(57)【要約】【課題】吐出動作の安定化を図りつつサテライトの発生を防止し、飛翔方向のずれを防止する液体吐出ヘッドおよび画像形成装置を提供することを目的とする。【解決手段】  液体流路に対応するノズルを備えた液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルの内部に配置され、前記ノズルの中心軸を中心に軸対称な構造であり、柱形状の第１構造部と前記ノズルの吐出口方向に向かって断面積が減少して先端部を備える第２構造部とからなり、前記第１構造部と前記第２構造部の境界部分の断面積が等しい構造体を有すること、を特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体流路に対応するノズルを備えた液体吐出ヘッドにおいて、
前記ノズルの内部に配置され、前記ノズルの中心軸を中心に軸対称な構造であり、柱形状の第１構造部と前記ノズルの吐出口方向に向かって断面積が減少して先端部を備える第２構造部とからなり、前記第１構造部と前記第２構造部の境界部分の断面積が等しい構造体を有すること、
を特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
請求項１の液体吐出ヘッドにおいて、
前記先端部の位置と前記ノズルの吐出口の位置とが略一致していること、
を特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項３】
請求項１または２の液体吐出ヘッドにおいて、
前記構造体は、前記境界部分の外周に形成され、前記ノズルの吐出口から液体を突出させて液柱を形成した後に前記液柱の一部を前記ノズル内に引き込む時に前記液柱の一部の表面を引き留め、その後前記液柱の一部を前記ノズル内から押し出す時に前記液柱の一部の表面を開放する角部を備えること、
を特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つの液体吐出ヘッドにおいて、
前記第２構造部の側面における前記境界部分から前記先端部の方向の接線と前記ノズルの中心軸とのなす角をθ１、前記ノズルの内面と前記ノズルの中心軸を含む断面とのなす角をθ２、とするときに、０°≦θ２＜θ１＜９０°の条件を満たすこと、
を特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項４の液体吐出ヘッドにおいて、
前記第１構造部の側面と前記ノズルの中心軸を含む断面とのなす角をθ３とするときに、θ３＜θ２の条件を満たすこと、
を特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１つの液体吐出ヘッドにおいて、
前記液体流路内の液体を加圧して前記ノズルの吐出口から液滴を吐出させる加圧手段を有すること、
を特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１つの液体吐出ヘッドを有すること、を特徴とする画像形成装置。
【請求項８】
ノズルの内部に配置され、前記ノズルの中心軸を中心に軸対称な構造であり、柱形状の第１構造部と前記ノズルの吐出口方向に向かって断面積が減少して先端部を備える第２構造部とからなり、前記第１構造部と前記第２構造部の境界部分の断面積が等しい構造体の前記境界部分の外周に形成される角部が、前記ノズルの吐出口から液体を突出させて液柱を形成した後に前記液柱の一部を前記ノズル内に引き込む時に前記液柱の一部の表面を引き留め、その後前記液柱の一部を前記ノズル内から押し出す時に前記液柱の一部の表面を開放することにより、前記液柱が分割して液滴を吐出すること、
を特徴とする液体吐出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出ヘッドおよび画像形成装置、液体吐出方法に係り、特に、インクジェット方式の画像形成装置に用いられる液体吐出ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット方式の画像形成装置に用いられる液体吐出ヘッドに関する従来技術として、以下の特許文献１の発明が存在する。図１４は特許文献１の発明の液体吐出ヘッドのノズル２１３の近傍における図であり、図１５は特許文献１の発明の液体吐出ヘッドのノズル２１３におけるインクの吐出の様子を表す図である。図１４、図１５に示すように、断面が実質的に円環状をなすスリット状穴部２１３Ａから円筒状にインクが吐出し、それが表面張力によって球状にまとまって飛翔液滴２１７を形成し着弾する。これにより、表面張力圧の向上による、液切れの促進およびリフィルの促進が図られるとする。
【特許文献１】特開平８−１９３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１の発明には、次のような問題がある。スリット状穴部２１３Ａから円筒状にインクが吐出しようとするため、スリット状穴部２１３Ａにインクの目詰まりが生じやすく、また、吐出に際して大きな力を要することから、吐出動作が不安定になるという問題がある。
【０００４】
また、中空円筒状に吐出されるため、飛翔液滴２１７内への気泡の巻き込みが著しく、主滴と同等サイズのサテライトを生成してしまう可能性が高くなるという問題がある。
【０００５】
