JP3750375B2 - Ink jet recording head and ink jet recording apparatus including the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク滴を安定に吐出させて画像記録媒体上に印字を行うインクジェット記録ヘッド及びそれを備えたインクジェット記録装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
被印字面に液滴、特にインクドロップを吐出して印字を行うインクジェット記録方式の代表的なものとして、ノズルを用いる方式があり、そのノズルを用いる記録方式には、従来、オンデマンド型と連続流型とがある。
オンデマンド型は、記録情報に対応してノズルから間欠的にインクを吐出させて印字を行う方式で、代表的なものとして、圧電素子方式とサーマル方式とがある。
圧電素子方式は、インク室に付設した圧電素子に、パルス電圧を印加して圧電素子を変形させることにより、インク室内のインク液圧を変化させ、ノズルからインクドロップを吐出させて、記録紙上にドットを記録するものである。
サーマル方式は、インク室内に設けた加熱素子によりインクを加熱し、これにより発生したバブルによりノズルからインクドロップを吐出させて、記録紙上にドットを記録するものである。
一方、連続流型は、インクに圧力を加えてノズルから連続的にインクを吐出させると同時に、ピエゾ振動子等により振動を加えて突出インク柱を液滴化し、さらに液滴に対して選択的に帯電、偏向を行うことによって、記録を行うものである。
【0003】
これらのインクジェット記録装置においては、非動作時のインクの乾燥、増粘に起因するノズルの目詰まりを防止することが大きな課題である。この課題を解決するために種々のインク材料が開発されているが、インク溶媒の蒸発を低減することは依然として困難である。
市販のインクジェット記録装置では、非印字時、長期休止時には、樹脂製のキャッピング手段等により、ノズルと外気とを遮蔽してインクの乾燥を遅延させようとしている。しかし、このキャッピング手段では、ノズル内の気密状態をより効果的に高めるためには、複雑な手順と装置が必要となる。また、キャッピング手段では、ノズル内部を空気から完全に遮蔽することができず、保存中に、ノズル内部のインクの乾燥、増粘が徐々に進行し、ノズルの目詰まりが発生してしまうことがある。このように、実際には、市販されているインクジェット記録装置では、長期休止によるノズルの目詰まりを回復するために、様々なメンテナンス動作が必要となっている。
【0004】
長期休止後の目詰まりに起因する問題を回避する手段としては、特開昭52−104130号公報に開示されているように、インクに不溶のシール液体と、シール液体の膜を張る手段によって、インク吐出口を密封してインクを空気から遮蔽し、インクの乾燥を防ぐ手段が知られている。しかし、この方法は、以下のような欠点を有していることが判明した。即ち、前記方法は、インク吐出の度毎にシール液体が状態変化し、その結果、インク吐出が安定せず、印字画像品質が低下するという根本的な問題を有している。以下、図面を用いて、判明した従来技術の欠点を示す。
【0005】
シール液体による密封方式を採用している従来のインクジェット記録ヘッドの、シール液体の状態変化を図7に示す。図7(a)は、インクジェット記録ヘッドのインク吐出口へのインク吐出要求信号(画像信号)のタイミングの一例を示したものである。(b)は、従来の液体シールによる密封方式を採用しているインクジェット記録ヘッドの、(a)に対応したシール状態の変化を模式的に示したものである。一般に、画像をインクジェット記録装置により印字する場合、1つのインク吐出口に対して、さまざまなタイミングでインク滴吐出要求信号が送られる。例えば、要求信号がその記録ヘッドが有する最高画素化周波数の周期と同様な極短時間の周期で送られてくることもあるし、逆に、数秒間の間要求信号が送られてこない場合もある。インク吐出口は、要求信号Aが送られてきたときには完全にシールされている状態にあるが、要求信号Bが送られてきたときはシールされていない状態にあり、要求信号C、Dが送られてきたときには不完全にシールされている状態にある。このように種々のタイミングで要求信号が送られてきた場合、シール液体によるインク吐出口のシール状態が各々異なるため、インクが吐出口から吐出する際の抵抗が一定ではなくなる。その結果、吐出されるインク滴のドロップ径やインク滴の飛翔スピードにばらつきが生じ、印字画像品質が低下する。これを回避するには、各インク吐出口に対する要求信号の周期を十分に落とすことが必要で、その結果印字速度が大幅に低下することになる。
【0006】
シール液体による密封方式を採用する他の方法として、例えば、特開昭49−115548号公報には、動作時にシール液体の供給を止め、吐出時にインク滴のみを吐出する方法が記載されている。しかし、この場合はシール液体供給路の開閉器が必要となり、印字ヘッドの構造が複雑化して、その結果、印字装置全体が大型化したり、高価になってしまう。
【0007】
このように、従来のシール液体によるノズルの密封方法では、インク吐出の安定性が低く、その結果、印字画像の画質低下を招く。一方、この問題を回避し、インク吐出の安定性を確保するためには、前記のように、別途、シール液体の開閉器による開閉手段を備える必要があり、その結果、印字装置の大型化、及び複雑化を招くことになる。従って、シール液体による密封方式を採用している記録ヘッドにおいて、このような欠点を有さない、即ち、開閉器等の付加装置を用いずに、安定的にインク吐出性能を維持し得る技術は存在していないのが実状である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記従来における問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、シール液体によってノズルを密封する方式において、開閉器等の付加装置を用いることなく、インク吐出時のシール液体の状態を常に一定の状態に保つことにより、吐出されるインク滴の大きさを一定に保ちつつ、ノズルの目詰まりを防止することが可能なインクジェット記録ヘッドを提供すること、また、このようなインクジェット記録ヘッドを備えたインクジェット記録装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための手段は、以下の通りである。即ち、
<1> インク吐出口と、該インク吐出口をシールするシール液体と、画像信号に応じてインクを吐出し、かつインク吐出時に前記インク吐出口のシールを解くインク吐出手段と、前記シールを復元するシール復元手段とを有し、前記インク吐出手段が、シールを復元する際にはインクを吐出しないで、インクをシール液体に接触するように前記インク吐出口に露出させることにより、前記シール復元手段を兼ねることを特徴とするインクジェット記録ヘッドである。
<2> 前記シール復元手段が、前記インク吐出口のシールが解かれた状態にあるシール液体に、前記インク吐出口に露出するインクを接触させシールを復元する前記<1>に記載のインクジェット記録ヘッドである。
