JP5020708B2 - 液体吐出ヘッドおよびインクジェット記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体を吐出することで記録を行う液体吐出ヘッドおよびインクジェット記録装置に関し、特には、吐出時において副滴の発生を抑制した液体吐出ヘッドに関するものである。

今日広く一般的に用いられているインク等の液体を吐出して記録媒体に記録を行う方法として、インクジェット記録方式が知られている。このインクジェット記録方式には、液体を吐出するための吐出エネルギ発生素子として電気熱変換素子（ヒータ）を利用する方法と圧電素子（ピエゾ）を利用する方法とがある。いずれの素子も液体吐出ヘッドに設けられて電気的な信号によって液滴の吐出を制御することが可能である。

近年の高画質の記録を求める要求から、吐出する液滴の小液滴化および液体吐出ヘッドにおける多ノズル化が行われており、これに伴い、記録するために吐出される液滴の他に、記録に寄与しない液滴による記録への影響が無視できなくなってきている。具体的には、吐出する際に、液滴が主滴と副滴（以下、サテライトともいう）とに分かれて吐出し、主滴は記録媒体の所望の場所に着弾するが、サテライトについては着弾位置をコントロールすることができない。従来の画質の低い記録では、このサテライトがもたらす記録への影響はほとんど無かったが、現在の高画質記録ではこのようなサテライトによる記録画質の低下が目立つようになってきている。

また、サテライトの微小なものは、記録媒体に到達する前に速度を失い浮遊してしまうインク滴（以下、ミストともいう）となり、このミストによって記録装置が汚れることがある。また、その記録装置の汚れが記録媒体に転写して記録媒体を汚すこともある。

このようなサテライトによる記録画質の低下を防ぐための方法として、特許文献１および特許文献２には、吐出口の形を円形以外の形状にして、サテライトの発生を低減させる方法が開示されている。

特開平９−２３９９８６号公報 特開平１０−２３５８７４号公報

しかし、特許文献１や特許文献２に記載される吐出口形状は、サテライトの発生は低減できるが、円形の吐出口と同じ液量を吐出する吐出口に設計して比較した場合、円形の吐出口よりも吐出口の周囲長が長くなるため、流抵抗が大きくなり吐出不良になり易い。特に吐出口からの連続吐出における最初の吐出の吐出性能（以下、発一性ともいう）の低下が生じ易くなる。

このように、サテライトの低減と、特に発一性を維持することは、相反することになる場合がある。一方、サテライトの発生や発一性は、インクの種類や吐出されるインクの体積（以下、単に吐出量ともいう）にも依存している。すなわち、吐出口の形状が同じであっても、インクの種類によって発生するサテライトの量や発一性が異なることがある。また、吐出量が異なることによっても、それに応じてサテライトの発生や発一性が異なることがある。

よって本発明は、液体吐出時のサテライトの抑制と、吐出不良の抑制とのバランスをインクの種類や吐出量に応じて最適化することができる液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

そのため本発明の液体吐出ヘッドは、複数種類の液体を吐出可能であり、前記液体が主滴と副滴とに分かれて吐出口から吐出され、前記吐出口が複数設けられた液体吐出ヘッドにおいて、前記複数の吐出口は、該吐出口における開口部の内側に向かって突出した２つ以上の突起を備えた非円形形状の第１吐出口と、円形状の第２吐出口とを含み、前記第１吐出口と前記第２吐出口とでは、種類が異なる液体が吐出され、前記第１吐出口から吐出される液体は、前記第２吐出口から吐出される液体よりも、前記副滴が相対的に多く発生する液体であることを特徴とする。