また、ノズル２１３中心（液滴飛翔軸中心）からスリット状穴部２１３Ａまでの距離δ０（図１４（ｂ）参照）の精度がある程度要求される事になる。そのため、スリット形成構造体２１６の加工精度等に起因して、スリット状穴部２１３Ａの吐出面内での吐出速度の微小な誤差が生じ、飛翔方向ずれに大きく影響するおそれがあるという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、吐出動作の安定化を図りつつサテライトの発生を防止し、飛翔方向のずれを防止する液体吐出ヘッドおよび画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、液体流路に対応するノズルを備えた液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルの内部に配置され、前記ノズルの中心軸を中心に軸対称な構造であり、柱形状の第１構造部と前記ノズルの吐出口方向に向かって断面積が減少して先端部を備える第２構造部とからなり、前記第１構造部と前記第２構造部の境界部分の断面積が等しい構造体を有すること、を特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、構造体の第２構造部が境界部分からノズルの吐出口の方向に向かって断面積が減少して先端部を備える形状であることからノズルの吐出口の面積を大きく確保できるので、ノズルの吐出口での目詰まりが生じず、また、吐出力も小さく済む。また、ノズルの吐出口から突出する液体により形成される液柱の形状が円柱状となり、液柱内への気泡の巻き込みが生じない。また、第１構造部の先端部の断面積は非常に小さいため、当該先端部の加工精度により液滴の飛翔方向が影響を受けることは小さい。
【０００９】
前記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記先端部の位置と前記ノズルの吐出口の位置とが略一致していること、を特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、先端部の位置とノズルの吐出口の位置とが略一致しているので、より確実にノズルの吐出口の面積を大きく確保できるので、ノズルの吐出口での目詰まりが生じず、また、吐出力も小さく済む。また、より確実にノズルの吐出口から突出する液体により形成される液柱の形状が円柱状となり、液柱内への気泡の巻き込みが生じない。
【００１１】
前記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１または２の液体吐出ヘッドにおいて、前記構造体は、前記境界部分の外周に形成され、前記ノズルの吐出口から液体を突出させて液柱を形成した後に前記液柱の一部を前記ノズル内に引き込む時に前記液柱の一部の表面を引き留め、その後前記液柱の一部を前記ノズル内から押し出す時に前記液柱の一部の表面を開放する角部を備えること、を特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、液柱がその表面の曲率が最大となる部分で分割することにより液滴が飛翔するので、液柱を早い段階で切断して液滴を飛翔させることができる。
【００１３】
前記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１つの液体吐出ヘッドにおいて、前記第２構造部の側面における前記境界部分から前記先端部の方向の接線と前記ノズルの中心軸とのなす角をθ１、前記ノズルの内面と前記ノズルの中心軸を含む断面とのなす角をθ２、とするときに、０°≦θ２＜θ１＜９０°の条件を満たすこと、を特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、ノズルの吐出口から液体を突出させて液柱を形成した後に液柱の一部をノズル内に引き込む時に、より確実に液柱の一部の表面を引き留めることができる。
【００１５】
前記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、請求項４の液体吐出ヘッドにおいて、前記第１構造部の側面と前記ノズルの中心軸を含む断面とのなす角をθ３とするときに、θ３＜θ２の条件を満たすこと、を特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、ノズル内の流れが吐出軸中心に向かい吐出効率が良くなる。
【００１７】
前記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１つの液体吐出ヘッドにおいて、前記液体流路内の液体を加圧して前記ノズルの吐出口から液滴を吐出させる加圧手段を有すること、を特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、サテライトの発生を防止することができる。
【００１９】
前記目的を達成するために、請求項７に記載の発明は、画像形成装置において、請求項１乃至６のいずれか１つの液体吐出ヘッドを有すること、を特徴とする。
【００２０】
前記目的を達成するために、請求項８に記載の発明は、液体吐出方法において、ノズルの内部に配置され、前記ノズルの中心軸を中心に軸対称な構造であり、柱形状の第１構造部と前記ノズルの吐出口方向に向かって断面積が減少して先端部を備える第２構造部とからなり、前記第１構造部と前記第２構造部の境界部分の断面積が等しい構造体の前記境界部分の外周に形成される角部が、前記ノズルの吐出口から液体を突出させて液柱を形成した後に前記液柱の一部を前記ノズル内に引き込む時に前記液柱の一部の表面を引き留め、その後前記液柱の一部を前記ノズル内から押し出す時に前記液柱の一部の表面を開放することにより、前記液柱が分割して液滴を吐出すること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の液体吐出ヘッドおよび画像形成装置によれば、吐出動作の安定化を図りつつサテライトの発生を防止し、飛翔方向のずれを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。
