JP6192476B2 - インクジェット記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、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うち、連続吐出型インクジェット装置は、家庭用又はオフィス用プリンタで使用されるオンデマンド型インクジェット装置に比較し、高信頼性及び高メンテナンス性を有した高安定な液滴吐出装置である。

このため、連続吐出型インクジェット記録装置は、高信頼性、高メンテナン性、及び高安定性が要求される液体を利用した機能インク塗布やパターニングが必要な電子機器などの製造装置にも応用が可能である。また、本装置は３次元の造形、例えば３Ｄプリンタとしても使用できる。

連続吐出型インクジェット記録装置では、インクタンクに蓄えられた液体（インク）をポンプなどで加圧し、微細なノズルから連続的に噴出させる。そこへ、圧電素子等による加振により振動させ、噴出する液体に揺らぎを与え、吐出するインク柱を切断することで、インクの微小液滴を飛翔させる。このとき、インク柱を切断する液滴形成位置に帯電電極を近接配置し、インクの微小液滴に電界を付与することで、形成される液滴を帯電する。

帯電した液滴は、帯電電極の下流位置に配置された偏向電極に電圧が印加されることで発生する電界の中で、帯電有無やその大きさ（帯電量）により、その飛翔する方向が制御される（偏向プロセス）。

この偏向プロセスは、マルチ偏向式と二値偏向式との二つの方式に大きく分類される。
これらの何れの方式においても、吐出後の液体（インク）への帯電量を制御して液体の偏向に用いていることから、液滴の吐出制御を１滴ごと行う必要がなく、装置の構成が簡単となる。また、連続して液滴吐出を行うため、ノズルづまりが発生し難く、高い信頼性を確保できる。

しかし、連続吐出型インクジェット記録装置の多くは、飛翔する液滴と液滴の間隔が狭いことにより、後続液滴が前方液滴と合体（マージ）したり、クーロン反発力により離散（スキャッタ）したりして印字に誤差（歪）を発生するため、印字用の帯電液滴と帯電液滴の間に無帯電のダミー液滴を挿入する対策が行われており、印字速度が遅くなる問題があった。

液滴間隔はどのようにして決まるかに関して述べる。噴出液体柱(半径a)を同径の液滴に分裂させるには、加振の波数ｋとの間に、ｋ・ａ=１／（２）^1/2のような関係がある時、最適に分裂することが理論的に知られている。これと分裂するインク柱と液滴体積との関係から液滴間隔Ｌと液滴直径ｄとの関係はＬ＝２．３６ｄとなり、液滴ｄを決めると液滴間隔Ｌがほぼ決まってしまう。

また、一般的に飛行する先頭粒子（直径ｄ）の後ろを距離６ｄ以内に近づいて別な粒子が飛行すると、後続粒子の空気抵抗（抗力）が６０〜８０％に低下することが知られている。そのため、連続吐出型インクジェット記録装置では、先頭液滴に後続液滴が追いついて合体したり離散したりして、印字に歪が発生することが問題となっていた。

そこで、従来、以下の特許文献１にも開示されるように、連続吐出型インクジェット記録装置では、インクジェットのノズル出口付近に気流を合流させ、液滴が飛行する方向の気流を追加することにより、液滴の空気抗力を低減させる試みが行われてきた。

また、以下の特許文献２にも開示されるように、連続吐出型インクジェット記録装置では、インクジェットのノズルから液滴の出口まで通路を形成し、液滴の飛行方向に直角に該通路に空気入り口と排出口を設けて、記録媒体からの跳ね返りを防止することも行われた。

また、以下の特許文献３にも開示されるように、複数のノズルを持つ連続吐出型インクジェット記録装置では、排出口を液滴の飛行に衝突させ流す主気流とその周辺の副気流に分けて整流化することも行われた。

特開昭53-77626号公報 特開2011-161869号公報 特開2011-79274号公報

しかしながら、上記従来技術に記載されている気流追加型構造では、液滴に直接気流が衝突するため、気流の乱れによって液滴の軌道がずれ、正しい位置での印字が行われないことが問題となり、液滴に衝突する前の気流の乱れをとるためのフィルターが追加されるなど工夫されているが、液滴に衝突することによって発生する乱れを根本的に減らすことは難しかった。従来は、インク液滴間隔が短くなって液滴同志が干渉しあい、印字の誤差(歪）が生じるという問題があった。

