JPS6330868B2 - - Google Patents
Info
- Publication number
- JPS6330868B2 JPS6330868B2 JP56212867A JP21286781A JPS6330868B2 JP S6330868 B2 JPS6330868 B2 JP S6330868B2 JP 56212867 A JP56212867 A JP 56212867A JP 21286781 A JP21286781 A JP 21286781A JP S6330868 B2 JPS6330868 B2 JP S6330868B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ink
- air
- ejection port
- nozzle plate
- outlet
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/015—Ink jet characterised by the jet generation process
- B41J2/04—Ink jet characterised by the jet generation process generating single droplets or particles on demand
- B41J2/06—Ink jet characterised by the jet generation process generating single droplets or particles on demand by electric or magnetic field
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/015—Ink jet characterised by the jet generation process
- B41J2/04—Ink jet characterised by the jet generation process generating single droplets or particles on demand
- B41J2/06—Ink jet characterised by the jet generation process generating single droplets or particles on demand by electric or magnetic field
- B41J2002/061—Ejection by electric field of ink or of toner particles contained in ink
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
- B41J2002/14475—Structure thereof only for on-demand ink jet heads characterised by nozzle shapes or number of orifices per chamber
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2202/00—Embodiments of or processes related to ink-jet or thermal heads
- B41J2202/01—Embodiments of or processes related to ink-jet heads
- B41J2202/02—Air-assisted ejection
Landscapes
- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
Description
本発明は、特願昭56−8428号記載の同一出願人
の出願に係るインクジエツト記録ヘツドの改良に
関する。
第1図は特願昭56−8428号記載のインクジエツ
ト記録ヘツドを示す。同図において、導電性のノ
イズ板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、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、空気流の曲りによつて一定圧力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。
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、一定圧力
PN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。一定圧力PN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。
一定圧力PN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、一定圧力
PNと空気吐出口1よりの空気流速は、ほぼ1:
1に対応する。したがつて一定圧力PN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、該
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図のインクジエツト記録ヘツドの1例をあげ
ると、第1表のようになる。
The present invention relates to an improvement in an inkjet recording head as disclosed in Japanese Patent Application No. 56-8428 filed by the same applicant. FIG. 1 shows an inkjet recording head described in Japanese Patent Application No. 56-8428. In the figure, a conductive noise plate 2 has an air outlet 1 perforated therein, and a wall 3 is arranged parallel to this nozzle plate 2.
Further, an ink discharge port 4 is perforated in the wall 3 so as to face the air discharge port 1 . An air flow is sent from the periphery to the air layer 7 created by the nozzle plate 2 and the wall 3, and flows out from the air outlet 1. Since the direction of the air flow changes rapidly near the air outlet 1, a rapid change in pressure gradient occurs in the space from the ink outlet 4 to the air outlet 1. On the other hand, a constant pressure is applied to the ink inside the ink ejection port 4, and when the inkjet recording head is not driven, the air pressure near the ink ejection port 4 and the ink pressure inside the ink ejection port 4 are approximately equal. Adjustment is made so that the meniscus of ink within the ink ejection port 4 is kept stationary. The signal source 5 connects the nozzle plate 2 so that a potential difference is generated between the nozzle plate 2 and the ink inside the ink ejection port 4.
It is electrically connected to a conductive ink supply pipe 6 communicating with the ink discharge port 4 . When a potential difference is generated between the nozzle plate 2 and the ink within the ink discharge port 4 by the signal source 5, a meniscus generated in the ink discharge port 4 is stretched in the direction of the air discharge port 1 due to an electric field caused by this potential difference. Ink discharge port 4
A rapid change in pressure gradient occurs in the space from the air outlet 1 to the air outlet 1, and the degree of this change is greater as the air approaches the air outlet 1. Therefore, the ink meniscus generated at the ink outlet 4 When it is stretched beyond a certain length, it is torn off by this change in pressure gradient and flies out of the air discharge port 1 as ink droplets. As explained above, the inkjet recording head shown in FIG.
