JP6708457B2 - 液体吐出ヘッド及び液体の循環方法 - Google Patents
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Description
このような液体の増粘現象に対する対策の1つとして、圧力室内の吐出口にフレッシュな液体を流す方法が知られている。液体を流す方法の手段として、ヘッド内の液体を差圧方式により循環させる方式が知られている。また、交流電気浸透流(ACEO)のようなμポンプを用いた方式が知られている(特許文献1参照)。
本発明は上記課題に鑑み、吐出口からの液体の蒸発による液体の増粘を軽減することで画像の色ムラを低減する液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。
以下に述べる実施形態は本発明の好適な具定例であり、技術的に好ましい様々の限定が付けられている。しかし、本発明の思想に沿う限り、本発明は以下に述べる実施形態に限定されるものではない。
図1(a)は本発明の第1の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板の斜視図である。図1(b)は図1(a)に示す記録素子基板の断面図、図1(c)は図1(b)のA−A線に沿った断面図、図1(d)は図1(c)と同じ断面における流速分布を示す模式図である。
記録素子基板1は基板10と、吐出口形成部材15と、を有している。吐出口形成部材15は基板10に接合されている。基板10はインクが吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子11を備えている。吐出口形成部材15には複数の吐出口12が配置されている、複数の吐出口12は一列に配列して吐出口列19を形成している。本実施形態の記録素子基板1は2列の吐出口列19を有しているが、吐出口列19の数はこれに限定されない。
インクは第1の貫通口16から、第1の液流路13を通って圧力室20に供給される。圧力室20に供給されたインクはエネルギー発生素子11で加熱され、発生した気泡の圧力によって吐出口12から吐出する。吐出口12から吐出しなかったインクは圧力室20から第2の液流路14を通って第2の貫通口17に導かれる。
第1の電極21と第2の電極22はそれぞれ第1の液流路13と第2の液流路14に複数個設けられ、かつ交互に設けられている。第1の電極21と第2の電極22は、第1の貫通口16から圧力室20に向かって、第1の電極21、第2の電極22、第1の電極21、第2の電極22・・の順で設けられている。しかし、第1の液流路13と第2の液流路14には、互いに隣接する第1の電極21と第2の電極22の組が少なくとも一つ設けられていればよい。複数の第1の電極21は共通の第1の配線24に接続されており、複数の第2の電極22は共通の第2の配線23に接続されている。第1の配線24と第2の配線23は第1の液流路13と第2の液流路14を挟んで互いに反対側に配置されている。複数の第1の電極21と複数の第2の電極22は、第1の配線24と第2の配線23から互いに逆方向に櫛状に延びている。第1の配線24は第2の液流路14に沿って延びており、さらに互いに隣接する第2の貫通口17の間を延びている。第2の配線23は第1の液流路13に沿って延びており、さらに互いに隣接する第1の貫通口16の間を延びている。また第1の配線24及び第2の配線23は、隔壁30の下部の領域に互いに並列して設けられている。これによって第1の配線24と第2の配線23の錯綜が防止され、素子基板10の寸法の増加が抑制される。
インク中には第2の電極22から第1の電極21を向く略半円状の電界Eが形成される。この電界は第1の電極21と第2の電極22の中間の線に関し対称形となる。第1及び第2の電極21,22の表面では第1及び第2の電極21,22の表面と平行な電界成分E1が生じる。この電界成分E1は第1及び第2の電極21,22上に誘起された電荷にクーロン力を及ぼす。電界成分E1は電極間ギャップに近い位置では図中左向きとなる。正電荷は電界と同じ向きの力を受けるため、図2(b)に示すように、第1の電極21に接するインクが図中左向きに流れる回転渦F1が生じる。負電荷は電界と逆向きの力を受けるため、第2の電極22に接するインクが図中右向きに流れる回転渦F2が生じる。インクは電極間ギャップから離れる方向に流れるため、電極間ギャップにはインクを補充するようなインク流れF3が発生する。また、電極の電極間ギャップから離れた方の端部では電界の向きが逆になるため、インクが電極間ギャップに向かって流れる回転渦F4が生じる。ただし、電界が弱いためインクが受けるクーロン力は小さい。この結果、電極間ギャップから第1及び第2の電極21,22に向かい、第1及び第2の電極21,22上を電極間ギャップから離れる向きに流れる撹拌流のような流れが形成される。この流れは第1の電極21と第2の電極22で左右略対称形となる。
