(57)【要約】【課題】インクのリフィルを迅速かつ効率よく行うことのできる、コストのかからないインクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタを提供する。【解決手段】インクジェットプリンタ１０におけるインクジェットヘッド５２は、発熱抵抗体１０２およびインク吐出用ノズル１１６と、これらによって作られるインク加圧領域に向けてインクを供給する個別インク流路１１４と、このインク加圧領域で発生しインク供給の下流側に進行するインクの加圧エネルギを、インク加圧領域に対してインク供給の上流側に伝搬させることで、加圧エネルギをインク加圧領域に向けて再帰させる、個別インク流路１１４に設けられたインク循環経路１１４ｄと、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク液滴を吐出するインクジェットヘッドであって、
基板と、
この基板に設けられたインクを加圧する加圧素子と、
この加圧素子によって加圧されたインクをインク液滴として吐出する吐出ノズルを備えた、前記基板に離間して設けられたノズルプレートと、
前記基板と前記ノズルプレートとの間隙に設けられた、一方の端が閉塞した流路であって、前記加圧素子および前記吐出ノズルがこの流路中の壁面に位置するインク加圧領域に向けて他方の端からインク供給を行うインク流路と、
前記加圧素子によりインクを加圧することで発生し前記インク加圧領域から前記インク供給の下流側に進行するインクの加圧エネルギを、前記インク加圧領域に対して前記インク供給の上流側に伝搬させることで、前記加圧エネルギを前記インク加圧領域に向けて再帰させる、前記インク流路に設けられたインク循環経路と、を有することを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記ノズルプレートは、前記基板上に設けられた前記インク流路の壁面の一部となる隔壁層に積層され、
前記インク加圧領域は、前記インク流路の前記一方の端近傍に設けられ、
前記インク循環経路は、前記隔壁層の一部として前記インク加圧領域近傍に設けられた、周囲をインクで囲まれた島状部材によって作られた流路である請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記加圧素子は一定の駆動周波数のタイミングで駆動してインクを加圧し、
前記インク循環経路におけるインクの圧力変動の共振周波数は、前記駆動周波数の略整数倍に設定されている請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドを搭載したことを特徴とするインクジェットプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク液滴を連続的に安定して吐出するインクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
記録紙等の記録媒体にインク液滴を吐出して画像の記録を行うインクジェットプリンタが広く普及している。
このインクジェットプリンタに用いられるインクジェットヘッドは、一方向に複数のインク吐出用ノズルを隣接して配列し、このインク吐出用ノズルの各々に個別インク通路を接続してインクを常時供給する構成となっている。さらに、このインク吐出用ノズルの近傍の個別インク流路中に、インク液滴を吐出するインク吐出手段、例えば、加熱ヒータや圧電素子ＰＺＴのダイヤフラムが、インク吐出用ノズル各々に対応して形成される。そして、このインク吐出手段によって、インクを部分的に加熱して発生した気泡を膨張させることによって、あるいは、機械的振動をインクに加えることによって、インクを加圧してインク吐出用ノズルからインク液滴を吐出させる。
【０００３】
このようなインクジェットヘッドでは、画像等の記録を短時間にできるように、インク液滴の吐出周波数を高くすることが望まれている。ところが、インク液滴を高い吐出周波数で安定して吐出させるためには、吐出したインク液滴の体積分を補給すべくインク吐出手段に向けてインクの供給（インクのリフィル）を迅速に行うことが重要である。現在のインクジェットヘッドでは、インクのリフィルは、インクに作用するメニスカスにおける小さな表面張力を利用してインクのメニスカスを回復させる方法をとっている。このため、メニスカスの回復力は小さく、一方、インクを移動させるための慣性抵抗は大きいので、メニスカスの回復に要する時間は長い。また、メニスカスに振動が生じた場合振動の減衰も遅くなるので、インクのリフィルによる静定状態のメニスカスの回復を迅速に行うことはできないといった問題があった。
【０００４】
