特開 2024-94498 液滴吐出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024094498

(43)【公開日】2024-07-10

(54)【発明の名称】液滴吐出装置

(51)【国際特許分類】

   B41J 2/14 20060101AFI20240703BHJP

【ＦＩ】

B41J2/14 501

B41J2/14 305

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022211072

(22)【出願日】2022-12-28

(71)【出願人】

【識別番号】000005267

【氏名又は名称】ブラザー工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001841

【氏名又は名称】弁理士法人ＡＴＥＮ

(72)【発明者】

【氏名】水野 泰介

【テーマコード（参考）】

2C057

【Ｆターム（参考）】

2C057AF01

2C057AF21

2C057AG15

2C057AG16

2C057AG31

2C057AG32

2C057AG44

2C057AN05

2C057BA04

2C057BA14

2C057DB04

(57)【要約】

【課題】高い駆動周波数かつ高い記録解像度で、記録に十分な量の液滴を吐出させる。
【解決手段】プリンタは、ノズルとノズルに連通する圧力室とを含む個別流路を有する流路部材と、圧力室内のインクに圧力を付与してノズルからインク滴を吐出させる圧電素子とを備えている。個別流路の固有周波数Ｆｒは１２０～１６０ｋＨｚであり、インク滴により記録される画像の解像度である記録解像度は１２００ｄｐｉ以上である。さらに、ノズルの径Ｄ［μｍ］と個別流路の固有周波数Ｆｒ［ｋＨｚ］とは、Ｄ≧０．０３４３×Ｆｒ＋６．６９７９を満たす。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ノズルと前記ノズルに連通する圧力室とを含む流路を有する流路部材と、
前記流路部材に固定され、前記圧力室内の液体に圧力を付与して前記ノズルから液滴を吐出させる圧電素子と、を備え、
前記流路内の液体の固有周波数Ｆｒが１２０～１６０ｋＨｚであり、
前記液滴により記録される画像の解像度である記録解像度が１２００ｄｐｉ以上であり、
前記ノズルの径Ｄ［μｍ］と前記固有周波数Ｆｒ［ｋＨｚ］とがＤ≧０．０３４３×Ｆｒ＋６．６９７９を満たすことを特徴とする、液滴吐出装置。

【請求項2】

前記ノズルの径Ｄ［μｍ］と前記固有周波数Ｆｒ［ｋＨｚ］とがＤ≦０．０４５３×Ｆｒ＋１０．２６１を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の液滴吐出装置。

【請求項3】

前記ノズルが一列３００ｄｐｉ以上のピッチで配置されたことを特徴とする、請求項１に記載の液滴吐出装置。

【請求項4】

前記圧電素子は薄膜圧電素子であることを特徴とする、請求項１に記載の液滴吐出装置。

【請求項5】

前記薄膜圧電素子の厚みが１．５μｍ以下であることを特徴とする、請求項４に記載の液滴吐出装置。

【請求項6】

前記圧力室の幅が７０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の液滴吐出装置。

【請求項7】

前記圧力室の長さが５５０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の液滴吐出装置。

【請求項8】

前記ノズルからの液滴の吐出初速度が７ｍ／ｓ以上であることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載の液滴吐出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、ノズルピッチ１８０ｄｐｉのヘッドを２５～４０ｋＨ程度の駆動周波数で駆動することが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９－２７９８６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

高速記録を行うため、駆動周波数をより高くすることが考えられる。駆動周波数を高めるための手段の１つは、流路の固有周波数Ｆｒを高めることである。

【0005】

また、高画質化のため、記録解像度を１２００ｄｐｉ以上にすることが考えられる。

【0006】

しかしながら、固有周波数Ｆｒが高くなるにつれて、一般に、ノズルから吐出される液滴の量は減少する。したがって、固有周波数Ｆｒを高めた場合、ノズルの径によっては、記録に十分な量の液滴を吐出させることができない。

