JP4315018B2 - 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置 - Google Patents
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Description
そして、サーマル方式では、半導体基板上に発熱素子を設け、この発熱素子によって液室内の液体に気泡を発生させ、発熱素子上に配置されたノズルから液体を液滴として吐出させ、記録媒体等に着弾させるものである。
また、図19は、図18のヘッド1の流路構造を示す断面図である。なお、液体吐出装置のこの種の流路構造としては、例えば特許文献1に開示されている。
ここで、一般の空間にはゴミやホコリが漂っており、自由に移動している。したがって、これらが液体中に落ちて、液体中のゴミやホコリとして存在する。しかし、インクジェットプリンタ等の液体吐出装置では、ミクロン単位のノズル18から液体を吐出させる構造であるので、ゴミやホコリがノズル18に詰まるおそれがある。
さらに、設計上では、液体吐出装置の流路において、複数箇所にゴミやホコリを除去するためのフィルターを設けておく必要がある。
特に、ラインヘッドのようにノズル数が多くなるほどノズル18の吐出不良が生じる確率が高くなるので、より厳しい管理が必要となり、コストが増大するという問題がある。
気泡の発生箇所としては、前述の共通流路23や個別流路3dが挙げられるが、いずれの箇所に発生しても、吐出ムラの原因となる。
図20では、共通流路23内には、フィルターが設けられている。このフィルターは、ゴミ及びホコリが個別流路3d内に進入することを防止するために設けられたものであって、円柱状の柱を共通流路23に沿って配列したものである。
なお、気泡が存在すると吐出状態が影響を受けるのは、吐出そのものが、吐出時に発生する圧力と、それに対応した液室3a付近の液体、バリア層3、気泡の存在で決まる反作用が影響を及ぼすためと考えられる。
このような場合には、たとえ気泡が小さくても、狭い空間内に気泡が存在するので影響が大きい。すなわち、図20の場合よりも吐出量が減少する。また、気泡が入り込んだ個別流路3dに対応するノズル18からの吐出量のみが減少するので、スジとなって目立つようになる。
一方、気泡で覆われる部分は、気体であるので熱伝導率が悪く、液体による冷却が進まないので発熱部分の熱が溜まやすい。その結果として、気泡が拡大してしまうという問題がある。
図22では、共通流路23内にフィルター(図20とは異なり、三角柱状の柱を配列したもの)が設けられており、合体成長した気泡がフィルターの柱間を塞いでしまい、液体が液室3a側に移動できない状態となったものである。
吐出衝撃が引き起こす問題としては、以下の2つが挙げられる。
本発明の1つである請求項1の発明は、半導体基板上に一方向に一定のピッチPで配列されるとともに、隣り合うものがピッチP方向に垂直な方向において間隔X(Xは、0より大きい実数)だけずれるように千鳥配列された複数の発熱素子と、前記発熱素子上に位置するノズルが形成されたノズル層と、前記半導体基板と前記ノズル層との間に設けられたバリア層と、前記バリア層の一部によって形成されるとともに、前記発熱素子を挟み込むように向かい合う一対の壁により形成された液室と、前記液室の前記一対の壁が前記発熱素子の配列方向に略垂直な方向に延在することにより形成され、前記液室の両側に、前記液室と連通するように配置された一対の個別流路とを備え、前記液室内における前記一対の壁間の距離Uと、前記個別流路の流路幅Wとが、U>Wの関係を満たすように形成されており、前記一対の個別流路は、共通流路に繋がる第1個別流路と、前記第1個別流路に対して前記液室を隔てて反対側に延びる第2個別流路とからなり、前記第2個別流路の先端と所定の距離を隔てて、前記発熱素子の配列方向に沿って壁が形成されており、全ての前記液室の前記第2個別流路は、前記第2個別流路の先端と所定の距離を隔てて形成された前記壁と、前記第2個別流路の先端との間を介して連通しており、前記共通流路内には、複数の柱からなるフィルターを備え、前記フィルターの前記柱は、前記発熱素子の配列方向においてピッチ2Pで配列されており、千鳥配列された前記発熱素子のうち前記フィルターに近い方の前記発熱素子の中心と、前記柱の中心とが、前記発熱素子の配列方向に垂直な方向において同一ライン上に位置している液体吐出ヘッドである。
