JPH078568B2

JPH078568B2 - 画像記録ヘツド

Info

Publication number: JPH078568B2
Application number: JP61067308A
Authority: JP
Inventors: 孝一斉藤; 義彦藤村; 七穂井上
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1986-03-27
Filing date: 1986-03-27
Publication date: 1995-02-01
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPS62225359A; US4710780A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明は、インク等の液状着色剤を飛翔させて、記録部
材上に画像の記録を行う画像記録ヘッドに関する。

「従来の技術」いわゆるノンインパクト記録法は、記録時に発生する騒
音が少ないことから、電気信号化された画像情報をハー
ドコピー化する方法として関心を集めている。

それらのなかで、普通紙を使用することができ、しか
も、定着というような特別の処理無しに記録のできるイ
ンクジェット法は、きわめて有用な記録方法とされてい
る。

従来、実用化されているインクジェット法は、インクを
密閉した容器に収容しこれに圧力パルスを印加して、容
器の吐出口（オリフィス）からインクを噴射させて記録
するものであった。この方法は、動作機構上、インク吐
出装置を小型化する事ができないために、必要な画像密
度の記録を行おうとすると、インク吐出装置を機械的に
走査する必要があった。従って、記録速度を高速化する
ことができないという欠点があった。

一方、上述のインクジェット法の欠点を改良し、高速記
録を可能にする方法として、いくつかの技術が提案され
ている。

磁性電極アレイ近傍に磁性インクを配置し、磁界による
インクの盛り上がりを利用して、画素に対応するインク
吐出状態を形成し、静電界で磁性インクを飛翔させる磁
性インクジェット法もその一つである。この方法は、電
子走査が可能なため、高速記録が可能であるが、インク
の選定が容易でなく、インクジェット本来の特徴である
カラー化が難しい欠点を有している。

これとは別に、電極アレイと平行なスリット状のインク
溜めにインクを配し、記録紙を介して、対向する電極と
電極アレイ間に形成される電界パターンに応じて、イン
クを飛翔させる、いわゆる平面インクジェット法という
方法もよく知られている。この方法は、インクを溜める
ための微細なオリフィス等が不要となり、インク目詰ま
りを改善できるが、インク飛翔のためにかける電圧が高
いため、隣接、近傍電極間の電圧リークを防止するため
に、電極アレイを時分割駆動する必要があって、それ程
高速化が図れない欠点があった。

また、熱エネルギによって吐出口からインクを吐き出さ
せる、いわゆる熱バブルジェット法も提案されている。
この方法では、インクが急激に加熱されて膜面沸騰を生
じ、オリフィス内に気泡（バブル）が急激に形成される
事による圧力上昇で、インクをオリフィスから噴射する
ものである。ところが、膜面沸騰を起こす温度が５〜60
0℃と高温であるため、インクの熱変質や、加熱手段と
して設けられている発熱抵抗体保護層の熱劣化を生じ易
いという実用上の欠点を有していた。

「発明が解決しようとする問題点」以上のように、従来開発されているインクジェット法
は、それぞれ記録速度を十分に高速化することが困難で
あること、特殊なインクを使用すること、駆動のために
一定の工夫を要すること、あるいはインクや加熱手段に
熱的な劣化が生じること等の問題点があり、いずれの方
法も実用化面で解決しなければならない問題点を残して
いた。

