JP6725956B1 - インクジェットプリンタ - Google Patents

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Abstract

【課題】ダンパーと逆止弁を用いてインク流体の脈動を低減する方法を採用しながら、レギュレータを用いて脈動を低減する方法を採用した場合と遜色ない印字品質を実現できるインクジェットプリンタを提供する。【解決手段】インクタンク2、プリントヘッド3、ガター51および、これらの間でインクの移送を行うポンプ4を備えたインクジェットプリンタ1において、インクタンク2とプリントヘッド3とを結ぶ配管5に、インク流体の脈動を低減する脈動軽減手段10が取り付けられ、当該脈動低減手段10は、ダンパー11、スタティックミキサー12および逆止弁13で構成されている。【選択図】図1

Description

本発明は、コンティニュアス方式のインクジェットプリンタに関し、更に詳しくは、インク流体の脈動を低減する手段を備えたインクジェットプリンタに関する。
インクジェットプリンタは、コンティニュアス方式とオンデマンド方式に大別される。このうちコンティニュアス方式のインクジェットプリンタ(以降、「CIJ」という)は、ポンプによってプリントヘッドのノズルからインクを噴射し、噴射したインクがインク滴に分離する位置においてインク滴を帯電させ、更に偏向電極によって帯電したインク滴の軌道を曲げて記録面の所定の位置に衝突させている。
CIJにおいては、ノズルから噴射されるインク滴の飛行速度が変わると印字の品質が劣化し、また文字の高さがばらつくため、飛行速度を一定にして印字の品質を確保している。
飛行速度を一定にして印字品質を確保する方法として、2つの方法が実用化されている。第1の方法は、ノズルの手前の配管にレギュレータを取り付け、インク流体の圧力を一定にすることにより飛行速度を一定にする方法(特許文献1参照)である。第2の方法は、ノズルから噴射されるインク滴の飛行速度を測定し、それが所定の値になるようにインクの圧力を調整する方法(特許文献2参照)である。
更に、インク滴の飛行速度はインクの粘度によっても変わるため、上述した第1および第2の方法では、粘度を調整して飛行速度が一定になるようにしている。
一方、CIJにおいては、インク流体をインクタンクからプリントヘッドに圧送するのにダイアフラムポンプを用いる場合が多い。その場合、ダイアフラムポンプの性質から、インク流体に脈動が生じる。インク流体に脈動が生じると、ノズルから噴射されるインク滴の飛行速度が変化し、印字品質が劣化するため、脈動を低減する対策が不可欠である。
特開2008-137198号公報 特開2017-42999号公報
上述した第1の方法では、脈動の低減を優先し、ノズル手前の配管にインク流体の圧力を一定にするレギュレータを取り付けている。
一方、インクの粘度は温度によって変化し、圧力が一定であっても粘度が変わると、それに反比例して飛行速度が変化する。そのため、粘度計で定期的に粘度を測定して所定の粘度に調整している。粘度調整は溶剤を補充等することによって行われる。
このように、第1の方法は、脈動を十分低いレベルまで低減できることから、高い印字品質を実現できる一方、付帯部品として粘度計が必須になることから、コスト高となる。
一方、第2の方法では、インクの粘度とインク流体の圧力が比例関係にある性質を利用し、検出したインク滴の飛行速度と、ポンプからノズルに圧送されるインク流体の圧力からインクの粘度を算出し、その値に基づいてインクの粘度を調整している。
第2の方法は、粘度計が不要であることからコスト面で有利である。更に、第1の方法では、粘度の調整に時間がかかるため、印字中に急に温度や粘度が変化した場合、飛行速度の変化への対応が難しいのに対し、第2の方法では圧力を変化させることで、印字中の飛行速度の変化にすぐに対応できるという利点がある。
しかし、第2の方法はインクの圧力を変える、すなわちポンプの回転数を変える必要があることから、レギュレータが使用できない。そのため、ノズル手前の配管にダンパーと逆止弁を直列に接続してインク流体の脈動低減を図っていたが、十分な効果を得るには至っていない。