<3> インク吐出口と、画像信号に応じてインクを吐出し、かつインク吐出時にシール液体による前記インク吐出口のシールを解くインク吐出手段と、前記シールを復元するシール復元手段とを有し、前記インク吐出手段が、シールを復元する際にはインクを吐出しないで、インクをシール液体に接触するように前記インク吐出口に露出させることにより、前記シール復元手段を兼ねることを特徴とするインクジェット記録ヘッドである。
<4> 画像記録媒体を搬送する搬送手段と、該搬送手段により搬送される前記画像記録媒体に対しインクを吐出して画像を記録するインクジェット記録ヘッドと、該インクジェット記録ヘッドに画像信号を入力する画像信号入力手段とを備えるインクジェット記録装置において、前記インクジェット記録ヘッドが前記<1>から<3>のいずれか一つに記載のインクジェット記録ヘッドであることを特徴とするインクジェット記録装置である。
【0010】
前記シール復元手段によれば、インク滴の吐出によりインク吐出口のシールが解かれた状態にあるシール液体に対し、シール液体による膜を積極的に初期状態に復元することができ、インクの乾燥防止とインク吐出性能の安定化を達成することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
[インクジェット記録ヘッド]
本発明のインクジェット記録ヘッドに関する参考例について図を用いて説明する。
本発明のインクジェット記録ヘッドに関する参考例は、図1に示すように、インク吐出口3と、該インク吐出口3をシールするシール液体4と、画像信号に応じてインクを吐出し、かつインク吐出時に前記インク吐出口3のシールを解くインク吐出手段7と、前記シールを復元するシール復元手段14と、を備えることによって構成される。
シール復元手段とは、インク滴の吐出によりインク吐出口のシールが解かれた状態にあるシール液体に対し、シール液体による膜を積極的に初期状態に復元させるものである。このようなシール復元手段としては、前記インク吐出口のシールが解かれた状態にあるシール液体に、前記インク吐出口に露出するインクを接触させシールを復元させるものが好ましい。
【0012】
本発明のインクジェット記録ヘッドは、図2及び図4に示すように、前記インク吐出手段7が、前記シール復元手段を兼ねるものである。これにより、前記シール復元手段を別個に設ける必要がなくなり、インクジェット記録ヘッドの低コスト化、作製のしやすさ、インク吐出口の高密度化等の特徴を有する。
また、本発明のインクジェット記録ヘッドは、前記シール液体4を構成要素としない態様でもよく、その場合には、該インクジェット記録ヘッドを使用する際に、ユーザーが後から前記シール液体4を供給すればよい。
【0013】
(インク吐出口)
次に、インク吐出口について、図1を用いて説明する。
インク吐出口3は、インク流路を介してインクジェット記録ヘッド1の下部に設けられているインク室13に通じている。インク室13及びインク流路には、例えば毛細管作用や圧力差によって生じる作用により、インク供給手段(不図示)からインク5が供給され、インク5で充填されている。
【0014】
インク吐出口3は、インク吐出状態にない場合は、シール液体4によりシールされているので、インク吐出口3に露出しているインク5は、空気と接触していない。インク室13の底面部に設けられているインク吐出手段7は、画像信号に応じて、インク流路に充填されているインク5に圧力等を加えインク吐出口3からインク滴を吐出させる。
【0015】
(インク吐出手段)
次に、画像信号に応じてインク吐出口からインクを吐出するインク吐出手段について説明する。
本発明に使用可能なインク吐出手段は、従来技術によるインクジェット記録ヘッドで用いられているインク吐出手段のいずれを用いてもよく、例えば、サーマルインクジェット方式、圧電素子方式(例えば、ピエゾ振動子型)等のインク吐出手段が挙げられる。
サーマルインクジェット方式では、インク吐出手段として加熱機能を有するものを使用し、画像信号に応じてインク室あるいはインク室に通じるインク流路内のインクを加熱し、インク内に含まれる揮発成分を瞬時に蒸発させて気泡を発生させ、その体積変化に伴う圧力でインクを吐出する。
圧電素子方式では、インク吐出手段として圧電素子を備えているものを使用し、インク室を構成する壁面あるいはインク室に通じるインク流路の壁面に、圧電素子の変形を伝搬可能な部材を用い、この圧電素子に画像信号に応じて電界を印加して、その結果生じる圧電素子の歪みによってインク流路の壁面部材等を変形させ、その結果生じる圧力波によりインクに圧力を作用させて吐出する。
尚、図1中、インク吐出手段7は、インク室13の底面部に配置されているが、これに限定されず、例えば、インク流路の側面部等に配置されていてもよい。
【0016】
(シール液体)
次に、インク吐出口内部のインクの乾燥を防ぐために用いられるシール液体について説明する。
本発明において使用可能なシール液体は、インク吐出口をシールし、インク吐出口に露出しているインクを空気から遮蔽する機能を有する。このような機能を維持するシール液体は、少なくともインクに不溶な成分を含み、インクと相溶せず、かつ、インクとは自発的に乳化しないものである。
シール液体とインクとが、非相溶性であるためには、具体的には、シール液体のインクに対する溶解度が、常温(25℃)で0.1重量%以下であるのが好ましい。更に、シール液体が常温で不揮発性であると、ヘッドの休止中に蒸発せず、シール液体によるインク吐出口のシール状態に変化が生じないので好ましい。尚、常温で不揮発性とは、具体的には蒸気圧が25℃で0.1mmHg以下であることをいう。
【0017】
本発明において利用できるシール液体の動粘度は1〜100mm2 /sの範囲であるが、吐出のための抵抗を小さくするために50mm2 /s以下であることが望ましい。また、本発明において利用できるシール液体の表面張力は15〜70mN/mの範囲であれば利用できるが、インクの表面にぬれ進むためには50mN/m以下であることが望ましく、更には、使用するインクの表面張力より小さいことが望ましい。これらの性質に適した液体であれば利用できるのはもちろんであるが、複数の材料を混合して粘度や表面張力を調整して用いることもできる。
【0018】
水性のインクを用いる場合のシール液体としては、常温で液体の有機溶媒やオイル類を用いることができる。
例えば、オクタン、ノナン、テトラデカン、ドデカン等の炭化水素、オレイン酸、リノール酸等の高級脂肪酸、n−デカノール、ジメチルブタノール等の非水溶性のアルコール類、フタル酸ジブチル、マレイン酸ジブチル等の可塑剤を用いることができる。あるいは、植物油、鉱物油、シリコーンオイル、フッ素オイル等を用いることもできる。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
【0019】
本発明のインクジェット記録ヘッドでは、シール液体4を、図3に示すように配置し、インク吐出口3に露出しているインク5が外部の空気に接触しないようにする。その結果、インク5中の水分等が蒸発することがなく、インク吐出口3の目詰まり等のトラブルが発生しない。
シール液体4は、インク吐出口3が設けられている面(以下、「インク吐出面」と称する。)に、印字開始前に、予めスポイトや管からの注液や、刷毛、布、ブレードによる塗布等の方法により供給することができる。また、インク吐出面の近傍に管や多孔質部材を配置し、毛細管力、表面張力、又は圧力差等によって、シール液体4をインク吐出面に継続的に供給する機構を備えていてもよい。これらの方法によりインク吐出面に供給されたシール液体4は、インク吐出面上にシール液体4の膜を形成する。
