JP2004306537A - Liquid-droplet ejecting head and liquid-droplet ejector - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid-droplet ejecting head which can prevent the chain occurrence of nonejection nozzles and which enables high-speed image recording, and a liquid-droplet ejector equipped with the liquid-droplet ejecting head like this. <P>SOLUTION: A liquid is supplied to a liquid chamber through a liquid supply system and a liquid supply passage from a liquid tank, so that a liquid droplet is ejected from the nozzle. Flow path resistance r<SB>s</SB>of the liquid supply passage is set to satisfy the expression: r<SB>p</SB><r<SB>s</SB><√(m<SB>T</SB>/s<SB>n</SB>)-(r<SB>n</SB>+r<SB>c</SB>+r<SB>p</SB>). In the expression, r<SB>p</SB>, r<SB>n</SB>and r<SB>c</SB>each represent flow path resistance of the liquid supply system, that of the nozzle, and that of a pressure generation chamber; m<SB>T</SB>represents the total inertance of a section from the liquid tank to the nozzle; and c<SB>n</SB>represents acoustic capacitance of a meniscus formed in the nozzle. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

を満たすように設定されていることを特徴とする。
【００１３】
この液滴吐出ヘッドでは、液体タンクに貯留された液体が、液体供給系から液体供給路を経て液室に供給される。液室に充填された液体に、エネルギー印加手段によって、画像情報に応じたエネルギーが印加され、ノズルから液滴が吐出される。
【００１４】
ここで、本発明の液滴吐出ヘッドでは、液体供給路の流路抵抗ｒ_ｓが液体供給系の流路抵抗ｒ_ｐに対し、
【００１５】
【数３】

を満たすように設定されている。これにより、不吐出ノズルが発生した場合であっても、この連鎖的な広がりを防止できる。
【００１６】
また、液体供給路の流路抵抗ｒ_ｓは、液体供給系、ノズル及び圧力発生室のそれぞれの流路抵抗をｒ_ｐ、ｒ_ｎ、ｒ_ｃ、液体タンクからノズルに至るまでの全体でのイナータンスをｍ_Ｔ、ノズル内に形成されるメニスカスの音響容量をｃ_ｎとして、
【００１７】
【数４】

を満たすようにも設定されている。これにより、液滴吐出後に、ノズル内に短時間で液体を再度引きこんでメニスカスを初期状態に復帰させること（以下、この動作を「リフィル」という）ができるので、高速での画像記録が可能になる。
【００１８】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記ノズルが２次元的に配置され、前記液体供給系が、前記液体タンクと連通する本流部と、この本流部から分岐し前記液体供給路と連通する複数の支流部と、を備えていることを特徴とする。
【００１９】
このように、ノズルを２次元的に配置することで、多くのノズルを高密度で配置し、より高速での画像記録が可能になる。しかも、このように高密度でノズルを配置しても、不吐出ノズルの連鎖的な広がりを防止できる。
【００２０】
また、液体供給系は、本流部と支流部とで構成されているので、液体タンクの液体を、本流部、支流部、液体供給路へと順に経由させて、効率的に液室へと供給できる。
【００２１】
請求項３に記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記液体供給路を液体の流れ方向と直交する断面で見たときの断面形状の短手方向の長さが１０〜４０μｍとされていることを特徴とする。
【００２２】
このように、液体供給路の断面形状の短手方向の長さを４０μｍ以下とすることで、イナータンスの増加を招くことなく流路抵抗を増加させることができる。したがって、リフィル時間を増加させずに、上記式（２）の条件を満足させることができる。
【００２３】
また、液体供給路の断面形状の短手方向の長さを１０μｍ以上とすることで、製造上の歩留まりを高めたり、特性を均一に維持したりすることが可能となる。
【００２４】
請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の発明において、前記液体供給路の前記液室との連結部における供給路径が、前記ノズルの開口径と同等もしくはそれ以下とされていることを特徴とする。
【００２５】
液体供給路の液室との連結部における供給路径を、ノズルの開口径と同等もしくはそれ以下とすると、液体供給路でのメニスカス保持力を相対的に高めることができる。したがって、不吐出ノズルにおいて、メニスカスがノズル内を後退して液室に至った場合でも、さらに液体供給路に後退することを防止でき、不吐出ノズルの連鎖的な広がりを抑制できる。
【００２６】
なお、ここでいう「同等もしくはそれ以下」とは、ノズル開口径をｄ_ｎ、液体供給路の開口径をｄ_ｓとした場合、ｄ_ｓ＜１．２ｄ_ｎの関係が成り立つことをいう。
【００２７】
請求項５に記載の発明では、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを有することを特徴とする。
【００２８】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを有しているので、不吐出ノズルの連鎖的発生を防止でき、しかも高速で画像を記録することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の基本的作用・動作について説明する。
【００３０】
図１には、液滴吐出ヘッド１１２のイジェクタ１３８の近傍が模式的に示されている。また、図２には、液滴吐出前後のノズル１４０内のメニスカス１５４の状態が、（Ａ）から（Ｆ）へと順に示されている。
【００３１】
この液滴吐出ヘッド１１２では、複数（図１では１０個）のイジェクタ１３８を備えており、これらが、５個ずつグループ化されて、全体として５×２のマトリックス状（２次元状）に配置されている。それぞれのイジェクタ１３８は、液体が充填される液室１１４と、この液室１１４のそれぞれに対応して設けられたノズル１４０とを有している。液体タンク（図１では図示省略、図５に示すインクタンク１３４参照）に貯留された液体が、液体供給系１１８の本流部１１８Ｍ及び支流部１１８Ｓを経て、それぞれの液室１１４に連通された液体供給路１２０から、液室１１４に供給される。液室１１４に液体が充填された状態では、図２（Ａ）に示すように、それぞれのノズル１４０内では、液体のメニスカス１５４が所定の形状で、かつ所定の位置に維持されている。そして、エネルギー印加手段（図１では図示省略、図６に示す圧電アクチュエータ１５０参照）によって画像情報に応じたエネルギーが印加されると、図２（Ｂ）に示すように、ノズル１４０から液滴１５６が吐出される。したがって、この構成の液滴吐出ヘッド１１２では、複数のイジェクタ１３８が、共通の支流部１１８Ｓ（プール）によって連結され、さらに、２本の支流部１１８Ｓが１本の本流部１１８Ｍと連通している。以下では、液体タンクから支流部１１８Ｓに至る液体供給系１１８の流路抵抗をｒ_ｐ、液体供給路１２０の流路抵抗をｒ_ｓとする。
【００３２】
ここで、何らかの原因で、ある１つのイジェクタ１３８Ａが不吐出になると、ノズル１４０Ａ内のメニスカスが破壊され、ノズル１４０Ａのメニスカス保持力も消失あるいは減少する。
【００３３】
このとき、ｒ_ｐ＞ｒ_ｓの場合には、隣接するイジェクタ１３８Ｂが、不吐出になったイジェクタ１３８Ａから液体の供給を受けるようになる。実際には、ノズル１４０Ａと連通する液体供給路１２０に空気が入り込んでいるので、この空気が、イジェクタ１３８Ｂ内に混入する。これにより、イジェクタ１３８Ａに加えて、イジェクタ１３８Ｂも不吐出になってしまう。そして、さらに隣接するイジェクタ１３８Ｃも、イジェクタ１３８Ｂから液体の供給を受けるようになるため、イジェクタ１３８Ｃも不吐出となる。このようにして、１つのイジェクタ１３８が不吐出になると、隣接するイジェクタ１３８も連鎖的に不吐出になってしまう。
【００３４】
特に、イジェクタを２次元的に多数配列した液滴吐出ヘッド（マトリックスヘッド）では、各イジェクタ１３８を連結している支流部１１８Ｓが幅狭になるため、液体供給系１１８の流路抵抗ｒ_ｐが大きくなりやすく、上記した現象（不吐出イジェクタの連鎖的な広がり）が発生しやすい。
【００３５】
また、一般に液体供給路１２０は、製造コストを低減する等の観点から、断面四角形状とされることが多いが、このような形状の液体供給路１２０では流路抵抗が小さくなりやすいため、上記した現象が発生しやすい。
【００３６】
これに対し、本発明では、液体供給系１１８の流路抵抗ｒ_ｐと、液体供給路１２０の流路抵抗ｒ_ｓとの間に、
【００３７】
【数５】

