JP2016016555A - インクジェットヘッドユニットおよびインクジェットプリンタ - Google Patents

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Abstract

【課題】ヘッドから離れたインク瓶内の気体圧力でなく、インク流路のインク圧を測定し、インク圧力の精度を向上したインクジェットヘッドユニットを提供する。【解決手段】吐出口27を持つ複数のノズルと入口ポート31、および出口ポート32を有するインクジェットヘッドユニット10と、このインクジェットヘッドユニットの入口ポートへのインクの供給管33および出口ポートからのインクの排出管34と、これらの供給管および排出管に設けられ、インクへの接液により各インク圧力を測定するセンサ35と、このセンサの測定値によるノズルの変形駆動によってノズルにおけるインク滴の圧力を調整するコントローラ36とを備える。【選択図】図2

Description

一実施形態はインクジェットヘッドユニットおよびインクジェットプリンタに関する。
インクジェットプリンタはヘッド(インクジェットヘッド)を構成するノズルプレートのノズル面に複数列設けられ複数の吐出孔からインクを記録媒体上に吐出して画像を形成しており、導管路によってインク循環装置に連結されている(例えば特許文献1参照)。インク循環装置は、ヘッドにインクを供給し、このヘッドから排出されたインクを回収した後、インクをヘッドへ再供給する。安定した印字評価を行うべく、ヘッド付近のインクの圧力管理が必要である。
従来のインク循環装置において、ヘッドのノズル内の圧力管理は、ヘッドに対して上流及び下流の各インク瓶の内部における空気圧をそれぞれ測定し、各空気圧によってインク供給瓶のポンプ排出圧の調整管理を行っている。上流及び下流の各インク瓶に取付けられたチューブに、空気圧測定用の気体圧力センサを接続し、上流側及び下流側の各圧力センサによる測定値が予め設定した圧力値を超えた時に、ポンプにて圧力調整を行っている。
特開2008−162262号公報
しかしながら、測定された気体圧力はヘッドから離れたインク瓶内の気体圧力であり、測定対象がインクと異なる気体であるため、ヘッドにおけるインク圧力の精度を向上させることができない。
このような課題を解決するため、一実施形態によれば、隔壁対、底面及びインク吐出口を持つノズル、このノズルへのインクの入口ポート、および前記ノズルからの前記インクの出口ポートを有するインクジェットヘッドと、このインクジェットヘッドの前記入口ポートへの前記インクの供給管および前記出口ポートからの前記インクの排出管と、これらの供給管および排出管に設けられ、前記インクへの接液により各インク圧力を測定するセンサと、このセンサの測定値による前記ノズルの変形駆動によって前記ノズル吐出口におけるインク滴の圧力を調整するコントローラとを備えるインクジェットヘッドユニットが提供される。
また、別の一実施形態によれば、前記インクジェットヘッドユニットと、前記インクジェットヘッドユニットへのインクタンクと、と備えるインクジェットプリンタが提供される。
一実施形態に係るインクジェットプリンタの構成を示す図である。 一実施形態に係るインクジェットヘッドユニットの斜視図である。 一実施形態に係るインクジェットヘッドユニットに用いられるインクジェットヘッドの縦断面構造例を示す図である。 一実施形態に係るインクジェットヘッドユニットのセンサの分解斜視図である。 (a)は一実施形態に係るインクジェットヘッドユニットのセンサの分解斜視断面図であり、(b)はその縦断面図である。 (a)は一実施形態に係るインクジェットヘッドユニットのセンサの構成例を示す図である。(b)はそのセンサに用いられる検出回路例を示す図である。 (a)は一実施形態に係るインクジェットヘッドユニットの機構に用いられる部材の斜視図であり、(b)はその機構の正面図である。
以下、実施の形態に係るインクジェットヘッドユニットおよびインクジェットプリンタについて、図1乃至図7を参照しながら説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。
