JP2018149683A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の着弾形状を得られる液体吐出ヘッド及び液体吐出装置を提供する。【解決手段】液体吐出ヘッドは、１以上の圧力室と、圧力室に連通する複数のノズル孔４１ｂ、４１ｃを有するノズルプレート４１と、を備え、共通する圧力室に連通する複数のノズル孔は、吐出対象物が相対的に移動する第１方向における上流側のノズル孔からの液体の吐出速度が、下流側のノズル孔からの液体の吐出速度よりも速い。【選択図】図６

Description

本発明の実施形態は、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に関する。

インクジェットヘッドなどの液体吐出ヘッドは、例えば複数のノズル孔を有するノズルプレートと、ノズルプレートに対向して配置され、ノズル孔に連通する複数の圧力室及び複数の圧力室に連通する共通室を構成するベースプレートと、を備える。圧力室に設けられる駆動素子に電圧を印加して圧力室に圧力変動を生じさせることで、ノズル孔から液体を吐出する。液体吐出ヘッドには液体を収容する液体タンクが接続され、液体吐出ヘッドと液体タンクを通る循環路にて液体を循環している。

このような液体吐出ヘッドにおいて、１つの圧力室に連通するノズル孔を複数備える構成が知られている。この場合、例えば液体吐出ヘッドに対して相対的に移動する吐出対象物に液体を噴射すると、複数のノズル孔の位置によっては、吐出対象物に着弾した液滴が複数個に分かれ、あるいは特定の方向に長くなる、という課題がある。

特開２０１５−１００９６６号公報

本発明が解決しようとする課題は、所望の着弾形状を得られる液体吐出ヘッド及び液体吐出装置を提供することである。

実施形態にかかる液体吐出ヘッドは、１以上の圧力室と、前記圧力室に連通する複数のノズル孔を有するノズルプレートと、を備え、共通する前記圧力室に連通する複数の前記ノズル孔は、吐出対象物が相対的に移動する第１方向における上流側のノズル孔からの液体の吐出速度が、下流側のノズル孔からの液体の吐出速度よりも速い。

第１実施形態にかかる液体吐出装置の説明図。 同液体吐出装置の液体吐出ヘッドの斜視図。 同液体吐出ヘッドの一部の構成を示す分解斜視図。 同液体吐出ヘッドの構成を示す断面図。 同液体吐出ヘッドの一部の構成を示す断面図。 同液体吐出ヘッドのノズル孔の構成と着弾の状態を示す説明図。 他の実施形態にかかる液体吐出ヘッドの一部の構成を示す断面図。 他の実施形態にかかる液体吐出ヘッドの一部の構成を示す断面図。

以下に、第１実施形態に係る液体吐出装置であるインクジェット記録装置１及び液体吐出ヘッドであるインクジェットヘッド３１の構成について、図１乃至図６を参照して説明する。図１は、液体吐出装置であるインクジェット記録装置１の説明図である。図２は液体吐出ヘッドであるインクジェットヘッド３１の斜視図であり、図３は分解斜視図である。図４及び図５はインクジェットヘッド３１の断面図である。図中Ｘ，Ｙ，Ｚは互いに直交する３方向を示している。なお、本実施形態において、インクジェットヘッド３１のノズル孔４１ｂ、４１ｃがＺ方向の一方である下向きに配置される姿勢を基準として方向の説明を記載するが、これに限られるものではない。

図１に示すように、インクジェット記録装置１は、筐体１１と、媒体供給部１２と、画像形成部１３と、媒体排出部１４と、搬送装置１５と、制御部１６と、を備える。

インクジェット記録装置１は、媒体供給部１２から画像形成部１３を通って媒体排出部１４に至る所定の搬送路Ａ１に沿って、吐出対象物である記録媒体として例えば用紙Ｐを搬送しながらインク等の液体を吐出することで、用紙Ｐに画像形成処理を行う液体吐出装置である。

