JP5863336B2 - インクジェット記録ヘッドおよびインク吐出方法 - Google Patents

Description

本発明は、インクを吐出して記録媒体に記録を行うインクジェット記録ヘッドおよびインク吐出方法に関する。

記録装置には、インクを吐出して用紙等の記録媒体に記録を行うインクジェット式のものがある。インクジェット記録装置には、一般的に、インクを吐出可能なインクジェット記録ヘッドが搭載される。

インクジェット記録ヘッドでは、発熱素子を用いたインクの吐出方式が広く用いられている。このようなインクジェット記録ヘッドでは、複数設けられた圧力室内の発熱素子によってインクに熱エネルギを加えてインクを膜沸騰させることにより、各圧力室内で気泡を発生させる。当該気泡が発生する際に、気泡の周囲のインクに圧力が加わることにより、圧力室内のインクが発熱素子に対向配置された吐出口からインクが吐出される。

発熱素子を用いた方式のインクジェット記録ヘッドでは、通常、発熱素子上に発生させられた気泡は、インクの吐出後の吐出口から圧力室内に流入してきた外気に連通し、外気とともに吐出口から放出される。しかし、発生させられた気泡が発熱素子上に留まり、気泡がインクによって発熱素子に向かう方向に押し潰され、気泡が発熱素子の側方に勢いよく分裂する、いわゆる、キャビテーションという現象が生じることがある。キャビテーションが生じると、インクが発熱素子に勢いよく衝突するため、発熱素子が損傷を受けることがある。

特許文献１にキャビテーションの発生の抑制が図られたインクジェット記録ヘッドが開示されている。このインクジェット記録ヘッドでは、吐出口の位置が、発熱素子に対向する位置から、圧力室にインクを供給する共通液室とは反対側にオフセットされている。

これにより、インクの吐出後における共通液室から吐出口へのインクの供給の際に、発熱素子上には、吐出口に向かう方向へのインクの流れが生じる。そのため、発熱素子上に発生させられた気泡は、インクの流れに従って吐出口の方向に導かれ、外気に連通する。したがって、このインクジェット記録ヘッドでは、発生させられた気泡が発熱素子上に留まることを防止できるため、キャビテーションが発生しにくい。

特開２００８−２３８４０１号公報

近年、記録装置による記録媒体への記録の高画質化や高速化の要求に伴い、インクジェット記録ヘッドでは、吐出口の高密度化が求められている。そのためには、複数の吐出口により構成される吐出口列における吐出口の間隔を狭くするとともに、各吐出口列の間隔も狭くする必要がある。

一方、発熱素子が充分な熱エネルギを発生させるためには、発熱素子を一定以上の大きさにする必要がある。そのため、吐出口列における吐出口の間隔を狭くするには、発熱素子を吐出口の列に直交する方向に細長く形成する必要がある。しかし、この場合、特許文献１に記載のように、吐出口を発熱素子よりインクの流れ方向下流に配置させると、各吐出口列の間隔が広くなってしまう。

そこで、本発明は、発熱素子によって充分な熱エネルギを発生させ、かつ、発熱素子におけるキャビテーションを防止することが可能なインクジェット記録ヘッドおよびインク吐出方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のインクジェット記録ヘッドは、インクを保持する共通液室から複数の圧力室にインクが供給され、該各圧力室の中のインクが吐出口から吐出されるインクジェット記録ヘッドであって、前記圧力室の前記吐出口に対向する面に、熱エネルギを発生する２つの発熱素子が設けられ、他方の前記発熱素子よりも前記共通液室に近い位置にある一方の前記発熱素子は前記共通液室から前記圧力室に向かう方向に長い長方形であり、かつ前記他方の発熱素子よりも面積が大きく、前記２つの発熱素子の間の部分が、前記吐出口に対向しており、前記２つの発熱素子の間の部分と対向する前記吐出口の中心は、前記圧力室の、前記共通液室から前記圧力室に向かう方向の中心よりも前記共通液室から遠い側に位置している。

本発明によれば、発熱素子によって充分な熱エネルギを発生させ、かつ、発熱素子におけるキャビテーションを防止することが可能なインクジェット記録ヘッドおよびインク吐出方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの一部を破断して示した斜視図である。 図１に示したインクジェット記録ヘッドの圧力室付近を示した概略構成図である。 図１に示したインクジェット記録ヘッドの電気配線を示した図である。 図１に示したインクジェット記録ヘッドにおけるインク吐出時の気泡の挙動を示した図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るインクジェット記録ヘッド（以下、「記録ヘッド」ともいう。）１０１の一部を破断して示した斜視図である。記録ヘッド１０１には、インク供給部材１５０、Ｓｉ基板１１０、流路形成部材１１１等が設けられている。

