JP2607269B2

JP2607269B2 - インクジェット記録ヘッド

Info

Publication number: JP2607269B2
Application number: JP13841688A
Authority: JP
Inventors: 雅実池田; 孝一佐藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-06-07
Filing date: 1988-06-07
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2012-05-07
Also published as: JPH01308643A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、インク（記録液）をオリフィスから液滴と
して吐出・飛翔させ、該液滴を紙などの被記録材に着弾
させて付着させ、記録を行なうインクジェット記録装置
に用いる記録ヘッド、特に印字信号が加えられたときに
吐出が行なわれるオンデマンド型のインクジェット記録
ヘッドに関する。

〔従来の技術〕

インクジェット記録方法は、インクをインク吐出用の
微細な孔（オリフィス）から液滴として吐出させて、該
液滴を紙等の被記録材に記録情報に応じて被着させて記
録を行なう記録方法であり、高速印字が可能であり、ま
た普通紙等に手軽に記録できるといった種々の利点を有
する。

このインクジェット記録方法に用いられるインクジェ
ット記録装置は、オリフィスと、該オリフィスに連通す
るインクの流路と、該流路においてインクに作用させる
インクの吐出のためのエネルギーを発生させる吐出エネ
ルギー発生体とを有するインクジェット記録ヘッドを備
えている。

記録を実施する際には、吐出エネルギー発生体に吐出
エネルギーを発生させ、これを流路内のインクに作用さ
せて吐出のための圧力を発生させ、この圧力を利用して
インクをオリフィスから吐出させる。

インクジェット記録に用いられるインクとしては、顔
料や染料などの記録剤成分を、水、水溶性有機溶媒また
は非水溶性有機溶剤などの溶媒成分に溶解もしくは分散
した組成のものが一般的である。

〔発明が解決しようとする課題〕

インクジェット記録ヘッドにおけるインク吐出のため
の圧力は、吐出エネルギー発生体で発生したエネルギー
が流路内のインクに作用することにより生じ、その圧力
は流路内のインクを通じてオリフィス方向と、該オリフ
ィスと反対方向にある液室方向へ分配されて伝達され
る。

オリフィス方向へ伝わった圧力の作用によって、流路
内のインクはオリフィスから押し出され、押し出された
インクは飛翔吐出液滴を形成する。

押し出されたインクが吐出液滴となってオリフィスか
ら離れる際、吐出液滴量に応じてオリフィス部のメニス
カスが後退し，このメニスカスをオリフィス方向へ引き
戻そうとする張力の作用により、ある時間の経過後流路
内のインクの充填状態は吐出前の状態に復帰する。この
現象はリフィールと呼ばれている。

実際の記録の際には以上の操作が繰り返され、良好な
リフィールが行なわれることによって、安定なインク吐
出が持続して得られる。

ところが、リフィールが不完全な状態で吐出を続ける
と、インク吐出後のメニスカスのオリフィス面への復帰
が不完全な状態で、インク吐出を続けることとなり、そ
の結果、吐出インク液滴のインク量の減少が起き、例え
ば吐出インク滴によって被記録材に形成されるインクド
ットの径の減少など所定のインク量での記録ができなく
なり、記録画像品位を極端に劣化させることとなる。こ
のような現象は更に、吐出インク滴の被記録材上での着
弾点精度の悪化を招き、記録画像のボケや、ヨレ、ス
ジ、白ヌケ等の発生の原因となり易い。

通常インクジェット記録法のような流体を用いた技術
における上述のような問題の解決は、流路等の構造の改
良やインクの物性の調整によって行なわれてきたが、多
数のオリフィスを配列した記録ヘッドにおいては、この
ような改良や調整によって充分な改善効果が得られない
場合が多い。

