JP2010137428A - 液体吐出ヘッド、及び、液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高ＤＵＴＹ時における吐出の不具合を抑制すると共に、気泡排出性を向上することが可能な液体吐出ヘッド、及び、液体吐出装置を提供する。
【解決手段】リザーバーは、インク導入口１２がリザーバー１６に対してノズル列設方向における中央寄りに位置する第１のリザーバーと、インク導入口がリザーバーに対して第１のリザーバーの場合よりもノズル列設方向における端部寄りに位置する第２のリザーバーとから成り、一定時間、一定数のノズルからそれぞれ液体を吐出したときのインク導入口における圧力が、記録ヘッドから吐出される複数種類のインクの中で他のインクよりも高いインクを、第１のリザーバーに導入する。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、インクジェット式記録ヘッド等の液体吐出ヘッド、及び、これを備えた液体吐出装置に関し、特に、高ＤＵＴＹ時における吐出の不具合を抑制すると共に、気泡排出性を向上することが可能な液体吐出ヘッド、及び、液体吐出装置に関する。

液体吐出装置は液体を液体として吐出可能な液体吐出ヘッドを備え、この液体吐出ヘッドから各種の液体を吐出する装置である。この液体吐出装置の代表的なものとして、例えば、インクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッドという）を備え、この記録ヘッドから液体状のインクを吐出させて記録を行うインクジェット式記録装置（プリンター）等の画像記録装置を挙げることができる。また、近年においては、この画像記録装置に限らず、ディスプレー製造装置などの各種の製造装置にも応用されている。

上記記録ヘッドでは、複数種類、つまり異なる複数の色のインクを吐出することが可能に構成されたものがある。この記録ヘッドでは、ノズルを複数列設してなるノズル列（ノズル群）と、このノズル列を構成する各ノズルにインクを供給するリザーバー（共通インク室）と、をそれぞれインクの色毎に複数組備えている。このリザーバーには、インクカートリッジ等のインク供給源からのインクが導入される導入口が設けられている。この導入口は、記録ヘッドの小型化の要請や圧力発生素子に駆動信号を印加する配線のレイアウト等との関係上、ヘッドにおいて限られたスペースに配置されている。このため、やむを得ず、リザーバーに対して導入口がノズル列設方向（リザーバー長手方向）における中心部から外れた位置に設けられるケースも生じる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２８１４７７号公報（図３、図７等）

上記のように、導入口がリザーバーの中心部から外れた位置に開設された場合、このリザーバーに対応するノズル列において、ノズル列の一端部に位置するノズルとノズル列の他端部に位置するノズルとで導入口からの距離が異なるため、流路抵抗の違いによる圧力損失の偏りが生じる。このため、例えば、ノズル列における多数のノズルから同時にインクを吐出してより多くのインクを消費する吐出駆動時（高ＤＵＴＹ時）に圧力損失の偏りが大きくなる。この圧力損失の偏りにより、ノズル列端部のノズル、特に、導入口に対してより遠くに配置されたノズルにおいて気泡の排出性が低下する可能性があった。

