JPH1081011A - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インクジェット記録ヘッドで幅広い階調表現
を実現する。 【解決手段】 複数のヘッド部１２，１４を有するイン
クジェット記録ヘッド１０において、１つのインクキャ
ビティ２６当たりのノズル数を各ヘッド部１２，１４ご
とに違えるとともに、１つのインクキャビティ２６に複
数のノズル２８ａ，２８ｂを備えたヘッド部１２ではそ
れらのノズル２８ａ，２８ｂを近接して設けてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像信号に応じて
インクドロップを吐出し、記録紙等の記録媒体に付着さ
せて画像を記録するドロップ・オン・デマンド方式のイ
ンクジェット記録ヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、加熱素子や圧電アクチュエータ等
の加圧手段を画像信号に応じて駆動し、インクキャビテ
ィに収容されたインクを加圧してノズルからインク滴を
吐出し、該インク滴が記録媒体に付着して形成されるド
ットにより画像を記録するドロップ・オン・デマンド方
式のインクジェット記録ヘッドが知られている。

【０００３】この種のインクジェット記録ヘッドで階調
画像を記録する一つの方法として、ノズルから吐出され
るインク滴の大きさを変化させ、記録媒体上でのドット
径を変化させることによって階調表現を行うものが知ら
れている。インク滴の大きさを変化させる方法として、
大径インク滴を吐出する大ノズルと、小径インク滴を吐
出する小ノズルとを設けたインクジェット記録ヘッドが
提案されている。例えば、米国特許第５,２０８,６０５
号には、大ノズル列と小ノズル列とを並列に配置したプ
リントヘッドが開示されている。また、特開平６−２３
８９０２号公報には、大，小ノズルを交互に一列に配置
したインクジェットプリントヘッドが開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、１つのヘッド
に大きさの異なる多数の大，小ノズルをミクロンオーダ
の精度を確保しつつ形成するのは技術的に容易ではな
く、また、ノズル径を小さくし過ぎるとノズルの目詰ま
りを起こしやすくなることなどからノズル径の調整可能
な範囲にも限界があり、単にノズル径を異ならせてドッ
ト径を変化させるだけでは、充分に幅広く、滑らかな階
調表現を実現するのは困難であった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明にかかる
インクジェット記録ヘッドは上記問題点に鑑みてなされ
たもので、複数のヘッド部を有し、各ヘッド部がインク
を収容するインクキャビティと、補給用インクを収容す
るインク供給室と、上記インクキャビティを上記インク
供給室に連通するインクインレットと、上記インクキャ
ビティに収容されたインクを加圧する加圧手段と、加圧
されたインクがインク滴となって吐出されるノズルとを
備え、１つのインクキャビティ当たりのノズル数を各ヘ
ッド部ごとに違えるとともに、１つのインクキャビティ
に複数のノズルを備えたヘッド部では上記複数のノズル
を近接して設けたものである。

【０００６】上記インクジェット記録ヘッドでは、上記
インクインレットをインク通過時の流路抵抗が各ヘッド
部ごとに異なるように形成してもよいし、上記インクキ
ャビティおよび加圧手段の大きさを各ヘッド部ごとに違
えてもよい。

【０００７】

【発明の作用および効果】本発明にかかるインクジェッ
ト記録ヘッドにおいて、各ヘッド部の加圧手段を駆動し
てインクキャビティ内のインクを加圧すると、インクキ
ャビティに連通する各ノズルからインク滴が吐出され
る。複数のノズルと連通するインクキャビティからは、
上記複数のノズルからそれぞれインク滴が吐出される。
これら複数のノズルは近接して設けてあるので、それら
から吐出された複数のインク滴は、記録媒体に着弾する
前に合体して１つの大きなインク滴となる。これによ
り、１つのインクキャビティ当たりのノズル数が他のヘ
ッド部よりも多いヘッド部からは、より大きなインク滴
が吐出されることになり、記録媒体上により大径のイン
クドットが形成される。したがって、画像信号に応じて
インクを吐出させるヘッド部を適宜切り替えることによ
り、滑らかで幅広い階調性のある高画質の中間調画像を
得られる。

【０００８】上記インクジェット記録ヘッドでは、１つ
のインクキャビティ当たりのノズル数を変えることによ
りインク滴の大きさを変えるため、各ヘッド部のノズル
を同じ大きさに形成することができる。したがって、各
ノズルについて目詰まりの起こりにくい大きさを選択で
きるとともに、加工精度を高いものにすることができ
る。

