JP2017065041A - 液体吐出ヘッド及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動ＩＣの発熱の影響が吐出される液体に及ぶことがなく、かつ冷却媒体の漏れの発生を防止可能な液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】液滴を吐出する複数のノズル４が形成されたノズル板１、ノズル４に連通する複数の個別流路を形成する流路板２、前記個別流路へ液体を供給する共通液室１０を形成する共通液室部材１７，１８、流路板２のノズル板１接合面と反対側の面に配置された振動板３、振動板３上に形成された圧電部材２１、及び圧電部材２１に電圧を印加する駆動ＩＣ２３を備えたヘッド本体１０１と、ヒートシンク３１を備えた冷却機構３０と、を有し、ヒートシンク３１は、ヘッド本体１０１を構成する部材と当接しないように駆動ＩＣ２３を保持するとともに、ヘッド本体１０１への熱の伝達が遮断された、外部への熱伝達手段３３ａを備える液体吐出ヘッド。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体吐出ヘッド及び該液体吐出ヘッドを備えた画像形成装置に関する。

プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像形成装置としてのインクジェット記録装置は、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する個別流路と、個別流路内の圧力を変化させてインクを加圧するための圧力変換手段とを備えた液体吐出ヘッドとしてのインクジェットヘッドを搭載したものである。

インクジェット記録装置において、圧力発生手段として電圧によりひずみが生じる圧電素子を使用する場合、圧電素子へ吐出のための信号を発生させるための駆動ＩＣが印字の際に発熱源となり、液体吐出ヘッドの温度を上昇させるという問題がある。

液体吐出ヘッドでは、吐出する液体の粘度が温度によって変化するため、一定の画像品質を維持するために、常に吐出液体の温度を検知して粘度を把握し、液体の粘度に応じた適切な圧力発生手段の制御を行う必要がある。吐出される液体の温度と検知された温度との間に差があると、適切な圧力を発生させることができず、液滴のサイズや速度が変化して濃度ムラなどの原因となってしまう恐れがある。

このため、発熱する駆動ＩＣは、液体吐出ヘッド本体に対して熱的に影響を与えない程度に離れた位置に設置することが望ましい。一方、駆動ＩＣから圧電素子までの信号線の距離が長くなると、信号が劣化し、精密な駆動が出来なくなってしまうおそれがある。
よって、小型化、高速化、さらに高画質化の観点からは、駆動ＩＣは圧電素子近傍に設置することが求められる。そこで、駆動ＩＣの発熱の影響を受けて吐出液体の温度が上昇することを防止する必要がある。

これに対し、大型化を招くことなく、冷却液を利用して冷却可能に構成された液滴吐出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、キャリッジに搭載された液滴吐出ヘッドを冷却するための冷却液を循環させる冷却液循環装置を備え、該冷却液循環装置が、冷却液タンクから往路チューブ、冷却液流路、及び復路チューブを順に経て冷却液タンクに戻る冷却液の流路中に逆流を阻止する逆止弁と、を有する構成が開示されている。

特許文献１に記載の液滴吐出ヘッドの構成では、駆動ＩＣからの熱が冷却液の流路とは別の側から伝達されるため、ヘッド内の吐出液に熱的な影響を与えるのを防止することは困難である。また、冷却液の流路が複数の部材で構成されているため、部材の接合部などから冷却液の漏れが発生する可能性がある。

そこで本発明は、駆動ＩＣの発熱の影響が吐出される液体に及ぶことがなく、かつ冷却媒体の漏れの発生を防止可能な液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明に係る液体吐出ヘッドは、液滴を吐出する複数のノズルが形成されたノズル板、前記ノズルに連通する複数の個別流路を形成する流路板、前記個別流路へ液体を供給する共通液室を形成する共通液室部材、前記流路板の前記ノズル板接合面と反対側の面に配置された振動板、前記振動板上に形成された圧電部材、及び前記圧電部材に電圧を印加する駆動ＩＣを備えたヘッド本体と、ヒートシンクを備えた冷却機構と、を有し、前記ヒートシンクは、前記ヘッド本体を構成する部材と当接しないように前記駆動ＩＣを保持するとともに、前記ヘッド本体への熱の伝達が遮断された、外部への熱伝達手段を備えることを特徴とする液体吐出ヘッドである。

