JP7010377B2 - インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置 - Google Patents
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Description
一方で、個別排出流路の断面積を小さくすることで圧力損失を増大させると、排出可能な気泡や異物が小さくなるため、インク貯留部内の気泡や異物に起因する画質低下が顕著となってしまう。
このように、一のインク貯留部に複数の個別排出流路を連通させたインクジェットヘッドでは、画質低下を効果的に抑制するのが容易でないという課題がある。
インクを貯留するインク貯留部と、
前記インク貯留部に貯留されたインクの圧力を変動させる圧力変動手段と、
前記インク貯留部に連通し、当該インク貯留部内におけるインクの圧力の変動に応じてインクを吐出するノズルと、
一の前記インク貯留部に連通し、当該インク貯留部から前記ノズルに供給されずに排出されるインクがそれぞれ通る複数の前段個別排出流路と、
前記複数の前段個別排出流路が合流した後段個別排出流路と、
を各々有する複数のインク吐出部と、
前記複数のインク吐出部が有する複数の前記後段個別排出流路に連通し、当該複数の後段個別排出流路を通ったインクが流入する共通排出流路と、
を備え、
前記後段個別排出流路におけるインクの圧力損失は、前記複数の前段個別排出流路におけるインクの圧力損失より大きい。
前記後段個別排出流路におけるインクの排出方向に垂直な断面積の最小値は、前記複数の前段個別排出流路の各々におけるインクの排出方向に垂直な断面積の最小値以上である。
前記複数のインク吐出部の各々は、2つの前記前段個別排出流路を有し、前記2つの前段個別排出流路は、前記インク貯留部に対して互いに反対向きに接続されている。
インクを貯留するインク貯留部と、
前記インク貯留部に貯留されたインクの圧力を変動させる圧力変動手段と、
前記インク貯留部に連通し、当該インク貯留部内におけるインクの圧力の変動に応じてインクを吐出するノズルと、
一の前記インク貯留部に連通し、当該インク貯留部から前記ノズルに供給されずに排出されるインクがそれぞれ通る複数の前段個別排出流路と、
前記複数の前段個別排出流路が合流した後段個別排出流路と、
を各々有する複数のインク吐出部と、
前記複数のインク吐出部が有する複数の前記後段個別排出流路に連通し、当該複数の後段個別排出流路を通ったインクが流入する共通排出流路と、
を備え、
前記複数のインク吐出部の各々は、2つの前記前段個別排出流路を有し、
前記2つの前段個別排出流路は、前記インク貯留部に対して互いに反対向きに接続されている。
前記複数のインク吐出部の各々は、2つの前記前段個別排出流路を有し、
前記複数のインク吐出部が有する複数の前記ノズルは、所定方向に沿って配列されており、
前記複数のノズルのうち所定の一方の端にあるノズルを除いた各ノズルに連通している前記2つの前段個別排出流路は、一方の前段個別排出流路のみが、前記ノズルからのインクの吐出方向の側から見て、隣り合う前記ノズルの間を通る。
インクを貯留するインク貯留部と、
前記インク貯留部に貯留されたインクの圧力を変動させる圧力変動手段と、
前記インク貯留部に連通し、当該インク貯留部内におけるインクの圧力の変動に応じてインクを吐出するノズルと、
一の前記インク貯留部に連通し、当該インク貯留部から前記ノズルに供給されずに排出されるインクがそれぞれ通る複数の前段個別排出流路と、
前記複数の前段個別排出流路が合流した後段個別排出流路と、
を各々有する複数のインク吐出部と、
前記複数のインク吐出部が有する複数の前記後段個別排出流路に連通し、当該複数の後段個別排出流路を通ったインクが流入する共通排出流路と、
を備え、
前記複数のインク吐出部の各々は、2つの前記前段個別排出流路を有し、
前記複数のインク吐出部が有する複数の前記ノズルは、所定方向に沿って配列されており、
前記複数のノズルのうち所定の一方の端にあるノズルを除いた各ノズルに連通している前記2つの前段個別排出流路は、一方の前段個別排出流路のみが、前記ノズルからのインクの吐出方向の側から見て、隣り合う前記ノズルの間を通る。
前記複数の前段個別排出流路の各々は、当該複数の前段個別排出流路のうち他のいずれかの前段個別排出流路とは長さが異なる。
前記複数の前段個別排出流路は、長い前段個別排出流路ほど、単位長さ当たりの圧力損失が小さい。
請求項9に記載の発明は、請求項1から8のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記複数の前段個別排出流路の各々におけるインクの圧力損失は、当該複数の前段個別排出流路のうち他のいずれかの前段個別排出流路におけるインクの圧力損失と異なる。
