JP2007062272A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 高速印字に対応したリフィル特性を維持しながら、サテライト発生を抑制したインクジェット記録ヘッドを提供する。
【解決手段】 液体吐出ヘッドは発熱抵抗体１の周囲に吐出口５方向に突出した第１の突出部７を備え、吐出口５は、基板１に対向し液体を供給するための流路６を構成する壁面９に設けられるとともに、吐出口５の発熱抵抗体１側の開口は、壁面９から突出した第２の突出部１０の端部に設けられ、第２の突出部１０の端部は第１の突出部７が発熱抵抗体１を囲むことにより形成される空間領域８内に存在することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は液体を吐出する液体吐出ヘッドに係り、具体的には被記録媒体にインクを吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッドに関する。とりわけ液流路の構造改善により吐出インク滴の形状を改善して印刷性能と画質の向上を図ったインクジェット記録ヘッドに関する。

液体を吐出する液体吐出ヘッドを用いる例としては、被記録媒体にインクを吐出して記録を行うインクジェット記録方式が挙げられる。

現在、インクジェット記録ヘッドに適用されている代表的なインク吐出方式であるサーマル駆動方式はプリントヘッド内に設けられた発熱抵抗体に電圧を印加することで、発熱抵抗体近傍の液体を瞬時に沸騰させ、液体の相変化により生じる急激な発泡圧により液滴を吐出させている。吐出口より吐出された液体は、表面張力により滴状の形を形成し、所定の記録媒体に噴射され像を形成する。

液体吐出後は、吐出液滴の体積に応じた量の液滴が、インクタンクから、インク供給口、インク流路を経て再充填される。

上記のようなプリントヘッドにおいて吐出される液体は球状の液滴ではなく、大きな主液滴部と細長いテール部からなる柱状である。この液柱はノズルから吐出され記録媒体へ向けて飛行する過程で、その液体の表面張力によって複数の液滴に分裂する。最も一般的に見られる形態ではまず主液滴部と、テール部に分離した後、更にテール部は表面張力で小さなサテライト液滴となる。

これらのサテライト液滴が記録媒体に付着した場合、ノイズとして精細な画像形成を妨げるという問題がある。この影響は近年吐出される液体の小滴化に伴いますます大きくなってきている。また、サテライト液滴は非常に微小なため、空気抵抗や空気流の影響を受けて浮遊したのちインクタンクやプリンタ本体に付着し、結果使用者の手の汚れにつながるという問題がある。またエンコーダに付着する事による紙送りの故障、電気基板に付着する事によるプリンタ本体の故障等の問題も発生する可能性がある。

上述したように、サテライトの原因は吐出時に吐出口から長く伸びたインク柱のテール（尾引き）部分が、表面張力により小滴に分裂するものであり、尾引きを少なくすることで軽減される。

尾引きを少なくする手段としては、特許文献１に開示されている方法がある。この方法では、発泡からインク滴分離までのインク吐出に係る過程において、気泡の成長により吐出口に向かうインクと、インク流路内のインクとを気泡により遮断し、吐出口近傍に孤立しているインクのみを吐出する。これにより尾引きの発生を抑えている。
特開２００２−１４４５８０

しかしながら特許文献１に記載の技術では、上述した効果を得るため流路内の一部分の流動抵抗を高めるため、インク吐出後再充填されるまでの時間が長くなる、いわゆるリフィル特性が悪化した状態になる場合があった。このため、近年求められている高速印字に対応した１５ｋＨｚレベル以上の吐出周波数を維持しながらサテライト発生を抑制することが困難であった。

本発明は前述したような問題点を解決するために考案されたものであって、リフィル特性を極力損なわず、サテライトの発生を抑えた液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

