インクジェット装置
【課題】経時的な吐出安定性を確保するためのインクジェットノズル構造を提供する。
【解決手段】インクジェット装置のノズル内部に存在するフロートがノズル先端におけるインクの均一化の働きをする事でノズルからのインクの乾燥によるインクの不均一を抑制することが可能となり、インク充填初期やインク交換のメンテナンス時にノズル表面に付着したインクを容易に除去できるとともに、圧力室内に形成されたフロートの均一化作用により、長期にわたって吐出安定性を確保することができる。
【解決手段】インクジェット装置のノズル内部に存在するフロートがノズル先端におけるインクの均一化の働きをする事でノズルからのインクの乾燥によるインクの不均一を抑制することが可能となり、インク充填初期やインク交換のメンテナンス時にノズル表面に付着したインクを容易に除去できるとともに、圧力室内に形成されたフロートの均一化作用により、長期にわたって吐出安定性を確保することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェット装置に関し、とりわけ、インクジェット装置を用いて印刷を行う際に発生し得る、不吐出ノズルを抑制するインクジェットヘッド構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、インクジェット印刷を生産工程に適応しようとする試みが為されており、特にディスプレイの分野では一部生産に供されているものもある（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、産業用途に使用するインクジェット装置においては、プリンタに使用されるインクジェット装置とは異なり、多数のノズルを使用し、且つ、各ノズルが安定的に吐出されなければ生産に使用することは困難である。
【０００３】
生産工程に適用するようなインクジェット装置においては、非動作時のインクの乾燥による増粘によって、ノズルの目詰まりやインク物性（インクの粘度と表面張力の比）の変化によって、吐出角度が変化することで印刷品質が低下するという問題が発生する。特に、インクに揮発性の高い有機溶媒が含有されている場合においては、インクの組成が変わるため、その後の乾燥工程においても形状を制御する事が困難となり、工程において不良を多発する原因となる恐れがある。
【０００４】
インクの増粘が進行するメカニズムは、インク供給側からの気体透過、ノズル側からの大気乾燥の両側からの進行モデルが考えられている。特にノズル側は大気に直接開放され、かつ多数であること、更に吐出口でもあることからインクの物性変化の影響を受けやすく、ノズル近傍のインクの物性安定化が生産に適応する際には大きな問題点となる。インク自体を乾燥しにくくする取り組みも為されているが、その後の乾燥工程において、乾燥不十分となり膜品質に影響を与える他、十分な乾燥をするためには工程に時間が掛かり、生産性が低下すると言った問題点も生じ得る。
【０００５】
これらの問題を解決するために、インクジェットヘッドにスライドを取り付け、ノズル表面からのインクの乾燥を防止するなどヘッド構造による乾燥防止の方法が検討されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
図８は、特許文献２に示された従来のインクジェット吐出装置の吐出口近傍を示す模式図である。
【０００７】
同図において、２２はノズル、２３はノズル列、３０はノズルプレート、８８はザグリプレート、９０は開口部、９２はシャッター、９４はスリットであって、非吐出時においてノズル列２３をシャッター９２のスリット９４以外の部分で覆い、インクの乾燥を防止する構造となっている。
【０００８】
ノズルプレート３０ には、インク滴を吐出するノズル２２が、所定のピッチで形成され、ノズル列２３を形成している。このノズル列２３は、用紙の搬送方向に対して斜めに、所定のピッチで配列されている。これにより、用紙の搬送方向と直交する方向に沿って、高密度にインクを吐出できる。ザグリプレート８８には、ノズル２２より一回り大きい円状の開口部９０が各ノズル２２に対応して列状に形成されており、この開口部９０からノズル２２が露出している。つまり、各ノズル２２の周囲には、開口部９０が形成されたザグリプレート８８が設けられることで、段差が設けられた状態とされ、印字時に浮き上がった用紙が、ノズル２２や、ノズルプレート３０のノズル面に接触するのを防ぐ構成とされている。これにより、紙ジャム等によるノズル２２の損傷が防止される。ザグリプレート８８の表面（インク滴が吐出される側の面）には、シャッター９２が設けられている。シャッター９２は磁性を有する部材で形成されており、ヘッドユニット全域に渡るサイズとされた板状とされている構成でインクの乾燥を防止する構造となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４３７４１９７号公報
【特許文献２】特開２００７−２７６３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記従来の構成では、ノズル表面にスライドが存在するため、インク充填の初期に存在する空気を除去する際に十分除去しきれないか、余分にインクをノズルより排出させた際には、ノズル表面のインクを除去できないため、結果的にインクの吐出角度を悪化させることになる。
【００１１】
