JPH01234255A - 複数色一体型液体噴射記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １帆分災 本発明は、液体噴射記録ヘッド、より詳細には、バブル
ジェッ′ト型液体噴射カラー記録ヘッドに関する。

死米皮４ ノンインパクト記録法は、記録時における騒音の発生が
無視し得る程度に極めて小さいという点において、最近
関心を集めている。その中で、高速記録が可能であり、
而も所謂普通紙に特別の定着処理を必要とせずに記録の
行える所謂インクジェット記録法は極めて有力な記録法
であって、これまでにも様々な方式が提案され、改良が
加えられて商品化されたものもあれば、現在もなお実用
化への努力が続けられているものもある。

この様なインクジェット記録法は、所謂インクと称され
る記録液体の小滴（ｄｒｏｐｌｅｔ）を飛翔させ、記録
部材に付着させて記録を行うものであって、この記録液
体の小滴の発生法及び発生された記録液小滴の飛翔方向
を制御する為の制御方法にょって幾つかの方式に大別さ
れる。

先ず第１の方式は例えばＵ　Ｓ　Ｐ　３０６０４２９に
開示されているもの（Ｔｅｌｅ　ｔｙｐｅ方式）であっ
て、記録液体の小滴の発生を静電吸収的に行い、発生し
た記録液体小滴を記録信号に応じて電界制御し、記録部
材上に記録液体小滴を選択的に付着させて記録を行うも
のである。

これに就いて、更に詳述すれば、ノズルと加速電極間に
電界を掛けて、−様に帯電した記録液体の小滴をノズル
より吐出させ、該吐出した記録液体の小滴を記録信号に
応じて電気制御可能な様に構成されたｘｙ偏向電極間を
飛翔させ、電界の強度変化によって選択的に小滴を記録
部材上に付着させて記録を行うものである。

第２の方式は、例えばＵ　Ｓ　Ｐ　３５９６２７５、Ｕ
ＳＰ　３２９８０３０等に開示されている方式（Ｓｗｅ
ｅｔ方式）であって、連続振動発生法によって帯電量の
制御された記録液体の小滴を発生させ、この発生された
帯電量の制御された小滴を、−様の電界が掛けられてい
る偏向電極間を飛翔させることで、記録部材上に記録を
行うものである。

具体的には、ピエゾ振動素子の付設されている記録ヘッ
ドを構成する一部であるノズルのオリフィス（吐出ｄ）
の前に記録信号が印加されている様に構成した帯電電極
を所定距離だけ離して配置し、前記ピエゾ振動素子に一
定周波数の電気信号を印加することでピエゾ振動素子を
機械的に振動させ、前記吐出口より記録液体の小滴を吐
出させる。この時前記帯電電極によって吐出する記録液
体小滴には電荷が静電誘導され、小滴は記録信号に応じ
た電荷量で帯電される。帯電量の制御された記録液体の
小滴は、一定の電界が一様に掛けられている偏向電極間
を飛翔する時、付加された帯電量に応じて偏向を受け、
記録信号を担う小滴のみが記録部材上に付着し得る様に
されている。

第３の方式は例えばＵ　Ｓ　Ｐ　３４１６１５３に開示
されている方式（Ｈｅｒｔｚ方式）であって、ノズルと
リング状の帯電電極間に電界を掛け、連続振動発生法に
よって、記録液体の小滴を発生霧化させて記録する方式
である。即ちこの方式ではノズルと帯電電極間に掛ける
電界強度を記録信号に応じて変調することによって小滴
の霧化状態を制御し、記録画像の階調性を出して記録す
る。

第４の方式は、例えばＵ　Ｓ　Ｐ　３７４７１２０に開
示されている方式（Ｓｔｅｍｍｅ方式）で、この方式は
前記３つの方式とは根本的に原理が異なるものである。

即ち、前記３つの方式は、何れもノズルより吐出された
記録液体の小滴を、飛翔している途中で電気的に制御し
、記録信号を担った小滴を選択的に記録部材上に付着さ
せて記録を行うのに対して、このＳｔｅｍｍｅ方式は、
記録信号に応じて吐出口より記録液体の小滴を吐出飛翔
させて記録するものである。

