JP4875997B2 - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、インクなどの液体を吐出するノズルを有する液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置に関する。

ノズル内のインクの増粘を防止することができるインク供給構造を有する液体吐出ヘッドが求められている。

特許文献１には、圧力発生室の両側にそれぞれインク供給口を介して連通する２つの共通のインク準備室（共通流路）と、各インク準備室にそれぞれ外部からインクが流入するインク導入口とを備えた液体吐出ヘッドが記載されている。２つのインク導入口のうち、一方のインク導入口がサブタンクに、また他方のインク導入口がインクカートリッジにそれぞれ接続されていて、インクカートリッジから液体吐出ヘッドを通過させてサブタンクにインクを補充し、またサブタンクから液体吐出ヘッドを通過させてインクカートリッジにインクを逆流させながら印字をおこなう。
特許第３４１９２２０号公報

図２０に示すように、吐出しないノズル５１のメニスカスからインク中の溶媒が蒸発してインク粘度が上がること（増粘）が問題になっている。ノズル５１内部のインクが増粘すると、吐出速度が低下し、画質が悪化する。増粘がさらにすすむと、インクが吐出できなくなる。増粘したインクを吸引で取り除くメンテナンスを行えば再び吐出できるようになるのだが、このようなメンテナンスを行うためには一般に印刷を停止する必要があるので、装置稼働時間が減り、印刷コストが増加することになる。

また、特許文献１に記載のものでは、インク準備室（共通流路）に設けられた２つのインク導入口間に圧力差をかけたとき、各圧力室内を流れるインク流量が異なってしまう。具体的には、インク導入口に近い圧力室の両側には相対的に大きな圧力差が生じる一方で、インク導入口から遠い圧力室の両側には相対的に小さな圧力差が生じるので、インク導入口に近い圧力室には相対的に多くのインクが流れる一方で、インク導入口から遠い圧力室には相対的に少ないインクが流れることになる。

このように圧力室間でインク流量に差が生じると、圧力室ごとに気泡の排除性が異なってしまうだけでなく、印字中に圧力室内にインクが流れるときに圧力室内のインク流の吐出に与える影響が、圧力室間で異なってくるので、いわゆる吐出バラツキが発生してしまう。

また、高画質化のために多数のノズルを高密度に実装した所謂マトリックス構造の液体吐出ヘッドにおいて、インク循環のために共通流路を増やすことは、スペースの関係上難しかった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、各ノズル内の増粘を防止することができるとともにノズル間の吐出ばらつきが生じないようにすることができる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。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、液体を吐出する複数のノズルと、複数の前記ノズルにそれぞれ連通する複数の圧力室と、複数の前記圧力室に対して共通に設けられている共通流路と、を備え、前記共通流路と複数の前記圧力室との間には、前記各圧力室ごとに、前記共通流路から前記圧力室へ液体を供給する供給流路と、前記圧力室から前記共通流路へ液体を戻す循環流路とが形成されており、前記共通流路に開口すると共に、同一の前記圧力室にそれぞれ通じている前記供給流路のインク供給口と前記循環流路のインク循環口との間の距離であって、前記共通流路の液流方向に沿った距離をＤ１とすると、前記Ｄ１は、全ての前記圧力室について等しく、前記共通流路に開口すると共に、隣接した前記圧力室にそれぞれ通じている前記供給流路のインク供給口同士の間の距離であって、前記共通流路の液流方向に沿った距離をＤ２としたとき、前記Ｄ１＞前記Ｄ２であることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。

この発明によれば、容易に、同一の圧力室に通じている供給流路のインク供給口および循環流路のインク循環口での液体の圧力差を全ての圧力室について等しくできるので、容易に、各圧力室内を流れる液流を全ての圧力室について等しくすることができる。したがって、容易に、増粘防止効果および気泡排出効果を全ての圧力室において等しくすることができ、ノズル間の吐出ばらつきを防止することができる。

この発明によれば、圧力室内を流れる液量を大きく保ちつつ、圧力室間の圧力差（背圧差）を小さくすることができる。ノズル間の吐出ばらつきを少なく保ちつつ、増粘防止効果および気泡排出効果を高くすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ノズルが鉛直方向下側に向き、前記共通流路が前記ノズルの鉛直方向上側に位置し、前記圧力室が前記共通流路の鉛直方向上側に位置し、前記循環流路の一端が前記圧力室に接続されていると共に前記循環流路の他端が前記共通流路に接続され、前記圧力室からの液体は前記循環流路を通って前記共通流路に戻され、前記循環流路の前記共通流路側出口は、前記共通流路の鉛直方向の最も下の位置に開口していることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。

この発明によれば、共通流路の気泡が循環流路を介して圧力室へ進入することが困難になるので、共通流路の気泡に起因する吐出異常が防止される。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記供給流路のインク供給口と前記循環流路のインク循環口とは、前記共通流路内の対角の位置に配置されていることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。

この発明によれば、循環流路を介して共通流路へ戻った液体がそのまま直ぐに供給流路を介して圧力室へ供給されてしまうことが防止されるので、確実に増粘防止できることになる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載の発明において、前記液体吐出ヘッドは、前記ノズルが形成されているノズルプレートと、前記循環流路が形成されている循環流路プレートと、を含む複数のプレートが積層されて構成されており、前記循環流路プレートは、前記ノズルプレートに隣接し、前記共通流路は、前記ノズルプレートに接して形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。

この発明によれば、圧力室間のクロストークに対する共通流路のダンパ容量を得ながら、増粘防止効果が最も大きくなるようにノズル近傍の液体を共通流路へ戻すことができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記循環流路プレートの厚さよりも前記循環流路の高さが小さいことを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。

ここで、循環流路は、例えば、循環流路プレートがハーフエッチングして形成されている。

この発明によれば、循環流路プレートの剛性を上げて循環流路の形状を維持できる。また、循環流路の流路抵抗がアップするので、吐出効率をアップさせることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記循環流路は、前記循環流路プレートの厚さ方向において前記ノズルプレート側に形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。