上記発明においては、液室に繋がる2つの個別流路が設けられる。また、個別流路の流路幅より液室内の幅の方が大きく形成されている。したがって、一方の個別流路に気泡が発生し、その個別流路から液室に液体を供給することができなくなっても、他方の個別流路から液体を供給することができる。また、個別流路を2つ設けたとしても、その個別流路の流路幅を液室の幅より狭くすることで、液体の吐出に必要な圧力を維持することができる。
なお、ノズル層とバリア層とは、以下の実施形態では別体で設けられているが(バリア層13及びノズルシート17)、両者は一体であっても良い。
本発明における液体吐出装置は、実施形態ではインクジェットプリンタ(サーマル方式のカラーラインプリンタ。以下単にプリンタという。)であり、液体吐出ヘッドは、実施形態ではラインヘッド10である。
4つのヘッドチップ19列は、1列ごとに、ヘッドフレーム16の収容空間16aの内部に配置されるようになっている。そして、ヘッドチップ19の背面であって、ヘッドフレーム16の収容空間16aには、1列ごとに、色の異なるインクを収容したインクタンクが取り付けられることで、各収容空間16aすなわち各ヘッドチップ19列にそれぞれ異なる色のインクが供給される。
各ヘッドチップ19は、千鳥状に、すなわち隣接するヘッドチップ19が180度向きが異なるように配置されている。そして、図2に示すように、「N−1」番目、「N+1」番目に配置されたヘッドチップ19と、「N」番目及び「N+2」番目に配置されたヘッドチップ19間には、全てのヘッドチップ19にインクを供給するための共通流路23が形成されている。
また、図2に示すように、各ノズル18の相互の間隔は、千鳥状に隣接する部分を含め、全て等間隔となっている。
従来技術と同様に、半導体基板上には、発熱素子12が配列されている。そして、各発熱素子12の両側には、バリア層13の一部によって、一対の壁13bが形成されている。すなわち、発熱素子12の配列方向(図3中、左右方向)の両側に一対の壁13bが設けられ、この一対の壁13b間に発熱素子12が配置されるとともに、一対の壁13bによって、液室13a、第1個別流路13d及び第2個別流路13eが形成されている。
図4に示すように、液室13aの両側に設けられている一対の壁13b間の距離を液室13aの幅Uと定義し、第1個別流路13d及び第2個別流路13eの流路幅をWと定義する。なお、液室13aのほぼ全範囲であって少なくとも発熱素子12上の領域では、液室13aの幅がUである。よって、液室13aの一部での幅がUより狭い。また、第1個別流路13d及び第2個別流路13eについても、ほぼ全範囲で流路幅がWである。
U>W
の関係を満たすように形成されている。
発熱素子12上の領域は、液体を加熱し沸騰させる領域であるので、バリア層13の壁13bは、この領域に掛からないように(少なくとも発熱素子12上の領域にバリア層13が存在しないように)形成される必要がある。また、壁13bは、発熱素子12が発熱して、発熱素子12上の領域の液体が膜沸騰した時、圧力をノズル18の方向に向けるために必要である。
したがって、圧力を上げるためには、液室13aの幅Uや流路幅Wを狭くすることが考えられる。ここで、液室13aの幅Uは、発熱素子12の領域未満には狭くすることはできないが、流路幅Wは、支障のない範囲で狭くすることができる。このため、本実施形態では、液室13aの幅Uと流路幅Wとの関係を、U>Wとした。
上記図4の例では、W1=W2=Wの場合には、
U>Wとなる。
これに対し、
W1≠W2
