JPS61249768A - インクジエツト記録装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、液状のインクを小滴化して飛翔させ、記録
紙上に付着させて記録を行うノズルを有しないインクジ
ェット記録装置に関する。

〔従来の技術〕

インクジェット記録装置は、通電により発熱する抵抗体
等の発熱体をインクと接触させ、記録信号に対応する所
定の発熱体の発熱によりインクを瞬時に加熱し、インク
中にその気化成分の気化によってバブルを形成し、バブ
ルの圧力によってインク滴を形成して飛翔させ、記録紙
上に付着させて記録を行うもので、発熱部を小さく構成
できるから比較的高密度のマルチ素子記録ヘッドを作成
しやすいものである。

従来、かかるインクジェット記録装置の一例としては、
例えば特開昭５８−３６４６５号公報に示されており、
第１２図を用いて簡単に説明する。

第１２図（Ａ）において、１０１は基板で、その表面に
複数個の通電により発熱する抵抗体１０２がアレー状に
設けられ℃いる。１０３はオリフィス板で、オリフィス
開口１０４を形成している平面部１０５と、立ち上がり
区画部を形成する立ち上がり部分１０６から構成されて
いる。立ち上がり部分１０６は各発熱抵抗体毎にインク
層１０７に区画を形成し、オリフィス板１０３の平面部
１０５と共に圧力室１０８を形成して記録素子を構成し
ている。

同図＋８）は、記録素子の一つを拡大して示した図で、
発熱・抵抗体１０２に記録信号が印加されると、これに
接しているインクの気化成分が気化してバブル１０９が
発生する。バブル１０９が成長すると、その膨張圧力で
圧力室１０８の内圧が高まり、その圧力によってオリフ
ィス開口１０４からインク滴１１０が飛翔する。そして
−このインク滴１１０が図示しない記録紙上に付層して
記録が行われる。このようにバブルの膨張圧力でインク
滴を飛翔させる方式は、インク滴の飛翔力が太き（、安
定した記録が可能であり、また発熱体の面積は小さくて
も。

高いエネルギーを発生することかでき、マルチ素子記録
ヘッドの実現が容易なものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、従来のかかるインクジェット記録装置におい
ては、一つの素子単位に仕切られたノズル状の圧力室を
形成するために、マルチ素子の配列を高密度化する場合
には、圧力室形成のだめの加工も微細化する必要が生じ
、高密度に素子を配列するのは必ずしも容易ではない。

また、各記録素子はインク滴を形成して噴出させるため
のオリフィス開口１０４を設けているが、このオリフィ
ス開口１０４がインク中の異物で封止されたり、あるい
はオリフィス開口１０４に不溶性の固形物が沈積して目
づまりを発生させる等の問題がある。また、記録紙上に
形成されるドツトの大きさはバブルの最大体積に対応す
るが、そのバグ／ｌ；の大きさが不安定で、且つインク
の小滴化が困難であるという欠点がある。

この発明は、従来のインクジェット記録装置における上
記問題点を解決するためなされたもので、構成が容易で
目づまりが生じに（（高信頼性を有し、且つインクドツ
ト径が安定しており、微小径ドツトを作成し得る高密度
マルチ素子構成の可能なインクンエツト記録装置を提供
することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この装置は、第１図に示すように支持基板１の表面に発
熱体２を配設し、発熱素子２を挾持するように基板１の
上に小開口３を有した開口形成部材４を設けると共にイ
ンク通路を形成する微少キャップ５を介して大開口６を
有した流路形成部材７を積層している。

〔作用〕

この装置では、発熱体２を加熱することにより発生した
バブルな小開孔３内で成長させ、その成長エネルギーを
インク飛翔力に変換し、大開孔６より所定の大きさのイ
ンク小滴として飛翔させる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第２図（Ａ）において、ガラス、セラミック等で形成さ
れた支持基板１００表面には通電により発熱する抵抗体
等の発熱体１１が配置されている。

上記発熱体１１の上には発熱体１１より小径な小開口１
３を有するニッケルやステンレスなどの金属よりなる開
口形成板１２が配設されている。上記開口形成板１２の
厚さは小開口１３０ロ径と関連するが、こ＝　４− とでは４０ミクロン程度の板厚とした。