Ink droplets are ejected by changing the meniscus of ink that occurs at the tip of the ink, and by causing a sudden change in the pressure gradient that occurs at the tip of the meniscus. There are various structures for producing the above-mentioned rapid change in pressure gradient, and detailed explanations are given in Japanese Patent Application No. 8428/1983. Among them, the one that is judged to be suitable in terms of performance and assembly process is the one with the configuration shown in Figure 1, in which the air layer 7 is connected to the surrounding annular groove through a thin circular air layer 7. hand,
This configuration is such that an air flow is sent from around the air outlet 1. A constant pressure P N is generated on the meniscus surface of the ink generated at the ink discharge port 4 due to the bending of the air flow. This constant pressure P N is closely related to the change in the pressure gradient that occurs near the ink ejection port 4, and in a structure with the same dimensions, the larger the constant pressure P N is, the more
The change in pressure gradient is also large. As will be described later, even in an inkjet recording head in which relatively pressure gradient changes can be effectively obtained by examining various dimensional structures, a constant pressure
Careful experimental results have shown that P N is required to be approximately 0.03 Kg/cm 2 or more. Constant pressure P N is approximately 0.03Kg/
cm 2 or less, the change in pressure gradient caused by the bending of the air flow is small, so there is not enough force to tear off the ink liquid, and even if the ink meniscus is stretched by electrostatic force, the ink liquid It cannot fly to the paper surface as a droplet. When the constant pressure P N is 0.03 Kg/cm 2 , the flow velocity of the air flowing out from the air outlet 1 is about 40 m/s. Air outlet 1 is generally designed to have a structure with almost no pressure loss due to air flow, so a constant pressure is maintained.
P N and the air flow velocity from air outlet 1 are approximately 1:
Corresponds to 1. Therefore, the constant pressure P N is 0.03Kg/
The fact that it is required to be at least cm 2 is equivalent to the fact that the air flow velocity from the air outlet 1 is required to be at least about 40 m/s. The diameter of the air discharge port 1 is selected so that the air flow is not disturbed and the ink liquid flow is not disturbed. Such turbulence occurs when the air flow velocity is high and the diameter of the air outlet 1 is large. The air flow velocity from the air outlet 1 is required to be approximately 40 m/s or more, but if the velocity is higher, the pressure gradient near the ink outlet 4 will become even steeper. however,
If the air flow velocity exceeds about 150 m/s, the velocity of the ink liquid will increase, causing problems such as the ink liquid arriving on the paper surface scattering, and the above-mentioned constant pressure P N
As a result, the state of the pressure balance, which is established to keep the ink meniscus generated at the ink ejection port 4 stable, is likely to fluctuate, making it difficult to maintain stability in performance. Therefore, it is desirable that the air velocity flowing out from the air outlet 1 is in the range of about 40 to 150 m/s. In this range, the diameter of air outlet 1 is approximately
A value of 250 μm or less is desirable, and if the value is about 250 μm or more, turbulence occurs in the air flow, or the air flow becomes poorly converged and becomes a wide-spread flow. Another factor regulating the diameter of the air outlet 1 is the structure that effectively produces a change in pressure gradient due to bending of the air flow. Where airflow bends,
It is better to be near the ink ejection port 4, and if the change in pressure gradient is large only in the ink liquid flying direction and small in the direction orthogonal to the flying direction, the force for tearing off the ink meniscus works more effectively. In order for the airflow to curve near the ink discharge port 4, the diameter of the air discharge port 1 must be determined by the diameter of the ink discharge port 4, the size of the droplet flowing out from the ink discharge port 4, or the diameter of the air discharge port 4. The size should be close to the size of the ink meniscus that occurs in . However, as a matter of course, the ink liquid is not blocked by the air outlet 1 and
Consider the dimensions that will allow it to pass through. The diameter of the ink ejection opening 4 is set so as to obtain a dot diameter suitable for the intended use on the recording material. However, in the inkjet recording apparatus shown in FIG. 1, the retention force of the ink meniscus formed at the ink ejection opening 4 is an important factor. For ink discharge port 4 with radius r and ink with surface tension T, this holding force is proportional to T/r. In general, the surface tension of ink has an upper limit, usually 20 to 50 dyn/cm, and at least
