インクジェット記録ヘッド
【課題】 吐出口の配設方向に関する素子基板の中央部と端部との温度差を小さくし、温度差に伴う画像品質の低下を抑制するインクジェット記録ヘッドを提供する。
【解決手段】 インクジェット記録ヘッド１００は、吐出口面の裏面側に配された、冷却液を流すための冷媒流路４（冷却流路）を有する。冷媒流路４は、複数のエネルギー発生素子の配設方向に関する素子基板の中央部と、吐出口面に垂直な方向に関して重なり、素子基板側に配された第１の伝熱部２７と、配設方向に関して隣接する複数の素子基板の間の領域と、垂直な方向に関して重なり、素子基板側に配された第２の伝熱部２８と、を備える。第１の伝熱部２７に設けられた伝熱促進体５としての、冷媒流路４を形成する壁の素子基板側の面に対して凹んだ凹部、または面に対して突出した凸部、の配設密度は、第２の伝熱部２８に設けられた凹部または凸部の配設密度よりも高い。
【解決手段】 インクジェット記録ヘッド１００は、吐出口面の裏面側に配された、冷却液を流すための冷媒流路４（冷却流路）を有する。冷媒流路４は、複数のエネルギー発生素子の配設方向に関する素子基板の中央部と、吐出口面に垂直な方向に関して重なり、素子基板側に配された第１の伝熱部２７と、配設方向に関して隣接する複数の素子基板の間の領域と、垂直な方向に関して重なり、素子基板側に配された第２の伝熱部２８と、を備える。第１の伝熱部２７に設けられた伝熱促進体５としての、冷媒流路４を形成する壁の素子基板側の面に対して凹んだ凹部、または面に対して突出した凸部、の配設密度は、第２の伝熱部２８に設けられた凹部または凸部の配設密度よりも高い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクを吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インクジェット記録装置は、家庭用印刷用途のみならずオフィス用やリテールフォト用などの業務印刷用途、あるいは電子回路描画やフラットパネルディスプレイ製造など産業用途にも使用され、その用途は広がりつつある。そのため、インクジェット記録装置には記録の高速化が要求されている。この要求を満たす為に、インク吐出に利用されるエネルギー発生素子の駆動周波数をより高くしたり、インクジェット記録ヘッド（以下、ヘッドとも称する）の幅が記録媒体の幅よりも長いラインヘッドを用いたり、といった手段がとられている。
【０００３】
高速化の要求に応えるためにエネルギー発生素子の駆動周波数を高くすると、ヘッドへの投入電力密度が増加する。特に、インクに熱を加えて沸騰させ、その発泡のエネルギーを用いる吐出方式の場合には、電力密度が増加すると、ヘッドの温度上昇幅が大きくなり、画像品質に影響が生じる。何故ならば、ヘッドの温度が上昇するとインクの温度も上昇するので、このインクの温度上昇に伴ってインク吐出量も変化し、その結果、記録初期とその後とで記録濃度が異なるためである。一方で、ピエゾ素子を用いた吐出方式の場合には、吐出に伴うインク温度の上昇の程度は大きくないので、投入電力密度の増加による画像品質への影響は比較的小さい。しかし、ピエゾ素子を用いた吐出方式の中でも、圧電素子のせん断変形（シェアモード）を用いてインクを吐出する場合には、吐出時のエネルギー効率が低いためにインクの温度上昇幅が大きく、画像品質への影響が生じやすい。
【０００４】
また、ヘッドの温度上昇に伴う画像品質への影響のみならず、記録素子基板の長手方向に関する温度分布が生じることで、記録素子基板の長手方向に関して画像に濃度ムラが生じる恐れがある。これは、記録素子基板の長手方向に関する中央部では熱が籠りやすく端部では放熱しやすいためである。
【０００５】
このような課題を解決する方法として、特許文献１の図７には、記録素子基板の吐出口面に垂直な方向に関して、冷却流路としての冷媒流路（液冷管１５、１６）が記録素子基板の中央部と重なるように、冷媒流路が設けられた構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１６８１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記特許文献１の構成であっても、記録素子基板の長手方向に関する中央部と端部との温度差を十分に小さくすることは困難であった。特に、高速で記録を行う場合には、各記録素子基板の発熱量が大きくなるため、記録素子基板内の温度差に関する課題がより顕著に現れてしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、記録素子の配設方向に関する記録素子基板の中央部と端部との温度差を小さくし、温度差に伴う画像品質の低下を抑制するインクジェット記録ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のインクジェット記録ヘッドは、インクを吐出する複数の吐出口が設けられた吐出口面と、前記複数の吐出口からインクを吐出するためのエネルギーを発生する複数のエネルギー発生素子と、を備えた複数の素子基板と、前記吐出口面の裏面側に配された、前記複数の素子基板を冷却するための冷却液を流す冷却流路であって、前記複数のエネルギー発生素子の配設方向に関する前記素子基板の中央部と、前記吐出口面に垂直な方向に関して重なり、前記素子基板側に配された第１の伝熱部と、前記配設方向に関して隣接する前記複数の素子基板の間の領域と、前記垂直な方向に関して重なり、前記素子基板側に配された第２の伝熱部と、を備えた前記冷却流路と、を有するインクジェット記録ヘッドであって、前記第１の伝熱部には、前記冷却流路を形成する壁の前記素子基板側の面に対して凹んだ凹部、または前記素子基板側の面に対して突出した凸部が設けられており、前記第２の伝熱部には前記凹部または前記凸部が設けられていないことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の他のインクジェット記録ヘッドは、インクを吐出する複数の吐出口が設けられた吐出口面と、前記複数の吐出口からインクを吐出するためのエネルギーを発生する複数のエネルギー発生素子と、を備えた複数の素子基板と、前記吐出口面の裏面側に配された、前記複数の素子基板を冷却するための冷却液を流す冷却流路であって、前記複数のエネルギー発生素子の配設方向に関する前記素子基板の中央部と、前記吐出口面に垂直な方向に関して重なり、前記素子基板側に配された第１の伝熱部と、前記配設方向に関して隣接する前記複数の素子基板の間の領域と、前記垂直な方向に関して重なり、前記素子基板側に配された第２の伝熱部と、を備えた前記冷却流路と、を有するインクジェット記録ヘッドであって、前記第１の伝熱部及び前記第２の伝熱部には、前記冷却流路を形成する壁の前記素子基板側の面に対して凹んだ凹部、または前記素子基板側の面に対して突出した凸部が設けられており、前記第１の伝熱部に設けられた前記凹部または前記凸部の配設密度は、前記第２の伝熱部に設けられた前記凹部または前記凸部の配設密度よりも高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、記録素子の配設方向に関する記録素子基板の中央部と端部との温度差を小さくし、記録素子基板内の温度差に伴う画像品質の低下を抑制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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は、本発明の第一の実施形態を示すインクジェット記録ヘッドの構造を示す模式図である。（ｂ）は、本発明の第二の実施形態を示すインクジェット記録ヘッドの構造を示す模式図である。（ｃ）は、本発明の第三の実施形態を示すインクジェット記録ヘッドの構造を示す模式図である。（ｄ）は、本発明の第四の実施形態を示すインクジェット記録ヘッドの構造を示す模式図である。
【図２】図１（ａ）のＡ−Ａ’線の位置における断面図である。
【図３】記録素子基板の短手方向の断面を示す図である。
【図４】第四の実施形態を説明するための図である。
【図５】インクジェット記録ヘッドにインク及び冷媒を流すための接続構成を示す模式図である。
【図６】（ａ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ’線の位置における断面図である。（ｂ）は、伝熱促進体が突起形状である場合の、図１（ａ）のＢ−Ｂ’線の位置における断面図である。
【図７】インク流れの最下流に配された記録素子基板内の長手方向の温度分布を示す図である。
【図８】比較例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を用いて本発明の好適な実施の形態の例を説明する。本実施形態の吐出方式は、発泡エネルギーを用いる方式であるが、これに限らず、ピエゾ素子を用いた方式、特に、シェアモードを用いた方式であってもよい。
【００１４】
（インクジェット記録ヘッド）
