JPH03266646A - インクジェット記録方法及びそれを用いたインクジェットヘッド - 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、インクを記録媒体に飛翔させて記録を行なう
インクジェット記録方法に関し、特に熱によりインク内
に蒸気泡群を形成し、この蒸気泡群の体積速度の変化を
用いてインクを噴射させるインクジェット記録方法に関
する。またそれを、用いたインクジェットヘッドに関す
る。

（従来の技術） 従来インクを加熱してインクの状態を変化させその時発
生する圧力によってインク滴をノズルより噴射するイン
クジェット記録方法が知られている。

例えば特公昭６１−５９９１４号公報にはシンプルな構
造でマルチオリフィス化を容易にし、高速記録が得られ
る液体噴射記録法及びその装置が記載されている。

その装置断面図を第２図に示す。基板２７上に蓄熱層２
２、発熱抵抗体２１が設けられ、発熱抵抗体２１に通電
するための電極２３．２４が接続されている。その上に
インク２８による電極間のリークを防止し、電極２３，
２４及び発熱抵抗体２１の汚染を防止する保護層２５を
設けている。

この方式は、インク２８を吐出するための吐出口２Ｇに
連通ずる液路中の液体の一部を熱して膜沸騰を生起させ
ることによりインク滴を飛翔させて、記録を行なうもの
である。この膜沸騰は、第３図に示される沸騰曲線によ
り説明されている。この図は横軸に、発熱体表面の温度
Ｔをと液体の沸点Ｔ、との温度差ΔＴを、縦軸に発熱体
から液な伝達される熱エネルギーＥＴをとったものであ
る。この沸騰曲線に於いてＡＢ領領域越えると急激な沸
騰が見られ、核沸騰領域（ＢＣＤの領域）と膜沸騰領域
（ＥＦＧの領域）とが実現される。この従来例では、発
熱体の表面温度を高め、液体を膜沸騰を生じさせる温度
（８点付近）にすることによって膜沸騰を起こさせてい
る（Ａ−＋Ｂ−＋Ｃ−＋Ｄ−＋Ｅの過程）。膜沸騰が起
こると発熱抵抗体表面上には、膜状の気泡が形成され、
この気泡の断熱作用のため液体への余分な加熱が生じな
い。よって余分に加熱されていない気泡周囲の液体によ
り、気泡は冷やされ、惣、激に収縮する（自己収縮）。

このような動作により熱でき応答の即応性、確実性を高
め、周波数特性を高めている。

第４図は第２図に示したサーマルインクジェットに用い
られている発熱体素子部の拡大断面図及び上面図である
。同図において発熱体の厚みに対して電極は１０〜５０
倍の厚さで形成する必要がある。更にその上に酸化防止
膜である保護層を電極と同程度以上の厚みで形成してい
る。このため発熱体、電気よく及び保護層の厚みの差、
線膨張係数の差が原因で、発熱体と電極の接点部２９に
応力歪みによるクラックが生じる。

（発明が解決しようとする課題） このように、上記の記録方法は、優れた特徴を有するも
のであるが、膜沸騰を生起させるため、第３図Ａ−＋Ｂ
−＋Ｃ−＋Ｄ−＋Ｅの過程の加熱を行なうと、Ｅの転に
おいて膜沸騰により加熱面と、液体が断たれ、同図Ｅに
示されるように熱伝達量ＥＴ（熱流束）が急激に低下し
、加熱面の温度が急激に上昇し、ドライアウト現象など
により加熱手段をも劣化させるという問題が生じる。

