JP2020168756A - 液体吐出装置、及びこれを備える画像記録装置 - Google Patents

液体吐出装置、及びこれを備える画像記録装置 Download PDF

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Abstract

【課題】内部の液体に混入した気泡を良好に排出することの出来る液体吐出装置を提供する。【解決手段】液体を吐出する液体吐出装置は前記液体用の流路部材を備える。流路部材には、前記液体を収容する圧力室と、前記液体を吐出するノズルと、前記圧力室と前記ノズルとを接続する接続流路と、前記接続流路に接続されて前記接続流路内の前記液体を排出し、又は前記圧力室に接続されて前記圧力室内の前記液体を排出する排出路とが形成されている。前記排出路の延在方向に直交する平面と前記排出路を画定する上面との交線が、上方且つ弧状に凸である。【選択図】図4

Description

本発明は、液体吐出装置、及びこれを備える画像記録装置に関する。
インク等の液体を液体吐出装置を介して用紙等の媒体に吐出し、これにより媒体に画像を記録する画像記録装置が用いられている。液体吐出装置は、一般に液体を収容する圧力室と、圧力室に流体的に接続されたノズルとを備え、アクチュエータ等を用いて圧力室の内圧を高めることにより、ノズルから液体を吐出する。
このような液体吐出装置及び画像記録装置においては、液体吐出装置の内部において液体の特性が変質し、記録される画像に品質低下が生じるという問題が知られている。液体の特性変化は、例えば、画像記録装置の未使用時に、液体吐出装置内に滞留した液体において生じ得る。
この問題に対し、特許文献1は、再循環流路を備え、動作中又は待機中にインクを連続的に再循環させるプリントヘッドアセンブリを開示している。
特表2015−509454号公報
液体吐出装置及び画像記録装置によって記録される画像の品質低下の原因として、液体の特性変化の他に、液体への気泡の混入が知られている。したがって、液体吐出装置は、内部の液体に混入した気泡を良好に排出出来ることが望ましいが、特許文献1に記載されるプリントヘッドアセンブリの再循環流路は、プリントヘッドアセンブリ内のインクに混入した気泡を良好に排出できるとは言えない。
本発明は、内部の液体に混入した気泡を良好に排出することの出来る液体吐出装置、及び画像記録装置を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様に従えば、
液体を吐出する液体吐出装置であって、
前記液体用の流路部材を備え、
該流路部材には、
前記液体を収容する圧力室と、
前記液体を吐出するノズルと、
前記圧力室と前記ノズルとを接続する接続流路と、
前記接続流路に接続されて前記接続流路内の前記液体を排出し、又は前記圧力室に接続されて前記圧力室内の前記液体を排出する排出路とが形成されており、
前記排出路の延在方向に直交する平面と前記排出路を画定する上面との交線が、上方且つ弧状に凸である液体吐出装置が提供される。
第1の態様の液体吐出装置において、前記排出路は、前記接続流路に接続されて前記接続流路内の前記液体を排出しても良い。
第1の態様の液体吐出装置において、前記排出路を画定する第1側面と前記平面との交線が第1の直線であってよく、第1側面と対向して前記排出路を画定する第2側面と前記平面との交線が第2の直線であってよく、前記上面と対向して前記排出路を画定する底面と前記平面との交線が第3の直線であってよく、第1の直線及び第2の直線は、第3の直線の両端部から互いに向かって傾斜して上方に延びてもよい。
第1の態様の液体吐出装置において、前記平面と前記排出路を画定する底面との交線が、前記平面と前記上面との上方且つ弧状に凸である前記交線の一端と他端を繋ぐ直線であってもよい。
第1の態様の液体吐出装置において、前記平面と前記排出路を画定する周面との交線が円形であってもよい。
第1の態様の液体吐出装置において、前記平面と前記排出路を画定する周面との交線が楕円形であってもよい。
第1の態様の液体吐出装置において、前記楕円形の短軸方向が上下方向に延びてもよい。
第1の態様の液体吐出装置において、前記排出路の幅が、前記排出路の高さよりも大きくてもよい。
第1の態様の液体吐出装置において、前記排出路の幅と、前記排出路の高さとが等しくてもよい。
第1の態様の液体吐出装置において、前記排出路の幅方向における前記接続流路の幅が、前記排出路の幅よりも大きくてもよい。
第1の態様の液体吐出装置において、前記排出路の前記上面の表面粗さが、前記接続流路の内面の表面粗さよりも大きくてもよい。
第1の態様の液体吐出装置において、前記接続流路が、上下方向に延びる第1部分、及び第1部分の下端部から前記排出路の延在方向に沿って延びる第2部分を有してもよく、前記ノズル及び前記排出路が第2部分に接続されていてもよい。
第1の態様の液体吐出装置において、前記流路部材は、第1プレート及び第1プレートの上に重ねられた第2プレートを含む積層構造を有してもよく、前記排出路が第1プレートの上面の凹溝と第2プレートの下面の凹溝とにより画成されていてもよい。
第1の態様の液体吐出装置において、前記ノズルが第1プレートを貫通していてもよい。
第1の態様の液体吐出装置において、前記流路部材には、前記圧力室、前記接続流路、前記排出路、前記ノズルがそれぞれ複数形成されていてもよく、前記流路部材には、更に、前記複数の排出路の各々に接続され且つ前記複数の排出路の各々からの前記液体を前記流路部材の外部に送るマニホールドが形成されていてもよく、前記複数の排出路の少なくとも1つが、上方且つ弧状に凸である前記上面の頂部を介して前記マニホールドに接続されていてもよい。
第1の態様の液体吐出装置において、前記流路部材は、該流路部材に液体を供給する供給口及び該流路部材から液体を排出する排出口を有してもよく、前記供給口又は前記排出口にはフィルタが設けられていてもよく、前記排出路の高さが、前記フィルタの穴径よりも大きくてもよい。
第1の態様の液体吐出装置において、前記上面は、前記排出路が前記液体を排出する流れ方向の上流側に位置する前記排出路の端部における上面であってもよい。
本発明の第2の態様に従えば、第1の態様の液体吐出装置と、
