JPS6325943B2

JPS6325943B2 -

Info

Publication number: JPS6325943B2
Application number: JP55081184A
Authority: JP
Inventors: Michihisa Suga; Mitsuo Tsuzuki
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1980-06-16
Filing date: 1980-06-16
Publication date: 1988-05-27
Also published as: JPS576777A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は電気機械変換手段を用いてインクに
圧力パルスを作用させノズルよりインク滴を噴射
するインクジエツト記録装置に関し、特に新規構
造を有するインクジエツトヘツドに関する。

板状や円筒状のピエゾ圧電素子を用いてインク
室の壁を変形させ、発生した圧力パルスによつて
ノズルよりインク滴を噴射するインクジエツト記
録装置は特公昭51−39495や特公昭53−12138等に
よつて知られており、最近プリンター等の実用装
置に用いられるようになつてきた。上記従来装置
の基本的な構成は第１図に示すように、電気機械
変換手段１０１により壁１０２を変形させて圧力
パルスを発生させるインクで満たされた圧力室１
０３にノズル１０４とインク供給口１０５が連通
している。インク供給口１０５はインクタンクか
らのインクを圧力室に供給する。静止状態ではノ
ズル１０４の端面にインクのメニスカスが形成さ
れており、表面張力によつてインク圧力と釣合つ
ている。電気機械変換手段１０１は主にピエゾ素
子が用いられる。このピエゾ素子は壁１０２に固
着されており、二つの電極１０６，１０７に電圧
源１０８より駆動電圧を印加するとピエゾ素子１
０１には壁１０２を湾曲させるような内部応力が
発生する。

上記従来装置においてインク滴形成は次のよう
に行なわれる。まず、ピエゾ素子１０１に電圧を
印加することによつて壁１０２を圧力室１０３の
内部に湾曲させると、圧力室内容積が減少し圧力
室内のインクが圧力室外部に押し出されるが、こ
のときのインク圧力によつてノズル１０４よりイ
ンクが噴射される。圧力室からのインク圧力はイ
ンク供給口１０５にも作用し、インク供給口より
インクタンクに戻るインクの流れも生じる。次
に、ピエゾ素子１０１に印加した電圧を零に戻す
か又は逆極性の電圧を印加して、圧力室の壁１０
２の変形を零に戻すか又は圧力室の外部に湾曲さ
せると、圧力室内容積が増加しインクが圧力室内
部に引き戻される。このときインク供給口１０５
においてはインクがインクタンクより圧力室に供
給され、また、ノズル１０４においてはメニスカ
スがノズル端からノズル内部に引き込まれる。続
いて、圧力室内の体積変動が停止すると、ノズル
内部に引き込まれたメニスカスはインクの表面張
力の作用で再びノズル端迄復帰する。圧力室内体
積増加に続く前記メニスカスの移動に伴つて、イ
ンク供給口１０５においてはインクタンクよりの
インク供給が継続され、メニスカスがノズル端迄
復帰し静止した時点で、先にノズル１０４から噴
射したインクに対する補給が完了する。

上記の滴形成動作を行う従来技術においては、
以下に述べるようないくつかの問題があつた。ま
ず第１は、圧力室の壁の変形によつて生じたイン
ク圧力はノズル部だけでなくインク供給口にも作
用するため、滴形成以外に費やされるエネルギー
損失が大きかつた。従つて、インク滴を噴射する
ためにはピエゾ素子に大きな電気エネルギーを与
えて圧力室の体積変動を大きくする必要があり、
ピエゾ素子の特性劣化や滴形成の応答速度の低下
等の問題があつた。次に、インク滴形成のくり返
し周期を短かくしてゆくと、噴射されたインク滴
の体積や飛翔速度が変動するという問題があつ
た。これは、インク滴形成後の圧力室内体積変化
によつてメニスカスがノズル内部に引き込まれて
いる間に次の滴形成動作が始まるようになり、動
作開始時のメニスカスの位置や移動速度がくり返
し周期によつて変化することが原因であつた。こ
のような特性の変動を抑えるためには、ノズル内
に引き込まれたメニスカスの復帰速度を大きくす
ることが必要であるが、メニスカスの復帰はイン
クの表面張力に依存しており、その値はインク材
料に固有なものであるため、表面張力を大きくし
てメニスカスの復帰速度を大きくすることには限
界があつた。次に、インク滴形成のくり返し周期
を更に短かくしてゆくと、インク滴体積が小さく
なり、遂には滴形成が停止するという問題があつ
た。この問題もその原因はノズル内部に引き込ま
れたメニスカスの復帰速度における限界にあるこ
とが知られていた。従つて、前記従来技術におい
ては１秒間に形成されるインク滴数、すなわちイ
ンク滴周波数は実用的な範囲では高々3kHz程度
であり、また特性変動を無視し最高周波数は10k
Hz程度であるため、前記従来技術は高速高密度記
録には適さなかつた。

