JPS62278048A

JPS62278048A - インク・ジエツト式プリンタ・ヘツド

Info

Publication number: JPS62278048A
Application number: JP62055096A
Authority: JP
Inventors: フー・フオック・リー; ジェイムズ・シー・オズワルド
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1986-03-10
Filing date: 1987-03-10
Publication date: 1987-12-02
Also published as: US4734706A; EP0237282A3; EP0237282A2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】発明の詳細な説明〔産業上の利用分野〕本発明はインク・ジェット式プリンタのヘッド、特に大
きさが均一で付随した飛沫を伴わない小さな単一のイン
ク滴を形成するプリンタ・ヘッドに関する。

〔従来の技術及び問題点〕

オン・デマンド式インク・ジェット・プリンタは、ノン
インパクト印刷（プリント）用のたいへん静かで迅速な
手段である。しかしながら印刷を行なうインク滴をきわ
めて正確に作り出しこれを制御するために、非常に複雑
で正確な技術の発展を必要としてきた。使用されるイン
クには、所望の印刷品質を達成するために解決しなけれ
ばならないさまざまな技術的問題がある。

プリントの品質は、インクとこのインクがのる媒体との
間の相互作用と、インクを供給する方法との両方によっ
て決定される。特殊な印刷目的では、インクと媒体との
相互作用より、使用するインクが特定のものに制約され
る。このような制約は、次にインク噴出機構が有する特
性に対し制限を課すことになる。

たとえば使用されているインクのうちの数種は、典型的
には水である溶媒内に散乱した固体粒子を含む。この粒
子の径は、インクを噴出するオリフィスをふさいでしま
わぬよう、あくまで最小限の大きさにしなければならな
い。同様にオリフィスが大きすぎても、溶媒が蒸発して
しまって、オリフィスをふさぐ結果となる。より一般的
に利用されているインクは、溶解した染料を含む媒体か
ら成り、主としてこの染料の蒸発沈殿によってオリフィ
スの閉塞状態がおこる。

理論上は不乾燥性インクを用いることも考えられるが、
このようなインクでは望ましいプリント品質がしばしば
得られない。結局のところ、分解能に関するプリント品
質は、オリフィスの閉塞をおこさぬようオリフィスを十
分大きくすることから制限をうけている。大きなオリフ
ィスは、必然的に大きなインク滴をつくってしまう。明
らかなように蒸発による閉塞を完全には防止できないと
しても最小限にくい止めるための手段が講じられてきた
。

このような手段には、オリフィスが使用されていない時
には機械的なキャップをし、しばしば掃除もするといっ
たものもある。１９８４年２月１４日に発行されたグラ
ソティによる米国特許第４，４３２，００４号は、この
ような試みを例示している。１９８４年７月３日に発行
されたギレスによる米国特許第４．４５８，２５５号で
は、この目的のための電気機械的に制御されたシャッタ
機構を開示している。１９８４年５月２２日に発行され
たジェヶルらによる米国特許第４，４５０，４５６号に
はオリフィスのふたと掃除を行なう別の精巧なカセット
状の装置が開示されている。

１９８０年４月１日に発行されたハーフによる米国特許
第４，１９６，４３７号には全く異なった技術が開示さ
れている。蒸発を防ぐために、１次プリント液が噴出す
るノズルの末端は、２次液に浸されている。この２次液
が存在するためノズルオリフィスでの１次液の蒸発が防
げる。このため、小さいインク滴をつくるためオリフィ
スを小さくすることができる。２次液からインク滴を空
中に導くための対応するオリフィスは、その場所におけ
る蒸発による閉塞が発生しないように十分大きなものに
できる。なぜならこの第２オリフイスの大きさは、つく
られるインク滴の大きさとは相関関係をもたないからで
ある。しかしながら、このハーフの発明した装置は、オ
ン・デマンド型式では、実際に単一のインク滴を作り出
すことはできず、むしろ代りにインク滴へと分散してゆ
くインクの連なりを生むということに注意すべきである
。

このハーフの発明した装置は、多量の１次液と２次液の
両方を含む流体滴を作ろうとしたものである。ここでは
無色透明な１次液を用いて、インク流の量の２次液と混
合又は化学反応させ、望ましい特性の色インクを作成す
る。ノズルが発生した１次液滴に望ましい量の２次液を
からめるためには、１次液滴が２次液の中を進む距離が
ある程度なければならない。すなわちノズルの末端と、
２次液及び空気の境界面との間に一定のかなりの距離が
なければならない。この距離のさまざまな変化によって
発生するインク滴の大きさや速度がさまざまに変化する
ため、この距離を一定に保つ十分に精巧な手段が講じら
れなければならない。

ハーフの発明した装置のもう１つのねらいは、作成する
プリントの解像度の問題と関係している。

プリントの高解像度を達成するためには、インク滴の径
を小さくするだけでなく、インク滴が高い密度で打たれ
ることが必要である。２次液室を具えること及び２次液
と空気との間に大きなオリフィスを具えなければならな
いことのため、１次ノズルの大きさだけならば達成でき
るインク滴の密度に達することができない。

１９８３年１１月２２日に発行されたマエダらによる米
国特許第４，４１７，２５９号ではオリフィスにおける
インクの蒸発を防止するため、主たるインク噴出のオリ
フィスの外部の容器を用いることを開示している。この
容器にはインクか若しくは空気のいずれかを代わりに含
むものであり、ハーフの発明した装置と同様に、この容
器には、第１のオリフィスと同軸的に、かつ第１のオリ
フィスよりやや大きな第２のオリフィスが外気にむけて
設けられている。重力、大気圧、又は両者の組み合わせ
によって、この第２容器はプリントしている間空気で満
たされ、プリンタが使用されていないときはインクで満
たされる。覆い本体、又は、インクそのものの表面張力
は、第２オリフイスからインクが漏れるのを防ぐ働きを
する。空気圧は、この第２オリフィスの外表面にて乾い
たインクを除去する手段として利用できる。

