JP3048055B2 - Liquid jet recording head - Google Patents
Liquid jet recording headInfo
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- JP3048055B2 JP3048055B2 JP1036659A JP3665989A JP3048055B2 JP 3048055 B2 JP3048055 B2 JP 3048055B2 JP 1036659 A JP1036659 A JP 1036659A JP 3665989 A JP3665989 A JP 3665989A JP 3048055 B2 JP3048055 B2 JP 3048055B2
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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に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a liquid jet recording head.
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。2. Description of the Related Art Non-impact recording methods have recently attracted attention in that the generation of noise during recording is extremely small to a negligible level. Among them, the so-called ink jet recording method, which can perform high-speed recording and can perform recording on so-called plain paper without requiring a special fixing process, is an extremely powerful recording method. Some have been proposed and commercialized with improvements, while others are still being put to practical use.
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。In such an ink jet recording method, recording is performed by flying droplets of a recording liquid called so-called ink and attaching the droplets to a recording member. The control method for controlling the flying direction of the generated recording liquid droplet is roughly classified into several types.
先ず第1の方式は、例えば米国特許第3060429号明細
書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。First, the first method is disclosed in, for example, US Pat. No. 3,060,429 (Tele type method),
Recording liquid droplets are generated by electrostatic attraction, and the generated recording liquid droplets are subjected to electric field control according to a recording signal, and recording is performed by selectively adhering the recording liquid droplets onto a recording member. It is.
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。More specifically, in more detail, an electric field is applied between the nozzle and the accelerating electrode to discharge a uniformly charged droplet of the recording liquid from the nozzle, and the discharged droplet of the recording liquid is converted into a recording signal. In accordance with this, recording is performed by causing the droplets to fly between the xy deflection electrodes configured so as to be electrically controllable and selectively adhering small droplets onto the recording member by a change in the intensity of the electric field.
第2の方式は、例えば米国特許第3596275号明細書、
米国特許第3298030号明細書等に開示されている方式(S
weet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。The second method is described, for example, in US Pat. No. 3,596,275,
The method disclosed in US Pat. No. 3,298,030 and the like (S
Weet method), in which droplets of a recording medium whose charge amount is controlled are generated by a continuous vibration generation method, and the generated droplets whose charge amount is controlled are subjected to a uniform electric field. The recording is performed on the recording member by flying between the deflection electrodes.
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)の前に前記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。More specifically, a charging electrode configured to apply the signal is separated by a predetermined distance in front of an orifice (ejection port) of a nozzle, which is a part of a recording head provided with a piezoelectric vibrating element. The piezoelectric vibrating element is mechanically vibrated by applying an electric signal of a constant frequency to the piezoelectric vibrating element, and a droplet of the recording liquid is discharged from the discharge port. At this time, a charge is electrostatically induced in the recording liquid droplet discharged by the charging electrode, and the droplet is charged with a charge amount according to the recording signal. When the droplet of the recording liquid whose charge amount is controlled flies between the deflection electrodes to which a constant electric field is uniformly applied, the droplet is deflected according to the added charge amount and carries a recording signal. Only the recording material can be deposited on the recording member.
第3の方式は、例えば米国特許第3416153号明細書に
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。The third method is a method (Hertz method) disclosed in, for example, US Pat. No. 3,416,153, in which an electric field is applied between a nozzle and a ring-shaped charging electrode, and a continuous vibration generation method is used. This is a method in which small droplets are generated and atomized for recording. That is, in this method, the atomization state of the small droplet is controlled by modulating the electric field intensity applied between the nozzle and the charging electrode in accordance with the recording signal, and the image is recorded with the gradation of the recorded image.
第4の方式は、例えば米国特許第3747120号明細書に
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。The fourth system is, for example, a system (Stemme system) disclosed in US Pat. No. 3,747,120, and this system is fundamentally different from the above three systems in principle.
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。That is, in each of the three methods, the droplet of the recording liquid discharged from the nozzle is electrically controlled during the flight, and the droplet carrying the recording signal is selectively attached to the recording member. On the other hand, according to the Stemme method, recording is performed by ejecting a small droplet of recording liquid from an ejection port in accordance with a recording signal.