筐体１１は、インクジェット記録装置１の外郭を構成する。筐体１１の所定箇所に、用紙Ｐを外部に排出する排出口１１ａを備える。

媒体供給部１２は複数の給紙カセット１２ａを備える。給紙カセット１２ａは、筐体１１内に複数設けられている。複数の給紙カセット１２ａは、例えば、上側が開口する所定のサイズの箱状に構成され、各種サイズの用紙Ｐを複数枚積層して保持可能に構成される。

媒体排出部１４は、排紙トレイ１４ａを備える。排紙トレイ１４ａは、筐体１１の排出口１１ａの近傍に設けられている。排紙トレイ１４ａは、排出口１１ａから排出される用紙Ｐを保持可能に構成されている。

画像形成部１３は、用紙を支持する支持部１７と、支持部１７の上方に対向配置された複数のヘッドユニット３０と、を備える。

支持部１７は、画像形成を行う所定領域にループ状に備えられる搬送ベルト１８と、搬送ベルト１８を裏側から支持する支持プレート１９と、搬送ベルト１８の裏側に備えられた複数のベルトローラ２０と、を備える。

支持部１７は、画像形成の際に、搬送ベルト１８の上面である保持面１８ａに用紙Ｐを支持するとともに、ベルトローラ２０の回転によって所定のタイミングで搬送ベルト１８を送ることにより、用紙Ｐを下流側へ搬送する。

ヘッドユニット３０は、複数（４色）のインクジェットヘッド３１と、各インクジェットヘッド３１上にそれぞれ搭載された液体タンクとしてのインクタンク３２と、インクジェットヘッド３１とインクタンク３２とを接続する接続流路３３と、循環部である循環ポンプ３４と、を備える。ヘッドユニット３０は、インクタンク３２と、インクジェットヘッド３１の内部に作りこまれた圧力室Ｃ１及び共通室Ｃ２において液体を常時循環させる循環型のヘッドユニットである。

本実施形態において、インクジェットヘッド３１としてシアン、マゼンダ、イエロー、ブラックの４色のインクジェットヘッド３１Ｃ，３１Ｍ，３１Ｙ，３１Ｋと、これらの各色のインクをそれぞれ収容するインクタンク３２として、インクタンク３２Ｃ，３２Ｍ，３１Ｙ，３１Ｋを備える。インクタンク３２は接続流路３３によってインクジェットヘッド３１に接続される。接続流路３３は、インクジェットヘッド３１の供給口に接続される供給流路３３ａと、インクジェットヘッド３１の排出口に接続される回収流路３３ｂと、を備える。

また、インクタンク３２には、図示しないポンプなどの負圧制御装置が連結されている。そして、インクジェットヘッド３１とインクタンク３２との水頭値に対応して、負圧制御装置によりインクタンク３２内を負圧制御することで、インクジェットヘッド３１の各ノズルに供給されたインクを所定形状のメニスカスに形成させている。

循環ポンプ３４は、例えば圧電ポンプで構成される送液ポンプである。循環ポンプ３４は、供給流路３３ａに設けられている。循環ポンプ３４は、配線により制御部１６の駆動回路に接続され、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１６ａの制御によって制御可能に構成されている。循環ポンプ３４は、インクジェットヘッド３１とインクタンク３２を含む循環流路で液体を循環させる。

搬送装置１５は、媒体供給部１２の給紙カセット１２ａから画像形成部１３を通って媒体排出部１４の排紙トレイ１４ａに至る搬送路Ａ１に沿って、用紙Ｐを搬送する。搬送装置１５は、搬送路Ａ１に沿って配置される複数のガイドプレート対２１ａ〜２１ｈと、複数の搬送用ローラ２２ａ〜２２ｈと、を備えている。

複数のガイドプレート対２１ａ〜２１ｈは、それぞれ、搬送される用紙Ｐを挟んで対向配置される一対のプレート部材を備え、用紙Ｐを搬送路Ａ１に沿って案内する。

搬送用ローラ２２ａ〜２２ｈは、給紙ローラ２２ａ、搬送ローラ対２２ｂ〜２２ｇ、排出ローラ対２２ｈを備える。これらの搬送用ローラ２２ａ〜２２ｈが制御部１６のＣＰＵ１６ａの制御によって駆動されて回転することで、用紙Ｐを搬送路Ａ１に沿って下流側に送る。なお、搬送路Ａ１には用紙の搬送状況を検出するセンサが各所に配置されている。

