JP2009190316A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】液体吐出後にノズルへの液体の供給を短時間で行うことができ、高速で記録を行うことができる液体吐出ヘッドを提供すること。
【解決手段】可動弁６とヒータ２を有するノズル内壁との間の空間と連通する空間で、可動弁６の下側に設けられた空間が、可動弁６の支点１０よりも液体が流入する方向Ｘにおいて上流側に設けられている。
【選択図】図９

Description

本発明は、液体に熱エネルギを作用させることによって発生する気泡を利用して、所望の液体を吐出する液体吐出ヘッドに関するものである。

今日インクジェット記録装置は、プリンタ、複写機、ファクシミリ等の機能を有する記録装置、あるいはコンピュータやワードプロセッサ等を含む、複合型電子機器やワークステーションなどの出力機器として多く用いられている。インクジェット記録装置は、記録情報に基づいて、紙、布、プラスチックシート、ＯＨＰ用シート等の記録媒体に向けて液滴を吐出することで記録を行なう。そしてこのインクジェット記録装置は、低騒音、低ランニングコストで、装置の小型化が容易であり、カラー化も容易であるなどの観点から広く応用されている。

インクジェット記録装置に用いられる液体吐出ヘッドは、種々の方式により吐出液滴を形成して吐出するものが知られている。中でも、液滴を吐出するために利用されるエネルギとして熱を用いる液体吐出ヘッドは、ノズル内の記録素子としての電気熱変換体（ヒータ）が発熱することによって液体に気泡を発生させ、その圧力を利用して液滴を吐出させるものである。この吐出方法は高密度のマルチノズル化を比較的容易に実現することができ、高解像度、高画質で、また高速な記録を可能とするものである。

このような、熱を利用した液体吐出ヘッドとしては、液体を吐出するノズル内の記録素子と対面する位置に可動弁を有したもの（特許文献１、特許文献２）がある。これは、記録素子によって発生させた気泡の成長を可動弁によって規制しつつ、気泡を吐出口方向へ案内することで、吐出する液滴の量のばらつきを少なくし、吐出速度を安定させるものである。

図１（ａ）、（ｂ）は、ノズル３００内に可動弁３０１を有した従来例としての液体吐出ヘッドであり、電気熱変換体（ヒータ）３０２の発熱による液体の発泡を利用して液体を吐出させた後に、液体が供給される様子を示す。図のようなノズル３００内に可動弁３０１を有した液体吐出ヘッドでは、液体の吐出後に気泡Ｂが消泡する際に、ヒータ３０２と可動弁３０１との間には図中の矢印のように液体が流れ込む。

特開平１０−６７１０６号公報 特開平９−３２７９２０号公報

しかしながら、図１（ａ）、（ｂ）のような従来の液体吐出ヘッドは、液体の吐出後にノズルに液体が再供給される際、ヒータ３０２と可動弁３０１との間に液体が流れ込みにくい。そのため、液体吐出後の液体の供給が遅れてしまう。したがって短時間に多くの回数の吐出をすることは難しく、更なる高速化を図ることは容易にはできなかった。

よって本発明は、液体吐出後にノズルへの液体の供給を短時間で行うことができ、時間当たりの吐出回数を多くすることができる液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

本発明の液体吐出ヘッドは、液体の流路を形成する内壁の一部であるヒータボードに設けられたヒータによって前記液体を加熱して、前記液体に気泡を発生させることで、吐出口から前記液体を吐出させ、前記液体の前記流路内に、前記ヒータと対面して、前記気泡の発生に伴って変位することで前記液体の流れを制御する可動弁を有する液体吐出ヘッドにおいて、前記可動弁が変位するための支点となる壁と、前記ヒータボードと前記可動弁との間に形成され、かつ前記可動弁の側方を介して前記流路と連通し、かつ前記支点よりも前記流路の上流側に延在する空間と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、可動弁とヒータとの間の空間と連通し、可動弁の下側に設けられ、可動弁の支点よりも液体が流入する方向において上流側に空間を設けることで、ヒータと可動弁との間の空間に液体が早く供給されて、短時間に多くの液滴を吐出することができる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図２は、本発明の一実施形態である、液体吐出ヘッド１１０を具えた液体吐出装置１１１の内部構造を示す正面図である。図中の液体吐出装置１１１は、複数の液体吐出ヘッド１１０、各液体吐出ヘッド１１０に対応する個別の回復ユニット１１２、液体を収納するカートリッジ１１３、記録媒体搬送部１１４、オペレーションパネル部１１５、給紙部１１６等を備えている。

