JPS62146636A - 液体噴射記録ヘツド - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、液体吐出口から記録液を液滴として吐出、飛
翔させ、該液滴を紙などの記録媒体に着弾させて記録を
行なう液体＃４Ｉｌｔ記録ヘッド、特に印字信号が加え
られたときに吐出が行なわれるオンデマンド型の液体噴
射記録ヘッドに関し、中でも高速応答・注と優れた吐出
安定性を有する液体噴射記録ヘッドに関する。

［従来の技術］ 従来より、記録液を吐出、飛翔させて記録を行なう液体
噴射記録法（インクジェット記録法）が知られでいる。

該方法は、高速印字が可能であり、低騒音、且つ記録品
位が高く、しがもカラー画像記録が容易であり、また普
通紙等に記録できるといった優れた特長を有している。

このようなインクジェット記録方法に用いられるインク
ジェット記録装置は、一般に、記録液を飛翔液滴として
吐出噴射させるための液体吐出口（オリフィス）と、該
オリフィスに連通する液体流路および該流路の一部に設
けられ、該流路内の記録液に飛翔液滴を形成するための
吐出エネルギーを与える吐出エネルギー発生手段とを有
するインクジェット記録ヘッドと、該ヘッドに記録液を
供給するための液体供給系を備えているのが昔通である
。

そして液滴吐出の原理は、例えばＵＳＰ３６８３２１２
に示されである電気機械変換体などの圧カニネルキー発
生手段を用いるもの、および特開昭５３−１０１１８９
に示されである電気熱変換体などの熱エネルギー発生手
段を用いるものか代表的なものである。前者は、液体流
路に付設した円筒状の電気機械変換体に電気的インパル
スを与えて前記変換体の内径をパルス的に変化させるこ
とにより、液体流路内の記録液の容積を変化させてオリ
フィスから液滴吐出を行なうのである。

一方、後者は、液体流路内に付設した電気熱変換体にイ
シパルス電流を与えて、該変換体と接する記録液に発泡
現象を生じさせ、気泡の生成に伴なう急速な体積膨張が
液体流路内の記録液に与える圧力を利用しで、記録液を
オリフィスから吐出させるのである。いずれの原理にも
とづくものであっても、記録装置としての実用的な性能
を得るには、１　ｋＨｚ〜１０　ｋＨｚの高速においで
、液滴を繰り返し吐出させ得ることか要求される。

ところで、インウジニット記録装置によって液Ａ％繰り
返し吐出させるためには、吐出によって失われた分の液
体を次の吐出までに補充しなければならない。そのため
の代表的な方法は、液体の表面張力を利用し、毛細管現
象によって液体をオリフィスに導くというものである。

この場合、液体をオリフィスに導くのに要する時間Ｅ２
は、ｔｚ＝ｄ／ｕ によって定まる。ただし、ｄは液滴切断後、液体流路に
残った液体がもとの位曹から後退した距離であり、Ｕは
毛細管現象による液体の移動速度である。上記時閉Ｌ２
は、液滴が形成されるのに要する時間１．に比べて通常
遥かに大きく、ｆ　＝　１　／　（Ｌｌ　＋Ｌ２） で定まる繰り返し駆動可能周波数ｆは、事実上１゜によ
って制限されでしまい、いかに速く液Ａを形成しでも、
繰り返し駆動周波数を高くすることができないという問
題があった。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、上記の諸点に鑑み成されたものであって、本
発明の主たる目的は、上述した従来例のインクジェット
記録ヘッドの欠点を解消し、高速応答嘗と同時に持続的
な吐出安定性を有する新規なインクジェット記録ヘッド
を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 前述した記録ヘッドの繰り返し駆動可能周波数ｆを高め
るには、ｔ２を小さくすることが最も効果的である。本
発明は、この点に着目してなされたものであり、ｔ２を
小ざくすることが可能で、しかもそれを優れた吐出安定
性を付与しで実現したものである。このような本発明の
インクジェット記録ヘットは、高速応答性と吐出安定性
に優れ、本発明のインクジェット記録ヘッドは、例えば
コンどユータ用ラインプリンターの高速化、あるいは画
像記録装置の高画質化に極めて有用である。

