JPS6349626B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、インクジエツト記録装置のような液
体を噴射させて、文字や図形を記録する液体噴射
装置の液体供給素子に関する。

文字や図形を記録する記録ペンには、記録ペン
自体を移動させて被記録物に記録を行うものが多
い。たとえばＸ−Ｙレコーダーのように２方向に
記録ペンが移動するものや、シリアルプリンタの
ように、記録ペン及び被記録物がそれぞれ直角方
向に移動し記録物を作成するものがあげられる。
本発明は上記のように移動する記録ペンとして液
体噴射装置を用いた場合に有用な液体供給素子に
関する。

液体噴射装置の噴射口を有する部分（以下ヘツ
ドと称す）が移動する場合、このヘツドに液体を
供給する供給管にも移動が要求される。このよう
な供給管の動きをなめらかにするために一般に行
なわれている方法に第１図のごとき配管がある。
すなわち、第１図にヘツド１が、図の左右に移動
するため液体供給管２はフレキシブルな材質のも
のを使用し、さらにＵ字形に折りまげることによ
り、配管の動きをなめらかにしたものである。

第１図のように、液体供給管を配置した場合に
はヘツドが左端あるいは右端で折り返す際に、供
給管内の液体の慣性力によつて、ヘツドに供給さ
れる液体に圧力変動が生じることがわかつてい
る。第２図は、第１図のような液体供給管の配置
とした場合のヘツドに供給される液体の圧力変動
を示している。第２図に示すように、第１図のよ
うな液体供給管の配置では、一方の端では正の他
方の端では負の圧力変動が生じる。

上記のような圧力変動は、ヘツドからの液体の
噴射特性に大きな影響を与えることが多く、たと
えば、噴射量の変動や液滴の形成状態の変化等の
原因となる。

第３図は、液体供給管内の液体の慣性力を緩和
するための１つの手段を示しており、E.STEME
らによつて提案されたものである。（Division of
Computer Research，Research Report No.8
1972 Chalmers University ofTechnology）、す
なわち、ヘツド１に対して液体供給管を２経路に
分岐させ、Ｕ字形の配管を２つ合わせたような左
右対称の形状に配置したものであり、液体供給管
の左端より右端の長さは少なくともヘツドの移動
範囲の1/2以上である。このような形状の液体供
給管では液体の慣性力が左右で相殺されるため、
液体の圧力変動が減少すると言われている。しか
し実際には、液体供給管の内壁の流動抵抗や、液
体供給管の曲り部分での流動抵抗があるため、液
体の流動が圧力の変動に変換される率も大きく、
第３図にような液体供給管の形状でも十分な効果
をあげるには至らないのが現状である。

第４図は、第３図の形状の液体供給管の場合に
ヘツド１がヘツド１の移動範囲の左端に位置した
状態を示している。第４図において、ヘツド１よ
り液体供給管２の左端までの距離をｘ、液体供給
管２の左端より右端までの距離をｌとすると、液
体供給管の分岐点４２での慣性力Ｆは Ｆ＝ρ（ｌ−2x）S_pα ……(1) と書ける。但し、αはヘツド１が左端で折返す時
の加速度、ρは液体の密度、S_pは液体供給管の断
面積（液体のしめる部分の断面積）を示してい
る。慣性力Ｆが、分岐点４２での圧力P_p及び液体
供給管内での液体の流れv_pに変換されるとすると Ｆ／S_p＝P_p＋１／２ρv_p ²＝ρ（ｌ−2x）α ……(2) と書ける。

