JP2006168142A - インクジェット記録ヘッドならびに画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高濃度のベタ印字も１パス印字で対応でき、ＤＴＰなどの普通紙の通常カラー画像も高速で印字でき、高い階調性のフォト画像印字と高速印字との両立が実現できる記録ヘッドを提供する。
【解決手段】 複数のインク吐出口と、インク吐出口に供給するためのインクを貯える共通インク液室と、共通インク液室内にインクを供給するためのインク供給口と、該複数のインク吐出口と共通インク液室とを連通する複数のインク流路と、インク流路を形成するインク流路の壁と、インク流路内のインクに吐出エネルギーを付与するためのインク吐出エネルギー発生素子を備えたインクジェット記録ヘッドにおいて、前記共通インク液室は、小液滴を吐出させるための小吐出口と中液滴を吐出させるための中吐出口とからなる第一のインク吐出口群と、大液滴を吐出させるための大吐出口と中液滴を吐出させるための中吐出口とからなる第二のインク吐出口群とに連通していることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インクジェット記録ヘッド、該インクジェット記録ヘッドの製造方法及び該インクジェット記録ヘッドを用いた画像形成装置に関する。

サーマルインクジェット技術を用いたカラーインクジェットプリンタは年々高解像度化しており、特に、画質を形成するために使用する記録ヘッドにおいては個々の液滴を吐出する吐出口配列の解像度が６００ｄｐｉ、１２００ｄｐｉと年々高解像度化している。

また、画像を形成する吐出インク滴のサイズに関してはグレースケールのハーフトーン部や、カラーフォト画像における中間調、ハイライト部での粒状性を軽減させるべく、特にカラーインクを吐出させる記録ヘッドでは１５ｐｌ程度から５ｐｌ、２ｐｌ、１ｐｌと年々小液滴化する傾向にある。

しかし、小液滴、高解像度の記録ヘッドにおいては、高品位なカラーグラフィック画像や、フォト画像の印刷出力では高品位のユーザーニーズに対応できるものの、帳票におけるカラーグラフなどの解像度の要求されない粗い画像の印刷出力に対しては、小液滴、高解像度により、画像出力データの肥大化、および、データ転送時間を多く必要とする点から、高速印刷の要求には反する結果となる。

これを改善するためには、高速印刷時には比較的大きいサイズの液滴で、少ない出力データサイズで画像を形成できることが望ましく、高画質印刷の場合には液滴サイズを変調させ、形成画像の粒状性を極力少なくすることが望まれるため、同一色インクの記録ヘッドノズル群で異なるサイズの液滴を吐出させ、一色あたりの液滴サイズを変調させることが望ましい。

これを実現すべく、本発明の発明者による特許文献１では、異なるサイズのヒーターを同一ノズル内に配置し、個々のヒーターの発泡を使い分けることによって、同一ノズルから異なるサイズの液滴を吐出させる手段を考案し、製品化している。

また、特許文献２においては、大小の吐出量を交互に千鳥配置した記録ヘッドが提案されている。

また、単に異なるサイズの吐出量を必要とする記録ヘッドを実現化するならば、異なるサイズの液滴を吐出することが可能なノズル列を１ヘッド内に１色あたり、複数設置することが考えられる
特開平８−１８３１７９号公報 米国特許第６１３７５０２号明細書

しかしながら、前者においては、同一インク流路で異なる液滴を吐出させるため、異なるサイズの液滴によって、ノズル後方からのインク供給速度が変化し、インクジェット記録ヘッドを走させながらプリントを行う、いわゆるシリアル方式の記録装置では、同一の記録ヘッドスキャン時査（スキャン）に異なるサイズの液滴を吐出することが困難であり、複数回の記録ヘッドのスキャンで大中小などの液滴を吐出し分ける必要がある。これは異なるサイズの液滴を同一周波数で吐出することができないため、高精細画像を形成する上では液滴サイズの変調制御が困難であることを意味する。

また、後者に関しては大小の吐出口を同数配置しているため、一度のスキャンで使用できるノズル数が制限されることから、大吐出量を使用して少ないスキャンで印字することができなかったり、高画質な階調印字時や小吐出量だけを使用する高密度な高画質印字には印字速度が遅くなる問題が生じる。

