JP4349869B2 - Inkjet recording device nozzle - Google Patents
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Description
本発明はオリフィス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のノズルに関する。 The present invention relates to a nozzle of an ink jet recording apparatus that performs printing by ejecting ink from an orifice.
インクジェット記録装置のノズルに関しては、特許文献1に記載されたものがある。このノズルでは、圧電体の微小振動を増幅するために流体共振による振動増幅を用いて粒子形成に必要な振動を確保している。 Regarding the nozzles of the ink jet recording apparatus, there is one described in Patent Document 1. In this nozzle, in order to amplify the minute vibration of the piezoelectric body, vibration necessary for particle formation is secured by using vibration amplification by fluid resonance.
上記従来技術では、2つの流体共振周波数(70kHzと90kHz)の間にノズル駆動周波数(80kHz)を設定している。しかしながら、一般的にインクジェット記録装置で使用されるインク中での音速は常温にて1200〜1400m/sであるが、温度によって変化する。インクジェット記録装置の使用温度範囲0〜45℃においては、インク中の音速は±10%程度変化する。インク流路内で発生する流体共振周波数は音速に比例して変化するので、同様に±10%変化し、70±7kHz、90±9kHzとなる。よって駆動周波数80kHzにおいて、振動の増幅率は温度により大きく変動し、粒子形成が不安定になる問題があった。また2つの流体共振周波数をノズル駆動周波数から大きく離すと、減衰が大きく、粒子形成には圧電体の振幅を大きくする必要があり、そのためには圧電体の大型化、入力電圧の増大となってしまう。 In the above prior art, the nozzle drive frequency (80 kHz) is set between two fluid resonance frequencies (70 kHz and 90 kHz). However, the speed of sound in ink generally used in an ink jet recording apparatus is 1200 to 1400 m / s at room temperature, but varies depending on the temperature. In the operating temperature range of 0 to 45 ° C. of the ink jet recording apparatus, the speed of sound in the ink changes by about ± 10%. Since the fluid resonance frequency generated in the ink flow path changes in proportion to the speed of sound, it similarly changes ± 10% to 70 ± 7 kHz and 90 ± 9 kHz. Therefore, at a driving frequency of 80 kHz, the vibration amplification factor fluctuates greatly with temperature, and there is a problem that particle formation becomes unstable. In addition, if the two fluid resonance frequencies are greatly separated from the nozzle drive frequency, the attenuation is large, and it is necessary to increase the amplitude of the piezoelectric body for particle formation. For this purpose, the piezoelectric body is enlarged and the input voltage is increased. End up.
そこで本発明の目的は、インクジェット記録装置において、温度変化によりインク中の音速が変化しても流体共振の影響を受けることなく、安定した粒子形成が可能なノズルを提供することである。さらに、圧電体の振動を効率よくインクに伝えることができる小型ノズルを提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a nozzle capable of forming stable particles without being affected by fluid resonance even when the speed of sound in ink changes due to temperature change in an ink jet recording apparatus. Another object of the present invention is to provide a small nozzle that can efficiently transmit vibration of a piezoelectric body to ink.
上記目的を達成するために、第一の手段は、インクを噴出するオリフィスと、前記インクを加振するための加振手段と、前記オリフィスに前記インクを導くインク流路とを備えたインクジェット記録装置のノズルにおいて、前記インク流路は、3つの内径の異なる円柱穴を前記オリフィス側に行くに従って、前記内径が小さくなるように連結した3段階の流路で形成され、前記3段階の流路のそれぞれの流路の長さは、前記インク流路の流路長の1/2よりも短く形成され、前記加振手段を前記インク流路の外周部に、前記内径の異なる円柱穴の接続部である段付部を覆うように配置する。 To achieve the above object, the first means is an ink jet recording comprising an orifice for ejecting ink, a vibration means for vibrating the ink, and an ink flow path for guiding the ink to the orifice. In the nozzle of the apparatus, the ink flow path is formed of a three-stage flow path in which three cylindrical holes having different inner diameters are connected so that the inner diameter decreases as going to the orifice side. each length of the flow path, the formed shorter than 1/2 of the flow channel length of the ink flow path, said vibrating means on the outer peripheral portion of the ink flow path, connection of different cylindrical hole in the inner diameter of It arrange | positions so that the stepped part which is a part may be covered.
