JPS6334025B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、同一出願人の出願に係る特願昭56−
8428号記載の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
ズル板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。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。それらの中では性能や組
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以下であるのが望ましく、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
収速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、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、インク液滴の吐出口が低下してしま
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一例をあげ
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低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。 第２図はインク吐出口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。図において、第１図と同一部分には同一符号
を付して説明を省略する。８はノズル板で第１図
のノズル板２に対応するが、ノズル板８は絶縁体
で構成されている。９はノズル板８の空気吐出口
１の周囲に形成された電極、１０はボデイ、１３
はオリフイス板で、このオリフイス板１３に形成
したオリフイス４をインク吐出口とする。 インク吐出口４をオリフイス板１３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
上インクのメニスカスが初期状態に復元するまで
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、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。この粘性抵
抗をP_r、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 P_r∝ηl／d² ………… 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等
性が少なくとし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1KHz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≦2.2×10³c.p／cmを満足することが望まし
い。 以上の詳細な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
２図では、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２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は電気的な導通であつて良
く、ボデイ１０導電性材料で構成しても良いこと
が分る。 第２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65μm、
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。前記した最小パルス幅の
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。 本発明は、このようなインク吐出口の形状のバ
ラツキの影響をなくし、安定した性能のインクジ
エツト記録ヘツドを提供することを目的としたも
のである。 第３図および第４図は、本発明によるオリフイ
スの製法を示すものである。まず、オリフイスを
形成する板にハーフエツチングによつて凹みをつ
ける。凹みの形状は例えば第３図に示すような長
円形等が選ばれる。このようにして形成されたハ
ーフエツチング部１４の上から第４図に示された
ような円形オリフイス１５を穿孔する。第４図の
オリフイス形状は、円形のオリフイスにダレが生
じた形状に類似したものになる。 第３図、第４図で説明した製法によつて、第４
図および第５図ａ〜ｅに示された形状のオリフイ
スを作り、第２図のインク吐出口４に使用して実
験した結果、第４図および、第５図ａ〜ｄの構造
にした場合、前記したインク液が吐出可能な最小
パルス幅が、約50〜100μsと小さなインクジエツ
ト記録ヘツドが実現できた。なお、第５図ｅのよ
うにインク吐出口４の周辺全体に設けた形状で
は、最小パルス幅が300〜400μsとなり効果を示さ
なかつた。すなわち最小パルス幅は、インク吐出
口４の周辺に部分的に凹みをつけることにより、
非常に小さくできるが、インク吐出口４の周辺全
体に設けると小さくならない。 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
スも綺麗な球状に近い形状となり、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で、第４
図、第５図ａ〜ｄのような形状の場合には、ハー
フエツチング部１４にインクが存在するために、
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、その結果インク液の吐出に伴な
う形状の変動（あるいは凹み）が小さくなるため
である。 また、インク吐出口４がオリフイスではなく、
第１図のような細孔である場合にも、この細孔表
面の一部に凹みを形成することが有効である。第
１図の構成では、あまり高い応答性は望めない
が、前記説明と同様な理由により応答性のバラツ
キや安定性に関しては、上記凹みを形成すること
により良好なヘツドが実現できる。 以上詳細な説明のように、本発明は、インク吐
出口４の周辺に部分的に凹みをつけることによ
り、インク液の吐出に伴なつて生じるインクのメ
ニスカスの変動を小さなものとし、インク液の吐
出可能な最小パルス幅を小さくし、応答性が良
く、高速記録が可能なインクジエツト記録ヘツド
を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の適用されるイン
クジエツト記録ヘツドの断面側面図、第３図ａは
本発明によるインクジエツト記録ヘツドのインク
吐出口部分の製法を示す断面図、同図ｂは同正面
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インク吐出口部分の断面
図、同図ｂは同正面図、第５図ａ〜ｄはそれぞれ
本発明によるインクジエツト記録ヘツドのインク
吐出口部分の他の実施例を示す正面図、第５図ｅ
は本発明によるインクジエツト記録ヘツドの比較
例を示すインク吐出口部分の正面図である。 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……オリフイ
ス板、１４……ハーフエツチング部、１５……オ
リフイス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ インク吐出口と同軸上に空気吐出口を対向し
   て設置し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、空
   気吐出口が形成されている部材とインク吐出口内
   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よう構成さ
   れ、前記インク吐出口周辺部に部分的に凹みが形
   成されていることを特徴とするインクジエツト記
   録ヘツド。