本発明によれば、駆動ＩＣの発熱の影響が吐出される液体に及ぶことがなく、かつ冷却媒体の漏れの発生を防止可能な液体吐出ヘッドを提供することができる。

本発明に係る液体吐出ヘッドのノズル配列方向と直交する方向に沿う断面説明図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドのヒートシンクに保持された駆動ＩＣの態様を示す部分断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドのヒートシンクに保持された駆動ＩＣの態様を示す部分断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドのヒートシンクの熱伝達手段の一例を示す模式図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドのヒートシンクの熱伝達手段の一例を示す模式図である。 本発明に係る画像形成装置の一例の機構部の側面説明図である。 本発明に係る画像形成装置の一例の機構部の要部平面説明図である。

以下、本発明に係る液体吐出ヘッド及び画像形成装置について、図面を参照して説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

画像形成装置は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液体を吐出して画像形成を行う装置を意味し、また、「画像形成」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味も持たない画像を媒体に付与することも意味する。また、液体吐出ヘッドから吐出される液体とは、画像形成を行うことができる液体であれば特に限定されるものではない。

本実施形態の画像形成装置について、図６及び図７を参照して説明する。本実施形態の画像形成装置は、後述する本発明の液体吐出ヘッドを備える。
図６は画像形成装置の機構部の概要を示す側面説明図、図７は機構部の要部平面説明図である。以下、シリアル型画像形成装置の例を示して説明するが、本発明の画像形成装置はシリアル型画像形成装置及びライン型画像形成装置のいずれも含む。

本実施形態の画像形成装置は、図６に示すように、左右の側板２２１Ａ、２２１Ｂに横架したガイド部材であるガイドロッド２３１とステー２３２とでキャリッジ２３３を主走査方向に摺動自在に保持し、図示しない主走査モータによってタイミングベルトを介して矢示方向（キャリッジ主走査方向）に移動走査する。

このキャリッジ２３３には、各色のインク滴を吐出するための本発明に係る液体吐出ヘッドからなる２つの記録ヘッド２３４ａ、２３４ｂ（以下、区別しないときは「記録ヘッド２３４」というようにいう。他の部材も同じ。）を搭載している。記録ヘッド２３４は、複数のノズルからなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着されている。

記録ヘッド２３４は、それぞれ２つのノズル列を有するヘッドで構成される。一方の記録ヘッド２３４ａの一方のノズル列はブラック（Ｋ）の液滴を、他方のノズル列はシアン（Ｃ）の液滴を吐出する。他方の記録ヘッド２３４ｂの一方のノズル列はマゼンタ（Ｍ）の液滴を、他方のノズル列はイエロー（Ｙ）の液滴を吐出する。なお、ここでは２ヘッド構成で４色の液滴を吐出する構成としているが、各色毎の液滴吐出ヘッドを備えることもできる。

また、キャリッジ２３３には、記録ヘッド２３４のノズル列に対応して各色のインクを供給するためのサブタンク２３５を搭載している。サブタンク２３５から前述した各実施形態の液体供給路を介して記録ヘッド２３４に液体を供給する。

また、サブタンク２３５には各色の供給チューブ２３６を介して、供給ユニット２２４によって各色のインクカートリッジ２１０から各色のインクが補充供給される。

一方、給紙トレイ２０２の用紙積載部（圧板）２４１上に積載した用紙２４２を給紙するための給紙部として、用紙積載部２４１から用紙２４２を１枚ずつ分離給送する半月コロ（給紙コロ）２４３及び給紙コロ２４３に対向する分離パッド２４４を備えている。

そして、この給紙部から給紙された用紙２４２を記録ヘッド２３４の下方側に送り込むために、用紙２４２を案内するガイド２４５と、カウンタローラ２４６と、搬送ガイド部材２４７と、先端加圧コロ２４９を有する押さえ部材２４８とを備えている。さらに、給送された用紙２４２を静電吸着して記録ヘッド２３４に対向する位置で搬送するための搬送手段である搬送ベルト２５１を備えている。

この搬送ベルト２５１は、無端状ベルトであり、搬送ローラ２５２とテンションローラ２５３との間に掛け渡されて、ベルト搬送方向（副走査方向）に周回するように構成している。また、この搬送ベルト２５１の表面を帯電させるための帯電手段である帯電ローラ２５６を備えている。この帯電ローラ２５６は、搬送ベルト２５１の表層に接触し、搬送ベルト２５１の回動に従動して回転するように配置されている。この搬送ベルト２５１は、図示しない副走査モータによってタイミングを介して搬送ローラ２５２が回転駆動されることによってベルト搬送方向に周回移動する。

さらに、記録ヘッド２３４で記録された用紙２４２を排紙するための排紙部として、搬送ベルト２５１から用紙２４２を分離するための分離爪２６１と、排紙ローラ２６２及び排紙コロ２６３とを備え、排紙ローラ２６２の下方に排紙トレイ２０３を備えている。

