JP3927854B2 - インクジェット記録ヘッド - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク滴を吐出口から吐出させて記録媒体に付着させて記録を行うインクジェット記録ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日広く用いられているインクジェット記録装置におけるインク吐出方法の１つに、電気熱変換素子（ヒータ）を利用する方法がある。その原理は、インクが供給されている圧力室内の電気熱変換素子に電気信号を与えて発熱させ、電気熱変換素子付近のインクを瞬時に加熱して沸騰させ、そのときの相変化により急激に生じる大きな発泡圧によって、インクを吐出口から外部へ吐出させるものである。この方式のインクジェット記録ヘッドは、構造が単純でインク流路の集積化が容易であるなどの利点を有している。
【０００３】
このインクジェット記録ヘッドにおいて、高精細な記録を実現するために、通常よりも微細なインク滴を形成して記録を行う場合があり、用途に応じて、大きなインク滴の吐出と小さなインク滴の吐出とを使い分ける構成のものがある。一般的には、小さなインク滴を吐出するためには、吐出口および電気熱変換素子を小型化する必要があると考えられる。
【０００４】
具体的には、吐出液滴を小さくするために、吐出量にほぼ比例して吐出口面積を小さくする。例えば、直径が１６〜１６．５μｍ（面積が２０１〜２１４μｍ2）の吐出口から５ｐｌのインク滴が好適に吐出される場合、それよりも小さな、例えば４ｐｌのインク滴を吐出する吐出口は、直径が１５．５μｍ（面積が１８９μｍ2）程度であることが好ましく、さらに小さな、例えば２ｐｌのインク滴を吐出する吐出口は、直径が１０．５μｍ（面積が８７μｍ2）程度であることが好ましいと考えられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
通常の設計方法によると、小インク滴を吐出するために吐出口および電気熱変換素子を小さくする場合、その電気熱変換素子が配置される圧力室もそれに伴って小型化される。そして、その圧力室と共通液室を接続するインク流路は、圧力室と同幅に形成される。すなわち、インク滴の微小化に対応して、吐出口、電気熱変換素子、および圧力室が全て同じ割合で小型化され、圧力室とインク流路は同幅に形成される。
【０００６】
しかしながら、このような設計方法では微小インク滴の吐出が良好に行われない場合があることが判明した。すなわち、通常のインク滴（大インク滴）を良好に吐出可能な吐出口、電気熱変換素子、および圧力室の大きさを、吐出するインク滴のインク量の減少に比例させて小さくすることにより小液滴吐出用ノズルを構成しても、良好なインク滴吐出が行えないことが多かった。その原因の１つとして、吐出口を小さくすることにより流抵抗が非常に大きくなることが挙げられると推察される。
【０００７】
この点について具体的に説明すると、吐出口の粘性抵抗が、吐出口の面積の４乗に反比例して増加する。すなわち、インク滴の小型化に対応して吐出口を小さくすると粘性抵抗が増加するため、粘性抵抗が増加しても適正な吐出状態を維持するためには、電気熱変換素子による発泡パワーが大きくなければならない。前記した従来通常行われていた設計方法では、吐出インク滴の小型化に伴って単純に電気熱変換素子の発泡パワーを低下させても構わないと考えられていたが、実際には、それに加えて、増加した粘性抵抗を克服するために必要な発泡パワーを考慮すべきであると思われる。従って、インク滴を吐出口から良好に吐出させるために最低減必要な発泡パワーは、吐出するインク滴の微小化に伴って低減可能であることと、粘性抵抗の増加に対応するために増大させる必要があることとが相殺し合って、結果的に、大きなインク滴を吐出する場合に比べてさほど低減できず、電気熱変換素子のサイズはさほど小さくはできない。
【０００８】
また、インクジェット記録ヘッドの設計上の都合により、吐出するインク滴および吐出口の小型化に伴って電気熱変換素子と吐出口との間の距離を短くすることができない場合がある。すなわち、構成および製造工程の簡略化のために、大きなインク滴を吐出する吐出口と小さなインク滴を吐出する吐出口とを１つの基板に形成し、それぞれに対応する電気熱変換素子も１つの基板に並べて配置することにより、電気熱変換素子と吐出口との間の距離が一定である場合がある。その場合、吐出するインク滴の小型化に伴って吐出口径を小さくしても、吐出口に至るまでの距離が短くできず、バランスが悪くなる。吐出口までの距離が相対的に長いため、インクがこの吐出口から外部に出るために必要なエネルギーは、比較的大きくなる。
【０００９】
このような理由からも、やはり、インク滴吐出に最低限必要なエネルギーは、吐出するインク滴が少量化され吐出口が小型化される割合と比較して、あまり低減できず、電気熱変換素子の大きさは、大きなインク滴を吐出するためのものに比べてそれほど小さくはできない。
【００１０】
例えば、前記した例で、５ｐｌのインク滴を吐出するために用いられる電気熱変換素子が、２６μｍ×２６μｍの正方形（または１２．５μｍ×２８μｍのものが２つ）であると、４ｐｌのインク滴を吐出するための電気熱変換素子は、２４μｍ×２４μｍの正方形程度の大きさである必要があり、さらに、２ｐｌのインク滴を吐出するために必要な電気熱変換素子は、２２μｍ×２２μｍ程度の正方形（または１１．５×２７μｍ程度のものが２つ）である。このように、インク滴の小型化に伴って吐出口は小さくなるものの、それに比べて電気熱変換素子はあまり小さくできない。
【００１１】
さらに、小液滴を吐出させるための圧力室は、この電気熱変換素子を収容するためにさほど小さくできない。流路形成部材のアライメント誤差を考慮して電気熱変換素子の外周部分に２μｍのマージンを設けると、例えば、５ｐｌのインク滴を吐出するために必要な圧力室は（２６＋４）μｍ×（２６＋４）μｍ＝３０μｍ×３０μｍの正方形（底面積９００μｍ2）、または（１２．５×２＋３＋４）μｍ×（２８＋４）μｍ＝３２μｍ×３２μｍの正方形（底面積１０２４μｍ2）であるのに対して、４ｐｌのインク滴を吐出するために必要な圧力室は（２４＋４）μｍ×（２４＋４）μｍ＝２８μｍ×２８μｍの正方形（底面積７８４μｍ2）になり、さらに、２ｐｌのインク滴を吐出するために必要な圧力室は（２２＋４）μｍ×（２２＋４）μｍ＝２６μｍ×２６μｍの正方形（底面積６７６μｍ2）、または（１１．５×２＋３＋４）μｍ×（２７＋４）μｍ＝３０μｍ×３１μｍの長方形（底面積９３０μｍ2）になる。
【００１２】
このように、微小なインク滴を吐出する場合に、それに伴って吐出口が小さくなる割合に比べて、電気熱変換素子および圧力室はあまり小型化できない。
【００１３】
前記した通り、通常は圧力室と同幅のインク流路が設けられるので、圧力室がそれほど小型化されないのに従ってインク流路の幅もそれほど狭くはならない。その結果、電気熱変換素子の発泡パワーのうち、吐出口側ではなくインク流路側へ向かい、インク滴吐出に寄与しない部分が大きく、損失が大きくエネルギー効率が悪くなる。
【００１４】
