JP5393400B2 - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッドに関し、特に、インクの循環を行う流路を通して、供給されるインクを吐出し、印字を行う液体吐出ヘッドに関するものである。

液体吐出ヘッドの吐出において、印字を行わない一定以上の休止時間が生じた場合、吐出口付近のインクの増粘により、以下の問題が生じることが知られている。
（１）吐出量の変化による画像の色ムラ
（２）吐出速度の変化による着弾精度の悪化
（３）吐出が行われない不吐
これらの原因は、吐出口近傍に存在するインクのメニスカス面が外気と接触し、インクに含まれる揮発成分が蒸発し、その結果インクの増粘が生じるためである。

特に、休止時間が長い場合、粘度の増加が顕著になり、インクの固形成分が吐出口付近に固着する。固形成分はインクの流体抵抗を増加し、粘度がさらに増加すると吐出不良が生じる。

このようなインクの増粘現象に対する対策の１つとして、記録ヘッドに供給するインクを循環路により循環させる方法が知られている。循環路の上流側から吐出口にインクが流入されると共に、その流入されたインクを循環路の下流側へ流出させ、インク循環を行いながら吐出を行うものがある。（特許文献１）
また、双方向からインクを供給する独立した共通液室が存在し、各々の共通液室間に圧力差を与え、循環流を生じさせるものがある。（特許文献２参照）

特開２００６−８８４９３号公報 特開平７−１６４６４０号公報

しかしながら、従来技術の場合、循環中に吐出を行うと以下の課題が発生することを見出した。

上記従来技術構成において、循環中に吐出を行うと吐出の方向が傾くことで着弾位置が変化し、画像の劣化が生じる場合があった。また吐出される主滴は上記影響を受けることなく所定の位置に着弾したとしても、付随する小さな副滴（サテライト滴）の吐出方向が傾き、サテライト滴の着弾位置が変化する場合があった。

この現象が生じる理由について図３を用いて説明する。図３において吐出口１２及びエネルギー発生素子１３に対して対称に液流路１１が形成されている。液流路１１における循環流１４が片方向の流れであるため、この循環流１４が吐出口１２に対して非対称となる。そのため、吐出口１２近傍の、循環流１４が流入する上流側と循環流１４が流出する下流側において圧力差が生じる。その結果、吐出口１２に形成されるメニスカス面１７は上流側と下流側とで非対称になり、吐出方向が傾き、着弾位置が変化する（図３（ｃ）および図３（ｄ））。それにより画像への影響が生じるものである。

本発明はインクの循環中に吐出を行いながらも、吐出方向の傾きが低減し、着弾位置の変化が低減する液体吐出ヘッドおよび液体吐出方法を提供することを目的とする。

本発明、液体を吐出する吐出口を備えるオリフィスプレートと、前記吐出口から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エネルギー発生素子を前記吐出口に対向して備える基板と、前記オリフィスプレートと前記基板との間に形成される、前記吐出口に連通する流路と、を備える液体吐出ヘッドであって、前記基板には、前記エネルギー発生素子の両側に形成される、前記エネルギー発生素子に液体を供給するための前記基板を貫通する第１及び第２の流入開口と、前記エネルギー発生素子の両側に形成される、前記エネルギー発生素子に供給された液体を流出するための前記基板を貫通する第１及び第２の流出開口と、が形成されており、前記流路は、前記第１の流入開口から供給される液体を前記エネルギー発生素子に供給するための第１の流入路と、前記第２の流入開口から供給される液体を前記エネルギー発生素子に供給するための、前記吐出口に対して前記第１の流入路とは反対の方向に延在する第２の流入路と、前記エネルギー発生素子に供給された液体を前記第１の流出開口から流出させるための第１の流出路と、前記エネルギー発生素子に供給された液体を前記第２の流出開口から流出させるための、前記吐出口に対して前記第１の流出路と反対の方向に延在する第２の流出路と、を含み、前記エネルギー発生素子と前記第１の流出開口との間隔は、前記エネルギー発生素子と前記第１の流入開口との間隔より小さく、前記エネルギー発生素子と前記第２の流出開口との間隔は、前記エネルギー発生素子と前記第２の流入開口との間隔より小さいことを特徴とする。

