JP5964561B2 - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッドに関し、例えばインクジェット記録装置に搭載され、画像を形成するためのインクや記録画像の品質向上液などの液体をノズルから吐出させる液体吐出ヘッドに関するものである。

現在、液体吐出ヘッドは複数のノズルを配列してなるものが一般的であり、また、連続して記録動作を行うことなどによって発生した気泡の影響を受けにくくするよう、複数のノズルに液体を供給する液室を大容量化したものなども用いられている。このような液体吐出ヘッドは、記録装置の本体に装着した状態で出荷される場合もあるし、定期交換パーツとして液体吐出ヘッド単体で流通、展示、販売ないしは保管される場合もある。このように液体吐出ヘッド単体として流通等が行われる場合には、樹脂あるいはアルミニウムのパッケージに液体吐出ヘッドが収納される。また、ノズルが設けられた液体吐出ヘッドの面（以下、吐出面という）を衝撃や乾燥から保護し、あるいはノズルからの液体漏洩を防止するために、吐出面に保護テープが貼着されることも多い（例えば特許文献１）。しかしながら、吐出面に保護テープが貼着された状態で流通等が行われる場合、温度上昇など環境の変化によって液体吐出ヘッドの内圧が上昇し、いずこかの位置で保護テープの剥れが生じたり、さらにはこれに伴って液体の漏出が生じたりすることがあった。

特開２００８−１５５４６７号公報

よって本発明は、液体吐出ヘッドにおいて、環境変化に起因した内圧の上昇を速やかに緩和できるようにした構造を提供することを目的とする。

そのために、本発明の液体吐出ヘッドは、液体の貯留部に接続され、前記液体を吐出するための吐出口を有する複数のノズルが配列された液体吐出ヘッドであって、前記貯留部と接続され、前記複数のノズルとは異なる、前記液体を流すための複数の第１流路と、前記複数の第１流路に接続され、前記第１流路よりも流路抵抗が小さく前記ノズルよりも流路抵抗の小さい第２流路と、前記第２流路を大気と連通する開口と、を有し、前記貯留部には、前記複数のノズルのそれぞれが個別に接続され、かつ前記複数の第１流路のそれぞれが個別に接続されることを特徴とする。

本発明によれば、環境変化によって液体吐出ヘッドの内圧の上昇が生じてもこれを速やかに緩和することができる。

本発明を適用可能なインクジェット記録装置の一実施形態を示す模式図である。 図１における記録ヘッドの模式的断面図である。 図２にける吐出部の一端部、すなわち同図において破線円で囲んだ部分ＩＩＩを拡大して示す断面図である。 流通時等における記録ヘッドの模式的断面図である。 図４の記録ヘッドを吐出面側から見た模式的平面図である。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明を適用可能なインクジェット記録装置の一実施形態を示す模式図である。インクジェット記録装置（以下、プリンタとも言う）１０は、画像データの供給源をなす外部装置であるパーソナルコンピュータ形態のホスト装置１２に接続されている。プリンタ１０には、記録媒体Ｐに対してフルカラー記録を行うべくブラック（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）およびイエロー（Ｙ）のインクを吐出するための液体吐出ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍおよび２２Ｙが搭載されている。液体吐出ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍおよび２２Ｙの内部構造については後述するが、記録媒体Ｐの幅方向（媒体搬送方向Ａに直交する方向）に所定密度で所定範囲にわたって配列されたインクの吐出口ないしノズルを有する所謂ラインヘッド形態のものである。所定範囲とは、プリンタ１０で記録可能な記録媒体上の最大の有効記録幅（記録媒体の被記録面に直交する方向の長さ）よりもやや長いものとする。なお、本実施形態においては、上記各色インクを吐出する液体吐出ヘッド２２Ｋ、２２Ｃ、２２Ｍおよび２２Ｙを用いており、記録画像の品質向上液などの液体を吐出する液体吐出ヘッドを用いていないため、以下では「液体吐出ヘッド」を「記録ヘッド」と称する。しかし、記録ヘッドの個数や、色調（色、濃度）の種類などはあくまでも例示であることは言うまでもなく、また吐出する液体の種類としては記録画像の品質向上液などが含まれていてもよいことも勿論である。さらに、以下の説明においては、色調を特定しない場合には、記録ヘッドを符号２２で総括的に表現する。

