JP3674885B2 - インクジェット記録ヘッド - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像信号に応じてインクキャビティ内のインクを加圧してノズルからインク滴を吐出させ、記録媒体に付着させて画像を記録するドロップ・オン・デマンド方式のインクジェット記録ヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、インクジェット記録ヘッドで階調画像を作成する手法として、ヘッドに大きさの異なる大径ノズルと小径ノズルとを形成し、大径ノズルからは大きいインク滴を、小径ノズルからは小さいインク滴を画像信号に応じて適宜吐出させることにより階調表現を行うものが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ノズル径を変えただけでは階調の幅があまり広がらず、写真のような滑らかな中間調画像を作成するためには不十分であった。
【0004】
【発明を解決するための手段】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、インクジェット記録ヘッドに複数のヘッド部を設け、各ヘッド部がインクを収容するインクキャビティと、このインクキャビティ内のインクを加圧する加圧手段と、加圧されたインクがインク滴となって吐出するノズルとを備えている。
そして、請求項1に係るインクジェット記録ヘッドにおいては、前記複数のヘッド部が、吐出側の径をインクキャビティ側の径以下としたノズルをそれぞれ有する、比較的大径のインク滴を吐出可能な大径インク滴吐出用ヘッド部と、比較的小径のインク滴を吐出可能な小径インク滴吐出用ヘッド部とを含み、少なくとも前記大径インク滴吐出用ヘッド部のノズルはその断面が段階的に狭くなるように形成され、かつ、ノズル最狭部のノズル中心軸に沿う方向の長さを前記大径インク滴吐出用ヘッド部の方が前記小径インク滴吐出用ヘッド部よりも短く形成してある。
また、請求項2に係るインクジェット記録ヘッドでは、前記複数のヘッド部が、吐出側の径をインクキャビティ側の径以下としたノズルをそれぞれ有する、比較的大径のインク滴を吐出可能な大径インク滴吐出用ヘッド部と、比較的小径のインク滴を吐出可能な小径インク滴吐出用ヘッド部とを含み、少なくとも前記大径インク滴吐出用ヘッド部のノズルはその断面がテーパ状に狭くなるように形成され、かつ、ノズル内面のノズル中心軸に対するテーパ角度を前記大径インク滴吐出用ヘッド部の方が前記小径インク滴吐出用ヘッド部よりも大きく形成してある。
【0005】
さらに、請求項3に係るインクジェット記録ヘッドは、前記請求項1または2のインクジェット記録ヘッドにおいて、前記小径インク滴吐出用ヘッド部におけるノズル最狭部の径が前記大径インク滴吐出用ヘッド部におけるノズル最狭部の径と同じである。
【0006】
【発明の効果】
本発明のインクジェット記録ヘッドでは、ノズル最狭部のノズル中心軸に沿う方向の長さを前記大径インク滴吐出用ヘッド部の方が前記小径インク滴吐出用ヘッド部よりも短く形成するか、または、ノズル内面のノズル中心軸に対するテーパ角度を前記大径インク滴吐出用ヘッド部の方が前記小径インク滴吐出用ヘッド部よりも大きく形成してあることにより、大径インク滴吐出用ヘッド部のノズルの流路抵抗を小径インク滴吐出用ヘッド部のノズルの流路抵抗よりも小さくしてある。そのため、加圧手段によってインクキャビティ内のインクに同一の加圧力を作用させても、流路抵抗が小さいノズルを有する大径インク滴吐出用ヘッド部からは大きなインク滴が吐出され、反対に、流路抵抗が大きいノズルを有する小径インク滴吐出用ヘッド部からは小さいインク滴が吐出される。したがって、画像信号に応じてインクを吐出させるヘッド部を適宜に切り替えることにより、滑らかで幅広い多段階調性のある高画質の中間調画像が得られる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1から4は、本発明にかかるインクジェット記録ヘッド10を示す。このヘッド10は、大径インク滴吐出用ヘッド部12(以下「大径ヘッド部12」という。)と小径インク滴吐出用ヘッド部14(以下「小径ヘッド部14」という。)とからなる。これら大径ヘッド部12と小径ヘッド部14は、天板16、隔壁18、振動板20、および基板22を重ね合わせて一体的に構成されている。
【0008】
天板16は金属、合成樹脂、またはセラミック等からなり、隔壁18との対向部を電鋳、フォトリソグラフィ等の方法で微細加工して、大径ヘッド部12と小径ヘッド部14とにそれぞれインク24を収容するインクキャビティ26と、補給用インク24を収容するインク供給室30と、各インクキャビティ26をインク供給室30に連通させるインクインレット32と、各インクキャビティ26のインク24を吐出するノズル28が形成されている。以下、大径ヘッド部12と小径ヘッド部14の各ノズル28を符号28a,28bを用いて適宜区別する。
