JPS62225356A - 画像記録ヘツド - 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、インク等の液状着色剤を飛翔させて、記録部
材上に画像の記録を行う画像記録ヘッドに関する。

「従来の技術」 いわゆるノンインパクト記録法は、記録時に発生する騒
音が少ないことから、電気信号化された画像情報をハー
ドコピー化する方法として関心を集めている。

それらのなかで、普通紙を使用することができ、しかも
、定着というような特別の処理無しに記録のできるイン
クジェット法は、きわめて有用な記録方法とされている
。

従来、実用化されているインクジェット法は、インクを
密閉した容器に収容しこれに圧力パルスを印加して、容
器の吐出口（オリフィス）からインクを噴射させて記録
するものであった。この方法は、動作機構上、インク吐
出装置を小型化する事ができないために、必要な画像密
度の記録を行おうとすると、インク吐出装置を機械的に
走査する必要があった。従って、記録速度の低速化を招
いていた。

一方、上述のインクジェット法の欠点を改良し、高速記
録を可能にする方法として、いくつかの技術が提案され
ている。

磁性電極アレイ近傍に磁性インクを配置し、磁界による
インクの盛り上がりを利用して、画素に対応するインク
吐出状態を形成し、静電界で磁性インクを飛翔させる磁
性インクジェット法もその一つである。この方法は、電
子走査が可能なため、高速記録が可能であるが、インク
の選定が容易でなく、インクジェット本来の特徴である
カラー化が難しい欠点を有している。

これとは別に、電極アレイと平行なスリット状のインク
溜めにインクを配し、記録紙を介して、対向する電極と
電極アレイ間に形成される電界パターンに応じて、イン
クを飛翔させる、いわゆる平面インクジェット法という
方法もよく知られている。この方法は、インクを溜める
ための微細なオリフィス等が不要となり、インク目詰ま
りを改善できるが、インク飛翔のためにかける電圧が高
いため、隣接、近傍１掻間の電圧リークを防止するため
に、電極アレイを時分割駆動する必要があって、それ程
高速化が図れない欠点があった。

また、熱エネルギによって吐出口からインクを吐き出さ
せる、いわゆる熱バブルジェット法も提案されている。

この方法では、インクが急激に加熱されて膜面沸騰を生
じ、オリフィス内に気泡（バブル）が急激に形成される
事による圧力上昇で、インクをオリフィスから噴射する
ものである。

ところが、膜面沸騰を起こす温度が５〜６００°Ｃと高
温であるため、インクの熱変質や、加熱手段として設け
られている発熱抵抗体保護層の熱劣化を生じ易いという
実用上の欠点を有していた。

［発明が解決しようとする問題点」 以上のように、従来開発されているインクジェット法は
、それぞれ記録速度を十分に高速化することが困難であ
ること、特殊なインクを使用すること、駆動のために一
定の工夫を要すること、あるいはインクや加熱手段に熱
的な劣化が生じること等の問題点があり、いずれの方法
も実用化面で解決しなければならない問題点を残してい
た。

本発明は以上の点に着目してなされたもので、インクの
選定が容易で、高速記録を可能とした画像ヘッドを提供
することを目的とするものである。

「問題点を解決するための手段」 本発明の画像記録ヘッドは、液状着色剤を配置し、これ
に電気エネルギと熱エネルギの双方を印加して、上記両
エネルギが共に印加された領域にある上記液状着色剤を
飛翔させるものにおいて、上記液状着色剤を加熱する熱
エネルギ印加手段と、上記液状着色剤に電界を加える電
気エネルギ印加手段とを有し、上記熱エネルギ印加手段
は、基板上に配列された複数の発熱抵抗体と、これらの
発熱抵抗体に電流を供給するリード電極とから成り、上
記発熱抵抗体もしくは上記リード電極に直接接触するよ
う配置された上記液状着色剤は、その体積抵抗率が１０
６　Ω・ｃｍ以上に選定されていることを特徴とするも
のである。

「作用」 本発明の画像記録ヘッドは、液状着色剤に電気エネルギ
と熱エネルギを印加して、両者が共に印加された領域に
ある液状着色剤を飛翔させる原理を応用したものである
。