インク・ジェット式プリントのその他の問題は、ノズル
の外表面における、若しくはインクジェット・ヘッドの
オリフィス板におけるインクの漏れからくる湿潤である
。このしめりの程度は、インク滴のにじみ出る速さに部
分的には依存するのでその程度はさまざまでありうる。

インク滴はオリフィスのチャンネル内におけるインクか
ら分離するのが遅ければ、それだけ表面をぬらす機会が
多くなる。後に続くインク滴は、すでに表面をぬらして
いるインクに加わるか、又はそれらのインクをからめ取
るかしてインク滴の大きさをさまざまに変化させる。こ
の問題はやはり使用されているインクの性質に関係する
ものであり、このようなインクにはインクがプリントさ
れてゆく媒体上にてすばやく吸収されるよう特別な湿潤
剤が混ぜられているものである。さらに１９８２年発刊
のフィリップス技報Ｒｅｖ、　４０．１９２−８におけ
るエム・ドージングによる「インク・ジェット・プリン
ト」には、次のことが指摘されている。もしこのような
湿潤がオリフィスの周辺において対称でなければ、現れ
出るインク滴はぬらしているインクの大きな堆積にむか
ってひっばられ、またその伝播の方向が変わっていく。

このために湿潤を最小限にするための手段が必要である
。

このような湿潤の程度を減少させるための一方法は、湿
潤がおこりうる部分の表面積を最小限にすることである
。やはりドージングの論文に記されていることだが、オ
リフィス板の後ろにつき出た非常に短かく細い延長管に
ノズル・チップを設ける方法がある。インクの表面張力
がそれほど弱くないのでインクが流れ出てこの延長管の
まわりにつ←限りは、外表面における湿潤が発生ずるの
はこの管の非常に細い外側エツジ上だけである。

この表面積はたいへん小さくできるので実際のところ湿
潤は全くおこらない。この方法の欠点は、この延長管を
製作することが困難で費用がかかることである。もしオ
リフィスの径を５０μｍ以下に作るとすると、非電気的
メッキ、研磨、選択されたエソチップ工程といったドー
ジングの論文が開示している非常にキメの細かい製造技
術が必要になる。

このような湿潤を最小限にするための他の方法が、１９
８３年１月１１日に発行されたウニハラらによる米国特
許第４，３６８，４７６号に開示されている。この方法
によれば、インク・オリフィスを囲む部分を、この部分
に粘着はするが、水性、非水性いずれのインクに対して
もはじく性質を有するフッ化シラン物質の膜によって覆
う。類似した技術は、１９８２年８月３日に発行された
ベイダらによる米国特許第４，３４３．０１３号にも開
示されている。ここでは、「テフロン」の名で市販され
ているクロム、ニッケル、及びこの種の重合体が、イン
クをはじく物質として用いられている。１９８４年１０
月１７日に公告されたニーによる欧州特許出願第８３３
０６２６０．７号には、湿潤を防ぐためノズル表面に埋
めたイオンを用いることが開示されている。

１９８４年５月２２日に発行されたスギタニらによる米
国特許第４，４５０．４５５号では、オリフィス板のイ
ンクによる湿潤の問題は、それを除去するための工夫に
よってではなく、むとろそれを均一にするための工夫に
よって解決を試みられている。インク・ジェット・ヘッ
ドの最頂部（約５０μｍ）をフォトレジスト物質にて作
り、この物質を用いてオリフィスをフォトリトグラフィ
　（写真石版術）に、より形成する。このフォトレジス
ト物質の外表面は、オリフィスの外周のすぐ外側へやや
突き出るように作る。ここでも、オリフィスそのものの
すぐまわりは除外して、このフォトレジスト物質の外表
面は、細かいメツシュ・バタンの組付けによりフォトリ
トグラフィ的な処理によって均一なあらさに仕上げる。

インクだまりが形成されるのを防ぐためにこの外表面を
インクで均一にぬらすことが考案された。

インク・ジェット・プリントに関したさらにもう１つの
問題点に、インク・ジェット・ヘッドのインク室内にお
ける振動の発生があげられる。単一のインク滴を噴出さ
せるために加えられる圧力パルスは、インク室内で反射
するので、インクを噴き出すオリフィスへとインクを導
びく溝を含むインク供給部は、振動のもとにおかれる。

後に続くインク滴は、この振動によって余分な速度成分
を与えられて出てゆく。インク・ジェット・ヘッドは、
プリントが行なわれる媒体とはある一定距離に保たれて
おり、インク・ジェット・ヘッドとこの媒体との間で相
対運動を行なう。噴出するインク滴の速度がどのように
変化しても、インク滴は媒体上の本来意図された場所と
はズした望ましからぬ場所へ落ちることになり、プリン
トの品質はこれにより劣化する。インク滴が噴出したあ
と、インク・オリフィスにおけるメニスカス（凹又は凸
面）中に起こる運動の影響に関する詳細が、１９８１年
６月に発行されたｒニス・ピー・ニス・イー学会報：ノ
ンインパクト・プリントに関するシンポジウム」の１０
５９ページから１０７０ページのエフ・シー・シーらに
よる論文ｒ高速高解像度のオン・デマンド・インク・ジ
ェット・プリント」に載っている。