そこで本発明の目的は、従来にない新たな設計方法に基づいて、小さなインク滴を吐出するノズルにおいても、損失が小さくエネルギー効率が向上できるインクジェット記録ヘッドを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、共通液室から分岐している複数のインク流路に圧力室がそれぞれ接続され、圧力室に吐出口がそれぞれ連通し、圧力室内には電気熱変換素子がそれぞれ配設されており、共通液室から圧力室に供給されたインクを、電気熱変換素子の発熱により圧力室内に発生した圧力によって吐出口から吐出可能なインクジェット記録ヘッドにおいて、複数の圧力室は、小液滴を吐出させるための小液滴圧力室と、大液滴を吐出させるための大液滴圧力室とを含み、小液滴圧力室に接続されている小液滴用のインク流路と、小液滴圧力室と、大液滴圧力室に接続されている大液滴用のインク流路と、大液滴圧力室とに関し、各インク流路から各圧力室へ向かうインクの流れに対して垂直な断面を見ると、小液滴用インク流路の断面積ＳSと、小液滴圧力室の断面積ＳRSと、大液滴用インク流路の断面積ＳLと、大液滴圧力室の断面積ＳRLとの間に、ＳS／ＳRS＜ＳL／ＳRLの関係が成り立つことを特徴とする。
【００１６】
さらに、小液滴圧力室の断面積ＳRSと大液滴圧力室の断面積ＳRLと、小液滴圧力室から吐出される小液滴のインク量ＩSと大液滴圧力室から吐出される大液滴のインク量ＩLとの間に、ＳRS／ＳRL＞ＩS／ＩLの関係が成り立つことが好ましい。
【００１７】
さらに、小液滴圧力室の容積ＶRSと大液滴圧力室の容積ＶRLと、小液滴圧力室から吐出される小液滴のインク量ＩSと大液滴圧力室から吐出される大液滴のインク量ＩLとの間に、ＶRS／ＶRL＞ＩS／ＩLの関係が成り立つことが好ましい。
【００１８】
また、ＳL＝ＳRLかつＳS＜ＳRSであってもよい。
【００１９】
また、
【００２０】
【数１２】
であることが好ましい。
また、
【００２１】
【数１３】
【００２２】
【数１４】
であってもよく、
【００２３】
【数１５】
【００２４】
【数１６】
であってもよく、
【００２５】
【数１７】
【００２６】
【数１８】
であってもよく、
【００２７】
【数１９】
【００２８】
【数２０】
であってもよい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態と参考例とを図面を参照して説明する。
【００３０】
［第１の参考例］
図１，２に第１の参考例のインクジェット記録ヘッドが示されている。このインクジェット記録ヘッドの基本的な構成は、図１に示すように、単一の基板１にインク供給口２が５個設けられており、インク供給口２Ａと２Ｅにはシアンのインクが、インク供給口２Ｂと２Ｄにはマゼンタのインクが、インク供給口２Ｃにはイエローのインクがそれぞれ供給される。基板１に接合される吐出口プレート９には、各インク供給口２に対してそれぞれ、大液滴を吐出させるための大液滴吐出口３ａと、小液滴を吐出させるための小液滴吐出口３ｂが設けられている。インク供給口２Ａと２Ｂに対しては、図１左側に大液滴吐出口３ａが、図１右側に小液滴吐出口３ｂがそれぞれ設けられ、インク供給口２Ｄと２Ｅに対しては、図１左側に小液滴吐出口３ｂが、図１右側に大液滴吐出口３ａがそれぞれ設けられ、インク供給口２Ｃには、両側に大液滴吐出口３ａが設けられている。従って、この基板１をインク供給口２の配列方向（図１左右方向）に沿っていずれの方向に移動させても、記録媒体（図示せず）へ吐出するインクの色の順番が同じになり、色ムラの発生を抑える構成である。
【００３１】
図２に図１の左側部分を拡大して示すように、各インク供給口２の一方の側部に大液滴吐出口３ａが設けられ、他方の側部に小液滴吐出口３ｂが設けられている。各吐出口３ａ，３ｂは、圧力室４ａ，４ｂおよびインク流路５ａ，５ｂを介して共通液室６と連通し、この共通液室６にインク供給口２が連通している。圧力室４ａ，４ｂ内には、電気熱変換素子（以下「ヒータ」という）７ａ，７ｂが配設されている。なお、本明細書中では、インク流路と圧力室とが連続した状態を総称して「ノズル」という。共通液室６の、インク流路５ａ，５ｂへの接続部近傍には、吐出口プレート９に一体的に形成されている円柱状のノズルフィルタ８が配置されている。
【００３２】
大液滴用のノズルの長さをＨL、小液滴用のノズルの長さＨS、大液滴用のノズルの幅（＝大液滴用インク流路５ａの幅）をＷL、小液滴用のノズル（＝小液滴用インク流路５ｂ）の幅をＷSとすると、本参考例ではＨL＜ＨS、かつＷL＝ＷSとなっている。これにより、小液滴用インク流路５ｂの流抵抗が大きくなっている。なお、ＨL，ＨS，ＷL，ＷSの各寸法は、流抵抗が以下の式を満たすように設定された範囲内にある。
【００３３】
【数２１】
また、流抵抗Ｒf、Ｒbはそれぞれ以下の式によって表される。
【００３４】
【数２２】
【００３５】
【数２３】
また、さらに離散的な計算で流抵抗Ｒf，Ｒbを求めると、以下の式によって表される。
【００３６】
【数２４】
【００３７】
【数２５】
また、慣性抵抗（イナータンス）で流抵抗を規定すると、以下の式によって表される。
【００３８】
【数２６】
【００３９】
【数２７】
あるいは、以下の式で表すこともできる。
【００４０】
【数２８】
【００４１】
【数２９】
本参考例のインクジェット記録ヘッドを用いて大液滴（吐出量５ｐｌ）と小液滴（吐出量２ｐｌ）の吐出を実際に行い、実験的に得られた画像品位、特に、吐出がランダムに乱れてドット形成が不良となる現象の発生と、計算で得られた流抵抗ＳSbとＳLbの関係を検証した。その結果を表１に示している。本参考例では、５ｐｌの大液滴を吐出するノズルＮｏ．１に対して、様々な条件を変えたノズルを組み合わせてインク吐出を行っている。表１に示すように、５ｐｌの大液滴を吐出するノズルＮｏ．１を２つ組み合わせた例と、このノズルＮｏ．１に対して、２ｐｌの小液滴を吐出するノズルＮｏ．２〜５をそれぞれ組み合わせた例について対比を行った。
【００４２】
なお、ヒータ７ａ，７ｂの有効面積の求め方は次の通りである。ヒータ７ａ，７ｂの端縁から内側に２μｍまでは、ヒータ周囲への熱の拡散により温度が上がりにくく発泡に寄与しないので、有効ヒータエリアは実寸法の２μｍ内側として計算する。例えば、サイズが２２×２２μｍのヒータ７ａ，７ｂの有効面積は（２２−２×２）×（２２−２×２）＝１８×１８＝３２４μｍ2である。また、このインクジェット記録ヘッドのインク流路５ａ，５ｂの高さは１４μｍ、流路５ａ，５ｂの幅はＷL＝ＷS＝３２μｍである。なお、Ｒfは吐出口３ａ，３ｂの部分のみの抵抗である。
【００４３】
【表１】
表１に示すように、大液滴のノズルＮｏ．１を２つ組み合わせた例では、ドット形成不良等の印字不良は全く発生せず、画像品位は良好である。
【００４４】
ノズルＮｏ．１に比べて吐出口径のみを小さくして２ｐｌの小液滴を吐出するノズルＮｏ．２を、ノズルＮｏ．１と組み合わせた例では、ノズルＮｏ．２には著しいドット形成不良が発生し、画像品位は非常に悪かった。なお、このノズルＮｏ．２の流抵抗ＳSbは、ノズルＮｏ．１の流抵抗ＳLbの１．９３倍である。
【００４５】
ノズルＮｏ．２に比べてヒータサイズを２４×２４μｍに小さくしたノズルＮｏ．３と、ヒータサイズを２２×２２μｍに小さくしたノズルＮｏ．４をそれぞれ用いた例では、ドット形成不良の発生が抑えられ、画像品位が向上した。ノズルＮｏ．３では、僅かにドット形成不良が発生する場合もあったが、ノズルＮｏ．４では、ドット形成不良が全く発生せず、画像品位は非常に良好であった。なお、ノズルＮｏ．３とＮｏ．４のＳSb／ＳLb比は、それぞれ１．５９と１．２９である。