【０００９】また、上記インクジェット記録ヘッドにお
いて、インクインレットのインク通過時の流路抵抗を各
ヘッド部ごとに異なるように形成すれば、加圧手段によ
ってインクキャビティ内のインクに同一の加圧力を作用
させても、流路抵抗が比較的大きなインクレットを備え
たヘッド部では、他のヘッド部に比べてインクインレッ
トをインクが逆流することによる圧力損失が小さくて済
み、その分、インク滴の吐出を効率よく行える。したが
って、流路抵抗の大きなインクインレットを有するヘッ
ド部からは、他のヘッド部よりも大きなインク滴を吐出
することができ、上記ノズル数の違いと相俟って、一層
幅広い階調表現が可能になる。

【００１０】さらに、上記インクキャビティおよび加圧
手段の大きさを各ヘッド部ごとに違えた上記インクジェ
ット記録ヘッドによれば、上記加圧手段を同一条件で駆
動した場合にも、比較的大きな加圧手段を有するヘッド
部ではインクキャビティ内のインクに作用する加圧力が
大きく、他のヘッド部よりも大きなインク滴がノズルか
ら吐出されので、上記ノズル数の違いと相俟って一層幅
広い階調表現が可能になる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態について説明する。図１から図３は、本発
明の一実施形態であるインクジェット記録ヘッド１０を
示す。このヘッド１０は、大径インク滴吐出用ヘッド部
１２（以下「大径ヘッド部１２」という。）と小径イン
ク滴吐出用ヘッド部１４（以下「小径ヘッド部１４」と
いう。）とからなる。これら大径ヘッド部１２と小径ヘ
ッド部１４は、天板１６、隔壁１８、振動板２０、およ
び基板２２を重ね合わせて一体的に構成されている。

【００１２】天板１６は金属、合成樹脂、またはセラミ
ック等の材料からなり、隔壁１８との対向部をフォトリ
ソグラフィ等の方法で微細加工して、大径ヘッド部１２
と小径ヘッド部１４とにそれぞれインク２４を収容する
複数のインクキャビティ２６と、補給用インク２４を収
容するインク供給室３０と、各インクキャビティ２６を
インク供給室３０に連通するインクインレット３２と
が、各ヘッド部１２，１４でそれぞれ同一の大きさに形
成されている。

【００１３】図１に示すように、大径ヘッド部１２と小
径ヘッド部１４の各インクキャビティ２６は、これらヘ
ッド部１２，１４が対向する方向に沿って延びる長溝状
にかつ互いに平行に形成されている。また、インク供給
室３０は、インクキャビティ２６を挟んで中央線３４の
反対側に形成されており、図示しないインクタンクに接
続してある。

【００１４】また、天板１６には、上記中央線３４側に
おいて各インクキャビティ２６にそれぞれ連通するノズ
ルがエキシマレーザ加工などによって形成されている
が、１つのインクキャビティ２６当たりのノズル数がヘ
ッド部１２，１４ごとに違えてある。すなわち、大径ヘ
ッド部１２では、１つのインクキャビティ２６当たりに
２つのノズル２８ａ，２８ｂが近接して形成されてい
る。これらノズル２８ａ，２８ｂ間の距離は、各ノズル
２８ａ，２８ｂからそれぞれ吐出されたインク滴が、図
示しない記録媒体に着弾する前に合体可能な距離に設定
されている。他方、小径ヘッド部１４では、１つのイン
クキャビティ２６当たりに１つのノズル３８が形成され
ている。なお、本実施形態では、各ノズル２８ａ，２８
ｂ，３８を吐出口に向かって断面積が小さくなるテーパ
状に形成し、その径を同一径としてある。

【００１５】隔壁１８は金属または合成樹脂の薄肉フィ
ルムが使用されており、天板１６と振動板２０との間に
固定されている。なお、隔壁１８はこれに所定の張力が
加わった状態で固定するのが望ましい。

