JP2007237465A - 液滴噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 絞り部の設定を所定値にすることで、所定の体積のインク液滴の噴射を安定させることができる液滴噴射装置を実現する。
【解決手段】 共通インク室３５ａの上方に配置されたサプライプレート３４には、絞り部３４ｂが溝状に形成されている。絞り部３４ｂは、連通孔３４ａを介して共通インク室３５ａと連通しており、連通孔３２ａを介して圧力室３１ａと連通している。絞り部３４ｂ内の液体の流れる方向を長手方向とした場合に、絞り部３４ｂの長手方向と交差する短手方向の幅（Ｄ２）と、絞り部３４ｂの深さ（Ｄ１）との比（Ｄ２／Ｄ１）が２．９以上に設定されている。これにより、インク液滴の体積として２６ｐｌ以上を確保しつつ、安定して高速で記録できる。
【選択図】 図３

Description

この発明は、液体を収容した圧力室に対してアクチュエータによって選択的に噴射圧力を付与することにより、圧力室と接続されたノズルから液滴を噴射する液滴噴射装置に関する。

従来、この種の液滴噴射装置として、インク液滴を噴射するヘッドユニットを被記録媒体と対向させて走査することにより、被記録媒体にインクで記録を行うインクジェット記録装置が知られている。ヘッドユニットは、インクを収容した複数の圧力室と、各圧力室へインクを供給する共通インク室と、各圧力室に隣接して配置された圧電アクチュエータと、この圧電アクチュエータを駆動する駆動回路とを備えており、その駆動回路によって駆動された圧電アクチュエータが圧力室に対して選択的に噴射圧力を付与し、圧力室と接続されたノズルからインク液滴を被記録媒体へ噴射する。

ところで、圧電アクチュエータによって圧力室内のインクに噴射圧力を付与した際、インクはノズルに向かう方向に移動すると同時に、圧力室からインク供給源側すなわち上流側にも移動しようとする。この噴射方向と逆方向に向かうインクの動きは、噴射効率を悪くするので、できるだけ制限する必要がある。また、インク液滴を噴射した後は、圧力室内の圧力を減少させて、余分なインクが噴射されないように構成する必要がある。
そこで、従来は、ヘッドユニット内に構成されるインク流路のうち、圧力室、もしくはノズルにおける流路抵抗の比重を他の部分よりも高くすることにより、インク噴射後の圧力室内の圧力を減少させ、安定したインク液滴の吐出を行っていた。

しかし、上記従来の方法では、圧力室で十分な流路抵抗を得ようとした場合、圧力室の長さを十分に長くするか、あるいは圧力室の断面積を極めて小さくする必要があるため、次のような問題があった。
まず、圧力室の長さを長くすることは、ヘッドユニット全体の形状が大きくなる他、圧力の変動周期が長くなり、高速記録に対応できないという問題がある。次に、圧力室の断面積を極めて小さくした場合には、所定の体積のインク液滴を得るために圧力室に大きな圧力を与えなければならず、圧力室内に非常に大きな負圧が発生し、そのことにより、噴射安定性が損なわれてしまう。また、ノズル側における流路抵抗の比重を高くした場合には、発生させた圧力に対する噴射液滴体積の割合が小さくなり、その結果、噴射速度が上がり過ぎて、ノズル内のメニスカスが壊れ易くなってしまう。

そこで、従来から、共通インク室と各圧力室とを絞り部なるインク流路で接続する構成が考えられていた。その絞り部は、共通インク室及び圧力室よりも大きい流路抵抗を有するため、従来のように圧力室の長さを必要以上に長くしたり、圧力室の断面積を極めて小さくしなくても十分な流路抵抗が得られ、その結果、圧電アクチュエータによって圧力室内のインクに圧力を付与した際、ノズルに向かうインクの流れを効率よく生成することができた。また、インクを噴射した後は、圧力室内の圧力が減少されて余分なインクが噴射されるのが抑えられ、噴射効率の良い記録を高速で行うことができた。