【００２３】
〔ノズル近傍の説明〕
図１は、本発明の液体吐出ヘッドの一例である記録ヘッドのノズル近傍の図であり、（ａ）が上面図であり、（ｂ）が（ａ）に示すｂ−ｂ断面図（インクの吐出方向の断面）であり、（ｃ）が中心構造体１６のインクの吐出方向における詳細な断面図である。
【００２４】
図１（ｂ）に示すように、ノズル１３の近傍にはノズルプレート１１と流路形成基板１２を有し、ノズルプレート１１には断面がテーパ形状のノズル１３が形成され、ノズルプレート１１に接合する流路形成基板１２によりノズル１３まで流路１４が形成されている。
【００２５】
そして、本発明の特徴として、ノズル１３内部に中心構造体１６を有している。本実施形態における中心構造体１６は、図１（ｂ）に示すようにインクの吐出方向における断面がホームベース形状の五角形に形成されている。具体的には、図１（ｃ）に示すように、中心構造体１６はノズル１３の中心軸１３Ｂを中心に軸対称に形成され、第１構造として円柱部１６Ａと、第２構造として円錐部１６Ｂにより構成されている。
【００２６】
円錐部１６Ｂはノズル１３の吐出口１３Ａ方向に向かって先端部１６Ｃが形成されるように配置され、先端部１６Ｃの位置とノズル１３の吐出口１３Ａの位置を一致させている。なお、本実施形態では先端部１６Ｃの位置とノズル１３の吐出口１３Ａの位置を一致させているが、先端部１６Ｃの位置はノズル１３の吐出口１３Ａの位置よりノズル１３の内部側に配置していてもよい。
【００２７】
また、円錐部１６Ｂの底面の断面積は円柱部１６Ａの断面積に等しく、円柱部１６Ａと円錐部１６Ｂの境界部分の外周に角部１６Ｄが形成されている。
【００２８】
なお、中心構造体１６と他の構成部品との連結の仕様を図２に示す。図２（ａ）に示すように中心構造体１６とノズルプレート１１を連結部１７で連結してもよく、また、図２（ｂ）に示すように中心構造体１６と流路形成基板１２を連結部１８で連結してもよい。あるいは、図２（ｃ）のように中心構造体１６と後述する振動板１５６と接合させてもよい。後述するように、振動板１５６には個別電極１５７を備えたアクチュエータ１５８（加圧手段）が接合されている。
【００２９】
次に、本発明の記録ヘッドのノズル１３の近傍における作用について説明する。図３は、ノズル１３における液体の吐出の様子の詳細図である。また、図４は、本発明の記録ヘッドのノズル１３からのインクの吐出動作を行うためにアクチュエータ１５８が圧力室１５２（図９参照）内のインクに入力する圧力波形を示す図であり、横軸の時間ｔに対して縦軸が圧力Ｐを示している。図４に示す圧力波形より、本発明の記録ヘッドの吐出動作の駆動は、「引き−押し−引き−押し」の順に行われる。
【００３０】
まず、図４の最初の「引き」の駆動時には、ノズル１３および流路１４内のインクは負圧の状態になっており、図３（ａ）に示すようにインクのメニスカスの位置がノズル１３の吐出口１３Ａ付近で維持されている。次に、図４の最初の「押し」の駆動にすると、ノズル１３および流路１４内のインクが加圧され、図３（ｂ）に示すようにインクのメニスカスの位置がノズル１３の吐出口１３Ａの位置から盛り上がり突出して液柱１９を形成する。
【００３１】
次に、図４に示すように再び「引き」の駆動にすると、図３（ｃ）に示すようにノズル１３の吐出口１３Ａ付近の液柱１９の一部が、ノズル１３内へと引き込まれる。そして、さらに「引き」の駆動を続けるとノズル１３内へ引き込まれた液柱１９の一部が、図３（ｄ）に示すように、中心構造体１６の角部１６Ｄの位置を越えて流路１４内まで引き込まれる。するとこの時、角部１６Ｄの位置で液柱１９の表面が擬似的に一旦留められる。すなわち、中心構造体１６の角部１６Ｄが液柱１９の表面の近傍の流れを静止させるバックチェックの役割を果たす。
【００３２】
次に、図４に示すように再び「押し」の駆動にすると、流路１４内まで引き込まれた液柱１９の一部が再び中心構造体１６の角部１６Ｄの位置を越えて、ノズル１３の吐出口１３Ａ側に押し出される。するとこの時、図３（ｅ）に示すように、図３（ｄ）で一旦留められた液柱１９の表面が開放される。そして、液柱１９のＡで示される部分が持ち上がり、Ｂで示され部分の表面の曲率が大きくなる。また、この時全体として液柱１９が上向きに持ち上がるため、Ｂで示される部分のインクの表面と液柱内部の流体の相対速度がゼロに接近する。
【００３３】
ここで、インクの粘度をμ、Ｂで示される部分の液柱の表面と内部の流体の相対速度をＶ、インクの表面張力をγとすると、毛管数ＣａはＣａ＝（μ×Ｖ）／γで表すことができる。そのため、Ｂで示される部分の液柱の表面と内部の流体の相対速度がゼロに接近すると、毛管数Ｃａがゼロに近づく。したがって、粘性摩擦力よりも表面張力の支配力が上回り液柱１９がＢの部分で分割しインク滴が飛翔することから、図３（ｆ）に示すように、液柱１９を早い段階で切断してインク滴を飛翔させることができる。
【００３４】
以上のような作用を行う本発明の記録ヘッドによれば、ノズル１３の吐出口１３Ａの面積を大きく確保することができるので、インクの目詰まりの防止を図ることができる。
【００３５】
また、インクの液柱１９を流路１４側に引き込む際にインクの液柱１９と空気の境界面である気液界面の面積が最小になる時であっても、気液界面の面積を大きく確保できるので、吐出に必要な駆動力を小さく抑えることができる。
【００３６】
また、中心構造体１６の先端部１６Ｃが先細のため、後述するような個別電極１５７を備えたアクチュエータ１５８で流路１４内のインクを加圧することによりノズル１３の吐出口１３Ａの面から液柱１９が伸び始める際に円柱状になり、液柱１９内への気泡の巻き込みがなく、サテライトの発生を防止できる。
