JP2007313703A - 液体吐出装置および液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】気泡排出性に優れた液体吐出装置、および液体吐出ヘッドを提供すること。
【解決手段】インク導入部材４０における導入流路４５の連通口４６に臨んでフィルタ５０が配設されており、連通口４６の外周部において、連通口４６の形成面４７とフィルタ５０との間には、スペーサ部材５１により高さを規定された凹部５２が形成されている。導入流路４５内の気泡５５がフィルタ５０を通して排出される際、凹部５２内に取り込まれた気泡５５の外縁部５５ａがアンカーとしての機能を果たし、気泡５５はフィルタ５０に近接した状態で係止される。
【選択図】図５

Description

本発明は、インクジェット式記録装置、ディスプレー製造装置、電極形成装置、あるいは、バイオチップ製造装置などの液体吐出装置、およびこれらの液体吐出装置に搭載される液体吐出ヘッドに関する。

従来、液体吐出装置として、紙への印刷に適したインクジェットプリンタが広く知られており、一般的には、印刷用紙に対して往復動するキャリッジに、液体（液滴）の吐出のための微小なノズルを有する液体吐出ヘッドが搭載された構成である。例えば、特許文献１に掲げる液体吐出ヘッドには、外部のインクカートリッジと結合してインクの供給を受けるためのインク供給針が設けられており、また、インク供給針の一端側にはインク中の異物等をトラップするためのフィルタが設けられている。

上述のフィルタは、インク中の異物のほか、インク中に混入した気泡をもトラップするため、フィルタの手前において気泡は経時的に成長を続ける。そして気泡が非常に大きく成長した状態では、気泡は比較的容易にフィルタを通過して吐出不良を招くことがあるため、定期的にあるいは適宜にこのような気泡をインクと共に強制的に排出するいわゆる回復動作が必要となっている。

特開２０００−２１１１３０号公報

ところで、回復動作において気泡がフィルタを通過するためには、その気泡がインク供給針内においてフィルタの一定領域を閉塞するように近接した状態となっている必要がある。フィルタが十分に閉塞されてない状態では、流動するインクがフィルタを容易に通過してしまい、気泡に対して十分な圧力（排出力）を与えることができないからである。

しかしながら、気泡の界面において作用するインクの表面張力や浮力の影響により、一定量以下まで体積を減じた気泡については上述のような状態を維持させることは困難である。すなわち、回復動作により十分な気泡排出ができないために、印刷動作の途中で吐出不良を招いたり、頻繁な回復動作を要するといった課題がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、気泡排出性に優れた液体吐出装置、および液体吐出ヘッドを提供することを目的としている。

本発明の液体吐出装置は、液体を供給するための第１流路と、前記第１流路と連通する第２流路と、前記第１流路および前記第２流路の連通口に臨んで配設されたフィルタと、前記第２流路から前記フィルタを通して気泡が排出される際に、当該気泡を前記第２流路の連通口において係止する気泡係止手段と、を備えることを特徴とする。

この発明の液体吐出装置によれば、第２流路からフィルタを通して気泡を排出させる際に、フィルタ付近に移動した気泡が第２流路の連通口の外周部において係止されることになるため、気泡をフィルタに近接させた状態である程度維持させることができる。これにより、比較的体積の小さな気泡についてもフィルタの通過を容易にして、効率的な気泡排出が可能となる。

また好ましくは、前記気泡係止手段は、前記気泡の一部を取り込むことが可能な、前記第２流路の連通口の外周部に形成された凹部であることを特徴とする。
さらに好ましくは、前記凹部は、前記第２流路の連通口の形成面と前記フィルタと間の間隙として形成されていることを特徴とする。

この発明の液体吐出装置によれば、簡易な構成でありながら効果的に上述の効果を得ることができる。

また好ましくは、前記凹部が、前記第２流路の連通口の形成面と前記フィルタと間の間隙として形成されている前記液体吐出装置において、前記間隙の距離を規定するためのスペーサ部材を備えることを特徴とする。
第２流路における連通口の形成面とフィルタとの間隙の距離は、当該間隙（凹部）における気泡係止手段としての性能に密接に関連する。この発明の液体吐出装置によれば、この距離がスペーサ部材によって正確に規定されるので、当該間隙（凹部）における気泡係止手段としての性能のばらつきを高精度に合わせ込むことができる。