この点に関しては、さらにエム・ドーリングが指摘を行
なっている（１９８１年米国ユニージャージ州プリンス
トンのパン・ノストランド・レインホールド発行のジョ
セフ・ゲイノ編「コンピュータとオリフィスの応用のた
めのノン・インパクト・プリント技術の最先端ｊにおけ
る１０７１ページから１０９０ページのｒオン・ディマ
ント・システムにおけるインク滴形成の基礎理論Ｊ）。

ここでは、インク滴に加えられる余分な速度成分の出現
とそれによるプリントにおける悪影響を最小限にする如
く、このような振動を緩衝する臨界の程度について述べ
られている。さらに正確にいうと、この緩衝の臨界レベ
ルは、インク供給部が静止状態に戻るのに必要な時間を
最小限度のものに短縮する。

必要する緩衝レベル１よ、流体系と圧電結晶又はその他
の圧力誘導素子などを含む系の共振周波数によって決定
される振動の周波数に部分的に依存している。緩衝それ
自体は、噴出するインク滴を形成するためのインクが通
過する狭い溝との相互作用を含む流体の粘性相互作用に
よってひき起こされる。１９８２年１月１９日に発行さ
れたドーリングによる米国特許第４，３１２，０１０号
にも記されているように緩衝が過剰になるとインク中に
空気のアワを発生するようになり、インク室は、空気の
アワを排除するように設計しなければならなくなる。

この緩衝を制御する他の方法に関しては、使用するイン
クの粘性の範囲に関する制限と、インク・ジェット・ノ
ズルへと通じる溝の寸法に関する制限とが現実に存在し
ている。

インク供給部の圧力による振動がもたらすもう１つの結
果に、単一の圧力パルスからの２次インク滴、即ち、付
随した飛沫（サテライト・インク滴）の生成がある。も
しほとんど同位相で前の振動が与えられた圧力パルスを
積極的に強化するならば、その結果長すぎるパルスが発
生するために、単一のインク滴を生成することができず
、インクの連なりになってしまう。このインクの連なり
は、その形状の不均一からくる不安定さゆえにこわれて
小さいインク滴になってしまう。もちろん前の圧力パル
スによって負の強化を行なっても望ましいインク滴の生
成はできない。代りに、振動するパルスは影響を強く残
すのであとに続くインクの小滴自体にも影響する。

１９８３年１月１８日に発行されたマコニカらによる米
国特許第４，３６９，４５５号では圧力による振動を緩
衝する手段として２つの圧力波を採用している。

すなわち、第１の圧力波は圧電結晶に加えて所望のイン
ク滴を作り、次に第２の圧力波は第１圧力波による振動
を緩衝するために加える。この第２圧力波は本質的に振
動性のものであり、第１圧力波の周波数に同調されてい
るのではなく、むしろ流体系の共振振動数に同調されて
いる。そして第１圧力波がもたらず自然振動を中和する
ために、これに対して位相をほぼ１８０°ずらして加え
る。

２つの圧力波は、デジタル的に同時に発生する。

圧力による振動を緩衝するための一方向機械的バルプを
用いることは、１９８１年にニュージャージ州プリンス
トンのパン・ノストランド・レインホルトが発行したジ
ョセフ・ゲイノー編「コンピュータとオリフィスの応用
のためのノン・インパクト・プリント技術の最先端Ｊに
おける１１２３ページから１１４６ページのエム・スガ
及びエム・ツヅキのａ文’２つの一方面マイクロ・メカ
ニカル・バルブを用いた新しい圧力パルス・インク・ジ
ェット・ヘッド」に開示されている。ここに開示されて
いる方式を、インク滴噴出のための矩形電圧パルスより
も「補正された」パルスと共に用いると、動作周波数の
関数としてのインク滴速度は、本質的に１０ｋＨｚまで
一定であることが判明した。このようなバルブは、１９
８４年７月４日に公告されたツヅキらによる欧州特許出
願第８３３０７６９３．８号にも開示されている。

圧力波の適切な緩衝を行なうためのもう１つの試みは、
エネルギ吸収のための補助手段を用いることで、１９８
４年６月１３日に公告されたプレシアによる欧州特許出
願第８３８３０２３２．１号公報に例示されている。こ
の試みでは、インク容器と、ノズルへ導くダクトの末端
部分との間にエネルギ吸収のための粘弾性管を設けるか
、またはタリトを粘性流体の入った細長い管によってと
り囲み、この容器の音響インピーダンスをダクトの末端
部分の音響インピーダンスと一致させる。

インク滴噴出器が筒杖の場合、インクはここからインク
を内包する管の電気機械的構造によって噴出し、内部の
圧力による振動は大きな問題とはならない。なぜなら、
圧力の反射がおこる内面はたいへん面積が小さく、圧力
パルス自体を制御する役目がないからである。しかしな
がら、インク滴を噴出するこの噴出器の延長上において
、オリフィスを通じて空気が噴出器に流入する可能性が
ある。１９８５年１月２９日に発行されたフィンシュベ
ックによる米国特許第４，４９６，９６０号では、この
ような空気の流入を防止するためのチェック・バルブを
噴出器空胴の入口と出口に設ける方式が開示されている
。

