(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを包含する細長い空洞（１３）と、
前記空洞（１３）からのインクを通してジェットを形成し、空洞（１３）の壁（１０）にあって空洞（１３）の長さに沿って延びるノズルオリフィス（７）と、
前記ノズルオリフィス（７）が貫通して延長する厚さ（ｋ）が９０ミクロンよりも小さい前記壁（１０）に対して前記空洞（１３）の反対側に配置され、前記ジェットの各々が空洞（１３）の前記壁（１０）から同じ所定距離でインク液滴に分裂するように前記壁（１０）に対してそれ自身振動することにより前記空洞（１３）のインクを振動させるアクチュエータ手段（３）と、
を含み、
前記壁（１０）は、前記液滴発生装置の残りの部分に固定された平面部材（１０）を含むことにより前記ノズルオリフィス（７）の周りに延びて内部に前記平面部材（１０）が支持されていない境界（１２）を形成し、
前記境界（１２）は、ノズルオリフィス（７）の両方の側の前記空洞（１３）の長さに沿って延びその間の距離（ａ）が１７００ミクロンよりも小さい第１及び第２の境界の長さを含む、
ことを特徴とする、連続流インクジェット印刷ヘッドのための液滴発生装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の境界長さの間の前記距離（ａ）は、１３５０ミクロンよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の発生装置。
【請求項３】
前記平面部材（１０）は、平面金属部材（１０）であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の発生装置。
【請求項４】
前記平面金属部材（１０）は、ステンレス鋼ホイル（１０）であることを特徴とする請求項３に記載の発生装置。
【請求項５】
前記平面金属部材（１０）は、溶接によって前記液滴発生装置の残りの部分に固定され、その溶接がもたらす経路（１２）は、ノズルオリフィス（７）の周りの前記境界（１２）を形成することを特徴とする請求項３又は請求項４のいずれか１項に記載の発生装置。
【請求項６】
前記ノズルオリフィス（７）は、放電加工によって前記平面金属部材（１０）に既に形成されていることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の発生装置。
【請求項７】
前記ノズルオリフィス（７）が貫通して延びる前記壁（１０）の前記厚さ（ｋ）は、４５ミクロンよりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発生装置。
【請求項８】
前記ノズルオリフィス（７）が貫通して延びる前記壁（１０）の前記厚さ（ｋ）は、５５ミクロンよりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発生装置。
【請求項９】
前記ノズルオリフィス（７）が貫通して延びる前記壁（１０）の前記厚さ（ｋ）は、６０から８０ミクロンの範囲であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、連続流インクジェット印刷ヘッドの液滴発生装置に関する。
より具体的には、本発明は、インクを包含する細長い空洞、空洞からのインクを通してジェットを形成し、空洞の壁にあって空洞の長さに沿って延びるノズルオリフィス、及び、壁に対してそれ自身振動することにより空洞のインクを各々のジェットが空洞の壁から同じ所定距離でインク液滴に分裂するように振動させる、前記壁に対して前記空洞の反対側に配置されたアクチュエータ手段を含むような発生装置に関する。上記の種類の液滴発生装置は、これ以後、特定型液滴発生装置と呼ぶことにする。
【０００２】
（背景技術）
