JPS59124863A - 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】 本発明は、液体噴射記録装置に関し、よ如詳しくは、階
調性のある記録を行なうことの出来る液体噴射記録装置
に関する。

従来、ノンインパクト記録法は、記録時に於ける騒音の
発生が無視し得る程度に極めて小さいという点に於いて
関心を集めている。その中で高速記録が可能であシ、し
かも普通紙に定着という特別な処理を必要とせずに記録
の行える液体噴射記録法（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の
提案とそれを具現化する装置が考案され、改良が加えら
れて商品化された物もあれば現在も実用化への努力が続
けられているものもある。

その中で、例えば特開昭５４−５１８３７号公報、ドイ
ツ公開（ＤＯＬＳ）第２８４３０６４号公報に記載され
である熱エネルギーを液体に作用させて、飛翔的液滴を
形成する為の原動力を護るという点に於いて、他のイン
クジェット記録法とは異なる特徴を有している。

即ち、上記の公報に開示されである記録法では、熱エネ
ルギーの作用を受けた液体が気泡の発生を含む急峻な体
積の増大を伴う状態変化を起し、該状態変化に基づく作
用力によって、記録ヘッド部先端のオリフィスより液滴
が吐出、飛翔して被記録部材に付着し記録が行なわれる
。

殊に、ＤＯＬＳ　２８４３０６４に開示されているイン
クジェット記録法は、所謂ａｒｏｐ−ｏｎ　ｃＬｅ、ｍ
ａｎｄ記録法に極めて有効に適用されるばかりでなく、
記録ヘッド部をｆｕｌｌ　１ｉｎｅタイプで高密度マル
チオリフイス化して容易に実現出来るので、高解像度、
高品質の画像を高速で得られるという利点を有している
。

この様に、上記の液体噴射記録法は多くの坏Ｕ点を有す
るものではあるが、更に高解像度、高品質の画像を記録
しようとする場合には記録画素に階調性を持たせ、中間
調（）・−フトーン）の情報を含む画像記録を行なう必
要がある。

従来、この様な、階調制御性を画像記録方法は、先ず第
１の方法として一画素を像形成素体の１つのみによって
だけ占領され得る複数のセルにマトリクス状に細分化し
、そのマド１ノクス状にされたセル゛を構成するセルの
中を像形成素体によって占領されているセルの個数と七
〃を占領している像形成素体の配列状態に応じて所望の
レベルの階調性がデジタル的に表現される記録方法があ
る。次に、第２の方法として、一画素を像形成素体の１
つのみによって構成し、像形成素体の光学的濃度を変え
ることによって所望の階調性表現、をアナログ的に表現
する記録方法がある。

しかし、熱エネルギーによって液体を吐出させて記録を
行なう液体噴射記録ヘッドに於いては、第１の階調制御
方法によると、一画素自体の面積が大き０■、鮮明度等
の低下を招きや欠けるという問題があった。第２の階調
制御方法は、一般に吐出される液滴の大きさを加える電
気エネルギーを変化させることによって一画素、詰シ像
形成素体の太きさを変化させる方法でおる。しかし、こ
の方法では階調性の制御範囲が狭く充分な階調制御範囲
が得られず、又、記録ヘッドの吐出不良、信頼性等の低
下を招くという問題があった。

本発明は、上記の諸点に鑑み成されたもので、来る液体
噴射記録装置を提供することを目的とする。又、本発明
は、電気熱変換体及び記録ヘッドの信頼性、液滴吐出安
定性を向上させた液体噴射記録装置を提供する事も目的
とする。更には１．製造上のバラツキによる吐出特性の
バラツキを簡単に無くシ、歩留りを向上させた液体噴射
記録装置を提供することも目的とする。

本発明の液体噴射記録ｉｔは液体を吐出して飛翔的液滴
を形成する為のオリフィスと該オリフィスに連通した液
流路と前記オリフィスから液滴を飛翔させる手段を有す
る液体噴射記録装置に於いて、前記液流路に連通し、気
泡発生手段を有する気泡発生部が設けられていることを
特徴とする。

