JP6794239B2 - 液体吐出装置および液体吐出ヘッド - Google Patents
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Description
(液体吐出装置の説明)
図1は、本発明の記録液体(以下「液体」とも記す)を吐出する液体吐出装置、特にはインクを吐出して記録を行う液体吐出装置(以下、記録装置とも称す)1000の概略構成を示した図である。液体吐出装置1000は、記録媒体2を搬送する搬送部1と、記録媒体2の搬送方向と略直交して配置されるページワイド型の液体吐出ヘッド3とを備え、複数の記録媒体2を連続もしくは間欠に搬送しながら1パスで連続記録を行うページワイド型記録装置である。液体吐出ヘッド3は、循環経路内の圧力(負圧および正圧)を制御する圧力制御ユニット230と、液体供給ユニット220と、液体供給ユニット220へのインクの供給および排出口となる液体接続部111と、筺体80とを備えている。記録媒体2は、カット紙に限らず、連続したロール媒体であってもよい。液体吐出ヘッド3は、シアンC、マゼンタM、イエローY、ブラックKのインクによるフルカラー記録が可能であり、液体を液体吐出ヘッド3へ供給する供給路である液体供給手段、メインタンクおよびバッファタンク(後述する図3参照)が流体的に接続される。また、液体吐出ヘッド3には、液体吐出ヘッド3へ電力および吐出制御信号を伝送する電気制御部が電気的に接続される。液体吐出ヘッド3内における液体経路および電気信号経路については後述する。
図2は、液体吐出装置1000に適用される循環経路の比較例としての循環形態を示す模式図である。液体吐出ヘッド3は、第1循環ポンプ(高圧側)1001、第1循環ポンプ(低圧側)1002およびバッファタンク1003等に流体接続されている。なお図2では、説明を簡略化するため、シアンC、マゼンタM、イエローY、ブラックKのインクの内の1色のインクが流動する経路のみを示しているが、実際には4色分の循環経路が、液体吐出ヘッド3および記録装置本体に設けられる。
図3は、本実施形態の記録装置に適用される循環経路のうち、上述した循環形態とは異なる循環形態である第1循環経路を示す模式図である。前述の循環形態との主な相違点は、圧力制御ユニット230を構成する2つの圧力調整機構が共に、圧力制御ユニット230よりも上流側の圧力を、所望の設定圧を中心として一定範囲内の変動で制御する点である。また、図2の循環形態との相違点として、第2循環ポンプ1004が圧力制御ユニット230の下流側を減圧する負圧源として作用する点がある。更に、第1循環ポンプ(高圧側)1001および第1循環ポンプ(低圧側)1002が液体吐出ヘッド3の上流側に配置され、圧力制御ユニット230が液体吐出ヘッド3の下流側に配置されている点も相違する点である。
実施形態1に係る液体吐出ヘッド3の構成について説明する。図5(a)および図5(b)は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド3を示した斜視図である。液体吐出ヘッド3は、1つの記録素子基板10でシアンC/マゼンタM/イエローY/ブラックKの4色のインクを吐出可能な記録素子基板10を直線状に15個配列(インラインに配置)されるページワイド型の液体吐出ヘッドである。図5(a)に示すように液体吐出ヘッド3は、各記録素子基板10と、フレキシブル配線基板40および電気配線基板90を介して電気的に接続された信号入力端子91と電力供給端子92を備える。信号入力端子91および電力供給端子92は、液体吐出装置1000の制御部と電気的に接続され、それぞれ吐出駆動信号および吐出に必要な電力を記録素子基板10に供給する。電気配線基板90内の電気回路によって配線を集約することで、信号入力端子91および電力供給端子92の数を記録素子基板10の数に比べて少なくすることができる。これにより、液体吐出装置1000に対して液体吐出ヘッド3を組み付ける時または液体吐出ヘッドの交換時に取り外しが必要な電気接続部数が少なくて済む。図5(b)に示すように、液体吐出ヘッド3の両端部に設けられた液体接続部111は、液体吐出装置1000の液体供給系と接続される。これによりシアンC/マゼンタM/イエローY/ブラックK4色のインクが液体吐出装置1000の供給系から液体吐出ヘッド3に供給され、また液体吐出ヘッド3内を通ったインクが液体吐出装置1000の回収系へ回収されるようになっている。このように各色のインクは、液体吐出装置1000の経路と液体吐出ヘッド3の経路を介して循環可能である。
