JPH02510A - 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】 技帆立！ 本発明は、液体噴射記録ヘッド、より詳細には。

バブルを利用してインク滴を噴射させるようにしたバブ
ルジェット型液体噴射ヘッドに関する。

災來皮帆 第１５図は、バブルジェット型液体噴射ヘッドの一例を
説明するための分解斜視図で１図中。

１０は流路板、２０は基板で、流路板１０の下面には直
線状の流路（溝）１１が形成されており、基板２０の上
面には前記流路１１に対応した一部に発熱部２１が設け
られ、各発熱部２１に対して独立電極２２及び共通電極
２３が設けられている。

周知のように、基板２０上に流路板１０を接合した時に
、流路板１０の溝１１と基板２０の上面とでインク流路
が形成され、このインク流路のインり吐出側下面の一部
に発熱部２１が配設された構造となり、該発熱部２１に
よってインクを加熱して該インク中に気泡（バブル）を
発生せしめ、その気泡の体積変化によってインク流路の
端部よりインク滴を噴射させるものである。

第１６図（ａ）〜（ｇ）は、上述のごときバブルジェッ
ト型液体噴射ヘッドにおけるインク滴生成過程を示す図
で、図中、３０はインク、４０は気泡、５０は生成され
たインク滴で、その他流銘板１０゜基板２０１発熱部２
１．独立な極２２、共通電極２３等は第１５図に示した
通りであり、周知のように、加熱部２１を一時的に加熱
することによってインク滴５０を噴射させる。バブルイ
ンクジェットは、上述のようにして、流路内の液体（イ
ンク）を薄膜抵抗体によって通電加熱してインクを急激
に沸騰させ、発生した気泡の圧力作用によって吐出口か
らインク液滴を吐出し、吐出した液滴を紙などの被記録
物に着弾して、記録画素を形成する。

気泡の発生・消滅過程は、ヒーター・流路の構成１通電
加熱条件によって変化し、インクジェット記録装置とし
て実用的であるためには、次のような条件を満足するこ
とが必要である。

（１）吐出に充分な圧力が得られること。

（２）現象の再現性（気泡安定性）が良いこと。

（３）応答周波数が高いこと。

このような条件は１日常的に見られろ線間現象から考え
ろと、達成困難であるように思われろ。

なぜなら、 （１）液滴を吐出させるためには、吐出口の液面の表面
張力に打ち勝って滴形成をさせる必要がある。

ところが１通常の沸騰現象では、沸騰開始温度は液体の
沸点＋数℃以下であり、対応する蒸気圧は大気圧に比べ
てそんなに高くない。

（２）沸騰は、相変化と流れを伴なう複雑な伝熱現象で
あり、電気的・機械的現象に比べてはるかにランダムで
ある。また、高周波数で繰り返し駆動するためには、発
泡から消泡までの応答時間が短くなければならない、と
ころが、通常の導間条件下で温度上昇・下降の時定数を
減少させるには限界がある。

バブルジェット記録装置においては、熱伝導性の高いＪ
、（板の上に熱伝導性の低い薄い層Ｃ’Ｔｉ？！Ｊｅｔ
）および薄い電気抵抗体層（ヒーター）を形成し、極め
て短い加熱パルス（〜数μ５ｅｃ）で高熱流束をインク
に与えることによって、上の条件を満足させている。す
なわち、 （１）薄筒技術によって形成された平滑な伝熱面に高熱
流束を与えることによって、非常に高い温度（水系イン
クの場合〜３００℃）までインクを過熱することができ
る。このときの蒸気圧は、大気圧の数１０倍に達し、液
滴を吐出させるのに充分である。

（２）バブルジェットにおける発泡は、ヒーター面のく
ぼみなどに捕捉された気体が発泡の核になる通常の沸ｆ
ｉｌ！現象と異なり、伝熱面近くのインクが過熱限界に
到達することによって一斉に気化するので、現象の再現
性が高い。

