JP4562177B2 - 液体吐出記録ヘッド及び液体吐出記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、インクやその調整用の処理液などの液体（以下単にインクと称する）を吐出するインクジェット記録ヘッド（液体吐出記録ヘッド）に関する。

インクジェット記録ヘッドでは、長時間にわたってインク液滴を吐出しない状態で放置すると、インク中の水分が吐出口から蒸発し、ノズル内のインクが増粘したり、吐出口のインクメニスカス表面に固体状膜が形成されたりする現象が発生する。その結果、長時間にわたってインクが吐出されないまま放置されたノズルからインクを吐出させようとした場合には、ノズルの流抵抗が大きくなり、インク液滴の吐出速度が低下したり、吐出方向が通常時における所定方向からずれたりして、適正な吐出状態を維持できなくなるという現象が発生することになる。通常、インクジェット記録ヘッドにおいては、このような現象が発生しないように、非使用時には吐出口面をキャップで覆ったり、適宜インクの吸出しや、記録に寄与しないインク吐出を行ったりといった種々の対策が採られている。しかし、このようなインク中の水分蒸発に伴う現象は、吐出口を小さくすると極端に発生しやすくなり、近年の記録画像の高画質化に伴って、吐出液適量の少ないインクジェット記録ヘッドを構成するためには、さらなる対策が求められるようになってきている。

これに対して、従来、特許文献１に開示する対策が知られている。この特許文献１に開示された従来例のインクジェット記録ヘッドの模式図を図８，９に示す。図８（ａ）はこのインクジェット記録ヘッドのノズルを吐出口側から見た平面図、図８（ｂ）はそのＸ−Ｘ’線に沿った断面図、図９は共通液室５０から、図８に示すノズルが複数個分岐している構成を示す平面図である。

共通液室５０からは、複数のインク流路５１が分岐しており、各インク流路５１は、ヒータ５２を含む液室５３に接続している。各液室５３に設けられたヒータ５２は、インクを過熱し、インク中に気泡を発生させる働きをする。インク吐出面の、各液室５３に対応する位置には、開口部５４が設けられている。開口部５４と液室５３の間には、開口部５４および液室５３よりも断面積の狭い狭部５５が設けられている。それによって、この構成では、狭部５５と開口部５４とが、インクが吐出される吐出口を構成している。

このインクジェット記録ヘッドにおいて、ヒータ５２が駆動されると、液室５３内のインクがヒータ５２によって過熱されて、インク中に気泡が生成される。気泡の生成に伴って圧力が発生し、発生した圧力によってインクが狭部５５を経由して、開口部５４に押し出され、インク液滴が開口部５４から外部へ吐出される。

この際、狭部５５の断面積が小さく、開口部５４の面積が非常に大きい構成となっているので、開口部５４内に存在しているインクには、狭部５５の近傍にあるもののみに狭部５５を経由して、吐出可能な運動エネルギーが与えられる。そのため、開口部５４のインクは、狭部５５近傍のものだけが吐出され、他はそのまま開口部５４に残る。その結果、開口部５４が比較的広いにもかかわらず、微小な狭部５５の面積に応じた微小液滴の吐出が可能となる。

そして、この構成によれば、開口部５４の面積が広いので、開口部５４からヒータ５２までの全体の流抵抗に占める、開口部５４の流抵抗の比率は非常に小さなものとなる。そのため、開口部５４から水分が蒸発し、開口部５４内のインクの粘度が上昇しても、開口部５４からヒータ５２までの全体の流抵抗の変化は小さなものとなる。したがって、同等の微小液滴を吐出できるように吐出口全体を小さな断面積とした構成に比べて、インク粘度の上昇による、インク吐出への影響を低減することができる。
特開２００３−１５４６５５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術においても、インクが吐出される際には、インクが開口部５４のインクの表面張力に打ち勝つ必要があるため、やはり、開口部５４のインクの状態による影響を完全には避けられない。そのため、記録画像に応じて、特定の開口部５４において、インクが長時間に亘って吐出されずにインクの増粘が進行するようなケースを想定すると、記録動作を工夫するといった他の対策を併用しなければ、インクの増粘が進行した開口部５４におけるインク吐出と他の開口部５４におけるインク吐出との間に、微小なインク吐出特性の差が生じる場合が考えられる。このような微小なインク吐出特性の差は、通常、記録画像にほとんど影響を与えるものではないと考えられるが、均一な画像部において不均一な画素を生じるなどして、記録画像の品位に影響を与ることが考えられる。

