JP2005349635A - 液滴吐出ヘッドの検査装置及びその検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の液滴吐出ヘッドの検査装置は、ノズルから吐出される液滴の状態やメニスカスの正面やノズルプレート表面の状態を観察し検査することができない。
【解決手段】本発明は、液滴吐出ヘッド２から液滴が吐出される状態（光像）を液滴捕獲ユニット５のプリズムのハーフミラー面を用いてカメラ１５に導き、カメラ１５の対物レンズ１４の光軸を傾ける又は光軸を移動させて、液滴捕獲ユニット５の反射面における反射の有無と、対物レンズ１４の倍率を適宜選択することにより、ノズル、メニスカス、液滴、及びノズルプレートを様々方向から観察する液滴吐出ヘッドの検査装置及びその検査方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、記録媒体に対して液滴を吐出させて記録を行う液滴吐出ヘッドの検査装置及びその検査方法に関する。

一般に、インクジェットプリンタ等に搭載されるインクを吐出する液滴吐出ヘッド等の記録ヘッドにおいては、その吐出された液滴の量、速度、方向及び、タイミング等が適正に吐出されているか検査し、設計の検証や製造品質を安定させることが必要である。このため、従来よりノズルの検査や吐出された液滴の検査方法が種々提案されている。

液滴吐出ヘッドにおけるノズル周辺の機械的寸法の検査方法としては、例えば特許文献１には、液滴噴射記録ヘッドノズルを構成する天板の管理すべき特性値である流路溝の溝間ピッチ、吐出口の開口部面積、吐出ロプレートの膜厚、吐出口列の変形量を非接触で同時にまたは並行して測定する方法及び装置が開示されている。

観察光学系により吐出口の開口部や流路溝をそれぞれ観察するとともに、観察光学系の移動量に基づき、液滴吐出ヘッドの液滴吐出ノズル及び、このノズルが形成されている天板の機械的な寸法を測定している。

また、ノズルのメニスカスの観察としては、例えば特許文献２には、インクジェットヘッドのインクノズルに施した撥液処理の良否を検査するものとして、ヘッドに組み立てる前に検査するための装置が開示されている。これは、撥液処理を施したインクノズルにインクのメニスカスを形成し、インクに加える圧力を変化させながら、メニスカスが崩れる時の圧力を測定するものである。

さらに、ノズルから吐出された液滴の観察としては、例えば特許文献３には、吐出口から液体を連続的に流出させて、その流水束を観察測定系により観察し、液体の吐出方向及び吐出角度を検査し測定する装置が開示されている。この装置は、液体が注入されている液体槽内に、口土出口が形成された天板を入れて、圧縮空気による圧力を液体にかけ、吐出口から液体を連続的に流出させた状態を観察測定し、液体の吐出方向及び吐出角度を検査し測定するものである。その検査結果に応じて吐出口加工工程に直ちにフィードバックし、吐出口形成角度が正規値となるように調整して加工する。
特開平１０−１６０４３１号公報 特開８−２４４２３２号公報 特開平１１−３４８２６１号公報

前述した液滴吐出ヘッドにおける検査は、最終特性となるノズルより吐出される液滴の速度、方向、量、タイミング、サテライト等に直接関係する特にノズル周囲の状態、ノズル内のメニスカスの状態、ノズルから吐出される液滴の状態、ノズルプレートの状態を検査する必要があり、特に吐出状態を検査することが重要である。

これに対して、特許文献１においては、ノズルと天板の機械的な寸法を測定するのみであり、ノズルのメニスカスや実際に吐出された液滴の測定は行っていない。
また、特許文献２おいては、メニスカスがノズルから突出した状態を観察しているため、ノズルの正面では無く、側面（液滴の飛翔方向に対して直交方向）方向から観察している。そのため、メニスカスの正面やノズルプレート表面の状態は観察できず、また、具体的な観察方法については何等開示されていない。また、メニスカスに静的な圧カを加えて、メニスカスの状態を検査しノズルの撥水状態を検査しており、実際の吐出状態の検査に対しては言及されていない。

