JP2962880B2 - 液体噴射記録方法、液体噴射記録ヘッド及び記録装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱エネルギーを利用し
て形成した気泡を外気と連通させる工程を用いる記録方
法及び記録装置に関し、記録媒体としての紙又は布に対
し記録信号に応じた記録を行うプリンター、複写機、送
信システムを有するファクシミリ、キーボード入力を備
えたＥＴＷ、ワードプロセッサ等或いは複合器に適用で
きる発明である。

【０００２】

【従来の技術】最近各種プリンターに適用され、実用化
されている記録方法としては、米国特許第４，７２３，
１２９号，同第４，７４０，７９６号に代表される熱エ
ネルギーを利用した膜沸騰による気泡を液滴形成に用い
るインクジェット方式が有効である。又、気泡形成時に
流路を遮断しない記録方法としては、米国特許第４，４
１０，８９９号が知られている。

【０００３】上記発明は、各種記録方式に適用可能であ
るが、形成された気泡（バブル）を大気に連通させて記
録を行う方式への適用を実用レベルまで展開した記載は
ない。以下このような方式を大気連通方式と呼ぶ。

【０００４】ところで、大気連通方式としては、気泡の
破裂を用いるものがあるが、安定した吐出を行えないた
め実用不可能である。又、吐出原理は不明であるが、希
望的現象を記した公報としては、特開昭５４−１６１９
３５号公報がある。この公報は円筒ノズル内に円筒ヒー
タを配置させ、ノズル内部を形成する気泡で分断しては
いるが、液滴と共にスプラッシュした微小インク滴が多
数出るというものである。

【０００５】大気連通方式を吐出口対向用の発熱素子と
は別体に移動する多孔インクシートに利用する方式が以
下３公報に記載されている。しかし、これらは、気体形
成において、詳細に検討するものではないため、表現上
大気連通方式を行うことを示すか又は図面にその原理を
示すものしかない。以下夫々の開示内容を列挙する。

【０００６】特開昭６１−１８５４５５号公報には、小
開口を有する板状部材と発熱体ヘッドとの微少間隙部に
満たされた液状インクを該発熱体ヘッドによって加熱
し、発生したバブルによって小開口からインク滴を飛翔
させると共に、該バブルを形成していたガスをも該小開
口より噴出させて記録紙上に画像を形成することが示さ
れている。

【０００７】更に、特開昭６１−２４９７６８号公報に
は、液状インクに熱エネルギーを作用させてバブルを形
成し、バブルの膨張力に基づいてインク小滴を形成飛翔
させると同時に該バブルを形成していたガスをも大開口
より大気中に噴出させ画像を形成することが記載されて
いる。本公報は各ノズルの壁をなくしたことを特徴とす
るものである。

【０００８】また、上記各公報によれば、ガスを記録液
とともに噴出させる事によってオリフィスや開口の目詰
まりをなくすことができるとしている。

【０００９】又、特開昭６１−１９７２４６号公報に
は、熱エネルギーを用いた記録装置として、記録媒体に
設けられた複数の孔に供給されるインクを発熱素子を有
する記録ヘッドで１５０℃〜２００℃に加熱して、イン
ク滴を被記録材に飛翔させる記録装置が示されている。
しかしながら、該記録装置においては、発熱素子と記録
媒体とを完全に密着させることは難しく、熱効率が思っ
たよりよくならない場合がある。従って、高速記録に十
分対応できない場合があった。又、発生した気泡の圧力
を用いてインクを飛翔させることは記載されるものの、
その具体的な原理等については示されていないため、こ
のような問題を解決する指針さえ示されていない。この
公報には、図３に気泡の成長を図示している。この図に
よると気泡は点を中心に成長しているので核沸騰の延長
のように推定される。しかも図面としては、大気と気泡
の連通は、吐出口から離れた空間中で生じており、吐出
状態としては不安定要因が多く好ましいものではないこ
とが挙げられる。尚、吐出口周囲にインク残存が明記さ
れるいる。

【００１０】［背景技術課題］本発明は、インク気泡を
大気或いは外気に連通させる方式について実用的な解決
を与えるためになされたもので、従来の気泡破裂によっ
てもたらされるスプラッシュや、不安定液滴形成の原因
を追求することで達成された発明である。

【００１１】従来技術においては、インク気泡をどのよ
うに形成することが安定吐出に帰依できるかについて検
討されていないこと、インク気泡と大気或いは外気とど
のように連通状態になるかが検討されていないこと等に
着眼することで、安定かつ画像形成が良好な記録方式を
提供しようとするものであった。

【００１２】［発明の概要］本発明は、インク気泡の形
成の安定化と大気或いは外気とインク気泡の連通状態を
吐出液滴体積・速度の安定化を達成できるものとした新
規且つ実用的な記録方式の提供を行うものである。

【００１３】本発明は、複数吐出口好ましくは高密度隣
接吐出口に対して温度昇温の問題がなく、高品位・高画
質・高周波応答性に優れたオンデマンド記録装置を提供
することを他の目的とする。

【００１４】本発明の別の目的は、記録ヘッドの寿命を
向上しつつ、記録ヘッドによる記録安定性を維持しつ
つ、優れたリフィル特性を得ることのできる記録方式を
複数液路に対して与えることにある。

【００１５】本発明は、熱エネルギーに基づいてインク
気泡を形成し、この気泡を大気或いは外気に連通させて
記録を行う方式のスプラッシュの発生或いは連続的イン
ク気泡の乱れという技術課題を解決するものであり、熱
エネルギーによって核沸騰を越えた膜沸騰により気泡を
形成して、この気泡を吐出口近傍で外気と連通させ、こ
の連通状態で液路は該気泡で遮断されていないことを特
徴とする。より好ましい条件としては、連通時の気泡内
圧が外気圧以下、連通時の気泡の吐出方向先端部の移動
速度の加速度が正でないこと或いは、ｌ_a／ｌ_b≧１を挙
げることができる。

【００１６】本発明によれば、記録画像を良質なものに
でき、複数吐出口でも吐出ムラがなく、連続インク滴吐
出をインクリフィル及び滴安定性さらには温度昇温を抑
制しつつ高効率な記録を達成できた。

【００１７】

【実施例】図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の概念のうち
好ましい形態を示すもので、代表的な液路Ｂの構成の２
例を示すが、本発明はこれに限定されない。

