JPH01308644A - インクジェット記録ヘッド - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、インク（記録液）をオリフィスから液滴とし
て吐出・飛翔させ、該液滴を紙などの被記録材に着弾さ
せて付着させ、記録を行なうインクジェット記録装置に
用いる記録用のヘッド、特に印字信号が加えられたとき
に吐出が行なわれるオンデマンド型のインクジェット記
録ヘッドに関する。

［従来の技術］ インクジェット記録方法は、インクをインク吐出用の微
細な孔（オリフィス）から液滴として吐出させて、該液
滴を紙等の被記録材に記録情報に応じて被着させて記録
を行なう記録方法であり、高速印字が可能であり、また
普通紙等に手軽に記録できるといった種々の利点を有す
る。

このインクジェット記録方法に用いられるインクジェッ
ト記録装置は、オリフィスと、該オリフィスに連通ずる
インクの流路と、該流路においてインクに作用させるイ
ンクの吐出のためのエネルギーを発生させる吐出エネル
ギー発生体とを有するインクジェット記録ヘッドを備え
ている。

記録を実施する際には、吐出エネルギー発生体に吐出エ
ネルギーを発生させ、これを流路内のインクに作用させ
て吐出のための圧力を発生させ、この圧力を利用してイ
ンクをオリフィスから吐出させる。

インクジェット記録に用いられるインクとしては、顔料
や染料などの記録剤成分を、水、水溶性有機溶剤または
非水溶性有機溶剤などの溶媒成分に溶解もとくは分散し
た組成のものが一般的である。

［発明が解決しようとｊる課題］ インクジェット記録ヘットにおけるインク吐出のための
圧力は、吐出エネルギー発生体で発生したエネルギーが
流路内のインクに作用することにより生じ、その圧力は
流路内のインクを通じてオリフィス方向と、該オリフィ
スと反対方向にある液室方向へ分配されて伝達される。

オリフィス方向へ伝わった圧力の作用によって、流路内
のインクはオリフィスから押し出され、押し出されたイ
ンクは飛翔吐出液滴を形成する。

押し出されたインクが吐出液滴となってオリフィスから
離れる際、吐出液滴量に応じてオリフィス部のメニスカ
スが後退し、このメニスカスをオリフィス方向へ引き戻
そうとする張力の作用により、ある時間の経過後流路内
のインクの充填状態は吐出前の状態に復帰する。この現
象はりフィールと呼ばれている。

実際の記録の際には以上の操作が繰り返され、良好なり
フィールが行なわれることによって、安定なインク吐出
が持続して得られる。

ところが、リフィールが不完全な状態で吐出を続けると
、インク吐出後のメニスカスのオリフィス面への復帰が
不完全な状態で、インク吐出を続けることとなり、その
結果吐出インク滴量の減少が起き、例えば吐出インク滴
によって被記録材に形成されるインクドツトの径の減少
など所定インク量での記録ができなくなり、記録画像品
位を極端に劣化させることとなる。このような現象は更
に、吐出インク滴の被記録材上での着弾点精度の悪化を
招き、記録画像のボケや、ヨレ、スジ、白ヌケ等の発生
の原因となり易い。

通常インジェット記録法のような流体を用いた技術にお
ける上述のような問題の解決は、流路等の構造の改良や
インクの物性の調整によって行なわれてきたが、多数の
オリフィスを配列した記録ヘッドにおいては、このよう
な改良や調整によって充分な改善効果が得られない場合
が多い。

すなわち、多数のオリフィスを有する記録ヘッドにおい
ては、多数のオリフィスから同時にもしくは若干時間差
をもってインクを吐出させると、先に述べたよりな流路
から液室方向への圧力がインクに作用し、各流路での該
圧力が液室で一体となって１つの大きな圧力となる（第
２図（ａ））。

これら流路からの圧力はインクを液室方向に押しやる力
として作用し、その総和は、オリフィスを１つだけ有す
る記録ヘッドの場合よりも数段大きなものとなる。その
結果、第２図（ｂ）に示すように、良好なりフィール状
態を得るには、インクを急激かつ大量にオリフィス方向
へ動かす必要があり、そのためにはインクの移動方向の
変更のための初期の大きな慣性力に打ち勝つ圧力が必要
とされる。

