JP2009006560A - インクジェット記録ヘッドおよび、記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 フルマルチ型長尺記録ヘッドを用いたワンパスプリントでは不吐発生は致命的であり、数本の不吐発生でもヘッドの交換が必要となる。ヘッド交換頻度を軽減させ、良好な画像を持続的に得ることが本発明の目的である。
【解決手段】 フルマルチ型長尺インクジェットヘッドにおいて、各チップに不吐補完用のノズル列を設ける。
補完用ノズル列は画素のドット並びに対して半ピッチずらして配置され、さらにノズルは画素ピッチの倍ピッチで配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インク等の液体を吐出して記録動作を行うインクジェット記録装置、および記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッドに関する。特に、インクの吐出口を集積配列配置してなるマルチノズルインクジェット記録ヘッドを用いるプリント方法およびプリント装置に関する。本発明は、一般的なプリント装置のほか、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリント部を有するワードプロセッサ等の装置、あるいは、これらの装置を複合した多機能記録装置等に適用することができる。特に、高速かつ高画質な印字を行う記録装置に好適に適用される。

従来、インクジェット記録装置は、ランニングコストが安く、装置の小型化も可能であり、さらに、複数色のインクを用いてカラー画像記録に対応することも容易であることから、コンピュータ関係の出力機器等に幅広く利用され、商品化されている。

一方、記録ヘッドの吐出口からインクを吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子としては、ピエゾ素子などの電気機械変換体を用いたもの、レーザー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、あるいは、発熱抵抗体を有する電気熱変換素子によって液体を加熱させるもの等がある。

その中でも熱エネルギーを利用してインク滴を吐出させる方式のインクジェット記録方式のヘッドは、吐出口を高密度に配列することができるため、高解像度の記録が可能である。電気熱変換素子をエネルギー発生素子として用いた記録ヘッドは、小型化も用意であり、かつ最近の半導体分野における技術の進歩と信頼性の向上が著しいＩＣ技術やマイクロ加工技術の長所を十二分に活用でき、高密度実装化が容易で製造コストも安価なことから有利である。

また、最近では、より高精細の印字を行うために、インクを吐出するためのノズルを、フォトリソ技術を用いて高精度に作成する方法等も利用され、記録ヘッドは高密度でさらに長尺なものの製作が可能になってきている。より高速に高精細な画像の記録を実現するため、１回の記録ヘッドと被記録媒体の相対的な走査で画像形成するシステムの技術開発が進められている。

インクジェットにおいては、製造時に混入したゴミや、長期間の使用によるノズル劣化、インクを吐出するための素子の劣化等により、検査時あるいは使用期間中偶発的に不吐出状況が発生する場合がある。

このようは不吐出は、製造環境等の改善により、発生する頻度を抑えることができ、従来は大きな問題ではなかった。しかし、前述のように高速化のために記録ヘッドに配列するノズル数を多くした場合、無視できない問題となる。特に、不吐出状態のノズルを含まない記録ヘッドを製造するためには、製造上のコストアップを招き、高価になってしまう。

不吐出の発生により画像上に白スジ等の欠陥が発生する。このような白スジを補完する為、記録ヘッドを複数回走査して記録を行う分割印字方式を利用し、白スジとなる部分を他の正常なノズルで補完して記録する等の技術が提案されている。
米国特許第４７２３１２９号明細書 米国特許第４７４０７９６号明細書 米国特許第４４６３３５９号明細書 米国特許第４３４５２６２号明細書 米国特許第４３１３１２４号明細書 米国特許第４５５８３３３号明細書 米国特許第４４５９６００号明細書 特開昭５９−１２３６７０号公報 特開昭５９−１３８４６１号公報

しかしながら、上記高密度で長尺な記録ヘッドを用いるプリントシステムの場合、一回の走査で印字を完成させるワンパス印字を行うことが好ましいが、この１パス印字においては、不吐出で記録されない部分を補完したり、目立たなくすることが非常に困難である。