【００１８】図１（ａ）は、基板（不図示）上に発熱抵
抗層２を具備し、その面の側方吐出口５（複数）を備え
る記録ヘッドを示している。Ｅ１、Ｅ２は選択電極、共
通電極を示す従来の構成である。Ｄは保護層で、Ｃは共
通液室である。

【００１９】電極Ｅ１、Ｅ２からの記録信号に応じた電
極信号（パルス信号）に応じて電極Ｅ１、Ｅ２間の発熱
部が膜沸騰を生じる急激な温度上昇を短時間のうちに発
生せしめ（３００℃以上）、気泡６を生成せしめる。こ
の結果、本例では、吐出口５の発熱抵抗層２側の端部Ａ
で気泡６は大気と連通して安定した液滴（破線７）を形
成する。このように、吐出口５の周縁近傍で大気（外
気）と連通することで、スプラッシュすることなく又、
霧（ミスト）状のインク滴を発生することなく液体を記
録信号に応じて吐出することができる。

【００２０】この記録原理は、気泡６の成長段階で液路
Ｂを完全に遮断しないので、後続のインク記録のための
リフィル特性が優れており、３００℃以上の高温部の高
熱も外気側へ液出されるので応答周波数も優れている。

【００２１】図１（ｂ）は、共通液室Ｃを不図示として
いるが、液路Ｂを屈曲した経路の液路としているもの
で、屈曲部の基板面に発熱抵抗部２を備えている。吐出
口は、吐出方向に面積を減少する形状で、発熱抵抗部２
に対向している。吐出口（複数）はオリフィスプレート
ＯＰに形成されている。

【００２２】図１（ｂ）においても、上記図１（ａ）と
同様に膜沸騰（３００℃以上）を生じせしめると、気泡
６は成長して、オリフィスプレートＯＰの厚み部分のイ
ンクを押しやり、その部分のインクを希薄にする。この
後気泡６は、吐出口５の外気側周縁Ａ１から内部側の吐
出口近傍領域Ａ２で大気と連通する。このような連通状
態によれば、スプラッシュすることなくミストも発生せ
ずに安定液滴（破線７）を吐出口中心部から吐出するこ
とができる。この時、気泡の成長は液路を遮断するもの
ではないので、吐出方向へ向かう必要のない液体を液路
内液体と連続した集合体として残すことができ、安定液
滴７の吐出量の安定化及び吐出速度の安定化へ貢献でき
る。

【００２３】本実施例では膜沸騰のうち特に３００℃以
上の安定化域を利用して急速且つ気泡成長を吐出口近傍
へ急激にしかも確実にすることができるので非遮断状態
の液路のリフィル性も手伝って高安定高速記録を達成で
きる。

【００２４】図１（ｃ）は、図１（ｂ）の液路Ｂの共通
液室Ｃ側から発熱抵抗層２へ向う方向に関して一側面側
の該方向に関しての断面図である。図１（ｃ）でわかる
ように、液路Ｂ中の液体（斜線部）は、液滴７に対して
連通しており、その時の中央側の吐出口近傍の気泡６が
吐出口近傍で大気と連通する際に、液滴７と液路内液体
とが連通状態を保っていることが理解されよう。６Ｗ
は、気泡のこの断面における気泡端部の形状を示してい
る。

【００２５】前述したように、図１（ａ）も同様に気泡
が大気と連通する際に、液路内液体が吐出口から突出し
た液滴と連通しながら、液滴を徐々に分離していくので
従来のようなスプラッシュを防止できる。

【００２６】上記図１（ａ）、（ｂ）に対して組み込ま
れて好ましい条件であって、より一層格別に好ましい液
滴形成を達成するものを以下に挙げる。

【００２７】第１条件は、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である。

【００２８】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飛散防止を図ることが
できる。

【００２９】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ブルと外
気とを連通させる第２条件、或は、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ｌ
_a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ｌ_bとが
ｌ_a／ｌ_b≧１を満足する第３条件、もしくはその両方の
条件をもち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。

【００３０】ここで、図２、図３を用いて測定方法を説
明する。

【００３１】まず、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３１
を用いてパルス光で吐出口から飛びだしている液滴を照
明しながら顕微鏡３２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
所定のディ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
の一方向の測定からでも液滴体積を概算することができ
るが、さらに正確に求めるために次のような方法で測定
することが望ましい。

【００３２】図２に示すように液滴の吐出方向をｘと
し、以上述べたようにパルス光で照明しながらｘ軸と直
交し互いに直交する２方向ｙ、ｚ方向から同時に吐出す
る液滴の投影形状を顕微鏡で測定する。このとき顕微鏡
での測定方向ｙまたはｚは吐出口の並び方向に平行な方
向が望ましい。このように測定した２方向からの画像に
ついて、図３（ａ）および（ｂ）に示すようにｘ座標値
に対する液滴部分の幅ａ（ｘ），ｂ（ｘ）を測定する。
これらの値から次式に従って計算することによって所定
時間後の液滴の体積Ｖｄを求めることができるのであ
る。なお、この式はｙ−ｚ断面を楕円で近似したもの
で、液滴や以下に述べるバブル体積計算には十分な精度
で求めることができる。

【００３３】 Ｖｄ＝（π／４）∫ａ（ｘ）・ｂ（ｘ）ｄｘ

【００３４】さらにこのパルス光の点灯ディレイ時間を
Ｏから順に変えていくことによって、駆動パルス印加後
のＶｄの変化を求めることができる。

【００３５】液路内のバブル体積の測定も上記した方法
を応用して行なうことができる。

【００３６】上記したように、液路内のバブルが観察で
きる状態にした後に、上記の液滴体積測定法と同様に２
方向からその投影形状をパルス光で照明しながら測定
し、上記計算式を適用しその体積を求めることができ
る。

【００３７】液滴やバブルの挙動はともに約０．１μｓ
ｅｃ程度の時間分解能が必要なため、パルス光源として
は赤外ＬＥＤを用い、そのパルス幅は５０ｎｓｅｃのも
のを用い、顕微鏡に赤外線カメラを接続し画像を撮影
し、その画像から上記ａ（ｘ），ｂ（ｘ）を求め、上記
計算式を適用し測定すればよい。

