JP2002331658A - 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 - Google Patents
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Info
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Abstract
ドにおいて、リフィル時間の低減および画品質を向上す
るインクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装
置を提供する。 【解決手段】 インク滴を吐出するノズルは、複数の吐
出孔11から構成され、吐出孔の長さln [m]および
ピッチPn [m]は、ln >1.2Vd /An 、Pn >
1.4dd (Vd は吐出孔から吐出されるインク滴の体
積[m3 ],ddはインク滴の滴径[m],An はノズ
ルの開口面積[m2 ])の条件を満足するように設定さ
れている。従って、インク滴吐出後のノズル裏面におけ
るメニスカスの合体現象を抑制でき、リフィル時間を短
縮可能な多孔ノズルの効果を有効に引き出すことができ
る。また、多孔ノズルから吐出されたインク滴が飛翔過
程において合体する現象を防止でき、画像品質に優れた
記録を実行できる。
Description
滴を吐出して文字や画像の記録を行うインクジェット記
録ヘッド及びインクジェット記録装置に関する。
エータ等の電気機械変換機を用いて、インクが充填され
た圧力発生室内に圧力波(音響波)を発生させ、その圧
力波によって圧力発生室に連結されたノズルからインク
滴を吐出するドロップオンデマンド型のインクジェット
記録ヘッドとして、例えば、特公昭53−12138号
公報や特開平10−193587号公報に開示されるも
のが一般に知られている。
ドの概略構成を示す断面図である。図11において、圧
力発生室111には、インクを吐出するためのノズル1
12と、共通インク流路113を介して不図示のインク
タンクからインクを導くためのインク供給路114が連
結されている。また、圧力発生室111の底面には振動
板115が設けられている。
外部に設けられた圧電アクチュエータ116によってこ
の振動板115を変位させ、圧力発生室111に体積変
化を生じさせることにより、当該圧力発生室111内に
圧力波を発生させる。この圧力波によって、圧力発生室
111内に充填されていたインクの一部がノズル112
を通って外部に噴射され、インク滴117となって飛翔
する。飛翔したインク滴117は、記録紙等の記録媒体
上に着弾して記録ドットを形成する。こうした記録ドッ
トの形成を画像データに基づいて繰り返し行うことによ
り、記録媒体上に文字や画像が記録される。
部のメニスカス動作を示す模式図である。図12(a)
に示すように、初め略平坦な状態であったメニスカス1
22は、圧力発生室が圧縮されるとノズル121の外部
に向かって移動し、インク滴123を吐出させる(図1
2(b))。インク滴の吐出が行われると、ノズル12
1内部のインク量が減少するため、図12(c)に示す
ような凹形状のメニスカス122が形成される。凹形状
になったメニスカス122は、図12(d)〜(f)に
示すように、インクの表面張力の作用によって徐々にノ
ズル121の開口部まで復帰し、吐出前の状態に回復す
る。こうしたインク滴吐出後におけるメニスカス復帰動
作のことを、本明細書の中では「リフィル」と称し、イ
ンク滴吐出後に最初にメニスカスがノズル開口面(y=
0)に復帰するまでの時間を「リフィル時間(tr )」
と称する。
了前に次の吐出を行うとインク滴の滴径や滴速が不安定
化してしまうため、リフィルが完了してから次の吐出を
実行しなければ安定した連続吐出を実行することはでき
ない。つまり、インク滴を吐出してからリフィル時間t
r 以上の時間が経過してからでないと、次のインク滴吐
出を安定に行うことができない。このことから、最大吐
出周波数(すなわち記録速度)を増加するためには、リ
フィル時間tr の低減が重要なポイントとなる。
て、例えば、図13に示すようにノズルプレート132
に複数の吐出孔131が設けられたノズルを有するイン
クジェット記録ヘッドが、特開昭56−93567号公
報、特開昭57−107849号公報、特開昭63−1
3751号公報などに開示されている。すなわち、上述
したリフィル現象は、メニスカスの表面張力によって発
生する圧力によるものであるが、その発生圧力は次式で
表されるメニスカスの音響容量cn が小さいほど大きく
なる(dn はノズル径[m]、σはインクの表面張力
[N/m])。
容量cn はノズル径の4乗に比例するため、音響容量c
n を減少させるにはノズル径をできるだけ小さく設定す
ることが望ましい。ただし、単孔構造のノズルでノズル
径を減少すると、インク滴の体積が減少するなどの問題
が生じる。
さな複数の吐出孔131によってノズルを構成し、それ
ぞれの吐出孔から微小滴を吐出することにより、トータ
ルのインク滴体積を減少することなく、それぞれの吐出
孔の音響容量cn を低減し、リフィル速度の高速化を図
ることができる。
ノズルを有するインクジェット記録ヘッドの他の利点と
しては、特開平6−286138号公報に開示される階
調記録性の向上、特開昭62−196155号公報など
に開示されるバーコード等の特定パターン印刷の高速
化、特開昭56−93567号公報に開示される所要イ
ンク滴量の低減による乾燥性向上や裏写り防止などが挙
げられる。
