JP2009143024A - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】インク液滴の着弾精度を向上し、記録画像の高画質化、高速化を達成する。
【解決手段】インク供給口から供給されたインクを、それぞれに対応するインク流路の流抵抗が異なる複数の吐出口から、前記複数の吐出口のそれぞれに対応する複数の電気熱変換素子の発生するエネルギを利用して吐出するインクジェット記録ヘッドであって、前記インクの流抵抗の小さいインク流路に対応する吐出口は、前記インクの流抵抗の大きいインク流路に対応する吐出口よりも、当該吐出口の中心が当該電気熱変換素子の中心に対して前記インク供給口からより離れるように配置される。
【選択図】図４

Description

本発明は、インクジェット記録ヘッド関し、特に異なるインク滴を吐出する吐出口を備えたインクジェット記録ヘッドに関する。

インクジェット記録方法では、中間の階調を表現するのに、一定サイズの記録ドットにより単位面積当たりの記録ドット数を制御するドット密度制御法がある。その制御手段として、インク滴のサイズの異なった吐出口を設け、画像の明部から中間部分は小さいインク滴で記録ドットを形成し、中間調部分から暗部までは大きいインク滴で記録ドットを形成するような記録方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

そして、このようなインク滴のサイズの異なったインクを吐出する吐出口を備えた記録装置では、大液滴と小液滴のインク流路の断面積や流抵抗を変えて配置することが知れられている（例えば、特許文献２参照）。

一方、高画質化を図るために、更にインク滴を小液滴化した場合、液滴が小さいため、所望の吐出量を打ち込むことができないことがある。そのため、小液滴化に伴い吐出口列の解像度を高めることがある。しかしながらこの場合、吐出口列の解像度に対してヒータのサイズの比率が非常に大きくなる。そして、ヒータに配線を通すことが困難になり、ヒータが一列に配列することができないことがある。また、インクを供給するためのインク流路も一列に配列することができないことがある。

このため、図１０に示すように、ヒータを交互に千鳥状に並べることが一般に知られている。また、大小のインク液滴を吐出する吐出口を千鳥状に配置した記録ヘッドも知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開平４−１０９４１号公報 特開２００３−３１１９６４号公報 特開２００５−１３７９号公報

ところで、インクジェット記録方法では、ヒータにより吐出口のインクが急激に加熱させて、気泡を発生させこの気泡の膨張により吐出口からインクを吐出させることにより記録を行なう。このとき、インク滴がちぎれる際に、主滴の後方に続く副滴（サテライト）により画像劣化が生じることがある。すなわち、吐出されたインク滴がちぎれる際の尾引きの方向性によってこのサテライトの飛翔方向が変化して主滴と異なる方向に飛翔する。そして、例えば吐出口を千鳥状に配置することにより、小さいインク液滴を吐出するためのインク流路の長さが違う場合、それに応じてサテライトの飛翔方法が異なることがある。このため千鳥状に吐出口が配置された記録ヘッドでは、このサテライトの着弾により、記録画像の粒状性悪化やドットの濃密差によるスキャン境界の濃度ムラやスジなど、記録画像に影響を与えることがある。

この着弾ずれによる記録画像に対する影響を抑制するために、キャリッジの主走査方向の速度を落としたり、マルチパス数を増やすことにより記録速度を落とすことにより、サテライトの影響を小さくすることがある。しかしながら、このような方法であると、記録速度の向上を図ることができない。

また、サテライトの液滴は更なる小液滴化に伴い、ミストの原因としてプリンタ等の記録装置の機内汚れなどの問題も生じることがある。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、微少量のインク液滴であっても、インク液滴の吐出方向の直進性をあげる。これにより、インク液滴の着弾精度を向上し、記録画像の高画質化、高速化を達成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。

上記目的を達成するために本発明のインクジェット記録ヘッドは、インク供給口から供給されたインクを、それぞれに対応するインク流路の流抵抗が異なる複数の吐出口から、前記複数の吐出口のそれぞれに対応する複数の電気熱変換素子の発生するエネルギを利用して吐出するインクジェット記録ヘッドであって、前記インクの流抵抗の小さいインク流路に対応する吐出口は、前記インクの流抵抗の大きいインク流路に対応する吐出口よりも、当該吐出口の中心が当該電気熱変換素子の中心に対して前記インク供給口からより離れるように配置されたことを特徴とする。