また、本発明のインクジェット記録装置は、複数種類の液体を液体吐出ヘッドに設けられた複数の吐出口から吐出可能であり、前記液体が主滴と副滴とに分かれて前記吐出口から吐出されるインクジェット記録装置において、前記複数の吐出口は、該吐出口における開口部の内側に向かって突出した２つ以上の突起を備えた非円形形状の第１吐出口と、円形状の第２吐出口とを含み、前記第１吐出口と前記第２吐出口とでは、種類の異なる液体が吐出され、前記第１吐出口から吐出される液体は、前記第２吐出口から吐出される液体よりも、前記副滴が相対的に多く発生する液体であることを特徴とする。

本発明によれば、液体吐出時のサテライトの抑制と、吐出不良の抑制とのバランスをインクの種類や吐出量に応じて最適化することができる。その結果、発生するミスト量を低減させることができ、吐出不良を抑制し、より高画質で信頼性の高い記録を行うことが可能な液体吐出ヘッドを実現することができる。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。
図９は、本実施形態に係る液体吐出ヘッドおよびこの液体吐出ヘッドを用いる液体吐出装置としてのインクジェット記録装置の一例で、その要部を示す概略斜視図である。インクジェット記録装置は、ケーシング１００８内に長手方向に沿って設けられる記録媒体としての用紙１０２８を矢印Ｐ方向に搬送する搬送部１０３０を備えている。そして搬送部１０３０による用紙１０２８の搬送方向Ｐに略直交する方向Ｓに略平行に往復運動せしめられる記録部１０１０と、記録部１０１０を往復運動させる駆動手段としての移動駆動部１００６とを含んで構成されている。

搬送部１０３０は、互いに略平行に対向配置される一対のローラユニット１０２２ａおよび１０２２ｂと、一対のローラユニット１０２４ａおよび１０２４ｂと、これらの各ローラユニットを駆動させる駆動部１０２０とを備えている。これにより、駆動部１０２０が作動状態のとき、用紙１０２８は矢印Ｐ方向に、各ローラユニット１０２２ａおよび１０２２ｂと、ローラユニット１０２４ａおよび１０２４ｂとに狭持されて、間欠送りで搬送される。

移動駆動部１００６は、ローラユニット１０２２ａおよび１０２２ｂに略平行に配置され、記録部１０１０のキャリッジ部材１０１０ａに連結されるベルト１０１６を順方向および逆方向に駆動させるモータ１０１８を含んで構成されている。モータ１０１８が作動状態でベルト１０１６が矢印Ｒ方向に回転したとき、記録部１０１０のキャリッジ部材１０１０ａは、矢印Ｓ方向に所定の移動量だけ移動する。また、モータ１０１８が作動状態でベルト１０１６が矢印Ｒ方向とは逆方向に回転したとき、記録部１０１０のキャリッジ部材１０１０ａは矢印Ｓ方向とは反対の方向に所定の移動量だけ移動する。さらに、移動駆動部１００６の一端部には、キャリッジ部材１０１０ａのホームポジションとなる位置に、記録部１０１０の吐出回復処理を行うための回復ユニット１０２６が記録部１０１０のインク吐出口配列に対向して設けられている。

記録部１０１０には、インクジェットカートリッジ（以下、カートリッジともいう）１０１２Ｙ、１０１２Ｍ、１０１２Ｃおよび１０１２Ｂが各色ごとにそれぞれキャリッジ部材１０１０ａに対して着脱自在に備えられている。

図７は、上述のインクジェット記録装置に搭載可能なカートリッジの一例を示す。本実施形態におけるカートリッジ１０１２は、シリアルタイプのものであり、インクジェット液体吐出ヘッド（以下、液体吐出ヘッドともいう）１００と、インクなどの液体を収容する液体タンク１００１とで主要部が構成されている。液体を吐出可能な多数の吐出口が形成された吐出口列３２をもつ液体吐出ヘッド１００は、後述する各実施形態に対応したものである。インクなどの液体は、液体タンク１００１から図示しない液体供給通路を介して液体吐出ヘッド１００の共通液室へと導かれる。本実施形態におけるカートリッジ１０１２は、液体吐出ヘッド１００と液体タンク１００１とを一体的に形成し、必要に応じて液体タンク１００１内に液体を補給する構造である。別の手段として、液体吐出ヘッド１００に対し、液体タンク１００１を交換可能に連結した構造を採用してもよい。