図１（ａ）は、本発明の実施形態の一例であって、複数の記録素子基板１が配列されたラインヘッドの構成例である。図２は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線の位置における断面図である。インクジェット記録ヘッド１００（以下、ヘッドとも称する）は、複数の記録素子基板１が、支持基板２の上にヘッド１００の長手方向に千鳥状に配置されている。
【００１５】
なお、記録素子基板１の配置は千鳥配列に限ることは無く、例えば直線状やあるいはヘッド１００の長手方向に対して、記録素子基板１を所定の角度で傾けて配置しても良い。記録素子基板の数は図１（ａ）に記載の数に限定されるものではなく、図１（ａ）においては複数の記録素子基板が配置されているが、記録素子基板数は一つとしても良い。
【００１６】
図３は、記録素子基板１の短手方向の断面を示した図である。記録素子基板１は、吐出口部材６と発熱素子基板７とが接合されて構成されている。吐出口部材６には、発泡室９とインクを吐出する吐出口１０とが設けられている。本実施形態の吐出口部材６には、吐出口１０が配設されてなる吐出口列が８列設けられている。発熱素子基板７には、発泡室９に対応する位置に、インクを吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子としての発熱素子８が形成されている。また、発熱素子基板７にはインク供給口１１が形成されており、インク供給口１１から発泡室９へインクが供給される。
【００１７】
発熱素子基板７の内部には電気配線（不図示）が形成されており、この電気配線は、支持基板２上に配置されたフレキシブルプリント基板のリード電極、または支持基板２内に設けられた電極と電気的に接続されている。ヘッド１００の外部に設けられた制御回路から、発熱素子基板７へパルス電圧が入力されることで、発熱素子８が駆動され、発泡室９内のインクを沸騰させることで、吐出口１０からインク滴が吐出される。
【００１８】
なお、本実施形態では、記録素子基板１の長手方向は、発熱素子８の配設方向であり、記録素子基板１の短手方向は、記録素子基板１の吐出口１０が設けられた吐出口面２５の方向において、発熱素子８の配設方向に直交する方向である。
【００１９】
支持基板２の内部には、図１（ａ）及び図２に示すように、インクを流して、記録素子基板１にインクを供給するインク供給路３が形成されている。インク供給路３の一方の端部には、インクを流入するインク流入口１４が設けられており、他方の端部には、インクを排出するインク流出口１５が設けられている。インク供給路３の、記録素子基板１のインク供給口１１に相対する位置に形成されたスリット１６から、記録素子基板１のインク供給口１１にインクが供給される。
【００２０】
支持基板２は、記録素子基板１から熱が伝達されるため、低熱膨張率で高熱伝導率の材質からなることが好ましく、また、ラインヘッドが撓まない程度の剛性と、インクに対して十分な耐腐食性と、を有していることが好ましい。例えば、支持基板２の材料としては、酸化アルミニウムや炭化ケイ素などを好適に用いることができる。冷却効率の観点からは、酸化アルミニウムよりも熱伝導率の高い炭化ケイ素を用いることが好ましい。なお、本実施形態では、支持基板２は、２枚の板状部材が接合されて形成されている。
【００２１】
図１（ａ）では、インク供給路３は蛇行形状であり、千鳥状に配置された複数の記録素子基板１に順にインクを供給するが、インク供給路３の構成はこれに限定されない。例えば、ヘッド１００の長手方向に関して直線状に配置された２列の記録素子基板１に対して１列ごとにインク供給路３を直線状に配置し、ヘッド１００の長手方向に関する端部でインク供給路３が繋がる構成であってもよい。もっともインク供給路３の流路長を長くすると圧力損失が大きくなり、インク供給路３の下流側の記録素子基板１へのインク供給が適切に行われない恐れがあるため、インク供給路３の長さは短い方が好ましい。
【００２２】
また、本実施形態のように、１つのインク供給路３から複数の記録素子基板１に対してインクを供給する構成ではなく、各記録素子基板１に対して独立して設けられたインク供給路３からインクを供給する構成であってもよい。
【００２３】
なお、本実施形態では、インク供給路３は外部のインク循環経路に接続されており、インク流出口１５から流出されたインクは、熱交換器及び循環装置を経由して、再びインク流入口１４へ流入される。このような構成とすることで、インク供給路３を流れるインクによってヘッド１００を冷却することができる。なお、低速記録時など記録素子基板１における発熱量が少ない場合には、インク流出口１５を閉塞してもよく、あるいはインク流出口１５からインクを供給してもよい。
【００２４】
また、支持基板２の内部には、図１（ａ）や図２に示すように、記録素子基板１の吐出口面２５の裏面側には、記録素子基板１を冷却するための冷媒（冷却液）を流す冷媒流路４（冷却流路）が形成されている。冷媒流路４の一方の端部には、冷媒を流入する冷媒流入口１２が設けられており、他方の端部には、冷媒を流出する冷媒流出口１３が設けられている。冷媒流出口１３は、外部の冷媒循環経路に接続されており、冷媒流出口１３から流出された冷媒は、熱交換器及び循環装置を経由して、再び冷媒流入口１２へ流入される。
【００２５】
図１（ａ）及び図２に示すように、冷媒流路４はヘッド１００内を蛇行する形状となっている。
【００２６】
具体的には、冷媒流路４は、吐出口面２５に垂直な方向に関して、各記録素子基板１の長手方向に関する中央部と重なり、この中央部において記録素子基板１の短手方向に関して記録素子基板１と交差している。また、冷媒流路４は、吐出口面２５に垂直な方向に関して、各記録素子基板１の長手方向に関する端部と重ならず、記録素子基板１の長手方向に関して互いに隣接する記録素子基板１の間の領域を通っている。
【００２７】
このように冷媒流路４を形成することで、熱の逃げやすい記録素子基板１の端部は、熱の篭りやすい記録素子基板１の中央部よりも、冷媒流路４からの距離が遠くなる。したがって、記録素子基板１の中央部から放熱しやすくなり、記録素子基板１の長手方向の温度差を小さくすることができる。
【００２８】
なお、本実施形態では、ヘッド１００の一端にインク供給路３のインク流入口１４及び冷媒流路４の冷媒流出口１３が設けられ、他端にインク供給路３のインク流出口１５及び冷媒流路４の冷媒流入口１２が設けられている。すなわち、ヘッド１００の長手方向に関して、インク供給路３と冷媒流路４との流体の流れ方向が反対向きとなっている。したがって、インクの温度の低いインク流入口１４付近では、ヘッド１００内を流れて昇温した冷媒が流れ、一方で、冷媒流入口１２付近では、ヘッド１００内で昇温したインクが流れる。これにより、ヘッド１００の長手方向に関してインクと冷媒の流れ方向が同じ向きである場合と比べ、ヘッド１００内の長手方向に関する温度差を小さくすることができる。
【００２９】
（第一の実施形態）
図１（ａ）、図２に示すように、第一の実施形態のインクジェット記録ヘッド１００において、冷媒流路４の記録素子基板１の側には、伝熱促進体５が設けられている。ここで、図２に示すように、本実施形態では、記録素子基板１の長手方向に関する伝熱促進体５の断面形状は三角形となっており、伝熱促進体５は、冷媒流路４を形成する壁の記録素子基板１側の面に対して記録素子基板１側に凹んだ微細な凹部となっている。凹部である伝熱促進体５により、冷媒と支持基板２との接触面積が増大したり、凹部内で冷媒の流れに渦流が生じることにより、冷媒の流れに乱れを生じやすくなったりするため、伝熱面から冷媒への熱伝達が促進される。図１（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である図６に模式的に示すように、凹部内では流線１８のように冷媒が渦流を発生する。
【００３０】
なお、微細な凹部の寸法は冷媒の流速によって選定することが好ましいが、凹部の開口径が大よそ１００〜１０００μｍ、凹部の深さが１００μｍ〜１０００μｍ程度とすることが好ましい。
【００３１】
開口径が１００μｍより小さいと、凹部内へ冷媒が流れ込むための圧力損失が大きくなりすぎて凹部内で冷媒の移動が生じ難くなり、伝熱促進の効果が低減される。一方、開口径が１０００μｍより大きいと、各記録素子基板の寸法（短手方向の長さ１０〜１５ｍｍ、長手方向の長さ２０〜４０ｍｍ）に比して凹部が大きくなりすぎ、冷媒流路４に配置することができる凹部の数が少なくなってしまう。
【００３２】
また、凹部の深さが浅いと、伝熱面積が稼ぎにくくなるとともに、冷媒の流れの境界層が凹部に沿って形成され、冷媒の流れが乱れることによる伝熱促進効果が低減される。一方、凹部の深さの上限は、凹部の開口径によって決まり、開口径に対して深さを大きくしすぎると、凹部の底部分では冷媒は移動しにくいため、伝熱促進効果が低減される。したがって、凹部の寸法は上記の範囲とすることが好ましい。
【００３３】
