JP2009208368A - 流路形成部材及び液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気泡を制御することができる流路形成部材を提供する。
【解決手段】第一の流路２４を、水平部１７及び鉛直部１８と、第二の流路１９とで構成し、装置の仕様に応じた流路を設計し、インクが吐出してヘッド本体側の流路が相対的に低圧力になってインクが流通する際には、第二の流路１９の入口を開通させてインクが第二の流路１９を流通するように気泡を停滞させ、クリーニング時に出口流路２５側から大きな吸引力が印加された場合には、気泡を出口流路２５側に吸引させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、流路形成部材及び液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。

液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、圧電素子の変位による圧力を利用してノズル開口からインク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドが知られている。従来から知られているインクジェット式記録ヘッドは、インクが充填されたインクカートリッジ等の流体源からヘッド本体にインクが供給され、ヘッド本体から供給されたインクは圧電素子や発熱素子等の圧力発生手段を駆動させることによりノズルから吐出される。

例えば、インクカートリッジにインク供給針を挿入することでインク供給針の導入孔からインクカートリッジ内のインクをヘッド本体の圧力室側に導入している。また、記録装置本体側に配置したインクカートリッジとヘッド本体側のインク供給針とをインクチューブで連結し、ポンプ等の圧送手段によりインクカートリッジ内のインクをヘッド本体の圧力室側に導入する技術も知られている。

この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。このような問題を解決するために、インク供給針とヘッド本体との間のインク流路にフィルタを装着したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。インク供給針内で気泡を溜めることでヘッド本体に気泡が流れ込むことを防止することができる。

また近年の高速印刷の要望により、インクジェット式記録ヘッドの吐出流量は増加傾向にあり、それに伴うフィルタ部の圧力損失も増加するという問題がある。

そこで、複数平面にフィルタをレイアウトした技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示された技術では、フィルタの圧力損失を低減するためにフィルタ面積を大型化してもフィルタユニットの大型化を抑制することができる。

しかしながら、上記従来技術では、フィルタは略水平面に配置されているため、フィルタ面積の増加によるインク供給針やフィルタユニットのサイズには限界があり、インクジェット式記録ヘッドを複数個並べて使用する，いわゆるマルチヘッド化した場合には装置の肥大化が避けられない状況であった．

特開２００７−１３６６８７号公報 特開２００４−１０６２１４号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、流体源の流体をヘッド本体に供給するための流体流路で、気泡を制御することができる流路形成部材を提供することを目的とする。

また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、流体源の流体をヘッド本体に供給するための流体流路で、気泡を制御することができ、かつマルチヘッド化した際の投影面積（フットスペース）を極小化することが可能な流路形成部材を備えた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の流路形成部材は、流体源の流体をヘッド本体に供給するための流体流路が形成された流路形成部材において、前記流体流路は、前記流体源からの流体を水平方向に流通させる水平部、及び、前記水平部に連続して下方向に流通させる鉛直部を有する第一の流路と、前記第一の流路の前記水平部及び前記鉛直部の間で前記流体を流通させる第二の流路とを備え、前記流体流路の前記第一の流路及び前記第二の流路は、気泡の浮力及び前記流体源からの流体の流量に応じて気泡の流れを制御する形状とされることを特徴とする。
このため、流体流路の第一の流路及び第二の流路により気泡の流れを所望の状態に制御することができ、気泡を流体流路内に留めた状態で流体の流通を許容したり、気泡を下流側に流通させる等の任意の制御が可能になる。

また、本発明の流体形成部材は、上述した流路形成部材において、前記流体流路の出口部と前記ヘッド本体の流体入口との間には前記流体の流れ方向に対向する第一のフィルタが備えられていることを特徴とする。
このため、ヘッド吐出能力に応じてフィルタ面積を拡大してもヘッド投影面積であるフットスペースを極小化することが可能になる。更に、気泡を流体流路内で分離して流通させることで、気泡が抜け難い鉛直方向に面を有する第一のフィルタであっても、有効面積を十分に確保することが可能になる。

また、本発明の流路形成部材は、上述した流路形成部材において、前記流体流路の前記第一の流路及び前記第二の流路は、前記ヘッド本体側の駆動により前記流体が流通する際には前記気泡を前記第一の流路に留め、例えば、気泡を除去するためのメンテナンス動作時による吸引圧力が印加された際には前記気泡を下流側に流通させる形状とされていることを特徴とする。

