JP2006076039A - インクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
インクジェット記録装置において、温度変化によりインク中の音速が変化しても流体共振の影響を受けることなく、安定した粒子形成が可能なノズルを有するインクジェット記録装置を提供する。
【解決手段】
インクを噴出するオリフィス、インクを加振するための加振手段、オリフィスにインクを導く３つ以上の内径の異なる円柱穴を連結した段付インク流路を有するインクジェット記録装置のノズルにおいて、加振手段は段付インク流路の外周部にあるように配置し、３つ以上の内径の異なるインク流路の長さは、オリフィス側が最も短くなるようにして、この短い部分が分離できる構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はノズルより連続的にインクを噴出し、印字を行うインクジェット記録装置に関する。

ノズルから連続的にインクを噴出し、飛翔途中のインク滴を帯電させ、電界によって前記インク滴を偏向させて印字するコンティニアス方式のインクジェット記録装置は、金属缶やプラスチック表面に数字や記号を印字する装置として、広く普及している。従来、このインクジェット記録装置のノズルには、特許文献１に示されているように、インク室に加圧インクを供給し、インク室の流体共振による振動増幅を用いてインクに振動を与え、インク室の終端に存在するオリフィスからインクを粒子化させて飛翔させるものが知られている

特開平５−２５４１１７号公報

上記従来技術では、２つの流体共振周波数（７０ｋＨｚと９０ｋＨｚ）の間にノズル駆動周波数（８０ｋＨｚ）を設定している。この駆動周波数でインク室を圧電素子によって振動させることによって、オリフィスから飛翔するインクを粒子化している。

しかしながら、一般的にインクジェット記録装置で使用されるインク中での音速は、常温にて１２００〜１４００ｍ／ｓであるが、温度によって変化する。インクジェット記録装置の使用温度範囲である０〜４５℃においては、インク中の音速は常温時に対して±１０％程度変化する。インク流路内での流体共振周波数は音速に比例するので、音速が変化することによって流体共振周波数も±１０％程度変化する。従って、２つの流体共振周波数は、７０±７ｋＨｚ、９０±９ｋＨｚの範囲で変化することになる。このため、駆動周波数８０ｋＨｚにおける振動の増幅率は温度によって大きく変動し、粒子形成が不安定になる問題があった。また、この不安定性を少なくするために、２つの流体共振周波数をノズル駆動周波数から大きく離すと、十分な増幅率が得られないために、圧電素子の振幅を大きくする必要があり、圧電素子の大型化、入力電圧の増大が必須という問題があった。

そこで本発明の目的は、インクジェット記録装置において、温度変化によりインク中の音速が変化しても流体共振の影響を受けることなく、安定した粒子形成が可能なノズルを有するインクジェット記録装置を提供することである。

上記目的を達成するために、インクを噴出するオリフィス、インクを加振するための加振手段、オリフィスにインクを導く３つ以上の内径の異なる円柱穴を連結した段付インク流路を有するインクジェット記録装置のノズルにおいて、加振手段は段付インク流路の外周部にあるように配置した。そして、３つ以上の内径の異なるインク流路の長さは、オリフィス側が最も短くなるようにして、この短い部分が分離できる構成とした。また、分離部を接合してノズルを形成する際に、インク流路の接続部からインク漏れを防止するため、分離部の内部にゴム製のシール部材を設ける構成とした。また、３つ以上の内径の異なる流路は、オリフィスに側に行くほど内径が小さくなる構成とした。

本発明によれば、インク流路の機械共振周波数と加振手段である圧電素子を振動させる駆動周波数を近づけているので、圧電素子の振動を効率よくインクに伝えることができる。そのため、圧電素子を小さくすることが可能となり、ノズルの小型化が可能となる。また、インク流路の流体共振周波数をノズルの駆動周波数よりも高くすることにより、温度変化によりインク中の音速が変化しても流体共振の影響を受けることなく、安定した粒子形成が可能となるという効果がある。また、インク流路の一部を分離できるようにしたので、インク流路終端のオリフィスに目詰まりが発生したときに洗浄しやすいという効果がある。さらに、ノズル先端のオリフィス製作時の寸法精度が向上するという効果がある。

