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JPH09123454A - インク噴射記録装置 - Google Patents

インク噴射記録装置

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Publication number
JPH09123454A
JPH09123454A JP28565095A JP28565095A JPH09123454A JP H09123454 A JPH09123454 A JP H09123454A JP 28565095 A JP28565095 A JP 28565095A JP 28565095 A JP28565095 A JP 28565095A JP H09123454 A JPH09123454 A JP H09123454A
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JP
Japan
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ink
sec
heating
heater
jet recording
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JP28565095A
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English (en)
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JP3436623B2 (ja
Inventor
Masao Mitani
正男 三谷
Kenji Yamada
健二 山田
Katsunori Kawasumi
勝則 川澄
Osamu Machida
治 町田
Kazuo Shimizu
一夫 清水
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koki Holdings Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Koki Co Ltd
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Publication date
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Priority to US08/740,895 priority patent/US5980024A/en
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、熱エネルギを利用してインク液滴
を記録媒体に向けて飛翔させる形式の記録装置に関する
もので、液滴を高速で且つ安定して吐出させるための方
法を提供することを課題とする。 【解決手段】 インク吐出口近傍に設けられた発熱抵抗
体にパルス通電することによってインク液路中のインク
の一部を急速に気化させ、この気泡の膨脹力によって前
記吐出口から液滴状インクを吐出させて記録するインク
噴射記録装置において、前記発熱抵抗体の表面温度を前
記インクにキャビア状核沸騰を生起させる温度まで急激
に加熱し、しかもその加熱速度を1×108℃/sec以
上、5×108℃/sec以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱エネルギを利用
してインク液滴を記録媒体に向けて飛翔させる形式の記
録装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】パルス加熱によってインクの一部を急速
に気化させ、その膨張力によってインク液滴をインク吐
出口から吐出させる方式のインクジェット記録装置は、
特開昭48−9622号公報、特開昭54−51837
号公報、特開昭54−59936号公報、特開昭54−
161935号公報等によって開示されている。
【0003】このパルス加熱の最も効果的な方法はイン
ク液路中に設けられた薄膜発熱抵抗体にパルス通電する
ことであるが、これによってもたらされる水性インクの
沸騰現象については誤解されている面が多い。これにつ
いては本発明者の特許出願(特願平5−272451
号)に詳しく述べたが、ここでは表1(純水の場合)を
参照しながらその要約を記す。水性インクの場合もほぼ
これと同じ特性を示すことは言うまでもない。
【0004】
【表1】
【0005】我々が用いる発熱抵抗体は、意識的に作り
込まない限りその発熱面に欠陥は存在しない。従って、
パルス加熱によって発生する沸騰は沸騰開始点が270
℃以上となる自発核沸騰(ゆらぎ核沸騰ともいう)であ
る。また、安定なインクの吐出には、沸騰圧が大きく且
つ再現性の良い核沸騰が不可欠である。このためには均
質核沸騰で且つ出来るだけ大きな加熱速度でパルス加熱
することが望ましいと言われている。
【0006】例えば、第23回日本伝熱シンポジウム講
演論文集(1986年5月)P.247には3×107℃/se
cの例が、第25回同論文集(1988年6月)P.253に
は7〜8×107℃/secの例が発表されている。また、
インクジェットプリンタの製品でも加熱パルス幅は通常
5μsec程度であり、必要加熱温度が300℃前後であ
るので、平均加熱速度は〜300/5×10~6=6×1
7℃/secとなっている。但し、これらの薄膜発熱抵抗
体には約4μmの厚さの保護膜が被覆されているので、
インクが接するヒータ面の加熱速度はこれらの値より若
干遅くなっている。
【0007】この加熱速度を更に大きくした場合、理論
的に予測され、また、エタノールなどの低沸点液体では
実験的にも確認されていたキャビア状核沸騰が純水の場