【００３７】
また、本実施形態ではノズル１３の吐出口１３Ａ側に、中心構造体１６の先端部１６Ｃを配置している。そのため、ノズル２１３中心（液滴飛翔軸中心）からスリット状穴部２１３Ａまでの距離δ０（図１４（ｂ）参照）に対応する距離は非常に小さい。したがって、中心構造体１６の加工精度による飛翔方向ずれの影響は小さくなる。
【００３８】
ここで、図５にインク吐出のシミュレーション結果を示す。図５（ａ）は中心構造体が存在しないノズル近傍の場合を示し、図５（ｂ）は特許文献１と同等のノズル近傍の場合を示し、そして、図５（ｃ）に本発明のノズル近傍の場合を示す。
【００３９】
条件としては、液柱先頭がノズル面からおよそ２５０［μｍ］進んだ時点でのインクの状態をシミュレートする。また、液物性はいずれも同じ（密度１１００ｋｇ／ｍ３、粘度１０ｃＰ、表面張力３４ｍＮ／ｍ）であり、ノズル下面からは同一体積速度（最大振幅約８ｐｌ／μｓ）をノズルの開口面積（中心構造体の部分の面積を除く）で割った「引き−押し−引き−押し」の線速度波形を与えている。
【００４０】
図５（ａ）に示すように、中心構造体がないノズルの場合には、液柱３１９はまだメニスカスから切り離されていない。これが切り離される際には（メニスカスに近い部分の液柱が極細になるため）複数のミストが発生してしまう。また、液柱自体が長いため、この後サテライトが多く発生してしまう。
【００４１】
図５（ｂ）に示すように、特許文献１と同等のノズルの場合には、液柱２１９は既にメニスカスから切り離されている。しかし、液柱内への気泡αの巻き込みが著しく、これにより、主滴と同等サイズのサテライトに複数分裂してしまう。また、分裂後も各液滴内には気泡αが内在したままである。
【００４２】
一方、図５（ｃ）に示すように、本発明のノズル１３の場合には、液柱１９は既にメニスカスから切り離されている。しかも、液柱１９内へ気泡を巻き込むこと無く、液柱１９の早期切断が実現していることがわかる。
【００４３】
なお、図６に本発明の中心構造体とノズルのテーパ部の角度の関係図を示す。仮に、中心構造体１６の円錐部１６Ｂの傾斜角度θ１（円錐部１６Ｂの側面において円柱部１６Ａとの境界部分から先端部１６Ｃの方向の接線とノズル１３の中心軸１３Ｂとのなす角）と、ノズル１３のテーパ部の傾斜角度θ２（ノズル１３の内面とノズル１３の中心軸１３Ｂを含む断面のなす角度）の大小関係をθ１≦θ２とすると、中心構造体１６の表面に液膜が連続的に厚く残存し、角部１６Ｄにおいて液柱１９の表面を擬似的に一旦留められなくなる。また、θ１≧９０°であると、インクの液柱１９やノズル１３内のインクへの気泡の巻き込みが懸念される。なお、ノズル１３にテーパ部が形成されていなくて（θ２＝０°）もよい。以上より、０°≦θ２＜θ１＜９０°の関係を満たすことが望ましい。
【００４４】
さらに、加工の容易性やノズルイナータンスの観点より、１０°≦θ２＜６０°＜θ１＜８０°の関係を満たすことが望ましい。
【００４５】
また、中心構造体１６の直径ｄは、液柱１９から切断直後に形成される液滴の直径よりも大きくすることが望ましい。また、中心構造体１６の角部１６Ｄは、ノズル１３の厚みの範囲内に位置していることが望ましい。
【００４６】
また、図７に示すように、中心構造体１６の円柱部１６Ａの側面に傾斜角度θ３（円柱部１６Ａの側面とノズル１３の中心軸１３を含む断面とのなす角）を持たせてもよい。なお、θ３＜θ２の関係を有することが望ましい。ノズル１３内の流れが中心軸１３Ｂに向かい吐出効率が良くなるからである。
【００４７】
また、中心構造体１６の先端部１６Ｃは本実施形態のように尖鋭化したものではなくでも、フラット領域（１μｍ以内が望ましい）を設けたり、角取りを行ってＲを付けてもよい。また、中心構造体１６の円錐部１６Ｂの部分を円錐形ではなく、半球面形状としてもよい。
【００４８】
また、中心構造体１６の先端部１６Ｃはノズル１３の吐出口１３Ａが形成されるノズルプレート１１の吐出面１１Ａから、多少ノズル１３内部に入り込んでいても飛び出していてもよい。一例として、ノズルプレート１１の厚みが２０μｍの場合には吐出面１１Ａに対する先端部１６Ｃの高さの許容範囲は±５μｍである。
【００４９】
〔ヘッドの構造〕
次に、前記のようなノズル近傍の特徴を有する本発明の記録ヘッド（以下、ヘッドという）の構造について説明する。色別の各ヘッド（１１２Ｋ、１１２Ｃ、１１２Ｍ、１１２Ｙ）の構造は共通しているので、以下、これらを代表して符号１５０によってヘッドを示すものとする。
【００５０】
図８（ａ）はヘッド１５０の構造例を示す平面透視図であり、図８（ｂ） はその一部の拡大図である。また、図８（ｃ） はヘッド１５０の他の構造例を示す平面透視図、図９は１つの液滴吐出素子（１つのノズル１３に対応したインク室ユニット）の立体的構成を示す断面図（図８(a) 中の９−９線に沿う断面図）である。なお、便宜上、図８（ａ），（ｃ）においては前記の中心構造体１６の図示を省略している。
【００５１】
記録紙上に印字されるドットピッチを高密度化するためには、ヘッド１５０におけるノズルピッチを高密度化する必要がある。本例のヘッド１５０は、図８（ａ）,（ｂ） に示したように、インク吐出口であり前記の中心構造体１６を備えるノズル１３と、各ノズル１３に対応する圧力室１５２等からなる複数のインク室ユニット（液滴吐出素子）１５３を千鳥でマトリクス状に（２次元的に）配置させた構造を有し、これにより、ヘッド長手方向（紙送り方向と直交する方向）に沿って並ぶように投影される実質的なノズル間隔（投影ノズルピッチ）の高密度化を達成している。 