【００１６】振動板２０は周知の圧電材料からなり、そ
の上面と下面にそれぞれ共通電極、個別電極として利用
される導電性金属層（図示せず）が設けてあり、隔壁１
８と基板２２との間に固定されている。また、振動板２
０は、図２，３に示すように、ダイシング加工により縦
方向溝５８と横方向溝６０を形成して分断し、各インク
キャビティ２６に対応する圧電部材４２（加圧手段）
と、隣接する圧電部材４２の間に位置する仕切壁４４
と、これらを囲む周囲壁４６に分離されている。各圧電
部材４２は、高温下で上下の共通電極と個別電極との間
に高電圧を印加して分極処理されている。なお、圧電部
材４２は、単層タイプに限らず、金属電極層をそれぞれ
挟むように複数の薄膜圧電シートを積層して形成した積
層型圧電部材を用いてもよい。

【００１７】基板２２は、セラミック、金属、または合
成樹脂などからなり、振動板２０に固定されている。

【００１８】上記構成のヘッド１０では、インク２４が
図示しないインクタンクからインク供給室３０に供給さ
れ、インクインレット３２を介して各インクキャビティ
２６に収容されている。この状態で、画像信号制御回路
（図示せず）から圧電部材４２にパルス電圧が印加され
ると、圧電部材４２が瞬時に変形して隔壁１８をインク
キャビティ２６内に押し込む。これにより、インクキャ
ビティ２６内のインク２４が加圧され、大径ヘッド部１
２のノズル２８ａ，２８ｂおよび小径ヘッド部１４のノ
ズル３８からそれぞれインク滴が吐出される。

【００１９】図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、大径ヘ
ッド部１２のノズル２８ａ，２８ｂからそれぞれ吐出さ
れたインク滴５０，５２は、両ノズル２８ａ，２８ｂが
近接して設けてあるために、吐出後間もなく合体して１
つのインク滴５４となる。このインク滴５４は、小径ヘ
ッド部１４のノズル３８から吐出されたインク滴５６に
比べて大きな体積を有する。したがって、記録媒体に形
成される付着ドット径もインク滴５４の方がインク滴５
６よりも大径となる。また、大径ヘッド部１２の圧電部
材４２に、小径ヘッド部１４のそれよりも高い電圧を印
加すれば、圧電部材４２の変形に基づくインク加圧力が
より大きくなるので、さらに付着ドット径の差を大きく
することができる。よって、画像信号に応じて大径ヘッ
ド部１２と小径ヘッド部１４を適宜選択するとともに、
圧電部材４２への印加電圧を変えることで、滑らかで幅
広い階調性のある中間調画像を得ることができる。

【００２０】なお、圧電部材４２への電圧印加条件を変
える場合、パルス電圧の電圧値の変化に限らず、電圧値
を一定として電圧印加時間を変える、ごく短時間のパル
ス電圧の印加回数を変える、パルス電圧の最大電圧値ま
での立ち上がり時間を変える、あるいは、これらを組み
合わせた制御を行うことで、インク加圧力を変化させて
インク滴の大きさを変えるようにしてもよい。これらに
より、ドライバー回路の選択幅が広がりローコスト化が
可能になる。

【００２１】また、図５，６に示すように、大径ヘッド
部１２の１つのインクキャビティ当たりのノズル数を３
つないし４つ、またはそれ以上にすれば、さらに大きな
インク滴を吐出することができ、これにより階調幅をさ
らに広げることができる。

【００２２】さらに、上記ヘッド１０では、大径ヘッド
部１２と小径ヘッド部１４とからそれぞれ吐出されるイ
ンク滴の大きさを変えるために各ヘッド部１２，１４ご
とにノズル径を変える必要がない。そのため、ノズル加
工の際にレーザ径や切削工具などを変更する必要がな
く、ノズル加工を高精度でかつ容易に行うことができ、
しかも、各ノズル２８ａ，２８ｂ，３８の径を目詰まり
が起こりにくい大きさに選択することができる。なお、
ノズル数を変えるとともに、大径ヘッド部１２のノズル
径を小径ヘッド部１４のそれよりも大径に形成した場合
には、各ヘッド部１２，１４から吐出されるインク滴径
の差をさらに大きくでき、階調幅を一層広げることがで
きる。

【００２３】ここで、１インクキャビティ当たりのノズ
ル数と記録媒体上に形成されるドット径との関係を調べ
た。その際、ノズルのテーパ角度１０°、吐出口の径３
０μｍとし、圧電部材に印加する電圧値を３０Ｖで共通
とした。また、インクインレット３２の高さｈ、幅ｗ、
長さｎ（図１，３参照）をそれぞれ４０×５０×１５０
（μｍ）とした。その結果を図７のグラフに示す。この
グラフから明らかなように、ノズル数が多くなるにつれ
て、ドット径がほぼ比例的に増加することが確認でき
た。

