JPS58124666A - インクジエツト記録ヘツド - 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】 本発明は、同一出願人の出願に係る特願昭５６−８４２
８号記載のインクジェット記録ヘッドの改良に関する。

第り同社特願昭５６−８４２８号記載のインクジェット
記録ヘッドを示す。同図において、導電性のノズル板２
には空気吐出口１が穿孔されており、このノズル板２と
平行して壁３が配置されており、かつ壁３には空気吐出
口１に対向してインク吐出口４が穿孔されている。ノズ
ル板２と壁３により生じる空気層７には周辺から空気流
が送られ、空気吐出口１．１：り流出している。空気流
の流れの方向は、空気吐出口１の近傍で急激に変化して
いるため、インク吐出口４より空気吐出口１に至る空間
には、急激な圧力勾配の変化が生じている。

３□′　〕 一方、インク吐出口４内のインクには、一定圧力が印加
されており、インクジェット記録ヘッドの非駆動時には
、インク吐出口４の近傍の空気圧力と、インク吐出口４
内のインク圧力がほぼ等しくインク吐出口４内のインク
のメニスカスが静止して保たれるように調整されている
。

信号源５はノズル板２とインク吐出口４内のインクとの
間に電位差が生じるように、ノズル板２およびインク吐
出口４に連通した導電性のインク供給管６に電気的に接
続されている０信号源６により、ノズル板２とインク吐
出口４内のインクに電位差が生じると、この電位差によ
る電界により、インク吐出口４に生じるメニスカスが空
気吐出口１の方向に引き伸ばされる。インク吐出口４か
ら空気吐出口１に至る空間には、急激な圧力勾配の変化
が生じており、かつこの変化の程度は空気吐出口１に近
い根太であるため、前記インク吐出口４に生じるインク
のメニスカスは一定長さ以上引き伸ばされるとこの圧力
勾配の変化により引きちぎられ空気吐出口１よりインク
液滴となって飛翔する。

以上説明のごとく、第１図に示したインクジェット記録
ヘッドは静電力によってインク吐出口４に生じるインク
のメニスカスを変化させ、メニスカス先端に生じる急激
な圧力勾配の変化によって、インク液滴を吐出させるも
のである。

前記急激な圧力勾配の変化を生じさせる構造には、種々
の構成があり、特願昭５６−８４２８号に詳細な説明が
なされている。それらの中で性能や組立工程等の点で好
適と判断されるものは、第１図に記載されているごとき
構成のものであり、周囲の環状溝に連通した薄い円形の
空気層７を介して、空気吐出口１の周囲より空気流が送
られる構成のものである。

インク吐出口４に生じるインクのメニスカス面には、空
気流の曲りによって一定圧力ＰＮが生じる。この一定圧
力ＰＮは、インク吐出口４近傍に生じる圧力勾配の変化
と密接な関係があり、同一寸法構造においては一定圧力
ＰＮが大きいほど、圧力勾配の変化も大きい。

５ページ 後述するごとき、種々の寸法構造の検討により得られる
比較的圧力勾配の変化が有効に生じるインクジェット記
録ヘッドにおいても、一定圧力ＰＮは約０．０３ＫＰ／
ｃｄ　以上必要であることが、入念な実験結果より得ら
れた。一定圧力ＰＮが約０．０３に９７ｃ７１１以下の
場合には、空気流の曲りにより生じる圧力勾配の変化が
小さいため、十分なインク液を引きちぎる力が働かず、
静電力によってインクのメニスカスが引き伸ばされたと
しても、インク液滴として紙面まで飛翔し得ない。

一定圧力ＰＮがｏ、ｏｓ　Ｋｐ　ｌｃｒ＆の時には、空
気吐出口１より流出する空気流の流速が約４０ｒｎ／ｓ
である。空気吐出口１は一般に空気流による圧力損失が
ほとんどない構造が設定されるため、一定圧力ＰＮと空
気吐出口１よりの空気流速は、はぼ１　：１に対応する
。したがって一定圧力ＰＮが０．０３Ｋｙ／ｄｉ以上必
要であることは、空気吐出口１よりの空気流速が約４ｏ
ｒＩＬ／Ｓ以上必要であることと等価である。

