JP2866261B2 - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、吐出口よりインクを吐
出させて被記録部材に記録を行なうインクジェット記録
ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のインクジェット記録ヘッド（以
下、「記録ヘッド」という）としては、図３に示す構成
のものがよく知られている。図３は、従来の記録ヘッド
の部分斜視図であり、図３に示す記録ヘッド１１の吐出
口面１５には、インクが吐出される複数個の吐出口１４
が形成されている。各吐出口１４は、各吐出口１４ごと
に設けられた液流路１３を介して液室１２に連通してお
り、各液流路１３には、エネルギー発生素子としての電
気熱変換体１６が設けられている。

【０００３】記録用のインクは、不図示のインク供給口
より液室１２に供給されて液室１２内で一時的に貯えら
れる。液室１２に貯えられたインクは毛管現象により各
液流路１３内に供給され、吐出口１４でメニスカスを形
成することにより安定に保持される。このとき、電気熱
変換体１６に通電すると、電気熱変換体１６上のインク
が急激に加熱されて液流路１３内に気泡が発生し、この
気泡の膨張により吐出口１４からインクが吐出される。

【０００４】さらに、最近は、６４個あるいは１２８個
の吐出口を有するマルチノズル化が進む傾向にあり、例
えば６４個の吐出口を有する記録ヘッドの場合、８個の
吐出口を１ブロックとして、合計８ブロックを順次駆動
するブロック駆動方式により、インクの吐出が行なわれ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の記録ヘッドにおいては、気泡の膨張の際に発生
したインクの圧力波が、液流路から液室を介して他の液
流路へと伝播する。この、伝播した圧力波の影響によ
り、前記他の液流路先端の吐出口では、メニスカスが吐
出口面に対して振動する。さらに、マルチノズルの記録
ヘッドにおいて、ブロック駆動方式でインクを吐出させ
る場合には、前記圧力波の伝播が次々と起こり、最後に
駆動するブロックでは、メニスカスの振動が非常に大き
いものとなる。

【０００６】このように、メニスカスが振動するため、
吐出口のインクが吐出口面に対して凸状態にあるときに
インクを吐出すると、被記録部材に記録されるドットは
所定の大きさより大きくなり、逆に、吐出口のインクが
吐出口面に対して凹状態にあるときにインクを吐出する
と、被記録部材に記録されるドットは所定の大きさより
小さくなる。その結果、安定したドット径が得られず、
記録品位が低下してしまう。

【０００７】また、インクの吐出が行なわれてからメニ
スカスの振動が収まるまでには、約１ｍｓの時間がかか
るため、安定したドット径を得る目的でメニスカスの振
動が収まるのを待ったのでは、高速記録が達成できなく
なってしまう。

【０００８】さらに、前記圧力波の伝播を遅延・緩和す
るために、液流路内に突起を形成しただけではその効果
は小さい。その上、液流路内の断面積が極端に小さくな
るために、インク吐出後の、液室から液流路へのインク
の再充填が遅くなってしまう。

【０００９】本発明の目的は、インクの吐出により液流
路に発生する圧力波の、他の液流路への影響を抑え、安
定した大きさのドットを高速で形成することを可能にす
るインクジェット記録ヘッドを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、インクが吐出される複数の吐出口と、前記各
吐出口に供給されるインクを一時的に貯える液室と、前
記各吐出口をそれぞれ前記液室に連通する複数の液流路
と、前記各液流路にそれぞれ設けられた、前記各吐出口
からインクを吐出するためのエネルギーを発生するエネ
ルギー発生素子とを有するインクジェット記録ヘッドに
おいて、前記各液流路内の、前記エネルギー発生素子と
前記液室との間に、前記各液流路を閉塞しないように、
多孔質からなる圧力波吸収部材を設けたことを特徴とす
る。

【００１１】また、各液流路の断面積に対する圧力波吸
収部材の断面積の比が０．２以上で、かつ０．８以下で
あるものでもよい。

【００１２】さらに、エネルギー発生素子が、インクを
吐出するための熱エネルギーを発生する電気熱変換体で
あるものや、吐出口が被記録媒体の記録領域の全幅にわ
たって形成されているフルラインタイプであるものであ
ってもよい。

【００１３】

【作用】各液流路内のエネルギー発生素子と液室との間
に、多孔質からなる圧力波吸収部材を設けることで、イ
ンク吐出の際に液流路内に発生した圧力波は圧力波吸収
部材によって減衰されて液室に伝播する。そして液室に
伝播した圧力波が他の液流路に伝播する際には、前記他
の液流路に設けられた圧力波吸収部材でさらに減衰さ
れ、インクが吐出された液流路で発生した圧力波は、他
の液流路に伝播しにくくなる。このため、他の液流路の
吐出口におけるメニスカスの振動が抑えられ、かつその
振動が収まるまでの時間が短くなる。