このような構成のインクジェット記録装置に搭載され得る上述の液体吐出ヘッド１００の具体例を以下で説明する。

図８は、本発明の基本的な形態を示す液体吐出ヘッドの要部を模式的に示す概略斜視図である。なお、電気熱変換素子を駆動するための電気的な配線などは省略している。図８において基板３４は電気熱変換素子（以下、ヒータともいう）３１および共通液室部としての長溝状の貫通口からなる液体供給口３３を備えている。液体供給口３３の長手方向の両側に熱エネルギ発生手段であるヒータ３１が、それぞれ１列ずつ千鳥状に６００dpiの間隔で配列されている。この基板３４上には液体流路を形成するための液体流路壁３６が設けられている。この液体流路壁３６には、さらに吐出口列３２を備える吐出口プレート３５が設けられている。

図１は、液体吐出ヘッド１００のノズル部の上面概略図であり、本発明の具体的な実施形態を示したものである。この液体吐出ヘッド１００は、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの各色インクを吐出するための吐出口列１０Ｃ、吐出口列１０Ｍ、吐出口列１０Ｙ、吐出口列１０Ｋを備え、各吐出口列は、それぞれ千鳥状に並んだ吐出口で構成されている。図１では吐出口列１０Ｃのみ円形の吐出口を備えており、その他の吐出口列は突起付きの吐出口で構成されている。

このように４種類の色別の吐出口列の内、特定の１色のインク（本実施形態ではシアンインクに該当する）を吐出する吐出口列のみを、円形の吐出口で形成する。すなわち、その吐出口列から吐出されるシアンインクの特性が、他のインクと異なる。つまり、円形の吐出口から吐出するシアンインクは、他の種類のインクに比べて吐出時に発生するサテライトが少なく、また、発一性能が他の液体より劣るインクである。また、逆に突起１０を備えた吐出口３７から吐出するインク（本実施形態ではマゼンタ、イエロー、ブラックのインクに該当する）は、吐出時にサテライトの発生が比較的多く、また、発一性能に優れた液体である。

このように液体吐出ヘッドの吐出口を、吐出するインクの特性に応じて突起付きの形状あるいは円形形状から選択的に形成する。こうすることで、発一性能の劣る液体は、流抵抗の少ない円形の吐出口から吐出することができるため、吐出不良が発生しにくく、かつ、サテライトの発生が比較的多い液体は、突起付きの吐出口から吐出させて、サテライトの発生を抑制することができる。よって、液体吐出ヘッド全体としてのミストの発生を低減し、吐出不良の少ない信頼性の高い液体吐出ヘッドを実現することができる。

図２（ａ）は、ノズルの吐出方向への断面を示した図である。液流路５の高さは１６μｍであり、ヒータ３１から吐出口プレート３５表面までの距離は２６μｍである。吐出口３７に突起１０が１対設けられている。図２（ｂ)は、ノズルの正面図である。ヒータ３１のサイズは２４．８μｍ×２４．４μｍであり、インク流路壁３６は隣接するノズル同士を隔てるために設けられている。図２（ｃ）は、吐出口３７の形状を示した図である。吐出口３７に設けた１対の突起１０は、幅が３．５μｍ、長さが３．９μｍ、突起間の隙間は４．６μｍである。さらに突起１０は、液体吐出ヘッド１００の走査方向に対して、垂直に、突起１０同士が向かい合うように設けられており、図２（ａ）に示すように、吐出口３７は液滴吐出方向と平行な面によって形成されている。図２（ｃ）の破線は、吐出口を円形にした場合の仮想的な外縁を示している。このように、本実施形態の吐出口３７の形状は、円形の吐出口に部分的に突起を設けた形状になっている。