(2)式より、ヘツド１に伝搬される圧力P_pがｏで
あるためには、Ｆ／S_p＝１／２ρv_p ²を満足しなけれ ばならない。

しかし、Ｆ／S_p＝１／２ρv_p ²は、液体供給管の内 壁や、曲りによる流動抵抗がある限り、満足され
ない。

したがつて、第３図のような形状の液体供給管
においてもヘツド１の左右端での折返し点におい
て、正の圧力変動が生じることになる。

第５図は上記のような圧力変動を減少させる手
段の一例を示すものである。第１の液体通路３及
び第２の液体通路４が細管５によつて連結されて
おり、細管５の中央部には供給路６が設けられて
いる。第１の液体通路３、第２の液体通路４、細
管５、および供給路６には液体が満たされてい
る。今、外力によつて、液体の圧力変動及び流動
が生じたと仮定し、第１の液体通路３での圧力を
P_A、流動速度v_p、第２の液体通路４での圧力を
P_B、流動速度をv_pとする。但し、第１の液体通路
３および第２の液体通路４の断面積は等しくS_pと
する。また、細管５の断面積をＳとし、その中で
の流動速度をｖ、細管５の中央部での圧力をP_H
とする、ここで、細管５での流動抵抗係数をｋと
おくと、 P_A＋１／２ρv_p ²＝P_H＋１／２ρv²＋１／２kv ＝P_B＋１／２ρv_p ²＋kv ……(3) と書ける。但し、便宜上液体の流動は第１の液体
通路３から、第２の液体通路４の方向に生じてい
るとし、細管５での圧力損失は、細管５の至る所
で均一に生じているものとする。

(3)式より、細管５の中央部の圧力P_Hすなわち
供給路６内の圧力は P_H＝１／２（P_A＋P_B）＋１／２ρ（v_p ²−v²） と書ける。流量一定の条件から ｖ＝S_p／Ｓv_p＝Cv_p を代入すると P_H＝１／２（P_A＋P_B）＋１／２ρ（１−C²）v_p ² ……(4) となる。

(4)式より、供給路６での圧力P_Hは、上記Ｃの
値を適当に設定することにより０もしくは、非常
に微小な値にできることがわかる。

本発明はこのような原理を利用することによつ
て、液体供給管の動きによる液体の圧力変動を減
少させる流体供給素子を提供するものである。

第６図は、第５図の構成の流体供給素子７を第
４図に液体供給配管方式に適用した状態を示すも
のである。

インク供給源に連結された、供給管１１は分岐
点１０より左右に分岐され、それぞれＵ字状に折
りまげられた供給管８および供給管９と連通して
いる。また、供給管８および供給管９は、第５図
で示された構造の流体供給素子の第１の液体通路
３および第２の液体通路４に連結されており、さ
らにヘツド１への液体供給は、供給路６に連結さ
れた供給管１２によつてなされる。

このような供給配管方式において、ヘツド１お
よび流体供給素子７が左右に移動する場合を考え
る。簡単のためにヘツド１および流体素子７が、
左端で折り返す時のみを考えると、供給管８、供
給管９および流体供給素子７内では、左向きの液
体流動が生じる。また第１の液体通路３内の圧力
P_Aは、供給管８内の液体の慣性力によつて正の
値になり、第２の液体通路４内の圧力P_Bは、供
給管９の液体の慣性力により負の値を示すように
なる。そして供給管８および９と第１の液体通路
３、第２の液体通路４の断面積が等しいとすれば
これらの関係は、前述のように(4)式で表わされる
ため、Ｃの値を適当に設定し、P_Hを小さな値に
なるようにすれば、第６図で示された供給配管方
式における圧力変動をヘツド１に伝搬させないよ
うにすることができる。

実際の実験結果でも、(4)式から想定されるごと
く、Ｃの値を大きくしてゆくと、P_H、すなわち、
ヘツド１に伝搬される圧力変動が急激に減少する
ことが確認された。(4)式の１／２ρ（１−C²）v²は、 Ｃに関する２次式であるので、Ｃを１より増大し
てゆくと１／２ρ（１−C²）v²の値は加速度的に減少 してゆく。実験においても、Ｃが約３より大にな
ると、ヘツド１に伝搬される圧力変動が急激に減
少することが分つた。

なお、Ｃは、原理説明の関係上、第１の液体通
路３（あるいは、第２の液体通路４）と、細管５
の内部断面積の比で表現したが、実際には、液体
供給管内の流動速度と、細管５における供給路６
近傍の流動速度が問題であり、Ｃは液体供給管の
断面積と細管５の供給路６近傍における面積との
比として定義されるべきものである。

