JPH07148925A - 液滴放出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い工作精度を要さずに製作することが出
来、しかも液粘度に影響されない最適設計構造により高
性能を発揮することが出来るインクジェットプリントヘ
ッド等に適用する液滴放出装置を提供する。 【構成】 トランスジューサ（１４；１４）の駆動によ
ってキヤビテイ（１８）からノズル（３２；４０）を通
じて液を滴状で放出する装置において、該キヤビテイ
（１８）をその少くとも１部が液供給源に小開孔群を介
して連通した多孔質材料（２０）で規定されるように構
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液滴放出システム、具体
的にはインクジェットシステム、更に具体的にはドロッ
プ・オン・デマンド式インクジェットシステムに関す
る。

【０００２】一般にインクジェットシステム（ｉｎｋ
ｊｅｔ ｓｙｓｔｅｍ）は２種のカテゴリに別れる。即
ち連続式システムとドロップ・オン・デマンド（ｄｒｏ
ｐ−ｏｎ−ｄｅｍａｎｄ）式システムがある。連続式イ
ンクジェットシステムはインク滴をその特定のものが印
刷されるべき紙等の基材に到達する前に適宜の手段で偏
向させられ、残余の未偏向インク滴が所望の印刷（プリ
ント）パターンを形成することが出来るように、連続的
にインク滴を放出作動する。これに対し、ドロップ・オ
ン・デマンド式システムでは、インク滴が紙等の基材に
所望像（イメージ）を形成するのに必要な時点で必要個
所にのみ生成される。

【０００３】このドロップ・オン・デマンド式インクジ
ェットシステムは使用するインク駆動手段の型式に基づ
いて二大カテゴリに分類される。今日使用されている多
くのシステムは、インク滴の放出がインクの沸騰によっ
て生起する熱バブル式のものである。他のドロップ・オ
ン・デマンド式インクジェットシステムは印加電圧に応
じて自己の平面寸法を変化させ、それにより隣接インク
室からインク滴を放出せしめる、斯かる圧電結晶を用い
る。

【０００４】代表的な事例では、圧電結晶はインクの充
満した小さな部室（チヤンバ）やキヤビテイと境を接す
る薄いダイヤフラム（隔膜）に結合されている。インク
は部室に導入開口を通じて供給され、出口を通じて代表
的にはノズルを通じて部室を出る。電圧を圧電結晶に印
加すると、この結晶はその平面寸法（ｐｌａｎａｒｄｅ
ｍｉｓｉｏｎｓ）を変化させようとし、結晶がダイヤフ
ラムに固く連結されているために、結果としてダイヤフ
ラムが部室の中に曲り込む。このダイヤフラムの曲折は
部室の容積を減じて、インクが部室から導入口と出口ノ
ズルの両方を通じて流れ出るようにする。導入口と出口
の流体インピーダンス（ｆｌｕｉｄｉｍｐｅｄａｎｃ
ｅ）は、適当量のインクがダイヤフラムの曲折する間に
出口ノズルから流出する程度のものである。ダイヤフラ
ムがその定位置に戻ったとき、インクは部室にそれを満
すように引き込まれて、部室を次のインク放出態勢にす
る。

【０００５】熱バブル式システムは、種々の用途にとっ
て非常に望ましいものであるが、このシステムは圧電結
晶式システムと較べて多くの不利益を蒙る。例えば、熱
バルブ式システムのプリントヘッドの有効寿命は著しく
短い。その主たる理由は抵抗保護層にバブルの崩壊によ
って応力が生じるからである。それに加えて、沸騰工程
の固有の性質のためにインクの滴体積とその方向性を正
確に制御することが比較的難しい。その結果、紙等の基
材上の生成ドット品質は最適なものに較べると落ちるこ
とになる。

【０００６】熱バブル式システムのもう１つの欠陥はイ
ンクの沸騰が高温で達成されるという事実に関係してお
り、機械的或いは化学的劣化をもたらすことなくこのよ
うな高温度に耐え得る斯かるインクの使用を要求するこ
とにある。この制約の結果、ほんの僅かの種類のイン
ク、一般的には水性インク、のみが熱バブル式システム
で使用することが出来る。

【０００７】これらの不利益は圧電結晶駆動子において
は生じないものである。その主な理由はこの駆動手段が
昇温作動を要求されないからである。従って、圧電結晶
駆動子は大きな熱応力を蒙ることがない。同じ理由か
ら、圧電結晶駆動子は相対的に高範囲の種類のインクの
使用を許容する。更に、インク駆動パルスの形状、タイ
ミング及び期間は一層容易に制御される。最後に、圧電
結晶駆動子の操作寿命、即ちそのプリントヘッドの寿命
が一段と長いものになる。この圧電結晶プリントヘッド
の有効寿命が長くなることは、対応する熱バブル式装
置、即ちシステムと比較すると、大きく且つ重い静止使
用のプリントヘッドにとって一層適したものとなる。