滴形成時のエネルギー効率を高めるためにイン
ク供給側のインク通路を流体回路素子で構成した
インクジエツトヘツドが、特公昭52−30213に開
示されている。さらにまた、特開昭48−9622に開
示されたインクジエツトヘツドは、インク供給通
路とノズルとを一種の流体回路素子で結合したも
のと考えられる。これ等の流体回路素子はいずれ
もインク流の向きによつてインク流に対する流路
抵抗が変化するという効果を有しており、滴形成
時のエネルギー効率を高めようとするものであ
る。しかし、これ等の流体回路素子は流体固有の
物理的な性質を利用して一種の整流特性を得るも
のであるから、使用する流体の性質によつて特性
が変動するとか、インク流の向きに対する流路抵
抗の変化比が大きくとれない等の問題があつた。
さらに上記の流体回路素子は構造が複雑でインク
ジエツトヘツド内に設けるのに大きな困難を伴つ
ていた。

この発明の目的は、前記の従来技術における諸
問題を解決した新規インクジエツト記録装置を提
供することにある。

この発明によれば、インク滴を噴射するための
ノズルと、インクタンクに連通しインクを補給す
るための補給通路と、インク滴の噴射を行うため
に入力電気信号に従つてインクに圧力を作用させ
るための圧力作用手段とを有するインクジエツト
ヘツドより記録媒体にインク滴を噴射して記録を
行うインクジエツト記録装置において、前記イン
クジエツトヘツド内のインク通路に、インク圧力
の作用により変形する弁を有する流体制御手段を
設けたことを特徴とするインクジエツト記録装置
が得られる。すなわち、前記流体制御手段は、イ
ンク滴形成時の微小インク流に対して十分効果的
に作用しかつ高速に作動する機械式弁を有してお
り、この発明により、従来技術では達成できなか
つた滴形成におけるエネルギー効率の向上や高速
化が可能となつた。

この発明について以下に図面を参照しながら詳
細な説明を行なう。

第２図を参照すると、この発明によるインクジ
エツト記録装置の第１の実施例は、インクを噴射
するためのノズル１４と、図示していないインク
タンクに連通しインクを補給するための補結通路
１５と、インクで満された圧力室１３と、前記圧
力室を構成する壁１２に固着されたピエゾ素子１
１と前記ノズルと圧力室１３との間に設けられた
第１の流体制御手段２１と、前記圧力室と前記補
給通路１５との間に設けられた第２の流体制御手
段２２とから構成されたインクジエツトヘツドを
有する。前記流体制御手段をインクが通過すると
き圧力損失を生じるが、インク流量に対する圧力
損失の比（この比は一般に通路を流れる流体の流
れにくさを示す量であり、本明細書では流路抵抗
と称する）は通過するインク流の向きによつて変
化する。本実施例では、流体制御手段２１と２２
は、いずれも補給通路側からノズル側に向うイン
ク流に対しては、インク圧力の作用によつて流路
抵抗が小さくなり、遂にノズル側から補給通路側
に向うインク流に対しては、インク圧力の作用に
よつて流路抵抗が大きくなるように作動する。こ
のようなインクジエツトヘツドにおけるインク滴
の形成は次のように行なわれる。まずピエゾ素子
１１に電源１８より電極１６，１７を通して電圧
を印加して、壁１２を圧力室１３の内部に湾曲さ
せると、圧力室内のインクには壁１２による圧力
が作用する。その結果、第１の流体制御手段２１
には圧力室からノズルに向う流れが、作用して流
路抵抗は小さくなり、一方第２の流体制御手段２
２には圧力室から補給通路に向うインクの流れが
作用して流路抵抗は大きくなる。このため前記二
つの流路抵抗の差は大きくなり、圧力室から押し
出されたインクは主にノズル側に向つて流出し、
ノズル１４よりインク滴が噴射される。次にピエ
ゾ素子１１に印加した電圧を零に戻すか又は逆極
性の電圧を印加して、圧力室の壁１２の変形を零
に戻すか又は圧力室の外部に湾曲させると、圧力
室の内容積が増加し、圧力室内部の圧力が減少す
る。その結果、第１の流体制御手段２１にはノズ
ルから圧力室に向う流れが作用して流路抵抗が大
きくなり、一方第２の流体制御手段２２には補給
通路から圧力室に向うインクの流れが作用して流
路抵抗は小さくなる。従つてこの場合には圧力室
には主に補給通路からインクが流入し、ノズル部
でのメニスカスがノズル内部に引き込まれる程度
は小さくなる。

