JP3336312B2

JP3336312B2 - カラー印写ヘッド

Info

Publication number: JP3336312B2
Application number: JP2001078728A
Authority: JP
Inventors: 卓朗関谷; 信彦梅澤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2002-10-21
Anticipated expiration: 2017-10-21
Also published as: JP2001287366A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カラー印写ヘッドに関
し、特に複数色のインクが複数個の吐出オリフィスから
噴射されるマルチノズルタイプのカラーインクジェット
記録ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ノンインパクト記録装置は、記録
時における騒音が無視し得る程度に小さいという点にお
いて関心を集めており、その中でも、高速印字が可能
で、しかもいわゆる普通紙に特別な定着処理を施さずに
記録が行えるインクジェット記録（液体噴射記録）法
は、極めて有力な記録装置であって、近時ではカラーイ
ンクを用いたカラー印写方式も種々提案され、また、改
良が加えられている。

【０００３】従来のこの種のカラー印写方式は、複数色
のインクの小滴（droplet)を飛翔させ、記録部材に付着
させて記録を行うものがあり、例えば特公昭６３−３７
５０号公報に記載されたようなものがあり、図16のよう
に示される。図16において、カラーインクジェットヘッ
ドユニット１は、発熱抵抗体を有する発熱体基板２と、
複数色のインクＡ、Ｂ、Ｃをそれぞれ交互に供給可能
で、同一面に配列された液体供給溝が形成されている溝
付きプレート３と、複数色のインクＡ、Ｂ、Ｃを液体供
給溝に供給するためのブロック４Ａ、４Ｂ、４Ｃおよび
供給管５Ａ、５Ｂ、５Ｃと、画像信号印加用のプリント
基板６と、からなり、多色インク用の吐出オリフィス７
が高密度に配列されたマルチオリフィスアレイを構成し
ている。

【０００４】このような構成を有するカラーインクジェ
ットヘッドユニット１にあっては、供給ブロック４Ａ、
４Ｂ、４Ｃを通して液体供給溝に３原色のインクＡ、
Ｂ、Ｃが供給されており、選択的に駆動される電気熱変
換体により所定位置の吐出オリフィス７から所定の色の
インクの小滴を噴射することにより、このインクを記録
部材に付着するようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たカラーインクジェットヘッドユニット１にあっては、
吐出オリフィス７から３色のインクＡ、Ｂ、Ｃが配列方
向一端側から他端側に向かってＡ、Ｂ、Ｃ、Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ａ、Ｂ、Ｃというような順序で噴射するように配列
されているため、構造が複雑になり、製造コストが高い
という問題があった。

【０００６】本発明は、低コストでコンパクト化が実現
できるマルチノズルタイプのカラーインクジェット記録
ヘッドを提案することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記課題を解決するために、インクに噴射圧を付与する
インク噴射圧付与手段と、前記インク噴射圧付与手段に
信号を入力する電極部と、前記インク噴射圧付与手段の
インク噴射圧付与部にインクを供給するインク流路とを
有するインク噴射圧付与ブロックを独立に形成し、前記
独立に形成したインク噴射圧付与ブロック複数を一体化
したインク噴射圧付与ユニットと、前記インク噴射圧付
与ユニットの各インク流路と連通する吐出オリフィスを
１枚のプレートに形成したマルチノズルプレートと、を
備えることを特徴としている。請求項２記載の発明は、
上記課題を解決するために、前記インク噴射圧付与ブロ
ックは、前記インク噴射圧付与手段と、前記インク噴射
圧付与手段に信号を供給する電極部を有する基板と、前
記インク噴射圧付与手段にインクを供給するインク流路
を構成する部材を合わせて成る構造であることを特徴と
している。請求項３記載の発明は、上記課題を解決する
ために、前記インク噴射圧付与ユニットは、板状構造の
前記インク噴射圧付与ブロックを複数積層して一体化し
たことを特徴としている。請求項４記載の発明は、上記
課題を解決するために、前記インク噴射圧付与手段はピ
エゾ素子を駆動力とすることを特徴としている。

