JPS60232966A - インクジエツト記録方法 - 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】 〔技術分野〕 本発明は、インクの小滴（ｄｒｏｐｌｅｔ）流を吐出飛
翔させて記録する記録方式に関するものである。

〔背景技術〕

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、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
であってこれ迄にも様々な方式が考案され、改良が加え
られて商品化されたものもあれば、現在も尚実用化への
努力が続けられているものもある。

この種の記録法に於いては、所謂インクと称される記録
媒体の小滴流を吐出飛翔する為の吐出オリフィスと記録
媒体が流入する為の流入オリフィスとを有する記録ヘッ
ドが使用されている。

斯かる記録ヘッドは、前記吐出オリフィスより記録媒体
の小滴を吐出させる方法によって種々の構造を有してい
る。

最も簡単な構造の記録ヘッドとしては、単にノズル状と
されていて該ノズル内に、外部にある記録媒体供給タン
クより、ノズルの吐出オリフィスよりそれだけでは記録
媒体が吐出しない程度の圧力を掛けて記録媒体を供給し
、該ノズル内の記録媒体と吐出オリフィス前方に配置さ
れている電極との間に電界を掛けて静電的に吐出オリフ
ィスよ゛り記録媒体の小滴を吐出飛翔させるものである
。

斯かる構造の記録ヘッドは、単に流入オリフィスと吐出
オリフィス及び記録媒体が供給される室を有し、吐出オ
リフィス付近に、該室内にある記録媒体に電気的接続を
する為のリード電極が設けられているだけであるから、
記録ヘッド自体の構造は極めてシンプルである。面乍ら
記録媒体小滴の発生を静電的に行う事、及び吐出オリフ
ィスより吐出飛翔した記録媒体小滴を記録情報信号に従
って、電気的に偏向する必要がある事等の為、１　シス
テム全体としての構成が複雑で且つ記録媒体小滴の電気
的制御に高度な技術及び精度が要求されるという不利な
点を有する。

上記の如き、静電的に記録媒体小滴を発生させる記録へ
一２ドとは別の構造の記録ヘッドとしては機械的振動法
によって記録媒体小滴を発生させるものがある。

この種の記録ヘッドは、記録媒体の供給される室の容積
をピエゾ振動素子の機械的振動によって周期的に変化さ
せ、該室の容積変化によって吐出オリフィスより記録媒
体小滴を吐出飛翔させる構造となっている。

斯かる記録ヘッドによれば、オンデマンド（ｏｎｄｅｍ
ａｎｄ）によって吐出オリフィスより記録媒体小滴を吐
出飛翔させる事が出来るので、吐出オリフィスより吐出
後、記録媒体小滴を制御する必要がないのでシステム全
体としての構成は極めてシンプルとなり得る。面乍ら、
記録媒体小滴の発生がピエゾ振動素子の機械的振動エネ
ルギーに基いている為に高速記録に於ける応答性に難点
があり、又記録ヘッドの加工上に問題がある事及び所望
の共振数を有する素子の小型化が極めて困難である事等
の理由から鶴ヘッドのマルチノズル化が難しいので高速
記録向ではない等の難点もある。

この様に従来に於ける記録へ一２ドは構造上、加工上、
高速記録化上、記録ヘッドのマルチノズル化上、更には
システム全体としての構成上等の点に於いて、本質的な
又は解決され得る可き問題が存在している。

上記のような問題を解決する記録ヘッドとしては特開昭
５４−５９１３９に提案されているバブルジェント記録
ヘッドがある。これは、インクタンクから記録媒体であ
るインクを流入オリフィスに供給し、さらに上記インク
で吐出オリフィスを満たした後、熱エネルギーの作用に
より吐出オリフィス内インクに状態変化を起させてイン
ク小滴を吐出させる記録ヘッドで、構造上極めてシンプ
ルであり、微細加工が容易に出来る為に記録ヘッド自体
を従来に比べて格段に小型し得、又、その構造上のシン
プルさと加工上の容易さから高速記録には不Ｉ］丁欠な
マルチノズル化が極めて容易に実現し得る事、更にマル
チノズル化に於いて、その記録ヘッドの吐出オリフィス
のアレー構造を所望に従って任意に設計し得、従って、
記録ヘッドをパー状にすることも極めて容易に成し得る
事等から、非常に有望視されている。

