JP2004098473A

JP2004098473A - インクジェット記録装置

Info

Publication number: JP2004098473A
Application number: JP2002263466A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Komai; 駒井　博道
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】装置使用中に記録ヘッドの温度を検出しながら記録データをノズルに割り振るなどの複雑な膨張補正を行うことが必要になる。
【解決手段】複数の発熱体１を所定の間隔で設けた記録ヘッドＨ１，Ｈ２を被記録媒体の記録幅方向に複数個配列し、記録装置の使用温度領域の温度変化に伴う記録ヘッドの両端の発熱体間の長さの変化量が発熱体の間隔の１／２以下である。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はインクジェット記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２０００−９６４号公報
【特許文献２】特開２０００−１４１７６６号公報
【０００３】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の機能を有する記録装置、コンピュータやワードプロセッサ等を含む複合型電子機器やワークステーションなどの出力機器として用いられる記録装置は、画像情報（記録情報）に基づいて紙、布、プラスチックシート、ＯＨＰ用シート等の被記録材（被記録媒体）に文字や記号等を含む画像を記録するものである。
【０００４】
このような記録装置には種々の方式があるが、そのうち、インクジェット式の記録装置（インクジェット記録装置）は、記録ヘッドから被記録媒体にインクを吐出して記録を行うものであり、ヘッドのコンパクト化が容易であり、高精細な画像を高速で記録することができ、普通紙に特別の処理を必要とせずに記録することができ、ランニングコストが安く、ノンインパクト方式であるため騒音が少なく、しかも、多種類のインク（例えばカラーインク）を使用してカラー画像を形成するのが容易であるなどの利点を有している。
【０００５】
インクジェット記録装置の中でも、例えば、被記録媒体としての記録紙の幅方向の全域に沿って多数の吐出口が配列された長尺の記録ヘッドを使用したインクジェット記録装置では記録の一層の高速化が可能である。
【０００６】
このような長尺の記録ヘッドを量産する技術としては、いわゆるシリアルタイプのインクジェット記録装置で用いられる短尺の記録ヘッドの製作方法を長尺の記録ヘッドにそのまま適用する方法と、短尺の記録ヘッドを多数個つないで配置し、１個の長尺記録ヘッドとする方法がある。
【０００７】
ところで、インクジェット方式の記録ヘッドでは、記録動作中に何らかの形で熱を発生している。シリアルタイプのインクジェット記録装置で用いられる短尺の記録ヘッドは比較的短いものであり、吐出口の数が数１０ないし数１００程度のものであり、熱膨張により吐出口の位置変化が発生しても、その程度は、例えば記録ヘッドの製造上のばらつきにくらべて小さく無視できる程度のものである。
【０００８】
ところが、長尺記録ヘッドは、記録に必要な幅がＡ４用紙、Ａ３用紙と大きくなるに従い、長くする必要がある。例えば、Ａ４短手方向記録の場合の最大記録幅は２１０ｍｍ必要であり、Ａ４長手、又はＡ３短手方向記録の場合の最大記録幅は２９７ｍｍ必要であり、略これら最大記録幅をカバーできる記録ヘッドの長さが必要となる。
【０００９】
このように記録ヘッドの長さが長くなると、熱膨張による吐出口の位置変化が
無視できないほど大きくなる。そこで、
【特許文献１】や
【特許文献２】に開示されているような記録ヘッドの熱膨張による吐出口の位置変化を補正する方法が提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、