【0020】
シール液体は、インク吐出口に露出しているインクに接触するが、インクと相溶せず、またインクと表面張力に差があるので、インク表面にもシール液体の膜が形成される。インク吐出面上のシール膜の厚みは、インクの表面張力や粘度、吐出手段、ノズル径、目詰まり防止のための保存期間等によって適宜選択できるが、目詰まりに対するシール性能と吐出抵抗を考え合わせると、1〜100μmであることが好ましい。シール膜の厚みは、例えば、シール液体の供給量や、記録ヘッド周縁部等をシール液体の保持量を規制する形状にすることによって調整することができる。
【0021】
(シール復元手段)
次に、シール復元手段について、図3及び図5を用いて説明する。
図3は、サーマル型のインク吐出手段7が、シール復元手段を兼ねている態様を示している。即ち、加熱機能を有するものを使用し、シール復元信号に応じてインク室13あるいはインク室に通じるインク流路内のインク吐出手段7近傍のインクを加熱し、インク5内に含まれる揮発成分を瞬時に蒸発させて気泡8を発生させ、その体積変化に伴う圧力を利用して、インク吐出口3のシールが解かれた状態にあるシール液体4に、インク吐出口3に露出するインク5を接触させ(図2)、シールを復元させるものである。
図5は、圧電素子(ピエゾ振動子)型のインク吐出手段7が、シール復元手段を兼ねている態様を示している。即ち、圧電素子を備えているものを使用し、インク室13を構成する壁面あるいはインク室に通じるインク流路の壁面に、圧電素子の変形を伝搬可能な部材を用い、この圧電素子にシール復元信号に応じて電界を印加して、その結果生じる圧電素子の歪みによってインク流路の壁面部材等を変形させ、その結果生じる圧力波により、インク吐出口3のシールが解かれた状態にあるシール液体4に、インク吐出口3に露出するインク5を接触させ(図4)、シールを復元させるものである。
【0022】
本発明で用いられる、ノズルプレート上のシール液体をインクによって復元させるシール復元手段は、インク吐出口のシールが解かれた状態にあるシール液体に、インク吐出口に露出するインクを触れさせることのできる手段であればよく、構成は特に限定されるものではない。
図3及び図5では、インク吐出手段がシール復元手段を兼ねているが、このように本発明では、新たにインクをインク吐出口外縁部で解かれているシール液体に触れさせるだけの機構を備える構成では、インクジェット記録ヘッドの製造工程の複雑さ、インクジェット記録ヘッドの製造コスト高等につながりやすくなるため、インク吐出手段がシール復元手段を兼ねる構成としている。
【0023】
シール復元手段は、シール液体がインクの吐出によりインク吐出口へのシールを解いた状態から完全にインク吐出口をシールする状態に復元する機能を有する。インクジェット記録ヘッドに、シール復元手段がない場合に、シール液体がシールを解いた状態から完全にシールしている状態に復元するまでに所定の時間を要することの原因については、現在その詳細を解析中であるが、最も大きな要因として、シールを解いた状態のシール液体が、インク吐出口の周囲でトラップされることが挙げられるであろう。インク吐出口は、一般にノズルの内壁面とノズル吐出面で角を形成している。その結果、吐出口の周囲は、形状上シール液体を高い接触角で保持しやすく、さらにバリ等でインク吐出面との接触角がより鋭角になっているとシール液体をトラップし、インク吐出口が露出した状態のままにする保持力はますます高くなっていると考えられる。
本発明におけるシール復元手段は、吐出口周囲をインクでぬらし、また、シール液体の端部にインクを接触させることにより、シール液体のぬれ進みに対するエネルギー障壁をなくすことを可能にするものである。
【0024】
また、インクのメニスカス形状を変化させる信号としては、正弦波、三角波、矩形波等のいずれの波形でもよい。信号印加時間、印加電圧等の条件は、インク吐出口内部のインクを、画像を記録するインク滴として吐出させる程度の強いものではなく、シール液体に接触させることができる程度の弱いものであれば、特に限定されるものではない。
【0025】
[インクジェット記録装置]
以上の如き構成の本発明のインクジェット記録ヘッドは、従来よりあるいわゆるインクジェット記録装置、即ち、画像記録媒体を搬送する搬送手段と、前記搬送手段により搬送される前記画像記録媒体に対しインクを吐出して画像を記録するインクジェット記録ヘッドと、前記インクジェット記録ヘッドに画像信号を入力する画像信号入力手段と、を備えるインクジェット記録装置において、好適に用いられる。本発明のインクジェット記録ヘッドを用いたインクジェット記録装置は、インク滴を安定に吐出させて画像記録媒体上に印字を行うことができる。
また、本発明のインクジェット記録装置は、本発明に係るインクジェット記録ヘッドを組み込んだことにより、従来必須であったバキューム等のメンテナンス工程を軽減あるいは省略することができる。
【0026】
本発明においては、図1に示すように、各構成を簡単に説明する観点から、便宜上、下方から上方にインク滴を吐出させる態様を示したが、必ずしもこれに限定されるわけではなく、例えば、横方向にインク滴を吐出させたり、あるいは上方から下方にインク滴を吐出させる場合にも、本発明の効果を充分発揮することができる。
【0027】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら制限されるものではない。
(実施例1)
この実施例に係るインクジェット記録ヘッドの作製に際し、ノズルプレート上にシール液体として、複数種類のシリコーンオイルを混合して調製した液体(動粘度30mm2 /s、表面張力20.8mN/m、25℃での蒸気圧が0.1mmHg以下、インクとの相溶性なし)を用い、厚みが約15μmのシール膜を形成した。
次に、図3に示すように、インク吐出手段7としてサーマル型のインク吐出手段7を用い、インク吐出手段7がシール復元手段を兼ねる態様のインクジェット記録ヘッド1を作製した。
このインクジェット記録へッドをインクジェット記録ヘッド評価用実験機に組み込み、以下のようなテストを実施した。尚、インクは市販のインクジェット用水性インクを用いた。用いたインクは、水60重量%、ジエチレングリコール38重量%及び染料2重量%からなり、粘度(粘性係数)2.0mPa・s、表面張力40mN/m、比重1.06の水性インクである。
【0028】
まず、図8に示すように、インク吐出口3から連続的にインク滴を吐出させたところ、該インク吐出口3のシールが解かれた状態になった(図9)。
次に、図2に示すように、インク吐出手段7であるヒーターに対し、インク吐出口3に露出するインク5をインク吐出口外縁部に解かれているシール液体4に接触させるようなシール復元信号(信号印加時間:数十μs以下、印加電圧:インク吐出時の50%程度の印加電圧)を入力した。インク5はシール液体4に接触して、その直後から、インク吐出口3のインク表面へぬれ進み始め、最終的にシール液体4がインク5表面を覆った状態(図3に示すシールが閉じた状態)に戻った。
【0029】
