JPS6132762A

JPS6132762A - 液体噴射記録法並びにこれに用いる記録ヘツド

Info

Publication number: JPS6132762A
Application number: JP15637484A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Hirose; 広瀬　吉彦
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1984-07-26
Filing date: 1984-07-26
Publication date: 1986-02-15

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法並びにこれに用いる記録ヘッド
に関し、詳しくはオンデマンド型インクジェット記録装
置において良好な階調記録を実現するための液体噴射法
および記録ヘッドに関する。

〔発明の背景〕

液体噴射記録法（インクジェット記録法）代記碌時にお
ける騒音が極めて小さく、また特別の定着処理を必要と
せずに記録紙に記録を行なえる等のすぐれた特徴をもつ
記録法であり、この中で、ＵＳＰ　６８３２１２、ＵＳ
Ｐ　３７４７１２０、ＵＳＦ３９４６３９８等の文献に
記載されている所謂オンデマンド聾インクジェット記録
法は、発生される液滴の総°〔を被記録部材表面に付着
させて記録を行なうので他の方式の様に記録液滴を回収
する必要が無いという点において昨今富に注目されてい
る。

この方法は、記録用液体を飛翔液滴として吐出する吐出
オリフィスを有する記録ヘッドに、これに付設されてい
る圧電素子に電気的な記録信号を印加して圧電素子の機
械的振動を得、該機械的振動に基づく圧力波動に従って
前記オリフィスより液滴を吐出飛翔させて被記録部材に
付着させるものである。

しかしながら、このような液体噴射記録法による場合、
圧電素子の振動という機械的エネルギーによって記録液
滴の吐出飛翔を行なわせるため、高度な階調記録は極め
て難しいという難点がある。例えば−画素当りに打ち込
まれる液滴の個数を変調することによって階調記録を行
う方法が考えられるが、この様な方法では階調度、高速
記録共に自と限度があシ、特に記録速度を向上させる意
味で記録ヘッドをマルチオリフィス化すると、階調記録
、特に高速な階調性記録は実質上実現できない等々の問
題点が累積している。

なお、前記のようなオンデマンド型インクジェット記録
法に属するものとして、特開昭５４−５９９３６号公報
等によって提案された熱エネルギー作用を用いた方式の
ものもあるが、この方式の場合も同様に階調性を与えた
応答性のよい高速記録は望まれる。

〔発明の目的〕

本発明は、前記のようなオンデマンド型インクジェット
記録法において、応答性が良くかつ忠実に原画の階調性
を再現し得るインクジェット記録法の提供を目的とする
。

また本発明の他の目的は、マルチオリフィス、特に高密
度マルチオリフィス形式のものとして前記階調性記録を
容易に実現できる記録ヘッドを提供するところにある。

〔発明の概要〕

而して、前記した本発明の目的を達成するためになされ
た液体噴射記録法の要旨とするところは、吐出オリアイ
スから記録液滴を吐出飛翔させるオンデマンド型の液体
噴射記録法において、液滴を吐出するためのエネルギー
発生体より通液の下流側で、記録液通路の断面積を可変
させることを特徴とするところにある。

通液路の断面積を可変させる位置は、圧力波発生部より
も下流（吐出オリスイス側）であればいずれの位置でも
よく特に限定されない。したがって最下流端である吐出
オリフィスであってもよく、この場合通液路の断面積変
化はすなわち吐出口径の変化として認識される。

また前記方法に用いられる本発明の記録ヘッドの要旨と
するところは、吐出オリフィスから記録液滴を飛翔吐出
させるオンデマンド型の液体噴射記録法に用いる記録ヘ
ッドであって、液滴を吐出するためのエネルギー発生体
より通液の下流側における通液路を囲む壁面の少なくと
も一部を、該通液路内方に膨出可能な弾性膜により形成
すると共に、この弾性膜の通液路側面に対向して、弾性
膜を通液路内方に押圧する駆動手段を配置したことをｆ
ｉ＋徴とするところにある。

本発明における通液路の断面積変化の程度は、これによ
って制限される飛翔液滴の大きさく液量）が、記録画像
の濃度を定めることになるので、このことに基づいて決
定することができるが、この際の断面積変化で生ずる通
液路内の記録液の圧力変動により、記録液が吐出オリフ
ィスから漏出させないようにすることが必要である。

