JP2012051360A - コンティニュアス型液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 - Google Patents

コンティニュアス型液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置 Download PDF

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Abstract

【課題】液滴化距離が短く、効率的に高粘度インクを吐出可能なコンティニュアス型液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】弾性体変形手段302がオリフィスプレート303と隣接して設けられた液体吐出ヘッドで、周期的に弾性体を変形させて吐出口の開口面積を周期的に変動させてインクを吐出する。
【選択図】図3

Description

本発明は、インクなどの液体(以下では単にインクと称する)を吐出するコンティニュアス型液体吐出ヘッドおよび液体吐出置に関する。
インクジェット記録装置に代表される液体吐出装置に搭載される液体吐出ヘッドでは吐出方法の違いで種々の提案がなされており、その中にコンティニュアス型液体吐出ヘッドがある。コンティニュアス型液体吐出ヘッドでは連続して液滴を発生させるため、記録データにあわせて記録に使用する液滴と使用しない液滴を選別する必要がある。一例としては液滴を選択的に帯電させ、電場によって偏向させる方法があり、バイナリー方式と呼ばれる方式では、非帯電の液滴を記録に使用し、帯電した液滴をガターによって捕獲、回収する。
近年、液体吐出ヘッドから吐出されるインクに含まれている水分による記録媒体の変形(カールやコックリングなど)を低減するために、インクの水分量を減らした高粘度インクの使用が検討されている。従来のコンティニュアス型液体吐出ヘッドを用いて高粘度インクを吐出、液滴化させようとすると、吐出口から記録媒体までの距離(以下、液滴化距離と呼ぶ)として数mm以上の距離が必要になる。これは高粘度インクの場合には低粘度インクの場合と比較して表面張力による流動速度が遅くなるためである。このように液滴化距離が長くなると、着弾精度の悪化や液体吐出ヘッド構成の大型化などの不具合が生じる。
従来、高粘度インク吐出を実現する方法として特許文献1に開示する方法が知られている。特許文献1の構成では、振動板が弾性部材に押圧されているので振動板のたわみを極小にすることができる。その結果、圧力室の主たる体積変化は振動板のたわみではなく、弾性部材の圧縮変形により生じる。アクチュエータが振動板をたわませる力が極小となり、アクチュエータが振動板に加えた力はインクにより効率的に伝わるとしている。
特開2005−205752号公報
しかし特許文献1の構成では、弾性部材と吐出口とが離れているため圧力損失があり、アクチュエータが振動板に加えた力は吐出口に伝わるまでに減衰する。また振動板付近では大きな圧力変動が生じていても吐出口付近での圧力変動は減衰して小さくなってしまう。特許文献1の構成をコンティニュアス型液体吐出ヘッドに適用した場合、吐出されるインク液柱に対して十分な流量の変動を与えることができないと考えられる。従って、さらなる高粘度インクの吐出を実現するためには効率的な構成ではない。
また、高粘度インクを従来のコンティニュアス型液体吐出ヘッドと同様、あるいはそれ以下の液滴化距離とするためには、吐出口から形成されるインク液柱に、より効率的に力を付与し、より大きな流量の変動を付与する必要がある。
よって本発明は、上記の問題点を解決するものであり、本発明の目的は、液滴化距離が短く、効率的に高粘度インクを吐出可能なコンティニュアス型液体吐出ヘッドを提供することである。