前記液体吐出装置に液体を供給する液体供給路と、
前記液体吐出装置から液体を回収する液体回収路と、
前記液体が、前記液体供給路、前記圧力室、前記接続流路、前記排出路、前記液体回収路の順に流れるよう圧力を付与するポンプとを有する画像記録装置が提供される。
本発明の液体吐出装置及び画像記録装置によれば、内部の液体に混入した気泡を良好に排出することができる。
図1は、本発明の実施形態のプリンタの概略的な構成図である。 図2は、本発明の実施形態のインクジェットヘッドの概略的な平面図である。 図3は、図2のIII−III線に沿った断面図である。 図4は、本発明の実施形態のインクジェットヘッドに形成された第2絞り流路の断面図である。 図5(a)〜図5(f)は、第2絞り流路を介した気泡の排出を説明するための説明図である。図5(a)は混入した気泡がディセンダ流路内に位置する状態を、図5(b)は混入した気泡の一部が第2絞り流路へと押し込まれた状態示す。図5(c)は図5(b)のC−C線に沿った断面図である。図5(d)は混入した気泡の全部が第2絞り流路内に位置する状態を示す。図5(e)は図5(d)のE−E線に沿った断面図である。図5(f)は、気泡が比較例の流路内に位置する様子を示す。 図6(a)〜図6(h)はそれぞれ、第2絞り流路の断面形状の変形例を示す断面図である。 図7は、変形例のインクジェットヘッドの概略的な断面図である。 図8は、他の変形例のインクジェットヘッドの概略的な断面図である。
[実施形態]
本発明の実施形態のインクジェットヘッド(液体吐出装置)100、及びインクジェットヘッド100を備えるプリンタ(画像形成装置)1000について、用紙Pに画像を記録する場合を例として説明する。
<プリンタ1000>
図1に示す通り、本実施形態のプリンタ1000は、4つのインクジェットヘッド100を含むラインヘッド200と、ラインヘッド200の下方に設けられたプラテン300と、プラテン300を挟んで設けられた一対の搬送ローラ401、402と、インクタンク500とを主に備える。
図2に示す通り、プリンタ1000は更に、インクタンク500から送られたインクを収容するサブタンク600と、サブタンク600のインクをインクジェットヘッド100に送るインク供給路(液体供給路)701と、インクジェットヘッド100のインクをサブタンク600に送るインク回収路(液体回収路)702と、インク供給路701の途中に設けられたポンプ800とを備える。なお、図1、図2は概略図であるため、図1のインクジェットヘッド100と、図2のインクジェットヘッド100とは平面視形状が一致しないが、両図のインクジェットヘッド100は同一である。
以下の説明においては、一対の搬送ローラ401、402が並ぶ方向、即ち画像形成時に用紙Pが搬送される方向をプリンタ1000及びインクジェットヘッド100の「用紙送り方向」と呼ぶ。「用紙送り方向」については、用紙Pが搬送される方向の上流側を「給紙側」と呼び、下流側を「排紙側」と呼ぶ。また、用紙送り方向と直交する水平面内の方向、即ち、搬送ローラ401、402の回転軸の延びる方向を「用紙幅方向」と呼び、「用紙送り方向」及び「用紙幅方向」に直交する方向を「上下方向」と呼ぶ。本明細書の流路の説明において「上流側」、「下流側」とは、内部を液体が流れる方向の上流側、下流側を意味する。
ラインヘッド200は、用紙幅方向に長手方向を有し、用紙送り方向に短手方向を有する平面視矩形の保持部材201と、保持部材201に保持された4つのインクジェットヘッド100を備える。保持部材201は、長手方向の両端部において、支持部(不図示)に支持されている。
保持部材201には、4つのインクジェットヘッド100が、用紙幅方向に沿って千鳥状に設置されている。各インクジェットヘッド100はノズル14(後述)を下方に向けて、保持部材201に保持されている。
プラテン300は、インクジェットヘッド100から用紙Pに向けてインクが吐出される際に、用紙Pをインクジェットヘッド100とは反対側(下方)から支持する板状部材である。プラテン300の用紙幅方向の幅は、プリンタ1000による画像記録が可能な最も大きな用紙の幅よりも大きい。
一対の搬送ローラ401、402は、プラテン300を用紙送り方向に挟んで配置されている。一対の搬送ローラ401、402は、インクジェットヘッド100による用紙Pへの画像形成時に、用紙Pを所定の態様で用紙送り方向の排紙側に送る。
インクタンク500は、インクジェットヘッド100が吐出するインクを収容する収容部である。
サブタンク600、インク供給路701、インク回収路702、及びポンプ800は、ラインヘッド200の保持部材201に、4つのインクジェットヘッド100の各々に対して1つずつ設けられている。
サブタンク600とインクタンク500とは、インク流路部材501により接続されている。インク供給路701、インク回収路702は、それぞれ、一端においてサブタンク600に接続されており、他端においてインクジェットヘッド100に接続されている。ポンプ800は、インク供給路701、インクジェットヘッド100、インク回収路702、サブタンク600により構成される循環流路に沿ってインクを循環させる。図2においてはポンプ800はインク供給路701の途中に設けられているがこれには限られない。
<インクジェットヘッド100>
次に、インクジェットヘッド100について説明する。
インクジェットヘッド100は、流路ユニット(流路部材)10と、流路ユニット10の上に設けられた圧電アクチュエータ20により構成されている(図2、図3)。
<流路ユニット10>
流路ユニット10には、サブタンク600からのインクを適切な位置に分配して吐出するための流路CHが形成されている。流路ユニット10は、8枚のプレート10A〜10Hが上からこの順に積層された積層構造を有し、プレート10A〜10Hの各々の一部を除去することにより流路CHが形成されている。
図2、図3に示す通り、流路CHは、用紙送り方向及び用紙幅方向に配列された複数の個別流路ICHと、インク供給路701から供給されたインクを複数の個別流路ICHへと分配する供給マニホールド流路M1と、複数の個別流路ICHからのインクを合流してインク回収路702へと流す帰還マニホールド流路M2とを主に含む。インク供給路701と供給マニホールド流路M1とを接続する流入口P1と、インク回収路702と帰還マニホールド流路M2とを接続する流出口P2も、流路CHの一部である。