実際に多孔ノズルを有するインクジェット記録ヘッドの
試作評価を行った結果、単にノズルを多孔構造にしても
リフィル時間低減の効果を十分に得ることが困難である
と共に、ノズルを多孔構造化したことに起因した画像品
質の劣化および吐出特性の低下(吐出効率低下など)が
発生しやすいことが明らかになった。その原因を数多く
のヘッド試作評価および流体解析によって調査分析した
結果、ノズル構造(ノズル長さ、吐出孔のピッチなど)
や他の流路系(圧力発生室、インク供給路など)とのマ
ッチングに問題があることが明らかになった。換言する
と、多孔ノズルの利点を有効に引き出すためには、ノズ
ル構造の最適化や他の流路系とのマッチングが不可欠で
あることが明らかになった。以下、上述した問題点につ
いて具体例を挙げながら説明する。
クジェット記録ヘッド(1ノズルの吐出孔数:5)にお
いて、吐出させるインク滴の体積とリフィル時間の関係
を調べた結果の一例である。多孔ノズルのインクジェッ
ト記録ヘッドに対する調査結果を▲プロットで示し、比
較対象として、吐出孔を1つしか有しない単孔ノズルの
インクジェット記録ヘッドに対する調査結果を○プロッ
トで示した(トータルのインク滴体積を同一として比
較)。
が5pl以下の場合には、多孔ノズルのリフィル時間は
単孔ノズルの1/2〜2/3であり、リフィル時間の低
減(リフィル高速化)という多孔ノズルの効果が得られ
ている。
と、リフィル時間は不連続に急激増加し、単孔ノズルよ
りも大きなリフィル時間となっている。つまり、インク
滴体積が一定以上大きくなると、リフィル時間低減とい
う効果を得られなくなるばかりでなく、単孔ノズルより
もリフィル速度が低下してしまうことが明らかになっ
た。
ィル時間が大きく変化してしまう原因を実験および流体
解析等によって調査した結果、ノズル裏面におけるメニ
スカスの状態が大きく関与していることが明らかになっ
た。すなわち、吐出するインク滴の体積に対して吐出孔
の長さが短いと、図15(b)に示すように、ノズルの
裏面でメニスカス155の合体現象が生じてしまうこと
が明らかになった。こうした合体現象によりメニスカス
の曲率半径が増加するため、リフィル動作の原動力とな
るメニスカスの復帰力が減少し、結果的にリフィル時間
が大幅に増加してしまう。
フィル時間が大きく増加したのは、インク滴体積の増加
に伴って吐出直後のメニスカス後退量が増加し、ノズル
裏面におけるメニスカスの合体現象が発生したためと考
えられる。一方、5pl以下の滴体積では、メニスカス
の後退量が小さいため、図15(a)のように正常なメ
ニスカス154が形成されたと考えられる。
ス合体現象は、吐出孔の長さを十分長く設定すれば防ぐ
ことができる。しかし、吐出孔長さの増加は、別の理由
によってリフィル時間の増加を招いてしまう。すなわ
ち、吐出孔の音響抵抗(流体抵抗)は吐出孔長さに比例
するため、吐出孔長さを大きく設定すると吐出孔の音響
抵抗が増大し、その結果、リフィル時間を増加させてし
まう。特に多孔ノズルの場合には、吐出孔の径が小さい
ため、音響抵抗が大きくなりやすく(音響抵抗は流路径
の4乗に反比例する)、吐出孔の長さは最小限に設定し
ないと高速のリフィルを実現することは難しい。
ル高速化の効果を得るためには、吐出孔の長さを最適設
定する必要がある。しかし、多孔ノズルに関連したこれ
までの従来技術においては、吐出孔長さの影響について
触れられたものは存在せず、吐出孔長さの最適範囲は明
確になっていなかった。
有する別の問題点として、インク滴の飛翔過程における
滴の合体現象について説明する。多孔ノズルを有する従
来のインクジェット記録ヘッドでは、特開昭63−13
751号公報、特開平6−286138号公報などに開
示されるもののように、吐出孔から吐出したインク滴を
飛翔過程において意図的に合体させるものがある。しか
し、所要インク滴量の低減、乾燥性の向上、裏写り防止
などの効果を得ようとした場合には、特開昭56−93
567号公報に開示されるように、吐出孔から吐出され
たインク滴をそれぞれ単独に記録媒体上に着弾させるこ
とが望ましい。
インクジェット記録ヘッドを用いて記録実験を実行した
結果においては、各吐出孔から吐出されたインク滴が飛
翔過程において非常に合体しやすく、着弾時におけるイ
ンク滴体積に大きなばらつきを生じてしまうことが明ら
かになった。
た場合、飛翔過程において2つの滴が合体すれば8pl
に、3つの滴が合体すれば12plになってしまう。実
際の記録評価結果を見ると、記録紙上に形成されたドッ
トの径には30〜60μm程度のばらつきが発生してお
り、このことから、飛翔過程において最大で5滴程度の
合体が生じていると推測される。
結果の画像品質を著しく低下させる原因となってしま
う。すなわち、インク滴の合体が多く発生した領域で
は、記録ドットの径が増大するため、画像の粒状性が増
加し、ざらついた画質になってしまう。また、ドット分
布が疎になるため、画像濃度も低下してしまう。インク
滴の合体現象は、記録画像面内において不均一に発生す
るため、上記のような粒状性増加・濃度低下は画像面内
で不均一に発生し、その結果、出力画像には大きな画質
むらが発生してしまう。こうした画質むらは、特に写真
画像などを出力する場合に画像品質を大きく低下させる
要因となってしまう。
ッドで上記のようなインク滴の合体現象が発生しやすい
第1の要因としては、飛翔するインク滴の間隔が極めて
小さいことが挙げられる。すなわち、多孔ノズルを有す
るインクジェット記録ヘッドでは、複数の微小な吐出孔
が僅かな間隔(図13のピッチPn )で配列されている
ため、吐出直後において、各吐出孔から吐出されたイン