本発明によれば、インクの循環中に吐出を行いながらも、吐出方向の傾きが低減し、それにより着弾位置の変化が低減可能となる。それにより高画質の画像の提供が可能となる。

（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施形態１の構成を説明する模式図 （ａ）〜（ｄ）は本発明の実施形態１の構成を説明する模式図 （ａ）〜（ｄ）は本発明の課題を説明するための模式図 （ａ）、（ｂ）は本発明の実施形態２の構成を説明する模式図 （ａ）、（ｂ）は本発明の実施形態３の構成を説明する模式図 （ａ）、（ｂ）は本発明の実施形態４の構成を説明する模式図 （ａ）、（ｂ）は本発明の実施形態１の構成を説明する模式図

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。

本説明では、本発明の適用例として、インクジェット記録方式を例に挙げて説明を行うが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、バイオッチプ作成や電子回路印刷等にも適用できる。

なお、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搭載可能である。例えば、バイオッチップ作成や電子回路印刷、薬物を噴霧状に吐出するなどの用途としても用いることができる。

例えば、この液体吐出ヘッドを記録用途として用いることによって、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど種々の記録媒体に記録を行うこともできる。

なお、本明細書内で用いられる「記録」とは、文字や図形などの意味を持つ画像を記録媒体に対して付与することだけでなく、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも意味することとする。

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から、技術的に好ましい種々の限定が付けられている。しかし、本発明の思想に沿うものであれば、実施形態は、本明細書の実施形態やその他の具体的方法に限定されるものではない。

［実施形態１］
図１、図２を用いて、本発明における具体的な実施形態を以下に説明する。図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ液流路１１と吐出口１２と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エネルギー発生素子１３と循環流１４を有するヘッドの液流路付近を模式的に示した横断面図および縦断面図である。また、図１（ｃ）及び図１（ｄ）は、図１（ｂ）の１（ｃ）部分の拡大図である。

図１（ａ）において、記録ヘッドには、インク等の液体が流動する液流路１１と、液流路１１に連通しオリフィスプレート２０に形成された吐出口１２と、液流路１１内のインクに吐出エネルギーを印加するエネルギー発生素子１３とを備える。また、液流路１１はインク循環経路の一部を形成し、液流路１１にインクの循環流１４が発生する。エネルギー発生素子１３に対して、インクが流入する流入路１５が基板に平行に、またインクが流出する流出路１６が基板を貫通する貫通口として形成されている。ここで、流入路は図において左からエネルギー発生素子１３に向かって流れる第１の流入路と、第１の流入路とは反対の方向からエネルギー発生素子に向かって流れる第２の流入路とから構成される。本実施形態においては流入路１５と流出路１６は吐出口１２に対して点対称に複数配置されている。

次に図１（ｃ）において、定常状態において、吐出口１２にメニスカス面１７が形成されている。その状態からエネルギー発生素子１３である電気熱変換素子を駆動することにより、インク中に気泡１８が発生することで、吐出口１２からインクが吐出される。

図１（ａ）および図１（ｂ）において、基板１９に対して水平方向に形成される液流路１１は、吐出口１２に対して、点対称に２つ存在する。また、液流路１１はインク循環の流入路１５でもある。そして、エネルギー発生素子１３は吐出口１２に対して対向する位置に形成されている。基板１９の表面と裏面を貫通したインクの流出路１６は、吐出口１２に対して点対称にエネルギー発生素子１３の両側に２つ存在する。液体吐出ヘッド外部等に配されるポンプ等を駆動することにより流出路１６の圧力を低下させると、流入路１５から導入されるインクの循環流１４は、吐出口１２の直下に流入する。そして、吐出口１２の直下に流入したインクの循環流１４は、流出路１６から液体吐出ヘッド外部へ流出する。

図１において、流入する循環流１４は吐出口１２に対して点対称である。したがって、図１（ｃ）に示すように吐出口１２に形成されるメニスカス面１７は、インクの循環中であっても吐出口１２に対してほぼ点対称に形成される。