特開２００３−１９７９６号公報（公報第１８，１９段落、図１，２）

ところで、近年、インクジェット記録装置には、より一層高い記録品質の記録を高速で行う能力が要求されている。
しかし、従来のインクジェット記録装置では、インク流路の寸法がばらつくと、噴射される液滴の体積をはじめ噴射特性が大きく変わってしまうので、製造においてきわめて高い精度を必要としていた。
そこで、この発明は、絞り部の設定を所定値にすることで、所定の体積の液滴の噴射を安定させることができる液滴噴射装置を実現することを目的とする。

この発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、液滴を噴射する複数のノズル（３９ａ〜３９ｄ）とそれぞれ接続した複数の圧力室であって、それぞれアクチュエータ（４０）によって選択的に噴射圧力を付与される液を収容する複数の圧力室（３１ａ）と、その複数の圧力室に供給する液体を収容する共通液室（３５ａ、３６ａ）と、その共通液室と前記複数の圧力室とを接続し、その共通液室及び圧力室よりも大きい流路抵抗を有し、前記共通液室から前記複数の圧力室へ液を供給する絞り部（３４ｂ）と、を備え、液体の流れる方向に対応する前記絞り部の長さ（Ｌ２）が、液体の流れる方向に対応する前記圧力室の長さ（Ｌ１）よりも短く形成されており、前記絞り部内の液体の流れる方向を長手方向とした場合に、前記絞り部の前記長手方向と交差する短手方向の幅（Ｄ２）と、前記絞り部の深さ（Ｄ１）との比（Ｄ２／Ｄ１）が２．９以上であるという技術的手段を用いる。

後述する実施形態に記載するように、本願発明者が行った実験によれば、上記の比Ｄ２／Ｄ１を２．９以上に設定すると、必要なインク液滴の体積を確保しつつ、安定した記録を行うことができた。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の液滴噴射装置（１）において、前記複数の圧力室（３１ａ）が形成されたキャビティプレート（３１）と、前記共通液室（３５ａ、３６ａ）が形成されたマニホールドプレート（３５、３６）と、前記キャビティプレートとマニホールドプレートとの間に位置し、前記絞り部（３４ｂ）が形成されたサプライプレート（３４）と、が積層されており、前記絞り部は、前記サプライプレートの平板面に沿って形成され、その両端において、前記共通液室と前記圧力室とにそれぞれ接続されているという技術的手段を用いる。

絞り部をサプライプレートの平板面に沿って形成することにより、絞り部の長手方向と交差する短手方向の幅（Ｄ２）と、絞り部の深さ（Ｄ１）との比（Ｄ２／Ｄ１）を容易に２．９以上にすることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の液滴噴射装置（１）において、前記マニホールドプレート（３５、３６）に対し、前記サプライプレート（３４）とは反対側に位置し、前記複数のノズル（３９ａ〜３９ｄ）が形成されたノズルプレート（３９）と、前記サプライプレート（３４）に溝状に形成された前記絞り部（３４ｂ）の長手方向開放面を覆って位置し、前記絞り部の一端を前記圧力室または前記共通液室に接続する連通孔（３２ａ）を有するベースプレート（３２）と、が前記各プレートと積層されているという技術的手段を用いる。

プレートを積層するという構造により、ノズル、共通インク室、絞り部および圧力室を容易に製造することができ、特に所望の流路抵抗を有する絞り部を容易に形成することができる。

なお、上記括弧内の符号は、後述する各実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

この発明の実施形態について図を参照して説明する。
［主要構成］
最初に、インクジェット記録装置の主要構成について図１を参照して説明する。図１はインクジェット記録装置の主要構成を示す平面説明図である。
インクジェット記録装置１の内部には、２本のガイド軸６，７が設けられており、そのガイド軸６，７には、キャリッジを兼用するヘッドホルダ９が取付けられている。ヘッドホルダ９には、記録用紙Ｐへインクを噴射して記録を行うヘッドユニット３０が保持されている。ヘッドホルダ９は、キャリッジモータ１０により回転する無端ベルト１１に取付けられており、キャリッジモータ１０の駆動により、ガイド軸６，７に沿って移動する。