特定型発生装置を腐食性（非水性ベース）インクと共に用いることを可能にするために、いくつかの既知のそのような発生装置は、主にステンレス鋼構成要素で製造される。そのような構成要素の１つは、ノズルオリフィスを包含する壁であり、オリフィスがそれを通って延びるステンレス鋼ホイルの薄いシートの形を取る。
オリフィスは、比較的小さくて非常に高品質でなければならない。これは、オリフィスによって作り出されるジェットが同一であるようにするためである。ジェットは、１度の何分の１の精度で互いに平行でなければならず、数パーセント以内の精度で同等な速度を有する必要がある。これは、相対サイズが５パーセント以内の完全に丸い穴を必要とする。ステンレス鋼でこの要件を達成できる数少ない製造技術が存在する。全ての技術は、ホイルの厚さが増すと更なる困難に遭遇してそれを被る。進化した優秀な技術は、放電加工（ＥＤＭ）である。
【０００３】
そのようなオリフィス形成工程において、細い金属ワイヤ又は電極は、ホイルのすぐ近傍の範囲内に持ってこられる。空隙に亘って電圧が加えられ、アークがホイル素材の間に起こると、電極による局所加熱は、ホイル材料の蒸発及び排除をもたらす。必要な品質の穴を達成するために、非常に低い電流が加えられた。これは、穴の完成度を改善するが、各穴を「穿孔」するのに必要な時間、従って、穴／オリフィスの全体アレーの穿孔を完了するのに必要な時間を増加する。各々がホイルを貫通して１００ミクロンの厚さに延びる２５６個の穴の５０ミリメートル長のラインを有する１２８ドット毎インチ（ＤＰＩ）プリンタにおいては、穿孔時間は、全体で１２〜１３時間になる。この時間は、相当なものであり、ユニットコスト及び能力の両方に関して重要な生産的意味を有する。
【０００４】
離れた基体上に印刷するインクジェットプリンタの能力の尺度は、プリンタの「スロー（ｔｈｒｏｗ）」と呼ばれる。不均一な基体に印刷する時、又は、ジェットの領域にかなりの空気擾乱がある条件においては、高いスローが必要である。スローは、ジェット速度に関連する。ジェット速度は、波長に振動数を乗じたものに等しい。発生装置の作動振動数でのアクチュエータ手段の振動は、ジェットの中を伝播する超音波を生み出す。この波は、適切な拡大の下でジェットの中にはっきりと見ることができ、波長、従ってジェット速度の測定を可能にする。ある与えられた作動振動数に対して、波長はジェット速度すなわちプリンタのスローの尺度として用いることができる。ある与えられた作動振動数において、スローを最大にするにはジェット波長を最大にすることが必要であることを理解することができる。
１００ミクロン厚ステンレス鋼ホイルに作り出された標準１２８ＤＰＩノズルを有する既知のインクジェットプリンタにおいて、メチルエチルケトンのインクを使用する場合、波長の作動範囲は１５５から１６５ミクロンであって、１６０ミクロンの平均作動波長を与え、これは１２メートル／秒のジェット速度を表す。
【０００５】
（発明の開示）
本発明によると、インクを包含する細長い空洞、前記空洞からのインクを通してジェットを形成し、空洞の壁にあって空洞の長さに沿って延びるノズルオリフィス、及び、前記ノズルオリフィスが貫通して延長する厚さが９０ミクロンよりも小さい前記壁に対して前記空洞の反対側に配置され、前記ジェットの各々が空洞の前記壁から同じ所定距離でインク液滴に分裂するように前記壁に対してそれ自身振動することにより前記空洞のインクを振動させるアクチュエータ手段を含み、前記壁が前記液滴発生装置の残りの部分に固定された平面部材を含むことにより前記ノズルオリフィスの周りに延びて内部に前記平面部材が支持されていない境界を形成し、前記境界がノズルオリフィスの両方の側の前記空洞の長さに沿って延びその間の距離が１７００ミクロンよりも小さい第１及び第２の境界の長さを含む、連続流インクジェット印刷ヘッドのための液滴発生装置が提供される。
【０００６】
好ましくは、前記第１及び第２の境界長さの間の距離は、１３５０ミクロンよりも小さい。