本発明は以上の点に着目してなされたもので、インクの
選定が容易で、高速記録を可能とした画像ヘッドを提供
することを目的とするものである。

「問題点を解決するための手段」本発明の画像記録ヘッドは、液状着色剤を配置し、これ
に電気エネルギと熱エネルギの双方を印加して、上記両
エネルギが共に印加された領域にある上記液状着色剤を
飛翔させるものにおいて、上記液状着色剤を収容する収
容手段と、飛翔させようとするそれぞれの部位で画信号
に応じてこの液状着色剤を加熱する熱エネルギ印加手段
と、上記液状着色剤に熱エネルギ印加手段が熱エネルギ
を少なくとも印加している期間の間は所定の電界を加え
る電気エネルギ印加手段とを有し、上記収容手段は、所
定間隔で対向し、かつ、一縁に上記液状着色剤を吐出す
る吐出部を形成した一対の壁部材から成り、上記熱エネ
ルギ印加手段は、上記壁部材の一方の内面に設けた複数
の加熱素子から成り、上記吐出部における上記壁部材の
少なくとも一方の縁には、規則的な凹凸加工が施されて
いることを特徴とするものである。

「作用」本発明の画像記録ヘッドは、液状着色剤に電気エネルギ
と熱エネルギを印加して、両者が共に印加された領域に
ある液状着色剤を飛翔させる原理を応用したものであ
る。

すなわち、例えば次のような態様で実現される。

まず、液状着色剤全体に一様な電界を加える。これだけ
では、液状着色剤の飛翔は生じない。ここで、この液状
着色剤に局部的に熱エネルギを印加する。これによっ
て、この熱エネルギの印加された領域の液状着色剤が飛
翔する。

ここで、例えば、複数の発熱素子をアレイ状に配列して
おく。そして、これらの発熱素子を液状着色剤に接触さ
せておく。そして、記録画素に対応する位置にある発熱
素子を選択的に発熱させ、かつ、液状着色剤全体に一様
な電界を加える。こうして、記録部材に向けて液状着色
剤を飛翔させる。１回の飛翔で１個の画素が記録でき
る。

これをくり返して、ライン状に画素列の記録を行いさら
に、上記記録部材を走査すれば、画像の記録を行うこと
ができる。

ここで、本発明においては、インクを一対の壁部材の間
に形成された空間に収容する。この壁部材の一縁がイン
ク吐出部とされている。

そして、壁部材の内面に設けた加熱素子により液状着色
剤を加熱して、インクを飛翔させる。この場合、インク
吐出部に連続的な凹凸加工を施すと、非加熱領域でのイ
ンクの飛翔が抑制され、加熱領域でインクの飛翔の制御
が高速で行える。

これにより、高速で信頼性の高い記録を行うことができ
る。

「実施例」（動作原理）ここであらかじめ、本発明の画像記録ヘッドの記録動作
原理を、第２図を用いて説明する。

まず、第２図ａに示すように、液状着色剤１をベース電
極２と対向電極３の間に配置する。液状着色剤１には、
例えば適当な電気抵抗を付与するよう配合を調整され
た、常温で液体のインクを使用する。以下、液状着色剤
１を単にインク１と表現して説明を続ける。ベース電極
２と対向電極３とは、いずれも単なる導電性の板であ
る。

この両電極２、３の間に直流電源４により所定の電圧を
印加する。このとき、インク１には一定の静電界が加わ
り、その静電誘導作用によって、インクの自由表面に
は、ここに生ずる誘導電荷と静電界の積で与えられるク
ーロン力が作用する。この力によって、インク１は矢印
５方向へ飛翔しようとする。

一方、ここには、インクの表面張力、界面張力、および
飛翔しようとするインクに対する粘性抵抗が抗力として
作用する。第２図ａは、上記クーロン力よりもこの抗力
が大きく、インク液面が水平に保たれている状態を示し
ている。

ここで、このインク１を局部的に加熱する。すなわち、
図中、領域S1の温度T1が他の領域の温度T0よりも高温に
される（第２図ｂ）。その結果、領域S1において、第２
図ｂに示すように、そのインク液面が盛り上がる。すな
わち、この領域S1において、インクの温度上昇により上
記抗力が低下して、局部的にクーロン力の作用が増大す
る。盛り上がったインク１′には、電界が集中し、さら
にクーロン力が強く作用する。こうして、ついには、第
２図ｃに示すように、領域S1にあったインク１′の一部
が柱状に成長し、ちぎれて対向電極３に向かって飛翔す
る。

