JP2907338B2 - 液体噴射記録方法 - 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
を利用してインク滴を噴射させて記録を行う液体噴射記
録装置における記録ヘッドの駆動方法に関する。 従来技術 液滴を吐出オリフィスから噴射させるに当って、発熱
抵抗体等を用いて熱エネルギー液体に付与し、エネルギ
ーが付与された液体に急峻な体積増大を伴う状態変化を
生じせしめ、その体積増大に基づく作用力によって液体
を吐出噴射せしめて記録を行う所謂バブル液体噴射記録
装置は、例えば、特開昭55−16166号公報において公知
である。而して、上記特開昭55−161665号公報に記載さ
れた発明においては、気泡の体積増加のスピードを規定
して効果的な吐出性能を得るようにしているが、インク
吐出性能に大きな影響を及ぼす気泡収縮に関する具体的
な記載があまりなく、単に、体積増加の条件だけで、効
果的な吐出性能が得られると考えているようである。 しかし、インク吐出性能には、気泡収縮が影響を及ぼ
す性能もあり、例えば、気泡収縮が影響を及ぼす性能と
して、インク滴の切れのよい吐出、サテライト滴のない
吐出、１滴吐出後の次のインク供給スピード（応答周波
数スピードに関係する）等があり、これらを抜きにして
効果的なインク吐出性能は語れない。 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、バブルジェット型液体噴射記録装置におい
て、インクの吐出性能を向上させ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、液滴を吐出す
るために設けられたオリフィスと、該オリフィスに連通
し、液滴を吐出するための熱エネルギーが液体に作用す
る部分である熱作用部とを有する液吐出部と、熱エネル
ギーを発生する手段としての電気熱変換体とを具備する
記録ヘッドを使用する液体噴射記録方法であって、熱伝
導性の高い基板の上に、熱伝導性の低い薄層である蓄熱
層と、電気熱変換体としての電気抵抗体層を形成し、該
電気抵抗体層に通電することによって、数μsecの高熱
流束をインクに与え、気泡を発生させ、該気泡の体積増
加にともなう作用力で、前記電気抵抗体層が形成された
平面とほぼ平行に、前記オリフィスより液滴を吐出、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
録方法において、前記気泡が発生してから最大体積にな
るまでの時間をｔi、最大体積になってから消滅するま
での時間をｔdとする時、気泡の発生〜成長、収縮〜消
滅にともなうインクの移動が追従する範囲内で、 なる関係式を満足して記録する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４図は、本発明が適用される液体噴射記録ヘッドの
一例を示す斜視図、第５図は、該記録ヘッドを構成する
蓋基板（第５図（ａ））と基板（第５図（ｂ））の分解
斜視図、第６図は、蓋基板を裏側から見た斜視図で、図
中、１は蓋基板（流路板）、２は基板、３は液体流入
口、４は液体吐出口、５は溝、６はインク部屋を形成す
るための領域、７は個別（独立）電極、８は共通電極、
９は発熱体で、基板２の表面には、発熱体９が共通電極
８とともに形成されており、蓋基板１と、基板２とを接
合することにより、溝５は液体（インク）流路及び吐出
口４を形成し、領域６は流入口３から導入される記録液
体（インク）を収容するためのインク部屋を形成する。
周知のように、基板２上に流路板１を接合した時に、流
路板１の溝５と基板２の上面とでインク流路が形成さ
れ、このインク流路のインク吐出側下面の一部に発熱体
９が配設された構造となり、該発熱体９によってインク
を加熱して該インク中に気泡（バブル）を発生せしめ、
その気泡の体積変化によってインク流路の端部よりイン
ク滴を噴射させるものである。 第18図（ａ）〜（ｇ）は、上述のごときバブル利用の
インクジェットドロップジェネレータにおけるインク滴
生成過程を示す図で、図中、10はインク、20は気泡、30
は生成されたインク滴で、その他流路板１、基板２、独
立電極７、共通電極８、発熱体９等は第16図に示した通
