JPS5830829B2

JPS5830829B2 - インクジエツトペン

Info

Publication number: JPS5830829B2
Application number: JP53139128A
Authority: JP
Inventors: 峰生山内; 明大手
Original assignee: Yokogawa Electric Works Ltd
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1978-11-10
Filing date: 1978-11-10
Publication date: 1983-07-01
Also published as: JPS5565560A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、インクジェットペンに関するものであって、
詳しくは、水平に配置された記録紙にインク滴による記
録を行なうことができるインクジェットペンの改良に関
するものであり、インク滴を噴射するインクジェット動
作を確実にし、ノズルの表面の汚れを少なくし、インク
のボタ落ちもなく、圧力室へのインクの充填も容易な新
しいインクジェットペンを提供するものである。

第１図は、従来のこの種のインクジェットペンの一例を
示す構成説明図であって、１０はインクジェットヘッド
、２０はインクカートリッジ、３０は記録紙である。

インクジェットヘッド（以下ヘッドという）１０は、基
体１１．基体１１の一方の面に開口した圧力室１２、圧
力室１２の開口面を閉塞しダイヤフラムを構成する可撓
板１３、圧力室１２に連通ずるように基体１１の一端に
形成されたノズル１４、圧力室１２に連通ずるようにし
て基体１１の他端に形成されインク■の流通路として作
用する貫通孔１５、貫通孔１５が形成された基体１１の
端部にインクカートリッジ２０の底部を内包するように
形成されたフランジ部１６、可撓板１３の表面に配置さ
れた圧電素子や磁歪素子等の加圧要素１７、一端が貫通
孔１５に嵌挿されインク流通路を形成するパイプ１８等
で構成されている。

インクカートリッジ（以下カートリッジという２０は、
大気開放形のタンク状に形成されたものであって、その
頂面２１には空気孔２２が形成され、底面２３の一部に
はヘッド１０へのインク流通口を形成する開口部が形成
されてその開口部はゴム等の弾性材２４で閉塞されてい
る。

なお、カートリッジ２０の内部には、インク■が注入さ
れている。

これらヘッド１０とカートリッジ２０は、ヘッド１０の
フランジ部１６にカートリッジ２０の底面２３が嵌合さ
れ、ヘッド１０のパイプ１８の他端がカートリッジ２０
の内部に突出するようにして弾性材２４に嵌挿されて、
インクジェットペン（以下ペンという）を構成する。

このようなペンにおいて、ヘッド１０の圧力室１２内に
は、カートリッジ２０からのインク■が満たされる。

このような状態に於いて、加圧要素１７が駆動されると
、圧力室１２内のインクＩには可撓板１３の変位に伴っ
た圧力パルスが加わり、圧力室１２内のインク■はノズ
ル１４の表面張力を振り切ってインク滴ｄとして記録紙
３０上に噴射される。

そして、可撓板１３が元に復元するとともに圧力室１２
内には、噴射されたインク滴ｄに応じた量のインク■が
カートリッジ２０から補給され、圧力室１２内は常にイ
ンク■によって満たされている。

しかし、このような従来の構成によれば、カートリッジ
２０内の圧力は常に大気圧に対して正圧になっているの
で、加圧要素１７が駆動されていない状態でのノズル１
４にち−けるインク■のメニスカスに着目すると、第２
図に示すように外側に突出することになる。

したがって、ノズル１４の開口表面が濡れやすく、塵埃
等が付着して目づ１りを起こす等、インクジェット動作
が不安定になりやすい。

また、カートリッジ２０におけるインク■の液位りが高
いと、その自重によりインク■がノズル１４からボタ落
ちしたり、ペンに圧力パルス以外の外力が加わることに
よりノズル１４の先端の凸状のインク■のメニスカスが
インク滴となって記録紙３０に落下するむそれがある。

さらに、このような構成によれば、何らかの原因でヘッ
ド１０の圧力室１２に気泡が混入した場合、その気泡を
排出するのに相当時間を要するものであるＱ本発明は、これらの欠点を解決したものであって、以下
、図面を用いて詳細に説明する。

第３図は、本発明の一実施例を示す構成説明図であって
、第１図と同等部分には同一符号を付している。

第３図において、４０はカートリッジである。

カートリッジ４０は、第４図に示すように、上部にはイ
ンクＩが注入された密閉形のインク領域ＲＡが形成され
、下部には大気に開放されたバッファ領域ＲＢが形成さ
れている。

