JP2017124602A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、本発明に基づく液体吐出装置の一例として、吐出口から液体として記録液を吐出して被記録媒体に記録を行うインクジェット記録装置1000(以下、記録装置とも称する)について説明する。図1は第1の構成例の液体吐出装置である記録装置1000の概略構成を示している。記録装置1000は、被記録媒体2を搬送する搬送部1と、被記録媒体2の搬送方向と略直交して配置されるライン型の液体吐出ヘッド3とを備え、複数の被記録媒体2を連続もしくは間欠に搬送しながら1パスで連続記録を行うライン型記録装置である。被記録媒体2は例えばカット紙であるが、カット紙以外にも連続したロール紙などであってもよい。液体吐出ヘッド3は、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)及びブラック(K)の各色(以下、これらの色をまとめてCMYKとも称する)の記録液によりフルカラーでの記録が可能なものである。後述するように、液体吐出ヘッド3には、液体を液体吐出ヘッド3へ供給する供給路である液体供給手段、メインタンク及びバッファータンク(図2参照)が流体的に接続される。液体吐出ヘッド3は、後述の図2に示すように、大別すると、液体供給ユニット220、負圧制御ユニット230及び液体吐出ユニット300によって構成されている。液体吐出ユニット300には、複数の記録素子基板10と共通供給流路211と共通回収流路212とが設けられており、各記録素子基板10にはそれぞれ複数の記録素子が設けられている。液体吐出ヘッド300において、各記録素子基板10に対して図示矢印で示すように共通供給流路211から記録液が供給され、この記録液は共通回収流路212を介して回収されるようになっている。また、液体吐出ヘッド3には、液体吐出ヘッド3へ電力及び吐出制御信号を伝送する電気制御部が電気的に接続される。液体吐出ヘッド3内における液体経路及び電気信号経路の詳細については後述する。
図2は、本発明に基づく液体吐出装置に適用される循環経路構成の一形態である第1の循環形態を示している。第1の循環形態では、液体吐出ヘッド3が、高圧側の第1循環ポンプ1001、低圧側の第1循環ポンプ1002、及びバッファータンク1003などに流体的に接続している。なお図2では、説明を簡略化するためにCMYKの各色の記録液のうちの一色の記録液が流動する経路のみを示しているが、実際には4色分の循環経路が液体吐出ヘッド3及び記録装置本体に設けられる。メインタンク1006と接続される、サブタンクとしてのバッファータンク1003は、記録液を貯留する貯留手段として機能し、タンク内部と外部とを連通する大気連通口(不図示)を有し、記録液中の気泡を外部に排出することが可能である。バッファータンク1003は、補充ポンプ1005とも接続されている。補充ポンプ1005は、記録液を吐出しての記録や吸引回復等、液体吐出ヘッドの吐出口から記録液を吐出(排出)することによって液体吐出ヘッド3で液体が消費された際に、消費された記録液分をメインタンク1006からバッファータンク1003へ移送する。
図3は、本発明に基づく液体吐出装置に適用される循環経路構成のうち、上述した第1の循環形態とは異なる循環形態である第2の循環形態を示している。第2の循環形態の第1の循環形態との主な相違点は、負圧制御ユニット230を構成する2つの圧力調整機構が、いずれも、負圧制御ユニット230よりも上流側の圧力を、所望の設定圧を中心として一定範囲内の変動で制御する機構であることである。このような圧力調整機構は、いわゆる背圧レギュレーターと同じ作用の機構部品として構成することができる。また、第2循環ポンプ1004が負圧制御ユニット230の下流側を減圧する負圧源として作用し、高圧側及び低圧側の第1循環ポンプ1001,1002が液体吐出ヘッド3の上流側に配置されている。これに伴って、負圧制御ユニット230は液体吐出ヘッド3の下流側に配置されている。
