JP2014213460A - 記録ヘッドおよび記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力を用いることなく、記録ヘッドの十分な冷却効果を得ることで、記録時の記録ヘッドの温度変化を少なくし、高画質の記録を行うことができる記録ヘッドおよび記録装置を提供すること。【解決手段】ヒーターボードがインクと熱交換を行う部分を増大させて、効率よく放熱させることで記録ヘッドの温度変化を少なくする。【選択図】図５

Description

本発明は加熱素子を用いてインク滴を吐出することで記録を行なう記録ヘッドおよびそれを用いた記録装置に関する。

熱等のエネルギをインクに与えることで、インクに急峻な体積変化（気泡の発生）を伴う状態変化を生じさせ、この状態変化に基づく作用力によって吐出口からインクを吐出して記録媒体上に付着させることで記録を行うインクジェット記録方法が知られている。このような記録装置によれば、品位の高い画像を高速、低騒音で記録することができるとともに、この記録に用いられる記録ヘッドでは、インクを吐出するための吐出口を高密度に配置することができる。そのためインクジェット記録方式を採用する記録方法は、小型の装置で高解像度の記録画像、さらにカラー画像をも容易に得ることができる等の多くの優れた点を有している。そのためインクジェット記録方法は近年、記録装置、複写機、ファクシミリ等の多くのオフィス機器に利用されており、さらに、捺染装置等の産業用システムにまで利用されるようになってきている。

上記したインクジェット方式の記録装置では、ヒーター等の加熱素子に、記録情報に対応した駆動信号を印加することによって加熱素子に熱エネルギを発生させ、インク内に気泡を形成することでインクを吐出させて、少なくとも１つの滴を形成する。このようなインクジェット記録装置では、インク吐出時のヒーター等の熱変換体の熱エネルギの一部は、インク滴の吐出によって排出される。しかし、残ったエネルギが記録ヘッドに徐々に蓄熱して記録ヘッドの温度が上昇し、これによってインクが温められてインクの粘度が下がる。記録を継続するに伴って記録ヘッドの温度が著しく変化すると、記録初期で記録ヘッドの温度が上がっていない時の記録状態と、後半の記録ヘッドの温度が上昇してからの記録状態とが変わってしまい、記録品位が低下することがあった。

従来においては、上記のような問題を解決するために、記録ヘッドの昇温による記録速度の低下などのスローダウンシーケンスや、冷却ファンによる強制空冷等の手段によって記録ヘッドの温度が一定の上限値を超えないように対応してきた。

特開平０５−０００５１７号公報 特開平１０−２５００８７号公報 特開２０００−２５５０４８号公報

しかしながら、従来技術では、記録速度の低下による記録物の生産性の低下や、冷却ファンを駆動するための電力消費が必要であるほか、空気の伝熱特性等から、その効果は十分なものではなかった。

よって本発明は、電力を用いることなく、記録ヘッドの十分な冷却効果を得ることで、記録時の記録ヘッドの温度変化を少なくし、高画質の記録を行うことができる記録ヘッドおよび記録装置を提供することを目的とする。

そのため本発明の記録ヘッドは、吐出口からインクを吐出させるためのエネルギを発生する加熱素子と、該加熱素子を備えた基板と、外部から供給されたインクを前記吐出口へと導く流路と、を備えた記録ヘッドにおいて、前記流路は、前記加熱素子が設けられた前記基板の面によって形成された前記流路の一部と、前記加熱素子が設けられていない前記基板の面によって形成された前記流路の一部と、によって形成されていることを特徴とする。

本発明によれば記録ヘッドは、吐出エネルギによって発生する熱を、インクによって効率よく放熱することで、局所的な熱集中を分散させ、記録ヘッドの温度変化を少なくして、高画質の記録を行うことができる。

