JP2000211146A - インクジェット記録装置およびそのノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】オリフィスより噴出するインクの粒子化を規則
的にする励振を効率良く行う。 【解決手段】圧電素子積層体６５の先端に取り付けたピ
ストン６６をボディ６１の中空部６１に嵌入してその間
をゴム状弾性封止部材のＯリング６７で封止し、ピスト
ン６６の先端をオリフィスプレート６２の内側にインク
チャンバー６２ｂに対面させた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット記
録装置とそのノズルに関する。

【０００２】

【従来の技術】振動部で振動を与えたインクをオリフィ
スより噴出させてインク粒子を発生するノズルと、この
インク粒子を所定の記録信号に応じて帯電して偏向する
ことにより記録媒体上に目的の印字を行う偏向制御手段
を備えたインクジェット記録装置は、インクの粒子化の
精度を向上するために、インクに与える振動の振幅を大
きくする必要がある。そのために、インクの流体的共振
や機械的共振を用いてインクに振動を与える加振体を用
いている。

【０００３】このような従来技術としては、特開平４−
１８７４４０号公報に記載されたノズルを挙げることが
できる。このノズルは、パイプ先端にインクを噴出する
オリフィスが取り付けられ、パイプに２つの圧電体と端
子を圧入し、それらをロックナットで固定した構造（ボ
ルト締めランジュバン方式）となっている。そして、端
子に励振源を接続して所定の周波数の励振電圧を入力す
ることにより、圧電体を振動させてパイプ先端のオリフ
ィスを振動させる構成である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この従来技術では、粒
子化の効率を向上させるために、インク噴出口の振動振
幅が最大となるような流体的共振や機械的共振を利用し
ている。しかしながら、このような共振構造は、温度変
化によって共振周波数が変化して加振体の振動振幅が不
安定となり、粒子化に乱れが発生する問題があった。

【０００５】更に、加振体の支持機構は、一端を弾性部
材で押し付けることにより筐体に支持させているが、加
振体の軸に垂直方向に振動しないように締め付けると軸
方向の振動も抑制されてしまうために、インクの粒子化
に作用する振動も減少し、結果的に、加振体に大きなエ
ネルギーを投入する必要があるために効率が低下する問
題があった。

【０００６】そこで、本発明の目的は、上記問題点を解
決し、最良のインク粒子を安定に作成することができる
高効率のインクジェット記録装置のノズルを提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、振動部により
加振したインクを噴出してインク粒子を発生するインク
ジェット記録装置用ノズルにおいて、前記振動部は、一
端が圧電体に固着され、他端が前記オリフィスの内側に
位置してインクに接触するように配置したピストンボデ
ィの間に環状のゴム状弾性封止部材を設け、ピストンの
振動抵抗を小さくした。

【０００８】また、振動部により加振したインクを噴出
させてインク粒子を発生するインクジェット記録装置用
ノズルにおいて、前記振動部は、圧電体の振動方向の一
端に固着され、他端が前記オリフィスの内側に位置して
インクに接触するようにしたピストンとボディの間に環
状のゴム状弾性封止部材を設け、ピストンの振動抵抗を
小さくした。

【０００９】前記ゴム状弾性封止部材はＯリングであ
り、このＯリングの潰し率を２０％以下の状態となるよ
うに設置した。

【００１０】また、前記圧電体は、積層型圧電素子とし
た。

【００１１】前記ボディには、オリフィスを形成したオ
リフィスプレートの内側にインクを供給するインク流入
通路と、オリフィス内側のインクを循環するインク流出
通路を設け、インクの循環により空気や異物の排出を容
易にした。

【００１２】また、前記ピストンの変位体積をインク粒
子体積で除した値が１．１以上になるようにピストンを
振動させるようにして低速サテライトモードおよび無サ
テライトモードによるインク粒子の発生を行うようにし
た。