であっても良い。この場合には、液室13aの幅U、第1個別流路13dの流路幅W1、第2個別流路13eの流路幅W2との関係は、
U>W2≧W1
であれば良い。
図6において、配列ピッチP方向における液室13aの中心を結ぶラインと、隣接する液室13a間の第2個別流路13e同士を連通させている部分の液室13aから最も遠ざかる壁(バリア層13)に接するラインとの間の距離をLとする。
このとき、
L≦2×P
の関係を満たすように形成されている。
温度上昇時等の熱歪みにより、ノズルシート17に、ノズル18の並び方向の応力(せん断応力)がかかると、バリア層13を変形させる力が働く。この場合に、ノズルシート17とバリア層13との接着面積が大きいと、バリア層13の変形はほとんど生じないが、本実施形態のように、細長い個別流路(第1個別流路13d及び第2個別流路13e)を設けた場合には、バリア層13のうち、壁13bの変形が起きやすい(個別流路の全長は、従来の個別流路3dの約2倍となっているため)。
そして、この場合には、複数の液室13aのうち、共通流路23から遠ざかる側に配置された液室13aの中心を結ぶライン(すなわち、1つおきの液室13aの中心を結ぶライン)と、隣接する液室13a間の第2個別流路13e同士を連通させている部分の液室13aから最も遠ざかる壁(バリア層13)に接するラインとの間の距離をLとしたときに、上記関係(L≦2×P)を満たすようにする。
上記図3等では、共通流路23内には、何も図示していない。しかし、下記の図7等に示すように、共通流路23内にフィルター24等を設けることが好ましい。なお、フィルター24は、バリア層13によって形成されている(後述するフィルター25も同様である)。
ところで、図7の発熱素子12を、図8のように、上述した特願2003−383232で提案した千鳥配列とすると、以下の効果を有する。
図8のように発熱素子12を千鳥配列にすると、フィルター24に近い方の発熱素子12と遠い方の発熱素子12とが存在する。遠い方の発熱素子12は、壁に近くて吐出時の圧力を上げることができる反面リフィル時の供給距離が長くなって、リフィル動作完了までに時間がかかる。これに対し、フィルター24に近い方の発熱素子12は、リフィルは速いが吐出圧力が上がらない。そこで、図8のようなフィルター24の配置にすると、フィルター24の柱24aが壁と同じ効果を持つため吐出圧力が上がり、同じくフィルター24の柱24aがリフィル動作を遅らせるように働くので、フィルター24に近い方の発熱素子12と遠い方の発熱素子12との間での吐出動作の差異を少なくすることができる。
W≧Wf
を満たすように形成されている。
また、柱24a間の隙間Wfの高さは、第1個別流路13dの高さを超えないように形成されている。
Wb≧W
を満たすように形成されている。
また、図8に示したように発熱素子12を千鳥配列した場合でも、図9のように柱25aを配置することで、図8と同様に柱25aに近い方の発熱素子12と遠い方の発熱素子12との間での吐出動作の差異を少なくすることができる。
ここで、ノズル18の並び方向におけるノズル18の吐出面の開口径をDxとし、開口径Dxに垂直な方向(ノズル18の並び方向に垂直な方向)におけるノズル18の吐出面の開口径をDyとしたとき、
Dx≧Dy
である。
この場合に、第1個別流路13dの長方形の流路面の対角線長をL1とし、柱24a間の隙間の長方形の断面の対角線長をL2としたとき、
Dx>L1>L2
の関係を満たすように形成されている。
例えば、液室13aの配列ピッチP方向における液室13aの中心を結ぶラインと、隣接する液室13a間の第2個別流路13e同士を連通させている部分の液室13aから最も遠ざかる壁(バリア層13)に接するラインとの間の距離Lと、配列ピッチPとの関係は、上記と同様に、
L≦2×P
を満たすように形成されている。
また、図11では図示していないが、このような構造の場合も、上記の例と同様に、共通流路23内にはフィルターが設けられる。