【０００８】

【作用】請求項１記載の発明では、インクに噴射圧を付
与するインク噴射圧付与手段と、前記インク噴射圧付与
手段に信号を入力する電極部と、前記インク噴射圧付与
手段のインク噴射圧付与部にインクを供給するインク流
路とを有するインク噴射圧付与ブロックを独立に形成
し、前記独立に形成したインク噴射圧付与ブロック複数
を一体化したインク噴射圧付与ユニットと、前記インク
噴射圧付与ユニットの各インク流路と連通する吐出オリ
フィスを１枚のプレートに形成したマルチノズルプレー
トと、を備える。したがって、カラーインクジェットヘ
ッドがコンパクトに一体化できかつ製造コストを削減で
きる。請求項２記載の発明では、前記インク噴射圧付与
ブロックは、前記インク噴射圧付与手段と、前記インク
噴射圧付与手段に信号を供給する電極部を有する基板
と、前記インク噴射圧付与手段にインクを供給するイン
ク流路を構成する部材を合わせて成る構造である。した
がって、カラーインクジェットヘッドがコンパクトに一
体化できかつ製造コストを削減できる。請求項３記載の
発明では、前記インク噴射圧付与ユニットは、板状構造
の前記インク噴射圧付与ブロックを複数積層して一体化
した。したがって、カラーインクジェットヘッドが更に
コンパクトに一体化できかつ製造コストを削減できる。
請求項４記載の発明では、前記インク噴射圧付与手段は
ピエゾ素子を駆動力とする。したがって、半導体技術を
使って製造されるサーマルインクジェットヘッドと比較
して構造上大きくなりがちなピエゾ素子を用いても、カ
ラーインクジェットヘッドがコンパクトに一体化できか
つ製造コストを削減できる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。ま
ず最初に、インクジェットヘッドの一例を図５〜図８に
基づいて説明する。図５は、インクジェットヘッドの一
例としてバブルジェット（登録商標）ヘッドの動作説明
をするための図、図６はバブルジェットヘッドの一例を
示す斜視図、図７は図６に示したバブルジェットヘッド
を構成する蓋基板（図７(ａ)）と、発熱体基板（図７
(ｂ)）に分解したときの斜視図、図８は図７(ａ)に示し
た蓋基板を裏側から見た斜視図で、図５〜図８におい
て、21は蓋基板、22は発熱体基板、23は選択(独立)電
極、24は共通電極、25は発熱体 (ヒータ) 、26は隣接イ
ンク層 (インク) 、27は気泡、28は飛翔インク滴、29は
記録液体（インク）流入口、30は吐出オリフィス、31は
流路、32は液室を形成するための領域である。

【００１０】最初に図５を参照しながらバブルジェット
によるインク噴射について説明する。(ａ）は定常状態
であり、オリフィス面でインク26の表面張力と外圧とが
平衡状態にある。(ｂ）はヒータ25が加熱されて、ヒー
タ25の表面温度が急上昇し隣接インク層26に沸騰現象が
起きるまで加熱され、微小な気泡27が点在している状態
にある。

【００１１】(ｃ）は、ヒータ25の全面で急激に加熱さ
れた隣接インク層26が瞬時に気化し、沸騰膜を作り、こ
の気泡27が生長した状態である。この時、ノズル内の圧
力は、気泡の生長した分だけ上昇し、オリフィス面での
外圧とのバランスがくずれ、オリフィスよりインク柱が
生長し始める。（ｄ）は気泡27が最大に生長した状態で
あり、オリフィス面より気泡の体積に相当する分のイン
ク26が押し出される。この時、ヒータ25は電流が流れて
いない状態にあり、ヒータ25の表面温度は降下しつつあ
る。気泡27の体積の最大値は電気パルス印加のタイミン
グからやや遅れる。

【００１２】（ｅ）は気泡27がインクなどにより冷却さ
れて収縮を開始し始めた状態を示す。インク柱の先端部
では押し出された速度を保ちつつ前進し、後端部では気
泡の収縮に伴ってノズル内圧の減少によりオリフィス面
からノズル内へインクが逆流してインク柱にくびれが生
じている。（ｆ）はさらに気泡27が収縮し、ヒータ25面
に隣接インク層26が接し、ヒータ25面がさらに急速に冷
却される状態にある。オリフィス面では、外圧がノズル
内圧より高い状態になるため、メニスカスが大きくノズ
ル内に入り込んで来ている。インク柱の先端部はインク
滴28になり記録紙の方向へ５〜10ｍ／ｓｅｃの速度で飛
翔している。

【００１３】（ｇ）はオリフィスにインク26が毛細管現
象により再び供給（リフィル）されて (ａ)の状態にも
どる過程で、気泡27は完全に消滅している。図９は上述
したバブルジェットヘッドの要部構成を説明するための
典型例を示す図であり、図９(ａ)はバブルジェットヘッ
ドのオリフィス側から見た正面詳細部分図、図９(ｂ)は
一点鎖線ＡーＡで切断した場合の切断面部分図である。