尚、図6(a)では、インク吐出口外縁部にインクが解かれている状態からシール復元信号10を入力したときのシールの状態を模式的に示している。このように、シール復元信号10を入力すると、任意にシールを復元することが可能になるので、吐出によりシールが解かれてからシールが復元し完全に閉じるまでの時間(t1 )が短縮すると共に、次の吐出時にはシール液体が閉じた状態となり、印字の要求信号がどのタイミングで発生しても毎回安定して吐出することが可能となった。復元信号を入力した場合、吐出によりシールが解かれてからシールが復元し完全に閉じるまでの時間(t1 )は80μsであり、最高駆動周波数の1周期である100μsより短かった。
【0030】
(比較例1)
実施例1において、シール復元手段を設けなかった外は、実施例1と同様にインクジェット記録ヘッドを作製した。
このインクジェット記録ヘッドを用いて、図8に示すように、インク吐出口3から連続的にインク滴を吐出し、図9の状態にして、この状態で放置した場合のシール液体4の挙動を観察した。
その結果、図6(b)に示すように、シール液体4は、シール液体4自身の表面張力やノズルプレート2との濡れのバランスにより、インク吐出口3の外縁部で解かれた状態を保ち、暫くしてシール膜が閉じるのを確認した。この時間(t1 ’)は、復元信号を用いない場合の5倍の400μsであった。このようにシール膜が自然に閉じるのを待ってからインク吐出を行うと、印字速度を高速化できないという問題も持っていた。
以上、シール膜復元手段を設けることにより、インク吐出口におけるシールの復元を任意に行うことができるため、次の印字時にはシール液体の状態を閉じた状態とし、印字の要求信号がどのタイミングで発生しても吐出を安定にすることが可能となった。
【0031】
(実施例2)
この実施例に係るインクジェット記録ヘッドの作製に際し、ノズルプレート上にシール液体として、複数種類のシリコーンオイルを混合して調製した液体(動粘度30mm2 /s、表面張力20.8mN/m、25℃での蒸気圧が0.1mmHg以下、インクとの相溶性なし)を用い、厚みが約20μmのシール膜を形成した。
次に、図5に示すように、インク吐出手段7としてピエゾ振動子のインク吐出手段7を用い、インク吐出手段7がシール復元手段を兼ねる態様のインクジェット記録ヘッド1を作製した。
このインクジェット記録へッドをインクジェット記録ヘッド評価用実験機に組み込み、以下のようなテストを実施した。尚、インクは市販のインクジェット用水性インクを用いた。用いたインクは、水60重量%、ジエチレングリコール38重量%及び染料2重量%からなり、粘度(粘性係数)2.0mPa・s、表面張力40mN/m、比重1.06の水性インクである。
【0032】
まず、図8に示すように、インク吐出口3から連続的にインク滴を吐出させたところ、該インク吐出口3のシールが解かれた状態になった(図9)。
次に、図4に示すように、インク吐出手段7であるピエゾ振動子に対し、インク吐出口3に露出するインク5をインク吐出口外縁部に解かれているシール液体4に接触させるようなシール復元信号(信号印加時間:数十μs以下、印加電圧:インク吐出時の50%程度の印加電圧)を入力した。その結果、シールが解かれた状態であったシール液体4はインク5表面を覆いはじめ、最終的にシール液体4がインク5表面を覆った状態(図5に示すシールが閉じた状態)に戻った。
【0033】
本実施例の場合も、図6(a)に示すように、シール復元信号10を入力すると、任意にシールを復元することが可能になるので、吐出によりシールが解かれてからシールが復元し完全に閉じるまでの時間(t1 )が短縮すると共に、次の吐出時にはシール液体が閉じた状態となり、印字の要求信号がどのタイミングで発生しても毎回安定して吐出することが可能となった。復元信号を入力した場合、吐出によりシールが解かれてからシールが復元し完全に閉じるまでの時間(t1 )は90μsであり、最高駆動周波数の1周期である100μsより短かった。
【0034】
(比較例2)
実施例2において、シール復元手段を設けなかった外は、実施例2と同様にインクジェット記録ヘッドを作製した。
このインクジェット記録ヘッドを用いて、図8に示すように、インク吐出口3から連続的にインク滴を吐出し、図9の状態にして、この状態で放置した場合のシール液体4の挙動を観察した。
その結果、図6(b)に示すように、シール液体4は、シール液体4自身の表面張力やノズルプレート2との濡れのバランスにより、インク吐出口3の外縁部で解かれた状態を保ち、暫くしてシール膜が閉じるのを確認した。この時間(t1 ’)は、復元信号を用いない場合の約4.5倍の400μsであった。このようにシール膜が自然に閉じるのを待ってからインク吐出を行うと、印字速度を高速化できないという問題も持っていた。
以上、シール膜復元手段を設けることにより、インク吐出口におけるシールの復元を任意に行うことができるため、次の印字時にはシール液体の状態を閉じた状態とし、印字の要求信号がどのタイミングで発生しても吐出を安定にすることが可能となった。
【0035】
【発明の効果】
本発明によれば、インク滴吐出によりインク吐出口のシールが解かれた状態にあるシール液体を、シール復元手段により、任意にシールを復元することが可能になる。よって、本発明によれば、開閉器や外力による開閉手段等の付加装置を使わずに、ノズルの目詰まりと、印字速度の安定化を両立するインクジェット記録ヘッドを提供することができる。
また、上記インクジェット記録ヘッドを組み込んだ本発明のインクジェット記録装置は、従来必須であったバキューム等のメンテナンス工程を軽減あるいは省略することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明のインクジェット記録ヘッドに関する参考例の基本構成を示す断面図である。
【図2】 図2は、本発明のインクジェット記録ヘッドのシール復元手段を示すノズルプレートの断面図の一例である。
【図3】 図3は、本発明のインクジェット記録ヘッドのシール復元手段を示すノズルプレートの断面図の他の一例である。
【図4】 図4は、本発明のインクジェット記録ヘッドのシール復元手段を示すノズルプレートの断面図の他の一例である。
【図5】 図5は、本発明のインクジェット記録ヘッドのシール復元手段を示すノズルプレートの断面図の他の一例である。
【図6】 図6(a)は、シール復元信号とシール液体の状態の対応関係を示す図である。図6(b)は、シール復元信号が入力されない場合のシール液体の状態を示す図である。
【図7】 図7(a)は、画像信号の入力のタイミングの一例を概略的に示した図であり、図7(b)は、従来のシール液体密封方式のインクジェット記録ヘッドに図7(a)に示すタイミングで画像信号が入力された場合のシール液体の状態変化を示す模式図である。
【図8】 図8は、インク滴吐出によりインク吐出口のシールが解かれた状態を示すノズルプレートの断面図の一例である。
【図9】 図9は、インク滴吐出によりインク吐出口のシールが解かれた状態を示すノズルプレートの断面図の他の一例である。
【図10】 図10は、インク滴吐出によりインク吐出口のシールが解かれた状態を示すノズルプレートの斜視図である。
【符号の説明】
1 インクジェット記録ヘッド
2 ノズルプレート
3 インク吐出口
4 シール液体
5 インク
6 インク滴
7 インク吐出手段
8 気泡
9 インク吐出信号
10 シール復元信号
11 記録紙
12 基板
13 インク室