制御部１６は、コントローラであるＣＰＵ（中央制御装置）１６ａと、各種のプログラムなどを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）と、各種の可変データや画像データなどを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、外部からのデータの入力及び外部へのデータの出力をするインターフェイス部と、を備える。

図２乃至図５に示すように、インクジェットヘッド３１は、液体吐出ヘッドであり、ノズルプレート４１と、ベースプレート４２と、フレーム４３と、マニフォルド４４と、を備える。

ノズルプレート４１は、矩形の板状に構成されている。ノズルプレート４１は、各圧力室Ｃ１に連通する複数のノズル孔４１ｂ，４１ｃを有するノズルセット４１ａを２セット備えている。

本実施形態において、２列に配列された圧力室Ｃ１の各列に対して、それぞれ２列のノズル列を有するノズルセット４１ａが、形成されている。各ノズルセット４１ａは、１つの圧力室Ｃ１に連通する複数のノズル孔４１ｂ，４１ｃを備える。各ノズルセット４１ａにおいて、第１方向であるＸ方向に沿って一対のノズル孔４１ｂ，４１ｃが並列して設けられている。一方のノズル列は第２方向に並ぶ複数のノズル孔４１ｂを有し、他方のノズル列は第２方向に並ぶ複数のノズル孔４１ｃを有している。第２方向は第１方向とは異なる方向である。

ノズル孔４１ｂ，４１ｃは吐出面側の流路径が小さくなるようにテーパ状の円錐台状の流路を有している。共通の圧力室Ｃ１に対向して配置される一対のノズル孔４１ｂ，４１ｃは、吐出面からの液体の吐出速度を異ならせるように、形状が異なっている。すなわち、吐出対象物である用紙Ｐがインクジェットヘッド３１に対して相対的に移動する移動方向である第１方向において、一対のノズル孔４１ｂ，４１ｃが並び、２つのノズル孔４１ｂ，４１ｃは、相対移動方向における上流側、すなわち、先に用紙Ｐが到達する上流側のノズル孔４１ｂが、下流側のノズル孔４１ｃよりも、流速が速くなる形状に構成されている。

具体的には上流側に配置されるノズル孔４１ｂの流路断面積が、下流側のノズル孔４１ｃの流路断面積よりも小さく構成されている。すなわち、円筒状のノズル孔４１ｂの流路の最小径となる吐出面側の流路径Ｄｎ１が、ノズル孔４１ｃの流路の最小径となる吐出面側の流路径Ｄｎ２よりも小さく構成されている。

例えば、ノズル孔４１ｂ，４１ｃは、一対のノズル孔４１ｂ、４１ｃの間の距離であるノズル間距離をＰｔ，記録媒体Ｐとの相対移動速度である送り速度をＶ，ノズル孔４１ｂ、４１ｃの吐出口が配される吐出面と記録媒体Ｐとの距離をＧ，それぞれのノズル孔４１ｂ、４１ｃから吐出する液滴の吐出速度をｖ１，ｖ２としたとき、２＊Ｐｔ＞Ｖ＊Ｇ（ｖ２−ｖ１）／ｖ１＊ｖ２＞０の関係を満たす構成である。

さらに好ましくは、ノズル孔４１ｂ，４１ｃは、ノズル間距離をＰｔ，相対送り速度をＶ，ノズルと記録媒体Ｐとの距離をＧ，それぞれのノズルから吐出する液滴の吐出速度をｖ１，ｖ２、ノズル孔４１ｂ，４１ｃからの液滴が記録媒体Ｐにそれぞれ個別に着弾した場合の液滴Ｉｄのドット径をＤＩ１，ＤＩ２としたとき、
０．５＊ＤＩ２＞Ｐｔ−Ｖ＊Ｇ（ｖ２−ｖ１）／ｖ１＊ｖ２≧０の関係を満たす構成である。