記録装置を模式的に示した正面図である。 記録装置の電気的な系統を示すブロック図である。 インク流路を示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、記録ヘッドのチップ部を示した図である。 （ａ）、（ｂ）は、記録ヘッドの一例を示した図である。 （ａ）、（ｂ）は、チップ背面空間を示した図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明による効果を説明した図である。 記録ヘッドの断面図である。 （ａ）は記録ヘッドの温度上昇に関わる物理パラメータを示した図であり、（ｂ）は、外部に排出する熱を示した図である。 連続吐出した際の記録ヘッドの温度変化を示したグラフである。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明を適用可能な記録装置を模式的に示した正面図である。記録装置１０１は、この記録装置１０１に画像情報を送るホストＰＣ（パソコン）１２に接続されている。記録装置１０１には、４つ（４本）の記録ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙが記録媒体（ここではロ−ル紙）Ｐの搬送方向（矢印Ａ方向）に並んで配置されている。４つの記録ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙからはそれぞれ黒、シアン、マゼンタ、イエローの各色のインクが吐出される。これら４つの記録ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙは、所謂ラインヘッドであり、図１の紙面に直交する方向（矢印Ａ方向に直交する方向）に延びている。これら４つの記録ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙの長さは、記録装置１０１で記録できる記録媒体のうち最大の幅（図１の紙面に直交する方向の長さ）よりもやや長い。また、これら４つの記録ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙは、画像形成中は固定されて動かない（不動状態である）。なお、上記のような記録装置として、高速で多数枚の名刺を作製する名刺記録装置等が挙げられる。

４つの記録ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙから安定してインクを吐出できるように、記録装置１０１には回復ユニット４０が組み込まれている。この回復ユニット４０を用いて４つの記録ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙを回復させることにより、４つの記録ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙからのインク吐出状態は初期のインク吐出状態に回復する。回復ユニット４０には、回復動作のときに４つの記録ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙの各インク吐出口が形成されたインク吐出口形成面（フェイス面）２２Ｋｓ、２２Ｃｓ、２２Ｍｓ、２２Ｙｓからインクを除去するキャッピング機構５０が備えられている。キャッピング機構５０は各記録ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙに独立して設けられており、図１の例では６色分（即ち、６つのキャッピング機構５０）が示されているが、このうち２色分は記録ヘッド追加時の予備的な機構である。キャッピング機構５０は、周知のブレード、インク除去部材、ブレード保持部材、キャップ等から構成されている。

ロ−ル紙Ｐはロール紙供給ユニット２４から供給され、記録装置１０１に組み込まれた搬送機構２６によって矢印Ａ方向に搬送される。搬送機構２６は、ロ−ル紙Ｐを載置して搬送する搬送ベルト２６ａ、この搬送ベルト２６ａを回転させる搬送モータ２６ｂ、搬送ベルト２６ａに張力を与えるローラ２６ｃなどから構成されている。ロ−ル紙Ｐに画像を形成する際には、搬送中のロ−ル紙Ｐの記録開始位置がブラックの記録ヘッド２２Ｋの下に到達した後に、記録データ（画像情報）に基づいて記録ヘッド２２Ｋからブラックインクを選択的に吐出する。同様に記録ヘッド２２Ｃ、記録ヘッド２２Ｍ、記録ヘッド２２Ｙの順に、各色のインクを吐出してカラー画像をロ−ル紙Ｐに形成する。記録装置１０１には、上記の部品・部材の他、各記録ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙに供給されるインクを貯めておくメインタンク２８Ｋ、２８Ｃ、２８Ｍ、２８Ｙが備えられている。更に記録装置１０１には、記録ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙにインクを供給したり回復動作をしたりするための各種ポンプ（図３等参照）などが備えられている。

図２は、本発明を適用可能な記録装置の電気的な系統を示すブロック図である。ホストＰＣ１２から送信された記録データやコマンドはインターフェイスコントローラ１０２を介してＣＰＵ１００に受信される。ＣＰＵ１００は、記録装置１０１の記録データの受信、記録動作、ロ−ル紙Ｐのハンドリング等全般の制御を掌る演算処理装置である。ＣＰＵ１００では、受信したコマンドを解析した後に、記録データの各色成分のイメージデータをイメージメモリ１０６にビットマップ展開して描画する。記録前の動作処理では、出力ポート１１４、モータ駆動部１１６を介してキャッピングモータ１２２とヘッドアップダウンモータ１１８を駆動し、各記録ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙをキャッピング機構５０から離して記録位置に移動させる。

