JPS6320710B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、インクジエツト記録装置に関する。 第１図は同一出願人の出願に係る特願昭56−
8428号のインクジエツト記録装置を示す。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、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より流出している。こ
の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。 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、インクジエツト記録ヘツド
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。信号源５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に近い程大であるため、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つて
飛翔する。 以上の説明のごとく、第１図に示したインクジ
エツト記録ヘツドは静電力によつてインク吐出口
４に生じるインクのメニスカスを変化させ、この
メニスカス先端に生じる急激な圧力勾配の変化に
よつて、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せしめる構造
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、空気流の曲りによつて一定圧力P_Nが生じ
る。この一定圧力P_N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この一定圧力P_Nが大きいほ
ど、圧力勾配の変化も大きい。 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
ンクジエツト記録ヘツドにおいても、この一定圧
力P_Nは約0.03Kg／cm²以上必要であることが、入念
な実験結果より得られた。この一定圧力P_Nが約
0.03Kg／cm²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、静電力によつてイ
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。 この一定圧力P_Nが0.03Kg／cm²の時には、空気吐
出口１より流出する空気流の流速が約40ｍ／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、この一
定圧力P_Nと空気吐出口１よりの空気流速は、ほ
ぼ１：１に対応する。したがつてこの一定圧力
P_Nが0.03Kg／cm²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40ｍ／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、また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の直径が大である時に生じる。空気吐出
口１よりの空気流速は約40ｍ／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P_N
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ためになされた圧
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。 したがつて、空気吐出口１より流出する空気流
速は、約40〜150ｍ／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よりも流出する液滴の
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
ジエツト記録装置では、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４、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20〜50dyn／cmのものが多く、少なくとも
70dyn／cm以下である。したがつてこの保持力
は、インク吐出口４が小さい程、大となる。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保持力を得
るには、インク吐出口４の直径は約100μｍ以下
が望ましい。 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、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
安定なインクジエツト記録ヘツドとなる。 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。それは、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。また、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の剛性が十分であるこ
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４図のインクジエツト記録ヘツドの各部の寸法
の一例をあげると、第１表のようになる。

【表】 第１表で示されたインクジエツト記録ヘツドで
は、信号源５による電位差が約200V〜1KV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エツト
記録装置に比較して非常に低電圧で駆動が可能な
方式のインクジエツト記録ヘツドである。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
ルギー源となつていること。(2)ノズル板２とイン
ク吐出口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。 今、第１図のインクジエツト記録ヘツドにおい
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ため、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とによつて生じる、