そこで、本発明では、インクジェット装置、（又は、コンティニアス・インクジェット装置）における気流追加型構成に関する上記課題を解決し、もって、印字歪の無い高速度印字のインクジェット記録装置を提供することをその目的とする。

本発明では、上述した目的を達成するため、インク液滴を噴射する手段と、記録情報に応じた記録信号を発生する手段と、前記記録信号に基づきインク液滴を帯電させる手段と、帯電したインク液滴の飛翔方向を偏向させる手段とを備え、偏向方向とほぼ直角方向に移動する記録対象物に文字などを記録する連続吐出型インクジェット記録装置において、

液滴の飛行経路から径方向に離れて気流を液滴の飛行方向に沿って吹き出すことにより、この気流に誘引（ジェット気流誘引効果）されて、液滴の周辺に気流が発生し、液滴の速度と周辺の気流の相対速度が低くなって、液滴の空気抗力が減るインクジェット記録装置が提供される。

また、本発明では、前記に記載したインクジェット記録装置において、偏向電極間で偏向電極に沿って気流を流しても良い。

また、本発明では、前記に記載したインクジェット記録装置において、
偏向電極間で、偏向電極の対面方向と垂直方向に液滴と離れて気流を液滴飛行方向に沿って流しても良い。

また、本発明では、前記に記載したインクジェット記録装置において、液滴を帯電させない場合でも適用できる。

本発明によれば、印字歪の無い高速度印字可能なインクジェット記録装置及び方法を実現することができる。

本発明の第１の実施例である連続吐出型インクジェット記録装置の要部構成図である。 本発明の第１の実施例である連続吐出型インクジェット記録装置の効果説明図である。 本発明の第１の実施例である連続吐出型インクジェット記録装置の要部断面図である。 本発明の第２の実施例である連続吐出型インクジェット記録装置の要部構成図である。 本発明の第３の実施例である連続吐出型インクジェット記録装置の要部構成図である。 本発明の第４の実施例である連続吐出型インクジェット記録装置の要部構成図である。 本発明の第５の実施例である連続吐出型インクジェット記録装置の要部構成図である。 本発明が適用されるインクジェット装置の全体概略構成図である。 本発明とは異なる従来例であり、本発明との比較のための要部構成図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、本発明が適用されるインジェット記録装置の全体構成について説明する。

図８は、本発明が適用されるインジェット記録装置の全体構成図である。図８において、インクジェット記録装置は、インクジェット駆動部と、インク濃度制御部と、記録媒体搬送制御部を備えている。

インクジェット駆動部は、インクジェットヘッド３２と、液体貯蔵槽４３と、インクジェットヘッド３２内の圧電素子に交流電圧を供給する交流電源４７と、各液滴に帯電電荷を与える帯電電極及び液滴を偏向させる偏向電極に電圧を供給する制御電圧電源３３と、インクジェットヘッド３２に対する液体の供給及び回収を行うポンプ４６、３６と、各部の動作を制御するメイン制御装置３７とを備えている。

また、インク濃度制御部は、インクジェットヘッド３２に供給する液体貯蔵槽４３内の液体の濃度を調整するものである。具体的には、液体貯蔵槽４３内の液体濃度を測定する手段である濃度測定器４０と、液体貯蔵槽４３内の液体を希釈するために使用する液体溶媒を貯蔵する溶媒貯蔵槽４１と、溶媒貯蔵槽４１内の溶媒をインクジェット駆動部の液体貯蔵槽４３に供給するポンプ４２と、それらを制御するためのインク濃度制御装置３９とを備える。

また、記録媒体搬送制御部は、記録媒体の搬送機構４５と、搬送制御装置４４とからなる。

そして、上記構成において、インクジェット駆動部のメイン制御装置３７は、記録するパターンデータ（図示せず）を外部から受信すると、液体供給／回収ポンプ４６、３６、圧電素子駆動交流電源４７、帯電電圧／偏向電圧を供給する制御電圧電源３３を制御することにより、記録するパターンデータに従って、帯電電極信号電圧を帯電電極部（ここでは図示せず）へ、偏向電極信号電圧を偏向電極（ここでは図示せず）へ出力する。これにより、液体（インク）の吐出を制御する。