好ましくは、前記平面部材は、例えばステンレス鋼ホイルである平面金属部材である。好ましくは、前記平面金属部材は、溶接手段によって前記液滴発生装置の残りの部分に固定され、溶接の通る経路がノズルオリフィスの周りの前記境界を形成する。ノズルオリフィスは、前記平面金属部材に放電加工によって既に形成されていることが好ましい。
好ましくは、前記ノズルオリフィスが貫通して延長する前記壁の前記厚さは、４５ミクロンよりも大きく、より好ましくは、５５ミクロンよりも大きく、更に好ましくは、６０から８０ミクロンである。
ここで、本発明による液滴発生装置は、添付図面を参照して例証的に以下で説明される。
【０００７】
（発明を実施するための最良の形態）
図１〜図３を参照すると、発生装置は、ステンレス鋼マニホルド１、ステンレス鋼スペーサ２、アクチュエータ３、及び、ステンレス鋼ノズルキャリア５を含む。アクチュエータ３は、圧電駆動機構９、ステンレス鋼ヘッド１１、及び、真鍮裏当て部材６を含み、コンプライアント部品８を用いてマニホルド１の中に保持される。圧電駆動機構９は、真鍮裏当て部材６とスチールヘッド１１の接地とに至る単一電気接続によって駆動される。ノズルキャリア５は、内部に「Ｖ」形断面チャンネルを形成するステンレス鋼部品４と、部品４に固定されたステンレス鋼ホイルシート１０とを含む。シート１０は、一線に並んだノズルオリフィス７を包含し、そのラインが部品４の「Ｖ」形断面チャンネルの開放頂部の長さに沿って延びるように部品４に固定される。マニホルド１、スペーサ２、及び、ノズルキャリア５は、ボルトで互いに固定される。ホイルシート１０は、ノズルキャリア５に溶接される。図３は、溶接の経路１２を示している。実質的に全ての接着剤に基づく結合技術は腐食性インクの使用と適合しないので、発生装置においてそのような結合技術がないことは、もし必要であれば、そのようなインクの使用を可能にする。ホイルシート１０の厚みのために（後述を参照されたい）シート１０をキャリア５に拡散接合又は蝋付けすることが不可能である点を付記するが、それは、そのような技術が容認できないシート１０の歪みを引き起こすと思われるからである。
【０００８】
細長いインク空洞１３は、アクチュエータ３の下面１５と、部品４及びスペーサ２の内面１７及び１９とによって形成される。狭い空隙２０がアクチュエータ３のヘッド１１のいずれの側にもそのヘッドとマニホルド１との間に存在する。コンプライアント部品８のすぐ下の「Ｏ」リング（図示しない）は、空洞１３及び空隙２０からのインクの更なる漏れに対して密封をする。すなわち、圧電駆動機構９は、インクとの接触から封止される。チャンネル（図示しない）がマニホルド１に設けられ、空洞１３へのインクの供給と空洞１３からの空気／インクの抽気とのために空隙２０と連通する。
【０００９】
発生装置の作動振動数において、空洞１３は、ノズルオリフィス７のラインにすぐ隣接する空洞１３内のインクがノズルオリフィス７を包含するホイルシート１０の平面と垂直な方向に同期して同じ振幅で振動する共振振動数を有する。すなわち、空洞１３のインクの振動は、インクジェットの各々がインクジェットのそれぞれのノズルオリフィス７から同じ所定距離においてインク液滴に分裂するような振動である。
【００１０】
アクチュエータ３の振動のインク空洞１３の境界上の他の発生装置構造への伝達が比較的低いことは、発生装置の適切な作動に対する要件である。もちろん、設計においては、アクチュエータ３が発生装置の周囲の静止構造の内部でピストンのような動きを実行するように意図している。上記の事柄は、アクチュエータ３に加えられる励起振動数がホイルシート１０の共振振動数から十分に離れている必要があるという要件をもたらす。液滴発生装置は、ホイルシート１０の第１共振モードよりも十分に低い振動数で作動するように設計される。
【００１１】