【００４６】
また、ノズルＮｏ．２に比べてノズルフィルタ８の径を大きくして流抵抗ＳSbを大きくしたノズルＮｏ．５を用いた例では、ドット形成不良はあまり発生せず、画像品位は良好であった。そのＳSb／ＳLb比は１．３２である。
【００４７】
以上の結果から、小液滴の吐出状態を良好に維持するためには、共通液室６方向への発泡パワーの逃げを抑え、共通液室６を介したクロストークを抑えることが重要であることがわかる。定量的には、共通液室６方向への発泡パワーの逃げを計算してそれを所定量以下に抑えるために、前記した計算式に基づいて各寸法等を設定することが重要である。そして、小液滴用インク流路５ｂから共通液室６への発泡パワーの逃げ分に相当するＳSb／ＳLb比が、少なくとも１．９３未満でなければならず、１．５９以下であるとより好ましい。また、流抵抗ＳSbの絶対値も、前記した流抵抗計算によれば３８４μｍ2未満でなければならず、３１７μｍ2以下であるとより好ましい。
【００４８】
以上のように、前記した計算によって各部分の寸法や流抵抗を決定することにより、小液滴用インク流路５ｂにおいて発泡パワーが共通液室６方向へ逃げることによるクロストークが低減され、液滴吐出が安定化してドット形成不良等の記録不良が防止され、高品位な画像形成が可能になる。
【００４９】
［第２の参考例］
次に第２の参考例のインクジェット記録ヘッドについて、図３を参照して説明する。第１の参考例と同一の部分については説明を省略する。
【００５０】
本参考例では、ＨL＝ＨSかつＷL＞ＷSである。ＷSを含む各部分の寸法は第１の参考例と同様の計算によって求められる。
【００５１】
第１の参考例では、小液滴用インク流路５ｂが長くなりインクジェット記録ヘッド全体が大きくなるという問題があるのに対して、本参考例では、インクジェット記録ヘッドを大きくすることなく小液滴用インク流路５ｂの流抵抗ＳSbを大きくすることができる。
【００５２】
［第１の実施形態］
次に本発明のインクジェット記録ヘッドの第１の実施形態について、図４を参照して説明する。第１，２の参考例と同一の部分については説明を省略する。
【００５３】
本実施形態では、ＨL＝ＨSかつＷL＞ＷSであり、小液滴圧力室４ｂの幅よりも小液滴用インク流路５ｂの幅が狭い。すなわち、大液滴用インク流路５ａは大液滴圧力室４ａと同幅でストレートに接続されているのに対して、小液滴用インク流路５ｂは小液滴圧力室４ｂよりも幅が狭く、インクの流れにおける絞り部になっている。なお、各部の寸法は第１の参考例と同様の計算によって決められる。
【００５４】
第２の参考例の構成では、小液滴用インク流路５ｂ全体の幅が狭くヒータ４ｂの形状が細長くなり、ヒータ４ｂの寸法設計に制約を受け、駆動設計やヒータ膜抵抗設計に制約を受けやすい。また、ヒータ４ｂの短辺方向のノズルの位置ずれが吐出方向に影響し易い。さらに、長期使用などによって発泡有効面積が変化したときに発泡有効面積の変化率が大きくなるなどの問題がある。これに対して、本実施形態では、ヒータ４ｂの寸法設計の自由度が大きく、駆動設計やヒータ膜設計の自由度が大きい。また、ヒータ４ｂの形状を正方形にできるのでノズルの位置ずれが吐出方向へ与える影響を最小にでき、長期使用時の発泡有効面積の変化率を最小にできる。その他の構成は第１の参考例と同様である。
【００５５】
［第２の実施形態］
次に本発明のインクジェット記録ヘッドの第２の実施形態について、図５を参照して説明する。第１，２の参考例および第１の実施形態と同一の部分については説明を省略する。
【００５６】
本実施形態では、小液滴用インク流路５ｂに対応するノズルフィルタ８ｂの径が大きい。それ以外の構成は第１の実施形態の構成と同じである。ノズルフィルタ８ｂの径を含む各部分の寸法は、第１の参考例と同様の計算によって求められる。
【００５７】
本実施形態では、小液滴用インク流路５ｂの幅ＷSをそれほど極端に狭くしなくても、ノズルフィルタ８ｂを大きくすることによって流抵抗ＳSbを増やして最適化できる。従って、インク流路５ｂの製法公差の影響をそれほど受けず、小液滴用のノズルの流抵抗ＳSbのばらつきがあまり大きくなりにくい。また、小液滴用インク流路５ｂの幅ＷSがそれほど狭くなく、かつノズルフィルタ８ｂが大きいので、ごみがつまりにくい。
【００５８】
［第３の参考例］
次に第３の参考例のインクジェット記録ヘッドについて、図６を参照して説明する。第１，２の参考例と同一の部分については説明を省略する。
【００５９】
本参考例では、小液滴用ノズルと大液滴用ノズルとが、同一列に交互に配置されている。それ以外の構成は第１の参考例と同じである。
【００６０】
本参考例では、大液滴用インク流路５ａ間の間隔も、小液滴用インク流路５ｂ間の間隔も広くできるので、大液滴のみ、または小液滴のみを使用して高速印字をするときの、大液滴用インク流路５ａ間の、または小液滴用インク流路５ｂ間のクロストークや気流の影響を低減でき、吐出を安定化し、高品位な画像を高速に印字することが可能になる。
【００６１】
［第４の参考例］
次に第４の参考例のインクジェット記録ヘッドについて、図７を参照して説明する。第１〜３の参考例と同一の部分については説明を省略する。
【００６２】
本参考例では、小液滴用ノズルと大液滴用ノズルとが、同一列に交互に配置されている。それ以外の構成は第２の参考例と同じである。従って、第３の参考例と同様に、大液滴のみまたは小液滴のみを使用して高速印字をするときの、クロストークや気流の影響を低減でき、吐出を安定化して高品位な画像を高速に印字することが可能になる。そして、第２の参考例と同様に、インクジェット記録ヘッドを大きくすることなく小液滴用インク流路５ｂの流抵抗ＳSbを大きくすることができる。
【００６３】
［第３の実施形態］
次に本発明のインクジェット記録ヘッドの第３の実施形態について、図８を参照して説明する。第１〜４の参考例および第１，２の実施形態と同一の部分については説明を省略する。
【００６４】
本実施形態では、小液滴用ノズルと大液滴用ノズルとが、同一列に交互に配置されている。それ以外の構成は第１の実施形態と同じである。従って、第１の実施形態と同様に、ヒータ４ｂの寸法設計の自由度が大きく、ノズルの位置ずれが吐出方向へ与える影響を最小にでき、長期使用時の発泡有効面積の変化率を最小にできる。さらに、第４の参考例と同様に、大液滴のみまたは小液滴のみを使用して高速印字をするときのクロストークや気流の影響を低減でき、吐出を安定化して高品位な画像を高速に印字することが可能になり、インクジェット記録ヘッドを大きくすることなく小液滴用インク流路５ｂの流抵抗ＳSbを大きくすることができる。
【００６５】
［第４の実施形態］
次に本発明のインクジェット記録ヘッドの第４の実施形態について、図９を参照して説明する。第１〜４の参考例および第１〜３の実施形態と同一の部分については説明を省略する。
【００６６】
本実施形態では、小液滴用ノズルと大液滴用ノズルとが、同一列に交互に配置され、小液滴用インク流路５ｂに対応するノズルフィルタ８ｂの径が大きい。それ以外の構成は第３の実施形態と同じである。従って、第１の実施形態と同様に、ヒータ４ｂの寸法設計の自由度が大きく、ノズルの位置ずれが吐出方向へ与える影響を最小にでき、長期使用時の発泡有効面積の変化率を最小にできる。さらに、第４の参考例と同様に、大液滴のみまたは小液滴のみを使用して高速印字をするときのクロストークや気流の影響を低減でき、吐出を安定化して高品位な画像を高速に印字することが可能になり、インクジェット記録ヘッドを大きくすることなく小液滴用インク流路５ｂの流抵抗ＳSbを大きくすることができる。そして、第２の実施形態と同様に、小液滴用のノズルの流抵抗ＳSbのばらつきがあまり大きくなりにくく、ごみがつまりにくい。
