JP7484936B2 - インクジェット記録装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載の発明にあっては、ノズルの開口近傍におけるインクの圧力を常に適正圧力に維持するために、インク流路におけるノズルへの分岐点から上流側と下流側の流路抵抗の比を用いて、上流側の圧力源(P1)と、下流側の圧力源(P2)と、ノズルの開口近傍におけるインクの適正圧力(Pn)との関係を、提案の関係式に従って保持し、適正圧力(Pn)を大気圧以下とする。
例えば、図5に示すように、ノズルNを通る流路(流路抵抗R4,R5)と、ノズルNを通らない流路(流路抵抗R3)とに分岐するインク流路により、上流側の圧力源(P1)と下流側の圧力源(P2)とが繋がれている流路構造では、特許文献1に記載のP1,P2,Pnの関係式は成立しない。
特許文献1に記載の手法によると、以上のように流路構造が異なったインクジェットヘッドごとに、P1,P2,Pnの関係式を求める必要が生じる。
前記インクによって前記ノズルの開口高さ位置の大気圧の静止インクを基準とする、「単位体積当たりのエネルギー」P1〔Pa〕が生じるようにインクの単位体積当たりのエネルギーを調整する第1圧力源と、
前記インクによって前記ノズルの開口高さ位置の大気圧の静止インクを基準とする、「単位体積当たりのエネルギー」P2〔Pa〕が生じるようにインクの単位体積当たりのエネルギーを調整する第2圧力源と、
制御部と、を備え、
前記第1圧力源、前記圧力室、および前記第2圧力源は、流路によって順次接続され、
前記インクジェットヘッドにおいて、前記流路は、前記圧力室を通る流路と、前記圧力室を通らない流路と、に分岐し、
循環流量により前記第1圧力源から前記ノズルまでに生じる圧損をΔPa、差圧(P1-P2)とΔPaとの比例定数をa、ノズル開口近傍に生じる適正圧力をPnとするとき、前記制御部は、P2={Pn-(1―a)P1}/aの関係が成立するよう圧力を制御するインクジェット記録装置である。
前記インクによって前記ノズルの開口高さ位置の大気圧の静止インクを基準とする、「単位体積当たりのエネルギー」P1〔Pa〕が生じるようにインクの単位体積当たりのエネルギーを調整する第1圧力源と、
前記インクによって前記ノズルの開口高さ位置の大気圧の静止インクを基準とする、「単位体積当たりのエネルギー」P2〔Pa〕 が生じるようにインクの単位体積当たりのエネルギーを調整する第2圧力源と、
前記第1圧力源、前記圧力室、および前記第2圧力源は、流路によって順次接続されたインクジェット記録装置を製造するにあたり、
循環流量により前記第1圧力源から前記ノズルまでに生じる圧損をΔPaとして、差圧(P1-P2)とΔPaとの比例定数aを求め、
ノズル開口近傍に生じる適正圧力をPnとして、P2={Pn-(1―a)P1 }/aの関係が成立するように設計するインクジェット記録装置の製造方法である。
差圧(P1-P2)を任意の値に保持してP1とP2の値を変化させることによりP11及びP12を求め、
ΔPa=|P12-P11|の関係によりΔPaを算出し、さらに差圧(P1-P2)とΔPaとの相関からaを求める請求項5に記載のインクジェット記録装置の製造方法である。
差圧(P1-P2)を0でない任意の値に保持してP1とP2の値を変化させることによりP13及びP14を求め、
ΔPb=|P14-P13|の関係により、ΔPbを求める請求項7に記載のインクジェット記録装置の製造方法である。
インクジェットヘッド10は、ノズルNと、ノズルNに連通する圧力室11とを有し、この圧力室11に連通するインクを、圧電素子等の駆動素子の作用によりノズルNから吐出して、記録媒体に対して画像などを記録する記録動作等を行う。インクジェットヘッド10は、少なくとも1つ備えられるが、複数備えてもいてもよい。ノズルNの開口近傍に生じる圧力をPnとする。
第1圧力源21は、第1流路12に連通し、インクによってノズルNの開口高さ位置の大気圧の静止インクを基準とする、「単位体積当たりのエネルギー」P1〔Pa〕が生じるようにインクの単位体積当たりのエネルギーを調整する部分である。
