(57)【要約】【課題】  ヒータが発する熱によりインクを吐出する記録ヘッドにおいて、インク温度制御などの余分な構成を必要とせずに、また、ヒータの寿命を低下させることなく、オンデマンドの吐出量変調を可能とする。【解決手段】  ヒータと吐出口の間の流路断面を、その代表寸法    【数１】2005028830.tif 000039が、吐出口に向かう方向ｘに対して    【数２】2005028830.tif 000040満たす形状とする。これにより、粘性抵抗の流量依存性を小さくでき、気泡の膨張体積の変化範囲が大きくなって、ヒータに印加するパルスに応じて吐出量を大きな範囲で変えることができる。【選択図】  図１
2005028830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを吐出する記録ヘッドにおいて、
前記記録ヘッドは、インクを吐出するため利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生体と、インクを吐出するための吐出口と、該吐出口と前記エネルギー発生体との間の流路と、該流路にインクを供給する供給路とを有し、
前記流路の少なくとも一部の断面積をＳ、前記エネルギー発生体から吐出口に向かう方向の座標をｘとするとき、前記少なくとも一部の断面は、
【数１】
2005028830.tif 000027
であり、かつ
【数２】
2005028830.tif 000028
なる形状を有したことを特徴とする記録ヘッド。
【請求項２】
前記供給路は、前記エネルギー発生体に関して前記吐出口と反対側の液室から前記吐出口に向かい、前記流路の一部をなすものであり、前記エネルギー発生体より前記液室側の流路の少なくとも一部の断面積をТ、前記エネルギー発生体から前記液室に向かう方向の座標をｙとするとき、前記エネルギー発生体より前記液室側の流路の少なくとも一部の断面は、
【数３】
2005028830.tif 000029
および
【数４】
2005028830.tif 000030
を満たす形状を有したことを特徴とする請求項１に記載の記録ヘッド。
【請求項３】
前記エネルギー発生体は、インクに気泡を発生させるため利用される熱エネルギーを発生するヒータを有したことを特徴とする請求項１または２に記載の記録ヘッド。
【請求項４】
インクを吐出する記録ヘッドを用い、記録媒体にインクを吐出して記録を行なうインクジェット記録装置において、
前記記録ヘッドは、パルスの印加によってインクを吐出するため利用される熱エネルギーを発生するヒータと、インクを吐出するための吐出口と、該吐出口と前記ヒータとの間の流路と、該流路にインクを供給する供給路とを有し、
前記流路の少なくとも一部の断面積をＳ、前記ヒータから吐出口に向かう方向の座標をｘとするとき、前記少なくとも一部の断面は、
【数５】
2005028830.tif 000031
および
【数６】
2005028830.tif 000032
を満たす形状を有したことを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項５】
前記供給路は、前記エネルギー発生体に関して前記吐出口と反対側の液室から前記吐出口に向かい、前記流路の一部をなすものであり、前記エネルギー発生体より前記液室側の流路の少なくとも一部の断面積をТ、前記エネルギー発生体から前記液室に向かう方向の座標をｙとするとき、前記エネルギー発生体より前記液室側の流路の少なくとも一部の断面は、
【数７】
2005028830.tif 000033
および
【数８】
2005028830.tif 000034
を満たす形状を有したことを特徴とする請求項４に記載のインクジェット記録装置。
【請求項６】
画像データに基づいて、前記ヒータに印加するパルス波形を変えることを特徴とする請求項４または５に記載のインクジェット記録装置。
【請求項７】
インクを吐出する記録ヘッドを用い、記録媒体にインクを吐出して記録を行なうインクジェット記録方法において、
前記記録ヘッドは、パルスの印加によってインクを吐出するため利用される熱エネルギーを発生するヒータと、インクを吐出するための吐出口と、該吐出口と前記ヒータとの間の流路と、該流路にインクを供給する供給路とを有し、
前記流路の少なくとも一部の断面積をＳ、前記ヒータから吐出口に向かう方向の座標をｘとするとき、前記少なくとも一部の断面は、
【数９】
2005028830.tif 000035
および
【数１０】
2005028830.tif 000036
を満たす形状を有し、
画像データに基づいて、前記ヒータに印加するパルス波形を変えることを特徴とするインクジェット記録方法。
【請求項８】
