JP4757050B2 - インクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録方法 - Google Patents

Description

本発明は、インク滴を吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録方法に関する。

インクジェット記録方式は、いわゆるノンインパクト記録方式の一つである。このインクジェット記録方式は、記録時に発生する騒音が無視し得る程度に小さく、高速記録が可能である。また、インクジェット記録方式は、種々の被記録材に対して記録が可能であり、いわゆる普通紙に対しても特別な処理を必要とせずにインクが定着して、しかも高精細な画像が廉価に得られる。このような利点から、インクジェット記録方式は、コンピューターの周辺機器としてのプリンタばかりでなく、複写機、ファクシミリ、ワードプロセッサ等の記録手段として近年急速に普及している。

一般的に利用されているインクジェット記録方式のインク吐出方法には、インク滴を吐出するために用いられる吐出エネルギ発生素子として、ヒータを用いる方法と、ピエゾ素子を用いる方法がある。いずれの方法においても電気信号によってインク滴の吐出を制御することができる。ヒータを用いるインク吐出方法の原理は、ヒータに電圧を印加することにより、ヒータ近傍のインクを瞬時に沸騰させて、沸騰時のインクの相変化により生じる急激な発泡圧によってインク滴を高速に吐出させる。一方、ピエゾ素子を用いるインク吐出方法の原理は、ピエゾ素子に電圧を印加することにより、ピエゾ素子が変位してこの変位時に発生する圧力によってインク滴を吐出させる。

ヒータを用いるインク吐出方法は、吐出エネルギ発生素子を配設するためのスペースを大きく確保する必要がなく、記録ヘッドの構造が簡素で、ノズルの集積化が容易であること等の利点がある。

この種のインクジェット記録ヘッドは、インクを吐出するノズルが複数配列されてなるノズル列を備えている。ノズル列は、インクを吐出する開口である吐出口と、吐出口に対応して設けられたインクを吐出させるためのヒータと、ヒータによって気泡が発生する発泡室と、吐出口および発泡室にインクを供給する供給路とを有している。また、このインクジェット記録ヘッドは、各ノズルの供給路の発泡室側とは反対側の端部に連通され、ノズル列に沿って延在する貫通口を有する共通液室を備えている。

また、以上のように構成されたインクジェット記録ヘッドでは、供給液室に供給されたインクが、ノズル列を構成する各ノズルの供給路を通って発泡室側に供給され、発泡室内に充填される。発泡室内に充填されたインクは、ヒータによって膜沸騰されて発生する気泡によって、素子基板の主面、すなわちヒータの主面に対してほぼ直交する方向に飛翔されて、吐出口からインク滴として吐出される。

吐出口から吐出されて飛翔するインク滴は、素子基板の主面（ヒータの主面）に対してほぼ垂直方向に飛翔し、テールと呼ばれるインクの尾引きを形成する。そして、時間経過とともにそのテールがサテライトと呼ばれる複数のインク小滴に分裂して、先頭の主滴に続いて飛翔する。

このため、被記録材に対して往復走査する記録ヘッドでは、インクの主滴が先に被記録材に付着して記録ドットを形成した後、サテライトが被記録材上の記録ドットから外れた位置に付着してインクの散りが形成される不都合があった。

このようなインクの散りを防止するために、従来のインクジェット記録ヘッドとしては、記録ヘッドの走査方向と直交する吐出口の中心線の両側に、第１加熱部と第２加熱部が設けられる構成が開示されている（例えば特許文献１参照。）。このインクジェット記録ヘッドでは、往復走査するときに、第１または第２加熱部のうち、反走査方向側の加熱部を加熱することで、吐出口の中心線の反走査方向側から走査方向側に向けてインク滴を飛して、インクの散りを防止している。
特開平０８−０４８０３４号公報

ところで、従来のインクジェット記録ヘッドにおいて、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、発泡室１１３内に配置されたヒータ１１２が加熱され、吐出口１１１から吐出されるインク滴のテールの状態について説明する。