【００３８】上記以外にも気流からバブルの内圧と外気
圧との大小関係を知ることもできる。 （気流（気体の動き）から決定する方法）バブルの連通
の瞬間のバブル内外の圧力差によって生じる気流（気体
の動き）を検知する方法について説明する。

【００３９】バブルの内圧と外気圧との大小関係を気流
から知るためには、吐出口近傍に微細なタフトを設け、
気流の変化によって引き起こされる該タフトの動きを顕
微鏡で観察する方法や、気流によって生じる吐出口付近
の空気の密度の変化を、シュリーレン法、マッハ・ツェ
ンダ干渉法、ホログラム法などの光学的手法等によって
検出する方法を用いることができる。

【００４０】これらの方法によって、バブルが外気に連
通す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。

【００４１】次に、本発明に好適に用いられる記録ヘッ
ドの１つの構成について説明する。

【００４２】図４（ａ）および（ｂ）に好適な１つの記
録ヘッドの模式的組立斜視図と模式的上面図を示す。な
お、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示される天板を設けて
いない状態である。

【００４３】図４（ａ）および図４（ｂ）に示される記
録ヘッドの構成を簡単に説明する。

【００４４】図４（ａ）および図４（ｂ）に示される記
録ヘッドは、基体１上に壁８が設けられ、該壁８上を天
板４が覆うように接合され、共通液室１０および液路１
２が形成される。天板４にはインクを供給するための供
給口１１が設けられ、液路１２が連通する共通液室１０
を通じてインクが液路１２内に供給され得る構成となっ
ている。

【００４５】また、基体１にはヒーター２が設けられ、
これら各ヒーター２に対応して各液路が設けられてい
る。ヒーター２は、発熱抵抗層と該発熱抵抗体層に電気
的に接続される電極（いずれも不図示）とを有し、この
電極によって記録信号に従って通電される。この通電に
より、ヒーター２は熱エネルギーを発生し、液路中に供
給されたインクに熱エネルギーを付与することができ
る。この熱エネルギーにより、記録信号に従ってインク
中にバブルを発生することができる。

【００４６】また、本発明に好適に用いられる記録ヘッ
ドの別の構成について説明する。

【００４７】図５（ａ）および図５（ｂ）にはそれぞれ
記録ヘッドの模式的断面図と模式的平面図が示されてい
る。この記録ヘッドと図５に示される記録ヘッドの違い
は、図５に示されるものが、液路内に供給されたインク
が液路に沿って真直にあるいは実質的に真直に吐出口か
ら吐出されるのに対して、図５に示されるものは供給さ
れたインクが液路に沿って曲折されている点である（図
ではヒーターの直上に吐出口が形成されている）。

【００４８】なお、図５（ａ）および図５（ｂ）におい
て、図４（ａ）および図４（ｂ）に示した番号と同じも
のは同じものを指している。

【００４９】図５（ａ）および図５（ｂ）において、１
６は吐出口５が形成されたオリフィスプレートであり、
ここでは、各吐出口５間に設けられる壁９をも一体的に
形成されている。

【００５０】図６（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
通す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。

【００５１】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装置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。

【００５２】図６を説明する前に液体噴射原理を図７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。

【００５３】図７（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まずヒーター
（例えば電気熱変換体）２に瞬間的に電流を流しパルス
的にヒーター近傍のインク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（図７（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が連通する（図７（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。

【００５４】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へ向って飛翔する。
（図７（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
濡れによってインク３が図面右方向に供給され（図７
（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。

【００５５】さて、図７（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、バブルの内圧が該
気圧と等しいかより低い条件でバブルのを外気と連通さ
せることが好ましい。

【００５６】従って、上記条件を満足させるためには、
図６（ａ）ではｔ≧ｔ１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図６（ｂ）に示されるよう
になる。すなわち、図６（ｂ）においてｔ＝ｔｂ（ｔ１
≦ｔｂ）の時刻でバブルを外気と連通させればよい。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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飛散防止を図ることが
できる。

【００６０】第１具体例発明に用いる記録ヘッドはヒー
ター２の位置を吐出口５の方向に近づけた位置に設けて
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（吐出口とヒーター間の距離、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。

【００６１】図１具体例発明をより効果的に達成する条
件として前記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
が気泡の成長に大きく影響を与え、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。

【００６２】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を低く（Ｈ＜Ｗ）とすること
が好ましい。

【００６３】また、バブルが外気と連通しない場合には
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する様にすることは好ましい
ものである。

【００６４】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。

【００６５】バブルの内圧と外気圧との大小関係は、直
接バブ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。

【００６６】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。

【００６７】インクが発泡を開始してからバブルが外気
と連通するまでの時間におけるバブルの体積Ｖを測定
し、Ｖ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、ｄ²Ｖ／ｄｔ²＞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。図６（ｃ）で説明すると、発泡開始ｔ
＝ｔ₀よりｔ＝ｔ₁まではバブルの内圧は外気圧よりも高
くｄ²Ｖ／ｄｔ²＞０となり、ｔ＝ｔ₁よりバブルが外気
と連通するまでの時間ｔ＝ｔ_bまではバブルの内圧は外
気圧以下であり、ｄ²Ｖ／ｄｔ²≦０となる。以上のよう
にＶ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。

【００６８】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。

【００６９】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（一
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。

【００７０】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、吐出させてその吐出速度や吐出体積が
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。

【００７１】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他の
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。

【００７２】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Ｖ_dを測定し、Ｖ_dの二次微分ｄ²Ｖ_d／
ｄｔ²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、ｄ²Ｖ_d／ｄｔ²＞０
であればバブルの内圧は外気圧よりも高く、ｄ²Ｖ_d／ｄ
ｔ²≦０であればバブルの内圧が外気圧以下である。図
６（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Ｖ_dの一次微分ｄＶ_d／ｄｔの時間変化を示したもので
あるが、発泡開始ｔ＝ｔ₀よりバブルが外気と連通する
までの時間ｔ＝ｔ_aまでは、バブルの内圧は外気圧より
も高く、ｄ²Ｖ_d／ｄｔ²＞０となる。一方、図６（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Ｖ_dの一次微分ｄＶ_d／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ｔ
＝ｔ₁まではバブルの内圧は外気圧よりも高くｄ²Ｖ_d／
ｄｔ²＞０であるが、ｔ＝ｔ₁よりｔ＝ｔ_bまではバブル
の内圧は外気圧以下でありｄ²Ｖ_d／ｄｔ²≦０となる。