この発明によれば、循環流路プレートの剛性を上げて循環流路の形状を維持できるだけでなく、ノズル近傍の液体を共通流路へ還流できるので、大きな増粘防止効果を期待できる。

請求項７に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記共通流路には、前記循環流路のインク循環口を囲むようにして剛性体が配置されていることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。

この発明によれば、ハーフエッチングを用いることなく、循環流路プレートの剛性を上げて、循環流路の形状を維持できる。

請求項８に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記共通流路において互いに隣接する前記供給流路のインク供給口同士の間に剛性体が配置されていることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。

この発明によれば、供給流路のインク供給口から出たクロストークの波を剛性体には直接当てないようにでき、圧力室間のクロストークに対するダンパ効果が得られるので、吐出安定性が向上する。

請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８の何れか１項に記載の液体吐出ヘッドを備えた液体吐出装置を提供する。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、前記液体吐出ヘッドの吐出中に、前記共通流路内に液流を形成する液流形成手段を備えたことを特徴とする液体吐出装置を提供する。

例えば、液流形成手段は、液体吐出ヘッドに接続されている管路に設けられたポンプによって構成する。

この発明によれば、圧力室への液体のリフィルを補助する効果が得られる。

本発明によれば、各ノズル内の増粘を防止することができるとともにノズル間の吐出ばらつきが生じないようにすることができる。

以下、添付図面に従って、本発明の実施形態について、詳細に説明する。

［液体吐出ヘッド］
図１は、本発明に係る液体吐出ヘッドの要部の基本構成を示す基本構成図である。

図１において、液体吐出ヘッド５０は、インクを吐出する複数のノズル５１（第１のノズル５１ａ、第２のノズル５１ｂ）と、これらのノズル５１にそれぞれ連通する複数の圧力室５２（第１の圧力室５２ａ、第２の圧力室５２ｂ）とを備える。言い換えると、液体吐出ヘッド５０は、ノズル５１とノズル５１に連通する圧力室５２とを含む複数のイジェクタ５４（第１のイジェクタ５４ａ、第２のイジェクタ５４ｂ）が配置されて構成されている。なお、図１には、図示の便宜上、２つのイジェクタ５４のみ示したが、イジェクタ５４の数は特に限定されない。すなわち、ノズル５１および圧力室５２の数は特に限定されない。

共通流路５５は、複数の圧力室５２に対して共通に設けられている流路であり、複数の圧力室５２へそれぞれインクを供給する。共通流路５５は、圧力室５２が並べられている配列方向に沿って配置されている。言い換えると、複数の圧力室５２は、共通流路５５の液流方向に沿って並べて配置されている。

共通流路５５と複数の圧力室５２との間には、各圧力室５２ごとに、共通流路５５から圧力室５２へインクを供給するインク供給流路５６と、圧力室５２から共通流路５５へインクを戻すインク循環流路５７とが、形成されている。以下、共通流路５５に開口している、インク供給流路５６との接続口５６０を「インク供給口」といい、インク循環流路５７との接続口５７０を「インク循環口」という。

同一の圧力室５２に通じているインク供給口５６０とインク循環口５７０とに注目すると、共通流路５５の液流方向において、インク供給口５６０はインク循環口５７０よりも上流側に配置されている。

共通流路５５の断面積（共通流路５５の液流方向に対して垂直な断面の面積）は、その液流方向に沿って全ての圧力室５２について同一であり、また、第１の圧力室５２ａに通じているインク供給口５６０とインク循環口５７０との間の距離ＤＰａと、第２の圧力室５２ｂに通じているインク供給口５６０とインク循環口５７０との間の距離ＤＰｂとは、等しい。この関係は、液体吐出ヘッド５０内の全ての圧力室５２において成立している。すなわち、共通流路５５に開口しているとともに同一の圧力室５２に通じているインク供給口５６０とインク循環口５７０との間の距離であって、共通流路５５の液流方向に沿った距離は、全ての圧力室５２において等しい。ここで、インク供給口５６０とインク循環口５７０との間の距離の大小は、インク供給口５６０およびインク循環口５７０での液体の圧力差の大小に対応する。本発明では、共通流路５５に開口しているインク供給口５６０およびインク循環口５７０は、同一の圧力室５２に通じているインク供給口５６０およびインク循環口５７０でのインクの圧力差を全ての圧力室５２において等しくさせる位置に配置されている。したがって、圧力室５２内を流れるインクの流量は、全ての圧力室５２において、等しくなる。

なお、共通流路５５の断面積が全ての圧力室５２について同一である場合について説明したが、本発明は、このような場合に特に限定されず、共通流路５５の断面積が全ての圧力室について同一ではない場合にも適用できる。そのような断面積が非同一の場合でも、インク供給口５６０およびインク循環口５７０は、同一の圧力室５２に通じているインク供給口５６０およびインク循環口５７０でのインクの圧力差を全ての圧力室５２において等しくさせる位置に配置されている。

図２は、図１に示す液体吐出ヘッド５０の要部と等価な周知の音響回路モデル（以下「等価モデル」という）である。なお、図２では、ひとつの圧力室５２およびその圧力室５２に対応する共通流路５５の一部分のみを示している。この等価モデルを用いて、圧力室５２内に流れるインク量について以下考察する。

図２において、Ｒ１は、ひとつのインク供給流路５６の流路抵抗Ｒ_１１とひとつの圧力室５２の流路抵抗Ｒ_１２とひとつのインク循環流路５７の流路抵抗Ｒ_１３とを合わせた圧力室５２側の流路抵抗（すなわちインク供給口５６０から圧力室５２を介してインク循環口５７０に至るまでの流路抵抗）である。Ｒ２は、ひとつの圧力室５２に対応する共通流路５５の一部分の流路抵抗（すなわち同一の圧力室５２に通じているインク供給口５６０から共通流路５５を介してインク循環口５７０に至るまでの流路抵抗）である。

