(57)【要約】  速度変調タイプの液滴発生器１０であり、発生器１０は圧電結晶６０によって発生される変調エネルギーの実質的に全てがノズル３４の振動に変換されるように構成される。発生器は、発生器が動作中でないときにはノズル３４を遮断するが、発生器が動作中であるときには変調プロセスから分断される、内部閉鎖機構７０を含むことが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作周波数及び該動作周波数よりも実質的に高い共鳴周波数を有する液滴発生器（１０）であって、
流体室（２２、２４、３７）と、
該流体室（２２、２４、３７）からの出口を画定するノズル（３４）と、
使用時に、該ノズル（３４）を通して噴射軸（６５）に沿って放出される流体の流れが液滴になるように、前記流体室（２２、２４、３７）に対して前記ノズル（３４）を動作周波数で振動させるアクチュエータ（６０）と、を備え、
前記流体室（２２、２４、３７）は、実質的に硬質であり実質的に不動の本体（２０、３２）内に画定され、
前記アクチュエータ（６０）の出力は、前記本体（２０、３２）に対して前記ノズル（３４）を前記噴射軸（６５）にほぼ沿って振動させるために加えられることを特徴とする、液滴発生器。
【請求項２】
前記本体（２０、３２）の質量は、前記ノズル（３４）の質量よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の液滴発生器。
【請求項３】
前記本体（２０、３２）は、本体部（２０）及びノズル体（３２）によって構成され、前記ノズル（３４）は、前記ノズル体（３２）の中又は上に配置され、前記流体室（２２、２４、３７）は、前記本体（２０）及び前記ノズル体（３２）の組み合わせ内に画定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の液滴発生器。
【請求項４】
前記流体室のうち前記本体部（２０）内に画定される部分（２２、２４）は、前記噴射軸（６５）を中心としてほぼ円筒形であることを特徴とする請求項３に記載の液滴発生器。
【請求項５】
前記アクチュエータ（６０）は、前記ノズル体（３２）と前記本体部（２０）との間に配置される１つ又は複数の圧電結晶（６０）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の液滴発生器。
【請求項６】
前記ノズル（３４）は、前記ノズル体（３２）に固定される宝石によって構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の液滴発生器。
【請求項７】
前記流体室（２２、２４、３７）を通り、且つ前記アクチュエータ（６０）が動作中ではないときに流体が前記ノズル（３４）を通るのを防止するように前記ノズル（３４）と係合可能であるとともに、前記アクチュエータ（６０）が動作中であるときは前記本体（２０、３２）に対して実質的に静止保持される閉鎖手段（７０）をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の液滴発生器。
【請求項８】
前記閉鎖手段（７０）は前記噴射軸（６５）にほぼ沿って変位可能であることを特徴とする請求項７に記載の液滴発生器。
【請求項９】
前記閉鎖手段（７０）は、前記噴射軸にほぼ沿って取り付けられるロッド（７０）を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の液滴発生器。
【請求項１０】
液滴発生器（１０）であって、
流体室（２２、２４、３７）と、
該流体室（２２、２４、３７）からの出口を画定するノズル（３４）と、
使用時に、該ノズル（３４）を通して噴射軸（６５）に沿って放出される流体の流れが液滴になるように、前記流体室（２２、２４、３７）に対して前記ノズル（３４）を振動させるように動作可能であるアクチュエータ（６０）と、を備えた液滴発生器において、
前記流体室（２２、２４、３７）を通り、且つ前記アクチュエータ（６０）が動作中ではないときに流体が前記ノズル（３４）を通るのを防止するように前記ノズル（３４）と係合可能であり、前記アクチュエータ（６０）が動作中であるときに移動を抑制される閉鎖手段（７０）を備えたことを特徴とする液滴発生器。
【請求項１１】
前記ノズル（３４）は、前記流体室（２２、２４、３７）に対する前記噴射軸（６５）に沿った変位を制限され、前記閉鎖手段（７０）は、該閉鎖手段（７０）が前記ノズル（３４）と接触する閉位置と、流体が該ノズル（３４）を通ることができる開位置との間で前記噴射軸（６５）に沿って変位可能であることを特徴とする請求項１０に記載の液滴発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴発生器に関し、特に、連続式インクジェットプリンタ用の液滴発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
