JP5702549B2 - インクジェット印刷システム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、インクジェットプリントヘッドのテーパー（先細）ノズルのノズル直径とテーパー角を用いて、インク液滴の量と速度を独立に調整することに関する。

従来の技術において知られているように、従来のテーパー状、又は、円筒形のノズルの代わりに、円錐形のノズルを用いることができる。従来のテーパーノズルの出口直径、又はインク液滴がノズルを出る射出点は、液滴の量を調整するために用いることができる。また、従来のテーパーノズルは、液滴速度を高め、位置合せ許容度を改良することができる。しかしながら、従来のテーパーノズルの設計の場合、液滴の量と液滴速度の両方に対して、個別の制御を維持できないという問題があった。

本発明は、インクジェットプリントヘッドから吐出されるインク液滴の量と液滴速度を個別に調整できるインクジェット印刷システムを提供することを目的とする。

本発明の一つの態様が、インクを受け取るように構成されたプリントヘッドと、少なくとも一つのテーパーノズルと、を含み、前記少なくとも一つのテーパーノズルが、吐出されるインク液滴の量を制御するように構成された出口直径と、前記吐出されたインク液滴の量とは別個に、前記吐出されたインク液滴の速度を制御するように構成されたテーパー角と、を含む、インクジェット印刷システムにより提供される。

本発明によるインクジェットプリンタのインク分配システムの一例を示す図である。 本発明によるプリントヘッドのテーパーノズルの一例を示す図である。 本発明によるテーパーノズルの一例を示す線３−３に沿う部分断面図である。 本発明による円筒形ノズルから吐出するインク液滴の量と速度を示すグラフである。 本発明によるテーパーノズルから吐出するインク液滴の速度を示すグラフである。 本発明によるテーパーノズルから吐出するインク液滴の量を二つの出口直径に対するテーパー角の関数として示すグラフである。 本発明によるテーパーノズルから吐出するインク液滴の速度を二つの出口直径に対するテーパー角の関数として示すグラフである。

本発明の例示的なシステム及び方法は、インクをプリントヘッドから吐出することができる少なくとも一つのテーパーノズルを含むプリントヘッドを有することができる。テーパーノズルは、インクの射出又は吐出される方向にテーパーの先端を有することができる。吐出されたインクの液滴の量及び液滴速度を別個に調整することができるように、テーパーノズルの寸法を設計することができる。具体的には、テーパーノズルは、出口とその出口直径、内部開口とその内径、及びノズルの出口直径、内径及び厚さに対応するテーパー角を有することができる。出口直径は、吐出されたインク液滴の液滴の量を制御するように調整され、テーパー角は、吐出された液滴の液滴速度を制御するように調整されることができる。また、出口直径とテーパー角は、それぞれ、吐出されたインク液滴の液滴の量と液滴速度を互いに対し別個に制御することができる。

本発明のシステム及び方法によって説明されている液滴の量と液滴速度を個別に制御することによって、最適な液滴の量及び液滴速度の測定を実現しつつ、グローバルな設計空間における単一ジェット設計の最適化に伴う複雑さを削減することがでる。例えば、本発明の方法及び装置は、約４〜１０ｍ／ｓ（メートル／秒）の範囲での液滴速度の調整を可能とする約１５〜４５°のテーパー角を用いることができる。また、例えば、本発明の方法及び装置は、約５〜２５ピコリットル（ｐＬ）の範囲において液滴の量の調整を可能とする約１５〜４５μｍの範囲の出口直径を用いることができる。他の範囲のテーパー角及び出口直径は、それぞれ、インクジェットプリンタ、プリントヘッド、使用されるインクの種類と特性、構成材料、及び他のファクタに応じた他の範囲における液滴速度及び液滴の量の調整を可能とすることが理解されよう。

図１は、インクジェットプリンタのインク分配システムの一例を示している。システムは、複数のインク搬送チャネル（図１には図示されていない）を備えた本体１０５を有するプリントヘッド１００を含むことができる。種々の実施の形態において、複数のインク搬送チャネルは、円筒形であってもよいし、互いに平行であってもよい。複数のインク搬送チャネルは、インク供給部１２５からインクを受け取ることができる。インク供給部１２５は、複数のインク搬送チャネルを介して、矢印方向１２０へインクを供給する。インク供給部１２５からのインクは、インクジェットプリンタにおいて使用されることが可能であれば、どんなインクであってもよい。例えば、インクは、約１０センチポアズ（ｃＰ）又は他の範囲及び他の値の粘度を有することができる。