【特許文献１】に説明されているように、長さ１２インチ（３０４．８ｍｍ）にも及ぶ、熱膨張係数の大きい金属（例えば、Ａｌ）をエネルギー発生素子基板のベース基板として採用した場合には、温度変化３０℃での膨張量は約２１１μｍで、エネルギー発生素子の配列密度が６００ｄｐｉの場合にはこの膨張量は約５ピッチ分となる。このため、装置使用中に記録ヘッドの温度を検出しながら、例えば１ページごとに記録データをノズルに割り振るなどの複雑な膨張補正を行うことが必要になるという課題がある。
【００１１】
一方、熱膨張係数の小さいＳｉやセラミックスをベース基板として用いると、これらの熱膨張係数は前述したＡｌに比べて約一桁小さいため、熱膨張の影響は激減される。しかしながら、Ｓｉやセラミックスをベース基板として用いる場合は、上記２１０ｍｍ、更には２９７ｍｍにも及ぶ記録幅をカバーできる基板はコストが高くなるという課題がある。
【００１２】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、記録時における記録ヘッドの熱膨張の影響を受けない長尺の記録ヘッドを用いたインクジェット記録装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るインクジェット記録装置は、記録装置の使用温度領域の温度変化に伴う記録ヘッドの両端のエネルギー発生素子間の長さの変化量が、エネルギー発生素子の間隔の１／２以下である構成としたものである。
【００１４】
ここで、複数の記録ヘッドの被記録媒体の記録幅方向のエネルギー発生素子間の位置調整を、この記録装置が使用される温度の平均使用温度で行うことが好ましい。また、記録ヘッドのエネルギー発生素子は、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生するための電気熱変換体であることが好ましい。更に、記録ヘッドのエネルギー発生素子は１枚の基板上に形成されていることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。まず、本発明に係るインクジェット記録装置の実施形態で用いる記録ヘッドについて図１を参照して説明する。
【００１６】
記録ヘッドとしては、インク流路内に、インクを加熱し膜沸騰現象により吐出口を通じて液滴として吐出させる電気熱変換体としてのヒータが保護層を介して形成されているサーマル型ヘッド、振動板を圧電素子などの電気機械変換素子で変形させて液滴を吐出させるピエゾ型ヘッド、振動板を静電力で変形させて液滴を吐出させる静電型ヘッドなど、各種のヘッドがある。エネルギー発生素子の配列密度を高める等の点では、発熱抵抗体をエネルギー発生素子とするサーマル型ヘッドが好ましい。
【００１７】
そこで、サーマル型ヘッドの長尺化としては、図１（ａ）に示すように、発熱体１を形成した複数の発熱体基板２をベースプレート３上につなぐように配置して長尺化する場合、図１（ｂ）に示すように、単一の発熱体基板２をベースプレート３上に配置して長尺ヘッドを構成する場合がある。
【００１８】
ここで、図１（ａ）に示す所謂つなぎ方式で長尺化したヘッドにあっては、つなぎ部分の課題が多くなるため、図１（ｂ）に示すように１つの記録ヘッド当たり１つの発熱体基板２を用いる構成の方が好ましい。
【００１９】
そこで、図１（ｂ）を参照して、１枚のシリコン基板からなる発熱体基板２には発熱体１が所定の密度にて複数個、その長さにわたって設けられている。また、発熱体基板２には外部からの電気信号により任意のタイミングで発熱体１を駆動させたりする信号パッド、その駆動のための電力などを供給するための電力パッド（両者を併せて「パッド４」とする。）が設けられている。このパッド４と配線基板５のパッド６がワイヤーボンディングなどにより接続され、コネクタ７を介して、発熱体１が駆動される。発熱体基板２は、Ａｌ，Ｓｉ，セラミックス等の材質で作られたベースプレート３の表面上に接着剤にて接着固定される。