【００７３】以上のようにＶ_dの二次微分ｄ²Ｖ_d／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。

【００７４】吐出口より外側に存在するインクの体積Ｖ
_d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ィレイ
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。

【００７５】これらの方法によって、バブルが外気に連
通す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てい連通
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。

【００７６】なお、他の条件としては図８に示したよう
にバブルの吐出口方向先端の移動速度の一次微分値が負
となる条件でバブルと外気とを連通させる条件、或は、
図７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ｌ_a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ｌ_bとがｌ_a／ｌ_b≧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。

【００７７】図７（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ｌ_a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ｌ_bに対して、ｌ_a／ｌ_b≧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ｌ_a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ｌ_bとに対してｌ_a／ｌ_b≧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。と
なる。

【００７８】以下、図面を参照しながら本発明を詳細に
説明する。

【００７９】図７（ａ）及至図７（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。

【００８０】図７（ａ）及至（ｆ）において、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。

【００８１】図７（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まずヒーター
（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ー近傍のインク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
（図７（ｂ））。さらにバブル６は膨張を続け（図７
（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（図７（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ｌ_a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
ｌ_bに対してｌ_a／ｌ_b≧１の条件下において外気とバブ
ル６とが連通している。

【００８２】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
（図７（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（図７
（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よい
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。

【００８３】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す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。

【００８４】また、上記したような、ｌ_a／ｌ_b≧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。

【００８５】更に、上記条件で液体を吐出した場合は、
ｌ_a／ｌ_b＜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。

【００８６】第２具体例発明において、バブルが外気と
連通する時のバブルの端部とヒーターの端部との距離ｌ
_a、ｌ_b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。

【００８７】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、ｌ_a、ｌ_bを求めることができる。

【００８８】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。第２具体例発明に
おいては液路形状が気泡の成長に大きく影響を与え、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。

【００８９】即ち、液路の高さ成分を利用して気泡の成
長をｌ_a／ｌ_b≧１、好ましくはｌ_a／ｌ_b≧２、より好ま
しくはｌ_a／ｌ_b≧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なわせるために、
少なくとも液路幅Ｗよりも液路高さＨを低く（Ｈ＜Ｗ）
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な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
≧０．８Ｗ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。

【００９０】また、Ｈ≧０．６５Ｗとすれば、記録情報
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。

【００９１】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ブ
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。

【００９２】図８（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。

【００９３】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具体例発明の起点がある。

【００９４】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すると、上記した問題点が発生す
ることを見出したものである。

【００９５】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ー部の吐出口方向端
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）を求めた結果を図８に
示した。該図より、上記問題が発生するのは、図８
（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。

【００９６】図８（ａ）、（ｂ）に示した曲線Ｂは、図
７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。

【００９７】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。

【００９８】更に、生起したバブルの消泡過程がないた
め、消泡によるヒーター破壊現象が解消され、記録ヘッ
ドの寿命が向上する。

【００９９】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
ている電気熱変換体に、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くとも一つの駆動
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）内の気泡を形成できるので有効である。

【０１００】本発明の液体噴射方法を用いた記録ヘッド
としては、上記実施例中に記載されるものに限られるも
のではなく、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。

【０１０１】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。

【０１０２】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。

【０１０３】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、記録ヘッド
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。

【０１０４】次に条件ごとの実施例を挙げる。

【０１０５】［条件１の実施例１］本実施例においては
図４に示される記録ヘッドを用いた。本実施例では、ガ
ラスを用いて天板６とした。また、用いられた記録ヘッ
ドの液路１２及びヒーター２の寸法はそれぞれ液路１２
の高さが２０μｍ、幅が５８μｍ、ヒーターのサイズが
幅２８μｍ×長さ１８μｍとし、また、ヒーターの設け
られる位置はヒーター２の最も吐出口側の端から吐出口
までの長さを２０μｍとした。液路１２は、１インチ当
たり３６０本の密度で４８本配置した。

【０１０６】この記録ヘッドに、 Ｃ．Ｉ．フードブラック２ ３．０重量％ ジエチレングリコール １５．０重量％ Ｎ−メチル−２−ピロリドン ５．０重量％ イオン交換水 ７７．０重量％ よりなる各配合成分を容器中で攪拌し、均一に混合溶解
させた後、孔径０．４５μｍのテフロン製フィルタで濾
過して得た粘度２．０ｃｐｓ（２０℃）のインクをイン
ク供給口１１より液室１０に供給し吐出を試みた。

【０１０７】記録ヘッドのヒーター２の駆動に際して、
パルス状の電気信号をヒーター２に印加し印加した。ま
た、印加したパルス波の電圧は９．０Ｖ、パルス幅は
５．０μｓｅｃとされ、これを周波数２ｋＨｚでヒータ
ー２に印加した。

【０１０８】まず、吐出口５のうち、連続する１６この
吐出口５からインクを吐出させた状況をストロボ顕微鏡
を用い観察したところ、発泡開始より約２μｓｅｃ後に
加熱によって生起したバブルが外気と連通している様子
が確認された。

【０１０９】また、吐出口から吐出されたインクの体積
Ｖ_dと、インクの体積Ｖ_dの一次微分ｄＶ_d／ｄｔは、図
６に示されるような時間変化を示しており、発泡開始よ
り０．５μｓｅｃ後から約２μｓｅｃ後にバブルが外気
と連通するまでの間のバブルの体積の二次微分ｄ²Ｖ_d／
ｄｔ²は負であり、バブル内圧は外気圧よりも低いこと
が確認された。

【０１１０】別に、バブルの体積Ｖからバブルの内圧と
外気圧との大小関係を見たところ、この場合もｄ²Ｖ／
ｄｔ²≦０の関係を満たしており、バブル内圧が外気圧
以下であることが確認された。

【０１１１】尚、このときの飛翔液滴の体積は、各吐出
口５から吐出された飛翔液滴の体積とも１４±１ｐｌの
範囲に収まった。さらに飛翔する液滴のスピードは約１
４ｍ／ｓｅｃで揃っており、飛翔速度とともに優れた記
録を行うに充分なものであた。