以上の滴形成動作から明らかなようにこの発明
によるインクジエツト記録装置では、圧力室の変
形は、圧力室の容量が減少するときはインク滴噴
射のため、圧力室の容量が増加するときは、イン
ク補給のため作用する。よつて従来技述のよう
な、インク滴噴射時に補給通路側へのエネルギー
の散逸は少くなりエネルギー効率が向上する。さ
らにインク補給時におけるノズル内へのメニスカ
スの引き込みが少くなるためメニスカスがノズル
端部に戻るに要する時間も短縮される。またピエ
ゾ素子による圧力室の内容積変化もインク滴体積
と同程度の小さな値でよいため、滴形成時間を極
めて短縮することができる上に、ピエゾ素子に過
大な電気エネルギーを入力する必要がないため、
ピエゾ素子の特性劣化をまねくことはない。更
に、従来技術がインクの補給はノズル部のメニス
カスの表面張力に頼つていたのに対し、この発明
によるインクジエツト装置では圧力室内の体積増
加によつて補給通路からインクを吸い込むのであ
り、電気エネルギー等の外部エネルギーを用いて
インク補給を強制的に行うため、高速の滴形成に
対応したインク補給が可能である。以上の理由か
らこの発明によるインクジエツト記録装置は従来
技術では不可能な極めて高速の滴形成を可能なら
しめた。

以上の説明では２つの流体制御手段を用いた例
を示した。しかしこの流体制御手段を２つそろえ
ずとも圧力室とノズル間又はインク供給口と圧力
室間のいずれか一方に用いた場合でも有効であ
る。例えばインク供給口と圧力室間に用いた場合
について説明すると、まず圧力室の内圧を高くし
てインクを押し出す場合、インクはノズル部およ
び供給口へと流出するが、このとき供給口側に設
けられた流体制御手段はインク圧力の作用により
ノズル部のそれよりも大きくなるように設定する
ことが可能であり、その結果圧力室より押し出さ
れた流路抵抗が大きくなるように作動する。この
とき流路抵抗をインクのほとんどがノズルより噴
射される。次に圧力室の内圧が低下し、先の場合
とは逆に圧力室内へインクを引き込む場合、ノズ
ル部および供給口よりインクが流入するが、この
とき供給口側にある流体制御手段は流路抵抗が小
さくなるように作動する。この流路抵抗をノズル
部のそれより小さくなるように設定することが可
能であり、その結果、インクはほとんど供給口よ
り流入するようになる。このように圧力室からイ
ンクを押し出すときと引き込むときのノズル部と
供給部の流路抵抗の比が異なるようにすることに
より先の実施例と同様の効果が得られる。同じよ
うな効果は圧力室とノズルとの間に流体制御手段
を設けた場合についても得られる。この場合は流
体制御手段の流路抵抗は圧力室の内圧が高いとき
の方が内圧が低いときよりも小さい値をとる。流
体制御手段の効果を高めるためには、圧力室の内
圧が高いときは流体制御手段の流路抵抗はインク
供給通路のそれよりも小さくなり、インクの内圧
が低いときは流体制御手段の流路抵抗はインク供
給通路のそれより大きくなるように設定すること
が望ましい。