【００２０】
一方、発熱体基板２上には、図１（ｃ）に示すような天板８が接合される。この天板８は、例えばポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリサルフォンなどの樹脂で形成することもできるが、熱膨張を考慮してシリコン基板で構成することが好ましい。
【００２１】
この天板８には、共通液室となる溝１１と、インクタンクから供給されたインクを流入、流出させるためのインク流入口１２、インク流出口１３が形成されている。そして、天板８は、Ａｌ，Ｓｉ，セラミックス等の材質で作られた天板基板９の表面上に接着剤にて接着固定されている。天板８は発熱体基板２上の発熱体１の列をおおいかぶさるような長さで構成されており、ベースプレート３、及び天板基板９に設けられた穴５ａ、９ａを利用して接合される。このとき、両者の接合は樹脂部材で行われるが、この樹脂部材には発熱体基板２に設けられた発熱体１に対応して設けられた加圧液室、インクを記録媒体に向けて吐出させるための各加圧液室に連通した吐出口が同時に形成される。
【００２２】
次に、本発明に係るインクジェット記録装置の記録ヘッドの配列方法について図２の模式的説明図を参照して説明する。
ここでは、図２（ａ）に示すように、常温でヘッドＨ１とヘッドＨ２の２個の記録ヘッドを記録紙幅方向に段違いに配列している。また、記録ヘッドＨ１のノズルは説明上図で左からノズルＮ１〜Ｎ５とし、記録ヘッドＨ２のノズルは説明上図で左からノズルＮ６〜Ｎ１０とする。なお、図（ｂ）以降では便宜上ノズル、ドットの符号の一部は図示を省略している。
【００２３】
また、エネルギー発生素子とこれに対応するノズルは、図において、その配列密度より決定されるピッチ長さの四角枠の中心に位置するものとし、各ノズルＮ１〜Ｎ１０に対応する記録紙上のドットをＤ１〜Ｄ１０で示している。
【００２４】
そして、常温では、記録ヘッドＨ１の端部のノズルＮ５の発熱体及びドットと記録ヘッドＨ２のノズルＮ６の発熱体及びドットは各記録ヘッドの発熱体のピッチＰと同一になるように調整されている。
【００２５】
また、図の矢印で示す記録紙搬送方向に記録紙を搬送し、記録ヘッドＨ１、Ｈ２間に所定の時間間隔をおいてインクを吐出することにより、ほぼ記録紙幅の記録を行うことができる。
【００２６】
ここで、先ず、常温から温度変化により、記録ヘッドＨ１、Ｈ２が膨張した場合について図２（ｂ）に示している。ここでは、記録ヘッドＨ１，Ｈ２はノズルＮ３、Ｎ８を中心に等方的に膨張し、各々端部で発熱体配列密度の１／４ピッチ分、全体で１／２ピッチ分膨張した場合を示している。この場合、ノズルＮ５、及びＮ６のドットＤ５、Ｄ６は正規のドットの重なりに対して重なり率が大きくなるものの、記録データを常温同様にノズルＮ１〜Ｎ１０に割り振ることにより記録が可能である。
【００２７】
また、図２（ｃ）は各記録ヘッドＨ１、Ｈ２は等方的に各々端部で１／２ピッチ分、全体で１ピッチ分膨張した場合を示している。この場合、ノズルＮ５及びノズルＮ６のドットＤ５、Ｄ６は完全に重なり、記録画像に黒スジが発生することになる。
【００２８】
このため、記録ヘッドＨ１のノズルＮ１〜Ｎ５には常温同様の記録データを割り振ることはできるが、記録ヘッドＨ２についてはダミーノズルＮＤをノズルＮ１０の後に用意しておき、常温での記録データのノズルＮ６〜Ｎ１０への割り振りをノズルＮ７からこのダミーノズルＮＤに割り振なおして記録を行う必要がある。
【００２９】
さらに、図２（ｄ）は常温からの温度変化により、記録ヘッドＨ１、Ｈ２が収縮した場合を示している。ここでは、記録ヘッドＨ１，Ｈ２はノズル番号Ｎ３、Ｎ８を中心に等方的に収縮し、各々端部で１／４ピッチ分、全体で１／２ピッ分収縮した場合を示す。この場合、ノズルＮ５、及びノズルＮ６のドットは正規の重なりに対して重なり率が小さくなるものの、記録データを常温同様にノズルＮ１〜Ｎ１０に割り振ることにより記録が可能である。