次に、液体吐出ヘッド3の構成について、図4を用いて説明する。図4の(a)は、液体吐出ヘッド3において吐出口が形成された面の側から見た斜視図であり、(b)は(a)とは反対方向から見た斜視図である。液体吐出ヘッド3は、それぞれがシアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)及びブラック(K)の4色の記録液を吐出可能な記録素子基板10が直線上に15個配列(インラインに配置)されたライン型の液体吐出ヘッドである。図4(a)に示すように、液体吐出ヘッド3は、15個の記録素子基板10とフレキシブル配線基板40と電気配線基板90とを備えている。電気配線基板90には信号入力端子91及び電力供給端子92が設けられており、信号入力端子91及び電力供給端子92は、電気配線基板90及びフレキシブル配線基板40を介して各記録素子基板10に電気的に接続されている。信号入力端子91及び電力供給端子92は、記録装置1000の制御回路に対して電気的に接続されるものであり、それぞれ、吐出駆動信号及び吐出に必要な電力を記録素子基板10に供給する。電気配線基板90内の電気回路によって配線を集約することで、信号出力端子91及び電力供給端子92の数を記録素子基板10の数に比べて少なくできる。これにより、記録装置1000に対して液体吐出ヘッド3を組み付ける時または液体吐出ヘッドの交換時に取り外しが必要な電気接続部の数を少なくすることができる。図4(b)に示すように、液体吐出ヘッド3の両端部に設けられた液体接続部111は、例えば図2あるいは図3に示したような記録装置1000の液体供給系と接続される。これによりCMYKの各色の記録液が記録装置1000の供給系から液体吐出ヘッド3に供給され、また液体吐出ヘッド3内を通った記録液が記録装置1000の供給系へ回収されるようになっている。このように各色の記録液は、記録装置1000の経路と液体吐出ヘッド3の経路を介して循環可能である。
次に、吐出モジュール200について説明する。図9(a)は吐出モジュール200の斜視図であり、図9(b)はその分解図である。吐出モジュール200の製造方法としては、まず、記録素子基板10及びフレキシブル配線基板40を、予め液体連通口31が設けられた支持部材30上に接着する。その後、記録素子基板10上の端子16と、フレキシブル配線基板40上の端子41とをワイヤーボンディングによって電気的に接続し、その後にワイヤーボンディング部(電気接続部)を封止材110で覆って封止する。フレキシブル配線基板40での記録素子基板10とは反対側の端子42は、電気配線基板90の接続端子93(図5参照)と電気的に接続される。支持部材30は、記録素子基板10を支持する支持体であるとともに、記録素子基板10と流路構成部材210とを流体的に連通させる流路連通部材であるため、平面度が高く、また十分に高い信頼性をもって記録素子基板と接合できるものが好ましい。支持部材30の材質としては、例えばアルミナや樹脂材料が好ましい。
次に、記録素子基板10の構成について説明する。図10(a)は記録素子基板10の吐出口13が形成される側の面の平面図であり、図10(b)は図10(a)のAで示した部分の拡大図であり、図10(c)は図10(a)の裏面にあたる側の平面図である。図10(a)に示すように、記録素子基板10は、複数の吐出口13が列をなして形成された吐出口形成部材12を有する。吐出口形成部材12には、記録液の色であるCMYKの4色にそれぞれ対応する4列の吐出口列が形成されている。なお、以後、複数の吐出口13が配列される吐出口列が延びる方向を「吐出口列方向」と呼称する。図10(b)に示すように、各吐出口13に対応した位置には液体を熱エネルギーにより発泡させるための発熱素子である記録素子15が配置されている。隔壁22により、記録素子15を内部に備える圧力室23が区画されている。記録素子15は記録素子基板10に設けられる電気配線(不図示)によって、図10(a)に示す端子16と電気的に接続されている。記録素子15は、記録装置1000の制御回路から電気配線基板90(図5)及びフレキシブル配線基板40(図9)を介して入力されるパルス信号に基づいて発熱し、圧力室23の液体を沸騰させ、この沸騰による発泡の力で液体を吐出口13から吐出する。図10(b)に示すように、各吐出口列に沿って、一方の側には液体供給路18が、他方の側には液体回収路19が延在している。液体供給路18及び液体回収路19は、記録素子基板10に設けられた吐出口列方向に延びた流路であり、それぞれ供給口17a及び回収口17bを介して吐出口13と連通している。