【０１１２】そこで次に１画素毎の市松模様が形成され
るように電気信号を前記１６個のヒータ２に与えてイン
クを吐出、記録紙に付着させたところ、記録紙上には印
字ムラのない所望の市松模様のパターンが作画された。
この画像を拡大して観察したところ余分なインクの飛散
や地汚れのない鮮明な画像であった。

【０１１３】〔条件１の実施例２〕次に、図５に示す記
録ヘッドを用いて画像形成を行った。なお、本実施例で
は、オリフィスプレート１４として透明ガラスを用い
た。

【０１１４】本実施例において、吐出口５は、オリフィ
スプレートの表面側において、直径が３６μｍの円とさ
れ、ヒータ面から吐出口までの長さを２０μｍヒータの
サイズを２４μｍ×２４μｍ、１インチ当たりの吐出口
の数を３６０個になる密度で吐出口４８個配置した。

【０１１５】この記録ヘッドに実施例１と同じインクを
供給し吐出を試みた。

【０１１６】記録ヘッドのヒータ１２の加熱条件は、
７．０Ｖ、４．５μｓｅｃとし、これを２ＫＨｚで駆動
した。

【０１１７】まず、吐出口５のうち、連続する１６個の
吐出口５からインクを吐出させた状況をストロボ顕微鏡
を用い観察したところ、発泡開始より約２．１μｓｅｃ
後に加熱によって生起したバブルが外気と連通している
様子が確認された。

【０１１８】また、発泡開始後から本例を見ると、発泡
開始より０．５μｓｅｃ後から約２．１μｓｅｃ後にバ
ブルが外気と連通するまでの間のバブルの体積の二次微
分ｄ²Ｖ／ｄｔ²は負であり、バブル内圧は外気圧よりも
低いことが確認された。

【０１１９】また、このときの飛翔液滴の体積を測定し
たところ、各ノズルとも１８±１ｐ１の範囲に収まっ
た。さらに液滴のスピードは約１０ｍ／ｓｅｃであっ
た。

【０１２０】そこで実施例１と同様に、１画素毎の市松
模様が形成されるように電気信号を前記１６個のヒータ
２に与えてインクを吐出、記録紙に付着させたところ、
記録紙上には印字ムラのない所望の市松模様のパターン
が作画された。この画像を拡大して観察したところ余分
なインクの飛散や地汚れのない鮮明な画像であった。

【０１２１】〔条件１の実施例３〕実施例１で用いた記
録ヘッドを用いて、 Ｃ．Ｉ．ダイレクトブラック１５４ ３．５重量％ グリセリン ５．０重量％ ジエチレングリコール ２５．０重量％ ポリエチレングリコール ２８．０重量％ （平均分子量３００） イオン交換水 ３８．５重量％ よりなる各配合成分を容器中で撹拌し、均一に混合溶解
させた後、孔径０．４５μｍのテフロン製フィルタで濾
過して得た粘度１０．５ｃｐｓ（２０℃）のインクを用
いた以外は実施例１と同様にしてバブル内圧と外気圧の
大小関係を測定し、インクの吐出を行った。その結果、
本実施例においてもバブル内圧がバブルの外気への連通
時において外気圧よりも低い状態でバブルと外気とが連
通することがわかった。なお、インクの吐出速度は実施
例１のときよりは低下し、７ｍ／ｓｅｃであったが吐出
そのものは極めて安定したものであった。

【０１２２】〔条件１の実施例４〜１２〕実施例２で用
いた記録ヘッドと同様に液路が曲折された記録ヘッドを
用い、実施例２と同様なインクを供給して記録を行っ
た。

【０１２３】各記録ヘッドの概略と吐出結果を第１表に
示す。又、各記録ヘッドの概略図を図９〜図１７に示
す。

【０１２４】第１表からもわかるように、いずれの場合
も吐出される液体の体積並びに液滴の吐出速度は極めて
安定したものであって、また、記録も極めて優れたもの
であった。

【０１２５】

【表１】

【０１２６】ここで、図９乃至図１７のヘッド構成につ
いて夫々簡単に説明する。各図は、発熱抵抗部の２の形
状、配置がわかるように上面図、ａ−ａ断面図、ｂ−ｂ
断面図を示している。いずれも、吐出口５は吐出口形状
は簡単のため、抵抗部２から吐出口までの吐出経路の形
状と同型であるが、図１（ｂ）のように形状は任意であ
る。

【０１２７】図９（ａ）、（ｂ）では、発熱抵抗部２は
基板上に設けられ、吐出経路の面積よりも小さく内側に
設けられている。これは、液路を遮断することなく、図
１（ｂ）の原理をより安定化する構成例である。図１０
は、基板上の液路端の壁側に中心をずらせた発熱抵抗部
２を示している。この面積は図９の約半分である。図１
０は、気泡と大気との連通域をこの壁側にシフトしてい
るものである。図１１は図１０と逆である。

【０１２８】図１２は、基板上ではなく、上述の壁部に
発熱抵抗部２を有するもので、吐出は図１（ａ）と図１
（ｂ）との間の液滴を形成し得るものである。本例は特
にリフィル特性が優れている。図１３は、図１２の発熱
抵抗部２をもたずに、基板に対して液路の吐出経路との
交わり領域のみに発熱抵抗部２を対向して有するもの
で、発生した２つの気泡の合体とからより急激な吐出速
度を得るものである。図１４は、図１３と図１２との合
体構成であり、気泡の発生源は３つの発熱低抗部２とな
る。図１５は、図１（ｂ）の構成に図１２の構成を付加
したものである。図１６は、図１５構成に図１３の構成
を付加したものである。図１７は、吐出口５を円形とし
たもので、発熱抵抗部２は図９（ｂ）と同様である。

【０１２９】〔条件１の実施例１３〜１５〕実施例１で
用いた記録ヘッドと同様に液路が曲折していない記録ヘ
ッドを用い、実施例１と同様なインクを供給して記録を
行った。

【０１３０】各記録ヘッドの概略と吐出結果を第２表に
示す。又、各記録ヘッドの概略図を図１８〜図２０に示
す。

【０１３１】第２表からわかるように、いずれの場合も
吐出される液体の体積並びに液滴の吐出速度は極めて安
定したものであって、また、記録も極めて優れたもので
あった。

