JP2021066186A - 記録素子基板、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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、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、前記複数のエネルギー発生素子が並設されている方向である並設方向に沿う方向に隣接する前記供給口の間に、前記並設方向に複数並んで設けられることを特徴とする、記録素子基板。 - 前記支持部材は、前記基板に接している、請求項1に記載の記録素子基板。
- 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内部に備え、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、前記並設方向に延びる前記液室の壁面を形成する壁部材とをさらに備え、
前記支持部材は、前記壁部材から独立している、請求項1または2に記載の記録素子基板。 - 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、前記隔壁部材と連続している、請求項3に記載の記録素子基板。 - 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。
- 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。
- 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。
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