また、装置本体の背面部には両面ユニット２７１が着脱自在に装着されている。この両面ユニット２７１は搬送ベルト２５１の逆方向回転で戻される用紙２４２を取り込んで反転させて、再度、カウンタローラ２４６と搬送ベルト２５１との間に給紙する。また、この両面ユニット２７１の上面は手差しトレイ２７２としている。

さらに、キャリッジ２３３の走査方向一方側の非印字領域には、記録ヘッド２３４のノズルの状態を維持し、回復するための維持回復機構２８１を配置している。

この維持回復機構２８１には、記録ヘッド２３４の各ノズル面をキャピングするための各キャップ部材（以下「キャップ」という。）２８２ａ、２８２ｂ（区別しないときは「キャップ２８２」という。）を備えている。また、維持回復機構２８１は、ノズル面をワイピングするためのブレード部材であるワイパーブレード２８３を備えている。また、維持回復機構２８１は、増粘したインクを排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行うときの液滴を受ける空吐出受け２８４などを備えている。

また、キャリッジ２３３の走査方向他方側の非印字領域には、記録中などに増粘したインクを排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行うときの液滴を受ける空吐出受け２８８を配置している。この空吐出受け２８８には記録ヘッド２３４のノズル列方向に沿った開口部２８９などを備えている。

このように構成したこの画像形成装置においては、給紙トレイ２０２から用紙２４２が１枚ずつ分離給紙され、略鉛直上方に給紙された用紙２４２はガイド２４５で案内され、搬送ベルト２５１とカウンタローラ２４６との間に挟まれて搬送される。更に、用紙２４２は、先端を搬送ガイド２３７で案内されて先端加圧コロ２４９で搬送ベルト２５１に押し付けられ、略９０°搬送方向を転換される。

そして、帯電した搬送ベルト２５１上に用紙２４２が給送されると、用紙２４２が搬送ベルト２５１に吸着され、搬送ベルト２５１の周回移動によって用紙２４２が副走査方向に搬送される。

そこで、キャリッジ２３３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド２３４を駆動することにより、停止している用紙２４２にインク滴を吐出して１行分を記録し、用紙２４２を所定量搬送後、次の行の記録を行う。記録終了信号又は用紙２４２の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了して、用紙２４２を排紙トレイ２０３に排紙する。

このように、本実施形態の画像形成装置では、本発明に係る液体吐出ヘッドを記録ヘッドとして備えているので、高画質の画像を安定して形成することができる。

次に、本発明の液体吐出ヘッドに関し、図１を参照して説明する。
図１は液体吐出ヘッドのノズル配列方向と直交する方向に沿う断面模式図である。

本実施形態の液体吐出ヘッドは、液滴を吐出する複数のノズル４が形成されたノズル板１、ノズル板１に接合され、ノズル４に連通する複数の個別流路を形成する流路板２、前記個別流路へ液体を供給する共通液室１０を形成する共通液室部材１７，１８、流路板２のノズル板接合面と反対側の面に配置された振動板３、振動板３上に形成された圧電部材２１、及び圧電部材２１に電圧を印加する駆動ＩＣ２３を備えたヘッド本体１０１と、ヒートシンク３１を備えた冷却機構３０と、を備える。
個別流路は、個別液室６、流体抵抗部７、及び共通液室１０から供給される液体の導入部である液導入部８を有する。

個別液室６には、共通液室１０内の液体が振動板３の開口部９を介して供給される。
共通液室１０は、液貯蔵部から供給路を通して液が供給され、常に液で満たされた状態に保たれている。
個別液室６を構成する壁の一部である振動板３が、圧電部材２１の伸縮によって変形し、変形による容積変化が吐出液の圧力変化となってノズル４より液滴が吐出される。

ノズル板１は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３１６）からなり、プレス加工によりノズル４が形成される。流路板２は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３０４）をプレス加工することにより形成される。

振動板３は、個別液室６の一部の壁面を変位可能な振動領域として形成され、フィルタ１６下部の共通液室（以下、「フィルタ下共通液室」という）１２に臨み、フィルタ下共通液室１２と各個別液室６とを連通させる開口部９が形成されている。

振動板３の個別液室６と反対側には、第２共通液室部材（マニホールド）１８、フィルタ１６及びヘッド本体１０１のフレーム部材を兼ねる第１共通液室部材１７が積層接合され、共通液室１０が形成される。共通液室１０は、第１共通液室部材１７と第２共通液室部材１８との間に異物を捕集するフィルタ１６が配置されることによって、フィルタ上共通液室１１とフィルタ下共通液室１２とに分割される。
第１共通液室部材１７は、ステンレス（ＳＵＳ３０３）を切削加工することにより形成されている。