衝撃波がいずれかの液室3aに伝わると、ぞれぞれのノズル18のメニスカスが変動する。そして、振動が液室3aに到達したとき(メニスカスが変動したとき)、その液室3aから吐出が行われると、干渉を起こし、吐出ムラになると考えられる。
また、本実施形態では、第1個別流路13d及び第2個別流路13eの双方に吸引力が発生するため、それぞれの個別流路に発生する吸引力の大きさは、P/2となる。これにより、衝撃波の影響を半分にすることができる。
(実施例1)
図14は、従来構造と本実施例の構造とで、衝撃波減少を確認した結果(写真撮影結果)を示す図である。
実施例1では、600DPI(ノズル間隔が42.3μm)で、320個の発熱素子12を半導体基板11上に配列したものを用いた(大きさは、約16mm×1.6mm)。
また、図14において、従来構造のものは、ノズル18が一直線上に並んでいるものを用いたが、実施例では、上述した、ノズル18が千鳥配列されたものを用いた(なお、この差による衝撃波の影響差はないと考えられる)。
図15は、実施例2で用いたヘッドの具体的構造を示す平面図である。実施例2では、図15に示すように、第2個別流路13eの出口とバリア層13の壁との間に、柱28aを配列した液体の貯留領域28を設けたものを用いた。また、共通流路23内に設けたフィルター25は、図9で示したフィルター25と同様である。
図16中、「1」では、ノズル18から気泡が注入され、貯留領域28と第2個別流路13eとの間に詰まった状態である。そして、「1」に図示されているように、左側から3番目のノズル18を用いて液体の吐出動作を繰り返し行ったところ、気泡が徐々にノズル18から排出された。
図17は、ヘッドの試作品(ノズルピッチが42.3μmの600DPIの解像度のもの)のマスク図の一部を示す図である。図17において、上側が共通流路23側である。図17中、左側は、図11に相当する実施例であり、右側は、図3に相当する実施例である。
さらにまた、フィルターは、略三角柱状の柱からなるものである。さらに、発熱素子は、千鳥状に配列されたものである。
11 半導体基板
12 発熱素子
13 バリア層
13a 液室
13b 壁
13d 第1個別流路
13e 第2個別流路
17 ノズルシート(ノズル層)
18 ノズル
19 ヘッドチップ
U 液室の幅(一対の壁間の距離)
W 個別流路の流路幅
Claims (8)
- 半導体基板上に一方向に一定のピッチPで配列されるとともに、隣り合うものがピッチP方向に垂直な方向において間隔X(Xは、0より大きい実数)だけずれるように千鳥配列された複数の発熱素子と、
前記発熱素子上に位置するノズルが形成されたノズル層と、
前記半導体基板と前記ノズル層との間に設けられたバリア層と、
前記バリア層の一部によって形成されるとともに、前記発熱素子を挟み込むように向かい合う一対の壁により形成された液室と、
前記液室の前記一対の壁が前記発熱素子の配列方向に略垂直な方向に延在することにより形成され、前記液室の両側に、前記液室と連通するように配置された一対の個別流路と
を備え、
前記液室内における前記一対の壁間の距離Uと、前記個別流路の流路幅Wとが、
U>W
の関係を満たすように形成されており、
前記一対の個別流路は、
共通流路に繋がる第1個別流路と、
前記第1個別流路に対して前記液室を隔てて反対側に延びる第2個別流路とからなり、
前記第2個別流路の先端と所定の距離を隔てて、前記発熱素子の配列方向に沿って壁が形成されており、
全ての前記液室の前記第2個別流路は、前記第2個別流路の先端と所定の距離を隔てて形成された前記壁と、前記第2個別流路の先端との間を介して連通しており、
前記共通流路内には、複数の柱からなるフィルターを備え、
前記フィルターの前記柱は、前記発熱素子の配列方向においてピッチ2Pで配列されており、
千鳥配列された前記発熱素子のうち前記フィルターに近い方の前記発熱素子の中心と、前記柱の中心とが、前記発熱素子の配列方向に垂直な方向において同一ライン上に位置している
液体吐出ヘッド。 - 請求項1に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
