JPH0412859A - 液体噴射方法、該方法を用いた記録ヘッド及び該方法を用いた記録装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は液路内の液体を加熱して発泡させ、発生気泡を
利用して液体を噴射する液体噴射方法、記録ヘッド及記
録装置に関し、新規で画期的な構成を提供するものであ
る。

［従来の技術］ 従来、液体を加熱して発泡させ、そのときに発生する高
圧を利用して液体を噴射する液体噴射方法にあっては、
以下の如き公報が知られている。

特開昭５５−５９９７５号公報には、液体の供給方向と
吐出方向を略々９０度とすることによって、吐出効率、
吐土応答性、吐出安定性、長時間記録性を向上させる装
置が開示されている。

特開昭５５−１３２２７０号公報には、発熱体を口径ｄ
の吐出口からｄないし５０ｄの位置に設定することによ
って、熱効圭、液滴吐出応答性、吐出安定性を向上させ
る装置が開示されている。

特開昭５５−１３２２７６号公報には、発熱体の寸法、
位置、液路長を所定の関係を満たすように構成すること
によって、エネルギー効率を向上させ、高速度で良品位
の記録を行う装置が開示されている。

特開昭５５−１５４１７１号公報には、発熱体の上部層
、発熱抵抗層、下部層の層厚を所定の関係を満たすよう
に構成することによって、熱ネルギーが液体に対して効
率的に作用しかつ熱応答性も良好な記録ヘッドが開示さ
れている。

特開昭５６−４６７６９号公報には、液路と発熱体を所
定の位置・寸法に構成することによって、エネルギーを
液滴吐出の為に効率良く消費し、かつ液滴形成が安定に
行われる記録ヘッドが開示されている。

特開昭５８−１５７１号公報には、駆動電圧を気泡発生
最低電圧の１，０２〜１３倍に設定することによって、
画像品質の良好な記録を容易に、安定的に行う記録法が
開示されている。

特開昭６０−２３６７５８号公報には、発熱体の上部の
保護層を他の保護層より薄くすることによって、熱エネ
ルギーの損失が少なく、耐久性が向上する記録ヘッドが
開示されている。

特開昭６１−４０１６０号公報には、流体の流れる方向
によって抵抗係数の異なる抵抗物体を発熱体に近接して
配置することによって、作用部が高密度に集積され、か
つ実用上の信頼性が高められる記録ヘッドが開示されて
いる。

特開昭６２−１０４７６４号公報には、加熱パルス幅を
、発熱体の構成から定まる所定の範囲に設定することに
よって、低工不ルキーて効率的な液滴吐出を行う記録法
が開示されている。

〔発明が解決しようとしている課題〕

しかしながら、上記従来例では、発熱体から液体への熱
の伝達効率あるいは流路中の流体運動におけるエネルギ
ー効率だけが考膚され、熱が流体運動のエネルギーに変
換される効率については考膚されていない。

そのため、熱の伝達効率および流体運動のエネルギー効
率がそれぞれ良好であっても、熱が流体運動のエネルギ
ーに変換される効率が低ければ、全体としてのエネルギ
ー効率が低（なるという欠点があった。

例えば、ある記録ヘッドについて良好なエネルギー効率
が達成されているとしても、流路の寸法を設計変更した
場合には、熱が流体運動のエネルギーに変換される効率
が低下するために、エネルギー効率が低下するというこ
とが問題となっていた。

一方、熱が流体運動のエネルギーに変換される効率は、
可逆熱機関においては、よく知られているように、高温
源の絶対温度Ｔｇおよび低温源の絶対温度Ｔ２を用いて
、ｌ−Ｔ、／Ｔ、によって表わされる。ところが、液体
を発泡させ、そのときに発生する高圧を利用して液体を
噴射する過程は、極めて不可逆性の強い過程であるから
、上記可逆過程に対する法則は適用できない。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、加熱熱流束の大きさと流路の形状・寸法によ
って定まる、記録ヘット固有の無次元数２ミ（π／６）
”’　Ｔ−ｋ　（Ｔ）ｇ　／ｑ。）””／（ρｇＬｇ　
ａｓ□Ａ）し２ の値を０５以上１６以下に設定することにより、熱エネ
ルギーが流体運動のエネルギーに変換される効率が高く
なるようにしたものである。

〔実施例〕

発明者の最近の研究によると、ヘッド固有の無次元数 Ｚ　ミ　　（π　／　６　ン　　１／２　　　Ｔ　、　
　　ｋ　　（ｐ　イ　／ｑ　　０　　ン　　３　／　　
（ｐ　ｇ　　Ｌ　ｇ　　ａ　Ｓ　ＨＡ）　　”’と、熱
エネルギーが流体運動の二ネルキーに変換される効率 η−：Ｗ／Ｑ の間には、第１図に示すような一般的関係があることが
、理論的に導かれる。ここに、 Ｔｇは液体主成分の過熱限界温度、 ｐ８は温度Ｔｇにおける液体主成分の飽和蒸気圧、 ρｇは温度Ｔｇにおける液体主成分の飽和蒸気密度、 Ｌｇは温度Ｔ、における液体主成分の気化熱、ｋは加熱
前のヘット温度における液体主成分の熱伝導度、 ａは加熱前のヘッド温度における液体主成分の温度伝導
度、 ｑｏは液体を加熱する熱流束、 ＳＨは発熱体の液体を加熱する部分（伝熱面）の表面積
、 Ａは伝熱面を圧力源、液体の供給口および吐出口を開放
境界、流路を定義する壁を固定境界としたときの流路の
イナータンス、 πは円周率、 Ｗは気泡が液体に対してする仕事、 Ｑは加熱開始から発泡までの間に発熱体から液体に対し
て与えられる熱である。