【0007】

本発明の目的は、高い駆動周波数かつ高い記録解像度で、記録に十分な量の液滴を吐出させることができる、液滴吐出装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る液滴吐出装置は、ノズルと前記ノズルに連通する圧力室とを含む流路を有する流路部材と、前記流路部材に固定され、前記圧力室内の液体に圧力を付与して前記ノズルから液滴を吐出させる圧電素子と、を備え、前記流路内の液体の固有周波数Ｆｒが１２０～１６０ｋＨｚであり、前記液滴により記録される画像の解像度である記録解像度が１２００ｄｐｉ以上であり、前記ノズルの径Ｄ［μｍ］と前記固有周波数Ｆｒ［ｋＨｚ］とがＤ≧０．０３４３×Ｆｒ＋６．６９７９を満たすことを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、固有周波数Ｆｒが１２０～１６０ｋＨｚであることで、駆動周波数を高めることができる。さらに、１２００ｄｐｉ以上と高い記録解像度である。この場合において、ノズルの径Ｄ［μｍ］と固有周波数Ｆｒ［ｋＨｚ］とがＤ≧０．０３４３×Ｆｒ＋６．６９７９を満たすことで、後述の解析結果のとおり、記録に十分な量の液滴を吐出させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係るプリンタ１００の平面図である。

【図2】プリンタ１００の電気的構成を示すブロック図である。

【図3】プリンタ１００のヘッドユニット１ｘを構成する４つのヘッド１の１つを示す平面図である。

【図4】図３のＩＶ－ＩＶ線に沿ったヘッド１の断面図である。

【図5】ノズルの径Ｄ、固有周波数Ｆｒ及びインク滴の量Ｖの関係を示すグラフである。

【図6】ノズルの径Ｄと固有周波数Ｆｒとの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

＜プリンタ１００の全体構成＞
本発明の一実施形態に係るプリンタ１００は、図１に示すように、筐体１００ａと、ヘッドユニット１ｘと、プラテン３と、搬送機構４と、制御部５とを備えている。ヘッドユニット１ｘ、プラテン３、搬送機構４及び制御部５は、筐体１００ａ内に配置されている。プリンタ１００は、さらに、筐体１００ａの外面に配置されたボタンで構成される、入力部を備えている。

【0012】

ヘッドユニット１ｘは、主走査方向に長い。主走査方向は、用紙９の幅に沿った方向であり、鉛直方向と直交する。ヘッドユニット１ｘは、位置が固定された状態で用紙９に対してインクを吐出するライン式である。ヘッドユニット１ｘは、４つのヘッド１を含む。４つのヘッド１は、それぞれ主走査方向に長く、主走査方向に千鳥状に配置されている。

【0013】

プラテン３は、鉛直方向と直交する平面に沿った板であり、ヘッドユニット１ｘの下方に配置されている。プラテン３の上面に用紙９が支持される。

【0014】

搬送機構４は、２つのローラ対４１，４２と、図２に示す搬送モータ４３とを含む。搬送方向において、ヘッドユニット１ｘとプラテン３との間に、２つのローラ対４１，４２が配置されている。搬送方向は、鉛直方向及び主走査方向と直交する。制御部５の制御により搬送モータ４３が駆動されると、ローラ対４１，４２が回転する。ローラ対４１，４２が回転することによって、ローラ対４１，４２に挟持された用紙９が搬送方向に搬送される。

【0015】

制御部５は、図２に示すように、ＣＰＵ５１と、ＲＯＭ５２と、ＲＡＭ５３とを含む。

【0016】

ＣＰＵ５１は、外部装置や入力部から入力されたデータに基づいて、ＲＯＭ５２やＲＡＭ５３に記憶されているプログラム及びデータにしたがい、各種制御を実行する。外部装置は、例えばＰＣである。

【0017】

ＲＯＭ５２には、ＣＰＵ５１が各種制御を行うためのプログラム及びデータが格納されている。ＲＡＭ５３は、ＣＰＵ５１がプログラムを実行する際に用いるデータを一時的に記憶する。