すなわち、カートリッジ４０の頂面４１は閉塞されてい
て、底面は４２と４２′よりなる二重底構造となってい
る。

これら底面４２．４２’の一部にはヘッド１０へのイン
ク流通口を形成する開口部が形成され、これら開口部は
それぞれゴム等の弾性材４３゜４３′で閉塞されている
。

バッファ領域ＲＢの側壁には、空気孔４４が形成されて
いる。

インク領域ＲＡの底面４２には、空気供給手段として用
いるパイプＰが、一端がバッファ領域ＲＢに開口し他端
が所定の内径のノズルＡＮとしてインク領域ＲＡに開口
するようにして貫通固着されている。

また、インク領域ＲＡ内の底面４２には、パイプＰのノ
ズルＡＮに対応した領域とインク流出口に対応した領域
とを分離形成するようにして、網目の細い網状体やフェ
ルト等のインク浸透性を有する仕切体Ｓが配置されてい
る。

この仕切体Ｓは、パイプＰからの気泡がインク流出口に
対応した領域に流出することを防止するとともに、圧力
室１２へのインク■の充満を容易にするものである。

また、パイプＰのノズルＡＮに対応した領域のインク■
は、この仕切体Ｓを通ってインク流出口の領域に移動す
るので、インク領域ＲＡ内にインク■を残すことがない
という効果も有する。

このように構成されたカートリッジ４０は、従来と同様
に、その底面がヘッド１０のフランジ部１６に嵌合され
、ヘッド１０のパイプ１８の他端はインク領域ＲＡ中に
突出するようにして弾性材４３．４３’に嵌挿されて、
第３図のようなペンを構成する。

再び第３図にむいて、その動作について説明する。

ヘッド１０の圧力室１２内には、カートリッジ４０から
のインク■が満たされる。

初期状態において圧力室１２内にインク■を充満させた
り、あるいは圧力室１２内に混入した気泡を排出するの
にあたっては、第５図に示すようにペンを上下に転倒さ
せる。

ここで、インク領域ＲＡには、仕切体Ｓが設けられてい
るので、インク領域ＲＡ内の空気はパイプＰのノズルＡ
Ｎに対応した領域に集１す、インク流出口の周辺にはイ
ンクが満たされることになる。

このような状態にむいて、ヘッド１０のノズル１４にス
ポイト等の吸引手段（図示せず）を押し当てて、圧力室
１２内の空気や気泡等を吸い出すことにより、圧力室１
２内にインク■を充満させることができる。

このようにして、圧力室１２内にインク■が充満された
状態で、加圧要素１７が駆動されると、従来と同様なイ
ンク滴ｄがノズル１４から噴射される。

そして、圧力室１２内には、噴射されたインク滴ｄに応
じた量のインク■がカートリッジ４０から補給され、圧
力室１２内は常にインク■によって満たされることにな
る。

一方、加圧要素１７が駆動されていない状態でのノズル
１４に釦けるインク■のメニスカスは、パイプＰの作用
によりカートリッジ４０内の圧力が大気圧に対して負圧
に保たれるので、第６図に示すように内側に凹むことに
なる。

これらの関係は以下のようになる。

なむ、以下の数式にむける各パラメータを次のように定
める。

ｄＮ：ノズル１４の内径ｄＡ：ノズルＡＮの内径ｈＡ：インク■の液面とノズルＡＮとの高度差ｈＮ：イ
ンク■の液面とノズル１４との高度差σ ：インク■の
表面張力 ρ ：インク■の密度ｇ：重力加速度ｐｃ：カートリッジ４０内の減圧部４４の圧力ｐｏ：大
気圧ｐＮ：ノズル１４に訃けるインク■の圧力インク滴ｄが
噴射されることにより、カートリッジ４０内の圧力は減
少する。

この結果、大気の空気が、パイプＰを介してインク■中
に気泡となって流入する。

パイプＰのノズルＡＮの部分に着目すると、インク滴ｄ
の噴射に応じてノズルＡＮの開口端で気泡が成長する。

気泡は、大気圧ｐ。とノズルＡＮでのインク圧力ｐｃ＋
ρｇｈＡとの差が４σ／ｄＡになる寸で成長を続けて気
泡の曲率半径はそれぞれに応じて小さくなり、カートリ
ッジ４０内の圧力は減少し続ける。

