JP2011235480A - Inkjet recording head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電素子の変位を利用して吐出口より液体を吐出するインクジェット記録ヘッドに関する。 The present invention relates to an ink jet recording head that ejects liquid from an ejection port using displacement of a piezoelectric element.
インクジェット記録ヘッドを有するインクジェット記録装置では、記録信号に応じて、記録ヘッドの基板に作られたエネルギー発生素子、例えば圧電材料に電力を供給して変形させる。そして、圧電材料の変形により記録ヘッドの吐出口内のインクを加圧することによって吐出口からインクを吐出させて記録を行う。 In an ink jet recording apparatus having an ink jet recording head, electric power is supplied to an energy generating element, for example, a piezoelectric material, formed on a substrate of the recording head in accordance with a recording signal to be deformed. Recording is performed by ejecting ink from the ejection port by pressurizing ink in the ejection port of the recording head by deformation of the piezoelectric material.
従来、記録ヘッドには、圧電材料の電力供給時の発熱による変位特性の劣化や圧電特性の喪失を防ぎ、記録ヘッド内の温度分布に起因するインク吐出特性のばらつきを低減するため、様々な温度調整手段を備えたものが提案されている。例えば、特許文献1では、インク流路同士の間にエア流路が設けられており、このエア流路内に温度調整したエアを流すことでインク流路とエア流路との間の壁を介してエアの熱がインク流路内のインクに伝わるため、記録ヘッドの温度調整を行うことができる。 Conventionally, print heads have various temperatures in order to prevent deterioration of displacement characteristics and loss of piezoelectric characteristics due to heat generation when power is supplied to the piezoelectric material, and to reduce variations in ink discharge characteristics due to temperature distribution in the print head. A thing provided with the adjustment means is proposed. For example, in Patent Document 1, an air flow path is provided between ink flow paths, and a wall between the ink flow path and the air flow path is formed by flowing temperature-adjusted air into the air flow path. Since the heat of the air is transmitted to the ink in the ink flow path, the temperature of the recording head can be adjusted.
しかし、高粘度のインクを高い吐出周波数で吐出させる場合、圧電材料の発熱量が大きくなるため、記録ヘッド内の温度のばらつきが大きくなる。上記の特許文献1では、記録ヘッド内に生じる温度分布のばらつきを低減するためには、各エア流路に流すエアの温度を個別に制御しなければならず、記録ヘッド内の温度分布のばらつきを低減させるのは困難である。 However, when high-viscosity ink is ejected at a high ejection frequency, the amount of heat generated by the piezoelectric material increases, so that the variation in temperature within the recording head increases. In the above-mentioned Patent Document 1, in order to reduce the variation in the temperature distribution generated in the recording head, the temperature of the air flowing through each air flow path must be individually controlled, and the variation in the temperature distribution in the recording head. Is difficult to reduce.
そこで本発明の目的は、インクジェット記録ヘッド内の温度分布のばらつきを容易に低減させつつ、冷却することのできる、インクジェット記録ヘッドを提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an ink jet recording head that can be cooled while easily reducing variations in temperature distribution in the ink jet recording head.
本発明のインクジェット記録ヘッドは、一方の面に複数の溝が並んで形成されており、少なくとも溝の側壁の一部が圧電材料からなる基板を有する。複数の溝は、インクを吐出する吐出口と、インクが供給されるインク室とに連通する複数のインク流路を構成している。さらに、複数の溝は、インク流路と交互に配置され、冷却専用流体の供給口または排出口につながっている端部と、連結部を介して互いに接続されている端部とを有する複数の冷却専用流路を構成している。 The ink jet recording head of the present invention has a plurality of grooves formed side by side on one surface, and at least a part of the side walls of the grooves has a substrate made of a piezoelectric material. The plurality of grooves constitute a plurality of ink flow paths that communicate with an ejection port that ejects ink and an ink chamber to which ink is supplied. Further, the plurality of grooves are alternately arranged with the ink flow paths, and have a plurality of ends connected to the supply port or the discharge port of the cooling-dedicated fluid and ends connected to each other through the connecting portion. A cooling-only flow path is configured.