【0018】

＜ヘッド１の構成＞
ヘッド１は、図４に示すように、流路部材１２と、アクチュエータ部材１３とを含む。

【0019】

流路部材１２の上面には、図３に示すように、２つの供給口１２１及び２つの帰還口１２２が開口している。２つの供給口１２１は、流路部材１２における主走査方向の一端に配置されている。２つの帰還口１２２は、流路部材１２における主走査方向の他端に配置されている。供給口１２１及び帰還口１２２は、チューブを介してインクタンクと連通している。

【0020】

流路部材１２は、２つの共通流路１２Ａと、複数の個別流路１２Ｂとを有する。

【0021】

２つの共通流路１２Ａは、搬送方向に並び、かつ、それぞれ主走査方向に延びている。各共通流路１２Ａにおける主走査方向の一端に供給口１２１が接続し、各共通流路１２Ａにおける主走査方向の他端に帰還口１２２が接続している。各共通流路１２Ａは、供給口１２１及び帰還口１２２を介してインクタンクに連通し、かつ、複数の個別流路１２Ｂに連通している。

【0022】

各個別流路１２Ｂは、ノズル１２Ｎと、ノズル１２Ｎに連通する圧力室１２Ｐとを含む。個別流路１２Ｂは、本発明の「流路」に該当する。

【0023】

流路部材１２の下面に複数のノズル１２Ｎが開口し、流路部材１２の上面に複数の圧力室１２Ｐが開口している。鉛直方向と直交する平面において、ノズル１２Ｎの開口は略円形状であり、圧力室１２Ｐの開口は略矩形状である。

【0024】

圧力室１２Ｐの幅Ｗは、７０μｍ以下である。圧力室１２Ｐの長さＬは、５５０μｍ以下である。幅Ｗは主走査方向の長さであり、長さＬは搬送方向の長さである。

【0025】

ノズル１２Ｎは、図３に示すように、主走査方向に千鳥状に配置され、４つのノズル列Ｒ１～Ｒ４を構成している。各ノズル列Ｒ１～Ｒ４は、主走査方向に並ぶ複数のノズル１２Ｎで構成されている。

【0026】

各ノズル列Ｒ１～Ｒ４において、複数のノズル１２Ｎは、主走査方向に３００ｄｐｉ以上のピッチＰで配置されている。例えば、各ノズル列Ｒ１～Ｒ４における記録解像度が３００ｄｐｉの場合、ピッチＰは約８４μｍである。記録解像度とは、ノズル１２Ｎから吐出されたインク滴により記録される画像の解像度である。

【0027】

搬送方向に互いに隣接する２つのノズル列間では、主走査方向におけるノズル１２Ｎの位置が、ピッチＰの半分ずれている。これにより、各ノズル列Ｒ１～Ｒ４における記録解像度が３００ｄｐｉの場合、４つのノズル列Ｒ１～Ｒ４により１２００ｄｐｉの記録解像度が実現される。本実施形態のヘッド１は、主走査方向及び搬送方向において１２００ｄｐｉ×１２００ｄｐｉの記録解像度を有する。

【0028】

インクタンク内のインクは、制御部５の制御により図２に示すポンプ１０が駆動されることで、供給口１２１を介して共通流路１２Ａに供給され、共通流路１２Ａから複数の個別流路１２Ｂに分配される。

【0029】

各個別流路１２Ｂ内のインクは、後述する圧電素子１３Ｘの駆動により圧力室１２Ｐの容積が減少することで、ノズル１２Ｎからインク滴として吐出される。

【0030】

共通流路１２Ａ内を主走査方向の一端から他端に向けて移動し、帰還口１２２に至ったインクは、チューブを介してインクタンクに戻される。

【0031】

アクチュエータ部材１３は、図４に示すように、流路部材１２の上面に固定されている。アクチュエータ部材１３は、金属製の振動板１３Ａと、圧電層１３Ｂと、複数の個別電極１３Ｃとを含む。

