JP4625621B2 - 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のノズル構造に関する。

ノズルから連続的にインクを噴出し、飛翔途中のインク滴を帯電させ、電界によって偏向させて印字するインクジェット記録装置は、金属缶やプラスチック表面に数字や記号を印字する装置として、広く普及している。従来、このインクジェット記録装置のノズルは、特許文献１に示されているように、ルビーなどが材料である薄い板の中心に直径６０μｍの穴をあけたノズルプレートを、ノズルプレート受け部材にかしめて接合一体化して製作していた。これは、ノズル開口部の形状がインク飛翔特性に大きく寄与するので、開口部形状を精度良く、かつ簡単に製作するために、薄いプレートをレーザ加工することが最も普及しているからである。また、レーザ加工の他にも、特許文献２に記載されているように、プレス加工によってノズルプレートを製作する方法がある。

上記のノズル製作方法は薄いノズルプレートをノズルプレート受け部材に接合する必要があり、製作工程が多くなるという問題がある。また、かしめた部分からインクが漏れないようにノズルを製作するためには、製作条件を厳しく設定する必要がある。
これら問題を解決するためには、ノズル部材を一つの部材で製作することが有効である。一つの部材で製作する方法としては、特許文献２に記載されているプレス加工で行うことが最も容易である。

特開２００１−１７９９８５号公報

特開平１０−２２６０７０号公報

プレス加工によってノズルを製作する場合、ノズル開口部は直径が数十μｍであるため、開口部を製作するパンチ部材の直径も同寸法である。このため、プレス加工する長さも直径程度となる。そこで、プレス加工する部分だけを残して、他の部分をドリルなどで穴あけ加工をしておく必要がある。

このように、プレス加工によるノズルの製作方法を用いた場合は、直径の大きな部分をドリル加工で穴をあけ、直径が小さい開口部をパンチで穴をあけることによって行っている。パンチをノズル材に押し込んだとき、押し込んだ面とは逆面に凸部が形成され、この面を研磨して余分なバリを除去することによって、パンチ形状にしたがった開口部ができあがる。

特許文献２に記載されているノズルプレートには数十個の開口部を製作するが、本発明が関係するインクジェット記録装置は、インクが噴出するノズル開口部が一つである。そのため、パンチ加工後に凸部を除去する際は、非常に弱い力で、かつ均一な力で研磨しなければならず、良好な状態に仕上げるために時間がかかるという課題がある。

別の課題はノズル開口部でのインク固着である。インクジェット記録装置は、被印刷物が金属などの吸湿性の無い材質であるため、インクには速乾性が求められる。そのため、インクの溶媒としてはケトン類が主成分であるものを用いる。インク溶媒の乾燥性が高い場合、ノズル開口部でのインク固着が起こりやすい。インクジェット記録装置が稼動している間は、常にインクを噴出させているので、インクがノズル開口部に固着することは少ない。しかし、装置が停止している場合にノズル開口部にインクが固着しやすく、装置が停止している期間が長いほど強固に固着する。ノズル開口部にインクが固着した場合には、ノズルを記録ヘッドからはずし、溶媒の液中に入れて超音波洗浄を行って固着物を溶解させる。この場合、ノズル開口部が溶媒容器に当たって傷つき、その結果としてインク飛翔方向が曲がったり、粒子形状が悪化して画質が低下するという問題が発生する。

そこで、本発明の目的は、インクジェット記録装置の記録ヘッドのノズルを製作する際に、ノズル開口部を容易に製作すること、及び、ノズルを洗浄する際にノズル開口部を傷つけることがなく、安定してインクを飛翔させて画質を維持することにある。

上記目的を達成するために、ノズルプレートに設けられたノズル開口部からインク粒子を噴出するインクジェット記録装置において、前記ノズルプレートは、前記ノズル開口部を設ける位置付近がその周囲よりも高い凸部となるように形成され、前記ノズルプレートの四隅に凸部が形成され、前記ノズル開口部付近の凸部と前記四隅の凸部は同一面となるように形成される。また、前記ノズルプレートには、ノズルカバーが取り付けられ、前記ノズルカバーは、前記ノズル開口部を設ける位置付近がその周囲よりも高い凸部に入る開口部と、前記ノズルプレートの四隅に設けられた凸部とかみ合う溝とを有する。また、前記ノズルカバーは、前記ノズルプレートに接着又はねじ止めで固定される。また、前記ノズルカバーは、樹脂又は金属で形成される。

本発明によれば、記録ヘッドのノズルをプレスによって製作する際に、ノズルの開口部が存在する面を平面ではなく、ノズル開口部の周囲とノズルの外周の一部に凸部を設けたので、インクジェット記録装置の記録ヘッドのノズルを製作する際に、ノズル開口部を容易に製作することができるという効果がある。また、上記凸状部分が位置合わせ部となるようなノズル保護部材を設けたので、ノズルを洗浄する際にノズル開口部を傷つけることがなく、安定してインクを飛翔させて画質を維持することができるという効果がある。