バブルジェット記録技術に関しては白戸、遠藤の論文〔
テレビジョン学会誌Ｖｏ１．３７．　ＮＯ，２（１９８
３）［へプルジェットプリンティング技術」〕にも述べ
られており、その吐出原理を第１図及び第２図に示す。

第１図はバブルジェットインク吐出と気泡発生・消滅を
示した模式図で、第２図は吐出過程に於る電圧、ヒータ
ー表面温度、気泡の体積、ノズル内の圧力の変化を示し
ている。第１図及び第２図について以下に説明する。

第１図■は定常状態であり、オリフィス面でインクの表
面張力と外圧とが平衡状態にある。

第１図■はヒーターが加熱されて、ヒーター表面温度が
急上昇し隣接インク層に沸騰現象が起きるまで加熱され
、微小気泡が点在している状態にある。

第１図■はヒーター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
た分だ線上昇し、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。

第１図■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゛りが押し出さ
れる。この時、ヒーターには電流が流れていない状態に
あり、ヒーター表面温度は降ドしつつある。気泡の体積
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。

第１図■は気泡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
ってノズル内圧の現象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。５ １　第１図■はさらに気泡が収縮し、ヒーター面にイン
クが接しヒーター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。

第１図■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■の状態にもどる過程で、気泡
は完全に消滅している。

以上の過程が繰返され、連続的なインク液滴が吐出され
る。

ところで、上述したように■の状態でインク柱にくびれ
が生じ■の状態でインク柱の先端部が液滴になり吐出が
行なわれるのであるが、実際にはインクの表面張力のた
めにインク柱が後方に長く伸び、１個の液滴とはならず
に第３図に示したように主液滴とサテライト滴とに分離
して飛翔してしまっていた。その結果、主液滴とサテラ
イト滴の着弾位置ずれによる画質低下や、オ゛リフイス
面に付着したわずかなゴミやインクの影響による液滴の
吐出方向のずれ等といった問題が発生し易いといった欠
点があった。

〔発明の開示〕

本発明の目的はインクジェット記録方法、特にバブルジ
ェット記録方法に於て、サテライト滴が生じにくく、さ
らに主液滴の着弾精度を向上させ、オリフィス面に付着
したゴミやインクによっても液滴の吐出方向が変化しに
くく、上述従来例の欠点を除去すると同時に、安定した
均一形状の液滴形成、ノズル内への安定したインク供給
及び、吐出ノズルの空気による目詰りの発生を防止する
ことも可能なインクジェット記録方法を提供することに
ある。

本発明の目的は、以下のインクジェット記録方法によっ
て達成される。

すなわち、インクタンクからインクが供給され、液滴を
吐出する為に設けられたオリフィスと、該オリフィスに
連通し、液滴を吐出する為の熱エネルギーが液体に作用
する部分である熱作用部とを有する液吐出部と、熱エネ
ルギーを発生する手段としての電気熱変換体とを具備す
る記録ヘッドを使用するインクジェット記録方法に於い
て、前記電気熱変換体の当接するノズル状熱作用部の中
心線方向を、鉛直方向とほぼ平行になるように配置し、
前記オリアイスを、電気熱変換体に対してインク供給側
の対向側下流に配置することを特徴とするインクジェッ
ト記録方法によって達成される。