−１小開口１３の口径は画素サイズのｖ２〜１／３程度
が好ましく、例えば１ミリ当り８ドツトの画素密度を想
定した場合には４０〜６０ミクｐン程度の開口径となる
。

上記開口形成板１２の上には２０〜４０ミクｐン位の微
少なギャップ１４を介して大開口１６を有した流路形成
部；としてのインク導入板１５が配設されている。上記
インク導入板１５は、ニッケルやステンレスなどの加工
しやすい金属で、しかもマルチ素子化されたヘッドの電
子配列方向に対して平面性と直線性を維持する事が必要
であり、例えば１００ミクｐン程度の厚さを必要とする
。なお、５０ミクｐン以下の板厚でも板を樋状に湾曲さ
せる事により大開口部分の直線性を維持することもでき
る。

一方、大開口１６０口径はインク導入板１５の板厚にも
関連して（るが、小開口１３内に形成されたバグ７〔に
よるインク小滴の形成、飛行に対し干渉しない様な大き
さで、例えば小開口１３の径の１．５〜２倍以上の径と
することが好ましい。

以上の如（形成された記録素子の作用を同図ｆ８）を用
いて説明する。発熱体１１に信号電圧を印加し、発熱体
１１を加熱する事により、発熱体１１の表面に発生した
バブルは小開口１３によって、その半径方向への拡大を
阻止された状態で膨張、成長する。

その結果、小開口１３内のインク層１８を上方に押し出
し、小開口上部を覆っていた薄いインク液層１８のイン
クも含めてインク小滴１７として飛翔させ、インク小滴
１７の飛び出しと同時にバブルを形成していたガスも大
気中に放出してしまう。

このようにしてインク小滴１７を飛翔させた小開口１３
部分には微少なギャップ１４を介してインクが再び四方
から供給され、第２図［Ａ）のようなインク液層１８を
形成し、次の作動のセット状態を完了する。以上のよう
なインク小滴１７の飛翔を行う事により図示しない記録
紙などに所定の記録を行うインクジェット記録装置は種
々の利点を有している。

先ず、インク小滴の極めて強い飛翔力が得られる事で、
特徴としては発熱部で形成されたバブルを小開口の中忙
とじ込めて、その圧力が横の刀に拡散機弱化する前にイ
ンク飛翔力に変換してしまう事にある。小開口の一端は
発熱体によって封止されているので発生したエネルギー
は専らインク小滴の飛び出す方向にのみ集中する事にも
強い飛翔力を得るのに役立っている。

また、バブルの発生、膨張によって移動するインクの大
部分はインク小滴として飛翔してしまうので従来のよう
に移動したインクの極（一部がインク滴として飛翔する
のに比べてバブルのエネルギーをインク小滴の飛行エネ
ルギーに効果的に変換出来る利点がある。

なお、発熱体による小開口の一端の封止は、高速のバブ
ル成長に対して実質的に封止されていればよ（、インク
の浸透が生ずる程度の微少ギャップが存在する事は何ら
支障がない。

−刀、上記実施例の別の特徴は発生するインク小滴の大
きさが極めて安定している点にある。

即ち、発熱体によってバブルが形成され、インクが飛翔
する場合のインク小滴の大きさは主として小開口の開口
面積と、小開口の深さに、小開口の上をお一うインク層
の厚さを加えたインク層の厚さによって決ってしまう。

従って発熱体に加える信号電力が変化したり、長時間使
用による発熱体の蓄熱等によって形成するバブルの体積
や圧力が変化する等の状況変化が生じた場合に於ても形
成されるインク小滴の大きさは変化する事なく常に安定
したドツトサイズで記録が行われる。この様な特性は、
バブルの形成、膨張によって動かされるインクが限定さ
れていて、インク小滴が形成された後はバブルを形成し
ていたガスが大気中に放散してしま５事によって得られ
るものである。