上述したように液体吐出ヘッド3は複数の吐出モジュール200を備えている。図12は隣接する2つの吐出モジュール200における、記録素子基板10の隣接部を部分的に拡大して示している。図10に示すように、ここでは略平行四辺形の記録素子基板10を用いるものとする。図12に示すように、各記録素子基板10において吐出口13が配列される各吐出口列14a〜14dは、被記録媒体の搬送方向Lに対し一定角度傾くように配置されている。これによって記録素子基板10同士の隣接部における吐出口列は、少なくとも1つの吐出口が被記録媒体の搬送方向Lにオーバーラップするようになっている。図12に示したものでは、線D上の2つの吐出口13が互いにオーバーラップする関係にある。このような配置によって、仮に記録素子基板10の位置が所定位置から多少ずれた場合であっても、相互にオーバーラップする吐出口の駆動制御によって、記録画像における黒色のすじや白抜け部分を目立たなくすることができる。複数の記録素子基板10を千鳥配置ではなくインラインに配置したときも、図12のような構成により、液体吐出ヘッド3の被記録媒体の搬送方向の長さの増大を抑えつつ、記録素子基板10同士のつなぎ部における黒スジや白抜け対策を行うことができる。なお、ここでは記録素子基板10の輪郭形状は略平行四辺形であるが、これに限られるものではなく、例えば長方形、台形、その他形状の記録素子基板10を用いた場合でも、本発明の構成を好ましく適用することができる。
本発明を適用できる液体吐出装置は、上述した第1の構成例のものに限られるものではない。以下、本発明に基づく液体吐出装置の第2の構成例であるインクジェット記録装置1000(以下、記録装置とも称する)について説明する。図13は第2の構成例の液体吐出装置である記録装置1000の概略構成を示している。以下の説明では、主として第1の構成例と異なる部分のみを説明し、第1の構成例と同様の部分については説明を省略する。
第2の構成例での液体吐出ヘッド3の構造について、図14を用いて説明する。図14の(a)は、液体吐出ヘッド3において吐出口が形成された面の側から見た斜視図であり、(b)は(a)とは反対方向から見た斜視図である。液体吐出ヘッド3は、その長手方向に直線状に配列される16個の記録素子基板10を備えており、単一の色の記録液での記録が可能なインクジェット式のライン型(ページワイド型)液体吐出ヘッドである。液体吐出ヘッド3は、第1の構成例と同様に、液体接続部111、信号入力端子91及び電力供給端子92を備える。しかしながらこの液体吐出ヘッド3は、第1の構成例のものと比べて吐出口列が多いため、液体吐出ヘッド3の両側に信号出力端子91及び電力供給端子92が配置されている。これは記録素子基板10に設けられる配線部で生じる電圧低下や信号伝送遅れを低減のためである。
次に、第2の構成例での吐出モジュール200を説明する。図19(a)は吐出モジュール200の斜視図であり、図19(b)はその分解図である。第1の構成例との差異は、記録素子基板10の複数の吐出口列方向に沿った両辺部(記録素子基板10の各長辺部)に複数の端子16がそれぞれ配置され、それに電気接続されるフレキシブル配線基板40も1つの記録素子基板10あたり2枚配置される点である。これは、記録素子基板10に設けられる吐出口列数が例えば20列あり、第1の構成例の4列よりも大幅に増加しているためである。すなわち、端子16から、吐出口列に対応して設けられる記録素子15までの最大距離を短く抑制して、記録素子基板10内の配線部で生じる電圧低下や信号伝送遅れを低減することを目的としている。また支持部材30の液体連通口31は、記録素子基板10に設けられる全吐出口列を跨るように開口している。その他の点は、第1の構成例におけるものと同様である。
次に、第2の構成例での記録素子基板10の構成について説明する。図20(a)は記録素子基板10の吐出口13が形成される側の面の平面図であり、図20(b)は液体供給路18及び液体回収路19が形成されている部分を示す図であり、図20(c)は図20(a)の裏面にあたる側の平面図である。ここで図20(b)は、図20(c)において記録素子基板10の裏面側に設けられている蓋部材20を除去した状態を示している。図20(b)に示すように、記録素子基板10の裏面側には、吐出口列方向に沿って、液体供給路18と液体回収路19とが交互に設けられている。吐出口列数は第1の構成例よりも大幅に増加しているものの、第1の構成例との本質的な差異は、前述のように端子16が記録素子基板10の吐出口列方向に沿った両辺部に配置されていることである。各吐出口列ごとに一組の液体供給路18及び液体回収路19が設けられていること、蓋部材20に、支持部材30の液体連通口31と連通する開口21が設けられていることなど、基本的な構成は第1の構成例のものと同様である。
