JPH0688413B2

JPH0688413B2 - 液体噴射記録ヘッド

Info

Publication number: JPH0688413B2
Application number: JP63066838A
Authority: JP
Inventors: 卓朗関谷
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1988-03-18
Filing date: 1988-03-18
Publication date: 1994-11-09
Anticipated expiration: 2009-11-09
Also published as: JPH01238948A

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
ジェット型インクジェット記録ヘッドの流路及び共通液
室に関する。

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USP3060429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、一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USP3596275、USP3298030等に開示
されている方式（Sweet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、この発生された帯電量の制御された小滴を、一様の
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
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USP3416153に開示されている方式
（Hertz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USP3747120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徴を有するもので
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
ライトドット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。而乍ら、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USP3747120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、サテライトドットの発生およ
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、特開昭56−84975号公報においては、記録液の流
路としての複数の細孔と、これらの細孔のすべてが連絡
している中継液室とを備え、前記細孔中に在る記録液を
それに印加される圧力波によって前記細孔の一端を吐出
口として小液滴状に吐出、飛翔させる記録ヘッドにおい
て、前記中継液室内に、連続空孔を有する多孔性物室か
らなる膜を配し、この膜によって前記圧力波を吸収する
か或いはその伝播を阻止するようにした液体噴射記録ヘ
ッドが開示されている。

而して、上記特開昭56−84975号公報に記載された発明
においては、中継液室内に多孔性物質からなる膜を配し
て圧力波を吸収或いはその伝播を阻止するようにしてい
るが、単なる膜では充分に圧力波を吸収したり或いは伝
播を阻止するのに充分ではなく、依然としてクロストー
クが残り、また、膜を配するための工程が一つ増えるた
め、コストアップにつながる等の問題がある。

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、バブルジェット型インクジェットのマルチアレイ
において、クロストークをなくすこと、及び、吐出性能
を均一にすることを目的としてなされたものである。

構成本発明は、上記目的を達成するために、記録液体を収容
するための部屋と、前記記録液体を小滴として吐出させ
るための複数の吐出口と、前記部屋と該吐出口を連絡す
る断面が矩形形状で平行に並べられた複数の流路と、前
記部屋に開口して設けられた記録液体供給用の円形形状
流入口と、前記流路中の前記記録液体に熱エネルギーを
与える熱エネルギー発生手段と、前記部屋の一部、前記
流路の一部及び前記流入口が形成された蓋基板と、該蓋
基板と係合し前記部屋、及び前記流路を構成し、該流路
に対応して設けられた前記熱エネルギー発生手段を有す
る基板と、から成り、前記蓋基板が、縦波の音響インピ
ーダンスが1.0×10⁷Ｎ・S/m³以下の樹脂の一体成形で形
成されてい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図は本発明が適用されるインクジェット記録ヘッド
の一例を示す図で、（ａ）図はヘッド斜視図、（ｂ）図
はヘッドを構成する蓋基板の斜視図、（ｃ）図は発熱体
基板２の斜視図、（ｄ）図は蓋基板を裏側から見た斜視
図、第２図は、、本発明が適用されるバブルジェット型
記録ヘッドの一例を説明するための図で、図中、１は蓋
基板、２は発熱体基板、３は記録液体流入口、４はオリ
フィス、５は流路、６は液室を形成するための領域、７
は個別（独立）電極、８は共通電極、９は発熱体であ
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９が加熱されて、ヒータ９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11が点在している状態にある。

（ｃ）はヒータ９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11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10が押し出され
る。この時、ヒータ９には電流が流れていない状態にあ
り、ヒータ９の表面温度は降下しつつある。気泡11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11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11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５〜10m/
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。

本発明は上述のごときバブルジェット型液体噴射記録ヘ
ッドのマルチアレイ方式において、隣接する、もしく
は、近傍のオリフィスよりほぼ同時に液滴を吐出する際
に、互いの圧力波が共通液室を介して、相互に影響を及
ぼし、吐出性能が本来の一つのオリフィス単位で吐出さ
せる場合よりも低下する所謂クロストークの影響をなく
すためになされたものである。

周知にように、バブルジェット記録技術において、クロ
ストーク（相互干渉）は、気泡発生に伴う圧力波が流路
及び（共通）液室を伝播して、隣接する或いは近傍の流
路のインクに伝わって影響を及ぼすものである。従っ
て、気泡を発生してインク吐出を行ったあと不要な圧力
波が瞬時に消える（例えば液室の壁等に吸収される）こ
とが望ましい。

一般にインクジェットヘッドを構成する材料は、ステン
レス等の耐食性に優れた材料が使用されるが、圧力波の
反射という観点から見ると、ステンレスは音響インピー
ダンスが高く（4.57×10⁷Ｎ・ｓ・m^-3SUS347の場合）、
圧力波を良く反射し、好ましくない。