このような問題に対して、下記特許文献１では、インクのリフィルのタイミングに合わせて共通液室を加圧して共通液室の容積を減少させることで、インクをインク吐出手段であるヒータに向けて加圧して、インクの補充を迅速に行うインクジェット記録装置を開示している。
また、下記特許文献２では、直列状に配列した複数個の発熱抵抗体を有する基板と、この基板と離間した、複数のインク吐出孔を有する天板との間に、インク吐出孔の配列と直交する方向に流動するようにインクを循環させるインクジェットヘッドを開示している。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１３２６１３号公報
【特許文献２】
特開２００１−２０５８１４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１のインクジェット記録装置では、インクのリフィルのタイミングに合わせて共通液室を加圧する圧電素子およびこの圧電素子により共通液室の容積を変化させるダイヤフラム等を別途構成する必要が有り、コストが高くなるといった問題がある。また、リフィルのタイミングに合わせて圧電素子を制御する制御回路を設けなければならず、その制御も困難なものであった。
一方、特許文献２のインクジェットヘッドでは、インクを絶えず流動させることにより効率よくインクのリフィルを行うことができると考えられるが、インクを循環させるための循環ポンプ等の手段が必要であり、インクジェットプリンタとしてのコストが高くなるといった問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題を解決して、インクのリフィルを迅速かつ効率よく行うことのできる、コストのかからないインクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、インク液滴を吐出するインクジェットヘッドであって、基板と、この基板に設けられたインクを加圧する加圧素子と、この加圧素子によって加圧されたインクをインク液滴として吐出する吐出ノズルを備えた、前記基板に離間して設けられたノズルプレートと、前記基板と前記ノズルプレートとの間隙に設けられた、一方の端が閉塞した流路であって、前記加圧素子および前記吐出ノズルがこの流路中の壁面に位置するインク加圧領域に向けて他方の端からインク供給を行うインク流路と、前記加圧素子によりインクを加圧することで発生し前記インク加圧領域から前記インク供給の下流側に進行するインクの加圧エネルギを、前記インク加圧領域に対して前記インク供給の上流側に伝搬させることで、前記加圧エネルギを前記インク加圧領域に向けて再帰させる、前記インク流路に設けられたインク循環経路と、を有することを特徴とするインクジェットヘッドを提供する。
【０００９】
ここで、前記ノズルプレートは、前記基板上に設けられた前記インク流路の壁面の一部となる隔壁層に積層され、前記インク加圧領域は、前記インク流路の前記一方の端近傍に設けられ、前記インク循環経路は、前記隔壁層の一部として前記インク加圧領域近傍に設けられた、周囲をインクで囲まれた島状部材によって作られた流路であるのが好ましい。
【００１０】
また、前記加圧素子は一定の駆動周波数のタイミングで駆動されてインクを加圧し、前記インク循環経路におけるインクの圧力変動の共振周波数は、前記駆動周波数の略整数倍に設定されているのが好ましい。
【００１１】
また、本発明は、前記インクジェットヘッドを搭載したことを特徴とするインクジェットプリンタを提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のインクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタについて、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。
【００１３】
図１（ａ）および（ｂ）に、本発明のインクジェットヘッドを搭載するインクジェットプリンタの一例であるプリンタ１０が示されている。
図１（ａ）はプリンタ１０の概略構成図であり、図１（ｂ）は、概略斜視図である。
プリンタ１０は、記録ヘッド部５０が、記録紙等の記録媒体Ｐの少なくとも１辺の長さを超えてインクを吐出する複数のインク吐出用ノズルが一方向に配列されたラインヘッドである。プリンタ１０は、記録部１２、供給部１４、プレヒート部１６および排出部１８を有して構成される。
【００１４】
供給部１４は、搬送ローラ対２０，２２と、ガイド２４，２６とを有し、記録媒体Ｐは、供給部１４によって横方向から上方に搬送されプレヒート部１６に供給される。
【００１５】
