JPH021319A - 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】 誠Ｊす卸墜 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おける共通液室部への
インク流入口に関する。

兜米技亙 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Ｗｉ　（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ＵＳＰ第３０６０４２９号明細
書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ｉｆｆ　
４ｆＡ＃ｌＪ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
滴を記録信号に応して電気制御可能な様に構成されたｘ
ｙ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」二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ＵＳＰ第３５９６２７５号明細書
、ＵＳＰ第３２９８０３０号明細書等に開示されている
方式（３ｔｉｅｅｔ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ｔｌＥＪＡ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ＪりＪ素子の付設されている記録
ヘット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？
’Ｊ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１刊電極によって吐出
する記録液体小滴には電荷が静電誘導され、小満は記録
信号に応じた電荷址で帯電される。イｊＦ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ＵＳＰ第３４１６１５３号明細書に
開示されている方式（ｌｌｅｒｔｚ方式）であって、ノ
ズルとリング状のイ）Ｆ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１１シ市
電極間に掛ける電界強度を記録信号に応して変調するこ
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ＵＳＰ第３第３７４７１仔０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満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
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Ｕｓｐ第３
７４７１２０号明細書に対応）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、サテライトドラ１−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５５−１３２２６５号公報には、記録液を
複数の吐出オリフィスから選択的に吐出させ、液滴とし
て飛翔させる為の作用力を付与する複数の作用室と、該
作用室に記録液を供給する為の供給室が設けられている
マルチオリフィス記録ヘッドにおいて、前記供給室を複
数に分割し、その各々に記録液を供給するようにし、も
って、多数の吐出オリフィスが配列された記録ヘッドに
於て、供給室から作用室へ記録液が定常的に供給され、
高速記録時の吐出応答性・吐出安定性を低下させないよ
うにした液体噴射記録ヘッドが開示されている。

第１７図は、上記特開昭５３−１３２２６５号公報に開
示された液体噴射記録ヘッドの一例を示す図で、図中、
■は吐出オリフィス、２は作用室、３１、３２・・・３
４は、これら作用室に記録液を供給するための供給室で
、この供給室は、所定の数の作用室毎に分離されて設け
られている。各供給室３□、３□、３．及び３４には貯
蔵槽から供給される記録液の導入管４１，４□、４．及
び４．があり、又、これらの導入管は、貯蔵槽に接続し
た供給管に連通している。しかしながら、上記特開昭５
５−１３２２６５号公報に記載の液体噴射記録ヘッドは
、供給室を分割しなければならず構造が複雑になりコス
トアップになる欠点がある。

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、バブルジェット型液体噴射ヘッドにおいて、高速
記録時の吐出応答性、吐出安定性を低下させないインク
供給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。

［□」叉 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前
記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、前記液室１つに対して、前記流路及びオ
リフィスは各々ｎ（自然数）個あり。

かつ、前記記録液体を導入する手段である流入口はＮ（
自然数）個あり、 ２≦Ｎ　　　　　１０Ｎ＜ｎ 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、１１は蓋基板、
１２は発熱体基板、１３は記録液体流入０．１４はオリ
フィス、１５は流路、１６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１本発明は、斯様なバブルジエン１〜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、（、）は定常状態であり
、オリフィス面でインク２０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２１が点在している状態にある。

（ｃ）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、沸騰膜を作り、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相当する分のインク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′市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５〜１
０ｍ／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（、）の状態にもどる過程で、気
泡は完全に消滅している。

而して、第３〜５図に示したヘッドにおいては、オリフ
ィス（流路）は４個であり、液室から流路へのインク供
給は特に問題は生じない。しかしながら、オリフィスの
数が数１０〜数１００と増加した場合、インク供給が充
分になされず、高速記録時における吐出応答性、吐出安
定性が低下することがある。そのような点に鑑み、前記
特開昭５５　１３２２６５号の発明が抛案され、液室を
分割し、それぞれの液室に流入口を設けているが、液室
を分割することにより形状が複雑になりコストアップは
まぬがれない。本発明はかかる点に鑑みなされたもので
あり、液室は分割することなく共通とし、複数の流入口
を設けたものであり、特に、オリフィス数に応じて流入
口の数を決め、最適のインク供給が行われるようにした
ものである。