また同図Ｅ転に達するまでの液体加熱可能時間内に前記
加熱面近傍の液体（活性層）に注入できる熟エネルギー
の多さにより、より安定でかつ大きな前記蒸気泡の体積
速度（αインク噴射エネルギー）が得られる訳であるが
、前記膜沸騰の発生核は加熱面上の微小キャビティ内の
気泡等に起因する不均質発泡核である。（例えば特公昭
６１−５９９１３号公報で引用されているＦ伝熱概論Ｊ
Ｅ１３藤好部著、養賢堂版参照）前記均質発泡核に比べ
て該不均質発泡核は、前記発熱体表面の加熱において、
非常に早期がら発生し、かつ比較的緩満に成長しつづけ
る。この為前記加熱面から前記活性層への熱流束の伝達
に著しいさまたげを生じさせている。

本発明は、これらの点を解決し、断熱による急激な温度
上昇がなく、加熱手段の劣化が少ない高い信頼性が得ら
れると同時に、膜沸騰の発泡核生成による低熱流束伝達
を防ぐ、均一核生成に基づくインクジェット記録方法及
び該記録方法を用いた、インク噴射が安定で再現性の良
いインクジェットヘッドを提供するものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、インクを所定の方向に噴射するためのノズル
孔に連通ずる圧力室内のインクを加熱手段を用いて急激
に加熱する事により均質核生成状態を発現させ、該均質
核が生起後成長し、１つあるいは複数の蒸気泡群を形成
した時に生じる該蒸気泡群の体積速度の変化を用いて前
記圧力室内にインク噴射エネルギを発生させ、前記ノズ
ル孔がら前記インクを噴射させるインクジェット記録方
法である。

前記圧力室内のインクを加熱するにあたり、加熱手段表
面の加熱速度を１０〜１０９℃／ｓｅｃ以上とし、この
加熱手段表面からインクへの熱流束を１０〜１０　ＭＷ
／ｍ以上とし、前記加熱手段とインクの界面近傍のイン
ク温度を均質核生成温度まで急激に加熱することを特徴
とする。

また、このインクジェット記録方法を用いたインクジェ
ットヘッドとして、インクと接しており、前記記録イン
クに噴出エネルギーを与える発熱体と、前記記録インク
を介して該発熱体と対向するインク液噴出用ノズル板と
からなるインクジェットヘッドにおいて、前記発熱体は
電極と同一種類の金属からなり、同一膜厚に形成されて
いることを特徴とするインクジェットヘッドを提供する
。

また、発熱体および電極上に保護層を設けることもでき
る。

（作用） 気泡核が存在しない液体系では過熱限界近くに過熱され
てから自発的に急激な発泡を生じることが知られており
、液相中から発泡する場合も均質様、固−液界面で発泡
する場合を不均質核生成又は自発核生成と呼ぶ。

本発明においてはインクと直接発熱体表面を接触させ、
該発熱帯に超高速電気パルスを加えて発熱体を非常に急
激に加熱している。この様な急激な加熱において、発熱
体表面の加熱速度を１０〜１０９℃／ｓｅｃ程度以上と
し、かつ発熱体表面から接触界面上近傍のインクへの熱
流速を１０〜１０　ＭＷ／ｍ程度以上とした場合、前記
接触界面近傍に活性層と呼ばれる厚さ数１１ｍ以下の過
熱液体層が形成できる。

