JPH0223350B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明はインク・ジエツト・プリンタやイン
ク・ジエツト・プロツタに用いられるインク小滴
放出器に関し、特にノズル板の外表面に小孔を開
口することにより高品質・高安定性を有する印字
または描画を可能としたインク小滴放出器に関す
る。

〔発明の技術的背景及びその問題点〕

種々の手段でインク小滴を放出する様々なイン
ク・ジエツト・プリンタやインク・ジエツト・プ
ロツタが知られている。そこで用いられているイ
ンク小滴放出手段としては、たとえば小滴を一定
のインク圧力の下で一定流速で絶えず放出する連
続ジエツト放出器、静電放出器、オンデイマンド
式小滴放出器（つまり、インパルス・ジエツト）
等がある。これらの放出器には、小滴を発生させ
るべくインクにエネルギーを与える励起手段、小
滴を形成するノズル、放出された分のインクを補
充する手段および小滴にエネルギーを供給する電
源が含まれる。ノズルは放出される小滴の形状、
量および／または速度を制御するために使用され
る。これらの放出器は、ノズルを１個使用した
り、あるいは一直線または平面上にあるパターン
で配列された複数個のノズルを使用したりする。
これらインク・ジエツトを用いる装置はどれも、
インクやインクの残渣によつてノズルが濡れたり
汚染されたりすることにより、いろいろな問題を
起こしやすい。

インク・ジエツト・ノズルの外表面の濡れの原
因としては、衝撃や振動によつてノズルから放出
される小滴の付着等のいろいろなものがある。ま
た小滴放出の間に発生する霧状のインクによつて
もインクがノズル上に付着することがある。同様
に動作中や輸送中にインク貯蔵器や補充流路内の
インクの圧力が高くなりすぎてインクをノズルか
らその外表面に押し出すことがある。また放出器
をインク貯蔵器につなぐ流路からのエア抜きをす
るプライミング（priming）工程中にもこの圧力
上昇によるインクもれがおこりうる。ノズル内に
気泡が入つたりするような様々な誤動作によつて
もインクが外表面に付着することがある。ノズル
の外面が濡れる結果、通常はそこにインク小滴と
乾燥したインク残渣とが組合わさつたものが生じ
る。これによりインク小滴の放出が阻止された
り、またインク小滴の軌道や安定性が乱れたりす
ることがある。インク・ジエツトを用いる装置で
高品質の印字や描画あるいは描線（（plotting）、
以下描画と称する）を実現するためには、ノズル
に障害物や汚染がないこと、そして各ノズル内の
インクのメニスカスの程度、向き、位置が予測可
能であることが重要である。適切なインク小滴放
出動作がなされるためには、表面のインクや残渣
がノズルまたはその付近に堆積するのを防止しな
ければならない。

ノズルの濡れという問題に対する従来のある解
決法では、濡れない表面と、この表面の性質と協
同して表面にたまつたインクを除去するハードウ
エアや配管類が必要であつた。この解決法では、
インクの小滴が表面に付着して広がらず表面で粒
状になるようにするため、ノズルの表面に濡れに
くい性質を持たせておく。この様にすることによ
り、その表面上のインクの小滴がある大きさに達
すると、その重量が表面からの吸引力より大きく
なるので、この小滴はインクの大きな跡を残すこ
となく表面から落下したり流れ出したりする。こ
の様にして表面から除去されたインク小滴の典型
的な処理法としては、外側に溝を設けてこれらを
集め、そして汚染防止のために処分するか、ある
いは集められたインク中の不純物をろ過した後イ
ンク貯蔵器に戻す。このような濡れにくい性質の
表面を使用することにより、ノズルの外表面にイ
ンクがたまることは制限されるが、インクとその
残渣を外表面から除去しなければならないという
問題を解決するわけではない。