(一実施形態)
図1は一実施形態に係るインクジェットプリンタの構成を示す図である。本実施形態に係るインクジェットプリンタは、インク循環方向にインクを循環させヘッド(インクジェットヘッド)10からインクを記録媒体に吐出して画像を形成するものであり、上流瓶11からこのヘッド10を経て下流瓶12に通じこの下流瓶12から上流瓶11へと循環するインク循環路13と、このインク循環路13へインクを供給するインク供給装置14とを備えている。更にインクジェットプリンタは、インク循環路13からのインクをヘッド10より吐出し、このヘッド10のインクIN/OUT側に近い位置においてそれぞれインク液の圧力を測定するインクジェットヘッドユニット15を備えている。
インク循環路13は、インク瓶である上流瓶11及び下流瓶12と、三方弁16と、循環ポンプ17と、チューブ18、19、20、21、22とを備えている。インク供給装置14は、インクの供給瓶23と、この供給瓶23にチューブ24を介して接続され及びチューブ25を介して三方弁16に接続された調整ポンプ26とを備えている。
図2はインクジェットヘッドユニット15の斜視図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。ヘッド10はそれぞれインク吐出口27からなる複数の吐出孔列をヘッドノズル面に有する。同図のAA´線に沿うヘッド10の縦断面構造の一例を図3に示す。図3はヘッド10のAA´線に沿う縦断面構造例を示す図であり、図2の例とは天地を適宜入れ変えて表示している。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。
図2、図3のように、インクジェットヘッドユニット15は、それぞれが隔壁28の対、底面29及びインク吐出口27を持つ複数のノズル30、各ノズル30への上流側からのインクの入口ポート31、およびノズル30から下流側へのインクの出口ポート32を有する上記ヘッド10を備えている。ノズル30はインク滴の吐出方向又は吐出速さを調節する。更にインクジェットヘッドユニット15は、ヘッド10の入口ポート31へのインクの供給管33および出口ポート32からのインクの排出管34と、これらの供給管33および排出管34に設けられ、インクへの接液により各インク圧力を測定するセンサデバイス35(センサ)と、このセンサデバイス35の測定値によるノズル30の変形駆動によってインク吐出口27におけるインク滴の圧力を調整するコントローラ36とを備えている。
ヘッド10は、インク吐出口27が形成されたノズルプレート37(図3)と、このノズルプレート37に対向するベースプレート38(図2)と、これらのノズルプレート37及びベースプレート38間に設けられた圧電部材39(図3と、この圧電部材39に複数形成された隔壁28の対、底面29とを有する。これらの隔壁28の対、底面29はそれぞれ溝の側壁対、溝底を成しており、これらの隔壁28の対、底面29、手前側の溝端面および奥側の溝端面によって囲まれた空間がインク圧力室となり一つのノズル30を構成している。また、ノズルプレート37、ベースプレート38及び枠材により共通液室が形成され、共通液室の一部がインク圧力室を構成している。圧電部材39は互いに逆方向の分極特性を持つ2枚の圧電板が重ね合わせられたPZT(lead zirconate titanate)である。隔壁28の対及び底面29には電極が形成されており、図示しないICドライバから電極へ電圧印加によって電界の変化が生じ、2枚の圧電板の変形により溝内容積が縮小し、ノズル30はインク吐出口27からインク滴を噴出する。更にヘッド10はベースプレート38に形成された複数の貫通孔に連通するマニフォールド40を有する。マニフォールド40はインク流路の分岐部兼結合部であり、このマニフォールド40内部には、入口ポート31及び出口ポート32のそれぞれに連通する内部流路が設けられている。
