WO2021171981A1

WO2021171981A1 - 液体吐出ヘッド

Info

Publication number: WO2021171981A1
Application number: PCT/JP2021/004508
Authority: WO
Inventors: 康徳武居; 田川　義則
Original assignee: キヤノン株式会社
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2021-02-08
Publication date: 2021-09-02
Also published as: JP2021133647A; CN115210079A; CN115210079B; US20220388307A1

Abstract

液体を吐出する吐出口を有する液体吐出ヘッドにおいて、前記吐出口には、前記吐出口と対向する位置から見た際に、前記吐出口を複数の領域に分断する分断部材が形成されており、前記分断部材は、前記吐出口から液体が吐出される方向を下方から上方とした際に、上方に面する、第１の面と第２の面を有しており、前記第２の面は、前記第１の面よりも前記下方に位置していることを特徴とする液体吐出ヘッド。

Description

液体吐出ヘッド

　本開示は、液体吐出ヘッドに関する。

　記録媒体に液体を吐出することで記録を行う液体吐出装置に搭載される液体吐出ヘッドは、熱などのエネルギーを液体に与え、吐出口から液体を吐出する。吐出口から吐出されるこの液体は、主に、主滴（液滴の先端部から生成）と複数の副滴（吐出液体柱状部から生成）から構成される。柱状部（以下、尾引きと称する）は、液体が吐出口から吐出される過程で形成され、記録媒体に着弾するまでの飛翔中に分離して複数の微小な副滴（以下、サテライトと称する）に分離することが分かっている。尾引きの分離により発生したサテライトは、主滴と比べて体積が小さく、吐出速度も遅いため、記録媒体上に着弾した主滴に対してずれた位置に着弾することがある。したがって、サテライトが発生すると、記録品位が低下する恐れがある。

　特開２０１１－２０７２３５号公報では、吐出口の開口に、吐出口の内側に向かって突出する突起部を形成することで、サテライトの発生を抑制することができる液体吐出ヘッドが開示されている。特開２０１１－２０７２３５号公報では、サテライトの発生源となる尾引きを短くすることで、サテライトの発生を抑制している。

特開２０１１－２０７２３５号公報

　特開２０１１－２０７２３５号公報に記載の方法であっても、サテライトを抑制することはできる。但し、吐出する液体の種類や吐出の条件、液体吐出ヘッドの構造等によっては、よりサテライトが発生しにくいようにすることが求められる。

　従って、本開示は、サテライトの発生をより良好に抑制することができる液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために本開示は、液体を吐出する吐出口を有する液体吐出ヘッドにおいて、前記吐出口には、前記吐出口と対向する位置から見た際に、前記吐出口を複数の領域に分断する分断部材が形成されており、前記分断部材は、前記吐出口から液体が吐出される方向を下方から上方とした際に、上方に面する、第１の面と第２の面を有しており、前記第２の面は、前記第１の面よりも前記下方に位置していることを特徴とする。

　本開示によれば、サテライトの発生をより良好に抑制することができる液体吐出ヘッドを提供することができる。

記録素子基板を示す斜視図。記録素子基板の断面図。第１の実施形態の吐出口を示す図。第１の実施形態の吐出口を示す図。第１の実施形態の吐出口を示す図。第１の実施形態の吐出口を示す図。第１の実施形態の吐出口を示す図。第１の実施形態の吐出口を示す図。第１の実施形態における吐出の様子を示す図。第１の実施形態における吐出の様子を示す図。ミスト量の測定結果を示す図。第２の実施形態の吐出口を示す図。第２の実施形態の吐出口を示す図。第２の実施形態の吐出口を示す図。第２の実施形態の吐出口を示す図。第２の実施形態の吐出口を示す図。第２の実施形態の吐出口を示す図。他の実施形態の吐出口を示す図。他の実施形態の吐出口を示す図。他の実施形態の吐出口を示す図。他の実施形態の吐出口を示す図。他の実施形態の吐出口を示す図。他の実施形態の吐出口を示す図。他の実施形態の吐出口を示す図。他の実施形態の吐出口を示す図。他の実施形態の吐出口を示す図。第１の実施形態の液体吐出ヘッドを示す図。

