JP3058492B2 - インクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱エネルギーを利用し
てインクを吐出するインクジェット記録ヘッドおよびイ
ンクジェット記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】インク滴を吐出し、これを被記録媒体上
に付着させて画像形成を行なうインクジェット記録方法
は、高速記録が可能であり、また比較的記録品位も高
く、低騒音であるという利点を有している。さらに、こ
の方法はカラー画像記録が比較的容易であって、普通紙
等にも記録でき、さらに装置を小型化し易いといった多
くの優れた利点を有している。

【０００３】このようなインクジェット記録方法を用い
る記録装置には、一般にインクを飛翔インク滴として吐
出させるための吐出口と、この吐出口に連通するインク
路と、このインク路の一部に設けられ、インク路内のイ
ンクに吐出のための吐出エネルギーを与えるエネルギー
発生手段とを有する記録ヘッドが備えられる。例えば、
特公昭６１−５９９１１号、特公昭６１−５９９１２
号、特公昭６１−５９９１３号、特公昭６１−５９９１
４号の各公報には、エネルギー発生手段として電気熱変
換体を用い、電気パルス印加によってこれが発生する熱
エネルギーをインクに作用させてインクを吐出させる方
法が開示されている。

【０００４】すなわち、上記各公報に開示されている記
録方法は、熱エネルギーの作用を受けたインクが急峻な
体積の増大を伴なう状態変化を起こし、この状態変化に
基づく作用力によって、記録ヘッド部先端の吐出口より
インクを吐出し、この吐出インク滴が被記録媒体に付着
して画像形成を行なうものである。この方法によれば記
録ヘッドにおける吐出口を高密度に配設することができ
るので、高解像度、高品質の画像を高速で記録すること
ができ、この方法を用いた記録装置は、複写機、プリン
タ、ファクシミリなどにおける情報出力手段として用い
ることができる。

【０００５】他方、熱エネルギを使用するものの実現条
件は全くないインクジェット記録方法としては、特開昭
５４−１６１９３５号公報に記載される方法がある。こ
の公報では、図１に示すように円筒状発熱体３０によっ
て液室内のインク３１をガス化させ（図１、（ａ））、
このガス３２をインク滴３３と共にインク吐出口より吐
出させる（図１（ｂ），（ｃ））。この方法によれば、
ガス３２を吐出口または吐出口付近から微小滴状に噴出
させてしまい、画質は不良となる。この公報のバブルは
核沸騰によるバブル形成であると認められる。

【０００６】また同様の核沸騰である、例えば特開昭６
１−１８５４５５号公報は、図２に示すように、小開口
４０を有する板状部材４１と発熱体ヘッド４２との微少
間隙部４３に満たされた液状インク４４を発熱体ヘッド
４２によって加熱し（図２（ａ），（ｂ））、発生した
バブル４５によって小開口４０からインク滴４６を飛翔
させると共に、急速に核沸騰で体積増加しているバブル
４５を形成していたガスをも小開口４０から噴出させて
（図２（ｃ））記録紙上に画像を形成するものである。

【０００７】さらに、同様の核沸騰を開示する特開昭６
１−２４９７６８号公報には、図３に示すように液状イ
ンク５０に熱エネルギーを作用させてかなり大型化した
バブルを形成し、バブルの膨張力に基づいてインク小滴
５８を形成、飛翔させると同時にバブルを形成していた
ガスをも大開口５２から大気中に噴出させるインクジェ
ット記録装置が単純に記載されている。

【０００８】しかしながら、上記特開昭５４−１６１９
３５号、同６１−１８５４５５号、同６１−２４９７６
８号に共通する構成は、バブルを形成しているガスを微
小インク滴として主たるインク滴の吐出と共に大気中に
噴出させてしまうことである。この結果、このガスの噴
出によってガス化してインクがスプラッシュやミストな
どを生じ、その結果記録紙の地汚れとなったり、装置内
の汚れとなることがあった。

【０００９】また、例えば特開昭６１−１９７２４６号
公報には、従来の熱エネルギーを用いたインクジェット
記録方法を変形させた方法を用いる熱転写的記録装置に
関する記載がある。すなわち、この装置では、図４に示
すように、記録媒体６０に設けられた複数の孔６１によ
って保持されるインク６２を、発熱素子６３を有する記
録ヘッド６４によって加熱し、インク滴６５を被記録媒
体６６に吐出する。この記録装置は単発的なインク吐出
であり、加えて記録媒体６０と発熱素子６３とを完全に
密着させることが困難であるため、従来の吐出口を有す
る記録ヘッドを用いたインクジェット記録方法に比べ、
熱効率が低下しやすく高速記録に適さないといった問題
がある。

【００１０】

【背景技術】以上説明したようなインクジェット記録方
式の問題点を解決するため、本出願人は、吐出のために
インクを加熱することにより生成される膜沸騰によるバ
ブルを、吐出口近傍で外気に連通させて吐出を行うイン
クジェット記録方式（以下、この方式を連通吐出方式と
も言う）について提案した（特願平２−１１２８３２
号，特願平２−１１２８３３号，特願平２−１１２８３
４号，特願平２−１１４４７２号）。

