JP2000015810A

JP2000015810A - インクジェット記録ヘッド

Info

Publication number: JP2000015810A
Application number: JP18374698A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tokiwa; 剛常盤
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2000-01-18

Abstract

(57)【要約】【課題】インク中に存在する気泡を効率よく排出し、
また周波数特性や熱履歴のないインク吐出条件を実現し
て、安定したドットを形成し高画質のプリントを得るこ
とを目的とする。【解決手段】インク加熱手段としてのヒータ２０の面
形状、電気抵抗値、またインク加熱手段としての一対の
電極の形状、配置条件などを、特定の条件に規定するこ
とによって、沸騰気泡が成長して最大気泡径に成長した
ときの気泡の中心位置をノズル側に移動させ、インク中
に存在する沸騰気泡以外の余分気泡をインクの吐出時に
効率よく排除し、また、インクの加熱による熱履歴や周
波数特性を低減させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク滴を吐出さ
せて印刷用紙に印字叉は印画させるインクジェット記録
ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、インクジェットプリンタは、記録
時の静粛性、高速記録が可能、カラー化が容易といった
点から家庭用、オフィス用コンピュータの出力用プリン
タとして広く利用されるようになってきた。このような
インクジェットプリンタは、インクを小滴化し飛翔さ
せ、記録紙に付着させて記録を行うもので、小滴の発生
法や飛翔方向の制御法によってコンティニアス方式とオ
ンデマンド方式に大別され、現在オンデマンド方式が主
流である。

【０００３】このオンデマンド方式の一つとして、イン
クを加熱してインク中に気泡を発生させ、その体積変化
でインクを飛翔させるバブルジェット方式がある。この
方式によるインクの吐出原理を図５により説明する。

【０００４】図５（ａ）は、ヒータ方式のインクジェッ
ト記録ヘッドの要部の断面図であり、図において、１は
基板、２はヒータ、３はインク流路、４はノズル、５は
沸騰気泡、６は飛翔した液滴、７は記録紙である。ヒー
タ２に電圧を印加すると、インク流路３のインクが加熱
され、沸騰気泡５を生じる。この沸騰気泡５による体積
変化によってノズル４から飛翔した液滴６が記録用紙７
上にドットを形成する。

【０００５】図５（ｂ）は、通電方式の従来のインクジ
ェット記録ヘッドの要部の断面図であり、図において、
９は基板、１０は外側電極、１１は内側電極、１２は外
側、内側電極１０，１１の露出面積を規定している絶縁
膜であり、１３は外側、内側電極１０と１１の間に流れ
る電流の電気力線を示している。８はインク流路１５と
圧力室１６を隔ててノズル１４を形成しているノズルプ
レート、６は飛翔したインクの液滴、７は記録紙、１７
は信号発生装置である。外側、内側電極１０，１１に電
圧を印加すると、圧力室１６に充填された導電性インク
に電流が流れ、そのジュール熱で外側、内側電極１０，
１１の先端間の導電性インクの一部が気化する。さらに
気化された導電性インクの蒸気は、ノズル１４から吐出
するのに十分な圧力を発生するまで膨張し、ノズル１４
から飛翔した液滴６が記録用紙７上にドットを形成す
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のヒータ加熱方式
によるインクジェット記録ヘッドは、ヒータ面が均一に
加熱されるように、ヒータの形状は四角形を基本構造と
している。インク中の気泡の成長は円形であり、これに
対してヒータの形状は四角形であるので、不要な領域を
加熱することになり、沸騰気泡が一つにならずに分割し
たかたちで成長し、その気泡が滞留するおそれがある。
気泡が流路付近に滞留すると、ドット抜けなどの原因と
なってしまう。

