液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置
【課題】背圧を印加した高粘度な液を安定に吐出できる液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置を提供する。
【解決手段】ノズル１６の反吐出方向では梁部材１４およびアクチュエータ３６に開口１１６が設けられ、大気中に開放された構成とされている。これにより液流路１３より給送された液Ｌは、梁部材１４に設けられた開口１１６の近傍で形成された液溜まり１００に一時的に滞留する。回転エンコーダ２０Ｂに設けられた液吸引プール１２４は図示しない吸引手段と連通し、負圧を印加される。ノズル１６を挟んで長手方向反対側の流路部材１２には吸引路４２が設けられ、液吸引プール１２４と連通している。このため吸引路４２は開口１１６近傍の液溜まり１００に滞留する液Ｌを逐次吸引、除去する。
【解決手段】ノズル１６の反吐出方向では梁部材１４およびアクチュエータ３６に開口１１６が設けられ、大気中に開放された構成とされている。これにより液流路１３より給送された液Ｌは、梁部材１４に設けられた開口１１６の近傍で形成された液溜まり１００に一時的に滞留する。回転エンコーダ２０Ｂに設けられた液吸引プール１２４は図示しない吸引手段と連通し、負圧を印加される。ノズル１６を挟んで長手方向反対側の流路部材１２には吸引路４２が設けられ、液吸引プール１２４と連通している。このため吸引路４２は開口１１６近傍の液溜まり１００に滞留する液Ｌを逐次吸引、除去する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置に関し、特に高粘度の液を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液滴吐出装置として知られている現在市販されている水性インクジェットプリンターは、概ね粘度５cps前後、高々１０cpsオーダの染料液や顔料インクを採用している。媒体に着弾した際の液滲み防止や、光学的な色濃度アップ、含水量低減による媒体の膨潤抑制／短時間乾燥、あるいは、そうした高品質液をトータル設計するに当たり自由度が大きくとれる等の理由から、インク粘度を増加することによってプリント性能は向上できることが知られている。
【０００３】
本願発明者らは、梁に圧縮と回転運動を与え、座屈曲げ方向が反転する際の急峻な上下運動を利用して、ノズルから高粘度液滴を所望の方向に慣性離脱させる液滴吐出ヘッドを先に出願した（特許文献１〜４参照）。
【０００４】
ところで、高粘度液の吐出においては、低粘度液と比べ吐出滴の安定性が下がる、ノズル毎の吐出液滴のバラツキが大きくなる等の課題が生じやすい。特に高粘度液の過大な流路抵抗に対抗してノズル近傍まで液体を供給するため背圧を付与する場合、ノズルからの液ダレを含めメニスカスの均一維持が更に難しくなり、上記の課題は助長される。
【０００５】
本願発明者の実験によれば、上記課題を解決する方法として、ノズル近傍に液体を拘束しない液溜まりを設け、流路を介して過剰に供給された液体を保持し、且つ過剰な、あるいは余剰となった液体を排出するための吸引排出流路を設ける方法が有効であることが分かった。
【０００６】
本発明の目的は、梁に圧縮と回転運動を与え、座屈曲げ方向が反転する際の急峻な上下運動を利用して、背圧を印加した高粘度な液をノズルから安定に吐出できる液滴吐出ヘッドを提供することである。
【特許文献１】特願２００４−３２２３４１号公報
【特許文献２】特願２００４−３２２３４２号公報
【特許文献３】特願２００４−３２２３４３号公報
【特許文献４】特願２００４−３２２３４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記事実を考慮し、背圧を印加した高粘度な液を安定に吐出できる液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出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】
【０００８】
請求項１に記載の液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルと、前記ノズルに向けて液体が供給される液体流路部材と、前記ノズルに向けて前記液体流路部材中の前記液体に背圧を印加する背圧発生手段と、前記液体流路部材と接合もしくは液体流路部材を含み、液滴吐出面に凹となるように座屈反転変形した後、液滴吐出方向に凸となるよう座屈反転変形し、前記ノズル近傍の液体に吐出方向の慣性を与えることにより、前記ノズル近傍の液を液滴として前記ノズルより吐出させる梁部材と、前記液体流路部材の吐出方向反対側に設けられ大気と連通した開口と、吸引口が前記ノズルの近傍に向いた吸引路と、前記吸引路に負圧を発生させる負圧発生手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項１に記載の構成において、前記開口は前記液体流路部材の吐出方向厚さよりも薄い柔膜で封止されたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項１または請求項２に記載の構成において、吐出方向より見た前記開口の中心は、前記ノズルの中心よりも前記吸引路側にオフセットしていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項３に記載の構成において、吐出方向より見て前記開口の前記吸引路側端は前記ノズル中心より前記ノズル径の３倍〜１０倍の距離範囲にあり、前記吸引路より遠い側端は前記ノズル中心より前記ノズル径の３倍以内の距離範囲にあることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の構成において、前記吸引路の前記吸引口へ空気を送る送風路と、前記送風路に正圧を発生させる送風手段と、前記送風路に設けられ前記空気を濾過する濾過手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項５に記載の構成において、前記空気に前記液体の溶媒を添加する加湿手段を備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の液滴吐出装置は、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの構成によれば、本構成を有していない場合と比較して、開口に液溜まりが形成され余剰の液は吸引路に吸引されることで、背圧を印加した高粘度な液を安定に吐出できる液滴吐出ヘッドとすることができる。
【００１６】
請求項２に記載の液滴吐出ヘッドの構成によれば、本構成を有していない場合と比較して、液を拘束せず吐出時の抵抗が少ない柔膜で開口からの異物混入や液の乾燥を防止できる液滴吐出ヘッドとすることができる。
【００１７】
請求項３に記載の液滴吐出ヘッドの構成によれば、本構成を有していない場合と比較して、開口の供給側端がノズルから遠すぎることによる液充填効率低下や、開口の吸引側端がノズルに近すぎることによるノズル液膜（メニスカス）の薄化、脈動変動を抑制することができる。
【００１８】
請求項４に記載の液滴吐出ヘッドの構成によれば、本構成を有していない場合と比較して、開口の供給側端がノズルから遠すぎることによる液充填効率低下や、開口の吸引側端がノズルに近すぎることによるノズル液膜（メニスカス）の薄化、脈動変動を抑制することができる。
【００１９】
請求項５に記載の液滴吐出ヘッドの構成によれば、本構成を有していない場合と比較して、送風することにより、ノズル近傍の液にゴミが混入することを防止でき、吸引口からノズル近傍のゴミや残留液の吸引を容易にすることができる。
【００２０】
請求項６に記載の液滴吐出ヘッドの構成によれば、本構成を有していない場合と比較して、空気に液体の溶媒を添加することにより、ノズル近傍の液の乾燥を抑制することができる。
【００２１】
請求項７に記載の液滴吐出装置の構成によれば、本構成を有していない場合と比較して、背圧を印加した高粘度な液を安定に吐出できる液滴吐出装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
＜基本構成＞
図１には、本発明の実施形態に係る液滴吐出ヘッドの基本構造が示されている。
【００２３】
