを有する。本実施形態では第三の実施形態と比較して、供給口７と対向する位置において、電極９を、流路６内でのインクの流れ方向に対して垂直な方向において、流路６を橋渡すように設ける場合にも、供給口７の間に流路形成部材４の壁を設置する必要がない。図５（Ｃ）に示されるように、第二の電極領域１１によって電極９は流路形成部材４に保持されるためである。これにより、電極９の配線の引回しや、液体リフィル性能等を考慮する必要なく、所望の位置に電極９を配置することが可能となる。

（第五の実施形態）
図６（Ａ）及び（Ｂ）は、本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す平面模式図である。本実施形態では、電極９が、隣接する複数の流路６を橋渡すように設けられている。すなわち、電極９が、隣接する複数の流路６の流れ方向８に対して垂直な方向全体に渡るように連続して設けられている。前述したように、電極９は第一の電極９ａと第二の電極９ｂとを含み、一方の電極がＡＣ電源の＋端子、他方の電極が−端子にそれぞれ接続されている。吐出口列の各吐出口２に対応する流路６全てに電極９を配置するためには、隣接する吐出口２の間に設けられた流路形成部材４の壁内に＋端子又は−端子に接続された配線１２を設け、配線１２から両側の流路６に向かって電極９を引出す構成とすればよい。例えば、第一の電極９ａに接続された第一の配線１２aと、第二の電極９ｂに接続された第二の配線１２ｂとを交互に配置してもよいし（図６（Ａ））、これらの配線を複数個飛びに配置してもよい（図６（Ｂ））。配線１２を複数個飛びに配置する場合は、電極９が流路形成部材４の壁を貫通して複数の流路６の天井を橋渡しする構成となる。本実施形態に係る構成では、剥がれの起点となる電極９の先端部の数を低減できるため、流路形成部材４からの電極９の剥離をより抑制することができ、インクジェット記録ヘッドの信頼性がより向上する。電極９を橋渡す流路６の数は、電力供給性能等を考慮して適宜選択することができる。

（第六の実施形態）
図７（Ａ）は、図６（Ａ）に示されるインクジェット記録ヘッドにおいて、隣接する吐出口２の間に設けられた流路形成部材４の壁と、該壁内に配置される第一の電極９ａ、第二の電極９ｂ及び第一の配線１２ａを抜粋した平面模式図である。図７（Ｂ）及び（Ｃ）は、本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す平面模式図であり、図７（Ａ）同様に流路形成部材４の壁と、該壁内に配置される第一の電極９ａ、第二の電極９ｂ及び第二の配線１２ｂを抜粋した図である。図７（Ｄ）は、図７（Ｃ）のＢ−Ｂ’における断面模式図である。

図７（Ａ）において、第二の電極９ｂの先端部は流路形成部材４に内包されている。第二の電極９ｂの先端部は、流路６内でのインクの流れ方向に対して垂直な方向において、流路形成部材４内に１μｍ以上内包されていることが、第二の電極９ｂの先端部が流路形成部材４から剥がれ落ちることを十分に抑制できるため好ましい。第一の電極９ａが流路形成部材４内に内包されている場合も同様である。また、第一の電極９ａと第二の電極９ｂとは導通してはならないため、両者の間にスペースが必要である。第一の電極９ａと第二の電極９ｂとは２μｍ以上離して配置されていることが好ましい。流路形成部材４の壁の幅Ｌは、各電極９の先端部と流路形成部材４の壁との重なり領域、各電極９間のスペース、及び配線１２の幅等を考慮して適宜選択することができる。しかしながら、流路形成部材４の壁の幅Ｌの増大は吐出口２の間隔を広げるため、吐出口２の高密度化の観点から、流路形成部材４の壁の幅Ｌを低減させることが好ましい。

流路形成部材４の壁の幅Ｌを低減させる構成として、例えば、図７（Ｂ）に示される構成が挙げられる。該構成では、電極９が複数の第一の電極９ａと、複数の第二の電極９ｂとを有し、第一の電極９ａが流路形成部材４に内包される位置と、第二の電極９ｂが流路形成部材内の第二の配線１２ｂから流路６へ引き出される位置とが直線上に配置されている。各電極９の配線１２からの引出位置と、流路形成部材４に内包される各電極９の先端位置とが同一の直線上に配置されているため、図７（Ａ）に示される構成と比較して、電極９と流路形成部材４の壁との重なり領域や、電極９間のスペースを低減できる。そのため、流路形成部材４の壁の幅Ｌを低減させることができる。また、図７（Ｂ）に示されるように各電極９の角を面取りすることが、配線１２の幅を維持しながら各電極９を前記構成のように配置できるため好ましい。