本実施形態では、このように突起付き吐出口を用いている。本発明者の検討によれば、突起付き吐出口は、仮想的な外縁から吐出口中心に向かって伸びる突起の長さを変化させることにより、ミスト低減性能と発一性能のバランスを変化させることができる。本実施形態の突起付き吐出口は突起を長くすると、よりミストを低減させることができるが、周囲長が増加することにより発一性能が低下するという特徴から、突起の長さによってそれぞれの性能の制御が可能である。

すなわち、一般的な円形の吐出口の場合、液体は、吐出されると柱状に伸びた尾部（以下、インクテールともいう）を形成し、その後にそのインクテールが途中で分断され、これにより分離した液滴が記録媒体に到達する。この際、記録媒体に本来的に到達させるべき液滴（主滴）のほかに、サテライトと称される副次的な液滴が分離することがある。このサテライトが発生する過程を整理して端的に言えば、「液体吐出時に生じる、ある長さの液柱が、複数の箇所で分断し、それらが表面張力で丸くなる」ことによる。一般にサテライトは、主滴と比べて小さく、また速度も遅いために、記録媒体その他の液体受容体上に主滴とずれた位置に着弾し、記録品位を低下させる要因となる。

これに対し、上記のよう突起１０を設けた非円形形状の吐出口である吐出口３７から液滴を吐出する。このように吐出口が突起１０によって、まるで２つの吐出部に分けられているような形状にすることによって、吐出口３７の２つの開口部４０から吐出される液体の量と突起１０の間のスリット部４１から吐出される液体の量を制御することができる。

吐出口３７から吐出される液体は、両側の主たる吐出を行う開口部４０からは比較的量が多く吐出され、開口部４０つなぐように設けられたスリット部４１からは、比較的少ない量が吐出されることになる。これによって、あたかも２つの独立した吐出口から吐出されたそれぞれの液滴が、吐出後に合体するように吐出が行われる。

本実施形態では、開口部４０は２個であるが、これに限定するものではなく、３個や４個といった数になるように突起を設けてもよい。

本実施形態のように突起１０を備えた吐出口であれば、２つの開口部４０から主として吐出される液体は一部が結合し、かつそのインクテールの部分は２つに分離した状態となる。本来は１つの液滴として吐出されるはずの液滴のインクテールの部分が２つに分離して吐出される。ことから、一対の開口部４０のそれぞれから吐出される液滴のインクテールが有する液量は単純計算でも半分に減っており、インクテールの長さは短くなる。

主として吐出される液体は、一部が結合していることから、２つに分離しているインクテールの部分は飛翔中に合体し１つになる。インクテール部が１つになってもインクテール部の長さが伸びるわけではなく、単にインクテール部の液量が増加するに過ぎない。つまり、突起１０を備えた吐出口３７から吐出される液滴のインクテールは短くなり、サテライトの発生を低減させることができる。

本実施形態でシアンインクには、粘度＝２．４ｃｐｓ、表面張力＝３３ｄｙｎ／ｃｍの物性値を有するインクを使用した。

このように、円形形状の吐出口と非円形形状の吐出口という複数種類の吐出口を備えた液体吐出ヘッドを用いて記録を行うことで、より高画質で信頼性の高い記録を行うことができた。

（第２の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。
本実施形態の液体吐出ヘッド２００は、第１の実施形態と同様に円形状の吐出口と、突起付きの吐出口が設けられているが、突起付きの吐出口は、突起の長い吐出口と突起の短い吐出口の２種類の吐出口がある。つまり、本実施形態の液体吐出ヘッド２００は、合計で３種類の異なる吐出口によって構成される。それ以外は、基本的に第１の実施形態で示した液体吐出ヘッドと同様の構成である。

図３は、本実施形態の液体吐出ヘッド２００のノズル部の上面概略図である。吐出口列２０Ｃは、円形の吐出口を備えた吐出口列であり、吐出口列２０Ｍは、短い突起を有する吐出口を備えた吐出口列であり、吐出口列２０Ｙ、２０Ｋは、長い突起を有する吐出口を備えた吐出口列である。突起が長い吐出口については、図２に示すノズルと同等である。

