JPH021313A - 液体噴射記録方法 - 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】 伎盟分互 本発明は、液体噴射記録方法、より詳細にはバブルジェ
ット型インクジェットあるいはＰＺＴ等の電気機械変換
素子を用いた従来よりよく知られたドロップオンデマン
ド型インクジエツＩ・において、加えるエネルギーな変
化させることによって、発生気泡の大きさを変えたり、
あるいはドロップオンデマンド型においては液室容積変
化量を変えたりして、吐出口より吐出されるインク滴の
大きさを変えて階調記録を行う記録方法に関するもので
ある。

従ＩＬ翳 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すに記録の
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堤案され、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ノ１〜記録法は、所謂インクと称さ
れる記録液体の小満（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（Ｔｅｌｅｔｙｐｅ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
上に記録液体小満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、ノズルと加速電瓶間に
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満を記録信号に
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　３２９８０：１０等に開示されている方式（Ｓｗ
ｅｅｔ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満を発生させ、この発生され
た・！’Ｖ　’１１！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
トを４ｉＷ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４４号が印加されている様に構成したＩ
Ｆ電組電極所定距離だけ殖して配置し、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、１盲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Ｂ液体／Ｊ＼漢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で
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）でのみが記録部材上
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（ｌｌｅｒｔｚ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、記録液体の小満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４ｆＦ　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１例えばＵ　Ｓ　Ｐ　３７４７１２０に開
示されている方式（Ｓｔ、ｅ制＋１ｅ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満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満を吐出飛翔
させて記録するものである。

つまり、Ｓ　ｔ　ｃ　ｍ　ｍ　ａ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、１）汀記第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、又記録肢体小滴の
電気的制御が高度で困難であること、記録部材上にサテ
ライトドツトが生し易いこと等の問題点がある。

第３の方式は、記８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八ツ１−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の方式に比へ利点を比較的
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観めで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　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
ットの肢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でいるに過ぎず、連続繰返
し液吐出を行う場合に、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
イ（＋！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ＬＸだ。

また、特公昭５９−３１９４３号公報には、熱エネルギ
ーの作用によって、液体に急峻な状態変化を起こさせ、
該状態変化に基づ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て記録を行う際に、液体を
所定方向に噴射させるため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
されるように配置される熱作用部に設けられ、発熱量１
凋整構造を有する発熱部を具備する電気熱変換体に、階
調情報を有する信号を印加し、前記発熱部に該信号に応
じた熱量を発生させることにより階調記録を行うことが
開示されている。而して階調記録を行うためには、吐出
するインク滴の大きさを変える必要があり、上記公報に
はいかにして大きさを変えるかの記述はされているが、
形成されたインク滴どうしの関係（例えばインク滴間距
離）についての記載がなく、次のような問題点を解決で
きない。

第６図（ａ）、（ｂ）は、液体噴射記録ヘッドの吐出口
１１より吐出するインク柱１２の代表例を示すが、図示
のように、加えるエネルギーを変化させることにより（
具体的には、パルス電圧、パルスｒｌＪ、あるいはパル
ス波形）いろいろな形態のインク柱が形成される。

第７図（ａ）、（ｂ）は、加えるエネルギーを変えるこ
とにより、インク、＠ｉ１３の大きさが変わることを示
している。加えるエネルギー、たとえばパルス１１を長
くとったりすることにより、第７図（ｂ）に示すように
綱長いインク柱を形成したりすることができる。今、イ
ンク柱の長さが短い場合と長い場合について考えてみる
と、短ければ、インク滴（柱）形成の頻度（周波数）を
高くでき、長ければその頻度（周波数）はそれほど高く
はできない。短いものばかりあるいは長いものばかり連
続して形成する場合には問題ないが、現実の画像情報は
１Ｍ、淡が入りまじっている。従って、短いもの（小イ
ンク１市）を形成したあと、長いもの（大インク滴）を
形成したり、あるいは、その逆の場合もある。よって、
小インク演の形成周波数で、大インク滴を形成しようと
すると、インク（ＩＮ（往）どうしが併合するという問
題が出てくる。

それらの間には、しかるべき最適の条件が存在するはず
である。

ｆｌ」ひ 本発明は、」−述のごとき実情に鑑みてなされたもので
、特にバブルジエノト型インクジェッ１〜あるいはドロ
ップオンデマンド型インクジェットにおいてインモダ商
の大きさを変えて階調記録を行うときの、変えるインク
質量の最適（安定吐出が得られる）範囲を提案すること
を目的としてなされたものである。

−ｂ’ｉ−−成− 本発明は、上記目的を達成するために画像情報に応じて
記録肢体を吐出し、被記録面に付着させる液体噴射記８
法であって、吐出される液滴は前記画像情報に応じてそ
の大きさが変えられる液体噴射記録方法において前記記
ａ液体が吐出口から吐出する際、前記記録液体が前記吐
出口から噴出し、液柱となり、該液柱が前記吐出面から
切断する時の前記液柱の長さｔ、Ｑとする時 λｒｎ　ｉ　ｎ　＜　ｎ　＜λｒｎａｘなる関係を満足
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づいて説明する。

第１図は、本発明の動作説明をすための図、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Ｍ、！！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１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２図を参照しながらバブルシェフ　ｈ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
。

（、Ｊ）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には電流か流れていない状
態にあり、ヒータ２９の表面温度は降下しつつある６気
泡３１の体積の最大値は電気パルス印加のタイミンクか
らややおくれろ。

（Ｑ）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リ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〜ｌ
ｏｍ／ｓｅｅ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。