つまり、Ｓｔｅｍｍｅ方式は、記録液体を吐出する吐出
口を有する記録ヘッドに付設されているピエゾ振動素子
に、電気的な記録信号を印加し、この電気的記録信号を
ピエゾ振動素子の機械的振動に変え、該機械的振動に従
って前記吐出口より記録液体の小滴を吐出飛翔させて記
録部材に付着させることで記録を行うものである。

これ等、従来の４つの方式は各々に特長を有するもので
あるが、又、他方において解決され得る可き点が存在す
る。

即ち、前記第１から第３の方式は記録液体の小滴の発生
の直接的エネルギーが電気的エネルギーであり、又、小
滴の偏向制御も電界制御である。

その為、第１の方式は、構成上はシンプルであるが、小
滴の発生に高電圧を要し、又、記録ヘッドのマルチノズ
ル化が困難であるので高速記録には不向きである。

第２の方式は、記録ヘッドのマルチノズル化が可能で高
速記録に向くが、構成上複雑であり、又記録液体小滴の
電気的制御が高度で困難であること、記録部材上にサテ
ライトドツトが生じ易いこと等の問題点がある。

第３の方式は、記録液体小滴を霧化することに′よって
階調性に優れた画像が記録され得る特長を有するが、他
方霧化状態の制御が困難であること、記録画像にカブリ
が生ずること及び記録ヘッドのマルチノズル化が困難で
、高速記録には不向きであること等の諸問題点が存する
。

第４の方式は、第１乃至第３の方式に比べ利点を比較的
多く有する。即ち、構成上シンプルであること、オンデ
マンド（ｏｎ−ｄｅｍａｎｄ）で記録液体をノズルの吐
出口より吐出して記録を行う為に、第１乃至第３の方式
の様に吐出飛翔する小滴の中、画像の記録に要さなかっ
た小滴を回収することが不要であること及び第１乃至第
２の方式の様に、導電性の記録液体を使用する必要性が
なく記録液体の物質上の自由度が大であること等の大き
な利点を有する。面乍ら、一方において、記録ヘッドの
加工上に問題があること、所望の共振数を有するピエゾ
振動素子の小型化が極めて困難であること等の理由から
記録ヘッドのマルチノズル化が難しく、又、ピエゾ振動
素子の機械的振動という機械的エネルギーによって記録
液体小滴の吐出飛翔を行うので高速記録には向かないこ
と、等の欠点を有する。

更には、特開昭４８−９６２２号公報（前記ＵＳ　Ｐ　
３７４７１２０に対応）には、変形例として、前記のピ
エゾ振動素子等の手段による機械的振動エネルギーを利
用する代わりに熱エネルギーを利用することが記載され
ている。

即ち、上記公報には、圧力上昇を生じさせる蒸気を発生
する為に液体を直接加熱する加熱コイルをピエゾ振動素
子の代りの圧力上昇手段として使用する所謂バブルジェ
ットの液体噴射記録装置が記載されている。

しかし、上記公報には、圧力上昇手段としての加熱コイ
ルに通電して液体インクが出入りし得る口が一つしかな
い袋状のインク室（液室）内の液体インクを直接加熱し
て蒸気化することが記載されているに過ぎず、連続繰返
し液吐出を行う場合は、どの様に加熱すれば良いかは、
何等示唆されるところがない。加えて、加熱コイルが設
けられている位置は、液体インクの供給路から遥かに遠
い袋状液室の最深部に設けられているので、ヘッド構造
上複雑であるに加えて、高速での連続繰返し使用には、
不向きとなっている。

しかも、上記公報に記載の技術内容からでは、実用上重
要である発生する熱で液吐出を行った後に次の液吐出の
準備状態を速やかに形成することは出来ない。

このように従来法には、構成上、高速記録化上、記録ヘ
ッドのマルチノズル化上、サテライトドツトの発生およ
び記録画像のカブリ発生等の点において一長一短があっ
て、その長所を利する用途にしか適用し得ないという制
約が存在していた。

