JPS62290770A - 熱静電インクジエツト記録用インク - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は適切な物性値を有することにより熱静電インク
ジェット記録の動作を安定させ、誤飛翔を防ぐ熱静電イ
ンクジェット記録用インクに関する。

〔従来の技術〕

従来のインクジェット記録装置として、例えば、インク
室にピエゾ素子等の電歪素子を設け、これに所定の周波
数の電圧を加えることによってインク室内のインク圧を
高めてインク室のオリフィスからインク滴を吐出するよ
うにしたものがある。

このインクジェット記録装置によると、記録紙をインパ
クトすることがないため騒音も少なく、また、インク滴
の付着によって記録を形成するため、定着工程を必要と
しない利点を有する。

しかし、このインクジェット記録装置では、前述した電
歪素子を有したインク室より成るインク吐出機構を小型
にすることに構造上の限界があるため、所定の画素密度
に対応することが難しく、そのため、機械的走査に基づ
いて対応しようとしている。このため、印字速度の向上
に限界が生じる。また、オリフィスからインク滴を吐出
させるため、目詰まり等の問題が生じる。

上記の不都合を解決するインクジェット記録装置として
、例えば、磁性インクジェット、平面走査インクジェッ
ト、熱バブルインクジェット、静電吸引インクジェット
等によるインクジェット記録装置がある。

（１１磁性インクジェット 画素密度に応じた間隔で磁性電極アレイを設け、これを
画素信号に応じて駆動して磁界によるインクの盛り上が
りを形成し、これに静電界を作用させてインクを飛翔さ
せる。

（２）　　平面走査インクジェット 密度に応じた間隔で配置された電極アレイと平行にスリ
ット状のインク溜めを設け、記録紙を介して対向して設
けられた電極と電極プレイ間に画素信号に応じた電界パ
ターンを形成し、この電界パターンに基づいてインク溜
めからインクを飛翔させる。

（３）熱バプルインクジェ・ノド 画素密度に応じた間隔で発熱素子アレイを配置し、画像
信号に応じてインクを加熱して膜面沸騰（５００〜６０
０℃）を生じさせ、これによってオリフィス内の圧力を
上げてインク滴を噴射する。

（４）静電吸引インクジェット 画像情報に応じた電界によってインクを静電的に吸引す
るとともに空気流を作用させてインクを飛翔させる。

以上述べたインクジェット記録装置によれば、 （１）、（３）および（４）のインクジェット記録装置
においでは、画像信号に応じて磁界パターンあるいは電
界パターンを形成し、このパターンと静電界あるいは空
気流の作用によってインクを飛翔させるようにしている
ため、記録速度の高速化が可能であり、（２）のインク
ジェット記録装置においては、インク吐出用のオリフィ
スが不要になるため、目詰まりの問題がなくなるという
利点をも有する。

しかし、以上述べたそれぞれのインクジェット記録装置
には次の不都合がある。

（１１・磁性インクジェット インクを磁性化する磁性材料を混入するため、カラー化
が難しい。

（２）平面走査インクジェット 信号電圧レベルが高いため、選択されなかったアレイ電
極の部分にも電界が形成されて誤飛翔が生じる恐れがあ
る。また、休止時間が長くなるため、ある程度の高速化
しかできない。

（３）熱バブルインクジェット 気泡の生成および消滅によるキャビテーション現象のた
め、発熱体寿命が短くなる恐れがある。

（４）静電吸引インクジェット インク吸引電圧レベルが高いため、画素密度に応じた間
隔で駆動素子を集積化することが難しい。そのため、マ
トリクス駆動方式を採用するとある程度の高速化しかで
きない。