【０００８】圧電結晶ドロップ・オン・デマンド式プリ
ントヘッドはこれまで大いに技術的に発展しているもの
である。この発展の実例は米国特許（ＵＳＰ）第５，０
８７，９３号と第４，７３０，１９７号を包含し、両者
は全体的にここで記述されているものとして併せて引用
するが、これは１連のステンレススチール層を有する構
造を開示している。これらのスチール層は種の肉厚のも
のであって、種々の開孔とチアネルを有している。この
種々の層は積み重ねて一体に結合され、流体導入流路
（チアネル）、加圧キヤビテイ、流体放出流路（チアネ
ル）並びにオリフイスの機能を有する適当な板体と成
る。

【０００９】両特許に開示のシステムは非常に小さい
孔、代表的には１００ミクロン以下の小孔を有する流体
導入流路を使用している。非常に小さい孔の使用はイン
ク滴の放出の際のインクキヤビテイからの逆流を制限す
ることが望ましいことによると説明されているが、これ
は層の結合の際やプリントヘッドの正常操作中に目詰り
する傾向があることに難点がある。

【００１０】上記両特許に開示の構造は製造の際、特に
流体路の部分を形成する小さい孔群の近傍での種々の層
群の非常に正確な整合を要求する。更に、種々の流路の
出口を形成するオリフイス板の開孔群はシステムの流体
機構にとって不利な作用効果をもたらす鋭い端縁（エッ
ジ）を有している。

【００１１】それに加えて、オリフイス板に開孔を形成
するのに用いる、代表的にはパンチング、化学エッチン
グ或いはレーザドリル加工を包含する技術に、オリフイ
ス板体の肉厚として分解能を配慮すると約５０ミクロン
に制限されるオリフイス径と同じかそれより小さい寸法
の肉厚の実現を要求する。

【００１２】最後に、流路内に捕り込まれた気泡を容易
に排出出来ないし、またこの気泡が圧縮可能であること
から、システムに気泡が存在すると、この気泡がシステ
ム性能にとって有害な作用効果をもたらす。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来式の液滴放出シス
テム、即ち装置の前述の問題点を解消することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、（ａ）
複数の液放出ノズル；（ｂ）多孔質材料を含み、ノズル
に関連した孔を有する液供給層；及び（ｃ）ノズルを通
じて液滴を放出するための該孔に関連した複数のトラン
スジューサを含んで構成された液滴放出装置が提供され
る。

【００１５】本発明の好適例では、トランスジューサは
圧電素子であり、ノズルは毛管の出口であり、装置は更
に（ｄ）圧電素子が連結しているたわみ板；及び（ｅ）
圧電素子に関連した切抜きが形成されている液キヤビテ
イ層を含んで構成され、当該液キヤビテイ層がひづみ板
に隣接し、且つ液供給層に隣接し、液供給層の孔が切抜
きと関連していて、毛管は孔に配置され、液供給層が液
を多孔質材料から切抜きに流入させ得るように形成され
ている。

【００１６】本発明の第２例によれば、液キヤビテイ層
が省略され、たわみ板が液供給層に直接に隣接してい
る。

【００１７】本発明の第３例によれば、ノズルが液供給
層に隣接したオリフイス板によって形成され、該供給層
がたわみ板或いは液キヤビテイ層に、当該層があるなら
ば、隣接している。

【００１８】本発明の第４例によれば、トランスジュー
サは加熱素子であり、液滴放出が圧電素子の使用による
のではなく熱バブル法によって行われる。

【００１９】

【作用】本発明の装置を用いたインク滴放出は次のよう
にして行われる。圧力パルスがインクキヤビテイ内のイ
ンク体積に、インクキヤビテイの頂部に配置された薄い
たわみ板、即ちダイヤフラムのたわみによって与えられ
る。たわみ板は圧電結晶の電極に電圧を印加したとき、
通常金属のたわみ板と電極の１方が接続している斯かる
圧電結晶の作用によって下方へたわまされる。

【００２０】たわみ板の下方曲折によって生じた圧力パ
ルスはインクを出口、好ましくは出口に収斂ノズルを有
するガラス毛管を通じて出口の方へ駆動して、特定のサ
イズのインク滴の放出を引き起こす。

【００２１】圧電結晶の電圧印加を解除すると、この結
晶はその均衡位置へ帰還して、インクキヤビテイ内の圧
力を低減させ、ガラス毛管の出口端における液面（メニ
スカス）が後退する。この後退した液面（ｍｅｎｉｓｃ
ｕｓ）はガラス毛管内に毛管力を生み出し、これがイン
クをインク貯蔵器からインクキヤビテイへ、そしてガラ
ス毛管内へ引き込むように作用する。この再充填工程は
液面（メニスカス）が平衡位置を得たときに終了する。

【００２２】本発明の装置の別の実施例では、上記のも
のと類似のシステムではあるが、圧電素子とたわみ板に
依存する代りに加熱素子を有し、この加熱素子がインク
を沸騰させてインクの放出を引き起こすようになってい
る。

【００２３】本発明に係るプリントヘッドのキーエレメ
ント即ち、重要な特徴は多孔質材料の存在である。この
材料はインク貯蔵器と個々のインクキヤビテイの両者間
で液体を流通させるものである。好ましくは、ガラス毛
管は多孔質材料に形成した開孔に埋め込まれる。多孔質
材料はインクキヤビテイ壁の１部を規定するのが好まし
い。