以上の構成によれば、インク液滴の尾引きが曲がることを抑制することができる。これにより、インク液滴の吐出方向の直進性を高めることにより、高画質で高速な記録が可能となる。

以下に図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態のインクジェット記録装置ＩＪＲＡの構成の概要を示す外観斜視図である。図１において、キャリッジＨＣには、記録ヘッドＩＪＨとインクタンクＩＴとを内蔵した一体型インクジェットカートリッジＩＪＣが搭載されている。キャリッジＨＣは、ガイドレール５００３に支持されて記録媒体上を矢印ａ，ｂ方向を往復移動し記録を行う。支持部材５０１６は記録ヘッドＩＪＨの前面をキャップするキャップ部材５０２２を支持している。吸引器５０１５はキャップ内の吸引を行ない、キャップ内開口５０２３を介して記録ヘッドの吸引回復を行う。

図２はインクジェット記録装置ＩＪＲＡの制御回路の構成を示すブロック図である。インタフェース１７００に記録信号が入るとゲートアレイ１７０４とＭＰＵ１７０１との間で記録信号が記録用の記録データに変換される。そして、モータドライバ１７０６、１７０７が駆動されると共に、ヘッドドライバ１７０５に送られた記録データに従って記録ヘッドＩＪＨが駆動され、記録が行われる。

次に本実施形態におけるインクジェット記録ヘッドＩＪＨについて説明する。本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、液体のインクを吐出するために利用されるエネルギとして熱エネルギを発生する手段を備え、その熱エネルギによってインクの状態変化を生起させる方式が採用された記録ヘッドである。この方式が用いられることにより、記録される文字や画像等の高密度化および高精細化を達成している。また本実施形態では、熱エネルギを発生する手段として電気熱変換素子を用い、この電気熱変換素子によりインクを加熱して膜沸騰させたときに発生する気泡による圧力を利用してインクを吐出している。

図３は、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの一部切り欠いた斜視図である。電気熱変換素子である複数の電気熱変換素子（ヒータ）４００が設けられた素子基板１１０と、この素子基板１１０の主面に積層されて接合されて複数のインクの流路を構成する流路形成部材１１１とを備えている。素子基板１１０は、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂、金属等によって形成されており、一般にＳｉによって形成されている。素子基板１１０の主面上には、各インクの流路毎に、ヒータ４００と、このヒータ４００に電圧を印加する電極（図示せず）と、この電極に接続された配線（図示せず）が所定の配線パターンでそれぞれ設けられている。また、素子基板１１０の主面には、蓄熱の発散性を向上させる絶縁膜（図示せず）が、ヒータ４００を被覆するように設けられている。また、素子基板１１０の主面には、気泡が消泡した際に生じるキャビテーションから保護するための保護膜（図示せず）が、絶縁膜を被覆するように設けられている。

流路形成部材１１１は、図３に示すように、インクが流動する複数のインク流路９と、インク流路９にインクを供給するインク供給口（供給室）６、およびインク滴を吐出する複数の吐出口４を有している。吐出口４は、素子基板１１０上のヒータ４００に対向する位置に形成されている。

このインクジェット記録ヘッドは素子基板上に複数のヒータ４００および複数の吐出口４を有している。そして、各吐出口４の長手方向が平行に配列された第１の吐出口列と、供給室５００を挟んで第１の吐出口列７に対向する位置に各吐出口４の長手方向が平行に配列された第２の吐出口列とを備えている。第１および第２の吐出口列は、隣接する各吐出口の間隔が６００ｄｐｉピッチまたは１２００ｄｐｉに形成されている。また、第２の吐出口列の各吐出口４は、第１の吐出口列の各吐出口４に対して、ドット配置の理由から必要に応じて、隣接する各吐出口間のピッチが互いにずれて配列されている。

次に、インクジェット記録ヘッドの吐出口構造について説明する。
本実施形態の記録ヘッドは、インク流路の流抵抗の大きいものについては、吐出口のヒータの中心からのオフセット量（離れる量）を少なくしている。すなわち、ヒータ発生した気泡が消泡していく過程で、気泡が偏って消泡し吐出口からのメニスカスが抵抗の低い側から引き込まれる。このため、インク液滴の尾引きが曲がることがある。したがって、吐出口をオフセットすることにより、尾引き曲がりを低減するものである。