続いて、出力ポート１１４、モータ駆動部１１６を介してロ−ル紙Ｐを繰り出すロールモータ（図示せず）、及び低速度でロ−ル紙Ｐを搬送する搬送モータ１２０等を駆動してロ−ル紙Ｐを記録位置（画像形成位置）に搬送する。一定速度で搬送されるロ−ル紙Ｐにインクを吐出し始めるタイミング（記録タイミング）を決定するための先端検知センサ（図示せず）でロ−ル紙Ｐの先端位置を検出する。その後、ロ−ル紙Ｐの搬送に同期して、ＣＰＵ１００はイメージメモリ１０６から対応する色の記録データを順次に読み出し、この読み出したデータを各記録ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙに記録ヘッド制御回路１１２経由して（介して）転送する。

ＣＰＵ１００の動作は、プログラムＲＯＭ１０４に記憶された処理プログラムに基づいて実行される。プログラムＲＯＭ１０４には、制御フローに対応する処理プログラム及びテーブルなどが記憶されている。また、作業用のメモリとしてワークＲＡＭ１０８を使用する。各記録ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙのクリーニングや回復動作時に、ＣＰＵ１００は、出力ポート１１４、モータ駆動部１１６を介してポンプモータ１２４を駆動し、インクの加圧、吸引等の制御を行う。

図３は、記録装置１０１に組み込まれたインク流路を示す模式図である。なお、図３では記録ヘッド２２Ｋにインクを供給する流路及び、ノズルからインクを吸引し排出する流路を示しているが、他の記録ヘッド２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙについても同じ構成の流路が備えられている。

インクを供給する流路は、インクタンク３０が記録ヘッド２２Ｋと高低差を設けて設置されており、これにより記録ヘッド内に負圧を発生させている。回復動作が実行されるに当たっては、供給弁３１を閉じた上で大気開放弁３２を一時的に開き、その後再び大気開放弁３２を閉じる。これにより記録ヘッド内は大気圧と等しい圧力となる。次に供給弁３１、大気解放弁３２を閉塞したままインク滴の吐出を行う。これによりノズル内の泡や増粘インクを排出する。このとき記録ヘッド内のインク体積が減少するが、ノズル内の気液界面はメニスカスにより保持されるため、記録ヘッド内の圧力は徐々に減少する。記録ヘッド内の圧力の制御は圧力センサを設けて検出してもよいが、記録ヘッド内のインクと空気の量を一定として、吐出する液滴の発数で制御してもよい。

記録ヘッド内の液室にインクの液面を検出する液面センサ３３を設置する。記録ヘッドに接続したポンプを駆動することにより記録ヘッド内にインクを流入させ、液面センサ３３間の導通を監視することにより記録ヘッド内のインク量を調整する。

図４（ａ）、（ｂ）は、記録装置１０１に組み込まれた記録ヘッドのチップ部を示した図である。図４（ａ）は、チップ部の断面図であり、図４（ｂ）は加熱素子（記録素子）２から発生した熱がチップ部内に伝わる様子を示した模式図である。図４(ｂ)における実線の矢印は、インクの流れを示し、点線の矢印は、熱の移動を示している。天板５中に形成されたインク共通液室３から流入したインクは、複数のインク流路に流入する。そして、加熱素子２にエネルギを加えてインクを膜沸騰させることで、インク滴７を吐出する。その際に、加熱素子２で発生した熱エネルギは、ヒーターボード（記録素子基板）１および天板５に拡散する。

図５（ａ）、（ｂ）は、本発明により提案された記録ヘッドの一例を示した図である。図５(ａ)は、記録ヘッドの断面図であり、図５(ｂ)は加熱素子から発生した熱が記録ヘッド内に伝わる様子を示した模式図である。図５(ｂ)における実線の矢印は、インクの流れを示し、点線の矢印は、熱の移動を示している。