14 シール復元手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ink jet recording head that discharges ink droplets stably and performs printing on an image recording medium, and an ink jet recording apparatus including the ink jet recording head.
[0002]
[Prior art]
As a typical inkjet recording method for performing printing by discharging droplets, particularly ink drops, onto a printing surface, there is a method using a nozzle. Conventionally, a recording method using the nozzle is continuous with an on-demand type. There is a flow type.
The on-demand type is a system that performs printing by ejecting ink intermittently from nozzles corresponding to recorded information, and representative examples include a piezoelectric element system and a thermal system.
The piezoelectric element method applies a pulse voltage to a piezoelectric element attached to an ink chamber to deform the piezoelectric element, thereby changing the ink hydraulic pressure in the ink chamber and ejecting an ink drop from a nozzle. Dots are recorded.
In the thermal method, ink is heated by a heating element provided in an ink chamber, and ink droplets are ejected from nozzles by bubbles generated thereby to record dots on recording paper.
On the other hand, the continuous flow type applies pressure to the ink to continuously eject the ink from the nozzles, and at the same time applies vibration by a piezo vibrator or the like to form a protruding ink column into droplets, which are further selective to the droplets. Recording is performed by charging and deflecting.
[0003]
In these ink jet recording apparatuses, it is a big problem to prevent nozzle clogging due to drying and thickening of ink during non-operation. Various ink materials have been developed to solve this problem, but it is still difficult to reduce the evaporation of the ink solvent.
In a commercially available inkjet recording apparatus, during non-printing or long-term rest, the nozzle and the outside air are shielded by a resin capping means or the like to delay the drying of the ink. However, this capping means requires a complicated procedure and apparatus in order to increase the airtight state in the nozzle more effectively. In addition, the capping means cannot completely shield the inside of the nozzle from the air, and the ink inside the nozzle is gradually dried and thickened during storage, resulting in nozzle clogging. is there. As described above, in practice, in a commercially available inkjet recording apparatus, various maintenance operations are required to recover clogging of nozzles due to a long-term pause.
[0004]
As means for avoiding problems caused by clogging after a long pause, as disclosed in JP-A-52-104130, by means of a sealing liquid insoluble in ink and means for stretching a film of the sealing liquid, Means are known in which the ink discharge port is sealed to shield the ink from the air to prevent the ink from drying. However, this method has been found to have the following drawbacks. That is, the above method has a fundamental problem that the state of the sealing liquid changes every time ink is ejected, and as a result, ink ejection is not stable and the print image quality is deteriorated. Hereinafter, the disadvantages of the known prior art will be described with reference to the drawings.
