JPH115308A - 液体噴射記録ヘッド及び液体噴射記録方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 熱エネルギー作用部２１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２１に記録
液体３０を供給するための流入口を備え、熱エネルギー
作用部２１にエネルギーを加えて記録液体３０中に気泡
４０を生じせしめ、該気泡４０の体積増加にともなう作
用力で、吐出オリフィスより液滴を吐出、飛翔させ、該
液滴を被記録面に付着させて記録を行う。熱エネルギー
作用部２１と吐出オリフィスとを連通する流路の熱エネ
ルギー作用部２１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流路の容積をＶc、前
記気泡が最大気泡となった時の気泡体積をＶbmaxとの関
係を、所定の関係を保ち、気泡を前記吐出オリフィスの
天井に接触せさせることなく、かつ前記吐出オリフィス
外側に破泡させることなく成長させ、インク飛散をとも
なわないインク滴吐出をする。

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
ド及び液体噴射記録方法、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
液体噴射ヘッド及び記録方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１５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、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１
０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ク
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。

【０００３】図１６(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、その他流路板１０、基板２０、発
熱部２１、独立電極２２、共通電極２３等は図１５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。

【０００４】気泡の発生・消滅過程は、ヒーター・流路
の構成、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。

【０００５】上述のような条件は、日常的に見られる沸
騰現象から考えると、達成困難であるように思われる。
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、
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、通常の沸騰条件下で温度上昇・下降の時定数を減
少させるには限界がある。

【０００６】バブルジェット記録装置においては、熱伝
導性の高い基板の上に熱伝導性の低い薄い層(蓄熱層)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μｓｅｃ)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)薄膜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騰現
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)し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、消泡時に衝撃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、蓄熱層を通過して基板に逃げ
る。

【０００７】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
ィスの口径分の長さをｄ(……但し、吐出オリフィスの
形状は、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、その口径分の長さと見なす)
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。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】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成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ずるのはあま
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。

【０００９】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。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、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記録液体中に気
泡を生じせしめ、該気泡の体積増加にともなう作用力の
ほぼ半分で、前記吐出オリフィスより噴射される液体を
液滴として、前記流入口側端部から前記オリフィス側端
部の方向とほぼ同じ方向へ、前記吐出オリフィスより吐
出、飛翔させ、該液滴を被記録面に付着させて記録を行
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、

【００１１】

【数３】

【００１２】なる関係を満足し、前記気泡を前記流路の
天井に接せさせることなく、かつ前記吐出オリフィス外
側に破泡させることなく成長させ、インク飛散をともな
わないインク滴吐出をするような構造を有することを特
徴としたものである。

【００１３】請求項２の発明は、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記録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のほぼ半分で、前記
吐出オリフィスより噴射させる液体を液滴として、前記
流入口側端部から前記オリフィス側端部の方向とほぼ同
じ方向へ、前記吐出オリフィスより吐出、飛翔させ、該
液滴を被記録面に付着させて記録を行う液体噴射記録方
法において、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、

【００１４】

【数４】

【００１５】なる関係を満足し、前記気泡を前記流路の
天井に接せさせることなく、かつ前記吐出オリフィス外
側に破泡させることなく成長させ、インク飛散をともな
わないインク滴吐出をするようにして記録を行うことを
特徴としたものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施例を説明
するための要部透視斜視図、図２は、断面図で、図中、
２１は熱エネルギー作用部、２５はオリフィス吐出口、
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、Ｖbm
axは、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、図１６で説明したようにして
気泡４０が発生する。この気泡は、図２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、図２で示した中心線Ｌ−Ｌでわけた左半分
が原動力となる。

【００１７】本発明者はこの点に着眼し、ＶbmaxとＶc
の関係が、

【００１８】

【数５】

【００１９】となるような構造とし、気泡４０が最大体
積となっても流路の天井に接しないようにし（図１６に
て説明したように、従来技術においては、図１６（ｄ）
に示すように、気泡が流路の天井に接しているが、本発
明においては、図２及び図３に示すように、気泡は流路
の天井に接しない）、かつ吐出オリフィス側に破泡させ
ることなくインク吐出を行った時に、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。