請求項1から9のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドを備える。
図1は、本発明の実施形態であるインクジェット記録装置1の概略構成を示す図である。
インクジェット記録装置1は、搬送部2と、ヘッドユニット3などを備える。
なお、インクジェットヘッド100は、ノズル列を複数有していても良い。この場合には、複数のノズル列は、ノズル111のX方向についての位置が重ならないようにX方向の位置が互いにずらされて配置される。
インクジェットヘッド100は、筐体101と、筐体101の下端で筐体101と篏合する外装部材102とを備え、筐体101及び外装部材102の内部に主要な構成要素が収容されている。このうち外装部材102には、外部からインクが供給されるインレット103a、及びインクが外部に排出されるアウトレット103b、103cが設けられている。また、外装部材102には、インクジェットヘッド100をヘッドユニット3の基部3aに取り付けるための複数の取付穴104が設けられている。
図4では、インクジェットヘッド100の構成部材のうち、外装部材102の内部に収容されている主要な構成部材が示されている。具体的には、図4では、ノズル基板11、流路スペーサー基板12及び圧力室基板13を有するヘッドチップ10と、ヘッドチップ10に固着された配線基板15と、配線基板15に電気的に接続されたFPC20(Flexible Printed Circuit)とが示されている。
図4では、インクジェットヘッド100のノズル開口面11aが上方となるように、すなわち図3とは上下が反転されるように各部材が描かれている。以下では、各基板の-Z方向側の面を上面、+Z方向側の面を下面とも記す。
ノズル基板11、流路スペーサー基板12及び圧力室基板13と、配線基板15とは、いずれもX方向に長尺な略四角柱状の板状部材である。
なお、ノズル111の内壁面は、Z方向に垂直な断面積が、インク吐出側の開口部に近いほど小さくなるようなテーパー形状を有していても良い。また、ノズル基板11としては、ポリイミド以外の各種樹脂の基板や、シリコン基板、SUSなどの金属基板などを用いても良い。
また、圧力室基板には、貫通流路121に連通する圧力室131と、帯状貫通流路125に連通する溝状流路132と、溝状流路132から分岐する垂直排出流路133と、が設けられている。このうち圧力室131は、複数のノズル111の各々に対応して設けられている。
本実施形態の流路スペーサー基板12は、シリコン基板からなる。流路スペーサー基板12の厚さは、特には限られないが、数百μm程度とされる。流路スペーサー基板12の上面にはノズル基板11が、また下面には圧力室基板13が、それぞれ接着剤を介して接着(固着)されている。
圧力室基板13の材質は、セラミックスの圧電体(電圧の印加に応じて変形する部材)である。このような圧電体の例としては、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛などが挙げられる。本実施形態の圧力室基板13では、PZTが用いられている。
図5に示されるように、各圧力室131は、X方向に隣り合う圧力室131との間が圧電体の隔壁134により仕切られている。各圧力室131の隔壁134の内壁面には、金属の駆動電極136(圧力変動手段)が設けられている。また、圧力室基板13の表面のうち圧力室131の開口部の+Y方向側の近傍領域には、駆動電極136に電気的に接続された金属の接続電極135が設けられている。接続電極135は、図4に示される配線基板15の配線153、及びFPC20の配線21を介して外部の駆動回路に電気的に接続される。
なお、図4及び図5におけるX方向について一つ置きのチャネル141の形成位置に、チャネル141に代えて、インクの流入経路を有しない空気室を設けても良い。このような構成とすることで、チャネル141に隣接する隔壁134が変形した際に、他のチャネル141に当該変形の影響が及ばないようにすることができる。
また、共通排出流路142の+X方向側の端部には、圧力室基板13をZ方向に貫通する垂直排出流路133が接続されている。
配線基板15の下面には、図示しないインクマニホールド(共通インク室)が接続されており、当該インクマニホールドからインク供給口151にインクが供給される。
図6は、個別排出流路124の構成を示す平面図である。図6は、流路スペーサー基板12の上面のうち個別排出流路124の形成領域を拡大して示した図である。この個別排出流路124と、ノズル111と、チャネル141と、上述の駆動電極136と、により、ノズル111からインクを吐出させるための機構であるインク吐出部10aが構成される。したがって、ヘッドチップ10には、ノズル111の数と同一の数のインク吐出部10aが設けられている。
