JP4316680B2 - 高性能なインパルスインク噴射方法およびインパルスインク噴射装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は様々な形態の変換器のエネルギに応答してインクのような流体の小滴を噴射するドロップオンディマンド（drop-on-demand）またはインパルス流体噴射に関する。
背景技術
インパルス流体噴射またはインパルスインク噴射はインクのような流体の小滴をチャンバからインク噴射装置のオリフィスを介して噴射するように設計され駆動される。多くの用途では、インク噴射装置を高性能で、すなわち高速且つ射程距離を長くして作動させる必要はない。しかしながら、工業用の用途を含む多くの用途では高性能なインク噴射装置が必要とされている。
例えば、様々な工業用インクジェットの用途では、高解像度になるような点（ドット）を目標物に作り出すために小滴の大きさが比較的小さく維持されている間に小滴がインクジェットのオリフィスから多少の距離にある目標物に到達するように、小滴を高速で且つ射程距離を長くして噴射することが非常に重要である。このようにするためには、小滴の頭部と尾部とが互いに結び付けられたまま比較的高速な等しい速度で進むことが重要である。
従来の技術では、高速で且つ射程距離を長くすることは困難であった。例えば、米国特許第4,646,106号に開示されているタイプのインクジェット印刷ヘッドの膨張型の圧電変換器では、２５kHzから５０kHzの流体のヘルムホルツ振動数とこれに匹敵する圧電縦振動モード共振振動数とを用いて周波数反応に関して高い性能がられる。しかしながら、形成された小滴はこの小滴の速度を遅くする可能性のある長い尾部を有し、また射程距離は最高の性能を得られない。
米国特許第4,523,201号および米国特許第4,523,200号には小滴の尾部を早く切り離すように設計された幅の長い第一のパルスと幅の短い第二のパルスとを有する電圧波形で駆動せしめられる同様な印刷ヘッドを開示されている。しかしながら、ここに開示された装置は５０kHz以下のヘルムホルツ振動数で作動するように設計されており、そして射程距離が向上した高速の小滴を生成するために尾部を切り離す高調波振動数を起こすことの効果が開示されていない。それどころか第二のパルスの照準をほとんど改善していない。
図１Ａ〜図１Ｆを参照すると、図１Ａは駆動波形を線図的に示しており、図１Ｂ〜図１Ｆには時間上の様々な点でのインクジェット装置を示している。図１Ａには、駆動波形を縦座標に電圧、横座標に時間をとって示した。時間Ａでは、図１Ｂに示したようにインクジェット装置は静止した状態で、また変換器１０は電圧が加えられていない状態で維持され、予め定められた量のインク１２がオリフィス１６の後部のチャンバ１４に入れられている。図１Ａに示した時間Ｂでは、図示したように変換器１０が電圧パルス１７により駆動され、これにより変換器１０の長さが短くなり、したがってチャンバ１４内のインク１２の量が増加し、図示した位置にオリフィス１６内のメニスカスが引き込まれる。
図１Ａの時間Ｃに対応した図１Ｃに示したように、変換器１０に適用されていた電圧が下がると変換器１０が膨張し始める。その結果、チャンバ１４内の或る量のインク１２は収縮され始め、図１Ｄに示したようにオリフィス１６を通ってメニスカス１８を前進させる。時間Ｃから僅かに後で時間Ｄの前において、図１Ｅに示したように、変換器１０は図１Ｅに示したようにほぼ静止した状態に戻り、帯部２１を有する小滴２０がオリフィス１６で形成され始める。図１Ａの時間Ｄに対応する図１Ｆにおいて、小滴２０は小滴２０に結び付けられた遅く進む尾部２２を有しながらオリフィス１６から多少の距離だけ進む。図１Ｆに示したように、尾部２２はチャンバ１４内の或る量のインク１２が図１Ｂに示した状態に戻る前にオリフィス１６のメニスカス１８から切り離される。図１Ｆからすぐにわかるように、尾部２２と頭部２０とが目標物への移動中に結びついたままであると想定すると、尾部２２は引き延ばされて、目標物上に”上塗り”状態を作り出してしまう。尾部２２は頭部の速度に比べて相対的に遅く移動し、これが尾部２２を長くさせ、そして尾部２２を分割させ、よって目標物までの射程距離の全長が減少する。