ク滴は非常に接近しており、お互いに接触しやすい状態
にある(図15参照)。飛翔中のインク滴同士がひとた
び接触すると、インクの表面張力の作用によって二つの
滴は一体化し、一滴のインク滴として飛翔する。つま
り、複数のインク滴が僅かな間隙を隔てて吐出される多
孔ノズルでは、必然的に、インク滴の合体現象が非常に
発生しやすいと言える。
第2の要因としては、ヘッドと記録紙間の空気流の影響
が挙げられる。すなわち、吐出孔から吐出されたインク
滴は、ヘッド−記録紙間の空気流の影響を受けながら飛
翔するが、多孔ノズルから吐出されるインク滴は一般に
非常に小さいため(通常15pl以下)、空気流の影響
を非常に受けやすい。ヘッド−記録紙間の空気流には空
間的および時間的な不均一が発生するため、インク滴の
飛翔軌道はそれぞれのインク滴で微妙に変化する。その
結果、インク滴の合体現象が非常に発生しやすくなると
考えられる。
クジェット記録ヘッドで高い画品質の記録を実行するた
めには、上述したインク滴の合体現象を抑制することが
不可欠である。しかし、多孔ノズルを有する従来のイン
クジェット記録ヘッドでは、インク滴の合体現象を抑制
するための対策がとられていなかったため、高い画品質
の記録を実現することが困難であるという問題を抱えて
いた。
インクジェット記録ヘッドにおける問題点としては、第
1にノズル裏面におけるメニスカスの合体現象、第2に
インク滴の飛翔過程における滴の合体現象、が挙げられ
る。
高速化や所要インク滴体積の低減などのように原理的に
は様々な効果が期待できるが、それにもかかわらず、こ
れまで多孔ノズルを用いたインクジェット記録ヘッドが
実用化されていなかったのは、上記したような問題点が
関係していると思われる。
成されたものであり、リフィル速度の高速化という多孔
ノズルの利点を最大限に引き出し、従来にない高速記録
を実現するインクジェット記録ヘッドおよびインクジェ
ット記録装置を提供することを第1の目的とする。
クジェット記録ヘッドにおいて、滴の飛翔過程における
インク滴の合体現象を防止し、画像品質に優れた記録を
実行できるインクジェット記録ヘッドおよびインクジェ
ット記録装置を提供することを第2の目的とする。
に、請求項1記載の発明は、インクが充填された圧力発
生室に圧力発生手段によって圧力変化を生じさせ、圧力
発生室に連通したノズルからインク滴を吐出させるイン
クジェット記録ヘッドであって、ノズルは、複数の吐出
孔から構成され、該吐出孔の長さln [m]が以下の条
件式を満たすように設定されていることを特徴とする。 ln >1.2Vd /An ・・・・(2) (Vd は吐出孔1個から吐出されるインク滴の体積[m
3 ]、An はノズル開口面積[m2 ])
明において、吐出孔の長さln [m]が以下の条件式を
満たすように設定されていることを特徴とする。 ln <4.0Vd /An
た圧力発生室に圧力発生手段によって圧力変化を生じさ
せ、圧力発生室に連通したノズルからインク滴を吐出さ
せるインクジェット記録ヘッドであって、ノズルは、複
数の吐出孔から構成され、該吐出孔の間隔Pn [m]が
以下の条件式を満たすように設定されていることを特徴
とする。 Pn >1.4dd (dd は吐出孔から吐出されるインク滴の径[m]) ・・・・(3)
た圧力発生室に圧力発生手段によって圧力変化を生じさ
せ、圧力発生室に連通したノズルからインク滴を吐出さ
せるインクジェット記録ヘッドであって、ノズルは、異
なる開口径を有する複数の吐出孔によって構成されてい
ることを特徴とする。
給路が接続された圧力発生室に圧力発生手段によって圧
力変化を生じさせ、ノズルからインク滴を吐出させるイ
ンクジェット記録ヘッドであって、ノズルは、複数の吐
出孔から構成され、インク供給路のイナータンスmi が
以下の条件式を満たすように設定されていることを特徴
とする。 0.5≦mn /(N・mi )≦1.5 ・・・・(4) (mn は吐出孔のイナータンス、Nは吐出孔の数)
いずれか1項に記載の発明において、吐出孔から吐出さ
れるインク滴の体積Vd が以下の条件式を満足するよう
に設定されていることを特徴とする。 1.1Vd ’/N3/2 <Vd <1.8Vd ’/N
3/2 (Vd’はインク滴を単独の吐出孔から吐出した場
合に必要となるインク体積)
いずれか1項に記載の発明において、インク滴の滴速が
5m/s以上に設定されていることを特徴とする。
いずれか1項に記載の発明において、ノズルが2次元的
にマトリクス配置されていることを特徴とする。
いずれか1項に記載の発明において、吐出孔の数が3以
上であることを特徴とする。
のいずれか1項に記載の発明において、吐出孔は、レー
ザ加工によって形成されていることを特徴とする。
0のいずれか1項に記載の発明において、吐出孔は、該
吐出孔から吐出されたインク滴によって形成される記録
ドットが記録媒体上に略同一の間隔で並ぶように、ヘッ
ドの主走査方向および副走査方向の記録解像度に応じて
配置されていることを特徴とする。
1のいずれか1項に記載のインクジェット記録ヘッドを
搭載してなることを特徴とする。
ンクジェット記録ヘッドにおけるリフィル時間を減少す
るために、吐出孔長さの設定が極めて重要であることを
実際のヘッド試作評価によって明らかにしたことに基づ
くものである。具体的には、ノズル裏面におけるメニス
カスの合体現象を防止し、かつ、ノズルの音響抵抗の増
加を抑制できるように吐出孔長さを設定する必要があ
る。本発明のインクジェット記録ヘッドでは、インク滴
体積Vd および吐出孔開口径An をもとに、式(2)の
