JP2009132024A - Inkjet recording head and inkjet recorder - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インクを吐出して記録動作を行うインクジェット記録装置、及び記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッドに関する。 The present invention relates to an inkjet recording apparatus that performs a recording operation by discharging ink, and an inkjet recording head used in the recording apparatus.
従来、インクジェット記録装置は、カラー画像のランニングコストが安く、装置の小型化も可能であることから、コンピュータ関係の出力機器等に幅広く利用され、商品化されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, ink jet recording apparatuses are widely used and commercialized for computer-related output devices and the like because the running cost of color images is low and the apparatus can be miniaturized.
近年では、より高速に高詳細の画像の記録を実現するため、より記録幅(吐出口列長)が長い記録ヘッドの実現も望まれている。具体的には、ヘッドの長さが4インチ〜13インチなどの長さのものも要求されてきている。 In recent years, in order to realize high-definition image recording at higher speed, it is also desired to realize a recording head having a longer recording width (discharge port array length). Specifically, a head having a length of 4 inches to 13 inches or the like has been required.
このようにヘッドが長尺化・高速化していくとヘッドへの投入エネルギーが増大し、記録中のヘッド温度上昇が大きくなる。これによりページ毎の吐出量変動、高温における吐出の不安定等、連続記録性の低下等、記録信頼性への対応が必要になる。 As the head becomes longer and faster in this way, the energy input to the head increases and the head temperature rises during recording. As a result, it is necessary to cope with recording reliability, such as a variation in ejection amount for each page, unstable ejection at high temperatures, and a decrease in continuous recording performance.
従来ヘッドの冷却はヘッドの外部からの空冷や、ヘッドに冷却管を装着するなどの方法が取られている。しかしながら、これらの方法では十分な冷却効果が得られないため、ヘッドの吐出口列に沿って水等の冷却液を流通させる冷却液流路を設け、これによってヘッド昇温を抑制する方法が提案されている(特許文献1、2)。
従来の方式においては、完成した記録ヘッドにヒートパイプや放熱部材を外付けしているため、熱源となる記録素子基板とヒートパイプとをあまり近付けられないという課題があった。又、外付けしているため、ヒートパイプと記録ヘッドとの接触面積が限られてしまい、記録ヘッドとヒートパイプとの間の熱交換効率が悪かった。特に、図6に示すようなインクジェット記録へッドの場合において、以下に述べるような課題があった。 In the conventional method, since a heat pipe and a heat radiating member are externally attached to the completed recording head, there is a problem that the recording element substrate serving as a heat source and the heat pipe cannot be brought close to each other. In addition, since it is externally attached, the contact area between the heat pipe and the recording head is limited, and the heat exchange efficiency between the recording head and the heat pipe is poor. In particular, in the case of an ink jet recording head as shown in FIG. 6, there are the following problems.
図6(a)は、インクが吐出される吐出口106の列が2列並列した吐出口列群N1と、その横に並列する同じ構成の他の吐出口列群N2と、を有するインクジェット記録へッドの記録素子基板1の斜視図である。また、図6(b)は、図6(a)のA−A断面図である。
FIG. 6A shows an ink jet recording having an ejection port array group N1 in which two rows of
記録素子基板1は、例えば、厚さ0.5〜1mmのSi基板101で、インク流路として矩形状の貫通口からなるインク供給口102が形成されている。そのインク供給口102の両側には、電気熱変換素子103がそれぞれ1列ずつ配列されている。インク供給口102は、Si基板101の結晶方位を利用して、異方性エッチングにより、約54.7度の角度でエッチングされて形成される。
