JP4246583B2 - インクジェット記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、ノズルよりインクを噴出し、印字を行うインクジェット記録装置に関する。

インクジェット記録装置のノズルに関しては、特開平１０−２２６０７０号公報に記載されているものがある。これは一枚の金属プレートにプレス加工により多数のノズルを形成するものである。ノズルは、円柱穴部、環状の曲面穴部、テーパ穴部が連結した構造であり、テーパ穴部側から円柱穴部側の方向にインクが噴出する。そしてノズルプレートは流路を持った別部材に固定されている。

特開平１０−２２６０７０号公報

インクジェット記録装置では、インクをノズルプレートに対して直角方向にまっすぐ噴出することが重要である。そのためには、インクの流れに乱れを発生させないように、ノズル、流路を精密に加工し、組み立てることが必要である。上記従来技術では、インクを噴出するノズルを持つノズルプレートとノズルにインクを供給する流路を持ったボディとを接着やねじにより固定する必要がある。しかしこのような方法では、ノズルプレートのボディからの脱着時においてノズルと流路の位置ずれや、接着剤のはみ出しにより、ノズルとボディの流路との接合部に生じる段差でインクの流れに乱れが発生し、噴出されるインク粒子が曲がり、粒子形成の安定性を確保できない問題があった。

本発明は、ノズルと流路の位置ずれが生じず、インク曲がりがない安定したインク噴出が可能となるインクジェット装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるインクジェット記録装置は、インクに振動を与える加振部を有するボディと、ボディに脱着可能な単一の金属部材からなるノズルプレートとを備え、ノズルプレートは、インク噴出端となる円柱穴部と、円柱穴部に接続しインク噴出方向に穴径が小さくなるテーパ穴部と、テーパ穴部に接続しインク噴出方向に穴径が小さくなる曲面穴部とが連結した形状のノズルを有する構造とした。ノズルプレートは、更に、ノズルの曲面穴部に接続しインク噴出方向に穴径が小さくなる２以上の内径が異なる円柱穴部を連結した形状のインク流路を備えることが望ましい。

本発明のノズルプレートは、ノズルプレートに流路となる円柱穴部をドリルで穴開け加工するステップと、２以上の外径からなる軸構造としたパンチをその穴開け加工した円柱穴部側から挿入し、インク噴出端となる円柱穴部をプレス加工するステップとを経て製造する。

本発明によれば、インクを噴射するノズルとインクをノズルに供給する流路とを一つのノズルプレートに構成しているので、ノズルと流路の位置ずれが起きない。そのため、ノズルプレートの脱着が容易にできるねじ固定としても、インク曲がりがない安定したインク噴出が可能となる。また、ノズルの脱着が容易になるため、ノズルに異物やインクが固着してノズル目つまりが発生した場合でも、ノズルプレートを取り外して超音波洗浄等により異物を迅速に取り除くことが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面に従って説明する。
図６は、本発明によるインクジェット記録装置の概観図である。このインクジェット記録装置は、制御系や循環系を収納した本体６００、インクを噴出し粒子を作成するノズルを有する印字ヘッド６１０、及び本体６００と印字ヘッド６１０の循環系と制御系を結ぶケーブル６２０を備えて構成されている。本体６００には、ユーザが印字内容や印字仕様等の入力及び制御内容や装置運転状況等の表示が可能なタッチパネル式の液晶パネル６３０がある。印字ヘッド６１０は円筒形のステンレス製のカバーで覆われており、その内部にはインク粒子を作成し、インク粒子の飛翔を制御する印字部が収められている。カバー底面に設けられた穴６１５は、インク粒子が通るためのものである。

次に、本体６００の内部構成について図７を用いて説明する。本体６００の上部には、制御基板６４０等の電気系部品が配置されている。本体下部６８０には、電磁弁６５０、ポンプユニット６５５等の循環系制御部品が配置されており、ノズルに供給するインクを貯めたインク容器１が納められている。扉６７０は開閉可能で、インク容器が扉６７０側に引き出せるようになっており、インクの補給、廃棄等のメンテナンスが容易にできるようになっている。

次に、インクジェット記録装置のインク循環系と印字部の概略構成について図８を用いて説明する。インク供給経路２１は、インクを貯めておくインク容器１、インクを圧送する供給ポンプ２、インク圧力を調節する調圧弁３、供給インクの圧力を表示する圧力計４、フィルタ５から成り、ノズルヘッド６にインクを供給する。帯電電極７には、記録信号源が接続されており、帯電電極７に記録信号電圧を印加することによって、ノズルヘッド６より規則的に噴射するインク粒子８を帯電する。上部偏向電極９には高電圧源が接続され、下部偏向電極１０は接地されている。そのため上部偏向電極９と下部偏向電極１０との間に静電界が形成されており、帯電したインク粒子８はその帯電量に応じて偏向されて飛翔し、記録体に付着して印字が行われる。インク回収経路２２は、ガター１１、フィルタ１２、回収ポンプ１４から成り、帯電電極７で帯電されなかった記録に関与しないインク粒子８を回収し、インク容器１へ戻してインクを再利用している。

