JP3762413B2 - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、吐出口からインク滴を吐出することにより被記録媒体に記録を行うインクジェット記録ヘッドに関する。

被記録媒体にインク滴吐出によって画像を記録するインクジェットプリンタにおいて、高画質印刷と高速印刷を両立するための手段として、インク吐出量の異なるノズルを有する記録ヘッドを用いることが有効である。

図１１はこのようなノズルを有する記録ヘッドの斜視図を示している。この記録ヘッド１０００は、被記録媒体に対し行方向の記録と列方向の搬送を繰り返すことで所望の画像を印刷するいわゆるシリアルタイプのプリンタに搭載されるため、被記録媒体（不図示）の搬送方向と交差する方向に移動自在である。そして、被記録媒体と対面するように、複数列のノズル群を配列した吐出面９０３が記録ヘッド１０００に配置されている。各列のノズル群は記録ヘッド移動方向に平行に並んでいる。ノズル群は、例えば、３〜７ｐｌ（ピコリットル）のインク液滴を吐出する大ノズル１０１ａと、１〜２ｐｌ（ピコリットル）のインク液滴を吐出する小ノズル１０１ｂとを被記録媒体搬送方向と略平行な方向に交互に配置して構成される。高解像度印刷を行う場合にはより小さいインク滴（以下、小インク滴と呼ぶ）を吐出する小ノズル１０１ｂを使用し、低解像度印刷でよい場合にはより大きいインク滴（以下、大インク滴と呼ぶ）を吐出する大ノズル１０１ａを使用して印刷を行う。このような記録ヘッドの例としては、特許文献１、特許文献２を挙げることが出来る。
特表２００３−５０８２５７号公報 特開平５−２０１００３号公報

上記従来の記録ヘッドでは、小インク滴の体積は小さくすればするほどより高解像度な記録を実現することができる反面、吐出するインク滴一発あたりの記録面積が小さくなることによってある印刷濃度に対して必要なインク滴数は増加していく。そのため、より小さいインク滴を吐出しながらも一定の印刷速度を維持するには、大インク滴に比較してより高い周波数で吐出することが望まれる。

従来の記録ヘッドの中には大インク滴吐出時に対する小インク滴の吐出時の吐出周波数を高めたものもあるが、未だ小インク滴吐出を主体的に用いた高画質記録と大インク滴吐出を主体とした記録の印刷速度の間には大きな隔たりを残している。

本発明の目的は、上述した従来技術の課題に鑑み、インク吐出量の異なるノズルを有するインクジェット記録ヘッドにおいて、小インク滴の吐出を主体的に用いる高画質記録時の印刷速度を向上させるため、小インク滴吐出を大インク滴に比べ相対的により高い周波数で行うインクジェット記録ヘッドを提供する。

上記目的を達成するための本発明は、液体が供給される共通液室と、液体に与える圧力を発生する複数の圧力室と、前記共通液室から前記圧力室の各々に液体を分流する複数の個別流路と、液体を吐出するために前記圧力室の各々と連通したノズルの群と、を有し、該ノズルの群は前記共通液室のある一辺または複数の辺に沿って並び、少なくとも２種類の吐出量の異なるノズルから成るインクジェット記録ヘッドにおいて、前記ノズルの群の中で相対的に吐出量の少ないノズルの吐出周波数は該ノズル以外のノズルの吐出周波数よりも大きく、かつ、前記ノズルの群の中で相対的に吐出量の少ないノズルに連通する全ての前記個別流路の長さは、該ノズル以外のノズルに連通する前記個別流路の長さよりも短いことを特徴とする。

