JP2644498C - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】技術分野 本発明は、インクジェット記録装置、より詳細には、バブルを利用したオンデ
マンド型インクジェットドロップジェネレータに関する。従来技術 特公昭６１−５９９１１号公報には、記録液体に熱エネルギーを加えて、記録
液体に熱による状態変化、具体的には気泡（バブル）を生じせしめ て、吐出口よりインクを吐出するインクジェット記録装置が開示されている。し
かし、上述のごときインクジェット記録装置においては、沸騰現像により記録液
中で気泡が発生し、又、消滅するというヒートサイクルにより、記録液が劣化す
る。又、印字中に徐々に記録液の温度が上昇してくることにより、それにつれて
記録液の物性が変化し、印字初期と、印字中期、後期では吐出性能が変化し、一
様な再現性ある吐出を続けることが困難となり、印字品質が劣化する。目的 本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、特に、熱エネルギーを
利用した新規なインク吐出構造をもつインクジェットプリンタを提供することを
目的としてなされたものである。構成 本発明は、上記目的を達成するために、（１）記録液体として油性の記録液を
使用し、該記録液を所定の方向に吐出するための吐出口と、該記録液体を該吐出
口へ供給するための第１の流路と該 流路に連絡する液室及び該液室へ該記録液体を供給するための流入口と、該記録
液体を該吐出口より吐出させるための熱エネルギー供給手段とを有し、前記流路
に対応して前記油性の記録液体と溶け合わない記録に使用されない水性の液体が
存在する第２の流路を有し、該記録に使用されない水性の液体は、前記熱エネル
ギー供給手段によって気泡を発生し、気泡の発生による体積変化により、前記油
性の記録液体を移動せしめて前記吐出口より吐出せしめるインクジェット記録装
置において、前記油性の記録液体と溶け合わない記録に使用されない水性の液体
が存在する第２の流路は、該水性の液体と前記油性の記録液体との接触面に直交
する面において、前記記録液体を吐出口へ供給するための第１の流路よりも断面
積が大きいこと、更には、（２）前記流路において、前記油性の記録液を上部に
、前記水性の記録に使用されない液体を下部にして両液体が互いに接して存在し
、前記油性の記録液が前記吐出口に連通し、前記水性の液体が前記熱エネルギー
によって沸騰し、気泡 を発生させた場合、前記気泡の上部には前記水性の液体層が存在すること を特徴
としたものである。以下、本発明の実施例に基づいて説明する。 第１図は、本発明によるインクジェットドロップジェネレータの一実施例を説
明するための斜視図、第２図は、第１図のII−II線断面図、第３図は、第１図の
III−III線断面図で、図中、１は吐出口、２は記録液用液室、３は記録液用流路
、４は気泡発生液用液室、５は気泡発生液用流路、６は記録液流入口、７は気泡
発生液流入口、８は気泡発生部で、本発明は、液体中における熱エネルギによる
気泡の瞬間的な体積膨張を記録液体に伝え、記録液体を吐出口より吐出するもの
である。従来より知られているこの種の方法（特公昭６１−５９９１１参照）と
の大きな相違点は、ドロップジェネレータ液室内に記録液と、気泡を発生させる
別の液体が２層になってはいっていることである。記録液としては、たとえば油
性インクが用いられ、又、気泡発生液としては、油性インクと溶け合わない、水
もしくは防腐材等を添加した水性 系の溶液が用いられ、それぞれ記録液流入口６及び気泡発生液流入口７より供給
される。ただし、気泡発生液は記録に使用されるわけではないので、一度充てん
された後は、自然蒸発等で減少する分を補充するだけである。吐出口１は、記録