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。That is, in the Stemme method, the piezoelectric vibrating element attached to the recording head having the ejection port for ejecting the recording liquid includes:
Applying an electrical recording signal, converting the electrical recording signal into mechanical vibration of a piezo-vibrating element, and ejecting a droplet of the recording liquid from the ejection port in accordance with the mechanical vibration to cause the droplet to fly and adhere to the recording member. Is to record.
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。Each of these four conventional methods has its own features, but on the other hand, there are points that can be solved.
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。That is, in the first to third methods, the direct energy of the generation of the droplet of the recording liquid is electric energy,
Droplet deflection control is also electric field control. Therefore, the first method is simple in structure, but requires a high voltage to generate small droplets, and is not suitable for high-speed printing because it is difficult to use a multi-nozzle recording head.
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。The second method enables multi-nozzle recording heads and is suitable for high-speed recording. However, the method is complicated in structure, and the electrical control of small droplets of recording liquid is difficult and difficult. Are liable to occur.
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。The third method has a feature that an image having excellent gradation can be recorded by atomizing a recording liquid droplet, but on the other hand, it is difficult to control the atomization state, and fogging occurs in the recorded image. In addition, there are problems such as the fact that it is difficult to use a multi-nozzle recording head, and it is not suitable for high-speed recording.
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。The fourth scheme has relatively many advantages over the first to third schemes. That is, in order to perform recording by discharging the recording liquid from the discharge port of the nozzle on demand (on-demand), it is simple in terms of the configuration. It is not necessary to collect small droplets that are not required for recording an image, and there is no need to use a conductive recording liquid as in the first and second methods, and the recording liquid material Has a great advantage such as a large degree of freedom. However, on the other hand, it is difficult to form a multi-nozzle recording head because there are problems in processing the recording head and it is extremely difficult to reduce the size of the piezoelectric vibrating element having a desired resonance number. However, since the recording liquid droplets are ejected and fly by the mechanical energy of mechanical vibration of the piezo-vibration element, it is not suitable for high-speed recording.
更には、特開昭48−9622号公報(前記米国特許第3747
120号明細書に対応)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。Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 48-9622 (the aforementioned U.S. Pat.
No. 120) describes, as a modification, the use of thermal energy instead of the mechanical vibration energy by means such as the piezo-vibration element.
即ち、上記公報には、圧力上昇を生じさせる蒸気を発
生する為に液体の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所謂バブルジ
ェットの液体噴射記録装置が記載されている。That is, the above-mentioned publication describes a so-called bubble jet liquid jet recording apparatus which uses a heating coil for directly heating a liquid as a pressure increasing means instead of a piezo vibrating element in order to generate a vapor which causes a pressure increase. I have.
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。However, the above publication discloses that a heating coil serving as a pressure increasing means is energized to directly evaporate the liquid ink in a bag-shaped ink chamber (liquid chamber) having only one opening through which the liquid ink can enter and exit. However, there is no suggestion as to how to heat the liquid when the liquid is continuously and repeatedly discharged. In addition, since the position where the heating coil is provided is provided at the deepest part of the bag-shaped liquid chamber far from the supply path of the liquid ink, in addition to being complicated in terms of the head structure, continuous It is not suitable for repeated use.
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。Moreover, according to the technical contents described in the above-mentioned publication, it is not possible to quickly form a preparation state for the next liquid discharge after performing the liquid discharge with the generated heat which is practically important.
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。As described above, the conventional method has advantages and disadvantages in terms of configuration, high-speed recording, multi-nozzle recording head, generation of satellite dots and occurrence of fogging of a recorded image, etc. There was a restriction that only the application was possible.