すなわち、例えば次のような態様で実現される。

まず、液状着色剤全体に一様な電界を加える。

これだけでは、液状着色剤の飛翔は生じない。ここで、
この液状着色剤に局部的に熱エネルギを印加する。これ
によって、この熱エネルギの印加された領域の液状着色
剤が飛翔する。

液状着色剤を、飛翔が生じない程度の温度で一様に加熱
しておき、これに、局部的に電界を加えるようにしても
同様のことが起こる。

ここで、例えば、複数の発熱素子をアレイ状に配列して
おく。そして、これらの発熱素子を液状着色剤に接触さ
せておく。そして、記録画素に対応する位置にある発熱
素子を選択的に発熱させ、かつ、液状着色剤全体に一様
な電界を加える。こうして、記録部材に向けて液状着色
剤を飛翔させる。１回の飛翔で１個の画素が記録できる
。

これをくり返して、ライン状に画素列の記録を行いさら
に、上記記録部材を走査すれば、画像の記録を行うこと
ができる。

液状着色剤を一様な温度に加熱しておき、局部的に電界
を加える複数の電界形成素子を設けた場合にも、同様の
記録を行うことができる。

また、本発明のように、電気抵抗が一定以上高い液状着
色剤を使用すると、アレイ状に配列された発熱抵抗体や
そのリード電極に液状着色剤が直接接角市しても、電極
間の短絡等が防止できる。

これによって、リード電極上の絶縁層等が不要となり、
効率良く液状着色剤の加熱を行うことができる。そして
、インクの温度上昇速度が速まることから高速記録を行
うことができる。

「実施例」 （動作原理） ここであらかじめ、本発明の画像記録ヘッドの記録動作
原理を、第２図を用いて説明する。

まず、第２図ａに示すように、液状着色剤１をベース電
極２と対向電極３の間に配置する。液状着色剤１には、
例えば適当な電気抵抗を付与するよう配合を調整された
、常温で液体のインクを使用する。以下、液状着色剤ｌ
を単にインク１と表現して説明を続ける。ベース電極２
と対向電極３とは、いずれも単なる導電性の板である。

この両電極２．３０間に直流電源４により所定の電圧を
印加する。このとき、インク１には一定の静電界が加わ
り、その静電誘導作用によって、インクの自由表面には
、ここに生ずる誘導電画と静電界の積で与えられるクー
ロン力が作用する。

この力によって、インク１は矢印５方向へ飛翔しようと
する。

一方、ここには、インクの表面張力、界面張力、および
飛翔しようとするインクに対する粘性抵抗が抗力として
作用する。第２図ａは、上記クーロン力よりもこの抗力
が大きく、インク液面が水平に保たれている状態を示し
ている。

ここで、このインク１を局部的に加熱する。すなわち、
図中、領域Ｓ１の温度Ｔ１が他の領域の温度ＴＯよりも
高温にされる（第２図ｂ）。その結果、領域Ｓ１におい
て、第２図すに示すように、そのインク液面が盛り上が
る。すなわち、この領域Ｓ１において、インクの温度上
昇により上記抗力が低下して、局部的にクーロン力の作
用が増大する。盛り上がったインク１′には、電界が集
中し、さらにクーロン力が強く作用する。こうして、つ
いには、第２図Ｃに示すように、領域Ｓ１にあったイン
ク１′の一部が柱状に成長し、ちぎれて対向電極３に向
かって飛翔する。

この現象は、インクを膜面沸騰のような相変化に近いほ
ど急激に加熱しなくても引き起こすことができる。

すなわち、インクには上記電界によって電気エネルギが
印加され、さらに加熱によって熱エネルギが印加される
。この、両エネルギを共に印加した領域でのみインクの
飛翔が生じるよう、印加する電気エネルギおよび熱エネ
ルギの量を選定する。

これによって、インクの飛翔場所および飛翔タイミング
の実用的な制御が可能となる。

なお、この原理は、次のような実験で実証することがで
きた。

まず、第２図ａに示したようにインク１をベース電極２
上に配置し、その温度を一定に保つたまま、電源４の電
圧を徐々に上昇させていく。この電圧がある電圧を越え
ると、インク液面から第２図Ｃに示したようなインク柱
ｌ′が無秩序に対向電極３に向かって成長する。