また、上記実施例による最も顕著な特徴はインク目づま
りがきわめて生じに（い構成となっている点にある。

そのひとつは前述した強いインク小滴の飛翔力が得られ
る点にあり、これ杷よってわずかな目づまり要素は自動
的に除去されてしまう。例えば大。

小開口周辺部への小さな異物の耐着や不溶性生成物の耐
層が生じても強いインク飛翔力によってこれらを吹飛ば
してしまうからである。

次に目づまりを生ずる、従来概念のノズルやすりフイス
が存在しない事にある。従来のノズルやオリフィスは入
力端と出口端があって、入口側から供給されるインク中
に異物が含まれる事によって目づまりを生じ、また、出
口側の端部に不溶性のインク成分や、化合物が沈積した
り、溶剤成分の気化によるインク固形成分の析出が生じ
目づまりを生ずる原因となっていた。それに対して入口
と出口を有し、インク滴の形成を限定する開口端を有す
るノズルやオリアイスという概念のものがない。あえて
インクの出入りのある部分は小開口であるが、小開口へ
のインクの補給はギャップによって開口の四方からイン
クが流入して行われ。

バブル形成によって同一の開口端からインクが流出して
行く。従って仮に何等かの理由で小開口の入口を異物が
ふさいだ場合にも、バブルの形成によってインクが流動
する方向は、この異物を容易に除去する方向となって、
インクと共に異物も飛翔して除去され℃しま５゜小開口
の端面は常時液体インクによってお〜われているからイ
ンクの固型成分が析出する部位とはならずインク量づま
りはきわめて発生しＫ（い状態に維持する事ができる。

上記実施例において異物が混入したり、固型物質が析出
する可能性があるのは大開口の部分である。大開口を閉
ぐ様な可能性の有る大きな異物は開口の外側から侵入す
る以外にはなく、外側から浸入した異物は、これを逆方
向に押しもどすバブル形成による圧力で容易に除去され
る。また大開口のエツジ部分に不溶性物質の析出があっ
た場合でも、大開口の口径はインク滴を形成するインク
の通過に対して干渉しない様に大きな口径となっている
から容易には目づまり状態には至らない。

上記実施例の別の特徴は、記録・（り返し速度を高めて
高速記録装置が実現できる点にある。高速バブル発生の
為に高いエネルギーを与えり場合でもインク滴が形成さ
れると共にバブルは大気圧に開放して消滅してしまうか
らバブルが冷却収縮するまでの時間を待たずにインクの
補充工程に入る事ができ記録・くり返し速度を早めるに
際しての従来の大きな制約を除去できる。またインクの
補充が小開口の四方から行われるからノズル状の流路を
介してインクが補給される従来装置に比べその補給速度
が早い点も記録の高速化に寄与する。

更に上記実施例の特徴は微少径ドツトの形成が容易な点
にある。ドツト径の微少化は高解像の記録を行ううえで
不可欠であるが、形成されるドツトの大きさは小開口及
びこれをお〜うインク液層部分に含まれるインク量によ
つ℃決定され、小径のドツトを作成する場合には開口形
成部材の板厚を薄（し、また小開口上面をおｋうインク
液層の厚さを薄くする事によって、空中インク滴径が小
開口の径と同じ程度にする事は困難ではない。従って小
開口径は従来のオリフィスやノズル径の２倍とする裏が
できる。また開口形成部材は単なる板状部材に小開口を
形成したものであるから構成が簡易で製作も容易である
。

次にこの発明の他の実施例を第３図乃至＠１１図を用い
て説明する。第３図（Ａ）〜（Ｃ）はマルチ素子ヘッド
の各構成要素を示し、（Ｄ）はマルチヘッドの平面図を
示すものである。

第３図ｆＡｌは、通電発熱体の様な発熱素子アレーで、
基板２０上に発熱体２１ａ　、　　２１ｂ・・・・・・
が画素単位ピッチで複数個配列されている。（給電の為
のリード線などは図示せず）同図（Ｂ）は、開口形成部
材２２で、上記複数の発熱体２１ａ、２１ｂ−・・・・
・に対応した数の小開口２３ａ　、　　２３ｂ・・・・
・−が形成された板状部材である。同図（Ｃ）は流路形
成部材２４で、この部材２４も上記複数の小開口２３ａ
　、　　２３ｂ・・・・・・に対応させごしかも小開口
２３ａ　、　　２３ｂ・・・・・・より大きな径を有す
る複数の大開口２５ａ　、　　２５ｂ・・・・−が設け
られている。

