JP2017140806A - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した吐出速度で液体を吐出することが可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を提供する。
【解決手段】個別液室３を流れるインクの流量が、単位時間当たりに吐出される吐出量より多い場合、供給口４および排出口５の両方から供給されたインクを吐出する構成とし、供給流路７と排出流路８との間に、個別液室３とは別の連結流路９を設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体を吐出する液体吐出ヘッドおよびそれを備えた液体吐出装置に関する。

液体吐出ヘッドでは、液体が吐出される吐出口から、液体中の揮発成分が蒸発することで吐出口付近の色材濃度が変化することに起因する画像の色ムラや、吐出口付近の粘度上昇に伴う吐出速度変化による着弾精度の悪化といった問題がおこっている。このような問題に対する対策の１つとして、液体吐出ヘッドに供給するインクを循環させる方法が知られている。

特許文献１には、吐出口近傍を流動するインクへ、駆動回路から発生した熱を伝熱し排出流路へと排熱することにより、温度上昇起因の流体の粘度変動による液滴射出速度の変化を抑制する液滴射出ユニットが開示されている。

特表２００３−５１９０２７号公報

特許文献１では、入口導管から開口へ供給される液体の流量を、射出される流量より多くして、入口導管から供給された液体の一部を開口から射出し、その後、液体を出口導管へと流す構成である。このような構成の場合、入口導管から開口へと供給された液体は温度が上昇していない比較的粘度の高い液体であるため、導管内での圧力損失が大きくなることから、入口導管の流路幅が大きくなり、射出ユニットを高密度に配置することが困難である。

そこで、入口導管から供給される液体の流量を、射出される流量より少なくし、射出ユニットで射出を行うと、出口導管側からも液体が逆流して射出ユニットに流入して射出される。この場合、入口導管から吐出口へ供給される液体は、射出時の熱を受けていないため、温度は比較的低い。それに対して、出口導管にある液体は、駆動回路から伝熱されて温度が上昇している低粘度化した液体である。このような、出口導管側から逆流した温度が上昇している低粘度化した液体が、入口導管から吐出口へ供給される液体と混ざりつつ、射出時の熱を更に受けて射出される。その場合、入口導管から開口へ供給される液体だけを射出する場合と比較して、射出速度に変化が生じて着弾位置精度が低下してしまう。

よって本発明は、安定した吐出速度で液体を吐出することが可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を提供することを目的とする。

そのため本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口と、前記吐出口と連通した液室と、前記液室に設けられ、液体の吐出に用いられるエネルギーを発生する吐出素子と、を備え、前記液室に流入した液体を前記吐出素子の作用によって吐出する液体吐出ヘッドにおいて、前記液室の一端部と接続された第１流路と、前記液室の他端部と接続された第２流路と、前記第１流路と接続された供給流路と、前記第２流路と接続された排出流路と、前記供給流路と前記排出流路とを直接接続する連結流路と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、安定した吐出速度で液体を吐出することが可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を実現することができる。

液体を吐出する液体吐出装置を示した図である。 液体吐出装置における液体供給系の一例を示した図である。 液体吐出ヘッドの吐出部の断面図である。 液体吐出ヘッドの吐出部の断面図である。 液体吐出ヘッドの吐出部の断面図である。 液体吐出ヘッドの吐出部の断面図である。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１の実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態を適用可能な、液体を吐出する液体吐出装置２００を示した図である。本実施形態の液体吐出装置２００は、シアンＣ、マゼンタＭ、イエローＹ、ブラックＫの各インクごとに対応した単色用の液体吐出ヘッド２０８を搭載可能であり、液体吐出ヘッド２０８を４つ並列配置させることで記録媒体へフルカラー記録を行う。各液体吐出ヘッド２０８には、液体を貯留可能なバッファタンクおよびメインタンクが流体的に接続されている。また、それぞれの液体吐出ヘッド２０８には、液体吐出ヘッド２０８へ電力およ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ている。

