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JP6822474B2 - インクジェット記録装置 - Google Patents

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Description

本発明は、インクジェット記録装置に関する。
従来、インクジェットヘッドに設けられた複数のノズルから、圧力室内に貯留するインクを射出して記録媒体に画像を形成するインクジェット記録装置が知られている。
このようなインクジェット記録装置では、インクジェットヘッド内に発生した気泡や混入した異物等によって、ノズルが詰まり、射出不良等の問題が生じる場合がある。また、インクの種類によっては、長時間使用しないままにしておくと、インク粒子の沈降等によってノズル付近のインク粘度が高まり、安定したインクの射出性能が得難い場合がある。
そこで、ヘッド内に、圧力室のインクを循環可能な流路を備え、ヘッド内の気泡や異物等をインクとともにヘッドの外部に排出できるインクジェットヘッドが知られている(特許文献1及び2)。
例えば、特許文献1及び2には、ヘッド内部に、各圧力室からのインクを排出可能な個別連通流路(循環用流路)と、複数の個別連通流路が合流する共通流路と、共通流路のインクを排出可能なインク排出路と、を備えたインクジェットヘッドが開示されている。
特許第5385975号公報 特許第5590321号公報
近年、インクジェットヘッドの小型化や画像の高解像度化のためノズルを高密度に配置することが求められている。しかし、本発明者が、従来の循環可能な流路(個別連通流路)を有するインクジェットヘッドにおいて、ノズルを高密度に配置する構成としたところ、個別連通流路ごとに、インクの循環流量が大きくばらつくことがわかった。
インクの循環流量を増やすことで、圧力室内の気泡や異物等をより効率的に除去することができるが、インクの循環流量を増やすと、射出のエネルギー効率が落ちて射出速度の低下やインク滴量の減少が起きる。ここで、個別連通流路ごとのインクの循環流量がばらついていると、各ノズルからのインクの射出性能がばらつくことになってしまう。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、インクの射出性能のばらつきを抑制しながら、インクとともにヘッドチップ内の気泡や異物等を効果的に除去できるインクジェット記録装置を提供することである。
上記課題の解決のために、請求項1に記載の発明は、インクジェット記録装置であって、
インクを射出する複数のノズルと、
前記複数のノズルの各々に連通して設けられ、前記ノズルから射出するインクを貯留する複数の圧力室と、
前記複数の圧力室の各々に対応して設けられ、前記圧力室内のインクに圧力を加える複数の圧力発生手段と、
前記複数の圧力室の各々、又は前記圧力室と前記ノズルとの間の連通路の各々から分岐して設けられ、前記圧力室のインクを排出可能な複数の個別連通流路と、
前記複数の個別連通流路が連結し、前記複数の個別連通流路から排出されたインクが合流する共通流路と、を有するインクジェットヘッドと、
前記圧力室から前記個別連通流路へのインクの循環流を発生させるためのインク供給手段と、を備え、
前記ノズルからインクを射出する際の、前記インクジェットヘッドに設けられたすべてのノズルのうち、単位時間当たりに最大のインク量を射出するノズルにおける、当該ノズルから射出される単位時間当たりのインク量Fnと、前記個別連通流路から前記共通流路に排出される単位時間当たりの平均インク流量Fiとの関係が、下記式(1)を満たし、かつ、
前記共通流路の流路抵抗Rcと、当該共通流路に連結する前記複数の個別連通流路の合成抵抗Rtとの関係が、下記式(2)を満たすものである。
式(1):(Fn/Fi)≦10
式(2):(Rc/Rt)≦10
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のインクジェット記録装置において、
前記共通流路は、当該共通流路の出口に近くなるにつれて流路抵抗が大きくなっているものである。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載のインクジェット記録装置において、
前記共通流路に連結する複数の個別連通流路のうち、当該共通流路の出口により近い位置に連結する前記個別連通流路は、より大きな流路抵抗を有するものである。
請求項4に記載の発明は、請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載のインクジェット記録装置において、
前記共通流路の出口は、前記複数のノズルの配列方向の両側に、それぞれ1つずつ設けられているものである。
請求項5に記載の発明は、請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載のインクジェット記録装置において、
前記共通流路の内面に面して設けられ、圧力により弾性変形して流路の容積を変更可能なダンパーを備えるものである。
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載のインクジェット記録装置において、
前記ダンパーは、前記複数のノズルが形成されているノズル基板により形成されているものである。
請求項7に記載の発明は、請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載のインクジェット記録装置において、
前記複数の圧力室の上部に、当該複数の圧力室に供給するインクを貯留するマニホールドが設けられているものである。
本発明によれば、インクの射出性能のばらつきを抑制しながら、インクとともにヘッド内の気泡や異物等を効果的に除去できる。
インクジェット記録装置を示す概略図 ヘッドユニットの底面図 インクジェットヘッドの斜視図 インクジェットヘッドの断面図 インクジェットヘッドの分解斜視図 ヘッドチップ及び配線基板を模式的に示す分解斜視図 ヘッドチップ内部のインクの流れを説明するための底面側からの斜視図 図6中の(VII)−(VII)線に沿う部分で切断した断面図 図6中の(VIII)−(VIII)線に沿う部分で切断した断面図 ノズル基板の平面図 ノズル基板の変形例の平面図 ノズル基板の変形例の平面図 ノズル基板の変形例の平面図 インク循環系を示す模式図 他の実施形態に係るヘッドチップ断面の一部を拡大した断面図