図３は、液体吐出ヘッド１１０を分解した状態を示す分解斜視図である。
ヒータボード１０１は、セラミック製のベースプレート１００によって支持されており、そのヒータボード１０１をベースプレート１００と挟む形で配線基板１０２が配置されている。そして、ヒータボード１０１の凹部に形成されたヒータ２（図５参照）と配線基板１０２上の端子とは各々の配線に対応してワイヤボンディングにより電気的に接続されている。

図４は、本発明の一実施形態である液体吐出装置１１１における、液体供給系の構成を示す図である。本実施形態の液体吐出装置１１１は、着脱可能なカートリッジ１１３、液体吐出ヘッド１１０の吐出口１３（図５参照）に形成される液面であるメニスカス１９（図７参照）の位置を適正に保つための圧力を発生するサブタンク１１８を備えている。さらに本実施形態の液体吐出装置１１１は、カートリッジ１１３からサブタンク１１８へ液体を供給するための供給ポンプ１１９、サブタンク１１８から液体吐出ヘッド１１０へ液体を供給するための加圧ポンプ１２０を備えている。さらに本実施形態の液体吐出装置１１１は、液体吐出ヘッド１１０から液体のリターン流路を閉鎖するための回復弁１２１を備えている。供給ポンプ１１９は、後述するリサイクル動作にも使用され、その際の経路選択のため供給弁１２２が配置されている。液体吐出ヘッド１１０より排出された液体を再利用するリサイクル動作は、液体吐出ヘッド吐出面下方に設置された回復桶１２３、回復桶１２３からサブタンク１１８への液体の流路選択のためのリサイクル弁１２４により行なわれる。

図５は、本実施形態の液体吐出ヘッドのノズル近傍の一部の断面斜視図である。流路の内壁の一部を形成するヒータボード１０１には液体を加熱発泡するためのヒータ２が複数設置されている。ヒータ２はチッ化タンタル等の抵抗体が用いられており、厚さは０．０１〜０．５μｍ、単位面積あたり１０〜３００Ωの抵抗を有するものが用いられる。ヒータ２には通電のためのアルミニウム等の不図示の電極が接続されており、その電極にはヒータ２への通電を制御するための不図示のスイッチングトランジスタが接続されている。スイッチトランジスタは制御用のゲート素子等の回路からなるＩＣによって制御され、不図示の制御部からの信号によって所定のパターンで駆動するようになっている。複数のヒータ各々に対応してノズル１４が形成されており、吐出口１３と共通液室１６とはノズル１４によって連通している。また、ノズル１４は、同一材料で形成された土手３と弁台座１２とが貼り付けられたヒータボード１と、両側のノズル壁５と、厚さ２μｍ程度の天板ノズル７と、によって囲まれた管状をなしている。つまり土手３はノズル１４の周縁の一部を形成している。そして、可動弁６は弁支持部材１１から櫛歯状に延びて、かつ自由端９を吐出口１３方向に向けて設けられている。そして、弁支持部材１１は弁台座１２に取り付けられている。天板ノズル７は、Ｓｉ等で構成される天板８に貼り付けられており、天板８は異方性エッチング等で形成された供給開口１７を備えており、液体を共通液室１６から導入可能としている。このように、本実施形態では流路内に可動弁６を備えた構成になっている。

図６は、本実施形態の液体吐出ヘッドの吐出口１３の周辺の構成を示す断面図である。液体は共通液室１６を矢印のように通り供給開口１７に供給される。

以下に、図７および図８を用いて本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法を説明する。なお、図７および図８は図５のＶ−Ｖ断面図であり、本実施形態の製造方法に合わせて、２組の液体吐出ヘッドの吐出口面を付き合わせた状態の図である。２組の液体吐出ヘッドの吐出口面を付き合わせたものを一体で形成して、後工程において図中の一点鎖線部で切断することで吐出口を形成するという方法で液体吐出ヘッドを作った。このような作り方を用いることで、ノズルの位置精度が高くなり、より高画質の記録が可能な液体吐出ヘッドを作ることができる。また、図７および図８は説明を容易にするために図５の液体吐出ヘッドとは寸法関係を変えて、模式的に表している。

図７（ａ）は、ベースプレート１０１に土手３や弁台座１２が形成された状態を示す図である。まず、シリコンウエハからなるベースプレート１０１上に半導体製造工程で用いるものと同様の製造装置を用いて、ハフニュウムボライドやチッ化タンタル等からなるヒータ２を形成する。その後、ベースプレート１０１表面に洗浄を施し、さらに密着性の向上を目的としてベースプレート１０１表面に紫外線-オゾン等による表面改質を行った。次に、ベースプレート１０１上に紫外線感光樹脂フィルムをラミネートし、フォトマスクを介して、紫外線感光性樹脂フィルムのノズル土手３、および可動弁６を接着するための弁台座１２として残す部分に、紫外線を照射した。図７（ｂ）は、ノズル壁５を作るための紫外線感光性樹脂フィルムを、ノズル土手３、弁台座１２の上にラミネートした図である。図７（ｃ）は、図７（ｂ）でラミネートした紫外線感光性樹脂フィルムに紫外線を照射して、ノズル壁５を形成した状態の図である。紫外線を照射後にキシレンとブチルセルソルブアセテートとの混合液からなる現像液で現像し、未露光部分を融解させ、露光して硬化した部分がノズル壁５として形成される。