この第１共振モードの振動数は、シート１０の厚さに関連する。ここで、図４のグラフを参照されたい。ホイルシート１０の厚さが厚ければ、その第１共振振動数はより高くなる。高い励起振動数で作動可能な液滴発生装置は、重要で目標とする特性である高速印刷速度を可能にする。すなわち、ある与えられた液滴発生装置において、所定の作動振動数に対するホイルシート１０の最小厚さの限界が存在する。
【００１２】
ここで以下に説明する通り、ホイルシート１０の厚さのこの限界は、シート１０のノズルキャリア５への装着の幾何学形状を修正することによって克服することが可能である。
ホイルシート１０は、溶接経路１２に沿ってノズルキャリア５に固定されている。溶接経路１２の内側の領域のシート１０は、その溶接との境界以外は支持されていない。これは、長く薄い非支持ホイルのスライバーを形成する。このスライバーの幅は、ホイル自由幅ａとして定義される（図３を参照されたい）。ホイル共振の数学的解析は、ホイルの第１共振モードの振動数がホイルの厚さｋだけでなく非支持ホイルのスライバーの幅ａ及び長さｂにも関連することを示す。共振振動数は、Ｆ＝（ｃ／２）・（ｓｑｒｔ（（ｎ2／ａ2）＋（ｍ2／ｂ2）））であり、ここで、ｎ及びｍはモード数、ｃは波速であって、ｗをパルサタンス（ｐｕｌｓａｔａｎｃｅ）、Ｅをヤング係数、ｖをポアソン比、ｐを密度とすると、ｃ＝ｗ1/2・（Ｅｈ2／ｋ（１−ｖ2）ｐ）1/4で与えられる。すなわち、ホイルの自由幅ａが狭ければ狭いほど共振振動数が高いことが分かる。ここで、図５（４５ミクロン厚のホイルに関して描かれた）のグラフを参照されたい。
【００１３】
上記の解析は、ホイルをノズルキャリアへ装着する幾何学的形状の修正により、具体的には、ホイルの自由幅ａを修正することにより、以前に可能と考えられたものよりも薄いホイルを使用することが可能であることを明らかにしている。ここで、図６のグラフを参照されたい。このグラフにおいて、発生装置の作動振動数（５０、７５、１００、１２５キロヘルツ）を各々表す４つの曲線がプロットされており、従って、各々は、グラフによって適切なホイル厚と幅とを選択することによって避けなければならないホイル共振振動数を表している。このグラフにおいて、各作動振動数に対して振動数を表すラインの十分上方、及び、十分左側にあるホイル厚／幅の組合せの領域は、許容できる厚さ／幅の組合せである。作動振動数が減少すると、許容できる厚さ／幅組合せの領域の大きさが増加することを付記する。すなわち、作動振動数に応じて、ホイルの第１共振モードの問題を避けるために選択できる無限数のホイル厚／幅組合せが存在することが分かるであろう。
【００１４】
連続アレー式インクジェット印刷において、設計目的の１つは、ジェットが「衛星」なしであること、すなわち、各液滴流れの「正規」の液滴がずっと小さないわゆる衛星液滴で差し挟まれないことである。同じく、既に記述したように、各ジェットは、ジェットのそれぞれのノズルオリフィスから同じ所定距離において液滴に分裂することが必要である。ホイルシート１０が薄ければ薄いほど、これら２つの判断基準を最も良く満足するのに必要な波長がより大きくなることが見出されている。上記で説明した通り、ある与えられた作動振動数において、波長はプリンタのスローの尺度として使用することができるので、ホイルシート１０の厚さを減らす結果がプリンタのスローを増加することである点を理解することができる。
【００１５】
ホイルシート１０が薄ければ薄いほど、ＥＤＭを使用してノズルオリフィス７のラインを穿孔するのにかかる時間が少ない。ＥＤＭは、高品質であるが比較的ゆっくりな加工処理である。材料のクリアランスの要件のために、穴の深さが増すとＥＤＭ処理は更にゆっくりになる。一般的に、穿孔時間は、穿孔深度の平方根に関連しており、すなわち、穿孔深度が２の平方根だけ増加する場合、穿孔時間が倍になる。ホイルシート１０の厚さの小さな低減さえも、オリフィス穿孔時間に関してかなりの利得を与えることが明らかであろう。