以上は第1の電極21に正電圧(+V)、第2の電極に負電圧(−V)が印加されていても同じである。すなわち、印加電圧の極性が反転しても、電荷の符号と電界の向きが共に反転するため、生じる流れの向きは変化しない。従って、流路方向の寸法が小さい第1の電極21から流路方向の寸法が大きい第2の電極22に向かう定常的な流れが生じることになる。
エネルギー発生素子11が作動していないときにも、第1の電極21と第2の電極22に接続された交流電源ACによる電気浸透流が生じているため、インクは第1の液流路13から第2の液流路14に向けて流れる。従って、仮に圧力室20の内部でインクが濃縮しても、圧力室20内における濃縮インクの滞留を抑制することができる。従って、吐出口12からは増粘していない、または増粘の程度が小さい比較的フレッシュなインクを吐出することができ、画像の色ムラを低減することが可能となる。
図3を用いて、本発明の第2の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板の構成を説明する。なお、以下の説明においては第1の実施形態との違いを主に説明するため、具体的な説明を省略した個所については第1の実施形態の説明を参照されたい。
図3(a)は本発明の第2の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板の断面図、図3(b)は図3(a)のA−A線に沿った断面図、図3(c)は図3(b)と同じ断面における流速分布を示す模式図である。図3(a)は一つの吐出口12と、それに関連する第1及び第2の液流路13,14、第1及び第2の貫通口16,17だけを示しているが、吐出口列19と第1及び第2の貫通口列25,26の構成は第1の実施形態と同様である。
本実施形態では、第1の電極21と第2の電極22は吐出口形成部材15の裏面に配置されている。裏面とは吐出口形成部材15の基板10に面する面を意味する。電気二重層の充填は吐出口形成部材15の裏面にある電極上で生じる。そのため、図3(c)に示すように、流路内に、吐出口形成部材15の裏面側で流速が大きく、基板10の表面に近づくにつれて流速がゼロに漸近する流速分布が生じる。第1の実施形態と同じ交流電源ACと同じ周波数で第1の電極21と第2の電極22を駆動する場合、吐出口形成部材15の裏面側の流速が大きいため、吐出口12内のインクの濃縮を解消し易い。従って、インクの増粘をさらに効率的に軽減することができる。
図4を用いて、本発明の第3の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板の構成を説明する。なお、以下の説明においては第1の実施形態との違いを主に説明するため、具体的な説明を省略した個所については第1の実施形態の説明を参照されたい。
図4(a)は本発明の第3の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板の断面図、図4(b)は図4(a)のA−A線に沿った断面図、図4(c)は図4(b)と同じ断面における流速分布を示す模式図である。図4(a)は一つの吐出口12と、それに関連する第1及び第2の液流路13,14、第1及び第2の貫通口16,17だけを示しているが、吐出口列19と第1及び第2の貫通口列25,26の構成は第1の実施形態と同様である。
本実施形態では、第1の液流路13の第1の電極21と第2の電極22が吐出口形成部材15の裏面に設けられ、第2の液流路14の第1の電極21と第2の電極22が基板10上に配置されている。第1の液流路13の電極を吐出口形成部材15の裏面に設けることで吐出口形成部材15の裏面側の流速を高め、吐出口12内部の濃縮を抑制することが容易となる。また、第2の液流路14の電極を基板10上に配置することで濃縮インクを流出させることが容易となる。従って、本実施形態では濃縮インクを吐出口の近傍から排出し、排出した濃縮インクを圧力室20から第2の貫通口17に排出することが容易となる。
図5を用いて、本発明の第4の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板の構成を説明する。なお、以下の説明においては第1の実施形態との違いを主に説明するため、具体的な説明を省略した個所については第1の実施形態の説明を参照されたい。
図5(a)は本発明の第4の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板の斜視図、図5(b)は図5(a)に示す記録素子基板の断面図である。