本発明によれば階調の制御性に富み且つ従来の液体噴射
記録装置よシ優れた液体噴射記録装置が提供される。

以下、本発明を図面に従って、更に具体的に説明する。

第１図（’Ｌ）は、本発明が適用される液体噴射記録ヘ
ッドのオリアイス面に平行な面で切断した正面切断面部
分図（第１図（ｂ）及び第１図（Ｃ１に示される一点鎖
線Ａ　Ａ’で切断した図）、第１図（ｔｌｌは、第１図
（ＩＬＩに一点鎖線Ｂ　Ｂ’で示す部分で切断した場合
の切断面部分図である。第１図（Ｃ１は、第１図（ａ）
に一点鎖線ＣＩ　Ｇ’で示す部分で切断した場合の切断
面部分図である。

図に示される記録ヘッド１０１は、その表面に電気熱変
換体１１１が設けられている基板１０３の表面に、所定
の線密度で所定の巾と深さの溝が所定数設けられている
溝付板１０４，１１６で覆う様に接合することによって
、オリアイス１０５と液吐出部１０６が形成された構造
を有している。液吐出部１０６は、その終端に液滴を吐
出させる為のオリフィス１０５と、電気熱変換体１１１
より発生される熱エネルギーが液体に作用して気泡を発
生し、その体積の膨張と収縮に依る急激た状轢変化を引
起す処である熱作用部１０７とを有する。

熱作用部１０７は１、電気熱変換体１１１の熱発生部１
０８の上部に位置し、熱発生部１０８の液体と　。

接触する熱作用面１０９をその底面としている。、熱発
生部１０８は、基板１０３上に設けられた下変換体１１
１、該電気ｆ楔体層１１１上に設けられた上部層１１２
とで構成される。電気熱変換体屡１１１には、熱を発生
させる為に該変換体１１１に通電する為の電極１１３，
１１４がその表面に設けられである。電極１１３は、各
液吐出部の熱発生部に共通の電極であシ、電極１１４は
、各液吐出部の熱発生部を選択して発熱させる為の選択
電極であって、液吐出部の流路に泊って設けられである
。

すると共に、液体を通じて電極１１３，１１４間が短絡
するのを防止する電気熱変換体１１１の保護的機能を有
している。

上部層１１２は、上記の様な機能を有するものであるが
、電気熱変換体１１１が、耐液性があシ、且つ液体を通
じて電極１１５．Ｎ４間が電気的に短絡する心配が全く
ない場合には、必ずしも設ける必要はなく、電気熱変換
体１１１の表面に直ちに液体が接触する構造の電気熱変
換体として設計しても良い。

下部層１１０は、主に熱流量制御機能を有する。

即ち、液滴吐出の際には、電気熱変換体１１１で発生す
る熱が基板１０３側の方に伝導するよりも、熱作用部１
０７側の方に伝導する割合が出来る限り多くなシ、液滴
吐出後、詰り電気熱変換体１１１への通電がＯＦＦされ
た後には、熱作用部１０７及び熱発生部１０Ｂにある熱
が速かに基板１０３側に放出されて熱作用部１０７ニあ
る液体及び発生した気泡が急冷される為に設けられる。

以上のような液滴噴射記録ヘッドに於いて、電気信号を
○Ｎ−０’ＦＦ動作で電気熱変換体１１１に入力するこ
とによシ、熱作用面１０９上では液体が気化して有効な
気泡が発生すると、同時に液吐出部１０６内の圧力Ｐが
気泡の体積増加と共に高まシ、オリフィスより液滴が飛
翔する。

ここで、記録紙への記録の階調制御を行なう為に飛翔液
滴のサイズＤを変化させるには、熱作用部１０９上−発
生する気泡の体積■を調節し、吐出エネルギーを制御す
る方法がある。しかし、吐出エネルギーがある値以下（
装置等の条件によって決まる）になると、不要な気泡が
液吐出部１０６や液流路内に滞留し、液吐出不安定を引
き起こす。さらに、強いては吐出が止まってしまう。

そこで、液吐出部１０６に連通し、気泡発生部１１７と
気泡発生体１２０を具備した吐出エネルギー吸収部１２
５を設け、熱作用面１０９上に発生する気泡によって液
吐出部１０６に発生した圧力Ｐを、気泡発生部１１７内
に発生させた気泡に吸収させ、吐出エネルギーを低減さ
せて階調制御を行なう。