【００１４】これらの図に示されたバブルジェットヘッ
ド41は、その裏面に電気熱変換体42が設けられている基
板43上に、所定の線密度で所定の幅と深さの溝が所定数
設けられている溝付き板44を該基板43を覆うように接合
することによって、液体を飛翔させるためのオリフィス
45を含む液吐出部46が形成された構造を有している。

【００１５】液吐出部46は、オリフィス45と電気熱変換
体42より発生される熱エネルギーが液体に作用して気泡
を発生させ、その体積の膨張と収縮による急激な状態変
化を引き起こすところである熱作用部47とを有する。熱
作用部47は、電気熱変換体42の熱発生部48の上部に位置
し、熱発生部48の液体と接触する面としての熱作用面49
をその低面としている。

【００１６】熱発生部48は、基板43上に設けられた下部
層50、該下部層50上に設けられた発熱抵抗層51、該発熱
抵抗層51上に設けられた上部層52とで構成される。発熱
抵抗装置51には、熱を発生させるために該層51に通電す
るための電極53、54がその表面に設けられており、これ
らの電極間の発熱抵抗層によって熱発生部48が形成され
ている。

【００１７】電極53は、各液吐出部の熱発生部に共通の
電極であり、電極54は、各液吐出部の熱発生部を選択し
て発熱させるための選択電極であって、液吐出部の液流
路に沿って設けられている。保護層52は、熱発生部48に
おいては発熱抵抗層51を、使用する液体から化学的、物
理的に保護するために発熱抵抗層51と液吐出部46の液流
路を満たしている液体とを隔絶すると共に、液体を通じ
て電極53、54間が短絡するのを防止し、さらに隣接する
電極間における電気的リークを防止する役目を有してい
る。

【００１８】各液吐出部に設けられている液流路は、各
吐出部の上流において、液流路の一部を構成する共通液
室（図示略）を介して連通されている。各液吐出部に設
けられた電気熱変換体42に接続されている電極53、54は
その設計上の都合により、前記上部層に保護されて熱作
用部の上流側において前記共通液室下を通るように設け
られている。

【００１９】図１０は、発熱抵抗体を用いる気泡発生手
段の構造を説明するための図で、図中61は発熱抵抗体、
62は電極、63は保護層、64は電源装置を示し、発熱抵抗
体61を構成する材料として、有用なものには、例えば、
タンタル−ＳｉＯ2 の混合物、窒化タンタル、ニクロ
ム、銀−パラジウム合金、シリコン半導体、あるいはハ
フニウム、ランタン、ジルコニウム、チタン、タンタ
ル、タングステン、モリブデン、ニオブ、クロム、バナ
ジウム等の金属の硼化物があげられる。

【００２０】これらの発熱抵抗体61を構成する材料の
中、殊に金属硼化物が優れたものとして挙げることがで
き、その中でも最も特性の優れているのが、硼化ハフニ
ウムであり、次いで、硼化ジルコニウム、硼化ランタ
ン、硼化タンタル、硼化バナジウム、硼化ニオブの順と
なっている。発熱抵抗体61、上記の材料を用いて、電子
ビーム蒸着やスパッタリング等の手法を用いて形成する
ことができる。発熱抵抗体61の膜厚は、単位時間当たり
の発熱量が所望通りとなるように、その面積、材質及び
熱作用部分の形状及び大きさ、更には実際面での消費電
力等に従って決定されるものであるが、通常の場合、0.
001 〜５μｍ、好適には0.01〜１μｍとされる。

【００２１】電極62を構成する材料としては、通常使用
されている電極材料の多くのものが有効に使用され、具
体的には、例えばＡｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ等があ
げられ、これらを使用して蒸着等の手法で所定位置に、
所定の大きさ、形状、厚さで設けられる。保護層63に要
求される特性は、発熱抵抗体61で発生された熱を記録液
体に効果的に伝達することを妨げずに、記録液体より発
熱抵抗体61を保護するということである。保護層63を構
成する材料として有用なものには、例えば酸化シリコ
ン、窒化シリコン、酸化マグネシウム、酸化アルミニウ
ム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム等があげられ、こ
れらは、電子ビーム蒸着やスパッタリング等の手法を用
いて形成することができる。保護層63の膜厚は、通常は
0.01〜10μｍ、好適には0.1 〜５μｍ、最適には0.1 〜
３μｍとされるのが望ましい。