【００１１】上記連通吐出方式によれば、バブルを形成
しているガスが吐出されるインク滴と共に噴出すること
はないので、スプラッシュやミストなどの発生を低減
し、被記録媒体上の地汚れや装置内の汚れを防ぐことが
できる。

【００１２】また、上記連通吐出方式の基本的な作用と
して、バブルが生成される部位より吐出口側にあるイン
クは原理的に全てインク滴となって吐出されるというこ
とがある。このため、吐出インク量は、吐出口から上記
バブル生成部位までの距離等、記録ヘッドの構造によっ
て定めることができる。この結果、上記連通吐出方式に
よれば、インク温度の変化等の影響をそれ程受けずに吐
出量の安定した吐出を行うことが可能となる。

【００１３】以下、図５〜図８を参照して上記連通吐出
方式について説明する。

【００１４】図５（ａ）および（ｂ）は、上記連通吐出
方式を適用して好適な記録ヘッドおよびその吐出方法を
示すものであり、この記録ヘッドの具体的インク路構成
の２例を示す。しかしながら、本発明はこの構成に限定
されないことは勿論である。

【００１５】図５（ａ）に示すインク路構成は、基板
（不図示）上に発熱抵抗層（ヒータ）２を具え、この基
板に、隔壁や天板が設けられることによって、共通液室
Ｃやインク路Ｂが形成される。また、これとともにイン
ク路Ｂの端部に吐出口５が形成される。Ｅ１，Ｅ２は、
それぞれ、ヒータ２にパルス上の電気信号を印加するた
めの選択電極、共通電極を示す。さらにＤは保護層であ
る。

【００１６】電極Ｅ１，Ｅ２を介した、記録データに基
づく上記電気信号の印加に応じて、電極Ｅ１，Ｅ２間の
ヒータ２は、蒸気膜を生じる急激な温度上昇を短時間の
うちに発生し（約３００℃）、これにより、バブル６が
生成される。このバブル６は成長し、やがて吐出口５に
おける基板側の端部Ａで大気と連通する。そして、この
連通後、安定した吐出インク滴（破線７）が形成され
る。

【００１７】この吐出において、バブル６がその成長過
程でインク路Ｂを完全に遮断しない（インク路Ｂ内のイ
ンクが吐出口５から突出したインクと連続している）の
で後続の吐出に対するリフィルが速やかに行われるこ
と、また、３００℃以上の比較的高温となったバブルの
熱も外気に放出されること等によって大きな蓄熱の問題
（蓄熱によるインク粘性低下やバブル形成の不安定化）
も生ぜず、各ヒータの駆動デューティーを高くすること
ができる。

【００１８】図５（ｂ）は、共通液室Ｃを不図示として
いるが、インク路Ｂを屈曲した形状としているものであ
り、屈曲部の基板面に発熱抵抗部（ヒータ）２を具えて
いる。吐出口５は、吐出方向にその断面積を減少する形
状であり、ヒータ２に対向してその開口が設けられてい
る。この吐出口５はオリフィスプレートＯＰに形成され
る。

【００１９】図５（ｂ）においても、上記図５（ａ）の
構成と同様に蒸気膜（約３００℃）を生じさせてバブル
６を生成する。このバブルの生成により、オリフィスプ
レートＯＰの厚み部分のインクを吐出方向に押しやり、
その部分のインクを希薄にする。その後、バブル６は、
吐出口５の外気側周縁Ａ１から内部側の吐出口近傍領域
Ａ２の範囲で大気と連通する。この時、バブル６の成長
は、インク路を遮断しないもので、吐出方向へ向かう必
要のないインクをインク路Ｂ内のインクと連続した連続
体として残すことができ、インク滴７の吐出量の安定化
および吐出速度の安定化を実現することができる。

【００２０】このような連通吐出方式によれば、吐出口
近傍へのバブル成長を急激にしかも確実に行うことがで
きるので、上記非遮断状態のインク路によるリフィル性
も手伝って、高安定高速記録を達成できる。また、バブ
ルと大気とを連通させることによって、バブルの消泡過
程が無くなり、キャビテーションによるヒータや基板の
損傷を防止することもできる。

【００２１】以上示したインク吐出に伴うバブルと大気
との連通は基本的にヒータ２の配設位置を吐出口５に近
づけることによって実現できる。しかしながら、上述し
たスプラッシュ等の抑制や吐出量の安定化を確実なもの
とする条件であって、上記図５（ａ）および（ｂ）に示
す構成に適用されて好ましい条件を以下に挙げる。

【００２２】第１条件は、バブルの内圧が外気圧より低
い条件でバブルを外気と連通させることである。

【００２３】すなわち、バブルの内圧が外気圧より低い
条件でバブルを外気と連通させることによって、バブル
の内圧が外気圧より高い条件で連通させる場合に生じて
いたスプラッシュ等の吐出口近傍におけるインク飛散を
低減でき、また、上記２つの圧力が等しい場合よりも、
吐出時の不安定なインクをインク路内に引き込む力がわ
ずかではあるが働くため、より一層安定したインク吐出
と不要インクの飛散防止を図ることができる。

