JPH11105276A - インクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発熱体やピエゾ素子等のエネルギ発生手段を
個々のインク加圧室にそれぞれ対応して設けずにインク
飛翔を可能にしたインクジェット記録装置を提供する。 【解決手段】 本発明のインクジェット記録装置１０
は、光を吸収して熱に変換する熱伝導層１４と、この熱
伝導層１４に隣接して設けられ、内部に液体を封入した
液体室３２と、この液体室３２の壁部を形成し、上記熱
による液体室の体積膨張によって変形可能な隔壁１８
と、この隔壁１８を介して上記液体室３２に対向し、上
記隔壁１８の変形により加圧されるインクを収容したイ
ンク加圧室３４と、加圧されたインク加圧室３４内のイ
ンクを飛翔させるノズル４２と、を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像信号に応じて
インクを飛翔させ、記録媒体に付着させて画像を記録す
るインクジェット記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、実用化されているインクジェット
カラープリンタでは、発熱体加熱によりインク中にバブ
ルを発生させ、バブルの膨張力によってインクを飛翔さ
せるバブルジェット方式と、電圧印加時のピエゾ素子の
変形によりインクを加圧して飛翔させる方式が主流にな
っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記バ
ブルジェット方式では、インクが直接加熱される場合、
インクの熱変質やこげが発生し、こげにより生じた固形
物の付着により熱効率が低下してインク飛翔状態が変化
したり、上記固形物がインク中に流出してノズル詰まり
やすいという問題があった。また、各インクチャンネル
に対応して複数の発熱体を高密度に配列する必要があ
り、かつ各発熱体に対応するドライバがそれぞれ必要で
あることからコストアップにつながっていた。

【０００４】一方、ピエゾ素子を用いた方式では、ピエ
ゾ素子自体が高価であるとともに、高密度配置のための
微細加工が容易ではなかった。

【０００５】さらに、両方式のいずれの場合にも、高密
度に配列された発熱体またはピエゾ素子から個々に駆動
用電気配線を引き出し、それらを対応するドライバにそ
れぞれ結線する必要があり、製造が複雑になるとともに
コストアップにつながっていた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明インクジ
ェット記録装置は上記問題点を解決するため、光を吸収
して熱に変換する熱変換手段と、この熱変換手段に隣接
して設けられ、内部に液体を封入した液体室と、この液
体室の壁部を形成し、上記熱による液体室の体積膨張に
よって変形可能な隔壁と、この隔壁を介して上記液体室
に対向し、上記隔壁の変形により加圧されるインクを収
容したインク加圧室と、加圧されたインク加圧室内のイ
ンクを飛翔させるノズルと、を備えたものである。

【０００７】

【発明の作用および効果】本発明のインクジェット記録
装置では、熱変換手段が照射された光を吸収して熱に変
換する。この熱により液体室内の液体が加熱されて気化
し、このときの液体室の体積膨張によって隔壁が変形し
てインク加圧室側に押し込まれる。これによりインク加
圧室内のインクが加圧されてノズルから飛翔する。

【０００８】このように本発明によれば、独自にエネル
ギを発生する発熱体やピエゾ素子をインク加圧室に対応
して設けていないので、高密度に配列する場合にも安価
にでき、しかも結線の煩雑さもない。また、発熱体等の
エネルギ発生手段がない分、構成が簡単になるので、イ
ンク加圧室およびノズルを高密度に、かつ記録媒体の全
幅にわたって長く形成してフルライン化することが容易
になる。フルライン化した場合、インクジェットヘッド
をスキャンさせながら印字するタイプに比べて記録速度
を大幅に高速化できる。