図10(a)は、1つの吐出モジュール200を示した斜視図であり、図10(b)は、その分解図である。吐出モジュール200の製造方法としては、まず記録素子基板10およびフレキシブル配線基板40を、予め液体連通口31が設けられた支持部材30上に接着する。その後、記録素子基板10上の端子16と、フレキシブル配線基板40上の端子41とをワイヤーボンディングによって電気接続し、その後にワイヤーボンディング部(電気接続部)を封止部材110で覆って封止する。フレキシブル配線基板40の記録素子基板10と反対側の端子42は、電気配線基板90の接続端子93(図6参照)と電気接続される。支持部材30は、記録素子基板10を支持する支持体であるとともに、記録素子基板10と流路部材210とを流体的に連通させる流路部材であるため、平面度が高く、また十分に高い信頼性をもって記録素子基板と接合できるものが好ましい。材質としては例えばアルミナや樹脂材料が好ましい。
図11(a)は記録素子基板10の吐出口13が形成される側の面の平面図を示し、図11(b)は、図11(a)のXIBで示した部分の拡大図を示し、図11(c)は、図11(a)の裏面の平面図を示す。ここで、本実施形態における記録素子基板10の構成について説明する。図11(a)に示すように、記録素子基板10の吐出口形成部材12に、各インク色に対応する4列の吐出口列が形成されている。なお、以後、複数の吐出口13が配列される吐出口列が延びる方向を「吐出口列方向」と呼称する。図11(b)に示すように、各吐出口13に対応した位置には液体を熱エネルギにより発泡させるための発熱素子である記録素子15が配置されている。隔壁22により、記録素子15を内部に備える圧力室23が区画されている。記録素子15は、記録素子基板10に設けられる電気配線(不図示)によって、端子16と電気的に接続されている。そして記録素子15は、液体吐出装置1000の制御回路から、電気配線基板90(図6参照)およびフレキシブル配線基板40(図10参照)を介して入力されるパルス信号に基づいて発熱して液体を沸騰させる。この沸騰による発泡の力で液体を吐出口13から吐出する。図11(b)に示すように、各吐出口列に沿って、一方の側には液体供給路18が、他方の側には液体回収路19が延在している。液体供給路18および液体回収路19は記録素子基板10に設けられた吐出口列方向に伸びた流路であり、それぞれ供給口17a、回収口17bを介して吐出口13と連通している。
図13は、隣り合う2つの吐出モジュールにおける、記録素子基板の隣接部を部分的に拡大して示した平面図である。本実施形態では略平行四辺形の記録素子基板を用いている。各記録素子基板10における吐出口13が配列される各吐出口列(14a〜14d)は、記録媒体の搬送方向に対し一定角度傾くように配置されている。そして、記録素子基板10同士の隣接部における吐出口列は、少なくとも1つの吐出口が記録媒体の搬送方向にオーバーラップするようになっている。図13では、線D上の2つの吐出口が互いにオーバーラップする関係にある。このような配置によって、仮に記録素子基板10の位置が所定位置から多少ずれた場合でも、オーバーラップする吐出口の駆動制御によって、記録画像の黒スジや白抜けを目立たなくすることができる。複数の記録素子基板10を千鳥配置ではなく、直線状(インライン)に配置した場合も、図13と同様に液体吐出ヘッド3の記録媒体の搬送方向の長さの増大を抑えつつ記録素子基板10同士のつなぎ部における黒スジや白抜け対策を行うことができる。なお、本実施形態では記録素子基板の主平面は平行四辺形であるが、これに限るものではなく、例えば長方形、台形、その他形状の記録素子基板を用いた場合でも、本発明の構成を好ましく適用することができる。
図15(a)(b)は、第1の循環形態で用いられる圧力制御ユニット230(背圧弁)を示した外観斜視図であり、図15(c)はその断面図である。低圧設定側の圧力調整機構230Lも制御圧(バネの初期荷重)が異なるだけで他は同一構成のものが用いられるため、圧力調整機構230Lの説明を割愛する。図15における圧力調整機構230Hの動作原理は、一般に「背圧弁」と呼ばれるものと同様である。図15(b)は、圧力調整機構230Hの内部を見やすくするために受圧板231および可撓性フィルム232を不図示にした状態を示している。図15(c)は図15(a)におけるXVC−XVCの断面を示した図である。
ここでSd:受圧板面積、Sv:バルブ部の受圧面積
P0:大気圧、P1:圧力室内の圧力、P2:オリフィス下流側の圧力
K:バネ定数、x:バネ変位
式1の右辺第二項は常に正の値を取るため、P1<P0となり、P1は必ず負圧となる。
P2=P1-QR・・・(式2)