Ｓｉ基板１１０はインク供給部材１５０上に設けられており、Ｓｉ基板には厚さ方向に貫通した共通液室１１２が設けられている。インク供給部材１５０には、インクタンク（不図示）などから供給されたインクを共通液室１１２に導くための流路（不図示）が設けられている。Ｓｉ基板１１０には、他の材料で形成された基板に変更してもよい。基板を形成する材料としては、たとえば、ガラス、セラミックス、樹脂、金属等が挙げられる。

流路形成部材１１１はＳｉ基板１１０上に設けられており、Ｓｉ基板１１０の共通液室１１２にそれぞれインク流路３００を介して連通された複数の圧力室２００が２列に配列されている。各圧力室２００内には、Ｓｉ基板１１０上に形成された２つの発熱素子（ヒータ）４００，４０１と、該発熱素子４００，４０１に対向する位置に形成された吐出口１００がと、が設けられている。

Ｓｉ基板１１０の表面には、熱の発散を促進するための絶縁膜（不図示）が設けられている。また、発熱素子４００，４０１の表面は、該発熱素子４００，４０１を保護するための絶縁膜（不図示）によって被覆されている。

各吐出口１００の列における各吐出口の間隔は、１２００ｄｐｉの記録が可能なように決定されている。本実施形態では、インク流路３００は２１．２μｍの間隔で形成されている。吐出口１００の隣接する各列は、その列方向に吐出口１００の間隔の半ピッチだけ互いにずらされて配置されている。

図２は図１に示した記録ヘッド１０１の圧力室２００付近を拡大して示した概略構成図であり、図２（ａ）は平面透視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

発熱素子４００，４０１は、インク流路３００に近い側から、第１の発熱素子４００、第２の発熱素子４０１の順番に離間して並んでいる。発熱素子４００，４０１はともに矩形状であり、インク流路３００と直交する辺の長さはともに所定の長さＷである。インク流路３００の方向に沿った辺の長さは、第１の発熱素子４００では所定の長さＬ１であり、第２の発熱素子４０１では所定の長さＬ２である。第１の発熱素子４００は第２の発熱素子４０１よりインク流路３００の方向に沿った辺が長く、すなわちＬ１＞Ｌ２の関係が成立する。したがって、第１の発熱素子４００の表面積は第２の発熱素子の表面積より大きい。本実施形態では、長さＷが１０．２μｍであり、長さＬ１が３４．６μｍであり、長さＬ２が８．９μｍである。

本実施形態では、第１の発熱素子４００の有効発泡領域は、第１の発熱素子４００の外周から２μｍの部分より内側の領域である。したがって、発熱素子４００，４０１の発泡領域の、インク流路３００と交差する方向に沿った方向の長さは６．２（＝１０．２−４．０）μｍである。また、第１の発熱素子４００の発泡領域の、インク流路３００の方向に沿った方向の長さは３０．６（＝３４．６−４．０）μｍであり、第２の発熱素子４０１の発泡領域の、インク流路３００の方向に沿った方向の長さは４．９（＝８．９−４．０）μｍである。

したがって、第１の発熱素子４００の有効発泡領域の面積は、１８９．７２（＝３０．６×６．２）μｍ²であり、第２の発熱素子４０１の有効発泡領域の面積は、３０．３８（＝４．９×６．２）μｍ²である。したがって、各圧力室２００内において、第１の発熱素子４００および第２の発熱素子４０１の有効発泡領域の面積の合計は、２２０．１μｍ²（１８９．７２＋３０．３８）である。

記録ヘッド１０１による吐出口１００からのインクの吐出圧力は、発熱素子４００，４０１が発生させる熱エネルギに依存する。そして、発熱素子４００，４０１が発生させる熱エネルギは第１の発熱素子４００と第２の発熱素子４０１の有効発泡領域の面積の合計に依存する。本実施形態では、充分なインクの吐出圧力が得られるように第１の発熱素子４００および第２の発熱素子４０１の有効発泡領域の面積が決定される。

このように、本実施形態に係る記録ヘッド１０１は、発熱素子４００，４０１によって、吐出口１００からのインクの吐出に充分な熱エネルギを発生させることができる。

吐出口１００は、第１の発熱素子４００と第２の発熱素子４０１との間の部分に対向し、発熱素子４００，４０１の両方に部分的に対向している。これにより、２つの発熱素子４００，４０１が発する熱エネルギをインクの吐出に効率的に用いることができる。