以下、発明の実施例について図面に従って説明する。
まず、図６にインクジェット記録装置の概観を示す。

本体１００の内部には記録装置の制御系やインク循環系が存在し、扉１０５を開閉することによって、保守作業ができるようになっている。また、本体１００からはケーブル１０３が伸びている。このケーブル１０３には、本体１００から印字ヘッド１０１にインクを送る配管と、印字ヘッド１０１から本体１００にインクを回収する配管と、印字ヘッド１０１への電気信号を送る配線を内包している。さらに、本体１００には、ユーザが印字内容や印字仕様等を入力するためのタッチパネル式の液晶パネル１０４が設けてある。この液晶パネル１０４には、記録装置の制御内容や運転状況等が表示される。印字ヘッド１０１はステンレス製であり、その内部にはインク粒子を作成し、インク粒子の飛翔を制御する印字部が収められている。印字ヘッド１０１の内部で作成されたインク粒子は、底面に設けられた開口部１０２から吐出し、図示しない記録媒体上に付着して画像を形成する。

次に、本体１００の内部構成について図７を用いて説明する。

本体１００上部には、制御基板１０９等の電気系部品が配置されている。また、本体下部１１０には、電磁弁１０８、ポンプユニット１０６等の循環系制御部品が配置されており、その近くには、ノズルに供給するインクを収容するインク容器１が納められている。扉１０５は開閉可能で、インク容器を扉１０５側に引き出すことができ、インクの補給や廃棄等の保守作業が容易にできるようになっている。

次に、インクジェット記録装置のインク循環系と印字部の概略構成について図８を用いて説明する。

インク供給経路２１は、インクを収容するインク容器１、インクを圧送する供給ポンプ２、インク圧力を調節する調圧弁３、供給インクの圧力を表示する圧力計４、インク中の異物を捕らえるフィルタ５から成り、ノズル６にインクを供給する。ノズル６には圧電素子が付いており、７０ｋＨｚ程度の正弦波を圧電素子に印加することによって、ノズル６の終端に存在するオリフィスからインクが噴出し、飛翔中にインク粒子に分裂する。帯電電極７には、記録信号源（図示せず）が接続されており、帯電電極７に記録信号電圧を印加することによって、ノズル６より規則的に噴射するインク粒子８を帯電させる。上部偏向電極９は高電圧源（図示せず）と接続され、下部偏向電極１０は接地されるので、上部偏向電極９と下部偏向電極１０との間に静電界が形成される。帯電したインク粒子８は静電界中を通過する間に自身が有する帯電量に応じて偏向され、図示しない記録媒体上に付着し、画像を形成する。

インク回収経路２２は、ガター１１、フィルタ１２、回収ポンプ１４から成り、帯電電極７で帯電されず、前記静電界中を通過する間に偏向されなかったインク粒子８をガター１１で回収し、インク容器１へ戻して再利用できるようになっている。

次に、本発明のノズル６について図１を用いて説明する。図１は本発明のノズル６の断面図である。ノズル６は、ボディ３０、その外周部に配置する圧電素子２９と保護カバー３２、ボディ３０の一端に配置する継ぎ手２７から構成される。なお、ボディ３０は、ボディ３０ａとボディ３０ｂに分割可能になっている。この分割部分は内部に設けたインク流路の径の異なる境界部分で分割する構成としている。フィルタ５からのインク供給配管に接続するための継ぎ手２７は、接着剤によってボディ３０に接合している。また、保護カバー３２は、ネジ３３によりボディ３０に固定されている。保護カバー３２に設けた孔３４は、圧電素子２９に信号を供給するためのリード線の取り出し口である。

インクは継ぎ手２７からボディ３０に供給され、ボディ３０内部の３段階に直径が徐々に小さくなるインク流路３７、３８、３９を通り、その先のオリフィス３１から噴出する。ボディ３０の材質はステンレスであり、３段階に直径が徐々に小さくなるインク流路はドリル加工によって製作する。ボディ３０は流路３８と流路３９の境界部分で分割してある。そのため、オリフィス３１側の流路３９をドリル加工した後、その先のオリフィス３１はプレス加工によって製作する。なお、このように、３段階に直径が小さくなる流路３７、３８、３９を設ける理由については後述する。

ここでオリフィス３１の製作方法について、図３を用いて説明する。

円柱状のインク流路３９をドリル加工で製作した後は、テーパ部８０、８２が形成されている。このテーパ角度は、ドリル先端角度と同じ約１２０°である。この後、オリフィス先端部の同じ形状をしたパンチを用いて、プレス加工することにより、テーパ部８０が無くなり、パンチの先端形状に沿ったテーパ部８１と直径６５μｍ程度のオリフィス３１が形成される。

