液滴吐出ヘッドおよび液体吐出装置
【課題】記録に使用される液滴（使用液滴）の飛翔に影響を与えず、記録に使用されない液滴（不使用液滴）を回収するコンティニュアス式液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】吐出ノズル１０１および回収ノズル１０２を吐出ノズル１０１から吐出された液滴が飛翔する軌道に位置するように回収ノズル１０２の開口から液面を突出させ、不使用液滴を回収ノズル１０２から突出させた液面と衝突させて合体させ、当該液面を後退させることで不使用液滴を回収する。
【解決手段】吐出ノズル１０１および回収ノズル１０２を吐出ノズル１０１から吐出された液滴が飛翔する軌道に位置するように回収ノズル１０２の開口から液面を突出させ、不使用液滴を回収ノズル１０２から突出させた液面と衝突させて合体させ、当該液面を後退させることで不使用液滴を回収する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出ヘッド、および、この液体吐出ヘッドを備えた液体吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆるコンティニュアス方式の液滴吐出装置は、ポンプで液体に常時圧力をかけてノズルから押し出し、さらに加振手段により振動を加えることで、ノズルから吐出された液体が規則正しく液滴化する状態を形成する。この方式では、液滴がノズルから吐出され続けるので、印刷データにあわせて印刷に使用する液滴と使用しない液滴を選別する必要がある。いわゆる荷電偏向方式では、液滴を選択的に帯電させ、電場によって偏向させ、非帯電液滴と異なる軌道を飛翔するようにして選別を行う。選別された非印刷液滴は、ガターによって捕獲、回収する。これらの機能を実現するため、ノズルから液滴飛翔軌道に沿って、帯電電極、偏向電極、ガターが設けられる。
【０００３】
特許文献１は、荷電偏向方式とは異なる、液滴を帯電させることなく選別する方法を開示している。具体的には、ノズルで大液滴と小液滴を打ち分け、液滴の飛翔路に形成したミスト状液滴からなる液体カーテンを通過させることで、小液滴を捕獲し、大液滴のみを記録媒体に着弾させる構成を開示している。また、特許文献２は、コンティニュアス方式の液体吐出装置ではないが、飛翔する液滴に別の液滴を衝突させる技術を開示している。具体的には、第１の吐出口からの液滴（主滴）に第２の吐出口からの液滴を衝突させ、飛翔方向をそらすことで、第１の吐出口からのサテライト滴（極小滴）のみを記録媒体に着弾させることで、記録ドットの微小化を図る構成を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３３４９５７号公報
【特許文献２】特開２００８−１４３１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、記録液滴が帯電していると、前後の帯電液滴や壁面に付着した帯電したミストとの静電相互作用を受け、飛翔軌道がずれてしまい、着弾精度が悪くなってしまうという問題がある。記録液滴に帯電させない場合でも、先行する帯電液滴の影響で、静電誘導により記録液滴が帯電してしまう場合がある。
【０００６】
また、特許文献１に示す方法では、記録液滴も液体カーテンを通過するため、液体カーテンの影響を受けて、着弾位置がずれる恐れがあった。また、特許文献２に示されている方法では、非記録液滴の捕獲のために、別の液滴を飛翔させ、ガターに着弾させるが、着弾時に跳ね返りミストが発生し、飛翔路を汚してしまう恐れがあった。
【０００７】
本発明の目的は、使用液滴（記録液滴）の着弾精度を高めることができるとともに、液滴飛翔路中のミストの発生を抑制することができる液体吐出ヘッド、および、この液体吐出ヘッドを備えた液体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】
本発明の液体吐出ヘッドは、液滴を連続的に吐出する第１のノズルと、該第１のノズルから連続的に吐出された液滴のうち、使用されない不使用液滴を回収する回収手段と、を有する液体吐出ヘッドであって、前記回収手段は、前記第１のノズルから吐出された液滴が飛翔する軌道上に位置するように液面を突出させることが可能な第２のノズルを有し、該第２のノズルから液面を突出させ、該突出した液面に前記第１のノズルから吐出された不使用液滴を衝突させて合体させ、当該突出した液面を後退させることにより、前記不使用液滴を回収することを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る液体吐出装置は、液滴を連続的に吐出する第１のノズルと、該第１のノズルから連続的に吐出された液滴のうち、使用されない不使用液滴を回収する回収手段であって、前記第１のノズルから吐出された液滴が飛翔する軌道上に位置するように液面を突出させることが可能な第２のノズルを有し、該第２のノズルから液面を突出させ、該突出した液面に前記第１のノズルから吐出された不使用液滴を衝突させて合体させ、当該突出した液面を後退させることにより、前記不使用液滴を回収する前記回収手段と、前記第１のノズルから連続的に吐出された液滴のうち、使用される使用液滴によって記録がなされる記録媒体を搬送する搬送手段と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、使用液滴（記録液滴）に影響を与えず不使用液滴（非記録液滴）の選別回収が可能であるため、使用液滴（記録液滴）の着弾精度を高めることが可能である。また、選別のために第２のノズルから突出した液面は、液滴化して飛翔することがないため、液滴飛翔路中のミストの発生を抑制することができ、ヘッドの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の液体吐出装置のシステム概要図である。