It is 70dyn/cm or less. Therefore, the smaller the ink discharge port 4, the greater this holding force becomes. For this reason, in order to obtain a holding force to keep the ink meniscus generated at the ink ejection port 4 stable, the diameter of the ink ejection port 4 is desirably about 100 μm or less. If the diameter of the ink ejection port 4 exceeds approximately 100 μm, the retention force of the ink meniscus is weak, and the ink meniscus responds sensitively to changes in air pressure or pressure due to shock, making it unstable and vulnerable to external disturbances. This makes it an excellent inkjet recording head. The air layer 7 has dimensions that allow air to flow smoothly,
In addition, the dimensions are selected such that the change in the pressure gradient generated near the ink discharge port 4 is large. Unless the thickness of the air layer 7 is 20 to 30 μm or more, the air flow will not flow smoothly. This is because the flow path resistance in the air layer 7 increases and the air layer is susceptible to adhesion of foreign matter or ink liquid. air layer 7
When the flow path resistance increases, the air pressure in the vicinity of the ink ejection port 4 decreases, resulting in a disadvantage that the change in pressure gradient becomes smaller. Furthermore, in order for the change in the pressure gradient that occurs near the ink ejection port 4 to be large, the structure must be such that the air flow is curved near the ink ejection port 4. For this purpose, the smaller the thickness of the air layer 7, the better. Usually, the ratio of the thickness of the air layer 7 to the air ejection opening 1 is preferably about 2.5 or less, and if it is more than 3, the change in pressure gradient becomes small and the ejection force of ink droplets decreases. The thickness of the nozzle plate 2 is determined based on factors such as ease of perforation of the air outlet 1, easy passage of ink droplets, or sufficient rigidity of the nozzle plate 2. 1/2 of the diameter
A size approximately 5 times larger is selected. Table 1 shows an example of the inkjet recording head shown in FIG. 1 manufactured for the reasons detailed above.
【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抵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、、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。、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ことによつて生じ
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
の役割を兼ね備えている。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号に記載されたイン
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
ノズル板として厚さ約150μmのガラスエポキシ
積層板8を使用し、これに空気吐出口1を穿孔
し、その周囲に約30μmの厚みの銅により電極9
を形成したものである。この構成は、空気吐出口
1の穿孔が簡単であり、エツチング等の技術によ
り種々の形状の電極が容易に形成できるのでマル
チノズル化も容易である。
次にインク吐出口4について詳細な説明を行
う。第3図は、空気吐出口1および電極9を第2
図に従つて構成し、インク吐出口4をオリフイス
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。
インク吐出口4をオリフイ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
配の変化によつ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
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
上吐出不能の状態となる。したがつて、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、この
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
よつて決定される。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。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
Pr∝ηl/d2 ……(1)
なる関係がある。
したがつて、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、インクジエツト記録ヘツドの特性と
しては、信号パルスの繰り返し周波数に対する応
答性が少なくとも1KHz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1K
Hz、駆動電圧0.2〜1KVの信号パルスに対する応
答性について実験を行つた。[Table] The inkjet recording head shown in Table 1 is capable of ejecting ink liquid when the potential difference caused by the signal source 5 is in the range of approximately 200V to 1KV. This is an inkjet recording head that can be driven with a much lower voltage than a recording device. The reason why low-voltage driving is possible is that the sudden change in pressure gradient caused by the bending of the airflow is the source of energy for the flight of ink droplets. , the distance between the nozzle plate 2 and the ink ejection opening 4 is very narrow, and a large electrostatic force acts with a low potential difference. etc. are possible. Now, assuming that the air flow does not flow out from the air outlet 1 in the inkjet recording head shown in FIG. Although the meniscus is stretched to the vicinity of the air outlet 1, it is further stretched and does not fly beyond the air outlet 1. This is because the distance between the air outlet 1 and the ink outlet 4 is very short.
In addition to the fact that the ink liquid stretched from within the ink ejection port 4 cannot be given enough speed to pass through the air ejection port 1, even if it were to pass through the air ejection port 1, the ink liquid would be charged with electricity. This is because the pulling force in the opposite direction that occurs when the ink is removed does not cause the ink to fly. Furthermore, since the structure for causing a rapid change in pressure gradient due to air flow is achieved by a very small dimensional structure, the air layer 7 and the air outlet 1 are affected by the surface tension of the ink. Due to capillarity, the ink discharge port 4 is easily filled with ink. This filled ink cannot be easily cleared without air flow, i.e.