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。但し、発明の範囲は図示例に限定されない。なお、本明細書では、説明の便宜上、図2において、インクジェットヘッド100のノズル11aの配列方向である印字幅方向を左右方向とし、ノズル11aの下側で記録媒体の搬送される方向を前後方向とし、左右方向と前後方向の直交する方向を上下方向として説明する。また、図面の流路中の矢印は、インクの流れる方向を指す。
[インクジェット記録装置]
インクジェット記録装置200は、図1に示すように、給紙部210と、画像記録部220と、排紙部230と、インク供給手段としてのインク循環系8(図10参照)等を備える。インクジェット記録装置200は、給紙部210に格納された記録媒体Mを画像記録部220に搬送し、画像記録部220で記録媒体Mに画像を形成し、画像が形成された記録媒体Mを排紙部230に搬送する。
給紙部210は、記録媒体Mを格納する給紙トレー211と、給紙トレー211から画像記録部220に記録媒体Mを搬送して供給する媒体供給部212とを有する。媒体供給部212は、内側が2本のローラーにより支持された輪状のベルトを備え、このベルト上に記録媒体Mを載置した状態でローラーを回転させることで記録媒体Mを給紙トレー211から画像記録部220へ搬送する。
画像記録部220は、搬送ドラム221と、受け渡しユニット222と、加熱部223と、ヘッドユニット224と、定着部225と、デリバリー部226等を有する。
搬送ドラム221は、円柱面をなしており、その外周面が記録媒体Mを載置させる搬送面となっている。搬送ドラム221は、その搬送面上に記録媒体Mを保持した状態で図1中の矢印の向きに回転することによって、記録媒体Mを搬送面に沿って搬送する。また、搬送ドラム221は、爪部及び吸気部(図示省略)を備え、爪部により記録媒体Mの端部を押さえ、かつ吸気部により記録媒体Mを搬送面に吸い寄せることで、搬送面上に記録媒体Mを保持している。
受け渡しユニット222は、給紙部210の媒体供給部212と搬送ドラム221との間の位置に設けられ、媒体供給部212から搬送された記録媒体Mの一端をスイングアーム部222aで保持して取り上げ、受け渡しドラム222bを介して搬送ドラム221に引き渡す。
加熱部223は、受け渡しドラム222bの配置位置とヘッドユニット224の配置位置との間に設けられ、搬送ドラム221により搬送される記録媒体Mが所定の温度範囲内の温度となるように当該記録媒体Mを加熱する。加熱部223は、例えば、赤外線ヒーター等を有し、制御部(図示省略)から供給される制御信号に基づいて赤外線ヒーターに通電してヒーターを発熱させる。
ヘッドユニット224は、画像データに基づいて、記録媒体Mが保持された搬送ドラム221の回転に応じた適切なタイミングで記録媒体Mに対してインクを射出して画像を形成する。ヘッドユニット224は、インク射出面が搬送ドラム221に対向して所定の距離を置いて配置される。本実施形態のインクジェット記録装置200では、例えば、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(K)の4色のインクにそれぞれ対応する4つのヘッドユニット224が、記録媒体Mの搬送方向上流側からY,M,C,Kの色の順に所定の間隔で並ぶように配列されている。
ヘッドユニット224は、例えば、図2に示すように、前後方向に隣接する一対のインクジェットヘッド100の組が、前後方向について異なる位置に千鳥状に配置されている。また、ヘッドユニット224は、画像の記録時には搬送ドラム221の回転軸に対する位置が固定されて用いられる。即ち、インクジェット記録装置200は、ラインヘッドを用いた1パス描画方式の画像記録を行うインクジェット記録装置200である。
定着部225は、搬送ドラム221のX方向の幅に亘って配置された発光部を有し、搬送ドラム221に載置された記録媒体Mに対して当該発光部から紫外線等のエネルギー線を照射して記録媒体M上に射出されたインクを硬化させて定着させる。定着部225の発光部は、搬送方向についてヘッドユニット224の配置位置の下流側かつデリバリー部226の受け渡しドラム226aの配置位置の上流側に搬送面と対向して配置される。
デリバリー部226は、内側が2本のローラーにより支持された輪状のベルトを有するベルトループ226bと、記録媒体Mを搬送ドラム221からベルトループ226bに受け渡す円筒状の受け渡しドラム226aとを有し、受け渡しドラム226aにより搬送ドラム221からベルトループ226b上に受け渡された記録媒体Mをベルトループ226bにより搬送して排紙部230に送出する。
排紙部230は、デリバリー部226により画像記録部220から送り出された記録媒体Pが載置される板状の排紙トレー231を有する。
[インクジェットヘッド]
本実施形態のインクジェットヘッド100は、図3A、B及び図4等に示すように、ヘッドチップ1と、ヘッドチップ1が配設された配線基板2と、配線基板2とフレキシブル基板3を介して接続された駆動回路基板4と、ヘッドチップ1内の圧力室13Aに供給するインクを貯留するマニホールド5と、内側にマニホールド5が収納された筐体6と、筐体6の底面開口を塞ぐように取り付けられたキャップ受板7と、筐体6に取り付けられたカバー部材9等を備えている(図3A,B及び図4)。
なお、図3Aでは、マニホールド5の図示を省略しており、図3B及び図4では、カバー部材9の図示を省略している。
また、本実施形態では、ヘッドチップ1のノズル11aの列数が2列である例について説明するが、ノズル11aの列数や配置は適宜変更可能であり、例えば、1列でもよく、3列以上であってもよい。
ヘッドチップ1は、左右方向に長尺な略四角柱状の部材であり、圧力室基板12と、ノズル基板11とによって構成されている。
