JP2020108948A - 液体吐出モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】吐出口近傍に新鮮なインクを循環供給しながら、高いエネルギ効率で安定した吐出動作を行うことが可能な液体吐出モジュールを提供する。【解決手段】液体吐出モジュール１００は、圧力室３と、圧力室３に液体を供給する供給流路５と、圧力室３より液体を回収する回収流路６と、供給流路５または回収流路６の一方に接続する送液室２２とを有する。更に、液体吐出モジュール１００は、供給流路５又は回収流路６の他方と送液室２２とを接続する接続流路７を有する。送液室２２には、送液室２２の容積を膨張及び収縮させることにより、供給流路５、圧力室３、回収流路６、送液室２２、及び接続流路７において液体を循環させる送液機構８が設けられている。接続流路７の流路抵抗に対する、供給流路５、圧力室３及び回収流路６の流路抵抗の和の比は、０．５以上である。【選択図】図２

Description

本発明は液体吐出モジュールに関する。

インクジェット記録ヘッドのような液体吐出モジュールでは、吐出動作が暫く行われない吐出口において揮発成分の蒸発が進み、インク（液体）の変質が課題となる場合がある。揮発成分が蒸発すると、色材などの含有成分の濃度が上昇し、色材が顔料である場合は顔料の凝集や沈降が起き、吐出状態に影響を与えるためである。具体的には、吐出量及び吐出方向がばらつき、画像内に濃度むらやスジが確認されることがある。

このようなインクの変質を抑制するため、近年では、液体吐出モジュール内でインクを循環させて、常に新鮮なインクを吐出口に供給する方法が提案されている。特許文献１には、吐出のためのエネルギ発生素子に隣接する位置にアクチュエータを配し、吐出口の極近い位置でインク循環を促す構成が開示されている。

国際公開第２０１３／０３２４７１号

しかしながら、特許文献１の構成ではエネルギ発生素子に隣接して配されたアクチュエータが流路（圧力室）を圧搾するように上下運動するため、アクチュエータの振幅を見越した高さの圧力室が必要となる。このため、エネルギ発生素子における吐出動作のためのエネルギ効率が低下してしまう。また、吐出口が形成されている面内にアクチュエータが配置されているため、吐出口が形成された板厚がアクチュエータ形成の制約を受け、吐出口を薄くすること即ち小型化が困難である。従って、吐出口内での圧力損失が大きく吐出の際により多くのエネルギを消費してしまうという課題がある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものである。よって、その目的とするところは、吐出口近傍に新鮮なインクを循環供給しながら、高いエネルギ効率で安定した吐出動作を行うことが可能な液体吐出モジュールを提供することである。

そのために本発明は、吐出口に連通し該吐出口から吐出するための液体を収容する圧力室と、前記圧力室に設けられ、前記吐出口から液体を吐出させるためのエネルギを発生するエネルギ発生素子と、前記圧力室に液体を供給する供給流路と、前記圧力室より液体を回収する回収流路と、前記回収流路に接続する送液室と、前記送液室と前記供給流路とを接続する接続流路と、前記送液室の容積を膨張及び収縮させることにより、前記供給流路、前記圧力室、前記回収流路、前記送液室、及び前記接続流路において液体を循環させる送液手段と、を備える液体吐出モジュールであって、前記接続流路の流路抵抗に対する、前記供給流路、前記圧力室及び前記回収流路の流路抵抗の和の比は、０．５以上であることを特徴とする。

本発明によれば、吐出口近傍に新鮮なインクを循環供給しながら、高いエネルギ効率で安定した吐出動作を行うことが可能となる。

インクジェット記録ヘッドの斜視図である。 流路ブロックの流路構成を示す図である。 送液機構の構造及び動作を説明するための図である。 アクチュエータに印加する電圧と送液室の容積変化量を示す図である。 流路抵抗、流体イナータンス、レイノルズ数と送液効率の関係を示す図である。 膨張時の最大レイノルズ数、収縮時のレイノルズ数と送液効率の関係を示す図である。

図１は、本発明の液体吐出モジュールとして使用可能なインクジェット記録ヘッド１００（以下、単に記録ヘッドとも言う）の斜視図である。記録ヘッド１００は、複数の吐出素子がＹ方向に配列して成る素子基板４が、更にＹ方向に複数配列して構成されている。ここでは、素子基板４が、Ａ４サイズの幅に対応する距離だけＹ方向に配列して構成されるフルライン型の記録ヘッド１００を示している。

素子基板４の夫々は、フレキシブル配線基板１０１を介して、同じ電気配線基板１０２に接続している。電気配線基板１０２には、電力を受容するための電力供給端子１０３と吐出信号を受信するための信号入力端子１０４が配備されている。一方、インク供給ユニット１０５には、不図示のインクタンクより供給されたインクを個々の素子基板４に供給したり、記録で消費されなかったインクを回収したりする循環流路が形成されている。

以上の構成のもと、素子基板４に配された吐出素子のそれぞれは、信号入力端子１０４より入力された記録データに基づき、電力供給端子１０３から供給された電力を用い、インク供給ユニット１０５より供給されたインクを図のＺ方向に吐出する。