上記の構成では、ノズル群のうち相対的に吐出量の少ないノズルに繋がる個別流路が他よりも短いので、そこでの流体抵抗が相対的に低下する。このため、小液滴吐出ノズルに対する液体供給能力（リフィル特性）が向上し、小液滴吐出時の吐出周波数を高めることが可能となり、より早い速度でインクジェット記録ヘッドを移動させることが可能となる。つまり、インクジェット記録ヘッドにおいて高画質かつ高速な記録が達成される。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第一の実施形態）
図３は本発明の第一の実施形態であるインクジェットプリンタ用の記録ヘッドをノズル設置面に対向する方向から見た模式図である。この図に示す記録ヘッド９０１はいわゆるシリアルタイプのプリンタに使用され、体積の異なる２種類のインク滴を吐出するものであり、ノズルプレート部材２００上に設けられた３列のノズル群１０１〜１０３のそれぞれに、異なる体積のインク滴を吐出する２種類のノズルが混在している。ノズル群１０１〜１０３はそれぞれで吐出するインク色が異なる構成であっても良いし、それぞれのノズル群１０１〜１０３が複数色のインクを吐出する構成であっても、また全てのノズル群が同色のインクを吐出する構成であっても良い。そして、ノズル群の数も３つに限定するものではない。

この記録ヘッド９０１は、インクジェットプリンタ（不図示）に備えられた主走査方向に移動するキャリッジ（保持手段）に着脱自在である図１１のヘッドカートリッジ１０００の吐出面９０３に設けられている。ヘッドカートリッジ１０００はインクジェットプリンタ筐体（不図示）の内部に収容されるが、印刷を行う際の記録ヘッド９０１の移動方向は図１１の矢印の方向、すなわち各列のノズル群１０１〜１０３の並び方向に対して垂直方向である。

図１は図３に示した記録ヘッド９０１上のノズル群１０１を、ノズルプレート部材２００を剥がした状態で模式的に示したものである。説明の便宜上本来は視認できない部分の構成も破線によって図１に示した。

大ノズル１０１ａは３〜７ｐｌ（ピコリットル）の体積のインク滴を吐出するためのノズル（以下、大インク滴吐出ノズルと呼ぶ）、そして小ノズル１０１ｂは１〜２ｐｌ（ピコリットル）の体積のインク滴を吐出するためのノズル（以下、小インク滴吐出ノズルと呼ぶ）であり、双方のノズルは共通液室７００のある一辺に沿って交互に並んでいる。そして、大ノズル１０１ａの開口面積は小ノズル１０１ｂのそれに比べて大きくなっている。

図２の（ａ）は図１中のＡ部の拡大図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿って切断した断面を模式的に示したものである。基材４００上に接着層３００を介してノズルプレート部材２００が接合されている。基材４００に細長い穴が共通液室７００として開口する。接着層３００には、基材表面層のヒータ５００に面した空間である圧力室８００と、共通液室７００と圧力室８００を連絡する個別流路６００とが形成されている。ノズルプレート部材２００には、圧力室８００に連通してインクの吐出部となるノズル（大ノズル１０１ａ，小ノズル１０１ｂ）が形成されている。また、大ノズル１０１ａが連通する圧力室８００の容積は小ノズル１０１ｂのそれに比べて大きくなっている。

記録ヘッド９０１の裏側に設けられたインク貯蔵タンク（不図示）から記録ヘッド９０１内の共通液室７００に供給されたインクは、個別流路６００を介して圧力室８００に導通される。インクが満たされた状態で圧力室８００内に設置されたヒータ５００が電気エネルギーの印加によって加熱されると、ヒータ面上でインクが発泡し圧力室８００内の圧力が高まる。このようにして発生した圧力によりインクは大ノズル１０１ａまたは小ノズル１０１ｂからヘッド外部の被記録媒体（不図示）に向かって吐出される。

このような記録ヘッドで吐出周波数を高めるためには、ノズルに対するインク供給能力（リフィル特性とも呼ばれる。）を向上させることが非常に重要である。それは、ノズルの吐出周波数を高めれば高めるほど、圧力室８００に対して補充を要するインク量が増加するからである。圧力室８００に対するインク供給能力を決定するのは、インク供給通路のうち最も流体抵抗が高い個別流路６００におけるインク流動性である。

