JP2718939B2 - 複数色一体型液体噴射記録ヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、液体噴射記録ヘッド、より詳細には、バブ
ルジェット型液体噴射カラー記録ヘッドに関する。

従来技術 ノンインパクト記録法は、記録時における騒音の発生
が無視し得る程度に極めて小さいという点において、最
近関心を集めている。その中で、高速記録が可能であ
り、而も所謂普通紙に特別の定着処理を必要とせずに記
録の行える所謂インクジェット記録法は極めて有力な記
録法であって、これまでにも様々な方式が提案され、改
良が加えられて商品化されたものもあれば、現在もなお
実用化への努力が続けられているものもある。

この様なインクジェット記録法は、所謂インクと称さ
れる記録液体の小滴（droplet）を飛翔させ、記録部材
に付着させて記録を行うものであって、この記録液体の
小滴の発生法及び発生された記録液小滴の飛翔方向を制
御する為の制御方法によって幾つかの方式に大別され
る。

先ず第１の方式は例えばUSP3060429に開示されている
もの（Tele type方式）であって、記録液体の小滴の発
生を静電吸引的に行い、発生した記録液体小滴を記録信
号に応じて電界制御し、記録部材上に記録液体小滴を選
択的に付着させて記録を行うものである。

これに就いて、更に詳述すれば、ノズルと加速電極間
に電界を掛けて、一様に帯電した記録液体の小滴をノズ
ルより吐出させ、該吐出した記録液体の小滴を記録信号
に応じて電気制御可能な様に構成されたxy偏向電極間を
飛翔させ、電界の強度変化によって選択的に小滴を記録
部材上に付着させて記録を行うものである。

第２の方式は、例えばUSP3596275、USP3298030等に開
示されている方式（Sweet方式）であって、連続振動発
生法によって帯電量の制御された記録液体の小滴を発生
させ、この発生された帯電量の制御された小滴を、一様
の電界が掛けられている偏向電極間を飛翔させること
で、記録部材上に記録を行うものである。

具体的には、ピエゾ振動素子の付設されている記録ヘ
ッドを構成する一部であるノズルのオリフィス（吐出
口）の前に記録信号が印加されている様に構成した帯電
電極を所定距離だけ離して配置し、前記ピエゾ振動素子
に一定周波数の電気信号を印加することでピエゾ振動素
子を機械的に振動させ、前記吐出口より記録液体の小滴
を吐出させる。この時前記帯電電極によって吐出する記
録液体小滴には電荷が静電誘導され、小滴は記録信号に
応じた電荷量で帯電される。帯電量の制御された記録液
体の小滴は、一定の電界が一様に掛けられている偏向電
極間を飛翔する時、付加された帯電量に応じて偏向を受
け、記録信号を担う小滴のみが記録部材上に付着し得る
様にされている。

第３の方式は例えばUSP3416153に開示されている方式
（Hertz方式）であって、ノズルとリング状の帯電電極
間に電界を掛け、連続振動発生法によって、記録液体の
小滴を発生霧化させて記録する方式である。即ちこの方
式ではノズルと帯電電極間に掛ける電界強度を記録信号
に応じて変調することによって小滴の霧化状態を制御
し、記録画像の階調性を出して記録する。

第４の方式は、例えばUSP3747120に開示されている方
式（Stemme方式）で、この方式は前記３つの方式とは根
本的に原理が異なるものである。

即ち、前記３つの方式は、何れもノズルより吐出され
た記録液体の小滴を、飛翔している途中で電気的に制御
し、記録信号を担った小滴を選択的に記録部材上に付着
させて記録を行うのに対して、このStemme方式は、記録
信号に応じて吐出口より記録液体の小滴を吐出飛翔させ
て記録するものである。

つまり、Stemme方式は、記録液体を吐出する吐出口を
有する記録ヘッドに付設されているピエゾ振動素子に、
電気的な記録信号を印加し、この電気的記録信号をピエ
ゾ振動素子の機械的振動に変え、該機械的振動に従って
前記吐出口より記録液体の小滴を吐出飛翔させて記録部
材に付着させることで記録を行うものである。

これ等、従来の４つの方式は各々に特長を有するもの
であるが、又、他方において解決され得る可き点が存在
する。

即ち、前記第１から第３の方式は記録液体の小滴の発
生の直接的エネルギーが電気的エネルギーであり、又、
小滴の偏向制御も電界制御である。その為、第１の方式
は、構成上はシンプルであるが、小滴の発生に高電圧を
要し、又、記録ヘッドのマルチノズル化が困難であるの
で高速記録には不向きである。

