JP4349869B2 - インクジェット記録装置のノズル - Google Patents

Description

本発明はオリフィスよりインクを噴出し、印字を行うインクジェット記録装置のノズルに関する。

インクジェット記録装置のノズルに関しては、特許文献１に記載されたものがある。このノズルでは、圧電体の微小振動を増幅するために流体共振による振動増幅を用いて粒子形成に必要な振動を確保している。

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。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０〜４５℃においては、インク中の音速は±１０％程度変化する。インク流路内で発生する流体共振周波数は音速に比例して変化するので、同様に±１０％変化し、７０±７ｋＨｚ、９０±９ｋＨｚとなる。よって駆動周波数８０ｋＨｚにおいて、振動の増幅率は温度により大きく変動し、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、減衰が大きく、粒子形成には圧電体の振幅を大きくする必要があり、そのためには圧電体の大型化、入力電圧の増大となってしまう。

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提供することである。さらに、圧電体の振動を効率よくインクに伝えることができる小型ノズルを提供することである。

上記目的を達成するために、第一の手段は、インクを噴出するオリフィスと、前記インクを加振するための加振手段と、前記オリフィスに前記インクを導くインク流路とを備えたインクジェット記録装置のノズルにおいて、前記インク流路は、３つの内径の異なる円柱穴を前記オリフィス側に行くに従って、前記内径が小さくなるように連結した３段階の流路で形成され、前記３段階の流路のそれぞれの流路の長さは、前記インク流路の流路長の１／２よりも短く形成され、前記加振手段を前記インク流路の外周部に、前記内径の異なる円柱穴の接続部である段付部を覆うように配置する。

第二の手段は、前記３段階の流路の長さは、前記オリフィスに最も近い方の流路の長さが他の流路よりも短く形成される。

第三の手段は、前記オリフィスと前記３段階の流路は、プレス加工により、一体に形成される。

本発明によれば、ボディの機械共振周波数とノズルの駆動周波数を近づけるようにしているので、圧電体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、圧電体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い位置（２０ｋＨｚ以上）に離すことにより、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。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１に本発明を適用したインクジェット記録装置の概観図を示す。本発明のインクジェット記録装置は、制御系や循環系を収納した本体６００と、インクを噴出し粒子を作成するノズルを有する印字ヘッド６１０と、本体６００と印字ヘッド６１０の循環系と制御系を結ぶケーブル６２０から構成されている。本体６００には、ユーザが印字内容や印字仕様等の入力及び制御内容や装置運転状況等の表示が可能なタッチパネル式の液晶パネル６３０が設けてある。印字ヘッド６１０は円筒形のステンレス製のカバーで覆われており、カバーの内部にはインク粒子を作成し、インク粒子を偏向制御する印字制御部が収められている。印字ヘッド６１０の端面には、インク粒子が通過できるための貫通穴６１５が設けてある。本構成により、印字ヘッド６１０の貫通穴より飛び出したインク粒子により、非接触で対象物に所定の文字や図柄を印刷するものである。

図２に本体６００の内部構成の概略配置図を示す。本体６００上部には制御基盤６４０等の電気系部品が配置されている。本体下部６８０には、電磁弁６５０や、ポンプユニット６５５等で構成される循環系と、ノズルに供給するためのインクを貯めたインク容器１が納められている。蓋６７０は開閉可能で、インク容器が蓋６７０側に引き出せるようになっており、インクの補給、廃棄等のメンテナンスが容易にできるようになっている。

図３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を示す。本体６００内には、インク容器１からのインクを印字ヘッド６１０に供給するインク供給経路２１と、印字ヘッド側に設けたガター１１に受け止めた記録に関与しないインクをインク容器１に回収するインク回収経路２２が設けてある。この供給経路２１の途中にインクを圧送する供給ポンプ２と、インク圧力を調節する調圧弁３と、供給インクの圧力を表示する圧力計４が本体６００側に設けてある。また、本体６００側のインク回収経路２２中にはインクを吸引するための回収ポンプ１４が設けてある。この供給ポンプ２と回収ポンプ１４とにより、ポンプユニット６５５が構成されている。

印字ヘッド６１０側の供給経路２１中には、フィルタ５が設けられ、ここを通過した所定の圧力に調整されたインクがノズル６に供給される。ノズル６から出射したインクは帯電電極７で帯電され、上部偏向電極９及び下部偏向電極１０を通過して所定方向に偏向され記録物に出射される。なお帯電電極７には、記録信号源（図示せず）が接続されている。この帯電電極７に記録信号電圧を印加することによって、ノズル６より連続的に噴射するインク粒子８が帯電される。また、上部偏向電極９には高電圧源（図示せず）が接続され、下部偏向電極１０は接地されている。そのため上部偏向電極９と下部偏向電極１０との間に静電界が形成され、帯電したインク粒子８はその帯電量に応じて偏向される。その後、インク粒子８は印字ヘッド６１０の外に飛翔し、記録物の所定の位置に付着することにより、印字が行われる。印字ヘッド６１０側のインク回収経路２２は記録に関与しないインク粒子８を回収するためのもので、ガター１１と、フィルタ１２とが設けてある。記録に関与しないインク粒子８は、帯電電極７で帯電せず、静電界部を直進させ、ガター１１で受け止めた後、回収ポンプ１４にて吸引し、インク回収経路２２を通り、インク容器１へ戻る。

次に、本発明のノズル６について図４を用いて説明する。図４はノズルの概観図である。ノズル６の外観は円柱形状をしており、端面にインクを噴出するためのオリフィス３５を備えたオリフィスプレート３１が設けてあり、他端にはインク供給経路２１と接続するための継ぎ手２７が設けてある。側面には内部部品を保護するための円筒形状をした保護カバー３２が設けてある。