ベースプレート４２は、矩形状に構成され、フレーム４３を挟んでノズルプレート４１に対向して接合される。ベースプレート４２は、ノズルプレート４１との間に共通室Ｃ２を形成する。

ベースプレート４２のノズルプレート４１に対向する面には、駆動素子となる複数の圧電素子４５ａを並列して備える圧電ブロック４５が設けられている。圧電ブロック４５はその長手方向が第２方向に延びる細長形状であり、第１方向に複数の圧電素子４５ａを並列して備えている。第２方向において、隣接する圧電素子４５ａ間に、圧力室Ｃ１を構成する溝が形成されている。圧電素子４５ａは例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電セラミック材料等で構成される。圧電素子４５ａの並列方向における両端面には電極４７が形成されている。電極４７は配線パターン４８を介して回路基板５０に電気的に接続されている。

一対の圧電ブロック４５は、各圧電素子４５ａの位置が、圧電素子４５ａの配列ピッチの1/2倍、第２方向において、ずらして配列されている。すなわち、図５に示す様に、２列に形成される圧力室Ｃ１は、第２方向において圧力室Ｃ１の１／２倍の距離、位置がずれている。このため、用紙Ｐにおいて液滴Ｉｄは圧力室Ｃ１ピッチの１/２倍の間隔で着弾されることになる。

ベースプレート４２は、供給孔４６ａ及び回収孔４６ｂを有する。供給孔４６ａはベースプレート４２を厚さ方向に貫通する貫通孔であり、マニフォルド４４の供給路４４ａに連通する。回収孔４６ｂはベースプレート４２を厚さ方向に貫通する貫通孔であり、マニフォルド４４の回収路４４ｂに連通する。

フレーム４３は、矩形の枠状に構成され、ベースプレート４２とノズルプレート４１との間に配される。フレーム４３は所定の厚さを有し、ベースプレート４２とノズルプレート４１との間に共通室Ｃ２を形成する。

マニフォルド４４は、矩形のブロック状に構成され、ベースプレート４２に接合される。マニフォルド４４は、共通室Ｃ２に連通する流路である供給路４４ａ及び回収路４４ｂを有し、所定のインク流路を形成する形状に構成されている。供給路４４ａは供給流路３３ａに連通し、回収路４４ｂは回収流路３３ｂに連通している。マニフォルド４４の外面には回路基板５０が設けられている。回路基板５０は駆動ＩＣ５１を搭載している。駆動ＩＣ５１はＦＰＣ（Flexible Printed Circiuts）５２及び配線パターン４８を介して、圧電素子４５ａの電極４７に電気的に接続されている。

以上のように構成されたインクジェットヘッド３１は、ノズルプレート４１とベースプレート４２とフレーム４３とマニフォルド４４とを組み付けた状態で、内部に隔壁となる圧電素子４５ａによって仕切られた複数の圧力室Ｃ１を形成するとともに、各圧力室Ｃ１に連通するインク流路を構成する。

以上のように構成されたインクジェット記録装置１の動作について説明する。ＣＰＵ１６ａは、例えばインターフィースにおいてユーザーが操作入力部の操作による印刷指示を検出する。そして、印刷指示を検出すると、ＣＰＵ１６ａは搬送装置１５を駆動して用紙Ｐを搬送するとともに、所定のタイミングでヘッドユニット３０に対して印字信号を出力することで、インクジェットヘッド３１を駆動する。インクジェットヘッド３１は吐出動作として、画像データに応じた画像信号により、圧電素子４５ａを選択的に駆動してノズル孔４１ｂ，４１ｃからインクを吐出して、搬送ベルト１８上に保持された用紙Ｐに画像を形成する。

液体吐出動作として、ＣＰＵ１６ａは、駆動回路により配線パターン４８を介して圧電素子４５ａ上の電極４７に駆動電圧を印加することで、圧電素子４５ａを変形させる。例えば、駆動する圧力室Ｃ１の容積を増大させる方向に変形させ、圧力室Ｃ１内を負圧にすることで、インクが圧力室Ｃ１内に導かれる。一方、圧力室Ｃ１の容積が減少する方向に変形させ、圧力室Ｃ１内を加圧することで、ノズル孔４１ｂ、４１ｃからインク滴が吐出する。この圧力室Ｃ１の容積の変動により、圧力室Ｃ１に対向配置された一対のノズル孔４１ｂ，４１ｃから、液滴Ｉｄが吐出される。そして、対向配置された用紙Ｐに液滴Ｉｄが噴射される。