さらに、特許文献３においては、吐出後の液滴を吐出方向に直交する方向から観察し吐出方向を検査しているがノズル周囲の状態やノズルプレートの表面から凹む状態があるメニスカスの状態は観測できない。

そこで本発明は、上記の従来の課題に鑑み、液滴吐出ヘッドのノズル周辺の状態、ノズル内のメニスカスの状態、さらに、ノズルから吐出される液滴の状態を吐出状態においても測定、検査することができる液滴吐出ヘッドの検査装置及びその検査方法を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、検査対象として装着される、少なくとも液滴を吐出するノズルが設けられた液滴吐出ヘッドと、前記液滴及び／又はノズル周辺を観察する光学測定器と、前記ノズルと前記光学測定器の間に設けられ、前記液滴を捕獲する捕獲部と、を有する液滴吐出ヘッドの検査装置を提供する。

また本発明は、液滴吐出ヘッドのノズルより液滴を吐出させ、前記液滴及び／またはノズ周辺の検査方法であって、前記液滴及び／またはノズル周辺を検査する光学測定器と、前記ノズルの間に前記液滴の捕獲部を設け、前記ノズルより液滴を吐出させ、前記液滴を前記捕獲部にて捕獲し、前記液滴及び／またはノズル周辺の状態を前記光学測定器により検査する液滴吐出ヘッドの検査方法を提供する。

本発明によれば、液滴吐出ヘッドのノズル周辺の状態、ノズル内のメニスカスの状態さらに、ノズルから吐出される液滴の状態を吐出状態においても測定、検査することができる液滴吐出ヘッドの検査装置及びその検査方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の液滴吐出ヘッドの検査装置に係る第１の実施形態のブロック構成例を示す。図２には、この検査装置の捕獲部の外観構成例を示し、図３には、この検査装置における液滴を撮像するための概念的な構成例を示す図である。尚、本実施形態においては、インクジェットプリンタに搭載され、記録用紙等の記録媒体にインクからなる液滴を吐出して画像を記録する液滴吐出ヘッドに対する検査装置を一例としている。また、以下の説明において、ノズル及びノズル内に形成される液体表面であるメニスカス、ノズルの周囲、ノズルプレート及びノズルから吐出直後の液滴をノズル周辺と称している。

この検査装置１は、大別して、検査のために装着された検査対象となる液滴を吐出する液滴吐出ヘッド２と、液滴吐出ヘッド２へインクを供給するインク供給部３と、液滴吐出ヘッド２を駆動するヘッド制御ユニット４と、液滴吐出ヘッド２から吐出された液滴を捕獲する液滴捕獲ユニット５と、液滴捕獲ユニット５内を通過する液滴やノズルプレートを撮像する光学測定器６と、光学測定器６に検出（撮像）された画像データを処理する画像処理部７と、処理された画像を表示するモニタ８と、これらの構成部を制御する制御ユニット９と、制御ユニット９への指示及び種々の演算処理を行うパーソナルコンピュータからなる制御処理装置（ＰＣ）１０とで構成される。

次に、図２を参照して、これらの検査装置の構成部位について詳細に説明する。
検査対象となる液滴吐出ヘッド２は、本体フレーム１１にＸＹＺの３軸方向に移動可能に設けられたヘッドステージ１２に着脱自在に装着される。図２においては、液滴吐出ヘッド２の１つのノズルのみを図示しているが、通常は、多数のノズルが１列又は複数列に連なった構成である。この液滴吐出ヘッド２の吐出口下方には液滴捕獲ユニット５が配設される。また、液滴捕獲ユニット５を挟んで、照明光を照射する光源１３と、光学系として変倍可能な対物レンズ１４及びＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の撮像素子を有するカメラ（撮像部）１５とからなる光学測定器６が配設されている。