この現象は、インクの膜面沸騰のような相変化に近いほ
ど急激に加熱しなくても引き起こすことができる。

すなわち、インクには上記電界によって電気エネルギが
印加され、さらに加熱によって熱エネルギが印加され
る。この、両エネルギを共に印加した領域でのみインク
の飛翔が生じるよう、印加する電気エネルギおよび熱エ
ネルギの量を選定する。これによって、インクの飛翔場
所（加熱領域）および飛翔タイミング（電界の印加期
間）の実用的な制御が可能となる。

なお、この原理は、次のような実験で実証することがで
きた。

まず、第２図ａに示したようにインク１をベース電極２
上に配置し、その温度を一定に保ったまま、電源４の電
圧を徐々に上昇させていく。この電圧がある電圧を越え
ると、インク液面から第２図ｃに示したようなインク柱
１′が無秩序に対向電極３に向かって成長する。

この現象は、例えばJ.R.MELCHER著（米国M.I.T.PRESS社
発行）「FIELD・COUPLED SUPFACE WAVES」（P61〜P66）に記
載された、不安定な電気流体力学波の成長現象と解釈す
ることができる。

すなわち、インク液面に垂直に、上方向に作用するクー
ロン力と下方向に作用する抗力とが一定の均衡を保って
いる場合に、自然に生じ得るある摂動（液面の変形や電
界の局部的な不均一さ）によって、クーロン力が局部に
集中する。そこで、クーロン力が抗力に打ち勝ってイン
ク柱が成長するのである。

本発明においては、例えば電界を、上記無秩序なインク
柱が成長するには不十分な強度に選定し、これをインク
に印加しておく。この状態で、インクを加熱すると、加
熱された領域のインクの表面張力や粘度等が低下する。
その結果、上記のような電界中においても、不安定な表
面波が発生し、その領域でインク柱が成長する。

こうして飛翔したインクを、記録用紙等の記録部材の表
面に導けば、１つのドットを記録することができる。さ
らに、このドットを規則的に配列すれば、画像の記録を
行うことができるのである。

（記録ヘッドの実施例）第１図は、本発明の画像記録ヘッドとその周辺部の実施
例を示す縦断面図である。

ここには、一対の壁部材10、11が、その一縁を記録部材
12方向へ向けて配置されている。記録部材12は、一般の
複写機等において記録に使用される普通紙である。

一対の壁部材10、11は、所定間隔をあけて配置されてお
り、その間に液状着色材13が収容されている。壁部材1
0、11は、記録部材12と対向する一縁に、紙面と垂直方
向に一定の幅を持つスリットを形成している。この部分
を本発明において、吐出部14と呼んでいる。液状着色剤
13はこの吐出部14において、その表面張力によって凸曲
面13′を形成している。

一方の壁部材11の内面には、紙面に垂直な方向にアレイ
状に配列された多数の発熱抵抗体16が設けられ、これら
にはそれぞれ、一端に共通電極17が、他端にリード電極
18が接続されている。また、発熱抵抗体16と電極17、18
を覆うように、耐熱絶縁層20が形成されている。

また、他方の壁部材10の内面には、そのほぼ全面にわた
って、電界形成用電極19が形成されている。

第３図にその主要部の斜視図を示した。

このアレイ状に配列された発熱抵抗体16の部分は例え
ば、従来一般に感熱記録等に使用されているサーマルヘ
ッドと同様の構成のものとする。この実施例の場合、い
わゆるエッジ型のサーマルヘッドを使用し、発色温度約
90℃の感熱記録紙に記録密度８ドット/mmの記録を行う
ことができるものである。この感熱紙への記録時には、
各発熱抵抗体に0.5W/ドットの電力が1msec印加される。

