JP2008238434A - 液体噴射ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】ノズル数の増加によるインク流量の大容量化や高粘度のインクの使用により、異物をトラップするフィルタの損失水頭が増加してしまう。フィルタ投影面積の拡大による対応はヘッドのサイズを大きくし設計上の制約も受ける。
【解決手段】フィルタに加熱部を設けることでフィルタ通過時のインクの粘度による圧力損失を低減しフィルタ投影面積を拡大することなく大容量や高粘度のインクを使用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体貯留部からヘッド本体に供給される液体を液滴としてノズル開口から噴射する液体噴射ヘッドに関し、特に、液滴としてインク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドに関する。

液体噴射ヘッドの代表例であるインクジェット式記録ヘッドでは、一般的に、インクが充填されたインクカートリッジ（液体貯留部）から、このインクカートリッジに挿入されるインク供給針（液体供給部の一部）及びインクカートリッジが保持される部材に形成されたインク流路を介してヘッド本体にインクが供給され、圧電素子等を駆動させることによりヘッド本体に供給されたインクがノズルから吐出される。

このようなインクジェット式記録ヘッドでは、インクカートリッジのインク内に存在する気泡、あるいはインクカートリッジを着脱する際にインク内に混入した気泡がヘッド本体に供給されてしまうと、この気泡によるドット抜け等の吐出不良が発生するという問題がある。また、印字品質・印画品質を確保するためにノズル開口からインク滴を所定の吐出量と吐出速度で噴射させる必要がある。さらに、インク中に存在する異物がヘッド本体のインク流路に侵入しノズル開口を塞ぐことで目詰まりが発生するという問題がある。このような問題を解決するために、インク供給針と、このインク供給針が固定されインク流路が形成された保持部材との間に、インク内の気泡や異物等を除去するためのフィルタを装着するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２１８８０９号公報（図１等）

しかしながら、フィルタには通常ノズル開口径と同等かそれ以下の開口径のものが用いられる。従来家庭用に用いるプリンタに設けられた液体噴射ヘッドから吐出されるインクの粘度は３ｍＰａ・ｓｅｃ〜４ｍＰａ・ｓｅｃ程度のためフィルタの面積を大きくすることなく異物をトラップすることが可能であった。しかし、プリンタの高速化要望への対応としてノズル数が増加していく傾向にあり今後大容量のインク流量を確保していかねばならない。また、用途の拡大に伴い一般家庭用のプリンタのみでなく、種々の産業用途用インクを扱う装置での活用がありインクの粘度も上記に記載の粘度よりも高粘度のものも採用される。前記大流量用途や高粘度のインク用途ではフィルタ部の流路抵抗が大きくなりヘッド本体へのインクの供給不足を発生させるという課題が発生する。このような場合、従来ではフィルタの透過面積を拡大して対応する方法が採られてきているがこの手段はフィルタ面積が大きくなることで結果として液体噴射ヘッドが大きくなり、また流路設計の自由度も減少するという課題を持っている。

したがって、本発明はこのような事情に鑑み、フィルタ近傍の液体の粘度を低下させられるので、フィルタ面積を大きくすることはなく、しいては、小型な液体噴射ヘッドを提供することを目的とする。

前記課題に鑑み、本発明の液体噴射ヘッドでは、ヘッド本体に設けられたノズル開口から液滴を噴射する液体噴射ヘッドであって、液体貯留部の液体をヘッド本体に供給する液体供給部と、該液体供給部に設けられ、液体中の異物をトラップするフィルタと、該フィルタを加熱する加熱部と、を備えていることを特徴とする。従って、フィルタを加熱することになり、フィルタ部近傍の液体が温められて液体の粘度を下げることでフィルタ面積を拡大させることなく液体中の異物をトラップできる。

以下、本発明の実施の形態を図に基いて説明する。

図１は本願発明に関わる液体噴射ヘッドの構成の一例を示すものである。
本実施例での液体噴射ヘッドの一種であるインクジェットヘッドの構成を説明する。基板１０は、複数の圧力室２５と、複数の圧力室２５に対して共通のインク室となるインク溜２３と、複数の圧力室２５とインク溜２３とを連通させて、圧力室２５毎に形成されてたインク供給路２４との液体流路を形成する流路形成部品であって、これらの液体流路は、例えば、表面が（１１０）のシリコンウエハに対して異方性エッチングを利用して形成される。基板１０の一方の面には圧力室２５の数に対応したノズル開口２６を配列したノズルプレート１１が接合され、他方の面には振動子５の振動を圧力室２５へ伝えるための振動板６−９が接合されている。振動板６−９は樹脂層９と当該樹脂層９よりも厚い金属層６とからなり振動板６−９が撓むことで圧電振動子５の変位を圧力室２５に伝える。基板１０とノズルプレート１１と振動板６を接合したものを「ヘッド本体」となる圧力室ユニット６−１０−１１と呼ぶことにする。