本発明は液体に気泡を発生させるための発熱抵抗体を有する基板と、前記発熱抵抗体に対向し液体を吐出する吐出口が設けられ、該吐出口に連通する流路を前記基板との間に形成する壁面と、を備える液体吐出ヘッドにおいて、前記基板は、前記発熱抵抗体の周囲に前記吐出口へ向かう方向に突出した第１の突出部を備え、前記壁面は、該壁面から前記発熱抵抗体へ向かう方向に突出した第２の突出部を備え、該第２の突出部の端部は、前記第１突出部の端部よりも前記発熱抵抗体に近く、前記発熱抵抗体へ向かう方向に関する前記第２の突出部の前記基板への投影領域は前記発熱抵抗体の領域に含まれることを特徴とする液体吐出ヘッドである。

また本発明は液体に気泡を発生させるための発熱抵抗体を有する基板と、前記発熱抵抗体に対向し液体を吐出する吐出口が設けられ、該吐出口に連通する流路を前記基板との間に形成する壁面と、を備える液体吐出ヘッドにおいて、前記基板は、前記発熱抵抗体の周囲に前記吐出口へ向かう方向に突出した第１の突出部を備え、前記壁面は、該壁面から前記発熱抵抗体へ向かう方向に突出した第２の突出部を備え、該第２の突出部の端部は、前記第１の突出部が前記発熱抵抗体を囲むことにより形成される領域内に存在することを特徴とする液体吐出ヘッドである。

本発明のインクジェット記録ヘッドは発熱抵抗体周囲に吐出口方向へ突出した第１の突出部を設け、かつ吐出口が設けられた壁面から基板に向かい突出させた第２の突出部の基板側端部に吐出口の基板側開口を備えている。この第２の突出部の端部は第１の突出部の端部よりも発熱抵抗体に近いので、第１の突出部によって吐出口方向へと成長を促された気泡が第２の突出部の発熱抵抗体側の開口を塞ぎ、吐出時において吐出インクとインク流路内のインクを分断する。分断されたインクのうち第２の突出部の基板側開口から吐出口までの間に存在するインクのみが吐出に用いられるため、尾引きを少なくしサテライトの発生を抑制している。また本発明のインクジェット記録ヘッドでは、第１の突出部により、吐出時の気泡の成長方向を吐出方向に制限し、リフィル時に流路内をインクが移動する方向と逆行する方向への圧力を極力抑えている。従ってサテライト発生の抑制と、リフィル特性とを両立したインクジェット記録ヘッドを可能としている。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明では，同一の機能を有する構成には図面中同一の番号を付与し、その説明を省略する場合がある。

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。

まず、本発明を適用可能なインクジェット記録ヘッドについて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す模式図である。

本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、インク吐出圧力発生素子（インク吐出エネルギー発生素子）である発熱抵抗体１が所定のピッチで２列に並んで形成されたＳｉの基板２を有している。基板２には、Ｓｉを異方性エッチングすることによって形成されたインク供給口３が、発熱抵抗体１の２つの列の間に開口されている。基板２上には、インク流路壁形成部材４によって、各発熱抵抗体１の上方に開口する吐出口５と、インク供給口３から各インク吐出口５に連通する個別のインク流路６形成されている。

このインクジェット記録ヘッドは、インク供給口３が形成された面が記録媒体の記録面に対面するように配置される。そしてこのインクジェット記録ヘッドは、インク供給口３を介してインク流路内に充填されたインクに、発熱抵抗体１によって発生する圧力を加えることによって、インク吐出口５からインク液滴を吐出させ、これを記録媒体に付着させることによって記録を行う。