図２（ａ）及び（ｂ）は、素子基板４における１つの流路ブロックの流路構成を示す図である。１つの素子基板４には複数の流路ブロックが形成されており、図２（ａ）は、複数の流路ブロックのうちの１つを吐出口面と対向する側（＋Ｚ方向側）から見た透視図である。また、図２（ｂ）は同図（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ断面図である。

１つの流路ブロックには、図２（ａ）に示すように、Ｙ方向に配列する８つの吐出口２と、これら吐出口のそれぞれに対応づけて用意された８つの圧力室３と、２つの供給流路５と、２つの回収流路６が含まれている。そして、２つの供給流路５のそれぞれは、４つずつの圧力室３に共通してインクを供給し、２つの回収流路６のそれぞれは、４つずつの圧力室３より共通してインクを回収する。後述する送液機構８は、１つの流路ブロックに対し１つ設けられている。

図２（ｂ）に示すように、本実施形態の素子基板４は、第２の基板１３、中間層１４、第１の基板１２、機能層９、流路形成部材１０及び吐出口形成部材１１が、この順にＺ方向に積層して構成される。機能層９の表面には電気熱変換素子であるエネルギ発生素子１が配設され、吐出口形成部材１１のエネルギ発生素子１に対応する位置には、吐出口２が形成されている。Ｙ方向に配列する複数のエネルギ発生素子１の間には、機能層９と吐出口形成部材１１の間を介在する流路形成部材１０が隔壁となって配され、個々のエネルギ発生素子１及び吐出口２に対応する圧力室３を形成している。

圧力室３に収容されているインクは、安定状態において、吐出口２でメニスカスを形成している。吐出信号に従ってエネルギ発生素子１に電圧パルスが印加されると、エネルギ発生素子１に接触するインクに膜沸騰が生じ、発生した泡の成長エネルギによって吐出口２からインクが滴としてＺ方向に吐出される。液体の吐出口２から吐出される方向（ここではＺ方向）を下方から上方に向かう方向とすると、インクは下方から上方に向けて吐出される。実際のインク吐出において、重力方向上方から下方に向けて吐出されることもあり、この場合は重力方向上方が下方、重力方向下方が上方ということになる。吐出動作によって消費された圧力室３内のインクは、圧力室３及び吐出口２の毛管力によって新たに供給され、吐出口２においてメニスカスを再形成する。尚、本実施形態では、吐出口２、エネルギ発生素子１、圧力室３を組み合わせたものを吐出素子と称する。

図２（ｂ）に示すように、本実施形態の素子基板４においては、第２の基板１３、中間層１４、第１の基板１２、機能層９、流路形成部材１０及び吐出口形成部材１１のそれぞれが壁となって、循環流路が形成されている。そしてこの循環流路は、供給流路５、圧力室３、回収流路６、送液室２２及び接続流路７に区分することができる。

圧力室３は、吐出素子ごとに用意されている。供給流路５及び回収流路６は、ブロック内の４つの吐出素子ごとに用意され、供給流路５は４つの圧力室３に共通してインクを供給し、回収流路６は４つの圧力室３より共通してインクを回収する。

送液室２２及び接続流路７は、８つの吐出素子即ち１つの流路ブロックごとに１つずつ用意されている。送液室２２は、ＸＹ平面において８つのエネルギ発生素子１と重複する位置に配されている。送液室２２には送液室２２の容積を変更可能な送液機構８が配備されており、送液機構８は８つの圧力室３に共通してインクの循環を行う。接続流路７は、Ｙ方向において、流路ブロックのほぼ中央に配置され、送液室２２と供給流路とを接続している。ここで、接続流路７が接続する供給流路の位置は、２つの供給流路５に分岐されるよりも上流側の位置である。

以上の構成のもと、送液機構８を適切に駆動することにより、供給口１５を介して供給されたインクを、供給流路５、圧力室３、回収流路６、送液室２２、接続流路７の順に、循環させることができる。このような循環は、吐出動作の有無や頻度に係らずに安定的に行われ、吐出口２近傍には常に新鮮なインクを供給することが可能となる。なお、図には示していないが、圧力室３の手前の供給流路５の途中には、異物や気泡などの流入を防ぐためのフィルタを設けておくことが好ましい。フィルタとしては、柱状構造物などを採用することができる。

素子基板４は、第１の基板１２と第２の基板１３の夫々で構造物を予め形成しておき、その後、第１の基板１２と第２の基板１３を、後に接続流路７となる位置に溝が形成された中間層１４を挟んで図のように貼り合わせることによって製造することができる。この際、図では、接続流路７を中間層１４と第１の基板１２との間に配しているが、接続流路７は中間層１４と第２の基板との間に配してもよい。具体的には、溝が形成された面を第１の基板１２に向けて貼り合わせれば図２（ｂ）のように中間層１４と第１の基板１２との間に接続流路７が形成される構成となる。一方、溝が形成された面を第２の基板１３に向けて貼り合わせれば、中間層１４と第２の基板１３との間に接続流路７が形成される構成となる。