本発明は不吐によりドットが記録されないことで記録画像に発生する白スジ等の画像のむらを低減し、不吐が発生した場合でも、白スジや画像のむらを軽減し、さらには、プリント速度の高速化を可能とするインクジェット記録装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明のインクジェット記録ヘッドは、
液体を吐出するための複数のノズルと吐出エネルギーを発生する記録素子を複数配列した記録素子基板において、解像度の半ピッチずらして配置され、配列のノズル密度を記録密度の半分にしたノズル列を補完用としてもうけた。

以上説明したように本発明によれば、フルマルチヘッドにおいては特に顕著となる不吐によるヘッド歩留まり低下を解消でき、ヘッドコストに対して極めて有効である。また、使用中に生じる不吐に対してもその検知手段を装置に備えることで、対応する補完ノズルを使用し画像の劣化を極力抑えた補完が可能となり、ヘッドの交換頻度を少なくすることができる。

高画質プリントがより持続的に可能な記録装置を提供することが可能になる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１から図６は、本発明が実施もしくは適用される好適な記録ヘッド、駆動回路、インクジェット記録装置のそれぞれ及びそれぞれの関係を説明するための説明図である。以下、これらの図面を参照して各部構成の説明しながら、全体を説明することにする。

（１）記録ヘッドの説明
図１に示すように記録ヘッドＨ１０００は、電気信号に応じて膜沸騰をインクに対して生じせしめるための熱エネルギーを生じせしめるための熱エネルギーを生成する電気熱変換体を用いて記録を行うバブルジェット（登録商標）方式のサイドシュータ型とされる記録ヘッドである。

そして、記録ヘッドＨ１０００は、図２の分解斜視図に示すように、記録素子ユニットＨ１００１とインク供給ユニットＨ１００２のインク供給部材Ｈ１５００から構成される。さらに、図３の分解斜視図に示すように、記録素子ユニットＨ１００１は、記録素子基板Ｈ１１００、第１のプレートＨ１２００、電気配線基板Ｈ１３００、第２のプレートＨ１４００、フィルター部材Ｈ１６００で構成されている。

（１−１）記録素子ユニット
図４（ａ）は、記録素子基板Ｈ１１００の構成を説明する図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に示すＡ−Ａ断面図である。記録素子基板Ｈ１１００は、例えば、厚さ０．５〜１ｍｍのＳｉ基板Ｈ１１０８で薄膜が形成されている。また、インク流路として長溝状の貫通口からなるインク供給口Ｈ１１０１が形成され、インク供給口Ｈ１１０１の両側に電気熱変換素子Ｈ１１０２がそれぞれ１列ずつ千鳥状に配列されており、前記電気熱変換素子Ｈ１１０２、及び、Aｌ等の電気配線が成膜技術により形成されている。また、該電気配線に電力を供給するために電極Ｈ１１０３が設けられている。前記インク供給口Ｈ１１０１は、前記Ｓｉ基板Ｈ１１０８の結晶方位を利用して、異方性エッチングを行う。ウエハー面に＜１００＞、厚さ方向に＜１１１＞の結晶方位を持つ場合、アルカリ系（ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ヒトラジン等）の異方性エッチングにより、約５４．７度の角度でエッチングが進行する。この方法を用いて、所望の深さにエッチングする。また、前記Ｓｉ基板Ｈ１１０８上には、ノズルプレートＨ１１１０が具備され、電気熱変換素子Ｈ１１０２に対応したインク流路Ｈ１１０４、ノズルＨ１１０５、発泡室Ｈ１１０７がフォトリソ技術により形成されている。また、前記ノズルＨ１１０５は前記電気熱変換素子Ｈ１１０２に対向するように設けられており、インク供給口Ｈ１１０１から供給されたインクを電気熱変換素子Ｈ１１０２により気泡を発生させてインクを吐出させるものである。