これら各構成要素は上記実施例と同様な形で組立てられ
第３図（Ｄ）の如き複数の記録素子を有するマルチ素子
ヘッド１９を構成する。

このようにして構成するマルチ素子ヘッド１９は構成簡
単にして製作が容易であると共に高密度化が可能である
。

例えば通電発熱抵抗体２１ａ　、　　２１ｂ・・・・・
・は感熱記録用ヘッドを流用したり、同種の技術を適用
して４００ＤＰＩ程度の画素密度の素子を作る事は困難
ではない。また、小開口２３ａ　、　　２３ｂ・・・・
・・の径は４００ＤＰＩ程度の画素密度を目標にすると
３０ミクｐン前後の値が適当で、開口形成部材２２の板
厚が２０〜３０ミクμン程度、小開口２３ａ　、　　２
３ｂ・・・・・・配列ピッチが６０〜７０ミクロン程度
となるが、この程度の小開口の形成はエレクトロ７オー
ミングやエツチング加工によって十分に可能である。流
路形成部材２４は基本的には開口形成部材と同程度の加
工技術で製作可能であるが、開口の配列ピッチが６０〜
７０ミクｐンに対して、開口径が４５〜６０ミクｐン程
度であり、板厚は任意であるが開口径と同程度に設定し
て支障はない。

第４図は、流路形成部材に設ける大開口の形状を変更し
たもので、流路形成部材２６に１つの細長いスリット状
の大開口２７を形成し、複数の小開口２３ａ　、　　２
３ｂ・・・・・・を共通な大開口２７で対応する事によ
り、位置決めなど組立てが容易となる。

第５図は、第４図の細長い大開口２７に加えて、更に発
熱抵抗体の形状を変えたもので、通電発熱体２１ａ　、
　　２１ｂ・・・・−・の配列方向と直交する方向の巾
を長（したもので、夫々の構成要素の位置合せの許容誤
差中が広（なり一組立てが容易となる。

第６図は、マルチ素子ヘッドの組立容易性と高密度の素
子配列を目的として、発熱抵抗体を千鳥状に配設したも
のである。

第６図（Ａ）〜（Ｄ）はマルチ素子ヘッドの各構成要素
を示すもので（Ｆ２）、　（Ｆ）は構成の異るマルチ素
子ヘッドを示すものである。

即ち（Ａ）は通電発熱抵抗体アレーで、支持基板３０上
に発熱抵抗体３１ａ　、　　３１ｂ　、　　３１ａ、・
・・・を千鳥状に配設し、発熱抵抗体３１ａ　、　　３
１ｂ　、　　３１ｃ、・・・・・・の中側を共通電極３
２で接続している。　３３ａ　、　　３３ｂ　、　　３
３ｅ。

・・−・・・は発熱抵抗体３１ａ　、　　３１ｂ、・・
・・・の他力の電極である。

＋８１は、千鳥状に配列された発熱抵抗体３１ｍ　、　
３１ｂ。

３１Ｃ２・・・・・・Ｋ対応して設けられた小開口３５
ａ　、　　３５ｂ　。

３５Ｃ１・・・・・・を有する開口形成部材３４である
。

（Ｃ）は、千鳥状に設けられた小開口３５ａ　、　　３
５ｂ　。

３５ｃ、・・・・・・に対応して複数の大開口３７ａ　
、　　３７ｂ　、　３７ｃ。

・・・・・・を穿った流路形成部材３６である。

ＣＤ）は−（Ｃ）の大開口３７ａ　、　　３７ｂ、　・
＝−・・に変えて細長いスリット状の大開口３８ａ　、
　　３８ｂを２本有する流路形成部材３６である。

上記（ＡｌｔＢＩＣ＋あるいは（Ａ）（Ｂ）ＣＤ）を組
合せて複数の記録素子を形成したマルチ素子ヘッド　、
　が同図（Ｅ）（Ｆ）であり、これらヘッドも、前記実
施例と同様流路形成部３６と開口形成部材３４との間に
は、小開口３５ａ　、　　３５ｂ、・・・・・・にイン
ク液を誘導するための微少なギャップを形成しであるこ
とは云うまでもな（Ｓｏ 第７図（Ａ）（Ｂ）は、１つの記録素子を構成するため
の小開口を複数の集合体で構成したもので、例えば、１
個の発熱抵抗体４０〆対し、５つの小開口４ｔｈ＋ｌ　
、　４１ａ−ｘ　、・・・・・４１我−５を１組として
配設したものである。