個別流路ICHは、用紙送り方向に並んで個別流路列LICHを構成している。供給マニホールド流路M1及び帰還マニホールド流路M2は、1つの個別流路列LICHに対して1つずつ設けられており、帰還マニホールド流路M2は供給マニホールド流路M1の下方に配置されている。本実施形態では、12個の個別流路LICHにより構成される個別流路列LICHが用紙幅方向に6列形成されており、供給マニホールド流路M1、帰還マニホールド流路M2はそれぞれ6つずつ形成されている。
複数の個別流路ICHの各々は、供給マニホールド流路M1から分配されたインクの一部をインクジェットヘッド100の下面100dの所定位置から吐出し、その他の一部を帰還マニホールド流路M2へと戻すための流路である。複数の個別流路ICHの各々は、インクの流れの上流側から下流側に沿って、第1絞り流路11、圧力室12、ディセンダ流路13、ノズル14、第2絞り流路(排出路)15を含む。
第1絞り流路11は、供給マニホールド流路M1のインクを圧力室12へと送る流路であり、プレート10B、10Cの一部を取り除いて形成されている。第1絞り流路11は、上流端において供給マニホールド流路M1に、下流端において圧力室12に接続している。
第1絞り流路11は、流路断面積を小さくし、流路長さを大きくすることにより、大きな流路抵抗を有するよう構成されている。これにより、圧力室12への圧力付与時(後述)に圧力室12から供給マニホールド流路M1へのインクの逆流が抑制される。第1絞り流路11の延在方向に直交する面による断面形状は矩形又は正方形である。
圧力室12は、圧電アクチュエータ20による圧力をインクに付与するための空間であり、流路ユニット10の最上部に位置するプレート10Aの一部を取り除いて形成されている。圧力室12の上面は圧電アクチュエータ20の第1圧電層21(後述)により形成されている。
圧力室12の平面視形状は、用紙幅方向に長い略矩形であり(図2)、一方の短辺近傍に第1絞り流路11が、他方の短辺近傍にディセンダ流路13が接続している。用紙送り方向に並ぶ12個の圧力室12が圧力室列L12を構成している。
ディセンダ流路13は、圧力室12のインクをノズル14へと流す流路であり、プレート10B〜10Gの各々に円形の貫通孔を同軸状に設けることにより形成されている。ディセンダ流路13は圧力室12からノズル14に向かって下方に延びている。
ノズル14は、インクを用紙Pに向けて吐出する微小開口であり、流路ユニット10の最下部に位置するプレート10Hに形成されている。用紙送り方向に並ぶ12個のノズル14がノズル列L14を構成している。ノズル14及びノズル列L14が形成されたプレート10Hの下面が、インクジェットヘッド100の下面100dである。隣接する個別流路列LICHは用紙送り方向にわずかにずれて配置されており、隣接するノズル列L14も同様であるため、下面100dにおいては、ノズル14が用紙送り方向にほぼ隙間なく配置されている。
第2絞り流路(排出路)15は、ノズル14のインクの一部を帰還マニホールド流路M2に向けて流す流路である。第2絞り流路15は、上流端においてディセンダ流路13の周面に接続しており、下流端において帰還マニホールドM2に接続している。
第2絞り流路15の、延在方向(ここでは用紙幅方向)に直交する平面(以下適宜「直交平面」と呼ぶ)による断面の形状は、台形の上底を上に凸の円弧に置き換えた形状を有する(図4)。即ち第2絞り流路15の断面形状CSは、直線状の底部(第3の直線)CS1、上に凸の円弧状の円弧部CS2、底部CS1の一端と円弧部CS2の一端とを繋ぐ第1脚部(第1の直線)CS3、及び底部CS1の他端と円弧部CS2の他端とを繋ぐ第2脚部(第2の直線)CS4からなる。第1、第2脚部CS3、CS4は、円弧部CS2の両端部から下方に向けて幅方向に広がりながら延びて底部CS1の両端部に接続している。より具体的には、第1脚部CS3は、円弧部CS2の一端から底部CS1の一端へと延び、第2脚部CS4は、円弧部CS2の他端から底部CS1の他端へと延び、底部CS1の延びる方向(第2絞り流路15の幅方向)における第1脚部CS3と第2脚部CS4との間の距離が、底部CS1に近づくつれて大きくなっている。換言すれば、第1脚部CS3、第3脚部CS4は、底部CS1の両端部から互いに向かって傾斜して上方に延びて円弧部CS2の両端部に接続している。
底部CS1は、第2絞り流路15を画定する底面151と直交平面との交線である。円弧部CS2は、第2絞り流路を画定する上面152と直交平面との交線であり、第1、第2脚部CS3、CS4は、それぞれ、第2絞り流路を画定する第1側面153、第2側面154と直交平面との交線である。この断面形状は、ディセンダ流路13と帰還マニホールド流路M2との間に延びる第2絞り流路15の全域において一定である。
第2絞り流路15の幅(底面151の幅、底部CS1の長さ)W15は、第2絞り流路15の高さ(底面151から上面152の頂部までの高さ。底部CS1から円弧部CS2の頂部までの高さ)H15に等しくてもよく、高さH15よりも大きくてもよい。幅W15は一例として50μm〜100μm程度であり、高さH15は一例として20μm〜70μm程度である。
また、第2絞り流路15との接続箇所におけるディセンダ流路13の直径をD13とすると、幅W15は直径D13よりも小さい。このように、第2絞り流路15は、幅W15、高さH15ともにディセンダ流路13の直径D13より小さく、第2絞り流路15の断面積もディセンダ流路13の断面積よりも小さい。そのため、第2絞り流路15の流路抵抗はディセンダ流路13の流路抵抗よりも大きく、圧力室12への圧力付与時にディセンダ流路13から帰還マニホールド流路M2へと過剰な量のインクが流れることが抑制される。
底部CS1と第1脚部CS3との間の内角の角度θと底部CS1と第2脚部CS4との間の内角の角度θは互いに等しい。角度θ、角度θは、それぞれ60°〜80°程度である。
