JP3404830B2 - インク噴射記録方法 - 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インク
噴射記録方法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液路中のイン
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
ことであり、その具体的な実用化例が日経メカニカル１
９９２年１２月２８日号５８ページ、またはＨｅｗｌｅ
ｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ａｕｇ．１９
８８、等で発表されている。これら実用化されている発
熱抵抗体に共通する基本的構成は、耐熱性に優れた合金
薄膜抵抗体と金属薄膜導体を酸化と電食から守るための
保護層で被覆し、この上にこの保護層をキャビテーショ
ン破壊から守るための別の保護層で更に被覆するという
ものである。上記薄膜抵抗体の膜厚は両者共約０．１μ
ｍであり、２層構造保護層の合計膜厚は３〜４μｍが信
頼性上必要とされている。

【０００４】パルス加熱によってインクの一部を急速に
気化させ、その気泡の膨張と収縮によってインク液滴を
安定に吐出させると共に、その吐出の繰り返しを出来る
だけ速くすることはプリンタとして最も必要とされる特
性である。そして、これらを実現するには種々の条件が
必要である。

【０００５】その第１の条件は気泡の発生に関するもの
で、発熱抵抗体表面に接するインクに膜沸騰を生起させ
ることが不可欠（特開昭５５−２７２８２号、特開昭５
６−２７３５４号公報に記載）という主張である。即
ち、「吐出効率、応答性、周波数特性を高めるために
は、発熱抵抗体の表面温度を急速に上昇させ、これに接
するインクに膜沸騰を起こさせるのが良く、水の沸騰特
性曲線（図５）に示すＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅの過程を可能
な限り短くする」ことが提唱されている。しかしこれら
の公報に記載されている技術的説明や現象の理解の仕方
は以下に示すように修正されることが必要である。

【０００６】その第１の修正点は、「図５に示す沸騰特
性曲線は、水と接するヒータ表面の温度がゆっくりと上
昇、下降又は一定であるような定常状態での特性を示す
ものであり、上記公報が対象とした急激なパルス加熱に
基づく非定常沸騰を記述できるものではない」という科
学的事実にもとづくものである。そして彼ら自身のその
後の研究（第２２回日本伝熱シンポジウム講演論文集１
９８５−５、Ｐ７（以下日本伝熱シンポと略記する））
によれば、自発核生成理論によって予測される過熱限界
（２７０℃）と良く一致する発泡開始温度（２６３℃）
を実験データから得ている。即ち、我々が対象とする気
泡の発生は非定常沸騰によるものであり、図５に示す定
常沸騰とは大幅に異なる現象であることを明らかにして
いる。

【０００７】第２の修正点は、非常に短いパルス加熱に
基づいて発生し、非常に短い時間で消滅する単発の沸騰
気泡の振舞いは、或る程度の時間その状態を継続するこ
とが前提となっている膜沸騰という学術用語が該当しな
い現象であるという点である。これについても彼ら自身
のその後の研究に基づく見解（第２２回日本伝熱シンポ
１９８５−５、Ｐ７、第２３回日本伝熱シンポ１９８６
−５、Ｐ２４７、及び第２５回日本伝熱シンポ１９８８
−６、Ｐ２５３）でも、「自発核生成（不均質核生成と
もいう）に基づく小さな気泡がヒータ表面の一部に現
れ、その後急速にヒータ面全体に拡大する」と変更され
ている。即ち、前記「〜、これに接するインクに膜沸騰
を起こさせるのが良く、水の沸騰特性曲線（図５）に示
すＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅの過程を可能な限り短くする」と
いう表現は科学的には誤りであり、その意味するところ
を敢て記せば「〜、これに接するインクを可能な限り短
時間で膜状沸騰状態に突入させる」となろう。

【０００８】一方、これら一連の研究とは異なる条件で
インクを加熱し、その時に現われる沸騰現象を利用した
サーマルインクジェットプリントヘッドが最近公開（特
開平０３−２６６６４６号公報）された。これは、ヒー
タ表面の昇温速度を１０⁶〜１０⁹℃／Ｓ以上で且つヒー
タ表面からインクへの熱流束を１０⁷〜１０⁸ＭＷ／ｍ²
以上とし、ヒータ表面とその近傍のインクの温度を均質
核生成温度まで急激に加熱してインクに均質核生成状態
を発現させてインクを吐出させようというものである。

