【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェット記録分野などで好適に利用されるインクジェット記録ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット記録装置の液体吐出方法としては一般にインクに熱を加えて沸騰させ、その発泡の力を用いたバブルジェット（登録商標）方式と、ＰＺＴなどの圧電体に電界を加えることによる変位を応用したピエゾ方式等がある。インクジェット記録装置は従来のものに比べ記録速度を向上するために、液体吐出ノズルを記録ヘッドに多数配置したり、高い周波数で吐出を駆動することが行われている。また、製造コストを抑制するために液体吐出部の体積を小さくする傾向にある。これらの要因から吐出部の発熱部が増加や、消費電力の増加、体積の縮小化に伴い、液体記録ヘッドの電力密度が増加している。
【０００３】
電力密度が増加すると、ヘッド駆動による温度上昇幅が大きくなり、到達温度によっては吐出性能に影響が出る場合もある。このためインクジェット記録装置には温度を検知、もしくは予測する手段を備える場合があり、インクジェット記録装置は記録ヘッドの温度が吐出性能に影響の出る温度まで上昇する前に記録ヘッドの駆動を一時中断し、放熱による温度低下を待った後、記録ヘッドの駆動を再開する手法をとることがある。また、吐出性能に影響の出る温度上昇が起こるような高デューティな画像を記録する場合は駆動周波数を下げて駆動したり、記録パス数を増やすことで、時間あたりの吐出回数を減らし記録ヘッドの温度上昇を抑制し吐出の安定化を図る場合もある。
【０００４】
また、記録ヘッドには熱を外部へ放出する為に熱伝導率の高い放熱部材を備え、周囲環境に放熱する場合や、供給される液体に熱を逃がすことで記録ヘッドの昇温を抑制する構造を備える場合など、熱に対する対策は従来も講じられて来た。
【０００５】
図７に従来のインクジェット記録装置に用いられる記録ヘッド１を示す。インクを吐出する為のヒーターを複数備えたヒーターボード１１が熱伝導率の高いアルミナセラミックス製のチッププレート１３に接合され、更にチッププレートには放熱用の板１９が接合されている。インクは着脱可能なインクタンク２からチップタンク３を介してチッププレートに開けられた流路１４を通ってヒーターボードに供給される。構造の概略斜視図を図８に、断面図を図９に示す。ヘッドを駆動してヒーターボードが昇温するとチッププレートに熱伝導によりチッププレートが昇温する。チッププレートの熱伝導率は比較的高いため熱はチッププレート全体に分散し、ヒーターボードの急激な温度上昇を抑制する。更に接続された放熱板に熱が伝わると記録媒体上を走査する記録ヘッドの往復運動により発生する空気の流れにより、効率よく周囲環境に放熱する構成となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、受動的な放熱構造で温度上昇を抑制する効果を更に発揮させるには、放熱部材を大型化するなど、装置全体の大きさに影響を与えることとなる。また、駆動シーケンスで温度上昇を抑制する方法、つまり、温度上昇に従ってヘッド駆動を中断し、放熱による温度低下を待って駆動を再開させたり、駆動周波数を下げたり、あるいは記録パス数を増やすことで時間あたりの吐出回数を減らす方法は、記録品位の安定化には効果はあるものの、高デューティーの画像を記録する時には記録速度が大幅に低下する可能性もある。
【０００７】
記録速度の向上のためのノズルの多数化と駆動の高周波数化、製造コストを考慮した高密度化など、記録ヘッドの電力密度は増加傾向にあり、このため温度上昇の問題が顕在化してきており、従来の冷却方法の延長では要求を満足するのが難しくなってきた。
【０００８】
また、強制送風による冷却では効果に限界があり、また装置が大型化する可能性がある。送風がインク吐出やミストの挙動に影響を与える可能性もあるためインクジェット記録ヘッドには適していない。
【０００９】
本発明の目的は、記録ヘッドの構造を複雑化することなく、温度上昇を抑え記録速度の低下を伴わない冷却方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、インクジェット記録ヘッドの構造体の一部に多孔質部材を用い、該多孔質部材の孔内に液体が含浸されることを特徴とするインクジェット記録用ヘッドである。
【００１１】
本願の実施形態では、多孔質部材の微細な孔に冷却用液体を流すための流入口と流出口があり、多孔質部材のその他の表面は熱伝導の高い金属または熱抵抗を低くする為に膜厚の薄い樹脂により封止されている。記録ヘッドのヒーターボードの熱は多孔質部材の表面の封止層を介して多孔質部材に拡散される。多孔質部材の空隙部に充填された冷却用の液体との接触面積は大きいため、多孔質部材の熱は液体に効率よく伝えることができる。多孔質部材の熱を奪った液体は記録ヘッド外部に排出され、代わりに流入した液体によって引き続き熱を奪うことができる。冷却用の液体は記録ヘッドの外部で周囲環境との間で熱交換を行う構成となっている。
【００１２】
尚、ここで示している冷却用液体としては、記録用インクを兼ねてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第一の実施形態）
図１は本発明要点の特徴を最もよく表す斜視図であり、同図において１０１は液滴を吐出する熱エネルギーを与えるヒーターとそれに対応した吐出口を複数備えたヒーターボード、１０３は高熱伝導性の材料でできた多孔質チッププレート、１０８はチッププレートを覆う封止層、１０５は冷却用液体の流入口、１０６は冷却用液体の流出口、１０４はインク供給路である。また、図２は実施例の断面図である。