第2絞り流路15は、プレート10Hの上面と、プレート10Gの下面に形成された上方向に凹んだ溝(一例としてハーフエッチングにより形成される)によって画定されている。具体的には、第2絞り流路15の底面151はプレート10Hの平坦な上面によって形成されており、第2絞り流路15の上面152、第1側面153、第2側面154は、プレート10Gに形成された上方向に凹んだ溝の底面、側面により形成されている。ディセンダ流路13の下端面もプレート10Hの上面により形成されているため、第2絞り流路15の下面151とディセンダ流路13の下端面とは面一である。
本実施形態のインクジェットヘッド100においては、上記の構造を有する第2絞り流路15により、ディセンダ流路13内の気泡を効率よく帰還マニホールド流路M2に流すことが出来る。その理由については後述する。
供給マニホールド流路M1の各々は、対応する個別流路列LICHの複数の個別流路ICHの各々にインクを分配する分配部M11と、分配部M11と流入口P1とを繋ぐ接続部M12とを有する。
分配部M11は、プレート10Dの一部を取り除いて形成された、用紙送り方向に直線状に延びる流路である。分配部M11の用紙送り方向の給紙側、排紙側の端部はそれぞれ、対応する個別流路列LICHの給紙側端部、排紙側端部に位置する個別流路ICHよりも給紙側、排紙側にある。分配部M11の用紙送り方向の排紙側の端部は閉塞しており、用紙送り方向の給紙側の端部は接続部M12に接続している。
供給マニホールド流路M1の分配部M11の上面(即ち、プレート10Cの下面)には、対応する個別流路列LICHの複数の個別流路ICHの第1絞り流路11が、用紙送り方向に並んで接続されている。
接続部M12は、プレート10Dの一部を取り除いて形成され、分配部M11の用紙送り方向の給紙側の端部より、用紙送り方向から用紙幅方向右側へと傾いた方向に延び、流入口P1に接続している。
流入口P1は、プレート10A〜10Cの各々に貫通孔を同軸状に設けることにより形成されており、上側においてインク供給路701に、下側において供給マニホールド流路M1の接続部M12に接続している。
帰還マニホールド流路M2の各々は、対応する個別流路列LICHの複数の個別流路ICHの各々からのインクを合流する合流部M21と、合流部M21と流出口P2とを繋ぐ接続部M22とを有する。
合流部M21は、プレート10Gの一部を取り除いて形成された、用紙送り方向に直線状に延びる流路である。合流部M21の用紙送り方向の給紙側、排紙側の端部はそれぞれ、対応する個別流路列LICHの用紙送り方向の給紙側、排紙側に位置する個別流路ICHよりも給紙側、排紙側にある。合流部M21の用紙送り方向の排紙側の端部は閉塞しており、用紙送り方向の給紙側の端部は接続部M22に接続している。
帰還マニホールド流路M2の合流部M21を画定する側面(即ち、プレート10Gの除去により現れる面)には、対応する個別流路列LICHの複数の個別流路ICHの第2絞り流路15が、用紙送り方向に並んで接続されている。
接続部M22は、プレート10Gの一部を取り除いて形成され、合流部21の用紙送り方向の給紙側の端部より、用紙送り方向から用紙幅方向左側へと傾いた方向に延び、流出口P2に接続している。
流出口P2は、プレート10A〜10Fの各々に貫通孔を同軸状に設けることにより形成されており、上側においてインク回収路702に、下側において帰還マニホールド流路M2の接続部M22に接続している。
供給マニホールド流路M1の分配部M11と、帰還マニホールド流路M2の合流部M21とは、上下方向に重複している(図2、図3)。供給マニホールド流路M1の分配部M11と帰還マニホールド流路M2の合流部M21とが上下方向に重複している領域においては、プレート10Eの下面10Ed及びプレート10Fの上面10Fuがそれぞれ除去されて、プレート10E、10Fが薄くなっている。これにより、プレート10Eとプレート10Fとの間、換言すれば供給マニホールド流路M1と帰還マニホールド流路M2との間に、ダンパ室DRが画定されている。
ダンパ室DRを備えることにより、供給マニホールド流路M1の下面を構成するプレート10Eと、帰還マニホールド流路M2の上面を構成するプレート10Fとがそれぞれ変形可能となる。これらの変形により、供給マニホールド流路M1内、及び帰還マニホールド流路M2内のインクの圧力変動が抑制される。
流入口P1とインク供給路701との接続部、流出口P2とインク回収路702との接続部にはフィルタFが設けられている。フィルタFを通過した微小な異物等が第2絞り流路15に詰まることのないよう、フィルタFの穴径は第2絞り流路15の高さH15よりも小さくし得る。図2では、6つの流入口P1及び6つの流出口P2の全てに対して1つのフィルタFが設けられているが、各流入口P1、各流出口P2に対して個別にフィルタを設けてもよく、流入口P1、流出口P2にいずれか一方にのみフィルタを設けてもよい。
<圧電アクチュエータ20>
圧電アクチュエータ20は、流路ユニット10の上面に設けられた第1圧電層21と、第2圧電層21の上方の第2圧電層22と、第1圧電層21、第2圧電層22に挟まれた共通電極23と、第2圧電層22の上面に設けられた複数の個別電極24により構成されている。
第1圧電層21は、流路ユニット10に形成された複数の個別流路ICH及び複数の圧力室12の全てを覆うように、プレート10Aの上面に設けられている。第1圧電層21の上面には、第1圧電層21の上面のほぼ全域を覆って共通電極23が設けられており、共通電極23の上面には、第1圧電層21及び共通電極23の全域を覆って第2圧電層22が設けられている。
第1圧電層21及び第2圧電層22は、例えば、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との混晶であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を主成分とする圧電材料により形成されている。なお、第1圧電層21は、例えば合成樹脂材料等、圧電材料以外の絶縁性材料により形成されていてもよい。
共通電極23は配線(不図示)を介して接地されており、常にグランド電位に保持されている。
複数の個別電極24の各々は、用紙幅方向を長手方向とする略矩形の平面形状を有する(図2)。複数の個別電極24は、複数の個別流路ICHの圧力室12の上方にそれぞれが位置するように、第2圧電層22の上面に設けられている(図2)。複数の個別電極24の各々は、対応する圧力室12の中央部の上方に位置するように位置合わせされている。