【０００７】また、インク通電加熱方式によるインクジ
ェット記録ヘッドにおいては、インク中に含まれる気泡
のほかに電極表面で発生する電解気泡などによって、ド
ット抜けの不具合などが発生するという問題を有してい
る。このほか、電極が絶縁膜から露出している面積やイ
ンクの加熱される領域の広さ、あるいは、電極表面上の
付着物や電極の腐食によって、吐出されるインクの液滴
量が周波数特性を持ったり、前の吐出の熱履歴を持った
りすることで、形成されるドットの大きさに影響を与え
たりすることがある。

【０００８】本発明が解決すべき課題は、インク中に存
在する気泡を効率よく排出して安定したドットを形成す
ること、および、周波数特性や熱履歴のないインク吐出
条件を実現して高画質のプリントを得ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、インクを加熱
して沸騰気泡を発生せしめ、その体積変化によってノズ
ルからインクを吐出させるインクジェット記録ヘッドに
おいて、インク加熱手段の形状特性または電気特性を、
沸騰気泡が発生した瞬間の気泡の中心位置に対して、沸
騰気泡が成長して最大気泡径に成長したときの気泡の中
心位置がノズル側に移動する条件としたことを特徴とす
る。この条件に合致したインク加熱手段の形状特性また
は電気特性とすることにより、沸騰気泡が発生した瞬間
から成長して最大気泡径になる過程において、気泡の中
心位置がノズル方向に移動することによって、インク中
に存在する溶存酸素や電解気泡等の沸騰に悪影響を与え
ると思われる気泡をノズル方向に押しやるという効果を
奏する。

【００１０】

【発明の実施の形態】請求項１に記載のインクジェット
記録ヘッドは、インクを加熱して沸騰気泡を発生せし
め、その体積変化によってノズルからインクを吐出させ
るインクジェット記録ヘッドにおいて、インク加熱手段
の形状特性または電気特性を、沸騰気泡が発生した瞬間
の気泡の中心位置に対して、沸騰気泡が成長して最大気
泡径に成長したときの気泡の中心位置がノズル側に移動
する条件としたものである。この条件に合致したインク
加熱手段の形状特性または電気特性とすることにより、
沸騰気泡が発生した瞬間から成長して最大気泡径になる
過程において、気泡の中心位置がノズル方向に移動する
ことによって、インク中に存在する溶存酸素や電解気泡
等の沸騰に悪影響を与えると思われる気泡をノズル方向
に押しやるという作用を有する。

【００１１】請求項２に記載のインクジェット記録ヘッ
ドは、前記インク加熱手段がヒータであるインクジェッ
ト記録ヘッドにおいて、ヒータの面形状を、インクを吐
出させるノズル側に向けて面積が広がる形状としたもの
である。ヒータの面形状をこのような形状とすることに
より、インク流路側で発生する沸騰気泡が成長するに従
って、沸騰気泡の中心がノズル側に向けて移動すること
になり、これによってインク中に存在する、溶存酸素や
電解気泡等の沸騰に悪影響を与えると思われる気泡をノ
ズル方向に押しやるという作用を有する。

【００１２】請求項３に記載のインクジェット記録ヘッ
ドは、前記インク加熱手段がヒータであるインクジェッ
ト記録ヘッドにおいて、ヒータの電気抵抗値を、インク
を吐出させるノズル側に向けて大きくしたものである。
ヒータの電気抵抗値をこのように差をつけることによ
り、インク流路側で発生する沸騰気泡が成長するに従っ
て、沸騰気泡の中心がノズル側に向けて移動することに
なり、これによってインク中に存在する、溶存酸素や電
解気泡等の沸騰に悪影響を与えると思われる気泡をノズ
ル方向に押しやるという作用を有する。

【００１３】請求項４に記載のインクジェット記録ヘッ
ドは、前記インク加熱手段が一対の電極を用いたインク
通電であるインクジェット記録ヘッドにおいて、一方の
電極が他方の電極を包み込む形状とした一対の電極を、
包み込まれる側の電極がノズル側となるように配置した
ものである。電極の形状と配置をこのようにすることに
より、両電極が互いに最も接近している箇所から沸騰気
泡が発生し、沸騰気泡が成長するに従って沸騰気泡の中
心は包み込まれる側の他方の電極の方向へ移動する。こ
れによって、溶存酸素や電解気泡等の沸騰に悪影響を与
えると思われる気泡の移動方向を制御するという作用を
有する。