図7では、第1前段個別排出流路122aの流路抵抗Ra、第2前段個別排出流路122bの流路抵抗Rb、及び後段個別排出流路123の流路抵抗Rcを用いて個別排出流路124の等価回路が示されている。流路抵抗Ra及び流路抵抗Rbは、チャネルに対して並列に接続されており、この並列接続された流路抵抗Ra及び流路抵抗Rbの下流側に、流路抵抗Rcが直列に接続されて共通排出流路142に繋がっている。
このような構成の個別排出流路124における全体の合成流路抵抗Rは、以下の式(1)により表される。
R=Ra・Rb/(Ra+Rb)+Rc …(1)
ただし、個別排出流路124を通過できる気泡や異物をできるだけ大きくする観点から、個別排出流路124の各位置での断面積(インクの排出方向に垂直な断面の面積をいう。以下同じ)を確保した上で、流路を長くすることで圧力損失を増大させることが望ましい。しかしながら、近年、インクジェットヘッドでは、小型化やノズル配置の高密度化が進んでおり、第1前段個別排出流路122a及び第2前段個別排出流路122bを配置できる領域には限りがあるため、第1前段個別排出流路122a及び第2前段個別排出流路122bを長くして直接共通排出流路142に接続させる方法では流路を十分に長くできず(すなわち、圧力損失を十分に増大させることができず)、圧力波の伝播に起因する画質低下を十分に抑制することが困難である。
また、後段個別排出流路123における断面積の最小値は、第1前段個別排出流路122a及び第2前段個別排出流路122bの各々における断面積の最小値以上とされている。これにより、第1前段個別排出流路122a及び第2前段個別排出流路122bを通過可能な気泡や異物を、後段個別排出流路123においても通過させることができるようになっている。換言すれば、後段個別排出流路123において気泡や異物の排出に必要な断面積を確保した上で、後段個別排出流路123の長さを調整することで、個別排出流路124の全体の圧力損失を増大させている。
ただし、第1前段個別排出流路122a及び第2前段個別排出流路122bでインクの圧力損失の差が大きすぎると、チャネル141から第1前段個別排出流路122aに流入するインク量と第2前段個別排出流路122bに流入するインク量との差が大きくなってしまい、一方の前段個別排出流路を介した気泡や異物の排出効果が得られにくくなってしまう。このため、第1前段個別排出流路122a及び第2前段個別排出流路122bのうち相対的に長い第1前段個別排出流路122aにおける単位長さ当たりの圧力損失(流路全体における圧力損失を長さで除した値)を、第2前段個別排出流路122bにおける単位長さ当たりの圧力損失より小さくして、圧力損失の差を縮小することが望ましい。例えば、各前段個別排出流路における断面積が均一である場合には、相対的に長い第1前段個別排出流路122aの断面積を、第2前段個別排出流路122bの断面積より大きくすることで、第1前段個別排出流路122aにおける単位長さ当たりの圧力損失を相対的に小さくして、2つの前段個別排出流路における圧力損失の差を縮小することができる。
インク循環機構9は、供給用サブタンク91、還流用サブタンク92及びメインタンク93などを備える。
供給用サブタンク91は、インクジェットヘッド100に設けられたインクマニホールドに供給されるインクを貯留する。供給用サブタンク91は、インク流路94によってインレット103aに接続されている。
還流用サブタンク92は、インク流路95によってアウトレット103b、103cに接続されており、個別排出流路124及び共通排出流路142を含む上述のインク排出流路を通ってアウトレット103b又はアウトレット103cから排出されたインクを貯留する。
供給用サブタンク91及び還流用サブタンク92は、インク流路96で接続されている。そして、インク流路96に設けられたポンプ98により、還流用サブタンク92から供給用サブタンク91にインクを戻すことができるようになっている。
メインタンク93は、供給用サブタンク91に供給されるインクを貯留する。メインタンク93は、インク流路97によって供給用サブタンク91に接続されている。また、インク流路97に設けられたポンプ99により、メインタンク93から供給用サブタンク91にインクが供給される。
図9は、シミュレーションの条件及び結果を示す図である。
このシミュレーションでは、従来の構成の比較例1~比較例3、及び本発明の実施形態である実施例1、実施例2の各々について、個別排出流路124におけるインクの圧力損失(比較例1に対する比率)と、排出可能な気泡や異物の大きさとを評価した。