The
Si基板101上には、電気熱変換素子103に対応したインク流路105や吐出口106を備える、感光性樹脂製の流路形成部材104が形成されている。ここで、吐出口106は電気熱変換素子103に対向するように設けられている。インク供給口102から供給されたインクは、電気熱変換素子103の発する熱エネルギーを吐出エネルギーとして吐出口106から吐出される。
On the
支持板110は、例えば、厚さ4〜10mmのアルミナ(Al2O3)材料で形成されている。支持板110には、記録素子基板1にインクを供給するためのインク流路111が形成されている。記録素子基板1のインク供給口102が支持板110のインク流路111に対応するように、記録素子基板1は支持板110に対して位置精度良く接着固定される。
The
インク供給部材112は、インクを収容する液室113を具備している。インク供給部材112の開口部と支持板110は、インクの供給が可能なように連通して接着固定される。
The ink supply member 112 includes a
液室113へのインクの供給は、チューブを含む不図示のインク供給系によってなされていてもよいし、記録ヘッドとインクタンクとを直接装着する形態のものであってもよい。
Ink supply to the
ここで、記録素子基板1の電気熱変換素子103にて発生した熱は、まずSi基板101内で広がる。しかし、電気熱変換素子103は、2つのインク供給口102それぞれの両側に、さらにそれぞれ1列ずつ配列されているため、2つのインク供給口102の互いに内側となる位置に配置された電気熱変換素子103bと103cにて発生した熱は放熱され難い。その結果、記録素子基板1の電気熱変換素子103bと103c付近は、他の部位に比べて冷えにくくなっている。つまり、
一般に熱エネルギーを利用してインク滴を吐出させる方式のインクジェット記録ヘッドでは、電気熱変換素子付近の温度が上昇すると、吐出されるインク滴の量が増加することが分かっている。したがって、多数枚の画像を高速で連続記録すると、このような温度格差によってインク滴の量が変化し画像の濃度ムラを発生するという問題があった。
Here, the heat generated in the electrothermal conversion element 103 of the
In general, it has been found that, in an ink jet recording head that ejects ink droplets using thermal energy, the amount of ejected ink droplets increases as the temperature near the electrothermal transducer increases. Therefore, when a large number of images are continuously recorded at a high speed, there is a problem that the amount of ink droplets changes due to such a temperature difference and density unevenness of the image occurs.
そこで本発明は、記録素子基板の熱拡散を好適に行い、温度格差を抑えることのできるインクジェット記録へッド及び該記録ヘッドを用いた記録装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an ink jet recording head and a recording apparatus using the recording head that can suitably perform thermal diffusion of a recording element substrate and suppress a temperature difference.
上述の目的を達成する本発明は、インクを吐出するための複数の記録素子からなる複数の記録素子列を配した記録素子基板と、前記記録素子基板を支持する支持板と、を備えるインクジェット記録へッドにおいて、記録素子列の間に対応する、前記支持板の部位に排熱手段を設けたことを特徴とする。 The present invention that achieves the above-described object provides an ink jet recording comprising: a recording element substrate having a plurality of recording element arrays each composed of a plurality of recording elements for ejecting ink; and a support plate that supports the recording element substrate. In the head, heat exhausting means is provided at a portion of the support plate corresponding to the space between the recording element arrays.
本発明によれば、吐出口列群同士の領域の熱を放熱することで、インクジェット記録へッドの記録素子基板の温度格差を抑えるができ、各吐出口から吐出されるインク滴の量のばらつきを抑え、画像の濃度ムラの発生を抑えることができる。 According to the present invention, by dissipating the heat of the region between the ejection port array groups, the temperature disparity of the recording element substrate of the inkjet recording head can be suppressed, and the amount of ink droplets ejected from each ejection port can be reduced. Variations can be suppressed and occurrence of density unevenness in images can be suppressed.