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、ダンパーおよび逆止弁を用いてインク流体の脈動を低減する第2の方法を採用しながら、レギュレータを用いて脈動を低減する第1の方法を採用した場合と遜色ない印字品質を実現できるインクジェットプリンタを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係るインクジェットプリンタは、
インクを貯留するインクタンクと、
当該インクタンクから供給されるインクを被印刷物の表面に向けて噴射するプリントヘッドと、
当該プリントヘッドのノズルから噴射されたインクのうち印刷に使用されないインクを回収するガターと、
前記インクタンクから前記プリントヘッドへのインクの移送および前記ガターで回収されたインクの前記インクタンクへの移送を行うポンプと、を備え、
前記インクタンクとプリントヘッドとを結ぶ配管には、インク流体の脈動を低減する脈動低減手段が取り付けられ、
当該脈動低減手段は、ダンパー、スタティックミキサーおよび逆止弁が、インクの流れに従って、この順に配列されたものであることを特徴とする。
ここで、前記逆止弁は、前記配管内を移送されるインクの圧力が所定の値を超えないときはインクの移送を阻止し、所定の値を超えたときはインクを移送することが好ましい。
また前記ポンプとしてダイアフラムポンプを用いることが好ましい。
また前記配管のうち前記脈動低減手段とプリントヘッドとの間に、インク流体の圧力を検出する圧力センサが取り付けられ、当該圧力センサによって前記配管内を流れるインク流体の圧力を検出することが好ましい。
本発明に係るインクジェットプリンタでは、スタティックミキサーを、ダンパーおよび逆止弁と組み合わせることによって、実用上十分な脈動低減効果を実現しており、レギュレータを用いる必要がないことから、プリンタのコストを大幅に低減することが可能となる。
本発明の実施の形態に係るインクジェットプリンタの配管図である。 同プリンタのプリントヘッドの概略構成を示す図である。 同プリンタの制御系の構成を示すブロック図である。 同プリンタのプリントヘッドの動作を説明する図である。 本発明の実施の形態の効果を説明するグラフである。 同プリンタによる印字例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態に係るインクジェットプリンタについて、図面を参照して説明する。
<インクジェットプリンタの構成>
図1に、本実施の形態に係るインクジェットプリンタの配管図、図2に、同プリンタのプリントヘッドの概略構成を示す。また図3に、同プリンタの制御系のブロック図を示す。
最初に、図1を参照してプリントヘッドを除くプリンタの構成を説明し、次に、図2を参照してプリントヘッドの構成を説明し、最後に、図3を参照してコントローラの構成を説明する。
図1の配管図に示すように、インクジェットプリンタ(以降、「プリンタ」と略す)1は、インクIを貯留するインクタンク2、インクを噴出して被印刷物の表面に印刷を行うプリントヘッド3、インクを送出するポンプ4、これらの部材を連結する配管5a〜5i(以降、総称して「配管5」ともいう)、配管5の途中に配置され、配管を開閉する開閉弁61〜65、インクの各種状態を検出するセンサ71〜73、インクおよび溶剤の補給に用いられるタンク81および82、ならびにインク流体の脈動を低減する手段10で構成されている。
インクタンク2は、強化プラスチック等で作製され、上面が開放された直方体状のタンク本体21と、同じく強化プラスチック等で作製され、タンク本体21の上面を覆うように設置された平板状の蓋22で構成されている。
図1に示すように、蓋22には複数の配管5を通す孔、ならびに温度センサ72および液面検出センサ73を通す孔が形成されている。また配管5iの先端には凝集タンク83が取り付けられており、配管5iを通って放出されたインク溶剤の蒸気を収集し、それを凝集・液化させてインク溶剤を回収する。
蓋22に形成された孔は、配管等との間が封止されている。またタンク本体21の開口部と蓋22との間は、パッキンを介した状態(図示せず)で、ボルト・ナット等を用いて締結されており、タンク本体21と蓋22との間は密閉されている。
本実施の形態では、インクIとして、溶剤であるメチルエチルケトン(70〜90%)に、黒色の染料であるクロム錯塩(5〜10%)を加え、これに若干のシクロヘキサン(5〜10%)とイソプロピルアルコール(0.1〜1%)を加えたものを用いている。