【００１４】
図示したようにチッププレートの表面は金属または樹脂により覆われており、流入した冷却用液体は孔内を循環した後流出口からのみ排出される構造となっている。排出された冷却用液体はヘッド外部の外気との熱交換部（不図示）とポンプ（不図示）を介して流入口に戻ってくる構造となっている。
【００１５】
多孔質部材はインクに直接触れることは無い為、インクに対する耐性を考慮する必要はなく、例えばアルミナ、ジルコニア、窒化アルミニウム等のセラミックス、シリコン、もしくは金属の粉末焼結体、発泡体等を用いることができる。
【００１６】
表面を覆う封止層は、ヒーターボードで発生した熱を効率良くチッププレートに伝達する必要があるため、熱伝導性の良い金属であることが好ましい。または樹脂など熱伝導性の低い材料を用いるときはその層をなるべく薄くして熱抵抗を低く抑える必要がある。樹脂は熱、紫外線、その他の硬化方法による硬化性樹脂を塗布したり、熱可塑性の樹脂を用いて２インサート成形を行うなどの方法を取ることができる。
【００１７】
この構成により、インクジェット記録ヘッドが吐出動作を行うときには冷却用液体を循環させるポンプを稼動し、ヒーターボードで発生した熱により加熱されたヒーターボードの熱を奪い、ヒーターボードの過昇温を防ぐことができる。また、ポンプの出力をヒーターボードへの投入エネルギー、すなわち吐出頻度に合わせて冷却液体の流入量を増減させることにより、過昇温を防ぎ、モーターの消費電力を抑えることができる。
【００１８】
多孔質部材はヒーターボード接合部近傍の密度を高く、反対側を低くすることで、熱を熱源から分散することができ、冷却用液体へ熱交換が効率よく行える。
【００１９】
この図ではヒーターボード、流入口、流出口は各々１つの構成を示しているが、当然これらの数を限定するものではなく、複数のヒーターボード、流入口、流出口を配置してもよい。
【００２０】
（第二の実施形態）
図３は本発明要点の特徴を最もよく表す斜視図であり、同図において２０１は液滴を吐出する熱エネルギーを与えるヒーターとそれに対応した吐出口を複数備えたヒーターボード、２０２はヒーターボードと接合された高熱伝導性の材料でできたチップベース、２０３は高熱伝導性の材料でできた多孔質チッププレート、２０８はチッププレートを覆う封止層、２０５は冷却用液体の流入口、２０６は冷却用液体の流出口、２０４はインク供給路である。また、図４は実施例の断面図である。
【００２１】
図示したようにヒーターボードはまずチップベースに接合され、チップベースに多孔質のチッププレートが接合され、流入、流出口とチップベースとの接合面以外が金属もしくは樹脂で覆われる構成となっており、流入した冷却用液体は孔内を循環した後流出口からのみ排出される構造となっている。排出された冷却用液体はヘッド外部の外気との熱交換部（不図示）とポンプ（不図示）を介して流入口に戻ってくる構造となっている。この構成によると、熱交換を行うチッププレートとヒーターボードの間になるべく封止層を介在させず、チップベースを介すことで必要最低限の接着剤のみで接合し、熱抵抗を低減することができる。
【００２２】
（第三の実施形態）
図５は本発明要点の特徴を最もよく表す斜視図であり、同図において３０１は液滴を吐出する熱エネルギーを与えるヒーターとそれに対応した吐出口を複数備えたヒーターボード、３０３はヒーターボードと接合された高熱伝導性の材料でできた多孔質チッププレート、３０８はチッププレートを覆う封止層、３０４はインク供給路、３０７は液室である。また、図６は実施例の断面図である。
【００２３】
図示したようにチッププレートの表面は金属または樹脂により覆われており、供給路から流入した記録用液体はチッププレート表面から孔内に侵入し、チッププレート内の孔を伝ってヒーターボード側の液室表面に染み出し、ヒーターボードへ供給される構造となっている。樹脂は熱、紫外線、その他の硬化方法による硬化性樹脂を塗布したり、熱可塑性の樹脂を用いて２インサート成形を行うなどの方法を取ることができる。
【００２４】
この構成により、インクジェット記録ヘッドの吐出動作により発生した熱がチッププレートに伝わり、更に記録用液体に熱伝導することで、ヒーターボードの熱を奪うことができる。熱を吸収した記録用液体は吐出動作により排出され、その代わりに新しい液体が供給されることでチッププレートの過昇温を抑制することができる。また、多孔質部がフィルターの役目も果たすため、吐出部への異物の流入を防ぐ効果もある。
【００２５】
この図ではヒーターボード、チッププレートが各々１つの構成を示しているが、複数の種類の記録液体を吐出する場合は、この図のユニットを並べることで実現することが可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、装置全体を比較的大型化することなく、効率よくインク吐出部の昇温を抑制できるインクジェット記録ヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る構成に付いて説明する斜視図である。
【図２】本発明の第一の実施形態に係る構成に付いて説明する断面図である。
【図３】本発明の第二の実施形態に係る構成に付いて説明する斜視図である。
【図４】本発明の第二の実施形態に係る構成に付いて説明する断面図である。
【図５】本発明の第三の実施形態に係る構成に付いて説明する斜視図である。
