JP2658204B2

JP2658204B2 - インクジェット記録装置

Info

Publication number: JP2658204B2
Application number: JP16099888A
Authority: JP
Inventors: 康博上原
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1988-06-30
Filing date: 1988-06-30
Publication date: 1997-09-30
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: JPH0211331A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明はインク滴をノズルから吐出飛翔させて、画
像の記録を行なうインクジェット記録装置に関するもの
である。

［従来の技術］一般に、この種のインクジェット記録装置は、記録時
に騒音の発生が少ない、高速記録が可能である、普通紙
に特別な定着処理を施すことなく記録できるなど、従来
の記録装置にない優れた特徴を有している。

上記インクジェット記録装置としては、インク滴の発
生方法及びその飛翔方向の制御方法などの違いによっ
て、幾つかの方式に大別される。その中でも、圧力パル
ス型インクジェット方式（例えば米国特許第3747120
号）は、画像の記録を行なう領域にのみオンデマンドに
てインクを１滴づつ噴出させるものであるため、画像の
記録に不要なインクを回収する装置が不要であり、しか
も、インクを加圧供給するポンプ等も不要であるため、
構造が簡単で、低価格であるといった利点を有してお
り、最近注目されている方式である。

従来、この種のインクジェット記録装置としては、次
に示すようなものがある。すなわち、第10図（Ａ）に示
すように、装置本体50の内部にインクに圧力を加えるイ
ンク圧力室51を設け、このインク圧力室51を形成する装
置本体50の一部を、可撓性を有する可撓壁52によって形
成する。また、この可撓壁52の表面に圧電素子53を固着
する。さらに、上記装置本体50の一端には、インク圧力
室51内にインク54を導入するインク供給口55を設けると
ともに、他端には、インク54を吐出するためのノズル56
を形成する。

そして、上記圧電素子53に電圧を印加することによっ
て、圧電素子53を第10図（Ｂ）に示すように変形させ、
インク圧力室53内のインク54に圧力を加え、インク圧力
室51内のインク54をノズル56から液柱状57に吐出させ
る。次に、第10図（Ｃ）に示すように、圧電素子53が元
に戻る方向に変形すると、圧力室51内の圧力が低下して
ノズル56内のインク54は、圧力室51側に引戻される。そ
の際、ノズル56から吐出したインクの液柱57が滴状Ｄに
分離されて飛翔し、このインク滴が図示しない記録用紙
上に付着して、画像の記録を行なうようになっている。

［発明が解決しようとする課題］しかし、上記従来技術の場合には、次のような問題点
を有している。すなわち、インク圧力室51の可撓壁52の
変形のみによって、インク54をノズル56から液柱状57に
吐出するとともに、液柱状のインク57を滴状に分離して
インク滴Ｄの生成を行なっている。上記の如く形成され
るインク滴Ｄの大きさは、インク圧力室51の大きさやノ
ズル56の径によって一律に決まってしまう。また、イン
ク圧力室51の大きさをあまり小さくすると、インク滴が
形成されなくなるので、インク圧力室51等を小さくして
ノズル56から吐出されるインク滴Ｄを小さくし、解像度
を向上することができないという問題点があった。ま
た、形成されるインク滴の大きさは、インク圧力室51の
大きさ等によって一律に決まってしまうため、インク滴
Ｄの大きさを変化させて階調性を表現することができな
いという問題点もあった。

形成されるインク滴Ｄの大きさを小さくするために
は、ノズル56を微細化することも考えられるが、この場
合には、ノズル56の加工が困難となり、しかもノズル56
の目詰まりが発生しやすくなるので、製造コストが増加
するとともに信頼性が低下するという問題点が新たに生
じる。

［課題を解決するための手段］そこで、この発明は、上記従来技術の問題点を解決す
るためになされたもので、その目的とするところは、構
造が簡単でしかも不要なインク滴の回収装置が不要であ
るというオンデマンド方式の利点を生かして、さらに形
成されるインク滴の大きさを変化させることができ、し
かも小さなインク滴の生成が可能なインクジェット記録
装置を提供することにある。

すなわち、この発明は、インクをノズルから滴状に吹
出飛翔させて、記録媒体に付着させ、画像の記録を行な
うインクジェット記録装置において、インクをノズルか
ら液柱状に吐出させるためのインク吐出手段と、ノズル
から吐出される液柱状のインクを気泡によって分離して
液滴を形成するインク分離手段とを備えるように構成さ
れている。