また、流路形成部材４の壁の幅Ｌを低減させる他の構成として、図７（Ｃ）及び（Ｄ）に示される構成が挙げられる。該構成では、図７（Ｃ）に示されるように、流路形成部材４内において、電極９（第二の電極９ｂ）同士がインクの吐出方向から見て重なるように配置されている。また、図７（Ｄ）に示されるように、電極９（第二の電極９ｂ）同士は離間している。第二の電極９ｂ同士が、高さ方向において流路形成部材４を挟んで離間しつつ、インクの吐出方向から見て重なっているため、図７（Ａ）に示される構成と比較して、流路形成部材４の壁の幅Ｌを低減させることができる。例えば、図７（Ｄ）に示されるように、第四の実施形態のように電極９の一部を折り曲げることにより、電極同士が、高さ方向において流路形成部材４を挟んで離間しつつ、インクの吐出方向から見て重なるように配置することができる。

１ 基板
２ 吐出口
４ 流路形成部材
５ エネルギー発生素子
６ 流路
９ 電極

Claims (14)

1. 液体を吐出するために利用されるエネルギー発生素子を備えた基板と、
   前記基板と接合され、前記基板との間に液体の流路を形成するとともに、前記エネルギー発生素子と対向した部分に液体を吐出する吐出口を有した流路形成部材と、
   前記流路内に前記液体の流れを生起させる電極と、
   を備える液体吐出ヘッドであって、
   前記電極は前記流路形成部材の前記基板と対面した天井部分に設けられているとともに、前記電極の少なくとも一部が前記流路形成部材に埋め込まれていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記電極が、前記流路内での前記液体の流れ方向に対して垂直な方向において、前記流路を橋渡すように設けられている請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記電極の、前記流路内での前記液体の流れ方向に対して垂直な方向における両端部が、前記流路形成部材に埋め込まれている請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記電極の、前記流路内での前記液体の流れ方向における両端部が、前記流路形成部材に埋め込まれている請求項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. 前記電極の、前記基板に対して略水平な面における断面積が、前記流路形成部材と接触する面から前記流路と接する面へ向けて小さくなる請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記電極の、前記流路内での前記液体の流れ方向における両端部が、前記流路形成部材に埋め込まれるように折り曲げられている請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記基板には前記流路に前記液体を導入する第１開口と、前記エネルギー発生素子と前記吐出口との間で規定される圧力室を経由して前記流路から前記液体を排出する第２開口と、を備え、
   前記電極は、前記第１開口及び前記第２開口に対向する前記流路形成部材の天井部分及び前記第１開口と前記第２開口との間の流路領域の前記流路形成部材の天井部分に設けられている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記電極が、隣接する複数の前記流路を橋渡すように設けられている請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記電極が複数の第一の電極と、複数の第二の電極とを有し、
   前記第一の電極が前記流路形成部材に埋め込まれた位置と、前記第二の電極が前記流路形成部材内の配線から前記流路へ引き出される位置とが直線上に配置されている請求項１ないし８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記液体吐出ヘッドの隣接した２つの流路に関して、
    一方の流路を構成する流路形成部材には、前記液体の流れ方向に対して垂直な方向における両端部が、前記流路形成部材に埋め込まれるように折り曲げられて構成される折り曲げ電極が配されており、
    他方の流路を構成する流路形成部材には、前記液体の流れ方向に対して垂直な方向における一端が、前記流路形成部材に埋め込まれた平坦電極が配されており、
    前記液体吐出ヘッドの平面的視野では前記折り曲げ電極と前記平坦電極とは互いに埋め込まれた部分が重なるように配置されるとともに、断面的視野では前記重なり部分が高さ方向に離間している請求項１から８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記流路形成部材が有機材料を含む請求項１から１０のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
12. 前記液体の吐出方向から見たときの、前記電極の全体の面積に対する、前記流路形成部材に埋め込まれた前記電極の部分の面積の割合が、０．５％以上３０％以下である請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
13. 前記基板には前記流路に前記液体を導入する第１開口と、前記エネルギー発生素子と前記吐出口との間で規定される圧力室を経由して前記流路から前記液体を排出する第２開口と、を備え、
    前記電極は、前記第１開口と前記第２開口との間の流路領域であって、前記流路形成部材の天井部分に設けられている請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
14. 前記基板には前記流路に前記液体を導入する第１開口と、前記エネルギー発生素子と前記吐出口との間で規定される圧力室を経由して前記流路から前記液体を排出する第２開口と、を備え、前記液体は前記圧力室内と、前記圧力室の外部との間で循環される請求項１から１３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

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