１９７８年８月８日に発行されたミウラらによる米国特
許第４，１０６，０３２号の中では、噴出するインク滴
の特性がインク室そのものの内部での圧力パルスにより
も空気の高速ジェットの補助の方により依存する装置が
開示されている。この装置ではインク飛沫の連なりが生
成され、それが空気の流れで１個１個のインク滴となる
。インクの蒸発を防ぐために空気にもしめりけを与えて
おく。１９８１年１１月１７日に発行されたミウラらに
よる米国特許第４．３０１，４６０号は上述のミウラら
による米国特許の改良であり、インクの無秩序な噴出と
か逆流の原因となる空気圧の一時的な変化がいっそう良
く制御されている装置が開示されている。１９８０年９
月１６日に発行されたヤマモリらによる米国特許第４．
２２３，３２４号には、湿った空気の流れはプリントし
た画像をにじませてしまうため、代りにインク・ジェッ
ト・ヘッドが実際に使われていないときだけ空気を湿め
らせるという方法でインク蒸発の問題を処理している。

１９８５年４月８日に出題され本願の出願人に譲渡した
り−らによる米国特許出願第７２０．８４３号では、ド
ーリングの発明した方法によって湿潤することを防止す
るためではなく、むしろ空気の流れの中にインク滴を放
出するために、オリフィスの出口を突出させて、空気の
流れによる影響を十分に改善している。

１９８３年４月１２日に発行されたアンド−らによる米
国特許第４，３８０．０１８号では、プリント工程にお
ける圧力による振動の問題と空気の流入の問題を、分離
された流体室を使用することで処理している。

第１の流体は、第２の流体（インク）と混合しない限り
インクである必要はなく、圧電結晶に起因した圧力パル
スを薄い弾性板へ伝達するための圧力伝播媒体として作
用する。この弾性板は、インクを噴出するオリフィスと
対向する位置にある小さな第２の室の中にある薄いイン
ク層へとパルスを伝達する。圧力伝播媒体は、圧電結晶
によって生じる残余の振動を緩衝しうる粘性を有するも
のを選定する。

アンド−らによる装置の動作では、外部インク源からイ
ンク槽へと余分なインクを取り出すために、圧電結晶に
負の圧力パルスをかけている。この逆方向の圧力パルス
によって、略同量のインクがインクの円柱の形をとって
インク・オリフィスから噴出し、このインクの円柱は、
高い振動数で砕けて小さなインク滴となるであろう。イ
ンク層の面積と比較して弾性板の面積は狭く、またイン
ク層はたいへん薄いため、インク噴出工程における空気
の流入を防止する。インクが両方の流体として用いられ
、２つの室をむすぶインクの通路が設けられている他の
実施例も開示されている。また、オリフィス板とオリフ
ィスを使用せずに（すなわちハーフの発明した装置に近
い）装置を水平に動作させる実施例も開示されている。

第２Ａ、Ｂ図は、湿潤防止材がないもの（第２Ａ図）と
あるもの（第２Ｂ図）それぞれの従来例の模式的な断面
図である。本発明の背景をいっそう詳しく説明するため
、また定量的見地から本発明を評価するため、第２Ａ、
Ｂ図に示す型の装置をインク滴噴出装置の実例として説
明しよう。この図において、インク・ジェット本体側は
、インク室０乃とインク供給口ａ１を形づくっている。

この分野の技術で典型的なことであるが、インク・ジェ
ット本体ａ旧ま軸方向に短い筒状をしており、インク室
叩はほぼ円錐形または台付き円錐形であって、筒の軸に
関して回転対称であり、インクが噴出する端部の寸法は
小さくなっている。円錐形状をしている目的は、径の大
きな端部にて生まれた圧力パルスを増幅するためである
。インク室ｏ乃の対向する端部には、圧力手段としての
ダイヤフラム（隔壁）ａ６）を固着する。ダイヤフラム
０［０における本体ａωと反対側の外面には、典型的に
は圧電結晶のようなインク室０２１内のインクに加圧す
るための変換器を取付ける。しかしながら、上記の目的
のために発熱素子を用いることも知られている。

変換器ａφの正確な特性及び変換器からインク室への圧
力パルス伝達のしくみは、本発明の主題ではなく、上述
は、単なる実例にすぎない。１９７６年２月２４日に発
行されたミゾグチらによる米国特許第３．９４０．７７
３号及びその他の出版物に示されているように、インク
を２コ以上のインク室に貯えてもよいということも本発
明に関しては重要でない。

ダイアフラム顛とは反対側の端にて、インク・ジェット
本体−をオリフィス板Ｉ２のに取り付ける。

オリフィス（２２）は板ＱΦに含まれている。多量のイ
ンク等の物質が入口Ｏａを通じてインク室０２１に供給
されると、変換器（ＩＩに電気信号が印加されダイアフ
ラム０１が機械的に運動し、この運動による圧力波がイ
ンク室面内の液体を通じて伝播し、たとえばインク滴（
２４）のように、小量の液体がオリフィス（２２）を通
って噴出する。

参照番号＋２１１１がさし示すようなオリフィス板の外
側面の防湿潤被膜も、湿潤を防ぐための処置として既知
であり、本発明もやはりオリフィス板Ｑノの湿潤を防止
しているため、本発明の本来の目的の適切な試験をする
ために防湿潤効果を除外視する必要があった。この理由
のため、第２Ａ図に示す構造には、第２Ｂ図に示すよう
にオリフィス板（イ）の外側面のオリフィス（２２）の
付近に防湿潤埜が設けられている。

防湿温材（２６）の効果は、第２Ａ図と第２Ｂ図に示す
各装置によって作られるインク滴の比較によって示され
る。これらのデータを得るために、両方の型の装置を２
　ｋＨｚの周波数にてオン・デマンドモードにて動作さ
せた。オリフィス（２２）の径は、４０μｍであり、粘
性が約２　ｃＰｓのインクを使用した。第２Ｂ図に示す
装置の場合、防湿温材（２６）は、真空蒸着によって約
２００　ｎｍの厚さにされた「テフロン」の商品名で販
売されている重合体である。