インクジェット記録ヘッド、すなわち吐出口１１１が形成されたオリフィス基板や、インクが供給される貫通口が設けられた素子基板、またはインクの温度に伴って、インク滴のテールの状態が変化する。記録ヘッドまたはインクの温度が、例えば２５℃程度の常温状態では、図７（ｂ）に示すように、先頭の主滴の飛翔した軌道に沿ってテールが形成され、その後、サテライトも主滴と同じ軌道に沿って飛翔する。

しかしながら、例えば５０℃程度に昇温した状態では、図７（ｃ）に示すように、常温で吐出口１１１の中心軸線に沿って延びていたテールが、吐出口１１１内または発泡室１１３内でノズル配列方向と垂直な方向に向かって曲がってしまう。これは、記録ヘッドまたはインクが昇温した状態で、インクの粘度の低下や発泡パワーの増大に伴って、テールが、吐出口１１１内または発泡室１１３内でノズル配列方向と垂直な方向に対して非対称な速度分布を持つためである。

そして、吐出口１１１の中心軸線に対して曲げられたテールが、主滴の軌道から外れてサテライトとなるので、吐出口１１１近傍にインクが付着しやすくなり、その付着したインクと次イベントの吐出（次に吐出されたインクと）が干渉して乱れた吐出状態となる。その結果、サテライトが被記録材の記録面に着弾したときに、常温時と昇温時とではドット形成が異なってしまい、昇温時に画像劣化を発生させることがあった。さらに、最悪の場合には印字ヨレや不吐を引き起こすことがあった。

そこで、本発明は、インクまたは記録ヘッドの昇温時であっても常温時とほぼ同等のインク滴を形成するように制御し、インクの吐出動作の信頼性を向上することができるインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係るインクジェット記録ヘッドは、インクを吐出する吐出口と、吐出口に対応して設けられインクを吐出させるためのヒータと、ヒータによって気泡が発生する発泡室と、吐出口および発泡室にインクを供給する供給路とを有するノズルが複数配列されたノズル列と、
供給路に連通され供給路にインクを供給する共通液室と、を備えるインクジェット記録ヘッドにおいて、
ヒータは、各ノズルの発泡室に配列された、吐出口に対向して位置する第１のヒータ及び他のヒータと、第１のヒータ及び他のヒータに対して共通液室側に位置する第２のヒータ及び更に他のヒータと、を含み、
ノズル内のインクまたはインクジェット記録ヘッドの温度を検出する温度検出手段と、
温度検出手段が検出した温度が常温時には第１のヒータ及び他のヒータを選択的に加熱し、温度検出手段が検出した温度が常温よりも高い昇温時には第２のヒータ及び更に他のヒータを選択的に加熱し、発泡室内での発泡位置を切り替える制御手段と、を備える。

上述したように、本発明によれば、記録ヘッドまたはインクの温度の常温時と昇温時のドット形成、印字ヨレ、不吐が発生することを抑制し、インク吐出動作の安定性を向上することができる。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図２に第１の実施形態のインクジェット記録ヘッドを示す。図１および図２に示すように、第１の実施形態のインクジェット記録ヘッド１は、オリフィス基板６と素子基板７が接合されて構成されており、インクを吐出するノズル８が複数配列されてなるノズル列を備えている。各ノズル８は、インクを吐出する吐出口１１と、この吐出口１１に対応して設けられインクを吐出させるためのヒータ１２と、ヒータ１２によって気泡が発生する発泡室１３と、吐出口１１および発泡室１３にインクを供給する供給路１４とを有している。

また、インクジェット記録ヘッド１は、供給路１４の発泡室１３側と反対側の端部と連通され、ノズル列の配列方向に沿って延在する貫通口であるインク供給口１５を有する共通液室１６を備えている。

各ノズル８の発泡室１３内には、第１および第２のヒータ１２ａ，１２ｂが、ノズル列の配列方向と直交する方向に沿って配列されている。第１および第２のヒータ１２ａ，１２ｂは、主面の面積がほぼ等しく形成されている。また、各ノズル８の吐出口１１は、第１のヒータ１２ａに対向して配置されている。第２のヒータ１２ｂは、第１のヒータ１２ａよりも共通液室１６側に位置されている。