第１のプレートＨ１２００は、例えば、厚さ０．５〜１０ｍｍのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）材料で形成されている。なお、第１のプレートの素材は、アルミナに限られることなく、記録素子基板Ｈ１１００の材料の線膨張率と同等の線膨張率を有し、かつ、記録素子基板Ｈ１１００材料の熱伝導率と同等もしくは同等以上の熱伝導率を有する材料で作られてもよい。第１のプレートＨ１２００の素材は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ジルコニア、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）のうちいずれであってもよい。第１のプレートＨ１２００には、記録素子基板Ｈ１１００にインクを供給するためのインク供給口Ｈ１２０１が形成されており、記録素子基板Ｈ１１００のインク供給口Ｈ１１０１が第１のプレートＨ１２００のインク供給口Ｈ１２０１に対応し、かつ、記録素子基板Ｈ１１００は第１のプレートＨ１２００に対して位置精度良く接着固定される。その接着剤は、例えば、粘度が低く、接触面に形成される接着層が薄く、かつ、硬化後、比較的高い硬度を有し、かつ、耐インク性のあるものが望ましい。例えば、エポキシ樹脂を主成分とした熱硬化接着剤、もしくは紫外線硬化併用型の熱硬化接着剤であり、接着層の厚みは５０μｍ以下が望ましい。また、第１のプレートＨ１２００は、位置決め基準となるＸ方向基準Ｈ１２０４、Ｙ方向基準Ｈ１２０５、Ｚ方向基準Ｈ１２０６を有している。

記録素子基板Ｈ１１００は、図１に示すように第１のプレート上Ｈ１２００に千鳥状に配置され、同一色による幅広の記録を可能としている。例えば、ノズル群の長さが１インチ＋αの４つの記録素子基板Ｈ１１００ａ、Ｈ１１００ｂ、Ｈ１１００ｃ、Ｈ１１００ｄを千鳥状に配置し、４インチ幅の記録を可能にしている。

また、各記録素子基板の吐出口群の端部は、千鳥状に隣接する記録素子基板のノズル群の端部と、記録方向に対して、重複する領域（Ｌ）を設け、各記録素子基板による印刷に隙間が生じることを防止している。例えば、ノズル群Ｈ１１０６ａとノズル群Ｈ１１０６ｂに重複領域Ｈ１１０９ａ、Ｈ１１０９ｂを設けている。

電気配線基板Ｈ１３００は、記録素子基板Ｈ１１００に対してインクを吐出するための電気信号を印加するものであり、記録素子基板Ｈ１１００を組み込むための開口部を有しており、裏面には第２のプレートＨ１４００が接着固定される。また、電気配線基板Ｈ１３００は、記録素子基板Ｈ１１００の電極Ｈ１１０３に対応する電極端子Ｈ１３０２と、この配線端部に位置し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Ｈ１３０１を有している。電気配線基板Ｈ１３００と記録素子基板Ｈ１１００は、電気的に接続されており、接続方法は、例えば、記録素子基板Ｈ１１００の電極Ｈ１１０３と電気配線基板Ｈ１３００の電極端子Ｈ１３０２を金ワイヤーＨ１３０３（不図示）を用いたワイヤーボンディング技術によりにより電気的に接続される。電気配線基板Ｈ１３００の素材としては、例えば、配線が二層構造のフレキシブル配線基板が使用され、表層はポリイミドフィルムで覆われている。

第２のプレートＨ１４００は、例えば、厚さ０．５〜１ｍｍのＳＵＳ板で形成されている。なお、第２のプレートの素材は、ＳＵＳに限られることなく、耐インク性を有し、良好な平面性を有する材料で作られてもよい。そして、第２のプレートＨ１４００は、第１のプレートＨ１２００に接着固定された記録素子基板Ｈ１１００および該記録素子基板を取り込む開口部を有し、第１のプレートに接着固定される。

第２のプレートの開口部Ｈ１４０２と記録素子基板Ｈ１１００の側面によって形成される溝部には、第１の封止剤Ｈ１３０４が充填され、前記電気配線基板Ｈ１３００の電気実装部を封止している。また、記録素子基板の電極Ｈ１１０３は、第２の封止剤Ｈ１３０５で封止し、電気接続部分をインクによる腐食や外的衝撃から保護している。