本実施形態では、吐出口列19を挟んで設けられた2つの貫通口列が1つの細長い貫通口116,117で形成されている。貫通口116,117の吐出口列19と平行な方向の寸法を実質的に大きくできるため、貫通口116,117の吐出口列19と直交する方向の寸法を小さくすることができる。このため、第1の実施形態に比べて記録素子基板の幅方向寸法を縮小することが容易で、記録素子基板の小型化が可能である。いずれか一方の貫通口列は第1の実施形態と同様、個々の液流路13,14毎に設けられていてもよい。
図6を用いて、本発明の第5の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板の構成を説明する。なお、以下の説明においては第1の実施形態との違いを主に説明するため、具体的な説明を省略した個所については第1の実施形態の説明を参照されたい。
図6(a)は本発明の第5の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板の斜視図、図6(b)は図6(a)に示す記録素子基板の断面図である。
本実施形態では、各吐出口12について一つの貫通口226が設けられている。また、第4の実施形態と同様、貫通口226は複数の吐出口12に対して共通である。第1の液流路13は貫通口226に接続され、途中で180度向きを変え圧力室20に接続されている。圧力室20と貫通口226とを連通する第2の液流路14は直線上に形成された流路である。すなわち、細長い貫通口226から第1の液流路13を介して圧力室20に供給されたインクは、第2の液流路14を介して再び細長い貫通口226に戻るようにされている。本実施形態の構成によれば2列の貫通口列を配置する必要がないため、第1の実施形態に比べて記録素子基板の幅方向寸法を縮小することが容易で、記録素子基板の小型化が可能である。なお、一つの細長い貫通口226に代えて、個々の吐出口12に接続された複数の貫通口226を設けること可能である。
本実施形態では、インクが吐出されていないときも、貫通口226から第1の液流路13及び第2の液流路14に流入したインクが、再び貫通口226に戻る流れが形成される。このため、第1の実施形態と同様、濃縮されたインクの滞留を抑制する効果が得られる。
図7を用いて、本発明の第6の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板の構成を説明する。なお、以下の説明においては第1の実施形態との違いを主に説明するため、具体的な説明を省略した個所については第1の実施形態の説明を参照されたい。
図7(a)は本発明の第6の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板の断面図、図7(b)は図7(a)のA−A線に沿った断面図、図7(c)は図7(b)と同じ断面における流速分布を示す模式図である。図7(a)は一つの吐出口12と、それに関連する第1及び第2の液流路13,14、第1及び第2の貫通口16,17だけを示しているが、吐出口列19と第1及び第2の貫通口列25,26の構成は第1の実施形態と同様である。
本実施形態では第1の液流路13に第1の電極21が、第2の液流路14に第2の電極22が設けられており、第1の電極21と第2の電極22は直流電源DCに接続されている。より具体的には、第1の電極21が直流電源DCの正極に接続され、第2の電極22が直流電源DCの負極に接続されている。第1の電極21と第2の電極22の寸法は同じであるが、第1の実施形態のように異なっていてもよい。電極は基板10上と吐出口形成部材15の裏面のいずれに配置されてもよい。
図7(c)に示すように、流速分布は概ね栓流に近い流速分布を示す。このような流速分布が生じる理由は以下の通りである。壁面に平行な電界が外部から印加されると、固体表面が負に帯電し、界面近傍の液体中では正イオンが過剰になる。そのため、局所的に液体が正に帯電し電気二重層のイオンが電界の方向に力を受け、壁近傍でインクの移動が生じるためである。直流電源DCのため、液体の電気分解が生じない電圧で電極を駆動する必要があり(水の場合、電圧は約1V以下が好ましい)、交流電源ACを用いる場合と比べて得られる流速は小さい。しかし、第1の電極21と第2の電極22を直流電源DCに接続するだけでインク流れを発生させることができるため、第1の実施形態よりシンプルな構成が得られる。
尚、本実施形態においては第1及び第2の電極を基板10に設ける構成であるが、これに限らず、第2の実施形態で示したように第1及び第2の電極を吐出口形成部材15の裏面に設ける構成にも適用できる。また第3の実施形態に示すように第1及び第2電極の一方を基板10に、他方を吐出口形成部材15に設ける構成にも適用できる。