複数の前記液室のうち、前記共通流路から遠ざかる側に配置された前記液室の中心を結ぶラインと、前記第2個別流路の先端と所定の距離を隔てて形成された前記壁との間の距離をLとしたとき、
L≦2×P
の関係を満たすように形成されている
液体吐出ヘッド。 - 請求項1に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記柱間の隙間の幅は、前記第1個別流路の流路幅W以下であり、
前記柱間の隙間の高さは、前記第1個別流路の高さ以下である
液体吐出ヘッド。 - 請求項1に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記柱間の隙間の断面領域は、前記第1個別流路の流路面領域に包含される大きさであり、
前記第1個別流路の流路面領域は、前記ノズルの開口領域に包含される大きさである
液体吐出ヘッド。 - 請求項1に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記ノズルの並び方向における前記ノズルの吐出面の開口径Dxと、前記開口径Dxに垂直な方向における前記ノズルの開口径Dyとの関係が、
Dx≧Dy
であり、
前記第1個別流路の流路面形状は、対角線長がL1の長方形状であり、
前記柱間の隙間の断面形状は、対角線長がL2の長方形状であり、
かつ、
Dx>L1>L2
の関係を満たすように形成されている
液体吐出ヘッド。 - 請求項1に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
複数の前記発熱素子の配列方向に沿って、複数の前記半導体基板をライン状に配列し、
前記共通流路を、前記半導体基板の配列方向に沿って設けることにより、ラインヘッドを形成した
液体吐出ヘッド。 - 請求項6に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
複数の前記半導体基板をライン状に配列したものを、列状に複数並べ、
1つの列の複数の前記半導体基板と、他の列の複数の前記半導体基板とに対し、異なる特性の液体を供給するようにした
液体吐出ヘッド。 - 半導体基板上に一方向に一定のピッチPで配列されるとともに、隣り合うものがピッチP方向に垂直な方向において間隔X(Xは、0より大きい実数)だけずれるように千鳥配列された複数の発熱素子と、
前記発熱素子上に位置するノズルが形成されたノズル層と、
前記半導体基板と前記ノズル層との間に設けられたバリア層と、
前記バリア層の一部によって形成されるとともに、前記発熱素子を挟み込むように向かい合う一対の壁により形成された液室と、
前記液室の前記一対の壁が前記発熱素子の配列方向に略垂直な方向に延在することにより形成され、前記液室の両側に、前記液室と連通するように配置された一対の個別流路と
を備え、
前記液室内における前記一対の壁間の距離Uと、前記個別流路の流路幅Wとが、
U>W
の関係を満たすように形成されており、
前記一対の個別流路は、
共通流路に繋がる第1個別流路と、
前記第1個別流路に対して前記液室を隔てて反対側に延びる第2個別流路とからなり、
前記第2個別流路の先端と所定の距離を隔てて、前記発熱素子の配列方向に沿って壁が形成されており、
全ての前記液室の前記第2個別流路は、前記第2個別流路の先端と所定の距離を隔てて形成された前記壁と、前記第2個別流路の先端との間を介して連通しており、
前記共通流路内には、複数の柱からなるフィルターを備え、
前記フィルターの前記柱は、前記発熱素子の配列方向においてピッチ2Pで配列されており、
千鳥配列された前記発熱素子のうち前記フィルターに近い方の前記発熱素子の中心と、前記柱の中心とが、前記発熱素子の配列方向に垂直な方向において同一ライン上に位置している
液体吐出ヘッドを備える液体吐出装置。
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