JPH081930A - インクジェットヘッド - Google Patents

インクジェットヘッド

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JPH081930A
JPH081930A JP6133178A JP13317894A JPH081930A JP H081930 A JPH081930 A JP H081930A JP 6133178 A JP6133178 A JP 6133178A JP 13317894 A JP13317894 A JP 13317894A JP H081930 A JPH081930 A JP H081930A
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ink
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slit
jet head
ink jet
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Tomoaki Takahashi
智明 高橋
Iwao Hirayama
巌 平山
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    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters 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
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2002/14475Structure thereof only for on-demand ink jet heads characterised by nozzle shapes or number of orifices per chamber
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2202/00Embodiments of or processes related to ink-jet or thermal heads
    • B41J2202/01Embodiments of or processes related to ink-jet heads
    • B41J2202/10Finger type piezoelectric elements

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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 インクジェットヘッドにおける印字の高速化
および高品質化を図る。 【構成】 流路基板1に積層されるノズルプレート10
は、各インク流路の先端中央部に対向する位置にノズル
孔11がそれぞれ配設してある。ノズル孔11の形状
は、断面が円柱部11aと外周部11bとの間にスリッ
ト状孔部11cを有する実質的に円環状をなしている。
インク流路でエネルギーを付与されたインクは、ノズル
孔11から射出するときに、スリット状孔部11cの幅
が狭くノズル部の表面張力が大きいために容易に分離さ
れる。円柱状の場合のように尾を引かずに円環状になっ
て飛び出し、すぐに球状にまとまり、インク滴先端が記
録紙に到着すると直ちに終了する。このため、応答速度
が速くなるとともに、インクドットの形状が整ったもの
となり印字品質が向上する。また、スリット孔状部の外
周壁のインク射出方向に対する傾斜角をθ1、内周壁の
傾斜角をθ2とすると、θ1≧|θ2|となるように形成
すると、インク滴のまとまりがさらによくなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、インクジェットヘッド
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】インクジェット式プリンタを構成するイ
ンクジェットヘッドには、共通インク室からインク流路
に供給されたインクに対し、圧電素子の振動によってエ
ネルギーを与え、インク流路の末端に設けられたノズル
から紙面に向けてインク滴を射出させるオンデマンドタ
イプをはじめ各種の形式のものがある。従来、ノズルの
基本的形状は、インクの射出側に向かって小径となる円
錐台状であったが、インクジェット式プリンタの印字精
度は射出されるインク滴の形状に左右されるため、ノズ
ルの形状に種々の工夫が凝らされている。例えば特開昭
54−59139号公報の第4図(a),(b)には、
円柱状のノズルの内部に中空細管や円柱状細棒を多数配
置した構成が示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、ノズ
ルの形状を円錐台形に形成したノズルでは、ノズル部の
表面張力が小さいため、インク滴が射出される際にイン
ク滴に引きずられて射出方向に長く伸びた尾が形成され
る。この尾を含めたインク滴の長さは1mmにもなって
しまうことがあるため、サテライトが多発し印字品質の
低下や地汚れの原因になっている。
【0004】また、インクジェットヘッドでは、ノズル
の先端部にあったインクを射出した後は、反動でノズル
部に空気が入り込み、いわゆるメニスカスがノズル内部
に後退する。一旦後退したメニスカスは、表面張力によ
って除々に元に戻り、初期状態に戻ることによってイン
クの再充填が完了する。従来技術では、ノズル部の表面
張力が小さいため、この再充填に長い時間を要しヘッド
高速化の妨げとなっていた。
【0005】特開昭54−59139号のような構成と
すると、ノズル内部の構成が非常に複雑になり、インク
に対する接触面積が極めて大きくなる。従って、流路抵
抗が大きく、インク射出のエネルギー効率の低下を招く
ことになる。また、細管や細棒によってインクの通路が