インクタンク2とプリントヘッド3を結ぶ配管5aの途中にポンプ4が配置されており、タンク内のインクをプリントヘッド3まで移送している。本実施の形態では、ポンプ4として4つのダイアフラムユニット41〜44が一体化され、これらを1つのモータ45(図3参照)で回転駆動するダイアフラム式のポンプを用いている。
ダイアフラムユニット41は、インクタンク2内のインクをプリントヘッド3に移送するため、ダイアフラムユニット42および43は、ガター51で回収したインクをインクタンク2に移送するために用いられる。またダイアフラムユニット44は、インクを循環させてインクタンク2内のインクを攪拌するため、および補給用タンク81または82に収容されたインクまたは溶剤をインクタンク2に供給するために用いられる。
配管5a、5cの途中に設けられたフィルタ52、53および54はインク内の不純物を除去するものである。
ダイアフラムユニット41とプリントヘッド3を結ぶ配管5aの途中には、インクの脈動を低減する手段10として、ダンパー11、スタティックミキサー12および逆止弁13が配置されている。またダンパー11の上流側で分岐し、インクタンク2にインクを戻す配管5bの途中には絞り55が取り付けられている。これらの機能については、後に図面を用いて詳述する。
配管5a、5d、5e、5fおよび5gの途中には、上述した部材以外に、開閉弁61〜65およびインク排出弁66が配置されている。開閉弁61〜65は電磁弁で構成されており、図3のコントローラ9の指示に従って配管5を開閉してインクを移送し、または移送を停止する。インク排出弁66は、プリンタ1の保守点検の際に、配管5aおよびインクタンク2に残っているインクを排出するものであり、手動で開閉される。
配管5aに接続された圧力センサ71は、配管5aを流れるインクの圧力を検出する。またインクタンク2の蓋22に取り付けられた温度センサ72は、インクタンク2内のインクの温度を検出する。同様に、蓋22に取り付けられた液面検出センサ73は、長さの異なる導電性の複数の棒を用い、それらの電気的な導通の有無によってインクの液面の高さを検出する。
次に、プリントヘッド3の構成を説明する。図2に示すように、プリントヘッド3は、ガン30、帯電電極34、一対の検知電極36a、36b(以降、総称して「検知電極36」ともいう)および偏向電極38で構成されている。
ガン30は、インク滴IDを被印刷物(例えば梱包箱)の表面に向けて噴射するものであり、ガンボディ31、超音波振動子32およびノズル33で構成されている。ポンプ41によってインクタンク2から送出され、配管5aを通してガンボディ31に供給されたインクは、ガンボディ31に内蔵された超音波振動子32によって振動が付加された状態でノズル33の孔から噴射される。
ノズル33から噴出したインク柱は、超音波振動子32により付加された振動によって個々のインク滴IDに分離し、更に帯電電極34で帯電された後、偏向電極38により、印字に必要なインク滴IDのみが帯電電荷量に応じて偏向され、被印刷物の表面に衝突してドットを形成する。
次に、コントローラの構成と機能を説明する。コントローラ9は、電圧検知手段37、圧力センサ71、温度センサ72および液面検出センサ73の出力信号に基づいて、ポンプ4を回転駆動するモータ45および開閉弁61〜65の動作を制御する。
更に、コントローラ9には、プリントヘッド3の駆動に用いる超音波振動子32、パルス電源35および直流電源39が接続されている。
図3に示すように、コントローラ9はCPU91、ROM92、RAM93、入力・表示パネル94、記憶装置95およびバスライン96で構成されている。
CPU91は、プリンタ1の各部の動作を制御するのに必要な指示信号を作成する。ROM92には、CPU91が動作するのに必要なプログラムが記憶されている。RAM93は、プログラムの実行中に必要となるデータを一時的に記憶する。
記憶装置95は、ハードディスクドライブやフラッシュメモリ等で構成され、プリンタ1の制御に必要なデータを記憶する。入力・表示パネル94は液晶ディプレイ等で構成され、印刷の内容や設定値等を入力すると共に、入力されたデータや印刷内容等を表示する。バスライン96は、CPU91のデータ信号、アドレス信号およびコントロール信号を伝送する。
記憶装置95には、電圧検知手段37の計測値に基づいてインク滴の飛行速度を算出するプログラムが予めインストールされている。算出された飛行速度は、入力・表示パネル94に表示される。