このように従来の記録装置の多くは、構造上、4KHzよ
り上の高速記録化上、加工上、16本/mmを越えるような
高密度化上、多くの問題を有していた。また、特開昭57
−87960号公報は、発熱体の面積をかえることにより、
記録ドットを均一にするものであるが、面積をかえるこ
とによって、必ずしも吐出安定性が得られるものではな
い。As described above, many of the conventional recording apparatuses have many problems in terms of structure, high-speed recording above 4 KHz, processing, and high density exceeding 16 lines / mm. In addition, JP
No. -87960, by changing the area of the heating element,
Although the recording dots are made uniform, ejection stability is not always obtained by changing the area.
また、特公昭61−59912には単一のノズルを集めマル
チノズルを形成した例が記載されているが、この方法で
はせいぜい数本/mmが限界であり、高精細な画質を得る
ことができない。また、さらに、特開昭55−27281号公
報においては基板に微細カッティングにより溝を形成し
ノズルとする方法が示されているが、この方法でも、そ
の明細書に書かれているように10本/mmが限度である。
より高精細な画像を狙うためには、熱発生部、いいかえ
るならばノズルの配列を16本/mm以上の高密度にする必
要があり、これを実現する最も有効なノズル形成法は、
特公昭62−59672号公報に示されているように、発熱体
基板上に感光性樹脂により流路壁を設け、さらに蓋基板
と接合することにより流路およびノズルを形成する方法
である。しかしながら、特公昭62−59672号公報で述べ
られている形成法で作られたノズルの形状と、インク滴
吐出特性との関係が何ら示されておらず、特に、16本/m
m以上になった場合には極めて微細なノズルとなり、し
たがって、そのノズル形状がインク滴吐出特性に極めて
大きく関係するにもかかわらず、その点については全く
述べられていないし、示唆する記載さえない為、16本/m
m以上の高密度のヘッド作製にあたりどのようなノズル
形状にしたら安定した吐出特性が得られるのか全くわか
らなかった。また、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し、吐出させる言わゆるバブルジ
ェット方式においては、発熱素子、流路を形成するのに
スパッタリングや蒸着、エッチング等高度な薄膜技術を
要求され、加工精度がインク吐出に大きく影響してい
る。言いかえればノズル形状のバラツキにより安定的な
吐出ができないという欠点を有していた。また、ノズル
の大きさは、インク滴の大きさに大きな要因であるが、
ノズルの形状によってはミスト状になったり、飛翔速度
が著しく低下したり、吐出方向が目的とする方向と大き
く異なってしまうという欠点を有していた。Japanese Patent Publication No. 61-59912 describes an example in which a single nozzle is collected and a multi-nozzle is formed.However, this method has a limit of several nozzles / mm at the maximum, and high-definition image quality cannot be obtained. . Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-27281 discloses a method in which a groove is formed in a substrate by fine cutting to form a nozzle, but this method also employs 10 nozzles as described in the specification. / mm is the limit.
In order to aim for higher definition images, it is necessary to increase the density of the heat generating part, in other words, the arrangement of the nozzles to 16 nozzles / mm or more, and the most effective nozzle forming method to achieve this is:
As disclosed in Japanese Patent Publication No. 62-59672, a flow path and a nozzle are formed by providing a flow path wall with a photosensitive resin on a heating element substrate and joining the flow path wall with a lid substrate. However, the relationship between the shape of the nozzle formed by the forming method described in JP-B-62-59672 and the ink droplet ejection characteristics is not shown at all, and in particular, 16 nozzles / m
When the diameter is more than m, the nozzle becomes extremely fine.Thus, although the nozzle shape is greatly related to the ink droplet ejection characteristics, this point is not described at all or even suggested. , 16 lines / m
When manufacturing a high-density head of m or more, it was completely unknown what nozzle shape would provide stable ejection characteristics. In the so-called bubble jet method, in which a liquid is directly heated and discharged in order to generate a vapor that causes a pressure rise, advanced thin film technologies such as sputtering, vapor deposition, and etching are used to form a heating element and a flow path. Processing accuracy is required and greatly affects ink ejection. In other words, there is a drawback that stable ejection cannot be performed due to variations in the nozzle shape. Also, the size of the nozzle is a major factor in the size of the ink droplet,
Depending on the shape of the nozzle, it has a drawback that the nozzle becomes mist-like, the flying speed is significantly reduced, and the ejection direction is largely different from the intended direction.