また、上述した流路形成部材において、前記流体源が接続される部位と前記流体流路の入口部との間には、第二のフィルタが備えられ、前記第二のフィルタの後流側には、前記ヘッド本体側の流路の圧力が相対的に低下した際に前記流体の流通を許容する弁体が備えられていることを特徴とする。

これらにより、流路に平行なフィルタを備えて幅寸法を狭めた流路形成部材において、気泡の影響を抑制することが可能になる。

上記目的を達成するための本発明の液体噴射ヘッドは、上述した流路形成部材と、前記流体形成部材の前記流体流路の出口側に接続されノズル開口を有するヘッド本体とを備えたことを特徴とする。

また、上述した液体噴射ヘッドにおいて、前記流路形成部材はヘッド本体に固定され、前記ヘッド本体のノズル開口に連通するリザーバ室に前記流体流路の出口側が連通していることを特徴とする。

上記目的を達成するための本発明の液体噴射装置は、上述した液体噴射ヘッドと、前記流路形成部材の前記流体流路の入口側に接続される流体源とを備えたことを特徴とする。

これらにより、流体源の流体をヘッド本体に供給するための流体流路で、気泡を制御することができる流路形成部材を備えた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置とすることができる。

図１には本発明の一実施形態例に係るインク噴射ヘッドを備えたインクジェット式記録装置の概略構成、図２にはインク噴射ヘッドの主要部の断面側面、図３には流路形成部材の外観、図４には図２中の平面視、図５には図２中の要部詳細、図６には図５中のＶＩ−ＶＩ線矢視を示してある。また、図７、図８には気泡の制御状況を表す流体流路の概念を示してある。

図１に基づいてインクジェット式記録装置を説明する。
図に示すように、液体噴射装置としてのインクジェット式記録装置（装置本体）１は、インクカートリッジ２が搭載されるキャリッジ３やキャリッジ３に取り付けられた記録ヘッド４等が一体化された液体噴射ヘッドとしてのヘッドユニット５を有している。キャリッジ３はタイミングベルト６を介してステッピングモータ７に接続され、ガイドバー８に案内されて記録紙９の紙幅方向（主走査方向）に往復移動するようになっている。キャリッジ３は上部に開放する箱型をなし、記録紙９と対面する面（下面）に記録ヘッド４のノズル面が露呈するよう取り付けられると共に、インクカートリッジ２が収容されるようになっている。

記録ヘッド４にはインクカートリッジ２からインクが供給され、キャリッジ３を移動させながら記録紙９の上面にインク滴を吐出させて記録紙９に画像や文字をドットマトリックスにより印刷するようになっている。図１中の符号で、１０は印刷休止中に記録ヘッド４のノズル開口を封止することによりノズルの乾燥を防止すると共に記録ヘッド４のノズル面に負圧を作用させてクリーニング動作をするキャップであり、１１は記録ヘッド４のノズル面をワイピングするワイパーブレードであり、１２はクリーニング動作で吸引した廃インクを貯留する廃インク貯留部であり、１３は装置本体１の動作を制御する制御装置である。

図示のヘッドユニット５には、インクカートリッジ２からインクを記録ヘッド４に供給するための流路が形成された流路形成部材が備えられている。尚、図１の例では、キャリッジ３に流体源としてのインクカートリッジ２が収容される例を挙げて説明したが、インクカートリッジがキャリッジ３とは別の場所に収容され、供給管を介してインクが記録ヘッド４の流路形成部材に圧送される構成のインクジェット式記録装置であっても本発明を適用することが可能である。

図２に基づいてヘッドユニット５を説明する。
図に示すように、ヘッドユニット５は、例えば、圧電素子等の圧力発生手段が備えられ、圧電素子の変位による圧力を利用してノズルプレート１５のノズル開口からインク滴を吐出するようになっている。ヘッドユニット５にはリザーバ室が設けられると共に、ヘッドユニット５の上部には流路形成部材２１が接続されている。ヘッドユニット５のヘッド流路には流路形成部材２１から流体としてのインクが供給され、ヘッド流路からリザーバ室にインクが送られる。そして、流路形成部材２１にはインクカートリッジ２からインクが供給されるようになっている。例えば、供給管やインク供給針を介してインクカートリッジ２から流路形成部材２１にインクが供給される。