図４（ａ）は、ノズルの吐出方向への断面を示した図である。突起２０以外の構成は第１の実施形態と同様である。図４（ｂ)は、ノズルの正面図である。ヒータ３１のサイズも第１に実施形態と同様である。図４（ｃ）は、吐出口３８の形状を示した図である。吐出口３８に設けた１対の突起２０は、幅が２．４μｍ、長さが２．９μｍ、突起間の隙間は６．８μｍであり、吐出口列１０Ｙ、１０Ｋの吐出口より突起が短い。したがって、吐出口列２０Ｍの吐出口の方が、吐出口の周囲長が短くなっており、吐出時の流抵抗は、吐出口列１０Ｙ、１０Ｋの吐出口より吐出口列２０Ｍの吐出口の方が小さくなる。

表１は、所定の記録休止時間後に再度記録を行い、正常に吐出するか否かを測定した結果を示した表である。この表から突起の長さが長い方が、給紙時間が長くなった場合に吐出不良を起こし易いことがわかる。

このように、液体吐出ヘッドの複数種類の吐出口の内、１種類は円形形状の吐出口であり、その他に、長さが異なる２種類の突起を備えた吐出口を設ける。これによって、吐出に用いる液体の特性に合わせて、より細かく発一性能を調節することが可能であり、発生するミスト量を低減させることができる。その結果、広範囲の液体を用いて記録を行うことが可能になり、より高画質で信頼性の高い記録を行うことが可能な液体吐出ヘッドを実現することができた。

（第３の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第３の実施形態を説明する。
図５は、本実施形態の液体吐出ヘッド４００のノズル部の上面概略図である。本実施形態の液体吐出ヘッド４００は、短い突起付きの吐出口を備えた吐出口列４０Ｃおよび長い突起付きの吐出口を備えた吐出口列４０Ｋ、４０Ｙ、４０Ｍによって構成されている。他の基本的構成は、第１および第２の実施形態と同様である。短い突起付きの吐出口は、図４（ｃ）に示した吐出口と同様であり、長い突起付きの吐出口は、図２（ｃ）に示した吐出口と同様である。このような構成の液体吐出ヘッドは、比較的発一特性のよい液体を用いて記録を行う場合に適している。

このように、記録に用いる液体によっては、非円形形状の吐出口のみで構成される液体吐出ヘッドでも、発生するミスト量を低減させることができ、吐出不良を抑制し、より高画質で信頼性の高い記録を行うことが可能な液体吐出ヘッドを実現することができた。

（第４の実施形態）
図６は、本実施形態の液体吐出ヘッド５００のノズル部の上面概略図である。本実施形態の液体吐出ヘッド５００は、同一色の液体を吐出する吐出口列に、少量の液体を吐出する円形の吐出口と、多量の液体を吐出する突起付きの吐出口とが備えられている。その他の基本的構成は、上記各実施形態と同様である。

吐出する液滴の量が少量の場合、液体量が少ないためサテライトの発生は、比較的少ないが、吐出口も小さなものになるため流抵抗が増加してしまうため吐出不良が発生しやすい。また、吐出する液滴の量が多量の場合には、液体量が多いため発生するサテライトも
は多いが、吐出口は大きいために流抵抗は少なく吐出不良は発生しにくい。

このようなことから、少量の液体を吐出する場合には、流抵抗の少ない円形の吐出口を用いて吐出し、多量の液体を吐出する場合には、サテライトの発生を抑制することができる突起付きの吐出口を用いて吐出を行うように構成する。

本実施形態のように構成された液体吐出ヘッドによっても、発生するミスト量を低減させることができ、吐出不良の発生を抑制し、より高画質で信頼性の高い記録を行うことが可能な液体吐出ヘッドを実現することができた。