なお、図１（ａ）及び図２においては、記録素子基板１の長手方向の伝熱促進体５としての凹部の断面が三角形であり、短手方向のその断面が矩形であるが、伝熱面積を拡大させたり、冷媒の流れに乱れを生じさせたりすることができれば、他の形状であってもよい。例えば、凹部の形状としては、円柱状、円錐状、角柱状、角錐状などから選択することができる。また、伝熱促進体５として、凹部が冷媒の流れに交差する方向に延びた溝状であれば、角溝状、Ｖ字溝状、Ｕ字溝状、といった形状を用いることができる。さらに、図６（ｂ）に示すように伝熱促進体５として、冷媒流路４を形成する壁の面に対して冷媒流路４側に突出した突起（凸部）も用いることができる。伝熱促進体５を突起とした場合には、冷媒が伝熱促進体に衝突する際の衝突効果により、局所的に熱伝達率の高い領域を突起の近傍に発生させることが可能となる。このため、伝熱面積の拡大や冷媒流れの乱れ促進との相乗効果により、伝熱促進体５を凹部とした場合よりも高い冷却効果が得られる。
【００３４】
伝熱促進効果の観点からは、突起の方が凹部よりも高い効果が期待できるため、好ましい。一方で、支持基板２に酸化アルミニウムや炭化ケイ素等のセラミック材料を用いる場合に、加工容易性やコスト、堅牢性の観点からは凹部を用いることが好ましい。
【００３５】
ここで、図１（ａ）に示すように、第一の実施形態のインクジェット記録ヘッド１００では、伝熱促進体５の配設密度が不均等となるように、伝熱促進体５を冷媒流路４の記録素子基板１の側に設けている。具体的には、記録素子基板１の中央部と重なる冷媒流路４の第１の伝熱部２７に設けられた伝熱促進体５の配設密度が、隣接する記録素子基板１の間の領域に重なる冷媒流路４の第２の伝熱部２８に設けられた伝熱促進体５の配設密度よりも高い構成となっている。
【００３６】
なお、冷媒流路４のうちの、記録素子基板１の長手方向に関する中央部と吐出口面２５に垂直な方向に関して重なり、記録素子基板１側に配された部分を第１の伝熱部２７と称している。また、冷媒流路４のうちの、記録素子基板１の長手方向に関して隣接する複数の記録素子基板１の間の領域と、吐出口面２５に垂直な方向に関して重なり、記録素子基板１側に配された部分を、第２の伝熱部２８と称している。
【００３７】
上述の構成によって、第２の伝熱部２８よりも第１の伝熱部２７において冷媒への熱伝達がより促進される。これにより、記録素子基板１の端部よりも中央部からの放熱効果が促進され、記録素子基板１の長手方向に関する中央部と端部との温度差をより小さくすることが可能となる。
【００３８】
また、本実施形態では、冷媒流路４の記録素子基板１側に配された、上述の第１の伝熱部２７及び第２の伝熱部２８以外の部分（第３の伝熱部）にも、その全域にわたって伝熱促進体５が設けられている。ヘッド１００の温度を全体的に低くしたい場合は、本実施形態のように、冷媒流路４の全域に伝熱促進体５を設けることが望ましい。また、冷媒流路４を流れる冷媒は流れ方向に関して昇温されるので、ヘッド１００の長手方向の温度差を小さくするためには、冷媒流路４の下流部よりも上流部の方が伝熱促進体５の配設密度が高くなるように、伝熱促進体５を設けることが好ましい。
【００３９】
なお、本実施形態では、隣接する記録素子基板１の間以外で、ヘッド１００の長手方向の端部に配された記録素子基板１の一端の近傍を冷媒流路４が通る部分がある。このように吐出口面２５に垂直な方向に関して記録素子基板１の長手方向の端部の近傍と重なり、冷媒流路４の記録素子基板１側に配された部分では、第２の伝熱部２８と同様に、第１の伝熱部２７における伝熱促進体５の配設密度よりも低くすることが好ましい。これにより、記録素子基板１の端部よりも中央部からの放熱効果を促進させ、記録素子基板１の長手方向に関する中央部と端部との温度差を小さくすることが可能となる。
【００４０】
（第二の実施形態）
図１（ｂ）は、第二の実施形態のインクジェット記録ヘッド１００を示す図であって、本実施形態は、図１（ａ）において、各記録素子基板１の長手方向の端部の近傍を通る冷媒流路４の部分から伝熱促進体５を除いた構成である。このように伝熱促進体５を配置することで、冷媒流路４の伝熱促進効果を高くしつつ、記録素子基板１の端部よりも中央部からの放熱効果を促進させ、記録素子基板１の長手方向に関する中央部と端部との温度差を小さくすることが可能となる。
【００４１】
（第三の実施形態）
また、図１（ｃ）は、第三の実施形態のインクジェット記録ヘッド１００を示す図であって、本実施形態は、第１の伝熱部２７のみに伝熱促進体５を設けた構成である。このように伝熱促進体５を配置することで、記録素子基板１の端部よりも中央部からの放熱効果を促進させ、記録素子基板１の長手方向に関する中央部と端部との温度差を小さくすることが可能となる。
【００４２】
（第四の実施形態）
図１（ｄ）は第四の実施形態のインクジェット記録ヘッド１００を示す図である。図１（ｄ）の部分拡大図である図４に示すように、冷媒流路４が屈曲している屈曲部では、冷媒が冷媒流路４を形成する壁に衝突するように流れる。このように、冷媒が冷媒流路４の壁に衝突することで、壁と冷媒との熱伝達が促進することが知られている。そのため、冷媒が衝突する衝突部１７の近傍に配された記録素子基板１の一部が冷却されすぎてしまう恐れがある。
【００４３】
具体的には、図４に示すように、冷媒流路４の屈曲部の冷媒の流れ方向に関する下流側の近傍の、屈曲部の外側部分の壁に、冷媒が衝突しやすい。したがって、本実施形態では、屈曲部の下流側近傍では、屈曲部の外側には伝熱促進体５を設けておらず、屈曲部の下流側近傍で、屈曲部の外側における伝熱促進体５の配設密度を、屈曲部の内側における伝熱促進体５の配設密度よりも小さい構成としている。これにより、衝突部１７の近傍における冷媒の衝突による冷却効果が抑制されるため、記録素子基板１内の温度差が大きくなることを抑制することができる。また、上述で説明したように、記録素子基板１の端部では熱が逃げやすいため、特に、隣接する記録素子基板１の間の領域と重なる第２の伝熱部２８において、屈曲部の外側と内側で伝熱促進体５の配設密度の差をつけることが望ましい。
【００４４】
なお、上述の実施形態で「伝熱促進体５の配設密度」とは、単位面積あたりに形成されている伝熱促進体５の個数を表し、伝熱促進体５の寸法が小さいほどその配設密度は高く、また、伝熱促進体５同士の間隔が大きいほど低くなる。
【００４５】
また、冷媒は一般的な熱冷媒を用いることができ、中でも比熱及び熱伝達効率が高く、外部環境に無害な水を使用することが好ましい。
【００４６】
（インクジェット記録ヘッド及び記録素子基板の温度分布）
次に、図１（ａ）〜（ｄ）及び図５に示したインクジェット記録ヘッド１００を駆動する場合の具体的な動作、及びインクジェット記録ヘッド１００と記録素子基板１の温度分布について説明する。
【００４７】
図５に示すようにインクジェット記録ヘッド１００において、インク流入口１４にはインクタンク２０と接続されたチューブが連結され、インク流出口１５には負圧発生ポンプ１９と接続されたチューブが連結される。インクタンク２０は熱交換器（不図示）と連結されており、インクタンク２０は、ヘッド１００にインクを供給するとともに、ポンプ１９を通って循環されたインクを冷却する機能を備える。また、インクカートリッジ２２からフィルター２３によって異物除去されたインクを、ポンプ２１によってインクタンク２０に移送することができ、記録によってヘッド１００から吐出されるインクと同量のインクをインクタンク２０に供給することができる。更に、インクタンク２０は外気連通口を備えており、インク中の気泡を外部に排出する機能を備える。
【００４８】
冷媒流入口１２には冷媒ポンプ２４と接続されたチューブが連結され、冷媒流出口１３には冷媒熱交換器２６と接続されたチューブが連結されている。
【００４９】
吐出口１０からインクが吐出されると、発熱素子８の余熱はインクや記録素子基板１本体に伝達され、その後、支持基板２に伝達される。そのため、インクジェット記録ヘッド１００全体の温度が上昇する。ここで、負圧発生ポンプ１９及び冷媒ポンプ２４を作動させ、インクジェット記録ヘッド１００内にインク体及び冷媒を循環させる。これにより、インクはヘッド１００内の支持基板２及び記録素子基板１、冷媒は支持基板２からそれぞれ熱伝達され、ヘッド１００を冷却する。
【００５０】
インクは各記録素子基板１から熱を奪い、インク供給路３は上流から下流へ昇温しながら流れる。そのため、インク供給路３の下流側に配置された記録素子基板１ほどインクとの温度差が小さくなり、下流側に配置された記録素子基板１ほどインクへの放熱量が小さくなる。
【００５１】
一方、記録素子基板１から支持基板２へと伝達された熱は、一部はインクへと伝達されるものの、その多くは冷媒に伝達されるため、インクと同様に、冷媒の温度も上昇しつつ下流へと流れていく。しかし、冷媒の流量をインクよりも大幅に大きくすることで、冷媒の昇温を抑制することができ、冷媒流路４の下流側に配置された記録素子基板１の温度が高くなることを防ぐことができる。また、冷媒は、支持基板２を介して記録素子基板１から熱が伝達される一方で、インクは記録素子基板１から直接熱が伝達される。したがって、ラインヘッド内では、インク供給路３の最上流に配された記録素子基板１はインク供給路３の最下流に配された記録素子基板よりも低い温度になりやすい。
【００５２】
しかし、支持基板２に熱伝導率の高い材料を用い、図１（ａ）に示したように、インクの流れ方向とは逆に冷媒を流す構成の場合、インク供給路３の最下流に配された記録素子基板１では、複数の記録素子基板１のうちの最高温度と最低温度が現れる場合もある。これは、インク供給路３の最下流に配された記録素子基板１は、支持基板２に配された記録素子基板１のうちで、最も温度の低い冷媒に冷却されつつ、且つ最も温度の高いインクとも接するためである。