の関係が成り立つように、液体供給系１１８及び液体供給路１２０の形状等を決定している。液体供給路１２０の流路抵抗ｒ_ｓが液体供給系１１８の流路抵抗ｒ_ｐよりも大きいので、たとえ１つのイジェクタ１３８が不吐出になっても、これに隣接するイジェクタ１３８は、この不吐出のイジェクタ１３８ではなく、液体供給系１１８から液体の供給を受けつづけ、不吐出イジェクタの連鎖的な広がりを防止できる。また、イジェクタの不吐出状態を解消して画質低下を防止するためのリカバリー動作（メンテナンス動作）を頻繁に行なう必要もなくなる。なお、かかる観点からは、さらに、
５ｒ_ｐ＜ｒ_ｓ （２）’
とすることが好ましく。
【００３８】
１０ｒ_ｐ＜ｒ_ｓ （２）”
とすることが特に好ましい。
【００３９】
ところで、不吐出イジェクタの連鎖的広がりを防止するためには、上記式（２）の条件を満たせば十分であるが、あまりにｒ_ｓを大きくすると、液滴吐出後に、再度液室１１４内に液体を引き込む際の抵抗が大きくなって、液体の充填に長い時間を要することとなる。
【００４０】
図２（Ｃ）に示すように、ノズル１４０から液滴１５６が吐出されると、メニスカス１５４はノズル１４０の内部に一旦後退する。後退したメニスカス１５４は、図２（Ｄ）〜（Ｆ）に示すように、メニスカス１５４の表面張力の作用によって復帰される。すなわち、メニスカス１５４の表面張力が一種のバネとして作用し、液体タンクからノズル１４０内に液体を引き込むことによって、メニスカス１５４は平坦な状態（初期状態）に復帰する。このメニスカス復帰動作のことを「リフィル」と呼ぶ。
【００４１】
図３には、リフィル時におけるメニスカス位置の変化が、液滴１５６の吐出直後からの経過時間と、メニスカスの位置変化（メニスカスの中央の位置ｙ、図２（Ｃ）参照）との関係として、グラフ化されている（リフィル曲線）。液滴吐出後（ｔ＝０）に、ｙ_０（引き込み量最大）の位置まで引き込まれたメニスカス１５４は、減衰振動しながら静止状態（初期状態、ｙ＝０）に戻る。なお、液滴吐出後に初めてメニスカスがノズル開口面に復帰する時間（ｔ_ｒ）を「リフィル時間」と呼ぶことにする。
【００４２】
連続的な液滴吐出を安定的に実行するためには、次の液滴吐出が行われるまでにリフィルを完了させなければならない。すなわち、イジェクタ１３８の最大駆動周波数を大きくするためには、イジェクタのリフィル時間を小さくする必要がある。
【００４３】
液滴を吐出した後のメニスカス振動は、等価回路によると図４のように表わされる。ここで、ｒは流路抵抗、ｍはイナータンスを示しており、添え字のｓは液体供給路１２０、ｎはノズル１４０、ｃは液室１１４、ｐは液体供給系１１８を表わしている。また、ｃ_ｎはメニスカスの音響容量を示している。この回路に、液滴吐出後のメニスカス後退量に対応させたステップ関数の圧力φを入力として解き、ノズル部での体積速度ｕ_３を時間ｔの関数として求めると次式が得られる。
【００４４】
【数６】

なお、一般に、流路抵抗は、円形断面の流路の場合、ｄを流路径［ｍ」、ｌを流路長［ｍ］、ηを流体の粘度［Ｐａ・ｓ］として、
【００４５】
【数７】

によって求めることができ、長方形断面の流路の場合には、Ｓを流路断面積［ｍ^２］、ｚを流路断面のアスペクト比として、
【００４６】
【数８】

によって求めることができる。
【００４７】
同様に、イナータンスは、ρを液体の密度［ｋｇ／ｍ^３］、ｌを流路長［ｍ］、Ｓを流路断面積［ｍ^２］として、
【００４８】
【数９】

によって求めることができる。
【００４９】
また、メニスカスの音響容量ｃ_ｎは、円形ノズルの場合には、ｄ_ｎをノズル径、σを液体の表面張力として、以下の近似式によって算出できる。
【００５０】
【数１０】

ここで、メニスカスに振動（リフィル振動）が生じるのは、式（６）の平方根の中が正になる場合であり、すなわち次の条件が満たされる場合である。
【００５１】
【数１１】

上の条件式が成り立たない場合、メニスカスにはリフィル振動が発生しなくなるため、リフィル時間は非常に大きくなってしまう。従って、高速リフィルを実現する上では、上式の条件を満足することが必須となる。
【００５２】
そこで、上記の条件を満足した上で、不吐出イジェクタの連鎖的な広がりの防止と、短時間でのリフィルとを達成するためにさらに望ましい条件について、実際の液滴吐出ヘッドで吐出観察を行って検討した。その結果を表１に示す。表１の「連鎖的不吐出防止」及び「高周波吐出」の評価において、「◎」は、極めて望ましい結果が得られていることを、「○」は、望ましい結果が得られていることを、「△」は、僅かに問題が生じることもあるが、実用上は全く支障がない程度であることを、「×」は、問題が生じることをそれぞれ示す。また、式（３）の条件は、満足している場合を「○」、満足していない場合を「×」で示す。「判定」では、「連鎖的不吐出防止」及び「高周波吐出」の双方において、「△」以上の評価が得られているものを「○」とし、これ以外を「×」とした。
【００５３】
【表１】

この表１から分かるように、高周波（１５ｋＨｚ以上）で安定した吐出を実行するためには、ｒ_Ｔは以下の条件を満足する必要があることが明らかになった。
【００５４】
【数１２】

すなわち、１５ｋＨｚ以上の高周波での液滴吐出に対応して高速リフィルを実現するためには、液体供給路の流路抵抗ｒ_ｓは以下の条件を満足することが必要となる。
【００５５】
【数１３】

したがって、不吐出イジェクタの連鎖的な広がりの防止と、短時間でのリフィル達成による高周波での液滴吐出（高速での画像記録）とを両立する観点からは、
【００５６】
【数１４】