図４は本実施形態によるインクジェット記録ヘッドの吐出口構造を示した図である。同図（ａ）はインクジェット記録ヘッドの１つの基板に対して垂直な方向から見た複数の吐出口のうちの一部吐出口を示す平面透視図である。また、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ‘線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。

本実施形態の記録ヘッドでは、流抵抗の異なるインク流路を配した吐出口が左右に配置してある。これらの吐出口に対応したインク流路９ａ、９ｂは、一端が圧力室１１に連通されるとともに他端が吐出口フィルタ５を介してインク供給口６に連通されている。本実施形態における圧力室１１とインク流路９の境界は、吐出口列方向の幅が変化しているところであり、吐出口列方向の幅が広くなっているところからが圧力室となっている。また吐出口４からインク液滴が飛翔される吐出方向と、供給路内を流動するインク液の流動方向とが直交して形成されている。

吐出口列方向の吐出口ピッチはそれぞれ４２．３μｍ（６００ｄｐｉ）である。ヒータ１ａは１５μｍ×１５μｍの正方形であり、ヒータ１ｂは２０μｍ×２０μｍの正方形である。吐出口列方向のオフセット量（離れる量）は２１．２μｍ（１２００ｄｐｉ）である。また、吐出口４ａ、４ｂはそれぞれφ８、φ１３径の円形であり、それぞれ約１．０ｐｌ、２．０ｐｌの吐出液滴が吐出する。インク流路９ａ、９ｂは、長さＬａ、Ｌｂは共に１７μｍ、幅Ｗａ、Ｗｂはそれぞれ１０μｍ、１５μｍである。

吐出口４ａ、４ｂの中心は、ヒータ１ａ、１ｂの中心に対してオフセットしてあり、流抵抗が小さいほどオフセット量（離れる量）は大きくなるよう配置されている。

そして、流路抵抗R_bは、以下の式により求められる。
Ｌ
R_b＝μ∫Ｄ(ｙ)ｄｙ／Ｓ（ｙ）²
０
Ｄ(ｙ)＝１２．０×（０．３３＋１．０２（ｃ(ｙ)／ｄ(ｙ)＋ｄ(ｙ)／ｃ(ｙ)））
R_b：電気熱変換素子から共通液室までの流抵抗
L ：電気熱変換素子の中心から共通液室までの距離
ｙ ：共通液室からの距離
Ｓ(ｙ)：距離ｙの位置のインク流路断面積
Ｄ(ｙ)：距離ｙの位置のインク流路断面係数
ｃ(ｙ)：距離ｙの位置のインク流路高さ
ｄ(ｙ)：距離ｙの位置のインク流路幅
η：インク粘度

オフセット量は、インク流路の流抵抗Ｒｂが０．０３（Ｐ（ぺタ=10¹⁵）Ｐａ・ｓ／ｍ3）以上０．２（Ｐ・Ｐａ・ｓ／ｍ³）未満であるとき、吐出口オフセット量は、０〜３μｍであることが望ましい。

また、インク流路の流抵抗が０．０２（Ｐ・Ｐａ・ｓ／ｍ³）以上０．０６（Ｐ・Ｐａ・ｓ／ｍ³）未満であるとき、吐出口オフセット量は、３〜６μｍであることが望ましい。

本実施形態の記録ヘッドでは、流抵抗の大きいインク流路９ａの吐出口４ａはオフセット量は２μｍ、流抵抗の小さいインク流路９ｂの吐出口４ｂはオフセット量は５μｍとなっている。また流抵抗は、インク流路９ａは０．０５４（Ｐ・Ｐａ・ｓ／ｍ³）であり、インク流路９ｂは０．０２３（Ｐ・Ｐａ・ｓ／ｍ³）である。

図５および図６は、本実施形態における効果を説明する説明図である。図５（ａ）および（ｂ）は、インク滴に関し液体シミュレーションを行なった結果を示すものである。

図５（ａ）および（ｂ）は、図４（ａ）に示すＡＡ‘断面から、吐出液滴がちぎれる寸前における見た断面図である。図４（ａ）および（ｂ）は共に約２．０ｐｌのインクの吐出量である。そして、図４（ａ）の流路幅は１０μｍであり、（ｂ）の流路幅は２５μｍである。すなわち、（ａ）に示す流路は、（ｂ）に示す流路よりも流抵抗が大きいものである。

