JPH01255547A - 液体噴射記録ヘッド及び該ヘッドを用いた記録方法 - 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】 Ｉ亙公互 本発明は、液体噴射記録ヘッド及び該ヘッドを用いた記
録方法、より詳細には、バブルジェット型インクジェッ
ト記録における階調記録に関する。

従】１支姓 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Ｕ　Ｓ　Ｐ　３０６０４２９に
開示されているもの（Ｔａｌｅ　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１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
ａｔ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　Ｐ３４１６１５３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（Ｓｔｅａｍｓ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Ｓｔｅａｍｓ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、Ｓｔｅａｍｓ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
チノズル化が芝しく、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　Ｐ３
７４７１２０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ことが記載され
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５５−１３２２５９号公報には、バブルジ
ェット型インクジェット記録において、発熱体を２つ以
上設け、これらに対する入力信号のタイミングをずらし
て階調記録を行うことが開示されているが、階調記録は
可能であるものの、インク滴を小さいものから大きいも
のまで巾広く形成することが困難であり、より微妙な表
現が困難である等の欠点がある。

１−一煎 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、バブルジェット型インクジェット記録における微
妙な階調記録を可能とする記録ヘッド及び記録方法を提
供す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、前記オリフィスの前面にオリフィス穴より
大きい開口もしくは、切り欠き部を有するミストキャッ
チャ−を設けたこと、更には、前記熱エネルギー作用部
は、１滴の記録液滴を吐出するためのものと、ミスト状
の微小記録液滴を吐出するための２領域からなり、それ
ぞれ独立に駆動できること、更には、前記ヘッドにおい
て、前記熱エネルギー作用部に入力するエネルギーに応
じて、１信号パルスに対して１滴の記録液滴を吐出した
り、前記１信号パルスとは異なるエネルギーを入力して
、微小記録液滴をミスト状に吐出したりし、前記１滴の
記録液滴は前記ミストキャッチャ−の開口あるいは切り
欠き部を通過して被記録体に到着し、ミスト状の前記微
小記録液滴は、前記ミストキャッチャ−の開口あるいは
切り欠き部を通過するものと、そこで捕捉されるものと
があり、通過したものが被記録体に到着して記録が行な
われるようにし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１８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１９図は、バブルジェットヘッドの一例を
示す斜視図、第２０図は。

第１９図に示したヘッドを構成する蓋基板（第２０図（
ａ））と発熱体基板（第２０図（ｂ））に分解した時の
斜視図、第２１図は、第２０図（ａ）に示した蓋基板を
裏側から見た斜視図で、図中、５１は蓋基板、５２は発
熱体基板、５３は記録液体流入口、５４はオリフィス、
５５は流路、５６は液室を形成するための領域、５７は
個別（独立）電極、５８は共通電極、５９は発熱体（ヒ
ータ）、６ｏは記録液（インク）、６１は気泡、６２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されるものである。

最初に、第１８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６０の
表面張力と外圧とが平衡状態にある。

（ｂ）はヒータ５９が加熱されて、ヒータ５９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６１が点在している状態にある。

（ｃ）はヒータ５９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６１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６０が押し出さ
れる。この時、ヒータ５９には電流が流れていない状態
にあり、ヒータ５９の表面温度は降下しつつある。気泡
６１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６１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６１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　／　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。

上述のごときバブルジェット型インクジェット記録装置
は、既に公知のものであるが、上述のごときインクジェ
ット記録装置において、第２２図に示すようなミスト状
６３の吐出が行われることが知られている。これは、た
とえば、発熱体５９をオリフィスのすぐ近傍に配置して
駆動することによりインクがミスト状に飛散する現象で
ある。

本発明は、第２２図に示した現象と第１８図に示した技
術とを組合わせて微妙な階調記録が行われるようにした
記録ヘッド及び記録方法を提供するものである。

第１図は１本発明の実施に使用するバブルジェット型イ
ンクジェット記録ヘッドの一例を示す全体斜視図、第２
図及び第３図は、本発明の動作原理を説明するための要
部構成図で、図中、１はインクジェット記録ヘッド、２
はミストキャッチャ−１３は該ミストキャッチャ−２に
設けられた開口、４は記録紙、５はインク滴、６はミス
トで、第２図は、第１８図に関連して説明した通常記録
を示す図、第３図は、第２２図に関連して説明したミス
ト状噴射を行って階調記録を行う状態を示す図で、本発
明においては、ヘッド１の前面に開口３を有するミスト
キャッチャ−２を設けている。

ここで開口３はヘッド１のオリフィス径より太きく、よ
り厳密には、第１８図で説明したインク滴６２が通過で
きる大きな開口である必要がある。

また、第３図はミスト状に吐出させ、そのミスト６の一
部がミストキャッチャ−２の開口３を通過して紙面４に
到着する図を示している。ミストキャッチャ−２に捕捉
された記録に使用されないインクは、回収してすてられ
る。

第４図は、ミストキャッチャ−２の他の例であり、丸穴
の開口３のかわりに切り欠き形状３′としたものであり
、インク滴５及びミスト６は、この切り欠き３′の間を
通過する。