第２の方式は、記録ヘッドのマルチノズル化が可能で
高速記録に向くが、構成上複雑であり、又記録液体小滴
の電気的制御が高度で困難であること、記録部材上にサ
テライトドットが生じ易いこと等の問題点がある。

第３の方式は、記録液体小滴を霧化することによって
階調性に優れた画像が記録され得る特長を有するが、他
方霧化状態の制御が困難であること、記録画像にカブリ
が生ずること及び記録ヘッドのマルチノズル化が困難
で、高速記録には不向きであること等の諸問題点が存す
る。

第４の方式は、第１乃至第３の方式に比べ利点を比較
的多く有する。即ち、構成上シンプルであること、オン
デマンド（on-demand）で記録液体をノズルの吐出口よ
り吐出して記録を行う為に、第１乃至第３の方式の様に
吐出飛翔する小滴の中、画像の記録に要さなかった小滴
を回収することが不要であること及び第１乃至第２の方
式の様に、導電性の記録液体を使用する必要性がなく記
録液体の物質上の自由度が大であること等の大きな利点
を有する。而乍ら、一方において、記録ヘッドの加工上
に問題があること、所望の共振数を有するピエゾ振動素
子の小型化が極めて困難であること等の理由から記録ヘ
ッドのマルチノズル化が難しく、又、ピエゾ振動素子の
機械的振動という機械的エネルギーによって記録液体小
滴の吐出飛翔を行うので高速記録には向かないこと、等
の欠点を有する。

更には、特開昭48-9622号公報（前記USP3747120に対
応）には、変形例として、前記のピエゾ振動素子等の手
段による機械的振動エネルギーを利用する代わりに熱エ
ネルギーを利用することが記載されている。

即ち、上記公報には、圧力上昇を生じさせる蒸気を発
生する為に液体を直接加熱する加熱コイルをピエゾ振動
素子の代りの圧力上昇手段として使用する所謂バブルジ
ェットの液体噴射記録装置が記載されている。

しかし、上記公報には、圧力上昇手段としての加熱コ
イルに通電して液体インクが出入りし得る口が一つしか
ない袋状のインク室（液室）内の液体インクを直接加熱
して蒸気化することが記載されているに過ぎず、連続繰
返し液吐出を行う場合は、どの様に加熱すれば良いか
は、何等示唆されるところがない。加えて、加熱コイル
が設けられている位置は、液体インクの供給路から遥か
に遠い袋状液室の最深部に設けられているので、ヘッド
構造上複雑であるに加えて、高速での連続繰返し使用に
は、不向きとなっている。

しかも、上記公報に記載の技術内容からでは、実用上
重要である発生する熱で液吐出を行った後に次の液吐出
の準備状態を速やかに形成することは出来ない。

このように従来法には、構成上、高速記録化上、記録
ヘッドのマルチノズル化上、サテライトドットの発生お
よび記録画像のカブリ発生等の点において一長一短があ
って、その長所を利する用途にしか適用し得ないという
制約が存在していた。

また、特開昭57-12659号公報には、カラーインクジェ
ットの各色のオリフィスと共通インク室との間の距離を
同一とした記録ヘッドが開示されているが、各色によっ
てインクの物性が異なるため、オリフィスと共通インク
室との距離を同一にすることは必ずしも良い方法ではな
い。もし全ての距離を同一にするならば、各色のインク
物性もすべて同一にそろえる必要があり、インク製造上
かなりの困難をきたす。

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、バブルジェット型液体噴射ヘッドをカラー記
録に使用した場合の各色の吐出性能をそろえることを目
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、導入される記
録液体を収容するとともに、該記録液体に熱によって気
泡を発生させ、該気泡の体積増加にともなう作用力を発
生させる熱エネルギー作用部を付設した流路と、該流路
に連絡して、該記録液体を前記作用力によって液滴とし
て吐出させるためのオリフィスと、前記流路に連絡して
該流路に前記記録液体を導入するための液室と、該液室
に前記記録液体を導入する手段よりなる液体噴射記録ヘ
ッドにおいて、（１）前記熱エネルギー作用部は、共通
の１枚の基板上に、色ごとに複数個の発熱体が独立した
群をなし、該群は各色ごとに直線状に配列され、各群の
複数本の中心線は一致し、共通の中心線となるように配
列された熱エネルギー作用部であって、前記流路、液
室、記録液体を導入する手段は、複数の色ごとに形成さ
れ、かつ、一体化されていること、或いは、（２）前記
熱エネルギー作用部は、共通の１枚の基板上に、色ごと
に複数個の発熱体が独立した群をなし、該群は各色ごと
に直線状に配列され、各群の複数本の中心線は一致し、
共通の中心線となるように配列された熱エネルギー作用
部であって、前記流路、液室、記録液体を導入する手段
は、複数の色ごとに形成され、かつ、一体化されている
蓋基板よりなり、前記オリフィスは各色のオリフィスが
同一平面上で一直線に配列されていること、或いは、
（３）前記熱エネルギー作用部は、共通の１枚の基板上
に、色ごとに複数個の発熱体が独立した群をなし、該群
は各色ごとに直線状に配列され、各群の複数本の中心線
は一致し、共通の中心線となるように配列された熱エネ
ルギー作用部であって、前記流路、液室、記録液体を導
入する手段は、複数の色ごとに形成され、かつ、一体化
されている蓋基板よりなり、前記オリフィスは各色のオ
リフィスが同一平面上で一直線に配列されているととも
に、前記流路の長さを記録液体によって変えたことを特
長としたものである。以下、本発明の実施例に基づいて
説明する。