以下、発明の実施例について図面に従って説明する。

まず図７にインクジェット記録装置の概観を示す。本体１００の内部には記録装置制御系やインク循環系が設けてあり、扉１０５を開閉することによって、保守作業ができるようになっている。また、本体１００からはケーブル１０３が伸びており、その先端部に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１０１が設けてある。また、ケーブル１０３は、本体１００と印字ヘッド１０１の循環系と制御系を内包している。さらに、本体１００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１０４が設けてある。印字ヘッド１０１は円筒形のステンレス製であり、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。印字ヘッド１０１内部で作成されたインク粒子は、底面に設けられた開口部１０２から吐出し、図示しない記録媒体上に付着して画像を形成する。

次に本体１００の内部構成を図８に示す。本体１００上部には制御基板１０９等の電気系部品が配置されている。本体下部１１０には、電磁弁１０８、ポンプユニット１０６等の循環系制御部品が配置されている。また、その近くには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１０５は開閉可能で、インク容器が扉１０５側に引き出せるようになっており、インクの補給、廃棄等の保守作業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を図９に示す。インク供給経路２１は、インクを貯めておくインク容器１に接続され、そ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と、フィルタ５とが設けてあり、ノズル６にインクを供給する。ノズル６には圧電素子が設けてあり、７０ｋＨｚ程度の正弦波を圧電素子に印加することによって、粒子化したインクがノズル６から噴出する。ノズル６の先には、帯電電極７が設けてある。帯電電極７には、記録信号源（図示せず）が接続されており、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より規則的に噴射するインク粒子８を帯電する。更に帯電電極６の先に偏向電極９、１０が設けてある。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は接地されているので、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る。帯電したインク粒子８は帯電量に応じて偏向され、図示しない記録媒体上に付着し、画像が形成される。

偏向電極９、１０インク吐出口付近ガター１１が設けてある。このガター１１はインク回収経路２２が接続されており、このインク回収経路２２の途中にフィルタ１２と、回収ポンプ１４が設けてあり、インク容器１に接続されている。本構成とすることで、帯電電極７で帯電、偏向されずにガター１１に入るインク粒子８を回収し、インク容器１へ戻してインクを再利用できるようにしている。

次にノズル６について図２を用いて説明する。図２はノズル６の全体構成である。

ノズル６は、加振部２９とボディ３０とノズルプレート３１により構成されている。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３３の間には、インク室３６が形成されており、インク供給経路２１からインクを導入する。ボディ３０とノズルプレート３１との間にはOリング３５が設けて、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３段階に径を変えて設けられた円柱穴部３７、３８、３９（ノズル開口部４０に行くに従って径が小さくなるように構成してある）を通り、ノズル開口部４０の噴出開口４１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は本体１０１への固定部材１７とボディ３０とに取り付けられ、励振源２７により一定周期で振動して、ダイヤフラム３６を介してインクを加振する。

次にノズルプレート３１の詳細について図３を用いて説明する。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φ２mm）、円柱穴部３８（内径φ１mm）、円柱穴部３９（内径φ０．５mm）、ノズル開口部４０（内径φ６５μｍ）が設けられている。なお、各内径は一例であり、所望のインク量に応じて変化させる。円柱穴部３７、３８、３９はドリルで穴開け加工する。そのため、円柱穴部３７と３８、円柱穴部３８と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。

次に、ノズル開口部４０の詳細について図５を用いて説明する。ノズル開口部４０は、インク噴出開口４１を有する円柱穴部４２と、段部４５から段部４６の間は、インク噴出方向に向かうにつれて直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径が小さくなる曲面穴部４４からなる。ノズル開口部４０は図６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の先端部６２は直径６５μｍ、長さ６０μｍの円筒形状で、円錐部６１の角度６３は約４０°である。円柱穴部４２とテーパ穴部４３の形状は、パンチ６０の形状がそのまま転写される。すなわち、テーパ穴部４３の角度４７は約４０°となる。

このプレス加工について、図１０を用いて説明する。

図１０（ａ）はノズルプレート３１にプレス加工によってノズル開口部をあける前の状態、図１０（ｂ）は、ノズルプレート３１にパンチ６０が差し込まれた状態を示している。

図１０（ａ）に示すように、ノズルプレート３１のノズル開口部をあける位置付近は、周囲から比べて一段高い凸部１６になっている。また、同時にノズルプレート３１のノズル開口部が存在する矩形の面の四隅も一段高い凸部とし、この四隅部とノズル開口部をあける位置の周囲が同一面になるようにする。なお、この凸部の高さは３００μｍ程度である。また、凸部の状態について図４を用いて説明する。

図４はノズルプレート３１をインクが噴出する方向から見た図であり、図のＡ−Ａ断面が図３である。図３を用いて説明したように、ノズルプレート３１には四箇所にねじ穴２５が存在し、ここにねじを挿入して、ボディ３０と連結する。ノズルプレート３１の四隅の凸部１５とノズル開口部４１の周囲の凸部１６は、同一平面上に存在する。