そのため、本発明の記録ヘッドは、大インク滴吐出用のノズル（大ノズル１０１ａ）よりも小インク滴吐出ノズル（小ノズル１０１ｂ）の個別流路の長さを短くすることによって（図２に示すようにＬａ＞Ｌｂ）、小インク滴吐出ノズルの個別流路中の流体抵抗を相対的に低下し易い構成にした。

この際、小インク滴吐出ノズル（小ノズル１０１ｂ）に対応する個別流路長さＬｂをより短くしたい場合には、良好なインク吐出特性とインク供給性を両立するために個別流路形状を整流効果が得られる形状、例えば図２に示すように共通液室７００から圧力室８００に向かって個別流路６００の幅が滑らかな曲面で狭くなる形状にしても良い。

また、大インク滴吐出ノズル（大ノズル１０１ａ）でのインク供給能力の低下を避けるため、大インク滴吐出ノズル（大ノズル１０１ａ）に対応する個別流路の幅Ｗを小インク滴吐出ノズル（小ノズル１０１ｂ）のそれに比較して相対的に広く構成しても良い。

（第二の実施形態）
次に本発明の第二の実施形態について説明する。

図４は本発明の第二の実施形態であるインクジェットプリンタ用の記録ヘッドをノズル設置面に対向する方向から見た模式図である。

この図に示す記録ヘッド９０２はいわゆるシリアルタイプのプリンタに使用され、体積の異なる２種類のインク滴を吐出するものであり、ノズルプレート部材２００上に設けられた６列のノズル群１０１〜１０６のそれぞれに、異なる体積のインク滴を吐出する２種類のノズルが混在している。ノズル群１０１〜１０６はそれぞれの一部は吐出するインク色が異なる構成であっても良いが、ノズル群１０１と１０２、ノズル群１０３と１０４、ノズル群１０５と１０６は対になり同色のインクを吐出する構成になっている。ノズル群の総数は６つに限定するものではない。

この記録ヘッド９０２は、インクジェットプリンタ（図１０参照）に備えられた主走査方向に移動するキャリッジ（保持手段）に着脱自在である図１１のヘッドカートリッジ１０００の吐出面９０３に設けられている。ヘッドカートリッジ１０００はインクジェットプリンタ筐体（不図示）の内部に収容されるが、印刷を行う際の記録ヘッド９０２の移動方向は図１１の矢印の方向、すなわちノズル群１０１〜１０６の並び方向に対して垂直方向である。

図５は図４に示した記録ヘッド９０２上のノズル群１０１，１０２を、ノズルプレート部材２００を剥がした状態で模式的に示したものである。説明の便宜上本来は視認できない部分の構成も破線によって図１に示した。

大ノズル（大インク滴吐出ノズル）１０１ａは３〜７ｐｌ（ピコリットル）の体積のインク滴を吐出し、小ノズル（小インク滴吐出ノズル）１０１ｂが１〜２ｐｌ（ピコリットル）の体積のインク滴を吐出するものであり、大ノズル１０１ａの開口面積は小ノズル１０１ｂのそれに比べて大きくなっている。

本実施形態の構成で第一の実施形態と大きく異なる点は、ノズル群１０１の共通液室７００を挟んだ対向位置にノズル群１０２を有することである。

ノズル群１０１，１０２のそれぞれにおいて大ノズル１０１ａと小ノズル１０１ｂは交互に並べられ、ノズル群１０１とノズル群１０２の対向し合うノズルについてインク吐出量は等しくなっている。すなわち、ノズル群１０１内の大ノズル１０１ａの真向かいにはノズル群１０２内の大ノズル１０２ａが対向し、ノズル群１０１内の小ノズル１０１ｂの真向かいにはノズル群１０２内の小ノズル１０２ｂが対向する。

