JP2011161734A

JP2011161734A - インクジェット記録ヘッド

Info

Publication number: JP2011161734A
Application number: JP2010025866A
Authority: JP
Inventors: Yasunari Takei; 康徳武居
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2010-02-08
Publication date: 2011-08-25
Anticipated expiration: 2030-02-08
Also published as: US8646863B2; US20110193904A1; JP4975120B2

Abstract

【課題】インクジェット記録ヘッドにおける各ノズル間のクロストークについて、特に吐出タイミングの違いによるクロストークの影響のばらつきを抑制し、ヘッド全体の吐出安定性を向上させる。
【解決手段】時分割駆動の決められたタイミングで吐出するそれぞれのノズルに対して、隣接ノズルの吐出タイミング差に応じて、吐出タイミングの近いノズル同士は液流路を離間して、吐出タイミングの離れているノズル同士は液流路を近接させる。
【選択図】図７

Description

本発明は、インク等の液体を各種媒体に向けて吐出して記録を行う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式には、液滴を吐出するために用いられる吐出エネルギー発生素子として電気熱変換素子（ヒータ）を利用する方法と圧電素子（ピエゾ）を利用する方法がある。このような方式を用いて記録を行うインクジェット記録ヘッドは、一般的に液を吐出する為に列状に配置された複数の吐出口と、吐出口に連通する個別の圧力室とを持つ。圧力室には吐出エネルギー発生素子が備えられ、また、液体を供給する液流路が接続しており、その液流路を介して共通液室から液体を供給する。

上記のような構成のインクジェット記録ヘッドは、ある吐出口から液を吐出する為に、吐出エネルギーを発生させると、そのエネルギーは吐出方向だけではなく、液流路を介して共通液室方向へ圧力波を生じさせる。この共通液室方向への圧力波は、隣接するノズルへと伝わり液面を振動させ、これが吐出量ばらつきや不安定吐出の原因となる。

特に近年、ノズルが高密度化し、記録密度の高い画像で複数のノズルを一斉に駆動したり、記録動作がより高速化するために、隣接ノズルとの時間的な吐出間隔が狭まったりすることによって、その影響は更に顕著となる。

このような隣接するノズル同士の不所望な流体的相互作用を以下クロストークと呼ぶ。

一般に、インクジェット記録ヘッドのノズルは、位置が連続する所定数毎に区分され、更にその区分内で駆動タイミング毎に区分けされ、この駆動区分（駆動ブロック）毎に、異なるタイミングでノズル内の吐出エネルギー発生素子を駆動する時分割駆動方式を採用している。この駆動方式を採用すると、隣接したノズルの駆動タイミングを離す事ができるため、クロストークを低減できる。

一方、近年インクジェット記録装置の印字速度は更なる高速化が望まれている。その為、クロストークを低減するために隣接したノズルの駆動タイミングを長く離すと印字速度の高速化が妨げられ、印字速度を高速化すると隣接したノズルの駆動タイミングが短くなりクロストークの低減が不十分になるという問題がある。

この問題に対して、特許文献１には液流路の抵抗を適宜設定することでクロストークの影響を低減させる方法が記載されている。

特開平５−５７８９０号公報

しかしながら特許文献１の方法では、特定のノズルの流体抵抗を大きくすることでクロストークを低減させるため、インクの再供給に時間がかかり、印字速度の高速化が妨げられるという問題があった。