そこで、本発明の目的は、特許文献１に開示されたような技術をさらに改良し、開口部におけるインクの増粘による記録画像への影響のさらなる低減を図ることができる液体吐出記録ヘッドを提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の液体吐出記録ヘッドは、液体を吐出する為に利用されるエネルギーを発生する素子が設けられ、互いに流路壁によって仕切られた液室の複数と、液体を滴として吐出する吐出口が前記素子に対応する位置に設けられた吐出口形成部材と、を有する液体吐出記録ヘッドにおいて、前記吐出口は、前記吐出口形成部材の外面に開口し、前記液体のメニスカスを保持する開口部と、前記開口部と前記液室との間に前記開口部と前記液室とを連通させるように前記素子に対応する位置に設けられ、前記液体が吐出する方向に対して垂直方向の断面積が、前記開口部の開口面積より小さい狭部と、を有し、複数の前記開口部が互いに連通する連通部をさらに有し、該連通部において液体が保持され、前記素子は所定のブロック単位で時分割して駆動され、同一ブロック内に属する複数の前記素子にそれぞれ対応する前記複数の開口部は、前記連通部によってブロック単位で連通していることを特徴とする。

本発明によれば、液体の吐出口が、比較的広い開口部を有していることによって、開口部での液体中の水分の蒸発による液体の増粘などの影響が緩和されるのに加えて、液体吐出後に、液体が吐出されていない開口部の液体が、液体が吐出された開口部側へと連通部を介して移動させられ、その結果、液体が吐出されていない開口部にも、吐出口の狭部を介して、水分濃度の高いフレッシュな液体が補充されるようにすることができる。その結果、長時間に亘って液体が吐出されないままとなった吐出口においても、他の吐出口において液体が吐出される度にフレッシュな液体が補充されるので、その開口部の液体の増粘を低減することができる。それによって、吐出口での液体の増粘の影響、および、複数の吐出口間での液体の増粘の差の影響を低減し、全ての吐出口について、その開口部の液体を水分濃度の高い状態に長時間に亘って保ち、したがって、良好な、かつ各吐出口間での特性差の小さい液体吐出が可能な状態に保って、高品位の画像記録を可能とすることができる。

本発明は、記録用のインクを吐出するだけでなく、医療分野において液状薬剤を霧状にして肺吸引させる際に使用される吸引装置などにも好適に用いられる、液体を微小な液滴として吐出するヘッドに関する。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本実施例においては、記録用のインクを吐出する例を示す。

（第１の実施形態）
図１、図２に、本発明の第１の実施形態のインクジェット記録ヘッドの模式図を示す。図１は、このインクジェット記録ヘッドのノズル部の平面図、図２（ａ）は、図１の開口部７部分の拡大図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。

本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、液体を吐出する為に利用されるエネルギーを発生する素子である発熱素子（ヒータ２）が形成された基板１上に、インクが充填される液室１２等を形成するノズル形成部材５が設けられて構成されている。

該図１に示すように、ヘッド中央部には共通液室１０が形成され、共通液室１０から、その両側に、複数のインク流路１１が、流路壁６によって仕切られて形成されている。各インク流路１１の先端は、ヒータ２が配置された液室１２となっている。

各液室１２には、液体を吐出する為に利用されるエネルギーを発生する素子であるヒータ２に対面する位置に吐出口が形成されている。各吐出口は、ノズル形成部材の外面に開口を有する比較的広い開口部７と狭部９とを有し、狭部９は開口部７と液室１２とを連通するように、開口部７と液室１２の間に形成されている。

狭部９をインクの吐出方向と垂直な方向に切った場合の断面積は、液室１２をインクの吐出方向と垂直な方向に切った場合の断面積より小さく、さらに、開口部７の外面に対する開口面積よりも小さい。各狭部９は、各開口部７の中央に位置しており、各開口部７は、吐出口面に形成された連通部８によって連通している。

本発明における、吐出口形成部とは、開口部７と狭部９とが形成された部材を示し、上述のノズル形成部材５と一体に形成されたものでも良いし、ノズル形成部材に張り合わせられるような形状のものでも良い。