そのため本発明のコンティニュアス型液体吐出ヘッドは、吐出口から連続的に液体を吐出するコンティニュアス型液体吐出ヘッドにおいて、前記吐出口が形成された弾性部材からなる吐出口部材と、変形することで前記吐出口部材を変形させて前記吐出口の開口面積を減少させる弾性体変形手段と、前記液体を吐出する際に、前記弾性体変形手段を周期的に変形させて、前記吐出口の開口面積を周期的に減少させる駆動手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明によればコンティニュアス型液体吐出ヘッドは、吐出口が形成された弾性部材からなる吐出口部材と、変形することで吐出口部材を変形させて吐出口の開口面積を減少させる弾性体変形手段とを備える。そしてコンティニュアス型液体吐出ヘッドは、さらに液体を吐出する際に、弾性体変形手段を周期的に変形させて、吐出口の開口面積を周期的に減少させる駆動手段を備える。これによって、液滴化距離が短く、効率的に高粘度インクを吐出可能なコンティニュアス型液体吐出ヘッドを実現することができる。
第1の実施形態に係るコンティニュアス型の液体吐出装置を示した図である。 液体吐出ヘッドユニットでインクの吐出状態がわかるように示した図である。 本実施形態のコンティニュアス型液体吐出ヘッドを示した斜視図である。 (a)、(b)は液体吐出ヘッドの吐出口部を拡大して示した図である。 本発明における第2の実施形態の液体吐出ヘッドを示した斜視図である。 本発明の第3の実施形態における液体吐出ヘッドを示した斜視図である。 本発明の第4の実施形態における液体吐出ヘッドを示した斜視図である。
(第1の実施形態)
以下、図面を参照して本発明の第1の実施形態について説明する。なおこれにより本発明が限定されるものではない。
図1は、本発明の第1の実施形態にかかるコンティニュアス型の液体吐出装置の概略構成を示した図である。この液体吐出装置は、搬送ローラー103に張架された無端ベルト状の搬送ベルト104の上に記録媒体102が載置され、搬送ベルト104を駆動して記録媒体102を矢印α方向に走査するものである。図1に示した液体吐出装置の例では、記録媒体102の幅に対応した範囲にわたって吐出口を整列させてなる記録素子基板を備えたライン型記録方式の液体吐出ヘッドユニット101が用いられている。本実施形態の液体吐出装置は、液体吐出ヘッドユニット101を4個、例えばイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)及びブラック(Bk)の4色に対応しており、記録媒体102を搬送しながら記録媒体102に対して各インクを吐出させて記録を行う。このようにして本実施形態の液体吐出装置は、高速にフルカラー記録を行うことができる。
図2は、液体吐出ヘッドユニット101において、インクの吐出状態がわかるように示した図である。液体吐出ヘッドユニット101は、液体吐出ヘッド201、液滴帯電ユニット206、液滴偏向ユニット207、液滴回収ユニット208から構成されている。そして、液体吐出ヘッド201はインク液柱205が吐出する吐出口203と吐出口203と連通する圧力室202、吐出口203を形成しているオリフィスプレート(弾性体)303から構成されている。圧力室202には液体吐出装置に備えられたインクタンク106からポンプ105によって加圧されたインクが供給される。ポンプ105には吐出口203からインクを液柱として吐出させるのに十分な加圧力が必要となる。具体的には40cPのインクの場合には、数MPa(ゲージ圧)程度が必要となる。液滴帯電ユニット206、液滴偏向ユニット207、液滴回収ユニット208は、液体吐出ヘッド201の吐出口203から液滴の吐出方向に同順で積層された構成となっている。下記に各ユニットについてそれぞれ説明する。
液滴帯電ユニット206は、吐出口203に対向した貫通口216を有し、その貫通口216の内壁には帯電電極209が形成されている。帯電電極209は、吐出口毎にパターニングされ帯電駆動回路(不図示)と電気的に接続されている。吐出口203から吐出されるインク液柱205の先端部からは、微小な液滴が連続的に生成され、その微少な液滴は、一定間隔かつ一定速度を持った連続液滴として飛翔する。液滴帯電ユニット206は、液柱先端での連続液滴への分離が液滴帯電ユニット206の貫通口216内で生じるように配置されている。そして液体吐出装置は、記録データに基づき各帯電電極209への印加電圧を制御する。即ち記録に用いる記録液滴215(図2の白丸で表される非帯電液滴)がインク液柱205から分離する時は、帯電電極209に電圧を与えないために液柱から分離する記録液滴215への帯電は行なわれない。一方で記録に使用しない非記録液滴214がインク液柱205から分離する時は、帯電電極209に正または負の電圧が印加され、インク液柱205を形成しているインクに電流が流れ、インク液柱205表面には帯電電極209とは反対の極性の電荷が誘電される。このようにして電荷が誘電された液滴が、インク液柱205から非記録液滴として分離する。具体的な例を示すと、帯電電極209に負の電圧を印加した場合、インク液柱205の表面は正の電荷に誘電され、正の電荷を持った液滴が分離し、非記録液滴214として飛翔する。また、帯電電極209に正の電圧をかけた場合、インク液柱205全体は負の電荷を帯び、インク液柱205から分離される液滴は負に帯電しながら非記録液滴214として飛翔する。