R=Ra・Rb/(Ra+Rb) …(2)
また、図10Aの構成において、流路の幅及び深さを0.06mmとし、第1前段個別排出流路122a及び第2前段個別排出流路122bの長さをそれぞれ1.5mmとしたものを比較例2とした。
また、図10Aの構成において、流路の幅及び深さを0.06mmとし、第1前段個別排出流路122a及び第2前段個別排出流路122bの長さをそれぞれ1.7mmとしたものを比較例3とした。
比較例1~比較例3の個別排出流路124の占有面積は、それぞれ0.15mm2、0.18mm2、0.20mm2である。
図11の構成において、流路の幅及び深さを0.06mmとし、第1前段個別排出流路122a及び第2前段個別排出流路122bの長さをそれぞれ0.7mmとし、後段個別排出流路123の長さを1.1mmとしたものを実施例1とした。
また、図11の構成において、流路の幅及び深さを0.07mmとし、第1前段個別排出流路122a及び第2前段個別排出流路122bの長さをそれぞれ0.7mmとし、後段個別排出流路123の長さを1.1mmとしたものを実施例2とした。
実施例1及び実施例2の個別排出流路124の占有面積は、それぞれ0.15mm2、0.18mm2である。
なお、比較例1~3、実施例1及び実施例2における各流路は、断面が正方形の角パイプ状のものとした。
また比較例2の構成に対して、比較例3のように、第1前段個別排出流路122a及び第2前段個別排出流路122bを1.7mmに長くすると、圧力損失の比率が0.55に改善して下限値を上回るものの、占有面積が0.20mm2に拡大して占有面積の条件を満たさなくなることが確認された。
また、実施例2のように、各流路の幅及び深さを0.07mmに拡大し、排出可能な気泡や異物を0.07mmまで大きくしても、占有面積及び圧力損失に関する上記の条件を満たすことが確認された。
このような構成によれば、第1前段個別排出流路122a、第2前段個別排出流路122b及び後段個別排出流路123からなる個別排出流路124のうち、後段個別排出流路123を長くすることで、個別排出流路124の占有領域の増大を抑えつつ、個別排出流路124におけるインクの圧力損失を効果的に増大させることができる。すなわち、第1前段個別排出流路122a及び第2前段個別排出流路122bを直接共通排出流路142に接続させた個別排出流路124を有する従来の構成において、第1前段個別排出流路122a及び第2前段個別排出流路122bを長くすることで圧力損失を増大させる場合と比較して、圧力損失を所定量増大させるために必要な個別排出流路124の占有領域の増大量を小さく抑えることができる。よって、流路の断面積を小さくすることなく(すなわち、排出可能な気泡や異物の大きさを維持しつつ)、個別排出流路124におけるインクの圧力損失を効果的に増大させて、チャネル141から共通排出流路142への圧力波の伝播を抑制することができる。あるいは、個別排出流路124の占有領域を小さく抑え、かつ圧力波の伝播を十分に抑制できる圧力損失を確保しながら、流路の断面積を大きくしてより大きな気泡や異物を排出させることができる。
よって、上記構成によれば、圧力波の伝播に起因する画質低下、及び気泡や異物に起因する画質低下をより効果的に抑制することができる。
例えば、上記実施形態では、流路スペーサー基板12に個別排出流路124を設ける例を挙げて説明したが、この構成に限定する趣旨ではない。例えば、個別排出流路124を圧力室基板13やノズル基板11に設けても良い。また、個別排出流路124は、流路スペーサー基板12の板面に溝を設けることで形成されたものに限られず、流路スペーサー基板12を厚さ方向に貫通する形状として、ノズル基板11及び圧力室基板13が接合されることで各流路が封止される構成としても良い。
2 搬送部
2a、2b 搬送ローラー
2c 搬送ベルト
3 ヘッドユニット
9 インク循環機構
10 ヘッドチップ
10a インク吐出部
11 ノズル基板
11a ノズル開口面
111 ノズル
12 流路スペーサー基板
121 貫通流路
122a 第1前段個別排出流路
122b 第2前段個別排出流路
123 後段個別排出流路
124 個別排出流路
125 帯状貫通流路
13 圧力室基板
131 圧力室
132 溝状流路
133 垂直排出流路
134 隔壁
135 接続電極
136 駆動電極
14 流路基板
141 チャネル
142 共通排出流路
15 配線基板
151 インク供給口
152 排出孔
20 FPC
100 インクジェットヘッド
M 記録媒体
Claims (10)
- インクを貯留するインク貯留部と、