【００５３】
また、上述したように、記録素子基板１内の温度分布は、熱の篭りやすい記録素子基板の中央部の温度が高く、熱の逃げやすい端部の温度が低い分布となる。特に、印字幅方向、すなわち記録素子基板１の長手方向の温度差が画像品質へ影響を及ぼしやすい。記録素子基板１の長手方向の温度分布は、中央部が高く端部が低くなり、両端部では、温度の低いインクが流入するインク供給路３の上流側の端部の方が、下流側端部よりも温度が低くなる。
【００５４】
ここで、図７に上述の実施形態で示したインクジェット記録ヘッド１００の、インク流れの最下流に配された記録素子基板１内の温度分布の概略図を示す。比較例は、図８に示すように冷媒流路４に伝熱促進体５を設けない構成である。比較例と比べると、第三の実施形態では記録素子基板１の中央部における温度及び端部における温度は低下する。記録素子基板１の中央部の方が、記録素子基板１の端部よりも、比較例と比べた際の温度低下量が大きいため、記録素子基板１内の温度差も、第三の実施形態の方が比較例よりも小さくなる。
【００５５】
第二の実施形態では、第三の実施形態に比べて冷媒流路４中の伝熱促進体５の数が多いため、より記録素子基板１の冷却が促進される。第二の実施形態は、第三の実施形態と比べて記録素子基板１内の温度差はあまり変わらないものの、記録素子基板１の温度全体が低下するため、記録素子基板１の最高温度は低下する。第一の実施形態や第四の実施形態では、第二の実施形態よりも更に伝熱促進体５の数が多いため、記録素子基板１の最高温度は低下する。
【００５６】
（実施例）
次に、上述の実施形態の効果について、実施例と比較例とを用いて説明する。
【００５７】
実施例１としては、図１（ｃ）に示したインクジェット記録ヘッド１００を用い、実施例２としては、図１（ｄ）に示したインクジェット記録ヘッド１００を用い、実施例１、実施例２ともに表１に示した条件で数値解析シミュレーションを行った。また、比較例として、図８に示したインクジェット記録ヘッド１００を用い、表１に示した条件で同様にシミュレーションを行った。比較例は、冷媒流路４に伝熱促進体５を設けない構成である。
【００５８】
【表１】
【００５９】
なお、シミュレーションにおいては、インクジェット記録ヘッド１００に搭載される記録素子基板１の数を９個とし、支持基板２の材質は炭化ケイ素（ＳｉＣ）とした。また、伝熱促進体５として用いた凹部の形状は、図２で示したものとは異なり、寸法が５００×５００×５００μｍの立方体状とした。また、冷媒流路４の第１の伝熱部２７における伝熱促進体５の配設密度を０．３１（個／ｍｍ２）とし、実施例２では、冷媒流路４の第２の伝熱部２８における伝熱促進体５の配設密度を０．０９（個／ｍｍ２）とした。実施例１、実施例２、比較例の、シミュレーションの計算結果を表２に示す。
【００６０】
【表２】
【００６１】
表２では、記録素子基板１内の温度差として、インク供給路３の最下流に配された記録素子基板１内の温度差を記している。上述したように、支持基板２に配された複数の記録素子基板１のうち、インク供給路３の最下流に配された記録素子基板１では、記録素子基板１内の温度差が大きくなりやすく、画像品質の低減に関する課題も生じやすいため、例として取り上げている。
【００６２】
表２に示したように、実施例１では、比較例と比較してヘッド内の最高温度を０．５℃、記録素子基板１内の温度差を０．６℃低下させるという結果を得た。また、実施例２では、比較例と比較して最高温度を２．３℃、ヘッド内の温度差及び記録素子基板内の温度差を２．２℃低下させるという結果を得た。
【００６３】
これらの結果は、第１の伝熱部２７における伝熱促進体５の配設密度を、第２の伝熱部２８における伝熱促進体５の配設密度よりも高くすることで、記録素子基板１内の温度差を小さくできることを示している。同様に、第１の伝熱部２７に伝熱促進体５を配設し、第２の伝熱部２８に伝熱促進体５を配設しないことで、記録素子基板１内の温度差を小さくできることを示している。
【００６４】
なお、実施例２では実施例１よりもヘッド内の最高温度が小さく、かつ記録素子基板１内の温度差も小さくなっている。これは、実施例２では第２の伝熱部２８を含む、第１の伝熱部２７以外の部分にも伝熱促進体５を設けたため、冷媒流路４全体での熱伝達係数が実施例１よりも大きくなり、ヘッド内の最高温度が低くなったためである。また、実施例２では実施例１よりも低温のインクが記録素子基板１に流入するため、記録素子基板１の温度の上昇が更に抑制され、結果として記録素子基板１内の温度差が、実施例１よりも小さくなっている。
【００６５】
以上、説明したように、本発明に係るインクジェット記録ヘッド１００は、高速印字時など記録素子基板１からの発熱量が大きい場合にも、記録素子基板１内の長手方向の温度差を小さくすることができる。また、ヘッド１００の最高温度を低くすることができ、また、ヘッド１００内の長手方向の温度差を小さくすることができるので、安定した画像品質を得ることができる。
【符号の説明】
【００６６】
１ 記録素子基板
２ 支持基板
３ インク供給路
４ 冷媒流路
５ 伝熱促進体
８ 発熱素子
１０ 吐出口
２５ 吐出口面
２７ 第１の伝熱部
２８ 第２の伝熱部
１００ インクジェット記録ヘッド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクを吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インクジェット記録装置は、家庭用印刷用途のみならずオフィス用やリテールフォト用などの業務印刷用途、あるいは電子回路描画やフラットパネルディスプレイ製造など産業用途にも使用され、その用途は広がりつつある。そのため、インクジェット記録装置には記録の高速化が要求されている。この要求を満たす為に、インク吐出に利用されるエネルギー発生素子の駆動周波数をより高くしたり、インクジェット記録ヘッド（以下、ヘッドとも称する）の幅が記録媒体の幅よりも長いラインヘッドを用いたり、といった手段がとられている。
【０００３】
高速化の要求に応えるためにエネルギー発生素子の駆動周波数を高くすると、ヘッドへの投入電力密度が増加する。特に、インクに熱を加えて沸騰させ、その発泡のエネルギーを用いる吐出方式の場合には、電力密度が増加すると、ヘッドの温度上昇幅が大きくなり、画像品質に影響が生じる。何故ならば、ヘッドの温度が上昇するとインクの温度も上昇するので、このインクの温度上昇に伴ってインク吐出量も変化し、その結果、記録初期とその後とで記録濃度が異なるためである。一方で、ピエゾ素子を用いた吐出方式の場合には、吐出に伴うインク温度の上昇の程度は大きくないので、投入電力密度の増加による画像品質への影響は比較的小さい。しかし、ピエゾ素子を用いた吐出方式の中でも、圧電素子のせん断変形（シェアモード）を用いてインクを吐出する場合には、吐出時のエネルギー効率が低いためにインクの温度上昇幅が大きく、画像品質への影響が生じやすい。
【０００４】
また、ヘッドの温度上昇に伴う画像品質への影響のみならず、記録素子基板の長手方向に関する温度分布が生じることで、記録素子基板の長手方向に関して画像に濃度ムラが生じる恐れがある。これは、記録素子基板の長手方向に関する中央部では熱が籠りやすく端部では放熱しやすいためである。
【０００５】
このような課題を解決する方法として、特許文献１の図７には、記録素子基板の吐出口面に垂直な方向に関して、冷却流路としての冷媒流路（液冷管１５、１６）が記録素子基板の中央部と重なるように、冷媒流路が設けられた構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１６８１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記特許文献１の構成であっても、記録素子基板の長手方向に関する中央部と端部との温度差を十分に小さくすることは困難であった。