なお、送液室２２及び接続流路７については、必ずしも中間層１４を用いて形成する必要は無く、第１の基板１２の−Ｚ方向側及び第２の基板１３の＋Ｚ方向側の少なくとも一方をエッチングして形成してもよい。

以下、上記構造の具体的な寸法例について説明する。本実施形態において、個々の吐出素子、即ちエネルギ発生素子１、吐出口２及び圧力室３は、Ｙ方向に１２００ｎｐｉ（ｎｏｚｚｌｅｓ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）の密度で配列する。エネルギ発生素子１の大きさは３２μｍ×１２μｍ、吐出口２の直径は１５μｍ、吐出口２の厚さ、即ち吐出口形成部材１１の厚み、は８μｍとする。圧力室３の大きさは、Ｘ方向３７μｍ（長さ）×Ｙ方向１７μｍ（幅）×Ｚ方向１３μｍ（高さ）とする。なお、使用するインクの粘度は３ｃＰ、個々の吐出口からのインク吐出量は４ｐＬとする。

本実施形態において、個々のエネルギ発生素子１の駆動周波数は１５ＫＨｚとする。このような駆動周波数は、個々の吐出素子において、エネルギ発生素子１に電圧を印加してから実際にインクが吐出され、更に新たなインクがリフィルされて次の吐出動作が可能になるまでに要される時間に基づいて設定される。

安定した吐出動作が維持できる程度に吐出口２におけるインクの増粘を抑えるためには、少なくとも吐出口２の高さの１／２より上位にあるインクまで、循環されることが好ましい。そして、そのためには、圧力室３の高さをＨ、吐出口２の厚さをＰ、循環流に沿った吐出口２の開口長さ（通常は直径）をＷとした場合、下記（式１）を満たすことが求められる。上述した本実施形態の寸法例は（式１）を満たすように設計されている。
Ｈ^-0.34×Ｐ^-0.66×Ｗ＞１．５ （式１）

一方、本実施形態の素子基板４において、供給流路５の大きさは、Ｘ方向５０μｍ×Ｙ方向３０μｍ×Ｚ方向２００μｍとする。また、回収流路６の大きさは、Ｘ方向２５μｍ×Ｙ方向２５μｍ×Ｚ方向２００μｍとする。接続流路７の大きさは、Ｘ方向２５μｍ×Ｙ方向１３μｍ×Ｚ方向２５μｍとする。

本実施形態では以上のような寸法関係とすることで、接続流路７の流路抵抗及びイナータンスを、供給流路５、回収流路６、圧力室３を合わせた流路の流路抵抗及びイナータンスよりも低くしている。ここで、「供給流路５、回収流路６、圧力室３を合わせた流路の流路抵抗及びイナータンス」とは、２つの供給流路５、８つの圧力室３、２つの回収流路６それぞれの並列的な流路抵抗の和と、これらの直列的な流路抵抗の和とを総合したものを示す。なお、上記に示した各部の寸法値は一例に過ぎず、要求仕様に応じて、適宜変更してもよい。

図３（ａ）〜（ｃ）は、送液機構８の構造及び動作を説明するための図である。本実施形態では、送液機構８として、薄膜圧電体２４とこれを表裏面から挟む２つの電極２３及びダイヤフラム２１を有する圧電アクチュエータを採用する。送液機構８（以後、アクチュエータ８とも称す）は、ダイヤフラム２１が送液室２２に露出するように第２の基板１３上に配置されている。

ダイヤフラム２１は、Ｘ方向２５０μｍ×Ｙ方向１２０μｍ×Ｚ方向２μｍ程度のＳｉなどで構成される。薄膜圧電体２４はＰＺＴ圧電薄膜であり、その厚みは２μｍ程度である。薄膜圧電体２４は、ゾルゲル法やスパッタリングなどにより成膜することができ、電極２３などとともにフォトリソグラフィによって、第２の基板１３にパターニングすることが可能である。

２つの電極２３を介し薄膜圧電体２４に電圧を印加すると、ダイヤフラム２１が薄膜圧電体２４に対してたわみ、送液室２２の容積が変動する。即ち、２つの電極２３に印加する電圧を変動させることにより、ダイヤフラム２１を±Ｚ方向に変位させ、送液室２２の容積を変化させることができる。

図３（ｂ）は、薄膜圧電体２４に電圧を印加していないデフォルト状態を示している。デフォルト状態において、薄膜圧電体２４の電極間にはバイアス電圧が印加されており、ダイヤフラム２１は送液室２２の内部に突出した状態となっている。一方、図３（ｃ）は、薄膜圧電体２４に最大電圧３０Ｖを印加した膨張状態を示している。この際には駆動電圧とバイアス電圧が打ち消しあい、ダイヤフラム２１は薄膜圧電体２４の側に貼りつき、送液室２２の容積は図３（ｂ）に示すデフォルト状態の容積よりも増大する。ダイヤフラム２１は、薄膜圧電体２４に印加する電圧の程度に応じて、図３（ａ）のデフォルト状態と図３（ｂ）の膨張状態の間を変位する。