このインクジェット記録ヘッドは、プリンタ、複写機、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。

次いで本発明によるインクジェット記録ヘッドの構造の特徴について図２を参照して詳しく説明する。

図２（ａ）は図１に示したインクジェット記録ヘッドが有する吐出口５について、吐出口５から基板２の方向に見た平面透視図である。また図２（ｂ）は図２（ａ）における基板１と垂直かつＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図示されているように本発明によるインクジェット記録ヘッドは、発熱抵抗体１の周囲に第１の突出部７を有している。流路形成部材４の構成部分であり基板１と対向するように設けられた壁面９には、吐出口５と、壁面９から基板方向に向かい突出した第２の突出部１０とが形成されている。第２の突出部１０は発熱抵抗体側の端部に開口１４を有し、第２の突出部１０はその壁面９側の開口である吐出口５と開口１４とを連通している。また第１の突出部７の端部と基板２との距離ｈ_１は開口１４と基板との距離ｈ_２よりも大きく、第２の突出部１０の発熱抵抗体側端部は第１の突出部７が発熱抵抗体１を囲むことによって、発熱抵抗体１側に形成される領域８に含まれる。なお発熱抵抗体１の周囲に設けられる第１の突出部７は必ずしも連続した形状でもって発熱抵抗体１を囲い込んでいる必要は無い。本発明は、後述する第１の突出部７の形状が非連続な形状や、第１の突出部７にスリットを設けた形状をとる場合を含む。

続いて図３を参照し、本発明によるインクジェット記録ヘッドにおけるインク吐出時のインクと気泡の挙動について説明する。

図３（ａ）〜（ｈ）は本発明の実施形態のインクジェット記録ヘッドからインクが吐出され、インクが再充填されるまでの過程を時系列的に示した模式的断面図である。なお断面は図２（ｂ）の断面と同様である。

図３（ａ）に示ように、発熱抵抗体１に電気信号が印加されると、発熱抵抗体１から発生する熱エネルギーにより気泡１１が形成され、図３（ｂ）に示すとおり、気泡１１の成長圧力により充填されていたインク１２は吐出口５より吐出し始める。この際第１の突出部７が発熱抵抗体１から壁面９に向かう方向に気泡１１の成長を促すため、気泡１１は第１の突出部７がない状態に比べてより発熱抵抗体１から壁面９へ向かう方向（図中白矢印）に成長する。このような状態で気泡の成長が続けられると、図３（ｃ）に示すように気泡１１は第２の突出部１０の端部と接触することにより分断され、開口１４は気泡によって塞がれる。これにより第２の突出部１０を介して吐出口５から吐出されるインク１２ａは流路６内部のインク１２から分離、遮断された状態となる。気泡１１は周囲のインクが慣性力を失うまで成長を続け、（図３（ｄ））、最大成長を経て消泡することにより、インク滴１３はインク１２ａと分離される（図３（ｅ））。以降、気泡１１の消泡が進行するに伴って第２の突出部１０と気泡１１とが離れることにより、流路６内部のインク１２と第２の突出部１０に存在するインク１２ａとの遮断が解除され、相互流動が可能となる（図３（ｆ））。気泡１１が消滅し、インク１２は流路６、開口１４を介して吐出口５方向に再充填され（図３（ｇ））、吐出口５近傍でメニスカスが安定し再充填が完了となる（図３（ｈ））。

以上に述べたように本発明のインクジェット記録ヘッドにおいては吐出時に吐出されるインクと流路内のインクとが気泡により完全に分離されているため、吐出されるインクに対して流路内からのインクの供給がなく、尾引きを少なく抑えることが出来る。

また図３（ｂ）（ｃ）に示すように本発明のインクジェット記録ヘッドにおいては成長時の気泡１１の成長方向は、発熱抵抗体１から壁面９に向かう方向（図中白矢印）である。これは図３（ｅ）（ｆ）（ｇ）に示すインク再充填時における、インク１２の主流動方向（図中黒破線矢印）とほぼ直交している。一方特許文献１に開示されている従来の技術では吐出時の気泡１１の成長による圧力はインク再充填時のインクの主流動方向と逆の方向にかかっていた。すなわちリフィルを阻害する方向に働いていた。

しかしながら本発明によるインクジェット記録ヘッドは、第１の突出部７を設け、インク再充填時におけるインクの主流動方向と逆方向への気泡成長圧力を抑えることにより、サテライトの発生を抑えながら、従来の技術に比べインク再充填の高速化が図られている。従来技術において本発明と同様のサテライト抑制の効果を得ようと流路内の流動抵抗を設定した場合、本発明に比べインクの再充填にかかる時間がおよそ三倍となることが分かっている。

以下に実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。

（実施例１）
図４を参照して本発明の第一の実施例を説明する。本実施例は上述した本発明の基本構成に加えて、サテライト低減の効果を維持したままさらにリフィル特性の向上が可能な例である。

