JPH0583373B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、液体噴射記録ヘツドに関し、より詳
しくは、階調性のある記録を行なうことの出来る
液体噴射記録装置に関する。 従来、ノンインパクト記録法は、記録時に於け
る騒音の発生が無視し得る程度に極めて小さいと
いう点に於いて関心を集めている。その中で高速
記録が可能であり、しかも普通紙に定着という特
別な処理を必要とせずに記録の行える液体噴射記
録法（インクジエツト記録法）は極めて有力な記
録法であつて、これまでにも様々な方式の提案と
それを具現化する装置が考案され、改良が加えら
れて商品化された物もあれば現在も実用化への努
力が続けられているものもある。 その中で、例えば特開昭54−51837号公報、ド
イツ公開（DOLS）第2843064号公報に記載され
てある熱エネルギーを液体に作用させて、飛翔的
液滴を形成する為の原動力を得るという点に於い
て、他のインクジエツト記録法とは異なる特徴を
有している。 即ち、上記の公報に開示されてある記録法で
は、熱エネルギーの作用を受けた液体が気泡の発
生を含む急唆な体積の増大を伴う状態変化を起
し、該状態変化に基づく作用力によつて、記録ヘ
ツド部の先端であつて大気に連通するオリフイス
より液滴が吐出、飛翔して被記録部材に付着し記
録が行なわれる。 殊に、DOLS2843064に開示されているインク
ジエツト記録法は、所謂drop−on demand記録
法に極めて有効に適用されるばかりでなく、記録
ヘツド部をfull lineタイプで高密度マルチオリフ
イス化して容易に実現出来るので、高解像度、高
品質の画像を高速で得られるという利点を有して
いる。 この様に、上記の液体噴射記録法は多くの利点
を有するものではあるが、更に高解像度、高品質
の画像を記録しようとする場合には記録画素に階
調性を持たせ、中間調（ハーフトーン）の情報を
含む画像記録を行なう必要がある。 従来、この様な、階調制御性を画像記録方法
は、先ず第１の方法として一画素を像形成素体の
１つのみによつてだけ占領され得る複数のセルに
マトリクス状に細分化し、そのマトリクス状にさ
れたセルを構成するセルの中を像形成素体によつ
て占領されているセルの個数とセルを占領してい
る像形成素体の配列状態に応じて所望のレベルの
階調性がデジタル的に表現される記録方法があ
る。次に、第２の方法として、一画素を像形成素
体の１つのみによつて構成し、像形成素体の光学
的濃度を変えることによつて所望の階調性表現を
アナログ的に表現する記録方法がある。 しかし、熱エネルギーによつて液体を吐出させ
て記録を行なう液体噴射記録ヘツドに於いては、
第１の階調制御方法によると、一画素自体の面積
が大きくなり、鮮明度等の低下を招きやすい。
又、デジタル制御であるところから階調のステツ
プが粗くなり、画像品位が木目細かさに欠けると
いう問題があつた。第２の階調制御方法は、一般
に吐出される液滴の大きさを加える電気エネルギ
ーを変化させることによつて一画素、詰り像形成
素体の大きさを変化させる方法である。しかし、
この方法では階調性の制御範囲が狭く充分な階調
制御範囲が得られず、又、記録ヘツドの吐出不
良、信頼性等の低下を招くという問題があつた。 本発明は、上記の諸点に鑑み成されたもので、
本発明は高い光学濃度から低い光学濃度までの広
い濃度範囲にわたつて木目細かな階調表現が出来
る液体噴射記録装置を提供することを目的とす
る。又、本発明は、電気熱変換体及び記録ヘツド
の信頼性、液滴吐出安定性を向上させた液体噴射