カメラ１５は、ＸＹＺの３軸方向とθ方向に傾き可能な観察ステージ１６を介して本体フレーム１１に設けられている。このカメラ１５（光学測定器）は、観察ステージを駆動することにより、液滴、ノズル（吐出口）、ノズル周辺部を選択して観察（撮像）することができる。勿論、対物レンズの画角（ズーミング倍率）を可変することにより、これらを同時に観察することも可能である。

この構成において、光源１３で照明された液滴捕獲ユニット５を通過する液滴の光像は、対物レンズ１４で集光され、カメラ１５の撮像素子の受光面に結像される。撮像素子は光電変換により、液滴の画像信号を生成して画像処理部７へ送出する。画像処理部７においては、受信した画像信号による画像データを生成して、モニタ８へ画像として表示する。また、その画像データは、画像処理部７から制御ユニット７を経由して制御処理装置１０に転送され保存される。

また対物レンズ１４の倍率は、観測する対象物に対して適宜選択すればよいが、例えば直径２５μmのノズル周辺を観察する場合には、モニタ８上に表示する対象物の倍率で、５００〜３０００倍程度が良好である。また滴吐出ヘッド２のノズルプレート１７を広い範囲で観察する場合には、これ倍率よりも低倍にすることが望ましい。対物レンズ１４のＦＷＤ（フリーワーキングディスタンス）は、小さすぎるとノズル１８と対物レンズ１４の間にプリズム１９の反射面１９ａを配置することが困難になるため、長い方が望ましい。例えば、５mm以上が好適である。尚、カメラ１５と対物レンズ１４としては、例えばソニー社製のＸＣ−００３とマクロレンズ、又はキーエンス社製のＶＨＸ−１００とＶＨ−Ｚ１５０又はＶＨ−Ｚ４５０またはＶＨ−Ｚ７５等の組み合わせで用いることができる。カメラ１５はトリガー等を制御ユニット９により制御される。

制御ユニット９は、ヘッドコントロールユニット４を制御して、液滴吐出ヘッド２を駆動して、インクの液滴２０の径や吐出タイミングを制御する。さらに制御ユニット９はヘッドステージ１２、観察ステージ１６をコントロールして、液滴吐出ヘッド２のノズル周辺に対するカメラ１５の像入射位置及び、対物レンズ１４の光軸の傾きを制御する。
液滴吐出ヘッド２は、複数のノズル１８が複数列に配列されるノズルプレート１７と、各ノズル１８へインクを供給するインク室２１を有している。

インク供給部３は、インク室２１にインクを供給するために設けられており、インクタンク２２及び加圧モータ２３が、それぞれ電磁弁２５、２７を介して、チューブ２６、２８によりサブタンク２４に接続されて構成される。インク室２１は、サブタンク２４とチューブ２９により接続され、制御ユニット９の制御により、加圧モータ２３の駆動と電磁弁２５、２７の開閉により、インクが供給される。

尚、液滴吐出ヘッド２の詳細構造については省略するが、液滴が吐出できる構造であれば種々適用可能である。例えば、特開平１１−２１６８８０号公報に開示されている圧電素子を駆動系に用いたインクジェットプリンタ用の記録ヘッド等を使用することができる。液滴吐出ヘッド２の詳細構造、仕様に応じて、加圧モー夕等の構成部位は適宜選定することが望ましい。

次に、図３を参照して、液滴捕獲ユニット５について説明する。
この液滴捕獲ユニット５は、大別して、透明材料に形成された複数の反射面を有する多面体即ちプリズム１９と、液滴吐出ヘッド２から吐出された液滴を受けて回収するタンク３０と、タンク３０内に負圧を与える図示しない吸引システムとから構成されている。

このプリズム１９は、例えばＢＫ７等の透明な光学ガラスからなり、形状としては、図２及び図３に示すように、くさび形状に近い、６面体に加工されている。この形状において、反射面１９ａには、光源１３からの照明光に対して、透過と反射率がそれぞれ５０：５０（％）であるハーフミラーコートが施されている。