また好ましくは、前記凹部が、前記第２流路の連通口の中心に対して略等方的に設けられていることを特徴とする。
この発明の液体吐出装置によれば、第２流路の連通口の中心に対して略等方的な位置において、気泡を偏りなく好適に係止することができる。

また好ましくは、前記凹部が離散的に設けられていることを特徴とする。
凹部は、気泡を係止して気泡排出性を高める作用を有する反面、凹部に取り込まれた気泡は最後まで排出することができないので、第２流路内に残留する気泡を増加させる作用も合わせて有する。この発明の液体吐出装置によれば、凹部が離散的に設けられているので、上述のような排出できない気泡の過度な増加を抑えつつ、気泡を多点において効果的に係止することができる。

本発明の液体吐出ヘッドは、液体を供給するための第１流路と、前記第１流路と連通する第２流路と、前記第１流路および前記第２流路の連通口に臨んで配設されたフィルタと、前記第２流路から前記フィルタを通して気泡が排出される際に、当該気泡を前記第２流路の連通口において係止する気泡係止手段と、を備えることを特徴とする。

この発明の液体吐出ヘッドによれば、第２流路からフィルタを通して気泡を排出させる際に、フィルタ付近に移動した気泡が第２流路の連通口の外周部において係止されることになるため、気泡をフィルタに近接させた状態である程度維持させることができる。これにより、比較的体積の小さな気泡についてもフィルタの通過を容易にして、効率的な気泡の排出が可能となる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。また、以下の説明で参照する図では、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺を実際のものとは異なるように表す場合がある。

（液体吐出装置の構成について）
まずは、図１を参照して液体吐出装置の構成について説明する。
図１は、液体吐出装置の全体構成を示す概略斜視図である。

図１において、液体吐出装置としてのプリンタ１は、スチール板等で形成されたガイドフレーム３と、用紙２を搬送する搬送ローラ４と、一面に微小なノズルを有する液体吐出ヘッド１０と、液体吐出ヘッド１０のノズルメンテナンスを行うためのメンテナンスユニット５と、を備えている。液体吐出ヘッド１０は、ノズルの形成面を用紙２に対向させた状態でキャリッジ６に搭載されて、ガイドロッド８に沿って往復移動（走査）されるようになっている。ガイドフレーム３は、その剛性と重量によって装置全体の土台をなすと共に、電気的なアースとしての機能も果たしている。

キャリッジ６には、液体としての４色の着色インク（インク）をそれぞれ収容するインクカートリッジ７ａ〜７ｄが搭載されており、液体吐出ヘッド１０にはこれら各色の着色インクがそれぞれ供給される。そして、キャリッジ６の走査および用紙２の搬送に同期して液体吐出ヘッド１０のノズル毎の吐出制御が行われ、液滴として吐出されたインクによって用紙２上に画像等が形成される。

メンテナンスユニット５は、液体吐出ヘッド１０のノズルの形成面に密着してノズルの開口を封止（キャッピング）可能なキャップ１１と、ゴム等で形成された板状部材であるワイパブレード１２とを備えている。キャップ１１は、ノズルを保護する役割を果たすほか、連通するポンプ（図示せず）を駆動してノズルからインクを吸引するいわゆる吸引動作（回復動作）を行う際にも用いられる。また、ワイパブレード１２は、ノズルの形成面に付着したインクを払拭する際に用いられる。

（液体吐出ヘッドの構成について）
次に、図２、図３、図４を参照して液体吐出ヘッドの構成について説明する。
図２は、液体吐出ヘッドの全体構成を示す図である。図３は、インク導入部材の周辺構造を示す分解斜視図である。図４は、インク導入部材の周辺構造を示す断面図である。