すなわち、多数のオリフィスを有する記録ヘッドにお
いては、多数のオリフィスから同時にもしくは若干時間
差をもってインクを吐出させると、先に述べたような流
路から液室方向への圧力がインクに作用し、各流路での
該圧力が液室で一体となって１つの大きな圧力となる
（第２図（ａ））。これら流路からの圧力はインクを液
室方向に押しやる力として作用し、その総和は、オリフ
ィスを１つだけ有する記録ヘッドの場合よりも数段大き
なものとなる。その結果、第２図（ｂ）に示すように、
良好なリフィール状態を得るには、インクを急激かつ大
量にオリフィス方向へ動かす必要があり、そのためには
インクの移動方向の変動のための初期の大きな慣性力に
打ち勝つ圧力が必要とされる。

しかしながら、各流路におけるリフィールの原動力と
なるオリフィス部でのメニスカスの表面張力は、上述し
たような液室方向への総圧力に対向してインクを瞬時に
大量にオリフィス方向へ移動させるのに十分な作用を有
していない。すなわち、上述したインク移動における初
期の慣性力が大きくなるに従い、メニスカスの復帰によ
り長い時間が必要となってくる。そこでメニスカス復帰
のために十分な時間を取ると、記録速度の低下を招き、
またメニスカス復帰のために十分な時間が取れない場合
には、所定の吐出インク滴量が得られず良好な記録が行
なえない。このような現象は記録開始の初期に特に顕著
である。

以上説明した現象のメカニズムを第３図（ａ）のメニ
スカス後退曲線で概略的に説明する。

第３図（ａ）における縦軸に示されたメニスカス後退
量（ｌμｍ）とは、第３図（ｂ）に示した流路のオリフ
ィス側部分にｌで示された長さで表現されたものであ
り、具体的にはオリフィスからインクのメニスカスまで
の距離に相当する。

第３図（ａ）に示すようにオリフィスを１つ設けた記
録ヘッド（）の場合には、吐出エネルギー発生体から
のエネルギーが流路内のインクに付与される時刻t₀から
ある時間経た時刻t₀′、すなわちインク吐出が行なわれ
た時点にメニスカスが流路のオリフィス部に形成され、
それが急激に後退する。その後退量は時刻t₁′で最大と
なりその後しだいに表面張力による復元力の作用により
メニスカスは元の位置に戻り始め時刻t₁でリフィールが
終了する。

これに対し、多数のオリフィスを有する記録ヘッド
（）では、t₁′での最大値が小さく、またリフィール
速度も遅い。

これは多数の流路からのインクを後方へ押しやる圧力
の総和が、液室内でのインクの変形による圧力の吸収容
量を大幅にオーバーするために、インクの変形で吸収し
きれなかった圧力はインクを後方へ移動させようとする
力となって残され、この力が働くことによってメニスカ
スの復帰の為のリフィール速度が初期において極端に遅
くなることによる。

これらの現象は、連続して吐出が繰り返された後で
は、インク供給管から液室へのインクの定常的な流れが
形成されているので起りにくいが、吐出の初期（特に20
0回吐出前後）において、すなわちインクの流れが定常
的となるまでの間に顕著である。

以上述べたような多数のオリフィスを有する記録ヘッ
ドにおけるリフィール速度の低下は、吐出エネルギー発
生体への印字信号印加の周期が第３図（ａ）で示した時
刻t₀からt₂までの時間以上に設定されていれば問題を生
じないが、高速記録のために時刻t₀からt₂までの時間よ
りも短い周期で印字信号を印加すると、リフィールが完
了していない時点、例えばメニスカス後退量が30μｍ以
上である状態で、次の信号が印加されると、先に述べた
ような吐出インク滴量が減少し良好な記録ができなくな
る。

このような問題を解決する手段として、米国特許第4,
578,687号により、液室の流路近傍に大気開放部を設
け、インク吐出時の液室方向への圧力を吸収する構成が
知られているが、この構成では大気開放のためインクの
溶媒成分の蒸発を招き、記録ヘッド内のインクの粘度の
増加や、インク中での固形物の析出による流路やオリフ
ィスの詰りなどの問題が引き起され、印字不良が発生し
易い。更には、振動などの影響で液室内に気泡が発生し
たり、大気開放部からの記録ヘッド内へのゴミ等の混入
を防ぐために特別な設計が必要となるなどの問題もあ
り、実用的に充分であるとはいえない。