記録装置を提供する事も目的とする。更には、製
造上のバラツキによる吐出特性のバラツキを簡単
に無くし、歩留りを向上させた液体噴射記録装置
を提供することも目的とする。 上述の目的を達成するための、本発明の液体噴
射記録ヘツドは、液体を吐出するオリフイスと、
該オリフイスに連通する液流路と、該液流路に備
えられ、前記オリフイスから液体を吐出する圧力
を生じるためのエネルギーを発生するエネルギー
発生体と、前記液流路外の領域に設けられ大気に
連通せず前記液流路に連通し、前記エネルギー発
生体が前記エネルギーを発生し始めるときに気泡
を存在させることによつて、液体を吐出するため
の前記圧力を減少するように間接的に前記液体の
吐出に関与する気泡発生手段が備えられた気泡発
生部と、を具備することを特徴とする。 本発明によれば階調の制御性に富み且つ従来の
液体噴射記録ヘツドより優れた液体噴射記録ヘツ
ドが提供される。 以下、本発明を図面に従つて、更に具体的に説
明する。 第１図ａは、本発明が適用される液体噴射記録
ヘツドのオリフイス面に平行な面で切断した正面
切断面部分図（第１図ｂ及び第１図ｃに示される
一点鎖線AA′で切断した図）、第１図ｂは、第１
図ａに一点鎖線BB′で示す部分で切断した場合の
切断面部分図である。第１図ｃは、第１図ａに一
点鎖線CC′で示す部分で切断した場合の切断面部
分図である。 図に示される記録ヘツド１０１は、その表面に
電気熱変換体１１１が設けられている基板１０３
の表面に、所定の線密度で所定の巾と深さの溝が
所定数設けられている溝付板１０４，１１６で覆
う様に接合することによつて、オリフイス１０５
と液吐出部１０６が形成された構造を有してい
る。液吐出部１０６は、その終端に液滴を吐出さ
せるために大気に開放したオリフイス１０５と、
電気熱変換体１１１より発生される熱エネルギー
が液体に作用して気泡を発生し、その体積の膨張
と収縮に依る急激な状態変化を引起す処である熱
作用部１０７とを有する。 熱作用部１０７は、電気熱変換体１１１の熱発
生部１０８の上部に位置し、熱発生部１０８の液
体と接触する熱作用面１０９をその底面としてい
る。 熱発生部１０８は、基板１０３上に設けられた
下部層１１０、該下部層１１０上に設けられた電
気熱変換体１１１、該電気熱変換体層１１１上に
設けられた上部層１１２とで構成される。電気熱
変換体層１１１には、熱を発生させる為に該変換
体１１１に通電する為の電極１１３，１１４がそ
の表面に設けられてある。電極１１３は、各液吐
出部の熱発生部に共通の電極であり、電極１１４
は、各液吐出部の熱発生部を選択して発熱させる
為の選択電極であつて、液吐出部の流路に沿つて
設けられてある。 上部層１１２は、電気熱変換体１１１を、使用
する液体から化学的・物理的に保護する為に電気
熱変換体１１１と液吐出部１０６にある液体とを
隔絶すると共に、液体を通じて電極１１３，１１
４間が短絡するのを防止する電気熱変換体１１１
の保護的機能を有している。 上部層１１２は、上記の様な機能を有するもの
であるが、電気熱変換体１１１が、耐液性があ
り、且つ液体を通じて電極１１３，１１４間が電
気的に短絡する心配が全くない場合には、必ずし
も設ける必要はなく、電気熱変換体１１１の表面
に直ちに液体が接触する構造の電気熱変換体とし
て設計しても良い。 下部層１１０は、主に熱流量制御機能を有す
る。即ち、液滴吐出の際には、電気熱変換体１１
１で発生する熱が基板１０３側の方に伝導するよ
りも、熱作用部１０７側の方に伝導する割合が出
来る限り多くなり、液滴吐出後、詰り電気熱変換
体１１１への通電がOFFされた後には、熱作用
