(57)【要約】【課題】大型化、複雑化することなく、複数の吐出口から異なる大きさのインク滴を吐出させることが可能なインクジェット記録ヘッドを提供する。【解決手段】インクジェット記録ヘッドは、同一の共通液室１１に連通したインク流路２４，３４と、インク流路２４，３４に接続された圧力室２５，３５と、圧力室２５，３５に配設されたヒータ２２，３２と、圧力室２５，３５に開口した吐出口２３，３３とをそれぞれ有する複数種のノズル２１，３１を備えている。ヒータ２２，３２は略同一の形状及び大きさを有している。複数種のノズル２１，３１の各々は体積あるいは質量が互いに異なるインク滴を吐出口２３，３３から吐出するように構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の共通液室に連通したインク流路と、該インク流路に接続された圧力室と、該圧力室に配設された電気熱変換素子と、前記圧力室に開口した吐出口とをそれぞれ有する複数種のノズルを備えたインクジェット記録ヘッドにおいて、
前記複数種のノズルの各々が備える前記電気熱変換素子は略同一の形状及び大きさを有しており、
前記複数種のノズルの各々は体積あるいは質量が互いに異なるインク滴を前記吐出口から吐出するように構成されてい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】
前記複数種のノズルの各々が備える前記吐出口の開口面積が互いに異なっている、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項３】
前記複数種のノズルの各々が備える前記インク流路の流路長が互いに異なっている、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項４】
前記複数種のノズルの各々が備える前記インク流路の流抵抗が互いに異なっている、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吐出口から吐出させたインク滴を記録媒体に付着させて記録を行うインクジェット記録ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のインクジェット記録ヘッドが用いられる記録装置は、いわゆるノンインパクト方式の記録方式をとり高速記録と各種記録媒体に対して記録できることを特徴としている。この記録装置は、プリンタ、ワードプロセッサ、ファクシミリ、複写機、メーリングマシーンなどに広く採用されている。
【０００３】
インクジェット記録ヘッドの代表的な吐出手段としてはエネルギー発生素子があり、このエネルギー発生素子で発生させたエネルギーによって液滴を微小な吐出口から吐出させて記録媒体に対して記録を行う。記録ヘッドの吐出口からインクを吐出するために利用されるエネルギー発生素子は、ピエゾ素子などの電気機械変換体を用いたもの、レーザなどの電磁波を照射して発熱させ、この発熱による作用でインク滴を吐出させるものがある。あるいは、発熱抵抗体を有する電気熱変換体素子によって液体を加熱させるものがある。
【０００４】
電気熱変換体素子によるインク吐出の原理は、以下の通りである。すなわち、インクが供給されている圧力室内の電気熱変換素子に電気信号を与えて発熱させ、電気熱変換素子付近のインクを瞬時に加熱して沸騰させ、そのときの相変化により急激に生じる大きな発泡圧によってインクを吐出口から外部へ吐出させる。この方式のインクジェット記録ヘッドは、構造が単純でインク流路の集積化が容易であるなどの利点を有している。
【０００５】
このインクジェット記録ヘッドにおいて、高精細な記録を実現するために、通常より微細なインク滴を形成して記録を行う場合があり、用途に応じて大きなインク滴の吐出と小さなインクの吐出とを使い分ける構成のものがある。複数の吐出口から大きなインク滴と小さなインク滴とを同時に吐出させたり、あるいは吐出するインク滴の大きさを用途に応じて使い分けることで、階調性の向上あるいは高速記録を実現することが可能である。この種のインクジェット記録ヘッドは、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００６−１６８１４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電気熱変換素子は電気信号を与えて発熱させるため、電気熱変換素子の大きさと印加する電流量とがほぼ比例する関係にある。そのため、大きなインク滴を吐出するために電気熱変換素子へ印加する電流量と、小さなインク滴を吐出するために電気熱変換素子へ印加する電流量とは異なる。したがって、複数の吐出口から異なる大きさのインク滴を同時に吐出させるには、電気熱変換素子へ印加する電流量を吐出させるインク滴の大きさに応じて個別に制御する必要がある。
