JPH021317A - 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／ｈ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′Ｉｉｔ
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１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ｆｌｔ
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」二に
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（Ｉｌｅｒｔｚ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（ｉＭ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Ｓｔａｍｍｅ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　ｅ　ｍ　ｍ　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
ライトドラ１〜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
１個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、一方によ？いて、記録ヘッド
の加］−」二に問題があること、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
液吐出の準儲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、更には
、記録ヘッドのマルチノズル化上、サナライ１〜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、特公昭５８−４９１８８号公報には、バブルジェ
ット型の液体噴射記録装置において、０Ｎ−ＯＦＦ動作
で１つの信号が電気熱変換体に入力される時、前記電気
熱変換体よりの熱が前記熱作用部にある液体に作用し、
該液体と接触する表面である熱作用面の温度が立上り開
始温度Ｔｉより最高温度Ｔρに至るのに要する時間をτ
。。

τ・１／２とすると、０〈τ。≦１０μｓの時、τ０≦
τ１／２≦４τ。、１０μｓくτ。の時、１０μＳ≦τ
１／２≦４τ。となるようにして、熱作用面の温度が下
がる時の条件を上式によって規定している。

而して、上式には、気泡を発生させるのに重要な温度上
昇のパラメータも組み入れているが、該公報に記載され
た発明は温度が下がる時の条件に主眼をおいたものであ
り、温度上昇の条件を規定する具体的記述がない。温度
上昇の条件は、気泡発生に不可欠であり、最適気泡発生
を行ない、最適吐゛出を行なうためには、より厳密な条
件規定が必要である。

又、特公昭５８−４９１８８号公報では、その明細書中
に記載されているように、吐出口となる流路溝のサイズ
が８０７ＡｍＸ８０μｍ（縦、横の長さ）程度であり、
比較的大きな吐出口をもつ、いいかえるならば、比較的
低密度に配列された吐出口をもつインクジェットに適用
されるようであり、高精細な印写品質を要求されるプリ
ンターあるいはコピアには、不向きであった。高精細な
印写品質を得るためには、たとえば吐出口のサイズは、
大きくても３０μｍ　Ｘ　３０μｍ（断面積で９００μ
ｍ２）までであり、好ましくは、２５μｍ×２５μｍ以
下が求められる。又、その配列密度も１６本／ｍ以上は
必要である。ところで、このような高精細な印写品質を
得るためのヘッドは吐出口と同じように、発熱部も非常
に高密度（１６本／ｎｎ以上）に集積化されるため、蓄
熱による不具合も発生するので、温度上昇の条件のより
厳密な規定がなされる必要がある。しかしながら特公昭
５８−４９１８８号公報には、温度が下がる時の条件の
みが記載されているだけで温度上昇に関する具体的記載
がいっさいなされていないため、高密度（１６本／ｎｕ
以」二）配列のヘッドを有効に実現することは不可能で
あった。

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、高密度（１６本／ｆｆｌ１１以上）配列されたバ
ブルジェット型液体噴射記録ヘッドの安定吐出を目的と
してなされたものである。

盪−一戒 本発明は、上記目的を達成するために、導入される記８
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の表面温度ｔｈ
を縦軸にとり、時間しを横軸にとった場合、前記表面温
度が上昇しはじめてから、前記気泡が発生する直前まで
の間は、 （△ｔｈ、Δしは増加分（＞Ｏ）） 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１本発明の実施例に基いて説明する。

本発明は、安定吐出条件をより厳密に決めるために液滴
吐出条件に最も影響を及ぼす因子の１つである気泡発生
に大きな影響を及ぼす熱エネルギー作用部の表面温度の
立上り条件を厳密に規定したもので、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
ジェノ１−ヘッドの一例を示す斜視図、第４図は、第３
図に示したヘットを構成する蓋基板（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（、）に示した蓋基板を裏側から見た斜
視図で、図中、１１は蓋基板、１２は発熱体基板、１３
は記録液体流入口、１４はオリフィス、１５は流路、１
６は液室を形成するための領域、１７は個別（独立）電
極、１８は共通電極、１９は発熱体（ヒータ）、２０は
インク、２１は気泡、２２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
可能なものである。

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１９が加熱されて、ヒータ１９の表面温
度が急り昇し隣接インク層に沸ＩＩ局現像が起きるまで
加熱され、微小気泡２１が点在している状態にある。

（、）はヒータ１９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１１ｆｆｉ膜を作り、この気泡
２１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Ａ・］１当する分のインク２０が押
し出される。この時、ヒータ１９には電流が流れていな
い状態にあり、ヒータ１９の表面温度は降下しつつある
。気泡２１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２１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２１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　／　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。

さて、第１図において、（ｄ）図は、縦軸に熱エネルギ
ー作用部表面温度ｔｈを、横軸に時間ｔをとり、その関
係を示したものであるが、本発明で規定するのは、気泡
発生がはじまる直前までの熱エネルギー作用部表面温度
である。

