JPH02187353A - インクジェット記録ヘッド - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明はインクジェット記録ヘッドに関し、詳しくは熱
エネルギーによってインク中に気泡を発生させ、この気
泡の状態変化によってインクを吐出するインクジェット
記録ヘッドに関する。

７）前記気泡排除室に凹部が形成されたことを特徴とす
る請求項１ないし３のいずれかに記載のインクジェット
記録ヘッド。

８）前記インク液路、前記気泡排除室および前記共通液
室の各々を構成する少なくとも一部は一体に形成された
ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の
インクジェット記録ヘッド。

（以下余白） ［従来の技術］ この種のインクジェット記録ヘッドでは、熱エネルギー
を発生する吐出用ヒーターが設けられたインク液路と、
この後端にインクを供給するための共通液室が隣接して
設けられていた。この構成において、記録のためのイン
ク吐出を繰り返すと、上記気泡の状態変化に伴なって発
生するインク中の溶存気体がインク吐出後もインク中に
残り、インクに再溶解できずに微細気泡としてインク液
路内に取り残される。これが後方の共通液室に押し出さ
れて共通液室内に滞溜し、次々と送り出される微細気泡
がしだいに集合して大型化する。その後、共通液室をふ
さぐまで気泡が大型化すると、インクの流れに従って気
泡がインク液路方向に移動しインク液路内を塞ぐ程の気
泡が進入してインクの流れを止めてしまう。

この原理の詳細について第１１図（Ａ）およびＣＢ）を
参照して説明する。第１１図（Ａ）に示されるように、
上述した記録ヘッドでは、インクに熱エネルギーを付与
し、このインクの気化／凝縮に°より吐出用気泡１の膨
張／収縮を行ない、これを吐出エネルギーとする。この
際インクに含まれる溶存気体等も同時に気化するが、こ
れら溶存気体は気泡１の収縮に追随して高速で再溶解す
ることが出来ない為インク液路内に微小気泡２として取
り残される。

この取り残された気泡２のうちヒーター５１より後方に
存在する気泡２は次の発泡時に発生する圧縮波により共
通液室７の方向へ穆勤する。このような場合、気泡２が
インク液路６内にあるときはインク液路内断面積は小さ
いため高速で移動するが、この気泡が共通液室７へ到達
すると、共通液室内断面積はインク液路のそれにくらべ
て大きい為急速に速度が低下する。この為、微細気泡２
は共通液室７の内部で滞溜する。

記録のためのインク吐出に伴なつて次々に移動して滞溜
する気泡が合体し、共通液室的気泡３として徐々に大型
化する。この合体した気泡３は、大型化すると体積に対
する表面積の割合が減少する為溶解するための時間が極
端に増大する。

さらに、第１１図（Ｂ）　に示すように大型化が進むと
、共通液室７の断面方向を気泡３が塞ぐ様になり、各イ
ンク液路６へのインク供給をさまたげる様になる。すな
わち、この程度まで成長すると、気泡３は各インク液路
６へ進入しインク吐出を停止させる様になる。

また、気泡３が完全に共通液室７の断面積方向を塞ぐ程
度に至らなくともインク流動は妨げられる。このような
場合に吐出デユーティ−が高くなってインク流路への大
きなインク供給速度を必要とするときには、不吐出をお
こす確率が増大する。

従来、この様な不吐出が発生した場合には、例えばイン
クジェットプリンタ本体に備えられた回復ポンプによっ
て吐出口からインクを吸い出し、これにより気泡３をイ
ンク液路外へ吸い出して吐出回復を行なう方法がとられ
てきた。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、昨今、ユーザーのメンテナンス性を高める為
、あるいは記録ヘッドのコストを低下させる為に一定イ
ンク量のタンクを一体としてインクを使い切ると記録ヘ
ッドも同時に交換する使い捨てタイプのインクジェット
記録ヘッドが注目されつつある。