【０００７】
電気熱変換素子へ印加する電流量を吐出するインク滴の大きさごとに制御する場合には、記録装置の制御が複雑になり、また、インク滴の大きさごとに電源配線や制御配線が必要になる。その結果、記録ヘッドが大型化し、さらには記録装置も大型化、複雑化してしまう。
【０００８】
電気熱変換素子へ印加する電流量は、電圧や印加時間などを変えることなどによっても調節可能であるが、いずれの場合でも、個別電源や個別配線などが必須となり記録ヘッドや記録装置の大型化、複雑化は避けられない。
【０００９】
そこで本発明は、大型化、複雑化することなく、複数の吐出口から異なる大きさのインク滴を吐出させることが可能なインクジェット記録ヘッド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】
【００１０】
本発明のインクジェット記録ヘッドは、同一の共通液室に連通したインク流路と、該インク流路に接続された圧力室と、該圧力室に配設された電気熱変換素子と、前記圧力室に開口した吐出口とをそれぞれ有する複数種のノズルを備えている。前記複数種のノズルの各々が備える前記電気熱変換素子は略同一の形状及び大きさを有している。前記複数種のノズルの各々は体積あるいは質量が互いに異なるインク滴を前記吐出口から吐出するように構成されている。
【発明の効果】
【００１１】
上記本発明によれば、大型化、複雑化することなく、複数の吐出口から異なる大きさのインク滴を吐出させることが可能なインクジェット記録ヘッドを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【００１３】
図１は記録装置の概略構成を示す図である。図２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の斜視図である。
【００１４】
図１を参照すると、不図示の外装部材内に収納されたシャーシ１０１は、所定の剛性を有する複数の板状金属部材によって構成され、記録装置の骨格をなし、後述の各記録動作機構を保持している。下ケース１０１ａは記録本体の略下半分を、上ケース１０１ｂは装置本体の略上半分をそれぞれ形成している。両ケース１０１ａ，１０１ｂの組合せによって内部に後述の各機構を収納する収納空間を有する中空体構造をなし、その上面部及び前面部にはそれぞれ開口部が形成されている。
【００１５】
記録装置が備える記録動作機構は、記録シートを装置本体内へ自動的に給送する自動給送部１０２と、そこから１枚ずつ送り出される記録シートを所望の記録位置へと導き、さらに排出部１０６へと導く搬送部１０３とを有している。記録動作機構はさらに、搬送された記録シートに所望の記録を行う記録部１０４と、記録部等に対する回復処理を行う回復部１０５とを有している。
【００１６】
記録部１０４は、キャリッジ軸１１１によって移動可能に支持されたキャリッジ１１２と、このキャリッジ１１２に着脱可能に搭載される記録ヘッド１１３およびインクを貯留するインクタンク１１４とを含む。
【００１７】
本実施形態における記録ヘッド１１３は、キャリッジ１１２に対して着脱可能に搭載される、いわゆるカートリッジ方式のものである。この方式のもの以外にも、インクタンクと記録ヘッドとが一体となってキャリッジに対して着脱可能に搭載されるヘッドタンク一体型カートリッジ方式のものや、記録ヘッドとキャリッジとが一体でありインクタンクが着脱可能な方式のもの等を用いてもよい。インクタンク１１４は、高画質なカラー記録を可能にするため、例えばブラック、シアン、マゼンタ、イエローの各色独立のインクタンクが用意されており、それぞれが記録ヘッドに対して着脱自在となっている。これに替えて、複数のインク貯蔵室を有し、複数色のインクを一体にしたインクタンク等を用いてもよい。
【００１８】
図２を参照すると、記録ヘッド１１３は、記録素子基板１、支持基板２、流路形成部材３、フィルタ（不図示）、チップタンク４を有している。記録素子基板１は、シリコン基板に、インクを吐出するための複数の記録素子と各記録素子に電力を供給する電気配線とが成膜技術により形成されている。さらに、この記録素子に対応した複数のインク流路と複数の吐出口とがフォトリソグラフィー技術により形成されて吐出ノズル列を構成するとともに、複数の吐出ノズル列にインクを供給するためのインク供給口が裏面に複数列開口するように形成されている。また、記録素子基板１は支持基板２に接着固定されており、記録素子基板１のインク供給口と支持基板２内に配設された空間とにより、インクを保持する液室１１（図３参照）が構成されている。記録ヘッド１１３は、このように複数の吐出ノズル列１２を有する記録素子基板が複数個配設されており、複数種のインクを吐出できるような構成になっている。