インク滴形成における各装置の性能は、ストロボ・アン
プと共にテレビジョン・カメラとステレオマイクロスコ
ープを用いて、白黒テレビモニタ上に噴出するインク滴
のひと連なりを後方から照明した映像として表示して観
察する。このような映像は、事象を永久に記録するため
に、オシロスコープ・カメラを用いて写真にとる。もち
ろん他の記録方法も採用できたであろう。いっそう詳し
い実験方法については、１９８５年刊の「ジャーナル・
オン・イメージ・サイエンスｊ３，４月号Ｖｏｌ。

２、Ｎｉ２の６５ページから６８ページにあるジョイ・
ロイとロナルド・エル・アダムスによる「オン・デマン
ド・ジェットにおけるインク滴の形成特性」に説明され
ている。第３Ａ、Ｂ図は、第２Ａ図。

第２Ｂ図各々が示す装置によるインク滴生成の模様を各
々時間の経過にそって描いた図である。

特に第３Ａ図は、テレビカメラをインク滴の伝播方向と
直角に向は上記の現象を４０μｓの時間間隔にて、撮影
した一連の写真を示したものである。

第３Ａ図を得るにあたっては、第２Ａ図に示す装置（防
湿温材（２６）がない）を使用した。この場合、単一の
インク滴を生成すべく単一の電圧パルスを加えたにもか
かわらず、砕けてインク飛沫になってゆくと思われる２
次的なインクの連なりが生成していることが第３Ａ図か
らはっきりわかる。このインクの連なりの源は、この図
の各々のコマの左側部分のごつごつした外形線が表わす
ものの中にあり、これは流出してオリフィス板ＱΦの外
表面をぬらしているインクの堆積物なのである。

第３Ｂ図は、第２Ｂ図が表わす装置、すなわち、防湿温
材（２６）を含む装置を用いた場合に対応するインク滴
生成の様子を収めた一連の図である。インク滴生成の様
子をいっそう詳しく描くため、この場合は前半は１０μ
ｓの時間間隔で撮影し、後半は２０ｔｔｓの時間間隔で
撮影し、描いである。第２Ｂ図が示す装置における防湿
温材（２６）の存在が、インク滴の形成に顕著な効果を
あげていることが観察できる。

特に第３Ｂ図においては、第３Ａ図には見られたオリフ
ィス板表面を湿潤させているインクが出現していない。

第２に、第２Ｂ図が示す装置は、単一のインク滴を生成
しており、ここにおいてオリフィス（２２）から噴出し
、インク滴の生成に参与しないインクは、オリフィスに
逆流する。最後に、このように生成された単一のインク
滴は、防湿温材が存在しない場合と比較してはるかにオ
リフィス（２２）に近いところで生成している。しかし
ながら、これらの利点があるにもかかわらず、第２Ｂ図
が示す型の装置の長年の使用経験では、」二連したオン
・デマンド式インク・ジェット・プリントが抱える問題
点を完全には解決していない。

防湿温材を施しても、インクの蒸発による閉塞やインク
室内での圧力波の反射の問題は解決されていない。また
インクによる湿潤を防ぐ問題に関して、ポリ四フフ化エ
チレン（テフロンという商品名で売られている）の如き
防湿温材を使用しても完全に満足できる解決にはならな
い。例えば防湿潤材（２６）はオリフィス板Ｉ２匂を形
成する金属に十分にしっかりと付けることが困難である
。防湿温材（２６）として設けられたこの材料は、スポ
ンジのように小穴の多い状態で付いていることが走査電
子顕微鏡で観察できる。おそらく部分的にはこの理由で
、また明らかに（プリントする紙を湿らすため）インク
の中で必要とされている界面活性剤が原因で、防湿温材
（２６）は、たび重なる使用で湿ってしまい、交換しな
ければならなくなる。

さらに蒸発による閉塞の問題を簡単に示すことは可能で
はないが、インク滴の生成に際し、インク室α乃中のイ
ンクの前後方向の振動が発生していることが第３図に示
した実験結果から同様に観察できるであろう。

第４図は、第２Ｂ図の装置（防湿温材（２６）がある）
と第３図で示すデータを得ることに用いた同様の実験装
置とを用いて、インク滴住成の過程を図に示すためある
時間間隔で撮影してできた一連の映像である。この特別
な場合では、いっそう詳しく生成の過程を観察するため
撮影の時間間隔は十分に短かく　（５μｓ）し、しかも
撮影の開始から終了までの期間を十分に長＜　（１４５
μｓ）設定した。インク・オリフィス（２２）の出口に
おいてインク・メニスカスの振動が発生していることが
明瞭に観察できよう。上述の如く、このような振動は、
後に続くインク滴に余分な速度成分を与えてしまい、プ
リントされた媒体上にインクの位置ズレが発生する。防
湿温材（２６）の使用が第３Ａ図に見られるようなイン
クの連なりを防止するにもかかわらず、このような処置
がインク・メニスカスにおける振動問題の解決にはなっ
ていないことは、第４図から明らかであり、噴出するイ
ンク滴の伝播速度成分を変化させる。

かかる従来技術においてオン・デマンド型インク・ジェ
ット・プリンタが遭遇する各々の問題を解決するために
」二連した複雑な方法の組み合わせを必要とせずに、上
述のあらゆる問題を一挙に解決する簡単な手段があれば
、それは特に価値がある。したがって本発明の目的は、
オリフィスの閉塞及びインクの位置ずれの問題を簡単な
構成により解決したインク・ジェット式プリンタ・ヘッ
ドの（に供にある。