次に細管５による流動抵抗係数ｋについて考え
てみると、ｋの値によつて、圧力成分P_A，P_Bと
速度成分v_p，ｖの大きさに変化が生じると想定さ
れる。したがつて ｋの値についても、ヘツド１
に伝搬される圧力P_Hを低下させるための考慮が
必要である。しかしながら、ｋの値は、細管５の
断面積Ｓおよび、長さｌに関して ｋ∝ηl／Ｓ （但しηは液体の粘性係数） と表わされるため、前記Ｃの値と独立にその値を
決定できる。したがつて、ｋは、流体素子７の構
成のための絶対的に制約されるべき範囲はなく、
あくまで、前記Ｃの値に対応して決定されるべき
ものと考えられる。

次に液体の密度ρについて考えてみると、(4)式
からは、ρの値が大きい程、１／２ρ（１−C²）v_p ² の値に影響する程度が大きいため、ヘツド１に伝
搬される圧力P_Hの低減に関する効果に対しても
影響すると考えられるが、通常使用される液体噴
射装置用の液体に関し、密度ρを大きな範囲で変
化させることは不可能であり、せいぜい0.5〜２
の範囲に収まり、それを越えることは考えられな
い。したがつて、液体の密度ρに関しても、ヘツ
ド１に伝搬される圧力P_Hの低減に関する、必須
な構成要因ではない。

次に供給路６について考える。(4)式の関係式で
は、第５図における液体の流動は、図における左
右方向にのみ生じるとした。しかし実際には、供
給路６の形状によつては、細管５と供給管６の連
結部分において、流動に曲りが生じ、供給路６内
にも流動が生じ、ヘツド１に伝搬される圧力P_H
を減少させることが困難となる場合がある。

実験結果によると、供給路６の細管５との連結
部分の面積をS_Hとすると、S_Hは小さい程良く S_H／Ｓ２ ……(6) が適当であることが分つた。

以上詳細に説明したように、第５図において、
Ｃ＝S_p／Ｓを１以上の値とすることによつて、圧
力変動の少ない液体をヘツドに供給することがで
きるが、さらに実用的な面から考えると、第５図
の構成は改善され得るべき点がある。

そのうちの１つは、(5)式のｋに関するものであ
る。(4)式から分るように、より効果の高い流体素
子を実現するためには、Ｃの値をより大きな値に
する必要が生じる。すなわち、細管５の断面積を
非常に小さくするか、あるいは、液体供給管の断
面積を非常に大きくする必要がある。

実用的な面から見ると、液体供給管の断面積を
大きくすると、ヘツドの走査のなめらかさや供給
管を折れ曲り可能なものとするための材質の選択
等に困難があり、装置の小型化という面からも細
管５の断面積を小さくする方が好ましい。一方、
ｋの値は細管５の半径の自乗に反比例するため、
細管５の断面積を小さくするとｋの値が大きくな
る傾向にある。ｋの値の影響については、一つは
ヘツドに伝搬される圧力変動に関するがその他に
も、液体のヘツドへの供給量に関して考慮が必要
である。すなわち、インク供給源からヘツドには
ある一定量以上の液体を供給する必要があるが、
ｋの値が大であると、インク供給源とヘツド近傍
に相当大きな圧力差が必要となる。このような圧
力差が必要であることは、液体噴射装置の構成に
もよるが、一般的には実用上困難な点が多く、特
にインク・オン、デマンド型と呼ばれている液体
噴射装置では、液滴の吐出が不可能となる。した
がつて、性能的にも、実用的にも、優れた流体供
給素子を提供するには、Ｃが大であり、かつｋの
小さな構造が要求される。すなわち、細管５の径
を小さくし、細管の長さｌを小さくすることが必
要である。ここで問題となることは、細管の長さ
ｌを小さくする必要があるため、供給路６の断面
積を大きくとれなくなることである。さらに供給
路６の断面積が小であると、供給路６での流動抵
抗が大きくなることがあきらかであり、結局、液
体の供給量に関して問題が生じる。

