JPS59124864A - 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】 本発明は液体噴射記録装置に関し、更に詳しくは、階調
性のある記録を行うことのできる液体噴射記録装置に関
する。

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シ
、而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、所謂、インクジェット記録法（液体噴射記
録法）は、極めて有力な記録法であつ・て、これ迄にも
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ものもあれば、現在も尚
実用化への努力が続けられているものである。

その中で、例えば特開昭５４−５１８５７号公報、ドイ
ツ公開（ＤＯＬＳ）第２８４５０６４号公報に記載さる れてあれ液体噴射記録法は、液体形成エネルギーである
熱エネルギーを液体に作用させて、液滴吐出の為の原動
力を得るという点において、他の液体噴射記録法とは、
異なる特徴を有している。

即ち、上記の公報に開示されである記録法では、熱エネ
ルギーの作用を受けた液体が急峻な体積の増大を伴う状
態変化を起し１、該状態変化に基づく作用力によって、
記録ヘッド部先端に設けであるオリフィスよ少液滴が吐
出、飛翔して被記録部材・に付着し記録が行われる。

殊に、ＤＯＬＳ　２８４！１０６４に開示されている液
体噴射記録法は、所謂ｄｒｏｐ−ｏｎ　ａｅｍａｎ４記
録法に極めて有効に適用されるばかシでなく、記録ヘッ
ド部を１’ｕｌｌ　１ｉｎｅ幅に高密度マルチオリフィ
ス化して容易に実現できるので、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、種々の利点を有す
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ぜ、中間
調（ハーフトーン）の情報を含む画像記釘ζを行う必要
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つのみによって
だけ占領され得る復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「３成するセルの中
を像形成素体によっ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２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
のみによってｆｉｌ成し、像形成素体の光学的濃度を変
えることによっ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、熱エネルギーによって液体を吐出させて記録を
行うインクジェット記録ヘッドベおいては、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シ、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ップが粗
くなり、画像品位が木目細かさに欠けるという問題があ
った。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っ
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、記録ヘッドの吐出不
良、信頼性等の低下を招くという問題があった。

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
たって木目細かな階調表現ができ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ッドの信頼性、
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
ることも目的とする。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シ、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〇 本発明は液体を吐出して、飛翔的液滴を形成する為のオ
リフィスと、該オリフィスと連通した液流路と前記オリ
フィスから液体を吐出させる為のエネルギーを発生する
手段を有する液体噴射記録装置において、一方において
流路を介して前記液流路に連通し、他方において小開口
に連通ずる気泡発生部と該気泡発生部で気泡を発生させ
る手段とを有する吐出エネルギー調整部が設けられたこ
とを特徴とする。

本発明によれば階調制御性に優れ、且つ従来の欠点が解
消された液体噴射記録装置が提供される。

以下、本発明を図面に従って、更に具体的に説明する。

第１図（祠は、本発明が適用される液体噴射記録ヘッド
のオリフィス面に平行な面で切断した正面切断部分図（
第１図（ｂ）及び第１図（ｃ）に示される一点鎖線Ａ　
Ａ’で切断した図）、第１図（ｂ）は、第１図（ａ）に
一点鎖線Ｂ　Ｂ’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ＣＧ’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ッド１０１は、その表面に電気熱変
換体１１１が設けられている基板１０５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（Ｃよっ
て、オリフィス１０５と液吐出部１０６が形成された描
造を有している。液吐出部１ｏ６け、ぞの終端に液滴を
吐出させる為のオリフィス１０５と、電気熱変換体１１
１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０ １０８の上部に位置し、熱発生部８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１
１０１該下部層１１０上に設けられた電気熱変換体１１
１、該電気熱変換体１１１上に設けられた上部電極１１
５，１１４がその表面に設けられである。電極１１′５
は、各液吐出部の熱発生部に共通の電極であり、電極１
１４は、各液吐出部の熱発生部を選択して発熱させる為
の選択電極であって、液吐出部の流路に沿って設けられ
である。