前記供給路は、前記エネルギー発生体に関して前記吐出口と反対側の液室から前記吐出口に向かい、前記流路の一部をなすものであり、前記エネルギー発生体より前記液室側の流路の少なくとも一部の断面積をТ、前記エネルギー発生体から前記液室に向かう方向の座標をｙとするとき、前記エネルギー発生体より前記液室側の流路の少なくとも一部の断面は、
【数１１】
2005028830.tif 000037
および
【数１２】
2005028830.tif 000038
を満たす形状を有したことを特徴とする請求項７に記載のインクジェット記録方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインクジェット記録装置に用いる記録ヘッドに関し、詳しくは、記録ヘッドにおいて吐出口に連通する流路などの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の記録ヘッドのうち、特に圧力発生体としてヒータが発生する熱エネルギーを用いるタイプの記録ヘッドは、吐出口の高密度化、吐出するインクの小液滴化、記録の高速化を可能とするものであり、高画質、高速記録に適したものとして最近広く用いられている。
【０００３】
しかし、この種の従来の記録ヘッドは、基本的に、１回の吐出ごとにオンデマンドで吐出量を変調することができない。すなわち、記録ヘッドにおけるインク吐出は、上記熱エネルギーによる膜沸騰によって比較的急峻に気泡が膨張し、これによりインクが吐出口側へ急激に移動して行なわれるものである。従って、吐出されるインクの量は、この短い間に気泡が膨張できる体積に応じたものとなる。そして、この膨張できる体積は、基本的にインクの物理的ないし化学的性質によって決まるが、ヒータから吐出口に至る流路のインク移動に対する抵抗にも左右される。従来の記録ヘッドは、この抵抗によって、膨張エネルギーの変化に対する膨張体積の変化幅が比較的狭いものである。このため、ヒータに印加する電気パルスの幅などを変化させることにより気泡の膨張エネルギーを変化させても、その膨張体積がそれに応じて変化する余地は少なく、結果として吐出量をほとんど変えることができないことになる。もちろん、吐出するインクの体積(吐出量)はヒータの面積や吐出口のサイズ等を変えれば、吐出量の変調は可能であるが、画像信号の濃度情報や輝度情報などの吐出データに応じて吐出するインクの体積をオンデマンドに変えることができず、実際的ではない。
【０００４】
ただし、電気パルスの幅などを変化させてインク温度を制御することを介して、吐出体積を変調することは行なわれている。しかし、この場合にはインク温度の制御という、インク吐出に関して余分な構成を持つ必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上の問題を解決できる構成として、従来から、台形形状のヒータを用いた記録ヘッドが知られている。これの原理は、ヒータに印加するパルスの電圧またはパルス幅を変えることにより、ヒータ上に発生する気泡の面積を変えて、吐出するインクの体積を変えることを可能としたものである。しかしながら、特に大きな体積のインクを吐出するための電気パルスを印加する場合に、台形の短辺付近では電流密度が過大となり、ヒータの耐久性が低下するなどの問題を派生する。
【０００６】
本発明は、以上説明した従来のあらゆる問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、インク温度制御などの余分な構成を必要とせずに、また、ヒータの寿命を低下させることなく、オンデマンドの吐出量変調を可能とする記録ヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そのために本発明では、インクを吐出する記録ヘッドにおいて、前記記録ヘッドは、インクを吐出するため利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生体と、インクを吐出するための吐出口と、該吐出口と前記エネルギー発生体との間の流路と、該流路にインクを供給する供給路とを有し、前記流路の少なくとも一部の断面積をＳ、前記エネルギー発生体から吐出口に向かう方向の座標をｘとするとき、前記少なくとも一部の断面は、
【０００８】
【数１】
2005028830.tif 000003
【０００９】
であり、かつ
【００１０】
【数２】
2005028830.tif 000004
【００１１】
なる形状を有したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上の構成によれば、エネルギー発生体から吐出口に向かう流路によるインクに対する抵抗の流量依存性を小さくでき、これにより、気泡の膨張体積の変化範囲が大きくなって、エネルギー発生体が発生するエネルギーに応じて吐出量を大きな範囲で変えることができる。