次に、この発明において最も重要な流体制御手
段について、いくつかの実施例を示しながら詳細
に説明する。

インクジエツトヘツドにおけるインクの流れは
常にパルス的であり、１回のパルス的な流れで弁
を通過するインク流量は高々インク滴の体積程度
と極めて小さい値である。一方、弁の作動による
整流効果を高めるためには、弁を通過するインク
流量に比べて、弁が移動する空間の体積を十分小
さく抑えることが重要である。このような条件を
満たす、この発明における流体制御手段の第１の
実施例は、第３図ａ，ｂに示すように、弾性体か
ら成る板状の弁３０１がインク流出口３０２を遮
蔽するように配置されている。弁３０１は固定部
３０３にて弁座３０４に密着固定されており、ま
たインクの流れがないときは可動部３０５も弁座
３０６に密着している。今、同図で弁の下方から
上方にインクを流すような圧力が弁に作用したと
き、第３図ｂに示すように弁３０１は押し上げら
れ、弁と弁座の間のすき間３０８を通つてインク
は流出する。このときの圧力損失は殆んど弁と弁
座の間のすき間３０８において発生するため、弁
と弁座の重なり部分３０９の寸法はできるだけ小
さくとつて、圧力損失を小さくする必要がある。
弁材料としては金、ニツケル、ステンレス等の金
属薄膜や各種プラスチツクフイルムが使用でき
る。一例として、ポリエチレンテレフタレートフ
イルムを用いた場合は、次のようにして流体制御
手段を構成した。すなわち、弁の可動部３０５お
よび流出口３０２の形状寸法をそれぞれ一辺が
200μｍおよび180μｍの正方形とし、弁と弁座と
の重なり部分３０９の長さを10μｍにとつた。弁
は厚さ20μｍのポリエチレンテレフタレートフイ
ルムから打抜き加工で作つた。弁は固定部３０３
を固定部材３０７により弁座３０４に押し付けて
固定した。上記形状寸法の流体制御手段を第２図
に示したインクジエツトヘツドのノズル１４と圧
力室１３の間、および圧力室１３と補給通路１５
の間に設けた。インクジエツトヘツドの形状寸法
の一例を示すと次のようであつた。圧力室の壁１
２は厚さ0.4mmの冷間圧延ステンレス板で構成し
た。使用したピエゾ振動子は東北金属工業(株)製の
NEPEC、Ｎ−10であり、寸法形状は２mm×26mm
×0.4mmであつた。ピエゾ振動子はエポキシ系の
無溶剤加熱硬化形の接着剤を用いて壁１２に固着
した。ノズル１４は直径50μｍ長さ100μｍの穴を
放電加工法により形成した。余弦波の一波長分の
波形を有するパルス電圧をピエゾ振動子に印加
し、滴形成を行つた結果、パルス巾55μsec、ピー
ク電圧80Vのとき、直径約100μｍ、初速度約2.4
ｍ／secのインク滴形成が観測された。パルスの
くり返し周波数を変化させた結果、滴初速度の変
動が10％以内である動作周波数の最大値は18kHz
であつた。また、流体制御手段をノズル側又は供
給口側のいずれか一方のみに設けた場合は、前記
動作条件の元で動作周波数は約12kHzであつた。
一方、同じ寸法形状のインクジエツトヘツドで流
体制御手段を設けない場合は、滴速度変動10％以
内であるための動作周波数は最大約1.5kHzに過ぎ
なかつた。また100μｍ直径のインク滴を形成す
るためには約90Vのピーク電圧が必要であり、そ
のときの滴初速度は約1.8ｍ／secであつた。この
結果から、この発明による流体制御手段がインク
ジエツトの高速化に対して極めて大きな効果を有
すること、また、滴形成におけるエネルギー効率
の向上に効果的であることが明らかである。

第３図の実施例において、弁の寸法形状はでき
るだけ大きくした方が組立作業等において有利で
あるが、この場合弁の移動空間の体積が滴体積よ
り小さい範囲に限定されなくてはならない。ま
た、弁の拡大に伴つて弁の厚みも増加する必要が
ある。例えばポリエチレンテレフタレートで作つ
た正方形の弁の一辺が300μｍおよび400μｍに拡
大したときは弁の厚みをそれぞれ35μおよび75μ
にする必要があつた。弁の寸法を更に大きくした
場合、弁の効果は急激に低下することが確認され
た。

