JP2023178609A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 単位時間当たりのインク流量が多いような記録をする場合であっても、吐出口でのメニスカス振動を安定的に抑制可能な液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】 液体を吐出するための吐出口と、前記吐出口に液体を供給するための流路と、を有する流路部材、及び、前記流路と接続部で接続し、かつ、前記流路に液体を供給するための供給路と、前記吐出口から液体を吐出するように構成されたエネルギー発生素子と、を有する記録素子基板、を備えた液体吐出ヘッドにおいて、前記流路部材はさらに、前記流路部材の前記接続部と対向する位置に、前記流路部材に設けられた凹部の一部が覆い部で覆われた空間を有し、前記空間は、前記流路と連通する開口を有する。【選択図】 図８

Description

本発明は、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に関する。

液体吐出装置としてのインクジェットプリンターは、インク等の液体を吐出する液体吐出ヘッドを備える。液体吐出ヘッドは、液体を吐出させるための吐出エネルギーを発生させるエネルギー発生素子を有する。液体吐出ヘッドから吐出された液滴が、被記録材に着弾することで、記録が行われる。

インクジェットプリンターでは、液体の振動が、吐出口におけるメニスカスを振動させる。特に、複数のノズルが高密度に配列され、単位時間当たりの液体流量が多い液体吐出ヘッドにおいては、このメニスカス振動が生じやすい。例えば、複数の吐出口からの液体吐出が一気に停止された場合、液体が前方へ移動しようとする慣性力が大きくなり、この慣性力によりノズル内の液体が押し出され、吐出口においてメニスカスが飛び出した状態になる可能性がある。一方、液体供給源である液体タンクは、一般的に供給口から液体垂れが生じないようにするため、負圧力を維持させる構成になっている。このことから、液体タンクから供給される液体には上流側（液体タンク側）へ引き戻そうとする力が作用する。このため、上述したように吐出口でメニスカスが飛び出した状態の液体は、その後、反対側に後退しようとする。

このように、吐出停止後は、吐出口においてメニスカスが前方に飛び出したり後方へ後退したりするメニスカス振動が誘発される。このような振動は単位時間当たりのインク流量が増えるほど大きくなる。メニスカス位置が前方に飛び出した状態や後方に後退した状態で次の吐出が行われると、前者では小さな液滴が飛び散り、後者では吐出速度や吐出量が小さくなり、いずれの場合も吐出乱れなどの印字不良が生じてしまう。

上述の課題に対し、特許文献１には、液体吐出ヘッドの共通液室内の吐出口と反対側の面やインク流路途中に、気泡を収容させるバッファ室を設けることで、吐出口でのメニスカス振動を減衰させる技術が開示されている。

また、特許文献２には、液体吐出ヘッドのノズル最外列部に吐出口を有さないダミー流路を設け、ここに気泡が残ることで、ダミー流路がバッファとして働き、メニスカス振動を減衰させる技術が開示されている。

特開２００６－２４０１５０号公報 特開２００２－１６６５５３号公報

特許文献１に記載の液体吐出ヘッドでは、吐出口からバッファ室までの距離が遠いため、十分なメニスカス振動抑制効果が得られない懸念がある。一方で、特許文献２に記載の液体吐出ヘッドでは、バッファとしてのダミー流路から吐出口までの距離は近いため、通常のインク流量での記録の際には十分なメニスカス振動抑制効果が得られる。しかしながら、単位時間当たりのインク流量が多いような記録をする際には、ダミー流路内の気泡がインクに流されて吐出口に到達してしまい、この気泡によるインク吐出性能の低下が生じる場合がある。

したがって、上記課題を解決する本発明の目的は、単位時間当たりのインク流量が多いような記録をする場合であっても、吐出口でのメニスカス振動を安定的に抑制可能な液体吐出ヘッドを提供することである。

上記課題を解決するために本発明は、液体を吐出するための吐出口と、前記吐出口に液体を供給するための流路と、を有する流路部材、及び、前記流路と接続部で接続し、かつ、前記流路に液体を供給するための供給路と、前記吐出口から液体を吐出するように構成されたエネルギー発生素子と、を有する記録素子基板、を備えた液体吐出ヘッドにおいて、前記流路部材はさらに、前記流路部材の前記接続部と対向する位置に、前記流路部材に設けられた凹部の一部が覆い部で覆われた空間を有し、前記空間は、前記流路と連通する開口を有することを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。