液体吐出ヘッド１０は、インクカートリッジ７ａ〜７ｄ（図１参照）をマウント可能なようにガイド用のリブや凹部（部分的に図示を省略）が形成されたケース３０を備えている。また、ケース３０の下部には、インクを吐出するための吐出部１５と、吐出に係る制御回路を有する電気回路部１６が設けられている。

吐出部１５は、一面に所定の配列で形成されたノズル２０と、ノズル２０の個々と連通するキャビティ２２と、対応するインク種ごとにキャビティ２２にインクを供給するリザーバ２３を備えている。キャビティ２２の天蓋部２４は可撓性膜２５により移動可能となっており、天蓋部２４と接合された圧電素子２６の駆動により、インクがノズル２０から吐出される。

ケース３０の上面には、インクカートリッジ７ａ〜７ｄの導出部と結合するための樹脂製のインク導入部材４０が、超音波溶着により接合されている。インク導入部材４０は、尖端部４１に導入孔４２を有する中空針状の部材であり、尖端部４１の反対側において裾を広げたフランジ部４３を有している。フランジ部４３の下面には、超音波溶着する際の作用部としての溶着突起４４（図４では、溶着により押し潰された状態）が形成されている。

インク導入部材４０は、内部に第２流路としての導入流路４５を有している。導入流路４５は、尖端部４１側に対してフランジ部４３側が拡幅されており、その拡幅された端部は連通口４６となっている。

ケース３０は、インク導入部材４０との接続箇所において、フランジ部４３の外周面を規定するガイド部３１と、フランジ部４３を溶着するためのフランジ取付面３２と、フィルタ５０を配設するためのフィルタ配設面３３とを備えている。また、ケース３０内には、吐出部１５にインクを供給するための第１流路としての供給流路３４が形成されており、供給流路３４の一端側はフィルタ配設面３３に臨んで拡幅されて連通口３５となっている。

尚、上述したケース３０およびインク導入部材４０の材料には、成型や溶着に適した材料であるＰＰＥ（PolyPhenylene Ether）等の樹脂や、樹脂にガラス素材等を混ぜ込んだ混合材料などが用いられている。

フィルタ５０は、金属線をメッシュ状に編みこんでなる部材であり、連通口４６および連通口３５に臨んで、その外縁部５０ａがフィルタ配設面３３に溶着されている。フィルタ５０は、導入流路４５から供給流路３４へと供給されるインクに含まれる異物等をトラップする役割を果たす。尚、導入流路４５の連通口４６側および供給流路３４の連通口３５側がそれぞれ拡幅されているのは、フィルタ５０の有効面積を大きくして通過に係るインクの流動抵抗（損失水頭）を低減するための配慮である。

インク導入部材４０とフィルタ５０との間には、フィルタ５０と同程度の外径を有し、連通口３５に対応する中央の領域Ｓ１とその外側の領域Ｓ２〜Ｓ５とが切り抜かれたような、シート状のスペーサ部材５１が配設されている。スペーサ部材５１は、連通口４６の形成面４７とフィルタ５０との間の間隙の距離を高精度に規定する役割を果たし、かくして、連通口４６の外周部において、スペーサ部材５１の領域Ｓ２〜Ｓ５に対応する箇所に、高さ：ｈ、奥行き：ｄの凹部５２が形成される。図示のように、領域Ｓ２〜Ｓ５に対応する凹部５２は、連通口４６の中心に対して等方的な配置で離散的に形成される。

（気泡の排出について）
次に、図５、図６を参照して、導入流路からの気泡の排出について説明する。
図５は、導入流路からの気泡の排出の過程を示す図である。図６は、凹部の寸法と残気泡量との関係を示す図である。

図５（ａ）に示すように、導入流路４５内のインク５６中に気泡５５が存在する状態においては、気泡５５の界面において作用するインク５６の表面張力により、気泡５５は球形をなす。このような場合、プリンタ１（図１参照）は、キャップ１１（図１参照）を用いた吸引動作により、気泡５５の強制的な排出を図る。気泡５５が存在する状態を放置しておくと、気泡５５によって印刷動作中のインク５６の流れが阻害され、吐出不良を引き起こす虞があるからである。