図３は、発熱素子４００，４０１に通電するための配線を示した図である。各圧力室２００内には個別配線６００が設けられ、該個別配線６００によって直列に接続された第１の発熱素子４００，４０１に通電されると、発熱素子４００，４０１が同時に熱エネルギを発する。上述したように発熱素子４００，４０１は、幅Ｗが等しいため、電気抵抗率が等しい。また、隣接する圧力室２００における発熱素子４００，４０１が共通配線７００を共有しており、個別配線６００は共通配線７００によって接地されている。

次に図４を参照して本実施形態に係る記録ヘッド１０１によるインク吐出方法およびインクの吐出時の気泡の挙動について説明する。図４は記録ヘッド１０１の圧力室２００付近を拡大して示した側断面図である。

図４（ａ）は、第１の発熱素子４００および第２の発熱素子４０１が同時に熱エネルギを発した状態を示している。第１の発熱素子４００は気泡Ｂ₁を形成し、第２の発熱素子４０１は気泡Ｂ₂を形成する。これにより、吐出口１００からインクがせり出させられる（第１の段階）。

上述したように、第１の発熱素子４００は第２の発熱素子４０１よりも有効発泡領域の面積が大きいため、第１の発熱素子４００が発する熱エネルギは第２の発熱素子４０１が発する熱エネルギより大きい。したがって、気泡Ｂ₁は気泡Ｂ₂より大きい。

図４（ｂ）は、第１の段階の後に吐出口１００からインクが吐出された直後の状態を示している。吐出したインクの量に応じた量の外気が吐出口１００に吸い込む力がインクに働く。したがって、インクは矢印方向の力を気泡Ｂ₁，Ｂ₂に付与する。

図４（ｃ）は外気が吐出口１００を介して圧力室に流入した状態を示している。このとき、インクは矢印方向の力を気泡Ｂ₁，Ｂ₂に付与する。一方、吐出したインクに応じた量のインクが、気泡Ｂ₁，Ｂ₂の収縮に伴い、インク流路３００から矢印方向に供給される。吐出口１００は、第１の発熱素子４００よりもインクの流れ方向の下流に形成されているため、気泡Ｂ₁は、インクによって吐出口１００側に押し流される。このとき、気泡Ｂ１と気泡Ｂ２はインクの中で独立に存在している（第２の段階）。

図４（ｄ）はインク流路３００から吐出口１００にインクが供給される途中の状態を示している。気泡Ｂ₁はインクに押し流されて、流入してきた外気と連通する。また、このとき、圧力室２００内のインクは加圧状態にあるため、インクによって気泡Ｂ₂はインクに圧縮される。

図４（ｅ）は図４（ｄ）に示す状態の後の状態を示した図である。外気と連通した気泡Ｂ₁は、外気に取り込まれる。一方、気泡Ｂ₂は、インクによってさらに圧縮されることによって消泡する。これとともに、圧力室２００内および吐出口１００内にインクが充填される（第３の段階）。

以上述べたように、第１の発熱素子４００については、インク流路３００から吐出口１００に向かうインクの流れ方向における吐出口１００より上流にあるため、気泡Ｂ１がインクの流れに従って吐出口１００の方向に押し流されて移動する。そのため、第１の発熱素子４００では、気泡Ｂ１が第１の発熱素子４００上に留まらないため、キャビテーションが生じない。

第２の発熱素子４０１の中心位置は、吐出口１００の中心位置からずれているため、気泡Ｂ２はインクから第２の発熱素子４０１に向かう方向には力を受けにくい。さらに、第２の発熱素子４０１については、第１の発熱素子４００で発生した気泡Ｂ１と第２の発熱素子４０１で発生した気泡Ｂ２とが互いに引っ張りあい、第２の発熱素子４０１で発生した気泡の消泡速度が減速される。したがって、気泡Ｂ２は周囲のインクから圧力を受けながらゆっくり消泡する。そのため、第２の発熱素子でもキャビテーションが生じない。

このように、本実施形態に係る記録ヘッド１０１では、発熱素子４００，４０１においてキャビテーションが発生しない。

記録ヘッド１０１は、以上の構成とすることによって、吐出口１００の列における吐出口の間隔を狭くするとともに、各吐出口列の間隔も狭くすることが可能である。そのため、本構成を用いた記録ヘッドでは、発熱素子におけるキャビテーションを発生させることなく、少なくとも６００ｄｐｉ以上の記録が可能である。本実施形態に係る記録ヘッド１０１では、１２００ｄｐｉの記録が可能である。