【００１９】
支持基板２は、記録素子基板１に電気的に接続されたフレキシブル配線基板５を保持している。このフレキシブル配線基板５はコンタクト配線基板６にも接続されている。このコンタクト配線基板６は、記録装置本体からの電気信号を受け取るための外部信号入力端子６ａを有している。コンタクト配線基板６はチップタンク４の背面側に位置決め固定されている。インクを吐出するための電気信号は、記録装置本体から外部信号入力端子６ａに入力され、コンタクト配線基板６を通じて記録素子基板１に入力される。
【００２０】
ここで図３を参照すると、記録素子基板１には後に詳述するノズル列２１，３１が形成されている。その各インク流路２４，３４の各々には電気熱変換素子であるヒータ２２，３２が設けられている。ヒータ２２，３２は略同一の形状及び大きさを有しており、電気的な抵抗も略同一である。また、これにつながる電気スイッチ抵抗や電気配線抵抗なども略同一である。そのため、ヒータ２２，３２を加熱するための電気信号（パルス）の電圧や電流、パルス長が同じであれば、ヒータ２２およびヒータ３２で発生する熱量は略同一である。
【００２１】
再び図２を参照すると、チップタンク４には流路形成部材３が溶着され、インクタンク１１４から支持基板２に至るインク供給路を形成している。インクタンク１１４に連結されるインク供給路の端部にはフィルタ（不図示）が設けられており、ゴミ等が外部からインク供給路内に侵入することを防止している。チップタンク４、流路形成部材３、フィルタなどからなるチップタンク部と、記録素子基板１、支持基板２、電気配線部などからなる記録素子部とがビス７で結合されて、記録ヘッド１１３が構成されている。
【００２２】
図１に示すように、キャリッジ１１２は、記録ヘッド１１３と係合して記録ヘッド記録ヘッド１１３をキャリッジ１１２の装着位置に案内するキャリッジカバー１１２ａを備えている。さらに、キャリッジ１１２は、記録ヘッド１１３のチップタンク４と係合して記録ヘッド１１３を所定の装着位置にセットさせるように押圧するヘッドセットレバー１１２ｂを備えている。ヘッドセットレバー１１２ｂは、キャリッジ１１２の上部の軸に対して回動可能に設けられていると共に、記録ヘッド１１３との係合部には不図示のヘッドセットプレートがばねを介して備えられている。ヘッドセットレバー１１２ｂは、このばね力によって記録ヘッド１１３を押圧しながらキャリッジ１１２に装着するようになっている。
【００２３】
図３は記録ヘッドの記録素子基板上に形成された吐出ノズル部の部分拡大図である。図４は記録素子基板に構成されたノズル列を示す図である。
【００２４】
図４中の最も左側に設けられた共通液室１１について説明すると、共通液室１１の図示左側に１列のノズル列１２が配設され、図示右側に２列のノズル列２１，３１が配設されている。第１のノズル列２１は共通液室１１に近い位置に配設されており、第２のノズル列３１はそれよりも共通液室１１から遠い位置に配設されている。１回の吐出動作で第１のノズル列２１の吐出口２３から吐出されるインクの吐出量は、第２のノズル列３１の吐出口３３から吐出されるインクの吐出量よりも少ない。各ノズル列１２，２１，３１の両端には通常の記録動作に使用しないダミーノズル１３が配設されている。このダミーノズル１３の吐出口は、通常の記録動作に使用する吐出口２３，３３（詳細後述）と異なる形状をしている。
【００２５】
図４に示されているように、記録素子基板１には各インク色に対応した５列の共通液室１１が設けられている。各共通液室１１には互いに異なる種類のインクが供給されるようになっている。これらの５列の共通液室１１のうち、図示左側の２つの共通液室１１では、上述したように共通液室１１の図示左側に１列のノズル列１２が配設され、図示右側に２列のノズル列２１，３１が配設されている。図示右側の２つの共通液室１１では、これとは逆に、共通液室１１の図示右側に１列のノズル列１２が配設され、図示左側に２列のノズル列２１，３１が配設されている。また、図示中央の共通液室１１では、その両側にノズル列１２が互いに半ピッチずれて配設されている。なお、いずれもノズル列２１および３１も必ずノズル列１２同士の間に配置されており、ノズル列２１および３１が連続して隣り合わせになることはない。各々の共通液室１１に沿って設けられた第１のノズル列２１と第２のノズル列３１は互いに千鳥状に配列されている。