【００５２】
記録紙の送り方向と略直交する方向に記録紙の全幅に対応する長さにわたり１列以上のノズル列を構成する形態は本例に限定されない。例えば、図８（ａ） の構成に代えて、図８（ｃ） に示すように、複数のノズル１３が２次元に配列された短尺のヘッドモジュール１５０’を千鳥状に配列して繋ぎ合わせることで記録紙の全幅に対応する長さのノズル列を有するラインヘッドを構成してもよい。
【００５３】
各ノズル１３に対応して設けられている圧力室１５２は、その平面形状が概略正方形となっており（図８（ａ）,（ｂ） 参照）、対角線上の両隅部の一方にノズル１３への流出口が設けられ、他方に供給インクの流入口（供給口）１５４が設けられている。なお、圧力室１５２の形状は、本例に限定されず、平面形状が四角形（菱形、長方形など）、五角形、六角形その他の多角形、円形、楕円形など、多様な形態があり得る。
【００５４】
図９に示したように、ヘッド１５０はノズルプレート１１と流路形成基板１２とから形成されている。そして、流路形成基板１２には圧力室１５２、供給口１５４、共通流路１５５などが形成されている。各圧力室１５２は供給口１５４を介して共通流路１５５と連通されている。共通流路１５５はインク供給源たるインクタンク（不図示）と連通しており、インクタンクから供給されるインクは共通流路１５５を介して各圧力室１５２に分配供給される。
【００５５】
圧力室１５２の一部の面（図９において天面）を構成している加圧板（共通電極と兼用される振動板）１５６には個別電極１５７を備えたアクチュエータ１５８が接合されている。個別電極１５７と共通電極間に駆動電圧を印加することによってアクチュエータ１５８が変形して圧力室１５２の容積が変化し、これに伴う圧力変化により中心構造体１６を備えるノズル１３からインクが吐出される。なお、アクチュエータ１５８には、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸バリウムなどの圧電体を用いた圧電素子が好適に用いられる。インク吐出後、アクチュエータ１５８の変位が元に戻る際に、共通流路１５５から供給口１５４を通って新しいインクが圧力室１５２に再充填される。
【００５６】
上述した構造を有するインク室ユニット１５３を図１０に示す如く主走査方向に沿う行方向及び主走査方向に対して直交しない一定の角度θを有する斜めの列方向とに沿って一定の配列パターンで格子状に多数配列させることにより、本例の高密度ノズルヘッドが実現されている。
【００５７】
すなわち、主走査方向に対してある角度θの方向に沿ってインク室ユニット１５３を一定のピッチｄで複数配列する構造により、主走査方向に並ぶように投影されたノズルのピッチＰはｄ× cosθとなり、主走査方向については、各ノズル１３が一定のピッチＰで直線状に配列されたものと等価的に取り扱うことができる。このような構成により、主走査方向に並ぶように投影されるノズル列が１インチ当たり2400個（2400ノズル／インチ）におよぶ高密度のノズル構成を実現することが可能になる。
【００５８】
なお、印字可能幅の全幅に対応した長さのノズル列を有するフルラインヘッドで、ノズルを駆動する時には、（１）全ノズルを同時に駆動する、（２）ノズルを片方から他方に向かって順次駆動する、（３）ノズルをブロックに分割して、ブロックごとに片方から他方に向かって順次駆動する等が行われ、用紙の幅方向（用紙の搬送方向と直交する方向）に１ライン（１列のドットによるライン又は複数列のドットから成るライン）を印字するようなノズルの駆動を主走査と定義する。
【００５９】
特に、図１０に示すようなマトリクス状に配置されたノズル１３を駆動する場合は、上記（３）のような主走査が好ましい。すなわち、ノズル１３-11 、１３-12 、１３-13 、１３-14 、１３-15 、１３-16 を１つのブロックとし（他にはノズル１３-21 、…、１３-26 を１つのブロック、ノズル１３-31 、…、１３-36 を１つのブロック、…として）、記録紙の搬送速度に応じてノズル１３-11 、１３-12 、…、１３-16 を順次駆動することで記録紙の幅方向に１ラインを印字する。
【００６０】
一方、上述したフルラインヘッドと用紙とを相対移動することによって、上述した主走査で形成された１ライン（１列のドットによるライン又は複数列のドットから成るライン）の印字を繰り返し行うことを副走査と定義する。
【００６１】
そして、上述の主走査によって記録される１ライン（或いは帯状領域の長手方向）の示す方向を主走査方向といい、上述の副走査を行う方向を副走査方向という。すなわち、本実施形態では、記録紙の搬送方向が副走査方向であり、それに直交する方向が主走査方向ということになる。
【００６２】
本発明の実施に際してノズルの配置構造は図示の例に限定されない。また、本実施形態では、ピエゾ素子（圧電素子）に代表されるアクチュエータ１５８の変形によってインク滴を飛ばす方式が採用されているが、本発明の実施に際して、インクを吐出させる方式は特に限定されず、ピエゾジェット方式に代えて、ヒータなどの発熱体によってインクを加熱して気泡を発生させ、その圧力でインク滴を飛ばすサーマルジェット方式など、各種方式を適用できる。
【００６３】
〔インクジェット記録装置の構成〕
次に、上述したヘッドを備えた画像記録装置の具体的な適用例としてのインクジェット記録装置について説明する。
【００６４】