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るための構造
は、非常に小さな寸法構造によつて達成されるも
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内のインクによつて充満されてしま
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。 ノズル板２は、空気吐出口１を有するとともに
電位差を生じさせ、インク液を引き伸ばす、電極
の役割を兼ね添えている。特願昭56−35711号あ
るいは、特願昭56−35713号には、ノズル板２の
構成に関する発明が記載されており、電気的な絶
縁体と導電体によりノズル板２を作成する方法が
提示されている。 第２図は、特願昭56−35711号に記載されてイ
ンクジエツト記録ヘツドの空気吐出口１およびイ
ンク吐出口４部分の拡大図である。 第２図の構成は、絶縁基板８として約150μｍ
の厚みのガラスエポキシ積層板を使用し、約30μ
ｍの厚みの銅により電極９を形成した。これはい
わゆるフレキシブルプリント基板と呼ばれるもの
を応用したものであり、絶縁基板として、テフロ
ン、ポリエステル、ポリイミド等の樹脂を使用し
たものもすでに市販されている。 本実施例ではガラスエポキシ積層板を用いたが
他の樹脂類を用いることも当然可能である。この
ようなフレキシブルプリント基板を用いた場合に
は、空気吐出口１の穿孔も簡単であり、エツチン
グ等の技術により、種々の形状の電極９が容易に
形成できるので、マルチノズル構造も簡単に実現
できる。 ところが、このようなフレキシブルプリント基
板を利用したインクジエツト記録ヘツドでは、イ
ンク液の吐出量や適切な駆動電圧値に変動が生じ
る場合がある。これは、空気吐出口１より常時空
気流が流出しており、空気層７では0.03〜0.2
Kg／cm²の空気圧力となつており、絶縁基板８が変
位するためである。空気層７の厚みはおよそ30〜
400μｍが可能であるが、この厚みの変動は、許
容範囲が大なる設計において約80μｍ、許容範囲
が小なる設計において約5μｍあると、インク液
の吐出状態に影響を及ぼす。一般には、空気層７
の厚みの変動が約10〜30μｍ以上であると、空気
層７とくにインク吐出口４近傍の空気圧力の変動
が生じ、インク吐出口４に生じるインクのメニス
カスの形状変化が生じ、インク液の吐出状態が大
きく変化する。本発明は、以上のような困難と解
消するためになされたものである。 以下本発明の一実施例を説明すると第２図の構
成のインクジエツト記録ヘツドにおいて、絶縁基
板８を厚さ約250μｍの石英ガラスとし、いわゆ
るネサ膜と呼ばれる酸化錫の薄膜により電極９を
形成したものである。石英ガラスは硬い物質であ
るので、空気吐出口１の穿孔が比較的難しいが超
音波加工、レーザ加工等で可能である。絶縁基板
８が本実施例のように石英ガラスのような硬い物
質の場合には、空気層７の厚みに変動がなく非常
に特性の安定したインクジエツト記録ヘツドが得
られる。石英ガラスの他に使用可能な硬度の高い
絶縁物としては、硬質ガラス等の他のガラス類、
セラミツク類等があり、もちろんこれらの物質を
使用しても良い。特にセラミツクの場合は、焼成
前にオリフイスを形成しておくことができ、空気
吐出口１の作製が容易であるという利点がある。 ネサ膜は1μｍ弱の薄膜であるので、形状的な
制約をほとんど受けない。空気吐出口に設けられ
る電極の厚みは、均一な厚みであれば特にインク
の吐出特性に影響する要因は見当らないが、もし
均一性がなく空気吐出口の厚みにバラツキを与え
るようであれば、これが空気流の加速力や静電力
の強さのバラツキとなることがある。したがつ
て、ネサ膜のように薄い導電性膜はこの点ですぐ
れている。空気吐出口の厚みは一般に150μｍ〜
300μｍ程度のものが使用されるので、もし電極
の厚みが5μｍ以下程度のものであれば、電極自
体の厚みのバラツキを考慮する必要がほとんどな
くなる。また現在ではホトエツチング技術、マス
キング技術が非常に進歩しているため、あらゆる
電極構造が容易に形成できマルチノズル構造が簡
単に実現できる。 ネサ膜の他にも蒸着、スパツタリング、メツキ
等によつて形成された白金、金、ニツケル、銅、
アルミニウム、クロム、銀、酸化チタン、その他
各種の金属合金等の導電性薄膜が使用可能であ
る。 以上の説明のごとく、本発明はガラス類あるい
はセラミツク類に、空気吐出口を穿孔し導電性薄
膜による電極を設けたものであり、非常に安定し
た特性を有し、かつマルチノズル化が容易なイン
クジエツト記録装置を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の適用されるインクジエツト記
録装置の構成を示す断面側面図、第２図ａ，ｂは
それぞれ本発明によるインクジエツト記録装置の
ヘツド部の実施例における要部拡大断面側面図お
よび正面図である。 １……空気吐出口、２……ノズル板、３……
壁、４……インク吐出口、５……信号源、６……
インク供給管、７……空気層、８……絶縁基板、
９……電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ インク吐出口と同軸上に対向して、硬質のガ
   ラス類あるいはセラミツク類からなる絶縁基板に
   穿孔された空気吐出口を設け、前記インク吐出口
   を有する部材と前記空気吐出口を有する部材によ
   り形成される薄層状の間隙を介して、前記空気吐
   出口より一定の流速を有する空気流を急激な曲り
   を生じさせて噴出させ、インク吐出口から空気吐
   出口に至る方向に圧力の減少するような圧力勾配
   の変化する空間を形成する第１の手段と、前記絶
   縁基板上に空気吐出口の周囲を囲むように形成さ
   れた厚さが前記絶縁基板の厚さより小さい導電性
   薄膜と前記インク吐出口内のインクとの間に信号
   に応じて選択的に電位差を生じさせる第２の手段
   とを有し、第２の手段の電位差による誘引力によ
   りインク吐出口に生じているインクのメニスカス
   を引き伸ばし、前記第１の手段により圧力勾配の
   変化する空間に生じる空気流の加速力を作用さ
   せ、インク吐出口内のインクを空気吐出口を経て
   外方に吐出させることを特徴とするインクジエツ
   ト記録装置。 ２ 導電性薄膜を酸化錫薄膜で形成したことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のインクジエ
   ツト記録装置。 ３ 導電性薄膜が金属または合金の薄膜で形成さ
   れたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のインクジエツト記録装置。