本発明における通液路の断面積変化は、一定の範囲内で
段階的に又は無段階に行なわせることができる。

また本発明において通液路の断面積を変化させる駆動手
段としては、例えば圧電素子を用いる場合の他、ａ：　通液路の一部壁面をポリフッ化ビニリデン（ＰＶ
ＤＦり　、ビニリデンサルアナイド／ビニ／ｌ／　７セ
テ一ト共重合体（ｖｎａＮ／′ｖＡｃ　）の様な強誘電
性高分子フィルムを用いて形成しこれの表面に電極を設
けて電流を流す。

ｂ：　圧電素子のかわりに薄膜状の二方向性形状記憶素
子を用い形状記憶素子に電流を流す。又形状記憶素子、
バイメタルの表面にフレキシブルなヒータをもたせヒー
タの熱で変化させる。

Ｃ：　ソレノイド磁界と磁石を用いる。

が適用されうるが、記録液滴の吐出とタイミングをとっ
た高速な応答性を簡易な構造によって実現するために圧
電素子が好ましく使用される。

更にまた本発明における前記駆動手段に与えられる駆動
のだめの電気信号（以下記録画像の階調性を付与する信
号として階調信号という）は、吐出オリスイスから記録
液滴を吐出するための圧力波を発生する手段（一般に発
熱素子又は圧電素子）に与えられる電気信号（以下液滴
吐出信号という）とは、別個に独立して与えられるが、
これと所定のタイミングをとることが必要である。

所定のタイミングとは、液滴吐出のための圧力波の伝播
の際に、通液路の断面積変化が行なわれていることを要
するというタイミング関係であり、圧力波発生部と通液
路断面積の変化部との位置関係、通液路の寸法等々の設
計条件に応じて決定される。

又、マルチオリフィス化した記録ヘッドの場合、通液路
断面積を可変させる為の駆動手段、例えば圧電素子は、
前記記録ヘッドの各々の通液路に一つずつ設置するより
は、数個の圧電素子を複数の通液路に対して共用させる
形式に設けて、マルチオリフィス記録ヘッドの階調記録
を可能とすることが構造簡易化等の上で実用上望ましい
。

〔発明の実施例〕

以下本発明を図面に従って具体的に説明する。

第５図（イ）、（ロ）には、本発明の記録法との差を容
易に理解し得る様に本発明に先行して特開昭５４−５９
９３６号において提案された記録法を具現化する記録ヘ
ッドの主要部の構造を説明する為の図面が示される。

これらの図において、基板３上に発熱体５及び通電の為
の電極４が配されておシ、発熱体５が頂度溝蓋板２に形
成された溝１と一致する様に基板３と溝蓋板２を接着し
て記録ヘッドは構成される。

これに記録液を導入し発熱体５を加熱すると、発熱体５
０表面に接している液体が急峻な状態変化によって気泡
６を生じ、その体積増加に対応した液滴７が溝蓋板２と
基板３によって形成された吐出オリフィス８より吐出す
る。

第５図（ロ）は（イ）図をＸ−Ｘ線で切断したものを示
したものである。

この図により発熱体５に一定電力レベル以上の電力を供
給すると、発熱体５表面の温度が上昇し流路９内の記録
液を加熱して気泡６を生じこの気泡６は発熱体５全面に
形成されることが理解されよう。

ところで、かかる構成の記録ヘッドにおいては、制御法
を工夫するととで液滴の大きさを可変させ、階調性を付
与することも考えられるところではある。

例えばこのために気泡６０体積を増加させるべく、供給
電力レベルを増す、即ち電圧値又はパルス幅（電力供給
時間）の増加によって発熱体５０発熱部表１面の温度を
上昇させ気泡を太きく成長させる方法等である。しかし
ながら気泡の発熱体５表面からの高さを変化させること
等によって気泡自体の体積変化を行なうのは実際的には
難かしく、充分な階調性が得られない。

又１つの流路中の熱作用部Δｔに複数の発熱体とこれ等
発熱体に通電する為の電極を設け、これ等発熱体の動作
個数を変化させることにより熱作用面積を変化させて気
泡発生面積の増減による気泡体積の変調を行って階調性
を表現するという方法も考えられるが、１りの流路に対
し、３つ以上の電極の取出しが必要となり、階調を細か
くとればとる程多くの電極が必要となるので高密度マル
チオリフィス記録を実現するのが困難である。