本発明は、上記のような問題点に鑑みなされたもので
あり、その目的は、特に記録開始初期における吐出不良
がなく、高速応答性と吐出安定性に優れたインクジェッ
ト記録ヘッドを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成する本発明は、インクを吐出する吐出
口に連通したインク流路と、複数の前記インク流路が連
通した液室と、前記インク流路内に配され、吐出口から
インクを吐出することに利用される圧力を発生するため
の吐出エネルギー発生体と、前記液室を構成する壁の一
部のみが撥水部であり、前記圧力の内、前記液室に伝わ
る圧力を吸収するための気体が該撥水部によって保持さ
れることを特徴とするインクジェット記録ヘッドであ
る。

本発明のインクジェット記録ヘッドの液室内には、圧
力−体積変換体である気体が撥水部によって効果的な位
置に常に保持されるもので、先に述べたような吐出時の
流路から液室方向への圧力が、そこに効果的に体積変化
として吸収され、かつ吸収された圧力はリフィール時に
該圧力−体積変換体から放出されて、リフィール速度を
速める方向に作用する。その結果、連続記録時のような
定常的なインクの流れが生じていない記録開始初期にお
いても、所定のリフィール速度が得られ、高速での良好
な記録が実施できる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ本発明の一実施例について説
明する。

第１図は本発明のインクジェット記録ヘッドの概略図
である。

本発明の記録ヘッドは、液室104内に圧力−体積変換
体を有する。

この圧力−体積変換体401とは、加えられた圧力を体
積変化として吸収でき、かつ圧力の付加状態が解除され
た段階で、その体積が元の状態に戻ることによって吸収
した圧力を放出できる、すなわち圧力をそれ自身の体積
変化に可逆的に変換し得る性質のものをいう。

このような圧力−体積変換体401は、Arガス、O₂ガ
ス、N₂ガス、H₂ガス、空気などのインクと反応しない、
もしくはインクに悪影響を及ぼさず、液室内に維持でき
る各種気体から構成することができる。

本発明のインクジェット記録ヘッドは、記録ヘッドの
液室104の形成時にその一部を撥水処理した、もしくは
撥水処理された表面と同等の性質を有する表面部分を持
つ材料を用いて、あるいは形成された液室の壁の所定部
のみを撥水処理することで撥水部を形成し、かつ液室内
に圧力−体積変換体401としての気体をインク充填時に
液室内のインク中に導入して形成することができる。

なお、圧力−体積変換体401以外の部分の構成は、イ
ンク吐出の際に圧力が関与するインクジェット記録ヘッ
ドの構成で、液室壁の所定部に撥水部501を設けること
ができる構成ならばどのような構成のものでも良く、そ
の形成には公知の方法等を用いれば良い。

圧力−体積変換体401としては、その圧力−体積変換
率（α/n）が、良好なリフィールが得られるのに必要な
値を有するものを用いれば良く、例えば、１オリフィス
当りの圧力−体積変換率が0.01mm³/atm以上、好ましく
は0.05mm³/atm以上であるものが好ましい。

すなわち、１オリフィスあたり圧力−体積変換体へ作
用する圧力をＰ、圧力−体積変換体の体積をＶ、オリフ
ィス数をｎとすると、圧力−体積変換におけるこれらの
関係を次式で表わせることが実験的に確かめられてい
る。

