JP7087701B2 - 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
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、
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インク貯留部に連通し、当該複数のインク貯留部の各々から前記ノズルに供給されずに排出されたインクを一時的に貯留して、当該貯留されたインクの圧力変動を減衰させる圧力変動減衰部と、
接続部を介して前記圧力変動減衰部に接続され、前記圧力変動減衰部から前記接続部を介して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が有する複数の前記ノズルは、所定の配列方向に一次元配列された前記ノズルからそれぞれなる少なくとも1つのノズル列を構成しており、
前記圧力変動減衰部は、前記配列方向について、前記少なくとも1つのノズル列が設けられた範囲を包含する範囲に亘って一繋がりとなるように設けられており、
前記共通排出流路は、前記配列方向について、前記少なくとも1つのノズル列が設けられた範囲を包含する範囲に亘って一繋がりとなるように設けられており、
前記接続部においてインクが流れる部分の、当該接続部におけるインクの流動方向に垂直な断面の面積は、前記流動方向に垂直な前記圧力変動減衰部の断面の面積、及び前記流動方向に垂直な前記共通排出流路の断面の面積よりも小さい。
前記接続部は、前記圧力変動減衰部及び前記共通排出流路に各々接続された複数の接続流路からなる。
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記複数の接続流路は、前記配列方向について等間隔に設けられている。
請求項4に記載の発明は、請求項1から3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、
前記共通排出流路は、前記配列方向に垂直なある方向から見て、前記圧力変動減衰部を包含する範囲に設けられている。
請求項5に記載の発明は、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において、
前記配列方向に垂直な前記共通排出流路の断面の面積は、前記配列方向に垂直な前記圧力変動減衰部の断面の面積よりも大きい。
前記複数のインク吐出部の各々は、前記インク貯留部と前記圧力変動減衰部とを接続する個別排出流路を有し、
前記接続部は、当該接続部におけるインクの圧力損失が、前記複数のインク吐出部が有する複数の前記個別排出流路におけるインクの圧力損失より小さくなる形状を有する。
前記圧力変動減衰部は、当該圧力変動減衰部に貯留されたインクの圧力変動を吸収する圧力変動吸収部材を有する。
前記圧力変動吸収部材は、前記圧力変動減衰部の外壁の一部であり、前記圧力変動減衰部に貯留されたインクの圧力の変動に応じて変形することでインクの圧力変動を吸収する。
前記インク貯留部、前記圧力変動手段及び前記共通排出流路が設けられている流路基板と、
前記流路基板に接合され、前記ノズルが設けられているノズル基板と、
を備え、
前記圧力変動減衰部は、前記流路基板及び前記ノズル基板の接合面に沿って設けられて、外壁の一部が前記ノズル基板からなり、
前記圧力変動吸収部材は、前記ノズル基板のうち前記圧力変動減衰部の外壁をなす部分である。
前記ノズル基板には、前記圧力変動減衰部の外壁をなす部分における前記流路基板側の面に凹部が設けられている。
前記圧力変動減衰部の内壁面は、当該圧力変動減衰部に貯留されるインクに対する濡れ性を増大させる親水処理がなされている。
前記圧力変動減衰部の内壁面は、前記ノズルの開口部が設けられているノズル開口面よりもインクに対する濡れ性が大きい。
請求項1から12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が、後述するダンパー効果の観点から、ヤング率が10GPa以下である部材(代表的な部材としては、樹脂等)を用いることが望ましい。
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。
圧力室基板には、貫通流路121に連通する圧力室131と、接続流路124に連通する共通排出流路132と、共通排出流路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。
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における圧力室131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。
本実施形態のインクジェットヘッド100では、チャネル141、駆動電極136、ノズル111及び個別排出流路122により、インクを吐出するための機構であるインク吐出部10a(図6参照)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。
インク供給口151からチャネル141に供給されるインクの流れや、チャネル141から個別排出流路122及び共通排出流路142を通って排出されるインクの流れは、インクジェット記録装置1が有するインク循環機構9(図8参照)により発生させることができる。インク循環機構9の構成については、後述する。