また、ノズルとスライドが接触して摺動する際にザグリプレートを介して摺動させているが、電磁コイルで摺動させる場合、シャッターの厚さが薄いと変形しシャッターが動作不良となるため一定の厚みが必要になる。しかしながら、シャッターを厚くすると、一般的な紙や布でのワイピングではノズル表面までワイプ材が十分届かず、拭き残りが発生し吐出精度を劣化させることになる。そのため、シャッター形状に応じたメンテナンスユニットや動作が必要となり、複雑な動作を必要とするため拭き取りの状態にバラツキが生じやすくなり、経時的に安定吐出が出来なくなるという課題を有することになる。
【００１２】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、経時的な吐出安定性を確保することができる、インクジェット装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明のインクジェット装置は、インクジェットヘッド内の圧力室に攪拌子を有し、ノズルからの吐出時には圧力室で発生した圧力によるインクの流れによって得られる圧力によって回転する機能を有し、長期非吐出時にはこのフロートが沈下し、ノズルを閉塞する。
【００１４】
吐出の初期においては、流動が停止しているのでフロートに差圧が発生しないので、フロートの側面には圧力に応じて流動できる領域が形成されており、予備吐出によってノズル先端からフロートを上昇／回転させると共に、ノズル先端の溶媒組成が初期状態より変化したインクをフロートの攪拌によって均一化し、安定な吐出を実現させる。
【００１５】
本構成によって、インクジェット装置のノズル内部に存在するフロートがノズル先端部で攪拌子の働きをする事でノズルからのインクの乾燥によるインクの組成変動を抑制することが可能となり、インク充填初期やインク交換のメンテナンス時にノズル表面に付着したインクを容易に除去できると共に、圧力室内に形成されたフロートのインク均一化作用により、長期にわたって吐出安定性を確保することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明の圧力室内に攪拌子を設けたインクジェット装置によれば、インクジェット装置のノズル内部に存在するフロートがノズル先端におけるインクの均一化の働きをすることで、ノズルからのインクの乾燥によるインクの不均一を抑制することが可能となる。その結果、インク充填初期やインク交換のメンテナンス時にノズル表面に付着したインクを容易に除去できると共に、圧力室内に形成されたフロートの均一化作用により、長期にわたって吐出安定性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態におけるインクジェット装置の断面模式図
【図２】定常停止状態におけるノズル開口部とフロートとの位置関係を示す模式図
【図３】本発明の実施の形態におけるフロートにかかる圧力分布の概念図
【図４】インク液滴の吐出状態を示す模式図
【図５】ノズル開口部でのインクの蒸気濃度分布の模式図
【図６】インク充填時のフロート近傍の模式図
【図７】インク循環型インクジェット装置でのノズルとフロートの関係を示す模式図
【図８】特許文献２に記載された従来のインクジェット吐出装置を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態におけるインクジェット装置の断面模式図である。
【００２０】
図１において、フロート１０１は、インクジェット装置内のノズル開口１０２の内部であるインク吐出流路１０３内に配置される。そして、インクジェット装置内のピエゾ素子（図示しない）の振動によって、発生したインクの流れによって浮上する構造となっている。該ピエゾ素子の振動によって発生したインクの流れは、図１に示す、吐出時の流線１０４に沿って流動しフロート１０１の形状に応じた圧力分布によって浮上する構成となっている。
【００２１】
図２は、定常停止状態におけるノズル開口部１０２とフロート１０１との位置関係を示す模式図である。
【００２２】
フロート１０１は、定常停止状態においてインク吐出流路１０３内で吐出方向に水平に配置されており、ノズル開口部１０２上部に存在するインク吐出流路１０３と、ノズル開口部１０２とを接続するテーパ部１０６に接触して配置されている。フロート１０１の先端部１０７は撥水処理が施されており、ノズル開口部１０２と勘合し、外気に暴露される部分では撥水状態が維持されることで、ノズル表面に付着したインクを除去する際にノズル開口部１０２に存在するインクを十分除去できる構造になっている。
【００２３】
フロート１０１の先端部１０７は、ノズル開口部１０２の外部には突き出さないように配置され、ノズルプレート１０８の表面にはフロート１０１がはみださない構成になっている。この構成によって、ノズルプレート１０８に付着したインクを拭き取る際にフロート１０１を破損したり、変形を生じさせないようになっている。また、インク流動溝１０５は、ノズル開口部１０２に入り込むように形成されており、インク吐出流路１０３からノズル開口部１０２へのインクの流動を補助する状態になっている。この構成により、フロート１０１がテーパ部１０６と接した状態から、インクの流動によってフロート１０１が浮上する力を与えることが可能となる。
【００２４】
なお、フロート１０１の上端部は、半球形に形成されており、かつ、その側面にはガイド羽根１０５が形成されている。ガイド羽根１０５は、流れに対して角度を有しており、この角度によって、インクの流れの速度がフロート１０１に回転を与える力に変換される。この角度が大きすぎると、吐出エネルギーを低減させ（いわゆるエネルギーロス）、正常な吐出が出来なくなる。また、角度を０°とすると回転できなくなるので、ガイド羽根１０５の角度はピエゾ素子の出力の範囲で、攪拌できる程度に抑えなければならない。通常、インクの吐出速度は、３〜７ｍ／ｓであることから、ガイド羽根１０５の角度は０°を超え、２°以下の角度であることが望ましい。