第1圧電層21、第2圧電層22、共通電極23、及び複数の個別電極24が上記の通り配置された構造において、第2圧電層22のうち、共通電極23と複数の個別電極24の各々とに挟まれた部分は、厚み方向に分極した活性部22aとなる。
複数の個別電極24の各々の、用紙幅方向一方側の端部(平面視において、圧力室12のディセンダ流路13とは反対側に位置する端部)には、接続端子24aが画成されている。個別電極24の各々は、接続端子24a及び配線(不図示)を介してドライバIC(不図示)に接続されている。ドライバICは、複数の個別電極24の各々に対して、個別に、グランド電位及び所定の駆動電位(一例として20V程度)のいずれか一方を付与する。
アクチュエータ20を用いて所定の圧力室12(「対象圧力室」と呼ぶ)のインクに圧力を付与する際は、ドライバICが対象圧力室に対応する個別電極24に駆動電位を付与する。その結果、駆動電位が付与された個別電極24と共通電極23とに挟まれた活性部22aに、分極方向と平行な電界が発生し、活性部22aが分極方向と直交する水平方向に収縮する。
この収縮により、対象圧力室の上方に位置する第1圧電層21、共通電極23、第2圧電層22、個別電極24の積層体が全体として対象圧力室側に凸となるよう変形し(撓み)、対象圧力室の容積が小さくなり内部のインクの圧力が上昇する。その結果、ディセンダ流路13を介して圧力室12に連通するノズル14からインクの液滴が吐出される。なお、ドライバICが対象圧力室に対応する個別電極24に付与する電位をグランド電位に切り換えれば、活性部22aの収縮は解消され、対象圧力室のインクへの圧力付与も解消される。
<画像形成方法>
プリンタ1000及びインクジェットヘッド100を用いた用紙Pへの画像形成は次のように行われる。
まず、給紙トレイ(不図示)の用紙Pが搬送ローラ401の給紙側へと送られ、搬送ローラ401によってプラテン300の上へと送られる。複数のインクジェットヘッド100は、用紙Pが搬送ローラ401、402によって送られる間、用紙Pに対してインクの液滴を吐出し、用紙Pに画像を形成していく。画像が形成された用紙Pは、搬送ローラ402の排紙側へと送られ、排紙トレイ(不図示)へと排出される。
インクジェットヘッド100からのインクの液滴の吐出は、複数の個別流路ICHのうちの所望の個別流路ICHの圧力室12内のインクに、アクチュエータ20により圧力を付与することにより行う。これにより、当該個別流路ICHのノズル14から用紙Pに向けてインクの液滴が吐出される。また、吐出と同時に、サブタンク600からインク供給路701、流入口P1、供給マニホールド流路M1を経て個別流路ICHに至るインクの流れが生じ、圧力室12、ディセンダ流路13にインクが供給される。
また、プリンタ1000は、インクジェットヘッド100がインクの吐出を行っていない期間においても、ポンプ800により、サブタンク600から、インク供給路701、供給マニホールド流路M1、個別流路ICH、帰還マニホールド流路M2、インク回収路702を経てサブタンク600に戻る循環流路CCに沿った低速度のインクの循環を維持している。これにより、個別流路ICH内に長期間滞留したインクに特性変化(例えば乾燥による濃度上昇等)が生じることを防止している。
<第2絞り流路15を介した気泡の排出>
次に、本実施形態の第2絞り流路15を介した気泡の排出について説明する。
本実施形態のプリンタ1000及びインクジェットヘッド100を用いた画像形成を行う時、ノズル14を介して、ディセンダ流路13に気泡が混入することがある。ディセンダ流路13に気泡が存在する状態で圧力室12内のインクに圧力を付与した場合、付与された圧力が気泡の圧縮に用いられてしまい、ノズル14を介したインクの吐出が正常に行われない恐れがある。
この点、本実施形態のプリンタ1000及びインクジェットヘッド100においては、循環流路CCに沿ったインクの循環を常時行っているため、ディセンダ流路13に混入した気泡を、この循環により、第2絞り流路15を介して帰還マニホールドM2に流すことができる。
ここで、図5(a)に示すように、第2絞り流路15の高さH15よりも大きな径Dを有する気泡Gが、ノズル14からディセンダ流路13に混入した場合を考える。この時、気泡Gは、インクの循環により第2絞り流路15に向かって流されるが、流路断面が縮小するディセンダ流路13と第2絞り流路15との接続部Xにおいて、その一部のみが第2絞り流路15に入り込み、残りがディセンダ流路13内に残った状態、即ち気泡Gが第2絞り流路15の入口につかえた状態となる(図5(b))。
一般的に気泡は球形又は略球形である。気泡を所定の断面形状を有する管路に押し込んだ際の気泡の断面形状(管路の延在方向に直交する平面による断面形状)は管路の断面形状に応じて様々であるが、気泡の断面形状の上側(重力方向の上側)は、上に凸の円弧状又は弧状となる。
そのため、接続部Xからわずかに第2絞り流路15に押し込まれた気泡Gの接続部Xにおける断面形状は、上側においては円弧部CS2、及び第1、第2脚部CS3、CS4にほぼ沿った形状となる(図5(c))。
また、接続部Xからわずかに第2絞り流路15に押し込まれた気泡Gの接続部Xにおける断面形状は、下側においても、第1、第2脚部CS3、CS4にほぼ沿った形状となる(図5(c))。これは、気泡Gが、第2絞り流路15の底面151及び上面152と、上面152の両端から下方に向けて幅方向に広がりながら延びて底面151の両端に至る第1、第2側面153、154とに周囲から押圧されて、底面151と第1側面153との接続部、及び底面151と第2側面154との接続部に向かって膨らむためである。より具体的には、第1側面153が底面151に対して垂直ではなく、上方に向かうにしたがって幅方向内側に向かうように傾斜しているため、気泡Gは、第1側面153(第1脚部CS3)と底面151(底部CS1)との接続部を中心とする周方向において第1側面153と底面151とに挟まれ、上面152及び第2側面154に向かって膨らもうとする。しかしながら、上面152及び第2側面154に規制されて当該方向に膨らむことができないため、第1側面153と底面151との接続部に向かって膨らむ。気泡Gは同様の理由により、第2側面154と底面151との接続部に向けても膨らむ。
