JPH08169116A - 液体噴射ヘッド、ヘッドカートリッジ、液体噴射装置、液体吐出方法およびインク注入方法 - Google Patents
液体噴射ヘッド、ヘッドカートリッジ、液体噴射装置、液体吐出方法およびインク注入方法Info
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Abstract
インクジェットヘッドにおいて、安定的に所望のインク
吐出量を得る、高階調性を高いエネルギー効率で達成す
る。 【解決手段】 1つの液流路内に配された複数の電気熱
変換体の夫々によるインク吐出量の比より、電気熱変換
体の面積比を小とする。
Description
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素子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。
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。これに対し、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。
は、1ノズル内に2つの電気熱変換素子(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、高階調、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。
れるタイプのヘッドで、所望の吐出量を得るために行わ
れる設計は、特に電気熱変換素子の発熱領域の面積とノ
ズル形状(特に吐出口面積、ノズル長さや断面積)に着
目して通常成されている。
の発熱領域の面積は、ほぼ比例関係にあることが知られ
ており、電気熱変換素子は、他の配線と同様に素子基板
に作り込まれており、ノズルの作成に比べ改良を加える
ことが困難であることが知られている。このため、1ノ
ズル内に1つの電気熱変換素子が配されたタイプのヘッ
ドの設計においては、まず、電気熱変換素子の発熱領域
の面積で大体の吐出量の狙いをつけ、より正確に吐出量
を調整する場合に、加工調整し易い吐出口面積を微妙に
変えて調整を行うという設計を行っていた。
子を用いて吐出量変調を行うヘッドにおいては、夫々の
電気熱変換素子の発熱領域の重心から吐出口が設けられ
た位置までの距離(吐出口面までの距離)がほぼ同じな
らば、この距離の違いに伴う、夫々の電気熱変換素子ご
との吐出量の差は考慮しなくてよい。
素子を持つ形態のヘッドの設計においても、その吐出量
を決定する場合1ノズルに1つの電気熱変換素子を持つ
ヘッドの、吐出量と電気熱変換素子の発熱領域面積の比
例関係を利用して、複数の電気熱変換素子における所望
の吐出量の比を電気熱変換素子の発熱領域の面積比と同
じとし、大体の吐出量の狙いをつけて、電気熱変換体の
発熱領域の面積比を決定し、次にオリフィス面積を微妙
に変えた試作によって、より正確に吐出量を調整する設
計を発明者らは行ってみた。ところが、この設計方針に
基づいて記録ヘッドを設計した際、ある程度所望の吐出
量が得られるが、最近の高画質化、高階調性、高精細、
小吐出量化、高エネルギー効率の要求に対応するため、
夫々の電気熱変換体に対応する吐出量をより正確に調整
しようとした場合、要求どおりの階調性を持つインクの
吐出量を得ることが難しいことがわかった。これは、1
ノズル内に設けた複数の電気熱変換素子の発熱領域の面
積比が必ずしも吐出量の比と一致せず、他の要素が複合
的にからむためと考えられる。
ル内に複数の電気熱変換体を有するヘッドでは、高精
度、階調性を得るための吐出量の比を得るまでに段階を
おった試作を何度も繰り返すことになり、時間的作業的
にロスが多くなる虞れがある。このため、良好な階調性
を達成できる記録ヘッドの提供を行うことを本発明の課
題とする。
を異ならせるために設けられた複数の電気熱変換素子に
要求される吐出安定条件を追求したところ、上述のよう
なヘッド設計を行う上で要求される吐出量の比を、電気
熱変換素子の発熱領域の面積比(好ましくは電気熱変換
素子のサイズと形状)とある関係に置くことで高い階調
