JP2006027180A

JP2006027180A - インクジェット記録ヘッドおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2006027180A
Application number: JP2004211920A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Yamanaka; 昭弘山中
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-07-20
Filing date: 2004-07-20
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】インクジェット記録時に発生するサテライトやミストを大幅に低減することができる記録ヘッドを提供する。
【解決手段】１つのヒーターに対し２つの吐出ノズル２を備えている。また、それぞれの吐出ノズル２の中心線がヘッドの吐出方向で交差する構造である。
【選択図】図１

Description

本発明は記録装置用の記録ヘッドに関し、特に、インクジェット用記録ヘッドおよびその製法に関する。

プリンタに採用する記録方式のうち、ノズルからインクを吐出させて紙などの記録シート上に記録を行うインクジェット記録方式は、低騒音のノンインパクト記録方式で高密度かつ高速の記録動作が可能であるため、近年では広く採用されている。

特に複数の色のインクを用いてカラー画像を記録可能なカラープリンタにおいては、吐出液滴の体積を小さくし記録密度を向上することで高画質化が進み著しい伸びを示している。またヘッドの液滴吐出駆動周波数の高速化と共に、記録ヘッドに配列されるノズル数の増加による高速化が進みつつある。

しかしながら、このような記録ヘッドの小液滴化および多ノズル化にともない、本来の印字に寄与しない吐出液滴の影響が無視できなくなってきている。具体的には記録シートに着弾したインク滴が複数（主滴とサテライト）に分かれてしまうことによる画像の劣化や、記録シートに到達する前に速度を失い浮遊してしまうインク滴（以下、「ミスト」とも呼ぶ）によって記録装置が汚れ、この汚れが記録シートに転写すること等である。

このようなサテライトやミストは、吐出の液滴の長さ（主滴から尾引き部分の長さ）を短くすれば低減する傾向にある。

図９に一般的なインクの吐出状態を示す。図において、符号１は吐出インク滴、符号２は吐出ノズル、符号３はインク流路、符号４はインクを吐出させるための吐出エネルギー発生手段のヒーターを示している。図９（ａ）は吐出ノズル２を上面から見た図であり、図９（ｂ）および（ｃ）は吐出状態を示すために吐出ノズル２を横から見た断面図である。図９（ｂ）はインクが吐出した直後の状態であり、インク滴１は先端の主滴の部分から吐出ノズル２に向かって尾引きが形成されている。また図９（ｃ）は吐出してからある程度時間が経過した後の吐出状態であり、図９（ｂ）で形成されていた尾引きが複数のインク滴に分割されている状態を示す。このように分割されたインク滴は、前述のようにサテライトとして記録シート上で主滴の近くに着弾し画像の劣化を招いたり、記録シートに到達する前に速度を失いミストとして浮遊し記録装置や記録シートを汚す元となる。

そのためインクの組成や液滴の吐出特性を遅くする等が考えられるが、画像に対する悪影響が無い範囲で大幅にサテライトやミストを低減することは困難であった。またインクを吐出する吐出ノズルの形状を工夫することによりインクしぶき（ミスト）を抑える方法として、特許文献１がある。これには長軸と短軸を有する細長い吐出ノズルが開示されている。
特開平９―１３１８８７号公報

本発明者らの検討によれば、ヘッドのノズル形状にもよるがこの方法では上記サテライトやミストを大幅に低減するには至っていない。

本発明は、上記の背景技術の実状に鑑み、尾引きを短くしサテライトやミストを大幅に低減することができるインクジェット用記録ヘッドを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、インク滴を吐出するために用いられるエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、該吐出エネルギー発生素子に対向して設けられた前記インク滴を吐出する吐出ノズルとを有するインクジェット記録ヘッドにおいて、
前記吐出エネルギー素子に対し複数の前記吐出ノズルを備え、かつ該複数の吐出ノズルから吐出され飛翔中にインク滴が合体して一つになる構造であることを特徴とする。