　以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

　（記録素子基板）
　図１は、本実施形態の記録素子基板６を示す斜視図である。図２は、図１に示すＡ－Ａ´断面における記録素子基板６の断面図である。図１０は、本実施形態の液体吐出ヘッド２１を示す斜視図である。液体吐出ヘッド２１には、複数の記録素子基板６がＹ方向に複数配置されており、これにより、液体吐出ヘッド２１は高速記録をすることができる。液体を吐出して記録を行う記録素子基板６は、主に、基板３４、流路部材４および吐出口部材８とから構成される。流路部材４及び吐出口部材８は、基板３４上に設けられている。液体は、基板３４に形成された液体供給口３から流路部材４の液流路７に供給され、その後、吐出口２に供給される。吐出口２に供給された液体は、基板３４上に形成されたエネルギー発生素子１からエネルギーを与えられ、吐出口２から吐出される。なお、本実施形態においては、エネルギー発生素子１は電気熱変換素子（ヒータ）を示しているが、エネルギー発生素子１として圧電素子を用いてもよい。

　（第１の実施形態）
　（吐出口）
　本実施形態の吐出口について、図３を参照しながら説明する。図３Ａは、吐出口２と対向する位置から、吐出口２を見た際の吐出口近傍を示す概略図である。図３Ｂは、図３Ａに示すＢ－Ｂ´断面における断面図である。図３Ｃは、図３Ａに示す吐出口２の斜視図である。図３Ｄは、液体を吐出口２に充填した際の様子を示す図である。図３Ｅおよび図３Ｆは、本実施形態における吐出口２の変形例を示す図であって、図３Ａに示すＢ－Ｂ´断面における断面図に相当する図である。

　図３Ａに示すように、吐出口２の外縁部１２は円形であり、吐出口２には、吐出口２と対向する位置から見た際に、吐出口２を複数の領域に分断する分断部材９が形成されている。図３においては、吐出口２が４つの領域に分断されている。分断部材９は、第１の部分１１と第２の部分１３とから構成されている。吐出口２から液体が吐出される方向（正のＺ方向）を下方から上方とした際に、第１の部分１１の上方の表面（以下、第１の面と称する）１４は、吐出口部材８の表面５と略同じ高さに位置している。略同じ高さとは、実質的に同じ高さであることを言う。そのため、高さが異なる場合であっても、それが製造過程等で生じたものである場合には、ここで言う略同じ高さに該当するものとする。なお、本開示は、第１の面１４が吐出口部材８の表面５と略同じ高さに位置していることに限定されるわけではなく、第１の面１４が表面５よりも低い位置に形成されていてもよい。この場合であっても、後述する本開示の効果を得ることができる。しかしながら、第１の面１４が吐出口部材８の表面５よりも低い位置に形成されていると、良好な吐出に十分な量の液体が吐出口内に充填されない恐れがある。そのため、第１の面１４は吐出口部材８の表面５と略同じ高さに位置していることが好ましい。

　また、第２の部分１３の上方の表面（以下、第２の面と称する）１５は、第１の面１４よりも下方（負のＺ方向）に位置している。図３に示す分断部材９においては、第１の部分１１は、吐出口２の中心付近に形成されている部分であって、厚さが厚い十字型の部分のことである。第２の部分１３は、吐出口２の内壁に接して形成されている部分であって、第１の部分１１よりも厚さの薄い部分のことである。なお、図３において、第２の部分１３は、吐出口が分断された数だけ形成されている。即ち、第２の部分１３は、４つ形成されている。

　吐出口に液体が充填されるときには、図３Ｄに示すように、第１の面１４上には液体２２が付着（侵入）していない。一方、分断部材９により分断された領域には液体２２が侵入しており、また、第２の面１５上にも液体２２が付着（侵入）している。第１の面１４には、詳しくは後述する撥水処理が成されているため、第１の面１４上には液体２２が浸入せず、図３Ｄのような液体２２の充填の様子となる。

　また、図３Ｅおよび図３Ｆに示すように、第２の面１５は、吐出口部材の表面５に対して傾くように形成されていてもよい。このように形成されていても、後述する本実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。

