(57)【要約】【課題】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。【解決手段】連続吐出型インクジェット装置において、該インク液滴を噴射する手段に中心軸付近の速度を抑制する手段を設けることにより、吐出される液柱において中心より外周の速度が高速のため、液柱の表面の速度が早く高速になり、液柱の表面を進行方向に伝搬する表面張力波は、速度が液滴分裂に適切な速度に早くなることにより、早く増幅し、早く液滴分裂が発生し、液滴分裂がノズルの次に設置されている帯電電極内で確実に発生するため、印字品質性能が安定したインクジェット記録装置が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、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、該インク液滴を噴射する手段の中心軸上に軸付近速度抑制手段を設けたことを特徴とするインクジェット装置。
【請求項２】
請求項１に記載したインクジェット記録装置において、前記軸付近速度抑制手段が進行方向に向かって断面積が増大するものをノズル内に設置することを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項３】
請求項１に記載したインクジェット記録装置において、前記軸付近速度抑制手段が進行方向に向かって断面積が減少するものをノズル内に設置することを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項４】
請求項１に記載したインクジェット記録装置において、前記軸付近速度抑制手段が、内側と外側に流れを分ける管であって内側の速度を外側より抑えるようになっていることを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項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、前記軸付近速度抑制手段のノズル出口に近い端とノズル出口との距離が、ノズル出口の直径の３０倍以内とすることを特徴とするインクジェット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェット記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、高メンテナンス性、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。
【０００４】
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。
【０００５】
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）。
【０００６】
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滴ごとに行う必要がなく、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。
【０００７】
連続吐出型インクジェット記録装置の多くは、前述のように圧電素子等により液を加振により振動させ、吐出するインク柱を切断させるが、ノズル出口から液柱の切断までの距離（分裂距離）が長いと、それだけ、インクジェットヘッドの長さが長くなったり、帯電電極の内で液滴に切断できず帯電量を十分に付与できないために印字歪が大きくなる問題が発生していた。特に、高分子や表面活性剤など含有物を混入させたインクでは、分裂距離が長くなる問題があった。
【０００８】
液柱はどのようにして切断されるかに関して述べる。圧電素子等により液をある周波数で加振することにより振動させると、ノズルから出た層流の液柱の表面に同周波数の表面張力波が発生し、この表面張力波が液柱と共に進行するに従って振幅が増幅し、液柱の中心軸まで達すると切断し、等しい径の液滴が一列に並んで飛行する流れとなる。液滴分離現象に関しては、Plateau(1856年)が表面張力波の波数k（＝2π/波長）とノズル半径aがk・a ＜１（k・aを粒子化定数と呼ぶ）の条件を満たすとき、くびれ振幅が成長して液滴に分裂することを示した。その後、Rayleigh（1879年、Rayleigh、L.、 “On the Instability of Jets、” Proc. London Math. Soc. 10、 pp.4-13. ）は円筒モデルによる微小変形理論により、k・a＝１/√２のとき、振幅成長率が最も大きくなることを示した。表面張力波は液柱の表面に乗って進行するため、前記波数ｋは、液柱の流速Uと加振周波数ｆとから、k＝2πf/Uとなる。すると、最適な液柱の速度は、U=2√２πa・fとなる。連続吐出型インクジェット記録装置の多くは、インクジェットの速度をこの値に近く設定している。ところが、実際は、ノズル内の壁面では流速がゼロであるため、インクジェットの表面速度がこの所定の速度Uになるには、ノズルを出てから時間がかかっている。そこで、分裂距離が長くなってしまい、印字体までの距離が長くなったり、帯電電極の内で液滴に切断がされず、粒子への帯電量が不十分となって、印字不良が発生してしまう問題があった。
【０００９】
特開昭53-77626号公報（以下、特許文献１と呼ぶ）には、ノズル内の気泡を取り除くために、インクジェットのノズルにフィルタを挿入し、そのフィルタに螺旋溝を設けて旋回流を発生したり、フィルタの外周に大きな穴を開けて乱流化することが記載されている。
【００１０】
また、特開2000-190508号公報（以下、特許文献と呼ぶ）には、連続吐出型インクジェット記録装置では、ノズル出口に非対称の熱を加えてジェットの方向を偏向させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭53-77626号公報