しかしながら、各流路におけるリフィールの原動力とな
るオリフィス部でのメニスカスの表面張力は、上述した
ような液室方向への総圧力に対抗してインクを瞬時に大
量にオリフィス方向へ移動させるのに十分な作用を有し
ていない。すなわち、上述したインク移動における初期
の慣性力が大きくなるに従い、メニスカスの復帰により
長い時間が必要となってくる。そこでメニスカス復帰の
だめに十分な時間を取ると、記録速度の低下を招き、ま
たメニスカス復帰のために十分な時間が取れない場合に
は、所定の吐出インク適量が得られず良好な記録が行な
えない。このような現象は記録開始の初期に特に顕著で
ある。

以上説明した現象のメカニズムを第３図（ａ）のメニス
カス後退曲線で概略的に説明する。

第３図（ａ）における縦軸に示されたメニスカス後退量
（１２μｍ）とは、第３図（ｂ）に示した流路のオリフ
ィス側部分にρで示された長さで表現されたものであり
、具体的にはオリフィスからインクのメニスカスまでの
距離に相当する。

第３図（ａ）に示すようにオリフィスを１つ設けた記録
ヘッドの場合（■）には、吐出エネルギー発生体からの
エネルギーが流路内のインクに付与される時刻ｔ。から
ある時間経た時刻上〇′、すなわちインク吐出が行なわ
れた時点にメニスカスが流路のオリフィス部に形成され
、それが急激に後退する。その後退量は時刻ｔ、ｌで最
大となりその後しだいに表面張力による復元力の作用に
よりメニスカスは元の位置に戻り始め時刻ｔ１でリフィ
ールが終了する。

これに対し、多数のオリフィスを有する記録ヘッド（■
）では、ｔ＋’での最大値が小さく、またリフィール速
度も遅い。

これは多数の流路からのインクを後方へ押しやる圧力の
総和が、液室内でのインクの変形による圧力の吸収容量
を大幅にオーバーするために、インクの変形で吸収しき
れなかった圧力はインクを後方へ移動させようとする力
となって残され、この力が働くことによってメニスカス
の復帰のためのりフィール速度が初期において極端に遅
くなることによる。

これらの現象は、連続して吐出が繰り返された後では、
インク供給管から液室へのインクの定常的な流れが形成
されているので起りにくいが、吐出の初期（特に２００
回吐出前後）において、すなわちインクの流れが定常的
となるまでの間に顕著である。

以上述へたような多数のオリフィスを有する記録ヘッド
におけるリフィール速度の低下は、吐出エネルギー発生
体への印字信号印加の周期が第３図（ａ）で示した時刻
ｔ。からｔ２までの時間以上に設定されていれば問題を
生じないが、高速記録のために時刻ｔ０からｔ２までの
時間よりも短い周期で印字信号を印加すると、リフィー
ルが完了していない時点、例えばメニスカス後退量が３
０μｍ以上である状態で、次の信号が印加されると、先
に述べたような吐出インク滴量が減少し良好な記録がで
きなくなる。

このような問題を解決する手段として、米国特許節４．
５７８．６８７号により、液室の流路近傍に大気開放部
を設け、インク吐出時の液室方向への圧力を吸収する構
成が知られているが、この構成では大気開放のためイン
クの溶媒成分の蒸発を招き、記録ヘッド内のインクの粘
度の増加や、インク中での固形物の析出による流路やオ
リフィスの詰りなどの問題が引き起され、印字不良が発
生し易い。更には、振動などの影響で液室内に気泡が発
生したり、大気開放部からの記録ヘッド内へのゴミ等の
混入を防ぐために特別な設計が必要となるなどの問題も
あり、実用的に十分であるとはいえない。

本発明は、上記のような問題点に鑑みなされたものであ
り、その目的は、特に記録開始初期における吐出不良が
なく、高速応答性と吐出安定性に優れたインクジェット
記録ヘッドを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成する本発明は、インクを吐出するための
オリフィスと、該オリフィスに連通しインクを吐出させ
るためのエネルギーがインクに作用する部分を有する流
路と、該吐出のための圧力を発生するための吐出エネル
ギー発生体とを有する単位を多数配列し、これら流路に
供給するインクを貯え得る各流路に共通の液室とを有す
るインクジェット記録ヘッドにおいて、前記液室内もし
くは該液室に隣接して、圧力をそれ自身の体積変化に可
逆的に変換し得る圧力一体積変換体を有することを特徴
とするインクジェット記録ヘッドである。

本発明のインクジェット記録ヘッドの液室内もしくは該
液室に隣接して、圧力一体積変換体が設けられているの
で、先に述べたような吐出時の流路から液室方向への圧
力が、そこに効果的に体積変化として吸収され、かつ吸
収された圧力はりフィール時に該圧力一体積変換体から
放出されて、リフィール速度を速める方向に作用する。