本発明の目的は、印字スピードの高速化を妨げることなく、吐出の不安定の要因となるクロストークの影響を軽減したインクジェット記録ヘッドを提供することにある。

上記の課題を解決する為に本発明は、記録時に液を吐出する吐出口と、前記吐出口に連通する圧力室と、前記圧力室に連通し、液体を供給する液流路と、で構成されるノズルが、列状に配置されたノズル列の複数と、時分割駆動の決められた吐出順序で液を前記ノズルから吐出させるために、前記圧力室に吐出エネルギーを加える吐出エネルギー発生素子を有するインクジェット記録ヘッドにおいて、
同一ノズル列内で、前記圧力室の配置間隔は等しく、前記液流路の配置間隔は少なくとも２つ以上の異なる値をとり、
前記時分割駆動の分割数がＮであって、隣接するＮ個の前記吐出エネルギー発生素子の駆動タイミングを、１つ目の前記吐出エネルギー発生素子がｎ_１、その隣の前記吐出エネルギー発生素子がｎ_２、同様に、ｎ_３・・・・ｎ_Ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）とおき、
隣接する前記吐出エネルギー発生素子の駆動タイミング差の平均Ｘを、

とした時に、互いに隣接するｋ番目の前記吐出エネルギー発生素子とｋ＋１番目の前記吐出エネルギー発生素子において、

である前記ｋ番目の吐出エネルギー発生素子に対応する液流路と、前記ｋ＋１番目の吐出エネルギー発生素子に対応する液流路との間隔をＤ、

である前記ｋ番目の吐出エネルギー発生素子に対応する液流路と、前記ｋ＋１番目の吐出エネルギー発生素子に対応する液流路との間隔をＹとした時、
Ｄ≧Ｙ
であることを特徴とする。

本発明は、時分割駆動の決められたタイミングで吐出するそれぞれの吐出口に対して、隣接する吐出口の吐出のタイミングを考慮した液流路間距離にすることで、インクの再供給が長くなる事を防ぎつつ、クロストークの影響を軽減する事が出来る。

実施例の記録ヘッド斜視図である。図１に示す記録ヘッドを線分Ａ−Ａ’で切ったときの断面図である。実施例で時分割数４のときの駆動タイミングを示した図である。（ａ）は、実施例で時分割数４のときの従来のノズル配列を示した図である。（ｂ）は、実施例で時分割数４のときの従来のノズル配列でｎ４を吐出したことで起きるｎ３とｎ５のメニスカスの振動状態を模式的に示した図である。（ａ）は、実施例で時分割数４のときの本発明におけるノズル配列を示した図である。（ｂ）は、実施例で時分割数４のときの本発明におけるノズル配列でｎ４を吐出したことで起きるｎ３とｎ５のメニスカスの振動状態を模式的に示した図である。（ｃ）は、実施例で時分割数４のときの本発明におけるノズル配列でｎ２を吐出した時と、比較例としてｎ４を吐出した時のｎ３メニスカスの振動状態を模式的に示した図である。実施例で時分割数１６のときの駆動タイミングを示した図である。実施例で時分割数１６のときの本発明におけるノズル配列を示した図である。

本実施形態のインクジェット記録ヘッドの構成について図面を参照して説明する。

図１は本実施形態の記録ヘッドの斜視図であり、図２は図１に示す記録ヘッドを線分Ａ−Ａ’で切った時の切断面である。

基板３４の上に流路構成部４及び吐出口プレート８が設けられている。インク供給室１０は、基板表面に設けられた開口部のインク供給口３を介して、吐出部の共通液室６（図４参照）及び液流路７につながっている。

図１に示すように基板３４の一面には、インク吐出に作用する吐出エネルギー発生素子である電気熱変換素子１と、長細い矩形のインク供給口３とが形成されている。インク供給口３は基板３４の表面に形成された長溝状の開口であり、インク供給室１０への開口に相当する。インク供給室１０は、基板３４の電気熱変換素子１が形成されている面とは反対側の面に向かって設けられる貫通孔で、インク供給口３を介して吐出部とつながっている。

電気熱変換素子１は、インク供給口３の長手方向の両側にそれぞれ１列ずつ電気熱変換素子１の間隔が６００ｄｐｉのピッチで配列されている。さらに、基板３４の一面には流路構成部４が設けられ、その上に吐出口プレート８が接合されている。吐出口プレートに８には、電気熱変換素子１に対応して吐出口２が設けられている。