次に、本実施形態の液体吐出装置1000にインクを充填する操作について説明する。図16は、本実施形態におけるインク充填時の圧力調整機構230Hの構成を示す断面図である。本実施例では、第2の循環形態で用いられる圧力調整機構230Hを例に説明するが、第1の循環形態で用いられる圧力調整機構230Hであっても同様に構成することができる。低圧設定側の圧力調整機構230Lも制御圧(バネの初期荷重)が異なるだけで他は同一構成のものが用いられるため、圧力調整機構230Lの説明を割愛する。
以下、図面を参照して本発明の実施形態2による液体吐出装置2000および液体吐出ヘッド2003の構成を説明する。なお以降の説明においては、主として実施形態1と異なる部分のみを説明し、実施形態1と同様の部分については説明を省略する。
図17は、本実施形態を適用可能な、液体を吐出して記録を行う液体吐出装置2000を示した図である。本実施形態の液体吐出装置2000は、シアンC、マゼンタM、イエローY、ブラックKのインクごとに対応した単色用の液体吐出ヘッド2003を4つ並列配置させることで記録媒体へフルカラー記録を行う点が実施形態1とは異なる。実施形態1において1色あたりに使用できる吐出口列数が1列だったのに対し、本実施形態においては、1色あたりに使用できる吐出口列数は20列となっている。このため、記録データを複数の吐出口列に適宜振り分けて記録を行うことで、非常に高速な記録が可能となる。更に、不吐出になる吐出口があったとしても、その吐出口に対して記録媒体の搬送方向に対応する位置にある、他列の吐出口から補間的に吐出を行うことで信頼性が向上し、商業記録などに好適である。実施形態1と同様に、各液体吐出ヘッド2003に対して、液体吐出装置2000の供給系、バッファタンク1003(図2、図3参照)およびメインタンク1006(図2、図3参照)が流体的に接続されている。また、それぞれの液体吐出ヘッド2003には、液体吐出ヘッド2003へ電力および吐出制御信号を伝送する電気制御部が電気的に接続されている。
実施形態1と同様に、液体吐出装置2000および液体吐出ヘッド2003間の液体循環経路としては、実施形態1同様、図2または図3に示した第1循環形態を用いることができる。
図18(a)および(b)は、本実施形態に係る液体吐出ヘッド2003を示した斜視図である。ここで、本実施形態に係る液体吐出ヘッド2003の構造について説明する。液体吐出ヘッド2003は、液体吐出ヘッド2003の長手方向に直線状に配列される16個の記録素子基板2010を備え、1色の液体で記録が可能なインクジェット式のページワイド型記録ヘッドである。液体吐出ヘッド2003は、実施形態1と同様、液体接続部111、信号入力端子91および電力供給端子92を備える。しかしながら本実施形態の液体吐出ヘッド2003は、実施形態1に比べて吐出口列が多いため、液体吐出ヘッド2003の両側に信号入力端子91および電力供給端子92が配置されている。これは記録素子基板2010に設けられる配線部で生じる電圧低下や信号伝送遅れを低減するためである。
図23(a)は、1つの吐出モジュール2200を示した斜視図であり、図23(b)は、その分解図である。実施形態1との差異は、記録素子基板2010の複数の吐出口列方向に沿った両辺部(記録素子基板2010の各長辺部)に複数の端子16がそれぞれ配置されている点である。これに伴い記録素子基板2010と電気接続されるフレキシブル配線基板40も、1つの記録素子基板2010に対して2枚配置されている。これは記録素子基板2010に設けられる吐出口列数が20列あり、実施形態1の8列よりも大幅に増加しているためであり、端子16から記録素子までの最大距離を短くして記録素子基板2010内の配線部で生じる電圧低下や信号遅れを低減するためである。また支持部材2030の液体連通口31は、記録素子基板2010に設けられ全吐出口列を跨るように開口している。その他の点は、実施形態1と同様である。
図24(a)は、記録素子基板2010の吐出口13が配される面の模式図であり、図24(c)は、図24(a)の面の裏面を示す模式図である。図24(b)は図24(c)において、記録素子基板2010の裏面側に設けられているカバープレート2020を除去した場合の記録素子基板2010の面を示す模式図である。図24(b)に示すように、記録素子基板2010の裏面には吐出口列方向に沿って、液体供給路18と液体回収路19とが交互に設けられている。吐出口列数は、実施形態1よりも大幅に増加しているものの、実施形態1との本質的な差異は、前述のように端子16が記録素子基板の吐出口列方向に沿った両辺部に配置されていることである。各吐出口列毎に一組の液体供給路18と液体回収路19が設けられていること、カバープレート2020に、支持部材2030の液体連通口31と連通する開口21が設けられていることなど、基本的な構成は実施形態1と同様である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態3による液体吐出ヘッド3300などの構成を説明する。なお以降の説明においては、主として実施形態1,2と異なる部分のみを説明し、実施形態1,2と同様の部分については説明を省略する。
