JP6892117B2 - 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し，特に,印字ヘッド構造に関する技術である。

特許文献1には，ドラムに保持されかつドラムとともに回転中の印字媒体に，ドラム周辺に配設されたインクジェットノズルからインクを吹付けて印字可能に形成するとともに，ドラム回転に伴って発生するドラム周方向の空気流動を緩和する流動緩和手段を設けたインクジェットプリンタが記載されている。

特開平１０−１７５２９４号公報

特許文献1に記載のインクジェットプリンタでは，飛翔中のインク粒子が受ける空気力を弱めることで，印字品質を改善させることは可能であると考えられる。しかしながら，印字ヘッド内部にインク粒子が流入することを防ぐことについては記載されていない。また，特許文献１では,印字ヘッドと流動緩和板の間に距離があるため，印字ヘッド付近においては周方向の気流が依然存在すると考えられ，やはり印字ヘッドと印刷対象の間に高圧領域が生じて印字ヘッド内部へ向かう気流が発生する可能性がある。

本発明の目的は，印字ヘッド内部へ流入するインク粒子の量を低減可能な，インクジェット記録装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため，本発明の好ましい一例としては、インク粒子に分離させるノズルと、インク粒子を帯電させる帯電電極と、帯電したインク粒子を偏向させる偏向電極と、偏向されたインク粒子を印字対象物に吐出させるインク粒子通過孔を有する印字ヘッドカバーとを備えたインクジェット記録装置であって、印字ヘッドカバーの先端部と印字対象物との間に形成される流路を縮小させる流路縮小部を備え、流路縮小部は、インク粒子通過孔から近い方の断面積が、インク粒子通過孔から遠い方の断面積より大きい突形状を有するインクジェット記録装置である。

本発明によれば，印字ヘッド内部へ流入するインク粒子の量を低減可能な，インクジェット記録装置を得ることができる。

実施例に係るインクジェット記録装置におけるインク粒子の挙動概念を示す図。 インクジェット記録装置における印字原理を示す図。 インクミスト発生のメカニズムを説明する図。 印字ヘッドカバーと印字対象物周辺の気流解析結果の模式図。 流路縮小部を備えた印字ヘッド断面を示す図。 流路縮小部を備えた印字ヘッドによる気流解析結果の模式図。 流路縮小部を備えた印字ヘッドの解析結果の圧力分布比較の模式図。 実施例１の流路縮小部を示す図。 実施例２の流路縮小部を示す図。 実施例２の流路縮小部の裏面を示す図。 実施例２の流路縮小部の印字ヘッドカバーを示す図。 実施例３の流路縮小部を示す図。

図１は，実施例に係る連続噴射式荷電制御型インクジェット記録装置の印字ヘッド内部構造と，インク粒子の挙動概念図である。加圧ポンプにより加圧されたインク101は，ノズル102から連続的に吐出される。ノズル102内にはピエゾ素子が内蔵されており，所定の周波数にてインクを励振する。その結果，ノズルから吐出されるインク柱には周期的な初期くびれが生じる。このくびれが下流に行くほど表面張力により成長し，インク柱表面のエネルギー不安定性によりインク粒子103に分離する。

帯電電極104の電位を制御し，図中白丸で示した印字に用いる帯電粒子105と，黒丸で示した無帯電粒子106を連続的に生成する。その後分離したインク粒子は，偏向電極107aと107b間を飛翔する。偏向電極107aと107bの間には所定の電位差を与える。偏向電極107aと107b間に形成される電場によって，帯電粒子105は図中矢印で示した電気力108を受けて偏向し，点線の曲線109で示した軌道上を通り，印字対象物へと向かう。

電気力108は帯電粒子105の帯電量に比例するため，帯電電極104の電位をピエゾ素子の励振周波数と同期させて制御することにより，帯電粒子105の印字対象物への着弾高さを変えることができる。また，連続噴射式インクジェットプリンタでは，励振周波数に応じて連続的に粒子が生成されるが，生成される全ての粒子を用いて印字を行うわけではない。印字に用いない粒子は無帯電粒子106とすることで，粒子を直進させてガター110にて回収し，再利用する。