【図６】本発明の第三の実施形態に係る構成に付いて説明する断面図である。
【図７】記録ヘッドの外観の従来例を説明する斜視図である。
【図８】従来例の構成に付いて説明する斜視図である。
【図９】従来例の構成に付いて説明する断面図である。
【符号の説明】
１ 記録ヘッド
２ インクタンク
１１ ヒーターボード
１３ チッププレート
１４ 供給路
１９ 放熱板
１０１ ヒーターボード
１０３ チッププレート
１０４ 供給路
１０５ 流入口
１０６ 流出口
１０８ 封止層
２０１ ヒーターボード
２０２ チップベース
２０３ チッププレート
２０４ 供給路
２０５ 流入口
２０６ 流出口
２０８ 封止層
３０１ ヒーターボード
３０３ チッププレート
３０４ 供給路
３０７ 液室
３０８ 封止層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ink jet recording head suitably used in the field of ink jet recording and the like.
[0002]
[Prior art]
In general, as a liquid discharge method of an ink jet recording apparatus, a heat is applied to an ink to boil the ink, the ink is boiled, and a bubble jet (registered trademark) method using a bubbling force is applied, and a displacement by applying an electric field to a piezoelectric body such as PZT is applied. Piezo method is available. In order to improve the recording speed of the ink jet recording apparatus as compared with the related art, a large number of liquid ejection nozzles are arranged in a recording head, and ejection is driven at a high frequency. In addition, there is a tendency to reduce the volume of the liquid ejection unit in order to reduce manufacturing costs. Due to these factors, the power density of the liquid recording head is increasing with the increase in the number of heat generating parts of the ejection part, the increase in power consumption, and the reduction in volume.
[0003]
When the power density increases, the temperature rise due to the driving of the head increases, and the discharge performance may be affected depending on the attained temperature. For this reason, the inkjet recording apparatus may be provided with a means for detecting or predicting the temperature, and the inkjet recording apparatus temporarily suspends the driving of the recording head before the temperature of the recording head rises to a temperature at which the ejection performance is affected. In some cases, a method of restarting the recording head drive after waiting for a temperature drop due to heat radiation is used. Also, when printing a high-duty image that causes a rise in temperature that affects the ejection performance, drive is performed at a reduced drive frequency, or by increasing the number of printing passes, thereby reducing the number of ejections per time and reducing the number of print heads. In some cases, temperature rise is suppressed to stabilize ejection.