次に、圧電素子２９について図５を用いて詳細に説明する。圧電素子２９は円筒形状で、内外面に電極が設けられている。圧電素子２９の内面電極５１は、円筒部の内面全面と圧電素子２９の端面に設けられている。すなわち、圧電素子２９の外面側を除いて取り囲むように設けてある。また圧電素子２９の外面には外面電極５２が、内面電極５１との間に電気的絶縁を保つために無電極部５４ができるように設けてある。圧電素子２９はボディ３０に圧電素子２９の振動が効率よく伝達できるように、内面電極５１の部分がボディ３０と接着接合されている。圧電素子２９の内面電極５１は、ボディ３０に接触するので、ボディ３０と内面電極５１は導通が確保できる。このため、外面電極５２とボディ３０とに正弦波の電気信号を発生する発信機を接続することにより、圧電素子２９を加振することができる。

図４はボディ３０の詳細図である。ボディ３０ａと３０ｂは、両者を合わせた長さがＬ０になる筒状形状であり、ボディ３０ａの内部には長さＬ１，Ｌ２のインク流路３７、３８が形成されている。流路３７はその長さがＬ１となるように、長さを決めた継ぎ手２７を差し込んで接着することによって形成する。また、ボディ３０ｂの内部には長さＬ３のインク流路３９が形成されている。さらに、ボディ３０ａの外径は、根元部６０に設ける圧電素子２９の内径に合わせて設定される。

ここで、圧電素子２９に高周波電圧を印加してボディ３０（ボディ３０ａとボディ３０ｂの結合体）を振動させた場合、その振動がボディ内を流れるインクに伝達する様子について説明する。圧電素子２９に印加可能な電圧範囲での振動では、粒子形成を行うには非常に小さく、不十分な量である。そのため、ボディ３０をの軸方向の共振周波数ｆ_b（機械共振）をノズル駆動周波数ｆ_ｎ付近になるようにして、ボディ３０で振動を増幅するように構成した。軸方向の共振周波数ｆ_bは、次式で求めることができる。

ｆ_ｂ＝ｎＶ_ｂ／４（Ｌ＋ｋ_１）
ここで、ｎは共振モードにより決まる整数値、Ｌはボディ３０の長さ、Ｖ_ｂはボディ３０中の音速、ｋ_１は補正係数で実験により決まるものである。本実施例では、材質はステンレス鋼で、Ｖ_ｂ＝５０００ｍ／ｓである。ノズルの駆動周波数ｆ_ｎは、オリフィス径（本実施例での孔径はΦ０．０６５ｍｍ）によりその最適値がほぼ決定され、本実施例ではｆ_ｎ＝７０ｋＨｚである。計算上の第一次の共振周波数ｆ_ｂ（ｎ＝１）をｆ_ｎになるＬの長さは約２２ｍｍとなるが、実際には継ぎ手の形状によって第一次の共振周波数が変わるため、適正なＬの長さは約２２〜２６ｍｍの範囲になっている。これにより、圧電素子３１の振動がボディ３０で増幅されて、インクを振動させるので、効率のよい粒子形成が可能となる。

次にボディ３０のインク流路について説明する。ボディ３０の一端にはオリフィスがインクを噴出するためのオリフィス３１（孔径Φ０．０６５ｍｍ）が加工されている。

インク流路３７、３８、３９は、それぞれ内径が異なる段付構造となっている。すなわち、オリフィス３１側に行くに従って内径が小さくなるように構成した。これは、インク流路で発生する流体共振周波数を高くすることで駆動周波数に近い流体共振を発生させないためである。インク流路の流体共振周波数は、次式で求められる。

ｆ_ｒ＝ｎＶ_ｉ／４（ｌ＋ｋ_２）
ここで、ｎは共振モードにより決まる整数値で、Ｖ_ｉはインク中の音速、ｌはインク流路の長さ、ｋ₂は補正係数である。インク流路３９の孔径に対しオリフィスの口径が十分に小さいので、片端閉、片端開の境界条件をとり、１次モードでｎ＝１、２次モードでｎ＝３、３次モードでｎ＝５となる。また、インク流路３７、３８は、両端開の境界条件となるため、１次モードでｎ＝２、２次モードでｎ＝４、３次モードでｎ＝６となる。また、一般的にインク中の音速は常温にて１２００〜１４００ｍ／ｓであるが、温度によってインク中の音速は変化する。その変化量は、インクジェット記録装置の稼動温度範囲である０〜４５℃において±１０％程度である。そのため、本実施例では、粒子形成が流体共振の影響を受けないようにするために、流体共振周波数を駆動周波数から十分に高い周波数になるように流路長さｌを設定した。具体的には、流路の径を３段階以上に区分し、それぞれの流路長さｌを流路長Ｌの１／２より短くなるように設定した。この流路長さｌが図４中のＬ１、Ｌ２、Ｌ３になる。このように設定することで、それぞれの流路を流れるインクの流体共振周波数を駆動周波数より高くなるようにすることができる。ここで、インク流路３９の長さを、他のインク流路３７、３８に比べて流体共振周波数が高くなるように、インク流路３７、３８の長さよりも短くした。これは最もオリフィス３１に近いインク流路３９の流体共振特性が粒子形成に影響するためである。