圧力室ユニットは樹脂又は金属からなるケース部品３と接合されている。ケース部品３は圧力室ユニットのインク溜２３にインク供給針からのインクを導入するインク導入路２２をもっている。また、振動子５は、一方の面であって、振動子５が駆動しない領域に当接し、他方の面はケース部品３に接着固定されている固定板４と、振動子５に駆動信号を供給するＴＣＰ７（テープキャリアパッケージ７）と共に、振動子ユニット４−５−７を構成しており、ケース部品３は、インク導入路２２が形成された別の領域に、振動子ユニット４−５−７を内包する空間を有している。そして、ケース部品３は、固定板３の振動板６−９側の当接部と振動子５の駆動端側（振動子５と当接する端部側）とによって、振動子ユニット４−５−７の接合位置を決めている。振動子ユニット４−５−７は固定板４に圧力室２５毎に画成する前のピエゾ素子を接合したものをワイヤーソー等により複数の振動子アレイに形成したのちＴＣＰ７等を接続して形成される。この振動子ユニット４−５−７はケース部品３に係合して組み込まれ振動子５の先端は振動板９の金属層６と接着されている。また、ＴＣＰ７の他端はケース部品３に組みつけられた回路基板ユニット８に電気的に接合されている。

ケース部品３は部材間のインク漏れを防止するために、ゴムなどからなるパッキン１４を介して後述するフィルタユニット１−２−１２と接合されている。本願の特許請求の範囲に記載された「液体供給部」であるフィルタユニット１−２−１２は、液体貯留部からの液体を圧力室ユニット６−１０−１１に供給する役割を有している。そして、フィルタユニット１−２−１２は、フィルタ２を介して、流路が設けられて蓋部品２を固定するためのフィルタベース１に金属などからなるフィルタ１２を挟み込んで流路が形成された蓋部品２を接合することで形成されている。フィルタ１２は、フィルタユニット１−２−１２の流路内に形成されて、流れるインク内の異物をトラップしつつ、流路抵抗などの流路特性を制御するために多数の微細口が形成されている。そして、フィルタ１２は蓋部品１２、もしくはフィルタベース１に設けられた溶着用突起部１３を介して、接合固定される。この接合には熱溶着や超音波溶着、レーザー溶着が用いられる。

ここで、フィルタ１２はフィルタユニット１−２−１２の流路内からフィルタユニット１−２−１２の外部へ引き出されている。引き出された先端にはフィルタ１２の加熱部となる高周波加熱ユニット１０１がある。図１の例ではフィルタ１２が金属製の場合、フィルタ１２の回りに高周波加熱ユニット１０１を設置してフィルタ１２を発熱させることができる。加熱手段は図２に示すようなヒーター装置２０１であってもよい。そして、図示しない制御部から後述するインクの粘度特性と所望の流量との関係を考慮してフィルタ１２を所定の温度に設定、変更するための信号が加熱部に供給されて、加熱部はフィルタ１２を所定の温度に加熱する。

次にインクの吐出経路について説明する。
インクは図示していないカートリッジなどの液体貯留部２１から図示しないチューブ等を介してフィルタユニット１−２−１２へ供給される。フィルタユニット内のフィルタ１２を通ることによりインク中に含まれていた異物はトラップされる。さらにインクは図中の矢印にしたがいケース部品３のインク導入路２２を通って圧力室ユニット６−１０−１１内のインク溜２３に供給される。そして、駆動信号に応じて振動子５が圧力室２５が膨張するように変位しインクはインク溜２３からインク供給路２４を介して圧力室２５に引き入れられる。さらに振動子５が圧力室２５を収縮させるための圧力でノズル開口２６からインク滴が吐出される。

次にフィルタ加熱の作用について説明する。
図４は一般のプリンタに使用される水系インクの粘度の温度特性の一例を示すものである。通常の使用温度２０℃では３ｍＰａ・ｓｅｃ〜４ｍＰａ・ｓｅｃ程度である。インクの温度が上昇するとインクの粘度は下がり、インクの温度が低下すると粘度は上昇する。

フィルタ１２の面積はフィルタを通過させる単位時間あたりのインク量とフィルタ１２の開口率から決まる。プリンタの使用温度範囲から低温での粘度上昇を配慮して設定される。図４で示すように低温での粘度は指数的に上がることから低温でのインク供給を確保させるための必要なフィルタ面積が大きくなることがわかる。近年のプリンタの印刷速度向上のためフィルタを通過するインク量は増えていく一方である。この場合ヘッドを大きくして、フィルタ１２の面積は更に大きくとらねばならない。しかしフィルタ面積の巨大化は設計の自由度をなくす方向にあり極度の拡大は好ましくない。従来のフィルタ設計ではフィルタの投影面積をＳとするときフィルタを通過するインク量がｎ倍になったときに必要なフィルタの投影面積はｎＳになる。