【００２４】多孔質材料を適切に選定すると、この材料
はフイルタとして役立ち、インク中に存在する可能性の
ある外部粒子がノズルに到達してノズルを閉塞してしま
う斯かる危険を防止するように作用することが出来る。

【００２５】高液滴放出速度を達成するためには、液滴
放出に引き続くインクキヤビテイの再充填に要する時間
を出来る限り短縮させなければならない。再充填時間は
インクキヤビテイへのインク流入に対する制約を減ずる
ことによって短縮される。しかし、流入制約の低減はク
ロストーク（ｃｒｏｓｓ ｔａｌｋ）の悪影響を増す、
即ち、独立したインクキヤビテイ間の望ましくない相互
作用を強める傾向がある。

【００２６】低クロストークと高再充填速度の矛盾する
要件に関してシステムを最適にすることは、インクの粘
度とノズル形状も考慮の上で、意図した用途のために最
適特性を発揮する多孔質材料を賢明に選定することによ
って可能となる。多孔質材料の重要な特性は細孔サイズ
と流体透過性〔両者を併せて「ミクロングレード」（ｍ
ｉｃｒｏｎ ｇｒａｄｅ）と称す〕、並びに多孔質材料
のマクロとミクロの形態を包含する。

【００２７】上述のように、インクキヤビテイへのイン
ク流入とキヤビテイからのインク流出との間の最適なバ
ランスはインク粘性とノズル寸法によって悪化する。イ
ンク粘度が低下すると、それだけインクキヤビテイの再
充填速度が高まるが、個別のキヤビテイ間のクロストー
クはそれだけ著しくなる。更にノズル出口径が小さくな
ると、ノズルの毛細管作用が顕著になり、従って再充填
速度が高くなる。

【００２８】インクジェットプリントヘッドは一般に
は、インクキヤビテイに対し出入するインク流路（チア
ネル）の寸法が所定粘度の具体的なインクと具体的なノ
ズル径にとって最適となる音響インピーダンス（ａｃｏ
ｕｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）を有するように設計
される。違うノズル径及び／或いは違う粘度のインクに
係るプリントヘッドを使用したいと望むならば、プリン
トヘッド流路はこの新なノズル径及び／或いは粘度のイ
ンクを許容するように再設計する必要がある。

【００２９】これとは対照的に、本発明に係る多孔質材
料の使用によれば、異なる粘度のインク及び／或いは異
なるノズル形状が使用されるときでさえ、同一のプリン
トヘッド形状と構造を維持することが可能である。流路
の音響インピーダンスの最適化は適切なミクロングレー
ド等の適切な特性を有する適切な多孔質材料を正しく選
定するだけで可能になる。

【００３０】本発明に係る多孔質材料の使用は、流路の
再設計を要さずにプリントヘッドを最適化することが出
来ることとは別に、従来のような小さな、詰り易いイン
クキヤビテイに至るインク導入開孔の必要性を排除す
る。

【００３１】本発明に係る多孔質材料の使用によって与
えられる更に別の利点は、フイルタとして機能して、流
入インクに対し特別なろ過の必要性を減じたり、或いは
完全に回避するという多孔質材料の能力である。

【００３２】本発明に係る多孔質材料を含むプリントヘ
ッドの製作は、複雑で高価なミクロ工作を要さずに簡単
な製作技術を用いて実行することが出来る。

【００３３】

【実施例】本発明は、従来のプリントヘッドにとって代
り得る、以下の記述通りの改良特性を有するインクジェ
ットプリントヘッドに関するものである。ここでの説明
は全体的にはプリント目的のためにインク滴を放出する
システムに大いに関係したものになっているが、本発明
に係るシステムと方法がインク放出に限定されるもので
はなく、このシステムと方法が多種類の非圧縮性流体、
即ち液、の放出にとっても適用出来るものであることは
理解されるであろう。ここでは本発明に係るシステムの
これら全ての液への適用を本発明の範囲に包含してい
る。本発明の記述は大いにインクジェットプリント用途
に局限されているが、これは単に説明用としてであっ
て、本発明の範囲を限定するものではない。本発明に係
るシステムは、約４０dynes ／cmより大きな表面張力と
約５０cps より低い粘度を有する色々な種類の非圧縮性
の流体滴を放出するのに適用して有用である。

【００３４】本発明に係るプリントヘッドの原理と作用
は添付図面を参照すると一層良く理解される。図におい
て、図１と２は分解品の斜視図と組立品の断面図により
本発明に係るプリントヘッドの好適例の構造を夫々示し
ている。

【００３５】本例のプリントヘッドの構造は３種の層、
即ち活性層１０、インクキヤビテイ層１６及びインク供
給層２０を含む。活性層１０はダイヤフラム、即ちたわ
み板（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｐｌａｔｅ）１２を含
む。このたわみ板１２はステンレススチールに限定され
るものではないが、これを包含する適宜の材料で製作さ
れる。たわみ板１２の上面にはトランスジューサが連結
されており、このトランスジューサは好ましくは圧電素
子であって、最も好ましくはデイスク形のものである。
用語「トランスジューサ」は、ここでは流体滴の放出を
引き起こす力やエネルギーを用いるメカニズム（機構）
を指すものであり、この機構は圧電素子や後述の熱バブ
ル法における加熱素子を包含するが、これらに限定され
るものではない。例示目的のために、図１には４個の圧
電素子１４が示されているが、その個数自体は都合の良
い個数であり得る。