このように凸部１５、１６を設ける理由は以下の通りである。

ノズルプレート３１にプレス加工でノズル開口部をあけるために、パンチ６０をノズルプレート３１に差し込むと、図１０（ｂ）に示すような盛り上がり部７１が形成される。その後、ノズルプレート３１表面を研磨してＢ−Ｂ平面を作る。このとき、ノズルプレート３１表面に存在する１個の微小な盛り上がり部７１を削り落とすためには、非常に弱い力で研磨する必要がある。研磨面積が大きい場合、研磨時の摩擦抵抗が大きいので、Ｂ−Ｂ平面を出すまでの研磨時間がばらつきやすい。研磨時間がばらつくと、ノズル開口部出口部の直線部分の長さがばらつき、インクの粒子化状態もばらつくことになる。そのため、ノズルプレート３１毎にインクの粒子化状態が変わり、インクジェット記録装置の帯電条件をノズルプレート３１毎に設定しなくてはならないという問題が発生する。凸部１５、１６を設けると研磨材との接触面積が小さくなり、摩擦抵抗が小さくなるので研磨しやすく、研磨時間のばらつきも小さくなる。従って、インクジェット記録装置の帯電条件をノズルプレート３１毎に設定する必要はない。

ところで、本発明が関係するインクジェット記録装置は、被印刷物が金属などの吸湿性の無い材質であるため、インクには速乾性が求められる。そのため、インクの溶媒としてはケトン類が主成分であるものを用いる。インク溶媒の乾燥性が高い場合、ノズル開口部でのインク固着が起こりやすい。インクジェット記録装置が稼動している間は、常にインクを噴出させているので、インクがノズル開口部に固着することは少ないが、装置が停止している場合にノズル開口部にインクが固着しやすく、装置が停止している期間が長いほど強固に固着する。ノズル開口部にインクが固着した場合には、ノズルプレート３１をボディ３０からはずし、溶媒の液中に入れて超音波洗浄を行って固着物を溶解させる。この場合、ノズル開口部が溶媒容器に当たって傷つき、その結果としてインク飛翔方向が曲がったり、粒子形状が悪化して画質が低下するという問題が発生する。そのため、ノズルプレート３１のノズル開口部を保護する保護部材（ノズルカバー）が必要になる。

図１はノズルプレート３１にノズルカバーである保護部材２００を取り付けた状態を示している。保護部材２００の中央部には、ノズルプレート３１の凸部１６が入るような開口部が存在し、四隅にはノズルプレート３１の凸部１５とかみ合うように溝が形成されている。保護部材２００の厚さｔ２は約７００μｍであり、溝の深さｔ１はノズルプレート３１の凸部の高さ３００μｍ（実際は研磨によって約３μｍ低くなっている）よりも５０μｍ小さい２５０μｍ程度とする。

保護部材２００の材質は、ノズルプレート３１と同じＳＵＳ３０４やテフロンなどのように溶剤に侵されにくい材質であれば、金属でも樹脂でも使用可能である。

ノズルプレート３１への保護部材２００の接合は、ねじ留めまたは接着によって行う。ねじ留めの場合は、図４に示すように、ノズルプレート３１にねじ穴７０をあけておき、保護部材２００を固定する。

以上のように、ノズルプレート３１に保護部材２００を取り付けることによって、インクジェット記録装置を停止した場合に発生する、噴出開口４１付近へのインク固着物を洗浄する時に、ノズル開口部を損傷することがなく、インク飛翔方向が曲がる問題や、粒子形状が悪化して画質が低下するという問題が発生しない。

ノズルプレート３１への保護部材２００の接合をねじ留めによって行う場合は、ノズルプレート３１と保護部材２００との間に隙間ができることがあり、この隙間にインク固着物が入り込む。その場合は、ねじを少し緩めた後で洗浄液に浸して洗浄することにより、インク固着物を除去することができる。

ノズルプレート３１への保護部材２００の接合を接着によって行う場合は、溶剤に侵され難いエポキシ系の接着剤を使用する。このとき、ノズルプレート３１表面の凸部と保護部材２００の穴部や溝がかみ合うので、位置ずれなく接着することが可能となる。

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プレートの断面図である。 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。 本発明の一実施例であるプレス加工状態を示す図である。

符号の説明

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、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 (3)

1. ノズルプレートに設けられたノズル開口部からインク粒子を噴出するインクジェット記録装置において、
   前記ノズルプレートは、前記ノズル開口部を設ける位置付近がその周囲よりも高い凸部となるように形成され、前記ノズルプレートの四隅に凸部が形成され、前記ノズル開口部付近の凸部と前記四隅の凸部は同一面となるように形成され、
   前記ノズルプレートには、ノズルカバーが取り付けられ、前記ノズルカバーは、前記ノズル開口部を設ける位置付近がその周囲よりも高い凸部に入る開口部と、前記ノズルプレートの四隅に設けられた凸部とかみ合う溝とを有す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記載のインクジェット記録装置において、
   前記ノズルカバーは、前記ノズルプレートに接着又はねじ止めで固定されたことを特徴とするインクジェット記録装置。
3. 請求項１又は２に記載のインクジェット記録装置において、
   前記ノズルカバーは、樹脂又は金属で形成されたことを特徴とするインクジェット記録装置。

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