JPS636357B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体を熱エネルギーの作用によつて吐
出させる液体噴射式の記録装置に関する。 ノンインパクト記録法、中でも所謂インクジエ
ツト記録法は記録時の騒音がほとんどないこと、
高速記録が可能なこと或いは普通紙上に特別な定
着処理を必要とせずに記録が行なえること等の利
点を有しているので、最近活発に研究開発が行な
われている。 この記録方法に用いられる装置としては、所謂
インクと称される着色した液体を吐出させ、液滴
として飛翔させる為の吐出口（吐出オリフイス）
と液体が流入する為の流入口とを有する記録ヘツ
ドが使用される。そして該記録ヘツドには、吐出
オリフイスから液体を吐出させる方法によつて
種々のタイプのものがある。 例えば、外部に設けられた液体の供給タンクか
ら液室内へ加圧した状態で、又は自然供給（毛細
管現象を利用した供給等）の状態で液体を供給し
（但し、前記加圧は圧力のみでは吐出口から吐出
しない程度の加圧である）、液室内の液体と吐出
オリフイス前方に設置されている電極との間に電
圧印加し、静電的に液体を吐出オリフイスから吐
出させるタイプのものがある。 このタイプの記録ヘツドは、構造は単純である
が、システム全体としての構成が複雑で、液滴の
発生及びその飛翔方向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欠点がある。そして
更に高速記録化には不可欠な記録ヘツドのマルチ
オリフイス化が困難であるという欠点もある。 或いは別のタイプの記録ヘツドとしては、機械
的振動法によつて液体を吐出させ、液滴として飛
翔させるものもある。即ち、このタイプのもの
は、液体が供給される液室の容積をピエゾ振動素
子の機械的振動によつて信号に応じて変化させ、
これにより液体を液滴として吐出させるものであ
る。その具体的構造は、USP3747120、IEEE
Transactions on Industry Applications Vol.
IA−13、NO1 January／February1977等に開示
されている。 この様な記録ヘツドは、システム全体の構造は
極めて単純である。しかし、ピエゾ振動素子の機
械的振動で液滴を発生する為に、高速記録に於け
る応答性に難点がある事、又液室の形成ピエゾ振
動素子の設置等加工上に問題がある事及び小型化
が難かしい事等の理由から、高密度マルチオリフ
イス化が極めて困難であつて高速記録化が難かし
い。 この様に従来の記録ヘツドの多くのものは、構
造上、加工上、高速記録化上、高密度マルチオリ
フイス化上、更にはシステム全体の構成上等の点
に於いて本質的なしかし解決されるべき問題点を
有している。 本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、吐
出効率、吐出応答性或いは吐出安定性；長時間連
続記録性に優れた装置を与えることを主な目的と
する。又、本発明の別な目的は、製作が容易で実
質的な高密度マルチオリフイス化タイプの装置を
与えることにある。本発明の液体噴射記録装置は
所定方向に液体を吐出して飛翔液滴を形成する為
の吐出口と、該吐出口に連通し屈折部を有する液
路を具備し、該屈折部が、液体に熱による状態変
化を生起させ該状態変化に基づいて前記吐出口よ
り吐出される液体の飛翔液滴を形成するための発
熱体から発生する熱エネルギーが液体に作用する
部分であつて凹部が形成された熱作用部を有し、
前記液体の吐出方向に平行な軸上のベクトルと、
該ベクトル又はその延長線が前記発熱体の発熱面
と交叉する点を通る発熱面に対する垂直線上のベ
クトルとで形成される夾角Ψが45゜以下であり、