【００３６】たわみ板１２は好ましくはステンレススチ
ール製であり、約５０ミクロン厚である。ガラスやアル
ミナ等の他の材料も使用出来るが、圧電素子が結合され
るたわみ板１２の面は導電体でなければならない。これ
は当該面を、例えば圧電素子１４の両面を、ニッケル、
金或いは銀の電極を使用して金属被覆することにより達
成される。圧電素子は導電性のエポキシの薄層を介して
たわみ板１２の上面に簡単に結合させることが出来る。

【００３７】適当な板厚の範囲は、選定された板材料と
その弾性率に依存して、約３０−約１００ミクロンと考
えられている。

【００３８】圧電素子１４、代表的にはＰＺＴ材料製
で、好ましくはデイスク形であるが、正方形、四角形及
び八角形を（これらに限定されないが）包含する、斯か
る他の形状のものであり得る。デイスク形（円板形）の
圧電素子はトランスジューサの効率に関して正方形や四
角形のものより優れていると考えられる。しかし、デイ
スク形圧電素子の製造費は比較的高く、しかもたわみ板
に素子を個々に位置付けることが必要である。圧電素子
の厚みはたわみ板１２の厚みの約２〜約２．５倍が好ま
しい。

【００３９】圧電素子の費用は、大きな圧電シートをた
わみ板１２に先ず結合し、次いでこのシートを、例えば
八角形にダイヤモンド鋸、レーザ或いは選択化学エッチ
ングによって切断する方法で製作することにより、素子
の性能を実質的に阻害させることなく低減させることが
出来る。

【００４０】円形や八角形の圧電素子の直径、即ち有効
径は約２mmが好ましい。プリントヘッドの全体設計から
見て、隣接放出ノズル間の最大距離によって課せられる
制限の下で、これより大きな直径も適用可能である。

【００４１】インクキヤビテイ層１６、好ましくはステ
ンレススチールシート製やポリイミド等のポリマーシー
ト製であり、これは活性層１０の下に配置される。イン
クキヤビテイ層１６は好ましくは円形の切抜き（ｃｕｔ
ｏｕｔｓ）１８を具備するように形成される。この切抜
きは各々対応する圧電素子１４と整合しており、各切抜
きはインクキヤビテイ層の頂面が活性層１０の底面並び
にインク供給層２０の頂面に結合したとき（図２）に個
別のインクキヤビテイ（空胴）を形成する。

【００４２】インクキヤビテイ層１６は好ましくはステ
ンレススチール板で作られ、約２００ミクロン厚にする
のが好ましい。切抜き１８の断面積はＰＺＴ素子等の圧
電素子１４の断面積より約１０％大きいものが好まし
い。切抜き１８の代表的な直径は約２．２mmである。

【００４３】切抜き１８はパンチング、レーザ切削、Ｅ
ＤＭ、化学エッチング及びドリル加工に限定するもので
はないが、これらを包含する種々の方法手段によって形
成され得る。切抜き１８によって形成されたインクキヤ
ビテイは、例えば正方形や円形等の如何る形状のもので
もあり得るが、好ましくは上述のように圧電素子１４よ
り約１０％大きい断面積を有していて且つ圧電素子１４
と同じ形状のものである。

【００４４】インクキヤビテイ層１６はたわみ板１２
に、適宜の方法で、例えばエポキシ接着剤や半田付け等
によって結合させることが出来る。インクキヤビテイ層
１６の肉厚は、インクキヤビテイの高さを規定し、且つ
切抜き１８のサイズと形状と併せてインクキヤビテイの
容積を決める。この容積は、たわみ板１２がインクキヤ
ビテイの中に曲入したときにキヤビテイ内のインク圧が
著しく上昇するようにするために小さな値にするのが好
ましい。インクキヤビテイ層１６の厚さは約１００から
約２００ミクロンの範囲にするのが好ましい。

【００４５】インクキヤビテイ１６は上述の肉厚で且つ
ドリル加工やフオトフォーミング法によって配設された
切抜き１８を有する接着性フイルムや板から形成するこ
とも可能である。

【００４６】インクキヤビテイ層１６はその下面におい
て、適宜の多孔質材料を含むインク供給層２０に結合さ
れる。多孔質材料は好ましくは焼結材で、その中で最も
好ましいのは適切な特性を有するステンレススチール多
孔質板である。この焼結ステンレススチールは多量の供
給元、例えば米国、コネチカットのＭｏｔｔ Ｍｅｔａ
ｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｃｏｒｐ．から入手可能であり、
この材料は種々のミクロングレードのシートサイズと肉
厚のものである。