また、反射面１９ａの中央には反射面１９ｂまで貫通する孔からなる捕獲部３１が開口されている。捕獲部３１の貫通方向は、液滴２０の吐出方向と同軸で平行であり、液滴２０が通り抜けることができる。ここでは、吐出方向は重力方向としている。つまり、捕獲部３１は、液滴吐出ヘッド２の観察するノズル１８から吐出するインキの液滴２０が反射面１９ａの着弾する位置に開口されている。

この捕獲部３１は、液滴２０の直径に着弾ずれを見込んで、その直径よりも大きい径を開口している。例えば、液滴の直径を最大２０μm、中心からの着弾ずれを最大１００μmとした時には、２０＋１００ｘ２＝２２０μm以上の孔を開口することが望ましい。本実施形態では、さらに余裕をとって、３００〜１０００μmとしている。

この捕獲部３１の直径は、小さいと反射面９ａにインクが付着する可能性が高くなり、反対に大きいと加工には容易であるが、後述する様に観察光学系の像に与える影響が大きくなる。尚、捕獲部３１は、ノズル１８と反射面１９ａとの距離が長いと、外的影響も受け、着弾ずれが広がり、大きい径が必要となる。また、反射面１９ａ上での光束径に対する捕獲部３１の直径比率が小さいほど観測光学系の像に与える影響が小さくなる。このような観点で捕獲部３１の直径を最適になる様に適宜選定する。

次に、捕獲部３１下に配設されたタンク３０の側壁には、チューブ３２が設けられ、図示しない吸引システム（排気ポンプ）によりタンク３０内を吸引して負圧としている。この負圧にすることにより、捕獲部３１の側壁に着弾したとしてもインクを詰まらせないでタンク３０内に引き出すことができると共に、反射面１９ａ付近の空中に漂うインクミストも吸引して、反射面１９ａの汚れを防止できる。

さらに透過面１９ｃに対向するように光源１３が設けられている。本実施形態では、光源１３として、ストロボスコープを使用することができる。光源１３は、動的な現象を周期的な時間毎に観察する場合にはストロボスコープ、連続的に観察する場合にはハロゲンランプな等が好適する。また他にも、白色ＬＥＤ、可視光のレーザを用いれば連続発光も高速パルス発光も可能であり、動的な現象の周期的な時間毎に観察することも、連続して観察することもできる。

この構成において、光源１３から照射された照明光は、プリズム１９の透過面１９ｃを透過して反射面１９ｂの内面側で反射し、反射面１９ａへ導かれる。さらに照明光は、反射面１９ａを透過する際に屈折して、液滴吐出ヘッド２側に向かう。これにより液滴２０やノズル１８周辺部やノズルプレート１７等の観測したい部位が照明される。

本実施形態においては、光源１３からノズル１８に向かう光束の光軸は、液滴２０の吐出（飛翔）方向及び、光学測定器６（対物レンズ１４）の光軸３３と一致させている。このため、観測する部分に照射された照明光の反射光が、光学測定器６に効果的に戻り、高い輝度のモニタ像を得ることができる。本実施形態では、対物レンズ１４をカメラ１５の受光面の前方に配置して、入射する光束（被写体像）を集光させて、高輝度即ち、光量を大きくすることができる。

また、液滴２０の飛翔状態等の動的な現象を周期的な時間毎に観測する場合には、光源１３にフラッシュ装置等を用いて、高速パルス発光させてもよい。但し、このパルス発光時間が長くなると被写体像がぼける現象が発生し、測定の誤差が発生する。例えば、液滴の速度が１０m/sの場合には、１００nsで液滴は１μmの距離を移動する。発光時間は、観測する部位の速度に応じて適宜設定すればよいが、例えばノズル１８の直径が２５μm、液滴２０の直径が２０μmであった場合には、液滴の直径の約１０％以下の誤差である２００nsが望ましく、さらに好ましくは１００ns以下が望ましい。

