JPH02223450A - 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】 ｉＬ地分界 本発明は、液体噴射記録ヘッドに関する。

藍泉皮術。

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、Ｗ６速記録が可能であり
、面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ｍツインクジエツ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）をツ１ヲ翔させ、
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、例えば米国特許第３０６０４２９号
明細書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界制御し
、記録部材」―に記録液体小滴を選択的に付着させてＲ
１２録を行うものである。

これに就いて、更に詳述すれは、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」―に付着させて記録を行うものである。

第２の方式は、例えば米国特許第３５９６２７５号明細
２）、米国特許第３２９８０３０号明細書等に開示され
ている方式（Ｓｗｅｅｔ方式）であって、連続振動発生
法によ１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［」
）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
一定周波数の電気イ、１−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、１）１ｆ記吐、１１冒コよ
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ｆｉＲ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ツ１ヲ翔する時、付加され
た帯電゛−１に応じて偏向を受け、記録（Ｍ号を担う小
滴のみが記録部材−１−に付着し得る様にされている。

第３の方式は、例えば米国特許第３４１６１５３号明細
書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、例えば米国特許筒３７４ｎ、２０号明細
書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」−に付着
させて記録を行うのに対して、この３　ｔ　（ｅ　ｍ　
ｍ　ａ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、ＳｔＯｍｍｅ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、酌記第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ｒ＋Ｓ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１−、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ａｌｌであること、記録部材上に
サナライ１〜ドツ１−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−１−シンプルであること、オ
ンデマンド（ｏｎ−ｄｅｍａｎｄ）で記録液体を＝５ ノズルの吐、１１冒−１より吐出して記録を行う為に、
第」、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」−の白山度
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Ｉ−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、ピエゾ振りＪ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／１８−９６２２号公報（前記米国特許
第３７４７１２０号明細書に対応）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
子の代りの圧カー■〕昇手段として使用する所謂バブル
ジエツ１〜の液体噴射記録装置が記載されている。

しかし、１−、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、構成子、高速記録化−ヒ、記録
ヘッドのマルチノズル化−１−、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。

このように従来の記録装置の多くは、構造−ヒ、４、　
Ｋ　Ｈｚより上の高速記録化」−１加工上、１６本／ｍ
を越えるような高密度化上、多くの問題を有していた。

また、特開昭５７−８７９６０号公報は、発熱体の面積
をかえることにより、記録ドツトを均一にするものであ
るが、面積をかえることによって、必ずしも吐出安定性
が得られるものではない。

また、特公昭６１−５９９１２には単一のノズルを集め
マルチノズルを形成した例が記載されているが、この方
法ではせいぜい数本／ｍｍが限界であり、高精細な画質
を得ることができない。また、さらに、特開昭５５−２
７２８１号公報においては基板に微細カッティングによ
り溝を形成しノズルとする方法が示されているが、この
方法でも、その明細書に書かれているように１０木／匝
が限度である。より高精細な画像を狙うためには、熱発
生部、いいかえるならばノズルの配列を１６本／ｍ以十
の高密度にする必要があり、これを実現する最も有効な
ノズル形成法は、特公昭６２−５９６７２号公報に示さ
れているように、発熱体基板上に感光性樹脂により流路
壁を設け、さらに蓋基板と接合することにより流路およ
びノズルを形成する方法である。しかしながら、特公昭
６２−５９６７２号公報で述べられている形成法で作ら
れたノズルの形状と、インク滴吐出特性との関係が何ら
示されておらず、特に、１６木／匝以上になった場合に
は極めて微細なノズルとなり、したがって、そのノズル
形状がインク滴吐出特性に極めて大きく関係するにもか
かわらず、その点については全く述べられていないし、
示唆する記載さえない為、１６本／ｍｍ以」二の高密度
のヘッド作製にあたりどのようなノズル形状にしたら安
定した吐出特性が得られるのか全くわからなかった。

また、圧力」−昇を生じさせる蒸気を発生する為に液体
を直接加熱し、吐出させる言わゆるバブルジエツト方式
においては、発熱素子、流路を形成するのにスパッタリ
ングや蒸着、エツチング等高度な薄膜技術を要求され、
加工精度がインク吐出に大きく影響している。言いかえ
ればノズル形状のバラツキにより安定的な吐出ができな
いという欠点を有していた。また、ノズルの大きさは、
インク滴の大きさの大きな要因であるが、ノズルの形状
によってはミスト状になったり、飛翔速度が著しく低下
したり、吐出方向が目的とする方向と大きく異なってし
まうという欠点を有していた。