等価モデルは、流路抵抗Ｒ１および流路抵抗Ｒ２からなる並列回路を直列に接続して構成されている。このような等価モデルにおいて、流路抵抗Ｒ２の両端に対して圧力をかけると（すなわち共通流路５５にインクが流れるように共通流路５５に対して圧力をかけると）、流路抵抗Ｒ１の両端に対しても同じ圧力をかけたことになり、流路抵抗Ｒ１に相当する圧力室５２側にもインクが流れることが判る。すなわち、共通流路５５からインク供給流路５６を介して圧力室５２へインクが供給され、そのインクがインク循環流路５７を介して共通流路５５へ戻される。

共通流路５５を流れる液量Ｕ１と圧力室５２側を流れる流量Ｕ２との比Ｕ１：Ｕ２は、流路抵抗の比Ｒ２：Ｒ１に等しい。

流路抵抗Ｒ１、Ｒ２の計算には、以下の数１〜４が用いられる。

図３に示す円形の断面形状を有する円管である場合、その流路抵抗Ｒは、数１で表される。

ここで、μはインク粘度、ｄは流路の直径、ｌは流路の長さである。

なお、直径ｄが長さ方向（ｘ軸方向）において変化する流路である場合には、その流路抵抗Ｒは、数２で表される。

図４に示す長方形の断面形状を有する長方形管である場合、その流路抵抗Ｒは、数３で表される。

ここで、μはインク粘度、ｌは流路の長さ、Ａは流路の断面積、Ｓは流路の全周である。また、ｋは、数４で表されるように、アスペクト比εから決まる定数である。

ここで、アスペクト比ε＝a / b(ただしb＞a)である。すなわち、図４に示す長方形の２辺の長さａ、ｂの比である。

実際の設計値として、同一の圧力室５２に通じているインク供給口５６０とインク循環口５７０との間にかけられる圧力差が５Ｐａであるものとして考える。圧力差がこれ以上大きくなると、圧力室５２から吐出されるインクの液滴の体積にバラツキが生じ、被吐出媒体に形成される画像にムラができてしまう。また、実際の設計値として、Ｒ１=１×１０¹³ ［Ns/m^５］、Ｒ２=１×１０⁹ ［Ns/m^５］であるものとして考える。これらのＲ１、Ｒ２は、液体吐出ヘッド５０を作ったときに適当に選択された数値である。図１に示す液体吐出ヘッド５０において、圧力差５Ｐａ、流路抵抗Ｒ１、Ｒ２とした場合、圧力室５２内を流れるインク量Ｕ１は５００pl/sとなり、共通流路５５を流れるインク量Ｕ２は５×１０^６pl/sとなる。

まず、Ｕ１について考察すると、圧力室５２内の流量が５００pl/s程度であれば、インク増粘防止の効果を十分に得ることができる。次に、Ｕ２について考察する。すなわちリフィルについて考察する。１個のノズルがフルデューティの時の吐出体積速度は、一例として、１ノズルあたり４×１０^５pl/sとなる。これは、吐出周波数が２０kHz、液滴体積が２plである場合の数値である。共通流路５５を流れるインク量Ｕ２（＝５×１０^６pl/s）は、前述の１ノズルあたりの吐出体積速度４×１０^５ pl/sと比較して一桁大きく、約１０個のノズル５１がフルデューティの時のインク吐出量とほぼ同等である。すなわち、ひとつの共通流路５５に対して１０個のノズル５１が並べて配置されている液体吐出ヘッド５０であっても、ノズル５１からの吐出により失なわれたインク量を、遅れることなく供給（リフィル）することができる。１０個よりも多いノズル５１がひとつの共通流路５５に対して設けられている場合でも、圧力室５２へのインクのリフィルをアシストする効果は非常に大きいと言える。

以上説明したように、図１に示した構造であれば、ノズル５１内および圧力室５２内のインク増粘防止効果とともに、圧力室５２へのインクリフィルをアシストする効果を同時に得られる。

なお、圧力室５２、インク供給流路５６およびインク循環流路５７の位置関係は、図１の基本構成図に示した位置関係に特に限定されない。

以下では、図１の液体吐出ヘッド５０について、圧力室５２、インク供給流路５６、インク循環流路５７等の位置関係が異なる、各種の実施形態に分けて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図５は、第１実施形態の一例としての液体吐出ヘッド５０ａの要部を示す平面透視図である。また、図５の液体吐出ヘッド５０ａの６−６線に沿った断面図を図６に示し、７−７線に沿った断面図を図７に示す。

図６および図７に示すように、液体吐出ヘッド５０ａは、鉛直方向下側から上側に向けて、複数のプレート３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０が順に積層されて構成されている。

鉛直方向において最下層の第１のプレート３１（ノズルプレート）には、ノズル５１が形成されている。第２のプレート３２（循環流路プレート）には、インク循環流路５７が形成されている。第３のプレート３３、第４のプレート３４および第５のプレート３５には、共通流路５５が形成されている。第６のプレート３６、第７のプレート３７および第８のプレート３８には、インク供給流路５６が形成されている。第９のプレート３９には、圧力室５２が形成されている。第１０のプレート４０は振動板であって圧力室５２の天面板を構成している。振動板４０上には、圧力室５２の容積を変化させることによりノズル５１からインクを吐出させるアクチュエータとして、圧電素子５８が形成されている。

また、第３〜８のプレート３３〜３８には、圧力室５２から延伸してノズル５１近傍まで至るノズル連通流路５２１が形成されている。このノズル連通流路５２１は、本発明において、圧力室５２の一部とみなす。すなわち、本例も、インク循環流路５７は、圧力室５２に接続している。図２の等価モデルにおける圧力室５２の流路抵抗Ｒ１２には、このようなノズル連通流路５２１の流路抵抗が含まれる。なお、図６および図７には、ノズル連通流路５２１が圧力室５２に付属している場合を例に示しているが、このような場合に本発明は特に限定されず、本発明には、ノズル連通流路５２１が無くノズル５１が圧力室５２に直結している場合も含まれる。