式(1)から、液体回収路19の流抵抗を液体供給路18の流抵抗より大きくする構成をとれば、吐出時に液体回収路19から圧力室23に供給される液体の量が減少する。よって、液体吐出ヘッドの駆動状態の変化に伴う、液体回収路19内の液体の逆流を低減することができ、一時的に圧力室23内の液体の温度が過剰に高くなることを抑制でき、記録品位を高く保つことが可能となる。液体回収路19の流抵抗を液体供給路18の流抵抗より大きくするためには、例えば、液体供給路18における液体の流れ方向に対して垂直な面での断面積を、液体回収路19における液体の流れ方向に対して垂直な面での断面積よりも大きくすればよい。
実施例1として、図27に示すように、流路の幅を変えることにより、液体回収路19の流路断面積を液体供給路18の流路断面積の3分の1にした記録素子基板10を作製した。これにより、回収口17b及び液体回収路19の合成流抵抗が、供給口17a及び液体供給路18の合成流抵抗と比較して、4倍程度大きくなっている。
比較例1として、図28に示すように、流路の幅と深さとを同じにすることにより、液体回収路19の流路断面積を液体供給路18の流路断面積と等しくした記録素子基板10を作製した。
ここでは、幅30μm、高さ15μmの圧力室23内を流速10mm/秒で液体を流すために、バッファータンク308a,308b間の圧力差は300Pa程度に設定した。液体吐出ヘッドに供給される液体として、インクジェット記録用の記録液を用いた。供給される記録液の温度を35℃に制御し、圧力室23の近傍に配置された温度センサ(不図示)の全てが60℃となるように記録素子基板10の温度制御を行い、液体吐出ヘッドでの温度分布を平衡状態とした。このような平衡状態から、実施例1及び比較例1のそれぞれの記録素子基板を有する液体吐出ヘッドを、吐出量が5×10-15m3、駆動周波数が8000Hzで駆動し、圧力室23内の記録液の平均温度の時間変化を求めた。結果を図29に示す。実施例1を実線、比較例1を点線で示す。
このように、基板11に形成される液体回収路19の形状を変更して流抵抗を大きくすることにより、圧力室23内の液体の温度上昇が抑制されることとなり、記録品位が高い液体吐出ヘッドを作製することが可能となる。本実施例では、液体供給路18の流抵抗を液体回収流路の4倍程度大きくしたが、本発明はこれに限られず、
供給口と液体供給路の合成流抵抗>回収口と液体回収路の合成流抵抗
の関係を満たす条件であれば良い。
実施例2では、供給口17a及び液体供給路18の合成流抵抗と、回収口17b及び液体回収路19の合成流抵抗と、吐出量Qと、非吐出時に圧力室23を通って循環する液体の流量qとの関係に着目した。そしてこれらの量が後述の式(4)を満たすようにして、液体回収路19から逆流する高温の液体の流量を大幅に低減している。なお、ここでの吐出量Qとは、液体吐出ヘッド3に含まれる全ての吐出口13から吐出される液滴量の総和を示す。
しかし、非吐出時に、吐出するよりも多量の液体が圧力室23を通って循環すると、圧力損失による流路内の圧力分布が大きくなり吐出特性のばらつきが生じる場合がある。このため、下記の式(3)で示すように、液体の循環量を、吐出する液体の流量より小さくすることが必要となる。
したがって式(2)及び式(3)より、液体回収路19から逆流する高温の液体の流量を大幅に低減し、圧力損失による吐出特性のばらつきを回避する条件として、下記の式((4)が成立することが必要であることが分かる。
実施例2では、図27に示した実施例1と同様の液体吐出ユニット300を用いた。そして式(4)の条件を満たすように、液体を圧力室23内に流速60mm/秒で流すこととし、この流速を達成するためにバッファータンク308a,308b間の圧力差を1800Pa程度に設定した。そして、実施例1と同じ条件で温度分布が平衡となっている状態から、実施例2及び比較例1のそれぞれの記録素子基板を有する液体吐出ヘッドを、吐出量が5×10-15m3、駆動周波数が8000Hzで駆動した。そしてこの駆動時における圧力室23内の記録液の平均温度の時間変化を求めた。結果を図30に、実施例2を実線、比較例を点線で示す。