吸引動作を開始すると、供給流路３４と導入流路４５との間に生じる圧力差によって、導入流路４５内のインク５６および気泡５５はフィルタ５０に向かって移動し、図５（ｂ）に示すように、気泡５５はフィルタ５０を閉塞するような状態となる。そして、気泡５５は導入流路４５内のインク５６から圧縮されるような圧力を受ける。かくして、気泡５５は、その外縁部５５ａが連通口４６の外周部において形成された凹部５２内に取り込まれ、また、一部がフィルタ５０を通過して導入流路４５から排出されて、次第にその大きさを減じてゆく。

気泡５５が小さくなってゆくに従い、インク５６から受けるフィルタ５０への押し付け力は減少するため、インク５６との界面において作用する表面張力によって、気泡５５はフィルタ５０から離れて再び球形に戻ろうとする。しかしながらこの際、凹部５２に取り込まれた気泡５５の外縁部５５ａがアンカーとしての役割を果たし、気泡５５を図５（ｂ）に示す状態に留めようとする。すなわち、凹部５２は、吸引動作時において気泡５５をフィルタ５０に近接させた状態で係止して、気泡５５のフィルタ５０の通過を容易化する役割を果たしており、本発明における気泡係止手段となっている。

やがて、図５（ｃ）に示す状態まで気泡５５が縮小されると、凹部５２に取り込まれていた気泡５５の外縁部５５ａはアンカーとしての機能をほとんど失い、気泡５５はフィルタ５０から離れて再び球形となる。このとき残留した気泡５５は、吸引動作によってもこれ以上排出させることができないものであり、以下ではその量を残気泡量と呼ぶ。

この残気泡量と、凹部の高さ：ｈ（図４参照）および奥行き：ｄ（図４参照）との関係を示したのが図６である。具体的な評価条件としては、フィルタ５０の有効径（連通口３５の外径）は７．２ｍｍ、フィルタ５０の素材はＳＵＳ、インク導入部材４０の素材はアクリル樹脂、インクの粘度は３．４ｍＰａ・ｓ（２５℃）、インクの表面張力は２９ｍＮ／ｍ（２５℃）、吸引動作における一導入流路あたりインクの流量は、０．１９ｍｌ／ｓである。

図６に示すように、凹部５２の高さ：ｈが０．１ｍｍ程度を超えると、残気泡量は著しく減少する。すなわち、連通口４６の形成面とフィルタ５０との間に間隙（凹部５２）を有さない従来技術に比べ、気泡の一部を取り込める程度の間隙（凹部５２）を設けた本実施形態の液体吐出ヘッドは、残気泡量が小さく、気泡排出性に優れていることがわかる。

また、図６によれば、高さ：ｈが０．１ｍｍ程度を超えた範囲においては、高さ：ｈが大きくなると、あるいは奥行き：ｄが小さくなると、残気泡量は増える傾向を示している。これは、高さ：ｈが大きな、あるいは奥行き：ｄが小さな凹部５２においては、気泡５５を取り込んでこれを維持しようとする係止機能（アンカー機能）が弱くなるためであると考えられる。

このように、凹部５２は、気泡５５の外縁部５５ａを取り込んで係止機能（アンカー機能）を発揮するという目的に鑑みて、インクやインク導入部材の表面物性等に応じて、適切な形状、寸法として設計されることが好ましい。

また、凹部５２は、気泡５５を係止して気泡排出性を高める作用を有する反面、凹部５２に取り込まれた気泡５５は最後まで排出することができないので、残気泡量を増加させる作用も合わせて有する。従って、凹部５２は、必ずしも広範囲にわたって多く設けられていればよいというわけではなく、その配置位置などについても十分な配慮を行うことが好ましい。本実施形態では、連通口４６の中心に対して等方的に且つ離散的に凹部５２を設けることで、残気泡量の過度の増加を抑えつつ、気泡５５を多点において偏りなく係止することができるようになっている。