この構成により、記録ヘッド移動方向と同じ方向にインク吐出量の等しいノズル同士が並ぶことになる。それにより、主に以下の利点を生じる。
１）共通液室７００の片方の辺のみにノズル群を並べた場合と比較して、大ノズル１０１ａおよび小ノズル１０１ｂそれぞれの最高吐出周波数の２倍の能力で記録を行うことができる。すなわち、印刷速度を高めることができる。
２）ある１つのノズルが吐出不良（例えば、吐出不能に陥るなど）を引き起こしてしまった場合に、その対向するノズルによって代替して記録を行うことができる。これにより、一定の印刷速度における印刷品位の劣化を抑制することができる。

共通液室７００を挟んで対向する位置に並べられたノズル群１０１，１０２のそれぞれにおけるノズル構成上の特徴、およびその他の上記の記述外の部分の特徴は第一の実施形態の構成に準ずる。

（第三の実施形態）
次に本発明の第三の実施形態について説明する。

図６に、図４に示した構成（詳細は第二の実施形態で説明）のインクジェット記録ヘッド９０２のノズル群１０１，１０２におけるさらに異なるノズル配置構成を示す。

本実施形態は、共通液室７００を挟んだ対向位置に設置されたノズル群１０１と１０２において、対向し合うノズル同士のインク吐出量が異なるという点で第二の実施形態と構成が異なる。すなわち、ノズル群１０１内の大ノズル（大インク滴吐出ノズル）１０１ａの真向かいにはノズル群１０２内の小ノズル（小インク滴吐出ノズル）１０２ｂが対向し、ノズル群１０１内の小ノズル（小インク滴吐出ノズル）１０１ｂの真向かいにはノズル群１０２内の大ノズル（大インク滴吐出ノズル）１０２ａが対向する。言い換えれば、記録ヘッド移動方向に関してノズル群１０１の大ノズル１０１ａ間にノズル群１０２の大ノズル１０２ａが対応し、ノズル群１０１の小ノズル１０１ｂ間にノズル群１０２の小ノズル１０２ｂが対応するよう配置されている。

このように、大インク滴、小インク滴それぞれの吐出ノズルの記録ヘッド移動方向に対する垂直方向のノズル設置を、ノズル群１０１と１０２でずらした事により、ノズル群１０１もしくは１０２単独の場合に比較して倍の解像度にできる。すなわち、より高い記録密度での印刷が可能となる。

上記の記述外の部分についての特徴は、第二の実施形態の構成に準ずる。

なお、上述した各実施形態ではノズル群が大インク滴吐出ノズルと小インク滴吐出ノズルの２種類から成っているが、本発明はこれに限らず、ノズル群は少なくとも２種類の吐出量の異なるノズルから構成されていればよい。そして、ノズル群の中で相対的に液体吐出量の少ないノズルに連通する個別流路の長さを、他のノズルに連通する個別流路よりも短くしてあればよい。

（その他の実施形態）
次に、上述の各実施形態に適用可能な本発明の記録ヘッドによる印字の状態、および本発明の記録ヘッドを有する記録装置について図面を用いて説明する。

図７（ａ）は、吐出量約５ｐｌの大ノズルによる印字(大ドット)を模式的に示し、図７（ｂ）は吐出量約１．２ｐｌの小ノズルによる印字(小ドット)を模式的に示している。破線部は記録領域を解像度に応じて仕切った格子である。小ドットは高解像度での記録が可能な反面、大ドットと記録濃度を同等にするために４倍のドット数を必要とする。そのため、小ノズルの吐出周波数を大ノズルの吐出周波数の２倍で駆動すると、ヘッド走査方向に対して小ドットと大ドットの記録密度を同じにすることが出来る。この結果、図７（ａ）に示す大ドットを用いた高速記録と、図７（ｂ）に示す小ドットを用いた高画質記録での印刷速度の差を少なくすることが出来る。