基板３４は、流路構成部４の一部として機能し、その材質は、吐出エネルギー発生手段、並びに吐出口２及び後述の流路を形成する材料層の支持体として機能し得るものであれば、特に限定されるものではない。例えばガラス、セラミックス、プラスチックあるいは金属等を用いることができる。本実施形態では、基板３４にシリコン基板を用いた。図２に示すように、インク供給口３から各電器熱変換素子１上の圧力室５にインクを導く為の液流路７が形成されている。本実施形態において、圧力室５は３０μｍ四方である。吐出口プレート８には、圧力室５を外部に通じさせる開口である吐出口２が形成されており、そこからインクを吐出する。本願では、この吐出口２、圧力室５と液流路７を合わせてノズルと称する。なお、本実施形態では、吐出口プレート８と流路構成部４は同一部材であるが、別の部材であっても同様の効果が得られる。

ここで本発明に適用可能な実施形態を以下に示す
本実施形態の記録ヘッドは時分割数１６の場合、即ち駆動ブロック１〜１６のブロック毎の時分割駆動でインク吐出を行う形態について説明するが、まずクロストークを抑制するメカニズムについて、時分割数４の場合について図３、図４、図５を用いて説明する。

図３は５個のノズルに対してｎ１〜ｎ５のノズルＮｏとそれぞれのノズルに対応して設けられる吐出エネルギー発生素子の駆動タイミングを示すブロック番号とを示している。本願における駆動タイミングとは、駆動される順番を指す。またその下に、各ノズルの吐出エネルギー発生素子の駆動タイミングから算出した隣接するノズルとの駆動タイミングの差が示されている。各々のブロックを駆動する時間間隔は等間隔に設定されており、その間隔（ブロック間隔）と上記駆動タイミングの差によって、隣接ノズル間の駆動の時間差が決まる。駆動タイミングは４ノズル毎に繰り返されており、図３では、ｎ１とｎ５の駆動タイミングは等しくなっている。

図４（ａ）は比較例としてのノズルの正面図を示しており、吐出口２、圧力室５、液流路７で構成されており、各ノズルの液流路長さは３４μｍ（吐出口の中央から共通液室までの長さ）、液流路幅は１４μｍで、共通液室に連通している。また、各々の液流路７は液流路間距離ｄ（４２μｍ）で等間隔に配置されていて、圧力室５の配置間隔と等しい。これらのノズルは図３に示される駆動タイミングで駆動する。

図３と図４（ａ）で、ｎ３、ｎ４、ｎ５に注目すると、ｎ４を吐出してから、次にｎ５を吐出し、更にその後にｎ３を吐出するという吐出順序になっている。ｎ４を吐出することによる圧力波は、ｎ３、ｎ５に対してほぼ等しく伝達され、同等のメニスカス振動を発生させる。それを示したのが図４（ｂ）であり、横軸がｎ４の吐出動作を開始してからの経過時間、縦軸がｎ３、ｎ５ノズルのメニスカス振幅を示している。ｎ３とｎ５でメニスカス振幅の挙動は同等であるが、ｎ５を吐出するタイミングは、ｎ４を吐出してから１ブロック間隔分（Ｔ）であり、ｎ３は２ブロック間隔分（２Ｔ）となる。この吐出タイミングの差によりｎ５はメニスカスが凸の状態で吐出動作が行われ、一方、ｎ３は振動が収まって、メニスカスはほぼフラットな状態で吐出していることが分かる。

次に、図５（ａ）は本発明の実施形態におけるノズル形状を示しており、駆動タイミングに関しては上述した図３と同様である。

図３から、４個のノズルにおける平均駆動タイミング差Ｘを算出する。本願における平均駆動タイミング差とは、隣接ノズル間の駆動タイミング差の平均値であり、４個のノズルにおいては下記の式で算出できる。