【００２５】
また、ガイド羽根１０５は、インク吐出流路１０３内のフロート１０１の長胴部にて保持されるため、インクジェット装置組み立てにおいても、フロート１０１が反転／横転することなく、インク吐出流路１０３内に組み込むことが出来る。また、フロート１０１は、インクの流動によるガイド羽根１０５の回転と、フロート１０１近傍に発生する圧力分布によって浮上する。フロート１０１の上端部は、半球形に形成されており、半球表面の圧力ｐはインク密度をρ、インク吐出流路１０３内を流れる流速をｖ、インク吐出流路１０３内の圧力（静圧）をｐ0とすれば、
【数１】
で与えられ、半球形部の圧力分布は、図３に示すようになる。図３に示す矢印はフロート１０１にかかるインクの流動に際して発生する圧力の分布を示している。
【００２６】
半球部と垂直に流れの接する点から３０°の範囲では半球を押さえ込む力が働くが、角度θが大きくなるにつれて半球を引き上げる力が発生する。また、フロートの下半分は円錐形状となっているため、吐出に際しての流れによって、半球部と円錐部のつなぎ部分近傍では流線はフロートより剥離し、フロート近傍で循環が発生する。この流れがフロート１０１を浮上させる力として働く。このため、ピエゾ素子の振動によるインクの流動中は、フロート１０１は、ノズル開口１０２と接触せずに回転し、ノズル開口１０２とフロート１０１の間での摩擦が発生しないため、磨耗やチッピングなどによる吐出装置の破損や、インク内へのダストの発生を抑制することが可能となる。
【００２７】
また、定常吐出時にピエゾより発生された圧力は、インク吐出流路１０３を通ってノズル開口部１０２へ移動するが、ノズル開口部１０２近傍のテーパ部分で圧力反射が発生する。また、フロート１０１下面の円錐部に圧力が掛かり、フロート１０１を上昇させる力として働き、連続吐出時にフロートはインク吐出流路１０３内で浮上を続けることが出来る。
【００２８】
図４にフロート１０１の動きとインク液滴の吐出状態を表す模式図を示す。
【００２９】
インク吐出流路１０３に浮上しているフロート１０１の上部に存在しているピエゾ素子の振動によって発生した圧力で、インク吐出流路１０３にインクの流れが吐出時の流線１０４に沿って発生する。インクがフロート１０１上端になる半球部を通過後、インクの流れはフロート１０１の表面から剥離し、循環流１０９を発生させ、フロート１０１を上方へ押し上げる力として働く。
【００３０】
インクの流れはそのままノズル開口部１０２に到達し、ノズル開口部１０２に存在するインクのメニスカス部を拡大させ、インク液滴としてノズル開口部１０２から吐出させた後、インクの流動は停止することになる。インク流動の停止に伴い、フロート１０１を浮上させている循環流１０９も停止し、フロート１０１は、ノズル開口部１０２の方向に向かって沈下して行く。フロート１０１がノズルプレート１０８と接触するまでに、次のピエゾ素子の振動によって、再度、インクの流れが発生しフロート１０１は連続吐出中に浮上を続けることが可能になる。
【００３１】
ピエゾ素子の振動周期が十分に長い場合には、ピエゾ素子の吐出振動時にフロート１０１がノズルプレート１０８に接触し、ノズル開口部１０２を閉塞した状態になるため、一定以上の周波数での吐出が必要になる。ピエゾ素子の必要周波数は、インク密度、フロート１０１の密度、フロート１０１の直径、インクの動粘度、フロート１０１の浮上距離の関係から成立し、連続吐出を実現するために必要なピエゾ素子の振動周波数は、重力加速度をｇとして、それぞれρi、ρf、ｄf、ν、ｌ、ｆfとすると、次式で規定される。
【００３２】
【数２】
初期のインク充填時や長期吐出停止時にはインクの流動は発生していないため、吐出時の流線１０４は発生せず、浮上する圧力は発生しない。
【００３３】
このとき、フロート１０１は、ノズル開口１０２に接した状態になり、ノズル開口１０２を閉塞した状態となるため、長期吐出停止時にはインクの乾燥を防止することが出来る。また、吐出再開時には、ピエゾ素子の振動初期からノズル開口１０２近傍でガイド羽根１０５が回転することで、ノズル開口１０２近傍のインクを攪拌する事が出来る。このため、長期停止後にインクの粘度上昇を攪拌によって早期に解消し、印刷を再開させることを可能とする。
【００３４】
図２において、フロート１０１上部の圧力とインクの流速をそれぞれＰ，ｖとし、下部の圧力とインクの流速をそれぞれＰ´、ｖ´とすると、フロート１０１の上下での圧力差Ｐ´−Ｐは、
【数３】
で与えられる。
【００３５】
フロート１０１が下降すると、ノズル開口部１０２の流路は閉塞され、流路閉塞部３０１が形成される。流路閉塞部３０１の流路面積は、インク吐出流路１０３面積よりも小さく設定されているため、フロート１０１上部でのインクの流速と流路閉塞部３０１での流量は等しくなるので、流速は流路閉塞部３０１での流速が大きくなる。
【００３６】
従って、（数３）においてｖ´＞＞ ｖの関係が成立し、結果的にフロート１０１を上昇させる力Ｐ´−Ｐは大きくなり、インク充填初期においては、フロート１０１を上昇させるのに十分な力を得ることが出来る。このとき、吐出終了後の長期吐出停止に入る際にノズル開口部１０２のインクを除去しておけば、ノズル開口部１０２でのインクの乾燥は、発生せず吐出安定性を確保することが出来る。
【００３７】
図５は、ノズル開口部１０２の状態を示す図である。特に、図５（ａ）は、ノズル開口部１０２でのインクの蒸気濃度分布の模式図を示し、図５（ｂ）は、ノズル開口部１０２でのインクの乾燥状態の模式図を示す。