部１０７及び熱発生部１０８にある熱が速かに基
板１０３側に放出されて熱作用部１０７にある液
体及び発生した気泡が急冷される為に設けられ
る。 以上のような液滴噴射記録ヘツドに於いて、電
気信号をON−OFF動作で電気熱変換体１１１に
入力することにより、熱作用面１０９上では液体
が気化して有効な気泡が発生すると、同時に液吐
出部１０６内の圧力Ｐが気泡の体積増加と共に高
まり、オリフイスより液滴が飛翔する。 ここで、記録紙への記録の階調制御を行なう為
に飛翔液滴のサイズＤを変化させるには、熱作用
部１０９上に発生する気泡の体積Ｖを調節し、吐
出エネルギーを制御する方法がある。しかし、吐
出エネルギーがある値以下（装置等の条件によつ
て決まる）になると、不要な気泡が液吐出部１０
６や液流路内に滞留し、液吐出不安定を引き起こ
す。さらに、強いては吐出が止まつてしまう。 そこで、液流路外の領域に、大気に連通せず液
流路に連通し、気泡発生手段を備えた気泡発生部
１１７を設け、熱作用面１０９上に発生する気泡
によつて液吐出部１０６に発生した圧力Ｐを、気
泡発生部１１７内に発生させた気泡に吸収させ、
吐出エネルギーを低減させて階調制御を行なう。 前記気泡発生部１１７は、基板１０３上に設け
られた下部層１１０、該下部層１１０上に設けら
れた電気熱変換体１１５、該電気熱変換体１１５
上に設けられた上部層１１２及び溝付板１０４で
構成される。電気熱変換体１１５には熱を発生さ
せる為に電気熱変換体１１５に通電する為の電極
１１３，１２１がその表面に設けられている。 気泡発生部１１７は、電気熱変換体１１５の熱
発生部１２３の液体と接触する熱作用面１２４を
その１つの面としている。尚上部層１１２は液も
れや電極の短絡が生じなければ必須のものでな
い。 以上の様な構造の液体噴射記録ヘツドに於い
て、電気信号をON−OFF動作で電気熱変換体１
１５に入力することで熱作用面１２４上では液体
が気化し、気泡が発生する。該気泡が存在する時
刻t₀〜Ｔの間に、液滴吐出の為の電気信号を電気
熱変換体１１１に入力すれば、時刻t₀〜ｔの時間
に対応して大きさの異なる液滴が吐出される。 第２図ａは本発明の実施態様例１を説明する為
の記録ヘツド１０１の模式的斜視図である。図に
於いて１１８は液供給室、１２６は液流路、１１
９は液供給管（不図示）を連結するための貫通孔
である。 図に示される様に、本実施態様例は液供給室１
１８に連通する液流路１２６の終端にオリフイス
１０５が設けられており、液流路１２６の液供給
室１１８とオリフイス１０５の途中に気泡発生部
１１７と連通する細流路が設けてある。気泡発生
体１０２は液滴吐出用のもので液流路１２６内に
設けてあり、気泡発生体（気泡発生手段）１２０
は気泡発生部１１７内に設けてある。 第２図ｂは実施態様例２の記録ヘツド１０１の
模式的斜視図である。図中の番号の示すものは第
２図ａのものと同じである。本実施態様例は、液
供給室１１８に連通する液流路１２６の途中に気
泡発生体１０２及びオリフイス１０５が設けてあ
り、液流路１２６の終端に細流路で連通される気
泡発生部１１７で構成される。気泡発生部１１７
には気泡発生体１２０が設けてある。本実施態様
例は図に示される様に、オリフイス１０５が液滴
の吐出方向が液供給方向に対して垂直に設けられ
ている。 第２図ｃは実施態様例３の記録ヘツド１０１の
模式的斜視図である。図中の番号の示すものは第
２図ａ及び第２図ｃのものと同じである。本実施
例は、第１図ａのものと基本的な構成を同じとす
るが、気泡発生部１１７が夫々複数個設けられて
いるのが違つている。即ち、第２図ｃには液供給