図２〜図６に基づいて流路形成部材２１を具体的に説明する。
流路形成部材２１は矩形状の盤面を有する直方体ブロック形状とされ、樹脂製の本体２２の両方の盤面にフィルム２０が溶着されることで第一の流路２４（流体流路）がそれぞれ形成される構成となっている。第一の流路２４の下部には出口流路２５が連続して設けられ、出口流路２５は下流側（下側）に向けて幅広状態に形成されている。出口流路２５の内側には第一のフィルタ２７が備えられ、第一のフィルタ２７は、幅広状態の出口流路２５に略対応する面積で盤面の広い部分に配され、大面積が確保されている。第一のフィルタ２７では、主に、後述する弁体３４（機械的構成部材）を流通したインクに含まれる異物がトラップされる。

第一のフィルタ２７はインクの流れ方向に対向する面（盤面と平行な面）を有し、第一の流路２４を流通したインクは盤面の外側から第一のフィルタ２７を通って本体２２の内側の下部に送られ、２つの排出孔２８からヘッドユニット５（図２参照）に送られる。第一の流路２４を流通して出口流路２５に送られたインクは、狭い流路から広い流路に広がって第一のフィルタ２７を通り（図６参照）、端部の排出孔２８からヘッドユニット５（図２参照）の一つのリザーバ室に送られる。つまり、それぞれの第一の流路２４及び出口流路２５に対して一つのリザーバ室につながる２つの排出孔２８が設けられ、一つの流路形成部材２１には４つの排出孔２８が設けられている（図４参照）。

主に図５に示すように、第一の流路２４は、インクを水平方向に流通させる水平部１７と、水平部に連続して下方向に延びる鉛直部１８とを有している。鉛直部１８の下端が出口流路２５につながり、水平部１７と鉛直部１８との間には第二の流路１９が接続されている。水平部１７及び鉛直部１８で逆Ｌ字状の流路が形成され、第二の流路１９はＬ字状の流路とされ、水平部１７及び鉛直部１８の逆Ｌ字状の流路と、第二の流路１９のＬ字状の流路とで長方形状の流路が形成されている。水平部１７及び鉛直部１８、第二の流路１９は、気泡の浮力及びインクの流量（流通圧力）に応じて気泡の流れが制御される形状にされている（詳細は後述する）。

流路形成部材２１の上部の端部にはインク導入孔３１がそれぞれ設けられ、インク導入孔３１にはインクカートリッジ２からインクがそれぞれ供給される。一方（図４中左側）のインク導入孔３１に供給されたインクは、所定の流路３０を経由して図２に示した第一の流路２４の入口側に送られ、他方（図４中右側）のインク導入孔３１に供給されたインクは、所定の流路３０を経由して図２の紙面の裏側に設けられた第一の流路２４の入口部に送られる。

インク導入孔３１につながる流路３０は、図４中矢印Ａで示すように、一方（図４中左側）のインク導入孔３１に供給されたインクが、図４中上側に流通した後下側に向かい、第二のフィルタ３２を流通して図２に示したインク室３３に送られるように形成されている。また、流路３０は、図４中矢印Ｂで示すように、他方（図４中右側）のインク導入孔３１に供給されたインクが、図４中下側に流通した後、図２に示した第二のフィルタ３２を流通して図４中上側に向かい、図２のインク室３３に送られるように形成されている。第二のフィルタ３２は盤面と平行な面を有し、第一のフィルタ２７と平行な状態で配されている。

インク導入孔３１（第二のフィルタ３２）とインク室３３（第一の流路２４の入口側）の間の流路３０には弁体３４がそれぞれ設けられ、ヘッドユニット５（図２参照）のリザーバ室の圧力が低下した際に、即ち、インクが吐出されて第一の流路２４側の圧力が相対的に低下した際に弁体３４はインクの流通を許容するように作動する。つまり、所定の圧力でインクがインク導入孔３１から供給される状態にある場合に、ヘッドユニット５（図２参照）のリザーバ室にインクが貯留されている際には弁体３４は閉状態にされ、インクの吐出により後流側の圧力が低下すると、負圧力により弁体３４が開状態にされてインクが供給される。