空気吐出口１の直径は、空気流が乱れることなく、まだ
インク液流の乱れがない形状が選ばれる。

このような乱れは、空気流速が大きく、空気吐出口１の
直径が犬である時に生じる。空気吐出口１よりの空気流
速は約４０　ｍ　／　Ｓ以上必要であるが、さらに高速
であれば、インク吐出口４近傍での圧力勾配がさらに急
激となる。しかしながら、約１５０ｍ／Ｓ以上の空気流
速となると、インク液の速度が大きくなり、紙面に到着
したインク液が飛び散る等の欠点が生じたり、前記一定
圧力ＰＮも大となるためインク吐出口４に生じるインク
のメニスカスを安定に保たせるだめになされた圧力バラ
ンスの状態が変動し易く、性能の安定性を維持すること
が困難となる。

したがって、空気吐出口１より流出する空気流速は、約
４ｏ〜１５０ｒｎ／Ｓの範囲にあることが望ましい。こ
の範囲では、空気吐出口１の直径は約２５０μｍ以下で
あるのが望ましく、約２５０μｍ以上の値になると、空
気流に乱れが生じたり、空気流の収束が悪く拡がりの大
きな流れとなる。

空気吐出口１の直径を規制する他の要因は、空気流の曲
りによる圧力勾配の変化を有効に生じさせる構造にある
。空気流の曲りが生じる個所は、インク吐出口４の近傍
である方が良く、圧力勾配の変化が、インク液の飛翔方
向にのみ大きく、この飛翔方向と直交する方向に小さい
方が、インクのメニスカスを引きちぎる力が有効に働く
。

空気流の曲りがインク吐出口４の近傍で生じるためには
、空気吐出口１の直径を、インク吐出口４の直径、イン
ク吐出口４より流出する液滴の大きさ、あるいはインク
吐出口４に生じるインクのメニスカスの大きさに近いも
のとする必要がある。

但し、当然のことではあるが、インク液が空気吐出口１
に阻止されることなく、空気吐出口１を通り抜けられる
ような寸法が考慮される。

インク吐出口４の直径は、被記録物上で、用途に適合し
たドツト径が得られるように設定される。

しかしながら、第１図に示したようなインクジェット記
録装置では、インク吐出口４に生じるインクのメニスカ
スの保持力が重要な要因となる。半径ｒのインク吐出口
４９表面張力Ｔのインクにおいては、この保持力は、Ｔ
／ｒに比例する。一般にインクの表面張力は、上限があ
り、通常２ｏ〜５ｏｄｙｎ／ａｍのものが多く、少なく
とも７ｏｄｙｎ／ａ以下である。したがってこの保持力
は、インク吐出口４が小さい程、犬となる。このような
理由により、インク吐出口４に生じるインクのメニスカ
スが安定に保たれるべき該保持力を得るには、インク吐
出口４の直径は約１ｏｏｌｌｒｎ以下が望ましい０ インク吐出口４の直径が約１００μｍを越えるとインク
のメニスカスの保持力が弱く、空気圧力の変動や衝撃に
よる圧力変動等に対して、該インクのメニスカスが敏感
に応答するため、外乱に弱い不安定なインクジェット記
録ヘッドとなる。

空気層７は空気流が円滑に流れる寸法であり、かつ、イ
ンク吐出口４近傍に生じる圧力勾配の変化が大きくなる
寸法が選択される。空気層７の厚みは２０〜３０μｍ以
上ないと空気流の流れが円滑にならない。それ社、空気
層７における流路抵抗が増大することや、異物あるいは
インク液等の９ベーン 付着の影響を受けやすいことに起因している。空気層７
での流路抵抗が増大するとインク吐出口４近傍の空気圧
力が低下し、圧力勾配の変化が小さくなるという欠点も
付随して生じる。まだ、インク吐出口４近傍に生じる圧
力勾配の変化が大であるためには、空気流がインク吐出
口４の近傍で曲りを生じるような構造でなければならな
い。そのためには、空気層７の厚みは小さい程良好であ
る。

