(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを吐出するための吐出口を有すると共に、吐出口に向かって断面積が減少する形状の吐出口部と、該吐出口部に連通したインク流路と、該インク流路内に配され個別駆動可能な第１及び第２の発熱体と、該発熱体が設けられた素子基板とを有し、３００、３６０または４００ｄｐｉの画素密度の記録が可能であるインクジェット記録ヘッドであって、
前記第１、第２の発熱体は、前記第１の発熱体の面積が前記第２の発熱体の面積より小さく発熱量が異なると共に互いに離間して、前記第１の発熱体の面積中心が前記第２の発熱体の面積中心より前記インク流路のインクが流れる方向に関して前記吐出口に近く、前記インク流路のインクが流れる方向と直交する方向において互いに隣接する部分を有する様に配されており、前記吐出口の面積中心の前記素子基板の前記発熱体が設けられた面への投影点と前記第１、第２の発熱体の面積中心とを結ぶ線と、前記インク流路の中心線の前記素子基板の前記発熱体が設けられた面への投影線と、が成す角をそれぞれθ１、θ２、前記インク流路の吐出方向に垂直な断面積をＳＮ、前記吐出口の面積をＳＯとしたとき、
０°＜ｔａｎ−１［ＳＮＳＯ（Ｓｉｎθ１＋Ｓｉｎθ２）／（ＳＮ２−ＳＯ２Ｓｉｎθ１Ｓｉｎθ２）］≦５°
を満たすことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項２】
０°＜ｔａｎ−１［ＳＮＳＯ（Ｓｉｎθ１＋Ｓｉｎθ２）／（ＳＮ２−ＳＯ２Ｓｉｎθ１Ｓｉｎθ２）］≦３°
を満たす請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項３】
前記面積中心は、発熱有効面積の中心である請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項４】
前記第１、第２の発熱体は前記インク流路内の前記角度θ１、θ２が実質的に等しい請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項５】
前記第１、第２の発熱体は前記インク流路内の前記角度θ１、θ２が異なっている請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項６】
前記発熱体は電気熱変換体である請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項７】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッドを搭載可能であって、前記第１、第２の発熱体に異なる駆動信号を供給するための駆動信号供給手段を有するインクジェット記録装置。
【請求項８】
請求項１のインクジェット記録ヘッドと、該インクジェットヘッドに供給されるインクを保持するインク容器とを有するインクジェットヘッドカートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機、ファクシミリ、ワープロ、ホストコンピュータの出力用端末としてのプリンタ、ビデオプリンタ等に用いられるインクジェット記録ヘッドおよび装置に関し、特に記録のためのエネルギーとして利用される熱エネルギーを発生する電気熱変換素子を形成した基体を有するインクジェット記録ヘッドおよび装置に関する。なお、ここで、記録とは、布、糸、紙、シート材等のインク付与を受けるインク支持体全てへのインク付与等（プリント）を含むもので、記録装置は、各種情報処理装置全てあるいはその出力器としてのプリンタを含むものであり、本発明はこれらへの用途が可能なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インクジェット記録装置は小型化、低価格化のみならずカラー記録、高画質記録の要求が高まってきている。従来、高画質を実現するためには記録ヘッドの精密かつ複雑な構成と制御を必要としていたため、きわめて高価で、装置自体も大きいものであった。
【０００３】
