JP2015044358A - 液体噴射装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】液体を噴射する複数のノズル孔43aが並設されているノズルプレート43を有するインクジェットヘッド4と、複数のノズル孔43aから噴射されたインクを加熱させるためのレーザ光を出力するレーザ光源部60と、レーザ光を伝搬する連結用光ファイバ71と、を備え、インクジェットヘッド4とレーザ光源部60は、それぞれ離間して配置され、インクジェットヘッド4とレーザ光源部60とが連結用光ファイバ71を介して接続されている。
【選択図】図7
Description
一般に、インクジェットヘッドは、複数のノズル孔からなるノズル列を有するノズルプレートと、ノズル孔に連通する複数のチャネルを有するアクチュエータプレートと、各チャネルそれぞれに連通する共通インク室を有するカバープレートと、を備えている。この構成によれば、チャネル内を収縮させてチャネル内の圧力を上昇させることで、チャネル内のインクをノズル孔から吐出させ、被記録媒体上にインク滴を着弾させることができる。
これにより、インク滴を瞬時に乾燥させることができるので、被記録媒体上に着弾したインク滴が濡れ拡がるのを抑制し、微細な印字パターンを得ることができる。
この構成によれば、ノズルプレートに液体レンズを配設できるので、ノズル孔と照射ノズル(液体レンズ)との位置精度を向上できると共に、レーザ光の照射位置とインク滴の着弾位置との距離を短縮できる。
なお、以下の実施形態では、本発明の液体吐出ヘッドを具備する液体吐出装置の一例として、インク(液体)を利用して記録紙等の被記録媒体に記録を行うインクジェットプリンタ(以下、単にプリンタという)を例に挙げて説明する。
図1は、プリンタ1の概略構成図である。
図1に示すように、本実施形態のプリンタ1は、被記録媒体Sを搬送する一対の搬送手段2,3と、被記録媒体Sに図示しないインク(液体)を吐出するインクジェットヘッド4と、インクジェットヘッド4にインクを供給するインク供給手段5と、インクジェットヘッド4を被記録媒体Sの搬送方向(Y方向)と直交する走査方向(X方向)に走査させる走査手段6と、インクジェットヘッド4から吐出されるインク(インク滴)を加熱するインク滴加熱手段7と、を備えている。
なお、被記録媒体Sとしては、紙や、樹脂フィルム、ガラス、セラミックス等、種々の材料を用いることができる。
そして、一対の搬送手段2,3のグリッドローラ2a,3aを回転させることで、被記録媒体SをY方向に沿った矢印A方向に搬送することが可能とされている。
図示の例では、インクタンク10は、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(B)の四色のインクがそれぞれ収容されたインクタンク10Y,10M,10C,10BがY方向に並んで配置されている。なお、インクとしては、水性インクや油性インク、UVインク、微細金属粒子インク、炭素インク(カーボンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレン、グラフェン)等、種々の材料を用いることができる。
インク配管11は、例えば可撓性を有するフレキシブルホースであり、インクジェットヘッド4を支持するキャリッジ16の動作(移動)に追従可能とされている。
駆動機構17は、一対のガイドレール15の間に配置され、X方向に間隔をあけて配置された一対のプーリ18と、これら一対のプーリ18の間に巻回されてX方向に移動する無端ベルト19と、一方のプーリ18を回転駆動させる駆動モータ20と、を備えている。
次に、上述したインクジェットヘッド4について詳述する。図2は、インクジェットヘッド4の斜視図である。なお、インクジェットヘッド4Y,4M,4C,4Bは、供給されるインクの色以外は何れも同一の構成からなるため、以下の説明では、まとめてインクジェットヘッド4として説明する。