【００１３】また、前記ピストンの先端を凸状にしてイ
ンクチャンバーの容積を小さくして加振効率を良くし
た。

【００１４】また、振動部で振動を与えたインクをオリ
フィスより噴出させてインク粒子を発生するノズルと、
このインク粒子を所定の記録信号に応じて帯電して偏向
することにより記録媒体上に所定の印字を行う偏向制御
手段を備えたインクジェット記録装置において、前述し
たような構成のノズルを使用することにより、安定した
印字を可能にした。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、発明の実施形態について図
面に従って説明する。

【００１６】まず、インクジェット記録装置の概略構成
について図３を用いて説明する。

【００１７】インク供給経路２１は、インクを貯めてお
くインク容器１と、インクを圧送するインクポンプ２
と、インク圧力を調節する調圧弁３と、流路の開閉を行
う電磁弁４と、フィルタ５とを備え、ノズル６に加圧イ
ンクを供給する。

【００１８】ノズル６は、励振源１３に接続して励振す
ることによりインク粒子８が規則的に発生するようにイ
ンクを加振する。

【００１９】帯電電極７は、記録信号源１６に接続して
該帯電電極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を帯電す
る。

【００２０】上部偏向電極９は高電圧源１５に接続して
高電圧を印加し、下部偏向電極１０は接地することによ
り、上部偏向電極９と下部偏向電極１０との間に静電界
を形成し、この静電界中を飛行するインク粒子８をその
帯電量に応じて偏向して目的の印字位置に付着させる。

【００２１】インク回収経路２２は、ガター１１と、電
磁弁１８と、フィルタ１２と、回収ポンプ１４とを備
え、印字するように帯電されずに直進して記録に関与し
なかったインク粒子８を回収し、再利用するためにイン
ク容器１へ戻す。

【００２２】インク循環経路２３は、ノズル６から電磁
弁１７を介してインク回収経路２２に至るインク流路で
あり、ノズル６内のインクをインク容器１に還流させ
る。

【００２３】次に、ノズル６の第１の実施形態を図１お
よび図２を用いて説明する。

【００２４】ノズル６は、円筒状のボディ６１と、この
ボディ６１の先端に取り付けたオリフィスプレート６２
と、このボディ６１の基端に取り付けたベースプレート
６３によって筐体を構成する。

【００２５】ボディ６１は、軸心を中心にして対向する
位置に軸方向に貫通するインク流入通路６１ａとインク
流出通路６１ｂを備え、この通路の基端には、継ぎ手６
４ａ，６４ｂが取り付けられる。継ぎ手６４ａは、イン
ク供給経路２１に接続し、継ぎ手６４ｂは、インク循環
経路２３に接続する。

【００２６】オリフィスプレート６２は、その中心にオ
リフィス６２ａを備え、このオリフィス６２ａの内側に
は、インクチャンバー６２ｂと、このインクチャンバー
６２ｂと前記インク流入通路６１ａおよびインク流出通
路６１ｂの先端を結ぶインク通路６２ｃ，６２ｄを備え
る。

【００２７】インクチャンバー６２ｂからオリフィス６
２ａを通って噴出するインクに振動を与える振動部は、
その基端を前記ベースプレート６３の内側に接着した圧
電素子積層体６５の他端（自由端）にピストン６６を接
着し、このピストン６６の外周にゴム状弾性封止部材で
あるＯリング６７を嵌め、ボディ６１の中空部６１ｃ内
に水密状態になるように嵌入してベースプレート６３を
ボディ６１の基端に取り付けて構成する。

【００２８】圧電素子積層体６５は、複数枚の四角の圧
電素子６５ａを正電極板６５ｂと負電極板６５ｃを交互
に介在するように接着して積層し、圧電素子積層体６５
の１つの側面で正電極板６５ｂを共通に接続してリード
線６５ｄに接続し、他側の側面で負電極板６５ｃを共通
に接続してリード線６５ｅに接続する。このように圧電
素子６５ａを積層した圧電素子積層体６５は、低い励振
電圧でインク噴出方向（圧電素子積層方向）に大きな変
位で伸縮振動することが可能であり、この実施形態にお
いては、６８ｋHzの周波数の励振電圧で駆動するように
した。

