JPH01242258A - 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】 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Ｕ　Ｓ　Ｐ　３０６０４２９に
開示されているもの（Ｔｅｌｓ　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　Ｐ　３４１６１５３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
霧化状態の制御が木蓮であること、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５５−１３２２５９号公報には、熱エネル
ギーの作用力によって、液体に急峻な状態変化を起こさ
せ、この状態変化に基く作用力によって液体を液滴とし
て飛翔させ、被記録面に付着させ記録を行う液体噴射記
録装置に於いて、液体を所定方向に噴射させる為の吐出
オリフィスをその終端に有する流路に、前記吐出オリフ
ィスに連通し、そこで発生される作用力が吐出オリフィ
ス方向に効果的に伝達される様に配置されである熱作用
部を少なくとも２つの独立に信号を入力し得る電気・熱
変換体で構成し、これら電気・熱変換体の各々に入力さ
れる信号の入力タイミングを適宜ずらす事によって階調
記録を行うことが記載されている。而して、上記特開昭
５５−１３２２５９号公報に記載された発明は、タイミ
ングをずらして２回（以上）信号を入力することにより
、時間的にずれて２つ（以上）の気泡が発生するように
しており、従って、気泡発生〜成長〜収縮にともなって
オリフィスよりインクが柱が成長〜吐出〜メニスカスの
回復（供給側からのインクの補給）に要する時間が長く
なり、印字スピードの低下をまねく欠点がある。

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、バブルジェット型インクジェット記録装置におい
て、階調記録が可能であり、しかも、前記特開昭５５−
１３２２５９号公報に記載の装置のようにスピードがお
そくなることのない、新規な階調記録可能な液体噴射記
録ヘッド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、前記熱エネルギー作用部は独立駆動が可能
な２つの発熱体よりなり、該２つの発熱体は前記流路方
向にオリフィスに対して遠近の関係をもって配列され、
オリフィスから遠い方の発熱体はほぼ一定のパルス巾の
電気エネルギーが加えられて、ほぼ均一の記録液滴を形
成し、オリフィスに近い方の発熱体は前記遠い方の発熱
体に加えられる電気エネルギーのパルス巾より小さいパ
ルス巾の電気エネルギーが１〜複数パルス加えられて、
遠い方の発熱体で形成される記録液滴より小さい記録液
滴を１〜複数滴形成し、該１〜複数滴の記録液滴のうち
２個以上の記録液滴が飛翔中に合体もしくは被記録面上
でほぼ同じ位置に画素を形成し、その画素の大きさが、
記録液滴数に応じて変わ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３図は１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、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（ヒータ）、１
ｏは記録液（インク）、１１は気泡、１２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
録ヘッドに適用するものである。

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
０ｍ／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、上述のごとく作動するバブルジェット型イン
クジェット記録装置に適用されるものであり、第１図は
１本発明によるバブルジェット型インクジェットヘッド
の要部（発熱体、電極部）の構成図、第２図は、本発明
によって形成されるインク滴及び画素の状態を示す。

第１図において、（ａ）図は本発明において使用される
発熱体２電極パターンの一例を示すオリフィス部平面図
、（ｂ）図はオリフィス部断面図（ただし、電極及び保
護層等は省略しである）で、図中、９ａはオリフィスに
近い発熱体、９ｂはオリフィスから遠い発熱体、７ａは
発熱体９ａの制御電極、７ｂは発熱体９ｂの制御電極、
８は共通電極で、本発明においては、１つのオリフィス
に対して発熱体が２つあり、それらは独立に駆動できる
ようになっている。

第２図は、本発明の動作原理を説明するための図で、本
発明では、オリフィス４から遠い発熱体９ｂは、第３図
で説明したような動作をする。つまり、第２図（ａ）に
示すように、発熱体９ｂはパルス１４によって駆動され
るが該発熱体９ｂによって形成される画素は大画素であ
り、はとんどいつも同じ大きさである。一方、本発明で
は、さらに、オリフィスに近い発熱体９ａがあり、それ
は、第２図（ｂ）に示すように、細かい間かくで１つ以
上のパルスエネルギーが加えられ、それに応じて１つ以
上の微小インク滴（１２１〜１２４）が形成される。オ
リフィスに近い発熱体は、オリフィスに近接しているの
で、第３図で説明したような原理で吐出するのではなく
、気泡が破泡して飛散するという表現が適当である。こ
の場合、加えられるパルスエネルギーは、第２図（ａ）
の場合よりも小さく、従って、形成されるインク滴も小
さい。又、この小さいパルスエネルギーは、高い周波数
（数〜数１０ＫＨｚ）で１〜複数パルス加えられるため
、第２図（ｂ）に示したように、微小インク滴が連続的
に吐出飛翔し１紙に付着し画素を形成する。これらの微
小インク滴は、短かい時間に紙に付着するので、複数回
のインク滴で１画素を形成する。また、飛翔中にそれら
が合体して紙に付着することもある。つはり、インク滴
の数に応じて画素の大きさが変えられ、階調記録が行な
われる。本発明では１画像情報に応じて、オリフィスか
ら遠い発熱体を駆動し、大画素で記録したり（第２図（
ａ））、オリフィスから近い発熱体を駆動し、微妙な階
調記録を行なったり（第２図（ｂ））することができる
。

効　　　果 以上の説明から明らかなように、本発明によると、大イ
ンク滴から微小インク滴まで形成でき。

大小さまざまな画素を作ることができ、微妙な階調表現
が可能となる。

【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、本発明の動作説明をするための図、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
ら見た図である。 ７．７ａ、７ｂ・・・制御電極、８・・・共通電極、９
゜９ａ、９ｂ・・・発熱抵抗体、１０・・・インク、１
１・・・気泡、１２・・・飛翔インク滴、１３・・・画
素、１４・・・駆動パルス。 ＯＮ 第６図 第　　４　　図 第　５　図

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、前記熱エネルギー作用
   部は独立駆動が可能な２つの発熱体よりなり、該２つの
   発熱体は前記流路方向にオリフィスに対して遠近の関係
   をもって配列され、オリフィスから遠い方の発熱体はほ
   ぼ一定のパルス巾の電気エネルギーが加えられて、ほぼ
   均一の記録液滴を形成し、オリフィスに近い方の発熱体
   は前記遠い方の発熱体に加えられる電気エネルギーのパ
   ルス巾より小さいパルス巾の電気エネルギーが１〜複数
   パルス加えられて、遠い方の発熱体で形成される記録液
   滴より小さい記録液滴を１〜複数滴形成し、該１〜複数
   滴の記録液滴のうち２個以上の記録液滴が飛翔中に合体
   もしくは被記録面上でほぼ同じ位置に画素を形成し、そ
   の画素の大きさが記録液滴数に応じて変わることを特徴
   とする液体噴射記録ヘッド。