次に液滴吐出ヘッドの検査装置の作用について説明する。
ヘッド制御ユニット４により液滴吐出ヘッド２から液滴２０が吐出される。この液滴２０は、捕獲部３１に入り通過する。この時、観測するノズル１８が撮像できるように、カメラ１５（対物レンズ１４）の光軸をノズル１８又はその周辺に照準するように、制御ユニット９の制御によりヘッドステージ１２、観察ステージ１６を駆動させて、液滴吐出ヘッド２及びカメラ１５の位置や向きを移動させる。

次に、制御ユニット９の制御により加圧モータ２３及び電磁弁２５、２７が駆動されて、インクサブタンク２４内のインクが液滴吐出ヘッド２のインク室２１へ適宜供給される。 例えば、制御ユニット９によりヘッド制御ユニット４を制御して、液滴吐出ヘッド２に液滴の吐出信号を入力し、図示しない圧電素子を駆動させて、インク室２１内のインクを加圧し、観察するためにモニタ８に表示されているノズル１８から液滴２０を吐出させる。勿論、液滴を吐出しない状態におけるメニスカスの振動状態を観察する場合や、吐出するノズル１８に隣接する他のノズル１８における吐出によるクロストーク状態を観測する場合には、観測するノズル１８から液滴を吐出させない。

液滴吐出ヘッド２からの液滴２０の吐出方向は、液滴吐出ヘッド２の通常の使用状態と同じが望ましく、本実施形態では、重力方向と同じ方向、ここでは垂直方向としている。このため、吐出した液滴２０の飛翔方向は、重力の影響で曲がらないで直進となる。このため、風等の外部からの影響を除けば、ノズル１８と液滴捕獲ユニット５までの距離が長くなっても、液滴２０の位置のずれが小さく捕獲部３１の直径を小さくできる。吐出されたインクの液滴２０は、液滴捕獲ユニット５の捕獲部３１に入り、さらにチューブ３２からの負圧による吸引も加わり、タンク３０内に着弾する。

この時、光源１３としてフラッシュ装置を用いて、光源１３の発光タイミングを液滴吐出ヘッド２に入力する吐出信号に所定の時間差を設けて同期付ける。この時間差を調整することにより、これによりノズル１８から吐出される液滴の任意の状態であるメニスカス３４の後退から液滴形成の最初、液滴吐出後までの任意の状態を擬似的に静止させて観察することができる。

対物レンズ１４の光軸３３は、ノズルプレート１７の面に対して平行であり、液滴２０の飛翔する方向と直交としている。捕獲部３１が開口される反射面１９ａを対物レンズ１４の焦点位置とはせずに、対物レンズ１４へ発散光で入射するように調整する。従って、カメラ１５の受光面に結像する像としては、捕獲部３１は写らないで観測したい部分、例えばノズル１８のメニスカス３４を観察することができる。

また対物レンズ１４のＮＡ（ヌメリカルアパーチャ）が小さい場合には、捕獲部３１がカメラ１５にはぼけた像として写り観測する部分を曖昧にさせる又は、覆う場合がある。この場合には、対物レンズ１４の光軸を３３Ａに示すように傾けると観測するメニスカス３４の像と捕獲部３１の像のカメラの撮像素子上での位置がずれるため観察することができる。

さらに対物レンズ１４の光軸３３においては、メニスカス３４を観測する場合に、吐出直後の液滴２０の像がメニスカス３４の像と重なり液滴２０がカメラ１５の像に影響を与えて観察しにくくなる。このような場合には、光軸３３Ａのように液滴２０の飛翔方向に対して傾けることによりノズル１８を斜め方向から観測することになり、液滴２０がメニスカス３４の像に影響を与えなくなる。また、捕獲部３１の像も捕獲部３１に液滴を吐出するメニスカス３４の像と重ならなくなるため、捕獲部３１の像がメニスカス３４の像に影響を与えている場合にも有効である。

光軸３３Ａの傾ける角度θは適宜選択すればよいがメニスカス３４やノズル１８を観察する場合には１０〜４５度程度が良好である。角度θはあまり大きくするとノズル１８から陥没した態のメニスカス３４の観察が困難になる。また光源１３から光学測定器６へ入射する角度も、その観察部分における反射光がカメラ１５に良好に入射する様に適宜調整する方がよい。尚、光軸３３の角度が例えば４５度以上に大きい場合には、光軸３３Ｃに示すように反射面１９ａを介さず、直接観測することも可能である。