圧力室基板12には、圧力室13A、排出流路13B及び共通流路19等が設けられている(図5参照)。
圧力室13Aは、圧電材料によって形成された圧力発生手段としての隔壁15により隔てられて形成されており、ノズル11aから射出するためのインクを貯留している。各圧力室13Aの内面には、隣接する圧力室13A間の隔壁15を駆動するための駆動電極14が設けられており、駆動電極14に電圧が印加されると、隣接する圧力室13A間の隔壁15部分がシェアモード型の変位を繰り返すことにより、圧力室13A内のインクに圧力が加えられる。
また、各圧力室13Aは、略矩形状の断面を有し上下方向に沿って形成されており、圧力室基板12の上面に入口を有し、下面に出口を有している。また、各圧力室13Aは、複数の圧力室13A,…が互いに平行となるように、複数の圧力室13Aが左右方向に配列されるとともに、前後方向に2つの列をなすように配設されている。
排出流路13Bは、圧力室13Aと同様に隔壁15により隔てられて形成されており、上側(ノズル基板11側とは反対側)に向かって、インクをインクジェットヘッド100の外部に排出するための流路となっている。また、排出流路13Bは、上下方向に沿って形成されており、圧力室基板12の上面に出口を有し、下面に入口を有している。また、排出流路13Bは、圧力室13A,…と互いに平行になるように並んで配設され、ヘッドチップ1の右端部付近に2つ配設されている。また、排出流路13Bは、圧力室13Aよりも大きな容積を有するように設けることによって、インクの排出効率を高めることができる。
共通流路19は、圧力室基板12の下部部分に設けられており、圧力室13Aに連通する個別連通流路18が複数連結し、その個別連通流路18から流れてくるインクが合流する(図6及び図7等参照)。また、共通流路19は、左右方向に平行となるようにノズル列毎に設けられており、共通流路の右端部付近で排出流路13Bに連通している。また、共通流路19を圧力室基板12に設けることによって、流路の容積を大きくでき、ヘッドチップ1内のインクの循環量を増やすことができるため、気泡等を効果的に排出することができる。
ノズル基板11は、ノズル11a及び個別連通流路18等が形成されている。また、ノズル基板11には、圧力室基板12に設けられた圧力室13A、排出流路13B及び共通流路19の下部に対応する位置に、それぞれ断面が同一形状となるように、ノズル基板11にも圧力室13A、排出流路13B及び共通流路19が形成されている(図7及び図8等参照)。すなわち、圧力室13A、排出流路13B及び共通流路19の下側を塞ぐようにノズル基板11が配設されており、圧力室基板12とノズル基板11とに跨って、これらの流路が形成されている。
ノズル基板11には共通流路19が形成されている。共通流路19の下部部分は厚さが薄いため、圧力によりわずかに弾性変形して流路の容積を変更可能であり、ダンパー11bとして機能する。
また、ノズル基板11は、例えば、ポリイミド材料のプレートに対してレーザー加工する方法や、シリコン材料のプレートに対してエッチング加工する方法によって製造することができる。
ノズル11aは、ノズル基板11における各圧力室13Aの下部に、厚さ方向(上下方向)に貫通して設けられており、圧力室13Aに貯留されたインクを射出するようになっている。なお、本実施形態においては、ノズル11aは左右方向に配列されるとともに、前後方向に2つの列をなしている。
個別連通流路18は、ノズル基板11の上部部分に、圧力室13Aと共通流路19とを連通するように設けられている(図7及び図9A等参照)。なお、個別連通流路18は、各圧力室13Aと共通流路19とを連通していればよく、ノズル基板11ではなく圧力室基板12に設けても、両方に跨って設けてもよい。
ヘッドチップ1の上面には、図4及び図5に示すように、配線基板2が配設され、配線基板2の前後方向に沿った両縁部に、駆動回路基板4と接続された2つのフレキシブル基板3が配設されている。
配線基板2は、左右方向に長尺な略矩形板状に形成されており、その略中央部に開口部22を有している。配線基板2の左右方向及び前後方向の各幅は、ヘッドチップ1よりもそれぞれ大きく形成されている。
開口部22は、左右方向に長尺な略矩形状に形成されており、配線基板2にヘッドチップ1が取り付けられた状態においては、ヘッドチップ1における各圧力室13Aの入口と、排出流路13Bの出口とを上側に露出させるようになっている。また、開口部22の前後方向側の縁部には、ヘッドチップ1の駆動電極14からヘッドチップ1の上面に引き出された電極(図示省略)に接続される電極部21が所定数配設されている(図5)。
フレキシブル基板3は、図5に示すように、駆動回路基板4と配線基板2の電極部21とを電気的に接続させる複数の配線31,…を有している。これにより、駆動回路基板4からの信号が、配線31及び電極部21を介して、ヘッドチップ1の各圧力室13A内の駆動電極14に印加される。
また、配線基板2の外縁部には、マニホールド5の下端部が接着により取り付け固定されている。即ち、マニホールド5は、ヘッドチップ1の圧力室13Aの入口側(上側)に配置され、配線基板2を介してヘッドチップ1と連結されている。
マニホールド5は、樹脂により成形されてなる部材であり、ヘッドチップ1の圧力室13Aの上部に設けられ、圧力室13Aに導入されるインクを貯留するものである。具体的には、図3B等に示すように、マニホールド5は、左右方向に長尺に形成されており、インク貯留部51を構成する中空状の本体部52と、インク流路を構成する第1〜第4インクポート53〜56とを備えている。また、インク貯留部51は、インク中のゴミを除去するためのフィルタFによって、上側の第1液室51aと下側の第2液室51bの2つ区画されている。
第1インクポート53は、第1液室51aの右側上端部に連通されており、インク貯留部51へのインクを導入に用いられる。また、第1インクポート53の先端部には、第1ジョイント81aが外挿されている。
第2インクポート54は、第1液室51aの左側上端部に連通されており、第1液室51a内の気泡を除去するために用いられる。また、第2インクポート54の先端部には、第2ジョイント81bが外挿されている。
