JP2006076039A - Inkjet recording apparatus - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to an ink jet recording apparatus that performs printing by ejecting ink continuously from nozzles.
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
A continuous inkjet recording device that ejects ink continuously from a nozzle, charges ink droplets in the middle of flight, and deflects the ink droplets with an electric field for printing. Numbers and symbols are printed on a metal can or plastic surface. It is widely used as a device to perform. Conventionally, as shown in
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。 In the above prior art, the nozzle drive frequency (80 kHz) is set between two fluid resonance frequencies (70 kHz and 90 kHz). By vibrating the ink chamber with the piezoelectric element at this driving frequency, the ink flying from the orifice is made into particles.
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。 However, the speed of sound in ink generally used in an ink jet recording apparatus is 1200 to 1400 m / s at room temperature, but varies depending on the temperature. In the temperature range of 0 to 45 ° C., which is the operating temperature range of the ink jet recording apparatus, the speed of sound in the ink changes by about ± 10% with respect to the normal temperature. Since the fluid resonance frequency in the ink flow path is proportional to the sound velocity, the fluid resonance frequency also changes by about ± 10% when the sound velocity changes. Therefore, the two fluid resonance frequencies change in the range of 70 ± 7 kHz and 90 ± 9 kHz. For this reason, the amplification factor of vibration at a driving frequency of 80 kHz varies greatly with temperature, and there is a problem that particle formation becomes unstable. In order to reduce this instability, if the two fluid resonance frequencies are greatly separated from the nozzle drive frequency, a sufficient amplification factor cannot be obtained. Therefore, it is necessary to increase the amplitude of the piezoelectric element. There was a problem that an increase in size and an increase in input voltage were essential.
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。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an ink jet recording apparatus having a nozzle capable of forming stable particles without being affected by fluid resonance even when the speed of sound in ink changes due to temperature change. It is.
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。 In order to achieve the above object, an ink jet having an orifice for ejecting ink, a vibration means for vibrating ink, and a stepped ink flow path in which three or more cylindrical holes having different inner diameters for guiding ink to the orifice are connected. In the nozzle of the recording apparatus, the vibration means is arranged so as to be on the outer periphery of the stepped ink flow path. The lengths of the three or more ink flow paths having different inner diameters are configured such that the short side can be separated so that the short side can be separated. Further, when the separation part is joined to form the nozzle, a rubber seal member is provided inside the separation part in order to prevent ink leakage from the connection part of the ink flow path. In addition, three or more flow paths having different inner diameters are configured such that the inner diameters become smaller toward the orifice.
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。 According to the present invention, since the mechanical resonance frequency of the ink flow path is close to the drive frequency for vibrating the piezoelectric element that is the vibration means, the vibration of the piezoelectric element can be efficiently transmitted to the ink. Therefore, the piezoelectric element can be made small, and the nozzle can be miniaturized. Also, by making the fluid resonance frequency of the ink flow path higher than the nozzle drive frequency, stable particle formation is possible without being affected by fluid resonance even if the sound velocity in the ink changes due to temperature changes. There is an effect. Further, since a part of the ink flow path can be separated, there is an effect that it is easy to clean when the orifice at the end of the ink flow path is clogged. Furthermore, there is an effect that the dimensional accuracy at the time of manufacturing the orifice at the nozzle tip is improved.
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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
First, FIG. 6 shows an overview of the ink jet recording apparatus.
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。
Inside the
次に、本体100の内部構成について図7を用いて説明する。
Next, the internal configuration of the
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。
On the upper part of the
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。 Next, a schematic configuration of the ink circulation system and the printing unit of the ink jet recording apparatus will be described with reference to FIG.
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。
The
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。
The
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。
Next, the
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。
Ink is supplied from the
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。
Here, a manufacturing method of the
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。
After the
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。
Next, the
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。
FIG. 4 is a detailed view of the body 30. The
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fb(機械共振)をノズル駆動周波数fn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fbは、次式で求めることができる。
Here, when the body 30 (the combined body of the
fb=nVb/4(L+k1)
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、Vbはボディ30中の音速、k1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、Vb=5000m/sである。ノズルの駆動周波数fn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fn=70kHzである。計算上の第一次の共振周波数fb(n=1)をfn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。
f b = nV b / 4 (L + k 1 )
Here, n is an integer value determined by a resonance mode, L is the length of the body 30, the V b are those sound velocity in the body 30, k 1 is determined experimentally by the correction factor. In this embodiment, the material is stainless steel, and V b = 5000 m / s. The optimum driving frequency f n of the nozzle is almost determined by the orifice diameter (the hole diameter in this embodiment is Φ0.065 mm), and in this embodiment, f n = 70 kHz. The length of L that makes f n the calculated primary resonance frequency f b (n = 1) is about 22 mm. However, since the primary resonance frequency actually changes depending on the shape of the joint, it is appropriate. The length of L is in the range of about 22 to 26 mm. Thereby, the vibration of the
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。 Next, the ink flow path of the body 30 will be described. One end of the body 30 is processed with an orifice 31 (hole diameter Φ0.065 mm) through which the orifice ejects ink.
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。
Each of the
fr=nVi/4(l+k2)
ここで、nは共振モードにより決まる整数値で、Vi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。
f r = nV i / 4 (l + k 2 )
Here, n is an integer value determined by the resonance mode, V i is the speed of sound in the ink, l is the length of the ink flow path, and k 2 is a correction coefficient. Since the orifice diameter is sufficiently smaller than the hole diameter of the
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。 With the above configuration, vibration amplification using mechanical resonance with little change with respect to temperature can be obtained without being affected by fluid resonance that has a large change with respect to temperature, so that stable particle formation is possible. Become.
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。
By the way, when printing is performed using a nozzle as shown in FIG. 1, the
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。
FIG. 2 is an enlarged view of the nozzle tip in FIG. The
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。 As described above, in an ink jet recording apparatus that records ink droplets ejected from the tip of a nozzle by deflecting them onto a surface to be recorded, the nozzle portion is formed in a cylindrical shape, and the cylinder is also formed on the outer diameter side. A vibrating portion made of a piezoelectric element having a shape is provided so that the diameter of the ink flow path inside the nozzle changes in three stages, the diameter decreases toward the ejection hole side, and the second stage at the tip. The third stage (tip portion) where the diameter of the flow path changes can be divided, so that it is possible to facilitate the manufacture of the nosle and the maintenance easily.
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。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
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。 In an inkjet recording apparatus having an orifice for ejecting ink, an ink flow path for guiding ink to the orifice, and a vibration means for applying vibration to the ink,
The vibration means is disposed on the outer periphery of the ink flow path, and the ink flow path has a stepped structure in which three or more cylindrical holes having different inner diameters are connected, and the ink flow path has a stepped portion having a different inner diameter. An ink jet recording apparatus that can be divided at positions.
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。 The inkjet recording apparatus according to claim 1, wherein
2. An ink jet recording apparatus, comprising: an ink channel continuous with the orifice; and a boundary between the ink channel and a channel having a different inner diameter.
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。 The inkjet recording apparatus according to claim 1 or 2,
2. An ink jet recording apparatus according to claim 1, wherein the diameter of the ink flow path decreases as the diameter approaches the orifice.
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。 The inkjet recording apparatus according to claim 2,
An ink jet recording apparatus, wherein the divided ink flow paths are coupled by screws.
5. The ink jet recording apparatus according to claim 4, wherein an ink leakage preventing member is provided at a boundary between the divided ink flow path coupling portions.
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2004
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