本発明によれば、単位時間当たりのインク流量が多いような記録をする場合であっても、吐出口でのメニスカス振動を安定的に抑制可能な液体吐出ヘッドが提供される。

本発明の記録装置の一例を示す概略図である。 本発明の液体吐出ヘッドの一例を示す斜視図である。 本発明の液体吐出ヘッドの一例を示す分解図である。 本発明の液体吐出ヘッドの内部構造の一例を示す図である。 本発明の記録素子の一例を示す分解図である。 本発明の記録素子の一例を示す断面図である。 本発明の記録素子の一例を示す断面図である。 本発明の記録素子の一例を示す断面図である。 本発明の記録素子における気泡の挙動を示す図である。 比較例の記録素子の一例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る記録素子の断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る記録素子の断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る記録素子の断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。また、以下の実施形態は、液体としてインクを吐出する液体吐出ヘッド、及び、液体吐出装置としてのインクジェット記録装置について説明する。

（記録装置及び液体吐出ヘッドの概要説明）
図１は、本発明の実施形態に係る記録装置を示す模式図である。液体吐出装置としての記録装置１にはガイドレール２が配置されており、そのガイドレール２には、記録媒体上を走査可能なようにキャリッジ３が配置されている。キャリッジ３上には、液体を吐出して印字（記録）をするための液体吐出ヘッド５が搭載されている。なお、本発明の記録装置は、キャリッジを走査させずに、記録媒体を移動させながら液体吐出ヘッドから液体を吐出するように構成された記録装置であってもよい。

液体吐出ヘッド５へは、インク供給チューブ４を介してインク供給源６からインクが供給される。液体吐出ヘッド５は、多数のノズルを有し、ヒータや圧電素子等のエネルギー発生素子が駆動することでインクが吐出される。インク供給源６は、インクの種類ごとに独立したインク貯蔵室７を有し、ここではブラック、イエロー、マゼンタ、シアンの４色のインクを有する。各インク貯蔵室７は、外部と接続する接続口を有し、インクボトル等に入ったインクを外部から直接供給可能に構成される。また、インク供給チューブ４は、インクの種類ごとに独立したチューブにより、インク供給源６（インク貯蔵室７）と液体吐出ヘッド５とを接続する。

インク供給源６は、交換式のインクタンクやインクカートリッジであってもよい。また、インク供給源６は、キャリッジ３上に配置された構成であってもよいし、液体吐出ヘッド５とインク供給源６が一体となった構成であってもよい。

図２は液体吐出ヘッドの概略図であり、図３は液体吐出ヘッドの分解斜視図である。図３に示すように、液体吐出ヘッド５は、サブタンクユニット１０と、ヘッド本体部１２と、記録素子ユニット１４と、を備える。ヘッド本体部１２とサブタンクユニット１０は、第１弾性部材１１を挟持しながらビス止めされることで、固定及びシールされる。また、ヘッド本体部１０と記録素子ユニット１４は、第２弾性部材１３を挟持しながらビス止めすることで、固定及びシールされて、インク流路が接続される。また、記録素子ユニット１４は、記録素子３０と、支持部材３１と、電気基板３２と、電気配線基板３３とを備える。

次に、インク供給経路について説明する。図４は、本発明の液体吐出ヘッドの内部構造の一例を示す図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）中のＡ－Ａにおける液体吐出ヘッドの断面図である。液体吐出ヘッド５は、供給チューブ４によって接続されたインク供給源６（図１参照）から、ジョイント部２０を通じて、サブタンクユニット１０内のインク室２１にインクを供給される。インク室２１に供給されたインクは、ヘッド本体部１２のフィルター２２を通過し、第１内部流路２３を通じて記録素子ユニット１４へ供給される。記録素子ユニット１４の供給口２４および第２内部流路２５は、支持部材３１によって形成されており、本実施形態において第２内部流路２５は、記録素子３０に向かって広がった形状となっている。