【０１３２】

【表２】

【０１３３】図１８（ａ）、（ｂ）〜図２０の構成は、
図１（ａ）の変形例である。

【０１３４】図１８（ａ）、（ｂ）は、液路の基板側の
発熱抵抗部２に加えて、基板と対向する面側に別の発熱
抵抗部２を設けて、同時に駆動することで、図１（ａ）
の吐出方向を基板に対向する面側を基準とする吐出から
吐出口中央側へ吐出中心をシフトできるものである。こ
れにより、図１（ｂ）の如き吐出が得られるものであ
る。

【０１３５】図１９は、図１（ａ）と図１（ｂ）の利点
を兼ね備えた吐出状態を得るもので、吐出中心側へ液滴
の尾をシフトすることができる。図２０は、図１（ａ）
の吐出口を吐出方向に向かって絞ったものである。

【０１３６】いずれにしても、上記条件の実施例はバブ
ルを外気と連通させるときのバブル内圧が外気圧よりも
低い状態で行うため、バブル内のガスが噴出することを
防ぎ、その結果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。

【０１３７】さらに、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
高くなる。

【０１３８】次に、条件３の実施例を説明する。

【０１３９】〔条件３の実施例１〕本実施例において
は、図４に示される記録ヘッドを用いた。

【０１４０】本実施例では、ガラスを用いて天板４とし
た。また、用いられた記録ヘッドの液路１２、ヒータ
２、吐出口５等の寸法及び位置関係は、液路１２の高さ
が２５μｍ、幅が３５μｍ、長さが１９５μｍ、ヒータ
のサイズが幅３０μｍ×長さ２５μｍ、ヒータ位置はそ
の最も吐出口側の端から吐出口までの長さを２０μｍと
した。液路及び吐出口は、１インチあたり３６０本の密
度で４８本配置した。

【０１４１】この記録ヘッドに、 Ｃ．Ｉ．フードブラック２ ３．０重量％ ジエチレングリコール １５．０重量％ Ｎ−メチル−２−ピロリドン ５．０重量％ イオン交換水 ７７．０重量％ よりなる各配合成分を容器中で撹拌し、均一に混合溶解
させた後、孔径０．４５μｍのテフロン製フィルタで濾
過して得た粘度２．０ｃｐｓ（２０℃）のインクをイン
ク供給口１１より液室１０に供給し吐出を試みた。

【０１４２】記録ヘッドのヒータ２の加熱条件は、９．
０Ｖ、５．０μｓｅｃとし、これを４ｋＨｚで駆動し
た。

【０１４３】まず、連続する１６ノズルよりインクを吐
出させた状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察したとこ
ろ、発泡開始より約２．０μｓｅｃ後にバブルが外気と
連通している様子が確認された。また発泡開始よりバブ
ルが外気と連通するまでのｌａ／ｌｂを測定したとろ
こ、図２１のｌａ／ｌｂの時間変化を示す図に示される
通りの結果を得た。図２１に示される通り、バブルが外
気と連通する際にはｌａ／ｌｂ≧１を満足していること
が確認された。更に独立した飛翔液滴の体積はいずれの
吐出口から吐出されたものも１５±１ｐｌの範囲に収ま
った。また液滴の吐出速度は約１１ｍ／ｓｅｃであっ
た。

【０１４４】そこで次に１画素毎の市松模様が形成され
るように電気信号を１６個のヒータ２に与えてインクを
吐出、記録紙に付着させたところ、記録紙上には印字ム
ラのない所望の市松模様のパターンが作画された。この
画像を拡大して観察したところ余分なインクの飛散や地
汚れのない鮮明な画像であった。

【０１４５】〔条件３の実施例２〕実施例１で用いた記
録ヘッド（図４）を用いて、 Ｃ．Ｉ．ダイレクトブラック１５４ ３．５重量％ グリセリン ５．０重量％ ジエチレングリコール ２５．０重量％ ポリエチレングリコール ２８．０重量％ （平均分子量３００） イオン交換水 ３８．５重量％ よりなる各配合成分を容器中で撹拌し、均一に混合溶解
させた後、孔径０．４５μｍのテフロン製フィルタで濾
過して得た粘度１０．５ｃｐｓ（２０℃）のインクを供
給し吐出を試みた。

【０１４６】その結果、実施例１に較べ、吐出速度は低
下し、７．５ｍ／ｓｅｃであったが本実施例においても
極めて安定した吐出を行うことができることが確認され
た。

【０１４７】いずれにしても、ヒータの吐出口側端部と
バブルの吐出口側端部との距離ｌａと、ヒータの吐出口
とは反対側の端部とバブルと吐出口とは反対側の端部と
の距離ｌｂがｌａ／ｌｂ≧１を満たす第３条件でバブル
を外気と連通させることで、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。従って、
吐出効率も高くなるので、目詰まりやミスト、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。

【０１４８】更に、液滴が吐出した後の吐出口付近の空
隙部に新たなインクが満たされるまでの時間が短縮化で
きるので、より一層の記録の高速化が可能である。

【０１４９】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った。

【０１５０】上記したように、第２条件である、バブル
の吐出口方向先端の移動速度の１次微分値が負とした場
合（加速度が正ではない場合）には、該連通部の近傍の
インクを過度に加速度を受けないため、該連通部の近傍
のインクは、スプラッシュやミストとならず、主インク
滴の一部として、主インク滴と合体して吐出することに
なり、地汚れや装置内の汚れを防止できるものである。

【０１５１】また、バブルの吐出口方向先端の移動速度
が負の条件で外気と連通すれば、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るため、吐出効率
が向上し、更に、バブル体積が増大してから、バブルが
外気と連通するため吐出口近傍のインクをほぼ全量吐出
させることができ、吐出体積を安定化する。しかも、吐
出口付近にインク残りが生じず、液路ないのインクが空
気を取り込んで不吐出を招くといった不具合もない。