このタイプの記録ヘッドの場合、キャリッジのサイズ、
本体サイズ、ランニングコスト等の観点から約２００ｃ
ｃ以下のインク量を搭載する記録ヘッドとなる。従って
上述した、共通液室内に気泡が滞溜することによる吐出
不良がこのインク量の吐出を終了するまで生じなければ
プリンタの吐出回復系は非常に簡素化される。

また使い捨てタイプのインクジェット記録ヘッドに限ら
ず、上記吐出不良が生じなければ吐出回復系およびその
操作が簡素化される。

本発明は上述の観点に立ってなされたものであり、その
目的とするところは熱エネルギー発生素子が配設される
インク液室と、インクを供給する為の共通液室との間に
気泡排除室を設けることにより、共通液室内の気泡が大
型化しても常にインク液室にインクを供給することが可
能なインクジェット記録ヘッドを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ そのために本発明ではインク吐出のための吐出口を、吐
出口に連通し、インク吐出のために利用される熱エネル
ギーを発生する熱エネルギー発生素子を配設したインク
液路と、インク吐出に伴ないインク液路にインクを供給
するために設けられ、インク液路の後方に配設された共
通液室と、を有し、インクを吐出して記録を行なうイン
クジェット記録ヘッドにおいて、インク液路と共通液室
との間に、インク液路の断面積より大きく、かつ共通液
室の断面積より小さな断面積を有した気泡排除室を設け
たことを特徴とする。

［作　用］ 以上の構成によれば、インク吐出に伴なってインク液路
で発生した微細気泡は気泡排除室において後方へ移動さ
せられ、共通液室に滞溜する。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

実施例を説明する前に本発明の原理について第１図　（
Ａ）および（Ｂ）を参照して説明する。

第１図（Ａ）から明らかなようにインク吐出毎に発生す
る微細気泡２は吐出毎に共通液室方向へ移動する。その
後、微細気泡２は本発明にかかる気泡排除室１０へ到達
するが、この気泡排除室ｌＯの断面積は前述のようにイ
ンク液路６に対して共通液室７程急激に増大しない為気
泡排除室ｌＯでの気泡移動速度はそれほど低下せず、気
泡を移動させる速度は確保される。

この結果、微細気泡はわずかながら合体しなから残溜気
泡２八とし共通液室方向へ移動する。共通液室７では気
泡２＾はさらなる合体をし、蓄積された気泡３Ａへと成
長していく。

ところが、第１図（Ｂ）に示すように、インクの供給時
に蓄積気泡３Ａが前へ押しやられても、気泡排除室ｌＯ
の存在により気泡３Ａはインク液路方向への移動が阻止
され、また、従来のような共通液室断面積とインク液路
断面積における断面積の急激な変化がない為、その境界
部で発生するインク供給時の流速は大きくならずに気泡
３Ａは排除室１０より前方へ入っていけない。さらにこ
の場合、第１図（Ｂ）に示すように、気泡排除室１０は
横方向において共通液室７と連通を確保しているため排
除室１０を介してインク液路６へのインク供給が可能で
あり、これにより吐出が停止する様な不具合を回避でき
る。

そして、記録ヘッドが使い捨て型のものである場合、共
通液室７が吐出インク量に対して充分大きければ、イン
クカートリッジ内のインクを使い切る間は前述した様な
不吐出を発生することはなく、プリンタの回復系の簡素
化を計ることが可能となる。

第・２図は本発明の一実施例に係るインクジェット記録
ヘッドを示し、インクタンクを一体としたディスポーザ
ブルなものである。

図に示すインクジェット記録ヘッドは第１図に示したよ
うに、インク液路、気泡排除室、および共通液室を構成
するための凹部（以下、溝）を−体に形成した天板と、
吐出エネルギーを発生するための電気熱変換体（以下、
吐出ヒータ）およびこれに電気信号を供給するためのへ
λ配線とが成膜技術によってＳｉ基板上に形成された基
板（以下、ヒータボード）とを接合することによって構
成される記録ヘッド本体（不図示）を具え、同図には吐
出口８のみが示される。