　（吐出の様子）
　本実施形態における、吐出口からの液体の吐出の様子について、図４を参照しながら説明する。図４Ａは、本実施形態の比較例であって、図３Ａに示す吐出口に分断部材９が設けられていない場合の吐出口から液体が吐出される様子を示す図である。図４Ｂは、図３に示す本実施形態の吐出口から液体が吐出される様子を示す図である。まず、比較例における液体の吐出の様子について説明する。図４Ａの（１）は、吐出動作直前の様子を示している。エネルギー発生素子１を駆動することにより液体中に気泡を生じさせ、吐出動作を開始する（図４Ａの（２））。その後、図４Ａの（２）において、液体中に生じた気泡の大きさが最大となる。その後、気泡の消泡に伴って吐出口近傍の液体がエネルギー発生素子側へと引き込まれ始め、それに伴い、吐出された液滴の後端が伸びる（図４Ａの（４））。その後、気泡の消泡動作が終了し、吐出液滴の後端が吐出口内の液体から完全に分離する（図４Ａの（５））。その後、吐出液滴が飛翔しながら主滴１６と尾引き１７に分離し、尾引き１７が複数のサテライト１８になる（図４Ａの（６）～図４Ａの（８））。

　次に、本実施形態における液体の吐出の様子について説明する。なお、図４Ａにおける比較例と同様の挙動については説明を省略し、比較例と異なる部分についてのみ説明する。気泡の発生により吐出口２から液体が吐出し始める際、液滴の先端部１９は、分断部材９の作用により、中央部が若干凹んだような形状となる（図４Ｂの（２））。その後、液滴の後端部１０が複数に分断される（図４Ｂの（３））。ここで、液滴の後端部１０が分割される数は、分断部材９が吐出口を分断する数と同等である。即ち、図３に示す吐出口を用いた場合には、（図４Ｂの（３））において、液滴の後端部１０は４つに分断される。その後、液滴の後端部１０が複数に分割された状態のまま、吐出口から液体が分離し、尾引きが生じる（図４Ｂの（４）および（５））。このように、本実施形態では、後に尾引きとなる液滴の後端部１０が複数に分断される。このため、分割された各々の液滴の後端部１０の太さは、図４Ａに示す比較例における液滴の後端部１０と比較すると、細くなる。その後、複数に分断された尾引き１７は、一つにまとまりながら飛翔する（図４Ｂの（６）および（７））。その後、サテライト１８が生じる。しかし、発生するサテライトの量は、尾引きの長さに依る。従って、図４Ｂの（６）および（７）に示すように、本実施形態における尾引き１７の全長は短いため、本実施形態において発生するサテライトの量は、比較例において発生するサテライトの量よりも少なくなる。よって、本開示によれば、サテライトの発生を抑制することができることが分かる。なお、図３の分断部材９を用いる場合には液滴の後端部１０は４つに分断されるため、本実施形態の吐出口２から吐出される尾引き１７の太さは、概算すると、比較例における後端部１０の太さの約４分の１となる。

　（分断部材）
　発生するサテライトの量は尾引き１７の長さに依る。そして、尾引き１７の長さは、液滴の後端部１０の太さ（径）に依るところが大きい。これは、後端部１０が太いと吐出口内の液体と分離するのが遅れるため尾引き１７が長くなり、後端部１０が細いと吐出口内の液体との分離が早い段階で行われることで尾引き１７が短くなることがあるからである。したがって、本開示者は、サテライトの発生の抑制には、後端部１０を細くすることが重要であり、そのためには、後端部１０を複数に分断することが必要であると考えた。そして、本開示者が検討したところ、後端部１０を複数に分断するためには、吐出口内部を分断し、吐出口２と対向する位置から見た際に、吐出口内の液体が分割された領域を形成することが重要だということが分かった。仮に、吐出口２と対向する位置から見た際に、液体が分割された領域が形成されていない場合は、液体が一つにまとまろうとする作用が働き、吐出過程で、後端部１０が一つにまとまってしまうためである。よって、本開示においては、液体が分断された領域を形成するために、吐出口２に分断部材９を設ける。