第１図かられかるように、０．５＜Ｚ≦１６の範囲にお
いて、熱効率ηはその最大値に対して５０％以上の値を
とっている。

従って０．５≦Ｚ≦１６が熱効率を良好にするための条
件である。

以下、第１図の関係がどのようにして導かれるかについ
て説明する。

（１）発泡温度 高熱流束で液体を加熱する場合、液体が沸騰を開始する
温度は通常の沸点よりはるかに高く、液体の過熱限界温
度Ｔ５に近い。

これは、通常の沸騰条件下では伝熱面に捕捉された空気
または蒸気が沸騰の核となるのに対し、高熱流束加熱時
には液体の分子運動による自発核生成が沸騰の主原因と
なるからである。

液体の過熱限界温度Ｔｇは、 「　ｖ′ｕ＝Ｏ ］、　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　−１１）を満たす温度Ｔとして求められる。

ここに、τは加熱時間、■は時間τの間に加熱される液
体の体積（＝　２１丁下・Ｓ　ｎ　）　、Ｎ　Ａはアホ
カドロ数、ｍは液体の分子量、ρは液体の密度、ｋ　Ｉ
Ｉはボルツマン定数、ｐ　ａｆｆｉｂは標準大気圧、σ
（Ｔ）およびｐ、（Ｔ）はそれぞれ、温度Ｔの飽和状態
における表面張力および蒸気圧である。

（２）気泡体積〜′、の時間変化 発泡直後は、流体の速度が小さいから、流体運動の方程
式において対流項と粘性項は省略でき、が成立つ。

ここにＵは流速ベクトル、ｐは圧力場である。

気泡の圧力をｐ、とすると、発泡直後においては、気泡
の境界はほぼ伝熱面に等しく、が成立つから、 となる。

ここに、 Ｓ□は発熱体の伝熱面 （積） Ｓ　　＋ｍｂ 式 は液体の供給口および吐出口などの開放境界、Φ は流路形状のみによって定まる関数で、のちとに積分す
ると、 発泡直後の気泡の体積変化 の解として定義されるものである。

は、 発泡直後においては、 気泡の体積ｖｖ は をみたすから、 で与えられる。

ここに、 （ｌ） が成立つ。

ここに、 ｎは伝熱面から液体に向かう法線ベク は、 伝熱面を圧力源、 供給口および吐出口を開放 ）・ルである。

境界としたときの流路のイナータンスである。

発泡直後においては、 熱流束である。

１）　　ｖ　”：’　ｐ　ｍ 発泡直後においては、 であり、 ｐ、　　＞＞ｐ、□わ であることを考慮すると、 より、 てあり、 の右辺の第２項が第１項に比べ て無視てきることに注意すると、 より、 を得る。

気泡温度Ｔ９ の時間変化 を得る。

発泡と同時に加熱を中止するとすれば、発泡− 加熱時間および発泡後の時間が短かく、液体内 後の系のエンタルピ変化は、 熱力学第一法則によ の温度分布が伝熱面に対して垂直な方向に沿ってり、 １次元的である場合、 気泡表面の温度Ｔ９ は、 （ｌ　５） より、 て与えられる。

ここに、 ｖ 才液体から気泡に流れ込む （ｌ　６） で与えられる。

ここに、 は加熱開始より発泡までの時間 を得る。

（４）気泡圧力ｐ、の時間変化 Ｃ１ａｕｓｉｕｓ−Ｃｌａｐｅｙｓｏｎの式％式％） より発泡直後の温度変化 の表式として、 のちとに温度Ｔ。

からＴｖ まて積分すると、 （２ｌ　） を得る。

ここに、 Ｇは蒸気の気体定数、 ρ はそれぞれ温度Ｔ。

の飽和状態における気化 熱、 蒸気密度、 液体密度、 て与えられる。ここに、 とする代数方程式 はＺをパラメタ の根である。

（５）熱効率 気泡が液体に対してする仕事Ｗの大部分は発泡である。

直後の高圧時になされるから、 において を式（２１） に代入し、 発泡直後に ｐ　ｖ　＞ｐ　、ｌＩゎ として、 おいては の右辺第２項が第１項に比へて 小さいことを用いると、 で与えられる。

ここで、 Ｐはｐｖ による圧力の力 積で、 Ｐ”　ｐｇ を得る。

とみなせる。

この式より、 がｐｇ １　／　ｅになる時間 一方、 発泡までの間に与えられる熱Ｑ （時定数） Ｓ。

であるから、 は、 η゛１ で与えられる。

ここに、 気泡を熱機関とみたときの効率η 関数としてプロットすると、第１図のようになる。

〔実施例１〕 第２図のようなインクジェット記録ヘットを設計する場
合について考える。領域を一辺β／２０の立方体を用い
てメツシュ分割し、有限要素法を用いて方程式（５）を
解くと、 を得る。また、 Ｓ、、＝１２ であるから、 である。