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、図4のA-A線を通りX方向に垂直なヘッドチップ10の断面を示す図である。
また、図7は、図6のB-B線を通りZ方向に垂直なヘッドチップ10の断面を示す図である。
この結果、各チャネル141への圧力波の伝播に起因するインクの吐出特性の変動(クロストーク)、及び当該変動による画質の低下が抑制される。ここで、圧力波の反射に起因して変動する吐出特性は、例えば吐出されるインクの飛翔速度である。したがって、インクの飛翔速度の変化率によって表されるクロストークの大きさに基づいて、ダンパー板11Dによるダンパー効果を評価することができる。
なお、この場合における圧力損失は、複数の接続流路124や、複数の個別排出流路122における合成の圧力損失(合成の流路抵抗)である。
このため、ダンパー室123は、当該ダンパー室123に生じる定在波が、許容範囲を超えた画質低下を生じさせない特性となるような所定条件を満たす形状で設けられる。
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122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。
この実験では、接続流路124におけるインクの圧力損失を異ならせた複数のヘッドチップ10を用意し、各ヘッドチップ10におけるダンパー室123のダンパー効果を評価した
実験では、512個のノズル111を有し、各ノズル111に対して1つの個別排出流路122が連通し、これら512本の個別排出流路122が1つのダンパー室123を介して1つの共通排出流路132に接続されている構成のヘッドチップ10を用いた。また、接続流路124の数は256本とし、個別排出流路122における(合成の)圧力損失に対する、接続流路124における(合成の)圧力損失の比率を異ならせた5つのサンプルを、それぞれ実施例1~5とした。具体的には、上記圧力損失の比率が2、1、0.5、0.1、0.01となるような断面積で接続流路124を設けたサンプルを、それぞれ実施例1~5とした。
また、ダンパー室123を設けず、個別排出流路122を直接共通排出流路132に接続した構成のサンプルを比較例とした。
具体的には、512個のインク吐出部10aを、駆動周波数10Hzと10kHzの2種類の駆動パターンで駆動し、512個のインク吐出部10aのうち吐出されたインクの飛翔速度のクロストークによる変化率が最大となったインク吐出部10aにおける当該変化率(最大変化率)で評価した。すなわち、この飛翔速度の最大変化率が2%未満であった場合を「◎」、2%以上4%未満であった場合を「○」、4%以上10%未満であった場合を「△」、10%以上であった場合を「×」とした。このうち「◎」、「○」、「△」は、実使用上問題のない画質が得られる正常範囲のクロストークレベルであり、「×」は、画質の低下が許容範囲を超えて問題となるクロストークレベルである。
一方、ダンパー室123を設けた実施例1~5は、ダンパー効果がいずれも「△」以上となり、クロストークレベルが、実使用上問題のない画質が得られる正常範囲に抑えられることが確認された。
中でも、接続流路124における圧力損失が個別排出流路122における圧力損失より小さい実施例2~5では、ダンパー効果が「○」又は「◎」となり、より効果的にクロストークが抑えられることが確認された。
続いて上記実施形態の変形例について説明する。本変形例は、接続流路124の形状が上記実施形態と異なる。以下では、上記実施形態との相違点について説明する。
図10に示されるヘッドチップ10では、接続部125において、接続流路124が、複数のノズル111の各々に対応してノズル111と同一の数だけ設けられている。
また、図11に示されるヘッドチップ10では、X方向に延びるスリット状の単一の接続流路124が設けられている。すなわち、接続部125が、単一の接続流路124から構成されている。
これらの変形例のように、接続流路124は、ダンパー室123から共通排出流路132へ所望の態様で圧力波が伝播する範囲内で、その形状や数を任意に変更することができる。
このように、複数のチャネル141と共通排出流路132との間にダンパー室123が設けられた構成によれば、ダンパー室123の形状を調整することで、チャネル141への圧力波の伝播に起因する画質低下を抑制しつつ、インクの圧力損失が小さくなる形状で共通排出流路132を設けることで、気泡や異物とともに排出されるインクの流量を増大させて、気泡や異物に起因する画質低下を抑制することができる。
より詳しくは、ダンパー室123の形状を、当該ダンパー室123に生じる定在波が、許容範囲を超えた画質低下を生じさせない特性となるような所定条件を満たす形状とすることが可能となるため、定在波による圧力波の伝播に起因する画質低下を効果的に抑制することができる。また、共通排出流路132の形状を、ダンパー室123の形状とは独立に調整することができるため、共通排出流路132におけるインクの圧力損失を効果的に低減させることができる。
また、ダンパー室123では、チャネル141から進入した圧力波による圧力変動を減衰させて圧力波を吸収することができるため、ダンパー室123において定在波を生じにくくすることができ、各チャネル141への圧力波の伝播を抑制することができる。また、ダンパー室123において吸収しきれなかった圧力波の一部は、接続流路124を通って共通排出流路132に逃げるため、これによっても、各チャネル141への圧力波の伝播を抑制することができる。