また、一対の壁部材10、11の間隔Ｄは、100μｍに選定
した。

再び第１図にもどって、吐出部14と記録部材12との間隔
ｌは、200μｍに選定し、吐出部14から発熱抵抗体16の
端までの間隔を200μｍに選定した。また、この記録部
材12の背面に対向電極21を設け、上記電界形成用電極19
との間に所定の電圧を印加する電源22を接続した。この
実施例においては、電界形成用電極19を接地し、対向電
極21に＋1500Vの電圧を印加した。これらによって電気
エネルギ印加手段が構成される。

さらに、発熱抵抗体16の両端の電極17、18にも、電源23
を接続した。これらによって熱エネルギ印加手段が構成
される。

電源22、23には、記録すべき画像の画信号によりエネル
ギの印加がオンオフされるよう、制御手段24を接続す
る。この制御手段24は、既知のサーマルヘッドを駆動す
るシフトレジスタドライバ等から成る回路で構成され
る。

この実施例において、液状着色材13としては、流動パラ
フィン中にカーボンブラック顔料を約15重量パーセント
分散させたインクを使用した。その20℃における体積抵
抗率は1.0×10⁶Ω・cm、粘度は300cp、表面張力は70dyn
e/cmであった。

以上の構成の記録ヘッドにおいて、電界形成用電極19と
対向電極21との間に、電源22による電圧が印加される
と、吐出部14の近傍の液状着色材13に一様な電界が加え
られる。

この状態で、発熱抵抗体16に選択的に電流を供給する。
この実施例の場合、25V、25mAで1msecの通電を行った。

これによって、電流が供給された発熱抵抗体16の近傍で
のみ、インク13が記録部材12に向かって飛翔し、その記
録面に直径約150μｍの円形のドットが記録された。こ
の通電時間を200μsecまで短縮しても、同様の記録を行
うことができた。

（インクの飛翔条件）なお、電界形成用電極19と対向電極21の間に電圧を印加
しないで上記の操作を行ったところ、インクの飛翔は生
じなかった。

また、逆に、発熱抵抗体16への通電を行うこと無く、電
界形成用電極19と対向電極21の間に印加する電圧を上昇
させていくと、この電圧が3000Vを越えたときに、吐出
部14のいたるところで無秩序にインク13の飛翔が見られ
た。

本発明は、液状着色剤の電気エネルギと熱エネルギを印
加してこれれを飛翔させるものであるから、このインク
の飛翔する条件および、インクの飛翔の安定な制御を行
うことができる限界値（閾値）を明確にする必要があ
る。

第４図はこの閾値を見出すために行った実験の結果を示
すグラフである。

第４図ａに示したデータによれば、インクの温度が上昇
する程、閾電界の値が低下していくことがわかる。

また、第４図ｂによれば、インクの粘度は、カーブを描
いているものの、上記閾電界と同様に、インクの温度上
昇と共に低下している。表面張力（同図ｃ）と体積抵抗
率（同図ｄ）についても同様の傾向がみられる。

従って、これらが、上記閾電界の値に大きく関与してい
ることが明白となっている。

すなわち、インクの粘度、表面張力および電気伝導度等
の物性値が変化する複合的な効果によって、閾電界の値
が温度上昇と共に低下していくものと考えられる。

このことから、室温ではインク飛翔を生じない程度の電
界を与えておき、インクを局部的に加熱すると、熱と静
電界の協同作用によってインクの飛翔が生じ、画素状の
記録を行うことができるのである。

（誤飛翔の抑制）ここで、インクの飛翔特性と電界の強度との関係を第５
図に示す。

このグラフからわかるように均一に印加する電界強度Ｅ
が増大すると、インクを飛翔させて画素化するのに必要
な時間Ｔが比例的に短縮する。このとき、加熱領域で飛
翔が生じる場合と、非加熱領域で飛翔が生じる場合の時
間Ｔの差は、電界強度Ｅが増大すると短縮される傾向に
ある。