図８は、図７以降の工程を示す図である。図８（ａ）は、弁台座１２に可動弁６を取り付けた状態を示す図である。可動弁６は、その先端部を吐出口側に向けた片持ち状態で弁台座１２に接着剤で固定されている。図８（ｂ）は、天板８を取り付けた図であり、予め感光性樹脂フィルムを材料とした天板ノズル７をラミネートしておいた天板８をノズル壁５に溶着してある。その後、図中一点鎖線部で切断して図８（ｃ）のように吐出口が形成される。図８（ｄ）は、切断面を研磨した後の状態を示したものである。切断面を研磨すると、
樹脂材である部分は弾性が高いために、図に示すように隆起する。このように樹脂部が隆起することによって、従来吐出口部分に用いられていたオリフィスプレートを取り付けなくても、樹脂部にその役割をさせることができる。

図９は、本実施形態のノズル１４を表した図であり、図９（ａ）はノズル１４の横断面図、図９（ｂ）は縦断面図を表している。また、図９（ｃ）は切欠部２０１の様子をわかりやすくするために可動弁６を取り除いた状態のノズル１４の断面斜視図である。

一体で形成されてヒータボード１０１に貼り付けられた土手３と弁台座１２は、ヒータ２がノズル１４内に露出するように、ヒータ２を覆う部分が切欠されている。切欠部２０１においてノズル１４内に流入してきた液体に熱を加えて、気泡の発生を可能にしている。さらに切欠部２０１は、ヒータ２の上部から供通液室１６の方向、つまり液体が流入する方向Ｘと反対の方向に向かって延びて設けられている。その延びて設けられた切欠部２０１は中央分離壁２００によってそれぞれ流入部２０１Ａと流入部２０１ｂとに分けられている。したがって、流入部２０１Ａおよび流入部２０１Ｂは中央分離壁２００の両脇に沿って延びるように設けられている。そしてその流入部２０１Ａおよび流入部２０１Ｂは可動弁６の側方部６Ａおよび側方部６Ｂを介して、液体流路であるノズル１４と連通している。このように液体が流入する方向Ｘと反対の方向に向かって流入部２０１Ａおよび流入部２０１Ｂが延在していることで、可動弁６の支点１０よりも共通液室１６側に、可動弁６の下側へ液体を流入させるための空間ができる。そしてその空間によって、液体がノズル１４内に流入してくる際に、早い段階で液体が可動弁６の下側に回り込み、ヒータ２上の空間を満たすことができる。この空間を形成する壁は、空間２０１Ａ、２０１Ｂからヒータ上部の空間まで延在する延在部を備えている。

次に、液体吐出動作について図を用いて説明する。

図１０から図１３は、本実施形態のノズルで液体を吐出する様子を、時間を追って示した図である。図１０（ａ）は、ヒータ２が発熱していなく、液体が発泡を開始する前の状態を示した図である。ノズル１４内は液体で満たされており、吐出口１３にはサブタンク１１８が発生する圧力によって液面であるメニスカス１９が形成されている。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。図１１（ａ）は、液体が発泡を開始した様子を示す図である。液体の発泡によって吐出口１３には、液柱２０が形成されている。この時に発泡によってできた気泡３１が中央分離壁２００に接触するようになっており、これにより中央分離壁２００が気泡３１のストッパになることで、気泡３１が極端に後退することを防いでいる。また、この時に可動弁６は気泡圧力の伝搬方向を吐出口１３方向に導くように支点１０を支点として変位する。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＸＩ−ＸＩ断面図である。図１２（ａ）は、液体が吐出する瞬間の様子を示した図である。ヒータ２への通電がなくなり温度が下がることで、気泡３１の内部圧力が減少して気泡３１は収縮する。気泡３１が収縮することで液柱２０の根元部の液面２１はノズル１４内へと引き込まれ、液柱２０は液滴とノズル１４内の液体とに分離される。気泡が収縮する際に、ノズル１４から吐出した分の液体が共通液室１６から供給されるが、その際ヒータ２と可動弁６との間へは、まず可動弁６とノズル壁５との間から中央分離壁２００の両脇の流入部２０１Ａと流入部２０１Ｂとに図の矢印のように供給される。このように、可動弁６の支点１０よりも、液体の流入してくる上流側に、可動弁６の下側へ液体が流れ込むための流入部２０１Ａと流入部２０１Ｂとが設けられているために、可動弁６とヒータ２との間の空間に従来よりも早く液体を供給することができる。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＸＩＩ−ＸＩＩ断面図である。図１３（ａ）は、液体が吐出した様子を示した図であり、ノズル１４内部で気泡３１が消滅すると共に液柱２０は、主滴２２と副滴２３として吐出される。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ断面図である。