第3インクポート55は、第2液室51bの左側上端部に連通されており、第2液室51b内の気泡を除去するために用いられる。また、第3インクポート55の先端部には、第3ジョイント82aが外挿されている。
第4インクポート56は、ヘッドチップ1の排出流路13Bに連通する排出用液室57に連通されており、ヘッドチップ1から排出されたインクが、第4インクポート56を通して、インクジェットヘッド100の外部に排出される。
筐体6は、例えば、アルミニウムを材料としてダイキャスト法により成形されてなる部材であり、左右方向に長尺に形成されている。また、筐体6は、その内側にヘッドチップ1、配線基板2及びフレキシブル基板3が取り付けられたマニホールド5を収納可能に形成されてなり、当該筐体6の底面が開放されている。また、筐体6の両端部には、当該筐体6をプリンタ本体側に取り付けるための取付用孔68がそれぞれ形成されている。
キャップ受板7は、その略中央部に左右方向に長尺なノズル用開口部71が形成されており、ノズル基板11がノズル用開口部71を介して露出するようにして、筐体6の底面開口を塞ぐように取り付けられている。
[インクジェットヘッド内の流路設計]
本実施形態のインクジェット記録装置200に備えられたインクジェットヘッド100は、ノズル11aからインクを射出する際の、インクジェットヘッド100に設けられたすべてのノズル11aのうち、単位時間当たりに最大のインク量を射出するノズル11aにおける、当該ノズル11aから射出される単位時間当たりのインク量Fnと、個別連通流路18から共通流路19に排出される単位時間当たりの平均インク流量Fiとの関係が、下記式(1)を満たすように構成されている。
式(1):(Fn/Fi)≦10
ここで、本明細書において、「インクジェットヘッド100に設けられたすべてのノズル11aのうち、単位時間当たりに最大のインク量を射出するノズル11aにおける、当該ノズル11aから射出される単位時間当たりのインク量Fn」とは、インクジェットヘッド100に設けられているすべてのノズル11aについて、それぞれ単位時間(秒)あたりに射出されるインク量(L/s)を各ノズル11aについて算出し、その中で最大のものを意味している。
また、各ノズル11aにおける単位時間(秒)あたりに射出されるインク量(L/s)は、駆動周波数(Hz)と射出されるインク滴(L)との積によって算出することができる。なお、多数のノズル11a(例えば、256個等)が設けられたインクジェットヘッド100でインクを射出する際には、ほとんどの場合、最大駆動周波数(Hz)でインクを射出するノズル11aが少なくとも1つは存在するので、Fnを最大駆動周波数(Hz)と射出されるインク滴(L)との積としてもよい。
また、本明細書において、「個別連通流路18から共通流路19に排出される単位時間当たりの平均インク流量Fi」とは、インクジェットヘッド100内の各個別連通流路18から共通流路19に排出される単位時間(秒)当たりのインク流量(L/s)の平均値を意味している。具体的には、共通流路19からインクジェットヘッド100の外部に排出される単位時間(秒)当たりのインク流量(L/s)を、個別連通流路18の数で割ることによって算出することができる。
そして、式(1)を満たすということは、Fn(L/s)の10分の1以上のインクが、個別連通流路18から共通流路19に排出されているということを意味する。
このように、本実施形態にインクジェットヘッド100では、個別連通流路18から排出される単位時間当たりのインク流量が多くなるように設計されているため、ヘッド内の気泡をインクとともに効果的に除去することができる。効果については、後述する実施例1で確認した。
また、Fi(L/s)は、流路設計やヘッド内のインク圧を調整することによって、適宜調整することができる。具体的には、個別連通流路18の流路断面積を大きくすることや、インク循環系8によって導入するインク量を増やすことによって、Fi(L/s)を増やすことができる。
また、本実施形態ではFiがFnの10分の1以上となるように「Fn/Fi」が10以下であればよい。しかし、個別連通流路18の流路断面積を大きくするなどしてFiを大きくすると、圧力室13Aから発生するノズル11aから液滴を射出するためのエネルギーが個別連通流路18に逃げてしまい、射出のエネルギー効率が落ちて射出速度低下やインク滴量減少などを引き起こすおそれがあるので、「Fn/Fi」は1以上であることが好ましい。
また、インクジェットヘッド100は、共通流路19の流路抵抗Rcと、当該共通流路19に連結する複数の個別連通流路18の合成抵抗Rtとの関係が、下記式(2)を満たすように構成されている。
式(2):(Rc/Rt)≦10
ここで、本明細書において、「共通流路19の流路抵抗Rc」とは、図9Aに示しているように、個別連通流路18が連結された共通流路19の流路部分19aについての流路抵抗であると定義する。つまり、図9Aで説明すると、共通流路19のインクの流れる方向(右方向)に向かって、最も左端部に設けられた個別連通流路18の連結部分の位置から、最も右端部に設けられた個別連通流路18の連結部分の位置までの流路部分の流路抵抗を指す。
式(2)を満たすことにより、インクとともにヘッド内の気泡や異物等を効果的に除去するという効果を得つつ、インクの射出性能のばらつきを抑制できる。効果については、後述する実施例2で確認した。
上記式(1)を満たすように個別連通流路18から排出されるインク流量が多くなるように構成すると、射出のエネルギー効率が落ちて射出速度低下やインク滴量減少が起きる。さらに個別連通流路18ごとのインク排出量がばらついていると、各ノズル11aからのインクの射出性能がばらつくことになってしまう。
ここで、上記式(2)を満たすように、共通流路19及び個別連通流路18を構成すると、各ノズル11aからのインクの射出性能のばらつきを抑制することができる。すなわち、各ノズル11aからのインクの射出性能のばらつきを抑制しながら、インクとともにヘッド内の気泡や異物等を効果的に除去できる効果を得ることができた。これは、個別連通流路18の共通流路19に連結する位置によっては、共通流路19の流路抵抗の影響を受け、個別連通流路18から共通流路19へのインクの流れやすさが異なるためであると考えられる。例えば、図9Aに示したように、個別連通流路18を並列して並べた場合、流路形状はそれぞれ同じであっても、共通流路19の流路抵抗が大きくインクが流れにくいと、共通流路19の出口からより遠い位置の個別連通流路18の方が、相対的にインクが流れにくくなる。したがって、個別連通流路18ごとのインク排出量がばらつくものと考えられる。