この発明における流体制御手段はインク圧力に
よる弁の変位を利用する点が一つの特徴である
が、弁の信頼性を高く保持するためには弁の変位
はその弾性限界内で行なわれることが必要であ
る。弾性限界を越えて変位した場合は弁は変形し
て元の閉じた状態に戻らなくなる。第３図に示し
た実施例のような片持ちの弁では弾性限界を越え
ないための圧力範囲が狭いため、例えばインクジ
エツトヘツドの初期のインク充填時等に過度のイ
ンク圧力が作用して弁を変形させてしまう場合が
あつた。この問題を解決したこの発明における流
体制御手段の第２の実施例は第４図ａに示すよう
に、弾性体から成るドーナツ形の円板弁４０１が
固定部４０３にて弁座４０４に密着固定されてお
り、またインクの流れがないときは可動部４０５
も弁座４０６に密着し、インク流出口４０２を遮
蔽している。このような弁は、例えば、第４図ｃ
に示したような部品から構成される。すなわち、
弁座４０４および４０６はその間に環状の流出口
４０２を有して一体に形成されている。中心部に
穴を形成した円板弁４０１を弁座に重ね、更にリ
ング状の固定部材４０７を弁上に重ねて弁を固定
する。さて、第４図ａで弁の下方から上方にイン
クを流すような圧力が弁に作用すると、第３図に
示した片持ち弁と同様に、弁４０１は押し上げら
れ、第４図ｂに示すように弁と弁座のすき間４０
８を通つてインクは流出する。第４図ｂのような
円板弁の中心の穴の回りの変形は、第３図の片持
ち弁と同様の半径方向における単純曲げの他に、
中心穴の円周方向への伸びも加わつている。従つ
て円板弁は片持ち弁よりも変形しにくく強い圧力
の作用に対して耐久性が大巾に向上するのであ
る。

実際にポリエチレンテレフタレートフイルムを
用いて流体制御手段を構成したときの寸法形状の
一例を示すと次のようである。すなわち、厚さ
20μｍのポリエチレンテレフタレートフイルムか
ら打抜き加工によりドーナツ型の円板弁４０１を
形成した。中心の穴の直径は300μｍ、弁４０１
の可動部４０５の外径を500μｍになるようにと
つた。可動部４０５と弁座４０６との重なり部分
４０９の長さが10μｍになるように、弁座４０６
の外径を320μｍにとつた。このように構成され
た流体制御手段を第２図に示したインクジエツト
ヘツドに適用した結果、第３図に示した流体制御
手段と同様の効果が確認された。

また、円板弁４０１の材料として金箔を用いた
場合は、円板弁の中心穴直径や可動部外径をポリ
エチレンテレフタレートフイルムの場合と同じに
とると弁の厚みを5μｍと薄くする必要があつた。
このような薄い円板弁を作るために、今日では
種々の微細加工技術が知られている。例えばエレ
クトロフオーミングと呼ばれる加工技術によれ
ば、円板弁の平面形状をした電極に垂直方向に金
を所定の厚さになる迄メツキすることにより金箔
の円板弁を形成することができる。

弁の厚みは使用する材料の弾性率が大きい程薄
くしなければならない。例えば、金箔の円板弁と
同じ寸法形状の円板弁をステンレス鋼で作つた場
合、滴成形のために必要な圧力は金箔の場合の約
２倍にすることが必要となる。従つて同じ条件で
滴形成を行うためにはステンレス弁の厚みを5μ
ｍよりも薄くする必要がある。しかし、弁の厚み
が薄くなると組立作業中の取扱いが困難となり、
また材料によつては薄い箔の入手が困難である等
の問題がある。このような問題を解決した、この
発明における流体制御手段の第３の実施例は、第
５図に示したように、流出口５０２を遮蔽するよ
うに弁座５０６に密着配置した弁５０１が細い支
持腕５１０に支えられており、固定部５０３にて
弁座５０６に固定されている。すなわち、第５図
ｃに示した部品配列図の一例からわかるように、
この実施例は、中心に流出口５０２を有する弁座
５０６と、中心に位置し、前記流出口を遮蔽する
弁５０１が、細い支持体５１０を介して周囲の固
定リング５０３と一体になつている弁部材５１１
と、固定部材５０７とを順次積層することにより
構成することができる。第５図ａの下方から上方
に向うインクの流れに対して、第５図ｂに示した
ように弁５０１が押し上げられ、弁と弁座５０６
との隙間５０８を通つてインクが流出する。この
実施例では弁の作動は、支持体５１０の撓みと伸
びとを伴うものであり、第４図の実施例と同様に
第３図の片持ち弁に比べ強い圧力の作用に対して
耐久性が大巾に向上するのである。しかも、弁の
変位は支持体部の変形によるため、第４図の円板
弁に比べ弁の変位量が大きく取れ、弁材料の選択
の自由度や設計の自由度が大巾に向上するという
利点を有している。実際に、厚さ10μｍのステン
レス板を用いた場合の形状寸法の一例を示すと次
のようであつた。すなわち、第５図ｃに示した弁
部材５１１と同様に円板弁５０１が４本の支持腕
５１０を持つような形状の場合、円板弁５０１の
外径は200μｍ支持腕の巾50μｍ長さ400μｍとし、
インク流出口５０２の直径180μｍとして円板弁
５０１と弁座５０６との重なり部分の長さを10μ
ｍにとつた。このように構成された流体制御手段
を第２図に示したインクジエツトヘツドに適用し
た結果、第３図および第４図に示した流体制御手
段と同様の効果が確認された。この実施例は、容
易に入手可能なステンレス板が使える上、外形寸
法も大きくとれて組立作業上取扱いが容易である
という利点も有するため実用性の高いものであ
る。