性や高エネルギー効率を達成することができることがわ
かった。従ってこの関係を規定することによって良好な
階調性を高いエネルギー効率で得ることをも本発明の課
題である。
気熱変換素子で所望の階調性を持った吐出量を安定的に
得るものである。
ーに寄与する(液体の発砲に寄与する)発熱領域と直接
的には吐出エネルギーとして利用されない(液体の発砲
に寄与しない)発熱領域が存在することがわかった。こ
れは、加熱時に電気熱変換素子の発熱領域に温度分布が
生ずるためで、発熱領域周囲部は中心部より温度が低い
ためインクを加熱発泡する温度には達しない非発泡領域
となり吐出エネルギーとして直接には寄与しない。逆
に、発熱領域のインクを発泡する領域を発泡領域という
ことにする。従って、この考え方に基づいて次なる方法
により複数の電気熱変換素子の設計をすることで安定的
に所望の吐出量を得ることができた。
量の比をある値に設定しようとした際、電気熱変換素子
の発熱領域の面積をその比よりやや小さい比に設計する
ことが有効である。
る夫々の電気熱変換素子による吐出量の比に対し、夫々
の電気熱変換素子の発熱領域の幅の比を、夫々0.1〜
10μmの長さを引いたものと同じになるよう設計す
る。
換素子による吐出量の比と夫々の電気熱変換素子の有効
発泡面積の比がほぼ一致することである。
熱変換素子の面積の周囲から1〜10μmの面積を除い
たものである。
電気熱変換素子の発熱領域の重心位置との距離が1ノズ
ル内の複数の電気熱変換素子間でほぼ同じ(製造ばらつ
き程度3μm以内)であり、電気熱変換素子の材質、膜
厚、印加パルス等の駆動条件が実質的に一致している場
合において、特に望ましい条件である。逆に、この方法
によりノズル、電気熱変換素子の設計をすることで、駆
動条件等で夫々の電気熱変換素子の吐出量を微妙に制御
する必要がなく、所望の吐出量を得られる。
法で規定できるということは、画像を階調表現する際、
より高い階調特性を得ることができるため、極めて重要
である。
クジェットヘッドの説明を行う。
記録に用いるインク等の記録液体に限らず、本発明のヘ
ッドを適用可能な液体であれば、どのような液体でもよ
い。
ッドの液流路および電気熱変換素子の構成を示すための
模式図であり、液流路を電気熱変換素子の対向する側か
ら見た断面図である。
(ノズル)内には毛管力によってオリフィス(吐出口)
付近にメニスカス3を形成する。ノズル内には2つ以上
の電気熱変換素子を配せばよいが、本図では2つの電気
熱変換素子の場合について説明する。
熱抵抗層上に選択電極としての配線電極8,9と共通電
極10の層とを形成しており、これらの配線電極間が発
熱領域となる。選択電極8,9に選択的に電気信号(駆
動信号)を印加することによって、それぞれの電気熱変
換素子の発熱領域を独立又は同時に発熱させることがで
きる。
電気熱変換素子の発熱領域の重心(CA,CB)までの距
離をほぼ等しくしている。
発熱領域の重心と吐出口の距離のずれは3nm以下であ
る。これ以上のずれになると、両者の発熱領域と吐出口
との距離の違いによる吐出量の違いを考慮する必要が生
じる。又、本実施例においては、発熱面積が異なる2つ
の電気熱変換体を1つの流路(ノズル)内に配してい
る。この2つの電気熱変換素子の内、面積の小さい方の
電気熱変換素子4はShAの面積の発熱領域を有し、大
きい方の電気熱変換素子6はShBの面積の発熱領域を
有する。いま夫々の電気熱変換素子4、6には夫々選択
配線電極8と9が接続されており反対側の端子には共通
配線電極10が接続されている。配線電極8、9の先に
はトランジスタ等のスイッチング手段が接続され、電気
熱変換素子4、6を選択的に駆動しノズル内のインクを
吐出することができる。
子4、6の面積ShA、ShBを夫々1445μm、2
210μmとし、電気熱変換素子4、6による吐出量を
夫々VdA=15ng、VdB=30ngとした。そし
て夫々の比率はVdB/VdA=2.0、ShB/Sh
A=1.53でありVdB/VdA>ShB/ShAを
満足するよう作成した。
熱領域にはインクを発泡する発泡領域(点線内)5、7
と、熱分布の関係でインクを発泡させる温度に達しない