また、第１のプレートＨ１１００の裏面側インク供給口Ｈ１２０１には、インク中に混入された異物を取り除くためのフィルター部材Ｈ１６００が接着固定される。

（１−２）インク供給ユニット
インク供給部材Ｈ１５００は、例えば、樹脂成形により形成され、共通液室Ｈ１５０１と、Ｚ方向基準面Ｈ１５０２を具備している。そして、Ｚ基準面Ｈ１５０２は、記録素子ユニットを位置決め固定するとともに、記録ヘッドＨ１０００のＺ基準となっている。

（１−３）記録素子ユニットとインク供給ユニットの結合
先述の図２に示した通り、記録ヘッドＨ１０００は、記録素子ユニットＨ１００１をインク供給部材Ｈ１５００に結合することにより完成する。

結合は以下のように行われる。

インク供給部材Ｈ１５００の開口部と記録素子ユニットＨ１００１を第３の封止剤Ｈ１５０３により封止し、共通液室Ｈ１５０１を密閉する。そして、インク供給部材のＺ基準Ｈ１５０２に記録素子ユニットＨ１００１のＺ基準Ｈ１５０２を、例えば、ビスＨ１９００等により位置決め固定する。第３の封止剤Ｈ１５０３は、耐インク性があり、かつ、常温で硬化し、かつ、異種材料間の線膨張差に耐えられる柔軟性のある封止剤が望ましい。

また、記録素子ユニットＨ１００１の外部信号入力端子Ｈ１３０１部分は、例えば、インク供給部材Ｈ１５０１の裏面に、位置決め固定される。

（２）インクジェット記録装置の説明
本発明のインクジェット記録装置Ｍ４０００は、図５に示すように、例えば、写真画質の記録に対応して６色分の記録ヘッドが具備されている。記録ヘッドＨ１０００Bkは、ブラックインク用の記録ヘッドであり、記録ヘッドＨ１０００Cはシアンインク用、記録ヘッドＨ１０００Mマゼンタインク用、記録ヘッドＨ１０００Ｙはイエローインク用、記録ヘッドＨ１０００ＬＣはライトシアンインク用、記録ヘッドＨ１０００ＬＭはライトマゼンタインク用である。これらの記録ヘッドＨ１０００を、記録装置本体Ｍ４０００に載置されているキャリッジＭ４００１の位置決め手段及び電気的接点Ｍ４００２によって固定支持する。

そして、これらの記録ヘッドを、先述の駆動回路によって制御し、記録媒体に対して記録を行うものである。なお、図５の記録装置では、記録ヘッドが記録媒体幅分のノズルを有するフルラインタイプであり、記録ヘッドは固定で、記録媒体が矢印の方向に走査することで記録を行う方式である。

次に、図６〜図９を用いて、本発明の特徴的部分であるノズルの配置および記録ヘッドの配置についてと実際の印字について説明する。

図６に前に述べた記録素子基板のノズル配置を模式的に示した。紙送り方向に対して垂直に配置されたノズル群が４つあり、２つのノズル群で画素密度を形成する配置となっている。つまり、一つのノズル群は画素ピッチの倍ピッチで配置され、２つのノズル群は互いに１画素ずらした配置を取る。この組み合わせが２セット設けられている。この構成は、１チップ内で２パス相当の効果が可能となるノズル配列である。また、隣接ドットを形成するためのノズル、たとえばＡ１とＢ１において隣接ドットの着弾時間差を設ける為に所望の長さＬｎの距離をおいて配置されている。ドット間を１０ｋＨｚで印字すると、Ｌｎ＝２ｍｍの場合約１０ｍｓの時間差が生じる。インク、記録媒体によるが、隣接ドットが媒体に浸透した後に他の一方が着弾する時間差を取ることができ、ドットのつながりによる画像劣化を回避できる。また、紙搬送方向に置いては、Ａ１とＤ１を交互に使用し印字する。本発明では通常使用ノズルとは別に不吐補完用ノズル群を配置している。この不吐補完ノズル群はヘッド解像度に対して倍のピッチでノズルが配置され、かつ、通常使用ノズルに対して半ピッチ分ずらして配置してある。