本発明は、このような欠点を改良し、前記Ｃが
大であり、かつｋの小さな流体供給素子を容易に
実現させることを目的とする。

以下、第８図を用いてその一実施例に従つて説
明を行う。

開口２３，２４をそれぞれ有する液室１７，１
８が、互いに一定の間隔をもつて対向した２つの
ノズル板２６，２７によつて分割されており、か
つ、２つの液室１７，１８が互いに一直線上にあ
るオリフイス２１，２２によつて、ノズル板２
６，２７により形成される液層１９を介して連結
されており、この液層１９は、開口２５を有する
液室２０に連通している。

第８図から容易に想定されるごとく、第５図に
おける、液体通路３および４は、液室１７，１８
に、細管５はオリフイス２１および２２に、また
供給路６は、液層１９にそれぞれ対応している。
したがつて、第５図において成立した(3)式および
(4)式が第８図においても成立する。

第８図においては、(3)式に示すｋの値をオリフ
イス２１，２２の形状を変更することなく、ノズ
ル板２６，２７の厚みを小とすることによつて容
易に小さくすることが可能であり、また、液体の
流動方向のオリフイス２１，２２近傍での曲りの
影響を少なくすることも、ノズル板２６，２７の
間隔を調整することによつて、液層１９の幅を制
御すれば容易である。しかもこの場合、液室１７
および１８から液室２０への液体供給がオリフイ
ス２１，２２より円周方向になされるため、液層
１９の幅を狭くした場合にも、供給量に関する問
題が生じない。なお、液室２３，２４，２５の内
容積は特に規制されず、たとえば開口２３，２
４，２５と同一断面積のものでも良いが、上記開
口に接続される供給管の断面積に比較して大きい
程、容量的なダンパーとして、圧力変動を低下さ
せる効果が期待できる。さらに述べると、液室２
０の形状は環状であり、その内容積が大であると
その効果が増大する。

また、流体素子の性能を均一化するため、液層
１９の幅を精度よく構成したい場合には、ノズル
板２６，２７の間に一定の厚みのスペーサを入れ
て組立てることも有益である。

また、第８図では、オリフイスの数が１対（オ
リフイス２１及び２２）だけであるが、複数個の
オリフイスを設けることも可能である。

以上詳細な説明のように、第８図に示したよう
に構成することにより容易に高性能な流体素子を
提供するものである。

次に、第８図の構成の流体供給素子を利用した
具体例について述べる。

第７図は特開昭48−9622に記載されている、い
わゆるインク・オン・デマンド方式のインクジエ
ツト記録ヘツドの断面図であり、インクジエツト
記録ヘツド内のインク室が、吐出口１３に隣接し
ていて、かつ液状インクの流入通路２８と直接に
結合している外方の室２９と圧力上昇を生じさせ
る装置３０を有している内方の室３１に分割され
ており、これらの両方の室が吐出口１３と一直線
上ある結合通路３２を介して互いに結合されてお
り、電気信号に応じて微小インク液滴を吐出、停
止させるものである。

ここでは、第７図の動作原理についての詳細な
説明を省略するが、このような液体噴射装置にお
いては、電気信号が印加されていない時には、液
体が吐出口１３に生じる液体のメニスカスによる
表面張力によつて保たれている。その表面張力に
よる保持力ΔPは、吐出口１３が円形で、その半
径をｒとすると、 ΔP＝2T／ｒcosθ と書ける。但し、ΔPは圧力単位であり、Ｔは液
体の表面張力、θは液体と吐出口の接触角であ
る。ここで、ｒ＝25μm、θ＝０、Ｔ＝40dyn／
cmの時を考えると、 ΔP≒0.033Kg／cm² となる。この値は、インクジエツト記録ヘツド内
に充填されている液体の圧力変動の許される上限
値を示していることが明らかであり、このインク
ジエツト記録ヘツドを駆動させるためには、かな
らず守らなければならない範囲を示す値である。