図７に示すように、インク循環流路５７と共通流路５５との接続位置を、共通流路５５の鉛直方向下側部分に配置することが、望ましい。このように、共通流路５５のうちで鉛直方向において下側の部分にインク循環流路５７が接続されていると、共通流路５５の気泡がインク循環流路５７からノズル５１および圧力室５２へ進入し難くなるので、気泡に起因する吐出異常が防止される。

なお、図７には、インク循環流路５７を共通流路５５の最も下の位置に接続した最も好ましい場合を例に示しているが、このような場合に特に限定されない。本発明は、インク循環流路５７を共通流路５５の鉛直方向における高さの１／２よりも下の位置に接続したいずれの場合も含む。

また、図７に示すように、インク循環流路５７がノズル５１の近傍で圧力室５２（本例ではノズル連通流路５２１）と接続していることが、好ましい。すなわち、ノズル５１の近傍から共通流路５５へインクが還流される構造にする。このようにすれば、増粘したインクをより効率よく循環できるメリットがある。

なお、図６では、インク供給流路５６が共通流路５５の天面の略中央に接続されている場合を示しているが、このような場合に本発明は特に限定されない。

図８は、本実施形態における他の例の液体吐出ヘッド５０ｂについて、同一の圧力室５２に通じているインク供給口５６０およびインク循環口５７０に注目し、共通流路５５の液流方向に垂直な断面において上流側から下流側を見た断面透視図である。

図８において、同一の圧力室５２に通じているインク供給口５６０とインク循環口５７０とは、共通流路５５の液流方向に沿った軸線５５０を基準に、略対角の位置に配置されている。

圧力室５２を出てノズル５１近傍を通過したインクは、わずかながら増粘している。つまり、インク循環流路５７から共通流路５５へ戻って来たインク７７は増粘した状態となっている。このような増粘したインク７７が、もしも、再びインク供給流路５６から圧力室５２に入って再びノズル５１近傍を通過すると、更に粘度が上がってしまうことになる。そこで、増粘したインク７７が再び圧力室５２へ進入しないように、図８に示すように、インク供給口５６０（すなわちインク供給流路５６と共通流路５５との接続位置）とインク循環口５７０（すなわちインク循環流路５７と共通流路５５との接続位置）とを、共通流路５５内の略対角の位置に配置する。このように、共通流路５５において、インク供給口５６０とインク循環口５７０とが、互いに反対側（対角）となる位置に接続されている。

なお、共通流路５５内のインクの流れは層流なので、インク循環流路５７から出てきて共通流路５５へ還流した増粘インク７７と、共通流路５５からインク供給流路５６へ入るフレッシュなインクとが、混ざることはない。

（第２実施形態）
図９は、第２実施形態の一例としての液体吐出ヘッド５０ｃの要部を示す平面透視図である。なお、図９において、図５に示した第１実施形態の一例の液体吐出ヘッド５０ａの構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してあり、第１実施形態において既に説明した内容については、その説明を省略する。

図９において、複数の圧力室５２（５２ａ、５２ｂ、５２ｃ）の配列方向に沿って、共通流路５５が配置されている。言い換えると、共通流路５５の液流方向に沿って、複数の圧力室５２が配置されている。なお、図９には、図示の便宜上、３つの圧力室５２、すなわち、第ｉ番目の圧力室５２ａ、第（ｉ＋１）番目の圧力室５２ｂ、第（ｉ＋２）番目の圧力室５２ｃのみ示したが、圧力室５２の数は３個に特に限定されず、Ｎ個（Ｎは２以上の整数である）の圧力室５２が共通流路５５の液流方向に沿って配置されている。

図９において、Ｎ個の圧力室５２のうちで互いに隣接する任意のふたつの圧力室５２に注目する。例えば、第ｉ番目の圧力室５２ａおよび第（ｉ＋１）番目の圧力室５２ｂに注目し、以下では、それぞれ「第１の圧力室」５２ａおよび「第２の圧力室」５２ｂという。ここで、第１の圧力室５２ａに通じているインク供給口５６０ａ（第１のインク供給口）と比較して、第２の圧力室５２ｂに通じているインク供給口５６０ｂ（第２のインク供給口）は、共通流路５５の液流方向において下流側に配置されている。同様に、第１の圧力室５２ａに通じているインク循環口５７０ａ（第１のインク循環口）と比較して、第２の圧力室５２ｂに通じているインク循環口５７０ｂ（第２のインク循環口）は、共通流路５５の液流方向において下流側に配置されている。以上の位置関係は第１実施形態の液体吐出ヘッド５０ａと同じであるが、本実施形態の液体吐出ヘッド５０ｃでは、第１実施形態の液体吐出ヘッド５０ａとは異なり、第２の圧力室５２ｂに通じているインク供給口５６０ｂ（第２のインク供給口）と比較して、第１の圧力室５２ａに通じているインク循環口５７０ａ（第１のインク循環口）は、共通流路５５の液流方向において下流側に配置されている。すなわち、同一の圧力室５２（例えば５２ａ）に通じているインク供給口５６０とインク循環口５７０との間の距離をＬ１とし、共通流路５５の液流方向において互いに隣接し異なる圧力室５２（例えば５２ａと５２ｂ）にそれぞれ通じている２つのインク供給口５６０の間の距離をＬ２と表したとき、Ｌ１＞Ｌ２としてある。このような位置関係は、共通流路５５の液流方向に沿って配列されている全ての圧力室５２において成立している。
また、図９に示すように、共通流路５５に開口すると共に、同一の圧力室５２ａにそれぞれ通じているインク供給流路５６のインク供給口５６０ａとインク循環流路５７のインク循環口５７０ａとの間の距離であって、共通流路５５の液流方向に沿った距離をＤ１とすると、共通流路５５に開口すると共に、隣接した圧力室５２ａ，５２ｂにそれぞれ通じているインク供給流路５６のインク供給口５６０ａ，５６０ｂ同士の間の距離であって、共通流路５５の液流方向に沿った距離をＤ２としたとき、Ｄ１＞Ｄ２である。