【００３８】
図５（ａ）において、インク吐出後の時間経過に伴い、インクの液面はＡ→Ｂ→Ｃと、溶媒の乾燥によって後退して行く様子を示す。
【００３９】
図５（ｂ）において、インク高濃度部５０３は、フロート１０１の回転５０１によって発生するインクの流動５０２が発生する。インク高濃度部５０３は、回転するインクの流動５０２の作用によってインク高濃度部５０３へインクが流れ込み、インク高濃度部５０３の厚さは徐々に減少し、吐出に対する不安定な領域であるインク高濃度部５０３を除去することが出来る。この効果は、インクの乾燥前の状態からフロートを回転させる場合には、インク高濃度部５０３を発生させないという利点もある。
【００４０】
インク高濃度部５０３の形成は、ノズル開口部１０２でのインクの溶媒成分の蒸発によって発生する。インクがその溶媒成分の乾燥によって粘度が上昇し、吐出精度が不安定になるため、インク液面をノズル開口１０２内に後退させる方法もある。しかしながらその効果は限定的であり、乾燥の影響はインクがノズル開口１０２面に存在する場合、その深さ方向におよそ１００μｍ程度高濃度領域が形成されるため、ガイド羽根１０５はノズル開口１０２より１００μｍ以内に存在することが望ましい。
【００４１】
図６は、ノズル近傍でインクの流入／排出がある、インク循環型のインクジェット装置におけるノズル開口部１０２とフロート１０１の位置関係を示す模式図である。
【００４２】
図６において、インクの流線６０１は、図１の場合と異なり、フロート１０１と直交する形で発生している。このため、図１に示したインク流動溝１０５とは異なり、翼６０２がノズル開口部１０２の軸方向に対して角度を有して形成されている。フロート１０１は、インク流路の中央ではなく、中央より端部よりに偏って配置されていることにより、翼６０２に係る力が場所によって変わる。そのため、図７に示すように、翼６０２に回転力６０３を与えることになる。
【００４３】
印刷初期において、フロート１０１がノズルプレート１０８と接している時に、インクの循環を開始することで、翼６０２によってインクの流れを受け、フロート１０１は回転／上昇する。フロート１０１の回転によって、ノズル開口部１０２近傍のインクが攪拌され、インクの乾燥による粘度上昇起因の不吐出防止をインクの排出なしに実現することができる。フロート１０１が上昇している際にピエゾ素子を振動させることで、インク吐出が可能となり、印刷終了時はインクの循環を停止させることでフロート１０１を上昇させる力がなくなる。その結果、ノズル開口部１０２を閉塞させることが可能となる。
【００４４】
図６は、ガイド近傍に流れるインクの流線を示したものである。インクの流線６０１に対して、翼６０２の迎え角を大きく取る方がフロート１０１の回転力は大きくなるが、フロート１０１を上昇させる力は発生し難くなる。フロート１０１を上昇させるための角度は、インクの粘性と翼６０２の長さ、角度によって決定されるが、翼６０２の姿勢を変化させることは困難であるため、一定の角度を保つとすれば、クッタの条件から翼６０２周辺に発生する流れの循環Γを決定すれば、フロートを上昇させる揚力を決定することが出来る。揚力Ｌはインクの密度をρ、流速をＶとすれば、
【数４】
と決定することができ、揚力以下のフロート１０１重量であれば、インクの流れに対してフロート１０１を上昇させる事が可能である。
【００４５】
かかる構成によれば、インクジェット装置内のノズル開口１０２の内部である、インク吐出流路１０３内にフロート１０１を配置することにより、初期のインク充填時や長期吐出停止時には、ノズル開口１０２を閉塞した状態となるため、長期吐出停止時にはインクの乾燥を防止することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のインクジェット装置は、インクジェット装置のノズル内部に存在するフロートがノズルに対するシャッターの働きをすることでノズルからのインクの乾燥を抑制することが可能となる。そのため、インク充填初期やインク交換のメンテナンス時にノズル表面に付着したインクを容易に除去できると共に、圧力室内に形成されたフロートの乾燥防止作用により、長期にわたって吐出安定性を確保することが可能となる。その結果、一般のドキュメント印刷以外にも有機溶媒を用いた産業用の印刷用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４７】
１０１ フロート
１０２ ノズル開口部
１０３ インク吐出流路
１０４ 吐出時の流線
１０５ インク流動溝
１０６ テーパ部
１０７ 先端部
１０８ ノズルプレート
６０１ インクの流線
６０２ 翼
６０３ 回転力
６０４ ノズル孔
６０５ 中心線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェット装置に関し、とりわけ、インクジェット装置を用いて印刷を行う際に発生し得る、不吐出ノズルを抑制するインクジェットヘッド構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、インクジェット印刷を生産工程に適応しようとする試みが為されており、特にディスプレイの分野では一部生産に供されているものもある（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、産業用途に使用するインクジェット装置においては、プリンタに使用されるインクジェット装置とは異なり、多数のノズルを使用し、且つ、各ノズルが安定的に吐出されなければ生産に使用することは困難である。