室１１８に連通する液流路１２６の終端にオリフ
イス１０５が設けられており、且つ液流路１２６
の途中に夫々独立した４つの細流路に連通する気
泡発生部１１７が４つ設けられている構成となつ
ている。 基本的な液吐出の制御のされ方は実施態様例１
乃至３のどれも同じで、液供給室１１８から供給
された液は気泡発生体１０２によつて加熱され、
気泡を発生して圧力を生じさせ、オリフイス１０
５より液滴を吐出させる。或は先ず気泡発生部１
１７の気泡発生体１２０に通電し、気泡発生部１
１７で気泡を発生させ、その後気泡発生体１０２
に通電し気泡を液流路１２６内で発生させ液滴を
オリフイス１０５より吐出させる。後者の場合、
オリフイス１０５より液滴を吐出させる圧力（吐
出圧力）は、気泡発生部１１７で発生させた気泡
によつて液流路１２６で発生させた気泡の圧力を
制御することによつて広い範囲にわたつて変化さ
せることが出来る。従つて、吐出される液滴の大
きさは、吐出圧力によつて変化する為、被記録部
材上には広い範囲の濃度制御を行なうことができ
る。 尚、実施態様例２の様に液滴の吐出方向が液供
給方向に対して垂直になつているものに於いても
吐出エネルギーを制御する気泡発生部１１７の設
置個数を実施態様例３の様に多数設けることが出
来る。更に実施態様例３に於いて、気泡発生体１
０２は２個の吐出エネルギーの制御をする気泡発
生部１１７に対して１個設けられているが、これ
は吐出エネルギーの制御量に応じて液滴吐出のた
めの気泡発生体１０２が設けられていればよいの
で、図に示される様に２個の気泡発生部１１７に
対して気泡発生体１０２が１個とは規定されない
し、一つのオリフイス１０５に対して４つの気泡
発生部１１７を設けるということも規定されな
い。又、液流路１２６と気泡発生部１１７とを連
通する細流路の断面積及び長さ、気泡発生部１１
７の容積は吐出させる液体の程数、気泡発生体１
２０及び１０２の発熱量、記録濃度の制御量、気
泡発生部の設置数、その他多くの条件に鑑みて最
良な記録画像が得られる様な値に決定される。し
かし、少なくとも気泡発生部１１７で発生した気
泡の圧力によつてオリフイス１０５から液滴が吐
出されない様な寸法にされる。 本発明の実施態様例１による記録ヘツドは例え
ば以下の様に作製する事が出来た。 まず、シリコン基板上にSiO₂（下部層）がスパ
ツタリングにより3μm厚に形成され、続いて電気
熱変換体としてHfB₂が1000Å厚に、電極として
アルミニウムが3000Å厚に積層された後、選択エ
ツチングによつて電気熱変換体パターンが形成さ
れた。次にSiO₂層がスパツタリングにより0.5μm
厚に保護層（上部層）として積層され基板上に熱
発生部が形成された後、感光性樹脂が基板にラミ
ネートされ、所望のパターンによりその感光性樹
脂が露光、現像され、液流路、液供給室、吐出エ
ネルギー供給室が形成され、更にその上部に直径
１mmの貫通孔が設けられたガラス板が接合され
た。引き続いて、発熱抵抗体の先端とオリフイス
の距離が300μmになるようオリフイス端面が研磨
され、記録ヘツドが作製された。 この記録ヘツドに黒色染料とエタノールを主成
分とするインクを0.01気圧の背圧で熱作用部に供
給しながら、矩形電圧パルス印字信号を電気熱変
換体に印加して画像を記録し評価した。 実施態様例１を例にとつて、本発明の液体噴射
記録装置による階調性の制御方法の具体的な方法
を説明する。 第３図ａは電気熱変換体への信号入力と、それ
によつて生ずる気泡の体積変化と、液流路内の圧
力変化を示すタイミングチヤートである。 図に示される様に、時刻t₀に電気パルスE₁を気