第１図（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の実施例を
説明するための要部構成図、第２図は、本発明が適用さ
れるインクジェットヘッドの一例としてのバブルジェッ
トヘッドの動作説明をするための図、第３図は、バブル
ジェットヘッドの一例を示す斜視図、第４図は、第３図
に示したヘッドを構成する蓋基板（第４図（ａ））と発
熱体基板（第４図（ｂ））に分解した時の斜視図、第５
図は、第４図（ａ）に示した蓋基板を裏側から見た斜視
図で、図中、１は蓋基板、２は発熱体基板、３は記録液
体流入口、４はオリフィス、５は流路、６は液室を形成
するための領域、７は個別（独立）電極、８は共通電
極、９は発熱体（ヒータ）、10はインク、11は気泡、12
は飛翔インク滴で、本発明は、斯様なバブルジェット式
の液体噴射記録ヘッドに適用するものである。

最初に、第２図を参照しながらバブルジェットによる
インク噴射について説明すると、 （ａ）は定常状態であり、オリフィス面でインク10の
表示張力と外圧とが平衡状態にある。

（ｂ）はヒータ９が加熱されて、ヒータ９の表面温度
が急上昇し隣接インク層に沸騰現像が起きるまで加熱さ
れ、微小気泡11が点在している状態にある。

（ｃ）はヒータ９の全面で急激に加熱された隣接イン
ク層が瞬時に気化し、沸騰膜を作り、この気泡11が生長
した状態である。この時、ノズル内の圧力は、気泡の生
長した分だけ上昇し、オリフィス面での外圧とのバラン
スがくずれ、オリフィスよりインク柱が生長し始める。

（ｄ）は気泡が最大に生長した状態であり、オリフィ
ス面より気泡の体積に相当する分のインク10が押し出さ
れる。この時、ヒータ９には電流が流れていない状態に
あり、ヒータ９の表面温度は降下しつつある。気泡11の
体積の最大値は電気パルス印加のタイミングからややお
くれる。

（ｅ）は気泡11がインクなどにより冷却されて収縮を
開始し始めた状態を示す。インク柱の先端部では押し出
された速度を保ちつつ前進し、後端部では気泡の収縮に
伴ってノズル内圧の減少によりオリフィス面からノズル
内へインクが逆流してインク柱にくびれが生じている。

（ｆ）はさらに気泡11が収縮し、ヒータ面にインクが
接しヒータ面がさらに急激に冷却される状態にある。オ
リフィス面では、外圧がノズル内圧より高い状態になる
ためにメニスカスが大きくノズル内に入り込んで来てい
る。インク柱の先端部は液滴になり記録紙の方向へ５〜
10m/secの速度で飛翔している。