本発明者は上記の点に鑑み、耐久性に冨み、飛翔精度が
高く、カラー化を可能にしながら記録速度の高速化が図
れる熱静電インクジェット記録装置を提案した。

この熱静電インクジェット記録装置は、抵抗性あるいは
導電性のイ、ンクの表面張力、界面張力、粘度および電
気抵抗を低下させ、これによってインクの盛り上がりを
形成し、この盛り上がり部に電界を集中させることによ
ってインクを飛翔させろものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、この熱静電インクジェット記録装置によれば、
インク飛翔条件の設定に適切性を欠くと画像信号に対応
しない非加熱部においてもインク飛翔が生じる恐れがあ
り、誤飛翔に基づく印字品質の劣化を招く不都合がある
。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 本発明は上記に鑑みてなされたものであり、適切なイン
ク飛翔条件を容易に設定できるようにするため、適切な
物性値を有する熱静電インクジェット記録用インクを提
供するものである。

ここで言う適切な物性値とは、インクの密度、粘度、お
よび表面張力をそれぞれρ（ｋｇ／ｒｒ？）　、　μ（
Ｎ−ｓｅｃ／ｎ（）　、およびα（８７ｍ）、静電吸引
用電界が印加される間隙距離をａｏ（ｍ）、空気密度を
ｐ’　　（ｋｇ／ｍ）としたとき、 で定義される無次元化量２が、２０℃において１００以
下の値を有し、７０℃〜２００℃の範囲で２０℃の値の
３倍以上の値を有するものである。

以下、本発明の熱静電インクジェット記録用インクを詳
細に説明する。

〔実施例〕

第１図は本発明のインクが使用される熱静電インクジェ
ット記録装置を示し、矢印（副走査）方向に記録紙ｌが
ステップ移動するように配置されており、その主走査方
向に伸びる一対の壁部材２ａ、２ｂによってインク室３
が形成されている。壁部材２ａの内壁には、主走査方向
にアレイ状に接続された共通電極５および駆動電極６と
、これらの表面に形成された保護層７が設けられている
。壁部材２ｂの内壁には、インク液面より距離の位置に
先端が配置される誘導電極８が設けられており、記録紙
１の背面には対向電極９が設けられている。共通電極５
と駆動電極６の間には画像信号が「１」の上き発熱素子
６を所定のレベルで駆動する駆動回路１０が設けられ、
誘導電極８と対向電極９の間にはインク飛翔用電界を形
成する電源１１が設けられている。

第２図は駆動回路１０を示し、画像メモリ１２からシリ
アルの画像信号を入力するシフトレジスタ１３と、シフ
トレジスタ１３の信号状態をラッチするラッチ回路１４
と、制御部１５のエネーブル信号を入力してランチ回路
１４の各ビットの状態「１」、「０」に基づいて「１」
、「０」を出力するアンド回路１６と、アンド回路１６
０ｒｌＪによってオンして発熱素子４に電圧Ｖを印加し
て発熱させるトランジスタ１７を有する。

以上の構成において、画像メモリ１２よりシリアルの画
像信号がシフトレジスタ１３に人力すると、ランチ回路
１４がそれをラッチし、制御部１５からエネーブル信号
が出力されるとそれに同期して画像信号に応じた駆動信
号がアンド回路１６より出力される。これによって画像
部ではトランジスタ１７がオンして対応する発熱素子４
に電圧Ｖが加わり、インクが加熱されて盛り上がると同
時に静電吸引用電界（電源１１によるパルス印加）によ
って飛翔し、記録紙１に付着する。

以上の記録操作において、異なった複数の物性値を有す
るインクを使用して印字状態を調査したところ、第１表
の結果が得られた。

ここで、インクは体積抵抗率がＩ　Ｘｌ０１０（Ω−Ｃ
ｍ）以下になるように抵抗調整剤で調整し、誘導電極８
と対向電極９で形成される電界が印加される間隙路Ｘｌ
ｔ　ａ　ｏを３００μｍとした。

また、前述したように、無次元化量βは、として求めら
れた。尚、空気密度ρ′は１．２１ｋｇ　／　ｍとした
。

第１表から明らかな通り、ｌ値が２０℃において１００
以下の値を有し、７０℃〜２００℃の範囲で２０℃の値
の３倍以上の値を有すると、インク飛翔による記録動作
を行うことが可能になり、特に、７０℃〜２００℃の範
囲で２０℃の値の９倍以上の値を有すると、非加熱部に
おけるインクの誤飛翔を確実に抑えて安定した記録動作
を行うことができる。

