JPH01238948A - 液体噴射記録ヘッド - 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】 退１汰Ｉ− 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の流路及び共通液
室に関する。

従米技！ 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　Ｐ３５９６２７５、ＵＳ
Ｐ　３２９８０３０等に開示されている方式（Ｓｗｅｅ
ｔ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　Ｐ３７４７１２０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、Ｓｔｅｍｎ＋ｅ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ＵＳ　Ｐ３
７４７１２０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
び記録両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５６−８４９７５号公報においては、記録
液の流路としての複数の細孔と、これらの細孔のすべて
が連絡している中継液室とを備え、前記細孔中に在る記
録液をそれに印加される圧力波によって前記細孔の一端
を吐出口として小液滴状に吐出、飛翔させる記録ヘッド
において、前記中継液室内に、連続空孔を有する多孔性
物室からなる膜を配し、この膜によって前記圧力波を吸
収するか或いはその伝播を阻止するようにした液体噴射
記録ヘッドが開示されている。

而して、上記特開昭５６−８４９７５号公報に記載され
た発明においては、中継液室内に多孔性物室からなる膜
を配して圧力波を吸収或いはその伝播を阻止するように
しているが、単なる膜では充分に圧力波を吸収したり或
いは伝播を阻止するのに充分ではなく、依然としてクロ
ストークが残り、また、膜を配するための工程が一つ増
えるため、コストアップにつながる等の問題がある。

１−一眞 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のマルチアレイ
において、クロストークをなくすこと、及び、吐出性能
を均一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、前記流路及び液室を構成する領域のうち、
前記熱エネルギー作用部を形成している基板を除いた領
域のうち、前記記録液体と接する部分の少なくとも９０
％以上は、該領域を構成する材料の縦波の音響インピー
ダンスが１．５Ｘ１０’Ｎ−ｓ−ｍ−’以下であること
を特徴としたものである。以下、本発明の実施例に基づ
いて説明する。

第１図は本発明が適用されるインクジェット記録ヘッド
の一例を示す図で、（、）図はヘッド斜視図、（ｂ）図
はヘッドを構成する蓋基板の斜視図、（ｃ）図は発熱体
基板２の斜視図、（ｄ）図は蓋基板を裏側から見た斜視
図、第２図は、本発明が適用されるバブルジェット型記
録ヘッドの一例を説明するための図で、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の表面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５〜１
０　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ｍ４ｖＩ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バブルジェット型液体噴射記録ヘ
ッドのマルチアレイ方式において、隣接する、もしくは
、近傍のオリフィスよりほぼ同時に液滴を吐出する際に
、互いの圧力波が共通液室を介して、相互に影響を及ぼ
し、吐出性能が本来の一つのオリフィス単位で吐出させ
る場合よりも低下する所謂クロストークの影響をなくす
ためになされたものである。

周知のように、バブルジェット記録技術において、クロ
ストーク（相互干渉）は、気泡発生に伴う圧力波が流路
及び（共通）液室を伝播して、隣接する或いは近傍の流
路のインクに伝わって影響を及ぼすものである。従って
、気泡を発生してインク吐出を行ったあと不要な圧力波
が瞬時に消える（例えば液室の壁等に吸収される）こと
が望ましい。

一般にインクジェットヘッドを構成する材料は、ステン
レス等の耐食性に優れた材料が使用されるが、圧力波の
反射という観点から見ると、ステンレスは音響インピー
ダンスが高＜（４，５７Ｘ１０７Ｎ−５−ｍ−３５ＵＳ
３４７の場合）、圧力波を良く反射し、好ましくない。

上述のごとき実情を考慮して本発明者は第１図（ｂ）、
（ｄ）に示した流路５−液室６を構成する蓋基板１を種
々の材料で形成し、多くの実験を重ねることにより、そ
の材料に要求される縦波の音響インピーダンスが、ある
値以下の場合に、圧力波の反射がなく、従って、クロス
トークがほとんど生じないことを見出した。

今、体積弾性率をＫ、ずれ弾性率をＧ、密度をρとする
と、自由固体の縦波の速度Ｃは、で与えられ、従って、
音響インピーダンスρＣは、で与えられる。

本発明は、熱エネルギー発生部が形成された発熱体基板
（第１図（Ｃ））を除く流路及び液室を形成する領域（
具体的には第１図（ｂ）又は（ｄ））のインクに接触す
る領域の少なくとも９０％以上が、その領域を構成する
材料の縦波の音響インピーダンスρＣが好適には１．５
　Ｘ　１０’Ｎ−８−ｍ″１１以下最適には１．０Ｘ１
０’Ｎ−８−ｍ″′３以下にされた場合に、圧力波の反
射がなく従ってクロストークが発生せず、好結果が得ら
れることに基づくものである。

ρＣを表す上式（２）より、密度ρが小さく、体積弾性
率Ｋ、ずれ弾性率Ｇが小さい材料を選べば良いことがわ
かる。具体的には、各種のプラスチック材料等が成型加
工等も可能であり、好適な材料である。あるいは、有機
フォトレジスト材料を露光、現像、硬化させたものも好
適である。

参考までに、他の材料を音響インピーダンスρＣととも
にあげておく。

なお、以上の説明は、全て気泡発生手段として発熱体を
用いた場合のバブルジェットで説明したが、気泡発生手
段としては前記以外にパルスレーを用いたり、あるいは
、放電エネルギーを用いたりすることもできる。

第３図は、記録液体に気泡を発生させるための手段とし
てパルスレーザ−を用いた場合の例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ブてパルス
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２
６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４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／ａｍ）、又、記録紙３２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２
８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５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５０が、放電装置５１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６図乃至第１３図は、それぞれ第５図に示した放電電
極の具体例を示す図で、 第６図に示した例は、 電極５０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７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８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９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８図に
示した例と同じであり、その変形実施例である。

第１ｏ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１１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１０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１２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、発生気泡の安定性を狙ったものであり、第１０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１３図に示した例は、 第１２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、バブ
ルジェット型インクジェットへのマルチアレイにおいて
、クロストークが発生せず、均一な吐出性能が得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明適用されるインクジェットヘッドの一
例を説明するための構成図、第２図は、本発明が適用さ
れるインクジェット記録装置の動作説明をするための図
、第３図乃至第１３図は、本発明の適用されるインクジ
ェット記録装置の他の例を説明するための図である。 １・・・蓋基板、２・・・発熱体基板、３・・・記録液
体流入口、４・・・オリフィス、５・・・溝、６・・・
液室を形成するための領域、７・・・個別（独立）電極
、８・・・共通電極、９・・・発熱体、１０・・・記録
液、１１・・・気泡。

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、前記流路及び液室を
   構成する領域のうち、前記熱エネルギー作用部を形成し
   ている基板を除いた領域のうち、前記記録液体と接する
   部分の少なくとも９０％以上は、該領域を構成する材料
   の縦波の音響インピーダンスが１．５×１０＾７Ｎ・ｓ
   ・ｍ＾−＾３以下であることを特徴とする液体噴射記録
   ヘッド。