複数に分割されており、場所によって流路抵抗の異なる
部分が生じるためインク射出特性の把握が難しく、様々
な条件下でインク滴量などを常に一定に保つよう調整す
るのが困難である。そして、小径のノズル内にさらに微
細な細管や細棒を多数挿入するため、製造は極めて面倒
である。
【0006】そこで本発明の目的は、インク滴の伸長を
防止しサテライトの多発を防止するとともに、インクジ
ェットヘッドの製造工程をあまり面倒にすることなく、
印字の高速化及び高品質化を実現することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明は、複数のインク流路と、これらのインク流
路の各々に対応するノズル孔とを備えたインクジェット
ヘッドにおいて、これらの各インク流路の先端中央部と
対向する円柱部と、これらの各円柱部の周囲に位置し、
各インク流路と連通するスリット状孔部と、円柱部とス
リット状孔部の外周壁とを連結する連結部とを有し、ノ
ズル孔の断面形状が実質的に円環状をなすように形成さ
れていることを特徴とする。
【0008】インクジェットヘッドはインク流路が形成
されている流路基板と、ノズル孔が形成されているノズ
ルプレートとが積層された構成にすることが望ましい。
【0009】ノズルプレートに形成されるノズル孔は、
スリット状孔部の外周壁のインク射出方向に対する傾斜
角をθ1、内周壁の傾斜角をθ2としたときθ1≧|θ
2|となるように形成することが望ましい。
【0010】
【実施例】以下本発明の一実施例について図面を参照し
て説明する。図2に示すように、基板1の上面にこれよ
り小面積の圧電性板2が接着剤3を介して積層してあ
る。圧電性板2は、基板1の前半部に積層してあり、こ
の圧電性板積層部1a以外の後半部分は露出部1bとな
っており、後述の導電パターンの端子部(図示略)は、
基板の露出部1bの上面に露出している。
【0011】圧電性板2の上面には、板厚方向に向けて
複数の流路用の溝部4がそれぞれ平行になるように刻設
してある。各溝部4の深さは、実質的に圧電性板2の厚
さの2倍の深さであり、溝部の後端部は、圧電性板積層
部1aと露出部1bとの境界近傍に位置している。
【0012】各溝部4の両内側面の圧電性板の部分に
は、Crの電極層5が形成してあり、この電極層は基板
の上面に設けてある端子部(図示略)と電気的に導通さ
れている。各溝部4…の後端部が位置する圧電性板2の
上面には、角棒状のインク供給用のマニホールド6が設
けてある。マニホールド6には図示しないインク供給パ
イプが接続してあり、このパイプから全溝部4に連通し
ている。
【0013】圧電性板2の上面には、各溝部4の開口部
を塞ぐように上蓋7が接着剤8を介して積層してある。
上蓋7の後端辺はマニホールド6の前面と一致してお
り、各溝部4の開口部を塞ぐことによりインク流路9…
を構成している。
【0014】基板1と圧電性板2と上蓋7とによって構
成されるインク流路9の先端開口部を有する辺には、ノ
ズルプレート10が当接接合してある。ノズルプレート
10には、各インク流路9の開口部と対向する位置に円
環状をなすように形成されたノズル孔11…が設けてあ
り、ここからインク流路内に供給されたインクを噴射可
能である。
【0015】ノズルプレート10は、後述するように強
度及び精度を向上させるために、ニッケル材を用いて電
鋳法により製作したものを採用している。ノズルプレー
ト10は流路基板1の端部に接着剤(図示略)を介して
積層されている。なお、このほかノズルプレートとして
は、感光性ガラスやセラミック材や有機高分子材(ポリ
イミドなど)を用いエキシマレーザや炭酸ガスレーザに
よって加工したものや、プラスチック成形によって形成
したものでもよい。
【0016】図1に示すように、ノズル孔11は実質的
に円環状をなすように形成されている。すなわち、ノズ
ル孔11は、インク流路9の先端中央部と対向する円柱
部11aと、ノズル孔の外周壁11bとの間に区画形成
されたスリット状孔部11cとによって構成されてい
る。円柱部11aは、2か所で連結部11d,11dを
介して、外周壁11bに連結・保持されている。
【0017】次に動作について説明する。図2におい
て、溝部4の両側壁に形成された電極層5,5にそれぞ
れ同極性の電圧を印加すると同時に隣接する溝部の電極
には、背中合わせの溝部の電極層の印加電圧とは逆極性
の電圧を印加する。すると、対向する圧電性板の対向す
る側壁部が、互いに近ずく方向に変形して溝部の断面を
小さくするように作用する。このために、インク流路9
に供給されているインクは加圧されノズル孔11から射
出されて前方にセットされた記録紙(図示略)上に付着
する。
【0018】ノズル孔に充填されたインクが射出され、
インク滴が記録紙に付着するまでの過程については、米
国ロスアラモス研究所が開発した差分法を用いた流体解
析ソフトウェアであるSOLA−VOF法シミュレーシ
ョンを用いて説明する。
【0019】図3(a)は、円筒状のノズルを用いた従
来技術における状態を示すもので、インク滴が尾を引い
て飛翔する状態が示されている。射出されたインク滴
は、長い尾を引いているためにメインのインク滴が記録
紙に到着した後かなりの時間尾を引いた部分が飛翔して
いることを示している。
【0020】これに対し、図3(b)は、本発明におけ
るノズルを用いた場合のインク滴の状態を示すもので、
ノズルから押し出されようとするインク滴は、円環状に
なって飛び出し、ノズル部の表面張力が大きくなってい
るためにノズル孔内のインクと容易に分離し、ほとんど
尾を引かない状態で射出される。円環状のインク滴は射
出後すぐに再度合体し球状にまとまって飛翔する。イン
ク滴は尾を引かないために、メインのインク滴が記録紙
に到着すると、直ちにインクの飛翔状態が終了すること
を示している。
【0021】このように本発明におけるインク滴が従来
技術におけるように尾を引かずに球状化して飛翔するの
は、本発明におけるノズル孔は実質的に円環状のスリッ
トに形成されているので、ノズル部の表面張力が大きく