非発泡領域が存在することを考慮した設計を行ったため
である。このような比率にすることで、必要とする異な
る液量の吐出を安定的に行わせることができる。
て、図2を用いて簡単に説明する。本発明で用いた電気
熱変換素子の膜の構成は、厚さ約500〜600μmの
シリコン基板106上にSiO2等の絶縁体の蓄熱層1
05を成膜し、その上に抵抗層101を成膜パターニン
グする。その上に、SiO2やSiN等の絶縁体を用い
た保護層103と発泡/消泡の衝撃波を吸収する耐キャ
ビテーション層120を成膜する。抵抗層101には配
線電極102A、102Bにより電圧を印加し電流を流
し加熱する。抵抗層で発生した熱は、電気熱変換素子中
央部では膜の重なり方向へ逃げるが、端部では膜の拡が
り方向にも逃げる。このために、電気熱変換素子の表面
のインクに接する面においては、電気熱変換素子中央部
より端部の方が比較的温度が低い。この時、前記電気熱
変換素子の表面温度分布をA−Aライン上で見ると図3
の温度分布TempAの様な状態になり、電気熱変換素
子中央部では主に熱が膜の重なり方向に逃げるために均
一な温度分布となり、端部に近づくにつれて膜の拡がり
方向に逃げるため温度が低くなって行くことがわかる。
ここで、ΔT1は電気熱変換素子上のインクが発泡する
下限温度であり、ΔT2は電気熱変換素子が高温になり
すぎて熱ストレス等でダメージを受けて寿命が極端に短
くなる温度である。従って、電気熱変換素子の温度を寿
命を損なわずに安定的にインク発泡温度に制御しようと
すると、図3のように必ず電気熱変換素子端部にインク
を発泡させる温度に到達しない非発泡領域が存在するこ
とになる。
数の電気熱変換体を配す場合のように、電気熱変換体の
面積に対して、周の長さが大きくなる場合には、上述の
ような非発泡領域を考慮した設計を成すことが必要であ
り、本発明はこのような非発泡領域を考慮して成したも
のである。
の構成とほぼ同様の構成とし、本実施例は、電気熱変換
素子4、6の発熱領域の面積を夫々ShA=2520μ
m2、ShB=5880μm2とし、夫々の電気熱変換素
子4、6による吐出量を夫々VdA=40ng、VdB
=120ngとした。
量の比および面積の比との関係は、VdB/VdA=
3.0、ShB/ShA=2.3であり、本発明のVd
B/VdA>ShB/ShAの関係を満たすようなされ
ている。本実施例のヘッドによっても所望の量の液体の
吐出を安定的に得ることができる。
構成とほぼ同様の構成とし、本実施例では、電気熱変換
素子4、6の発熱領域面積を、夫々ShA=40×60
=2400μm2、ShB=20×200=4000μ
m2とし、夫々の吐出量をVdA=42ng、VdB=
58ngとした。
量の比および面積の比との関係は、VdB/VdA=
1.38、ShB/ShA=1.66、つまりVdB/
VdA<ShB/ShAとなり、本発明の条件は満たさ
ない。
を一定とすると約10V、約33Vが適正電圧であり、
駆動上エネルギー効率上不利であると共に、夫々の電気
熱変換体による所望の吐出量を安定的に得ることが困難
である。
1、実施例2;A2)および比較例Bを、夫々の電気熱
変換体の発熱領域の面積の比(横軸)に対する、吐出量
の比(縦軸)のグラフに示したものである。
合であり、本発明の領域は斜線で示される部分である。
先の実施例1(A1)および実施例2(A2)は、本発
明の領域に入っており、夫々の電気熱変換素子で所望の
液量の吐出を安定的に行うことができ、又駆動上、エネ
ルギー効率上有利である。
域から除れており、前述のように、所望の液量の吐出を
安定的に得ることが困難であり、又、駆動上、エネルギ
ー効率上不利である。
する夫々の電気熱変換素子の重心位置すなわち図1の電
気熱変換素子4、5の重心CA、CBのオリフィス面か
らの距離OCA、OCBがほぼ同じ(誤差は製造ばらつ
き程度3μm以内)特に効果がある。又、電気熱変換素
子の材質、膜厚、駆動条件が実質的に一致している場合
がより望ましい。
A(d)は本発明の場合、3〜5μm程度であったが、
これは膜の構成や材料、駆動条件によって異なり、条件
に応じて0.1μm〜10μm程度を考慮する必要があ