図１１は、本発明に係る画像記録装置の一実施形態を示すインクジェット記録装置の全体構成図である。同図に示すように、このインクジェット記録装置１１０は、黒（Ｋ），シアン（Ｃ），マゼンタ（Ｍ），イエロー（Ｙ）の各インクに対応して設けられた複数のヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙを有する印字部１１２と、各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１１４と、被記録媒体たる記録紙１１６を供給する給紙部１１８と、記録紙１１６のカールを除去するデカール処理部１２０と、前記印字部１１２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１１６の平面性を保持しながら記録紙１１６を搬送するベルト搬送部１２２と、印字部１１２による印字結果を読み取る印字検出部１２４と、記録済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部１２６を備えている。
【００６５】
インク貯蔵／装填部１１４は、各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙに対応する色のインクを貯蔵するインクタンクを有し、各タンクは所要の管路を介してヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙと連通されている。
【００６６】
なお、不吐出時に各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙに備わるノズル１３からインクが漏出することを防止するために、ノズル１３内部のインクに負圧を与える液体負圧装置を設けてもよい。この液体負圧装置では、負圧を与えるにあたって、ノズル１３と連通するインク貯蔵／装填部１１４（例えば、インクカートリッジやインクタンク、サブタンクなど）において、ポンプ（不図示）により空気の供給排出による圧力調整を行い負圧を発生させる負圧発生室が設けられている。
【００６７】
給紙部１１８から送り出される記録紙１１６はマガジンに装填されていたことによる巻きクセが残り、カールする。このカールを除去するために、デカール処理部１２０においてマガジンの巻きクセ方向と逆方向に加熱ドラム１３０で記録紙１１６に熱を与える。このとき、多少印字面が外側に弱いカールとなるように加熱温度を制御するとより好ましい。
【００６８】
ロール紙を使用する装置構成の場合、図１１のように、裁断用のカッター（第１のカッター）１２８が設けられており、該カッター１２８によってロール紙は所望のサイズにカットされる。
【００６９】
デカール処理後、カットされた記録紙１１６は、ベルト搬送部１２２へと送られる。ベルト搬送部１２２は、ローラ１３１、１３２間に無端状のベルト１３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１１２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）をなすように構成されている。
【００７０】
ベルト１３３は、記録紙１１６の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引穴（不図示）が形成されている。図１２に示したとおり、ローラ１３１、１３２間に掛け渡されたベルト１３３の内側において印字部１１２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ１３４が設けられており、この吸着チャンバ１３４をファン１３５で吸引して負圧にすることによって記録紙１１６がベルト１３３上に吸着保持される。
【００７１】
ベルト１３３が巻かれているローラ１３１、１３２の少なくとも一方にモータの動力が伝達されることにより、ベルト１３３は図１１上の時計回り方向に駆動され、ベルト１３３上に保持された記録紙１１６は図１１の左から右へと搬送される。
【００７２】
縁無しプリント等を印字するとベルト１３３上にもインクが付着するので、ベルト１３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部１３６が設けられている。
【００７３】
ベルト搬送部１２２により形成される用紙搬送路上において印字部１１２の上流側には、加熱ファン１４０が設けられている。加熱ファン１４０は、印字前の記録紙１１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１１６を加熱する。印字直前に記録紙１１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。
【００７４】
印字部１１２の各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙは、当該インクジェット記録装置１１０が対象とする記録紙１１６の最大紙幅に対応する長さを有し、そのノズル面には最大サイズの被記録媒体の少なくとも一辺を超える長さ（描画可能範囲の全幅）にわたりインク吐出用のノズルが複数配列されたフルライン型のヘッドとなっている（図８参照）。
【００７５】
ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙは、記録紙１１６の送り方向に沿って上流側から黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の色順に配置され、それぞれのヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙが記録紙１１６の搬送方向と略直交する方向に沿って延在するように固定設置される。
【００７６】