本発明によると、インクジェット記録ヘッド内の温度を下げつつ、インクジェット記録ヘッド内の温度分布のばらつきを低減させることができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the variation in temperature distribution in the ink jet recording head while lowering the temperature in the ink jet recording head.
以下に、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の機能を有する構成には添付図面中、同一の番号を付与し、その説明を省略することがある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In addition, the same number is attached | subjected to the structure which has the same function in an accompanying drawing, and the description may be abbreviate | omitted.
図1に、本発明に係るインクジェット記録ヘッドの一実施形態の概略構成図を示す。本発明の記録ヘッドの一部を構成する圧電材料からなる圧電基板101は、2枚の互いに反対向きに分極された第1の圧電プレートと第2の圧電プレートとを貼り合わせたものである。流路用の溝加工と電極の形成の後、接着剤を用いて2枚の圧電プレートを貼り合わせ、プレスして熱をかけることにより形成される。圧電基板101としては、非金属材料であり、成形や焼成等の工程を経て形成されるチタン酸ジルコン酸鉛(以下、PZT)を用いるのが好ましい。
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of an embodiment of an ink jet recording head according to the present invention. A
図1に示すように、この圧電基板101には所定の間隔で平行に並べられた複数の凹形状の溝が形成され、各溝は、側壁102で互いに分離されている。この溝は、吐出口からインクを吐出するためのインク流路103と、圧電素子の冷却を行うために冷却専用流体を流す冷却専用流路104となる溝であり、インク流路103と冷却専用流路104となる溝とが交互に配置されている。圧電基板101に、後述する天板106が接合されることで、インク流路103と冷却専用流路104が形成される。各インク流路103の溝は圧電基板101の一方の端面から他方の端面まで延設されている。各冷却専用流路104の溝の長手方向の一方の端部は、圧電基板101の一方の端面まで延設されており、他端部は、溝の深さが徐々に浅くなっており、圧電基板101の他方の端面まで延設されていない。また、各側壁102の両側面には、長手方向に亘って、電極105が形成されている。
As shown in FIG. 1, a plurality of concave grooves arranged in parallel at a predetermined interval are formed in the
この圧電基板101に形成されるインク流路103の溝と冷却専用流路104の溝は、例えば、円盤状のダイシングブレードを用いて、所定の間隔で切削又は研削することにより凹形状に形成されている。インク流路103の溝は、圧電基板101の一方の端面から他方の端面まで円盤状のダイシングブレードを同じ深さで貫通移動して形成されている。冷却専用流路104の溝は、圧電基板101の一方の端面から円盤状のダイシングブレードを移動する途中で溝の深さを徐々に浅くして、他方の端面まで貫通しない形状にする。また、各側壁102の両側面に形成される電極105は、例えば、無電界メッキなどにより形成される。
The grooves of the
圧電基板101の上面には、接着剤を介して天板106が接合されている。この天板106は3枚のプレート106A〜106Cから構成され、冷却専用流体を供給及び排出させる構造を有している。第1のプレート106Aは冷却専用流路104の絞り123を有し、第2のプレート106Bは冷却専用流体室121を有し、第3のプレート106Cは冷却専用流体の排出口122及び供給口(図示せず)を有している。なお、絞り123を介して、冷却専用流体室121と冷却専用流路104は連通している。天板106は、セラミックや金属などで形成することができるが、圧電基板101との接合後の変形等を考えると、圧電基板101を形成する非金属材料のPZTと同程度の熱膨張率のセラミックを用いるのが好ましい。
A
圧電基板101と天板106とが接合されると、一方の端部には、各インク流路103や各冷却専用流路にそれぞれ連通する開口が形成される。この圧電基板101と天板106の接合体の一方の端部には、吐出口109と開口部117が形成されている吐出口プレート108が接合されている。吐出口プレート108の各インク流路103に対応する位置には吐出口109が形成され、吐出口プレート108の各冷却専用流路104に対応する位置には、開口部117が形成されている。この吐出口プレート108は、金属や樹脂などに、例えば、ポンチを用いたプレス加工によって、吐出口109や開口部117を形成したものである。
When the
吐出口プレート108には、流路プレート114が接合されている。この流路プレート114には、吐出口109に対応する位置に吐出口109よりも大きい開口部118が形成されている。また、流路プレート114には、2つの冷却専用流路104を連結させるように連結部115が形成されている。
A
さらに流路プレート114には、カバープレート116が接合されており、このカバープレート116には、吐出口109に対応する位置に吐出口109よりも大きい開口部119が形成されている。
Further, a