合にも発生することが実験的に確認された〔第27回日
本伝熱シンポジウム講演論文集(1990年5月)P.33
4、及び日本機械学会論文集B60巻572号(199
4−4)P.264参照〕。そこでは保護膜の無いヒータを
用い、9.3×107℃/secまでの加熱速度を実現させ
て実験している。
【0008】前記の研究を基にして出願された特開平0
3−266646号公報には、ヒータ表面の昇温速度を
106〜109℃/sec以上という広い範囲で実験し、い
ずれの場合も良好なインクの吐出が行われたことが記載
されている。
【0009】しかし、現実に加熱速度を大きくすること
は技術的に難しく、1×108℃/sec以上での信頼でき
る実験例は少なく、学会での発表例も本出願人らによる
報告〔Japan Hardcopy '94論文集(9
4年6月)P.141〕があるだけである。しかし、上記特
許出願(特開平03−266646号公報)にも示され
ているように、インク吐出に必要な加熱速度に上限値が
存在するとは考えられておらず、加熱速度は大きければ
大きい程インクの吐出に好都合であると推定されてい
た。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】加熱速度を大きくする
には、特開平03−266646号公報、或いは本出願
人による特許出願(特願平05−272451号)、及
び前出学会発表〔JapanHardcopy '94論文集(94年
6月)P.141〕に示されているように、薄膜発熱抵抗体
上に保護層が無いか、有る場合でも100Å程度という
非常に薄い保護層を持つヒータを用いることが不可欠な
条件である。特に1×108℃/sec以上の加熱速度で且
つ高集積密度で並べられるヒータとしては、現在迄のと
ころ、本出願人の発明によるヒータ以外は知られていな
い。
【0011】そこでこのヒータを用い、純水と水性イン
クで実験を行ったところ、今迄の予測に反し、5×10
8℃/sec以上の加熱速度でインクの吐出速度が急激に低
下し、1.2×109℃/sec以上では吐出不能となるこ
とが分かった。
【0012】本発明の目的は、液滴吐出に最適な加熱速
度範囲が存在することを明らかにし、高速で安定な液滴
の吐出を実現させることにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的は、インク吐出
口近傍に設けられた発熱抵抗体にパルス通電することに
よってインク液路中のインクの一部を急速に気化させ、
この気泡の膨張力によって前記吐出口から液滴状インク
を吐出させて記録するインク噴射記録装置において、前
記発熱抵抗体の表面温度を前記インクにキャビア状核沸
騰を生起させる温度まで急激に加熱し、しかもその加熱
速度を1×108℃/sec以上、5×108℃/sec以下と
することによって達成される。
【0014】また、前記発熱抵抗体の表面温度を0.6
〜3μsecの一定の時間内に室温から320℃付近まで
急激にパルス加熱することによって達成される。
【0015】上記のような条件でヒータをパルス加熱す
ると、これに接する水性インクは最も高い沸騰圧で発泡
を始め、しかもその発泡体積も大きく、インクの吐出に
必要且つ十分な大きさの加圧力を発生させることができ
る。このため、インクの吐出速度が大きく、且つ一定し
ているので、優れた印字品質の記録が可能となる。これ
らの具体的な実験データについては後述する。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて具体的な説明
をする。
【0017】図1にインク吐出ノズル近傍の断面図を示
す。
【0018】シリコン基板1上に厚さ1〜2μmのSi
2断熱層(図示せず)を設け、この上に厚さ約0.1
μmのTa−Si−O系三元合金薄膜抵抗体3と、厚さ
約1μmの個別Ni金属薄膜導体4及び共通Ni金属薄
膜導体5からなる発熱抵抗体(以下発熱抵抗体の発熱部
をヒータという)をスパッタ法とフォトエッチング法に
よって形成する。
【0019】シリコン基板1上にはあらかじめドライバ
回路2が形成されており、このドライバ回路2はスルー
ホール6を通して個別Ni金属薄膜導体4と接続されて
いる。すなわち、ドライバ回路2を駆動させる5〜6本
の信号線や電源線によって、任意の数の前記ヒータ3に
順次パルス通電させられるようになっている。
【0020】ヒータ3上に隔壁8を形成する前には、空
気中でパルス幅100μs、印加電力1.5W、周期2
00μsで104〜105パルスで前記ヒータ3の熱酸化
処理を行ない、ヒータ3表面に100Å程度の厚さの絶
縁被膜を形成している。
【0021】こうすることによって、電解質インク中で
も全く電食されることがなく、しかもキャビテーション
破壊にも耐えることのできるヒータとなっている。もち
ろん、図1に示すヘッドにおいてはこのキャビテーショ
ン破壊力は発生しないので、数億回以上のインク吐出に
よっても何ら損傷を受けることがない(本出願人による
特許出願の特願平06−21060号参照)。
【0022】一方、隔壁8と、吐出口12(以下オリフ
ィスという)を有するオリフィスプレート11で形成さ
れる空間はインク液路であり、具体的には個別インク通
路9と共通インク通路10からなる。
【0023】図1に示すヘッドのノズル列が400ドッ
ト/インチ(62.5μmピッチ)である場合を説明す
ると、ヒータ3のサイズは45μm×45μm、この真
上に位置するノズル12の直径は45μmφ、隔壁8の
高さは15μm、オリフィスプレート11の厚さは50
μm、ヒータの抵抗値は約100Ωである。
【0024】まず、このヘッドに粘度が約2.5cps
(20℃)の水性インク14を充填し、ヒータ3にパル
ス幅τのパルス通電を行って液滴吐出速度をストロボ観
察によって測定した。この場合の印加電力は、0.8τ
のパルス幅で通電した時、ノズル内のインク表面(メニ