【００２６】
図３を参照すると、第１のノズル列２１は、長円形状の第１の吐出口２３、第１の圧力室２５および第１のインク流路２４を有している。第１のインク流路２４の一方の端部は共通液室１１に連通し、他方の端部は第１の圧力室２５に連通しており、インクは共通液室１１から第１のインク流路２４を通じて第１の圧力室２５に供給される。第１の圧力室２５内には第１のヒータ２２が配設されている。同様に、第２のノズル列３１は第２の吐出口３３、第２の圧力室３５および第２のインク流路３４を有している。第２のインク流路３４の一方の端部は共通液室１１に連通し、他方の端部は第２の圧力室３５に連通しており、インクは共通液室１１から第２のインク流路３４を通じて第２の圧力室３５に供給される。第２の圧力室３５内には第２のヒータ３２が配設されている。また、共通液室１１とインク流路２４，３４との接続部近傍には、円柱状のノズルフィルタ４０が配置されている。
【００２７】
上述のように、第１のノズル列２１と第２のノズル列３１は共通液室１１に沿って配列されており、共通液室１１からの距離は第１のノズル列２１より第２のノズル列３１の方が遠くなっている。これに対応して第１の吐出口２３と第２の吐出口３３が配設されており、第１の吐出口２３と第２の吐出口３３とは千鳥状に配置されている。またこれに伴い、圧力室２５，３５、インク流路２４，３４、ヒータ２２，３２もこれに対応するように形成されている。インク流路に関しては、第１のインク流路２４より第２のインク流路３４のほうが長くなっている。インク流路２４，３４の高さが同一である場合、それらの流路の流抵抗は流路幅および流路長によって決まる。流路幅が広ければ流抵抗が小さくなり、流路長が長ければ流抵抗は大きくなる。
【００２８】
図５は吐出口からインクを吐出させた時のインクの挙動を示す模式図である。図５（ａ）は第１のノズルにおけるインクの挙動を示し、図５（ｂ）は第２のノズルにおけるインクの挙動を示している。
【００２９】
インク吐出動作を行う際のインクの挙動について、第１のノズルを用いて説明する。
【００３０】
第１のヒータ２２に電気信号を入力することによって第１のヒータ２２を適切に加熱すると、第１の圧力室２５内に気泡２６が発生する。その気泡２６の成長に伴って、インクが第１の吐出口２３を通ってインク滴２７として吐出される。この時、成長した気泡２６は第１のヒータ２２の中心から同心円上に成長していくが、第１の圧力室２５の壁や天井によってその成長が規制されるため、規制のない第１の吐出口２３の方向と第１のインク流路２４及び共通液室１１の方向とに広がっていく。第１の吐出口２３方向に広がる気泡２６がその前方にあるインクを押し出し、インク滴２７として吐出する。第１のインク流路２４及び共通液室１１の方向へ広がる気泡２６も、インク流路２４の圧損などによってある程度で成長が止まる。ここで、気泡２６の形状は、第１の吐出口２３の方向と第１のインク流路２４の方向との抵抗バランスによって影響をうける。言い換えれば、第１の吐出口２３の方向の流抵抗（以下、「前方抵抗」という。）と第１のインク流路２４の方向の流抵抗（以下、「後方抵抗」という。）とのバランスにより、第１の吐出口２３からのインク滴の吐出が影響を受ける。たとえば、前方抵抗が比較的小さく後方抵抗が比較的大きければ、気泡２６は前方すなわち第１の吐出口２３の方向へ成長しやすくなり、インクが第１の吐出口２３から飛び出しやすくなる。逆に、前方抵抗が比較的大きく後方抵抗が比較的小さいと、気泡２６は後方すなわち第１のインク流路２４の方向へ成長しやすくなり、インクが第１の吐出口２３から飛び出しにくくなる傾向にある。
【００３１】
ここで第１のノズルと第２のノズルとを比較すると、第２のノズルは第２のインク流路３４が第１のインク流路２４より長いため後方抵抗が大きい。そのため、それぞれの前方抵抗とのバランスにもよるが、第１のノズルと第２のノズルとを比較した場合、第２のノズルの方が吐出口３３からインクを吐出しやすい傾向にある。インクを吐出しやすいということは、より大きなインク滴を飛ばしやすいことを意味する。
【００３２】
吐出口２３，３３の大きさは前方抵抗に影響を与える。吐出口２３，３３の大きさが大きい方が前方抵抗が小さくなり、吐出口２３，３３の大きさが小さいと前方抵抗が高くなる。後方抵抗が同じ場合には前方抵抗が小さいほうがよりインク滴を飛ばしやすくなるため、吐出口２３，３３の大きさを適宜大きくすることでより大きなインク滴を飛ばすことができる。
【００３３】