この結論に達するまでに、本発明者は以下に述べる検討
を行った。

第３図（ａｌ〜（Ｃ１はインク３０の表面からインク飛
翔が生じる現象を説明するものであり、上部電極（吸引
電極）９と、下部電極（誘導電極）８間に静電誘導を起
こし得る程度のインク３０を間隙２０を介して配置して
電極１１から電圧を印加する（ａｌ。このとき、インク
３０は静電力によって、吸引電極９に引きつけられよう
とするが、インクは非圧縮性であるために表面波を形成
する（ｂｌ。波の波頭部では電界集中を生ずるためによ
り静電力が集中（ｆ、）するが、表面張力（ｆ２）や重
力（ｆ３）により表面波を打ち消すような抗力を生じ、
また、インク３０が動くと粘性抵抗も作用する。

しかしながら、静電力が十分に強い場合には、表面波は
不安定な成長波となり、吸引電極９側へと曳糸したり、
液滴となって飛翔する（Ｃ１゜この現象は、例えば、Ｊ
、Ｒ，ＭＥＬＣＨＥＲ氏著″ＦＩＥＬＤ−ＣＯＵＰＬＥ
Ｄ　５ＵＲＦＡＣＥ　ＷＡＶＥＳ’ＭＩＴ　ＰＲＥＳＳ
（ｔｌｓＡ）　１９６３年やＹ、０．Ｔｕ氏著“ＩＢＭ
　Ｊ、Ｒｅｓ、Ｄｅｖｅｌｏｐ　Ｎｏｖ、１９７５　Ｐ
Ｐ５１４−５２２に記載されているｆ５動展開による電
気流体力学によって証明される。

即ち、第３図（ａｌ〜（Ｃ）の如き構成下でインクに対
する運動方程式は流体に関するナビエーストークスの方
程式であられされ、静電力と表面張力による応力テンソ
ルのつり合いが空気層とインク層の界面において生じて
いる。

これらの方程式に於いて、空気、インクの速度ヘクトル
、圧力、静電ポテンシャルなどの物理量がインク波面変
形に対応してｅｘｐｉ　　　十ｎｔ〕なる摂動展開され
ると仮定して摂動の１次の展開項まで計算すると、ｎと
ｋ（＝１１）との間にはある関数関係が見出される。

第４図にはこの関数関係を示し、電気流体力学の理論解
となるものであり、横軸にに＝をとって無次元化ｉＡを
パラメータにしたものである。

ここで、ρ′は空気密度（１，２１ｋｇ／ｎ？）、ａｏ
は間隙距離〔ｍ〕、αはインクの表面張力（Ｎ／ｍ）　
、ｐはインクの静粘度〔Ｎ−５ｅｃ／、、（）　、ρは
インク密度（ｋｇ／ｒｒ？）、εは空気（真空）の誘導
率（８，８５Ｘ　１０−　’　２Ｆ／ｍ）　、Ｖは印加
電圧（ＶＯＬＴ）　、λは表面波の波長〔ｍ〕、ｎはイ
ンク表面波の成長速度（ｓｅｃ−’　）である。

本発明者は、電離流体ノＪ学理論によって与えられる液
面成長速度σが熱静電インクジェット動作を説明するの
ではないかと言う仮定のもとに実際のインクジェット動
作を詳細に調べた。その結果、次のような関係を見出す
に到った。

即ち、 （１）　　熱信号を印加せず、飛翔電界をパルス化して
印加すると、均一液面であるにも拘わらず、インクはほ
ぼ規則正しいドツト例となって飛翔する。

（２）　　印加電圧パルスの時間を長くすると、ド。

ト列はライン状になって一列になる。

（３）前記＋１）のドツト列の間隔は、第４図で与え（
４）飛翔させるのに必要な電圧印加時間１ａはｎ□８が
大きい程短くてすむ。

第５図は比重約０．９ｇ／ｃｍ’のインクの表面波の波
長ノとインク成長速度ｎとの関係の理論解を示すもので
あり、間隙ａ。−３００μｍ、電圧Ｖ＝３００Ｖの場合
である。ここで、曲線ａ　％　ｄは第２表の通りである
。