米国特許第4,459,601号、第4,509,059号、第4,646,106号および第4,697,193号に開示されたタイプの従来の装置では、インクジェット装置は約４０kHzのヘルムホルツ共振振動数と約４５kHzの圧力縦振動モード共振振動数に特徴付けられる。メニスカスに形成された尾部は約４５kHzの圧力乱れを受ける。ゆえに、尾部はサイクル中の速度が負である間にこの乱れに応答して図１Ｆのように切り離され、これにより非常に小さい加速度成分を提供し、したがって頭部の速度は速く且つ尾部の速度は遅くなり、よって尾部は長い印刷ギャップを超えるほど長くなり、結果として印刷の質を低下させることになる。
発明の開示
本発明によれば高速の小滴が流体噴射装置から噴射される高性能な流体噴射の方法および流体噴射装置が提供される。
さらに本発明によれば小滴が長い射程距離を有するような高性能な流体噴射方法および流体噴射装置が提供される。
本発明ではさらに、インパルス流体噴射装置の作動方法が提供され、この流体ジェット装置はチャンバと該チャンバから小滴を噴射するオリフィスと共振振動数および高調波振動数を有する変換器とを具備する。作動方法は変換器の共振振動数を起こすために変換器に連結された一つの幅のエネルギパルスを発生する工程を具備する。小滴の噴射は一つのエネルギパルスに応答して小滴が頭部とこの頭部に結び付けられた尾部とを有するように行われる。変換器に連結された別の幅の別のエネルギパルスであって、高調波振動数を起こさせるために上記一つのエネルギパルスより実質的に短いエネルギパルスが発生せしめられる。頭部に結び付けられた尾部は別のエネルギパルスに応答して小滴の頭部から切り離される。その結果、頭部と尾部の残りの部分とは目標物に向かって共に進む。
本発明の好適な実施例において、別のパルスは時間的に一つのパルスの後に発生せしめられる。本発明の別の好適な実施例において別のパルスは時間的に一つのパルスの前に発生せしめられる。
本発明の別の重要な特徴によれば、頭部とこの頭部に結び付けられた尾部とを有する流体またはインクの小滴は少なくとも２０ピコリットルを具備し、好適には６０ピコリットル以上であり、また好適には秒速６メートル以上の速度で進み、さらに好適には移動距離または射程距離が少なくとも６．４mm（０．２５インチ）であり、好適には１２．７mm（０．５インチ）以上である。
本発明の更なる重要な特徴によれば、変換器は５０kHz以上、好適には７５kHz以上の共振振動数と１５０kHz以上、好適には２００kHz以上の高調波振動数を有する。
本発明の別の重要な特徴によれば、流体噴射チャンバまたはインク噴射チャンバは好適には５０kHz以上のヘルムホルツ振動数を有する容量である。
好適な実施例において、一つのパルスの幅は５マイクロ秒以上１００マイクロ秒以下であり、別のパルスの幅は０．５マイクロ秒以上６マイクロ秒以下である。一つのパルスと別のパルスとの間の遅延時間は１マイクロ秒以上５マイクロ秒以下である。
【図面の簡単な説明】
図１Ａ〜図１Ｆは上述した従来技術の線図および部分略図である。
図２Ａは本発明の好適な実施例の流体噴射装置またはインク噴射装置を駆動するための波形である。
図２Ａ’は本発明の別の好適な実施例の流体噴射装置またはインク噴射装置を駆動するための別の波形である。
図２Ｂは図２Ａまたは図２Ａ’の波形により駆動される本発明の流体噴射装置またはインク噴射装置の部分略図であり、小滴がインク噴射装置から現れる時を示している。