液用流路３の端部を意味し、このような構造物は、ガラス等に機械的に溝切り加
工を行なったり、あるいは、感光性ガラスのエッチング等により、容易に得られ
る。気泡発生液用流路５は、各々独立しており、記録液用流路３に１対１で対応
して設けられている。なお、記録液用流路３及び気泡発生液用流路５は、各々独
立して（図では６個）設けられているが、記録用液室２あるいは気泡発生液用液
室４で共通の１つの部室につながっている。第２図の気泡発生部８は、簡略化し
て何も示していないが、その構造については後述する。 次に、第４図によって記録液吐出メカニズムを説明する。記録液９及び気泡発
生液１０は、互いに溶け合うことなく２層構造をなしている。今、何らかの方法
で、第５図に示すように気泡１１を 発生させる。気泡１１は水中（説明を簡明にするため、気泡発生液１０は水とす
る）で、沸騰することにより瞬時に発生し、気泡発生液１０を図中に１０′にて
示すように盛り上げる。気泡発生液用流路５内における実質上の気泡発生液１０
の体積増加は、記録液用流路３内の記録液９を吐出口１へおしやり記録液滴１２
が吐出される。ここで重要なことは、熱エネルギーは、記録液９ではなく水に与
えられるということと、気泡１１の上部にも水の膜が存在しているということで
ある。水の沸点は、１００℃であるが、気泡１１内部の温度は、３００〜４００
℃にも達している。もし、従来のように、気泡を記録液中で発生させたならば、
記録液の温度は局所的にではあるが、３００〜４００℃の高温になり、熱による
劣化、又、気泡発生の繰り返しによる記録液全体の温度上昇にともなう物性変化
（粘度低下等）は避けられない。本発明の場合、気泡は水中で発生し、気泡の上
部にも水が存在しているため、記録液に局所的に加わる熱は、最大でも水の沸点
である１００℃まで である。このため、従来の方法にくらべて、記録液の熱による劣化がほとんどな
いことは容易に推察されよう。なお、水の温度上昇は、従来の記録液の温度上昇
と同様であるが、水は記録液と異なり、熱による劣化はうけない。ただ、徐々に
温度上昇するため、記録液９の物性が変わるので、気泡発生液用液室４の流路の
容積を記録液９の流路の容積より大きくする必要がある。水中に発生した気泡１
１は、周囲の水により瞬時に冷却されるため、その内部圧力は急激に下がり、す
ぐに収縮、消滅する。発生〜収縮〜消滅に要する時間は、これはプリンターの印
字速度を決定する大きなファクターであるが、通常、数１０〜数１００nsecであ
り、オンデマンド型インクジェットとしては、充分なスピード（応答周波数で、
数〜数１０KHz）が得られる。実施例１ 第６図は、本発明の一実施例を説明するための気泡発生部の詳細図で、第２図
の気泡発生部８を拡大して示し、発熱抵抗体１３により、気泡発生 液用流路５の外壁を加熱するものである。なお、第６図には、外壁を加熱する例
を示したが、発熱抵抗体１３は、壁中に埋め込んでもよいし、適当な耐水処理を
して、気泡発生液用流路５の内壁（気泡が発生する部分）に配置してもよい。 而して、この実施例において、１３は発熱抵抗体、１４は電極、１５は保護層
、１６は電源で、発熱抵抗体１３を構成する材料として有用なものには、たとえ
ば、窒化タンタル，ニクロム，銀−パラジウム合金，シリコン半導体あるいはハ
フニウム，ランタン，ジルコニウム，チタン，タンタル，タングステン，モリブ
デン，ニオブ，クロム，バナジウム等の金属の硼化物があげられる。 これらの発熱抵抗体１３を構成する材料の中、特に金属硼化物が優れたものと
してあげることができ、その中でも最も特性の優れているのが、硼化ハフニウム
であり、次いで、硼化ジルコニウム，硼化ランタン，硼化タンタル，硼化バナジ
ウム，硼化ニオブの順となっている。 発熱抵抗体１３は、上記の材料を用いて、電子 ビーム蒸着、スパッタリング等の手法を用いて形成することができる。発熱抵抗