そして、本実施形態のインクジェットヘッド100では、上記式(2)を満たすように構成することで、個別連通流路18ごとのインク排出量のばらつきを抑えられたため、インクの射出安定性が向上したものと考えられる。
ここで、各流路における流路抵抗の計算方法について説明する。
流路抵抗Rは、流路形状が直方体である場合には、流路の幅をw(m)、流路の高さをh(m)、流路の長さをl(m)、インクの流体粘度をη(Pa・s)としたとき、流路抵抗R=8ηl(h+w)/(hw)と計算することができる。
また、流路形状が円柱形状である場合には、流路の直径をd(m)、流路の高さをl(m)、インクの流体粘度をη(Pa・s)としたとき、流路抵抗R=128ηl/πdと計算することができる。
また、その他の形状の場合、例えば、テーパ形状の場合は、テーパ形状の長さ方向に直方体として細分化して積分することによって計算することができる。
次に、個別連通流路18の合成抵抗Rtについて説明する。
まず、複数の個別連通流路18が、共通流路19に並列して連結しているため(図9A参照)、共通流路19に連結する複数の個別連通流路18の合成抵抗をRtは、これらの各共通流路19の流路抵抗の逆数の和によって求めることができる。
具体的には、例えば、n個(nは2以上の整数)の個別連通流路18が、共通流路19に並列して連結している場合、n個の個別チャネルの流路抵抗をそれぞれRi(1)、Ri(2)、…、Ri(n)とすると、合成抵抗をRtは、下記式により算出することができる。
1/Rt=(1/Ri(1))+(1/Ri(2))+・・・+(1/Ri(n)
また、上記式(1)及び式(2)を満たすように、各流路が構成されていれば、構成は適宜変更可能である。
例えば、共通流路19が、共通流路19の出口に近くなるにつれて流路抵抗が大きくなるように構成してもよい。その一例としては、図9Bに示すように、共通流路19の断面積を出口方向に向かって徐々に小さくする構成が挙げられる。
また、共通流路19に連結する複数の個別連通流路18のうち、当該共通流路19の出口により近い位置に連結する個別連通流路18が、より大きな流路抵抗を有するように構成してもよい。その一例としては、図9Cに示すように、共通流路19の出口により近い位置に連結する個別連通流路18を、断面積をより小さくする構成が挙げられる。
図9B及び図9Cの構成では、共通流路19の流路抵抗の影響をより受けやすい、共通流路19の出口からより遠い位置に連結した個別連通流路18において、インクがより流れやすくなる構成である。したがって、共通流路19の流路抵抗の影響を受けることによる、個別連通流路18ごとのインク排出量のばらつきを抑えることができ、ノズル11aごとの射出性能のばらつきを抑制することができる。
また、共通流路19の出口を、図9Dに示すように、流路の両側に設けるように構成してもよい。このように、出口を二箇所設けることで、図9Bや図9Cの場合のような共通流路19の出口からより遠い位置に連結される個別連通流路18の数を減らすことができるので、個別連通流路18ごとのインク排出量のばらつきを抑えることができる。そして、ノズル11aごとの射出性能のばらつきを抑制することができる。
[インク循環系]
インク循環系8は、インクジェットヘッド100内の圧力室13Aから個別連通流路18へのインクの循環流を発生させるためのインク供給手段である。インク循環系8は、供給用サブタンク81、循環用サブタンク82及びメインタンク83等によって構成されている(図10)。
供給用サブタンク81は、マニホールド5のインク貯留部51に供給するためのインクが充填されており、インク流路84によって第1インクポート53に接続されている。
循環用サブタンク82は、マニホールド5の排出用液室57から排出されたインクが充填されており、インク流路85によって第4インクポート56に接続されている。
また、供給用サブタンク81と循環用サブタンク82は、ヘッドチップ1のノズル面(以下、「位置基準面」ともいう。)に対して、上下方向(重力方向)に異なる位置に設けられている。これによって、当該位置基準面と供給用サブタンク81の水頭差による圧力P1と、当該位置基準面と循環用サブタンク82との水頭差による圧力P2が生じている。
また、供給用サブタンク81と循環用サブタンク82は、インク流路86で接続されている。そして、ポンプ88によって加えられた圧力によって、循環用サブタンク82から供給用サブタンク81にインクを戻すことができる。
メインタンク83は、供給用サブタンク81に供給するためのインクが充填されており、インク流路87によって供給用サブタンク81に接続されている。そして、ポンプ89によって加えられた圧力によって、メインタンク83から供給用サブタンク81にインクを供給することができる。
また、各サブタンク内のインク充填量と、各サブタンクの上下方向(重力方向)の位置とを適宜変更することによって、圧力P1及び圧力P2を調整することができる。そして、圧力P1及び圧力P2の圧力差によって、適宜の循環流速で、インクジェットヘッド100内のインクを循環できる。これにより、ヘッドチップ1内に発生した気泡を除去し、ノズル11aの詰まりや、射出不良等を抑制することができる。
なお、インク循環系8の一例として、水頭差によってインクの循環を制御する方法を説明したが、インクの循環流を発生できる構成であれば、当然適宜変更可能である。
[他の実施形態のインクジェットヘッド]
上記で説明した実施形態に係るインクジェットヘッド100では、シェアーモードタイプのヘッドチップ1を備えたインクジェットヘッド100を説明したが、他のタイプのヘッドチップ1にも本発明の技術を適用することができる。以下、その一例として、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を利用して、複数の層を並列に積み重ねて製造されたヘッドチップ1を備えた他の実施形態のインクジェットヘッド100について説明する。