【０００３】
生産工程に適用するようなインクジェット装置においては、非動作時のインクの乾燥による増粘によって、ノズルの目詰まりやインク物性（インクの粘度と表面張力の比）の変化によって、吐出角度が変化することで印刷品質が低下するという問題が発生する。特に、インクに揮発性の高い有機溶媒が含有されている場合においては、インクの組成が変わるため、その後の乾燥工程においても形状を制御する事が困難となり、工程において不良を多発する原因となる恐れがある。
【０００４】
インクの増粘が進行するメカニズムは、インク供給側からの気体透過、ノズル側からの大気乾燥の両側からの進行モデルが考えられている。特にノズル側は大気に直接開放され、かつ多数であること、更に吐出口でもあることからインクの物性変化の影響を受けやすく、ノズル近傍のインクの物性安定化が生産に適応する際には大きな問題点となる。インク自体を乾燥しにくくする取り組みも為されているが、その後の乾燥工程において、乾燥不十分となり膜品質に影響を与える他、十分な乾燥をするためには工程に時間が掛かり、生産性が低下すると言った問題点も生じ得る。
【０００５】
これらの問題を解決するために、インクジェットヘッドにスライドを取り付け、ノズル表面からのインクの乾燥を防止するなどヘッド構造による乾燥防止の方法が検討されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
図８は、特許文献２に示された従来のインクジェット吐出装置の吐出口近傍を示す模式図である。
【０００７】
同図において、２２はノズル、２３はノズル列、３０はノズルプレート、８８はザグリプレート、９０は開口部、９２はシャッター、９４はスリットであって、非吐出時においてノズル列２３をシャッター９２のスリット９４以外の部分で覆い、インクの乾燥を防止する構造となっている。
【０００８】
ノズルプレート３０ には、インク滴を吐出するノズル２２が、所定のピッチで形成され、ノズル列２３を形成している。このノズル列２３は、用紙の搬送方向に対して斜めに、所定のピッチで配列されている。これにより、用紙の搬送方向と直交する方向に沿って、高密度にインクを吐出できる。ザグリプレート８８には、ノズル２２より一回り大きい円状の開口部９０が各ノズル２２に対応して列状に形成されており、この開口部９０からノズル２２が露出している。つまり、各ノズル２２の周囲には、開口部９０が形成されたザグリプレート８８が設けられることで、段差が設けられた状態とされ、印字時に浮き上がった用紙が、ノズル２２や、ノズルプレート３０のノズル面に接触するのを防ぐ構成とされている。これにより、紙ジャム等によるノズル２２の損傷が防止される。ザグリプレート８８の表面（インク滴が吐出される側の面）には、シャッター９２が設けられている。シャッター９２は磁性を有する部材で形成されており、ヘッドユニット全域に渡るサイズとされた板状とされている構成でインクの乾燥を防止する構造となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４３７４１９７号公報
【特許文献２】特開２００７−２７６３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記従来の構成では、ノズル表面にスライドが存在するため、インク充填の初期に存在する空気を除去する際に十分除去しきれないか、余分にインクをノズルより排出させた際には、ノズル表面のインクを除去できないため、結果的にインクの吐出角度を悪化させることになる。
【００１１】
また、ノズルとスライドが接触して摺動する際にザグリプレートを介して摺動させているが、電磁コイルで摺動させる場合、シャッターの厚さが薄いと変形しシャッターが動作不良となるため一定の厚みが必要になる。しかしながら、シャッターを厚くすると、一般的な紙や布でのワイピングではノズル表面までワイプ材が十分届かず、拭き残りが発生し吐出精度を劣化させることになる。そのため、シャッター形状に応じたメンテナンスユニットや動作が必要となり、複雑な動作を必要とするため拭き取りの状態にバラツキが生じやすくなり、経時的に安定吐出が出来なくなるという課題を有することになる。
【００１２】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、経時的な吐出安定性を確保することができる、インクジェット装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明のインクジェット装置は、インクジェットヘッド内の圧力室に攪拌子を有し、ノズルからの吐出時には圧力室で発生した圧力によるインクの流れによって得られる圧力によって回転する機能を有し、長期非吐出時にはこのフロートが沈下し、ノズルを閉塞する。
【００１４】
吐出の初期においては、流動が停止しているのでフロートに差圧が発生しないので、フロートの側面には圧力に応じて流動できる領域が形成されており、予備吐出によってノズル先端からフロートを上昇／回転させると共に、ノズル先端の溶媒組成が初期状態より変化したインクをフロートの攪拌によって均一化し、安定な吐出を実現させる。
【００１５】