なお、コントローラ9と制御対象の各構成部材の間は、信号伝送用のケーブルで接続されているが、煩雑さを避けるため、図2では省略している。
<プリントヘッドの動作>
次に、図2および図4を参照して、プリントヘッド3の動作を説明する。図4は、図2のプリントヘッド3を用いて被印刷物に印刷を行う際の動作を示す図である。
図4に、ベルトコンベア(図示せず)上を、矢印で示す方向に一定の速度で移動している梱包箱100を示す。梱包箱100が、インク滴IDの飛行方向に対して直交する方向に移動している場合、インク滴IDの偏向量を変えることによって、包装箱100の側面に衝突するインク滴IDの位置が変わり、梱包箱100の移動に同期してインク滴IDの偏向を繰り返すと、文字(図では「A」)が印字される。
一方、帯電されていないインク滴ID、および帯電されていても印字に使用されないインク滴IDは、偏向されず、そのままインク回収用のガター51に飛び込み、インクタンク2に回収される。ガター51によって回収されたインクは、ポンプ42および43により配管5c中を通してインクタンク2に移送され、再利用される。
コントローラ9は、ポンプ41を駆動することにより、インクタンク2に収容されたインクに圧力をかけてガン30に供給する。またコントローラ9は、ポンプ41の回転数を制御することにより、ノズル23から噴出するインク滴IDの飛行速度を調節する。
またコントローラ9は、パルス電源35から帯電電極34に印加されるパルス電圧のタイミングを制御することによって、帯電されるインク滴IDの数やタイミングを調節する。更にコントローラ9は、直流電源39の電圧を制御することによって、偏向電極38で偏向されるインク滴IDの偏向量を調節する。
インク滴IDの飛行経路に沿って、一定の間隔Lを隔てて配置された一対の検知電極36aおよび36bは、飛行中のインク滴IDの速度を測定するものである。プリントヘッド3には、帯電したインク滴IDによって一対の検知電極36aおよび36bに誘起される電圧を検知する電圧検知手段37が内蔵されている。電圧検知手段37で検知された電圧信号はコントローラ9に送信される。
コントローラ9は、帯電したインク滴IDによって一対の検知電極36aおよび36bに誘起される電圧信号によって、インク滴IDが検知電極36aおよび36bの近傍を通過した時刻を計測する。そして2つの計測値の差分から、インク滴IDが2つの検知電極36a、36b間を通過するのに要した時間を算出し、その時間で距離を割ることにより、インク滴IDの飛行速度を算出する。
<インクの流れの説明>
次に、前述の図1に基づいてプリンタ1におけるインクの流れを説明する。図1において配管5に沿って表示した矢印は、インクの流れる方向を示している。
インクタンク2に収容されたインクIは、ダイアフラムユニット41によって吸引され、配管5aを通ってプリントヘッド3まで移送される。前述したように、配管5aのダイアフラムユニット41の下流には、インクの脈流を低減する手段10として、ダンパ−11、スタティックミキサー12および逆止弁13が配置され、更にその手前で配管5aから配管5bが分岐し、先端がインクタンク2に接続されている。
ダイアフラムユニット41から送り出されたインクは、ダンパ−11およびスタティックミキサー12によって脈流の大半が取り除かれた後、逆止弁13に到達する。
逆止弁13は、プリントヘッド3に一定の圧力以上のインクを供給するもので、インク流体の圧力が、バネの弾性力によって定まる値を下回る場合、逆止弁13は閉じたままであるため、インクは分岐管5bを通ってインクタンクに戻る。分岐管5bの途中に設けられた絞り55は、インクタンク2に回収されるインクの流量を調整するものである。
逆止弁13の下流側の配管5aに取り付けられた圧力センサ71は、プリントヘッド3に供給されるインク流体の圧力を検出するものである。圧力センサ71で検出されたインク流体の圧力は、インクの粘度を調節するために用いられる。
インクの粘度が一定の場合には、配管5aを移送されるインクの圧力とインク滴の飛行速度は比例関係にある。飛行速度を維持するための圧力が高まった場合、インクの粘度が高まったと判断して、補給タンク82から溶剤の補給が行われる。