図７（ａ）には本実施例で記録した場合の不吐ノズルのある記録状態を、（ｂ）には補完した場合のドット記録状態の模式的概略図を示す。×印が付けてあるノズルが不吐ノズルである。このノズルに対して半ドットずれた保管用ノズルでドットを形成する。半ドットずれている為、完全に不吐ドットに対して本来あるべきドット位置に重ね合わせることはできないが、ほぼ埋め合わせることが可能になる。

特に本実施例のように２パス相当のノズル構成では、紙送り方向のラインでは１ラインにおいて２ノズルを用いて１ラインを記録するため、片方のノズルが不吐出になっても完全には白スジとはならず、本発明補完ノズルにて充分目立たなく記録することが可能となる。

図８には１つのノズル群を設け、補完用ノズルも前記同様の配置関係で設けた場合の実施例を示す。

このノズル配列において発生した不吐出の状況を図９（ａ）に、補完ノズルにより補完した場合を（ｂ）に示す。この場合先ほどのように２パス相当の場合と異なり、完全に半ドットずれたライン状に不吐のラインを埋めることになる。

補完のドット径は通常記録のドット径と同じでもよりが、やや大きめに設定することで白スジに対しては効果的である。

また、不吐補完に関して、画像補正と合わせて補完ドット打ち込み方を実施する方法もとりえる。

このように、本発明においては通常記録ドット位置に対して半ピッチずらしたドットで補完するため、ノズル並び方向の２画素分を一つの補完用のノズルで対応することができ、補完用ノズルを大幅に削減することが可能である。

以上のようなノズル群を比較的簡易にかつ低コストで実現できるインクジェット記録方式としては以下があげられるがこれに限った物ではない。

本発明は、特にインクジェット記録方式の中でも熱エネルギーを利用して飛翔的液滴を形成し、記録を行うインクジェット方式の記録ヘッドを用いた記録装置において優れた効果をもたらすものである。

その代表的な構成や原理については、例えば、米国特許第４７２３１２９号明細書、同第４７４０７９６号明細書に開示されている基本的な原理を用いて行うものが好ましい。この方式は所謂オンデマンド型、コンティニュアス型のいずれにも適用可能であるが、特に、オンデマンド型の場合には、液体（インク）が保持されているシートや液路に対応して配置されている電気熱変換体に、記録情報に対応していて核沸騰を越える急速な温度上昇を与える少なくとも一つの駆動信号を印加することによって、電気熱変換体に熱エネルギを発生せしめ、記録ヘッドの熱作用面に膜沸騰を生じさせて、結果的にこの駆動信号に一体一で対応した液体（インク）内の気泡を形成出来るので有効である。この気泡の成長、収縮により吐出用開口を介して液体（インク）を吐出させて、少なくとも一つの滴を形成する。この駆動信号をパルス形状とすると、即時適切に気泡の成長収縮が行われるので、特に応答性に優れた液体（インク）の吐出が達成でき、より好ましい。このパルス形状の駆動信号としては、米国特許第４４６３３５９号明細書、同第４３４５２６２号明細書に記載されているようなものが適している。なお、上記熱作用面の温度上昇率に関する発明の米国特許第４３１３１２４号明細書に記載されている条件を採用すると、更に優れた記録を行うことが出来る。

記録ヘッドの構成としては、上述の各明細書に開示されているような吐出口、液路、電気熱変換体の組合わせ構成（直線状液流路又は直角液流路）の他に熱作用部が屈曲する領域に配置されている構成を開示する米国特許第４５５８３３３号明細書、米国特許第４４５９６００号明細書を用いた構成も本発明に含まれるものである。

加えて、複数の電気熱変換体に対して、共通するスリットを電気熱変換体の吐出部とする構成を開示する特開昭５９−１２３６７０号公報や熱エネルギの圧力波を吸収する開孔を吐出部に対応させる構成を開示する特開昭５９−１３８４６１号公報に基いた構成としても本発明の効果は有効である。すなわち、記録ヘッドの形態がどのようなものであっても、本発明によれば記録を確実に効率よく行うことができるようになるからである。