なお、本実施形態における突起付きの吐出口については、突起の長さは長くても短くてもよく、記録に用いる液体に合わせて、適宜変更することが好ましい。

また、上記各実施形態において示した突起付き吐出口の突起の長さ寸法については、これに限定するものではなく、適宜変更して用いてもよい。

液体吐出ヘッドのノズル部の上面概略図であり、本発明の具体的な実施形態を示したものである。 （ａ）は、ノズルの吐出方向への断面を示した図であり、（ｂ)は、ノズルの正面図であり、（ｃ）は、吐出口の形状を示した図である。 第２の実施形態の液体吐出ヘッドのノズル部の上面概略図である。 （ａ）は、ノズルの吐出方向への断面を示した図であり、（ｂ)は、ノズルの正面図であり、（ｃ）は、吐出口の形状を示した図である。 第３の実施形態の液体吐出ヘッドのノズル部の上面概略図である。 第４の実施形態の液体吐出ヘッドのノズル部の上面概略図である。 インクジェット記録装置に搭載可能なカートリッジの一例を示す。 本発明の基本的な形態を示す液体吐出ヘッドの要部を模式的に示す概略斜視図である。 第１の施形態に係る液体吐出ヘッドおよびこのヘッドを用いる液体吐出装置としてのインクジェット記録装置の一例で、その要部を示す概略斜視図である。

符号の説明

１０ 突起
３１ ヒータ（電気熱変換素子）
３５ 吐出口プレート
３６ 液体流路壁
３７ 吐出口
３８ 吐出口
４０ 開口部
１００ 液体吐出ヘッド
２００ 液体吐出ヘッド
４００ 液体吐出ヘッド
５００ 液体吐出ヘッド
１０１０ 記録部
１０１２ カートリッジ
１０３０ 搬送部

Claims (6)

1. 複数種類の液体を吐出可能であり、前記液体が主滴と副滴とに分かれて吐出口から吐出され、前記吐出口が複数設けられた液体吐出ヘッドにおいて、
   前記複数の吐出口は、該吐出口における開口部の内側に向かって突出した２つ以上の突起を備えた非円形形状の第１吐出口と、円形状の第２吐出口とを含み、
   前記第１吐出口と前記第２吐出口とでは、種類が異なる液体が吐出され、
   前記第１吐出口から吐出される液体は、前記第２吐出口から吐出される液体よりも、前記副滴が相対的に多く発生する液体であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記第１吐出口は、前記突起の突出量によって複数種類に分けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記第１吐出口からは前記第２吐出口から吐出する前記液体の量よりも相対的に多量の前記液体を吐出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記第１吐出口から吐出される前記液体の色と前記第２吐出口から吐出される前記液体の色とは、異なる色であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
5. 複数種類の液体を液体吐出ヘッドに設けられた複数の吐出口から吐出可能であり、前記液体が主滴と副滴とに分かれて前記吐出口から吐出されるインクジェット記録装置において、
   前記複数の吐出口は、該吐出口における開口部の内側に向かって突出した２つ以上の突起を備えた非円形形状の第１吐出口と、円形状の第２吐出口とを含み、
   前記第１吐出口と前記第２吐出口とでは、種類の異なる液体が吐出され、
   前記第１吐出口から吐出される液体は、前記第２吐出口から吐出される液体よりも、前記副滴が相対的に多く発生する液体であることを特徴とするインクジェット記録装置。
6. 液体を吐出する吐出口を備える液体吐出ヘッドにおいて、
   前記吐出口は、第１の液体を吐出する、該吐出口における開口部の内側に向かって突出した少なくとも２つの突起を備えた非円形形状の第１吐出口と、前記第１の液体とは種類が異なる第２の液体を吐出する円形状の第２の吐出口と、を含み、
   前記第１の液体は、前記第２の液体よりも前記吐出口から吐出される主滴に付随する副滴が多く発生する特性を備えた液体であることを特徴とする液体吐出ヘッド。

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