また、図中６００は記録ヘッド本体に隣接して配設され
るサブインクタンクであり、このサブインクタンク６０
０および上記本体は蓋３００および８００によって支持
される。さらに、１０００はカートリッジ本体、１１０
０はカートリッジ本体の蓋部材である。カートリッジ本
体内部にはインクタンクが内蔵され、サブインクタンク
６００に適宜インクを供給する。　以下、第１図示の構
成を用いた実施例について説明する。

第１図において、Ｓｔ、ガラス、セラミックス等で形成
される基板５上に予め薄膜で形成された発熱素子５１（
吐出ヒータ）を設けた。この基板（ヒーターボード）５
に予めインク液路６．共通液室７．気体排除室１０を形
成するための凹部を設けたモールドの天板４を貼り合せ
る。天板４は、ＰＳ、ＰＳＦ、ＰＥＳ、変性ＰＰＯ，Ａ
ＢＳ、ＰＯＭ、ＰＰＳ等の樹脂より成る。ヒーターボー
ド５はＰＣＢ等が設けられたベースプレート（不図示）
に設置され、記録ヘッド本体が構成される。前記配線と
ヒーターボード５に設けられた配線とはＡｊ２ワイヤー
ボンディングにより電気的接続が行なわれる。このよう
に、構成された記録ヘッド本体は発泡ウレタン等の吸収
体にインクを保持させたインクタンクに取りつけられ、
吸収体からインクを供給する様タンクとヘッド本体との
間の連通口を設けて第２図に示すようなディスポーザル
タイプのインクジェット記録ヘッドとする。

またヒーターボード５は配線の取り出し口を少なくする
ため予めダイオードによる機能素子を設け、マトリクス
駆動する様にした基板を用いた。

インク液路６の設計値は、吐出口を直径３２μｍの丸穴
とし、インク液路６の高さは４０μｍ、インク液路長は
４００　ｐｍ　、気泡排除室ｌＯの高さおよび長さは８
０μｍおよび２００μｍ、共通液室７の高さは５００μ
ｍ、その長さは２ｍｍとした。

また、記録ヘッドは、６４個の吐出口を有し、記録密度
３６０ｄｐｉ、駆動周波数４ＫＨｚで、キャラクタ−を
記録して実施例の評価を行なった。

この結果、気泡排除室１０を設けない記録ヘッドでは吐
出量が２　Ｘ　１０’パルス／ヘツドで不吐出となった
が、本例の気泡排除室付記録ヘッドでは、６　ｘ　１０
’パルス／ヘツドと約３０倍の吐出量で不吐出となり、
従来に比してより多くの記録を行なうことが可能となっ
た。

一般に、通常の記録では、記録信号によっては吐出する
インク液路と吐出しないインク液路とが混在する。この
緑な場合、吐出を連続して行なう部分と吐出しない部分
の間で微細気泡が逆流する現象が発生することがある。

この様な現象を防止する為、以下の様な他の実施例が提
案される。

第３図は本発明の他の実施例を示す記録ヘッド本体の断
面図である。

気泡排除室１０は出来るだけ気泡を後方へ押し出し易く
、かつ共通液室７の気泡が入り込みにくい構造が望まし
い。そこで、本例では気泡排除室１０の土壁１０＾を波
状構造とし、壁面を伝わる気泡が逆流しにくく、押し出
すには容易となる形状とする。

第４図は同様に本発明の他の実施例を示す記録ヘッド本
体の断面図であり、第３図の実施例と同様に気泡を移動
させるインク流速を確保出来る範囲で、共通液室方向に
むかって順次気泡排除室の高さを高くなるよう上壁１０
Ｂを形成する。これにより、壁面をったう気泡が一度後
方へ押しやられると、逆流しづらくなり、気泡を容易に
後方へ排除することが可能となる。