第１図（イ）〜に）は本発明を具体的に実施するために
構成された記録ヘッドの一実施例を示したものであり、
０）図は基板と上板の展開図、（ロ）図は０）図のＡ矢
視で示した記録ヘッドの正面図、（う図は０）図のｘ−
Ｘ線の位置で記録ヘッドを切断した図、に）図は（ハ）
図に対して吐出オリフイスの口径を変化させた状態を示
した図である。

これらの図で説明される記録ヘッドは、弾性膜１３を片
面に被着した上板１２に対して、この弾性膜１３の外側
面に更に角棒状のスペーサ１４の複数を平行にして接着
固定し、これＫよりスペーサ１４の間の多数の溝（通液
路１１）を形成させる。

またこの上板１２の吐出オリフィスが位置する端部には
、複数の通液路１１に渡るように大きな切欠２４が設け
られると共に、一端が上板に固定され、かりｉ出端側が
吐出オリフィス端側に延出した板形片持梁状の圧電素子
１５が、前記切欠２４の概ね全域に渡って設けられてい
る。

そして、この圧電素子の自由端近傍の弾性膜１３との対
向面に、前記各通液路１１と対向するように各−個宛の
突隆１６が設けられ、図示しない制御回路からの階調信
号の入力にょ、シ圧電素子１５がたわみ変形したときに
弾性膜１３を押して吐出オリフィスの口径を縮小できる
ようになっている。

他方、基板１７上には発熱体１９及び通電の為の電極１
８が配されておシ、発熱体１９と縦突隆１６が頂度向か
い合う様にして上板１３と基板１７はスペーサ１４、弾
性膜１３を介して接着される。

これにより記録ヘッドが形成される。

そして、前記通液路１１に記録液２３を導入し発熱体１
９を加熱すると、発熱体１９０表面に接している液体が
急峻な状態変化によって気泡２゜を生じ、その体積増加
に対応した液滴２１が基板１７、スペーサ１４、弾性膜
１３により形成されたオリフィス２２より吐出する（第
１図（ハ）参照）。

次に発熱体１９に加える電気信号（液滴吐出信号）のエ
ネルギーを一定のまま、圧電素子１５に別の電気信号（
階調信号）を印加すると、圧電素子１５はたわみを生じ
て突隆１６にて弾性膜１３を液室内へ押しつけ吐出オリ
フィス２２の吐出口径は縮少する（第１図に）参照）。

この為、吐出オリフィス２２から発熱体１９の間に充填
された記録液の容量は減少すると共に、吐出オリフィス
口径が弾性膜１３により決められた為に記録液を吐出す
る際の流路抵抗係数は増大することとなり、気泡２００
発生と同時に起きる圧力波エネルギーは、流路抵抗係数
の増大分だけ消費され、吐出オリフィス２２より吐出飛
翔される記録液滴２３の大きさ、液量も減少する。した
がって、被記録媒体上での記録液の拡散面積は小さくな
る。

このように、かかる構成の記録ヘッドによれば、発熱体
１９に印加する電気信号（液滴吐出信号）のエネルギー
レベルを一定としたまま、前記電気信号とは別個なる電
気信号（階調信号）を圧電素子１５に印加し、そのエネ
ルギーレベルを変化することにより吐出オリフィス２２
から吐出飛翔する記録液滴径を可変とすることが出来、
階調記録が実現される。

前記記録ヘッドにおいては、例示的に４つの通液路を有
するタイプのものが、１つＱ圧電素子１５によって同時
に同じ吐出オリフィスの口径変化を生ずるようにした例
として示しているが、これは、更に多数の通液路を有す
るタイプの記録ヘッドであってもよいし、また圧電素子
を全ての通液路に共通的に適用させる他、いくつかの通
液路毎に分割し、あるいは各通液路毎に各別なものとし
てもよいが、構造的、機能的には、いくつかの通液路に
対して一つの圧電素子を共通的に対応させる形式とする
ことが実用上好ましい。

第６図は圧電素子１５に印加する電気信号（階調信号：
ａとする）と、液滴吐出信号（＝ｂとする）の関係、お
よびその時の液滴の大きさの関係の一例を模式的に示し
たものであり、信号ａ、ｂのＯｎをａ　）　ｂとして与
え、かつ信号ａの電圧値ｔを可変させる（　Ｖｘ　＞Ｖ
２　＞ＶＢ　）　コトテ液滴径を制御している。