【００３０】
さらにまた、図２（ｅ）は各記録ヘッドＨ１、Ｈ２は等方的に各々端部で１／２ピッチ分、全体で１ピッチ分収縮した場合を示している。この場合、ノズルＮ５、及びＮ６のドットは完全に離れ、記録画像に白スジが発生する。このため、記録ヘッド１のノズルＮ１〜Ｎ５には常温同様の記録データが割り振られるが、記録ヘッドＨ２についてはダミーノズルＮＤをノズルＮ６の前に用意しておき、温での記録データのノズルＮ６〜Ｎ１０への割り振りをこのダミーノズルＮＤからノズルＮ９に割り振なおして記録を行う必要がある。
【００３１】
ところで、図１に示した記録ヘッドは温度の影響で膨張、収縮する。特に、サーマル型ヘッドでは発熱体への通電によりインク吐出を行うため、周囲温度変化より、記録ヘッド自身の発熱による温度上昇の影響を大きく受ける。
【００３２】
このため、記録データのノズルへの割り振りは、例えば１ページ記録毎に行うなど非常に煩雑な作業となる。また、図２（ｂ）と図２（ｃ）の間の温度領域、及び図２（ｄ）と図２（ｅ）の間の温度領域ではこの記録データの割り振りを行うかどうかの境界領域であるが、インク吐出方向等の記録品質の阻害要因の観点から、膨張、収縮は図２（ｂ）又は図２（ｄ）以下である１／２ピッチ以下の範囲に入るようにする必要がある。
【００３３】
したがって、記録ヘッドを記録紙幅方向に複数個配列して記録を行う場合、各記録ヘッドの両端のエネルギー発生素子間の長さの膨張、収縮量が記録ドットピッチ（エネルギー発生素子の間隔）の１／２ピッチ以下になるヘッド構成とすることで、使用温度領域での温度変化に対して、記録データのノズルへの割り振りを見なおすことなく記録を行うことができ、安定した記録品質が得られる。
【００３４】
そこで、図３を参照して、Ａ４短手記録を行うインクジェット記録装置の記録ヘッド配列について説明する。
ここでは、ブラックインク記録用の記録ヘッドＢＫ１、ＢＫ２、シアンインク記録用の記録ヘッドＣ１、Ｃ２、マゼンタインク記録用の記録ヘッドＭ１、Ｍ２、ブラックインク記録用の記録ヘッドＹ１、Ｙ２をそれぞれ段違いで配列している。
【００３５】
Ａ４短手の記録紙２１の幅は２１０ｍｍで、記録に必要な記録幅は２００ｍｍである。各記録ヘッドは、前述した図１（ｂ）に示したつなぎ目の無い発熱体基板２と、図１（ｃ）に示した天板８を接合して構成した。発熱体基板２及び天板８は、６インチのシリコンウエハを使用して、長さを１０５ｍｍとした。記録ヘッドの発熱体１の配列密度は６００ｄｐｉでその記録幅は１００ｍｍとした。
【００３６】
そして、この記録ヘッドを１色当たり２個、記録紙搬送方向に段違いに図示しない記録ヘッドホルダに配置し、両記録ヘッドの端部の発熱体１が発熱体配列密度６００ｄｐｉで決まるピッチ４２．５μｍになるように治具を使用して調整した。この調整結果は実際にドットを記録紙上に記録することで確認した。
【００３７】
なお、この調整は、装置の使用温度領域で装置が稼動される平均的な温度である、３５℃の環境下で実施した。このように使用温度領域で装置が稼動される平均的な温度で調整することにより、記録ヘッドの実使用状態での温度変化を実効的に小さくすることができ、記録ヘッドの実使用状態での膨張、収縮量を低減することができる。
【００３８】
また、ベースプレート３及び天板基板９は、膨張係数が４．３×１０^−６（１／℃）であるＳｉＣを使用した。使用温度領域は１５℃から５５℃であり、平均温度からの温度変化は±２０度である。このとき、各記録ヘッドの１００ｍｍ当たりの熱膨、収縮量は約±９μｍであり、配列密度６００ｄｐｉ相当のピッチ（４２．３μｍ）の１／２以下であることが画像上にドットを記録することで確認された。
【００３９】