以上説明したように、本実施形態の素子基板４においては、アクチュエータ８と複数のエネルギ発生素子１とが、異なる面に配置されている。よって、特許文献１のようにアクチュエータの変位が圧力室３の容積に影響することはなく、特許文献１よりも吐出時のエネルギ効率を向上させることができる。また、アクチュエータ８が配置された面とエネルギ発生素子１が配列された面とを、これら面の法線方向から見て重複するようにＺ方向にずらして設けているため、特許文献１よりも吐出素子を高密度に配列させることができる。そして、その結果として高解像化と小型化を両立させることが可能となる。

ところで、アクチュエータを用いた系においては固有のヘルムホルツ共振周波数が存在する。上述した系におけるヘルムホルツ共振周波数は１５０ｋＨｚ、即ちヘルムホルツ周期は６．７μｓｅｃ程度であり、本実施形態ではこの共振周波数を利用してアクチュエータ８を駆動する。

図４（ａ）及び（ｂ）は、アクチュエータ８を駆動するために印加する電圧と、当該電圧によって増減する送液室２２の容積変化量を示す図である。どちらの図においても、印加する電圧を実線で示し容積変化量を破線で示している。また、どちらの図においても、送液室２２の体積が膨張する方向を電圧の正方向とし、最大電圧を３０Ｖ、駆動周期を５０．０μｓｅｃとしている。即ち、アクチュエータ８の駆動周波数は２０ＫＨｚとなり、この値はエネルギ発生素子の駆動周波数１５ＫＨｚよりも十分高い値となる。このように、アクチュエータ８の駆動周波数を吐出素子の駆動周波数よりも十分高くすることにより、吐出素子の個々の吐出動作がアクチュエータの駆動の影響でばらついてしまうのを抑えることができる。

以下、経過時間ｔに対する電圧と容積変化量を図４（ａ）と（ｂ）のそれぞれの場合について説明する。

図４（ａ）の場合、駆動開始ｔ＝０．０μｓｅｃからｔ＝２．５μｓｅｃの間で、電圧を０Ｖから３０Ｖに一定の傾きで上昇させ、その後ｔ＝２．５μｓｅｃからｔ＝５０．０μｓｅｃの間で、電圧を３０Ｖから０Ｖに一定の傾きで降下させる。そして、このような電圧の上昇と下降を５０．０μｓｅｃの周期で繰り返す。ここで、電圧を上昇させるときの立ち上げ時間Δｔ＝２．５μｓｅｃは、ヘルムホルツ周期（６．７μｓｅｃ）の１／２付近になるように調整した値である。

ここで、容積変化量を示す破線に着目すると、送液室２２の容積は、立ち上げ時間Δｔ＝２．５μｓｅｃで一気に増加しているのが分かる。このような送液室２２の効率的な膨張は、立ち上げ時間Δｔをヘルムホルツ周期（６．７μｓｅｃ）の１／２付近即ちΔｔ＝２．５μｓｅｃにすることにより得られるものである。一方、立ち上げ時間Δｔの後の容積は、電圧の下降とともにヘルムホルツ周期（６．７μｓｅｃ）の残留振動に伴う増減を繰り返しながら、徐々に振幅を縮小させ、元の値（容積変化量０）に戻っている。

ここで、送液室２２の急激な膨張においては、速い流速が得られるため、レイノルズ数が大きく接続流路７の近傍に渦が発生し、この渦が接続流路７から送液室２２への流れを妨げる。一方、送液室２２の緩やかな収縮においては、遅い流速が得られるため、レイノルズ数は小さく平行流となりやすく、送液室２２からは接続流路７へも回収流路６へも緩やかな速度で液体が流出する。本実施形態においては、このような急激な膨張に伴う送液室２２への流入速度と緩やかな収縮に伴う送液室２２からの流出速度に差が生じることを利用する。そして、送液室２２から接続流路７へ結果的に移動する流量を定量化し、アクチュエータ８におけるポンプ機能を実現させている。

ここで、送液室２２の容積変化量に対する接続流路への送出流量の比を送液効率と定義すると、図４（ａ）に示す駆動の場合、送液効率は０．５０％となる。

一方、図４（ｂ）は、ヘルムホルツ周期の残留振動に伴う体積の増減を打ち消すように、電圧制御を行う場合のパルス形状と容積変化を示している。本例の駆動パルスにおいても、立ち上げ時間Δｔ＝２．５μｓｅｃで、電圧を０Ｖから３０Ｖに上昇させ、送液室２２を効果的に膨張させている。但し、その後は、電圧の降下と上昇又は維持を繰り返しながら、電圧を段階的に０Ｖまで降下させている。