の条件を満足していればよいと言える。
【００５７】
なお、ノズルが円形以外の場合には、開口面積が同一となる円形ノズルを想定し、式（９）によって音響容量を求めればよい。
【００５８】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳しく説明する。なお、以下において、上記と同一の名称を付した構成要素、部材等については、上記と基本的に同様の作用を奏する。
【００５９】
図５及び図６には、本発明の第１実施形態の液滴吐出ヘッド１１２が示されている。また、図７には、この液滴吐出ヘッド１１２を備えた液滴吐出装置１０２が示されている。本実施形態の液滴吐出ヘッド１１２はいわゆるインクジェット記録ヘッドとされており、この液滴吐出ヘッド１１２を備えた液滴吐出装置１０２は、インクジェット記録装置とされている。液滴吐出装置１０２は、記録媒体である記録用紙Ｐ上に着色インクの液滴（インク滴）を吐出し、この液滴によるドットで画像を記録するために使用される。
【００６０】
図７に示すように、液滴吐出装置１０２は、液滴吐出ヘッド１１２が搭載されるキャリッジ１０４と、キャリッジ１０４を記録用紙Ｐの記録面に沿った所定の主走査方向方向に移動（主走査）させる主走査機構１０６、および、記録用紙Ｐを主走査方向と交差（好ましくは直交）する所定の副走査方向に搬送（副走査）させるための副走査機構１０８を含んで構成されている。なお、図面において主走査方向を矢印Ｍで、副走査方向を矢印Ｓでそれぞれ示す。
【００６１】
液滴吐出ヘッド１１２は、ノズル１４０が形成されたノズル面が記録用紙Ｐと対向するようにキャリッジ１０４上に搭載されており、主走査機構１０６によって主走査方向に移動されながら記録用紙Ｐに対して液滴を吐出することにより、一定のバンド領域ＢＥに対して画像の記録を行う。主走査方向への１回の移動が終了すると、副走査機構１０８によって記録用紙Ｐが副走査方向に搬送され、再びキャリッジ１０４を主走査方向に移動させながら次のバンド領域を記録する。こうした動作を複数回繰り返すことにより、記録用紙Ｐの全面にわたって画像記録を行うことができる。
【００６２】
図５に示すように、この液滴吐出ヘッド１１２は、複数（本実施形態では６４個、そのうち図５では７個のみ示す）のイジェクタ１３８を有しており、これらのイジェクタ１３８が、個別インク流路１４６（図６参照。図１の液体供給路１２２に相当）を介して、共通インク流路１２４によって互いに連結されている。共通インク流路１２４は、インク管路１２５、フィルタ１２６、インク管路１２８、サブタンク１３０及びインクチューブ１３２を介してインクタンク１３４に連結されており、インクタンク１３４にあらかじめ貯留されたインク（液体）が、イジェクタ１３８のそれぞれの圧力発生室１４２（図１に示す液室１１４に相当）に供給される。本実施形態では、共通インク流路１２４、インク管路１２５、フィルタ１２６、インク管路１２８、サブタンク１３０、インクチューブ１３２及びインクタンク１３４によって、本発明の液体供給系１１８が構成されている。なお、第１実施形態の液滴吐出ヘッド１１２では、イジェクタ１３８が一列に配置されたいわゆるラインヘッドとされている。したがって、液体供給系１１８には、図１に示す本流部１１８Ｍ及び支流部１１８Ｓとが特に区別されていない。
【００６３】
図６に示すように、液滴吐出ヘッド１１２は、エッチング等によって穿孔加工された複数のプレートを接着剤によって積層接合することにより構成されている。それぞれの圧力発生室１４２は、インク供給路１４６（図１に示す個別インク流路１２２に相当）を介して共通インク流路１２４と連通しており、圧力発生室１４２には、供給されたインクが充填されるようになっている。また、それぞれの圧力発生室１４２には、インク滴を吐出するためのノズル１４０が設けられている。
【００６４】
圧力発生室１４２の底面は振動板１４８を有しており、圧力発生室１４２の一面は、この振動板１４８で構成されている。振動板１４８には、圧力発生室１４２の反対側の面に、圧力発生手段としての圧電アクチュエータ１５０が取り付けられている。画像情報に対応した駆動信号を圧電アクチュエータ１５０に印加すると、圧電アクチュエータ１５０は振動板１４８を介して、圧力発生室１４２を膨張又は圧縮させる。これによって圧力発生室１４２内に生じた圧力波でノズル１４０内のインクを運動させ、ノズル１４０から液滴１５６を吐出することができる。なお、圧電アクチュエータ１５０に印加する駆動信号の電圧波形としては、たとえば、図８に示すものを挙げることができる。この駆動電圧１４２の電圧波形は、圧力発生室１４２を圧縮する方向に電圧を変化させる第１電圧変化プロセス１６２（所要時間ｔ_１）と、変化された電圧（高電圧）を一定時間維持する電圧維持プロセス１６４（所要時間ｔ_２）、印加電圧を元のバイアス電圧（Ｖ_ｂ）に戻すための第２電圧変化プロセス１６６（所要時間ｔ_３）により構成されている。
【００６５】
そして、本実施形態では、上記式（１）を満たすように、各構成要素の形状や位置などが決められている。したがって、１つのイジェクタ１３８が何らかの原因で不吐出となった場合でも、不吐出ノズルの連鎖的な広がりを確実に防止できる。不吐出ノズルを解消するためのリカバリー動作を頻繁に行なわなくても画質を維持することができ、インク消費量が多くなることもない。また、リフィル速度の低下が防止されているので、高い吐出周波数（たとえば１５ｋＨｚ以上）に対応して、確実にインクを圧力発生室１４２に充填して、インク滴を吐出できる。
【００６６】
なお、本発明では、上記の条件を満たせば、インク供給路１４６の具体的構成は特に限定されないが、一般的には、低コストで液滴吐出ヘッド１１２を製造するために、インク供給路１４６は、その断面（インクの流れ方向を法線とする断面）の形状が四角形となるように形成されることが多い。この場合、断面形状の短手方向の長さ（以下、これを「高さ」という）を４０μｍ以下とすると、イナータンスｍ_ｓを増加させることなく、流路抵抗ｒ_ｓを増加させることができるので、リフィル時間を増加させることなく、上記式（２）の条件を満足させることができる。
【００６７】
図９には、インク供給路１４６の断面の高さ（供給路高さ）と、流路抵抗／イナータンスの関係が示されている。このグラフからも、インク供給路１４６の高さを４０μｍ以下とすると、イナータンスに対して流路抵抗が相対的に大きくなっていることが分かる。かかる効果を得るためには、インク供給路１４６の高さを３０μｍ以下にすることがより好ましく、２０μｍ以下にすることが特に好ましい。特に、粘度の高いインク（たとえば２ｃＰ以上）を使用した液滴吐出ヘッドの場合には、イナータンスｍ_Ｔを増加させることなく、流路抵抗ｒ_ｓを増加させることが好ましい。なお、このグラフでは、同一の供給路高さで、複数の（流路抵抗／イナータンス）の値がプロットされているが、これは、インク供給路１４６の長手方向の長さ（幅）を６０〜２００μｍの範囲で変化させて（流路抵抗／イナータンス）の値を得たものである。インク供給路１４６の幅を変化させても、（流路抵抗／イナータンス）の値は大きく変化しておらず、インク供給路１４６の幅に対する依存性は小さいことが分かる。
【００６８】
ただし、インク供給路１４６の高さをあまりに小さく（低く）すると、製造上の歩留まりが低下したり、特性の均一性が確保されなかったりするおそれがある。すなわち、インク供給路を形成するプレートが非常に薄くなると、ヘッド製造を行う際のハンドリング性が悪化すると共に、高い寸法精度を得ることも困難となってしまう。したがって、製造上の歩留まりを高めたり、特性の均一性を維持したりする観点からは、インク供給路１４６の高さを１０μｍ以上とすることが好ましい。
【００６９】
また、インク供給路１４６の開口径は、ノズル１４０（インク吐出口１５２）の開口径と同等あるいはそれ以下とすると、インク供給路１４６でのメニスカス保持力が大きくなり、これによっても不吐出イジェクタの連鎖的な広がりを防止できるので、好ましい。すなわち、図１０（Ａ）に示すように、不吐出のイジェクタ１３８では、ノズル１４０内を後退してきたメニスカス１５４が圧力発生室１４２に達し（図１０（Ａ）〜（Ｂ）参照）、さらに、インク供給路１４６内を後退することがある。これに対し、インク供給路１４６の開口径をノズル１４０の開口径と同等あるいはそれ以下とすると、図１０（Ｃ）に示すように、メニスカス１５４の後退が、インク供給路１４６の圧力発生室１４２との接続部分１４６Ｃでの表面張力によって止められる。これにより、不吐出イジェクタが連鎖的に発生する現象を防止することが可能となる。
【００７０】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
【００７１】
図１１には、本発明の第２実施形態の液滴吐出ヘッド２１２が示されている。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成要素、部材等については同一符号を付して、詳細な説明を省略する。また、第２実施形態の液滴吐出ヘッドは、液滴吐出ヘッドの構成が第１実施形態と異なっているのみであるので、図示を省略する。
【００７２】
第２実施形態の液滴吐出ヘッド２１２では、イジェクタ１３８（ノズル１４０）が２次元的にマトリクス状に配置された、いわゆるマトリクスヘッドとされている。これらのイジェクタ１３８は、所定数（図１１では６個）ごとにグループ化されており、それぞれのグループが、共通インク流路１２４の支流部１２４Ｓによって連結されている。さらに、支流部１２４Ｓは所定数（図１１では６本）ごとに、おなじく共通インク流路１２４の本流部１２４Ｍによって連結されている。
【００７３】
なお、第２実施形態の液滴吐出ヘッド２１２においても、第１実施形態の液滴吐出ヘッド１１２と同様に、共通インク流路１２４と圧力発生室１４２とは、個別インク流路１２２によって連結されているが、図１１では、個別インク流路１２２の図示を省略している。
【００７４】
このように、イジェクタ１３８を２次元的にマトリクス状に配置した構成では、より多くのノズル１４０を高密度で配置することができるので、高速での画像記録が可能となる。
【００７５】
そして、第２実施形態においても第１実施形態と同様、前述の式（１）の条件を満たすように、各構成要素の形状や位置などが決められている。したがって、不吐出のイジェクタ１３８が発生しても、その連鎖的な広がりを確実に防止できると共に、高い吐出周波数でも確実にインクを圧力発生室１４２に充填可能となる。
【００７６】
特に、イジェクタ１３８マトリクス配置にすると、それぞれのイジェクタ１３８が幅狭の支流部１１８Ｓを介して連結されていることになるので、液体供給系の流路抵抗が大きくなりやすく、不吐出のイジェクタ１３８が連鎖的に周囲に広がりやすい。しかし、式（２）の条件を満たすように液体供給系を構成することで、不吐出イジェクタの連鎖的発生をを確実に防止できる。例えば、支流部１１８Ｓでの流路抵抗増加を補うように、フィルタ１２６やサブタンク１３０の流路抵抗を減少させることにより、不吐出イジェクタの連鎖的発生を武士することが可能となる。
【００７７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明に好適な実施形態を示したものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。すなわち、本発明の主旨を逸脱することなく、種々の変形、改良、修正、簡略化などを、上記実施形態に加えてもよい。
【００７８】
例えば、上記各実施形態では、圧力発生手段として圧電アクチュエータを用いたが、静電力や磁力を利用した電気機械変換素子や、沸騰現象を利用して圧力を発生させるための電気熱変換素子など、他の圧力発生手段を用いてもかまわない。圧電アクチュエータとしても、本実施形態で使用した単板型の圧電アクチュエータの他に、縦振動タイプの積層型圧電アクチュエータなど、別の形態のアクチュエータを用いてもかまわない。
【００７９】
また、上記実施形態では、液体供給系を図５や図１１に示すような構成としたが、他の構成の液体供給系を用いることも可能である。例えば、インクタンク１３４が共通インク流路１２４に直結される構成や、記録時にはインクタンク１３４とサブタンク１３０が分断されており、必要に応じてインクタンク１３４からサブタンク１３０へ液体が供給されるような構成など、様々な構成の液体供給系を有する液滴吐出ヘッドに対して本発明は適用可能である。
【００８０】
また、上記実施形態では、圧電アクチュエータ１５０の駆動を図８のような単純な電圧波形によって行ったが、さらに複雑な駆動電圧波形を用いる場合においても本発明が適用可能であることは明白である。
【００８１】
また、上記実施形態では、記録用紙Ｐ上に着色インクの液滴（インク滴）を吐出して文字や画像などの記録を行う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を例に挙げたが、本発明の液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置としては、このようなインクジェット記録、すなわち、記録用紙上への文字や画像の記録に用いられるものに限定されない。また、記録媒体は紙に限定されるわけではなく、吐出する液体も着色インクに限定されるわけではない。例えば、高分子フィルムやガラス上に着色インクを吐出して行うディスプレイ用のカラーフィルターの作製、溶融状態のハンダを基板上に吐出して行う部品実装用のバンプの形成、有機ＥＬ溶液を基板上に吐出させて行うＥＬディスプレイパネルの形成、溶融状態のハンダを基板上に吐出して行う電気実装用のバンプの形成など、様々な工業的用途を対象とした液滴噴射装置一般に対して、本発明の液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置を適用することも可能である。
【００８２】
また、液滴吐出装置として、上記では液滴吐出ヘッドをキャリッジによって移動させながら液滴吐出を行う形態としたが、インク吐出口１５２を記録媒体の全幅にわたって配置したライン型の液滴吐出ヘッドドを用い、このライン型ヘッドを固定して、記録媒体のみを搬送しながら記録を行う（この場合は主走査のみとなる）など、別の装置形態に本発明を適用することも可能である。
【００８３】
【発明の効果】
本発明は上記構成としたので、不吐出ノズルの連鎖的発生を防止でき、しかも高速で画像を記録可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】液滴吐出ヘッドの構成を概念的に示す説明図である。
【図２】液滴吐出ヘッドにおいてノズルから液滴が吐出されるときのメニスカスの変化を（Ａ）から（Ｆ）へと順に示す説明図である。
【図３】液滴吐出ヘッドのリフィル時における経過時間とメニスカス中央の位置との関係の一例を示すグラフである。本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドのイジェクタを示す断面図である。
【図４】図１に示す液滴吐出ヘッドと等価な電気回路を示す回路図である。
【図５】本発明の第１実施形態の液滴吐出ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の第１実施形態の液滴吐出ヘッドを示す断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態の液滴吐出装置を示す斜視図である。