発熱体基板２は上述のように１枚のシリコン基板から形成されることが好ましい。シリコンウエハーは、１２インチ径までが市販されているが、発熱体１の製作上の歩留まりや材料の価格を考慮すると、６インチ、または８インチウエハの使用が適している。この場合、１枚のウエハからの採れ数を考慮すると、その長さは１００ｍｍ、１４５ｍｍ程度となる。
【００４０】
したがって、図３に示したように、記録幅が２１０ｍｍ（Ａ４短手方向）、２９７ｍｍ（Ａ４長手方向、又はＡ３短手方向）の場合には、記録幅方向に１色あたり２個の記録ヘッドを配列する構成が好ましい。
【００４１】
このように、発熱体基板として１枚のシリコン基板を使用する場合、その膨張係数は２．３×１０^−６（１／℃）であり、ベースプレート３に上述のようにＳｉＣを使用した場合はベースプレートの膨張係数が問題となる。
【００４２】
表１は現在市販されている、膨張係数の小さい材料の長さＬ＝１００ｍｍ，及びＬ＝１４５ｍｍでの温度変化２０℃当たりの長さの変化量（μｍ）を示すと共に、配列密度６００ｄｐｉの１／２ピッチ以下を満たす範囲を示す。
【００４３】
【表１】

【００４４】
この表１より明らかなように、Ｌ＝１００ｍｍの場合、ＺｒＯ_２の膨張係数以下の材料の使用が必要であり、その熱膨張係数の限界値は約１０．６×１０^−６（１／℃）となる。また、Ｌ＝１４５ｍｍの場合、ＳｉＣ膨張係数以下の材料の使用が必要であり、その熱膨張係数の限界値は７．３×１０^−６（１／℃）となる。
【００４５】
また、表２は配列密度１２００ｄｐｉの１／２ピッチ以下を満たす範囲を示している。
【００４６】
【表２】

【００４７】
この表２より明らかなように、Ｌ＝１００ｍｍの場合、ＳｉＣの膨張係数以下の材料の使用が必要であり、その熱膨張係数の限界値は約５．３×１０^−６（１／℃）となる。また、Ｌ＝１４５ｍｍの場合、Ｓｉ_３Ｎ_４の膨張係数以下の材料の使用が必要であり、その熱膨張係数の限界値は３．７×１０^−６（１／℃）となる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るインクジェット記録装置によれば、記録装置の使用温度範囲内の温度変化に伴う膨張、収縮量が、エネルギー発生素子の間隔の±１／２以下であるようにしたので、温度変化に対して煩雑な記録データの割り振りを行う必要がなく、安定した記録品質が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るインクジェット記録装置の記録ヘッドの説明に供する説明図
【図２】本発明の作用説明に供する模式的説明図
【図３】同記録装置における記録ヘッドの配列の一例を説明する模式的説明図
【符号の説明】
１…発熱体、２…発熱体基板、３…ベースプレート、７…天板、Ｈ１、Ｈ２…記録ヘッド。

Claims

複数のエネルギー発生素子を所定の間隔で設けた記録ヘッドを被記録媒体の記録幅方向に複数個配列したヘッド部を備えたインクジェット記録装置において、この記録装置の使用温度領域の温度変化に伴う前記記録ヘッドの両端の前記エネルギー発生素子間の長さの変化量が、前記エネルギー発生素子の間隔の１／２以下であることを特徴とするインクジェット記録装置。
請求項１に記載のインクジェット記録装置において、前記複数の記録ヘッドの前記被記録媒体の記録幅方向の前記エネルギー発生素子間の位置調整を、この記録装置が使用される温度の平均使用温度で行うことを特徴とするインクジェット記録装置。
請求項１又は２に記載のインクジェット記録装置において、前記記録ヘッドのエネルギー発生素子は、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生するための電気熱変換体であることを特徴とするインクジェット記録装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載のインクジェット記録装置において、前記記録ヘッドのエネルギー発生素子は１枚の基板上に形成されていることを特徴とするインクジェット記録装置。