而して、本発明のインクジェット記録ヘッドは、記録液
を液滴として吐出させるためのオリフィスと、該オリフ
ィスに連通する液体流路と、該液体吐出のための吐出エ
ネルギーを該記録液（こ供給する吐出エネルキー発生手
段を備えたインクジェット記録ヘッドにおいで、前記吐
出エネルキー発生手段とは別に前記液体流路に接して圧
電体を設けたことを特徴とするインクジェット記録ヘッ
ドである。

すなわち本発明は、電圧印加による圧電体の変形の可逆
性と変形量の可変゛ｉを利用し、このような圧電体を液
体流路に接しで設けることにより、液体流路の容積を任
意に変化し得るようにしたものである。より具体的には
、例えば０Ｎ−ＯＦＦあるいは数種のパルス電圧を印加
する等により、記録時に（する圧電体への電圧印加■を
任意に調整して液体流路の容積を適宜変化させ、これに
よって前述の如き記録液の後退を防止し、液滴吐出の高
速応答性と安定性を可能にしたものである。

本発明における圧電体としては、無機質のものも、有機
質のものも用いることかできる。無機圧電体としては、
例えばロッシェル塩、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ０３
）　、ＰｂＯ３，２ｒ０３、リン酸二水素アシモン（Ａ
ＤＰ）　、リン酸二水素カリウム（にＤＰ）等か代表的
なものとして挙げられる。また、有機質のものとしては
、例えば、ポリフッ化ビニリデン、シアン化どニリデン
ー酢酸ビニル共重合体、フッ化ビニリデン−４フツ化エ
チレン共重合体等の有機高分子圧電体が代表的なものと
して挙げられる。

もちろん、圧電性を有しない通常の有機高分子に上記の
無機圧電体を分散して得られる圧電性高分子複合体など
も好適に使用できるものである。

これら圧電体は、吐出エネルギー発生手段としての電気
機械変換体にも用い得るものであるが、本発明では液滴
吐出の高速応答性と吐出安定性を達成するものとして、
これら圧電体を吐出エネルギー発生手段とは別に液体流
路に接して設けたのである。吐出エネルキー発生手段と
は別に設けられる本発明の圧電体では、記録液に吐出エ
ネルギーを供給する必要はないので、例えばチタン酸バ
リウム単結晶の如き圧電定数の大きなものを用いること
は必ずしも必要なく、加工性などを考慮すると有機質の
もの、特に有機高分子圧電体や圧電性高分子複合体など
が好ましく用いられる。

以下、図面に基づいて本発明を説明するが、本発明か以
下の例に限定されるものでないことは言うまでもない。

第１図（ａ）〜（Ｃ）は、本発明のインクジェット記録
ヘッドの一例の概略構成図を示したものであり、第１図
（Ｃ）は該ヘッドの平面図、第１図（ｂ）は第１図（Ｃ
）におけるＡ−Ａ’断面図、第１図（ａ）は第１図（Ｃ
）におけるＢ−８’断面図である。

これらの図において、４が記録液を飛翔液滴として吐出
させるだめのオリフィスであり、１２はオリフィス４の
形成部材であるオリフィス板である０本例ではオリフィ
ス数は２つとしてあるが、オリフィス数や形状は所望の
ものとしてよい。

８はオリフィス４に連通する液体流路で、隔壁３によっ
て液体細流路８−１と液室８−２に機能分離されでいる
。９は外部に貯蔵した記録液を液供給管１０を通しで液
室８−２内に導入するための液供給口である。２はオリ
フィス４に対応して基板１上の液体細流路８−１の位Ｈ
する部分に設けられた吐出エネルギー発生手段である。

１１は吐出エネルキー発生手段２を記録液から保護する
ために、必要に応じで設けられる保護層である。

吐出エネルギー発生手段２としては、例えば前述の圧電
体からなる周知の電気機械変換体などの圧カニネルキー
発生手段や、ＣｒＳｉ、　Ｔａ２Ｎ、　ＨｆＢ２等の発
熱抵抗体からなる周知の電気熱変換体などの熱エネルギ
ー発生手段が好適に用いられる。