以上述べてきた流体制御手段はいずれも静止時
に弁の可動部が弁座に密着するように配置されて
いたが、このような密着配置は必らずしも必要で
ない。例えば、流体制御手段の第４の実施例とし
て、先に第４図に示した流体制御手段と同様のド
ーナツ型円板弁を有する場合の一例は、第６図に
示すようなものである。すなわち第６図ａにおい
て円板弁６０１が固定部６０３にて弁座６０４に
密着固定されており、かつインクの流れがないと
きは可動部６０５は弁座６０６から離れた位置に
あり、弁の前後のインクは連通している。しか
し、第６図ｂに示すように、弁の上方から下方に
インクを流すように圧力が作用すると、弁６０１
は図示の如く撓んで弁座６０６に接触し、インク
の流れを阻止するように作用する。一方、第６図
ｃに示すように、弁の下方から上方にインクを流
すような圧力の作用のもとでは弁６０１は上方に
撓み、弁と弁座とのすき間６０８を通つてインク
は上方に流出する。このように、インクを一方方
向に流す整流効果を得るためには、必らずしも静
止時に弁と弁座が密着している必要はない。実際
に、厚さ20μｍのポリエチレンテレフタレートフ
イルムにより作つた中心の穴径300μｍ、可動部
外径500μｍのドーナツ型円板弁を用いた場合、
通常の滴形成条件下での弁の撓み量は材料力学的
な基礎知識の範囲内で容易に計算され約3μｍと
求まる。従つて弁と弁座の静止時における間隔が
3μｍ程度迄は十分の整流効果が得られる。以上
のような、必らずしも静止時に弁と弁座が密着し
ている必要はないということは、前記ドーナツ型
円板弁を用いた場合に限らず、第３図および第５
図に示した流体制御手段に対しても適用できるこ
とはいう迄もない。

前記実施例において、弁と弁座の静止時におけ
る間隔を弁の撓み量以上に増加させてゆくと、逆
方向にもインクが流れるようになり、整流効果は
徐々に弱まつてくる。しかし、弁と弁座の間隔が
弁の撓み量に比べてあまり大きくない範囲では、
インク流の向きによつて流路抵抗を大きく変える
ことができるので、流体制御手段として十分機能
させることができる。流路抵抗としてはインク流
による慣性抵抗と粘性抵抗および流路の断面形状
が変化する部分における損失項が考えられるが、
弁が一定量撓んだ後の定常流に対しては粘性抵抗
が最も大きくなる。この粘性抵抗は弁と弁座の間
隔ｄに対してd^-3に比例することが粘性流体に関
する基礎的な特性として知られている。従つて、
例えば弁の撓み量が3μｍに対して、静止時にお
ける弁と弁座の間隔を8μｍにとつた場合、流路
抵抗はインクの向きによつて約10倍変化し、流体
制御手段として十分機能し得る。以上のような、
逆方向のインク流を完全に遮断することはないが
インク流の向きによつて流路抵抗が大きく変化す
る流体制御手段は、先に第３、第４および第５図
に示した実施例における弁と弁座との間隔を弁の
撓み量以上にとることによつて容易に実施され
る。

前記の、静止時に弁と弁座が離れている構造は
実用的な見地から重要な利点を有している。すな
わち、静止時にはインクジエツトヘツドのノズル
端面にはインクメニスカスが形成されており、ノ
ズル部のインク中の液体成分は絶えず蒸発してい
る。今、圧力室と補給通路間に流体制御手段が設
けられており、かつその前後のインク通路が弁に
より遮断されている場合、ノズル内インクは減少
してメニスカスがノズル内部に引込まれる。この
メニスカスの引き込みが圧力室に迄達すると圧力
室内部に空気が取り込まれ、もはや安定な滴形成
を行うことができなくなる。しかし、流体制御手
段の前後のインク通路が静止時においても連通し
ていれば、ノズル部インクが液体成分の蒸発によ
り減少した分だけ補給通路側からインクが供給さ
れるため、インクメニスカスは絶えずノズル端面
に留まつている。

