JPH10119272A - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小液適用の電気熱変換素子を駆動する場合、
適正な吐出量と速い吐出速度を確保することで、階調制
御を有し記録画像の高画質化を可能とする。 【解決手段】 インクジェット記録ヘッドのノズル１の
中に電気熱変換素子２、３を並列に配置し、小液滴吐出
の場合は安定吐出領域となるノズル口に近づけて配置し
た電気熱変換素子２を駆動し、加熱により成長した気泡
を外気と連通させ吐出し、大液滴吐出の場合は加熱によ
り成長した気泡が外気と連通しないように、電気熱変換
素子２に比べノズル口から離して配置した電気熱変換素
子３を駆動して吐出させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット記
録ヘッドに関し、特にインク滴を吐出するノズルの各々
に複数の電気熱変換素子を配列し画像データに応じて吐
出液滴の量を変調可能ないわゆる階調可能なインクジェ
ットヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来インクジェットヘッドを構成する技
術として代表的なものは、ピエゾ素子を利用したいわゆ
るピエゾ方式、及び電気熱変換素子を基板上に形成しさ
らにその上にノズルを形成したいわゆるバブルジエット
方式の二つの方式である。ここで吐出量の変調による階
調制御技術に関して述ベると、ピエゾ方式はピエゾの駆
動波形を変調することで比較的幅広い吐出液滴の量のコ
ントロールが可能であり、階調制御を行うに適してい
る。しかしピエゾ素子を利用することからその製造行程
が複雑で高密度化にはあまり適していない。

【０００３】バブルジェット方式は、上述のピエゾ方式
に比ベ生産性も高く高密度化に優れており低価格で高速
のインクジェットヘッドを生産する方式として適してい
る。しかしながらバブルジエット方式ではインク液滴の
量を変調することが難しい。そのためバブルジェット方
式における階調制御技術として考えられたのがノズル密
度をさらに上げ液滴の吐出量をたとえば１０ピコリット
ル程度まで落として、一画素を多数のドットで表現する
多値方式である。しかし上述のような微小液滴により画
素を構成するため、液滴の駆動パルス数が多値化の程度
に応じて増加するためへッド寿命が短くなる、あるいは
従来と同じへッド駆動周波数では記録速度が低下するな
どの問題点がある。

【０００４】このような問題を解決するために考えられ
たのが一つのノズルの中に複数の電気熱変換素子を配置
し、各々の電気熱変換素子の表面積を変え必要に応じて
各々の電気熱変換素子を駆動することにより液滴吐出量
を変えようとするものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したような一つの
ノズル内に複数の電気熱変換素子を配置したインクジェ
ットヘッドでは電気熱変換素子の面積が各々変えてある
ため必要な吐出量に応じて必要な電気熱変換素子を駆動
し発泡体積を変更する事が可能である。例えば同一ノズ
ル内に大、小二種類の電気熱変換素子を配置した場合、
発泡体積は電気熱変換素子の表面積にほぼ比例するた
め、大、小、大十小の各々の電気熱変換素子で必要とす
る吐出量に応じた面積を割り当てればよい。しかし、上
記のように単に面積を必要吐出量に応じて変更しただけ
では吐出量は得られても、必要な吐出速度が得られない
という問題があった。図６に電気熱変換素子の吐出速度
と吐出量の関係を示す。ここでは一つのノズル内に複数
配置した電気熱変換素子のうち面積小ヒーター単独、大
ヒーター単独、そして大小両方を駆動したときの吐出量
と吐出速度を示している。図６より明らかなことは電気
熱変換素子の面積に応じて吐出量と吐出速度が変化する
が、吐出量と吐出速度の間には一次の相関があり、吐出
量が少なくなるにつれ吐出速度も小さくなっていること
である。

【０００６】ここで良好な画質を得るためにインクジェ
ットヘッドに要求される吐出性能に関して、特に小液滴
に関して述ベると、望ましくはＢｋインクの場合は３５
ｐｌから４５ｐｌ程度、カラーインクの場合は２０ｐｌ
から２５ｐｌ程度の吐出量が必要である。また吐出速度
は現在量産されているインクジェットヘッドの吐出速度
を参考にすると１０ｍ／ｓから１５ｍ／ｓ程度が望まし
い。このような要求に対し、実際に大小のヒーターを試
作し特性を測った所、小液滴の吐出速度は図６に示され
ているように、５ｍ／ｓから６ｍ／ｓであった。

【０００７】吐出速度が５ｍ／ｓ以下となるとノズル相
互の間で吐出速度のばらつきが大きくなり画像の劣化に
つながるとともに、低温環境下での吐出不良など信頼性
低下の原因となる。また吐出速度が１５ｍ／ｓ以上とな
ると図７のように吐出液滴の乱れが観察されやはり画像
の劣化につながる。