（変形例１）
次に、図７を参照して、変形例１について、先の実施形態との相違点を中心に説明する。
図７は、変形例１に係るインク導入部材の周辺構造を示す分解斜視図である。

この変形例１に係るスペーサ部材５１は、連通口３５に対応する中央の領域Ｓ１と領域Ｓ１の外周を取り囲む領域Ｓ６とが切り抜かれた形状とされている。かくして、この変形例１では、スペーサ部材５１の領域Ｓ６に対応する箇所において、連通口４６（図４参照）の外周部全体にわたって連続的に凹部が形成される。この変形例１のように、本発明に係る凹部は、必ずしも離散的に形成されていなくてもよい。

（変形例２）
次に、図８を参照して、変形例２について、先の実施形態との相違点を中心に説明する。
図８は、変形例２に係るインク導入部材の周辺構造を示す断面図である。

この変形例２に係るインク導入部材４０は、連通口４６の外周部において浅く形成されたテーパ部４８を有しており、このテーパ部４８とフィルタ５０との間に凹部５２が形成されるようになっている。この変形例２のように、スペーサ部材は本発明の必須の要素ではなく、また、凹部は一定間隔の間隙でなくてもよい。

本発明は上述の実施形態に限定されない。
例えば、導入流路４５とその連通口４６とは、あるいは供給流路３４とその連通口３５とは互いに偏心されて構成されていてもよいし、導入流路４５、供給流路３４のプロファイルは上述の実施形態に限定されるものではない。
また、いわゆるオフキャリッジタイプの液体吐出装置の供給機構内にフィルタを配設する場合において、気泡係止手段を備えた本発明を適用することもできる。
また、実施形態の構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略したり、図示しない他の構成と組み合わせたりすることができる。

液体吐出装置の全体構成を示す概略斜視図。 液体吐出ヘッドの全体構成を示す図。 インク導入部材の周辺構造を示す分解斜視図。 インク導入部材の周辺構造を示す断面図。 （ａ）〜（ｃ）は、導入流路からの気泡の排出の過程を示す図。 凹部の寸法と残気泡量との関係を示す図。 変形例１に係るインク導入部材の周辺構造を示す分解斜視図。 変形例２に係るインク導入部材の周辺構造を示す断面図。

符号の説明

１…液体吐出装置としてのプリンタ、１０…液体吐出ヘッド、１１…キャップ、２０…ノズル、３０…ケース、３１…ガイド部、３３…フィルタ配設面、３４…第１流路としての供給流路、３５…連通口、４０…第２流路としてのインク導入部材、４１…尖端部、４３…フランジ部、４５…導入流路、４６…連通口、４７…連通口の形成面、４８…テーパ部、５０…フィルタ、５１…スペーサ部材、５２…気泡係止手段としての凹部、５５…気泡、５５ａ…気泡の外縁部、５６…インク。

Claims (7)

1. 液体を供給するための第１流路と、
   前記第１流路と連通する第２流路と、
   前記第１流路および前記第２流路の連通口に臨んで配設されたフィルタと、
   前記第２流路から前記フィルタを通して気泡が排出される際に、当該気泡を前記第２流路の連通口において係止する気泡係止手段と、を備えることを特徴とする液体吐出装置。
2. 前記気泡係止手段は、前記気泡の一部を取り込むことが可能な、前記第２流路の連通口の外周部に形成された凹部であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出装置。
3. 前記凹部は、前記第２流路の連通口の形成面と前記フィルタと間の間隙として形成されていることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出装置。
4. 前記間隙の距離を規定するためのスペーサ部材を備えることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出装置。
5. 前記凹部が、前記第２流路の連通口の中心に対して略等方的に設けられていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
6. 前記凹部が離散的に設けられていることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
7. 液体を供給するための第１流路と、
   前記第１流路と連通する第２流路と、
   前記第１流路および前記第２流路の連通口に臨んで配設されたフィルタと、
   前記第２流路から前記フィルタを通して気泡が排出される際に、当該気泡を前記第２流路の連通口において係止する気泡係止手段と、を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド。
   

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