本実施形態の特徴的な構成として、本実施形態の記録ヘッドは、ヒーターボード１のインク共通液室３が設けられている側と反対の側に、インク流路となるチップ背面空間９が設けられている。インクはインク流入部１３から流入し、チップ背面空間９でヒーターボード１とインクの熱交換を行い、共通流路１２を通って、天板５中に形成されたインク共通液室３から複数の吐出口へと導かれる。そして、加熱素子２にエネルギを加えてインクを膜沸騰させることで、吐出口からインク液滴７を吐出する。その際に、加熱素子２で発生した熱エネルギは、図５（ｂ）のように、ヒーターボード１および天板５に拡散する。拡散した熱は、天板５中に形成されたインク共通液室３と接する部分においてインクとの熱交換を行う。さらに、ヒーターボード１の吐出背面に伝わった熱は、ヒーターボード１の背面に設けられたインクと接する熱を伝達し易い熱交換部材１０で、インクとの熱交換を行う。熱交換によってインクに与えられた熱エネルギは、流路を形成する外部構成部材１１に伝わり徐々に外部へと放出される。

このように、加熱素子２から発生した熱は、ヒーターボード１を介してチップ背面空間９でインクと熱交換が行われたり、天板５を介してインク共通液室３でインクと熱交換が行われたりすることで熱の拡散が行われる。そして、インクを介してチップ外部構成部材１１から放熱されることで、熱エネルギは記録ヘッドに蓄熱されることなく、記録ヘッドの温度上昇を防ぐ。

図６（ａ）、（ｂ）は、ヒーターボード１の背面に設けられた、インクと熱交換を行うためのチップ背面空間９を示した図である。本発明において、チップ背面空間９は（ａ）のプール型としているが、熱交換が効率よく行なわれるのであれば、（ｂ）のような流路を形成した構成やその他の構成としてもよい。

図７（ａ）、（ｂ）に、本発明の実施形態を示す。ヘッド内の最高到達温度が１００℃以上の高温状態となると、インク内に気泡が発生してHB上での発泡を阻害する。そこで本発明は、ＨＢおよびヘッドを構成する部材の熱集中による高温状態になることによる特性不安定要因や、部材の変形、破損、吐出および画像信頼性の劣化を抑制するために、伝熱公式（フーリエの法則）に基づいて面積を決定する。発熱体から発生した熱量Ｑが、伝熱材Ａを伝わってインク流路に流れ込むとする。その際に、伝熱材Ａとインクの境目で温度ギャップΔＴが発生する。この温度ギャップΔＴが大きいと、ヒーターボード上での局所的な熱集中が大きくなる。温度ギャップΔＴを小さくするためには、伝熱公式から考慮すると伝熱材Ａの面積を大きくする方法が有効であると考えられる。例えば、伝熱材の面積をＡから２倍の２Ａにしたとする。それにより発熱体から発生した熱量Ｑが伝熱材２Ａを伝わってインク流路に流れ込むため、伝熱材の単位面積当たりの局所的な温度ギャップが半分のΔ１／２Ｔとなる。

本実施形態の場合は、４ｋＨｚ全吐駆動時に、ヘッド内の最高到達温度を１００℃以下にして、上記不具合を防止するとともに、インク内気泡発生を防止する条件として、Ａ＝１×８０ｍｍ以上の液接触面積を設けた。さらに、８ｋＨｚ全吐を仕様とする場合は、Ａを２倍とする２×８０ｍｍを設けることによって、同じく最高到達温度を１００℃以下にすることが出来た。なお、本発明ではチップとインク流路の密閉性を保つため、接触部に熱伝導性の良い熱交換部材を設けているが、本発明はそれに限定されるものではない。

このように、ヒーターボードとインクで熱交換を行う部分を増大させて、効率よく放熱させることで記録ヘッドの温度変化を少なくし、高画質の記録を行うことができる記録ヘッドおよび記録装置を実現することができる。

（第２の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。

図８は、本実施形態の記録ヘッドの断面図であり、加熱素子２から発生した熱が記録ヘッド内に伝わる様子を示した模式図である。本実施形態では、第１の実施形態のチップ外部構成部分１１を熱伝導率が低い材質（断熱材）にしている。チップ外部構成部材１１を熱伝導率が低い部材を用いることで、加熱素子２で発生した熱は記録ヘッド外部に放熱されない。よって、チップ部の熱収支を、冷たいインクが流入する温度ＴＡとインク滴として外部にインクが熱を排出する温度ＴＢで表すことが出来る。よって、記録ヘッドの温度変化ΔＴは、ＴＢ−ＴＡで表すことができる。