図2に示すように、インクジェットヘッド4は、キャリッジ16に固定される固定プレート25と、この固定プレート25上に固定されたヘッドチップ26と、インク供給手段5から供給されたインクを、ヘッドチップ26の後述するインク導入孔41a(図3参照)にさらに供給するインク供給部27と、ヘッドチップ26に駆動電圧を印加する制御手段28と、を備えている。
なお、これら流路部材31、圧力緩衝器32およびインク連結管33により、上述したインク供給部27を構成している。
そして、これら制御回路35が搭載されたIC基板36、およびフレキシブル基板37により、上述した制御手段28を構成している。なお、IC基板36には、上述した制御ユニット12がフレキシブル基板21(図1参照)を介して接続される。
続いて、ヘッドチップ26について詳細に説明する。図3は、ヘッドチップ26の斜視図、図4は、ヘッドチップ26の分解斜視図である。
図3、図4に示すように、ヘッドチップ26は、アクチュエータプレート40、カバープレート41、支持プレート42およびノズルプレート43を備え、後述する吐出チャネル(吐出チャネル)45Aの長手方向(Y方向)端部に臨むノズル孔43aからインクを吐出する、いわゆるエッジシュートタイプとされている。
図4〜図6に示すように、アクチュエータプレート40は、分極方向が厚さ方向(X方向)で異なる第1アクチュエータプレート40Aおよび第2アクチュエータプレート40Bの、2枚のプレートを積層した積層プレートとされている(いわゆる、シェブロン方式)。これら第1アクチュエータプレート40Aおよび第2アクチュエータプレート40Bは、共に厚さ方向(X方向)に分極処理された圧電基板、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)セラミックス基板であり、互いの分極方向を反対に向けた状態で接合されている。
なお、本実施形態では、アクチュエータプレート40におけるZ方向の両側に位置する側面のうち、ノズルプレート43に対向する側面を前端面40aと称し、この前端面40aとはZ方向の反対側に位置する側面を後端面40bと称する。
複数のチャネル45のうち、吐出チャネル45Aは、アクチュエータプレート40の後端面40b側に開口することなく、前端面40a側にだけ開口した状態で形成されている。なお、図示の例において、吐出チャネル45Aの後端面40b側は、後端面40bに向かうに従い漸次浅くなっている。一方、ダミーチャネル45Bについては、アクチュエータプレート40の前端面40a側だけでなく、後端面40b側にも開口するように形成されている。
なお、各コモン端子51はそれぞれ電気的に独立するようにパターン形成されている。また、本実施形態のコモン電極50は、上述したように吐出チャネル45Aにおける内壁面の全体に形成されているので、一対の側壁面上に形成された側面電極50aと、底壁面上に形成され、側面電極50a同士を接続する底面電極50bと、で断面U字状に形成された電極とされている。
図6に示すように、インク導入孔41aには、上述した流路部材31(図2参照)を介して供給されてきたインクを吐出チャネル45A内に導入させ、かつダミーチャネル45B内への導入を規制する複数のスリット55aが形成されたインク導入板55が形成されている。つまり、複数のスリット55aは、吐出チャネル45Aに対応する位置に形成され、各吐出チャネル45A内にのみインクを充填することが可能とされる。
ノズルプレート43は、光透過性を有する材料、例えばポリイミド等の樹脂材料からなるフィルム状とされている。なお、樹脂材料の他に、ガラス等により形成してもよく、また、後述するレーザ光源部60として、波長が赤外領域のものを利用する場合には、赤外光に対して透明な材料であるシリコンにより形成しても構わない。
図7は、インク滴加熱手段7の概略構成図である。
図1、図7に示すように、インク滴加熱手段7は、筺体9内に設けられ、レーザ光(光束)を出力するレーザ光源部60と、レーザ光源部60から出力されるレーザ光を伝搬させる連結用光ファイバ71と、を備えている。そして、この連結用光ファイバ71を介して、レーザ光源部60とインクジェットヘッド4とが光学的に接続されている。
レーザ出力部81は、いわゆる半導体アレイレーザ等により構成されたものであって、アレイ状に配列されている。また、各レーザ出力部81は、それぞれ出力されるレーザ光の波長が異なるように構成されている。