（問題点を解決するだめの手段及び作用）本発明によれ
ば、オンデマンド型インク・ジェット・プリンタのオリ
フィス板の外側に油膜を設けて以下の役割を同時に担わ
せる。■蒸発によるオリフィスの閉塞を防止する６■空
気中の不純物によるインクの汚濁を防止する。■プリン
トされるインクによるオリフィスの湿潤を防止する。■
噴出するインク滴の速度の変動を最小限にくい止める。

また、この油膜は以下の作用によって目的を達成する。

■インクの蒸発を防ぐとともに列部の胃性粒子や空気が
インク室に混入することを防ぐようインク・オリフィス
（２２）をおおう作用、■インクとは混和しない油それ
自体がオリフィス板をぬらずことによってインクがオリ
フィス板に付着することを防ぐ作用、■オリフィス（２
２）におけるインク・メニスカスの振動を緩衝する作用
。油膜には慣性的で固着指向性の力があるのでインク・
メニスカスとの接触によってこのような緩衝作用を生じ
る。

この「油膜−１という言葉は、上記の機能を有する薄い
粘弾性流体膜を一般に指している。

〔実施例〕

第１図は、本発明に基づくインク・ジェット式プリンタ
・ヘッドの好適実施例の模式的な長手方向断面図である
。ここでは、第２図との同一な参照番号は、相当する同
一なものを指すが、第１図では、第２Ｂ図における防湿
潤＋４’（２６）の代りに液膜手段の一部である油Ｍ　
（２Ｂ）を用いている。やはり液膜手段の一部である油
膜保持部材（３０）は、油膜（２Ｂ）をオリフィス板（
２）とそれに含まれるオリフィス（２２）に隣接してお
おむね平らな形になっている。油膜保持部材（３０）は
、それ自身の油膜オリフィス（３４）を含んでおり、こ
れはオリフィス板のオリフィス（２２）と同心的に設け
られ、これよりやや大きい、油Ｍ　（２Ｒ）を作るため
の油は、油供給Ｗ　（３２）によって（共給される。

補給を目的として、インク供給手段の一部であるインク
貯め（１４ａ）が同じくインク供給手段の一部であるイ
ンク供給管０４）を介してインク室ａ乃に接続しており
、油貯め（３２ａ）が油供給管（３２）を介して油膜保
持部材（３０）に接続している。本図では、これらの貯
蔵器は、インク・ジェット・ヘッドの外部に設けられて
いるが、内部に設けることも可能であり、どのように設
けるかは本発明の要旨とは関係ない。

実際にこの装置を使用するのは、第２Ａ図、第２Ｂ図に
示す型の装置を使用する場合と同様な手段によりインク
滴（２４）を発生ずる。しかしながら、本発明に基づく
装置の場合、インク滴（２４）は、インク・ジェット・
ヘッドから噴出する前に油膜（２８）を通過しなければ
ならない、この油膜の存在には、３つのはっきりした目
的がある。

第１には、油膜（２８）は、一般的にはインク室側を、
特別にはオリフィス（２２）を外気から遮断しているた
めにインクの蒸発がおこらず、このためインク内を漂う
粒子のｉ積によって、さらにはインクの溶媒中に熔けて
いる染料がインクの蒸発によって沈殿することによって
、オリフィス（２２）が閉塞することがない、同様に、
この油１７９　（２Ｂ）は空中のゴミの粒子がオリフィ
スに侵入することを妨げるのでこの点からも閉塞をおこ
すことがない、また油膜は空気がオリフィス（２２）を
通ってインク室（ロ）に入ることも防止している。

第２には、油ＲＱ（２Ｂ）は、オリフィス（２２）から
出るインクによってオリフィス板（２）の外表面が濡れ
ることを防止する。もし油膜がないならインクで濡れて
いたであろうオリフィス板軸がオリフィス（２２）を囲
んでいる部分は、油膜（２Ｂ）が代わっておおっている
。油Ｎ　（２８）の流体とオリフィス板（至）との間で
作用する被着力は、油膜（２日）それ自身の被着力と共
に、インクがオリフィス（２２）にて漏れ出てオリフィ
ス板の表面に及ぶことを一般的に防いでいる。油膜（２
Ｂ）がインク滴の実際の噴出によってのみ、すなわち上
述の圧力パルスが加えられたときのみ、油ｒＰＪ（２Ｂ
＞が破られるようにするため、油膜（２８）を作る物質
は、オリフィス（２２）に出現するインクとは全く混和
しないものを選ぶ。

特にこの油膜は、ポリジメチルシリコンの重合体を含む
シリコン・オイルによって作るのが良い。

このような物質は化学的に不活性であり、物を濡らすこ
とを目的として表面張力が低く、しかも主として特定の
重合体の分子量に応じて広い範囲に粘性値を設定するこ
とができる。水とは混和しない性質及び高い圧縮性と高
いせん断安定性を有することは、本発明の油膜（２８）
を形成するために特に有用である。このシリコン・オイ
ルの構造式は以下のように表すことができる。