【０００９】さらに、本発明のインクジェット記録装置
は発熱体を用いてインクを直接加熱するものではないの
で、インクの熱変質やこげを防止できる。その結果、イ
ンクの性質を安定維持できるとともに、インクこげによ
る固形物の付着で熱効率が低下したり上記固形物による
ノズル詰まりが発生することもない。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施
形態であるインクジェットヘッド１０の部分平面図、図
２はインクジェットヘッド１０の切断面を含む斜視図で
ある。図１、２に示すように、インクジェットヘッド１
０は、基板１２、熱伝導層（熱変換手段）１４、液体室
形成部材１６、隔壁１８、インク流路部材２０、および
ノズルプレート２２を積み重ねて一体的に接合して構成
されている。

【００１１】基板１２には、細長く延びるスリット状の
光照射口３０が形成されている。この光照射口３０に熱
伝導層１４の部分１５が露出しており、この露出部１５
にレーザ光が照射されるようになっている。熱伝導層１
４は後述する材料からなり、レーザ光を吸収して熱に変
換する機能を有する。

【００１２】液体室形成部材１６には複数の矩形開口部
が上記光照射口３０に沿って等間隔に形成されている。
熱伝導層１４の露出部１５と隔壁１８との間に挟まれて
密封された上記各開口部の内部がそれぞれ液体室３２と
なっている。このように、液体室３２は熱伝導層１４に
隣接して設けられるとともに、隔壁１８が液体室３２の
一方の壁部をなしている。液体室３２には、水またはオ
イル（例えば、白灯油、シリコーンオイル、フルオロシ
リコーンオイル等）が封入されている。

【００１３】インク流路部材２０には複数の貫通溝およ
び溝状凹部が形成されている。これら貫通溝および溝状
凹部はノズルプレート２２と隔壁１８によって覆われて
おり、それらの内部にインクを収容する複数のインク加
圧室３４、補給用インクを収容するインク供給室３６、
各インク加圧室３４をインク供給室３６にそれぞれ連通
させる複数のインクインレット３８が形成されている。
これにより、インク供給口４０からインク供給室３６に
供給されたインクは、それぞれ対応するインクインレッ
ト３８を介して各インク加圧室３４に収容されるように
なっている。

【００１４】図３、４に示すように、インク加圧室３４
は隔壁１８を介して液体室３２に対向しており、液体室
３２と同様に等間隔に配置されている。また、ノズルプ
レート２２には、各インク加圧室３４にそれぞれ連通す
る複数のノズル４２が一直線上に等間隔に形成されてい
る。

【００１５】図５に示すように、本実施形態のインクジ
ェットヘッド１０は、記録紙Ｐの全幅にわたって延びる
フルライン状に形成されている。すなわち、インクジェ
ットヘッド１０はスキャン不要で所定位置に固定されて
いればよく、記録紙Ｐのみがインクジェットヘッド１０
のノズル面に対向しつつ矢印４８方向に搬送されること
によって記録が行われる。一方、半導体レーザ装置５０
から発射されたレーザ光は、音響光学効果素子５２、ミ
ラー５４、および光学系５６を介して回転するポリゴン
ミラー５８に入射し、そこからｆθレンズ６０を介して
発射されたレーザ光がインクジェットヘッド１０の光照
射口３０にスキャンしながら入射し、各液体室３２に対
応する熱伝導層１４の露出部１５に照射される。この
際、レーザ光を絞り込むことにより高密度に配置された
液体室３２への書き込みが可能になる。

【００１６】次に、図６、７を参照して上記インクジェ
ットヘッド１０による記録動作について説明する。画像
印字信号が半導体レーザ装置５０用のメモリに入力され
ると（Ｓ１）、まず、インクジェットヘッド１０にイン
クが充填されていることを確認したうえで（Ｓ２）、ポ
リゴンミラー５８を回転させる（Ｓ３）。そして、記録
紙Ｐの搬送を開始し（Ｓ４）、記録紙Ｐの印字開始位置
がノズル対向部に来たのに同期して画像印字信号に対応
したレーザ照射を開始する（Ｓ５）。