この現象は、例えばＪ、Ｒ，ＭＥＬＣＨＥＲ著（米国Ｍ
、１．Ｔ、ＰＲＥＳＳ社発行）ｒＦＩＥＬＤ−ＣＯＬＩ
ＰＬＥＤ　　５ＬＩＲＦＡＣＥＷＡＶＥＳＪ　　（Ｐ６
１〜Ｐ６６）に記載された、不安定な電気流体力学波の
成長現象と解釈することができる。

すなわち、インク液面に垂直に、上方向に作用するクー
ロン力と下方向に作用する抗力とが一定の均衡を保って
いる場合に、自然に生じ得るある摂動（液面の変形や電
界の局部的な不均一さ）によって、クーロン力が局部に
集中する。そこで、クーロン力が抗力に打ち勝ってイン
ク柱が成長するのである。

本発明においては、例えば電界を、上記無秩序なインク
柱が成長するには不十分な強度に選定し、これをインク
に印加しておく。この状態で、インりを加熱すると、加
熱された領域のインクの表面張力や粘度等が低下する。

その結果、上記のような電界中においても、不安定な表
面波が発生し、その領域でインク柱が成長する。

こうして飛翔したインクを、記録用紙等の記録部材の表
面に導けば、１つのドツトを記録することができる。さ
らに、このドツトを規則的に配列すれば、画像の記録を
行うことができるのである。

（記録ヘッドの実施例） 第１図は、本発明の画像記録ヘッドとその周辺部の実施
例を示す縦断面図である。

ここには、一対の壁部材１０．１１が、その−碌を記録
部材１２方向へ向けて配置されている。

記録部材１２は、一般の複写機等において記録に使用さ
れる普通紙である。

一対の壁部材１０．１１は、所定間隔をあけて配置され
ており、その間に液状着色剤１３が収容されている。壁
部材１０．１１は、記録部材１２と対向する一縁に、紙
面と垂直方向に一定の幅を持つスリットを形成している
。この部分を本発明において、吐出部１４と呼んでいる
。液状着色剤１３はこの吐出部１４において、その表面
張力によって凸曲面１３′を形成している。

一方の壁部材１１の内面には、紙面に垂直な方向にアレ
イ状に配列された多数の発熱抵抗体１６が設けられ、こ
れらにはそれぞれ、一端に共通電極１７が、他端にリー
ド電極１８が接続されている。

また、他方の壁部材１０の内面には、そのほぼ全面にわ
たって、電界形成用電極１９が形成されている。

第３図にその主要部の斜視図を示した。

このアレイ状に配列された発熱抵抗体１６の部分は例え
ば、従来一般に感熱記録等に使用されているサーマルヘ
ッドと同様の構成のものとする。

この実施例の場合、いわゆるエツジ型のサーマルヘッド
を使用し、発色温度約９０°Ｃの感熱記録紙に記録密度
８ドツ）７ｍｍの記録を行うことができるものである。

この感熱紙への記録時には、各発熱抵抗体に０．５Ｗ／
ドツトの電力が１ｍ５ｅｃ印加される。

また、一対の壁部材１０．１１の間隔りは、１００μｍ
に選定した。

再び第１図にもどって、吐出部１４と記録部材１２との
間隔βは、２００μｍに選定し、吐出部１４から発熱抵
抗体１６の端までの間隔を２００μｍに選定した。また
、この記録部材１２の背面に対向電極２１を設け、上記
電界形成用電極１９との間に所定の電圧を印加する電源
２２を接続した。この実施例においては、電界形成用電
極１９を接地し、対向電極２１に＋１５００Ｖの電圧を
印加した。これらによって電気エネルギ印加手段が構成
される。

さらに、発熱抵抗体１６の両端の電極１７．１８にも、
電源２３を接続した。これらによって熱エネルギ印加手
段が構成される。

電源２２．２３には、記録すべき画像の画信号によりエ
ネルギの印加がオンオフされるよう、制御手段２４を接
続する。この制御手段２４は、既知のサーマルヘッドを
駆動するシフトレジスタドライバ等から成る回路で構成
される。

この実施例において、液状着色剤１３としては、流動パ
ラフィン中にカーボンブラック顔料を約１５重量パーセ
ント分散させたインクを使用した。その２０゛Ｃにおけ
る体積抵抗率は１．０Ｘ１０’　Ω・ｃｍ、粘度は３０
０　ｃ　ｐ、表面張力は７Ｑｄｙｎｅ／ｃｍであった。