また、インクジェット駆動部のメイン制御装置３７は、記録媒体搬送制御部の搬送制御装置４４と通信することで、印字体１６のハンドリングを行う。さらに、インクジェット駆動部のメイン制御装置３７は、インク濃度制御部のインク濃度制御装置３９と通信を行い、液体貯蔵槽４３内の液体濃度が所定の濃度であることを確認すると共に、所定の濃度の液体をインクジェットヘッド３２に供給するように制御を行う。

ただし、インクジェットヘッド３２内において、インク形成領域には液滴形状観測装置４９を設置し、これにより得られた情報をメイン制御装置３７にフィードバックし、このフィードバックした情報を基にして算出した適正入力値を圧電素子に入力することにより、均一なインクの吐出について、その安定化を図る構成であっても良い。

（第１の実施例）
以下に述べる本発明の実施例は、図８に示したインクジェット記録装置のうちの連続吐出型インクジェット記録装置に適用した場合の例である。

本発明の第１の実施例である連続吐出型インクジェット記録装置（又は、コンティニュアス・インクジェット装置）における、特に、インクジェットヘッドのノズルから偏向電極構成の概略構造について、図１，２、３を用いて説明する。

図１は、本発明の第１の実施例の要部概略構成図であり、図８のインクジェットヘッド３２の内部構成を示す図である。図２は気流配管出口１７ａ付近の詳細説明図、図３は図１のＡＡ断面矢視図である。

図１において、本発明の連続吐出型インクジェット記録装置のインクジェットヘッドは、液滴を吐出するインク室１を備えたノズルヘッド２と、形成した液滴を個別に帯電するための帯電電極３、８と、帯電した液滴を電界により偏向するための一対の偏向電極５、１１と、印字に使われなかった液滴を再使用するため、当該液滴を回収するガター１３とを備えている。偏向電極５、１１は互いに平行な対向面をもつように設置されている。偏向電極の上流には、配管１７がその出口１７ａを偏向電極１１の面に沿うよう設置されている。図３はＡＡ断面矢視図である。

図９は本発明とは異なる例（従来例）であり、本発明との比較のための比較例を示す図である。図９の比較例に示すように、インク室１から印字体１６の手前まで、インク入射線１’を囲むように通路１８が設けられており、この通路１８に配管１７が帯電電極３，８の出口付近で接続されている。

図１に示した構成において、ノズルヘッド２のノズルから吐出した液柱７は、ノズルヘッド２におけるインク室１の上部から付与される振動により切断され、図示するように、液滴列を形成する。ここで、ノズルヘッド２の筐体全体は接地状態となっている。そして、形成された液滴は、帯電電極基板４、９上に形成され、液滴の飛翔方向と平行になるように近接して配置された帯電電極３、８により負に帯電される。

ここで、帯電電極３、８は、任意のタイミングで任意の電圧を帯電電圧コントローラ１４より液滴に投入（印加）することにより、個々の液滴を、目的とする印字形態に応じて帯電することができる構成となっている。

なお、このとき、液柱７の切断点（この液柱の切断により、液滴が形成される）は、液滴列に対応して設けられた帯電電極３、８上に位置するようになっている。また、帯電電極３、８は、液滴列がその幅方向（図の紙面に垂直な方向）における中心付近を通過するように配置されていることが好ましい。

ここで、帯電工程のインク飛翔方向の下部（上記帯電電極３、８の下方）には、電界により帯電液滴１２を任意の方向に偏向するための偏向電界を形成する、所謂、偏向電極が設置されている。これら偏向電極は、接地偏向電極５（第１偏向電極）と高電圧偏向電極１１（第２偏向電極）とから構成され、かつ、これらが互いに平行に向かい合う形で配置されており、電気力線は偏向電極面５、１１に垂直であり、互いに平行に形成される。

この偏向電界が形成された領域内を、帯電電極３、８を通過した後の液滴（帯電した液滴と帯電していない液滴とを含む）が飛翔することにより、帯電液滴１２は、偏向電界の影響により、帯電符号と逆の電極１１に接近する方向に偏向され、印字体１６に着弾し印字パターンを形成する。帯電量の多い液滴が正側電極に近づくため、大きな字を印字するためにインク入射線１’は接地した偏向電極５の面に近くの位置に設定される。