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
以下に説明する各実施形態の記録素子基板は、吐出口106の列が2列並列した吐出口列群N1と、その横に並列する同じ構成の他の吐出口列群N2と、を有するものである。しかしながら、本発明は、一列の吐出口列N1とその横に並列する他の一列の吐出口列N2とする記録素子基板であっても同様の効果を奏することが可能である。
The printing element substrate of each embodiment described below has an ejection port array group N1 in which two rows of
また、吐出口106と電気熱変換素子103は図6(b)に示すように上下に対向する位置関係にあるので、本発明における吐出口列群は、そのまま電気熱変換素子列群と同義語として扱える。同様に、吐出口列は、そのまま電気熱変換素子列と同義語として扱えるものである。
Further, as shown in FIG. 6B, the
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを説明する図である。図1(a)は記録素子基板側から見た平面図、図1(b)は記録素子列に垂直な平面で切った断面図、図1(c)は側面図である。記録素子基板1の構造は、図6を用いて説明したものを用いているので、対応する部材には同じ番号を付けるとともに詳細は省略する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating an ink jet recording head according to a first embodiment of the present invention. 1A is a plan view as viewed from the recording element substrate side, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the recording element array, and FIG. 1C is a side view. Since the structure of the
支持板210の材質は、耐インク性があり熱伝導の良い材質が好ましく、例えば、厚さ4〜10mmのアルミナ(Al2O3)材料で形成されている。支持板210には、記録素子基板1にインクを供給するためのインク流路211が形成されている。記録素子基板1のインク供給口102は支持板210のインク流路211に連通し、かつ、記録素子基板1は支持板210に対して固定されている。
The material of the
インク供給部材112の開口部と支持板110は、インクの供給が可能なように連通して接着固定される。
The opening of the ink supply member 112 and the
液室113へのインクの供給は、チューブを含む不図示のインク供給系によってなされていてもよいし、記録ヘッドとインクタンクとを直接装着する形態のものであってもよい。
Ink supply to the
支持板210の2本のインク流路211に挟まれた領域である仕切り部210aには、支持板210を貫通するように冷却液を流すための排熱手段としての流路201が設けられている。この流路201には、水などの冷却液が図2に示すような冷却液循環システムにより、冷却液が流されている。
The
したがって、吐出口106の列が2列並列した吐出口列群N1と、その横に並列する同じ構成の他の吐出口列群N2と、の間で発生した熱は、支持板210を介して近接した位置に配置された流路201を流れる冷却液に伝わり、速やかにヘッド外へ排熱される。ここで、吐出口106と電気熱変換素子103は図6(b)に示すように上下に対向する位置関係にあるので、吐出口列群は、そのまま電気熱変換素子列群となる。このような構成により、多数枚の画像を高速で連続記録した場合であっても、記録素子基板1の両端部と中央部との各部位間の温度差を極めて小さくすることができる。
Therefore, the heat generated between the discharge port array group N1 in which two rows of the
図2は、本実施形態の他、他の各実施形態に用いられる、インクジェット記録装置のインクおよび冷却液の供給システムを示す摸式図である。 FIG. 2 is a schematic diagram showing an ink and cooling liquid supply system of an ink jet recording apparatus used in other embodiments in addition to the present embodiment.
インクジェット記録装置の供給システムは、図2に示すように、インク15を収容したインクタンク8を備えており、インクタンク8内には、2本のチューブ216、217が配設されている。このうち一方のチューブ217は、記録ヘッド14の一端部に接続されて、記録ヘッド14の共通液室内に通じている。また、他方のチューブ216は、ポンプ9を介して記録ヘッド14の他端部に接続されて記録ヘッド14の共通液室へ通じている。
As shown in FIG. 2, the supply system of the ink jet recording apparatus includes an ink tank 8 containing
記録ヘッド14は、記録時には記録ヘッド駆動回路(図示せず)によりインク液滴を吐出する。
The
もし、インク流路内に気泡が存在しても、ポンプ11を駆動させてインクを循環させることによって、気泡はインクタンク8から排出することができる。
Even if bubbles exist in the ink flow path, the bubbles can be discharged from the ink tank 8 by driving the
記録時など記録ヘッド14からのインク吐出時には、インクタンク8からチューブ217、あるいはチューブ216を介して記録ヘッド14に毛管力によってインクが供給される。
When ink is ejected from the
10は冷却液のタンクであり、冷却液タンク10内には、2本のチューブ218、219が配設されている。このうち一方のチューブ218は、記録ヘッド14の一端部に接続されて、記録ヘッド14の支持板210内の冷却液流路に通じている。また、他方のチューブ219は、ポンプ11を介して記録ヘッド14の他端部に接続されて記録ヘッド14の支持板210内の冷却液流路へ通じている。記録ヘッド14が昇温したときは、ポンプ11が駆動され、冷却液タンク10内の冷却液がチューブ218、支持板210内、チューブ219の順で循環し、記録ヘッド14は冷却される。さらに、冷却水の流量・入口温度・出口温度・ヘッド温度(記録素子基板内臓センサー等)・環境温度等の検出データ、冷却液によるヘッドからの排熱量等を検知するセンサーを設け、制御装置により冷却条件を設定することでヘッド温度を制御してもよい。