一方、特公昭６２−４８５８５号公報には、１ノズル内に２つ以上の電気熱変換素子（大小も含む）を設けることで非常にシンプルな構成でドットサイズを変調し高画質を実現するものが提案されている。この発明は、多値記録を行う上で重要な発明である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
高画質記録を実現するための吐出量変調を行う具体的手段は、１ノズル内にある２つの電気熱変換素子を用いた場合、並列する夫々の電気熱変換素子を夫々駆動して行うことが一般的である。ところが、単に電気熱変換素子を並列に配置しただけでは、ある程度は良い水準にあるものの、最適の着弾点精度を得ることができないことが判明した。本発明者達は、この現象を鑑み、電気熱変換素子とオリフィスの距離やオリフィスのサイズ等の設計パラメータを変更した際、着弾点精度が乱れ、目的の画質を得るために設計をはじめから見直す必要が生ずる等の問題が新たに発生することを発見した。すなわち、１ノズル内に２つの電気熱変換素子を設けたことで、個々の単独の電気熱変換素子を所望の吐出量或いはその安定性を高水準にするためのノズル設計が複合的な要素がからみ、実用水準を満足することができず、これを解消した記録ヘッドの提供を行うことが重要であることが判った。更に、本発明者達は、上記電気熱変換素子と着弾点の設計における従来技術の問題に加え以下の検討も行った。所望の着弾点精度を得るためのノズルまわりの設計は、オリフィス面積、ノズル長、電気熱変換素子のサイズおよび位置等がある。そのうち、１ノズル内に複数の電気熱変換素子がある場合のノズル設計においては、オリフィス面積やノズル長に着目して検討したところ、別の要素の支配力が影響するためか、これだけの変更では夫々の電気熱変換素子による着弾点精度が同時に変化する原因もあるため夫々所望の着弾点精度を安定して得ることが難しいことが判った。ところが、ノズルまわりの設計パラメータのうち、電気熱変換素子のサイズは、基板の半導体製造プロセスにおけるパターニング行程用のフォトマスクの設計時点で決められるため、所望の着弾点精度を得るためのサイズの変更をする際はヘッドをほとんど初めからつくりなおさなくてはならない。このため、夫々の電気熱変換素子のサイズや位置を後ろから変更することは、時間的にも作業負荷的にも相当のロスであった。逆に、電気熱変換素子のサイズと位置さえ決めることができれば、その他の吐出特性の調整は容易である。オリフィス面積の変更はオリフィス口をあけるレーザ等のエネルギーの調整をすることが実現されるため、これらは、値を細かく変更することも可能であるし、比較的後の行程なので時間的、作業的なロスは少ない。
【０００５】
以上述べた様に、１ノズル内に複数の発熱体を設けたヘッドでより高い画質を得るための詳細な構成要件について従来認識されるものは無かった。以上の知見から、１ノズル内に複数の発熱体を設けたヘッドにおける高画質化の困難性を解決することを課題とするものである。
【０００６】
本発明者達は、高画質記録を得る為の着弾点精度の向上を目的としてヘッド設計項目を追求したところ、２つの電気熱変換素子のオリフィスに対する相対位置とオリフィス面積が着弾点精度に及ぼす影響の傾向に着目することで、安定的に高画質を得ることができることがわかった。本発明はこの知見に基づくものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明においては、複数の発熱体と吐出口の面積中心との配置関係に着目し、ヘッドの構造を規定することでより高精細な記録を達成するインクジェット記録ヘッド、インクジェットヘッドカートリッジおよびインクジェット記録装置を提供することを目的とする。
【０００８】
このような目的を達成するための本発明の主たる構成は以下のようなものである。
【０００９】
