(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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