尚、上記には特に説明しなかったか、基板３上（こは吐
出エネルギー発生手段２に不図示の記録信号供給源から
液滴吐出のための記１）信号を送る電極か付設されてい
る。この電極を通しで与えられる記録信号によって吐出
エネルギー発生手段が駆動され、これによって液体流路
８内の記録液に吐出エネルギーが供給され、オリフィス
２から記録信号の供給パターンに応じた液滴が吐出し記
録か行なわれる。

６か上記吐出エネルキー発生手段とは別に液体流路８に
接しで設けられる本発明に言うとことの匡蕾檜Ｔふｎ　
すα１１７：Ｉ寸二ｍ仕ヱ路只の泗いと１．Ｔの天板を
兼ねている。

本例では天板全体を圧電体６としてあるか、もちろん天
板全体を圧電体６とする必要はなく、例えば天板の液体
流路８と接する側のみを圧電体６とＱたつ、液体細流路
８−１の部分のみを圧電体６とする等のことも可能であ
る。また上記天板のみならず、ｌ１ｌｉｉｌｖ３あるい
は基板１などの他の流路形成部材を上記圧電体６とする
ことももちろん可能である。いずれにしても、本発明に
おける圧電体６は吐出エネルキー発主十段２とは別に液
体流路８に接しで設ければよいのであり、上記のような
流路形成部材を兼ねるものとして設けでもよいし、例え
ばそれら部材の一部に所望形状の圧電体６を接着形成し
たものなどであってもよい。しかしなから、圧電体６か
流路形成部材を兼ねる場合には、流路形成部材を別個に
作成する必要はなく製造上有利である。

５および７は圧電体６に不図示の電圧供給源から電気信
号を送るための電極である。この電極５および７を通し
て圧電体６に印加される電圧により圧電体６に分極を生
し、これに伴なう圧電体６の体積変化により記録時にあ
ける液体流路の容積制御か行なわれ、前述の如き液滴吐
出の高速応答性を明答する記録液の後退防止かはかられ
る。

すなわち前述の如く、吐出エネルギー発生手段２に電気
信号、例えば数１０ｕｓｅｃのオーダーの方形波パルス
を加えると、記録液か飛翔液滴としてオリフィス先端か
ら吐出される。この液滴吐出により一定質量の記録液が
失なわれる。この際、液体流路内の容積が一定な従来例
のインクジェット記録ヘッドでは、記録液の液面（メニ
スカス）は、オリフィス先端から液体流路方向に向って
大きく後退しでしまう。これに対して、上記天板の如く
液体流路に接して圧電体を設けた本発明のインクジェ・
ント記録ヘッドでは、液体流路の容量は可変であり、こ
のメニスカスの後退が少なくなるタイミングで、圧電体
に液体流路の容積が小さくなるように電気信号を加えれ
ば、メニスカスの後退防止かはかられるのである。

このような電気信号の印加パターンの一例（以第４図（
ａ）には、第１図における吐出エネルギー発生手段２に
印加する電気信号のパターンが、また第４図（ｂ）には
圧電体６たる天板に印加する電気信号のパターンかそれ
ぞれ示されている。

動作例１では、液滴吐出と同時に、圧電体から成る天板
に電圧が印加され、これと同時に天板が内側にたわみ、
液体流路の内容積を減少させる。

これによって、メニスカスの後退が防止され、メニスカ
スのオリフィス先端位雷への復帰が促進（すなわちｔ２
の減少）され、液滴吐出の高速応答化（すなわち駆動周
波数ｆのアップ）がはかられるのである。一方、圧電体
から成る天板の原位置への復帰は、電圧除減によってゆ
っくりと成されるので、記録液の液供給口からの注入を
明答することはなく、記録液の注入が遅滞なく行なわれ
、これによるメニスカスへの影響は現れない。