【図２】本発明の液体吐出装置の第１の実施形態の斜視分解図である。
【図３】本発明の液体吐出装置の第１の実施形態の断面図である。
【図４】本発明の液体吐出装置の動作を説明する断面図である。
【図５】本発明の液体吐出装置の別の実施形態の斜視分解図である。
【図６】本発明の液体吐出装置の動作のシミュレーションのモデルである。
【図７】本発明の液体吐出装置の動作のシミュレーション結果を表す図である。
【図８】本発明の第２の実施例に係る液体吐出装置の断面図である。
【図９】本発明の第３の実施例に係る液体吐出装置のシステム概要図である。
【図１０】本発明の第３の実施例に係る液体吐出装置の断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施例に係る液体吐出装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施形態を説明する。本発明の液体吐出ヘッドの吐出対象は、色材を用いた印刷用インクにとどまらず、液体全般に適用可能なものである。また、本発明の液滴吐出ヘッドは記録媒体に液滴を着弾させ、記録に用いる場合を例に述べているが、その用途は印刷にとどまらず、導電性材料やポリマーからなる液体を用いた製造装置やたんぱく質を含む液体などを用いた分析装置などにも広く適用可能である。
【００１３】
図１は、本発明の液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置のシステム概要図である。本発明の液体吐出装置は、インクタンク００１、加圧ポンプ００２、加振機構００３、ヘッド００４、コントローラ００５、回収ポンプ００６、インク調整部００７からなる。図２は、さらに本発明のヘッド部の構成の斜視分解図、図３は断面図である。ヘッド部００４は、吐出ノズル１０１（第１のノズル）、回収ノズル１０２（第２のノズル）、液面駆動機構１０３（駆動機構）からなる。回収ノズル１０２は、図３に示すように、液面駆動機構１０３によって駆動される液面を当該回収ノズル１０２の開口から突出させることが可能であり、当該突出液面が吐出ノズル１０１から連続的に吐出される液滴の軌道１１７上に位置するように配置されている。
【００１４】
次に、本発明の液体吐出装置の動作を図４に示すヘッド断面図をもとに説明する。インクタンク００１に貯えられたインクは、加圧ポンプ００２によって加圧され、ヘッド００４に供給される。ヘッド００４に供給されたインクは、加振機構００３によって振動を与えられ、吐出ノズル１０１から吐出される。ノズル１０１から吐出されたインクは、５００〜８００μｍ程度飛翔すると、液柱から液滴に分裂し液滴飛翔軌道１１７に沿って飛翔する。一方、回収ノズル１０２では、回収ポンプ００６よる負圧とメニスカス力がバランスすることで、液面が回収ノズル１０２付近で保持される（図４（ａ））。
【００１５】
記録に使用しない液滴（不使用液滴）が回収ノズル１０２近傍を通過する際には、コントローラ００５からの信号により、液面駆動機構１０３は回収ノズル１０２の開口から液面を液滴飛翔軌道１１７上に位置するように突出させて飛翔する不使用液滴と衝突させる（図４（ｂ））。
【００１６】
その後、突出した液面は、衝突した液滴と合体し、ともに液面の表面張力によって元の位置に復帰する。回収ポンプ００６によって圧力が一定に保たれることにより、回収ノズル１０２の液面は捕獲後も一定の位置に保たれる。特に、突出した液面が滴化しないように、液面駆動機構１０３の変位量を制御する。捕獲された液滴は、インク調整部００７に徐々に送られ、ごみの除去や粘度調整を行った後、再び加圧ポンプ００２によって加圧され、再利用のためにヘッド００４へと循環される。一方、記録に使用する液滴（使用液滴）が通過する際には、回収ノズル１０２の液面を突出（前進）させず、液滴飛翔軌道１１７とは交差しないようにすることで、使用液滴はそのまま記録媒体００８へと着弾する。
【００１７】
以上述べたように、記録データに応じて液面駆動機構１０３を制御することにより、記録に用いない液滴は突出させた液面により回収し、記録に用いる液滴のみを記録媒体００８へと着弾させることができる。記録がなされた記録媒体００８は、図示しない搬送手段により搬送される。
【００１８】
高速記録を行う場合、回収ノズル１０２の液面が静定時の位置にまで戻りきれないうちに後続の液滴が通過する場合がある。このような場合でも、回収ノズル１０２の液面の前進時と後退時の位置の差が十分で、不使用液滴の捕獲、使用液滴の通過が行えれば、本発明の液体吐出装置は機能する。
【００１９】
本実施形態では、回収ポンプ００６によって負圧を保ち、回収ノズル１０２で液面を後退させておき、不使用液滴の通過時に液面駆動機構１０３によって液面を前進させる場合について述べた。逆に、回収ポンプ００６によって正圧を保ち、回収ノズル１０２で液面を前進させておき、使用液滴の通過時に液面駆動機構１０３によって液面を後退させてもよい。この場合、回収ノズル１０２の外面を撥水処理しておき、正圧をかけた状態で液面が外面を濡らして広がることがないようにすることが好ましい。この方式は、待機時など、記録を行なわずに吐出させたインク全て回収しているような状態での消費電力の低減や発熱の低減に有効である。
【００２０】
図２では液滴の飛翔路はスリット状でノズル列ごとに共通となっていたが、図５のようにノズルごとに隔壁を設けて独立なものとしてもよい。図２のようなスリット状の飛翔路は、ミスト等が付着した際にクリーニングがしやすいという利点がある。一方、図５のような個別の飛翔路は、隣接する吐出ノズル１０１からの液滴の空気の伴流の影響を受けにくく、より着弾精度が高められるという利点がある。