本構成によって、インクジェット装置のノズル内部に存在するフロートがノズル先端部で攪拌子の働きをする事でノズルからのインクの乾燥によるインクの組成変動を抑制することが可能となり、インク充填初期やインク交換のメンテナンス時にノズル表面に付着したインクを容易に除去できると共に、圧力室内に形成されたフロートのインク均一化作用により、長期にわたって吐出安定性を確保することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明の圧力室内に攪拌子を設けたインクジェット装置によれば、インクジェット装置のノズル内部に存在するフロートがノズル先端におけるインクの均一化の働きをすることで、ノズルからのインクの乾燥によるインクの不均一を抑制することが可能となる。その結果、インク充填初期やインク交換のメンテナンス時にノズル表面に付着したインクを容易に除去できると共に、圧力室内に形成されたフロートの均一化作用により、長期にわたって吐出安定性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態におけるインクジェット装置の断面模式図
【図２】定常停止状態におけるノズル開口部とフロートとの位置関係を示す模式図
【図３】本発明の実施の形態におけるフロートにかかる圧力分布の概念図
【図４】インク液滴の吐出状態を示す模式図
【図５】ノズル開口部でのインクの蒸気濃度分布の模式図
【図６】インク充填時のフロート近傍の模式図
【図７】インク循環型インクジェット装置でのノズルとフロートの関係を示す模式図
【図８】特許文献２に記載された従来のインクジェット吐出装置を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態におけるインクジェット装置の断面模式図である。
【００２０】
図１において、フロート１０１は、インクジェット装置内のノズル開口１０２の内部であるインク吐出流路１０３内に配置される。そして、インクジェット装置内のピエゾ素子（図示しない）の振動によって、発生したインクの流れによって浮上する構造となっている。該ピエゾ素子の振動によって発生したインクの流れは、図１に示す、吐出時の流線１０４に沿って流動しフロート１０１の形状に応じた圧力分布によって浮上する構成となっている。
【００２１】
図２は、定常停止状態におけるノズル開口部１０２とフロート１０１との位置関係を示す模式図である。
【００２２】
フロート１０１は、定常停止状態においてインク吐出流路１０３内で吐出方向に水平に配置されており、ノズル開口部１０２上部に存在するインク吐出流路１０３と、ノズル開口部１０２とを接続するテーパ部１０６に接触して配置されている。フロート１０１の先端部１０７は撥水処理が施されており、ノズル開口部１０２と勘合し、外気に暴露される部分では撥水状態が維持されることで、ノズル表面に付着したインクを除去する際にノズル開口部１０２に存在するインクを十分除去できる構造になっている。
【００２３】
フロート１０１の先端部１０７は、ノズル開口部１０２の外部には突き出さないように配置され、ノズルプレート１０８の表面にはフロート１０１がはみださない構成になっている。この構成によって、ノズルプレート１０８に付着したインクを拭き取る際にフロート１０１を破損したり、変形を生じさせないようになっている。また、インク流動溝１０５は、ノズル開口部１０２に入り込むように形成されており、インク吐出流路１０３からノズル開口部１０２へのインクの流動を補助する状態になっている。この構成により、フロート１０１がテーパ部１０６と接した状態から、インクの流動によってフロート１０１が浮上する力を与えることが可能となる。
【００２４】
なお、フロート１０１の上端部は、半球形に形成されており、かつ、その側面にはガイド羽根１０５が形成されている。ガイド羽根１０５は、流れに対して角度を有しており、この角度によって、インクの流れの速度がフロート１０１に回転を与える力に変換される。この角度が大きすぎると、吐出エネルギーを低減させ（いわゆるエネルギーロス）、正常な吐出が出来なくなる。また、角度を０°とすると回転できなくなるので、ガイド羽根１０５の角度はピエゾ素子の出力の範囲で、攪拌できる程度に抑えなければならない。通常、インクの吐出速度は、３〜７ｍ／ｓであることから、ガイド羽根１０５の角度は０°を超え、２°以下の角度であることが望ましい。
【００２５】
また、ガイド羽根１０５は、インク吐出流路１０３内のフロート１０１の長胴部にて保持されるため、インクジェット装置組み立てにおいても、フロート１０１が反転／横転することなく、インク吐出流路１０３内に組み込むことが出来る。また、フロート１０１は、インクの流動によるガイド羽根１０５の回転と、フロート１０１近傍に発生する圧力分布によって浮上する。フロート１０１の上端部は、半球形に形成されており、半球表面の圧力ｐはインク密度をρ、インク吐出流路１０３内を流れる流速をｖ、インク吐出流路１０３内の圧力（静圧）をｐ0とすれば、
【数１】
で与えられ、半球形部の圧力分布は、図３に示すようになる。図３に示す矢印はフロート１０１にかかるインクの流動に際して発生する圧力の分布を示している。
【００２６】
半球部と垂直に流れの接する点から３０°の範囲では半球を押さえ込む力が働くが、角度θが大きくなるにつれて半球を引き上げる力が発生する。また、フロートの下半分は円錐形状となっているため、吐出に際しての流れによって、半球部と円錐部のつなぎ部分近傍では流線はフロートより剥離し、フロート近傍で循環が発生する。この流れがフロート１０１を浮上させる力として働く。このため、ピエゾ素子の振動によるインクの流動中は、フロート１０１は、ノズル開口１０２と接触せずに回転し、ノズル開口１０２とフロート１０１の間での摩擦が発生しないため、磨耗やチッピングなどによる吐出装置の破損や、インク内へのダストの発生を抑制することが可能となる。
【００２７】