なお、以下の説明では他の実施形態のインクジェットヘッド100の主要部のみを説明し、本実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。
ヘッドチップ1は、下側から順にノズル基板11、共通流路基板70、中間基板20、圧力室基板12、スペーサー基板40、配線基板2及び接着層60が積層一体化されることによって構成されている(図11参照)。図11は、ヘッドチップ1内の一部の拡大図であり、ヘッドチップ1内に、同一の構成が多数形成されている。
ノズル基板11には、ノズル11aと、ノズル11aと連通しノズル11aよりも径の大きな大径部101と、大径部101から分岐して設けられインクの循環に使用される個別流路102と、が形成されている。また、ノズル基板11は、SOI基板によって製造されており、異方性エッチングにより高精度に加工されて形成されている。
共通流路基板70は、例えば、シリコン基板であり、上下方向に貫通する大径部701と、絞り部702と、共通流路19とが形成されている。共通流路19には、絞り部702を介して個別流路102から流れてきたインクが合流する。
また、共通流路基板70には、共通流路19の上面に面して、圧力により弾性変形して流路の容積を変更可能なダンパー704が形成されている。ダンパー704は、例えば、厚さ1〜50μmからなるSi基板からなり、ダンパー704の上面には空気室203が形成されている。
中間基板20は、ガラス製の基板であり、中間基板20には、上下方向に貫通する連通孔201と、ダンパー704の上面部分に対応する位置に空気室203が形成されている。また、本明細書では、圧力室13Aとノズル11aの間の流路を連通路72といい、図11に示した例では、連通路72は、連通孔201、大径部701及び大径部101を合わせた流路のことである。
圧力室基板12は、圧力室層121と振動板32からなる。圧力室層121は、例えば、シリコン製の基板であり、圧力室層121には、ノズル11aから射出されるインクが貯留される圧力室13Aが形成されている。また、圧力室層121には、圧力室13Aと連通する連通孔312が、当該圧力室層121を上下方向に貫通しつつ前後方向に延在するように形成されている。振動板32は、圧力室13Aの開口を覆うように圧力室層121の上面に積層され、圧力室13Aの上壁部を構成している。
スペーサー基板40は、例えば、42アロイにより構成された基板であり、圧力発生手段としての圧電素子42等を収容するための空間部41を形成する隔壁層である。圧電素子42には、上面及び下面に2つの電極421,422が設けられており、このうち下面側の電極422が振動板32に接続されている。また、スペーサー基板40には、空間部41とは別に上下方向に貫通する貫通孔401が設けられている。
配線基板2は、例えば、シリコン製の基板であるインターポーザ510を備えている。インターポーザ510の下面には、2層の絶縁層520,530が被覆され、上面には、同じく絶縁層540が被覆されている。そして、絶縁層520,530のうち下方に位置する絶縁層530が、スペーサー基板40の上面に積層されている。
インターポーザ510には、上方向に貫通するスルーホール511が形成されており、このスルーホール511には、貫通電極550が挿通されている。貫通電極550の下端には、水平方向に延在する配線560の一端が接続されており、この配線560の他端には、圧電素子42上面の電極421上に設けられたスタッドバンプ423が、空間部41内に露出した半田561を介して接続されている。また、貫通電極550の上端には、個別配線570が接続されており、個別配線570は水平方向に延在されている。
また、インターポーザ510には、スペーサー基板40の貫通孔401と連通して上方向に貫通するインレット512が形成されている。なお、絶縁層520、530、540のうち、インレット512近傍を被覆する各部分は、インレット512よりも大きい開口径となるように形成されている。
接着層60は、配線基板2の上面に配設された個別配線570を覆いつつ、インターポーザ510の絶縁層540の上面に積層されている。また、ヘッドチップ1の上部に設けられたマニホールド(図示省略)から、ヘッドチップ1の最上層に形成されたインク供給口601を通してヘッドチップ1内にインクが供給される。
また、以上のような他の実施形態のヘッドチップ1は、上述した絞り部702と個別流路102を合わせた流路が、本実施形態で示した個別連通流路18に対応する。そして、当該ヘッドチップ1においても、上述した式(1)及び(2)を満たすような流路構成とすることによって、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
[本発明の技術的効果]
以上説明したように、本発明のインクジェット記録装置200は、複数の圧力室13Aの各々、又は圧力室13Aとノズル11aとの間の連通路72の各々から分岐して設けられ、圧力室13Aのインクを排出可能な複数の個別連通流路18と、複数の個別連通流路18が連結し、当該個別連通流路18から排出されたインクが合流する共通流路19と、を有するインクジェットヘッド100と、圧力室13Aから個別連通流路18へのインクの循環流を発生させるためのインク循環系8と、を備える。また、ノズル11aからインクを射出する際の、インクジェットヘッド100に設けられたすべてのノズル11aのうち、単位時間当たりに最大のインク量を射出するノズル11aにおける、当該ノズル11aから射出される単位時間当たりのインク量Fnと、個別連通流路18から共通流路19に排出される単位時間当たりの平均インク流量Fiとの関係が、下記式(1)を満たし、かつ、共通流路19の流路抵抗Rcと、当該共通流路19に連結する前記複数の個別連通流路18の合成抵抗Rtとの関係が、下記式(2)を満たすように構成されている。
式(1):(Fn/Fi)≦10
式(2):(Rc/Rt)≦10
上記式(1)及び(2)を満たすような流路構成とすることによって、インクの射出安定性を維持しながら、インクとともにヘッド内の気泡や異物等を効果的に除去できる。