例えば、ダンパー室123の形状は、上記実施形態に記載した直方体形状に限られず、定在波を所望の特性とすることが可能な任意の形状とすることができる。
また、ノズル基板11が十分な可撓性を有している場合には、凹部112を設けないこととしても良い。
2 搬送部
2a 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
11D ダンパー板
111 ノズル
112 凹部
12 流路スペーサー基板
121 貫通流路
122 個別排出流路
123 ダンパー室
124 接続流路
125 接続部
13 圧力室基板
131 圧力室
132 共通排出流路
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 (13)
- 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、
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インク貯留部に連通し、当該複数のインク貯留部の各々から前記ノズルに供給されずに排出されたインクを一時的に貯留して、当該貯留されたインクの圧力変動を減衰させる圧力変動減衰部と、
接続部を介して前記圧力変動減衰部に接続され、前記圧力変動減衰部から前記接続部を介して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が有する複数の前記ノズルは、所定の配列方向に一次元配列された前記ノズルからそれぞれなる少なくとも1つのノズル列を構成しており、
前記圧力変動減衰部は、前記配列方向について、前記少なくとも1つのノズル列が設けられた範囲を包含する範囲に亘って一繋がりとなるように設けられており、
前記共通排出流路は、前記配列方向について、前記少なくとも1つのノズル列が設けられた範囲を包含する範囲に亘って一繋がりとなるように設けられており、
前記接続部においてインクが流れる部分の、当該接続部におけるインクの流動方向に垂直な断面の面積は、前記流動方向に垂直な前記圧力変動減衰部の断面の面積、及び前記流動方向に垂直な前記共通排出流路の断面の面積よりも小さい、インクジェットヘッド。 - 前記接続部は、前記圧力変動減衰部及び前記共通排出流路に各々接続された複数の接続流路からなる請求項1に記載のインクジェットヘッド。
- 前記複数の接続流路は、前記配列方向について等間隔に設けられている請求項2に記載のインクジェットヘッド。
- 前記共通排出流路は、前記配列方向に垂直なある方向から見て、前記圧力変動減衰部を包含する範囲に設けられている請求項1から3のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 前記配列方向に垂直な前記共通排出流路の断面の面積は、前記配列方向に垂直な前記圧力変動減衰部の断面の面積よりも大きい請求項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。
- 前記複数のインク吐出部の各々は、前記インク貯留部と前記圧力変動減衰部とを接続する個別排出流路を有し、
前記接続部は、当該接続部におけるインクの圧力損失が、前記複数のインク吐出部が有する複数の前記個別排出流路におけるインクの圧力損失より小さくなる形状を有する請求項1から3のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。 - 前記圧力変動減衰部は、当該圧力変動減衰部に貯留されたインクの圧力変動を吸収する圧力変動吸収部材を有する請求項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。
- 前記圧力変動吸収部材は、前記圧力変動減衰部の外壁の一部であり、前記圧力変動減衰部に貯留されたインクの圧力の変動に応じて変形することでインクの圧力変動を吸収する請求項7に記載のインクジェットヘッド。
- 前記インク貯留部、前記圧力変動手段及び前記共通排出流路が設けられている流路基板と、
前記流路基板に接合され、前記ノズルが設けられているノズル基板と、
を備え、
前記圧力変動減衰部は、前記流路基板及び前記ノズル基板の接合面に沿って設けられて、外壁の一部が前記ノズル基板からなり、
前記圧力変動吸収部材は、前記ノズル基板のうち前記圧力変動減衰部の外壁をなす部分である請求項8に記載のインクジェットヘッド。 - 前記ノズル基板には、前記圧力変動減衰部の外壁をなす部分における前記流路基板側の面に凹部が設けられている請求項9に記載のインクジェットヘッド。
- 前記圧力変動減衰部の内壁面は、当該圧力変動減衰部に貯留されるインクに対する濡れ性を増大させる親水処理がなされている請求項1から10のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
- 前記圧力変動減衰部の内壁面は、前記ノズルの開口部が設けられているノズル開口面よりもインクに対する濡れ性が大きい請求項1から11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12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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