スカス15)がわずかに動きだす時の電力を印加した。
すなわち、パルス幅τの80%の時点で沸騰が開始する
エネルギが投入されている。印加エネルギは、例えばτ
=1μsecの場合は約3μJであり、従来技術のヒータ
に比べ1/5〜1/10となっている。
【0025】図2は、このような条件で吐出させた液滴
速度とヒータ加熱速度または印加パルス幅τの関係を示
している。なお、水性インクの発泡温度は約300℃で
あるので、ヒータ加熱速度は約300℃/τであるとし
て計算している。
【0026】この実験結果の第1の特徴は、1×108
℃/sec以下での加熱速度では吐出速度にバラツキが見
られることである。
【0027】第2の特徴は5×108℃/sec以上で吐出
速度が急落し、1.2×109℃/secでは吐出不能とな
ったことである(但し、メニスカスは振動する)。
【0028】前述した第1の特徴は、前掲の第25回日
本伝熱シンポジウム講演論文集(1988−5)P.253
にも報告されているように、発泡開始位置のヒータ上で
のバラツキに関係しているものと考える。この文献での
加熱速度は、厚い2層構造保護層を持つヒータを用いて
いるので6〜7×107℃/sec程度と推定され、我々の
結果とも一致する。
【0029】第2の特徴は本発明者によって初めて見い
出された現象であり、前掲の特開平03−266646
号公報とは矛盾するものである。しかし既に説明したよ
うに、彼らの詳しい学会発表と投稿論文にも示されてい
る通り、彼らは0.93×108℃/sec以下の範囲でし
か実験を行っていない。すなわち、現実には安定で且つ
速い吐出速度が得られる最適な加熱速度の範囲が存在
し、それは1×108〜5×108℃/secとなるのであ
る。この条件で印字するとインクの吐出が均一となり、
印字品質が最良のものとなることは改めて説明するまで
もないであろう。
【0030】このような上限値が存在する理由は、以下
の実験結果から明らかである。
【0031】ヒータ基板上に水性インク(半透明イエロ
ーインク)を約300μmの深さで満たす。そしてこの
ヒータに前記と同じ条件でパルス通電を行い、発生する
気泡を真上からストロボ観察した。図3はこの時に観察
される最大気泡となった時の写真である。
【0032】明らかにτ=0.2μsec(1.5×109
℃/sec)では気泡は小さく、この時の印加電力を更に
高くしてもこの小さな気泡はほとんど変化しなかった。
すなわち、あまりにも速い加熱速度はヒータ面付近の加
熱できる水性インクの量(厚さ)を少なくし、そして一
旦沸騰を始めるとヒータ面と水性インクとは熱的に遮断
されるので結果的に気化する水性インク量は少なく、こ
れによって膨張する気泡の最大体積は小さくなる。これ
が最適加熱速度に上限が存在する理由である。
【0033】図3でτ=5μsecの場合の気泡が大きい
のは、発泡位置の変動によって気泡の形状にバラツキが
発生し、これを重畳して観察していることによる。吐出
速度にバラツキが見られる所以である。
【0034】なお、以上で述べた気泡の発生状況はヒー
タの形状とか大きさに依存しないことは明らかで、ヒー
タ面と平行の方向に吐出させるサイドシュータタイプの
サーマルインク噴射記録装置に対しても全く同一の条件
が最適となることが分かる。
【0035】
【発明の効果】本発明によってヒータの最適加熱速度の
範囲が明らかとなり、これによってインクの吐出を安定
で且つ高速とすることが可能となり、印字品質を最良の
ものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明になるインク噴射記録装置の一実施例を
示す断面図である。
【図2】図1のインク噴射記録装置を用いて測定したヒ
ータ加熱速度とインク吐出速度との関係を示すグラフで
ある。
【図3】図1のヒータ基板を用いてオープンプール沸騰
させ、その時に観察される最大気泡形状と印加パルス幅
の関係を示すストロボ観察結果である。
【符号の説明】
1はシリコン基板、2は駆動用LSIデバイス領域、3
は薄膜発熱抵抗体、4は個別薄膜導体、5は共通薄膜導
体(グランド)、6はスルーホール接続部、7は絶縁物
層、8は隔壁、9は個別インク通路、10は共通インク
通路、11はオリフィスプレート、12はインク吐出ノ
ズル、13は吐出インク、14はインク溝、15はイン
クのメニスカスである。
フロントページの続き (72)発明者 町田 治 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内 (72)発明者 清水 一夫 茨城県ひたちなか市武田1060番地 日立工 機株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 インク吐出口近傍に設けられた発熱抵抗
    体にパルス通電することによってインク液路中のインク
    の一部を急速に気化させ、この気泡の膨張力によって前
    記吐出口から液滴状インクを吐出させて記録するインク
    噴射記録装置において、前記発熱抵抗体の表面温度を前
    記インクにキャビア状核沸騰を生起させる温度まで急激
    に加熱し、しかもその加熱速度を1×108℃/sec以
    上、5×108℃/sec以下とすることを特徴とするイン
    ク噴射記録装置。
  2. 【請求項2】 前記発熱抵抗体の表面温度を0.6〜3
    μsecの一定の時間内に室温から320℃付近まで急激
    にパルス加熱することを特徴とする請求項1記載のイン
    ク噴射記録装置。
JP28565095A 1993-10-29 1995-11-02 インク噴射記録装置およびインク噴射記録方法 Expired - Fee Related JP3436623B2 (ja)

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