連続式インクジェットプリンタの中核は、液滴発生器である。この構成部品は、インク塊から液滴の流れを発生させる。
【０００３】
液滴発生器の設計には既知の理論的基礎があるが、これに関連していくつかの実際的な制限がある。
【０００４】
インク流から液滴への分割にしては、レイリーによって説明されている数学的理論がある。変調として知られるプロセスである、流れから液滴を形成する基礎を成す仕組みは、インクの流れに不安定性をもたらすことを伴う。不安定性に影響を及ぼす要因は、インクの表面張力、インクの濃度、ノズルの直径、及びジェットに沿って不安定性をもたらすのに用いられる振動の波長を含む。
【０００５】
したがって、異なるインクには異なる液滴発生器が必要であり得ることになる。
【０００６】
連続式インクジェットプリンタには、２つの主な変調方法がある。第１の方法では、インクをノズルから放出させる前に室内で直接振動させる。これは、圧力変調として知られている。第２の方法では、ノズルと接触しているインク塊に対してノズルを振動させる。これは、速度変調として知られている。現実には、１つの変調システムが、圧力変調及び速度変調の両方の要素を含み得る。
【０００７】
歴史的経験により、通常の液滴発生器は４０〜１３０ｋＨｚの周波数範囲で動作しながらインク液滴を生成しなければならないことがわかっている。インク液滴の流れが印刷対象の基材に衝突する速度には実際的な上限があることもよく知られている。本質的には、周波数、ノズルサイズ、及び印刷品質の相互関係は、よく知られている。
【０００８】
これまで、液滴発生器は、圧電結晶から得られる音響エネルギーを用いて、液滴を生成するのに必要な不安定性を発生させていた。通常、これらの発生器は、所要電力及びエネルギー損失を最小限に抑えるために共鳴システムとして設計及び作製されてきた。しかしながら、いずれの製造プロセスにも付き物である公差の変動がシステムの共鳴の変動につながるため、大量生産による共鳴システムでは必然的に問題が生じる。共鳴の変動の結果として、既存の液滴発生器は、通常、ユニット間で性能に一貫性がない。この変動性を補償するための１つの調整方法は、必要な性能が得られるまでノズル等のシステムの構成部品を変更することである。この方法は、熟練した技術者の介入が必要であるという点で非効率的である。たとえば、ノズルの変更による調整には通常、プリンタごとに複数のノズルを廃棄することが必要となることが分かっている。
【０００９】
これまで、共鳴システムに付き物の問題に対処するために努力が尽くされてきた。欧州特許第０２５２５９３号は、非共鳴となるように特別に設計された液滴発生器を記載している。これは、液滴発生器の構成部品をポリフェニレンスルフィド等の音響的に柔軟な材料から形成することによって得られる。液滴発生器を音響的に柔軟な材料から形成することで、共鳴をなくすことはできるが、本発明者らが行った実験研究により、音響的に柔軟な材料では変調（液滴発生プロセスの制御）が不十分になることがわかった。さらに、このような材料を大量生産ベースで効率的に用いるには、多大な工具費がかかるであろう。
【００１０】
非共鳴システムの別の例が、米国特許第３，９７２，４７４号に記載されている。しかしながら、この特許に記載されている液滴発生器の動作中、発生器内のインクの柱に大きな音響エネルギーが加えられるため、装置の設計はインク柱の基本共鳴周波数、したがってインクの音の速度を考慮に入れなければならない。これにより、装置はインクのタイプの影響を受けやすくなり、これは調整が必然的に必要であることを意味する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、少なくとも何らかの形で上述の問題に対処可能であり、又は少なくとも新規の有用な代替法を提供する液滴発生器、特に連続式インクジェットプリンタ用の液滴発生器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
したがって１つの態様では、本発明は、動作周波数及び当該動作周波数よりも実質的に高い共鳴周波数を有する液滴発生器であって、
流体室と、
当該流体室からの出口を画定するノズルと、
使用時に、当該ノズルを通して噴射軸に沿って放出される流体の流れが液滴になるように、上記流体室に対して上記ノズルを動作周波数で振動させるアクチュエータと、を備え、上記流体室は、実質的に硬質であり実質的に不動の本体内に画定され、
上記アクチュエータの出力は、上記本体に対して上記ノズルを上記噴射軸にほぼ沿って振動させるために加えられることを特徴とする、液滴発生器を提供する。
【００１３】
好ましくは、上記本体の質量は、上記ノズルの質量よりも大きい。
【００１４】