【００６７】
［第５の実施形態］
次に本発明のインクジェット記録ヘッドの第５の実施形態について、図１０を参照して説明する。第１〜４の参考例および第１〜４の実施形態と同一の部分については説明を省略する。
【００６８】
本実施形態では、小液滴圧力室４ｂの幅よりも小液滴用インク流路５ｂの幅が狭く、大液滴圧力室４ａの幅よりも大液滴用インク流路５ａの幅が狭く、小液滴用インク流路５ｂも大液滴用インク流路５ａも、インクの流れにおける絞り部になっている。すなわち、大液滴圧力室の幅をＷRL、大液滴用インク流路幅をＷL、小液滴圧力室の幅をＷRS、小液滴用インク流路幅をＷSとすると、ＷRL≒ＷRSで、ＷL＞ＷS、かつＷS／ＷRS＜ＷL／ＷRLである。それ以外の構成は第１の実施形態と同じである。従って、小液滴用インク流路５ｂのみならず大液滴用インク流路５ａにおいても、インクジェット記録ヘッドを大きくすることなく流抵抗を大きくすることができる。また、ヒータ４ａ，４ｂの寸法設計の自由度が大きく、ノズルの位置ずれが吐出方向へ与える影響を最小にでき、長期使用時の発泡有効面積の変化率を最小にできる。
【００６９】
【実施例】
本出願人は、多数のノズルを形成してその記録特性を判断した。そのうち、良好な記録が達成できたものについて、ヒータサイズ、圧力室容積、圧力室幅を表２中Ｎｏ．４〜２７に示している。Ｎｏ．１〜３まではさらにヒータサイズを小さくできたときの参考設計例である。
【００７０】
【表２】
【００７１】
【発明の効果】
本発明によると、小さなインク滴と大きなインク滴とを吐出可能なインクジェット記録ヘッドにおいて、小さなインク滴を吐出するノズルでも、損失が小さくエネルギー効率が向上できる。また、インク流路間のクロストークを防止し、吐出を安定化させて高品位な画像を安定して形成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は第１の参考例のインクジェット記録ヘッドの基本構成を示す概略平面図、（ｂ）はその断面図である。
【図２】（ａ）は図１に示す第１の参考例のインクジェット記録ヘッドの一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。
【図３】（ａ）は第２の参考例のインクジェット記録ヘッドの一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】（ａ）は本発明のインクジェット記録ヘッドの第１の実施形態の一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＣ−Ｃ線断面図である。
【図５】（ａ）は本発明のインクジェット記録ヘッドの第２の実施形態の一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＤ−Ｄ線断面図である。
【図６】（ａ）は第３の参考例のインクジェット記録ヘッドの一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＥ−Ｅ線断面図である。
【図７】（ａ）は第４の参考例のインクジェット記録ヘッドの一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＦ−Ｆ線断面図である。
【図８】（ａ）は本発明のインクジェット記録ヘッドの第３の実施形態の一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＧ−Ｇ線断面図である。
【図９】（ａ）は本発明のインクジェット記録ヘッドの第４の実施形態の一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＨ−Ｈ線断面図である。
【図１０】（ａ）は本発明のインクジェット記録ヘッドの第５の実施形態の一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＩ−Ｉ線断面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ インク供給口
３ａ 大液滴吐出口
３ｂ 小液滴吐出口
４ａ 大液滴圧力室
４ｂ 小液滴圧力室
５ａ 大液滴用インク流路
５ｂ 小液滴用インク流路
６ 共通液室
７ａ，７ｂ 電気熱変換素子（ヒータ）
８，８ｂ ノズルフィルタ
９ 吐出口プレート
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク滴を吐出口から吐出させて記録媒体に付着させて記録を行うインクジェット記録ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日広く用いられているインクジェット記録装置におけるインク吐出方法の１つに、電気熱変換素子（ヒータ）を利用する方法がある。その原理は、インクが供給されている圧力室内の電気熱変換素子に電気信号を与えて発熱させ、電気熱変換素子付近のインクを瞬時に加熱して沸騰させ、そのときの相変化により急激に生じる大きな発泡圧によって、インクを吐出口から外部へ吐出させるものである。この方式のインクジェット記録ヘッドは、構造が単純でインク流路の集積化が容易であるなどの利点を有している。
【０００３】
このインクジェット記録ヘッドにおいて、高精細な記録を実現するために、通常よりも微細なインク滴を形成して記録を行う場合があり、用途に応じて、大きなインク滴の吐出と小さなインク滴の吐出とを使い分ける構成のものがある。一般的には、小さなインク滴を吐出するためには、吐出口および電気熱変換素子を小型化する必要があると考えられる。
【０００４】
具体的には、吐出液滴を小さくするために、吐出量にほぼ比例して吐出口面積を小さくする。例えば、直径が１６〜１６．５μｍ（面積が２０１〜２１４μｍ2）の吐出口から５ｐｌのインク滴が好適に吐出される場合、それよりも小さな、例えば４ｐｌのインク滴を吐出する吐出口は、直径が１５．５μｍ（面積が１８９μｍ2）程度であることが好ましく、さらに小さな、例えば２ｐｌのインク滴を吐出する吐出口は、直径が１０．５μｍ（面積が８７μｍ2）程度であることが好ましいと考えられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
通常の設計方法によると、小インク滴を吐出するために吐出口および電気熱変換素子を小さくする場合、その電気熱変換素子が配置される圧力室もそれに伴って小型化される。そして、その圧力室と共通液室を接続するインク流路は、圧力室と同幅に形成される。すなわち、インク滴の微小化に対応して、吐出口、電気熱変換素子、および圧力室が全て同じ割合で小型化され、圧力室とインク流路は同幅に形成される。
【０００６】
しかしながら、このような設計方法では微小インク滴の吐出が良好に行われない場合があることが判明した。すなわち、通常のインク滴（大インク滴）を良好に吐出可能な吐出口、電気熱変換素子、および圧力室の大きさを、吐出するインク滴のインク量の減少に比例させて小さくすることにより小液滴吐出用ノズルを構成しても、良好なインク滴吐出が行えないことが多かった。その原因の１つとして、吐出口を小さくすることにより流抵抗が非常に大きくなることが挙げられると推察される。