また、さらに、１６本／１ｍ以−Ｈの高密度に配列した
マルチノズルの場合には、隣接ノズル間が大変接近して
いるため、複数の隣接ノズルより吐出されるインク滴、
あるいは、インク柱は、それらがほぼ同時に吐出するよ
うな場合に、併合、合体するようなことがしばしばおこ
り得る。これは−般に吐ｔ１１されるインク滴の大きさ
が通常はオリフィス径よりも大きくなるためであり、ま
た、別の理由としてはインク滴吐出の条件が必ずしも好
ましくない条件（不安定吐出条件、たとえばスプラッシ
ュ、あるいは、インク滴（柱）の非対称吐出等）にある
時に生ずる。これらはノズルの形状、対称性に起因する
ところが大きい。よって、それほど高密度ではないマル
チインクジェットでは問題にならなかったノズル形状が
、コピア等を３１１うより高密度のマルチインフジエラ
１−ではインク滴吐出特性の点から極めて大きな問題で
ある。

さらに加えれば、バブルジエン１一方式の持つ高周波数
応答性は、上記のようなインク滴吐出特性にかかってお
り、即ちノズルの形状により大きくかわってくるにもか
かわらず、高速の条件で暉勅（例えば４ＫＨｚより上）
する場合のノズル形状と吐出安定性の関係は、従来技術
においては述べられておらず、ノズル形状をいかにした
らよいかがわからなかった。

目　　　　　的 本発明は、」−述のごとき欠点を解決するためになされ
たもので、インク滴の吐出安定性、吐出効率、吐出周波
数に優れた液体噴射記録ヘッドを提供することを目的と
してなされたものである。

本発明の他の目的は、より高密度に配列された（たとえ
ば１６本／＋ｎｍ以上の高密度に配列された）マルチノ
ズル型ヘッドのインク滴吐出性能の向上を図ることであ
る。

本発明のさらに他の目的は、より高速で駆動する（たと
えば４ｋＨｚより上）マルチノズル型ヘッドのインク滴
吐出性能の向上を図ることである。

貴−一双 本発明は、−１−記目的を達成するために、液室内の記
録液に熱エネルギーを作用させるための熱エネルギー発
生手段を有し、該熱エネルギー作用により前記記録液中
の熱エネルギー作用部に気泡を生じせしめ、該気泡の体
積増加にともなう作用力で吐出オリフィスより前記記録
液を液滴として飛翔させ、被記録面に付着させて記録を
行なう液体噴射記録ヘッドにおいて、前記オリフィスの
水平方向の径ａと垂直方向の径すとの比率が０．５≦ａ
　／　ｂ≦１．５ の関係を満たすことを特徴としたものである。

なお、このような関係式は、１．６本／ｍ以上の高密度
、高精細な品質を要求されるコピア等に適用するのがよ
い。また、コピアのように高精細の画像を形成するため
には、画素径が小さくなるため必然的に紙面に打ち込む
ドラ１−数は多くなり、単純に考えれば一枚の画像を形
成するのには、時間が多くかかる。従って、高い駆動周
波数でヘッドを駆動するのがよく、その意味からも本発
明の前述のような関係式は高い周波数で駆動（例えば４
ｋＨｚよりヒ）するヘッドにおいて適用すべきである。

最初に、第５図に基づいてバブルジェットによるインク
噴射の原理について説明する。図中、２１は蓋基板、２
２は発熱体基板、２７は選択（独党）電極、２８は共通
電極、２９は発熱体、３０はインク、３１は気泡、３２
は帳翔インク滴である。

（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」−昇し隣接インク層に沸ｌ１Ｉｌｉ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３］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
にあり、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。

（、）は気泡３］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５〜１
０ｍ／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。

第１図は、本発明による記録ヘッドの一実施例を説明す
るための斜視図、第２図は、第１図における記録ヘッド
をオリフィス側より見た図、第３図は、記録ヘッドの分
解構成図で、（ａ）は蓋基板、（ｂ）は発熱体基板を示
す図、第４図は、第３図（ａ）の蓋基板の裏面図である
。図中、２３はインク供給口、２４はオリフィス、２５
は溝（流路）、２６は液室を形成するための領域である
。蓋基板２１にはインク流路を構成する溝２５と共通液
室を構成する部分２６が形成されている。

また、発熱体基板２２には発熱体（ヒータ）２９と発熱
体２９を駆動する為の選択（独立）電極２７と共通電極
２８が形成されている。蓋基板２１と発熱体基板２２は
、接着することにより第１図のようになり、溝２５によ
りオリフィス２４が形成される。また溝２５の形成は蓋
基板の基体（例えばガラス）をエツチングにより形成す
る。

よってオリフィス２４の水平、垂直比は溝２５のエツチ
ングレートおよび／またはエツチング時間を調整するこ
とにより自由に設定することができる。

本発明者らは種々の実験の結果、第２図中のオリフィス
の水平方向の径ａと垂直方向の径すとが０．５≦ａ　／
　ｂ≦１．５ の関係を満たす時、オリフィスより安定的にインク滴が
噴射されることを見出した。