図７、図８に基づいて第一の流路２４における気泡の制御状況を概念的に説明する。
第一の流路２４に気泡３８が混入した状態でインクの流れがない場合、図７に示すように、気泡３８は浮力により第一の流路２４の水平部１７に留まり、第二の流路１９の入口が塞がれた状態にされる。第一の流路２４に気泡３８が混入した状態で流量Ｑのインクが供給された場合、図８に示すように、気泡３８の浮力と出口流路２５側からの印字の時の吸引力（相対的な出口流路２５側の低圧状態）により気泡３８が制御され、第二の流路１９の入口を開通した状態にして気泡３８が水平部１７及び鉛直部１８にわたって停滞する。つまり、印字によりインクが吐出してヘッド本体側の流路が相対的に低圧力になってインクが流通する際には、第二の流路１９の入口が開通してインクが第二の流路を通って出口流路２５側に送られるように気泡３８が留められる。また、クリーニング時で出口流路２５側から大きな吸引力が印加された場合、気泡３８は出口流路２５側に吸引されて排出される（下流側に流通する）。

気泡３８が制御される原理を説明する。
第二の流路１９の入口の圧力をＰ１、第二の流路１９の出口の圧力をＰ２とすると、出口流路２５側への力ΔＰは、
ΔＰ＝Ｐ２−Ｐ１とすることができる。
第二の流路１９の抵抗係数（インクの粘度、流路の断面積により決まる係数）をｋとすると、ΔＰ＝ｋ・Ｑとなり、ΔＰ、即ち、Ｐ１、Ｐ２は、ｋ（第二の流路１９の設計寸法）とＱ（流量）で決定される。

気泡３８にかかる力は、浮力ＦｆとΔＰによる吸引力ＦΔＰであり、浮力Ｆｆは第一の流路２４の鉛直部１８の体積である。第一の流路２４の水平部１７の断面積をＳ１、第一の流路２４の鉛直部１８の断面積をＳ２とすると、吸引力ＦΔＰは、鉛直部１８におけるＰ２・Ｓ２から水平部１７におけるＰ１・Ｓ１を減じた値となり、
即ち、ＦΔＰ＝（Ｐ２・Ｓ２）−（Ｐ１・Ｓ１）となる。

このことにより、浮力Ｆｆが吸引力ＦΔＰよりも高くなれば気泡３８が停滞し、浮力Ｆｆが吸引力ＦΔＰよりも低くなれば気泡３８が排出される。
即ち、印字によりインクが吐出してヘッド本体側の流路が相対的に低圧力になってインクを流通させる際には、
浮力Ｆｆ＞吸引力ＦΔＰとなるようにし、
クリーニング時で出口流路２５側から大きな吸引力が印加された場合には、
浮力Ｆｆ＜吸引力ＦΔＰとなるように、第一の流路２４の水平部１７及び鉛直部１８の断面積・長さを決定する。

以上の原理に基づいて第一の流路２４を設定することで、インクが吐出してヘッド本体側の流路が相対的に低圧力になってインクが流通する際には、第二の流路１９の入口を開通させてインクが第二の流路１９を流通するように気泡３８を停滞させ、例えば、クリーニング時に出口流路２５側から大きな吸引力が印加された場合には、気泡３８が出口流路２５側に吸引されて排出されるようにすることができる。

上述したように、第一の流路２４を、水平部１７及び鉛直部１８と、第二の流路１９とで構成し、装置の仕様に応じた流路を設計することにより、気泡３８の状態を制御することができる。

つまり、ヘッドユニット５（図２参照）のリザーバ室の圧力が低下して弁体３４が開状態になってインクが流通される時には（印字される時には）、第二の流路１９の入口を開通した状態にして気泡３８を水平部１７及び鉛直部１８にわたって停滞させることができる。このため、流路内に気泡３８が混入しても、第二の流路１９を通ってインクが出口流路２５側に送られ、印字の際にドット抜け等の不具合をなくすことができる。

また、第一のフィルタ２７は、幅が狭い流路形成部材２１であっても面積を広くするために垂直状態に配置されて気泡が抜け難い状態になっている。上述したように、第一の流路２４で気泡３８を停滞させてインクだけを流通させることで、即ち、第一の流路２４で気液分離を行なうことで、面積が広い第一のフィルタ２７に気泡３８が送られず、垂直状態に配置された第一のフィルタ２７の全面をフィルタの有効面積として確保することができる。

従って、第一の流路２４の水平部１７、鉛直部１８、第二の流路１９の断面積・長さを適宜に設定することにより、インクカートリッジ２のインクをヘッドユニット５に供給するための流路形成部材２１の第一の流路２４で、気泡３８を制御することが可能になる。