上記のとおりの構成では、紙などの記録シートに着弾させる一つのインク滴を、複数の吐出ノズルから分けて吐出することが可能になる。インクの吐出量が少ないと吐出液滴の尾引きが短くなり、サテライトやミストの無い吐出が可能になるので、各吐出ノズルからは少ない液量のインク滴を吐出し、インク滴の飛翔中に合体して一つの記録滴にする。これにより、サテライトやミストを大きく低減することができる。

以上説明したように本発明によれば、複数の吐出ノズルの各々から吐出するインク滴の量を少なくできるため各インク滴の尾引きが短くなり、その結果サテライトやミストを大きく低減させることができる。特にある程度大きな吐出量の領域までサテライトやミストを低減させることが可能である。これにより、高画質で印字汚れ等の弊害の少ないインクジェット記録ヘッドを提供することができる。

以下、添付図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。本発明はこれらの実施形態のみに限らず、これらを組み合わせたり、この特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能であり、従って本発明の思想に帰属する他の技術にも当然応用することができる。

本実施形態におけるインクジェット記録装置の機構部分の外観を図４に示し、このインクジェット記録装置に用いられるヘッドカートリッジおよびインクタンクの外観を図５に示し、この図５に示されたヘッドカートリッジの反対側の外観を図６に示す。すなわち、本実施形態におけるインクジェット記録装置のシャシー１０は、所定の剛性を有する複数の板状金属部材により構成され、このインクジェット記録装置の骨格をなす。シャシー１０には、図示しないシート状の被記録材をインクジェット記録装置の内部へと自動的に給送する媒体給送部１１と、この媒体給送部１１から１枚ずつ給送される被記録材を所望の記録位置へ導くと共にこの記録位置から媒体排出部１２へと被記録材を導く媒体搬送部１３と、記録位置に搬送された被記録材に所定の記録動作を行う記録部と、この記録部の吐出回復処理を行うヘッド回復部１４とが組み付けられている。

記録部は、キャリッジ軸１５に沿って走査移動可能に支持されたキャリッジ１６と、このキャリッジ１６にヘッドセットレバー１７を介して着脱可能に搭載されるヘッドカートリッジ１８とを備えている。

ヘッドカートリッジ１８が搭載されるキャリッジ１６には、このヘッドカートリッジ１８の記録ヘッド１９をキャリッジ１６上の所定の装着位置に位置決めするためのキャリッジカバー２０と、ヘッドカートリッジ１８のタンクホルダ２１と係合して記録ヘッド１９を所定の装着位置に位置決めするように押圧する前述のヘッドセットレバー１７とが設けられている。このヘッドセットレバー１７は、キャリッジ１６に対するヘッドカートリッジ１８の着脱手段の一部として機能し、キャリッジ１６の上部に設けられた図示しないヘッドセットレバー軸に対して回動可能に取り付けられ、またヘッドカートリッジ１８との係合部には、ばね付勢される図示しないヘッドセットプレートが設けられ、このヘッドセットプレートのばね力によって記録ヘッド１９を所定の装着位置に押圧しながらヘッドカートリッジ１８をキャリッジ１６に装着するようになっている。つまり、本実施形態における記録ヘッド１９は、キャリッジ１６に対して着脱可能に搭載される、いわゆるカートリッジ方式を採用している。

記録ヘッド１９に対するキャリッジ１６の別の係合部には、コンタクトフレキシブルプリントケーブル（以下、コンタクトＦＰＣと称す）２２の一端部が連結され、このコンタクトＦＰＣ２２の一端部に形成された図示しないコンタクト部と、記録ヘッド１９に電気配線基板２８を介して設けられた外部信号入力端子であるコンタクト部２３とが電気的に接触し、記録のための各種情報の授受や記録ヘッド１９への電力の供給などを行い得るようになっている。