上記インク吐出手段としては、例えば圧電素子からな
り、この圧電素子の振動によってインクをノズルから吐
出するものが用いられる。

また、上記インク吐出手段としては、発熱抵抗体から
なり、気泡を発生させることによりインクを吐出させる
ものが用いられる。

さらに、上記インク吐出手段としては、インクを電界
あるいは磁界によって吸引することによって、インクを
ノズルから吐出させるものが用いられる。

一方、上記インク分離手段としては、例えばノズルを
形成するノズル板に薄い発熱抵抗体層を設け、この発熱
抵抗体層に通電することによって、発熱抵抗体層を発熱
させ、ノズルから液柱状に吐出されるインクの途中に気
泡を発生させ、この気泡によってインクを分離する手段
が用いられる。

［作用］この発明においては、ノズルからのインクの吐出は、
インク吐出手段によって行い、ノズルから液柱状に吐出
されるインクの分離をインク分離手段によって行なうこ
とにより、インクの分離タイミングを変化させることに
よって、種々の大きさインク滴を生成することができる
ようになっている。

［実施例］以下にこの発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明に係るインクジェット記録装置の一
実施例を示すものである。図において、１は記録ヘッド
であり、この記録ヘッド１は、記録媒体としての記録用
紙２と対向するように配置される。この記録ヘッド１
は、ヘッド本体３と、このヘッド本体３の前面に固着さ
れたノズル板４と、ヘッド本体３の背面側に設けられた
インク吐出手段５とを備えている。図中、６は記録用紙
２を平面状に支持するための、プラテンロールを示して
いる。

上記ヘッド本体３は、所定の厚さを有する金属板等に
よって形成されている。ヘッド本体３の背面には、薄い
円板状の空間からなるインク圧力室７が形成されてお
り、このインク圧力室７は、ヘッド本体３の背面側に開
口されている。また、ヘッド本体３の内部には、上記イ
ンク圧力室７に続く円錐形状の空間からなる圧力伝搬室
８が形成されており、この圧力伝搬室８の先端8aは、ヘ
ッド本体３の表面に開口されている。さらに、ヘッド本
体３には、上記インク圧力室７にインクを供給する供給
口９及び供給路10が設けられている。

また、上記ヘッド本体３の背面には、インク圧力室７
内のインクに圧力を加えて、インクを吐出させるための
インク吐出手段５が設けられている。このインク吐出手
段５として、ヘッド本体３の背面には、インク圧力室７
の径よりも大きな円板状のステンレス板11が、インク圧
力室７と同心状に固着されている。このステンレス板11
としては、例えば直径3mm、厚さ0.3mmのものが用いられ
る。上記ステンレス板11の背面には、ステンレス板11と
同形状の圧電素子12が、接着等の手段により重合されて
いる。これらのステンレス板11及び圧電素子12は、その
周囲がヘッド本体３に固着された保持部材13によって保
持されている。この保持部材13は、中央部13aが開口さ
れており、圧電素子12及びステンレス板11が自由に変形
できるようになっている。

さらに、前記ノズル板４には、第１図に示すように、
圧力伝搬室８の先端開口8aと対応した位置にこれと同径
のノズル14が穿設されており、ノズル14は、例えば直径
0.1mmの大きさに設定される。このノズル板４は、第２
図に示すように、基板15と、発熱抵抗体層16と、電極17
と、保護層18とを、順次積層して形成されている。上記
基板15は、ガラス、セラミックス、合成樹脂等からな
り、例えば厚さ0.2mmに設定される。また、発熱抵抗体
層16は、薄いフィルム状に形成されており、通電によっ
て発熱する層である。発熱抵抗体層16としては、基板15
上に反応性スパッタリング法等により所定の厚さに着膜
されたTa₂Nなどが用いられる。さらに、上記発熱抵抗体
層16上には、Ni−Cr−Auを順次連続的に一様蒸着し、こ
れをフォトリソエッチング法により形成した一対の通電
用電極17が設けられている。この通電用電極17は、第３
図に示すように、発熱抵抗体層16上にノズル14の周囲Ｒ
を残して直線状に配置されている。また、上記電極17が
形成された発熱抵抗体層16上には、ガラス、セラミック
スあるいは合成樹脂等からなる保護層18が被覆されてい
る。上記ノズル板４の表面には、ノズル14の周囲に凹所
19が形成されている。