図8を用いて、本発明の第7の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板の構成を説明する。なお、以下の説明においては第1の実施形態との違いを主に説明するため、具体的な説明を省略した個所については第1の実施形態の説明を参照されたい。
図8(a)は本発明の第7の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板の断面図、図8(b)は図8(a)のA−A線に沿った断面図、図8(c)は図8(b)と同じ断面における流速分布を示す模式図である。図8(a)は一つの吐出口12と、それに関連する第1及び第2の液流路13,14、第1及び第2の貫通口16,17だけを示しているが、吐出口列19と第1及び第2の貫通口列25,26の構成は第1の実施形態と同様である。
本実施形態では第1の液流路13に第1の電極21が、第2の液流路14に第2の電極22が設けられており、第1の電極21と第2の電極22がそれぞれ交流電源ACの+端子と−端子に接続されている。第1の電極21と第2の電極22の寸法は概ね同等である。
図8(c)で示すように、本実施形態では概ね吐出口12もしくはエネルギー発生素子11を中心に回転するミキサーのような流速分布が生じる。その理由は図2(a),(b)で説明した通りである。吐出口12の近傍を通る流れ成分が形成されているため、吐出口12近傍の濃縮したインクを流動させることができる。従って、吐出口12近傍でのインクの濃縮を抑制できる。交流電源ACに接続されているため、電気分解による泡の発生が抑制され、高電圧化が可能になる。そのため、第6の実施形態よりインクを高流速で流すことが容易である。従って、シンプルな構成でインクの高流速化が可能である。
図9を用いて、本発明の第8の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板の構成を説明する。なお、以下の説明においては第1の実施形態との違いを主に説明するため、具体的な説明を省略した個所については第1の実施形態の説明を参照されたい。
図9(a)は本発明の第8の実施形態に係る液体吐出ヘッドの記録素子基板の断面図、図9(b)は図9(a)のA−A線に沿った断面図、図9(c)は図9(b)と同じ断面における流速分布を示す模式図である。図9(d)は図9(a)のB−B線に沿った断面図、図9(e)は図9(d)と同じ断面における流速分布を示す模式図である。図9(a)は一つの吐出口12と、それに関連する第1及び第2の液流路13,14、第1及び第2の貫通口16,17だけを示しているが、吐出口列19と第1及び第2の貫通口列25,26の構成は第1の実施形態と同様である。
本実施形態では、第1の電極21,第2の電極22に加えて、第3の電極27と第4の電極28が形成されている。第3の電極27と第4の電極28はそれぞれビア29によって配線(図示せず)に接続されている。第1の電極21、第2の電極22は第1の実施形態と同様の構成であり、具体的には以下の構成を有している。まず、第1の電極21と第2の電極22は交流電源ACの+端子と−端子に接続されている。第1の電極21は第2の電極22は第1の液流路13及び第2の液流路14に共に配置されている。第1の電極21の流路方向寸法は第2の電極22の流路方向寸法より小さい。第1の電極21と第2の電極22は基板10上に配置されている。第3の電極27と第4の電極28は交流電源ACの両極に接続されているが、第6の実施形態と異なり、吐出口12もしくはエネルギー発生素子11を挟んだ両側に配置されている。第3の電極27と第4の電極28は第1の液流路13、第2の液流路14、圧力室20のいずれに配置されてもよい。
第1の電極21と第2の電極22により、第1の液流路13から第2の液流路14に向かうインク流が生じる。このため、圧力室20を横断するフレッシュなインク流が生じる。また、図9(e)に示すように第3の電極27と第4の電極28により、吐出口12に向かう流れ成分が発生する。このため、吐出口12内部のインク濃縮を効率的に抑制することができる。本実施形態では、以上の2つを組合せた構成により、他の実施形態と比べてインクの増粘の軽減効果が大きい。
11 エネルギー発生素子
12 吐出口
13 第1の液流路
14 第2の液流路
15 吐出口形成部材
16 第1の貫通口
17 第2の貫通口
21 第1の電極
22 第2の電極
Claims (11)
- 液体を吐出する吐出口と、
前記吐出口に連通し、前記液体が流通する第1の液流路と、
前記吐出口に関し前記第1の液流路の反対側で前記吐出口に連通し、前記液体が流通する第2の液流路と、
前記第1及び第2の液流路にそれぞれ少なくとも一つ配置され、交流電源の一端に接続された第1の電極と、