第2圧力源22は、第2流路13に連通し、インクによってノズルNの開口高さ位置の大気圧の静止インクを基準とする、「単位体積当たりのエネルギー」P2〔Pa〕 が生じるようにインクの単位体積当たりのエネルギーを調整する部分である。
第1圧力源21及び第2圧力源22の具体的構成としては、ノズルNの開口高さ位置を基準に所定の高さに置かれたインク室に相当し、該インク室に対するインクの流入又は流出の制御、インク室内の液面に負荷される気圧の制御とを行うためのインクタンク、ポンプ、制御弁、センサー等を有した構成を挙げることができる。
第1圧力源21は、第1流路12、第4流路15を介して圧力室11に接続されている。圧力室11は、第5流路16、第2流路13を介して第2圧力源22に接続されている。第1流路12と第4流路15との接続点と、第2流路13と第5流路16との接続点とが、第3流路14により圧力室11を通らずに接続されている。
第3流路14の流量をQ1、第4流路15及び第5流路16の流量をQ2とすると、第1流路12の流量及び第2流路13の流量は(Q1+Q2)となる。第1流路~第5流路の流路抵抗R1~R5を図示する。なお、第1流路12及び第2流路13には、ヘッド10と圧力源とを繋ぐヘッド外流路も含まれる(図4,5において同じ)。
しかしながら、本発明ではPnを適正圧力に保つために、これらの流路抵抗R1~R5を用いないし、以上説明した流路構造もこれに限定されるものではなく、例えば、図4に示した流路構造のほか、様々な流路構造に対して適用することができる。
すなわち、循環流量により第1圧力源21からノズルNまでに生じる圧損をΔPa、差圧(P1-P2)とΔPaとの比例定数をa、ノズルNの開口近傍に生じる適正圧力をPnとするとき、制御部30は、P2={Pn-(1―a)P1 }/a ・・・(3)の関係が成立するよう圧力を制御する。制御部30は、P1,P2の値を異なる値に可変制御する場合、式(3)を適用して制御する。制御部30は、Pnが適正範囲にあり、式(3)の関係を満たすP1,P2の値のうち、差圧(P1-P2)が大きく、従って流速が大きいP1,P2の値と、差圧(P1-P2)が小さく、従って流速が小さいP1,P2の値との間で可変制御する。
Pn=P1-ΔPa ・・・(1)
差圧(P1-P2)とΔPaとの比例定数をaとするとの定義を式で表すと式(2)となる。
ΔPa=a(P1-P2) ・・・(2)
Pn=P1-a(P1-P2)=(1-a)P1+aP2
さらに変形して、P2={Pn-(1―a)P1 }/a ・・・(3)
すなわち、差圧(P1-P2)が0〔Pa〕である非循環時にノズルNからインクが溢れるP1の限界値をP11、差圧(P1-P2)が0でない任意の値である循環時にノズルNからインクが溢れる時のP1の限界値をP12とするとき、
ΔPa=|P12-P11| ・・・(4)の関係を有する。
この関係を利用して、差圧(P1-P2)とΔPaとの比例定数aを、実験等による試行により求める。図2に、差圧(P1-P2)と圧損ΔPaとの比例関係を示したグラフを示す。
差圧(P1-P2)を任意の値に保持してP1とP2の値を変化させることによりP11及びP12を求める。
差圧(P1-P2)を0に保持してP1を高めていったとき(P2も同じ値で高めてったとき)、ノズルNからインクが溢れる限界を向かえるから、その時のP1の値をP11とする。
差圧(P1-P2)を0でない複数の任意の値に保持してP1を高めていったとき、ノズルNからインクが溢れる限界を向かえるから、その時のP1の値をP12とする。
式(4)により、複数の差圧(P1-P2)に対応したΔPaをそれぞれ算出し、これら複数組の差圧(P1-P2)とΔPaとの相関から比例定数aを求める。
ノズルNからインクを吐出したときに生じる圧損をΔPb、ノズルNの径をd、インクの表面張力をσとするとき、適正圧力Pnは、0〔Pa〕未満、かつ、-(4σ/d-a(P1-P2)-ΔPb)・・・(5)より大きい値である。