特に、高速で記録を行う場合には、各記録素子基板の発熱量が大きくなるため、記録素子基板内の温度差に関する課題がより顕著に現れてしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、記録素子の配設方向に関する記録素子基板の中央部と端部との温度差を小さくし、温度差に伴う画像品質の低下を抑制するインクジェット記録ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のインクジェット記録ヘッドは、インクを吐出する複数の吐出口が設けられた吐出口面と、前記複数の吐出口からインクを吐出するためのエネルギーを発生する複数のエネルギー発生素子と、を備えた複数の素子基板と、前記吐出口面の裏面側に配された、前記複数の素子基板を冷却するための冷却液を流す冷却流路であって、前記複数のエネルギー発生素子の配設方向に関する前記素子基板の中央部と、前記吐出口面に垂直な方向に関して重なり、前記素子基板側に配された第１の伝熱部と、前記配設方向に関して隣接する前記複数の素子基板の間の領域と、前記垂直な方向に関して重なり、前記素子基板側に配された第２の伝熱部と、を備えた前記冷却流路と、を有するインクジェット記録ヘッドであって、前記第１の伝熱部には、前記冷却流路を形成する壁の前記素子基板側の面に対して凹んだ凹部、または前記素子基板側の面に対して突出した凸部が設けられており、前記第２の伝熱部には前記凹部または前記凸部が設けられていないことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の他のインクジェット記録ヘッドは、インクを吐出する複数の吐出口が設けられた吐出口面と、前記複数の吐出口からインクを吐出するためのエネルギーを発生する複数のエネルギー発生素子と、を備えた複数の素子基板と、前記吐出口面の裏面側に配された、前記複数の素子基板を冷却するための冷却液を流す冷却流路であって、前記複数のエネルギー発生素子の配設方向に関する前記素子基板の中央部と、前記吐出口面に垂直な方向に関して重なり、前記素子基板側に配された第１の伝熱部と、前記配設方向に関して隣接する前記複数の素子基板の間の領域と、前記垂直な方向に関して重なり、前記素子基板側に配された第２の伝熱部と、を備えた前記冷却流路と、を有するインクジェット記録ヘッドであって、前記第１の伝熱部及び前記第２の伝熱部には、前記冷却流路を形成する壁の前記素子基板側の面に対して凹んだ凹部、または前記素子基板側の面に対して突出した凸部が設けられており、前記第１の伝熱部に設けられた前記凹部または前記凸部の配設密度は、前記第２の伝熱部に設けられた前記凹部または前記凸部の配設密度よりも高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、記録素子の配設方向に関する記録素子基板の中央部と端部との温度差を小さくし、記録素子基板内の温度差に伴う画像品質の低下を抑制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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は、本発明の第一の実施形態を示すインクジェット記録ヘッドの構造を示す模式図である。（ｂ）は、本発明の第二の実施形態を示すインクジェット記録ヘッドの構造を示す模式図である。（ｃ）は、本発明の第三の実施形態を示すインクジェット記録ヘッドの構造を示す模式図である。（ｄ）は、本発明の第四の実施形態を示すインクジェット記録ヘッドの構造を示す模式図である。
【図２】図１（ａ）のＡ−Ａ’線の位置における断面図である。
【図３】記録素子基板の短手方向の断面を示す図である。
【図４】第四の実施形態を説明するための図である。
【図５】インクジェット記録ヘッドにインク及び冷媒を流すための接続構成を示す模式図である。
【図６】（ａ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ’線の位置における断面図である。（ｂ）は、伝熱促進体が突起形状である場合の、図１（ａ）のＢ−Ｂ’線の位置における断面図である。
【図７】インク流れの最下流に配された記録素子基板内の長手方向の温度分布を示す図である。
【図８】比較例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を用いて本発明の好適な実施の形態の例を説明する。本実施形態の吐出方式は、発泡エネルギーを用いる方式であるが、これに限らず、ピエゾ素子を用いた方式、特に、シェアモードを用いた方式であってもよい。
【００１４】
（インクジェット記録ヘッド）
図１（ａ）は、本発明の実施形態の一例であって、複数の記録素子基板１が配列されたラインヘッドの構成例である。図２は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線の位置における断面図である。インクジェット記録ヘッド１００（以下、ヘッドとも称する）は、複数の記録素子基板１が、支持基板２の上にヘッド１００の長手方向に千鳥状に配置されている。
【００１５】
なお、記録素子基板１の配置は千鳥配列に限ることは無く、例えば直線状やあるいはヘッド１００の長手方向に対して、記録素子基板１を所定の角度で傾けて配置しても良い。記録素子基板の数は図１（ａ）に記載の数に限定されるものではなく、図１（ａ）においては複数の記録素子基板が配置されているが、記録素子基板数は一つとしても良い。
【００１６】
図３は、記録素子基板１の短手方向の断面を示した図である。記録素子基板１は、吐出口部材６と発熱素子基板７とが接合されて構成されている。吐出口部材６には、発泡室９とインクを吐出する吐出口１０とが設けられている。本実施形態の吐出口部材６には、吐出口１０が配設されてなる吐出口列が８列設けられている。発熱素子基板７には、発泡室９に対応する位置に、インクを吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子としての発熱素子８が形成されている。また、発熱素子基板７にはインク供給口１１が形成されており、インク供給口１１から発泡室９へインクが供給される。
【００１７】
発熱素子基板７の内部には電気配線（不図示）が形成されており、この電気配線は、支持基板２上に配置されたフレキシブルプリント基板のリード電極、または支持基板２内に設けられた電極と電気的に接続されている。ヘッド１００の外部に設けられた制御回路から、発熱素子基板７へパルス電圧が入力されることで、発熱素子８が駆動され、発泡室９内のインクを沸騰させることで、吐出口１０からインク滴が吐出される。
【００１８】
なお、本実施形態では、記録素子基板１の長手方向は、発熱素子８の配設方向であり、記録素子基板１の短手方向は、記録素子基板１の吐出口１０が設けられた吐出口面２５の方向において、発熱素子８の配設方向に直交する方向である。
【００１９】
支持基板２の内部には、図１（ａ）及び図２に示すように、インクを流して、記録素子基板１にインクを供給するインク供給路３が形成されている。インク供給路３の一方の端部には、インクを流入するインク流入口１４が設けられており、他方の端部には、インクを排出するインク流出口１５が設けられている。インク供給路３の、記録素子基板１のインク供給口１１に相対する位置に形成されたスリット１６から、記録素子基板１のインク供給口１１にインクが供給される。
【００２０】
支持基板２は、記録素子基板１から熱が伝達されるため、低熱膨張率で高熱伝導率の材質からなることが好ましく、また、ラインヘッドが撓まない程度の剛性と、インクに対して十分な耐腐食性と、を有していることが好ましい。例えば、支持基板２の材料としては、酸化アルミニウムや炭化ケイ素などを好適に用いることができる。冷却効率の観点からは、酸化アルミニウムよりも熱伝導率の高い炭化ケイ素を用いることが好ましい。なお、本実施形態では、支持基板２は、２枚の板状部材が接合されて形成されている。
【００２１】
図１（ａ）では、インク供給路３は蛇行形状であり、千鳥状に配置された複数の記録素子基板１に順にインクを供給するが、インク供給路３の構成はこれに限定されない。例えば、ヘッド１００の長手方向に関して直線状に配置された２列の記録素子基板１に対して１列ごとにインク供給路３を直線状に配置し、ヘッド１００の長手方向に関する端部でインク供給路３が繋がる構成であってもよい。もっともインク供給路３の流路長を長くすると圧力損失が大きくなり、インク供給路３の下流側の記録素子基板１へのインク供給が適切に行われない恐れがあるため、インク供給路３の長さは短い方が好ましい。
【００２２】
また、本実施形態のように、１つのインク供給路３から複数の記録素子基板１に対してインクを供給する構成ではなく、各記録素子基板１に対して独立して設けられたインク供給路３からインクを供給する構成であってもよい。
【００２３】
なお、本実施形態では、インク供給路３は外部のインク循環経路に接続されており、インク流出口１５から流出されたインクは、熱交換器及び循環装置を経由して、再びインク流入口１４へ流入される。このような構成とすることで、インク供給路３を流れるインクによってヘッド１００を冷却することができる。なお、低速記録時など記録素子基板１における発熱量が少ない場合には、インク流出口１５を閉塞してもよく、あるいはインク流出口１５からインクを供給してもよい。
【００２４】
また、支持基板２の内部には、図１（ａ）や図２に示すように、記録素子基板１の吐出口面２５の裏面側には、記録素子基板１を冷却するための冷媒（冷却液）を流す冷媒流路４（冷却流路）が形成されている。冷媒流路４の一方の端部には、冷媒を流入する冷媒流入口１２が設けられており、他方の端部には、冷媒を流出する冷媒流出口１３が設けられている。冷媒流出口１３は、外部の冷媒循環経路に接続されており、冷媒流出口１３から流出された冷媒は、熱交換器及び循環装置を経由して、再び冷媒流入口１２へ流入される。
【００２５】
図１（ａ）及び図２に示すように、冷媒流路４はヘッド１００内を蛇行する形状となっている。
【００２６】