記録ヘッド２２は不図示の保持部により保持されるとともに、その保持部とともに鉛直方向（Ｂ方向）に昇降可能である。また、各記録ヘッド２２に対応するキャップ５０を有した回復ユニット４０は水平方向（Ａ方向およびＡ方向とは逆方向）に移動可能に保持されている。

保管状態もしくは記録待機中など非記録時には、記録ヘッド２２の吐出面２２Ｓにキャップ５０を施した状態とする。非記録時に記録ヘッドの吐出面２２Ｓが大気に曝されていると、吐出口付近のインクの溶剤が蒸発してインクの増粘・固化が生じたり、塵埃が付着したりして吐出不良が生じる恐れがあるからである。また、インクを吐出する記録ヘッドはその特性上、インク吐出状態を安定した状態に維持または回復させるための回復処理を行うことが望ましく、キャッピング状態は回復ユニット４０によるそのような回復処理を可能とする状態でもある。本実施形態の回復処理には、キャッピング状態においてキャップ内空間ないしはノズルに負圧を付与することで、インクを吐出口から吸引する吸引回復動作が含まれる。また、記録前にキャップに向けて記録ヘッドに予備的な吐出動作を行わせる予備吐出動作を含むことができる。さらに、ゴム等の弾性部材でなるワイパーブレードで記録ヘッドの吐出面２２Ｓをワイピングすることでクリーニングする動作も含むことができる。回復ユニット４０は、これらの動作が行われるようにするための部品を有している。

キャッピング状態から記録動作に移行する場合には、保持部ないし記録ヘッド２２を一旦上昇させてから回復ユニット４０を図１の左方に退避させ、さらに回復ユニット４０のキャップ５０間に設けた開口に各記録ヘッド２２が対向するようにする。そして保持部ないし記録ヘッド２２を下降させ、キャップ間の開口から記録ヘッド２２を下方に突出させ、記録媒体Ｐと所定の間隙をもって対向する位置に設定する。そして、その位置で記録ヘッド２２を固定させ、記録媒体ＰをＡ方向に搬送し、その過程で記録ヘッド２２にインク吐出動作を行わせることで、画像を記録する記録動作が実行される。なお、記録動作が終了し、非記録時の状態に設定する場合は、逆の動作を行えばよい。

ロール紙形態の記録媒体Ｐは供給ユニット２４から供給され、プリンタ１０に組み込まれた搬送機構２６によって矢印Ａ方向に搬送される。搬送機構２６は、記録媒体Ｐを載置して搬送する搬送ベルト２６ａ、この搬送ベルト２６ａを回転させる搬送モータ２６ｂ、搬送ベルト２６ａに張力を与えるローラ２６ｃなどから構成されている。なお、記録媒体Ｐとしては、ロール紙の形態に限られることなく、カット紙やファンフォールド紙等の形態のものであってもよいことは勿論である。

図１の構成において、記録媒体Ｐに画像を形成する際には、搬送中の記録媒体Ｐの記録開始位置がＫ用の記録ヘッド２２Ｋの下に到達した後に、記録データ（画像データ）に基づいて記録ヘッド２２Ｋの吐出口からＫインクを選択的に吐出する。同様に、記録ヘッド２２Ｃ、記録ヘッド２２Ｍ、記録ヘッド２２Ｙの順に、各色のインクを吐出してカラー画像を記録媒体Ｐに形成する。

プリンタ１０には、各記録ヘッド２２に貯留されているインク量が少なくなった場合に、それぞれに補充すべき各色のインクを貯留するインクタンク２８Ｋ、２８Ｃ、２８Ｍおよび２８Ｙ（以下、特定しない場合には、符号２８で総括的に参照する）が配備されている。また、記録ヘッド２２の内部をノズルに形成されるインクのメニスカスの保持力と平衡する負圧状態とする負圧発生機構（不図示）なども配置され、この負圧発生機構を利用して、インクタンク２８から記録ヘッド２２へのインク補充を行うことができる。