【００１４】請求項５に記載のインクジェット記録ヘッ
ドは、請求項４記載の一対の電極において、両電極が互
いに最も接近している箇所を、包み込まれる側の電極の
中心よりもノズルと反対側の位置としたものである。こ
こで、両電極の形状は、円形、楕円形、放物線、双曲線
などを組み合わせた形状とすることができる。電極の形
状と配置をこのようにすることにより、両電極が互いに
最も接近している箇所から沸騰気泡が発生し、沸騰気泡
が成長するに従って沸騰気泡の中心は包み込まれる側の
他方の電極の方向へ移動する。これによって、溶存酸素
や電解気泡等の沸騰に悪影響を与えると思われる気泡の
移動方向を制御するという作用を有する。

【００１５】請求項６に記載のインクジェット記録ヘッ
ドは、請求項４，５記載の一対の電極において、両電極
が双方が向かい合っている部分の距離を３０μｍ以下と
したものである。電極の配置をこのようにすることによ
り、両電極の間でインクが加熱される領域が限定される
ことになり、これによってインクの加熱による熱履歴や
周波数特性を低減させるという作用を有する。

【００１６】請求項７に記載のインクジェット記録ヘッ
ドは、請求項４ないし６記載の一対の電極において、包
み込む側の電極と包み込まれる側の電極の露出面積の比
を０．５〜１．５としたものである。両電極の露出面積
の比をこのように規定することにより、インクが加熱さ
れる領域が片方の電極に偏ることを避けることができ、
インクの加熱による熱履歴や周波数特性を低減させると
いう作用を有する。とくに内側電極の半径が１０μｍ以
上のときは、沸騰の中心が外内側のギャップからはずれ
ないようにするために、この面積比を１．０以下とする
のが望ましい。

【００１７】請求項８に記載のインクジェット記録ヘッ
ドは、請求項４ないし７記載の一対の電極による通電に
よってインクが２００℃以上に加熱される領域を１５０
０μｍ²以下としたものである。加熱領域を１５００μ
ｍ²以下とすることは、内側電極の半径を１０μｍ以下
にするか、または、かぶり込み角度（図３（ｃ）のθ参
照）を１２０度以下にすることによって達成できる。こ
のようにインクが加熱される領域を規定することによっ
て、インクの加熱による熱履歴や周波数特性を低減させ
るという作用を有する。

【００１８】以下本発明の実施の形態について、図面を
参照しながら説明する。（実施の形態１）図１（ａ）は、本発明をヒータ加熱方
式のインクジェット記録ヘッドに適用した第１の実施の
形態を示す要部の断面図、（ｂ）は本発明をヒータ加熱
方式のインクジェット記録ヘッドに適用した第１の実施
の形態を示す要部の平面図、（ｃ）は本発明をヒータ加
熱方式のインクジェット記録ヘッドに適用した第１の実
施の形態を示す要部の側面図、（ｄ）は本発明をヒータ
加熱方式のインクジェット記録ヘッドに適用した第１の
実施の形態の作用を説明する図である。図において、１
は基板、２０はヒーター、３はインク流路、４はノズ
ル、５は沸騰気泡、６は液滴、７は記録紙である。

【００１９】本実施の形態においては、インクを加熱し
て沸騰気泡５を発生させるためのヒーター２０の平面形
状を、図１（ｂ）に示すように、インク流路３からノズ
ル４側に向けてその面積が広がるように台形状に設計し
ている。