【０００９】ここで自発核生成（不均質核生成）と均質
核生成の違いを簡単に説明しておく。日常生活で見られ
る沸騰は気泡核起因のもので、水の場合約１００℃近辺
から見られる現象である。この気泡核の原因となる欠陥
などが存在しない均一な表面の固体と液体（今の場合、
水を考える）が接し、この固体の温度を上昇させた場合
はその表面温度が約２７０℃になって始めて沸騰が始ま
り、その沸騰は液体と固体の界面で発生する。これを自
発核生成と言い、固・液共存場で発生するので不均質核
生成とも名付けられている。これに対し、均質核生成と
は、均質な液体のみを過熱した時に液体内に沸騰核が発
生することを言い、水に対する理論的予測値は３１２．
５℃である。この均質核生成を観察するには、上に述べ
た均一な表面を持つ固体を急激に昇温させることが必要
（Ｖ．Ｐ．Ｓｋｒｉｐｏｖ，Ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ Ｌ
ｉｑｕｉｄｓ，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ，Ｎｅｗ Ｙｏｒ
ｋ（１９７４）参照）であるが、水の場合に必要な非常
に大きな昇温速度を実現できるヒータを作ることが技術
的に難しく、今迄その実験的確認に成功した例はなかっ
た。ここで固体表面が存在しているにもかかわらず何故
均質かと言うと、固体表面の昇温速度、並びに固体表面
から液体側に伝達される熱流束が或る臨界値を越え、固
体表面とその近傍の液体温度が３１２．５℃を越えると
界面近傍の液体内から沸騰が始まり、これは均質液体中
での核生成と見なすことが出来るからである。そしてそ
の見事な実験的検証が最近、飯田ら（第２７回日本伝熱
シンポ１９９０−５、Ｐ３３４）によって行なわれたの
である。前述の発明（特開平０３−２６６６４６号公
報）はこれらの結果に基づきなされたものであるが、実
施例と特許請求の範囲に記載されている「加熱速度を１
０⁶〜１０⁹℃／Ｓ以上、熱流束を１０⁷〜１０⁸ＭＷ／ｍ
²以上（ＭＷ／ｍ²はＷ／ｍ²の誤記と思われる）で且つ
インク温度を均質核生成温度まで昇温させる」という漠
然とした範囲では肝心の均質核生成条件を満足しない非
常に広い範囲を含んでおり、技術的正確さに欠けてい
る。また、発熱抵抗体と電極材料は同一材料から成るこ
とを大きな特徴としているが、このために電極幅は少な
くとも発熱体幅の５倍から１０倍は必要となり、大型の
ラインヘッドを安価に構成するのは難しい（３０ｄｐｉ
という低密度のヘッドは構成できないことはない）。即
ち、高密度のマルチノズルタイプのインクジェットプリ
ントヘッドに前記発明の発熱抵抗体を採用することは、
何らかの工夫をしない限り不可能なのである。

【００１０】第２の条件は加熱速度に関するもので、発
熱抵抗体の平均昇温速度を１×１０⁶℃／Ｓ以上、更に
好適には３×１０⁶℃／Ｓ以上、最適には１×１０⁷℃／
Ｓ以上とすることが必要であるというものである（特開
昭５５−１６１６６４号公報）。この公報で開示されて
いる液体はエタノールを主とするインクであるが、最
近、純粋エタノールを用いた正確な実験が行なわれ、平
均昇温速度と発生気泡数などについての詳細な結果が発
表された（飯田嘉宏他 第２８回日本伝熱シンポ１９９
１−５、Ｐ７１２）。それによると、純粋エタノールと
エタノールを主とするインクでの相違とも考えられるデ
ータ間の若干の相違も認められるが、最も注目すべき結
果は、インク等の吐出に最も深く関係している発生気泡
数密度が同じ昇温速度で比較するとエタノールと水とで
約２桁も違うという事実である。即ち、同じ発生気泡数
密度を得るために必要な平均昇温速度で比較すると、水
の場合、エタノールの１０倍速くすることが必要である
という結果である。このことは上記公報（特開昭５５−
１６１６６４号）の主張を水性インクにまで拡大するこ
とは科学的に大きな飛躍を必要とし、事実、水性インク
を安定に吐出させるには、約１×１０⁸℃／Ｓ以上とい
う非常に大きな平均昇温速度を必要とするのである。即
ち、浅井ら（第２５回日本伝熱シンポ１９８８−６、Ｐ
２５３）による水系インクを用いた実験では、約２７０
℃／３μＳ＝０．９×１０⁸℃／Ｓという非常に大きな
昇温速度においてもなおインクの吐出速度に不安定さが
見られるのである。一方、特開平０３−２６６６４６号
公報に記載の「１０⁶〜１０⁹℃／Ｓ以上の加熱速度」と
いう記述では主張したい加熱速度がどの値或るいは範囲
を示すのか明らかでなく、実施例でのデータも同様であ
るのでこれ以上は言及しないことにする。