したがって、気泡Gの一部のみが第2絞り流路15に入り込み、残りがディセンダ流路13内に残った状態においては、気泡Gの断面形状はその周囲の大部分において第2絞り流路15の断面形状CSに沿っており、気泡Gと第2絞り流路15との間の隙間は非常に小さい。換言すれば、第2絞り流路15は、気泡Gによって完全又はほぼ完全に塞がれた状態となっている。そのため、インクの循環によりディセンダ流路13と第2絞り流路15との間に大きな圧力差が生じ、気泡Gはこの圧力差によって第2絞り流路15に押し込まれる。
気泡Gの断面形状は、気泡Gが第2絞り流路15に押し込まれた後も同一であり、第2絞り流路15の全域において、第2絞り流路15の断面形状に沿った形状に維持される(図15(d)、(e))。したがって、気泡Gは、第2絞り流路15の内部においてもインクの循環による押圧力をほぼ全て受けて、効率よく帰還マニホールド流路M2まで押し流される。
これに対し、第2絞り流路15を、延在方向に直交する平面による断面形状が正方形である第2絞り流路15’に置き換えた比較例においては、ディセンダ流路13に存在する気泡Gの一部のみが第2絞り流路15’に押し込まれた状態においても、気泡Gの全部が第2絞り流路15’に押し込まれた状態においても、第2絞り流路15’の延在方向に直交する面による気泡Gの断面形状は略円形となり、断面形状が正方形である第2絞り流路15’の角部の各々に隙間が生じる(図5(f))。この隙間の大きさは、比較例の第2絞り流路15’の断面積の20%以上に及ぶ。
このように、第2絞り流路15’を用いた比較例においては、ディセンダ流路13との接続部Xにおいても、その他の領域においても、第2絞り流路15’が気泡Gによって十分に塞がれることがない。そのためインクは、第2絞り流路15’の周面と気泡Gとの間の大きな隙間を流れてしまい、気泡Gを効率よく押すことができない。結果として気泡Gは、第2絞り流路15’のディセンダ流路13との接続部に留まりやすく、仮に第2絞り流路15’に流入した場合でも、第2絞り流路15’の内部に滞留する恐れがある。
本実施形態のインクジェットヘッド100、及び画像形成装置1000の主な効果を以下にまとめる。
本実施形態のインクジェットヘッド100においては、ディセンダ流路13内に混入した気泡を帰還マニホールド流路M2に送る第2絞り流路15の断面形状CSが、上に凸の円弧状である円弧部CS2を含む。したがって、気泡の形状が断面形状CSの円弧部CS2の形状、即ち第2絞り流路15の上面152の形状に倣い、上面152と気泡との間の隙間が小さくなるため、画像品質の低下を引き起こし得る気泡を、効率よく帰環マニホールド流路M2に押し流すことができ、インクジェットヘッド100から良好に排出することができる。
本実施形態のインクジェットヘッド100においては、ディセンダ流路13内に混入した気泡を帰還マニホールド流路M2に送る第2絞り流路15の断面形状CSが、更に底部CS1、第1脚部CS3、第2脚部CS4を有し、全体として略台形状であるため、断面形状CSのアスペクト比が小さい。そのため、(ポンプ800の圧力が同じ場合、)第2絞り流路15の流路抵抗が小さく且つ第2絞り流路15内の流速を大きくできるため、画像品質の低下を引き起こし得る気泡を、効率よく帰環マニホールド流路M2に押し流すことができる。
本実施形態のプリンタ1000は、インクジェットヘッド100を備えるため、上記のインクジェットヘッド100の効果と同一の効果を奏する。
[変形例]
上記の実施形態において、次の変形態様を用いることもできる。
上記の実施形態のインクジェットヘッド100においては、第2絞り流路15の断面形状CS、即ち第2絞り流路15を画定する周面の形状を様々に改変し得る。
一例として、図6(a)に示す通り、第1脚部CS3、第2脚部CS4が、底部CS1に対して垂直であってもよい。この形状は、上記の実施形態の断面形状CSに比較して、製造が容易である。また、上記実施形態の断面形状CSにおいては、角度θと角度θとが等しいが、これらが互いに異なる値であってもよい。
第2絞り流路15の断面形状CSは、図6(b)に示す通り、底部CS1と円弧部CS2のみからなる半円形であってもよい。この変形例では、幅W15は高さH15の2倍であり、アスペクト比は2:1となる。このように、断面形状のアスペクト比を高めることで、第2絞り流路15の流路抵抗をより大きくして、インク吐出時の過剰なインクの流れをより良好に抑制することができる。
図6(b)に示す断面形状CSにおいては、円弧部CS2の曲率半径が底部CS1の長さの1/2であるが、これには限られない。底部CS1の長さを一定に保ったまま円弧部CS2の曲率半径をより大きくすれば、円弧部CS2の頂部と底部CS1との間隔が小さくなり、断面積も小さくなる(図6(c))。反対に、底部CS1の長さを一定に保ったまま円弧部CS2の曲率半径をより小さくすれば、円弧部CS2の頂部と底部CS1との間隔が大きくなり、断面積も大きくなる(図6(d))。
上記実施形態及び変形例の断面形状CSにおいて、円弧部CS2を、一定の曲率半径を有さない弧状の部分(弧部)に置き換えても良い。弧部は、円の一部ではない。本明細書及び特許請求の範囲においては、弧部又は円弧部と、その両端を繋ぐ直線部とにより構成される形状を総称して「弓形」と呼ぶ。
第2絞り流路15の断面形状CSを円形(図6(e))、や楕円形(図6(f)、図6(g))としても良い。この場合は、1枚のプレート10Gに代えて、2枚のプレート10G1、10G2を用い、プレート10G1の下面に形成した上向きに凹んだ溝と、プレート10G2の上面に形成した下向きに凹んだ溝により、円形、楕円形の断面形状CSを有する第2絞り流路15を画定してもよい。上述の通り気泡は一般的に球形であるため、第2絞り流路15の断面形状CSを円形とすれば、第2絞り流路15の周壁と気泡との間の隙間をより小さくできる。
第2絞り流路15の断面形状CSを楕円形とする場合は、短軸方向が上下方向に沿った楕円形とすることで、第2絞り流路15の周壁と気泡との間の隙間をより小さくできる。気泡は浮力により下から押圧されて水平方向に広がるため、水平方向に長い楕円形により倣いやすいためである。