【００２１】
図２において、液面駆動機構１０３は、薄膜上の圧電素子を用いているが、他の方式の駆動手段を用いてもよい。例えば、圧電素子の場合、バルク状の圧電素子を積層して用いてもよいし、側壁に圧電素子を用いてｄ15方向の変形を利用してもよい（ｓｈｅａｒモード）。あるいは、駆動手段をヒータとし、膜沸騰による発泡によって、液面を駆動してもよい。ヒータを用いる場合には、圧電材料を用いた場合に比べて大きな変位が得やすく小型化できるので、ノズルの高密度化が可能である。一方、圧電素子を用いた場合には、駆動波形を最適化することにより、液面の制御を精度良く行うことができる。
【実施例１】
【００２２】
本発明の第１の実施例を説明する。本実施例での液体吐出装置は実施形態と同様に、ヘッド部の構成の斜視分解図は図２、断面図は図３である。図２に示すように、ヘッド部は板状の部材を積層することにより構成されている。部材にはシリコンやステンレス、樹脂材料などを使用することができる。これら板状の部材を露光によるパターニングやエッチング、プレスによって作製することで、ノズル数が増加した場合にも一括加工可能で部品点数を増加させず、低コストでヘッドを作製することができる。本実施例では、液面駆動機構１０３として、薄膜状の圧電素子を使用している。具体的には上部電極１１１、圧電素子１１２、下部電極１１３が振動板１１４の上に成膜された構成となっている。成膜にはスパッタなどを、また、パターニングにはドライエッチングを用いることができる。
【００２３】
図２において奥行き方向のノズル間隔は５００μｍ、横方向のノズル間隔は３ｍｍとなっている。液体には粘度１〜４０ｃＰ、表面張力３０ｍＮ／ｍのものを使用する。吐出ノズル１０１の直径を７．４μｍ、インクタンク００２の圧力を０．８ＭＰａ、加振機構００３の振動周波数を５０ｋＨｚとすると、液滴サイズは４ｐＬ（直径約２０μｍ）、吐出速度は１０ｍ／ｓ程度である。吐出ノズル１０１では、まず、液柱が形成され、吐出ノズル１０１から５００〜８００μｍ程度離れた箇所で液滴化する。回収ノズル１０２の直径は８０μｍで、吐出ノズル１０１から液滴の飛翔方向に１ｍｍ離れた地点に設けられている。吐出された液滴は、空気抵抗により、回収ノズル１０２の近傍を通過する際には８ｍ／ｓ程度にまで減速している。また、液滴の飛翔軌道１１７は、回収ノズル１０２から３０μｍ離れている。回収ノズル１０２内のインクは回収ポンプ００６によって一定の負圧にコントロールされており（大気圧を基準として−１．４ｋＰａ程度）、回収ノズル１０２にはインクのメニスカスが形成されている。不使用液滴が通過する際に液面駆動機構１０３により回収ノズル１０２の液面を前進させ、液滴と衝突させる。
【００２４】
回収ノズル１０２から突出した液面と飛翔する液滴が衝突する様子を汎用流体解析ソフトウェアＦｌｕｅｎｔ（ＡＮＳＹＳ社）によって解析した。解析に用いたモデルを図６に示す。図の中央に直径８０μｍ、厚さ８０μｍの回収ノズル１０２があり、その左側はインク（４０ｃＰ）が満たされており、右側は大気となっている。左側の壁に図２における振動板１１４を４０ｎｍ程度変位させた場合に相当する圧力境界条件を与え、液面を前進させた。さらに、回収ノズル１０２から３０μｍ離れた位置に回収ノズル１０２の軸に対して垂直に上方より４ｐＬの液滴を８ｍ／ｓで飛翔させ、回収ノズル１０２から前進した液面に衝突させた。時間ごとの液面および液滴の様子を図７に示す。６μｓで前進した液面と液滴１１８が衝突している。その後、液滴は飛び散ることなく液面と合体、液面に吸収される。また、回収ノズル１０２からの前進した液面が液滴化することはない。
【００２５】
ここで、回収ノズル１０２の液面はその後、ノズル部の表面張力により元の位置に戻る。液面駆動機構１０３をコントロールすることにより、液室内を膨張させれば、より速い速度で、液面を元の位置に戻すことができる。液滴１１８を吸収することにより回収ノズル１０２のインク量は増加するが、回収ポンプ００６の圧力が一定に保たれていることにより、回収ノズル１０２のインクのメニスカスの位置は、同じ位置に保持される。余分なインクは回収ポンプ００６を介してインク調整部００７へと送られ、粘度、濃度を調整後、再び吐出ノズル１０１へと循環される。
【００２６】
回収ノズル１０２の口径は、吐出ノズル１０１から吐出される液滴の直径の２倍以上であることが好ましい。それよりも小さいと、液滴との衝突時に前進した液面が分裂する恐れがある。一方、回収ノズル１０２からの液面の前進量は回収ノズル１０２の口径と同程度までとすることが好ましい。それよりも前進量が大きいと、液滴化が発生したり、り、液面が後退できなくなる恐れがある。
【００２７】
回収ノズル１０２の口径が大き過ぎると、ノズル部にメニスカスを保つことが難しくなる。また、回収ノズル１０２の口径が大きくなると、前進した液面が元の位置に戻るまでに時間がかかるようになり、高速駆動が困難になる。例えば、粘度４０ｃＰ、表面張力３０ｍＮ／ｍの液体を用いた場合、回収ポンプ００６の圧力設定を変えても、液面を安定に保つことができる回収ノズル１０２の口径はφ１６０μｍ程度までである。
【実施例２】
【００２８】
