JP7309359B2 - 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液体吐出装置に関するものである。

液体吐出ヘッドとして、例えば、液体のインクを吐出するインクジェット記録ヘッドにおいては、インクを吐出する吐出口からインク中の揮発成分が蒸発して、吐出口内のインクが増粘するおそれがある。このようなインクの増粘により、インクの吐出速度などが変化して、インクの着弾精度の低下を含む吐出不良が生じることがある。特に、インクの吐出動作の休止時間が長い場合には、インクの粘度の増加が顕著となり、インク中の固形分が吐出口内に固着し、インクの流抵抗が増加してインクの吐出不良が生じやすくなる。

特許文献１には、インクを循環させる循環流路に吐出口を連通させて、インクの流れを吐出口内に入り込ませることにより、吐出口内のインクを増粘しにくくする構成が記載されている。

特開２００２－３５５９７３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成においては、外部に開口する吐出口の開口部付近にはインクの流れが入り込みにくく、その開口部付近のインクの増粘を充分に抑制することが難しい。特に、循環流の速度が低い場合には、吐出口内における大部分のインクの増粘が抑制できなくなりやすい。

本発明の目的は、吐出口内における液体の増粘を十分に抑制することができる液体吐出装置を提供することにある。

本発明の液体吐出装置は、圧力室と、前記圧力室と隣接する第１端部と、外部に開口する第２端部と、を有する吐出口と、前記圧力室内の液体を前記吐出口から吐出させるように構成された吐出エネルギー発生素子と、前記圧力室と連通し、前記圧力室に液体を供給する供給流路と、前記圧力室と連通し、前記圧力室から液体を流出する流出流路と、を備える液体吐出ヘッドと、前記吐出エネルギー発生素子を制御する制御手段と、を備える液体吐出装置であって、前記圧力室内に前記供給流路側から前記流出流路側に向かう循環流が形成される状態において、前記吐出口は、前記第１端部又は前記第１端部寄りの位置に液体のメニスカスを形成するように構成されており、前記制御手段は、前記循環流が形成され、かつ、前記第１端部又は前記第１端部寄りの位置に前記液体のメニスカスが形成されている状態で前記吐出エネルギー発生素子を駆動するように制御し、前記供給流路と前記流出流路との間に流路が形成され、前記圧力室は複数備えられ、前記供給流路および前記流出流路は、前記複数の圧力室のそれぞれに対応するように複数備えられ、前記流路は、前記複数の圧力室と、当該複数の圧力室に対応する前記供給流路および前記流出流路と、のそれぞれを個別に連通することを特徴とする。

本発明によれば、吐出口内における液体の増粘を十分に抑制して、液体吐出ヘッドの初期の液体吐出性能を維持することができる。

本発明の第１の実施形態における液体吐出ヘッドの説明図である。 図１の液体吐出ヘッド内におけるインクの流れの説明図である。 比較例としての液体吐出ヘッド内におけるインクの流れの説明図である。 本発明の他の実施形態における吐出口の構成例の説明図である。 本発明の他の実施形態における吐出口の構成例の説明図である。 本発明の液体吐出装置の構成例の説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドとして、インク（液体）を吐出するインクジェット記録ヘッド２０を説明するための概略斜視図であり、ヘッド本体５０上に、接続部材５１および記録素子５２が設けられている。記録素子５２の基板１８上には、複数の吐出口１１が形成されたオリフィスプレート１９が備えられている。複数の吐出口１１は、吐出口列Ｌを形成する。図１（ｂ）は、オリフィスプレート１９の一部を切り欠いた記録素子５２の拡大平面図であり、図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＩｃ－Ｉｃ線に沿う断面図である。図２（ａ）は、図１（ｂ）のＩｃ－Ｉｃ線に沿う断面の斜視図である。

