JP5832272B2 - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、液体を吐出する液体吐出ヘッドの圧力室内に滞留する気泡を除去し、液体の吐出を良好な状態に保つための構成に関する。

インクジェット記録装置に代表される液体吐出装置に搭載される液体吐出ヘッドについては種々の提案がなされている。その中でも、圧電素子を液体吐出エネルギーの発生源とする液体吐出ヘッドは、吐出させる液体（インク）の種類を選ばないというメリットを有している。

液体吐出ヘッドから吐出されるインクに含まれている水分によって被記録媒体の変形（カールやコックリングなど）が生じるが、これを低減するために、水分量を減らした高粘度インクの使用が検討されている。

被記録媒体の搬送方向と垂直な方向に複数のノズルを所定のピッチで並べてなるノズル列を、被記録媒体の搬送方向と垂直な方向に所定の間隔ずらしながら被記録媒体の搬送方向に複数並べることにより、ノズルを二次元状に配した液体吐出ヘッドが知られている。

このような構成は実効的なノズルピッチを高くすることができるので、高画質化を図ることができる。

一方、液体吐出ヘッドは、インクが供給される流路の一部に、内部のインクに吐出圧力が付与される液室である圧力室を備えている。このような圧力室内に気泡が侵入、あるいは発生すると、気泡が液体を吐出するための圧力を吸収してしまい所望の吐出量や吐出速度が得られない、もっと深刻な場合には吐出することができなくなるという問題が知られている。

特許文献１には、上記した圧力室内の気泡を除去することを目的とした技術が開示されている。特許文献１に開示された技術では、一端が圧力室に連通し他端が吐出口に連通する流路（ノズル流路と呼ぶ）を備え、さらに、該ノズル流路に連通する還流路を設けた液体吐出ヘッドを用いている。記録中でも還流路側へのインクの循環流を発生させ、吐出させていない圧力室のアクチュエータに対して気泡を揺らす信号を与えている。これによって圧力室近傍の気泡を振動により壁面から剥離し、インクの循環流に乗せて排出する。

特開２００８−８７２８８号公報

特許文献１に開示されている技術で用いられている液体吐出ヘッドは、１つのノズルに対して１つの還流路のみを有している。しかし、この構成ではノズル流路の側壁面の一部に還流路の入口が設けられているため、還流路の入口とは反対側のノズル流路壁面側にはほとんど流れが生じない。そのため、還流路の入口とは反対側のノズル流路壁面近傍の気泡を除去することは困難である。さらに、ノズル流路の還流路よりも吐出口側に滞留している気泡を除去することも困難である。また、吐出していない圧力室のアクチュエータに対して気泡を揺らす信号を与える技術が開示されているが、圧力室から離れた位置にあるノズル流路壁面の気泡を剥離できるかは疑問である。

上記の問題を解決する方法として、吐出口近傍に、ノズル流路を挟んで両側に還流路を設けることにより、気泡をノズル流路壁面近傍に滞留させることなく除去することが考えられる。しかし、高画質化のためにノズルを前述した二次元状に配しようとした場合、ノズル間に各々のノズルと連通する２つの還流路を設けなくてはならず、ノズル間隔が広がってしまい画質の低下を招くとともに、液体吐出ヘッドが大型化してしまうという問題がある。また、２つのノズルで１つの還流路を共有することによりノズル間隔を狭めることも考えられるが、この場合には隣接したノズル同士が還流路を介して連通するため、アクチュエータを駆動すると隣接ノズル同士の間に流体的なクロストークが発生してしまう。

本発明の目的は、ノズルを二次元格子状に高密度に配しながらも、ノズル間に流体的なクロストークが発生することなく、圧力室内の気泡を効果的に除去することである。

本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口が二次元格子点状に複数配置されたノズルプレートと、吐出口と連通し、ノズルプレートに対して交差する方向に延びる第１の流路と、液体を第１の流路に供給する供給口を備える液体供給部材と、を有する。また、前記第１の流路とは独立して第１の流路に沿って形成され、かつ二次元格子点状に配置された吐出口の配列の方向のうち第１の方向において第１の流路と交互に配置されている第２の流路を有する。さらに、前記第１の流路とは独立して第１の流路に沿って形成され、二次元格子点状に配置された吐出口の配列の方向のうち第２の方向において第１の流路と交互に配置されている第３の流路を有する。加えて、第１の流路および、該第１の流路を挟む位置にある２つの第２の流路を連結する第１の連結流路と、第１の流路および、該第１の流路を挟む位置にある２つの第３の流路を連結する第２の連結流路と、を有する。そして、第１の連結流路および第２の連結流路は接続されずに、第１の方向および第２の方向に交互に形成されている。