【図８】本発明の第１実施形態の液滴吐出ヘッドの圧電アクチュエータに印加される駆動電圧の電圧波形一例を示すグラフである。
【図９】液滴吐出ヘッドにおける供給路高さと、（流路抵抗／イナータンス）の関係を示すグラフである。
【図１０】不吐出のイジェクタが発生した場合のノズル内のメニスカスの様子の一例を（Ａ）〜（Ｃ）へと順に示す説明図である。
【図１１】本発明の第２実施形態の液滴吐出ヘッドの概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０２ 液滴吐出装置
１１２ 液滴吐出ヘッド
１１４ 液室
１１８ 液体供給系
１１８Ｓ 支流部
１１８Ｍ 本流部
１２０ 液体供給路
１２２ 個別インク流路
１２５ インク管路（液体供給系）
１２４ 共通インク流路（液体供給系）
１２４Ｓ 支流部
１２４Ｍ 本流部
１２８ インク管路（液体供給系）
１３０ サブタンク（液体供給系）
１３２ インクチューブ（液体供給系）
１３４ インクタンク（液体タンク）
１３８ イジェクタ
１４０ ノズル
１４２ 圧力発生室（液室）
１４６ インク供給路
１４８ 振動板
１５０ 圧電アクチュエータ
１５４ メニスカス
１５６ 液滴
２１２ 液滴吐出ヘッド
Ｐ 記録用紙[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a droplet discharge head and a droplet discharge device, and more particularly, to record a character or an image on a recording medium by discharging a droplet, or to form a fine pattern or a thin film on a substrate. Droplet discharge head and a droplet discharge device for the same.
[0002]
[Prior art]
As a droplet discharge device, a pressure wave (acoustic wave) is generated from a liquid filled in the pressure generation chamber using a pressure generation unit such as a piezoelectric actuator, and the pressure wave causes a nozzle connected to the pressure generation chamber to generate a pressure wave (acoustic wave). Devices that discharge droplets are generally well known. In particular, an ink jet recording apparatus that discharges ink droplets to record characters, images, and the like on recording paper has been widely used (for example, Patent Documents 1 and 2), and recently, the volume of ink droplets has been reduced. The use of low-density inks and the like enables extremely high-quality image recording.
[0003]
Further, in recent years, attempts have been made to industrially utilize a droplet discharge device using the above-described droplet discharge method. The main use cases are:
(A) discharging a conductive polymer solution onto a substrate to form a wiring pattern and a transistor,
(B) forming an EL display panel by discharging the organic EL solution onto the substrate;
(C) forming a bump for electrical mounting by discharging the molten solder onto the substrate;
(D) A three-dimensional object is formed by laminating and curing droplets of a UV-curable resin on a substrate
(E) forming an organic thin film by discharging a solution of an organic material (such as a resist solution) onto the substrate;
And the like. As described above, the droplet discharge device is being used not only for the purpose of image recording but also in a wide area, and it is expected that the range of use will be further expanded in the future.
[0004]
In the following, an object from which droplets are ejected by a droplet ejection head is referred to as a “recording medium”, and a pattern of dots on a recording medium obtained by depositing droplets on the recording medium is referred to as an “image”. "Or" recorded image ". Therefore, the “recording medium” in the following description includes, of course, recording paper, an OHP sheet, and the like, but also includes, for example, the above-described substrate and the like. The “image” below includes not only general images (characters, pictures, photographs, etc.) but also the above-described wiring patterns, three-dimensional objects, organic thin films, and the like.
[0005]
In order to achieve high-speed image recording in such a droplet discharge device, it is necessary to increase the number of nozzles, that is, to provide a configuration having more nozzles. Therefore, for example, Patent Literature 1 and Patent Literature 2 propose a droplet discharge head (hereinafter, referred to as a “matrix array head”) in which nozzles are two-dimensionally arranged in a matrix and the number thereof is increased. ing.
[0006]
By the way, in general, in a droplet discharge head, a non-discharge nozzle may be generated due to some factor (for example, impact from the outside, entrapment of bubbles caused by foreign matter such as mist or dust attached to the nozzle opening), or the like. is there. Such a non-ejection nozzle may deteriorate the image quality. Therefore, in a conventional droplet ejection head, a recovery operation (or maintenance operation) such as a so-called dummy jet, vacuum, or wiping is performed, and the state of the non-ejection nozzle is reduced. I am trying to eliminate it.
[0007]
When the number of non-ejection nozzles is small (for example, one non-ejection nozzle for one droplet ejection head), the influence of the non-ejection nozzle on image quality is small. Therefore, if the above-described recovery operation is performed after the number of non-ejection nozzles increases, the frequency of the recovery operation can be reduced.
[0008]
However, from the viewpoint of improving the recording speed and the like, in a droplet discharge head in which a large number of nozzles are arranged at a high density, when one nozzle is in a non-discharge state, the surrounding nozzles are also in a non-discharge state. Sometimes. When such a phenomenon occurs, a large number of non-ejection nozzles are concentrated on a part of the head, thereby deteriorating the image quality. In order to solve this, a recovery operation may be performed every time a non-ejection nozzle is generated. However, frequent recovery operations increase the ink consumption.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-1-208146
[Patent Document 2]
JP-A-9-156095
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to provide a droplet discharge head that can prevent a chain of non-discharge nozzles from occurring and that can perform high-speed image recording. It is an object of the present invention to provide a droplet discharge device provided with a suitable droplet discharge head.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, in the invention according to claim 1, a plurality of liquid chambers filled with liquid, a nozzle communicating with each of the liquid chambers, and the liquid chamber is filled according to image information. An energy applying means for applying energy to the liquid to discharge droplets from the nozzle, a liquid tank in which the liquid is stored in advance, and a liquid supply communicating with the liquid tank and provided in common to a plurality of liquid chambers And a liquid supply path provided corresponding to each of the liquid chambers and communicating with the liquid supply system, wherein the liquid supply path has a flow path resistance r. _s Is the flow resistance of each of the liquid supply system, the nozzle and the liquid chamber. _p , R _n , R _c , The inertance from the liquid tank to the nozzle _T , The acoustic capacity of the meniscus formed in the nozzle is c _n As
[0012]
(Equation 2)