インク液滴は鉛直方向下向きに吐出させることが好まし
い。

〔発明を実施するための最良の形態〕

本発明の方法によるバブルジェットインク吐出を説明す
るための模式図を第４図に示した。

本発明に於いては第４図に示したように、図示していな
いインクタンクからインク４を供給し、液滴を吐出する
為に設けられたオリフィス８と該オリフィス８に連通し
、覆部を吐出する為の熱エネルギーが液体に作用する部
分である熱作用部９とを有する液吐出部と熱エネルギー
を発生する手段としての電気熱変換体３とを具備するバ
ブルジェット記録ヘッドに於いて、該電気熱変換体３の
当接するノズル状熱作用部９の中心線方向を鉛直方向と
平行になるように配置し、該オリフィス８を、該電気熱
変換体３に対して、インク供給側の対向側に配置させ、
該電気熱変換体３の鉛直方向側下端のド流側に該オリフ
ィス８が、また該電気熱変換体３の鉛直方向側上端の上
流側にインク供給手段を配置し、インク液滴を鉛直方向
下向きに吐出させるようにし、気泡の収縮に伴いノズル
内圧を減少させるのに加え、ノズル内の熱作用部９にヒ
ーター３により発生した気泡が浮力により鉛直方向上向
きに移動しようとすることを利用して、さらにノズル内
５の圧力を減少させ、インク柱が長く伸びてしまう前に
インク柱にくびれを生じさせ、短時間のうちにインク柱
を途切れさせることにより、サテライト滴の発生しにく
い安定したインク滴の吐出を実現させることを可能とす
ることができる。すなわち、これは、大気圧をＰ、気泡
の収縮により減少したノズル内圧をＰｌ。

ｐ２．ｐ３．ｐ４　とするとＰ）　ＰＬ）Ｐ２　）Ｐ３
　、Ｐａ’　”Ｐとなり、大気圧との圧力差によりイン
ク柱がくびれ、ノズル先端のインク４のメニスカスが後
退し、結果的にインク柱が途切れることによる。

次に、気泡の収縮と気泡の移動により減少したノズル内
圧をｐ、　’、　ｐ２°＋Ｐ３°、２４′　とすると、
　Ｐ）Ｐ、　’＞　Ｐ２’＞　Ｐ３’＞、Ｐ４″＝Ｐで
ＰＩ〉２１°＋Ｐ２ンＰ２　’　＋　２３　〉Ｐ３°と
なり、大気圧Ｐどノズル内圧との圧力差がさらに広がる
ことにより、インク柱のくびれ方が短時間のうちに大き
くなり、（第４図■、■）またノズル先端のメニスカス
がさらに大きく後退し、インク柱が長くなる前にノズル
内インクと吐出インク柱が途切れてしまい（第４図■）
、サテタイト滴の発生しない安定したインク滴が得られ
る（第４図■）。

また第５図に示すようにノズル先端断面積Ｓを熱作用部
、のノズル断面積Ｓ°より小さい構成をしたノズルの場
合には前述した気泡移動によるノズル内圧減少の効果を
より効率的に発揮できる。

第６図（ａ）、’（ｂ）　、　（ｃ）は、オリフィス面
８が鉛直方向下向きでない場合の本発明の実施例で、ノ
ズル内圧減少の効果は同様に得られる。

更に、第７図（ａ）に示したようにノズル状熱作用部の
中心線方向が鉛直方向と平行でなくインク滴を非鉛直方
向に吐出させる構成の従来の記録ヘッドに於いては、イ
ンクチューブを透過してきた空気やインク４に溶存して
いた空気が気化してできた泡７が記録ヘッドのノズル内
５に侵入してきた場合、この泡によりノズル５の一部或
いは全部が塞がれてしまい、ノズル先端へのインク供給
、が停止され、インク滴の吐出が行なわれなくなってし
まう問題があった。そのため、このノズル内５の気泡７
を除去するために、インクチューブ６等からインク４を
強制的に送り込むことにより、ノズル５からこの気泡７
を排除してしまう等の方法が考えられていたが、構造が
複雑になる。気泡７を排除した際にノズル５がら出てき
たインクによってノズル先端が汚れる等の弊害があった
。

本発明により図７（ｂ）のようにインク滴を鉛直方向下
向きに吐出させる構成にすると、上記のような気泡７は
浮力によりノズル５の上方に移動し、ノズル上部に蓄積
される。インク供給チューブ６の供給口を図示したよう
にノズル上部より下方に設ければ、ノズル５及びインク
供給チューブは気泡７によって塞がれることなく、また
、複雑なインク４の加圧機構を要することなく、安定な
インク供給を行なうことができる。またノズル上部に孔
９及び空気抜き弁８を設けておき、ノズル上部に蓄積さ
れた気泡７を解放する手段を設けておけば、ノズル全体
が気泡７で埋めつくされても容易に回復させることが１
ｆ能となる。