前記発熱体に電気的に接続され、所定方向に液体
を吐出させるのに前記発熱体を駆動する駆動信号
を前記発熱体に供給する為の信号供給手段とを具
備する事を特徴とする。 この様にして構成される本発明記録装置では、
熱エネルギーが液体を吐出させる為に有効に使わ
れ、吐出効率、吐出応答性、長時間連続記録性が
著しく改善される。 又、マルチオリフイス化において各オリフイス
より吐出する液滴間に相互影響が実質的に全くな
く吐出安定性に優れている。 更に本発明の装置は、構造上極めてシンプルで
あつて、微細加工が容易に出来る為に記録ヘツド
自体を従来に較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
は不可欠な高密度マルチオリフイス化が極めて容
易に実現し得る事、更に加うればマルチノズル化
に於いて、その記録ヘツドの吐出オリフイスのア
レー（array）構造を所望に従つて任意に設計し
得、従つて、記録ヘツドをバー状とすることも極
めて容易に成し得る事、等々顕著な特徴を有す
る。 以下本発明の装置を図面に従つて説明する。 第１図は、本発明の装置における液体吐出原理
を示す模式的説明図である（尚、この図では一つ
の吐出オリフイスについての断面が示してある）。
記録ヘツド１内には、供給タンク（不図示）、供
給管（不図示）、或いはフイルター（不図示）等
の手段を通じて液体３が供給されている。尚、該
液体に対しては、ポンプ等の適当な加圧手段によ
つて、それだけでは吐出オリフイス２から吐出さ
れない程度で圧力Ｐが加えられることもある。 この図に示されている様に熱エネルギーを発生
する手段である発熱体４は、発生する熱エネルギ
ーが液体３に作用する部分である熱作用部５内に
設置される。該熱作用部５は、発熱体４が発生す
る熱エネルギーが液体３に与えられて熱作用部５
に於ける液体は状態変化（液体積膨脹或いは気泡
の発生等）を起す部分である。 本発明の本質的な特徴は第１図よりも明白な様
に、液体３が、供給流路６より熱作用部５に流入
する方向と、熱作用部５より吐出オリフイス２方
向に流出する方向とが屈折している（即ち、吐出
口に連通する液路が屈折している。）ことであり、
又、発熱体４の発熱面S_Gが吐出オリフイス方向に
向いていることであつて、斯かる特徴故に本発明
の所期の目的が効果的に達成される。 この点を、更に詳述するならば、供給流路６の
熱作用部５付近の部分の中心軸XO（供給流路６
より熱作用部５に流入する方向と平行）点０を中
心に線分XOを角度θだけ右回転させた軸であつ
て熱作用部５より吐出オリフイス２方向に流出す
る方向に平行なYO（第１図に示される様に熱作
用部５と吐出オリフイス２との間に吐出流路７が
設けられてある場合には、吐出流路７の熱作用部
５付近の部分の中心軸としても良い）とが挾む角
θを有する様に熱作用部５、供給流路６、吐出オ
リフイス２、とが配置される。熱作用部５にある
液体に熱エネルギーを供給する為の発熱体４はそ
の発熱面が吐出オリフイス２方向に向く様に熱作
用部５に配置される。殊に発熱体４の発熱面は、
熱作用部５の吐出オリフイス２側の断面ABに
略々対向する様にされ、且つ吐出オリフイス２の
中心軸（図に於いては、軸YOと同一となつてい
る）と略々垂直になる様に発熱体４が熱作用部５
に配置されるのが望ましいものである。 上記の角度θ及び発熱体表面方向は記録ヘツド
の設計に於いて図に示される様な角度以外に種々
の値をとることができる。 しかし、θがあまり0゜又は180゜に近いと発熱
体、熱作用部、供給流路、吐出オリフイス等の形
成が容易でなくなるばかりか、本発明の所期の目
的が効果的に達成され難くなるので、通常は30゜
≦θ≦150゜とするのが好ましく好適には45゜≦θ
≦135゜、最適にはθを略々90゜とするのが望まし