また、インクの供給管33(図2)は円管チューブであり、インク耐性を有する合成樹脂製である。排出管34は供給管33の例と同様である。各端部は管バンドにより留められてもよい。
センサデバイス35は、供給管33に連通する第1のホルダ41と、排出管34に連通する第2のホルダ42と、ホルダ41の流路のインクに接液する第1の圧力センサ43と、ホルダ42の流路のインクに接液する第2の圧力センサ44とを備えている。また、コントローラ36は、配線47により受ける圧力センサ43からの信号と配線51により受ける圧力センサ44からの信号とを用いて演算し負圧調整用の制御情報を出力するものである。コントローラ36にはIC、あるいはプロセッサ、ROM及びRAMが用いられる。
図4はセンサデバイス35の分解斜視図である。図5(a)は図4のCD及びC´D´を通る面によるセンサデバイス35の縦断面を示す分解斜視断面図である。図5(b)はその縦断面図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。
第1の圧力センサ43はインク圧力の検知面46(フラット接液面部)を有し、図5(a)のようにこのフラットな検知面46を流路中のインクに接触させてインクの圧力を検出し、検出した測定値を配線47から出力する。この検知面46は図5(b)のように上下方向に沿う流路に沿って配置されている。また、第1のホルダ41にはインクが流れる室48と、この室48に連通しホルダ41の上下に突き出たパイプ49とが設けられている。室48は内筒状に形成されており、検知面46がこの室48に挿入された状態で第1の圧力センサ43及び第1のホルダ41が嵌着するようになっている。第2の圧力センサ44も同様に、インク圧力の検知面50及びこの検知面50による測定値を出力する配線51を有し、第2のホルダ42にはインクが流れる室52と、この室52に連通しホルダ42の上下に突き出たパイプ53とが形成されている。内筒状の室52に検知面50が挿入された状態でこれらの第2の圧力センサ44及び第2のホルダ42が嵌着している。
図6(a)は圧力センサ43の構成例を示す図である。既述の符号はそれらと同じ要素を表す。具体的には、圧力センサ43は、ハウジング80と、室48に面し同図左右に可撓性を有する検知面46と、ハウジング80に封入されるオイル81と、台座82上の絶縁性の基板83とを備える。更に圧力センサ43は、この基板83上に設けられたブリッジ回路84と、このブリッジ回路84にボンディングされた複数のワイヤ85と、これらのワイヤ85からの信号を増幅するアンプ86とを備える。
図6(b)はブリッジ回路84の一例を示す図である。電気的にはブリッジ回路84はそれぞれピエゾ抵抗素子である抵抗R1、R2、R3、R4からなるホイートストンブリッジであり、電流源Sからのバイアス電流を、抵抗R1及び抵抗R3の合成直列抵抗と、これと並列な抵抗R4及び抵抗R2の合成直列抵抗とにそれぞれ印加する。ブリッジ回路84は2箇所の抵抗接続点の間の電圧を測定する。室48内のインク流によりダイアフラムである検知面46が流体圧力を受け、ピエゾ抵抗素子の抵抗値が変動し、ブリッジ回路84は不平衡電圧を測定するようになっている。アンプ86は電圧又は電流の信号を配線47に出力する。圧力センサ44もこの圧力センサ43の例と実質同じである。
更に、インクジェットヘッドユニット15(図4)は、ホルダ41、42を傾動させる傾動機構45(機構)をセンサデバイス35に備えている。傾動機構45は、支点穴58及び溝部59が形成されたブラケット57と、このブラケット57の支点穴58への支点ネジ60とを有する。ホルダ41、42はその側面どうしを互いに密着させた姿勢で、それぞれの背面側からネジ56によってブラケット57に締結固定されている。ホルダ41、42の背面とはこれらのホルダ41、42の複数面のうちのステイ部材55を向く面を言い、ホルダ41、42の各背面にはネジ56用のネジ孔が設けられてもよい。更にそれぞれブラケット57にネジ止めされたホルダ41、42は、ホルダ正面からの支点ネジ60によってこのブラケット57とともにステイ部材55に共締め固定されている。