【００１１】第３の条件は、パルス加熱開始後、液体が
沸騰し始めるまでの時間（沸騰開始時間と定義する）に
関するものである。

【００１２】浅井他（第２２回日本伝熱シンポ１９８５
−５、Ｐ７）は、伝熱効率の良い裸ヒータ（保護層の無
いヒータで信頼性が低い）を用い、発泡開始温度が水よ
り約７０℃低いエタノールを用いて気泡の発生から消滅
までをストロボ観察した結果を報告している。図６はそ
の時の気泡のスケッチであるが、記載されている時間は
パルス加熱開始後の時間であり、加熱パルス幅は１０μ
Ｓである。このスケッチからも分るように、加熱開始後
約４μＳで発泡が始まり、約８μＳで最大に達した後に
収縮を始め、再発泡をしながら約２０μＳ後に消滅して
いる。

【００１３】翌年、彼ら（第２３回日本伝熱シンポ１９
８６−５、Ｐ２４７）は合金薄膜抵抗体上に２層構造保
護層を被覆した実製品に類似のヒータを用い、実製品で
ある水性インクに近い物性値を持つ水を用いて気泡の発
生と消滅を観察した結果を報告している。これを図７に
示すが、ここでは加熱パルスの立ち下がり時（印加電力
のＯＦＦ時）に発泡が始まるように印加電力を設定して
ある。図７から分るように、２層構造保護層を被覆した
ヒータで気泡を発生させる場合、発泡を始めてから気泡
が最大になるまでの時間は約７μＳと一定であり、加熱
パルス幅に依存していない。一方、気泡の消滅時間につ
いては明確なデータの記載はないが、キャビテーション
崩壊時に観察される気泡のリバウンド現象に類似の再発
泡が加熱パルス幅１０μＳの場合にも見られることか
ら、消泡は発泡開始後２５〜３０μＳ後と推定できる。

【００１４】更に浅井ら（第２５回日本伝熱シンポ１９
８８−６、Ｐ２５３）は、上記２層構造保護層を被覆し
たヒータで水系インクに気泡を発生させた結果を報告し
ているが、この場合は加熱開始後約３μＳでヒータ面の
一部に微小な気泡が現れ、その後ヒータ面全体から一斉
に発泡したことを記している。

【００１５】浅井他による上記３件の実験では、気泡発
生時におけるヒータ表面の温度とか液体への熱流束の計
測がなされていない。これに対し、飯田他（第２７回日
本伝熱シンポ１９９０−５、Ｐ３３４）はこれらの計測
を正確に行ない、しかも１０ｎＳという超短パルス照明
ストロボによる水中での沸騰核生成の初期を見事にとら
えることに成功した。彼らの加熱パルス幅は５μＳ以上
であり、最短沸騰開始時間は約３．７μＳであった。そ
して平均昇温速度と平均熱流速をパラメータに沸騰開始
前後の沸騰の様子を詳細に観察し、理論的予測と良く一
致する次のような結果を得た。

【００１６】（１）平均昇温速度が０．５６×１０⁸℃
／Ｓ以上、又は平均熱流束が１．５×１０⁸Ｗ／ｍ²以上
で加熱した場合、沸騰開始時のヒータ表面温度は、大気
圧下の水での均質核生成温度の理論値（３１２．５℃）
と良く一致した。この実験は２０℃の水中で行なわれて
おり、このような急速加熱による沸騰現象が液体のサブ
クール度（バルクの液温と沸騰開始時のヒータ表面温度
の差）に依存しないことを更めて示すものとなってい
る。

【００１７】（２）平均昇温速度０．７０×１０⁸℃／
Ｓ以上で且つ平均熱流速が２．１×１０⁸Ｗ／ｍ²以上の
条件で加熱した場合、それ以下とは大きく相違する「ゆ
らぎ核生成に起因する沸騰」現象を観察した。これは水
の場合の世界で初めての観察例である。このゆらぎ核生
成の特徴は、小さくて均一な大きさの気泡が一様な分布
でヒータ表面全体に発生し、急激にその数を増加させて
合体し気泡膜を形成することである。これに対し、通常
の均質核生成の特徴は、小さな気泡が不均一に発生し、
その気泡が大きく成長して合体し気泡膜を形成する。核
生成から気泡膜になるまでの成長速度は「ゆらぎ核生
成」の方が大幅に速く、１μＳ以下である。なお、自発
核生成（不均質核生成）から気泡膜になるまでの成長速
度の測定例はないが、この場合の昇温速度や熱流束が比
較的小さな値で良いことから考えると、その成長速度が
最も遅いものであることは明らかである。

【００１８】ここで述べた従来技術をまとめると、パル
ス加熱によって沸騰が始まる最も短い観察例は約３μＳ
であり、これは厚い２層構造保護層を必要とする従来型
発熱抵抗体の限界値と推定されること、沸騰開始後、こ
れが気泡膜となるまでの成長速度は「自発核生成＜均質
核生成＜ゆらぎ核生成」の順で大きいこととなる。