上記実施形態及び変形例の断面形状CSにおいて、幅と高さとの比率、即ちアスペクト比は任意に変更し得る。アスペクト比を大きくすることで、第2絞り流路15の流路抵抗をより大きくすることができる。一方で、アスペクト比を1に近づけることで、一般的に球形である気泡が良好に倣う形状を実現し易くなる。
その他、第2絞り流路15の断面形状CSは、第2絞り流路15の上面152と、第2絞り流路15の延在方向に直交する平面との交線に相当する部分が上方且つ弧状に凸である任意の形状であってよい。これにより、気泡の上部と第2絞り流路15の上面152との間の隙間が小さくなるため、気泡はインクにより効率よく第2絞り流路15の下流側に押される。上方且つ弧状に凸である形状の頂部は、必ずしも流路の幅方向の中央に位置する必要はない。なお、本明細書及び特許請求の範囲では、「流路の上面」、「流路を画定する上面」とは、流路内を流れる液体に対して、重力方向の上側において当該流路を画定する面(又は、流路内を流れる液体に対して、当該液体内の気泡が静水圧による浮力を受けて移動する方向において当該流路を画定する面)を意味する。
上記の実施形態においては、第2絞り流路15の断面形状CSは、第2絞り流路15の延在方向の全域において一定であるが、これには限られない。例えば第2絞り流路15は、ディセンダ流路13との接続部Xのみ、又は接続部Xの近傍の領域のみにおいて、上記実施形態の断面形状CSを有してもよい。この態様によっても、ディセンダ流路13から第2絞り流路15へと効率よく気泡を押し込むことが可能である。なお、この場合、第2絞り流路15のその他の領域における断面形状は矩形や正方形であってもよい。
上記の実施形態においては、第2絞り流路15を、プレート10Hの上面と、プレート10Gの下面にハーフエッチングにより形成した上に凹んだ溝とにより画定しているがこれには限られない。具体的には例えば、プレート10Gに代えて2枚のプレートを用いてもよい。この場合は、第2絞り流路15の上面152(断面形状CSの円弧部CS2)を構成する溝を第1のプレートの下面にハーフエッチングにより形成し、第2絞り流路の第1、第2側面153、154(断面形状CSの第1、第2脚部CS3、CS4)を構成するスリットを第2のプレートにフルエッチングにより形成する。そして、これらを第3のプレートの平坦な上面に重ね、上から第1のプレート、第2のプレート、第3のプレートの順に積層された積層構造とする。
このように、上記実施形態及び変形例の第2絞り流路15(断面形状CS)の形成に何枚のプレートを用いるかは任意に選択し得る。なお、第2絞り流路15の形成に用いるプレートの数を少なくすることでインクジェットヘッド100をより小型化し得る。上記実施形態では、第2絞り流路15の下面151とノズル14とを共にプレート10Hにより形成して、インクジェットヘッド100を小型化している。同様に、変形例の第2絞り流路15の下側をノズル14を形成するためのプレート10Hにより形成することで、インクジェットヘッド100をより小型化し得る(図6(h))。
上記実施形態及び変形例の第2絞り流路15において、上面152の表面粗さを大きくしてもよい。これにより、第2絞り流路15の流路抵抗をより大きくすることができる。第2絞り流路15の上面152の粗面化は、プレート10Gに第2絞り流路15の上面152及び第1、第2側面153、154を画定する溝を形成する際のハーフエッチングの条件を調整することにより行うことができる。粗面化された上面152の表面粗さは、ハーフエッチングが施されていない、例えば第2絞り流路15の下面151やディセンダ流路13の下端面の表面粗さよりも大きく、一例として0.5〜1.5μm(算術平均粗さRa)程度である。
上記実施形態及び変形例のインクジェットヘッド100において、流路ユニット10のディセンダ流路13は、上下方向に延びる第1部分131と、第1部分131から用紙幅方向に延びる第2部分132とを有しても良い(図7)。この場合は、ノズル14は第2部分132の底面に設けられ、第2絞り流路15は、第2部分132の、用紙幅方向に直交する側面に接続する。
この変形態様においては、図7に矢印A1で示す通り、循環流路CCに沿ったインクの流れの方向が第2部分132において用紙幅方向と略平行となる。従って、このインクの流れによって、第2部分132に存在する気泡を、用紙幅方向に直交する側面から用紙幅方向に延びる第2絞り流路15に、より効率よく押し流すことができる。
上記実施形態及び変形例のインクジェットヘッド100においては、第2絞り流路15の下流端は帰還マニホールド流路M2の側面に接続していたが、これには限られない。例えば、図8に示す通り、第2絞り流路15の下流端15eにおいて、第2絞り流路15の上面152の頂部(断面形状CSにおいて円弧部CS2の頂部に相当する位置)から上方に延びて帰還マニホールド流路M2の下面に開口する連通孔Hを設けてもよい。気泡は浮力により上面152の頂部に集まるため、ここに帰還マニホールド流路M2に繋がる連通孔Hを設けることで、第2絞り流路15内の気泡を、より効率よく帰還マニホールド流路M2に流すことができる。
上記実施形態及び変形例のインクジェットヘッド100においては、ポンプ800は、サブタンク600から、インク供給路701、供給マニホールド流路M1、個別流路ICH、帰還マニホールド流路M2、インク回収路702を経てサブタンク600に戻る循環流路CCに沿ってインクを循環させていたがこれには限られない。ポンプ800は、インクが流れる方向を反対とし、サブタンク600から、インク回収路702、帰還マニホールド流路M2、個別流路ICH、供給マニホールド流路M1、インク供給路701を経てサブタンク600に戻る循環流路RCCに沿ってインクを循環させてもよい。
この場合は、個別流路ICHにおいては、インクは、第2絞り流路15、ディセンダ流路13、圧力室12、第1絞り流路11の順に流れ、ノズル14を介してディセンダ流路13に混入した気泡は、圧力室12を経て、第1絞り流路11から供給マニホールド流路M1に排出される。そのため、この変形態様では、第1絞り流路11が本発明の「排出路」に相当し、上記実施形態及び変形例のインクジェットヘッド100において第2絞り流路15が有する断面形状CSを、第1絞り流路11が有する。