吐出口プレート108が接合された圧電基板101の一方の端部とは反対側の端部には、後方プレート110が接合されている。後方プレート110の各インク流路103に対応する位置には、天板106とインク流路103とで形成される開口よりも小さい開口部120が形成されている。
A
また、この後方プレート110には共通インク室プレート111が接合されている。この共通インク室プレート111には、共通インク室112とインク供給口113とが設けられている。共通インク室112は、後方プレート110の開口部120を介してインク流路103とつながっており、また、インク供給口113を介して不図示のインクタンクともつながっている。インクタンクからインク供給口113を介して共通インク室112にインクが供給され、開口部120を介して各インク流路103にインクが供給される。
A common
次に、インクを吐出させる方法について説明する。図2は、圧電基板101の断面概略図であり、(a)は電極105に電圧を印加していない状態、(b)は電極105に電圧を印加した状態である。
Next, a method for ejecting ink will be described. 2A and 2B are schematic cross-sectional views of the
図2(a)に示すように、インク流路103を挟むように側壁102が形成されており、側壁102の両側面には電極105が設けられている。また、上述したように、貼り合わされた2枚の圧電プレートの分極方向は、互いに反対向きである。図2(b)に示すように、電極105間に電圧を印加することで、側壁102にはインク流路103方向の駆動電界が作用する。この駆動電界が側壁102の分極方向と直交することで、側壁102がインク流路103の方向に変形する。これにより、インク流路103内の容積が変化し、各インク流路内103に充填されたインクが吐出口109から吐出される。吐出口109から吐出したインク滴は、流路プレート114の大きい開口部118、および、カバープレート116の開口部119を通って、被記録媒体まで飛翔する。
As shown in FIG. 2A,
なお、上記の構成では、圧電基板101は互いに反対向きに分極した圧電プレートを貼り合わせたものと説明したが、これに限ったものではない。圧電基板101の他の構成の一例を図3に示す。例えば、2枚の圧電プレートを貼り合わせるのではなく、1枚の圧電プレートを用い、分極方向を1方向としてもよい。この場合、図3(a)のように側壁102の両側面の天板側に電極105を設ける形態や、図3(b)のように側壁102の両側の天板側と圧電基板側の両方に、2つの電極105A、105Bを設け、互いに異なる電界を加えるようにする形態などが考えられる。
In the above configuration, the
次に本実施形態のインクジェット記録ヘッドにおいて、インクジェット記録ヘッド内の温度分布のばらつきを低減できる理由について以下に説明する。 Next, the reason why variation in temperature distribution in the ink jet recording head can be reduced in the ink jet recording head of this embodiment will be described below.
図4は、横軸が吐出口の並び方向の位置、すなわち記録ヘッドの幅方向での位置、縦軸を温度とした際の温度分布の一例である。図4の曲線Xは従来の記録ヘッドの温度分布である。従来の記録ヘッドの温度分布は、記録ヘッドの中心部では温度が高く、側部では中心部ほど温度が高くない状態となる。この記録ヘッド全体を冷却すると、温度の高い記録ヘッドの中心部だけではなく、中心部に比べて温度の高くない側部も冷却されるので、記録ヘッド全体の温度が下がる(図4の曲線Y)。したがって、この方法では、記録ヘッド全体の温度の均一化は達成されない。 FIG. 4 is an example of a temperature distribution when the horizontal axis is the position in the direction in which the ejection ports are arranged, that is, the position in the width direction of the recording head, and the vertical axis is the temperature. A curve X in FIG. 4 is a temperature distribution of a conventional recording head. The temperature distribution of the conventional recording head is such that the temperature is high at the center of the recording head and the temperature is not as high at the center as at the side. When the entire recording head is cooled, not only the central portion of the recording head having a high temperature but also the side portion having a lower temperature than the central portion is cooled, so that the temperature of the entire recording head is lowered (curve Y in FIG. 4). ). Therefore, with this method, the temperature of the entire recording head cannot be made uniform.
