JP2735121B2 - 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
ルジェット型インクジェット記録ヘッドにおけるオリフ
ィス周辺技術に関する。

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
材上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ことが記載さ
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57−87959号公報には、複数の吐出オリ
フィスが鉛直方向にアレイ状に設けられており、それぞ
れの吐出オリフィスに連通するエネルギ作用部に付設さ
れている吐出エネルギ発生手段により発生されるエネル
ギの作用によって、エネルギ作用部内の記録液を吐出オ
リフィスから吐出させ液滴として飛翔させて記録を行な
う型式のインクジェット記録ヘッドにおいて、記録され
るドットを均一にするように、それぞれの吐出オリフィ
スの吐出口径を変えることが、また、特開昭57−87960
号公報には、上述のごときインクジェット記録ヘッドに
おいて、記録されるドットを均一にするように、それぞ
れエネルギ作用部における該吐出エネルギ発生手段の面
積を変えることが提案されているが、吐出口径を変えた
り、あるいは、吐出エネルギ発生手段（たとえば発熱
体）の面積を変えることは、高度な微細加工技術を必要
とし、対応策として得策ではない。

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、鉛直方向或いは鉛直方向からある角度をもっ
てアレイ状に配置された、バブルジェット型マルチアレ
イインクジェットヘッドの各オリフィスから吐出される
インク滴の大きさを簡単な手段によって均一になるよう
に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、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
に連続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
前記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、該ヘッドは複数のオリフィスが鉛直方
向もしくは鉛直方向からある角度をもってアレイ状に設
けられており、前記オリフィスの外側表面の前記記録液
体に対するぬれが必しも同じではなく、前記ヘッドの下
部のオリフィスの外側表面のぬれが、上部のそれよりぬ
れにくく、前記オリフィスの外側表面の前記記録液体に
対するぬれがヘッド上部から下部にかけて連続的に変化
され、上部より下部の方がぬれにくいことを特徴とする
ものである。以下、本発明の実施例に基づいて説明す
る。

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
ための図で、図中、11は蓋基板、12は発熱体基板、13は
発熱体（ヒータ）、14は個別（独立）電極、15は共通電
極、16は記録液（インク）、17はオリフィス、18は気
泡、19は飛翔インク滴で、本発明は、斯様なバブルシェ
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16の
表面張力と外圧とが平衡状態にある。

（ｂ）はヒータ13が加熱されて、ヒータ13の表面温度
が急上昇し隣接インク層に沸騰現象が起きるまで加熱さ
れ、微小気泡18が点在している状態にある。

（ｃ）はヒータ13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18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16が押し出さ
れる。この時、ヒータ13には電流が流れていない状態に
あり、ヒータ13の表面温度は降下しつつある。気泡18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18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18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19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、上記原理を使用し、より安価に高速記録を
行うために吐出オリフィスをマルチオリフィスアレイと
して鉛直方向又は鉛直方向からある角度傾けてに立てて
配置した記録ヘッドを使用し、これを水平方向に走ら
せ、記録紙を鉛直方向に送って記録を行なうようにした
構造が用いられるようにしたものである。このような構
造の記録装置を第１図に示す。

第１図は、本発明によるインクジェット記録ヘッドの
一使用例を説明するための図で、図中、１は記録ヘッ
ド、２は記録紙、３は記録紙ロール、４は主走査方向
（水平方向）、５は副走査方向（鉛直方向）を示す。こ
の構造においては、マルチオリフィスアレイ構造の吐出
オリフィス面を副走査方向５（鉛直方向）に立て、これ
を主走査方向４（水平方向）に走らせ、記録紙を副走査
方向５へ送ってその上に記録をする。この場合、副走査
方向５の走査速度は、副走査に用いる機械系の運動能力
等によって制約を受けるので、限界が存在する。また、
記録液の吐出周期の短縮にも、現時点では限りがある。
そのため、マルチオリフィスアレイを構成する吐出オリ
フィスの数を多くし、一時に記録できる記録量を増やす
事が考えられる。しかし、吐出オリフィスの数があまり
多くなると、記録の上部と下部で、記録ドットの大きさ
の違いが目立つようになり、画質にムラができる。これ
はヘッドを垂直に立てるために、重力の影響を受けヘッ
ドの上部と下部とで背圧が違ってくることによって起こ
る現象である。背圧とドット径の関係は、ノズルの形
状，インク，記録紙などによっても違ってくるが、一般
に、背圧が大きいほどドット径が大きくなる傾向があ
る。したがって、記録ドットは上部は小さく、下部へ行
くほど大きくなる。

このような事情に鑑み、本発明は、上記のような記録
ヘッドに於いて、記録ドットを均一にすることを目的と
するものである。

このような目的を達成するために、前述の特開昭57−
87959号公報,57−87960号公報等に記載の方法が提案さ
れているが、吐出口径を変えたり、吐出エネルギ発生手
段の面積を変えることは、高度な微細加工技術を必要と
し、得策ではない。又、たとえば、吐出口径を変えて対
処しようとしても、ヘッド上部と下部との吐出口径の違
いはわずかであり、意図的に変えようとしても、製作上
のバラツキの範囲内にはいってしまうことがあり、かな
り困難である。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、ヘッドそ
のものの寸法（吐出口径あるいは発熱体面積）には手を
加えず、もっと容易な手段で対処しようとするものであ
る。