泡発生体１２０に与えると、時刻t₁に熱作用部上
に気泡が発生し始め、時刻t₂に気泡体積V₁は最大
となる。この時刻t₁とt₂の間に液流路内圧力Ｐは
正圧となり極大値P₁を持つ。この極大値P₁は、
吐出に必要なエネルギーP_thを超えない値とすれ
ば、この気泡発生によつてオリフイスからの液滴
飛翔は生じない。次に、時刻t₃に電気パルスE₂を
気泡発生体１２０へ与えると、熱作用部上に気泡
が発生し始め、時刻t₄に気泡体積V₂は最大とな
る。この間、吐出エネルギーを吸収するための気
泡の体積V₁は、この気泡が大気に開放していな
い気泡発生部にあり、この気泡発生部が連通して
いる液流路内の圧力が上昇するために、減少す
る。これによつて、吐出エネルギー吸収の為の気
泡が存在しない場合の液流路内圧力P′の最大値
P₄に比べ、該気泡が存在する場合の液流路内圧
力Ｐの最大値P₃は低い値となる。詰り、吐出の
為のエネルギーは減少する。更に、時刻t₄に於い
て電気パルスE₂を取除くと（OFFにすると）気
泡体積V₂は減少し始め、時刻t₅に於いて消滅す
る。その後時刻t₆に於いて電気パルスE₁を取除く
と、気泡体積V₁が減少し始め時刻t₇に於いて消滅
する。 この様な階調性制御の為の駆動方法が実施出来
る本発明の液体噴射記録装置において前記電気パ
ルスE₂の電圧を30V、パルス幅を10μSとし、更
に、電気パルスE₁のパルス幅を50μSとし、電気
パルスE₁とE₂の印加される時間差を20μsとした
場合の電気パルスE₁の電圧と吐出された液滴が
被記録部材に付着した際のドツト径との相関を第
４図に示す。 電気パルスE₁の印加電圧が12Vを超えると、熱
作用部に気泡が発生し始め付着したドツトサイズ
（ドツト径）は減少し始めた（以後この様な現象
が現われる電気パルスE₁の印加電圧をV_thと称
す）。気泡発生体１２０に与えたV_th以上の電圧Ｖ
が増加するとともにドツトサイズは減少する。ド
ツトサイズの最大と最小の差△Ｄは150μmにも達
した。この△Ｄは染料含有量3wt.％（weight
％）、ドツト密度5pelで印画した場合の光学的平
均反射濃度値0.6〜1.4の変調幅に対応していた。 第１表に、上記の記録ヘツドを用いて、染料含
有量3wt.％，1.5wt.％，0.5wt.％の３種の液（イ
ンク）を用いた場合の光学的平均反射濃度の変調
幅と、従来の記録ヘツドで電気熱変換体へ与える
電圧の値を変化させた時の光学的平均反射濃度の
変調幅を前記濃度の最大値。最小値で示す。

【表】 第１表にも示される様に本発明も従来のものも
被記録部材の最大濃度については差は認められな
かつたが、最小濃度（全く液滴が飛翔していない
場合を除いた、最も薄く印画出来た時の濃度）に
於いては本発明の方が著しく小さな値となつた。
即ち、本発明は従来の約２倍の変調幅を持つので
より広い階調制御が行なえるのである。 さらに、前記駆動方法による電気パルスE₁の
OFFされる時刻t₆と次のパルスがONされる時刻
t₀が同時刻とし、常に気泡発生体１２０に電圧が
印加される駆動方法によつても同様な効果が得ら
れた。 また、電気パルスE₁の形状は矩形状でなくな
めらかであつても良い。又、時刻t₀からt₆の間に
おいて電圧を変化させても良い。 第２図ｂに示すようにインク供給方向に対し垂
直に液滴の吐出方向を設けたいわゆるＬ型吐出ヘ
ツドにおいても本発明を適用することが出来た。 さらに、第２図ｃに示すような、気泡発生部が
多数、液流路１２６に連通した記録ヘツドにおい
ては、前記実施例以上の木目細かな階調制御を行
なうことが出来た。 第３図ｂに示すように、電気パルスE₁により