そして、本実施形態のインクジェット記録ヘッド１は、インクまたは記録ヘッドの温度を検出する温度検出部２１と、この温度検出部２１が検出した温度に応じて、第１、第２のヒータ１２ａ，１２ｂのいずれかを選択的に加熱する制御部２２とを備えている。

温度検出部２１は、オリフィス基板６、素子基板７の温度、またはノズル８内を流れるインクの温度を検出する検出素子（不図示）を有している。制御部２２は、ＣＰＵ等を有しており、温度検出部２１の検出素子に電気的に接続されている。

各ノズル８における第１および第２のヒータ１２ａ，１２ｂは、制御部２２によって選択的に加熱されることで、インクまたは記録ヘッドの常温時よりも昇温時の方が、共通液室１６側寄りで発泡するように構成されている。すなわち、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの各ノズル８は、図２（ｂ）に示すように、常温時に共通液室１６と反対側の第１のヒータ１２ａが加熱されるように制御される。また、各ノズル８は、図２（ｃ）に示すように、昇温時に共通液室１６側の第２のヒータ１２ｂが加熱されるように制御される。なお、図２（ｂ），（ｃ）において、「オン」状態にされて選択的に加熱されるヒータを黒塗りで示し、「オフ」状態にされて加熱されないヒータを白抜きで示している。

このように第１および第２のヒータ１２ａ，１２ｂのうちで、加熱するヒータを選択的に切り替えることで、発泡室１３内における発泡位置が変更される。通常、昇温時には、図７（ｃ）に示したように、共通液室１６側へ大きくテールが曲がってしまう滴形成の挙動を、図２（ｃ）に示すように、吐出口１１の中心軸線に沿って延びる真っ直ぐなテールを形成することができる。これにより、上述したサテライトによる常温時と昇温時のドット形成差、印字ヨレ、不吐の発生が抑制される。

また、第１および第２のヒータ１２ａ，１２ｂのうちで選択的に加熱されるヒータによる発泡に寄与する領域の総面積（有効発泡面積）が、インクまたは記録ヘッドの常温時と昇温時とで一定にされている。

したがって、本実施形態のインクジェット記録ヘッド１によれば、常温時と昇温時に、第１および第２のヒータ１２ａ，１２ｂのいずれかを選択的に加熱することで、インクまたは記録ヘッドの温度に応じて、発泡室１３内での発泡位置が切り替えられる。このため、各ノズル８内のメニスカスによる速度分布が、吐出口１１の中心軸線に対して対称になり、常温時と昇温時のドット形成、印字ヨレ、不吐が発生することが防止され、インク吐出動作の安定性を向上することができる。

（第２の実施形態）
つぎに、上述した第１の実施形態では、各ノズル８の発泡室１３内に２つのヒータ１２ａ，１２ｂが配列される構成が採られたが、発泡室内に３つのヒータが配列された第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドについて図面を参照して説明する。

図３に、第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドを示す。図３に示すように、第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドでは、１つのノズル８に対応する１つの発泡室１３内に、３つの第１、第２、第３のヒータ３２ａ，３２ｂ，３２ｃが、ノズル列の配列方向と直交する方向に沿って配列されている。

第１、第２、第３のヒータ３２ａ，３２ｂ，３２ｃは、主面の面積がほぼ等しく形成されている。また、各ノズル８の吐出口１１は、第１のヒータ３２ａと第２のヒータ３２ｂとの境界に対向して配置されている。第３のヒータ３２ｃは、第２のヒータ３２ｂよりも共通液室１６側に位置されている。

そして、本実施形態のインクジェット記録ヘッドも、第１の実施形態と同様に、インクまたは記録ヘッドの温度を検出する温度検出部２１を備えている。また、本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、温度検出部２１が検出した温度に応じて、第１、第２、第３のヒータ３２ａ，３２ｂ，３２ｃのいずれかを選択的に加熱する制御部２２を備えている。