しかして、上記通電用電極17に通電することによっ
て、第３図に示すように、電極17の先端からノズル14の
周囲Ｒに位置する発熱抵抗体層16、そして反対側通電電
極17へと電流Ｉが流れ、ノズル14の周囲の発熱抵抗体層
16が発熱するようになっている。

以上の構成において、この実施例に係るインクジェッ
ト記録装置では、次のようにして画像の記録が行なわれ
る。すなわち、第１図に示すように、記録ヘッド１を記
録用紙２と一定の間隔をおいて対向配置させる。そし
て、記録ヘッド１の圧電素子12にパルス状の電圧を印加
する。すると、圧電素子12は、第４図に示すように、イ
ンク圧力室７側に向かって急激にたわみを生じる。その
結果、インク圧力室７の内圧は急上昇し、インク圧力室
７内のインクは、圧力伝搬室８を介して、ノズル14から
ある速度をもって押出される。このインク20は、第５図
に示すように、ノズル14から液柱状に徐々に押出され
る。

今、ノズル板４の通常用電極17に通電しない場合、す
なわち発熱抵抗体層16が発熱しない状態では、圧電素子
12がもとに戻る方向に変形し、インク圧力室７内が減圧
され、インク液柱20に引戻そうとする力が作用するま
で、液柱20にはくびれが生じず所定の量だけ押出され
る。この状態で、ノズル14内のインクに引戻そうとする
力が作用すると、インク液柱20には、第６図に示すよう
に、くびれが生じ、インクの液滴Ｄが形成される。この
インク滴Ｄの直径は、ノズル14の直径の約２倍になる。

次に、ノズル板４の通電用電極17に所定のタイミング
で通電すると、ノズル14の周囲の発熱抵抗体層16に電流
が流れ、発熱抵抗体層16が発熱する。すると、ノズル14
内のインクは、第７図に示すように、発熱抵抗体層16に
よって加熱されて気化し、発熱抵抗体層16の位置で気泡
Ｂを発生する。この気泡Ｂは、時間の経過とともに成長
し、インク液柱20にくびれを生じさせ、しまいには液柱
20を分断して液滴Ｄを形成する。その際、インク液柱20
の吐出速度は、数m/secであるのに対し、気泡の成長
は、数μｓである。そのため、気泡Ｂによるインク液滴
Ｄの分断は、瞬時に行なわれる。このインク液柱20の分
断に要する時間は、圧電素子12のみの場合に比べて数分
の一から十数分の一である。このように、気泡Ｂによる
インク液柱20の分断に要する時間は、非常に短いため、
ノズル14から所定両だけ吐出したインク液柱20を、その
ままの状態で気泡Ｂによって分断して液滴Ｄを形成する
ことができる。また、インク液柱20が尾を引くこともな
いので、インク液柱20を分断する際に所謂サテライト滴
が発生することもない。さらに、圧電素子12と発熱抵抗
体層16への通電のタイミングを変化させることにより、
形成されるインク液滴Ｄの径をノズル14の径の0.8〜２
倍までの範囲で変化させることができる。そのため、記
録する画像の濃度に応じて、インク滴Ｄの直径を広い範
囲に亘って変化させることができるので、ドットサイズ
変調方式による中間調の表現が可能となる。

このように、ノズル14からのインク液柱20の吐出は、
圧電素子12によって行い、ノズル14から液柱状に吐出さ
れるインク20の分離を、ノズル板４に設けられた発熱抵
抗体層16の発熱により発生する気泡によって行なうよう
になっている。そのため、圧電素子12及びノズル板４に
設けられた発熱抵抗体層16に通電するタイミングを制御
し、ノズル14から吐出されるインク液柱20の分離タイミ
ングを変化させることによって、種々の大きさインク滴
Ｄを生成することができる。そのため、径の大きなノズ
ル14でも小径のインク滴Ｄを形成することができ、解像
度を向上させることができる。また、種々の大きさのイ
ンク滴Ｄを形成することができるので、階調性の表現が
可能となり、中間調の画像を再現することができる。