各レーザ出力部81には、それぞれ合波用光ファイバ72の一端が接続されている。各合波用光ファイバ72の他端は、合波器82に接続されている。
同図に示すように、合波器82は、いわゆるアレイ導波路回析格子(AWG:Arrayed Waveguide Grating)であって、基板83と、基板83に形成されたAWG導波路84と、を備えている。
AWG導波路84は、入力導波路84a、第1スラブ導波路84b、アレイ導波路84c、第2スラブ導波路84d、および出力導波路84eが順次連結して構成されている。入力導波路84aは、波長単位の光伝搬路として複数本設けられている。そして、各入力導波路84aに、それぞれ合波用光ファイバ72の他端が光学的に接続される。
なお、本実施形態では、合波器82が1つなので、これに対応して連結用光ファイバ71の本数も1本である。しかしながら、合波器82を複数設けた場合、合波器82の個数に応じて連結用光ファイバ71の本数も増加する。
同図に示すように、分波器85の構成は、合波器82の構成と同一であって、合波器82を反転させて使用している。すなわち、合波器82は、いわゆるアレイ導波路回析格子(AWG:Arrayed Waveguide Grating)であって、基板86と、基板86に形成されたAWG導波路87と、を備えている。
AWG導波路87は、入力導波路87a、第1スラブ導波路87b、アレイ導波路87c、第2スラブ導波路87d、および出力導波路87eが順次連結して構成されている。そして、入力導波路87aに、連結用光ファイバ71の他端が光学的に接続されている。
また、レーザ駆動回路88は、各レーザ出力部81に対応する複数のスイッチ素子(不図示)を有している。そして、制御ユニット12から送信される画像データに基づいて、各レーザ出力部81に対して選択的に駆動信号が送信される。さらに、レーザ駆動回路88には、インクジェットヘッド4の制御回路から、インクジェットヘッド4が正常に動作しているか否か等の信号が受信される。
なお、貫通孔64内には、分波用光ファイバ73と、貫通孔64の内面との隙間を封止する樹脂材料等からなる図示しない封止剤が設けられている。
各吐出チャネル45A内に分配された分波用光ファイバ73は、各吐出チャネル45A内でそれぞれ保持されている。具体的に、分波用光ファイバ73の他端は、各吐出チャネル45A内を底壁面に沿ってZ方向に配索されており、ノズルプレート43の内面(アクチュエータプレート40との接着面)に突き当たっている。
同図に示すように、ノズルプレート43の外面(インク滴が吐出される側の面)には、分波用光ファイバ73の他端が接着されている箇所に、この分波用光ファイバ73内に伝搬されたレーザ光を集光する光学部62が形成されている。光学部62は、例えばホットエンボス加工等により形成されたものであって、ノズルプレート43の厚さ方向(Z方向)に窪む凹部62aと、凹部62a内に形成されたレンズ部62bと、を有している。
レンズ部62bは、凹部62aの底面からノズルプレート43の外面側に向けて略半球状に形成されている。そして、分波用光ファイバ73の他端から出力されるレーザ光を集光した後、インクジェットヘッド4の外部に出射する。なお、以下の説明において、分波用光ファイバ73の他端を出射側端という。
次に、プリンタ1を利用して、被記録媒体Sに文字や図形等を記録する場合について以下に説明する。
図1に示すように、例えば、一対の搬送手段2,3により被記録媒体SをY方向に搬送させながら、走査手段6によりキャリッジ16を介して各インクジェットヘッド4をX方向に往復移動させる。そしてこの間に、各インクジェットヘッド4より4色のインクを被記録媒体Sに適宜吐出させることで、文字や画像等の記録を行うことができる。
キャリッジ16(図1参照)によって往復移動が開始されると、制御ユニット12は、例えばインクジェットヘッド4の制御回路35、およびインク滴加熱手段7のレーザ光源部60のレーザ駆動回路88に対して画像データを送信する。