図２は記録ヘッド２２の模式的断面図である。本発明に適用される記録ヘッド２２は、その内部すなわち貯留部２２Ｌに所定量のインクが充填された状態で流通等が行われ、プリンタ１０に装着される。そして、貯留部２２Ｌ内のインク量が少なくなった場合には、インクタンク２８に接続されるインク供給口１０１からインクが補充される。当該補充は、負圧発生機構を作動させ、負圧発生機構に接続される連通口１０４を介して記録ヘッド２２の内部を負圧状態とすることで行うことができる。なお、インク供給口１０１および連通口１０４には、それぞれ、記録ヘッド２２内への塵埃等の侵入を防止するフィルタ１０２および１０３が配置されている。

記録ヘッド２２内部のインクの液面１０５すなわちインク量は、導通板１０６と導通板１０７との間、および導通板１０７と導通板１０８との間の導電率の変化を検知することで行うことができる。すなわち、インク液面１０５の下限の位置は、導通板１０６と導通板１０７の間にインクがなくなると電気抵抗値が増大することで検知される。そして、負圧発生機構を作動させることでインク補充を行うことができる。一方、インク液面１０５の上限位置は、当該補充に伴ってインク導通板１０６と導通板１０８との間にインクが存在するようになると電気抵抗値が低下することで検知され、負圧発生機構を停止させることで補充動作が停止される。

図２において、符号１０９で示すものは複数のノズルが形成された吐出部である。吐出部１０９は、フォトリソグラフィ工程により、シリコンの基体上にノズルとなる部分等を画成する壁部およびインク吐出に利用されるエネルギを発生する素子を形成した部材と、この部材に対し天板となる部材を接合することで構成される。なお。これらの部材の接合にあたっては、図示しない封止剤を用いることで、インク漏洩が生じないようにされている。

図３は図２における吐出部１０９の一端部、すなわち同図において破線円で囲んだ部分ＩＩＩを拡大して示す断面図であり、当該端部におけるノズル等の液路構造を示している。ここで、２０１ａ，２０１ｂ，・・・は画像データに応じインクを吐出することで記録に関与するノズルである（以下、これらのノズルを吐出ノズルと称し、特定しない場合には符号２０１で参照する）。吐出ノズル２０１は、インク吐出に利用されるエネルギを発生する素子として、例えば通電に応じて発熱し、インクに膜沸騰を生じさせる熱エネルギを発生する電気熱変換素子（以下、ヒータという）を有する。一方、２０２は、記録には関与せず、吐出ノズルの配列の近傍において記録ヘッド２２ないし吐出部１０９の内部を大気に連通させる機能を有するノズル形状流路（第１流路）である。吐出ノズル２０１およびノズル形状流路２０２はそれぞれ貯留部２２Ｌに接続されており、吐出ノズル２０１には貯留部２２Ｌに貯留されたインクが導入される。本実施形態では複数（図示の例では３つ）のノズル形状流路２０２が吐出ノズルと平行に設けられており、いずれも対応するヒータを持たぬよう、あるいは電気的な接続が形成されていないようにすることで、記録に関与しないものとすることができる。また、ノズル形状流路２０２は、吐出ノズル２０１と等しい形状および寸法を有し、それらと等しい流路抵抗をもつものとしている。つまり、インク貯留部２２Ｌから吐出面２２Ｓまでの、それぞれの吐出ノズル２０１の流路抵抗を、インク貯留部２２Ｌから後述する流路２０３に接続される部分までの、それぞれのノズル形状流路２０２の流路抵抗を等しくする。これにより、例えば吸引回復動作時にノズル形状流路２０２を介して過剰のインク吸引が行われないようにしてある。

吐出ノズル２０１は、ヒータの作動に応じて記録媒体にインクを吐出するべく、それぞれの先端（吐出口）が吐出面２２Ｓに開口している。一方、３つのノズル形状流路２０２の先端は、記録ヘッド２２ないしは吐出部１０９の内部に形成されてノズル形状流路２０２より大きい断面積をもつ流路（第２流路）２０３に共通に接続されている。流路２０３は、吐出ノズル列の端部にある吐出ノズル２０１ａから所定距離離れた位置から、吐出ノズルの配列方向に関して吐出部１０９の端部に向って延在する。そして、当該端部の付近で吐出面に向けて例えばＬ字型に屈曲し、吐出面上に開口２０４を有することで、大気と連通している。このように、流路２０３をノズル形状流路２０２より大きい断面積をもつようにすることで、塵埃等がつまりにくいものとなっている。また、吐出ノズル列端部の吐出ノズル２０１ａから離れて延在し、先端でＬ字型に曲がった形状とすることで、開口２０４から記録ヘッド内部への塵埃等の進入が生じにくいものとなっている。