このとき、本発明の第２の従来例においては、配管１７から通路１８に空気流を流すと、帯電電極３，８の出口付近で気流が合流し、液滴６に直接空気流が衝突し、液滴の飛翔方向に気流が流れる。そこで、液滴と液滴周辺気体との相対速度が小さくなり、液滴に加わる空気抗力が減り、液滴間の距離が一定に保たれ、高速でしかも、後続液滴が先頭液滴に追い付き合体（マージ）することが少なくなるが、帯電電極３，８の出口付近で気流が合流し、液滴６に直接空気流が衝突するため、合流によって発生した気流の乱れが液滴６，１２の軌道を変動させ、印字歪を発生する問題があった。

図１に示す本発明の第１の実施例では、配管１７がその出口１７ａをインク入射線１’から径方向に離れて偏向電極１１の面に沿うよう設置されており、配管１７を流れてきた気流１９がジェットとして、直接液滴６に衝突せず、偏向電極面をインク入射線１’に沿って噴出し、図２のように液滴６周辺の気流２０を誘引する。このように直接気流が液滴６に衝突しないため、液滴６周辺の気流２０の乱れが小さい効果がある。配管出口１７ａとインク入射線１’は、液滴６の直径の２倍以上離せば、乱れを発生させない効果がある。

電極５、１１の長さ寸法としては、例えば、２７．５ｍｍ程度が好ましい。また、電極５と１１との互いの間隔は約３ｍｍ程度が好ましい。また、図１の例では、図の左側を接地偏向電極５として、右側を高電圧偏向電極１１として記載しているが、これらの偏向電極に印加される電圧は、これとは逆に偏向電極１１を接地し、偏向電極５を負電圧にしても良い。また、インク液滴を正に帯電する場合は、偏向電極の電圧が正負逆となるのは言うまでもない。

また、帯電電極３、８と偏向電極５、１１との間には、高電圧偏向電極１１からの電界の影響を遮断することを目的として、電界シールド部材１０が設置されている。この電界シールド部材１０は導電性の部材から構成されており、この電界シールド部材１０は、図１にも示すように、帯電電極３、８及びその周辺に対して高電圧による電界の影響を及ぼさないよう、接地状態にすることが好ましい。

配管出口１７ａから噴出する気流１９の速度は、液滴６の速度に近いことが望ましいが、液滴の速度の半分程度の速度でも十分な効果を持つ。

このように構成することにより、液滴６の周辺気流の乱れが小さくなり、帯電液滴間の距離が短くならないため、印字歪が小さくなり、帯電液滴間にダミーの無帯電液滴を挿入する必要がないため、高速の印字が可能となる効果がある。具体的には、印字用の帯電液滴と帯電液滴の間にダミーの無帯電液滴を挿入する従来の場合に比べて、２倍の印字速度が得られる効果がある。

また、以上、液滴を帯電させる例について記述したが、液滴を帯電させない場合にももちろん本発明は適用できる。３Ｄプリンティングに使用される樹脂などの液滴を飛翔させる場合、液を帯電させることができないが、液滴間隔の短縮を防止することができ同様な効果がある。

以上のように、本発明の第１の実施例によれば、印字歪の無い高速度印字可能なインクジェット記録装置を実現することができる。

（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例について説明する。

図４は、本発明の第２の実施例の要部構成図である。図４に示していない他の構成は図１の例と同等の構成となっている。図４において、偏向電極５，１１とカバー２２で囲まれた空間内を気流が流れるので、気流１９が偏向電極の外に広がらず、速度が低下しない効果がある。

本発明の第２の実施例によれば、より低い速度の気流１９で第１の実施例と同様な効果を得ることができる。

（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例について説明する。

図５において、配管出口は１７ａと１７ｂに分かれ、偏向電極５，１１間で、偏向電極の対面方向と垂直方向に液滴６と離れて気流を液滴飛行方向に沿って流している。

このように構成することにより、偏向方向に一様な速度の気流を誘引できるので、より大きな字の印字歪を低減することが可能である。

本発明の第３の実施例によれば、第１の実施例と同様な効果を得ることができるほか、より大きな字を形成することが可能である。

（第４の実施例）
次に、本発明の第４の実施例について説明する。

図６は、本発明の第４の実施例の要部構成図である。図６に示していない他の構成は図１の例と同等の構成となっている。

図６において、偏向電極11は、高さの高い文字を印字できるように、偏向電極５と角度をもって開いている１１ａと接続されている。この１１ａと電極５の間にもう一つの配管１７’の出口１７ａ’を接続している。このように構成することにより、偏向電極間が開いて気流の速度が低下するのを防ぐ効果がある。
（第５の実施例）
次に、本発明の第５の実施例について説明する。