第８図はこの発明の他の実施例を示すもであり、前記
実施例と同一の部分には同一の符号を付して説明する
と、この実施例ではインクの吐出を圧電素子の振動によ
って行なうのではなく、発熱体の発熱による気泡の発生
によって行なうように構成されている。すなわち、記録
ヘッド１は、第８図に示すように、基板30とノズル板４
を互いに平行に対向させることによって、両者の間に形
成されるインク通路31を備えている。また、基板30のイ
ンク通路31側の面には、ノズル14に対応した位置に発熱
抵抗体32が配置されている。そして、この発熱抵抗体32
に通電することによって、インク通路31内に気泡Ｂを発
生させ、この気泡Ｂによってインク通路31内のインクを
ノズル14から押出すことにより、インクの液柱20を形成
するようになっている。

こうした場合には、記録ヘッド１にインク圧力室や圧
電素子等の部材を設ける必要がなく、記録ヘッド１の構
造を簡単にすることができるとともに、記録ヘッド１の
小型化が可能である。その他の構成及び作用は前記実施
例と同一であるので、その説明は省略する。

第９図はこの発明のさらに他の実施例を示すものであ
り、前記実施例と同一の部分には同一の符号を付して説
明すると、この実施例ではインクの吐出を圧電素子の振
動によって行なうのではなく、インクの吐出を電界によ
って行なうようになっている。すなわち、インクとして
は、導電性のインクが用いられ、記録ヘッド１に高電圧
を印加することにより、記録ヘッド１と記録用紙２の背
面に配置される金属製のプラテンロール６との間に電界
を形成し、この電界によってインクをノズル14から液柱
20状に吐出させるようになっている。こうした場合に
は、記録ヘッド１に特別のインク吐出手段を設ける必要
がないので、ヘッド１の構造をより簡略化することがで
きる。その他の構成及び作用は前記実施例と同一である
ので、その説明は省略する。

なお、上記の実施例では、インクを電界によって吐出
する場合について説明したが、これに限定される訳では
なく、磁性インクを用いて磁界によってインクをノズル
から液柱状に吐出させるようにしても良い。

また、前記実施例では、記録ヘッド１がノズル14を１
つ備えたシングルノズルの場合について説明したが、こ
れに限ったものではなく、上記構成の記録ヘッド１を複
数配置することによって、マルチノズルを構成するよう
にしても勿論良いさらに、１つの記録ヘッドに複数のノズルを設け、こ
れらのノズルから一定周期で振動する大変位圧電素子、
例えば積層型セラミックアクチュエータを用いて、複数
のインク液柱を形成するようにしても良い。この場合、
発熱抵抗体層に通電されないノズルでは、インク液柱の
分断によるインク滴の生成が行なわれないように、圧電
素子の変形量を調整し、発熱抵抗体層が発熱したノズル
のみでインク液柱が分断され、インク滴の生成が行なわ
れるようにする。

［発明の効果］この発明は以上の構成及び作用よりなるもので、構造
が簡単でしかも不要なインク滴の回収装置が不要である
というオンデマンド方式の利点を生かして、さらに形成
されるインク滴の大きさを変化させることができ、しか
も小さなインク滴の生成が可能なので、解像度の向上及
び中間調の表現が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係るインクジェット記録装置の一実
施例を示す断面図、第２図はノズル板を示す断面斜視
図、第３図は同ノズル板の発熱領域を示す説明図、第４
図は第１図の装置の作動状態を示す断面図、第５図乃至
第７図は同装置の要部のそれぞれ異なった状態を示す断
面図、第８図はこの発明の他の実施例を示す断面図、第
９図はこの発明のさらに他の実施例を断面図、第10図
（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は従来のインクジェット記録装
置の動作をそれぞれ示す断面図である。［符号の説明］１……記録ヘッド２……記録用紙 12……圧電素子 14……ノズル 20……インク液柱 16……発熱抵抗体層Ｂ……気泡Ｄ……インク滴

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】インクをノズルから滴状に吐出飛翔させ
て、記録媒体に付着させ、画像の記録を行なうインクジ
ェット記録装置において、インクをノズルから液柱状に
吐出させるためのインク吐出手段と、ノズルから吐出さ
れる液柱状のインクを気泡によって分離して液滴を形成
するインク分離手段とを備えたことを特徴とするインク
ジェット記録装置。