JP2009190415A - インクジェットプリンタのための液滴発生器 - Google Patents

Abstract

【課題】インクジェットプリンタのための新規な液滴発生器を提供する。
【解決手段】インクジェットプリンタに使用する液滴発生器（２７）は高い作動周波数で長いインクジェット列を刺激することができる。液滴発生器は中央部分のための実質上均一な断面の区分と、異なる断面の２つの端区分とを有する。端区分は、端区分の共振周波数を中央部分の共振周波数に合致させるように調整する手段を有する。特に、このような手段は液滴発生器の頂部のカット部（２５）からなる。液滴発生器はオリフィス列を振動させるための多重ローブ式の半径曲げモードを利用し、これらの振動モードは液滴発生器の長さにわたって実質上延びる少なくとも２列のトランスデューサ（１８）により駆動される。トランスデューサは作動半径曲げモードのローブ構造体と矛盾しないように配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は連続インクジェットプリンタに関し、特に連続インクジェットプリンタに使用する液滴発生器に関する。

連続インクジェット印刷においては、加圧下でインクがマニホルドへ供給され、このマニホルドが、典型的には直線の列（アレイ）となって配列された複数のオリフィスへインクを分配する。インクはジェットとしてオリフィスから発射され、ジェットはインクの表面張力により液滴ストリームに分断される。インクジェット印刷は、選択的にチャージを行って、いくつかの液滴をその正規の軌道から偏向させることにより、液滴ストリームを用いて達成される。偏向された液滴又は偏向されなかった液滴は捕捉されて、再循環され、その他の液滴は印刷表面に衝突できる。

特許文献１は長い列のインクジェットプリンタに使用される液滴発生器を開示している。液滴発生器は流体空洞を備えた金属の矩形のブロックを有し、オリフィス板がブロックに接着されている。ブロックは高さ方向の第１の長手方向モードで振動するように構成される。長さが高さよりも大きい場合、ポアソン比誘起カップリングがこのような矩形ブロックのオリフィス板面で不均一な振動を生じさせることがある。ポアソン比誘起カップリングにより生じる不均一性を最小化するため、前から後ろにかけて垂直溝穴がブロックに切削形成され、溝穴は列の方向に垂直に位置する。これらの溝穴はポアソン比カップリングの効果を減少させるように液滴発生器を有効に分割する。溝穴は液滴発生器の上下面で閉じられ、長さに沿った曲げ運動を禁止するようにブロックの剛性を維持する。

この構成は都合よく作動するが、いくつかの制限がある。液滴発生器を通るインクの流量が増大すると、ジェットの方向性に影響を及ぼすことのある乱流を回避するために、液滴発生器のボア即ち穴を大きくしなければならない。部品の穴が大きくなると、長手方向モードの共振周波数が減少する。共振周波数が低下すると、プリンタの印刷速度が減少する。ブロックの高さ寸法を減少させることにより液滴発生器の共振周波数を増大させることができる。液滴発生器の高さは、溝穴を含むための高さが不十分になるまで減少させることができる。

特許文献２はインクジェット列を刺激するために使用する別の型式の共振ブロックを開示している。この共振ブロックはオリフィス板を固定した面内に切削加工された小さな溝穴を有する。溝穴は流体マニホルドとして作用する。本体の剛性を維持するために溝穴は小さく保たなければならない。圧電トランスデューサはオリフィス板面とは反対側の面で液滴発生器に接着される。圧電素子はブロックの厚さに比べて薄くしなければならない。この構成はジェット列に平行に延びる節ラインをオリフィス板面上に有する。この構成は長いジェット列に適用できない。その理由は、長い列の流れ要求が乱流の無い流れを維持するために大きな流体空洞を必要とするからである。この構成に大きな流体空洞を採用すると、共振周波数が大幅に低下し、この構成を高速インクジェットプリンタに使用できなくなってしまう。