具体的には、ｔ＝２．５μｓｅｃからｔ＝８．０μｓｅｃの間は電圧を３０Ｖで維持し、ｔ＝８．０μｓｅｃからｔ＝８．７μｓｅｃの間で電圧を３０Ｖから２３Ｖまで下降させる。そして、ｔ＝８．７μｓｅｃからｔ＝１１．４μｓｅｃの間は電圧を２３Ｖで維持し、ｔ＝１１．４μｓｅｃからｔ＝１１．９μｓｅｃの間で電圧を２３Ｖから２６Ｖまで上昇させる。ｔ＝１１．９μｓｅｃからｔ＝１４．７μｓｅｃの間は電圧を２６Ｖで維持し、ｔ＝１４．７μｓｅｃからｔ＝１６．０μｓｅｃの間で電圧を２６Ｖから１８Ｖまで下降させる。ｔ＝１６．０μｓｅｃからｔ＝１８．３μｓｅｃでの間は電圧を１８Ｖで維持し、ｔ＝１８．３μｓｅｃからｔ＝１８．９μｓｅｃの間で電圧を１８Ｖから１６Ｖまで下降させる。更に、ｔ＝１８．９μｓｅｃからｔ＝２４．５μｓｅｃの間は電圧を１６Ｖで維持し、ｔ＝２４．５μｓｅｃからｔ＝５０．０μｓｅｃの間で電圧を１６Ｖから０Ｖまで一定の傾きで下降させる。その後は、このような電圧の上昇と下降を５０．０μｓｅｃの周期で繰り返す。

ここで、容積変化量を示す破線に着目すると、送液室２２の容積は、立ち上げ時間Δｔ＝２．５μｓｅｃで一気に増加し、その後１〜２回の増減の後に元の容積（容積変化量０）に戻る。本例を図４（ａ）の破線と比較すると、本例の方が容積の増減の程度や数が図４（ａ）よりも抑えられていることが分かる。これは、本例では、ヘルムホルツ周期の残留振動に伴う体積の増減に逆らうように電圧値を制御しているためである。図４（ｂ）に示す駆動の場合、送液効率は３．２０％となり、図４（ａ）に比べて送液効率を高めることができる。即ち、立ち上げ時間Δｔの膨張の後は、残留振動に伴う体積の増減に逆らうように、ヘルムホルツ共振の周期に同期して電圧を増減したり維持したりすることにより、送液室２２の容積を緩やかに変化させ、結果として送液効率を向上させることが可能となる。

本実施形態の記録ヘッド１００の場合、個々の吐出口で安定した吐出動作を維持するためには、吐出口近傍での循環流速を吐出口からの蒸発速度の少なくとも２７倍、概ね３ｍｍ／ｓｅｃ以上とすることが好ましい。そして、３ｍｍ／ｓｅｃ以上の循環流速を得るためには、粘度が３ｃＰのインクでは１．００％以上、粘度が１０ｃＰのインクでは１．７５％以上の送液効率が得られることが求められる。即ち、３．２０％の送液効率が得られる図４（ｂ）に示す駆動方法を採用すれば、一般的なインクを用いた場合でも１０ｃＰ程度の高粘度インクを用いた場合でも、メニスカスの近傍までインクを循環させ、安定した吐出動作を維持することが可能となる。

なお、本発明者らの検討によれば、粘度が３ｃＰ程度の一般的なインクを用いて図４（ｂ）に示す駆動方法を採用したところ、吐出口２近傍において１０．０ｍｍ／ｓｅｃ程度の平均流速が得られることが確認された。また、粘度が１０ｃＰ程度の高粘度なインクを用いた系で同様の検討を行ったところ、吐出口２近傍において５．５ｍｍ／ｓｅｃ程度の平均流速が確認された。

本実施形態においては、送液機構８が備えられた送液室２２に流体的に隣接する位置に流路抵抗または流体イナータンスが適切に調整された接続流路７を配備することによって、循環流路全体の送液効率を向上させている。以下、接続流路７における流路抵抗及び流体イナータンスと送液効率の関係について説明する。

図５（ａ）〜（ｃ）は、接続流路７の流路抵抗、流体イナータンス、最大レイノルズ数Ｒｅのそれぞれと送液効率の関係を説明するための図である。これらの図は、図１〜図３で示した液体吐出ヘッドを用いた場合についてシミュレーションで求めた結果を示すものである。但し、本シミュレーションにおいて、アクチュエータ８は残留振動の影響を受けず直線的に変位することを条件としている。この場合、上述した寸法のもと、最大電圧を３０Ｖとした駆動においては、５．６％の送液効率が得られるものとする。従って、上述した寸法のもとで３．２０％の送液効率が得られる図４（ｂ）に示す駆動方法を採用した場合、実際に得られる送液効率は、図５（ａ）〜（ｃ）のグラフで示される値に対しておよそ４／７（≒３．２０／５．６０）程度となる。

図５（ａ）において、横軸は、接続流路７の流路抵抗に対する供給流路５、圧力室３及び回収流路６の流路抵抗の和の比（以下、流路抵抗比）を示している。本シミュレーションは、図１〜図３で示した液体吐出ヘッドをモデルとしている。よって、ここでの「流路抵抗の和」とは、２つの供給流路５、８つの圧力室３、２つの回収流路６それぞれの並列的な流路抵抗の和と、これらの直列的な流路抵抗の和とを総合して求めたものを示す。

本シミュレーションにおいて、接続流路７の流路抵抗は、接続流路７の断面寸法を調整することによって変化させている。即ち、横軸においては右に進むほど、接続流路７の断面が大きく流路抵抗が小さいことを意味している。図では、このような流路抵抗比に対するアクチュエータ８の送液効率と、送液室２２膨張時、即ち立ち上げ時間Δｔにおける最大レイノルズ数（Ｒｅ）をプロットしている。レイノルズ数の算出には、接続流路７の水力等価直径を代表寸法として使用している。