他の従来の解決法では、外表面を洗浄するため
に各種の機械的な方法を用いている。これらの方
法のうちのあるものでは、表面にエア・ジエツト
を吹き付けて小滴を吹き飛ばしたり、ワイパーで
表面をふいたり、また吸収性のあるローラーを表
面にころがしたりする。これらの機械的な洗浄の
欠点としては、洗浄用機構を別に必要とする、本
質的に間欠的洗浄しかできない、インク・ジエツ
トを用いる装置に本来の動作ができない時間をも
たらす、ワイパーやローラー自体が汚染源になる
ということがあげられる。なかんづく、ノズル表
面の浄浄が間欠的であることにより表面に過度の
インクがたまり、その結果動作の邪魔になつた
り、また残渣が形成されることがある。

多数の励起手段を有するインク小滴放出器にお
いて起りやすい別の問題は励起手段相互の流体的
干渉である。励起手段を直線状に配列したり、ま
た平面上に２次元的に配列した場合、これらの励
起手段は短かい補充流路を介してインクで満たさ
れている共通の空洞（以下、プレナム（plenum）
と称する）に接続されることが多い。このプレナ
ムは励起手段にごく近接して置かれ、このプレナ
ムからインクが吸引されてインク小滴の放出後に
インクを補充する。インクがある励起手段によつ
て対応するノズルから放出されると、圧力の乱れ
がプレナムに発生し、これによつて他のすぐ近く
の放出部（励起手段、これに対応するノズル及び
これらの近傍を総称して以後放出部と称する）内
のインクに擾乱が生起されることがある。さら
に、インクがある放出部から放出された後、その
放出部にインクを補充するためのプレナム内のイ
ンクの流れによつても他のすぐ近くの放出部内の
インクに擾乱が生起されることがある。

インク・ジエツト装置により高品質の印字・描
画を実現するためには、インクがある放出部から
放出される直前にはその放出部内のインクがほぼ
静止していることが重要である。このインクはノ
ズルの各々の外側開口にメニスカスを形成する。
これらのメニスカスは放出部の近くの圧力波やイ
ンクの流れによつて振動することがある。メニス
カスが振動している間に放出部が小滴を放出する
と、この小滴の大きさと軌道はほとんど制御され
ず、放出時のメニスカスの振動の位相によつて変
動する。また極端な場合には、このような乱れに
よつて望まれてはいない小滴が１つあるいは複数
の隣接する放出部から放出されることがある。従
つて、周囲の他の放出部からのインクの放出によ
つて引き起こされる放出部内のインクの擾乱を減
らすことは重要である。さらに、補充サイクルに
おける放出部内のメニスカスの振動を充分に減衰
させることにより、次の放出サイクルでの副次的
な小滴の放出を防止し、更にノズル内のインクを
静止させなければならない。

〔発明の概要〕

本発明によれば、インク・ジエツト・ノズル板
の外表面に付着したインク小滴を連続的に除去す
る機構を設けたインク小滴放出器が提供される。
このインク・ジエツト・ノズル板には少なくとも
１個のインク・ジエツト・ノズル用の穴と複数個
の排出孔（drain）とが設けられる。これらの排
出孔は共通の貯蔵器に接続される。この貯蔵器内
の圧力は、インク・ジエツト・ノズル板の外表面
上に付着したインク小滴を排出孔に導くのを容易
にするために周囲の圧力より低く保つのが望まし
い。特に簡単な実施例では、排出孔とノズルは周
囲圧力以下に保たれている共通のプレナムに接続
されている。

放出部を複数個有するインク・ジエツト装置に
おいては、各放出部を共通のプレナムに接続し、
それによつて各放出部はインク小滴の放出後、イ
ンクをこのプレナムから吸引して補充することが
できる様に構成される。放出部間でのインクの直
接の流通や圧力の直接的伝播を防止するため、障
壁がプレナム内に設けられる。この障壁は複数個
の短かい補充流路を含む。各補充流路内には放出
部が設けられる。また各流路のプレナムへの開口
部の近傍には夫々１つあるいはそれ以上の排出孔
が設けられる。補充流路は各放出部をプレナムに
接続することにより、放出部にインクが補充され
る様にする。各流路の開口部近傍の排出孔は隔
離・排出孔と呼ばれる。その理由はこの排出孔の
機能はインクの小滴をインク・ジエツト・ノズル
板の表面から除去するだけでなく、ある放出部の
動作を別の放出部の動作から流体的に隔離するの
にも役立つからである。つまり、隔離・排出孔
は、ある放出部から小滴を放出する結果プレナム
内のインクに生ずる擾乱のエネルギーのかなりの
量を吸収する。これによつてその放出部の近傍に
ある放出部内のインクの擾乱が小さくなり、それ
により放出部相互の流体的干渉が小さくなる。こ
れら排出孔の位置と大きさの決定に当つては、放
出部からインク小滴を放出する際にインク小滴が
近隣の排出孔から飛び出さない様に選択される。