本発明の第２の実施例を説明する。本実施例の液体吐出ヘッドの断面図を図８に示す。図２のように、第１の実施例の液面駆動機構１０３が回収ノズル１０２と吐出ノズル１０１の間に配置されていたのに対し、第２の実施例では、液面駆動機構１０３は、ヘッドの最下面、すなわち、記録媒体００８に面して配置されている。実施例１の構成では、圧電素子１１２や電極が外に面していないため、ミストやこすれに対して守られた構造となっており耐久性が高い。また、液面駆動機構１０３を液滴１１８が滴化するまでのスペースに収納することで、吐出ノズル１０１と記録媒体００８との距離を短縮できるという利点がある。一方、実施例２の形状では、実施例１の構成に比べ、上部電極１１１、および下部電極１１３がヘッドの外面に露出しているため、配線の引き出しが容易で作製しやすいという利点を有している。尚、液滴の吐出や選別の機能は実施例１と全く同様である。
【実施例３】
【００２９】
本発明の第３の実施例を説明する。本実施例のシステム概要図を図９に、液体吐出ヘッドの断面図を図１０に示す。本実施例では、回収ノズル１０２への回収流路を２つ設け、第１の回収流路２１１（回収用供給流路）から第２の回収流路２１２（排出流路）へと常に流通させている。
【００３０】
ここで、第１の回収ポンプ２０１の設定圧力をＰ1、第２の回収ポンプ２０２の設定圧力をＰ2、回収ノズル１０２の圧力をＰ3、第１の回収ポンプ２０１から回収ノズル１０２までの第１の回収流路２１１の流路抵抗をＲ1、第２の回収ポンプ２０２から回収ノズル１０２までの第２の回収流路２１２の流路抵抗をＲ2、循環する流量をＱとおく。このとき、以下の２式が成立する。
Ｑ＝（Ｐ1−Ｐ2）／（Ｒ1＋Ｒ2） ・・・（１）
Ｐ3＝（Ｐ1Ｒ2−Ｐ2Ｒ1）／（Ｒ1＋Ｒ2） ・・・（２）
上の２式を連立すると、Ｐ1、Ｐ2はそれぞれ、以下のように解ける。
【００３１】
【数１】
【００３２】
【数２】
【００３３】
式（３）、（４）に従って第１の回収ポンプ２０１と第２の回収ポンプ２０２の設定圧力を適切に行うことで、所望の循環流量を得つつ、回収ノズル１０２でのメニスカスを保持することが可能である。１ノズルあたりのＱやＰ3の具体的な数値としては、例えばＱ＝２×１０-9ｍ3／ｓ、Ｐ3＝−１．４ｋＰａ（大気圧を基準とする）程度が挙げられる。
【００３４】
本実施例のように回収液を常に循環させておくことで、回収ノズル１０２付近にゴミが溜まることや、回収インクがなかなか循環されずに増粘してしまうのを防ぐことができる。また、第１の回収流路２１１に供給する液体を希釈液や希釈したインクとすることで、回収ノズル１０２付近でのインクの固着を防ぎ、流動性を向上させることも可能である。
【実施例４】
【００３５】
本発明の第４の実施例を説明する。本実施例では、１つの吐出ノズルに対して、複数の回収ノズルを設けることで、高速記録に対応する。本実施例の液体吐出ヘッドの断面図を図１１に示す。吐出ノズル１０１に対し、第１の回収ノズル３０１と第２の回収ノズル３０２を配置している。第１の回収ノズル３０１と第２の回収ノズル３０２の液面はそれぞれ、第１の液面駆動機構３１１、第２の液面駆動機構３１２によって独立に駆動される。各回収ノズルは、不使用液滴に対し、１つおきに回収することにより、加振機構００３の周波数を高めて高速の印字を行う場合に、選別を確実に行うことが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の液体吐出ヘッドは、液滴の選別、および、回収に際し、使用される液滴の飛翔に影響をほとんど与えないため、高い着弾精度が得られ、高精細な液体吐出ヘッドの作製に利用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
００４ ヘッド
１０１ 吐出ノズル
１０２ 回収ノズル
１０３ 液面駆動機構
１１５ 供給流路
１１６ 回収流路
１１７ 液滴飛翔軌道
１１８ 液滴
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出ヘッド、および、この液体吐出ヘッドを備えた液体吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆるコンティニュアス方式の液滴吐出装置は、ポンプで液体に常時圧力をかけてノズルから押し出し、さらに加振手段により振動を加えることで、ノズルから吐出された液体が規則正しく液滴化する状態を形成する。この方式では、液滴がノズルから吐出され続けるので、印刷データにあわせて印刷に使用する液滴と使用しない液滴を選別する必要がある。いわゆる荷電偏向方式では、液滴を選択的に帯電させ、電場によって偏向させ、非帯電液滴と異なる軌道を飛翔するようにして選別を行う。選別された非印刷液滴は、ガターによって捕獲、回収する。これらの機能を実現するため、ノズルから液滴飛翔軌道に沿って、帯電電極、偏向電極、ガターが設けられる。
【０００３】
特許文献１は、荷電偏向方式とは異なる、液滴を帯電させることなく選別する方法を開示している。具体的には、ノズルで大液滴と小液滴を打ち分け、液滴の飛翔路に形成したミスト状液滴からなる液体カーテンを通過させることで、小液滴を捕獲し、大液滴のみを記録媒体に着弾させる構成を開示している。また、特許文献２は、コンティニュアス方式の液体吐出装置ではないが、飛翔する液滴に別の液滴を衝突させる技術を開示している。具体的には、第１の吐出口からの液滴（主滴）に第２の吐出口からの液滴を衝突させ、飛翔方向をそらすことで、第１の吐出口からのサテライト滴（極小滴）のみを記録媒体に着弾させることで、記録ドットの微小化を図る構成を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３３４９５７号公報
【特許文献２】特開２００８−１４３１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、記録液滴が帯電していると、前後の帯電液滴や壁面に付着した帯電したミストとの静電相互作用を受け、飛翔軌道がずれてしまい、着弾精度が悪くなってしまうという問題がある。記録液滴に帯電させない場合でも、先行する帯電液滴の影響で、静電誘導により記録液滴が帯電してしまう場合がある。