また、図２に示すように、観測する光軸３３から光軸３３Ｂの様に上方に移動すれば、反射面１９ａを使用しないで、直接飛翔する液滴を飛翔方向と直交する方向から飛翔する液滴を側面から観測でき、液滴の大きさ、速度、飛翔方向を測定することもできる。

このように１台の検査装置でノズル１８、メニスカス３４の観察から液滴２０の大きさ、速度、飛翔方向までも観察することができる。観察する部位は、液滴２０を吐出させるメニスカス３４の状態に限らずノズル１８周囲のインクの付着具合、液滴の吐出直後の状態、吐出するノズル１８による吐出しないノズル１８のメニスカス３４のクロストークによる振動等焦点を合わせる場所と範囲及び観察方向を適当に選択することによりノズル周辺や様々な観察が可能となる。

以上説明したように第１の実施形態によれば、液滴捕獲部をノズル等の観察部とカメラ等の光学測定器の間に配置したので、ノズルから吐出される液滴の捕獲を容易にし、カメラ等への光学測定器の汚染を防止し、光学測定器を観察部に容易に近づけられ、良好な観察が可能となる。なお、観察部と光学測定器の間とは観察部から光学測定器まで像が伝達される経路を示し、例えばこの経路の途中にミラー等によって光軸が曲げられる場合でもこの曲がった光軸にそった像の伝達経路を示す。

また、液滴吐出ヘッドから吐出された液滴は、重力及び負圧により、捕獲部を通り抜けてタンクに着弾させることができ、誤ってカメラにインクを着弾させたり、飛散したインクにより汚染されることが無い。

また、カメラの外装や対物レンズが大きく、又は対物レンズのＦＷＤが短い場合であっても液滴を捕獲することができ、液滴を吐出させているノズルの状態を観察することができる。また、光学的な測定器となるカメラの対物レンズの光軸を傾ける又は光軸を移動させて、液滴捕獲ユニットの反射面における反射の有無と、対物レンズの倍率を適宜選択することにより、ノズル、メニスカス、液滴、及びノズルプレートを様々方向から観察することができる。

さらに、液滴捕獲ユニットのおけるプリズムのハーフミラー面でカメラに入射する光像と、照明光を重ねることにより、光源やカメラの外形が大きくても、同軸の落射照明を行うことが可能になり、良好な像が観察できる。また、捕獲部の孔内が焦点位置とならないようにし、発散光の位置に捕獲部の孔を位置させることにより、孔の像は、カメラの受光面にぼけた像として取り込まれるため、観察部分の像と重なったとしても、その観察部分は明瞭に観察することができる。

さらには、カメラの対物レンズの光軸を液滴の吐出方向から傾けた場合においては、吐出した液滴や捕獲部の像が観察部分の像から位置がずれるため観察部分に干渉することなく、良好な観察部分の像を観察することができる。また、捕獲部に連結するタンク内を吸引して負圧状態にすることにより、捕獲部周辺の液滴のミストを吸引すると共に、捕獲部の壁面にインクが付着しても液滴を詰まらせることが無く容易に取り除くことができる。

次に図４及び図５には、前述した第１の実施形態における第１、第２の変形例の構成を示して、詳細に説明する。
この第１の変形例は、捕獲部について変更した例である。前述した図３に示した捕獲部１９は、反射面１９ａに１つの孔を開口した構成であったが、この変形例では、反射面１９ａに複数の孔３１ａ，３１ｂ，３１ｃを開口した例である。この図４では、例えば３つの孔が図示されているが、勿論これに限定されるものではない。