ｎ（PV）ｐ＝α p:1〜２、α（変換率、常数）従って、圧力−体積変換率αが上記のような範囲内で
あれば本発明の効果を十分に得ることができる。

なお、圧力−体積変換体401は、吐出に悪影響を及ぼ
さない位置を選択して設ければ良い。

以上のような構成を有するインクジェット記録ヘッド
によれば、以下のような作用により良好な記録が常に実
施できる。

まず、予備タンクからインク供給管106を介して記録
ヘッド101内にインクを供給する。液室104および流路10
5にインクが充填された状態で、例えば圧電素子、発熱
素子等からなる吐出エネルギー発生体に印字信号を印加
する。吐出エネルギー発生体で発生したエネルギーは流
路105内のインクに作用し先に述べたような圧力伝達の
メカニズムでオリフィス103からインク滴が吐出され
る。

このようにインク吐出が行なわれると、第４図（ａ）
に示すように、各流路において、そのそれぞれからイン
クを液室104方向へ押しやる力が発生するが、液室104に
は圧力−体積変換体401が設けられているので、これが
体積変化の形で各流路からの圧力を吸収する。その結
果、流路105から液室104を経て、インク供給管106へイ
ンクを押しやる力の発生が緩和もしくは防止される。

この状態で第４図（ｂ）に示すように、流路105方向
へインクを移動させようとする力がメニスカスの表面張
力によって引き起こされて、リフィールが開始される
と、液室内の圧力−体積変換体401がその体積を元の状
態へ復帰させようとして、吸収していた圧力を放出し、
その圧力がリフィールにおけるインクのオリフィス103
方向への移動のための圧力を補填するように作用する。
しかも、圧力−体積変換体401を設けない場合には、流
路から液室方向へインクを押しやる力がリフィールのた
めの力に反作用を及ぼすのに対して、本発明の記録ヘッ
ドにおいては、上述のように流路から液室方向へインク
を押しやる力は、液室内の圧力−体積変換体401に吸収
されているので、このような反作用として働くことはな
く、むしろリフィールのための力を補填するために効果
的に転用される。従って、スムーズかつ短時間でのリフ
ィールが可能となり、その結果高駆動周波数応答が可能
となり良好な高速記録が実施できる。

なお、先に述べたように圧力−体積変換体401は液室1
04内に設ける。すなわち、例えばインク供給管106や予
備タンク等の位置に設けても、圧力損失により十分な効
果が得られない場合が多い。また、そのような場合、イ
ンク吐出時の圧力発生によってインクのインク供給管10
6や予備タンク方向への移動が起き、移動するインク量
も多くなり、それを逆方向へ移動させる際に働く慣性力
も大きくなり、リフィールを阻止する作用が高まるので
好ましくない。また、流路内に設けるとインクの良好な
流れの妨げとなるばかりでなく、吐出のために有効な圧
力も吸収してしまうので、吐出出力のロスを招くので好
ましくない。

従って、圧力−体積変換体401は、液室104内に常に滞
留させておく必要があり、本発明で設ける撥水部501
は、圧力−体積変換体401を液室104内に滞留させておく
のに効果的に作用する。その上、液室104内でのより効
果的位置に圧力−体積変換体401を滞留させることが可
能となる。

撥水部501は、そこに滞留する圧力−体積変換体401が
記録ヘッド内でのインクの良好な流れを防げずにその機
能を十分に発揮でき、かつ撥水部501自身が記録ヘッド
内でのインクの良好な流れを妨げない位置および面積で
設けられるのが好ましい。なお、本発明における撥水部
とは、撥水処理された部分および撥水処理された部分と
同等の性質を有する部分をも含むものである。

本発明における撥水部の形式は、例えばFS116（商品
名、ダイキン工業社製）、フロコートEC104（商品名、
旭硝子社製）、Siコート900（商品名、大八化学社製）
等の撥水処理剤を所定部分に塗布する、撥水部として作
用できるインクとの接触角の大きい部分を撥水部として
使用する、所定表面を粗くするなど種々の方法によって
形成することができる。

