JP7171424B2 - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体供給方法 - Google Patents

液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体供給方法 Download PDF

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Description

本発明は、インクなどの液体を吐出可能な液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体供給方法に関するものである。
液体吐出ヘッドとして、例えば、液体のインクを吐出するインクジェット記録ヘッドにおいては、インクを吐出する吐出口からインク中の揮発成分が蒸発して、吐出口内のインクが増粘するおそれがある。このようなインクの増粘により、インクの吐出速度などが変化して、インクの着弾精度の低下を含む吐出不良が生じることがある。特に、インクの吐出動作の休止時間が長い場合には、インクの粘度の増加が顕著となり、インク中の固形分が吐出口内に固着し、インクの流抵抗が増加してインクの吐出不良が生じやすくなる。
特許文献1には、インクを循環させるU字型の循環流路に吐出口を連通させて、インクの流れを吐出口内に入り込ませることにより、吐出口内のインクを増粘しにくくする構成が記載されている。
国際公開第2011/146069号
しかしながら、特許文献1に記載の構成においては、複数の吐出口によって吐出口列が形成される場合に、U字型の循環流路における2つの直線部分が吐出口列上に位置することになる。複数の吐出口を吐出口列上において高密度に配備するためには、U字型の循環流路を狭くしなければならず、その分、インクの流抵抗が増大して、インクの循環流の速度が小さくなる。また、このようなU字型の循環流路に、インクを流動させるための流動エネルギー発生素子を備える場合には、流動エネルギー発生素子のサイズも小さくしなければならず、インクの循環流の速度がさらに小さくなる。インクの循環流の速度が小さくなった場合には、吐出口内に増粘インクが滞留して、インクの吐出不良が生じやすくなる。
本発明の目的は、液体の流速の低下を抑制しつつ、吐出口を高密度に配備することができる液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体供給方法を提供することにある。
本発明の液体吐出ヘッドは、吐出口列を形成する複数の吐出口と、前記複数の吐出口に対応する複数の圧力室と、前記複数の圧力室内のインクを当該複数の圧力室のそれぞれに対応する前記複数の吐出口から吐出させるための複数の吐出エネルギー発生素子と、前記複数の圧力室を通して液体を流すための複数の流路と、前記複数の流路内の液体を流動させるための複数の流動エネルギー発生素子と、を備える液体吐出ヘッドであって、前記流動エネルギー発生素子は、電気熱変換素子であり、前記複数の流路の少なくとも1つの流路は、前記吐出口列を挟んで位置する、該流路の両端部の間において液体の流れが生じるように、前記吐出口列と交差する方向に延在し、前記吐出エネルギー発生素子よりも、前記液体の流れの上流側に位置する一方の端部に近い位置であり、かつ、前記一方の端部と前記流動エネルギー発生素子との間の流抵抗R1と、前記液体の流れの下流側に位置する他方の端部と前記流動エネルギー発生素子との間の流抵抗R2との比R1/R2が、0.05から0.40の範囲内となる位置に、前記流動エネルギー発生素子を備え、該流路における、前記液体の流れの一部が、前記吐出口に入り込むことを特徴とする。
本発明によれば、液体の流路の両端部が吐出口列を挟んで位置することにより、液体の流速の低下を抑制しつつ、吐出口を高密度に配備することができる。
本発明の第1の実施形態における液体吐出ヘッドの説明図である。 図1の液体吐出ヘッドにおけるインクの循環流の発生原理の説明図である。 図1における吐出用ヒータと循環用ヒータの駆動パルスの説明図である。 比較例としての液体吐出ヘッドの説明図である。 本発明の他の実施形態における液体吐出ヘッドの説明図である。 本発明のさらに他の実施形態における液体吐出ヘッドの説明図である。 本発明のさらに他の実施形態における液体吐出ヘッドの説明図である。 本発明の液体吐出装置の構成例の説明図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1の実施形態)