上部層１１２は、電気熱変換体１１１を、使用する液体
から化学的−物理的に保饅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１１５，１１４間が短絡するのを防止する
電気熱変換体１１１の保時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、耐液性があシ、且つ液体を通
じて電極１１５，１１４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１１１０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０ 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１１１で発生す
る熱が基板１０６側の方に伝導するよυも、熱作用部１
０７側の方に伝導する割合ができる限υ多くなυ、液滴
吐出後、詰シ電気熱変換体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１０６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ッドにおいて、電気信号を
ＯＮ　＋　ＯＦＦ動作で発熱抵抗層１１１に入力するこ
とによシ、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、オリフィスよシ液滴が飛
翔する。

ここで、記録紙への記録の階調制御を行う為に飛翔液滴
のサイズＤに変化させるには、熱作用部１０９上に発生
する気泡の体積■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
置等の条件によって決まる）になると、不要な気泡が液
吐出部１０６や液流路内に滞留し、液吐出不安定を引き
起こす。更に強いては液吐出が止まってしまう。

そこで、液吐出部１０６に連通し、吐出エネルギーを紛
和する為に設けられた流路（中継流路）１２９と、該流
路１２９に連通し、気泡発生部１１７と電気熱変換体１
１５と終端に大気に開放された小開口を有する細流路１
２７とを具備した吐出エネルギー調整部（電）　１２５
とが図示される様に記録ヘッド部に設けられる。熱作用
面１２４上に発生する気泡によって、前記流路１２９、
細流路１２７、該流路１２７の終端に設けられた小開口
に圧力、がかかると電気熱変換体１１１によって’ＪＲ
生する気泡によってオリフィス１０５から液滴を吐出さ
せる吐出エネルギーが制御され、階調制御が行われる。

前記気泡発生部は第１図（ｃ）で示せば基板１０３上に
設けられた下部層１１０、該下部層１１０上に設けられ
た上部層１１２と溝付板１１４，１１６とで構成される
。電気熱変換体１１５には、熱を発生させる為に該発熱
抵抗層１１５に通電する電極１１５，１２１がその表面
に設けられている。気泡発生部１１７では、電気熱変換
体１１５の熱発生部１２６の上部に位置し、熱発生部１
２５の液体と接触する熱作用面１２４で液体に熱が伝達
され気泡が発生する。

以上の様な構造の液体噴射記録装置において、電気信号
を０Ｎ−ＯＦＦ動作で電気熱変換体１１５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上〇〜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ｔ
０〜七の時間に対応して液滴の吐出エネルギーが調整さ
れ所定の階調制御がなされる画像が記録される。

第２図（ａ）は本発明実施態様例１を説明する為の記録
ヘッド１０１の模式的斜視図である。図に於いて１１８
は液供給室、１１９は液供給管（不図示）を連絡するた
めの頁通孔であり、１２６は液流路である。

図に示される様に、本実施態様例は液供給室１１８に連
通する液流路１２６の終端にオリフィス１０５が設けら
れており、液流路１２６の液供給室１１８とオリフィス
１０５の途中に気泡発生部１１７と連通する流路１２９
と気泡発生部１１７と連通し気泡発生部１１７と逆側の
終端に／Ｊ−開口１２８を有する細流路１２７が設けら
れている。

気泡発生体１０２は液滴吐出用のもので、液流路１２６
内に設けられており、気泡発生体１２０は吐出エネルギ
ー調整用のもので気泡発生部に設けられている。

第２図（ｂ）は実施態様例２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に連通ずる液”流
路１２６の途中に気泡発生体１０２及びオリフィス１−
０５が設けられており、液流路１２６の液供給室側と逆
側の終端部分には液流路１２６と連通する流路１２９と
、流路１２９と連通する気泡発生部１１７と、気泡発生
部１１７と連通ずる細流路１２７と、細流路１２７の気
泡発生部１１−７側と逆側の終端に小開口１２８が設け
られている。