このように、本発明の液体吐出ヘッドでは、第１の連結流路および第２の連結流路とが交わらないので、各圧力室に対して独立した循環流路を設けられるため、ノズル間に流体的なクロストークを発生させることなく、圧力室内の気泡を効果的に除去することができる。

本発明によれば、ノズルを二次元格子状に高密度に配しながらも、ノズル間に流体的なクロストークが発生することなく、圧力室内の気泡を効果的に除去することができる。

本発明の実施形態に係る液体吐出装置の概略構成図である。 本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの概略構成図である。 図２に示す液体吐出ヘッドの分解斜視図である。 （ａ）は本発明の実施形態に係るノズルプレートの斜視図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ’線に沿った断面図である。 本発明の実施形態に係る絞り板の斜視図である。

以下、本発明の液体吐出ヘッドの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本発明は以下の実施形態によって限定されるものではない。

まず、図１を参照して、本発明の液体吐出ヘッドを好適に適用できる液体吐出装置１について説明する。液体吐出装置１は、シート状の被記録媒体３を搬送する無端ベルトからなる搬送ベルト５を有している。搬送ベルト５は一対の搬送ローラー４に掛け回されており、搬送ローラー４によって張力を掛けられながら駆動される。駆動される搬送ベルト５によって、被記録媒体３は搬送ベルト５上をＡで示した被記録媒体搬送方向に搬送される。

液体吐出装置１は、例えばイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）およびブラック（Ｂｋ）の４色に対応した４つの液体吐出ヘッド２を有している。４つの液体吐出ヘッド２は、被記録媒体搬送方向Ａに、任意の順番で相前後して配置されている。各液体吐出ヘッド２はノズルプレート８を有し、該ノズルプレート８には、被記録媒体３の幅に対応した範囲に亘って、複数の吐出口１２が形成されている。被記録媒体３を搬送しながら、インクタンク６に貯蔵された各色インクをポンプ７によって各液体吐出ヘッド２に送り、各液体吐出ヘッド２の吐出口１２から吐出させることによって、被記録媒体３に高速でフルカラー記録を行うことができる。

図２〜図５には、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッド２を示している。

図２は、液体吐出ヘッド２の概略構成図である。図３は、液体吐出ヘッド２を構成する各部材を３次元的に示す分解斜視図である。図３中の矢印Ａ，Ｂ，Ｚは互いに直交する３軸方向を表しているが、矢印Ｃは、矢印Ａ，Ｂを同一面上に含む二次元面内の方向である。

図２および図３に示すように、液体吐出ヘッド２は圧電部材９を有している。圧電部材９には、圧力室１３が、Ｚで示した液体を吐出する方向（ノズルプレート８と交差する方向）に沿って延び、かつ、二次元格子点状にＢで示した第１の方向およびＣで示した第２の方向に複数配設されている。各圧力室１３は第１の流路として、ノズルプレート８の各吐出口１２に連通し、各吐出口１２から吐出される液体を保持する。本実施形態においては、被記録媒体搬送方向Ａと第２の方向Ｃとが平行になっていない。即ち、吐出口１２は被記録媒体搬送方向Ａに対して斜めになるように並んでいる。このような吐出口１２の配列により、実効的なノズルピッチを高めることができる。

本実施形態では、被記録媒体搬送方向Ａに対して直交する第１の方向Ｂにおける各吐出口１２の配列ピッチは３６ｄｐｉ(dot per inch)である。この吐出口１２の配列を５列設け、吐出口列を、隣接する吐出口１２の間隔の１／５ピッチずつ第１の方向Ｂにずらして積層配置することにより、実効的なノズルピッチを１８０ｄｐｉにすることができる。また、吐出口１２の配列の積層数をずらしながら増やすことで、実効的なノズルピッチをさらに高めることが可能である。

本実施形態においては圧力室１３の壁面は全て圧電体で形成されている。しかし、圧力室１３の壁面の少なくとも一部が圧電体で形成されていればよく、必ずしも全てが圧電体で形成されている必要はない。

圧電部材９には、圧力室１３と第１の方向Ｂに隣接する第２の流路である第１の還流路１４および、圧力室１３と第２の方向Ｃに隣接する第３の流路である第２の還流路１５が設けられている。即ち、１つの圧力室１３が２つの第１の還流路１４および２つの第２の還流路１５と隣接しており、隣接する２つの圧力室１３の間には１つの第１の還流路１４あるいは第２の還流路１５のいずれかが存在する。