図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように液滴吐出ヘッド１０は、内部に液流路１３を備え長さ方向略中央にノズル１６を備えた中空チューブ状の流路部材１２と、流路部材１２を支持する梁部材１４とが柱状に接合され、両端を支持部材１８が支持する構造となっている。
【００２４】
また梁部材１４にはピエゾ素子３０が接合され、さらにピエゾ素子３０には信号電極３２が接合され梁部材１４、ピエゾ素子３０、信号電極３２でアクチュエータ３６を構成している。梁部材１４はピエゾ素子３０の共通電極を兼ねており、梁部材１４と信号電極３２とでピエゾ素子３０を挟む構造となっている。信号電極３２の一方の端には電極パッド３３が設けられ、配線３４にて図示しないスイッチングＩＣと接続されている。このスイッチングＩＣからの信号によりピエゾ素子３０は駆動され、梁部材１４を撓ませるか撓ませないかの制御が行われる。
【００２５】
流路部材１２は、液滴吐出方向（図中上）および逆方向に撓み可能であり、液溜まり２４から供給され液流路１３を通ってノズル１６まで達した液Ｌを、慣性によって吐出方向に液滴として吐出する。
【００２６】
このとき、一方の回転エンコーダ２０Ａに設けられた液溜まり２４からは図示しない背圧発生手段により背圧を印加された液Ｌが液流路１３に供給され、長手方向端よりノズル１６近傍まで給送され、ノズル１６より液滴２として吐出される。
【００２７】
さらに図１（Ｂ）に示すようにノズル１６の反吐出方向では梁部材１４およびアクチュエータ３６に開口１１６が設けられ、大気中に開放された構成とされている。これにより液流路１３より給送された液Ｌは、梁部材１４に設けられた開口１１６の近傍で形成された液溜まり１００に一時的に滞留する。
【００２８】
図１（Ｃ）に示すように、他方の回転エンコーダ２０Ｂに設けられた液吸引プール１２４は図示しない吸引手段と連通し、負圧を印加される。ノズル１６を挟んで長手方向反対側の流路部材１２には吸引路４２が設けられ、液吸引プール１２４と連通している。このため吸引路４２は開口１１６近傍の液溜まり１００に滞留する液Ｌを逐次吸引、除去する。
【００２９】
図１（Ｄ）に示すように、梁部材１４の一方の側、例えば反吐出方向側には流路部材４０が設けられ、内部には送風路４４が形成されている。送風路４４は図示しない送風手段と連通し、加圧された空気が給送される。このとき送風路４４内にフィルタが設けられ空気を濾過する構成でもよく、あるいは加湿手段が設けられ空気を液Ｌの溶媒成分で加湿する構成とされていてもよい。
【００３０】
支持部材１８は回転エンコーダ２０の回転中心からオフセットされた位置にて両側から押圧され、あるいは曲げ方向に力が加えられインク液吐出方向あるいは逆方向に梁部材１４と接合した流路部材１２を撓ませる。支持部材１８は、例えば図１（Ａ）の紙面前後方向に長い棒状でもよく、支持部材１８に複数の流路部材１２が設けられた梯子状の構造であってもよい。
【００３１】
また、複数のノズル１６から一括して液滴２を噴射する液滴吐出ヘッドの場合、吸引路４２はノズル１６毎に設ける必要はなく、例えば２本のノズル１６（液流路１３）に対して１本形成してもよい。液流路１３と吸引路４２とは同形状である必要はなく、吸引路４２が液流路１３よりも断面が広い（太い/幅広い/高い）構成であってもよい。
【００３２】
＜座屈反転吐出＞
図２および図３には本発明に係る液滴吐出ヘッドの梁部材あるいは流路部材の撓み方向と座屈反転の関係が示されている。両図とも、支持部材に複数の流路部材が梯子状に設けられた構造の液滴吐出ヘッドにおいて、その中の１本の流路部材に注目して変形の様子を表したものである。
【００３３】
液滴２を吐出しないように制御された場合、まず図２（Ａ）のように回転エンコーダ２０が逆回転（流路部材１２を引き伸ばす方向へ回転）し、初期状態では吐出方向へ凸形状となっている流路部材１２を真っ直ぐに伸ばす。
【００３４】
次いで図２（Ｂ）のように、流路部材１２の伸びを緩めると、流路部材１２に吐出を指示する信号が送られないためアクチュエータ３６が駆動されず、吐出方向に凸となるように撓んだ状態のままとなる。
【００３５】
さらに図２（Ｃ）および図２（Ｄ）で回転エンコーダ２０を吐出方向に正回転させ続けると、吐出方向に凸となるように撓んだ状態のまま撓み量が増大してゆくが、座屈反転による流路部材１２の吐出方向への変形が起こらないため、ノズル１６より液滴２の吐出には至らない。
【００３６】
これに対して液滴２を吐出するように液滴吐出ヘッド１０が制御された場合、まず図３（Ａ）のように回転エンコーダ２０が反転（流路部材１２を引き伸ばす方向へ回転）し、初期状態では吐出方向へ凸形状となっている流路部材１２を真っ直ぐに伸ばし、撓みのない状態とする。
【００３７】
次いで図３（Ｂ）のように流路部材１２に吐出を指示する信号が図示しないスイッチングＩＣより送られてアクチュエータ３６が駆動され、吐出方向に凹となるように撓んだ状態となる。
【００３８】
さらに図３（Ｃ）で回転エンコーダ２０を図中矢印方向に正回転させると、流路部材１２は回転エンコーダ２０に近い方、すなわち長手方向両端側から次第に吐出方向（図中上）に凸へと撓み方向が変化する。
【００３９】
この変化が両端から中央に近付くと、流路部材１２（あるいは梁部材１４）はある点で急峻な座屈反転を起こし、図３（Ｄ）に示すように液滴吐出方向（図中上）へと急激に変形する。
【００４０】
流路部材１２の長さ方向略中央にはノズル１６が設けられているため、流路部材１２内部を給送されノズル１６まで達している液Ｌはこの座屈反転による流路部材１２の吐出方向への変形に伴い、ノズル１６から液滴２として吐出される。
【００４１】
さらに図３（Ｄ）で撓み量が最大となり回転エンコーダ２０が停止したのち、逆回転して流路部材１２を平坦にする（図３（Ａ））ことで流路部材１２は初期位置図３（Ａ）へ復帰する。
【００４２】
図４には本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの、他の構造が示されている。すなわち、梁部材１４の長手方向一端を回転エンコーダ２０に保持された支持部材１８に固定され、長手方向他端は固定端として、固定された支持部材１８Ｂに保持されている。
【００４３】
また梁部材１４に設けられた流路部材１２には支持部材１８Ｂ側より液流路１３が設けられており、長手方向中央近傍に設けられたノズル１６に向けて液Ｌが給送され、ノズル１６より吐出される。
【００４４】
図４（Ａ）に示すように梁部材１４の回転エンコーダ２０側半分を吐出側に凹、他端側半分を吐出側に凸とした初期状態より、図４（Ｂ）に示すように梁部材１４（流路部材１２）の端より液Ｌが液流路１３内を給送され、ノズル１６へ給送される。
【００４５】
さらに図４（Ｃ）に示すように回転エンコーダ２０が吐出方向に回転すると支持部材１８によって保持されている梁部材１４の一端より、吐出方向に凸となるように変形し始め、図４（Ｄ）に示すようにノズル１６近傍（長手方向中央付近）が吐出方向に座屈反転し、ノズル１６より液Ｌは液滴２として吐出される。
【００４６】
図５（Ａ）、（Ｂ）には本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドのノズル近傍における構造の詳細が示されている。
【００４７】
流路部材１２によって形成された液流路１３内を、背圧を印加された状態で液Ｌが給送されるため、開口１１６近傍で形成される液溜まり１００には液Ｌが常に供給される。このとき、液溜まり１００は供給不足とならないように吐出で失われる液量よりも多量に供給される液Ｌを一時的に保持し、余剰分の液Ｌは負圧を印加された吸引路１１３にて吸引、排出される。これにより溜まり１００の液Ｌは自由表面を形成し、液滴２の慣性吐出を阻害する液Ｌの剪断抵抗などは抑制され、反吐出方向（ノズル背面）が密閉された構造と比較して液Ｌが高粘度であっても吐出を阻害しにくい構成とされる。
【００４８】
図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように液滴吐出ヘッド１０の流路部材１２は、内部長手方向に貫通した液流路１３と、流路部材１２に設けられたノズル１６とを備え、ノズル１６の裏側（反吐出方向側）には梁部材１４を穿孔した開口１１６が設けられている。
【００４９】
梁部材１４の反吐出方向（裏側）には流路部材４０が設けられ、梁部材１４との間には送風路４４が形成されている。送風路４４は図示しない送風手段と連通し、加圧された空気が矢印４３のように給送される。
