JPS6330868B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

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、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。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。 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、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。

【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。

【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800V_PP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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 空気吐出口が穿孔されている空気ノズル板
   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。