　一方、液体を完全に分割すると、分割数に応じた複数の液滴がそれぞれ独立して吐出される。この複数の液滴は、飛翔中に一つにまとまることなく記録媒体に着弾する場合もあり、その場合には記録品位が低下してしまう。例えば、液体を４分割した場合は、独立した４つの液滴が飛翔し、それぞれが記録媒体に着弾した結果、記録品位が低下する。したがって、記録品位を低下することなくサテライトの発生を抑制するためには、尾引きを複数に分割しながらも、吐出液滴の先端部１９を一つにまとめる必要がある。そこで、本実施形態においては、分断部材９に第２の面１５を設けている。第２の面１５を設けることで、液体を第２の面上に侵入させることができ、吐出動作の前に予め液体を一つに結合しておくための領域を形成することができる。この状態で吐出口からの吐出を行えば、吐出液滴の先端部１９を一つにまとめながらも、後端部１０は分断することができる。

　また、本開示によれば、記録媒体に到達する前に速度を失い空気中を浮遊する極微小な液滴（以下、ミストと称す）の発生を抑制することもできる。図５は、吐出口から吐出される液体の吐出量が５ｐｌとなる吐出口を使用した際に発生するミスト量と、吐出量が２ｐｌとなる吐出口を使用した際に発生するミスト量と、を測定した結果を示す図である。シアン（Ｃｙａｎ）、マゼンタ（Ｍａｇｅｎｔａ）およびイエロー（Ｙｅｌｌｏｗ）のそれぞれにおけるミスト量を示している。図５から分かるように、吐出量２ｐｌの吐出口から発生するミスト量は、吐出量５ｐｌの吐出口から発生するミスト量の約５０分の１である。このように、吐出量の少ない吐出口の方が、吐出量の大きい吐出口と比較してミスト量は格段に少なくなる。本開示においては、吐出口と対向する位置から見た際に、分断部材９により吐出口を複数の領域に分断している。そして、吐出口から吐出される液体は、この分断された領域から吐出されていると捉えることもできるため、分断された領域の各々は吐出量の少ない吐出口とみなすこともできる。即ち、本開示の吐出口は、吐出量の少ない吐出口の集合体だと捉えることができる。したがって、本開示によれば、ミストの発生も抑制することができる。

　本実施形態では、第１の面１４に撥水処理を施しており、第１の面と液体（吐出口内の吐出される液体）との接触角は８０度以上であって、１００度以下である。ここで、接触角とは、部材表面での上記液体の液滴の接触角（動的後退接触角）のことである。また、撥水性とは、水滴が部材に接する際に、その接する部材上で濡れ広がらないことを意味し、部材の撥水性が高いか低いかは、その部材表面の上記液体の液滴の接触角（動的後退接触角）を測定することにより判断することができる。第１の面１４に撥水処理を施すことにより、第１の面１４上に液体が侵入することを抑制することができる。しかしながら、本開示は、第１の面１４に撥水処理が施されていなくともよく、その場合であっても上記の効果を得ることができる。即ち、第１の面上に液体が存在する状態で吐出動作を行う場合であっても、分断部材９により液滴の後端部１０が複数に分断することができる。しかしながら、第１の面１４に存在する液体の量（厚さ）によっては後端部１０が複数に分断されない場合もあるため、図３Ｄに示したように、第１の面１４上には上記液体が存在しないようにすることが好ましい。ここで、第１の面１４上に液体が存在しないようにする方法の一例として、上述したように、第１の面１４に撥水処理をすることが挙げられる。

　また、本開示は、吐出口内における液面の位置（液体がメニスカスを形成する面の位置、以下、液面位置と称す）が第２の面１５の下方であってもよい。換言すれば、第２の面上に液体が存在しなくともよい。この場合であっても、エネルギー発生素子１によりエネルギーを付与された液体は分断部材９を通過するため、吐出口２から吐出された液滴の後端部１０は複数の領域に分断され、本開示の効果が得られる。しかしながら、分断部材９の厚み等によっては、吐出された液体の先端部１９が一つにまとまることなく、複数に分断されたまま記録媒体に着弾する場合もある。このような状態になることを回避するため、図３Ｄに示したように、吐出する状態においては、第２の面１５より上方であって第１の面１４よりは下方の位置に液面位置が位置するようにすることが好ましい。