【0009】
図1に示すように、大径ヘッド部12と小径ヘッド部14のインクキャビティ26は、これらヘッド部12,14が対向する方向に沿って延びる長溝状にかつ平行に形成されている。また、インク供給室30は、インクキャビティ26を挟んで中央線34の反対側に形成されており、図示しないインクタンクに接続してある。
【0010】
図2に示すように、各ヘッド部12,14のノズル28はインクキャビティ26側よりもインク吐出側の方が狭くなった断面形状を有しており、大径ヘッド部12のノズル28aと小径ヘッド部14のノズル28bとではその断面形状を異ならせてある。
【0011】
図3(a),(b)に示すように、上記各ノズル28a,28bは、それぞれのノズル中心軸38a,38bを含む断面形状が吐出側に向かって段階的に狭くなるよう形成されており、いずれのノズル28a,28bもインクキャビティ26側に位置する幅広部である内径Dの第1領域31a,31bと、吐出側に位置するノズル最狭部である内径dの第2領域29a,29bとからなっている。しかし、ノズル28aの第2領域29aのノズル中心軸38aに沿う方向の長さL1は、ノズル28bの第2領域29bのノズル中心軸38bに沿う方向の長さL2よりも短く形成してある。インクが各ノズル28の第2領域29a,29bを通過するときの流路抵抗は、内径dが同一であればインクとの接触面積(πd×L)に比例するので、上記長さL1が短く形成されてインクとの接触面積が比較的小さいノズル28aの方が、ノズル28bよりもインク吐出時の流路抵抗が小さくなっている。
【0012】
図2に示すように、隔壁18は金属、合成樹脂等の薄肉フィルムが使用されており、天板16と振動板20との間に固定されている。なお、隔壁18はこれに所定の張力が加わった状態で固定するのが望ましい。
【0013】
振動板20は周知の圧電材料からなり、その上面と下面にそれぞれ共通電極、個別電極として利用される導電性金属層(図示せず)が設けてあり、隔壁18と基板22との間に固定されている。また、振動板20は、図2および図4に示すように、ダイシング加工により縦方向溝58と横方向溝60を形成して分断し、各インクキャビティ26に対応する圧電部材42(加圧手段)と、隣接する圧電部材42の間に位置する仕切壁44と、これらを囲む周囲壁46とに分離されている。各圧電部材42は、高温下で上下の共通電極と個別電極との間に高電圧を印加して分極処理されている。なお、圧電部材42は、単層タイプに限らず、金属電極層をそれぞれ挟むように複数の薄膜圧電シートを積層して形成した積層型圧電部材を用いてもよい。
【0014】
基板22は、セラミック、金属、合成樹脂等からなり、振動板20に固定されている。
【0015】
上記構成のヘッド10では、インク24は図示しないインクタンクからインク供給室30に供給され、インクインレット32を介して各インクキャビティ26に供給され収容されている。この状態で、画像信号制御回路(図示せず)から圧電部材42に電圧が印加されると、圧電部材42が瞬時に変形することによって隔壁18がインクキャビティ26内に押し込まれる。これにより、インクキャビティ26内のインク24が加圧され、ノズル28からインク滴が吐出される。
【0016】
大径ヘッド部12および小径ヘッド部14の各圧電部材42は同一サイズに形成されているため、印加電圧が同一であればその変形によってインクキャビティ26内のインク24に作用する加圧力も同じである。しかし、上述したように、大径ヘッド部12のノズル28aの方が小径ヘッド部14のノズル28bよりも流路抵抗が小さくなっている。そのため、加圧されたインク24がノズル28aを通過するときの圧力損失が比較的小さくなり、その分、ノズル28aからはノズル28bから吐出されるものよりも大きなインク滴が吐出される。このことから、画像信号に応じて大径ヘッド部12と小径ヘッド部14を適宜選択するとともに、圧電部材42に印加する電圧を変えることによって滑らかで幅広い多段階調表現が可能になり、その結果、写真のような高画質の中間調画像を得ることができる。
【0017】
また、大径ヘッド部12と小径ヘッド部14とでは、各ノズル28の第2領域29a,29bの長さL1,L2が異なるだけでノズル径dは同一であるため、異なる径のノズルを有するヘッドに比べてノズル孔加工が容易になる。
【0018】
なお、本実施形態では各ノズル28a,28bの第2領域29a,29bの径を同一径dとしたが、大径ヘッド部12の方を小径ヘッド部14よりも大径に形成すれば、さらに階調幅が広くなる。
【0019】