そして、インク圧力ｐＮが４σ／ｄＡに達すると今度は
気泡の曲率半径が大きくなり、カートリッジ４０内の正
圧減少は少なくなる。

ノズルＡＮでの気泡が大きくなると、浮力によってノズ
ルＡＮから分離されてインク■中に流入する。

大気圧の気泡が流入することでカートリッジ４０内の減
圧部４４の圧力ｐｃは一時的にわずか上昇するが、イン
ク滴ｄの噴射にしたがって再び圧力は減少する。

すなわち、インク滴の噴射に応じてこれら一連の動作を
繰り返すことになる。

ノズルＡＮから個々に流入する大気圧の気泡により、減
圧室の圧力ｐｃには、わずかのリップルが生じる。

したがって、この圧力ｐｃのリップルの影響を小さくす
るために、ノズルＡＮの内径ｄＡ程度で分離することが
望ましい。

このためには、第７図に示すようにノズルＡＮの開口端
詔准状に形成したり、ノズルＡＮに機械的な振動を加え
るようにすればよい。

これらから明らかなように、第３図の構成によれば、カ
ートリッジ４０内の圧力は、次式のような関係で平衡す
る。

ｐｏ−４σ／ｄＡ＝＝ｐｃ＋ρｇｈＡ
（１）一方、ノズル１４に訃けるインク■の圧力ｐ
Ｎは、ｐＮ＝ｐｃ＋ρｇｈｎ（２
）となる。

したがって、大気圧ｐｏに対する圧力ｐＮは、ｐＮ −ｐＱ−ρｇ（ｈＮ−ｈＡ） −４σ／ｄＡ
（３）となる。

ここで、前述の各パラメータの具体例を次のと釦りとす
る。

ρ二１ｇ／ＣｒｒＬ３ｇ−９８０ｃｒｒＬ／ｓ２ｈＮ＝８（ｍｈＡ＝４６ｒｎ σ＝７３ｄｙ０７ｃｍこのような条件下に訃けるノズルＡＮの内径ｄＡとノズ
ル１４での大気圧に対するインク圧力ｐＮ−ｐｏとの関
係を図示すると第８図のようになる。

すなわち、ノズルＡＮの内径ｄＡが７００μｍ以下では
（１）Ｎ−ｐｏ）は負圧となり、ノズル１４におけるイ
ンク■のメニスカスは内側に凹むことになる。

ただし、ペンとして作用するためには、次の２つの条件
を満たす必要がある。

その一つは、１）Ｎ−ｐｏ＜Ｏ（４）であって、ノズル１４に耘けるインク■のメニスカスが
内側に凹むための条件であり、他の一つは、４σ／ｄＮ＜ｐＮ−ｐｏ（
５）であって、カートリッジ４０内か負圧になりすぎて
圧力室１２内に空気が入り込んでし捷わないための条件
である。

これら２つの条件を同時に満たすノズルＡＮの内径ｄＡ
は、第（３）〜第（５）式から、となる。

したがって、ノズル１４の内径ｄＮを５０μｍφとする
と、第（６）式から、ノズルＡＮの内径ｄＡは、４７μｍ＜ｄ入〈７４５μｍとなる。

これらから明らかなように、圧力調整手段として用いる
パイプＰのノズルＡＮの高さｈＡおよび内径ｄＡを第（
６）式の条件を満足するように設定することにより、ヘ
ッド１０のノズル１４よりも高い位置にその液面４２が
位置するようにしてヘッド１０と連結されたカートリッ
ジ４０を含むペンであっても、従来のようにノズル１４
に訃けるインク■のメニスカスが外側に凸になることは
なく、圧力室に加わる圧力パルス以外の外力でインク■
がボタ落ちするおそれもない。

また、第３図のようなペンにトいて、温度が上昇してカ
ートリッジ４０内の空気が膨張した場合には、インク■
はパイプＰを通ってバッファ領域ＲＢに流れ込むことに
なり、ノズル１４からボタ落ちすることはない。

そして、温度が下がると、バッファ領域ＲＢ内のインク
■は再びパイプＰを通してインク領域ＲＡ内に吸入され
ることになる。

このように、第３図の構成によれば、カートリッジ内の
圧力は常に適当な負圧になっているのでインク滴を発生
しない状態でのノズルにフーケるインクのメニスカスは
内側に凹むことになり、ノズルの開口表面が濡れること
は少なく、安定なインクジェット動作が得られる。