図２は，連続噴射式荷電制御型インクジェット記録装置における印字原理を示したものである。印字ヘッドカバー201については，説明のためカバー構造の紙面手前側の前面部を図示していない。また内部の構造についても簡略化し，偏向電極107aと107bのみを示している。

偏向電極107aと107bが形成する電場によって帯電粒子105は偏向し，帯電粒子軌道109に沿って飛翔する。その後，印字ヘッドカバー201に設けられたインク粒子通過孔202を通って印字対象物203に着弾する。帯電粒子105の偏向量は，与えられた帯電量に応じて変化する。従って，帯電粒子105に付与する帯電量を変化させることで，帯電粒子軌道109を二次元的に変化させ，印字対象物203への着弾位置を制御することができる。

印字対象物203は所望の速度で矢印204の方向に移動されるため，印字対象文字を構成するドットに対応する粒子に適切な帯電量を付与することで，点線領域205内に示したように文字を印字することができる。図2には文字「A」を印字する例を示している。また，印字対象物の移動方向は，矢印204とは逆でも良い。ハッチングされた楕円206は着弾済みのインク粒子位置を，点線楕円207は未着弾のインク粒子着弾位置を示している。

図３は，インクミスト発生のメカニズムを示したものであり，図２の一点鎖線A-Aから偏向電極107aと107b，インク粒子通過孔202を横切る断面図である。白丸で示す帯電粒子105の速度が速い場合，印字対象物203に着弾した帯電粒子群301が乾燥する前に，次の帯電粒子が帯電粒子群301に衝突し，インク粒子が跳ね返り飛散することで，黒丸で示したインクミスト群302が生じることがある。

インクミスト群302の一部は，矢印301で示すように印字対象物203から印字ヘッドカバー201方向へ向かう方向の速度成分を持つため，印字ヘッドカバー201の外面に付着するミスト群302a，インク粒子通過孔202を通過して印字ヘッド内部に侵入するミスト群302bが生じる。それらのミスト群302bは，印字ヘッド内部構造，また偏向電極107aと107b等に付着して乾燥するため，印字ヘッドのクリーニング等のメンテナンスを頻繁に行う必要が生じる。

図４は，図２における印字ヘッドカバー201と，印字対象物203周辺の気流解析結果を模式的に示した図であり，図２の一点鎖線B-Bから，インク粒子通過孔202を横切る断面として図示している。なお，偏向電極107aと107bは省略し，印字対象物203の表面に矢印204で示される方向を持つ速度壁面境界を与え，印字ヘッドカバー201表面は滑り無し速度0境界を与えて解析モデルを作成し，解析を行った。

解析の結果，印字ヘッドカバー201の先端部201aと印字対象物203の表面間に構成される，点線領域401の付近に，クエット流れに類似した流速分布402が形成されることが確認できた。流速分布402の矢印は気流の流れ方向を表し，矢印402の長さは気流速度の大きさを示している。この気流が印字ヘッドカバー201の上流側側面201bに衝突してよどみ，高圧領域403が生じる。この高圧領域403がインク粒子通過孔202付近まで広がり，かつ印字ヘッド内部404はほぼ大気圧であり，高圧領域403よりも低圧であるため，高圧領域403から印字ヘッド内部404へ向かう方向405の成分を有する気流が発生する。従って，図３で説明したインクミスト群302は，印字ヘッド内部404に向かう気流に乗って内部に侵入しやすい状況となっている。

以上説明したインクミストの印字ヘッド内部への流入を抑制するためには，図４で説明した高圧領域403から印字ヘッド内部404へ向かう方向405の成分を持つ気流を抑制することが有効である。

以下，実施例１から実施例３を図に基づいて説明する。

図５は本実施例で提供する構造について，図４と同様に図２の一点鎖線B-Bから，インク粒子通過孔202を横切る断面を示したものである。本実施例は，印字対象物移動方向204の上流側に位置する印字ヘッドカバー201の外面201a上で，かつインク粒子通過孔202の上流側の領域に，流路縮小部501を設けることで，印字ヘッドカバー先端部201aと印字対象物203の表面間に形成される領域，すなわち流路を縮小させることを特徴とする。この構成により，流路縮小部501の下流領域を低圧化させることで，インク粒子通過孔202を通り，印字ヘッド内部へ流入する気流を低減するものである。