【００２４】次に、本実施形態の変形例について説明す
る。上記ヘッド１０において、大径ヘッド部１２と小径
ヘッド部１４とでは、ノズル数以外は同じ構成でかつ同
一サイズに形成したが、上記インクインレット３２をイ
ンク通過時の流路抵抗をヘッド部１２，１４ごとに異な
るように形成してもよい。

【００２５】具体的には、例えば、インクインレット３
２の長さｎや、インクキャビティ２６に臨むインクイン
レット３２の開口部の大きさなどをヘッド部１２，１４
によって変えることで、大径ヘッド部１２のインクイン
レットの流路抵抗の方が、小径ヘッド部１２のそれより
も比較的大きくなるように形成する。これにより、圧電
部材４２によってインクキャビティ２６内のインクに同
一の加圧力を作用させても、大径ヘッド部１２ではイン
クインレット３２へのインクの逆流による圧力損失が小
さく、その分、インク滴の吐出を効率よく行うことがで
きる。したがって、大径ヘッド部１２と小径ヘッド部１
４とからそれぞれ吐出されるインク滴の大きさの差をさ
らに大きなものにすることができ、より一層幅広い階調
表現が可能になる。

【００２６】ここで、ノズル寸法および圧電部材への印
加電圧を図７の実験と同一とし、インクインレット３２
の高さｈ４０μｍおよび幅ｗ５０μｍは変えずに長さｎ
だけを５０μｍ長く形成して２００μｍとして、上記と
同様の実験を行った。その結果を図８のグラフに示す。
このグラフより、ノズル数が増えるにしたがってドット
径が大きくなる傾向は図７と同様であるが、図７に比べ
てドット径が総じて大きくなっていることが分かる。こ
れは、インクインレットの長さｎが長くなっている分だ
けインクとの接触面積が増加することにより、インクイ
ンレットの流路抵抗が大きくなっていることによるもの
と考えられる。

【００２７】一方、インクインレットの長さｎを１５０
μｍで一定とし、インクインレットの断面を高さｈと幅
ｗが等しい正方形断面に形成して、その一辺の長さを変
えてドット径の変化を調べた。その際のノズルのテーパ
角度１２°、吐出口の径３０μｍ、ノズル厚み１００μ
ｍとし、圧電部材には電圧値３０Ｖ、パルス幅４０μｓ
ｅｃのパルス電圧を印加した。その結果を図９のグラフ
に示す。このグラフより、ノズル数が１つまたは２つの
いずれの場合も、インクインレット断面の一辺の長さが
短くなるにつれてドット径が大きくなっている。これも
上述したのと同様にインクインレットの断面積が小さく
なるにしたがって流路抵抗が大きくなることによるもの
と考えられる。

【００２８】このように、各ヘッド部によってインクイ
ンレットの流路抵抗を異ならせることにより、インク滴
の大きさ、すなわち記録媒体上でのドット径の変化を大
きくでき、階調幅の拡大を図れることが確認できた。

【００２９】次に、本実施形態の別の変形例について説
明する。上記ヘッド１０では、大径ヘッド部１２と小径
ヘッド部１４とのインクキャビティ２６および圧電部材
４２を同じ大きさに形成したが、各ヘッド部によってそ
れらの大きさを違えてもよい。具体的には、図１に示す
ように、大径ヘッド部１２の圧電部材４２の長手方向の
長さに対応するインクキャビティ２６の有効長さＬ₁、
小径ヘッド部１４におけるその長さをＬ₂とすると、大
径ヘッド部１２のインクキャビティ有効長さＬ₁を小径
ヘッド部１４のその長さＬ₂よりも大きく形成する。

【００３０】図１０のグラフは、インクキャビティ有効
長さを変化させたときのドット径の変化を調べた結果を
示したものである。その際、ノズルの吐出口の径を２８
μｍ、テーパ角度を１０°とし、圧電部材４２への印加
電圧を３０Ｖで共通とした。また、インクインレットの
サイズは、図７の実験の場合と同様に、高さｈ：４０×
幅ｗ：５０×長さｎ：１５０（μｍ）とした。図１０の
グラフより、大径ヘッド部（ノズル数２ケ）および小径
ヘッド部（ノズル数１ケ）のいずれの場合も、インクキ
ャビティ有効長さが長くなるにしたがって、圧電部材に
よるインク加圧力が大きくなるためにドット径が大きく
なっていることが分かる。

