JP4226779B2 - 気体混入防止装置を有するインパルス流体噴射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、トランスデューサの通電に応じて、例えばインクなどの流体の小滴を噴射するドロップオンデマンド（ｄｒｏｐ−ｏｎ−ｄｅｍａｎｄ）又はインパルス流体ジェットに関する。
【０００２】
発明の背景
インパルス流体ジェット又はインパルスインクジェットは、例えばインクなどの流体の小滴を要求に応じてチャンバからチャンバのオリフィスを通して噴射するように構成され、使用される。インパルスジェットが、工業的用途を含む多くの用途で利用される場合、インパルスインクジェットが信頼性をもって機能することが重要である。このような信頼性は、インパルスジェットへのインクの供給及びインパルスジェットを介するインクの供給における流体の乱れによって、インパルスジェットへ気体が混入される（ｄｅｐｒｉｍｅｄ）ことが可能な場合には危ぶまれる。このような気体混入（ｄｅｐｒｉｍｉｎｇ）は、例えば装置を揺らすことによって生じる大きくて長い乱れと同様に、流体供給に対する短い乱れの結果としても生じ得る。
発明の概要
本発明により、インパルスジェットへの気体混入を防止するための装置が提供される。
【０００３】
更に、本発明により、インパルスインクジェット又は他の場所へのインク又は流体のフィードラインにおける小さい、或いは短い、又は小さくて短い乱れに応じて生ずるインパルスジェットへの気体混入を防止するための装置が提供される。
更に、本発明により、流体フィードライン又は他の場所における大きい、或いは長い、又は大きくて長い乱れに応じて生ずるインパルスジェットへの気体混入を防止するための装置が提供される。
【０００４】
本発明の好ましい実施形態によると、インパルスインク流体装置は、トランスデューサと、このトランスデューサへ接続された流体噴射チャンバとを有し、このチャンバがオリフィスを有していて、流体の小滴が、トランスデューサの通電に応じて、このオリフィスを通して噴射される。流体供給源は、コンプライアントチャンバ（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｃｈａｍｂｅｒ）を介して流体噴射チャンバへ接続され、このコンプライアントチャンバは、低域フィルタ（ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）の少なくとも一部を構成し、この低域フィルタは、このコンプライアントチャンバによって構成される低域フィルタの時定数よりかなり短い継続時間を有する流体の乱れをかなり減衰させる。
【０００５】
好ましい実施形態では、コンプライアントチャンバの流体キャパシタンスと流体供給における流体抵抗の少なくとも一部分との積によって示される時定数が、時定数の値０．０１より短い継続時間を有する圧力の乱れをかなり減衰させる。好ましい実施形態では、０．０１秒より短い、好ましくは０．０５秒より短い乱れが減衰させられる。
【０００６】
好ましい実施形態では、コンプライアントチャンバは、圧力波を吸収するためのコンプライアント部材（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｍｅｍｂｅｒ）を有している。コンプライアントチャンバは柔軟なダイヤフラムを有しており、このダイヤフラムは、圧力の変化に関して変形量が非線形であるように、乱されていない状態において非平面形状とされる。好ましくは、圧力波は、コンプライアントチャンバ内で圧力が上昇することなく吸収される。好ましい実施形態では、コンプライアントチャンバは、周囲空気圧力が通って流れ、コンプライアント部材に達することが可能な空気経路を有している。
【０００７】
コンプライアントチャンバは又、フィルタを含んでいても良く、このフィルタを通ってインク供給源から流体噴射チャンバへインクが流れることが可能である。