また、さらに、16本/mm以上の高密度に配列したマル
チノズルの場合には、隣接ノズル間が大変接近している
ため、複数の隣接ノズルより吐出されるインク滴、ある
いは、インク柱は、それらがほぼ同時に吐出するような
場合に、併合、合体するようなことがしばしばおこり得
る。これは一般に吐出されるインク滴の大きさが通常は
オリフィス径よりも大きくなるためであり、また、別の
理由としてはインク滴吐出の条件が必ずしも好ましくな
い条件(不安定吐出条件、たとえばスプラッシュ、ある
いは、インク滴(柱)の非対称吐出等)にある時に生ず
る。これらはノズルの形状、対称性に起因するところが
大きい。よって、それほど高密度ではないマルチインク
ジェットでは問題にならなかったノズル形状が、コピア
等を狙うより高密度のマルチインクジェットではインク
滴吐出特性の点から極めて大きな問題である。Further, in the case of a multi-nozzle arrayed at a high density of 16 nozzles / mm or more, since the adjacent nozzles are very close, ink droplets ejected from a plurality of adjacent nozzles, or ink columns, When they are ejected almost simultaneously, merging and merging can often occur. This is because the size of the ink droplet to be ejected is generally larger than the diameter of the orifice. Another reason is that the condition for ejecting the ink droplet is not always preferable (unstable ejection condition, for example, splash, Or, it occurs when the ink droplets (pillars) are in asymmetric ejection. These are largely due to the shape and symmetry of the nozzle. Therefore, the nozzle shape, which has not been a problem in the multi-inkjet having a low density, is an extremely large problem in terms of the ink droplet ejection characteristics in the multi-inkjet having a higher density aiming at a copier or the like.
さらに加えれば、バブルジェット方式の持つ高周波数
応答性は、上記のようなインク滴吐出特性にかかってお
り、即ちノズルの形状により大きくかわってくるにもか
かわらず、高速の条件で駆動(例えば4KHzより上)する
場合のノズル形状と吐出安定性の関係は、従来技術にお
いては述べられておらず、ノズル形状をいかにしたらよ
いかがわからなかった。In addition, the high frequency responsiveness of the bubble jet method depends on the above-described ink droplet ejection characteristics, that is, driving at a high speed condition (for example, 4 KHz) despite being greatly changed by the shape of the nozzle. The relationship between the nozzle shape and the ejection stability in the case of (above) is not described in the prior art, and it is not clear how to shape the nozzle.
目的 本発明は、上述のごとき欠点を解決するためになされ
たもので、インク滴の吐出安定性、吐出効率、吐出周波
数に優れた液体噴射記録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。An object of the present invention is to solve the above-mentioned disadvantages, and an object of the present invention is to provide a liquid jet recording head that is excellent in ink droplet ejection stability, ejection efficiency, and ejection frequency. .
本発明の他の目的は、より高密度に配列された(たと
えば16本/mm以上の高密度に配列された)マルチノズル
型ヘッドのインク滴吐出性能の向上を図ることである。It is another object of the present invention to improve the ink droplet ejection performance of a multi-nozzle type head arranged at a higher density (for example, arranged at a high density of 16 nozzles / mm or more).
本発明のさらに他の目的は、より高速で駆動する(た
とえば4kHzより上)マルチノズル型ヘッドのインク滴吐
出性能の向上を図ることである。Still another object of the present invention is to improve the ink droplet ejection performance of a multi-nozzle head that is driven at a higher speed (for example, above 4 kHz).