【００３１】したがって、大径ヘッド部１２のインクキ
ャビティ有効長さＬ₁を小径ヘッド部１４のその長さＬ₂
よりも長く形成することにより、ノズル数の違いと相俟
って各ヘッド部１２，１４から吐出されるノズル滴の大
きさの差をさらに大きくすることができ、一層幅広い階
調表現が可能になる。

【００３２】なお、本実施形態およびその変形例では、
２つのヘッド部１２，１４を設けたが、１つのインクキ
ャビティ当たりのノズル数が異なる３つ以上のヘッド部
を設けてもよい。また、ノズル数、インクインレットの
大きさ、インクキャビティ有効長さなどの変化をヘッド
部ごとに適宜組み合わせて、最適な階調表現が可能なヘ
ッド構成してもよい。

【００３３】さらに、以上の説明では、隔壁を設けて圧
電部材とインクとをそれぞれ別々の部屋に収容したが、
隔壁は必ずしも必要ではない。しかし、圧電部材にイン
クを直に接触させるとインクが圧電部材に浸透して変形
能力が低下するので、その場合には圧電部材に被膜を形
成して圧電部材がインクと直に接触するのを防止するの
が好ましい。

【００３４】さらにまた、本実施形態のヘッドではイン
クキャビティ内のインクを加圧する加圧手段に圧電部材
を用いたが、本発明は加圧手段として発熱素子を用いた
バブルジェット方式のヘッドにも適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態であるインクジェット記
録ヘッドの部分平面図である。

【図２】 図１のII−II線断面図である。

【図３】 図２のIII−III線断面図である。

【図４】 （ａ）から（ｄ）は、大径ヘッド部の複数の
ノズルからそれぞれ吐出されたインク滴が合体する様子
を経時的に説明するための図である。

【図５】 （ａ），（ｂ）は共に、大径ヘッド部におけ
る１つのインクキャビティ当たりのノズル数を３つとし
た場合を示す部分平面図である。

【図６】 （ａ），（ｂ）は共に、大径ヘッド部におけ
る１つのインクキャビティ当たりのノズル数を４つとし
た場合を示す部分平面図である。

【図７】 １つのインクキャビティ当たりのノズル数
と、記録媒体上に形成されるドット径との関係を示すグ
ラフである。

【図８】 インクインレットのサイズを変えた場合の、
１つのインクキャビティ当たりのノズル数と、記録媒体
上に形成されるドット径との関係を示すグラフである。

【図９】 インクインレットを正方形断面とした場合の
その一辺の長さと、記録媒体上に形成されるドット径と
の関係を示すグラフである。

【図１０】 圧電部材長さに対応するインクキャビティ
の有効長さと、記録媒体上に形成されるドット径との関
係を示すグラフである。

【符号の説明】

１０…インクジェット記録ヘッド、１２…大径ヘッド
部、１４…小径ヘッド部、１６…天板、１８…隔壁、２
０…振動板、２４…インク、２６…インクキャビティ、
２８ａ，２８ｂ，３８…ノズル、３０…インク供給室，
３２…インクインレット、４２…圧電部材（加圧手
段）。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のヘッド部を有し、各ヘッド部がイ
   ンクを収容するインクキャビティと、補給用インクを収
   容するインク供給室と、上記インクキャビティを上記イ
   ンク供給室に連通するインクインレットと、上記インク
   キャビティに収容されたインクを加圧する加圧手段と、
   加圧されたインクがインク滴となって吐出されるノズル
   とを備え、１つのインクキャビティ当たりのノズル数を
   各ヘッド部ごとに違えるとともに、１つのインクキャビ
   ティに複数のノズルを備えたヘッド部では上記複数のノ
   ズルを近接して設けてあるインクジェッド記録ヘッド。
2. 【請求項２】 上記インクインレットをインク通過時の
   流路抵抗が各ヘッド部ごとに異なるように形成した請求
   項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 【請求項３】 上記インクキャビティおよび加圧手段の
   大きさを各ヘッド部ごとに違えてある請求項１に記載の
   インクジェット記録ヘッド。