【００１７】図７に示すように、光照射口３０を介して
熱伝導層１４の露出部１５に照射されたレーザ光は吸収
されて熱に変換され、その熱によって液体室３２内部の
液体が瞬時に加熱され、液体の一部が気化して液体室３
２の体積が膨張する。この体積膨張によって隔壁１８が
変形し、図７において点線で示すようにインク加圧室３
４側に押し込まれる。これにより、インク加圧室３４内
のインクが加圧され、ノズル４２からインク滴４６が飛
翔する。このインク滴が記録紙に付着してドットを形成
し、このドットの集合により画像が記録される。レーザ
照射が終了すると、液体室３２内の気泡が冷却されて液
体状態に戻り、隔壁１８がもとの形状に復帰する。この
ときインク加圧室３４内に発生する負圧と毛管現象によ
りインクがインク供給室３６からインク加圧室３４に補
給され、次のインク飛翔に備える。このようなインク飛
翔動作が繰り返されて画像印字が終了すると（Ｓ６）、
記録紙を図示しない排紙トレイ上に排紙する（Ｓ７）。

【００１８】このように本実施形態のインクジェットヘ
ッド１０では、独自にエネルギを発生する発熱体やピエ
ゾ素子をインク加圧室３４に対応して設けていないの
で、インク加圧室３４を高密度に配列する場合にも安価
に構成することができ、しかも結線の煩雑さもない。ま
た、発熱体等のエネルギ発生手段がない分、構成が簡単
になるので、インク加圧室３４およびノズル４２を高密
度に、かつ記録紙の全幅にわたって長く形成してフルラ
イン化することが容易になる。フルライン化した場合、
インクジェットヘッドをスキャンさせながら印字するタ
イプに比べて記録速度を大幅に高速化できる。

【００１９】さらに、本実施形態のインクジェットヘッ
ドは発熱体でインクを加熱することがないので、インク
の熱変質やこげを防止できる。その結果、インクの性質
を安定して維持できるとともに、インクこげによる固形
物の付着で熱効率が低下してインク飛翔状態が変化した
り上記固形物でノズル詰まりが発生することもない。

【００２０】なお、従来のバブルジェット方式のインク
ジェットヘッドでは、発熱体を覆う保護膜を設けて発熱
体がインクと接触しないようにしたものがある。この保
護膜には熱伝導性、耐熱性、耐衝撃性、高寿命が要求さ
れるが、これら相反する条件を同時に満たすことは困難
であるため寿命を犠牲にし、ヘッドをカートリッジ化し
て定期的に交換する方法が採用されている。しかし、こ
れではランニングコストが高くなるとともに、交換した
ヘッドの廃棄による環境への影響が危惧される。これに
対して本実施形態のインクジェットヘッドでは、熱伝導
層および隔壁について寿命を犠牲にしなければならない
要因がなく、これらに十分な耐久性を持たせることがで
きるので、そのような不都合はない。

【００２１】また、透明ガラスプレートを介してインク
にレーザ光を照射して加熱するバブルジェット方式のイ
ンクジェットヘッドがあるが、この方法ではインクの熱
変質やインクこげによる固形物で熱効率の低下やノズル
詰まりが発生するという不都合に加えて、ガラスプレー
トでのレーザ光の反射やインク中の光透過等のエネルギ
ロスが大きいため、エネルギの大きいガスレーザ等を用
いる必要がある。例えばガスレーザの場合には防爆装置
や遮断装置が付いた光源を使わざるを得ないので、装置
が大型化してしまうという欠点がある。これに対して本
実施形態のインクジェットヘッドでは、レーザ光の吸収
層を設けることで比較的エネルギの小さい半導体レーザ
を使用することができ、装置を小型化することができ
る。