式（２９） にもとづいて、効率ηをＺの となる。従って、０５≦Ｚ≦１６となるための条件は、 Ｔ、’；６００Ｋ、 ｐｇ　　；ｌ、　　２Ｘ　　１　０７　Ｐａｐ、”：：
０．　０７３ｘｌＯ３ｋｇ／ｒｒｆ、Ｌ、：；１．　２
Ｘ１０’　　Ｊ／Ｋｇ、ｋ；６．　　Ｉ　　Ｘ　１　０
−’Ｗ／　　（ｍ　　−ｋ）　　、ａ：；１．　５Ｘ１
０−’ｒｒ？／Ｓ、ｐｌ：：１　、　　ＯＸ　　１　０
３Ｋ　ｇ／ｒｄであるから、 ０．５＜Ｚ＜１６ となるための条 件は、 ９　、　３　　Ｘ　　１　０　　”Ｗ３／ｍ３＜ｑ。３
ｆｆ＜９．５ｘ　１０”　　Ｗ３／ｍ’となる。この領
域を図示すると、第３図の斜線部となる。

〔実施例２〕 第４図のようなインクシェツト記録ヘッドを設ける場合
について考える。領域を一辺β／２０の立方体を用いて
メツシュ分割し、有限要素法を用いて方程式（５）を解
くことにより、 を得る。

従って、水系インクを用いた場合、実施例１と同様にし
て、０５≦Ｚ≦１６となるための条件は、 １、　４　　ｘ　　ｌ　　Ｏ”Ｗ’　　７ｍ５＜　ｑ　
、３β　＜　　１．　５　　Ｘ　　ｌ　　０２２Ｗ３７
ｍ５となる。この領域を図示すると、第５図の斜線部と
なる。

ここで、第１図に戻って、本発明の無次元数Ｚについて
更に詳述する。熱効率の最大値１００％（ｍａｘ）の６
０％以上であれば、実用上の設計誤差分を簡単に解消す
ることができるため好ましいものとなる。この条件は第
１図から無次元数２が０．５８以上１１７以下である。

従ってこれによる液体噴射ヘッドの生産効率は向上され
複数液路を共通液室に連通させたものでも各液路がらの
液体噴射特性は確実なものとなり、複雑な回復処理やシ
ェーディングを必要することなく生産ができる。詰まり
は、歩留まりを極めて向上できる利点や、これによる記
録特性の安定化を極めて向上できる利点がある。更に熱
効率の最大値１００％（ｍａｘ）の７０％以上（即ち、
無次元数２が０．７０以上７．９以下）であれば、熱効
率の増大から従来では実用化されにくい高周波駆動を達
成でき、理想的には、８０％以上（即ち、無次元数２が
０．８３以上５．８以下）、９０％以上（即ち、無次元
数２が１．１以上４．０以下）、特には、９９％以上（
即ち、無次元数２が１．６以上２．５以下）を挙げるこ
とができる。

本発明は、従来から知られている熱エネルギーを利用し
て液体（液体噴射時に液体と成るものを含む）に気泡を
形成する液体噴射方法のいずれにも採用できるものであ
るが、特に有効なものは、核沸騰を越える急激な温度上
昇を達成して膜沸騰を熱作用面である伝熱面から与えて
、半ビュロー上の気泡を形成するものに最適である。

また、本発明は、本出願人によって先に出願された以下
の液体噴射方法、装置に於いても有効であり、これらの
格別な効果を一層向上できるものである。以下、それら
の説明をすることにする。

第６図（ａ）〜（ｅ）は本発明が適用される液体噴射方
法、装置の新規な第１具体例の説明図であり、バブルの
内圧と体積の時間変化に着目した発明である。この発明
をまとめると、 （１）インクを加熱することによって気泡を生じせしめ
、該気泡により前記インクの少なくとも一部を吐出して
記録を行う液体噴射方法において、前記気泡の内圧が外
気圧以下の条件で前記気泡を外気と連通させることを特
徴とする液体噴射方法（２）吐出エネルギー発生手段に
よりインクを加熱して気泡を生じせしめ該気泡により前
記インクの少なくとも一部を吐出するための吐出口を有
する記録ヘッドと、前記気泡の内圧が外気圧以下の条件
で前記気泡を外気と連通ずるように前記吐出エネルギー
発生手段を駆動するための駆動回路と、前記吐出口と被
記録媒体とが対向する位置に設けられたプラテンとを有
することを特徴とする記録装置である。

この第１具体例発明は、吐出する液滴の体積や速度を安
定化し、高速記録に十分対応できない原因としてのスプ
ラッシュやミストなどの発生を抑え、画像上の地汚れや
装置化した場合の製雪内の汚れを防ぐとともに、吐出の
効率を向上させ、目詰まりなどを防ぎ、さらには記録ヘ
ッドの寿命を向上させ、高品位な画像を印字可能にする
ものである。

第６図を説明する前に液体噴射原理を第７図を用いて説
明する。なお、液路は、基体１と天板４および不図示の
壁によって形成される。

第７図（ａ）は初期状態を示し、液路内がインク３で満
たされた状態である。インク３まずヒータ（例えば電気
熱変換体）２に瞬間的に電流を流しパルス的にヒータ近
傍のインク３を急激に加熱するとインクは所謂膜沸騰に
よる気泡（バブル）６がヒーター２上に発生し、急激に
膨張を始める（第７図（ｂ））。さらにバブル６は膨張
を続け、主として慣性抵抗の小さい吐出口５側へ成長し
、ついには吐出口５を越え、外気とバブル６が連通ずる
（第７図（Ｃ））。このとき外気はバブル６内と平衡状
態であるか、バブル６内に流入する。