ＣＰＵ１６ａは、循環ポンプ３４を駆動することで、インクタンク３２とインクジェットヘッド３１とを通る循環流路で液体を循環させる。循環動作により、インクタンク３２内のインクは、図示しない供給口を通って、流路部で構成される共通室Ｃ２に流入し、複数の圧力室Ｃ１に供給される。

図６に示すように、インクジェットヘッド３１は、共通する圧力室Ｃ１に連通する一対のノズル孔４１ｂ，４１ｃの形状は吐出速度が異なるように構成されている。したがって液滴の着弾のタイミングがずれ、上流側の着弾時よりも下流側の着弾時が遅くなる。このため、各ノズル孔４１ｂ，４１ｃからの液滴Ｉｄが着弾する位置は、ノズル孔４１ｂ，４１ｃの間隔よりも狭い間隔となる。したがって、用紙Ｐが先に通過する側のノズル孔４１ｂから吐出するインク滴がノズル孔４１ｃから吐出する液滴よりも先に着弾する。他方のノズル孔４１ｃから吐出する液滴は、ノズル孔４１ｂから吐出する液滴よりも遅れて吐出され、先にノズル孔４１ｂから吐出されて着弾した場所の近くまたは同じ個所に着弾する。液滴の着弾位置が一つになり、あるいは、少なくともノズル配列よりも間隔が短く、狭いエリアに着弾するようになる。

一方、図６に比較例１として示すように、同形状のノズル孔３４１ｂ，３４１ｃを有するノズルプレート３４１を用いた場合、移動する用紙Ｐに対して着弾のタイミングが同じとなる。この場合、着弾位置はノズル孔３４１ｂ，３４１ｃの間隔と同じ距離だけ離れている。したがって、液滴Ｉｄは複数に分かれ、あるいは移動方向において長くなる。

また、上記第１実施形態にかかるインクジェットヘッド３１は、２＊Ｐｔ＞Ｖ＊Ｇ（ｖ２−ｖ１）／ｖ１＊ｖ２＞０の関係式を満たす設定としたことにより、着弾形状が１つの円形状に近づく。

例えば、ノズル孔４１ｂの吐出速度をｖ２＝１１ｍ／ｓｅｃ、ノズル孔４１ｃの吐出速度をｖ１＝９ｍ／ｓｅｃとなるように穴径を定める。ノズル孔４１ｂ，４１ｃの吐出部である吐出面と用紙Ｐとの距離Ｇ＝３ｍｍ、用紙Ｐの送り速度をＶ＝８００ｍｍ／ｓｅｃ（４８ｍ／ｍｉｎ）としたとき、各々の着弾距離はノズル開口距離よりも４８．５μｍ程度近くに着弾する。この場合、ノズル間距離Ｐｔを４８．５μｍと設定した場合に、Ｖ＊Ｇ（ｖ２−ｖ１）／ｖ１＊ｖ２＝Ｐｔの関係式を満たし、着弾位置が揃って液滴が重なり、丸となる。

また着弾した時のドット径について、ノズル孔４１ｂから吐出した液滴Ｉｄのドット径をＤＩ１，ノズル孔４１ｃ側からのドット径をＤＩ２としたとき、０．５＊ＤＩ２＞Ｐｔ−Ｖ＊Ｇ（ｖ２−ｖ１）／ｖ１＊ｖ２≧０の関係式を満たすと、着弾位置が揃う。すなわち、上記第１実施形態にかかるインクジェットヘッド３１によれば、先に着弾するドット径の半分以下の場所に後からの液滴が着弾することで、ドット形状のばらつきが少なくなる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。