体１３の膜厚は、単位時間当りの発熱量が所望通りとなるように、その面積，材
質及び熱作用部分の形状及び大きさ、更には、実際面での消費電力等に従って決
定されるものであるが、通常の場合、0.001〜５μm、好適には、0.01〜１μmと
される。 電極１４を構成する材料としては、通常使用されている電極材料の多くのもの
が有効に使用され、具体的には、たとえばＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｃｕ等があ
げられ、これらを使用して蒸着等の手法で所定位置に、所定の大きさ、形状、厚
さで設けられる。 保護層１５に要求される特性は、発熱抵抗体１３で発生された熱を気泡発生液
１０に、効果的に伝達することを妨げずに、気泡発生液１０より、発熱抵抗体１
３を保護するということである。保護層１５を構成する材料として有用なものに
は、たとえば、酸化シリコン，窒化シリコン，酸化マグネシウム，酸化アルミニ
ウム，酸化タンタル， 酸化ジルコニウム等があげられ、これらは、電子ビーム蒸着やスパッタリング等
の手法を用いて形成することができる。保護層１５の膜厚は、通常は、0.01〜１
０μm、最適には、0.1〜３μmとされるのが望ましい。 而して、この実施例１によると、 １．記録液の劣化がない。 ２．記録液の熱による物性変化（粘度低下等）が少なく、安定した噴射特性が
得られる。 ３．高密度、マルチアレイ化が容易である(発熱抵抗体部がフォトリソ技術で
できるため)。 ４．応答周波数が早い。 等の利点がある。実施例２ 第７図は、本発明の他の実施例を説明するための気泡発生部の詳細図で、この
実施例は、電磁波エネルギーの吸収発熱体を利用したもので、第７図に示した実
施例は、電磁波エネルギー吸収発熱体１７を気泡発生液用流路５の外壁に配置し
たも のである。電磁波エネルギー吸収発熱体１７の形成方法は、たとえば、電磁波エ
ネルギー１８として、赤外線を採用する場合には、以下の吸収発熱材を、以下の
結着剤中に混合分散させて気泡発生液用流路５の外壁に塗布すれば良い。 ・吸収発熱材 ・染料系…水溶性ニグロシン，変性水溶性ニ グロシン，水溶性にされ得るアル コール可溶性ニグロシン等。 ・顔料系…カーボンブラック，群青，カドミ ウムイエロー，ベンガラ，クロム イエロー等の無機顔料，アゾ系， トリフェニルメタン系，キノリン 系，アントラキノン系，フタロシ アニン系等の有機顔料。 ・結着剤 ポリテトラフルオロエチレン，ポリフル オロエチレンプロピレン，テトラフルオ ロエチレン，パーフルオロアルコキシ置 換パーフルオルビニル共重合体等の耐熱 性弗素樹脂、又は、その他の耐熱性合成 樹脂。 第８図は、前記の吸収発熱材１７を気泡発生液１０の中に添加し、電磁波エネ
ルギーを気泡発生液１０に照射し、気泡を発生する方法である。この例の場合は
、気泡発生液用流路５の外壁の外側から電磁波エネルギーは照射されるため、壁
厚をうすくしたり、あるいは、壁を透明もしくは、エネルギーが透過しやすいよ
うな材料で形成する必要がある。 第９図は、前記電磁波エネルギーとしてレーザ光を使用した実施例を説明する
ための気泡発生部の構成を示す図で、レーザー発振器１９より発生されたレーザ
ー光は、光変調器２０において、光変調器駆動回路２１に入力され、該光変調器
駆動回路２１において電気的に処理され、該駆動回路２１より出力される画情報
信号に従ってパルス変調される。パルス変調されたレーザー光は、走査器２２を
通り、集光レンズ２３によって気泡発生部の外壁に焦点が合うように集光され、
外壁を加 熱し、内部の気泡発生液１０内で気泡を発生させる。あるいは、気泡発生部８の
壁は、レーザー光１８に対して透過性の材料で作られ、集光レンズ２３によって