Is set to satisfy the following.
[0013]
In this droplet discharge head, the liquid stored in the liquid tank is supplied from the liquid supply system to the liquid chamber via the liquid supply path. Energy according to image information is applied to the liquid filled in the liquid chamber by the energy applying means, and droplets are ejected from the nozzles.
[0014]
Here, in the droplet discharge head of the present invention, the flow path resistance r of the liquid supply path _s Is the flow resistance r of the liquid supply system. _p Against
[0015]
[Equation 3]

Is set to meet. Thereby, even if a non-ejection nozzle occurs, this chain spread can be prevented.
[0016]
Also, the flow path resistance r of the liquid supply path _s Is the flow resistance of each of the liquid supply system, the nozzle, and the pressure generating chamber. _p , R _n , R _c , The inertance from the liquid tank to the nozzle _T , The acoustic capacity of the meniscus formed in the nozzle is c _n As
[0017]
(Equation 4)

Is also set to meet. This makes it possible to return the meniscus to the initial state by pulling the liquid into the nozzle again in a short time after the droplet is discharged (hereinafter, this operation is referred to as “refill”), thereby enabling high-speed image recording. become.
[0018]
In the invention described in claim 2, in the invention described in claim 1, the nozzle is two-dimensionally arranged, and the liquid supply system branches off from the main flow section communicating with the liquid tank. And a plurality of tributaries communicating with the liquid supply path.
[0019]
Thus, by arranging the nozzles two-dimensionally, many nozzles can be arranged at a high density, and image recording at a higher speed becomes possible. Moreover, even if the nozzles are arranged at such a high density, it is possible to prevent the non-ejection nozzles from expanding in a chain.
[0020]
In addition, since the liquid supply system is composed of a main flow section and a tributary section, the liquid in the liquid tank is efficiently supplied to the liquid chamber by sequentially passing the liquid to the main flow section, the tributary section, and the liquid supply path. it can.
[0021]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, when the liquid supply path is viewed in a cross section orthogonal to the liquid flow direction, the length of the cross-sectional shape in the short direction is smaller. It is characterized in that it is 10 to 40 μm.
[0022]
As described above, by setting the length of the cross-sectional shape of the liquid supply path in the short direction to 40 μm or less, the flow path resistance can be increased without increasing the inertance. Therefore, the condition of the above equation (2) can be satisfied without increasing the refill time.
[0023]
In addition, by setting the length of the cross-sectional shape of the liquid supply path in the width direction to 10 μm or more, it is possible to increase the production yield and to maintain uniform characteristics.
[0024]
In the invention described in claim 4, in the invention described in any one of claims 1 to 3, a supply path diameter at a connection portion of the liquid supply path with the liquid chamber is equal to or equal to an opening diameter of the nozzle. It is characterized by being less than that.
[0025]
When the supply path diameter at the connection portion of the liquid supply path with the liquid chamber is equal to or smaller than the opening diameter of the nozzle, the meniscus holding force in the liquid supply path can be relatively increased. Therefore, even when the meniscus retreats inside the nozzle and reaches the liquid chamber in the non-ejection nozzle, it is possible to prevent the meniscus from further retreating to the liquid supply path, and to suppress the chain spread of the non-ejection nozzle.
[0026]
Here, “equal or less” means that the nozzle opening diameter is d _n And the opening diameter of the liquid supply path is d _s Then d _s <1.2d _n The relationship is established.
[0027]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the droplet discharge head according to any one of the first to fourth aspects.
[0028]
Since the droplet discharge head according to any one of claims 1 to 4 is provided, it is possible to prevent a chain of non-discharge nozzles from occurring, and to record an image at high speed.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, the basic operation and operation of the present invention will be described.
[0030]
FIG. 1 schematically shows the vicinity of the ejector 138 of the droplet discharge head 112. FIG. 2 shows states of the meniscus 154 in the nozzle 140 before and after the droplet is discharged, in order from (A) to (F).
[0031]
The droplet discharge head 112 includes a plurality of (e.g., ten in FIG. 1) ejectors 138, which are grouped into groups of five and arranged in a 5 × 2 matrix (two-dimensional) as a whole. Have been. Each ejector 138 has a liquid chamber 114 filled with a liquid, and a nozzle 140 provided corresponding to each of the liquid chambers 114. The liquid stored in the liquid tank (not shown in FIG. 1; see the ink tank 134 shown in FIG. 5) communicates with the respective liquid chambers 114 via the main flow part 118M and the tributary part 118S of the liquid supply system 118. The liquid is supplied from the supply path 120 to the liquid chamber 114. In the state where the liquid is filled in the liquid chamber 114, as shown in FIG. 2A, the meniscus 154 of the liquid is maintained in a predetermined shape and at a predetermined position in each nozzle 140. Then, when energy according to image information is applied by an energy applying means (not shown in FIG. 1, see the piezoelectric actuator 150 shown in FIG. 6), as shown in FIG. Is discharged. Therefore, in the droplet discharge head 112 having this configuration, the plurality of ejectors 138 are connected by the common branch 118S (pool), and the two branches 118S communicate with the single main stream 118M. . In the following, the flow resistance of the liquid supply system 118 from the liquid tank to the branch 118S is represented by r _p And the flow path resistance of the liquid supply path 120 is r _s And
[0032]
Here, if for some reason one ejector 138A fails to discharge, the meniscus in the nozzle 140A is destroyed, and the meniscus holding force of the nozzle 140A also disappears or decreases.
[0033]
At this time, r _p > R _s In the case of (1), the adjacent ejector 138B receives the supply of liquid from the ejector 138A that has become non-ejected. Actually, since air has entered the liquid supply path 120 communicating with the nozzle 140A, this air enters the ejector 138B. As a result, in addition to the ejector 138A, the ejector 138B also becomes non-ejection. Then, the ejector 138C, which is further adjacent, also receives the supply of the liquid from the ejector 138B, so that the ejector 138C does not discharge. In this manner, when one ejector 138 fails to discharge, the adjacent ejectors 138 also fail in a chain.
[0034]
In particular, in a droplet discharge head (matrix head) in which a large number of ejectors are two-dimensionally arranged, the branch portion 118S connecting each ejector 138 becomes narrow, so that the flow resistance r of the liquid supply system 118 is reduced. _p Tend to increase, and the above-mentioned phenomenon (a chain spread of non-ejection ejectors) tends to occur.
[0035]
In general, the liquid supply path 120 is often formed to have a rectangular cross section from the viewpoint of reducing manufacturing costs and the like. However, in the liquid supply path 120 having such a shape, the flow path resistance is likely to be small. Phenomena are likely to occur.
[0036]
In contrast, in the present invention, the flow path resistance r of the liquid supply system 118 _p And the flow path resistance r of the liquid supply path 120 _s Between
[0037]
(Equation 5)