【0032】

アクチュエータ部材１３は、振動板１３Ａの上面に圧電層１３Ｂとなる薄膜及び個別電極１３Ｃとなる薄膜を順に成膜することで形成された、薄膜圧電素子である。薄膜圧電素子とは、いわゆるmicro electro mechanical systems（ＭＥＭＳ)である。薄膜圧電素子の厚みは、１．５μｍ以下である。

【0033】

振動板１３Ａは、流路部材１２の上面に、複数の圧力室１２Ｐを覆うように配置されている。圧電層１３Ｂは、振動板１３Ａの上面に配置されている。個別電極１３Ｃは、圧電層１３Ｂの上面に、圧力室１２Ｐと鉛直方向に重なるように配置されている。

【0034】

振動板１３Ａ及び圧電層１３Ｂにおいて個別電極１３Ｃと圧力室１２Ｐとで挟まれた部分が、圧電素子１３Ｘとして機能する。圧電素子１３Ｘは、個別電極１３Ｃに付与される電位に応じて独立して変形可能である。

【0035】

振動板１３Ａ及び複数の個別電極１３Ｃは、ドライバＩＣ１４と電気的に接続されている。ドライバＩＣ１４は、振動板１３Ａの電位をグランド電位に維持する一方、個別電極１３Ｃの電位を変化させる。振動板１３Ａは、複数の圧電素子１３Ｘに共通の電極である共通電極として機能する。ドライバＩＣ１４は、制御部５からの制御信号に基づいて駆動信号を生成し、当該駆動信号を個別電極１３Ｃに供給する。駆動信号は、個別電極１３Ｃの電位を所定の駆動電位とグランド電位との間で変化させる。

【0036】

＜解析＞
本願発明者は、２０００個のヘッド１の解析モデルを用い、個別流路１２Ｂの固有周波数Ｆｒと、ノズル１２Ｎの径Ｄと、ノズル１２Ｎから吐出されるインク滴の量Ｖとの関係を解析した。

【0037】

２０００個の解析モデルは、個別流路１２Ｂの構成が互いに異なる。個別流路１２Ｂの構成は、圧力室１２Ｐの幅Ｗ、圧力室１２Ｐの長さＬ、及び、ノズル１２Ｎの径Ｄを含む。固有周波数Ｆｒは、少なくとも個別流路１２Ｂの構成に依存する。したがって、２０００の解析モデルにおいて、固有周波数Ｆｒは様々ある。

【0038】

図５は、各解析モデルにおいて、圧電素子１３Ｘに対して駆動信号を付与することで吐出されたインク滴の量Ｖを、グレースケールでプロットしたものである。なお、２０００個の解析モデルにおいて、インク滴の吐出速度が互いに同じになるように、駆動電位を調整した。

【0039】

駆動信号に含まれるパルスの幅は、Acoustic Length（ＡＬ）と等しい。ＡＬは、個別流路１２Ｂにおける圧力波の片道伝搬時間である。２０００個の解析モデルは、個別流路１２Ｂの構成が互いに異なるため、ＡＬが互いに異なる。したがって、解析モデル毎にパルス幅を異ならせた。

【0040】

図５から、固有周波数Ｆｒが高いほど、インク滴の量Ｖが少ないことが分かる。また、ノズル１２Ｎの径Ｄが小さいほど、インク滴の量Ｖが少ないことが分かる。

【0041】

本実施形態では、駆動周波数を高めるため、固有周波数Ｆｒを１２０～１６０ｋＨｚとする。また、記録解像度を１２００ｄｐｉ以上とする。当該記録解像度において良質な画像を記録するには、ノズル１２Ｎから２ｐｌ以上のインク滴を吐出させる必要がある。

【0042】

図５において、「Ｄ＝０．０３４３×Ｆｒ＋６．６９７９」の直線よりも上側は、インク滴の量Ｖが２ｐｌ以上の範囲である。したがって、図５に破線で囲まれた領域Ａとその近傍が、本実施形態に該当する。即ち、本実施形態では、ノズル１２Ｎの径Ｄ［μｍ］と固有周波数Ｆｒ［ｋＨｚ］とがＤ≧０．０３４３×Ｆｒ＋６．６９７９を満たすようなヘッド１の構成とする。