このように複数の孔３１ａ，３１ｂ，３１ｃを設けることにより、複数のノズル１８及びそれらの吐出状態や、またその周辺部等を同時に観察することができる。

また、図５に示すような第２の変形例は、プリズム１９を１９Ａと１９Ｂの２つに分離し、側面側を他の部材にて固定し、スリット状の捕獲部３１ｄを形成する例である。このような構成によれば、多数のノズル１８（図示せず）からの液滴２０に対応できると共に、ノズル１８の間隔が異なる液滴吐出ヘッドに対しても検査を行うことが可能である。

さらに、この捕獲部３１ｄのスリット幅を任意に可変できるように構成しておけば、液滴径や吐出方向にばらつきが大きい液滴吐出ヘッドについても対応でき、汎用性が非常に高くなる。また、前述した例では、光源１３として、フラッシュ装置を用いたが、カメラ１５として高速度カメラ、高速シャッタ付きカメラ等を用いれば、連続発光するタイプでも用いることができる。

また、光源１３は、プリズム１９の側面やノズルプレート１７にリング照明を対向させる等観察部を適切に照明できる様に適宜設定できる。光源１３とカメラ１５及び対物レンズ１４の位置は、固定されるものではなく、入れ替えてもよい。

この時には、プリズム１９における収差の影響が小さくなる様に、図６に示す様に反射面１９ａに三角プリズム３２を張り合わせにすると良く、さらに、球面収差補正光学系を追加する等を行うとさらによい。また、カメラ１５の光軸は、図２における紙面と平行方向であるθ方向に傾けてもよいとしたが、図２の紙面に対して直交する方向に傾けてもよい。

次に第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態として、図７には液滴吐出ヘッドの検査装置の主要部となる捕獲部及び２つの光学測定器により構成された構成例を示す。尚、図７は本実施形態の特徴部分のみを示しており、これ以外の部材は、図２に示した構成部材と同等に構成され、同じ参照符号を付してその説明及び図示は省略する。

本実施形態は、メニスカス３４の動的な振動を測定可能にするために、カメラ１５の他に検出器を配置した構成である。この例では、検出器として、振動を測定するＬＤＶ（レーザドップラー振動計）５１を用いている。また必要であれば、スポットを集光して小径化するための対物レンズ５２を付加してもよい。このＬＤＶ５１としては、例えば小野測器社のＬＶ−１７１０と対物レンズＬＶ−０１５５とを組み合わせた構成、又はグラフテック社のＡＴ−７６１０を用いることができる。

本実施形態では、このＬＤＶ５１を、前述した第１実施形態の図２に示したカメラ１５の位置に換わって配設され、カメラ１５は、光軸がプリズム１９の孔３１の中心軸又は、液滴２０の飛翔軌跡と直交方向に交差する位置に配置される。

ＬＤＶ５１から出力された光は、反射面１９ａにて反射され、メニスカス３４上に光スポットを結ぶ様にする。この光スポットの径は、ノズル１８の直径が例えば２５μmであった場合には、１〜1０μm程度が好適である。本実施形態では、直径３μmとしている。ノズル１８の直径よりも小さい径の光スポットの方がメニスカス３４の曲率が変化するため望ましい。このメニスカス３４における反射光は、反射面１９ａを介してＬＤＶ５１に入射する。ＬＤＶ５１内部で反射光に基づくドップラー信号から生成された速度信号又は、これを積分した位置信号は、例えば、高速Ａ／Ｄ変換ボード５２によりデジタル化され、制御処理装置１０へ出力される。

吐出された液滴２０であるインクは、ＬＤＶ５１から出力される光に対して、反射率が高いことが望ましい。吐出直後の液滴２０の影響を少なくするためには、前述したように、光軸３３を光軸３３Ａまでθ傾けてもよい。但し、θを過度に取りすぎると、ＬＤＶ５１へ戻る反射光の光量が少なくなるため、例えば２〜１０度程度が好ましい。