[0005]
FIG. 7 shows a change in the state of the sealing liquid in a conventional inkjet recording head that employs a sealing method using a sealing liquid. FIG. 7A shows an example of the timing of the ink discharge request signal (image signal) to the ink discharge port of the ink jet recording head. (B) schematically shows a change in the sealing state corresponding to (a) of an ink jet recording head adopting a sealing method by a conventional liquid seal. In general, when an image is printed by an inkjet recording apparatus, an ink droplet ejection request signal is sent to one ink ejection port at various timings. For example, the request signal may be sent in an extremely short period similar to the period of the highest pixelation frequency that the recording head has, or conversely, the request signal may not be sent for several seconds. is there. The ink ejection port is completely sealed when the request signal A is sent, but is not sealed when the request signal B is sent, and the request signals C and D are sent. When it has been in place, it is incompletely sealed. When request signals are sent at various timings as described above, the sealing state of the ink discharge ports by the sealing liquid is different, and thus the resistance when ink is discharged from the discharge ports is not constant. As a result, variations occur in the drop diameter of the ejected ink droplet and the flying speed of the ink droplet, and the print image quality is degraded. In order to avoid this, it is necessary to sufficiently reduce the period of the request signal for each ink discharge port, and as a result, the printing speed is greatly reduced.
[0006]
As another method that employs a sealing method using a sealing liquid, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 49-115548 describes a method in which the supply of the sealing liquid is stopped during operation and only ink droplets are ejected during ejection. However, in this case, a switch for the sealing liquid supply path is required, and the structure of the print head becomes complicated. As a result, the entire printing apparatus becomes large or expensive.
[0007]
As described above, the conventional nozzle sealing method using a sealing liquid has low ink ejection stability, and as a result, the print image quality is degraded. On the other hand, in order to avoid this problem and ensure the stability of ink ejection, as described above, it is necessary to separately provide an opening / closing means using a seal liquid switch, which results in an increase in the size of the printing apparatus, In addition, it will be complicated. Therefore, a recording head that employs a sealing method using a sealing liquid does not have such a drawback, that is, a technique that can stably maintain ink ejection performance without using an additional device such as a switch. The reality is that it does not exist.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to solve the conventional problems and achieve the following objects. That is, according to the present invention, in a method of sealing a nozzle with a sealing liquid, an ink droplet to be ejected can be obtained by always maintaining the state of the sealing liquid at the time of ink ejection without using an additional device such as a switch. An object of the present invention is to provide an ink jet recording head capable of preventing nozzle clogging while keeping the size of the ink jet constant, and to provide an ink jet recording apparatus equipped with such an ink jet recording head .
[0009]
[Means for Solving the Problems]
Means for solving the above problems are as follows. That is,
<1> An ink discharge port, a seal liquid that seals the ink discharge port, an ink discharge unit that discharges ink in accordance with an image signal and releases the seal of the ink discharge port during ink discharge, and the restoration of the seal The seal restoring means, and the ink ejection means does not eject ink when restoring the seal, but exposes the ink to the ink ejection port so as to contact the seal liquid, thereby restoring the seal. An inkjet recording head characterized by also serving as a means.
<2> The inkjet recording according to <1>, wherein the seal restoration unit restores the seal by bringing the ink exposed to the ink discharge port into contact with the seal liquid in a state where the seal of the ink discharge port is released. Head.
<3> an ink discharge port, an ink discharge unit that discharges ink in accordance with an image signal, and that unseals the ink discharge port with a seal liquid when ink is discharged; and a seal restoration unit that restores the seal The ink ejecting means also serves as the seal restoring means by exposing the ink to the ink ejection port so as to contact the seal liquid without ejecting ink when restoring the seal. Inkjet recording head.
<4> Conveying means for conveying an image recording medium, an ink jet recording head for recording an image by discharging ink to the image recording medium conveyed by the conveying means, and inputting an image signal to the ink jet recording head An inkjet recording apparatus comprising an image signal input unit, wherein the inkjet recording head is the inkjet recording head according to any one of <1> to <3>.
[0010]
According to the seal restoration means, it is possible to positively restore the film by the seal liquid to the initial state with respect to the seal liquid in which the seal of the ink discharge port is released by the discharge of the ink droplet, and the drying of the ink Prevention and stabilization of ink ejection performance can be achieved.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[Inkjet recording head]
Reference examples regarding the ink jet recording head of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, a reference example relating to the ink jet recording head of the present invention includes an
The seal restoration means positively restores the film made of the seal liquid to the initial state with respect to the seal liquid in a state where the ink discharge port is unsealed by discharging the ink droplets. As such a seal restoring means, it is preferable to restore the seal by bringing the ink exposed to the ink discharge port into contact with the seal liquid in a state where the seal of the ink discharge port is released.
[0012]
The ink jet recording head of the present invention, as shown in FIGS. 2 and 4, the ink ejection means 7, also serves as the sealing restoring means. This eliminates the need for providing the seal restoration means separately, and has features such as cost reduction of the inkjet recording head, ease of production, and high density of the ink discharge ports.
In addition, the ink jet recording head of the present invention may be an embodiment in which the sealing
[0013]
(Ink ejection port)
Next, the ink ejection port will be described with reference to FIG.
The
[0014]
When the
[0015]
(Ink ejection means)
Next, an ink discharge unit that discharges ink from the ink discharge port according to the image signal will be described.
As the ink discharge means usable in the present invention, any of the ink discharge means used in the ink jet recording head according to the prior art may be used. For example, a thermal ink jet method, a piezoelectric element method (for example, a piezo vibrator type) And the like.
In the thermal ink jet method, a device having a heating function is used as an ink discharge means, and the ink in the ink flow path leading to the ink chamber or the ink chamber is heated according to the image signal, and the volatile components contained in the ink are instantaneously removed. Bubbles are generated by evaporation, and ink is ejected at a pressure associated with the volume change.
In the piezoelectric element method, a member having a piezoelectric element is used as an ink discharge means, and a member capable of propagating deformation of the piezoelectric element is used on the wall surface of the ink chamber or the wall surface of the ink flow path leading to the ink chamber. An electric field is applied to the piezoelectric element in accordance with an image signal, the wall member of the ink flow path is deformed by the resulting distortion of the piezoelectric element, and the ink is ejected by applying pressure to the ink by the resulting pressure wave.
In FIG. 1, the ink discharge means 7 is disposed on the bottom surface of the
[0016]
(Seal liquid)
Next, the seal liquid used for preventing the ink inside the ink discharge port from drying will be described.