　分断部材９は、Ｚ方向における吐出口の長さを１とした場合に、吐出口部材８の表面５から少なくとも０．５までの位置に第２の面１５が位置するよう、吐出口内に形成されることが好ましい。第２の面１５がこれよりも下方に形成されていると、液体の吐出の際に、第２の面上に多量の液体が存在していることとなり、液滴の後端部１０を分断する作用が小さくなるためである。したがって、液滴の後端部１０を分断する作用を大きくするためには、Ｚ方向における吐出口の長さを１とした場合に、吐出口部材８の表面５から０．３までの位置に第２の面１５が位置するように分断部材９を形成することがより好ましい。

　また、図３Ｂに示す断面から分断部材９を見た際に、第１の部分１１と第２の部分１３がＺ方向に互いに重なる部分があることが好ましい。第１の部分１１と第２の部分１３とがＺ方向に互いに重なる部分があることで、液滴の後端部１０が分断部材９により確実に分断されるためである。さらには、図３Ｂに示す断面から分断部材９を見た際に、第１の部分１１の下面２３と第２の部分１３の下面２４が、Ｚ方向において、同じ高さに位置していることが好ましい。下面２３と下面２４が異なる高さに位置している場合には、特に、第２の面１５上に多量の液体が存在することとなり、上述したように、液体の後端部１０を分断する作用が小さくなるためである。

　（第２の実施形態）
　第２の実施形態について、図６を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同様の箇所については同一の符号を付し、説明は省略する。本実施形態は、第１の実施形態と比較して、分断部材による吐出口内の領域の分割数を変化させている。図６Ａは、分断される吐出口内の領域が２つとなっている場合の吐出口２を示す上面図である。図６Ｂは、図６Ａに示す吐出口２の斜視図である。同様に、図６Ｃおよび図６Ｄは分断される吐出口内の領域が３つ、図６Ｅおよび図６Ｆは６つの場合の吐出口をそれぞれ示した上面図と斜視図である。

　上述したように、尾引きが分割される数は、吐出口内の分割数と対応する。したがって、吐出口内の分割数を増加させると、それだけ吐出時の尾引きの分割数が増加する。すると、各々の尾引きの太さがより小さくなり、より早いタイミングで液滴が吐出口内の液体と分離し、サテライトやミストを更に抑制することができる。したがって、図６に示す吐出口の中においては、図６Ｅおよび図６Ｆに示す吐出口がサテライト、ミストの発生を抑制する効果が大きい。しかしながら、分割数が多くなることで分断部材９ｃの幅ｄが小さくなると、液体の後端部１０が分断されずに一つにまとまって吐出される恐れがある。

　また、吐出口内の領域は、分割される領域がそれぞれ等しい面積となるように等分割されているが、本開示はこれに限られない、即ち、吐出口内の領域が等分割されていなくともよい。しかしながら、分割される吐出口内の領域が等分割でない場合には、吐出口される液体の形状が非対称となり、記録品位の低下を招く恐れがある。そのため、吐出口内は、分割される領域のそれぞれの面積が等しくなるように、等分割されることが好ましい。面積が等しいとは、実質的に等しいことをいい、製造誤差等により面積が僅かに異なっている場合であっても、面積は等しいとする。

　（他の実施形態）
　他の実施形態について、図７ないし図９を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同様の箇所については同一の符号を付し、説明は省略する。図７は、第２の面１５を、吐出口の中心付近の位置に配置した図を示す。第２の面１５は、液体同士を連結するために設けられる。したがって、液体同士が連結さえすれば、第２の面１５は、図７に示すように吐出口の中心付近に形成してもよい。また吐出口の寸法、液体の物性等、吐出に影響を与える様々な要因に対して、第２の面１５の位置を変化させることで所望の効果を安定的に得られるように最適化してもよい。