The shapes of the liquid supply system 118 and the liquid supply path 120 are determined so that the following relationship holds. Flow resistance r of the liquid supply path 120 _s Is the flow path resistance r of the liquid supply system 118 _p Therefore, even if one ejector 138 becomes non-ejected, the ejector 138 adjacent to the ejector 138 continues to receive the supply of the liquid from the liquid supply system 118 instead of the non-ejected ejector 138. Can be prevented from spreading in a chain. In addition, there is no need to frequently perform a recovery operation (maintenance operation) for eliminating a non-ejection state of the ejector and preventing a deterioration in image quality. From this point of view,
5r _p <R _s (2) '
It is preferable that
[0038]
10r _p <R _s (2) "
It is particularly preferred that
[0039]
By the way, in order to prevent the chain spread of the non-ejection ejector, it suffices to satisfy the condition of the above equation (2). _s When the value is increased, the resistance when the liquid is drawn into the liquid chamber 114 again after the droplet is discharged increases, and it takes a long time to fill the liquid.
[0040]
As shown in FIG. 2C, when the droplet 156 is ejected from the nozzle 140, the meniscus 154 once retreats inside the nozzle 140. The retracted meniscus 154 is returned by the action of the surface tension of the meniscus 154, as shown in FIGS. That is, the surface tension of the meniscus 154 acts as a kind of spring and draws the liquid from the liquid tank into the nozzle 140, whereby the meniscus 154 returns to a flat state (initial state). This meniscus return operation is called “refill”.
[0041]
FIG. 3 shows the relationship between the change in the meniscus position during refilling and the elapsed time from immediately after the ejection of the droplet 156 and the change in the meniscus position (center position y of the meniscus, see FIG. 2C). Graphed (refill curve). After the droplet is ejected (t = 0), y ₀ The meniscus 154 retracted to the position (maximum retraction amount) returns to a stationary state (initial state, y = 0) while attenuating. The time (t) at which the meniscus returns to the nozzle opening surface for the first time after the droplet is discharged _r ) Will be referred to as the “refill time”.
[0042]
In order to stably perform continuous droplet discharge, refilling must be completed before the next droplet discharge is performed. That is, in order to increase the maximum drive frequency of the ejector 138, it is necessary to shorten the refill time of the ejector.
[0043]
According to the equivalent circuit, the meniscus vibration after discharging the liquid droplet is represented as shown in FIG. Here, r indicates flow path resistance, m indicates inertance, suffix s indicates liquid supply path 120, n indicates nozzle 140, c indicates liquid chamber 114, and p indicates liquid supply system 118. Also, c _n Indicates the acoustic capacity of the meniscus. In this circuit, the pressure φ of the step function corresponding to the meniscus receding amount after the droplet discharge is input and solved, and the volume velocity u at the nozzle portion is calculated. ₃ Is obtained as a function of time t, the following equation is obtained.
[0044]
(Equation 6)

In general, in the case of a flow path having a circular cross section, d is a flow path diameter [m], l is a flow path length [m], and η is a fluid viscosity [Pa · s].
[0045]
(Equation 7)

In the case of a channel having a rectangular cross-section, S is defined as the channel cross-sectional area [m ² ], Z is the aspect ratio of the channel cross section,
[0046]
(Equation 8)

Can be determined by:
[0047]
Similarly, the inertance is defined as ρ is the density of the liquid [kg / m ³ ], L is the channel length [m], S is the channel cross-sectional area [m ² ]
[0048]
(Equation 9)

Can be determined by:
[0049]
Also, the acoustic capacity c of the meniscus _n Is d for a circular nozzle _n Is the nozzle diameter, and σ is the surface tension of the liquid.
[0050]
(Equation 10)

Here, oscillation (refill oscillation) occurs in the meniscus when the square root of the equation (6) becomes positive, that is, when the following condition is satisfied.
[0051]
[Equation 11]

If the above conditional expression is not satisfied, refill oscillation does not occur in the meniscus, so that the refill time becomes very long. Therefore, in order to realize a high-speed refill, it is essential to satisfy the above condition.
[0052]
Then, after satisfying the above conditions, an actual droplet ejection head is used to observe ejection by using an actual droplet ejection head for more desirable conditions for preventing the chain spread of the non-ejection ejector and achieving refilling in a short time. Examined. Table 1 shows the results. In the evaluations of “prevention of chain non-discharge” and “high frequency discharge” in Table 1, “「 ”indicates that extremely desirable results were obtained, and“ ○ ”indicates that desirable results were obtained. “△” indicates that a problem may occur slightly, but there is no practical problem at all, and “×” indicates that a problem occurs. The condition of the equation (3) is indicated by “○” when the condition is satisfied, and by “X” when the condition is not satisfied. In the “judgment”, in both “prevention of consecutive ejection failures” and “high-frequency ejection”, those with an evaluation of “△” or more were evaluated as “○”, and the others were evaluated as “x”.
[0053]
[Table 1]

As can be seen from Table 1, in order to execute stable ejection at a high frequency (15 kHz or more), r _T It became clear that the following conditions had to be satisfied.
[0054]
(Equation 12)

That is, in order to realize high-speed refilling in response to droplet discharge at a high frequency of 15 kHz or more, the flow resistance r _s Must satisfy the following conditions.
[0055]
(Equation 13)

Therefore, from the viewpoint of preventing chain spread of the non-ejection ejector and achieving high-frequency droplet ejection (high-speed image recording) by achieving refilling in a short time,
[0056]
[Equation 14]