【００５０】
送風路４４内には濾過手段としてフィルタ４８が設けられ、給送される空気を濾過する。さらに送風路４４内には液体を含有可能なスポンジなどの加湿手段４６が設けられ、給送される空気を液Ｌの溶媒成分で加湿する構成とされている。矢印４３のように給送された空気の一部は、液溜まり１００で矢印４５のように吸引路１１３へ向かい、矢印４１のように余剰の液Ｌと共に吸引除去される。
【００５１】
この構成とすることにより、液溜まり１００を大気中に開放する構成と比較して、フィルタ４８で濾過された空気が液溜まり１００に給送されるため、ゴミや異物の混入が少なく、且つ溶媒で加湿された空気が給送されるためノズル１６近傍の液Ｌが乾燥しにくい構成とされている。
【００５２】
＜第２実施形態＞
図６（Ａ）、（Ｂ）には本発明の第２実施形態に係る液滴吐出ヘッド１１のノズル近傍における構造の詳細が示されている。
【００５３】
第１実施形態で開口１１６が設けられ大気中に開放されていた箇所は、例えば厚さ５μｍ程度のポリイミドやエポキシ等の樹脂からなる薄膜１０２で封止され、形成された液溜まり１００の液Ｌは外気との接触を防止している。
【００５４】
すなわち梁部材１４には、ノズル１６の吐出方向反対側に開口１１６が設けられて液溜まり１００を形成し、液溜まり１００は吐出方向反対側を薄膜１０２にて封止されているので、流路部材１２によって形成された液流路１３内を、背圧を印加された状態で液Ｌが給送される際には、液Ｌに印加された背圧で薄膜１０２は図６（Ａ）に示すように膨張する。
【００５５】
液溜まり１００には液Ｌが常に供給されるため、膨張した薄膜１０２が封止する液溜まり１００は吐出で失われる液量よりも多量に供給される液Ｌを一時的に保持し、余剰分の液Ｌは負圧を印加された吸引路１１３にて吸引、排出される。これにより液溜まり１００は柔軟な薄膜１０２で表面を形成し、液滴２の慣性吐出を阻害する液Ｌの剪断抵抗などは抑制される。
【００５６】
液滴２の吐出時には図６（Ｂ）に示すように薄膜１０２はノズル１６方向（吐出方向）に変形し、液流路１３内の液Ｌを拘束しにくい構造とされているため、液滴２の吐出に際して反吐出方向（ノズル背面）がより剛性の高い部材で密閉された構造と比較して液Ｌが高粘度であっても吐出を阻害しにくい構成とされる。
【００５７】
＜製造工程＞
図７には、本発明の実施形態に係る液滴吐出ヘッドの製造工程の一例が示されている。先ず厚さ２０μｍ程度のＳＵＳ板をスリット幅７０μｍ程度で一列飛ばしにエッチング処理（スリットエッチ）し、吐出面裏側にＰＩ（ポリイミド）フィルム１４Ｂを融着し梁部材１４とする。
【００５８】
図７（Ａ）に示すように、吐出面裏側にＰＩ（ポリイミド）フィルム１２Ｂを融着した厚さ１０μｍ程度のＳＵＳ板を流路部材１２Ｂとしてスリット幅７０μｍでスリットエッチ処理する。次に吐出面裏側よりＹＡＧレーザ５０などで開口１１６を穿孔し、液溜まり１００が形成される空隙を形成する。
【００５９】
次いで図７（Ｂ）に示されるように、流路部材１２Ｂの吐出面側にＰＩフィルム１２Ｃを熱融着する。ＹＡＧレーザ５０などでノズル１６を穿孔し、支持部材１８の長手方向に並列に設けられた梁部材１４を互いに分離する。また同時に流路部材１２Ｂに設けられたスリット（＝液流路１３）と連通する液溜まり２４がＰＩフィルム１２Ｃを除去することで設けられる。このとき梁部材１４、流路部材１２Ｂは予めスリットエッチ処理が行われているので、表面のＰＩフィルム１２Ｃのみレーザアブレーションで除去する。
【００６０】
さらに吐出裏面からは長手方向半分までの領域に、予め信号電極３２が形成されたピエゾ素子３０が接合される。支持部材１８内に設けられた液溜まり２４に、図示しない送液ポンプより液を供給される供給ポート２５が接続され、液滴吐出ヘッド１０として形成される。
【００６１】
＜第３実施形態＞
図８（Ａ）には、本発明の第３実施形態に係る液滴吐出ヘッド１１０のノズル１６近傍の断面図が示されている。液滴吐出ヘッド１１０は支持部材１８に一端を保持された梁部材１４上に流路部材１２が設けられ、流路部材１２の内部には長手方向に液流路１３が設けられている。
【００６２】
図８（Ａ）に示すように液滴吐出ヘッド１１０の流路部材１２は、内部長手方向に貫通した液流路１３と、流路部材１２に設けられたノズル１６とを備え、ノズル１６の裏側（反吐出方向側）には梁部材１４を穿孔した開口１１６が設けられている。
【００６３】
梁部材１４の反吐出方向（裏側）には流路部材４０が設けられ、梁部材１４との間には送風路４４が形成されている。送風路４４は図示しない送風手段と連通し、加圧された空気が矢印４３のように給送される。
【００６４】
送風路４４内には濾過手段としてフィルタ４８が設けられ、給送される空気を濾過する。さらに送風路４４内には液体を含有可能なスポンジなどの加湿手段４６が設けられ、給送される空気を液Ｌの溶媒成分で加湿する構成とされている。
【００６５】
液流路１３はノズル１６を通過した後は吸引路１１３となり、図示しない吸引手段と連通し、負圧を印加される。矢印４３のように給送された空気の一部は、液溜まり１００で矢印４５Ａのように吸引路１１３へ向かい、矢印４１のように余剰の液Ｌと共に吸引除去される。
【００６６】
また空気の他の一部は、液溜まり１００より吸引路１１３に向かわず、矢印４５Ｂのように図示しない空気循環路を経由して再度送風手段へと戻される。さらに空気は送風手段より送風路４４へと給送され、再度矢印４３のように液溜まり１００に送られる。この構成とすることにより、液溜まり１００を大気中に開放する構成と比較して、常にフィルタ４８で濾過された空気が給送されるためゴミや異物の混入が少ない構成とされている。また、ノズル１６近傍の液の乾燥を抑制することができる。
【００６７】
＜第４実施形態＞
図８（Ｂ）には、本発明の第４実施形態に係る液滴吐出ヘッド１１１のノズル１６近傍の断面図が示されている。液滴吐出ヘッド１１１は支持部材１８に一端を保持された梁部材１４上に流路部材１２が設けられ、流路部材１２の内部には長手方向に液流路１３が設けられている。
【００６８】
図８（Ｂ）に示すように液滴吐出ヘッド１１１の流路部材１２は、内部長手方向に貫通した液流路１３と、流路部材１２に設けられたノズル１６とを備え、ノズル１６の裏側（反吐出方向側）には梁部材１４を穿孔した開口１１６が設けられている。
【００６９】
梁部材１４の反吐出方向（裏側）には流路部材４０Ａが設けられ、梁部材１４との間には送風路４４Ａが形成されている。送風路４４Ａは図示しない送風手段と連通し、加圧された空気が矢印４３Ａのように給送される。
【００７０】
送風路４４Ａ内には濾過手段としてフィルタ４８Ａが設けられ、給送される空気を濾過する。さらに送風路４４Ａ内には液体を含有可能なスポンジなどの加湿手段４６Ａが設けられ、給送される空気を液Ｌの溶媒成分で加湿する構成とされている。
【００７１】
液流路１３はノズル１６を通過した後は吸引路１１３となり、図示しない吸引手段と連通し、負圧を印加される。矢印４３Ａのように給送された空気は、液溜まり１００で矢印４５のように吸引路１１３へ向かい、矢印４１Ａのように余剰の液Ｌと共に吸引除去される。
【００７２】
また梁部材１４の吐出方向（表側）には流路部材４０Ｂが設けられ、梁部材１４との間には送風路４４Ｂが形成されている。送風路４４Ｂもまた図示しない送風手段と連通し、加圧された空気が矢印４３Ｂのように給送される。
【００７３】
さらに流路部材４０Ｂは、ノズル１６よりも送風方向下流側では流路部材１２との間に吸引路４２Ｂを形成し、給送された空気を吸引する。この吸引路４２Ｂは図示しない負圧発生手段（吸引ポンプなど）と連通し、負圧を印加されることにより、矢印４１Ｂのように空気およびノズル１６近傍で吐出方向に溢れた液Ｌを吸引除去する。
【００７４】
流路部材４０Ｂには、吐出方向より見てノズル１６よりも大きい開口４１６が設けられ、ノズル１６より液滴２の吐出を阻害しない構成とされている。さらに送風路４４Ｂ内にも濾過手段としてフィルタ４８Ｂが設けられ、給送される空気を濾過する。さらに送風路４４Ｂ内にも液体を含有可能なスポンジなどの加湿手段４６Ｂが設けられ、給送される空気を液Ｌの溶媒成分で加湿する構成とされている。
【００７５】
この構成とすることにより、液溜まり１００を大気中に開放する構成と比較して、常にフィルタ４８で濾過された空気が給送されるためゴミや異物の混入が少なく、また、ノズル１６近傍の液の乾燥を抑制することができる。さらに、ノズル１６近傍に液Ｌが付着しにくい構成とされている。
【００７６】