特許文献３は別の型式の液滴発生器を開示している。この特許はオリフィス板に直接接着された２つの圧電クリスタルにより振動されるオリフィス板を有する液滴発生器を開示している。流体マニホルドはオリフィス板に直接接着される。圧電クリスタルを駆動すると、オリフィス板の外縁が変位し、オリフィス板を撓ませる。この板の撓みがオリフィスを振動させ、ジェットを刺激する。この液滴発生器の概念は列の長さが小さい場合にのみ有用である。一層長い列の場合は流体流れを取り扱うために一層大きな流体空洞を必要とするからである。一層大きな空洞は作動周波数範囲に悪影響を及ぼす。オリフィス板が脆い圧電素子により装着されているので、この構成はまた本質的に脆弱である。更に、圧電素子がオリフィス板の面に垂直な方向に振動を発生させるように電気的に駆動するので、圧電素子はオリフィス板の面に平行な方向に膨張せしめられる。クリスタルのこの膨張は液滴発生器の他の振動モードと組み合わされ、オリフィス列に沿って不均一な刺激を生じさせる。

特許文献４は大きな円筒体の内部に円筒状の圧電素子を同心的に配置した液滴発生器を開示している。円筒体間の空間はインクのためのプレナムとして作用する。インクは外側円筒体の壁に設けた穴を通ってオリフィスへ流れ、オリフィスからインクのジェットが形成される。圧電クリスタルの内側及び外側表面は金属化されて電極を形成する。圧電円筒体は半径方向に膨張及び収縮するようにこれらの電極により電気的に駆動される。次いで、この半径方向モードの振動が内側円筒体と外側円筒体との間の空間内で液体空洞共振を生じさせる。この空洞共振により生じた圧力振動がインクジェットの刺激を生じさせる。この特許明細書に述べられているように、圧電素子の半径方向の膨張がまた、ポアソン比のために圧電素子の長さの変化を生じさせる。円筒体の長さが増大すると、円筒体の長さに沿った定常波が生じることがある。長さに沿ったこのような定常波は半径方向の振動と組合わさってしまい、半径方向の振動が円筒体又はインクジェット列の長さに沿って均一にならなくなる。内側の圧電円筒体を位置決めする手段も内側円筒体の振動を外側円筒体に伝えてしまうことがある。その結果生じる外側円筒体の振動はインクジェット列に沿った所望の均一な刺激の振幅と干渉する傾向を有する。これらの問題に加え、インクと接触するように圧電素子を配置する必要性がインクからの電極及び圧電素子のシールドに関する問題を生じさせる。これらすべての問題の結果、この構成を高速インクジェットプリンタに使用できなくなってしまう。特許文献５は同様の液滴発生器の構成を開示しているが、内側円筒体ではなくて外側円筒体が圧電素子で形成され、先の構成とすべて同じ問題を生じる。

明らかに、長いインクジェット列を高い作動周波数で刺激する新規な手段が要求される。

米国特許第４，９９９，６４７号明細書 米国特許第４，１８８，６３５号明細書 米国特許第４，８２７，２８５号明細書 米国特許第４，２４５，２２５号明細書 米国特許第４，２４５，２２７号明細書

本発明の目的は、高速インクジェットプリンタに使用するための長いジェット列及び高い作動周波数を有する液滴発生手段を提供することである。

本発明の１つの態様によれば、インクジェットプリンタに使用する液滴発生器が提供され、液滴発生器は高い作動周波数で長いインクジェット列を刺激することができる。液滴発生器は、実質的に均一な断面を持つ中央部と、異なる断面を持つ２つの端部とを有する。端部は、端部の共振周波数を中央部の共振周波数に合致させるように調整する手段を有する。具体的には、このような手段は液滴発生器の頂部のカット部からなる。液滴発生器はオリフィス列を振動させるための複数のローブを有する半径方向曲げモード（「半径曲げモード」という）を利用し、これらの振動モードは液滴発生器の長さにわたって実質上延びる少なくとも２列のトランスデューサにより駆動される。トランスデューサは作動中の半径曲げモードが有するローブ構造と整合するように配置される。

半径曲げモードを受けたときに中空チューブの変位した形状及び変位しない形状を示す、中空チューブの横断面図である。 本発明の好ましい実施の形態を示す長い矩形ブロックの液滴発生器を示す図である。 液滴発生器図の内部の流体空洞の形状を示すである。 本発明に従って構成された図２、３の液滴発生器の流体チャンネルの端壁図である。 液滴発生器の中央部に合致するように液滴発生器の端部の共振周波数を調整するようにした、本発明に係る構成概念の１つの実施の形態を示す図である。