基板１８とオリフィスプレート１９との間には、隔壁２１により仕切られて吐出口１１毎に対応する圧力室１２と、それらの圧力室１２を通してインクを流すための流路１３と、が形成されている。したがって、圧力室１２は吐出口列に沿って複数備えられている。流路１３の一方側は、基板１８を貫通する供給流路１５に連通し、その他方側は、基板１８を貫通する流出流路１６に連通する。インクは、供給流路１５を通して外部から流路１３内に供給され、流出流路１６を通して外部に流出される。本例においては、流出流路１６から流出されたインクを供給流路１５に戻して循環させることにより、流路１３内に、図中矢印のようなインクの循環流を形成する。即ち、インクは、圧力室１２の内部と外部との間で循環している。

本例における吐出口１１は、断面が円形であり、外部に開口する開口端（以下、「上端」ともいう）１１Ａの内径は、圧力室１２内に開口する開口端（以下、「下端」ともいう）１１Ｂの内径よりも大きい。また、それらの上端１１Ａと下端１１Ｂとの間の内面は、拡径する方向に湾曲されている。つまり、吐出口１１の内面は、いわゆる、すり鉢状となっている。本例において、吐出口１１の下端１１Ｂよりもインクの流れ方向の上流側における流路１３の高さＨ（図２（ｃ）参照）は５０μｍ以下であり、吐出口１１の下端１１Ｂにおける液体の流れ方向に沿う幅Ｗ（図２（ｃ）参照）は４０μｍ以下である。また、オリフィスプレート１９の厚さに対応する吐出口１１の長さは、５μｍ以上である。

吐出口１１の内面には撥水処理が施されている。撥水処理は、例えばフッ素を含むフッ素化合物を内面に付与、或いは内面をフッ素化合物で形成することによって行う。吐出口１１の内面の撥水性により、吐出口１１におけるインクのメニスカスＭ（界面）は、図１（ｃ）のように、圧力室１２に連通する吐出口１１の端部に形成される。メニスカスＭが形成される吐出口１１の端部は、吐出口１１の下端１１Ｂ、および吐出口１１内の下端１１Ｂ寄りの位置（例えば下端１１Ｂから２μｍまでの位置）を含む。後述するように、吐出口１１の内面に撥水処理が施されていない場合には、メニスカスＭが上端１１Ａに形成される。吐出口１１の内面がすり鉢状であって、その内面が外方（図１（ｃ）中の上方）を向いていることは、その内面に撥水処理を施しやすくして、その処理効率を高める上において有効となる。

吐出口１１の内面に付与する撥水性の程度は、インクの種類および特性などに応じて設定する。吐出口１１の内面の全域もしくは一部を撥水性としてもよく、またオリフィスプレート１９の上面における吐出口１１の上端１１Ａの周囲も撥水性としてもよい。また、オリフィスプレート１９自体を撥水性材料により成形してもよい。要は、圧力室１２に連通する吐出口１１の端部にメニスカスＭを形成することができればよい。吐出口１１の下端１１Ｂに形成されたメニスカスＭが吐出口１１内に浸入する浸入量を０μｍとした場合、その浸入量が０μｍから３μｍの範囲Ｓ（図２（ａ）参照）となるように、メニスカスＭの形成位置を設定することが望ましい。より好ましい浸入量は、０μｍから２μｍの範囲である。以下においては、メニスカスＭが吐出口１１の下端に形成（浸入量０μｍ）されるものとして説明する。

基板１８には、圧力室内のインクを吐出口１１から吐出するためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子として、電気熱変換素子（ヒ―タ）１４が配備されている。ヒータ１４は、インクが循環され、かつメニスカスＭが吐出口１１の下端に形成されている状態で発熱駆動される。ヒータ１４を発熱駆動して、圧力室１２内のインクを発泡させることにより、その発泡エネルギーを利用して吐出口１１からインクを吐出することができる。吐出エネルギー発生素子としては、本例のようなヒータ１４に限定されず、他にもピエゾ素子等を用いることができる。また、本例における供給流路１５および流出流路１６は、複数の圧力室１２に対して共通に連通するように、流路１３と交差する方向（図１（ｂ）中の上下方向）に延在している。しかし、これらの供給流路１５および流出流路１６は、複数の圧力室１２のそれぞれに個別に連通するように複数設けてもよい。また、吐出口１１およびヒータ１４の形状、および、それらの位置関係は限定されず、例えば、ヒータ１４は平面長方形であってもよい。