実施例2では、非吐出時に圧力室23を通って循環している液体の流量が、式(4)の条件を満たしているため、液体回収路19から逆流する高温の液体の流量が、ほとんどない。また比較例1では、非吐出時に圧力室23を通って循環している液体の流量qが、式(4)の右辺の値の半分程度であり、式(4)の条件を満たしていない。図30から明らかなように、実施例2では、比較例1と比較して、また実施例1と比較しても、圧力室23内の液体の温度上昇が抑制されており、記録品位が高い液体吐出ヘッドを作製することが可能である。
10 記録素子基板
15 記録素子
17a 供給口
17b 回収口
18 液体供給路
19 液体回収路
22 隔壁
23 圧力室
Claims (13)
- 液体を吐出するエネルギーを発生する複数の記録素子が第1の面に設けられた記録素子基板と、液体を吐出する吐出口と、前記記録素子を内部に備える圧力室と、を備える液体吐出ヘッドであって、
前記記録素子基板の前記第1の面とは反対側となる第2の面に設けられた、複数の前記圧力室と連通する液体供給路と、
前記第2の面に設けられた、複数の前記圧力室と連通する液体回収路と、
前記圧力室と前記液体供給路とを連通する供給口と、
前記圧力室と前記液体回収路とを連通する回収口と、
を備え、
前記液体供給路から前記供給口、前記圧力室、前記回収口をこの順に経て前記液体回収路に至る前記液体の流れが形成され、
前記液体回収路と前記回収口との合成流抵抗が前記液体供給路と前記供給口との合成流抵抗よりも大きいことを特徴とする、液体吐出ヘッド。 - 前記液体供給路における、液体の流れ方向に対して垂直な面での断面積が、前記液体回収路における、液体の流れ方向に対して垂直な面での断面積よりも大きい、請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
- 複数の前記記録素子基板が配列される流路部材を備え、
前記流路部材は、前記液体供給路と連通する共通供給流路と、前記液体回収路と連通する共通回収流路とを備える、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。 - 前記共通供給流路と前記共通回収流路との圧力差に応じて前記共通供給流路の中の液体の一部が前記液体供給路から前記圧力室を経て前記液体回収路に達し前記共通回収流路に流れる、請求項4に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記液体供給路および前記液体回収路は、前記第1の面に沿った方向に延在し、前記供給口および前記回収口は、前記第1の面に交差する方向に延在する、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記液体供給路には複数の前記供給口が連通し、前記液体回収路には複数の前記回収口が連通する、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記記録素子基板の前記第2の面には、前記液体供給路および前記液体回収路の一部を形成する蓋部材が設けられている、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記蓋部材は、前記液体供給路と連通する供給側開口と、前記液体回収路と連通する回収側開口と、を備える、請求項8に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記蓋部材は樹脂フィルムで構成されている、請求項8または9に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記記録素子基板は、前記吐出口を備える吐出口形成部材と、前記記録素子を備える基板と、を含む、請求項1乃至10のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記圧力室内の液体は当該圧力室の外部との間で循環される、請求項1乃至11のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 請求項1乃至12のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッドと、
液体を貯える貯留手段と、
前記貯留手段と前記液体吐出ヘッドとの間における、液体の供給および回収を行うための液体移送手段と、
を備えることを特徴とする液体吐出装置。
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