図９（ａ）は、本実施形態における記録ヘッドの温度上昇に関わる物理パラメータをチップ簡略図に示した図であり、図９（ｂ）は、インクが外部に排出する熱について示した図である。記録ヘッドの温度上昇に関わる物理パラメータは、加熱素子２に投入されるエネルギＰと、インク共通液室３から流入する熱ＴＡとインク滴が外部に排出する熱量ＴＢで表される。本実施形態では、チップ外部構成部分１１は熱が伝熱しにくい部材を用いているため、記録ヘッド全体の温度変化ΔＴはＴＢ−ＴＡとなる。

そこで、吐出させない時(から吐出時)の温度変化量ΔＴ１、連続吐出時の温度変化量ΔＴ２とすると、１秒間あたりに吐出によって排出される熱量は式(１)で表される。

なお、各定数はそれぞれ、駆動パワーＷ、１ノズルあたりの吐出量Ｖｄ、駆動周波数ｆｏｐ、吐出ノズル数Ｎを示す。ここで、連続記録による吐出を続けたとすると、ΔＴ１→∞となり、（式１）をさらに変形させることで式(２)が得られる。

さらに、Ｗ／(ｆｏｐ×Ｎ)は１ノズル当たりの投入エネルギＰと置き換えることができる。さらに、吐出時の温度変化量ΔＴ２はヘッドの温度変化ΔＴと対応するため、式(３)を得ることができる。

この式から、インクとして許容できる温度まで上昇するように投入エネルギＰをコントロールして、効率よく吐出するインクによって熱を放出する。よって、結果として記録ヘッドの温度上昇を大幅に低減できるため、温度上昇による画像濃度の変化を大幅に低減することができる。

図１０は、連続吐出した際の従来の記録ヘッドと本実施形態の記録ヘッドとの温度変化を示したグラフである。図中の実線のグラフは、連続吐出に伴う従来の記録ヘッドの温度変化を示し、点線のグラフは本実施形態の記録ヘッドの温度変化を示している。

従来のヘッド（実線）においては、連続吐出により熱変換体の熱エネルギの一部が記録ヘッドに蓄熱していくことで、記録ヘッドの温度が上昇し続けていることがわかる。

本実施形態の記録ヘッドは、従来の記録ヘッドよりもチップとインクの熱交換面積が広い構成となっているため、連続吐出による蓄熱が低減され、記録ヘッドの温度上昇が従来よりも抑制できていることが分かる。また、チップ外部部材１１を熱伝導率が低い部材で構成されていることで、記録ヘッド内において熱の平衡状態が作り出されているため、連続吐出において、記録ヘッドの温度が上昇していくことを抑制することができる。

このように、ヒーターボードとインクで熱交換を行う部分を増大させて、効率よく放熱させることで記録ヘッドの温度変化を少なくし、高画質の記録を行うことができる記録ヘッドおよび記録装置を実現することができた。

１ ヒーターボード
２ 加熱素子
３ インク共通液室
５ 天板
７ インク滴
９ チップ背面空間
１０ 熱交換部材
１１ チップ外部部材
１２ 共通流路
１３ インク流入部
１０１ 記録装置

Claims (5)

1. 吐出口からインクを吐出させるためのエネルギを発生する記録素子と、該記録素子を備えた基板と、外部から供給されたインクを前記吐出口へと導く流路と、を備えた記録ヘッドにおいて、
   前記流路は、前記記録素子が設けられた前記基板の面によって形成された前記流路の一部と、前記記録素子が設けられていない前記基板の面によって形成された前記流路の一部と、によって形成されていることを特徴とする記録ヘッド。
2. 前記基板の前記記録素子が形成された面と反対の面が、前記流路の一部を形成していることを特徴とする請求項１に記載の記録ヘッド。
3. 前記流路の形成には断熱材が用いられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の記録ヘッド。
4. 前記基板とインクとの間には、熱交換部材が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の記録ヘッド。
5. 請求項１から請求項４に記載のいずれかの記録ヘッドを用いて記録を行うことを特徴とする記録装置。

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