具体的には、冷媒流路４は、吐出口面２５に垂直な方向に関して、各記録素子基板１の長手方向に関する中央部と重なり、この中央部において記録素子基板１の短手方向に関して記録素子基板１と交差している。また、冷媒流路４は、吐出口面２５に垂直な方向に関して、各記録素子基板１の長手方向に関する端部と重ならず、記録素子基板１の長手方向に関して互いに隣接する記録素子基板１の間の領域を通っている。
【００２７】
このように冷媒流路４を形成することで、熱の逃げやすい記録素子基板１の端部は、熱の篭りやすい記録素子基板１の中央部よりも、冷媒流路４からの距離が遠くなる。したがって、記録素子基板１の中央部から放熱しやすくなり、記録素子基板１の長手方向の温度差を小さくすることができる。
【００２８】
なお、本実施形態では、ヘッド１００の一端にインク供給路３のインク流入口１４及び冷媒流路４の冷媒流出口１３が設けられ、他端にインク供給路３のインク流出口１５及び冷媒流路４の冷媒流入口１２が設けられている。すなわち、ヘッド１００の長手方向に関して、インク供給路３と冷媒流路４との流体の流れ方向が反対向きとなっている。したがって、インクの温度の低いインク流入口１４付近では、ヘッド１００内を流れて昇温した冷媒が流れ、一方で、冷媒流入口１２付近では、ヘッド１００内で昇温したインクが流れる。これにより、ヘッド１００の長手方向に関してインクと冷媒の流れ方向が同じ向きである場合と比べ、ヘッド１００内の長手方向に関する温度差を小さくすることができる。
【００２９】
（第一の実施形態）
図１（ａ）、図２に示すように、第一の実施形態のインクジェット記録ヘッド１００において、冷媒流路４の記録素子基板１の側には、伝熱促進体５が設けられている。ここで、図２に示すように、本実施形態では、記録素子基板１の長手方向に関する伝熱促進体５の断面形状は三角形となっており、伝熱促進体５は、冷媒流路４を形成する壁の記録素子基板１側の面に対して記録素子基板１側に凹んだ微細な凹部となっている。凹部である伝熱促進体５により、冷媒と支持基板２との接触面積が増大したり、凹部内で冷媒の流れに渦流が生じることにより、冷媒の流れに乱れを生じやすくなったりするため、伝熱面から冷媒への熱伝達が促進される。図１（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である図６に模式的に示すように、凹部内では流線１８のように冷媒が渦流を発生する。
【００３０】
なお、微細な凹部の寸法は冷媒の流速によって選定することが好ましいが、凹部の開口径が大よそ１００〜１０００μｍ、凹部の深さが１００μｍ〜１０００μｍ程度とすることが好ましい。
【００３１】
開口径が１００μｍより小さいと、凹部内へ冷媒が流れ込むための圧力損失が大きくなりすぎて凹部内で冷媒の移動が生じ難くなり、伝熱促進の効果が低減される。一方、開口径が１０００μｍより大きいと、各記録素子基板の寸法（短手方向の長さ１０〜１５ｍｍ、長手方向の長さ２０〜４０ｍｍ）に比して凹部が大きくなりすぎ、冷媒流路４に配置することができる凹部の数が少なくなってしまう。
【００３２】
また、凹部の深さが浅いと、伝熱面積が稼ぎにくくなるとともに、冷媒の流れの境界層が凹部に沿って形成され、冷媒の流れが乱れることによる伝熱促進効果が低減される。一方、凹部の深さの上限は、凹部の開口径によって決まり、開口径に対して深さを大きくしすぎると、凹部の底部分では冷媒は移動しにくいため、伝熱促進効果が低減される。したがって、凹部の寸法は上記の範囲とすることが好ましい。
【００３３】
なお、図１（ａ）及び図２においては、記録素子基板１の長手方向の伝熱促進体５としての凹部の断面が三角形であり、短手方向のその断面が矩形であるが、伝熱面積を拡大させたり、冷媒の流れに乱れを生じさせたりすることができれば、他の形状であってもよい。例えば、凹部の形状としては、円柱状、円錐状、角柱状、角錐状などから選択することができる。また、伝熱促進体５として、凹部が冷媒の流れに交差する方向に延びた溝状であれば、角溝状、Ｖ字溝状、Ｕ字溝状、といった形状を用いることができる。さらに、図６（ｂ）に示すように伝熱促進体５として、冷媒流路４を形成する壁の面に対して冷媒流路４側に突出した突起（凸部）も用いることができる。伝熱促進体５を突起とした場合には、冷媒が伝熱促進体に衝突する際の衝突効果により、局所的に熱伝達率の高い領域を突起の近傍に発生させることが可能となる。このため、伝熱面積の拡大や冷媒流れの乱れ促進との相乗効果により、伝熱促進体５を凹部とした場合よりも高い冷却効果が得られる。
【００３４】
伝熱促進効果の観点からは、突起の方が凹部よりも高い効果が期待できるため、好ましい。一方で、支持基板２に酸化アルミニウムや炭化ケイ素等のセラミック材料を用いる場合に、加工容易性やコスト、堅牢性の観点からは凹部を用いることが好ましい。
【００３５】
ここで、図１（ａ）に示すように、第一の実施形態のインクジェット記録ヘッド１００では、伝熱促進体５の配設密度が不均等となるように、伝熱促進体５を冷媒流路４の記録素子基板１の側に設けている。具体的には、記録素子基板１の中央部と重なる冷媒流路４の第１の伝熱部２７に設けられた伝熱促進体５の配設密度が、隣接する記録素子基板１の間の領域に重なる冷媒流路４の第２の伝熱部２８に設けられた伝熱促進体５の配設密度よりも高い構成となっている。
【００３６】
なお、冷媒流路４のうちの、記録素子基板１の長手方向に関する中央部と吐出口面２５に垂直な方向に関して重なり、記録素子基板１側に配された部分を第１の伝熱部２７と称している。また、冷媒流路４のうちの、記録素子基板１の長手方向に関して隣接する複数の記録素子基板１の間の領域と、吐出口面２５に垂直な方向に関して重なり、記録素子基板１側に配された部分を、第２の伝熱部２８と称している。
【００３７】
上述の構成によって、第２の伝熱部２８よりも第１の伝熱部２７において冷媒への熱伝達がより促進される。これにより、記録素子基板１の端部よりも中央部からの放熱効果が促進され、記録素子基板１の長手方向に関する中央部と端部との温度差をより小さくすることが可能となる。
【００３８】
また、本実施形態では、冷媒流路４の記録素子基板１側に配された、上述の第１の伝熱部２７及び第２の伝熱部２８以外の部分（第３の伝熱部）にも、その全域にわたって伝熱促進体５が設けられている。ヘッド１００の温度を全体的に低くしたい場合は、本実施形態のように、冷媒流路４の全域に伝熱促進体５を設けることが望ましい。また、冷媒流路４を流れる冷媒は流れ方向に関して昇温されるので、ヘッド１００の長手方向の温度差を小さくするためには、冷媒流路４の下流部よりも上流部の方が伝熱促進体５の配設密度が高くなるように、伝熱促進体５を設けることが好ましい。
【００３９】
なお、本実施形態では、隣接する記録素子基板１の間以外で、ヘッド１００の長手方向の端部に配された記録素子基板１の一端の近傍を冷媒流路４が通る部分がある。このように吐出口面２５に垂直な方向に関して記録素子基板１の長手方向の端部の近傍と重なり、冷媒流路４の記録素子基板１側に配された部分では、第２の伝熱部２８と同様に、第１の伝熱部２７における伝熱促進体５の配設密度よりも低くすることが好ましい。これにより、記録素子基板１の端部よりも中央部からの放熱効果を促進させ、記録素子基板１の長手方向に関する中央部と端部との温度差を小さくすることが可能となる。
【００４０】
（第二の実施形態）
図１（ｂ）は、第二の実施形態のインクジェット記録ヘッド１００を示す図であって、本実施形態は、図１（ａ）において、各記録素子基板１の長手方向の端部の近傍を通る冷媒流路４の部分から伝熱促進体５を除いた構成である。このように伝熱促進体５を配置することで、冷媒流路４の伝熱促進効果を高くしつつ、記録素子基板１の端部よりも中央部からの放熱効果を促進させ、記録素子基板１の長手方向に関する中央部と端部との温度差を小さくすることが可能となる。
【００４１】
（第三の実施形態）
また、図１（ｃ）は、第三の実施形態のインクジェット記録ヘッド１００を示す図であって、本実施形態は、第１の伝熱部２７のみに伝熱促進体５を設けた構成である。このように伝熱促進体５を配置することで、記録素子基板１の端部よりも中央部からの放熱効果を促進させ、記録素子基板１の長手方向に関する中央部と端部との温度差を小さくすることが可能となる。
【００４２】
（第四の実施形態）
図１（ｄ）は第四の実施形態のインクジェット記録ヘッド１００を示す図である。図１（ｄ）の部分拡大図である図４に示すように、冷媒流路４が屈曲している屈曲部では、冷媒が冷媒流路４を形成する壁に衝突するように流れる。このように、冷媒が冷媒流路４の壁に衝突することで、壁と冷媒との熱伝達が促進することが知られている。そのため、冷媒が衝突する衝突部１７の近傍に配された記録素子基板１の一部が冷却されすぎてしまう恐れがある。
【００４３】
具体的には、図４に示すように、冷媒流路４の屈曲部の冷媒の流れ方向に関する下流側の近傍の、屈曲部の外側部分の壁に、冷媒が衝突しやすい。したがって、本実施形態では、屈曲部の下流側近傍では、屈曲部の外側には伝熱促進体５を設けておらず、屈曲部の下流側近傍で、屈曲部の外側における伝熱促進体５の配設密度を、屈曲部の内側における伝熱促進体５の配設密度よりも小さい構成としている。これにより、衝突部１７の近傍における冷媒の衝突による冷却効果が抑制されるため、記録素子基板１内の温度差が大きくなることを抑制することができる。また、上述で説明したように、記録素子基板１の端部では熱が逃げやすいため、特に、隣接する記録素子基板１の間の領域と重なる第２の伝熱部２８において、屈曲部の外側と内側で伝熱促進体５の配設密度の差をつけることが望ましい。
