JPH0684075B2 - 液体噴射記録ヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、液体噴射記録ヘッド、より詳細には、バブル
ジェット型の液体噴射記録ヘッドに関する。

従来技術 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よ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USP3060429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
を静電吸引的に行い、発生した記録液体小滴を記録信号
に応じて電解制御し、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、一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USP3596275、USP3298030等に開示
されている方式（Sweet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、一様の
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（吐出口）
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媒体の
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USP3416153に開示されている方式
（Hertz方式）てあって、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、記録媒体の
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USP374712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Stmme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
ライトドッ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、記録画像にカプリが
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。而乍ら、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USP3747120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、サテライトドットの発生およ
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55−109670号公報には、基体上に記録液体
を収容するための室（流路）の一部を構成する溝の隔壁
部を形成し、次いで、この隔壁部の上端に前記溝の覆を
接合して前記室及びオリフィスとなるべき空孔を形成す
るようにした液体噴射記録ヘッドが開示されている。

第７図は、上記特開昭55−109670号公報に開示された液
体噴射記録ヘッドの一例を説明するための分解図で、図
中、１は発熱体設置基板（例えばアルミナ基板）であ
り、その裏面つまり、図の裏面には発熱体２が設けられ
ている。又、別の基板３の材料としては、ガラスセラミ
ックス或いは耐熱性プラスチック等が用いられ、耐水
性、耐溶剤性、耐熱性、および平面性の良いものが用い
られる。次に溝壁４となる材料としては、無機系接着剤
（例えば水ガラス）或は、合成樹脂系接着剤（例えば熱
硬化性樹脂接着剤及び、熱硬化性樹脂接着剤と熱可塑性
樹脂接着剤をブレンドした複合接着剤）などがあげられ
るが、この材料としては熱安定性、耐衝撃性、耐水性、
耐溶剤性が溝たされればよい。溝壁４となる材料は印刷
により基板３上に積層される。基板３畳に溝壁４をスク
リーン印刷した後、２つの基板1,3を図示のとおりに対
面させ発熱体２と溝５が対応する位置になるように位置
合せをして、接着することによつて発熱体接置基板１と
他の基板３は一体化される。

第８図は、上記ヘッドを溝５の１つに沿つて切断した時
の断面図で、記録液体６は矢印で示される様にヘッド内
へ供給されている。今、発熱体２に対して外部から信号
が入力されると、発熱体２は発熱し、熱作用部７内の液
体６に熱エネルギーを受けた液体は体積膨張或いは気泡
の発生等の状態変化を起こして圧力変化を生じ、この圧
力変化が吐出オリフィス８の方向に伝わつて、オリフィ
ス８から前記液体が液滴９として吐出される。

第９図は、上記液体噴射記録ヘッドの液体吐出の様子を
拡大して示す図で、前述のようにして気泡10が発生した
場合に、この気泡が図示のように、流路５の天井にとど
くことがあり、その場合には、流路がいつたん気泡によ
つて遮断されることになり、次の記録液の補給が充分に
行なわれないため、液滴の吐出ミスや吐出速度の低下あ
るいは吐出方向の乱れ等が生ずる。

特開昭56−139970号公報に記載された発明は、上述のご
とき欠点を解決したもので、細孔内の液体流が気泡によ
つて遮断されることのないようにして気泡の生成、消滅
を行なうようにしたものである。

第10図は、上記特開昭56−139970号公報に開示された液
体噴射記録ヘッドの一例を説明するための図で、オリフ
ィス８とインク室（流路）５と発熱体２が示され、イン
ク６は矢印Ｐより供給される。インク６と外気との境界
面（液面）を11で示す。発熱体２上に生成した気泡を10
とすると、t₀においては吐出前の状態が示され、t₀とt₁
の間で駆動パルスが発熱体２に与えられる。発熱体２の
温度上昇は駆動パルスが与えられると同時に開始され
る。t₁は発熱体温度がインクの気化温度以上になつた状
態であり、気泡10が出来始め液面11はオリフィス面より
気泡10によつてインク６を圧した分に相応してふくらむ
状態を示している。t₂では更に気泡10が生長した状態で
液面11は更にふくらむ。t₃では駆動パルスが立ち下り、
発熱体２の温度がほぼ最高に達した時点で更に液面11は
ふくらむ。t₄は発熱体温度は降下を始めているが、気泡
10の体積は最高位になつており、液面11は更にふくらん
でいる。尚、このときも、インク室５内でインク６流は
遮断されていない。t₅では気泡10の体積は収縮を始め
る。従つて、オリフィス８よりふくらんで出た液面11に
対して気泡10が収縮した分だけインク室５内にインク６
が逆に引き込まれる状態となる。この結果、液面11は矢
印Ｑの部分にくびれが生じる。t₆では更に気泡10の収縮
が進み、液滴と液面11′とに分離を起す。

この時点で、11の後退は、後方（矢印Ｐから供給される
インク６の圧力によりおさえられる。t₇では液滴９が吐
出されて飛翔し、気泡10は更に収縮をする後方（矢印
Ｐ）から供給されるインク６の圧力により11′はオリフ
ィス８面近く迄押し戻される。t₈はインク６の供給部が
完全に行なわれて再びt₀と同等の状態にもどつた事を示
す。