配管5aの途中に設けられた開閉弁61は、ポンプ4を駆動してプリンタによる印刷を開始する際に配管5aの流路を開き、印刷が終了してポンプ4の動作を停止する際に配管5aの流路を閉じる。
プリントヘッド3から噴射されたインク滴の一部は印刷に供され、その他のインク滴はガター51に回収される。ガター51に回収されたインクは、ダイアフラムユニット42および43によって配管5cを通って移送され、インクタンク2に戻る。
配管5cによるインクの移送に2つのダイアフラムユニット42および43を用いるのは、ダイアフラムユニットのインク移送能力を考慮したものであり、ダイアフラムユニットの移送能力が大きい場合は、1つのダイアフラムユニットを用いてインクを移送してもよい。
プリントヘッド3の下部から取り出された配管とインクタンク2との間が配管5dによって接続され、途中に開閉弁62が配置されている。この配管5dは、プリンタ1の電源をオンにした際にプリントヘッド3内に残っている空気を抜くためのものであり、開閉弁62を開くことによって空気を含んだインクが移送され、インクタンク2に戻される。
インク補給用タンク81から取り出されたインクを、ダイアフラムユニット44を用いてインクタンク2に移送する配管5eおよび5hが設けられており、配管5eの途中に開閉弁63が取り付けられている。
同様に、溶剤補給用タンク82から取り出された溶剤を、ダイアフラムユニット44を用いてインクタンク2に移送する配管5fおよび5hが設けられており、配管5fの途中に開閉弁64が取り付けられている。
更に、インクタンク2から取り出されたインクを、ダイアフラムユニット44を用いてインクタンク2に戻す配管5gおよび5hが設けられており、配管5gの途中に開閉弁65が取り付けられている。この配管5gは、インクタンク2内のインクを攪拌するために用いられる。
前述した3つの配管5e、5fおよび5gは、インク移送用のダイアフラムユニット44を兼用しており、このため、配管5e、5fおよび5gは合流して配管5hに連結されている。
インクタンク2にインクを補給する場合、コントローラ9の指示に従って、開閉弁63を開ける共に、開閉弁64および65を閉じ、ダイアフラムユニット44を駆動して補給用タンク81内のインクをインクタンク2に移送する。
インクタンク2に溶剤を補給する場合、コントローラ9の指示に従って、開閉弁64を開けると共に、開閉弁63および65を閉じ、ダイアフラムユニット44を駆動して補給用タンク82内の溶剤をインクタンク2に移送する。
<インク流体の脈動低減>
上述したように、プリントヘッド3に供給されるインクの圧力と粘度は、コントローラ9の制御により、印字品質を保持する上で最適の値に調整されるが、コントローラ9では、インク流体の脈動を低減することはできない。本実施の形態では、配管5aの途中に、ダンパー11、スタティックミキサー12および逆止弁13で構成された脈動低減手段10を取り付けている。
前述した特許文献2に記載のプリンタでは、プリントヘッド3に供給するインク流体の脈流を低減する手段として、ダンパー11と逆止弁13を用いていたが、脈流を十分低減することができなかった。
発明者等は、実験を通じ、これらに加えてスタティックミキサー12を配置することにより、実用上十分な脈流低減効果が得られることを見出した。
スタティックミキサー12は、駆動部を持たず、流体の流れを利用して攪拌を行う静止型の混合器であり、ミキサー内には、長方形の板をねじったエレメントが複数配置されている。ミキサー内を通過する流体は、ねじれの方向が異なる複数のエレメントにより順次攪拌・混合される。
スタティックミキサーは、一般的に、高粘度流体(接着剤、食料品)の混合や、流体の熱交換、均熱化に用いられ、インク流体の脈動低減のために用いられることはなかった。発明者等が、試みに、ダンパーと逆止弁の間にスタティックミキサーを挿入したところ、脈動低減に顕著な効果を発揮することがわかった。
図5に、ダンパー11と逆止弁13の間にスタティックミキサー12を挿入したときとしないときに、圧力センサ71で測定した脈動の値を示す。また図6に、その際の印字例を示す。実験では、コンベア上を一定の速度で移送される梱包箱の側面に水平な直線を印字した例を示す。
比較のため、図5および図6には、前述の特許文献1に記載された第1の方法、すなわちレギュレータを用いてインク流体の脈動を低減した場合の実験結果を示す。