また、特開昭５７−１２６５９号公報には、カラーイン
クジェットの各色のオリフィスと共通インク室との間の
距離を同一とした記録ヘッドが開示されているが、各色
によってインクの物性が異なるため、オリフィスと共通
インク室との距離を同一にすることは必ずしも良い方法
ではない。もし全ての距離を同一にするならば、各色の
インク物性もすべて同一にそろえる必要があり、インク
製造上かなりの困難をきたす。

目　　　　　的 本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、
特に、バブルジェット型液体噴射ヘッドをカラー記録に
使用した場合の各色の吐出性能をそろえることを目的と
してなされたものである。

構　　　成 本発明は、上記目的を達成するために、導入される記録
液体を収容するとともに、該記録液体に熱によって気泡
を発生させ、該気泡の体積増加にとも゛なう作用力を発
生させる熱エネルギー作用部を付設した流路と、該流路
に連絡して、該記録液体を前記作用力によって液滴とし
て吐出させるためのオリフィスと、前記流路に連絡して
該流路に前記記録液体を導入するための液室と、該液室
に前記記録液体を導入する手段よりなる液体噴射記録ヘ
ッドにおいて、前記オリフィス、前記流路、及び、前記
熱エネルギー作用部は、それぞれ、異なる色もしくは異
なる濃度の記録液体の数に応じて配設され、前記流路の
前記液室に連絡する部分から前記熱エネルギー作用部ま
での長さが、必ずしもすべて等しくはないことを特徴と
したものである。以下、本発明の実施例に基づいて説明
する。

第１図（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の実施例を説
明するための要部構成図、第２図は、本発明が適用され
るインクジェットヘッドの一例としてのバブルジェット
ヘッドの動作説明をするための図、第３図は、バブルジ
ェットヘッドの一例を示す斜視図、第４図は、第３図に
示したヘッドを構成する蓋基板（第４図（ａ））と発熱
体基板（第４図（ｂ））に分解した時の斜視図、第５図
は、第４図（ａ）に示した蓋基板を裏側から見た斜視図
で、図中、１は蓋基板、２は発熱体基板、３は記録液体
流入口、４はオリフィス、５は流路、６は液室を形成す
るための領域、７は個別（独立）電極、８は共通電極、
９は発熱体（ヒータ）、１０はインク、１１は気泡、１
２は飛翔インク滴で、本発明は、斯様なバブルジェット
式の液体噴射記録ヘッドに適用するものである。

最初に、第２図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と、（ａ）は定常状態であり
、オリフィス面でインク１０の表面張力と外圧とが平衡
状態にある。

（ｂ）はヒータ９が加熱されて、ヒータ９の表面温度が
急上昇し隣接インク層に沸騰現像が起きるまで加熱され
、微小気泡１１が点在している状態にある。

（Ｑ）はヒー°夕９の全面で急激に加熱された隣接イン
ク層が瞬時に気化し、沸騰膜を作り、この気泡１１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１０が押し出さ
れる。この時、ヒータ９には電流が流れていない状態に
あり、ヒータ９の表面温度は降下しつつある。気泡１１
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
おくれる。

（ｅ）は気泡１１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１１が収縮し、ヒータ面にインクが
接しヒータ面がさらに急激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液滴になり記録紙の方向へ５〜１
０　ｍ　／　ｓｅｅの速度で飛翔している。

（ｇ）はオリフィスにインク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
泡は完全に消滅している。

本発明は、前記の特開昭５７−１２６５９号公報に記載
された発明の欠点に鑑みなされたもので、各色もしくは
各濃度の複数のインクの物性が必ずしも一定でなくても
、均一な吐出性能が得られるようにしたもので、第１図
（ａ）に示した実施例は、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マゼン
タ）、Ｃ（シアン）、Ｂ（ブラック）の４色のそれぞれ
にヘッドが１個ずつ設けられている。ここでは説明を簡
略化するため、蓋基板１及び発熱体基板２は省略し、流
路、液室部のみを示した。この実施例は、流路５の液室
６に連絡する部分から熱エネルギー作用部９までの長さ
Ｑが同じでない場合を示す。記録液体（インク）は液室
６から各流路５へ、毛管現象で供給されるが、その供給
スピードはインク物性によって変化する。全ての色のイ
ンクの物性を全く同じにできれば、すべて同じスピード
で供給されるから問題はないが、そのようなインクを作
ることは困難である。そこで、本発明のように、インク
物性が各色（又は各濃度）で異なっていても、流路の長
さをそれに応じて変えることにより、供給スピードのば
らつきを補正することができる。