本実施形態では、図１に示すように、各連通部８は、液室１２の並び方向に直交する方向の幅が、各開口部７と同じになっており、各開口部７と各連通部８とは、全体として、長尺な矩形の１つの溝を形成している。

本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、記録媒体の搬送機構、ヘッドへのインク供給機構、制御機構などを備えたインクジェット記録装置（液体吐出記録装置）に搭載して使用され、記録装置に取り込まれた記録画像データに応じて、その記録画像を形成するのに必要な画素を形成するために、複数のヒータ２が選択的に駆動され、駆動されたヒータ２に対応する吐出口からインクが吐出される。

インク吐出に当たっては、共通液室１０を介して各ノズル内にインクが充填され、開口部７には、図２（ｂ）に示すようにメニスカス１５が形成される。ヒータ２が駆動されると、発泡に伴って発生する圧力によって、インクが狭部９を通って開口部７に押し出される。開口部７に保持されているインクの狭部９近傍のインクが、メニスカス１５の表面張力に打ち勝って開口部７から外部に吐出される。このようにして、狭部９の微小な断面積に応じた微小なインク液滴が吐出される。

インクの吐出後には、インクが共通液室１０からインク流路１１を介して、インクを吐出した開口部７へと供給され、メニスカス１５が、元の通常位置に復帰し、次のインク吐出が可能な状態となる。この際、本実施形態の構成では、各開口部７が連通部８を介して隣接する開口部７に連通しているため、各開口部７間でも、インクを吐出した開口部７側へとインクの移動が起こる。

以上説明したように、本実施形態によれば、インクを吐出した後、インクを吐出した開口部７へ、隣接する各開口部７からインクが移動する。したがって、インクを吐出していない開口部７であっても、それに保持されたインクは、他のノズルでインクが吐出されるたびに移動させられ、それに見合った量のインクが、狭部９を介して新たに補充されることになる。その結果、特定の開口部７について、非使用状態が長く続いた場合であっても、他の開口部７からのインク吐出の度に、十分な水分濃度を有する、共通液室１０側からのフレッシュなインクが補充されることになり、インクの増粘が抑制される。その結果、インクの増粘によってインク吐出特性に影響が生じるのを抑制することができる。さらに、各開口部７間で、インク吐出特性に差が生じるのを低減することができる。このため、本実施形態によれば、長期間に亘ってインクが吐出されない開口部７が存在した場合であっても、適正なインク吐出特性を安定的に保つことが可能となり、濃度ムラや、スジの発生を低減し、高品位な画像形成が可能となる。

（第２の実施形態）
図３、図４に、本発明の第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドの模式図を示す。図３は、このインクジェット記録ヘッドの平面図、図４（ａ）は、図３の開口部７部分の拡大図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。これらの図において、第１の実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態では、各連通部２０は、液室１２の並び方向に直交する方向の幅が、各開口部７よりも狭い構成となっている。したがって、開口部７が互いに連通する方向に直交する方向に関する連通部２０の断面積が、開口部７が互いに連通する方向に直交する方向に関する開口部７の断面積より小さくなっている。

本実施形態によれば、各連通部２０が狭くなっていることによって、各開口部７が、実質的に小さな矩形形状となり、それによって毛管力が働きやすくなるので、各開口部７におけるインクのメニスカス１５を安定化することができ、それによって、インクの吐出状態をさらに安定化することができる。また、連通部２０には流抵抗が発生するので、インク吐出の際に、インクを吐出する開口部７とは異なる他の開口部７側にまで、インク吐出のための圧力が伝播し、他の開口部７におけるインク吐出に影響が生じる、いわゆるクロストークが発生するのも低減できる。その結果、さらにインク吐出特性を改善し、高品位な画像記録を可能とすることができる。

（第３の実施形態）
図５、図６に、本発明の第３の実施形態のインクジェット記録ヘッドの模式図を示す。図５は、このインクジェット記録ヘッドの平面図、図６（ａ）は、図５の開口部７部分の拡大図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。これらの図において、第１の実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態では、各開口部７間の、各狭部９の中心を結ぶ線上にリブ３０が形成され、リブ３０の、液室１２の並び方向に直交する方向の両側に連通部３１が形成されている。