本実施形態は循環流１４が吐出口１２に対して点対称であるので以下の点で好ましい。つまり、吐出口に対して複数形成される液流路において、圧力差が吐出口１２に対してほぼなくなる。そのため、図１（ｃ）に示すように、吐出口１２に形成されるメニスカス面１７は吐出口１２に対して実質的に点対称になる。更に、エネルギー発生素子１３が電気熱変換素子の場合、インク中に形成される気泡１８も吐出口１２に対してほぼ点対称となる。その結果、エネルギー発生素子１３にエネルギーを加えて、吐出口１２からインクを吐出させる場合、吐出方向の傾きが低減し、着弾位置の変化が低減する。

一方、本実施形態においては液流路１１でインクを循環させている状態でエネルギー発生素子１３を駆動することで、吐出口１２からインクを吐出させる。このように、常に循環流１４を発生させ、その循環龍１４が吐出口１２に対して作用しているので以下の点で好ましい。

また本構成により、吐出口１２近傍におけるメニスカス面１７の毛管力の働きだけでなく、循環流１４が吐出口１２に対して流入するため、インクの供給能力が増加する。したがって、インク吐出後のエネルギー発生素子１３へのインクのリフィルが促進され、結果リフィル周波数は増加する。

また、循環流１４が吐出口１２に対して流入するため、インクの流れ方向において、エネルギー発生素子１３の後方に存在する液流路１１の流体抵抗が増加する。したがって、エネルギー発生素子により発生した圧力が、吐出口１２側へより効率的に伝播されることで吐出効率が増加する。

さらに、循環流１４の効果として、ヘッド内に侵入または発生した気泡の外部への排出、電気熱変換素子に発生した熱による温度上昇の低減、インクの増粘の低減がある。本実施形態において、循環流は２ｍｍ／ｓ〜１０ｍｍ／ｓ程度で行うとインクの増粘を軽減することができる。またこの場合も上記構成をとることで吐出されるインク滴の傾きを軽減することができる。本実施形態のように基板に沿ってインクが流れるように流入路を形成し、その流入路に交差するように流出路を形成している。流出路は基板を貫通するように形成している。本実施形態のように流入路、流出路ともに吐出口に対して点対称に配置することで、インクを循環させて場合でも吐出口のメニスカス面を安定した状態に保つことが可能となり、吐出方向についても傾きが抑えられる。また流出路を基板を貫通する貫通孔にて形成することで基板の大きさを抑えることができる点においても好ましい。

次に吐出口１６等を複数形成した記録ヘッドについて図７（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。図７（ａ）および（ｂ）は、図１の構成を用いて記録ヘッドを模式的に示した横断面図および縦断面図である。

液流路１１は、エネルギー発生素子１３に対してインクを流入する流入路１５とインクを流出する流出路１６と連通し、吐出口１２とも連通する。基板１９の表面と基板１９の裏面を貫通した孔によって形成される流入路１５は、液流路１１の両側に独立して配置されている。基板１９の表面と基板１９の裏面を貫通孔によって形成される流出路１６は、液流路１１の内部に配置されている。本実施形態においては吐出口１６に対して点対称となる位置に２つ形成し、流入経路に対して交差する方向に配置されている。エネルギー発生素子１３は、吐出口１２に対して対向する位置に配置されている。

上記構成により、循環流１４は流入路１５から流入し、液流路１１を通過し、吐出口１２直下のエネルギー発生素子１３部に流入し、流出路１６から流出する流れとなる。

本実施形態においては、上述したインクの流れ方向に限定されない。つまり図に示すようにインクの流れが逆でも適用可能である。

図２において、流入路１５および流出路１６の配置が図１と異なる。それにより循環流１４の向きが図１と逆方向となる。しかしながら図２の構成においても、図１と同様に循環流１４は吐出口１２に対して点対称である。そのため、吐出方向の傾きが低減し、着弾位置の変化が低減の効果は図１の構成と同様である。またこの循環流により、上述した気泡の排出、熱の低減および増粘インクの低減の効果も同様に存在する。