コンタクトＦＰＣ２２のコンタクト部とキャリッジ１６との間には、図示しないゴムなどの弾性部材が設けられ、この弾性部材の弾性力とヘッドセットプレートによる押圧力とによって、コンタクトＦＰＣ２２のコンタクト部と記録ヘッド１９のコンタクト部２３との確実な接触を可能とするようになっている。コンタクトＦＰＣ２２の他端部は、キャリッジ１６の背面に搭載された図示しない配線基板に接続されている。

本実施形態におけるヘッドカートリッジ１８は、インクを貯留するインクタンク２４が着脱自在に装着される前述のタンクホルダ２１と、インクタンク２４から供給されるインクを記録情報に応じて記録ヘッド１９の吐出ノズル２５（図７参照）から吐出させる前述の記録ヘッド１９とを有し、キャリッジ１６に対して着脱可能に搭載される、いわゆるカートリッジ方式を採用している。

本実施形態では多階調の明度を持った高画質なカラー記録を可能とするため、例えば黒色(Bk)，淡シアン色(LC)，淡マゼンタ色(LM)，シアン色(C)，マゼンタ色(M)および黄色(Y)の各色インクが独立した６個のインクタンク２４を使用可能としている。各インクタンク２４には、ヘッドカードリッジ１８のタンクホルダ２１に対して係止し得る弾性変形可能な取り外し用レバー２６が設けられ、この取り外し用レバー２６を操作することにより、図５に示すように、タンクホルダ２１に対してインクタンク２４をそれぞれ取り外し可能としている。つまり、これら取り外し用レバー２６は、ヘッドカートリッジ１８のタンクホルダ２１に対するインクタンク２４の着脱手段の一部として機能する。

本実施形態における記録ヘッド１９の一部破断構造を図７に示し、その断面構造を図８に示す。本実施形態における記録ヘッド１９は、厚さが０.５mm〜１mmのシリコンからなる記録素子基板２７の上に成膜技術を用いて後述する吐出エネルギー発生部，共通インク室，インク路，吐出ノズル２５などを形成したものである。すなわち、記録素子基板２７には、これを貫通する長孔状のインク供給口２９が形成されている。このインク供給口２９の両側には、被記録材の搬送方向、つまりインク供給口２９の長手方向に沿って所定間隔で２列に並ぶ複数（本実施形態では片側１２８個）の電気熱変換体３０が相互に半ピッチずらした状態で形成され、それぞれ吐出エネルギー発生部を構成している。記録素子基板２７には、これら電気熱変換体３０の他、電気熱変換体３０と記録装置本体側との電気的接続を行うための電極端子３１およびアルミニウムなどで形成される図示しない電気配線などが成膜技術によって形成されている。

前述の電気配線基板２８は記録素子基板２７にインクを吐出するための電気信号を印加するためのものであり、記録素子基板２７に形成された電極端子３１に対して連結されている。電気配線基板２８は記録素子基板２７に対応する電気配線と、この電気配線端部に位置し、記録装置本体からの電気信号を受け取るための前述のコンタクト部２３とを有しており、このコンタクト部２３はタンクホルダ２１の背面側に位置決め固定されている。この電気配線基板２８を介して図示しない駆動ＩＣから電気熱変換体３０に対する駆動信号が与えられ、同時に駆動電力がこの電気熱変換体３０に供給される。

なお、インクタンク２４を着脱可能に保持するタンクホルダ２１には、インクタンク２４から記録素子基板２７のインク供給口２９に亙るインク流路が形成されている。

記録素子基板２７上には、インク供給口２９に連通する共通インク室３２を介して、上板部材３３（オリフィスプレートとも呼ばれる。）が形成される。上板部材３３は記録素子基板２７上面の電気熱変換体３０にそれぞれ正対する複数の吐出ノズル２５を有する。すなわち、この上板部材３３と記録素子基板２７との間には、個々の吐出ノズル２５と共通インク室３２とに連通するインク路３４が形成され、隣接するインク路３４の間には仕切り壁３５が形成される。これら共通インク室３２，インク路３４および仕切り壁３５などは、吐出ノズル２５と同様にレーザー加工技術により上板部材３３に形成される。