まず、ヘッドチップ26の制御回路35は送信された画像データに基づいて、各吐出チャネル45Aのコモン端子51およびダミー端子53のうち、駆動させる吐出チャネル45Aのコモン端子51およびダミー端子53間に電圧を印加する。すると、駆動壁46に厚みすべり変形が生じ、駆動壁46のうち、吐出チャネル45Aを画成する駆動壁46がダミーチャネル45B側へ突出するように変形する。
すなわち、本実施形態のアクチュエータプレート40は、厚さ方向(X方向)に分極処理された2枚のアクチュエータプレート40A,40Bが積層されているため、駆動電圧を印加することで、駆動壁46のZ方向中間位置を中心にしてV字状に屈曲変形する。これにより、吐出チャネル45Aがあたかも膨らむように変形する。
図11(a)に示すように、2つの駆動壁46の圧電厚み滑り効果による変形によって、吐出チャネル45Aの容積が増大する。そして、吐出チャネル45Aの容積が増大したことにより、インク導入孔41a内まで導かれているインクが、吐出チャネル45A内に誘導される。
一方、レーザ駆動回路88は、制御ユニット12から送信される画像データに基づいて、レーザ光源部60の複数のレーザ出力部81のうち、駆動させる吐出チャネル45Aに対応するレーザ出力部81のスイッチ素子を閉じる。スイッチ素子が閉じられると、それらスイッチ素子に対応するレーザ出力部81に駆動信号が送信され、この駆動信号に基づいてレーザ出力部81からレーザ光が出力される。
このように、制御ユニット12から入力される画像データに基づいて各レーザ出力部81の動作が制御されることで、複数のレーザ出力部81のそれぞれに対して選択的に光エネルギーを印加して、各レーザ出力部81からレーザ光を各別に出射させることが可能とされている。
なお、所定時間Tは、制御ユニット12に予め記憶しておいてもよい。また、インクジェットヘッド4の制御回路35が各吐出チャネル45Aを駆動させた信号をレーザ駆動回路88が受信し、この信号を受信してからの経過時間を所定時間Tとして設定してもよい。
したがって、上述の実施形態によれば、被記録媒体Sにインク滴が濡れ拡がることを確実に防止し、かつレーザ光源部60やインクジェットヘッド4の動作を安定させることができる。
さらに、レーザ光源部60に設けられた複数のレーザ出力部81から出力されるレーザ光の波長が全て異なるように構成し、レーザ光源部60に合波器82を設けると共に、インクジェットヘッド4に分波器85を設けた。このため、レーザ光源部60に複数のレーザ出力部81を設けつつ、レーザ光源部60とインクジェットヘッド4との間に配索される連結用光ファイバ71の本数を1本とすることができる。よって、筐体9内に無駄に光ファイバが配索されてしまうことを防止し、プリンタ1を小型化できると共に、インクジェットヘッド4を走査させる走査手段6の負荷を低減できる。
さらに、レーザ光源部60のレーザ駆動回路88により、ノズル孔43aからインク滴が吐出されてからレーザ光が出射されるまでの間の所定時間Tを調整可能としている。このため、プリンタ1やインクの仕様に応じて、インクの加熱時間を調整することができる。よって、より高品質な印刷物を提供できる。
例えば、上述の実施形態では、レーザ光源部60に設けられた複数のレーザ出力部81から出力されるレーザ光の波長が全て異なるように構成し、レーザ光源部60に合波器82を設けると共に、インクジェットヘッド4に分波器85を設けた場合について説明した。そして、レーザ光源部60とインクジェットヘッド4とを光学的に接続する連結用光ファイバ71の本数を、合波器82および分波器85の個数に応じて決定する(例えば、本実施形態では、連結用光ファイバ71の本数は1本とした)場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、合波器82および分波器85を設けずに、各レーザ出力部81とインクジェットヘッド4とを、直接光ファイバにより光学的に接続するように構成してもよい。この場合、各レーザ出力部81から出力されるレーザ光が合波されることがないので、それぞれレーザ光の波長が異なるように構成する必要はない。