好ましくは、上記本体は、本体部及びノズル体によって画定され、上記ノズルは、上記ノズル体の中又は上に含まれ、上記流体室は、上記本体部及び上記ノズル体の組み合わせ内に画定される。
【００１５】
好ましくは、上記流体室のうち上記本体内に画定される部分は、上記噴射軸に関してほぼ円筒形である。
【００１６】
好ましくは、上記アクチュエータは、上記ノズル体と上記本体との間に配置される１つ又は複数の圧電結晶である。
【００１７】
好ましくは、上記ノズルは、上記ノズル体に固定される宝石によって画定される。
【００１８】
好ましくは、上記液滴発生器は、上記流体室を通り、且つ上記アクチュエータが動作中ではないときに流体が上記ノズルを通るのを防止するように上記ノズルと係合可能であり、上記アクチュエータが動作中であるときに上記本体に対して実質的に静止保持される閉鎖手段をさらに含む。
【００１９】
好ましくは、上記閉鎖手段は、上記噴射軸にほぼ沿って変位可能である。
【００２０】
好ましくは、上記閉鎖手段は、上記噴射軸にほぼ沿って取り付けられるロッドを含む。
【００２１】
第２の態様では、本発明は、液滴発生器であって、
流体室と、
当該流体室からの出口を画定するノズルと、
使用時に、当該ノズルを通して噴射軸に沿って放出される流体の流れが液滴になるように、上記流体室に対して上記ノズルを振動させるように動作可能であるアクチュエータと、
上記流体室を通り、且つ上記アクチュエータが動作中ではないときに流体が上記ノズルを通るのを防止するように上記ノズルと係合可能であり、上記アクチュエータが動作中であるときに移動を抑制される閉鎖手段と
を含む、液滴発生器を提供する。
【００２２】
好ましくは、上記ノズルは、上記噴射軸に沿った上記流体室に対する変位を制限され、上記閉鎖手段は、当該閉鎖手段が上記ノズルと接触する閉位置と、流体が上記ノズルを通ることができる開位置との間で上記噴射軸に沿って変位可能である。
【００２３】
本発明を実施するうえで様々な多くの変形が可能である。以下の説明は、本発明を実施する１つの手段の一例である。変形形態又は均等物の説明がなされていなくても、それを限定としてみなすべきではない。可能な限り、具体的な要素の説明は、現存しているか将来的なものかに関係なくその全てのあらゆる均等物を含むとみなすべきである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって解釈すべきである。
【００２４】
次に、添付図面を参照して本発明の種々の態様を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
最初に図１を参照すると、本発明は、４つの主な要素を有する液滴発生器１０を提供する。これらの要素は、本体１２、ノズルアセンブリ１４、ノズルアセンブリ内に含まれるノズルを振動させるアクチュエータアセンブリ１６、及び停止／始動機構１８を含む。
【００２６】
本発明の分野で既知のように、液滴発生器は、動作周波数及び共鳴周波数を有する。これまで従来は、共鳴周波数が必要な動作周波数であるか又はそれに非常に近づけるために多大な努力がなされてきた。本発明の１つの特徴は、共鳴周波数と動作周波数とが互いに大きく異なるように液滴発生器を設計及び作製することである。
【００２７】
図示の形態では、本体は、例えばステンレス鋼等を材料とするブロック２０から成る。好適なステンレス鋼の級は３１６であり、これは約８０００ｋｇ／ｍ３の密度を有する。
【００２８】
ブロック２０には、円筒形の前室２２、円筒形の後室２４、及び室２２と２４との間にある保持部２６が形成される。ポート２８及び２９がブロック２０に形成され、室２２及び２４とそれぞれ連通する。使用時には、洗浄流体がポート２８を通して室２２に入れられ、インクがポート２９を通して室２４に入れられる。
【００２９】
インク及び洗浄流体は、ブロック２０の外面に固定されるマニホルドアセンブリ（図示せず）からポート２９及び２８に供給することができる。通常は、環状のＯリングシール３０が、マニホルドとブロック２０との間からの液体の漏れを防止するために設けられる。
【００３０】
ノズルアセンブリ１４は、本体であるブロック２０と流体連通しており、図示の形態では、ノズルアセンブリ１４は、ノズル体３２及びノズル体３２に取り付けられるノズル部材３４を備える。ノズル体３２は同じく３１６級ステンレス鋼から形成されることが好都合であり、前フランジ３５、ブロック２０内に部分的に受け入れられる後方に延びるステム３６、及びステム３６内に軸方向に延び前フランジ３５で出口３８となる貫通孔３７を有する。ノズル部材３４が貫通孔３７の出口３８に被さるようにノズル部材３４を所定位置に取り付けるために、前フランジ３５に適当なマウント４０が設けられる。好都合には、マウント４０は、ノズル部材３４を所定位置に保持するためにノズル部材３４の縁に圧着することができるカラー４１（又はカラーの一部）を備える。ノズル部材３４を前フランジ３５に固定する他の方法としては、限定はされないが接着がある。取り付けは、アクチュエータアセンブリ１６の影響下で宝石（ジュエル）をわずかに（１ミクロン程度）軸方向に移動させるようなものである。
