JP2651190C - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】技術分野 本発明は、液体噴射記録方法，より詳細には、バブルジェット型インクジェッ
ト記録ヘッドの駆動方法に関する。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(dro
plet)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。 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５７−８７９５９号公報には、複数の吐出オリフィスが鉛直方向
にアレイ状に設けられており、それぞれの吐出オリフィスに連通するエネルギ作
用部に付設されている吐出エネルギ発生手段により発生されるエネルギの作用に
よってエネルギ作用部内の記録液を吐出オリフィスか ら吐出させ、液滴として飛翔させて記録を行なう型式のインクジェット記録ヘッ
ドにおいて、記録されるドットを均一にするように、それぞれの吐出オリフィス
の吐出口径を変えた記録ヘッドが開示されており、また、特開昭５７−９７９６
０号公報には、均一滴を得るために吐出エネルギ発生手段の面積を変えた記録ヘ
ッドが開示されている。しかし、吐出口径を変えたり、あるいは、吐出エネルギ
発生手段（たとえば発熱体）の面積を変えることは、高度な微細加工技術を必要
とし対応策として得策ではない。 而して、上記従来技術は、均一滴を形成するためになされたものであるが、ヘ
ッドを鉛直方向にたてた状態で駆動して、上下でインク滴の大きさがそろわない
ということは、別の見方をすれば、上部のオリフィスからは吐出しにくく、従っ
て、吐出インク滴のスピードがおそく、下部のオリフィスからは吐出しやすく、
従って、吐出インク滴のスピードがはやいことを意味する。その問題を解決する
ためにも、上記従来技術は役立つが、上 述のような理由により得策とはいいがたい。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、鉛直方向或いは
鉛直方向から傾けた状態にアレイ状に配置された、換言すれば、重力の作用をう
けるように配列されたバブルジェット型マルチアレイインクジェットヘッドを用
いる記録装置において、高画像品質を得る記録方法を提供す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
路に連絡して前記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、該ヘッドは複数の
オリフィ スが鉛直もしくは鉛直方向からある角度をもってアレイ状に設けられており、各
オリフィスに対応して複数の熱エネルギー作用部があり、該熱エネルギー作用部
に入力される画像情報に応じたエネルギー信号は、上部の熱エネルギー作用部へ
入力された後に一定のディレイタイム後、下部の熱エネルギー作用部へ入力され
、該ディレイタイムは、上部および下部の熱エネルギー作用部へのディレイタイ
ムなしで液滴を吐出させた場合に該液滴が紙に到着する時間の差をディレイタイ
ムとして上部および下部の熱エネルギー作用部にエネルギー信号を入力し、イン
ク滴が紙に到着する時間をほぼ同時になるよう補償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づいて説明する。 第３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で、図中、１１は蓋基板、１２は発熱体
基板、１３は発熱体(ヒータ)、１４は個別(独立)電極、１５は共通電極、１６は
記録 液(インク)、１７はオリフィス、１８は気泡、１９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。 最初に、第３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１６の表面張力と外圧とが平衡
状態にある。 (ｂ)はヒータ１３が加熱されて、ヒータ１３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１８が点在している状態にある。 (ｃ)はヒータ１３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１８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 １６が押し出される。この時、ヒータ１３には電流が流れていない状態にあり、