【００１３】
この結果、記録ヘッドにおいて、インク温度制御などの余分な構成を必要とせずに、また、ヒータの寿命を低下させることなく、オンデマンドの吐出量変調が可能となる。
【００１４】
すなわち、本発明は、上述したように従来の記録へッドでは、流路の抵抗に起因して、膨張エネルギーの変化に対する気泡の膨張体積の変化範囲が狭いという観点から、流路の抵抗に着目することにより気泡の膨張体積の変化範囲を大きくしたものである。詳細には、記録へッドにおいて、気泡の膨張体積すなわち吐出体積が、流路におけるインクの粘性抵抗に依存し、さらにこの粘性抵抗がインクの流量に依存すること、そして、その流量依存性が流路の断面積の分布ないし変化に依存することに着目して成されたものである。すなわち、流路の断面積をＳとするとき、流路断面の代表寸法
【００１５】
【数３】
2005028830.tif 000005
【００１６】
の軸方向分布(吐出口に向かう方向をｘが増す方向とする)が下に凸である場合
【００１７】
【数４】
2005028830.tif 000006
【００１８】
すなわち、ヒータに近い側での断面の代表寸法
【００１９】
【数５】
2005028830.tif 000007
【００２０】
の減少の仕方よりも、吐出口に近い側のそれの方が小さくなる流路構造では、粘性抵抗の流量依存性は小さい。一方、
【００２１】
【数６】
2005028830.tif 000008
【００２２】
の場合、すなわち、ヒータに近い側では断面の代表寸法
【００２３】
【数７】
2005028830.tif 000009
【００２４】
の減少の仕方が小さく、吐出口に近づくに従って代表寸法
【００２５】
【数８】
2005028830.tif 000010
【００２６】
の減少の仕方が大きくなる場合、粘性抵抗の流量依存性が大きくなる。
【００２７】
前者の場合は、印加パルス等の工夫で気泡の膨張エネルギーを増大させたときに、流量依存性が小さいことから、気泡の膨張によって移動するインクに対して抵抗はそれほど大きくならず、膨張体積も膨張エネルギーに応じて変化し、吐出量を比較的大きく変化させることができる。これに対し、後者の場合は、印加パルス等の工夫で吐出体積を増そうとしても、粘性抵抗の流量依存性が大きいため、インクの急激な移動に対して抵抗も増大して膨張体積の増加が抑制され、吐出量はそれほど変化しない。
【００２８】
さらに好ましい形態として、上記構成に加え、ヒータから液室方向(ｙ方向)ヘ向かう流路の断面積をТとするとき、代表寸法
【００２９】
【数９】
2005028830.tif 000011
【００３０】
の分布が吐出体積の変化に与える影響を考えると、上記とは逆の関係が望ましい。すなわち、吐出量を増大すべく気泡の膨張エネルギーを増大させると、液室方向の流速(従って、流量)が増加するが、このとき、その流路の構造を粘性抵抗が増大するよう、単調減少であり、かつ
【００３１】
【数１０】
2005028830.tif 000012
【００３２】
を満たす代表寸法の断面部分を存在させることにより、液室方向へ流れるインク量を抑制することができる。これにより、気泡の膨張エネルギーを効率良くインク吐出に用いることができ、吐出インク量の増大に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。  
(実施形態１)
図１(ａ)および(ｂ)は、本発明の第１の実施形態にかかる記録ヘッドの内部構造示すそれぞれ側方から見た断面図および上方から見た断面図である。
【００３４】
この記録ヘッドは、いわゆるフェーズシュータタイプの記録ヘッドであり、同図(ａ)および(ｂ)に示す、吐出口１２、それに連通する流路、およびヒータ１１の構造を、同図(ａ)の紙面と垂直方向に複数配設するとともに、この複数の構造と対称の構造が液室１５の中心軸に関して同図の左方に配設したものである。この構造において、液室１５から供給されたインクは、基板１４に設けられたヒータ１１の上面での膜沸騰による気泡１６の膨張によって、インク滴１７として矢印Ａ方向に吐出される。
【００３５】
この記録へッドにおいて、ヒータ１１から吐出口１２までの流路で、オリフィス部材１３に部分に形成された流路の断面積をＳとするとき、その流路断面の代表寸法
【００３６】
【数１１】
2005028830.tif 000013
【００３７】
は、吐出口１２に向かって単調減少
【００３８】
【数１２】
2005028830.tif 000014
【００３９】
であり、また、