＜第５実施形態＞
図９（Ａ）、（Ｂ）には、本発明の第５実施形態に係る液滴吐出ヘッド１１２が示されている。
【００７７】
本発明の第５実施形態に係る液滴吐出ヘッド１１２は、図９（Ａ）に示されているように、内部に液流路１３を備え長さ方向略中央にノズル１６を備えた中空チューブ状の流路部材１２と、流路部材１２を支持する梁部材１４とが柱状に接合され、両端を支持部材１８が支持する構造となっている。またノズル１６の反吐出方向においては梁部材１４に開口１１６が設けられ、液溜まり１００が形成されている点は各実施形態と同様である。
【００７８】
図９（Ａ）のＡ−Ａ断面を図９（Ｂ）に示す。図９（Ｂ）に示すように液滴吐出ヘッド１１２は梁部材１４の吐出面側（表側）には中空の流路部材１２が設けられ、内部に液流路１３が形成されている。また反吐出面側（裏側）には流路部材４０Ｃが設けられ、内部に吸引路４２Ｃが形成されている。
【００７９】
吸引路４２Ｃは図示しない吸引手段と連通し、負圧を印加される。吸引路４２Ｃはノズル１６の反吐出方向に形成された液溜まり１００近傍に開口し、余剰の液Ｌを吸引除去する。この構成とすることにより、液流路１３の両端側からノズル１６に向かって液Ｌが供給できるようになる。また、この構成において、液流路１３の方端側からのみ、ノズル１６に向かって液Ｌを供給すると、吸引路４２Ｃを吐出面側（表側）と反吐出面側（裏側）に設けることができるようになり、上記各実施形態に比較して更に余剰の液Ｌの排出性に勝る構成とされている。
【００８０】
＜開口位置＞
図１０、図１１には、本発明に係る液滴吐出ヘッドの開口端からノズル中心までの距離と液面（メニスカス）との関係の一例が示されている。
【００８１】
ノズル１６の開口サイズが５０μｍであった場合、開口１１６のサイズｄ１が１００μｍ以下では図１０（Ａ）に示すようにノズル１６の液膜が容易に破壊され液膜の形成が困難となる。開口１１６のサイズｄ２が１５０μｍ程度では図１１（Ｂ）に示すようにノズル１６の液膜が薄く、吸引路１１３による吸引で脈動するなど不安定となる。開口１１６のサイズｄ３が２００〜４００μｍ程度では、上記の吸引に伴う問題は発生していない。
【００８２】
ノズル１６の開口径が２５μｍであった場合、吸引を行わず、液Ｌに背圧を印加せず毛管供給した際には、開口１１６のサイズが５０μｍであった場合のみ図１１（Ａ）に示すように吐出性に問題はなく、開口１１６のサイズが１００〜１５０μｍ程度では図１１（Ｂ）に示すように開口１１６へ液Ｌが移動して流出するなど、ノズル１６における液膜形成が困難となる。また液Ｌへの背圧印加および吸引路１１３での吸引を行った場合は開口１１６のサイズに拘わらず液溢れ、濡れ、ノズル１６間の吐出バラツキ等が発生した。
【００８３】
液Ｌに背圧を印加し吸引路１１３で吸引を行った場合、開口１１６のサイズ１００μｍ以下では図１１（Ｃ）に示すようにノズル１６の液膜が吸引路１１３からの吸引で破壊され易くなり吐出バラツキが発生する。
【００８４】
開口１１６のサイズが１５０μｍ程度では図１１（Ｄ）に示すようにノズル１６の液膜が薄くなり、且つ液流路１３からの距離が大きくなるため液膜の維持が困難となり、吐出バラツキが発生する。上記の例はすべて吐出方向より見てノズル１６と開口１１６の図心が一致している場合の結果である。この場合、開口１１６の背圧側（供給側）と吸引側（下流側）の適切なサイズを両立することができない。
【００８５】
そこで開口１１６の背圧側（供給側）端からノズル１６の中心までの距離（ｄin）と、吸引側（下流側）端からノズル１６の中心までの距離（ｄout）を変化させ、目視で吐出性能を判定した結果を図１２に表で示す。
【００８６】
図１２に示すように、開口１１６の背圧側（供給側）端からノズル１６の中心までの距離がノズル１６の径に対して３倍以内であれば吐出性能は良好であり、且つ吸引側（下流側）端からノズル１６の中心までの距離がノズル１６の径に対して３倍〜１０倍の範囲にあれば吐出性能は良好となる。
【００８７】
＜その他＞
尚、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記各実施形態ではノズル１６ごとに吸引路１１３や送風路４４を設けた構成が例示されているが、これに限定せず例えば２個あるいは４個など複数のノズル１６ごとに吸引路１１３や送風路４４を設けた構成とされていてもよい。このとき吸引路１１３や送風路４４に対してノズル１６は均等に配置されている構成であれば液膜が均一化され易い構成となる。
【００８８】
また、本明細書における液滴吐出ヘッドはインクジェット記録ヘッドを例にあげているが、必ずしもインクを用いた記録紙上への文字や画像の記録に限定されるものではない。すなわち、記録媒体は紙に限定されるものでなく、また吐出される液体もインクに限定されるものではない。例えば、高分子フィルムやガラス上に液を吐出してディスプレイ用カラーフィルターを作成したり、液状の半田を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成したりするなど、工業用的に用いられる液滴噴射装置全般に対して本発明を利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明に係る液滴吐出ヘッドの構造を示す側面図、断面図および斜視図である。
【図２】本発明に係る液滴吐出ヘッドの動作を示す側面図である。
【図３】本発明に係る液滴吐出ヘッドの動作を示す側面図である。
【図４】本発明に係る液滴吐出ヘッドの動作を示す側面図である。
【図５】本発明に係る液滴吐出ヘッドのノズル近傍における構造を示す斜視図および断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る液滴吐出ヘッドのノズル近傍における構造を示す断面図である。
【図７】本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造工程を示す斜視図である。
【図８】本発明の第３実施形態および第４実施形態に係る液滴吐出ヘッドのノズル近傍における構造を示す断面図である。
【図９】本発明の第５実施形態に係る液滴吐出ヘッドのノズル近傍における構造を示す斜視図および断面図である。
【図１０】本発明に係る液滴吐出ヘッドの開口サイズと液膜の関係を示す断面図である。
【図１１】本発明に係る液滴吐出ヘッドの開口サイズと液膜の関係を示す断面図である。
【図１２】本発明に係る液滴吐出ヘッドの開口とノズルの位置関係と吐出性能の関係を示す表である。
【符号の説明】
【００９０】
２ 液滴
１０ 液滴吐出ヘッド
１２ 流路部材
１３ 液流路
１４ 梁部材
１６ ノズル
１８ 支持部材
２０ 回転エンコーダ
３０ ピエゾ素子
３６ アクチュエータ
４０ 流路部材
４２ 吸引路
４４ 送風路
４６ 加湿手段
４８ フィルタ
１００ 液溜まり
１１３ 吸引路
１１６ 開口
１２４ 液吸引プール
【技術分野】
【０００１】
本発明は液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置に関し、特に高粘度の液を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液滴吐出装置として知られている現在市販されている水性インクジェットプリンターは、概ね粘度５cps前後、高々１０cpsオーダの染料液や顔料インクを採用している。媒体に着弾した際の液滲み防止や、光学的な色濃度アップ、含水量低減による媒体の膨潤抑制／短時間乾燥、あるいは、そうした高品質液をトータル設計するに当たり自由度が大きくとれる等の理由から、インク粘度を増加することによってプリント性能は向上できることが知られている。
【０００３】
本願発明者らは、梁に圧縮と回転運動を与え、座屈曲げ方向が反転する際の急峻な上下運動を利用して、ノズルから高粘度液滴を所望の方向に慣性離脱させる液滴吐出ヘッドを先に出願した（特許文献１〜４参照）。
【０００４】
ところで、高粘度液の吐出においては、低粘度液と比べ吐出滴の安定性が下がる、ノズル毎の吐出液滴のバラツキが大きくなる等の課題が生じやすい。特に高粘度液の過大な流路抵抗に対抗してノズル近傍まで液体を供給するため背圧を付与する場合、ノズルからの液ダレを含めメニスカスの均一維持が更に難しくなり、上記の課題は助長される。
【０００５】
本願発明者の実験によれば、上記課題を解決する方法として、ノズル近傍に液体を拘束しない液溜まりを設け、流路を介して過剰に供給された液体を保持し、且つ過剰な、あるいは余剰となった液体を排出するための吸引排出流路を設ける方法が有効であることが分かった。