第１図において、（ａ）は噴射ヘッドが形成しうる最小
インク滴を連続して形成している図を示しており、（ｂ
）は、最大インク滴の場合である。

今、紙面１４に到若する直前の２滴の距離（中心間では
なく、表面間）をそれぞれ１ｍ　ｉ　ｎ、λｍａｘとす
る。ただし、λｍｉｎもλｒｎａｘも、それぞれ最小と
最大のインク滴を最高速度で連続して形成したく最も高
い応答周波数で駆動した）場合の液間距離である。（ｃ
）図は、液柱１２の長さＱを定義するための拡大図であ
り、液柱１２が吐出口１１から分離する寸前の吐出口か
ら液柱先端までの距離をＱとする。

本発明者は、上記のものが １ｍ　ｉ　ｎ　＜αくλｍａｘ なる関係を満足するように睡勅されるとき、インク滴ど
うしの併合がなく、安定して階調記録ができるようなイ
ンク滴形成がされることを見出したものである。

次に上記の関係式がもつ意味を説明する。

１ｍ　ｉ　ｎ　（Ｑのもつ意味は、スプラッシュ等のよ
うに、ミスト状にインクが飛散しないような条件である
ことを示している。一般にインク柱の長さＱは、インク
滴吐出口のためのエネルギー作用部（バブルシェラ１−
であれ、ば、発熱体）から、吐出口までの間に存在する
インクが押し出されることによるインク柱として成長し
た場合の長さと考えてよい。従って、エネルギー作用部
の位置を変えることによって、Ｑの値は変わり得る。そ
して、エネルギー作用部の位置を吐出口に近づけるとＱ
の値は短くなる。しかしながら、エネルギー作用部の位
置を変えることにより、Ｑの値をどこまでも小さくでき
るわけではなく、ある程度短くなると安定吐出は望めな
く、スプラッシュ等が発生して使用不可能な領域となる
。このことは、Ｑの値が小さくなるような条件で駆動し
て、インク柱の挙動をｗｌ察することによって明らかで
あるが、そのような条件にすると、吐出口部のインクの
メニスカスがすぐに破壊してしまうことにより、安定吐
出が得られないのである。本発明者のｗＪｌ察結果では
、Ｑを１ｍ　ｉ　ｎより小さくした状態では、メニスカ
スが安定せずに、使用することが実質的に不可能である
ことが判明している。

次にＱ〈λｍａｘのもつ意味について説明する。

今、全面ベタ印写を行なう場合を仮定すると、最も大き
いインク滴が発生するような条件で、かつ、ヘッドのも
つ最高スピード能力で駆動することが一般的である。こ
の時、インク柱の長さＱが、２滴間の距離λｍａｘより
も長いと、インク化のすぐ先のインク、・市に併合する
おそれがあるため、Ｑは必ず、λＩｎ　ｆｌ　Ｘよりも
小さくなるような条件で駆動することが必要である。一
般に２滴間の距離は連続して駆動した場合の周波数に反
比例するので、周波数が高いほど、２滴間の距離は短く
なり、従ってインク柱の先端がすぐ先のインク滴に併合
するおそれが大となる。よって本発明の条件であるＱく
λｒｎ　ａ　ｘは、特に高速（たとえば、４ｋｌｌｚよ
り高速）で連続呻動されるようなヘッドにおいて、特に
有効である。又、高速で１免動されるヘッドはインク柱
成長からインク滴形成時に、インクの慣性の影４？！を
受けにくくすることか、安定したインク形成を行ううえ
で必要である。慣性の影響はインクの質量に依存するの
で安定したインク滴形成を高速（たとえは、４　ｋ　１
１７．より高速）で行うには、小さいインク滴を形成す
ることが望ましい。

よって本発明は、小さいインク滴を発生、使用する高密
度（たとえば、１６本／　ｍ　ｍ以上）配列のインクジ
ェノＩ−において、特に効力を発揮するといえる。

効−−１ 以上の説明から明らかなように、本発明によると、階調
記録において、最適吐出条件（周波数及び）葭サイズ）
が設定さ４しることにより、安定した記録が行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の動作説明をするための図、第２図は
、本発明が適用されるインクジェットヘラ１−の一例と
してのバブルジェノ１−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トの一例を示す斜視
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図は、バブルジェット記録ヘッドの詳細
を説明するための図、第７図はインク滴吐出の状態を説
明するための図である。 １１　・吐出［１，１２・・インク柱、１３・・・吐出
インク滴、１４・・・記ａ紙。 （ｄン （ｅ） 弓＝＝ Ｃζ＝＝ 第 図 （Ｃ） （ｂ） 人ｍＣｘ （Ｃ） 第 図 ｔｏ） 第 図 （ａ） 第 図 （Ｑ＋

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、画像情報に応じて記録液体を吐出し、被記録面に付
   着させる液体噴射記録法であって、吐出される液滴が前
   記画像情報に応じてその大きさが変えられる液体噴射記
   録方法において、前記記録液体が吐出口から吐出する際
   、前記記録液体が前記吐出口から噴出し、液柱となり、
   該液柱が前記吐出面から切断する時の前記液柱の長さを
   ｌとする時、 λｍｉｎ＜ｌ＜λｍａｘ なる関係を満足することを特徴とする液体噴射記録方法
   。 ただし、λｍｉｎは、前記液滴が最小の大きさで、連続
   して吐出される時の前記液滴間距離、λｍａｘは前記液
   滴が最大の大きさで連続して吐出されるときの前記液滴
   間距離で、これらの液滴間距離は、前記被記録面に到着
   する直前で測定され、かつ、液滴どうしの表面間の距離
   である。