JPH09164681A - 液体噴射記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 サテライト滴やミストの発生しない均一液滴
の吐出が高い応答周波数で駆動が可能な液体噴射ヘッド
を提供する。 【解決手段】 先端に吐出オリフィス２４を備えたオリ
フィス側端部と、熱エネルギー作用部２９と、該作用部
に連通して該作用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２５を有する。
作用部２９にパルス状エネルギーを加えることにより、
前記記録液中に気泡３１を生じせしめ、該気泡の体積増
加にともなう作用力を、吐出オリフィス側と流入口側と
に２分し、吐出オリフィス２４より記録液滴として飛翔
させて記録を行なう。流路２５のオリフィス側端部から
作用部２９の中点までの距離をａ、作用部２９の中点か
ら流路部の天井高さが高くなる領域までの距離をｂ、流
路の平均流路断面積をＳとするとき、 ５ａ＜ｂ＜１００√Ｓ なる関係式を満足する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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。

【０００２】

【従来の技術】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、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。

【０００３】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ＵＳＰ3060429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。

【０００４】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、一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。

【０００５】第２の方式は、例えばＵＳＰ3596275、Ｕ
ＳＰ3298030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、一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。

【０００６】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。

【０００７】第３の方式は例えばＵＳＰ3416153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。

【０００８】第４の方式は、例えばＵＳＰ3747120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上に付着させて記録
を行うのに対して、このStemme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、Stemme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。

【０００９】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。

【００１０】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ットが生じ易いこと等の問題点が
ある。

【００１１】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。

【００１２】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。而乍ら、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。

【００１３】更には、特開昭４８−９６２２号公報（前
記ＵＳＰ3747120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。

【００１４】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。

【００１５】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、サテライトドットの発生
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。

【００１６】また、特開昭５６−４６７６９号公報に
は、流路部のディ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、

【００１７】

【数１】

【００１８】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。

【００１９】図６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、流入口７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。

【００２０】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。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
略々平行になる様にし、各流入口２で共通液供給室８と
連通す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。

【００２１】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Ｌ、オリフィス４よりエネルギー作用部６までの長さ
をａ、エネルギー作用部６から流入口２までの長さを
ｂ、エネルギー作用部６の流路に沿った方向の長さをｌ
(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Ｌ、ｌがあり、又、ａとｂの
関係式が、

【００２２】

【数２】

【００２３】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、規制範囲が広すぎ
て、実際に、この範囲の

【００２４】

【数３】

【００２５】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。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】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
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。

【００２７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、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
エネルギー作用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を、前記吐
出オリフィス側と前記流入口側とに２分し、前記吐出オ
リフィスより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
の中点から流路部の天井高さが高くなる領域までの距離
をｂ、前記流路の平均流路断面積をＳとするとき、 ５ａ＜ｂ＜１００√Ｓ なる関係式を満足することを特徴としたものである。

【００２８】請求項２の発明は、基板上に熱エネルギー
作用部を形成した発熱体基板と、該基板の前記熱エルギ
ー作用部を記録液が流れる流路の一部とし、該流路の一
端を記録液吐出部とし、前記熱エネルギー作用部にパル
ス状エネルギーを加え、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を、前記吐出
部側とそれと反対側に２分し、前記吐出部より記録液を
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、前記流路の前記記録液
吐出部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路
の前記記録液吐出部と反対方向にある流路開始部までの
距離をｂ、前記流路の前記熱エネルギー作用部の中点か
ら前記流路開始部における平均流路断面積をＳとすると
き、 ５ａ＜ｂ＜１００√Ｓ なる関係式を満足することを特徴したものである。

【００２９】

【発明の実施の形態】図１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、図２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、図３は、バブルジェットヘッドの一
例を示す斜視図、図４は、図３に示したヘッドを構成す
る蓋基板(図４(ａ))と発熱体基板(図４(ｂ))に分解した
時の斜視図、図５は、図４(ａ)に示した蓋基板を裏側か
ら見た斜視図で、図中、２１は蓋基板、２２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、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。

【００３０】最初に、図２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。(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。

【００３１】(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城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。

【００３２】(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５〜１０ｍ／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。

【００３３】図１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
平均断面積をあらわす。

【００３４】今、図１(ｂ)に示すよすに、熱エネルギー
作用部２９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_L、Ｆ_R
なる作用力が働く。Ｆ_LとＦ_R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、ほぼ等しい値をとる。記録液滴はＦ_Lによって形成
される。気泡３１によって発生した作用力は、Ｆ_LとＦ_R
に２分され、記録液滴の形成には、半分の力(Ｆ_L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、Ｆ_Rの作用するところに
壁のようなものがあり、Ｆ_R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。

【００３５】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_R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、Ｆ_Rが作用する際の適当な流体抵抗となる
ようにし、かつ、記録液の補供が充分に行なわれ、周波
数応答を高くしても、補給が追従できるようにしておく
必要がある。本発明者は、その最適な条件として、 ５ａ＜ｂ＜１００√Ｓ 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。表１に検討結果
の一例を示す。応答周波数は、均一記録液滴ができる
(サテライト滴なし、又ミスト状飛翔なし)最高応答周波
数である。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【発明の効果】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(ｋHzオーダー)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】

【図１】 本発明の一実施例を説明するための要部構成
図である。

【図２】 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
めの図である。

【図３】 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一例を示す斜視図
である。

【図４】 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分解斜視図であ
る。

【図５】 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蓋基板を裏側から
見た図である。

【図６】 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。

【符号の説明】

２４…吐出オリフィス、２５…流路、２６…共通液室、
２９…発熱体、３１…気泡。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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作用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
   う作用力を、前記吐出オリフィス側と前記流入口側とに
   ２分し、前記吐出オリフィスより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流路部の天井高さが高く
   なる領域までの距離をｂ、前記流路の平均流路断面積を
   Ｓとするとき、 ５ａ＜ｂ＜１００√Ｓ なる関係式を満足することを特徴とする液体噴射記録ヘ
   ッド。
2. 【請求項２】 基板上に熱エネルギー作用部を形成した
   発熱体基板と、該基板の前記熱エルギー作用部を記録液
   が流れる流路の一部とし、該流路の一端を記録液吐出部
   とし、前記熱エネルギー作用部にパルス状エネルギーを
   加え、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を、前記吐出部側とそれと反対
   側に２分し、前記吐出部より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、前記流路の前記記録液吐出部側端部から
   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路の前記記録液吐出
   部と反対方向にある流路開始部までの距離を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路開始部
   における平均流路断面積をＳとするとき、 ５ａ＜ｂ＜１００√Ｓ なる関係式を満足することを特徴とする液体噴射記録ヘ
   ッド。