流路縮小部501の形状や、インク粒子通過孔202との位置関係など、後述する。

図５の二次元断面にて，流路縮小部501による低圧化の原理を説明する。連続噴射式インクジェット記録装置が使用される環境では，印字ヘッド周辺の流体は空気と見なしてよく，かつ印字対象物203の移動速度は高々数十m/sであることから，非圧縮性流体として考えてよい。流路縮小部501の縮小開始断面502における断面積をA1，圧力を，P1，流速をV1とし，流路縮小終了断面503における断面積をA2，圧力をP2，流速をV2とする。

非圧縮性流体であるので，空気の密度ρが一定であるとすると，ベルヌーイの定理より以下の式が成り立つ。
1/2ρ(V1)^2 + P1 = 1/2ρ(V2)^2 + P2
（^は累乗を示す）
また，流量Qが保存されることから，
Q = A1V1 = A2V2
が成り立つ。
今，縮小開始断面502の断面積A1が流路縮小終了断面503の断面積A2の2倍であると仮定すると，
V2 = 2V1
となる。
従って，
P2 = P1 + 1/2ρ((V1)^2-(V2)^2) = P1 - 3/2ρ(V1)^2 < P1
となり，流路縮小終了断面503での圧力P2は縮小開始断面502での圧力P1よりも低くなる。

また，流路縮小終了断面503よりさらに下流の領域では，流路が急拡大するため流れが剥離し，さらに低圧領域が拡大する。従って，この低圧領域の圧力が印字ヘッド内部404の圧力である大気圧よりも低ければ，印字ヘッド内部404からインク粒子通過孔202を通って外側に流出する気流を発生させることができる。

図６に，本実施例が提供する構造に対して図４と同様の気流解析を行った結果を模式的に示す。印字ヘッドカバー201の上流側側面201bに気流が衝突してよどみ，高圧領域601が生じるが，流路縮小部501を設置した効果により，流路縮小部501の下流側の領域602が低圧化する。また低圧領域602の圧力は，印字ヘッド内部404の圧力である大気圧よりも低くなることから，印字ヘッド内部404から低圧領域602へ向かう方向603の成分を有する気流が発生する。

図７に，図４に示した流路縮小部を持たない従来構造，図６に示した流路縮小部を持つ本実施例が提供する構造それぞれの気流解析結果によって得られた圧力分布を示す。この圧力分布は，図４に示した流路縮小部を持たない従来構造における一点鎖線C-C’と，図６に示した流路縮小部を持つ実施例１の構造一点鎖線D-D’上にて取得したものである。

印字ヘッド内部端である図４の点C，図６の点Dにおいては，圧力は大気圧に等しい。流路縮小部を持たない特許文献１に記載の構造においては，印字ヘッドカバー外面位置の手前から圧力が上がり，印字対象物表面位置C’に至るまで大気圧よりも圧力が高くなる。

一方で，本実施例が提供する，流路縮小部を持つ構造においては，印字ヘッドカバー外面位置の手前から急激に圧力が下がり，印字対象物表面位置D’に至るまで大気圧よりも低くなる。従って，流路縮小部を設けることで，印字ヘッド内部へ流入する気流を低減し，インクミストによる内部汚れを抑制することが可能である。

なお，図５における流路縮小部501の流路縮小開始断面502は，インク粒子通過孔202と流路縮小終了断面503より印字対象物移動方向204の上流側に設定し，流路縮小終了断面503はインク粒子通過孔202より上流側に設定するものとする。また，流路縮小部501の形状は，図６の低圧領域602における圧力が大気圧より下がり，インク粒子通過孔202を流れる矢印603方向の気流が発生すれば任意に設計可能である。