例えば上記第１実施形態においては、吐出速度を異ならせる構成として、ノズル孔４１ｂ、４１ｃの吐出面における流路断面積を異ならせた例を示したが、これに限られるものではない。例えば他の実施形態として図７に示すノズルプレート１４１のように、上流側のノズル孔１４１ｂが下流側のノズル孔１４１ｃよりも絞り量が大きい構成としてもいい。すなわち、例えば吐出面の開口面積が同じであっても、流路の絞り量が大きい方が、流速が速くなる。すなわち、ノズルプレート１４１はノズル孔１４１ｂ，１４１ｃのテーパ角が異なり、ノズルプレート１４１のノズル孔１４１ｂのベースプレート４２側の開口径Ｄｎ３が、ノズル孔１４１ｃの開口径Ｄｎ４よりも大きく構成されている。この場合にあっても、複数のノズル孔１４１ｂ、１４１ｃにおいて上流側の流速が下流側よりも速くなるように流速を異ならせることができるため、上記第１実施形態と同様に複数のノズル孔１４１ｂ、１４１ｃから吐出される液滴の着弾位置を近づけ、あるいは揃えることにより所望の着弾形状が得られる。

また、流路断面積を異ならせる位置は吐出面に限られるものではなく、ノズル孔の中途部であってもよい。例えば他の実施形態として図８に示すノズルプレート２４１において、ノズル孔２４１ｂ，２４１ｃはその中途部に最小径となる絞り部が配置されている。この場合にあっても、絞り部の開口径である流路径をＤｎ１＜Ｄｎ２とすることで、複数のノズル孔１４１ｂ、１４１ｃにおいて上流側の流速が下流側よりも速くなるように流速を異ならせることができるため、上記第１実施形態と同様に着弾位置を近づけ、あるいは揃えることができ、所望の着弾形状が得られる。
アクチュエータ等の各部の形状及び構造も上記実施形態に限られるものではない。

この他、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…インクジェット記録装置、１３…画像形成部、１６…制御部、１６ａ…ＣＰＵ、３０…ヘッドユニット、３１…インクジェットヘッド、３２…インクタンク、３３…接続流路、３３ａ…供給流路、３３ｂ…回収流路、３４…循環ポンプ、４１、１４１，２４１，４１…ノズルプレート、４１ａ…ノズルセット、４１ｂ、１４１ｂ、２４１ｂ、４４１ｂ…ノズル孔、４１ｃ、１４１ｃ、２４１ｃ、４４１ｃ…ノズル孔、４２…ベースプレート、４３…フレーム、４４…マニフォルド、４４ａ…供給路、４４ｂ…回収路、４５…圧電ブロック、４５ａ…圧電素子（駆動素子）、４６ａ…供給孔、４６ｂ…回収孔、４７…電極、Ｃ１…圧力室、Ｃ２…共通室。

Claims (5)

1. １以上の圧力室と、
   前記圧力室に連通する複数のノズル孔を有するノズルプレートと、を備え、
   共通する前記圧力室に連通する複数の前記ノズル孔は、吐出対象物が相対的に移動する第１方向における上流側のノズル孔からの液体の吐出速度が、下流側のノズル孔からの液体の吐出速度よりも速い、液体吐出ヘッド。
2. 前記第１方向における下流側の前記ノズル孔が、上流側の前記ノズル孔よりも、流路の断面積が大きい、請求項１記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記第１方向における下流側の前記ノズル孔が、上流側の前記ノズル孔よりも、流路の絞り量が小さい、請求項１記載の液体吐出ヘッド。
4. 共通する前記圧力室に連通する一対のノズル孔の間の距離をＰｔ，吐出対象物との相対移動速度をＶ，前記ノズル孔の吐出部と前記吐出対象物との距離をＧ，一対の前記ノズル孔から吐出する液滴の吐出速度をそれぞれｖ１，ｖ２としたとき、
   ２＊Ｐ＞Ｖ＊Ｇ（ｖ２−ｖ１）／ｖ１＊ｖ２＞０の関係式を満たす、請求項１乃至３のいずれか記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記１乃至４のいずれかに記載の液体吐出ヘッドと、
   所定の搬送路に沿って前記吐出対象物を搬送する搬送装置と、を備える液体吐出装置。