図７は、本発明の第５の実施例の要部構成図である。図７に示していない他の構成は図１の例と同等の構成となっている。

図７において、図１の要部構成の周りをカバー２３が覆っている。このカバー２３内にエアパージ配管２１が外部から挿入され、配管口２１ａがカバー内空間に開口している。この配管２１に配管１７が接続されている。このように構成することにより、インクジェットヘッド付近をエアパージで洗浄する空気の一部を液滴周辺の気流追加に利用でき、構造が簡単になる効果がある。

以上のように、詳細に説明した、液滴の飛行経路から径方向に離れて気流を液滴の飛行方向に沿って吹き出すことにより、この気流に誘引されて、液滴の周辺に気流が発生し、液滴の速度と周辺の気流の相対速度が低くなって、液滴の空気抗力が減る連続吐出型インクジェット記録装置及び方法によれば、帯電液滴の軌道に変動を加えずに、帯電液滴間の距離を短くさせないため、印字歪が小さくなり、帯電液滴間にダミーの無帯電液滴を挿入する必要がないため、精度が高くスピードの早い印字が可能となる効果がある。

１・・・インク室、１’・・・インク入射線、２・・・ノズルヘッド、３・・・帯電電極、４、９・・・帯電電極基板、５・・・偏向電極、６・・・液滴、７・・・液柱、８・・・帯電電極、１０・・・電界シールド部材、１１、１１ａ・・・偏向電極、１２・・・液滴（帯電）、１３・・・ガター、１４・・・帯電電圧コントローラ、１５・・・偏向電圧コントローラ、１６・・・印字体、１７・・・配管、１７ａ ・・・配管出口、１７’・・・配管、１７ａ’・・・配管出口、１８・・・通路、１９・・・気流、２０・・・誘引気流、２１・・・エアパージ配管、２１ａ・・・配管口、２２・・・カバー、２３・・・カバー、

Claims (7)

1. インク液滴を噴射する手段と、
   記録情報に応じた記録信号を発生する手段と、
   前記記録信号に基づきインク液滴を帯電させる手段と、帯電したインク液滴の飛翔方向を偏向させる手段とを備え、
   噴出方向とほぼ直角方向に相対移動する記録対象物に文字などを記録するインクジェット装置において、
   前記インク液滴の入射線と径方向に、前記インク液滴の直径の2倍以上離れて、かつ、前記偏向させる手段の上流側かつ前記帯電させる手段との間の位置から、前記インク液滴の飛翔方向に沿って気流を流し、前記インク液滴の周辺に飛翔方向に気流を誘引して発生させることを特徴とするインクジェット装置。
2. 請求項１に記載したインクジェット装置において、
   前記インク液滴を噴射する手段を含むインクジェット装置の要部構成の回りを覆うカバーと、該カバーに外部から挿入されたエアパージ配管とを有し、
   前記インク液滴と離れてかつその飛翔方向に流す気流に、前記エアパージ配管からの前記カバー内をパージするガスの一部を用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または２に記載したインクジェット記録装置において、インク液滴と離れてかつその飛翔方向に流す気流を、偏向電極の面に沿って流すことを特徴とするインクジェット記録装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載したインクジェット記録装置において、偏向電極間の外側にカバーを設けたことを特徴とするインクジェット記録装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載したインクジェット記録装置において、
   インク液滴と離れてかつその飛翔方向に流す気流を偏向電極間の空間で、偏向電極の対面と垂直の方向の空間で下流に向かってインク液滴と離れてかつその飛翔方向に気流を流し、インク液滴の周辺に飛翔方向に気流を発生させることを特徴とするインクジェット記録装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載したインクジェット記録装置において、偏向電極間の広がる箇所から下流に向かって気流を補充することを特徴とするインクジェット記録装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載したインクジェット記録装置において、
   インク液滴と離れてかつその飛翔方向に流す気流を、カバー内をパージするガスの一部を用いることを特徴とするインクジェット記録装置。