条件を満足するように吐出孔長さln を設定しており、
これによりメニスカス合体現象の防止および音響容量の
増加抑制を両立することが可能となる。
クジェット記録ヘッドを用いて画像記録を行った場合、
インク滴の飛翔過程における滴の合体現象が画像品質を
悪化させる原因になることを明らかにしたことに基づい
ている。本発明のインクジェット記録ヘッドでは、イン
ク滴径dd をもとに、式(3)の条件を満足するように
吐出孔の間隔Pn を設定しており、これによってインク
滴飛翔過程における滴の合体現象を抑制し、高い画像品
質を得ることが可能となる。
ドは、多孔ノズルと他の流路系の特性に最適なマッチン
グを取ることにより、リフィル速度の最大化を可能とす
る。すなわち、インク供給路のイナータンスmi を式
(4)の条件を満足するように設定することにより、吐
出効率を低下させることなくリフィル時間を低減でき、
ノズルを単に多孔化した場合よりも更に記録速度を向上
させることができる。
発明の実施形態である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詳細に説明する。図1から図
10に、本発明に係る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の実施の形態を示す。
の実施形態であるインクジェット記録ヘッドのノズル構
造を示す図である。図1において、インクジェット記録
ヘッド全体の基本構成は、図10に示した従来のインク
ジェット記録ヘッドと同一構造とした。図1及び図10
を参照しならが、本発明の第1の実施形態であるインク
ジェット記録ヘッドを説明する。
ット記録ヘッドは、エッチング等によって穿孔加工され
た複数の薄板を接着剤によって積層接合することにより
作製した。本実施形態では、厚さ50〜150μmのス
テンレス板を熱硬化性樹脂等の接着層(厚さ約5μm)
を用いて接合した。
力発生室101(図10の紙面垂直方向に配列)が設け
られており、それらは共通インク流路103によって連
結されている。共通インク流路103は、不図示のイン
クタンクと連結されており、各圧力発生室101にイン
クを導く働きをしている。
4を介して共通インク流路103と連通しており、圧力
発生室101内はインクで充填されている。本実施形態
では、プレス加工によってインク供給路104の形成を
行った。
5が設けられており、圧力発生室101の外側に設置さ
れた圧力発生手段としての圧電アクチュエータ(圧電振
動子)106によって圧力発生室を膨張または圧縮させ
ることが可能となっている。
レス板を用いた。また、圧電アクチュエータ106に
は、厚さ30μmの単板状圧電セラミクスを用いた。圧
電アクチュエータ106は、駆動電圧波形が印加される
と撓み変形し、圧力発生室101を膨張または圧縮させ
る。圧力発生室101に体積変化が生じると、圧力発生
室内に圧力波が発生する。この圧力波の作用によってノ
ズル102内のインクが運動し、ノズルから外部へ排出
されることによりインク滴107が形成される。
ドフィルムにエキシマレーザを照射して形成した。1つ
のノズルは、図1(b)の上面図に示すように、4つの
吐出孔11から構成されている。吐出孔11は、開口径
18μm(開口面積An =2.5×10-10 m2 )、長
さ(ln )30μm、テーパ角9°のテーパ孔として形
成されており、それぞれの吐出孔から滴体積5pl(V
d =5×10-15 m3、インク滴径dd =21.2μ
m)のインク滴が吐出される。4つの吐出孔の間隔Pn
は30μmとした。
にレーザ加工で形成する以外にも、プレスや電鋳(エレ
クトロフォーミング)など、別の加工方法を用いること
も可能である。ただし、多孔ノズルでは各吐出孔に高い
寸法精度が求められるため、本実施形態のように樹脂フ
ィルムに対するレーザ加工を用いるのが最も有効であ
る。
本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、式(2)の
条件を満たしている。そのため、インク滴吐出後におい
て、図14(b)に示したようなメニスカスの合体現象
が発生せず、高速リフィルを実現することができる。
ンクジェット記録ヘッドにおいて、吐出させるインク滴
の体積Vd とリフィル時間との関係を調べた結果を示す
グラフである。式(2)の条件が成立する6pl以下の
インク滴体積では、リフィル時間が20〜30μsであ
り、極めて高速のリフィルが実現できているのに対し、
7pl以上のインク滴体積ではリフィル時間が大きく増
加している。また、吐出孔長さを50μmに増加させた
場合には、11plまでは高速リフィルを実現できるこ
とが確認された。すなわち、リフィル速度は吐出孔長さ
に依存し、式(2)の条件を満たすように吐出孔長さを
設定することが、高速リフィルを実現する上で不可欠な
条件であることが確かめられた。
孔のテーパ角等によっても多少変化するが、様々なノズ
ル形状について評価を行った結果、実用的な吐出孔ピッ
チ(15〜50μm)およびテーパ角(0〜15°)の
範囲では、吐出孔ピッチやテーパ角の影響は非常に小さ
く、式(2)の条件を満たせばメニスカスの合体現象を
ほぼ完全に抑制できることが確かめられた。
イナータンスや音響抵抗が増加するため、リフィル時間
の増加を招いてしまうので、必要以上に長く設定するこ
とは好ましくない。従って、吐出孔の長さはメニスカス
の合体現象を抑制できる最小限の長さ、すなわちln =
1.2Vd /An に設定することが理想的であり、少な
くともln <4.0Vd /An の範囲内に設定すること