【００４７】インク供給層２０は、その頂、底面間に延
在する孔の各々がインクキヤビテイ層１６の円形切抜き
１８と連携した、斯かる孔２２を具備するように形成さ
れる。孔２２を切抜き１８より小さくして、多孔インク
供給層２０にインク貯蔵器（図示省略）から、例えばそ
の側面２４を通って入ったインクがその頂面を通って矢
印２６（図２）によって示すようにインクキヤビテイに
流入することを可能にしている。

【００４８】インク供給層２０の孔２２とインクキヤビ
テイ層１６の切抜き１８の中心線は好ましくは一致整合
させる。インク供給層２０は好ましくは約０．５mmから
数mmの範囲の層厚を有している。孔２２は、好ましくは
約８００ミクロンの直径を有していて、下記のガラス毛
管を保留するのに使う。この孔２２はＥＤＭによる工作
法、従来手段によるドリル加工法或いはレーザによるド
リル加工法を包含する適宜の技術によって作成すること
が出来る。

【００４９】本発明の好適例では、多孔質材料はガラス
毛管２８を内部に保留する構造にする。その結果、孔２
２の間隔と孔径は狭い公差のものになるように孔工作を
行う必要がある。ＥＤＭ工作によれば０．００５mm程度
の小さい公差に抑えることが出来るが、従来式ドリル加
工法によれば０．０１mm程度の公差にしか低減し得な
い。

【００５０】多孔インク供給層２０の上面は、好ましく
は適当に配位した孔を有するドライエポキシフイルム接
着剤或いは高粘性のエポキシを用いて、インクキヤビテ
イ層１６に結合される。上記接着剤フイルムの場合に
は、フイルムの孔は切抜き１８より幾分大き目にして、
それにより接着剤がキヤビテイの、例えば矢印２６の領
域（図２）にある多孔質材料の小開孔群を覆うことのな
いようにする。他の方法として、例えば半田付け法や拡
散結合法等を用いることが出来る。但し、結合する材料
は例えばウイッキング作用（ｗｉｃｋｉｎｇ ａｃｔｉ
ｏｎ）によって多孔材料に侵入しないことを条件とす
る。

【００５１】インク供給層２０を作り上げる多孔質材料
は好ましくは以下の多重作用効果を発揮する。 （ａ）多孔質材料（ポーラス材料）によりインクをその
貯蔵器から、好ましくは多孔質材料の１以上の側面、頂
面或いは底面を通って、個別のインクキヤビテイに、好
ましくは矢印２６で示すようにインク供給層の頂面を通
じて流入させることが出来る。しかし、実際の流れパタ
ーンは正確な形態に依存する。 （ｂ）多孔質材料はインク貯蔵器側にあるその導入口部
分からインクキヤビテイに入るまでの多孔質材料内の移
動中にインクをろ過する。 （ｃ）多孔質材料は上述のようにシステム性能を最適に
するための最適のアコーステイック インピーダンス
（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）を与える。 （ｄ）多孔質材料はガラス毛管が適切に保留される構造
を与える。

【００５２】インクキヤビテイに流入させるために開い
ている多孔質材料のミクロングレード（ｍｉｃｒｏｎ
ｇｒａｄｅ）と表面積はインクキヤビテイの再充填時間
に、それ故に最大滴放出速度或いは頻度に、決定的な影
響を有している。例えば、４．２mm² の開面積で且つ
０．５ミクロングレードの多孔質材料の場合には、最大
放出頻度は実験的に、１cps の粘度を有する１００ピコ
リットル（ｐｉｃｏｌｉｔｅｒ）の流体滴に対し約２kH
z であることが見い出された。０．８ミクロングレード
の多孔質材料と、上記のものと同じ流体と滴体積の条件
では、最大放出頻度は約４kHz であることが見い出され
た。

【００５３】インク供給層２０の各孔２２に適宜の態様
で連結された適当な毛管２８は好ましくはガラス毛管で
あるが、これは入口３０と出口であるノズル３２を有す
る真直な毛細管を含む。好ましくはこの毛管２８はその
液滴を放出する出口ノズル３８の近くで約５０ミクロン
の直径を有する収斂形（先細り）毛管である。

【００５４】ガラス毛管２８は、多孔インク供給層２０
の孔２２に、毛管入口３０が層２０の上面と同一平面上
に配位し、他方毛管出口３２が層２０の下面を越えて突
出するように挿入するのが好ましい。エポキシ接着性層
３４或いはこれに類似の材料を用いて、これを層２０の
下の毛管２８の間の空隙に充填して、これでガラス毛管
２８を保持させ且つ層２０の下面を封止る。

【００５５】毛管２８は好ましくは水晶製のガラス毛管
やホウケイ酸塩製の毛細管である。この毛管は好適例で
は約８００±５μｍの外径と約５００±５ミクロン（μ
ｍ）の内径を有している。収斂形ノズル３２は毛管２８
の１端に形成されている。この毛管２８の製作は種々の
方法で行うことが出来る。好ましくは、毛管の適当な個
所に当てる放電アークやレーザビームを用いて毛管を加
熱しながら回転させることにより製作される。この場合
の加熱はガラス粘性を低下させるのに役立つ。ガラス粘
性が特定の下限を下まわるときは、加熱個所の毛管内壁
が流れ始めて半径内方へ収斂し、狭いスロート（ｔｈｒ
ｏａｔ）を形成する。毛管２８のスロートの直径並びに
収斂部分の外形はガラス温度と加熱時間の調節によって
正確に制御することが出来る。３００ドット／インチ
（dpi ）の分解能を有するプリントヘッドの用途では、
スロートの直径は約５０ミクロンが好ましい。上記方法
によってそれより格段に小さい直径のものが実現出来る
し、これらは特定の用途で望ましいものである。