図４は本発明の第一の実施例におけるインクジェット記録ヘッドの構造を示す説明図であり、発熱抵抗体１の周囲の立体斜視図である。

図４に示すように本実施例では第１の突出部７にスリット１５が設けられている。第１の突出部７がスリット１５を有することにより、第１の突出部７に囲まれた発熱抵抗体１側の領域８と流路６側の領域とはスリット１５を介しても連通することとなる。このため両領域内のインクのスリット１５を介しての相互流動が可能となり、リフィル特性の向上につながる。なお第１の突出部７はすでに述べたように吐出口方向への気泡の成長を促進し、サテライトを低減する効果を有する必要がある。その効果が得られる範囲であるならば、スリット１５の形状に特に制限は無く、例えば第１の突出部７の壁面９側の端部が連続していない形状をとることも可能であり、またそれぞれ独立した複数の部材によって全体として第１の突出部とスリット状の空間が形成されていてもよい。

（実施例２）
図５を参照して本発明の第二の実施例を説明する。本実施例は本発明の基本構成に加えて実施例１とは別の方法によってリフィル特性の更なる向上を図った例である。

図５は本発明の第二の実施例におけるインクジェット記録ヘッドの構造を示す説明図であり、図２（ｂ）と同様の断面でみた断面図である。

図５に示すように本実施例では、第１の突出部７は、壁面９方向の高さが開口１４を越えたところでは第２の突出部１０から遠ざかるように広がってゆく構造を有する。このような構造をとることにより上述した領域８と流路６との連通領域を増やすことが出来、結果としてリフィル時の流動抵抗が低減される。なおサテライトを低減する効果が得られる範囲内であるならば、上述した第１の突出部７の広がり方の度合いについては特に制限がない。

（実施例３）
図６を参照して本発明の第三の実施例を説明する。本実施例は吐出時において気泡による流路内のインクと吐出インク滴との分断をより効率的に行いたい場合に好適に用いることが出来る。

図６は本発明の第三の実施例におけるインクジェット記録ヘッドの構造を示す説明図であり、図２（ｂ）と同様の断面でみた断面図である。

図６（ａ）に示すように本実施例では、第２の突出部１０の端部が発熱抵抗体１に近づくにつれ、その厚さｔが薄くなっており、第２の突出部１０は先端が鋭角に尖った形状を有する。

例えば微小液滴を吐出させるために吐出口５の内径を非常に小さく設定した場合、それに伴い開口１４の内径も小さくなる。このため開口１４における流動抵抗が高くなってしまい、吐出時に気泡が開口１４を塞ぐ際の障害となり、インク流路６内のインク１２と吐出口へと向かうインク１２ａとの遮断が不十分となる場合がある。

図６（ｂ）に示すように、本実施例によるインクジェット記録ヘッドでは、第２の突出部１０の端部まで成長した気泡１１に対し、面でなく線で圧力をかけることができるため、第２の突出部１０の端部による気泡１１の分断が促進される。この結果気泡１１は開口１４から吐出口５に向かいスムーズに導入され、インク流路内のインク１２と吐出されるインク１２ａとの遮断は効率的に行われる。

以上説明したように、本実施例のインクジェット記録ヘッドによれば、吐出口径が非常に小さな場合にもサテライト低減の効果が得られる。

（実施例４）
図７を参照して本発明の第四の実施例を説明する。本実施例は複数の発熱抵抗体が、個別に流路壁形成部材によって囲まれている場合に好適に用いられる。

図７は本発明のインクジェット記録ヘッドの一部を吐出口方向から基板方向にみた平面透視図である。

図７に示すように、発熱抵抗体５は周囲を流路壁形成部材４に囲まれている。このような場合発熱抵抗体１と流路壁形成部材４との距離が十分小さければ、流路壁形成部材４がこれまでに述べた第１の突出部の機能を果たし、気泡の吐出口方向への成長を促進させることが出来る。