【００１４】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１５】図１は、本発明のインクジェット記録ヘッ
ド（以下、「記録ヘッド」という）の一実施例の部分斜
視図である。

【００１６】図１に示すように、記録ヘッド１の吐出口
面５には、互いに間隔をおいて複数の吐出口４が形成さ
れており、各吐出口４は、各吐出口４ごとに設けられた
液流路３を介して直接液室２に連通している。また、各
液流路３には、それぞれエネルギー発生素子としての電
気熱変換体６が、エッチング、蒸着、スパッタリングな
どの半導体製造プロセスにより成膜形成されているとと
もに、各液流路３の両側面の、液室２側の端部には、そ
れぞれ多孔質からなる圧力波吸収部材としてのセラミク
ス片７が設けられている。これら各セラミクス片７は、
平均径２μｍの連続した空孔を有するものである。

【００１７】ここで、本実施例では、各液流路３の幅を
４０μｍとし、各液流路３に設けられる２つのセラミク
ス片７は、それぞれ高さが液流路３の高さと同一で、幅
が１０μｍのものを用いたので、液流路３の断面積に対
する、セラミクス片７の断面積の割合は０．５となって
いる。この割合は、０．２以上で、かつ０．８以下であ
ることが望ましい。前記割合が０．２未満では、液流路
３内の流路抵抗が小さすぎ、インクの吐出による圧力波
を吸収する効果が小さくなってしまう。逆に、前記割合
が０．８より大きいと、前記圧力波を吸収する効果は十
分にあるものの、液流路３内の流路抵抗が大きくなりす
ぎるため、吐出口４よりインクを吐出した後に液室２か
ら液流路３にインクが供給される際、その供給速度が遅
くなってしまう。

【００１８】次に、各吐出口４からインクが吐出される
ときの動作について説明する。

【００１９】記録用のインクは、不図示のインク供給口
より液室２に供給されて液室２内で一時的に貯えられ
る。液室２に貯えられたインクは毛管現象により各液流
路３内に供給され、吐出口４でメニスカスを形成するこ
とにより安定に保持される。

【００２０】このとき、所定の電気熱変換体６に通電す
ると、電気熱変換体６上のインクが急激に加熱されて液
流路３内に気泡が発生し、この気泡の膨張による圧力で
吐出口４からインクが吐出される。一方、前記圧力は、
液流路３の反吐出口４側にも作用し、圧力波として液室
２に伝播したのち、さらに他の液流路３へと伝播する。
ここで、前記圧力波が液室２に伝播する際、前記圧力波
は、インクが吐出された液流路３に設けられた２つのセ
ラミクス片７によって減衰される。そして、液室２に伝
播した圧力波が他の液流路３に伝播する際には、液室２
に伝播した圧力波は、他の液流路３に設けられた２つの
セラミクス片７によってさらに減衰される。その結果、
インクが吐出された液流路３で発生した圧力波は他の液
流路３に伝播するまでの間に弱められ、他の液流路３の
先端である他の吐出口４に形成されたメニスカスは、前
記インクが吐出された液流路３で発生した圧力波の影響
を受けにくくなる。

【００２１】図２は、任意の吐出口からインクを吐出さ
せたときの、前記任意の吐出口に隣接する吐出口におけ
る、インク吐出後の時間とメニスカスの変位との関係を
示すグラフである。図２において、メニスカスの変位
は、吐出口面に対して凸状態となったときをプラス、吐
出口面に対して凹状態になったときをマイナスで示して
いる。また、本実施例のものは実線で示し、従来例のも
のは破線で示した。ここでいう従来例のものは、液流路
内に圧力波吸収部材を設けないものであり、その他の構
成および寸法は本実施例のものと同じものである。

【００２２】図２に示すように、従来例においては、イ
ンク吐出後約１５５μｓ経過後に、インクの吐出による
圧力波の影響で、隣接する吐出口のメニスカスが振動を
始め、その振動が収まるのは、インクが吐出されてから
約１０００μｓ後である。これに対し、本実施例におい
ては、インク吐出後約１７５μｓ経過後に、隣接する吐
出口のメニスカスが振動を始め、その振幅は従来のもの
と比較して約半分の振幅となっている。また、メニスカ
スの振動が収まる時間についても、インクが吐出されて
から約５００μｓ後となっており、従来のものと比較し
て約半分の時間となっている。図２には、インクが吐出
された吐出口に隣接する吐出口についてのみ、吐出後の
時間とメニスカスの変位との関係を示したが、インクが
吐出された吐出口とは隣接しない吐出口についても、前
記関係の傾向は同様である。