吐出口５より押し出されたインク３はこの瞬間までにバ
ブル６の膨張によって与えられた運動量のためにさらに
前方へ飛翔を続け、ついには独立な液滴となって紙など
の被記録媒体１０１へ向かって飛翔する（第７図（ｄ）
）。さらに吐出口５側先端部に生じた空隙は後方のイン
ク３の表面張力と液路を形成する部材との濡れによって
インり３が図面右方向に供給され（第７図（ｅ））初期
状態に戻る。前記記録媒体１０１は、プラテンに沿って
、プラテン、ローラー、ベルト、あるいはそれらの任意
の組み合わせによって吐出口５に対向する位置に搬送さ
れる。或は、被記録媒体１０１を固定し、吐出口５を移
動させる（記録ヘッドを移動させる）ようにしても良く
、また、それらを組み合わせても良いものである。要は
、吐出口５と被記録媒体とが相対的に移動可能とされ、
被記録媒体の所望の位置に所望の吐出口が対向され得る
ようにすればよい。

さて、第７図（Ｃ）ではバブル６が外気と連通したとき
に外気とバブル内との気体の移動がないか、外気がバブ
ル内に流入するためには、バブルの内圧が外気圧と等し
いかより低い条件でバブルを外気と連通させる必要があ
る。

従って、上記条件を満足させるためには、第６図（ａ）
ではｔ２：ｔｌの時刻においてバブルと外気とを連通さ
せれば良い。実際には、バブルの成長にともなってイン
クが吐出されてしまうため、バブル内圧又は体積と時間
との関係のグラフは第６図（ｂ）に示されるようになる
。すなわち、第６図（ｂ）においてｔ＝ｔｂ　　（ｔｌ
≦ｔｂ）の時刻でバブルを外気と連通させればよい。

この条件で液滴を吐出させるとバブル内圧が外気圧より
高い条件でバブルを外気と連通させて液滴を吐出させる
（ガスが大気中に噴出する）場合に比べ、前述したよう
にインクのミストやスプラッシュによる記録紙や装置内
の汚れを防止できる。また、バブルの体積が増大してか
らバブルを外気と連通させるのでインクに対して十分な
運動エネルギーを伝達することができ、吐出速度が大き
くなるという効果が得られる。

また、バブルの内圧が外気圧より低い条件でバブルを外
気と連通させることは上記効果をより顕著なものにする
ことができるという点においてより望ましい。

すなわち、バブルの内圧が外気圧より低い条件でバブル
を外気と連通させることはバブルの内圧が外気圧より高
い条件で連通させる場合に生じていた吐出口近傍の不安
定な液体を飛散させる事がなく、また更には、該圧力が
等しい場合よりもその不安定な液体に液路内に引き込む
力がわずかではあるが働くため、より一層安定した液体
の吐出と不要液体の層数防止を図ることができる。

第１具体例発明に用いる記録ヘッドはヒータ２の位置を
吐出口５の方向に近づけた位置に設けである。これはバ
ブルを外気と連通させるために最も簡便にとれる手法で
ある。しかしながら、単にヒーターを吐出口に近付ける
だけでは本発明の上記した条件を満たすことができない
。従って、本発明の上記条件を満たすためには、ヒータ
ーの発生する熱エネルギー量（ヒーターの構成、形成材
料、駆動条件、面積、ヒーターの設けられる基体の熱容
量等）、インク物性、記録ヘッドの各部の大きさ（吐出
口とヒータ間の距離、吐出口や液路の幅および高さ）な
どを所望に応じて選択することによりバブルを所望の状
態で外気と連通させることができる。

第１具体例発明をより効果的に達成する条件として前言
己したように液路形状を挙げることができる。液路形状
は、使用する熱エネルギー発生素子の形状によって幅が
ほぼ決定されてくるものの、具体的関係については経験
則でしかない。本発明においては液路形状が気泡の成長
に太き（影響を与え、その液路における上記条件にとっ
ては有効であることが判明した。

すなわち、液路の高さを利用して気泡の連通状態を変え
られることが判明した。環境等の他の影響を受けにくく
、又より一層の安定化を図るためには液路の幅Ｗよりも
液路の高さＨな低く（Ｈ＜Ｗ）とすることが好ましい。

また、バブルが外気と連通しない場合に達するであろう
バブルの最大体積もしくはバブルの最大体積の７０％以
上、より好ましくは８０％以上の体積のときにバブルが
外気と連通ずる様にすることは好ましいものである。

次に、バブルの内圧と外気圧との関係を測定する方法に
ついて説明する。

バブルの内圧と外気圧との大小関係は、直接バプル内の
圧力を測定することは難しいので以下に示す方法によっ
て、あるいは、それら方法を適宜組み合わせることによ
って知ることができる。

先ず、バブルの体積、または吐出口より外側にあるイン
クの体積の時間変化を測定することによって、バブルの
内圧と外気圧との大小関係を知る方法について説明する
。

インクが発泡を開始してからバブルが外気と連通ずるま
での時間におけるバブルの体積■を測定し、■の二次微
分ｄ２Ｖ／ｄｔ２を求めることによってバブルの内圧と
外圧との大小関係を知ることができる。すなわち、ｄ２
Ｖ／ｄｔ”　＞０であればバブルの内圧は外圧よりも高
く、ｄ２Ｖ／ｄｔ２≦０であればバブルの内圧は外圧以
下である。第６図（ｃ）で説明すると、発泡開始ｔ；１
ｏよりｔ　”　ｔ　＋まではバブルの内圧は外気圧より
も高＜　ｄ”　Ｖ／ｄｔ２＞０となり、１＝１．よりバ
ブルが外気と連通ずるまでの時間１＝１．まではバブル
の内圧は外気圧以下であり、ｄ２Ｖ／ｄｔ２≦Ｏとなる
。以上のように■の二次微分ｄ２Ｖ／ｄｔ”を求めるこ
とでバブルの内圧と外気圧との大小関係を知ることがで
きる。