最後に、異なるサイズの液滴を吐出することが可能なノズル列を１ヘッド内に１色あたり、複数設置した場合は低価格化の著しいインクジェットプリンタ市場ではコスト的に成立し難い。

以上のような問題を解決するために、一つの共通インク液室から複数の異なるサイズの液滴を吐出することができるようにし、求められる出力画像品位や出力スピードに応じて最適なインク液滴を選択的に吐出させることができる記録ヘッドが求められていた。

上記課題を解決するため、本発明者達は、このような検討から、複数のインク吐出口と、インク吐出口に供給するためのインクを貯える共通インク液室と、共通インク液室内にインクを供給するためのインク供給口と、複数のインク吐出口と共通インク液室とを連通する複数のインク流路と、インク流路を形成するインク流路の壁と、インク流路内のインクに吐出エネルギーを付与するためのインク吐出エネルギー発生素子を備えたインクジェット記録ヘッドにおいて、共通インク液室は、小液滴を吐出させるための小吐出口と中液滴を吐出させるための中吐出口とからなる第一のインク吐出口群と、大液滴を吐出させるための大吐出口と中液滴を吐出させるための中吐出口とからなる第二のインク吐出口群とに連通するように配置したことにより、主に小液滴を吐出して高品位の写真画像を出力することも可能であり、高濃度のベタ印字も１パス印字で対応できるため、ＤＴＰなどの普通紙の通常カラー画像も高速で印字でき、高い階調性のフォト画像印字との両立が実現できる。

また、大中小吐出口に対応して流路の長さや幅を調節することにより、大中小吐出口のリフィル時間を調節でき、同じ駆動周波数で印字することが可能となる。さらに、小吐出口の吐出口間隔を高密度にすることで、高品位な画像がより高速で印字可能となる。

本発明の液体吐出装置は、本発明のインクジェット記録ヘッドと、前記インクジェット記録ヘッドから吐出された液体を受ける被記録媒体を搬送する被記録媒体搬送手段とを有する。また、本発明ンクを付着させることで記録を行うものであってもよい。本発明の液体吐出装置は、本発明のインクジェット記録ヘッド製造方法により製造されたインクジェット記録ヘッドと、前記インクジェット記録ヘッドから吐出された液体を受ける被記録媒体を搬送する被記録媒体搬送手段とを有する。また、本発明の液体吐出装置は、インクジェットヘッドからインクを吐出し、被記録媒体にインクを付着させることで記録を行うものであってもよい。

本発明によれば、複数のインク吐出口と、該インク吐出口に供給するためのインクを貯える共通インク液室と、該共通インク液室内にインクを供給するためのインク供給口と、該複数のインク吐出口と該共通インク液室とを連通する複数のインク流路と、該インク流路を形成するインク流路の壁と、該インク流路内のインクに吐出エネルギーを付与するためのインク吐出エネルギー発生素子を備えたインクジェット記録ヘッドにおいて、前記共通インク液室は、小液滴を吐出させるための小吐出口と中液滴を吐出させるための中吐出口とからなる第一のインク吐出口群と、大液滴を吐出させるための大吐出口と中液滴を吐出させるための中吐出口とからなる第二のインク吐出口群とに連通していることを特徴とするインクジェット記録ヘッドを用いれば、細かい階調で液滴サイズを変調させることができるため、高い階調性のフォト画像を印字することが可能となる。

また、高濃度のベタ印字も１パス印字で対応できるため、ＤＴＰなどの普通紙の通常カラー画像も高速で印字でき、高い階調性のフォト画像印字と高速印字との両立が実現できる。また、大中小吐出口に対応して流路の長さや幅を調節することにより、大中小吐出口のリフィル時間を調節でき、同じ駆動周波数で印字することが可能となる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。

なお、以下の各実施形態で示される数値は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本発明は、各実施形態に限らず、これらをさらに組み合わせるものであってもよく、この明細書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べき他の技術にも応用することができる。

本発明による画像形成装置をインクジェットプリンタに応用した一実施形態について、図１〜図９を参照しながら詳細に説明する。

本実施形態におけるインクジェットプリンタの機構部分の外観を図９に示し、このインクジェットプリンタに用いられるヘッドカートリッジの外観を分解状態で図３に示し、そのプリントヘッドの外観を図２に示す。すなわち、本実施形態におけるインクジェットプリンタのシャシー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プリンタの骨格をなす。