また、温度上昇に伴うボタ落ちもなく、さらに、圧力室
へのインクの充填や圧力室中の気泡の排出も容易である
。

第９図は、第４図のカー）ＩＪツジを用いたペンの他
の実施例を示す構成説明図であって、５０は円筒形に成
形されたヘッドである。

すなわち、ヘッド５０は、薄肉金属パイプで形成された
円筒状の圧力室５１．この圧力室５１の外周に導電性接
着剤を介して固着された円筒形の加圧要素５２、これら
圧力室５１むよび加圧要素５２を内包するように円筒形
にモールド成形されたホルダ５３、ホルダ５３の外周に
配置された電極５４．５４’、一方の面にホルダ５３の
一端が固着され他方の面にカートリッジ４０が嵌合する
フランジ部が形成され中央部にインク流通路として作用
する貫通孔が形成された基体５５、ホルダ５３の他端に
嵌装固着され外周にはねし溝が形成され中央部分にしぼ
りとして作用するロート状の貫通孔が形成されたしぼり
体５６、このしぼり体５６の端面に対向配置されたノズ
ル板５７、内周にしぼり体５６に螺合するねじ溝が形成
されノズル板５７をしぼり体５６の端面と内面とで挟持
するようにして固定する取付体５８、圧力室５１に連通
ずるようにして一端が基体５５０貫通孔に嵌挿されたパ
イプ５９等で構成されている。

なち・、電極５４、５４’はそれぞれリード線Ｗ１．
Ｗ２を介して圧力室５１むよび加圧要素５２に接続され
ている。

一方、カー）ＩＪツジ４０にち・いて、仕切体Ｓは、
底面４２の開口部を囲むようにして開口部の延長方向に
沿って円筒形に成形されている。

そして、このカートリッジ４０の底面４２′はヘッド５
０（７）基体５５に嵌合され、弾性材４３にはパイプ５
９の他端がカートリッジ４０内に突出するように嵌挿さ
れてペンが構成される。

このように構成することにより、前述の実施例の効果に
合わせて、ヘッド５０のノズル体５７の保守が容易なペ
ンが実現できる。

第１０図も、本発明の他の実施例を示す構成説明図であ
って、第３図と同等部分には同一符号を付している。

第１０図にむいて、カートリッジ４０内には、空気供給
手段として用いるパイプＰが、一端が頂面４１に開口し
他端がりの字形に折曲されて所定の内径のノズルＡＮと
してインク■中に開口するようにして配置されている。

また、パイプＰ中には、必要に応じて第１１図に示すよ
うな構造の逆流制止弁■が配置される。

な釦、第１１図に釦いて、ＢＬはボール、ＳＴはストッ
パである。

このような構成にむいて、パイプＰのノズルＡＮの高さ
ｈＡおよび内径ｄＡを第３図と同様な条件に設定するこ
とにより、カートリッジ４０内の圧力を負圧に保つこと
ができる。

また、本実施例にトいて、カートリッジ４０の少なくと
も一部分を、カートリッジ内部に生じる負圧程度では変
形しないような剛性を有する弾性体で形成することによ
り、圧力室１２へのインク■の充填を吸引器を使用しな
くても容易に行なうことができる。

第１２図も、本発明の他の実施例を示すペンの構成説明
図であって、第３図と同等部分には同一符号を付してい
る。

第１２図に釦いて、カートリッジ４０の内部の圧力を調
整する手段として用いるパイプＰは、一端が大気に開口
し他端がフランジ部１６に開口するようにして、ヘッド
１０のケース１１内に埋設されている。

このように構成されたペンも、第３図と同様に作用する
。

また、このような構成にすることにより、カートリッジ
４０の構造を簡略化することができる。

第１３図〜第１５図は、それぞれ第１２図のペンに用い
るカートリッジの具体例を示す構成説明図である。

第１３図に釦いて、カートリッジ４０の内部にはインク
Ｉが注入されているのみである。

第１４図において、カートリッジ４０の内部には、イン
ク■が注入されるとともに、複数の仕切体Ｓが配置され
ている。

これにより、ペンが加速されても、カートリッジ４０内
のインク■の動きは小さく抑制されることになり、ヘッ
ド１０の圧力室１２に乱れた圧力が加わることを防止で
きる。

第１５図にむいて、カートリッジ４０内には、インク■
が浸透しにくい材質よりなり柔軟性を有する袋状の容器
Ｂが配置されてインク■が注入されるとともに、この容
器Ｂの周囲には液体（たとえば水）Ｌが満たされている
。

そして、ヘッド１０の圧力室１２に連通するパイプ１８
の端部は容器Ｂ内に嵌挿され、パイプＰの端部は液体り
中に嵌挿されることになる。

このように構成することにより、カートリッジ４０内に
耘いて、インク■と空気が直接触れることはなく、イン
ク■の変質を防止できる。

捷た、パイプＰにインク■が流入しないので、インク■
による汚染等を生じることもない。

な釦、これら実施例では、縦形のカー）ＩＪツジと縦
形のヘッドとを垂直方向に嵌合連結する例について示し
たが、横形のカートリッジとヘッドとを組み合わせた場
合であっても、同様の効果が得られる。