このように構成すると、例えば発熱体４０ｅを加熱する
事によって同図（Ｂ）１７ｃ示すように発熱体４０ｃに
対応した５つの小開口４１ｃｍ＋、　４１ｃｍ２・・・
−・から５つの小インク滴４２ａ　、　　４２ｂ・・・
・・・　が飛翔する。

上記５つの小開口４１ｅ−１，４１ｃｍ２．・・・・・
は分離して形成されているが、小開口から飛翔したイン
ク滴は、記録紙面上では拡大して連続したドツトを得る
事ができる。ドツト径の拡大はドツトを構成するインク
量に比例するから、ひとつの画素をひとつのインク滴で
形成する場合にはその拡大量も大きく、従って記録紙の
紙質や、インクの特性によって、形成されるドツト径が
太き（変動して。

これ等の条件が変化した時のドツトの径や輪か（部の変
化を押える事はむづかしい。これに対してひとつの画素
が複数の小インク滴を集合して作られるから、各インク
粒毎のドツト拡大量の絶対値はあまり太き（ならない。

従って、ドツトの輪郭が限定されると共に、記録紙の紙
質やインク特性が変化してもひとつの画素の大きさがあ
まり変化する事はなくて、記録安定化の為には好都合で
ある。

第８図は画素単位に区切った発熱体５０ａ　、　　５０
ｂ。

・・・・−をアレー状に配列したうえにランダムあるい
は均一に配置した小開口５１ａ　、　　５１ｂ　、　　
５１ｃ、・・・・・・を形成した開口形成部材５２を重
ね合せる事により発熱体５０ａ　、　５０ｂ、・・・・
・・と開口形成部材５２の位置関係がずれてもはｙ同一
数の小開口が発熱体５０ａ　、５０ｂ。

−一・と対向するから、小開口と発熱体の位置合せを全
（無視して記録ヘッドを組立てる事ができる。

このように、ひとつの画素内の微少ドツトの配列を変化
させる事によって、例えば両性中央部の濃度を高くし周
辺部の濃度を下げて記録の粒状感をおさえる等、画質改
良に供する事もできる。なお。

開口形成部材への小開口の形成や、流路形成部材への大
開口の形成はエレク）ｐ７オーミングやエツチング加工
によって行われるのが好適である。

これ等の加工に於ては加工断面がテーパー状となるのが
一般的であって、デーパーを防止するには特別の加工を
必要としていた。

第９図（Ａ）＋Ｂ）は、デーパ状の開口を有した開口形
成部材６１と流路形成部材６３０組合せ状態を示すもの
で、（Ａ）は発熱体６０側に開口径の大きな小開口６２
を有する開口形成部材６１を配設した例を示すもので、
（Ｂ）は発熱体６０側に開口径の小さい小開口６２を配
設した例を示すものである。前者の場合、小開０６２内
のインクは飛行方向に移動する時、や−絞り込まれる方
向の力を受けるから発生するインク小滴はや〜小さめに
なる傾向がある。それに対し後者の場合、インク流は拡
がる方向の抵抗が少いから、インク滴はや−大きめにな
る傾向がある。

たｙしいずれの場合にも小開口内に蓄えられたインクが
中心になってインク小滴を形成するものであるから、飛
翔するインク滴の大きさに着根の差異はない。

第１０図は、流路形成部材７００大開ロア１内壁及び上
面忙各種フッ素系樹脂やシリコーン樹脂などの表面処理
層７２を設けたものである。即ち、流路形成部材７０は
開口形成部材７３との間に例えば数１０ミクｐンの微少
ギャップ７４を形成し、小開ロア５へのインク補給路を
形成することにある。しかし強度の関係から流路形成部
材の板を厚（した場合、大関ロア１の内壁が高くなり１
毛細管現像によりインクがすい上げられ小開ロア５上面
に厚いインク液層が形成されてしまい、インク滴の飛翔
力を弱める結果となる。このため流路形成部材７０に厚
い板を使用した場合には、大関ロア１内にインクの付着
しない表面処理層７２を設けておく事によりインク液層
の増大を防止でき、極めて良好なインク滴飛翔力を得る
ことができる。