発生した気泡V₁が消失し、液流路内圧力が負圧
になる時刻t₆からt₇の間に電気パルスE₂により気
泡V₂を成長させ、液吐出エネルギを調整し、階
調制御を行う駆動方法によつても先の実施例と同
様な効果が得られた。 以上説明した様に、本発明の液体噴射記録装置
は液吐出エネルギー調整用の気泡を発生させて、
吐出される液滴の大きさ、詰りドツトサイズ、を
変化させて、画像階調を幅広く制御することが出
来る。その結果、高解像度、高鮮明度は画像を形
成することが出来る。更に、光学的濃度の低い領
域での液滴の吐出の安定性を向上させることも出
来る。加えて、本発明によれば、装置製造上のバ
ラツキによるドツトサイズの不揃いを液吐出エネ
ルギー調整用の気泡により調整し光学的濃度の不
均一を無くすことも出来る。 詰り、本発明によれば従来にない画像階調性の
制御が良好な優れた液体噴射記録装置が提供され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、乃至第１図ｃは、本発明の記録ヘツ
ド部分の構成を説明する為のものであつて、第１
図ａは正面切断部分図、第１図ｂ及び第１図ｃは
横切断部分図である。第２図ａ乃至第２図ｃは記
録ヘツド部分の模式的斜視図である。第３図ａ及
び第３図ｂは本発明を説明する為の説明図であ
る。第４図は本発明の効果を説明する為の説明図
である。 １０１……記録ヘツド、１０２，１２０……気
泡発生体、１０３……基板、１０４……板部材、
１０５……オリフイス、１０６……液吐出部、１
０７，１２３……熱作用部、１０８……熱発生
部、１０９，１２４……熱作用面、１１０……下
部層、１１１，１１５……電気熱変換体、１１２
……上部層、１１３，１１４，１２１……電極
層、１１７……気泡発生部、１１８……液供給
室、１１９……貫通孔、１２９……吐出エネルギ
ー吸収部、１２６……液流路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体を吐出するオリフイスと、 該オリフイスに連通する液流路と、 該液流路に備えられ、前記オリフイスから液体
   を吐出する圧力を生じるためのエネルギーを発生
   するエネルギー発生体と、 前記液流路外の領域に設けられ大気に連通せず
   前記液流路に連通し、前記エネルギー発生体が前
   記エネルギーを発生し始めるときに気泡を存在さ
   せることによつて、液体を吐出するための前記圧
   力を減少するように間接的に前記液体の吐出に関
   与する気泡発生手段が備えらた気泡発生部と、 を具備することを特徴とする液体噴射記録ヘツ
   ド。 ２ 前記エネルギー発生体は前記エネルギーとし
   て熱エネルギーを発生する電気熱変換体である特
   許請求の範囲第１項に記載の液体噴射記録ヘツ
   ド。 ３ 前記オリフイスから液体が吐出する方向と前
   記液流路内の前記エネルギー発生体が備えられた
   位置へ液体が供給される方向とがほぼ同じである
   特許請求の範囲第１項に記載の液体噴射記録ヘツ
   ド。 ４ 前記オリフイスから液体が吐出する方向と前
   記液流路内の前記エネルギー発生体が備えられた
   位置へ液体が供給される方向とがほぼ直角である
   特許請求の範囲第１項に記載の液体噴射記録ヘツ
   ド。 ５ 前記気泡発生手段は電気熱変換体である特許
   請求の範囲第１項に記載の液体噴射記録ヘツド。 ６ 前記気泡発生部は一つの前記エネルギー発生
   体に対し複数設けられている特許請求の範囲第１
   項または第５項に記載の液体噴射記録ヘツド。