また、インクジェット記録装置１には、イエローインクが収容されたインクタンク５ａと、マゼンタインクが収容されたインクタンク５ｂと、シアンインクが収容されたインクタンク５ｃと、ブラックインクが収容されたインクタンク５ｄとが備えられている。各インクタンク５ａ〜５ｄは、それぞれ可撓性のインク供給チューブ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄに接続されており、各インク供給チューブから供給される各インクは、ヘッドホルダ９から前方へ延出されたチューブジョイント２０を介してヘッドユニット３０へ導入される。各インクとしては、顔料系インクまたは染料系インクを使用することができる。

［ヘッドユニットの構造］
次に、ヘッドユニット３０の構造について図２及び図３を参照して説明する。
図２はヘッドホルダ９をノズル面から見た平面図である。図３は図２に示すヘッドホルダ９に保持されたヘッドユニットのＡ−Ａ矢視断面の部分説明図であり、（ａ）はその部分説明図、（ｂ）は圧力室および絞り部の説明図、（ｃ）は絞り部の説明図である。なお、以下の説明では、インクを噴射する方向を下方とする。

図２に示すように、ヘッドユニット３０の下面に形成されたノズル面３９ｅには、ブラックインクを噴射するノズル３９ａと、イエローインクを噴射するノズル３９ｂと、シアンインクを噴射するノズル３９ｃと、マゼンタインクを噴射するノズル３９ｄとが、それぞれ２列ずつヘッドホルダ９の移動方向（主走査方向）と直交する方向に延びるように配置されている。各ノズルは、被記録媒体たる記録用紙Ｐ（図１）の上面に対向するように下向きに開口している。

図３（ａ）に示すように、ヘッドユニット３０は、キャビティユニット５０の上面に圧電アクチュエータ４０を接合して構成される。キャビティユニット５０は、下から順にノズルプレート３９、スペーサプレート３８、ダンパプレート３７、マニホールドプレート３６，３５、サプライプレート３４、ベースプレート３２、キャビティプレート３１の合計８枚の薄い板をそれぞれ重ね接合した構造である。各プレート間の接合と、キャビティユニット５０および圧電アクチュエータ４０の接合とには、それぞれ接着剤などの接合手段が適用可能である。

圧電アクチュエータ４０は、ブラックインクを噴射するためのエネルギを発生する活性部４１，４１と、イエローインクを噴射するためのエネルギを発生する活性部４２とを備える。図３（ａ）では省略されているが、実際には、活性部４２の右側には、もう１つの活性部４２が配置されており、その右方には、シアンインクを噴射するためのエネルギを発生する２つの活性部が配置されており、さらにその右方には、マゼンタインクを噴射するためのエネルギを発生する２つの活性部が配置されている。ここで、活性部とは、圧電アクチュエータのうち、圧力室内のインクに噴射のための圧力を与えるために作用する部分のことである。

圧電アクチュエータ４０は、圧電材料により形成された圧電シートと、膜状の電極とを交互に積層して構成されている。活性部４１は、電極４１ｂ，４１ｃ間に上下を挟まれた圧電シートの部分４１ａで構成されており、他の活性部も同様に構成されている。
各活性部の下方であって、マニホールドプレート３６，３５の内部には、各圧力室へインクを供給する共通インク室が形成されている。活性部４１の下方であって、マニホールドプレート３６，３５の内部には、ブラックインクを収容する共通インク室３６ａ，３５ａが形成されている。活性部４２の下方であって、マニホールドプレート３６，３５の内部には、イエローインクを収容する共通インク室３６ｂ，３５ｂが形成されている。図示を省略しているが、他の活性部の下方に位置するマニホールドプレートの内部には、各活性部によって噴射するためのインクを収容する共通インク室が形成されている。

なお、ヘッドホルダ９には、各インクタンク５ａ〜５ｄ（図１）から供給されるインクに含まれる気泡を貯留する中継インク室を有する中継タンク（図示せず）が備えられており、各共通インク室へインクを供給する各インク供給口（図示せず）には、各インクタンク５ａ〜５ｄから中継タンクを介してインクが供給されるようになっている。