また、本実施形態のインクジェット記録装置200は、共通流路19が、当該共通流路19の出口に近くなるにつれて流路抵抗が大きくなっていることが好ましい。これにより、個別連通流路18ごとのインク排出量のばらつきを抑えることができ、ノズル11aごとの射出性能のばらつきを抑制することができる。
また、本実施形態のインクジェット記録装置200は、共通流路19に連結する複数の個別連通流路18のうち、共通流路19の出口により近い位置に連結する個別連通流路18が、より大きな流路抵抗を有することが好ましい。これにより、個別連通流路18ごとのインク排出量のばらつきを抑えることができ、ノズル11aごとの射出性能のばらつきを抑制することができる。
また、本実施形態のインクジェット記録装置200は、共通流路19の出口が、複数のノズル11aの配列方向の両側に、それぞれ1つずつ設けられていることが好ましい。これにより、個別連通流路18ごとのインク排出量のばらつきを抑えることができ、ノズル11aごとの射出性能のばらつきを抑制することができる。
また、本実施形態のインクジェット記録装置200は、共通流路19の内面に面して設けられ、圧力により弾性変形して流路の容積を変更可能なダンパー11bを備えることが好ましい。また、当該ダンパー11bが、複数のノズル11aが形成されているノズル基板11により形成されていることが好ましい。これにより、共通流路19の圧力変動を抑えることができ、圧力変更による射出性能への影響を抑制することができる。
また、本実施形態のインクジェット記録装置200は、複数の圧力室13Aの上部に、複数の圧力室13Aに供給するインクを貯留するマニホールド5が設けられていることが好ましい。これにより、インクの供給を上部でまとめて行う構成とできるため、インクジェットヘッド100をより小型化することができる。
[その他]
以上で説明した本発明の実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。すなわち、本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
例えば、インクジェット記録装置200として、ラインヘッドを用いた1パス描画方式のインクジェット記録装置200を説明したが、スキャン方式のインクジェット記録装置200であってもよい。
また、本実施形態では、ヘッドチップ1内部のインクを、インク循環系8によって、インクを循環させることしたが、排出流路13Bのインクを循環させずに吐き捨てる構成としてもよく、循環又は吐き捨てかを選択できる構成としてもよい。
また、ヘッドチップ1の圧力室13A及び排出流路13Bを、ヘッドチップの上下面で開口するストレートタイプとして説明したが、ヘッドチップ1の下面で開口するとともに、上方に向かうに従って湾曲し、ヘッドチップ1の側面で開口する形状としても良い。
以下、実施例をあげて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
[実施例1]
<流路設計の検討>
個別連通流路18から共通流路19に排出される単位時間当たりのインク流量を多くすると、ノズル11a毎の射出性能のばらつきが増大する。これは、個別連通流路18に流れるインク流量が多くなるほど、射出のエネルギー効率が落ちて射出速度低下やインク滴量減少が起きるが、インクの循環流量がばらついていると射出性能のばらつきとなるからである。そこで、以下に示すインクジェット記録装置1−1〜1−5により、気泡等の除去性能及びインクの射出安定性の評価を行った。
<インクジェット記録装置1−1〜1−5の準備>
ノズル11aからインクを射出する際の、インクジェットヘッド100に設けられたすべてのノズル11aのうち、単位時間(秒)当たりに最大のインク量を射出するノズル11aにおける、当該ノズル11aから射出される単位時間当たりのインク量Fn(L/s)と、個別連通流路18から共通流路19に排出される単位時間当たりの平均インク流量Fi(L/s)との比を変更した際に、射出性能のばらつきに与える影響を評価した。
具体的には、図1〜9Aに示すようなインクジェット記録装置200及びインクジェットヘッド100の構成において、以下の表1に示すようなFn(nL/s)及びFi(nL/s)となるように、インクジェットヘッド100の流路設計及びインク圧を調整したインクジェット記録装置1−1〜1−5を準備した。
また、本実施例では、全ノズル11aを最大駆動周波数40kHzで駆動した。
(駆動条件)
使用したインクの流体粘度:10(mPa・s)
射出液滴量:13pL
駆動周波数:40kHz
共通流路の形状:1mm×0.2mm×72mm(縦×横×長さ)
共通流路の流路抵抗Rc:1.0×1012(Pa・s/m
個別連通流路の形状:40um×40um×100um(縦×横×長さ)
個別連通流路の合成抵抗Rt:4.9×1010(Pa・s/m
共通流路に連結された個別連通流路数:256個
ヘッド内のインク圧(IN−OUT圧力差):10kPa
「ヘッド内のインク圧」は、INポートである第1インクポート53と、OUTポートである第4インクポート56との圧力差によって算出した。
<気泡等の除去性能の評価>
気泡等の除去性能の評価方法としては、まずインクジェット記録装置1−1〜1−5に、泡が混入された同一のインクをそれぞれ導入し、圧力室内13Aを泡のある状態にした。その後、脱泡したインクを上述した駆動条件で射出した。このとき、圧力室13Aの気泡を個別連通流路18からインクとともに除去することによって、各ノズル11aにおけるインクの射出不良を抑えることができるかを評価した。
上述した駆動条件で、5分間射出後、射出不良のノズルがあるかを検出した。ここで、射出不良があるか否かは、記録媒体上に、ノズルのインク射出不良を検出するためのテスト画像を形成し、当該画像を読み取ることによって、射出不良の有無を検出した。
そして、射出不良のノズル数をカウントすることによって、以下のように気泡等の除去性能を評価した。ノズル256個分を測定し、以下の基準によって評価を行った。
◎:ノズル256個中、射出不良のノズル数が0個
