JPS642066B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、インクジエツト記録ヘツドに関す
る。 第１図は特願昭56−8428号記載の同一出願人の
提案したインクジエツト記録装置を示す。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、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。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、さらなに高速であれば、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
の収束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、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、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
には、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、インク液滴の吐出力が低下してしま
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により電位差が約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、非常に小さい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。 ノズル板２は、空気吐出口１を有するとともに
電位差を生じさせ、インク液を引き伸ばす、電極
の役割を兼ね備えている。特願昭56−35711ある
いは、特願昭55−35713号には、ノズル板２の構
成に関する発明が記載されており、電気的な絶縁
体と導電体によりノズル板２を作成する方法が提
示されている。 第２図は特願昭56−35711号に記載されたイン
クジエツト記録ヘツドの空気吐出口１およびイン
ク吐出口４部分の拡大図である。第２図の構成は
ノズル板として絶縁基板８、たとえば厚さ約
150μｍのガラスエポキシ積層板を使用し、これ
に空気吐出口１を穿孔し、その周囲に約30μｍの
厚みの銅により電極９を形成したものである。こ
の構成は、空気吐出口１の穿孔が簡単であり、エ
ツチング等の技術により種々の形状の電極が容易
に形成できるのでマルチノズル化も容易である。 本発明は、以上のような構成のインクジエツト
記録ヘツドにおけるインク吐出口４の改良された
構成を提供するものである。以下実施例にもとづ
いて詳細に説明する。 第３図は、空気吐出口１および電極９を第２図
に従つて構成し、インク吐出口４をオリフイス板
１３に穿孔した構造を示すものである。図におい
て第１図および第２図と同一部分には同一符号を
付して説明を省略する。 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。粘性抵抗を
Pr，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、 Pr∝ηl／d² ……(1) 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。 一般的に、インクジエツト記録ヘツドの特性と
しては、信号パルスの繰返し周波数に対する応答
性が少なくとも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1.7〜2.2×10³cp／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る。
インクのメニスカスに生じる凹を小さくするため
の他の方法がなくはないが、そのような方法を考
慮したとしてもηl／d²≦2.2×10³cp／cmを満足す
ることが望ましい。 以上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３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、たとえばステンレスなどが使用される。 なお第３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は電気的な導通があつ
て良く、ボデイ１０を導電性材料で構成しても良
いことが分る。 本発明は、インク吐出口を薄いオリフイス板に
穿孔し、前記(1)式の右辺が2.2×10³cp／cm以下で
あるごとく構成されたものであり、インク液滴の
吐出の信号パルスの繰返しに対する応答性が向上
されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の先行出願に係るインクジエツ
ト記録ヘツドの断面側面図、第２図ａは第１図の
インクジエツト記録ヘツドの空気ノズル部の他の
構成例を示す断面側面図、同ｂは同平面図、第３
図は本発明によるインクジエツト記録ヘツドの実
施例を示す断面側面図である。 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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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す
   るとともに、前記インク吐出口を薄板に穿孔され
   たオリフイスで形成し、インク吐出口の直径を
   di，薄板の厚さをｌ，インクの粘度をηとしたと
   き、前記薄板の厚さｌが ηl／di²≦2.2×10³cp／cm を満足することを特徴とするインクジエツト記録
   ヘツド。