[0004]
In addition, the recording head is provided with a heat radiating member having a high thermal conductivity in order to release heat to the outside, thereby suppressing the temperature rise of the recording head when radiating heat to the surrounding environment or releasing heat to the supplied liquid. Countermeasures against heat, such as when a structure is provided, have been taken in the past.
[0005]
FIG. 7 shows a recording head 1 used in a conventional ink jet recording apparatus. A heater board 11 having a plurality of heaters for ejecting ink is joined to a chip plate 13 made of alumina ceramic having a high thermal conductivity, and a radiating plate 19 is further joined to the chip plate. Ink is supplied from the detachable ink tank 2 to the heater board through the flow path 14 opened in the chip plate via the chip tank 3. FIG. 8 is a schematic perspective view of the structure, and FIG. 9 is a cross-sectional view thereof. When the heater board is heated by driving the head, the chip plate is heated by heat conduction to the chip plate. Since the thermal conductivity of the chip plate is relatively high, the heat is dispersed throughout the chip plate and suppresses a rapid rise in the temperature of the heater board. Further, when heat is transmitted to the connected heat radiating plate, the heat is efficiently radiated to the surrounding environment by the flow of air generated by the reciprocating motion of the recording head that scans over the recording medium.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to further exert the effect of suppressing the temperature rise by the passive heat dissipation structure, the size of the heat dissipation member is affected, such as by increasing the size of the heat dissipation member. In addition, a method of suppressing a temperature rise in a drive sequence, that is, by suspending the head drive in accordance with the temperature rise, restarting the drive after a temperature drop due to heat radiation, lowering the drive frequency, or increasing the number of recording passes. Although the method of reducing the number of ejections per time is effective for stabilizing the printing quality, the printing speed may be significantly reduced when printing a high-duty image.
[0007]
The power density of the recording head is increasing, such as increasing the number of nozzles, increasing the driving frequency, and increasing the density in consideration of the manufacturing cost to improve the recording speed. As a result, the problem of temperature rise has become apparent. Therefore, it has become difficult to satisfy the demand by extending the conventional cooling method.
[0008]
In addition, the effect of cooling by forced blast has a limited effect, and the size of the apparatus may be increased. It is not suitable for an ink jet recording head because the blowing may affect the behavior of ink ejection and mist.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a cooling method which does not complicate the structure of a recording head, suppresses a rise in temperature, and does not involve a decrease in recording speed.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is an ink jet recording head characterized in that a porous member is used for a part of the structure of the ink jet recording head, and a liquid is impregnated in the pores of the porous member.
[0011]
In the embodiment of the present application, there are an inlet and an outlet for flowing the cooling liquid through the fine holes of the porous member, and the other surface of the porous member is made of a metal having high heat conductivity or a low heat resistance. It is sealed with a thin resin. The heat of the heater board of the recording head is diffused to the porous member via the sealing layer on the surface of the porous member. Since the contact area with the cooling liquid filled in the void portion of the porous member is large, the heat of the porous member can be efficiently transmitted to the liquid. The liquid from which the heat of the porous member has been removed is discharged to the outside of the recording head, and instead, the heat can be continuously removed by the inflowing liquid. The cooling liquid exchanges heat with the surrounding environment outside the recording head.
[0012]
Incidentally, the cooling liquid shown here may also serve as the recording ink.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view that best illustrates the features of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 101 denotes a heater for providing thermal energy for discharging droplets and a heater board provided with a plurality of discharge ports corresponding thereto, and 103 denotes a high thermal conductivity. Is a sealing layer covering the chip plate, 105 is an inlet for cooling liquid, 106 is an outlet for cooling liquid, and 104 is an ink supply path. FIG. 2 is a sectional view of the embodiment.
[0014]
As shown in the figure, the surface of the chip plate is covered with metal or resin, and the cooling liquid that flows in is circulated in the hole and then discharged only from the outlet. The discharged cooling liquid returns to the inflow port via a heat exchange unit (not shown) with the outside air outside the head and a pump (not shown).
[0015]
Since the porous member does not come into direct contact with the ink, there is no need to consider the resistance to the ink. For example, use ceramics such as alumina, zirconia, aluminum nitride, silicon, or metal powder sintered bodies, foams, etc. Can be.
[0016]
The sealing layer covering the surface needs to efficiently transmit the heat generated by the heater board to the chip plate, and is therefore preferably a metal having good heat conductivity. Alternatively, when a material having low thermal conductivity such as a resin is used, it is necessary to reduce the thickness of the layer as much as possible to reduce the thermal resistance. As the resin, a method of applying a curable resin by heat, ultraviolet light, or another curing method, or performing two insert molding using a thermoplastic resin can be used.