このような圧電体への信号送付のタイミングおよび送付
信号の強さは、用いる圧電体の特性や液体流路の形状に
応じて最適値を適宜決定すればよい。

第５図（ａ）〜（ｂ）は上記信号パターンの別の例（以
下、動作例２）を説明する図であり、第５図（ａ）には
吐出エネルギー発生手段への印加パターンが、また第５
図（ｂ）にはこれに対応した圧電体への印加パターンか
示されている。

この動作例２では、圧電体は吐出エネルギー発生手段よ
りも高い周波数で駆動され、かつ吐出エネルギー発生手
段の信号周期に応じて０Ｎ１０ＦＦ動作される。

上述したように、上記第１図に例示の如き本発明のイ：
ノクジェット記録ヘッドでは、液滴吐出の高応答性が得
られるものである。また、本発明では、単に高速応答性
が得られるばかりか、本発明者達も予期し得なかった別
の有益な効果を生じたのである。それは、以下に示すよ
うな吐出安定性である。

インクジェット用の記録液は、一般には水を主成分とし
ており、このために溶存気体が気泡として成長し、記録
液の吐出を不安定にさせたつ、ある場合には吐出不能に
陥らせてしまうことがある。また、吐出エネルギー発生
手段として熱エネルキー発生手段を用いる場合には、蒸
気泡生成によって吐出圧を得でいるために、蒸気泡中に
溶存気体の空気泡が一部混合して、記録動作の途中で消
滅しない気泡として記録液中に存在することがある。こ
れも吐出の不安定に結びついていく、液滴吐出の安定性
ヲ確保するためには、以上のような吐出不安定の要因で
ある空気泡を生成させないか、生成しでも滞留させずに
、小泡のうちに記録液と一緒に吐出しでしまうことか必
要である。本発明のインクジェット記録ヘッドでは、液
体流路中の記録液に圧電体により高い周波数の振動が加
えられるので、気泡が消滅しやすく、また消滅しないま
でも、液体流路中を速く移動し、吐出エネルギー発主手
段上に滞留することか殆どなくなるのである。このため
に、吐出安定性か向上し、一定時間放言後の再吐出にお
いでも、不吐出といった問題を生しないのである。

第２図は本発明のインクジェット記録ヘットの別の例を
説明するための図であり、第２図には該ヘッドの斜視図
が示されている。尚、菓２図では説明を簡略化するため
、第１図におけるオリフィス板１２は省略しで示しであ
る。

本例は、第１図における天板としての圧電体６を液体細
流路８−１の部分のみに配し、オリフィス数を３とする
以外は、第１図と同様の構成としたものである。もちろ
ん、本例の場合にも第１図におけると同様の効果が得ら
れるものである。

尚、上記においでは特に示さなかったが、例えば第１図
および第２図において、液体細流路８−１のみに各液体
細流路８−１毎に電極５および７をパターン状に配すれ
ば、液体細流路８暑のみを各細流路８−１毎に互いに独
立に容積変化させることができるし、また第１図におい
て、液体細流路８−１と液室訃２に独立に電極５および
７を配すれば、該流路８−１と液室８−２を互いに独立
に容積変化させることも可能である。このような電場の
バターニングおよびそれに応じての圧電体の加工は、エ
ツチングあるいは機械加工などのインクジェット記録ヘ
ッドの作成方法として広く知られている微細加工方法を
もって容易に行なうことかできる。しかも、第１図およ
び第２図の如くに圧電体に天板なとの流路形成部材を兼
ねざぜる場合には、従来と特に異なることなくヘッド作
成か行なえるので製造も容易であり、このような簡易な
構成で高速応答性および吐出の安定がはかれるのも本発
明の大きな利点である。

第３図は本発明のインクジェ・ント記録ヘッドを用いた
インクジェット記録装置の一例としてのインクジェット
プリンターであり、第１図に例示の記録ヘッドを利用し
たものである。このプリンターは、キャリッジ３５に搭
載した記録ヘッド３６ソレール３３および３４上で左右
に移動させながら記録液を吐出させ、記録液のドツトマ
トリックスによって記録媒体に文字を印字するもので、
３２は記録媒体としての紙、３１は記録媒体を支持する
プラテンである。