〔発明の実施例〕

第１図には本発明にかかるインク小滴放出器を
ノズル板１０側から見た上面図が示されている。
このノズル板１０は外表面に付着したインク小滴
を積極的に除去する様に構成されている。ノズル
板１０には、第１図に黒丸として示されているよ
うな多数のインク・ジエツト・ノズル１１，１
７，１８（繁雑さをさけるため、３つのインク・
ジエツト・ノズルのみに参照番号を付した。なお
以下、ノズルと称する）が形成されている。この
インク小滴放出器の動作を以下で説明する。紙ま
たはその他の記録媒体２６（第２図）をノズル板
１０から適当な距離に置く。そしてインク小滴２
７（第２図）をノズル１１，１７，１８から制御
可能に放出して紙に印字または描画する。このノ
ズル板１０は6.35mm×6.35mm（0.25インチ×0.25
インチ）程度の大きさであり、またその厚さは約
0.102mm（0.004インチ）である。ノズル１１，１
７，１８は直径が約0.081mmないし0.089mm
（0.0032インチないし0.0035インチ）であり、隣
接するノズルの間の距離は0.381mm（0.015イン
チ）程度である。

第１図のインク小滴放出器の２−２断面図であ
る第２図に示すように、ノズル１１，１７，１８
は共通のプレナム２１に接続される。第１図で
は、ノズル板１０として示された矩形領域内の左
上隅付近から右下隅付近まで細長く伸びる障壁１
３の右上部分一帯がプレナム２１となつている
（もちろん、第１図中の障壁１３の左下に空白の
領域として描かれている部分もノズル板１０と背
板２２との間に挟まれた空間になつているので、
ここもプレナム２１の一部分として使用してイン
クを溜めておいてもさしつかえない）。プレナム
２１は放出部にインクを供給する局所インク貯蔵
器として働く。プレナム２１はノズル板１０と、
ノズル板１０から約0.038mmないし0.102mm
（0.0015インチないし0.004インチ）の間隔を置い
た背板２２と、側壁２３，２４によつて取囲まれ
ている。プレナム２１はまた、インクの供給源で
ある遠隔の貯蔵器（図示せず）にも接続されてい
る。一般に、インクをノズル１１，１７，１８か
ら放出するには一定圧力、圧力パルスまた静電放
出等様々な手段を用いることができる。第２図に
示されている実施例においては、選択されたノズ
ルに隣接するプレナム領域内に気泡を発生するこ
とにより、インク小滴をこの選択されたノズル１
１，１７，１８を通して放出するバブル・ジエツ
トを使用している。すなわちプレナム内の各ノズ
ル１１，１７，１８の近傍領域内にインク蒸気の
気泡を制御可能に発生する抵抗器２５のような熱
源が設けられており、それによつてインクの小滴
をノズル１１，１７，１８から制御可能に放出す
る。