通常空気層７の厚みと空気吐出口１の比が約２．５以下
が好ましく、３以上になると、圧力勾配の変化が小さく
なり、インク液滴の吐出力が低下してしまう。

ノズル板２の厚みは、空気吐出口１の穿孔が容易である
こと、インク液滴が容易に通過できること、あるいは、
ノズル板２の剛性が十分あること等から決定され、通常
空気吐出口１の直径の１／２〜５倍程度の寸法が選ばれ
る。

以上詳細な説明のような理由により作製された第１図の
インクジェット記録ヘッドの一例をあげると、第１表の
ようになる。

第　　　１　　　表 第１表で示されたインクジェット記録ヘッドでは、信号
源５による電位差が約２００ｖ〜ＩＫＶの範囲でインク
液を飛翔させることができるものであり、静電力を利用
した他の方式のインクジェット記録装置に比較して非常
に低電圧で駆動が可能な方式のインクジェット記録ヘッ
ドである。低電圧駆動が可能な理由としては、１空気流
の曲りによる急激な圧力勾配の変化がインク液滴の飛翔
エネルギー源となっていること。２ノズル板２とインク
吐出臼４との距離が非常に狭く、低い電位差で、大きな
静電力が働くこと等が考えられる０１１４−シ 今、第１図のインクジェット記録ヘッドにおいて空気流
が空気吐出口１より流出していない場合を想定すると、
ノズル板２とインク吐出口４内に電位差を印加した場合
、インク吐出口４内のインクのメニスカスは、空気吐出
口１近傍までは引き伸ばされるが、それ以上引き伸ばさ
れ、空気吐出口１より飛翔することはない。それは、空
気吐出口１とインク吐出口４の距離が非常に短いだめ、
インク吐出口４内から引き伸ばされたインク液が空気吐
出口１を通過できる程度の速度を与えられないことに加
えて、空気吐出口１をもし通過できたとしてもインク液
が帯電することによって生じる、逆方向の引き戻す力が
働きインク液が飛翔するには至らないためである。さら
に、空気流により急激な圧力勾配の変化を生じさせしめ
るだめの構造は、非常に小さな寸法構造によって達成さ
れるものであるため、空気層７や空気吐出口１にはイン
クの表面張力による毛細管現象のため、容易にインク吐
出口４内のインクによって充満されてしまう。この充満
されたインクは空気流の流れなくしては容易に解消でき
るものではなく、すなわち、ノズル板２とインク吐出口
４内のインクに印加される電位差のみではインク液の飛
翔が当然困難である。

第２図はインク吐出口４をオリフィス板１３に穿孔した
構造であり、第１図を改良したものである。図において
、第１図と同一部分には同一符号を付して説明を省略す
る。８はノズル板で、第１図のノズル板２に対応するが
、ノズル板８は絶縁体で構成されている。９はノズル板
８の空気吐出口１の周囲に形成された電極、１０はボデ
ィ、１３はオリフィス板で、このオリフィス板１３に形
成したオリフィス４をインク吐出口とする。

インク吐出口４をオリフィス板に穿孔する構造とした大
きな理由は、信号パルスの繰返しに対する応答性を向上
させることにある。

信号パルスが印加されるとインク吐出口４のインクのメ
ニスカスが引き伸ばされ、急激な圧力勾配の変化によっ
て引きちぎられインク液が飛翔するが、インクのメニス
カスは、インク液が引きち１３ベーン ぎられた直後には、初期状態に比べて凹んだ形状になる
。前記インクのメニスカスの凹みが大きい場合には、非
常に大きな静電力によらないとインクのメニスカスを引
き伸ばすことができず、事実上インクのメニスカスが初
期状態に復元するまで吐出不能の状態となる。したがっ
て、インク液の吐出後に生じるインクのメニスカスの凹
みが初期状態に復元する時間が信号パルスの繰返しに対
する応答性に影響する。