ベルト搬送部１２２により記録紙１１６を搬送しつつ各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙからそれぞれ異色のインクを吐出することにより記録紙１１６上にカラー画像を形成し得る。
【００７７】
このように、紙幅の全域をカバーするノズル列を有するフルライン型のヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙを色別に設ける構成によれば、紙送り方向（副走査方向）について記録紙１１６と印字部１１２を相対的に移動させる動作を１回行うだけで（すなわち１回の副走査で）、記録紙１１６の全面に画像を記録することができる。これにより、記録ヘッドが紙搬送方向と直交する方向に往復動作するシャトル型ヘッドに比べて高速印字が可能であり、生産性を向上させることができる。
【００７８】
本例では、ＫＣＭＹの標準色（４色）の構成を例示したが、インク色や色数の組合せについては本実施形態に限定されず、必要に応じて淡インク、濃インク、特別色インクを追加してもよい。また、各色ヘッドの配置順序も特に限定はない。
【００７９】
図１１に示した印字検出部１２４は、印字部１１２の打滴結果を撮像するためのイメージセンサ（ラインセンサ又はエリアセンサ）を含み、該イメージセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まりや着弾位置誤差などの吐出特性をチェックする手段として機能する。
【００８０】
本例の印字検出部１２４には、受光面に複数の受光素子（光電変換素子）が２次元配列されてなるＣＣＤエリアセンサを好適に用いることができる。エリアセンサは、少なくとも各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙによるインク吐出幅（画像記録幅）の全域を撮像できる撮像範囲を有しているものとする。
【００８１】
印字検出部１２４の後段には後乾燥部１４２が設けられている。後乾燥部１４２は、印字された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。
【００８２】
後乾燥部１４２の後段には、加熱・加圧部１４４が設けられている。加熱・加圧部１４４は、画像表面の光沢度を制御するための手段であり、画像面を加熱しながら所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ１４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。
【００８３】
こうして生成されたプリント物は排紙部１２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット記録装置１１０では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部１２６Ａ、１２６Ｂへと送るために排紙経路を切り換える不図示の選別手段が設けられている。なお、大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列に形成する場合は、カッター（第２のカッター）１４８によってテスト印字の部分を切り離す。
【００８４】
〔制御系の説明〕
図１３は、インクジェット記録装置１１０のシステム構成を示すブロック図である。同図に示したように、インクジェット記録装置１１０は、通信インターフェース１７０、システムコントローラ１７２、画像メモリ１７４、モータドライバ１７６、ヒータドライバ１７８、プリント制御部１８０、画像バッファメモリ１８２、ヘッドドライバ１８４等を備えている。
【００８５】
通信インターフェース１７０は、ホストコンピュータ１８６から送られてくる画像データを受信する画像入力手段として機能するインターフェース部（画像入力部）である。通信インターフェース１７０にはＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＩＥＥＥ１３９４、イーサネット（登録商標）、無線ネットワークなどのシリアルインターフェースやセントロニクスなどのパラレルインターフェースを適用することができる。
【００８６】
ホストコンピュータ１８６から送出された画像データは通信インターフェース１７０を介してインクジェット記録装置１１０に取り込まれ、一旦画像メモリ１７４に記憶される。画像メモリ１７４は、通信インターフェース１７０を介して入力された画像を格納する記憶手段であり、システムコントローラ１７２を通じてデータの読み書きが行われる。画像メモリ７４は、半導体素子からなるメモリに限らず、ハードディスクなど磁気媒体を用いてもよい。
【００８７】
システムコントローラ１７２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びその周辺回路等から構成され、所定のプログラムに従ってインクジェット記録装置１１０の全体を制御する制御装置として機能するとともに、各種演算を行う演算装置として機能する。すなわち、システムコントローラ１７２は、通信インターフェース１７０、画像メモリ１７４、モータドライバ１７６、ヒータドライバ１７８等の各部を制御し、ホストコンピュータ１８６との間の通信制御、画像メモリ７４の読み書き制御等を行うとともに、搬送系のモータ１８８やヒータ１８９を制御する制御信号を生成する。
【００８８】
画像メモリ１７４は、画像データの一時記憶領域として利用されるとともに、プログラムの展開領域及びＣＰＵの演算作業領域としても利用される。
【００８９】
モータドライバ１７６は、システムコントローラ１７２からの指示に従って搬送系のモータ１８８を駆動するドライバ（駆動回路）である。ヒータドライバ１７８は、システムコントローラ１７２からの指示に従って後乾燥部１４２等のヒータ１８９を駆動するドライバである。