また、本実施形態のノズル断面形状とは異なり、図5(a),(b)に示すように、各ノズル28a,28bの断面を吐出側に向かって次第に狭くなるテーパ状に形成し、ノズル中心軸38a,38bに対するノズル内面40a,40bのテーパ角度θ1,θ2を違えることで、各ノズルの流路抵抗を異ならせるようにしてもよい。この場合には、大径ヘッド部12のノズル28aにおけるノズル内面29aのテーパ角度θ1を小径ヘッド14のノズル28bの内面29bのテーパ角度θ2より大きく形成することで、ノズル28aの流路抵抗をノズル28bのそれよりも小さくすることができる。
【0020】
さらに、上記ノズル28a,28bの各断面を段階的に狭くするのではなく、インクキャビティ26側から吐出側まで同一径dのノズル孔でもって連通するように形成し、その孔の長さを各ヘッド部12,14によって異ならせてもよい。その方法としては、例えば、図6に示すように、上記天板16に代えて、インクキャビティ26等の空間領域を形成するキャビティ形成部材62と、その上部を覆う大径ヘッド部12用ノズルプレート64および小径ヘッド部14用ノズルプレート66とを使用し、各ノズルプレート64,66に同一径dのノズル28a,28bを形成するとともに、上記ノズルプレート64の厚みをノズルプレート66よりも薄くする。このノズルプレート64,66の厚みの違いから、各ノズル28a,28bの中心軸に沿う方向のノズル内面の長さが、小径ヘッド14よりも大径ヘッド部12の方が短くなり、大径ヘッド部12のノズル28aの流路抵抗を小径ヘッド部のノズル28bのそれよりも小さくできる。
【0021】
ここで、上記インクジェット記録ヘッドを用いて、圧電部材への印加電圧と、大径ヘッド部と小径ヘッド部から吐出されるインク滴で形成されるドット径との関係を調べた。
【0022】
まず、実験1では各ヘッド部のノズルの第2領域29a,29bの径d=35μm、上記第2領域の長さL(L1,L2)を大径ヘッド部でL1=10μm、小径ヘッド部でL2=20μmとし、印加電圧を10または20Vから60Vまで10V刻みで変化させて、記録媒体上に形成されたインクドット径を計測した。その結果を図7のグラフに示す。このグラフより、圧電部材への印加電圧が同一であっても大径ヘッド部で形成されたインクドットの方が小径ヘッド部で形成されるものよりも大きいことが分かる。
【0023】
続いて、各ヘッド部におけるノズルの第2領域の長さL(L1,L2)をともに10μmとし、第2領域におけるノズル径を大径ヘッド部で50μm、小径ヘッド部で35μmとして、印加電圧を上記と同様に変化させた場合のインクドット径の変化を調べた。その結果を図8のグラフに示す。このグラフから、吐出側のノズル径を大きくすれば、インクドットもより大径となるは明らかである。したがって、上記実験1の結果と考え合わせれば、ノズルの第2領域の長さと径のそれぞれの変化を組み合わせることにより、階調幅を一層広げることができる。
【0024】
次に、実験2では、テーパ状断面を有するノズルにおいて、ノズル中心軸に対するノズル内面の角度θを違えることで、ノズルの流路抵抗を異ならせた場合のインクドット径の変化を調べた。この実験では、各ヘッド部のノズル吐出口の径d=35μm、ノズル内面の長さL=20μmを共通とする一方、大径ヘッド部のノズル内面のテーパ角度θ1を45°、小径ヘッド部のそのテーパ角度θ2を0°とし、圧電部材への印加電圧を20Vから60Vまで10V刻みで変化させて、記録媒体上に形成されるインクドット径を計測した。その結果を図9のグラフに示す。このグラフより、圧電部材に同一電圧を印加した場合でも、ノズルの流路抵抗の小さい大径ヘッド部からは小径ヘッド部よりも大きなインク滴が吐出され、大径のインクドットが形成されることが分かる。
【0025】
続いて、今度はノズル内面のテーパ角度θ(=45°)とその長さL(=20μm)を各ヘッド部で共通とする一方、ノズル吐出口の径dを大径ヘッド部で35μm、小径ヘッド部で20μmとして、圧電部材への印加電圧を変化させてインクドット径の変化を調べた。その結果を図10のグラフに示す。なお、50または60ボルトの電圧を印加したときに小径ヘッド部で形成されるインクドットは、着弾時のとびちりによって実用に耐えないドット形状となるため、ドット径の計測値として採用しなかった。このグラフより、ノズル吐出口の径dを大きくすれば、同一電圧であっても、より大径のインクドットが形成されることは明らかである。したがって、上記実験2の結果と考え合わせれば、ノズル内面の角度θの変化とノズル吐出口の径dのそれぞれの変化を組み合わせることによって階調幅を一層広げることができることが分かる。
【0026】
また、図11に示すように、ノズル70の断面をノズル径が一定の領域72とテーパ状領域74との組み合わせにより構成し、上記領域72の長さLと上記領域74のテーパ角度θとを種々異ならせたノズル70を備えた複数のヘッド部を設ければ、階調を細かく制御でき、より滑らかな階調画像が得られる。