ヒータ１３の表面温度は降下しつつある。気泡１８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１８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リ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１８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、上記原理を使用し、より安価に高速記録を行うために吐出オリフィ
スをマルチオリフィスアレイとして鉛直方向に立てて或いは鉛直方向から傾斜し
て配置した記録ヘッドを使用し、これを水平方向に走らせ、記録紙を鉛直方向に
送って記録を行うようにした構造が用いられるようにしたものである。 第１図は、本発明が適用される液体噴射記録ヘッドの一例を示す図で、図中、
１は記緑ヘッド、２は記録紙、３は記録紙ロール、４は主走査方向(水平方向)、
５は副走査方向(鉛直方向)を示す。この構造においては、マルチオリフィスアレ
イ構造の吐出オリフィス面を鉛直方向又は鉛直方向から傾いた方向、換言すれば
、重力の影響を受けるような配列（オリフィスの高さ位置が異なる状態）に立て
、これを主走査方向４（水平方向）に走らせ、記録紙を副走査方向５へ送ってそ
の上に記録をする。この場合、副走査方向５の走査速度は、副走査に用いる機械
系の駆動能力等によって制約を受けるので、限界が存在する。また、記録液の 吐出周期の短縮にも、現時点では限りがある。そのため、マルチオリフィスアレ
イを構成する吐出オリフィスの数を多くし、一時に記録できる記録量を増やす事
が考えられる。しかし、吐出オリフィスの数があまり多くなると、画像品質が乱
れてくる。これは、ヘッドをほぼ垂直方向に立てているため、重力の影響をうけ
て、ヘッドの上部と下部で背圧が違ってくることによって、上部のオリフィスの
インク滴は吐出しにくく、従って、吐出スピードがおそく、下部のオリフィスの
インク滴は吐出しやすく従って吐出スピードが速いために、それらの紙に到着す
る時間が異なるため画像品質の乱れとなるのである。このような事情に鑑み、本
発明は、上記のような記録ヘッドを用いる記録装置において、記録ドットが紙面
上の所望の位置に形成されることを目的とするものである。 これと類似の問題を解決するために、前記特開昭５７−８７９５９号公報，特
開昭５７−８７９６０号公報等の記録方法が提案されているが、吐出口径を変え
たり、吐出エネルギ発生手段の面積 を変えることは、高度な微細加工技術を必要とし、得策ではない。而して、上記
記録ドット位置の違いは、背圧の違いで、吐出スピードが違うわけであるから、
その違いを何らかの方法で補正してやればよい。たとえば、第２図に示すように
、熱エネルギー作用部に加える画像情報に応じた信号パルスを、ヘッド上部の熱
エネルギー作用部に入力する場合(第２図(ａ))に対して、ヘッド下部の熱エネル
ギー作用部に入力する場合（第２図(ｂ)）は、ディレイタイム（Δｔ）をもって
入力してやればよい。こうすることにより、最終的に紙面にインク滴が到着する
時間は、ヘッド上部、下部とも同じに補正できる。以上の説明は、ヘッド上部の
インク滴と下部のインク滴ともに同時に紙面に到着する例で説明したが、本発明
の趣旨は、背圧の違いによって生じるヘッド上部、下部のインク滴の吐出（飛行
）スピードの違いをディレイタイムをもって信号パルスを入力して、補正してや
ることである。従って、下部の熱エネルギー作用部への信号パルスの入力は、画
像情報信号をうけて から、ディレイタイムをもたせて入力されるということである。なお以上の説明
は、ヘッド上部、下部という２領域で行なっているが、上部から下部へは、連続
的に背圧の違いが生じており、それに応じてディレイタイムもほぼ連続的に変え
る必要がある。ただし、各熱エネルギー作用部１つ１つで変える必要は必ずしも
なく、２個ごとあるいは３個ごとというグループごとに変えるようにしてやれば
よい。なお、以上には発熱体を用いたバブルジェットで説明したが、気泡発生手
段としてパルスレーザーを用いたり、あるいは、放電エネルギーを用いたりする
バブルジェットにも適用される。 第４図は、記録液体に気泡を発生させる別の手段を説明するための図で、図中
、２１はレーザ発振器、２２は光変調駆動回路、２３は光変調器、２４は走査器
、２５は集光レンズで、レーザ発振器２１より発生されたレーザ光は、光変調器
２３において、光変調器駆動回路２２に入力されて電気的に処理されて出力され
る画情報信号に従って パルス変調される。パルス変調されたレーザ光は、走査器２４を通り、集光レン
ズ２５によって熱エネルギー作用部の外壁に焦点が合うように集光され、記録ヘ
ッドの外壁２６を加熱し、内部の記録液体２７内で気泡を発生させる。あるいは
熱エネルギー作用部の壁２６は、レーザ光に対して透過性の材料で作られ、集光
レンズ２５によって内部の記録液体２７に焦点が合うように集光され、記録液体
を直接加熱することによって気泡を発生させてもよい。 第５図は、上述のごときレーザ光を用いたプリンターの一例を説明するための
図で、ノズル部３１は、高密度に(たとえば８ノズル／mm)、又、紙３２の紙巾(