上述した実施形態例では、第一のフィルタ２７をインクの流れ方向に沿った面に平行に設けて気泡が抜け難い状態で流路形成部材２１の幅を狭めた場合でも、気泡３８の流路の閉塞をなくして第一のフィルタ２７の有効面積を確保することが可能になる。そして、印字の際の流速においてインクが流通できるように気泡３８を停滞させ、クリーニング時の負圧力の流速で気泡３８を排出させるように、第一の流路２４を設定することで、流入した気泡３８に対して印字できる許容範囲を大幅に広げることができる。

尚、上述した実施形態例では、インクカートリッジ２がキャリッジ３に搭載された構成、いわゆるオンキャリッジの構成を例に挙げて説明したが、流路形成部材２１には弁体３４が備えられているので、インクの貯留部がキャリッジ３に搭載されていない、いわゆるオフキャリッジの構成に適用することも好適である。本実施形態例のように、オンキャリッジの構成で流路形成部材２１を適用する場合、弁体３４を省略しても差し支えない。

また、上述した実施形態例では、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、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、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。

インクジェット式記録装置の概略構成図である。 インク噴射ヘッドの主要部の断面図である。 流路形成部材の外観図である。 図２中の平面図である。 図２中の要部詳細図である。 図５中のＶＩ−ＶＩ線矢視図である。 気泡の制御状況を表す流体流路の概念図である。 気泡の制御状況を表す流体流路の概念図である。

符号の説明

１ インクジェット式記録ヘッド、 ２ インクカートリッジ、 ４ 記録ヘッド、 ５ ヘッドユニット、 １５ ノズルプレート、 １７水平部、 １８ 垂直部、１９ 第二の流路、 ２０ フィルム、 ２１ 流路形成部材、 ２２ 本体、 ２３ 盤面、 ２４ 第一の流路、 ２５ 出口流路、 ２７ 第一のフィルタ、２８ 排出孔、 ３０ 流路、 ３１ インク導入孔、 ３２ 第二のフィルタ、 ３３ インク室、 ３４ 弁体、 ３８ 気泡

Claims (7)

1. 流体源の流体をヘッド本体に供給するための流体流路が形成された流路形成部材において、
   前記流体流路は、
   前記流体源からの流体を水平方向に流通させる水平部及び前記水平部に連続して下方向に流通させる鉛直部を有する第一の流路と、
   前記第一の流路の前記水平部及び前記鉛直部の間で前記流体を流通させる第二の流路とを備え、
   前記流体流路の前記第一の流路及び前記第二の流路は、気泡の浮力及び前記流体源からの流体の流量に応じて気泡の流れを制御する形状とされる
   ことを特徴とする流路形成部材。
2. 請求項１に記載の流路形成部材において、
   前記流体流路の出口部と前記ヘッド本体の流体入口との間には前記流体の流れ方向に対向する第一のフィルタが備えられている
   ことを特徴とする流路形成部材。
3. 請求項１もしくは請求項２のいずれかに記載の流路形成部材において、
   前記流体流路の前記第一の流路及び前記第二の流路は、
   前記ヘッド本体側の駆動により前記流体が流通する際には前記気泡を前記第一の流路に留め、吸引圧力が印加された際には前記気泡を下流側に流通させる
   形状とされている
   ことを特徴とする流路形成部材。
4. 請求項３に記載の流路形成部材において、
   前記流体源が接続される部位と前記流体流路の入口部との間には、第二のフィルタが備えられ、
   前記第二のフィルタの後流側には、前記ヘッド本体側の流路の圧力が相対的に低下した際に前記流体の流通を許容する弁体が備えられている
   ことを特徴とする流路形成部材。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の流路形成部材と、
   前記流体形成部材の前記流体流路の出口側に接続されノズル開口を有するヘッド本体と
   を備えたことを特徴とする液体噴射ヘッド。
6. 請求項５に記載の液体噴射ヘッドにおいて、
   前記流路形成部材はヘッド本体に固定され、前記ヘッド本体のノズル開口に連通するリザーバ室に前記流体流路の出口側が連通している
   ことを特徴とする液体噴射ヘッド。
7. 請求項５に記載の液体噴射ヘッドと、
   前記流路形成部材の前記流体流路の入口側に接続される流体源と
   を備えたことを特徴とする液体噴射装置。
   

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