前記気泡発生部１１７は、基板１０３上に設けられた下
部層１１０、該下部層１１０上に設けられた電気熱変換
体１１５、該電気熱変換体１１５上に設けられた上部層
１１２及び溝付板１０４で構成される。電気熱変換体１
１５には熱を発生させる為に電気熱変換体１１５に通電
する為の電極１１３，１２１がその表面に設けられてい
る。

気泡発生部１１７ば、電気熱変換体１１５の熱発生部１
２３の液体と接触する熱作用面１２４をその１つの面と
している。尚上部層１１２は液もれや電極の短絡が生じ
なければ必須のものでない。

以上の様々構造の液体噴射記録ヘッドに於いて、電気信
号をＯＮ　−ＯＦＦ動作で電気熱変換体１１５に入力す
ることで熱作用面１２４上では液体が気化し、気泡が発
生する。該気泡が存在する時刻ｔ。−ｔの間に、液滴吐
出の為の電気信号を電気熱変換体１１１に入力すれば、
時刻ｔ、〜ｔの時間に対応して大きさの異なる液滴が吐
出される。

第２図（ａｌは本発明の実施態様例１を説明する為の記
録ヘッド１０１の模式的斜視図である。図に於いて１１
８は液供給室１２６は液流路、１１９は液供給管（不図
示）を連結するた゛めの貫通孔である。

図に示される様に、本実施態様列は液供給室１１８に連
通ずる液流路１２６の終端にオリフィス１０５が設けら
れておシ、液流路１２６の液供給室１１８とオリフィス
１０５の途中に気泡発生部１１７と連通ずる細流路が設
けである。気泡発生体１０２は液滴吐出用のもので液流
路１２６内に設けてあり、気泡発生体１２０は気泡発生
部１１７内に設けである。

第２図（’ｂｌは実施態様例２の記録ヘッド１０１の模
式的斜視図である。図中の番号の示すものは第２図（ａ
ＪＯものと同じである。本実施態様例は、液供給室１１
８に連通する液流路１２６の途中に気泡発生体１０２及
びオリフィス１０５が設けてあシ、液流路１２６の終端
に細流路で連通される気泡発生部１１７で構成される。

気泡発生部１１７には気泡発生体１２０が設けである。

本実施態様例は図に示される様に、オリフィス１０５が
液滴の吐出方間が液供給方向に対して垂直に設けられて
いる。

第２図（Ｃ１は実施態様例３の記録ヘッド１０１の模式
的斜視図である。図中の番号の示すものは第２図（ａ）
及び第２図（Ｃ１Ｏものと同じである。本実施例は、第
１図（ＩＬＩのものと基本的な構成を同じとするが、気
泡発生部１１７が夫々複数個設けられているのが違って
いる。即ち、第２図（Ｃ１には液供給室１１Ｂに連通ず
る液流路１２６の終端にオリフィス１０５が設けられて
おり、且つ液流路１２６の途中に夫々独立した４つの細
流路に連通ずる気泡発生部１１７が４つ設けられている
構成とガっている。

基本的な液吐出の制御のされ方は実施態様例１乃至３の
どれも同じで、液供給室１１８から供給された液は気泡
発生体１０２によって加熱され、気泡を発生して圧力を
生じさせ、オリフィス１０５より液滴を吐出させる。或
は先ず気泡発生部１１７の気泡発生体１２０に通電し、
気泡発生部１１７で気泡を発生させ、その後気泡発生体
１０２に通電し気泡を液流路１２６・内で発生させ液滴
をオリフィス１０５よシ吐出させる。後者の場合、オリ
フィス１０５より液滴を吐出させる圧力は吐出圧力）は
、気泡発生部１１７で発生させた気泡によって液流路１
２６で発生させた気泡の圧力を制御することによって広
い範囲にわたって変化させることが出来る。従って、吐
出される液滴の大きさは、吐出圧力によって変化する為
、被記録部材上には広い範囲の濃度制御を行なうことが
できる。