また、インク滴を鉛直方向下向きに吐出させる記録ヘッ
ド構成にするとインク滴の飛行に対する重力の影響によ
る着弾ズレもなくすることができる。第８図を用いて以
下に説明する。

インク滴と１径ａの剛体球と仮定し、このインク滴が一
定速度ν。で空気（密度ρ、粘性率ＪＬ）中を水平方向
に対してθ（−二≦θ＜二）の角度−２ の方向に重力加速度ｇを受けて飛翔しているとする。ス
トークスの法則によ、す、レイノルズ数Ｒ，＝２ａρν
ｏ　／　ｐ−が十分小さいと仮定すると、小球の受ける
抗力ＦＤは、 ＦＤ＝　６　ｔｃ　ｐ−ａ　ｖ　ｏ　”・（＋）で与え
られるので、小球の運動方程式は次式で与えられる。

ここでインク滴の飛び出す方向をχ方向、χ方向に垂直
な方向をｙ方向、ノズル先端を原点とし、インク滴の初
速を１０、インク滴がノズルを出る瞬間を１＝０、時刻
ｔにおけるインク滴の位置を（χ（ｔ）　、ｙ　（ｔ）
　）としている。

従って、初期条件は Ｘ　（０）、＝）’ｏ　、　Ｖ　（０）　＝０　・べ１
ｉｉ）＋χ（０）　＝０　、　ｙ　（０）　＝ｏ　・・
・（ｉマ）である。

（１１）（Ｉｉｉ）　（ｉマ）より、次式が得られる。

とおくと、 ｘ　（ｔ）＝ｋ（ｙ。−ｋｇ　ｓ＋ｎｆｌ　）（１−ｅ
−”、＋ｋｇｓｉｎ　θ　＊　ｔ　＋　ｙｏ　−（ｖ）
η ｙ　（ｔ）＝ｋｇ。。ｓｆ）　［ｔ　−ｋ　（１−ｅ−
’）］　＝（ｖｉ）ノズルと紙との距離をｄとすると、
（マ）よリインク滴が紙に到達する時間Ｔがまる。Ｔは
θの関数であるかたＴ（θ）と表わすと、ｙもθの関が
得られる。ｙ（θ）は重力の影響による着弾ズレを示す
値であり、 ｌｙ（θ）１が極小値となるθが望ましい。

＝ｋｇｌｔ（θ）−ｋ（１−ｅ　”０）′ｋ）　ｊｓ　
ｔ　ｃｏｓθ１・・・（マｉ）” でｌｙ（θ）１が最小となるのはＩ　ｃｏｓ　θ１＝０
すなわちθ＝±−のときであるから、記録ヘッドをイン
ク滴を鉛直方向下向きに吐出させるように構成すること
で（マｉ）”式で示される分だけの重力による着弾ズレ
を解決できる。

また、前述のようにノズルのオリフィス面にわずかなゴ
ミやインクが付着した場合等はインク液滴の吐出方向が
ノズルの方向からずれる場合があった。しかし、記録ヘ
ッドをインク滴を鉛直方向Ｆ向きに吐出させるように構
成するこにより、重力の影響により吐出方向ズレを軽減
することもｏｆ能となる。すなわち、第９図において、
第８図の場合と同様に考えて、インク滴の運動方程式は
次式で与えることができる。

ここで、イビタ滴の飛び出る方向をχ方向、χ方向に垂
直な方向をｙ方向、ノズル先端を原点とし、インク滴の
初速をν０、ノズルとインク滴の吐出方向のなす角度を
θ（０≦θ≦（）、インク滴がノズルを出る瞬間を１＝
０、時刻ｔにおけるインク滴の位置を（χ（ｔ）、　ｙ
　（ｔ）　）とする。

初期条件は、ｉｔ　（０）−ｙ　６　ｃｏｓθ。

ｙ　（０）＝シロ　ｓｉｎθ　・・・（マ＋＋＋）＋χ
　（０）−０，Ｖ　（０）−０・・・（ｉ冨）が得られ
る。ノズルと紙の間の距離をｄｏｏ）とし、インク液滴
が紙に到達する時間をＴ、とすると、（ｘ）式は次のよ
うになる。