すなわち、電界強度を増加すれば飛翔時間Ｔが短縮化さ
れ高速記録が可能となる一方、誤飛翔が生じ易くなる。

また、発熱抵抗体への通電時間をあまり短縮すると、イ
ンクの温度上昇が不十分となり、記録ドットが小さすぎ
たり分裂してしまうこともある。

従って、ある程度高速性を維持して加熱領域のインクの
飛翔を安定確実に生じさせるには、インク昇温に必要な
加熱時間を確保し、印加電界強度を上げて、かつ、非加
熱領域でのインク飛翔を抑止する必要がある。

ここで、実験によれば、非加熱領域でのインクの飛翔
は、規則的ピッチのドット列で生じることがわかった。

このドット列のピッチは、電界強度を増大させるにつれ
て短くなった。また、これは、発熱素子の配列ピッチに
比較すれば長いピッチであることもわかった。

この非加熱領域での等間隔のドット列飛翔現象をさらに
詳しく調べると次のことがわかった。

電界中でインクがクーロン力を受けるが、インクが非圧
縮性であるために、表面に波が生じる。この波の波長
は、インク液圧、表面張力、粘性抵抗、重力等により決
定される。このような波の波長生成は、電気流体力学的
表面波と呼ばれるものである。

本来、静電力や圧力、重力、表面張力、粘性抵抗等の力
のつり合いから解かれる方程式の解としては、種々の波
長の解があり得るが、静電力の働いている方向への波の
成長速度ｎ〔sec^-1〕はそれぞれの波長で異なった値を
有する。このため、ｎを最大にする波長λに対応する波
面成長が優先的に生じ、この波長λによって、等間隔の
ドット列のピッチが定まるのである。

ｎとλの理論的な関係式を、印加する電界強度Ｅをパラ
メータにして計算すると、第６図に模式的に示す解が得
られる。各電界強度E1、E2、E3で、ｎを最大にするλ
１、λ２、λ３は、実験精度内で、ドットピッチとほぼ
一致することがわかった。

（吐出面の工夫）本発明においては、壁部材の少なくとも一方に凹凸加工
を施して、誤飛翔を生じるような表面波を抑制してい
る。

第７図はその一実施例で、壁部材10のインク吐出部14側
の内面に波状の凹凸加工30が施されている。

また、第８図は壁部材を、波状に凹凸加工した例を示
す。第９図には、第６図で実施した凹凸加工30を、三角
形の凸起によるものとした例を示す。このほか、この凹
凸は、平行な溝によるものでもさしつかえない。

これらの凹凸加工30はいずれの壁部材に施してもよく、
また両方の壁部材10、11に施してもよい。

上記実施例のように、インク吐出部に規則的な凹凸加工
を施して、一定の変調を与えると、この変調によるイン
ク吐出部近傍での液量変化が、電気液体力学的表面波の
波長を変調波長λｎに同期させるように作用する。

すなわち、変調を施さない場合に、誤飛翔を生じない許
容電界強度が、第６図に示すE3にあると仮定する。

この電界強度では最速波n3、波長λ３の表面波が成長す
るが、ここで、吐出部に変調を施し、波長λｎの表面波
に同期させるようにする。しかし、この場合のλｎは存
在せず、表面波は生じない。

このヘッドの高速化を図るために、電界強度をE1にまで
増大させると、変調を施さない場合λ１の波長の表面波
が生じるが、変調を施した場合表面波がλｎに同期しよ
うとする。従って低温領域では、成長速度n1でなくnnに
対応する遅い波へ抑え込まれてしまい、非加熱領域での
インクの飛翔が抑制される。

このようにして、高い印加電界で、また電界印加および
加熱の時間をある程度長くしても、非加熱領域でのイン
ク飛翔を抑えることができる。

なお、上記壁部材10、11は例えばガラスやエポキシ樹
脂、ベークライト樹脂等から構成される。そして、少な
くとも発熱抵抗体16の近傍で、規則的に凹凸加工等の変
調が施されていればよい。