第２図（Ｃ）は実施態様例６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）
のものと同じものを指す。本実施例は、第１図（ｂ）の
ものと基本的な構成を同じとするが、気泡発生部１１７
及び小開口１２８が夫々複数個設けられているのが違っ
ている。即ち、第２図（Ｃｌは第２図（ｂＪの構成で、
流路１２９が液流路１２６に連通し、それぞれ気泡発生
部１１７．細流路１２７．小開口１２８が夫々複数個設
けられている。

基本的な液吐出の制御のされ方は実施態様例１乃至６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によって気泡を発生し圧力を生じせしめ
、オリフィス１０５より液滴を吐出させる。或は、先ず
、気泡発生部１１７の気泡発生体１２０に通電し気泡発
生部１１７で気泡を発生させ、その後、気泡発生体１０
２に通電し、気泡を液流路１２６内で発生させ、気泡発
生部１１７の気泡によって液滴を吐出する圧力（吐出圧
力）を制御してオリフィス１０５より９滴が吐出される
。吐出される液滴の大きさは吐出圧力によって変化させ
ることが出来る為、広範な濃度制御を行なうことが出来
る。

尚、実施態様例１の様に液滴の吐出方向が液供給方向と
同じ場合であっても吐出エネルギーを制御する気泡発生
部１１７の設置個数を多数設ける様な限定もされるもの
ではない。

液流路１２６と気泡発生部１１７とを連通ずる流路１２
９の断面積及び長さ、又、気泡発生部１１７に連通ずる
細流路１２７とａ流路１２７の終端部にある小開口１２
８の断面積及び長さ、気泡発生部１１７の容積は吐出さ
せる液体の種類、気泡発生体１２０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
の東件に鑑みて最良の記録画像が得られる様な値に決定
される。しかし、少なくともり泡発生部１１７で発生し
た気泡の圧力によって、オリフィス１０５から或は小開
口１２８から液体が吐出されない様な寸法にされる。

小開口１２８とオリフィス１０５は同一の面側に設けて
も良いし、それぞれ異なった面に設けられても良い。又
ミ小開口１２８はオリフィス１０５と同様に液供給方向
に対して垂直な方向に開けられていても気泡発生部１１
７内で発生した気泡の圧力を制御出来るのであればかま
わない。

以下、実施態様例１と同様の構造の液体噴射記録装置を
以下の様に作製して実際に画像を形成し記録画像を評価
した。

先ず、シリコン基板上にＳ　ｉ　Ｏ２層（下部層）がス
パッタリングにより６μｍ厚に形成され、続いて発熱抵
抗層としてＨｆＢ２が１００ＤＡ厚、アルミニウムが電
極として３０００　Ａ厚に積層された後、選択工ツチン
グによって発熱抵抗体パターンが形成された。次に５ｉ
０２層がスパッタリングによりり、５μｍ厚に保睦層（
上部層）として積層され基板上に電気熱変換体が形成さ
れた後、感光性樹脂が基板にラミネートされ、所定のパ
ターンによって感光性樹脂が露光現像され、液流路、液
供給室、吐出エネルギー調整室が形成され、更にその上
部に直径ｌ　ｍｍの穴が開けられたガラス板が接合され
た。引続いて発熱抵抗体の先端とオリフィスの距離が６
００μ等になるようオリフィス端面を研磨して記録ヘッ
ドを作成した。この記録ヘッドに黒色染料とエフノール
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。