【００４４】
なお、上述の実施形態で「伝熱促進体５の配設密度」とは、単位面積あたりに形成されている伝熱促進体５の個数を表し、伝熱促進体５の寸法が小さいほどその配設密度は高く、また、伝熱促進体５同士の間隔が大きいほど低くなる。
【００４５】
また、冷媒は一般的な熱冷媒を用いることができ、中でも比熱及び熱伝達効率が高く、外部環境に無害な水を使用することが好ましい。
【００４６】
（インクジェット記録ヘッド及び記録素子基板の温度分布）
次に、図１（ａ）〜（ｄ）及び図５に示したインクジェット記録ヘッド１００を駆動する場合の具体的な動作、及びインクジェット記録ヘッド１００と記録素子基板１の温度分布について説明する。
【００４７】
図５に示すようにインクジェット記録ヘッド１００において、インク流入口１４にはインクタンク２０と接続されたチューブが連結され、インク流出口１５には負圧発生ポンプ１９と接続されたチューブが連結される。インクタンク２０は熱交換器（不図示）と連結されており、インクタンク２０は、ヘッド１００にインクを供給するとともに、ポンプ１９を通って循環されたインクを冷却する機能を備える。また、インクカートリッジ２２からフィルター２３によって異物除去されたインクを、ポンプ２１によってインクタンク２０に移送することができ、記録によってヘッド１００から吐出されるインクと同量のインクをインクタンク２０に供給することができる。更に、インクタンク２０は外気連通口を備えており、インク中の気泡を外部に排出する機能を備える。
【００４８】
冷媒流入口１２には冷媒ポンプ２４と接続されたチューブが連結され、冷媒流出口１３には冷媒熱交換器２６と接続されたチューブが連結されている。
【００４９】
吐出口１０からインクが吐出されると、発熱素子８の余熱はインクや記録素子基板１本体に伝達され、その後、支持基板２に伝達される。そのため、インクジェット記録ヘッド１００全体の温度が上昇する。ここで、負圧発生ポンプ１９及び冷媒ポンプ２４を作動させ、インクジェット記録ヘッド１００内にインク体及び冷媒を循環させる。これにより、インクはヘッド１００内の支持基板２及び記録素子基板１、冷媒は支持基板２からそれぞれ熱伝達され、ヘッド１００を冷却する。
【００５０】
インクは各記録素子基板１から熱を奪い、インク供給路３は上流から下流へ昇温しながら流れる。そのため、インク供給路３の下流側に配置された記録素子基板１ほどインクとの温度差が小さくなり、下流側に配置された記録素子基板１ほどインクへの放熱量が小さくなる。
【００５１】
一方、記録素子基板１から支持基板２へと伝達された熱は、一部はインクへと伝達されるものの、その多くは冷媒に伝達されるため、インクと同様に、冷媒の温度も上昇しつつ下流へと流れていく。しかし、冷媒の流量をインクよりも大幅に大きくすることで、冷媒の昇温を抑制することができ、冷媒流路４の下流側に配置された記録素子基板１の温度が高くなることを防ぐことができる。また、冷媒は、支持基板２を介して記録素子基板１から熱が伝達される一方で、インクは記録素子基板１から直接熱が伝達される。したがって、ラインヘッド内では、インク供給路３の最上流に配された記録素子基板１はインク供給路３の最下流に配された記録素子基板よりも低い温度になりやすい。
【００５２】
しかし、支持基板２に熱伝導率の高い材料を用い、図１（ａ）に示したように、インクの流れ方向とは逆に冷媒を流す構成の場合、インク供給路３の最下流に配された記録素子基板１では、複数の記録素子基板１のうちの最高温度と最低温度が現れる場合もある。これは、インク供給路３の最下流に配された記録素子基板１は、支持基板２に配された記録素子基板１のうちで、最も温度の低い冷媒に冷却されつつ、且つ最も温度の高いインクとも接するためである。
【００５３】
また、上述したように、記録素子基板１内の温度分布は、熱の篭りやすい記録素子基板の中央部の温度が高く、熱の逃げやすい端部の温度が低い分布となる。特に、印字幅方向、すなわち記録素子基板１の長手方向の温度差が画像品質へ影響を及ぼしやすい。記録素子基板１の長手方向の温度分布は、中央部が高く端部が低くなり、両端部では、温度の低いインクが流入するインク供給路３の上流側の端部の方が、下流側端部よりも温度が低くなる。
【００５４】
ここで、図７に上述の実施形態で示したインクジェット記録ヘッド１００の、インク流れの最下流に配された記録素子基板１内の温度分布の概略図を示す。比較例は、図８に示すように冷媒流路４に伝熱促進体５を設けない構成である。比較例と比べると、第三の実施形態では記録素子基板１の中央部における温度及び端部における温度は低下する。記録素子基板１の中央部の方が、記録素子基板１の端部よりも、比較例と比べた際の温度低下量が大きいため、記録素子基板１内の温度差も、第三の実施形態の方が比較例よりも小さくなる。
【００５５】
第二の実施形態では、第三の実施形態に比べて冷媒流路４中の伝熱促進体５の数が多いため、より記録素子基板１の冷却が促進される。第二の実施形態は、第三の実施形態と比べて記録素子基板１内の温度差はあまり変わらないものの、記録素子基板１の温度全体が低下するため、記録素子基板１の最高温度は低下する。第一の実施形態や第四の実施形態では、第二の実施形態よりも更に伝熱促進体５の数が多いため、記録素子基板１の最高温度は低下する。
【００５６】
（実施例）
次に、上述の実施形態の効果について、実施例と比較例とを用いて説明する。
【００５７】
実施例１としては、図１（ｃ）に示したインクジェット記録ヘッド１００を用い、実施例２としては、図１（ｄ）に示したインクジェット記録ヘッド１００を用い、実施例１、実施例２ともに表１に示した条件で数値解析シミュレーションを行った。また、比較例として、図８に示したインクジェット記録ヘッド１００を用い、表１に示した条件で同様にシミュレーションを行った。比較例は、冷媒流路４に伝熱促進体５を設けない構成である。
【００５８】
【表１】
【００５９】
なお、シミュレーションにおいては、インクジェット記録ヘッド１００に搭載される記録素子基板１の数を９個とし、支持基板２の材質は炭化ケイ素（ＳｉＣ）とした。また、伝熱促進体５として用いた凹部の形状は、図２で示したものとは異なり、寸法が５００×５００×５００μｍの立方体状とした。また、冷媒流路４の第１の伝熱部２７における伝熱促進体５の配設密度を０．３１（個／ｍｍ２）とし、実施例２では、冷媒流路４の第２の伝熱部２８における伝熱促進体５の配設密度を０．０９（個／ｍｍ２）とした。実施例１、実施例２、比較例の、シミュレーションの計算結果を表２に示す。
【００６０】
【表２】
【００６１】
表２では、記録素子基板１内の温度差として、インク供給路３の最下流に配された記録素子基板１内の温度差を記している。上述したように、支持基板２に配された複数の記録素子基板１のうち、インク供給路３の最下流に配された記録素子基板１では、記録素子基板１内の温度差が大きくなりやすく、画像品質の低減に関する課題も生じやすいため、例として取り上げている。
【００６２】
表２に示したように、実施例１では、比較例と比較してヘッド内の最高温度を０．５℃、記録素子基板１内の温度差を０．６℃低下させるという結果を得た。また、実施例２では、比較例と比較して最高温度を２．３℃、ヘッド内の温度差及び記録素子基板内の温度差を２．２℃低下させるという結果を得た。
【００６３】
これらの結果は、第１の伝熱部２７における伝熱促進体５の配設密度を、第２の伝熱部２８における伝熱促進体５の配設密度よりも高くすることで、記録素子基板１内の温度差を小さくできることを示している。同様に、第１の伝熱部２７に伝熱促進体５を配設し、第２の伝熱部２８に伝熱促進体５を配設しないことで、記録素子基板１内の温度差を小さくできることを示している。
【００６４】
なお、実施例２では実施例１よりもヘッド内の最高温度が小さく、かつ記録素子基板１内の温度差も小さくなっている。これは、実施例２では第２の伝熱部２８を含む、第１の伝熱部２７以外の部分にも伝熱促進体５を設けたため、冷媒流路４全体での熱伝達係数が実施例１よりも大きくなり、ヘッド内の最高温度が低くなったためである。また、実施例２では実施例１よりも低温のインクが記録素子基板１に流入するため、記録素子基板１の温度の上昇が更に抑制され、結果として記録素子基板１内の温度差が、実施例１よりも小さくなっている。
【００６５】
以上、説明したように、本発明に係るインクジェット記録ヘッド１００は、高速印字時など記録素子基板１からの発熱量が大きい場合にも、記録素子基板１内の長手方向の温度差を小さくすることができる。また、ヘッド１００の最高温度を低くすることができ、また、ヘッド１００内の長手方向の温度差を小さくすることができるので、安定した画像品質を得ることができる。
【符号の説明】
【００６６】
１ 記録素子基板
２ 支持基板
３ インク供給路
４ 冷媒流路
５ 伝熱促進体
８ 発熱素子
１０ 吐出口
２５ 吐出口面