【００４０】
【数１３】
2005028830.tif 000015
【００４１】
が成り立っている。このような形状の場合、ヒータと吐出口の間の粘性抵抗は流量の増加に対して大きく増加せず、ヒータの熱エネルギーを増加させて吐出体積を増加させやすくなる。
【００４２】
他方、ヒータ１１から液室１５に向かう(図１(ｂ)に示すｙ方向)流路の途中には、断面積Тの断面の代表寸法
【００４３】
【数１４】
2005028830.tif 000016
【００４４】
が単調減少
【００４５】
【数１５】
2005028830.tif 000017
【００４６】
し、かつ、
【００４７】
【数１６】
2005028830.tif 000018
【００４８】
を満たす領域Ｂが設けられる。この部分では、ｙ方向の粘性抵抗は流量増加に対して著しく増加するため、吐出の際に吐出量を増大すべく気泡の膨張エネルギーを増すとき、この液路では液室に向かうインクの移動が抑制される。これにより、気泡１６の膨張エネルギーが効率よくインク吐出(図１(ａ)において矢印Ａ方向)に用いることが可能となる。すなわち、一般に、ヒータに印加する電気パルスを工夫することによって、発生する気泡の膨張エネルギーを増すと、吐出口方向への流量増加の他に液室方向ヘの流量も増加し、吐出インクの体積増加が充分に得られないが、上述のように、本実施形態の構造によれば、液室方向ヘの流量増加を抑えることができるので、吐出体積を増加させ易い。
【００４９】
以上説明した本実施形態の記録へッドは、図３(ａ)に示す標準的なパルス(パルス幅２．０μｓ)を印可したとき、４．０×１０−１５ｍ３の吐出体積が得られる。そして、気泡の膨張エネルギーを増すべく、図３(ｂ)に示す、１．２μｓ＋１．５μｓの休止＋１．０μｓのパルスとすると、５．９×１０−１５ｍ３の吐出体積となり、吐出量は約１．４８倍となる。なお、図３(ｂ)に示すパルスは、いわゆるダブルパルスと呼ばれ、最初の１．２μｓ幅のプレパルスの印加によってインクの温度を上昇させ、その後、１．５μｓの休止期間をおいて１．０μｓ幅のメインパルスの印加で気泡を発生させ吐出を行なうものである。このダブルパルスによれば、プレパルスによってインクの温度が上昇することにより、その後生じる気泡の膨張体積を大きくすることができる。
【００５０】
一方、図２に示す従来例の記録ヘッドは、吐出口１２に至る流路でオリフィス部材１３の部分が形成する流路の断面の代表寸法
【００５１】
【数１７】
2005028830.tif 000019
【００５２】
は、
【００５３】
【数１８】
2005028830.tif 000020
【００５４】
を満たす形状(一定の割合で減少する形状)である。
【００５５】
上記と同様、図３(ａ)に示す標準パルスを印加したとき、３．８×１０−１５ｍ３の吐出量が得られ、また、図３(ｂ)に示す、膨張エネルギーを増大させるべくダブルパルスを印加したとき、４．４×１０−１５ｍ３の吐出量となる。この場合、体積増加は約１．１６倍であり、ヒータに供給する電気エネルギー(従って、気泡の膨張エネルギー)の増加に対する吐出量の増加の割合が、本実施形態の場合より小さいことがわかる。
【００５６】
(実施形態２)
図４(ａ)および(ｂ)は、本発明の他の実施形態にかかる記録ヘッドの内部構造を示すそれぞれ縦断面図および上方から見た断面図である。
【００５７】
本実施形態の記録ヘッドは、いわゆるサイドシュータータイプの記録ヘッドであり、ヒータ１１１の面に平行な方向にインクが吐出される。詳しくは、基板１１４上にヒータ１１１が設けられ、この基板に液室１１５やインク路１１８を形成するための隔壁などが設けられた溝付き天板１１３を接合することにより、記録ヘッドの流路構造が形成される。この構造では、インク路１１８の高さはその全域に渡って一定である。
【００５８】
そして、ヒータ１１１より吐出口１１２側の流路である、吐出口１１２に続くインク路１１８の一部は、その断面積をＳとするとき、断面の代表寸法
【００５９】
【数１９】
2005028830.tif 000021
【００６０】
が、第一の実施形態と同様、単調減少
【００６１】
【数２０】
2005028830.tif 000022
【００６２】
であり、また、
【００６３】
【数２１】
2005028830.tif 000023
【００６４】
を満たす形状となっている。また、ヒータ１１１の後方のインク路１１８においては、その一部が、その断面の代表寸法
【００６５】
【数２２】
2005028830.tif 000024
【００６６】
が単調減少
【００６７】
【数２３】
2005028830.tif 000025
【００６８】
し、かつ、
【００６９】
【数２４】