第５図は本発明の他の実施例を示す記録ヘッド本体の断
面図である。

同図に示すように、共通液室７の気泡が気泡排除室１０
へ逆流するのを出来るだけ防止する為に共通液室１０の
土壁に気泡のトラップ部７Ａを設けることにより気泡を
保持し、インク液路方向へ気泡が引っばられるのを防止
する。

このトラップ部７八を形成する方法としては、共通液室
７の土壁の一部に澄水剤を塗布したり、化学的エツチン
グにより表面を粗らすことにより、気泡をトラップしや
すい面を形成する。

ところで、上述した様な気泡排除室を形成する上で、樹
脂フィルムを積層して、インク液路が形成されたインク
液路上に、気泡排除室を形成する為のスペース板２０を
設けた構造とすると（第７図参照）、形成する上では非
常に容易ではあフても、長期間の使用に亘った場合、気
泡排除室を形成するスペース板２０の天板４に対する密
着力低下が生じ同図に示す様に、最悪の場合はインク液
路を塞ぐ障害物となってしまい、いちぢるしく記録品位
を損なう結果となる。

従って、本発明の実施例では、例えば第１図に示す様に
モールド成形によって気泡排除室とインク液路とを一体
で形成する。

第７図（Ａ）および（Ｂ）は本発明の他の実施例を示す
記録ヘッド本体のそれぞれ側断面図および下断面図であ
る。

本例は吐出口を複数配置した所謂マルチノズル型の記録
ヘッドに本発明を適用した場合を示し、気泡排除室１０
の一部に溝部２１を設け、インクの流路を数か所におい
て確保するようにしたものである。この溝２１によりど
のインク液路にも均等にインクの流れが確保され、特に
気泡が大きく成長した際にも、吐出に必要なインクは各
インク液路へ十分に供給される。

さらに、数千のオリフィス等の吐出口を有する様なフル
マルチ型記録ヘッドに本例を適用すれば、局部的に不吐
出となることなく、吐出を長時間持続できる。

第８図（Ａ）および（Ｂ）は本発明の他の実施例を示す
記録ヘッド本体のそれぞれ側断面図および下断面図であ
る。

上述してきたように、気泡排除室１０は各インク液路６
の配列に対応して長平方向に設けられており、インク吐
出の際にインク液路で発生する微細気泡を後方へ押しや
る構造となりているが、インクのりフィル時にはインク
の供給源ともなる。このため、第８図に示す様に、少な
くともインク注入口４１から気泡排除室１０に連なるよ
う、共通液室７の側壁部に気泡排除室１０と同じ高さの
インク供給の為の溝１０１を設け、さらなる本例の効果
を得ることが可能となる。

すなわち、気泡排除室１０から排除された気泡は共通液
室７内の気泡室で徐々に成長するが、このインク供給溝
１０１へは液室７と高さが異なる為に入っていけず、常
にインクの供給の為の供給路が確保される。これにより
、不吐出に至るまでの時間が長くなる。

また、例えば回復の為のボンピングの際は、液室７にお
ける流体抵抗が低いため、容易に気泡を取りだすことが
可能である。

さらに、第８図に示す様に、インク供給溝１０１は液室
７の全周囲に設けても同様の効果が得られる。

第９図は以上で説明してきた記録ヘッド本体各部の寸法
関係を説明するための側断面図である。

気泡排除室１０は、インク液路６で発生した微細気泡を
、吐出が行なわれるごとに後方の共通液室７へ排除する
ために最適な形状設定が必要とされる。

まず、インク液路内において、インク吐出の為の気泡の
膨張が始まると、吐出ヒータ５１の配設部位を中心とし
て吐出方向と共通液室方向へ、急激な気泡の体積変化に
よる速度ｖ１での流体の移動が発生する。このｖｌは気
泡排除室に至ると、断面積の増加により減速され速度ｖ
２に変化する。このＶ。