なお、この場合、バブルが記録ヘッドの外側から見える
ことが必要である。記録ヘッドの外側からバブルを観察
するためには、記録ヘッドの一部が透明な部材で形成さ
れ、バブルの発泡、成長等が記録ヘッドの外部から観察
できるような構成であることが望ましい。記録ヘッドの
構成部材が非透明である場合には、例えば、記録ヘッド
の天板等を透明な部材に置き換えればよい。このとき、
置き換えられる部材と置き換える部材の硬度、弾性度等
は極力同じに選ぶのが望ましい。

構成部材の置き換えとしては、記録ヘッドの天板が例え
ば金属、不透明なセラミックあるいは着色されたプラス
チックの場合は、透明なプラスチック（−例としては透
明アクリル）、ガラス等に変更すればよいが、もちろん
置き換え場所とそれに用いられる材料は上記した場所お
よび材料に限られるものではない。。

しかしながら、このとき部材の物性の違いによる発泡特
性の違いを回避するためにできるだけインクに対する濡
れ性などの物性が元の部材に近いものを選ぶことが望ま
しい。元の部材のものと同等の発泡状態であるかどうか
は、吐出させてその吐畠速度や吐出体積が元の状態と同
じかどうかを見ることによって確認することができる。

予め透明な部材で構成されている場合は以上の操作は不
要である。

また、記録ヘッドの構成部材を他の部材に置き換えなく
とも、あるいは、記録ヘッドの構成上地の部材に置き換
えられない場合でも以下の方法によってバブルの内圧と
外圧との大小関係を知ることができる。

別の方法は発泡を開始してからインク滴が飛翔するまで
の時間において、吐出口より外側に飛び出したインクの
体積Ｖ６を測定し、■、の二次微分ｄ２ｖａ　／ａｔ”
を求めることによってバブルの内圧と外気圧の大小関係
を知ることができる。

即ち、ｄ”　Ｖ６　／ｄｔ２＞Ｏであればバブルの内圧
は外気圧よりも高く、ｄ２Ｖａ　／ｄｔ２≦Ｏであれば
バブルの内圧が外気圧以下である。第６図（ｄ）はバブ
ルの内圧が外気圧よりも高い状態でバブルを連通したと
きに、吐出口より飛び出したインクの体積■。の−次微
分ｄＶ、／ｄｔの時間変化を示したものであるが、発泡
開始ｔ＝ｔｏよりバブルが外気と連通ずるまでの時間１
＝１．までは、バブルの内圧は外気圧よりも高く、ｄ２
Ｖａ　／ｄｔ２＞Ｏとなる。一方、第６図（ｅ）はバブ
ルの内圧が外気圧以下の状態でバブルを外気と連通させ
たときの■。の−次微分ｄＶ、／ｄｔの時間変化を示し
たものである。同図より、発泡開始ｔ＝ｔ０より１＝１
＋　まではバブルの内圧は外気圧よりも高＜ｄ２Ｖａ　
／ｄｔ２〉Ｏであるが、ｔ＝ｔｌより１＝１０まではバ
ブルの内圧は外気圧以下でありｄ２Ｖａ　／ａｔ２≦Ｏ
となる。

以上のように■。の二次微分ｄ２Ｖ。／ｄｔ２を求める
ことでバブルの内圧と外気圧との大小関係を知ることが
できる。

吐出口より外側に存在するインクの体積Ｖｄの測定法を
説明する。吐出後各時刻における液滴の形状は、ストロ
ボやＬＥＤ、レーザなどの光源を用いてパルス光で吐出
口から飛び出している液滴を照明しながら顕微鏡で観察
することによって測定することができる。即ち、一定周
波数で連続して吐出している記録ヘッドに対して、その
駆動パルスに同期してかつ所定のデイレイ時間をおいて
パルス光を発光させることにより、その吐出から所定時
間後における一方向から見た液滴の投影形状を測定でき
る。このときパルス光のパルス幅は測定に十分な光量が
確保できる範囲でできるだけ小さい方がより正確に測定
を行なうことができる。

これらの方法によって、バブルが外気に連通ずる瞬間に
液路側から外側に向かっての気流が観測されれば、バブ
ルの内圧が外気圧よりも高い状態で連通したことを示し
、液路内へ流入する気流が観測されればバブルの内圧が
外気圧よりも低い状態で連通したことを示す。

なお、他の条件としては第８図に示したようにバブルの
吐出口方向先端の移動速度の１次微分値が負となる条件
でバブルと外気とを連通させる条件、或は、第７図に示
したように吐出エネルギー発生手段の吐出口側端部から
バブルの吐出口側端部の距離℃、と吐出エネルギー発生
手段の吐出口とは反対側の端部からバブルの吐出口とは
反対側の端部との距離℃５とがＱ、／Ｑゎ≧１を満足す
る条件、もしくはその両方の条件でバブルと外気を連通
させることはより好ましいものである。