Naturally, it is difficult to cause the ink liquid to fly if there is only a potential difference applied to the ink within the nozzle plate 2 and the ink discharge ports 4. The nozzle plate 2 has an air discharge port 1 and also serves as an electrode that generates a potential difference and stretches the ink liquid. Japanese Patent Application No. 56-35711 or Japanese Patent Application No. 56-35713 describes an invention related to the structure of the nozzle plate 2, and presents a method for creating the nozzle plate 2 using an electrical insulator and a conductor. has been done. FIG. 2 is an enlarged view of the air discharge ports 1 and ink discharge ports 4 of the inkjet recording head described in Japanese Patent Application No. 56-35711. The configuration shown in Fig. 2 uses a glass epoxy laminate plate 8 with a thickness of about 150 μm as a nozzle plate, in which an air discharge port 1 is perforated, and an electrode 9 is made of copper with a thickness of about 30 μm around the hole.
was formed. In this configuration, the air discharge port 1 is easily perforated, and electrodes of various shapes can be easily formed using techniques such as etching, so that multi-nozzle formation is easy. Next, the ink ejection ports 4 will be explained in detail. FIG. 3 shows the air outlet 1 and electrode 9 connected to the second
It is constructed as shown in the figure, and has a structure in which ink discharge ports 4 are bored in an orifice plate 13, and is an improvement on the structure shown in FIG. The main reason why the ink ejection ports 4 are formed by perforating the orifice plate is to improve the responsiveness to repeated signal pulses. When a signal pulse is applied, the ink meniscus in the ink ejection port 4 is stretched, and is torn off by a sudden change in pressure gradient, causing the ink liquid to fly. has a concave shape compared to the initial state. If the ink meniscus has a large concavity, the ink meniscus cannot be stretched without a very large electrostatic force, making ejection virtually impossible. Therefore, the time it takes for the ink meniscus depression that occurs after the ink liquid is ejected to return to its initial state affects the responsiveness to repetition of signal pulses. The restoring force that restores the ink meniscus dent to its initial state is exerted by the surface tension of the ink and the pressure difference generated inside and outside the ink ejection port 4. The restoring time due to this restoring force depends on the magnitude of the restoring force, It is determined by the degree of depression and the magnitude of viscous resistance at the ink ejection port 4. In particular, the viscous resistance of the ink ejection port 4 has a large effect on the restoration time. The viscous resistance is Pr, the diameter and length of the ink discharge port 4 are
Letting d, l, and the viscosity of the ink be η, the relationship is Pr∝ηl/d 2 (1). Therefore, in order to improve the responsiveness to repetition of signal pulses, it is necessary to keep ηl/d 2 below a certain value and shorten the restoration time. In general, the characteristics of an inkjet recording head are such that it is not practical unless the responsiveness to the signal pulse repetition frequency is at least 1KHz.
We conducted experiments on the response to signal pulses of Hz and driving voltages of 0.2 to 1 KV.