【０００６】
本発明の目的は、梁に圧縮と回転運動を与え、座屈曲げ方向が反転する際の急峻な上下運動を利用して、背圧を印加した高粘度な液をノズルから安定に吐出できる液滴吐出ヘッドを提供することである。
【特許文献１】特願２００４−３２２３４１号公報
【特許文献２】特願２００４−３２２３４２号公報
【特許文献３】特願２００４−３２２３４３号公報
【特許文献４】特願２００４−３２２３４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記事実を考慮し、背圧を印加した高粘度な液を安定に吐出できる液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出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】
【０００８】
請求項１に記載の液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルと、前記ノズルに向けて液体が供給される液体流路部材と、前記ノズルに向けて前記液体流路部材中の前記液体に背圧を印加する背圧発生手段と、前記液体流路部材と接合もしくは液体流路部材を含み、液滴吐出面に凹となるように座屈反転変形した後、液滴吐出方向に凸となるよう座屈反転変形し、前記ノズル近傍の液体に吐出方向の慣性を与えることにより、前記ノズル近傍の液を液滴として前記ノズルより吐出させる梁部材と、前記液体流路部材の吐出方向反対側に設けられ大気と連通した開口と、吸引口が前記ノズルの近傍に向いた吸引路と、前記吸引路に負圧を発生させる負圧発生手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項１に記載の構成において、前記開口は前記液体流路部材の吐出方向厚さよりも薄い柔膜で封止されたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項１または請求項２に記載の構成において、吐出方向より見た前記開口の中心は、前記ノズルの中心よりも前記吸引路側にオフセットしていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項３に記載の構成において、吐出方向より見て前記開口の前記吸引路側端は前記ノズル中心より前記ノズル径の３倍〜１０倍の距離範囲にあり、前記吸引路より遠い側端は前記ノズル中心より前記ノズル径の３倍以内の距離範囲にあることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の構成において、前記吸引路の前記吸引口へ空気を送る送風路と、前記送風路に正圧を発生させる送風手段と、前記送風路に設けられ前記空気を濾過する濾過手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項５に記載の構成において、前記空気に前記液体の溶媒を添加する加湿手段を備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の液滴吐出装置は、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの構成によれば、本構成を有していない場合と比較して、開口に液溜まりが形成され余剰の液は吸引路に吸引されることで、背圧を印加した高粘度な液を安定に吐出できる液滴吐出ヘッドとすることができる。
【００１６】
請求項２に記載の液滴吐出ヘッドの構成によれば、本構成を有していない場合と比較して、液を拘束せず吐出時の抵抗が少ない柔膜で開口からの異物混入や液の乾燥を防止できる液滴吐出ヘッドとすることができる。
【００１７】
請求項３に記載の液滴吐出ヘッドの構成によれば、本構成を有していない場合と比較して、開口の供給側端がノズルから遠すぎることによる液充填効率低下や、開口の吸引側端がノズルに近すぎることによるノズル液膜（メニスカス）の薄化、脈動変動を抑制することができる。
【００１８】
請求項４に記載の液滴吐出ヘッドの構成によれば、本構成を有していない場合と比較して、開口の供給側端がノズルから遠すぎることによる液充填効率低下や、開口の吸引側端がノズルに近すぎることによるノズル液膜（メニスカス）の薄化、脈動変動を抑制することができる。
【００１９】
請求項５に記載の液滴吐出ヘッドの構成によれば、本構成を有していない場合と比較して、送風することにより、ノズル近傍の液にゴミが混入することを防止でき、吸引口からノズル近傍のゴミや残留液の吸引を容易にすることができる。
【００２０】
請求項６に記載の液滴吐出ヘッドの構成によれば、本構成を有していない場合と比較して、空気に液体の溶媒を添加することにより、ノズル近傍の液の乾燥を抑制することができる。
【００２１】
請求項７に記載の液滴吐出装置の構成によれば、本構成を有していない場合と比較して、背圧を印加した高粘度な液を安定に吐出できる液滴吐出装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
＜基本構成＞
図１には、本発明の実施形態に係る液滴吐出ヘッドの基本構造が示されている。
【００２３】
図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように液滴吐出ヘッド１０は、内部に液流路１３を備え長さ方向略中央にノズル１６を備えた中空チューブ状の流路部材１２と、流路部材１２を支持する梁部材１４とが柱状に接合され、両端を支持部材１８が支持する構造となっている。
【００２４】
また梁部材１４にはピエゾ素子３０が接合され、さらにピエゾ素子３０には信号電極３２が接合され梁部材１４、ピエゾ素子３０、信号電極３２でアクチュエータ３６を構成している。梁部材１４はピエゾ素子３０の共通電極を兼ねており、梁部材１４と信号電極３２とでピエゾ素子３０を挟む構造となっている。信号電極３２の一方の端には電極パッド３３が設けられ、配線３４にて図示しないスイッチングＩＣと接続されている。このスイッチングＩＣからの信号によりピエゾ素子３０は駆動され、梁部材１４を撓ませるか撓ませないかの制御が行われる。
【００２５】
流路部材１２は、液滴吐出方向（図中上）および逆方向に撓み可能であり、液溜まり２４から供給され液流路１３を通ってノズル１６まで達した液Ｌを、慣性によって吐出方向に液滴として吐出する。
【００２６】
このとき、一方の回転エンコーダ２０Ａに設けられた液溜まり２４からは図示しない背圧発生手段により背圧を印加された液Ｌが液流路１３に供給され、長手方向端よりノズル１６近傍まで給送され、ノズル１６より液滴２として吐出される。
【００２７】
さらに図１（Ｂ）に示すようにノズル１６の反吐出方向では梁部材１４およびアクチュエータ３６に開口１１６が設けられ、大気中に開放された構成とされている。これにより液流路１３より給送された液Ｌは、梁部材１４に設けられた開口１１６の近傍で形成された液溜まり１００に一時的に滞留する。
【００２８】
図１（Ｃ）に示すように、他方の回転エンコーダ２０Ｂに設けられた液吸引プール１２４は図示しない吸引手段と連通し、負圧を印加される。ノズル１６を挟んで長手方向反対側の流路部材１２には吸引路４２が設けられ、液吸引プール１２４と連通している。このため吸引路４２は開口１１６近傍の液溜まり１００に滞留する液Ｌを逐次吸引、除去する。
【００２９】
図１（Ｄ）に示すように、梁部材１４の一方の側、例えば反吐出方向側には流路部材４０が設けられ、内部には送風路４４が形成されている。送風路４４は図示しない送風手段と連通し、加圧された空気が給送される。このとき送風路４４内にフィルタが設けられ空気を濾過する構成でもよく、あるいは加湿手段が設けられ空気を液Ｌの溶媒成分で加湿する構成とされていてもよい。
【００３０】
支持部材１８は回転エンコーダ２０の回転中心からオフセットされた位置にて両側から押圧され、あるいは曲げ方向に力が加えられインク液吐出方向あるいは逆方向に梁部材１４と接合した流路部材１２を撓ませる。支持部材１８は、例えば図１（Ａ）の紙面前後方向に長い棒状でもよく、支持部材１８に複数の流路部材１２が設けられた梯子状の構造であってもよい。
【００３１】
また、複数のノズル１６から一括して液滴２を噴射する液滴吐出ヘッドの場合、吸引路４２はノズル１６毎に設ける必要はなく、例えば２本のノズル１６（液流路１３）に対して１本形成してもよい。液流路１３と吸引路４２とは同形状である必要はなく、吸引路４２が液流路１３よりも断面が広い（太い/幅広い/高い）構成であってもよい。
