JPH02511A - 液体噴射記録方法 - 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】 技巧４Ｌ」 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ろ記録ヘッドの１％＠勅方法に関す
る。

便法１遣 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１′、ａ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９；）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９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随において、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。

遭−一一戊 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′６４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、オ
ン−オフ動作でＬつの信号が前記電気熱変換体に入力さ
れる時、前記電気熱変換体よりの熱が前記熱作用部にあ
る液体に作用して気泡を発生させ、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、或いは。

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パルスレーザ
照射手段もしくは放電エネルギー付与手段とを具備する
記録ヘッドを使用する液体噴射記録方法であって、オン
−オフ動作で１つの信号が前記パルスレーザ照射手段も
しくは放電エネルギー付与手段に入力される時、前記パ
ルスレーザ照射手段もしくは放電エネルギー付与手段よ
りの熱が前記熱作用部にある液体に作用して気泡を発生
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。

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１５図は１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１６図は、該記録ヘッドを構成す
る蓋基板（第１６図（ａ））と基板（第１６図（ｂ））
の分解斜視図、第１７図は、蓋基板を裏側から見た斜視
図で１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１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６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１図中、１０はインク、２０は気泡
、３０は生成されたインク滴で、その他流銘板１、基板
２、独立ｔｔｔ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１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ａ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１通常の沸騰現象では、沸騰開始温度は液体の
沸点十数℃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１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１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（Ｗ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μ５ｅｃ）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ｍ
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、Ｎ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Ｉｌｌ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、′Ｍ熱層を通過して基板に逃
げる。

第り図は、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Ｖ
ｍａｘになるまでの時間をｔｉ、最大気泡体積Ｖｏ＋ａ
ｘになってから消滅するまでの時間をｔｄとする。

第１図は、インク漬吐出後の液室内（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！！ｆＪ（供給）する、メニスカ
スの移動或いはインクの移！１ＩＪ（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吹
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、観格を行なってい
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１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。

ｔｄ １≦　　く１０　・・・（１） ｔｉ 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、ｔｄ １≦　、〈５　・・・（２） とされ、最適には。

ｔｄ １≦　、〈３　・・・（３） 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１発熱部材料１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／ｌｉ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、ｔ
ｄ／ｌｉ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。

なお、以上には、発熱体に通電することによって気泡を
発生させるバブルジェットについて説明したが、他に、
パルスレーザを照射したり、或いは放電によって気泡を
発生させろ方式のバブルジェットもあり１本発明は、そ
れらの方式の場合にも適用される。

第４図は、前記気泡発生手段としてレーザ光を使用した
場合の実施例を説明するための気泡発生部の構成を示す
図で、レーザー発振器４０より発生されたレーザー光は
、光変調器４１において、光変調器駆動回路４２に入力
され、該光変調器駆動回路４２において電気的に処理さ
れ、該駆動回路４２より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ー光は、走
査器４３を通り、集光レンズ４４によって気泡発生部の
外壁に焦点が合うように集光され、外壁を加熱し、内部
の気泡発生液１０内で気泡を発生させる。あるいは、気
泡発生部の壁は、レーザー光４５に対して透過性の材料
で作られ、集光レンズ４４によって、内部の気泡発生液
１０に焦点が合うように集光され、気泡発生液１０を直
接加熱することによって、気泡を発生させてもよい。

次に、第５図を参照して、第４図に示したレーザ光を利
用したプリンターについて説明をする。

ノズルは高密度に（たとえば、４ノズル／ａｍ）。

又１紙中（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ものとする。

レーザー発振器４０より発振されたレーザー光は、光変
調器４１の入口開口に導かれる。光変調器４１において
、レーザー光は、光変調器４１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ー光は１
反射鎖４６によってその光路をビームエキスパンダー４
７の方向に曲げられ、ビームエキスパンダー４７に入射
する。ビームエキスパンダー４７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
ザー光は、高速で定速回転する回転多面鏡４８に入射さ
れる。回転多面鏡４８によって掃引されたレーザー光は
、集光レンズ４４によりドロップジェネレータの気泡発
生部５０の外壁もしくは、内部の気泡発生液に結像する
。それによって。

各気泡発生液用流路内の気泡発生液には、気泡が発生し
、記録液滴を吐出し、記録紙６０に記録が行なわれる。

第６図は、本発明の他の実施例を説明するための気泡発
生部の構成を示す図で、この実施例は。

気泡発生液用流路の底に、一対の放電電極７１を配置し
、水中放電により、気泡を発生するものである。放電電
極７１は、気泡発生液用流路の底に、平板、針等を立体
的に配置したり、あるいは、蒸着、エツチング等のフォ
トファブリケーション技術により、平面的に配置したり
することも可能である。気泡発生部の内壁側に配置され
た一対の放電電極７１は、放電装置７０から高電圧のパ
ルスを受け、水中で放電をおこし、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。

第７図乃至第１４図は、前記放電電極７１の具体例を示
す図で、第７図に示した例は、電極を針状にして、電界
を集中させて効率よく　（低エネルギーで）放電をおこ
すようにしたものである。

第８図に示した例は、電極７１を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１発生気泡の位置が安定している。

第９図に示した例は、第８図に示した電極にほぼ同軸の
穴をあけたもので、２枚の電極の両穴がガイドになって
１発生気泡の位置はさらに安定する。

第１０図に示した例は、リング状の電極の例であり、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、リング状電極により１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
る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。

気泡発生部の壁面に形成したもので、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（又はスパッタリング）や、フォト
エツチングの技術によって容易に高密度な複数個のもの
を製作することができ、特に、マルチアレイに威力を発
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、やはり発生気泡の安定性を狙ったもので
あり、第１２図に示した例よりも３次元的なガイドを付
は加えた分だけ安定する。

第１４図に示した例は、第１３図の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で、やはり
１発生気泡は安定して形成される。

勲　　米 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。

１．４２９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。

二、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。

へ、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１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図乃至第１４
図は、それぞれ気泡発生部の他の例を説明するための図
、第１５図は１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１６図は、該記録ヘッドを構成
する蓋基板（第１６図（ａ））と基板（第１６図（ｂ）
）の分解斜視図、第１７図は、蓋基板を裏側から見た斜
視図、第１８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Ｗ）、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、２ｏ・・・
気泡、３０・・・インク滴。 ４０・・・レーザー発振器、４１・・・光変調器、４２
・・・光変調器駆動回路、４３・・・走査器、４４・・
・集光レンズ、４６・・・反射鏡、４７・・・ビームエ
キスパンダ、４８・・・回転多面ｆｉ、５０・・・気泡
発生部、６０・・・記録紙、７０・・・放電装置、７１
・・・電極。 第　　１　　図 第２図 ２３４５６７　　　サンプＪしＮ。 第４図 ｔ＋　　　　　　　　　　　　ｔｄ 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 悶 第 図 第 図 （ｅ） （ｆ） Ｏ仁＝＝ Ｃ＝年二二

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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、オン−オフ動作で１つの信号が前記電
   気熱変換体に入力される時、前記電気熱変換体よりの熱
   が前記熱作用部にある液体に作用して気泡を発生させ、
   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、 １≦ｔｄ／ｔｉ＜１０ 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。
2. （２）、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パル
   スレーザ照射手段もしくは放電エネルギー付与手段とを
   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、オン−オフ動作で１つの信号が前記パルスレーザ照
   射手段もしくは放電エネルギー付与手段に入力される時
   、前記パルスレーザ照射手段もしくは放電エネルギー付
   与手段よりの熱が前記熱作用部にある液体に作用して気
   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、 １≦ｔｄ／ｔｉ＜１０ 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。