次に、ノズルヘッド６について図１を用いて説明する。ノズルヘッド６は、加振部２９と、ボディ３０と、ノズルプレート３１とを備えて構成されている。ボディ３０とノズルプレート３１の材質はＳＵＳ３０４である。ノズルプレート３１は、ねじ２８によりボディ３０に固定されている。ボディ３０とノズルプレート３１の間には、インク室３６が形成されており、インク室３６には側方のインク供給経路２１からインクが導入される。ボディ３０とノズルプレート３１との間にはＯリング２６を設け、インク室３６からのインク漏れを防止している。インク室３６に導入されたインクは、ノズルプレート３１の内部に設けられた内径及び長さの異なる３段の円柱穴部３７，３８，３９を通り、ノズル穴４０より噴出する。加振部２９は、圧電素子３２とボディ３０に設けたダイヤフラム３５から成る。圧電素子３２は励振源２７により一定周期で振動され、ダイヤフラム３５を介してインクを加振する。

次に、図２の断面図及び図３の正面図を用いて、ノズルプレート３１の詳細について説明する。ノズルプレート３１の外部形状は３つの段付形状で、１段目５０、２段目５１は円筒で、３段目５２は図３に示すように矩形である。３段目５２には四隅にねじ穴２５が設けてある。ノズルプレート３１の内部には、それぞれ内径が異なる円柱穴部３７（内径２ｍｍ）、円柱穴部３８（内径１ｍｍ）、円柱穴部３９（内径０．５ｍｍ）がインク室３６の側から順に設けてあり、先端にノズル穴４０（内径０．０６５ｍｍ）が設けられている。円柱穴部３７、円柱穴部３８、円柱穴部３９はドリルで穴開け加工したため、円柱穴部３７と円柱穴部３８、円柱穴部３８と円柱穴部３９のつなぎ目３３，３４は、ドリル先端角度１２０°のテーパ形状となっている。円柱穴部３７、円柱穴部３８、円柱穴部３９は、ノズル穴４０にインクを供給するインク流路で、それぞれ内径が異なる段付構造となっている。これは、インク流路で発生する流体共振を発生させないためである。インク流路の流体共振周波数は、次式で求められる。
ｆ_ｒ＝ｎＶ_ｉ／｛４（ｌ＋ｋ）｝

ここで、ｎは共振モードにより決まる整数値で、Ｖ_ｉはインク中の音速、ｌはインク流路の長さ、ｋは補正係数である。円柱穴部３９は、その孔径に対しノズル穴４０の孔径が十分に小さいので、片端閉、片端開の境界条件をとり、１次モードでｎ＝１、２次モードでｎ＝３、３次モードでｎ＝５となる。また、円柱穴部３７，３８は、両端開の境界条件となるため、１次モードでｎ＝２、２次モードでｎ＝４、３次モードでｎ＝６となる。また一般的にインク中の音速は常温にて１２００〜１４００ｍ／ｓであるが、温度によってインク中の音速は変化する。インクジェット記録装置の稼動温度範囲０〜４５℃においては、インク中の音速は±１０％程度変化する。そのため、本実施例では、粒子形成が流体共振の影響を受けないようにするために、流路長さｌを調整して、流体共振周波数を駆動周波数７０ｋＨｚから十分離れるように設定した。本実施例では、各インク流路において流体共振周波数が最も低い一次モードにおいて９０ｋＨｚ以上となるように設定した。本実施例では、円柱穴部３７、円柱穴部３８、円柱穴部３９のインク吐出方向の長さを２〜３ｍｍとし、ノズルプレート３１の長さＬを７ｍｍとした。以上のようにすることで、温度に対して変化が大きい流体共振の影響を受けることなく、温度に対して変化が少ない機械共振を利用した振動増幅を利用するため、安定した粒子形成が可能となる。

図９は、ノズルプレート３１の加工の工程図である。まず、ステップ１１で外形を加工する。次に、ステップ１２から１４で、内径の大きな順番にドリルで円柱穴部３７，３８，３９を加工する。ステップ１５で、プレス加工によりノズル４０を加工する。最後に、ステップ１６で、ノズル４０に残るＳＵＳ部材やバリを研磨やエッチングにより取り除き、真円度が高く、内面に傷や異物の付着のないノズル４０を形成する。