インク流の向きによつて流路抵抗が変化するよ
うな流体制御手段として、これ迄述べてきた実施
例とは少し異なつた弁構造を有するものを次に示
す。すななわち、第７図ａは流体制御手段の他の
実施例を示したもので同図ｂにはその断面図を示
した。ここでこの流体制御手段は、インクの流通
路を形成する壁材３５と孔のあいた板材３１とス
ペーサ３２とインクの圧力により変形可能な膜３
３とこの膜が固着される枠がありその外側はつき
ぬけとなつている枠材３４とからなる。ここで板
材３１の穴径は膜の径より小さくなるようにす
る。また膜３３としては金やステンレス等の金属
の薄板やプラスチツクの膜等が使用できる。ここ
でインクは流路３６より孔３７、板材３１と膜３
３のすき間３８枠材３４のつきぬけ部３９を通り
流路４０へと流れる。また流路４０から流路３６
へ流れるときはこの逆の順で通る。ここで動作の
説明を行なう。まず流通路３６側の圧力が流通路
４０側より高くなるとインクは流通路３６より流
通路４０へと移動を始める。このとき流通路３
６、孔３７に面した膜３３の表面、つきぬけ部３
９および流通路４０の各圧力をP₁，P₂，P₃，P₄
とすると圧力の関係はP₁＞P₂＞P₃＞P₄となる。
そのため膜３３の両面にはP₂−P₄の圧力差が生
じ第３図ｂで下側に湾曲する。このためすき間３
８のギヤツプ幅が広くなりこの部分の流路抵抗は
小さくなる。そのため流通路３６より流通路４０
へとインクが流れるときこの流通路の総合的流路
抵抗は小さくなる。逆に流通路４０の圧力が高く
逆に流れるときには先に述べた各部の圧力の関係
はP₁＜P₂＜P₃＜P₄となる。そのため膜３３は先
程と逆に上側に湾曲し、すき間３８のギヤツプ幅
が狭くなり流路抵抗が大きくなる。そのため流通
路の総合的流路抵抗が大きくなる。このようにこ
の実施例によればインクの流れ方向により流路抵
抗が変わる流通路が得られ、これを先に示した流
体制御手段として用いることにより高速のインク
ジエツトヘツドが得られる。この構造で流れの方
向による抵抗の変化を大きくして本発明による効
果を大きくするには、すき間３８のギヤツプ幅d₁
と膜３３の変形の幅d₂の比Ｋ＝d₂／d₁が１に近い
ことが望ましい。同一圧力のもとで流れの方向に
よる流量の比の大きさは（１＋Ｋ／１−Ｋ）³となる。
１例を示すと、膜材として厚さ10μｍのポリエチレ
ンテレフタレートで膜の直径を400μｍすき間３
８のギヤツプ幅を10μｍとすると膜の表裏の圧力
差を0.5気圧とするとＫ＝0.5が得られ先の流量の
比は約60となる。

第８図は本発明による流体制御手段の第２の実
施例を示した断面図である。本実施例は第１図に
示した従来構造のインクジエツトヘツドのインク
供給口と圧力室の間に流体制御手段を配置してあ
る。この流体制御手段としてインク供給口４１よ
り圧力室１０３の間に一定のギヤツプ幅を持つ流
通路４２をもうけ、この流通路の一方の壁に圧力
室に通じる穴をあけ流通路４２の部分に膜４３を
固着させてある。膜としては先に示したように金
属やプラスチツク等の薄板を持いることができ
る。動作はまずピエゾ素子１０１に電圧が印加さ
れ圧力室１０３の壁１０２が内側に湾曲すると圧
力室の内圧が高くなる。すると膜４３は外側に湾
曲し、流通路４２のギツプ幅を狭くする。そのた
め流通路４２の流路抵抗が大きくなり圧力室より
押し出されたインクはほとんどノズル１０４より
噴射される。次に電圧が元の値になると内側に湾
曲した壁１０２は元の位置にもどるように力が作
用するため圧力室の圧力が外部の圧力より低くな
る。そのため膜４３は先程とは逆に圧力室側に湾
曲し、流通路４２の流路抵抗が小さくなる。その
ため圧力室に流入するインクの大部分は流通路４
２を通して供給される。よつてノズル部では噴射
したインクの量より引き込まれる量が少なく、引
き込まれたメニスカスがノズル端に復帰する時間
は短縮され、インク滴形成周期を短くすることが
可能となる。