【００２３】このように、インクの吐出の際に発生する
圧力波をセラミクス片に吸収させることで、前記圧力波
は他の液流路に伝播しにくくなる。その結果、他の液流
路の先端である他の吐出口のメニスカスの振動は小さく
なり、その振動が収まる時間も短縮されるので、安定し
た大きさのドットを高速で形成することができ、高速記
録が可能となる。

【００２４】以上説明した実施例においては、圧力波吸
収部材としてセラミクスを用いたものについて述べた
が、これに限らず、焼結金属などを用いてもよい。ま
た、圧力波吸収部材は、連続した空孔を有するもので
も、独立した空孔を有するものでも用いることができる
が、連続した空孔を有するもののほうが、インク吐出時
に発生する圧力波を吸収する効果が大きく、より好まし
い。

【００２５】また、エネルギー発生素子として、電気熱
変換体を設けた例を示したが、これに限らず、インクに
瞬間的に吐出圧力を加える機械的エネルギーを発生する
圧電素子などを用いてもよい。

【００２６】さらに、吐出口は、１６個／ｍｍといった
高密度で１２８個もしくは２５６個形成することがで
き、さらに被記録部材の記録領域の全幅にわたるだけの
数を形成してフルラインタイプとすることもできる。

【００２７】本発明は、特にインクジェット記録方式の
中でも熱エネルギーを利用して飛翔的液滴を形成し、記
録を行なうインクジェット方式の記録ヘッド、インクジ
ェット記録装置において、優れた効果をもたらすもので
ある。

【００２８】その代表的な構成や原理については、例え
ば、米国特許第４７２３１２９号明細書、同第４７４０
７９６号明細書に開示されている基本的な原理を用いて
行うものが好ましい。この方式は所謂オンデマンド型、
コンティニュアス型のいずれにも適用可能であるが、特
に、オンデマンド型の場合には、液体（インク）が保持
されているシートや液路に対応して配置されている電気
熱変換体に、記録情報に対応していて核沸騰を越える急
速な温度上昇を与える少なくとも一つの駆動信号を印加
することによって、電気熱変換体に熱エネルギーを発生
せしめ、記録ヘッドの熱作用面に膜沸騰させて、効果的
にこの駆動信号に一対一対応し液体（インク）内の気泡
を形成できるので有効である。この気泡の成長、収縮に
より吐出用開口を介して液体（インク）を吐出させて、
少なくとも一つの滴を形成する。この駆動信号をパルス
形状とすると、即時適切に気泡の成長収縮が行われるの
で、特に応答性に優れた液体（インク）の吐出が達成で
き、より好ましい。このパルス形状の駆動信号として
は、米国特許第４４６３３５９号明細書、同第４３４５
２６２号明細書に記載されているようなものが適してい
る。尚、上記熱作用面の温度上昇率に関する発明の米国
特許第４３１３１２４号明細書に記載されている条件を
採用すると、更に優れた記録を行うことができる。

【００２９】記録ヘッドの構成としては、上述の各明細
書に開示されているような吐出口、液路、電気熱変換体
の組合わせ構成（直線状液流路又は直角液流路）の他に
熱作用部が屈曲する領域に配置されている構成を開示す
る米国特許第４５５８３３３号明細書、米国特許第４４
５９６００号明細書を用いた構成も本発明に有効であ
る。加えて、複数の電気熱変換体に対して、共通のスリ
ットを電気熱変換体の吐出部とする構成を開示する特開
昭５９年第１２３６７０号公報や熱エネルギーの圧力波
を吸収する開孔を吐出部に対応させる構成を開示する特
開昭５９年第１３８４６１号公報に基づいた構成として
も本発明は有効である。

【００３０】更に、インクジェット記録装置が記録でき
る最大記録媒体の幅に対応した長さを有するフルライン
タイプの記録ヘッドとしては、上述した明細書に開示さ
れているような複数記録ヘッドの組合わせによって、そ
の長さを満たす構成や一体的に形成された一個の記録ヘ
ッドとしての構成のいずれでも良いが、本発明は、上述
した効果を一層有効に発揮することができる。