【００１９】安定なインクの吐出を高速で繰り返させる
第４の条件は気泡の収縮に関するものである。これにつ
いての代表的な従来技術は、ヒータ表面の温度立下り時
間を立上り時間よりも長くする（特開昭５５−１３２２
６７号公報）や、この温度半減時間を温度立上り時間よ
りも長く、その４倍よりも短くする（特開昭５５−１６
１６６２号、特開昭５５−１６１６６３号、特開昭５６
−１３１７７号公報など）等によって気泡の収縮速度を
最適に制御し、インク吐出後のメニスカスの復帰を円滑
且つ高速にして吐出周期の短縮を図るというものであ
る。しかし、これらの公報にはデータや技術的根拠が明
確に開示されおらず、特にその中核をなす「気泡収縮速
度の可制御性」についての技術的内容と効果に疑問があ
る。それは上記発明と同じグループによる学会発表（前
出の第２２回、第２３回日本伝熱シンポにおける浅井、
他の論文）によっても否定されている事実なのである。

【００２０】即ち、パルス印加によって発生した高温
（約３００℃）、高圧（数１０〜１００気圧）のヒータ
上の膜状気泡が爆発的に膨張する。それと同時にその膨
張する気泡中のガスはそれを取り巻く「室温の液体（イ
ンク）」から冷却され、更に断熱膨張による冷却も受け
る。そして、その体積が最大となった時点での気泡はほ
ぼ完全な真空状態となっており、次の瞬間から収縮が始
まり、約５μＳで消滅する。気泡がヒータ上を蓋った状
態ではヒータ面から気泡への熱流束は小さく無視できる
ので、この収縮速度はヒータ面の温度に依存せずほぼ一
定となる。但し、気泡が収縮してもヒータ面の温度が下
がっていない場合は再発泡を繰り返し、インク吐出後の
メニスカスの復帰の障害となる。沸騰温度より低い温度
にある液体の一部を加熱して沸騰を起こさせることを学
会では「サブクール沸騰」と呼んでいるが、サーマルイ
ンクジェットプリントヘッドの場合はまさにこのサブク
ール度の大きい場合のサブクール沸騰を応用していると
いえる。なお、図７における最初の発泡気泡の収縮時間
が約１０μＳと長いのは、発泡開始前の長い加熱時間
（１０〜５０μＳ）がヒータ上の水温を上昇させ、これ
よって沸騰する水の体積を増加させて気泡体積を増や
し、その大きな気泡体積の収縮に約２倍の時間を要した
ものと推定できる。但し、図７における再発泡がヒータ
温度の冷却不足によるものか大きな気泡体積の収縮によ
るキャビテーション崩壊によるものかは明らかでない。
いずれにしても、今迄に観察されている気泡の収縮の全
てにおいて再発泡が認められているのは特筆に値する。

【００２１】なお、同じグループによる先願（特開昭５
５−２７２８１号、特開昭５５−２７２８２号公報）に
は、ヒータの昇温速度と冷却速度は速い程良いことが述
べられているが、定量的データは１００μＳという非常
に長いパルス幅の場合の記載があるだけであり、残念な
がら定量性のない内容となっている。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】上記の通り、安定なイ
ンクの吐出とその繰り返し周波数の向上を同時に達成さ
せるためには、発熱抵抗体へのパルス通電開始後、出来
るだけ速く沸騰を開始させると共に、膨張した気泡を出
来るだけ速く消滅させることが重要である。しかるに実
製品に適用可能な２層構造保護層を持つ従来技術の薄膜
発熱抵抗体では、パルス通電開始後、膜沸騰を開始させ
るのに最短でも３μＳという時間が必要であり、保護層
を持たない薄膜発熱抵抗体（信頼性が低く実製品への適
用例無し）の場合でもエタノールで４μＳという時間が
観察されている最短時間である。また、気泡の消滅時間
についても、２層構造保護層を持つ薄膜発熱抵抗体の場
合でパルス通電開始後３０μＳ以上、保護層を持たない
場合でもエタノールで２０μＳ以上の時間を要してい
る。しかも必ず再発泡現象が付随しており、これが気泡
の消滅時間を延伸させ、インクの吐出周波数を向上させ
る上での障害の一つともなっている。更に実製品に適用
可能な２層構造保護層を持つ薄膜発熱抵抗体の場合、沸
騰開始に必要なエネルギは約１７μＪ／５０×５０μｍ
²以上と大きい。詳細は実施例で後述するが、保護層の
不要な薄膜発熱抵抗体の場合、この沸騰開始に必要なエ
ネルギは数μＪ／５０×５０μｍ²以下となる。従っ
て、上記エネルギのほとんど全ては基板加熱に使われ、
このために気泡の消滅時においてもなおヒータ表面は高
温状態にあり、これが再発泡をもたらす最大原因となっ
ているのである。そしてこの基板加熱はインク液路構成
材とインクの昇温をもたらし、インクの吐出を不安定に
させる原因ともなり得るのである。