【０００８】上記のような小液滴の吐出速度不足の対策
として吐出口を絞る、あるいは電気熱変換素子の位置を
ノズル口よりに近づけるなどの検討がされている。この
ような検討の結果小液滴速度は９ｍ／ｓ付近まで上げら
れる見通しがついているが、吐出が不安定となり、印字
中の不吐出等の弊害が発生しやすいと考えられる。

【０００９】電気熱変換素子をノズルに近づけることに
より吐出の効率化が図られるが、近づけすぎることによ
って泡の収縮時に外部より気泡を取り込み、この気泡が
原因となって図８に示すようにノズル内に気泡がたまり
インク２０の供給が行われず、不吐出となるのである。

【００１０】表１に吐出量４０ｐｌを目的としたインク
ジェット記録ヘッドについて、上述のような電気熱変換
素子の端部とノズルロの間の距離Ｌと吐出現象の関係を
まとめた。

【００１１】

【表１】

【００１２】表１で示すように距離Ｌが３０から５０μ
ｍで電気熱変換素子がノズル口に近づくと吐出不安定領
域となるが、さらに近づけて３０μｍ以下とすることに
より泡の取り込みがなく吐出液滴と一緒に泡が放出され
る安定領域があることがわかった。このような電気熱変
換素子瑞部とノズルロの間の距離Ｌと吐出現象の関係、
すなわち吐出安定性や吐出速度との関係はノズル形状、
電気熱変換素子の寸法などが変わることによって変化す
るが、距離Ｌを短くするにつれて吐出不安定領域とな
り、さらに近づけると高吐出速度領域となる傾向にあ
る。このような吐出原理は特開平４−１０９４０、１０
９４１、１０９４２号公報等において考案されている。

【００１３】本発明の目的は、複数の電気熱変換素子を
同一ノズル内に配置し、該電気熱変換素子の組合せによ
り該ノズルより種々の吐出量を吐出可能なインクジェッ
トヘッドにおいて、小液滴用の電気熱変換素子を駆動す
る場合、加熱により成長した気泡を外気と連通させるこ
とによって適正な液滴吐出量と速い液滴吐出速度を確保
すると共に、大液滴用の電気熱変換素子を駆動する場合
は加熱により成長した気泡が外気と連通させずに適正な
液滴吐出量と速い液滴吐出速度を確保することによって
記録画像の高画質化をはかるとともに信頼性を向上させ
ることを可能とするインクジェット記録ヘッドを提供す
ることにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、個々のノズルに対応して複数の電気熱変換
素子を基板上に配置し、該電気熱変換素子によりインク
を加熱することによって気泡を生じせしめ、該気泡によ
り該インクの少なくとも一部を吐出して記録を行うとと
もに、前記電気熱変換素子の選択、組み合わせにより該
ノズルより種々の吐出量を吐出可能なインクジェット記
録ヘッドにおいて、前記複数の電気熱変換素子のいずれ
かを加熱する場合に、加熱により成長した気泡が外気と
連通するように構成したことを特徴とする。好ましく
は、複数の電気熱変換素子の駆動において、少なくとも
最も小さい液滴の吐出を行う場合は、加熱により成長し
た気泡を外気と連通させ、大液滴の吐出を行う場合は、
加熱により成長した気泡が外気と連通する事がないよう
に構成したことを特徴とする。

【００１５】上記のとおりの発明では、複数の電気熱変
換素子の駆動において、少なくとも最も小さい液滴の吐
出を行う場合は、電気熱変換素子を安定吐出領域となる
ノズル口に近づけて配置し、加熱により成長した気泡を
外気と連通させ、適正な液滴吐出量と速い液滴吐出速度
を確保し、大液滴の吐出を行う場合は加熱により成長し
た気泡が外気と連通することがないように、電気熱変換
素子を小液滴の場合と比べノズル口から離して配置し、
適正な液滴吐出量と速い液滴吐出速度を確保できる。よ
って、上述の吐出液適のコントロールで十分な階調制御
を行い、記録画像の高画質化を可能とすると共に信頼性
の高いインクジェット記録ヘッドの実現が可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】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。

【００１７】（第１の実施の形態）図１に本発明のイン
クジェット記録ヘッドの第１の実施形態によるノズル内
の電気熱変換素子の配置状態を示す。本実施形態はイン
クジェット記録ヘッドのノズル１の中に電気熱変換素子
２、３を並列に配置すると共に、ノズル口から各電気熱
変換素子２、３の配置位置までの距離Ｌを変えてある。
本形態では電気熱変換素子３より電気熱変換素子２の方
がノズル口の近くに配置してある。例えば本形態では電
気熱変換素子２のサイズは２０×５５μｍでノズル口か
らの距離Ｌは２５μｍとして、電気熱変換素子３のサイ
ズは３０×１０５μｍでノズル口からの距離Ｌは１０５
μｍとする。

