JP2746907B2 - 液体噴射記録ヘッド及び該ヘッドを用いた記録方法 - 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及び該ヘッドを用いた
記録方法、より詳細には、バブルジェット型インクジェ
ット記録における階調記録に関する。

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、付着された帯電量に応じて偏向を受
け、記録信号に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55-132259号公報には、バブルジェット
型インクジェット記録において、発熱体を２つ以上設
け、これらに対する入力信号のタイミングをずらして階
調記録を行うことが開示されているが、階調記録は可能
であるものの、インク滴を小さいものから大きいものま
で巾広く形成することが困難であり、より微妙な表現が
困難である等の欠点がある。

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、バブルジェット型インクジェット記録におけ
る微妙な階調記録を可能とする記録ヘッド及び記録方法
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、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、前記オリフィスの前面にオリフィス穴よ
り大きい開口もしくは、切り欠き部を有するミストキャ
ッチャーを有し、前記熱エネルギー作用部は、１滴の記
録液滴を吐出するためのものと、ミスト状の微小記録液
滴を吐出するための２領域からなり、それぞれが独立に
駆動できることを、または、（２）請求項１記載の液体
噴射記録ヘッドにおいて、前記熱エネルギー作用部に入
力するエネルギーに応じて、１信号パルスに対して１滴
の記録液滴を吐出したり、前記１信号パルスとは異なる
エネルギーを入力して、微小記録液滴をミスト状に吐出
したりし、前記１滴の記録液滴は前記ミストキャッチャ
ーの開口あるいは切り欠き部を通過して被記録体に到着
し、ミスト状の前記微小記録液滴は、前記ミストキャッ
チャーの開口あるいは切り欠き部を通過するものと、そ
こで捕捉されるものとがあり、通過したものが被記録体
に到着して記録が行なわれ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いて説明する。

第18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19図は、バブルジェットヘッドの一例を示
す斜視図、第20図は、第19図に示したヘッドを構成する
蓋基板（第20図（ａ））と発熱体基板（第20図（ｂ））
に分解した時の斜視図、第21図は、第20図（ａ）に示し
た蓋基板を裏側から見た斜視図で、図中、51は蓋基板、
52は発熱体基板、53は記録液体流入口、54はオリフィ
ス、55は流路、56は液室を形成するための領域、57は個
別（独立）電極、58は共通電極、59は発熱体（ヒー
タ）、60は記録液（インク）、61は気泡、62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
記録ヘッドに適用されるものである。

最初に、第18図を参照しながらバルブジェットによる
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60の表
面張力と外圧とが平衡状態にある。

（ｂ）はヒータ59が加熱されて、ヒータ59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61が点在している状態にある。

（ｃ）はヒータ59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61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60が押し出され
る。この時、ヒータ59には電流が流れていない状態にあ
り、ヒータ59の表面温度は降下しつつある。気泡61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61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61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。

上述のごときバブルジェット型インクジェット記録装
置は、既に公知のものであるが、上述のごときインクジ
ェット記録装置において、第22図に示すようなミスト状
63の吐出が行われることが知られている。これは、たと
えば、発熱体59をオリフィスのすぐ近傍に配置して駆動
することによりインクがミスト状に飛散する現象であ
る。

本発明は、第22図に示した現象と第18図に示した技術
とを組合わせて微妙な階調記録が行われるようにした記
録ヘッド及び記録方式を提供するものである。

第１図は、本発明の実施に使用するバブルジェット型
インクジェット記録ヘッドの一例を示す全体斜視図、第
２図及び第３図は、本発明の動作原理を説明するための
要部構成図で、図中、１はインクジェット記録ヘッド、
２はミストキャッチャー、３は該ミストキャッチャー２
に設けられた開口、４は記録紙、５はインク滴、６はミ
ストで、第２図は、第18図に関連して説明した通常記録
を示す図、第３図は、第22図に関連して説明したミスト
状噴射を行って階調記録を行う状態を示す図で、本発明
においては、ヘッド１の前面に開口３を有するミストキ
ャッチャー２を設けている。ここで開口３はヘッド１の
オリフィス径より大きく、より厳密には、第18図で説明
したインク滴62が通過できる大きな開口である必要があ
る。また、第３図はミスト状に吐出させ、そのミスト６
の一部がミストキャッチャー２の開口３を通過して紙面
４に到着する図を示している。ミストキャッチャー２に
捕捉された記録に使用されないインクは、回収してすて
られる。