好ましい実施形態では、装置は更に、流体ジェット又は複数の流体ジェットを供給するマニホールドとコンプライアントチャンバとの間に位置した、インクがコンプライアントチャンバからインクジェットへ流れることを可能とすると共に、インク噴射用チャンバからコンプライアントチャンバへのインクの逆流を防止するための少なくとも１つの逆止弁を有している。各逆止弁は、逆止弁を通る空気の通過を可能にする経路を含んでいる。この事に関連して、逆止弁は、弁座と、弁部材と、弁支持部とを有し、この弁支持部は、流体が、弁座と弁部材との間を流体チャンバへ向かって通って流れることを可能とする少なくとも１つの経路を有する。逆止弁は、弁座を構成すると共に弁部材と弁支持部を包含する弁本体を有しており、弁支持部内の流体経路が弁本体に隣接して配置されるようにする。好ましくは、弁支持部は、弁本体に隣接して配置された複数の経路を有している。
好ましい実施形態の詳細な説明
図１を参照すると、インパルス流体噴射用印刷ヘッド又はインパルスインク噴射用印刷ヘッド１０は、チャンバプレート１２とオリフィスプレート１４を有し、これらチャンバプレート１２とオリフィスプレート１４は、図５に拡大して示した足部２０とダイヤフラム２２とを介してトランスデューサ１８に接続される複数のインク噴射用チャンバ１６を構成する。トランスデューサ１８は、トランスデューサ１８の長手方向の軸線に対して横方向に電圧を作用させて起動と停止が行われ、トランスデューサをエキスパンダーモード（ｅｘｐａｎｄｅｒ ｍｏｄｅ）で機能させるようにする。即ち、トランスデューサが、矢印１９に平行に長手方向の軸線に沿って伸縮してチャンバ１６の容積変化を起こし、プレート１４のオリフィス１５から小滴を噴射するようにする。
【０００８】
図１及び図５を参照すると、インクにより構成された流体は、チャンバプレート１２とスペーサープレート２７の間の絞りプレート２６に形成された制限入口２４を通して、各チャンバ１６へ供給される。スペーサープレート２７は、図５で最も良く示されているように、ダイヤフラム２２に接して挟まれる。上記制限入口２４は図６に示されており、図６は、１９９７年３月２５日出願の同時係属出願第０８／８２３７１８号において説明されているような拡大された開口部２８を有する絞りプレート２６を示していて、この出願の記載は本明細書の一部を成すものとする。前述の構造は、トランスデューサ１８の共振周波数と、チャンバ１６の大きさとを含めて、高性能なインクジェットを生み出す。
【０００９】
各制限入口２４には、図１、図５及び図２に示されたマニホールド３０によってインクが供給される。本発明の１つの重要な態様によると、マニホールド３０には、図１、図２及び図５に示されたように、２つの逆止弁３２を通して、インクにより構成された流体が供給される。逆止弁３２は、チャンバ２４からの印刷ヘッド１０内の流体供給ラインを戻って通るインクの逆流を防止するように構成される。詳細には、逆止弁３２はダイヤフラム３４を有し、このダイヤフラム３４は、弁が図５において点線で示されたように閉じられた場合、印刷ヘッド１０の弁座３６と接する。ダイヤフラム３４は、開いた場合には図５に実線で示したように逆止弁挿入部又は支持部４０の端部３８に接し、図５に示したようにチャンバ１６の中へインクが流れることを可能にする。支持部４０の詳細は図７を参照することにより最も良く理解される。図７では、端部３８からマニホールド３０へ向かって引かれている流路４２が設けられ、図５に最も良く示されているように、流路４２が通っているフランジ４４が又、ダイヤフラム３４のための弁本体内で印刷ヘッドの座４６に係合するために設けられている。
【００１０】
再度、図１、図２を参照すると、逆止弁３２は、印刷ヘッド内で供給流路４８の端部に配置されている。本発明の他の重要な態様によると、供給流路４８は、図１、図２に示され、図３、図４において最も良く示されているコンプライアントチャンバ４９で終わっている。コンプライアントチャンバは、短い乱れを減衰させるために設けられており、さもなければ、この短い乱れは印刷ヘッドへ気体を混入する可能性がある。この目的のためにコンプライアントチャンバは、軟質膜５０を有しており、この軟質膜５０は、印刷ヘッドを通る供給ライン内のインクの圧力の乱れを吸収するのに十分な量だけ矢印５２によって示される方向に移動することが可能であって、ヘッドへの気体混入を防止する。膜５０は、ステンレス鋼部材５４とフィルタ組立体５６との間で適所に保持される。次いでステンレス鋼部材５４は、膜５０と他のガスケット５８との間で適所に保持される。軟質膜５０に完全に自由な動きを提供するために、ベント穴６０が膜５０に並置されて印刷ヘッドに設けられ、膜５０によって排除された空気が漏れ出すことを可能にする。