このピッチは、加熱部を１単位としてインクを飛翔させ
る関係上、発熱抵抗体のピッチと等しいかそれ以下であ
ることが好ましい。

例えば第７図の実施例の場合、インクには、20℃で体積
抵抗率10⁷Ω・cm、粘度30cp、表面張力37dyne/cmの染料
溶解型油性インクを用いた。また、ヘッドの記録密度8d
ot/mm、壁部材間隔Ｄを100μｍ、記録部材と吐出部間隔
30μｍ、発熱抵抗体への通電は20V、1msecとした。ま
た、変調波長λを125μとした。

この場合、印加電界が2000V、5msecでも、3000V、1msec
でも非加熱領域でのインクの飛翔が生じなかった。ま
た、λｎを第７図に示すように発熱抵抗体の配列ピッチ
と等しくすると、飛翔するドットの位置精度が向上し
た。

比較のため、上記変調を施していないヘッドについて同
様の記録動作を行わせたところ、加熱領域では2000V、1
msecからインクの飛翔が生じるが、記録ドットを安定さ
せるためには2000V、5msec〜3000V、1msec程度必要であ
った。しかし、この場合非加熱領域からインクの誤飛翔
が発生した。

「変形例」本発明は以上のように、インク吐出部に誤飛翔の生じる
表面波を抑制するような変調を施し、記録ドットの安定
化と、高速記録の実現を図っている。

このインク吐出部の構成は、以上の実施例に限定されな
い。壁部材のインク吐出部近傍に種々の物理的、科学的
処理を施して同様の作用を生じさせればよい。

「発明の効果」以上説明した本発明の画像記録ヘッドによれば、インク
や発熱抵抗体等に著しい熱劣化が生じない程度の温度
と、電極間のリーク等が生じない程度の電界によって、
インクの飛翔を生じさせ、高速高密度の記録を行うこと
ができる。

しかも、インクを保持しておく手段は、比較的簡単な構
成でよく、複雑な精密な機構を必要としない。

また、印加すべき電気エネルギも熱エネルギも、比較的
少量で良く、駆動回路等の小型化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の画像記録ヘッドの実施例縦断面図、第
２図は本発明の記録原理を説明する概略図、第３図は第
１図のヘッドの要部の斜視図、第４図は電界の閾値の温
度依存性と、インクの特性を表すグラフ、第５図はイン
クの飛翔特性を示すグラフ、第６図はインク吐出部に生
じる表面波の成長を説明するグラフ、第７図は本発明の
ヘッドの実施例を示す要部端面図、第８図と第９図はそ
の他の実施例を示すヘッドの要部斜視図である。 10、11……壁部材、 14……吐出部、 16……加熱素子、 30……凹凸加工。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−12858（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−228162（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−151348（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−70039（ＪＰ，Ｕ) 特公昭63−2790（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液状着色剤を配置し、これに電気エネルギ
と熱エネルギの双方を印加して、前記両エネルギが共に
印加された領域にある前記液状着色剤を飛翔させるもの
において、前記液状着色剤を収容する収容手段と、飛翔させようと
するそれぞれの部位で画信号に応じてこの液状着色剤を
加熱する熱エネルギ印加手段と、前記液状着色剤に熱エ
ネルギ印加手段が熱エネルギを少なくとも印加している
期間の間は所定の電界を加える電気エネルギ印加手段と
を有し、前記収容手段は、所定間隔で対向し、かつ、一縁に前記
液状着色剤を吐出する吐出部を形成した一対の壁部材か
ら成り、前記熱エネルギ印加手段は、前記壁部材の一方
の内面に設けた複数の加熱素子から成り、前記吐出部に
おける前記壁部材の少なくとも一方の縁には、規則的な
凹凸が施されていることを特徴とする画像記録ヘッド。