【００１８】図２を用い本実施形態による小液滴の吐出
状態を説明する。図２（ａ）は初期状態を示し、ノズル
１内部がインク２０で満たされている。ここで小液滴吐
出のため電気熱変換素子２に通電し電気熱変換素子２の
近傍のインク２０を急激に加熱することによって、電気
熱変換素子２上に膜沸騰による気泡４が発生し、急激に
膨張する。この気泡はさらに慣性抵抗の小さい吐出口側
ヘ成長を続け、図２（ｂ）でついには外気と上記気泡が
連通する。この気泡の膨張に伴い気泡と吐出口の間に挟
まれたインクはノズルの中を吐出口側に押され吐出液滴
６を発生し、図２（ｃ）において飛翔液滴７となって吐
出口より外に飛翔する。

【００１９】図３は大液滴吐出のため電気熱変換素子３
に通電した場合を説明するための図である。図２に示し
たと同じく図３（ａ）における膜沸騰により気泡４が成
長する。しかし電気熱変換素子２を用いた場合と異なり
電気熱変換素子３は吐出口より離れた位置に配置されて
いるため気泡４が成長し最大となっても外気と連通する
事はない。また電気熱変換素子３が十分吐出口から離れ
ており、前述の図２の吐出に比ベ吐出量は十分大きい。

【００２０】表２の番号１にこのような配置により吐出
した場合のカラーインク用大小液滴各々の吐出量、吐出
速度の関係を示す。

【００２１】

【表２】

【００２２】図６に示した小ヒータ（電気熱変換素子）
駆動の場合の吐出速度（約６ｍ／ｓ）と比ベると表２の
番号１では、小液滴の吐出速度は９ｍ／ｓとなって大き
いことがわかる。このように電気熱変換素子を安定吐出
領域となるノズル口に近づけて配置し、加熱により成長
した気泡を外気と連通させることで、吐出速度を大きく
することにより、液滴が媒体に対して均一に着弾し画質
劣化を防ぐことが可能となる。また低温環境などにおい
ても小液滴が十分な運動エネルギーを持ち吐出不安定と
ならず、信頼性の向上が図れる。

【００２３】（第２の実施の形態）図４に本発明のイン
クジェット記録ヘッドの第２の実施形態によるノズル内
の電気熱変換素子の配置状態を示す。この図において、
第１の実施形態と同一部品には同一符号を付している。
本実施形態はインクジェット記録ヘッドのノズル１の中
に電気熱変換素子１０、１１をノズル１の流路方向に沿
って直列に配置している。本形態では表２の番号２、３
にあるように例を２つとり、番号２の例として電気熱変
換素子１０のサイズは２５×２８μｍでノズル口からの
距離Ｌは２０μｍとして、電気熱変換素子１１のサイズ
は３０×１０５μｍでノズル口からの距離Ｌは１０５μ
ｍとする。番号３の例として電気熱変換素子１０のサイ
ズは３０×３５μｍでノズル口からの距離Ｌは２５μｍ
として、電気熱変換素子１１のサイズは３０×１０５μ
ｍでノズル口からの距離Ｌは１０５μｍとする。

【００２４】また本形態の吐出状態は第１の実施形態に
おいて説明した図２、３の吐出状態と同じである。ここ
で簡単に説明すると、電気熱変換素子１０を駆動した場
合は、加熱により成長した気泡が外気と連通して小液滴
が吐出される。一方、電気熱変換素子１１を駆動した場
合は、電気熱変換素子１１を電気熱変換素子１０よりも
ノズル口から離して配置したことにより、気泡が外気と
連通することがなく、電気熱変換素子１０の場合よりも
十分大きな吐出量の液滴が吐出される。

【００２５】表２の番号２、３にこのような配置により
吐出した場合のカラーインク用大小液滴各々の吐出量、
吐出速度の関係を示す。図６に示した小ヒータ（電気熱
変換素子）駆動の場合の吐出速度（約６ｍ／ｓ）と比ベ
ると表２の番号２では、小液滴の吐出速度は７ｍ／ｓ、
表２の番号３では小液滴の吐出速度は１０ｍ／ｓとなっ
て大きいことがわかる。このように電気熱変換素子を安
定吐出領域となるノズル口に近づけて配置し、加熱によ
り成長した気泡を外気と連通させることで、吐出速度を
大きくすることにより、液滴が媒体に対して均一に着弾
し画質劣化を防ぐことが可能となる。また低温環境など
においても小液滴が十分な運動エネルギーを持ち吐出不
安定とならず、信頼性の向上が図れる。