第１図に示されているように、ノズル板１０に
は白丸として図示されている多数の排出孔１２
（図面が不必要に繁雑になるのを避るため１個の
排出孔にのみ参照番号を付した）が形成されてい
る。排出孔１２は一般には共通の蓄積器
（accumulator）に接続される。この蓄積器内の
圧力は排出孔１２に近付いてきたインク小滴を内
部に吸引し、それによつてインク小滴をノズル板
１０の外表面から除去するよう、周囲の圧力未満
に維持しておくのが望ましい。実際には表面張力
によつて、インクの小滴は周囲圧力より多少高い
内部圧力を有するので、この共通の蓄積器の内圧
はノズル板１０の表面上に付着する典型的なイン
ク小滴の内部圧力より低い圧力にするだけでよ
い。小滴の内部圧力は大きさによつて異なる。従
つてどんな大きさの小滴でも吸引することができ
る様にするためには、蓄積器内の圧力を周囲圧力
より多少低く保つのが望ましい。インク小滴放出
器が衝撃や振動を受けたときインクがノズル１
１，１７，１８から勝手に流出するのを防止する
ため、プレナム２１の内圧は一般に周囲圧力より
多少低く（水柱に換算して０ないし75.9mm（０な
いし３インンチ）程度）しておく。従つて本実施
例では、排出孔１２もプレナム２１に接続し、そ
れによつてノズル板１０に付着したインク小滴を
排出する別個の蓄積器を不必要にしている。プレ
ナム２１の内圧を周囲圧力よりも低くするには、
たとえば遠隔貯蔵器の最上部をプレナム２１より
も低位置に置いたり、またあるいは毛細管現象に
よつて負のゲージ圧を生ずるよう遠隔貯蔵器内に
泡状物、繊維状物の束、ガラス粒子その他毛細管
として働く部分を多く含む構造を有する物を置く
こと、等の手段がある。

排出孔１２はインクの小滴をノズル１１，１
７，１８の近傍から除去するだけでよいので、ノ
ズル板１０全体に配置する必要はない。従つて、
排出孔１２は一般的にノズルやインクの霧によつ
て濡れることが予想される部分全体に間隔を置い
て配置するだけでよい。排出孔１２の直径は典型
的にはノズル１１，１７，１８の直径と同程度
（つまり0.076mm（0.003インチ）程度）である。
また排出孔１２は直径の３倍ないし５倍程度の間
隔を置いて配置される。

第１図および第２図に示されている本実施例に
おいては、インクが放出部間を直接流れたり圧力
が直接伝達したりするのを防止するため、プレナ
ム２１内に障壁１３を置いている。この障壁１３
はノズル板１０と背板２２にほぼ直角に置かれ、
これらの間にシールを形成している。障壁１３
は、第１図および第２図からわかるように板状に
なつている。つまり、障壁１３の構造は、大きな
板から、第１図に障壁１３として示す破線の部分
を切り出した形状である。従つて、板状の障壁１
３の側壁は、その一部を第２図中の破線で示すよ
うに、その上面、下面に垂直に切り立つている。
障壁１３はは互いに隣接する放出部の間にそれぞ
れ干渉防止用の延長部を有しているので、隣接す
る延長部間に補充流路を形成している。換言すれ
ば、第１図からもわかるように、破線で示されて
いる細長い障壁１３の右上側の縁は丁度リアス式
海岸状の切れ込みの入つた出入りの多い形状にな
つている。これらの切れ込みを補充流路として機
能せしめるため、各切れ込みの奥の部分がノズル
１１，１７，１８と対応する位置になるように、
ノズル板１０と障壁１３のアラインメントを取つ
ている。これにより、各放出部は夫々１つずつ補
充流路１４（１つだけに参照番号を付した）内に
配置されている。小滴がノズル１１，１７，１８
を通して放出されると、インクがプレナム２１よ
りその放出部に対応する補充流路１４を通つて流
れ込み、放出された分のインクを補充する。補充
流路１４の壁である各延長部はこのインクの流れ
と蒸気によつて引き起こされる圧力波による擾乱
から他の放出部を隔離する働きをする。排出孔１
２とノズル１１，１７，１８相互の間隔を過度に
近付けてはならない。さもないと、ノズル板１０
が弱くなつて小滴の発生により生ずる圧力で曲つ
てしまう。障壁１３が曲げられると、ノズル板１
０が障壁１３から離れてしまい、その結果ノズル
板１０と背板２２の間にすき間があく。それによ
つて互いに隣接する放出部の間でインクが直接流
通することになる。この流通によつてすぐ近くの
ノズル１１，１７，１８の外側開口にあるメニス
カスに擾乱がおこり、その結果この擾乱が消失す
るまでそのノズル１１，１７，１８からの小滴の
放出が影響を受ける。このような擾乱を放出部相
互の流体的干渉という。