【００２４】上記第１条件とは別の条件として、バブル
の吐出口側端部における移動速度の１次微分値が負とな
る条件でバブルと外気とを連通させるという第２条件、
また、吐出エネルギー発生手段の吐出口側端部からバブ
ルの吐出口側端部までの距離Ｌａ と吐出エネルギー発
生手段の吐出口とは反対側の端部からバブルの吐出口と
は反対側の端部までの距離Ｌｂ とがＬａ ／Ｌｂ ≧ｌ
を満足する第３条件、もしくは、その両方の条件を満足
してバブルと外気を連通させることはより好ましい。

【００２５】図６〜図８を参照して、上記第１条件をさ
らに詳しく説明する。

【００２６】発泡からの経過時間ｔと、バブル体積Ｖお
よびバブル内圧力Ｐとの関係は図６のようになるが、実
際には、バブルはその成長の途中で連通するので、これ
らの関係は図７に示されるようになる。すなわち、図７
において、ｔ＝ｔｂ（ｔ１≦ｔｂ：ｔ１はバブル内圧力
ｐが外気の圧力と等しくなる時刻）の時刻でバブルは外
気と連通する。上記第１条件は、このときバブル内圧力
Ｐが外気の圧力（ＯＡＴＭ）より小さいという条件であ
る。

【００２７】この条件でインクを吐出させると、バブル
内圧力Ｐが外気圧より高い条件でバブルを外気と連通さ
せてインク滴を吐出させる（ガスが大気中に噴出する）
場合に比べ、前述したようにインクのミストやスプラッ
シュによる記録紙や装置内の汚れを防止できる。また、
このようにバブル内圧力Ｐを大気圧より小さくして連通
させる場合、バブルの体積が比較的増大させてからバブ
ルを外気と連通させることができる。これにより、イン
クに対して十分な運動エネルギーを伝達することがで
き、吐出速度が大きくなるという効果も得られる。

【００２８】上記第１条件を満たす記録ヘッドは、例え
ば図５（ａ）においてヒータ２の位置を吐出口５の方向
に近づけた位置に設けてある。これはバブルを外気と連
通させるために最も簡便にとれる手法である。しかしな
がら、単にヒータ２を吐出口５に近づけるだけでは、上
記第１条件を満たすことができない。すなわち、上記条
件を満たすためには、ヒータの発生する熱エネルギー量
（ヒータの構成、形成材料、駆動条件、面積、ヒータの
設けられる基体の熱容量等に依る）、インク物性、記録
ヘッドの各部の大きさ（吐出口とヒータ間の距離、吐出
口や液路の幅および高さ）などを適切に設定することに
より、第１条件を満たす状態で外気と連通させることが
できる。

【００２９】具体的には、例えばインク路形状は以下の
ように、バブルと大気との連通に寄与する。すなわち、
インク路形状は、使用する熱エネルギー発生素子の形状
によって幅がほぼ決定されてくるものの、具体的関係に
ついては経験則によって設定することが多い。しかしな
がら、インク路の高さが、バブルの上記大気との連通の
条件に影響を与えることが明らかとなっている。従っ
て、環境等の外部の影響を受けにくく、またより一層の
安定したバブルと大気との連通を行うためには、インク
路の幅Ｗよりもインク路の高さＨを低く（Ｈ＞Ｗ）する
ことが好ましい。

【００３０】また、例えば、連通する時刻をバブルの体
積でみれば、バブルが外気と連通しない場合に達するで
あろうバブルの最大体積、もしくは最大体積の７０％以
上、より好ましくは８０％以上の体積のときにバブルが
外気と連通するようにすることが好ましい。

【００３１】次に、上記第１条件の別表現である上述の
第２条件、すなわち、バブルの膨張速度の１次微分が負
となるときバブルと外気とを連通させるという条件につ
いて説明する。

【００３２】インクが発泡を開始してからバブルが外気
と連通するまでの時間におけるバブル体積Ｖおよびバブ
ル内圧力Ｐの変化およびバブル膨張速度ｄＶ／ｄｔの変
化を図８に示す。

【００３３】この図より、膨張速度の１次微分、すなわ
ち、体積Ｖの２次微分ｄ２ Ｖ／ｄｔ２ を求めることに
よってバブルの内圧と外圧との大小関係を知ることがで
きる。すなわち、ｄ２ Ｖ／ｄｙｔ２ ＞０の期間でバブ
ルの膨張速度ｄＶ／ｄｔは増加し、ｄ２ Ｖ／ｄｔ２ ＜
０で速度ｄＶ／ｄｔは減少する。従って、ｄ２ Ｖ／ｄ
ｔ２ ＝０のときにバブル内圧力Ｐと外気圧とが等しく
なるといえる。すなわち、ｄ２ Ｖ／ｄｔ２ ＞０で、バ
ブル内圧力Ｐは外圧よりも高く、ｄ２ Ｖ／ｄｔ２ ≦０
のときバブル内圧力Ｐは外圧以下である。