、内部の気泡発生液１０に焦点が合うように集光され、気泡発生液１０を直接加
熱することによって、気泡を発生させてもよい。 次に、第１０図を参照して、本実施例による電磁波エネルギーを利用したプリ
ンターについて説明をする。第１図において、ドロップジェネレータを６ノズル
とした例を示したが、ここでは、ノズルは高密度に（たとえば、４ノズル／mm）
、又、紙巾（たとえば、Ａ４横巾）すべてにわたってカバーされるように集積さ
れる。レーザー発振器１９より発振されたレーザー光は、光変調器２０の入口開
口に導かれる。光変調器２０において、レーザー光は、光変調器２０への画情報
入力信号に従って強弱の変調を受ける。変調を受けたレーザー光は、反射鏡２４
によってその光路をビームエキスパンダー２５の方向に曲げられ、ビームエキス
パンダー２５に入射する。ビームエキスパン ダー２５により平行光のままビーム径が拡大される。次に、ビーム径の拡大され
たレーザー光は、高速で定速回転する回転多面鏡２６に入射される。回転多面鏡
２６によって掃引されたレーザー光は、集光レンズ２３によりドロップジェネレ
ータの気泡発生部８外壁もしくは、内部の気泡発生液に結像する。それによって
、各気泡発生液用流路内の気泡発生液には、気泡が発生し、記録液滴を吐出し、
記録紙２７に記録が行なわれる。 而して、この実施例によると、 １．記録液の劣化がない。 ２．記録液の熱による物性変化（粘度低下等）が少なく、安定した噴射特性が
得られる。 ３．高密度、マルチアレイ化が容易である。 ４．応答周波数が早い。 ５．レーザープリンターの技術，光学系等が供用でき、開発コスト，生産コス
トを大巾に下げることができる。 等の利点がある。実施例３ 第１１図は、本発明の他の実施例を説明するための気泡発生部の構成を示す図
で、この実施例は、気泡発生液用流路５の底に、一対の放電電極２８を配置し、
水中放電により、気泡を発生するものである。放電電極２８は、気泡発生液用流
路５の底に、平板，針等を立体的に配置したり、あるいは、蒸着，エッチング等
のフォトファブリケーション技術により、平面的に配置したりすることも可能で
ある。気泡発生部８の内壁側に配置された一対の放電電極２８は、放電装置２９
から高電圧のパルスを受け、水中で放電をおこし、その放電によって発生する熱
により、瞬時に気泡８を形成する。 第１２図乃至第１９図は、前記放電電極２８の具体例を示す図で、第１２図に
示した例は、電極を針状にして、電界を集中させて効率よく（低エネルギーで）
放電をおこすようにしたものである。 第１３図に示した例は、電極２８を２枚の平板電極にして、電極間に安定して
気泡が発生するよ うにしたものである。針状の電極より、発生気泡の位置が安定している。 第１４図に示した例は、第１３図に示した電極にほぼ同軸の穴をあけたもので
、２枚の電極の両穴がガイドになって、発生気泡の位置はさらに安定する。 第１５図に示した例は、リング状の電極の例であり、基本的には第１４図に示
した例と同じであり、その変形例である。 第１６図に示した例は、一方をリング状電極とし、もう一方を針状電極とした
もので、リング状電極により、発生気泡の安定性を狙い、針状電極により電界の
集中による効率を狙ったものである。 第１７図に示した例は、一方のリング状電極を、気泡発生部の壁面に形成した
もので、第１６図に示した例の効果に加えて、基板上に平面的に電極を形成する
という製造上の容易さを狙ったものである。このような平面的な電極は、蒸着（
又はスパッタリング）や、フォトエッチングの技術に よって容易に高密度な複数個のものを製作することができ、特に、マルチアレイ
に威力を発揮する。 第１８図に示した例は、第１７図に示した例のリング状電極形成部を電極の外
周にそった形状で周囲から一段高くしたもので、やはり発生気泡の安定性を狙っ