インク供給口２９から各インク路３４内に供給される液体は、対応するインク路３４に臨む電気熱変換体３０に駆動信号が与えられることにより、電気熱変換体３０の発熱に伴って沸騰し、これにより発生する気泡の圧力によって吐出ノズル２５から吐出される。

特に、本発明の記録ヘッド１９は、図７及び図８に示すように一つの電気熱変換体３０に対して複数の吐出ノズル２５（本例では２つ）を有し、後に詳しく説明するが、各吐出ノズル２５から同時に吐出されたインク滴が合体して一つになる構造である。

上述の記録ヘッド１９について図面を参照してさらに詳しく説明する。当該記録ヘッドの説明に用いる図１〜図３では背景技術の説明で参照した図９と同一の構成要素に対しては同一符号を用いた。

本発明者らの検討によれば、インクの吐出量が少ないヘッドにおいては吐出液滴の尾引きが短くなり主滴のみでサテライトやミストの無い吐出も可能であることがわかった。図３にその吐出の状態を示す。図３（ａ）は吐出ノズル２を上面から見た図であり、図３（ｂ）および（ｃ）は吐出状態を示すために吐出ノズル２を横から見た断面図である。図３（ｂ）はインクが吐出した直後の状態であり、インク滴１は先端の主滴の部分から吐出ノズル２に向かって尾引きが形成されている。しかしながらこの尾引きは、吐出ノズル２の横断面積が小さく吐出インク滴の量（吐出量）も小さいため、従来の吐出である図９の吐出と比較して短くなっている。これはインクの物性やインク液滴の吐出速度が同じであれば、吐出ノズルの横断面積が小さく吐出量も小さい場合には、尾引きの体積も小さくなるので必然的に尾引きの長さも短くなる。また、図３（ｃ）は吐出してからある程度時間が経過した後に吐出状態であり、図３（ｂ）で形成されていた尾引きが主滴に吸収され無くなっている状態を示す。従来の吐出である図９においても同様であるが、詳細に観察すると尾引きはある速度を持って移動しているものが複数の液滴に分割されるため、その分割の仕方によりそれぞれの分割液滴の吐出速度が異なる。このため、一度分割した吐出液滴もまた合体を繰り返す場合がある。図３に示す尾引きの短い吐出においては、極端に短いものは主滴が形成される時に表面張力により合体してしまい１つの液滴となる。また尾引きが多少の長さがある場合は、一度形成されたインク滴はすぐに主滴に合体する場合もあるし、小さなインク滴が１つだけ形成される場合もあった。いずれにしても従来の吐出量が大きいヘッドによる吐出に比べ尾引きによるサテライトやミストとなるインク滴の形成は極端に少なかった。上記ヘッドの具体的なノズル構造であるが、図９に示す従来のヘッドにおいては、吐出ノズル２の開口の大きさ（開口面積）は１５０μｍ²であり吐出量は約３ｐｌである。また、図３に示す吐出量の少ないヘッドにおいては、吐出ノズル２の開口の大きさ（開口面積）は８０μｍ²であり吐出量は約１．５ｐｌである。

このように、吐出量の非常に小さい領域においては、ある程度サテライトやミストを低減することが出来るが、吐出量を大きくしていくとまたサテライトやミストが増えてしまう結果となる。目的は異なるがピエゾ等の振動板を駆動することにより吐出する方式では複数のインク液滴を連続して吐出し前段のインク液滴に次のインク液滴が飛翔中に合体する駆動方法が特開２００２―９６４８８に記載されているが、あとから吐出する液滴の吐出速度が速いためサテライトやミストが出来やすい。また駆動条件の制約が大きくなり、特に電気熱変換素子による発泡で吐出させる方式においてはさらに困難となる。また吐出液滴が小さいため飛翔中の気流によって印字が影響を受けやすい。

