JP2641727B2

JP2641727B2 - 液体噴射記録ヘッド

Info

Publication number: JP2641727B2
Application number: JP63036346A
Authority: JP
Inventors: 卓朗関谷
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1988-02-18
Filing date: 1988-02-18
Publication date: 1997-08-20
Anticipated expiration: 2012-08-20
Also published as: JPH01210353A

Description

【発明の詳細な説明】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
ルジェット型液体噴射記録ヘッドに関する。

従来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。

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、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。

第２の方式は、例えばUSP3596275、USP3298030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。

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。

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。

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
テライトドッ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。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。

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。

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に、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。

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。

また、特開昭61−98551号公報には、バブルジェット
型の液体噴射記録ヘッドにおいて、オリフィスに連通し
た基板上に配置された吐出エネルギ発生素子が発生する
吐出エネルギがインクに作用するエネルギ作用部を有す
るインク流路の長さを全て同じにしてインク吐出性能を
向上させ、応答周波数のばらつきのない安定した品質の
インクジェット記録装置が提案されている。

しかし、上記特開昭61−98551号公報に開示された発
明のようにインク流路の長さを均一にするのは、小マル
チアレイの場合は、望ましいが、中〜大マルチアレイに
なった時は、各オリフィスからの吐出性能が均一ではな
くなり、就中、中央付近と、端部付近では吐出性能が均
一ではなくなる。

目的本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもの
で、特に、バブルジェット型液体噴射記録ヘッドにおい
て、マルチアレイとなったときの、各オリフィスの吐出
性能をそろえることを目的としてなされたものである。

構成本発明は、上記目的を達成するために、導入される記
録液体を収容するとともに、該記録液体に熱によって気
泡を発生させ、該気泡の体積増加にともなう作用力を発
生させる熱エネルギー作用部を付設した流路と、該流路
に連絡して前記記録液体を前記作用力によって液滴とし
て吐出させるためのオリフィスと、前記流路に連絡し
て、該流路に前記記録液体を導入するための液室と、該
液室に前記記録液体を導入する手段よりなる液体噴射記
録ヘッドにおいて、前記オリフィス、前記流路、前記熱
エネルギー作用部はそれぞれ複数個あり、複数個の前記
流路の長さを前記記録液体を導入する手段からの距離に
応じて変え、流入口に近いものは長く、遠いものは短く
した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（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の実施例を
説明するための要部構成図、第２図は、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、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、図中、11は蓋基板、12は発熱体基板、13は記録液
体流入口、14はオリフィス、15は流路、16は液室を形成
するための領域、17は個別（独立）電極、18は共通電
極、19は発熱体（ヒータ）、20はインク、21は気泡、22
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可能なものである。

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20の
表面張力と外圧とが平衡状態にある。

（ｂ）はヒータ19が加熱されて、ヒータ19の表面温度
が急上昇し隣接インク層に沸騰現像が起きるまで加熱さ
れ、微小気泡21が点在している状態にある。

（ｃ）はヒータ19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21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
長した分だけ上昇し、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20が押し出さ
れる。この時、ヒータ19には電流が流れていない状態に
あり、ヒータ19の表面温度は降下しつつある。気泡21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21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21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。

（ｅ）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。

而して、本発明は、前記特開昭61−98551号公報に開
示された従来技術の欠点を解決するためになされたもの
で、特に、中〜大マルチアレイの各オリフィスの吐出性
能を均一にするためのものである。以下、説明を簡略化
するため、発熱基板部は省略し、流路、液室部のみを示
した（熱エネルギー作用部が流路と相対する箇所は破線
で示した）。而して、第１図（ａ）の例は、流路の液室
に連絡する部分から熱エネルギー作用部までの長さｌが
同じでない場合を示した。液室から各流路へ記録液は毛
管現象で供給されるが、その供給されやすさ、されにく
さは、インクカートリッジからのインク流入口13の位置
に依存する。もし、すべてのｌ（もしくは流路長さl₀）
を同じ長さにした場合、中〜大マルチアレイの場合、中
央付近（ここでは、流入口に近い部分）と端部付近の流
路では、記録液の供給されやすさが異なるため、滴吐出
後の次の記録液体の供給時間がバラツクことになる。従
って、滴形成スピードを上げていくと、しだいに端部付
近のオリフィスは、それに応答できなくなってくる。本
発明は、この点を改善するために、供給されにくい流路
の長さを短かくして、供給しやすいようにしたものであ
る。第１図（ａ）の例では、中央付近のｌ（もしくは流
路長さl₀）を長くし、端部付近を短かくした例である
が、第１図（ｂ）の例は流入口13を中央におかず、液室
16のすみの方に配置したもので、ｌ（もしくは流路の長
さl₀）は、流入口13から流路入口までの距離に応じて決
めてある。つまり、流入口13に近いものは長く、遠いも
のは短かくしてある。

以上は、ｌの長さを変えた場合であるが、第１図
（ｃ）の例は、ｌは一定にして、熱エネルギー作用部か
らオリフィスまでの距離l₁を変えた例である。しかし、
この例は、吐出滴のスピードも変わるため許容される範
囲がそれほど広くなく、一般的ではない。

効果以上の説明から明らかなように、本発明によると、中
〜大マルチアレイにおける各オリフィスの吐出性能を均
一にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の実施例を説
明するための要部構成図、第２図は、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、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である。 11,12……基板、13……記録液体流入口、14……オリフ
ィス、15……流路溝、16……液室、17,18……電極、19
……発熱体。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】導入される記録液体を収容するとともに、
該記録液体に熱によって気泡を発生させ、該気泡の体積
増加にともなう作用力を発生させる熱エネルギー作用部
を付設した流路と、該流路に連絡して前記記録液体を前
記作用力によって液滴として吐出させるためのオリフィ
スと、前記流路に連絡して、該流路に前記記録液体を導
入するための液室と、該液室に前記記録液体を導入する
手段よりなる液体噴射記録ヘッドにおいて、前記オリフ
ィス、前記流路、前記熱エネルギー作用部はそれぞれ複
数個あり、複数個の前記流路の長さを前記記録液体を導
入する手段からの距離に応じて変え、流入口に近いもの
は長く、遠いものは短くしたことを特徴とする液体噴射
記録ヘッド。
【請求項２】インクを液滴として吐出させるためのオリ
フィスと、該オリフィスに連絡するインク流路と、該イ
ンク流路に設けられたエネルギー作用部と、前記インク
流路に連絡して、該インク流路に前記インクを導入する
ための液室と、該液室に前記インクを導入する手段とよ
りなる液体噴射記録ヘッドにおいて、前記オリフィス、
前記インク流路、前記エネルギー作用部はそれぞれ複数
個あり、複数個の前記インク流路の長さを前記記録液体
を導入する手段からの距離に応じて変え、流入口に近い
ものは長く、遠いものは短くしたことを特徴とする液体
噴射記録ヘッド。