図２Ｃは流体噴射装置またはインク噴射装置の部分略図であり、僅かに時間が経過した後の図２Ｂの装置を示している。
図３は本発明を実行するのに使用される噴射印刷機の部分概略図／ブロック線図である。
図４は本発明の別の実施例で使用される別の電圧波形である。
図４ａは使用されるさらに別の波形である。
図５は図３の信号発生器により駆動される縦振動モードの圧電変換器と直列の抵抗を示す回路図であり、この信号発生器は本発明により企画された様々な波形を使用する。
図６は射程距離が長くて高速な小滴を得る駆動波形に重ねられた変換器の共振振動数と高調波とを示す。
発明を実施するための最良の形態
図２Ａを参照すると、本発明の一実施例における圧電変換器の電圧駆動波形を示す。時間Ａの後に時間Ｂと時間Ｃとの間に一つのパルス２３が発生せしめられ、そして圧電変換器に適用され、さらにこのパルス２３は図１Ｂおよび図１Ｃに示したように圧電変換器を収縮させる。しかしながら、図１Ａの従来技術の電圧波形とは違って、時間Ｅで始まり時間Ｆで終わる幅の短い別のパルスがパルス２３の後すぐに続く。本発明によれば、時間Ｂと時間Ｃとの間のパルスは圧電共振振動を起こし、一方、時間Ｅと時間Ｆとの間の別の短いパルスは圧電変換器の高調波振動を起こす。高調波振動は高い加速成分と、図２Ｂおよび図２Ｃを参照して後述するように図１Ｆに示した従来技術のように尾部が形成されるのを防止するのに十分な振幅とを有する。
図２Ｂに示したように、時間Ｂと時間Ｃとの間のパルス２３によりチャンバ１４内のインク１２に繋がっている小滴が図１Ｅに示した従来技術のオリフィスと同様なオリフィス１６から外に押される。しかしながら、図２Ａに示した時間Ｅと時間Ｆとの間の短いパルス２５は圧電共振振動の高調波を起こし、図２Ｂに示したように細長い尾部が帯部２２から形成されるのを防止し、図２Ｃに示したように図１Ｆに示した細長い尾部２２に比べて短い尾部２２を有するほぼ球状の小滴２０を作り出す。
本発明では、高い共振振動数を有するので圧電変換器１０が選択される。圧電変換器１０の共振振動数は５０kHzを超え、好適には７５kHz以上であり、さらに９０〜３００kHzが好ましく、好適な実施例を代表している。時間Ｅと時間Ｆとの間の追従するパルスにより起こされる高調波振動数は１５０kHzを超え、また好適には２００kHzを超え、好適な実施例では２３５kHzが使用される。好適な実施例では、共振振動数は９０〜３００kHzであり、高調波は２３５〜８００kHzであるので、時間Ｂと時間Ｃとの間のパルス２３は好適には１４．５マイクロ秒であり、このパルスがメニスカス１８内のインクブラックを従来技術の図１Ｃに示した位置まで引張る。時間Ｂと時間Ｃとの間のパルス２３の後に時間Ｃと時間Ｅとの間の好適には１．５マイクロ秒の不感時間が続き、さらにこの後に２３５kHzの高調波を起こすために時間Ｅと時間Ｆとの間の３．０マイクロ秒の幅の短いパルスが続く。振動数が２３５kHzである高調波共振は高い加速成分を有する圧力波を作り出し、この圧力波は上述したようにインクが流れ出した時にオリフィス内のインク流れを乱す。その結果、尾部の形成は非常に影響を受け、尾部は従来の一つのパルスを利用する方法よりずっと早い段階でメニスカス１８から切り離される。ここでの液体の表面張力は小滴を一まとまりに維持し、そして短い尾部を小滴の頭部の速度と等しい速度まで加速できるほど大きいので短い尾部２２は小滴２０の頭部と共に進むことができる。