が望ましい。
クジェット記録ヘッドは、吐出孔のピッチ(Pn )を3
0μmに設定しているため、式(3)の条件も満たして
いる。すなわち、吐出するインク滴の滴径(dd )に応
じて、各吐出孔に十分な間隔が設けられているため、各
吐出孔から吐出されたインク滴が飛翔中に合体しにくい
条件となっている。
径dd を変化させて記録実験を行い、インク滴合体現象
の有無を調べた結果の一例である。図中、「◎」、
「○」、「△」、「×」、「××」の記号は、インク滴
合体現象の発生程度を表わしており、◎は合体現象がほ
とんど発生していない状態、××は激しく発生している
状態を示している。図3に示す評価の結果、Pn =30
μmの条件では、滴体積が5pl(dd =21.2μ
m)以下では滴の合体現象は発生しなかったが、6pl
(滴径22.5μm)以上では、滴体積の増加に伴って
合体現象が顕著となった。また、ピッチPn を40μm
に拡大した場合には、12pl(dd =28.4μm)
まで、滴の合体現象を抑制できることが確認された。す
なわち、滴の合体現象を抑制するためには、滴体積(滴
径)に応じて吐出孔のピッチPn を最適設定する必要が
あり、具体的には式(3)の条件を満たすようにピッチ
Pn を設定すれば、滴の合体現象を防止することが可能
であることが確かめられた。
クジェット記録ヘッドでは、各吐出孔から吐出されるイ
ンク滴の滴速(飛翔速度)を6m/sと大きく設定して
いる。これは、インクジェット記録ヘッドと記録紙間の
空気流の影響によってインク滴の軌道が変化し、インク
滴の合体現象が促進されるのを防止するためである。空
気流の影響を防止するための所要滴速は、インク滴の体
積などによって変化するが、多孔ノズルから吐出される
3〜10pl程度の滴体積範囲の場合、滴速を5m/s
以上に設定することにより、空気流の影響をほぼ抑制で
きることが記録実験評価により明らかになった。
は、各吐出孔から吐出されるインク滴の体積を5plに
設定した。これは、目標とする画像濃度(OD値1.3
以上)を得るための必要最小限のインク滴体積である。
すなわち、本実施形態では、記録解像度を600dpi
に設定したため、記録紙上のドットピッチは約41μm
となる。すなわち、41×41μm2 の面積を4つの吐
出孔から吐出されたインク滴によって埋めることが必要
となる。記録評価の結果、各吐出孔から吐出させるイン
ク滴の体積を5plに設定することにより、ベタ記録時
においてOD値1.3の画像濃度を得られることが明ら
かになった。
たインク滴体積の合計)と画像濃度の関係を調べた結果
である。□プロットは、吐出孔が1つの単独ノズル(N
=1)によって記録を行った場合の結果である。単孔ノ
ズルでは、OD値1.3を得るために24plのインク
滴体積が必要であったのに対し、多孔ノズル(N=4)
の場合には、5pl×4=20plでOD値1.3を得
ることができた。
を行った結果、一般的な染料および顔料インクの場合、
多孔ノズルを用いた場合のインク滴体積Vd は以下の条
件を満たすように設定すれば、十分な画像濃度を得るこ
とが可能であることが明らかになった(Nは吐出孔の
数、Vd ’はインク滴を単独の吐出孔から吐出した場合
に必要となるインク体積)。 1.1Vd ’/N3/2 <Vd <1.8Vd ’/N3/2 ・・・・(5)
24plの滴体積が必要な場合、N=4の多孔ノズルで
は、各吐出孔から3〜5plのインク滴を吐出すれば、
同等の画像濃度を得ることができる。すなわち、トータ
ルの所要インク滴体積(=V d ×N)を単孔ノズルの場
合に比べて1/2〜5/6に減少することができる。な
お、トータルのインク滴体積を単孔ノズルの場合よりも
低減するためには、吐出孔の数(N)を3以上に設定す
ることが望ましい。
ンク滴の体積を必要最小限に設定することにより、十分
な画像濃度を確保した上でリフィル時間を低減すること
が可能となる。また、インク滴体積の減少は、記録画像
の裏写りの防止、インク消費量の低減、乾燥性の向上な
どに対しても有効となる。実際、本実施形態のインクジ
ェット記録ヘッドで画像記録を行った結果、裏写りが非
常に少なく、両面印刷にも十分対応可能であることが確
かめられた。
ンクジェット記録ヘッドでは、インク供給路のイナータ
ンスmi と吐出孔のイナータンスmn の間に式(4)の
関係が成り立つようにしている。これは、吐出効率を低
下させずに、リフィル速度を最大化するためである。す
なわち、吐出効率ηe は、次式のように、ノズル全体の
イナータンスmn ’とインク供給路のイナータンスmi
の比に比例する。 ηe ∝ mi /(mi +mn ) ・・・・(6)
給路のイナータンス和(mn ’+m i )が小さいほど高
速化することができる。つまり、リフィル速度を上げる
ためにはインク供給路のイナータンスmi の低減は有効
であるが、これは吐出効率η e の低下を招いてしまう。
従って、従来のインクジェット記録ヘッドではmn ≒m
i となるようにインク供給路のイナータンスを設定して
いた。
部は図5に示すような並列回路となり、ノズル全体のイ
ナータンスmn ’はmn /Nとなる。そこで、インク供
給路のイナータンスをmn /Nとほぼ等しくなるように
設定すれば、吐出効率を低下させることなく、(mn ’
+mi )を減少することができ、リフィルを高速化する
ことができる。つまり、ノズルを多孔構造化し、かつ、
インク供給路のイナータンスを式(4)に従って設定す
ることにより、単孔ノズルのヘッドに比べてリフィル速
度を高速化することが可能となる。なお、ノズル全体の
イナータンスm n ’は、mn /Nと完全に一致させる必