【００２０】このような台形状にしたことにより、ヒー
ター２０にリード２１を接続したとき、面積が狭い部分
がリード２１からの電気抵抗値が小さいので、面積が広
い部分に比べてより早く加熱され、ヒーター２０の発熱
点が流路方向に集中するため、同図（ｄ）に示すよう
に、初期沸騰気泡２２の中心２４はヒーター２０の流路
側に位置している。

【００２１】この後、沸騰気泡が成長して行くに従っ
て、ヒーター２０上の沸騰気泡はノズル４方向に向かっ
て成長していき、やがて最大径のときの沸騰気泡２３に
達する。このときの最大沸騰気泡２３の中心２５は、初
期沸騰気泡２２の中心２４に比べ、図中矢印で示すよう
にノズル４側に移動している。

【００２２】このように、成長する沸騰気泡がノズル４
方向に移動するようにヒーター２０の形状を設計するこ
とによって、インク中に存在する沸騰気泡以外の余分気
泡をインクの吐出時に効率よく排除することができる。
これによって、吐出されるインクの安定性が向上し、記
録紙上に形成されるドットの乱れのない、高品質の画質
を得ることができる。

【００２３】（実施の形態２）図２（ａ）は、本発明を
インク通電加熱方式のインクジェット記録ヘッドに適用
した第２の実施の形態を示す要部の断面図、（ｂ）は本
発明をインク通電加熱方式のインクジェット記録ヘッド
に適用した第２の実施の形態を示す要部の平面図、
（ｃ）は本発明をインク通電加熱方式のインクジェット
記録ヘッドに適用した第２の実施の形態の作用を説明す
る図である。

【００２４】本実施の形態のインクジェット記録ヘッド
においては、外側電極３１が内側電極３０を包み込む形
状とした一対の電極を、内側電極３０がノズル１４側と
なるように配置したものである。内側電極３０と外側電
極３１が最接近している場所に最も電流が集中し、イン
クの温度が早く上昇する。その位置が初期沸騰気泡４０
の中心４１である。数マイクロ秒後、沸騰気泡はさらに
電極からの電流の供給によって成長し、最大沸騰気泡４
２に達する。この過程において、外側電極３１は内側電
極３０を包み込んでいるという構成になっているため、
電流は外側電極３１から内側電極３０に集中する。この
構造的な理由から、最大沸騰気泡４２の中心４３は初期
沸騰気泡４０の中心４１に比べ、ノズル１４側に移動す
ることになる。この沸騰気泡の移動によって、インク中
に存在している沸騰気泡以外の余分気泡がインクの吐出
と共に効率よく排出され、これによって、吐出されるイ
ンクの安定性が向上し、記録紙上に形成されるドットの
乱れのない、高品質の画質を得ることができる。

【００２５】（実施の形態３）図３（ａ）は一対の電極
の露出面積比とインク沸騰時間のばらつきとの関係を示
す図、（ｂ）は電極のギャップ長とインク沸騰時間のば
らつきとの関係を示す図、（ｃ）は電極要部の上面図で
ある。図中の各点は、内側電極３０および外側電極３１
の形状を種々変えたときの測定データであり、図中に注
記のφ３０およびφ６０は、ドット径３０μｍ用のノズ
ルおよびドット径６０μｍ用のノズルのことである。

【００２６】ここでギャップ長とは、同図（ｃ）に示す
電極要部の上面図において、外側電極３１によって包み
込まれる内側電極３０の外周部の長さ３２のことであ
り、外側電極３１と内側電極３０が向かい合っている部
分の距離であると言い換えることができる。ギャップ長
ｇは、ｇ＝２π×（内側電極半径ｒ）×（かぶり込み角度θ）
／３６０という式によって得られる。

【００２７】図３（ａ）から、外側電極３１と内側電極
３０の露出面積比が大きくなるに従って、インク沸騰時
間のばらつきが大きくなるという傾向があるが、特にこ
のばらつきは、露出面積比が０．５から１．５の間で極
小値を持っていることがわかる。これは双方の電極の露
出面積比のバランスが崩れると、電流密度に不均衡が生
じるためであると考えられる。