構成 本発明は、上記目的を達成するために、液室内の記録
液に熱エネルギーを作用させるための熱エネルギー発生
手段を有し、該熱エネルギー作用により前記記録液中の
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で吐出オリフィスより前記記録液
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であって、4kHz以上の応答周波
数で、16本/mm以上の高密度印字を行う液体噴射記録ヘ
ッドにおいて、前記オリフィスの横方向の長さaとたて
方向の長さbが、実質的に一致しない場合に、その比率
の許容値を、 0.6≦a/b≦1.4 としたことを特徴としたものである。Configuration In order to achieve the above object, the present invention has a thermal energy generating means for applying thermal energy to a recording liquid in a liquid chamber, and the thermal energy action causes bubbles in a thermal energy action section in the recording liquid. A liquid jet recording head for performing recording by causing the recording liquid to fly as droplets from an ejection orifice with an acting force accompanying an increase in the volume of the bubble and attaching the recording liquid to a recording surface, and a response frequency of 4 kHz or more. In a liquid jet recording head that performs high-density printing of 16 lines / mm or more, when the lateral length a and the vertical length b of the orifice do not substantially match, the ratio is allowed. The value is 0.6 ≦ a / b ≦ 1.4.
なお、このような関係式は、16本/mm以上の高密度、
高精細な品質を要求されるコピア等に適用するのがよ
い。また、コピアのように高精細の画像を形成するため
には、画素径が小さくなるため必然的に紙面に打ち込む
ドット数は多くなり、単純に考えれば一枚の画像を形成
するのには、時間が多くかかる。従って、高い駆動周波
数でヘッドを駆動するのがよく、その意味からも本発明
の前述のような関係式は高い周波数で駆動(例えば4kHz
より上)するヘッドにおいて適用すべきである。In addition, such a relational expression has a high density of 16 lines / mm or more,
It is suitable to be applied to copiers and the like that require high-definition quality. In addition, in order to form a high-definition image like a copier, the number of dots to be printed on the paper surface is inevitably increased because the pixel diameter is small. Takes a lot of time. Therefore, it is preferable to drive the head at a high driving frequency, and from that point of view, the above-described relational expression of the present invention drives at a high frequency (for example, 4 kHz).
Above).
最初に、第5図に基づいてバブルジェットによるイン
ク噴射の原理について説明する。図中、21は蓋基板、22
は発熱体基板、27は選択(独立)電極、28は共通電極、
29は発熱体、30はインク、31は気泡、32は飛翔インク滴
である。First, the principle of ink ejection by bubble jet will be described with reference to FIG. In the figure, 21 is a lid substrate, 22
Is a heating element substrate, 27 is a selection (independent) electrode, 28 is a common electrode,
29 is a heating element, 30 is ink, 31 is a bubble, and 32 is a flying ink droplet.
(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。(A) is a steady state, in which the surface tension of the ink 30 and the external pressure are in an equilibrium state at the orifice surface.
(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。3B shows a state in which the heater 29 is heated until the surface temperature of the heater 29 sharply rises and the adjacent ink layer is heated until a boiling phenomenon occurs, and minute bubbles 31 are scattered.
(c)はヒータ29は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が成長
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。(C) shows a state in which the heater 29 rapidly vaporizes the adjacent ink layer on the entire surface, instantaneously vaporizes and forms a boiling film, and the bubbles 31 grow. At this time, the pressure in the nozzle rises by an amount corresponding to the growth of the bubble, the balance with the external pressure on the orifice surface is lost, and the ink column starts to grow from the orifice.
(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担当する分のインク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。(D) is a state in which the bubble has grown to the maximum, and the ink 30 corresponding to the volume of the bubble is pushed out from the orifice surface. At this time, no current is flowing through the heater 29, and the surface temperature of the heater 29 is decreasing. The maximum value of the volume of the bubble 31 is slightly delayed from the timing of applying the electric pulse.
(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。(E) shows a state where the bubble 31 is cooled by ink or the like and starts to contract. At the front end of the ink column, the ink moves forward while maintaining the pushed speed, and at the rear end, the ink flows backward from the orifice surface into the nozzle due to a decrease in the nozzle internal pressure due to the contraction of the bubble, and the ink column is constricted. .
(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。(F) is a state in which the bubble 31 further contracts, the ink comes into contact with the heater surface, and the heater surface is cooled more rapidly. At the orifice surface, the external pressure is higher than the internal pressure of the nozzle, so that the meniscus largely enters the nozzle. The tip of the ink column becomes a droplet and moves in the direction of the recording paper.