吐出口オフセットが無い場合、図中左から明らかなように、（ａ）の流抵抗の大きい流路幅の場合、尾引き曲がり１５ｅより、（ｂ）の流抵抗が小さい流路幅２５の場合の尾引き曲がり１５ｇの方が大きい。

この尾引きの液滴がサテライトとなり、これが曲がると主滴と異なる方向に吐出し、記録画像に影響を与えるものである。この尾引き曲がりをなくすために、吐出口をオフセットしたのが図４（ａ）および（ｂ）の図中右に示すものである。図から明らかなように比較的インク流路の流抵抗の大きい流路幅１０μｍの場合、オフセット量２μｍのときに尾引き曲がり１５ｆがほぼ直進する。一方、比較的インク流路の流抵抗の小さい流路幅２５μｍの場合、オフセット量８μｍのときに尾引き曲がり１５ｈがほぼ直進となる。このように、インク流路の流抵抗に応じてオフセット量を変えることにより、インクの尾引き曲がりを低減させ、インク滴を直進させることができる。

図６は、インク流路の流抵抗、吐出口オフセット量と液滴直進性の関係を示した図である。縦軸に吐出口のオフセット量を、横軸に流抵抗を示している。サテライト液滴の直進性はインク流路の流抵抗、吐出口オフセット量と関係があり、これらを適正にすることによって、サテライト滴の曲がりをなくすことができることができることがわかる。

（第２実施形態）
第１実施形態のインクジェット記録ヘッドは、吐出口が一列に配置してあるものであったが、本発明はこのような記録ヘッドに限定されるものではない。

図７は本実施形態によるインクジェット記録ヘッドの吐出口構造を示した図である。同図（ａ）はインクジェット記録ヘッドの１つの基板に対して垂直な方向から見た複数の吐出口のうちの一部吐出口を示す平面透視図である。また、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ‘線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ’線に沿った断面図である。

本実施形態の記録ヘッドでは、流抵抗の異なるインク流路を配した吐出口が左右に配置してある。これらの吐出口に対応したインク流路９ｂ、９ｃ、９ｄは、一端が圧力室１１に連通されるとともに他端が吐出口フィルタ５を介してインク供給口６に連通されている。そして、吐出口４ｃと４ｄが千鳥状に交互に配置されている。

吐出口列方向の吐出口ピッチは、インク流路９ｂの側は４２．３μｍ（６００ｄｐｉ）であり、インク流路９ｃおよび９ｄの側は２１．３μｍ（１２００ｄｐｉ）である。ヒータ１ｃおよび１ｄは１５μｍ×１５μｍの正方形であり、ヒータ１ｂは２０μｍ×２０μｍの正方形である。また、吐出口４ｂ、４ｃ、４ｄはそれぞれφ１３、φ１１、φ８径の円形であり、それぞれ約２．０ｐｌ、１．５ｐｌ、１．０ｐｌの吐出液滴が吐出される。また、吐出口４ｂ、４ｃ、４ｄは、吐出口部が２段になっている構成である。このような構成にすることにより、吐出方向の吐出口部の流抵抗を低減し、吐出効率を良化した記録ヘッドである。インク流路９ｂ、９ｃ、９ｄは、長さＬｂおよびＬｃは共に１７μｍ、Ｌｄは６５μｍ、幅Ｗｂは１５μｍ、幅ＷｃおよびＷｄは１０μｍである。

吐出口４ｂ、４ｃの中心は、ヒータの中心に対してオフセットしてある。一方、吐出口４ｄは、インク流路９ｄの流抵抗が０．２１（Ｐ・Ｐａ・ｓ／ｍ³）であり、０．１（Ｐ・Ｐａ・ｓ／ｍ³）を超えているためオフセットはしない構成となっている。また、インク流路９ｂのオフセット量（離れる量）は５μｍ、インク流路９ｃのオフセット量は２μｍである。また流抵抗を計算すると、インク流路９ｂは０．０２３（Ｐ・Ｐａ・ｓ／ｍ³）であり、インク流路９ｃは０．０５４（Ｐ・Ｐａ・ｓ／ｍ³）となっている。

（第３実施形態）
本実施形態は、上述の実施形態と異なる吐出口部を備えたインクジェット記録ヘッドである。

図８は本実施形態によるインクジェット記録ヘッドの吐出口構造を示した図である。同図（ａ）はインクジェット記録ヘッドの１つの基板に対して垂直な方向から見た複数の吐出口のうちの一部吐出口を示す平面透視図である。また、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ‘線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ’線に沿った断面図である。

