JP7500301B2 - 液体吐出モジュール - Google Patents
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Description
<インクジェット記録ヘッドの外観>
以下、本実施形態における液体吐出モジュール、具体的には、インクジェット記録ヘッド100(以下、単に記録ヘッド100と言う)について、図1を用いて説明する。図1は、本実施形態における記録ヘッド100の斜視図である。記録ヘッド100は、フレキシブル配線基板101、電気配線基板102、電力供給端子103、信号入力端子104、インク供給ユニット105、および記録素子基板106を有する。
図2、図3、図4は、記録素子基板106の流路構成の一部を示す図である。図2は、吐出口202と対向する側から記録素子基板106を見たときの平面透視図である。図2に示すように、本実施形態における記録素子基板106は、エネルギ発生素子201、吐出口202、圧力室203、供給流路205、および回収流路206を有する。
本実施形態において、送液室316の側壁を連続的な傾斜構造にする理由について述べる。記録ヘッド100を搭載した装置が連続的な吐出動作を行うと、記録ヘッド100の回路基板が発熱する。その結果、記録ヘッド100内のインクは、加熱され昇温する。インクが昇温すると、インクに溶存している酸素が気化し、インク中に微小な気泡302が生じやすくなる。このようにして生じた微小な気泡302は、合体し、サイズが大きい気泡302へと成長する。仮に、気泡302が送液室316中に留まると、送液機構308によるインクへの圧力が気泡302に吸収され、インク循環時のインクの流量が低下する。また、成長した気泡302の体積が送液機構308の変位量に近くなると、インクの循環は完全に停止する。
以下、送液機構308の構成について、図5および図6を用いて説明する。まず、送液機構308として薄膜圧電体526をポンプアクチュエータとして用いた場合の構成について、図5を用いて説明する。図5は、送液機構308、第1の基板312、および第2の基板313を含む記録素子基板106の断面図である。送液機構308には、ユニモルフの圧電アクチュエータが用いられる。ユニモルフの圧電アクチュエータとは、ダイヤフラム521の片面側に圧電素子や電歪素子等を使用した薄膜圧電体526が形成される構成である。薄膜圧電体526は、電圧が印加されると、ダイヤフラム521の第1の基板312側を変位させ、送液室316の容積を膨張及び収縮させる。図5の双方向の白抜き矢印は、ダイヤフラム521が変位する方向を示す。
以下、本実施形態における流路構成の具体的な寸法例について説明する。本実施形態では、以降の寸法例を基準とするが、各部の寸法値は一例に過ぎず、要求仕様に応じて、適宜変更することができる。
以下、イナータンス比と、送液効率との関係について、図7を用いて説明する。以降、イナータンス比とは、送液機構308からみた第1経路のイナータンス/送液機構308からみた第2経路のイナータンスを指す。図7は、イナータンス比と、送液効率との関係を示す図である。図7に示すように、送液効率を高める場合、イナータンス比には最適値が存在し、その最適値は、5程度である。但し、送液室316内に存在する気泡排出性を高めるには、接続流路307の開口面積をできるだけ大きくしておくことが好ましい。
図8は、送液機構308において変位に寄与する領域のサイズと、接続流路307との開口のサイズとの関係を示す図である。図8のX軸は、送液機構308全体のサイズに対する送液機構308において変位に寄与する実効的な領域のサイズの割合を示す。送液機構308に圧電薄膜を用いた場合、実効的に変位する送液機構308の領域は、送液機構308全体のサイズより小さくなる。その理由は、圧電薄膜の電気的な接続や、駆動配線の引き回し、隣接する送液機構と切離すための隔壁接着部、アクチュエータの端部剛性を維持する送液機構308の領域の一部に割り当てられるためである。そのため、送液機構308の概ね70%~95%が実効的に変位する領域となる。
図9は、接続流路307の開口部形状と、9個の吐出口202近傍におけるインクの平均流速との関係を示す図である。一般に流れを評価する手法としてPIV(Particle Image Velocimetry)、PTV(Particle Tracking Velocimetry)という手法が広く知られているが、どちらの手法を用いて評価しても構わない。ここでは、インクの流れを評価する手法として、PTVを用いた。具体的には、光学顕微鏡および高速度カメラを使用して、直径1μmのトレーサ粒子を加えて撹拌したインクを循環させた状態における吐出口202近傍(圧力室203)のインクの流れに対する観察と、解析とを行った。この観察結果および解析結果より、9個の吐出口202近傍におけるインクの平均流速を導出した。吐出口形成部材311は光学的に透明であるため、光学顕微鏡および高速度カメラを使用して、圧力室203内を流れるトレーサ粒子を観察することは可能である。
記録ヘッド100に内蔵した送液機構308の送液能力を評価するために、休止期間から吐出開始し始めた際のインクの吐出速度の安定性を評価した。インクは、粘度が3cpsのものを使用した。駆動条件は、DC-BIAS電圧として-30Vを印加し、立上の時間を3μs、立下の時間を47μsとし、のこぎり波形が周波数20KHzで繰り返されるようにした。この駆動条件のもと、送液装置を駆動させた。この場合、休止期間を数s~数十sとしても、インクの吐出速度に不安定さは見られず、インクの液滴301が不吐になる吐出口202は見られなかった。
