JP2022124263A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

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Abstract

【課題】必要な圧力損失を確保し易くなる液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】液体吐出ヘッドは、液体が外部から供給される供給マニホールドと、液体が外部に排出される帰還マニホールド23と、上流端が供給マニホールドに連通され、下流端が帰還マニホールドに連通され、且つ列をなしてノズル面に配置された複数のノズルに対して個別に連通した複数の個別流路とを備え、複数の個別流路の各々は、圧力室、圧力室に連通するディセンダ、帰還マニホールドに連通する帰還絞り路31、および、帰還絞り路とディセンダとの間に介在しノズルに連通する介在流路80を含み、帰還絞り路は介在流路が延在する方向である第1方向とは異なる第2方向に延在し、帰還絞り路の流路断面積は介在流路の流路断面積よりも小さい。【選択図】図3

Description

本発明は、インク等の液体を吐出する液体吐出ヘッドに関する。
従来、供給マニホールドおよび帰還マニホールドを備え、インクタンクと液体吐出ヘッドとの間でインクを循環させるようにした構成が知られている。このような液体吐出ヘッドの一例として、特許文献1には、ノズルの軸心に対して垂直な方向からの流れを作り出す第1部分を設けることで、ノズル近傍の気泡を効果的に除去する構成が開示されている。
特開2020-104364号公報
しかしながら、従来の液体吐出ヘッドでは、上記第1部分の下流側に接続された帰還絞り路(同文献では第2部分と記)の長さを十分に確保することができないという課題があった。そのため、必要な圧力損失を確保することができず、それ故吐出時の圧力を効果的にノズルに与えることができない恐れがあった。
そこで、本発明は、必要な圧力損失を確保し易くなる液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。
本発明の液体吐出ヘッドは、液体が外部から供給される供給マニホールドと、前記液体が外部に排出される帰還マニホールドと、上流端が前記供給マニホールドに連通され、下流端が前記帰還マニホールドに連通され、且つ列をなしてノズル面に配置された複数のノズルに対して個別に連通した複数の個別流路と、を備え、前記複数の個別流路の各々は、圧力室、前記圧力室に連通するディセンダ、前記帰還マニホールドに連通する帰還絞り路、および、前記帰還絞り路と前記ディセンダとの間に介在し前記ノズルに連通する介在流路を含み、前記帰還絞り路は前記介在流路が延在する方向である第1方向とは異なる第2方向に延在し、前記帰還絞り路の流路断面積は前記介在流路の流路断面積よりも小さいものである。
本発明に従えば、帰還絞り路が第1方向とは異なる第2方向に延在するため、帰還絞り路が介在流路の延在方向と同方向に延在する従来態様よりも、当該帰還絞り路の長さを確保することができる。また、介在流路と帰還絞り路との接続部分で曲り損失を発生させることができる。さらに、帰還絞り路の流路断面積が介在流路の流路断面積よりも小さい。これらによって、必要な圧力損失を確保し易くなる。
本発明によれば、必要な圧力損失を確保し易くなる液体吐出ヘッドを提供することができる。
第1実施形態に係る液体吐出ヘッドを備える液体吐出装置の概略構成を示す平面図である。 図1の液体吐出ヘッドを延在方向に直交する線分で切断した断面図である。 (a)は介在流路、帰還絞り路および帰還マニホールドを示す平面図であり、(b)は(a)の介在流路の拡大平面図である。 (a)は介在流路の流路断面を示す図であり、(b)は帰還絞り路の流路断面を示す図である。 介在流路、ノズルおよび帰還絞り路の寸法を説明するための図である。 帰還絞り路の変形例を示す平面図である。
以下、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドについて図面を参照して説明する。以下に説明する液体吐出ヘッドは本発明の一実施形態に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で追加、削除および変更が可能である。