いものである。 同様に第１図を用いて発熱体の方向について述
べれば軸Yo上のベクトルと、軸YO又はその延長
線が発熱体４の発熱面と交差する点を通る発熱面
に対する垂直線上のベクトルとで、該両ベクトル
の基準点を前記交差点とした時に形成される夾角
が、通常の場合45゜以下、好ましくは30゜以下、
殊には略々0゜となる様に選択されるのが望ましい
ものである。θ＝90゜及び＝0゜とされる場合に
は、発熱体、熱作用部、供給流路及び吐出オリフ
イスの形成が容易であるという点でも最も好まし
い。 尚、発熱体４としては、例えばZrB₂、HfB₂等
の材料で形成される。 今、発熱体４に外部から信号が印加されると、
該発熱体は瞬時に発熱して熱作用部５内の液体に
熱エネルギーを作用させる。その結果、液体には
状態変化（体積膨脹、或いは気泡の発生）が生じ
て吐出オリフイス２から所定の方向に所定量の液
体が吐出される。 この様に本発明に於いては熱作用部をその間に
有する液体の流路（液路）に屈折部を設け、熱作
用部にある液体に発生する熱エネルギーを効果的
に作用させるのに設けられる発熱体の発熱面を吐
出オリフイスに対向させて設置すると圧力変化が
吐出方向に効果的に伝わる。従つて、供給流路内
方向に、熱作用部に於ける液体の状態変化に基く
圧力変化が伝わる効果（所謂バツク圧効果）が抑
制され、吐出効率が向上する。又、マルチオリフ
イス化した場合に隣接する熱作用部にバツク圧が
伝わつて相互干渉することもなく、吐出安定性も
改善される。 更に、熱エネルギーが効率良く液体の吐出に利
用されるので、発熱体の駆動エネルギーを低減す
ることができ、省エネルギー化、発熱体素子の耐
久性の向上等に於いても好ましい結果が得られ
る。 そして本発明の装置を次に述べる様な発熱体基
板、供給流路プレート、吐出流路プレート等のブ
ロツクから成る構造にした場合には、上記の利点
に加えて、高密度マルチオリフイス化記録ヘツド
の構成上特に好ましい結果が得られる。 例えば、第２図ａに示す様に、発熱体基板８上
には７個の発熱体１１、発熱体１１に通電する為
の７本の選択電極１２及び共通電極１３が設けら
れている。殊に発熱体１１は基板８面をエツチン
グ等の適当な技術で凹部を形成した後に設置され
る。又、供給流路プレート９には、７個の発熱体
１１の各々に対応する位置に７本の細溝１４が形
成されており、吐出流路プレート１０には同様に
細溝１４に対応する様に７本の細溝１５が形成さ
れている。そしてこれらのブロツクを一体化する
と、第２図ｂにその断面図を示す様な装置が形成
される。即ち、発熱体基板８及び供給流路プレー
ト９によつて供給流路２０が、供給流路プレート
９の端面と吐出流路プレート１０によつて吐出流
路２１がそれぞれ形成される。又、供給流路２０
と吐出流路２１との間には破線で示される熱作用
部２２が形成され該熱作用部２２の液体に効果的
に熱エネルギーを作用させる様に発熱体１１は、
基準軸CD下にその発熱体面の少なくとも一部が
ある様に配置される。供給流路プレート９には、
供給流路２０に外部から液体を供給する手段、例
えば供給液室２３を形成する為のブロツク１６が
付設され、ブロツク１６には外部の貯蔵タンクよ
り液体を供給液室２３に導入する為のパイプ１７
が付設される。１８及び１９は、必要に応じて設
けられる吐出オリフイス板（図に於いては細溝１
５に対応して７個の吐出オリフイスが設けられて
いる）及びエア抜きパイプである。 第３図は、第２図で説明した記録ヘツドを内蔵
した本発明の装置を説明する為の模式的斜視図で
ある。この図に於いて、２４は電極リード基板
（第２図に示されていない）であり、該基板２４
上に選択電極及び共通電極用のリード線２５及び
２６が設けられている。更に発熱体基板８の下面