実験には、紀州技研工業製のプリンタ(機種名:CCS2800)を用い、ダンパーと逆止弁との間にスタティックミキサーを挿入したものと、挿入しないものを用いた。またレギュレータを用いたプリンタとして、紀州技研工業製のプリンタ(機種名:CCS3000L)を用いた。
図5から明らかなように、スタティックミキサーを挿入した場合、脈動値は0.85kPaとなり、挿入しない場合の脈動値3.35kPaに比較し、脈動が約75%低減された。この値は、レギュレータを用いた場合の脈動値0.70kPaと比較しても遜色ない値を示している。
図6に、スタティックミキサーを挿入した場合(a)としない場合(b)の印字例を示す。スタティックミキサーを挿入しない場合(b)には、インク流体の脈動による影響で、被印刷面に形成されたドットが上下方向に変位し、挿入した場合(a)に比べ、印字品質の劣化が明らかである。一方、スタティックミキサーを挿入した場合(a)の印字例は、レギュレータを採用した場合(c)と比較し、上下方向の変位に有意差が見られない。
以上説明したように、スタティックミキサーは、インク流体の脈動を低減する効果があり、これとダンパーおよび逆止弁とを組み合わせることにより、脈動低減手段として実用上十分な効果が得られ、結果的に、レギュレータが不要となることから、プリンタのコスト低減にも貢献する。
なお、上述した実施の形態では、ダンパー、スタティックミキサーおよび逆止弁を、上流側からこの順に配列した場合の実験結果を示したが、実験の結果、ダンパー、スタティックミキサーおよび逆止弁の並びを変えて配列しても、ほぼ同様の効果が得られることがわかった。
また、本発明に係る脈動低減手段は、ダイアルフラムポンプを用いてインクを送出する場合に効果を発揮するが、流体に脈動が生じる他のポンプを採用した場合にも、同様の効果が得られることは明らかである。
また、スタティックミキサーの構造についても、上述したような長方形の板をねじったエレメントを複数配置したものに限定されない。流体の流れを利用して攪拌を行うものであれば、どのような構造を採用しても、同様の効果が得られる。
1 インクジェットプリンタ
2 インクタンク
3 プリントヘッド
4 ポンプ
5、5a〜5i 配管
9 コントローラ
10 脈流低減手段
11 ダンパー
12 スタティックミキサー
13 逆止弁
21 タンク本体
22 蓋
30 ガン
31 ガン本体
32 超音波振動子
33 ノズル
34 帯電電極
35 パルス電源
36a、36b 検知電極
37 電圧検知手段
38 偏向電極
39 直流電源
41〜44 ダイアフラムユニット
51 ガター
52〜54 フィルタ
55 絞り
61〜65 開閉弁
66 インク排出弁
71 圧力センサ
72 温度センサ
73 液面検出センサ
81、82 補給タンク
83 凝集タンク
91 CPU
92 ROM
93 RAM
94 入力・表示パネル
95 記憶装置
96 バスライン
I インク

Claims (4)

  1. インクを貯留するインクタンクと、
    当該インクタンクから供給されるインクを被印刷物の表面に向けて噴射するプリントヘッドと、
    当該プリントヘッドのノズルから噴射されたインクのうち印刷に使用されないインクを回収するガターと、
    前記インクタンクから前記プリントヘッドへのインクの移送および前記ガターで回収されたインクの前記インクタンクへの移送を行うポンプと、を備え、
    前記インクタンクとプリントヘッドとを結ぶ配管には、インク流体の脈動を低減する脈動低減手段が取り付けられ、
    当該脈動低減手段は、ダンパー、スタティックミキサーおよび逆止弁が、インクの流れに従って、この順に配列されたものであることを特徴とするインクジェットプリンタ。
  2. 前記逆止弁は、前記配管内を移送されるインクの圧力が所定の値を超えないときはインクの移送を阻止し、所定の値を超えたときはインクを移送する、請求項に記載のインクジェットプリンタ。
  3. 前記ポンプとしてダイアフラムポンプを用いる、請求項1または2に記載のインクジェットプリンタ。
  4. 前記配管のうち前記脈動低減手段とプリントヘッドとの間に、インク流体の圧力を検出する圧力センサが取り付けられ、当該圧力センサによって前記配管内を流れるインク流体の圧力を検出する、請求項1乃至のいずれかに記載のインクジェットプリンタ。
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