とｖ２は、インク液路断面積を５１、気泡排除室断面積
を５２すると連続の式より、 ＶＩ　Ｘ　Ｓｌ＝　Ｖ２Ｘ　Ｓ２　　　　　　　　　　
　　（１）となり、ここで、マルチノズルの場合、ＳＩ
と５２との比はほぼインク液路高さｈｌと気泡排除室高
さｈ２とに比例するため、 ｖ、ｘ　ｈ１４Ｖ２ｘ　ｈ、（２） となる。

この速度ｖ２により、微細気泡は気泡排除室ｌＯを移動
して共通液室７に到達する。このｖ２が有効に作用する
時間ｔ２は、吐出用気泡が発生して消滅するまでの時間
であり、その後は徐々にインク液路方向へのりフィルを
開始する。この間に、気泡は速度ｖ２により気泡排除室
１０の長さ１２以上の移動をしなければならない。従っ
て、 Ａ　２　＜　Ｖ２　Ｘ　ｔ２（３） が成たたなければならない。（２）式より（３）式はさ
らに、本例の吐出方式の場合、し、は約５０μｓ、イン
ク液路内速度ｖ１が約１０ｍ／ｓであることから、 が満足される構造が望ましい。

また、仮りに微細気泡が排除室ｌＯの途中にとどまフて
も、リフィルする液路的速度Ｖｌ’　は約０．４ａ＋／
ｓとかなり遅く、２回もしくは数回の・発泡の繰り返し
のうちに後方の液室へと排除される。

さらに、後方の共通液室７の高さｈ３を、ｈ、およびｈ
２にたいして十分に大きくとっておけば、液室７での流
速は極端に小さくなり、排除された気泡はその周辺で後
からくる気泡と合体し、吐出には影響のない状態で徐々
に増大する。

以上説明した記録ヘッド本体は、第２図に示すようなカ
ートリッジ形態で得ることができ、さらにこれを用いて
第１０図のようなインクジェットブリンク、すなわち、
ディスポーザブルのカートリッジを用いるインクジェッ
トプリンタを構成することができる。

なお、第１０図において８０は第２図に示したカートリ
ッジであり、このカートリッジ８０は、押え部材８１に
よりキャリッジ１５の上に固定きれており、これらはシ
ャフト２１に沿って長手方向に往復動可能となっている
。また、キャリッジ１５に対する位置決めは、例えば蓋
３００に設けた穴と、キャリッジ１５側に設けたダボ等
により行うことができる。

さらに、電気的接続は配線基板に設けた接続パッドに、
キャリッジ１５上のコネクタを結合させればよい。

記録ヘッドにより吐出されたインクは、記録ヘッドと微
少間隔をおいて、プラテン１９に記録面を規制された記
録媒体１８に到達し、記録媒体１８上に画像を形成する
。

記録ヘッドには、ケーブル１６およびこれに結合する端
子を介して適宜のデータ供給源より画像データに応じた
吐出信号が供給される。カートリッジ８０は、用いるイ
ンク色等に応じて、１ないし複数個（図では２個）を設
けることができる。

また、第１Ｏ図において、１７はキャリッジ１５をシャ
フト２１に沿フて走査させるためのキャリッジモータ、
２２はモータ１７の駆動力をキャリッジ１５に伝達する
ワイヤである。また、２０はプラテンローラ１９に結合
して記録媒体１８を搬送させるためのフィートモータで
ある。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、イン
ク吐出に伴なってインク液路で発生した微細気泡は気泡
排除室において後方へ移動させられ、共通液室に滞溜す
る。