【０００６】
また、特許文献１に示す方法では、記録液滴も液体カーテンを通過するため、液体カーテンの影響を受けて、着弾位置がずれる恐れがあった。また、特許文献２に示されている方法では、非記録液滴の捕獲のために、別の液滴を飛翔させ、ガターに着弾させるが、着弾時に跳ね返りミストが発生し、飛翔路を汚してしまう恐れがあった。
【０００７】
本発明の目的は、使用液滴（記録液滴）の着弾精度を高めることができるとともに、液滴飛翔路中のミストの発生を抑制することができる液体吐出ヘッド、および、この液体吐出ヘッドを備えた液体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】
本発明の液体吐出ヘッドは、液滴を連続的に吐出する第１のノズルと、該第１のノズルから連続的に吐出された液滴のうち、使用されない不使用液滴を回収する回収手段と、を有する液体吐出ヘッドであって、前記回収手段は、前記第１のノズルから吐出された液滴が飛翔する軌道上に位置するように液面を突出させることが可能な第２のノズルを有し、該第２のノズルから液面を突出させ、該突出した液面に前記第１のノズルから吐出された不使用液滴を衝突させて合体させ、当該突出した液面を後退させることにより、前記不使用液滴を回収することを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る液体吐出装置は、液滴を連続的に吐出する第１のノズルと、該第１のノズルから連続的に吐出された液滴のうち、使用されない不使用液滴を回収する回収手段であって、前記第１のノズルから吐出された液滴が飛翔する軌道上に位置するように液面を突出させることが可能な第２のノズルを有し、該第２のノズルから液面を突出させ、該突出した液面に前記第１のノズルから吐出された不使用液滴を衝突させて合体させ、当該突出した液面を後退させることにより、前記不使用液滴を回収する前記回収手段と、前記第１のノズルから連続的に吐出された液滴のうち、使用される使用液滴によって記録がなされる記録媒体を搬送する搬送手段と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、使用液滴（記録液滴）に影響を与えず不使用液滴（非記録液滴）の選別回収が可能であるため、使用液滴（記録液滴）の着弾精度を高めることが可能である。また、選別のために第２のノズルから突出した液面は、液滴化して飛翔することがないため、液滴飛翔路中のミストの発生を抑制することができ、ヘッドの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の液体吐出装置のシステム概要図である。
【図２】本発明の液体吐出装置の第１の実施形態の斜視分解図である。
【図３】本発明の液体吐出装置の第１の実施形態の断面図である。
【図４】本発明の液体吐出装置の動作を説明する断面図である。
【図５】本発明の液体吐出装置の別の実施形態の斜視分解図である。
【図６】本発明の液体吐出装置の動作のシミュレーションのモデルである。
【図７】本発明の液体吐出装置の動作のシミュレーション結果を表す図である。
【図８】本発明の第２の実施例に係る液体吐出装置の断面図である。
【図９】本発明の第３の実施例に係る液体吐出装置のシステム概要図である。
【図１０】本発明の第３の実施例に係る液体吐出装置の断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施例に係る液体吐出装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施形態を説明する。本発明の液体吐出ヘッドの吐出対象は、色材を用いた印刷用インクにとどまらず、液体全般に適用可能なものである。また、本発明の液滴吐出ヘッドは記録媒体に液滴を着弾させ、記録に用いる場合を例に述べているが、その用途は印刷にとどまらず、導電性材料やポリマーからなる液体を用いた製造装置やたんぱく質を含む液体などを用いた分析装置などにも広く適用可能である。
【００１３】
図１は、本発明の液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置のシステム概要図である。本発明の液体吐出装置は、インクタンク００１、加圧ポンプ００２、加振機構００３、ヘッド００４、コントローラ００５、回収ポンプ００６、インク調整部００７からなる。図２は、さらに本発明のヘッド部の構成の斜視分解図、図３は断面図である。ヘッド部００４は、吐出ノズル１０１（第１のノズル）、回収ノズル１０２（第２のノズル）、液面駆動機構１０３（駆動機構）からなる。回収ノズル１０２は、図３に示すように、液面駆動機構１０３によって駆動される液面を当該回収ノズル１０２の開口から突出させることが可能であり、当該突出液面が吐出ノズル１０１から連続的に吐出される液滴の軌道１１７上に位置するように配置されている。
【００１４】
次に、本発明の液体吐出装置の動作を図４に示すヘッド断面図をもとに説明する。インクタンク００１に貯えられたインクは、加圧ポンプ００２によって加圧され、ヘッド００４に供給される。ヘッド００４に供給されたインクは、加振機構００３によって振動を与えられ、吐出ノズル１０１から吐出される。ノズル１０１から吐出されたインクは、５００〜８００μｍ程度飛翔すると、液柱から液滴に分裂し液滴飛翔軌道１１７に沿って飛翔する。一方、回収ノズル１０２では、回収ポンプ００６よる負圧とメニスカス力がバランスすることで、液面が回収ノズル１０２付近で保持される（図４（ａ））。