【００５６】ガラスをスロートで切断するのは、強力な
レーザビームを用いて行うことが出来る。このビームは
きれいな仕上面をもたらす。毛管をスロートにおいてダ
イヤモンド鋸によって切断し、次いで切断面を研磨する
ことも可能である。毛管の入口端は同様の方法で切断す
ることが出来る。組立品を完成させるために、ガラス毛
管２８はその入口３０が多孔インク供給層２０の上面と
同一平面上に配位するように、孔２２に挿入される。

【００５７】図３に示すもう１つ別の実施例の装置は図
１と図２に示すものとは圧電素子１４の代りに複数の加
熱素子１１４が配設されていることを除き類似してい
る。加熱素子は前者がインク放出を引き起こす高圧を生
み出すようにインクキヤビテイ内のインクを沸騰させる
ものである。即ちこの例の装置は前述の熱バブル式技法
を用いるものである。加熱素子１１４はインクキヤビテ
イ内にあるインクを加熱することが出来るように配置さ
れており、好ましくは頂板１１２の下面に連結される。
この頂板１１２はたわみ板（図１，２）の場合のように
は可撓性を有していない。加熱素子１１４は熱インクに
よる化学的並びに物理的な攻撃の悪作用を除くように適
当に被覆するのが好ましい。

【００５８】図４には図１と２の例に類似の本発明の別
の実施例が示されている。図４の本例ではインクキヤビ
テイ層１６（図１，２）は除かれているが、インクキヤ
ビテイ自体は下記のように別の態様で設けられている。

【００５９】図４の例では、インク供給層２０は多孔質
材料を含み、且つ圧電素子１４の直径より約１０％大き
く、代表的には約２−約２．５mmの範囲内にある直径の
孔２２を有している。孔２２の中心線は好ましくは圧電
素子１４の中心線と一致している。

【００６０】孔２２は多孔インク供給層２０の孔周壁の
上部にある細孔群に開通しているように工作される。こ
れによって、インクは下記の説明のように多孔質材料か
らインクキヤビテイへの流入が許容される。

【００６１】孔２２の直径よりやや小さい外径のガラス
毛管２８を孔２２に挿入する。毛管２８の入口３０がイ
ンク供給層２０の上面と同一平面上にある図１，２の例
と違って、図４の例では毛管２８の入口３０はインク供
給層２０の頂面の平面より幾分下に配位させ、それによ
って頂部がたわみ板１２で、底部が毛管２８で、そして
側部が多孔インク供給層２０の孔２２の内壁で夫々限定
されているインクキヤビテイが形成される。

【００６２】インクは多孔インク供給層２０から移動し
て点線矢印３６（図４）で示すようにインクキヤビテイ
に入る。滴放出に引続くインクキヤビテイのインク再充
填の際のインク流を生み出すインク供給層の有効面積は
インクキヤビテイの円周にキヤビテイ高さを乗算するこ
とにより算出される。上述の好適例で述べたように、本
例でも、多孔質材料の開通面積とミクロングレードは最
適な流体インピーダンスとシステム性能を提供するよう
に選定される。

【００６３】図５には本発明の第３の実施例が示されて
いる。そのプリントヘッドの構造は好適例（図１，２）
に示すものと類似している。しかし、図１と２のガラス
毛管２８は一連のオリフイス４０を有するオリフイス板
３８によって置換されている。

【００６４】オリフイス群４０を有するオリフイス板３
８は適宜の材料を用いて作られる。好ましくは、これは
約０．１−約１mmの範囲の肉厚を有する溶融シリカシー
ト等の薄いガラスシート製である。各オリフイス４０は
適宜のタイプの適切に指向させたレーザビームの短パル
スを用いて形成され得る。ビーム強度、ビーム径及びパ
ルス期間を適当に選定することにより、約５０ミクロン
の開孔がレーザ源に近いガラス側に相対的に大径の開孔
となるベルマウス形に形成され得る。好ましくは、ガラ
スシートを、先ずインク供給層２０の下面に結合し、こ
の結合の後にこのガラスシートにオリフイス４０を形成
する。インク供給層２０の孔はレーザビームの直径より
はるかに大きいので、オリフイス４０の形成は、層２０
にガラスシートを結合した後でもインク供給層２０の孔
を損傷させることなく簡単に実行することが出来る。イ
ンク供給層２０にガラスシートを結合した後のオリフイ
ス形成は、オリフイス４０の位置と間隔を正確に設定す
ることが可能になる。

【００６５】代表的には約５０ミクロン径のオリフイス
群４０を有するオリフイス板３８は電気メッキを（これ
に限定されるものではないが）包含する他の種々の技法
によっても形成することが出来る。オリフイス板３８は
オリフイス４０の中心線が多孔インク供給層２０の対応
する孔２２と整合するように、この層２０に結合され
る。