【００１１】
フィルタ組立体５６は、フィルタ６２を含んでいる。図１から図４を参照して理解されるように、インクは、フィルタ６２の膜側にある入口６６からコンプライアントチャンバ４９の中へ自由に流れる。
コンプライアントチャンバが、インクジェットへの気体混入の防止という目的を最も良く果たすために、膜の変位は、圧力の変化に関して非線形であることが好ましい。この目的のために、膜５０はチャンバ４９の内部に対して凹状であり、変形に対する抵抗によりダイヤフラムの凹所を増加するようにする。換言すれば、ダイヤフラムの変形量は、コンプライアントチャンバ内の圧力の変化に関し非線形である。
【００１２】
又、図１に示すように、印刷ヘッドの入口６６には、リザーバ７２へ導かれている柔軟なチューブ７０を通してインクが供給される。示されているようにリザーバ７２は、他のフィルタ７４を有しており、フィルタのレイティングより大きなインク中の塊が印刷ヘッド１０の中へ入って行かないことを確実にする。又、リザーバ７２内のインク７６のレベルをインク噴射用チャンバ１６の高さより下に維持してチャンバ１６においてインクの圧力を無くし、これによりオリフィスプレート１４のオリフィス１５からインクが漏れ出ることがないことを確実にしていることは注目すべきである。
【００１３】
コンプライアントチャンバによって、圧力の乱れによるインクジェットへの気体混入を防止することが可能であることをより良く理解するために、図８を参照する。ここには、図１に示したインク噴射装置の流体回路と等価である電気回路が示されている。詳細には、図１に示された装置が、キャパシタンス、抵抗、インダクタンスを用いた等価電気回路構成で示され、圧力の乱れはパルス発生器によりシミュレートされた電圧パルスに相当する。より詳細には、図８に示された等価回路は、それぞれ、オリフィスプレート１４のオリフィス１５のキャパシタンスと抵抗に相当するキャパシタンス８０と抵抗８２を有している。抵抗８４は、絞り部２４の抵抗に相当する。キャパシタンス８６と抵抗８８は、供給流路４８を含むマニホールド３０の流体キャパシタンス及び抵抗に相当する。キャパシタンス９０はコンプライアントチャンバの流体キャパシタンスに相当する。抵抗９２と抵抗９４はフィードライン７０の流体抵抗に相当し、インダクタンス９６とインダクタンス９８はそのフィードライン７０の流体インダクタンスに相当する。キャパシタンス１０２は、リザーバ７２の流体キャパシタンスに相当し、電圧源１０４は、流体工学的電圧、即ちリザーバ７２により発生される圧力に相当する。インクジェットへ気体を混入させる性質を有するフィードライン内の任意の圧力の乱れは、フィードラインの抵抗９２と９４との間であって、インダクタンス９６と９８との間に配置された信号発生器１０６により示される。
【００１４】
図８の等価回路は、解析の目的のために、図９に示された一連の低域フィルタに分解されても良い。より詳細には、第１の低域フィルタは、流体キャパシタンス８０と流体抵抗８２、８４とを有するサブ回路（ｓｕｂ−ｃｉｒｃｕｉｔ）１０８によって提供される。第２のサブ回路１１０は、流体キャパシタンス８６と流体抵抗８８とを有している。第３のサブ回路１１２は、コンプライアントチャンバの流体キャパシタンス９０と、フィードライン７０の抵抗の一部である流体抵抗９２とを有する。
【００１５】
図１０を参照してわかるように、サブ回路１０８、１１０、１１２のそれぞれは、実際上、標準的な一次低域フィルタを構成し、ここでは、Ｖ_i （ｔ）が、フィードラインの乱れに相当する入力電圧であり、Ｖ_o （ｔ）が出力電圧である。低域フィルタの抵抗ＲとキャパシタンスＣを適切に選択することにより、Ｖ_i （ｔ）によって示される圧力の乱れに対する出力結果に相当する出力電圧Ｖ_o （ｔ）は、乱れの継続時間が積ＲＣに相当する時定数Υより短い場合には、大きく減衰される。換言すれば、時間的に十分短い乱れは、コンプライアントチャンバのキャパシタンス９０とライン抵抗９２のＲＣの組合せによって示される低域フィルタに相当するサブ回路１１２によって示される低域フィルタによって大きく減衰される。