液滴偏向ユニット207は、吐出口203に対向した貫通口217を有し、貫通口217の内壁には対向する2つの偏向電極211が形成されている。偏向電極211は偏向駆動回路(不図示)と電気的に接続されている。両偏向電極間には定常的に電圧が印加され液滴偏向ユニット207の貫通口217内には、吐出方向とは直交する方向に電界が形成される。液滴帯電ユニット206を通過した記録液滴215は、非帯電なので液滴偏向ユニット207の電界の影響を受けずに直進して通過する。一方、帯電された非記録液滴214は、液滴偏向ユニット207の電界の影響を受けて図2で示すように-X方向に偏向される。
液滴回収ユニット208は、吐出口203に対向した貫通口218を有し、貫通口218の内壁の一部に開口部であるガター213を有している。液滴回収ユニット208の内部にはガター213と連通する回収インク流路212が形成されている。回収インク流路212は、不図示の吸引装置と吸引口218を介して接続されており、液滴偏向ユニット207で偏向された非記録液滴214は、ガター213に着弾し、吸引装置の吸引力によって回収インク流路212内へ回収される。回収インク流路212に回収された非記録液滴214は、最終的に吸引口218を通って液滴回収ユニット208の外に排出される。一方、記録液滴は液滴回収ユニット208の貫通口218を直進して通過するので、ガター213に回収されることなく記録媒体へ着弾することができる。
図3は、本実施形態のコンティニュアス型液体吐出ヘッドを示した斜視図である。液体吐出ヘッド201は、吐出口203が形成された弾性体であるオリフィスプレート(弾性体)303と吐出口203と連通する圧力室202、圧力室202と連通し共通液室壁部材306で囲われた共通液室305、弾性体を変形させる弾性体変形手段302を備えている。弾性体には低ヤング率、高ポアソン比である材料が望ましく、シリコーンゴム、フッ素ゴムなどのゴム材料(ヤング率:1.5−5.0MPa、ポアソン比:0.46−0.49)を用いるのが好適である。弾性体変形手段302は弾性体であるオリフィスプレート(弾性体)303に直接接続され、弾性体変形手段302はオリフィスプレート(弾性体)303と、弾性体変形手段302を保持する変形手段保持部材301とに挟まれる形で設けられている。弾性体変形手段302はオリフィスプレート(弾性体)303と隣接して設けられているために、インクを吐出する際、インクは弾性体変形手段302が変形することによって生じるインクの圧力変動を減衰することなくオリフィスプレート(弾性体)303から吐出することができる。このようにインクの圧力変動を減衰させることなく吐出可能であることから、本実施形態の液体吐出ヘッドは、比較的高粘度のインクでも問題なく吐出することが可能である。
弾性体変形手段302と変形手段保持部材301とが圧力室202を形成している。弾性体変形手段302をなす材料としては、液体吐出ヘッドに要求される発生力、変位量、駆動周波数から考えてPZTなどの圧電体が好適である。また、弾性部材であるオリフィスプレート(弾性体)303の弾性体変形手段302が形成された面の反対側には、弾性体の矢印Y方向への変形を規制する弾性体保持部材304が形成されている。弾性体保持部材304には、吐出口203に対向した貫通口が形成されている。貫通口は吐出口203に接する部分が最狭部となるようなテーパー形状とすることが望ましい。もし、吐出口203と同じ開口面積でテーパー形状をなしていない貫通口を設けた場合、貫通口をインク液柱が通過する際に、液柱と貫通口の壁面とが接触する。これによって流路抵抗が発生し、弾性変形手段302の変位によってインクに与えられたエネルギーをロスしてしまう。しかし、弾性体保持部材304を上述したようなテーパー形状とすることによってインク液柱は、弾性体保持部材304の内壁に接することがないため、インクに与えられたエネルギーをロスすること無く吐出される。