It can be said that it is only necessary to satisfy the condition of
[0057]
When the nozzle has a shape other than a circular shape, a circular nozzle having the same opening area may be assumed, and the acoustic capacity may be obtained by Expression (9).
[0058]
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, components, members, and the like having the same names as described above have basically the same operations as those described above.
[0059]
FIGS. 5 and 6 show a droplet discharge head 112 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 7 shows a droplet discharge device 102 including the droplet discharge head 112. The droplet discharge head 112 of this embodiment is a so-called inkjet recording head, and the droplet discharge device 102 including the droplet discharge head 112 is an inkjet recording device. The droplet discharge device 102 is used for discharging droplets (ink droplets) of colored ink onto a recording sheet P as a recording medium, and recording an image with dots formed by the droplets.
[0060]
As shown in FIG. 7, the droplet discharge device 102 moves the carriage 104 on which the droplet discharge head 112 is mounted and the carriage 104 in a predetermined main scanning direction along the recording surface of the recording paper P (main scanning). ), And a sub-scanning mechanism 108 for transporting (sub-scanning) the recording paper P in a predetermined sub-scanning direction that intersects (preferably orthogonally) the main scanning direction. In the drawings, the main scanning direction is indicated by an arrow M, and the sub-scanning direction is indicated by an arrow S.
[0061]
The droplet discharge head 112 is mounted on the carriage 104 such that the nozzle surface on which the nozzle 140 is formed faces the recording paper P, and moves on the recording paper P while being moved in the main scanning direction by the main scanning mechanism 106. An image is recorded on a certain band area BE by discharging droplets. When one movement in the main scanning direction is completed, the recording paper P is conveyed in the sub scanning direction by the sub scanning mechanism 108, and the next band area is recorded while the carriage 104 is moved in the main scanning direction again. By repeating such an operation a plurality of times, image recording can be performed over the entire surface of the recording paper P.
[0062]
As shown in FIG. 5, the droplet discharge head 112 has a plurality of (in this embodiment, 64, of which only 7 are shown in FIG. 5) ejectors 138, and these ejectors 138 They are connected to each other by a common ink flow path 124 via a flow path 146 (see FIG. 6, which corresponds to the liquid supply path 122 in FIG. 1). The common ink flow path 124 is connected to an ink tank 134 via an ink pipe 125, a filter 126, an ink pipe 128, a sub tank 130 and an ink tube 132, and ink (liquid) stored in the ink tank 134 in advance. Is supplied to each pressure generating chamber 142 of the ejector 138 (corresponding to the liquid chamber 114 shown in FIG. 1). In the present embodiment, the liquid supply system 118 of the present invention includes the common ink flow path 124, the ink conduit 125, the filter 126, the ink conduit 128, the sub tank 130, the ink tube 132, and the ink tank 134. Note that the droplet discharge head 112 of the first embodiment is a so-called line head in which the ejectors 138 are arranged in a line. Therefore, in the liquid supply system 118, the main flow portion 118M and the tributary portion 118S shown in FIG. 1 are not particularly distinguished.
[0063]
As shown in FIG. 6, the droplet discharge head 112 is configured by laminating and joining a plurality of plates perforated by etching or the like using an adhesive. Each pressure generating chamber 142 communicates with a common ink flow path 124 via an ink supply path 146 (corresponding to the individual ink flow path 122 shown in FIG. 1). Is filled. Each pressure generating chamber 142 is provided with a nozzle 140 for discharging ink droplets.
[0064]
The bottom surface of the pressure generation chamber 142 has a vibration plate 148, and one surface of the pressure generation chamber 142 is constituted by the vibration plate 148. A piezoelectric actuator 150 as pressure generating means is attached to the surface of the vibration plate 148 opposite to the pressure generating chamber 142. When a drive signal corresponding to the image information is applied to the piezoelectric actuator 150, the piezoelectric actuator 150 expands or compresses the pressure generating chamber 142 via the vibration plate 148. Thus, the ink in the nozzle 140 can be moved by the pressure wave generated in the pressure generating chamber 142, and the droplet 156 can be ejected from the nozzle 140. In addition, as a voltage waveform of the drive signal applied to the piezoelectric actuator 150, for example, the one shown in FIG. The voltage waveform of the drive voltage 142 is a first voltage change process 162 (the required time t) for changing the voltage in the direction of compressing the pressure generation chamber 142. ₁ ) And a voltage maintaining process 164 (a required time t) for maintaining the changed voltage (high voltage) for a certain period of time. ₂ ) And the applied voltage to the original bias voltage (V _b ) (Required time t) ₃ ).
[0065]
In the present embodiment, the shape and position of each component are determined so as to satisfy Expression (1). Therefore, even if one ejector 138 fails to discharge for some reason, it is possible to reliably prevent the non-discharge nozzles from successively expanding. Even if the recovery operation for eliminating the non-ejection nozzle is not frequently performed, the image quality can be maintained, and the ink consumption does not increase. In addition, since a decrease in the refill speed is prevented, ink can be reliably filled into the pressure generating chamber 142 and ink droplets can be ejected corresponding to a high ejection frequency (for example, 15 kHz or more).
[0066]
In the present invention, the specific configuration of the ink supply path 146 is not particularly limited as long as the above conditions are satisfied. However, in general, the ink supply path 146 is required to manufacture the droplet discharge head 112 at low cost. Is often formed such that its cross section (cross section with the ink flow direction as a normal line) is square. In this case, if the length of the cross-sectional shape in the short direction (hereinafter, referred to as “height”) is 40 μm or less, the inertance m _s Without increasing the flow path resistance r _s Can be increased, so that the condition of the above equation (2) can be satisfied without increasing the refill time.
[0067]
FIG. 9 shows the relationship between the height of the cross section of the ink supply path 146 (supply path height) and the flow path resistance / inertance. It can also be seen from this graph that when the height of the ink supply path 146 is 40 μm or less, the flow path resistance is relatively large with respect to the inertance. In order to obtain such an effect, the height of the ink supply path 146 is more preferably set to 30 μm or less, and particularly preferably set to 20 μm or less. In particular, in the case of a droplet discharge head using a high-viscosity ink (for example, 2 cP or more), the inertance m _T Without increasing the flow path resistance r _s Is preferably increased. In this graph, a plurality of (flow path resistance / inertance) values are plotted at the same supply path height. This is because the length (width) of the ink supply path 146 in the longitudinal direction is 60. The value of (flow path resistance / inertance) was obtained by changing the value in the range of 200 μm. Even when the width of the ink supply path 146 was changed, the value of (flow path resistance / inertance) did not change significantly, indicating that the dependence on the width of the ink supply path 146 was small.
[0068]
However, if the height of the ink supply path 146 is too small (low), the production yield may be reduced, or uniformity of characteristics may not be ensured. In other words, if the plate forming the ink supply path is extremely thin, the handleability in manufacturing the head is deteriorated, and it is also difficult to obtain high dimensional accuracy. Therefore, the height of the ink supply path 146 is preferably set to 10 μm or more from the viewpoint of increasing the production yield and maintaining the uniformity of the characteristics.
[0069]
Further, if the opening diameter of the ink supply path 146 is equal to or smaller than the opening diameter of the nozzle 140 (ink discharge port 152), the meniscus holding force in the ink supply path 146 increases, and this also prevents the non-discharge ejector from being discharged. This is preferable because chain spread can be prevented. That is, as shown in FIG. 10A, in the non-ejection ejector 138, the meniscus 154 that has receded in the nozzle 140 reaches the pressure generating chamber 142 (see FIGS. 10A and 10B). The inside of the ink supply path 146 may be retreated. On the other hand, when the opening diameter of the ink supply path 146 is equal to or smaller than the opening diameter of the nozzle 140, the meniscus 154 is retracted and the pressure generating chamber 142 of the ink supply path 146 is retracted as shown in FIG. Is stopped by the surface tension at the connection portion 146C. This makes it possible to prevent a phenomenon in which the non-ejection ejectors occur in a chain.
[0070]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0071]
FIG. 11 shows a droplet discharge head 212 according to a second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the same reference numerals are given to the same components, members, and the like as those in the first embodiment, and detailed description is omitted. Further, the configuration of the droplet discharge head of the droplet discharge head according to the second embodiment is different from that of the first embodiment only, and is not illustrated.
[0072]
The droplet discharge head 212 of the second embodiment is a so-called matrix head in which the ejectors 138 (nozzles 140) are two-dimensionally arranged in a matrix. These ejectors 138 are grouped by a predetermined number (six in FIG. 11), and the respective groups are connected by the branch portion 124 </ b> S of the common ink channel 124. Further, the branch portions 124S are connected to each other by a predetermined number (six in FIG. 11) by a main portion 124M of the common ink channel 124.
[0073]
In the droplet discharge head 212 according to the second embodiment, as in the droplet discharge head 112 according to the first embodiment, the common ink channel 124 and the pressure generating chamber 142 are connected by the individual ink channel 122. However, in FIG. 11, the illustration of the individual ink flow paths 122 is omitted.
[0074]
As described above, in the configuration in which the ejectors 138 are two-dimensionally arranged in a matrix, more nozzles 140 can be arranged at a high density, so that high-speed image recording becomes possible.
[0075]
In the second embodiment, as in the first embodiment, the shape and position of each component are determined so as to satisfy the condition of the above-described equation (1). Therefore, even if a non-ejection ejector 138 occurs, the chain expansion can be reliably prevented, and the pressure generation chamber 142 can be reliably filled with ink even at a high ejection frequency.
[0076]
In particular, when the ejectors 138 are arranged in a matrix, the ejectors 138 are connected via the narrow branch portions 118S, so that the flow path resistance of the liquid supply system is likely to be large, and the non-ejection ejectors 138 are not provided. It is easy to spread around in a chain. However, by configuring the liquid supply system so as to satisfy the condition of the expression (2), it is possible to reliably prevent the consecutive occurrence of non-ejection ejectors. For example, by reducing the flow path resistance of the filter 126 and the sub-tank 130 so as to compensate for the increase in flow path resistance in the branch section 118S, it is possible to sabotage the chain occurrence of non-ejection ejectors.
[0077]
The embodiments of the present invention have been described above, but these embodiments show preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to these embodiments. That is, various modifications, improvements, modifications, simplifications, and the like may be added to the above embodiment without departing from the gist of the present invention.
[0078]
For example, in each of the above embodiments, a piezoelectric actuator was used as the pressure generating means, but an electromechanical conversion element using electrostatic force or magnetic force, an electrothermal conversion element for generating pressure using a boiling phenomenon, and the like, Other pressure generating means may be used. As the piezoelectric actuator, in addition to the single-plate type piezoelectric actuator used in the present embodiment, another type of actuator such as a vertical vibration type laminated piezoelectric actuator may be used.
[0079]
In the above embodiment, the liquid supply system is configured as shown in FIGS. 5 and 11; however, a liquid supply system having another configuration can be used. For example, a configuration in which the ink tank 134 is directly connected to the common ink flow path 124 or a configuration in which the ink tank 134 and the sub tank 130 are separated at the time of recording, and the liquid is supplied from the ink tank 134 to the sub tank 130 as necessary. The present invention is applicable to a droplet discharge head having a liquid supply system having various configurations such as a configuration.
[0080]
In the above embodiment, the piezoelectric actuator 150 is driven by a simple voltage waveform as shown in FIG. 8, but it is apparent that the present invention can be applied to a case where a more complicated drive voltage waveform is used. .
[0081]
Further, in the above-described embodiment, the ink jet recording head and the ink jet recording apparatus for recording characters, images, and the like by discharging droplets (ink droplets) of the colored ink on the recording paper P have been described as examples. The droplet discharge head and the droplet discharge device are not limited to those used for ink jet recording, that is, for recording characters and images on recording paper. Further, the recording medium is not limited to paper, and the liquid to be ejected is not limited to colored ink. For example, production of a color filter for display by discharging colored ink on a polymer film or glass, formation of bumps for component mounting by discharging molten solder onto a substrate, and application of an organic EL solution on a substrate In contrast to the general use of droplet ejection devices for various industrial applications, such as the formation of EL display panels by discharging liquid onto the substrate and the formation of bumps for electrical mounting by discharging molten solder onto the substrate, The droplet discharge head and the droplet discharge device of the invention can be applied.
[0082]
Further, in the above, the droplet discharge device is configured to perform droplet discharge while moving the droplet discharge head by the carriage, but a line type droplet discharge head having the ink discharge ports 152 arranged over the entire width of the recording medium is used. It is also possible to apply the present invention to another apparatus form, such as using the line type head and performing recording while conveying only the recording medium (in this case, only main scanning).
[0083]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, it is possible to prevent a chain of non-discharge nozzles from occurring, and to record an image at a high speed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view conceptually showing the configuration of a droplet discharge head.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a change in meniscus when a droplet is ejected from a nozzle in a droplet ejection head in order from (A) to (F).
FIG. 3 is a graph showing an example of a relationship between an elapsed time at the time of refilling of a droplet discharge head and a center position of a meniscus. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an ejector of the droplet discharge head according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram showing an electric circuit equivalent to the droplet discharge head shown in FIG.
FIG. 5 is a perspective view illustrating a schematic configuration of a droplet discharge head according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the droplet discharge head according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a perspective view showing the droplet discharge device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph illustrating an example of a voltage waveform of a drive voltage applied to a piezoelectric actuator of the droplet discharge head according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the supply path height and (flow path resistance / inertance) in the droplet discharge head.
FIGS. 10A to 10C are explanatory diagrams sequentially showing an example of a state of a meniscus in a nozzle when a non-ejection ejector occurs, in the order of (A) to (C).
FIG. 11 is a perspective view illustrating a schematic configuration of a droplet discharge head according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
102 Droplet ejection device
112 droplet ejection head
114 liquid chamber
118 Liquid supply system
118S tributary
118M main stream
120 Liquid supply path
122 Individual ink channel
125 Ink pipeline (liquid supply system)
124 common ink flow path (liquid supply system)
124S tributary
124M main stream
128 ink conduit (liquid supply system)
130 Sub tank (liquid supply system)
132 Ink tube (liquid supply system)
134 Ink tank (liquid tank)
138 Ejector
140 nozzle
142 Pressure generating chamber (liquid chamber)
146 Ink supply path
148 diaphragm
150 Piezoelectric actuator
154 Meniscus
156 droplets
212 Droplet ejection head
P Recording paper