より詳細には、ＲＣの積に等しいΥの１０％より短い継続時間を有する乱れは、十分に減衰され、印刷ヘッドの作用に大きな影響を与えないようにされる。即ち、印刷ヘッドへ気体が混入しないようにする、又はオリフィスからの漏れが生じないようにする。この事に関連して、少なくとも０．１秒、好ましくは０．５秒より長い時定数Υを生じるように軟質膜が選択され、時定数Υの１／１０又は１０％より短い乱れは、フィードラインの抵抗と共にコンプライアントチャンバにより構成された低域フィルタによってかなり減衰される。より詳細には、０．１秒の時定数に対しては、０．０１秒より短い乱れ、又は０．１秒の１／１０又は１０％より短い乱れは、気体混入又は漏れに関して影響を及ぼさない。同様に、短くとも０．５秒の時定数に対しては、継続時間で０．０５秒の乱れは、気体混入又は漏れに関して殆ど又は全く影響を及ぼさない。コンプライアントチャンバが、上述の目的を果たすために低域フィルタの一部として機能するためには、コンプライアントチャンバが十分に大きく、過度の圧力上昇を伴うことなく容量的な乱れを処理可能であることが重要であることが理解されるべきである。
【００１６】
前述したように、逆止弁３２は、これらがインクの逆流を防止するのに有用である著しい過圧状態においてのみ気体混入を防止する。一方、気体混入を生ずる可能性のある非常に小さな圧力変化は、コンプライアントチャンバが、低域フィルタとしての特徴を示して利用される場合には、気体混入作用を有しない。しかしながら、非常に大きな圧力変化がある場合には、逆止弁は、マニホールド部分を加圧し、僅かなオリフィスの漏れを犠牲にして、大規模な気体混入を防止するようになる。
【００１７】
コンプライアントチャンバが別の形状や大きさであっても良いことが理解される。特に、軟質膜については、膜が圧力の変化に対する変形において非線形の変化を呈することが好ましいが、別の形状であっても良い。
図１１を参照する別の実施態様においては、逆止弁３２は、フィルタ組立体５６の「肘状」領域における、インクチューブ（フィードライン）７０とコンプライアントチャンバ４９との間において浮動できる。本発明の適切な操作のためには、逆止弁を取り囲む壁は、インクと共にかなりの量の摩擦を引き起こして、逆止弁の移動可能な円板周りでなくてこの円板に押し当たってインクを流させる粗い表面を有している。この実施態様は、バーコード用印刷ヘッドの製造において行われる。この実施態様は、印刷ヘッドの能力を注入された状態にするよう改良することが分かっている。例えばリザーバ７２あるいはチューブ７０が突然移動すること（供給用チューブあるいはインク供給部を衝撃、振動、汲み上げ、持ち上げ、圧搾または加熱すること）によって生ずる圧力波は、逆止弁３２を通過してコンプライアントチャンバ４９をわずかに圧縮する。結果的に、圧力波の負の部分が印刷ヘッドの面からコンプライアントチャンバに向かって後方に移動して、逆止弁３２の円板３４を着座させる。このようにして、コンプライアントチャンバ内の圧力は、負の圧力がオリフィスにおいて成長するのを妨げるのに十分に大きいままの状態にある。この順序のために、（圧力波の正のサイクル時）印刷ヘッドの面から吹き出されたインクの量を小さくすることができ、これにより、空気が印刷ヘッド内に流入するのが妨げられる。本発明のこの別の実施態様の重要な特性は、コンプライアントチャンバに関連づけられた逆止弁によって、印刷ヘッド内に空気が吸入されること、すなわち、気体混入が妨げられることに関する。
【００１８】
コンプライアントチャンバは、約−２４．９Ｐａから約−２４９０．９Ｐａ（−０．１水柱インチから−１０水柱インチ）の間において負圧を維持するように形成されるのが好ましい。この圧力範囲はオリフィスによる噴射と前記インク供給部の安定した高さとによって形成されるようになっている（すなわち、インク供給部は典型的には印刷ヘッドのわずかに下方に配置される）。さらに、噴射作用の異常を避けるために、逆止弁は、約２４．９Ｐａから約７４７．３Ｐａ（０．１水柱インチから３水柱インチ）の間のクラッキング圧を有するように形成するのが好ましい。これにより、噴射時のオリフィスにおいて負圧が過剰に増すのが妨げられる。