JPH08207283A - 液体噴射記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 記録体噴射ヘッドは、複数の流路５と、
該流路５の一部から前記記録液体を吐出する吐出口４
と、液室６に記録液体を導入する流入口３と、前記記録
液体に熱によって気泡を発生させるための気泡発生手段
９を有する基板１，２とからなる。前記気泡発生手段９
は、電気パルスの通電によって、前記記録液体中に気泡
を作り、該気泡の体積増加にともなう圧力波によって、
前記吐出口から前記記録液体を小滴として吐出させる、
発熱基板２上に設けられた気泡発生手段であり、前記流
入口より下流であって前記発熱基板２以外の前記記録液
体に接する領域、例えば、蓋基板１は、縦波の音響イン
ピーダンスが、１．０×１０⁷Ｎ・Ｓ／ｍ³以下の材料で
形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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
録ヘッドのクロストークの防止に関する。

【０００２】

【従来の技術】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。

【０００３】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。

【０００４】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。

【０００５】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。

【０００６】第２の方式は、例えばＵＳＰ3596275、Ｕ
ＳＰ3298030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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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。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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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５６−８
４９７５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。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】而して、上記特開昭５
６−８４９７５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室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。

【００１９】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。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、複数
の流路と、該流路の一部から記録液体を吐出する吐出口
と、前記流路に記録液体を導入する流入口と、前記記録
液体に熱によって気泡を発生させるための気泡発生手段
を有する基板とからなる液体噴射記録ヘッドにおいて、
前記気泡発生手段は、電気パルスの通電によって、前記
記録液体中に気泡を作り、該気泡の体積増加にともなう
圧力波によって、前記吐出口から前記記録液体を小滴と
して吐出させる、発熱基板上に設けられた気泡発生手段
であり、前記流入口より下流であって前記発熱基板以外
の前記記録液体に接する領域は、縦波の音響インピーダ
ンスが、１．０×１０⁷Ｎ・Ｓ／ｍ³以下の材料で形成さ
れていることを特徴としたものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１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、図１（ａ）はヘ
ッド斜視図、図１（ｂ）はヘッドを構成する蓋基板の斜
視図、図１（ｃ）は発熱体基板２の斜視図、図１（ｄ）
は蓋基板を裏側から見た斜視図、図２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、
７は個別(独立)電極、８は共通電極、９は発熱体であ
る。

【００２２】最初に、図２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、図２(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。図２(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。

【００２３】図２(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。

【００２４】図２(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。

【００２５】図２（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。

【００２６】図２(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１２になり記
録紙の方向へ５〜１０ｍ／secの速度で飛翔している。
図２(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）されて図２(ａ)の状態にもどる過程
で、気泡は完全に消滅している。

【００２７】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。

【００２８】周知のように、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。

【００２９】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
³ ＳＵＳ３４７の場合）、圧力波を良く反射し、好ま
しくない。

【００３０】上述のごとき実情を考慮して本発明者は図
１（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。

【００３１】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、

【００３２】

【数１】

【００３３】で与えられ、従って、音響インピーダンス
ρＣは、

【００３４】

【数２】

【００３５】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（図１（ｃ））を除く流路
及び液室を形成する領域（具体的には図１（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１.５×１０⁷Ｎ・ｓ／ｍ³以下に、
最適には１.０×１０⁷Ｎ・ｓ／ｍ³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。

【００３６】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。

【００３７】

【表１】

【００３８】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。

【００３９】図３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２
５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。

【００４０】図４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。

【００４１】図５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。

【００４２】図６乃至図１３は、それぞれ図５に示した
放電電極の具体例を示す図で、図６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。

【００４３】図７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。

【００４４】図８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。

【００４５】図９に示した例は、リング状の電極にした
ものであり、基本的には図８に示した例と同じであり、
その変形実施例である。

【００４６】図１０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。

【００４７】図１１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、図１０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。

【００４８】図１２に示した例は、図１５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、図１０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。

【００４９】図１３に示した例は、図１２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。

【００５０】

【発明の効果】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】

【図１】 本発明適用される液体噴射記録ヘッドの一例
を説明するための分解構成図である。

【図２】 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である。

【図３】 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。

【図４】 本発明の適用されるインクジェット記録装置
の更に他の例を説明するための図である。

【図５】 本発明の適用されるインクジェット記録装置
の更に他の例を説明するための図である。

【図６】 本発明の適用されるインクジェット記録装置
の更に他の例を説明するための図である。

【図７】 本発明の適用されるインクジェット記録装置
の更に他の例を説明するための図である。

【図８】 本発明の適用されるインクジェット記録装置
の更に他の例を説明するための図である。

【図９】 本発明の適用されるインクジェット記録装置
の更に他の例を説明するための図である。

【図１０】 本発明の適用されるインクジェット記録装
置の更に他の例を説明するための図である。

【図１１】 本発明の適用されるインクジェット記録装
置の更に他の例を説明するための図である。

【図１２】 本発明の適用されるインクジェット記録装
置の更に他の例を説明するための図である。

【図１３】 本発明の適用されるインクジェット記録装
置の更に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、７…個別（独立）電
極、８…共通電極、９…発熱体、１０…記録液、１１…
気泡、１２…液滴。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の流路と、該流路の一部から記録液
   体を吐出する吐出口と、前記流路に記録液体を導入する
   流入口と、前記記録液体に熱によって気泡を発生させる
   ための気泡発生手段を有する基板とからなる液体噴射記
   録ヘッドにおいて、前記気泡発生手段は、電気パルスの
   通電によって、前記記録液体中に気泡を作り、該気泡の
   体積増加にともなう圧力波によって、前記吐出口から前
   記記録液体を小滴として吐出させる、発熱基板上に設け
   られた気泡発生手段であり、前記流入口より下流であっ
   て前記発熱基板以外の前記記録液体に接する領域は、縦
   波の音響インピーダンスが、１．０×１０⁷Ｎ・Ｓ／ｍ³
   以下の材料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。