Flying at a speed of 10m / sec.
(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。(G) is a process in which the ink is supplied (refilled) to the orifice again by capillary action and returns to the state of (a).
The bubbles have completely disappeared.
第1図は、本発明による記録ヘッドの一実施例を説明
するための斜視図、第2図は、第1図における記録ヘッ
ドをオリフィス側より見た図、第3図は、記録ヘッドの
分解構成図で、(a)は蓋基板、(b)は発熱体取板を
示す図、第4図は、第3図(a)の蓋基板の裏面図であ
る。図中、23はインク供給口、24はオリフィス、25は溝
(流路)、26は液室を形成するための領域である。蓋基
板21にはインク流路を構成する溝25と共通液室を構成す
る部分26が形成されている。また、発熱体基板22には発
熱体(ヒータ)29と発熱体29を駆動する為の選択(独
立)電極27と共通電極28が形成されている。蓋基板21と
発熱体基板22は、接着することにより第1図のようにな
り、溝25によりオリフィス24が形成される。また溝25の
形成は蓋基板の基体(例えばガラス)をエッチングによ
り形成する。よってオリフィス24の水平、垂直比は溝25
のエッチングレートおよび/またはエッチング時間を調
整することにより自由に設定することができる。FIG. 1 is a perspective view for explaining an embodiment of a recording head according to the present invention, FIG. 2 is a view of the recording head in FIG. 1 viewed from the orifice side, and FIG. FIG. 4A is a diagram showing a cover substrate, FIG. 4B is a diagram showing a heating element strip, and FIG. 4 is a rear view of the cover substrate of FIG. 3A. In the figure, 23 is an ink supply port, 24 is an orifice, 25 is a groove (flow path), and 26 is a region for forming a liquid chamber. The cover substrate 21 has a groove 25 forming an ink flow path and a portion 26 forming a common liquid chamber. On the heating element substrate 22, a heating element (heater) 29, a selection (independent) electrode 27 for driving the heating element 29, and a common electrode 28 are formed. The lid substrate 21 and the heating element substrate 22 are bonded as shown in FIG. 1, and an orifice 24 is formed by the groove 25. The groove 25 is formed by etching the base (eg, glass) of the lid substrate. Therefore, the horizontal / vertical ratio of the orifice 24 is
It can be set freely by adjusting the etching rate and / or etching time of.
本発明者らは種々の実験の結果、第2図中のオリフィ
スの水平方向の径aと垂直方向の径bとが 0.5≦a/b≦1.5 の関係を満たす時、オリフィスより安定的にインク滴
が噴射されることを見出した。As a result of various experiments, the present inventors have found that when the horizontal diameter a and the vertical diameter b of the orifice in FIG. 2 satisfy the relationship of 0.5 ≦ a / b ≦ 1.5, the ink is more stably formed than the orifice. I found that a drop was ejected.
本発明者らは、第1図の構成による記録ヘッドを使用
し、駆動電圧25V、電流値0.2A、周波数4.8KHzにて、オ
リフィス径を変えて実験を行ない、第1表のような結果
を得た。The present inventors conducted an experiment using a recording head having the configuration shown in FIG. 1 at a drive voltage of 25 V, a current value of 0.2 A, and a frequency of 4.8 KHz while changing the orifice diameter. The results shown in Table 1 were obtained. Obtained.
ここで、オリフィスの径とは、水平方向及び垂直方向
の最大径を行う。 Here, the diameter of the orifice means the maximum diameter in the horizontal and vertical directions.
また、以下の第2表に、本発明者らが各種ヘッドを試
作評価した結果の1例を示す。なお、試作したヘッドユ
ニットのノズル数は、すべて256個である。また、使用
した液は、インクではなくインクと物性をほぼ同じにし
たビークルを用いた。これは気泡を観察するために透明
な液が必要だからである。In addition, Table 2 below shows an example of the results of trial production and evaluation of various heads by the present inventors. The number of nozzles in the prototype head unit was 256 in all cases. The liquid used was not ink but a vehicle whose physical properties were substantially the same as those of the ink. This is because a transparent liquid is needed to observe the bubbles.