【特許文献２】特開2000-190508号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記従来技術に記載されている螺旋通路による旋回流発生型構造や外周穴による乱流化やノズル出口での非対称加熱では、液ジェットの分裂距離を縮小させることはできない。
【００１３】
従来、いろいろな印字目的のため、高分子や表面活性剤など様々な物質をインクに混入させるために、液滴分裂が遅れ、帯電電極内で分裂しないため、液滴に十分な帯電量を加えられず、印字歪が増大する問題があった。
【００１４】
そこで、本発明では、連続型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）における液滴生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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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、該インク液滴を噴射する手段に中心軸付近の速度を抑制する手段を設けることにより、吐出される液柱において中心より外周の速度が高速になるため、液柱の表面速度が早く高速になることにより、液柱の表面を進行方向に伝搬する表面張力波の速度が液滴分裂に適切な速度に早くなり、表面張力波が早く増幅して早く液滴分裂が発生し、液滴分裂がノズルの次に設置されている帯電電極内で確実に発生するため、印字品質性能が安定したインクジェット記録装置が提供される。
【００１６】
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。
【発明の効果】
【００１７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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詳細説明図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】本発明が適用されるインクジェット装置の全体構成図である。
【図８】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。
【図９】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効果説明図である。
【図１０】本発明の第４の実施例である３Ｄプリンティング用の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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を用いて詳細に説明する。
【実施例】
【００２０】
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。
【００２１】
図７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７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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
（第１の実施例）
以下に述べる本発明の実施例は、図７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。
【００２９】
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の概略構造について、図１、２、３、４を用いて説明する。
【００３０】
図１は、本発明の第１の実施例の要部構成図であり、図７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はノズルヘッド２の中の要部構成図、図３は図１のインク室１の出口付近ＡＡ断面付近のインクの速度分布の進行方向の変化を示す詳細説明図である。図４は本発明の第１の実施例の要部構成図である。
【００３１】
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。インク室１の内部には、中心軸（インク入射線１‘）付近の速度を抑制する軸付近速度抑制手段１７が設置されている。
【００３２】
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、表面に表面張力波が誘引され、その表面張力波の振幅が増大して、液滴として切断され、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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
図８は本発明とは異なる例（従来例）であり、図９は図８のインク室１の出口付近のインクの速度分布の進行方向の変化を示す詳細説明図であり、本発明との比較のための比較例を示す図である。図８に示すように、インク室１は内径が順次縮小されて出口に向かう貫通穴となっている。一般的に知られているように、穴の内壁で流体の速度はゼロであり、穴の内部の速度分布は、図９の断面Ｄに示すように中心軸上で最大値を持つ放物線形状をしている。従って、インクがノズルヘッド２を出てもその出口近くでは、断面ＡＡの速度分布のように、外周で速度がゼロの放物線形状をしている。その速度分布は、ノズル出口２’から進行方向に進むに従い、断面Ｂ、Ｃのように、全体が一様な速度になるように変化していく。ここで、インクの外周の速度はゼロに近いため、表面を伝搬する表面張力波の速度はゼロに近い。そこで、前記に述べたように表面張力波が増幅しないため、ノズル出口２’から液滴が分裂するまでの距離（分裂距離）が長く、図８に示すようにノズルの出口に設けてある帯電電極３、８の出口付近となっているため、分裂した液滴に十分な帯電が行われず、印字歪（印字体１６での着弾位置の誤差）が大きくなる問題が発生した。