【0043】

ただし、ノズル１２Ｎから吐出されるインク滴の量Ｖが過剰になると、ノズル１２Ｎへのインクの供給が不安定になり得る。また、用紙９上においてインク滴の濡れ拡がりが大きくなり、画質が悪化し得る。そこで、本願発明者は、量Ｖの上限を４ｐｌ前後と推定し、２０００個の解析モデルから３．５～４．５ｐｌのインク滴を吐出する解析モデルを抽出した。

【0044】

図６は、２０００個の解析モデルから３．５～４．５ｐｌのインク滴を吐出する解析モデルを抽出し、各解析モデルにおけるノズル１２Ｎの径Ｄと固有周波数Ｆｒとの関係をプロットしたものである。図６から、「Ｄ＝０．０４５３×Ｆｒ＋１０．２６１」の近似直線が得られた。当該結果から、本実施形態では、ノズル１２Ｎの径Ｄ［μｍ］と固有周波数Ｆｒ［ｋＨｚ］とがＤ≦０．０４５３×Ｆｒ＋１０．２６１を満たすようなヘッド１の構成とする。

【0045】

さらに、本実施形態では、ノズル１２Ｎからのインク滴の吐出初速度を７ｍ／ｓ以上とする。吐出初速度とは、ノズル１２Ｎのメニスカスがノズル１２Ｎから分離して飛翔するときの速度である。吐出初速度を７ｍ／ｓ以上とするため、制御部５がドライバＩＣ１４に生成させる駆動信号の波形及び駆動電位を調整する。

【0046】

特に用紙９の搬送速度が７０ｍ／分以上の場合において、用紙９の搬送に伴って生じる気流の影響による着弾位置のズレを防ぐには、吐出初速度が７ｍ／ｓ以上であることが好ましい。着弾位置とは、用紙９においてインク滴が着弾する位置である。

【0047】

＜本実施形態の効果＞
以上に述べたように、本実施形態によれば、固有周波数Ｆｒが１２０～１６０ｋＨｚであることで、駆動周波数を高めることができる。さらに、１２００ｄｐｉ以上と高い記録解像度である。この場合において、ノズル１２Ｎの径Ｄ［μｍ］と固有周波数Ｆｒ［ｋＨｚ］とがＤ≧０．０３４３×Ｆｒ＋６．６９７９を満たすことで、上述の解析結果のとおり、記録に十分な量Ｖのインク滴を吐出させることができる。ここで、「記録に十分な量」とは、単位面積当りの液滴の密度である吐出デューティを１００％にすることができる量を意味する。

【0048】

なお、固有周波数Ｆｒは、圧電素子１３Ｘの剛性と関連する。圧電素子１３Ｘの剛性が小さいと、固有周波数Ｆｒは低い。固有周波数Ｆｒが１２０ｋＨｚ未満の場合、圧電素子１３Ｘの剛性が小さいことで、ＡＬが長くなり、駆動周波数を高めることができない。

【0049】

一方、固有周波数Ｆｒが１６０ｋＨｚを超える場合、圧電素子１３Ｘの剛性が大きいことで、圧電素子１３Ｘの変形に過大なエネルギーが必要となり得る。ひいては、圧電素子１３Ｘの発熱量が大きく、圧電素子１３Ｘの熱がインクに伝わることで、吐出に悪影響が出得る。さらに、ドライバＩＣ１４が熱により故障し得る。