高密度（１６本／ｍ以上）に配列されて、熱の蓄積が問
題となるバブルジエン１〜技術において、気泡を安定し
て再現よく発生させるためには、熱エネルギー作用部表
面温度が、なめらかに上昇することが望ましい。本発明
者は、気泡が発生する直前までの熱エネルギー作用部表
面温度が以下のような条件を満足することが最適である
ことを入念な実験を繰り返すことにより見いだした。

（Δｔｈ、Δｔは増加分（＞Ｏ）） この式の意味するところは、（ａ）図に示すように、カ
ーブがなめらかに寝ている状態である。このようなカー
ブを得るには、種々の因子（加えるパルスエネルギー、
熱エネルギー作用部の材料、ディメンション、熱容量等
）が作用する。

（ｂ）図は１本発明とは異なる条件の場合であり、この
ような急激な立上りを示すことは安定した気泡発生をさ
せるために望ましくない。

次に（ａ）図に示した発明の場合と、（ｂ）図の違いに
ついて説明する。

（ａ）図の場合は、グラフが徐々に寝てくるのに対して
、（ｂ）図の場合は、徐々に立ってくる。これをエネル
ギー人力の観点からみると、（、）図の場合には、（ｃ
）図（ｊ）に示すように短時間電圧を加えてやればよい
が、（ｂ）図の場合は、（ｃ）図（ｊｉ）又は（ｉｉｉ
）に示すように、長時間あるいは、′電圧が徐々に増加
していくような形でエネルギーを人力する必要があり、
エネルギーが余分に必要となり、コスト面から不利であ
る。

次に、熱エネルギー作用部の構造面から検討するが、ア
ルミナ、シリコン等の熱伝導率の高いノ１（板−にに５
ｉ０２等のにメ熱層を設け、その」二に発熱抵抗体を、
投げたようなものについて考える。気泡の発生は、発熱
抵抗体に電圧パルスが加えられることにより１発熱抵抗
体が発熱し、その熱が蓄熱層によって一時的にブロック
され（〕１（板側に逃げないでインクに伝達する）、気
泡を発生する。その後、気泡が消滅する際に蓄熱層でブ
ロックされた熱もすみやかに、熱伝導率の高いアルミナ
、シリコン等の基板に逃げる。今、（ｂ）図のようにグ
ラフが立ったような状態にしようとすると、」二連のよ
うに、多くのエネルギーを必要とするだけでなく熱が逃
げないように蓄熱層を厚くしたり、あるいは、基板とし
て熱伝導率の低い材質のものを用いる必要がある。そし
て、多くのエネルギーを要し、発生した熱をたくわえる
ことによって、はじめてグラフが立ったような状態が作
り出される。

しかし、このような熱エネルギー作用部の借造では、八
ツ１くを連続して屏！Ｉ’ＪＪ　した場合に、熱の逃げ
場がなくなって、しだいにヘッドが過熱状態となり、応
答スピードがあがらなくなるだけではなく、インク物性
が温度」１昇とともに徐々に変化していき、安定した気
泡発生、インク２ｍ吐出が行なわれなくなる。

この問題は、特に、高密度（１６本／ｍｍ以」二）に配
列されたヘッドにおいて深刻である。

表１に、実験結果の１例を示す。この時使用したヘッド
の配列密度は、１６本／ｍで、又、発熱体の大きさは、
２４μｒｎ　Ｘ　１２０μｍである。こ九より。

ｄｔｈ　　　　　ｄ（ｔｈ十△Ｌ） 〉 ｄｔ、　　　　　　　　ｄ（ｔ　　＋　Δ　電、　）と
した場合の方が、高い応答周波数で陣動でき、有利なこ
とがわかる。

動作説明をするための図、第３図は、バブルジェッ１へ
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である。

１１．１２・・・Ｊ、（板、１７．１８・・・電極、２
ｏ・・・記録液、２１・・・気泡、２２・・・噴射面。

汐し−−−米 以」−の説明から明らかなように、本発明によると、気
泡発生が安定して行なわれ、それにより安定吐出が得ら
れる。又、低エネルギー駆動が可能となリコス１へが安
くてすむ。

【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図、第２
図は、本発明が適用されるインフジエラ１〜ヘツドの一
例としてのバブルジェットヘッドのム 第 コ 区 第 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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
   用部の表面温度ｔｈを縦軸にとり、時間ｔを横軸にとっ
   た場合、前記表面温度が上昇しはじめてから、前記気泡
   が発生する直前までの間は、ｄｔｈ／ｄｔ＞ｄ（ｔｈ＋
   Δｔｈ）／ｄ（ｔ＋Δｔ）（Δｔｈ、Δｔは増加分（＞
   ０）） 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。