例えば，流路縮小部501の紙面奥行き方向の断面形状は一定でも良いが，変化させても良い。また，流路縮小部501は単一部材でなく，複数部材により構成しても良い。さらに，流路縮小部501は，図５の印字対象物移動方向204が逆転した際にも効果を発揮するように，印字対象物移動方向204について，インク粒子通過孔202の下流側に設置しても良く，必要に応じてマグネット，スライダー等を利用して着脱可能としても良い。

以上を踏まえ，実施例１に係る流路縮小部801の構成を詳細に記述する。図８は，流路縮小部801の縮小開始位置を，印字対象物移動方向204の上流側である印字ヘッドカバー端201a，縮小終了位置をインク粒子通過孔202の長手方向壁面202cの位置までとし，かつインク粒子通過孔202の長手方向において，流路縮小部801の開始位置801aをインク粒子通過孔202の端面202a，流路縮小部801の終了位置801bをインク粒子通過孔202の端面202bとして構成した実施例である。流路縮小部801は,インク粒子通過孔202の長手方向の壁面の長さ以上の幅を有しており,インク粒子通過孔202を通り，印字ヘッド内部へ流入する気流を低減する。

流路縮小部801の形状は，インク粒子通過孔202に近づくにつれて、流路縮小部801の断面が大きくなる突形状を有する。図８の例では全て平面で形成しており三角柱となるが，構成面は曲面であっても構わない。また，流路縮小部801は印字ヘッドカバー201と一体として構成することも可能であるが，流路縮小部801の印字ヘッドカバー201に対して垂直方向の高さ802は，インク粒子通過孔202の長手方向と垂直の短手方向（インク粒子通過孔202を構成する辺のうち短い方の辺の方向で、印字対象物の移動方向）の長さよりも大きく設計することで，所望の低圧化効果が期待できる。

流路縮小部801の断面積をインク粒子通過孔202に近づくにつれ断面積が大きくなる突形状の例を示した。それにより、印字ヘッド内部へ流入する気流を低減し，インクミストによる内部汚れを抑制することが可能である。

以下，実施例２に係る流路縮小部901の構成を示す。図９は，流路縮小部901を，スライダー式の構造を利用して印字ヘッドカバー201に固定する場合の実施例である。なお流路縮小部901は，実施例１で述べたように，曲面形状で構成するとともに，インク粒子通過孔202の長手方向について，端面901aを印字ヘッドカバー201の上面201cに，また端面901bを印字ヘッドカバー201の下面201dに一致させ，さらに流路縮小開始位置901c，流路縮小終了位置901dの双方を，印字対象物移動方向204の上流側の印字ヘッドカバー端201a，インク粒子通過孔の長手方向壁面202cの間に設けて構成している。

本実施例は，インク粒子通過孔202から見て，印字ヘッドカバー201上，印字対象物移動方向204の上流側に設けたスライダー式固定具902a，印字対象物移動方向204の下流側に設けたスライダー式固定具902bを設置した例である。

図１０は，流路縮小部901について，印字ヘッドカバー201と接する面1001を表に見た際の流路縮小部901である。本実施例では，流路縮小部901は，印字ヘッドカバー201上のスライダー式固定具902a，902bにはめ込むためのツメ構造1002を有する。

図１１は，印字ヘッドカバー201上に設けたスライダー式固定具902a，902bの説明図である。スライダー式固定具902aは，図１０で説明した流路縮小部901のツメ構造1002をはめ込むための間隙1101を有する。これらの構造を持つ流路縮小部901と印字ヘッドカバー201により，場合に応じて着脱可能な流路縮小を形成することができる。

また，スライダー式固定具902bの形状を，スライダー式固定具902aと同じ形状として逆向きに設けることで，取り外した流路縮小部901をスライダー式固定具902bに逆向きに取り付けることができる。従って，印字対象物移動方向204が移動した際にも同様の効果を得ることができる。

本実施例で説明したスライダー方式に限らず，印字ヘッドカバー201にマグネットを設け,流路縮小部901を鉄などで構成することで,印字ヘッドカバー201と流路縮小部901を固定する構造とすることも可能である。流路縮小部901にマグネットを設け,印字ヘッドカバー201を鉄で構成してもよい。また，複数の流路縮小部901を同時にスライダー式固定具902a，902bに固定することも可能である。実施例２によれば,形状や大きさ,材質の異なる流路縮小部を容易に取り替えることができる。