更に、該活性層に前記の高熱流速を数μｍ以下で、時間
連続して加える事により、該活性層の温度を前記均質核
生成温度である３２０°Ｃ近辺まで急激に上昇させるこ
とができる。この様な超高速過熱条件下においては、通
常の沸騰状態とは異なった均質様による発泡が顕著に生
じる。均質様による発泡現象は前述した様に液体中の活
性層がある臨界状態を越えた時に発生する一種の相変化
であると考えられ、液体それ自身による発泡現象であり
、液体中への不純物や混入気体を発泡核とする他発核発
泡現象や液−液、固−液界面で生ずる、前記自発核によ
る発泡現象とは全く異なる発泡モードである。（Ｄｅｒ
ｅｗｎｉｃｋｉ、　Ｋ、　Ｐ、　：　Ｉｎｔ、　Ｊ、　
Ｈｅａｔ　Ｍａｓｓ　ＴｒａｎｓｆｅｒＶｏｌ、　２８
．　Ｎｏ、　１１．　ｐｐ、　２０８５．１９８５及び
５ｉｎｈａ、　Ｄ、　Ｎ、、　ｅｔａｌ、：　Ｐｈｙｓ
ｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ、　Ｂ、　Ｖｏｌ、　３６．　
Ｎｏ、　７．　ｐｐ、　４０８２．１９８７の２文献参
照の事。） 第１図（ａＸｂ）に示すように前記均質核生成状態に前
記活性層が過熱されると、該活性層中にｌｐｍ以下の微
細な蒸気泡３が多数発生し、前記活性層全体が嚢状とな
る（第１図（ａ））。その後該蒸気泡が核となり、成長
し、互いに合体をくり返しながら１つあるいは複数個の
気泡となる。（第１図（ｂＸｃ））この様な均質核生成
は、一般に知られた前記自発核生成及び前記他発核生成
による沸騰現象（モード）と比較して、非常に短時間（
数ｐｓ以下）で生起され、かつ前記活性層内で発泡核を
発生させることができるため、発熱体表面（加熱面ンの
表面状態や、前記液体中の不純物や混入気体の影響を受
けにくいことがら、発熱体表面全域にわたって同じにが
っ瞬間的に発泡を生起させることができる。

また、この様な均質核生成による発泡モードを用いたイ
ンクジェットヘッド記録方法においては、前記圧力室内
において、前述の様な急激な蒸気泡の生成による前記体
積速度を達成させることができる。これにより、前記圧
力室内に大きな前記インク噴射エネルギーを発生させ、
前記ノズル孔から前記インクを安定してかつ高飛翔速度
で噴射させることができる。

更に、均質核生成による蒸気泡は前述した様に周囲の低
温液体との接触によって冷却され、急激に体積が減少し
、消滅するので、インク噴射において高い応答性が得ら
れる。

次に、本発明のインクジェットヘッドについて説明する
。本発明のインクジェットヘッドでは、発熱体と電極を
同一種類の金属で同一膜厚に形成しているため、通電時
発熱体内に生じた熱応力を均等に分散できる。このため
、応力歪みによる破壊に対して良好な耐久性を発揮でき
る。

本発明の記録方法では、通常のインクジェットヘッドに
比べ、非常に急激な加熱を行うため、熱応力に対して耐
久性を有することは重要な要素である。第４図に示した
ような従来のインクジェットヘッドでは本発明の記録方
法で使用した場合には、１０回程度の使用で接点部２９
等が破壊されてしまい実用化が難しかった。

（実施例） 第５図は本発明において均質核による発泡を生じさせる
ために用いている発熱体を説明するものである。同図（
ａ）は上面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ’切断面図、同図（
Ｃ）はＢ−Ｂ’切断面図である。

基板１１としては高ガラス転移点をもち、かつアルカリ
金属の析出のすくないガラス材料、例えば、人口石英、
ノンアルカリガラス（ＮＡ４０：旭ガラス、７０５９：
コーンニング）を用いている。発熱体および電極６の材
料としては、高融点金属である、チタン、タンタル、タ
ングステン、ニオブ、クロム、ハフニウム、ジルコニウ
ム、ニッケル、などの合金及び酸化物、チン化物、硼化
物などを用いている。第５図において、寸法は各々、発
熱体の長さＬｌ：１０〜５００ｐｍ、電極の輻Ｌ２：１
１００−５０００ｐ、発熱体の幅Ｌ３：１０〜５００１
１ｍ、厚さＴ１：１０００〜５００００Ａ程度で良好な
結果が得られている。

又、同図（ａ）、　（Ｃ）に示されているように、発熱
体と電極との境界近傍では電流集中を防ぐためにゆるや
かな円弧をもって接続している。単一膜に置いてこのよ
うな形状にすることにより、発熱体内に生じた熱応力を
均等に分散できる。発熱体の主要な破壊モードとして知
られている、電極１発熱部の異種金属間の異なる寸法、
形状での積層が原因で発生する応力歪による破壊に対し
て良好な耐久性を発揮できる。