にはヒートシンク２７が設けられている。選択電
極のリード線２５及び共通電極のリード線２６
は、７個の発熱体１１を各々駆動する為に各発熱
体にパルス電圧等の駆動信号を供給する為の駆動
信号発生手段Ｐと電気的に接続されている。駆動
信号発生手段Ｐには、記録すべき情報の信号Ｓが
入力される様になつていて、該信号Ｓが駆動信号
発生手段Ｐに入力されると、該手段Ｐより駆動信
号が出力され、該駆動信号に基いて選択された発
熱体が駆動されて、液体が吐出オリフイスより吐
出し、記録が実行される。パイプ１７は、その端
部が延長されても良いし、又、他の導入パイプ
CPと接続されてもよいが、液体Ｌが貯蔵されて
いる貯蔵槽Ｒ内の液体Ｌと連通されている。従つ
て、各吐出オリフイスより吐出された分の液体は
貯蔵槽Ｒよりパイプ１７を通じて各々の熱作用部
に補給される。 上記の例では、供給流路プレート９の端面を供
給流路基準軸CDに対してほぼ90゜にし、θ＝90゜、
＝0゜とした例について述べたが、θ及びを
種々変えた、例えば第４図ａ，ｂ，ｃ及びｄの様
なものも同様の手順で作成される。又、供給流路
内への圧力損失（バツク圧）を少なくする目的で
第４図ｅに示す様に供給プレート９の熱作用部２
２の近傍に凸部２９を設けると、θ、を種々変
化させたいずれの場合に於いても吐出効率の点で
更に好ましい結果が得られる。或いは、前述の第
２図の例では、供給流路２０を与える溝１４を供
給流路プレート９側に形成し、吐出流路２１を与
える溝１５を吐出流路プレート１０側に形成する
場合について説明したが、溝１４を発熱体基板８
に形成しても良いし、溝１５を供給流路プレート
９側の端面に形成しても良い。更に、可能ならば
供給流路プレート９及び吐出プレート１０を同一
部材とし、これに供給流路及び吐出流路をエツチ
ング、電子ビーム加工或いはレーザー加工等の技
術により形成しても良い。 本発明の装置は、吐出効率或いは吐出応答性が
改善される。又、発熱体或いは電極の設置が容易
に行なえる構造である。一般に、この様な装置の
液体流路は極めて微細構造を有するものであり、
発熱体の様な素子を吐出効率、吐出応答性等を向
上させる目的で流路内に設置することは非常に困
難である。更には、電極及び電極リードの取り出
しに於いても多くの制約を受けるものである。と
ころが、本発明の装置は、微細構造の高密度マル
チオリフイス化を容易に行うことができること、
発熱体、電極、或いは電極リード等の設置が容易
な構造であること等多くの利点を有するものであ
る。 以下の実施例で本発明の記録装置を更に詳細に
説明する。 実施例 第３図に示す様な装置の記録ヘツドを以下の要
領で作成した。 第２図ａに示す様にガラス板にマイクロカツタ
ーにより幅60μｍ、深さ60μｍ、ピツチ250μｍの
多数の溝を形成し、供給流路プレート９とした。
又、同様に幅70μｍ、深さ80μｍ、ピツチ250μｍ
の多数の溝を形成し、さらに発熱部の凹部と係合
させる為に、発熱体基板８と接触する面に10μの
段差をエツチングで形成して吐出流路プレート１
０とした。 発熱体基板８は、保温性及び平滑性を目的とし
たベース層２８、発熱体１１、電極１２，１３及
び絶縁保護膜２９を基本構成としている。0.6mm
のAl₂O₃基板上に深さ10μｍ、幅80μの凹部３０を
形成しておき、この上にベース層としてSiO₂を
厚さ3μスパツタリングし、ZrB₂を厚さ800Å、電
極としてAlを厚さ5000Å積層した後、選択ホト
エツチングで、幅65μｍ、長さ75μｍの発熱体１
１を250μｍのピツチで形成した。続いてSiO₂を
厚さ1μｍでスパツタリングして絶縁保護膜を形
成した後、基板の裏側にヒートシンク２７を設置
した。尚凹部を形成するにはAl₂O₃基板上に加工