ところが、第１図あるいは、第３図のような構
成の液体供給系において、上記インクジエツト記
録ヘツドを移動させた場合、すなわち、流入通路
１４に連結されたインク供給管を第１図あるいは
第３図のような形状に配置した場合、圧力変動を
0.033Kg／cm²以下に保つことは、非常に困難であ
つた。

すなわち、第１図あるいは、第３図にような従
来構成の液体供給系では、インクジエツト記録ヘ
ツドの移動速度を約30cm／Ｓ以下程度に留めなけ
れば圧力変動の大きさを許容範囲に納めることが
できず、それ以上の移動速度では、吐出口１３に
生じるメニスカスが破壊され、インクの吐出ある
いはインクジエツト記録ヘツド内への気泡の混入
等が生じ、記録特性に悪影響を及ぼす。

第７図のインクジエツト記録ヘツドのインク液
滴の吐出特性は、約20000個／Ｓの性能をもつて
おり、例えば6dot／mmの画像を形成したい場合に
は、インクジエツト記録ヘツドと、記録媒体の相
対速度が、3.33m／Ｓまで可能である。

したがつて、前記のように、インクジエツト記
録ヘツドの移動速度を約30cm／Ｓ以下に留めるこ
とは、このインクジエツト記録ヘツドのもつ性能
の約1/10以下の記録速度で使用することになる。

一方、第７図に示すインクジエツト記録ヘツド
を第６図の液体供給系に採用し、かつ流体素子７
として第８図の構成のものを使用した場合、すな
わち、供給管８および９が開口２３および２４に
連結されており、供給管１２は、一端を開口２５
に他端を流入通路２８にそれぞれ連通しており、
供給管８および９の内径を約１mmオリフイス２
１，２２の径を約0.2mm、液層１９の幅を約0.08
mmに設定した場合には、インクジエツト記録ヘツ
ドの移動速度を大幅に上昇でき約2.5m／Ｓまで
の走査速度が可能となつた。第９図は第８図で示
されるような流体供給素子７を用いた他の液体供
給系の構成例を示し、第８図で示された流体供給
素子７の開口２３および２４のいずれか一方が、
液体供給源に連通している供給管１５に連結され
ており、他方が、他端が閉塞した液体貯蔵管１６
に連結されている。また開口２５は、ヘツド１に
連結されている。液体貯蔵管１６は、ヘツド１が
左端、あるいは右端で折り返す時に流体素子７内
にインクの流動が生じるように、内部の流体の流
動が可能な構成となつている。たとえば、液体貯
蔵管１６の一部分には、液体の充満されない中空
部１４が形成されており、ヘツド１が左端あるい
は右端で折り返す時に、中空部１４が伸縮するこ
とによつて、流体供給素子７内にインクの流動が
生じさせられる。その他、内部の液体を流動とす
る方法として液体貯蔵管１６の材質をやわらかい
ものにすることも考えられる。

第９図にような構成の液体供給系では、供給管
１５内の液体の慣性力による圧力変動を、第６図
における場合とほぼ同様に低減させることができ
る。

第９図において、ヘツド１が右端に位置した場
合を考えると、この時に生じる圧力変動は、ヘツ
ド１より右側の供給管１５内の液体と、液体貯蔵
管１６内の液体の慣性力に基因する。したがつ
て、この２つの慣性力をバランスさせることによ
り、圧力変動を微少なものとすることができる。
ヘツド１が右端に位置した時の、ヘツド１と供給
管１５の右端との距離は容易に小さなものとする
ことができるため、前記慣性力のバランスをとる
手段としては、このヘツド１と供給管１５の右端
との距離を調整する方法も可能であり、また、液
体貯蔵管１６の形状、および内部の液体の容積を
調整する方法も可能である。