第６図（ａ）、　（ｂ）は本発明における発熱体２をも
ちいたアレイを説明するものである。該発熱体アレイは
本発明におけるサーマルインクジェットヘッドにおいて
も用いる。

各々の発熱体アレイはＧＮＤ６１、発熱体２、電極６及
び電極パッド６２等から構成されているが、少なくとも
該発熱体２と電極６は同一膜厚でかつ同一種類の金属か
ら形成されている。この様な構造の発熱体アレイは従来
からサーマルインクジェットに用いられている異種材料
の多層構造による発熱体素子（例えば特開昭６１−５９
９１３号公報参照）に比べて構造が非常に簡単であり、
大型のラインヘッド（Ａ４版程度）を安価に構成できる
。

第７図は本発明において用いる前記発熱体２に保護層７
１を付加したものである。

発熱体２は前記インクと常時接触しているので、インク
によって化学的腐しよくを受ける可能性がある。この様
な腐しよくを防ぐために同図に示すような保護層を形成
する。該保護層の材料としては、通常の半導体プロセス
で用いられるパッシベーション膜と同類のものを用いる
、例えばＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４である。厚さは１０００
〜５００００Ａ程度である。

又同様に前記腐しよくに強い金属を前記発熱体上に同形
状で形成してもよい。例えば、Ａｕ、　Ｐｔなどを用い
てもよい。膜厚は５００〜１００００人程度である。

第１図は本発明のインクジェットヘッド用い、本発明の
インクジェット記録方法を実施した例を示す。同図（ａ
）により本発明におけるヘッドの第一の実施例を説明す
るヘッドは第７図に示した様は発熱帯アレイを形成した
基板１とノズル板５及びインク層４等から構成される。

ノズル板５には発熱体２の上方にインク層を介してノズ
ル孔７が設けられている。ノズル孔形状は一般に円形を
用いるが、我々が特願昭６１−４９７３４．６２−１０
８３３３．６３−１４３００．６３−２３０３２７゜６
２−０３０１７５．６２−０１４９０１．６２−２５５
８９１号明細書に開示しているノズルの寸法・形状を用
いることが可能である。特に６１−４９７３４や６２−
０１４９０１や６２−２５５８９１に開示している様な
スリット形状のノズル孔アレイを本発明における前記発
熱体アレイと組合せて用いた場合、各々の発熱体とノズ
ル孔との目合せが容易に行える、大型かつ一体型のライ
ンヘッドが実現できる。該ラインヘッドは従来からの同
稈度の大きさのヘッドに比較して”／１０〜”／１００
のコストで作成できる。つまり使い捨て（ディスポーザ
ブル）型のライン型インクジェットヘッドが可能である
。このためインクジェットヘッドのディスポザブル化に
よって従来からインクジェットヘッドで問題であったノ
ズル孔の目すまりや乾燥による吐出不良を防止するため
の、クリーニングやキャッピング機構を簡略化でき、ヘ
ッドのみならず記録装置自体の構造の簡略化、小型化コ
ストダウンが可能である。

又、同デイスポザブル化によって信頼性が向上し、従来
の様な１０〜１００ノズルを集積したマルチノズル型ヘ
ッドに対して、１０〜１０コものノズルを高密度集積（
３００〜６００ＤＰＩ）　したヘッドが容易に実現でき
る。

前記発熱体基板は前述の開示例に示すような通常の半導
体プロセスにのっとって作成している。

又前記ノズル板の作成方法も前記開示例に従っている。

この様な記録ヘッドにおいて、発熱素子を０．１〜５ｐ
ｓ、　５〜４０Ｖ、周期≦１０Ｈｚの電流パルスで駆動
した時発熱体の加熱速度１０−１０９℃／ｓｅｃ以上、
インクへの熱流束１０〜１０　ＭＷ／ｍ以上が満たされ
、前記均質核生成による蒸気泡３が発生・消滅させられ
る（第１図（ｂＸｃ））。これにより１０〜１１００ｐ
■のインク滴を５〜３０ｍ１ｓの滴速度で安定して飛翔
させることができた。