また、ノズルからインクを吐出する吐出駆動時におけるヘッド流路内には、インク供給源側にインクを戻そうとする圧力（負圧）が生じる。この圧力は、ノズル列における多数のノズルから同時にインクを吐出してより多くのインクを消費する吐出駆動時（高ＤＵＴＹ時）ほどより大きくなる。つまり、瞬間的に多くのインクを消費することによって、インク供給源側が負圧になるからである。この圧力によって、ノズルにおけるインクのメニスカスが圧力発生室側に必要以上に引き込まれ、これにより、気泡を巻き込む等してインクの吐出が不安定になる虞があった。そして、導入口がリザーバーの中心部から外れた位置に配置されている場合、導入口に対してより遠くに配置されたノズルにおいて上記の引き込みによる吐出の不具合が生じやすい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高ＤＵＴＹ時における吐出の不具合を抑制すると共に、気泡排出性を向上することが可能な液体吐出ヘッド、及び、液体吐出装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために提案されたものであり、液体を吐出するノズルを複数列設して構成される複数のノズル群と、
各ノズル群にそれぞれ対応して複数設けられ、対応するノズル群の各ノズルに連通するリザーバーと、
各リザーバーに対してそれぞれ連通状態で設けられ、対応するリザーバーに液体を供給する導入口と、
を備えた液体吐出ヘッドであって、
前記リザーバーは、前記導入口がリザーバーに対してノズル列設方向における中央寄りに位置する第１のリザーバーと、前記導入口がリザーバーに対して前記第１のリザーバーの場合よりもノズル列設方向における端部寄りに位置する第２のリザーバーとから成り、
一定時間、一定数のノズルからそれぞれ液体を吐出したときの導入口における以下の式（１）で示す圧力Ｐが、当該液体吐出ヘッドから吐出される複数種類の液体の中で他の液体よりも高い液体を、前記第１のリザーバーに導入することを特徴とする。
Ｐ＝Ｑ×Ｒ …（１）
但し、Ｑは、導入口で測定される液体の流量であって、吐出された液体の１滴あたりの重量（ｎｇ）×吐出周波数（Ｈｚ）×吐出に供したノズル数（ｎ個）で表現され、Ｒは、導入口で測定される流路抵抗であって、（１２８×液体粘度（Ｐａ・ｓ）×導入口の長さ（μｍ））／（π×（導入口が円形であってその直径（μｍ）の４乗））で表現される。

また、上記構成において、前記第１のリザーバーと前記第２のリザーバーが、導入口側を互いに向けた状態で隣り合わせに配置された構成を採用する場合に好適である。

さらに、前記第１のリザーバーの導入口が、当該第１のリザーバーのノズル列設方向中央部に配置される構成を採用することが望ましい。

上記構成によれば、式（１）で表される圧力Ｐが他の液体よりも高い液体を第１のリザーバーに割り当てることにより、高ＤＵＴＹ駆動時における吐出の不具合を抑制することができる。即ち、上記圧力Ｐが高い液体ほど、同一ノズル列の多数（例えば、半数以上）のノズルから液体を吐出する高ＤＵＴＹ駆動時にノズルにおけるメニスカスが吐出側とは反対側に引き込まれ易く、特に、導入口に対してより遠くに配置されたノズルにおいて顕著である。この引き込みにより、気泡を巻き込む等して吐出不良が生じる虞があるため、圧力Ｐが他の液体よりも高い液体を、圧力損失の偏りがより少ない第１のリザーバーに導入することで、高ＤＵＴＹ駆動時に特にノズル列端部に位置するノズルにおけるメニスカスが必要以上に引き込まれることが防止され、これにより吐出不良を抑制することができる。
また、各ノズル間での圧力損失の偏りを低減できるため、特にノズル列端部に位置するノズルにおける気泡の排出性を向上させることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、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、これらの態様に限られるものではない。また、以下の説明は、本発明の液体吐出ヘッドとして、インクジェット式プリンター（本発明の液体吐出装置の一種）に搭載されるインクジェット式記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドという）を例に挙げて行う。

図１は、本実施形態における記録ヘッド１の断面図である。例示した記録ヘッド１は、インク（液体の一種）を吐出して着弾対象物（例えば、記録紙）に画像等を記録するために用いられるものであり、ヘッドケース２にヘッドユニット３およびインク導入針４を取り付けて概略構成されている。