以下，実施例３に係る流路縮小部1201の構成を示す。図１２は，流路縮小部1201を印字ヘッドカバー201と一体とする場合の実施例である。印字対象物移動方向204に対し，インク粒子通過孔202から見て上流側の流路縮小部1201a，下流側の流路縮小部1201bを構成するように，印字ヘッドカバー201の形状を定義することで，印字対象物移動方向204が逆転した際にも本実施例の効果が得られる。

また上流側の流路縮小部1201a，下流側の流路縮小部1201bのいずれかを，印字ヘッドカバー201と一体として構成しても良い。また，流路縮小部1201を構成する面は曲面であっても良い。

従って，本実施例の構造によれば，印字ヘッド内部から外部へ流出する気流を発生させることにより，インク粒子が印字対象物へ衝突して生じるインクミストが印字ヘッド内部へ流入するのを抑制し，内部構造を汚れにくくすることで，クリーニング等のメンテナンス回数を低減可能な連続噴射型インクジェット記録装置を提供することができる。

102…ノズル、103…インク粒子、104…帯電電極、107a、107b…偏向電極、201…印字ヘッドカバー、202…インク粒子通過孔、203…印字対象物、501・801・1201…流路縮小部、1201a…上流側流路縮小部、1201b…下流側流路縮小部

Claims (8)

1. インク粒子に分離させるノズルと、前記インク粒子を帯電させる帯電電極と、帯電した前記インク粒子を偏向させる偏向電極と、偏向された前記インク粒子を印字対象物に吐出させるインク粒子通過孔を有する印字ヘッドカバーとを備えたインクジェット記録装置であって、
   前記印字ヘッドカバーの先端部と前記印字対象物との間に形成される流路を縮小させる流路縮小部を備え、
   前記流路縮小部は、前記インク粒子通過孔から近い方の断面積が、前記インク粒子通過孔から遠い方の断面積より大きい突形状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に記載のインクジェット記録装置において、前記流路縮小部の流路縮小開始断面は、前記インク粒子通過孔と流路縮小終了断面より前記印字対象物の移動方向の上流に設け、前記流路縮小終了断面は、前記インク粒子通過孔より前記移動方向の上流に設けたことを特徴とするインクジェット記録装置。
3. 請求項２に記載のインクジェット記録装置において、前記流路縮小部の流路縮小開始位置を、前記上流の印字ヘッドカバー端とし、流路縮小終了位置を、前記インク粒子通過孔の長手方向壁面位置とし、かつ、前記インク粒子通過孔の長手方向において、前記流路縮小部の開始位置を、前記インク粒子通過孔の一方の長手方向端面とし、前記流路縮小部の終了位置を、前記インク粒子通過孔の他方の長手方向端面としたことを特徴とするインクジェット記録装置。
4. 請求項３に記載のインクジェット記録装置において、前記流路縮小部の前記印字ヘッドカバーに対する垂直方向の高さを、前記インク粒子通過孔の短手方向の長さよりも大きくし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に記載のインクジェット記録装置において、前記流路縮小部は、前記印字ヘッドカバーと着脱可能としたことを特徴とするインクジェット記録装置。
6. 請求項５に記載のインクジェット記録装置において、前記着脱可能とするために、前記印字ヘッドカバーに、スライダー式固定具を設け、前記流路縮小部は、前記スライダー式固定具にはめ込むためのツメ構造を有し、前記スライダー式固定具は、前記ツメ構造をはめ込むための間隙を有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５に記載のインクジェット記録装置において、前記印字ヘッドカバーと前記流路縮小部とは、マグネットにより着脱可能としたことを特徴とするインクジェット記録装置。
8. 請求項１に記載のインクジェット記録装置において、前記流路縮小部は、前記印字ヘッドカバーと一体に構成し、前記印字対象物の移動方向の上流と下流のそれぞれに、前記流路縮小部を備えたことを特徴とするインクジェット記録装置。

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