さらに、記録装置が記録できるプリント材の最大幅に対応した長さを有するフルラインタイプの記録ヘッドに対しても本発明は有効に適用できる。そのような記録ヘッドとしては、複数記録ヘッドの組合せによってその長さを満たす構成や、一体的に形成された１個の記録ヘッドとしての構成のいずれでもよい。

加えて、上例のようなシリアルタイプのものでも、装置本体に固定された記録ヘッド、あるいは装置本体に装着されることで装置本体との電気的な接続や装置本体からのインクの供給が可能になる交換自在のチップタイプの記録ヘッド、あるいは記録ヘッド自体に一体的にインクタンクが設けられたカートリッジタイプの記録ヘッドを用いた場合にも本発明は有効である。

また、本発明の記録装置の構成として、記録ヘッドの吐出回復手段、予備的な補助手段等を付加することは本発明の効果を一層安定できるので、好ましいものである。これらを具体的に挙げれば、記録ヘッドに対してのキャッピング手段、クリーニング手段、加圧或は吸引手段、電気熱変換体或はこれとは別の加熱素子或はこれらの組み合わせを用いて加熱を行う予備加熱手段、記録とは別の吐出を行なう予備吐出手段を挙げることができる。

本発明の記録ヘッドの外観斜視図 本発明の記録ヘッドの分解斜視図。 記録素子ユニットの分解斜視図。 記録素子基板を説明する図（ａ）斜視図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図。 インクジェット記録装置（フルライン方式）を説明する図。 本発明の実施例模式図。 本発明実施例におけるドット補完を示した模式図。 本発明他の実施例模式図。 本発明他の実施例におけるドット補完を示した模式図。

符号の説明

４−１ 記録ヘッド
４−２ ノズル群
４−３ 記録マトリックス
８−１乃至８−３ 連結ドット形状
Ｈ１０００ 記録ヘッド
Ｈ１００１ 記録素子ユニット
Ｈ１００２ インク供給ユニット
Ｈ１１００ 記録素子基板
Ｈ１１０１ インク供給口
Ｈ１１０２ 電気熱変換素子
Ｈ１１０３ 電極
Ｈ１１０４ インク流路
Ｈ１１０５ ノズル
Ｈ１１０６ ノズル群
Ｈ１１０７ 発泡室
Ｈ１１０８ Ｓｉ基板
Ｈ１１１０ ノズルプレート
Ｈ１２００ 第１のプレート
Ｈ１２０１ インク供給口
Ｈ１２０４ Ｘ方向基準
Ｈ１２０５ Ｙ方向基準
Ｈ１２０６ Ｚ方向基準
Ｈ１３００ 電気配線基板
Ｈ１３０１ 外部信号入力端子
Ｈ１３０２ 電極端子
Ｈ１３０３ 金ワイヤー（不図示）
Ｈ１３０４ 第１の封止剤
Ｈ１３０５ 第２の封止剤
Ｈ１４００ 第２のプレート
Ｈ１５００ インク供給部材
Ｈ１５０１ 液室（不図示）
Ｈ１５０２ Ｚ基準面
Ｈ１５０３ 第３の封止剤（不図示）
Ｈ１５０４ インク供給口（不図示）
Ｈ１８００ インクタンク
Ｈ１８０２ チューブ
Ｈ１９００ ビス
Ｍ４０００ インクジェット記録装置
Ｍ４００１ キャリッジ
Ｍ４００２ 電気的接点
Ｋ１０００ 記録媒体

Claims (4)

1. 液体を吐出するための複数のノズルと吐出エネルギーを発生する記録素子を複数配列した記録素子基板を有するインクジェット記録ヘッドにおいて、
   記録密度に対し半ピッチずらし、記録密度の倍ピッチでノズルが配置された補完用ノズルを設けることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 上記記録素子基板を千鳥状に複数配列した請求項１のインクジェット記録ヘッド。
3. 補完用ノズルからの液滴で形成されるドット径は通常記録用ノズルからの液滴で形成されるドット径よりも大きいことを特徴とする請求項１、２のインクジェット記録ヘッド。
4. 請求項１，２のインクジェット記録ヘッドを用いたインクジェット記録装置。

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