【００３４】図８で説明すると、発泡開始ｔ＝ｔ０ よ
りｔ＝ｔ１ までは、バブル内圧力Ｐは、外気圧よりも
高くｄ２ Ｖ／ｄｔ２ ＞０となり、ｔ＝ｔ１ よりバブ
ルが外気と連通するまでの時間ｔ＝ｔｂ まではバブル
の内圧は外気圧以下であり、ｄ２ Ｖ／ｄｔ２ ≦０とな
る。通常は、この一般的理論が成立するが、インクの材
質によってあるいはインク路の抵抗によってもバブル体
積の変化が生じるので、外気圧との関係はわずかに差を
生じる場合がある。このため第１条件以外の条件として
ｄ２ ／Ｖ／ｄｔ２ ＜０を満足することは好ましく、ま
た、第１条件とこの第２条件との和は、より好ましいも
のとなる。

【００３５】以上のように、体積Ｖの２次微分ｄ２ Ｖ
／ｄｔ２ ＜０、すなわち膨張速度の１次微分が負のと
き、バブルが外気と連通することにより、バブル内圧力
が外気圧より低い条件で連通することができる。

【００３６】上記第２条件によれば、バブルと外気との
連通時に連通部近傍にあるインクがインクを吐出するた
めに過度に加速度を受けるために主インク滴と分離して
しまうといったことを解決することもできる。上記分離
が生じた場合、その近傍のインクがスプラッシュ状に飛
び散ったり、ミストとなって飛散することが顕著とな
り、しかも高密度の吐出口配置では吐出口面へのインク
の付着による吐出不良を招くことがあるが、これを上記
第２条件によって解決することができる。

【００３７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前述した問
題点に鑑みてなされたものであるととともに、上記特願
平２−１１２８３２号等に開示した発明のさらなる改良
を図るものである。

【００３８】すなわち本発明は、吐出のために利用され
るエネルギを発生する手段からのエネルギの作用に応じ
て生起されたバブルを効率よく吐出口から外気と連通さ
せてインクを吐出させることができるとともに、記録媒
体へのインク着弾精度をさらに向上せんとするものであ
る。

【００３９】また、本発明は、吐出する液滴の体積や速
度を安定化し、さらにスプラッシュやミストなどの発生
を一層確実に抑え、画像上の地汚れや装置化した場合の
装置内の汚れを防ぐとともに、吐出の効率を向上させ、
不吐出や目詰まりなどを防ぎ、さらには記録ヘッドの寿
命を向上させ、高品位な画像を記録できるようにするも
のである。

【００４０】

【課題を解決するための手段】そのために、本発明イン
クジェット記録ヘッドは、インクを吐出させるための吐
出口と、該吐出口に連通する液路と、該液路内に供給さ
れたインクに前記吐出口から吐出を行わせるための熱エ
ネルギを作用させる熱作用部とを具備し、前記熱作用部
と前記吐出口との間の液路部分の体積Ｖと、前記熱作用
部の面積Ｓとの無次元化した数値関係がＶ＜５０×Ｓを
満足するように構成され、前記熱エネルギの作用に伴っ
てインク中に生起されたバブルを外気と連通させてイン
ク吐出を行うことを特徴とする。

【００４１】また、前記熱作用部上のインクに膜沸騰に
よるバブルが形成されるように熱エネルギを発生する素
子を有する。

【００４２】また、本発明インクジェット記録装置は、
上記インクジェット記録ヘッドと、該インクジェット記
録ヘッドと記録媒体とを相対的に移動させる手段と、前
記熱エネルギを作用させてインク中にバブルを生起さ
せ、当該バブルを外気と連通させて前記記録媒体に向け
てインク吐出を行わせる手段と、を具えたことを特徴と
する。

【００４３】ここで、前記連通時に液路は前記バブルで
遮断されていないようにすること、前記連通時は、前記
バブルの内圧が外気圧以下の条件で前記バブルを外気と
連通させるものとすること、前記連通時は、前記バブル
の吐出方向先端部の移動速度の加速度が正でない条件で
前記バブルを外気と連通させるものとすること、さらに
はバブルは前記吐出口側へ成長し、外気と連通すること
がそれぞれできる。

【００４４】

【作用】本発明によれば、ヒータ（熱作用部）と吐出口
間の液路部分の体積Ｖとヒータの面積Ｓとの無次元化し
た数値関係が５０×Ｓ＞Ｖを満たすように、ヒータの面
積を定める。これによると、ヒータで生起したバブルを
効率良く吐出口より外気と連通させてインクを安定的か
つ高速に吐出できるのみならず、連通後に吐出口付近に
インク残りが生じないので不吐出を招くおそれも生じな
い。また、インクの吐出方向は液路方向と良く一致して
おりヨレなどによる画像乱れも生じない。

【００４５】また、吐出するインクの体積が安定化する
ので、高品位な画像を得ることができるとともに、イン
クミストやスプラッシュによる記録紙の地汚れや装置内
の汚れを防止できる。