図1(a)は、本発明の第1の実施形態の液体吐出ヘッドとして、インク(液体)を吐出する(インクジェット)記録ヘッド20を説明するための概略斜視図である。ヘッド本体50上には、接続部材51および記録素子基板52が設けられている。記録素子基板52の基板18上には、複数の吐出口11が形成されたオリフィスプレート19が備えられている。複数の吐出口11は、2つの吐出口列Lを形成するように所定のピッチで配列される。吐出口列Lの数は2つに限定されない。図1(b)は、オリフィスプレート19の一部を切り欠いた記録素子基板52の拡大平面図であり、図1(c)は、図1(b)のIc-Ic線に沿う断面図である。
基板18とオリフィスプレート19との間には、隔壁21により仕切られて吐出口11毎に対応する圧力室12と、それらの圧力室12を通してインクを流すための流路13と、が形成されている。流路13は、吐出口列Lと交差(本例の場合、直交)する方向に延在し、圧力室12の一方の端部に連通する図1(c)中左側の第1流路13Aと、圧力室12の他方の端部に連通する図1(c)中右側の第2流路13Bと、を含む。第1流路13Aは、基板18を貫通する供給流路14に連通し、第2流路13Bは、基板18を貫通する流出流路15に連通する。したがって、供給流路14に連通する第1流路13Aは、吐出口列Lよりも図1(b)中の左側に位置し、流出流路15に連通する第2流路13Bは、吐出口列Lよりも図1(b)中の右側に位置する。流路13の両端部は、吐出口列Lを挟んで互いに反対側に位置する。
第1流路13Aには、供給流路14を通して外部からインクが供給され、第2流路13B内のインクは、流出流路15を通して外部に流出される。本例においては、流出流路15から流出されたインクを供給流路14に戻して循環させることにより、流路13内に、矢印Fのようなインクの循環流を形成する。尚、供給流路14と流出流路15は個別の流路と接続され、記録ヘッド外で共通化される構成、もしくは供給流路14と流出流路15はチップ内で共通化されている構成のいずれでもよい(不図示)。
記録ヘッド20の内部および外部におけるインクの循環流路中には、インク内の気泡などを含む異物を除去するフィルタを備えてもよい。吐出口11には、インクと大気との界面であるメニスカスが形成される。
基板18には、圧力室内のインクを吐出するためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子(圧力発生素子)として、電気熱変換素子(吐出用ヒータ)16が備えられている。吐出用ヒータ16は、吐出口11および圧力室12と共に、供給流路14よりも流出流路15の近くに位置する。吐出用ヒータ16を発熱駆動して圧力室12内のインクを発泡させることにより、その発泡エネルギーを利用して吐出口11からインクを吐出することができる。吐出エネルギー発生素子としては、本例のようなヒータ16に限定されず、ピエゾ素子等を用いることができる。また基板18には、流路内のインクを矢印F方向に流動させるためのエネルギーを発生する流動エネルギー発生素子(圧力発生素子)として、電気熱変換素子(循環用ヒータ)17が備えられている。循環用ヒータ17は、流出流路15よりも供給流路14の近くに位置する。尚、流動エネルギー発生素子としては、本例のようなヒータを用いることが好ましいが、ピエゾ素子または電極を用いたマイクロポンプ等を用いてもよい。
図2は、循環用ヒータ17によるインクの循環流の発生原理を説明するための図である。図2(a)は、循環用ヒータ17によりインクが加熱されて、インクの膜沸騰による気泡Bが成長したときにおける図1(c)と同様の断面図である。循環用ヒータ17が流出流路15よりも供給流路14の近くに位置するため、循環用ヒータ17と供給流路14との間の流抵抗R1は、循環用ヒータ17と流出流路15との間の流抵抗R2よりも小さい。図2(a)には、このような流抵抗R1,R2を電気抵抗として表した等価回路が組み合わされている。インクの膜沸騰により生じた気泡Bは、流抵抗R1,R2の差のために、図2(a)のように、小さい流抵抗R1の供給流路14側に片寄って成長する。したがって流路13内において、供給流路14に向かうインクの流れFaは、流出流路15に向かうインクの流れFbよりも大きくなる。