【0050】

本実施形態によれば、固有周波数Ｆｒが１２０～１６０ｋＨｚであることで、上記のような圧電素子１３Ｘの発熱を防止しつつ、駆動周波数を高めることができる。

【0051】

ノズル１２Ｎの径Ｄと固有周波数Ｆｒ［ｋＨｚ］とがＤ＞０．０４５３×Ｆｒ＋１０．２６１を満たす場合、ノズル１２Ｎから吐出されるインク滴の量Ｖが過剰になる。量Ｖが過剰になると、ノズル１２Ｎへのインクの供給が不安定になり得る。また、用紙９上においてインク滴の濡れ拡がりが大きくなり、画質が悪化し得る。この点、本実施形態では、ノズル１２Ｎの径Ｄと固有周波数Ｆｒ［ｋＨｚ］とがＤ≦０．０４５３×Ｆｒ＋１０．２６１を満たすことで、ノズル１２Ｎから吐出されるインク滴の量Ｖが過剰にならない。これにより、ノズル１２Ｎへ安定してインクを供給できると共に、濡れ拡がりによる画質の悪化を防止できる。

【0052】

ノズル１２Ｎは、図３に示すように、一列３００ｄｐｉ以上のピッチＰで配置されている。これにより、ヘッド１を小さくでき、かつ、高画質が得られる。

【0053】

圧電素子１３Ｘは、薄膜圧電素子である。薄膜圧電素子は、厚みが薄いため変形し易く、圧力室１２Ｐが小さくても十分に変形できる。したがって、圧電素子１３Ｘが薄膜圧電素子である場合、圧力室１２Ｐを小さくすることで固有周波数Ｆｒを高めて固有周波数Ｆｒが１２０～１６０ｋＨｚという要件を満たすことと、圧電素子１３Ｘを十分に変形させることとを両立できる。

【0054】

薄膜圧電素子の厚みは、１．５μｍ以下である。この場合、上記のような両立をより確実に実現できる。

【0055】

圧力室１２Ｐの幅Ｗは、７０μｍ以下である。この場合、圧力室１２Ｐのサイズが小さいことで、固有周波数Ｆｒが高まり、固有周波数Ｆｒが１２０～１６０ｋＨｚという要件をより確実に満たすことができる。

【0056】

圧力室１２Ｐの長さＬは、５５０μｍ以下である。この場合、圧力室１２Ｐのサイズが小さいことで、固有周波数Ｆｒが高まり、固有周波数Ｆｒが１２０～１６０ｋＨｚという要件をより確実に満たすことができる。

【0057】

ノズル１２Ｎからのインク滴の吐出初速度が７ｍ／ｓ未満の場合、用紙９の搬送に伴って生じる気流の影響で、インク滴の飛翔方向が所望の方向からズレ易く、着弾位置が所望の位置からズレ易い。この点、本実施形態では、吐出初速度が７ｍ／ｓ以上であることで、着弾位置が安定する。

【0058】

＜変形例＞
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。

【0059】

上述の実施形態において、圧電素子を構成する電極は、個別電極及び共通電極を含む２層構成であるが、３層構成であってもよい。例えば、３層構成とは、高電位及び低電位が選択的に付与される駆動電極と、高電位に保持される高電位電極と、低電位に保持される低電位電極とを含む構成である。

【0060】

ノズルの開口は、上述の実施形態では略円形状であるが、矩形状であってもよい。ノズルの開口が矩形状の場合、当該矩形の面積と同じ面積の円の径をノズルの径Ｄとする。

【0061】

ヘッドは、ライン式に限定されず、シリアル式であってもよい。

【0062】

吐出対象は、用紙に限定されない。例えば、吐出対象は、布、基板又はプラスチックであってもよい。

【0063】

ノズルから吐出される液滴は、インク滴に限定されない。例えば、液滴は、インク中の成分を凝集又は析出させる処理液の液滴であってもよい。

【0064】

本発明は、プリンタに限定されず、ファクシミリ、コピー機及び複合機にも適用可能である。また、本発明は、画像の記録以外の用途で使用される液滴吐出装置にも適用可能である。例えば、本発明は、基板に導電性の液体を吐出して導電パターンを形成する液滴吐出装置に適用可能である。

【符号の説明】

【0065】

１ ヘッド
５ 制御部
１２ 流路部材
１２Ｂ 個別流路（流路）
１２Ｎ ノズル
１２Ｐ 圧力室
１３Ｘ 圧電素子
１００ プリンタ（液滴吐出装置）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】