前記インク貯留部に貯留されたインクの圧力を変動させる圧力変動手段と、
前記インク貯留部に連通し、当該インク貯留部内におけるインクの圧力の変動に応じてインクを吐出するノズルと、
一の前記インク貯留部に連通し、当該インク貯留部から前記ノズルに供給されずに排出されるインクがそれぞれ通る複数の前段個別排出流路と、
前記複数の前段個別排出流路が合流した後段個別排出流路と、
を各々有する複数のインク吐出部と、
前記複数のインク吐出部が有する複数の前記後段個別排出流路に連通し、当該複数の後段個別排出流路を通ったインクが流入する共通排出流路と、
を備え、
前記後段個別排出流路におけるインクの圧力損失は、前記複数の前段個別排出流路におけるインクの圧力損失より大きいインクジェットヘッド。 - 前記後段個別排出流路におけるインクの排出方向に垂直な断面積の最小値は、前記複数の前段個別排出流路の各々におけるインクの排出方向に垂直な断面積の最小値以上である請求項1に記載のインクジェットヘッド。
- 前記複数のインク吐出部の各々は、2つの前記前段個別排出流路を有し、
前記2つの前段個別排出流路は、前記インク貯留部に対して互いに反対向きに接続されている請求項1又は2に記載のインクジェットヘッド。 - インクを貯留するインク貯留部と、
前記インク貯留部に貯留されたインクの圧力を変動させる圧力変動手段と、
前記インク貯留部に連通し、当該インク貯留部内におけるインクの圧力の変動に応じてインクを吐出するノズルと、
一の前記インク貯留部に連通し、当該インク貯留部から前記ノズルに供給されずに排出されるインクがそれぞれ通る複数の前段個別排出流路と、
前記複数の前段個別排出流路が合流した後段個別排出流路と、
を各々有する複数のインク吐出部と、
前記複数のインク吐出部が有する複数の前記後段個別排出流路に連通し、当該複数の後段個別排出流路を通ったインクが流入する共通排出流路と、
を備え、
前記複数のインク吐出部の各々は、2つの前記前段個別排出流路を有し、
前記2つの前段個別排出流路は、前記インク貯留部に対して互いに反対向きに接続されているインクジェットヘッド。 - 前記複数のインク吐出部の各々は、2つの前記前段個別排出流路を有し、
前記複数のインク吐出部が有する複数の前記ノズルは、所定方向に沿って配列されており、
前記複数のノズルのうち所定の一方の端にあるノズルを除いた各ノズルに連通している前記2つの前段個別排出流路は、一方の前段個別排出流路のみが、前記ノズルからのインクの吐出方向の側から見て、隣り合う前記ノズルの間を通る請求項1から4のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。 - インクを貯留するインク貯留部と、
前記インク貯留部に貯留されたインクの圧力を変動させる圧力変動手段と、
前記インク貯留部に連通し、当該インク貯留部内におけるインクの圧力の変動に応じてインクを吐出するノズルと、
一の前記インク貯留部に連通し、当該インク貯留部から前記ノズルに供給されずに排出されるインクがそれぞれ通る複数の前段個別排出流路と、
前記複数の前段個別排出流路が合流した後段個別排出流路と、
を各々有する複数のインク吐出部と、
前記複数のインク吐出部が有する複数の前記後段個別排出流路に連通し、当該複数の後段個別排出流路を通ったインクが流入する共通排出流路と、
を備え、
前記複数のインク吐出部の各々は、2つの前記前段個別排出流路を有し、
前記複数のインク吐出部が有する複数の前記ノズルは、所定方向に沿って配列されており、
前記複数のノズルのうち所定の一方の端にあるノズルを除いた各ノズルに連通している前記2つの前段個別排出流路は、一方の前段個別排出流路のみが、前記ノズルからのインクの吐出方向の側から見て、隣り合う前記ノズルの間を通るインクジェットヘッド。 - 前記複数の前段個別排出流路の各々は、当該複数の前段個別排出流路のうち他のいずれかの前段個別排出流路とは長さが異なる請求項1から6のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 前記複数の前段個別排出流路は、長い前段個別排出流路ほど、単位長さ当たりの圧力損失が小さい請求項7に記載のインクジェットヘッド。
- 前記複数の前段個別排出流路の各々におけるインクの圧力損失は、当該複数の前段個別排出流路のうち他のいずれかの前段個別排出流路におけるインクの圧力損失と異なる請求項1から8のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドを備えるインクジェット記録装置。
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