【００３２】
＜座屈反転吐出＞
図２および図３には本発明に係る液滴吐出ヘッドの梁部材あるいは流路部材の撓み方向と座屈反転の関係が示されている。両図とも、支持部材に複数の流路部材が梯子状に設けられた構造の液滴吐出ヘッドにおいて、その中の１本の流路部材に注目して変形の様子を表したものである。
【００３３】
液滴２を吐出しないように制御された場合、まず図２（Ａ）のように回転エンコーダ２０が逆回転（流路部材１２を引き伸ばす方向へ回転）し、初期状態では吐出方向へ凸形状となっている流路部材１２を真っ直ぐに伸ばす。
【００３４】
次いで図２（Ｂ）のように、流路部材１２の伸びを緩めると、流路部材１２に吐出を指示する信号が送られないためアクチュエータ３６が駆動されず、吐出方向に凸となるように撓んだ状態のままとなる。
【００３５】
さらに図２（Ｃ）および図２（Ｄ）で回転エンコーダ２０を吐出方向に正回転させ続けると、吐出方向に凸となるように撓んだ状態のまま撓み量が増大してゆくが、座屈反転による流路部材１２の吐出方向への変形が起こらないため、ノズル１６より液滴２の吐出には至らない。
【００３６】
これに対して液滴２を吐出するように液滴吐出ヘッド１０が制御された場合、まず図３（Ａ）のように回転エンコーダ２０が反転（流路部材１２を引き伸ばす方向へ回転）し、初期状態では吐出方向へ凸形状となっている流路部材１２を真っ直ぐに伸ばし、撓みのない状態とする。
【００３７】
次いで図３（Ｂ）のように流路部材１２に吐出を指示する信号が図示しないスイッチングＩＣより送られてアクチュエータ３６が駆動され、吐出方向に凹となるように撓んだ状態となる。
【００３８】
さらに図３（Ｃ）で回転エンコーダ２０を図中矢印方向に正回転させると、流路部材１２は回転エンコーダ２０に近い方、すなわち長手方向両端側から次第に吐出方向（図中上）に凸へと撓み方向が変化する。
【００３９】
この変化が両端から中央に近付くと、流路部材１２（あるいは梁部材１４）はある点で急峻な座屈反転を起こし、図３（Ｄ）に示すように液滴吐出方向（図中上）へと急激に変形する。
【００４０】
流路部材１２の長さ方向略中央にはノズル１６が設けられているため、流路部材１２内部を給送されノズル１６まで達している液Ｌはこの座屈反転による流路部材１２の吐出方向への変形に伴い、ノズル１６から液滴２として吐出される。
【００４１】
さらに図３（Ｄ）で撓み量が最大となり回転エンコーダ２０が停止したのち、逆回転して流路部材１２を平坦にする（図３（Ａ））ことで流路部材１２は初期位置図３（Ａ）へ復帰する。
【００４２】
図４には本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの、他の構造が示されている。すなわち、梁部材１４の長手方向一端を回転エンコーダ２０に保持された支持部材１８に固定され、長手方向他端は固定端として、固定された支持部材１８Ｂに保持されている。
【００４３】
また梁部材１４に設けられた流路部材１２には支持部材１８Ｂ側より液流路１３が設けられており、長手方向中央近傍に設けられたノズル１６に向けて液Ｌが給送され、ノズル１６より吐出される。
【００４４】
図４（Ａ）に示すように梁部材１４の回転エンコーダ２０側半分を吐出側に凹、他端側半分を吐出側に凸とした初期状態より、図４（Ｂ）に示すように梁部材１４（流路部材１２）の端より液Ｌが液流路１３内を給送され、ノズル１６へ給送される。
【００４５】
さらに図４（Ｃ）に示すように回転エンコーダ２０が吐出方向に回転すると支持部材１８によって保持されている梁部材１４の一端より、吐出方向に凸となるように変形し始め、図４（Ｄ）に示すようにノズル１６近傍（長手方向中央付近）が吐出方向に座屈反転し、ノズル１６より液Ｌは液滴２として吐出される。
【００４６】
図５（Ａ）、（Ｂ）には本発明の第１実施形態に係る液滴吐出ヘッドのノズル近傍における構造の詳細が示されている。
【００４７】
流路部材１２によって形成された液流路１３内を、背圧を印加された状態で液Ｌが給送されるため、開口１１６近傍で形成される液溜まり１００には液Ｌが常に供給される。このとき、液溜まり１００は供給不足とならないように吐出で失われる液量よりも多量に供給される液Ｌを一時的に保持し、余剰分の液Ｌは負圧を印加された吸引路１１３にて吸引、排出される。これにより溜まり１００の液Ｌは自由表面を形成し、液滴２の慣性吐出を阻害する液Ｌの剪断抵抗などは抑制され、反吐出方向（ノズル背面）が密閉された構造と比較して液Ｌが高粘度であっても吐出を阻害しにくい構成とされる。
【００４８】
図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように液滴吐出ヘッド１０の流路部材１２は、内部長手方向に貫通した液流路１３と、流路部材１２に設けられたノズル１６とを備え、ノズル１６の裏側（反吐出方向側）には梁部材１４を穿孔した開口１１６が設けられている。
【００４９】
梁部材１４の反吐出方向（裏側）には流路部材４０が設けられ、梁部材１４との間には送風路４４が形成されている。送風路４４は図示しない送風手段と連通し、加圧された空気が矢印４３のように給送される。
【００５０】
送風路４４内には濾過手段としてフィルタ４８が設けられ、給送される空気を濾過する。さらに送風路４４内には液体を含有可能なスポンジなどの加湿手段４６が設けられ、給送される空気を液Ｌの溶媒成分で加湿する構成とされている。矢印４３のように給送された空気の一部は、液溜まり１００で矢印４５のように吸引路１１３へ向かい、矢印４１のように余剰の液Ｌと共に吸引除去される。
【００５１】
この構成とすることにより、液溜まり１００を大気中に開放する構成と比較して、フィルタ４８で濾過された空気が液溜まり１００に給送されるため、ゴミや異物の混入が少なく、且つ溶媒で加湿された空気が給送されるためノズル１６近傍の液Ｌが乾燥しにくい構成とされている。
【００５２】
＜第２実施形態＞
図６（Ａ）、（Ｂ）には本発明の第２実施形態に係る液滴吐出ヘッド１１のノズル近傍における構造の詳細が示されている。
【００５３】
第１実施形態で開口１１６が設けられ大気中に開放されていた箇所は、例えば厚さ５μｍ程度のポリイミドやエポキシ等の樹脂からなる薄膜１０２で封止され、形成された液溜まり１００の液Ｌは外気との接触を防止している。
【００５４】
すなわち梁部材１４には、ノズル１６の吐出方向反対側に開口１１６が設けられて液溜まり１００を形成し、液溜まり１００は吐出方向反対側を薄膜１０２にて封止されているので、流路部材１２によって形成された液流路１３内を、背圧を印加された状態で液Ｌが給送される際には、液Ｌに印加された背圧で薄膜１０２は図６（Ａ）に示すように膨張する。
【００５５】
液溜まり１００には液Ｌが常に供給されるため、膨張した薄膜１０２が封止する液溜まり１００は吐出で失われる液量よりも多量に供給される液Ｌを一時的に保持し、余剰分の液Ｌは負圧を印加された吸引路１１３にて吸引、排出される。これにより液溜まり１００は柔軟な薄膜１０２で表面を形成し、液滴２の慣性吐出を阻害する液Ｌの剪断抵抗などは抑制される。
【００５６】
液滴２の吐出時には図６（Ｂ）に示すように薄膜１０２はノズル１６方向（吐出方向）に変形し、液流路１３内の液Ｌを拘束しにくい構造とされているため、液滴２の吐出に際して反吐出方向（ノズル背面）がより剛性の高い部材で密閉された構造と比較して液Ｌが高粘度であっても吐出を阻害しにくい構成とされる。
【００５７】
＜製造工程＞
図７には、本発明の実施形態に係る液滴吐出ヘッドの製造工程の一例が示されている。先ず厚さ２０μｍ程度のＳＵＳ板をスリット幅７０μｍ程度で一列飛ばしにエッチング処理（スリットエッチ）し、吐出面裏側にＰＩ（ポリイミド）フィルム１４Ｂを融着し梁部材１４とする。
【００５８】
図７（Ａ）に示すように、吐出面裏側にＰＩ（ポリイミド）フィルム１２Ｂを融着した厚さ１０μｍ程度のＳＵＳ板を流路部材１２Ｂとしてスリット幅７０μｍでスリットエッチ処理する。次に吐出面裏側よりＹＡＧレーザ５０などで開口１１６を穿孔し、液溜まり１００が形成される空隙を形成する。
【００５９】