(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを説明する図である。図3(a)は記録素子基板側から見た平面図、図3(b)は記録素子列に垂直な平面で切った断面図、図3(c)は側面図である。記録素子基板1、インク供給部材212等、冷却液の流路の構成以外については、上述の第1の実施形態と同じである。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a diagram illustrating an ink jet recording head according to the second embodiment of the present invention. 3A is a plan view viewed from the recording element substrate side, FIG. 3B is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the recording element array, and FIG. 3C is a side view. Except for the configuration of the flow path of the coolant, such as the
支持板310の2本のインク流路311に挟まれた領域である仕切り部310aには、支持板310を貫通するように排熱手段としての冷却液の流路301が設けられ、水などの冷却液が不図示の冷却液循環機構により流されている。
The partition portion 310a, which is a region sandwiched between the two
本実施形態では、冷却液の流路301は、記録素子基板1の側に近づくように曲がることにより、中央部301aが記録素子基板1の裏面(Si基板101の裏面)に接近乃至当接する。
In the present embodiment, the
このように構成することで、記録素子基板1の二列の吐出口列群(電気熱変換素子列群)N1、N2の間の領域の熱は、支持板210を介さすよりも、冷却液流路201を流れる冷却液に伝わり、より速やかにヘッド外へ排熱される。そのため、多数枚の画像を高速で連続記録した場合、記録素子基板の両端部と中央部との温度差を、さらに小さくすることができる。
なお、排熱手段として、冷却液用の流路に代えてヒートパイプを用いてもよい。
With this configuration, the heat in the region between the two ejection port array groups (electrothermal conversion element array groups) N1 and N2 of the
Note that a heat pipe may be used as the exhaust heat means instead of the coolant flow path.
(第3の実施形態)
図4は、冷却流路の代わりに他の排熱手段としてのヒートパイプを用いた実施形態を説明する図である。図4(a)は記録素子基板側から見た平面図、図4(b)は記録素子列に垂直な平面で切った断面図、図4(c)は側面図である。
(Third embodiment)
FIG. 4 is a diagram illustrating an embodiment using a heat pipe as another heat exhausting means instead of the cooling flow path. 4A is a plan view viewed from the recording element substrate side, FIG. 4B is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the recording element array, and FIG. 4C is a side view.
なお、記録素子基板1、インク供給部材212等、冷却液の流路の構成以外については、上述の第1の実施形態と同じである。
The configuration other than the configuration of the flow path of the coolant, such as the
支持板410の2本のインク流路411に挟まれた領域である仕切り部410aには、支持板410を貫通するようにヒートパイプ401の一端が挿入されている。ヒートパイプ401の他端は、ヒートシンク402に接続されている。
One end of the
ヒートシンクは、例えばアルミニウム合金、銅合金など熱伝導率の大きい金属材料によって製作され、図4に示すような断面形状を持つように表面積ができるだけ大きくなる形状で冷却効率を高めている。ヒートパイプとしては、市販ヒートパイプが使用できる。ヒートパイプ401と支持基板1の隙間、ヒートパイプ401とヒートシンク402の隙間を埋める材料は、熱伝導率が高く、安定なものであれば使用可能で、例えば、シリコン系の接着剤が使用できる。
The heat sink is made of a metal material having a high thermal conductivity such as an aluminum alloy or a copper alloy, for example, and the cooling efficiency is enhanced by a shape having a surface area as large as possible so as to have a cross-sectional shape as shown in FIG. A commercially available heat pipe can be used as the heat pipe. The material that fills the gap between the
本実施形態のインクジェット記録ヘッドによると、記録素子基板1の二列の吐出口列群(電気熱変換素子列群)N1、N2の間の領域の熱は、支持板410を介して近接した位置に配置されたヒートパイプ401に伝わる。ヒートパイプ401に伝わった熱は、ヒートパイプ401内を輸送され、ヒートシンク402から速やかに大気中へ放熱される。そのため、多数枚の画像を高速で連続記録した場合、記録素子基板の両端部と中央部との温度差を小さくすることができる。
According to the ink jet recording head of this embodiment, the heat in the region between the two ejection port array groups (electrothermal conversion element array groups) N1 and N2 of the
また、ヒートシンク402をファンなどで発生させた空気流中に配置することで、さらなる効果が得られる。
Further effects can be obtained by arranging the
(第4の実施形態)
本実施形態では、より高速に高精細な画像の記録を実現するために、吐出口を記録領域の全域にわたって配列したインクジェット記録ヘッドに本発明を適用した場合について説明する。
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, a case will be described in which the present invention is applied to an ink jet recording head in which ejection openings are arranged over the entire recording area in order to realize high-definition image recording at a higher speed.