する例で説明したがベース層を加工して行なつて
もよい。又その場合には、各発熱体に対応した凹
部が隔離される様に加工を行なえば吐出流路プレ
ート１０の段差を設ける必要はなくなる。該発熱
体基板８の平面図を第５図に示す。この図に於い
て、１１，１１−１〜１１−７は複数の発熱体、
１２，１２−１〜１２−７は選択電極、１３は共
通電極である（ここでは７コの発熱体及び選択電
極が設けられる例を示している）選択電極１２及
び共通電極１３は第３図に示す様に発熱体基板８
の一端まで伸びて形成され、駆動信号供給手段Ｐ
と電気的に接続される。 又、厚さ100μｍのモリブデン部材に直径60μｍ
の室をピツチ250μｍで電子ビーム加工し吐出オ
リフイス板１８とした（吐出オリフイス板１８
は、吐出流路が所望の形状を有していて液滴が安
定に吐出されるならば必ずしも必要ではない）。 更に外部の供給タンクから供給される液体を供
給流路に導入する為のブロツク１６、供給パイプ
１７及びエア抜きパイプ１９を作成した。 上記の供給流路プレート９、吐出流路プレート
１０、発熱体基板８、吐出オリフイス板１８、ブ
ロツク１６を一体化して第３図に示す装置とし
た。 上記の装置及び水或いはトルエンを主成分とす
る下記の液体を用いて記録を行なつた。 第６図に装置の断面拡大図を示す様に、供給流
路２０から供給される液体は破線で示される熱作
用部２２内で、熱エネルギーの作用を受けて急激
な状態変化を生ずる。この状態変化により吐出流
路２１内の液体は圧力変化を生じて吐出オリフイ
スから吐出される。吐出効率、吐出応答性が良好
で、しかも鮮明な画像が得られた。 【表】

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の原理を説明する為の説
明図、第２図ａ，ｂは本発明の装置の主要部であ
る記録ヘツドの好適な実施態様を示す為のもので
あつて、第２図ａは模式的組立図、第２図ｂは破
断線X′Y′で切断した場合の切断面図、第３図は
第２図ａ，ｂで示した記録ヘツドを内蔵する本発
明装置の模式的斜視図、第４図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，
ｅ各々主要部である記録ヘツドの別の態様例を示
す部分断面図、第５図は発熱体基板の平面図、第
６図は本発明装置の記録ヘツド部の一部を示す拡
大説明図である。 １……記録ヘツド、２……吐出オリフイス、３
……液体、４，１１……発熱体、５，２２……熱
作用部、６，２０……供給流路、７，２１……吐
出流路、８……発熱体基板、９……供給流路プレ
ート、１０……吐出流路プレート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 所定方向に液体を吐出して飛翔液滴を形成す
   る為の吐出口と、該吐出口に連通し屈折部を有す
   る液路を具備し、該屈折部が、液体に熱による状
   態変化を生起させ該状態変化に基づいて前記吐出
   口より吐出される液体の飛翔液滴を形成するため
   の発熱体から発生する熱エネルギーが液体に作用
   する部分であつて凹部が形成された熱作用部を有
   し、前記液体の吐出方向に平行な軸上のベクトル
   と、該ベクトル又はその延長線が前記発熱体の発
   熱面と交叉する点を通る発熱面に対する垂直線上
   のベクトルとで形成される夾角Ψが45゜以下であ
   り、前記発熱体に電気的に接続され、所定方向に
   液体を吐出させるのに前記発熱体を駆動する駆動
   信号を前記発熱体に供給する為の信号供給手段と
   を具備する事を特徴とする液体噴射記録装置。 ２ 発熱体の発熱面が吐出口方向（前記夾角Ψが
   0゜の方向）に向いている特許請求の範囲第１項の
   液体噴射記録装置。