次に、図５を用いてノズルの内部構成について説明する。図５にノズル６の断面図を示す。ノズル６の内部にはボディ３０が設けてあり、ボディ３０の外周部に圧電体２９と保護カバー３２、ボディ３０の一端にはオリフィスプレート３１、他端に継ぎ手２７が取り付けられている。保護カバー３２に設けた孔３４は、圧電体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。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。ボディ３０のインク供給経路は３段階に内径が徐々に小さくなるように形成されている。

ここで圧電体２９について図６を用いて詳細に説明する。圧電体２９は円筒形状で、内外面に電極が設けられている。圧電体２９の内面電極５１は、円筒部の内面全面と端面５３に設けられている。また外面電極５２と内面電極５１との間に電気的絶縁を保つため、圧電体２９の外面には、０．５mmの無電極部５４がある。圧電体２９はボディ３０に圧電体２９の振動が効率よく伝達できるように、内面電極５１とボディ３０とが接着接合されている。圧電体２９の端面電極５３は、ボディ３０に接触するようにしているので、ボディ３０と内面電極５１は導通が確保できる。よって外面電極５２と、ボディ３０に正弦波の電気信号を発生する励振源を接続することにより、圧電体２９を加振することができる。圧電体２９の電気入力に対する変位効率を向上するためには、圧電体２９の形状で肉厚を薄く、長くすればよい。そこで本実施例では、圧電体２９は外径φ３．８mm、肉厚０．６mm、長さ８mmとした。また保護カバー３２の肉厚を０．５mmで行い、ノズル６の外径をφ６とした。

図７はボディ３０の詳細図である。外部には円柱部４１の一端に継ぎ手２７を取り付けインクの漏れを防ぐための鍔部４２が設けてあり、他端にネジ３３を嵌めるネジ部４０が形成されている。内部にはインク流路３７、３８、３９と、継ぎ手２７との接続用のネジ部４３が形成されている。円柱部４１には円筒形状の圧電体３１を嵌め合わせる。

ここで、圧電体２９のボディ３０内を流れるインクへの振動伝達について説明する。圧電体２９の振動は粒子形成を行うには非常に小さい。そのため、ボディ３０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。そこでＬを調節して、ｆ_ｂ（一次モードｎ＝１）をｆ_ｎ近傍に設定した。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。そこで、ｆ_ｂが７０±５ｋＨｚとなるように、Ｌ=２２ｍｍと設定した。これにより、圧電体３１の振動がボディ３０で増幅されて、インクを加振するので、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プレート３１が接着固定されており、その中心にはインクを噴出するためのオリフィス３５（孔径φ０．０６５ｍｍ）が加工されている。なお、オリフィスプレート３１は、溶接、かしめ、ネジ止めでもよい。また図８のように、ボディ３０にインク流路３７、３８、３９とともにオリフィス３５をプレス加工により一体に形成してもよい。

ボディ３０の他端には、インク供給経路２１と接続した継ぎ手２７があり、インクをボディ３０のインク流路３７（内径φ１．５ｍｍ）、３８（内径φ１．０ｍｍ）、３９（内径φ０．５ｍｍ）に導入する。Oリング２６はボディ３０と継ぎ手２７をインクが漏れないようにシールするためのものである。前述のようにインク流路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３５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孔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。インクジェット記録装置の稼動温度範囲０〜４５℃においては、インク中の音速は±１０％程度変化する。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、流路長さlを調整して、流体共振周波数を駆動周波数から十分離れるように（高い周波数に）設定した。すなわち、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することで、それぞれの流路を流れる流体共振周波数を駆動周波数より高くなるようにしたものである。すなわち、本実施例では、各インク流路において流体共振周波数が最も低い一次モードにおいて９０ｋＨｚ以上となるように設定した。本実施例では、ｌ_１＝２．５ｍｍ、ｌ_２＝６ｍｍ、ｌ_３＝６ｍｍとした。ここで、インク流路３９の長さを（オリフィスに最も近い方の流路長を）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（短く設定）した。これは最もオリフィス３５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。

以上のようにすることで、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を利用するため、安定した粒子形成が可能となる。

本発明の一実施例であるインクジェット記録装置の概観図である。 本発明の一実施例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。 本発明の一実施例であるインクジェット記録装置のインク循環図である。 本発明の一実施例であるノズルの概観図である。 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に用いた圧電体の断面図である。 本発明の一実施例であるノズルに用いたボディの断面図である。 本発明の他の一実施例であるノズルの断面図である。

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、２９…圧電体、３０…ボディ、３１…オリフィスプレート。

Claims (3)

1. インクを噴出するオリフィスと、前記インクを加振するための加振手段と、前記オリフィスに前記インクを導くインク流路とを備えたインクジェット記録装置のノズルにおいて、
   前記インク流路は、３つの内径の異なる円柱穴を前記オリフィス側に行くに従って、前記内径が小さくなるように連結した３段階の流路で形成され、前記３段階の流路のそれぞれの流路の長さは、前記インク流路の流路長の１／２よりも短く形成され、
   前記加振手段を前記インク流路の外周部に、前記内径の異なる円柱穴の接続部である段付部を覆うように配置することを特徴とするインクジェット記録装置のノズル。
2. 請求項１に記載のインクジェット記録装置のノズルにおいて、
   前記３段階の流路の長さは、前記オリフィスに最も近い方の流路の長さが他の流路よりも短く形成されたことを特徴とするインクジェット記録装置のノズル。
3. 請求項１に記載のインクジェット記録装置のノズルにおいて、
   前記オリフィスと前記３段階の流路は、プレス加工により、一体に形成されたことを特徴とするインクジェット記録装置のノズル。

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