（ｇ）はオリフィスにインクが毛細管現象により再び
供給（リフィル）されて（ａ）の状態にもどる過程で、
気泡は完全に消滅している。

本発明は、前記の特開昭57-12659号公報に記載された
発明の欠点に鑑みなされたもので、各色もしくは各濃度
の複数のインクの物性が必ずしも一定でなくても、均一
な吐出性能が得られるようにしたもので、第１図（ａ）
に示した実施例は、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、
Ｃ（シアン）、Ｂ（ブラック）の４色のそれぞれにヘッ
ドが１個ずつ設けられている。ここでは説明を簡略化す
るため、該基板１及び発熱体基板２は省略し、流路、液
室部のみを示した。この実施例は、流路５の液室６に連
絡する部分から熱エネルギー作用部９までの長さｌが同
じでない場合を示す。記録液体（インク）は液室６から
各流路５へ、毛管現象で供給されるが、その供給スピー
ドはインク物性によって変化する。全ての色のインクの
物性を全く同じにできれば、すべて同じスピードで供給
されるから問題はないが、そのようなインクを作ること
は困難である。そこで、本発明のように、インク物性が
各色（又は各濃度）で異なっていても、流路の長さをそ
れに応じて変えることにより、供給スピードのばらつき
を補正することができる。インク物性の違いは、熱エネ
ルギー作用部までインクを供給するスピードのばらつき
だけでなく、各色での吐出性能のばらつきも引き起こ
す。従って、流路の長さを各色のインクによって変える
ことは、単に供給スピードのばらつきを補正するという
だけでなく、各インクによる各オリフィスからの吐出性
能を均一にすることでもある。

第１図（ｂ）に示した実施例は、各色ごとに複数（こ
こでは３本）のオリフィス（流路）５を有するマルチア
レイの例を示した。これは一例であっても必ずしも同一
基板上に全ての色の、全てのオリフィスがある必要はな
く、各色ごとに複数のオリフィスを持ったヘッドを独立
に設けてもよい。

第１図（ｃ）は、別の実施例を示す図で、この実施例
はｌを一定にして、熱エネルギー作用部９からオリフィ
ス４までの距離を変えるようにしたものである。

なお、以上の説明は、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｂの４色を例にあ
げたが、他の色あるいは、それらの色の濃度を変えた場
合にも適用される。

第６図は、記録液体に気泡を発生させる別の手段を説
明するための図で、図中、21はレーザ発振器、22は光変
調駆動回路、23は光変調器、24は走査器、25は集光レン
ズで、レーザ発振器21より発生されたレーザ光は、光変
調器23において、光変調器駆動回路22に入力されて電気
的に処理されて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光は、走査器24を通
り、集光レンズ25によって熱エネルギー作用部の外壁に
焦点が合うように集光され、記録ヘッドの外壁26を加熱
し、内部の記録液体27内で気泡を発生させる。あるいは
熱エネルギー作用部の壁26は、レーザ光に対して透過性
の材料で作られ、集光レンズ25によって内部の記録液体
27に焦点が合うように集光され、記録液体を直接加熱す
ることによって気泡を発生させてもよい。

第７図は、上述のごときレーザ光を用いたプリンター
の一例を説明するための図で、ノズル部31は、高密度に
（たとえば８ノズル/mm）、又、紙32の紙巾（たとえばA
4横巾）すべてにわたってカバーされるように集積され
ている例を示している。

レーザ発振器21より発振されたレーザ光は、光変調器
23の入口開口に導かれる。光変調器23において、レーザ
光は、光変調器23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光は、反射鏡28によっ
てその光路をビームエキスパンダー29の方向に曲げら
れ、ビームエキスパンダー29に入射する。ビームエキス
パンダー29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光は、高速で定速回
転する回転多面鏡30に入射される。回転多面鏡30によっ
て掃引されたレーザ光は、集光レンズ25により、ドロッ
プジェネレータの熱エネルギー作用部外壁26もしくは内
部の記録液体に結像する。それによって、各熱エネルギ
ー作用部には、気泡が発生し、記録液滴を吐出し、記録
紙32に記録に行なわれる。

第８図は、さらに別の気泡発生手段を示す図で、この
例は、熱エネルギー作用部の内壁側に配置された１対の
放電電極40が、放電装置41から高電圧のパルスを受け、
記録液体中で放電をおこし、その放電によって発生する
熱により瞬時に気泡を形成するようにしたものである。

第９図乃至第16図は、それぞれ第８図に示した放電電
極の具体例を示す図で、 第９図に示した例は、 電極40を針状にして、電界を集中させ、効率よく（低
エネルギーで）放電をおこさせるようにしたものであ
る。

第10図に示した例は、 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11図に示した例は、 電極にほぼ同軸の穴をあけたものである。２枚の電極
の両穴がガイドになって、発生気泡の位置にさらに安定
する。

第12図に示した例は、 リング状の電極にしたものであり、基本的には第11図
に示した例と同じであり、その変形実施例である。

第13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
ものである。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り効率を狙ったも
のである。

第14図に示した例は、 一方のリング状電極を熱エネルギー作用部の壁面に形
成したものである。これは、第13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（あるいはスパッタリング）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が製作
され得る。マルチアレイに特に威力を発揮する。

第15図に示した例は、 第14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ある。やは
り、発生気泡の安定性を狙ったものであり、第13図に示
したものよりも３次元的なガイドを付け加えた分だけ安
定する。