ここで、圧力室５２間の圧力差（「背圧差」ともいう）について説明する。圧力室５２内のインク増粘防止を考えるならば、共通流路５５にかける圧力差を大きくし、インク流量を増やせばいい。しかし、そうすると、共通流路５５に並ぶ圧力室５２間の圧力差が大きくなってしまう。圧力室５２間の圧力差が大きいと、ノズル５１間でインク吐出量にばらつきが生じてしまい、その結果、画像ムラの原因になってしまう。本実施形態の液体吐出ヘッド５０によれば、同一の圧力室５２に通じているインク供給口５６０とインク循環口５７０との間の圧力差（Ｌ１に対応する）は大きく、且つ、隣接する圧力室５２にそれぞれ通じているインク供給口５６０間の圧力差（Ｌ２に対応する）は小さくなっており、具体的にはＬ１＞Ｌ２となっているので、圧力室５２内を流れるインク量を大きく保ちつつ、圧力室５２間の圧力差を小さくすることができる。

なお、インク循環口５７０の位置は、図９に示した位置に特に限定されず、Ｌ１＞Ｌ２となる位置であればよい。

（第３実施形態）
図１０は、第３実施形態の一例としての液体吐出ヘッド５０ｄの要部を示す断面図である。図１０は、ノズル面５１０に垂直な鉛直方向に沿った断面図となっている。なお、図１０において、図７に示した第１実施形態の液体吐出ヘッド５０ａの構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してあり、第１実施形態において既に説明した内容については、その説明を省略する。

図１０において、液体吐出ヘッド５０ｄは、ノズル５１が形成されているノズルプレート３１、および、インク循環流路５７が形成されている循環流路プレート３２を含む、複数のプレート３１〜４０が順に積層されて構成されている。

ここで、循環流路プレート３２は、ノズルプレート３１に隣接している。すなわち、インク循環流路５７は、共通流路５５を構成している複数のプレート３２、３３、３４、３５の中で、最もノズル面５１０寄りのプレート３２に形成されている。また、本実施形態では、共通流路５５は、ノズルプレート３１に接して形成されている。すなわち、ノズルプレート３１によって共通流路５５の底面板が構成されている。これにより、共通流路５５と外部とを隔てる厚みがノズルプレート３１の厚みのみとなるので、共通流路５５は、圧力室５２間のクロストークを吸収するダンパ機能を有することになる。

このような構成により、圧力室５２間のクロストークに対する共通流路５５のダンパ容量を得ながら、増粘対策効果が最も大きくなるようにノズル近傍から共通流路へインクを循環させることができる。

（第４実施形態）
図１１は、第４実施形態の一例としての液体吐出ヘッド５０ｅの要部を示す断面図である。図１１は、ノズル面５１０に垂直な鉛直方向に沿った断面図となっている。なお、図１１において、図１０に示した第３実施形態の液体吐出ヘッド５０ｄの構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してあり、既に説明した内容については、その説明を省略する。また、図１１の１２−１２線に沿った水平断面図を図１２に示す。

図１１において、インク循環流路５７は、循環流路プレート３２が厚さ方向においてハーフエッチングされた溝部からなる。すなわち、循環流路プレート３２の厚さよりもインク循環流路５７の高さが小さい。

このような構成により、インク循環流路５７が形成されている循環流路プレート３２の剛性を上げることができ、ハンドリングが容易になる。また、インク循環流路５７の流路抵抗がアップするので、吐出効率をアップさせることもできる。

また、図１１に示すように、ハーフエッチングにより形成されたインク循環流路５７としての溝部は、循環流路プレート３２の厚さ方向において、ノズルプレート３１側に形成されていることが、望ましい。ノズル５１近傍から共通流路５５へ循環させる方が、増粘防止効果がより大きくなる。

（第５実施形態）
図１３は、第５実施形態の一例としての液体吐出ヘッド５０ｆの要部を示す断面図である。図１３は、ノズル面５１０に垂直な鉛直方向に沿った断面図となっている。なお、図１３において、図１０に示した第３実施形態の液体吐出ヘッド５０ｄの構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してあり、既に説明した内容については、その説明を省略する。また、図１３の１４−１４線に沿った水平断面図を図１４に示す。

図１３および図１４において、共通流路５５には、インク循環口５７０を囲むようにして、剛性体として凸形状の橋部５９ａが配置されている。この橋部５９ａの高さは、循環流路プレート３２の厚さと同じである。循環流路プレート３２に、エッチングによりインク循環流路５７を形成したとき、インク循環口５７０の周囲をエッチングしないで残すことにより、剛性体としての橋部５９ａが形成されている。ハーフエッチングにより形成してもよい。

このような橋部５９ａにより、循環流路プレート３２の剛性が得られる。また、図１１に示す第４実施形態の液体吐出ヘッド５０ｅのようにハーフエッチングによりインク循環流路５７を形成する場合にはインク循環流路５７の寸法精度（プレートの厚み方向における高さ）を出し難いのに対して、本実施形態ではインク循環流路５７をハーフエッチング形成する必要がなく、循環流路プレート３２の厚みでインク循環流路５７の高さを規定できるので、インク循環流路５７の寸法精度を出しやすくなる。

なお、剛性体は図１４に示す橋部５９ａに特に限定されない。例えば図１５の水平断面図に示すように、循環流路プレート３２全体として見たときにインク循環流路５７部分を囲む空間を共通流路５５に形成するようにしてもよい。具体的には、循環流路プレート３２とは別のプレートに形成されており共通流路５５において互いに隣接しているインク供給口５６０同士の中間に、橋部５９ｂ（剛性体）を設ける。このように、共通流路５５内において、橋部５９ｂとインク供給口５６０とが、互いに重ならない位置関係で配置されていることにより、インク供給口５６０から出たクロストークの波が、直接的に橋部５９ｂに当たることがないようにする。本例では、橋部５９ｂをインク供給口５６０同士のちょうど中間に設けているので、圧力室５２間のクロストークに対する共通流路５５のダンパ効果が大きくなる。