【００４６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００４７】図９は本発明インクジェット記録ヘッドの
一実施例の一部を模式的に示す。この記録ヘッドは、イ
ンクを吐出するために利用されるエネルギを発生する手
段として、通電に応じインクに膜沸騰を生じさせる熱エ
ネルギを発生する電気熱変換素子などの発熱素子を有
し、該素子の上方の熱作用部（以下これをヒータとい
う）２が壁８で区画された液路１０に面してインクに熱
エネルギを作用させる。本実施例による記録ヘッドは、
ヒータ２と吐出口５との間の液路部分の体積Ｖ＝Ｌ×ｗ
１ ×ｗ２ （μｍ３ ）と、ヒータ２の面積Ｓ（μｍ２
）との無次元化した数値関係がＶ＜５０Ｓを満たすよ
うに構成されている。ここで、ｗ１ は液路１０ないし
吐出口５の幅、ｗ２ は吐出口５ないし液路１０の高
さ、Ｌはヒータ２の吐出口側端部から吐出口５までの距
離である。

【００４８】図１０（ａ）ないし（ｅ）は図９で示され
る記録ヘッドを用いて記録を行う液体噴射記録方法を説
明したものである。

【００４９】図１０（ａ）ないし（ｅ）において、１は
基体、３はインク、４は天板、６はバブル、７は液滴、
１０７は記録媒体である。なお、液路は、基体１，天板
４および図９に示した壁８によって形成される。

【００５０】図１０（ａ）は初期状態を示し、液路内が
インク３で満たされた状態である。まず例えば電気熱変
換体に瞬間的に電流を流しパルス的にヒータ２近傍のイ
ンク３を急激に加熱すると、所謂膜沸騰によるバブル
（気泡）６がヒータ２上に発生し、急激に膨張を始める
（図１０（ｂ））。さらにバブル６は膨張を続け、主と
して慣性抵抗の小さい吐出口５側へ成長し、ついには吐
出口５を超え、外気とバブル６が連通する（図１０
（ｃ））。このとき外気はバブル６内圧と平衡状態また
はそれ以上であり、バブル６内に流入する。

【００５１】吐出口５より押し出されたインク３はこの
瞬間までにバブル６の膨張によって与えられた運動量の
ためにさらに前方へ飛翔を続け、ついには独立な液滴と
なって紙などの記録媒体１０７へ向かって飛翔する（図
１０（ｄ））。さらに吐出口５側先端部に生じた空隙に
は後方のインク３の表面張力と液路を形成する部材の濡
れ性とによってインク３が図面右方向に供給され（図１
０（ｅ））、初期状態に戻る。

【００５２】なお、記録媒体１０７は、プラテン，ロー
ラ，ベルトあるいはそれらの任意の組み合わせによって
構成される搬送手段により、プラテンに沿って吐出口５
との対向位置に搬送される。あるいは、記録媒体１０７
を固定し、吐出口５側を移動させる、すなわち記録ヘッ
ドを移動させるようにしても良く、また、図１３に示す
ように、それらを組み合わせても良いものである。要
は、吐出口５と記録媒体とが相対的に移動可能とされ、
記録媒体の所望の位置に所望の吐出口５が対向され得る
ようにすればよい。

【００５３】さて、図１０（ｃ）ではバブル１１６が外
気と連通したときに外気がバブル内に流入するが、この
ためには特願平２−１１２８３２号等に開示されている
条件でバブル６を外気と連通させれば良い。例えばバブ
ルの内圧が外気圧と等しいか、または低い条件でバブル
を外気と連通させれば、バブル内のガスが外気に噴出
し、吐出液滴に悪影響を及ぼすことはない。ここでバブ
ル６を効率良く吐出口５より外気と連通させれば、吐出
する液滴の速度が上がり、またインクの目詰まり等を効
果的に防止できる。また液滴が吐出した後に吐出口付近
にインク残りが生じ、その結果空気を取り込んで不吐出
を招くという不具合も生じない。

【００５４】バブルを効率良く外気と連通させるにはヒ
ータ２で生起するバブルの大きさを大きくするのが好適
である。そのためには、ヒータ２と吐出口５との間の液
路部分の体積Ｖに応じてヒータ２の面積を適宜設定しな
ければならない。また目詰まりなどを防止し、信頼性の
高い装置を実現するためにはバブル６の膨張によってイ
ンク３が与えられる運動量も大きい方が好ましく、この
ことも考慮に入れてヒータ２の面積を設定することが好
ましい。ヒータ２と吐出口５との間の上記液路部分の体
積Ｖに応じてヒータ２の面積を如何程にすればよいかに
ついて本発明者らが鋭意研究を重ねたところ、上記液路
部分の体積Ｖ（μｍ３ ）とヒータ２の面積Ｓ（μｍ２
）との間にＶ＜５０Ｓの関係式を満たすようにヒータ
２を構成すれば生起したバブルによってインクが効率良
く吐出口より吐出することがわかった。

【００５５】またさらに、Ｖ≦４０Ｓを満たせば、さら
に効率良くインクを吐出させることができるほか、目詰
まり等も一層有効に防止できることもわかった。

【００５６】一方、Ｖ＞５０Ｓの条件では、生起したバ
ブルを外気と連通させてインク３を吐出することはでき
るが、吐出口とヒータとの間のインクが全量は吐出せ
ず、吐出口付近に残ったインクが連通後に空気を取り込
んだ状態で吐出口を塞ぎ、ヒータ上に泡だまりを形成し
て不吐出を招きやすくなることもわかった。