【００２９】ピストン６６は、アルミニウムやＳＵＳや
プラスチック（ＰＰＳ，ＰＯＭ，ＰＥＥＫ）を使用して
ボディ６１の中空部６１ｃよりも小径の円柱形状体に形
成し、基端面は、前記圧電素子積層体６５の先端に接着
し、その先端面は、前記オリフィスプレート６２の内側
に位置してインクチャバー６２ｂのインクに振動を与え
るようにする。このピストン６６の外周壁には環状溝６
６ａを形成し、この環状溝６６ａにＯリング６７を嵌着
する。

【００３０】ゴム状弾性封止部材であるＯリング６７
は、インクに侵食されにくいゴム硬度５０〜９０のゴム
状弾性材（ＥＰＤＭ）を使用した線径０．８ｍｍの円形
断面素材の環状体として構成し、ピストン６６の環状溝
６６ａに嵌着する。そして、このピストン６６をボディ
６１の中空部６１ｃに嵌め込むことにより、ピストン６
６とボディ６１の内壁面の間にＯリング６７を圧縮状態
に介在させてインクチャンバー６２ｂ内のインクが圧電
素子積層体６５の側に侵入しないような封止構造とす
る。このとき、Ｏリング６７の潰れる割合（Ｏリング６
７の潰れる大きさをＯリングの線径で除した値を意味
し、以後、潰し率と呼ぶ）とピストン６６の変位量を調
べたところ、図６の結果が得られた。潰し率が大きくな
るに従って変位量が減少し、線径の２０％以上ではピス
トン６６の変位量の減少量が過大となることが判った。
従って、粒子化を効率よく行う上で、Ｏリング６７の潰
し率は、線径の２０％以内にするのが望ましく、この実
施形態では、潰し率が１５％になるように設定した。な
お、Ｏリング６７を固定する環状溝は、ボディ６１の側
（中空部６１ｃの内壁面）に設けてもよい。

【００３１】次に、インクの噴出を安定にするために行
うインクチャンバ６２ｂ内の空気や異物をインク循環経
路２３に排出する制御について説明する。

【００３２】まず、インク供給および循環制御のための
制御回路について図４を用いて説明する。

【００３３】ＣＰＵ４０１は、この実施形態におけるイ
ンク供給および循環の制御を司る中央演算処理装置であ
る。ＲＯＭ４０２は、ＣＰＵ４０１が動作するのに必要
なプログラムや制御データを記憶する読み出し専用のメ
モリである。ＲＡＭ４０３は、プログラム実行途上でＣ
ＰＵ４０１が扱うデータ等を一時的に記憶する書き換え
可能なメモリである。

【００３４】バスライン４０４は、ＣＰＵ４０２からの
データ、アドレス信号、コントロール信号の全てを伝達
する信号ラインである。

【００３５】インターフェース回路４０５は、データ、
アドレス信号、コントロール信号等の入出力を仲介す
る。

【００３６】ポンプ制御回路４０６は、ＣＰＵ４０１か
らの命令に基づいてインクポンプ２と回収ポンプ１４の
運転制御を行う。

【００３７】弁制御回路４０７は、ＣＰＵ４０１からの
命令に基づいて電磁弁４，１７，１８の開閉の動作制御
を行う。

【００３８】クロック発生器４０８と分周回路４０９と
カウンタ回路４１０とラッチ回路４１１は、タイマーを
構成する。分周回路４０９はクロック発生器４０８から
出力される信号を分周する。カウンタ回路４１０は、分
周回路４０９で分周された信号を計数する。カウンタ回
路４１０は、ＣＰＵ４０１の命令によりリセットが可能
であり、分周回路４０９の分周割合は、ＣＰＵ４０１の
命令により変更可能である。