また、循環時で非吐出時にノズルNから気泡巻き込みが発生する時のP1の限界値をP13、循環時で吐出時にノズルNから気泡巻き込みが発生する時のP1の限界値をP14とするとき、ΔPb=|P14-P13| ・・・(6)の関係を有する。
この関係を利用して、ΔPbを、実験等による試行により求める。
差圧(P1-P2)を0でない任意の値に保持してP1とP2の値を変化させることによりP13及びP14を求める。
まず、ノズルNからの吐出を行わない時において、差圧(P1-P2)を0でない任意の値に保持してP1とP2の値を変化させることにより、ノズルNから外気を引き込む程度が高まっていくとき、ノズルNから気泡巻き込みが発生する限界を向かえる。その時のP1の値をP13とする。
また、ノズルNからの吐出を行う時において、差圧(P1-P2)を0でない任意の値に保持してP1とP2の値を変化させることにより、吐出動作の反動もあってノズルNから外気を引き込む程度が高まっていくとき、ノズルNから気泡巻き込みが発生する限界を向かえる。その時のP1の値をP14とする。
式(6)により、ΔPbを求める。
ΔPbが求まったので、式(5)の値が特定され、適正圧力Pnの範囲が特定される。
制御部30は、以上のように特定された適正圧力Pnの範囲と、式(3)に従って圧力を制御する。これにより、ノズルNの開口に形成されるメニスカスが良好に保持される。
図3に示す縦軸は、P1の大きさを示す。P1をインク供給側とする。その右隣の縦の帯B1は、差圧(P1-P2)が0〔kPa〕の時の、各状態の圧力範囲と、その境界(限界値)を示す。最も右側の縦の帯B2は、差圧(P1-P2)がΔPd〔kPa〕の時の、各状態の圧力範囲と、その境界(限界値)を示す。但し、ΔPd≠0
帯B1において圧力値P11より上の範囲においてはノズルNからインクが溢れる。帯B2において圧力値P12より上の範囲においてはノズルNからインクが溢れる。P12からP11の落差が、循環流量により第1圧力源21からノズルNまでに生じる圧損ΔPaに相当する。
差圧(P1-P2)が0〔kPa〕である帯B1においては、P1=P2=Pn=0〔kPa〕、すなわち、ノズルNの開口高さ位置の大気圧でノズルNからのインク溢れが生じる。
差圧(P1-P2)がΔPd〔kPa〕である帯B2においては、インクが流動するため、P1からPnまでに圧損ΔPaがある。
帯B1と帯B2とにおいて、ノズルNからのインクが溢れるという同じ現象の時の圧力P11,P12の差から圧損ΔPaを求めることができる。
帯B2において圧力値P14は、この値を下回ると、インク吐出の時には気泡巻き込みが発生する限界値(動的メニスカスブレイク圧)に相当する。
したがって、P14とP13の差が、ノズルNからインクを吐出したときに生じる圧損ΔPbに相当する。
しがって、適正圧力Pnは、0〔Pa〕未満、かつ、式(5)の値より大きい値である。
図3に示した圧力チャートは、画像記録動作時の差圧(P1-P2)の設定、インクの物性により異なるから、それぞれつき適正圧力Pnを求めておく。
P1,P2,Pnを、式(3)の関係を保ちつつ可変制御する制御機能を有した制御部を備えたインクジェット記録装置を製造してもよいし、稼働時に式(3)関係が成立するように動作するインク供給部を有したインクジェット記録装置を製造してもよい。
10 インクジェットヘッド
20 インク供給部
21 第1圧力源
22 第2圧力源
30 制御部
40 搬送駆動部
N ノズル
Claims (8)
- ノズルに連通する圧力室を有し、この圧力室に連通するインクを、ノズルから吐出する少なくとも1つのインクジェットヘッドと、
前記インクによって前記ノズルの開口高さ位置の大気圧の静止インクを基準とする、「単位体積当たりのエネルギー」P1〔Pa〕が生じるようにインクの単位体積当たりのエネルギーを調整する第1圧力源と、