本発明はジェット列を刺激するために複数のローブの伸縮共振を利用する、インクジェット印刷に使用する液滴発生器を開示する。液滴発生器の端部の幾何学的形状は、液滴発生器の中央部の共振周波数を端部の共振周波数にほぼ等しくさせるように設定される。圧電駆動素子は、望ましくない共振モードを抑制しながら所望の共振モードを有効に駆動するように配置される。

本発明の基本的な概念は、図１に示すような中空チューブ１０の横断面図を考慮することによりはっきり理解できる。上記特許文献４に記載のチューブの円対称モードに加えて、チューブ１０はまた様々な次数の半径曲げモードを有する。このようなモードのうちの最低次モードは、チューブが外方へ膨らむ２つのローブ１２と、内側へ圧縮される２つの領域１４とを有する。より高次のモードは、より多くの数のローブ及びより高い共振周波数を有する。説明を簡単にするため、最低次モードを用いて本発明を説明するが、同じ原理をより高次の半径曲げモードに適用できることを認識されたい。

最低次の半径曲げモードはチューブ１０の壁上に対称的に配置した２つの圧電素子１８により有効に駆動される。好ましい実施の形態においては、圧電素子が半径曲げモードの節ラインを横切って延びるのを阻止するために、円周方向に沿った圧電素子の長さはチューブの円周の１／４よりも短くすべきである。適当な周波数で同位相にて駆動されたとき、対称的に配置された圧電素子はこの２つのローブを有する半径曲げモードを有効に駆動する。また、他の等級の半径曲げモードを駆動するには、これらの圧電素子はさほど有効ではなくなる。

この最低次の半径曲げモードは、チューブの長さに沿って異なるプロファイルを有して異なる共振周波数を有する一群の共振モードすべてと関連している。これらモードのうちの最低次のものはチューブの長さに沿って曲げパターンを同位相に保持している。この種の第２のモードでは、２つの端部が位相をずらしてチューブを曲げるものである。より高次のモードでは長さに沿って位相シフトが増加する。これらのモードは、チューブ壁を半径方向及び軸方向の双方に曲げるような合成曲げモードとして考えることができる。

インクジェットプリンタにおける特定の応用に対しては、１群の半径曲げモードの中の最低次モード、好ましくはチューブの長さに沿った半径方向の曲げが一定位相を有するモードを利用するのが望ましい。すなわち、インクジェットの刺激のために、軸方向の曲げモード成分を有しない半径曲げモードを使用するのが望ましい。円筒体の長さに沿って延び、同位相で駆動される２列の対称的に配置された圧電素子を使用することにより、軸方向の曲げモード成分を有するモードの振動を抑制できる状態で、長さに沿って揃った位相を有する半径曲げモードを駆動することができる。

単一の圧電素子により２つのローブを有する半径曲げモードを駆動することが可能であるが、円筒体１０の両側に対称的に配置された圧電素子１８を使用すれば、所望の共振モードを駆動するための一層高い駆動効率が得られる。更に、単一の圧電素子の使用はあまり好ましくない。上述した一対の対称的な圧電素子に比べてより高次の半径曲げモードを抑制する効果が小さいからである。それ故、単一列の圧電気駆動素子を備えた円筒体は、対称的に配置された圧電素子に比べて、望ましくない半径曲げモードからの一層大なる干渉を受ける。

端部をシールする必要性及び液滴発生器を位置決めする手段等のチューブ１０の端部についての問題（これは装着のためにあり溝２３を使用することにより少なくとも部分的に処理できる）を無視すれば、当業者なら、半径曲げモードのローブの位置にオリフィスを配置することにより、刺激を生じさせるためのオリフィスの所望の変位を達成できることを認識できよう。チューブの長さに沿った一定の曲げ位相を維持するモードを駆動することにより、極めて均一な刺激を生じさせることができる。このような構成概念を使用して、１００ｋＨｚを越える作動周波数で長いインクジェット列を刺激することができる。