【表】
第2表に実験結果が示されているが、1KHz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1.7〜2.2×103c.p/cm以下のもの
であつた。
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70dyn/cm以下であること
や、インク吐出口4の径は、主として文字、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≦2.5×103c.p/cmを満足することが望
ましい。
以上の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3図の構
成では、薄いオリフイス板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。オリフイス
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3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
イス板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とオリフイス
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とオリフイス板13の電位差に従つ
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、オリフイス板
13とインク供給管6は電気的な導通があつて良
く、ボデイ10を導電性材料で構成しても良いこ
とが分る。
第3図の構成において、絶縁基板8の厚み約
250μm、空気吐出口1の直径約100μm、空気層
7の厚み約85μm、インク吐出口4の直径約65
μm、オリフイス板13の厚み約50μmの寸法構
造にて、多数のインクジエツト記録ヘツドを試作
したところ、最小駆動電圧は約200V程度であり、
一定していたが、インク液が吐出可能な最小パル
ス幅は約50μs〜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。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つていることがわ
かつた。
インク吐出口4は、ドリル加工により穿孔した
オリフイスを研磨によりバ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、バリ、ある
いは研磨時に生じたダレの状態が微妙に異なるも
のであつた。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、バリやダ
レのない、いわゆる綺麗な形状のオリフイスであ
つた。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、バリやダレの多い、いわゆ
る汚ないオリフイスであつた。
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の場合
には、ダレやバリにインクが付着するため、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、インク液滴の吐出に伴う
形状の変動が小さくなるためである。
しかしながら、インク吐出口4のダレやバリを
人為的にかつ一定の形状に作製することは高度な
技術を要するといえる。
本発明は、以上のような特性のバラツキのない
インクジエツト記録ヘツドを提供するものであり
以下実施例に従つて詳細な説明を行う。
第4図は、本発明の一実施例を示すものであ
り、空気吐出口1は約120μmの直径を有してお
り、インク吐出口は、約30μmの直径のオリフイ
ス16を5個オリフイス板17に密集して穿孔し
たものを用いたものである。
第4図におけるインク吐出口での粘性抵抗を考
えると(1)式から
Pr∝ηl/Nd2 ……(2)
となる。但しNはオリフイス16の個数を示す。
したがつて、第3図の構成においてはηl/d2が
2.5×103cp/cm以下である必要があつたが、第4
図の構成ではηl/Nd2を2.5×103cp/cm以下にす
れば良い。したがつて粘性抵抗に関しては、第4
図のインク吐出口は、約67μmの直径のオリフイ
スが1個穿孔されているものと同等となる。
また、第4図のインク吐出口に形成されるイン
クのメニスカスは、約30μm直径のオリフイス1
6にそれぞれ形成され、約67μm直径のオリフイ
スに比べ、2倍強の表面張力により保持され、か
つインク液の吐出に伴う変動も小さい。
以上詳細な説明のように、本発明は微小なオリ
フイスを複数個設けてインク吐出口とすることに
よつて、粘性抵抗が小さく、かつインクのメニス
カスの変動の小さなインクジエツト記録ヘツドが
実現できるものであり、第4図の実験例では、駆
動電圧が約800VPP液滴吐出が可能な最小パルス
幅が約70μsで安定吐出が可能なものであつた。[Table] The experimental results are shown in Table 2, and the range in which ink liquid can be ejected in response to a repetition frequency of 1KHz is that ηl/d 2 is 1.7 to 2.2×10 3 cp/cm or less. It was hot. As mentioned above, in order to shorten the restoration time of the ink meniscus, in addition to reducing the value of ηl/d 2 , there are also methods to increase the restoring force or to reduce the dent that occurs in the ink meniscus. In reality, the surface tension of ink has a narrow range of variation, being at least 70 dyn/cm or less, and the diameter of the ink ejection port 4 is mainly adjusted so that characters, images, etc. can be recorded with a predetermined size and density. Since the liquid is determined to be discharged, it is difficult to obtain a sufficient effect without considering the value of ηl/d 2 , and it is difficult to satisfy ηl/d 2 ≦2.5×10 3 cp/cm. desirable. As is clear from the above explanation, the ink ejection port 4
The shorter the length of the ink outlet, the better. Therefore, in the configuration shown in FIG.
The one with perforations is used. The orifice plate 13 may be made of an insulating material, but it is advantageous to use a metal material that allows easy drilling of the ink discharge ports 4 and is rigid, and stainless steel is used here. In the configuration shown in FIG. 3, even if a potential difference is created between the electrode 9 and the ink supply pipe 6, and even if a potential difference is created between the electrode 9 and the orifice plate 13, the same ink liquid can be ejected. . When the potentials of the electrode 9, the orifice plate 13, and the ink supply tube 6 are different, the ink liquid is ejected according to the potential difference between the electrode 9 and the orifice plate 13, and the potential of the ink supply tube 6 becomes irrelevant. From this, it can be seen that the orifice plate 13 and the ink supply pipe 6 may be electrically connected, and the body 10 may be made of a conductive material. In the configuration shown in FIG. 3, the thickness of the insulating substrate 8 is approximately
250 μm, the diameter of air discharge port 1 is approximately 100 μm, the thickness of air layer 7 is approximately 85 μm, and the diameter of ink discharge port 4 is approximately 65 μm.