【０１５２】次に、本発明を実施する上で、バブルの吐
出口方向先端の移動速度、該移動速度の１次微分値を求
める方法について以下に説明する。

【０１５３】発泡開始後各時刻におけるバブルの吐出口
方向先端の位置は、ストロボやＬＥＤ、レーザなどのパ
ルス光で記録ヘッドの天板面、あるいは側面からノズル
内に発生するバブルを照明し顕微鏡を用いて、観察する
ことができる。具体的には、図２２（ａ）および（ｂ）
にそれぞれ模式的断面図として時系列的に示されるよう
に、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部の吐出口端部からの変位量
ｘ_b-nの時間変化を測定することができる。該測定結果
をもとに、該変位量の１次微分ｄｘ_b-n／ｄｔを求める
ことにより、バブルの吐出口方向先端の移動速度ｖ_xが
求められる。次に、該移動速度の１次微分ｄｖ_x／ｄｔ
（変位量の２次微分ｄ²ｘ_b-n／ｄ²ｔ）を求めることが
できる。

【０１５４】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。

【０１５５】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（一
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。

【０１５６】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、吐出させてその吐出速度や吐出体積が
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。

【０１５７】以下、具体的な条件２の実施例によって本
発明を説明する。

【０１５８】〔条件２の実施例１〕本実施例では図４に
示される記録ヘッドを用いた。

【０１５９】本実施例では、ガラスを用いて天板とし
た。また、用いられた記録ヘッドの液路１２、ヒーター
２、吐出口５等の寸法および位置関係は、液路の高さを
２５μｍ、幅を３５μｍ、ヒータのサイズを幅３０μｍ
×長さ２５μｍ、ヒータ位置はその最も吐出口側の端か
ら吐出口までの長さを２５μｍとした。液路および吐出
口は、１インチ当り３６０本の密度で４８本配置した。

【０１６０】この記録ヘッドに、 Ｃ．Ｉ．フードブラック２ ３．０重量％ ジエチレングリコール １５．０重量％ Ｎ−メチル−２−ピロリドン ５．０重量％ イオン交換水 ７７．０重量％ よりなる各配合成分を容器中で撹拌し、均一に混合溶解
させた後、孔径０．４５μｍのテフロン製フィルタで濾
過して得た粘度２．０ｃｐｓ（２０℃）のインクをイン
ク供給口１１より液室１０に供給し吐出を試みた。

【０１６１】記録ヘッドのヒータ２の加熱条件は、９．
０Ｖ、５μｓｅｃとし、これを周波数２ｋＨｚで駆動し
た。

【０１６２】まず、連続する１６ノズルよりインクを吐
出させた状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察したとこ
ろ、発泡開始より約２μｓｅｃ後にバブルが外気と連通
している様子が確認された。また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
部の吐出口方向端部からの変位量を測定し、バブルの吐
出口方向先端の移動速度の１次微分値が負であることが
確認された。吐出された飛翔液滴の体積は各ノズルとも
１８±１ｐ１の範囲に収まった。また液滴の吐出速度は
約９ｍ／ｓｅｃであった。

【０１６３】そこで次に１画素毎の市松模様が形成され
る様に電気信号を１６個のヒータ２に与えてインクを吐
出、記録紙に付着させたところ、記録紙上には印字ムラ
のない所望の市松模様のパターンが作画された。この画
像を拡大して観察したところ従来に比べて余分なインク
の飛散や地汚れのない鮮明な画像であった。

【０１６４】〔条件２の実施例２〕本実施例では図５に
示される記録ヘッドを用いた。

【０１６５】本実施例に用いられた記録ヘッドの吐出口
は直径が３２μｍの円形とし、ヒータのサイズを２２μ
ｍ×２２μｍ、ヒータ面から吐出口面までの長さを２５
μｍとした。また、液路および吐出口は、１インチ当た
り３６０本の密度で４８本配置した。

【０１６６】この記録ヘッドに実施例１と同じインクを
供給し吐出を試みた。

【０１６７】記録ヘッドのヒータ２の加熱条件は、９．
０Ｖ、５μｓｅｃとし、これを周波数２ｋＨｚで駆動し
た。

【０１６８】まず、連続する１６ノズルよりインクを吐
出させた状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察したとこ
ろ、発泡開始より約３μｓｅｃ後にバブルが外気と連通
している様子が確認された。また発泡開始後よりバブル
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
タ部の吐出口方向端部からの変位量を測定し、バブルの
吐出口方向先端の移動速度の１次微分値が負であること
が確認された。更に独立した飛翔液滴の体積は各ノズル
とも１７±１ｐ１の範囲に収まっており、液滴の吐出速
度は約７ｍ／ｓｅｃであった。

【０１６９】そこで次に１画素毎の市松模様が形成され
る様に電気信号を１６個のヒータ２に与えてインクを吐
出、記録紙に付着させたところ、実施例１と同様に記録
紙上には印字ムラのない所望の市松模様のパターンが作
画された。この画像を拡大して観察したところ余分なイ
ンクの飛散や地汚れのない鮮明な画像であった。

【０１７０】〔条件２の実施例３〕条件２の実施例１で
用いた記録ヘッド（図４）を用いて、 Ｃ．Ｉ．ダイレクトブラック１５４ ３．５重量％ グリセリン ５．０重量％ ジエチレングリコール ２５．０重量％ ポリエチレングリコール ２８．０重量％ （平均分子量３００） イオン交換水 ３８．５重量％ よりなる各配合成分を容器中で撹拌し、均一に混合溶解
させた後、孔径０．４５μｍのテフロン製フィルタで濾
過して得た粘度１０．５ｃｐｓ（２０℃）のインクを供
給し吐出を試みた。その結果、吐出速度は条件２の実施
例１のときよりは低下し、６ｍ／ｓｅｃであったが安定
した吐出をすることを確認した。

【０１７１】本発明のように、バブルの吐出口方向先端
の移動速度の１次微分値が負の第２条件で、該バブルを
該吐出口より外気と連通させることにより、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
をより確実に防止できる。

【０１７２】さらに、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。

【０１７３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、従来の
インク気泡を大気に連通する方式に対して、実用化への
画期的発明を提供するものであっって、産業に対して貢
献度の大きいものである。上述実施例はいずれも抵抗体
を用いたが、光エネルギーにより膜沸騰を生じせしめる
方式或は、光エネルギーや電磁波を熱エネルギーに変換
する変換体を用いて膜沸騰を生じせしめる方式に対して
も本発明は適用できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明のインク気
泡が大気或いは外気と連通する状態を説明する模式図で
ある。