第２図０）〜に）は、通液路内の発熱体１９設置位置と
吐出オリフィスの吐出口の中間に、通液路の断面積変化
部を形成させた実施例を示すものであり、圧電素子１５
の配役位置が相違する点を除き、前記第１図に示した例
と同様であるため、共通する部材については同じ符号を
付して示しその説明は省略する。

本実施例の記録ヘッドによっても、吐出液滴の大きさく
液量）の制限が好適になされ、階調性のよい画像が記録
できる。

なおこれらの例において、特に第１図に示した型のもの
では、吐出オリフィスの断面積変化による記録液の漏出
（所謂ボテ）も全くないという利益がある。

第３図（イ）〜（ハ）は本発明を適用した記録ヘッドの
他の実施例を示したものであシ、（イ）図は基板と上板
の展開図、（ロ）図は０）図Ｘ−Ｘ線の位置で記録ヘッ
ドを切断した図、（ハ）図は（ロ）図に対して吐出オリ
フィスの口径を変化させた状態を示した図である。

これらの図で説明される記録ヘッドは、弾性膜３２を片
面に被着した上板３１に対して、この弾性膜３２の外側
面に更に角棒状のスペτす３９の複数を平行にして接着
固定し、これによりスペーサ３９０間の多数の通液路４
０を形成させる。

またこの上板３１は、各通液路４０に一致した位置の弾
性膜３２を介した反対位置に、吐出オリフィスが位置す
る端部と、これより上流側の位置に夫々対をなすように
切欠開口４１．４２が形成され、かつこの切欠開口の内
部におい−〔弾性膜３２上に圧電素子３４．３５が接着
されている。

これらの圧電素子３４．３５は、前者３４が吐出オリフ
ィスの口径を変化させるために機能して、吐出液滴の大
きさ、液量を決定し、他方後者３５は、液滴吐出を行な
わせるように機能するものである。

他方基板３３には、凹設部として液室３６が設けられて
、これが圧電素子３５と頂度向い合う様にして上板３１
と基板３３はスペーサ弾性膜３２を介して接着される。

これにより本実施例の記録ヘッドが形成される。

そして、前記通液路に記録液を導入して圧電素子３５に
電気信号（液滴吐出信号）を駆動パルスとして印加する
と、圧電素子３５が急激にたわむ。すると弾性膜３２と
圧電素子３５とのバイメタル効果により弾性膜３５は変
形し、液室３６の容積が急に減少する。その為液室３６
の内圧が高まシ、その圧力波が吐出オリフィス３７まで
到達すると記録液が吐出オリフィス３７より押し出され
て記録液滴３８が吐出飛翔される（第３図（ロ）参照）
。

この時、圧電素子３５に駆動パルスとして印加される液
滴吐出信号のエネルギーレベルヲ一定としたまま圧電素
子３４に別個の電気信号（階調信号）を印加すると、圧
′電素子３４祉たゎみ接着式れている弾性膜３２を流路
内へ押し出す。

この為吐出オリフィス３７から液室３６の間に充填され
た記録液の容量は減少し、吐出オリフィス３７が弾性膜
３２により決められて記録液を吐出する際の流路抵抗係
数は増大することとなる。

液室３６で圧電素子３５のひずみにて発生した圧力波の
エネルギーは、吐出オリフィス部の抵抗の増大により一
部消費され、吐出オリフィス３７より吐出飛翔する記録
液滴３８の大きさ、液量は減少することとなる。

言いかえると圧電素子３５に印加する液滴吐出信号のエ
ネルギーを一定としたまま、圧電素子３４に印加する前
記信号とは別個の階調信号のエネルギーを変化させるこ
とにより、吐出オリフィス３７から吐出飛翔する記録液
滴径を可変とすることが出来階調記録が実現される。

第４図０）〜（ハ）は、前記第３図の例に対して、通液
路内の途中に断面積の変化部を形成させた実施例を示す
ものであシ、圧電素子３４の配設位置が相違する点を除
き、前記第３図の例と同様であるため、共通する部材に
ついては同じ符号を付して示し、その説明は省略する。