以上説明したように、本発明によれば、比較的簡単な構
成で、安定なインクジェット動作が得られ、インクのボ
タ落ちもなく、保守も容易なインクジェットペンが実現
でき、フラットベッド形のレコーダやＸ−Ｙプロッタ等
、水平に配置された記録紙の記録ペンとして好適である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のインクジェットペンの一例ヲ示す構成説
明図、第２図は第１図のノズルにトけるインクのメニス
カスの説明図、第３図は本発明の一実施例を示す構成説
明図、第４図は本発明に用いるインクカートリッジの一
例を示す構成説明図、第５図は第３図のインク充填状態
を示す構成説明図、第６図は第３図のノズルにむけるイ
ンクのメニスカスの説明図、第７図は本発明で用いるパ
イプのノズルの拡大図、第８図は本発明で用いるパイブ
のノズルの口径とヘッドにおけるインクの圧力との関係
の一例を示す特性図、第９固転よび第１０図は本発明の
他の実施例を示す構成説明図、第１１図は第１０図で用
いる逆流制止弁の一例を示す構成説明図、第１２図は本
発明の他の実施例を示す構成説明図、第１３図〜第１５
図は本発明で用いるインクカートリッジの変形を示す構
成説明図である。１０・・・インクジェットヘッド、１１・・・基体、１
２・・・圧力室、１３・・・可撓板、１４・・ツズル、
１５・・・貫通孔、１６・・・フランジ部、１７・・・
加圧要素、１８・・・パイプ、３０・・・記録紙、４０
・・・インクカートリッジ、４１．４１’・・・頂面、
４２，４２’・・・底面、４３，４３’・・・弾性材、
４４・・・空気孔、５０・・・インクジェットヘッド、
５１・・・圧力室、５２・・・加圧要素、５３・・・ホ
ルダ、５４，５４’・・・電極、５５・・基体、５６・
・・しぼり体、５７・・・ノズル板、５８・・・取付体
、５９・・・パイプ、Ｐ・・・パイプ、ＡＮ・・・ノズ
ル、■・・・逆流制止弁、■・・・インク、Ｓ・・・仕
切体、ＲＡ・・・インク領域、ＲＢ・・・バッファ領域
、Ｂ・・・容器、Ｌ・・・液体。

Claims

【特許請求の範囲】１圧力室内に充満されたインクに加えられる圧力パル
スに応じてノズルからインク滴を噴射するインクジェッ
トヘッドと、このインクジェットヘッドのノズルよりも
高い位置にその液面が位置するように配置されインクジ
ェットヘッドの圧力室にインクを供給する密閉形のイン
クカートリッジとからなるインクジェットペンにむいて
、一端が大気に開口され他端が次式で定する所定の内径
ｄＡを有する開口部としてインクカートリッジ内の液体
中に開口された空気供給手段を設け、インクカートリッ
ジ内の圧力をインクジェットヘッドのノズルに於けるイ
ンクのメニスカスが内側に凹んだ状態で保持されるよう
に負圧に保つようにしたことを特徴とするインクジェッ
トペン。ｄＮ：インクジェットヘッドのノズルの内径ｄＡ：空気
供給手段の内径ｈＡ：インクの液面と空気供給手段との高度差ｈＮ：イ
ンクの液面とインクジェットのノズルとの高度差 σ ：インクの表面張力 ρ ニインクの密度ｇ：重力加速度ｐｃ：カートリッジ内の減圧部の圧力ｐｏ：大気圧ｐＮ：インクジェットヘッドのノズルにおけるインクの
圧力２インクカートリッジとして上部にインクが注入され
た密閉形のインク領域が形成され下部に大気に開放され
たバッファ領域が形成されたものを用い、空気供給手段
として一端がバッファ領域に開口され他端が所定の内径
のノズルとしてインク領域中に開口されたパイプを用い
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
ジェットペン０３パイプのインク領域中の開口端を錐状に形成したこ
とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載ツインクジエ
ツトペン。４パイプをインク滴の噴射に応じて振動させるように
したことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のイン
クジェットヘッド。５インクカートリッジ内にインク浸透性を有する仕切
体を配置し、インク流出口に対応した領域と空気供給手
段の開口端に対応した領域とを形成したことを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載のインクジェットペン。６インクカートリッジ内に、インクの入った袋状の容
器を配置するとともにその周囲に液体を満たし、空気供
給手段の一端が液体中に開口するようにしたことを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載のインクジェットペン
。７インクカートリッジの少なくとも一部を弾性体で構
成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のイ
ンクジェットペン。８空気供給手段として、一端が大気に開口され他端が
所定の内径のノズルとしてインクカートリッジ内に開口
された貫通孔をインクカートリッジの底面に設けたこと
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
トペン。