第３図は、第１図に示したように鉛直方向にヘッドを
配置した場合の、オリフィス部17のインクのメニスカス
16₁〜16_nの様子の上部（Ｉ部）と下部（II部）の違いを
示す図で、下部（II）のオリフィス部では背圧が高いた
めメニスカス16_n-1,16_nは外側に凸となり、上部（Ｉ）
のメニスカス16₁,16₂は凹である。なお、図には、凹凸
で示したがこれは必ずしも凹凸となるわけではなく、オ
リフィスの材質等によって小さな凹（下部）、大きな凹
（上部）あるいは大きな凸（下部）、小さな凸（上部）
の場合もある。要は、上部と下部において、背圧の差に
よりメニスカスの形態が異なるということである。この
ようなメニスカスの形態の違いは、上部と下部のオリフ
ィスより吐出するインク滴の大きさをバラツかせる。従
って、メニスカスの形態を上部、下部ともに同様な形状
にする必要がある。メニスカスの形態の違いは、インク
とオリフィスの材質のぬれによって大きく影響をうけ
る。従って、メニスカスの違いに応じて、オリフィスの
材質を変えれば問題は解決できるが、材料を連続的に上
から下へと変えるわけにはいかない。しかし、オリフィ
ス面の状態のぬれ特性は、オリフィス面の適当な表面処
理によって変えることができる。

第４図は、本発明によるオリフィス面の撥水，撥油処
理の方法を示すものであるが、撥水処理をするか撥油処
理をするかは、使用するインクによって選択される。た
とえば、撥水処理の場合は、シリコーン樹脂のトルエン
溶液を、撥油処理の場合、アラビアゴム−リン酸水溶液
等をスプレー処理して行なわれる。又、テフロン分散液
も良好に使える。本発明では、ヘッド下部のオリフィス
部を上部のそれよりぬれにくくし、背圧が上部より多く
かかっても、インクがオリフィスからはみ出ないように
する必要がある。従って、ぬれ特性が、上部から下部へ
連続的に変わるようにする必要がある。

第４図は、上述のように、ぬれ特性が上部から下部へ
連続的に変わるように処理する場合の一例を示す図で、
図中、１はインクジェット記録ヘッド、６はスプレーガ
ンで、図示のようにヘッド１のオリフィス面1aをスプレ
ーガン６の方向に向けるとともに、ヘッド１の1b部を上
部、1c部を下部とし、スプレーガンから噴出した噴霧７
が上部にはつきにくく、下部にはつきやすいように、ヘ
ッドを傾けて処理を行なう。こうすることにより、ぬれ
特性が連続的に変化するオリフィス外側部を有するヘッ
ドを容易に得ることができる。なお、ここでは、容易に
処理できる方法としてスプレー法をあげたが、これは一
例であり、この他に表面のぬれ状態を処理する方法はあ
り（たとえば、プラズマ処理等）、本発明はスプレー法
に限定されるものではない。なお、以上には、本発明を
発熱体を用いたバブルジェットに適用した例について説
明したが、本発明は、気泡発生手段としてパルスレーザ
ーを用いたり、あるいは放電エネルギーを用いたりする
バブルジェットにも適用可能である。

第５図は、パルスレーザーを用いて記録液体に気泡を
発生させる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６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に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７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８図乃至第15図は、、それぞれ第７図に示した放電
電極の具体例を示す図で、 第８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９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10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、発生気泡の位置はさらに安定
する。

第11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10図
に示した例と同じであり、その変形実施例である。

第12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13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12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14図に示した例は、 第13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12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15図に示した例は、 第14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、背
圧の違いによるメニスカスの形態の違いをぬれ特性の違
いによって補正できるため、簡単な手段によってインク
滴を均一に形成でき、高画質が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による液体噴射記録ヘッドの一使用状
態を示す図、第２図は、本発明が適用される液体噴射記
録ヘッドの一例を説明するための図、第３図は、第１図
に示したヘッド使用法における問題点を説明するための
拡大図、第４図は、本発明によるヘッドを形成するため
の撥水，撥油処理法の一例を示す図、第５図乃至第15図
は、バブルジェット型記録ヘッドの他の例を説明するた
めの図である。 １……記録ヘッド,2……記録紙,3……記録紙ロール,4…
…主走査方向,5……副走査方向,6……スプレーガン。

Claims (1)

(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前記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、該ヘッドは
   複数のオリフィスが鉛直方向もしくは鉛直方向からある
   角度をもってアレイ状に設けられており、前記オリフィ
   スの外側表面の前記記録液体に対するぬれがヘッド上部
   から下部にかけて連続的に変化され、上部より下部の方
   がぬれにくいことを特徴とする液体噴射記録ヘッド。