障壁１３は放出器相互の流体的干渉をかなり減
少させるけれども、プレナム２１の流体抵抗は有
限なので、流路内の擾乱の乱れのエネルギーは近
傍の流路にある程度伝播してしまう。高品質の印
字・描画の達成のためには、ノズル１１，１７，
１８からインク小滴が放出される直前までにはノ
ズル１１，１７，１８内のメニスカスがほぼ静止
している必要がある。従つて擾乱エネルギーが近
傍の放出部に到達する前にこのエネルギーを吸収
することは有益である。排出孔内の流体の動きに
よつて擾乱エネルギーの大半を吸収するメカニズ
ムを以下で与える。

排出孔１２による擾乱エネルギーの消費のメカ
ニズムは以下の説明によつて理解できるだろう。
排出孔１２の各々においてインクのメニスカスが
形成される。このメニスカスは表面張力によつて
エネルギーを蓄積し、また近傍のインク圧力変動
によつて振動させることができる。放出部内のイ
ンクの挙動は簡単な電気的等価回路によつて考察
できる。すなわち、メニスカスはコンデンサに相
当し、補充流路、ノズルおよび排出孔内の夫々に
おいて振動するインクの質量はインダクタに相当
し、またインクの粘性は電気抵抗に相当する。従
つて、ノズルと排出孔の集合は、分布インダクタ
ンスと抵抗によつて互いに接続された１組の分布
コンデンサに相当する。従つて排出孔と放出部は
擾乱エネルギーの消費を大きくすることができる
減衰振動のいくつかの基本モードを有する。

放出部と排出部との結合度を大きくし、それに
より、対応する流路に流入または流出する擾乱エ
ネルギーを一層良く吸収するためには、各流路１
４の出口に排出孔を置けば良い。この排出孔内の
メニスカスはそれに対応する放出部から小滴を放
出することによつて引き起こされる擾乱に対して
最も良く応答する。これら排出孔は従つて隔離・
排出孔という。なんとなれば、これらは排出孔と
して働くだけでなく、放出部を他の放出部によつ
て引き起こされるインクの擾乱から隔離するのに
役立つからである。これら隔離・排出孔１５，１
６は第１図中において斜線を引かれた円として示
されている（隔離・排出孔についても、一部のも
のにのみ参照番号を付した）。インク小滴がある
選択された放出部から放出されたとき他の放出部
からも余計なインク小滴が放出されるのを防止す
るため、各ノズル１１，１７，１８から約0.253
mmないし0.38mm（0.01インチないし0.015インチ）
の間隔を置いて隔離・排出孔１５，１６を設け
る。排出孔１２を用いなかつたり、あるいはプレ
ナム２１とは別体の蓄積器に接続された排出孔を
有するノズル板においてさえも、擾乱エネルギー
を消費するのを助けるためプレナムに接続される
隔離・排出孔１５，１６を設けることは有益であ
る。

メニスカスの振動の基本モードは１組の共振周
波数を有する。従つて、これら共振周波数が装置
の動作周波数に近くならないことを保証するため
に何らかの考慮を払わなければならない。装置の
動作周波数の１つは泡の膨張及びそれに引き続く
収縮動作に基く。膨張の間、泡は周囲の流体に正
のゲージ圧を及ぼし、また収縮するとき泡は周囲
の流体に対して負のゲージ圧を与える。泡の圧力
の挙動をフーリエ展開すると、その周波数成分に
はこの過程の基本周波数の倍数が含まれる。泡消
滅の初期段階において泡の周囲のインク上に与え
られた凝縮熱エネルギーの放散が不充分な場合、
泡は完全につぶれず、ある大きさまで縮んだ後ま
た大きくなることがある。さらに、泡消滅の初期
段階において、インクが抵抗器２５に接触する。
場合によつては、このインクが抵抗器２５の表面
に与えられることによりそこで再沸騰が起つて２
次的な泡を生ずることもある。泡の膨張と収縮の
過程は約25マイクロ秒の期間の範囲内で起こるの
で、この膨張・収縮に基く周波数は約40キロヘル
ツの基本周波数の倍数である。これは予期される
共振周波数より約１けた高い。