第二の手段は、前記3段階の流路の長さは、前記オリフィスに最も近い方の流路の長さが他の流路よりも短く形成される。 In the second means, the length of the three-stage flow path is formed such that the length of the flow path closest to the orifice is shorter than the other flow paths.
第三の手段は、前記オリフィスと前記3段階の流路は、プレス加工により、一体に形成される。 The third means is that the orifice and the three-stage flow path are integrally formed by pressing.
本発明によれば、ボディの機械共振周波数とノズルの駆動周波数を近づけるようにしているので、圧電体の振動を効率よくインクに伝えることができる。そのため、圧電体を小さくすることが可能となり、ノズルの小型化が可能となる。また、インク流路の流体共振周波数をノズルの駆動周波数よりも高い位置(20kHz以上)に離すことにより、温度変化によりインク中の音速が変化しても流体共振の影響を受けることなく、安定した粒子形成が可能となる。 According to the present invention, since the mechanical resonance frequency of the body and the drive frequency of the nozzle are made close to each other, the vibration of the piezoelectric body can be efficiently transmitted to the ink. Therefore, the piezoelectric body can be made small, and the nozzle can be miniaturized. In addition, by separating the fluid resonance frequency of the ink flow path to a position (20 kHz or higher) higher than the nozzle drive frequency, even if the sound velocity in the ink changes due to temperature change, it is stable without being affected by fluid resonance. Particle formation is possible.
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1に本発明を適用したインクジェット記録装置の概観図を示す。本発明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と、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と、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から構成されている。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が設けてある。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、カバーの内部にはインク粒子を作成し、インク粒子を偏向制御する印字制御部が収められている。印字ヘッド610の端面には、インク粒子が通過できるための貫通穴615が設けてある。本構成により、印字ヘッド610の貫通穴より飛び出したインク粒子により、非接触で対象物に所定の文字や図柄を印刷するものである。
FIG. 1 shows an overview of an ink jet recording apparatus to which the present invention is applied. The ink jet recording apparatus of the present invention connects a
図2に本体600の内部構成の概略配置図を示す。本体600上部には制御基盤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や、ポンプユニット655等で構成される循環系と、ノズルに供給するためのインクを貯めたインク容器1が納められている。蓋670は開閉可能で、インク容器が蓋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。
FIG. 2 shows a schematic layout of the internal configuration of the
図3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を示す。本体600内には、インク容器1からのインクを印字ヘッド610に供給するインク供給経路21と、印字ヘッド側に設けたガター11に受け止めた記録に関与しないインクをインク容器1に回収するインク回収経路22が設けてある。この供給経路21の途中にインクを圧送する供給ポンプ2と、インク圧力を調節する調圧弁3と、供給インクの圧力を表示する圧力計4が本体600側に設けてある。また、本体600側のインク回収経路22中にはインクを吸引するための回収ポンプ14が設けてある。この供給ポンプ2と回収ポンプ14とにより、ポンプユニット655が構成されている。
FIG. 3 shows a schematic configuration of the ink circulation system and the printing unit of the ink jet recording apparatus. In the