次に、記録素子３０の構造について説明する。図５は、記録素子３０の構成を示す分解図である。記録素子３０は、シリコン基板からなる記録素子基板４０と、記録素子基板４０上にフォトリソグラフィー技術によって形成される流路部材４１によって形成される。また、流路部材４１は、流路形成部材４２と、流路形成部材４２と記録素子基板４０との密着性を向上させる密着向上部材４３とを有する。

ここで、記録素子３０の製造工程について説明するが、あくまで一例であり、本件は必ずしもこの工程に限定されるものではない。まず、記録素子基板４０上に、密着向上部材４３の層を形成する。その後、露光機とフォトマスクによって前述の層をパターニングし、所望の形状の開口が形成された密着向上部材４３とする。この形成方法の一例としては、密着向上部材４３に感光材料を用いて、露光機とフォトマスクによって任意の形状にパターニングする方法が挙げられる。露光機からの光が照射された部分のみ硬化し、フォトマスクによって影になった部分が未硬化状態のまま残るため、光照射後に未硬化部分を洗い流すことで所望の形状形成が可能である。密着向上部材に用いる材料としては、光が照射されなかった部分のみ硬化する性質のものを用いてもよい。

続いて、密着向上部材４３の上に流路型材（不図示）を形成する。その上に流路形成部材４２を形成し、露光機とフォトマスクによって吐出口５２を形成する。その後、記録素子基板４０に供給路５０を形成する。次に、薬剤等により流路型材を除去することで、流路部材４１が形成される。

（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態を説明する。

図６は、第１の実施形態における、図５中のＢ－Ｂ、及び、図７中のＢ’－Ｂ’に対応する記録素子３０の断面図を示す。なお、以降の説明において深さは液体吐出方向と同じ向きにおける長さを示す。記録素子基板４０は、供給路５０と、複数のエネルギー発生素子５１とを有する。エネルギー発生素子５１は、本実施形態では電気熱変換素子であるが、ピエゾ素子等、他の圧力発生手段であってもよい。流路形成部材４２は、複数の吐出口５２と、各吐出口に対応する流路５３とを有し、吐出口５２の位置はエネルギー発生素子５１の位置に対応している。本実施形態において、複数のエネルギー発生素子５１は千鳥配列しており、片側６００ｄｐｉ、両側１２００ｄｐｉの密度で配置されている。インクは、供給路５０から流路５３へと供給され、エネルギー発生素子５１の駆動によって吐出口５２より外部へ吐出される。流路形成部材４２はさらに、前記吐出口と同じ側であって、記録素子基板４０の供給路５０と流路５３との接続部４４に対向する位置に、供給路５０の長手方向に延伸したリブ５４を有する。なお、図８中に、接続部４４は点線で示した。本実施形態では、リブ５４は幅６０μｍ、深さ１６μｍである。なお、リブ５４中に点線で示したものは、後述する空間５５である。

図７は、図６中のＣ－Ｃに対応する記録素子３０の断面図を、図８は、図７中のＤ－Ｄに対応する記録素子３０の断面図を示す。なお、密着向上部材４３は、リブ５４上に配置されたもののみ図示した。供給路５０の長手方向に延伸したリブ５４には、空間５５が複数設けられている。空間５５は、記録素子基板４０中のリブ５４に設けられた凹部の一部を密着向上部材４３の覆い部５７により覆うことで形成され、流路５３と連通する開口５６を有する。空間５５は、記録素子基板４０と平行な平面方向、すなわち、液体吐出方向と実質的に直交する平面方向に延びている。液体吐出ヘッドにインクが供給されても、空間５５には気体が残留して気泡５８が収容されることとなり、吐出口５２でのメニスカス振動を減衰させる機能（以降、バッファ機能ともいう）を発揮する。本発明の構成では、従来の構成よりも、吐出口５２の近傍にバッファ機能を持たせているため、より大きなバッファ機能を期待することができる。また、上述のように本発明では、新たな部材等を用いることなく、既存の部材と製造工程のみで、バッファとして機能する空間５５の形成が可能である。