第２表 一方、同じ条件で実験したところ、第３表の結果が得ら
れた。

第３表 」 ところで、熱静電インクシエンド動作に於いては、イン
クは均一な物性値に保たれるわけではなく、場所によっ
て粘度、表面張力が変化するので、厳密には第４図およ
び第５図の理論解は適用できないが、例えば、インクを
室温２０℃から画像信号に応じて約１８０℃まで加熱で
きるヘッドを用いて実験したところ以下のことが判った
。

即ち、室温インクの物性値μｍア（粘度）、α３．（表
面張力）、びＲＴ　（密度）を用いて計算される波長に
応じたインク成長速度ｎ（λ）　１丁と高温インクの物
性値に基づく波長に応じたインク成長速度ｎ（λ）ｌ（
アとから第６図の如き電気液体力学によるインク吸引関
係式が得られる。代表的には低温部でのドツト列吸引開
始時間ｔｔＴと、高温部でのドツト列吸引開始時間ｔａ
ＨＴが求められる。このとき、良好な熱静電インクジェ
ット記録、即ち、加熱部に於いてのみインク吸引をおこ
させるに必要な電界パルスの印加時間はｔａＲＴとＬ＆
″Ｔの間にあることが判った。

第６図は熱静電インクジェット現象と電気流体力学現象
を対応して説明するものであり、印加電圧Ｖ＝２０００
あるいは３０００　（Ｖ”）　、間隙ａｏ＝３００μｍ
であり、また、２０℃および１８０℃における粘度μ、
表面張力αおよび密度は次の通りである。

第６図より明らかな通り、３０００　Ｖ　／　３００　
ｐ　ｍの印加電界のとき許容される印加時間は１００μ
ｓｅｃ〜３ｍ５ｅｃとなる。実際に、インクの飛翔する
自由表面を約１８０℃まで加熱する熱静電インクジェッ
トヘッドを使用して飛翔実験を行ったところ（日本バー
ンズ社製　赤外線顕微鏡ＲＭ−２Ａにて測定）、約２０
０μｓｅｃから飛翔を開始し、２．５ｍ５ｅｃをすぎる
と、背景部（非加熱部）での飛翔を誘発した。

同様な実験をインクを変えて実施したところ、この解釈
がほぼ成り立つことが判った。

このことから、熱静電インクジェット法に於ける動作機
構としては電界を結合した電気流体力学波の非定常的な
成長速度に関する分散関係式ｎ（λ）の温度変化であろ
うという見解に到った。

従って、確実にかつ高速に熱静電インクジェット動作を
行わせるためには、ｎ（λ）の温度変化をより大きくと
れ、かつ、ｎの値そのものが大きなインクをえらぶ必要
がある。

ｎ（λ）の変化因子は、前述したインクの物性値であり
、熱静電動作を確実に制御して加熱部だけからインク飛
翔を行わせるためには成長速度の最大値ｎ　ｍａｘは少
なくとも高温部と低温部で３倍程度以上あればよいこと
がわかった。これをインク飛翔が生じるまでの時間ｔ１
に変換するとほぼ３〜１０倍の値に相当する。

第４図より明らかなように、ｎ（λ）の温度変化を与え
るものは、無次元化されたパラである。これを判り易く
するため、 式を第７図に示す。第７図は電界強度 α　ａＯ のであり、成長速度ｎに比例する飛翔速度σは、β−２
０の場合、β−１００程度から飽和する。尚、前述のβ
の式において、εは、前述した通り、空気（真空）の誘
導率である。