インクのメニスカスの凹みを初期状態に復元する復元力
は、インクの表面張力と、インク吐出口４の内外に生じ
る圧力差により作用するが、復元力による復元時間は、
復元力の大きさ、凹みの程度、インク吐出口４での粘性
抵抗の大きさによって決定される。特にインク吐出口４
の粘性抵抗は、復元時間に大きな影響を与える。該粘性
抵抗をＰｒ＋インク吐出口４の直径および長さを、各々
、ｄ。

ｌ、インクの粘度をηとすると 　４ なる関係がある。

しだがって、信号パルスの繰返しに対する応答性を向上
させるためには、ηｌ／ｄ２をある一定値以下にし、前
記復元時間を短くする必要がある。

一般的に、インクジェット記録ヘッドの特性としては、
信号パルスの繰返し周波数に対する応答性が少なくとも
Ｉ　ＫＨｚ　以上ないと、実用的でないことから、パル
ス幅５００μｓ、繰返し周波数１ＫＨｚ　駆動電圧０．
２〜Ｉ　ＫＶの信号パルスに対する応答性について実験
を行った。

第　　２　　　表 １６ベー； 第２表に実験結果が示されているが、１　Ｍ丑の繰返し
周波数に応答して、インク液が吐出可能な範囲はηｌ／
ｄ２が１．７〜２．２×１ｏ３ｃｐＡｒｒＬ以下のもの
であった。

前述のように、インクのメニスカスの復元時間を短縮す
るには、ηｌ／ｄ２の値を小さくする以外に、復元力を
大きくするあるいは、インクのメニスカスに生じる凹み
を小さくする方法も考えられるが、実際的には、インク
の表面張力は可変範囲が狭く少なくとも７０　ｄｙｎＡ
　以下であることや、インク吐出口４の径は、主として
、文字２画像等が所定の寸法、濃度で記録できるごとく
インク液が吐出されるよう決定されるため、ηｌ／ｄ２
の値を考慮せずに十分な効果を得ることは困難であり、
ηｌ／ｄ２≦２．２　Ｘ　１０３　ｃｐＡ　を満足する
ことが望もしい０ 以上詳細な説明から明らかなようにインク吐出口４の長
さは短かい方が良好であるので、第２図では、薄いオリ
スイス板１３にインク吐出口４が穿孔されたものが採用
されている。オリフィス板１３は、絶縁物でも良いが、
インク吐出口４の穿孔が容易でありかつ剛性のある金属
類が有利であり、ここではステンレスを用いた。

第２図の構成では、電極９とインク供給管６の間に電位
差を生じさせても、また電極９とオリフィス板１３の間
に電位差を生じさせても、同様なインク液の吐出が得ら
れる。電極９とオリフィス板１３とインク供給管６の電
位が各々異なる場合には、電極９とオリフィス板１３の
電位差に従ってインク液の吐出がなされ、インク供給管
６の電位は無関係となる。このことから、オリアイス板
１３とインク供給管６は電気的な導通があって良く、ボ
ディーｏを導電性材料で構成しても良いことが分る。

第２図の構成において、絶縁基板８の厚み約２５０μｍ
空気吐出ローの直径約１ｏＯμｍ、空気層７の厚み約８
．５μｍ、インク吐出口４の直径約６６μｍ、オリフィ
ス板１３の厚み約５０μｍの寸法構造にて、多数のイン
クジェット記録ヘッドを試作したところ、最小駆動電圧
は約２００Ｖ程度であ１７ベーソ リ、一定していだが、インク液が吐出可能な最小パルス
幅は約６０μｓ〜４００μＳに範囲にばらついていた。

インク液が吐出可能な最小パルス幅は短い程良く、高速
記録が可能となるためには、最小パルス幅を小さくすれ
ば良い。前記した最小パルス幅のばらつきの原因を入念
に追究したところ、インク吐出口４の微細な構造の差異
が原因となっていることがわかった。

インク吐出口４は、ドリル加工により穿孔したオリフィ
スを研磨によりパリを除去して使用したが、多数製作し
たインク吐出口４は、パリ、あるいは研磨時に生じたダ
レの状態が微妙に異なるものであった。これらのうち、
特に最小パルス幅の大きいもののインク吐出口４の形状
は、パリやダレのない、いわゆる綺麗な形状のオリフィ
スであった。また逆に、最小パルス幅の小さなもののイ
ンク吐出口の形状は、パリやダレの多い、いわゆる、汚
ないオリフィスであった。そこで、以下に述べるような
、故意に、ダレを作ったような形状８ のオリフィスにより、実験を行った。