る。これらの条件を考慮し、VdB/VdA>ShB/
ShAの最適条件を求めると次の関係となる。夫々の電
気熱変換素子の幅と長さをWhA、LhA、WhB、L
hBとすると、VdB/VdA=((WhB−2WA)
×(LhB−2WA))/((WhA−2WA)×(L
hA−2WA))が理論上成り立つ。また、電気熱変換
素子の幅と長さが明確でない場合は、電気熱変換素子
4、5の外周よりWA/2内側の周長(図1点線の長
さ)を夫々LA、LBとすればVdB/VdA=(Sh
B−LB×WA)/(ShA−LA×WA)が理論上成
り立つ。この設計条件で夫々の電気熱変換素子を設計す
れば、容易に所望の吐出量の比を設定することができ
る。実際には、夫々の電気熱変換素子の長さは駆動条件
を同じにできるという理由から夫々ほぼ同じ長さに設計
されることが多いため、関係式から削除して簡単な関係
式VdB/VdA=(WhB−2WA)/(WhA−2
WA)を用いることが可能である。また、たとえ異なっ
た値でも、WAに対し十分大きい値であり、誤差は小さ
い。
素子の吐出量の比さえ設定すれば、全体の吐出量の調整
などは前述したようにオリフィス面積やノズルに対する
電気熱変換素子の位置などの後の行程で行えば良く、設
計上、製造上容易である。
を簡単に行う。
で挟まれた吐出ノズル104にはインクが満たされてお
り、電気熱変換素子4および6に駆動信号を加えインク
を加熱発泡させると発泡圧力によりオリフィス40より
インクが吐出される。(b)は小サイズ電気熱変換素子
4が加熱発泡され、小発泡119により小ドロップ11
4が吐出された状態を示す。この時の吐出量を約30n
gとする。次に、(c)は大サイズ電気熱変換素子6が
加熱発泡され、大発泡112により大ドロップ115が
吐出された状態を示す。大サイズ電気熱変換素子6は小
サイズ電気熱変換素子4の有効発泡面積の2倍で設計す
れば、吐出量は有効発泡面積に比例するため、約60n
gの吐出量になる。(d)は両方の電気熱変換素子を共
に加熱発泡した状態を示す。この場合、吐出量は夫々の
電気熱変換素子での吐出量の合計の90ngとなる。こ
のような吐出量で画像を形成した場合を、反射濃度で示
したものが図6である。濃度はインクの吐出量に比例す
るため、3種の濃度を得ることになる。すなわち、大小
2つの電気熱変換素子で4値の階調制御を実現してい
る。前述した吐出量の比率の重要性もこのことから明ら
かであり、このバランスが崩れると階調制御のリニアリ
ティが損なわれる。
に説明する。ノズルまわりの構成は図7および図8で示
す。両者は、夫々エッジシュータタイプとサイドシュー
タタイプと呼ばれる構成であり、吐出ノズル104内の
インクを電気熱変換素子3および6で加熱発泡して、側
方あるいは上方に解放されたオリフィス40から吐出さ
せるものである。素子基板23はベースプレート41に
接着されており、ノズル壁109は天板42に設けられ
ている。
体噴射ヘッド)と、このインクジェットヘッドに供給す
るためのインクを保持したインク容器とを分離可能に接
続したインクジェットヘッドカートリッジである。
ジを構成するインク容器へのインクの注入は、次のよう
に行えばよい。
ることでインクを導入するインク導入路を形成し、この
インク導入路を介してインク容器にインクを注入すれば
よい。インク容器側のインク供給口としては、インクジ
ェットヘッド側への供給口、大気連通口や、インク容器
の壁面にあけた穴等を用いればよい。
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
に支持され、リードスクリュウ2040の羅線溝204
1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を被記録媒体を搬送す
る搬送手段を構成するプラテンローラ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の移動にともな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。
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、本例には何れも適応できる。