以上の構成の記録ヘッドにおいて、電界形成用電極１９
と対向電極２１との間に、電源２２による電圧が印加さ
れると、吐出部１４の近傍の液状着色剤１３に一様な電
界が加えられる。

ここで、発熱抵抗体１６に１５Ｖの電圧で１ｍ５ｅｃの
間通型を行い、かつ、同一のタイミングで、対向電極２
１と電界形成用電極１９との間に、２０００Ｖ／３００
μｍ、１ｍ５ｅｃの電圧を印加した。

これによって、電流が供給された発熱抵抗体１６の近傍
でのみ、インク１３が記録部材１２に向かって飛翔し、
その記録面に直径約１５０μｍの円形のドツトが記録さ
れた。この通電時間を２００μＳｅＣまで短縮しても、
同様の記録を行うことができた。

一方、インクの体積抵抗率が１０’　　Ω・ｃｍ以下の
ものを使用した場合、しばしばインクの飛翔が生じない
現象が現れた。これは、インクにより隣合うリード電極
１８間でリークが発生し、発熱抵抗体が十分発熱しなく
なることによるものと考えられる。

ここで、第１図中、発熱抵抗体の上方に破線で示したよ
うに、耐熱絶縁層２０を形成したものを試作した。

この画像記録ヘッドの場合、リード電極１８の表面が絶
縁され、インクと直接接触することがない。従って、リ
ークの発生は無い。しかし、インクの飛翔を生じさせる
ためには、発熱抵抗体２０に２０Ｖ、４ｍ５ｅｃの通電
を行い、カッ、２０００Ｖ／３００μｍ、４ｍ５ｅｃの
電界を必要とした。

すなわち、耐熱絶縁層２０があるために、インクへの熱
の伝達効率が低下してしまう。

これらのことから、インクに１０６　Ω・ｃｍ以上の高
抵抗のものを使用すれば、耐熱絶縁層なしにインクを効
率的に加熱し、高速記録を行うことができることが実証
された。

（インクの飛翔条件） なお、電界形成用電極１９と対向電極２１の間に電圧を
印加しないで上記の操作を行ったところ、インクの飛翔
は生じなかった。

また、逆に、発熱抵抗体１Ｇへの通電を行うこと無く、
電界形成用電極１９と対向電極２１の間に印加する電圧
を上昇させていくと、この電圧が３０００Ｖを越えたと
きに、吐出部１４のいたるところで無秩序にインク１３
の飛翔が見られた。

本発明は、液状着色剤に電気エネルギと熱エネルギを印
加してこれを飛翔させるものであるから、このインクの
飛翔する条件および、インクの飛翔の安定な制御を行う
ことができる限界値（閾値）を明確にする必要がある。

第４図はこの閾値を見出すために行った実験の結果を示
すグラフである。

第４図ａに示したデータによれば、インクの温度が上昇
する程、閾電界の値が低下していくことがわかる。

また、第４図すによれば、インクの粘度は、カーブを描
いているものの、上記閾電界と同様に、インクの温度上
昇と共に低下している。表面張力（同図Ｃ）と体積抵抗
率（同図ｄ）についても同様の傾向がみられる。

従って、これらが、上記閾電界の値に大きく関与してい
ることが明白となっている。

すなわち、インクの粘度、表面張力および電気伝導度等
の物性値が変化する複合的な効果によって、閾電界の値
が温度上昇と共に低下していくものと考えられる。

このことから、室温ではインク飛翔を生じない程度の電
界を与えておき、インクを局部的に加熱すると、熱と静
電界の協同作用によってインクの飛翔が生じ、画素状の
記録を行うことができるのである。

「変形例」 （電気エネルギ印加手段の変形）］ 第５図に、本発明の画像記録装置用の記録ヘッドの要部
の変形例を示した。

図において、一対の壁部材３０．３１のうち、その一方
３１の内面には、多数の電界形成用電極３３がアレイ状
に配列されている。これらの壁部材３０．３１の間には
、図示しないインクが収容されるが、これは、図示しな
い熱エネルギ印加手段により一様に加熱される。

また、記録部材１２の背面には対向電極２１が設けられ
、これと上記電界形成用電極３３との間に電圧を印加す
る電源３４が接続されている。この電源３４は、画像信
号に応じて、多数の電界形成用電極３３に選択的に所定
の電圧を印加する。