図４は、プリンタ１０に装着される前の流通時等における記録ヘッド２２の模式的断面図、図５は記録ヘッド２２を吐出面側から見た模式的平面図である。保護テープ３０１は、吐出ノズル２０１の配列範囲４０２を覆うように吐出面２２Ｓに貼着され、吐出ノズル２０１の吐出口を損傷から保護する機能、ノズル開口からの塵埃の侵入を阻止する機能、および吐出ノズル内部を乾燥から保護する機能を有している。一方、保護テープ３０１は流路２０３の開口２０４を覆っておらず、従って記録ヘッド２２ないし吐出部１０９の内部は、流通時等において開口２０４、流路２０３およびノズル形状流路２０２を介して大気と連通している。

ここで、液室であるインク貯留部２２Ｌのいずこか、例えばインク供給口１０１あるいは連通口１０４を介して記録ヘッド２２の内部を大気に開放することも考えられる。しかし吐出ノズル２０１ないしその近傍で気泡が発生し、環境変化、例えば温度上昇等によって気泡が膨張し、吐出部１０９ないし吐出ノズル２０１の内圧が上昇する場合がある。このような場合、当該内圧の上昇がインク供給口１０１あるいは連通口１０４を介して大気と連通しているインク貯留部２２Ｌによって緩和される前に吐出ノズル２０１に作用し、保護テープの剥れやインク漏洩が生じる可能性がある。そしてこれは、インク貯留部２２Ｌとして大容量のものが用いられ、大気連通部分が吐出部１０９ないし吐出ノズル２０１から離れた位置にあるほど問題となる。これに対し、本実施形態によれば、吐出ノズルの配列の近傍において記録ヘッド２２ないし吐出部１０９の内部を大気に連通させる構成としている。従って、内圧の上昇は、吐出ノズル２０１およびノズル形状流路２０２より大きい断面積（すなわち小さい流路抵抗）をもって大気と連通している流路２０３によって速やかに緩和され、保護テープ３０１の剥れが生じにくいものとなる。

また、吐出機能を持たない所謂ダミーノズルと称されるものを吐出ノズルの配列範囲４０２の端部外に設けておき、そのダミーノズルを介して記録ヘッド２２の内部を大気に開放することも考えられる。しかし単にダミーノズルを設けた構成では、配列範囲４０２の端部にある吐出ノズル２０１ａとダミーノズルとの間の距離が十分に確保できない場合、ダミーノズルが保護テープ３０１によって閉塞されてしまう可能性がある。すると、所期の大気連通効果が得られず、保護テープ３０１の剥れが生じ得る。これに対し本例では、ノズル形状流路２０２と連通する流路２０３は、吐出ノズル列の端部にある吐出ノズル２０１ａから離れて吐出部１０９の端部に向って延在し、当該端部の付近で吐出面に向けてＬ字型に屈曲し、吐出面上に開口２０４を有する構成としている。すなわち、図５に示すように、開口２０４は吐出ノズル配列範囲４０２の端部にある吐出ノズル２０１ａから間隔４０４だけ離して設けられている。従って、保護テープ３０１の貼着に際しての自由度が増し、保護テープ３０１の端部によって流路２０３の開口２０４が塞がれることなく、容易に貼着を行うことが可能となる。