本実施形態の記録ヘッドでは、第２実施形態と同様に、流抵抗の異なるインク流路を配した吐出口が左右に配置してある。これらの吐出口に対応したインク流路９ｂ、９ｃ、９ｄは、一端が圧力室１１に連通されるとともに他端が吐出口フィルタ５を介してインク供給口６に連通されている。そして、吐出口４ｃと４ｄが千鳥状に交互に配置されている。また、それぞれの寸法は、第２実施形態と同様のものである。

本実施形態では、吐出口４ｂ、４ｃ、４ｄの中心は、ヒータの中心に対してオフセットしていないものである。これは吐出口４とのクリアランスを狭めた構成であって、製法上バラツキが最小限に抑えられる場合において作用効果が良い構成である。

（第４実施形態）
第２および第３実施形態では、インク供給口６の片側である吐出口４ｃと４ｄが千鳥状に交互に配置されているものであったが、本発明は、このようなものに限定されるものではない。すなわち、インク供給口６の両側の吐出口が千鳥状に交互に配置されているものであってもよい。

図９は本実施形態によるインクジェット記録ヘッドの吐出口構造を示した図である。同図（ａ）はインクジェット記録ヘッドの１つの基板に対して垂直な方向から見た複数の吐出口のうちの一部吐出口を示す平面透視図である。また、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ‘線に沿った断面図である。

このような構成をとることにより、小液滴をさらに高速に打ち込むことができる。

（その他）
上述した実施形態のヒータは、正方形の形態のものであるが、本発明はこのようなヒータに限定されるものではない。すなわち、ヒータは長方形であっても複数のヒータを備えた構成であってもよい。また、上述の実施形態の吐出口は、円形の形状をしたものであるが、本発明はこのような形態に限定されず、長円でも矩形であってもよい。

本発明の第１実施形態のインクジェット記録装置の構成の概要を示す外観斜視図である。 本発明の第１実施形態のインクジェット記録装置の制御回路の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態のインクジェット記録ヘッドの一部切り欠いた斜視図である。 本発明の第１実施形態のインクジェット記録ヘッドの吐出口構造を示した図である。 本発明の第１実施形態における効果を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態における効果を説明する説明図である。 本発明の第２実施形態のインクジェット記録ヘッドの吐出口構造を示した図である。 本発明の第３実施形態のインクジェット記録ヘッドの吐出口構造を示した図である。 本発明の第４実施形態のインクジェット記録ヘッドの吐出口構造を示した図である。 従来の記録ヘッドを示す模式図である。

符号の説明

ＩＬＰＡ インクジェット記録装置
ＩＪＨ 記録ヘッド
４ 吐出口
５ 吐出口フィルタ
６ インク供給口
９ インク流路
１１ 圧力室

Claims (5)

1. インク供給口から供給されたインクを、それぞれに対応するインク流路の流抵抗が異なる複数の吐出口から、前記複数の吐出口のそれぞれに対応する複数の電気熱変換素子の発生するエネルギを利用して吐出するインクジェット記録ヘッドであって、
   前記インクの流抵抗の小さいインク流路に対応する吐出口は、前記インクの流抵抗の大きいインク流路に対応する吐出口よりも、当該吐出口の中心が当該電気熱変換素子の中心に対して前記インク供給口からより離れるように配置されたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記インク流路の流抵抗が０．０３（Ｐ・Ｐａ・ｓ／ｍ³）以上０．２（Ｐ・Ｐａ・ｓ／ｍ³）未満であるとき、前記吐出口の前記離れる量は、０〜３μｍであることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 前記インク流路の流抵抗が０．０２（Ｐ・Ｐａ・ｓ／ｍ³）以上０．０６（Ｐ・Ｐａ・ｓ／ｍ³）未満であるとき、前記吐出口の離れる量は、３〜６μｍであることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記インクの流抵抗の大きいインク流路からインクが供給される吐出口と、前記インクの流抵抗の小さいインクが供給される前記吐出口とが、千鳥状に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 前記インクの流抵抗の大きいインク流路からインクが供給される吐出口と、前記インクの流抵抗の小さいインが供給される前記吐出口とは、異なる径であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。

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