When we prototyped a large number of inkjet recording heads with a dimensional structure in which the thickness of the orifice plate 13 was approximately 50 μm, the minimum driving voltage was approximately 200 V.
Although it was constant, the minimum pulse width at which ink liquid could be ejected varied within a range of approximately 50 μs to 400 μs. The shorter the minimum pulse width at which the ink liquid can be ejected, the better, and in order to enable high-speed recording, the minimum pulse width should be made small. After carefully investigating the cause of the variation in minimum pulse width, we found that ink ejection port 4
It was found that this was caused by differences in the fine structure of The ink discharge ports 4 were used by removing burrs from an orifice drilled by drilling, but the ink discharge ports 4 produced in large numbers had slightly different states of burrs or sagging caused during polishing. Ta. Among these, the shape of the ink ejection opening 4 of the one having a particularly large minimum pulse width was a so-called clean-shaped orifice without burrs or sag. On the contrary, the shape of the ink ejection opening of the ink having a small minimum pulse width was a so-called clean orifice with many burrs and sag. This is because when the ink ejection port 4 has a perfect circular shape, the ink meniscus generated at the ink ejection port 4 will also have a shape close to a beautiful spherical surface, and the shape fluctuation (or depression) caused by ink liquid ejection will be large. ,
On the other hand, if the ink ejection port 4 has a so-called dirty shape, ink will adhere to sag or burrs, and the ink meniscus formed at the ink ejection port 4 will have a complicated shape, resulting in difficulty in ejecting ink droplets. This is because the accompanying shape variation becomes smaller. However, it can be said that it requires advanced technology to artificially form the sag or burr on the ink ejection port 4 into a certain shape. The present invention provides an inkjet recording head with uniform characteristics as described above, and will be described in detail below with reference to Examples. FIG. 4 shows an embodiment of the present invention, in which the air outlet 1 has a diameter of about 120 μm, and the ink outlet has five orifices 16 with a diameter of about 30 μm and an orifice plate 17. This uses holes that are densely perforated. Considering the viscous resistance at the ink discharge port in FIG. 4, Pr∝ηl/Nd 2 ...(2) is obtained from equation (1). However, N indicates the number of orifices 16. Therefore, in the configuration shown in Figure 3, ηl/d 2 is
It needed to be 2.5×10 3 cp/cm or less, but the fourth
In the configuration shown in the figure, ηl/Nd 2 should be 2.5×10 3 cp/cm or less. Therefore, regarding viscous resistance, the fourth
The ink ejection port shown in the figure is equivalent to having one orifice with a diameter of about 67 μm. In addition, the ink meniscus formed at the ink ejection port in Fig. 4 is approximately 30 μm in diameter through the orifice 1.
6 and has a diameter of about 67 μm, it is held by a surface tension that is more than twice that of the orifice, and fluctuations associated with ink liquid ejection are also small. As described in detail above, the present invention provides an inkjet recording head with low viscous resistance and small fluctuations in the ink meniscus by providing a plurality of minute orifices as ink ejection ports. In the experimental example shown in FIG. 4, the driving voltage was about 800 V, and the minimum pulse width that enabled PP droplet ejection was about 70 μs, allowing stable ejection.
第1図は従来のインクジエツト記録ヘツドの断
面図、第2図aはその一部の構成例を示す断面
図、同bは平面図、第3図は従来のインクジエツ
ト記録ヘツドの断面図、第4図aは本発明の一実
施例におけるインクジエツト記録ヘツドの断面
図、同bは同平面図である。
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、10……ボデイ、13,17……オ
リフイス板、16……オリフイス。
1 is a sectional view of a conventional inkjet recording head, FIG. 2a is a sectional view showing a partial configuration example, FIG. 2b is a plan view, FIG. Figure a is a sectional view of an inkjet recording head in one embodiment of the present invention, and figure b is a plan view thereof. 1... Air discharge port, 2... Nozzle plate, 3...
Wall, 4... Ink discharge port, 5... Signal source, 6...
Ink supply pipe, 7... air layer, 8... insulating substrate,
9... Electrode, 10... Body, 13, 17... Orifice plate, 16... Orifice.