第７図（ａ）〜（ｆ）は本発明が適用される液体噴射方
法、装置の新規な第２具体例の説明図であり、バブルの
成長状態に着目した発明である。

こ　　の　　発　　明　　を　　ま　　と　　め　　る
　　と（３）インクを吐出させるための吐出口と、該吐
出口に連通する液路と、該液路内に気泡を形成して供給
されたインクを吐出させるために利用される熱エネルギ
ーを発生する吐出エネルギー発生手段とを有する記録ヘ
ッドを用い、吐出エネルギー発生手段の吐出口側端部と
バブルの吐出口側端部との距離βａが吐出エネルギー発
生手段の吐出口とは反対側の端部とバブルの吐出口とは
反対側の端部との距離ｐｂに対して、ρａ／βｂ≧１な
る条件下で該吐出エネルギー発生手段によりインク中に
生起されたバブルを吐出口より外気と連通させることを
特徴とする液体噴射方法。

（４）インクを吐出させるための吐出口と、該吐出口に
連通する液路と、該液路内に気泡を形成して供給された
インクを吐出させるために利用される熱エネルギーを発
生する吐出エネルギー発生手段とを有する記録ヘッドと
、吐出エネルギー発生手段の吐出口側端部とバブルの吐
出口側端部との距離Ｊ２ａが吐出エネルギー発生手段の
吐出口とは反対側の端部とバブルの吐出口とは反対側の
端部との距離ｘｂとに対して、ｊ２ａ／εｂ≧１なる条
件下で該吐出エネルギー発生手段によりインク中に生起
されたバブルを吐出口より外気と連通させるため前記吐
出エネルギー発生手段に信号を与えるための駆動回路と
、前記吐出された液体を付着させるために被記録媒体を
沿わせ得るプラテンとを有することを特徴とする記録装
置。どなる。

以下、図面を参照しながら本発明の詳細な説明する。

第７図（ａ）乃至第７図（ｆ）はそれぞれ本発明の液体
噴射方法による液体の吐出を説明するための模式的断面
図である。

第７図（ａ）乃至第７図（ｆ）においで、１は基体、２
はヒーター、３はインク、４は天板、５は吐出口、６は
バブル、７は液滴、１０１は被記録媒体である。なお、
液路は、基体１と天板４および不図示の壁によって形成
される。

第７図（ａ）は初期状態を示し、液路内がインク３で満
たされた状態である。インク３まずヒータ（例えば電気
熱変換体）２に駆動回路からの信号として瞬間的に電流
を流しパルス的にヒータ近傍のインク３を急激に加熱す
るとインクは所謂膜沸騰による気泡（バブル）６がヒー
ター２上に発生し、急激に膨張を始める（第７図（ｂ）
）。さらにバブル６は膨張を続け（第７図（ｃ））、主
として慣性抵抗の小さい吐出口５側へ成長し、ついには
吐出口５を越え、外気とバブル６が連通する（第７図（
ｄ））。このとき吐出エネルギー発生手段であるヒータ
ー２の吐出口側端部からバブル６の吐出口側端部までの
距離β、が、ヒーター２の吐出口とは反対側の端部から
バブル６の吐出口とは反対側の端部までの距離ρゎに対
してで。

／ρ５≧１の条件下において外気とバブル６とが連通し
ている。

吐出口５より押し出されたインク３はこの瞬間までにバ
ブル６の膨張によって与えられた運動量のためにさらに
前方へ飛翔を続け、ついには独立な液滴７となって紙な
どの被記録媒体１０１へ向かって飛翔する（第７図（ｅ
））。さらに吐出口５側先端部に生じた空隙は後方のイ
ンク３の表面張力と液路を形成する部材との濡れによっ
てインク３が図面右方向に供給され（第７図（ｆ））初
期状態に戻る。前記被記録媒体１０１は、プラテンに添
って、プラテン、ローラー、ベルト、あるいはそれらの
任意の組み合わせによって吐出口５に対向する位置に搬
送される。或は、被記録媒体１０１を固定し、吐出口５
を移動させる（記録へラドを移動させる）ようにしても
良く、また、それらを組み合わせても良いものである。

要は、吐出口５と被記録媒体とが相対的に移動可能とさ
れ、被記録媒体の所望の位置に所望の吐出口が対向され
得るようにすればよい。

以上説明した記録原理で液体を吐出させると、バブルが
外気と連通ずるために吐出口より押し出される液体の体
積は常に一定となり、記録を行なっても、記録濃度にム
ラのない高画質な記録画像を得ることができる。

また、上記したような、ρｇ／ｆｌ。≧１の条件でバブ
ルを外気と連通させるので、バブルの持つ運動エネルギ
ーを有効にインクに伝達することができ、吐出口率が向
上する。

更に、上記条件で液体を吐出した場合は、ρ８／でゎ〈
１の条件で液体（インク）を吐出する場合に較べて、液
体吐出後に吐出口近傍に生じた空隙部に新たなインクが
満たされるまでの時間を短縮することができ、より一層
の高速記録が可能になる。

第２具体例発明において、バブルが外気と連通ずる時の
バブルの端部とヒーターの端部との距離ｆｉ、、１ゎを
測定する方法としては、例えば、第７図に示される記録
ヘッドの場合、天板４を透明なガラス板で構成し、天板
４の上方よりストロボやレーザ、ＬＥＤ等のパルス状に
発光できる光源によって記録ヘッドを照射し、顕微鏡で
観察することによって求める方法がある。