【００３９】１３は励振源、１６は記録信号源、４１２
は入力装置である。

【００４０】次に、インク循環制御について図５を用い
て説明する。

【００４１】ＣＰＵ４０１は、入力装置４１２から装置
起動の命令を受けると、ステップ５０１の処理を行う。
このステップ５０１では、回収ポンプ１４とインクポン
プ２を起動し、電磁弁４と電磁弁１７を開き、インクを
インク供給経路２１からノズル６に供給する。電磁弁１
７は開いている状態であるのでインクはノズル６より噴
出せず、インク循環経路２３からインク回収経路２２を
経てインク容器１に回収される。

【００４２】ステップ５０２，５０３では、インク循環
時間を設定するタイマーをリセット後に始動させ、この
タイマーが設定値に達するとステップ５０４に処理が移
行する。

【００４３】ステップ５０４では、電磁弁１７を閉、電
磁弁１８を開にする。従って、ノズル６のインクチャン
バ６２ｂ内のインクが加圧され、オリフィス６２ａから
インクが噴出する。

【００４４】ステップ５０５では、励振源１３から励振
電圧を出力して圧電素子積層体６５に印加する。励振電
圧が印加された圧電素子積層体６５は、伸縮振動し、ピ
ストン６６を進退させてインクチャンバー６２ｂ内のイ
ンクを加振し、オリフィス６２ａから噴出するインクを
規則的に粒子化する。これにより、規則的に発生するイ
ンク粒子８は帯電制御によって印字可能な状態となり、
装置起動の処理を終了する。

【００４５】このようにインク循環を行うことにより、
インクチャンバー６２ｂ内の空気や異物を除去すること
ができ、安定的にインクを噴出することができる。

【００４６】図７は、ノズル６の第２の実施形態を示す
ものであり、ゴム状弾性封止部材として断面形状がＸ字
状のリング６７を用いた例である。このＸ字状のリング
６７は、内側の２本の凸条の先端縁が環状溝６６ａの底
の角に当接するように嵌着し、外側の２本の凸条の先端
縁がボディ６１の中空部６１ｃの周壁面に当接するよう
に該中空部６１ｃ内に嵌入する。このリング６７は、断
面円形素材のＯリングに比べて摩擦抵抗値が小さく、ま
た、ボディ６１の中空部６１ｃに挿入するときに捩じれ
難く、従って、ピストン６６の変位量の低下（振動抵
抗）を軽減することができる。その他の構成は、第１の
実施形態と同一であるので、重複する説明は省略する。

【００４７】図８は、ノズル６の第３の実施形態を示し
ている。このノズル６の特徴は、ゴム状弾性封止部材と
してゴム材をピストン６６とボディ６１の隙間に環状に
焼き付けてリング６７を形成したものである。焼き付け
は、以下の方法で行った。まず、エポキシ系接着剤をピ
ストン６６とボディ６１に塗布し、接着剤塗布面に環状
のゴム材を挿入した後に１２０℃で接着剤を焼き固めて
行った。このようにすると、封止部材を支える溝をピス
トン６６に形成する必要がなくなるので、ピストン６６
の小型化が可能となる。その他の構成は、前述した実施
形態と同一であるので、重複する説明は省略する。

【００４８】図９は、ノズル６の第４の実施形態を示し
ている。このノズル６は、ピストン６６の先端面にＯリ
ング６７を嵌着する環状溝６６ｂを設け、ボディ６１の
先端部に中空部６１ｃに突出する環状の庇６１ｄを形成
したものである。ピストン６６の端面に嵌着されたＯリ
ング６７は、ピストン６１の端面と庇６１ｄとの間に挟
着される封止構造となる。

【００４９】この実施形態では、Ｏリング６７を取り付
けたピストン６６をボディ６１の中空部６１ｃに挿入す
るときに、Ｏリング６７が中空部６１ｃの壁面を摺擦す
ることがないので、Ｏリング６７に捩じれが発生しな
い。なお、Ｏリング６７を嵌着する環状溝は、ボディ６
１の庇６１ｄの内側に設けても良い。その他の構成は、
前述した実施形態と同一であるので、重複する説明は省
略する。

