JP2763539B2

JP2763539B2 - 液体噴射記録ヘッド

Info

Publication number: JP2763539B2
Application number: JP3211388A
Authority: JP
Inventors: 卓朗関谷
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1988-02-15
Filing date: 1988-02-15
Publication date: 1998-06-11
Anticipated expiration: 2013-06-11
Also published as: JPH01206059A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は、液体噴射記録方法、より詳細には、バブル
ジェット型液体噴射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のある。

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
生を静電吸収的に行い、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
択的て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59−138742号公報には、飛翔的液滴を形
成する液吐出口、該液吐出口に連通する液流路、該液流
路と連通する共通液室、該供給液室に液体を供給する為
の液供給孔を有する液体噴射記録装置において、 l…液流路の共通液室側の端面から液供給孔の中心まで
の長さ ln…吐出オリフィスの中心から液流路の共通液室側の端
面までの長さ hn…液流路の高さ hc…共通液室の高さとする時、ｌ≦100×（hc/hn）³×ln …（１）を満足する様に液供給孔を設けることによって、液滴形
成周波数限界を高くし、高速度の記録を可能としたこと
が開示されている。

第６図及び第７図は、上記特開昭59−138472号公報に
開示された液体噴射記録装置を説明するための図で、第
６図は模式的平面図、第７図は、第６図のＸ−Ｘ線断面
図で、両図において、夫々11は吐出オリフィス、12は液
供給孔、13は側壁で、図示の様に、ｌはある１つの液供
給孔12の中心より液流路までの最長距離（液流路の共通
液室端面における幅方向への中心線までの最長距離）で
ある。隣接する液供給孔12が他にある場合（液供給孔12
が複数個ある場合）は、他の液供給孔の中心から液流路
までの距離以下となる液流路までの距離の中で最長とな
るものである。液流路は各吐出オリフィスに通ずる側壁
13（又は側壁13と外壁）に挟まれた部分を示す。lnは液
流路の共通液室側の端面から吐出オリフィス11の中心ま
での長さ、hcは液流路の高さを指し、これらが、前記
（１）式を満足する時、マルチに並んだ各ノズル内に充
分な量の液体を供給することが可能となり、全ノズルを
同時駆動しても液滴形成周波数限界が低下しないという
ものである。

而して、液滴噴射記録装置において、液供給孔の位置
を規制することは重要なことであるが、より厳密には、
孔の大きさ及び孔の端から流路までの距離によって各デ
ィメンションを決定する必要がある。しかしながら、上
記公報に記載された発明は孔の大きさに対する規制はな
く、又、孔の中心からの距離（上式ｌ）で上式を構成し
ているので、厳密さを欠く欠点がある。

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、バブルジェット型マルチアレイ液体噴射記録
ヘッドにおいて、記録液体の流路部への供給を完全に
し、各オリフィスの吐出性能が高い応答周波数におい
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滴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、ただし、 n…オリフィスの数 Sc…オリフィス以外の流路の最小断面積 Si…記録液体を液室に導入する流入口の断面積 hc…液室の高さ l…流路の液室側の端部と記録液体を液室に導入する流
入口端部の最短距離 lc…流路の液室側の端部から熱エネルギー作用部の液室
側端部までの距離なる関係式を満足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いて説明する。

第１図は、本発明の一実施例を説明するための要部構
成図（ヘッド平面図）、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、21は蓋基板、22は発熱体基板、23は記録液体
流入口、24はオリフィス、25は流路、26は液室を形成す
るための領域、27は個別（独立）電極、28は共通電極、
29は発熱体（ヒータ）、30はインク、31は気泡、32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も適用可能なものである。

最初に、第２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10の
表面張力と外圧とが平衡状態にある。

（ｂ）はヒータ29が加熱されて、ヒータ29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31が点在している状態にある。

（ｃ）はヒータ29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31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30が押し出さ
れる。この時、ヒータ29には電流が流れてない状態にあ
り、ヒータ29の表面温度は降下しつつある。気泡31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31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31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
ためメカニズム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、マルチアレイのバブルジェット型液体噴射
記録ヘッドにおいて、各流路へ記録液（インク）が不足
のないように供給される液室、流路等のディメンション
を規制するものである。而して、バブルジェット技術に
おいて、高速で液滴を吐出する（応答周波数をあげる）
ためには、液室から流路への記録液（インク）の供給が
吐出スピードに追従して充分に行なわれる必要がある。
又、その供給スピードを決定するファクターとしては、
流路の断面積、流路の長さ、液室の高さ、流入口から流
路までの長さ、流入口断面積等があげられる。さらにマ
ルチアレイを考えた場合、スピードのみならず、各オリ
フィスの吐出性能が均一になるということも重要であ
る。本発明者は、この要求を満足するためのヘッドの各
部のディメンションについて実験検討を重ねた結果、以
下の関係式を満足する場合に良好な吐出性能、すなわ
ち、高速な応答周波数と各オリフィスの吐出性能が均一
になることを見い出した。

ここで、上記の各記号は、以下のとおりで、それぞ
れ、 n…オリフィスの数 Sc…オリフィス以外の流路の最小断面積 Si…記録液体を液室に導入する流入口の断面積 hc…液室の高さ l…流路の液室側の端部と記録液体を液室に導入する流
入口端部の最短距離 lc…流路の液室側の端部から熱エネルギー作用部の液室
側端部までの距離を表わす。

以下、本発明の実施例の一部を示す。

実施例１・オリフィス数（ｎ） 24 ・流入口断面積（Si） 3.14mm²（直径φ2mm）・液室高さ（hc） 0.1mm及び0.5mm（２水準）・流路最小断面積（Sc） 0.0025mm² ・ｌ 4mm ・lc 1mm 結果…いずれも、高い応答周波数（3kHz以上）で、各オ
リフィスにおいて均一な吐出性能が得られた。

実施例２・オリフィス数（ｎ） 128 ・流入口断面積（Si） 7.065mm²（直径φ3mm）・液室高さ（hc） 0.3mm及び0.5mm（２水準）・流路最小断面積（Sc） 0.0020mm² ・ｌ 8mm ・lc 1mm 結果…いずれも、高い応答周波数（3kHz以上）で、各オ
リフィスにおいて均一な吐出性能が得られた。

実施例３・オリフィス数（ｎ） 64 ・流入口断面積（Si） 3.14mm²（直径φ2mm）・液室高さ（hc） 0.06mm ・流路最小断面積（Sc） 0.0025mm² ・ｌ 10 ・lc ４結果…いずれも、高い応答周波数（0.8kHz以上）で、各
オリフィスにおいて均一な吐出性能が得られた。

効果上述のように、本発明によると、各オリフィスの吐出
性能が高い応答周波数において均一にそろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一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図及び第７図は、従来技術の一例
を説明するための図である。 21…蓋基板、22…発熱体基板、23…記録液体流入口、24
…オリフィス、25…流路、26…液室を形成するための領
域、27…個別（独立）電極、28…共通電極、29…発熱体
（ヒータ）。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【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滴を導入
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、ただし、ｎ…オリフィスの数 Sc…オリフィス以外の流路の最小断面積 Si…記録液体を液室に導入する流入口の断面積 hc…液室の高さｌ…流路の液室側の端部と記録液体を液室に導入する流
入口端部の最短距離 lc…流路の液室側の端部から熱エネルギー作用部の液室
側端部までの距離なる関係式を満足することを特徴とする液体噴射記録ヘ
ッド。