本実施形態では、まず、記録ヘッドを冷却しない状態で最も温度の高い位置を点Tとして、点Tに近い高温側の冷却専用流路104と、点Tから遠い低温側の冷却専用流路104とを連結部115によって連結する。そして、高温側の冷却専用流路104から連結部115を介して、低温側の冷却専用流路104に向かって冷却専用流体を流すようにしている。こうすることで、高温側の冷却専用流路104には温度の低い冷却専用流体が流れ、低温側の冷却専用流路104には温められた冷却専用流体が流れるようにでき、記録ヘッドの中央部と側部の温度差が小さくなる(図4の曲線Z)。
In the present embodiment, first, the position having the highest temperature without cooling the recording head is set as a point T, and the high-temperature side cooling
図5の吐出口プレート108と流路プレート114の概略構成図を用いて、記録ヘッド内の温度のばらつきを低減させる構成の一例を説明する。
An example of a configuration for reducing temperature variations in the recording head will be described with reference to schematic configuration diagrams of the
例えば、図5(a)のような吐出口プレート108を有する記録ヘッドにおいて、図4の曲線Xのような、記録ヘッドの中心部と側部とで温度差が生じるのを抑制する場合について説明する。
For example, in the recording head having the
まず、吐出口109の配列方向において、記録ヘッドを冷却しない状態で最も温度の高い点Tの位置(本実施例では記録ヘッドの中心部)を基準として、記録ヘッドの一方の側部から中心部までの領域にある冷却専用流路104A〜104Dをaグループとする。記録ヘッドの他方の側部から中心部までの領域にある冷却専用流路104E〜104Hをbグループとする。このように2つのグループに分ける。なお、各グループa、bの冷却専用流路104の総数は、偶数であることが好ましい。
First, in the arrangement direction of the
次に、グループa内の冷却専用流路104A〜104Dで、基準である点Tに最も近い冷却専用流路104Dと、最も遠い冷却専用流路104Aとを連結路115を介して連結する。次に、基準である点Tに2番目に近い冷却専用流路104Cと、2番目に遠い冷却専用流路104Bとを連結路115を介して連結する。同様の作業をグループbでも行ない、冷却専用流路104Eと冷却専用流路104H、冷却専用流路104Fと冷却専用流路104Gとを、連結路115を介して連結する。
Next, in the cooling
つまり、各グループ内で、基準である点Tから数えてN番目(Nは1以上の整数)の冷却専用流路104と、記録ヘッドの側部から数えてN番目の冷却専用流路104を、連結部115を介して連結する。例えばNが1の時、aグループでは冷却専用流路104Aと冷却専用流路104Dとが連結部115を介して接続され、bグループでは冷却専用流路104Hと冷却専用流路104Eとが連結部115を介して接続される。このようにして、流路プレート114に連結部115が形成される(図5(b)参照)。
That is, in each group, the Nth cooling
このようにして、各流路プレート114と連結部115とが連結される(図5(b)参照)。
Thus, each
この連結部115によって連結された冷却専用流路104内に流れる冷却専用流体の流れについて、図6を用いて以下に説明する。図6はインクジェット記録ヘッドの一実施例の概略斜視図であり、矢印の方向は、点線がインクの流れる方向であり、実線が冷却専用流体の流れる方向である。
The flow of the cooling dedicated fluid flowing in the cooling
温度調整手段(図示せず)により冷却専用流体の温度が調整され、圧力発生手段(図示せず)により、供給口(図示せず)へ供給される。供給された冷却専用流体は、連結部115によって連結された2つの冷却専用流路104のうち、冷却していない状態では高温になっている側に位置する冷却専用流体104の集まりである冷却専用流路群501へと流れる。そして、圧電素子を冷却した冷却専用流体は、連結部115を介して、冷却していない状態では高温になっている側とは離れた位置にある冷却専用流体104の集まりである冷却専用流路群502へと流れ込む。その後、冷却専用流体は、共通冷却流体室121を通って排出口122から排出される。
The temperature of the cooling dedicated fluid is adjusted by a temperature adjusting means (not shown), and supplied to a supply port (not shown) by a pressure generating means (not shown). The supplied cooling-only fluid is a group of cooling-
なお、ここで用いる冷却専用流体は、インク流路103に流れるインクよりも熱伝達率が高い純水などを用いるのが好ましい。
The cooling fluid used here is preferably pure water having a higher heat transfer coefficient than the ink flowing in the
このように記録ヘッド内で冷却専用流体を循環させることにより、圧電素子の発熱量の違いによる各冷却専用流路104の温度差が低減する。そのため、記録ヘッド内に生じる温度分布ばらつきを低減させることができる。
By circulating the cooling-dedicated fluid in the recording head in this way, the temperature difference of each cooling-dedicated
本発明は、主に高粘度の液滴を高周波数で吐出する印刷装置、塗布装置あるいは造形装置に適用可能である。 The present invention is mainly applicable to a printing apparatus, a coating apparatus, or a modeling apparatus that discharges highly viscous droplets at a high frequency.