【００３１】
ステム３６が前フランジ３５から後方に延びているその最初の外側部分は、平らな円筒面４４を備えており、その目的はより詳細に後述する。円筒面４４の後縁はカラー４６の形状となり、カラー４６は、本体の前室２２内への滑り嵌め部分である。図から分かるように、カラー４６の周りには環状溝４７が設けられ、そこにＯリングシール４８を嵌めて、室２２内の流体がステム３６の外面を伝って逃げるのを防止することができる。最後に、ステム３６の後方の外周面４９は、本体部２０の中間部２６と協働して本体内にノズル体を保持するようなサイズ及び形状にされる。図示のように、これは、本体の中間部２６及びノズル体の後方外周面４９に互いに螺合するねじを形成することによって得られる。本体内にノズル体３２を保持する他の手段を用いることもできるが、ねじ山は、以下の説明から明らかなようにさらなる利点を有する。
【００３２】
ステム３６は、本体部２０の前室２２を通る場所に、貫通孔３７を室２２と連通させる１つ又は複数の半径方向のポート５０を有することにも留意されたい。
【００３３】
ノズル部材３４は、所望の寸法の放出開口が貫通している宝石によって画定されることが好ましい。穿孔したサファイア石を用いることが当該技術分野において既知である。代替的なノズル部材としては、貫通孔の出口３８に被さるようにフランジ３５の前面に圧着（クリンプ）又は接着することができる箔がある。
【００３４】
液滴発生を行うためには、ノズル部材をインク源に対して所定の周波数で振動させる。本明細書に記載の液滴発生器の実施形態では、これは、本体部２０及びノズル体３２の平行面部分同士の間に振動作用を加えることによって行われる。図示の形態では、振動作用は、本体部２０の前面５４とノズル体３２の前フランジ３５の後面との間で発生させられる。しかしながら、構成部品２０及び３２は実質的に硬質の材料で形成されるため、振動はノズル体３２を通してノズル部材３４に伝達される。
【００３５】
従来の方法では、振動源は、１つ又は複数、この場合は２つの圧電結晶アクチュエータ６０である。これらは、絶縁スリーブ６２に取り付けられ、絶縁スリーブ６２はさらに、ノズル体３２のステム３６に形成される平らな円筒面４４の周りに嵌められる。ノズル体と本体との間のねじ構成は、種々の構成部品の容易な組み立てを可能にし、圧電結晶６０に対する軸方向の締め付け力が確実に維持される。
【００３６】
結晶６０は、適当な駆動回路（図示せず）から駆動される。正の駆動端子６４が結晶間に挟まれるように図示されている。各結晶の他方の側は、接地される本体部２０を介して接地される。
【００３７】
好ましいか又は必要な振動形態としては、ノズル部材３４がステム３６及び室２２の軸にほぼ沿って振動させられるものである。しかしながら、他の形態も起こる可能性があり、これら他の形態は、円筒面４４がその軸に沿った変形以外の形で変形しないようにすることによって（事実上なくならないとしても）減らされる。絶縁スリーブ６２が強力であるほど、他の振動形態が液滴発生性能を低下させることが少なくなる。
【００３８】
使用時には、ポート２９から供給されるインクは、貫通孔３７を通ってノズル部材の後面に達する。続いて、結晶６０の作動により、ノズル部材３４が噴射軸６５（図２）にほぼ沿って振動すると、インクがノズル開口を通って流れて液滴になる。
【００３９】
本発明による液滴発生器では、始動／停止機構１８が組み込まれることが重要である。このような機構を含む理由は、本発明者らの欧州特許第０４８２１２３号に記載されているとおりである。しかしながら、（ノズル部材が変位するという）この速度変調用途においてこのような設備を実施することは、特に始動／停止機構の主構成要素の固有振動が発生器の動作周波数範囲内にあるという重大な問題があった。したがって、慎重に制御しなければ、始動／停止機構は変調に干渉することになる。
【００４０】
図示のように、主な始動／停止要素はプランジャ７０の形態の閉鎖手段を備え、それは実質的に室２２及び円筒面４４と同軸、したがって噴射軸６５上に設けられる。プランジャ７０は、ノズル体のステム３６及びノズル部材自体ともほぼ同軸上にある。実際には、図１に示されるように、プランジャは貫通孔３７の中心を通る。プランジャ７０は、その自由端にエラストマーシール７１を含み、このシールはノズル部材３４の後面と接触して、インクがノズル部材を不意に通過するのを防止する。
【００４１】
プランジャ７０は、本体部２０の後室２４に被さるソレノイド７４によって、ノズル部材と接触する閉位置に関して出入りするように変位する。プランジャをノズル部材３４に対して付勢するために、ばね７６が設けられる。
【００４２】