図２は、液体吐出装置２００における液体供給系の一例を示した図である。本実施形態の液体吐出装置２００は、液体吐出ヘッド２０８内の液室の内部と前記液室の外部との間で液体が循環する装置である。詳しくは、インク等の液体をサブタンク２１ｃ、２１ｄから液体吐出ヘッド２０８を通過し下流側のサブタンク２１ｅ、２１ｆを介してメインタンク２０１へと循環させる形態の液体吐出装置である。液体吐出ヘッド２０８の流入口１７はサブタンク２１ｃ、２１ｄに、流出口１８はサブタンク２１ｅ、２１ｆに直接接続されている。サブタンク２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆには、液面水位センサ２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ、２２ｆが取り付けられている。メインタンク２０１とサブタンク２１ｃ、２１ｄとの間にはポンプ２３ｃ、２３ｄと弁２４ｃ、２４ｄとが設けられている。また、メインタンク２０１とサブタンク２１ｅ、２１ｆとの間にはポンプ２３ｅ、２３ｆと弁２４ｅ、２４ｆとが設けられている。これらポンプ２３ｃ、ｄ、ｅ、ｆおよび弁２４ｃ、ｄ、ｅ、ｆを制御することでメインタンク２０１からサブタンク２１ｃ、２１ｄへの液体の供給およびサブタンク２１ｅ、２１ｆからメインタンク２０１への排出を行い、サブタンク２１ｃ、２１ｄと２１ｅ、２１ｆ間で所望の水頭を保つことができる。このような構成によって、駆動状態によらず記録ヘッド２０３の流入口１７と流出口１８間の圧力差で液体（以下、インクともいう）を液体吐出ヘッド２０３に供給しながら、サブタンク２１ｃからチップを介してサブタンク２１ｆへとインクを供給できる。流すインクとしては用途に応じてインク中の不揮発性溶媒、揮発性溶媒そして色材の濃度を調整したものが使用され、その粘度は０．００２〜０．１００Ｐａ・ｓに調整されている。

なお、本明細書で述べる実施形態は本発明の適切な具体例であるから、技術的に好ましい様々の限定が付けられている。しかし、本発明の思想に沿うものであれば、本実施形態は本明細書の実施形態やその他の具体的方法に限定されるものではない。

図３、図４は、本実施形態を適用可能な、液体吐出ヘッド２０８の吐出部の断面図である。以下、これらの図面を参照して液体吐出ヘッド２０８の各部構成と全体を説明する。

本発明の液体吐出ヘッド２０８は、液体を吐出する為に利用されるエネルギーを発生する素子である圧力発生素子（吐出素子）１０が形成されたチップ１上に吐出口６を形成し、インクが充填される個別液室３の一部を形成する吐出口形成部材２が設けられている。液体吐出ヘッド２０８には複数の吐出口６と複数の個別液室３とが設けられており、個別液室３の一端部は供給口４と接続されており、個別液室３の他端部は排出口５と接続されている。各個別液室３には、液体を吐出する為に利用される圧力発生素子（以下、ヒーターともいう）１０に対面する位置に吐出口６が形成されている。ヒーター１０は、記録画像データに応じて選択的に駆動され、ヒーター１０の作用によって吐出口６から所望の量のインクが吐出される。吐出口６は、複数の吐出口６が列を成して吐出口列を形成している。また、吐出口列を挟むように、ヒーター１０の両側には、個別液室３近傍の温度を制御可能な温調用熱源１３が設けられている。

供給口４は供給流路７を介して共通供給流路１５と、排出口５は排出流路８を介して共通排出流路１６と連通しており、サブタンク２０２から供給されたインクをサブタンク２０３へと導くように構成されている。また供給流路７と、排出流路８とは、連結流路９で直接連通している。したがってヒーター１０が休止状態の場合、供給流路７から流入してくるインクは、供給口４を通り個別液室３を通過し排出口５を介して排出流路８へ流れる流れと、供給流路７から連結流路９を介して直接排出流路８へ流れる流れの２つの経路で流れる。吐出口６から吐出されるインクは、供給流路７から供給口４を介して個別液室３に流入したインクが含まれる。

ここで、個別液室３を流れるインクの流量が、単位時間当たりに吐出される吐出量より多い場合、個別液室３は平面上に高密度に配置され流路高さも低く設定されているため、大きな圧力損失が発生し吐出特性が変化してしまう。このような吐出特性の変化を避けるため、単位時間当たりに吐出される吐出量より少ないインクが個別液室３に流入するように、上流側のサブタンク２０２と下流側のサブタンク２０３との圧力差は設定される。この設定でヒーター１０が連続駆動すると、排出口５からもインクを引き込むようになり、供給口４および排出口５の両方から毛管現象によりインクが供給される。このように本実施形態では、供給口４および排出口５の両方からインクが供給されることから、供給側の流路幅を大きくする必要が無く、個別液室を高密度に配置することが可能である。