放出器からインクが等間隔で放出されると、装
置には別の周波数が生ずる。放出部、排出孔およ
び隔離・排出孔すべての相互作用により共振周波
数が定まるので、どの振動モードも複数の放出部
からエネルギーを受け取る。従つて、どの振動モ
ードにおいても、各放出部からの各小滴放出サイ
クルで発生する擾乱エネルギーが放出部からの小
滴の放出に悪影響を及ぼすほど蓄積されないよう
に注意を払わなければならない。一般に、放出部
と隔離・排出孔は流体的に強く結合されているの
で、隔離・放出孔が擾乱エネルギーによつて受け
る影響は、他の排出孔が受ける影響よりもはるか
に大きい。

擾乱エネルギーに対する応答を制御するために
選択し得るパラメータは、たとえば補充流路の断
面積、流路の長さおよび隔離・排出孔の面積等で
ある。程度は小さいが、排出孔１２の大きさと間
隔も振動の各基本モードの応答に影響を与える。
これらパラメータのどれかが増加すると、振動モ
ードに関与するインクの質量も増加し、それによ
つて慣性が増大すると共に運動に関連する粘性制
動も影響を受ける。また、隔離・排出孔の直径を
大きくするのにつれて、所与の体績変位に対する
隔離・排出口部のメニスカスの曲率半径が小さく
なり、それによつてメニスカスの有効スチフネス
が減少する。これは前述の電気的等価回路におい
てメニスカスに対応付けられる容量を増加するこ
とに相当する。従つてこれらのパラメータを適切
に選択することにより、具体的な隔離・排出孔の
応答を最適になる様に設計することができる。こ
れらパラメータの具体的な値の選択を左右する要
素としては、ノズルのパターン、障壁１３の形状
および各所に配された放出部からの小滴の放出の
代表的な時間順序等（夫々単独でも、またあるい
はいくつかの組合わせでも）がある。これらパラ
メータの値の選択に当つて課せられる制限事項と
しては、放出部の動作自体、また衝撃や振動につ
いての最悪条件下であつても不要なインク放出が
生起してはならないということがある。この条件
を満足する限り、流路相互の流体的干渉の量が最
小となるようにパラメータを選択することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるインク小滴放出器の上
面図、第２図は第１図中のインク小滴放出器の２
−２断面図である。 １０：ノズル板、１１，１７，１８：ノズル、
１２：排出孔、１３：障壁、１４：補充流路、１
５，１６：隔離・排出口、２１：プレナム、２
２：背板、２３，２４：側壁、２５：抵抗器、２
６：記録媒体、２７：インク小滴。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 背板と複数のノズルをもつノズル板とにより
   覆われインクが収容される空洞と、 前記背板とノズル板に挟まれ前記空洞内に置か
   れた障壁と、 前記複数のノズルの各々に対応して前記障壁内
   に設けられ前記空洞から前記対応するノズルに前
   記インクを補充するインク補充流路と、 前記複数のノズルの各々に対応して前記インク
   補充流路内に設けられ前記インクを付勢して前記
   対応するノズルから射出せしめる手段と を設けたインク小滴放出器において、 前記ノズル板を貫通する小孔を前記インク補充
   流路と前記空洞との接続部の近傍に設け、 前記インクの付勢による前記インク補充流路内
   のインクの擾乱に対して対応する前記小孔中のイ
   ンクのメニスカスが振動することにより、前記擾
   乱が前記空洞を介して他の前記ノズルに伝達され
   る以前にそのエネルギーの一部を消費する ことを特徴とするインク小滴放出器。 ２ 前記ノズル板に、インク貯蔵手段に接続され
   たインク排出孔を設けることにより、前記ノズル
   板上に付着したインクを引き込むことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のインク小滴放出
   器。 ３ 前記インク貯蔵手段として前記空洞を用いる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のイ
   ンク小滴放出器。