第４図は、ミストキャッチャー２の他の例であり、丸
穴の開口３のかわりに切り欠き形状３′としたものであ
り、インク滴５及びミスト６は、この切り欠き３′の間
を通過する。

第３図に示したようなミスト状態は１つの発熱体を使
用し、該発熱体に加えるエネルギーレベルを第２図の噴
射を行う場合と違うレベルにすることによって得られる
が、その他に第５図及び第６図に示すように２つの発熱
体11a,11bを設けて、発熱体11aを通常のインク滴発生
用、11bをミスト発生用とわけて使用してもよい。ただ
し、12a,12bはそれぞれの発熱体の制御電極、13は共通
電極である。

本発明においては、インクキャッチャ−２の開口３の
大きさは一定であり、従って、ミストによる濃淡表現を
行なう際には、ミスト発生時間、つまり、加えるエネル
ギー時間（パルス巾）をコントロールすることによって
行なわれる。

なお、以上の説明はすべて発熱体を用いたバブルジェ
ット記録ヘッドを使用する場合を例にして説明したが、
当然のことながら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、ありいは放電エネルギーを用いたり
するバルブジェットにも適用される。

第７図は、パルスレーザを用いて記録液体に気泡を発
生させるため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８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９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10図乃至第17図は、それぞれ第９図に示した放電電
極の具体例を示す図で、 第10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11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12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13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14図
に示した例と同じであり、その変形実施例である。

第14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15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14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16図に示した例は、 第15図に示した例のリング状電極形成部を電極の外側
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のであり、第14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17図に示した例は、 第16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、イ
ンク滴が記録紙に衝突した時等に発生するミストインク
がヘッド表面を汚すのを防止でき、更には、大インク滴
と、インクミストの濃淡表現により、微妙な階調記録が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施に使用するインクジェット記録
装置の一例を示す斜視図、第２図及び第３図は、本発明
の動作説明をするための要部構成図、第４図は、本発明
の実施に使用するミストキャッチャーの他の例を示す正
面図、第５図及び第６図は、本発明の実施に使用するバ
ブルジェット型インクジェットの発熱部及び電極部の一
例を示す図、第７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８図は、プリンターの一
例を説明するための図、第９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10図乃至第17図
は、それぞれ第９図に示した放電電極の具体例を示す
図、第18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19図は、バブルジェットヘッドの一例を
示す斜視図、第20図は、分解斜視図、第21図は、蓋基板
を裏側から見た図、第22図は、本発明に使用するバブル
ジェットの一例を示す図である。 １……バブルジェット型インクジェット記録ヘッド、２
……ミストキャッチャー、３……開口、３′……切り欠
き、４……記録紙、５……インク滴、６……ミスト、11
a……インク滴発生用発熱体、11b……ミスト発生用発熱
体、12a,12b……制御電極、13……共通電極。

Claims (2)

(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、前記オリフィス
   の前面にオリフィス穴より大きい開口もしくは、切り欠
   き部を有するミストキャッチャーを有し、前記熱エネル
   ギー作用部は、１滴の記録液滴を吐出するためのもの
   と、ミスト状の微小記録液滴を吐出するための２領域か
   らなり、それぞれが独立に駆動できることを特徴とする
   液体噴射記録ヘッド。
2. 【請求項２】請求項１記載の液体噴射記録ヘッドにおい
   て、前記熱エネルギー作用部に入力するエネルギーに応
   じて、１信号パルスに対して１滴の記録液滴を吐出した
   り、前記１信号パルスとは異なるエネルギーを入力し
   て、微小記録液滴をミスト状に吐出したりし、前記１滴
   の記録液滴は前記ミストキャッチャーの開口あるいは切
   り欠き部を通過して被記録体に到着し、ミスト状の前記
   微小記録液滴は、前記ミストキャッチャーの開口あるい
   は切り欠き部を通過するものと、そこで捕捉されるもの
   とがあり、通過したものが被記録体に到着して記録が行
   なわれることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射記
   録ヘッドを用いた記録方法。