すなわち、今、オリフィス（流路）の数をｎ（自然数）
、流入口の数をＮ（自然数）とするとき、２≦Ｎ　　’
　　　１０Ｎ＜ｎ なる関係を満足する時、インクの供給不足が生ずること
なく最適に供給される。

第１図は１本発明の一実施例を示す蓋基板１１を裏側か
ら見た平面図であり、オリフィス数ｎ（ｎ、＝３６）、
液室Ｎ　（Ｎ＝３）の場合を示している。なお、ここで
は、蓋基板１１に流路溝１５を形成した例で示したが、
発熱体基板に、フオトレジス１−等で流路壁を形成し、
平板状の蓋をかぶせて成るヘッドにも適用されることは
当然である。

また、本発明は、８〜１６本／圃程度の中〜高密度のオ
リフィス配列をもつヘッドに利用できることはいうまで
もないが、さらに、本発明が本当に威力を発揮するのは
１６本〜３２本／■の非常に高密度にオリフィスが配列
され、かつ、オリフィス数も２５６〜１０２４程度ある
いはそれ以上有するヘッドであって、連続吐出の応答周
波数も４ｋｌｌｚ以上である。つまり、インクを大量に
消費するヘッドである。以下の第１表に実験結果の１例
を示す。なお、ここで使用した流入口に通じるチューブ
内径はすべてφ１．２ｍｍであった。

第１表 上記結果より、２≦Ｎ、１０Ｎ＜ｎを満足するヘッドは
、良好な吐出性能が得られることがわかる。

なお２以上には、気泡発生手段として発熱抵抗体を用い
た例について説明したが、本発明は、上記実施例に限定
されるものではなく、気泡発生手段として、パルスレー
ザ−を用いたり、あるいは、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６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１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
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４ｉ４６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７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２４ノズル／ｍｎ＋）、又、紙５２の紙［口
（たとえばＡ４横１１）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の人口開口に導かれる。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４
８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。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５０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４６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８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６０が、放電装置６１から高電圧のパルス
を受け、記録液体中で放電をおこし、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９図乃至第１６図は、それぞれ第８図に示した放電電
極の具体例を示す図で、 第９図に示した例は、 電極６０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１０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１発生気泡の
位置が安定している。

第１１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１２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１１図
に示した例と同じであり、その変形実施例である。

第１３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５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１４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１３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ｙｅ
ｔ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１５図に示した例は、 第１４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１３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１６図に示した例は。

第１５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１
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、液室
の構造を簡単にし、かつ、高速記録時のインク供給を充
分に行なうことができ、高速記録時に吐出応答性、吐出
安定性を低下させることなくインクを供給することがで
きる。

【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平面
図、第２図乃至第５図は、本発明が適用される液体噴射
記録ヘッドの一例としての発熱抵抗体を用いたバブルジ
エン１−型インクジェット記録ヘッドの一例を説明する
ための図、第６図乃至第１６図は、本発明が適用される
他の型式のバブルジェット型インクジェッ１〜記録ヘッ
ドの例を説明するための図、第１７図は、従来の液体噴
射記録ヘッドの一例を説明するための図である。 １］・・・蓋基板、１３・・・記録液流入口、１４・・
・オリフィス、１６・・・液室。 第 コ 上首 図 第 図 Ｉ！１７ 田 第 図 舶グ 図 第 図 第 ス 図 第 図 第 図 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
   流路に連絡して前記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、前記液室１つに対して
   、前記流路及びオリフィスは各々ｎ（自然数）個あり、
   かつ、前記記録液体を導入する手段である流入口はＮ（
   自然数）個あり、 ２≦Ｎ１０Ｎ＜ｎ なる関係を満足することを特徴とする液体噴射記録ヘッ
   ド。