送液室316の側壁が連続的な傾斜構造となる構成において、各記録素子に送液装置を組み込み、インクを循環させると、気泡302が送液室316の側壁にトラップされることを抑制できる。これにより、各記録素子内の吐出口202近傍のインクを安定的に循環させることが可能となる。その結果、インク吐出部におけるインク蒸発によるインクの粘度増加に起因する吐出不良を抑制でき、初期吐出の特性を改善できる。
本実施形態では、記録素子は、1200npi×2列に配され、第1の実施形態より細密に配される。図10は、本実施形態における記録素子基板106の断面図である。図10に示すように、本実施形態では、供給流路205を吐出口列間で共有している。夫々の吐出口列に対して送液機構308が適宜配される。本実施形態は、2列の吐出口列が供給流路205を共有している点で第1の実施形態と異なる。
第1の実施形態と同様に、インクの流れを評価する手法として、PTVを用いて吐出口202近傍におけるインクの流速を評価した。インクを循環させた状態において、9個の吐出口202近傍(圧力室203)のインクへの流れに対する観察と、解析とを行い、吐出口202近傍におけるインクの平均流速を導出した。図11は、本実施形態における接続流路307の開口部形状と、9個の吐出口202近傍におけるインクの平均流速との関係を示す図である。
ここで、第1の実施形態と同様に、記録ヘッド100に内蔵した送液機構308の送液能力を評価するために、休止期間からと吐出開始し始めた際のインクの吐出速度の安定性を評価した。この評価の結果、休止期間を充分長くおいても、インクの吐出速度に不安定さは見られず、インクの液滴301が不吐になる吐出口202は見られなかった。
供給流路205を吐出口列間で共有し、夫々に送液機構308が配された2列の吐出口202において、インク吐出部におけるインク蒸発によるインクの粘度増加に起因する吐出不良を抑制でき、初期吐出の特性を改善できる。
201:エネルギ発生素子
202:吐出口
203:圧力室
205:供給流路
206:回収流路
307:接続流路
308:送液機構
314:共通供給流路
315:傾斜角度
316:送液室
Claims (10)
- 吐出口に連通し、該吐出口から吐出される液体を収容する圧力室と、
前記圧力室に設けられ、前記吐出口から液体を吐出させるためのエネルギを発生するエネルギ発生素子と、
前記圧力室に液体を供給する供給流路と、
前記圧力室より液体を回収する回収流路と、
前記回収流路に接続する送液室と、
前記送液室と前記供給流路とを接続する接続流路と、
前記送液室の容積を膨張及び収縮させることにより、前記供給流路、前記圧力室、前記回収流路、前記送液室、及び前記接続流路において液体を循環させる送液手段と、
を有する液体吐出モジュールであって、
前記送液室は、連続的な傾斜構造を有し、
前記送液室において、重力方向に対して垂直となる面と平行な断面における断面積は、重力方向の反対方向に沿って小さくなっていき、
前記断面積が最も小さくなる部分は、前記接続流路に接続する部分であることを特徴とする液体吐出モジュール。 - 前記送液手段は、前記送液室を挟み込むように前記接続流路の開口位置と対向する位置に配置される請求項1に記載の液体吐出モジュール。
- 前記回収流路は、前記接続流路より前記送液手段に近い位置に配置される請求項1又は2に記載の液体吐出モジュール。
- 前記送液手段は、圧電素子または電歪素子からなるアクチュエータを含む構成である請求項1乃至3の何れか1項に記載の液体吐出モジュール。
- 前記接続流路の開口面積は、前記送液手段を構成する圧電素子または電歪素子からなるアクチュエータの面積に対して小さくとも1%以上、且つ大きくとも10%以下である請求項4に記載の液体吐出モジュール。
- 前記送液室における前記傾斜構造の傾斜角度は、前記送液手段が配置される面に対して30°以上、且つ60°以下である請求項1乃至5の何れか1項に記載の液体吐出モジュール。
- 前記送液室における前記傾斜構造は、Si単結晶基板の(111)面により構成されることを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の液体吐出モジュール。
- 複数の前記供給流路へインクを供給する共通供給流路を更に有し、
前記共通供給流路は、前記送液室の壁面と略平行になる側壁を有することを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載の液体吐出モジュール。 - 第1の吐出口列と、
第2の吐出口列と、
を更に有し、
前記第1の吐出口列における前記吐出口と、前記第2の吐出口列における前記吐出口とが前記供給流路を共有する請求項1乃至8の何れか1項に記載の液体吐出モジュール。 - 前記送液手段からみた前記供給流路、前記圧力室、および前記回収流路のイナータンスの合計は、前記送液手段からみた前記接続流路のイナータンスよりも大きい請求項1乃至9の何れか1項に記載の液体吐出モジュール。
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