【０００７】
この点について具体的に説明すると、吐出口の粘性抵抗が、吐出口の面積の４乗に反比例して増加する。すなわち、インク滴の小型化に対応して吐出口を小さくすると粘性抵抗が増加するため、粘性抵抗が増加しても適正な吐出状態を維持するためには、電気熱変換素子による発泡パワーが大きくなければならない。前記した従来通常行われていた設計方法では、吐出インク滴の小型化に伴って単純に電気熱変換素子の発泡パワーを低下させても構わないと考えられていたが、実際には、それに加えて、増加した粘性抵抗を克服するために必要な発泡パワーを考慮すべきであると思われる。従って、インク滴を吐出口から良好に吐出させるために最低減必要な発泡パワーは、吐出するインク滴の微小化に伴って低減可能であることと、粘性抵抗の増加に対応するために増大させる必要があることとが相殺し合って、結果的に、大きなインク滴を吐出する場合に比べてさほど低減できず、電気熱変換素子のサイズはさほど小さくはできない。
【０００８】
また、インクジェット記録ヘッドの設計上の都合により、吐出するインク滴および吐出口の小型化に伴って電気熱変換素子と吐出口との間の距離を短くすることができない場合がある。すなわち、構成および製造工程の簡略化のために、大きなインク滴を吐出する吐出口と小さなインク滴を吐出する吐出口とを１つの基板に形成し、それぞれに対応する電気熱変換素子も１つの基板に並べて配置することにより、電気熱変換素子と吐出口との間の距離が一定である場合がある。その場合、吐出するインク滴の小型化に伴って吐出口径を小さくしても、吐出口に至るまでの距離が短くできず、バランスが悪くなる。吐出口までの距離が相対的に長いため、インクがこの吐出口から外部に出るために必要なエネルギーは、比較的大きくなる。
【０００９】
このような理由からも、やはり、インク滴吐出に最低限必要なエネルギーは、吐出するインク滴が少量化され吐出口が小型化される割合と比較して、あまり低減できず、電気熱変換素子の大きさは、大きなインク滴を吐出するためのものに比べてそれほど小さくはできない。
【００１０】
例えば、前記した例で、５ｐｌのインク滴を吐出するために用いられる電気熱変換素子が、２６μｍ×２６μｍの正方形（または１２．５μｍ×２８μｍのものが２つ）であると、４ｐｌのインク滴を吐出するための電気熱変換素子は、２４μｍ×２４μｍの正方形程度の大きさである必要があり、さらに、２ｐｌのインク滴を吐出するために必要な電気熱変換素子は、２２μｍ×２２μｍ程度の正方形（または１１．５×２７μｍ程度のものが２つ）である。このように、インク滴の小型化に伴って吐出口は小さくなるものの、それに比べて電気熱変換素子はあまり小さくできない。
【００１１】
さらに、小液滴を吐出させるための圧力室は、この電気熱変換素子を収容するためにさほど小さくできない。流路形成部材のアライメント誤差を考慮して電気熱変換素子の外周部分に２μｍのマージンを設けると、例えば、５ｐｌのインク滴を吐出するために必要な圧力室は（２６＋４）μｍ×（２６＋４）μｍ＝３０μｍ×３０μｍの正方形（底面積９００μｍ2）、または（１２．５×２＋３＋４）μｍ×（２８＋４）μｍ＝３２μｍ×３２μｍの正方形（底面積１０２４μｍ2）であるのに対して、４ｐｌのインク滴を吐出するために必要な圧力室は（２４＋４）μｍ×（２４＋４）μｍ＝２８μｍ×２８μｍの正方形（底面積７８４μｍ2）になり、さらに、２ｐｌのインク滴を吐出するために必要な圧力室は（２２＋４）μｍ×（２２＋４）μｍ＝２６μｍ×２６μｍの正方形（底面積６７６μｍ2）、または（１１．５×２＋３＋４）μｍ×（２７＋４）μｍ＝３０μｍ×３１μｍの長方形（底面積９３０μｍ2）になる。
【００１２】
このように、微小なインク滴を吐出する場合に、それに伴って吐出口が小さくなる割合に比べて、電気熱変換素子および圧力室はあまり小型化できない。
【００１３】
前記した通り、通常は圧力室と同幅のインク流路が設けられるので、圧力室がそれほど小型化されないのに従ってインク流路の幅もそれほど狭くはならない。その結果、電気熱変換素子の発泡パワーのうち、吐出口側ではなくインク流路側へ向かい、インク滴吐出に寄与しない部分が大きく、損失が大きくエネルギー効率が悪くなる。
【００１４】
そこで本発明の目的は、従来にない新たな設計方法に基づいて、小さなインク滴を吐出するノズルにおいても、損失が小さくエネルギー効率が向上できるインクジェット記録ヘッドを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、共通液室から分岐している複数のインク流路に圧力室がそれぞれ接続され、圧力室に吐出口がそれぞれ連通し、圧力室内には電気熱変換素子がそれぞれ配設されており、共通液室から圧力室に供給されたインクを、電気熱変換素子の発熱により圧力室内に発生した圧力によって吐出口から吐出可能なインクジェット記録ヘッドにおいて、複数の圧力室は、小液滴を吐出させるための小液滴圧力室と、大液滴を吐出させるための大液滴圧力室とを含み、小液滴圧力室に接続されている小液滴用のインク流路と、小液滴圧力室と、大液滴圧力室に接続されている大液滴用のインク流路と、大液滴圧力室とに関し、各インク流路から各圧力室へ向かうインクの流れに対して垂直な断面を見ると、小液滴用インク流路の断面積ＳSと、小液滴圧力室の断面積ＳRSと、大液滴用インク流路の断面積ＳLと、大液滴圧力室の断面積ＳRLとの間に、ＳS／ＳRS＜ＳL／ＳRLの関係が成り立つことを特徴とする。
【００１６】
さらに、小液滴圧力室の断面積ＳRSと大液滴圧力室の断面積ＳRLと、小液滴圧力室から吐出される小液滴のインク量ＩSと大液滴圧力室から吐出される大液滴のインク量ＩLとの間に、ＳRS／ＳRL＞ＩS／ＩLの関係が成り立つことが好ましい。
【００１７】
さらに、小液滴圧力室の容積ＶRSと大液滴圧力室の容積ＶRLと、小液滴圧力室から吐出される小液滴のインク量ＩSと大液滴圧力室から吐出される大液滴のインク量ＩLとの間に、ＶRS／ＶRL＞ＩS／ＩLの関係が成り立つことが好ましい。
【００１８】
また、ＳL＝ＳRLかつＳS＜ＳRSであってもよい。
【００１９】
また、
【００２０】
【数１２】
また、
【００２１】
【数１３】
【数１４】
【００２３】
【数１５】
【数１６】
【００２５】
【数１７】
【数１８】
【００２７】
【数１９】
【数２０】
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態と参考例とを図面を参照して説明する。
【００３０】
［第１の参考例］
図１，２に第１の参考例のインクジェット記録ヘッドが示されている。このインクジェット記録ヘッドの基本的な構成は、図１に示すように、単一の基板１にインク供給口２が５個設けられており、インク供給口２Ａと２Ｅにはシアンのインクが、インク供給口２Ｂと２Ｄにはマゼンタのインクが、インク供給口２Ｃにはイエローのインクがそれぞれ供給される。基板１に接合される吐出口プレート９には、各インク供給口２に対してそれぞれ、大液滴を吐出させるための大液滴吐出口３ａと、小液滴を吐出させるための小液滴吐出口３ｂが設けられている。インク供給口２Ａと２Ｂに対しては、図１左側に大液滴吐出口３ａが、図１右側に小液滴吐出口３ｂがそれぞれ設けられ、インク供給口２Ｄと２Ｅに対しては、図１左側に小液滴吐出口３ｂが、図１右側に大液滴吐出口３ａがそれぞれ設けられ、インク供給口２Ｃには、両側に大液滴吐出口３ａが設けられている。従って、この基板１をインク供給口２の配列方向（図１左右方向）に沿っていずれの方向に移動させても、記録媒体（図示せず）へ吐出するインクの色の順番が同じになり、色ムラの発生を抑える構成である。