【００１６】
ジェット方向間違いは、インクジェットがノズルオリフィス７から意図した以外の方向に放出する場合を説明するのに使用される表現である。ジェット方向間違いは、ホイルシート１０の厚さに関連する。より厚いホイルは、オリフィスに入る流れの均一性のいかなる欠如も流れがオリフィスの長さに沿って移動する際にオリフィス自身によって是正される傾向があるので、より良いジェット方向性を提供する結果になる。オリフィスの壁にすぐ隣接する流れの境界層は、オリフィスへの入口の下流側に厚さが増大し、最終的には、十分に発達した、入力条件にはいくらか無関係な流れを形成する。ジェットの方向性は、高品質印刷の鍵となるものである。ジェット間のいかなる小さな不並びも印刷サンプルの不完全性を引き起こし、容認できなくなる可能性がある。
【００１７】
有限要素解析モデルの研究は、良好なジェット方向性とホイル厚との関係が非線型な関係であることを示唆した。低いホイル厚さにおいては、非対称なジェットアレーに向かって急速に漸近するように見える。ある与えられた流れの不規則性に対するジェットの感受性が調査され、一般的な連続アレー式インクジェット印刷ヘッドにおける流れの条件に対して、ジェット方向のエラーがホイル厚さの１００ミクロン付近でゼロに漸近することを示した。ホイル厚さのいかなる低減によるジェットアレー品質の劣化も、従って、１００ミクロン付近では漸進的であろうし、ホイル厚さがゼロに近づくと急速に増加するであろう。ここで、図７のグラフを参照されたい。そこには、４５ミクロンのホイル厚さ付近に区切り点があるように見える。これは、４５ミクロンより上で作業することにより、ジェットの不並び効果による印刷品質の低減が最小限になると思われることを示唆している。
【００１８】
ここで、ホイルシート１０のノズルキャリア部品４への溶接に付随する問題に関して、以下のコメントが検討される。
処理としての溶接段階は、薄いホイルに付随する歪みの問題を有する。溶接処理が発生する熱は、歪みが後に続く噴出段階に影響することになるので、熱がホイルの大部分を歪ませるのを許してはならない。更に、溶接段階は、ホイルとノズルキャリアとの間の良好な接触を必要とするが、歪みはこれを阻害する。一般的に、より薄いホイルの溶接は、これらの加熱効果に対するより大きなその感受性のために制限されている。
【００１９】
ホイルは、ステンレス鋼ノズルキャリアにおいて、薄い（３００ミクロン）スロットに亘って溶接される。スロットは、上記のノズルキャリア５の部品４の「Ｖ」形断面チャンネルの開放頂部によって形成され、図３に２５で標記されている。スロットはできるだけ狭く作られるが、ノズルの穴に入ってくるインクにほとんど乱れを与えない十分な幅でなければならない。スロットの縁部とスロット／ホイルのインタフェースとに沿う流れに付随する擾乱は、ジェット方向性問題を引き起こす可能性がある。ホイル溶接処理は、これに対して決定的に重要であり、ホイルとノズルキャリアとの間の良好な接触と、ホイルからキャリアの中への均一な熱分散とが必要である。これは、溶接経路とスロット縁部との間の許容される最小距離を制限する結果となる。これらの困難は、ホイルをキャリアに対して保持するビードの位置を制限し、ホイルの最小の非固定自由幅を制限する。溶接処理は、ドロスやデブリを生み出す傾向を有する。穴付近のホイル領域は、このデブリがない状態に保つ必要があり、さもなければ、方向性問題が再び起こる可能性がある。溶接がノズルの穴に近ければ近いほど、ドロス関連の問題の危険性が大きくなる。
上記から、溶接関連問題は、ホイルの最小厚さとホイルの最小自由幅とに制限を定めることが理解できるであろう。明らかに、ある与えられた場合に使用される溶接処理の質は、その与えられた場合のホイル厚さとホイル自由幅に対する特定な制限の判断に関係がある。
【００２０】