前記インクによって前記ノズルの開口高さ位置の大気圧の静止インクを基準とする、「単位体積当たりのエネルギー」P2〔Pa〕が生じるようにインクの単位体積当たりのエネルギーを調整する第2圧力源と、
制御部と、を備え、
前記第1圧力源、前記圧力室、および前記第2圧力源は、流路によって順次接続され、
前記インクジェットヘッドにおいて、前記流路は、前記圧力室を通る流路と、前記圧力室を通らない流路と、に分岐し、
循環流量により前記第1圧力源から前記ノズルまでに生じる圧損をΔPa、差圧(P1-P2)とΔPaとの比例定数をa、ノズル開口近傍に生じる適正圧力をPnとするとき、前記制御部は、P2={Pn-(1―a)P1}/aの関係が成立するよう圧力を制御するインクジェット記録装置。 - 差圧(P1-P2)が0〔Pa〕である非循環時に前記ノズルからインクが溢れるP1の限界値をP11、差圧(P1-P2)が0でない任意の値である循環時に前記ノズルからインクが溢れる時のP1の限界値をP12とするとき、ΔPa=|P12-P11|の関係を有する請求項1に記載のインクジェット記録装置。
- 前記ノズルからインクを吐出したときに生じる圧損をΔPb、前記ノズルの径をd、インクの表面張力をσとするとき、Pnは、0〔Pa〕未満、かつ、-(4σ/d-a(P1-P2)-ΔPb)より大きい値である請求項1又は請求項2に記載のインクジェット記録装置。
- 循環時で非吐出時に前記ノズルから気泡巻き込みが発生する時のP1の限界値をP13、循環時で吐出時に前記ノズルから気泡巻き込みが発生する時のP1の限界値をP14とするとき、ΔPb=|P14-P13|の関係を有する請求項3に記載のインクジェット記録装置。
- ノズルに連通する圧力室を有し、この圧力室に連通するインクを、ノズルから吐出する少なくとも1つのインクジェットヘッドと、
前記インクによって前記ノズルの開口高さ位置の大気圧の静止インクを基準とする、「単位体積当たりのエネルギー」P1〔Pa〕が生じるようにインクの単位体積当たりのエネルギーを調整する第1圧力源と、
前記インクによって前記ノズルの開口高さ位置の大気圧の静止インクを基準とする、「単位体積当たりのエネルギー」P2〔Pa〕 が生じるようにインクの単位体積当たりのエネルギーを調整する第2圧力源と、
前記第1圧力源、前記圧力室、および前記第2圧力源は、流路によって順次接続されたインクジェット記録装置を製造するにあたり、
循環流量により前記第1圧力源から前記ノズルまでに生じる圧損をΔPaとして、差圧(P1-P2)とΔPaとの比例定数aを求め、
ノズル開口近傍に生じる適正圧力をPnとして、P2={Pn-(1―a)P1 }/aの関係が成立するように設計するインクジェット記録装置の製造方法。 - 差圧(P1-P2)が0〔Pa〕である非循環時に前記ノズルからインクが溢れるP1の限界値をP11、差圧(P1-P2)が0でない任意の値である循環時に前記ノズルからインクが溢れる時のP1の限界値をP12として、
差圧(P1-P2)を任意の値に保持してP1とP2の値を変化させることによりP11及びP12を求め、
ΔPa=|P12-P11|の関係によりΔPaを算出し、さらに差圧(P1-P2)とΔPaとの相関からaを求める請求項5に記載のインクジェット記録装置の製造方法。 - 前記ノズルからインクを吐出したときに生じる圧損をΔPb、前記ノズルの径をd、インクの表面張力をσとして、Pnは、0〔Pa〕未満、かつ、-(4σ/d-a(P1-P2)-ΔPb)より大きい値とする請求項5又は請求項6に記載のインクジェット記録装置の製造方法。
- 循環時で非吐出時に前記ノズルから気泡巻き込みが発生する時のP1の限界値をP13、循環時で吐出時に前記ノズルから気泡巻き込みが発生する時のP1の限界値をP14として、
差圧(P1-P2)を0でない任意の値に保持してP1とP2の値を変化させることによりP13及びP14を求め、
ΔPb=|P14-P13|の関係により、ΔPbを求める請求項7に記載のインクジェット記録装置の製造方法。
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