ヒーター１０が休止状態あるいは駆動してからある程度時間が経てば、流れ場や温度分布は安定するが、過渡状態のときには様相は異なる。特に液体吐出ヘッド２０８の温度については、ヒーター１０の単位時間あたりの発熱量が大きくなるにつれ、昇温の度合いも徐々に大きくなる。液体吐出ヘッド２０８の温度が徐々に高くなると、個別液室３内のインク粘度は時間とともに低粘度化し、吐出特性も変化してしまう。そこで、個別液室３近傍の温度をモニタリングし、設定値以下であると判定されればヒーター１０あるいは個別液室３近傍を温める温調用熱源１３をインクが沸騰しない程度駆動するよう制御する。これにより個別液室３内のインク温度を制御範囲内に保ち、粘度を安定させることができる。

しかし、ヒーター１０を連続駆動した場合には、個別液室３では発熱量が大きくなり、個別液室３内で制御される温度から離れて高温になることがある。そして、高温のインクは駆動に伴い排出口５から個別液室へ再び流入してしまう。その場合、インクの低粘度化により吐出特性が変化してしまう。

そこで本実施形態では、個別液室３を通過した排出口５から供給されるインクに、連結流路９から流入してくる低温のインクを合流させることで、排出口５から供給されるインクの温度を下げている。

このような構成にすることで、ヒーター１０が休止状態から駆動状態に移っても、温調制御により長期間における液体吐出ヘッド２０８の温度変化量が小さく、駆動に伴って排出口５から逆流するインクの温度も低くすることがでる。これによって、液体吐出装置２００の使用開始時から終了までにわたって吐出特性を安定させることができる。

本実施形態で採用した液体吐出ヘッド２０８の各部における具体的な数値は、高さが１０μｍ、幅が２０μｍの個別液室が８２００個、高さが１００μｍ、幅が１ｍｍの連結流路が５本ある構成で、供給流路７と排出流路８間の圧力の差を９８１Ｐａに設定した。その結果、個別液室３での流量は４．２×１０^-12ｍ³／ｓ、連結流路９での流量は０．９×１０^-7ｍ³／ｓとなる。

本実施形態の構成の効果を確認するため、連結流路９が無い構成と比較してみると、ヒーター１０休止時の排出流路８のインク温度は４８℃、連結流路が有る構成の場合は３７℃と低くなっている。それぞれの構成においてヒーター１０を駆動し始めると、供給口４から個別液室３を通って排出口５に流れていたインクが再び個別液室３に流入してくる。そのときの個別液室３内のインク温度は、連結流路９が有る構成の方が無い構成に比べ５℃低くなる結果が得られた。

なお、本実施形態では、連結流路９の具体的な作成手段については明記していないが、個別流路３内を通る流路とは別に供給流路７と排出流路８とを直接連通する流路を構成できる作成手段であればどのような製法でもよい。

このように、供給口４および排出口５の両方から供給されたインクを吐出する構成とし、供給流路７と排出流路８との間に、個別液室３とは別の連結流路９を設ける。これによって、安定した吐出速度で液体を吐出することが可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を実現することができた。

（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５は、本実施形態を適用可能な、液体吐出ヘッド２２８の吐出部の断面図である。本実施形態では、チップ１と支持部材１２との間に、熱拡散率が低い断熱部材１１を設けている。本実施形態の構成においてヒーター１０が駆動している場合、ヒーター１０から発せられる熱は、断熱部材１１を介して支持部材１２側へは伝わり難く、個別液室３近傍のインクに伝熱し、吐出により記録ヘッド２２８の外側へと排熱される。

このときの個別液室３近傍のインク温度は、吐出量とヒーター１０の発熱量のバランスにより決定され、例えば吐出量が３×１０^-15ｍ³でヒーター発熱量が０．５μＪ、そして流入してくるインク温度が２５℃のとき個別液室３内のインク温度は６５℃となる。これは、通常使用するインク温度と比較すると高めであるため、ヒーター１０が休止状態から駆動状態にわたる全範囲において、個別液室３内のインク温度を設定温度範囲内に制御するには、ヒーター１０が休止状態のときの温調温度も高めに制御する必要がある。

ヒーター１０休止時の温調温度が高くなると、個別液室３から排出口５を通って排出流路８へ流れるインク温度は高くなり、駆動に伴って排出口５から再び個別液室３へ流入してくるため個別液室３内でのインク温度が異常に高くなってしまう。そこで本実施形態では、排出口５と排出流路８との合流部でのインク温度を下げるため、連結流路９の断面積を大きくし、供給流路７と排出流路８とにかかっている圧力差も大きくすることにより、連結流路９を通過するインク流量を増やしている。このようにして連結流路９を通過するインク流量を増やして、排出口５から再び個別液室３へ流入してくるインク温度を下げて、インクの粘度を安定化することで、液体吐出装置２００の使用開始時から終了までにわたって吐出特性を安定させることができる。