この結果、微細気泡が合体して形成される蓄積気泡は共
通液室に溜まり、インク液路へのインク供給路を塞ぐこ
とを防止できる。

また、連続吐出により、蓄積気泡が増大しこれによって
不吐出に至る時間を従来に比較して長くすることができ
、吐出回復系を簡素化できる等の利点が得られる。

さらに、所定のインク量、例えば使い捨て記録ヘッドと
一体のインクタンクが貯溜するインク量を使い切る間上
記不吐出を生じないようにした記録ヘッドを得ることも
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）およびＣＢ）は本発明の一実施例を示し、
本発明の詳細な説明するためのインクジェット記録ヘッ
ド本体のそれぞれ側断面図および下断面図、 第２図は本発明の一実施例に係る記録ヘッドカートリッ
ジの斜視図、 第３図〜第５図はそれぞれ本発明の他の実施例を示す記
録ヘッド本体の側断面図、 第６図（Ａ）および（Ｂ）は本実施例の気泡排除室をイ
ンク液路と別体に構成した場合の問題点を説明するため
の側断面および正面図、 第７図（Ａ）および（Ｂ）は本発明の他の実施例を示す
記録ヘッド本体のそれぞれ側断面図および下断面図、 第８図（＾）および（Ｂ）は本発明のさらに他の実施例
を示す記録ヘッド本体のそれぞれ側断面図および下断面
図、 第９図は本発明の実施例を示す記録ヘッド本体各部の寸
法関係を説明するための側断面図、第１θ図は本発明の
実施例による記録ヘッドを搭載可能なインクジェット記
録装置の一例を示す斜視図、 第１１図（Ａ）および（Ｂ）　はそれぞれインクジェッ
ト記録ヘッドの一従来例を示す側断面図である。 １・・・吐出用気泡、 ２・・・微細気泡、 ２八・・・残溜気泡、 ３Ａ・・・蓄積気泡、 ４・・・天板、 ５・・・基板（ヒーターボード）、 ６・・・インク液路、 ７・・・共通液室、 ７八・・・気泡トラップ部、 ８・・・吐出口（オリフィス）、 ｌＯ・・・気泡排除室、 ｌＯ八・・・波状土壁、 １０Ｂ・・・多段状土壁、 ２１・・・溝部、 ５１・・・電気熱変換体く吐出ヒータ）、１０１・・・
インク供給溝。 第２図 第３図 第４図 第５図 第７図 １゜ 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）インク吐出のための吐出口を、該吐出口に連通し、
   インク吐出のために利用される熱エネルギーを発生する
   熱エネルギー発生素子を配設したインク液路と、インク
   吐出に伴ない前記インク液路にインクを供給するために
   設けられ、前記インク液路の後方に配設された共通液室
   と、を有し、インクを吐出して記録を行なうインクジェ
   ット記録ヘッドにおいて、 前記インク液路と前記共通液室との間に、前記インク液
   路の断面積より大きく、かつ前記共通液室の断面積より
   小さな断面積を有した気泡排除室を設けたことを特徴と
   するインクジェット記録ヘッド。 ２）前記インク液路の液高さをｈ、前記気泡排除室の液
   高さおよび長さをそれぞれｈ＿２およびｌ＿２としたと
   き、 ｌ＿２×（ｈ＿２／ｈ＿１）＜５００μｍ が成り立つことを特徴とする請求項１に記載のインクジ
   ェット記録ヘッド。 ３）前記共通液室の側部には、該共通液室の高さより低
   い高さで前記気泡排除室に連通するインク供給溝が形成
   されたことを特徴とする請求項１または２に記載のイン
   クジェット記録ヘッド。 ４）前記気泡排除室の上壁面は波形状になっていること
   を特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のイン
   クジェット記録ヘッド。 ５）前記気泡排除室の上壁面は階段状をなし、該階段の
   高さが前記共通液室に向かって順次高くなるよう設けら
   れたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記
   載のインクジェット記録ヘッド。 ６）前記共通液室の上壁部に気泡トラップ部が設けられ
   たことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載
   のインクジェット記録ヘッド。 ７）前記気泡排除室に凹部が形成されたことを特徴とす
   る請求項１ないし３のいずれかに記載のインクジェット
   記録ヘッド。 ８）前記インク液路、前記気泡排除室および前記共通液
   室の各々を構成する少なくとも一部は一体に形成された
   ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の
   インクジェット記録ヘッド。