【００５７】このように、Ｖ＜５０Ｓを満たすヒータ面
積とすることで、バブルを外気と効率よく連通させてイ
ンクを安定的に吐出させ、かつ速度も速くすることがで
きる。

【００５８】なお、インクジェット記録ヘッドには、複
数の液路を様々な密度で配列したものがあるが、概ね１
ｐｌ≦Ｖ≦３００ｐｌ（ｐｌ：ピコリットル）、５０μ
ｍ２≦Ｓ≦３０００μｍ２ であり、例えば４００ＤＰ
Ｉ（ドット／インチ）のものでは、Ｖは２〜１００ｐ
ｌ、Ｓは１００〜１５０００μｍ２ 程度である。

【００５９】以下具体的な実施例に従って、前述の関係
式を満たすことが有効であることを示す。

【００６０】図１１〜図１７を用いて、本発明のより具
体的な実施例を各検討例として（この内５０×Ｓ＞Ｖを
満足するものが本発明の実施例である。）説明する。

【００６１】まず、図１１はヒータと吐出口とが対向し
ていないインクジェット記録ヘッドを表わしており、一
方図１２は両者が対向しているインクジェット記録ヘッ
ドを表わしている。これらの２つのタイプのインクジェ
ット記録ヘッドのうち、前者のタイプに適用した検討例
を図１３〜図１８に示し、後者のタイプを用いた検討例
を図１９〜図２２に示す。

【００６２】図１１，図１２に示すように、ヒータの大
きさをａ（μｍ）×ｂ（μｍ）、ヒータの吐出口端部と
吐出口との距離（図１３ではヒータ面と吐出口との距
離）をＬ（μｍ）、吐出口の大きさをｗ１ （μｍ）、
ｗ２ （μｍ）、また図１１における液路幅をｗ０ （μ
ｍ）とし、これら実施例では、上記各部寸法を表１に示
すような値になるようにインクジェット記録ヘッドを作
製した。また、４４吐出口を４００ドット／インチの密
度で１つのインクジェット記録ヘッドに実装した。

【００６３】

【表１】

【００６４】検討例４〜検討例６で用いた記録ヘッドは
ヒータの吐出口側端部よりそれぞれ３０μｍ，２０μ
ｍ，０μｍの位置より１０μｍの長さにわたって液路が
絞ってあり、絞りの程度はそれぞれ３μｍ，５μｍ，３
μｍとなっている。

【００６５】また検討例７，検討例８で用いた記録ヘッ
ドは吐出口の形状が円形となっている。

【００６６】さて、表１に示す液体噴射記録ヘッドと表
２に示す成分から成るインクを用いて吐出実験を行った
結果を表３に示す。ヒータの駆動周波数は全て２ｋＨｚ
で行った。

【００６７】

【表２】

【００６８】

【表３】

【００６９】まず、吐出状態をパルス状発光源と顕微鏡
とを用いて観察したところ、検討４を除く他の検討例で
はすべて吐出開始（ヒータの加熱開始）よりインクが吐
出した。しかしながら、検討例３および検討例８では、
吐出開始後まもなく不吐出が生じた。検討例１，２，
５，６，７，９，１０については連続してインクを吐出
させることができた。この時のバブルの生長過程を観察
したところ、生起したバブルが外気と連通してインクが
吐出している様子を確認することができた。

【００７０】そこで連続吐出している液体噴射記録ヘッ
ドを図２３のような記録装置に装着し、観察した時と同
じ条件で駆動して記録紙への印字を試みた。

【００７１】記録パターンは１画素毎の市松模様とした
ところ、検討例１，２，５，６，７，９では所望の画像
を得ることができたが、実施例１０ではザラついた画像
となった。

【００７２】次に、インクを表４で示す成分から成るイ
ンクに替えて吐出実験を行った。

【００７３】

【表４】

【００７４】駆動条件は前述の吐出実験と同等とした。
その結果、検討例３，４，８，１０で用いた液体噴射記
録ヘッドはすべて不吐出であった。また検討例２，５，
７で用いたヘッドは連続吐出が可能であり、吐出速度は
それぞれ１３ｍ／ｓｅｃ，１０ｍ／ｓｅｃ，１１ｍ／ｓ
ｅｃであった。さらに検討例１，６，９で用いたヘッド
は連続吐出するが吐出速度が７ｍ／ｓ，５ｍ／ｓ，６ｍ
／ｓであった。連続吐出可能なヘッドを用い、この条件
で１画素毎の市松模様記録を試みたところ、検討例６で
用いたヘッドによる画像のみ、ザラつきが数ケ所現われ
た。他のヘッドによる画像は鮮明な所望の画像であっ
た。また連続吐出時のバブルの生長過程を観察したとこ
ろ生起されたバブルが外気と連通している様子が確認さ
れた。