尚、実施態様例２の様に液滴の吐出方向が液供給方向に
対して垂直になっているものに於いても吐出エネルギー
を制御する気泡発生部１１７発生体１０２は２個の吐出
エネルギーの制御をする気泡発生部１１７に対して１個
設けられているが、これは吐出エネルギーの制御量に応
じて液滴吐出のための気泡発生体１０２が設けられてい
ればよいので、図に示される様に２個の気泡発生部１１
７に対して気泡発生体１０２が１１固とは規定されない
し、一つのオリフィス１０５に対して４つの気泡発生部
１１７を設けるということも規定されない。又、液流路
１２６と気泡発生部１１７とを連通ずる細流路の断面積
及び長さ、気泡発生部１１７の容積は吐出させる液体の
程数、気泡発生体１２０及び１０２の発熱険、記録濃度
の制御量、気泡発生部の設遣数、その他多くの条件に鑑
みて最良な記録画像が得られる様な値に決定される。し
かし、少なくとも気泡発生部１１７で発生した気泡の圧
力によってオリフィス１０５から液滴が吐出されない様
な寸法にされる。

本発明の実施態様例１による記録ヘッドは例　・えは以
下の様に炸裂する事が出来た。

まず、シリコン基板上にｓｌｏ、　、Ｎ　（下部層）が
スパッタリングにより３μｍ厚て形成され、続いて電気
熱変換体としてＨａＢ、が１００ＯＡ厚に、電極として
アルミニウムが３００ＯＡ厚に積層された後、選択エツ
チングによって電気熱変換体ノくターンが形成され′た
。次に８１０１層がスノ（ツタリングにより０．５μｍ
厚に保詐層（上部層）として積層され基板上に熱発生部
が形成された後、感光性樹脂が基板にラミネートされ、
所望のノ（。

ターンによりその感光性樹脂が露光、現像され、液流路
、液供給室、吐出エネルギー吸収室が形成され、更にそ
の上部に直径１間の貫通孔が設けちれたガラス板が接合
された。引き続いて、発熱抵抗体の先端とオリフィスの
距離が３００μｍになるようオリフィス端面が研磨され
、記録ヘッドが作製された。

この記録ヘッドに黒色染料とエタノールを主成分とする
インクを０．０１気圧の背圧で熱作用部に供給しながら
、矩形電圧パルス印字信号を電気熱変換体に印加して画
像を記録し評価した。

実施態様例１を例にとって、本発明の液体噴射記録装置
による階調性の制御方法の具体的な方法を説明する。

第３図（ａ＋は電気熱変換体への信号入力と、それによ
って生ずる気泡の体積変化と、液流路内の圧力変化を示
すタイミングチャートである。

図に示される様に、時刻ｔ。に電気パルスＥ１を気泡発
生体１２０に与えると、時刻ｔ１に熱作用部上に気泡が
発生し始め、時刻ｔ、に気泡体積■１は最大となる。と
の時刻ｔ１とｔ！の間に液流路内圧力Ｐは正圧となシ極
犬値Ｐ、を持つ。この極大（ｉｊｆ　”ｔは、吐出に必
要なエネルギー”ｔｈを超えない値とすれば、この気泡
発生によってオリフィスからの液滴飛翔は生じない。次
に、時刻ｔ３に電気パルスＥ、を気泡発生体１０２へ与
えると、熱作用部上に気泡が発生し始め、時刻ｔ４に気
泡体積ｖ、は最大となる。この間、吐出エネルギー吸収
の為の気泡体積Ｖ１は液流路内圧力Ｐが上昇する為減少
する。これによって、吐出エネルギー吸収の為の気泡が
存在しない場合の液流路内圧力Ｐ′の最大値Ｐ４に比べ
、該気泡が存在する場合の液流路内圧力Ｐの最大値Ｐ３
は低い値となる。

１吉り、吐出の為のエネルギーは減少する。更に、時刻
ｔ４に於いて電気パルスＥ２を取除くと（ＯＦＦにする
と）気泡体積ｖ２は減少′し始め、時刻ｔ。

に於いて消滅する。その後時刻ｔ６に於いて電気パルス
Ｅ１を取除くと、気泡体積■１が減少し始め時刻１フに
於いて消滅する。

この様な階調性制御の為の駆動方法が実施出来る本発明
の液体噴射記録装置において前記電気パルスＥ２の電圧
を３０７．パルス幅を１０μｓトシ、更に、電気パルス
Ｅ１のパルス幅を５０μｓとし、電気パルスＥ、とＥ、
の印加される時間差を２０μｓとした場合の電気パルス
Ｅ１の電圧と吐出された液滴が被記録部材に付着した際
のドツト径との相関を第４図に示す。