【００３８】
これに対して、本発明の第１の実施例では、インク室１の内部に軸付近速度抑制手段１７が設置されているため、図２に示すように、インク室１内のインクは最初速度ベクトル１８のように進んできた後、速度ベクトル１９のように軸付近速度抑制手段１７の外周に絞られ増速偏向し、次に速度ベクトル２０のように内側に絞られる。このとき、中心軸付近の速度は速度ベクトル２１のように小さいため、ノズル直管２”の内部の速度分布は、図３の断面Ｄに示すように中心軸（インク入射線１’）付近の速度が周辺より低い凹型速度分布となっている。そこで、ノズル出口２’の出口での速度分布も断面Ａのように凹型速度分布となっている。凹型速度分布であると、高速領域が中心軸より外側にあり外周に近いため、ノズル出口２’から出た液柱の表面の速度が所定の一様速度に早く到達するため、分裂距離が短くなり、帯電電極３、８内で確実に分裂するため、液滴への帯電が十分適正に行われ、印字歪が小さい印字性能が安定したインクジェットプリンタを提供できる効果がある。
【００３９】
このように本発明の第１の実施例では、軸付近速度抑制手段１７により、ノズル出口から出た液柱の表面の速度が所定の一様速度に早く到達するため、液滴への切断が短距離で、帯電電極内で行われるため、液滴への帯電が十分適正に行われるため、印字歪が小さいインクジェットプリンタを提供できる効果がある。
【００４０】
ここで、軸付近速度抑制手段１７は、放射状の支持部材（図示せず）でノズルヘッド２に支持されていることは言うまでもない。図４はその支持手段１７’の例を示したものである。また、ノズル出口２’の直径の長さ寸法としては、例えば、０．１ｍｍ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、軸付近速度抑制手段１７のノズル出口２’に近い端とノズル出口２’との距離はノズル出口２’の直径の３０倍以内が望ましい。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
以上のように、本発明の第１の実施例によれば、印字歪の小さ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。
【００４４】
（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。
【００４５】
図５は、本発明の第２の実施例の要部構成図である。図５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５において、軸付近速度抑制手段１７は、進行方向に断面積が小さくなる円錐形状となっている。このように構成することにより、円錐の突端をノズル出口２’に近づけられるので、より中心軸付近の速度を下げた凹型速度分布を生成でき、分裂距離を短くできる効果がある。
【００４６】
（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６は、本発明の第３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、軸付近速度抑制手段１７は、内側と外側にインクの流れを分ける２重管構造となっており、出口において内側の速度が外側の速度より遅くなっている。この速度分布は、２重管の内側に対する外側の断面積比を入り口で小さく、出口で大きくすることにより得られる。
【００４７】
このように構成することにより、二重管の内外の径の選択で速度分布を制御できるのでインク特性にあった切断距離を容易に設計できる効果がある。
（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１０は、本発明の第４の実施例の要部構成図である。図１０において、１６‘は３Ｄプリンティング製作物である。本実施例では、液滴を帯電させない場合の例を示している。ノズル出口２’から吐出した液滴6は、図のように液滴列を形成する。液滴が３Ｄプリンティング製作物１６‘まで到達する間に、空気流ノズル２３が設置され、この空気流ノズル２３から高速の空気流が液滴６に衝突するように間歇的に吐出され、３Ｄプリンティングに必要の無い液滴２５は、吹き飛ばされてガター１３に回収されるようになっている。空気流ノズル２３の空気流の吐出は、空気流コントローラ２４によって制御されている。
【００４８】
このように構成することにより、いろいろな材料を含んだインクにより３Ｄプリンティングを製作できる効果がある。
【符号の説明】
【００４９】
１・・・インク室、１’・・・インク入射線、２・・・ノズルヘッド、２’・・・ノズル出口、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・・・軸付近速度抑制手段、１８・・・速度ベクトル、１９・・・速度ベクトル、２０・・・速度ベクトル、２１・・・速度ベクトル、２３・・・空気流ノズル、２４・・・空気流コントローラ、２５・・・液滴、３２・・・インクジェットヘッド、３３・・・制御電圧電源、３６，４６・・・ポンプ、３７・・・メイン制御装置、３９・・・インク濃度制御装置、４０・・・濃度測定器、４１・・・溶媒貯蔵槽、４２・・・ポンプ、４３・・・液体貯蔵槽、４７・・・交流電源、４４・・・搬送制御装置、４５・・・  搬送機構、４７・・・圧電素子駆動交流電源、４９・・・液滴形状観測装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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