具体的には、ヒーターに与える駆動パルスに同期させて
パルス光源を点滅させ、バブルの発泡開始から液体の吐
出までの現象を顕微鏡とカメラを用いて前述のように観
察し、ρｍ　、’２　ｂを求めることができる。

液路形状は、使用する熱エネルギー発生素子の形状によ
って幅がほぼ決定されてくるものの、具体的関係につい
ては経験則でしがない。第２具体例発明においては液路
形状が気泡の成長に太き（影響を与え、その液路におけ
る熱エネルギー発生素子の上記条件にとっては有効であ
ることが判明した。

即ち、液路の高さ成分を利用して気泡の成長なρｇ／℃
５≧１、好ましくはβ、／ｆ２ゎ≧２、より好ましくは
ρｇ／ｎｂ≧４とすることで、環境等のその他の影響を
受けにくく、より安定化状態で行わせるために、少なく
とも液路幅Ｗよりも液路高さＨを低く　（ＨＥＷ）する
ことがよいことが判明した。これは、気泡の大気との連
通状態を液路の天井の界面における成長速度を増加せし
めた気泡において行わせしめることができるので液体噴
射の路内壁による影響を減少せしめ、噴射方向、速度を
より一層安定できる。第２具体例発明においては、その
幅Ｗ、高さＨの関係を更に追求したところ、Ｈ≦０．８
Ｗとすると、長期、高速噴射を行っても特性変化が少な
く、安定した噴射を行うことができ、記録を行うのに適
していた。

また、Ｈ≦０．６５Ｗとすれば、配録情報を担った各記
録噴射をかなりの変化を与えながら行っても高精度の着
弾性能が得られ最適である。

なお、上記条件に加えて、バブルの吐出口方向先端の移
動速度の１次微分値が負となる条件でバプルと外気とを
連通させることはより好ましいものである。

第８図（ａ）、（ｂ）は本発明が適用される液体噴射方
法、装置の新規な第３具体例の説明図であり、バブルの
内圧と体積の時間変化に着目した発明である。この発明
をまとめると、 （５）インクを吐出させるための吐出口と、該吐出口に
連通ずる液路と、該液路内に気泡を形成して供給された
インクを吐出させるために利用される熱エネルギーを発
生する吐出エネルギー発生手段とを具備した記録ヘッド
を用い、発生されたバブルの吐出口方向先端の移動速度
の１次微分値が負の条件で、該バブルを該吐出エネルギ
ー発生手段により生起されたバブルを吐出口より外気と
連通させることを特徴とする液滴噴射方法。

（６）インクを吐出させるための吐出口と、該吐出口に
連通ずる液路と、該液路内に気泡を形成して供給された
インクを吐出させるために利用される熱エネルギーを発
生する吐出エネルギー発生手段とを具備した記録ヘッド
と、吐出エネルギー発生手段により発生されたバブルの
吐出口方向先端の移動速度の１次微分値が負の条件で、
該バブルを該吐出エネルギー発生手段により生起された
バブルを吐出口より外気と連通させるため前記吐出エネ
ルギー発生手段に信号を与えるための駆動回路と、前記
吐出された液体を付着させるために被記録媒体を沿わせ
得るプラテンとを有することを特徴とする記録装置。で
ある。

この第３具体例発明は、前述した、第１具体例発明の目
的効果を別の手段によって解決するもので、バブルと外
気との連通時に連通部近傍にあるインクがインクを吐出
するために過度に加速度を受けるため、主インク滴と分
離してしまうことを主たる技術課題と認識したものであ
る。この分離によると、その近傍のインクがスプラッシ
ュ状に飛び散ったり、ミストとなって飛散することが顕
著となり、しかも高密度の吐出口配置では吐出口面への
インクの付着による吐出不良を招く結果となるが、この
原因を加速度によるものと解明したことにこの第３具体
例発明の起涜がある。

更にこの点について解析したところ、バブルの吐出口方
向先端の移動速度の一次微分値が正の場合に外気とバブ
ルが連通ずると、上記した問題点が発生することを見出
したものである。

発泡開始よりバブルが外気と連通するまでのバブルの吐
出口方向先端のヒータ一部の吐出口方向端部からの変位
量を測定し、該変位量の１次微分値、２次微分値（移動
速度の１次微分値）を求めた結果を第８図に示した。該
図より、上記問題が発生するのは、第８図（ａ）、（ｂ
）にそれぞれ示された曲線Ａの場合であって、バブルの
吐出口方向先端の移動速度の１次微分値が正であること
が確認された。

第８図（ａ）、（ｂ）に示した曲線Ｂは、第７図の原理
に準じた第３具体例発明を示すもので、バブルの吐出口
方向先端の移動速度の１次微分値が負の条件で、生起さ
れたバブルを外気と連通させて液滴を吐出させるので、
液滴の体積を常に安定化させ高品位な記録画像を得るこ
とができる。

従って、インクミストやスプラッシュによる記録紙の地
汚れや装置内の汚れを防止できる。

更に、インクに対してバブルの運動エネルギーを十分に
伝達することができるので、吐出効率が高くなり、目詰
まりを解消できる。また液滴の吐出速度が向上するため
液滴の吐出方向が安定するとともに、記録ヘッドと記録
紙間の距離を広げることができ、装置設計が容易になる
。