また、定常吐出時にピエゾより発生された圧力は、インク吐出流路１０３を通ってノズル開口部１０２へ移動するが、ノズル開口部１０２近傍のテーパ部分で圧力反射が発生する。また、フロート１０１下面の円錐部に圧力が掛かり、フロート１０１を上昇させる力として働き、連続吐出時にフロートはインク吐出流路１０３内で浮上を続けることが出来る。
【００２８】
図４にフロート１０１の動きとインク液滴の吐出状態を表す模式図を示す。
【００２９】
インク吐出流路１０３に浮上しているフロート１０１の上部に存在しているピエゾ素子の振動によって発生した圧力で、インク吐出流路１０３にインクの流れが吐出時の流線１０４に沿って発生する。インクがフロート１０１上端になる半球部を通過後、インクの流れはフロート１０１の表面から剥離し、循環流１０９を発生させ、フロート１０１を上方へ押し上げる力として働く。
【００３０】
インクの流れはそのままノズル開口部１０２に到達し、ノズル開口部１０２に存在するインクのメニスカス部を拡大させ、インク液滴としてノズル開口部１０２から吐出させた後、インクの流動は停止することになる。インク流動の停止に伴い、フロート１０１を浮上させている循環流１０９も停止し、フロート１０１は、ノズル開口部１０２の方向に向かって沈下して行く。フロート１０１がノズルプレート１０８と接触するまでに、次のピエゾ素子の振動によって、再度、インクの流れが発生しフロート１０１は連続吐出中に浮上を続けることが可能になる。
【００３１】
ピエゾ素子の振動周期が十分に長い場合には、ピエゾ素子の吐出振動時にフロート１０１がノズルプレート１０８に接触し、ノズル開口部１０２を閉塞した状態になるため、一定以上の周波数での吐出が必要になる。ピエゾ素子の必要周波数は、インク密度、フロート１０１の密度、フロート１０１の直径、インクの動粘度、フロート１０１の浮上距離の関係から成立し、連続吐出を実現するために必要なピエゾ素子の振動周波数は、重力加速度をｇとして、それぞれρi、ρf、ｄf、ν、ｌ、ｆfとすると、次式で規定される。
【００３２】
【数２】
初期のインク充填時や長期吐出停止時にはインクの流動は発生していないため、吐出時の流線１０４は発生せず、浮上する圧力は発生しない。
【００３３】
このとき、フロート１０１は、ノズル開口１０２に接した状態になり、ノズル開口１０２を閉塞した状態となるため、長期吐出停止時にはインクの乾燥を防止することが出来る。また、吐出再開時には、ピエゾ素子の振動初期からノズル開口１０２近傍でガイド羽根１０５が回転することで、ノズル開口１０２近傍のインクを攪拌する事が出来る。このため、長期停止後にインクの粘度上昇を攪拌によって早期に解消し、印刷を再開させることを可能とする。
【００３４】
図２において、フロート１０１上部の圧力とインクの流速をそれぞれＰ，ｖとし、下部の圧力とインクの流速をそれぞれＰ´、ｖ´とすると、フロート１０１の上下での圧力差Ｐ´−Ｐは、
【数３】
で与えられる。
【００３５】
フロート１０１が下降すると、ノズル開口部１０２の流路は閉塞され、流路閉塞部３０１が形成される。流路閉塞部３０１の流路面積は、インク吐出流路１０３面積よりも小さく設定されているため、フロート１０１上部でのインクの流速と流路閉塞部３０１での流量は等しくなるので、流速は流路閉塞部３０１での流速が大きくなる。
【００３６】
従って、（数３）においてｖ´＞＞ ｖの関係が成立し、結果的にフロート１０１を上昇させる力Ｐ´−Ｐは大きくなり、インク充填初期においては、フロート１０１を上昇させるのに十分な力を得ることが出来る。このとき、吐出終了後の長期吐出停止に入る際にノズル開口部１０２のインクを除去しておけば、ノズル開口部１０２でのインクの乾燥は、発生せず吐出安定性を確保することが出来る。
【００３７】
図５は、ノズル開口部１０２の状態を示す図である。特に、図５（ａ）は、ノズル開口部１０２でのインクの蒸気濃度分布の模式図を示し、図５（ｂ）は、ノズル開口部１０２でのインクの乾燥状態の模式図を示す。
【００３８】
図５（ａ）において、インク吐出後の時間経過に伴い、インクの液面はＡ→Ｂ→Ｃと、溶媒の乾燥によって後退して行く様子を示す。
【００３９】
図５（ｂ）において、インク高濃度部５０３は、フロート１０１の回転５０１によって発生するインクの流動５０２が発生する。インク高濃度部５０３は、回転するインクの流動５０２の作用によってインク高濃度部５０３へインクが流れ込み、インク高濃度部５０３の厚さは徐々に減少し、吐出に対する不安定な領域であるインク高濃度部５０３を除去することが出来る。この効果は、インクの乾燥前の状態からフロートを回転させる場合には、インク高濃度部５０３を発生させないという利点もある。
【００４０】
インク高濃度部５０３の形成は、ノズル開口部１０２でのインクの溶媒成分の蒸発によって発生する。インクがその溶媒成分の乾燥によって粘度が上昇し、吐出精度が不安定になるため、インク液面をノズル開口１０２内に後退させる方法もある。しかしながらその効果は限定的であり、乾燥の影響はインクがノズル開口１０２面に存在する場合、その深さ方向におよそ１００μｍ程度高濃度領域が形成されるため、ガイド羽根１０５はノズル開口１０２より１００μｍ以内に存在することが望ましい。
【００４１】
図６は、ノズル近傍でインクの流入／排出がある、インク循環型のインクジェット装置におけるノズル開口部１０２とフロート１０１の位置関係を示す模式図である。
【００４２】