次いで図７（Ｂ）に示されるように、流路部材１２Ｂの吐出面側にＰＩフィルム１２Ｃを熱融着する。ＹＡＧレーザ５０などでノズル１６を穿孔し、支持部材１８の長手方向に並列に設けられた梁部材１４を互いに分離する。また同時に流路部材１２Ｂに設けられたスリット（＝液流路１３）と連通する液溜まり２４がＰＩフィルム１２Ｃを除去することで設けられる。このとき梁部材１４、流路部材１２Ｂは予めスリットエッチ処理が行われているので、表面のＰＩフィルム１２Ｃのみレーザアブレーションで除去する。
【００６０】
さらに吐出裏面からは長手方向半分までの領域に、予め信号電極３２が形成されたピエゾ素子３０が接合される。支持部材１８内に設けられた液溜まり２４に、図示しない送液ポンプより液を供給される供給ポート２５が接続され、液滴吐出ヘッド１０として形成される。
【００６１】
＜第３実施形態＞
図８（Ａ）には、本発明の第３実施形態に係る液滴吐出ヘッド１１０のノズル１６近傍の断面図が示されている。液滴吐出ヘッド１１０は支持部材１８に一端を保持された梁部材１４上に流路部材１２が設けられ、流路部材１２の内部には長手方向に液流路１３が設けられている。
【００６２】
図８（Ａ）に示すように液滴吐出ヘッド１１０の流路部材１２は、内部長手方向に貫通した液流路１３と、流路部材１２に設けられたノズル１６とを備え、ノズル１６の裏側（反吐出方向側）には梁部材１４を穿孔した開口１１６が設けられている。
【００６３】
梁部材１４の反吐出方向（裏側）には流路部材４０が設けられ、梁部材１４との間には送風路４４が形成されている。送風路４４は図示しない送風手段と連通し、加圧された空気が矢印４３のように給送される。
【００６４】
送風路４４内には濾過手段としてフィルタ４８が設けられ、給送される空気を濾過する。さらに送風路４４内には液体を含有可能なスポンジなどの加湿手段４６が設けられ、給送される空気を液Ｌの溶媒成分で加湿する構成とされている。
【００６５】
液流路１３はノズル１６を通過した後は吸引路１１３となり、図示しない吸引手段と連通し、負圧を印加される。矢印４３のように給送された空気の一部は、液溜まり１００で矢印４５Ａのように吸引路１１３へ向かい、矢印４１のように余剰の液Ｌと共に吸引除去される。
【００６６】
また空気の他の一部は、液溜まり１００より吸引路１１３に向かわず、矢印４５Ｂのように図示しない空気循環路を経由して再度送風手段へと戻される。さらに空気は送風手段より送風路４４へと給送され、再度矢印４３のように液溜まり１００に送られる。この構成とすることにより、液溜まり１００を大気中に開放する構成と比較して、常にフィルタ４８で濾過された空気が給送されるためゴミや異物の混入が少ない構成とされている。また、ノズル１６近傍の液の乾燥を抑制することができる。
【００６７】
＜第４実施形態＞
図８（Ｂ）には、本発明の第４実施形態に係る液滴吐出ヘッド１１１のノズル１６近傍の断面図が示されている。液滴吐出ヘッド１１１は支持部材１８に一端を保持された梁部材１４上に流路部材１２が設けられ、流路部材１２の内部には長手方向に液流路１３が設けられている。
【００６８】
図８（Ｂ）に示すように液滴吐出ヘッド１１１の流路部材１２は、内部長手方向に貫通した液流路１３と、流路部材１２に設けられたノズル１６とを備え、ノズル１６の裏側（反吐出方向側）には梁部材１４を穿孔した開口１１６が設けられている。
【００６９】
梁部材１４の反吐出方向（裏側）には流路部材４０Ａが設けられ、梁部材１４との間には送風路４４Ａが形成されている。送風路４４Ａは図示しない送風手段と連通し、加圧された空気が矢印４３Ａのように給送される。
【００７０】
送風路４４Ａ内には濾過手段としてフィルタ４８Ａが設けられ、給送される空気を濾過する。さらに送風路４４Ａ内には液体を含有可能なスポンジなどの加湿手段４６Ａが設けられ、給送される空気を液Ｌの溶媒成分で加湿する構成とされている。
【００７１】
液流路１３はノズル１６を通過した後は吸引路１１３となり、図示しない吸引手段と連通し、負圧を印加される。矢印４３Ａのように給送された空気は、液溜まり１００で矢印４５のように吸引路１１３へ向かい、矢印４１Ａのように余剰の液Ｌと共に吸引除去される。
【００７２】
また梁部材１４の吐出方向（表側）には流路部材４０Ｂが設けられ、梁部材１４との間には送風路４４Ｂが形成されている。送風路４４Ｂもまた図示しない送風手段と連通し、加圧された空気が矢印４３Ｂのように給送される。
【００７３】
さらに流路部材４０Ｂは、ノズル１６よりも送風方向下流側では流路部材１２との間に吸引路４２Ｂを形成し、給送された空気を吸引する。この吸引路４２Ｂは図示しない負圧発生手段（吸引ポンプなど）と連通し、負圧を印加されることにより、矢印４１Ｂのように空気およびノズル１６近傍で吐出方向に溢れた液Ｌを吸引除去する。
【００７４】
流路部材４０Ｂには、吐出方向より見てノズル１６よりも大きい開口４１６が設けられ、ノズル１６より液滴２の吐出を阻害しない構成とされている。さらに送風路４４Ｂ内にも濾過手段としてフィルタ４８Ｂが設けられ、給送される空気を濾過する。さらに送風路４４Ｂ内にも液体を含有可能なスポンジなどの加湿手段４６Ｂが設けられ、給送される空気を液Ｌの溶媒成分で加湿する構成とされている。
【００７５】
この構成とすることにより、液溜まり１００を大気中に開放する構成と比較して、常にフィルタ４８で濾過された空気が給送されるためゴミや異物の混入が少なく、また、ノズル１６近傍の液の乾燥を抑制することができる。さらに、ノズル１６近傍に液Ｌが付着しにくい構成とされている。
【００７６】
＜第５実施形態＞
図９（Ａ）、（Ｂ）には、本発明の第５実施形態に係る液滴吐出ヘッド１１２が示されている。
【００７７】
本発明の第５実施形態に係る液滴吐出ヘッド１１２は、図９（Ａ）に示されているように、内部に液流路１３を備え長さ方向略中央にノズル１６を備えた中空チューブ状の流路部材１２と、流路部材１２を支持する梁部材１４とが柱状に接合され、両端を支持部材１８が支持する構造となっている。またノズル１６の反吐出方向においては梁部材１４に開口１１６が設けられ、液溜まり１００が形成されている点は各実施形態と同様である。
【００７８】
図９（Ａ）のＡ−Ａ断面を図９（Ｂ）に示す。図９（Ｂ）に示すように液滴吐出ヘッド１１２は梁部材１４の吐出面側（表側）には中空の流路部材１２が設けられ、内部に液流路１３が形成されている。また反吐出面側（裏側）には流路部材４０Ｃが設けられ、内部に吸引路４２Ｃが形成されている。
【００７９】
吸引路４２Ｃは図示しない吸引手段と連通し、負圧を印加される。吸引路４２Ｃはノズル１６の反吐出方向に形成された液溜まり１００近傍に開口し、余剰の液Ｌを吸引除去する。この構成とすることにより、液流路１３の両端側からノズル１６に向かって液Ｌが供給できるようになる。また、この構成において、液流路１３の方端側からのみ、ノズル１６に向かって液Ｌを供給すると、吸引路４２Ｃを吐出面側（表側）と反吐出面側（裏側）に設けることができるようになり、上記各実施形態に比較して更に余剰の液Ｌの排出性に勝る構成とされている。
【００８０】
＜開口位置＞
図１０、図１１には、本発明に係る液滴吐出ヘッドの開口端からノズル中心までの距離と液面（メニスカス）との関係の一例が示されている。
【００８１】
ノズル１６の開口サイズが５０μｍであった場合、開口１１６のサイズｄ１が１００μｍ以下では図１０（Ａ）に示すようにノズル１６の液膜が容易に破壊され液膜の形成が困難となる。開口１１６のサイズｄ２が１５０μｍ程度では図１１（Ｂ）に示すようにノズル１６の液膜が薄く、吸引路１１３による吸引で脈動するなど不安定となる。開口１１６のサイズｄ３が２００〜４００μｍ程度では、上記の吸引に伴う問題は発生していない。
【００８２】
ノズル１６の開口径が２５μｍであった場合、吸引を行わず、液Ｌに背圧を印加せず毛管供給した際には、開口１１６のサイズが５０μｍであった場合のみ図１１（Ａ）に示すように吐出性に問題はなく、開口１１６のサイズが１００〜１５０μｍ程度では図１１（Ｂ）に示すように開口１１６へ液Ｌが移動して流出するなど、ノズル１６における液膜形成が困難となる。また液Ｌへの背圧印加および吸引路１１３での吸引を行った場合は開口１１６のサイズに拘わらず液溢れ、濡れ、ノズル１６間の吐出バラツキ等が発生した。
【００８３】
液Ｌに背圧を印加し吸引路１１３で吸引を行った場合、開口１１６のサイズ１００μｍ以下では図１１（Ｃ）に示すようにノズル１６の液膜が吸引路１１３からの吸引で破壊され易くなり吐出バラツキが発生する。
【００８４】
開口１１６のサイズが１５０μｍ程度では図１１（Ｄ）に示すようにノズル１６の液膜が薄くなり、且つ液流路１３からの距離が大きくなるため液膜の維持が困難となり、吐出バラツキが発生する。上記の例はすべて吐出方向より見てノズル１６と開口１１６の図心が一致している場合の結果である。この場合、開口１１６の背圧側（供給側）と吸引側（下流側）の適切なサイズを両立することができない。