また、本発明の実施例では、オリフィスを長方形とし
たが、円形、楕円形、菱形等の形状においても、本発明
が有効であるのはもちろんである。 Further, in the embodiment of the present invention, the orifice is rectangular, but the present invention is of course also effective in shapes such as a circle, an ellipse, and a rhombus.
また、他の実施例について、第6図(a)〜(f)に
基づき説明する。Another embodiment will be described with reference to FIGS. 6 (a) to 6 (f).
図中、8は流路、9は液室、10は発熱体基板(シリコ
ン、アルミナ、ガラス等)、11は発熱体、12はドライフ
ィルム、13はフォトマスク、15はオリフィス、16は蓋基
板、17,18はリード電極、19はテーパー部である。
(a)発熱体基板10上には、発熱体11とリード電極17お
よび18が、CVD法等の技術により形成されている。
(b)その後、ドライフィルム12で発熱体基板10を覆
い、(c)流路8および液室9を形成する為のフォトマ
スク13を発熱体基板10に位置合せ後、(d)露光、エッ
チングし、発熱体11及び流路8を有する基板を得る。流
路8の先端部は、テーパー部19が設けられている。
(e)さらに蓋基板16を(d)の発熱体基板10上に接着
し、記録ヘッドが形成される。(f)は(e)のZ−
Z′断面図で、(e)のC−C′をダイシング等により
カットし、オリフィス15を形成し、記録ヘッドが完成す
る。ドライフィルム12としては、市販されている通常の
物が使用可能である。ドライフィルム12で流路8を形成
時マスクパターンの流路8の幅および/またはドライフ
ィルム12の厚さを調整することによりオリフィス15の水
平・垂直比を容易に設定することができる。即ちマスク
パターン幅により水平方向の長さが、ドライフィルム厚
により垂直方向の長さを調整することができ、本発明を
容易に実現することが可能となる。本発明の実施例では
固体状ドライフィルムを用いた例を説明したが、液状の
ものも使用可能である。In the figure, 8 is a flow path, 9 is a liquid chamber, 10 is a heating element substrate (silicon, alumina, glass, etc.), 11 is a heating element, 12 is a dry film, 13 is a photomask, 15 is an orifice, and 16 is a lid substrate. , 17 and 18 are lead electrodes, and 19 is a tapered portion.
(A) On a heating element substrate 10, a heating element 11 and lead electrodes 17 and 18 are formed by a technique such as a CVD method.
(B) After that, the heating element substrate 10 is covered with the dry film 12, and (c) the photomask 13 for forming the flow path 8 and the liquid chamber 9 is aligned with the heating element substrate 10; Thus, a substrate having the heating element 11 and the flow path 8 is obtained. A tapered portion 19 is provided at the tip of the flow channel 8.
(E) Further, the lid substrate 16 is adhered to the heating element substrate 10 shown in (d) to form a recording head. (F) is Z- of (e).
In the sectional view taken along the line Z ', CC' of FIG. 7E is cut by dicing or the like to form an orifice 15, thereby completing the recording head. As the dry film 12, a commercially available ordinary film can be used. When the flow path 8 is formed in the dry film 12, the horizontal / vertical ratio of the orifice 15 can be easily set by adjusting the width of the flow path 8 of the mask pattern and / or the thickness of the dry film 12. That is, the horizontal length can be adjusted by the mask pattern width, and the vertical length can be adjusted by the dry film thickness, so that the present invention can be easily realized. In the embodiment of the present invention, an example using a solid dry film has been described, but a liquid film can also be used.
なお、記録ヘッドの製造プロセス及び材料について
は、特開昭61−249766号公報に記載されているものを採
用してもよい。Incidentally, as the manufacturing process and material of the recording head, those described in JP-A-61-249766 may be employed.