次に本実施形態の駆動方法について説明する。液体吐出装置に備えられたインクタンクよりポンプで加圧されたインクが共通液室305、圧力室202、吐出口203へと供給され、吐出口203から吐出されインク液柱を形成する。一方、弾性体変形手段302は駆動信号が入力されると吐出方向に伸張する。ここで、弾性体変形手段302は吐出方向の逆方向への変形が変形手段保持部材301によって抑制されているため、変形手段保持部材301側へは変形することができない。また、不図示の部材によって弾性体保持部材304は固定されているため、弾性体保持部材304は変異することができない。そのため、弾性体変形手段302はオリフィスプレート(弾性体)303を圧縮変形させ吐出口開口面積を減少させる。この吐出口開口面積の減少によってインク液柱に括れを生じさせる。
図4は、本実施形態における液体吐出ヘッドの吐出口部を拡大して示した図であり、(a)は弾性体変形手段302が変形する前の状態を表した図で、(b)は弾性体変形手段302が変形した後の状態を表した図である。弾性体変形手段302は駆動周波数に応じて周期的に弾性体を変形させ、それに応じて吐出口203の開口面積も周期的に変動する。弾性体変形手段302は、隣接して設けられたオリフィスプレート(弾性体)303を周期的に押圧することで吐出口203の開口面積を減少させている。この吐出口203の開口面積の周期的な変動により吐出するインク液柱にダイレクトな流量変動を生じさせ、吐出するインク液柱に括れを生じさせることができる。これは圧力損失を生じることなく弾性体変形手段302の変形エネルギーをインク液柱に与えて括れを生じさせることが可能となる。よって、液滴化距離が短く、より効率的なコンティニュアス型液体吐出ヘッドを提供することができ、高粘度インク吐出および液滴化が可能となる。
具体例として吐出口径7.4μm、弾性体オリフィスプレート(弾性体)303の厚みを5μmとし、弾性体にシリコーンゴム(ヤング率:3.0MPa、ポアソン比:0.48)を用いたヘッドを作製した。インクの物性値は粘度:42cP、表面張力:36.7mN/mのインクを使用した。弾性体変形手段に駆動電圧波形を入力して、100kHz周期で変位させると吐出したインク液柱に周波数に応じた括れが形成されて液滴化距離が985μmで液滴化された。この時の液滴サイズは約8plで液滴の飛翔速度は13.5m/sであった。
このように、弾性体変形手段がオリフィスプレートと隣接して設けられた液体吐出ヘッドで、周期的に弾性体を変形させて吐出口の開口面積を周期的に変動させてインクを吐出する。これによって、液滴化距離が短く、効率的に高粘度インクを吐出可能なコンティニュアス型液体吐出ヘッドを実現することができた。
(第2の実施形態)
以下、図面を参照して本発明の第2の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第1の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。
図5は、本発明における第2の実施形態の液体吐出ヘッドを示した斜視図である。本実施形態の液体吐出ヘッドの構成は、吐出口203が形成された弾性体である弾性体オリフィスプレート(弾性体)303と吐出口203と連通する圧力室202、圧力室202と連通する共通液室305、弾性体を変形させる変形手段とからなる。弾性体変形手段302は弾性体の吐出方向側に直接接続されている。弾性体変形手段302には吐出口203と対向した位置に貫通口が形成されていて、貫通口は貫通口内壁に吐出されるインク液柱が接触しないような開口面積を有している。この構成を用いれば圧力室202の容積を大きくすることが出来るので圧力室202の流路抵抗を低減することが出来る。また、弾性変形手段302は不図示の部材によって固定されているので、弾性変形手段302の変形によって生じた力は、全てオリフィスプレート(弾性体)303が変形すること吸収される。