なお、本例では、共通流路５５の幅方向に沿って、共通流路５５の幅と同じ長さを有する橋部５９ｂを剛性体として設けているが、このような場合に特に限定されず、共通流路５５の幅方向に対して斜め方向に沿って剛性体としての橋部５９ｂを設けてもよい。

［画像形成装置］
図１６は、本発明に係る液体吐出ヘッド５０を備えた画像形成装置８０の液体供給系およびメンテナンス系の構成を示す構成図である。

図１６において、画像形成装置８０は、液体吐出ヘッド５０と、液体吐出ヘッド５０へ供給されるインクを貯蔵するインクタンク６０と、インクタンク６０から液体吐出ヘッド５０へインクを導入するためのインク導入管６１と、液体吐出ヘッド５０からインクタンク６０へインクを導出するインク導出管６２と、インク導出管６２の中間に設けられた循環ポンプ６３とを含んで構成されている。

なお、液体吐出ヘッド５０の外部に循環用ポンプ６３を設けた構成を例に示したが、液体吐出ヘッド５０の内部に循環用ポンプ６３を設ける構成としてもよい。本例のように液体吐出ヘッド５０の外部に循環用ポンプ６３を設ける方が、大きな循環量を得る構成とし易い点で、好ましい。

また、図示を省略しているが、液体吐出ヘッド５０からインク導出管６２を介してインクタンク６０へ戻すインクをインクタンク６０中のインクとそのまま混ぜるのではなく、インク導出管６２中のインクからゴミを取るフィルタをインク導出管６２に設けてもよいし、また、インク導出管６２中のインクに対して加水処理をしてインク粘度を元に戻す調整を行うインク粘度調整部を設けてもよい。

また、画像形成装置８０には、液体吐出ヘッド５０のノズル面５１０を封止するキャップ６４と、液体吐出ヘッド５０のノズル面５１０を清掃する手段としてのワイピング部材６６とが設けられている。キャップ６４は、長期の吐出休止期間における液体吐出ヘッド５０のノズル５１のメニスカスの乾燥を防止する手段として、また、メニスカス近傍のインク粘度の上昇を防止する手段として、さらには、液体吐出ヘッド５０のノズル５１からインクを吸引する際の吸引キャップとして、用いられる。これらのキャップ６４及びワイピング部材６６を含むメンテナンスユニットは、図示を省略した移動機構によって液体吐出ヘッド５０に対して相対移動可能であり、必要に応じて所定の退避位置から液体吐出ヘッド５０の下方のメンテナンス位置に移動されるようになっている。

また、キャップ６４は、図示しない昇降機構によって液体吐出ヘッド５０に対して相対的に昇降される。昇降機構は、キャップ６４を所定の上昇位置まで上昇させ、液体吐出ヘッド５０に密着させることにより、ノズル面５１０の少なくともノズル領域をキャップ６４で覆うようになっている。吸引ポンプ６７は、液体吐出ヘッド５０のノズル面５１０をキャップ６４が封止した状態で、その液体吐出ヘッド５０のノズル５１からインクを吸引し、吸引したインクを廃インクタンク６８へ送液する。このような吸引動作は、インクタンク６０から液体吐出ヘッド５０へインクを充填するとき（初期充填時）のほか、長時間停止して粘度が上昇したインクを除去するとき（長時間停止の使用開始時）にも行われる。

図１７は、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えた画像形成装置８０の制御系を示すブロック図である。

図１７において、画像形成装置８０は、主として、液体吐出ヘッド５０、通信インターフェース８１、システムコントローラ８２、メモリ８３ａ、８３ｂ、搬送用モータ８４、搬送ドライバ８４０、プリント制御部８５、給液部８６、給液制御部８６０、および、ヘッドドライバ８７を含んで構成されている。

本画像形成装置８０は、Ｋ（黒）、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロ）の各色毎に合計４つの液体吐出ヘッド５０を備える。

通信インターフェース８１は、ホストコンピュータ８９から送信される画像データを受信する画像データ入力手段である。通信インターフェース８１には、有線又は無線のインターフェースを適用することができる。この通信インターフェース８１によって画像形成装置８０に取り込まれた画像データは、この画像データ記憶用の第１のメモリ８３ａに一旦記憶される。

システムコントローラ８２は、マイクロコンピュータ及びその周辺回路等から構成され、所定のプログラムに従って画像形成装置８０の全体を制御する主制御手段である。すなわち、システムコントローラ８２は、通信インターフェース８１、搬送ドライバ８４０、プリント制御部８５等の各部を制御する。

搬送用モータ８４は、紙などの被吐出媒体を搬送するためのローラやベルト等に動力を与える。この搬送用モータ８４によって、被吐出媒体と液体吐出ヘッド５０とが相対的に移動される。搬送ドライバ８４０は、システムコントローラ８２からの指示に従って搬送用モータ８４を駆動する回路である。

給液部８６は、インクタンク（図１６の６０）から液体吐出ヘッド５０へインクを導入するためのインク導入管路（図１６の６１）、液体吐出ヘッド５０からインクタンク６０へインクを導出するインク導出管６２、及び、循環ポンプ（図１６の６３）を含んで構成されている。

給液制御部８６は、マイクロコンピュータ及びその周辺回路を含んで構成されており、給液部８６を用いて、液体吐出ヘッド５０に対してインクを供給する制御を行うものである。給液制御部８６は、本実施形態において、給液部８６の循環ポンプ６３を液流形成手段として用い、液体吐出ヘッド５０の共通流路５５に液流を形成する液流形成制御を行う。