上記の検討結果を考慮し本発明者らは、図１に示す吐出ノズル構造を考え検証を行ったところ大きな吐出量であっても尾引きを短くしサテライトやミストを大きく低減させることが出来た。以下に詳細を説明する。

図１はインクの吐出状態を示す図であり、図１（ａ）は吐出ノズル２を上面から見た図であり、図１（ｂ）および（ｃ）は吐出状態を示すために吐出ノズル２を横から見た断面図である。また図１（ｂ）はインクが吐出した直後の状態であり、図１（ｃ）は吐出してからある程度時間が経過した後吐出状態である。

図１（ａ）に示すように本実施例では、１つのヒーターに対し２つの吐出ノズル２を備えている。また図１（ｂ）に示すようにそれぞれの吐出ノズル２の中心線がインク滴の吐出方向で交差する構造である。この構造によれば各吐出ノズル２から吐出されたインク滴１は互いに近づく方向に角度を持って吐出される。これにより飛翔中にそれぞれの吐出ノズルから吐出したインク滴は重なり合体する。この時それぞれの吐出ノズル２から吐出したインク滴１は吐出量が小さいので尾引きの長さは短く主滴に吸収される。このため合体したインク滴も図１（ｃ）に示すように主滴のみとなり尾引きがない吐出が可能となる。

本実施形態のヘッドの具体的寸法は、各吐出ノズル２の開口面積は８０μｍ²であり、フェイス面５（吐出ノズルの開口が形成された面）における各吐出ノズル２の中心間の距離は２０μｍである。これにより各吐出ノズル２から吐出されるインク滴１の吐出量はそれぞれ約２ｐｌであった。また各吐出ノズルはその中心線がフェイス面５に対し約１度の角度をもって形成されている。これは２つの吐出ノズルをそれぞれレーザーの角度を変えて（実際はレーザーの光軸は固定でヘッドの上板部材を移動して）別々に加工することで吐出ノズルを形成した。これにより、計算上はフェイス面５から約０．５ｍｍ離れた位置で２つの吐出ノズル２の中心線が交差することになる。実際の吐出ではインク滴１は点ではないので計算上の交点よりも早くお互いのインク滴が合体した。

このように本実施形態によれば、比較的大きな約４ｐｌの吐出量においてもサテライトやミストとなるインク滴の形成を極端に少なくすることが可能である。

本実施形態は、上記のようにフェイス面に対して各吐出ノズルの中心線がなす角度が約１度であるが、本発明者らの検討によれば前記角度は５度以下が好ましく、２．５度以下がより好ましかった。これは角度を付けすぎると、その分だけ合体する各液滴が違う速度成分を持つことになり、液滴が合体時に吐出方向が不安定になりやすいためである。特に２つの吐出ノズルから吐出されるインク滴に速度差がある場合が不安定であった。

（その他の実施形態）
図２に本発明の他の実施形態を示す。図２はインクの吐出状態を示す図であり、図２（ａ）は吐出ノズル２の縦断面を見た場合、ノズル穴の側面の、フェイス面に対する角度が、もう１つの吐出ノズル２と隣接している側の側面と離れている側の側面で違う例である。これは、吐出ノズル形成時のレーザーのマスクにおいて、前記もう１つの吐出ノズルと離れている側（角度が大きい側）の照射量が他の部分より少なくなるようパターンを工夫することで上記形状が形成可能である。これにより２つの吐出ノズルが同時に形成可能となるので角度に対する寸法精度が上がる。