図2(b),(c)は、気泡Bの収縮過程におけるインクの流れの説明図である。気泡Bの収縮過程においては、その収縮分の容積を補うようにインクが流れ込む。その際、図2(b)のように、小さい流抵抗R1側の供給流路14から流れ込むインクの流れFcは、大きい流抵抗R2側の流出流路15から流れ込むインクの流れFdよりも大きい。そのため、気泡Bの消泡位置は、循環用ヒータ17上から流出流路15寄りにずれる。結果的に、図2(c)のように、供給流路14から流出流路15に向かうインクの循環流Fが生じる。
吐出口11からのインク中の揮発成分の蒸発により濃縮されて増粘したインクは、インクの循環流Fにより吐出口11内に滞留しにくくなる。すなわち、インクの循環流Fの一部が吐出口11内に入り込むことにより、吐出口11内の増粘インクを第2流路13B内に送り出され、第1流路13Aから吐出口11内に新鮮なインクを流し込まれる。このように、増粘インクを吐出口11内に滞留しにくくすることにより、増粘インクの影響を抑えて、所期のインク吐出状態を維持することができる。
このような循環流Fの大きさは、流抵抗R1,R2の比、および気泡Bの大きさの影響を受ける。例えば、循環用ヒータ17、即ち流動エネルギー発生素子が電気熱変換素子である場合を前提として、流抵抗比R1/R2を0.05から0.40の範囲に設定することが好ましい。流抵抗比R1/R2をこの範囲とすることにより、循環流Fの速度を大きくすることができる。また、気泡Bが大きいほど、循環流Fの速度が大きくなる。循環流Fの速度を大きくためには、循環用ヒータ17のサイズを大きくして大きい気泡Bを発生させること、および流路13内の流抵抗を小さくすることが重要となる。しかし、循環用ヒータ17を高密度に配置する場合には、必然的に、循環用ヒータ17が小さくなって、循環流Fの速度が小さくなる。また、循環用ヒータ17、即ち流動エネルギー発生素子が電気熱変換素子である場合を前提として、流動エネルギー発生素子は、吐出エネルギー発生素子よりも流路13の両端部の一方の近くに位置することが、良好な循環流Fを発生させるために好ましい。
循環流Fは、時間経過と共に減衰し、一定時間後に停止する。したがって、循環流Fをある時間定常的に発生させるためには、循環用ヒータ17の発熱駆動を繰り返す必要がある。循環用ヒータ17の駆動周期は、吐出口11内における濃縮インクを排出することができればよく、特に限定されない。例えば、100Hz~10kHz程度の周期で循環用ヒータ17を駆動する。通常、その駆動周波数が高いほど、濃縮インクの排出効果は大きくなる。しかし、循環用ヒータ17の駆動時の発熱によるインクの温度上昇を考慮して、循環用ヒータ17を適切に駆動する必要がある。
図3は、本実施形態における吐出用ヒータ16および循環用ヒータ17の駆動タイミングの説明図である。
本例において、吐出用ヒータ16および循環用ヒータ17には、特定のパルス幅の駆動パルスP1,P2が印加される。吐出用ヒータ16は、記録データに対応する駆動パルスP2に基づいてインクを吐出するように駆動される。循環用ヒータ17は、その循環用ヒータ17の駆動によって生じるインクの圧力変動が、インクの吐出動作に影響しないように駆動する。例えば、吐出用ヒータ16の駆動中と、その駆動期間の前後の一定期間と、を避けて、循環用ヒータ17を駆動する。循環用ヒータ17のサイズを小さくして、それを高密度に配備した場合には、循環流Fの速度が小さくなるために、循環流Fが時間の経過と共に減衰しやすくなる。この場合、特定の時間定常的に循環流Fを発生させるためには、循環用ヒータ17の駆動周波数を高くする必要があり、その分、インクの昇温が顕著になる。このようなインクの上昇を抑える上においては、図1(b)のような流路13の構成が有効である。すなわち、ヒータ16,17を互いに干渉させることなく高密度に配備することができ、循環用ヒータ17に関しては、その小サイズ化を抑えつつ、それを高密度に配備することができるからである。このような流路13の構成の利点は、下記の比較例としのU字型の流路構成との対比からも明らかである。
図4は、比較例としてのU字型の流路30の構成の説明図である。流路30は、図4(a)のように、吐出口列Lの左側から右側に向かうインクの流れを形成する流路部30Aと、そのインクの流れ方向を同図中の上方に変える流路部30Bと、吐出口列Lの右側から左側に向かうインクの流れを形成する流路部30Cと、を含む。圧力室12および吐出用ヒータ16は流路部30Cに位置し、循環用ヒータ17は、吐出口列L上に位置するように流路部30Aに配備されている。流路部30A,30Cは、吐出口列Lの左側において共通の供給流路31に連通されており、外部から供給流路31内に供給されたインクは、流路30を通して矢印のように循環される。