以上、インクジェットヘッド100からインクを吐出して用紙Pに画像形成する場合を例として実施形態及び変形例を説明したが、これには限られない。インクジェットヘッド100は、画像成形のために任意の液体を吐出する液体吐出装置であってよく、画像を形成される媒体は用紙P以外の、例えば繊維や樹脂等であってもよい。また、シリアルヘッド型のプリンタにおいてインクジェットヘッド100を用いてもよい。
本発明の特徴を維持する限り、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。
本発明の液体吐出装置及び画像記録装置によれば、気泡の混入による画像品質の低下を抑制して、高品質の画像形成を行うことが出来る。
10 流路ユニット
11 第1絞り流路
12 圧力室
13 ディセンダ流路
14 ノズル
15 第2絞り流路
20 アクチュエータ
100 インクジェットヘッド
200 ラインヘッド
300 プラテン
401、402 搬送ローラ
500 インクタンク
600 サブタンク
701 インク供給路
702 インク回収路
800 ポンプ
900 筐体
ICH 個別流路
M1 供給マニホールド流路
M2 帰還マニホールド流路

Claims (18)

  1. 液体を吐出する液体吐出装置であって、
    前記液体用の流路部材を備え、
    該流路部材には、
    前記液体を収容する圧力室と、
    前記液体を吐出するノズルと、
    前記圧力室と前記ノズルとを接続する接続流路と、
    前記接続流路に接続されて前記接続流路内の前記液体を排出し、又は前記圧力室に接続されて前記圧力室内の前記液体を排出する排出路とが形成されており、
    前記排出路の延在方向に直交する平面と前記排出路を画定する上面との交線が、上方且つ弧状に凸である液体吐出装置。
  2. 前記排出路は、前記接続流路に接続されて前記接続流路内の前記液体を排出する請求項1に記載の液体吐出装置。
  3. 前記排出路を画定する第1側面と前記平面との交線が第1の直線であり、第1側面と対向して前記排出路を画定する第2側面と前記平面との交線が第2の直線であり、前記上面と対向して前記排出路を画定する底面と前記平面との交線が第3の直線であり、
    第1の直線及び第2の直線は、第3の直線の両端部から互いに向かって傾斜して上方に延びる請求項1又は2に記載の液体吐出装置。
  4. 前記平面と前記排出路を画定する底面との交線が、前記平面と前記上面との上方且つ弧状に凸である前記交線の一端と他端を繋ぐ直線である請求項1又は2に記載の液体吐出装置。
  5. 前記平面と前記排出路を画定する周面との交線が円形である請求項1又は2に記載の液体吐出装置。
  6. 前記平面と前記排出路を画定する周面との交線が楕円形である請求項1又は2に記載の液体吐出装置。
  7. 前記楕円形の短軸方向が上下方向に延びる請求項6に記載の液体吐出装置。
  8. 前記排出路の幅が、前記排出路の高さよりも大きい請求項1〜4、6、7のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
  9. 前記排出路の幅と、前記排出路の高さとが等しい請求項1〜5のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
  10. 前記排出路の幅方向における前記接続流路の幅が、前記排出路の幅よりも大きい請求項8又は9に記載の液体吐出装置。
  11. 前記排出路の前記上面の表面粗さが、前記接続流路の内面の表面粗さよりも大きい請求項1〜10のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
  12. 前記接続流路が、上下方向に延びる第1部分、及び第1部分の下端部から前記排出路の延在方向に沿って延びる第2部分を有し、前記ノズル及び前記排出路が第2部分に接続されている請求項1〜11のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
  13. 前記流路部材は、第1プレート及び第1プレートの上に重ねられた第2プレートを含む積層構造を有し、
    前記排出路が第1プレートの上面の凹溝と第2プレートの下面の凹溝とにより画成されている請求項5〜7のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
  14. 前記ノズルが第1プレートを貫通している請求項13に記載の液体吐出装置。
  15. 前記流路部材には、前記圧力室、前記接続流路、前記排出路、前記ノズルがそれぞれ複数形成されており、
    前記流路部材には、更に、前記複数の排出路の各々に接続され且つ前記複数の排出路の各々からの前記液体を前記流路部材の外部に送るマニホールドが形成されており、
    前記複数の排出路の少なくとも1つが、上方且つ弧状に凸である前記上面の頂部を介して前記マニホールドに接続されている請求項1〜14のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
  16. 前記流路部材は、該流路部材に液体を供給する供給口及び該流路部材から液体を排出する排出口を有し、
    前記供給口又は前記排出口にはフィルタが設けられており、
    前記排出路の高さが、前記フィルタの穴径よりも大きい請求項1〜15のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
  17. 前記上面は、前記排出路が前記液体を排出する流れ方向の上流側に位置する前記排出路の端部における上面である請求項1〜16のいずれか一項に記載の液体吐出装置。
  18. 請求項1〜17のいずれか一項に記載の液体吐出装置と、
    前記液体吐出装置に液体を供給する液体供給路と、
    前記液体吐出装置から液体を回収する液体回収路と、
    前記液体が、前記液体供給路、前記圧力室、前記接続流路、前記排出路、前記液体回収路の順に流れるよう圧力を付与するポンプとを有する画像記録装置。
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