プレヒート部１６は、３本のローラおよびエンドレスベルトからなるコンベア２８と、コンベア２８の外方からエンドレスベルトに押圧される圧着ローラ３０と、コンベア２８の内方から圧着ローラ３０に押圧される加熱装置３２と、プレヒート部１６内を排気する排気ファン３４とを有する。
このようなプレヒート部１６は、インクジェットによる記録に先立ち記録媒体Ｐを加熱することで、記録媒体Ｐに吐出されたインクの乾燥を促進し、高速記録を実現するためのもので、供給部１４から搬送された記録媒体Ｐは、コンベア２８と圧着ローラ３０とによって挟持搬送されつつ、加熱装置３２によって記録面側から加熱され、記録部１２に搬送される。
【００１６】
記録部１２は、記録ヘッド部５０と記録媒体搬送部５８とを有して構成され、記録ヘッド部５０は、Ｓｉ基板からなるヘッドチップを有するインクジェットヘッド５２と、記録制御部５４と、インクタンク５６とを有し、インクジェットヘッド５２は記録制御部５４に接続される。
インクジェットヘッド５２は、プリンタ１０の画像記録の対象とする最大幅サイズの記録媒体Ｐの少なくとも１辺を超える長さにわたって、インク液滴を吐出するインク吐出用ノズルが複数配列されたラインヘッドで、インク吐出用ノズルは、図１（ａ）中の紙面において垂直方向に配列される。
したがって、記録ヘッド部５０は、駆動ローラ６２および搬送ローラ６０ａ，６０ｂに巻回されたベルト６４を有する記録媒体搬送部５８によって搬送される記録媒体Ｐ上に、図１（ａ）の紙面に垂直方向に走査することなく、記録幅全体に渡って、一度に記録される。
記録された記録媒体Ｐは、ローラ対７２，７４を有する排出部１８より排出される。
なお、プリンタ１０のインクジェットヘッド５２は、ラインヘッドに限られず、記録媒体Ｐの搬送方向と直交する方向に走査するシリアルタイプのインクジェットヘッドであってもよい。
【００１７】
このようなプリンタ１０のインクジェットヘッド５２には、記録媒体Ｐの幅方向に一列に並ぶインク吐出用ノズルの各々に対応して、図２に示すようなインクジェットヘッドのヘッドチップの断面構造が設けられている。
【００１８】
すなわち、Ｓｉ基板１００の上にスパッタリングによって設けられた発熱抵抗体１０２と、この発熱抵抗体１０２に通電するための導体電極１０４、１０６と、導体電極１０４にビアホール１０８を介して接続される駆動部１１０とを有する。なお、発熱抵抗体１０２と導体電極１０４、１０６とによってインクを加圧する加圧素子であるヒータが形成される。なお、このヒータの上には、インクと直接接触しないように、電蝕用、あるいは耐キャビテーション用保護膜等が形成されていてもよい。
【００１９】
また、Ｓｉ基板１００上にはポリイミド等の樹脂材料によって形成された隔壁層１１２が積層されている。この隔壁層１１２には、一方向に配列するヒータ（図２において紙面に対して垂直方向）に１対１に対応して個別インク流路１１４が構成されるように隔壁１１２ａ（図３参照）が配置される。また、個別インク流路１１４は、共通インク通路１１５およびＳｉ基板１００に間歇的に穿孔されたインク供給孔１１９を介して、実装フレーム１２０に設けられインクタンク５６と接続されたインク供給路１２１に接続されるように構成される。
【００２０】
インク吐出用ノズル１１６は、図２中において発熱抵抗体１０２の略垂直上方に位置する、個別インク流路１１４の壁面の一部を成すノズルプレート１１８に穿孔されて設けられたノズルであって、インク液滴をノズルプレート１１８の面に対して略垂直方向に吐出するノズルである。インク吐出用ノズル１１６は、発熱抵抗体１０２と対向する位置に設けられている。なお、インク吐出用ノズル１１６は、ノズルプレート１１８に対して一定の傾斜角度を付けてインク液滴を吐出するノズルであってもよい。
【００２１】
図３は、図２に示されるＡ−Ａ’断面で切断したインクジェットヘッド５２の断面図である。
隔壁層１１２は、発熱抵抗体１０２に１対１に対応する個別インク流路１１４が形成されるように、共通インク通路１１５に向かって延在する、一定の厚みを有する複数の隔壁１１２ａを有し、この隔壁１１２ａによって隣接する個別インク通路１１４と隔てられる。このように、Ｓｉ基板１００とノズルプレート１１８との間に形成された隔壁層１１２により個別インク流路１１４は設けられ、一方の端が隔壁層１１２によって閉塞しており、個別インク流路１１４途中の壁面に、発熱抵抗体１０２およびインク吐出用ノズル１１６が位置するインク加圧領域に向けて共通インク通路１１５の側からインクを供給する構成となっている。より具体的には、個別インク流路１１４のそれぞれは、インク供給の上流側（共通インク通路１１５側）から直線状にのびる一定の流路横幅を持った直線流路部分１１４ａと、個別インク流路１１４の閉塞した端部近傍、すなわち、インク供給の下流側の端部近傍に設けられ、隔壁層１１２の壁面が略円柱の側面を成し、直線流路部分１１４ａよりも流路横幅の広がった空間状流路部分１１４ｂと、を有して構成される。