【００６６】図６には本発明の第４実施例が示されてい
る。図５の例のようにオリフイス板３８は使用される
が、図５の例とは違い、図４の例に類似するように、イ
ンクキヤビテイ層１６が除かれていて、代りにインクキ
ヤビテイ自体が図４の例で説明した態様で提供されてい
る。

【００６７】次に図７参照して説明する。この図は多重
ノズルプリントヘッドのプリント用紙の側から見た平面
部分図である。図７には、互いに水平方向で食い違い配
置（千鳥足状）或いは斜め配置された水平列群の陣列と
して配設されたノズル群３２の構成体が示されている。
プリントヘッドは紙の全幅に亘って延在するのが好まし
い。紙全域に書き込むことはヘッドと紙５０の間の相対
的垂直動作によって実行出来る。例えば、プリントヘッ
ドを静止させ、他方紙を垂直に移動させる。

【００６８】任意の１列からの滴放出の他の任意の１列
に対するタイミングは両列間の紙の走行時間に等しくす
る。従って、例えば紙面の所定垂直位置に水平実線を書
くためには、各列のノズル群からインク滴を、当該所定
紙位置が当該ノズル列の向い側を通るときに、放出させ
る。

【００６９】種々のノズル列間の食い違いの程度は、紙
が移動したときに、種々のノズルから生れるインク滴の
痕跡が部分重複（オーバラッピング）しない、本質的に
等間隔の平行線を規定することが出来る程度である。こ
れらの線のスペーシングはヘッドの有効水平分解能を定
める。

【００７０】隣接ノズル間の最小距離はトランスジュー
サのインクキヤビテイの最大寸法によって定まる。この
距離は代表的には１インチの１／８である。従って、ノ
ズルは例えば７．５本／インチになるだけ水平方向に離
間させ得る。高品質プリンタでは代表的な分解能である
３００ドット／インチの有効水平分解能を達成するため
には、ノズルの総数はこの例では単１列のノズル数の４
０倍でなければならない。従って、完全なヘッドでは４
０個の相互食い違い配置列群が要求される。

【００７１】有効な製作と用役の理由から、プリントヘ
ッドを水平方向或いは垂直方向で幾つかの等区分体、即
ちモジュール４２に分割することが好ましい。図８はこ
の種の垂直方向に隣り合うモジュール４２から構成され
たヘッドの１例を構成的に示している。剛体フレーム４
６は、各モジュール用の１対の位置決めピン４８をその
両側辺に沿って具備している。ピン４８はモジュール４
２の対応する端部にある孔４３とスロット４４と係合す
る。ピン４８の水平位置は、各モジュール４２がその適
切な食い違い配置で以って配位するべき位置である。

【００７２】紙面の全幅に亘って分解能１杯に同時にプ
リントする上述のようなヘッドを用いると、ページ／分
の単位の達成可能なプリント速度は相対的に高速度−従
来のドロップ・オン・デマンド式プリンタより格段に高
速度−で、現在市販のレーザプリンタに比肩し得るもの
になり得る。低プリント速度で充分であるならば、その
場合には比例的に小さいヘッド（即ち、相対的に数少い
ノズルを有するヘッド）を使用することが出来るが、そ
のときはヘッドと紙の両者間の２次元作動が必要であ
る。

【００７３】２次元作動のプリンタ例は図９に示されて
いる。ヘッドは紙５０の全高に亘って延在し、等間隔の
水平ラインを規定するように垂直方向に食い違っている
４本の垂直列の陣列（アレイ）を含む。このヘッドは繰
返し紙面を横切りながら当該水平ラインに沿ってインク
滴を放出する。各横切りの後に、紙は垂直方向に１分解
能単位（ｏｎｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｕｎｉｔ）だ
け移動させ、それにより次の組の水平方向のインク痕跡
が前の組の痕跡の間近に隣接するようにする。この操作
は全インタラインスペース（ｆｕｌｌ ｉｎｔｅｒｌｉ
ｎｅ ｓｐａｃｅ）が痕跡で覆われるまで続ける。例え
ば、各列が７．５本のノズル／インチを有しているなら
ば、４列が１／３０インチの間隔で３０ライン／インチ
を規定する。この場合には、全ページ面積をカバーする
のに、紙を１度に１／３００インチ移動させる間に、ヘ
ッドを１０回横切らせることになる。このプリンタは従
来のドロップ・オン・デマンド式プリンタより速いもの
であり得る。

【００７４】

【発明の効果】本発明によれば、インク等の液体の液滴
放出装置が高い工作精度を要さずに製作され、しかも液
粘度に影響されない最適な設計の構造で以って高放出速
度を可能にする高性能を発揮することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適例に係る圧電素子式のインクジェ
ットプリントヘッドの分解斜視図である。

【図２】図１のプリントヘッドの組立品の断面説明図で
ある。

【図３】図１の例に類似しているが、頂板の下面に連結
した加熱素子を有する熱バブル式のプリントヘッドの組
立品の断面説明図である。

【図４】図１の例に類似しているが、インクキヤビテイ
層を有していないインクジェットプリントヘッドの他の
例を示すその組立品の断面説明図である。

【図５】図１の例に類似しているが、ガラス毛管に代り
オリフイス板を用いた、本発明に係るインクジェットヘ
ッドのもう１つ別の例を示すその組立品の断面説明図で
ある。