上述のごとき実情を考慮して本発明者は第１図（ｂ）、
（ｄ）に示した流路５−液室６を構成する蓋基板１を種
々の材料で形成し、多くの実験を重ねることにより、そ
の材料に要求される縦波の音響インピーダンスが、ある
値以下の場合に、圧力波の反射がなく、従って、クロス
トークがほとんど生じないことを見出した。

今、体積弾性率をＫ、ずれ弾性率をＧ、密度をρとする
と、自由固体の縦波の速度Ｃは、で与えられ、従って、音響インピーダンスρＣは、で与えられる。

本発明は、熱エネルギー発生部が形成された発熱体基板
（第１図（ｃ））を除く流路及び液室を形成する領域
（具体的には第１図（ｂ）又は（ｄ））のインクに接触
する領域の少なくとも90％以上が、その領域を構成する
材料の縦波の音響インピーダンスρＣが好適には1.5×1
0⁷Ｎ・ｓ・m^-3以下に、最適には1.0×10⁷Ｎ・ｓ・m^-3以
下にされた場合に、圧力波の反射がなく従ってクロスト
ークが発生せず、好結果が得られることに基づくもので
ある。

ρＣを表す上式（２）より、密度ρが小さく、体積弾性
率Ｋ、ずれ弾性率Ｇが小さい材料を選べば良いことがわ
かる。具体的には、各種のプラスチック材料等が成型加
工等も可能であり、好適な材料である。あるいは、有機
フォトレジスト材料を露光、現像、硬化させたものも好
適である。

参考までに、他の材料を音響インピーダンスρＣととも
にあげておく。

なお、以上の説明は、全て気泡発生手段として発熱体を
用いた場合のバブルジェットで説明したが、気泡発生手
段としては前記以外にパルスレーザーを用いたり、ある
いは、放電エネルギーを用いたりすることもできる。

第３図は、記録液体に気泡を発生させるための手段とし
てパルスレーザーを用いた場合の例を説明するための図
で、図中、21はレーザ発振器、22は光変調駆動回路、23
は光変調器、24は走査器、25は集光レンズで、レーザ発
振器21より発生されたレーザ光は、光変調器23におい
て、光変調器駆動回路22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24を通り、集光レン
ズ25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26を加熱し、内部の記
録液体27内で気泡を発生させる。あるいは熱エネルギー
作用部の壁26は、レーザ光に対して透過性の材料で作ら
れ、集光レンズ25によって内部の記録液体27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４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31は、高密度に
（たとえば８ノズル/mm）、又、記録紙32の紙巾（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
されている例を示している。

レーザ発振器21より発振されたレーザ光は、光変調器23
の入口開口に導かれる。光変調器23において、レーザ光
は、光変調器23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28によって
その光路をビームエキスパンダー29の方向に曲げられ、
ビームエキスパンダー29に入射する。ビームエキスパン
ダー29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30に入射される。回転多面鏡30によって
掃引されたレーザ光は、集光レンズ25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26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
32に記録に行なわれる。

第５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50が、放電装置51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６図乃至第13図は、それぞれ第５図に示した放電電極
の具体例を示す図で、第６図に示した例は、電極50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７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、発生気泡の
位置が安定している。

第８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９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８図に
示した例と同じであり、その変形実施例である。

第10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、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11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10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電極
は、蒸着（あるいはスパッタリング）や、フォトエッチ
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12図に示した例は、第15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10図に示
したものよりも３次元的なガイドを付け加えた分だけ安
定する。

第13図に示した例は、第12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、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、バブ
ルジェット型インクジェットへのマルチアレイにおい
て、クロストークが発生せず、均一な吐出性能が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明適用されるインクジェットヘッドの一
例を説明するための構成図、第２図は、本発明が適用さ
れるインクジェット記録装置の動作説明をするための
図、第３図乃至第13図は、本発明の適用されるインクジ
ェット記録装置の他の例を説明するための図である。１…蓋基板、２…発熱体基板、３…記録液体流入口、４
…オリフィス、５…溝、６…液室を形成するための領
域、７…個別（独立）電極、８…共通電極、９…発熱
体、10…記録液、11…気泡。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】記録液体を収容するための部屋と、前記記
録液体を小滴として吐出させるための複数の吐出口と、
前記部屋と該吐出口を連絡する断面が矩形形状で平行に
並べられた複数の流路と、前記部屋に開口して設けられ
た記録液体供給用の円形形状流入口と、前記流路中の前
記記録液体に熱エネルギーを与える熱エネルギー発生手
段と、前記部屋の一部、前記流路の一部及び前記流入口
が形成された蓋基板と、該蓋基板と係合し前記部屋、及
び前記流路を構成し、該流路に対応して設けられた前記
熱エネルギー発生手段を有する基板と、から成り、前記
蓋基板が、縦波の音響インピーダンスが1.0×10⁷Ｎ・S/
m³以下の樹脂の一体成形で形成されていることを特徴と
する液体噴射記録ヘッド。