【００７５】図２３は上記検討例にかかる記録ヘッドを
用いて構成したインクジェット記録装置の実施例の要部
を示す概略斜視図である。

【００７６】図２３において、記録ヘッド１０１は、紙
等の記録媒体（以下記録紙という）１０７と対向する面
に、記録紙１０７の搬送方向に複数個のインク吐出口
（不図示）を具える。また、記録ヘッド１０１には、複
数の吐出口それぞれに連通して液路（不図示）が設けら
れ、それぞれの液路に対応して、記録ヘッド１０１を構
成する基板にインク吐出のために利用される熱エネルギ
を作用するヒータが形成されている。ヒータに対応する
電気熱変換素子は、上述のように記録データに応じてこ
れに印加される電気パルスによって熱を発生し、これに
より、インクに沸騰膜を生じこの沸騰膜によるバブルの
生成に伴なって上記吐出口からインクが吐出される。各
液路には、これらに共通に連通する共通液室が設けられ
ており、これに貯留されるインクは、各インク路での吐
出動作に応じてそのインク路に供給される。また、この
記録ヘッドは、上述のようにＶ＜５０Ｓの条件を満たす
ように構成されたものである。

【００７７】キャリッジ１０２は、記録ヘッド１０１を
搭載し、また、記録紙１０７の記録面と平行に延在する
１対のガイドレール１０３と摺動可能に係合する。これ
により、記録ヘッド１０１は、ガイドレール１０３に沿
って移動することができ、この移動に伴なって所定のタ
イミングで上記記録面に向けてインクを吐出することに
より記録を行う。上記移動の後、記録紙１０７を、図中
矢印方向に所定量搬送し、再び上記移動を行い記録を行
う。このような動作を繰り返すことにより、記録紙１０
７に、順次記録を行っていく。

【００７８】上述した記録紙１０７の搬送は、その記録
面の上下にそれぞれ配設された各々一対の搬送ローラ１
０４および１０５が回転することによって行われる。ま
た、記録紙１０７の記録面の裏側には、記録面の平面性
を保つためのプラテン１０６が配設されている。

【００７９】なお、上述したキャリッジ１０２の移動
は、これに取付けられる不図示の例えばベルトがモータ
によって駆動されることによって可能となり、また、搬
送ローラ１０４および１０５の回転も同様にモータの回
転がこれらに伝達されることによって可能となる。

【００８０】図２４は、図２３に示したインクジェット
記録装置の制御構成を示すブロック図である。

【００８１】図２４において、ＣＰＵ２００はこの装置
各部動作の制御処理やデータ処理等を実行する。ＲＯＭ
２００Ａには、その処理手順等が格納され他、図１０に
て説明したような、膜沸騰発生後、バブルの大気連通前
にヒータによる熱の作用が終了するような駆動パルスデ
ータが格納される。また、ＲＡＭ２００Ｂは上記処理実
行のワークエリアとして用いられる。

【００８２】記録ヘッド１０１におけるインク吐出は、
ＣＰＵ２００がヒータを駆動するための記録データおよ
び駆動制御信号をヘッドドライバ１０１Ａに供給するこ
とにより行われる。また、ＣＰＵ２００は、上記キャリ
ッジ１０２を移動させるためのキャリッジモータ２２０
や搬送ローラ１０４，１０５を回転させるための紙送り
（Ｐ．Ｆ）モータ５０の回転を、それぞれモータドライ
バ２２０Ａおよび５０Ａを介して制御する。

【００８３】（その他）なお、記録装置が記録できる記
録媒体の最大幅に対応した長さを有するフルラインタイ
プの記録ヘッドに対しても本発明は有効に適用できる。
そのような記録ヘッドとしては、複数記録ヘッドの組合
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１個の記録ヘッドとしての構成のいずれでもよい。

【００８４】加えて、図２３に示したシリアルタイプの
ものでも、装置本体に固定された記録ヘッド、あるいは
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の
チップタイプの記録ヘッド、あるいは記録ヘッド自体に
一体的にインクタンクが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。

【００８５】また、本発明の記録装置の構成として、記
録ヘッドの吐出回復手段、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
対してのキャッピング手段、クリーニング手段、加圧或
は吸引手段、電気熱変換体或はこれとは別の加熱素子或
はこれらの組み合わせを用いて加熱を行う予備加熱手
段、記録とは別の吐出を行なう予備吐出手段を挙げるこ
とができる。

【００８６】また、搭載される記録ヘッドの種類ないし
個数についても、例えば単色のインクに対応して１個の
みが設けられたものの他、記録色や濃度を異にする複数
のインクに対応して複数個数設けられるものであっても
よい。すなわち、例えば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み合わせによるか
いずれでもよいが、異なる色の複色カラー、または混色
によるフルカラーの各記録モード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。

【００８７】さらに加えて、本発明インクジェット記録
装置の形態としては、コンピュータ等の情報処理機器の
画像出力端末として用いられるものの他、リーダ等と組
合せた複写装置、さらには送受信機能を有するファクシ
ミリ装置の形態を採るもの等であってもよい。

【００８８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ヒータ（熱作用部）と吐出口間の液路部分の体積Ｖに応
じて、熱作用部の面積Ｓを適切に定めたことにより、ヒ
ータで生起したバブルを効率良く吐出口より外気と連通
させてインクを安定的かつ高速に吐出できるのみなら
ず、連通後に吐出口付近にインク残りが生じないので不
吐出を招くおそれも生じない。また、インクの吐出方向
は液路方向と良く一致しておりヨレなどによる画像乱れ
も生じない。