【００１５】
記録に使用しない液滴（不使用液滴）が回収ノズル１０２近傍を通過する際には、コントローラ００５からの信号により、液面駆動機構１０３は回収ノズル１０２の開口から液面を液滴飛翔軌道１１７上に位置するように突出させて飛翔する不使用液滴と衝突させる（図４（ｂ））。
【００１６】
その後、突出した液面は、衝突した液滴と合体し、ともに液面の表面張力によって元の位置に復帰する。回収ポンプ００６によって圧力が一定に保たれることにより、回収ノズル１０２の液面は捕獲後も一定の位置に保たれる。特に、突出した液面が滴化しないように、液面駆動機構１０３の変位量を制御する。捕獲された液滴は、インク調整部００７に徐々に送られ、ごみの除去や粘度調整を行った後、再び加圧ポンプ００２によって加圧され、再利用のためにヘッド００４へと循環される。一方、記録に使用する液滴（使用液滴）が通過する際には、回収ノズル１０２の液面を突出（前進）させず、液滴飛翔軌道１１７とは交差しないようにすることで、使用液滴はそのまま記録媒体００８へと着弾する。
【００１７】
以上述べたように、記録データに応じて液面駆動機構１０３を制御することにより、記録に用いない液滴は突出させた液面により回収し、記録に用いる液滴のみを記録媒体００８へと着弾させることができる。記録がなされた記録媒体００８は、図示しない搬送手段により搬送される。
【００１８】
高速記録を行う場合、回収ノズル１０２の液面が静定時の位置にまで戻りきれないうちに後続の液滴が通過する場合がある。このような場合でも、回収ノズル１０２の液面の前進時と後退時の位置の差が十分で、不使用液滴の捕獲、使用液滴の通過が行えれば、本発明の液体吐出装置は機能する。
【００１９】
本実施形態では、回収ポンプ００６によって負圧を保ち、回収ノズル１０２で液面を後退させておき、不使用液滴の通過時に液面駆動機構１０３によって液面を前進させる場合について述べた。逆に、回収ポンプ００６によって正圧を保ち、回収ノズル１０２で液面を前進させておき、使用液滴の通過時に液面駆動機構１０３によって液面を後退させてもよい。この場合、回収ノズル１０２の外面を撥水処理しておき、正圧をかけた状態で液面が外面を濡らして広がることがないようにすることが好ましい。この方式は、待機時など、記録を行なわずに吐出させたインク全て回収しているような状態での消費電力の低減や発熱の低減に有効である。
【００２０】
図２では液滴の飛翔路はスリット状でノズル列ごとに共通となっていたが、図５のようにノズルごとに隔壁を設けて独立なものとしてもよい。図２のようなスリット状の飛翔路は、ミスト等が付着した際にクリーニングがしやすいという利点がある。一方、図５のような個別の飛翔路は、隣接する吐出ノズル１０１からの液滴の空気の伴流の影響を受けにくく、より着弾精度が高められるという利点がある。
【００２１】
図２において、液面駆動機構１０３は、薄膜上の圧電素子を用いているが、他の方式の駆動手段を用いてもよい。例えば、圧電素子の場合、バルク状の圧電素子を積層して用いてもよいし、側壁に圧電素子を用いてｄ15方向の変形を利用してもよい（ｓｈｅａｒモード）。あるいは、駆動手段をヒータとし、膜沸騰による発泡によって、液面を駆動してもよい。ヒータを用いる場合には、圧電材料を用いた場合に比べて大きな変位が得やすく小型化できるので、ノズルの高密度化が可能である。一方、圧電素子を用いた場合には、駆動波形を最適化することにより、液面の制御を精度良く行うことができる。
【実施例１】
【００２２】
本発明の第１の実施例を説明する。本実施例での液体吐出装置は実施形態と同様に、ヘッド部の構成の斜視分解図は図２、断面図は図３である。図２に示すように、ヘッド部は板状の部材を積層することにより構成されている。部材にはシリコンやステンレス、樹脂材料などを使用することができる。これら板状の部材を露光によるパターニングやエッチング、プレスによって作製することで、ノズル数が増加した場合にも一括加工可能で部品点数を増加させず、低コストでヘッドを作製することができる。本実施例では、液面駆動機構１０３として、薄膜状の圧電素子を使用している。具体的には上部電極１１１、圧電素子１１２、下部電極１１３が振動板１１４の上に成膜された構成となっている。成膜にはスパッタなどを、また、パターニングにはドライエッチングを用いることができる。
【００２３】
図２において奥行き方向のノズル間隔は５００μｍ、横方向のノズル間隔は３ｍｍとなっている。液体には粘度１〜４０ｃＰ、表面張力３０ｍＮ／ｍのものを使用する。吐出ノズル１０１の直径を７．４μｍ、インクタンク００２の圧力を０．８ＭＰａ、加振機構００３の振動周波数を５０ｋＨｚとすると、液滴サイズは４ｐＬ（直径約２０μｍ）、吐出速度は１０ｍ／ｓ程度である。吐出ノズル１０１では、まず、液柱が形成され、吐出ノズル１０１から５００〜８００μｍ程度離れた箇所で液滴化する。回収ノズル１０２の直径は８０μｍで、吐出ノズル１０１から液滴の飛翔方向に１ｍｍ離れた地点に設けられている。吐出された液滴は、空気抵抗により、回収ノズル１０２の近傍を通過する際には８ｍ／ｓ程度にまで減速している。また、液滴の飛翔軌道１１７は、回収ノズル１０２から３０μｍ離れている。回収ノズル１０２内のインクは回収ポンプ００６によって一定の負圧にコントロールされており（大気圧を基準として−１．４ｋＰａ程度）、回収ノズル１０２にはインクのメニスカスが形成されている。不使用液滴が通過する際に液面駆動機構１０３により回収ノズル１０２の液面を前進させ、液滴と衝突させる。
【００２４】