上記式より、Ｘ＝２である。

よって、図３に示される駆動タイミングにおいて、隣接ノズルとのタイミング差が２より大きいものは、メニスカス振動が小さくクロストークの影響が小さいため隣接ノズル間の液流路間距離をｄに対して近づける。またタイミング差が２より小さいものは、メニスカス振動が比較的大きくクロストークの影響も大きいため、隣接ノズル間の液流路間距離ｄに対して遠ざける。そのような条件で液流路を配置したのが、図５（ａ）である。
図５（ａ）では、液流路の長さや幅はそれぞれのノズルで変えず、液流路間距離のみを変化させている。

ここでも、ｎ３、ｎ４、ｎ５に注目すると、図５（ａ）でｎ３とｎ４の液流路間距離ｄは変わらないが、ｎ４とｎ５の液流路間距離Ｄ（５０μｍ）は距離ｄより大きくなっている。よって、図５（ｂ）で示すように、ｎ４を吐出したときのｎ３のメニスカス振幅は、上述した比較例と変わらないが、ｎ５は、液流路間距離を遠ざけたことにより、メニスカスの振幅が小さくなり、振動の周期も短くなる。したがって、ｎ４を吐出してからｎ５を吐出するまでの時間は従来と同様であるが、メニスカスの振動が抑制された為に、ｎ３、ｎ５共にメニスカスがフラットに近い状態での吐出動作が可能となる。これによりクロストークによる影響を軽減した吐出が可能となる。

一方、ｎ２とｎ３のノズルにおいては流路間距離が距離ｄよりも狭くなっている。そのため、図５（ｃ）で示すようにｎ２の吐出によるｎ３のメニスカス振幅は距離ｄの場合に比べて大きくなり、振動の周期も長くなる。しかしｎ３を吐出するタイミングは、ｎ２を吐出してから３ブロック間隔分（３Ｔ）であるため、時間経過によりメニスカス振動が収まって、メニスカスがフラットに近い状態で吐出していることが分かる。

このように、比較例のような等間隔の液流路配置では、メニスカス振動が収まっていない状態で吐出されるノズルがあったり、メニスカス振動が充分収まった状態で吐出されたりと、ノズル列内でばらつきが生じていた。その為、特に吐出タイミングの近いノズル間でのクロストークにより不安定吐出等の問題が発生していた。

しかし、本発明のように駆動タイミングに適した液流路配置をすることで、安定した動作が可能となる。

次に、時分割数１６としたときの駆動タイミングと液流路配置を図６、図７に示す。図６は、隣接する１７個のノズル、ｎ１、ｎ２、・・・・・、ｎ１６、ｎ１７の吐出エネルギー発生素子の駆動タイミングが示されている。図６から、１６個のノズルにおける平均駆動タイミング差Ｘを算出すると、

であり、Ｘ＝７．５である。

よって、図６で隣接ノズルに対応する吐出エネルギー発生素子との駆動タイミング差が、７．５より大きいものは、隣接ノズル間の液流路間距離を近づけて、７．５より小さいものは、隣接ノズル間の液流路間距離を遠ざける。そのように流路を配置したのが図７であり、液流路の長さや幅はそれぞれのノズルで変えず、液流路間距離のみを変化させている。

先の説明と同様にｎ５、ｎ６、ｎ７のノズルに注目すると、吐出タイミングの近いｎ５とｎ６においては、液流路間距離が離間されてクロストークの影響が軽減されており、吐出タイミングが充分に離れているｎ６、ｎ７のノズルは液流路間距離を近づけている。このようにすることで、ノズル全体としてクロストークの影響を軽減し、安定した動作を実現することができる。

液流路間距離の変化量は、ノズルの流抵抗やインク物性等を考慮し、ノズル全体として安定した動作が可能となるように設定すればよい。基本的には、吐出タイミングの平均値と、隣接ノズル間の吐出タイミング差から流路間距離を近接させるか離間させるかを決める。