本実施例においては、流路壁形成部材４の該当部位（図中Ａ）が第１の突出部としての機能を果たしている。また部位Ａと発熱抵抗体１との間の図中破線領域には第１の突出部を設けていない。

これにより破線領域に第１の突出部がある場合に比べ、流路６と吐出口５との連通領域が増え、リフィル特性の向上がはかられている。また流壁形成部材４の当該部分Ａによる吐出口方向への気泡成長の促進については、破線領域に第１の突出部が存在する場合とほぼ同等の効果が得られる。

以上述べたように、本実施例のインクジェット記録ヘッドでは、サテライト低減の効果を維持しながらリフィル特性のさらなる向上が成されている。

本発明のインクジェット記録ヘッドの構成を示す斜視図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドの吐出口周囲の構造を示す平面透視図および模式的断面図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドによるインク吐出時のインクと気泡の挙動を時系列的に示す模式的断面図である。 本発明の第一の実施例におけるインクジェット記録ヘッドの吐出口周囲の構造を示す模式的断面図である。 本発明の第二の実施例におけるインクジェット記録ヘッドの吐出口周囲の構造を示す模式的断面図である。 本発明の第三の実施例におけるインクジェット記録ヘッドの吐出口周囲の構造を示す模式的断面図である。 本発明の第四の実施例におけるインクジェット記録ヘッドの吐出口周囲の構造を示す平面透視図である。

符号の説明

１ 発熱抵抗体
２ 基板
３ インク供給口
４ インク流路壁構成部材
５ 吐出口
６ インク流路
７ 第１の突出部
８ 第１の突出部が前記発熱抵抗体を囲むことにより形成される空間領域
９ 壁面
１０ 第２の突出部
１１ 気泡
１２ １２ａ インク
１３ インク滴
１４ 第２の突出部１０の発熱抵抗体１側の開口
１５ スリット

Claims (7)

1. 液体に気泡を発生させるための発熱抵抗体を有する基板と、
   前記発熱抵抗体に対向し液体を吐出する吐出口が設けられ、該吐出口に連通する流路を前記基板との間に形成する壁面と、
   を備える液体吐出ヘッドにおいて、
   前記基板は、前記発熱抵抗体の周囲に前記吐出口へ向かう方向に突出した第１の突出部を備え、
   前記壁面は、該壁面から前記発熱抵抗体へ向かう方向に突出した第２の突出部を備え、該第２の突出部の端部は、前記第１の突出部の端部よりも前記発熱抵抗体に近く、
   前記発熱抵抗体へ向かう方向に関する前記第２の突出部の前記基板への投影領域は前記発熱抵抗体の領域に含まれることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 液体に気泡を発生させるための発熱抵抗体を有する基板と、
   前記発熱抵抗体に対向し液体を吐出する吐出口が設けられ、該吐出口に連通する流路を前記基板との間に形成する壁面と、
   を備える液体吐出ヘッドにおいて、
   前記基板は、前記発熱抵抗体の周囲に前記吐出口へ向かう方向に突出した第１の突出部を備え、
   前記壁面は、該壁面から前記発熱抵抗体へ向かう方向に突出した第２の突出部を備え、該第２の突出部の端部は、前記第１の突出部が前記発熱抵抗体を囲むことにより形成される領域内に存在することを特徴とする液体吐出ヘッド。
3. 前記第１の突出部の少なくとも一部にスリットが設けられている請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記第２の突出部の端部よりも前記壁面に近い領域では、前記壁面に近づくほど前記第１の突出部と前記第２の突出部との間隔が広がっ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。
5. 前記第２の突出部の端部を形成する部材は発熱抵抗体方向に近づくにつれ、厚みが減少す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。
6. 前記発熱抵抗体の周囲の一方は前記流路を構成する他の壁面により囲まれているとともに、前記発熱抵抗体の周囲の他方に前記第１の突出部が設けら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。
7. 前記発熱抵抗体により発生した気泡によって、前記吐出口の前記発熱抵抗体側の開口が塞がれている状態で、前記液体が吐出される請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
   

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