【００２２】図１１、１２は、本発明に適用されるイン
クジェットヘッドの他の例を示す図であり、図１１(ａ)
(ｂ)はその原理図、図１２はマルチオリフィスヘッドの
例である。図１１、１２において、71はピエゾ素子、72
はインク圧力室、73は吐出オリフィス、74は共同インク
室、75はバルブ、76はインクフィルタ、77はインクジェ
ットヘッド、78はプリント面、79はインク滴である。

【００２３】この方式では、前述した方式のインクジェ
ットヘッドとは異なり、吐出オリフィス73とインク供給
源（共同インク室74）の途中にエネルギー作動部として
電歪振動子を構成するピエゾ素子71を設け、このピエゾ
素子71にパルス状の信号電圧を印加し、ピエゾ素子71を
歪ませてインク圧力室72の容積を減少させて圧力波を発
生させることによって吐出オリフィス73からインク滴79
を吐出するようになっている。図１２は図１１に示した
ピエゾ素子71を複数個配列することによってマルチオリ
フィスアレイを構成している。

【００２４】図１は、本発明に係るカラーインクジェッ
ト記録装置の第１実施例を示す図であり、カラーインク
ジェットヘッドユニットを示している。図１は、図６に
示したヘッドを４個積層することにより、４色のイン
ク、具体的にはブラック（Ｂ）、シアン（Ｃ）、マゼン
タ（Ｍ）およびイエロー（Ｙ）を各色毎に噴射する複数
個の吐出オリフィス81Ｂ、82Ｃ、83Ｍ、84Ｙが略同一平
面に配列されるようにして配列されたものであり、吐出
オリフィス81Ｂ、82Ｃ、83Ｍ、84Ｙが設けられた一対の
蓋基板85〜88および発熱体基板89〜92からなる記録ヘッ
ド93〜96が集積化されたバブルジェット式のカラーイン
クジェットヘッドユニット97が示されている。

【００２５】なお、このヘッドユニット97は図１１に示
したようなピエゾ素子を用いたインクジェットヘッドを
適用することもできる。図２は上述したヘッドユニット
97が装着されたカラーインクジェット記録装置の主要部
を示す。同図において、97はキャリッジ101に搭載した
図１に示すカラーインクジェットヘッドユニットであ
り、インク供給源から供給されたインクを貯留する貯留
部と、その貯留されたインクを噴射する吐出オリフィス
81Ｂ、82Ｃ、83Ｍ、84Ｙを設けた記録ヘッド93〜96と、
を有する。

【００２６】図３は本発明に係るカラーインクジェット
記録装置の第２実施例を示す図である。なお、本実施例
では、それぞれの吐出オリフィスにオリフィスプレート
を設けた例を示しており、第１実施例と同様の構成には
同一番号を付して説明を省略し、各ヘッド93〜96共に共
通の構成であるため、ヘッド93を用いて説明する。

【００２７】第１実施例で示したヘッド93は図８の流路
31の先端がそのまま吐出オリフィス81Ｂを構成するもの
であるが、この吐出オリフィス81側のヘッド93に吐出オ
リフィス81Ｂに対応する複数の孔121ａが形成されたオ
リフィスプレート121を取付け、この孔121ａを介して吐
出オリフィス81（すなわち、図８における流路31の先端
部に相当）を連通するようにしたものであり、このプレ
ート121は各ヘッド93〜96にそれぞれ独立して設けられ
ている。

【００２８】このプレート121は例えば、フォトエッチ
ング、フォトエレクトロフォーミング等の技術によって
形成することができ、例えば、Ｎｉフォトエレクトロフ
ォーミングによってオリフィスプレート121を製造する
方法は特開昭５４−８７５２９号公報に記載されるよう
な技術を用いることができる。このようにプレート121
が取付けられたヘッド93は、オリフィスプレート121が
取付けられていないものに比べて吐出オリフィスの形状
の対称性が優れているため、安定したインク噴射（とり
わけ噴射方向の安定性）を行うことができる。