【００３１】
図２に図１の左側部分を拡大して示すように、各インク供給口２の一方の側部に大液滴吐出口３ａが設けられ、他方の側部に小液滴吐出口３ｂが設けられている。各吐出口３ａ，３ｂは、圧力室４ａ，４ｂおよびインク流路５ａ，５ｂを介して共通液室６と連通し、この共通液室６にインク供給口２が連通している。圧力室４ａ，４ｂ内には、電気熱変換素子（以下「ヒータ」という）７ａ，７ｂが配設されている。なお、本明細書中では、インク流路と圧力室とが連続した状態を総称して「ノズル」という。共通液室６の、インク流路５ａ，５ｂへの接続部近傍には、吐出口プレート９に一体的に形成されている円柱状のノズルフィルタ８が配置されている。
【００３２】
大液滴用のノズルの長さをＨL、小液滴用のノズルの長さＨS、大液滴用のノズルの幅（＝大液滴用インク流路５ａの幅）をＷL、小液滴用のノズル（＝小液滴用インク流路５ｂ）の幅をＷSとすると、本参考例ではＨL＜ＨS、かつＷL＝ＷSとなっている。これにより、小液滴用インク流路５ｂの流抵抗が大きくなっている。なお、ＨL，ＨS，ＷL，ＷSの各寸法は、流抵抗が以下の式を満たすように設定された範囲内にある。
【００３３】
【数２１】
【００３４】
【数２２】
【数２３】
【００３６】
【数２４】
【数２５】
【００３８】
【数２６】
【数２７】
【００４０】
【数２８】
【数２９】
【００４２】
なお、ヒータ７ａ，７ｂの有効面積の求め方は次の通りである。ヒータ７ａ，７ｂの端縁から内側に２μｍまでは、ヒータ周囲への熱の拡散により温度が上がりにくく発泡に寄与しないので、有効ヒータエリアは実寸法の２μｍ内側として計算する。例えば、サイズが２２×２２μｍのヒータ７ａ，７ｂの有効面積は（２２−２×２）×（２２−２×２）＝１８×１８＝３２４μｍ2である。また、このインクジェット記録ヘッドのインク流路５ａ，５ｂの高さは１４μｍ、流路５ａ，５ｂの幅はＷL＝ＷS＝３２μｍである。なお、Ｒfは吐出口３ａ，３ｂの部分のみの抵抗である。
【００４３】
【表１】
【００４４】
ノズルＮｏ．１に比べて吐出口径のみを小さくして２ｐｌの小液滴を吐出するノズルＮｏ．２を、ノズルＮｏ．１と組み合わせた例では、ノズルＮｏ．２には著しいドット形成不良が発生し、画像品位は非常に悪かった。なお、このノズルＮｏ．２の流抵抗ＳSbは、ノズルＮｏ．１の流抵抗ＳLbの１．９３倍である。
【００４５】
ノズルＮｏ．２に比べてヒータサイズを２４×２４μｍに小さくしたノズルＮｏ．３と、ヒータサイズを２２×２２μｍに小さくしたノズルＮｏ．４をそれぞれ用いた例では、ドット形成不良の発生が抑えられ、画像品位が向上した。ノズルＮｏ．３では、僅かにドット形成不良が発生する場合もあったが、ノズルＮｏ．４では、ドット形成不良が全く発生せず、画像品位は非常に良好であった。なお、ノズルＮｏ．３とＮｏ．４のＳSb／ＳLb比は、それぞれ１．５９と１．２９である。
【００４６】
また、ノズルＮｏ．２に比べてノズルフィルタ８の径を大きくして流抵抗ＳSbを大きくしたノズルＮｏ．５を用いた例では、ドット形成不良はあまり発生せず、画像品位は良好であった。そのＳSb／ＳLb比は１．３２である。
【００４７】
以上の結果から、小液滴の吐出状態を良好に維持するためには、共通液室６方向への発泡パワーの逃げを抑え、共通液室６を介したクロストークを抑えることが重要であることがわかる。定量的には、共通液室６方向への発泡パワーの逃げを計算してそれを所定量以下に抑えるために、前記した計算式に基づいて各寸法等を設定することが重要である。そして、小液滴用インク流路５ｂから共通液室６への発泡パワーの逃げ分に相当するＳSb／ＳLb比が、少なくとも１．９３未満でなければならず、１．５９以下であるとより好ましい。また、流抵抗ＳSbの絶対値も、前記した流抵抗計算によれば３８４μｍ2未満でなければならず、３１７μｍ2以下であるとより好ましい。
【００４８】
以上のように、前記した計算によって各部分の寸法や流抵抗を決定することにより、小液滴用インク流路５ｂにおいて発泡パワーが共通液室６方向へ逃げることによるクロストークが低減され、液滴吐出が安定化してドット形成不良等の記録不良が防止され、高品位な画像形成が可能になる。
【００４９】
［第２の参考例］
次に第２の参考例のインクジェット記録ヘッドについて、図３を参照して説明する。第１の参考例と同一の部分については説明を省略する。
【００５０】
本参考例では、ＨL＝ＨSかつＷL＞ＷSである。ＷSを含む各部分の寸法は第１の参考例と同様の計算によって求められる。
【００５１】
第１の参考例では、小液滴用インク流路５ｂが長くなりインクジェット記録ヘッド全体が大きくなるという問題があるのに対して、本参考例では、インクジェット記録ヘッドを大きくすることなく小液滴用インク流路５ｂの流抵抗ＳSbを大きくすることができる。
【００５２】
［第１の実施形態］
次に本発明のインクジェット記録ヘッドの第１の実施形態について、図４を参照して説明する。第１，２の参考例と同一の部分については説明を省略する。
【００５３】
本実施形態では、ＨL＝ＨSかつＷL＞ＷSであり、小液滴圧力室４ｂの幅よりも小液滴用インク流路５ｂの幅が狭い。すなわち、大液滴用インク流路５ａは大液滴圧力室４ａと同幅でストレートに接続されているのに対して、小液滴用インク流路５ｂは小液滴圧力室４ｂよりも幅が狭く、インクの流れにおける絞り部になっている。なお、各部の寸法は第１の参考例と同様の計算によって決められる。
【００５４】
第２の参考例の構成では、小液滴用インク流路５ｂ全体の幅が狭くヒータ４ｂの形状が細長くなり、ヒータ４ｂの寸法設計に制約を受け、駆動設計やヒータ膜抵抗設計に制約を受けやすい。また、ヒータ４ｂの短辺方向のノズルの位置ずれが吐出方向に影響し易い。さらに、長期使用などによって発泡有効面積が変化したときに発泡有効面積の変化率が大きくなるなどの問題がある。これに対して、本実施形態では、ヒータ４ｂの寸法設計の自由度が大きく、駆動設計やヒータ膜設計の自由度が大きい。また、ヒータ４ｂの形状を正方形にできるのでノズルの位置ずれが吐出方向へ与える影響を最小にでき、長期使用時の発泡有効面積の変化率を最小にできる。その他の構成は第１の参考例と同様である。
【００５５】
［第２の実施形態］
次に本発明のインクジェット記録ヘッドの第２の実施形態について、図５を参照して説明する。第１，２の参考例および第１の実施形態と同一の部分については説明を省略する。
【００５６】
本実施形態では、小液滴用インク流路５ｂに対応するノズルフィルタ８ｂの径が大きい。それ以外の構成は第１の実施形態の構成と同じである。ノズルフィルタ８ｂの径を含む各部分の寸法は、第１の参考例と同様の計算によって求められる。
【００５７】
本実施形態では、小液滴用インク流路５ｂの幅ＷSをそれほど極端に狭くしなくても、ノズルフィルタ８ｂを大きくすることによって流抵抗ＳSbを増やして最適化できる。従って、インク流路５ｂの製法公差の影響をそれほど受けず、小液滴用のノズルの流抵抗ＳSbのばらつきがあまり大きくなりにくい。また、小液滴用インク流路５ｂの幅ＷSがそれほど狭くなく、かつノズルフィルタ８ｂが大きいので、ごみがつまりにくい。