The seal liquid that can be used in the present invention has a function of sealing the ink discharge port and shielding the ink exposed to the ink discharge port from the air. The sealing liquid that maintains such a function contains at least a component insoluble in the ink, is incompatible with the ink, and does not spontaneously emulsify with the ink.
In order for the sealing liquid and the ink to be incompatible, specifically, the solubility of the sealing liquid in the ink is preferably 0.1% by weight or less at room temperature (25 ° C.). Further, it is preferable that the seal liquid is non-volatile at room temperature because it does not evaporate while the head is at rest and the seal state of the ink discharge port by the seal liquid does not change. In addition, it is non-volatile at normal temperature specifically, that vapor pressure is 0.1 mmHg or less at 25 degreeC.
[0017]
The kinematic viscosity of the sealing liquid which can be used in the present invention is in the range of 1 to 100 mm 2 / s, it is desirable to reduce the resistance for discharge or less 50 mm 2 / s. Further, the surface tension of the sealing liquid that can be used in the present invention can be used as long as it is in the range of 15 to 70 mN / m. However, it is desirable that the surface tension be 50 mN / m or less in order to progress to the surface of the ink. It is desirable that the surface tension of the ink to be smaller than. Of course, any liquid suitable for these properties can be used, but a plurality of materials can be mixed to adjust the viscosity and surface tension.
[0018]
As the sealing liquid in the case of using water-based ink, organic solvents and oils that are liquid at room temperature can be used.
For example, hydrocarbons such as octane, nonane, tetradecane and dodecane, higher fatty acids such as oleic acid and linoleic acid, water-insoluble alcohols such as n-decanol and dimethylbutanol, plasticizers such as dibutyl phthalate and dibutyl maleate Can be used. Alternatively, vegetable oil, mineral oil, silicone oil, fluorine oil or the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more.
[0019]
In the ink jet recording head of the present invention, the
The
[0020]
The seal liquid comes into contact with the ink exposed at the ink discharge port, but is not compatible with the ink and has a difference in surface tension from the ink, so that a film of the seal liquid is also formed on the ink surface. The thickness of the sealing film on the ink ejection surface can be selected as appropriate depending on the surface tension and viscosity of the ink, ejection means, nozzle diameter, storage period for preventing clogging, etc., but consider the sealing performance and ejection resistance against clogging. And it is preferable that it is 1-100 micrometers. The thickness of the seal film can be adjusted, for example, by making the supply amount of the seal liquid, the recording head peripheral portion, or the like into a shape that regulates the retention amount of the seal liquid.
[0021]
(Seal restoration means)
Next, the seal restoration means will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 shows a mode in which the thermal ink discharge means 7 also serves as a seal restoration means. That is, using a heater having a heating function, the ink near the ink ejection means 7 in the ink flow path leading to the
FIG. 5 shows a mode in which the piezoelectric element (piezo vibrator) type ink discharge means 7 also serves as a seal restoration means. That is, a piezoelectric element is used, and a member capable of propagating the deformation of the piezoelectric element is used on the wall surface of the
[0022]
The seal restoration means used in the present invention to restore the seal liquid on the nozzle plate with ink makes the ink exposed to the ink discharge port come into contact with the seal liquid in a state in which the seal of the ink discharge port is released. Any means can be used, and the configuration is not particularly limited.
In FIGS. 3 and 5, the ink discharge means also serves as the seal restoration means . However , in the present invention , as described above, a mechanism for merely bringing the ink into contact with the seal liquid that has been unwound at the outer edge of the ink discharge port is provided. In the configuration provided, the ink discharge means also serves as the seal restoring means because the manufacturing process of the ink jet recording head and the manufacturing cost of the ink jet recording head are likely to increase .
[0023]
The seal restoration means has a function of restoring the state in which the seal liquid completely seals the ink discharge port from the state in which the seal to the ink discharge port is released by ink discharge. If there is no seal restoration means in the inkjet recording head, the details of the cause of the time required for the seal liquid to restore from the unsealed state to the completely sealed state are currently analyzed Among them, the biggest factor may be that the seal liquid in an unsealed state is trapped around the ink discharge port. The ink discharge port generally forms a corner between the inner wall surface of the nozzle and the nozzle discharge surface. As a result, the periphery of the discharge port is easy to hold the seal liquid at a high contact angle due to its shape, and if the contact angle with the ink discharge surface is more acute due to burrs or the like, the seal liquid is trapped and the ink discharge port It is considered that the holding force to leave the exposed state is higher and higher.
The seal restoring means in the present invention makes it possible to eliminate the energy barrier against the progress of wetting of the sealing liquid by wetting the periphery of the ejection port with ink and bringing the ink into contact with the end of the sealing liquid.
[0024]
The signal for changing the meniscus shape of the ink may be any waveform such as a sine wave, a triangular wave, and a rectangular wave. The conditions such as the signal application time and the applied voltage are not strong enough to cause the ink inside the ink discharge port to be ejected as ink droplets for recording an image, but may be weak enough to make contact with the sealing liquid. There is no particular limitation.
[0025]
[Inkjet recording apparatus]
The ink jet recording head of the present invention having the above-described configuration is a conventional so-called ink jet recording apparatus, that is, a transport unit that transports an image recording medium, and ejects ink to the image recording medium transported by the transport unit. In an inkjet recording apparatus comprising an inkjet recording head for recording an image and an image signal input means for inputting an image signal to the inkjet recording head. An ink jet recording apparatus using the ink jet recording head of the present invention can print on an image recording medium by ejecting ink droplets stably.
In addition, the ink jet recording apparatus of the present invention can reduce or omit the maintenance process such as vacuum, which has been conventionally required, by incorporating the ink jet recording head according to the present invention.
[0026]
In the present invention, as shown in FIG. 1, from the viewpoint of briefly explaining each configuration, for the sake of convenience, a mode in which ink droplets are ejected from the bottom to the top has been shown. However, the present invention is not necessarily limited thereto. Even when ink droplets are ejected in the lateral direction or ink droplets are ejected from the top to the bottom, the effects of the present invention can be sufficiently exerted.