次に、本発明を用いた記録ヘッドの駆動回路構成例を図８に示す。ヒータ基板４０１上には、大インク滴吐出用のヒータ(大ヒータ)５００ａと小インク滴吐出用のヒータ(小ヒータ)５００ｂ、そして、各ヒータを選択的にON/OFFするための駆動素子４１０、駆動素子にON/OFF信号を入力する駆動信号生成回路４２０、プリンタ本体から電気信号が入力される端子などが備えられる。駆動素子４１０がONされるとヒータ５００ａ、５００ｂには電源電圧(VH)が印加され、インクを急激に加熱し、膜沸騰させインク吐出圧力を発生させる。また、一般的には駆動素子４１０は同時駆動ヒータ数を制限するためにいくつかの駆動ブロックに分割される。駆動信号生成回路４２０は例えば、画像データをシリアルで受け取りパラレル出力するシフトレジスタ(不図示)、シフトレジスタに送られたデータをラッチ(記憶保持)するラッチ回路(不図示)、二値データで受け取ったブロック制御信号をデコードするデコード回路(不図示)などのロジック回路を有し、プリンタ本体の記録制御部からの信号を受けて、駆動素子４１０のON/OFF信号を生成する。

本発明の記録装置本体の記録制御部（不図示）からの入力信号例を図９に示す。DATA#Lはヒータ５００ａ（大ヒータ）に入力される記録データ(大データ)、DATA#Sは５００ｂ（小ヒータ）へ入力される記録データ(小データ)、BLKは駆動ブロック番号を指示するブロック制御信号を示す。それらのシリアルデータはクロック信号CLKに同期して、駆動信号生成回路内のシフトレジスタへ転送される。その後、記録データはラッチ信号LATによってラッチ回路に記憶され、ブロック制御信号はデコードされる。記録データとブロック制御信号の論理積によって選択された所定のヒータが、ヒート信号(HEAT#LまたはHEAT#S)の入力に従って駆動される。ここで、HEAT#Lは大ヒータ用のヒート信号、HEAT#Sは小ヒータ用のヒート信号を示すが、図７に説明したように小ドットの吐出周波数を大ドットに対し２倍にするため、HEAT#S の入力周期はHEAT#Lの半分にしている。さらに、ヒート信号の周期に合わせて記録データの入力周期も調整し、大データが1回入力される間に小データが2回入力されるようにしている。

なお、ここでは記録データ(DATA#LまたはDATA#S)とブロック制御信号BLKとを別の信号線でヒータ基板に入力したが、それらを同一の信号線上に構成し、ヒータ基板の駆動信号生成回路内のシフトレジスタに一括入力する方法によって、端子数を削減することも可能である。

最後に、本発明の記録ヘッドを搭載可能な液体吐出記録装置の一例について、図１０を用いて説明する。図１０に示す記録装置において、ヘッドカートリッジ（記録ヘッド）１０００を着脱自在に搭載可能なキャリッジ９５と、ヘッドの複数のオリフィスからのインク乾燥を防止するためのヘッドキャップとヘッドの動作不良時に複数のオリフィスからインクを吸引するための吸引ポンプとが組み込まれたヘッド回復ユニット９６とが備えられている。符号９７は被記録媒体としての記録用紙が搬送される給紙面を示している。

キャリッジ９５は、回復ユニット９６上での位置をホームポジションとしており、印刷は記録装置に設けられた記録制御部（不図示）からの入力信号に基づき、図中の左方向へ走査しはじめることで開始される。