インクを収容し、流体ポートを供給し、液滴発生器を位置決めする手段を提供するようにチューブ状の液滴発生器の端部を終端させる必要性が、液滴発生器の刺激の均一性に影響を及ぼすことがある。本発明は、液滴発生器のチューブ状の中央での周波数と同様の周波数で共振するように液滴発生器の端部にカット部２５を設けることにより、この問題を克服する。

概念を説明するために円筒状のモデルを使用して説明するが、当業者なら、実践上他の形状を使用できることを理解できよう。例えば、このような形状は正方形又は矩形の横断面とすることができ、又は、４辺より多い辺を有する多角形とすることさえできる。このような横断面形状では、幅に対する高さの比を０．５ないし２の近くにすべきである。一般に、横断面形状は所望の作動半径曲げモード形状の対称性と整合するようにすべきである。例えば、３辺又は６辺を有する横断面は所望の作動モードとして３つのローブを有する半径曲げモードを行う液滴発生器に対して使用することができる。横断面形状を所望のローブ形状に合致させると、圧電駆動素子の変位が容易になり、所望のモードを駆動させることができる。低次のモードを抑制しながらより高次の半径曲げモードを有効に駆動するためには、所望のローブ形状により規定されるような３列又はそれ以上の列の圧電素子を使用すべきである。

図２には、長い矩形のブロック２７を有する本発明の好ましい実施の形態を示す。液滴発生器２７は長さ１０インチ（約２５４ｍｍ）、幅０．６６インチ（約１６．８ｍｍ）、高さ０．５２インチ（約１３．２ｍｍ）のおよその寸法を有するステンレススチールで作られた矩形のブロックである。流体空洞２８はブロックの長さにわたって機械加工された貫通穴２０を有する。長くて狭い溝穴２２がブロックの底面に機械加工され、貫通穴に接続する。液滴発生器の底部において図３の領域２４内に位置するオリフィス列はブロックに固定され、溝穴２２に対してセンタリングされている。

図２を参照すると、複数列の圧電素子１８はブロックの前面及び後面に固定されている。電気的に駆動されたとき、これらの圧電素子はｚ方向において膨張及び収縮する。これにより、液滴発生器の側壁が撓む。駆動モードは円筒体についで述べた２つのローブの伸縮モードに対応する。圧電素子が液滴発生器の全長を下って取り付けられ、電気信号がすべての素子に均一に供給されるので、曲げ力は液滴発生器の長さを下って均一に適用される。

液滴発生器は、図２、３、４に示すようなあり溝２３内に接着された薄壁のステンレススチールチューブ（図示せず）により装着される。薄壁チューブは、支持フレームへの液滴発生器の最小振動結合を提供した状態で、液滴発生器の位置決め安定性にとって十分な剛性を提供することが判明した。あり溝２３は、改装におけるチューブの簡単な取り外しを容易にした状態で、装着チューブの破断緩みの危険性を最小化することが判明した。

流体マニホルドはブロックの長さを延びる貫通穴２０と、この貫通穴を液滴発生器のオリフィス板面に接続する長くて狭い流体チャンネル３２とを有する。狭い流体チャンネルは各端部から約１／２インチ（約１２．７ｍｍ）の位置で終わる。図４に明示するように、流体チャンネル２２の端壁は液滴発生器の各端部での流体流れを改善するように先細りとなっている。インクは流体取り付け部（図示せず）から供給される。流体取り付け部は図３、４に示すような穴３０に接続される。流体空洞上でオリフィス板を位置決めする整合手段３４も示してある。このような整合手段は上記米国特許第４，９９９，６４７号明細書に記載されている。

本発明の好ましい実施の形態によれば、液滴発生器の中央の共振周波数にほぼ等しい共振周波数を有するように液滴発生器の端部を構成するのが望ましい。この概念を良好に理解するために、単なる例示の目的で、曲げ力に対する液滴発生器の狭い横断面スライスの応答性を考察する。最初に、液滴発生器のこの部分が他の部分と独立しているものとして、この応答性を調べることができる。