インクを吐出するための吐出口を有すると共に、吐出口に向かって断面積が減少する形状の吐出口部と、該吐出口部に連通したインク流路と、該インク流路内に配され個別駆動可能な第１及び第２の発熱体と、該発熱体が設けられた素子基板とを有し、３００、３６０または４００ｄｐｉの画素密度の記録が可能であるインクジェット記録ヘッドであって、前記第１、第２の発熱体は、前記第１の発熱体の面積が前記第２の発熱体の面積より小さく発熱量が異なると共に互いに離間して、前記第１の発熱体の面積中心が前記第２の発熱体の面積中心より前記インク流路のインクが流れる方向に関して前記吐出口に近く、前記インク流路のインクが流れる方向と直交する方向において互いに隣接する部分を有する様に配されており、前記吐出口の面積中心の前記素子基板の前記発熱体が設けられた面への投影点と前記第１、第２の発熱体の面積中心とを結ぶ線と、前記インク流路の中心線の前記素子基板の前記発熱体が設けられた面への投影線と、が成す角をそれぞれθ１、θ２、前記インク流路の吐出方向に垂直な断面積をＳＮ、前記吐出口の面積をＳＯとしたとき、
【００１０】
０°＜ｔａｎ−１［ＳＮＳＯ（Ｓｉｎθ１＋Ｓｉｎθ２）／（ＳＮ２−ＳＯ２Ｓｉｎθ１Ｓｉｎθ２）］≦５°
を満たすことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【００１３】
上述のインクジェット記録ヘッドを搭載可能であって、前記第１、第２の発熱体に異なる駆動信号を供給するための駆動信号供給手段を有するインクジェット記録装置。
【００１４】
もしくは、上述のインクジェット記録ヘッドと、該インクジェットヘッドに供給されるインクを保持するインク容器とを有するインクジェットヘッドカートリッジである。
【００１５】
このような構成によって、各発熱体を個別に駆動した場合での液滴の着弾位置のずれを抑制することで、インクの着弾精度を高めることができます。このことで画像品位の高い多値記録を達成することができます。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（参考例１）
図１は本発明の参考例１の特徴を最もよく表すインクジェット記録ヘッドの流路近傍の断面模式図であり、１０１はインクが吐出される吐出口、１０８は吐出口を有する吐出口部１０２は、所定の通電を行うことにより熱エネルギーを発生させる第１の発熱体である。電気熱変換素子、１０３は第２の発熱体である電気熱変換素子である。
【００１７】
また、Ｏは吐出口１０１の面積中心点でありＨＣＡ  、ＨＣＢ  は夫々、電気熱変換素子１０２、１０３の面積中心点を示している。面積中心としては、特に気泡の発生に直接寄与する発熱有効面積の中心を取って考えてもよい。
【００１８】
さらに、図３に本発明の説明のため、要部詳細図を示す。ここで、θ１  はインク流路中心線に対するＯ−ＨＣＡ  の角度、θＡ  は、前記インク流路構成によりインク滴を吐出させた場合の吐出方向とインク流路の中心線との角度を示している。
【００１９】
また、図４（ａ）、（ｂ）は本参考例で用いたインク流路の断面図であり、Ｓｏは吐出口面積、ＳＮはインク流路断面積インク流路を長さ方向と直交する方向に切断した断面積を示している。
【００２０】
ここで、θ１  とθＡ  の関係を求めることとする（図３）。θＡ  はθ１  方向の圧力Ｆｄ  とインク流路の中心線方向の圧力Ｆｏ  の合力となるＦの方向とインク流路中心線とのなす角度であるため、Ｆｏ  、Ｆｄ  の比を求めることにより求まることがわかる。
【００２１】
また、電気熱変換素子１０２の発泡圧力の吐出方向成分をＦＸ  とするとＦＸ  ≒Ｆであるため、吐出口面積部Ｓｏに到達する圧力Ｆｄ  は
【００２２】
【外７】
0003559647.tif 000002
それ以外の圧力はＦＯ  として表せる。つまり
【００２３】
【外８】
0003559647.tif 000003
となる。
【００２４】
故に、ＦＯ  とＦｄ  の比はＦｄ  ／ＦＯ  ＝Ｓｏ  ／ＳＮ  −Ｓｏ  で表せる。これより、θ１  、θＡ  を用いて合力Ｆの方向の関係式を求めると
【００２５】
【外９】
0003559647.tif 000004
となる。しかし、通常のノズル（インク流路）設計ルールよりθ１  ＜１２°であり１−ｃｏｓθ１  ≒０とおけるため、
【００２６】
【外１０】
0003559647.tif 000005
となる。
【００２７】
また、同様に図示しない第２の電気熱変換素子の発泡により吐出させた場合の吐出方向θＢ  と、インク流路中心線とＯ−ＨＣＢ  のなす角度θ２  との関係は