【００２３】本発明の目的は、安定なインクの吐出とそ
の繰り返し周波数の向上を同時に達成させるために必要
な沸騰開始時間の短縮、気泡膜までの成長速度の向上、
再発泡の発生防止、気泡消滅時間の短縮、沸騰開始に必
要なエネルギの大幅削減を実現し、高熱効率、高速、高
信頼のインク噴射記録方法を提供することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、インク液路
と、このインク液路に設けられるインク吐出口と、前記
インク液路内のインクと面する側に保護層を持たない薄
膜発熱抵抗体によって形成され、前記インク吐出口近傍
に設けられる発熱抵抗体とを有し、前記発熱抵抗体にパ
ルス通電することによって、前記インク液路中のインク
の一部を急速に沸騰させ、この沸騰による気泡の膨張力
によって前記インク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方法であって、通電パルス幅
が３μＳ以下かつ投入エネルギが４μＪ／５０×５０μ
ｍ ² 以下の、気泡が再発泡しない単発泡発生条件でパル
ス通電を行い、インクにゆらぎ核生成に基づく沸騰を生
じさせることを特徴とするインク噴射記録方法によって
達成される。ここで、保護層を持たない薄膜発熱抵抗体
とは、例えば、特願平０４−３４７１５０号及び０５−
６８２５７号にて記載されている何らの保護層も必要と
しない高信頼の発熱抵抗体であり、前記薄膜発熱抵抗体
は、短パルス駆動することによって達成される。さら
に、前記沸騰をパルス通電開始後２μＳ以内に開始させ
るのが好ましく、前記沸騰によって発生した気泡の消滅
がパルス通電開始後１１μＳ以内であるのが好ましい。
また、前記通電パルス幅が１μＳより長いのが好まし
い。

【００２５】

【作用】上記のように構成されて動作するインク噴射記
録装置は、安定なインクの吐出とその繰り返し周波数の
向上を以下に示すように同時に達成することができる。

【００２６】

【実施例】ここでは先ず、本発明者の特許出願発明（特
願平０４−３４７１５０号及び特願平０５−６８２５７
号）による保護層の不要な高信頼薄膜発熱抵抗体を水中
にてパルス加熱し、それによって発生、消滅する気泡を
パルス照明時間約１μＳのストロボ撮映によって観測し
た結果とその検討内容について説明する。また、前記発
熱抵抗体上にインク液路を形成し、該液路中に水及び水
性インクを満たして上記と同じ結果が得られることを説
明する。更に前記構成のマルチノズルタイプのインク噴
射記録ヘッドを用いてインク液滴を連続吐出させた時の
記録特性について説明する。

【００２７】図１は、本発明の実験に共通して用いた薄
膜発熱抵抗体の構成を示す平面図と断面図である。ここ
では、抵抗体材料と導体材料としてＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ
合金薄膜抵抗体３とＮｉ導体４、５を用いた例を示す
が、抵抗体材料としてＣｒ−Ｓｉ−ＳｉＯに替えてＴａ
−Ｓｉ−ＳｉＯを用いても良く、また導体材料として
Ｗ、Ｔａなどを用いても良いことは前記の既出願（特願
平０４−３４７１５０号及び特願平０５−６８２５７
号）に記した通りである。なお、Ｃｒ−Ｓｉ−ＳｉＯに
ついては本発明者らの特許出願発明（特開昭５８−８４
４０１号公報）を、又、Ｔａ−Ｓｉ−ＳｉＯについては
特開昭５７−６１５８２号公報を参照されたい。図１に
示す抵抗体の抵抗値は約１ＫΩである。

【００２８】図１に示す基板１上に水を張り、真横から
約１００倍に拡大した画像をＶＴＲでストロボ撮映して
記録した結果を解析した。その結果の一例を図２に示す
が、これはパルス加熱時間１μＳ、投入エネルギ２．５
μＪ／ｐｕｌｓｅの場合で、付記されている時間はパル
ス加熱開始時からの時間である。投入エネルギを２〜３
倍に増加させても発泡と消泡の様子は図２と変わらなか
った。その理由は、発泡開始点の観察は前記拡大倍率
（約１００倍）とストロボ撮映でのパルス照明時間（約
１μＳ）で決まる分解能によってこれ以上詳しく見るこ
とが難しく、投入エネルギを増加させた場合の発泡開始
点の速まりを計測することができなかったからである。
しかし、沸騰の始まりはパルス加熱開始後１μＳ以内で
あることは明らかである。

