JPS62225359A

JPS62225359A - 画像記録ヘツド

Info

Publication number: JPS62225359A
Application number: JP61067308A
Authority: JP
Inventors: Koichi Saito; 孝一斉藤; Yoshihiko Fujimura; 義彦藤村; Nanao Inoue; 井上　七穂
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1986-03-27
Filing date: 1986-03-27
Publication date: 1987-10-03
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: US4710780A; JPH078568B2

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、近傍電極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
飛翔させるものにふいて、上記液状着色剤を収容する収
容手段と、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、上記収容手段は、所定間隔で対向し、か
つ、−場に上記液状着色剤を吐出する吐出部を形成した
一対の壁部材から成り、上記熱エネルギ印加手段は、上
記壁部材の一方の内面に設けた複数の加熱素子から成り
、上記吐出部における上記壁部材の少な（とも一方の縁
には、規則的な凹凸加工が施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。

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。

ここで、本発明においでは、インクを一対の壁部材の間
に形成された空間に収容する。この壁部材の一縁がイン
ク吐出部とされている。

そして、壁部材の内面に設けた加熱素子により液状着色
剤を加熱して、インク飛翔させる。この場合、インク吐
出部に連続的な凹凸加工を施すと、非加熱領域でのイン
クの飛翔が抑制され、加熱領域でインク飛翔の制御が高
速で行える。

これにより、高速で信頼性の高い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３０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１
を単にインク１と表現して説明を続ける。ベース電極２
と対向電場３とは、いずれも単なる導電性の板である。

この両電極２．３の間に直流電源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荷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Ｉを局部的に加熱する。すなわち、
図中、領域Ｓｌ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Ｓｔ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２１！ｌａ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ったまま、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１′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
、Ｉ、Ｔ、ＰＲＥＳＳ社発行）ｒＦｒＥＬＤ−ＣＯＬＩ
ＰＬＥＤ　　５（ＪＲＦＡＣＥＷＡＶＥＳＪ　　（ＰＯ
２−Ｐ２Ｏ）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、インクを加熱すると、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、その一縁を記録
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、発熱抵抗体１６と
電極１７．１８を覆うように、耐熱絶縁層２０が形成さ
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ｌ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、既知のサーマルへγ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。

この状態で、発熱抵抗体１６に選択的に電流を供給する
。この実施例の場合、２５Ｖ、２５ｍＡで１ｍ５ｅｃの
通電を行った。

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。

（インクの飛翔条件）なお、電界形成用電極１９と対向電極２１０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１６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図はこの闇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、上記閾電界の値に太き（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。

（誤飛翔の抑制）ここで、インクの飛翔特性と電界の強度との関係を第５
図に示す。

このグラフかられかるように均一に印加する電界強度Ｅ
が増大すると、インクを飛翔させて画素化するのに必要
な時間Ｔが比例的に短縮する。このとき、加熱領域で飛
翔が生じる場合と、非加熱領域で飛翔が生じる場合の時
間Ｔの差は、電界強度Ｅが増大すると短縮される傾向に
ある。

すなわち、電界強度を増加すれば飛翔時間Ｔが短縮化さ
れ高速記録が可能となる一方、誤飛翔が生じ易くなる。

また、発熱抵抗体への通電時間をあまり短縮すると、イ
ンクの温度上昇が不十分となり、記録ドツトが小さすぎ
たり分裂してしまうこともある。

従って、ある程度高速性を維持して加熱領域のインクの
飛翔を安定確実に生じさせるには、インク昇温に必要な
加熱時間を確保し、印加電界強度を上げて、かつ、非加
熱領域でのインク飛翔を抑止する必要がある。

ここで、実験によれば、非加熱領域でのインクの飛翔は
、規則的ピッチのドツト列で生じることがわかった。

このドツト列のピッチは、電界強度を増大させるにつれ
て短くなった。また、これは、発熱素子の配列ピッチに
比較すれば長いピッチであることもわかった。

この非加熱領域での等間隔のドツト列飛翔現象をさらに
詳しく調べると次のことがわかった。

電界中でインクがクーロン力を受けるが、インクが非圧
縮性であるために、表面に波が生じる。

この波の波長は、インク液圧、表面張力、粘性抵抗、重
力等により決定される。このような波の波長生成は、電
気流体力学的表面波と呼ばれるものである。

本来、静電力や圧力、重力、表面張力、粘性抵抗等の力
のつり合いから解かれる方程式の解としては、種々の波
長の解があり得るが、静電力の働いている方向への波の
成長速度ｎ［５ｅｃ−’）はそれぞれの波長で異なった
値を有する。このため、ｎを最大にする波長λに対応す
る波面成長が優先的に生じ、この波長λによって、等間
隔のドツト列のピッチが定まるのである。

ｎとλの理論的な関係式を、印加する電界強度Ｅをパラ
メータにして計算すると、第６図に模式的に示す解が得
られる。各電界強度Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３で、ｎを最大にす
るλ１、λ２、λ３は、実験精度内で、ドツトピッチと
ほぼ一致することがわかった。