【００９０】
プリント制御部１８０は、システムコントローラ１７２の制御に従い、画像メモリ１７４内の画像データ（多値の入力画像のデータ） から打滴制御用の信号を生成するための各種加工、補正などの処理を行う信号処理手段として機能するとともに、生成したインク吐出データをヘッドドライバ１８４に供給してヘッド１５０の吐出駆動を制御する駆動制御手段として機能する。
【００９１】
プリント制御部１８０には画像バッファメモリ１８２が備えられており、プリント制御部１８０における画像データ処理時に画像データやパラメータなどのデータが画像バッファメモリ１８２に一時的に格納される。なお、図１３において画像バッファメモリ１８２はプリント制御部１８０に付随する態様で示されているが、画像メモリ１７４と兼用することも可能である。また、プリント制御部１８０とシステムコントローラ１７２とを統合して１つのプロセッサで構成する態様も可能である。
【００９２】
画像入力から印字出力までの処理の流れを概説すると、印刷すべき画像のデータは、通信インターフェース１７０を介して外部から入力され、画像メモリ１７４に蓄えられる。この段階では、例えば、ＲＧＢの多値の画像データが画像メモリ１７４に記憶される。
【００９３】
ヘッドドライバ１８４は、プリント制御部１８０から与えられるインク吐出データ及び駆動波形の信号に基づき、印字内容に応じてヘッド１５０の各ノズル１３に対応するアクチュエータ１５８を駆動するための駆動信号を出力する。ヘッドドライバ１８４にはヘッドの駆動条件を一定に保つためのフィードバック制御系を含んでいてもよい。
【００９４】
こうして、ヘッドドライバ１８４から出力された駆動信号がヘッド１５０に加えられることによって、該当するノズル１３からインクが吐出される。記録紙１１６の搬送速度に同期してヘッド１５０からのインク吐出を制御することにより、記録紙１１６上に画像が形成される。
【００９５】
上記のように、プリント制御部１８０における所要の信号処理を経て生成されたインク吐出データ及び駆動信号波形に基づき、ヘッドドライバ１８４を介して各ノズルからのインク液滴の吐出量や吐出タイミングの制御が行われる。これにより、所望のドットサイズやドット配置が実現される。
【００９６】
印字検出部１２４は、図１１で説明したように、イメージセンサを含むブロックであり、記録紙１１６に印字された画像を読み取り、所要の信号処理などを行って印字状況（吐出の有無、打滴のばらつき、光学濃度など）を検出し、その検出結果をプリント制御部１８０及びシステムコントローラ１７２に提供する。
【００９７】
プリント制御部１８０は、必要に応じて印字検出部１２４から得られる情報に基づいてヘッド１５０に対する各種補正を行うとともに、必要に応じて予備吐出や吸引、ワイピング等のクリーニング動作（ノズル回復動作）を実施する制御を行う。
【００９８】
以上、本発明の液体吐出ヘッドおよび画像形成装置、液体吐出方法について詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。例えば、本発明の液体吐出ヘッドは実施例で説明したような画像形成装置に限定されず、広く液滴吐出装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の記録ヘッドのノズル近傍の図である。
【図２】中心構造体と他の構成部品との連結の仕様を示す図である。
【図３】本発明の記録ヘッドにおける液体の吐出の様子の詳細図である。
【図４】本発明の記録ヘッドの吐出動作の駆動波形を示す図である。
【図５】インク吐出のシミュレーション結果図である。
【図６】中心構造体とノズルの角度の関係図である。
【図７】中心構造体の他の形態を示す図である。
【図８】記録ヘッドの構造例を示す平面透視図である。
【図９】図８中９−９線に沿う断面図である。
【図１０】図８に示した記録ヘッドの一部を拡大した詳細図である。
【図１１】本発明に係る画像形成装置としてのインクジェット記録装置の一実施形態の概略を示す全体構成図である。
【図１２】図８に示したインクジェット記録装置の印字部周辺の要部平面図である。
【図１３】本実施形態に係るインクジェット記録装置のシステム構成を示す要部ブロック図である。
【図１４】特許文献１の発明の記録ヘッドのノズル近傍の図である。
【図１５】特許文献１の発明の記録ヘッドにおける液体の吐出の様子を表す図である。
【符号の説明】
【０１００】
１１…ノズルプレート、１２…流路形成基板、１３…ノズル、１３Ａ…吐出口、１３Ｂ…中心軸、１４…流路、１６…中心構造体、１６Ａ…円柱部、１６Ｂ…円錐部、１６Ｃ…先端部、１６Ｄ…角部、１９…液柱
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008200950.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008200950.tif 000009
【図８】
2008200950.tif 000010
【図９】
2008200950.tif 000011
【図１０】
2008200950.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2008200950.tif 000014
【図１３】
2008200950.tif 000015
【図１４】
2008200950.tif 000016
【図１５】
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