本実施形態では、第２の吐出口３３は第１の吐出口２３より大きく設定されており、第２のインク流路３４は第１のインク流路２４より長く設定されている。インク流路２４，３４の幅は略同一である。そのため、前方抵抗および後方抵抗について第１のノズルと第２のノズルとを比較した場合、第２のノズルは第１のノズルよりも前方抵抗が小さく、かつ後方抵抗が大きい。よって、第２のノズルは第１のノズルよりも大きなインク滴を飛ばすのに好適な構成となっている。
【００３４】
上述したように、第１のヒータ２２と第２のヒータ３２とは略同一の形状及び大きさを有するため、電気的な抵抗も略同一であり、これらに繋がる電気スイッチ抵抗や電気配線抵抗なども略同一である。そのため、ヒータ２２，３２を加熱するための電気信号（パルス）の電圧や電流、パルス長を同じにすることができ、吐出されるインク滴の大きさの異なる第１のノズル及び第２のノズルにおけるヒータ２２，３２を同一の電気信号でコントロールすることができる。これにより、吐出させるインク滴の大きさごとに電源配線や制御配線を変えることが不要となり、記録ヘッドを小型化することが可能となる。また、記録ヘッドの制御を簡略化することができるため、記録装置の小型化、簡素化を図ることができる。
【００３５】
本実施形態では、吐出口２３，３３の大きさとインク流路２４，３４の流路長を変えることで前方抵抗および後方抵抗を設定し、吐出口２３，３３から吐出されるインク滴の大きさ（体積あるいは質量）を定めている。吐出口２３，３３から吐出されるインク滴の大きさは、これらのうちのどちらかのみを変えることによっても定めることができる。また、これらに加えてインク流路２４，３４の流路幅や高さを変えることで、吐出口２３，３３から吐出されるインク滴の大きさをより大きな範囲で定めることができる。これらは、吐出口２３，３３やインク流路２４，３４のレイアウトの制約やノズルの作製方法などの制約に応じて適宜選択することができる。
【００３６】
上記では、共通液室１１の一方の側に連通する第１及び第２のノズルによって２種類の大きさのインク滴を吐出する場合について説明した。しかし、共通液室１１の他方の側にもノズル１２が連通しており、第１及び第２のノズルから吐出されるインク滴とは異なる大きさのインク滴をこのノズル１２から吐出させることで、３種類以上の大きさのインク滴を吐出させることができるようになっている。共通液室１１に連通するノズルの種類をより多くすることで、大きさが互いに異なるより多くの種類のインク滴と吐出させることが可能である。
【００３７】
なお、本発明は吐出口やインク流路の形状や大きさ等で決まる流抵抗によって、吐出するインク滴の大きさを変えるものであり、本実施形態で説明した吐出口やインク流路の形状に限定されるものでない。また、用途に応じたノズルレイアウトにおいて本発明の構成を一部適用することも可能である。
【００３８】
以上説明したように、本発明によれば、形状及び大きさが略同一の電気熱変換素子によって、大きさが互いに異なるインク滴を吐出させることが可能となっている。これにより、吐出させるインク滴の大きさに応じて電気熱変換素子へ印加する電流量を個別に制御する必要がなくなる。そのため、記録装置および記録ヘッドを小型化し、システムの簡略化も同時に達成することで、コストダウンをすすめつつ、複数種のインク滴の同時吐出による多階調記録や高速記録を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】記録装置の概略構成を示す図である。
【図２】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斜視図である。
【図３】記録ヘッドの記録素子基板上に形成された吐出ノズル部の部分拡大図である。
【図４】記録素子基板に構成されたノズル列を示す図である。
【図５】吐出口からインクを吐出させた時のインクの挙動を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    記録素子基板
１１  共通液室
２１  第１のノズル列
２２  第１のヒータ
２３  第１の吐出口
２４  第１のインク流路
２５  第１の圧力室
２６，３６  気泡
２７，３７  インク滴
３１  第２のノズル列
３２  第２のヒータ
３３  第２の吐出口
３４  第２のインク流路
３５  第２の圧力室
【図１】
2008049533.tif 000003
【図２】
2008049533.tif 000004
【図３】
2008049533.tif 000005
【図４】
2008049533.tif 000006
【図５】
2008049533.tif 000007