本実施例は隣接する吐出エネルギー発生素子との駆動タイミング差が平均値Ｘよりも大きいものに対応する全ての液流路間距離を近接させ、小さいものに対応する全ての液流路間距離を離間させているが、全ての液流路間距離を近接または離間させなくても良い。隣接する吐出エネルギー発生素子との駆動タイミング差がＸよりも小さいものに対応する液流路間距離を離間させればそれらの液流路に対応するノズル間のクロストークを軽減することができる。好ましくは、少なくとも隣接する吐出エネルギー発生素子の駆動タイミング差がノズル列内で最小の吐出エネルギー発生素子に対応するノズル同士の液流路間距離は離間されているのが良い。また、平均駆動タイミングＸよりも小さい値Ａを設定し、駆動タイミング差がＸ−Ａよりも小さいものに対応する液流路間距離を離間させ、Ｘ＋Ａよりも大きいものに対応する液流路間距離を近接させ、駆動タイミング差がＸ±Ａの吐出エネルギー発生素子に対応する液流路間距離はすべて等しくても良い。また、本実施例では同一駆動区分ノズルの液流路が、長さ、幅、流路抵抗が等しいインクジェット記録ヘッドに本発明を適用しているが、それらが異なるインクジェット記録ヘッドに適用する事も可能である。また、必要に応じてノズルフィルタを設けることもできる。

１電気熱変換素子
２吐出口
３インク供給口
５圧力室
７液流路

Claims

記録時に液を吐出する吐出口と、前記吐出口に連通する圧力室と、前記圧力室に連通し、液体を供給する液流路と、で構成されるノズルが、列状に配置されたノズル列と、時分割駆動の決められた吐出順序で液を前記ノズルから吐出させるために、前記圧力室に吐出エネルギーを加える吐出エネルギー発生素子を有するインクジェット記録ヘッドにおいて、
同一のノズル列内で、前記圧力室の配置間隔は等しく、前記液流路の配置間隔は少なくとも２つ以上の異なる値をとり、
前記時分割駆動の分割数がＮであって、隣接するＮ個の前記吐出エネルギー発生素子の駆動タイミングを、１つ目の前記吐出エネルギー発生素子がｎ_１、その隣の前記吐出エネルギー発生素子がｎ_２、同様に、ｎ_３・・・・ｎ_Ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）とおき、
隣接する前記吐出エネルギー発生素子の駆動タイミング差の平均Ｘを、

とした時に、互いに隣接するｋ番目の前記吐出エネルギー発生素子とｋ＋１番目の前記吐出エネルギー発生素子において、

である前記ｋ番目の吐出エネルギー発生素子に対応する液流路と、前記ｋ＋１番目の吐出エネルギー発生素子に対応する液流路との間隔をＤ、

である前記ｋ番目の吐出エネルギー発生素子に対応する液流路と、前記ｋ＋１番目の吐出エネルギー発生素子に対応する液流路との間隔をＹとした時、
Ｄ≧Ｙ
であることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
Ａが前記吐出エネルギー発生素子の駆動タイミング差の平均Ｘよりも小さい値をとる時、

である前記ｋ番目の吐出エネルギー発生素子に対応する液流路と、前記ｋ＋１番目の吐出エネルギー発生素子に対応する液流路との間隔をＤ１とし、

である前記ｋ番目の吐出エネルギー発生素子に対応する液流路と、前記ｋ＋１番目の吐出エネルギー発生素子に対応する液流路との間隔をＤ２とし、

である前記ｋ番目の吐出エネルギー発生素子に対応する液流路と、前記ｋ＋１番目の吐出エネルギー発生素子に対応する液流路との間隔をＹ１とし、

である前記ｋ番目の吐出エネルギー発生素子に対応する液流路と、前記ｋ＋１番目の吐出エネルギー発生素子に対応する液流路との間隔をＹ２とした場合、
Ｄ１≧Ｄ２≧Ｙ２≧Ｙ１、Ｄ１＞Ｙ２、Ｄ２＞Ｙ１
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。