【００５８】
［第３の参考例］
次に第３の参考例のインクジェット記録ヘッドについて、図６を参照して説明する。第１，２の参考例と同一の部分については説明を省略する。
【００５９】
本参考例では、小液滴用ノズルと大液滴用ノズルとが、同一列に交互に配置されている。それ以外の構成は第１の参考例と同じである。
【００６０】
本参考例では、大液滴用インク流路５ａ間の間隔も、小液滴用インク流路５ｂ間の間隔も広くできるので、大液滴のみ、または小液滴のみを使用して高速印字をするときの、大液滴用インク流路５ａ間の、または小液滴用インク流路５ｂ間のクロストークや気流の影響を低減でき、吐出を安定化し、高品位な画像を高速に印字することが可能になる。
【００６１】
［第４の参考例］
次に第４の参考例のインクジェット記録ヘッドについて、図７を参照して説明する。第１〜３の参考例と同一の部分については説明を省略する。
【００６２】
本参考例では、小液滴用ノズルと大液滴用ノズルとが、同一列に交互に配置されている。それ以外の構成は第２の参考例と同じである。従って、第３の参考例と同様に、大液滴のみまたは小液滴のみを使用して高速印字をするときの、クロストークや気流の影響を低減でき、吐出を安定化して高品位な画像を高速に印字することが可能になる。そして、第２の参考例と同様に、インクジェット記録ヘッドを大きくすることなく小液滴用インク流路５ｂの流抵抗ＳSbを大きくすることができる。
【００６３】
［第３の実施形態］
次に本発明のインクジェット記録ヘッドの第３の実施形態について、図８を参照して説明する。第１〜４の参考例および第１，２の実施形態と同一の部分については説明を省略する。
【００６４】
本実施形態では、小液滴用ノズルと大液滴用ノズルとが、同一列に交互に配置されている。それ以外の構成は第１の実施形態と同じである。従って、第１の実施形態と同様に、ヒータ４ｂの寸法設計の自由度が大きく、ノズルの位置ずれが吐出方向へ与える影響を最小にでき、長期使用時の発泡有効面積の変化率を最小にできる。さらに、第４の参考例と同様に、大液滴のみまたは小液滴のみを使用して高速印字をするときのクロストークや気流の影響を低減でき、吐出を安定化して高品位な画像を高速に印字することが可能になり、インクジェット記録ヘッドを大きくすることなく小液滴用インク流路５ｂの流抵抗ＳSbを大きくすることができる。
【００６５】
［第４の実施形態］
次に本発明のインクジェット記録ヘッドの第４の実施形態について、図９を参照して説明する。第１〜４の参考例および第１〜３の実施形態と同一の部分については説明を省略する。
【００６６】
本実施形態では、小液滴用ノズルと大液滴用ノズルとが、同一列に交互に配置され、小液滴用インク流路５ｂに対応するノズルフィルタ８ｂの径が大きい。それ以外の構成は第３の実施形態と同じである。従って、第１の実施形態と同様に、ヒータ４ｂの寸法設計の自由度が大きく、ノズルの位置ずれが吐出方向へ与える影響を最小にでき、長期使用時の発泡有効面積の変化率を最小にできる。さらに、第４の参考例と同様に、大液滴のみまたは小液滴のみを使用して高速印字をするときのクロストークや気流の影響を低減でき、吐出を安定化して高品位な画像を高速に印字することが可能になり、インクジェット記録ヘッドを大きくすることなく小液滴用インク流路５ｂの流抵抗ＳSbを大きくすることができる。そして、第２の実施形態と同様に、小液滴用のノズルの流抵抗ＳSbのばらつきがあまり大きくなりにくく、ごみがつまりにくい。
【００６７】
［第５の実施形態］
次に本発明のインクジェット記録ヘッドの第５の実施形態について、図１０を参照して説明する。第１〜４の参考例および第１〜４の実施形態と同一の部分については説明を省略する。
【００６８】
本実施形態では、小液滴圧力室４ｂの幅よりも小液滴用インク流路５ｂの幅が狭く、大液滴圧力室４ａの幅よりも大液滴用インク流路５ａの幅が狭く、小液滴用インク流路５ｂも大液滴用インク流路５ａも、インクの流れにおける絞り部になっている。すなわち、大液滴圧力室の幅をＷRL、大液滴用インク流路幅をＷL、小液滴圧力室の幅をＷRS、小液滴用インク流路幅をＷSとすると、ＷRL≒ＷRSで、ＷL＞ＷS、かつＷS／ＷRS＜ＷL／ＷRLである。それ以外の構成は第１の実施形態と同じである。従って、小液滴用インク流路５ｂのみならず大液滴用インク流路５ａにおいても、インクジェット記録ヘッドを大きくすることなく流抵抗を大きくすることができる。また、ヒータ４ａ，４ｂの寸法設計の自由度が大きく、ノズルの位置ずれが吐出方向へ与える影響を最小にでき、長期使用時の発泡有効面積の変化率を最小にできる。
【００６９】
【実施例】
本出願人は、多数のノズルを形成してその記録特性を判断した。そのうち、良好な記録が達成できたものについて、ヒータサイズ、圧力室容積、圧力室幅を表２中Ｎｏ．４〜２７に示している。Ｎｏ．１〜３まではさらにヒータサイズを小さくできたときの参考設計例である。
【００７０】
【表２】
【発明の効果】
本発明によると、小さなインク滴と大きなインク滴とを吐出可能なインクジェット記録ヘッドにおいて、小さなインク滴を吐出するノズルでも、損失が小さくエネルギー効率が向上できる。また、インク流路間のクロストークを防止し、吐出を安定化させて高品位な画像を安定して形成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は第１の参考例のインクジェット記録ヘッドの基本構成を示す概略平面図、（ｂ）はその断面図である。
【図２】（ａ）は図１に示す第１の参考例のインクジェット記録ヘッドの一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。
【図３】（ａ）は第２の参考例のインクジェット記録ヘッドの一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】（ａ）は本発明のインクジェット記録ヘッドの第１の実施形態の一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＣ−Ｃ線断面図である。
【図５】（ａ）は本発明のインクジェット記録ヘッドの第２の実施形態の一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＤ−Ｄ線断面図である。
【図６】（ａ）は第３の参考例のインクジェット記録ヘッドの一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＥ−Ｅ線断面図である。
【図７】（ａ）は第４の参考例のインクジェット記録ヘッドの一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＦ−Ｆ線断面図である。
【図８】（ａ）は本発明のインクジェット記録ヘッドの第３の実施形態の一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＧ−Ｇ線断面図である。
【図９】（ａ）は本発明のインクジェット記録ヘッドの第４の実施形態の一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＨ−Ｈ線断面図である。