【0027】
なお、本実施形態のインクジェット記録ヘッド10では、2つのヘッド部12,14を設けたが、ノズル断面形状の異なる3つ以上のヘッド部を設けてもよい。
【0028】
また、以上の説明では、隔壁を設けて圧電部材とインクとをそれぞれ別々の部屋に収容したが、隔壁は必ずしも必要ではない。しかし、圧電部材にインクを直に接触させるとインクが圧電部材に浸透して変形能力が低下するので、隔壁を設けない場合には圧電部材に被膜を形成して圧電部材がインクと直に接触するのを防止するのが好ましい。
【0029】
さらに、本実施形態のヘッドではインクキャビティ内のインクを加圧する加圧手段として圧電部材を用いたが、本発明は加圧手段に発熱素子を用いたバブルジェット方式のヘッドにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明にかかるインクジェット記録ヘッドの部分平面図である。
【図2】 図1のII−II線断面図である。
【図3】 図2における大径ヘッド部と小径ヘッド部の各ノズル断面の拡大図である。
【図4】 図2のIV−IV線断面図である。
【図5】 大径ヘッド部と小径ヘッド部の各ノズル断面形状の変形例を示す図である。
【図6】 大径ヘッド部と小径ヘッド部を異なる厚みのノズルプレートで覆って形成したヘッドの変形例の部分断面図である。
【図7】 大径ヘッド部と小径ヘッド部のノズル断面形状において、第2領域の長さを異ならせた場合の、圧電部材への印加電圧とドット径との関係を示すグラフである。
【図8】 各ノズルの第2領域の長さを同一にする一方、大径ヘッド部と小径ヘッド部のノズル吐出口の径を異ならせた場合の、圧電部材への印加電圧とドット径との関係を示すグラフである。
【図9】 大径ヘッド部と小径ヘッド部のノズル断面形状において、ノズル中心軸に対するノズル内面のテーパ角度を異ならせた場合の、圧電部材への印加電圧とドット径との関係を示すグラフである。
【図10】 ノズル内面のテーパ角度を同一にする一方、大径ヘッド部と小径ヘッド部とでノズル吐出口の径を異ならせた場合の、圧電部材への印加電圧とドット径との関係を示すグラフである。
【図11】 ノズル径が等しい領域とテーパ領域とを組み合わせてノズル断面形状を構成した変形例を示す図である。
【符号の説明】
10…インクジェット記録ヘッド、12…大径ヘッド部、14…小径ヘッド部、16…天板、18…隔壁、20…振動板、24…インク、26…インクキャビティ、28,28a,28b…ノズル、29a,29b…第2領域(ノズル最狭部)、38a,38b…ノズル中心軸、42…圧電部材(加圧手段)。
Claims (3)
- 複数のヘッド部を有し、各ヘッド部がインクを収容するインクキャビティと、このインクキャビティ内のインクを加圧する加圧手段と、加圧されたインクがインク滴となって吐出するノズルとを備え、前記複数のヘッド部は、吐出側の径をインクキャビティ側の径以下としたノズルをそれぞれ有する、比較的大径のインク滴を吐出可能な大径インク滴吐出用ヘッド部と、比較的小径のインク滴を吐出可能な小径インク滴吐出用ヘッド部とを含み、少なくとも前記大径インク滴吐出用ヘッド部のノズルはその断面が段階的に狭くなるように形成され、かつ、ノズル最狭部のノズル中心軸に沿う方向の長さを前記大径インク滴吐出用ヘッド部の方が前記小径インク滴吐出用ヘッド部よりも短く形成してあることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
- 複数のヘッド部を有し、各ヘッド部がインクを収容するインクキャビティと、このインクキャビティ内のインクを加圧する加圧手段と、加圧されたインクがインク滴となって吐出するノズルとを備え、前記複数のヘッド部は、吐出側の径をインクキャビティ側の径以下としたノズルをそれぞれ有する、比較的大径のインク滴を吐出可能な大径インク滴吐出用ヘッド部と、比較的小径のインク滴を吐出可能な小径インク滴吐出用ヘッド部とを含み、少なくとも前記大径インク滴吐出用ヘッド部のノズルはその断面がテーパ状に狭くなるように形成され、かつ、ノズル内面のノズル中心軸に対するテーパ角度を前記大径インク滴吐出用ヘッド部の方が前記小径インク滴吐出用ヘッド部よりも大きく形成してあることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
- 前記小径インク滴吐出用ヘッド部におけるノズル最狭部の径は前記大径インク滴吐出用ヘッド部におけるノズル最狭部の径と同じである、請求項1または2に記載のインクジェット記録ヘッド。
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