ところで、第９図のモデルで重力の効果のない場合のイ
ンク液滴の運動方程式は となり、 が得られる。この場合のインク液滴が紙に到達する時間
をＴ２とすると（ｘｉｉｉ）式は、となる、従って（ｘ
ｉ）（ｖｉマ）式よりｙ２−　’１１＝　ｋ２ｇ　ｔａ
ｎθ　［−一＜　１−ｅ−’ｌ”！　ｌ／に月＞Ｑ　−
（ｘｖ）ｋ となり、この分だけ吐出方向のズレを修整することがロ
ー能となる。

以上説明したように、バブルジェット記録方法に於いて
、電気熱変換体の当接するノズル状熱作用部の中心線方
向を、鉛直方向と平行となるように配置し、インク液滴
を鉛直方向下向きに吐出さ讐るように構成することによ
って、サテライト滴が生じにくく、主液滴の着弾精度を
向上させ、また、吐出ノズルの気泡による目詰りも発生
しにくくすることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図はバブルジェットインク吐出と気泡の発生・消滅
を示した模式図、第２図は吐出過程における電圧、ヒー
ター表面温度、気泡体積、ノズル内圧の変化を示した図
、第３図はインク液滴を非鉛直方向に吐出させた場合の
バブルジェットインクの吐出とサテライト滴の発生を示
した模式図であり、第４図は本発明の方法によるバブル
ジェットインクの吐出の過程を示した模資図、第５図は
、本発明の方法を用いノズル先端部断面積を熱作用部の
ノズル断面積より小さくした場合の模式図、第６図（ａ
）、（ｂ）、（ｃ）はオリフィス面が鉛直方向下向きで
ない場合の模式図である。第７図（ａ）は、気泡が生じ
ている従来例の模式図、第７図（ｂ）は気泡が生じてい
る本発明の実施例の模式図であり、第８図、第９図は、
吐出方向の違いによる着弾ズレを説明する図である。 １−ｍ−記録ヘッド ２−ｍ−電極 ３−ｍ−ヒーター ４−ｍ−インク ５−ｍ−ノズル ６−ｍ−インクチューブ ７−ｍ−気泡 ８−ｍ−オリフィス ９−一一熱作用部 ｌＯ−ｍ−空気抜き弁 １１−　孔 １２−ｍ−電圧パルス １３−ｍ＝気泡体積 １４−ｍ−ヒーター表面温度 １５−ｍ−ノズル内圧 １６一−−主液滴 １７−−−サテライト滴 １８−ｍ−インク液滴 ＸＹ−ｍ−ノズル中心線 −Ｐ−ｍ−大気圧 Ｐ宜　・Ｐ２　１Ｐ３　１Ｐ４　１Ｐ＋　”　・　ｐ　
２　Ｚ　ｐ　３　Ｚｐ、ｔ　’−−−ノズル内圧 ｓ、　ｓ’−ｍ−ノズル断面積 Ｐ−ｍ−水平方向 Ａ−−一鉛直方向 ｄ−ｍ−ノズルと紙との距離 第１図 第２図 １ 第５図 第　６図（ａ） 第　６　図（ｂ） 第６図（Ｃ） 第７　図（ａ） 第　７　図（ｂ） 第８図 （Ａ） 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）　インクタンクからインクが供給され、液滴を吐出
   する為に設けられたオリフィスと、該オリフィスに連通
   し、液滴を吐出する為の熱エネルギーが、液体に作用す
   る部分である熱作用部とを有する液吐出部と、熱エネル
   ギーを発生する手段とを具備する記録ヘッドを使用する
   インクジェット記録方法に於いて、前記電気熱変換体の
   当接するノズル状熱作用部の中心線方向を、鉛直方向と
   ほぼ平行になるように配置し、前記オリフィスを、該電
   気熱変換体に対して、インク供給側の対向側に下流に配
   置することを特徴とするインクジェット記録方法。 ２）　インク液滴を鉛直方向下向きに吐出させることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のインクジェット
   記録方法。