　図８Ａは、吐出口部材８の表面５近傍に凹部２０を設け、その内部に吐出口２を備えた形態を示す図である。図８Ｂは、図８Ａに示すＢ－Ｂ´断面における断面図である。吐出口部材８の表面５に凹部２０を設けることで、吐出口２の外縁に傾斜を付すことや、吐出口部材の強度を保持したまま、液体の吐出方向の抵抗を軽減することなどができる。また、図８Ｃは、図８Ｂの変形例である。本実施形態では、凹部の断面形状が、図８Ｂに示すような長方形の場合でも、図８Ｃに示すように、お椀型の場合でも、どちらの形態であってもよい。

　また、図９Ａおよび図９Ｂに示すように、吐出口２の外縁部１２の形状が楕円形や四角形となっていてもよい。あるいは、図９Ｃに示すような形状であってもよい。吐出口内部を分割する分断部材が第１の面１４と第２の面１５を有していれば、本開示の効果が得られる。

　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために以下の請求項を添付する。

　本願は、２０２０年２月２８日提出の日本国特許出願特願２０２０－０３３３４８を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てをここに援用する。

Claims

　液体を吐出する吐出口を有する液体吐出ヘッドにおいて、
　前記吐出口には、前記吐出口と対向する位置から見た際に、前記吐出口を複数の領域に分断する分断部材が形成されており、
　前記分断部材は、前記吐出口から液体が吐出される方向を下方から上方とした際に、上方に面する、第１の面と第２の面を有しており、
　前記第２の面は、前記第１の面よりも前記下方に位置していることを特徴とする液体吐出ヘッド。
　前記吐出口の内部において前記液体の液面の位置は、前記第１の面よりも下方であって、前記第２の面よりも上方である請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
　前記吐出口は、吐出口部材に形成されており、
　前記第２の面は、前記吐出口部材の表面よりも下方に位置している請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
　前記第１の面と前記液体との接触角は、８０度以上であって１００度以下である請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
　前記分断部材は、前記複数の領域の数と同じ数だけ前記第２の面を有する請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
　前記分断部材により、前記吐出口は２つの領域に分断されている請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
　前記分断部材により、前記吐出口は３つの領域に分断されている請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
　前記分断部材により、前記吐出口は４つの領域に分断されている請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
　前記分断部材により、前記吐出口は６つの領域に分断されている請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
　前記第２の面は、前記吐出口の内壁に接している請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
　前記分断部材は、第１の部分と第２の部分とから構成されており、
　前記第１の面は、第１の部分の上方に面する面であり、
　前記第２の面は、第２の部分の上方に面する面であり、
　前記吐出口から液体が吐出される方向における前記第１の部分の厚さは、前記方向における前記第２の部分の厚さよりも厚い請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
　液体を吐出する吐出口と、前記吐出口から液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子と、を有する液体吐出ヘッドを用いて、前記吐出口から液体を吐出する吐出方法において、
　前記吐出口には、前記吐出口と対向する位置から見た際に、前記吐出口を複数の領域に分断する分断部材が形成されており、
　前記分断部材は、前記吐出口から液体が吐出される方向を下方から上方とした際に、上方に面する、第１の面と第２の面を有しており、
　前記第２の面は、前記第１の面よりも前記下方に位置しており、
　液体が前記第１の面よりも下方であって、前記第２の面よりも上方の位置に存在している状態で、前記エネルギー発生素子を駆動して前記吐出口から液体を吐出することを特徴とする吐出方法。
　前記吐出口から吐出された液体の後端部は、前記複数の領域の数だけ分断されている請求項１２に記載の吐出方法。
　前記分断部材により、前記吐出口は２つの領域に分断されており、
　前記吐出口から吐出された液体の後端部は、２つに分断されている請求項１２に記載の吐出方法。
　前記分断部材により、前記吐出口は３つの領域に分断されており、
　前記吐出口から吐出された液体の後端部は、３つに分断されている請求項１２に記載の吐出方法。
　前記分断部材により、前記吐出口は４つの領域に分断されており、
　前記吐出口から吐出された液体の後端部は、４つに分断されている請求項１２に記載の吐出方法。