回収ノズル１０２から突出した液面と飛翔する液滴が衝突する様子を汎用流体解析ソフトウェアＦｌｕｅｎｔ（ＡＮＳＹＳ社）によって解析した。解析に用いたモデルを図６に示す。図の中央に直径８０μｍ、厚さ８０μｍの回収ノズル１０２があり、その左側はインク（４０ｃＰ）が満たされており、右側は大気となっている。左側の壁に図２における振動板１１４を４０ｎｍ程度変位させた場合に相当する圧力境界条件を与え、液面を前進させた。さらに、回収ノズル１０２から３０μｍ離れた位置に回収ノズル１０２の軸に対して垂直に上方より４ｐＬの液滴を８ｍ／ｓで飛翔させ、回収ノズル１０２から前進した液面に衝突させた。時間ごとの液面および液滴の様子を図７に示す。６μｓで前進した液面と液滴１１８が衝突している。その後、液滴は飛び散ることなく液面と合体、液面に吸収される。また、回収ノズル１０２からの前進した液面が液滴化することはない。
【００２５】
ここで、回収ノズル１０２の液面はその後、ノズル部の表面張力により元の位置に戻る。液面駆動機構１０３をコントロールすることにより、液室内を膨張させれば、より速い速度で、液面を元の位置に戻すことができる。液滴１１８を吸収することにより回収ノズル１０２のインク量は増加するが、回収ポンプ００６の圧力が一定に保たれていることにより、回収ノズル１０２のインクのメニスカスの位置は、同じ位置に保持される。余分なインクは回収ポンプ００６を介してインク調整部００７へと送られ、粘度、濃度を調整後、再び吐出ノズル１０１へと循環される。
【００２６】
回収ノズル１０２の口径は、吐出ノズル１０１から吐出される液滴の直径の２倍以上であることが好ましい。それよりも小さいと、液滴との衝突時に前進した液面が分裂する恐れがある。一方、回収ノズル１０２からの液面の前進量は回収ノズル１０２の口径と同程度までとすることが好ましい。それよりも前進量が大きいと、液滴化が発生したり、り、液面が後退できなくなる恐れがある。
【００２７】
回収ノズル１０２の口径が大き過ぎると、ノズル部にメニスカスを保つことが難しくなる。また、回収ノズル１０２の口径が大きくなると、前進した液面が元の位置に戻るまでに時間がかかるようになり、高速駆動が困難になる。例えば、粘度４０ｃＰ、表面張力３０ｍＮ／ｍの液体を用いた場合、回収ポンプ００６の圧力設定を変えても、液面を安定に保つことができる回収ノズル１０２の口径はφ１６０μｍ程度までである。
【実施例２】
【００２８】
本発明の第２の実施例を説明する。本実施例の液体吐出ヘッドの断面図を図８に示す。図２のように、第１の実施例の液面駆動機構１０３が回収ノズル１０２と吐出ノズル１０１の間に配置されていたのに対し、第２の実施例では、液面駆動機構１０３は、ヘッドの最下面、すなわち、記録媒体００８に面して配置されている。実施例１の構成では、圧電素子１１２や電極が外に面していないため、ミストやこすれに対して守られた構造となっており耐久性が高い。また、液面駆動機構１０３を液滴１１８が滴化するまでのスペースに収納することで、吐出ノズル１０１と記録媒体００８との距離を短縮できるという利点がある。一方、実施例２の形状では、実施例１の構成に比べ、上部電極１１１、および下部電極１１３がヘッドの外面に露出しているため、配線の引き出しが容易で作製しやすいという利点を有している。尚、液滴の吐出や選別の機能は実施例１と全く同様である。
【実施例３】
【００２９】
本発明の第３の実施例を説明する。本実施例のシステム概要図を図９に、液体吐出ヘッドの断面図を図１０に示す。本実施例では、回収ノズル１０２への回収流路を２つ設け、第１の回収流路２１１（回収用供給流路）から第２の回収流路２１２（排出流路）へと常に流通させている。
【００３０】
ここで、第１の回収ポンプ２０１の設定圧力をＰ1、第２の回収ポンプ２０２の設定圧力をＰ2、回収ノズル１０２の圧力をＰ3、第１の回収ポンプ２０１から回収ノズル１０２までの第１の回収流路２１１の流路抵抗をＲ1、第２の回収ポンプ２０２から回収ノズル１０２までの第２の回収流路２１２の流路抵抗をＲ2、循環する流量をＱとおく。このとき、以下の２式が成立する。
Ｑ＝（Ｐ1−Ｐ2）／（Ｒ1＋Ｒ2） ・・・（１）
Ｐ3＝（Ｐ1Ｒ2−Ｐ2Ｒ1）／（Ｒ1＋Ｒ2） ・・・（２）
上の２式を連立すると、Ｐ1、Ｐ2はそれぞれ、以下のように解ける。
【００３１】
【数１】
【００３２】
【数２】
【００３３】
式（３）、（４）に従って第１の回収ポンプ２０１と第２の回収ポンプ２０２の設定圧力を適切に行うことで、所望の循環流量を得つつ、回収ノズル１０２でのメニスカスを保持することが可能である。１ノズルあたりのＱやＰ3の具体的な数値としては、例えばＱ＝２×１０-9ｍ3／ｓ、Ｐ3＝−１．４ｋＰａ（大気圧を基準とする）程度が挙げられる。
【００３４】
本実施例のように回収液を常に循環させておくことで、回収ノズル１０２付近にゴミが溜まることや、回収インクがなかなか循環されずに増粘してしまうのを防ぐことができる。また、第１の回収流路２１１に供給する液体を希釈液や希釈したインクとすることで、回収ノズル１０２付近でのインクの固着を防ぎ、流動性を向上させることも可能である。
【実施例４】
【００３５】
本発明の第４の実施例を説明する。本実施例では、１つの吐出ノズルに対して、複数の回収ノズルを設けることで、高速記録に対応する。本実施例の液体吐出ヘッドの断面図を図１１に示す。吐出ノズル１０１に対し、第１の回収ノズル３０１と第２の回収ノズル３０２を配置している。第１の回収ノズル３０１と第２の回収ノズル３０２の液面はそれぞれ、第１の液面駆動機構３１１、第２の液面駆動機構３１２によって独立に駆動される。各回収ノズルは、不使用液滴に対し、１つおきに回収することにより、加振機構００３の周波数を高めて高速の印字を行う場合に、選別を確実に行うことが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の液体吐出ヘッドは、液滴の選別、および、回収に際し、使用される液滴の飛翔に影響をほとんど与えないため、高い着弾精度が得られ、高精細な液体吐出ヘッドの作製に利用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