通常インクは高温になると低粘度化、低表面張力化する
が、粘度の効果が太き（、一般には、β値は大きくなる
。従って、室温でβ値が１００を超えるインクは、良好
なβ値の熱変化がないので、熱静電インクジェットに供
しえない。

一方、第７図より明らかなように、β値が１０以下であ
れば、σとｌは反比例の関係にあるから、前述したよう
に、実験的に求められた必要なｎ値の差（３倍）をもた
らすためにはβ値は３倍程度変化する必要がある。もち
ろん、加熱の温度差によってβ値の変化幅は変えること
ができる。しかし、熱静電インクジェット記録装置の置
かれる環境温度、機内温度は種々変動するため、プリン
タの信顛性の点からもサーマルヘッドの消費電力が許容
される範囲内において設定する温度差はなるべ（大きい
方が良い。

加熱部のインクとしては、７０℃〜２００℃程度が環境
の温度変化に対する許容性、消費電力を抑える点から好
ましい範囲である。

従って、室温を２０℃と仮定した時、２００℃に於いて
少なくとも２値が３倍に上昇するインクが熱静電インク
ジェットに好適に使用できるインクである。もちろん、
２００℃未満で沸騰するインクの場合には（例えば、水
性インク）沸点以下で動作させ（１００℃以下）、その
動作温度でｌ値が３倍になっていれば使用できる。この
値は大きければ大きい程温度コントラストが窩くとれる
ので系の安定動作には好ましい。第１表の結果と以上の
検討に基づいて前述した結論に達することになる。

〔発明の効果〕

以上説明した通り、本発明の熱静電インクジェット記録
用インクによれば、インクの密度、粘度、および表面張
力をそれぞれρ（ｋｇ／ｍ）　１．ＩＪ　（Ｎ−ｓｅｃ
／ｍ）　、およびα（Ｎ／用）、静電吸引用電界が印加
される間隙距離をａｏ（ｍ）、空気密度をρ’　　（ｋ
ｇ／ｒｒｒ）としたとき、 で定義される無次元化量ｌが、２０℃において１００以
下の値を有し、７０”Ｃ〜２００℃の範囲で２０’Ｃの
値の３倍以上の値を有するようにしたため、適切なイン
ク飛翔条件を容易に設定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のインクが使用される記録装置を示す説
明図、第２図は第１図の駆動回路を示す説明図。第３図
（ａ）〜（Ｃ）は熱静電インクジェットの動作原理と考
えられる電気流体力学現象を説明する説明図。第４図は
電気流体力学の理論片を示す説明図、第５図は実施例に
対応する理論片を示す説明図、第６図は熱静電インクジ
ェット現象と電気流体力学現象を対応づけるための説明
図。第７図は本発明の詳細な説明するために引用する理
論片を示す説明図。 符号の説明 １−−−−−−−一記録紙　　　２ａ、２ｂ−・−・−
・−壁部材’　３−−−−−インク室　　４−・−−−
−−−−−一発熱素子５−−−−−−−−−共通電極　
　６−・−・−・・・・駆動電極７−−−−−−保護層
　　　８−−−−−−−−・−誘導電極９−−−−−−
−一対向電極 第３図 第４図 σ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 インクを画像信号に応じて加熱するとともにそれと同期
   して、あるいはそれに引き続いて静電吸引用の電界を記
   録体とインクの間に印加してインクジェット記録を行う
   熱静電インクジェット記録に使用されるインクにおいい
   て、 密度、粘度、および表面張力をそれぞれρ（ｋｇ／ｍ＾
   ３）、μ（Ｎ・ｓｅｃ／ｍ＾２）、およびα（Ｎ／ｍ）
   、前記電界を印加される間隙距離をａ＿０（ｍ）、空気
   密度をρ′（ｋｇ／ｍ＾３）としたとき、 ｌ＝ρ／μ√［（αａ＿０）／ρ′］ で定義される無次元化量ｌが、２０℃において１００以
   下の値を有し、７０℃〜２００℃の範囲で２０℃の値の
   ３倍以上の値を有することを特徴とする熱静電インクジ
   ェット記録用インク。