このようなU字型の流路30の構成においては、吐出口列L上に直線状の流路部30A,30Cが存在し、吐出口列Lの延在方向において吐出口11と循環用ヒータ17が交互に位置する。図4(a)の流路30は、吐出口列L方向の記録解像度を300dpiとして、吐出口11と循環用ヒータ17との間のピッチを600dpiに対応する長さとした場合の構成例である。図4(b)の流路30は、吐出口列L方向の記録解像度を600dpiとして、吐出口11と循環用ヒータ17との間のピッチを1200dpiに対応する長さとした場合の構成例である。例えば、図1(b)の構成における吐出口11間のピッチPを記録解像度600dpiに対応する長さとし、図1(b)と図4(a)におけるヒータ16,17のサイズを同じとした場合を想定する。この場合、図4(a)の構成においては、吐出口列L方向の記録解像度が半分の300dpiとなってしまう。また、U字型の流路30の構成において、図1(b)と同様の600dpiの記録解像度を実現するためには、図4(b)のようにヒータ16,17のサイズを小さくしなければならない。このような循環用ヒータ17の小サイズ化、および流路30が狭くなることによる流抵抗の増大化に伴って、インクの循環流の速度が小さくなり、吐出口11内に増粘インクが滞留しやすくなる。
(他の実施形態)
図5から図7は、本発明の異なる他の実施形態における流路構成の説明図である。図5(a),図6(a),図7(a)は図1(b)に対応する断面図、図5(b)は図5(a)のVb-Vbに沿う断面図、図6(b)は図6(a)のVIb-VIbに沿う断面図、図7(b)は図7(a)のVIIb-VIIbに沿う断面図である。
図5の実施形態においては、2つの吐出口列L1,L2のそれぞれにおける吐出口11の位置が半ピッチ(P/2)ずれており、それらの吐出口列L1,L2に対して、互いに逆向きのインクの循環流F1,F2を生じさせるように流路13が形成されている。そのため、吐出口列L1に対応する流路13におけるヒータ16,17の位置関係と、吐出口列L2に対応する流路13におけるヒータ16,17の位置関係と、は図5(b)中の左右方向において逆の関係となっている。供給流路14は、吐出口列L1,L2の流路13のそれぞれにおける第1流路13Aに共通に連通するように、吐出口列L1,L2の間に形成されている。流出流路15は、吐出口列L1,L2の流路13のそれぞれにおける第2流路13Bに個別に対応するように、吐出口列L1,L2の外側(図5(a)中の左右両側)に形成されている。このように、2つの吐出口列L1,L2から同じインクを吐出することにより、結果的に、ピッチP/2に対応する高解像度を実現しつつ、大きな循環流F1,F2を生じさせることができる。
図6の実施形態においては、図5の実施形態において第2流路13B毎に対応する流出流路15の形状を変更し、その形状を吐出口列方向に沿って延在する長孔形状とする。これにより、複数の第2流路13Bに対して長孔形状の流出流路15が共通化される。同様に、供給流路14も長孔形状とする。
図7の実施形態においては、図5の実施形態における循環流F1,F2と逆向きの循環流F3,F4を生じさせるように、吐出口列L1,L2に対応する流路が形成されている。流出流路15は、吐出口列L1,L2の流路13のそれぞれにおける第2流路13Bに共通に連通するように、吐出口列L1,L2の間に形成されている。供給流路14は、吐出口列L1,L2の流路13のそれぞれにおける第1流路13Aに個別に対応するように、吐出口列L1,L2の外側(図5(a)中の左右両側)に形成されている。
前述した実施形態においては、吐出口列を形成する複数の吐出口に対応する複数の流路の全てを流路13のように構成した。しかし、それら複数の吐出口のうち、少なくとも1つを流路13のように構成してもよい。また、上述した実施形態においては、異なる吐出口列を形成する吐出口のサイズは、いずれも同一とした。しかし、異なる吐出口列を形成する吐出口のサイズを異ならせて、インクの吐出量を異ならせてもよい。
(インクジェット記録装置の構成例)