１００ 吐出口
１０１ 記録ヘッド
１１０ Ｓｉ基板
１１１ 流路形成部材
１１２ 共通液室
１５０ インク供給部材
２００ 圧力室
３００ インク流路
４００ 第１の発熱素子
４０１ 第２の発熱素子
５００ インク供給口

Claims (12)

1. インクを保持する共通液室から複数の圧力室にインクが供給され、該各圧力室の中のインクが吐出口から吐出されるインクジェット記録ヘッドであって、
   前記圧力室の前記吐出口に対向する面に、熱エネルギを発生する２つの発熱素子が設けられ、他方の前記発熱素子よりも前記共通液室に近い位置にある一方の前記発熱素子は前記共通液室から前記圧力室に向かう方向に長い長方形であり、かつ前記他方の発熱素子よりも面積が大きく、
   前記２つの発熱素子の間の部分が、前記吐出口に対向しており、
   前記２つの発熱素子の間の部分と対向する前記吐出口の中心は、前記圧力室の、前記共通液室から前記圧力室に向かう方向の中心よりも前記共通液室から遠い側に位置している、インクジェット記録ヘッド。
2. 前記圧力室は、前記共通液室から前記圧力室に向かう方向に長い形状である、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 前記２つの発熱素子は同時に熱エネルギを発生する、請求項１または２に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記２つの発熱素子は、直列に接続されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 前記２つの発熱素子は、電気抵抗率が等しい、請求項１から４のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 前記吐出口は、前記２つの発熱素子の両方に部分的に対向している、請求項１から５のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
7. ６００ｄｐｉ以上の記録が可能である、請求項１から６のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド。
8. インクを保持する共通液室から複数の圧力室にインクが供給され、該各圧力室の中のインクが吐出口から吐出されるインクジェット記録ヘッドのインク吐出方法であって、
   前記圧力室の前記吐出口に対向する面に、前記吐出口に対向する位置から前記共通液室の側に所定の長さ延びる一方の発熱素子と、該一方の発熱素子から離間され、前記吐出口に対向する位置から前記共通液室とは反対の側に前記所定の長さよりも短い長さ延びる他方の発熱素子と、が設けられた前記インクジェット記録ヘッドを用意し、
   ２つの前記発熱素子を発熱させて、該２つの発熱素子がそれぞれ生じさせる気泡により、前記吐出口からインクをせり出させる第１の段階と、
   前記第１の段階の後に、前記圧力室のインクの中に前記各気泡が独立に存在する第２の段階と、
   前記第２の段階の後に、前記各気泡の収縮に伴い、前記共通液室から前記圧力室内にインクが送り込まれるとともに、前記一方の発熱素子により生じた前記気泡が前記一方の発熱素子の上を移動して前記吐出口から流入した外気と連通し、前記他方の発熱素子により生じた前記気泡が前記圧力室内のインクの中で消泡する第３の段階と、
   を、含むインク吐出方法。
9. 前記一方の発熱素子の形状は、前記共通液室から前記圧力室に向かう方向に長い長方形である、請求項８に記載のインク吐出方法。
10. インクを吐出する吐出口と、インクを吐出するために利用される熱エネルギを発生する発熱素子と、前記発熱素子を内部に備える圧力室と、前記圧力室に供給するインクを保持する共通液室と、を備えるインクジェット記録ヘッドであって、
    前記発熱素子は、前記共通液室から前記圧力室へ向かう方向に関して順に配置される第１の発熱素子と第２の発熱素子とを含み、
    前記第１の発熱素子の形状は、前記共通液室から前記圧力室へ向かう方向に長い長方形であり、
    前記第２の発熱素子の面積は、前記第１の発熱素子の面積より小さく、
    前記吐出口からインクが吐出される方向からみて、前記第１の発熱素子の前記第２の発熱素子側の端部の一部と、前記第２の発熱素子の前記第１の発熱素子側の端部の一部が、共に前記吐出口の開口内に位置しており、
    前記第１の発熱素子の前記第２の発熱素子側の端部の一部と、前記第２の発熱素子の前記第１の発熱素子側の端部の一部が開口内に位置している前記吐出口の中心は、前記圧力室の、前記共通液室から前記圧力室に向かう方向の中心よりも前記共通液室から遠い側に位置している、インクジェット記録ヘッド。
11. 前記圧力室は、前記共通液室から前記圧力室に向かう方向に長い形状である、請求項１０に記載のインクジェット記録ヘッド。
12. 前記第１の発熱素子と第２の発熱素子は直列に接続されている、請求項１０または１１に記載のインクジェット記録ヘッド。

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