[0017]
With this configuration, when the ink jet recording head performs the discharging operation, the pump for circulating the cooling liquid is operated to remove the heat of the heater board heated by the heat generated by the heater board, thereby preventing the heater board from overheating. Can be. Also, by increasing or decreasing the inflow of the cooling liquid in accordance with the output energy of the pump to the energy input to the heater board, that is, the discharge frequency, it is possible to prevent overheating and to reduce the power consumption of the motor.
[0018]
By increasing the density of the porous member near the junction of the heater board and decreasing the density on the opposite side, heat can be dispersed from the heat source, and heat exchange with the cooling liquid can be performed efficiently.
[0019]
In this figure, one heater board, one inlet, and one outlet are shown, but the number is not limited, and a plurality of heater boards, inlets, and outlets may be arranged.
[0020]
(Second embodiment)
FIG. 3 is a perspective view that best illustrates the features of the present invention. In FIG. A bonded chip base made of a material having a high thermal conductivity, 203 is a porous chip plate made of a material having a high thermal conductivity, 208 is a sealing layer covering the chip plate, 205 is a cooling liquid inlet, and 206 is a cooling liquid inlet. The cooling liquid outlet 204 is an ink supply path. FIG. 4 is a sectional view of the embodiment.
[0021]
As shown in the figure, the heater board is first joined to the chip base, the porous chip plate is joined to the chip base, and the parts other than the joining surface between the inflow, outflow and the chip base are covered with metal or resin. The cooling liquid that has flowed in the hole is discharged only from the outlet after circulating in the hole. The discharged cooling liquid returns to the inflow port via a heat exchange unit (not shown) with the outside air outside the head and a pump (not shown). According to this configuration, it is possible to reduce thermal resistance by bonding with only a minimum necessary adhesive by interposing a chip base without interposing a sealing layer as much as possible between the chip plate performing heat exchange and the heater board. Can be.
[0022]
(Third embodiment)
FIG. 5 is a perspective view that best illustrates the features of the present invention. In FIG. 5, reference numeral 301 denotes a heater board that has a heater for applying thermal energy for discharging droplets and a plurality of discharge ports corresponding thereto, and 303 denotes a heater board. A bonded porous chip plate made of a material having high thermal conductivity, 308 is a sealing layer covering the chip plate, 304 is an ink supply path, and 307 is a liquid chamber. FIG. 6 is a sectional view of the embodiment.
[0023]
As shown in the figure, the surface of the chip plate is covered with metal or resin, and the recording liquid that has flowed in from the supply path enters the hole from the chip plate surface and travels through the hole in the chip plate to reach the liquid on the heater board side. The structure oozes out on the room surface and is supplied to the heater board. As the resin, a method of applying a curable resin by heat, ultraviolet light, or another curing method, or performing two insert molding using a thermoplastic resin can be used.
[0024]
With this configuration, the heat generated by the ejection operation of the ink jet recording head is transmitted to the chip plate and further conducted to the recording liquid, so that the heat of the heater board can be removed. The recording liquid that has absorbed the heat is discharged by the discharging operation, and instead, a new liquid is supplied, so that the excessive temperature rise of the chip plate can be suppressed. Further, since the porous portion also serves as a filter, there is an effect of preventing foreign matter from flowing into the discharge portion.
[0025]
In this figure, the heater board and the chip plate each have a single structure, but when a plurality of types of recording liquids are ejected, it can be realized by arranging the units in this figure.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, it is possible to provide an ink jet recording head that can efficiently suppress the temperature rise of the ink ejection unit without relatively increasing the size of the entire apparatus.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view illustrating a configuration according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view illustrating a configuration according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a configuration according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view illustrating a configuration according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view illustrating a configuration according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a perspective view illustrating a conventional example of the appearance of a recording head.
FIG. 8 is a perspective view illustrating a configuration of a conventional example.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Recording head 2 Ink tank 11 Heater board 13 Chip plate 14 Supply path 19 Heat sink 101 Heater board 103 Chip plate 104 Supply path 105 Inlet 106 Outlet 108 Sealing layer 201 Heater board 202 Chip base 203 Chip plate 204 Supply path 205 Inlet 206 Outlet 208 Sealing layer 301 Heater board 303 Chip plate 304 Supply path 307 Liquid chamber 308 Sealing layer