各共通インク室の上方に配置されたサプライプレート３４の内部には、絞り部３４ｂがそれぞれ形成されている。各絞り部３４ｂは、それぞれサプライプレート３４の上部の平板面に沿って溝状に形成されている。各絞り部３４ｂのインク流入側の端部は、上下方向に貫通形成された連通孔３４ａを介して各共通インク室とそれぞれ連通している。
また、サプライプレート３４の上には、各絞り部３４ｂの長手方向開放面を覆ってベースプレート３２が積層されている。ベースプレート３２の上に積層されたキャビティプレート３１の内部であって各活性部の下面と対向する部位には、圧力室がそれぞれ形成されている。各圧力室は、キャビティプレート３１とサプライプレート３４との間に配置されたベースプレート３２に上下方向に貫通形成された連通孔３２ａを介して絞り部３４ｂのインク流出側の端部とそれぞれ連通している。
ブラックインクを収容する共通インク室３５ａの上方には、絞り部３４ｂが形成されており、絞り部３４ｂは連通孔３４ａを介して共通インク室３５ａと連通しており、さらに連通孔３２ａを介して圧力室３１ａと連通している。

各絞り部３４ｂの縦断面積は、それぞれ連通する圧力室の縦断面積よりも小さく形成されており、共通インク室及び圧力室よりも流路抵抗が大きく設定されている。つまり、各絞り部３４ｂは、連通する圧力室内で発生した圧力変動のうち、共通インク室へ向かう成分を緩和する役割をする。
各共通インク室の下に配置されたダンパプレート３７の下面にはダンパー室３７ａがそれぞれ形成されている。各ダンパー室３７ａは、ダンパプレート３７の下面にてそれぞれ下向きに開口形成されており、各ダンパー室３７ａの横断面形状は、ダンパプレート３７に隣接する各共通インク室の下面の横断面形状と同一形状に形成されている。

ダンパプレート３７は、弾性変形可能な金属などの素材により形成されており、ダンパー室３７ａ上部の薄い板状の底板部は、共通インク室側にも、ダンパー室側にも自由に振動することができる。インク液滴の噴射時に、圧力室で発生した圧力変動が共通インク室に伝播しても、上記底板部が弾性変形して振動することにより、上記圧力変動を吸収減衰させるというダンパー効果を有し、圧力変動が他の圧力室へ伝播するというクロストークを防止する効果を奏するものである。

キャビティプレート３１とノズルプレート３９との間の各プレート３２〜３８には、圧力室内のインクをノズルに導くための貫通孔３０ｂがそれぞれ上下方向に相互に連通して形成されている。上記圧電アクチュエータ４０の電極４１ｂ、４１ｃ間には、図４（ｂ）の駆動波形に示すように、非噴射時に電圧（２２Ｖ）を印加して活性部を伸長させ、圧力室の容積を縮小状態としておき、噴射時にその電圧の印加を選択的に停止して圧力室の容積を拡大し、所定時間後再び電圧を印加して圧力室内のインクに噴射圧力を与えることが好ましい。この電圧の立ち下げから立ち上げ（すなわち噴射パルス）のパルス幅Ｐ１，Ｐ２及びその間隔Ｓ１は、圧力室でのインクの固有振動周期の１／２を中心に僅かずつ値をずらせて実験した結果から選択される。なお、通常時は電圧を印加せず、電圧を印加して活性部を伸長させてインクに噴射圧力を与えることもできる。