次に第９図において、ヘツド１が左端に位置し
た場合を考えると、供給管１５内の液体の慣性力
は液体貯蔵管１６内の液体が流動可能であるため
に、流体供給素子内の圧力変動及び液体の流動に
変換される。流体供給素子７内の圧力変動と液体
の流動速度は、液体貯蔵管１６の特性及び液体供
給素子７の形状等によつて異なるが、原理的に
は、第６図における説明と全く同様であり、適切
な条件を選択することにより、ヘツド１に伝搬さ
れる圧力変動を０または微小な値とすることがで
きるものである。

なお、第９図の構成では、液体供給源を変動の
ある圧力源に置きかえると、ヘツド１に出力され
る圧力が変動の少ないものになる効果をもつこと
が容易に想定される。すなわち、前記説明では、
液体供給源は一定の静圧力を保つており、液体供
給管の移動により圧力変動が生じると仮定した
が、この圧力変動は、液体供給管の移動が原因と
なるものでなく、元来液体供給源に存在するもの
と仮定をしても、前記流体供給素子の効果が減少
することはない。このように、第８図に示す流体
供給素子は、単なる圧力変動除去装置としての用
途にも使用可能なものである。

以上詳細な説明のごとく、本発明は少なくとも
１つの開口を有する２つの室が、互いに対向した
２つの板によつて分割されており、かつ、この２
つの板に穿孔された少なくとも１対のオリフイス
によつて、この２つの板により形成されるすき間
を介して連結されており、そのすき間が、オリフ
イスを除く、少なくとも１つの開口に連通してい
ることを特徴とする流体供給素子であり、ヘツド
の移動に伴なつて生じる液体の圧力変動の影響を
減少させることができ、安定して高速記録が可能
な液体噴射装置が実現できるものである。

さらに、上記すき間が、環状の室を介して少な
くとも１つの開口に連通している構造を採用する
ことおよび上記２つの板が一定の厚みを有するス
ペーサを介して対向している構造を採用すること
はきわめて有用である。

また、該流体供給素子を使用する方法としては
上記２つの室の開口が液体供給源に連結されてお
り、上記すき間に連通した開口が、液体噴射装置
に連結されている構成や、また上記２つの室の一
方の室の開口が液体供給源に連結されており、他
方の室の開口が、内部液体の流動が可能である液
体貯蔵室に連結されており、該すき間を連通した
該開口が液体噴射装置に連結されている構成等、
種々の利用方法があり、広範囲な用途を有してい
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の液体噴射装置の構成図、第２
図は、第１図の装置における圧力変動の様子を示
す図、第３図、第４図は、従来の液体噴射装置の
他の構成図、第５図は液体噴射装置における液体
供給素子の原理説明図、第６図は液体供給素子を
備えた液体噴射装置の構成図、第７図はインクジ
エツト記録ヘツドの断面図、第８図は本発明の液
体供給素子の断面構成図、第９図は本発明の液体
供給素子を備えた他の液体噴射装置の構成図であ
る。 １……ヘツド、２……液体供給管、３……第１
の液体通路、４……第２の液体通路、５……細
管、６……供給路、７……流体素子、８，９……
供給管、１０……分岐点、１１，１２……供給
管、１３……吐出口、１４……中空部、１５……
供給管、１６……液体貯蔵管、１７，１８，２０
……液室、１９……液層、２１，２２……オリフ
イス、２３，２４，２５……開口、２６，２７…
…ノズル板、２８……流入通路、２９……外方の
室、３０……圧力上昇を生じさせる装置、３１…
…内方の室、３２……結合通路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも１つの開口を有する第１及び第２
   の液室が、互いに対向した２つの板によつて分割
   形成されており、前記２つの板に穿孔された少な
   くとも１対のオリフイスを有し、前記オリフイス
   と前記２つの板の間に形成される間隙とを介して
   前記第１及び第２の液室が連結されており、前記
   間隙がオリフイス以外の少なくとも１つの開口に
   連通されていることを特徴とする流体供給素子。 ２ 上記間隙が、環状の第３の液室を介して、少
   なくとも１つの開口に連通されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の流体供給素
   子。 ３ 上記２つの板が、一定の厚みを有するスペー
   サを介して対向していることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の流体供給素子。