第１１図（Ａ）（Ｂｌ（Ｃ）は、カートリッジタイプの
記録ヘッドの例を示すもので、同図（Ａ）は水平断面図
で先端部に通電発熱体８１を７レイ状に複数個有するサ
ーマルヘッド８０の前面に小開口８３を有する開口形成
部材８２を配設し、微少ギャップ８４を介して大関０８
６を有する流路形底部材８５の中心部分を湾曲させて開
口部分の直線性を出すようにしている。なお、８７はイ
ンク室で、ヘッドの各構成要素を内包し、前方の開放部
は流路形成部材８５で封止し、後はサーマルヘッド８０
の後端を突出させて封止している。同図（８）はサーマ
ルヘッド先端部附近の拡大断面説明図であって、サーマ
ルヘッド８０の先端部には通電発熱抵抗体８１がアレー
伏に配列されている。８２は開口形成部材で８３はこれ
に設けた小開口、８５は流路形成部材で８６は細長いス
リット状の大開口、８８は開口形成部材８２と流路形成
部材８５０間にはさみ込んでインク流路を形成する為の
スペーサーを示している。

同図１ｃ）は（Ａ）の縦断面で、上記インク室８７の上
方にインク収納容器８９を備え、この収納容器８９から
適宜インク室８７にインクを補給するようにしている。

なお、この発明は上記実施に限定される事なく開口形成
部材及び流路形成部材の材質および開口径は任意に選択
できる事は云うまでもな（、また微少ギャップなどもイ
ンク液の濃度に応じて選択できるものである。

〔発明の効果〕

この発明によると、バブルの生長領域を上方にのみ限定
することにより、強いインク小滴の飛翔力が得られ、動
作の安定した極めて良好な記録ができ、しかもインク目
づまりなどの不具合を防止できる組立ても容易なインク
ジェット記録装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第】図は、この発明の詳細な説明するための図、第２図
（Ａｌ（Ｂ）は、この発明の一実施例を説明するための
図−第３図乃至第１１図は、この発明の他の実施例を説
明する図で、第３図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄｌは、マル
チ素子ヘッドの説明図、第４図は、大開口の変形例、第
５図は、発熱体の変形例、第６図（Ａｌ（Ｂ）（Ｃ１（
ＤＪ（Ｅ）（Ｆ）はマルチ素子ヘッドの変形例、第７図
ＩＡ）ｆＢ）は、９小開口の変形例、第８図は、小開口
と発熱体の変形例、第９図（Ａ）ｆＢ）は、開口の形状
の変形例、第１０図は大開口の変形例、第１１図（Ａｌ
　（Ｂ）（Ｃ）は、カートリッジタイプのヘッド例、第
１２図（Ａ）（Ｂ）は従来の説明図である。 １・・・・・・支持基板 ２・・・・・・発熱素子 ３・・・・・・小開口 ４・・・・・・開口形成部材 ５−・・・・ギャップ ６・・・・・・大開口 ア・・・・・・流路形成部材 山 トー 〇〇

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 液状インクに熱エネルギーを作用させて、インクの気化
   成分を気化膨張させてバブルを形成し、バブルの膨張力
   に基いてインク小滴を形成飛翔させるインクジェット記
   録装置において、開口形成部材にバブルの生長領域を限
   定するための小開口を設け、小開口の一端に発熱素子を
   配設すると共に他端には小開口および小開口近傍を液状
   インクで覆うようなインク層を形成する流路形成部材を
   設け、上記発熱素子によつてバブルを形成し、バブル圧
   力によつて少くとも小開口のインク層からインク小滴を
   飛翔させる様にした事を特徴とするインクジェット記録
   装置。