図２（ｂ）は吐出ノズルが２段に分かれて形成されている例である。これは、吐出ノズル形成時にマスクを変え２度加工を行うことで図に示す形状が形成可能である。すなわち本実施形態ではインク流路３に近い側から第１のマスクで上板部材の途中までレーザー加工を行う。次に第１のマスクより小さくかつ中心をずらした第２のマスクより残りの加工を行っている。これにより吐出時のインクの方向が２つの吐出ノズルの中心線が交わる方向に向かうので、前述までの実施形態と同様に吐出中にインク滴を合体させることが可能となる。また本実施形態の構成は、フォトリソグラフィ法により吐出ノズルを形成する場合も、２度に分けて形成することにより可能であり色々な加工方法で作りやすい利点を持っている。なお、図２（ｂ）の例では吐出ノズルを２度に分けて形成したが、３度以上に分けて形成した吐出ノズルであってもよい。

以上のように実施形態を挙げて説明した発明によれば、１つのインク流路に対して複数の吐出ノズルを設け、該複数の吐出ノズルから吐出された時のインクの方向が各吐出ノズルの中心線が交わる方向に向かう構造である。言い換えれば、オリフィスプレートのフェイス面における各吐出ノズル開口の中心の間隔が、オリフィスプレートのインク流路側の面における各吐出ノズル開口の中心の間隔より短い構造でもある。この構造によって、吐出したインク液滴の尾引きを短くしサテライトやミストを大きく低減させることが出来た。特にある程度大きな吐出量の領域までサテライトやミストを低減させることが可能である。これにより、高画質で印字汚れ等の弊害の少ないインクジェット記録ヘッドを提供することが出来る。

なお、本実施形態では吐出エネルギーを発生する手段として電気熱変換素子であるヒーターを例に挙げたが、ピエゾ素子のような振動素子を使用してもよい。また、吐出ノズルの数においても２つに限らず、インク流路３に対して３つ以上設けてあってもよい。

本発明の一実施例によるインクジェット記録ヘッドの構造およびインク滴の吐出状態を示す図である。本発明の他の実施例によるインクジェット記録ヘッドの構造およびインク滴の吐出状態を示す図である。本発明に対する比較例であるインクジェット記録ヘッドの構造およびインク滴の吐出状態（吐出量が少ない場合）を示す図である。本発明によるインクジェット記録ヘッドを適用できるインクジェットプリンタ（記録装置）の概略構造を表す斜視図である。図４のインクジェットプリンタのキャリッジに装着可能なヘッドカートリッジの外観を示す斜視図である。図５に示したヘッドカートリッジの背面側を表す斜視図である。図５に示したヘッドカートリッジに組み込まれた本発明の実施形態のインクジェット記録ヘッドの外観を破断状態で表す斜視図である。図７に示したインクジェット記録ヘッドの主要部の断面図である。一般的なインクジェット記録ヘッドにおけるインク滴の吐出状態を示す図である。

符号の説明

１インク滴
２吐出ノズル
３インク流路
４ヒーター

Claims

インク滴を吐出するために用いられるエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、該吐出エネルギー発生素子に対向して設けられた前記インク滴を吐出する吐出ノズルとを有するインクジェット記録ヘッドにおいて、
前記吐出エネルギー素子に対し複数の前記吐出ノズルを備え、かつ該複数の吐出ノズルから吐出され飛翔中にインク滴が合体して一つになる構造であることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
前記複数の吐出ノズルの中心線がインク滴の吐出方向で交差する構造である請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
前記インク滴の吐出方向で交差する複数の吐出ノズルの中心線が前記吐出ノズルの開口を形成する面に対してなす角度は５度以下である請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
請求項１から３のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッドを製造する方法であって、
前記吐出ノズルはレーザー加工で形成されているインクジェット記録ヘッドの製造方法。
請求項１から３のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッドを製造する方法であって、
前記吐出ノズルはフォトリソグラフィ加工で形成されているインクジェット記録ヘッドの製造方法。
前記吐出ノズルは、フォトリソグラフィ加工で複数に分けて形成され、該複数に分けて形成された各吐出ノズルの中心が互いにずれている請求項５に記載のインクジェット記録ヘッド。