<液体吐出装置の構成>
本実施形態に係る液体吐出ヘッド20を備える液体吐出装置10は、例えばインク等の液体を吐出するものである。以下では、液体吐出装置10をインクジェットプリンタに適用した例について説明するが、液体吐出装置10の適用対象はこれに限定されるものではない。
図1に示すように、液体吐出装置10は、例えばラインヘッド方式が採用され、プラテン11、搬送部、ヘッドユニット16、およびタンク12を備えている。但し、液体吐出装置10はラインヘッド方式に限定されず、例えばシリアルヘッド方式等の他の方式も採用し得る。
プラテン11は平板部材であり、上面に用紙14が配置されてその用紙14とヘッドユニット16との距離を決定する役割を担う。なお、プラテン11よりもヘッドユニット16側を上側と称してその反対側を下側と称するが、液体吐出装置10の配置はこれに限定されない。
搬送部は例えば2つの搬送ローラ15および図略の搬送モータを有する。2つの搬送ローラ15は、上記搬送モータに連結され、プラテン11を互いに挟んだ状態で用紙14の搬送方向に直交する方向(直交方向)に沿って互いに平行に配置されている。搬送モータが駆動されると、搬送ローラ15が回転し、プラテン11上の用紙14が搬送方向に搬送される。
ヘッドユニット16は、上記直交方向における用紙14の長さ以上の長さを有している。ヘッドユニット16には複数の液体吐出ヘッド20が設けられている。
液体吐出ヘッド20は流路形成体と容積変更部との積層体を有する。流路形成体は、内部に液体流路が形成され、吐出面(ノズル面)40aに複数のノズル孔21aが開口している。容積変更部は、駆動されて液体流路の容積を変更する。この場合、ノズル孔21aでは、メニスカスが振動し、液体が吐出される。なお、液体吐出ヘッド20の詳細については後述する。
液体が例えばインクの場合、タンク12は当該インクの種類ごとに設けられている。タンク12は例えば4つ設けられ、4つのタンク12内には、ブラック、イエロー、シアン、およびマゼンタのインクがそれぞれ貯留されている。タンク12のインクは対応するノズル孔21aに供給される。
<液体吐出ヘッドの構成>
液体吐出ヘッド20は、上述の通り流路形成体および容積変更部を備えている。図2に示すように、上記の流路形成体は複数のプレートの積層体であり、上記の容積変更部は振動板55および圧電素子60を有している。
上記の複数のプレートは金属製のエッチングプレートであり、ノズルプレート40、第1流路プレート41、第2流路プレート42、第3流路プレート43、第4流路プレート44、第5流路プレート45、第6流路プレート46、第7流路プレート47、第8流路プレート48、第9流路プレート49、第10流路プレート50、第11流路プレート51、第12流路プレート52、第13流路プレート53、および第14流路プレート54を含む。これらのプレートはこの順で積層されている。
各プレートには、大小様々な孔および溝が形成されている。各プレートが積層された流路形成体の内部では孔および溝が組み合わされて、複数のノズル21、複数の個別流路64、供給マニホールド22および帰還マニホールド23が液体流路として形成されている。
ノズル21はノズルプレート40を積層方向(上下方向)に貫通し形成されている。ノズルプレート40の吐出面40aには、ノズル21の先端である複数のノズル孔21aがノズル列に沿う方向(以下、列方向と記載)に並設されている。列方向は上記の積層方向および後記の幅方向にそれぞれ直交する方向である。
ノズル21の液体に対するイナータンスは帰還絞り路31の液体に対するイナータンスよりも小さい。なお、流路の液体に対するイナータンスMは、M=ρ×L/Sで表される。このイナータンスMの算出式において、ρは液体の密度であり、Lは流路長であり、Sは流路断面積である。
供給マニホールド22は列方向に延在しており、複数の個別流路64に接続されている。帰還マニホールド23は列方向に延在しており、複数の個別流路64に接続されている。供給マニホールド22は帰還マニホールド23の上に配置されている。供給マニホールド22は供給ポート22aに連通し、帰還マニホールド23は図略の帰還ポートに連通する。