［実験］
次に、本願発明者が行った実験について説明する。
本願発明者は、絞り部３４ｂのアスペクト比が、高速で記録した場合の記録品質に及ぼす影響を調べるための実験を行った。
絞り部３４ｂのアスペクト比は、図３（ｃ）に示すように、絞り部３４ｂの長手方向と交差する短手方向の幅Ｄ２と、絞り部３４ｂの深さＤ１との比（Ｄ２／Ｄ１）で表す。
この実験では、アスペクト比を変化させながら高速で記録した場合に、噴射するインク液滴体積を所定量に確保しつつ、安定に噴射できるかどうかについて調べた。具体的には、アスペクト比を変化させた場合の安定マップ点数及び噴射されたインク液滴の体積の変化について調べた。
なお、この実験において、圧力室３１ａの長さＬ１は１．４２ｍｍ、幅（平面視において長さＬ１と直交する方向の幅）は０．２７ｍｍ、深さ（キャビティプレート３１の厚さ）は０．０５ｍｍ、絞り部３４ａの長さＬ２は０．７ｍｍ、ノズル３９ａの直径は０．０２ｍｍ〜０．０３ｍｍである。また、室温２５℃、インクの粘度２〜５ｃｐｓとした。
ここで、安定マップ点数とは、図４（ｂ）の駆動波形のパルス幅、パルス間隔を種々変えて噴射したときの噴射の安定性を数値化したものである。すなわち、図４（ｂ）の駆動波形のうち１滴目の噴射パルスのパルス幅Ｐ１を固定し、２滴目の噴射パルスのパルス幅Ｐ２を、図４（ｃ）のようにＰ２ａ、Ｐ２ｂ、Ｐ２ｃ・・・・と変化させ、また２つの噴射パルスの間隔Ｓ１を、Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ１ｃ・・・・と変化させてそれらを組み合わせて記録（印字）を行った。
このとき、通常の記録（印字）と同様に２６ｋＨｚの駆動周波数で上記駆動波形を出力することと、その駆動周波数で１つおきの駆動周期で出力することと、出力間隔を連続的に増減させながら出力することを行って、通常の記録（印字）における多様なデータパターンの変化に対応するように記録を行った。図４（ｃ）中の×は、多くのノズルで噴射したインクが正常な液滴にならず、しぶいてしまったり、噴射方向がずれてしまったもの、△は、数個のノズルでその現象が生じたもの、○は、すべてのノズルで安定して噴射することができたものを示す。そのとき、○を２点、△を１点、×を０点として集計したのが、図４（ａ）の安定マップ点数である。また、液滴体積は、上記２滴が合体したときの体積である。図５は、図４（ａ）に示すデータをグラフ化したものである。

この実験結果から、アスペクト比が大きくなると、安定マップ点数は最初は急激な減少傾向を示し、アスペクト比が２．９０になったときから変化が緩やかになる傾向を示すことが分かった。また、インク液滴体積は、アスペクト比の増大に従って最初は急激な増加傾向にあり、アスペクト比が２．９０になったときから、略一定になることが分かった。
例えば、図４（ａ）に示すように、絞り部３４ｂの幅Ｄ２が０．０８７ｍｍ、深さＤ１が０．０３０ｍｍでアスペクト比（Ｄ２／Ｄ１）が２．９０のヘッドユニット３０を用いて記録を行った場合の安定マップ点数は２７．５０であり、インク液滴の体積は最大２６．８０ｐｌ（ピコリットル）を確保できた。
また、幅Ｄ２が０．０８８ｍｍ、深さＤ１が０．０２７ｍｍでアスペクト比（Ｄ２／Ｄ１）が３．２６のヘッドユニット３０を用いて記録を行った場合の安定マップ点数は３５．８０であり、インク液滴の体積は２６．２０ｐｌであった。

つまり、絞り部３４ｂのアスペクト比を２．９０以上にすると、２６．００ｐｌ以上の体積のインク液滴を安定して噴射することができた。
従って、上記実験より、絞り部３４ｂのアスペクト比を２．９０以上に設定すれば、噴射するインク液滴の必要な体積を２６．００ｐｌ以上に確保しつつ、安定マップ点数が低いがその中で安定に噴射できる駆動波形については、絞り部の幅、深さ寸法がばらついても、上記のように液滴の体積が略一定になることを含め、略一定の噴射性能を確保できることになり、製造を容易に行うことができるようになる。
また、インク滴の噴射速度は、５〜１５ｍ／ｓと実用上問題のない値とすることができた。

［実施形態の効果］
（１）以上のように、上記実施形態のインクジェット記録装置１を使用すれば、絞り部３４ｂのアスペクト比（Ｄ２／Ｄ１）を２．９０以上に設定することにより、噴射するインク液滴の必要な最大体積を２６．００ｐｌ以上に確保しつつ、安定して高速で記録することができる。

（２）また、絞り部３４ｂをサプライプレート３４の平板面に沿って形成することにより、絞り部３４ｂのアスペクト比（Ｄ２／Ｄ１）を容易に２．９以上にすることができる。
（３）さらに、ヘッドユニット３０は、複数のプレートを積層するという構造であるため、ノズル、共通インク室、絞り部および圧力室を容易に製造することができ、特に所望の流路抵抗を有する絞り部３４ｂを容易に形成することができる。