【００２８】
【外１１】
0003559647.tif 000006
で表せる。
【００２９】
つまり、第１、第２、夫々の電気熱変換素子の発泡により吐出させた場合の吐出方向の狭み角θｆ  はθｆ  ＝θＡ  ＋θＢ  従って、
【００３０】
【外１２】
0003559647.tif 000007
となる。
【００３１】
ここで、図５に示すように、１つの吐出口から吐出されるインク滴が着弾した場合の着弾ズレは最高にズレた場合を１画素分とすると、４．９°、さらに高品位となる半画素ズレでは２．４°となる。つまり、上記で求めたθｆ  が
０°＜θｆ  ≦５°
さらに好ましくは
０°＜θｆ  ≦３°
とする必要がある。
【００３２】
以上述べてきた設計ルールにより、電気熱変換素子の位置および、オリフィス面積を決定して、インクジェットヘッドを作成した具体的には、下記の設計とし、品位欄に示す結果となった。
【００３３】
【表１】
0003559647.tif 000008
【００３４】
また、通常の設計ルールに基づいて、ノズル設計を行った場合、第１、第２の電気熱変換素子の間隔は成膜の実力から２μｍ以上必要であり、また、電気熱変換素子の幅は、有効発熱領域の周囲２μｍ以上を必要とすることから４μｍ以上となる。
【００３５】
また、電気熱変換素子の面積中心―吐出口の面積中心距離は、最も長くても３００μｍを超えることはないため、吐出口の面積中心に対する第１、第２の電気熱変換素子面積中心の狭み角θは
θ＝ｔａｎ−１（３／３００）＝０．６°
θ１  ＝θ２  ＝θ／２＝０．３°
となる。
【００３６】
また、インク流路断面積ＳＮ  を２５００μｍ２  とした場合の吐出口面積Ｓｏ  も最低でも４００μｍ２  が必要となることから、１ノズル内に複数の電気熱変換素子を備えたインク吐出用ヘッドを個別駆動して生ずる吐出方向の狭み角θｆ  の最小値は、上記数値を代入することによりθｆ  ＝０．１°となり０．１°≦θｆ  となることがわかる。
【００３７】
次に、以上説明したヘッドの構成を具体的に説明する。ノズルまわりの構成は図７で示す。吐出ノズル１０４内のインクを電気熱変換素子３および４で加熱発泡して、側方に解放された吐出口１０１から吐出させるものである。基板２３はベースプレート４１に接着されており、ノスル壁５は天板１０５に設けられている。
【００３８】
図８は、以上のように構成される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装置の一例の外観図を示す。このインクジェット記録装置ＩＪＲＡは、駆動モータの２０１０の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア２０２０、２０３０を介して回転するリードスクリュウ２０４０を有する。インクジェット記録ヘッドとインクタンクとが一体化されたインクジェットカートリッジＩＪＣが載置されるキャリッジＨＣはキャリッジ軸２０５０およびリードスクリュウ２０４０に指示され、リードスクリュー２０４０の羅線溝２０４１に対して係合するピン（不図示）を有しており、リードスクリュウ２０４０の回転にともなって、矢印ａ，ｂ方向に往復移動される。２０６０は紙押え板であり、キャリッジ移動方向にわたって紙Ｐをプラテンローラ２０７０に対し押圧する。２０８０および２０９０はフォトカプラで、これらは、キャリッジＨＣに設けられたレバー２１００のこの域での存在を確認してモータ２０１０の回転方向切り換え等を行うためのホームポジション検知手段として動作する。２１１０は記録ヘッドの全面をキャップする部材であり、支持部材２１２０により支持されている。２１３０はこのキャップ内を吸収する吸収手段であり、キャップ内開口を介して記録ヘッドの吸引回復を行う。記録ヘッドの端面をクリーニングするクリーニングブレード２１４０は、前後方向に移動可能に部材２１５０に設けられており、これらは本体支持板２１６０に支持されている。ブレード２１４０はこの形態に限定されず、周知のクリーニングブレードが本例に適用できることはいうまでもない。また、２１７０は吸引回復の吸引を回復するためのレバーであり、キャリッジＨＣと係合するカム２１８０の移動に伴って移動するようになっており、これにより駆動モータ２０１０からの駆動力がクラッチ切り換え等の周知の伝達手段で移動制御される。