電気パルスＥ、の印加電圧が１２Ｖを超えると、熱作用
部に気泡が発生し始め付着したドツトサイズ（ドツト径
）は減少し始めた（以後この様な現象が現われる雷、気
パルスＥ１の印加電圧を”ｔｈと称す）。気泡発生体１
２０に与えた■ｔｈ以上の電圧Ｖが坊加するとともにド
ツトサイズは減少する。ドツトサイズの最大と最小の差
△Ｄは１５０旦 μｍにも達した。この△Ｄは染料含有料３’Ｗｔ、％（
ｗｅｉｇｈｔ　％　’）、ドツト密度５　ｐａｌで印画
した場合の光学的平均反射濃度値０．６〜１．４．の変
調幅に対応していた。

第１表に、上記の記録ヘッド全相いて、染料含有脩３ｙ
ｔ、係、１．５ｗｔ、％、　Ｑ、５ｗｔ、係の３種の液
（インク）を用いた場合の光学的平均反射濃度の変調幅
と、従来の記録ヘッドで電気熱変換体へ与える電圧の値
を変化させた時の光学的平均反射濃度の変調幅を前記濃
度の最大値。最小値で示す。

第１表 第１表にも示される様に本発明も従来のものも被記録部
材の最大濃度については差は認められなかったが、最小
濃度（全く液滴が飛翔していない場合を除いた、最も薄
く印画出来た時の濃度）に於いては本発明の方が著しく
小さな値となった。即ち、本発明は従来の約２倍の変調
幅を持つのでよシ広い階調制御が行なえるのである。

刻ｔｏが同時刻とし、常に気泡発生体１２０に電圧が印
加される駆動方法によっても同様な効果が得られた。

また、電気パルスＥ、の形状は矩形状でなくなめらかで
あっても良い。又、時刻ｔ０からｔ６の開において電圧
を変化させても良い。

第２図（ｂｌに示すようにインク供給方向に対し垂直に
液滴の吐出方向を設けたいわゆるＬ型吐出ヘッドにおい
ても本発明を適用することが出来た。

さらに、第２図（Ｃ１に示すような、気泡発生部行なう
ことが出来た。

第６図（１））に示すように、電気パルスＥ１により発
生した気泡Ｖ、が消失し、液流路内圧力が負圧てなる時
刻ｔ６からｔ７の間に電気パルスＥ、によ多気泡Ｖ、を
成長させ、液吐出エネルギを調整し、階調制御を行う駆
動方法によっても先の実施例と同様な効果が得られた。

以上説明した様に、本発明の液体噴射記録装置は液吐出
エネルギー調整用の気泡を発生させて、吐出される液滴
の大きさ、詰りドツトサイズ、を変化させて、画像階調
を幅広く制御することが出来る。その結果、高解像度、
高鮮明度は画イ象を形成することが出来る。更に、光学
的濃度の低い領域での液滴の吐出の安定性を向上させる
ことも出来る。加えて、本発明によれば、装置製造−ヒ
のバラツキによるドツトサイズの不揃いを液吐出エネル
ギー調整用の気泡により調整し光学的濃度の不均一を無
くすことも出来る。

詰り、本発明によれば従来にない画像階調性の制御が良
好な優れた液体噴射記録装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図ｆａ）、乃至第１図（ｃｌは、本発明の記録ヘッ
ド部分の構成を説明する為のものであって、３図（ａｌ
及び第３図（ｂｌは本発明を説明する為の説明図である
。第４図は本発明の詳細な説明する為の説明図である。 １０１５・・・基板 １０４・・・板部材 １０５・・・オリフィス １０６・・・液吐出部 １０７　、１２３・・・熱作用部 １０８・・・熱発生部 １０９　、１２４・・・熱作用面 １１０・・・下部層 １１１．１１５・・・電気熱変換体 １１２・・・上部層 １１３、ＩＬ４，１２１・・・　電極層１１７・・・　
気泡発生部 １１８・・・　液供給室 １１９・・・貫通孔 出願人　キャノン株式会社 男　う　ＩＩＺ（し）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 液体を吐出して、飛翔的液滴を形成する為のオリスイス
   と該オリフィスに連通した液流路と前記オリフィスから
   液滴を飛翔させる手段を有する液体噴射記録装置に於い
   て、前記液流路に連通し気泡発生手段を有する気泡発生
   部が設けられていることを特徴とする液体噴射記録装置
   。