流路抵抗比が０．３の場合、レイノルズ数Ｒｅと送液効率は、他のプロット位置に比べて大きく低下しているのが分かる。これは、接続流路７の流路抵抗が大きくなると、流速が低下し渦が発生しにくくなり、送液室２２内への流入速度と流出速度の差が生じにくくなるためである。一方、流路抵抗比を０．５以上とすればレイノルズ数Ｒｅと送液効率は大きく上昇し、実使用においても吐出口の増粘抑制効果を十分に期待できる値となる。そして、図によれば、流路抵抗比を０．７以上且つ６．０以下とすれば、より好ましい送液効率が得られることが分かる。

図５（ｂ）において、横軸は、接続流路７の流体イナータンスに対する供給流路５、圧力室３及び回収流路６の流体イナータンスの和の比（以下、流体イナータンス比）を示している。接続流路７の流体イナータンスは、接続流路７の断面寸法を調整することによって変化させている。即ち、横軸においては右に進むほど、接続流路７の断面が大きく流体イナータンスが小さいことを意味している。図では、このような流体イナータンス比に対するアクチュエータ８の送液効率と、送液室２２膨張時の最大レイノルズ数（Ｒｅ）をプロットしている。レイノルズ数の算出には、図５（ａ）と同様、接続流路７の水力等価直径を代表寸法として使用している。

流体イナータンス比が２．１の場合、レイノルズ数Ｒｅと送液効率は、他のプロット位置に比べて大きく低下しているのが分かる。これは、接続流路７の流体イナータンスが小さいと、接続流路７と送液室２２の間で出入りする流体の量と、回収流路６と送液室２２の間で出入りする流体の量との差が、生じにくくなるためである。一方、流体イナータンス比を２．５以上とすればレイノルズ数Ｒｅと送液効率は大きく上昇し、実使用においても吐出口の増粘抑制効果を十分に期待できる値となる。そして、図によれば、流体イナータンス比を３．０以上且つ８．０以下とすれば、より好ましい送液効率が得られることが分かる。

図５（ｃ）は、送液室膨張時における最大レイノルズ数（Ｒｅ）と、送液効率の関係を示す図である。最大レイノルズ数（Ｒｅ）は、接続流路７の断面寸法を調整することによって変化させている。膨張時の最大レイノルズ数は４０以上の値が得られている。

図６（ａ）及び（ｂ）は、膨張時の最大レイノルズ数、収縮時のレイノルズ数の絶対値の平均値（Ａｖｅ｜Ｒｅ｜）と送液効率の関係を表している。ここで、平均|レイノルズ数|（Ａｖｅ｜Ｒｅ｜）とは、各時間Ｒｅ(ｔ)の絶対値を平均化したものを表す。収縮時の流れは振動流を含んでおり、流れの大きさを表す上で、絶対値を用いるのが適している。図６（ａ）は、膨張時の最大レイノルズ数Ｒｅと平均|レイノルズ数|（Ａｖｅ｜Ｒｅ｜）との差（膨張時最大レイノルズ数−収縮時平均|レイノルズ数|）を示すグラフである。図６（ａ）より、当該差が概ね１０以上であれば送液効率が得られ、ポンプとして機能することがわかる。

図６（ｂ）は、膨張時最大レイノルズ数Ｒｅと収縮時平均|レイノルズ数|（Ａｖｅ｜Ｒｅ｜）を別々にプロットしたグラフである。送液室２２の収縮時（駆動波形ｔ＝２．５〜５０μｓに対応する液室変位）での平均|レイノルズ数|は１０以下（概ね１０以下）となっている。その結果、膨張、収縮の内、速い流速が得られる側（本実施例では膨張時）では、接続流路７近傍に渦が発生し、遅い流速では渦が発生しないため、膨張時と収縮時に渦の有無による流量差が発生する。このことにより高い送液効率が得られる。

このような膨張時と収縮時のレイノルズ数の差が、接続流路７から送液室２２に流入する量と送液室２２から接続流路７に流入する量との間に差を生じさせ、結果的に一定量のインクを送液室２２から接続流路７へ移動させることになる。そして、送液室膨張時における最大レイノルズ数（Ｒｅ）が大きいほど、上記一定量が増大し、送液効率を向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態の素子基板４においては、アクチュエータ８と複数のエネルギ発生素子１とが、異なる面に配置されている。よって、特許文献１のようにアクチュエータの変位が圧力室３の容積ひいては吐出素子の吐出動作に影響することはなく、特許文献１よりも吐出時のエネルギ効率を向上させることができる。また、アクチュエータ８が配置された面とエネルギ発生素子１が配列された面とを、これら面の法線方向から見て重複するようにＺ方向にずらして設けているため、特許文献１よりも吐出素子を高密度に配列させながら小型化を実現することができる。