以下、実施態様例１を例にとって階調制御方法の具体例
を説り」する。

第６図（ａ）は電気熱変換体への信号入力と、それによ
って生ずる気泡の体積変化を示すタイミングチャートで
ある。

第３図（ａ）に示すように時刻ｔｏに電気パルスＥ工を
気泡発生体１２０へ与えると、時刻ｔ１に熱作用部上に
気泡が発生し始め、時刻ｔ２に於いて気泡体積■ｌは最
大となる。これにより、流路１２９及び細流路１２７で
は発生した気泡の為に液体抵抗が増大する。該気泡Ｖ１
が流路１２９内に存在する時刻ｔ３において電気パルス
Ｅ２を気泡発生体１０２へ与えると熱作用部上に気泡が
発生し始め、液吐出部内の圧力が上昇し始める。該圧力
のほとんどは、オリフィス１０５および小開口１２．８
へ伝達されるが、流路１２９．＃Ｉ流路１２７に気泡ｖ
１が存在するため液体抵抗が大きく、気泡■２によるエ
ネルギーはオリフィス１０５へ伝達される割合が増加し
、よって液滴の吐出エネルギーは増大する。さらに、時
刻ｔ４において電気パルスＥ２を○Ｆ″Ｆすると、気泡
体積■２は減少し始め時刻ｔ５において消滅する。その
後、時刻ｔ６において電気パルスＥ□をＯＦＦすると、
気泡体積Ｖ工が減少し始め時刻ｔ７において消滅する。

前記気泡体積Ｖ１は電気パルスＬ１を変化させることに
より調節することが可能でおり、このことは吐出のエネ
ルギーが調整出来ることになる。従って、気泡発生体１
２０に与える電気エネルギーを調整することにより階調
制御を行なうことが出来た。

このような駆動方法が適用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１０．＃８とし、さらに、電気パルスＥ１のパル
ス中量を５０μｓとし、電気パルスＥ１ト電気パルスＥ
２の印加される時間差を２０μＳとした場合の電気パル
スＥ１の電圧と吐出液滴が抜記録媒体に付着した際のド
ツト径との相関を第４図に示す。図中のｊ３）線で示さ
れた幅はドツトサイズのバラツキを表わす。

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Ｖｔｈと称す）。気泡発生体１．
２０に与えたＶｔｈ以上の電圧が増加するとともにドツ
トサイズは増加する。ドツトサイズの最大と最小の差△
Ｄは１５０μｍにも達した０この△Ｄは染料含有料３　
ｗｔ、％　（ｗｅｉｇｈ、、％　）ドツト密度５　ｐｅ
’ｌ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だ０この様な駆動方法に於い
て、ＳＬ気パルスＥ１のＯＦＦされる時刻ｔ６と次の電
気パルスＥ１がＯＮされる時刻ｔｏを同時刻とし、常に
電気熱変換体１１５に電圧が印加されていても上記と同
様な効果が認められた。

また、電気パルスＥｌの形状は矩形でなくなめらかに変
化するものであっても良く、時刻ｔｏから７６の間に於
いて電圧を変化させても良いＯ本発明は第２図（ｂ）に
示される実施態様例２の様に液供給方向に対して直角の
方向に吐出方向が設けられた、所謂り型吐出記録装置に
於いても同様な効果が認められた０ 更に、本発明は、第２図（ｅ）に示される実施態様例乙
の様に気泡発生部１１７が多数、液流路１２６に連通し
た記録ヘッドによって更に一層木目細かい階調制御が行
なえる液体噴射記録装置を得ることが出来だ。

第１表は、吐出エネルギーを調整する流路気泡発生部、
細流路、小開口と気泡発生体から成る吐出エネルギー調
整室を６箇所、２箇所、１箇所設けたものと従来の全く
設けないものにつ〜・て、染料含有量を３　ｗｔ、％（
Ｗｅｉｇｈｊ　％　）　、　１．５　Ｗｔ９％、　［１
，５ｗｔ。

チとされたｉ（インク）を用いた場合の記録画像の光学
的平均反射濃度の最大値と最小値を表わしたものである
。尚、調整室のない従来のものは濃度変化を電気熱変換
体にかける電圧を変化させることによって行なった。又
、調整室が設けられているものは、前述した電気パルス
Ｅ１を変化させて第　　１　　表 第１表かられかる様に、本発明によって、記録画像の濃
度制御性は著しく向上した。特に、調整室を多数設ける
ことによって一層本発明の効果があった。濃度調整範囲
は従来のものと比較して約２倍も拡がった。