本発明の別の重要な特徴によれば、液体共振振動数を増加させることにより小滴の射程距離が改善される。例えば、液体共振振動数またはヘルムホルツ振動数を４５kHzから９０kHzに増加させ、これに対応して圧電変換器の励振固有振動数を４５kHzから９０kHzに増加させると、頭部が６．５ミリ秒で進んでいる状態で小滴の尾部の速度が４．５ミリ秒から５．５ミリ秒に上がり、小滴の射程距離が少なくとも７５パーセントほど増加する。例えば２３５kHzの高調波共振振動を起こすために幅の短い別のパルスを加えることで、小滴の尾部は尾部速度を秒速６．５〜７メートルに増加するのに十分なほど早く切り離される。このことによりインク小滴の射程距離がほぼ２００パーセントほど増加せしめられることになる。
長いパルスの前または後に短いパルスを使用して早く小滴を切り離し且つ尾部を短くする同じ高調波振動を起こせることは明らかである。図２Ａ’に示したように時間Ｂと時間Ｃとの間の長いパルスの前に時間Ｇと時間Ｈとの間に短いパルス２７を発生する。その結果、長いパルス２３の後に続く短いパルス２７は高調波振動数を、すなわち１５０kHzを超え、好適な実施例では２３５kHz程の振動数を起こすことができるので、同じ効果がある。
図３には、図２Ｂおよび図２Ｃに示したタイプの複数の流体装置または噴射装置を有するシステムを示し、このシステムでは図３に拡大して示されたオリフィス１６がヘッド２４に組み込まれている。ヘッド２４は電源２８および電圧調整器３０に接続せしめられた一つの信号発生器２６により駆動される。タイミング回路３２がヘッド２４に組み込まれた流体噴射装置またはインク噴射装置の圧電変換器に駆動用の電圧パルスを発生するために信号発生器に接続され、ヘッド２４は上述したタイプの長いパルスとその前または後の短いパルスとを有する。
図３に示したように、小滴２０はコンベア３８で搬送された目標物または対象３６に向かって矢印３４で示した方向に噴射される。多くの用途では、ヘッド２４を目標物３６から僅かに離すことが望まれまたは必要である。したがって本発明に従って高分解能を有する小滴および精度を得るために長い射程距離を有し且つ尾部がほとんどないまたは尾部がない高速な小滴を得ることは重要である。
本発明は特定のタイプの波形に制限されないことは明らかである。波形は方形または矩形である必要はなく、図４に示したように鋸歯状でも良く、また長いパルス３７と短いパルス３９との間の電圧はゼロにする必要はなく実質的に長いパルスと短いパルスの最高点より小さい振幅にすればよい。この観点で、図４に示した時間Ｉと時間Ｊとの間の長いパルスは時間Ｋと時間Ｌとの間の短いパルス３９のようにほぼ三角形である。さらに、長いパルスと短いパルスとを分け隔てる時間Ｊと時間Ｋとの間の時間は時間Ｋと時間Ｌとの間の短いパルスの後に続く電圧のように変化するゼロではない電圧という点に特徴がある。この効果は時間Ｉと時間Ｊとの間の長いパルスで圧電変換器の励振固有振動または共振振動を起こし、時間Ｋと時間Ｌとの間の短いパルスで高調波振動数を起こすことにある。もちろん、前述のように短いパルスは図４の波形の長いパルスの前および後のどちらでも良い。図４ａには別のパルス３７ａおよび３７ｂが示されており、ここでは短いパルスが長いパルスの後に続く。
前述のように、図２Ａ、図２Ａ’、図４、図４Ａの波形を使用した好適な実施例は長いパルスが１４．５マイクロ秒で短いパルスが３．０マイクロ秒である。他の実施例では圧電変換器の共振振動数に依存して異なった幅を有してもよい。例えば、幅の長いパルスを５マイクロ秒〜１００マイクロ秒とし、幅の短いパルスを０．５マイクロ秒〜６マイクロ秒としてもよい。同様に、パルス間の時間も０．１マイクロ秒〜５マイクロ秒の間で変えることができる。