シャシー１０には、図示しないシート状のプリント媒体をインクジェットプリンタ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枚ずつ給送されるプリント媒体を所望のプリント位置へ導くと共にこのプリント位置から媒体排出部１２へとプリント媒体を導く媒体搬送部１３と、プリント位置に搬送されたプリント媒体に所定のプリント動作を行うプリント部と、このプリント部に対する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。

プリント部は、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とからなる。

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のプリントヘッド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、プリントヘッド１９のタンクホルダ２１と係合してプリントヘッド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。ヘッドセットレバー１７は、キャリッジ１６の上部に図示しないヘッドセットレバー軸に対して回動可能に設けられ、またプリントヘッド１９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プリントヘッド１９を押圧しながらキャリッジ１６に装着するようになっている。

プリントヘッド１９に対するキャリッジ１６の別の係合部には、図示しない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、プリントヘッド１９に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、プリントのための各種情報の授受やプリントヘッド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のコンタクト部とプリントヘッド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キャリッジ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と、このインクタンク２４から供給されるインクをプリント情報に応じてプリントヘッド１９の吐出口２５（図４参照）から吐出させる前述のプリントヘッド１９とを有する。本実施形態のプリントヘッド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。

また、本実施形態では写真調の高画質なカラープリントを可能とするため、例えば黒色、淡シアン色、淡マゼンタ色、シアン色、マゼンタ色および黄色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３に示すように、プリントヘッド１９に対してそれぞれ取り外し可能となっている。

プリントヘッド１９は、後述するプリント素子基板２７、前述のタンクホルダ２１などから構成されている。本実施形態におけるプリントヘッド１９のプリント素子基板２７の破断構造を図４に示し、その吐出口の配列形態を図５に示し、そのＡ−Ａ´断面構造を図６にそれぞれ示す。本実施形態におけるプリント素子基板２７は、厚さが０．５ｍｍ〜１ｍｍのシリコン基板の上に成膜技術を用いて吐出エネルギ発生部、共通インク室３１、インク路３３、吐出口２５などを形成したものである。すなわち、プリント素子基板２７には、これを貫通する長孔状のインク供給口２８が形成されている。

このインク供給口２８の両側には、プリント媒体の搬送方向、つまりインク供給口２８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２５６個）の電気熱変換体２９が相互に半ピッチずらした状態で形成されている。そして、それぞれの列の中心間距離は２３３μｍであり、それぞれ吐出エネルギ発生部を構成している。プリント素子基板２７には、これら電気熱変換体２９の他、電気熱変換体２９とプリンタ本体側との電気的接続を行うための電極端子３０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。

プリント素子基板２７に形成された電極端子３０に対して連結される電気配線基板３６は、プリント素子基板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、プリント素子基板２７に対応する電気配線と、この電気配線端部に位置し、プリンタ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３６を介して図示しない駆動ＩＣから電気熱変換体２９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２９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と圧接するようにフィルタ１１５が固定されており、このフィルタ１１５を介してインクタンク２４からプリント素子基板２７のインク供給口２８に亙るインク流路が形成されている。

プリント素子基板２７上には、インク供給口２８に連通する共通インク室３１を介して電気熱変換体２９とそれぞれ正対する複数の吐出口２５を有する上板部材３２が形成される。すなわち、この上板部材３２とプリント素子基板２７との間には、個々の吐出口２５と共通インク室３１とに連通するインク路３３が形成され、隣接するインク路３３の間には仕切り壁３４が形成される。これら共通インク室３１、インク路３３および仕切り壁３４などは、吐出口２５と同様にフォトリソグラフィ技術により上板部材３２と共に形成される。

インク供給口２８から各インク路３３内に供給される液体は、対応するインク路３３に臨む電気熱変換体２９に駆動信号が与えられることにより、電気熱変換体２９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口２５から吐出される。この場合、液室３１内で発生する気泡は、その成長に伴って吐出口２５から大気連通状態となる。

本実施例で用いたプリント素子基板２７は、以下のようなものである。

図１（ａ）に本実施例の記録ヘッドのプリント素子基板２７を吐出方向から見た図を示す。共通インク液室３１に対して、図１（ａ）左側の第一のインク吐出口群４０に大吐出口３７と中吐出口３８が交互に配置され、図１（ａ）右側の第二のインク吐出口群４１に小吐出口３９と中吐出口３８が交互に配置されている。インク供給口２８から供給されたインクはそれぞれのインク流路３３を通って吐出口に送られる。各吐出口にはヒーター２９が配置してある。本実施例で用いている大吐出口、中吐出口、小吐出口の想定インク吐出量と吐出口面積とヒーター面積を表１に示す。