第３図に示したようなミスト状態は１つの発熱体を使用
し、該発熱体に加えるエネルギーレベルを第２図の噴射
を行う場合と違うレベルにすることによって得られるが
、その他に第５図及び第６図に示すように２つの発熱体
１１ａ、ｌｌｂを設けて、発熱体１１ａを通常のインク
滴発生用、１１ｂをミスト発生用とわけて使用してもよ
い。

ただし、１２ａ、１２ｂはそれぞれの発熱体の制御電極
１３は共通電極である。

本発明において、インクキャツチャ−２の開口３の大き
さは一定であり、従って、ミストによる濃淡表現を行な
う際には、ミスト発生時間、つまり、加えるエネルギー
時間（パルス巾）をコントロールすることによって行な
われる。

なお、以上の説明はすべて発熱体を用いたバブルジェッ
ト記録ヘッドを使用する場合を例にして説明したが、当
然のことながら本発明は気泡発生手段としてパルスレー
ザ−を用いたり、ありいは放電エネルギーを用いたりす
るバブルジェットにも適用される。

第７図は、パルスレーザを用いて記録液体に気泡を発生
させるための手段を説明するための図で、図中、２１は
レーザ発振器、２２は光変調駆動回路、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２
１より発生されたレーザ光は、光変調器２３において、
光変調器駆動回路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２
７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８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／ａｍ）、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０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０回転
多面鏡３ｏ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９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、放電袋＠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１０図乃至第１７図は、それぞれ第９図に示した放電
電極の具体例を示す図で、 第１０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１１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。針状の電極より、発生気泡の
位置が安定している。

第１２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１発生気泡の位置はさらに安定す
る。

第１３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１４図
に示した例と同じであり、その変形実施例である。

第１４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１５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１４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１６図に示した例は、 第１５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１４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１７図に示した例は。

第１６図に示した例とは反対に、リング状電極形成部を
１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。

層−一一来 以上の説明から明らかなように、本発明によると、大イ
ンク滴と、インクミストの濃淡表現により、微妙な階調
記録が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施に使用するインクジェット記録
装置の一例を示す斜視図、第２図及び第３図は、本発明
の動作説明をするための要部構成図、第４図は１本発明
の実施に使用するミストキャッチャ−の他の例を示す正
面図、第５図及び第６図は、本発明の実施に使用するバ
ブルジェット型インクジェットの発熱部及び電極部の一
例を示す図、第７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８図は、プリンターの一
例を説明するための図、第９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１０図乃至第１
７図は、それぞれ第９図に示した放電電極の具体例を示
す図、第１８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１９図は、バブルジェットヘッドの
一例を示す斜視図、第２０図は、分解斜視図、第２１図
は、蓋基板を裏側から見た図、第２２図は、本発明に使
用するバブルジェットの一例を示す図である。 １・・・バブルジェット型インクジェット記録ヘッド、
２・・・ミストキャッチャ−１３・・・開口、３′・・
・切り欠き、４・・・記録紙、５・・・インク滴、６・
・・ミスト、１１ａ・・・インク滴発生用発熱体、ｌｌ
ｂ・・・ミスト発生用発熱体、１２ａ、１２ｂ・・・制
御電極、１３・・・共通電極。 埴　１　図 第２図　　　　　彎３ｚ 第４図 ３′ 第　５　図 第６図 第７図 ｔｌ　　　　　　ｔロ　　　　　２４ 第　　９　図 第　１０　図　　　　　　　第　１１　　間第１２図　
　　第１３図 第１６図　　　　第１７　ｇ 第　１８　図 （ｄン　　　　　　ぐ＝＝４Σ二二二＝Σ＝＝＝（ｅ）
Ｃζ＝＝ 第１９図 第２０図 第２２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、前記オリフィスの前面
   にオリフィス穴より大きい開口もしくは、切り欠き部を
   有するミストキャッチャーを設けたことを特徴とする液
   体噴射記録ヘッド。 ２、前記熱エネルギー作用部は、１滴の記録液滴を吐出
   するためのものと、ミスト状の微小記録液滴を吐出する
   ための２領域からなり、それぞれ独立に駆動できること
   を特徴とする請求項第１項に記載の液体噴射記録ヘッド
   。 ３、前記ヘッドにおいて、前記熱エネルギー作用部に入
   力するエネルギーに応じて、１信号パルスに対して１滴
   の記録液滴を吐出したり、前記１信号パルスとは異なる
   エネルギーを入力して、微小記録液滴をミスト状に吐出
   したりし、前記１滴の記録液滴は前記ミストキャッチャ
   ーの開口あるいは切り欠き部を通過して被記録体に到着
   し、ミスト状の前記微小記録液滴は、前記ミストキャッ
   チャーの開口あるいは切り欠き部を通過するものと、そ
   こで捕捉されるものとがあり、通過したものが被記録体
   に到着して記録が行なわれることを特徴とする請求項第
   １項又は第２項に記載の液体噴射記録方法。