フィルタ１２の流路抵抗を管抵抗としてとらえたとき、管長さＬ，管の断面積ｓ、流れるインクの粘度をηとすると、
Ｒ∝Ｌｘη÷ｓ⁴・・・・・（１）
が成り立つ。
係数Ｋを適用して等式とすると、
Ｒ＝ＫｘＬｘη÷ｓ⁴・・・・・（１ａ）
となる。
一般に液体が管を通るときの損失水頭はΔｐ＝ＵｘＲ・・・・・（２）
である。

いま、従来設計での流量をＵ₀、流路抵抗をＲ₀、今回のフィルタ加熱により粘度を下げてｎ倍の流量をながすときの流路抵抗をＲ₁としたときに損失水頭が同じであるときに次式が成り立つ。
ｎｘＵ₀ｘＲ₁＝Ｕ₀ｘＲ₀・・・・・（３）
式（１ａ）よりＲ₀＝ＫｘＬｘη₀・・・・・（１ｂ）
Ｒ₁＝ＫｘＬｘη₁・・・・・（１ｃ）
であるから、（３）に（１ｂ）、（１Ｃ）を代入することで、
η₁＝η₀ｘＵ₀÷（ｎｘＵ₀）＝η₀÷ｎ・・・・・（４）
となる。
ここで粘度はインク温度の関数であるから、
η＝ｆ（Ｔ）・・・（５）
（Ｔはインクの温度）と表す。
（４）（５）より
損失水頭が同じになるインクの温度は（すなわちフィルタの投影面積を増やすことなく従来のｎ倍のインク量を通過させるために必要なインクの温度Ｔ₁は）、
Ｔ₁＝ｆ^-1（η₀／ｎ）
となる。

図４に示すような粘度特性のインクでは例えば流量を１．５倍にするには約４０℃に加温すればよいことになる。

透過させるインクの量が多くなればフィルタ１２を通過するインクの速度は上がる為フィルタ１枚の加熱だけでは充分追従しないこともある。このような場合図３に示すようにダミーのフィルタ加熱ユニット１５−１７−１０３をフィルタユニット１−２−１２上に接合し、当該ユニット１５−１７−１０３内のインクを予備加熱する。このユニット１５−１７−１０３も液体供給部を構成する。このユニット１５−１７−１０３のダミーフィルタ１７は本フィルタ１２より粗いものを選定するのが望ましい。ダミーフィルタ１７による圧力損失を低減するためである。

次にインクの粘度が高いインクを使う用途でもこの機構を利用することが可能である。

図５は粘度の比較的に高いインクの温度特性の一例である。この事例では２０℃下において３０ｍＰａ・ｓｅｃ程度の粘度をもっており、一般のインクジェットヘッド用のインクの粘度に比べて高い。このようなインクを扱うインクジェットヘッドは当然その粘度で適正な開口径と開口面積を備えるように設計される。しかし粘度が高いことにより低温側は更に粘度が急峻に上昇する。ここでフィルタを加熱することでフィルタの損失水頭を押さえることで温度依存性の少ないインクジェットヘッドを構成することができる。あるいは加熱を前提として少しでもフィルタの投影面積を押さえることでフィルタ流路の設計自由度を増すことができる。

これらのインクジェットヘッドは、印刷以外時はフィルタの加熱を停止することにより無駄なエネルギーの使用を防止できる。また長時間の加熱に伴うインクの劣化を防ぐことができる。そして、本願の実施例によれば、流路内に設けられたフィルタを加熱することで、余計な部品を設けることなく、フィルタが流路内のインクに直接接することで加熱ができるため、所望の温度に加熱しやすくなり、所望の粘度を得られるという利点を有する。

尚、上述した実施形態においては、本発明の液体噴射ヘッドとしてインクジェットヘッドを例示したが、液体噴射ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド等にも適用することができる。

またヘッド駆動の原理は圧電素子によるものに限定されるものではなく、サーマルジェット方式によるヘッドにも適用できる。

加熱機構を備えるフィルタユニットをもつ液体噴射ヘッドの断面模式図。 フィルタの加熱機構の別の実施例を示す液体噴射ヘッドの断面模式図。 予備加熱機構をもつ液体噴射ヘッドの断面模式図。 インク粘度の温度依存性の一例を示すグラフ。 高いインク粘度の温度依存性の一例を示すグラフ。

符号の説明

１…フィルタベース、２…蓋部品、３…ケース部品、５…振動子、６…金属層、９…樹脂層、１０…基板、１１…ノズルプレート、１２…フィルタ、１０１，１０３，２０１…加熱部。

Claims (4)

1. ヘッド本体に設けられたノズル開口から液滴を噴射する液体噴射ヘッドであって、
   液体貯留部の液体をヘッド本体に供給する液体供給部と、
   該液体供給部に設けられ、液体中の異物をトラップするフィルタと、
   該フィルタを加熱する加熱部と、を備えていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記フィルタの他にダミーフィルタによる液体供給部内の液体を加熱する予備加熱部を設けていることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 印刷以外時にはフィルタの加熱を停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッド。
4. フィルタを加熱する前記加熱部の温度を設定、変更する制御部を備えた請求項１〜３のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。

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