＜他の実施形態＞
（１）上記実施形態では、この発明の液滴噴射装置としてインクジェット記録装置を例にして説明したが、インク以外の液を噴射する装置に対して、この発明を適用できることは勿論である。
（２）また、この発明は、特定のインクを一色のみ使用するインクジェット記録装置にも適用することができる。
（３）さらに、この発明は、インク内に熱エネルギを付与することにより、インク内に発生した気泡による圧力変化を用いたり、静電気による振動板の変位を用いてインク液滴を噴射する記録装置にも適用することができる。
（４）上記実施形態のインクジェット記録装置では、サプライプレート３４の内部に絞り部３４ｂ及び連通孔３４ａの両方を形成した構成を採用したが、サプライプレート３４には絞り部３４ｂのみを形成し、連通孔３４ａのみを形成したスペーサプレートをサプライプレート３４の下に配置した構成、あるいは、ベースプレート３２の下面に絞り部を形成した構成でも良い。

インクジェット記録装置の主要構成を示す平面説明図である。 ヘッドホルダ９をノズル面から見た平面図である。 図２に示すヘッドホルダ９に保持されたヘッドユニットのＡ−Ａ矢視断面の部分説明図であり、（ａ）はその部分説明図、（ｂ）は圧力室および絞り部の説明図、（ｃ）は絞り部の説明図である。 （ａ）は、実験により得たデータをまとめた図表、（ｂ）は、実験で用いた駆動波形、（ｃ）は、パルス幅及びパルス間隔を変化させた場合の噴射安定性を示す実験結果をまとめた図表である。 図４に示すデータを座標上にプロットして得たグラフである。

符号の説明

１・・インクジェット記録装置（液滴噴射装置）、３０・・ヘッドユニット、
３１・・キャビティプレート、３１ａ・・圧力室、３２・・ベースプレート、
３２ａ・・連通孔、３４・・サプライプレート、３４ｂ・・絞り部、
３５，３６・・マニホールドプレート、
３５ａ，３６ａ・・共通インク室（共通液室）、３９・・ノズルプレート、
３９ａ・・ノズル、Ｄ１・・絞り部の深さ、Ｄ２・・絞り部の短手方向の幅、
Ｌ１・・圧力室の長さ、Ｌ２・・絞り部の長さ。

Claims (3)

1. 液滴を噴射する複数のノズルとそれぞれ接続した複数の圧力室であって、それぞれアクチュエータによって選択的に噴射圧力を付与される液体を収容する複数の圧力室と、
   その複数の圧力室に供給する液体を収容する共通液室と、
   その共通液室と前記複数の圧力室とを接続し、その共通液室及び圧力室よりも大きい流路抵抗を有し、前記共通液室から前記複数の圧力室へ液体を供給する絞り部と、を備え、
   液体の流れる方向に対応する前記絞り部の長さが、液体の流れる方向に対応する前記圧力室の長さよりも短く形成されており、
   前記絞り部内の液体の流れる方向を長手方向とした場合に、前記絞り部の前記長手方向と交差する短手方向の幅と、前記絞り部の深さとの比が２．９以上であることを特徴とする液滴噴射装置。
2. 前記複数の圧力室が形成されたキャビティプレートと、
   前記共通液室が形成されたマニホールドプレートと、
   前記キャビティプレートとマニホールドプレートとの間に位置し、前記絞り部が形成されたサプライプレートと、が積層されており、
   前記絞り部は、前記サプライプレートの平板面に沿って形成され、その両端において、前記共通液室と前記圧力室とにそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項１に記載の液滴噴射装置。
3. 前記マニホールドプレートに対し、前記サプライプレートとは反対側に位置し、前記複数のノズルが形成されたノズルプレートと、
   前記サプライプレートに溝状に形成された前記絞り部の長手方向開放面を覆って位置し、前記絞り部の一端を前記圧力室または前記共通液室に接続する連通孔を有するベースプレートと、が前記各プレートと積層されていることを特徴とする請求項２に記載の液滴噴射装置。

Images