インク物性の違いは、熱エネルギー作用部までインクを
供給するスピードのばらつきだけでなく、各色での吐出
性能のばらつきも引き起こす。従って、流路の長さを各
色のインクによって変えることは、単に供給スピードの
ばらつきを補正するというだけでなく、各インクによる
各オリフィスからの吐出性能を均一にすることでもある
。

第１図（ｂ）に示した実施例は、各色ごとに複数（ここ
では３本）のオリフィス（流路）５を有するマルチアレ
イの例を示した。これは−例であって必ずしも同一基板
上に全ての色の、全てのオリフィスがある必要はなく、
各色ごとに複数のオリフィスを持ったヘッドを独立に設
けてもよい。

第１図（ｃ）は、別の実施例を示す図で、この実施は氾
を一定にして、熱エネルギー作用部９からオリフィス４
までの距離を変えるようにしたものである。

なお、以上の説明は、Ｙ、Ｍ、Ｃ，Ｈの４色を例にあげ
たが、他の色あるいは、それらの色の濃度を変えた場合
にも適用される。

第６図は、記録液体に気泡を発生させる別の手段を説明
するための図で、図中、２１はレーザ発振器、２２は光
変調能動回路、２３は光変調器、２４は走査器、２５は
集光レンズで、レーザ発振器２１より発生されたレーザ
光は、光変調器２３において、光変調器能動回路２２に
入力されて電気的に処理されて出力される画情報信号に
従ってパルス変調される。パルス変調されたレーザ光は
、走査器２４を通り、集光レンズ２５によって熱エネル
ギー作用部の外壁に焦点が合うように集光され、記録ヘ
ッドの外壁２６を加熱し、内部の記録液体２７内で“気
泡を発生させる。あるいは熱エネルギー作用部の壁２６
は、レーザ光に対して透過性の材料で作られ、集光レン
ズ２５によって内部の記録液体２７に焦点が合うように
集光され、記録液体を直接加熱することによって気泡を
発生させてもよい。

第７図は、上述のごときレーザ光を用いたプリンターの
一例を説明するための図で、ノズル部３１は、高密度に
（たとえば８ノズル／ｍｍ）、又、紙３２の紙中（たと
えばＡ４横巾）すべてにわたってカバーされるように集
積されている例を示している。

レーザ発振器２１より発振されたレーザ光は、光変調器
２３の入口開口に導かれる。光変調器２３において、レ
ーザ光は、光変調器２３への画情報入力信号に従って強
弱の変調を受ける。変調を受けたレーザ光は、反射鏡２
８によってその光路をビームエキスパンダー２９の方向
に曲げられ。

ビームエキスパンダー２９に入射する。ビームエキスパ
ンダー２９により平行光のままビーム径が拡大される。

次に、ビーム径の拡大されたレーザ光は、高速で定速回
転する回転多面鏡３０に入射される。回転多面鏡３０に
よって掃引されたレーザ光は、集光レンズ２５により、
ドロップジェネレータの熱エネルギー作用部外壁２６も
しくは内部の記録液体に結像する。それによって、各熱
エネルギー作用部には、気泡が発生し、記録液滴を吐出
し、記録紙３２に記録に行なわれる。

第８図は、さらに別の気泡発生手段を示す図で、この例
は、熱エネルギー作用部の内壁側に配置された１対の放
電電極４０が、放電装置４１から高電圧のパルスを受け
、水中で放電をおこし、その放電によって発生する熱に
より瞬時に気泡を形成するようにしたものである。