（３）加熱時には、蓄熱層の効果によってインクが充分
に加熱される。加熱時間が短いためごく一部のインク（
ヒーター上〜数μｍ）Ｌか加熱されないうえ、気泡形成
後は、蒸気の断熱効果によってヒーターからの伝熱はほ
とんど停止する。従って、気泡の成長とともにインクの
温度および気泡内の圧力は、急激に低下し、キャビテー
ション気泡の状態となる。気泡の消滅速度は極めて大き
く、消泡時に１１１ｆ５によるヒーターの破壊が問題と
なるほどである。余分の熱は、蓄熱層を通過して鳩仮に
逃げる。

而して、上述のごときバブルジェット型液体噴射装置に
おいて、特公昭５９−４３３１４号公報に記載された発
明においては、発熱体を、その吐出オリフィス寄りの縁
部が吐出オリフィスから。

この吐出オリフィスの口径骨の長さをｄ（・・・・・・
但し、吐出オリフィスの形状は１円形、角形等、任意の
形状であり得るので、一般にはその最大径を以て、その
口径骨の長さと見なす、）とするとき、ｄ乃至５０ｄの
範囲で離間するように作用室内に設定するのが良いとし
ている。換言すれば、該公報に記載された発明において
は、吐出性能の安定化を図るために発熱体の位置を規定
しているが、安定吐出条件を得るには、ただ単に発熱体
の位置を規定すればよいというものではない、上記公報
に記載の発明は、単に幾何学的寸法を規定して安定吐出
を得ようとしているが、安定吐出条件は。

インク物性、インク温度、加えるパルス電圧、パルス巾
、パルス波形、発熱体材料等もろもろの条件が最適に選
ばれた時にはじめて得られるものである。而して、これ
らもろもろの条件が最適に選ばれた時の現象の集体酸と
なるのが気泡の発生〜成長〜収縮〜消滅現象であり、こ
の気泡生成のメカニズムに言及しないで発熱体の位置の
みを規定しているのは、片手落ちといわざるを得ない、
又、吐出インク滴は、体積の次元（長さの３乗）をもっ
ているため、上記公報に記載された発明のようにｄとい
う長さだけで論するのはあまりに乱暴であり、物理学的
にみても信憑性の低いものであるといわざるを得ない。

ｌ−一首 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の吐出性能を向
上させることを目的としてなされたものである。

歳−−」文 本発明は、上記目的を達成するために、先端に吐出オリ
フィスを備えたオリフィス側端部と、Ｓエネルギー作用
部と、該熱エネルギー作用部に連通して該熱エネルギー
作用部に液体を供給するための流入口を備えた流入口側
端部とを有する記録ヘッドを使用し、前記熱エネルギー
作用部にパルス状エネルギーを加えることにより、パル
ス状エネルギーに応じて前記液体中に気泡を生じせしめ
。

該気泡の体積増加にともなう作用力で前記吐出オリフィ
スより噴射される液体を液滴として飛翔させ、該、１滴
を被記録面に付着させて記録を行なう液体噴射記録ヘッ
ドにおいて、前記熱エネルギー作用部と前記吐出オリフ
ィスとを連通ずる流路の前記熱エネルギー作用部の前記
オリフィス側の端部から吐出オリフィス外側面までにお
ける前記流路の容積をＶｃとし、前記気泡が最大気泡と
なった時の気泡体積をＶ　ｂｍａｘとする時。

なる関係式を満足するような構造を有することを特徴と
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。

第１図は、本発明の一実施例を説明するための要部透視
斜視図、第２図は、断面図で、図中。

２１は熱エネルギー作用部、２５はオリフィス吐出０．
３０はインク、４０は気泡、Ｌは流路、Ｓは吐出オリフ
ィス外側面、Ｖｃは熱エネルギー作用部の吐出側端部か
ら吐出オリフィス外側面までにおける流路の容積、Ｖｂ
ｍａｘは１発生気泡が最大になった時の気泡体積である
。今、熱エネルギー作用部にパルス状電気信号を与える
と熱エネルギー作用部には、第５図で説明したようにし
て気泡４０が発生する。この気泡は、第２図に矢印にて
示したように吐出オリフィス側とインク供給側へほぼ均
等に広がっていく、従って、気泡の体積増加にともなう
インク吐出力は、第２図で示した中心線Ｌ−Ｌでわけた
左半分が原動力となる０本発明者はこの点に着眼し、　
ＶｂｍａｘとＶｃの関係が。