印字ヘッド610側の供給経路21中には、フィルタ5が設けられ、ここを通過した所定の圧力に調整されたインクがノズル6に供給される。ノズル6から出射したインクは帯電電極7で帯電され、上部偏向電極9及び下部偏向電極10を通過して所定方向に偏向され記録物に出射される。なお帯電電極7には、記録信号源(図示せず)が接続されている。この帯電電極7に記録信号電圧を印加することによって、ノズル6より連続的に噴射するインク粒子8が帯電される。また、上部偏向電極9には高電圧源(図示せず)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、帯電したインク粒子8はその帯電量に応じて偏向される。その後、インク粒子8は印字ヘッド610の外に飛翔し、記録物の所定の位置に付着することにより、印字が行われる。印字ヘッド610側のインク回収経路22は記録に関与しないインク粒子8を回収するためのもので、ガター11と、フィルタ12とが設けてある。記録に関与しないインク粒子8は、帯電電極7で帯電せず、静電界部を直進させ、ガター11で受け止めた後、回収ポンプ14にて吸引し、インク回収経路22を通り、インク容器1へ戻る。
A filter 5 is provided in the
次に、本発明のノズル6について図4を用いて説明する。図4はノズルの概観図である。ノズル6の外観は円柱形状をしており、端面にインクを噴出するためのオリフィス35を備えたオリフィスプレート31が設けてあり、他端にはインク供給経路21と接続するための継ぎ手27が設けてある。側面には内部部品を保護するための円筒形状をした保護カバー32が設けてある。
Next, the
次に、図5を用いてノズルの内部構成について説明する。図5にノズル6の断面図を示す。ノズル6の内部にはボディ30が設けてあり、ボディ30の外周部に圧電体29と保護カバー32、ボディ30の一端にはオリフィスプレート31、他端に継ぎ手27が取り付けられている。保護カバー32に設けた孔34は、圧電体29に信号を供給するためのリード線の取り出し口である。保護カバー32は、ネジ33によりボディ30に固定されている。ボディ30のインク供給経路は3段階に内径が徐々に小さくなるように形成されている。
Next, the internal configuration of the nozzle will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows a sectional view of the
ここで圧電体29について図6を用いて詳細に説明する。圧電体29は円筒形状で、内外面に電極が設けられている。圧電体29の内面電極51は、円筒部の内面全面と端面53に設けられている。また外面電極52と内面電極51との間に電気的絶縁を保つため、圧電体29の外面には、0.5mmの無電極部54がある。圧電体29はボディ30に圧電体29の振動が効率よく伝達できるように、内面電極51とボディ30とが接着接合されている。圧電体29の端面電極53は、ボディ30に接触するようにしているので、ボディ30と内面電極51は導通が確保できる。よって外面電極52と、ボディ30に正弦波の電気信号を発生する励振源を接続することにより、圧電体29を加振することができる。圧電体29の電気入力に対する変位効率を向上するためには、圧電体29の形状で肉厚を薄く、長くすればよい。そこで本実施例では、圧電体29は外径φ3.8mm、肉厚0.6mm、長さ8mmとした。また保護カバー32の肉厚を0.5mmで行い、ノズル6の外径をφ6とした。
Here, the
図7はボディ30の詳細図である。外部には円柱部41の一端に継ぎ手27を取り付けインクの漏れを防ぐための鍔部42が設けてあり、他端にネジ33を嵌めるネジ部40が形成されている。内部にはインク流路37、38、39と、継ぎ手27との接続用のネジ部43が形成されている。円柱部41には円筒形状の圧電体31を嵌め合わせる。
FIG. 7 is a detailed view of the
ここで、圧電体29のボディ30内を流れるインクへの振動伝達について説明する。圧電体29の振動は粒子形成を行うには非常に小さい。そのため、ボディ30の軸方向の共振周波数fb(機械共振)をノズル駆動周波数fn付近になるようにして、ボディ30で振動を増幅するように構成した。軸方向の共振周波数fbは、次式で求めることができる。
Here, vibration transmission to the ink flowing in the
fb=nVb/4(L+k1)
ここで、nは共振モードにより決まる整数値、Lはボディ30の長さ、Vbはボディ30中の音速、k1は補正係数で実験により決まるものである。本実施例では、材質はステンレス鋼で、Vb=5000m/sである。そこでLを調節して、fb(一次モードn=1)をfn近傍に設定した。ノズルの駆動周波数fnは、オリフィス径(本実施例での孔径はφ0.065mm)によりその最適値がほぼ決定され、本実施例ではfn=70kHzである。そこで、fbが70±5kHzとなるように、L=22mmと設定した。これにより、圧電体31の振動がボディ30で増幅されて、インクを加振するので、効率のよい粒子形成が可能となる。
f b = nV b / 4 (L + k 1 )
Here, n is an integer value determined by a resonance mode, L is the length of the
次にボディ30のインク流路について説明する。ボディ30の一端にはオリフィスプレート31が接着固定されており、その中心にはインクを噴出するためのオリフィス35(孔径φ0.065mm)が加工されている。なお、オリフィスプレート31は、溶接、かしめ、ネジ止めでもよい。また図8のように、ボディ30にインク流路37、38、39とともにオリフィス35をプレス加工により一体に形成してもよい。
Next, the ink flow path of the
ボディ30の他端には、インク供給経路21と接続した継ぎ手27があり、インクをボディ30のインク流路37(内径φ1.5mm)、38(内径φ1.0mm)、39(内径φ0.5mm)に導入する。Oリング26はボディ30と継ぎ手27をインクが漏れないようにシールするためのものである。前述のようにインク流路37、38、39は、それぞれ内径が異なる段付構造となっている。すなわち、オリフィス35側に行くに従って内径が小さくなるように構成した。これは、インク流路で発生する流体共振周波数を高くすることで駆動周波数に近い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。
At the other end of the
fr=nVi/4(l+k2)