プリント制御部８５は、画像形成装置８０に入力される画像データに基づいて、液体吐出ヘッド５０が被吐出媒体に向けて吐出（打滴）を行って被吐出媒体上にドットを形成するために必要なデータ（ドットデータ）を生成する。すなわち、プリント制御部８５は、システムコントローラ８２の制御に従い、第１のメモリ８３ａ内の画像データから打滴用のドットデータを生成するための各種の加工、補正などの画像処理を行う画像処理手段として機能し、生成したドットデータをヘッドドライバ８７に供給する。

プリント制御部８５には第２のメモリ８３ｂが付随しており、プリント制御部８５における画像処理時にドットデータ等が第２のメモリ８３ｂに一時的に格納される。

なお、図１７において第２のメモリ８３ｂはプリント制御部８５に付随する態様で示されているが、第１のメモリ８３ａと兼用することも可能である。また、プリント制御部８５とシステムコントローラ８２とを統合して１つのプロセッサで構成する態様も可能である。

ヘッドドライバ８７は、プリント制御部８５から与えられるドットデータ（実際には第２のメモリ８３ｂに記憶されたドットデータである）に基づき、液体吐出ヘッド５０の圧電素子２４に対して吐出用駆動信号を出力する。このヘッドドライバ８７から出力された吐出用駆動信号が液体吐出ヘッド５０の圧電素子２４に与えられることによって、液体吐出ヘッド５０のノズル５１から被吐出媒体に向けて液体（液滴）が吐出される。

［処理の流れ］
図１８は、液体吐出ヘッド５０に対するインク充填処理の一例の流れを示す概略フローチャートである。なお、図１８に示すインク充填処理は、画像形成装置８０の電源オン時（初期充填時）や、長時間にわたって吐出していないとき（すなわち長時間停止後の使用開始時）に行う場合を例に示している。

図１７の給液制御部８６０は、システムコントローラ８２からインク充填を指示されると、図１８のインク充填処理を開始する。この処理は、給液制御部８６０を構成しているマイクロコンピュータによって、所定のプログラムに従い、実行される。

まず、液体吐出ヘッド５０のノズル面５１０を吸引キャップ（図１６の６４）で封止する（Ｓ２）。

次に、液体吐出ヘッド５０の共通流路５５内が所定の圧力（正圧）になるように循環ポンプ（図１６の６３）を駆動し（Ｓ４）、所定時間経過したか否か判定して（Ｓ６）、所定時間経過したとき、循環ポンプ６３の駆動を停止させる（Ｓ８）。

次に、吸引ポンプ（図１６の６７）を駆動し（Ｓ１０）、所定時間経過したか否か判定して（Ｓ１２）、所定時間経過したとき、吸引ポンプ６７の駆動を停止させる（Ｓ１４）。

次に、ワイピング部材（図１６の６６）によって、液体吐出ヘッド５０のノズル面５１０をワイピングする（Ｓ１６）。そうすると、インク充填処理が完了する。

インク充填処理は、図１９に示すインク充填処理に特に限定されないが、先にインク循環流路（図１の５７）内にインクを充填し、その後、圧力室（図１の５２）内にインクを充填することが、好ましい。

また、循環ポンプ６３の駆動に因る共通流路５５からインクタンク６０へのインク循環は、画像形成装置８０の電源オン時（初期充填時）や、長時間停止後の使用開始時に特に限定されない。例えば、用紙搬送時にページ間のみインク循環するようにしてもよく、また、画像データに基づいて吐出量が予め決められた所定値よりも少ないと判断したときにインク循環するようにしてもよく、また、電源オフ時にインク循環するようにしてもよい。これらの組み合わせでもよい。

また、循環ポンプ６３の駆動に因るインク循環は、液体吐出ヘッド５０の吐出中（画像形成中）にも行うようにすることが、好ましい。すなわち、液体吐出ヘッド５０の吐出中に、共通流路５５内にインクを流していることが、好ましい。

このように液体吐出ヘッド５０の吐出中に共通流路５５内のインク供給口５６０とインク循環口５７０との間に圧力差を生じさせることは、圧力室５２へのインクリフィルのアシストにもなるというメリットもある。すなわち、増粘対策の効果とともにリフィルアシストを兼ねることができるという、相乗効果を期待できる。

吐出中にインク流がない場合には、リフィルの駆動力はノズル５１部分の毛細管力に因る。その場合、インクタンク６０から圧力室５２までの流路抵抗が大きいと、リフィルのための流量を確保できず、吐出量に追いつかなくなることがある。共通流路５５内にインク流があれば、共通流路５５から圧力室５２へ至るインク供給流路５６に強制的にインクが補給されることになるので，インクタンク６０と圧力室５２間の流路抵抗を減らすことと同等になる．圧力室５２へのリフィルにとってプラスに働く。

［マトリックス構造の液体吐出ヘッド］
図１９は、本発明を適用したマトリックス構造の液体吐出ヘッド５０ｇの要部を示す平面透視図である。図１９では、一例として、主走査方向Ｍ（媒体搬送方向Ｓに直交する方向である）において４個のノズル５１が配列されているとともに、主走査方向に対して斜めの方向（略媒体搬送方向Ｓである）において４個のノズル５１が配列されている、４×４の２次元配列のマトリックス構造について示したが、このようなマトリックス構造に特に限定されず、ノズル５１は必要に応じて任意の個数を設けてよい。

図１９において、液体導入口５５６は、図１６のインク導入管６１が接続されており、インク導入管６１を介して図１６のインクタンク６０に通じている。また、液体導出口５５７は、図１６のインク導出管６２が接続されており、図１６のインク導出管６２を介してインクタンク６０に通じている。

液体吐出ヘッド５０内には、インク導入口５５６からインク導出口５５７へ至る共通流路５５が形成されている。共通流路５５は、インク導入口４１に連なる上流部５５１と、複数の圧力室５２がインク供給流路５６およびインク循環路５７を介して接続されている中流部５５２（圧力室連通部）と、インク導出口５６２に連なる下流部５５３とによって、構成されている。本例では、共通流路５５の上流部５５１および下流部５５３は、主走査方向に沿って、ひとつずつ配置されており、共通流路５５の中流部５５２は、主走査方向Ｍ（媒体搬送方向に直交する方向である）に対して斜め方向（略副走査方向Ｓ）に沿って、すなわち圧力室５２の配列方向に沿って、複数配置されている。同一の圧力室５２に通じているインク供給流路５６およびインク循環路５７は、共通流路５５の同一の中流部５５２に接続されている。