ＣＨ３−５ｔ−０（−Ｓｔ−０）ｎ　−３ｉ　−ＣＨ５
ＣＨａ　　　ＣＬ　　　　ＣＨ３ここで整数四の値は、約２００〜８００の間であり、好
ましくは５００程度である。またメチル基以外の置換体
が分子を構成してもよい。上述した如く、この例の粘性
は、構成している分子の分子量によって主として決定さ
れ、分子量は、重合連鎖のメチル基以外の化合可能な置
換体に依存するだけでなく工の値にも依存する。この粘
性は重合連鎖間の交差した結合の発生度からも影響を受
ける。第１図に示す装置は、１０〜５０ｃＰｓの範囲の
粘性を有するシリコン材料を用いることで成功している
。

この範囲内の粘性なら油膜の厚さを最良の範囲は５０〜
７５μｍ、そうでなくとも１００　ｐｍまでに設定する
ことによって適切にインク滴を噴出させることができる
。油膜の厚さが約１００　μｍを超えると、インク滴は
油膜を破って外へ噴出することができなくなることがわ
かった。同様に油膜（２８）の厚さは、以下に説明する
ごとく、インク滴の分離がおこる領域に侵入しない程度
に十分薄くなけれればならない。

しかしながら、上述の１００　μｍという厚さは本発明
の要旨の特別な限度値として理解すべきではない。なぜ
ならこの厚みは油膜（２８）内の粘着力にとりわけ依存
するであろうし、この粘着力は、上述の工の値、置換体
の特性、それに交差結合に依存するからである。

同様に上述の粘性の限度範囲は、本発明の要旨を制限す
るものではない。油膜の適切な厚さ及び油膜をなしてい
る物質の適切な粘性は、本発明の最良の性能と関連して
相互に影響を与えあう量である。インク滴が破って噴出
する油膜の厚さは、変換器０呻に加えられる電圧の大き
さにも依存する。

油膜の厚さを決定づける大きな要因は、油膜保持部材（
３０）とオリフィス板＋２Ｉとの間隔である。オリフィ
ス（２２）のすぐ近くに設けられた油膜（２８）の厚さ
は、部分的に油膜のオリフィス（３４）の大きさに依存
する。すなわち油膜（２８）を形成している物質の表面
張力は、油膜の厚さを油膜のヘリの部分よりは中央部の
ほうをいくらか薄くするように作用する。油膜のオリフ
ィス（３４）は、■オリフィス（２２）及び噴出するイ
ンク滴よりもサイズが大きい。

■だが油膜（２８）を形成している物質の表面張力が機
能するためにはオリフィスは実際に油膜が維持できる程
度に十分に小さくなければならない。

油供給管（３２）の唯一の目的は、油膜を維持するのに
必要な物質を供給することにある。第５図は本発明の他
の実施例の長手方向の断面図である。

この実施例では、油供給管（３２）は省略され、油膜（
２８）を形成するのに必要な物質の供給は、変形した油
膜保持部材（３０’　）によって替りになされる。

すなわち、この油膜保持部材（３０’　）は微小多孔性
材料でできており、これを上述のシリコン・オイルのよ
うな油膜物質の中に浸しておくのである。

毛管現象によって、オリフィス板＋２１１を湿潤させる
に充分な量の油かたくわえられ、これが、しみ出して油
膜保持部材のオリフィス（３４）の周辺に供給され、オ
リフィス（２２）を覆うように油膜を形成する。油膜が
いったん形成されてしまうと、第５図に示す装置の動作
は第１図に示す装置の動作と同じである。

第６図は、ひき延ばされた筒状のインク室を有する本発
明の他の実施例であるが、上述のフィンシュベックによ
って開示された型のプリント・ヘッドと似たものである
。この例では、ひき延ばされた筒状のインク室（１２’
　”）と、これに通じこれと適合するインク供給管（１
４’　）を有するいくらか異なった形のインク・ジェッ
ト本体（１０’　）を具えている。なお、本図には図示
していないが、オリフィスの外気側には第１図又は第５
図のように液膜手段を設けるものとする。もちろん、こ
のようなインク供給管（１４’　）はインク室（１２’
）と同軸的に設けても良い。オリフィス板ＱＯ）とオリ
フィス（２２）は、インク滴（２４）の生成に関して上
述と同じに機能する。

しかしながら、この実施例ではインク滴（２４）を生成
する圧力パルスは圧力手段であるひき延ばされた筒状の
変換器（３６）によって加えられる。この変換器（３６
）はインク室（１２’）の長手方向に大部分を包囲して
いる。変換器（３６）は、一方が他方の内側に同心的に
設けられた導電性の２木のスリーブによって構成しても
よく、（３１１！＞　、　（４０）の各々の点にて電気
的に導通させる。接点（３８）　、　（４０）に適当な
電圧を印加すると表面（４２）　、　（４４）の相対的
なズレが起こり、これがインク室（１２’）に貯えられ
ているインクに圧力インパルスを加えることになるよう
に、各スリーブの表面に対向する内側面（４２）と外側
面（４４）は導電性である。別の方法として熱変換器（
図示せず）を用いることも可能で、この場合は上の場合
と同様に（３８）　、　（４０）の点で電気的に接続す
るが、電圧の印加によって熱膨張するのであり、これが
同様にインク室（１２”）内のインクに圧力パルスを伝
えることになる。