本実施形態において、空間５５は、流路部材４１の長手方向に１列に並んで、４つの吐出口毎に１つずつ、均等な間隔で配置されている。また、空間５５の幅は１５μｍ、長手方向の長さが７５μｍであり、開口５６の長手方向の長さは３０μｍ、覆い部５７の長手方向の長さは４５μｍとなっている。開口５６の長手方向の長さは、空間５５の液体吐出方向の深さのおよそ２倍の大きさであることが好ましい。これは、薬剤による流路型材除去の際、流路型材を確実に除去するため、開口が２倍程度のアスペクト比をとることで、流路型材の残存を防ぐためである。型材は流路部材４１中に残存すると、流路部材４１形成後の硬化工程中の熱により膨張し、流路部材４１にクラックが入る等の製造不良を引き起こす恐れがある。

本発明の構成において、空間５５は、供給路５０と流路５３との接続箇所に対応する箇所に位置する。これは、供給路５０から流路５３へのインク流路に該当しない位置である。このため、液体吐出ヘッド５にインクを充填する場合や、印字不良の改善のため吐出口側からインクを吸引する回復動作を行った場合においても、空間５５内に気泡５８が維持される。この気泡５８が、液体を吐出する際の液体振動を吸収するバッファの役割を果たし、メニスカス振動が発生しても、印字品位の悪化を防ぐことが可能となる。

図９に、空間５５における気泡５８の挙動を示す。空間５５において、開口５６は液体吐出方向と反対方向に開口しており、かつ、空間５５の上方には供給路５０が接続されている。これにより、温度変化等によって気泡５８が成長した場合（図９（ｂ））も、開口５６から排出された空気は流路上流へ排出される（図９（ｃ））。そのため、印字時に、気泡が吐出口のほうへ流動して印字不良を招くといった懸念がない。

また、図７に示した本実施形態では、４つの吐出口毎に空間５５を１つ配置されていることにより、全吐出口がバッファ機能を均等に得られる。空間５５の配置間隔をより小さくしてもよく、この場合、各吐出口５２とバッファ（開口５６）との距離が近くなるが、それぞれの空間５５における気泡５８の体積は小さくなり、個々の空間５５におけるバッファ効果は弱くなる。また、空間５５の構造は、開口が空間５５の中央に位置する構造であってもよい。ただし、泡が放出されやすくなり、また、振動の吸収には泡の体積が大きいことが好ましいため、図８のように覆い部５７が空間５５の一方に寄った構造であることが好ましい。

ここで、比較例として、１つの空間５５が開口５６を複数有する場合の記録素子３０の断面図を図１０に示す。図１０（ａ）は、図５中のＣ－Ｃに対応する記録素子３０の断面図であり、図１０（ｂ）は、図１０中のＥ－Ｅに対応する記録素子３０の断面図である。ここで、図１０（ａ）は図７に、図１０（ｂ）は図８に対応する。図１０（ａ）において、密着向上部材４３は、リブ５４上に配置されたもののみ図示した。図１０に示すように、空間５５が開口を複数有する構造であっても、密着向上部材４３（覆い部５７）と流路形成部材４２とに挟まれて存在する気泡は、バッファとして機能する。しかし、開口５６が複数存在するために気泡の保持性能が低く、気泡が抜けることでバッファ機能は消失してしまう。これに対して、本発明では、空間５５は１つのみ開口５６を有する構成とすることで、バッファ機能を持続的に得ることができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態と共通する部分については、説明を省略する。

図１１に第２の実施形態に係る記録素子３０の断面図を示す。図１１（ａ）は、図５中のＣ－Ｃに対応する記録素子３０の断面図であり、図１１（ｂ）は、図１１中のＦ－Ｆに対応する記録素子３０の断面図である。図１１（ａ）において、密着向上部材４３は、リブ５４上に配置されたもののみ図示した。図４（ｂ）に示すように、本実施形態において記録素子ユニット１４の第２内部流路２５は、供給口２４から記録素子３０に向かって広がった形状となっている。この場合、記録素子３０中の供給口２４から離れて位置する吐出口５２ほど、印字開始時の一時的なインク供給不足が顕著になる。この課題の解決のため、本実施形態においては、インク供給口２４から遠い端部において、覆い部５７が他と比べて長い空間５５を設ける。これにより、端部の空間５５では、より大きな気泡５８を保持することができる。一方で、バッファ領域である開口５６との距離が遠くなる吐出口ができ、バッファ機能を得られるのは端部に限定されるものの、供給口２４から離れた位置にある吐出口５２においても、高いバッファ効果が期待できる。