第９図乃至第１６図は、それぞれ第８図に示した放電電
極の具体例を示す図で、 第９図に示した例は、 電極４０を針状にして、電界を集中させ、効率よく（低
エネルギーで）放電をおこさせるようにしたものである
。

第１０図に示′した例は、 ２枚の平板電極にして、電極間に安定して気泡が発生す
るようにしたものである。針状の電極上り、発生気泡の
位置が安定している。

第１１図に示した例は、 電極にほぼ同軸の穴をあけたものである。２枚の電極の
両穴がガイドになって、発生気泡の位置はさらに安定す
る。

第１２図に示した例は。

リング状の電極にしたものであり、基本的には第１１図
に示した例と同じであり、その変形゛実施例である。

第１３図に示した例は、 一方をリング状電極とし、もう一方を針状電極としたも
のである。リング状電極により、発生気泡の安定性を狙
い、針状電極により電界の集中により効率を狙ったもの
である。

第１４図に示した例は、 一方のリング状電極を熱エネルギー作用部の壁面に形成
したものである。これは、第１３図に示した例の効果に
加えて、基板上に平面的に電極を形成するという製造上
の容易さを狙ったものである。このような平面的な電極
は、蒸着（あるいはスパッタリング）や、フォトエツチ
ングの技術によって容易に高密度な複数個のものが製作
され得る。マルチアレイに特に威力を発揮する。

第１５図に示した例は、 第１４図に示した例のリング状電極形成部を電極の外周
にそった形状で周囲から一段高くしたものである。やは
り、発生気泡の安定性を狙ったものであり、第１３図に
示したものよりも３次元的なガイドを付は加えた分だけ
安定する。

第１６図に示した例は、 第１５図に示した例とは反対に、リング状電極形成部を
、周囲から下へ落しこんだ構造としたもので、やはり、
発生気泡は安定して形成される。

勿−一一艮 以上の説明から明らかなように、本発明によると、カラ
ーイ“ンクの各色で物性が異なっていても。

吐出性能を均一にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図（、）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の詳細な説明
するための要部構成図、第２図は、本発明が適用される
インクジェットヘッドの一例としてのバブルジェットヘ
ッドの動作説明をするための図、第３図は、バブルジェ
ットヘッドの一例を示す斜視図、第４図は１分解斜視図
、第５図は。 蓋基板を裏側から見た図、第６図は、レーザ光を用いた
気泡発生手段の一例を説明するための図、第７図は、プ
リンターの一例を説明するための図。 第８図は、放電を利用した気泡発生手段の一例を説明す
るための図、第９図乃至第１６図は、それぞれ第８図に
示した放電電極の具体例を示す図である。 １・・・蓋基板、２・・・発熱体基板、３・・・インク
供給口。 ４・・・オリフィス、５・・・流路、６・・・液室、７
，８・・・電極、９・・・発熱体。 第１図 （ｂ） （Ｃ） 、！　２　図 （ｄ）　　弓＝＝ 第　３　　：５ 第４図 第　　５　図 第６図 第８図 第　９　図 第１１図 第１３図 第１５図 第　１（Ｊ　　図 第　１２　図 第１４図 第１６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、導入される記録液体を収容するとともに、該記録液
   体に熱によって気泡を発生させ、該気泡の体積増加にと
   もなう作用力を発生させる熱エネルギー作用部を付設し
   た流路と、該流路に連絡して前記記録液体を前記作用力
   によって液滴として吐出させるためのオリフィスと、前
   記流路に連絡して該流路に前記記録液体を導入するため
   の液室と、該液室に前記記録液体を導入する手段よりな
   る液体噴射記録ヘッドにおいて、前記オリフィス、前記
   流路、及び、前記熱エネルギー作用部は、それぞれ、異
   なる色もしくは異なる濃度の記録液体の数に応じて配設
   され、前記流路の前記液室に連絡する部分から前記熱エ
   ネルギー作用部までの長さが、必ずしもすべて等しくは
   ないことを特徴とする液体噴射記録ヘッド。