第16図に示した例は、 第15図に示した例とは反対に、リング状電極形成部
を、周囲から下へ落しこんだ構造としたもので、やは
り、発生気泡は安定して形成される。

効果 以上の説明から明らかなように、本発明によると、カ
ラーインクの各色で物性が異なっていても、吐出性能を
均一にできる。

また、共通の一枚の基板上に、色ごとに複数個の発熱
体を設けるようにしたので、液体噴射記録ヘッドのコン
パクト化が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の実施例を説
明するための要部構成図、第２図は、本発明が適用され
るインクジェットヘッドの一例としてのバブルジェット
ヘッドの動作説明をするための図、第３図は、バブルジ
ェットヘッドの一例を示す斜視図、第４図は、分解斜視
図、第５図は、蓋基板を裏側から見た図、第６図は、レ
ーザ光を用いた気泡発生手段の一例を説明するための
図、第７図は、プリンターの一例を説明するための図、
第８図は、放電を利用した気泡発生手段の一例を説明す
るための図、第９図乃至第16図は、それぞれ第８図に示
した放電電極の具体例を示す図である。 １……蓋基板、２……発熱体基板、３……インク供給
口、４……オリフィス、５……流路、６……液室、7,8
……電極、９……発熱体。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導入される記録液体を収容するとともに、
   該記録液体に熱によって気泡を発生させ、該気泡の体積
   増加にともなう作用力を発生させる熱エネルギー作用部
   を付設した流路と、該流路に連絡して前記記録液体を前
   記作用力によって液滴として吐出させるためのオリフィ
   スと、前記流路に連絡して該流路に前記記録液体を導入
   するための液室と、該液室に前記記録液体を導入する手
   段よりなる液体噴射記録ヘッドにおいて、前記熱エネル
   ギー作用部は、共通の１枚の基板上に、色ごとに複数個
   の発熱体が独立した群をなし、該群は各色ごとに直線状
   に配列され、各群の複数本の中心線は一致し、共通の中
   心線となるように配列された熱エネルギー作用部であっ
   て、前記流路、液室、記録液体を導入する手段は、複数
   の色ごとに形成され、かつ、一体化されていることを特
   徴とする複数色一体型液体噴射記録ヘッド。
2. 【請求項２】導入される記録液体を収容するとともに、
   該記録液体に熱によって気泡を発生させ、該気泡の体積
   増加にともなう作用力を発生させる熱エネルギー作用部
   を付設した流路と、該流路に連絡して前記記録液体を前
   記作用力によって液滴として吐出させるためのオリフィ
   スと、前記流路に連絡して該流路に前記記録液体を導入
   するための液室と、該液室に前記記録液体を導入する手
   段よりなる液体噴射記録ヘッドにおいて、前記熱エネル
   ギー作用部は、共通の１枚の基板上に、色ごとに複数個
   の発熱体が独立した群をなし、該群は各色ごとに直線状
   に配列され、各群の複数本の中心線は一致し、共通の中
   心線となるように配列された熱エネルギー作用部であっ
   て、前記流路、液室、記録液体を導入する手段は、複数
   の色ごとに形成され、かつ、一体化されている蓋基板よ
   りなり、前記オリフィスは各色のオリフィスが同一平面
   上で一直線に配列されていることを特徴とする複数色一
   体型液体噴射記録ヘッド。
3. 【請求項３】導入される記録液体を収容するとともに、
   該記録液体に熱によって気泡を発生させ、該気泡の体積
   増加にともなう作用力を発生させる熱エネルギー作用部
   を付設した流路と、該流路に連絡して前記記録液体を前
   記作用力によって液滴として吐出させるためのオリフィ
   スと、前記流路に連絡して該流路に前記記録液体を導入
   するための液室と、該液室に前記記録液体を導入する手
   段よりなる液体噴射記録ヘッドにおいて、前記熱エネル
   ギー作用部は、共通の１枚の基板上に、色ごとに複数個
   の発熱体が独立した群をなし、該群は各色ごとに直線状
   に配列され、各群の複数本の中心線は一致し、共通の中
   心線となるように配列された熱エネルギー作用部であっ
   て、前記流路、液室、記録液体を導入する手段は、複数
   の色ごとに形成され、かつ、一体化されている蓋基板よ
   りなり、前記オリフィスは各色のオリフィスが同一平面
   上で一直線に配列されているとともに、前記流路の長さ
   を記録液体によって変えたことを特徴とする液体噴射記
   録ヘッド。