また、上述の実施形態では、レーザ出力部81は、いわゆる半導体アレイレーザ等により構成されたものである場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、レーザ出力部81として、YAGレーザや、炭酸ガスレーザ等を用いても構わない。
この場合、例えばアクチュエータプレート40の他方の主面側にノズルプレート43を重ね合せ、吐出チャネル45Aの長手方向中央部分にノズル孔43aに連通する連通口を形成する等すればよい。
また、インクに加わる圧力の方向と、インク滴の吐出方向と、を同一方向とした、いわゆるルーフシュートタイプのヘッドチップ26に本発明を適用しても構わない。
さらに、上述した実施形態では、吐出チャネル45Aとダミーチャネル45Bとが交互に並んだ、いわゆるアイソレートタイプのヘッドチップ26について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、例えば、吐出チャネル45Aが連続的に配列された、いわゆるシェアードウォールタイプのヘッドチップ26を採用することも可能である。
図12は、第1変形例におけるヘッドチップ26の断面図であって、図6に相当している。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図12に示すように、各ダミーチャネル45B内には、分波用光ファイバ73の出射側端が保持されている。具体的に、分波用光ファイバ73は、各ダミーチャネル45B内を底壁面に沿ってZ方向に沿って配索されており、その出射側端がノズルプレート43の内面に接着剤を介して突き当たっている。また、分波用光ファイバ73の出射側端のうち、各ダミーチャネル45B内に位置する部分は、各ダミーチャネル45Bの底壁面に接着剤等により固定されている。
なお、分波用光ファイバ73の外径は、チャネル幅(Y方向に沿う幅)よりも小さく設定されていることが好ましい。これにより、インク滴の吐出時(駆動壁46の駆動時)において、駆動壁46と分波用光ファイバ73との干渉を抑制して、液体吐出性能を維持できる。
また、図9では示されないが、ノズルプレート43のうち、各分波用光ファイバ73の出射側端とZ方向で重なる部分には、上述した光学部62(図10参照)が形成されている。
次に、図13(a)、図13(b)に基づいて、第2変形例について説明する。
図13(a)、図13(b)は、第2変形例におけるチャネル45(45A,45B)の断面図である。
図13(a)に示すように、各チャネル45A,45Bのうち、分波用光ファイバ73が保持されるチャネル45A,45Bの底壁面は、V字状に形成されている。
また、図13(b)に示すように、各チャネル45A,45Bのうち、分波用光ファイバ73が保持される各チャネル45A,45Bの底壁面は、U字状に形成されている。
これらのように、各チャネル45A,45Bの深さ(X方向)が、幅方向(Y方向)の中央部に向かうに従い漸次深くなるように位置決め溝を形成しても構わない。
次に、図14(a)、図14(b)に基づいて、第3変形例について説明する。
図14(a)は、第3変形例におけるチャネル45(45A,45B)の断面図、図14(b)は、図14(a)のD−D線に沿う断面図である。
ここで、上述した実施形態では、吐出チャネル45Aまたはダミーチャネル45Bを位置決め溝として機能させる構成について説明した。しかしながらこれに限られるものではなく、アクチュエータプレート40およびカバープレート41のうち、何れか一方側に位置決め溝が形成されていれば構わない。
次に、図15に基づいて、第4変形例について説明する。
図15は、第5変形例におけるチャネル45(45A,45B)の断面図である。
同図に示すように、カバープレート41の外面のうち、吐出チャネル45AとX方向で重なる部分に位置決め溝91を設けてもよい。
次に、図16に基づいて、第5変形例について説明する。
図16は、第5変形例におけるチャネル45(45A,45B)の断面図である。
同図に示すように、カバープレート41の内面(アクチュエータプレート40側に位置する面)のうち、吐出チャネル45A内に露出する部分に位置決め溝92を設けてもよい。
図17(a)は、第6変形における光学部62の断面図、図17(b)は、図17(a)のE矢視である。