本実施形態のような構成にすることによって圧力室202を形成する圧力室壁部材501にシリコンを用いることが可能となる。面方位(100)のシリコンの異方性エッチングを用いて図5に示すようなテーパー形状(テーパー角度:約55°)をした圧力室202を形成した。またエッチャントとしては、KOH(水酸化カリウム)を用いた。本実施形態においても42cPのインクは100kHzで良好に滴化できた。
このように、弾性体変形手段がオリフィスプレートと隣接して設けられた液体吐出ヘッドで、周期的に弾性体を変形させて吐出口の開口面積を周期的に変動させてインクを吐出する。これによって、液滴化距離が短く、効率的に高粘度インクを吐出可能なコンティニュアス型液体吐出ヘッドを実現することができた。
(第3の実施形態)
以下、図面を参照して本発明の第3の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第1の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。
図6は、本発明の第3の実施形態における液体吐出ヘッドを示した斜視図である。本実施形態では第2の実施形態の構成で共通液室壁部材306の天板部分に振動板602を設け、その振動板602に接するように液体振動手段601を設けた構成となっている。液体振動手段601をなす材料としては弾性体変形手段302と同様に、液体吐出ヘッド201に要求される発生力、変位量、駆動周波数から考えてPZTに代表される圧電体が好適である。
次に本実施形態の駆動方法について説明する。第1の実施形態において述べたように、吐出口203から吐出するインク液柱に対して弾性体変形手段302が吐出口203の開口面積は周期的に変化させることでダイレクトな流量変動を与えインク液柱に括れを生じさせている。本実施形態では上記動作に加えて以下の動作が追加される。液体振動手段601に周期的な駆動信号を入力し膨張・収縮変形を生じさせ、その変形により振動板602を撓ませ共通液室305及び圧力室202のインクに周期的な振動(圧力変動)を伝える。本実施形態のような構成にすることによって、弾性体であるオリフィスプレート303に形成された吐出口203の開口面積の周期的変化による流量変動と液体振動手段601によるインクの周期的な圧力変動の2つの変動をインク液柱に与えることが出来る。従って、より効率的な高粘度インク吐出、液滴化が可能となる。また、本実施形態の構成によれば、弾性体変形手段302による吐出口203の開口面積の減少と、液体振動手段601による共通液室305及び圧力室202の容積の減少とが同期するように圧力変動を与える。これによって、吐出するインク液柱に対して最も大きな流量変動を与えることが出来る。液体振動手段601による振動(圧力変動)が吐出口203に至るまでの位相遅れが大きい場合には、その位相遅れに応じて液体振動手段601と弾性体変形手段302への駆動信号タイミングを調整することが望ましい。これにより、より効率的な高粘度インク吐出、液滴化が可能となる。
このように、弾性体変形手段がオリフィスプレートと隣接して設けられ、共通液室に振動板と液体振動手段とを設けた液体吐出ヘッドで、周期的に弾性体を変形させて吐出口の開口面積を周期的に変動させてインクを吐出する。これによって、液滴化距離が短く、効率的に高粘度インクを吐出可能なコンティニュアス型液体吐出ヘッドを実現することができた。
(第4の実施形態)
以下、図面を参照して本発明の第4の実施形態を説明する。なお、本実施形態の基本的な構成は第1の実施形態と同様であるため、以下では特徴的な構成についてのみ説明する。
図7は、本発明の第4の実施形態における液体吐出ヘッドを示した斜視図である。本実施形態の液体吐出ヘッドは、吐出口203を形成する弾性体703、吐出口203と連通する圧力室202、圧力室202と連通する共通液室305、を備えている。また更に本実施形態の液体吐出ヘッドは、インクに振動(圧力変動)を伝える振動板602、弾性体703と振動板602を変形させる弾性体・振動板変形手段704を備えている。弾性体703は吐出口近傍に弾性体区画部材702によって区画されている。また、振動板602と弾性体703とは接続部材701によって接続されている。接続部材701は吐出口近傍の弾性体703に接続され、個別の圧力室202を形成していて、接続部材701の少なくとも一部には共通液室305と連通する貫通口が形成されている。本実施形態での接続部材701は円筒形状をしているが他の形状であっても構わない。また、弾性体703の吐出方向側には、弾性体703のY方向への変形を規制する弾性体保持部材304が形成されている。弾性体保持部材304は第1の実施形態で説明した理由から、図7に示すようなテーパー形状とすることが望ましい。