その上で、本発明によれば、送液機構８が設けられた送液室２２と接続する位置に、流路抵抗や流体イナータンスを適切に調整した接続流路７を配備することにより、循環流路全体の送液効率を向上させている。その結果、吐出口２の近傍に位置するインクも循環させ、吐出口２におけるインクの増粘を抑え、安定した吐出動作を維持することが可能となる。

なお、以上では、送液室の急激な膨張と緩やかな収縮を繰り返すことによって一定量の液体の流れを生成したが、膨張のための時間と収縮のための時間の長短関係は逆転させてもよい。即ち、送液室の緩やかな膨張と急激な収縮を繰り返すことによっても、膨張時と収縮時での流速差によって、液体を循環することはできる。例えば、電圧を降下させる時間を２．５μｓｅｃ程度に短くすると、送液室２２が収縮するときの最大レイノルズ数が４０以上になり、送液室２２が収縮するときに接続流路７の近傍に渦が発生する。そして、残りの時間を、電圧を上昇させるための時間に割り当てれば、送液室２２が膨張するときの平均｜レイノルズ数｜は１０以下に抑えられ渦は発生しにくくなる。よって、このような急激な収縮と緩やかな膨張を繰り返すことにより、５０．０μｓｅｃ毎に一定量のインクを接続流路７から送液室２２へ移動させることが可能となり、上記実施形態とは逆の方向の循環流を生成することができる。即ち、送液室の容積が膨張するときと収縮するときにおいて、一方の最大レイノルズ数が１０以上（好ましくは４０以上）となり、他方の平均｜レイノルズ数｜が１０以下となれば、好ましい速度でインクを循環させることができる。

但し、本実施形態のようなインクジェット記録ヘッドの場合、吐出によって消費されたインクはなるべく速やかに吐出口２に補充されることが求められる。よって、圧力室３に接続する２つの流路のうち、供給口１５に直接連通している流路を供給流路とする本実施形態の循環方向の方がより好ましいといえる。

また、以上では、図４（ｂ）の駆動方法を採用する場合を前提に本実施形態の効果を説明してきたが、本発明は図４（ｂ）の駆動方法に限定されるものではない。ヘルムホルツ周期の共振による体積の増減に対抗するために採用可能な電圧の波形は、更に別の形状とすることもできる。即ち、電圧の上昇や下降の幅は図４（ｂ）に記載した値以外であってもよいし、上昇、下降、及び維持に要する時間も図４（ｂ）に記載した値に限定されることはない。

加えて、本発明は、ヘルムホルツ周期の残留振動に逆らうような駆動波形を必ずしも採用しなくてもよく、例えば、図４（ａ）の駆動制御を採用することもできる。図４（ａ）のような駆動波形であっても、流路抵抗や流体イナータンスが適切に調整された接続流路７が送液室２２に流体的に隣接する位置に配されていれば、膨張時と収縮時で流出速度の差を生成することはできる。つまり、従来に比べてインクの送液効率を向上させることはできる。

また、本実施形態の流体ブロックは、図２（ａ）に示した形態に限定されるものではない。１つの送液機構８でインクを循環させる吐出素子（圧力室３）の数は、８より多くてもよいし少なくてもよい。また、１つの流体ブロックに設けられる供給流路５及び回収流路６の数は、２より多くてもよいし少なくてもよい。一般には、Ｎ×Ｍ個の圧力室と、Ｎ個ずつの圧力室に共通に液体を供給するＭ個の供給流路と、Ｎ個ずつの圧力室より共通に液体を回収するＭ個の前記回収流路と、を含む流路全体を１つの送液機構８で循環させる単位を、１つのブロックとすることができる。ここで、Ｎ及びＭは１以上の整数である。

また、図２（ａ）及び（ｂ）では、吐出素子がＹ方向に１列に並ぶ形態の素子基板４を例に説明したが、素子基板４にはこのような吐出素子列がＸ方向に２列以上配置されていても良い。

また、以上ではエネルギ発生素子１として電気熱変換素子を用い、ここで膜沸騰を生じさせ生成された泡の成長エネルギでインクを吐出する形態としたが、本発明はこのような吐出方法に限定されるものではない。例えば、圧電アクチュエータ、静電アクチュエータ、機械／衝撃駆動型アクチュエータ、音声コイルアクチュエータ、磁気歪み駆動型アクチュエータ等、様々な方式の素子をエネルギ発生素子として採用することができる。

更に、以上では図１を参照し、素子基板４が、Ａ４サイズの幅に対応する距離だけＹ方向に配列して構成されるフルライン型の記録ヘッドを例に説明したが、本発明の液体吐出モジュールはシリアル型の記録ヘッドにも採用することはできる。但し、フルライン型のように長尺な記録ヘッドのほうが、インクの蒸発や変質という本発明の課題がより顕著に現れやすいことから、本発明の効果をより顕著に享受することができる。

更にまた、以上では色材を含有するインクを吐出する記録ヘッドを例に説明してきたが、本発明の液体吐出モジュールはこれに限定されるものではない。例えば、画質を向上させるために用意された透明液を吐出するものであってもよいし、対象物に何らかの液体を一様に付与するなど画像の記録以外の目的で使用されるモジュールであってもよい。いずれにしても、複数の吐出口から微細な液体を滴として吐出する液体吐出モジュールであれば、本発明は有効に機能させることができる。