第７図は第１図に示す型の装置における油ＩＩ（２Ｂ）
（又は２８′）を用いることの効果を示すインク滴生成
の様子を描いた図である。第７Ａ図は、上述の写真撮影
技術を用いて製作したもので、第３Ａ図で示したインク
滴生成の装置と同じ装置によってインク滴を生成させて
その概要を示すものである。すなわち、第２Ａ図の装置
はオリフィス板（２０）の外表面がインクによって湿潤
することを防ぐなんらの処置も施されていないものであ
る。すでに第３Ａ図で示したように生成されるインク滴
の忠実度を落とすインクの連なりの発生が、第７Ａ図に
も明らかに観察できる。ところが、第１図に示した形の
装置によって得た結果では、すなわち油膜（２８）を具
えた装置においては、第７Ｂ図に示すように上述のイン
クの連なりは見られず、−個の独立したインク滴が観察
できる。この独立したインク滴の分屋１が完了するオリ
フィス板からの距離は、第１にインクそのものの表面張
力の関数である。油膜（２８）の厚さは、油膜の領域に
インクが侵入することが可能なように厚ずぎてはならな
い。

もし厚すぎると、油膜物質との粘着力によってインク滴
の分離が行われなくなる。

第７Ａ図、第７Ｂ図の左側のごつごつした形状のものは
、それぞれ湿潤させているインクと実際の油膜である。

第３Ｂ図と第７Ｂ図で示す結果を比較すると、油膜（２
Ｂ）は、生成されるインク滴の忠実度を劣化させるオリ
フィス（２２）からのインクの漏出を防止するというこ
とに関して、第２Ｂ図の防湿潤材料と全く同等の効果が
あることがわかる。

最後に、油膜（２８）は、インク滴生成の圧力パルスに
よるインク室（１２）内の振動を緩衝する働きがある。

このことは、第４図の内容に相当する一連の写真によっ
ては観察できない。なぜならインク・メニスカスにおけ
るこのような振動は見えるかもしれないが、油膜が存在
するときは、オリフィス（２２）におけるインク・メニ
スカスは見えないからである。とはいえ、このような効
果はインク滴生成過程に由来する。図示することは困難
であってもこの装置によるプリントの品質の中に効果を
発見することができる。

第８図は、第１図に示す型の装置を使用したときのイン
ク滴生成の主な過程を図示したものである。一般的には
、圧力パルスが発生することによってインク滴（２４）
を形成することになるある量のインクは、油膜（２８）
の中へ入るよう強いられ、油膜を形成している流体は第
８Ａ図に示すようにインクに道を譲るべく移動する。イ
ンク滴（２４）が分離すると、第８Ｂ図に示すように油
膜（２８）は閉じようとし、第８Ｃ図に示すような静止
状態になる。

この過程での効果は、油膜を形成している流体の粘弾性
に依存している。

すなわち、この過程では、インク滴（２４）が通過した
後油膜がもとの形に戻るために流体の弾性的性質が必要
であり、流体の粘性がエネルギ吸収材点して作用し油膜
の復元に役立っているというこ止が言える。オリフィス
（２２）の近くで反射が起こらない程度の強さでインク
滴（２４）を作っている圧力波は、油膜（２８）にも伝
達する。油膜（２８）を形成している物質には、エネル
ギ吸収材として作用するように、また油膜が受け、イン
ク滴の加速には使われないすべてのエネルギが油膜内で
散逸するように、十分な粘性を有する流体を選定する。

第１図が示す型の装置によって作ったプリントの品質は
、圧力波のそのような反射が発生しないことを示してお
り、代りにインク滴は本質的に一定の速度でプリントヘ
ッドを離れる。

本発明の特定の実施例を添付図を参照して述べたが、本
発明の要旨はこれらに限定されるものではない。特に本
発明の記述はインクジェット・プリント・ヘッドについ
て行なったが、本発明の原理は、運動する印刷ドラム上
への印刷とか薄いフィルムを付着させる作業など微小な
液滴の噴出を制御する必要のあるあらゆる機械装置に適
用可能である。したがってこの明細書に示した実施例に
基づくあらゆる応用と変形は本発明の要旨に含まれるも
のである。

〔発明の効果〕

上述の如く本発明によれば、単一で単純な油膜を適当に
設けるだけでインク・ジェット・プリントの４つの問題
、すなわちインクの蒸発によるオリフィスの閉塞、イン
クの汚濁、インクによるオリフィス板のｙＷ潤、そして
インク滴速度の不均一といった問題が精巧で費用のかか
る手段を必要せずに解決できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に基づくインク・ジェット・プリンタ
・ヘッドの実施例の模式的な長子方向断面図、第２図は
、従来のインク・ジェット・プリンタ・ヘッドの長子方
向断面図であり、このうら第２Ａ図は防湿温材を有しな
いものの図、第２Ｂ図は防湿温材を有するものの図、第
３図は、第２Ａ図、第２Ｂ図の各図が示す型の装置を用
いてインク滴を生成する過程を時間の経過に従って連続
的に示した図、第４図は第２Ｂ図が示す型の装置を用い
てインク滴を生成する過程を時間の経過に従って連続的
に示したもう１つの図、第５図は、本発明に基づぐ他の
実施例の模式的な長手方向断面図、第６図は本発明に基
づくさらに他の実施例の模式的な長手方向断面図、第７
図は第２Ａ図及び第１図が示す型の装置によるインク滴
生成の様子を夫々示す図、第８図は、第１図に示す型の
装置を用いたときのインク滴生成過程を示した図である
。これらの図において、（１０）は本体、（１４）　、　
（１４ａ）はインク供給手段、（２８）　、　（３０）
は液膜手段、（１６）。（ｉ８）　、　（３６）は圧力手段である。

Claims

【特許請求の範囲】インク室及び外気へ開口するオリフィスを有する本体と
、上記インク室へ流体を供給するインク供給手段と、上記
オリフィスを外気の側から液膜で覆う液膜手段と、上記
インク室へ圧力を印加する圧力手段とを具えたインク・
ジェット式プリンタ・ヘッド。