図示の形態では、ばね７６は、プランジャ７０の後端に設けられた軸方向孔７８内に着座している。止めねじ８０及び止めねじと接触して止めねじによって変位可能なバックストップ８２を含む調整機構が設けられる。バックストップ８２は、インクが室２４から後方に逃げるのを防止するための環状シール８３を有する。使用時には、止めねじ８０をその取り付けボス８４内で回転させて、バックストップ８２を位置決めすることで、ソレノイド７４の影響下でのプランジャ７０の移動を制限する。すると、これによってプランジャとノズル部材３４との間に動作クリアランスができる。通常、動作クリアランスは、流体（インク）の共鳴が装置の動作特性に影響を及ぼすことができないほど小さい約２００ミクロンに設定される。
【００４３】
始動／停止機構がシステムの変調特性に及ぼす影響を最小限に抑えるために、始動／停止機構は、液滴発生器の動作中は変調プロセスから事実上分離又は分断される。これは、欧州特許第０４８２１２３号に記載の構成とは対照的であり、本明細書に示す形態では、本体部２０に対してプランジャ７０を実質的にロックすることによって行われる。このために、ソレノイド７４に通電してプランジャ７０を開位置に後退させると、プランジャはバックストップ８２に対してしっかりと接触保持される。このように、プランジャは、事実上所定位置にロックされ、変調プロセスに実質的に影響を及ぼさない。
【００４４】
動作システムは、ソレノイド７４が通電され、プランジャ７０が開位置に後退してロックされた直後に、動作電圧が結晶６０に加えられるように構成される。したがって、プランジャは、その軸に沿って往復不能となり、変調に影響を及ぼすことができない。
【００４５】
使用時には、液滴発生器が連続式インクジェットプリンタのプリントヘッドアセンブリに堅固に締着されて、結晶６０に加えられる振動駆動電流が振動を生成するが、この振動は、ノズル３４の質量が本体部２０の質量よりも大幅に小さく、発生器自体が移動できないため、ノズル部材の振動にほぼ完全に変換される。
【００４６】
ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）から形成された本体で実験が行われたが、構造的により剛直な性質のステンレス鋼を用いれば、所与のサイズの場合、ノズル部材の望ましくない振動形態がより良好に抑制される。
【００４７】
本明細書に記載の液滴発生器は、約２００ｋＨｚの共鳴周波数を有することが分かる。これは、６４〜１２８ｋＨｚの範囲の通常の動作周波数とは対照的であるが、本明細書に記載の装置は、試験中、５０〜１５０ｋＨｚ範囲の周波数で動作して好結果を示している。したがって、この液滴発生器は、粘度及び温度の異なるインクで動作するように容易に調整できることが理解されるであろう。
【００４８】
上述した液滴発生器のさらなる特性は、音響エネルギーのほぼ全てがノズル部材３４の振動に加えられるため、インクには音響エネルギーがほぼ加えられず、その結果、インクの共鳴（複数可）を無視できることである。変調の差は、インクとノズルとの間の相互作用によってのみ決まる。
【００４９】
図３は、１１種類の異なるインクに関して変調を開始させるのに必要な変調電圧を示すプロットである。図から分かるように、変調は、試験したインクの全てに関して、さらなる調整を全く必要とせずにこのタイプの装置の標準的な動作電圧範囲（ウインドウ）内で良好に達成することができる。これは、異なるインクで機能するには駆動ロッドの交換が通常必要である本発明者らのＡシリーズプリンタで現在用いられている圧力変調液滴発生器とは対照的である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明による液滴発生器の断面図を示す。
【図２】図１に示す液滴発生器に含まれるノズル部材の拡大図を示す。
【図３】様々な異なる流体を用いる本発明による液滴発生器の変調挙動を示す。
【符号の説明】
【００５１】
１０  液滴発生器
１２  本体
１４  ノズルアセンブリ
１６  アクチュエータアセンブリ
１８  停止・始動機構
２０  ブロック（本体部）
２２、２４  室
３２  ノズル体
３４  ノズル部材
３６  ステム
３７  貫通孔
４４  円筒面
６０  結晶（アクチュエータ）
６５  噴射軸
７０  プランジャ
７４  ソレノイド
【図１】
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【図２】
2008512277.tif 000004
【図３】
2008512277.tif 000005
【国際調査報告】
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2008512277.tif 000007
2008512277.tif 000008
2008512277.tif 000009