（吐出面の工夫）本発明においては、壁部材の少なくとも一方に凹凸加工
ｉ施して、誤飛翔を生じるような表面波を抑制している
。

第７図はその一実施例で、壁部材１０のインク吐出部１
４側の内面に波状の凹凸加工３０が施されている。

また、第８図は壁部材を、波状に凹凸加工した例を示す
。第９図には、第６図で実施した凹凸加工３０を、三角
形の凸起によるものとした例を示す。このほか、この凹
凸は、平行な溝によるものでもさしつかえない。

これらの凹凸加工３０はいずれの壁部材に施してもよく
、また両方の壁部材１０．１１に施してもよい。

上記実施例のように、インク吐出部に規則的な凹凸加工
を施して、一定の変調を与えると、この変調によるイン
ク吐出部近傍での液量変化が、電気液体力学的表面波の
波長を変調波長λｎに同期させるように作用する。

すなわち、変調を施さない場合に、誤飛翔を生じない許
容電界強度が、第６図に示すＥ３にあると仮定する。

この電界強度では最速波ｎ３、波長λ３の表面波が成長
するが、ここで、吐出部に変調を施し、波長λｎの表面
波に同期させるようにする。しかし、この場合のλｎは
存在せず、表面波は生じない。

このヘッドの高速化を図るために、電界強度をＥｌにま
で増大させると、変調を施さない場合λ１の波長の表面
波が生じるが、変調を施した場合表面波がλｎに同期し
ようとする。従って低温領域では、成長速度ｎ１でなく
ｎｎに対応する遅い波へ抑え込まれてしまい、非加熱領
域でのインクの飛翔が抑制される。

このようにして、高い印加電界で、また電界印加および
加熱の時間をある程度長くしても、非加熱領域でのイン
ク飛翔を抑えることができる。

なお、上記壁部材１０．１１は例えばガラスやエポキシ
樹脂、ベークライト樹脂等から構成される。そして、少
なくとも発熱抵抗体１６の近傍で、規則的に凹凸加工等
の変調が施されていればよい。

このピッチは、加熱部を１単位としてインクを飛翔させ
る関係上、発熱抵抗体のピッチと等しいかそれ以下であ
ることが好ましい。

例えば第７図の実施例の場合、インクには、２０°Ｃで
体積抵抗率１０７　Ω・ｃｍ、粘度３０ｃｐ、表面張力
３７ｄｙｎｅ／ｃｍの染料溶解型油性インクを用いた。

また、ヘッドの記録密度８　ｄ　Ｏｔ　／　ｍ　ｍ　％
　壁部材間隔りを１００μｍ。

記録部材と吐出部間隔３０μｍ１発熱抵抗体への通電は
２０Ｖ、１ｍ５ｅｃとした。また、変調波長λを１２５
μとした。

この場合、印加電界が２０００Ｖ、５ｍ５ｅｃでも、３
０００Ｖ、１ｍ５ｅｃでも非加熱領域でのインクの飛翔
が生じなかった。また、λｎを第７図に示すように発熱
抵抗体の配列ピッチと等しくすると、飛翔するドツトの
位置精度が向上した。

比較のため、上記変調を施していないヘッドについて同
様の記録動作を行わせたところ、加熱領域では２０００
Ｖ、１ｍ５ｅｃからインクの飛翔が生じるが、記録ドツ
トを安定させるためには２０００Ｖ、５ｍ５ｅｃ〜３０
００Ｖ、１ｍ５ｅｃ程度必要であった。しかし、この場
合非加熱領域からインクの誤飛翔が発生した。

「変形例」本発明は以上のように、インク吐出部に誤飛翔の生じる
表面波を抑制するような変調を施し、記録ドツトの安定
化と、高速記録の実現を図っている。

このインク吐出部の構成は、以上の実施例に限定されな
い。壁部材のインク吐出部近傍に種々の物理的、科学的
処理を施して同様の作用を生じさせればよい。

「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。

【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図のヘッドの要部の斜視図、第４ｒＩＩＪ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
はインクの飛翔特性を示すグラフ、第６図はインク吐出
部に生じる表面波の成長を説明するグラフ、第７図は本
発明のヘッドの実施例を示す要部端面図、第８図と第９
図はその他の実施例を示すヘッドの要部斜視図である。１０．１１・・・・・・壁部材、１４・・・・・・吐出部、１６・・・・・・加熱素子、３０・・・・・・凹凸加工。出　　願　　人富士ゼロックス株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

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
記液状着色剤を収容する収容手段と、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、前記収容手段
は、所定間隔で対向し、かつ、一縁に前記液状着色剤を
吐出する吐出部を形成した一対の壁部材から成り、前記
熱エネルギ印加手段は、前記壁部材の一方の内面に設け
た複数の加熱素子から成り、前記吐出部における前記壁
部材の少なくとも一方の縁には、規則的な凹凸加工が施
されていることを特徴とする画像記録ヘッド。