プリントヘッド１００は、本体１０５の端部に接続されたカバープレート１１５を更に含むことができる。カバープレート１１５は、カバープレート１１５を貫通して延出する複数のノズル１１０を有することができる。カバープレート１１５は、本体１０５に接続して、複数のノズル１１０の各々が一列に並び、対応するインク搬送チャネルと連通することができる。このようにして、インク搬送チャネルからのインクは、インク供給部１２５から、搬送することができ、複数のノズル１１０の対応するノズルを介して、吐出することができる。プリントヘッド１００及びプリントヘッド１００のそれぞれの構成要素において、寸法や機能性が異なることが理解されよう。例えば、インクは、他の様々な構成要素及び方法によって、受け取られ、搬送され、吐出することができる。

図２を参照すると、様々な実施の形態によるプリントヘッドのテーパーノズルが例示されている。図２に示された表面２００は、カバープレート２０５の内部表面であってよい。例えば、表面２００は、図１に示すように、プリントヘッド１００の本体１０５がプリントヘッド１００のカバープレート１１５に接続する表面であってよい。種々の実施の形態において、表面２００は、一つ以上のノズル、開孔などを収容するように構成されたプリンタの任意の構成要素の表面に一致することができる。

カバープレート２０５は、内部開口２１０及び出口開口２１５を含むことができる。図２に示すように、内部開口２１０は、表面２００と同一平面上にある。出口開口２１５は、テーパー又は円錐形のノズルが表面２００を介して形成されるように、内部開口２１０より小さい。様々な実施の形態において、インクは、内部開口２１０へ流入し、出口開口２１５から出て行くことができる。例えば、インクは、インク搬送チャネルから内部開口２１０へ送り込まれ、インクがテーパーノズルを通過した後、一連の一滴以上の液滴となって、出口開口２１５から押出される。内部開口２１０、出口開口２１５、及びテーパーノズルは、従来の公知の方法によって形成することができる。

図３を参照すると、図２の線３−３に沿った部分断面図が示されており、テーパーノズルの一例が示されている。図３は、図２に示されており、本明細書の実施形態に記載されている、カバープレート２０５、内部開口２１０、及び出口開口２１５を示している。また、図３には、テーパーノズル３０５が示され、テーパーノズル３０５は、カバープレート２０５を通過して内部開口２１０から出口開口２１５へ延出する、開孔、オリフィス、通路、又は、他の開口であってよい。本明細書中に記載したように、インクは、ノズル３０５を介して、対応するインク搬送チャネルから、矢印３２０方向へ流出することができる。出口開口２１５は、テーパーノズル３０５の先端が出口開口２１５にあるように、内部開口２１０よりも小さくすることができる。図３は、内部開口２１０と外部（出口）開口２１５を結ぶ直線を示しているが、異なる形状及び形態を用いてもよいことが理解されよう。例えば、ノズルは、カバープレート２０５内のノズルの壁面に対して湾曲部を有することができる。ノズルのテーパー角は、内部開口２１０と外部開口２１５の間の直線距離から計算することができる。

開口出口２１５は、出口開口２１５の直径に対応する出口直径３１０を有することができる。同様に、内部開口２１０は、その直径に対応する内径３１５を有することができる。例えば、出口直径は、約１０〜４５μｍの範囲であり、内径は、約２５〜１２０μｍの範囲である。カバープレート２０５は、厚み３２５を含み、厚み３２５は、例えば、約１０〜６０μｍであってよい。しかしながら、出口直径３１０、内径３１５、及び厚み３２５は、それぞれ、異なる範囲の値を有してよいことが理解されよう。例えば、出口直径３１０、内径３１５、及び厚み３２５は、それぞれ、カバープレート２０５、プリントヘッド、プリンタ、構成材料、使用するインクの種類、及び他のファクタに応じて、変化し得る。

また、図３は、ノズル３０５が角度付けられ又はテーパー付けされる度合いに対応するテーバー角３３０を更に示す。テーパー角３３０は、出口直径３１０、内径３１５、及び／又は厚み３２５の間の関係によって決まる。例えば、厚み３２５が一定している場合、出口直径３１０と内径３１５の差が大きくなるにつれて、テーパー角３３０も大きくなる。同様に、厚み３２５が一定している場合、出口直径３１０と内径３１５の差が小さくなるにつれて、テーパー角３３０も小さくなる。様々な実施の形態において、テーパー角３３０は、例えば、約１５〜４５°の範囲であってよい。

出口直径３１０、内径３１５、厚み３２５、及びテーパー角３３０の間の異なる値及び調整によって、ノズル３０５から押出されるインク液滴の液滴の量及び液滴速度が左右される。また、出口直径３１０、内径３１５、厚み３２５、及びテーパー角３３０の間の異なる値及び調整によって、液滴の量及び液滴速度を、出口直径３１０及びテーパー角３３０のそれぞれから、個別に決定することができる。