第６図（ｂ）の電気熱変換体へ通電するタイミングと発
生する気泡の体積変化をとったタイミングチャートの様
に電気パルスＥ１により発生した気泡■ｌによって、放
流路内が加圧もしくは減圧される時に電気パルスＥ２に
よって気泡■２を成長させても吐出エネルギーを調整す
ることが可能であった０又、この駆動方法に於いても広
範囲の濃度制御を行なうことかで−きた。

以上、貌ψｊｔ、ｆｃ様に、本発明によれば、吐出エネ
ルギー調整用の気泡を発生させて、吐出でれる液滴の太
キテ、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
度な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、本発明によれは、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０ 尚、吐出エネルギー調整室の容積、細流路、小開口、流
路の断面積、長さ及び諸寸法、電気熱変換体の容量等は
記録に用いられる液体（インク）やその他多くの条件に
鑑みて最も良好な値に決定される０ 流路の断面−ｔｉｌＬＪＥツ（−１すぎると吐出エネル
ギー調整室側から圧力が液流路に伝わり、オリフィスか
ら液滴を飛翔させてしまう恐れがある。又、細流路及び
該細流路に連通ずる小開口の断面積が太きすぎると小開
口から圧力が逃げ、その時調整室内の液も外に押し出し
てしまう恐れがある。

従って、最大に必要な圧力でもオリフィスから液滴を吐
出せず、又、小開口からも余計な液が出ない（小開口で
の液体の表面張力が気泡の圧力に打ち勝てる）様に適肖
な断面積に設定される。又、液流路へ最適な圧力がかか
る様に設定されるのが望ましい。

更に、流路２ＭＢ流路、小開口の断面積が太きすぎる場
合は、液流路で発生しだ液滴吐出のためのエネルギーが
吐出エネルギー調整室から逃げてしまい、場合によって
は小Ｇ’Ａ口から液滴が吐出されてしまう。従って、こ
の様なことも考慮に入れて諸寸法の決定はなされなけれ
ばならない。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａＪ乃至第１図（Ｃ）は本発明の記録ヘッド部
分の構成を説明する為のものであって、第１図ｆａ）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）は本記
録ヘッド部分の模式的斜視図である。第６図（ａ）及び
第６図（１））は本発明を訛嬰」する為の説明図である
。 第４図は本発明の詳細な説明する為の説明図である。 １０１・・・記録−・ラド、１０２，１２０・・・気泡
発生体１０ろ・・・基板、　　　　１０４・・・板部材
１０５・・・オリフィス、１０６・・・液吐出部１０７
　、１２３・・・熱作用部、１０８・・・熱発生部１０
９．１２４・・・熱作用面、１１０・・・下部層１１１
．１１５・・・電気熱変換体、１１２・・・上部層１１
３．１１４，１２１・・・電極層、１１７・・・気泡発
生部１１８・・・液供給室、　　　　１１９・・・貫通
孔１２５・・・吐出エネルギー調整室、１２６・・・　
液流路１２７・・・細光ｊ賂、１２８・・・小開口、１
２９・・・流路出Ｅ人　キャノン株式会社 く届ピ（ Ｂ’　　　　　　Ｃ’

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 液体を吐出して、飛翔的液滴を形成する為のオリフィス
   と、該オリフィスと連通した液流路と前記オリフィスか
   ら液体を吐出させる為のエネルギーを発生する手段を有
   する液体噴射記録装置において、一方において流路を介
   して前記液流路に連通し、他方において小開口に連通ず
   る気泡発生部と該気泡発生部で気泡を発生させる手段と
   を有する吐出エネルギー調整部が設けられたことを特徴
   とする液体噴射記録装置。