次に本実施形態の駆動方法について説明する。弾性体・振動板変形手段704に駆動信号が入力されると接触している振動板602を変形させて圧力室202のインクを励振する。そして振動板602の変形は、接続部材701を矢印Y方向へ並進運動させて弾性体703を変形させる。弾性体703は弾性体区画部材702によって区画されているので、圧力室202の外方向への弾性体703の変形は規制され、吐出口203の開口面積を減少させるように変形する。このような振動版602の変形によって、吐出口203の開口面積を周期的に変化させることで、より効果的にダイレクトな流量変動を与えインク液柱に括れを生じさせる。
本実施形態のような構成にすることによって振動板602の変形と弾性体703の変形を一つの変形手段によって実現することができるので、液体吐出ヘッド構造の簡易化と駆動電力の低減が可能となる。また、かかる構成によれば、振動板602によって生じる吐出口付近の圧力変動の位相と弾性体703の変形の位相とが同期するように圧力室202、接続部材701と弾性体703とを設計する。これによって最も効率的に吐出されるインク液柱に対して大きな流量変動を与えることができる。
このように、共通液室に振動板と弾性体・振動板変形手段とを設けた液体吐出ヘッドで、周期的に弾性体を変形させて吐出口の開口面積を周期的に変動させてインクを吐出する。これによって、液滴化距離が短く、効率的に高粘度インクを吐出可能なコンティニュアス型液体吐出ヘッドを実現することができた。
106 インクタンク
203 吐出口
302 弾性体変形手段
303 オリフィスプレート(弾性体)
304 弾性体保持部材
305 共通液室

Claims (8)

  1. 吐出口から連続的に液体を吐出するコンティニュアス型液体吐出ヘッドにおいて、
    前記吐出口が形成された弾性部材からなる吐出口部材と、
    変形することで前記吐出口部材を変形させて前記吐出口の開口面積を減少させる弾性体変形手段と、
    前記液体を吐出する際に、前記弾性体変形手段を周期的に変形させて、前記吐出口の開口面積を周期的に減少させる駆動手段と、
    を備えたことを特徴とするコンティニュアス型液体吐出ヘッド。
  2. 前記弾性体変形手段は、前記吐出口部材と隣接して設けられていることを特徴とする請求項1に記載のコンティニュアス型液体吐出ヘッド。
  3. 前記弾性体変形手段の変形を前記吐出口部材に伝える接続部材が、前記弾性体変形手段と前記吐出口部材との間に設けられていることを特徴とする請求項1に記載のコンティニュアス型液体吐出ヘッド。
  4. 前記吐出口と連通する共通液室と、該共通液室の中の前記液体に振動を与える液体振動手段と、を備え、
    前記弾性体変形手段の駆動と同期して、前記液体振動手段が駆動されることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のコンティニュアス型液体吐出ヘッド。
  5. 前記液体振動手段は、前記共通液室の中の前記液体に振動を与えると共に、前記吐出口部材を変形させて前記吐出口の開口面積を減少させることを特徴とする請求項3に記載のコンティニュアス型液体吐出ヘッド。
  6. 前記弾性部材はシリコーンゴムであることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれかに記載のコンティニュアス型液体吐出ヘッド。
  7. 請求項1ないし請求項6のいずれかに記載のコンティニュアス型液体吐出ヘッドを備えていることを特徴とする液体吐出装置。
  8. 加圧された液体を吐出するための吐出口が設けられ、少なくとも前記吐出口を形成する部分が弾性体からなる吐出口プレートと、前記吐出口の開口面積が周期的に変化するように前記弾性体を変形するための変形手段とを有することを特徴とする液体吐出装置。
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