上述した実施形態における記録ヘッド(液体吐出ヘッド)20は、いわゆるシリアルスキャン方式およびフルライン方式等の種々のインクジェット記録装置(液体吐出装置)に用いることができる。図8(a)は、シリアルスキャン方式のインクジェット記録装置の構成例であり、同図中の矢印X方向(主走査方向)に移動するキャリッジ53に対して、上述した実施形態の記録ヘッド20が着脱可能に搭載される。キャリッジ53はガイド部材54A,54Bによってガイドされ、記録媒体Pは、ロール55,56,57,58によって矢印Y方向(副走査方向)に搬送される。記録ヘッド20がキャリッジ53と共に主走査方向に移動しつつインクを吐出する動作と、記録媒体Pを副走査方向に搬送する動作と、を繰り返すことにより、記録媒体P上に画像が記録される。
図8(b)は、図8(a)のインクジェット記録装置の制御系のブロック図である。CPU(制御部)100は、記録装置の動作の制御処理およびデータ処理等を実行する。ROM101には、それらの処理手順等のプログラムが格納され、RAM102は、それらの処理を実行するためのワークエリアなどとして用いられる。記録ヘッド20におけるヒータ16は、ヘッドドライバ20Aを介して駆動される。画像の記録は、ヒータ16の駆動データ(画像データ)および駆動制御信号(ヒートパルス信号)をヘッドドライバ20Aに供給することにより行われる。CPU100は、モータドライバ103Aを介して、キャリッジ53を主走査方向に駆動するためのキャリッジモータ103を制御し、またモータドライバ104Aを介して、記録媒体Pを副走査方向に搬送するためのP.Fモータ104を制御する。また、CPU100は、前述したように、圧力室12を通して流路13にインクを流すために、マイクロポンプなどを含む循環機構105を制御する。
本発明は、上述した実施形態のようなインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置のみに特定されず、種々の液体を吐出可能な液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出方法として広く適用することができる。本発明の液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体供給方法は、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、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適用可能である。本発明は、例えば、バイオチップ作製および電子回路印刷などの用途において用いることができる。
11 吐出口
12 圧力室
13 流路
16 吐出用ヒータ(吐出エネルギー発生素子)
17 循環用ヒータ(流動エネルギー発生素子)
L 吐出口列

Claims (8)

  1. 吐出口列を形成する複数の吐出口と、
    前記複数の吐出口に対応する複数の圧力室と、
    前記複数の圧力室内のインクを当該複数の圧力室のそれぞれに対応する前記複数の吐出口から吐出させるための複数の吐出エネルギー発生素子と、
    前記複数の圧力室を通して液体を流すための複数の流路と、
    前記複数の流路内の液体を流動させるための複数の流動エネルギー発生素子と、
    を備える液体吐出ヘッドであって、
    前記流動エネルギー発生素子は、電気熱変換素子であり、
    前記複数の流路の少なくとも1つの流路は、
    前記吐出口列を挟んで位置する、該流路の両端部の間において液体の流れが生じるように、前記吐出口列と交差する方向に延在し、
    前記吐出エネルギー発生素子よりも、前記液体の流れの上流側に位置する一方の端部に近い位置であり、かつ、前記一方の端部と前記流動エネルギー発生素子との間の流抵抗R1と、前記液体の流れの下流側に位置する他方の端部と前記流動エネルギー発生素子との間の流抵抗R2との比R1/R2が、0.05から0.40の範囲内となる位置に、前記流動エネルギー発生素子を備え、
    該流路における、前記液体の流れの一部が、前記吐出口に入り込むことを特徴とする液体吐出ヘッド。
  2. 前記吐出口列は、第1吐出口列と第2吐出口列とを含み、
    前記複数の流路は、
    第1吐出口列を形成する前記複数の吐出口に対応する前記複数の圧力室を通して液体を流すための複数の第1流路と、