図４は、円筒形ノズル（非先細形ノズル）から吐出した後のインク液滴の量及び速度を示すグラフである。図４に示されている結果は、５３Ｖ（ボルト）の振幅波形が圧電インクジェットアクチュエータに印加された時に得られたものである。吐出液滴は、市販されている計算流体力学（ＣＦＤ）コード、「Ｆｌｏｗ（フロー）３Ｄ」を用いて、ひな形とした。図４に示されるように、二つのテストケース（ａ）と（ｂ）をそれぞれ実行した。テストケース（ａ）は、直径３２μｍの円筒形ノズルを使用し、テストケース（ｂ）は、直径４０μｍの円筒形ノズルを使用した。両テストケースにおいて、円筒形ノズルの長さは４０μｍのであった。両テストケースの縦型目盛棒は、それぞれの円筒形ノズル通過後に吐出された液滴の速度を示している。

テストケース（ａ）において、円筒形ノズル通過後に吐出された液滴の速度は、２．５ｍ／ｓ（メートル／秒）だった。また、テストケース（ａ）の吐出された液滴の量は、１１．８ｐＬ（ピコリットル）であった。テストケース（ｂ）において、円筒形ノズル通過後の吐出液滴の速度は、４．５ｍ／ｓだった。また、テストケース（ｂ）において吐出された液滴の量は、２２．８ｐＬであった。このように、直径４０μｍのノズル（テストケース（ｂ））によって吐出された液滴は、直径３２μｍのノズル（テストケース（ａ））によって吐出された液滴より大きく、そして、速かった。このように、テストケース（ａ）及び（ｂ）は、液滴の量及び液滴速度が共に、使用される円筒形ノズルの直径に従属する値であることを示している。

図５（ａ）〜（ｄ）は、テーパーノズルから吐出されるインク液滴の速度を示すグラフである。図５に示された結果は、５３Ｖの振幅波形が圧電インクジェットアクチュエータに印加された時に得られたものである。吐出液滴は、市販されている計算流体力学（ＣＦＤ）コード、「Ｆｌｏｗ（フロー）３Ｄ」を用いて、ひな形とした。図５のそれぞれに示すように、四つのテストケース（ａ）〜（ｄ）は、３２μｍの出口直径を有する図３に示したテーパーノズルと同様に、全てがテーパーノズルを用いている。テストケース（ａ）は、９°のテーパー角を用い、テストケース（ｂ）は、１５°のテーパー角を用い、テストケース（ｃ）は、２５°のテーパー角を用い、テストケース（ｄ）は、３５°のテーパー角を用いた。全てのテストケース（ａ）〜（ｄ）において、テーパーノズルの長さは、４０μｍであった。全てのテストケースにおける縦型目盛棒は、それぞれのテーパー角を有するテーパーノズルを通過後に吐出された液滴の速度を示している。

テストケース（ａ）〜（ｄ）に示されるように、テーパー角が大きくなるにつれて、液滴速度が高くなった。例えば、テーパー角３５°のテストケース（ｄ）における液滴速度は、テーパー角２５°のテストケース（ｃ）における液滴速度より高く、テーパー角２５°のテストケース（ｃ）における液滴速度は、テーパー角１５°のテストケース（ｂ）における液滴速度より高く、テーパー角１５°のテストケース（ｂ）における液滴速度は、テーパー角９°のテストケース（ａ）における液滴速度より高い。このように、テストケース（ａ）〜（ｄ）は、それぞれのテーパーノズルのテーパー角が大きくなるにつれて、吐出液滴の速度が高くなることを示した。

図６は、２つの出口直径に対しテーパー角の関数として、テーパーノズルから吐出しているインク液滴の量を示すグラフである。図６に示された結果は、５３Ｖの振幅波形が圧電インクジェットアクチュエータに印加された時に得られたものである。図６の２本の曲線は、二つのノズル出口直径、即ち、四角（□）点の曲線によって示されるテストケースと丸（○）点の曲線によって示されるテストケースに対応している。□点の線によって示されたテストケースは、出口直径２５μｍのノズルを用い、○点の線によって示されたテストケースは、出口直径３２μｍのノズルを用いた。

図６の横軸は、それぞれのテストケースにおいて用いられたノズルのテーパー角（単位：度）を示している。図６の縦軸は、テーパー角の関数として、それぞれのテストケースにおいて使用されるノズルから吐出される液滴量（単位：ｐＬ）を示している。図６に示されるように、両テストケースにおいて吐出された液滴の体積は、テーパー角が約０°〜約１５°の場合、相当な量の増加がみられた。これに対して、テーパー角を約１５°以上にした場合、両テストケースにおいて吐出された液滴の液滴体積は、テーパー角を１５°未満にした場合のテストケースに比べてあまり変化がなかった。