複数の個別流路64は供給マニホールド22および帰還マニホールド23に接続されている。個別流路64の上流端は供給マニホールド22に連通し、その下流端は帰還マニホールド23に連通している。また、個別流路64は供給マニホールド22と帰還マニホールド23との間においてノズル21の基端に連通する。個別流路64は、第1連通孔25、供給絞り路26、第2連通孔27、圧力室28、ディセンダ29、介在流路80、帰還絞り路31、および第3連通孔32を有し、これらはこの順に配置されている。なお、本実施形態における介在流路80の詳細については後で述べる。
第1連通孔25は、その下端が供給マニホールド22の上端に接続し、供給マニホールド22から積層方向の上方に延び、第12流路プレート52における上側部分を積層方向に貫通している。第1連通孔25は、供給マニホールド22の幅方向の中央よりも一方側(図2では右側)に配置されている。
供給絞り路26の一端は第1連通孔25の上端に接続されている。供給絞り路26は、例えばハーフエッチング加工により形成され、第13流路プレート53の下面から窪んだ溝により構成されている。また、第2連通孔27は、その下端が供給絞り路26の他端に接続され、供給絞り路26から積層方向の上方に延び、第13流路プレート53における上側部分を積層方向に貫通している。第2連通孔27は、幅方向における供給マニホールド22の中央よりも他方側(図2では左側)に配置されている。
圧力室28はその一端が第2連通孔27の上端に接続されている。圧力室28は第14流路プレート54を積層方向に貫通して形成されている。
ディセンダ29は、第2流路プレート42~第13流路プレート53を積層方向に貫通し、幅方向において供給マニホールド22および帰還マニホールド23よりも他方側(図2では左側)に配置されている。ディセンダ29は、その上端が圧力室28の他端に接続され、その下端が介在流路80に接続されている。なお、ディセンダ29の断面積は積層方向に一定であってもよいし、変化してもよい。
介在流路80は第1流路プレート41を積層方向に貫通し、ディセンダ29よりも下方に配置されている。介在流路80はディセンダ29と帰還絞り路31との間に介在する。なお、介在流路80の詳細については後述する。
帰還絞り路31は、その一端が介在流路80の第2部分80bの下流端に接続されている。帰還絞り路31は例えばハーフエッチング加工により形成され、第1流路プレート41の下面から窪んだ溝により構成されている。
第3連通孔32は、その下端が帰還絞り路31の他端に接続され、帰還絞り路31から積層方向の上方に延び、第1流路プレート41における上側部分を積層方向に貫通している。第3連通孔32は、その上端が帰還マニホールド23の下端に接続されている。第3連通孔32は、幅方向における帰還マニホールド23の中央よりも他方側(図2では左側)に配置されている。
振動板55は、第14流路プレート54の上に積層されており、圧力室28の上端開口を覆っている。なお、振動板55は第14流路プレート54と一体的に形成されてもよい。この場合、圧力室28は積層方向に第14流路プレート54の下面から窪んで形成される。この第14流路プレート54において圧力室28よりも上側部分が振動板55として機能する。
圧電素子60は、共通電極61、圧電層62および個別電極63を含み、これらはこの順で配置されている。共通電極61は、絶縁膜56を介して振動板55の全面を覆っている。圧電層62は、絶縁膜56および共通電極61を介して振動板55の全面を覆っている。個別電極63は、圧力室28毎に設けられ、圧電層62上に配置されている。この場合、1つの個別電極63、共通電極61および両電極で挟まれた部分の圧電層62により、1つの圧電素子60が構成される。
個別電極63はドライバICに電気的に接続されている。このドライバICは、図略の制御部から制御信号を受けて駆動信号を生成し、個別電極63に印加する。これに対し、共通電極61は常にグランド電位に保持されている。
圧電層62の活性部は駆動信号に応じて2つの電極61,63と共に面方向に伸縮する。これに応じて、振動板55が協働して変形し、圧力室28の容積を増減する方向に変化する。これによって、ノズル21から液体を吐出させる吐出圧力が圧力室28の容積に応じて当該圧力室28に付与される。
<液体の流れ>