明のインクジェットヘッドの発熱抵抗体を駆動するため
の信号を、ヘッドに与える駆動信号供給手段を有してい
る。
の場合で説明を行ったが、1ノズル内に3つ以上の電気
熱変換素子がある場合においても、それらの何れかの電
気熱変換素子による吐出量比と面積比との関係が、前述
した関係式が成り立つことはいうまでもない。
換体を駆動するための駆動信号供給手段が設けられてい
る。
素子による吐出量の比と面積の比の関係を適正に設定す
ることで、所望の吐出量を得られ、よりリニアリティの
高い階調制御が可能になった。
電気熱変換素子の構成を示すための模式図。
図。
の図。
すための図。
駆動状態を説明するための図。
ジェットヘッドカートリッジの模式図。
の図。
Claims (14)
- 【請求項1】 液体を吐出するための吐出口を有する液
流路と、一つの前記液流路ごとに対応して複数設けら
れ、それぞれ、吐出口からほぼ等しい位置に配された電
気熱変換素子とを、有し、 前記複数の電気熱変換素子の内、2つの電気熱変換素子
の面積をそれぞれSh1、Sh2(Sh1>Sh2)と
し、これらの電気熱変換素子によるインクの吐出量を夫
々Vd1、Vd2としたとき、それらの関係がVd1/
Vd2>Sh1/Sh2を満たしていることを特徴とし
た液体噴射ヘッド。 - 【請求項2】 前記2つの電気熱変換素子の長さがほぼ
等しく、夫々の幅をW1、W2とし、非発泡領域の幅d
としたとき、 Vd1/Vd2は(W1−2d)/(W2−2d)と実
質的に等しい関係にある請求項1の液体噴射ヘッド。 - 【請求項3】 前記2つの電気熱変換素子の夫々の幅を
W1、W2とし、長さをL1、L2とし、非発泡領域の
幅dとしたとき、 Vd1/Vd2は((W1−2d)×(L1−2d))
/((W2−2d)×(L2−2d))と実質的に等し
い関係にある請求項1の液体噴射ヘッド。 - 【請求項4】 前記吐出口が配された位置と前記一つの
液流路に対応して設けられた複数の電気熱変換体との間
の距離の差は3μm以内である請求項1の液体噴射ヘッ
ド。 - 【請求項5】 前記1つの液流路に対応して設けられる
電気熱変換体の数は2つである請求項1の液体噴射ヘッ
ド。 - 【請求項6】 前記液体は、インクである請求項1の液
体噴射ヘッド。 - 【請求項7】 請求項1ないし6のいずれかの液体噴射
ヘッドと、 該液体噴射ヘッドに供給するための液体を保持する液体
容器とを有することを特徴とするヘッドカートリッジ。 - 【請求項8】 前記液体噴射ヘッドと容器とは着脱可能
である請求項7のヘッドカートリッジ。 - 【請求項9】 前記液体はインクである請求項7のヘッ
ドカートリッジ。 - 【請求項10】 請求項1ないし6のいずれか1の液体
噴射ヘッドと、被記録媒体を搬送するための搬送手段を
有することを特徴とする液体噴射装置。 - 【請求項11】 請求項1ないし6のいずれかの液体噴
射ヘッドと、該液体噴射ヘッドを駆動するための駆動信
号供給手段とを有することを特徴とする液体噴射装置。 - 【請求項12】 液体を吐出するための吐出口を有する
液流路と、一つの前記液流路ごとに対応して複数設けら
れた電気熱変換素子とを有し、前記電気熱変換素子はそ
れぞれ吐出口からほぼ等しい位置に配されると共に、前
記複数の電気熱変換素子の内、2つの電気熱変換素子の
面積がそれぞれSh1、Sh2(Sh1>Sh2)であ
るヘッドを用い、 駆動信号を前記電気熱変換素子に与えることで、 Vd1/Vd2>Sh1/Sh2 Vd1:電気熱変換素子 Sh1で吐出された液体の量 Vd2:電気熱変換素子 Sh2で吐出された液体の量 を満たしていることを特徴とした液体吐出方法。 - 【請求項13】 請求項7に記載のヘッドカートリッジ
を構成する液体容器に対して液体を導入する液体導入路
を形成するステップと、 該液体導入路を介して前記液体容器に液体を注入するス
テップとを有することを特徴とする液体容器への液体の
注入方法。 - 【請求項14】 前記液体はインクである請求項13の
液体容器への液体の注入方法。
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