前記第1及び第2の液流路にそれぞれ少なくとも一つ配置され、前記交流電源の他端に接続され、前記第1の電極とともに前記液体に電気浸透流を発生させる第2の電極と、
を有し、
前記第1の電極と前記第2の電極は交互に配置され、前記第1及び第2の液流路に沿った方向の寸法が互いに異なっている液体吐出ヘッド。 - 前記吐出口と対向して位置し、前記液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子と、
前記エネルギー発生素子が設けられた基板と、
を有し、前記第1の電極と前記第2の電極は前記基板に配置されている、請求項1に記載の液体吐出ヘッド。 - 液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子を内部に備える圧力室と、前記圧力室、前記第1の液流路または前記第2の液流路内に、前記吐出口の両側に配置された第3及び第4の電極と、を有し、前記第3の電極が第2の交流電源の一端に接続され、前記第4の電極が前記第2の交流電源の他端に接続されている、請求項1または2に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子が設けられた基板
を貫通し、前記第1の液流路または前記第2の液流路と接続された貫通口を有し、前記貫通口は前記第1の液流路または前記第2の液流路毎に設けられている、請求項1から3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。 - 前記液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子が設けられた基板を貫通し、前記第1の液流路または前記第2の液流路と接続された貫通口を有し、前記貫通口は複数の前記第1の液流路または複数の前記第2の液流路に共有されている、請求項1から3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子を内部に備える圧力室内の液体は当該圧力室の外部との間で循環される、請求項1から5のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 液体を吐出する吐出口と、
前記吐出口に連通し、前記液体が流通する第1の液流路と、
前記吐出口に関し前記第1の液流路の反対側で前記吐出口に連通し、前記液体が流通する第2の液流路と、
前記第1の液流路に位置する第1の電極と、
前記第2の液流路に位置し、前記第1の電極とともに前記液体に電気浸透流を発生させる第2の電極と、
前記吐出口が設けられた吐出口形成部材と、
を有し、
前記第1の電極と前記第2の電極は前記吐出口形成部材に配置されている液体吐出ヘッド。 - 液体を吐出する吐出口と、
前記吐出口に連通し、前記液体が流通する第1の液流路と、
前記吐出口に関し前記第1の液流路の反対側で前記吐出口に連通し、前記液体が流通する第2の液流路と、
前記第1の液流路に位置する第1の電極と、
前記第2の液流路に位置し、前記第1の電極とともに前記液体に電気浸透流を発生させる第2の電極と、
前記吐出口と対向して位置し、前記液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子と、
前記エネルギー発生素子が設けられた基板と、
前記吐出口が設けられた吐出口形成部材と、
を有し、
前記第1の電極は前記基板に配置され、前記第2の電極は前記吐出口形成部材に配置されている液体吐出ヘッド。 - 液体を吐出する吐出口と、
前記吐出口に連通し、前記液体が流通する第1の液流路と、
前記吐出口に関し前記第1の液流路の反対側で前記吐出口に連通し、前記液体が流通する第2の液流路と、
前記第1の液流路に位置する第1の電極と、
前記第2の液流路に位置し、前記第1の電極とともに前記液体に電気浸透流を発生させる第2の電極と、
を有し、
前記第1の電極が直流電源の一端に接続され、前記第2の電極が前記直流電源の他端に接続されている液体吐出ヘッド。 - 液体を吐出する吐出口と、
前記吐出口に連通し、前記液体が流通する第1の液流路と、
前記吐出口に関し前記第1の液流路の反対側で前記吐出口に連通し、前記液体が流通する第2の液流路と、
前記第1の液流路及び前記第2の液流路の夫々に位置する、第1の電極、及び前記第1の電極とともに前記液体に電気浸透流を発生させる第2の電極と、
を有し、
前記第1の電極と前記第2の電極は、前記第1及び第2の液流路に沿った方向の寸法が互いに異なっている液体吐出ヘッド。 - 前記第1の電極が交流電源の一端に接続され、前記第2の電極が前記交流電源の他端に接続されている、請求項10に記載の液体吐出ヘッド。
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