このように、供給口４および排出口５の両方から供給されたインクを吐出する構成とし、チップ１と支持部材１２との間に熱拡散率が低い断熱部材１１を設け、更に連結流路９の断面積を大きくする。これによって、安定した吐出速度で液体を吐出することが可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を実現することができた。

（第３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６は、本実施形態を適用可能な、液体吐出ヘッド２３８の吐出部の断面図である。本実施形態では、チップ１と支持部材１２との間に、熱拡散率が低い断熱部材１１を設け、更に、ヒーター１０や温調用熱源１３が含まれる領域と連結流路９との間にも熱拡散率が低い接合部材１４を設けている。本実施形態の構成により、ヒーター１０が休止して温調用熱源１３が発熱している状態でも、接合部材１４によって連結流路９を流れるインクへ熱が伝わりにくくなるため、排出口５と排出流路８の合流部でのインク温度を下げることができる。その結果、駆動状態によらず個別液室３内のインク温度を全範囲にわたって設定された温度範囲に制御することができ、吐出特性を一定に保つことができる。

このように、供給口４および排出口５の両方から供給されたインクを吐出する構成とし、チップ１と支持部材１２との間に熱拡散率が低い断熱部材１１を設け、更にヒーター１０が含まれる領域と連結流路９との間にも熱拡散率が低い接合部材１４を設ける。これによって、安定した吐出速度で液体を吐出することが可能な液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置を実現することができた。

なお、断熱部材１１を設けることなく、接合部材１４だけ設ける構成でもよい。また、以上説明してきた各実施形態において、連結流路９は供給口４および排出口５近傍に配置した構成を説明したがこれに限定するものではなく、思想に沿うものであれば別形態の構成でもよい。

３ 個別液室
４ 供給口
５ 排出口
７ 供給流路
８ 排出流路
９ 連結流路
１０ ヒーター
１１ 断熱部材
１３ 温調用熱源
２００ 液体吐出装置
２０２ サブタンク
２０３ サブタンク
２０８ 液体吐出ヘッド

Claims (9)

1. 液体を吐出する吐出口と、前記吐出口と連通した液室と、前記液室に設けられ、液体の吐出に用いられるエネルギーを発生する吐出素子と、を備え、前記液室に流入した液体を前記吐出素子の作用によって吐出する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記液室の一端部と接続された第１流路と、
   前記液室の他端部と接続された第２流路と、
   前記第１流路と接続された供給流路と、
   前記第２流路と接続された排出流路と、
   前記供給流路と前記排出流路とを直接接続する連結流路と、を備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記第１流路から前記液室に単位時間当たりに供給される液体の量は、前記液室から単位時間当たりに吐出される液体の量よりも少ない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流路と前記第２流路とから供給された液体を吐出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記液室の温度を制御可能であ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項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記供給流路および前記排出流路を構成する第１部材の熱拡散率の値が、前記第１流路と前記第２流路、および前記液室の一部を形成する第２部材の熱拡散率の値よりも低いことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記第２部材は前記連結流路の一部を形成しており、
   前記第２部材と前記連結流路との間に、前記第２部材の熱拡散率の値よりも低い値の熱拡散率の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５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 複数の前記液室および前記吐出口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６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記液室に流入する液体は、前記液室の内部と前記液室の外部との間で循環することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
9. 液体を吐出する吐出口と、前記吐出口と連通した液室と、前記液室に設けられ、液体の吐出に用いられるエネルギーを発生する吐出素子と、を備えており前記液室に流入した液体を前記吐出素子の作用によって吐出する液体吐出ヘッド、を搭載可能であり、
   前記液体吐出ヘッドへ供給する液体および前記液体吐出ヘッドが排出した液体を貯留するタンクを備えた液体吐出装置において、
   前記液体吐出ヘッドは、
   前記液室の一端部と接続された第１流路と、
   前記液室の他端部と接続された第２流路と、
   前記第１流路と接続された供給流路と、
   前記第２流路と接続された排出流路と、
   前記供給流路と前記排出流路とを直接接続する連結流路と、を備えていることを特徴とする液体吐出装置。

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