第３図および第４図は、前記オリフィスの製法を示すも
のである。まず、オリフィスを形成する板にハーフエツ
チングによって凹みをつける。凹みの形状は例えば第３
図に示すような長円形等が選ばれる。このようにして形
成されたハーフエツチング部１４の上から第４図に示さ
れたような円形オリフィス１５を穿孔する。第４図のオ
リフィス形状は、円形のオリフィスにダレが生じた形状
に類似したものになる。

第３図および第４図のような製法によって、第４図およ
び第５図ａ−ｅに示された形状のオリフィスを作り、第
２図のインク吐出４に使用して実験した結果、第４図お
よび第６図ａ　−ｄの構造にすると前記したインク液が
吐出可能な最小パルス幅が、約５０〜１００μｓと小さ
なインクジェット記録ヘッドが実現できだ。なお、第希
図ｅのようにインク吐出口４の周辺全体に設けた形状で
は、最小パルス幅が３ｏＯ〜４００μｓとなり効果を示
さなかった。すなわち最小パルス幅は、インク吐出１９
ページ ロ４の周辺に部分的に凹みをつけることにより、非常に
小さくできる。

これは、インク吐出口４が綺麗な真円形の場合には、イ
ンク吐出口４に生じるインクのメニスカスも綺麗な球面
に近い形状となり、インク液の吐出に伴う、形状の変動
（あるいは凹み）が大きく、逆に、インク吐出口４がい
わゆる汚い形状で、第４図、第６図ａ　−ｄのような形
状の場合には、ハーフエツチング部１４にインクが存在
するために、インク吐出口４に生じるインクのメニスカ
スが複雑な形状となり、その結果、インク液の吐出に伴
なう形状の変動（あるいは凹み）が小さくなると想定さ
れる。

ところで、第２図のインクジェット記録ヘッドにおいて
、特に、第４図および第５図ａ　−ｄのような形状のオ
リフィスをインク吐出口４として使用した場合に顕著な
現象であるが、前述のインク液の吐出可能な最小パルス
幅が、時と場合によって変わることがある。この現象を
解明するために、インク吐出口４に生じるインクのメニ
スカスの形状を顕微鏡で観察しだところ、ノ・−フエ、
ソチン久部１４に生じるインクのメニスカスが様々な形
態をとっており、場合によっては、全くインクにぬれて
いないことがあることがわかった。このためハーフエツ
チング部１４のインクのメニスカス形状によって、イン
ク液が吐出可能な最小ノくルス幅が変動し、常に一定し
た特性をもつインクジエ・ント記録ヘッドが実現できな
い。

本発明は上記のような欠点を解消することを目的としイ
ンク吐出口４の周辺のインクによるぬれを良くするだめ
の処理を施したものである。

一般にぬれの尺度として使用されているものに湿潤張力
（γ６ＣＯＢθ）がある０ここでγｌは液体の表面張力
、θは接触角であゆ、湿潤張力の値が大きい程ぬれやす
い。固体の表面張力をγ８　とすると、 γ１ＣＯ３＝γＳ−γｌ　　　・・・・−・２の関係が
ある〇 一般に液体の表面張力γ、は７０　ｄｙｎ／／ｃｍ以下
であり、本発明に関して用いられるインクでは２１ペー
ジ １０〜６ｏｄｙｒＶ／ｃＩＩＬ程度のものである。また
、固体の表面張力γ　は、ポリマー、プラスチック等で
は１ｏＯｄｙｎ／ＩＩＬ以下であり、金属やセラミック
スなどは、５００　ｄｙｎＡ＋＋以上の表面張力をもつ
。

したがって、ステンレスは、あらゆる液体に対してぬれ
の比較的良い材料である。しかしながら、ぬれの程度は
金属表面状態によって大きな影響を受け、特に水に対す
るぬれの程度は表面状態によって大きく変化する。