【００２２】
この空間状流路部分１１４ｂにおいて、空間状流路部分１１４ｂの直線流路部分１１４ａとの接続位置近傍領域の、隔壁層１１２の壁面に近接した領域は、発熱抵抗体１０２の加熱によりインクに発生した気泡の膨張力によってインクをインク吐出用ノズル１１６側に加圧するインク加圧領域となっている。すなわち、インクを加圧するインク加圧領域は、空間状流路部分１１４ｂの中心位置からずれて配置されている。
さらに、空間状流路部分１１４ｂの壁面に近接した側と反対側のインク加圧領域の近傍には、空間状流路部分１１４ｂの空間を支持するようにＳｉ基板１００とノズルプレート１１８とを接続する、周囲がインクによって覆われた島状部材１１４ｃが設けられている。
【００２３】
この島状部材１１４ｃの周りは、インク加圧領域で発生したインクの加圧エネルギーが伝搬する伝搬経路となっている。すなわち、発熱抵抗体１０２がインクを部分的かつ急激に加熱して発生する気泡の膨張力により生じた、インク加圧領域からインク供給の下流側に進行するインクの加圧エネルギを、空間状流路部分１１４ｂの壁面に沿ってインク供給の下流側から、インク加圧領域に対してインク供給の上流側へ伝搬させることで（図３中の矢印Ｘ）、この加圧エネルギをインク加圧領域に向けて再帰させるインク循環経路１１４ｄとなっている。
【００２４】
すなわち、インク加圧領域でインクの加圧によって生じた加圧エネルギは、インク供給の上流側、インク供給の下流側、および、発熱抵抗体１０２に対向するインク吐出用ノズル１１６側に伝搬するが、インク吐出用ノズル１１６側に伝搬した加圧エネルギはインク液滴を吐出する吐出エネルギとなり、一方、インク供給の下流側に伝搬した加圧エネルギはインク循環径路１１４ｄを介してインク加圧領域におけるインクのリフィルのエネルギとなる。すなわち、インク供給の下流側に伝搬したインクの加圧エネルギによって、インク循環経路１１４ｄに位置するインクがインク加圧領域に移動するように構成される。
【００２５】
このようなインク循環経路１１４ｄを介した加圧エネルギの再帰のタイミングは、島状部材１１４ｃの配置位置や大きさを調整することで、最適に調整することができる。
このような島状部材１１４ｃの調整は、設計段階で、数値流体解析等を用いて個別インク流路１１４の流動解析のシミュレーション演算を行うことによって行うことができる。例えば、インクが発熱抵抗体１０２のヒータ表面からインク吐出用ノズル１１６の吐出口までの距離を２５（μｍ）とし、インク吐出用ノズル１１６の直径を１５（μｍ）として、体積４（ｐｌ）のインク液滴を１０（ｍ／秒）で飛翔させる場合、インクに発生した気泡を発熱抵抗体１０２の発熱開始約２．５μ秒後に速度１０（ｍ／秒）で大気と連通させる。この場合、インク加圧領域から、例えばインク供給上流側に２０（μｍ）程度離れた位置に、発熱開始約３（μ秒）後に加圧エネルギを再帰させ、インクのリフィルのためのエネルギとして用いるとよい。インク循環経路１１４ｄの径路の横幅および径路の長さを一定として理想とした場合、この径路の横幅および長さを２０（μｍ）とし、インク循環経路１１４ｄを、共振周波数が略８０（ｋＨｚ）の共振器構造とするとよい。
【００２６】
本発明においては、気泡の発生から気泡の膨脹さらには気泡の大気連通による消滅に至るまでの経過時間を考慮して効率よくインクのリフィルを行う点から、インク循環経路１１４ｄを介してインク加圧領域に再帰するまでの時間を発熱開始から３〜４０（μ秒）とするのが好ましい。
【００２７】
なお、駆動部１１０は、発熱抵抗体１０２を所定の駆動周波数で印加してインクを加圧してインク液滴を吐出するが、インク循環経路１１４ｄにおける共振器構造の特性、すなわち、インク循環経路１１４ｄにおけるインク圧力変動の共振周波数を、上記駆動周波数に対して略整数倍とするのが好ましい。例えば、充填したいタイミングでインクの充填が促進される位相関係にあればよく、共振周波数／駆動周波数の比率において（ｎ−０．２）〜（ｎ＋０．２）（ｎは正の整数）の範囲にあればよい。上記比率を略整数倍とすることで、発熱抵抗体１０２の駆動周期に合わせてインクのリフィルを常にタイミングよく行うことができるからである。
【００２８】
上記実施例は、発熱抵抗体１０２を備えるヒータを、インクを加圧する加圧素子としたものであるが、本発明では、圧電素子やダイヤフラムを用いて、インク液に機械的振動を与えてインクを加圧する加圧素子であってもよい。
【００２９】
このようなインクジェットヘッド５２では、駆動回路１１０からパルス信号がヒータに印加され、発熱抵抗体１０２が発熱すると、発熱抵抗体１０２の上方に位置する、個別インク流路１１４内のインク液に気泡が発生して膨張する。この気泡の膨張力によってインク液がインク吐出用ノズル１１６側に押し上げられて、インクの一部分がインク液から分離してインク液滴として吐出する。