このような区分の振動応答性は横断面スライスの共振周波数と駆動力の周波数との間の関係に依存することが当業界で知られている。その結果、このようなスライスの振動振幅は、駆動周波数が共振周波数に等しくなったときに、そのピーク値に達する。駆動力に関する振動の位相はまた、駆動周波数が共振にわたって変化するときに、シフトする。同様に、液滴発生器の任意の他の横断面スライスの振動振幅及び位相は駆動周波数とそのスライスの共振周波数との間の関係に依存する。

流体空洞の溝穴の長さに沿った均一な横断面は所望の一貫した共振周波数を生じさせる。しかし、インクが液滴発生器の端部から噴射されないようにするために、液滴発生器の端部の近傍において、流体空洞の溝穴を終端させねばならない。その結果、本体の各端部での液滴発生器の横断面は本体の中央での横断面と合致しなくなる。それ故、液滴発生器の端部の共振周波数は本体の中央部の共振周波数と合致しなくなる。溝穴への（インクの）充填は横断面を剛直化して共振周波数を増大させる傾向を有する。その結果、端部での振動振幅及び振動の位相は中央部のものとは合致しなくなる。

当業者なら、典型的な液滴発生器において、異なる横断面を持つ部分同士が互いに完全には独立していないことを十分理解できよう。振動の振幅と位相の差異が部分から部分へと波及する。それ故、端部の異なる振動の振幅と位相は液滴発生器の残りの端部以外の部分へと波及して、液滴発生器に沿った振動すべてに影響を及ぼす。

本発明によれば、液滴発生器の端部の幾何学形状を変更することにより、液滴発生器の中央の共振周波数に合致するように端部の共振周波数をシフトさせることができる。その結果、液滴発生器は、列の長さに沿って許容できる均一な振動振幅を有する。１つの好ましい実施の形態は液滴発生器の頂表面上のカット部２５を利用する。流体空洞の溝穴に平行に延びるこれらのカット部は流体空洞の溝穴の端部の近傍から出発し、図４に示すように液滴発生器の端部へ延びる。カット部２５の深さは徐々に増大し、流体空洞の溝穴の先細りが終わる位置で実質上最大深さに達する。それ故、図示の実施の形態に対しては、カット部の深さは０．０５２インチ（約１．３２ｍｍ）であり、幅は０．０６２インチ（約１．５７ｍｍ）である。

図示の溝穴は好ましい実施の形態であるが、本発明の要旨を逸脱しない限り、（液滴発生器の端部の共振周波数を中央部の共振周波数に合致させるように調整する）本発明の概念を達成するために他のカット部や構造を使用できることを認識すべきである。このような１つの別の実施の形態では、例えば、端部の共振周波数に対して最小の効果を有する低ジュロメーターゴムの如き低モジュラス材料で流体空洞の溝穴の端部をシールする。

中央部の共振周波数に合致させるように液滴発生器の端部の共振周波数を調整する本発明の構成上の概念は半径曲げモードを使用しない他の液滴発生器の構成に適用できる。例えば、１つのこのような構成５０を図５に示す。図５の構成は１．９インチ（約４８．２６ｍｍ）の高さ、１．３２インチ（約３３．５３ｍｍ）の幅及び０．４９（約１２．４５ｍｍ）インチの厚さを有する。共振モードの形状は長手方向のモードにおける矩形のものと本質的に同じであり、端部５２を有する。

長くて細いロッドに沿った音の速度が同じ材料のバルク固体における音速よりも小さいことは周知である。この差異はポアソン比により生じる。細いロッドにおいては、ロッドの断面が軸方向に圧縮された場合、半径方向の寸法がポアソン比のために膨張する。大きな半径方向の寸法を有するロッド又は他の大きなサンプルにおいては、部片が１方向に圧縮された場合、半径方向の膨張は対象物の半径方向のバルク（容積）により妨げられる。妨げられているこの半径方向の運動の結果、材料は軸方向で一層の剛直を生じさせる。大きな直径のロッド又はバルクサンプルの見掛けの高い剛性は、細いロッドの音速よりも一層速い有効音速を生じさせる。