たとえばＡ４横巾)すべてにわたってカバーされるように集積されている例を示
している。 レーザ発振器２１より発振されたレーザ光は、光変調器２３の入口開口に導か
れる。光変調器２３において、レーザ光は、光変調器２３への画情報入力信号に
従って強弱の変調を受ける。変調 を受けたレーザ光は、反射鏡２８によってその光路をビームエキスパンダー２９
の方向に曲げられ、ビームエキスパンダー２９に入射する。ビームエキスパンダ
ー２９により平行光のままビーム径が拡大される。次に、ビーム径の拡大された
レーザ光は、高速で定速回転する回転多面鏡３０に入射される。回転多面鏡３０
によって掃引されたレーザ光は、集光レンズ２５により、ドロップジェネレータ
の熱エネルギー作用部外壁２６もしくは内部の記録液体に結像する。それによっ
て、各熱エネルギー作用部には、気泡が発生し、記録液滴を吐出し、記録紙３２
に記録に行なわれる。 第６図は、さらに別の気泡発生手段を示す図で、この例は、熱エネルギー作用
部の内壁側に配置された１対の放電電極４０が、放電装置４１から高電圧のパル
スを受け、記録液体中で放電をおこし、その放電によって発生する熱により瞬時
に気泡を形成するようにしたものである。 第７図乃至第１４図は、それぞれ第６図に示した放電電極の具体例を示す図で
、 第７図に示した例は、 電極４０を針状にして、電界を集中させ、効率よく(低エネルギーで)放電をお
こさせるようにしたものである。 第８図に示した例は、 ２枚の平板電極にして、電極間に安定して気泡が発生するようにしたものであ
る。針状の電極より、発生気泡の位置が安定している。 第９図に示した例は、 電極にほぼ同軸の穴をあけたものである。２枚の電極の両穴がガイドになって
、発生気泡の位置はさらに安定する。 第１０図に示した例は、 リング状の電極にしたものであり、基本的には第９図に示した例と同じであり
、その変形実施例である。 第１１図に示した例は、 一方をリング状電極とし、もう一方を針状電極としたものである。リング状電
極により、発生気泡の安定性を狙い、針状電極により電界の集 中により効率を狙ったものである。 第１２図に示した例は、 一方のリング状電極を熱エネルギー作用部の壁面に形成したものである。これ
は、第１１図に示した例の効果に加えて、基板上に平面的に電極を形成するとい
う製造上の容易さを狙ったものである。このような平面的な電極は、蒸着(ある
いはスパッタリング)や、フォトエッチングの技術によって容易に高密度な複数
個のものが製作され得る。マルチアレイに特に威力を発揮する。 第１３図に示した例は、 第１２図に示した例のリング状電極形成部を電極の外周にそった形状で周囲か
ら一段高くしたものである。やはり、発生気泡の安定性を狙ったものであり、第
１１図に示したものよりも３次元的なガイドを付け加えた分だけ安定する。 第１４図に示した例は、 第１３図に示した例とは反対に、リング状電極形成部を、周囲から下へ落しこ
んだ構造とした もので、やはり、発生気泡は安定して形成される。効 果 以上の説明から明らかなように、本発明によると、ヘッドの上下より吐出され
るインク滴の吐出スピードが異なっても、吐出タイミングで補正することにより
、インク滴の紙面への到着は同時に行なわれ、画像が劣化することがない。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明が適用される液体噴射記録装置の一使用状態を示す図、第２
図は、本発明によるヘッド駆動方法を説明するための図、第３図乃至第１４図は
、本発明の実施に使用されるバブルジェット型インクジェット記録装置の例を説
明するための図である。 １…記録ヘッド，２…記録紙，３…記録紙ロール，４…主走査方向，５…副走査
方向。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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前記流路に前記記録液
   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、該ヘッドは複数のオリフィスが鉛直もしくは鉛直方向
   からある角度をもってアレイ状に設けられており、各オリフィスに対応して複数
   の熱エネルギー作用部があり、該熱エネルギー作用部に入力される画像情報に応
   じたエネルギー信号は、上部の熱エネルギー作用部へ入力された後に一定のディ
   レイタイム後、下部の熱エネルギー作用部へ入力され、該ディレ イタイムは、上部および下部の熱エネルギー作用部へのディレイタイムなしで液
   滴を吐出させた場合に該液滴が紙に到着する時間の差をディレイタイムとして上
   部および下部の熱エネルギー作用部にエネルギー信号を入力し、インク滴が紙に
   到着する時間をほぼ同時になるよう補償したこと を特徴とする液体噴射記録方法
   。