２７ 第１の伝熱部
２８ 第２の伝熱部
１００ インクジェット記録ヘッド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを吐出する複数の吐出口が設けられた吐出口面と、前記複数の吐出口からインクを吐出するためのエネルギーを発生する複数のエネルギー発生素子と、を備えた複数の素子基板と、
前記吐出口面の裏面側に配された、前記複数の素子基板を冷却するための冷却液を流す冷却流路であって、前記複数のエネルギー発生素子の配設方向に関する前記素子基板の中央部と、前記吐出口面に垂直な方向に関して重なり、前記素子基板側に配された第１の伝熱部と、前記配設方向に関して隣接する前記複数の素子基板の間の領域と、前記垂直な方向に関して重なり、前記素子基板側に配された第２の伝熱部と、を備えた前記冷却流路と、
を有するインクジェット記録ヘッドであって、
前記第１の伝熱部には、前記冷却流路を形成する壁の前記素子基板側の面に対して凹んだ凹部、または前記素子基板側の面に対して突出した凸部が設けられており、前記第２の伝熱部には前記凹部または前記凸部が設けられていないことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項２】
インクを吐出する複数の吐出口が設けられた吐出口面と、前記複数の吐出口からインクを吐出するためのエネルギーを発生する複数のエネルギー発生素子と、を備えた複数の素子基板と、
前記吐出口面の裏面側に配された、前記複数の素子基板を冷却するための冷却液を流す冷却流路であって、前記複数のエネルギー発生素子の配設方向に関する前記素子基板の中央部と、前記吐出口面に垂直な方向に関して重なり、前記素子基板側に配された第１の伝熱部と、前記配設方向に関して隣接する前記複数の素子基板の間の領域と、前記垂直な方向に関して重なり、前記素子基板側に配された第２の伝熱部と、を備えた前記冷却流路と、
を有するインクジェット記録ヘッドであって、
前記第１の伝熱部及び前記第２の伝熱部には、前記冷却流路を形成する壁の前記素子基板側の面に対して凹んだ凹部、または前記素子基板側の面に対して突出した凸部が設けられており、前記第１の伝熱部に設けられた前記凹部または前記凸部の配設密度は、前記第２の伝熱部に設けられた前記凹部または前記凸部の配設密度よりも高いことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項３】
前記冷却流路は屈曲部を備えており、
前記屈曲部の冷却液の流れ方向に関する下流側の近傍に配された、前記第２の伝熱部のうちの、前記屈曲部の外側における前記凹部または前記凸部の配設密度は、前記屈曲部の内側における前記凹部または前記凸部の配設密度より低いことを特徴とする請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項４】
前記複数の素子基板は、前記配設方向に沿って千鳥状に配設されており、
前記冷却流路は、前記配設方向に沿って延びる一つの流路であり、前記垂直な方向に関して、前記冷却流路は前記中央部で前記素子基板と交差し、前記隣接する複数の素子基板の間の領域を通ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項５】
前記複数の素子基板に前記配設方向の順にインクを供給するインク供給路を有し、
前記垂直な方向に関して、冷却液が前記中央部で前記順とは反対の順に前記複数の素子基板と交差するように、前記冷却流路に冷却液が流れることを特徴とする請求項４に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項６】
前記冷却流路の前記素子基板側に配された部分のうちの、前記第１の伝熱部及び前記第２の伝熱部以外の第３の伝熱部にも、前記凹部または前記凸部が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項７】
前記第３の伝熱部のうちの、前記冷却流路の冷却液の流れ方向の上流部における前記凹部または前記凸部の配設密度は、前記第３の伝熱部のうちの、前記流れ方向の下流部における前記凹部または前記凸部の配設密度より低いことを特徴とする請求項６に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項１】
インクを吐出する複数の吐出口が設けられた吐出口面と、前記複数の吐出口からインクを吐出するためのエネルギーを発生する複数のエネルギー発生素子と、を備えた複数の素子基板と、
前記吐出口面の裏面側に配された、前記複数の素子基板を冷却するための冷却液を流す冷却流路であって、前記複数のエネルギー発生素子の配設方向に関する前記素子基板の中央部と、前記吐出口面に垂直な方向に関して重なり、前記素子基板側に配された第１の伝熱部と、前記配設方向に関して隣接する前記複数の素子基板の間の領域と、前記垂直な方向に関して重なり、前記素子基板側に配された第２の伝熱部と、を備えた前記冷却流路と、
を有するインクジェット記録ヘッドであって、
前記第１の伝熱部には、前記冷却流路を形成する壁の前記素子基板側の面に対して凹んだ凹部、または前記素子基板側の面に対して突出した凸部が設けられており、前記第２の伝熱部には前記凹部または前記凸部が設けられていないことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項２】
インクを吐出する複数の吐出口が設けられた吐出口面と、前記複数の吐出口からインクを吐出するためのエネルギーを発生する複数のエネルギー発生素子と、を備えた複数の素子基板と、
前記吐出口面の裏面側に配された、前記複数の素子基板を冷却するための冷却液を流す冷却流路であって、前記複数のエネルギー発生素子の配設方向に関する前記素子基板の中央部と、前記吐出口面に垂直な方向に関して重なり、前記素子基板側に配された第１の伝熱部と、前記配設方向に関して隣接する前記複数の素子基板の間の領域と、前記垂直な方向に関して重なり、前記素子基板側に配された第２の伝熱部と、を備えた前記冷却流路と、
を有するインクジェット記録ヘッドであって、
前記第１の伝熱部及び前記第２の伝熱部には、前記冷却流路を形成する壁の前記素子基板側の面に対して凹んだ凹部、または前記素子基板側の面に対して突出した凸部が設けられており、前記第１の伝熱部に設けられた前記凹部または前記凸部の配設密度は、前記第２の伝熱部に設けられた前記凹部または前記凸部の配設密度よりも高いことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項３】
前記冷却流路は屈曲部を備えており、
前記屈曲部の冷却液の流れ方向に関する下流側の近傍に配された、前記第２の伝熱部のうちの、前記屈曲部の外側における前記凹部または前記凸部の配設密度は、前記屈曲部の内側における前記凹部または前記凸部の配設密度より低いことを特徴とする請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項４】
前記複数の素子基板は、前記配設方向に沿って千鳥状に配設されており、
前記冷却流路は、前記配設方向に沿って延びる一つの流路であり、前記垂直な方向に関して、前記冷却流路は前記中央部で前記素子基板と交差し、前記隣接する複数の素子基板の間の領域を通ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項５】
前記複数の素子基板に前記配設方向の順にインクを供給するインク供給路を有し、
前記垂直な方向に関して、冷却液が前記中央部で前記順とは反対の順に前記複数の素子基板と交差するように、前記冷却流路に冷却液が流れることを特徴とする請求項４に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項６】
前記冷却流路の前記素子基板側に配された部分のうちの、前記第１の伝熱部及び前記第２の伝熱部以外の第３の伝熱部にも、前記凹部または前記凸部が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項７】
前記第３の伝熱部のうちの、前記冷却流路の冷却液の流れ方向の上流部における前記凹部または前記凸部の配設密度は、前記第３の伝熱部のうちの、前記流れ方向の下流部における前記凹部または前記凸部の配設密度より低いことを特徴とする請求項６に記載のインクジェット記録ヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１４０７３（Ｐ２０１３−１４０７３Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４８３７４（Ｐ２０１１−１４８３７４）
【出願日】平成２３年７月４日（２０１１．７．４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月４日（２０１１．７．４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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