第８図は我々が特願昭６３−０５１０６５．６２−１０
８３３３．６３−３１１１６８、６３−３１１１７２号
明細書に開示している様な壁を前記発熱体の近傍に形成
した実施例である。形成材料、形状は該開示例に従うも
のである。

この様な壁を各々の発熱帯近傍に設置する事によって前
記蒸気泡の発生するインク噴射エネルギーを前記ノズル
孔方向に収束させることができ、より安定なインク吐出
特性が得られる。

（発明の効果） 以上詳解したように本発明におけるサーマルインクジェ
ット記録方法及びこれを用いたサーマルインクジェット
ヘッドにおいては、 （１）均質核生成に基づく発泡モードを用いているので
、発泡状態がインクや発熱体表面状態に依存しなんなり
かつ発泡に必要なエネルギーを小さくでき、又大きな体
積速度が得られるので安定かつ高速なインク滴飛翔が実
現できる。

（２）均質核生成に基づく発泡モードを実現するために
、前述のような簡単な構造の発熱体を用いるので、高熱
流束か　られかつ高熱効率である。

又同時に応力の　方性により、熱応力破壊に対して強く
でき、従来の発熱帯に比べて１０〜１０程度耐久性が向
上する。又製造プロセスが簡単にでるきので、安価で大
型の発熱帯アレイ基板ができ、ライン型インクジェット
の実現が容易となる。

（３）このような発泡モードを用いた発熱体アレイ基板
及び前述の様なライン型ノズル板を併せて用いることに
より、安価で信頼性が向上した大型（例えばＡ４版）の
ディスポザブルタイプのラインヘッドが実現できるよう
になる。

（４）又このようなディスボザブルタイプにすることに
より、従来のような厳密なりリーニング及びキャッピン
グ機構を必要としなくなり、装置の簡略化、小型化、コ
ストダウンが実現できる。

（５）更にデイスポザブル化、ラインヘッド化によって
従来のインクジェット方式の記録時間に対して１／１０
〜１／１００程度の非常に高速な記録時間が実現できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の詳細な説明するための図、第２図は
従来例の断面図、第３図は沸騰曲線を示す図、第４図（
ａＸｂ）は従来例を示す図、第５図〜第８図は本発明の
実施例を示す図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）インクを所定の方向に噴射するためのノズル孔に
   連通する圧力室内のインクを加熱手段を用いて急激に加
   熱することにより均質核生成状態を発現させ、該均質核
   が生起後成長し、１つあるいは複数の蒸気泡群を形成し
   た時に生じる該蒸気泡群の体積速度の変化を用いて前記
   圧力室内にインク噴射エネルギを発生させ、前記ノズル
   孔から前記インクを噴射させるインクジェット記録方法
   。
2. （２）前記圧力室内のインクを加熱するにあたり、加熱
   手段表面の加熱速度を１０＾６〜１０＾９℃／ｓｅｃ以
   上とし、この加熱手段表面からインクへの熱流束を１０
   ＾７〜１０＾８ＭＷ／ｍ＾２以上とし、前記加熱手段と
   インクの界面近傍のインク温度を均質核生成温度まで急
   激に加熱することを特徴とする請求項１記載のインクジ
   ェット記録方法。
3. （３）インクと接しており、前記インクに噴出エネルギ
   ーを与える発熱体と、前記インクを介して該発熱体と対
   向するインク液噴出用ノズル板とからなるインクジェッ
   トヘッドにおいて、前記発熱体は電極と同一種類の金属
   からなり、同一膜厚に形成されていることを特徴とする
   インクジェットヘッド。