【００３９】
これらのキャッピング、クリーニング、吸引回復はキャリッジＨＣがホームポジション側領域にきたときにリードスクリュウ２０４０の作用によってそれらの対応位置で所望の処理が行えるように構成されているが、周知のタイミングで所望の動作を行うようにすれば、本例には何れも適用できる。
【００４０】
（実施形態）
図２に本発明の実施例を示す。ＨＣＡ、ＨＣＢのノズル先端までの距離が異なった場合においてもθ１、θ２により参考例１と同様の結果が得られた。
【００４１】
（参考例２）
図９および図１０は吐出口１０１が、発熱抵抗素子３、４か備えた素子基板２３の面に対して平行な面（発熱抵抗素子に対向した位置）に形成されたタイプであり、図９は図３と同様に、吐出角度の概略説明図である。本説明図においては発熱抵抗体の並び方向と垂直な方向にインク供給口が示してあるが、平行な方向にずれて配置しても本参考例の結果を何ら左右するものではない。図１０は、本参考例のノズルまわりの構成を示した断面斜視図である。
【００４２】
本参考例においても参考例１の説明と全く同じ計算により電気熱変換素子の位置と吐出方向の関係が得られた。
【００４３】
つまり、
【００４４】
【外１３】
0003559647.tif 000009
となり、最適な着弾ズレを満足させるためには
０°＜θｆ  ≦５°
が必要となる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、吐出口部のオリフィス面積中心に関して、第１、第２の発熱抵抗体夫々の面積中心がなす角度をθ１  、θ２  、インク路の吐出方向に垂直な断面積をＳＮ  、オリフィス面積をＳｏ  とした時、
【００４６】
【外１４】
0003559647.tif 000010
より好ましくは
【００４７】
【外１５】
0003559647.tif 000011
とすることにより、２つの発熱抵抗体の発泡による吐出の着弾ズレが解消されより高品位な画質が得られるようになった。
【００４８】
また、本実施例では２つの発熱抵抗体の場合で説明を行ったが、１ノズル内に３つ以上の発熱抵抗体がある場合においても、最大となるθｆ  を規定することで同様の結果が得られることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例１におけるインクジェット記録ヘッドの流路近傍の断面模式図。
【図２】本発明の実施形態のインクジェット記録ヘッドの断面模式図。
【図３】本発明の流路の詳細を説明するための模式図。
【図４】本発明の吐出口部分およびインク流路断面積との関係を示すための模式図。
【図５】１つの吐出口から吐出されるインクの着弾ずれを示すための模式図。
【図６】発熱体を設えた素子基板上の等価回路図を説明するための模式図。
【図７】本発明の液体吐出ヘッドのノズル回りの構成を説明するための模式図。
【図８】本発明の液体吐出装置を説明するための模式図。
【図９】液体吐出ヘッドの参考例２を示すための模式的断面図。
【図１０】液体吐出ヘッドの参考例２を示すための模式的断面図。
【符号の説明】
１０１  吐出口
１０２  発熱体（電気熱変換体）
１０３  発熱体（電気熱変換体）
１０４  インク流路
１  共通配線
３  発熱体
４  発熱体
５  流路壁
６  選択配線
７  選択配線
２３  素子基板
４１  支持体
【図１】
0003559647.tif 000012
【図２】
0003559647.tif 000013
【図３】
0003559647.tif 000014
【図４】
0003559647.tif 000015
【図５】
0003559647.tif 000016
【図６】
0003559647.tif 000017
【図７】
0003559647.tif 000018
【図８】
0003559647.tif 000019
【図９】
0003559647.tif 000020
【図１０】
0003559647.tif 000021