その結果、連続記録時のような定常的なインクの流れが
生じていない記録開始初期においても、所定のりフィー
ル速度が得られ、高速での良好な記録が実施できる。

［実施例］ 以下、図面を参照しつつ本発明の一実施例について説明
する。

第１図は本発明のインクジェット記録ヘッドの概略図で
ある。

本発明の記録ヘッドは、液室１０４内に圧力−体積変換
体を有する。

この圧力一体積変換体１０５とは、加えられた圧力を体
積変化とし吸収でき、かつ圧力の付加状態が解除された
段階で、その体積が元の状態に戻ることによって吸収し
た圧力を放出できる、すなわち圧力をそれ自身の体積変
化に可逆的に変換し得る性質のものをいう。

このような圧力一体積変換体１０５は、Ａｒガス、０２
ガス、ＮＺガス、Ｈ２ガス、空気などのインクと反応し
ない、もしくはインクに悪影響を及ぼさず、液室内に維
持できる各種気体、弾力性を有し、変形量の大きい樹脂
、ゴム等の有機材料、あるいは金属などの薄板から構成
することができる。

本発明のインクジェット記録ヘッドは、記法ヘッドの液
室１０４の形成時に、あるいは液室にインクを充填する
際に、圧力一体積変換体１０５を液室内もしくは該液室
に隣接して設けることによって形成することができる。

なお、圧力一体積変換体１０５以外の部分の構成は、イ
ンク吐出の際に圧力が関与するインクジェット記録ヘッ
ドの構成ならばどのような構成のものでも良く、その形
成には公知の方法を用いれば良い。

圧力一体積変換体１０５としては、その圧力−体積変換
率（α／　ｎ　）が、良好なりフィールが得られるのに
必要な値を有するものを用いれば良く、例えば、１オリ
フィス当りの圧力一体積変換率が０．０１ｍｍ３／　ａ
ｔｍ以上、好ましくは０．０５ｍｍ３／ａｔｍ以上であ
るものが好ましい。

すなわち、１オリフイスあたりの圧力一体積変換体へ作
用する圧力をＰ、圧力一体積変換体の体積をＶ、オリフ
ィス数をｎとすると、圧力一体積変換におけるこれらの
関係を次式で表わせることが実験的に確かめられている
。

ｎ　（ＰＶ）’　＝α ｐ：１〜２、ａ（変化率、常数） 従って、圧力一体積変換率αが上記のような範囲内であ
れば本発明の効果を十分に得ることができる。

なお、圧力一体積変換体１０５は、吐出に悪影響を及ぼ
さない位置を選択して設ければ良い。

以上のような構成を有するインクジェット記録ヘッドに
よれば、以下のような作用により良好な記録が常に実施
できる。

まず、予備タンク１０７からインク供給管１０６を介し
て記録ヘット１０１内にインク１０８を供給する。液室
１０４および流路１０３にインクが充填された状態で、
例えば圧電素子、発熱素子等からなる吐出エネルギー発
生体１０２に印字信号を印加する。吐出エネルギー発生
体１０２で発生したエネルギーは流路１０３内のインク
１０８に作用し先に述べたような圧力伝達のメカニズム
でオリフィス１０３ａからインク滴が吐出される。

このようにインク吐出が行なわれると、第４図（ａ）に
示すように、各流路において、そのそれぞれからインク
１０８を液室１０４方向へ押しやる力が発生するが、液
室１０４には圧力一体積変換体が設けられているので、
これが体積変化の形で各流路からの圧力を吸収する。そ
の結果、流路１０４から液室を経て、インク供給管１０
６ヘインクを押しやる力の発生が緩和もしくは防止され
る。

この状態で第４図（ｂ）に示すように、流路。

１０３方向へインクを移動させようとする力がメニスカ
スの表面張力によって引き起されて、リフィールが開始
されると、液室内の圧力一体積変換体１０５がその体積
を元の状態へ復帰させようとして、吸収していた圧力を
放出し、その圧力がリフィールにおけるインクのオリフ
ィス方向への移動のための圧力を補填するように作用す
る。しかも、圧力一体積変換体１０５を設けない場合に
は、流路から液室方向へインクを押しやる力がリフィー
ルのための力に反作用を及ぼすのに対して、本発明の記
録ヘッドにおいては、上述のように流路から液室方向へ
インクを押しやる力は、液室内の圧力一体積変換体１０
５に吸収されているので、このような反作用として働く
ことはなく、むしろリフィールのための力を補填するた
めに効果的に転用される。従って、スムーズかつ短時間
でのりフィールが可能となり、その結果高駆動周波数応
答が可能となり良好な高速記録が実施できる。