【００２２】ところで、上記熱伝導層１４に用いること
ができる材料としては、基本的には、光源の波長光を吸
収して熱に変換できる材料であれば使用できる。ただ
し、加熱された液体に対して変質せず、繰り返し加熱に
体する耐久性が高いものが望ましい。また、液体の気化
による体積膨張で発生する圧力に対する耐久性も要求さ
れる。これらの条件を満たすものとしては、黒鉛、窒化
ホウ素、リン青銅、窒化リン化合物、ホウ素化ハフニウ
ム、チタン・ブラック、雲母状酸化鉄、酸化コバルト、
グラファイト、クロムめっきリン青銅、有機染料や顔料
（アゾ、ビスアゾ染料、カーボンブラック顔料、フタロ
シアニン系顔料等）を分散した樹脂材料、または他の透
光性基板上にこれらを膜化せしめたものを用いてもよ
い。上記樹脂材料には、例えば、ポリエステル樹脂、ポ
リイミド樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリカ
ーボネート樹脂、ウレタン樹脂、ポリアセタール樹脂、
液晶ポリマ、エポキシ樹脂等を用いることができる。な
お、本実施形態の熱伝導層１４には厚さ１７μｍのクロ
ムめっきリン青銅（めっき２μｍ）を用いた。

【００２３】上記液体室形成部材１６を構成する樹脂材
料やコンポジット材料には、断熱作用のある材料を用い
るか、断熱材料を含有させた材料を用いるのが好まし
い。これにより、レーザ光照射により液体室３２に発生
した熱が周辺に伝導して発散するのを防止でき、エネル
ギロスを小さくすることができる。断熱材料には、例え
ば、セラミック類として酸化チタン、酸化ジルコニウ
ム、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ケイ素等があ
り、樹脂類としてシリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ブチ
ルゴム系樹脂、フッ素含有樹脂系（四フッ化エチレン、
フルオロシリコーン等）等があり、その他としては熱伝
導度が低いもので液体室形成部材の形状に加工できるも
のであれば使用でき、上記セラミックと樹脂のコンパウ
ンド類を用いることもできる。なお、本実施形態では、
液体室形成部材１６の材料としてウレタン樹脂中に酸化
ケイ素を１０ｗｔ％混合したものを用いた。

【００２４】上記隔壁１８は融点Ｔ_m≧２００℃の樹脂
材料からなるフィルムで構成するのが好ましい。融点Ｔ
_mが２００℃より小さいと液体室３２の繰り返し加熱に
よる耐久性が低下し、ヘッド寿命が制限されるからであ
る。これを示す実験例および比較例が次の表１である。
この表において、◎は１×１０⁹回以上、○は１×１０⁹
回、△は１×１０^6〜9回、×は１×１０⁶回以下の印字
繰り返し寿命であったことをそれぞれ示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】また、隔壁１８について、弾性率は４００
ｋｇｆ／ｃｍ²以下であることが好ましく、厚みは５０
μｍ以下であることが好ましい。弾性率が４００ｋｇｆ
／ｃｍ²より大きいと、インク飛翔に必要なエネルギを
半導体レーザでは賄えなくなるからである。また、厚み
が５０μｍより大きいと隔壁の変形自体が極端に小さく
なり、インクが飛翔しなくなるからである。隔壁の弾性
率および厚みを異ならせて行った実験例および比較例の
結果を次の表２に示す。この表において効率の評価は、
△（１ｍＷ半導体レーザを３０μｓｅｃ照射、インク飛
翔に必要な条件）を基準値として、○は△以上、×は△
以下であることを示す。なお、◎は○よりもさらに効率
がよいことを示しており、実験例４、５を比較すると略
同一厚みのアラミドフィルムとポリイミドフィルムとで
は弾性率の低い（柔らかい）ポリイミドフィルムの方が
同一圧力であっても隔壁を変形させやすく効率がさらに
良かった。

【００２７】

【表２】

【００２８】続いて、液体室３２に封入する液体の種類
によって応答性および耐久性がどのように異なるかを調
べた実験例と比較例を下記の表３、表４に示す。これら
の表において、耐久性の評価は上記表１と同様に行っ
た。