【００２０】図３は、本発明の条件を満たさない場合の
例である。すなわち、

【００２１】

【数６】

【００２２】のような時、図３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０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Ｖbm
ax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、普遍的に成立する。

【００２３】なお、以上には、発熱体に通電することに
よって気泡を発生させる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。

【００２４】図４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ー光
は、走査器６３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。

【００２５】次に、図５を参照して、図４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／mm)、又、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、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。
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。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。

【００２６】図６は、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９
１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，エッチング等のフォトフ
ァブリケーション技術により、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、放電装置９０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。

【００２７】図７乃至図１４は、前記放電電極９１の具
体例を示す図で、図７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。

【００２８】図８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。

【００２９】図９に示した例は、図８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、発生気泡の位置はさらに安定する。

【００３０】図１０に示した例は、リング状の電極の例
であり、基本的には図９に示した例と同じであり、その
変形例である。

【００３１】図１１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、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。

【００３２】図１２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、図１１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（又はスパッタリング）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。

【００３３】図１３に示した例は、図１２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、図１２に示した例よりも３次元的なガイ
ドを付け加えた分だけ安定する。

【００３４】図１４に示した例は、図１３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、発生気泡は安定して形成される。

【００３５】

【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、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得ることができ
る。さらには、気泡４０が流路の天井に接しないように
してインク滴を吐出させているので、最大気泡になって
も、気泡は流路の天井に接しないので、流路を遮断しな
い。よって連続して高い周波数で駆動しても、インク供
給が妨げられることがない。つまり、高い応答周波数に
よるインク吐出が可能となり、高速記録が実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 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である。

【図２】 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拡大断面図である。

【図３】 本発明の条件を満たさないヘッドの一例を示
す図である。

【図４】 それぞれ気泡発生部の他の例を説明するため
の図である。

【図５】 それぞれ気泡発生部の他の例を説明するため
の図である。

【図６】 それぞれ気泡発生部の他の例を説明するため
の図である。

【図７】 それぞれ気泡発生部の他の例を説明するため
の図である。

【図８】 それぞれ気泡発生部の他の例を説明するため
の図である。

【図９】 それぞれ気泡発生部の他の例を説明するため
の図である。

【図１０】 それぞれ気泡発生部の他の例を説明するた
めの図である。

【図１１】 それぞれ気泡発生部の他の例を説明するた
めの図である。

【図１２】 それぞれ気泡発生部の他の例を説明するた
めの図である。

【図１３】 それぞれ気泡発生部の他の例を説明するた
めの図である。

【図１４】 それぞれ気泡発生部の他の例を説明するた
めの図である。

【図１５】 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ある。

【図１６】 図１５に示すバブルジェット型液体噴射ヘ
ッドの動作説明をするための図である。

【符号の説明】

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、６７…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、９
１…放電電極。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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
   前記記録液体中に気泡を生じせしめ、該気泡の体積増加
   にともなう作用力のほぼ半分で、前記吐出オリフィスよ
   り噴射される液体を液滴として、前記流入口側端部から
   前記オリフィス側端部の方向とほぼ同じ方向へ、前記吐
   出オリフィスより吐出、飛翔させ、該液滴を被記録面に
   付着させて記録を行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、 【数１】 なる関係を満足し、前記気泡を前記流路の天井に接せさ
   せることなく、かつ前記吐出オリフィス外側に破泡させ
   ることなく成長させ、インク飛散をともなわないインク
   滴吐出をするような構造を有することを特徴とする液体
   噴送記録ヘッド。
2. 【請求項２】 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
   前記記録液体中に気泡を生じせしめ、該気泡の体積増加
   にともなう作用力のほぼ半分で、前記吐出オリフィスよ
   り噴射させる液体を液滴として、前記流入口側端部から
   前記オリフィス側端部の方向とほぼ同じ方向へ、前記吐
   出オリフィスより吐出、飛翔させ、該液滴を被記録面に
   付着させて記録を行う液体噴射記録方法において、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、 【数２】 なる関係を満足し、前記気泡を前記流路の天井に接せさ
   せることなく、かつ前記吐出オリフィス外側に破泡させ
   ることなく成長させ、インク飛散をともなわないインク
   滴吐出をするようにして記録を行うことを特徴とする液
   体噴射記録方法。