【図６】図５のものとはインクキヤビテイ層がないこと
に違いのある例の組立品の断面説明図である。

【図７】多重ノズルプリントヘッドの斜行ノズル配置を
示す説明図である。

【図８】フレーム上で組立られた本発明に係る多数のプ
リントヘッドを示す平面部分図である。

【図９】プリントヘッドと基材が動く二元動作プリンタ
の説明図である。

【符号の説明】

１０…活性層 １２…たわみ板 １４…圧電素子 １６…インクキヤビテイ層 １８…切抜き（孔） ２０…インク供給層 ２２…孔 ２４…供給層の側面 ２６…矢印（液流入の） ２８…ガラス毛管 ３０…毛管入口 ３２…ノズル（毛管出口） ３４…エポキシ接着性層 １１２…頂板 １１４…加熱素子 ３８…オリフイス板 ４０…オリフイス ４２…モジュール ４３…孔 ４４…スロット ４６…剛体フレーム ４８…位置決めピン ５０…紙（プリント用紙）

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）複数の液放出ノズル； （ｂ）該ノズルに関連した孔を有する、多孔質材料を含
   む液供給層； （ｃ）該ノズルを通じて液滴を放出するための、該孔に
   関連した複数のトランスジューサを含んで構成された液
   滴放出装置。
2. 【請求項２】 該多孔質材料が焼結材料を含む、請求項
   １に記載の装置。
3. 【請求項３】 該トランスジューサが圧電素子である、
   請求項１に記載の装置。
4. 【請求項４】 該ノズルが毛管の出口であり、装置は更
   に： （ｄ）該圧電素子が連結しているたわみ板；及び （ｅ）圧電素子に関係した貫通切抜きが形成されている
   液キヤビテイ層を含んで構成され、該液キヤビテイ層が
   該たわみ板に隣接し且つ該液供給層に隣接しており、該
   液供給層の該孔は該切抜きに関係しており、該毛管は該
   孔に配置され、該液供給層が液を該多孔質材料から該切
   抜きに流入させ得るように構成されている、請求項３に
   記載の装置。
5. 【請求項５】 該トランスジューサが圧電素子であり、
   該ノズルが毛管の出口であり、装置が更に： （ｄ）該圧電素子が連結しているたわみ板を含んで構成
   され、該たわみ板が該液供給層に隣接しており、該液供
   給層の該孔が液キヤビテイとして機能し、該毛管が該孔
   に配置されている、請求項１に記載の装置。
6. 【請求項６】 該トランスジューサが圧電素子であり、
   装置が更に： （ｄ）該圧電素子が連結しているたわみ板； （ｅ）該圧電素子に関連している貫通した切抜きの形成
   された液キヤビテイ層であって、該たわみ板に隣接し且
   つ該液供給層に隣接している斯かる液キヤビテイ層；及
   び （ｆ）該ノズルを形成する貫通孔が形成されている該液
   供給層に隣接したオリフイス板を含んで構成され、該液
   供給層が液を該多孔質材料から該切抜きに流入させ得る
   ように構成されている、請求項１に記載の装置。
7. 【請求項７】 該トランスジューサが圧電素子であり、
   装置が更に： （ｄ）該圧電素子が連結したたわみ板；及び （ｅ）該液供給層に隣接していて、該ノズルを形成する
   貫通孔が形成されているオリフイス板を含んで構成さ
   れ、該液供給層の該孔が液キヤビテイとして機能してい
   る、請求項１に記載の装置。
8. 【請求項８】 該トランスジューサが加熱素子であっ
   て、装置が更に： （ｄ）頂板； （ｅ）該加熱素子に関連する貫通した切抜きが形成され
   ている液キヤビテイを含んで構成され、該液キヤビテイ
   層が該頂板に隣接し且つ該液供給層に隣接しており、該
   液供給層の該孔が該切抜きに関連しており、該液供給層
   が液を該多孔質材料から該切抜きに流入させ得るように
   構成されている、請求項１に記載の装置。
9. 【請求項９】 該トランスジューサが加熱素子であっ
   て、該ノズルが毛管の出口であり、装置が更に： （ｄ）該液供給層に隣接した頂板を含んで構成され、該
   液供給層の該孔が液キヤビテイとして機能している、請
   求項１に記載の装置。
10. 【請求項１０】 該トランスジューサが加熱素子であ
    り、装置が更に： （ｄ）頂板； （ｅ）該加熱素子に関連した貫通切抜きが形成されてい
    る液キヤビテイ層であって、該頂板に隣接し且つ該液供
    給層に隣接している斯かる液キヤビテイ層；及び （ｆ）該ノズルを形成する貫通孔が形成され、該液供給
    層に隣接しているオリフイス板を含んで構成され、該液
    供給層の該孔が該切抜きに関連していて、該液供給層が
    液を該多孔質材料から該切抜きに流入させ得るように構
    成されている、請求項１に記載の装置。