以上述べたような、インク流の向きによつて流
路抵抗が変化するような流体制御手段の各種実施
例においては、流路抵抗の変化は、インク流の向
きによらない一定の値と弁の作用によつて変化す
る値との和となつている。従つて、先に第３図、
第４図および第５図に示した完全に整流作用を示
すような流体制御手段に対して一定の流路抵抗を
有する補助インク通路を併設することによつて
も、インク流の向きによつて流路抵抗を変化させ
られる。一例として、第９図ａ，ｂ，ｃに流体制
御手段の他の実施例として、先に第３図、第４図
および第５図に示した３種類の流体制御手段にお
ける弁座に、常に貫通している補助インク通路を
設けたものを示した。同図はインク圧力の作用で
弁が開きインクが（下方から上方へ）流れている
場合を示してあるが、このような流体制御手段が
インクジエツトヘツドにおいて十分機能するため
には弁９０１と弁座９０６とのすき間９０８を通
過するインクに対する流路抵抗が補助インク通路
９１２の流路抵抗よりも十分小さな値となること
が必要である。

補助インク通路を有する流体制御手段の他の実
施例として、第１０図に、第３図、第４図あるい
は第５図に示したような弁と弁座で遮蔽されたイ
ンク通路を、前記弁および弁座を迂回するように
設けられた補給通路で連通したものを示した。こ
の場合も、弁９０１と弁座９０６とのすき間９０
８を通過するインクに対する流路抵抗が補助イン
ク通路９１２の流路抵抗よりも十分に小さいこと
が必要である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術によるインクジエツトヘツド
を説明する概略図であり、１０１……電気機械変
換手段、１０２……壁、１０３……圧力室、１０
４……ノズル、１０５……供給口、１０６，１０
７……電極、１０８……電源を示す。第２図はこの発明によるインクジエツトヘツド
を説明する概略図であり、１１……ピエゾ素子、
１２……壁、１３……圧力室、１４……ノズル、
１５……補給通路、１６，１７……電極、１８…
…電源、２１，２２……流体制御手段を示す。第３図、第４図、第５図、第６図、第７図、第
８図、第９図および第１０図はいずれもこの発明
によるインクジエツトヘツドに用いられる流体制
御手段の各実施例を示す概略図であり、３０１，
４０１，５０１，６０１，９０１……弁、３０
２，４０２，５０２，６０２……インク流出口、
３０３，４０３，５０３，６０３……弁固定部、
３０４，４０４，６０４……弁座、３０５，４０
５，６０５……弁可動部、３０６，４０６，５０
６，６０６，９０６……弁座、３０７，４０７，
６０７……固定部材、３０８，４０８，５０８，
６０８，９０８……弁と弁座の隙間、３０９，４
０９……弁と弁座の重なり部分、５１０……支持
体、５１１……弁部材、９１２……補給通路、３
１……板材、３２……スペーサ、３３……膜、３
４……枠材、３５……壁材、３６……流路、３７
……孔、３８……すき間、３９……つきぬけ部、
４０……流路、４１……インク供給口、４２……
流通路、４３……膜、を表わす。

Claims

【特許請求の範囲】１圧力室に連通しインク滴を噴射するためのノ
ズルと、インクタンクに連通し、インクを前記圧
力室に補給するための補給通路と、インク滴の噴
射および補給を行なうために入力電気信号に従つ
て前記圧力室内にインクに圧力を作用させるため
の圧力作用手段と、前記ノズルと前記圧力室間お
よび前記圧力室と前記補給通路間のいずれか一方
あるいは両方に設けられた流体制御手段とを有す
るインクジエツト記録装置において、前記流体制
御手段が、中央にインク通路を有する座と、該イ
ンク通路を遮蔽する弁部材と、一端が該弁部材と
接続され、該弁部材が該インク通路を遮蔽する位
置に支持すべく他端が固定された複数の支持腕と
からなり前記弁部材と前記座のインク通路の重な
り部分に開口が形成され、前記圧力作用手段から
のパルス状圧力によつて該開口が開閉作用を行な
うことを特徴とするインクジエツト記録装置。２前記流体制御手段に遮断されたインク通路を
連結する補助インク通路を設けたことを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載のインクジエツト記
録装置。３前記圧力室と前記補給通路を隣接して配置
し、それらを隔てる隔壁の一部を前記圧力室にお
いてインクに作用させた圧力に応じて変形可能な
弾性部材で形成することを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載のインクジエツト記録装置。