さらに、単にダミーノズルを設けた構成では、たとえ保護テープ３０１がダミーノズルを閉塞しないように正確に貼着されていたとしても、塵埃等の侵入によりダミーノズルが閉塞され、所期の大気連通効果が得らなくなる可能性がある。これに対処するため、ダミーノズルの寸法を大きくすることも考えられる。しかしその分ダミーノズルの流路抵抗が小さくなるため、プリンタへの装着後に吸引回復動作が行われた場合、これに伴ってダミーノズルから排出されるインク量が増大したり、或いは吐出ノズルから十分な吸引回復を行うことができなくなったりする可能性がある。これに対し、本実施形態では、流路２０３の断面積及び開口２０４の開口面積をノズル形状流路２０２及び吐出ノズル２０１の断面積よりも大きくしていることで、塵埃等の侵入によってこれらが閉塞される可能性が低減される。また、本実施形態では、吐出ノズル２０１と等しい形状および寸法を有し、それらと等しい流路抵抗をもつノズル形状流路２０２に流路２０３が接続されている。従って、吸引回復動作に伴って排出されるインク量が増大したり、あるいは吐出ノズルから十分な吸引回復を行うことができなくなったりする不都合を防止できる。

なお、以上の実施形態においては、吐出ノズル配列範囲４０２の一端部側にノズル形状流路２０２、流路２０３および開口２０４を設けた構成について例示したが、これらは吐出ノズル配列範囲４０２の他端部側にも設ける構成とすることができる。また、上記実施形態では流路２０３に対し３つのノズル形状流路２０２を接続する構成としたが、その数は適宜定め得ることは勿論である。さらに、所期の大気連通効果や、吸引回復動作に伴って排出されるインク量の増大を抑制する効果が得られるのであれば、ノズル形状流路２０２は吐出ノズル２０１と等しい形状および寸法を有したものとしなくてもよい。

加えて、上記実施形態では、インクジェット記録ヘッド形態の液体吐出ヘッドに本発明を適用した場合について説明した。しかし本発明は、記録画像の品質向上液などの液体を吐出する液体吐出ヘッドにも広く適用できることは言うまでもない。また、上記実施形態ではラインプリンタ形態のインクジェット記録装置に適用される所謂ラインヘッド形態の液体吐出ヘッドに本発明を適用した場合について説明した。しかし本発明は、シリアルプリンタ形態のインクジェット記録装置に適用される液体吐出ヘッドにも適用できることは勿論である。さらに、上記実施形態では、液体を吐出するために利用されるエネルギとして熱エネルギを発生する素子を有した液体吐出ヘッドに本発明を適用した場合について説明した。しかし本発明は、その他の素子、例えば電圧の印加に応じて変形ないし変位することでインクを吐出するピエゾ素子を有した液体吐出ヘッドにも適用が可能である。

２２ 記録ヘッド
２２Ｓ 吐出面
１０９ 吐出部
２０１、２０１ａ、２０１ｂ 吐出ノズル
２０２ ノズル形状流路
２０３ 流路
２０４ 開口
３０１ 保護テープ
４０２ 吐出ノズル配列範囲

Claims (10)

1. 液体の貯留部に接続され、前記液体を吐出するための吐出口を有する複数のノズルが配列された液体吐出ヘッドであって、
   前記貯留部と接続され、前記複数のノズルとは異なる、前記液体を流すための複数の第１流路と、
   前記複数の第１流路に接続され、前記第１流路よりも流路抵抗が小さく前記ノズルよりも流路抵抗の小さい第２流路と、
   前記第２流路を大気と連通する開口と、
   を有し、
   前記貯留部には、前記複数のノズルのそれぞれが個別に接続され、かつ前記複数の第１流路のそれぞれが個別に接続されることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記貯留部から前記第１流路へ接続する方向と、前記貯留部から前記ノズルへ接続する方向と、が同じであることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記第２流路は前記第１流路よりも断面積が大であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記第１流路は前記ノズルと等しい流路抵抗を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記第１流路は前記ノズルと等しい寸法および形状を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記開口は、前記吐出口が設けられた面に設けられ、
   前記第２流路は、前記複数のノズルが配列された配列方向に延在するとともに、屈曲部を介して前記開口と接続されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記開口は、前記複数のノズルが配列された配列方向に関して前記複数の第１流路よりも前記複数のノズルの配列範囲から離れた位置に設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記第１流路は、前記複数のノズルが配列された配列方向と交差する方向に延在していることを特徴とする請求項６又は７に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記ノズルには、前記液体を吐出するために利用されるエネルギとして熱エネルギを発生する素子が設けられていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記貯留部に液体が貯留されるとともに、前記吐出口を覆いかつ前記開口を覆わないように保護テープが貼着されてなることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。

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