更に、生起したバブルの消泡過程がないため、’ｔＫ　
Ｇによるヒータ破壊現象が解消され、言己録ヘッドの寿
命が向上する なお、本発明の液体噴射方法は所謂オンデマンド型、コ
ンティニュアス型のいずれにも適用可能であるが、特に
、オンデマンド型の場合には、液体（インク）が保持さ
れているシートや液路に対応して配置されてい電気熱変
換体に、記録情報に対応していて核沸騰を越える急速な
温度上昇を与える少な（とも一つの駆動信号を印加する
ことによって、電気熱変換体に熱エネルギーを発生せし
め、記録ヘッドの熱作用面に膜沸騰させて、結果的にこ
の駆動信号に一対一対応し液体（インク）内の気泡を形
成出来るので有効である。

本発明の液体噴射方法を用いた記録ヘッドとしては、上
言己実施例中に記載されるものに限られるものではな（
、記録装置が記録できる最大記録媒体の幅に対応した長
さを有するフルラインタイプの記録ヘッド等の多くの形
態および変形例が考えられる。また、フルラインタイプ
の記録ヘッドとしては、複数記録ヘッドの組み合わせに
よって、その長さを満たす構成や一体的に形成された一
個の記録ヘッドとしての構成のいずれでも良いが、いず
れにしても、本発明は、上述した効果を一層有効に発揮
することができる。

加えて、装置本体に装着されることで、装置本体との電
気的な接続や装置本体からのインクの供給が可能になる
交換自在のチップタイプの記録ヘッド、あるいは記録ヘ
ッド自体に一体的に設けられたカートリッジタイプの記
録ヘッドを用いた場合にも本発明は有効である。

又、本発明の記録装置の構成として設けられる、上記し
た様な記録ヘッドに対しての回復手段のほかに、予備的
な補助手段等を付加することは本発明の効果を一層安定
できるので好ましいものである。これらを具体的に挙げ
れば、記録ヘッドに対しての、クリーニング手段、電気
熱変換体或はこれとは別の加熱素子或はこれらの組み合
わせによる予備加熱手段等である。また、記録とは別の
吐出を行なう予備吐出モードを行なうことも安定した記
録を行なうために有効である。

更に、記録装置の記録モードとしては黒色等の主流色の
みの記録モードだけではなく、配録ヘッドを一体的に構
成するか複数個の組み合わせによってでもよいが、異な
る色の複色カラー又は、混色によるフルカラーの少なく
とも一つを備えた装置にも本発明は極めて有効である。

［発明の効果］ ヘッドに固有の無次元数Ｚの値を０．５以上１６以下に
設定することにより、熱効率が最大値の５０％以上の値
をとり、少ない入力エネルギーで液滴吐出を行わせるこ
とができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念を説明するための説明図で、
無次元数２と熱効率ηの関係を表わすグラフ図、 第２図（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施例におけ
るヘッドの構造図、 第３図は、本発明の第１の実施例における最適設計条件
を表わす図、 第４図（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施例におけ
るヘッドの構造図、 第５図は、本発明の第３の実施例における最適設計条件
を表わす図、 第６図（ａ）乃至第６図（ｅ）は本発明が適用される液
体噴射方法、装置の新規な具体例の説明図で、バブルの
内圧と体積の時間変化を順に説明する図、 第７図（ａ）乃至第７図（ｆ）は本発明が適用される液
体噴射方法、装置の他の新規な具体例の説明図で、それ
ぞれ液体の吐出を説明するための模式的断面図、 第８図（ａ）、（ｂ）は本発明が適用される液体噴射方
法、装置の別の新規な具体例の説明図である。 ２は発熱体、 ３Ａはン夜路、 ５は吐出口、 ９は供給口、 ８は最適設計領域。 霞 ２〜んつ ｉゴー ＼、−／ １）　（ｒｒｎ／ｓｅｃ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）液路内の液体を加熱して発泡させ、発生気泡を利
   用して液体を噴射する液体噴射方法において、使用する
   液体の種類、加熱熱流束および液路形状によって定まり
   、ヘッドに固有の無次元数Ｚ＝（π／６）＾１＾／＾２
   Ｔ＿ｇｋ（ｐ＿ｇ／ｑ＿ｏ）＾３＾／＾２／（ρ＿ｇＬ
   ＿ｇａＳ＿ＨＡ）＾１＾／＾２の値が０．５以上１６以
   下であることを特徴とする液体噴射方法、ここでＴ＿ｇ
   は液体主成分の過熱限界温度、Ｐ＿ｇは温度Ｔ＿ｇにお
   ける液体主成分の飽和蒸気圧、ρ＿ｇは温度Ｔ＿ｇにお
   ける液体主成分の飽和蒸気密度、Ｌ＿ｇは温度Ｔ＿ｇに
   おける液体主成分の気化熱、ｋは加熱前のヘッド温度に
   おける液体主成分の熱伝導度、ａは加熱前のヘッド温度
   における液体主成分の温度伝導度、ｑ＿ｏは液体を加熱
   する熱流束、Ｓ＿Ｈは発熱体の液体を加熱する部分（伝
   熱面）の表面積、Ａは伝熱面を圧力源、液体の供給口お
   よび吐出口を開放境界、液路を定義する壁を固定境界と
   したときの液路のイナータンス、πは円周率である。
2. （２）上記液路を複数備えたことを特徴とする請求項第
   １項記載の液体噴射方法を実施する記録ヘッド。
3. （３）上記液路を複数備え各伝熱面に設けられた電気熱
   変換体に膜沸騰を生じさせる電気信号を供給する手段を
   備えたことを特徴とする請求項第１項記載の液体噴射方
   法を実施する記録装置。