流路内におけるインクの流速（循環速度）は、その速度によるインクの循環中にもインクの吐出動作を可能とする速度に設定する。例えば、インクの流速を０．１～１００ｍｍ／ｓとすることにより、図１（ｃ）のように吐出口１１の下端１１ＢにインクのメニスカスＭを形成した状態において、インクの吐出動作を実行することができる。インクの循環流を生じさせる方式としては、圧力差による方式、あるいは、熱または電界を利用したマイクロポンプ方式などを採用することができる。

図２（ｂ）は、吐出口１１の下端１１ＢにメニスカスＭが形成されているときのインクの循環流と、インクの濃縮の程度との関係の説明図である。

吐出口１１内において、その上端１１Ａからの揮発成分の蒸発により濃縮されて増粘したインクは、図２（ｂ）中の矢印のように、圧力室１２を通して循環されるインクの流れの影響を受ける。吐出口１１内においては、圧力室１２に近い位置、つまりインクの循環流が入り込みやすい下端１１Ｂ寄りの位置にインクが存在し、圧力室１２から離れた位置、つまりインクの循環流が入り込みにくい上端１１Ａ寄りの位置にはインクが存在しない。そのため、インクの循環流により、吐出口１１内におけるインクの増粘を確実に抑制することができる。したがって、インクの循環速度が低い場合（例えば、１ｍｍ／ｓ未満）においても、インクの濃縮による増粘を抑制することができる。この結果、記録ヘッド２０における所期のインク吐出性能を維持して、色ずれなどのない高品位な画像を記録することができる。

また、高濃度の固形分を含むインクは、揮発成分の蒸発により濃縮される影響が大きく、圧力差による方式あるいはマイクロポンプ方式などによって循環させる場合には、高濃度の固形分のために循環速度が低下する。本実施形態は、特に、高濃度のインク（例えば、固形分を８ｗｔ％以上含むインク）を低速度で循環させる場合にも、そのインクの増粘を抑制することができる。

図３は、吐出口１１の内面が撥水処理されていない比較例としてのインクジェット記録ヘッドの説明図である。図３（ａ）は、図１（ｂ）に対応する拡大平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＩＩＩｂ－ＩＩＩｂ線に沿う断面図である。この比較例においては、吐出口１１の内面が撥水処理されていないため、インクのメニスカスＭは、図３（ｂ）のように吐出口１１の上端１１Ａに形成される。

図３（ｃ）は、この比較例におけるインクの循環流と、インクの濃縮の程度との関係の説明図である。この比較例の吐出口１１内においては、インクの循環流が入り込みにくい上端１１Ａの位置までインクが存在し、その上端１１Ａからの揮発成分の蒸発によって濃縮されて増粘したインク（図３（ｂ）中の黒色部分）は、インクの循環流の影響を受けにくい。つまり、インクの流れが入り込みにくい吐出口１１の上端１１Ａの位置までインクが存在すること、および増粘したインクのためにインクの流れが吐出口１１内より入り込みにくくなることにより、インクの増粘を抑制することが難しい。特に、インクの循環速度が遅い場合（例えば、１ｍｍ／ｓ未満）には、インクの増粘を抑制することは極めて難しくなる。

（他の実施形態）
図４は、本発明の異なる他の実施形態における吐出口１１の構成例の説明図であり、図４（ａ）から（ｅ）は、図１（ｃ）に対応する断面図である。

図４（ａ）の実施形態における吐出口１１は、その内面がストレートな円筒内面形状であり、その内面の撥水性により、メニスカスＭが吐出口１１の下端１１Ｂに形成される。図４（ｂ）の実施形態における吐出口１１は、その上端１１Ａ側の部分が第１の実施形態と同様のすり鉢形状であり、かつ下端１１Ｂの部分が図４（ａ）の実施形態と同様のストレートな円筒内面形状である。この実施形態において、オリフィスプレート１９は上端１１Ａ側の部分と下端１１Ｂ側の部分を形成する２つの部材によって構成されており、メニスカスＭは、吐出口１１の内面の撥水性により吐出口１１の下端１１Ｂに形成される。