圧電部材９の圧力室１３の隔壁の、圧力室１３の内壁側と第１の還流路１４および第２の還流路１５の内壁側には、駆動電圧を供給するための電極配線（不図示）が設けられている。本実施形態においては圧力室１３の内壁側の電極が個別電極（第１の電極）であり、第１の還流路１４および第２の還流路１５側の電極が共通電極（第２の電極）である。圧力室１３の周囲の隔壁を形成している圧電体は、前記個別電極と前記共通電極とを結ぶ方向に分極されている。そして、各々の隔壁の個別電極に独立して駆動電圧が印加されることにより圧電部材９が変形し、圧電部材９の変形によって加圧された液体が、吐出口１２から吐出される。

一例では、圧力室１３の断面形状は１２０μｍ×１２０μｍであり、長さは１０ｍｍである。圧力室１３周囲の隔壁の厚さは１２０μｍである。第１の還流路１４の横断面形状は１２０μｍ×１４０μｍであり、第２の還流路１５の横断面形状は５００μｍ×３１０μｍである。なお、ここで言う断面形状とは、図３中の矢印Ａ、Ｂで成す平面に沿って圧電部材９を切断したときの、圧力室１３、第１の還流路１４や第２の還流路１５の断面形状である。

図４（ａ）はノズルプレート８の斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のｂ−ｂ’線に沿った断面図である。

図４（ｂ）に示すように、ノズルプレート８には、吐出口１２と、第１の連結流路１６と、第２の連結流路１７とが形成される。ノズルプレート８の裏面は圧電部材９の圧力室１３の一端側の面に接合されるため、吐出口１２は各圧力室１３の位置に対応して配設されている。第１の連結流路１６と第２の連結流路１７はそれぞれ、一つの吐出口１２を含むようにノズルプレート８の裏面に形成された溝からなる。第１の連結流路１６はＢで示された第１の方向に沿って延び、第２の連結流路１７は被記録媒体搬送方向Ａに沿って延びる。さらに、オリフィスプレート８と圧電部材９が接合された状態で、第１の連結流路１６は、圧力室１３と第１の還流路１４とに連通し、第２の連結流路１７は、圧力室１３と第２の還流路１５とに連通する。即ち、圧力室１３内を流れてきた液体は、第１の方向Ｂあるいは被記録媒体搬送方向Ａのいずれかの方向に沿って両側へ流れていく。

第１の連結流路１６および第２の連結流路１７は接続せず、第１の方向Ｂおよび第２の方向Ｃに隣接して交互に並んでいる。

一例では、ノズルプレート８の厚みは８０μｍである。吐出口１２は直径１０μｍ、穴の長さ１７μｍの円筒形状であり、第１の連結流路１６および第２の連結流路１７は幅１２０μｍ、高さ６３μｍ、長さ９５０μｍである。吐出口１２はテーパー形状であってもよい。

図５は絞り板１０の斜視図である。

圧電部材９に対してノズルプレート８が貼り付けられている側と反対側の端面には、液体供給部材としての絞り板１０が設けられている（図２及び図３参照）。絞り板１０は、圧電部材９の圧力室１３と連通し、液体を共通液室１１から圧力室１３に供給する供給口である絞り開口１８を備えている。絞り開口１８は複数の圧力室１３に対応して複数配置されている。図５に示すように、絞り開口１８の圧力室１３と接続する部分は、絞り板１０に形成された突起部２１になっている。

突起部２１周囲の液体貯溜室壁２２で囲まれた空間は液体貯溜室１９であり、液体貯溜室１９は第１の還流路１４および第２の還流路１５と連通し、複数の第１の還流路１４、第２の還流路１５内を流れてきた液体が一時的に貯留される。絞り板１０は液体貯溜室壁２２の一部に循環流路出口２０を有しており、そこから、液体吐出ヘッド２内を循環してきた液体が気泡を除去するためのフィルタ２３（図２参照）を介してインクタンク６へと戻される。