これによって、電圧が印加された電界形成用電極３３と
対向電極２１との間にインクの飛翔が生じる程度の電界
が形成される。こうして、記録部材１２上に画像信号に
応じた記録を行うことができる。

このように、電気エネルギを印加する位置を制御しても
、同様の記録を行うことができる。この場合、インクを
加熱しているので、比較的低い電圧でインクの飛翔を生
じさせることができる利点を有している。この実施例で
も、選択的に電圧が印加される電界形成用電極間のリー
クを電気抵抗の高いインクを使用することにより防止す
ることができる。

（熱エネルギ印加手段の変形） 第６図に、本発明の画像記録装置の記録ヘッドの要部の
、さらに別の実施例を示した。

この実施例では、水平に配置した基板４０上に第１図と
同様の構成の発熱抵抗体１６がアレイ状に配列されてい
る。インク１３は、その左右に設けられた１状部材４１
．４２によって、発熱抵抗体１６の上方に保持されてい
る。

このインク１３の上方に記録部材１２が、その記録面を
下に向けて配置されている。また、図示しない電気エネ
ルギ印加手段が、基板４０に垂直な方向に電界を形成し
ている。

このような記録ヘッドにおいて、発熱抵抗体１６に電流
が供給されて発熱すると、先に説明したと同様の原理で
インク１３が垂直方向に飛翔し、記録部材１２に記録を
行うことができる。このような構成のヘッドにおいても
、本発明を実施することができる。

「発明の効果」 以上説明した本発明の画像記録ヘッドによれば、インク
や発熱抵抗体等に著しい熱劣化が生じない程度の温度と
、電極間のリーク等が生じない程度の電界によって、イ
ンクの飛翔を生じさせ、高速高密度の記録を行うことが
できる。

しかも、インクを保持しておく手段は、比較的簡単な構
成でよく、複雑な精密な機構を必要としない。

また、印加すべき電気エネルギも熱エネルギも、比較的
少量で良く、駆動回路等の小型化を図ることができる。

また、本発明のように、電気抵抗が一定以上高い液状着
色剤を使用すると、アレイ状に配列された発熱抵抗体や
そのリード電極に液状着色剤が直接接触しても、電極間
の短絡等が防止できる。

これによって、リード電極上の絶縁層等が不要となり、
効率良く液状着色剤の加熱を行うことができる。そして
、インクの温度上昇速度が速まることから高速記録を行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の画像記録ヘッドの実施例縦断面図、第
２図は本発明の記録原理を説明する概略図、第３図は第
１図の実施例の要部の斜視図、第４図は電界の閾値の温
度依存性と、インクの特性を表すグラフ、第５図は本発
明の実施に適する記録ヘッドの変形例斜視図、第６図は
他の実施例縦断面図である。 １３・・・・・・液状着色剤、 １６・・・・・・発熱抵抗体、 １８・・・・・・リード電極。 出　願　人　　　　　富士ゼロックス株式会社代　　理
　　人　　　　　　　　弁理士　　山　　内　　梅　　
雄第２図 Ｗ 第４回 （ａ） 陸ｍ１ １皿ｇ　　（Ｃ’１ （ｂ） 温ヱ　（Ｃつ 第４図 （Ｃ） ２０４０６０８０　　てＸ）１２０１４０温ａ　　（Ｃ
’） （ｄ） 杭・ｃｍ） ２０４０　　ω　１）１の１乙ＡＯ ｘｇ　　　［ｃつ 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 液状着色剤を配置し、これに電気エネルギと熱エネルギ
   の双方を印加して、前記両エネルギが共に印加された領
   域にある前記液状着色剤を飛翔させるものにおいて、前
   記液状着色剤を加熱する熱エネルギ印加手段と、前記液
   状着色剤に電界を加える電気エネルギ印加手段とを有し
   、前記熱エネルギ印加手段は、基板上に配列された複数
   の発熱抵抗体と、これらの発熱抵抗体に電流を供給する
   リード電極とから成り、前記発熱抵抗体もしくは前記リ
   ード電極に直接接触する、体積抵抗率が１０＾６Ω・ｃ
   ｍ以上の液状着色剤を具備することを特徴とする画像記
   録ヘッド。