    第2吐出口列を形成する前記複数の吐出口に対応する前記複数の圧力室を通して液体を流すための複数の第2流路と、を含み、
    前記複数の第1流路の少なくとも1つの流路は、
    前記第1吐出口列を挟んで位置する、該流路の両端部の間において液体の流れが生じるように、前記第1吐出口列と交差する方向に延在し、
    前記吐出エネルギー発生素子よりも、前記液体の流れの上流側に位置する一方の端部に近い位置であり、かつ、前記一方の端部と前記流動エネルギー発生素子との間の流抵抗R1と、前記液体の流れの下流側に位置する他方の端部と前記流動エネルギー発生素子との間の流抵抗R2との比R1/R2が、0.05から0.40の範囲内となる位置に、前記流動エネルギー発生素子を備え、
    該流路における、前記液体の流れの一部が、前記吐出口に入り込み、
    前記複数の第2流路の少なくとも1つの流路は、
    前記第2吐出口列を挟んで位置する、該流路の両端部の間において液体の流れが生じるように、前記第2吐出口列と交差する方向に延在し、
    前記吐出エネルギー発生素子よりも、前記液体の流れの上流側に位置する一方の端部に近い位置であり、かつ、前記一方の端部と前記流動エネルギー発生素子との間の流抵抗R1と、前記液体の流れの下流側に位置する他方の端部と前記流動エネルギー発生素子との間の流抵抗R2との比R1/R2が、0.05から0.40の範囲内となる位置に、前記流動エネルギー発生素子を備え、
    該流路における、前記液体の流れの一部が、前記吐出口に入り込む請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
  3. 前記第1吐出口列と前記第2吐出口列との間に位置する前記第1流路の端部と前記第2流路の端部は、共通の供給流路または共通の流出流路に連通する請求項2に記載の液体吐出ヘッド。
  4. 前記第1吐出口列および前記第2吐出口列を形成する前記複数の吐出口は、所定のピッチで配列され、
    前記第1吐出口列における前記吐出口と、前記第2吐出口列における前記吐出口は、前記所定のピッチの半分のピッチずれている請求項2または3に記載の液体吐出ヘッド。
  5. 前記第1吐出口列における前記吐出口と、前記第2吐出口列における前記吐出口は、サイズが異なる請求項2から4のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  6. 前記吐出エネルギー発生素子が電気熱変換素子である請求項1から5のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  7. 請求項1から6のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッドと、
    前記液体吐出ヘッドの前記流路に液体を供給する供給手段と、
    前記吐出エネルギー発生素子および前記流動エネルギー発生素子を制御する制御手段と、
    を備えることを特徴とする液体吐出装置。
  8. 複数の吐出エネルギー発生素子によって、吐出口列を形成する複数の吐出口から、当該複数の吐出口に対応する複数の圧力室内の液体が吐出され、複数の流動エネルギー発生素子によって、前記複数の圧力室を通る複数の流路に液体が流される液体吐出ヘッドに対して、液体を供給する液体供給方法であって、
    前記流動エネルギー発生素子は、電気熱変換素子であり、
    前記複数の流路の少なくとも1つの流路は、
    前記吐出口列を挟んで位置する、該流路の両端部の間において液体の流れが生じるように、前記吐出口列と交差する方向に延在し、
    前記吐出エネルギー発生素子よりも、前記液体の流れの上流側に位置する一方の端部に近い位置であり、かつ、前記一方の端部と前記流動エネルギー発生素子との間の流抵抗R1と、前記液体の流れの下流側に位置する他方の端部と前記流動エネルギー発生素子との間の流抵抗R2との比R1/R2が、0.05から0.40の範囲内となる位置に、前記流動エネルギー発生素子を備え、
    該流路における、前記液体の流れの一部が、前記吐出口内に入り込み、
    前記流路を通して、当該流路が通る前記圧力室に液体を供給することを特徴とする液体供給方法。
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