【００２９】そして、パルス加熱開始後約３μＳで高さ
約３０μｍの最大気泡体積（負圧）となり、続く約５μ
Ｓで再発泡することなく気泡が消滅する。即ち、気泡が
消滅する時点での発熱抵抗体表面は既に室温付近にまで
冷却されており、しかもこの程度の体積の気泡の消滅で
はキャビテーション崩壊を起こさせる程の気泡収縮エネ
ルギにもなっていないのである。これによってインクへ
の余分な加熱を避け、熱効率を向上させるだけでなく、
インク温度の安定化（これはインク粘度の安定化による
インク吐出条件の安定化に貢献する）とインクのヒータ
面へのＫｏｇａｔｉｏｎ防止にも大きく貢献するのであ
る。

【００３０】本発明における発熱抵抗体の平均昇温速度
は、例えば（３５０℃−２５℃）／１μＳ＝３×１０⁸
℃／Ｓと、既に述べた従来技術における平均昇温速度の
最大値をはるかに越えている。そして、ヒータへの投入
電力も１×１０⁹Ｗ／ｍ²と大きいが、この７０〜８０％
は基板側への流出熱量となることを考えると、飯田等
（第２７回日本伝熱シンポ１９９０−５、Ｐ３３５）が
観測した「ゆらぎ核生成」の発生条件とも良く一致す
る。しかも、パルス加熱開始後１μＳで既に５〜１０μ
ｍの高さの膜気泡の状態になっており、この成長速度は
飯田等の観測した「ゆらぎ核生成」の下限条件での成長
速度よりもはるかに高速となっている。即ち、これらの
結果から図２の気泡は「ゆらぎ核生成」に起因する沸騰
であるということが結論づけられるのである。

【００３１】また、図２から気泡の平均膨張速度（ｄｖ
／ｄｔ）／ｖが４×１０⁵／Ｓと求められるが、これは
特開昭５５−１６１６６５号公報に開示されているデー
タの範囲をはるかに越える大きさである。そして当然の
ことながら、この値は印加パルス幅を２〜４μＳと広く
しても変わらず、上記公報に開示されているデータとも
相違している。この原因は、恐らく平均昇温速度の大き
な違いからもたされる「ゆらぎ核生成」と「自発核生
成」の違いによるものと推察される。

【００３２】なお、加熱パルス幅を１μＳより短くする
と図３に示すように熱効率の改善効果は大きくなるが、
「ゆらぎ核生成」開始時間は高々０．５μＳ程度改善さ
れるだけであり、パルス印加から気泡の消滅までの時間
（図２で約８μＳ）とか、インク吐出後のメニスカスの
復帰時間（数１０〜１００μＳ）に比較してその改善効
果は小さ過ぎる。逆に加熱パルス幅を短くする分だけ印
加電力（印加電圧）を高くする必要があり、これが不利
益をもたらす場合もあるのでこれらを総合的に判断して
パルス幅を設定することが必要である。一方、加熱パル
ス幅を１μＳよりも長くする場合は、再発泡しない程度
の長さで且つ熱効率を低下させない範囲に止めるべき
で、３μＳ程度が限界となろう。これを現象面から見る
と、沸騰開始点をパルス印加後２μＳ以内とすることに
相当する。

【００３３】さて、図２に代表される本発明の発泡と消
泡からも分るように、本発明のもう一つの大きな特徴
は、再発泡を起こさせず、消泡までの時間を短縮してイ
ンクの吐出を安定化させ、その吐出周期を短縮して高速
印字を実現できることである。すなわち、従来技術の図
６（エタノール）では、気泡体積が最大となる時点（８
Ｓ）から気泡が完全に消滅するまでに１２μＳ要してお
り、図７（水）では２０μＳ以上要しているが、このよ
うに長い消泡時間を必要としている原因が再発泡にある
ことは明らかで、浅井朗他による１９８６年の論文（前
出）では、これをキャビテーション崩壊に極めて近い気
泡のリバウンド現象であると説明している。そしてこの
再発泡現象は、（株）ＨＰ社製インクジェットプリント
ヘッド（製品Ｎｏ：ＨＰ５１６２６Ａ）のヒータを用い
た本発明者らの実験においても確認しており、この場合
の消泡時間（最大気泡から完全消泡までの時間）は約１
０μＳであった。しかし本発明者らの詳細な研究の結
果、既に一部説明したように、この再発泡現象は浅井、
他が主張するキャビテーション崩壊に近いリバウンドで
はなく、消泡時においてもなおヒータ温度が充分に下が
っていないという単純な原因によって引き起こされてお
り、この原因を除去することによって再発泡を防止で
き、消泡時間の短縮も可能となることが判明した。これ
を明確に示す実験結果を図３に示す。