【００２８】図３（ｂ）から、ギャップ長ｇが長いほ
ど、インク沸騰時間のばらつきの度合いが増すことがわ
かる。これはギャップ長ｇが長くなるほど、インクが加
熱される領域が広くなり、この結果、インクを吐出した
後も加熱されたままのインクが、圧力室１６に残ること
によって、インク沸騰時間に差ができてしまうためであ
る。

【００２９】図４は、インク通電加熱方式によるインク
の加熱において、インクが１５０℃に加熱されている領
域の上方からの投影面積、および、２００℃に加熱され
ている領域の上方からの投影面積と、インク沸騰時間の
ばらつきとの関係を示す図である。同図から、２００℃
以上にインクが加熱される領域を１５００μｍ²以下に
することによって、インクが吐出しても圧力室１６に残
っている加熱されたインクが少なくなり、熱履歴および
周波数特性による沸騰時間のばらつきを２０μｓ以下に
抑えることができることがわかる。

【００３０】以上のことから、一方の電極が他方の電極
を包み込む形状をとる電極の場合、外側電極と内側電極
の露出面積比を０．５から１．５にし、ギャップ長を３
０μｍ以下とすることによって、インクの加熱領域の面
積を限定でき、特にインクの加熱温度が２００℃以上の
領域を１５００μｍ²以下にすることによって、熱履歴
や周波数特性による沸騰時間のばらつきが少ない、即ち
ドット系ばらつきの少ないインクジェットヘッドを実現
でき、高品質の画質を得ることができるということがわ
かる。

【００３１】

【発明の効果】（１）インク加熱手段の形状特性または
電気特性を、沸騰気泡が発生した瞬間の気泡の中心位置
に対して、沸騰気泡が成長して最大気泡径に成長したと
きの気泡の中心位置がノズル側に移動する条件とするこ
とによって、インク中に存在する沸騰気泡以外の余分気
泡をインクの吐出時に効率よく排除することができる。
これによって、吐出されるインクの安定性が向上し、記
録紙上に形成されるドットの乱れがない、高品質の画質
を得ることができる。

【００３２】（２）インク加熱手段がヒータである場合
は、ヒータの面形状を、インクを吐出させるノズル側に
向けて面積が広がる形状とするか、あるいは、ヒータの
電気抵抗値を、インクを吐出させるノズル側に向けて大
きくすることにより、インク流路側で発生する沸騰気泡
が成長するに従って、沸騰気泡の中心がノズル側に向け
て移動することになり、沸騰気泡の移動によって、イン
ク中に存在している沸騰気泡以外の余分気泡がインクの
吐出と共に効率よく排出され、吐出されるインクの安定
性が向上する。

【００３３】（３）インク加熱手段が一対の電極を用い
たインク通電である場合は、一方の電極が他方の電極を
包み込む形状とした一対の電極を、包み込まれる側の電
極がノズル側となるような配置とするか、さらに、この
両電極が互いに最も接近している箇所を、包み込まれる
側の電極の中心よりもノズルと反対側の位置とすること
により、インク流路側で発生する沸騰気泡が成長するに
従って、沸騰気泡の中心がノズル側に向けて移動するこ
とになり、沸騰気泡の移動によって、インク中に存在し
ている沸騰気泡以外の余分気泡がインクの吐出と共に効
率よく排出され、吐出されるインクの安定性が向上す
る。