Claims (1)
と、空気ノズル板に対して略平行に配され、1つ
の空気吐出口の軸上付近に複数のインク吐出口が
略同軸方向に穿孔されているインクノズル板と、
インク吐出口と空気吐出口の間隙部分において急
激な曲りを生じさせながら空気吐出口より空気流
を送出させ、インク吐出口から空気吐出口に至る
方向に空気の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、前記空気ノ
ズル板と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
録ヘツド。1. An air nozzle plate in which air discharge ports are perforated, and a plurality of ink discharge ports arranged approximately parallel to the air nozzle plate, and in which a plurality of ink discharge ports are perforated in approximately the same axial direction near the axis of one air discharge port. an ink nozzle plate,
Air flow is sent out from the air outlet while creating a sharp bend in the gap between the ink outlet and the air outlet, creating a pressure gradient in which the air pressure decreases in the direction from the ink outlet to the air outlet. a first means for forming a variable space; and a second means for selectively creating a potential difference between the air nozzle plate and the ink in the ink ejection port in response to a signal; Stretching the ink meniscus generated at the ink ejection port by an attractive force due to the potential difference, and applying an accelerating force of the air flow generated in the space where the pressure gradient changes by the first means,
An inkjet recording head characterized in that ink within an ink ejection port is ejected outward through an air ejection port.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56212867A JPS58116161A (en) | 1981-12-29 | 1981-12-29 | inkjet recording head |
| EP82300280A EP0063853B1 (en) | 1981-01-21 | 1982-01-19 | Ink jet printing head utilizing pressure and potential gradients |
| DE8282300280T DE3269768D1 (en) | 1981-01-21 | 1982-01-19 | Ink jet printing head utilizing pressure and potential gradients |
| US06/341,199 US4403234A (en) | 1981-01-21 | 1982-01-20 | Ink jet printing head utilizing pressure and potential gradients |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56212867A JPS58116161A (en) | 1981-12-29 | 1981-12-29 | inkjet recording head |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58116161A JPS58116161A (en) | 1983-07-11 |
| JPS6330868B2 true JPS6330868B2 (en) | 1988-06-21 |
Family
ID=16629593
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56212867A Granted JPS58116161A (en) | 1981-01-21 | 1981-12-29 | inkjet recording head |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58116161A (en) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS51109738A (en) * | 1975-03-20 | 1976-09-28 | Matsushita Electric Industrial Co Ltd | Inkujetsutokirokusochi |
| JPS5528819A (en) * | 1978-08-21 | 1980-02-29 | Ricoh Co Ltd | Ink jet recording head |
-
1981
- 1981-12-29 JP JP56212867A patent/JPS58116161A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58116161A (en) | 1983-07-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4403234A (en) | Ink jet printing head utilizing pressure and potential gradients | |
| JPS6336953B2 (en) | ||
| US4338613A (en) | Ink drop deflector | |
| WO2005014180A1 (en) | Electrostatic suction-type fluid discharging method and device | |
| JPH0777802B2 (en) | High resolution printing method using associated ink droplets in a continuous inkjet printer | |
| CN100429005C (en) | Electrostatic attraction type fluid discharge method and device thereof | |
| JPS6330868B2 (en) | ||
| JPS642066B2 (en) | ||
| JPS6334025B2 (en) | ||
| JPH0211331A (en) | Inkjet recording apparatus | |
| JPS6334026B2 (en) | ||
| JPS632790B2 (en) | ||
| JPS6330867B2 (en) | ||
| JPH10138492A (en) | Electrostatic ink jet recording head and manufacture thereof | |
| JPS6320710B2 (en) | ||
| JPH01204750A (en) | Electrostatic inkjet recording device | |
| JP2004066531A (en) | Ink jet device and ink droplet forming method | |
| JPS6354546B2 (en) | ||
| JPS6334027B2 (en) | ||
| CA2062711A1 (en) | Ink-jet print head using electromagnetic pumping method | |
| JPH05116322A (en) | Ink jet recording apparatus | |
| JPS58101069A (en) | Inkjet recording device | |
| JPS6248588B2 (en) | ||
| JPH02223450A (en) | liquid jet recording head | |
| JPS6248587B2 (en) |