【００３４】図３は、図１に示す保護層の無い薄膜発熱
抵抗体を水中にてパルス加熱し、それによって発生、消
滅する気泡をストロボ観察した結果をまとめて示したも
ので、印加するパルス幅とエネルギに対し、実線はゆら
ぎ核生成の発生限界、点線は再発泡が見られる限界を示
したものである。そして安定な繰り返し単発泡の見られ
る図３の単発泡域における消泡時間（最大気泡から消泡
までの時間）は約５μＳとほぼ一定の値を示した。これ
らのことから、再発泡させることなく安定に繰り返し発
泡させることが可能な充分広い駆動条件の範囲があり、
再発泡が出現する原因はヒータの冷却が間に合わず、消
泡時においてもなおヒータが発泡可能な高温状態にある
ことによる、などが明らかとなった。そして再発泡させ
ることなく消泡させるに必要な消泡時間（最大気泡から
消泡までの時間）は発熱抵抗体の駆動条件には依存せず
液体の物性値に依存し、水の場合で約５μＳと一定であ
ることが分った。これらの結果は実用化されている水性
インクを用いた実験においても基本的には変らなかっ
た。

【００３５】以上のことから本発明には次に述べる重要
な波及効果のあることが理解できる。それはインクの実
質的な加熱時間の大幅短縮であり、ヒータ表面へのイン
クのこげ付き現象の大幅低減である。これによってヘッ
ドの長寿命化が可能となり、交換不要なヘッドの実用化
も可能となったのであるがここではこれ以上の説明は省
略する。

【００３６】さて、すでに述べたように、加熱パルス幅
は約３μＳ以下とするのが再発泡防止上からも良く、気
泡の発生から消滅までの時間も約８μＳと従来技術を大
幅に改善できることが分った。即ち、ゆらぎ核生成によ
って発生した気泡の消滅をパルス通電開始後、１０〜１
１μＳ以下とすることが可能となり、従来技術比で１／
２〜１／３という大幅な時間短縮を達成することができ
た。そして図３からも明らかなように、安定単発泡域に
おける必要印加エネルギも４μＪ／５０×５０μｍ²以
下で充分であり、これは従来技術比で１／５〜１／１０
という桁違いの省エネルギ効果をもたらす結果となっ
た。

【００３７】以上の結果は、図１に示す基板１上にイン
ク液路（幅６０μｍ、高さ４０μｍ）を形成し、この液
路と垂直方向で且つ発熱抵抗体の中心位置に一致するよ
うに形成した約４５μｍφのオリフィスからインクが吐
出するように構成した単一ノズルの観察用ヘッドを作
り、その薄い壁面を通して気泡の発生・消滅をストロボ
撮映した結果と良く一致した。これは液体に対する境界
条件の相違からもたらされる気泡形状の若干の相違が観
察されるとは言え、気泡の発生と消滅にこの程度の液路
が影響を与えるものとはならないことから当然の結果と
言える。

【００３８】以上、信頼性の高い保護層の不要な薄膜発
熱抵抗体を用い、短パルス加熱を行なった時の気泡の発
生と消滅についての実験と詳細な検討結果について述べ
てきた。ここで明らかとなった気泡の発生時間と消滅時
間の大幅な短縮はインクの安定な吐出とその繰り返し周
波数の向上に直接的に寄与し、インク吐出に必要なエネ
ルギの桁違いの低減はインク液路構成材とインクの加熱
を事実上零とみなせることが可能となり、インクの温度
管理を事実上不要化させる大きな実用効果をもたらした
のである。これは同時にインクのこげ付き量の大幅低減
となってヘッドの長寿命・高信頼化に大きく貢献するの
である。

【００３９】次に図１に示す薄膜発熱抵抗体を用いたマ
ルチノズルタイプのインク噴射記録ヘッドを用いてイン
ク液滴を吐出させた時の記録特性について述べる。図４
がこのヘッドの断面図であるが、この図の紙面に垂直の
方向に多くのインク吐出口９が例えば約７０μｍピッチ
（３６０ｄｐｉ）で並んでおり、その総数は例えば６４
ノズルのシリアルスキャンタイプの小型ヘッドから、１
５１２ケ×２＝３０２４ノズルのラインヘッド（Ａ４サ
イズ）以上のものまで製造することができることは特願
平０５−９０１２３号に述べた通りである。