ヘッドケース２は、例えば、合成樹脂等を用いて射出成型することによって作製されており、複数のインク導入針４を取り付けるためのベース部５と、このベース部５からインク導入針の取付側とは反対側に延出した中空箱体状の流路形成部６とにより成る部材である。ベース部５には、図示しないインクカートリッジ（液体供給源の一種）を配置するための配置部が区画されており、これらの配置部にそれぞれインク導入針４が取り付けられている。本実施形態におけるヘッドケース２は、合計６本のインク導入針４を備えている。インク導入針４は、先端部が円錐形状に尖った中空針状部材であり、インクを針内部に導入するためのインク導入孔（図示せず）が開設されている。そして、このインク導入針４がカートリッジ内に挿入されると、カートリッジ内部に貯留されたインクがインク導入孔を通じて記録ヘッド１のリザーバー１６（図２，３等参照）側に導入されるようになっている。即ち、本実施形態における記録ヘッド１は、合計６色のインクを吐出することが可能に構成されている。なお、インクカートリッジとしては、記録ヘッド１を搭載するキャリッジに装着するタイプ、或いは、プリンターの筐体側に装着してインク供給チューブを介して記録ヘッド１に供給するタイプを採用することが可能である。

流路形成部６には、インク導入針４から導入したインクをヘッドユニット３の各圧力発生室２０（図２参照）に供給するためのインク供給路８が、各インク導入針４に対応して複数、即ち、本実施形態においては合計６本形成されている。各インク供給路８の上流端部と、各インク導入針４との間には、流路内の異物や気泡を濾別するためのフィルター７が介装されている。また、流路形成部６内には、記録ヘッド１が搭載されるプリンター側からの駆動信号を圧電振動子（図２参照）に供給するためのフレキシブルケーブル（図示せず）などが収容されるようになっている。

図２は、上記ヘッドユニット３の構成を説明する要部断面図である。本実施形態におけるヘッドユニット３は、流路ユニット１０と圧力発生ユニット１１とを備えて概略構成されている。

流路ユニット１０は、インク導入口１２（本発明における導入口の一種）、インク供給口１３、およびノズル連通口１４の一部となる貫通孔を開設した供給口形成基板１５と、リザーバー１６（共通インク室）となる貫通孔およびノズル連通口１４の一部となる貫通孔を開設したリザーバー形成基板１７と、複数のノズル１９を列設して成るノズル列（ノズル群の一種）を複数形成したノズル形成基板１８から構成されている。これらの供給口形成基板１５、リザーバー形成基板１７、ノズル形成基板１８は、例えば、ステンレス製の板材をプレス加工することで作製されている。そして、流路ユニット１０は、リザーバー形成基板１７の一方の面に（図２中下側）にノズル形成基板１８を、他方の面（同図上側）に供給口形成基板１５をそれぞれ配置し、これらを積層状態で接合することで作製される。

圧力発生ユニット１１は、インク導入口１２となる貫通孔および圧力発生室２０となる貫通孔を開設した圧力発生室形成基板２３と、インク導入口１２となる貫通孔が開設され、圧力発生室２０の一部を区画する振動板２４と、インク導入口１２の一部となる貫通孔、供給側連通口２５の一部となる連通孔、およびノズル連通口１４の一部となる連通孔を開設した連通口基板２６と、圧電振動子２７（圧力発生素子の一種）とによって構成される。

この圧力発生ユニット１１は、圧力発生室形成基板２３の一方の表面に連通口基板２６を、他方の表面に振動板２４をそれぞれ配置して各部材を接合し、その後、振動板２４の表面に圧電振動子２７を形成することで作製される。これらの各部材の中で圧力発生室形成基板２３、振動板２４、および、連通口基板２６は、アルミナや酸化ジルコニウム等のセラミックスで作製されており、焼成によって接合される。

上記の圧電振動子２７は、所謂撓みモードの圧電振動子であり、圧力発生室２０とは反対側の振動板２４の表面に圧力発生室２０毎に形成されている。この圧電振動子２７は、圧電体層３０と駆動電極３１と共通電極３２とによって構成される多層構造であり、駆動電極３１と共通電極３２とによって圧電体層３０を挟んでいる。駆動電極３１には、駆動信号の供給源（図示せず）が配線部材３４（図３参照）を介して電気的に接続される。そして、共通電極３２は、例えば接地電位に調整される。そして、駆動電極３１に駆動信号が供給されると、駆動電極３１と共通電極３２との間には電位差に応じた電場が発生する。この電場は圧電体層３０に付与され、圧電体層３０は付与された電場の強さに応じて変形する。即ち、駆動電極３１の電位を高くする程、圧電体層３０は電場と直交する方向に収縮し、圧力発生室２０の容積を少なくするように振動板２４を変形させる。