【００８５】
そこで開口１１６の背圧側（供給側）端からノズル１６の中心までの距離（ｄin）と、吸引側（下流側）端からノズル１６の中心までの距離（ｄout）を変化させ、目視で吐出性能を判定した結果を図１２に表で示す。
【００８６】
図１２に示すように、開口１１６の背圧側（供給側）端からノズル１６の中心までの距離がノズル１６の径に対して３倍以内であれば吐出性能は良好であり、且つ吸引側（下流側）端からノズル１６の中心までの距離がノズル１６の径に対して３倍〜１０倍の範囲にあれば吐出性能は良好となる。
【００８７】
＜その他＞
尚、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記各実施形態ではノズル１６ごとに吸引路１１３や送風路４４を設けた構成が例示されているが、これに限定せず例えば２個あるいは４個など複数のノズル１６ごとに吸引路１１３や送風路４４を設けた構成とされていてもよい。このとき吸引路１１３や送風路４４に対してノズル１６は均等に配置されている構成であれば液膜が均一化され易い構成となる。
【００８８】
また、本明細書における液滴吐出ヘッドはインクジェット記録ヘッドを例にあげているが、必ずしもインクを用いた記録紙上への文字や画像の記録に限定されるものではない。すなわち、記録媒体は紙に限定されるものでなく、また吐出される液体もインクに限定されるものではない。例えば、高分子フィルムやガラス上に液を吐出してディスプレイ用カラーフィルターを作成したり、液状の半田を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成したりするなど、工業用的に用いられる液滴噴射装置全般に対して本発明を利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明に係る液滴吐出ヘッドの構造を示す側面図、断面図および斜視図である。
【図２】本発明に係る液滴吐出ヘッドの動作を示す側面図である。
【図３】本発明に係る液滴吐出ヘッドの動作を示す側面図である。
【図４】本発明に係る液滴吐出ヘッドの動作を示す側面図である。
【図５】本発明に係る液滴吐出ヘッドのノズル近傍における構造を示す斜視図および断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る液滴吐出ヘッドのノズル近傍における構造を示す断面図である。
【図７】本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造工程を示す斜視図である。
【図８】本発明の第３実施形態および第４実施形態に係る液滴吐出ヘッドのノズル近傍における構造を示す断面図である。
【図９】本発明の第５実施形態に係る液滴吐出ヘッドのノズル近傍における構造を示す斜視図および断面図である。
【図１０】本発明に係る液滴吐出ヘッドの開口サイズと液膜の関係を示す断面図である。
【図１１】本発明に係る液滴吐出ヘッドの開口サイズと液膜の関係を示す断面図である。
【図１２】本発明に係る液滴吐出ヘッドの開口とノズルの位置関係と吐出性能の関係を示す表である。
【符号の説明】
【００９０】
２ 液滴
１０ 液滴吐出ヘッド
１２ 流路部材
１３ 液流路
１４ 梁部材
１６ ノズル
１８ 支持部材
２０ 回転エンコーダ
３０ ピエゾ素子
３６ アクチュエータ
４０ 流路部材
４２ 吸引路
４４ 送風路
４６ 加湿手段
４８ フィルタ
１００ 液溜まり
１１３ 吸引路
１１６ 開口
１２４ 液吸引プール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を吐出するノズルと、
前記ノズルに向けて液体が供給される液体流路部材と、
前記ノズルに向けて前記液体流路部材中の前記液体に背圧を印加する背圧発生手段と、
前記液体流路部材と接合もしくは液体流路部材を含み、液滴吐出面に凹となるように座屈反転変形した後、液滴吐出方向に凸となるよう座屈反転変形し、前記ノズル近傍の液体に吐出方向の慣性を与えることにより、前記ノズル近傍の液を液滴として前記ノズルより吐出させる梁部材と、
前記液体流路部材の吐出方向反対側に設けられ大気と連通した開口と、
吸引口が前記ノズルの近傍に向いた吸引路と、
前記吸引路に負圧を発生させる負圧発生手段と、
を備えた液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
前記開口は前記液体流路部材の吐出方向厚さよりも薄い柔膜で封止された請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
吐出方向より見た前記開口の中心は、前記ノズルの中心よりも前記吸引路側にオフセットしている請求項１または請求項２に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
吐出方向より見て前記開口の前記吸引路側端は前記ノズル中心より前記ノズル径の３倍〜１０倍の距離範囲にあり、前記吸引路より遠い側端は前記ノズル中心より前記ノズル径の３倍以内の距離範囲にある請求項３に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
前記吸引路の前記吸引口へ空気を送る送風路と、
前記送風路に正圧を発生させる送風手段と、
前記送風路に設けられ前記空気を濾過する濾過手段と、
を備えた請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
前記空気に前記液体の溶媒を添加する加湿手段を備えた請求項５に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置。
【請求項１】
液滴を吐出するノズルと、
前記ノズルに向けて液体が供給される液体流路部材と、
前記ノズルに向けて前記液体流路部材中の前記液体に背圧を印加する背圧発生手段と、
前記液体流路部材と接合もしくは液体流路部材を含み、液滴吐出面に凹となるように座屈反転変形した後、液滴吐出方向に凸となるよう座屈反転変形し、前記ノズル近傍の液体に吐出方向の慣性を与えることにより、前記ノズル近傍の液を液滴として前記ノズルより吐出させる梁部材と、
前記液体流路部材の吐出方向反対側に設けられ大気と連通した開口と、
吸引口が前記ノズルの近傍に向いた吸引路と、
前記吸引路に負圧を発生させる負圧発生手段と、
を備えた液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
前記開口は前記液体流路部材の吐出方向厚さよりも薄い柔膜で封止された請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項３】
吐出方向より見た前記開口の中心は、前記ノズルの中心よりも前記吸引路側にオフセットしている請求項１または請求項２に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項４】
吐出方向より見て前記開口の前記吸引路側端は前記ノズル中心より前記ノズル径の３倍〜１０倍の距離範囲にあり、前記吸引路より遠い側端は前記ノズル中心より前記ノズル径の３倍以内の距離範囲にある請求項３に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
前記吸引路の前記吸引口へ空気を送る送風路と、
前記送風路に正圧を発生させる送風手段と、
前記送風路に設けられ前記空気を濾過する濾過手段と、
を備えた請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項６】
前記空気に前記液体の溶媒を添加する加湿手段を備えた請求項５に記載の液滴吐出ヘッド。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１４３０４８（Ｐ２０１０−１４３０４８Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２２１３３（Ｐ２００８−３２２１３３）
【出願日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
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