【図２】液滴体積の測定方法を説明するための概略図で
ある。

【図３】（ａ）及び（ｂ）は夫々吐出される液体を上方
及び側方より見た模式的説明図、（ｃ）は吐出体積を説
明するグラフである。

【図４】本発明の一実施例で用いた記録ヘッドを説明す
る図である。

【図５】本発明の別の実施例で用いた記録ヘッドを説明
する図である。

【図６】（ａ）乃至（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である。

【図７】（ａ）乃至（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である。

【図８】（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。

【図９】本発明実施例の別の記録ヘッドを説明するため
の模式的斜視図である。

【図１０】本発明の他の実施例の部分上面図で、ａ、ｂ
断面図を含めて示している概念図である。

【図１１】本発明の他の実施例の部分上面図で、ａ、ｂ
断面図を含めて示している概念図である。

【図１２】本発明の他の実施例の部分上面図で、ａ、ｂ
断面図を含めて示している概念図である。

【図１３】本発明の他の実施例の部分上面図で、ａ、ｂ
断面図を含めて示している概念図である。

【図１４】本発明の他の実施例の部分上面図で、ａ、ｂ
断面図を含めて示している概念図である。

【図１５】本発明の他の実施例の部分上面図で、ａ、ｂ
断面図を含めて示している概念図である。

【図１６】本発明の他の実施例の部分上面図で、ａ、ｂ
断面図を含めて示している概念図である。

【図１７】本発明の他の実施例の部分上面図で、ａ、ｂ
断面図を含めて示している概念図である。

【図１８】本発明の他の実施例の部分上面図で、ａ、ｂ
断面図を含めて示している概念図である。

【図１９】本発明の他の実施例の部分上面図で、ａ、ｂ
断面図を含めて示している概念図である。

【図２０】本発明の他の実施例の部分上面図で、ａ、ｂ
断面図を含めて示している概念図である。

【図２１】気泡の先端側と後端側の比ｌａ／ｌｂの変化
を説明するグラフである。

【図２２】（ａ）、（ｂ）は夫々気泡の先端の単位時間
当たりの変化を示す図で、（ａ）では左側に上面断面
図、右側に側面断面図を夫々同時刻で示してある。

【符号の説明】

２ 発熱抵抗層 ５ 吐出口 ６ 気泡 ７ 液滴 ６Ｗ 端部（気泡） Ａ 連通部 Ｂ 液路 Ｃ 共通液室 ＯＰ オリフィスプレート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 滝沢 ▲吉▼久 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 宮川 昌士 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 八重樫 尚雄 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 城田 勝浩 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 大熊 典夫 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 浅井 朗 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤ ノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−510（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−258954（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B41J 2/05

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体供給源に連通して該液体供給源から
   液体の供給を受ける液路内の液体に対して熱エネルギー
   を与えて膜沸騰により気泡を生成させる気泡生成工程
   と、 該気泡生成工程において生成した気泡を、該気泡によっ
   て上記液路が遮断されない様に、上記液路に連通する吐
   出口の近傍で 外気と連通させる連通工程と、 上記吐出口から液体を滴として吐出する吐出工程と、 を有することを特徴とする液体噴射記録方法。
2. 【請求項２】 上記連通工程は、上記気泡の内圧が外気
   圧以下の条件で上記気泡を外気と連通させるものである
   請求項１に記載の液体噴射記録方法。
3. 【請求項３】 上記連通工程は、上記気泡の吐出方向先
   端部の移動速度の加速度が正でない条件で上記気泡を外
   気と連通させるものである請求項１又は請求項２に記載
   の液体噴射記録方法。
4. 【請求項４】 上記熱エネルギーを発生する熱エネルギ
   ー発生手段を有する記録ヘッドを用い、上記熱エネルギ
   ー発生手段の吐出口側端部と気泡の吐出口側端部との距
   離をｌａ、上記熱エネルギー発生手段の吐出口とは反対
   側の端部と気泡の吐出口とは反対側の端部との距離をｌ
   ｂとするとき、ｌａ／ｌｂ≧１なる条件下で上記熱エネ
   ルギー発生手段により液体中に生起された気泡を外気と
   連通させる請求項１及至３いずれかに記載の液体噴射記
   録方法。
5. 【請求項５】 液体供給源に連通して該液体供給源から
   液体の供給を受ける液路内の液体に対して熱エネルギー
   を与えて膜沸騰により気泡を生成させるための熱エネル
   ギー発生手段と、 該熱エネルギー発生手段によって生成された気泡を外気
   と連通させて液体を滴として吐出させるための吐出口
   と、 を有し、上記連通は上記吐出口の近傍で上記気泡によっ
   て上記液路が遮断されない様になされることを特徴とす
   る液体噴射記録ヘッド。
6. 【請求項６】 上記連通は、上記気泡の内圧が外気圧以
   下の条件でなされる請求項５に記載の液体噴射記録ヘッ
   ド。
7. 【請求項７】 上記連通は、上記気泡の吐出方向先端部
   の移動速度の加速度が正でない条件でなされる請求項５
   又は請求項６に記載の液体噴射記録ヘッド。
8. 【請求項８】 上記熱エネルギー発生手段の吐出口側端
   部と気泡の吐出口側端部との距離をｌａ、上記熱エネル
   ギー発生手段の吐出口とは反対側の端部と気泡の吐出口
   とは反対側の端部との距離をｌｂとするとき、ｌａ／ｌ
   ｂ≧１なる条件下で上記熱エネルギー発生手段により液
   体中に生起された気泡を外気と連通させる請求項５及至
   ７いずれかに記載の液体噴射記録ヘッド。
9. 【請求項９】 液体供給源に連通して該液体供給源から
   液体の供給を受ける液路内の液体に対して熱エネルギー
   を与えて膜沸騰により気泡を生成させるための熱エネル
   ギー発生手段と、該熱エネルギー発生手段によって生成
   された気泡を外気と連通させて液体を滴として吐出させ
   るための吐出口と、を有し、上記連通は上記吐出口の近
   傍で上記気泡によって上記液路が遮断されない様になさ
   れる液体噴射記録ヘッドと、 上記熱エネルギー発生手段に 信号を与えるための駆動回
   路と、上記吐出口から吐出された液体の付着によって記録がな
   される被記録媒体を沿わせるためのプラテンと、 を有することを特徴とする記録装置。