もしも、マトリックス構造において、圧力室５２へのインク供給用の共通流路５５とは別個に、インク循環用の専用の共通流路（図示せず）を新たに増設しようとしても、そのような新たな共通流路の増設は実際にはスペースの関係上困難である。インク供給用の共通流路５５に並行した新たな流路を液体吐出ヘッド５０の全体にわたって増設しなければならないからである。しかし、本発明を適用すれば、共通流路５５と圧力室５２との間に局所的にインク循環路５７を増設するだけ済む。すなわち、マトリックス構造であっても、スペースを節約して、ノズル５１近傍におけるインクの増粘防止効果と圧力室５２へのインクのリフィル効果とを相乗的に得ることができる。

以上、インクを吐出する場合を例に説明したが、本発明は、インクを吐出する場合に特に限定されず、例えば、インク吐出前に吐出する処理液など、インク以外の液体を吐出する場合に適用してよい。

本発明は、本明細書において説明した例や図面に図示された例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の設計変更や改良を行ってよいのはもちろんである。

本発明に係る液体吐出ヘッドの要部の基本構成を示す基本構成図 図１の液体吐出ヘッドの要部と等価な等価モデルを示す図 円管の断面図 長方形状断面の流路の断面図 第１実施形態の一例の液体吐出ヘッドの要部を示す平面透視図 図５の６−６線に沿った垂直断面図 図５の７−７線に沿った垂直断面図 第１実施形態の他の例の液体吐出ヘッドを示す垂直断面透視図 第２実施形態の一例の液体吐出ヘッドの要部を示す平面透視図 第３実施形態の一例の液体吐出ヘッドの要部を示す垂直断面図 第４実施形態の一例の液体吐出ヘッドの要部を示す垂直断面図 図１１の１２―１２線に沿った水平断面図 第５実施形態の一例の液体吐出ヘッドの要部を示す垂直断面図 図１３の１４―１４線に沿った水平断面図 剛性体の他の例の説明に用いる水平断面図 液体吐出装置の一例としての画像形成装置の液体供給系およびメンテナンス系の構成を示す構成図 液体吐出装置の一例としての画像形成装置の制御系の構成を示すブロック図 インク充填処理の流れを示す概略フローチャート マトリックス構造の液体吐出ヘッドの要部の基本構成を示す基本構成図 ノズルからの溶媒蒸発に因るインク増粘の説明に用いる説明図

符号の説明

３１…ノズルプレート、３２…循環流路プレート、５０（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ、５０ｇ）…液体吐出ヘッド、５１…ノズル、５２（５２ａ、５２ｂ、５２ｃ）…圧力室、５５…共通流路、５６…インク供給流路、５７…インク循環流路、５８…圧電素子、５９（５９ａ、５９ｂ）…剛性体、６０…インクタンク、６３…循環ポンプ（液流形成手段）、８０…画像形成装置、５１０…ノズル面、５５１…共通流路の上流部、５５２…共通流路の中流部（圧力室連通部）、５５３…共通流路の下流部、５５６…共通流路のインク導入口、５５７…共通流路のインク導出口、５６０…インク供給口、５７０…インク循環口

Claims (10)

1. 液体を吐出する複数のノズルと、
   複数の前記ノズルにそれぞれ連通する複数の圧力室と、
   複数の前記圧力室に対して共通に設けられている共通流路と、
   を備え、
   前記共通流路と複数の前記圧力室との間には、前記各圧力室ごとに、前記共通流路から前記圧力室へ液体を供給する供給流路と、前記圧力室から前記共通流路へ液体を戻す循環流路とが形成されており、
   前記共通流路に開口すると共に、同一の前記圧力室にそれぞれ通じている前記供給流路のインク供給口と前記循環流路のインク循環口との間の距離であって、前記共通流路の液流方向に沿った距離をＤ１とすると、前記Ｄ１は、全ての前記圧力室について等しく、
   前記共通流路に開口すると共に、隣接した前記圧力室にそれぞれ通じている前記供給流路のインク供給口同士の間の距離であって、前記共通流路の液流方向に沿った距離をＤ２としたとき、前記Ｄ１＞前記Ｄ２であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記ノズルが鉛直方向下側に向き、前記共通流路が前記ノズルの鉛直方向上側に位置し、前記圧力室が前記共通流路の鉛直方向上側に位置し、前記循環流路の一端が前記圧力室に接続されていると共に前記循環流路の他端が前記共通流路に接続され、前記圧力室からの液体は前記循環流路を通って前記共通流路に戻され、前記循環流路の前記共通流路側出口は、前記共通流路の鉛直方向の最も下の位置に開口していることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記供給流路のインク供給口と前記循環流路のインク循環口とは、前記共通流路内の対角の位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記液体吐出ヘッドは、前記ノズルが形成されているノズルプレートと、前記循環流路が形成されている循環流路プレートと、を含む複数のプレートが積層されて構成されており、
   前記循環流路プレートは、前記ノズルプレートに隣接し、
   前記共通流路は、前記ノズルプレートに接して形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記循環流路プレートの厚さよりも前記循環流路の高さが小さいことを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記循環流路は、前記循環流路プレートの厚さ方向において前記ノズルプレート側に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記共通流路には、前記循環流路のインク循環口を囲むようにして剛性体が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記共通流路において互いに隣接する前記供給流路のインク供給口同士の間に剛性体が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の液体吐出ヘッドを備えた液体吐出装置。
10. 前記液体吐出ヘッドの吐出中に、前記共通流路内に液流を形成する液流形成手段を備えたことを特徴とする請求項９に記載の液体吐出装置。

Images