【００２６】（第３の実施の形態）図５に本発明のイン
クジェット記録ヘッドの第３の実施形態によるノズル内
の電気熱変換素子の配置状態を示す。この図において、
第１の実施形態と同一部品には同一符号を付している。
本実施形態はインクジェット記録ヘッドのノズル１の中
に電気熱変換素子１２、１３、１４をノズル１の流路方
向に沿って直列に配置している。このように電気熱変換
素子を配置することにより、前述の第１あるいは第２の
実施形態よりもさらに吐出量の変化の幅を大きくするこ
とを可能としている。

【００２７】また本形態の吐出状態も第１の実施形態に
おいて説明した図２、３の吐出状態と同じである。電気
熱変換素子１２あるいは１３を駆動した場合は、加熱に
より成長した気泡が外気と連通して小液滴が吐出され
る。一方、電気熱変換素子１４を駆動した場合は、電気
熱変換素子１４を電気熱変換素子１２、１３よりもノズ
ル口から離して配置したことにより、気泡が外気と連通
することがなく、電気熱変換素子１２あるいは１３の場
合よりも十分大きな吐出量の液滴が吐出される。このよ
うな配置により吐出した場合の各々の吐出量、吐出速度
の関係も、第１および第２の実施形態と同様に、図６と
比ベると小液滴の吐出量に対する吐出速度が大きくな
る。このように電気熱変換素子を安定吐出領域となるノ
ズル口に近づけて配置し、加熱により成長した気泡を外
気と連通させることで、吐出速度を大きくすることによ
り、液滴が媒体に対して均一に着弾し画質劣化を防ぐこ
とが可能となる。また低温環境などにおいても小液滴が
十分な運動エネルギーを持ち吐出不安定とならず、信頼
性の向上が図れる。

【００２８】本実施形態において電気熱変換素子１２と
１３の発泡において気泡が外気と連通する例を述ベた
が、必要とされる吐出量、吐出速度の関係からこのよう
な作用を電気熱変換素子１２のみとして、電気熱変換素
子１３、１４の発泡において気泡が外気と連通しない応
用例も考えられる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は個々のノ
ズルに対応して複数の電気熱変換素子を基板上に配置
し、電気熱変換素子の選択、組み合せによりノズルより
種々の吐出量を吐出可能なインクジェット記録ヘッドに
おいて、上記複数の電気熱変換素子のいずれかを加熱す
る場合に、加熱により成長した気泡が外気と連通するよ
うに構成することにより、十分な階調性を有し記録画像
の高画質化を可能とすると共に信頼性の高いインクジェ
ット記録ヘッドの実現が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態によるノズル内の電気
熱変換素子の配置状態を示す図である。

【図２】本発明の第１の実施形態による小液滴の吐出状
態を説明する図である。

【図３】本発明の第１の実施形態による大液滴の吐出状
態を説明する図である。

【図４】本発明の第２の実施形態によるノズル内の電気
熱変換素子の配置状態を示す図である。

【図５】本発明の第３の実施形態によるノズル内の電気
熱変換素子の配置状態を示す図である。

【図６】従来の技術による液滴の吐出速度と吐出量の関
係を示す図である。

【図７】従来の技術による液滴の吐出状態を説明する図
である。

【図８】従来の技術による液滴の不吐出状態を説明する
図である。

【符号の説明】

１ ノズル ２、３ 電気熱変換素子 ４ 気泡 ６ 吐出液滴 ７ 飛翔液滴 １０、１１、１２、１３、１４ 電気熱変換素子 ２０ インク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 個々のノズルに対応して複数の電気熱変
   換素子を基板上に配置し、該電気熱変換素子によりイン
   クを加熱することによって気泡を生じせしめ、該気泡に
   より該インクの少なくとも一部を吐出して記録を行うと
   ともに、前記電気熱変換素子の選択、組み合わせにより
   該ノズルより種々の吐出量を吐出可能なインクジェット
   記録ヘッドにおいて、 前記複数の電気熱変換素子のいずれかを加熱する場合
   に、加熱により成長した気泡が外気と連通するように構
   成したことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 【請求項２】 複数の電気熱変換素子の駆動において、
   少なくとも最も小さい液滴の吐出を行う場合は、加熱に
   より成長した気泡を外気と連通させ、大液滴の吐出を行
   う場合は、加熱により成長した気泡が外気と連通する事
   がないように構成した請求項１に記載のインクジェット
   記録ヘッド。