JPH02276648A - 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】 蓋先分互 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。

笠米挟嵜 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の方式は例えば米国特許第３０６０４２９号明
細書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、例えば米国特許第３５９６２７５号明細
書、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１例えば米国特許第３７４７１２０号明細
書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Ｓｔｅｍ震ｅ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。丙午ら、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。

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５６−４６７６９号公報には、流路部のデ
イメンジョンをオリフィスからエネルギー作用部までの
長さをａ、前記流入口からエネルギー作用部までの長さ
をｂとするとき。

となるようにした液体噴射記録ヘッドが開示されている
。

第６図は、上記特開昭５６−４６７６９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要部断
面斜視図で、周知のように、先端に所定方向に液滴を吐
出、飛翔させる為のオリフィス４を有するオリフィス側
端部５、飛翔液滴を形成する為のエネルギーが液体に作
用する部分であるエネルギー作用部６．該作用部６に液
体を導入する為の流入口２を有する流入口側端部３とで
構成される液吐出部７を具備している。液吐出部３は、
流入ロアに於いて、共通液供給室８と連結しており、共
通液供給室８の上部位には、塩化ビニール樹脂等の粘弾
性材料で形成された液供給導管９が接続され、他所に設
けられた液体貯蔵部より、共通液供給室８に液体が供給
される。

各液吐出部７を構成する各々のエネルギー作用部６への
液体の供給は、各流入口側端部３の各々の流入口２を通
じて該流入口２の各々と連結されている共通液供給室８
より成される０図に示される記録ヘッド１は、各液吐出
部は、オリフィス密度と同じ密度で各々が銘々平行にな
る様にし、各流入口２で共通液供給室８と連通ずる様に
設計製造され得、且つ記録ヘッド１に於ては、オリフィ
ス密度が記録画像密度と同じとし得るので、極めてコン
パクト化されたヘッドと成り得るものである。

上記液体噴射記録ヘッドにおいて、今、液吐出部７、即
ち、オリフィス４より流入口２までの長さをし、オリフ
ィス４よりエネルギー作用部６までの長さをａ、エネル
ギー作用断６から流入口２までの長さをす、エネルギー
作用部６の流路に沿った方向の長さを２（発熱体が設け
られる場合には、発熱部の流路に沿った方向の長さであ
り、レーザ等を照射するタイプのヘッドの場合には照射
面の流路に沿った方向の長さである）とされ、前記した
様な範囲にり、ｆｌがあり、又、ａとｂの関係式が、 なる式を満足するように設計製造されるものである。

しかしながら、上記特開昭５６−４６７６９号公報に記
載された上記関係式は、規制範囲が広すａｌ ぎて、実際に、この範囲の□≦□の等号に近い値では良
好な吐出が得られない。又、このようなディメンション
を規制するにあたっては、流体抵抗の問題を抜きにして
、長さだけで規制することは不充分である。実際に流体
が流れる時に重要なことは、その流路の太さ、つまり断
面積が重要なファクターとなる。又、特開昭５６−４６
７６９号公報は、その明細書中に記載されているように
、液吐出部を形成するための溝が幅４０μｍ、深さ４０
μｍであり、比較的大きな吐出口を有するインクジェッ
トに好適に適されるようである。

しかしながら、高画質の印写を得ようとすると、特開昭
５６−４６７６９号公報に記載されているような大きな
吐出口（４０μｍＸ４０μｍ）を有するヘッドでは、小
さいインク滴を形成することが困難であり、必ずしも高
画質の印写に適しているとはいえなかった。

月−一一瞠 本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、
特に微小な吐出口を有するバブルジェット型の液体噴射
記録ヘッドにおいて、サテライト滴を発生しないような
切れのよい吐出、又、ミスト状に飛散しないような均一
液滴の吐出、さらに、それらの吐出が高い応答周波数で
駆動できるような液体噴射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。

１−一一或 本発明は、と起重的を達成するために、先端に吐出オリ
フィスを備えたオリフィス側端部と、熱エネルギー作用
部と、該熱エネルギー作用部に連通して該熱エネルギー
部に記録液を供給するための流入口を備えた流入口側端
部より構成される流路を有する記録ヘッドを使用し、前
記熱エネルギー作用部にパルス状エネルギーを加えるこ
とにより、該パルス状エネルギーに応じて前記記録液中
の前記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前記吐出オリフィスより
噴射される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
記吐出オリフィスの断面積が９００μｍ３以下であり、
前記流路の前記オリフィス側端部から前記熱エネルギー
作用部の中点までの距離をａ、前記熱エネルギー作用部
の中点から前記流入口側端部までの距離をｂ、前記流路
の前記熱エネルギー作用部の中点から前記流入口側端部
における平均流路断面積をＳとするとき、 ３　ａ　＜　ｂ　＜　１００　（丁 なる関係式を満足し、最高連続吐出応答速度を４ＫＨｚ
より速く駆動する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構成
図で、（ａ）図は、流路部の記号を定義するための図、
（ｂ）図は、気泡による作用力を説明するための図、第
２図は１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３図は、バブルジェットヘッドの一例を示す斜
視図、第４図は、第３図に示したヘッドを構成する蓋基
板（第４図（ａ））と発熱体基板（第４図（ｂ））に分
解した時の斜視図、第５図は、第４図（ａ）に示した蓋
基板を裏側から見た斜視図で１図中、２１は蓋基板、２
２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、２９は発熱
体（ヒータ）、３０はインク、３１は気泡、３２は飛翔
インク滴で１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２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象が起きるまで加熱
され、微小気泡３１が点在している状態にある。