要はなく、本発明者らの実験評価結果によれば、式
(4)の範囲内に設定すれば、吐出効率とリフィル時間
を両立することが可能である。
態であるインクジェット記録ヘッドでは、3つの方策に
よってリフィルの高速化を実現している。すなわち、
(a)多孔ノズルの吐出孔長さを最適化することによ
り、ノズル裏面でのメニスカス合体現象の防止、(b)
インク滴体積を必要最小限に設定、(c)吐出効率を低
下させない範囲でインク供給路を最小に設定、の3つの
対策によってリフィルの高速化を実現している。
録ヘッドでは、20pl(=5pl×4)の滴体積を吐
出した際のリフィル時間は25μsと小さい。一方、ノ
ズルを単孔構造とした場合には、同等の画像濃度を得る
のに24plの滴体積が必要であり、かつ、インク供給
路のイナータンスも約1.5倍となるため、リフィル時
間は約55μsとなる。つまり、本実施形態のインクジ
ェット記録ヘッドでは、従来の単孔ノズルのヘッドに比
べ、リフィル時間が約1/2であり、最大駆動周波数を
約2倍に増加することが可能となる。
で、上記(b)および(c)の効果を利用しない場合に
は、リフィル時間は35μsまでしか低減できなかっ
た。つまり、本発明のインクジェット記録ヘッドでは、
ノズルの多孔構造化、インク滴体積の減少、およびイン
ク供給路イナータンスの最適設定の3つの対策の相乗効
果として、リフィル時間を従来考えられていた以上に低
減することが可能となることが確かめられた。
の実施形態であるインクジェット記録ヘッドのノズル構
造を示す図である。各ノズルに設ける吐出孔の数を6に
増加し、主走査方向(ヘッドの走査方向)および副走査
方向(紙送り方向)でノズルの配列数を変えている点が
第1の実施形態との相違点である。
インクジェット記録ヘッドでは、記録解像度を600
(主走査方向)×300(副走査方向)dpiとし、副
走査方向の記録解像度を低減している。これは、一枚の
画像を出力する際のヘッドの走査回数を減らし、記録速
度を増加させるためである。しかし、副走査方向の解像
度を減少すると、十分な記録濃度を得るのに非常に大き
なインク滴体積が必要になる。すなわち、単孔ノズルヘ
ッドの場合、副走査方向の解像度を600dpiから3
00dpiに低下すると、OD値1.3の画像濃度を得
るのに必要なインク滴体積は約24plから約35pl
に増加してしまう。その結果、リフィル時間は約55μ
sから80μs程度に増加し、高周波駆動に不利となっ
てしまう。
ンクジェット記録ヘッドでは、図5(a)に示すよう
に、ノズルの吐出孔61の配列数主走査/副走査方向と
変えている。吐出孔61をこのように配列することによ
り、1つのノズルから吐出されたインク滴によって形成
される記録ドットを図5(b)に示すような長方形型に
することができ、600×300dpiの画素空間を効
率的に埋めることが可能となる。本実施形態では、各吐
出孔から4plのインク滴を吐出することにより、OD
値1.3の画像濃度を得ることができた。つまり、同じ
画像濃度を得るのに必要な滴体積を、単孔ノズルヘッド
に比べて約32%低減することができた。
ット記録ヘッドのリフィル時間は22μsと小さく、単
孔ノズルヘッドの3倍以上の駆動周波数(40kHz)
で安定した記録を実行することができた。なお、本実施
形態のインクジェット記録ヘッドも、ノズル長さ、ノズ
ルピッチおよびインク供給路のイナータンスはそれぞれ
式(2)、(3)、(4)の条件を満たすように設定し
た。
幅に低減できたことから、出力画像の裏写り(インクが
記録紙裏面まで浸透する現象)防止にも大きな効果を得
ることができた。すなわち、単孔ノズルヘッドで低解像
度記録を実行する場合、非常に大きなインク滴体積が必
要になるため、裏写りも激しく発生してしまう。これに
対し、本実施形態のインクジェット記録ヘッドでは、所
要インク滴体積を大幅に低減できるため、裏写りの発生
を抑制することが可能となる。実際、本実施形態のイン
クジェット記録ヘッドで出力した画像では、裏写りがほ
とんど発生しておらず、両面印刷も十分実行可能であっ
た。
あるインクジェット記録ヘッドでは、記録解像度に対応
して吐出孔を最適配置し、記録ドットが記録媒体上に略
同一の間隔で並ぶようにしたことにより、少ないインク
滴体積で必要な画像濃度を得ることができ、その結果と
して、記録速度の向上(リフィル時間の低減)、裏写り
防止、乾燥速度の向上などに大きな効果を得ることが可
能となる。
の実施形態であるインクジェット記録ヘッドを示す斜視
図である。インク滴を吐出するイジェクタの構成および
多孔ノズル構造は第1の実施形態のものと同じである
が、本発明の第3の実施形態であるインクジェット記録
ヘッドは、イジェクタを2次元的にマトリクス配置した
点が大きな特徴である。このようにイジェクタをマトリ
クス配置すると、イジェクタ相互間における滴の合体現
象を抑制するのに有利となり、出力画像の画像品質を一
層向上させることが可能となる。
ット記録ヘッドでは、各イジェクタを連結する共通イン
ク流路は本流73と支流78によって構成され、イジェ
クタは各支流に接続されている。本実施形態では支流7
8の数を6とし、各支流に6個のイジェクタを接続する
ことにより、36個のイジェクタを配列させているが、
この個数に限定されるものでなく、例えば、支流の数を
24、各支流に設けられるイジェクタ数を8とした場
合、192個のイジェクタを配列することとなる。
あるインクジェット記録ヘッドのノズル配列を示した図
である。同じ支流81に連結された圧力発生室82は、
それぞれ副走査方向にPc (=Pc ’/n ;nは支流