たものであり、第１７図に示した例よりも３次元的なガイドを付け加えた分だけ
安定する。 第１９図に示した例は、第１８図の例とは反対にリング状電極形成部を周囲か
ら下へ落しこんだ構造で、やはり、発生気泡は安定して形成される。 而して、この実施例によると、 １．記録液の劣化がない。 ２．記録液の熱による物性変化（粘度低下等）が少なく、安定した噴射特性が
得られる。 ３．高密度、マルチアレイ化が容易である。 ４．応答周波数が早い。 ５．電極の構造を選ぶことにより、気泡発生の 位置がいつも安定している。 等の利点がある。効果 以上の説明から明らかなように、本発明によると、 １．記録液の劣化がない。 ２．記録液の熱による物性変化（粘度低下等）が少なく、安定した噴射特性が
得られる。 ３．高密度、マルチアレイ化が容易である。 ４．応答周波数が早い。 ５．レーザープリンターの技術，光学系等が供用でき、開発コスト，生産コス
トを大巾に下げることができる。 ６．電極の構造を選ぶことにより、気泡発生の位置がいつも安定している。 ７．記録液用液室の容積に比し、気泡発生液用液室の容積を大きくすることに
より、記録液の温度上昇を抑えることができる。 等の利点がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明によるインクジェットプロッターの一実施例を説明するため
の斜視図、第２図は、第１図のII−II線断面図、第３図は、第１図のIII−III線
断面図、第４図及び第５図は、本発明の動作説明をするための図、第６図乃至第
１９図は、それぞれ気泡発生部の具体例を説明するための図である。 １…吐出口，２…記録液用液室，３…記録液用流路，４…気泡発生液用液室，５
…気泡発生液用流路，６…記録液流入口，７…気泡発生液流入口，８…気泡発生
部，９…記録液，１０…気泡発生液，１１…気泡，１２…インク滴，１３…発熱
抵抗体，１４…電極，１５…保護層，１６…電源，１７…電磁波エネルギー吸収
発熱体，１８…電磁波，１９…レーザー発振器，２０…光変調器，２１…光変調
器駆動回路，２２…走査器，２３…集光レンズ，２４…反射鏡，２５…ビームエ
キスパンダー，２６…回転多面鏡，２７…記録紙，２８…電極，２９…記録紙。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）記録液体として油性の記録液を使用し、該記録液を所定の方向に吐出する
   ための吐出口と、該記録液体を該吐出口へ供給するための第１の流路と該流路に
   連絡する液室及び該液室へ該記録液体を供給するための流入口と、該記録液体を
   該吐出口より吐出させるための熱エネルギー供給手段とを有し、前記流路に対応
   して前記油性の記録液体と溶け合わない記録に使用されない水性の液体が存在す
   る第２の流路を有し、該記録に使用されない水性の液体は、前記熱エネルギー供
   給手段によって気泡を発生し、気泡の発生による体積変化により、前記油性の記
   録液体を移動せしめて前記吐出口より吐出せしめるインクジェット記録装置にお
   いて、前記油性の記録液体と溶け合わない記録に使用されない水性の液体が存在
   する第２の流路は、該水性の液体と前記油性の記録液体との接 触面に直交する面において、前記記録液体を吐出口へ供給するための第１の流路
   よりも断面積が大きいこと を特徴とするインクジェット記録装置。 (２)前記流路において、前記油性の記録液を上部に、前記水性の記録に使用され
   ない液体を下部にして両液体が互いに接して存在し、前記油性の記録液が前記吐
   出口に連通し、前記水性の液体が前記熱エネルギーによって沸騰し、気泡を発生
   させた場合、前記気泡の上部には前記水性の液体層が存在することを特徴とする
   請求項１に記載のインクジェット記録装置。