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態が詳細に説明され、様々な変形例が示唆されたが、本技術分野の通常の技術を有する者には、添付の請求の範囲で述べるような本発明の真の精神と範囲内に入る他の変形例が案出されるだろう。例えば、インク以外の流体が、流体ジェットが例えば計量器（ｍｅｔｅｒｓ）として使用される場合に利用されても良い。更に、他のインクジェットの構成が、異なる種類のトランスデューサがインク自体を例えばバブルジェット内に含んで使用される場合に利用されても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 横断面で示された本発明を具体化しているインパルスインク噴射ヘッドの図であり、インク供給源を有していて、明瞭にするためにコンプライアントチャンバを９０°回転させた状態である。
【図２】 図１の断面線２−２に沿ったインパルスインク噴射ヘッドの図である。
【図３】 図２の線３−３に沿ったコンプライアントチャンバの断面図である。
【図４】 図３の線４−４に沿ったコンプライアントチャンバの断面図である。
【図５】 図１に示した逆止弁及びインク噴射用チャンバの拡大断面図である。
【図６】 図５の線６−６に沿った断面図であり、ヘッド内の複数のインク噴射口の一部分を構成する絞りプレートを示している。
【図７】 図５に示した逆止弁支持部部材の斜視図である。
【図８】 図１から図７に示した流体システムに対する等価電気回路である。
【図９】 図８に対応し、等価電気回路をセクションＡからセクションＣに分けている等価電気回路図である。
【図１０】 標準的な一次低域フィルタの略図である。
【図１１】 本発明に基づくインパルスインク噴射ヘッドの別の実施態様を示す図である。図１１の実施態様と図１の実施態様との主な相違点は、逆止弁３２の位置である。

Claims (9)

1. インパルス流体噴射装置であって、
   トランスデューサと、
   前記トランスデューサに接続され、このトランスデューサの通電に応じた小滴の噴射のためのオリフィスを有する流体噴射チャンバと、
   流体供給源と、
   前記流体供給源内の圧力の乱れを減衰させるために前記噴射チャンバと前記流体供給源との間に接続された中間チャンバと、を有し、該中間チャンバは圧力の変化に関して非線形に変形する膜を有しており、
   さらに、
   前記流体供給源と前記中間チャンバとの間に接続された逆止弁、
   を有するインパルス流体噴射装置。
2. 前記中間チャンバの流体キャパシタンスと流体供給の抵抗の少なくとも一部分との積によって示される時定数が、前記積によって示される時定数の１０％より短い継続時間を有する圧力の乱れを減衰させる請求項１に記載のインパルス流体噴射装置。
3. ０．０１秒より短い継続時間を有する圧力の乱れが、減衰させられる請求項１に記載のインパルス流体噴射装置。
4. ０．０５秒より短い継続時間の圧力の乱れが、減衰させられる請求項１に記載のインパルス流体噴射装置。
5. 前記中間チャンバが、インクがインク経路を通って流れることを可能にすると共に圧力波を吸収するための流体経路と前記膜とを有している請求項１に記載のインパルス流体噴射装置。
6. 前記中間チャンバが、空気が通って流れ、前記膜に達することを可能とする空気経路を有している請求項５に記載のインパルス流体噴射装置。
7. 前記逆止弁が、前記オリフィスにおける正の圧力を維持する整流器として働く請求項１に記載のインパルス流体噴射装置。
8. 前記中間チャンバは、オリフィスによる噴射とインク供給部の安定高さとによって形成される約−２４．９Ｐａから約−２４９０．９Ｐａ（−０．１水柱インチから−１０水柱インチ）の間において負圧を維持する請求項１に記載のインパルス流体噴射装置。
9. 前記逆止弁は、約２４．９Ｐａから約７４７．３Ｐａ（０．１水柱インチから３水柱インチ）の間のクラッキング圧によって特徴付けられ、それにより、噴射時におけるオリフィスの負圧が増すのが妨げられる請求項１に記載のインパルス流体噴射装置。

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