本実施形態の液体吐出ヘッド20における液体の流れについて説明する。供給ポート22aは供給配管によりタンク12に接続され、図略の帰還ポートは帰還配管によりタンク12に接続されている。このような構成において、供給配管のポンプおよび帰還配管の負圧ポンプが駆動すると、液体はタンク12から供給ポート22aを介して供給マニホールド22に流入する。
この間に液体の一部は個別流路64に流入する。液体は供給マニホールド22から第1連通孔25を介して供給絞り路26に流入し、供給絞り路26から第2連通孔27を介して圧力室28に流入する。そして、液体は、ディセンダ29を上端から下端へ積層方向に流れ、介在流路80を通ってノズル21に流入する。そして、圧電素子60により圧力室28に吐出圧力が付与されると、液体はノズル孔21aから吐出される。
ノズル孔21aから吐出されなかった液体の一部は、介在流路80を介して帰還絞り路31を流れ、第3連通孔32を介して帰還マニホールド23に流入する。そして、第3連通孔32を介して帰還マニホールド23に流入した液体は、帰還マニホールド23内を流れて、帰還ポートから液体吐出ヘッド20内に設けられたサブタンクを経由して供給ポート22aへ戻り循環する。
<介在流路および帰還絞り路の詳細>
図3(a)は、介在流路80、帰還絞り路31および帰還マニホールド23を示す平面図であり、同図(b)は(a)の介在流路80の拡大平面図である。図3(a)に示すように、本実施形態において帰還絞り路31は介在流路80が延在する方向である第1方向とは異なる第2方向に延在する。第1方向は上述の幅方向と同じ方向である。また、第2方向に係るベクトルは上記第1方向と同じ方向成分Dsおよび帰還マニホールド23内の液体が流れる方向Deと同じ方向成分Deを含む。つまり、本実施形態において第2方向は平面視で第1方向に対して帰還マニホールド23の下流端に向けて傾斜する方向である。
介在流路80は平面視でディセンダ29と重なる第1部分80aと当該ディセンダ29と重ならない第2部分80bとを含む。本実施形態では、介在流路80の第1部分80aの体積は第2部分80bの体積よりも大きいが、これに限られるものではなく、第2部分80bの体積が第1部分80aの体積よりも大きくてもよい。介在流路80は長辺および短辺を有する形状を備えている。介在流路80は例えば平面視で長円状に形成されている。帰還絞り路31は介在流路80の短辺側(帰還マニホールド23の方の短辺側)に接続されている。このような構成において、各ノズル21は平面視で介在流路80の第2部分80bに重なるように配置されている。より詳細には、図3(b)に示すように、各ノズル21は、介在流路80の第2部分80bの上流端80b1から下流端80b2までの距離Dk(例えば100μm)の半値Dk/2(例えば50μm)を基準として第1部分80a寄りに配置されている。さらに詳細には、各ノズル21は上記の半値Dk/2を基準に当該半値Dk/2の位置と当該ノズル21の中心21cとの距離Dkcが例えば20μmとなるように第1部分80a寄りに配置されている。
本実施形態において、図4(b)に示す帰還絞り路31の流路断面積CS2は、同図(a)に示す介在流路80の流路断面積CS1よりも小さい。また、図2に示す帰還絞り路31の深さDh2は、同図に示す当該帰還絞り路31を形成する第1流路プレート41の板厚Dh1よりも小さい。
また、図5に示すように、介在流路80の、列方向における寸法(幅)W1(例えば100μm~200μm)はノズル21の内径In(例えば50~60μm)よりも大きい。また、帰還絞り路31の、第2方向に対する垂直方向における寸法(幅)W2(例えば80~90μm)はノズル21の内径Inよりも大きい。
さらに、介在流路80の、列方向における寸法W1は、図2に示す介在流路80の深さ(換言すれば第1流路プレート41の板厚)Dh1(例えば50μm)よりも大きい。また、帰還絞り路31の、第2方向に対する垂直方向における寸法W2は、図2に示す帰還絞り路31の深さDh2よりも大きい。
以上説明したように、本実施形態の液体吐出ヘッド20によれば、帰還絞り路31が第1方向とは異なる第2方向に延在するため、帰還絞り路31が介在流路80の延在方向と同方向に延在する従来態様よりも、当該帰還絞り路31の長さを確保することができる。また、介在流路80と帰還絞り路31との接続部分で曲り損失を発生させることができる。さらに、本実施形態では帰還絞り路31の流路断面積CS2が介在流路80の流路断面積CS1よりも小さい。これらによって、必要な圧力損失を確保し易くなる。