Ｖｂｍａｘ ＜　Ｖ　ｃ・・・（１） となるような構造のときに、インク滴吐出が安定して行
なわれることを、実際に多種多様の記録ヘッドを設計製
作し、実験を繰り返して見い出した。

第３図は１本発明の条件を満たさない場合の例である。

すなわち、 のような時、第３図のｔがあまりに小さいため、インク
滴１滴を吐出するのに充分な気泡膨張がおこる前に、ｔ
が徐々にＯに近づいていき、最後に気泡が破泡するとい
う現象がおこる。従って、実際のヘッドでは、インクは
、滴とはならずミスト状に飛散することになり、良好な
印字は望めない。

なお、気泡生成のメカニズムは、前述のようにもろもろ
のパラメータが最適値をとった場合に、最適の条件が得
られる。本発明ではＶｂｍａｘというもろもろのパラメ
ータをすべて含有した気泡体積で表現しているため、普
遍性が高く、インク物性その他が変わっても、杵遍的に
成立する。

なお１以上には５発熱体に通電することによって気泡を
発生させろバブルジェットについてを説明したが、他に
、パルスレーザを照射したり、或いは放電によって気泡
を発生させる方式のバブルジェットもあり、本発明は、
それらの方式の場合にも適用される。

第４図は、気泡発生手段としてレーザ光を使用した場合
実施例を説明するための気泡発生部の構成を示す図で、
レーザー発振器６０より発生されたレーザー光は、光変
調器６１において、光変調器駆動回路６２に入力され、
該光変調器駆動回路６２において電気的に処理され、該
駆動回路６２より出力されろ画情報信号に従ってパルス
変調されろ、パルス変調されたレーザー光は、走査器６
３を通り、集光レンズ６４によって気泡発生部の外壁に
焦点が合うように集光され、外壁を加熱し、内部の気泡
発生液３０内で気泡を発生させる。

あるいは、気泡発生部の壁は、レーザー光６５に対して
透過性の材料で作られ、集光レンズ６４によって、内部
の気泡発生液３０に焦点が合うように集光され、気泡発
生液３０を直接加熱することによって、気泡を発生させ
てもよい。

次に、第５図を参照して、第４図に示したレーザ光を利
用したプリンターについて説明をする。

ノズルは高密度に（たとえば、４ノズル／１１１１）。

又１紙中（たとえば、Ａ４横巾）すべてにわたってカバ
ーされるように集積されているものとする。

レーザー発振器６０より発振されたレーザー光は。

光変調器６１の入口開口に導かれる。光変調器６１にお
いて、レーザー光は、光変調器６１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ー光
は１反射鏡６６によってその光路をビームエキスパンダ
ー６７の方向に曲げられ、ビームエキスパンダー６７に
入射する。ビームエキスパンダー６７により平行光のま
まビーム径が拡大される１次に、ビーム径の拡大された
レーザー光は、高速で定速回転する回転多面鏡６８に入
射される０回転多面鏡６８によって掃引されたレーザー
光は、集光レンズ６４によりドロップジェネレータの気
泡発生部７０の外壁もしくは、内部の気泡発生液に結像
する・それによって・各気泡発生液用流路内の気泡発生
液には、気泡が発生し、記録液滴を吐出し、記録紙８０
に記録が行なわれる。

第６図は１本発明の他の実施例を説明するための気泡発
生部の構成を示す図で、この実施例は、気泡発生液用流
路の底に、一対の放電電極９１を配置し、水中放電によ
り、気泡を発生するものである。放電電極９１は、気泡
発生液用流路の底に。

平板、針等を立体的に配置したり、あるいは、蒸着、エ
ツチング等のフオトフアプリケーシゴン技術により、平
面的に配置したりすることも可能である。気泡発生部の
内壁側に配置された一対の放電電極９１は、放電装Ｆ１
１９０から高電圧のパルスを受け、水中で放電をおこし
、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。