このような３種類の異なるインク量を吐出する吐出口配置の記録ヘッドで印字を行えば、３００ｄｐｉの格子状の１画素に対し、記録させるインクの吐出量を細かい階調で変調させることができる。そのため、２種類の吐出口構成（例えば、大小二種類の吐出口）の場合よりもさらに階調性の高いフォト画像を印字することが可能となる。

また、吐出口列に対応した記録媒体上の領域を分割して得られる領域に対して１回の走査で印字する１パス印字の場合であっても、図１（ｂ）のような中吐出口がヘッドの走査方向に軸を共有している吐出口配列にすれば、図８に示すように３００ｄｐｉの１画素に対して大吐出口から吐出されたインク液滴ひとつと中吐出口から吐出されたインク液滴ふたつのみにより画素を埋め尽くす、すなわち高濃度ベタ印刷することが可能である。図８のうち４８は大吐出口から吐出されたインクによる記録を、４９は中吐出口から吐出されたインクによる記録を示している。高濃度のベタ印字も１パス印字で対応できるため、高精細な画像を求めない、ＤＴＰなどの普通紙の通常カラー画像も高速で印字でき、高い階調性のフォト画像印字と高速印字の両立が実現できる。

以上、本実施例で吐出量、吐出口面積、ヒーター面積の一例を挙げたが、本発明の目的を達成するのであれば、これに限らない。

図５に本実施例の記録ヘッドの記録チップを吐出方向から見た図を示す。図１（ａ）に示した配列に対して流路の長さを変更したものであり、それ以外の部分は、上述と同様であるため符号を省略してある。

図５（ａ）に示すように大中小吐出口の流路の長さがすべて同じ場合、大吐出口から吐出される約１０ｐｌ分のインクを共通液室から補充するリフィル時間は他の吐出口に比べ遅くなり、小吐出口から吐出される約２ｐｌ分のインクを共通液室から補充するリフィル時間は他の吐出口に比べ早い。そのため、駆動周波数は大吐出口のリフィル時間に制限され、大中小吐出口毎に分けなければならない。

そこで、図５（ｂ）に示すように大中小吐出口のリフィル時間を合わせるために、大吐出口の流路の長さ４２をＬｌ、中吐出口の流路の長さ４３をＬｍ、小吐出口の流路の長さ４４をＬｓとしたとき、
Ｌｌ＞Ｌｍ＞Ｌｓ
の関係が成り立つようにした。大吐出口の流路の長さを他の吐出口に比べ短くし、小吐出口の流路の長さを他の吐出口に比べ長くすることで、大中小吐出口のリフィル時間を調節でき、同じ駆動周波数で印字することが可能となる。ここではＬｌ、Ｌｍ、Ｌｓはそれぞれどのインク吐出口に対しても等しいとしたが、図５（ｃ）に示すようにＬｌ、Ｌｍ、Ｌｓは駆動条件に従いそれぞれ周期的に変化してもよい。

本実施例は、流路の幅を変更したものである。実施例２では大中小吐出口の流路の長さを変えてリフィル時間を調節したが、流路の幅を変えることでもリフィル時間の調整が可能である。図１（ａ）で示すように、大吐出口の流路の幅をＷｌ、中吐出口の流路の幅をＷｍ、小吐出口の流路の幅をＷｓとしたとき、
Ｗｌ＞Ｗｍ＞Ｗｓ
の関係が成り立つようにした。大吐出口の流路の幅を他の吐出口に比べ広くし、小吐出口の流路幅を他の吐出口に比べ狭くすることで、大中小吐出口のリフィル時間を調節でき、同じ駆動周波数で印字することが可能となる。さらに本発明では、流路の幅をある程度必要とする中吐出口と流路の幅をそれほど必要としない小吐出口とを同じ吐出口列に配置しているため、図７のように小吐出口の高密度配置にも有効である。このような小吐出口の高ノズル配置ヘッドを用いれば、図１１および図１２に（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に示すように４パス印刷を行うことで高解像度の記録画像を得ることもできる。