図7(a)はブラケット57単体の斜視図であり、図7(b)はブラケット57の正面図である。これらの図中、既述の符号は上述のそれらと同じ要素を表す。支点穴58内での支点ネジ60を支軸としてセンサデバイス35はステイ部材55に対して一軸周りに回転あるいは揺動可能になっている。また、固定ネジ64を、溝部59を嵌挿させることによってステイ部材55の穴に固定してもよい。
また、インクジェットヘッドユニット15(図4)は、それぞれ穴中心が入口ポート31あるいは出口ポート32に対して異なる距離を持つ複数の固定穴54を有するステイ部材55と、何れかの固定穴54へのセンサデバイス35を固定するための支点ネジ60(固定部材)と、ステイ部材55側に設けられた複数の受け用のネジ孔(固定部材)とを備えている。固定によりセンサデバイス35およびヘッド10間、あるいはセンサデバイス35およびヘッド10間の距離が可変になっている。ステイ部材55は図示しないプリンタ筐体に対して起立固定される板片であり、例えば複数の固定穴54が予め等ピッチに打ち抜き加工されたものが用いられる。ステイ部材55の下部(図2)は取付具65、66等によってプリンタ筐体に対して起立固定される。
また、本実施形態に係るインクジェットプリンタ(図1)は、インク循環路13の途中に接続されたインクジェットヘッドユニット15と、上流瓶11、下流瓶12及び供給瓶23などのインクタンクとを備える。下流瓶12はチューブ20、21を介して循環ポンプ17の吸い込み側に連結されており、この循環ポンプ17の吐出側は上流瓶11へ連結されている。循環ポンプ17は上流瓶11の上流側に位置し、供給瓶23の下流側に位置する。インク循環路13及びインク供給装置14は何れもヘッド10内のインク供給路、インク排出路、液室及び圧力室に連通しており、これらのインク循環路13、インク供給装置14及びインクジェットヘッドユニット15はインク循環装置を構成する。
次に上述の構成を有するインクジェットヘッドユニット15(図1)の作用動作について述べる。循環ポンプ17は、正転により供給瓶23のインクをインク循環路13へ供給し、逆転によりインク循環路13からインクを供給瓶23へ戻し、インク循環路13の負圧値を高めている。調整ポンプ26はヘッド10のインク吐出口27での負圧を決められた負圧値に調整する。負圧とはインク吐出口27からのインク漏れを防ぐために制御されるゲージ圧(大気圧を圧力0の基準として測った圧力)を指す。インク吐出口27内のインク保持力を大気圧よりも低くするためである。ヘッド10のIN/OUTに設けられた圧力センサ43、44はインク流のゲージ圧を測定する。ホルダ41内において、インク流に直交する面とインク流に平行な面とのうち、下方へのインク流に平行な面に働くゲージ圧が測定される。ホルダ42内では、上方へ向かうインク流に平行な面に働くゲージ圧が測定される。これらのIN側の測定デ−タと、OUT側の測定データとはコントローラ36へ送られ、加算平均の演算が実行される。コントローラ36は、加算平均値及び演算式により、リアルタイムでヘッド10のノズル30内の圧力値を求める。コントローラ36は圧力値に対応する制御量で調整ポンプ26を制御する。インク吐出口27でのインクの水頭圧が大気圧よりも低くなるようにヘッド10内のインク圧力が調整される。仮にヘッド10内の負圧が弱すぎるとノズルプレート37のノズル面からインク漏れが発生し、逆に負圧が強すぎるとインク吐出口27からのエアや塵の混入によって吐出不良や印字のドット欠けが生じる。これに対してインクジェットヘッドユニット15は、ヘッド10のインクIN側のパイプ49及びOUT側のパイプ53に近い位置においてインク液自体の圧力を測定する圧力センサ43、44を設けたため、ノズル30内の圧力調整精度を向上させることができる。
また、インクジェットヘッドユニット15は固定した圧力センサ43、44の取付け位置を移動可能としたため、ヘッド10とセンサデバイス35との間の距離を変えて圧力値を測定できるようになり、距離毎の感度評価に用いることができる。はしご状に等ピッチに形成された複数の固定穴54の何れかを選択することにより、感度評価により適した環境が得られるようになる。