効果 以上の説明から明らかなように、本発明によると、オ
リフィスの水平方向の径と垂直方向の径との関係によ
り、吐出安定性にすぐれた高密度・高集積インクジェッ
トの記録ヘッドを提供することができる。Effects As is apparent from the above description, according to the present invention, it is possible to provide a high-density and high-integration inkjet recording head having excellent ejection stability due to the relationship between the horizontal diameter and the vertical diameter of the orifice. Can be.
第1図は、本発明による液体噴射記録ヘッドの一実施例
を説明するための斜視図、第2図は、第1図における記
録ヘッドをオリフィス側より見た図、第3図は、記録ヘ
ッドの分解構成図で、(a)は蓋基板、(b)は発熱体
基板を示す図、第4図は、記録ヘッドの蓋基板の裏面
図、第5図は、記録ヘッドのバブルジェットインクの吐
出と気泡発生・消滅の原理を説明するための図、第6図
は、本発明の他の実施例の製造工程を示す図である。 8……流路、9……液室、10,22……発熱体基板、11,29
……発熱体(ヒータ)、12……ドライフィルム、13……
フォトマスク、15,24……オリフィス、16,21……蓋基
板、17,27……独立電極、18,28……共通電極、19……テ
ーパー部、23……インク供給口。FIG. 1 is a perspective view for explaining one embodiment of a liquid jet recording head according to the present invention, FIG. 2 is a view of the recording head in FIG. 1 viewed from the orifice side, and FIG. 4A is a diagram showing a cover substrate, FIG. 4B is a diagram showing a heating element substrate, FIG. 4 is a rear view of the cover substrate of the recording head, and FIG. 5 is a diagram showing bubble jet ink of the recording head. FIG. 6 is a diagram for explaining the principle of ejection and bubble generation / dissipation. FIG. 6 is a diagram showing a manufacturing process of another embodiment of the present invention. 8 ... flow path, 9 ... liquid chamber, 10, 22 ... heating element substrate, 11, 29
... Heating element (heater), 12 ... Dry film, 13 ...
Photomask, 15, 24 Orifice, 16, 21 Cover substrate, 17, 27 Independent electrode, 18, 28 Common electrode, 19 Tapered part, 23 Ink supply port.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中野 智昭 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株 式会社リコー内 (56)参考文献 特開 昭55−132253(JP,A) 特開 昭60−208252(JP,A) 特開 昭63−42868(JP,A) 特開 昭56−46769(JP,A) 特開 昭60−208248(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Tomoaki Nakano 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Company, Ltd. (56) References JP-A-55-132253 (JP, A) JP-A Sho 60-208252 (JP, A) JP-A-63-42868 (JP, A) JP-A-56-46769 (JP, A) JP-A-60-208248 (JP, A)
Claims (1)
るための熱エネルギー発生手段を有し、該熱エネルギー
作用により前記記録液中の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で吐出
オリフィスより前記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であ
って、4kHz以上の応答周波数で、16本/mm以上の高密度
印字を行う液体噴射記録ヘッドにおいて、前記オリフィ
スの横方向の長さaとたて方向の長さbが、実質的に一
致しない場合に、その比率の許容値を、 0.67≦a/b≦1.4 としたことを特徴とする液体噴射記録ヘッド。1. A thermal energy generating means for applying thermal energy to a recording liquid in a liquid chamber, wherein the thermal energy action causes bubbles to be generated in a thermal energy action section in the recording liquid, and the volume of the bubbles is increased. A liquid jet recording head that flies the recording liquid as droplets from an ejection orifice with an acting force accompanying the increase and adheres to a recording surface to perform recording, and has a response frequency of 4 kHz or more and a frequency of 16 lines / mm or more. In a liquid jet recording head for performing high-density printing, when the lateral length a and the vertical length b of the orifice do not substantially match, the allowable value of the ratio is 0.67 ≦ a / b. ≦ 1.4. A liquid-jet recording head.
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Cited By (1)
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1989
- 1989-02-16 JP JP1036659A patent/JP3048055B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9155355B2 (en) | 2012-04-27 | 2015-10-13 | Nike, Inc. | Insole with inferiorly extending projections |
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