JPH01238947A - 液体噴射記録ヘッドの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 筑亙立更 本発明は、液体噴射記録ヘッドの駆動方法、より詳細に
は、バブルジェット型インクジェット記録ヘッドのヘッ
ド駆動方法に関する。

又未技亙 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Ｕ　Ｓ　Ｐ　３０６０４２９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、−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Ｕ　Ｓ　Ｐ　３５９６２７５、Ｕ
ＳＰ　３２９８０３０等に開示されている方式（Ｓｗｅ
ｅｔ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、−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、記録部村上に記録を
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Ｕ　Ｓ　Ｐ３４１６１５３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Ｕ　Ｓ　Ｐ　３７４７１２０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、記録ヘットのマルチノズ
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
ライトドツ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。丙午ら、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撮動という機械的
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ＵＳ　Ｐ　
３７４７１２０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、サテライトドツトの発生およ
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ー作用部に
付設されでいる吐出エネルギー発生手段により発生され
るエネルギーの作用によってエネルギー作用部内の記録
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、
記録されるドツ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ようにすることが提案さ
れており、また、特開昭５７−８７９６０号公報には、
記録されるドツトを均一にするように、それぞれエネル
ギー作用部における該吐出エネルギー発生手段の面積を
変えることが提案されている。

しかし、吐出口径を変えたり、あるいは、吐出エネルギ
ー発生手段（例えば発熱体）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やや傾けた方向（換
言すれば、重力の影響を受けるような全ての方向を含む
ような配置）に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均一にすることを目的と
してなされたものである。

盗−一戒 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、該ヘッドは複数のオリフィスが鉛直方向
もしくは鉛直方向に対して所定の傾斜角度を持ってアレ
イ状に設けられており、かつ、各オリフィスに対応して
複数の熱エネルギー作用部があり、少なくともヘッド上
部とヘッド下部の熱エネルギー作用部とで加えられるエ
ネルギーが同じではないことを特徴としたものである。

以下、本発明の実施例に基づいて説明する。

第３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４図は、バブルジェットヘッドの一例を示す
斜視図、第５図は、第４図に示したヘッドを構成する蓋
基板（第５図（ａ））と発熱体基板（第５図（ｂ））に
分解した時の斜視図。

第６図は、第５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、２
３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適
用されるものである。

最初に、第３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３０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像が起きるまで加熱
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には電流が流れていない状態
にあり、ヒータ２９の表面温度は降下しつつある。気泡
３１０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〜Ｉ
　Ｑ　ｍ　／　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、上述のごとき液体噴射記録装置において、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うようにした構造が用いられ
るようにしたものである。

第１図は、本発明が適用される液体噴射記録装置の一例
を説明するための構成図で、図中、１１は記録ヘッド、
１２は記録紙、１３は記録紙ロール、１４は主走査方向
（水平方向）、１５は副走査方向（垂直方向）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１５（鉛直方向又は鉛直方
向に対してやや傾斜した方向、換言すれば、重力の影響
を受けるような全ての配置）に立て、これを主走査方向
１４（水平方向）に走らせ、記録紙を副走査方向１５へ
送ってその上に記録をする。この場合、副走査方向１５
の走査速度は、副走査に用いる機械系の駆動能力等によ
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、−時に記録できる記録量を増やす
ことが考えられる。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、記録ドツトの大き
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、重力の影響を受は
ヘッドの上部と下部で背圧が違ってくることによって起
こる現象である。背圧とドツト径の関係は、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ツト径が大きくなる傾向がある
。従って、記録ドツトは上部は小さく、下部へ行くほど
大きくなる。

このような事情に鑑み、前記特開昭５７−８７９７９号
公報、特開昭５７−８７９６０号公報等においては、上
記のような記録ヘッドに於いて、記録ドツトを均一にす
ることを目的としてなされたものであり、このような目
的を達成するために、前述のように、吐出口の口径を変
えたり、吐出エネルギー発生手段の面積を変えるように
しているが、吐出口径を変えたり、吐出エネルギー発生
手段の面積を変えることは、前述のように、高度な微細
加工技術を必要とし、得策ではない、また、例えば、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
の吐出口径の違いは僅がであり、製作上のばらつきの範
囲内に入ってしまうことがあり、意図的に変えようとし
てもがなり困難である。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、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ある駆動方法を変えようと
いうものである。具体的には、第２１ｉｉｉｙ（ａ）〜
（ｃ）ニ示すヨウニ、Ｎ　、ｔ　Ｉｆ全発熱体加えるパ
ルス電圧（（ａ）図）、パルス巾（（ｂ）図）、パルス
波形（パルス立上り）（（Ｃ）図）をヘッド上部側のオ
リフィスＩと下部側のオリフィス■とで変えることによ
ってなされる。