また、この時、インク加圧領域からインク供給の下流側にもインクを加圧した時の加圧エネルギーが進行する。この加圧エネルギーは、空間状流路部分１１４ｂの壁面および島状部材１１４ｃによって規制されたインク循環経路１１４ｄに沿って移動し、インク加圧領域に対してインク供給の上流側から、インク加圧領域に向かって再度帰還する。この加圧エネルギによってインク循環経路１１４ｄに位置するインクがインク加圧領域に移動してインクのリフィルが行われる。勿論、従来から行われるように、表面張力の作用によるインクのリフィルも行われる。
【００３０】
このように、インク加圧領域にある発熱抵抗体１０２の加熱によりインクに発生した気泡の膨張力で生じるインクの加圧エネルギは、インク液滴の飛翔に用いられる他、インク循環経路１１４ｄを介してインク加圧領域に再帰して、インクのリフィルのためのエネルギとして用いられる。
したがって、従来のように、圧電素子や循環ポンプ等を用いることなく、個別インク流路の構成を変更するだけで、コストのかからない、迅速かつ効率よくインクのリフィルを行うことのできるインクジェットヘッドを実現することができる。
【００３１】
なお、本発明のインクジェットヘッドは、図３に示される空間状流路部分１１４ｂに変えて、図４に示されるような空間状流路部分１１４ｂ’を用いてもよい。すなわち、発熱抵抗体１０２を空間状流路部分１１４ｂ’の中心線ＣＬ上に配置し、この中心線ＣＬを中心とした対称の位置にそれぞれのインク循環経路１１４ｄ’を作るように島状部材１１４ｃ’を配置してもよい。
図４中の隔壁１１２ａ’および直線流路部分１１４ａ’は、図３中の隔壁１１２ａおよび直線流路部分１１４ａと同様の構成である。
本発明では、インクを加圧することで発生しインク供給の下流側に進行するインクの加圧エネルギを、インク加圧領域に対してインク供給の上流側に伝搬させることで、加圧エネルギをインク加圧領域に向けて再帰させるインク循環経路が作られていれば、どのような構成であってもよい。
【００３２】
以上、本発明のインクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタについて詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。例えば、加圧素子は、発熱抵抗体を備えるヒータの他、圧電素子を用いたピエゾ方式等のような公知の加圧素子であってもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明のインクジェットヘッドは、加圧素子および吐出ノズルを壁面に備えるインク加圧領域に向けてインクを供給するインク流路に、インク加圧領域で発生しインク供給の下流側に進行するインクの加圧エネルギを、インク加圧領域に対してインク供給の上流側に伝搬させるインク循環経路を設けるので、循環して再帰した加圧エネルギによりインクのリフィルを迅速かつ効率よく行うことができる。これにより、従来に比べてコストのかからないインクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明のインクジェットプリンタの一例の概略構成図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すインクジェットプリンタの概略斜視図である。
【図２】本発明のインクジェットヘッドの断面構造の一例を示す概略断面図である。
【図３】図２に示すＡ−Ａ’断面からみたインクジェットヘッドの断面図である。
【図４】本発明のインクジェットヘッドの他の例におけるインクジェットヘッドの断面図である。
【符号の説明】
１０  プリンタ
１２  記録部
１４  供給部
１６  プレヒート部
１８  排出部
５０  記録ヘッド部
５２  インクジェットヘッド
５４  記録制御部
５６  インクタンク
５８  記録媒体搬送部
１００  Ｓｉ基板
１０２  発熱抵抗体
１０４，１０６  導体電極
１０８  ビアホール
１１０  駆動部
１１２  隔壁層
１１２ａ  隔壁
１１４  個別インク流路
１１４ａ  直線流路部分
１１４ｂ  空間状流路部分
１１４ｃ  島状部材
１１４ｄ  インク循環経路
１１５  共通インク通路
１１６  インク吐出用ノズル
１１８  プレート
１２０  実装フレーム
１２１  インク供給路
【図１】
2004262040.tif 000003
【図２】
2004262040.tif 000004
【図３】
2004262040.tif 000005
【図４】
2004262040.tif 000006