図４（ｃ），（ｄ），（ｅ）の実施形態における吐出口１１の形状は、それぞれ第１の実施形態、図４（ａ）の実施形態、図４（ｂ）の実施形態と同様である。これらの実施形態においては、吐出口１１の内面の撥水性により、下端１１Ｂから吐出口１１内に若干浸入した位置にメニスカスＭが形成される。このように、メニスカスＭが吐出口１１内に若干浸入するように形成されても、吐出口１１内におけるインクの増粘を抑制することができる。そのメニスカスＭは、前述したように、下端１１Ｂから吐出口１１内に３μｍ浸入した範囲内に位置する。

図５は、本発明のさらに他の実施形態を説明するための図である。本実施形態においては、流路１３がＵ字型に形成され、その両端が供給流路１５に連通されている。図５（ａ）は、図１（ｂ）と同様の拡大平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＶｂ－Ｖｂ線に沿う断面図である。

Ｕ字型の流路１３の一端側の部分１３Ａを形成する基板１８には、図５（ａ）中の矢印のようなインクの循環流を生じさせるためのマイクロポンプ２２が配備されている。流路１３の他端側の部分１３Ｂには圧力室１２が形成され、その圧力室１２に対応するように、基板１８にヒータ１４が配備され、オリフィスプレート１９に吐出口１１が形成されている。その吐出口１１の形状は、第１の実施形態と同様であり、その内面の撥水性により、メニスカスＭが吐出口１１の下端１１Ｂに形成される。このように、マイクロポンプ２２を用いてＵ字型の流路１３内にインクの循環流を生じさせ、かつ吐出口１１の下端１１ＢにメニスカスＭを形成することにより、前述した実施形態と同様に、吐出口１１内におけるインクの増粘を抑制することができる。

（インクジェット記録装置の構成例）
上述した実施形態における記録ヘッド（液体吐出ヘッド）２０は、いわゆるシリアルスキャン方式およびフルライン方式等の種々のインクジェット記録装置（液体吐出装置）に用いることができる。図６（ａ）は、シリアルスキャン方式のインクジェット記録装置の構成例であり、同図中の矢印Ｘ方向（主走査方向）に移動するキャリッジ５３に対して、上述した実施形態の記録ヘッド２０が着脱可能に搭載される。キャリッジ５３はガイド部材５４Ａ，５４Ｂによってガイドされ、記録媒体Ｐは、ロール５５，５６，５７，５８によって矢印Ｙ方向（副走査方向）に搬送される。記録ヘッド２０がキャリッジ５３と共に主走査方向に移動しつつインクを吐出する動作と、記録媒体Ｐを副走査方向に搬送する動作と、を繰り返すことにより、記録媒体Ｐ上に画像が記録される。

図６（ｂ）は、図６（ａ）のインクジェット記録装置の制御系のブロック図である。ＣＰＵ（制御部）１００は、記録装置の動作の制御処理およびデータ処理等を実行する。ＲＯＭ１０１には、それらの処理手順等のプログラムが格納され、ＲＡＭ１０２は、それらの処理を実行するためのワークエリアなどとして用いられる。記録ヘッド２０におけるヒータ１４は、ヘッドドライバ２０Ａを介して駆動される。画像の記録は、ヒータ１４の駆動データ（画像データ）および駆動制御信号（ヒートパルス信号）をヘッドドライバ２０Ａに供給することにより行われる。ＣＰＵ１００は、モータドライバ１０３Ａを介して、キャリッジ５３を主走査方向に駆動するためのキャリッジモータ１０３を制御し、またモータドライバ１０４Ａを介して、記録媒体Ｐを副走査方向に搬送するためのＰ．Ｆモータ１０４を制御する。また、ＣＰＵ１００は、前述したように、圧力室１２を通して流路１３にインクを流すために、マイクロポンプなどを含む循環機構１０５を制御する。