［実施形態２］
次に図４を用いて、本発明における別の実施形態を以下に説明する。

上述した実施形態１における図１および図２と同様に、本実施形態の構成を示す図４においても、循環流１４は吐出口１２に対して流入および流出する２種類が存在する。

本実施形態は、エネルギー発生素子１３が薄膜素子で形成され、素子表面および裏面の双方がインクと接する点で上述した実施形態１と異なる。本構成により、吐出方向の傾きが低減し、着弾位置の変化が低減するだけでなく、ノズルのさらなる高密度化が可能である。

［実施形態３］
次に図５を用いて、本発明における別の実施形態を以下に説明する。

本実施形態は、上述した実施形態１、２の構成と比べて、エネルギー発生素子１３の構成および流出路が１つである点が異なる。

本実施形態においては、エネルギー発生素子１３を吐出口１２が形成された裏面に形成する、所謂バックシュータ方式であり、吐出口１２に対して点対称に２つ配置されている。また流出路１６が吐出口１２に対向する位置に１つ形成されている。

本構成により、上述した吐出方向の傾きが低減し、着弾位置の変化が低減する効果だけでなく、更にノズルの高密度化が可能となる。また、流出路１６が流入路１５の延長上に配されているため循環流によどみが発生し難い点で好ましい。

［実施形態４］
次に図６を用いて、本発明における別の実施形態を以下に説明する。

本実施形態は、上述した実施形態と比べて、エネルギー発生素子１３が吐出口に対向する位置に形成され、流出路１６がエネルギー発生素子上に形成されている点が異なる。本構成により吐出方向の傾きが低減し、着弾位置の変化が低減するだけでなく、更にノズルの高密度化が可能となる。また、流出路１６が流入路１５の延長上に配されているため循環流によどみが発生し難い点で好ましい。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記各実施形態の構成を適宜組み合わせた形態についても適用可能である。

１１ 液流路
１２ 吐出口
１３ エネルギー発生素子
１４ インクの循環流
１５ 流入路
１６ 流出路
１７ メニスカス面
１８ 気泡
１９ 基板

Claims (5)

1. 液体を吐出する吐出口を備えるオリフィスプレートと、前記吐出口から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エネルギー発生素子を前記吐出口に対向して備える基板と、前記オリフィスプレートと前記基板との間に形成される、前記吐出口に連通する流路と、を備える液体吐出ヘッドであって、
   前記基板には、前記エネルギー発生素子の両側に形成される、前記エネルギー発生素子に液体を供給するための前記基板を貫通する第１及び第２の流入開口と、前記エネルギー発生素子の両側に形成される、前記エネルギー発生素子に供給された液体を流出するための前記基板を貫通する第１及び第２の流出開口と、が形成されており、
   前記流路は、前記第１の流入開口から供給される液体を前記エネルギー発生素子に供給するための第１の流入路と、前記第２の流入開口から供給される液体を前記エネルギー発生素子に供給するための、前記吐出口に対して前記第１の流入路とは反対の方向に延在する第２の流入路と、前記エネルギー発生素子に供給された液体を前記第１の流出開口から流出させるための第１の流出路と、前記エネルギー発生素子に供給された液体を前記第２の流出開口から流出させるための、前記吐出口に対して前記第１の流出路と反対の方向に延在する第２の流出路と、を含み、
   前記エネルギー発生素子と前記第１の流出開口との間隔は、前記エネルギー発生素子と前記第１の流入開口との間隔より小さく、前記エネルギー発生素子と前記第２の流出開口との間隔は、前記エネルギー発生素子と前記第２の流入開口との間隔より小さいことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記流路は、前記第１及び第２の流出開口から流出した液体が前記第１及び第２の流入開口を介して前記エネルギー発生素子に供給される循環流をなす経路の一部を形成することを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記第１の流出路は、前記第１の流入路と交差する方向に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記エネルギー発生素子は薄膜素子であり、該薄膜素子の表面および裏面の双方がインクと接することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記エネルギー発生素子が前記吐出口を形成するオリフィスプレートに形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

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