また、振動板３の個別液室６と反対側には、圧力発生手段としての圧電アクチュエータ２０が配置されている。
圧電アクチュエータ２０は、例えばノズルピッチの半分のピッチで柱状の圧電素子（圧
電柱）を形成した圧電部材（積層圧電素子）２１と、固定部材２２とが接着接合した構成からなる。

圧電部材２１は振動板３の振動領域と接合されている。
フィルタ下共通液室１２の壁面を形成する振動板３は、変形可能なダンパ領域５１を有し、フィルタ下共通液室１２と反対側の流路板２にダンパ室５２を形成し、ダンパ室５２は通路５３を通じて大気に開放している。

このヘッド本体１０１では、個別液室６を構成する壁の一部である振動板３の振動領域が圧電部材２１の伸縮によって変形し、変形による容積変化が吐出液の圧力変化となってノズル４より液を吐出する構成となっている。

吐出液の温度は、環境温度や吐出時に圧電部材２１やその駆動回路から生じる熱により変化する。この温度変化を検知するための温度検知手段４０が共通液室１０を形成する筐体内に設けられている。温度検知手段４０としては、例えば、サーミスタが挙げられる。
図１の例では、第１共通液室部材１７に埋め込むように温度検知手段４０を配置することで、液滴吐出ヘッド内の代表的な温度を検知できる構成としている。

第１共通液室部材１７は金属材料であることが好ましい。金属材料で共通液室を構成することにより、ノズル配列方向の液体の温度差を補正することができ、共通液室１０内部の液体の温度と検知温度との間の温度差を少なくすることができる。温度検知手段４０の配置は図１に示す例に限定されるものではなく、所望の温度測定が可能であれば、配置位置や設置個数は適宜選択することができる。

圧力発生手段である圧電部材２１に信号を送るためのケーブル２４上には、その信号を発生させる駆動ＩＣ２３を備えている。
本実施形態の液滴吐出ヘッドは、駆動ＩＣ２３の発熱による温度上昇を防止するため冷却機構３０を備えている。冷却機構３０は、ヒートシンク３１と、ヘッド本体１０１に固定される固定部３４とを備える。

ヒートシンク３１は、ヘッド本体１０１を構成する部材と当接しないように駆動ＩＣ２３を保持するとともに、ヘッド本体１０１への熱の伝達が遮断された、外部への熱伝達手段を備える。
また、ヒートシンク３１は、駆動ＩＣ２３の熱を受ける受熱部３２と、熱伝達手段を備える冷却部３３とを有する。

冷却部３３は、固定部３４と受熱部３２との間に設けられ、ヘッド本体１０１への熱の伝達が遮断された、外部への熱伝達手段を備えるため、冷却部３３において熱が外部へ排熱され、駆動ＩＣ２３の熱が液滴吐出ヘッドを構成する他の部位、特に共通液室１０に伝わるのを防止することができる。

また、駆動ＩＣ２３がヒートシンク３１に当接し、ヒートシンク３１のみによって保持され、ヘッド本体１０１を構成する部材とは接触しない構成であるため、熱の流れが制限される。なお、駆動ＩＣ２３は圧電部材２１と信号線で結線されているが、信号線のケーブル２４を通しての熱の伝達は、吐出液の温度に影響を与えるようなものではない。

駆動ＩＣ２３をヒートシンク３１に当接させ保持させる方法としては、例えば、熱伝導性の接着剤などで接着する方法や、固定用の部材を用いる方法等が挙げられる。
固定用の部材を用いた方法を図２及び図３に基づき説明する。

図２は、固定用のブラケット４１を用いて駆動ＩＣ２３をヒートシンク３１に固定する例を示している。

図３（Ａ）及び（Ｂ）は、ヒートシンク３１に駆動ＩＣ２３を収容可能な凹部３１ａを設け、凹部３１ａの内側の一方の側面に板バネ４２等の補助部材を配設し、駆動ＩＣ２３を他方の側面押圧固定する例を示している。
図３（Ａ）及び（Ｂ）に示す例において、補助部材である板バネ４２は、駆動ＩＣ２３とヒートシンク３１のみに当接し、他の部材には接触しないように配設されている。

ヒートシンク３１は、金属製であることが好ましく、特に熱伝導の良好なアルミ材からなる態様が好ましい。
冷却機構を、熱伝導性の低い樹脂部材などで構成してヘッド本体への熱伝達を防止することも考えられるが、本実施形態の液体吐出ヘッドにおいては、駆動ＩＣ２３で発生した熱を受熱部３２で受け、冷却部３３から積極的にヘッド外部へ移送する構成であるため、熱伝導性の高い金属材料からなることが好ましい。