りであり、周知のように、発熱体９を一時的に加熱する
ことによってインク滴30を噴射させる。バブルインクジ
ェットは、上述のようにして、流路内の液体（インク）
を薄膜抵抗体によって通電加熱してインクを急激に沸騰
させ、発生した気泡の圧力作用によって吐出口からイン
ク液滴を吐出し、吐出した液滴を紙などの被記録物に着
弾して、記録画素を形成する。 本発明は、上述のごときバブルジェット型インクジェ
ットの気泡の発生時間、収縮時間とインク吐出性能、と
りわけ、インク滴の切れのよい吐出、サテライト滴のな
い吐出、１滴の吐出後の次のインク供給スピード等との
関係について、実験データにもとづき、最適となるよう
にしたものであるが、最初に、バブルジェットの一般原
理について説明する。 気泡の発生・消滅過程は、ヒーター・流路の構成、通
電加熱条件等によって変化し、インクジェット記録装置
として実用的であるためには、次のような条件を満足す
ることが必要である。 （１）吐出に充分な圧力が得られること。 （２）現象の再現性（気泡安定性）が良いこと。 （３）応答周波数が高いこと。 このような条件は、日常的に見られる沸騰現象から考
えると、達成困難であるように思われる。なぜなら、 （１）液滴を吐出させるためには、吐出口の液面の表面
張力に打ち勝って滴形成をさせる必要がある。ところ
が、通常の沸騰現象では、沸騰開始温度は液体の沸点＋
数℃以下であり、対応する蒸気圧は大気圧に比べてそん
なに高くない。 （２）沸騰は、相変化と流れを伴なう複雑な伝熱現象で
あり、電気的・機械的現象に比べてはるかにランダムで
ある。また、高周波数で繰り返し駆動するためには、発
泡から消泡までの応答時間が短くなければならない。と
ころが、通常の沸騰条件下で温度上昇・下降の時定数を
減少させるには限界がある。 バブルジェット記録装置においては、熱伝導性の高い
基板の上に熱伝導性の低い薄い層（蓄熱層）および薄い
電気抵抗体層（ヒーター）を形成し、極めて短い加熱パ
ルス（〜数μsec）で高熱流束をインクに与えることに
よって、上の条件を満足させている。すなわち、 （１）薄膜技術によって形成された平滑な伝熱面に高熱
流束を与えることによって、非常に高い温度（水系イン
クの場合〜300℃）までインクを過熱することができ
る。このときの蒸気圧は、大気圧の数10倍に達し、液滴
を吐出させるのに充分である。 （２）バブルジェットにおける発泡は、ヒーター面のく
ぼみなどに捕捉された気体が発泡の核になる通常の沸騰
現象と異なり、伝熱面近くのインクが過熱限界に到達す
ることによって一斉に気化するので、現象の再現性が高
い。 （３）加熱時には、蓄熱層の効果によってインクが充分
に加熱される。加熱時間が短いためごく一部のインク
（ヒーター上〜数μｍ）しか加熱されないうえ、気泡形
成後は、蒸気の断熱効果によってヒーターからの伝熱は
ほとんど停止する。従って、気泡の成長とともにインク
の温度および気泡内の圧力は、急激に低下し、キャビテ
ーション気泡の状態となる。気泡の消滅速度は極めて大
きく、消泡時に衝撃によるヒーターの破壊が問題となる
ほどである。余分の熱は、蓄熱層を通過して基板に逃げ
る。 第１図は、本発明の一実施例を説明するための要部拡
大断面図、第２図は、熱作用部（ヒーター部）に発生す
る気泡の体積Ｖの時間的変化を示す一例を示す図で、第
２図に示すように、気泡が発生してから、最大気泡体積
Vmaxになるまでの時間をｔi、最大気泡体積Vmaxになっ
てから消滅するまでの時間をｔdとする。 第１図は、インク滴吐出後の液室内（オリフィス近
傍）の状態を示すが、気泡20は最大気泡に達した後、矢
印Ａの方向に収縮する。それにともない、オリフィス側
ではメニスカスが矢印Ｂのように引き込む。一方、右側
のインク供給側からは、気泡収縮にともなう作用力で矢
印Ｃのようにインクが移動（供給）する。メニスカスの
移動或いはインクの移動（供給）は、気泡の収縮スピー
ドに大きく依存し、そのスピードがある範囲内にない
時、次のような不具合が生ずる。たとえば、メニスカス
の移動に起因するものとしては、吐出インク滴の切れの
悪さ、サテライト滴の発生、オリフィスからの不要空気
の吸い込み、オリフィス面でのインクだれ等、又、イン
クの移動（供給）に関しては、あまりに気泡収縮スピー