第７図乃至第１４図は、前記放電電極９１の具体例を示
す図で、第７図に示した例は、電極を針状にして、電界
を集中させて効率よく（低エネルギーで）放電をおこす
ようにしたものである。

第８図に示した例は、電極９１を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、発生気泡の位置が安定している。

第９図に示した例は、第８図に示した電極にほぼ同軸の
穴をあけたもので、２枚の電極の両穴がガイドになって
１発生気泡の位置はさらに安定する。

第１０図に示した例は、リング状の電極の例であり、基
本的には第９図に示した例と同じであり。

その変形例である。

第１１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、リング状電極により１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
る効率を狙ったものである。

第１２図に示した例は、一方のリング状電極を、気泡発
生部の壁面に形成したもので、第１１図に示した例の効
果に加えて、基板上に平面的に′な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
な電極は、蒸着（又はスパッタリング）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を製
作することができ、特に、マルチアレイに威力を発揮す
る。

第１３図に示した例は、第１２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、やはり発生気泡の安定性を狙ったもので
あり、第１２図に示した例よりも３次元的なガイドを付
は加えた分だけ安定する。

第１４図に示した例は、第１３図の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で、やはり
１発生気泡は安定して形成される。

匁−一一果 以上の説明から明らかなように、本発明によると、上記
（１）式の条件を満たすような構造をとることにより、
均一インク滴の吐出、インク滴の切れのよい吐出、サテ
ライト滴のない吐出、ミスト状に飛散しない吐出等とい
った安定した吐出性能を有するバブルジェット型の液体
噴射ヘッドを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるバブルジェット型液体噴射ヘッ
ドの一実施例を説明するための要部透視斜視図、第２図
は、断面図、第３図は１本発明の条件を満たさないヘッ
ドの一例を示す図、第４図乃至第１４図は、それぞれ気
泡発生部の他の例を説明するための図、第１５図は、バ
ブルジェット型液体噴射ヘッドの一例を説明するための
分解斜視図、第１６図は、その動作説明をするための図
である。 ２１・・・エネルギー作用部、２５・・・吐出口、３０
・・・インク、４０・・・気泡、５０・・・インク滴、
６０・・・レーザ発振器、６１・・・光変調器、６２・
・・光変調駆動回路、６３・・・走査器、６４・・・集
光レンズ、６５・・・レーザ光、６６・・・反射鏡、６
７・・・ビームエキスパンダー、６８・・・回転多面鏡
、７０・・・気泡発生部。 ８０゛°・記録紙、９０・・・放電装置、９１・・・放
電電極。 第　３　図 第 図 第 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 ；１５　　コ （Ｃ） （ｅ） Ｃ二二二 硼 （〉−二二一一 （ｇ）Ｏ ！−−− 「−一一一一一

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 先端に吐出オリフィスを備えたオリフィス側端部と、熱
   エネルギー作用部と、該熱エネルギー作用部に連通して
   該エネルギー作用部に液体を供給するための流入口を備
   えた流入口側端部とを有する記録ヘッドを使用し、前記
   熱エネルギー作用部にパルス状エネルギーを加えること
   により、パルス状エネルギーに応じて前記液体中に気泡
   を生じせしめ、該気泡の体積増加にともなう作用力で前
   記吐出オリフィスより噴射される液体を液滴として飛翔
   させ、該液滴を被記録面に付着させて記録を行なう液体
   噴射記録ヘッドにおいて、前記熱エネルギー作用部と前
   記吐出オリフィスとを連通する流路の前記熱エネルギー
   作用部の前記吐出オリフィス側の端部から吐出オリフィ
   ス外側面までにおける前記流路の容積をＶｃとし、前記
   気泡が最大気泡となった時の気泡体積をＶｂｍａｘとす
   る時、Ｖｂｍａｘ／２＜Ｖｃ なる関係式を満足するような構造を有することを特徴と
   する液体噴射記録ヘッド。