なり、流路内のインクに加えられた圧力によってメイン
インク滴が射出された後は、表面張力によってインク滴
は直ちに分離してしまうためである。
【0022】具体例として、従来技術では、射出速度が
22.8m/sでインク滴量が143pl(ピコリット
ル)の条件でインク滴の長さが1mm以上あったもの
が、本発明では、射出速度が13.1m/sでインク滴
量が180plの条件でインク滴の長さが0.06mm
と極端に短くなる。また、表面張力が大きくなったこと
により、ノズル内においてインク射出後のスペースにイ
ンクが再充填され、次のインク滴射出可能な状態に戻る
時間が短縮されるので、応答周波数が向上する利点があ
る。なお、図3(a),(b)では、従来例と本発明と
で最充填速度が同程度に見えるが、これはインク射出量
の違いに起因するものであり、等量のインク滴を射出す
る条件の下では本発明の方が従来例よりも最充填速度が
速くなるものと想定される。
【0023】上記した実施例では、ノズルのスリット状
孔部を円柱部と外周壁との間に垂直に設けてあるが、こ
れに傾きを持たせたものにすればさらに射出性能を向上
させることが可能となる。なお、本発明の円柱部は、厳
密な円柱形状には限られず、円錐台形のものなども含む
ものである。
【0024】図4は、スリット状孔部21cの外周壁2
1b及び内周壁21eのそれぞれに傾きをもたせるよう
に形成した例を示す。傾斜角は、射出方向と外周壁部2
1bとのなす角度をθ1とし、射出方向と内周壁21e
とのなす角をθ2としたときに、0°≦θ1≦30°及
び−30°≦θ2≦30°の範囲で設定可能である(こ
れ以外の範囲では射出特性低下のおそれがある)。ただ
し射出されるインク滴のまとまりをよくするためには、
θ1≧|θ2|とすることが望ましい。この範囲内におい
て、本発明のスリット状孔部は様々な形状とすることが
できる。
【0025】上記実施例においては、連結部を2つ設け
た構成を示しているが、連結部の個数については特に限
定されるものではない。但し、複数の連結部を設ける場
合には、これらの連結部により同一形状の複数のスリッ
ト状孔部が区画形成されるような位置に設けることが望
ましい。すなわち、複数存在するスリット状孔部が同一
形状であると、これらの流路抵抗は同一であり、従って
インク射出特性が同一となるため、射出後のインク滴の
まとまりがよく、また直進性がよいなど、印字品質の向
上が図れる。
【0026】なお、本発明は上記したインクジェットヘ
ッドのほか、バブルジェット方式やカイザー方式等のイ
ンクジェットヘッド全体に適用可能である。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、ノズルの断面形状を実
質的に円環状に形成してあるので、ノズル部における表
面張力が大きくなり、射出されるインク滴の長さが短く
なるため、応答周波数が向上するとともに印字精度が向
上する。また、射出後におけるインクの再充填時間が短
くなるので、印字ドットの形状がよくなるとともにメニ
スカスが小さくなるのでインクの充填量が多くなり、印
字性能を向上させることができる。
【0028】また、本発明に係るインクジェットヘッド
は、インク流路の先端に円柱部、連結部、スリット状孔
部を設けることにより比較的簡単に円環状のノズル孔を
形成することができる。特に、流路基板とノズルプレー
トとを別部材として形成した後に積層する構成とすると
製造が極めて簡単になる。
【0029】スリット状孔部の外周壁のインク射出方向
に対する傾射角をθ1,内周壁の傾斜角をθ2としたと
き、θ1≧|θ2|となるように設定すれば、射出インク
のまとまりがさらによくなり印字品質が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の構成を示す部分拡大断面図
及び正面図である。
【図2】本発明を適用したインクジェットヘッドの一部
切欠斜視図である。
【図3】従来技術と本発明によるインク滴の状態変化を
シミュレーションで示した説明図である。
【図4】他の実施例におけるノズルプレートを示す拡大
断面図である。
【符号の説明】
1 流路基板 9 インク流路 10,20 ノズルプレート 11,21 ノズル孔 11a,21a 円柱部 11b,21b 外周壁 11c,21a スリット状孔部 11d 連結部 11e,21e 内周壁

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数のインク流路と、上記インク流路の
    各々に対応するノズル孔とを備えたインクジェットヘッ
    ドにおいて、 上記インク流路の先端中央部と対向する円柱部と、上記
    円柱部の周囲に位置し上記各インク流路と連通するスリ
    ット状孔部と、上記円柱部と上記スリット状孔部の外周
    壁とを連結する連結部とを有し、ノズル孔の断面形状が
    実質的に円環状をなすように形成されていることを特徴
    とするインクジェットヘッド。
  2. 【請求項2】 請求項1において、上記インク流路が形
    成されている流路基板と、上記ノズル孔が形成されてい
    るノズルプレートとが積層された構成であることを特徴
    とするインクジェットヘッド。
  3. 【請求項3】 請求項1または2において、上記スリッ
    ト状孔部の上記外周壁のインク射出方向に対する傾斜角
    をθ1、内周壁の傾斜角をθ2としたときに、θ1≧|
    θ2|であることを特徴とするインクジェットヘッド。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7971963B2 (en) 2006-11-06 2011-07-05 Canon Kabushiki Kaisha Liquid discharge method and liquid discharge head
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