【００２９】図４は本発明に係るカラーインクジェット
記録装置の第３実施例を示す図であり、本実施例では、
吐出オリフィス81Ｂ、82Ｃ、83Ｍ、84Ｙに１枚のオリフ
ィスプレートを設けた例を示している。なお、第１実施
例と同様の構成には同一番号を付して説明を省略する。
本実施例では、吐出オリフィス81Ｂ、82Ｃ、83Ｍ、84Ｙ
側のヘッド93〜96に81Ｂ、82Ｃ、83Ｍ、84Ｙに対応する
複数の孔131ａが形成されたオリフィスプレート131を１
枚を取付け、この孔131ａを介して吐出オリフィス81〜8
4（すなわち、図８の流路31の先端部に相当）を連通す
るようにしたものである。

【００３０】本実施例では、１枚のオリフィスプレート
131を設けているため、第２実施例に記載されたものに
比べてカラーインクジェットヘッドユニット97の製造コ
ストを低減することができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、カラーインクジェット
ヘッドがコンパクトに一体化できかつ製作コストを低減
できる。また、半導体技術を使って製造されるサーマル
インクジェットヘッドと比較して構造上大きくなりがち
なピエゾ素子を用いても、カラーインクジェットヘッド
がコンパクトに一体化できかつ製造コストを削減でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】カラーインクジェットヘッドユニットの斜視図
である。

【図２】インクジェットプリンタの主要部を示す図であ
る。

【図３】本発明に係るカラーインクジェット記録装置の
第２実施例を示す図であり、(ａ)はヘッドとオリフィス
プレートの分解斜視図、(ｂ)は吐出オリフィスにオリフ
ィスプレートが取付けられたヘッドの斜視図である。

【図４】本発明に係るカラーインクジェット記録装置の
第３実施例を示す図であり、(ａ)はヘッドプレートとヘ
ッドユニットの分解斜視図、(ｂ)は吐出オリフィスにオ
リフィスプレートが取付けられたヘッドユニットの斜視
図である。

【図５】バブルジェットによるインク噴射の原理説明図
である。

【図６】バブルジェットヘッドの一例を示す斜視図であ
る。

【図７】(ａ)は図６に示したバブルジェットヘッドを構
成する蓋基板の斜視図であり、(ｂ)は図６に示した発熱
体基板の斜視図である。

【図８】図７(ａ)に示した蓋基板を裏側から見た斜視図
である。

【図９】(ａ)はバブルジェットヘッドをオリフィス側か
ら見た正面詳細部分図、(ｂ)は一点鎖線ＡーＡで切断し
た場合の切断面部分図である。

【図１０】発熱抵抗体を用いる気泡発生手段の構造を示
す図である。

【図１１】インクジェットヘッドの他の例を示す図であ
る。

【図１２】マルチオリフィスヘッドを示す図である。

【図１３】従来のカラーインクジェットヘッドユニット
の構成図である。

【符号の説明】

81Ｂ、82Ｃ、83Ｍ、84Ｙ吐出オリフィス 97 カラーインクジェットヘッドユニット 101 キャリッジ 113 ブレード（クリーニング部材） 121、131 オリフィスプレートＰ記録紙

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−10948（ＪＰ，Ａ) 特開平２−8059（ＪＰ，Ａ) 特開平１−238943（ＪＰ，Ａ) 実開平１−80345（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/05 B41J 2/045 B41J 2/055

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】インクに噴射圧を付与するインク噴射圧付
与手段と、前記インク噴射圧付与手段に信号を入力する
電極部と、前記インク噴射圧付与手段のインク噴射圧付
与部にインクを供給するインク流路とを有するインク噴
射圧付与ブロックを独立に形成し、前記独立に形成した
インク噴射圧付与ブロック複数を一体化したインク噴射
圧付与ユニットと、前記インク噴射圧付与ユニットの各
インク流路と連通する吐出オリフィスを１枚のプレート
に形成したマルチノズルプレートと、を備えることを特
徴とする一体型カラーインクジェットヘッド。
【請求項２】前記インク噴射圧付与ブロックは、前記イ
ンク噴射圧付与手段と、前記インク噴射圧付与手段に信
号を供給する電極部を有する基板と、前記インク噴射圧
付与手段にインクを供給するインク流路を構成する部材
を合わせて成る構造であることを特徴とする請求項１に
記載の一体型カラーインクジェットヘッド。
【請求項３】前記インク噴射圧付与ユニットは、板状構
造の前記インク噴射圧付与ブロックを複数積層して一体
化したことを特徴とする請求項２に記載の一体型カラー
インクジェットヘッド。
【請求項４】前記インク噴射圧付与手段はピエゾ素子を
駆動力とすることを特徴とする請求項１乃至３に記載の
一体型カラーインクジェットヘッド。