ドが速いとそれにインク供給が追従しなかったり（応答
スピードが追いつかない）、又、逆におそいと、記録ス
ピードが遅くなり好ましくない。 本発明は、気泡の発生、収縮の実験、観察を行なって
いるうちに、上記の現象（不具合点）が、気泡の発生、
収縮の挙動に大きく依存していることをつきとめ、好ま
しい気泡の発生、収縮挙動条件を見いだすために、諸々
の角度から検討し、実際に多種多様の記録ヘッドを設
計、製作し、種々の角度からの実験を繰り返して、以下
の条件を見いだしたものである。すなわち、 となるような関係に、気泡の発生及び収縮スピードを規
定したものであるが、更に好適には、 とされ、最適には、 とされる。 気泡の発生及び収縮スピードは、加える信号電圧、パ
ルス巾、パルス波形、パルス電流、インク物性、インク
温度、液室ディメンション、発熱部構成、発熱部材料、
発熱部ディメンション等によって変えられる。 第３図は、各パラメータを変化させ、ｔd/tiの値を変
えて、それと吐出性能の関係を調べ、安定吐出領域（良
好印字品質領域）を示したデータの一例で、Ａ−Ｂ領域
は使用不可領域、Ｂ−Ｅ領域は実用印字品質領域、Ｃ−
Ｅ領域は良好印字品質領域、Ｄ−Ｅ領域は最良印字品質
領域、Ｅ−Ｆ領域は使用不可領域である。上式で、ｔd/
tiの上限を3,5,10という数字で示したが、これはあくま
でも平均値で、実際には、３±0.3,5±0.3,10±0.3のバ
ラツキの範囲をもっている。この理由としては、上記の
気泡の発生及び収縮スピードを決定する各々の因子が実
際に実験するうえにおいて、バラツキをもっているから
と考えられる。 効果 以上の説明から明らかなように、本発明によると、気
泡の発生、収縮スピードの条件を上記（１）式の範囲内
に設定することにより、 イ．インク滴の切れのよい吐出、 ロ．サテライト滴のない吐出、 ハ．ミスト状にならない均一液滴の吐出、 ニ．オリフィスからの不要空気の吸い込みのない吐出、 ホ．オリフィス面でのインクだれのない吐出、 ヘ．応答周波数の高速化吐出 を行うことができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の一実施例を説明するための要部拡大
断面図、第２図は、気泡体積の時間変化を示す図、第３
図は、安定吐出領域の一例を示す図、第４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斜視図、
第５図は、該記録ヘッドを構成する蓋基板（第５図
（ａ））と基板（第５図（ｂ））の分解斜視図、第６図
は、蓋基板を裏側から見た斜視図、第７図は、バブルジ
ェット記録におけるインク滴の生成過程を説明するため
の図である。 １……蓋基板（流路板）、２……基板、３……液体流入
口、４……液体吐出口、５……溝、６……インク液室、
７……個別（独立）電極、８……共通電極、９……発熱
体、10……インク、20……気泡、30……インク滴、

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．液滴を吐出するために設けられたオリフィスと、該
   オリフィスに連通し、液滴を吐出するための熱エネルギ
   ーが液体に作用する部分である熱作用部とを有する液吐
   出部と、熱エネルギーを発生する手段としての電気熱変
   換体とを具備する記録ヘッドを使用する液体噴射記録方
   法であって、熱伝導性の高い基板の上に、熱伝導性の低
   い薄層である蓄熱層と、電気熱変換体としての電気抵抗
   体層を形成し、該電気抵抗体層に通電することによっ
   て、数μsecの高熱流束をインクに与え、気泡を発生さ
   せ、該気泡の体積増加にともなう作用力で、前記電気抵
   抗体層が形成された平面とほぼ平行に、前記オリフィス
   より液滴を吐出、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方法において、前記気泡が発生し
   てから最大体積になるまでの時間をｔi、最大体積にな
   ってから消滅するまでの時間をｔdとする時、気泡の発
   生〜成長、収縮〜消滅にともなうインクの移動が追従す
   る範囲内で、 なる関係式を満足して記録することを特徴とする液体噴
   射記録方法。