図１に示すように、ヒートシンク３１の受熱部３２から冷却部３３に至る経路は、ヘッド本体１０１と熱的に遮断された状態であるが、駆動ＩＣ２３の熱がヘッド本体１０１の内部に伝達されるのを防止するため、冷却部３３における外部への熱伝達手段も、ヘッド本体１０１への熱の伝達が遮断されている必要がある。

次に、冷却部３３が備える熱伝達手段の例を図４及び図５に基づき説明する。
図４は、ヒートパイプである気体の流路３５を利用した、放熱フィン３６を備える構成の例である。矢印３７は強制空冷を表している。
図５は、内部に冷却媒体が流通する流路３５を有し、冷却媒体としての液体を矢印の方向に流して冷却する水冷方式の構成の例である。冷却水タンク３８と冷却水を流すためのポンプ３９を備えている。

ヒートシンク３１からの熱の移送手段として、図４のようなヒートパイプを使用した強制空冷手段は、熱の移送方向が鉛直上方向に限定され、配管の自由度にも制約があるため、小型化の面においては、図５の水冷方式のものが好ましい。

図５の態様において、冷却後の冷却水は温度が上昇しているので、これを冷却するためにラジエータやチラーなどを備えることが好ましい。例えば、図５の冷却水タンク３８がチラー機能を備える態様とすることができる。冷却水の温度を下げて循環させることで、連続稼動時でも安定した温度を維持することができる。

冷却媒体として液体（冷却水）を使用する場合、漏れの問題がある。
ヒートシンク３１の流路３５を分割された複数の部品で構成した場合、接合部における接着剤やシール剤が経時劣化し、耐久性が低下して内部の液体の漏れが発生する恐れがある。液体の漏れが発生して圧電部材２１の結線部等に液体が伝わった場合、短絡してヘッドが正常に機能しなくなることがある。

この問題に対し、接合部の無いパイプ材により流路を形成し、ヒートシンク３１内に埋め込む方法が考えられる。しかしながら、パイプ材とヒートシンク３１の母材との間で熱抵抗ができるため、冷却効率が低下するおそれがあり、またパイプ材の加工とヒートシンク３１の加工がそれぞれ必要であり、コストも高くなる。

そこで、ヒートシンク３１を、流路３５が一体成形された構造とすることができる。一体成形により工程が単純になり、コスト低減を実現することができる。

図５に示すような複雑な形状の流路を有するヒートシンク３１を一体成形しようとする場合は、例えば、水溶性の中子を使用して流路３５を形成し、成形後に水に溶かすことで一体成形を実現することができる。このようにして形成された流路３５は、接合部がないため、内部を流通する冷却水等の漏れを防止することができる。

１ ノズル板
２ 流路板
３ 振動板
４ ノズル
６ 個別液室
７ 流体抵抗部
８ 液導入部
９ 開口部
１０ 共通液室
１７ 第１共通液室部材
１８ 第２共通液室部材
２０ 圧電アクチュエータ
２１ 圧電部材
２３ 駆動ＩＣ
２４ ケーブル
３０ 冷却機構
３１ ヒートシンク
３５ 流路
４０ 温度検知手段
１０１ ヘッド本体
２３３ キャリッジ
２３４ 記録ヘッド

特開２００９−８３３８５号公報

Claims (5)

1. 液滴を吐出する複数のノズルが形成されたノズル板、前記ノズルに連通する複数の個別流路を形成する流路板、前記個別流路へ液体を供給する共通液室を形成する共通液室部材、前記流路板の前記ノズル板接合面と反対側の面に配置された振動板、前記振動板上に形成された圧電部材、及び前記圧電部材に電圧を印加する駆動ＩＣを備えたヘッド本体と、
   ヒートシンクを備えた冷却機構と、を有し、
   前記ヒートシンクは、前記ヘッド本体を構成する部材と当接しないように前記駆動ＩＣを保持するとともに、前記ヘッド本体への熱の伝達が遮断された、外部への熱伝達手段を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記ヒートシンクは金属製であり、前記駆動ＩＣと当接して熱を受ける受熱部と、前記熱伝達手段を備える冷却部とを有することを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記ヒートシンクは、内部に冷却媒体が流通する流路を有することを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記ヒートシンクは、前記流路が一体成形された構造であることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の液体吐出ヘッドを備えることを特徴とする画像形成装置。

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