図25は、本実施形態の液体吐出装置に適用される循環形態を示す模式図である。上述した第1循環形態との主な相違点は、液体吐出ヘッド3300内の構成が異なる点、バッファタンク1003から供給されるインクが単一の流路を経由して液体吐出ヘッド3300に到達する点である。これに伴い、液体吐出ヘッド3300の上流側に位置するフィルタ3221と、液体吐出ヘッド3300の下流側に位置する圧力調整機構3230とが、それぞれ単一構成になっている点も第1循環形態との相違点である。なお、実施形態1,2と比較して、液体供給ユニット220、第2循環ポンプ1004などが削除されているが、これらを含む循環形態であってもよい。
図26は、本実施形態の液体吐出ヘッド3300の構造を示した図である。図26(a)は本実施形態の液体吐出ヘッド3300の斜視図であり、図26(b)は図26(a)に示されるXXVIB−XXVIB線における断面図である。なお、図26(a)および図26(b)は、構造を理解し易くするために、FPCおよび封止材を省略して示されている。
図28は、本実施形態の記録素子基板3010の模式図であり、図29は図28におけるXXIX−XXIXでの記録素子基板3010の断面図である。
図31は、従来技術の液体吐出装置における循環形態を示す模式図である。従来技術の循環形態では、循環ポンプ3001は液体吐出ヘッド3300の下流側に配置されており、圧力調整機構3230は液体吐出ヘッド3300の上流側に配置されている。圧力調整機構3230は、いわゆる2次圧レギュレータと同様の構造であり、圧力調整機構3230よりも下流側の圧力を一定に維持するように動作する。
図32、図33は、本実施形態および比較例における、共通流路3320内のそれぞれの圧力分布を示す図である。ここで、液体吐出ヘッド3300における記録素子基板(以下「chip」と記す場合がある)の搭載数は15個とし、記録素子基板3010へと通じる各インク供給口3323の流抵抗は0.2(mmAq・mL/min)とした。上述したように本実施形態と比較例とでは、記録待機時の循環流量が同じであるが、流量範囲が相違している。かかる構成により、液体吐出ヘッド3300内での最大圧力変動量に差が生じる。
10・・記録素子基板
211・・共通供給流路
212・・共通回収流路
213・・個別供給流路
214・・個別回収流路
221・・フィルタ
230・・圧力制御ユニット
230H・・圧力調整機構
230L・・圧力調整機構
1000・・液体吐出装置
1001・・第1循環ポンプ(高圧側)
1002・・第1循環ポンプ(低圧側)
1003・・バッファタンク
1004・・第2循環ポンプ
1005・・補充ポンプ
1006・・メインタンク
Claims (17)
- 液体を収容する液体収容容器と、
液体を吐出する吐出口と、液体を吐出するためのエネルギを発生する記録素子を内部に備える圧力室と、を備える複数の記録素子基板と、
前記複数の記録素子基板に液体を供給する共通供給流路と、
前記液体収容容器と前記共通供給流路との間の経路中に設けられる、異物を取り除くための供給側フィルタと、
前記共通供給流路より下流側の経路中に設けられる、前記共通供給流路の圧力を調整するための供給側圧力調整機構と、
前記複数の記録素子基板から液体を回収する共通回収流路と、
前記液体収容容器と前記共通回収流路との間の経路中に設けられる、異物を取り除くための回収側フィルタと、
前記共通回収流路より下流側の経路中に設けられる、前記共通回収流路の圧力を調整するための回収側圧力調整機構と、
を備えることを特徴とする液体吐出装置。 - 前記共通供給流路と前記複数の記録素子基板とを連通する複数の個別供給流路と、
前記複数の記録素子基板と前記共通回収流路とを連通する複数の個別回収流路と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の液体吐出装置。 - 前記供給側圧力調整機構と前記回収側圧力調整機構とは、夫々異なる制御圧に設定されることを特徴とする請求項1または2に記載の液体吐出装置。
- 前記複数の記録素子基板と、前記共通供給流路と、を備える液体吐出ヘッドを有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の液体吐出装置。