更に、このような構成の撥水部を設けておくことによ
って、液室内へのインクの充填時に自動的に圧力−体積
変換体としての気泡を導入できるという効果もある。こ
のような効果を得たい場合には、撥水部は、所望の圧力
−体積変換率の気泡が混入するのに必要な位置および面
積で設ける。

第５図（ａ）〜（ｃ）に撥水部501を設ける位置につ
いての例を示す。

第５図（ａ）に示した構成の本発明の記録ヘッドを、
以下のような条件で作成し、記録を行ないその印字品位
を評価したところ、第１表のような結果を得た。

撥水処理方法；撥水部面積;2×2mm² 撥水処理剤;FS116（ダイキン）塗布方法；スタンピング法記録ヘッド構成；オリフィス数:48 オリフィスの配列ピッチ:360dpi（dot/inch）吐出エネルギー発生体（電気変換体）サイズ:30×150μm² 液室サイズ:12.5mm³ 記録ヘッド駆動条件；印字信号:26Vで７μｓの駆動パルスを4KHzで電気熱変換
体に印加インク物性：粘度25cp、表面張力45dyne/cm 第１表に示したように、圧力−体積変換率が0.01mm³/
atm以上であれば、本発明の効果を十分に得られること
が確認された。

〔発明の効果〕以上詳述したように本発明によれば、インクジェット
記録ヘッドの液室内に圧力−体積変換体が設けられるの
で、良好でかつ迅速なリフィールが常に可能となり、オ
リフィスの高マルチ化に特有の問題を解消して優れた高
速応答性と吐出安定性が得られる。

また、本発明のインクジェット記録ヘッドにおいて
は、駆動周波数やオリフィス数に影響されずに常に安定
で高品位な印字が維持できる。

しかも、撥水部を設けるという手軽な操作で、圧力−
体積変換体の機能を常に有効に引き出すことが可能であ
り、圧力−体積変換体を用いることによる効果を長時間
にわたって維持できる。

更に、撥水部を設けたことにより、液室内にインク充
填時に圧力−体積変換体としての気泡を自動に導入する
ことも可能であり、圧力−体積変換体の液室内への導入
をより簡便化することができ、そのような構成とするこ
とによって、インク充填時に常に圧力−体積変換体を液
室内に自動的に導入できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のインクジェット記録ヘッドの構成を示
した概略図、第２図（ａ）および（ｂ）は従来の記録ヘ
ッドにおけるリフィールメカニズムを説明するための
図、第３図（ａ）は第２図でのリフィールにおけるメニ
スカス後退量の変化を示したグラフ、第３図（ｂ）はメ
ニスカス後退量を示す流路の概略図、第４図（ａ）およ
び（ｂ）は本発明の記録ヘッドにおける圧力−体積変換
体の作用を説明するための図、第５図（ａ）〜（ｃ）は
本発明の記録ヘッドにおける撥水部の一例を示した図で
ある。 101:記録ヘッド、 102:吐出エネルギー発生体、 103:オリフィス、 104:液室、 105:流路、 106:インク供給管、 107:予備タンク、 108:インク、 301:メニスカス、 401:気泡、 501:気泡滞留部（撥水部）。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】インクを吐出する吐出口に連通したインク
流路と、複数の前記インク流路が連通した液室と、前記インク流路内に配され、吐出口からインクを吐出す
ることに利用される圧力を発生するための吐出エネルギ
ー発生体と、前記液室を構成する壁の一部のみが撥水部であり、前記
圧力の内、前記液室に伝わる圧力を吸収するための気体
が該撥水部によって保持されることを特徴とするインク
ジェット記録ヘッド。
【請求項２】前記吐出エネルギー発生体は熱によってイ
ンクに気泡を発生させる発熱抵抗体である請求項１に記
載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項３】前記吐出エネルギー発生体は圧電素子であ
る請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項４】前記撥水部は撥水処理剤が塗布された部分
である請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項５】前記液室にはインクが充填されている請求
項１に記載のインクジェット記録ヘッド。