本発明者らは、第１図の構成による記録ヘッドを使用し
、駆動電圧２５Ｖ、電流値０．２Ａ、周波数４　、８　
ＫＨｚにて、オリフィス径を変えて実験を行ない、第１
表のような結果を得た。

第１表（吐出筒安定性の実験結果） ただし、○：極めて良、Δ：良、Ｘ：不安定ここで、オ
リフィスの径とは、水平方向及び垂直方向の最大径を言
う。

また、以下の第２表に、本発明者らが各種ヘッドを試作
評価した結果の１例を示す。なお、試作したヘッドユニ
ットのノズル数は、すべて２５６個である。また、使用
した液は、インクではなくインクと物性をほぼ同じにし
たビークルを用いた。

これは気泡を観察するために透明な液が必要だからであ
る。

第２表 また、本発明の実施例では、オリフィスを長方形とした
が１円形、楕円形、菱形等の形状においても、本発明が
有効であるのはもちろんである。

また、他の実施例について、第６図（ａ）〜（ｆ）に基
づき説明する。

図中、８は流路、９は液室、１０は発熱体基板（シリコ
ン、アルミナ、ガラス等）、１１は発熱体、１２はドラ
イフィルム、１３はフォトマスク、１５はオリフィス、
１６は蓋基板、１７．１８はリード電極、１９はテーパ
一部である。（ａ）発熱体基板１０上には、発熱体１１
とリード電極１７および１８が、ＣＶＤ法等の技術によ
り形成されている。（ｂ）その後、ドライフィルム１２
で発熱体基板１０を覆い、（ｃ）流路８および液室９を
形成する為のフォトマスク１３を発熱体基板１０に位置
合せ後、（ｄ）露光、エツチングし、発熱体１１及び流
ｗｒ８を有する基板を得る。流路８の先端部は、チー・
パ一部１９が設けられている。

（ｅ）さらに蓋基板１６を（ｄ）の発熱体基板１０上に
接着し、記録ヘッドが形成される。（ｆ）は（ｅ）のｚ
−ｚ’断面図で、（ｅ）のｃ−ｃ’をダイシング等によ
りカッ１〜し、オリフィス１５を形成し、記録ヘッドが
完成する。ドライフィルム１２としては、市販されてい
る通常の物が使用可能である。ドライフィルム１２で流
路８を形成時マスクパターンの流路８の幅および／また
はドライフィルム１２の厚さを調整することによりオリ
フィス１５の水平・垂直比を容易に設定することができ
る。即ちマスクパターン幅により水平方向の長さが、１
クライフイルム厚により垂直方向の長さを調整すること
ができ、本発明を容易に実現することが可能となる。本
発明の実施例では固体状ドライフィルムを用いた例を説
明したが、液状のものも使用可能である。

なお、記録ヘッドの製造プロセス及び材料については、
特開昭６１−２４９７６６号公報に記載されているもの
を採用してもよい。

効　　　果 以上の説明から明らかなように、本発明によると、オリ
フィスの水平方向の径と垂直方向の径との関係により、
吐Ｉ１３安定性にすぐれた高密度・高集積インクジエソ
１〜の記録ヘッドを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による液体噴射記録ヘッドの一実施例
を説明するための斜視図、第２図は、第１図における記
録ヘッドをオリフィス側より見た図、第３図は、記録ヘ
ッドの分解構成図で、（ａ）は蓋基板、（ｂ）は発熱体
基板を示す図、第４図は、記録ヘッドの蓋尤板の裏面図
、第５図は、記録ヘッドのバブルジェットインクの吐出
と気泡発生・消滅の原理を説明するための図、第６図は
、本発明の他の実施例の製造工程を示す図である。 ８・・流路、９・・・液室、１０．２２・・・発熱体ノ
、（板、１１．２９・・・発熱体（ヒータ）、１−２・
・・ドライフィルム、１３・・・フォトマスク、１５．
２４・・・オリフィス、１６．２１・・・蓋基板、１７
．２７・・独立電極、１８．２８・・共通電極、１９・
・・テーパ一部、２３・・・インク供給口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、液室内の記録液に熱エネルギーを作用させるための
   熱エネルギー発生手段を有し、該熱エネルギー作用によ
   り前記記録液中の熱エネルギー作用部に気泡を生じせし
   め、該気泡の体積増加にともなう作用力で吐出オリフィ
   スより前記記録液を液滴として飛翔させ、被記録面に付
   着させて記録を行なう液体噴射記録ヘッドにおいて、前
   記オリフィスの水平方向の径ａと垂直方向の径ｂとの比
   率が ０．５≦ａ／ｂ≦１．５ の関係を満たすことを特徴とする液体噴射記録ヘッド。