図17(a)、図17(b)に示すように、ノズルプレート43の外面にノズル孔43aと光学部62との間を仕切るインクガード74を形成しても構わない。具体的に、インクガード74は、ノズルプレート43の外面から厚さ方向に窪む溝状とされ、光学部62の周囲を取り囲むように形成されている。
したがって、上述の第6変形例によれば、ノズルプレート43の外面に付着したインクが光学部62に到達するのを抑制できるので、光学部62が汚れるのを抑制できる。なお、インクガード74は、ノズル孔43aと光学部62との間を仕切る構成であれば、適宜設計変更が可能である。
図18は、第7変形例における光学部762の断面図である。
ここで、上述した実施形態では、ノズルプレート43の光学部62をレンズ形状に形成した場合について説明したが、これに限らず、プリズム形状やミラー形状等としても構わない。すなわち、例えば、図18に示す光学部762は、ノズル孔43aに向けて傾斜する傾斜面762aを有するプリズム形状とされている。
図19は、第8変形例における光学部862の断面図である。
同図に示すように、レンズ状の光学部862を、ノズル孔43a側に向けて傾斜するように形成しても構わない。
したがって、上述の第8変形例によれば、光学部862内に入射した光束の光軸を曲げつつ、集光させることができる。すなわち、光学部は、光束を外部に向けて導光(例えば、集光や、屈折、反射等)するような構成であれば、適宜設計変更が可能である。
なお、光学部862を設けない構成としてもよく、ノズルプレート43に別体の光学部を設けても構わない。
4…インクジェットヘッド(液体噴射ヘッド)
6…走査手段
43…ノズルプレート(噴射プレート)
43a…ノズル孔(噴射孔)
60…レーザ光源部(光源部)
71…連結用光ファイバ(光導波路)
72…合波用光ファイバ(光導波路)
73…分波用光ファイバ(光導波路)
81…レーザ出力部(光束出力部)
82…合波器
85…分波器
88…レーザ駆動回路(制御部)
Claims (6)
- 液体を噴射する複数の噴射孔が並設されている噴射プレートを有する液体噴射ヘッドと、
前記複数の噴射孔から噴射された液体を加熱させるための光束を出力する光源部と、
前記光束を伝搬する光導波路と、を備え、
前記液体噴射ヘッドと前記光源部は、それぞれ離間して配置され、
前記液体噴射ヘッドと前記光源部とが前記光導波路を介して接続されていることを特徴とする液体噴射装置。 - 前記複数の噴射孔に対応するように、これら噴射孔の近傍に、それぞれ前記光導波路の出射側端が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の液体噴射装置。
- 前記光源部は、それぞれ波長の異なる前記光束を出力する複数の光束出力部を有し、
前記光源部に、各光束出力部から出力された複数の前記光束を合波して波長多重光束として出力する合波器を設ける一方、
前記液体噴射ヘッドに、前記波長多重光束を波長の異なる複数の前記光束に分波して出力する分波器を設け、
各光束出力部と前記合波器、前記合波器と前記分波器、および前記分波器と前記ノズルプレートを、それぞれ前記光導波路により接続したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の液体噴射装置。 - 前記合波器および前記分波器は、アレイ導波路回析格子であることを特徴とする請求項3に記載の液体噴射装置。
- 前記光源部は、前記複数の噴射孔から前記液体が吐出されてから前記光束が出力されるまでの間の時間を調整可能な制御部を有していることを特徴とする請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の液体噴射装置。
- 前記液体が着弾される被記録媒体に対し、前記液体噴射ヘッドを走査させる走査手段を備えていることを特徴とする請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の液体噴射装置。
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