[0027]
【Example】
Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.
Example 1
In preparing the ink jet recording head according to this example, a liquid prepared by mixing a plurality of types of silicone oil as a sealing liquid on the nozzle plate (kinematic viscosity 30 mm 2 / s, surface tension 20.8 mN / m, 25 ° C. A seal film having a thickness of about 15 μm was formed using a vapor pressure of 0.1 mmHg or less and no compatibility with ink.
Next, as shown in FIG. 3, an ink
The ink jet recording head was incorporated into an ink jet recording head evaluation experimental machine, and the following test was performed. The ink used was a commercially available inkjet ink. The ink used is a water-based ink comprising 60% by weight of water, 38% by weight of diethylene glycol and 2% by weight of a dye, having a viscosity (viscosity coefficient) of 2.0 mPa · s, a surface tension of 40 mN / m, and a specific gravity of 1.06.
[0028]
First, as shown in FIG. 8, when ink droplets were continuously ejected from the
Next, as shown in FIG. 2, the seal restoration is performed such that the ink, which is exposed to the
[0029]
FIG. 6A schematically shows the state of the seal when the seal restoration signal 10 is input from the state where the ink is unwound at the outer edge of the ink discharge port. As described above, when the seal restoration signal 10 is input, it is possible to arbitrarily restore the seal. Therefore, the time (t 1 ) from when the seal is released by discharge until the seal is restored and completely closed is shortened. At the same time, the sealing liquid is closed at the next discharge, and it is possible to discharge stably every time a print request signal is generated. When a restoration signal was input, the time (t 1 ) from when the seal was released by discharge until the seal was restored and completely closed was 80 μs, which was shorter than 100 μs, which is one cycle of the maximum drive frequency.
[0030]
(Comparative Example 1)
In Example 1, an ink jet recording head was produced in the same manner as Example 1 except that the seal restoration means was not provided.
Using this ink jet recording head, as shown in FIG. 8, the ink droplets are continuously ejected from the
As a result, as shown in FIG. 6B, the sealing
As described above, by providing the seal film restoration means, it is possible to arbitrarily restore the seal at the ink discharge port, so the seal liquid state is closed during the next printing, and at what timing the print request signal is generated. Even in this case, the discharge can be stabilized.
[0031]
(Example 2)
In preparing the ink jet recording head according to this example, a liquid prepared by mixing a plurality of types of silicone oil as a sealing liquid on the nozzle plate (kinematic viscosity 30 mm 2 / s, surface tension 20.8 mN / m, 25 ° C. A seal film having a thickness of about 20 μm was formed using a vapor pressure of 0.1 mmHg or less and no compatibility with ink.
Next, as shown in FIG. 5, an ink
The ink jet recording head was incorporated into an ink jet recording head evaluation experimental machine, and the following test was performed. The ink used was a commercially available inkjet ink. The ink used is a water-based ink comprising 60% by weight of water, 38% by weight of diethylene glycol and 2% by weight of a dye, having a viscosity (viscosity coefficient) of 2.0 mPa · s, a surface tension of 40 mN / m, and a specific gravity of 1.06.
[0032]
First, as shown in FIG. 8, when ink droplets were continuously ejected from the
Next, as shown in FIG. 4, the
[0033]
Also in this embodiment, as shown in FIG. 6A, when the seal restoration signal 10 is input, the seal can be restored arbitrarily, so that the seal is restored after the seal is released by discharge. The time until complete closing (t 1 ) is shortened, and the sealing liquid is closed at the next discharge, so that it is possible to discharge stably every time a print request signal is generated. It was. When a restoration signal was input, the time (t 1 ) from when the seal was released by discharge until the seal was restored and completely closed was 90 μs, which was shorter than 100 μs, which is one cycle of the maximum drive frequency.
[0034]
(Comparative Example 2)
In Example 2, an ink jet recording head was produced in the same manner as in Example 2 except that the seal restoration means was not provided.
Using this ink jet recording head, as shown in FIG. 8, the ink droplets are continuously ejected from the
As a result, as shown in FIG. 6B, the sealing
As described above, by providing the seal film restoration means, it is possible to arbitrarily restore the seal at the ink discharge port, so the seal liquid state is closed during the next printing, and at what timing the print request signal is generated. Even in this case, the discharge can be stabilized.
[0035]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to arbitrarily restore the seal of the seal liquid in a state where the ink discharge port is unsealed by the ink droplet ejection by the seal restoration means. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide an ink jet recording head that achieves both nozzle clogging and stabilization of printing speed without using an additional device such as a switch or an opening / closing means using external force.
In addition, the ink jet recording apparatus of the present invention incorporating the ink jet recording head can reduce or omit maintenance steps such as vacuum, which have been essential in the past.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a basic configuration of a reference example relating to an ink jet recording head of the present invention.
FIG. 2 is an example of a sectional view of a nozzle plate showing a seal restoring means of the ink jet recording head of the present invention.
FIG. 3 is another example of a cross-sectional view of a nozzle plate showing the seal restoring means of the ink jet recording head of the present invention.
FIG. 4 is another example of a sectional view of a nozzle plate showing a seal restoring means of the ink jet recording head of the present invention.
FIG. 5 is another example of a sectional view of a nozzle plate showing a seal restoring means of the ink jet recording head of the present invention.
FIG. 6A is a diagram showing a correspondence relationship between the seal restoration signal and the state of the seal liquid. FIG. 6B is a diagram illustrating a state of the seal liquid when the seal restoration signal is not input.
FIG. 7A is a diagram schematically showing an example of image signal input timing, and FIG. 7B is a diagram showing a conventional sealed liquid sealing type inkjet recording head. It is a schematic diagram which shows the state change of the sealing liquid when an image signal is input at the timing shown to a).
FIG. 8 is an example of a cross-sectional view of a nozzle plate showing a state where an ink discharge port is unsealed by ink droplet discharge.
FIG. 9 is another example of a cross-sectional view of a nozzle plate showing a state in which an ink discharge port is unsealed by ink droplet discharge.
FIG. 10 is a perspective view of a nozzle plate showing a state in which an ink discharge port is unsealed by ink droplet discharge.
[Explanation of symbols]
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