１ エネルギ発生素子
２ 吐出口
３ 圧力室
４ 素子基板
５ 供給流路
６ 回収流路
７ 接続流路
８ 送液機構
２２ 送液室

Claims (16)

1. 吐出口に連通し該吐出口から吐出するための液体を収容する圧力室と、
   前記圧力室に設けられ、前記吐出口から液体を吐出させるためのエネルギを発生するエネルギ発生素子と、
   前記圧力室に液体を供給する供給流路と、
   前記圧力室より液体を回収する回収流路と、
   前記回収流路に接続する送液室と、
   前記送液室と前記供給流路とを接続する接続流路と、
   前記送液室の容積を膨張及び収縮させることにより、前記供給流路、前記圧力室、前記回収流路、前記送液室、及び前記接続流路において液体を循環させる送液手段と、
   を備える液体吐出モジュールであって、
   前記接続流路の流路抵抗に対する、前記供給流路、前記圧力室及び前記回収流路の流路抵抗の和の比は、０．５以上であることを特徴とする液体吐出モジュール。
2. 前記接続流路の流路抵抗に対する、前記供給流路、前記圧力室及び前記回収流路の流路抵抗の和の比は、０．７以上且つ６．０以下である請求項１に記載の液体吐出モジュール。
3. 吐出口に連通し該吐出口から吐出するための液体を収容する圧力室と、
   前記圧力室に設けられ、前記吐出口から液体を吐出させるためのエネルギを発生するエネルギ発生素子と、
   前記圧力室に液体を供給する供給流路と、
   前記圧力室より液体を回収する回収流路と、
   前記回収流路に接続する送液室と、
   前記送液室と前記供給流路とを接続する接続流路と、
   前記送液室の容積を膨張及び収縮させることにより、前記供給流路、前記圧力室、前記回収流路、前記送液室、及び前記接続流路において液体を循環させる送液手段と、
   を備える液体吐出モジュールであって、
   前記接続流路の流体イナータンスに対する、前記供給流路、前記圧力室及び前記回収流路の流体イナータンスの和の比は、２．５以上であることを特徴とする液体吐出モジュール。
4. 前記接続流路の流体イナータンスに対する、前記供給流路、前記圧力室及び前記回収流路の流体イナータンスの和の比は、３．０以上且つ８．０以下である請求項３に記載の液体吐出モジュール。
5. 前記送液手段は、前記送液室の容積の膨張する速度が収縮する速度よりも大きくなるように、駆動される請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
6. 前記送液室の容積が膨張するときのレイノルズ数と、前記送液室の容積が収縮するときのレイノルズ数のうち、前記送液室の容積が膨張するときの最大のレイノルズ数と、前記送液室の容積が収縮するときのレイノルズ数の絶対値の平均値との差が１０以上であり、且つ前記平均値が１０以下である請求項１から５のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
7. 前記送液手段は、薄膜圧電体と、該薄膜圧電体に電圧を印加するための電極と、前記薄膜圧電体に電圧が印加されることによって変位し前記送液室の容積を変化させるダイヤフラムと、を有するアクチュエータである請求項１から６のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
8. 前記アクチュエータを駆動するための電圧の波形には、前記ダイヤフラムの残留振動を抑制するための波形が含まれる請求項７に記載の液体吐出モジュール。
9. 前記送液手段の駆動周波数は前記エネルギ発生素子の駆動周波数よりも高い請求項１から８のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
10. 前記エネルギ発生素子が配列された平面と前記送液手段が配置された平面は、当該平面の法線方向から見て重複するように配置され、前記液体の前記吐出口から吐出される方向を下方から上方に向かう方向としたとき、前記送液手段は、前記エネルギ発生素子が配列された面よりも下方に位置している請求項１から９のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
11. 前記供給流路は複数の前記圧力室に共通して液体を供給し、前記回収流路は複数の前記圧力室より共通して液体を回収する請求項１から１０のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
12. 前記送液手段は複数の前記圧力室の液体を共通に循環させる請求項１から１１のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
13. １つの前記送液手段と、Ｎ個ずつの前記圧力室に共通して液体を供給するＭ個の前記供給流路と、Ｎ個ずつの前記圧力室より共通して液体を回収するＭ個の前記回収流路と、Ｎ×Ｍ個の前記圧力室とを含む、複数のブロックを有し、
    前記Ｎ×Ｍ個の前記圧力室、前記Ｍ個の前記供給流路、前記Ｍ個の前記回収流路、及び前記複数のブロックは、平行に配列する請求項１から１２のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
14. 前記接続流路は、前記エネルギ発生素子が配列された面と前記送液手段が配置された面との間に設けられている請求項１から１３のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
15. 前記送液手段は、前記圧力室において液体が３ｍｍ／ｓｅｃ以上の速度で移動するように駆動される請求項１から１４のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。
16. 前記液体は色材を含有するインクであり、前記エネルギ発生素子は記録データに従って駆動される請求項１から１５のいずれか１項に記載の液体吐出モジュール。

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