本実施例の記録ヘッドによっても、吐出液滴の大きさく
液量）の制御が好適になされ、階調性のよい画像が記録
できる。

〔発明の効果〕

本発明においては従来の階調法の様に液滴吐出のだめの
圧力波を発生する為の駆動手段に液滴吐出と階調の２つ
の信号を同時に与える必要がない為、電気回路面におい
ても負担が少なくなるとともにメンテナンス性も向上し
、より細かな階調を行なうことが可能となる利点が、１
）、特に圧力波を発生する手段として圧電素子を初めと
する機械的エネルギーを用いるものにおいては、本発明
を用いることによる利益は顕著となる。

又、本発明は高密度マルチオリフィス記１７ドに適用す
る場合、極めて有効であシ、例えば超高速階調記録を希
望する時は、各々１つのノズルに１つの圧電素子を用い
た形式の記録ヘッドとして同時駆動を行なう。高速階調
記録を行ないたい時は１つの圧電素子で数個のノズルの
階調制御を行なう形式の記録ヘッドとして時分割駆動を
行なう。更に安価に高速階調記録を行ないたい時は、１
つの圧電素子で全ノズルの階調制御を行なう形式とした
記録ヘッドとするなど使用目的に合わせ構成を任意に採
用で−きるという大きな選択性をも有している。

【図面の簡単な説明】

図面第１図（イ）〜に）は本発明からなる記録ヘッドの
一実施例を説明するものであシ、（イ）図は基板と上板
の展開図、（ロ）図は（イ）図のＡ矢視で示した記録ヘ
ッドの正面図、（ハ）図は（イ）図のｘ−ｘｌｆｓで示
した位置の断面図、・に）図は（ハ）図における吐出オ
リスイスを変化させたときの図である。第２図（イ）〜に）は圧電素子１５の位置を通液路の途
中に設けた例を示し０）〜に）図は第１図の（イ）〜に
）図に夫々対応する。第３図（イ）〜（／、９は本発明からなる記録ヘッドの
他の実施例を説明するものでおり、（イ）図は基板と上
板の展開図、（ロ）図は（イ）図のＸ−Ｘ線で示した位
置の記録ヘッドの断面図、（ハ）図は（ロ）図における
吐出オリフィスを変化させたときの図である。第４図０）〜ｔ＋は圧電素子３４の位置を通液路の途中
に設けた例を示し、０）〜（９図は第３図の（イ）〜（
ハ）図に夫々対応する。第５図（イ）は従来例の記録ヘッドの一例を示す基板と
上板の展開図、同（ロ）図は（イ）図のＸ−Ｘ線位置で
の断面図である。第６図（イ）、（ロ）、（ハ）は階調信号、液滴吐出信
号および吐出液滴の大きさの関係−例を模式的に示した
図である。１・・・通液路　　　　　　２・・・溝蓋体３・・・基
板　　　　　　　４・・・電極５・・・発熱体　　　　
　　６・・・気泡７・・・液滴　　　　　　　８・・・
吐出オリフィス９・・・流路１１．４０・・・通液路　　　１２　、３１・・・上板
１３．３２・・・弾性膜　　　１４．３９・・・スペー
サ１５．３４．３５・・・圧電素子　１６・・・突隆１
７．３３・・・基板　　　　　１８・・・電極１９・・
・発熱体　　　　　２ｏ・・・気泡２１．３８・・・液
滴　　　　　２λ３７・・・吐出オリフィス２３・・・
記録液　　　　　　２４・・・切欠３６・・・液室　　
　　　　　４１．４２・・・切欠開口。第１図（イ）（ロ）第１図（ハ）（ニ）第２図（イ）（ロ）第２図（ハ）（ニ）第３図（イ） −Ｌ第３図（ロ）（ハ）％５６゜第４図（イ）第４図（ロ）（八）くシら第５図（イ）（ロ）第６図（イ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　（。）○　　　　　○ （ハ） ○

Claims

【特許請求の範囲】１　吐出オリフィスから記録液滴を吐出飛翔させるオン
デマンド型の液体噴射記録法において、液滴を吐出する
ためのエネルギー発生体より通液の下流側で、記録液通
路の断面積を可変させることを特徴とする液体噴射記録
法。２　吐出オリフィスから記録液滴を飛翔吐出させるオン
デマンド型の液体噴射記録法に用いる記録ヘッドであっ
て、液滴を吐出するためのエネルギー発生体より通液の
下流側における通液路を囲む壁面の少なくとも一部を、
該通液路内方に膨出可能な弾性膜により形成すると共に
、この弾性膜の通液路外側面に弾性膜を通液路内方に押
圧する駆動手段を配置したことを特徴とする記録ヘッド
。