本実施形態によれば、リブ３０によって各開口部７間におけるクロストークの発生をさらに効果的に抑制することができる。

なお、本実施形態の構成は、第２の実施形態の構成と組み合わせてもよい。

（第４の実施形態）
図７に、本発明の第４の実施形態のインクジェット記録ヘッドの平面図を示す。同図において、第１〜３の実施形態と同様の部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、ブロック単位で時分割して素子を駆動させるインクジェット記録装置に搭載される。この時分割駆動では、素子を、複数の素子、図に示す例では６つの素子毎にブロック分けし、駆動周期を、各ブロックに含まれる素子の数にあわせて時分割し、各ブロックに含まれる素子に対応する吐出口からのインク吐出、すなわち対応する各素子（ヒータ２）の駆動を、１回の駆動周期において、順次ずらして実行する。

図７に、駆動NO.として記載してあるのが、１回の駆動周期内における、各ノズルの駆動順序を示している。例えば、ノズルNO.ｎ、ｎ＋２、ｎ＋４、ｎ＋６、ｎ＋８、ｎ＋１０のノズルが同一ブロックに属し、これらは、駆動周期内で、それぞれ１番目、２番目、３番目、４番目、５番目、６番目の駆動順序で駆動される。

そして、本実施形態では、各ブロック内のノズル間では、開口部７間に連通部２０を設けるが、隣接する異なるブロックのノズル間においては、開口部７間に連通部を設けずに非連通部４０とする。

つまり、本実施形態によれば、開口部７が連通されたノズルは全て駆動タイミンが異なり、同時に駆動されるノズル間では開口部７が連通していないので、クロストークを低減する効果が得られる。したがって、本実施形態によれば、インクの吐出状態を安定させ、高品位な画像記録を可能とすることができる。

なお、図７には、第２の実施形態と同様の構成の連通部２０を設けた構成を示しているが、連通部は、第１、第３の実施形態で示したものであってもよい。

本発明の第１の実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル部の平面図である。 図２（ａ）は、図１のインクジェット記録ヘッドの、開口部部分の拡大図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 本発明の第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル部の平面図である。 図４（ａ）は、図３のインクジェット記録ヘッドの、開口部部分の拡大図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。 本発明の第３の実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル部の平面図である。 図６（ａ）は、図５のインクジェット記録ヘッドの、開口部部分の拡大図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。 本発明の第４の実施形態のインクジェット記録ヘッドのノズル部の平面図である。 図８（ａ）は、従来例のインクジェット記録ヘッドのノズルを吐出口側から見た平面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）のＸ−Ｘ’線に沿った断面図である。 共通液室から図８に示すノズルが複数個分岐している構成を示す平面図である。

符号の説明

７ 開口部
８，２０，３１ 連通部
９ 狭部
１２ 液室

Claims (4)

1. 液体を吐出する為に利用されるエネルギーを発生する素子が設けられ、互いに流路壁によって仕切られた液室の複数と、
   液体を滴として吐出する吐出口が前記素子に対応する位置に設けられた吐出口形成部材と、
   を有する液体吐出記録ヘッドにおいて、
   前記吐出口は、
   前記吐出口形成部材の外面に開口し、前記液体のメニスカスを保持する開口部と、
   前記開口部と前記液室との間に前記開口部と前記液室とを連通させるように前記素子に対応する位置に設けられ、前記液体が吐出する方向に対して垂直方向の断面積が、前記開口部の開口面積より小さい狭部と、
   を有し、
   複数の前記開口部が互いに連通する連通部をさらに有し、該連通部において液体が保持され、
   前記素子は所定のブロック単位で時分割して駆動され、同一ブロック内に属する複数の前記素子にそれぞれ対応する前記複数の開口部は、前記連通部によってブロック単位で連通していることを特徴とする液体吐出記録ヘッド。
2. 前記開口部が互いに連通する方向に直交する方向に関する前記連通部の断面積が、
   前記開口部が互いに連通する方向に直交する方向に関する前記開口部の断面積より小さいことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出記録ヘッド。
3. 前記素子は発熱素子であ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. 請求項１から３のいずれか１項に記載の液体吐出記録ヘッドと、
   該液体吐出記録ヘッドの前記素子を駆動させる手段とを有する液体吐出記録装置。

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