例えば、ノズル出口直径２５μｍのテストケースにおいて、テーパー角を０°から１５°へと大きくした場合、液滴の体積の増加は、約１４．０ｐＬであり、テーパー角を１５°から４５°へと大きくした場合、液滴の体積の増加は、約６．０ｐＬにすぎなかった。更なる実施例として、ノズル出口直径３２μｍのテストケースにおいて、テーパー角を０°から〜１５°へと大きくした場合、液滴の体積の増加は、約２１．０ｐＬであり、テーパー角を１５°から〜４５°へと大きくした場合、液滴の体積の増加は、約６．０ｐＬにすぎなかった。しかしながら、ノズル出口直径３２μｍのテストケースでは、ノズル出口直径２５μｍのテストケースの場合よりも、全体的に大きな液滴の体積が生成された。このように、図６の両テストケースによって、テーパー角が約１５°以上の場合、テーパー角が大きくなっても、吐出されるインク液滴の体積又は量があまり変化しないことがわかった。むしろ、吐出される液滴の体積又は量は、主に出口直径の大きさに左右されることが分かった。

図７は、本明細書中に述べられている二つの出口直径に対するテーパー角の関数として、テーパーノズルから吐出するインク液滴の速度を示すグラフである。図７のグラフに示される測定結果は、５３Ｖの振幅波形が圧電インクジェットアクチュエータに印加された時に得られたものである。図７は、二つのテストケース、即ち、四角（□）点を有する線によって示されるテストケースと、丸（○）点を有する線によって示されるテストケースと、を示す。□点の線によって表されるテストケースは、出口直径２５μｍのノズルを用い、○点の線によって表されるテストケースは、出口直径３２μｍのノズルを用いた。

図７の横軸は、それぞれのテストケースにおいて用いられるノズルのテーパー角（単位：度）を示している。図７の縦軸は、テーパー角の関数としてそれぞれのテストケースにおいて使用されるノズルから吐出される液滴の液滴速度（単位：ｍ／ｓ（メートル／秒））を示している。図７に示されるように、両テストケースにおいて吐出される液滴の液滴速度は、テーパー角が０°から４５°へと大きくなるにつれて、ほぼ直線的に上昇している。また、図７は、液滴速度は、主に、テーパー角によって決まり、出口直径の大きさに左右されないことを示している。例えば、ノズル出口直径２５μｍのテストケースにおける液滴速度は、テーパー角が０°から４５°へと大きくなるにつれて、約０ｍ／ｓから１４．４ｍ／ｓまで、ほぼ直線的に上昇している。更なる実施例において、ノズル出口直径３２μｍのテストケースにおける液滴速度は、テーパー角が０°から４５°へと大きくなるにつれて、約０ｍ／ｓから約１３．８ｍ／ｓまで、ほぼ直線的に上昇した。

このように、図７の両テストケースによって、吐出されたインク液滴の速度が、０°〜４５°の範囲のテーバー角によって直線的に制御されることが分かった。更に、図６及び図７に示された結果を組合せると、吐出される液滴の量及び速度の調整を個別に行うためには、約１５°以上のテーパー角を有するテーパーノズルが使用することができることがわかった。例えば、ノズル出口直径を調整して、所望の液滴の量を達成することができる一方、テーパーノズルのテーパー角を調整して、所望の液滴速度を達成することができる。

２０５： カバープレート
２１０： 内部開口
２１５： 出口開口
３０５： テーパーノズル
３１０： 出口直径
３１５： 内径
３２０： 矢印
３２５： 厚み
３３０： テーバー角

Claims (4)

1. インクを受け取るように構成されたプリントヘッドと、少なくとも一つのテーパーノズルと、を含むインクジェット印刷システムにおける前記テーパーノズルの設計方法であって
   テーパーノズルの出口直径と吐出されるインク液滴の量との関係を求め、前記関係に基づいてインク液滴が所望の量で吐出されるように出口直径を設定するとともに、
   テーパーノズルのテーパー角と吐出されるインク液滴の速度との関係を求め、前記関係に基づいてインク液滴が所望の速度で吐出されるように、且つ１５〜４５°の範囲でテーパー角を設定する
   テーパーノズルの設計方法。
2. 前記出口直径は、１５μｍ〜３５μｍの範囲とされる、請求項１に記載の設計方法。
3. 前記テーパー角は、２０°〜４０°の範囲とされる、請求項１に記載の設計方法。
4. 前記プリントヘッドは、インク供給部から、少なくとも一つのインク搬送チャネルを介して前記インクを受け取るように構成される、請求項１に記載の設計方法。