【００５０】図９は、ノズル６の第５の実施形態を示し
ている。このノズル６は、ピストン６６の先端面にオリ
フィスプレート６２側に円錐状の凸部６６ｃを形成し、
インクチャンバー６２ｂを小さくすることにより、イン
クチャンバー６２ｂ内のインク量を少なくし、オリフィ
ス６２ａから噴出するインクにピストン６６の振動を効
率良く伝達することができるようにしたものである。こ
のようにすれば、インクチャンバー６２ｂ内のインクの
流れを安定にし、より安定なインク噴出が可能となる。

【００５１】このようなノズル６から噴出するインク
は、図１１に示すように、４種類の粒子化モードでイン
ク粒子８に発展する。低速サテライトモードは、サテラ
イト粒子８ａが後続するメイン粒子８ｂに追い付かれて
合体する粒子化モード、等速サテライトモードは、サテ
ライト粒子８ａとメイン粒子８ｂが等速で飛行して合体
が起こらない粒子化モード、高速サテライトモードは、
サテライト粒子８ａが先行するメイン粒子８ｂに追い付
いて合体する粒子化モード、無サテライトモードは、サ
テライト粒子が発生しない粒子化モードである。これら
のなかで、インク粒子８に安定的な帯電を行うことがで
きる良好な粒子化モードは、高速サテライトモードと無
サテライトモードであり、低速サテライトモードと等速
サテライトモードでは、インク柱長が不安定で印字にゴ
ーストが発生するため印字には適さない。

【００５２】この粒子化モードは、本発明のノズル６で
は、ピストン６６の変位体積をインク粒子体積で除した
値Ｓで整理できることが実験により判明した。この値の
増加と共に、低速サテライトモード、等速サテライトモ
ード、高速サテライトモード、無サテライトモードが発
生する。

【００５３】図１２は、良好な粒子化領域をこの実施形
態のノズル６について調べた結果であり、Ｓを横軸に、
インク柱長を縦軸にとってある。この実験結果によれ
ば、印字に不適切な低速サテライトモードと等速サテラ
イトモードは、Ｓが１．１未満の範囲で発生し、印字に
適切な高速サテライトモードと無サテライトモードはＳ
が１．１以上で発生する。従って、この実施形態では、
Ｓが１．１以上になるようにピストン６６の振動を制御
することにより、良好な印字を実現することができる。
この振動制御は、励振源１３で発生する励振電圧の大き
さを制御することにより、容易に実現することができ
る。

【００５４】ここで、ピストン６６は、伸縮振動する圧
電素子積層体６５の先端（自由端）に取り付けられ、ゴ
ム状弾性封止部材のリング６７による封止構造でボディ
６１の中空部６１ｃに収容されてオリフィスプレート６
２の内側のインクチャンバー６２ｂに対面しているの
で、リング６７を歪ませて容易に進退振動してインクチ
ャンバー６２ｂ内のインクを加振することができる。従
って、低い励振電圧でインクの粒子化に規則性を付与す
ることができる。

【００５５】

【発明の効果】本発明は、ピストンの振動方向の抵抗を
少なくすることができるので、圧電素子による加振に対
する抵抗が小さく、インクを効率良く加振して粒子化す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェット記録装置のノズルの第
１の実施形態を示す縦断側面図である。