- 前記液体吐出ヘッドより下流側の経路中に、前記液体吐出ヘッドから前記液体収容容器へ液体を供給する送液手段を備えることを特徴とする請求項4に記載の液体吐出装置。
- 前記複数の記録素子基板と、前記共通供給流路と、前記共通回収流路と、前記供給側圧力調整機構と、前記回収側圧力調整機構と、を備える液体吐出ヘッドを有することを特徴とする請求項1に記載の液体吐出装置。
- 前記液体収容容器内の液体は、前記供給側フィルタ、前記共通供給流路、前記圧力室、前記共通回収流路、前記回収側圧力調整機構をこの順に経由して前記液体収容容器に回収されることを特徴とする請求項1に記載の液体吐出装置。
- 前記液体収容容器内の液体は、前記圧力室を経由することなく、前記供給側フィルタ、前記共通供給流路、前記供給側圧力調整機構をこの順に経由して前記液体収容容器まで流れる経路と、
前記圧力室を経由することなく、前記回収側フィルタ、前記共通回収流路、前記回収側圧力調整機構をこの順に経由して前記液体収容容器まで流れる経路と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の液体吐出装置。 - 前記供給側圧力調整機構と前記回収側圧力調整機構は共に背圧型圧力調整弁機構であることを特徴とする請求項1に記載の液体吐出装置。
- 前記背圧型圧力調整弁機構は、
第1圧力室と、
前記第1圧力室より下流側に設けられる第2圧力室と、
前記第1圧力室と前記第2圧力室との連通部に設けられるオリフィスと、
前記第1圧力室内に設けられ、前記第1圧力室と前記第2圧力室と間の流抵抗を可変するバルブと、
前記オリフィスと前記バルブとの間のギャップを閉塞する方向へ前記バルブを付勢する付勢部材と、
前記第1圧力室内の液体の増減に応じて変位する受圧板と、
を含むことを特徴とする請求項9に記載の液体吐出装置。 - 前記受圧板は前記変位を前記バルブに伝達し、前記バルブは前記変位に基づいて前記オリフィスと前記バルブとの間の前記ギャップを調整し、前記第1圧力室と前記第2圧力室との間の前記流抵抗を可変することを特徴とする請求項10に記載の液体吐出装置。
- 前記供給側圧力調整機構または前記回収側圧力調整機構内における液体の経路を閉塞する強制閉塞手段をさらに備えることを特徴とする請求項4に記載の液体吐出装置。
- 液体を収容する液体収容容器の液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、
液体を吐出する吐出口と、液体を吐出するためのエネルギを発生する記録素子を内部に備える圧力室と、を備える複数の記録素子基板と、
前記複数の記録素子基板に液体を供給する共通供給流路と、
前記液体収容容器と前記共通供給流路との間の経路中に設けられる、異物を取り除くための供給側フィルタと、
前記共通供給流路より下流側の経路中に設けられる、前記共通供給流路の圧力を調整するための供給側圧力調整機構と、
前記複数の記録素子基板から液体を回収する共通回収流路と、
前記液体収容容器と前記共通回収流路との間の経路中に設けられる、異物を取り除くための回収側フィルタと、
前記共通回収流路より下流側の経路中に設けられる、前記共通回収流路の圧力を調整するための回収側圧力調整機構と、
を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記供給側圧力調整機構と前記回収側圧力調整機構とは、夫々異なる制御圧に設定されることを特徴とする請求項13に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記液体収容容器内の液体は、前記圧力室を経由することなく、前記供給側フィルタ、前記共通供給流路、前記供給側圧力調整機構をこの順に経由して前記液体収容容器まで流れる経路と、
前記圧力室を経由することなく、前記回収側フィルタ、前記共通回収流路、前記回収側圧力調整機構をこの順に経由して前記液体収容容器まで流れる経路と、
を有することを特徴とする請求項13に記載の液体吐出ヘッド。 - ページワイド型の液体吐出ヘッドであって、
前記複数の記録素子基板は直線状に配列されていることを特徴とする請求項13から15のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。 - 前記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13から16のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
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