次に、ノズル４０の詳細について図４を用いて説明する。ノズル４０は、インク噴出側の開口部４１を有する円柱穴部４２と、インク噴出方向に穴径が小さくなるテーパ穴部４３と、ホーン形状でインク噴出方向に穴径が小さくなる曲面穴部４４からなる。ノズル４０は、図５に示すパンチ６０を円柱穴部３９側から挿入し、プレス加工により形成される。パンチ６０の軸６４は、円柱穴部３９を通すために、直径０．４ｍｍと細く、折れやすい。そのため、パンチ６０の軸６４は、円柱穴部３９に入る部分とし、円柱穴部３７，３８に入る部分は、パンチ６０の軸６５を直径０．９ｍｍと太くした。これにより、パンチ寿命を長くすることが可能となった。パンチ６０の先端部６２は直径０．０６５ｍｍ、長さ０．０６ｍｍの円筒形状で、円錐部６１の角度θは４０°である。ノズル穴４０を塞ぐＳＵＳ残材やバリは、開口部４１側の表面研磨やエッチングにより除去する。円柱穴部４２とテーパ穴部４３の形状は、パンチ６０の形状が転写される。

円柱穴部４２の穴径は０．０６５ｍｍ、インク噴射方向の長さは０．０５ｍｍである。テーパ穴部４３と円柱穴部４２のつなぎ目４６は曲率０．００１ｍｍ以下のシャープエッジとなっている。テーパ穴部４３のテーパ角度ψは４０±５°で、テーパ穴部４３と曲面穴部４４のつなぎ目での穴径は約０．１７ｍｍである。またテーパ穴部４３のインク噴射方向の長さは約０．１４ｍｍである。次に曲面穴部４４は、テーパ穴部４３のテーパ角ψよりもゆるやかな傾斜で、円柱穴部３９に向かって徐々に内径が大きくなるようになっており、円柱穴部３９に接続している。曲面穴部４４は、パンチ６０が押し込まれたときに引きずられて塑性変形したもので、その形状や曲率は材料硬度やプレス時の板厚によって調整できる。

本発明の一実施例であるノズルヘッドの断面図である。 本発明の一実施例であるノズルプレートの断面図である。 本発明の一実施例であるノズルプレートの正面図である。 本発明の一実施例であるノズルの断面図である。 本発明の一実施例のノズルを作成したパンチの概観図である。 本発明の一実施例であるインクジェット記録装置の概観図である。 本発明の一実施例であるインクジェット記録装置の本体内部を示す図である。 本発明の一実施例であるインクジェット記録装置のインク循環図である。 ノズルプレートの加工の工程図である。

符号の説明

１…インク容器、２…ポンプ、６…ノズルヘッド、７…帯電電極、８…インク粒子、９…偏向電極、１１…ガター、３０…ボディ、３１…ノズルプレート、３２…圧電素子、４０…ノズル、６０…パンチ

Claims (4)

1. ボディを連続的に加振させてノズルよりインクを噴出して印字を行うインクジェット記録装置において、
   前記ボディに脱着可能な単一の金属部材からなるノズルプレートを備え、該ノズルプレートが前記ボディへ装着される時に前記ノズルプレートと前記ボディとの間にインク室が形成され、
   前記ノズルプレートは、
   一端にインク噴出口となるノズルを有し、
   該ノズルと前記インク室との間にインクが通過するインク流路を有し、
   Ｏリングを介して前記ボディにねじ止めされ、
   前記ノズルは、インク噴出端となる円柱穴部と、前記円柱穴部に接続しインク噴出方向に内径が小さくなるテーパ穴部と、前記テーパ穴部に接続しインク噴出方向に内径が小さくなる曲面穴部とが連結した形状であり、
   前記インク流路は、内径の異なる２以上の円柱穴部がインク噴出方向に向かって内径が小さくなるような多段の円柱形状をなしていることを特徴とするインクジェット記録装置。
2. 請求項１に記載のインクジェット記録装置において、前記インク流路を形成する内径の異なる前記円柱穴部同士の連結部は円錐台形状に形成されていることを特徴とするインクジェット記録装置。
3. 請求項１に記載のインクジェット記録装置において、前記ノズルプレートのノズルから噴出したインク粒子を帯電する帯電電極と、帯電したインク粒子を偏向するための偏向電極を備えることを特徴とするインクジェット記録装置。
4. 請求項１に記載のインクジェット記録装置のノズルプレートの製造方法において、
   前記ノズルプレートに前記インク流路となる円柱穴部をドリルで穴開け加工するステップと、
   ２以上の外径からなる軸構造としたパンチを前記穴開け加工した円柱穴部側から挿入し、前記インク噴出端となる円柱穴部をプレス加工するステップと、
   を含むことを特徴とするノズルプレートの製造方法。

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