【００３１】加えて、装置本体に装着されることで、装
置本体との電気的な接続や装置本体からのインクの供給
が可能になる交換自在なチップタイプの記録ヘッド、あ
るいは記録ヘッド自体に一体的に設けられたカートリッ
ジタイプの記録ヘッドを用いた場合にも本発明は有効で
ある。

【００３２】又、本発明の記録ヘッドが搭載されるイン
クジェット記録装置の構成として設けられる、記録ヘッ
ドに対しての回復手段、予備的な補助手段等を付加する
ことは本発明の効果を一層安定できるので好ましいもの
である。これらを具体的に挙げれば、記録ヘッドに対し
ての、キャピング手段、クリーニング手段、加圧あるい
は吸引手段、電気熱変換体あるいはこれとは別の加熱素
子あるいはこれらの組合わせによる予備加熱手段、記録
とは別の吐出を行う予備吐出モードを行うことも安定し
た記録を行うために有効である。

【００３３】更に、インクジェット記録装置の記録モー
ドとしては黒色等の主流色のみの記録モードだけではな
く、記録ヘッドを一体的に構成するか複数個の組合わせ
によってでもよいが、異なる色の複色カラー又は、混色
によるフルカラーの少なくとも一つを備えた装置にも本
発明は極めて有効である。

【００３４】以上説明した本発明各実施例においては、
インクを液体として説明しているが、室温やそれ以下で
固化するインクであって、室温で軟化もしくは液体ある
いは、上述のインクジェットではインク自体を３０℃以
上７０℃以下の範囲内で温度調整を行ってインクの粘性
を安定吐出範囲にあるように温度制御するものが一般的
であるから、使用記録信号付与時にインクが液状をなす
ものであれば良い。加えて、積極的に熱エネルギーによ
る昇温をインクの固形状態から液体状態への態変化のエ
ネルギーとして使用せしめることで防止するか又は、イ
ンクの蒸発防止を目的として放置状態で固化するインク
を用いるかして、いずれにしても熱エネルギーの記録信
号に応じた付与によってインクを液化してインク液状と
して吐出するものや記録媒体に到達する時点ではすでに
固化し始めるもの等のような、熱エネルギーによって初
めて液化する性質のインク使用も本発明には適用可能で
ある。このような場合インクは、特開昭５４−５６８４
７号公報あるいは特開昭６０−７１２６０号公報に記載
されるような、多孔質シート凹部又は貫通孔に液状又は
固形物として保持された状態で、電気熱変換体に対して
対向するような形態としても良い。本発明においては、
上述した各インクに対して最も有効なものは、上述した
膜沸騰方式を実行するものである。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のインクジ
ェット記録ヘッドは、各液流路の、エネルギー発生素子
と液室との間に圧力波吸収部材を設けることで、吐出の
際に発生する圧力波は圧力波吸収部材に吸収されて他の
液流路に伝播しにくくなるので、安定した大きさのドッ
トを高速で形成することができ、高品位かつ高速記録が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット記録ヘッドの一実施例
の部分斜視図である。

【図２】任意の吐出口からインクを吐出させたときの、
前記任意の吐出口に隣接する吐出口における、インク吐
出後の時間とメニスカスの変位との関係を示すグラフで
ある。

【図３】従来のインクジェット記録ヘッドの部分斜視図
である。

【符号の説明】

１ 記録ヘッド ２ 液室 ３ 液流路 ４ 吐出口 ５ 吐出口面 ６ 電気熱変換体 ７ セラミクス片

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B41J 2/05 B41J 2/16

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクが吐出される複数の吐出口と、前
   記各吐出口に供給されるインクを一時的に貯える液室
   と、前記各吐出口をそれぞれ前記液室に連通する複数の
   液流路と、前記各液流路にそれぞれ設けられた、前記各
   吐出口からインクを吐出するためのエネルギーを発生す
   るエネルギー発生素子とを有するインクジェット記録ヘ
   ッドにおいて、 前記各液流路内の、前記エネルギー発生素子と前記液室
   との間に、前記各液流路を閉塞しないように、多孔質か
   らなる圧力波吸収部材を設けたことを特徴とするインク
   ジェット記録ヘッド。
2. 【請求項２】 各液流路の断面積に対する圧力波吸収部
   材の断面積の比が０．２以上で、かつ０．８以下である
   請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 【請求項３】 エネルギー発生素子は、インクを吐出す
   るための熱エネルギーを発生する電気熱変換体である請
   求項１または２に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 【請求項４】 吐出口が被記録媒体の記録領域の全幅に
   わたって形成されているフルラインタイプである請求項
   １、２または３に記載のインクジェット記録ヘッド。