以上の構成とすることで、温度に対して変化が大きい流体共振の影響を受けることなく、温度に対して変化が少ない機械共振を利用した振動増幅が得られるため、安定した粒子形成が可能となる。

ところで、図１のようなノズルを用いて印字していると、インクの溶剤の揮発性が高いために、オリフィス３１が目詰まりすることがある。また、インク循環路中のフィルタで取り除けなかった微小な粒子が詰まることがある。そのような場合は、ノズルをインクジェット記録装置から外し、溶剤中に浸漬させて超音波洗浄をして清掃する。ノズルの長さが長い場合は、超音波洗浄によるノズル内部の洗浄に時間がかかることが多い。また、図４の形状のボディを製作する場合、流路３９の先にオリフィス３１をプレス加工で製作するときに必要な加工用のパンチの長さは、ボディ３０が一体の場合には、ボディ３０の長さであるＬ０にプレス加工機に取り付ける分の長さを加えた長さとなる。その長さは約３５ｍｍとなり、パンチ自身の製作精度の低下が問題となる。また、長いパンチの先に微小な穴あけ部が存在することになるので、パンチが破損し易いという問題もある。そのため、図２に示すように、ボディ３０をボディ３０ａと３０ｂに分離できる構造として、洗浄を容易することができると共に、オリフィス３１の加工精度の向上とプレス加工用パンチの長寿命化を達成することができる。分離部分の構造について、図２を用いて説明する。

図２は図１でのノズル先端部を拡大した図である。ボディ３０ａと３０ｂは別部材であり、ネジ５０によって接合する構造となっている。流路３８と流路３９との境界には、シール部材４０であるゴム板又はパッキン、又はＯリングを装着して流路３８から流路３９に流れるインクの漏れを防止するようにしている。

以上のように、ノズル先端から吐出したインク滴を、偏向制御して記録対象面に飛翔させて記録する方式のインクジェット記録装置において、ノズル部を円筒形状に形成し、その外径側に同じく円筒形状の圧電素子からなる加振部を設け、ノズル内部のインク流路径を３段に変化するようにし、その径は吐出孔側に向かうにつれて小さくなるように形成し、かつ先端部の２段目と３段目（先端部）の流路径の変化する部分で、分割可能とすることで、ノスルの製作を容易にすると共に、メンテナンスも簡単に行える容易にすることができる。

本発明の一実施例であるノズルの断面図である。 本発明の一実施例であるノズルの先端部の断面図である 本発明の一実施例であるノズルの先端にあるオリフィス付近の断面図である 本発明の一実施例であるノズルに用いるボディの断面図である。 本発明の一実施例であるノズルに用いる圧電素子の断面図である。 インクジェット記録装置の概観図である インクジェット記録装置の本体内部を示す図である インクジェット記録装置でのインク循環の様子を説明する図であるである

符号の説明

１…インク容器、２…ポンプ、６…ノズル、７…帯電電極、８…インク粒子、９…偏向電極、１１…ガター、２７…継ぎ手、２９…圧電素子、３０…ボディ、３１…オリフィス。

Claims (5)

1. インクを噴出するオリフィスと、オリフィスにインクを導くインク流路と、インクに振動を与えるための加振手段を有するインクジェット記録装置において、
   加振手段を前記インク流路の外周部に配置し、前記インク流路は３つ以上の内径の異なる円柱穴を連結した段付き構造であり、前記インク流路が内径の異なる段付き部の位置で分割可能であること特徴とするインクジェット記録装置。
2. 請求項１に記載のインクジェット記録装置において、
   前記オリフィスと連続しているインク流路と、前記インク流路と内径が異なる流路との境界で分割可能としたことを特徴とするインクジェット記録装置。
3. 請求項１または２のいずれかに記載のインクジェット記録装置において、
   前記インク流路の直径はオリフィスに近づくにつれて直径が小さくなることを特徴とするインクジェット記録装置。
4. 請求項２に記載のインクジェット記録装置において、
   前記分割されたインク流路はねじによって結合することを特徴とするインクジェット記録装置。
5. 請求項４に記載のインクジェット記録装置において、分割されたインク流路結合部の境界にインク漏れ防止部材を設けたことを特徴とするインクジェット記録装置。
   

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