同様に、見掛けの音速は対象物の中央部よりも対象物の壁の近傍で一層遅い。対象物の中央部においては、１方向での圧縮又は膨張に応答してのポアソン比による横方向の運動は周囲の領域の質量により阻止される。表面の近傍では、周囲の領域の質量の一部が無いので、ポアソン比による横方向の運動が圧縮又は膨張に応答して表面に平行な方向に生じる。これら２つの場合における横方向運動能力の違いが２つの領域の音速の見掛けの差異を生じさせる。

中央部とは異なる見掛けの音速を有する液滴発生器の端部のため、ブロックの端部は中央部とは僅かに異なる共振周波数を有する傾向がある。液滴発生器の端部の共振周波数を液滴発生器の中央の共振周波数に一層近づくようにシフトさせるように、側壁を輪郭決めすることにより、インクジェットの刺激を一層均一にすることができる。

上述のように、本発明の好ましい実施の形態は液滴発生器の長さに沿って延びる対称的に配置された２列の圧電素子を利用する。これらの圧電素子は半径曲げモードを駆動するために液滴発生器の側部を撓ませるように駆動される。しかし、駆動されたときには、圧電素子は流体空洞の軸線に平行な長手方向にも膨張する。圧電素子が適当に寸法決めされておらず、適当に配置されていない場合は、圧電素子は空洞の長さに沿った望ましくない軸方向の曲げモードを駆動してしまうことがある。この問題は、所望の作動周波数に近い共振周波数を有する軸方向の曲げモードのための波長を特定することにより回避することができる。圧電クリスタルの長さは、このような軸方向の曲げモードの波長の１／２よりも大きく、１波長よりも小さくすべきである。これは、大半の駆動力が集中するクリスタルの端部がこのような軸方向の曲げモードを駆動するように一斉に作動できなくなるのを保証する。

代わりに、液滴発生器を駆動するために剪断モードの極性を持つ圧電材料を使用することができる。このような圧電素子の剪断作用は圧電気素子の長さ変化を生じさせないので、このような圧電トランスデューサは、軸方向の曲げモードを駆動させる傾向が少ない。
産業上の利用可能性及び利点本発明はインクジェット印刷の分野にとって有用であり、特に長い列のインクジェットプリンタのための改善された液滴発生器の構成を提供するという利点を有する。本発明の付加的な利点は高い作動周波数での長いインクジェット列のための刺激を提供することである。

ある好ましい実施の形態につき本発明を説明したが、本発明の要旨を逸脱することなく種々の修正、変形が可能であることを理解すべきである。

１８ 圧電素子
２０ 貫通穴
２２ 溝穴
２５ カット部
２７ ブロック（液滴発生器）
２８ 流体空洞

Claims (6)

1. オリフィス列から噴射されるジェット列を備えたオリフィス板のオリフィス板面に接着された流体空洞とを有する、インクジェットプリンタのための液滴発生器において、
   液滴発生器の長さに沿って実質上延びる液滴発生器を振動モードで駆動するための少なくとも２列のトランスデューサ、を具備し、
   前記振動モードは、前記液滴発生器の前記長さに沿って、かつ、半径曲げモードのローブに沿ってジェットを均一に刺激するようにオリフィスの列を振動させる少なくとも１つの対称性を有する複数のローブを持った、前記液滴発生器の半径曲げモードを含む、
   ことを特徴とする液滴発生器。
2. 前記少なくとも２列のトランスデューサが作動半径曲げモードの対称性と整合するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の液滴発生器。
3. 前記少なくとも２列のトランスデューサが圧電トランスデューサであることを特徴とする請求項１に記載の液滴発生器。
4. 前記圧電トランスデューサが当該圧電トランスデューサの厚さモードで駆動されることを特徴とする請求項３に記載の液滴発生器。
5. 前記圧電トランスデューサが当該圧電トランスデューサの剪断モードで駆動されることを特徴とする請求項３に記載の液滴発生器。
6. 前記少なくとも２列のトランスデューサの各個々のトランスデューサが作動周波数近傍の周波数を有する軸方向の曲げモードの波長の１／２よりも大きな長さを有することを特徴とする請求項１に記載の液滴発生器。

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