本発明は、上述した実施形態のようなインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置のみに特定されず、種々の液体を吐出可能な液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出方法として広く適用することができる。本発明の液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置は、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に適用可能である。本発明は、例えば、バイオチップ作製および電子回路印刷などの用途において用いることができる。

１１ 吐出口
１３ 流路
１４ 吐出エネルギー発生素子
１５ 供給流路
１６ 流出流路
Ｍ メニスカス

Claims (8)

1. 圧力室と、
   前記圧力室と隣接する第１端部と、外部に開口する第２端部と、を有する吐出口と、
   前記圧力室内の液体を前記吐出口から吐出させるように構成された吐出エネルギー発生素子と、
   前記圧力室と連通し、前記圧力室に液体を供給する供給流路と、
   前記圧力室と連通し、前記圧力室から液体を流出する流出流路と、
   を備える液体吐出ヘッドと、
   前記吐出エネルギー発生素子を制御する制御手段と、
   を備える液体吐出装置であって、
   前記圧力室内に前記供給流路側から前記流出流路側に向かう循環流が形成される状態において、前記吐出口は、前記第１端部又は前記第１端部寄りの位置に液体のメニスカスを形成するように構成されており、
   前記制御手段は、前記循環流が形成され、かつ、前記第１端部又は前記第１端部寄りの位置に前記液体のメニスカスが形成されている状態で前記吐出エネルギー発生素子を駆動するように制御し、
   前記供給流路と前記流出流路との間に流路が形成され、
   前記圧力室は複数備えられ、
   前記供給流路および前記流出流路は、前記複数の圧力室のそれぞれに対応するように複数備えられ、
   前記流路は、前記複数の圧力室と、当該複数の圧力室に対応する前記供給流路および前記流出流路と、のそれぞれを個別に連通することを特徴とする液体吐出装置。
2. 圧力室と、
   前記圧力室と隣接する第１端部と、外部に開口する第２端部と、を有する吐出口と、
   前記圧力室内の液体を前記吐出口から吐出させるように構成された吐出エネルギー発生素子と、
   前記圧力室と連通し、前記圧力室に液体を供給する供給流路と、
   前記圧力室と連通し、前記圧力室から液体を流出する流出流路と、
   を備える液体吐出ヘッドと、
   前記吐出エネルギー発生素子を制御する制御手段と、
   を備える液体吐出装置であって、
   前記圧力室内に前記供給流路側から前記流出流路側に向かう循環流が形成される状態において、前記吐出口は、前記第１端部又は前記第１端部寄りの位置に液体のメニスカスを形成するように構成されており、
   前記制御手段は、前記循環流が形成され、かつ、前記第１端部又は前記第１端部寄りの位置に前記液体のメニスカスが形成されている状態で前記吐出エネルギー発生素子を駆動するように制御し、
   前記供給流路と前記流出流路との間に流路が形成され、
   前記流路の一端および他端に連通する液体の供給流路と、
   前記流路内に、前記一端から前記他端に向かう液体の流れを生じさせる手段と、
   を備え、
   前記流路はＵ字型である液体吐出装置。
3. 前記吐出エネルギー発生素子は、電気熱変換素子である請求項１に記載の液体吐出装置。
4. 前記吐出口の内面の少なくとも一部は、撥水性を有する請求項１に記載の液体吐出装置。
5. 前記第１端部寄りの位置は、前記第１端部から前記吐出口内に３μｍ浸入した範囲内の部分である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
6. 前記第１端部の開口と前記第２端部の開口との大きさが異なる請求項１ないし５のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
7. 前記圧力室は複数備えられ、
   前記流路は、前記供給流路および前記流出流路のうちの少なくとも一方と、前記複数の圧力室と、を連通する請求項１または２に記載の液体吐出装置。
8. 前記手段は、マイクロポンプである請求項２に記載の液体吐出装置。

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