図６において、インクの流線６０１は、図１の場合と異なり、フロート１０１と直交する形で発生している。このため、図１に示したインク流動溝１０５とは異なり、翼６０２がノズル開口部１０２の軸方向に対して角度を有して形成されている。フロート１０１は、インク流路の中央ではなく、中央より端部よりに偏って配置されていることにより、翼６０２に係る力が場所によって変わる。そのため、図７に示すように、翼６０２に回転力６０３を与えることになる。
【００４３】
印刷初期において、フロート１０１がノズルプレート１０８と接している時に、インクの循環を開始することで、翼６０２によってインクの流れを受け、フロート１０１は回転／上昇する。フロート１０１の回転によって、ノズル開口部１０２近傍のインクが攪拌され、インクの乾燥による粘度上昇起因の不吐出防止をインクの排出なしに実現することができる。フロート１０１が上昇している際にピエゾ素子を振動させることで、インク吐出が可能となり、印刷終了時はインクの循環を停止させることでフロート１０１を上昇させる力がなくなる。その結果、ノズル開口部１０２を閉塞させることが可能となる。
【００４４】
図６は、ガイド近傍に流れるインクの流線を示したものである。インクの流線６０１に対して、翼６０２の迎え角を大きく取る方がフロート１０１の回転力は大きくなるが、フロート１０１を上昇させる力は発生し難くなる。フロート１０１を上昇させるための角度は、インクの粘性と翼６０２の長さ、角度によって決定されるが、翼６０２の姿勢を変化させることは困難であるため、一定の角度を保つとすれば、クッタの条件から翼６０２周辺に発生する流れの循環Γを決定すれば、フロートを上昇させる揚力を決定することが出来る。揚力Ｌはインクの密度をρ、流速をＶとすれば、
【数４】
と決定することができ、揚力以下のフロート１０１重量であれば、インクの流れに対してフロート１０１を上昇させる事が可能である。
【００４５】
かかる構成によれば、インクジェット装置内のノズル開口１０２の内部である、インク吐出流路１０３内にフロート１０１を配置することにより、初期のインク充填時や長期吐出停止時には、ノズル開口１０２を閉塞した状態となるため、長期吐出停止時にはインクの乾燥を防止することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明のインクジェット装置は、インクジェット装置のノズル内部に存在するフロートがノズルに対するシャッターの働きをすることでノズルからのインクの乾燥を抑制することが可能となる。そのため、インク充填初期やインク交換のメンテナンス時にノズル表面に付着したインクを容易に除去できると共に、圧力室内に形成されたフロートの乾燥防止作用により、長期にわたって吐出安定性を確保することが可能となる。その結果、一般のドキュメント印刷以外にも有機溶媒を用いた産業用の印刷用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４７】
１０１ フロート
１０２ ノズル開口部
１０３ インク吐出流路
１０４ 吐出時の流線
１０５ インク流動溝
１０６ テーパ部
１０７ 先端部
１０８ ノズルプレート
６０１ インクの流線
６０２ 翼
６０３ 回転力
６０４ ノズル孔
６０５ 中心線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクが供給される圧力室と、前記圧力室内のインクに振動を与えるピエゾ素子と、を備え、前記圧力室内に攪拌子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】
前記圧力室は、ノズルプレートと連通する開口部を有し、前記攪拌子は前記開口部の方向に尖った形状である、請求項１記載のインクジェット装置。
【請求項３】
前記攪拌子の形状は、前記開口部と反対側において半球形である、請求項１又は２に記載のインクジェット装置。
【請求項４】
前記攪拌子のノズル開口部方向には、ガイド羽根が形成されている、請求項１〜３の何れか一項に記載のインクジェット装置。
【請求項５】
前記ガイド羽根は、前記ノズル開口部の中心線に対して０°又は１８０°を除く角度を有する、請求項４記載のインクジェット装置。
【請求項１】
インクが供給される圧力室と、前記圧力室内のインクに振動を与えるピエゾ素子と、を備え、前記圧力室内に攪拌子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】
前記圧力室は、ノズルプレートと連通する開口部を有し、前記攪拌子は前記開口部の方向に尖った形状である、請求項１記載のインクジェット装置。
【請求項３】
前記攪拌子の形状は、前記開口部と反対側において半球形である、請求項１又は２に記載のインクジェット装置。
【請求項４】
前記攪拌子のノズル開口部方向には、ガイド羽根が形成されている、請求項１〜３の何れか一項に記載のインクジェット装置。
【請求項５】
前記ガイド羽根は、前記ノズル開口部の中心線に対して０°又は１８０°を除く角度を有する、請求項４記載のインクジェット装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２４５７８５（Ｐ２０１１−２４５７８５Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２２５４４（Ｐ２０１０−１２２５４４）
【出願日】平成２２年５月２８日（２０１０．５．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２８日（２０１０．５．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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