ここで、nは共振モードにより決まる整数値で、Viはインク中の音速、lはインク流路の長さ、k2は補正係数である。インク流路39の孔径に対しオリフィス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、インク流路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から十分離れるように(高い周波数に)設定した。すなわち、流路の径を3段階以上に区分し、それぞれの流路長さlを流路長Lの1/2より短くなるように設定することで、それぞれの流路を流れる流体共振周波数を駆動周波数より高くなるようにしたものである。すなわち、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、l1=2.5mm、l2=6mm、l3=6mmとした。ここで、インク流路39の長さを(オリフィスに最も近い方の流路長を)他のインク流路37、38に比べて流体共振周波数が高くなるように(短く設定)した。これは最もオリフィス35に近いインク流路39の流体共振特性が粒子形成に影響するためである。
f r = nV i / 4 (l + k 2 )
Here, n is an integer value determined by the resonance mode, V i is the speed of sound in the ink, l is the length of the ink flow path, and k 2 is a correction coefficient. Since the hole diameter of the orifice is sufficiently smaller than the hole diameter of the
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。 As described above, stable particle formation is possible because vibration amplification using mechanical resonance with little change with respect to temperature is used without being affected by fluid resonance with a large change with respect to temperature. Become.
1…インク容器、2…ポンプ、6…ノズル、7…帯電電極、8…インク粒子、9…偏向電極、11…ガター、29…圧電体、30…ボディ、31…オリフィスプレート。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ink container, 2 ... Pump, 6 ... Nozzle, 7 ... Charging electrode, 8 ... Ink particle, 9 ... Deflection electrode, 11 ... Gutter, 29 ... Piezoelectric body, 30 ... Body, 31 ... Orifice plate
Claims (3)
前記インク流路は、3つの内径の異なる円柱穴を前記オリフィス側に行くに従って、前記内径が小さくなるように連結した3段階の流路で形成され、前記3段階の流路のそれぞれの流路の長さは、前記インク流路の流路長の1/2よりも短く形成され、
前記加振手段を前記インク流路の外周部に、前記内径の異なる円柱穴の接続部である段付部を覆うように配置することを特徴とするインクジェット記録装置のノズル。 In a nozzle of an ink jet recording apparatus comprising an orifice for ejecting ink, a vibration means for vibrating the ink, and an ink flow path for guiding the ink to the orifice,
The ink flow path is formed of three stages of flow paths in which three cylindrical holes having different inner diameters are connected so that the inner diameter becomes smaller toward the orifice side, and each of the three stages of flow paths is formed. Is formed shorter than 1/2 of the flow path length of the ink flow path,
Nozzles of the ink-jet recording apparatus, characterized in that said vibrating means on the outer peripheral portion of the ink flow path, arranged so as to cover the stepped portion is a connection portion of a different cylinder bore of said internal diameter.
前記3段階の流路の長さは、前記オリフィスに最も近い方の流路の長さが他の流路よりも短く形成されたことを特徴とするインクジェット記録装置のノズル。 In the nozzle of the inkjet recording device according to claim 1,
3. The nozzle of an ink jet recording apparatus according to claim 3, wherein the length of the three-stage flow path is such that the length of the flow path closest to the orifice is shorter than the other flow paths.
前記オリフィスと前記3段階の流路は、プレス加工により、一体に形成されたことを特徴とするインクジェット記録装置のノズル。 In the nozzle of the inkjet recording device according to claim 1,
The nozzle of the ink jet recording apparatus, wherein the orifice and the three-stage flow path are integrally formed by pressing.
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