【００８９】また、吐出するインクの体積が安定化する
ので、高品位な画像を得ることができるとともに、イン
クミストやスプラッシュによる記録紙の地汚れや装置内
の汚れを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】インク吐出方法の一従来例を説明するための記
録ヘッドの模式的断面図である。

【図２】インク吐出方法の他の従来例を説明するための
記録ヘッドの模式的断面図である。

【図３】インク吐出方法のさらに他の従来例を説明する
ための記録ヘッドの模式的断面図である。

【図４】インク吐出方法のさらに他の従来例を説明する
ための記録ヘッドの模式的断面図である。

【図５】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明を適用
して好適な記録ヘッドおよびその吐出方法を説明するた
めの記録ヘッドの要部断面図である。

【図６】本発明の吐出方法にかかるバブル内圧力および
バブル体積の変化を示す線図である。

【図７】本発明の吐出方法にかかるバブル内圧力、バブ
ル体積およびバブル膨張速度の変化を示す線図である。

【図８】本発明の吐出方法にかかるバブル内圧力、バブ
ル体積およびバブル膨張速度の変化を示す線図である。

【図９】本発明インクジェット記録ヘッドの一実施例の
要部を模式的に示す説明図である。

【図１０】（ａ）〜（ｅ）は図９に示した記録ヘッドを
用いて記録を行う液体噴射記録方法を説明するための説
明図である。

【図１１】本発明を適用可能な記録ヘッドの一例の要部
を模式的に示した斜視図である。

【図１２】同じく他の記録ヘッドの要部を模式的に示し
た斜視図である。

【図１３】本発明の検討例１として用いた記録ヘッドを
模式的に示した説明図である。

【図１４】本発明の検討例２として用いた記録ヘッドを
模式的に示した説明図である。

【図１５】本発明の検討例３として用いた記録ヘッドを
模式的に示した説明図である。

【図１６】本発明の検討例４として用いた記録ヘッドを
模式的に示した説明図である。

【図１７】本発明の検討例５として用いた記録ヘッドを
模式的に示した説明図である。

【図１８】本発明の検討例６として用いた記録ヘッドを
模式的に示した説明図である。

【図１９】本発明の検討例７として用いた記録ヘッドを
模式的に示した説明図である。

【図２０】本発明の検討例８として用いた記録ヘッドを
模式的に示した説明図である。

【図２１】本発明の検討例９として用いた記録ヘッドを
模式的に示した説明図である。

【図２２】本発明の検討例１０として用いた記録ヘッド
を模式的に示した説明図である。

【図２３】本発明の上記各検討例を実施可能なインクジ
ェット記録装置の概略斜視図である。

【図２４】図２３に示した装置の制御構成の一例を示す
ブロック図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ ヒータ（熱作用部） ４ 天板 ５，１５ 吐出口 ６ バブル ７ インク滴 ８ 隔壁 １０ 液路 １２ 液室 ２０ インク供給口 １０１ 記録ヘッド ２００ ＣＰＵ ２００Ａ ＲＯＭ ２００Ｂ ＲＡＭ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/05

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクを吐出させるための吐出口と、該
   吐出口に連通する液路と、該液路内に供給されたインク
   に前記吐出口から吐出を行わせるための熱エネルギを作
   用させる熱作用部とを具備し、前記熱作用部と前記吐出
   口との間の液路部分の体積Ｖと、前記熱作用部の面積Ｓ
   との無次元化した数値関係がＶ＜５０×Ｓを満足するよ
   うに構成され、前記熱エネルギの作用に伴ってインク中
   に生起されたバブルを外気と連通させてインク吐出を行
   う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】 前記熱作用部上のインクに膜沸騰による
   バブルが形成されるように熱エネルギを発生する素子を
   有したことを特徴とする請求項１に記載のインクジェッ
   ト記録ヘッド。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のインクジェッ
   ト記録ヘッドと、該インクジェット記録ヘッドと記録媒
   体とを相対的に移動させる手段と、前記熱エネルギを作
   用させてインク中にバブルを生起させ、当該バブルを外
   気と連通させて前記記録媒体に向けてインク吐出を行わ
   せる手段と、を具えたことを特徴とするインクジェット
   記録装置。
4. 【請求項４】 前記連通時に液路は前記バブルで遮断さ
   れていないことを特徴とする請求項３に記載のインクジ
   ェット記録装置。
5. 【請求項５】 前記連通時は前記バブルの内圧が外気圧
   以下の条件で前記バブルを外気と連通させるものである
   ことを特徴とする請求項３または４に記載のインクジェ
   ット記録装置。
6. 【請求項６】 前記連通時は、前記バブルの吐出方向先
   端部の移動速度の加速度が正でない条件で前記バブルを
   外気と連通させるものであることを特徴とする請求項３
   ないし５のいずれかに記載のインクジェット記録装置。
7. 【請求項７】 バブルは前記吐出口側へ成長し、外気と
   連通することを特徴とする請求項３ないし６のいずれか
   に記載のインクジェット記録装置。