上述のように、t₄の時点で既に後方（矢印Ｐ）からイン
ク室５内へのインク６の再充填が行なわれるので液面1
1′の後退の程度が少なくなり、そのため、以降、t₅〜t
₈までにインク室５内へインク６の供給が完全に行なわ
れて早く元のt₀の状態にもどることができる。

しかし、上記特開昭56−139970号公報には、“気泡によ
つて遮断しないように”と記載されているのみで、具体
的にどのようにすればよいかということが明示されてお
らず、はなはだ概念的であり実現困難である。

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記録ヘッドにおいて、
記録液の安定吐出を図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つて気泡を
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併設した流路と、該流路に連
絡して前記記録液体を前記作用力によつて液滴として吐
出させるためのオリフィスと、前記流路に連絡して前記
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、前記流路の前記熱エネルギー作用部近傍の
天井に気泡が発生しても流路を遮断しない程度の空間が
設けられたことを特徴としたものである。以下、本発明
の実施例に基いて説明する。

第１図は、本発明の一実施例を説明するための要部拡大
断面図、第２図（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明の実
施例を説明するための要部斜視図、第３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ルブ
ジェットヘッドの動作説明をするための図、第４図は、
バルブジェットヘッドの一例を示す斜視図、第５図は、
第４図に示したヘッドを構成する蓋基板（第５図
（ａ））と発熱体基板（第５図（ｂ））に分解した時の
斜視図、第６図は、第５図（ａ）に示した蓋基板を裏側
から見た斜視図で、図中、21は蓋基板、22は発熱体基
板、23は記録液体流入口、24はオリフィス、25は流路、
26は液室を形成するための領域、27は個別（独立）電
極、28は共通電極、30はインク、31は気泡、32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３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30の表
面張力と外圧とが平衡状態にある。

（ｂ）はヒータ29が加熱されて、ヒータ29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31が点在している状態にある。

（ｃ）はヒータ29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31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
面より気泡が体積に相当する分のインク30が押し出され
る。この時、ヒータ29には電流が流れていない状態であ
り、ヒータ29の表面温度は降下しつつある。気泡31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31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31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５〜10m/
sec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。

而して、本発明においては、第１図に21aにて示すよう
に、熱エネルギー作用部近傍の流路の天井が高くなつて
おり、そのため、気泡31が最大になつたときでも、気泡
が天井までとどくことがない。

第２図（ａ），（ｂ）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で、（ａ）図の実施例は、流路
側壁と天井を一体に作る場合の例で、以下に説明する実
施例1,2及び３に該当するものであり、（ｂ）図の実施
例は、流路側壁をドライフィルムで作り、これに天板状
天井を接合したもので、以下に説明する実施例４に該当
するものである。

実施例１ 流路の側壁及び天井を構成する蓋板部材21をプラスチッ
クの成形によつて作り、熱エネルギー作用部に相対する
部分にくぼみ21aを形成したものである。

実施例２ 流路の側壁及び天井を構成する蓋板部材21をガラス，セ
ラミック等を機械加工（ダイシングあるいは超音波加工
等）によつて作り、熱エネルギー作用部に相対する部分
にくぼみ21aを形成したもので、このくぼみ21aは超音波
加工あるいはフォトエッチングで形成される。

実施例３ 流路の側壁及び天井を構成する蓋板部材21を感光性ガラ
スのエッチングによつて形成する。１回目のエッチング
で、流路部を形成し、２回目のエッチングで流路部の
（天井の）熱エネルギー作用部に相対する部分のくぼみ
21aを形成する。

実施例４ 流路の側壁をドライフィルムを用いたフォトリソ技術で
形成し、平板状の板を天井として接合して作る。平板状
の板としてガラス，セラミック等を用いる場合は超音波
加工、あるいは、フォトエッチッグで熱エネルギー作用
部に相対する部分のくぼみ21aを形成する。又、感光性
ガラス（例えば、コーニング社、フォトセラム（商品
名））のエッチングによつて形成すると高精度なものが
できる。

効果 以上の説明から明らかなように、本発明によると、流路
が気泡によつて遮断されないので、遮断されることによ
つてひきおこされる記録液の補給が充分に行なわれない
とか、液滴の吐出ミスや吐出速度の低下や吐出方向の乱
れ等が全くなく、安定した吐出が行なわれ、高印字品質
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を説明するための要部断面
図、第２図（ａ），（ｂ）は、それぞれ要部斜視図、第
３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４図は、バブルジェットヘッドの一例を示す斜
視図、第５図は、分解斜視図、第６図は、蓋基板を裏側
から見た図、第７図乃至第10図は、従来の液体噴射記録
ヘッドの例を説明するための図である。 21……蓋基板、21a……くぼみ、22……発熱体基板、29
……発熱体、30……記録液、31……気泡。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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
   併設した流路と、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前記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、前記流路の前
   記熱エネルギー作用部近傍の天井に気泡が発生しても流
   路を遮断しない程度の空間が設けられたことを特徴とす
   る液体噴射記録ヘッド。