また、圧力センサ43及びホルダ41間には取付けによって微小な隙間(ガタ)が生じることがあり、ハウジング80の外側及びホルダ41の室48間からインク流路にエアが入り込むことがある。インクジェットヘッドユニット15は、傾動機構45によって圧力センサ43、44を振り子のように傾かせられるホルダ構造を設けることによって、傾動機構45は傾動あるいは回転することができ、混入したエアを逃がすことができる。例えばインク循環路13やセンサデバイス35をインクジェットプリンタに初期充填する時のエア抜き作業を容易に行えるようになる。
従来、インク循環装置において、ヘッドノズル面のインク吐出口の圧力管理は、上流/下流の各インク瓶(上流側インク瓶及び下流側インク瓶)の空気圧をそれぞれ測定し、調整管理を行っていた。上流/下流の各インク瓶に取付けられた空気圧用のチューブに、圧力センサを接続し、測定値が予め設定した圧力値を超えた時に、ポンプにて圧力調整を行っていた。しかしながら、上流/下流の各インク瓶とヘッドとの位置関係はこれらが互いに離れた場所に設置することを必要としており、ヘッド及び一方のインク瓶間は、約1m以上もの長さを介したチューブにより連結されている。他方のインク瓶及びヘッド間の例も同様である。ヘッドから例えば左右両側に離れた場所にインク瓶が位置するため、各インク瓶内の気体圧力センサにより測定された空気圧では、タイムリーなヘッドノズル内の圧力値が得られない可能性があり、安定した印字評価精度を保持できない。
具体的には、インクジェットプリンタの評価時に、チューブ長が長いと、コントローラはリアルタイムで圧力調整ができず、インク瓶での測定された圧力値を持つインクがヘッドに到達するまでに、インク圧力が変化することがあり、実際のヘッドノズル内の圧力値とインク瓶での測定値とが異なり、センサ感度が鈍る。また、インクを循環させているにもかかわらず、測定対象はインク瓶内の空気圧であり、この空気圧は大気圧及びインク瓶に閉じ込められたインクの蒸発圧を含むものである。液相のインクを移動させるインク循環系において、気相のインク及び水蒸気が混合した気体の測定圧力によってこの気体を調整してインクを移動させている。測定場所がヘッドから遠いこと、及び測定対象がインクと異なる気体であることによって、印字評価精度を向上させることが困難であった。そこで本実施形態に係るインクジェットプリンタでは、ヘッド10に近いIN/OUTのそれぞれの位置で、インク液自体の圧力を測定するセンサデバイス35によってノズル30内の圧力測定の精度を向上させた。
以上を総括すると、圧力センサ43、44をインク接液型センサとし、波形変化が安定して検出できるフラットな接液面を有するセンサ(図6)を選定した。圧力センサ43、44の取付けには、供給管33や排出管34(チューブ)との連結用のパイプ49、53を一体化したホルダ41、42を用い、パイプ49、53の流路に沿ってセンサフラット面を配置するようにしている。これらのホルダ41、42は、ブラケット57とステイ部材55とを介してインク循環路13に取り付けられている。圧力センサ43、44の一方とヘッド10との距離L(図2)は、インクIN側のパイプ49及びOUT側のパイプ53に極力近い距離であることが好ましい。この距離Lは供給管33、排出管34を接続する時の作業性を考慮して決めてもよい。また、図4のように、ステイ部材55にブラケット57の固定位置を上下数箇所に固定穴55を設け、任意の基準位置Oに対して上方向に+Hの位置と、基準位置Oに対して下方向に−Hの位置との間で、複数段階的に位置決め可能にした。この段階的な位置決め設定によって、圧力センサ43、44とヘッド10との間の距離をインクが変位することによる測定圧力値の感度評価を得る作業に活用できるようにもなる。
また、図7のように傾動機構45に支点穴58及び溝部59を形成し、固定ネジ64の固定によりブラケット57の回転は規制される。一方、ブラケット57を回転させる場合、回転に先立って、固定ネジ64を緩め、又は外す。これにより、支点穴58を支点にホルダ41、42が振り子状に正面に向かって左右両側に所望角度回すことができるようになる。初期充填時、圧力センサ43及びホルダ41の内部と、圧力センサ44及びホルダ42の内部とのそれぞれのエア抜きが可能になる。