に接続されているイジェクタの数)だけずらして配置さ
れており、ヘッド主走査の過程において、各列の吐出タ
イミングをずらすことにより、図8(b)に示すような
ピッチPc のドットが形成される。図8(c)は、本実
施形態における各列の吐出タイミングを表わした図であ
る。本実施形態では列間の距離PL を500μm、ヘッ
ドの走査速度を1m/sに設定している。従って、各列
の吐出タイミングを500μsずらして吐出させること
により、図8(b)のように主走査方向に対して同じ位
置にドットを着弾させることができる。
るインクジェット記録ヘッドでは、各列のイジェクタか
ら異なるタイミングで吐出が行われるため、隣接するド
ットを形成するインク滴には大きな距離を確保すること
ができる。すなわち、図8(b)におけるドットbは、
ドットaよりも500μs遅く形成されるため、ドット
bとドットaを形成するインク滴の間には3mmの距離
が生じる(インクの飛翔距離を1mmとすれば、ドット
bを形成するインク滴が吐出された時点では、既にドッ
トaを形成するインク滴は着弾している)。このよう
に、隣接ドットを形成するインク滴の間に大きな距離が
確保されるため、各インク滴間でのインクの合体現象が
有効に抑制され、出力画像の品質を大幅に向上すること
ができる。
に、イジェクタを一次元的に並べた構造のヘッドを用い
て記録実験を行った。この場合には、全てのイジェクタ
から同じタイミングで滴が吐出される。すなわち、図9
(b)のドットaとドットbは同時に形成されるため、
両ドットを形成するインク滴の飛翔時における距離は数
十μmと小さく、非常に合体現象を生じやすい条件とな
る。実際に本ヘッドを用いて出力した画像には、滴の合
体現象に起因する画像むらが多く発生し、イジェクタを
マトリクス配列させた場合と比較すると、画像品質が明
らかに低下することが確認された。
ンクジェット記録ヘッドにおいて、イジェクタを2次元
的にマトリクス配置すると、隣接ドットを形成するイン
ク滴の間に大きな距離を確保することができるため、イ
ンク滴の合体現象を防止するのに有利となり、画像品質
に優れた記録画像を得ることが可能となる。換言すれ
ば、本実施形態のインクジェット記録ヘッドでは、イジ
ェクタ間の距離Pn を小さく設定しても高画質記録が可
能であるため、ノズル配列密度の高いインクジェット記
録ヘッドを実現することが可能となる。
明の第4の実施形態であるインクジェット記録ヘッドの
ノズル構造を示す図である。吐出孔の個数や配列は第1
の実施形態のものと同じであるが、各吐出孔の開口径を
僅かに変化させている点が異なっている。すなわち、本
発明の第4の実施形態であるインクジェット記録ヘッド
では、多孔構造を有するノズルにおいて、異なる開口径
の吐出孔を組み合わせることにより、各吐出孔から吐出
されるインク滴の滴速を変化させ、飛翔過程におけるイ
ンク滴の合体現象を抑制する。
1、102、103、104の開口径をそれぞれ15μ
m、16μm、17μm、18μmに設定している。吐
出観察の結果、吐出孔101〜104のそれぞれから吐
出されるインク滴の滴速は、それぞれ6.0m/s、
6.7m/s、7.6m/s、8.6m/sであった
(滴速は吐出孔の開口面積にほぼ反比例する)。つま
り、各吐出孔から吐出されるインク滴にはお互い0.7
〜2.6m/ sの滴速差が存在する。そのため、インク
滴が記録紙に着弾する時点において、各インク滴の間に
は120〜350μmの間隔が確保される(飛翔距離を
1mmとして計算)。
開口径をもつ吐出孔を組み合わせることにより、各吐出
孔から吐出されるインク滴の距離を拡大することがで
き、各インク滴間の合体現象を一層有効に抑制すること
ができる。実際に本ヘッドを用いて出力した画像では、
第一実施形態のヘッドによる出力画像よりもさらに均一
性の高い画像が得られ、インク滴合体現象の抑制効果が
有効に働いていることが確認できた。
吐出孔を用いれば、式(3)の条件を満たさないでも滴
の合体現象を抑制することが可能となる。例えば、図1
0(b)のように、開口径の小さな吐出孔を中央に配置
すれば、吐出孔109から吐出されるインク滴は吐出孔
105〜108から吐出されるインク滴よりも速く飛翔
するため、インク滴の合体現象を起こすことがない。そ
のため、吐出孔の最小ピッチPn ’が式(3)の条件を
満たさなくても、Pn が式(3)の条件を満たしていれ
ば、インク滴の合体現象を抑制することが可能である。
数は、本実施形態で示した例に限定されるものでない。
例えば、図10(b)の吐出孔109に径の大きな吐出
孔を配置したり、吐出孔105〜108の吐出孔径をそ
れぞれ異なった径に設定してもかまわない。
出孔を用いた場合には、インク供給路のイナータンスm
i は次式の条件を満足するように設定する必要がある。
μm)であれば、吐出孔の平均イナータンス値を用いて
式(4)によりmi の設定範囲を求めれば問題ない。
成に限定されるものではない。例えば、上記実施形態で
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。また、本
実施形態で圧電アクチュエータとして使用した単板型の
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。
テーパ状の円管形状としたが、吐出孔形状はこうした形
状に限定されるわけではない。例えば、多角形形状の開
口形状を有する吐出孔を用いた場合においても、本発明
は同様に適用することが可能である。
インクを吐出して文字や画像などの記録を行うインクジ