（Ｑ）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
生長して分だけ上昇し、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。

（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５〜１
０ｍ／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。

本発明は、上述のごときバブルジェット型の液体噴射記
録ヘッドにおいて、最適吐出条件を得るために、流路部
のディメンションを、その断面積を考慮に入れ、入念な
実験を繰り返し行ない、最適吐出条件が得られる範囲を
より厳密に規制したものである。

第１図において、ａは吐出オリフィス２４側端部から熱
エネルギー作用部２９の中点Ｐまでの距離、ｂは熱エネ
ルギー作用部中点Ｐから共通液室２６の流入口側端部Ｑ
までの距離、Ｓは流路２５のｂ領域における平均断面積
をあられす。

今、第１図（ｂ）に示すように、熱エネルギー作用部２
９に気泡３１が発生すると、気泡３１が瞬間的に膨張す
ることにより、記録液（インク）には、Ｆ、、、ＦＲな
る作用力が働く、Ｆ、とＦ、はそれぞれ吐出オリフィス
側、流入口側（共通液室側）に記録液をおしやる力であ
り、はぼ等しい値をとる。記録液滴はＦＬによって形成
される。気泡３１によって発生した作用力は、ＦＬとＦ
、に２分され、記録液滴の形成には、半分の力Ｄ’ｃの
み）が用いられるが、理想的には、気泡の作用力がす°
べて用いられるのがよい、たとえば、Ｆｌの作用すると
ころに壁のようなものがあり、Ｆ８に対する抗力が記録
液滴形成に利用されれば理想的である。一方、流路のｂ
領域は、共通液室から記録液を補供するためのものであ
り、前述のように、Ｆ、を効率的に利用するために、内
部に壁を形成することはできない。よって、その長さ及
び平均断面積を適当に選ぶことにより、Ｆｉが作用する
際の適当な流体抵抗となるようにし、かつ、記録液の補
給が充分に行なわれ、応答周波数を高くしても、補給が
追従できるようにしておく必要がある０本発明者は、そ
の最適な条件として、吐出オリフィスの断面積が９００
ｕｍ”以下であるヘッドにおいて、３　ａ　＜　ｂ　＜
　１００　％／”Ｔなる関係を満たすことにより、均一
記録液滴が吐出でき、かつ、高い応答周波数（４ＫＨｚ
より高速）をも達成できることを入念な実験を繰り返す
ことにより見い出した。

第１表に検討結果の一例を示す、応答周波数は、均ご記
録液滴ができる（サテライート滴なし、又ミスト状飛翔
なし）最高応答周波数である。

カーーー限 以上の説明から明らかなように、本発明によると、高い
応答周波数（４ＫＨｚより高速）において、サテライト
滴の発生しない切れのよい吐出、又。

ミスト状に飛散しないような均一の吐出が得られる。

【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構成
図、第２図は１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３図は、バブルジェットヘッドの一例を
示す斜視図、第４図は、分解斜視図、第５図は、蓋基板
を裏側から見た図、第６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。 ２４・・・吐出オリフィス、２５・・・流路、２６・・
・共通液室、２９・・・発熱体、３１・・・気泡。 特許出願人　　　株式会社リコー 第 図 （ｄ） に）＝： 第 図 図 （ａ） （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、先端に吐出オリフィスを備えたオリフィス側端部と
   、熱エネルギー作用部と、該熱エネルギー作用部に連通
   して該熱エネルギー部に記録液を供給するための流入口
   を備えた流入口側端部より構成される流路を有する記録
   ヘッドを使用し、前記熱エネルギー作用部にパルス状エ
   ネルギーを加えることにより、該パルス状エネルギーに
   応じて前記記録液中の前記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前記
   吐出オリフィスより噴射される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、前記吐出オリフィスの断面積が９００
   μｍ＾２以下であり、前記流路の前記オリフィス側端部
   から前記熱エネルギー作用部の中点までの距離をａ、前
   記熱エネルギー作用部の中点から前記流入口側端部まで
   の距離をｂ、前記流路の前記熱エネルギー作用部の中点
   から前記流入口側端部における平均流路断面積をＳとす
   るとき、 ３ａ＜ｂ＜１００√Ｓ なる関係式を満足し、最高連続吐出応答速度を４ＫＨｚ
   より速く駆動することを特徴とする液体噴射記録ヘッド
   。