ヘッド下部側（■側）のオリフィスは、背圧が重力の作
用を受けて高いため、ヘッド上部側（Ｉ側）の発熱体に
加えるパルス電圧はヘッド上部側（Ｉ側）のそれより低
く（（ａ）図）、また、パルス巾は短＜　（（ｂ）図）
、また、パルス波形（パルス立上り）ｌｃ）図）は、な
だらかで良い。

尚、本発明の駆動方法は、全発熱体−つ一つに加えるエ
ネルギーを変える必要はなく、数個おきに徐々に加える
エネル・ギーを変えてやっても良い。

本発明は、上述のように、背圧の違いによる吐出条件の
違いを補正するものであるが、本発明の副産物的な効果
として、上記の吐出口径の加工上のばらつきによる吐出
条件の違いも、加えるエネルギーを選択することによっ
て補正できることもつけ加えておく。

なお、第２図の発明では、全て、パルス電圧で説明して
いるが、ながれる電流を操作しても良く、要は、加える
エネルギーを変えることであると理解されたい。

尚、以上の説明は全て発熱体を用いたバブルジェット記
録ヘッドを例にして説明したが、本発明は、気泡発生手
段としてパルスレーザ−を用いたり、或いは放電エネル
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７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、４１はレーザ発振器、４２は光
変調駆動回路、４３は光変調器、４４は走査器、４５は
集光レンズで、レーザ発振器４１より発生されたレーザ
光は、光変調器４３において、光変調器駆動回路４２に
久方されて電気的に処理されて出方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４４を通り、集光レンズ４５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４６を加熱し、内部の記録液体４７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４６は
、レーザ光に対して透過性の材料で作られ、集光レンズ
４５によって内部の記録液体４７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５１は、高密度に
（たとえば８ノズル／ａｍ）、又、記録紙５１の紙中（
たとえば、Ａ４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４１より発振されたレーザ光は、光変調器
４３の入口関口に４力１れる。光変調器４３において、
レーザ光は、光変調器４３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
４８によってその光路をビームエキスパンダー４９の方
向に曲げられ、ビームエキスパンダー４９に入射する。

ビームエキスパンダー４９により平行光のままビーム径
が拡大される０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１！１５０に入射される
。回転多面鏡５０によって掃引されたレーザ光は、集光
レンズ４５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５６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５２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６ｏが、放電装置６１から高電圧のパルス
を受け、水中で放電をおこし、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６ｏ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１２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、フォトエツ
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１発生気泡の安定性を狙ったものであり、第１４・図
に示したものよりも３次元的なガイドを付は加えた分だ
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 以上の説明からも明らかなように、本発明によると、マ
ルチオリフィスアレイ構造の吐出オリフィス面を鉛直又
は傾斜して立て、換言すれば、内部のインクが重力の影
響を受けるように立て、これを水平方向に走査し、記録
紙を鉛直方向に送ることによって記録を行う高速インク
ジェット記録に於いて、記録ドツトの大きさを均一にし
、画質の向上を可能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１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２図（ａ）〜（ｃ）は、それ
ぞれ本発明の実施に使用される熱エネルギー作用部駆動
信号の例を示す図、第３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４図は、バブルジェット
ヘッドの一例を示す斜視図、第５図は、分解斜視図、第
６図は、蓋基板を裏側から見た図、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だめの図、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
放電電橋の具体例を示す図である。 １１・・・記録ヘッド、１２・・・記録紙、１３・・・
記録紙ロール、１４・・・主走査方向、１５・・・副走
査方向。 篤１図 第２図 工■ ぶ　３］ 第４図 第５図 第７図 第９図 ビー」 昭和６３年７月２ 特許庁長官　　　吉　１）文　毅　　殿１、事件の表示 昭和６３年　特許願　第６６８３７号 ２、発明の名称 液体噴射記録ヘッドの駆動方法 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　　　　東京都大田区中馬込１丁目３番６号氏名
（名称）　　（６７４）株式会社リコー代表者　　浜　
　１）　　広 ４、代理人 住　所　　　　〒２３１　横浜市中区不老町１−２−７
シヤトレーイン横浜８０７号

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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、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に対して所定の傾
   斜角度を持ってアレイ状に設けられており、かつ、各オ
   リフィスに対応して複数の熱エネルギー作用部があり、
   少なくともヘッド上部とヘッド下部の熱エネルギー作用
   部とで加えられるエネルギーが同じではないことを特徴
   とする液体噴射記録ヘッドの駆動方法。