図４を参照すると、ここで述べる波形は特に安定した性能が得られることが望ましい。図４の波形を得るためには圧電変換器と直列な抵抗を有することが望ましい。この観点で図５を参照すると、少なくとも１００オームの抵抗４０が電極４２と電極４４との間に配置された圧電変換器１０と直列に接続される。図に示したように、圧電変換器１０は図２Ｂと図２Ｃに示したように膨張と縮小をする縦振動モードの変換器であり、この圧電変換器１０の長さは１５mm（０．６インチ）以下である。圧電変換器１０はダイアフラム４６を介してチャンバ１４に接続される。チャンバ１４内に通ずる流入孔４８を示した。好適な実施例において、チャンバ１４は５０kHz以上の、好ましくは９０kHzのヘルムホルツ共振振動数を確実にするのに十分なほどの小さい容量しか有しておらず、このチャンバ１４は1997年3月25日提出の米国特許出願第08/828,758号に示された印刷ヘッド内で実施化されており、これは参照して本願の一部を構成する。さらに、図５に示した特別なインパルスインク噴射に関する詳細は米国特許第4,697,193号に記載されており、参照して本願の一部を構成するが、５０kHzを超えるヘルムホルツ振動数はこの特許には開示されていない。
図６では、図２Ｂおよび図２Ｃに示した流体噴射装置のチャンバ圧力に図４ａに示した電圧波形に類似した電圧波形を重ねて示した。ここで装置の共振振動数に対応したチャンバ圧力の変化は基本的に長いパルス３７ｂの結果である減衰正弦であり、この減衰正弦は装置の高調波を起こす短いパルス３９ｂの結果である小さい波を伴う。装置の高調波に対応した小さい波は段部５０のような形状をしており、この段部５０は短いパルス３９ｂの後縁５２と一致し、図２Ｃに示したような小さい小滴を作り出すために小滴の尾部を切り離す。その結果、小滴は高速でさらに遠くまで進むことができるようになり、すなわち射程距離が増加することになる。
小滴の尾部を加速して且つこの尾部が減速されないことを確実にするために変換器の高調波が起こされなければならないことは明らかである。圧電変換器の共振振動数と高調波との間に適切な関係を示すために、図６を参照すると、共振振動数は概して正弦曲線形状４８により示され、高調波振動数は正弦波形５０により示され、この正弦波形５０には特定の高調波振動が起こるようなパルスのタイミングで適切に間隔を空けられる。この高調波振動数と共振振動数との関係は尾部が切り離されることと、小滴にとどまった尾部の残りの部分が小滴頭部に加速されることを確実にし、従って射程距離と速度が改善される。特定の変換器および特定の波形を示したが、流体またはインクが変換器として働くバブルジェットを含む様々な装置で本発明を実施してもよいことは明らかである。加えて、本発明を別の形状および形態の変換器で実行しても良く、すなわち必ずしも縦振動モードの膨張型変換器でなくてもよい。例えば複数のベンダ（bender）と壁を共有した複数の変換器とを用いていもよい。さらに、特定の駆動波形を電圧パルスではなくエネルギパルスとし、高調波と同様に共振振動数を起こすことを確実にする適切な時間で変換器を作動および停止してもよい。最後に、流体はインクでなくてもよく、例えば計量のような様々な目的のために小滴状で噴射されなければならない流体でもよい。

Claims (1)

1. チャンバと、該チャンバから小滴を噴射するためのオリフィスと、共振振動数および高調波振動数を有する変換器とを具備するインパルス流体噴射装置を作動させる方法であって、
   前記変換器に第一の幅の一つのエネルギパルスを印加して該変換器に共振振動数の振動を起こさせ、該共振振動数の振動に応答して、頭部と該頭部に結び付けられた尾部とを有する小滴を、該尾部がチャンバ内の液体と一体的な状態で噴出させる工程と、
   前記変換器に別の幅の別のエネルギパルスであって前記一つのエネルギパルスより幅が短い別の幅の別のエネルギパルスを発生させて高調波振動数の振動を起こさせる工程とを具備し、
   前記高調波振動数の振動は、前記尾部が前記チャンバ内の液体から切り離されると共に前記頭部と前記尾部とが目標物に向かって同一の速度で進むように前記チャンバ内の液体に圧力波を発生させる、方法。

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