【００３４】（４）インク加熱手段が一対の電極を用い
たインク通電である場合、両電極が双方が向かい合って
いる部分の距離、包み込む側の電極と包み込まれる側の
電極の露出面積の比、通電によってインクが２００℃以
上に加熱される領域などを特定の範囲に規定することに
より、インクの加熱による熱履歴や周波数特性が低減さ
れ、高品質の画質を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明をヒータ加熱方式のインクジェッ
ト記録ヘッドに適用した第１の実施の形態を示す要部の
断面図（ｂ）本発明をヒータ加熱方式のインクジェット記録ヘ
ッドに適用した第１の実施の形態を示す要部の平面図（ｃ）本発明をヒータ加熱方式のインクジェット記録ヘ
ッドに適用した第１の実施の形態を示す要部の側面図（ｄ）本発明をヒータ加熱方式のインクジェット記録ヘ
ッドに適用した第１の実施の形態の作用を説明する図

【図２】（ａ）本発明をインク通電加熱方式のインクジ
ェット記録ヘッドに適用した第２の実施の形態を示す要
部の断面図（ｂ）本発明をインク通電加熱方式のインクジェット記
録ヘッドに適用した第２の実施の形態を示す要部の平面
図（ｃ）本発明をインク通電加熱方式のインクジェット記
録ヘッドに適用した第２の実施の形態の作用を説明する
図

【図３】（ａ）一対の電極の露出面積比とインク沸騰時
間のばらつきとの関係を示す図（ｂ）電極のギャップ長とインク沸騰時間のばらつきと
の関係を示す図（ｃ）電極要部の上面図

【図４】加熱領域とインク沸騰時間のばらつきとの関係
を示す図

【図５】（ａ）ヒータ方式のインクジェット記録ヘッド
の要部の断面図（ｂ）通電方式の従来のインクジェット記録ヘッドの要
部の断面図

【符号の説明】

１基板２ヒーター３インク流路４ノズル５沸騰気泡６液滴７記録紙８ノズルプレート９基板１０外側電極１１内側電極１２絶縁膜１３電気力線１４ノズル１５インク流路１６圧力室１７信号発生装置２０ヒーター２１リード２２初期沸騰気泡２３最大径のときの沸騰気泡２４初期沸騰気泡の中心２５最大沸騰気泡の中心３０内側電極３１外側電極３２ギャップ長４０初期沸騰気泡４１初期沸騰気泡の中心４２最大径のときの沸騰気泡４３最大沸騰気泡の中心 θ かぶり込み角度ｒ内側電極半径

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インクを加熱して沸騰気泡を発生せしめ、
その体積変化によってノズルからインクを吐出させるイ
ンクジェット記録ヘッドにおいて、インク加熱手段の形
状特性または電気特性を、沸騰気泡が発生した瞬間の気
泡の中心位置に対して、沸騰気泡が成長して最大気泡径
に成長したときの気泡の中心位置がノズル側に移動する
条件としたことを特徴とするインクジェット記録ヘッ
ド。
【請求項２】前記インク加熱手段がヒータであって、こ
のヒータの面形状を、インクを吐出させるノズル側に向
けて面積が広がる形状としたことを特徴とする請求項１
記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項３】前記インク加熱手段がヒータであって、こ
のヒータの電気抵抗値を、インクを吐出させるノズル側
に向けて大きくした請求項１記載のインクジェット記録
ヘッド。
【請求項４】前記インク加熱手段が一対の電極を用いた
インク通電であって、一方の電極が他方の電極を包み込
む形状とした一対の電極を、包み込まれる側の電極がノ
ズル側となるように配置したことを特徴とする請求項１
記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項５】前記一対の電極が互いに最も接近している
箇所を、包み込まれる側の電極の中心よりもノズルと反
対側の位置としたことを特徴とする請求項４記載のイン
クジェット記録ヘッド。
【請求項６】前記一対の電極が向かい合っている部分の
距離を３０μｍ以下としたことを特徴とする請求項４ま
たは５記載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項７】前記一対の電極の、包み込む側の電極と包
み込まれる側の電極の露出面積の比を０．５〜１．５と
したことを特徴とする請求項４ないし６のいずれかに記
載のインクジェット記録ヘッド。
【請求項８】前記一対の電極による通電によってインク
が２００℃以上に加熱される領域を１５００μｍ²以下
としたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。