上記構成のヘッドユニット３には、リザーバー１６からインク供給口１３、供給側連通口２５、圧力発生室２０、およびノズル連通口１４を通じてノズル１９に至る一連の個別流路がノズル１９毎に形成されている。また、本実施形態におけるヘッドユニット３には、図３に示すように、上記の６本のインク導入針４に対応してリザーバー１６が合計６つ（リザーバー１６Ａ〜１６Ｆ）形成され、各リザーバー１６にはそれぞれインク導入口１２が設けられている。そして、このヘッドユニット３をヘッドケース６の先端面（インク導入針の取付面とは反対側の面）に接合する際、ヘッドケース６側のインク供給路８がヘッドユニット３側のインク導入口１２に液密状態で接続される。これにより、インク導入針４、インク供給路８、および、ヘッド流路が連通してインク流路（液体流路の一種）が形成され、インク導入針４から導入されたインクを、インク供給路８を通じてリザーバー１６側に供給できるようになる。

図３に示すように、上記リザーバー１６はインクの色毎に設けられている。そして、各リザーバー１６Ａ〜１６Ｆにインクを導入するためのインク導入口１２は、記録ヘッド１の小型化の要請や配線部材３４の配線レイアウト等との関係上、限られたスペースに配置されている。このため、やむを得ず、インクを吐出するためのリザーバー１６に対してインク導入口１２がノズル列設方向（リザーバー長手方向）における中心部から外れた位置に設けられる場合がある。この例では、インク導入口１２側を互いに向けた状態で隣り合わせに配置されたリザーバー１６Ｂとリザーバー１６Ｃとの間、及び、リザーバー１６Ｄとリザーバー１６Ｅの間では、インク導入口１２同士が重ならないように、それぞれのインク導入口１２がノズル列設方向に互いにずれた位置に設けられている。そして、リザーバー１６Ａ，１６Ｃ，１６Ｄ，１６Ｆ（本発明における第１のリザーバーに相当）では、インク導入口１２がノズル列設方向における中心部にインク導入口１２が配置されているのに対し、リザーバー１６Ｂ及び１６Ｅ（本発明における第２のリザーバーに相当）では、インク導入口１２がノズル列設方向における中心部から外れた位置（第１のリザーバーの場合よりもノズル列設方向における端部寄り）に配置されている。

ここで、インク導入口１２がリザーバー１６の中心部から外れた位置に配置されている場合、このリザーバー１６（１６Ｂ，１６Ｅ）に対応するノズル列において、ノズル列の一端部（図３における上側）に位置するノズル１９とノズル列の他端部（図３における下側）にノズル１９とでインク導入口１２からの距離が異なる。即ち、この例では、ノズル列の一端部に位置するノズル１９の方が、ノズル列他端部に位置するノズル１９よりもインク導入口１２からの距離が長くなっている。このため、各ノズル間で流路抵抗の違いによる圧力損失の偏りが大きくなる。この圧力損失の偏りにより、ノズル列端部のノズル１９、特に、インク導入口１２に対してより遠くに配置されたノズル１９において気泡の排出性が低下する可能性があった。