本発明におけるインク吐出口配列構造を示す概念図 プリントヘッドの外観図 ヘッドカートリッジの外観の分解状態図 プリント素子基板の破断構造図 本発明におけるインク吐出口配列の応用例を示す図 プリント素子基板の断面構造図 本発明におけるインク吐出口配列の応用例を示す図 大吐出口と中吐出口から吐出されたインクによる１パス記録の状態を示す概念図 インクジェットプリンタの外観図 大吐出口と中吐出口と小吐出口から吐出されたインクによる１パス記録の状態を示す概念図 中吐出口と小吐出口から吐出されたインクによる４パス記録の状態を示す概念図 小吐出口から吐出されたインクによる４パス記録の状態を示す概念図

符号の説明

１０ シャシー
１１ 媒体給送部
１２ 媒体排出部
１３ 媒体搬送部
１４ ヘッド回復部
１５ キャリッジ軸
１６ キャリッジ
１７ ヘッドセットレバー
１８ ヘッドカートリッジ
１９ プリントヘッド
２０ キャリッジカバー
２１ タンクホルダ
２２ コンタクトフレキシブルプリントケーブル（コンタクトＦＰＣ）
２３ コンタクト部
２４ インクタンク
２５ 吐出口
２６ 取り外し用レバー
２７ プリント素子基板
２８ インク供給口
２９ 電気熱変換体
３０ 電極端子
３１ 共通インク室
３２ 上板部材
３３ インク流路
３４ 仕切り壁
３５ 吐出口面
３６ 電気配線基板
３７ 大吐出口
３８ 中吐出口
３９ 小吐出口
４０ 第一のインク吐出口群
４１ 第二のインク吐出口群
４２ 大吐出口の流路の長さ
４３ 中吐出口の流路の長さ
４４ 小吐出口の流路の長さ
４５ 大吐出口の流路の幅
４６ 中吐出口の流路の幅
４７ 小吐出口の流路の幅
４８ 大吐出口から吐出されたインクによる記録
４９ 中吐出口から吐出されたインクによる記録
５０ 小吐出口から吐出されたインクによる記録

Claims (8)

1. 複数のインク吐出口と、該インク吐出口に供給するためのインクを貯える共通インク液室と、該共通インク液室内にインクを供給するためのインク供給口と、該複数のインク吐出口と該共通インク液室とを連通する複数のインク流路と、該インク流路を形成するインク流路の壁と、該インク流路内のインクに吐出エネルギーを付与するためのインク吐出エネルギー発生素子を備えたインクジェット記録ヘッドにおいて、
   前記共通インク液室は、小液滴を吐出させるための小吐出口と中液滴を吐出させるための中吐出口とからなる第一のインク吐出口群と、大液滴を吐出させるための大吐出口と中液滴を吐出させるための中吐出口とからなる第二のインク吐出口群とに連通していることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 請求項１に記載のインクジェット記録ヘッドが被記録媒体に対して移動して記録を行うインクジェット記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッドにおいて、第一の吐出口群に含まれる中吐出口と第二の吐出口群に含まれる中吐出口が記録ヘッドの移動方向に軸を共有することを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
3. 請求項１又は請求項２に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、第一の吐出口群に含まれる小吐出口と中吐出口とが交互に配置され、第二の吐出口群に含まれる大吐出口と中吐出口とが交互に配置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。
4. 請求項１又は請求項２に記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、第二の吐出口群に含まれる大吐出口の数よりも第一の吐出口群に含まれる小吐出口の数のほうが多いことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
5. 請求項１乃至請求項４いずれかに記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、共通インク液室から大吐出口に連通したインク流路の長さと、中吐出口に連通した流路の長さと、小吐出口に連通した流路の長さがそれぞれ異なることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
6. 請求項１乃至請求項５いずれかに記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、共通インク液室から大吐出口に連通した流路の幅と、前記中吐出口に連通した流路の幅と、前記小吐出口に連通した流路の幅がそれぞれ異なることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
7. 請求項１乃至請求項６いずれかに記載のインクジェット記録ヘッドにおいて、少なくとも３つ以上の共通インク液室を備え、それぞれ異なるインクを貯えることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
8. 請求項１乃至請求項７いずれかに記載のインクジェット記録ヘッドを用いたことを特徴とする画像形成装置。