【００２９】表３、４から、液体の沸点Ｔbが高くなる
ほど気化させるためにレーザ照射時間を長くする必要が
あるので、応答性が低くなる傾向にあることが分かる。
具体的には、沸点Ｔbが２５０℃以上であると加熱に時
間がかかり、応答性が１００Ｈｚ以下となって実用上不
適である。これに対し、好ましくは沸点Ｔbが２００℃
以下であれば１ｋＨｚ以上の応答性を確保でき、少なく
とも毎分数枚以上のプリントが可能となり実用上好適で
ある。また、液体室３２に封入される液体が水である場
合には安価であるが、耐久性の面ではオイルの方が総じ
て優れている。

【００３０】

【表３】

【００３１】

【表４】

【００３２】次に、図８〜１０を参照して上記インクジ
ェットヘッド１０の変形例について説明する。なお、変
形例についてはインクジェットヘッド１０と同じ構成部
分には同一符号を付して説明を省略する。図８に示すイ
ンクジェットヘッドは、隣接するインク加圧室３４間が
連通部３５によってつながれている。これにより、各イ
ンク加圧室３２へのインク補給が速く行われ、応答性が
よくなる。

【００３３】また、図９に示すインクジェットヘッドで
は、インク加圧室３４の断面がインク飛翔方向に向かっ
て徐々に細くなるように壁面３７が傾斜している。この
場合、液体室３２の加熱による隔壁１８の変形量が一定
であっても、インク加圧室内でのインクの流動速度がノ
ズル近傍で増加し、インクの飛翔速度を上記インクジェ
ットヘッド１０よりも速くすることができ、印字安定性
が向上する。具体的には、インクジェットヘッド１０と
比較するとインク飛翔速度が約９ｍ／ｓｅｃから約１２
ｍ／ｓｅｃに増加して約１．３倍になった。逆に、上記
インクジェットヘッド１０と同じ速度でインクを飛翔さ
せる場合には、印加エネルギ量を減らすことができるの
で、半導体レーザ出力を低減することができ、省エネル
ギ、寿命増加等の効果が得られる。

【００３４】図１０に示すインクジェットヘッドでは、
熱伝導層１４の液体室３２対向部に複数のフィン状突起
部１４ａを設け、液体室３２内の液体の加熱効率をアッ
プさせたものである。

【００３５】なお、以上に説明したインクジェットヘッ
ド１０およびその変形例では、光源に半導体レーザ装置
を用いたが、これに限らず他の光源、例えばＬＥＤ装置
を用いてもよい。また、記録装置の大きさを気にせずと
もよい場合にはガスレーザ装置、固体レーザ装置等を用
いてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明にかかるインクジェットヘッドの部分
平面図。

【図２】 インクジェットヘッドの断面を含む斜視図。

【図３】 図１におけるIII−III線断面図。

【図４】 図１におけるIV−IV線断面図。

【図５】 レーザ光学系とインクジェットヘッドへのレ
ーザ光照射状態を示す図。

【図６】 画像記録動作の制御を示すフローチャート。

【図７】 インク飛翔時の隔壁の変形状態を示す断面
図。

【図８】 インクジェットヘッドの変形例を示す部分平
面図。

【図９】 インクジェットヘッドの別の変形例を示す部
分断面図。

【図１０】 インクジェットヘッドのさらに別の変形例
を示す部分断面図。

【符号の説明】

１０…インクジェットヘッド（インクジェット記録装
置）、１４…熱伝導層（熱変換手段）、１８…隔壁、３
２…液体室、３４…インク加圧室、４２…ノズル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光を吸収して熱に変換する熱変換手段
   と、この熱変換手段に隣接して設けられ、内部に液体を
   封入した液体室と、この液体室の壁部を形成し、上記熱
   による液体室の体積膨張によって変形可能な隔壁と、こ
   の隔壁を介して上記液体室に対向し、上記隔壁の変形に
   より加圧されるインクを収容したインク加圧室と、加圧
   されたインク加圧室内のインクを飛翔させるノズルと、
   を備えたインクジェット記録装置。