【図１０】（ａ）は本発明のインクジェット記録ヘッドの第５の実施形態の一部を省略した要部拡大平面図、（ｂ）はそのＩ−Ｉ線断面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ インク供給口
３ａ 大液滴吐出口
３ｂ 小液滴吐出口
４ａ 大液滴圧力室
４ｂ 小液滴圧力室
５ａ 大液滴用インク流路
５ｂ 小液滴用インク流路
６ 共通液室
７ａ，７ｂ 電気熱変換素子（ヒータ）
８，８ｂ ノズルフィルタ
９ 吐出口プレート
Claims (31)
- 共通液室から分岐している複数のインク流路に圧力室がそれぞれ接続され、前記圧力室に吐出口がそれぞれ連通し、前記圧力室内には電気熱変換素子がそれぞれ配設されており、前記共通液室から前記圧力室に供給されたインクを、前記電気熱変換素子の発熱により前記圧力室内に発生した圧力によって前記吐出口から吐出可能なインクジェット記録ヘッドにおいて、
複数の前記圧力室は、小液滴を吐出させるための小液滴圧力室と、大液滴を吐出させるための大液滴圧力室とを含み、
前記小液滴圧力室に接続されている小液滴用の前記インク流路と、前記小液滴圧力室と、前記大液滴圧力室に接続されている大液滴用の前記インク流路と、前記大液滴圧力室に関し、前記各インク流路から前記各圧力室へ向かうインクの流れに対して垂直な断面を見ると、
前記小液滴用インク流路の断面積ＳSと、前記小液滴圧力室の断面積ＳRSと、前記大液滴用インク流路の断面積ＳLと、前記大液滴圧力室の断面積ＳRLとの間に、
ＳS／ＳRS＜ＳL／ＳRL
の関係が成り立つことを特徴とする、インクジェット記録ヘッド。 - 前記小液滴圧力室の断面積ＳRSと前記大液滴圧力室の断面積ＳRLと、前記小液滴圧力室から吐出される小液滴のインク量ＩSと前記大液滴圧力室から吐出される大液滴のインク量ＩLとの間に、
ＳRS／ＳRL＞ＩS／ＩL
の関係が成り立つ、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。 - １≧ＳRS／ＳRL≧０．５である、請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
- １≧ＳRS／ＳRL≧０．７である、請求項３に記載のインクジェット記録ヘッド。
- 前記小液滴圧力室の容積ＶRSと前記大液滴圧力室の容積ＶRLと、前記小液滴圧力室から吐出される小液滴のインク量ＩSと前記大液滴圧力室から吐出される大液滴のインク量ＩLとの間に、
ＶRS／ＶRL＞ＩS／ＩL
の関係が成り立つ、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。 - １≧ＶRS／ＶRL≧０．３である、請求項５に記載のインクジェット記録ヘッド。
- １≧ＶRS／ＶRL≧０．５である、請求項６に記載のインクジェット記録ヘッド。
- 前記小液滴圧力室の断面積ＳRSと前記大液滴圧力室の断面積ＳRLとが等しい、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
- １≧ＳRS／ＳRL≧０．９である、請求項８に記載のインクジェット記録ヘッド。
- 前記小液滴圧力室の容積ＶRSと前記大液滴圧力室の容積ＶRLとが等しい、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
- １≧ＶRS／ＶRL≧０．８である、請求項１０に記載のインクジェット記録ヘッド。
- ＳL＝ＳRLかつＳS＜ＳRSである、請求項８〜１１のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
-
- ＳLb≦ＳSb≦１．５９ＳLbである請求項１３に記載のインクジェット記録ヘッド。
-
-
-
-
- 前記流抵抗Ｒfは前記吐出口の流抵抗である、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
- 前記小液滴用のインク流路では、
- 前記小液滴用のインク流路では、
- 前記小液滴のインク量は４ｐｌ未満である、請求項１〜２１のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
- 前記吐出口と前記電気熱変換素子との間の距離は、吐出するインク滴の大きさにかかわらず等しい、請求項１〜２２のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
- 前記吐出口は、吐出するインク滴の大きさにかかわらず同一の基板上に形成されている、請求項１〜２３のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
- 前記共通液室の一辺には、同じ大きさのインク滴を吐出するための前記インク流路と前記圧力室と前記吐出口のみが並んで接続されている、請求項１〜２４のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
- 前記共通液室の一辺には、異なる大きさのインク滴を吐出するための前記インク流路と前記圧力室と前記吐出口が交互に並んで接続されている、請求項１〜２４のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
- 前記インク流路と前記共通液室との間には、ノズルフィルタが設けられている、請求項１〜２６のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
- 前記小液滴用のインク流路と前記共通液室の間に設けられているノズルフィルタは、前記大液滴用のインク流路と前記共通液室の間に設けられているノズルフィルタよりも大きい、請求項２７に記載のインクジェット記録ヘッド。
- 前記圧力室内で駆動される電気熱変換素子の駆動パルス幅Ｐｗが１．４μｓ以下である、請求項１〜２８のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
- 前記電気熱変換素子の駆動パルス幅Ｐｗが１．２μｓ以下である、請求項２９に記載のインクジェット記録ヘッド。
- 共通液室から分岐している複数のインク流路に圧力室がそれぞれ接続され、前記圧力室に吐出口がそれぞれ連通し、前記圧力室内には電気熱変換素子がそれぞれ配設されており、前記共通液室から前記圧力室に供給されたインクを、前記電気熱変換素子の発熱により前記圧力室内に発生した圧力によって前記吐出口から吐出可能なインクジェット記録ヘッドにおいて、
複数の前記圧力室は、液滴を吐出させるための第１の圧力室と、前記第１の圧力室から吐出される液滴よりも大きい液滴を吐出させるための第２の圧力室とを含み、
前記第１の圧力室と、前記第１の圧力室に接続されている第１のインク流路と、前記第２圧力室と、前記第２の圧力室に接続されている第２のインク流路と、に関し、前記各インク流路から前記各圧力室へ向かうインクの流れに対して垂直な断面を見ると、
前記第１のインク流路の断面積Ｓ S と、前記第１の圧力室の断面積Ｓ RS と、前記第２のインク流路の断面積Ｓ L と、前記第２の圧力室の断面積Ｓ RL との間に、
Ｓ S ／Ｓ RS ＜Ｓ L ／Ｓ RL
の関係が成り立つことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
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