【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図である。

【図３】本発明のインクジェット記録装置の配管図であ
る。

【図４】本発明のインクジェット記録装置の制御回路図
である。

【図５】本発明のインクジェット記録装置の制御回路に
おけるＣＰＵが実行する起動制御処理のフローチャート
である。

【図６】本発明のインクジェット記録装置におけるノズ
ルのＯリングの潰し率とピストンの振動変位の関係を示
す特性図である。

【図７】本発明のインクジェット記録装置におけるノズ
ルの第２の実施形態を示す縦断側面図である。

【図８】本発明のインクジェット記録装置におけるノズ
ルの第３の実施形態を示す縦断側面図である。

【図９】本発明のインクジェット記録装置におけるノズ
ルの第４の実施形態を示す縦断側面図である。

【図１０】本発明のインクジェット記録装置におけるノ
ズルの第５の実施形態を示す縦断側面図である。

【図１１】本発明のインクジェット記録装置のノズルに
おける粒子化モードの説明図である。

【図１２】本発明のインクジェット記録装置におけるノ
ズルの粒子化モード領域を示す特性図である。

【符号の説明】

１…インク容器、２…インクポンプ、６…ノズル、７…
帯電電極、８…インク粒子、９…上部偏向電極、１１…
ガター、６１ボディ、６１ａ…インク流入通路、６１ｂ
…インク流出通路、６１ｃ…中空部、６２…オリフィス
プレート、６２ａ…オリフィス、６２ｂ…インクチャン
バー、６２ｃ，６２ｄ…インク通路、６３…ベースプレ
ート、６４ａ，６４ｂ…継ぎ手、６５…圧電素子積層
体、６６…ピストン、６６ａ…環状溝、６７…Ｏリン
グ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 足羽 賢治 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 峯岸 孝壽 茨城県日立市東多賀町一丁目１番１号 株 式会社日立製作所電化機器事業部内 (72)発明者 藤倉 誠司 茨城県日立市東多賀町一丁目１番１号 株 式会社日立製作所電化機器事業部内 Ｆターム(参考） 2C057 AF03 AF52 AG47 BA07 BA14

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動部により加振したインクを噴出してイ
   ンク粒子を発生するインクジェット記録装置用ノズルに
   おいて、 前記振動部は、圧電体と、一端がこの圧電体に固着さ
   れ、他端が前記オリフィスの内側に位置してインクに接
   触するように配置されたピストンと、このピストンとボ
   ディの間に設けた環状のゴム状弾性封止部材を備えたこ
   とを特徴とするインクジェット記録装置用ノズル。
2. 【請求項２】振動部により加振したインクを噴出させて
   インク粒子を発生するインクジェット記録装置用ノズル
   において、 前記振動部は、圧電体と、この圧電体の振動方向の一端
   に固着され、他端が前記オリフィスの内側に位置してイ
   ンクに接触するピストンと、このピストンとボディの間
   に設けた環状のゴム状弾性封止部材を備えたことを特徴
   とするインクジェット記録装置用ノズル。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記ゴム状弾
   性封止部材はＯリングであり、このＯリングの潰し率を
   ２０％以下の状態となるように設置したことを特徴とす
   るインクジェット記録装置用ノズル。
4. 【請求項４】請求項１または２において、前記圧電体
   は、積層型圧電素子であることを特徴とするインクジェ
   ット記録装置用ノズル。
5. 【請求項５】請求項１または２において、オリフィスを
   形成したオリフィスプレートの内側にインクを供給する
   インク流入通路と、オリフィス内側のインクを循環する
   インク流出通路を備えたことを特徴とするインクジェッ
   ト記録装置用ノズル。
6. 【請求項６】請求項１または２において、前記ピストン
   の変位体積をインク粒子体積で除した値が１．１以上に
   なるようにピストンを振動させるようにしたことを特徴
   とするインクジェット記録装置用ノズル。
7. 【請求項７】請求項１または２において、前記ピストン
   の先端を凸状にしたことを特徴とするインクジェット記
   録装置用ノズル。
8. 【請求項８】振動部で振動を与えたインクをオリフィス
   より噴出させてインク粒子を発生するノズルと、このイ
   ンク粒子を所定の記録信号に応じて帯電して偏向するこ
   とにより記録媒体上に所定の印字を行う偏向制御手段を
   備えたインクジェット記録装置において、 前記ノズルは、請求項１〜７の１項に記載した構成とし
   たことを特徴とするインクジェット記録装置。