○:ノズル256個中、射出不良のノズル数が1〜2個
△:ノズル256個中、射出不良のノズル数が3〜10個
×:ノズル256個中、射出不良のノズル数が10個以上
<インクの射出安定性の評価>
インクの射出安定性の評価としては、各ノズルから射出されたインク滴の射出速度を測定し、循環流量が0の場合との差分を算出することで、循環流量に起因するノズル11aごとの射出性能のばらつきを評価することによって行った。
インク滴の射出速度は、測定方法は特に限られないが、本実施形態では、インクジェット液滴観察用ストロボスコープ(JetScope、(株)マイクロジェット社製)を用いてノズル11aから空中に放出されたインク滴の飛翔状態を観測し、インクジェット液滴自動測定システム(JetMeasure、(株)マイクロジェット社製)を用いて、インク滴の射出速度を計算した。
この方法では、駆動条件を変えずに、ストロボ光源の発光タイミング(ディレイタイム)を調整することができるため、例えば、ディレイタイムt=t1におけるインク滴の観察画面上の座標(X1,Y1)と、ディレイタイムt=t2におけるインク滴の観察画面上の座標(X2,Y2)によって、以下式(A1)によって射出速度Vを算出することができる。
Figure 0006822474
そして、各ノズル(256個)におけるインクの射出速度の差分を算出し、その平均値を基準として、インクの射出速度のばらつきを用いて、以下の基準によってインクの射出安定性を評価した。
◎:全ノズルにおいて、インクの射出速度差分のばらつきが、±0.5%以内
○:全ノズルにおいて、インクの射出速度差分のばらつきが、±1.0%以内
△:全ノズルにおいて、インクの射出速度差分のばらつきが、±2.0%以内
×:全ノズルにおいて、インクの射出速度差分のばらつきが、±2.0%を超える
Figure 0006822474
表1に示した結果からも分かるとおり、「Fn/Fi」が10以下となる場合、気泡等の除去性能が高くなる一方、インクの射出安定性が低下することが分かった。
[実施例2]
<インクジェット記録装置2−1〜2−14の準備>
実施例1で使用したインクジェット記録装置1−3及び1−5について、共通流路19の流路抵抗Rcと、共通流路19に連結する個別連通流路18の合成抵抗Rtとを、表2に記載するような流路抵抗となるように、共通流路19と個別連通流路18の流路形状を変更し、インクジェット記録装置2−1〜2−14を準備した。そして、気泡等の除去性能及びインクの射出安定性の評価を行った。これらの評価は、実施例1と同様の方法で行った。なお、ヘッド内のインク圧(IN−OUT圧力差)を調整することで、Fiを調整した。
Figure 0006822474
表2に示した結果からも分かるとおり、「Fn/Fi」が10以下であり、かつ「Rc/Rt」が10以下となる場合に、インクの射出安定性を維持しながら、インクとともにヘッド内の気泡等を効果的に除去できることが分かった。
本発明は、インクジェット記録装置に利用することができる。
1 ヘッドチップ
5 マニホールド
8 インク循環系(インク供給手段)
11 ノズル基板
11a ノズル
11b ダンパー
13A 圧力室
15 隔壁(圧力発生手段)
18 個別連通流路
19 共通流路
72 連通路
100 インクジェットヘッド
200 インクジェット記録装置

Claims (7)

  1. インクを射出する複数のノズルと、
    前記複数のノズルの各々に連通して設けられ、前記ノズルから射出するインクを貯留する複数の圧力室と、
    前記複数の圧力室の各々に対応して設けられ、前記圧力室内のインクに圧力を加える複数の圧力発生手段と、
    前記複数の圧力室の各々、又は前記圧力室と前記ノズルとの間の連通路の各々から分岐して設けられ、前記圧力室のインクを排出可能な複数の個別連通流路と、
    前記複数の個別連通流路が連結し、前記複数の個別連通流路から排出されたインクが合流する共通流路と、を有するインクジェットヘッドと、
    前記圧力室から前記個別連通流路へのインクの循環流を発生させるためのインク供給手段と、を備え、
    前記ノズルからインクを射出する際の、前記インクジェットヘッドに設けられたすべてのノズルのうち、単位時間当たりに最大のインク量を射出するノズルにおける、当該ノズルから射出される単位時間当たりのインク量Fnと、前記個別連通流路から前記共通流路に排出される単位時間当たりの平均インク流量Fiとの関係が、下記式(1)を満たし、かつ、
    前記共通流路の流路抵抗Rcと、当該共通流路に連結する前記複数の個別連通流路の合成抵抗Rtとの関係が、下記式(2)を満たすインクジェット記録装置。
    式(1):(Fn/Fi)≦10
    式(2):(Rc/Rt)≦10
  2. 前記共通流路は、当該共通流路の出口に近くなるにつれて流路抵抗が大きくなっている請求項1に記載のインクジェット記録装置。
  3. 前記共通流路に連結する複数の個別連通流路のうち、当該共通流路の出口により近い位置に連結する前記個別連通流路は、より大きな流路抵抗を有する請求項1又は請求項2に記載のインクジェット記録装置。
  4. 前記共通流路の出口は、前記複数のノズルの配列方向の両側に、それぞれ1つずつ設けられている請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載のインクジェット記録装置。
  5. 前記共通流路の内面に面して設けられ、圧力により弾性変形して流路の容積を変更可能なダンパーを備える請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載のインクジェット記録装置。
  6. 前記ダンパーは、前記複数のノズルが形成されているノズル基板により形成されている請求項5に記載のインクジェット記録装置。
  7. 前記複数の圧力室の上部に、当該複数の圧力室に供給するインクを貯留するマニホールドが設けられている請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載のインクジェット記録装置。
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