Claims (5)

A plurality of liquid chambers filled with liquid,
A nozzle communicating with each of the liquid chambers;
Energy applying means for applying energy to the liquid filled in the liquid chamber in accordance with image information and discharging droplets from the nozzle,
A liquid tank in which liquid is stored in advance,
A liquid supply system that communicates with the liquid tank and is provided in common for a plurality of liquid chambers;
A liquid supply path corresponding to each of the liquid chambers and provided in communication with the liquid supply system;
A droplet discharge head having
Flow path resistance r _s of the liquid supply path, the liquid supply system, the nozzle and the respective flow path resistance of the liquid chamber r _p, r n, of the entire _{r c,} from the liquid tank to the nozzle Assuming that the inertance is m _T and the acoustic capacity of the meniscus formed in the nozzle is c _n ,

Characterized in that the droplet discharge head is set to satisfy the following. The nozzles are arranged two-dimensionally,
The liquid supply system, a main flow portion communicating with the liquid tank, and a plurality of branch portions branching off from the main flow portion and communicating with the liquid supply path,
The droplet discharge head according to claim 1, further comprising: 3. The liquid supply path according to claim 1, wherein when viewed in a cross section orthogonal to the flow direction of the liquid, a length in a short direction of a cross-sectional shape is 10 to 40 μm. 4. Droplet ejection head. The liquid according to any one of claims 1 to 3, wherein a supply path diameter at a connection portion of the liquid supply path with the liquid chamber is equal to or smaller than an opening diameter of the nozzle. Drop ejection head. A droplet discharge device comprising the droplet discharge head according to claim 1.

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