以上詳述したように、本実施形態に係るインクジェットヘッドユニット及びインクジェットプリンタによれば、インクより直接インク圧力を測定し、測定対象がインク自体であるため、ノズル30内の圧力測定精度を向上させることができ、例えばインク循環系の評価作業の効率を改善することができるようになる。
上記実施形態ではセンサデバイス35は、ステイ部材55に傾動機構45を介して供締めされていたが、センサデバイス35は傾動機構45を介在させずにステイ部材55に直接固定されてもよい。センサデバイス35及びステイ部材55を直接固定する場合、ステイ部材55側に設けられた複数の受け用のネジ孔(固定部材)への他のネジ類(固定部材)を用いる。
上記実施形態では、センサデバイス35のステイ部材55への固定部材には支点ネジ60や対向ネジ孔が用いられていたが、固定の仕方は外に溶着、接着等、種々変更できる。あるいはホルダ41、42に例えば先端爪状の突起を設け、ステイ部材55にこの突起を通す切欠きを設け、爪を切欠きによりフックさせてセンサデバイス35をステイ部材55に係止固定する等の方法を用いてもよい。
図6の圧力センサ43、44は一例であり、本実施形態に係るインクジェットヘッドユニットは図6の構成例に限られるものではない。圧力センサ43,44には、検出センサ部が奥まった位置に設けられたトンネルタイプのものを用いてもよい。
上記実施形態では、傾動機構45はブラケット57の一孔を中心として一軸周りにホルダ41、42を傾動させていたが、エア抜きのために傾動の方向を変えてもよいことは言うまでも無い。例えば傾動機構45はセンサデバイス35の正面に対して左右にこれらのホルダ41、42を傾動させていたが、機構はセンサデバイス35の前後方向に傾動させてもよい。機構はホルダ41、42に例えば左右に傾斜可能な支持台を設けておき、この支持台を傾斜させることによりこれらのホルダ41、42を回動させてエア抜きさせてもよい。これらの変更をして実施をしたに過ぎない実施品に対して実施形態に係るインクジェットヘッドユニットの優位性は何ら損なわれるものではない。
いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
10…インクジェットヘッド、34…排出管、35…センサ、36…コントローラ。

Claims (4)

  1. 隔壁対、底面及びインク吐出口を持つノズル、このノズルへのインクの入口ポート、および前記ノズルからの前記インクの出口ポートを有するインクジェットヘッドと、
    このインクジェットヘッドの前記入口ポートへの前記インクの供給管および前記出口ポートからの前記インクの排出管と、
    これらの供給管および排出管に設けられ、前記インクへの接液により各インク圧力を測定するセンサと、
    このセンサの測定値による前記ノズルの変形駆動によって前記ノズル吐出口におけるインク滴の圧力を調整するコントローラと
    を備えるインクジェットヘッドユニット。
  2. 前記センサは、
    前記供給管に連通するパイプを有する第1のホルダと
    前記排出管に連通するパイプを有する第2のホルダと、
    これらのホルダをそれぞれ回転あるいは傾動させる機構と
    を備える請求項1記載のインクジェットヘッドユニット。
  3. それぞれ穴中心が前記入口ポートあるいは前記出口ポートに対して異なる距離を持つ複数の固定穴を有するステイ部材と、
    前記固定穴への前記センサの固定部材と
    を備える請求項1又は請求項2記載のインクジェットヘッドユニット。
  4. 請求項1〜請求項3の何れか一項に記載のインクジェットヘッドユニットと、
    前記インクジェットヘッドユニットへのインクタンクと、
    を備えるインクジェットプリンタ。
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