ェット記録装置を例にとったが、本明細書におけるイン
クジェット記録とは、記録紙上への文字や画像の記録に
限定されるものではない。すなわち、記録媒体は紙に限
定されるわけではなく、また、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ディスプレイ用のカ
ラーフィルタを作製したり、溶融状態のハンダを基板上
に吐出して部品実装用のバンプを形成したりするなど、
工業的に用いられる液滴噴射装置一般に対して、本発明
を利用することも可能である。
リフィル速度の高速化という多孔ノズルの利点を最大限
に引き出し、従来にない高速記録を実現することが可能
となる。また、本発明によれば、多孔ノズルから吐出さ
れたインク滴が飛翔過程において合体する現象を防止す
ることができ、画像品質に優れた記録を実行することが
可能となる。
記録ヘッドのノズル構造を示す図である。
記録ヘッドの吐出特性を示す第1の図である。
記録ヘッドの吐出特性を示す第2の図である。
記録ヘッドの吐出特性を示す第3の図である。
の等価電気回路を示す図である。
記録ヘッドのノズル構造を示す図である。
記録ヘッドを示す図である。
示す図である。
を示す図である。
記録ヘッドのノズル構造を示す図である。
を示す図である。
るための模式図である。
録ヘッドの吐出特性を示す図である。
めの図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 インクが充填された圧力発生室に圧力発
生手段によって圧力変化を生じさせ、前記圧力発生室に
連通したノズルからインク滴を吐出させるインクジェッ
ト記録ヘッドであって、 前記ノズルは、複数の吐出孔から構成され、該吐出孔の
長さln [m]が以下の条件式を満たすように設定され
ていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。 ln >1.2Vd /An (Vd は吐出孔1個から吐出さ
れるインク滴の体積[m3 ]、An はノズル開口面積
[m2 ]) - 【請求項2】 前記吐出孔の長さln [m]が以下の条
件式を満たすように設定されていることを特徴とする請
求項1記載のインクジェット記録ヘッド。 ln <4.0Vd /An - 【請求項3】 インクが充填された圧力発生室に圧力発
生手段によって圧力変化を生じさせ、前記圧力発生室に
連通したノズルからインク滴を吐出させるインクジェッ
ト記録ヘッドであって、 前記ノズルは、複数の吐出孔から構成され、該吐出孔の
間隔Pn [m]が以下の条件式を満たすように設定され
ていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。 Pn >1.4dd (dd は吐出孔から吐出されるインク
滴の径[m]) - 【請求項4】 インクが充填された圧力発生室に圧力発
生手段によって圧力変化を生じさせ、前記圧力発生室に
連通したノズルからインク滴を吐出させるインクジェッ
ト記録ヘッドであって、 前記ノズルは、異なる開口径を有する複数の吐出孔によ
って構成されていることを特徴とするインクジェット記
録ヘッド。 - 【請求項5】 ノズルとインク供給路が接続された圧力
発生室に圧力発生手段によって圧力変化を生じさせ、前
記ノズルからインク滴を吐出させるインクジェット記録
ヘッドであって、 前記ノズルは、複数の吐出孔から構成され、前記インク
供給路のイナータンスmi が以下の条件式を満たすよう
に設定されていることを特徴とするインクジェット記録
ヘッド。 0.5≦mn /(N・mi )≦1.5(mn は前記吐出
孔のイナータンス、Nは吐出孔の数) - 【請求項6】 前記吐出孔から吐出されるインク滴の体
積Vd が以下の条件式を満足するように設定されている
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載
のインクジェット記録ヘッド。 1.1Vd ’/N3/2 <Vd <1.8Vd ’/N
3/2 (Vd’はインク滴を単独の吐出孔から吐出した場
合に必要となるインク体積) - 【請求項7】 前記インク滴の滴速が5m/s以上に設
定されていることを特徴とする請求項1から6のいずれ
か1項に記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項8】 前記ノズルが2次元的にマトリクス配置
されていることを特徴とする請求項1から7のいずれか
1項に記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項9】 前記吐出孔の数が3以上であることを特
徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載のインク
ジェット記録ヘッド。 - 【請求項10】 前記吐出孔は、 レーザ加工によって形成されていることを特徴とする請
求項1から9のいずれか1項に記載のインクジェット記
録ヘッド。 - 【請求項11】 前記吐出孔は、 該吐出孔から吐出されたインク滴によって形成される記
録ドットが記録媒体上に略同一の間隔で並ぶように、ヘ
ッドの主走査方向および副走査方向の記録解像度に応じ
て配置されていることを特徴とする請求項1から10の
いずれか1項に記載のインクジェット記録ヘッド。 - 【請求項12】 請求項1から11のいずれか1項に記
載のインクジェット記録ヘッドを搭載してなることを特
徴とするインクジェット記録装置。
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