なお、先に述べたように圧力一体積変換体１０５は液室
１０４内もしくは該液室に隣接して設ける。すなわち、
例えばインク供給管１０６や予備タンク１０７等の位置
に設けても、圧力損失により十分な効果が得られない場
合が多い。また、そのような場合、インク吐出時の圧力
発生によってインクのインク供給管１０６や予備タンク
１０７方向への移動が起き、移動するインク量も多くな
り、それを逆方向へ移動させる際に働く慣性力もより大
きくなり、リフィールを阻止する作用が高まるので好ま
しくない。また、流路内に設けるとインクの良好な流れ
の妨げとなるばかりでなく、吐出のために有効な圧力も
吸収してしまうので、吐出出力のロスを招くので好まし
くない。

以上の構成の本発明の記録ヘッドを、以下のような条件
で作成し、記録を行ないその印字品位を評価したところ
、第１表のような結果を得た。

記録ヘッド構成； オリフィス数；４８ オリフィスの配列ピッチ：　３６０　ｄｐｉ　（ｄａｔ
／１ｎｃｈ）吐出エネルギー発生体 （電気熱変換体）サイズ：　３０Ｘ　１５０μｍ２液室
サイズ：　１２．５ｍｍ３ 圧力一体積変換体：空気 記録ヘッド駆動条件： 印字信号：２６ｖで７μＳの駆動パル°スを４にＨｚで
電気熱変換体に印加 インク物性：粘度２５ｃｐ、表面張力４５ｄｙｎｅ／ｃ
ｍ第１表に示したように、圧力一体積変換率が０．０１
ｍｍ３／ａｔｍ以上であれば、本発明の効果を十分に得
られることが確認された。

第１表 ×　印字状態が不良 ［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、インクジェット記
録ヘッドの液室内もしくはそれに隣接して圧力一体積変
換体が設けられるので、良好なかつ迅速なりフィールが
常に可能となり、オリフィスの高マルチ化に特有の問題
を解消して優れた高速応答性と吐出安定性が得られる。

また、本発明のインクジェット記録ヘッドにおいては、
駆動周波数やオリフィス数に影響されずに常に安定で高
品位な印字が維持できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のインクジェット記録ヘッドの構成を示
した概略図、第２図（ａ）および（ｂ）は従来の記録ヘ
ッドにおけるリフィールメカニズムを説明するための図
、第３図（ａ）は第２図でのりフィールにおけるメニス
カス後退量の変化を示したグラフ、第３図（ｂ）はメニ
スカス後退量を示す流路の概略図、第４図（ａ）および
（ｂ）は本発明の記録ヘッドにおける圧力一体積変換体
の作用を説明するための図である。 １０１．２０１，３０１　　：記録ヘッド、１０２，２
０３，３０３　　：吐出エネルギー発生体、１０３ａ、
　２０６．３０６　ニオリフイス、１０４．２０４　：
液室、 １０５：圧力一体積変換体、 ＋０６，２０５　：インク供給管、 １０７：予備タンク、 １０８：インク、 １０３．２０２，３０２　：流路、 ２０７．３０７　　：メニスカス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）インクを吐出するためのオリフィスと、該オリフィ
   スに連通しインクを吐出させるためのエネルギーがイン
   クに作用する部分を有する流路と、該吐出のための圧力
   を発生するための吐出エネルギー発生体とを有する単位
   を多数配列し、これら流路に供給するインクを貯え得る
   各流路に共通の液室とを有するインクジェット記録ヘッ
   ドにおいて、前記液室内もしくは該液室に隣接して圧力
   をそれ自身の体積変化に可逆的に変換し得る圧力−体積
   変換体を有することを特徴とするインクジェット記録ヘ
   ッド。 ２）前記圧力−体積変換体の圧力−体積変換量が１流路
   当り０．０１ｍｍ＾３／ａｔｍである請求項１に記載の
   インクジェット記録ヘッド。 ３）前記圧力−体積変換体が気体で構成されたものであ
   る請求項１または請求項２に記載のインクジェット記録
   ヘッド。 ４）前記圧力−体積変換体が有機材料で構成されたもの
   である請求項１または請求項２に記載のインクジェット
   記録ヘッド。 ５）前記圧力−体積変換体が弾性材料で構成されたもの
   である請求項１または請求項２に記載のインクジェット
   記録ヘッド。