そこで、本発明では約５０μｍの厚みのステンレスに第
４図に示すような形状のオリフィスを穿孔し、これを（
ａ）塩化第二鉄で、短時間表面エツチングしたもの、（
１３）濃硝酸で処理し、表面に酸化膜を形成したもの、
（ｃ）電解研磨したもの、の３種類の板を第２図のオリ
フィス板１３に使用しだところ、いずれの場合にも、前
記インク液の吐出可能な最小パ°ルス幅が約６０〜１ｏ
ＯμＳとなり、かつ安定した特性が得られた。まだノ・
−フエ、ッチング部１４でのインクによるぬれも、顕微
鏡による観察の結果非常に良好であることがわかった。

２２゜ インク吐出口４近傍のインクのぬれは、通常インク吐出
口４の材質とインク組成の関連として考−えられる可能
性が大であるが、前記ｒａ）　、　（ｂ）　、　（ｅ）
による処理方法によれば、大部分のインク組成に対して
効果が犬であり、また絶縁物にインク吐出口４を穿孔し
た場合にも表面に無電解メ・ンキ等で金属薄膜を髪成し
、さらに前記（ｂ）あるいは（ｃ）の処理をほどこすこ
ともできる。

さらに、インク吐出口４は、第４図、第５図ａ〜ｄのよ
うな形状について詳細説明を行ったが、他のインク吐出
口４の形状に関する実施例、例えば、１つの空気吐出口
に対応して複数個のインク吐出口を配したもの、あるい
は、インク吐出口をノズルあるいはオリフィスではなく
メツシュとしたもの等においても上記発明が適用でき好
適な結果が得られる。

以上詳細な説明のように、本発明は少なくともインク吐
出口の周辺部を含む部分を（１）微細な凹凸を有する粗
面とする、（２）酸化膜で被膜する、（３）電解研磨面
とする等の手段でぬれを良くしたもので２３ページ あり、インク吐出口の周辺部でのインクのぬれが非常に
良くなることによってインクのメニスカスが常時安定に
形成されるため特性の安定したインクジェット記録ヘッ
ドを提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の適用されるインクジェッ
ト記録ヘッドの断面側面図、第３図および第４図ａは本
発明の適用されるインクジェット記録ヘッドのインク吐
出口部分の製造方法を示す断面図、同すは同正面図、第
６図ａ−ｅは同正面図である。 １　・・・・・・空気吐出口、２・・・・・・ノズル板
、３・・・・・・壁、４・・・・・・インク吐出口、６
・・・・・・信号源、６・・・・・・インク供給管、７
・・・・・・空気層、８・・・・・・絶縁基板、９・・
・・・・電極、１ｏ・・・・・・ボディ、１３・・・・
・・オリフィス板、１４・・・・・・ノ翫−フエヅチン
グ部、１６・・・・・・オリフィス。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 名　？７２ｙ３ 第３図 （（１）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　ｔｂノ第４図 （（１）　　　　　ｔｊ、） 第５図 （７２ン （Ｃ〕 （ｄ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　一定の流速を有する空気流を空気吐出口よシ
   急激な曲りを生じさせて噴出させ、前記空気流の曲りに
   より生じる急激な圧力勾配の変化を有する空間内に空気
   吐出口と対向してインク吐出口を設け、インク吐出口に
   形成されるインクのメニスカスの形状を電界力により変
   化させ、前記メニスカスに生じる圧力勾配の変化によシ
   インク液滴を吐出、停止させるように構成され、少なく
   とも前記インク吐出口の周辺部を含む表面に、インクの
   ぬれを良くするだめの表面処理が施こされていることを
   特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. （２）　　インク吐出口の周辺部を含む表面に微小な凹
   凸を有する粗面が形成されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のインクジェット記録ヘッド。
3. （３）　　インク吐出口の周辺部を含む表面が酸化膜で
   被覆されていることを特徴とする特許請求のｅ間第１項
   記載のインクジェット記録ヘッド。
4. （４）　　表面処理が、電解研磨による表面処理である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のインクジ
   ェット記録ヘッド。