2005028830.tif 000026
【００７０】
を満たす形状の部分が形成される。
【００７１】
以上説明した本実施形態の流路構造でも、上記第一の実施形態とほぼ同様の効果が得られる。すなわち、図３(ａ)に示す標準的なパルス(２μｓのパルス幅)を印加したとき、３．３×１０−１５ｍ３の吐出体積が得られるのに対し、図３(ｂ)に示すダブルパルスを印加したときには、５．４×１０−１５ｍ３の吐出体積を得ることができ、約１．６４倍の吐出量増大を行なうことができる。
【００７２】
なお、上記各実施形態で、吐出量変調を例示するためのパルスの種類を２種類について示したが、これらに限られないことはもちろんであり、例えば、記録画像の階調性など観点からその記録ヘッドもしくは装置に必要とされる吐出量変調の段階の数に応じ、画像データに基づいてパルスが設定され、それをヒータに対して印加できるよう構成される。
【００７３】
図５は、図４にて説明した構造の記録ヘッドを用いることができるインクジェット記録装置の概略構成を説明するための斜視図である。本例の記録装置プリンタ５０形態の、シリアルスキャン方式の記録装置である。ガイド軸５１，５２によって、キャリッジ５３が矢印Ａの主走査方向に移動自在にガイドされている。キャリッジ５３は、キャリッジモータおよびその駆動力を伝達するベルト等の駆動力伝達機構により、主走査方向に往復動される。キャリッジ５３には、図４にて説明した構造の記録ヘッド(図２においては不図示）と、その記録ヘッドにインクを供給するインクタンク５４(イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各インクを一体に図示)が搭載される。記録ヘッドとインクタンク５４は、インクジェットカートリッジを構成するものであってもよい。記録媒体としての用紙Ｐは、装置の前端部に設けられた挿入口５５から挿入された後、その搬送方向が反転されてから、送りローラ５６によって矢印Ｂの副走査方向に搬送される。プリンタ５０は、記録ヘッドを主走査方向に移動させつつ、プラテン５７上の用紙Ｐのプリント領域に向かってインクを吐出させる記録動作と、その記録幅に対応する距離だけ用紙Ｐを副走査方向に搬送する搬送動作と、を繰り返すことによって、用紙Ｐ上に順次画像を記録する。
【００７４】
キャリッジ５３の移動領域における図５中の左端には、キャリッジ５３に搭載された記録ヘッドの吐出口の形成面と対向する回復系ユニット（回復処理手段）５８が設けられている。回復系ユニット５８には、記録ヘッドの吐出口のキャッピングが可能なキャップと、そのキャップ内に負圧を導入可能な吸引ポンプなどが備えられており、吐出口を覆ったキャップ内に負圧を導入することにより、吐出口からインクを吸引排出させて、記録ヘッドの良好なインク吐出状態を維持すべく回復処理（「吸引回復処理」ともいう）をする。また、キャップ内に向かって、吐出口から画像の寄与しないインクを吐出させることによって、記録ヘッドの良好なインク吐出状態を維持すべく回復処理（「吐出回復処理」ともいう）をすることもできる。なお、図２に示した構造の記録ヘッドも、それを用いて同様のシリアルプリンタとして構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】(ａ)および(ｂ)は、本発明の第１の実施形態にかかる記録ヘッドの内部構造示すそれぞれ側方から見た断面図および上方から見た断面図である。
【図２】(ａ)および(ｂ)は、従来例にかかる記録ヘッドの内部構造示すそれぞれ側方から見た断面図および上方から見た断面図である。
【図３】(ａ)および(ｂ)は本発明の一実施形態に係わり突出量変調のためにヒータに印加されるパルスの２種類を示し、(ａ)は標準的なパルス、(ｂ)はいわゆるダブルパルスを示すそれぞれ模式的な波形図である。
【図４】(ａ)および(ｂ)は、本発明の他の実施形態にかかる記録ヘッドの内部構造を示すそれぞれ縦断面図および上方から見た断面図である。
【図５】図４にて説明した構造の記録ヘッドを用いることができるインクジェット記録装置の概略構成を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
【００７６】
１１、１１１    ヒータ
１２、１１２    吐出口
１３    オリフィス部材
１４、１１４    基板
１５、１１５    液室
１１３    溝付き天板
１１８    インク路
【図１】
2005028830.tif 000041
【図２】
2005028830.tif 000042
【図３】
2005028830.tif 000043
【図４】
2005028830.tif 000044
【図５】
2005028830.tif 000045