また、ノズル１９からインクを吐出する吐出駆動時におけるヘッド流路内には、圧電振動子２７の駆動により生じる圧力の他に、インク供給源側（本実施形態においてはインクカートリッジ側）にインクを戻そうとする圧力（負圧）が生じる。この圧力は、ノズル列における多数のノズルから同時にインクを吐出してより多くのインクを消費する吐出駆動時（高ＤＵＴＹ時）ほどより大きくなる。つまり、瞬間的に多くのインクを消費することによって、インク供給源側が負圧になるからである。この圧力によって、ノズル１９におけるインクのメニスカスが圧力発生室側に必要以上に引き込まれ、これにより、気泡を巻き込む等してインクの吐出が不安定になる虞があった。そして、インク導入口１２がリザーバー１６の中心部から外れた位置に配置されている場合、インク導入口１２に対してより遠くに配置されたノズル１９において上記の引き込みによる吐出不良が生じやすい。吐出駆動時に生じる圧力にメニスカスが耐えうる程度は、インク（液体）の種類によって異なることが判った。

そこで、本発明に係る記録ヘッド１では、ノズル列において一定時間、一定数のノズル１９からそれぞれ液体を吐出したときのインク導入口１２における以下の式（１）で示す圧力Ｐを算出し、この圧力Ｐに基づいて、即ち、この圧力Ｐを指標として各インクとリザーバー１６との割り当てを決定している。具体的には、上記圧力Ｐが、記録ヘッド１から吐出される複数種類のインク、つまり、何れの色のインクについても、仮にインク導入口１２をリザーバーの長手方向の中心部に配置した場合に、各色のインクの中で他のインクよりも圧力Ｐが比較的高いインクを、第１のリザーバーとしてのリザーバー１６Ａ，１６Ｃ，１６Ｄ，１６Ｆの何れかに導入する一方、上記圧力Ｐが比較的低いインクについては第２のリザーバーとしての第２リザーバー１６Ｂ又は第５リザーバー１６Ｅの何れかに導入するように構成されている。
Ｐ＝Ｑ×Ｒ …（１）
但し、Ｑは、インク導入口１２で測定されるインクの流量であって、吐出されたインク１滴あたりの重量（ｎｇ）×吐出周波数（Ｈｚ）×吐出に供したノズル数（ｎ個）で表現され、Ｒは、インク導入口１２で測定される流路抵抗であって、（１２８×インク粘度（Ｐａ・ｓ）×インク導入口１２の長さ（μｍ））／（π×（インク導入口１２が円形であってその直径（μｍ）の４乗））で表現される。
ここで、吐出周波数ｆ（Ｈｚ）は、単位時間当たりの吐出回数で表現されるものである。尚、括弧内は単位を示す。

このように、上記式（１）で表される圧力Ｐが他のインクよりも高いインクを第１のリザーバーに割り当てることにより、高ＤＵＴＹ駆動時における吐出不良を抑制することができる。上記圧力Ｐが高いインクほど、高ＤＵＴＹ駆動時にメニスカスが吐出側とは反対側（圧力発生室側）に引き込まれ易く、特に、インク導入口１２に対してより遠くに配置されたノズル１９において顕著である。したがって、この圧力Ｐが他のインクよりも高いインクを、インク導入口１２がノズル列設方向中央部に配置された第１のリザーバーに導入することで、高ＤＵＴＹ駆動時に、特にノズル列端部に位置するノズル１９におけるメニスカスが必要以上に引き込まれることが防止される。これによりメニスカスの引き込み過ぎによる吐出の不具合を抑制することができる。また、各ノズル間での圧力損失の偏りを低減できるため、リザーバー１６のノズル列設方向両端部におけるインクの滞りを抑制することでき、これによりノズル列端部に位置するノズル１９における気泡の排出性を向上させることが可能となる。

ところで、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、所謂撓み振動モードの圧電振動子２７を採用した構成を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、所謂縦振動モードの圧電振動子であってもよい。さらに、圧電振動子に限らず、発熱素子等の他の噴射駆動源を用いることもできる。

また、リザーバー１６の形状や形成個数、或いは配置レイアウトについては、上記実施形態で例示したものには限られない。

さらに、第１のリザーバー（上記実施形態では、リザーバー１６Ａ，１６Ｃ，１６Ｄ，１６Ｆ）に対するインク導入口１２の配置位置は、必ずしもノズル列設方向における中央部でなくてもよく、第２のリザーバー（上記実施形態では、リザーバー１６Ｂ，１６Ｅ）に対するインク導入口１２の配置位置と比較して、より中央寄りに位置していれば良い。