常温時には、共通液室１６の反対側に位置する２つの第１および第２のヒータ３２ａ，３２ｂが加熱されて、これら第１のヒータ３２ａと第２のヒータ３２ｂとに跨って気泡が発生する。また昇温時には、共通液室１６側に位置する２つの第２および第３のヒータ３２ｂ，３２ｃが加熱されて、第２のヒータ３２ｂと第３のヒータ３２ｃとに跨って気泡が発生する。

すなわち、配列された第１、第２、第３のヒータ３２ａ，３２ｂ，３２ｃは、常温時よりも昇温時の方が、共通液室１６側寄りの位置で発泡する。したがって、昇温時には、共通液室１６側で発泡することで、吐出口１１の中心軸線に沿ってテールが形成される。

このように、制御部２２によって、各ノズル８において３つの第１、第２、第３のヒータ３２ａ，３２ｂ，３２ｃのうちで、加熱させるヒータを切り替えることによって、発泡室１３内で気泡が生じる発泡位置が切り替えられる。これにより、通常、昇温時には、図７に示したように、共通液室側へ向かってテールが延びる方向が大きく曲がってしまう滴形成の挙動を、図３（ｃ）に示すように、吐出口１１の中心軸線に沿って真っ直ぐに延びるテールを形成することができる。これにより、上述したサテライトの常温時と昇温時のドット形成差、印字ヨレ、不吐の発生を抑制することができる。

（他の実施形態）
続いて、上述した第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドでは、ノズル８の吐出口１１近傍部分が直線状に形成されたが、必要に応じてノズル８の形状が部分的に変更されてもよい。ノズル８の吐出口１１近傍の形状が異なる第３および第４の実施形態について図面を参照して簡単に説明する。なお、便宜上、第３および第４の実施形態において、第２の実施形態と同一部材には同一符合を付して説明を省略する。

第３の実施形態として、図４に示すように、吐出口１１から発泡室１３にかけて内径が段階的に変化するように形成されたノズルにおいても、昇温時に吐出口１１の中心軸線に沿ってテールが形成され、上述した作用、効果が同様に得られる。

また、図５に示すように、第４の実施形態として、吐出口１１の開口側に向かって吐出口１１の内径が無段階で次第に大きくされたいわゆるテーパ形状に形成されたノズルにおいても、上述した作用、効果が同様に得られる。

また、図６に、第５の実施形態のインクジェット記録ヘッドを示す。本実施形態のインクジェット記録ヘッドでは、１つのノズル８に対応する１つの発泡室１３内に、３つの第１、第２、第３、第４のヒータ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄが、ノズル列の配列方向と直交する方向に沿って配列されている。

第１、第２、第３のヒータ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄは、主面の面積がほぼ等しく形成されている。また、各ノズル８の吐出口１１は、第１のヒータ４２ａと第２のヒータ４２ｂとの境界に対向して配置されている。第３のヒータ４２ｃは、第２のヒータ４２ｂよりも共通液室１６側に位置され、第４のヒータ４２ｄはさらに共通液室１６側に位置されている。

そして、本実施形態のインクジェット記録ヘッドも、第１の実施形態と同様に、インクまたは記録ヘッドの温度を検出する温度検出部２１を備えている。また、本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、温度検出部２１が検出した温度に応じて、第１、第２、第３、第４のヒータ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄのいずれかを選択的に加熱する制御部２２を備えている。

常温時（例えば２５℃程度）には、図６（ｂ）に示すように、２つの第１および第２のヒータ４２ａ，４２ｂが加熱されて、これら第１のヒータ４２ａと第２のヒータ４２ｂとに跨って気泡が発生する。また常温に比べやや昇温したとき（例えば４０℃程度）には、図６（ｃ）に示すように、２つの第２および第３のヒータ４２ｂ，４２ｃが加熱されて、第２のヒータ４２ｂと第３のヒータ４２ｃとに跨って気泡が発生する。さらに昇温したとき（例えば５０℃程度）には、図６（ｄ）に示すように、２つの第３および第４のヒータ４２ｃ，４２ｄが加熱されて、第３のヒータ４２ｃと第４のヒータ４２ｄとに跨って気泡が発生する。