上記の分析／理解に照らして、ホイルシート１０の厚さの範囲は、図１〜図３の液滴発生装置で試行された。試された範囲は、４５、５５、６５、７５、８５、９５、及び、１００ミクロンであり、各々の厚さの場合に、使用したホイル自由幅は５００ミクロンであった。ホイルは、標準的１２８ＤＰＩの穴に従って穿孔された。より薄いホイルに対する穿孔時間は、かなり迅速であった。特に、６５ミクロンホイルの穿孔時間は、１００ミクロンホイルの１２〜１３時間に比べて５〜６時間であった。より薄いホイルノズルは、様々な条件の下で噴出された。これらには、波長、印刷高さ、及び、印刷速度の範囲が含まれていた。ジェットの直線性とその後の液滴位置決めとは低減されたホイル厚さによって確かに損なわれたが、その影響は、４５ミクロンホイルにおいてのみ真に明白であったことが見出された。ホイルの共振問題のために、厚さ５５ミクロン及びそれ以下のホイルは、より厚いホイルには許容できる条件において、ジェットアレーに亘って均一なジェット分裂を生み出すことができなかった。６５ミクロン及びそれ以上というこの判断基準を満足したノズルは、溶剤ベースのインクを用いてある波長の範囲で実験が実行された。特に、アレーは、衛星なし条件と均一分裂長さとを満足するそれらの能力によって評価された。条件は、各ホイル厚さに対して衛星なし条件と均一分裂長さとを最大にするものが選択された。
【００２１】
６５ミクロンホイルは、１７５ミクロンの作動平均を与える１７０〜１８０ミクロンの波長において、最適な結果を与えることが見出された。これは、１００ミクロンホイルに対する１６０ミクロンの平均作動波長に匹敵する。これは、ジェット速度の１２メートル／秒から１３．１２５メートル／秒への変化を表す。これは、対応するスローの改善と共に目標とする９％のジェット速度の増加である。より薄いホイルを用いたジェット速度の増加は、例えば各オリフィス内の動的な流れ分布の発達といった流体の流れ特性の改善によるためと考えられている。
【００２２】
上記の通り、４５ミクロン及び５５ミクロンのホイル厚さの下限が呈示された。この４５ミクロン限界は、ジェットの不並び問題のせいである。５５ミクロン限界は、ホイル共振問題のためである。例えば、ノズルキャリアへのホイル溶接のより良い品質（上記を参照されたい）、ホイル自由幅を狭くする、より良いオリフィス形状をもたらすためにノズルオリフィスの放電加工の改善、ノズルオリフィスに入ってくる流れの均一性の改善、及び、作動振動数を低くする（図６を参照されたい）といった液滴発生装置／印刷ヘッドの改良を行うことにより、これらの限界を低くすることが可能であることが理解される。
一例として上記で説明された液滴発生装置は、インク空洞が作動振動数で共振するように設計された特定型の１つである。アクチュエータが作動振動数で共振するように設計された特定型の液滴発生装置にも本発明が同じく適用できることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  発生装置の前面図である。
【図２】  図１の発生装置の側面図である。
【図３】  図１の発生装置の下面図である。
【図４】  図１の発生装置のノズルオリフィスのホイルシート厚に対する共振振動数のグラフである。
【図５】  図１の発生装置のホイルシートの固定されていない自由幅に対する共振振動数のグラフである。
【図６】  ４つの異なる振動数でホイルシートの共振を起こす厚さと自由幅との組合せを示す、図１の発生装置のホイルシートの固定されていない自由幅に対する厚さのグラフである。
【図７】  図１の発生装置のホイルシート厚に対するインクジェットの方向間違いを示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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