【００４０】即ち、シリコン基板１上に駆動ＩＣ部６、
Ｃｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体３を形成し、共通配
線導体４、個別配線導体５（４及び５はＮｉ配線導
体）、ドライバ電源配線導体７と信号配線導体８で駆動
できるようになっている。そして、このシリコン基板１
上にインク吐出口９、個別インク通路１０、共通インク
通路１１が形成されているインク通路形成板１５を接着
したモノリシックＬＳＩヘッドをフレーム１６上にダイ
ボンディングし、フレーム内共通インク通路１４から連
結孔１３とシリコン基板１内共通インク通路１２を経て
インクを供給し、インク吐出口９から順次吐出させるよ
うになっている。Ｃｒ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体３
は４５μｍ×４５μｍ、インク吐出口９は４５μｍφ、
個別インク通路は幅が約５０μｍ、高さ３５μｍ、長さ
１５０μｍとした場合の例を示す。

【００４１】ここでは安定に吐出できる場合の最高吐出
周波数について調べたが、その限界は８ＫＨｚとなるこ
とが分った。これと比較できる２層構造保護層を持つ図
４と同タイプの（株）ＨＰ社製ヘッドの最高吐出周波数
が約６ＫＨｚと言われていることから、その改善効果の
大きさが分る。一方、吐出に必要な印加エネルギは本発
明の場合で２．０〜２．５μＪ／ｄｒｏｐであり、他社
ヘッドは１７μＪ／ｄｒｏｐ〜３０μＪ／ｄｒｏｐと言
われているのでその差は一桁となる。そして１億ｄｒｏ
ｐ以上の吐出に対しても安定な吐出特性を示し、信頼性
の点でも満足できる結果を得た。これらの結果はその性
質上、ヒータ面とインク吐出方向が平行となるタイプの
インク噴射記録装置の場合でも同様の結果が得られるこ
とを付記しておく。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、裸ヒータの短パルス駆
動によって非常に大きな平均昇温速度でインクを加熱す
るので、パルス印加から発生した気泡の消滅までの時間
を１１μＳ以下とすることができ、これは従来技術比で
約１／３という大幅改善となった。これによってサーマ
ルインクジェットプリントヘッドの印字スピード（吐出
周波数）は３０％以上の向上を達成し、消費電力は約１
桁という驚異的な改善を図ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に用いられる薄膜発熱抵抗体の一例を
示す構成図

【図２】 図１に示すヒータを水中にてパルス加熱（パ
ルス幅１μＳ）した時の気泡の発生と消滅を観察した結
果のスケッチ図

【図３】 図１に示すヒータを水中にてパルス加熱した
時のゆらぎ核生成域（実線）と単発泡域（点線）を示す
図

【図４】 本発明をヘッドに適用した場合の一実施例を
示す断面図

【図５】 水の沸騰特性曲線図

【図６】 従来の発熱抵抗体を用いてエタノール中での
気泡の発生と消滅を観察した結果のスケッチ図

【図７】 気泡の半径の時変化を示す図

【符号の説明】

１はシリコン基板、２はＳｉＯ₂ 層、３はＣｒ−Ｓｉ−
ＳｉＯ合金薄膜抵抗体、４は共通配線導体、５は個別配
線導体、６は駆動ＩＣ部、７はドライバ電源配線導体、
８は信号配線導体、９はインク吐出口、１０は個別イン
ク通路、１１は共通インク通路、１２はシリコン基板１
内共通インク通路、１３は連結孔、１４はフレーム内共
通インク通路、１５はインク通路形成板、１６はフレー
ムである。

フロントページの続き (72)発明者 清水 一夫 茨城県勝田市武田1060番地 日立工機株 式会社内 (72)発明者 町田 治 茨城県勝田市武田1060番地 日立工機株 式会社内 (56)参考文献 特開 平５−84912（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−345418（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インク液路と、このインク液路に設けられ
   るインク吐出口と、前記インク液路内のインクと面する
   側に保護層を持たない薄膜発熱抵抗体によって形成さ
   れ、前記インク吐出口近傍に設けられる発熱抵抗体とを
   有し、前記発熱抵抗体にパルス通電することによって、
   前記インク液路中のインクの一部を急速に沸騰させ、こ
   の沸騰による気泡の膨張力によって前記インク吐出口か
   ら液滴状インクを吐出させて記録するインク噴射記録方
   法であって、 通電パルス幅が３μＳ以下かつ投入エネルギが４μＪ／
   ５０×５０μｍ ² 以下の、気泡が再発泡しない単発泡発
   生条件でパルス通電を行い、インクにゆらぎ核生成に基
   づく沸騰を生じさせることを特徴とするインク噴射記録
   方法。
2. 【請求項２】前記沸騰をパルス通電開始後２μＳ以内に
   開始させることを特徴とする請求項１に記載のインク噴
   射記録方法。
3. 【請求項３】前記沸騰によって発生した気泡の消滅がパ
   ルス通電開始後１１μＳ以内であることを特徴とする請
   求項１または２に記載のインク噴射記録方法。
4. 【請求項４】前記通電パルス幅が１μＳより長いことを
   特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のインク噴射
   記録方法。