（第３の実施形態）
図１２に第３の実施形態に係る記録素子３０の断面図を示す。図１２は、図５中のＣ－Ｃに対応する記録素子３０の断面図である。なお、図１２において、密着向上部材４３はリブ５４上に配置されたもののみ図示した。空間５５は、流路部材の長手方向に２列以上配置してもよい。図１２には、リブ５４をより太くし、空間５５を長手方向に２列設けた例を示す。これにより、バッファとなる気泡５８の断面積と体積をより大きくすることができ、より高いバッファ効果が期待できる。一方で、リブ５４が太くなることで供給路５０から流路５３への供給路が狭くなり、供給阻害をおこす懸念がある。

（第４の実施形態）
図１３に第４の実施形態に係る模式図を示す。本実施形態では、記録素子３０において、１つの吐出口５２に、２つの供給路５０が接続した構成となっている。図１３は記録素子３０を横から見た断面図である。このような構成においても、供給路５０と流路５３との接続部４４に対向する位置に空間５５を設けることで、高いバッファ効果を得ることができる。この場合、空間５５の覆い部５７は、図１３（ｂ）のように流路形成部材４２で形成されていてもよいし、図１３（ｃ）のように流路形成部材４２中に設けられた別の層で形成されていてもよい。

１ 記録装置
２ ガイドレール
３ キャリッジ
４ インク供給チューブ
５ 液体吐出ヘッド
６ インク供給源
７ インク貯蔵室
１０ サブタンクユニット
１１ 第一弾性部材
１２ ヘッド本体部
１３ 第二弾性部材
１４ 記録素子ユニット
２０ ジョイント部
２１ インク室
２２ フィルター
２３ 第一内部流路
２４ 供給口
２５ 第二内部流路
３０ 記録素子
３１ 支持部材
３２ 電気基板
３３ 電気配線基板
４０ 記録素子基板
４１ 流路部材
４２ 流路形成部材
４３ 密着向上部材
４４ 接続部
５０ 供給路
５１ エネルギー発生素子
５２ 吐出口
５３ 流路
５４ リブ
５５ 空間
５６ 開口
５７ 覆い部
５８ 気泡

Claims (10)

1. 液体を吐出するための吐出口と、前記吐出口に液体を供給するための流路と、を有する流路部材、及び、
   前記流路と接続部で接続し、かつ、前記流路に液体を供給するための供給路と、前記吐出口から液体を吐出するように構成されたエネルギー発生素子と、を有する記録素子基板、を備えた液体吐出ヘッドにおいて、
   前記流路部材はさらに、前記流路部材の前記接続部と対向する位置に、前記流路部材に設けられた凹部の一部が覆われた空間を有し、前記空間は、前記流路と連通する開口を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記空間は、液体吐出方向と実質的に直交する平面方向に延びている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記空間は、気体を収容するように構成された、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記流路部材は、流路形成部材と、前記流路形成部材と前記記録素子基板との間に配置される密着向上部材と、を有し、前記空間は、前記密着向上部材と前記記録素子基板で囲まれた空間である、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記開口は、液体吐出方向と反対方向に開口している、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記開口の長手方向の長さは、前記空間の深さに対しておよそ２倍の大きさである、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記空間は、前記流路部材の長手方向に１列に並んで配置されている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記空間は、前記流路部材の長手方向に２列以上配置されている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記流路部材の長手方向に並んで配置された複数の前記空間において、液体が前記流路部材に供給される供給口から遠くの端部に位置する前記空間では、前記覆い部で覆われた長手方向の長さが他の空間と比べて長い、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを備える液体吐出装置。

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