101 圧電基板
102 側壁
103 インク流路
104、104A〜H 冷却専用流路
109 吐出口
112 共通インク室
115 連結部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記複数の溝は、インクを吐出する吐出口と、前記インクが供給されるインク室とに連通する複数のインク流路と、前記インク流路と交互に配置され、冷却専用流体の供給口または排出口につながっている端部と、連結部を介して互いに接続されている端部とを有する複数の冷却専用流路と、を構成している、インクジェット記録ヘッド。 A plurality of grooves are formed side by side on one surface, and at least a part of the side walls of the grooves has a substrate made of a piezoelectric material,
The plurality of grooves are alternately arranged with a plurality of ink flow paths communicating with an ejection port for ejecting ink, an ink chamber to which the ink is supplied, and the ink flow path. An ink jet recording head, comprising: a plurality of cooling dedicated flow paths each having an end connected to a discharge port and an end connected to each other via a connecting portion.
インクの吐出口の配列方向において、インクジェット記録ヘッドを冷却しない状態で最も温度の高くなる位置を基準に、前記冷却専用流路を前記インクジェット記録ヘッドの一方の側部から前記最も温度の高くなる位置までの領域に配置されているグループと、前記インクジェット記録ヘッドの他方の側部から前記最も温度の高くなる位置までの領域に配置されているグループとに分けて
各前記グループの、前記最も温度の高くなる位置に近い位置の前記冷却専用流路と、前記最も温度の高くなる位置から遠い位置の前記冷却専用流路とを、連結部を介して接続し、
前記冷却専用流体を前記最も温度の高くなる位置に近い位置の前記冷却専用流路に供給し、前記連結部を介して、前記最も温度の高くなる位置から遠い位置の前記冷却専用流路へと流れさせる、インクジェット記録ヘッドの冷却方法。 A plurality of ink flow paths communicating with an ejection port for ejecting ink, an ink chamber to which the ink is supplied, and the ink flow path are alternately arranged, and are connected to a supply port or a discharge port for a cooling-dedicated fluid. A cooling method for an ink jet recording head, comprising: a plurality of cooling-dedicated flow paths each having an end portion and an end portion connected to each other via a coupling portion,
In the arrangement direction of the ink ejection ports, the position where the temperature becomes highest from one side of the ink jet recording head through the cooling dedicated flow path with reference to the position where the temperature becomes highest when the ink jet recording head is not cooled. Divided into a group arranged in a region up to and a group arranged in a region from the other side portion of the inkjet recording head to the position where the temperature becomes highest. Connecting the cooling dedicated flow path at a position close to a higher position and the cooling dedicated flow path at a position farther from the position where the temperature is highest, via a connecting portion;
Supplying the cooling-dedicated fluid to the cooling-dedicated flow channel at a position close to the position where the temperature becomes highest, and via the connecting portion, to the cooling-dedicated flow path at a position far from the position where the temperature becomes highest. A method of cooling an ink jet recording head that is caused to flow.
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