このように構成されたノズルでは、ノズル内への液体の供給を早く行うことができるため、このノズルを用いた液体吐出ヘッドで記録を行うことで、短時間に多くの液滴を吐出することができた。

なお、本実施形態では中央分離壁２００と切欠部２０１の形状は図９に示したような形状であるがこの限りではない。つまり、可動弁６とヒータ２との間の空間と連通する空間で、可動弁６の下側に設けられた空間が、可動弁６の支点１０よりも液体が流入する方向Ｘにおいて上流側に設けられていればよい。

従来のノズルで、吐出後に液体が供給される様子を示した図である。 本発明の一実施形態である、液体吐出装置の内部構造を示す正面図である。 液体吐出ヘッドを分解した状態を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態である液体吐出装置における、液体供給系の構成を示す図である。 本実施形態のヘッドノズル近傍の一部を断面にして示す断面斜視図である。 本実施形態のヘッドノズル近傍の断面図である。 本実施形態のノズルを作る工程を順に示した図であり、図７（ａ）は、土手と弁台座を形成する工程を示した図であり、図７（ｂ）、（ｃ）は、ノズル壁を形成する工程を示した図である。 図７以降のノズルを作る工程を順に示した図であり、図８（ａ）は、可動弁を形成する工程を示した図であり、図８（ｂ）は、天板を形成する工程を示した図であり、図８（ｃ）は、切断後の状態を示した図であり、図８（ｄ）は、研磨後の状態を示した図である。 本実施形態のノズルを表した図であり、図９（ａ）はノズルの横断面図、図９（ｂ）は縦断面図、図９（ｃ）は断面斜視図を表している。 図１０（ａ）は、本実施形態のノズルで液体が吐出する前の状態を示した図である。図１０（ｂ）は図１０（ａ）の縦断面図である。 図１１（ａ）は、本実施形態のノズルで液体に気泡が発生した状態を示した図である。図１１（ｂ）は図１１（ａ）の縦断面図である。 図１２（ａ）は、本実施形態のノズルで液体が供給される状態を示した図である。図１２（ｂ）は図１２（ａ）の縦断面図である。 図１３（ａ）は、本実施形態のノズルで液体が吐出した状態を示した図である。図１３（ｂ）は図１３（ａ）の縦断面図である。

符号の説明

２ ヒータ
３ 土手
５ ノズル壁
６ 可動弁
７ 天板ノズル
１０ 支点
１１ 弁支持部材
１２ 弁台座
１３ 吐出口
１４ ノズル
１６ 供通液室
１９ メニスカス
２０ 液柱
３１ 気泡
１０１ ヒータボード
１１１ 液体吐出装置
１１３ カートリッジ
１２０ 加圧ポンプ
２００ 中央分離壁
２０１ 切欠部
２０１Ａ 流入部
２０１Ｂ 流入部

Claims (7)

1. 液体の流路を形成する内壁の一部であるヒータボードに設けられたヒータによって前記液体を加熱して、前記液体に気泡を発生させることで、吐出口から前記液体を吐出させ、
   前記液体の前記流路内に、
   前記ヒータと対面して、前記気泡の発生に伴って変位することで前記液体の流れを制御する可動弁を有する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記可動弁が変位するための支点となる壁と、
   前記ヒータボードと前記可動弁との間に形成されて、前記可動弁の側方を介して前記流路と連通し、かつ前記支点よりも前記流路の上流側に延在する空間と、
   を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記壁は前記気泡と接触する部分を有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. 前記壁は、前記ヒータボードの上に設けられ、かつ、前記ヒータの側方のそれぞれに延在する２つの延在部を有し、
   前記可動弁と前記ヒータボードとの間の空間は、前記２つの延在部の間の空間を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記壁は前記ヒータボードの表面の上に設けられ、前記ヒータは、前記ヒータボードの表面よりも窪んだ凹部に設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記ヒータボードに設けられ、前記ノズルの周縁の一部を形成する土手を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記土手は前記壁と同一材料で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記吐出口の周縁は同一材料で構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。

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