００４ ヘッド
１０１ 吐出ノズル
１０２ 回収ノズル
１０３ 液面駆動機構
１１５ 供給流路
１１６ 回収流路
１１７ 液滴飛翔軌道
１１８ 液滴
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を連続的に吐出する第１のノズルと、該第１のノズルから連続的に吐出された液滴のうち、使用されない不使用液滴を回収する回収手段と、を有する液体吐出ヘッドであって、
前記回収手段は、前記第１のノズルから吐出された液滴が飛翔する軌道上に位置するように液面を突出させることが可能な第２のノズルを有し、該第２のノズルから液面を突出させ、該突出した液面に前記第１のノズルから吐出された不使用液滴を衝突させて合体させ、当該突出した液面を後退させることにより、前記不使用液滴を回収することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記第２のノズルは、当該第２のノズルに液体を供給する供給流路と当該第２のノズルから液体を排出する排出流路が設けられ、
少なくとも前記第１のノズルから液滴が吐出されている間は、前記供給流路から前記排出流路に向けて液体を流通させることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記回収手段は、一の前記第１のノズルに対して、複数の前記第２のノズルを有することを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記第２のノズルの口径は、前記第１のノズルから吐出される不使用液滴の直径の２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
液滴を連続的に吐出する第１のノズルと、
該第１のノズルから連続的に吐出された液滴のうち、使用されない不使用液滴を回収する回収手段であって、前記第１のノズルから吐出された液滴が飛翔する軌道上に位置するように液面を突出させることが可能な第２のノズルを有し、該第２のノズルから液面を突出させ、該突出した液面に前記第１のノズルから吐出された不使用液滴を衝突させて合体させ、当該突出した液面を後退させることにより、前記不使用液滴を回収する前記回収手段と、
前記第１のノズルから連続的に吐出された液滴のうち、使用される使用液滴によって記録がなされる記録媒体を搬送する搬送手段と、
を具備することを特徴とする液体吐出装置。
【請求項１】
液滴を連続的に吐出する第１のノズルと、該第１のノズルから連続的に吐出された液滴のうち、使用されない不使用液滴を回収する回収手段と、を有する液体吐出ヘッドであって、
前記回収手段は、前記第１のノズルから吐出された液滴が飛翔する軌道上に位置するように液面を突出させることが可能な第２のノズルを有し、該第２のノズルから液面を突出させ、該突出した液面に前記第１のノズルから吐出された不使用液滴を衝突させて合体させ、当該突出した液面を後退させることにより、前記不使用液滴を回収することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記第２のノズルは、当該第２のノズルに液体を供給する供給流路と当該第２のノズルから液体を排出する排出流路が設けられ、
少なくとも前記第１のノズルから液滴が吐出されている間は、前記供給流路から前記排出流路に向けて液体を流通させることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記回収手段は、一の前記第１のノズルに対して、複数の前記第２のノズルを有することを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記第２のノズルの口径は、前記第１のノズルから吐出される不使用液滴の直径の２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
液滴を連続的に吐出する第１のノズルと、
該第１のノズルから連続的に吐出された液滴のうち、使用されない不使用液滴を回収する回収手段であって、前記第１のノズルから吐出された液滴が飛翔する軌道上に位置するように液面を突出させることが可能な第２のノズルを有し、該第２のノズルから液面を突出させ、該突出した液面に前記第１のノズルから吐出された不使用液滴を衝突させて合体させ、当該突出した液面を後退させることにより、前記不使用液滴を回収する前記回収手段と、
前記第１のノズルから連続的に吐出された液滴のうち、使用される使用液滴によって記録がなされる記録媒体を搬送する搬送手段と、
を具備することを特徴とする液体吐出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−３０３７８（Ｐ２０１２−３０３７８Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６９３８３（Ｐ２０１０−１６９３８３）
【出願日】平成２２年７月２８日（２０１０．７．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２８日（２０１０．７．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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