本発明の第一の実施形態による記録ヘッド上のノズル群を、ノズルプレート部材を剥がした状態で模式的に示したものである。 （ａ）は図１中のＡ部の拡大図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿って切断した断面を模式的に示した図である。 本発明の第一の実施形態であるインクジェットプリンタ用の記録ヘッドをノズル設置面に対向する方向から見た模式図である。 本発明の第二の実施形態であるインクジェットプリンタ用の記録ヘッドをノズル設置面に対向する方向から見た模式図である。 図４に示した記録ヘッド上のノズル群を、ノズルプレート部材を剥がした状態で模式的に示したものである。 図４に示した構成のインクジェット記録ヘッドの隣り合うノズル群におけるさらに異なるノズル配置構成を示す。 本発明の記録ヘッドによる印字の状態を説明するための模式図である。 本発明の記録ヘッドに対する駆動回路の構成例を示す模式図である。 本発明の記録ヘッドに対する記録装置本体の記録制御部からの入力信号例を示す説明図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドを搭載可能な記録装置の一例を示す模式図である。 （ａ）は一般的なインクジェット記録ヘッドを備えたヘッドカートリッジを概略的に示す斜視図、（ｂ）は記録ヘッドの一部の拡大図である。

符号の説明

１０１〜１０６ ノズル群
１０１ａ 大ノズル（吐出されるインク滴のうち相対的な体積の大きい方の吐出ノズル）
１０１ｂ 小ノズル（吐出されるインク滴のうち相対的な体積の小さい方の吐出ノズル）
２００ ノズルプレート部材
３００ 接着層
４００ 基材
４０１ ヒータ基板
４１０ 駆動素子
４２０ 駆動信号生成回路
５００ ヒータ
５００ａ 大ヒータ
５００ｂ 小ヒータ
６００ 個別流路
７００ 共通液室
８００ 圧力室
９０１、９０２ インクジェット記録ヘッド
９０３ 吐出面
１０００ ヘッドカートリッジ
Ｌａ、Ｌb 個別流路長さ
W 個別流路幅

Claims (4)

1. 液体が供給される共通液室と、液体に与える圧力を発生する複数の圧力室と、前記共通液室から前記圧力室の各々に液体を分流する複数の個別流路と、液体を吐出するために前記圧力室の各々と連通したノズルの群と、を有し、該ノズルの群は前記共通液室のある一辺または複数の辺に沿って並び、少なくとも２種類の吐出量の異なるノズルから成るインクジェット記録ヘッドにおいて、
   前記ノズルの群の中で相対的に吐出量の少ないノズルの吐出周波数は該ノズル以外のノズルの吐出周波数よりも大きく、かつ、
   前記ノズルの群の中で相対的に吐出量の少ないノズルに連通する全ての前記個別流路の長さは、該ノズル以外のノズルに連通する前記個別流路の長さよりも短いことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 少なくとも２種類の吐出量の異なるノズルの群が前記共通液室を挟んで対向する位置のそれぞれに並び、さらに前記共通液室を挟んで対向関係にあるノズル同士の吐出量が等しい請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 少なくとも２種類の吐出量の異なるノズルの群が前記共通液室を挟んで対向する位置のそれぞれに並び、さらに前記共通液室を挟んで対向関係にあるノズル同士の吐出量が異なる請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 液体を吐出するインクジェット記録ヘッドと、
   該インクジェット記録ヘッドを搭載するキャリッジと、
   前記インクジェット記録ヘッドに対する記録信号を送信する記録制御部とを備え、
   前記インクジェット記録ヘッドは、液体が供給される共通液室と、液体に与える圧力を発生する複数の圧力室と、前記共通液室から前記圧力室の各々に液体を分流する複数の個別流路と、液体を吐出するために前記圧力室の各々と連通したノズルの群と、を有し、
   該ノズルの群は前記共通液室のある一辺または複数の辺に沿って並び、少なくとも２種類の吐出量の異なるノズルから成るとともに、
   前記ノズルの群の中で相対的に吐出量の少ないノズルの吐出周波数は該ノズル以外のノズルの吐出周波数よりも大きく、かつ、
   前記ノズルの群の中で相対的に吐出量の少ないノズルに連通する全ての前記個別流路の長さは、該ノズル以外のノズルに連通する前記個別流路の長さよりも短い、インクジェット記録装置。

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