また、本実施形態では、帰還絞り路31の延在方向である第2方向に係るベクトルは第1方向と同じ方向成分Dsおよび帰還マニホールド23内の液体が流れる方向Deと同じ方向成分Deを含む。つまり、第2方向は平面視で第1方向に対して帰還マニホールド23の下流端に向けて傾斜する方向である。これによって、帰還絞り路31の出口において液体をスムーズに流すことができる。
また、本実施形態では、各ノズル21は平面視で介在流路80の第2部分80bに重なるように配置され且つ当該第2部分80bの上流端80b1から下流端80b2までの距離Dkの半値Dk/2を基準として第1部分80a寄りに配置されている。この点について、流量が多くなると、帰還絞り路31の入口における流れの曲がりによってノズル21内の流速に差が生じ、メニスカスの形状が一様にならなくなる問題がある。そこで、ノズル21を出来るだけ帰還絞り路31から離して配置することで上記問題が生じるのを防ぐことができる。
また、本実施形態では、ノズル21の液体に対するイナータンスは帰還絞り路31の液体に対するイナータンスよりも小さい。これによって、吐出エネルギーが低下するのを避けることができる。
また、本実施形態では、介在流路80の列方向における寸法W1はノズル21の内径Inよりも大きい。また、帰還絞り路31の第2方向に対する垂直方向における寸法W2はノズル21の内径Inよりも大きい。この点について、ノズル21が例えば帰還絞り路31方向にずれ当該帰還絞り路31にノズル21の内側がかぶってしまう構成になると、吐出時にメニスカスを引く際に当該メニスカスの形状が対称にならなくなる問題がある。本構成によれば、ノズル21が形成されたノズルプレート40の第1流路プレート41に対する貼りずれが起きても、上記問題が生じ難くなる。
また、本実施形態では、介在流路80の列方向における寸法W1は当該介在流路80の深さDh1よりも大きい。また、帰還絞り路31の第2方向に対する垂直方向における寸法W2は当該帰還絞り路31の深さDh2よりも大きい。これにより、介在流路80および帰還絞り路31の各寸法が深さよりも小さい場合に比べて、当該介在流路80および帰還絞り路31を形成し易い。
また、本実施形態では、帰還絞り路31は介在流路80の短辺側に接続されている。これにより、介在流路80からの液体の流れを滑らかに帰還絞り路31に伝えることができる。
さらに、本実施形態では、帰還絞り路31の深さDh2は当該帰還絞り路31を形成する第1流路プレート41の板厚Dh1よりも小さい。この場合、ハーフエッチングにより帰還絞り路31を第1流路プレート41の板厚方向下半分に形成することで、当該帰還絞り路31の下流端を上方に向けて帰還マニホールド23の下部まで延在させて形成することが可能となる。これによって、帰還絞り路31の流路長をより長くすることができるため、より大きな圧力損失を確保することができる。
<変形例>
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば以下の通りである。
上記実施形態では、直線状に形成された帰還絞り路31について説明したが、帰還絞り路31の形状はこれに限定されるものではなく、帰還絞り路31を以下のように形成してもよい。図6は変形例に係る帰還絞り路131を示す平面図である。図6に示すように、帰還絞り路131は屈曲していてもよい。詳細には、帰還絞り路131は上記実施形態における帰還絞り路31が延在する第2方向と同方向に延在する第1部分131aと、当該第1部分131aに接続され第3方向に延在する第2部分131bとを備えている。第3方向とは、平面視で第1方向に対して帰還マニホールド23の下流端に向けて第2方向よりも傾斜する方向である。このように帰還絞り路131を屈曲させることによって、より大きな圧力損失を確保することができる。なお、図6においては帰還絞り路131の屈曲点を1つとしたが、これに限らず、屈曲点を2つ以上有するような帰還絞り路を採用してもよい。