以上、本発明の実施態様のいくつかを説明したが、本発
明においては圧電体を液体流路に接して設ける以外の記
録ヘッドの部材構成や形成方法は特に限定されるもので
はなく、従来のインクジェット記録へ・ンドにおけると
同様の所望のものとしてよい。

［実施例］ 以下に本発明の実施例を示す。

実施例１ 吐出エネルギー発生手段としてＰ　ｂ０３かうなる電気
機械変換体を、また天板としてＢａＴｉＯ３をエポキシ
に分散成膜した圧電′ｉ高分子複合体を用い、第１図に
例示のインクジェット記録ヘッドを作成した。

尚、ＢａＴｉＯ３のエポキシへの分散比は、エポキシ１
００　　重量部に対しでＢａＴｉＯ３８０重量部とした
。

この記録ヘッドを第６図（ａ）〜（ｂ）に示す信号パタ
ーンで駆動し、表１の結果を得た。これとは別に従来例
に対応する条件として、圧電体としての天板を駆動しな
い以外は上記と同様に試験した結果を比較例１として表
１に示した。

表１ 表１で明らかなように、圧電体からなる天板にパルス信
号を送り吐出に応じて液体流路の容積を小さくすると、
メニスカス復帰までの時間が大幅に短縮されることがわ
かる。

実施例２ 吐出エネルギー発生手段としてＴａ、Ｎかうなる電気熱
変換体を用いる以外は実施例１同様にしで、第１図（こ
例示のインクジェット記録ヘッドを作成した。この記録
ヘッドを第７図（ａ）〜（ｂ）に示す信号パターンで駆
動し、表２の結果を得た。

これとは別に、天板Ｐ８駆動しない場合を比較例２ヒし
て表２に示した。

表２ 表２で明らかのように、メニスカス復帰までの時間が短
縮され、より高速の駆動が可能であることかわかる。

実施例３ 実施例２のヘッドを第３図に例示のインクジェットプリ
ンターに搭載し、周波数２．５　ｋＨｚで、３時間の連
続印字を行った。その過程で吐出不良や印字の乱れ等は
全く発生せず、安定な印字が可能であった。印字試験終
了後ヘッドを取り出し、液体流路内の電気熱変換体を顕
微鏡で観察したところ、空気泡などは全く存在しなかっ
た。

［発明の効果１ 以上に説明した如く、本発明によって、液滴吐出の高速
応答件と吐出安定性に優れた新規なインクジェ・ント記
録ヘッドを提供し得るようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（Ｃ）は、本発明のインクジェット記録
ヘッドの一例を説明する図であり、それぞれ、第１図（
ａ）は第１図（ｃ）におけるＢ−Ｂ’断面図、第１図（
ｂ）は第１図（ｃ）におけるＡ−Ａ’断面図、第１図（
ｃ）は該へ・ンドの平面図、第２図は本発明のインクジ
ェット記録ヘッドの別の例の斜視図、第３図は本発明の
インクジェット記録ヘッドを用いたインクジェットプリ
ンターの一例を説明する図、第４図（ａ）〜（ｂ）、第
５図（ａ）〜（ｂ）、第６図（ａ）　〜（ｂ）および第
７図（ａ）〜（ｂ）は、それぞれ本発明のインクジェッ
ト記録ヘッドに印加する信号パターンの例を説明する図
である。 １：基板 ２：吐出エネルギー発生手段 ３：隔壁　　　　　　　４ニオリフイス５：電極　　　
　　　　６．圧電体 ７：電極　　　　　　　８：液体流路 ９：液供給口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）記録液を液滴として吐出させるための液体吐出口
   と、該液体吐出口に連通する液体流路と、該液体吐出の
   ための吐出エネルギーを該記録液に供給する吐出エネル
   ギー発生手段を備えた液体噴射記録ヘッドにおいて、前
   記吐出エネルギー発生手段とは別に前記液体流路に接し
   て圧電体を設けたことを特徴とする液体噴射記録ヘッド
   。
2. （２）前記圧電体が有機高分子圧電体または有機高分子
   に無機圧電体を含有させた圧電性高分子複合体であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の液体噴射
   記録ヘッド。