すなわち、配列された第１、第２、第３、第４のヒータ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄは、常温時から昇温するのに従って、段階的に、共通液室１６側に向かって発泡位置が徐々に移動する。したがって、昇温するのに従って、共通液室１６側に発泡位置が移動することで、常に吐出口１１の中心軸線に沿ってテールが形成される。

このように、制御部２２によって、各ノズル８において３つの第１、第２、第３、第４のヒータ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄのうちで、加熱させるヒータを切り替えることによって、発泡室１３内で気泡が生じる発泡位置が切り替えられる。これにより、通常、昇温時には、図７に示したように、共通液室１６側へ向かってテールが延びる方向が大きく曲がってしまう滴形成の挙動を、図６（ｃ），（ｄ）に示すように、吐出口１１の中心軸線に沿って真っ直ぐに延びるテールを形成することができる。これにより、上述したサテライトの常温時と昇温時のドット形成差、印字ヨレ、不吐の発生を抑制することができる。

第１の実施形態のインクジェット記録ヘッドを示す模式図である。 第１の実施形態のインクジェット記録ヘッドを説明するための模式図である。 第２の実施形態のインクジェット記録ヘッドを示す模式図である。 第３の実施形態のインクジェット記録ヘッドを示す模式図である。 第４の実施形態のインクジェット記録ヘッドを示す模式図である。 第５の実施形態のインクジェット記録ヘッドを示す模式図である。 従来のインクジェット記録ヘッドにおけるインク滴のテールを説明するための模式図である。

符号の説明

１ インクジェット記録ヘッド
６ オリフィス基板
７ 素子基板
８ ノズル
１１ 吐出口
１２ａ 第１のヒータ
１２ｂ 第２のヒータ
１３ 発泡室
１４ 供給路
１５ インク供給口
１６ 共通液室
２１ 温度検出部
２２ 制御部

Claims (2)

1. インクを吐出する吐出口と、前記吐出口に対応して設けられインクを吐出させるためのヒータと、前記ヒータによって気泡が発生する発泡室と、前記吐出口および前記発泡室にインクを供給する供給路とを有するノズルが複数配列されたノズル列と、
   前記供給路に連通され前記供給路にインクを供給する共通液室と、を備えるインクジェット記録ヘッドにおいて、
   前記ヒータは、前記各ノズルの前記発泡室に配列された、前記吐出口に対向して位置する第１のヒータ及び他のヒータと、該第１のヒータ及び他のヒータに対して前記共通液室側に位置する第２のヒータ及び更に他のヒータと、を含み、
   前記ノズル内のインクまたは前記インクジェット記録ヘッドの温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段が検出した温度が常温時には前記第１のヒータ及び前記他のヒータを選択的に加熱し、前記温度検出手段が検出した温度が常温よりも高い昇温時には前記第２のヒータ及び前記更に他のヒータを選択的に加熱し、前記発泡室内での発泡位置を切り替える制御手段と、を備えることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. インクを吐出する吐出口と、前記吐出口に対応して設けられインクを吐出させるためのヒータと、前記ヒータによって気泡が発生する発泡室と、前記吐出口および前記発泡室にインクを供給する供給路とを有するノズルが複数配列されたノズル列と、
   前記供給路に連通され前記供給路にインクを供給する共通液室と、を備え、
   前記ヒータは、各前記ノズルの前記発泡室に配列された、前記吐出口に対向して位置する第１のヒータ及び他のヒータと、該第１のヒータ及び他のヒータに対して前記共通液室側に位置する第２のヒータ及び更に他のヒータと、を含む、インクジェット記録ヘッドからインクを吐出して記録を行うインクジェット記録方法であって、
   前記ノズル内のインクまたはインクジェット記録ヘッドの温度が常温時には前記第１のヒータ及び前記他のヒータを選択的に加熱し、前記温度が常温よりも高い昇温時には前記第２のヒータ及び前記更に他のヒータを選択的に加熱し、前記発泡室内での発泡位置を切り替えることを特徴とするインクジェット記録方法。

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