また、上記実施形態では、各ノズル21が平面視で介在流路80の第2部分80bに重なるように配置され且つ当該第2部分80bの上流端80b1から下流端80b2までの距離Dkの半値Dk/2を基準として第1部分80a寄りに配置されることとしたが、これに限られるものではない。各ノズル21を第2部分80b寄りに配置してもよい。
さらに、上記実施形態では、帰還絞り路31をハーフエッチングにより第1流路プレート41の板厚方向下半分に形成することとしたが、これに限定されるものではない。帰還絞り路31を第1流路プレート41の板厚方向全体に形成してもよい。
10 液体吐出装置
20 液体吐出ヘッド
21 ノズル
22 供給マニホールド
23 帰還マニホールド
28 圧力室
29 ディセンダ
31 帰還絞り路
40a ノズル面
64 個別流路
80 介在流路
80a 第1部分
80b 第2部分
80b1 第2部分の上流端
80b2 第2部分の下流端
CS1 介在流路の流路断面積
CS2 帰還絞り路の流路断面積
De,Ds 方向成分
Dh1 介在流路の深さ(第1流路プレートの板厚)
Dh2 帰還絞り路の深さ
Dk 第2部分の上流端から下流端までの距離
In ノズルの内径
W1 介在流路の列方向における寸法(幅)
W2 帰還絞り路の第2方向に対する垂直方向における寸法(幅)

Claims (9)

  1. 液体が外部から供給される供給マニホールドと、
    前記液体が外部に排出される帰還マニホールドと、
    上流端が前記供給マニホールドに連通され、下流端が前記帰還マニホールドに連通され、且つ列をなしてノズル面に配置された複数のノズルに対して個別に連通した複数の個別流路と、を備え、
    前記複数の個別流路の各々は、圧力室、前記圧力室に連通するディセンダ、前記帰還マニホールドに連通する帰還絞り路、および、前記帰還絞り路と前記ディセンダとの間に介在し前記ノズルに連通する介在流路を含み、
    前記帰還絞り路は前記介在流路が延在する方向である第1方向とは異なる第2方向に延在し、前記帰還絞り路の流路断面積は前記介在流路の流路断面積よりも小さい、液体吐出ヘッド。
  2. 前記第2方向は、前記帰還マニホールド内の前記液体が流れる方向に係るベクトルの方向成分と同じ方向成分を含む方向である、請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
  3. 前記介在流路は、平面視で前記ディセンダと重なる第1部分と前記ディセンダと重ならない第2部分とを含み、
    前記ノズルの各々は、平面視で前記第2部分に重なるように配置され且つ前記第2部分の上流端から下流端までの距離の半値を基準として前記第1部分寄りに配置されている、請求項1又は2に記載の液体吐出ヘッド。
  4. 前記ノズルの前記液体に対するイナータンスは、前記帰還絞り路の前記液体に対するイナータンスよりも小さい、請求項1乃至3の何れか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  5. 前記介在流路の、前記列に沿う方向における寸法は前記ノズルの内径よりも大きく、前記帰還絞り路の、前記第2方向に対する垂直方向における寸法は前記ノズルの内径よりも大きい、請求項1乃至4の何れか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  6. 前記帰還絞り路は屈曲している、請求項1乃至5の何れか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  7. 前記介在流路の、前記列に沿う方向における寸法は当該介在流路の深さよりも大きく、前記帰還絞り路の、前記第2方向に対する垂直方向における寸法は当該帰還絞り路の深さよりも大きい、請求項1乃至6の何れか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  8. 前記介在流路は長辺および短辺を備える形状を有しており、
    前記帰還絞り路は前記介在流路の短辺側に接続されている、請求項1乃至7の何れか1項に記載の液体吐出ヘッド。
  9. 前記帰還絞り路の深さは、当該帰還絞り路を形成するエッチングプレートの板厚よりも小さい、請求項1乃至8の何れか1項に記載の液体吐出ヘッド。
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