また、本発明は、インク以外の液体を吐出する液体吐出装置にも適用することができる。即ち、例えば、ディスプレー製造装置、電極製造装置、チップ製造装置等、色材や電極等の液体状の各種材料を吐出する液体吐出装置にも適用することができる。

記録ヘッドの断面図である。 ヘッドユニットの要部断面図である。 リザーバーとインク導入口の配置レイアウトを説明する平面図である。

符号の説明

１…記録ヘッド，１２…インク導入口，１６…リザーバー，１９…ノズル，２０…圧力発生室

Claims (4)

1. 液体を吐出するノズルを複数列設して構成される複数のノズル群と、
   各ノズル群にそれぞれ対応して複数設けられ、対応するノズル群の各ノズルに連通するリザーバーと、
   各リザーバーに対してそれぞれ連通状態で設けられ、対応するリザーバーに液体を供給する導入口と、
   を備えた液体吐出ヘッドであって、
   前記リザーバーは、前記導入口がリザーバーに対してノズル列設方向における中央寄りに位置する第１のリザーバーと、前記導入口がリザーバーに対して前記第１のリザーバーの場合よりもノズル列設方向における端部寄りに位置する第２のリザーバーとから成り、
   一定時間、一定数のノズルからそれぞれ液体を吐出したときの導入口における以下の式（１）で示す圧力Ｐが、当該液体吐出ヘッドから吐出される複数種類の液体の中で他の液体よりも高い液体を、前記第１のリザーバーに導入することを特徴とする液体吐出ヘッド。
   Ｐ＝Ｑ×Ｒ …（１）
   但し、Ｑは、導入口で測定される液体の流量であって、吐出された液体の１滴あたりの重量（ｎｇ）×吐出周波数（Ｈｚ）×吐出に供したノズル数（ｎ個）で表現され、Ｒは、導入口で測定される流路抵抗であって、（１２８×液体粘度（Ｐａ・ｓ）×導入口の長さ（μｍ））／（π×（導入口が円形であってその直径（μｍ）の４乗））で表現される。
2. 前記第１のリザーバーと前記第２のリザーバーは、導入口側を互いに向けた状態で隣り合わせに配置されたことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記第１のリザーバーの導入口は、当該第１のリザーバーのノズル列設方向中央部に配置されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 液体を吐出するノズルを複数列設して構成される複数のノズル群と、各ノズル群にそれぞれ対応して複数設けられ、対応するノズル群の各ノズルに連通するリザーバーと、各リザーバーに対してそれぞれ連通状態で設けられ、対応するリザーバーに液体を供給する導入口と、を有する液体吐出ヘッドを備えた液体吐出装置であって、
   前記リザーバーは、前記導入口がリザーバーに対してノズル列設方向における中央寄りに位置する第１のリザーバーと、前記導入口がリザーバーに対して前記第１のリザーバーの場合よりもノズル列設方向における端部寄りに位置する第２のリザーバーとから成り、
   一定時間、一定数のノズルからそれぞれ液体を吐出したときの導入口における以下の式（１）で示す圧力Ｐが、当該液体吐出ヘッドから吐出される複数種類の液体の中で他の液体よりも高い液体を、前記第１のリザーバーに導入することを特徴とする液体吐出装置。
   Ｐ＝Ｑ×Ｒ …（１）
   但し、Ｑは、導入口で測定される液体の流量であって、吐出された液体の１滴あたりの重量（ｎｇ）×吐出周波数（Ｈｚ）×吐出に供したノズル数（ｎ個）で表現され、Ｒは、導入口で測定される流路抵抗であって、（１２８×液体粘度（Ｐａ・ｓ）×導入口の長さ（μｍ））／（π×（導入口が円形であってその直径（μｍ）の４乗））で表現される。

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