一例では、絞り板１０の厚さは２００μｍであり、圧力室１３と連通する絞り開口１８は７０μｍ×７０μｍの矩形形状である。

以下では、図２および図３を用いて、液体の循環経路について説明する。

本実施形態では、２つの循環経路が存在する。１つ目の循環経路は、圧力室１３、オリフィスプレート８に形成された第１の連結流路１６、圧電部材９内の第１の還流路１４、絞り板１０の液体貯溜室１９、絞り板１０の循環流路出口２０、フィルタ２３の順に流動し、インクタンク６へと戻される経路である。２つ目の循環経路は、圧力室１３、オリフィスプレート８に形成された第２の連結流路１７、圧電部材９内の第２の還流路１５、絞り板１０の液体貯溜室１９、絞り板１０の循環流路出口２０、フィルタ２３の順に流動し、インクタンク６へと戻される経路である。この圧力室１３内の液体の流れにより、圧力室１３内の気泡が第１の還流路１４および第２の還流路１５へと除去される。

本発明の構成では、圧力室１３から、対称な上下２方向（方向Ａ）、あるいは左右２方向（方向Ｂ）へ液体が流れるため、気泡が滞留しやすい壁面ができず、効果的に気泡を圧力室１３から第１の還流路１４および第２の還流路１５へと排出することができる。また、第１の連結流路１６および第２の連結流路１７が接続されていないので、ある吐出口１２から液体を吐出するために隔壁を変形させたとしても、その流体的な影響が他の吐出口１２に及ぶことがなく、よって流体的なクロストークが生じない。さらに、隣接する吐出口１２の間に２つ以上の第１の還流路１４、あるいは第２の還流路１５を設ける必要がない（一つの還流路で済む）ので、高密度に吐出口１２を実装することができる。

なお本実施形態においては、第１の連結流路１６および第２の連結流路１７をノズルプレート８に形成したが、圧電部材９の側に溝を設け、その溝をノズルプレート８で蓋することにより第１の連結流路１６および第２の連結流路１７を形成しても構わない。

本実施形態によれば、少なくとも一部が圧電体で形成された圧電部材９を有し、吐出口１２を二次元状に高密度に配しながらも、吐出口１２間にクロストークが発生することなく、圧力室１３内の気泡を効果的に除去できる液体吐出ヘッドを提供することができる。

なお、以上説明した各実施形態では、圧電素子を液体吐出エネルギーの発生源とする液体吐出ヘッド２を例示した。しかし、本発明の液体吐出ヘッド２は圧電素子を備えているものに限られず、圧力室内に供給されたインクを加圧して吐出口１２から吐出できる液体吐出エネルギーの発生源を有するものならば、如何なる液体吐出ヘッド２にも適用可能である。

１ 液体吐出装置
２ 液体吐出ヘッド
３ 被記録媒体
４ 搬送ローラー
５ 搬送ベルト
６ インクタンク
７ ポンプ
８ ノズルプレート
９ 圧電部材
１０ 絞り板
１１ 共通液室
１２ 吐出口
１３ 圧力室
１４ 第１の還流路
１５ 第２の還流路
１６ 第１の連結流路
１７ 第２の連結流路
１８ 絞り開口
１９ 液体貯溜室
２０ 循環流路出口
２１ 突起部
２２ 液体貯溜室壁
２３ フィルタ

Claims (3)

1. 液体を吐出する吐出口が二次元格子点状に複数配置されたノズルプレートと、
   前記吐出口と連通し、前記ノズルプレートに対して交差する方向に延びる第１の流路と、
   前記液体を前記第１の流路に供給する供給口を備える液体供給部材と、を有する液体吐出ヘッドであって、
   前記第１の流路とは独立して前記第１の流路に沿って形成され、かつ前記二次元格子点状に配置された吐出口の配列の方向のうち第１の方向において前記第１の流路と交互に配置されている第２の流路と、
   前記第１の流路とは独立して前記第１の流路に沿って形成され、前記二次元格子点状に配置された吐出口の配列の方向のうち第２の方向において前記第１の流路と交互に配置されている第３の流路と、
   前記第１の流路および、該第１の流路を挟む位置にある２つの前記第２の流路を連結する第１の連結流路と、
   前記第１の流路および、該第１の流路を挟む位置にある２つの前記第３の流路を連結する第２の連結流路と、を有し、
   前記第１の連結流路および前記第２の連結流路は接続されずに、前記第１の方向および前記第２の方向に交互に形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記第１の連結流路および前記第２の連結流路が前記ノズルプレートに形成され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. 前記第１の流路の内壁側に第１の電極が設けられており、
   前記第２の流路および前記第３の流路の内壁側に第２の電極が設けられており、
   前記第２の流路の内壁および前記第３の流路と、前記第１の流路の内壁との間の隔壁が圧電体で形成され、前記第１の電極と前記第２の電極とを結ぶ方向に分極されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。

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