図5は、記録素子基板1を複数千鳥状に並べて、実質的に記録領域の全幅相当に吐出口を配置したインクジェット記録へッドに本発明を適用した構成を説明する図で、記録素子基板1の側から見た平面図を示す。記録素子基板1は、図1の実施形態で用いたものと全く同じである。
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration in which the present invention is applied to an ink jet recording head in which a plurality of
記録素子基板1は、支持板510上に千鳥状に配置され、同一色による幅広の記録を可能としている。例えば、吐出口列群の長さが0.7インチの6つの記録素子基板1を千鳥状に配置し、4インチ幅の記録を可能にしている。
The
また、各記録素子基板1の吐出口列の端部は、千鳥状に隣接する他の記録素子基板1の吐出口列の端部と、記録方向に対して、重複する領域を設けて、画像領域に記録が行なわれない隙間が生じることを防止している。
Further, the end portion of the ejection port array of each
支持板510の記録素子基板1a、1b、1cの中央部に対応する部分を貫通するように冷却液の流路501が設けられ、また、支持板510の記録素子基板1d、1e、1fの中央部に対応する部分を貫通するように冷却液の流路502が設けられている。2つの流路501、502には、水などの冷却液が、例えば、図2を用いて説明したような冷却液循環システムにより流されている。
A
このような構成にすることで、複数の記録素子基板のそれぞれの2つの吐出口列群の間を通るように冷却液の流路を設けることで、冷却液循環の構成を簡略化することができる。さらに、これら複数の冷却液流路を一端で結合することにより一本にすることで、冷却液の循環系を簡易な構成とすることも可能である。
なお、排熱手段として、冷却液用の流路に代えてヒートパイプを用いてもよい。
By adopting such a configuration, it is possible to simplify the configuration of the coolant circulation by providing the coolant flow path so as to pass between each of the two ejection port array groups of the plurality of recording element substrates. it can. Furthermore, the cooling liquid circulation system can be simplified by combining the plurality of cooling liquid flow paths at one end.
Note that a heat pipe may be used as the exhaust heat means instead of the coolant flow path.
(その他の実施形態)
上述の各実施形態のインクジェット記録へッドに対して、吐出口列群の外側にも、冷却液の流路やヒートパイプといった排熱手段を設けてもよく、さらに高い冷却効果を得ることができる。
(Other embodiments)
For the ink jet recording head of each of the above-described embodiments, a heat exhausting means such as a cooling liquid flow path or a heat pipe may be provided outside the ejection port array group, and a higher cooling effect can be obtained. it can.
1 記録素子基板
103 電気熱変換素子
106 吐出口
201 流路
210 支持板
401 ヒートパイプ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
記録素子列の間に対応する、前記支持板の部位に排熱手段を設けたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。 In an ink jet recording head comprising: a recording element substrate having a plurality of recording element arrays each composed of a plurality of recording elements for ejecting ink; and a support plate for supporting the recording element substrate.
An ink jet recording head, characterized in that heat exhausting means is provided at a portion of the support plate corresponding to the space between the recording element arrays.
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