ＬＤＶ５１を用いて良好に測定する場合には、測定物の像では無く測定物から反射してきた光量が一定以上必要である。捕獲部３１により減衰される光量は、ＬＤＶ５１からの光束に比べて十分小さいので、捕獲部３１を経由してもＬＤＶ５１の光量を大きく低下させずに良好な測定ができる。これにより、メニスカス３４の振動状態の速度または位置が測定される。また反射面１９ａはダイクロイックミラー面からなり、ＬＤＶ５１のレーザ光の波長（６３３nm）の反射率を１００％近くまで高めて、これ以外の光の反射率を０％に近く低くしてある。

またカメラ１５と対物レンズ１４は、図６に示した光源１３の位置と同じ配置する。光源１３は、リング状の照明光となるように、プリズム１９の上面に多数の白色ＬＥＤ１３ａが配置されたリング１３ｂに配置して構成され、ノズル１８周辺を照明する。これらの白色ＬＥＤ１３ａから発光した光は、観察しようとする例えばメニスカス３４で反射され、反射面１９ａを透過し反射面１９ｂで反射され、カメラ１５の受光面に結像し、メニスカス３４の像が得られる。これらの白色ＬＥＤ１３ａの光のうちＬＤＶ５１と同じ波長付近の光は、反射面１９ａにて反射してしまうが、それ以外の大部分の光は透過するのでカメラ１５に入射する光量を大きくできる。

以上説明したように第２の実施形態によれば、検出器としてカメラの他に、ＬＤＶを搭載することにより、メニスカスの振動を測定し検査することができる。このような測定により、メニスカスの振動周波数、振幅、減衰具合等を測定することができる。さらに、カメラとＬＤＶとにより、画像と振動の両方により同時に観察することができる。ダイクロイックミラーを用いれば、振動測定用のＬＤＶと画像観察用のカメラをそれぞれの光量を低下させないで略同軸に同時配置することができる。
従って、メニスカスの異常振動や液滴の不吐出をＬＤＶで検知し、この時のメニスカスの状態やノズルの汚れなどを同時に観察することができる。

次に第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態として、図８には、小型ユニット化された液滴吐出ヘッドの検査装置の構成例を示す。尚、図８は本実施形態の特徴部分のみを示しており、これ以外の部材は、図２に示した構成部材と同等に構成され、同じ参照符号を付してその説明及び図示は省略する。

本実施形態は、液滴２０の飛翔軌跡とカメラの光軸を一致させて、液滴捕獲ユニット６０、光源１３及び光学測定器である対物レンズ１４及びカメラ１５を一体的にユニットケース６１に収納した構成である。つまり、液滴吐出ヘッド２とカメラ１５との間にミラー（プリズム１９の反射面）を設けず、照明光や反射光の光路を屈曲せずに、ストレートな光路で測定する例である。

この構成として、ユニットケース６１の内部底面にカメラ１５の光軸が上方へ垂直方向になるように配設し、その上方に対物レンズ１４を設ける。さらに対物レンズ１４の上方でユニットケース６１の内側上部に多数の白色ＬＥＤ１３ａをリング状に配置した光源１３を設ける。ユニットケース６１の最上面には、液滴捕獲ユニット６０を配設する。

この液滴捕獲ユニット６０は、図９に示すように、透明なガラス等からなる平行平板に中央から側面にＬ字型の孔（捕獲部）６０ａを設けて形成される。側面側の孔６０ａと排気ポンプ等を連結して負圧にする。液滴吐出ヘッド１から吐出された液滴２０が上面の孔６０ａに着弾する位置に液滴捕獲ユニット６０を配置し、孔６０ａに着弾した液滴は側面側から吸い出される。

本実施形態によれば、液滴吐出ヘッド２とカメラ１５の間に反射面（プリズム）を配置しないので、対物レンズ１４のＦＤＷが短い場合や、液滴吐出ヘッド２においてノズル１８から側面までの寸法ｄが大きい場合でも容易にセットすることができる。
更に、液滴捕獲ユニット６０とユニットケース６１により、カメラ１５と対物レンズ１４を密閉した構成であるため、カメラ１５と対物レンズ１４に誤って液滴が着弾したり、インクミストが付着することを防止できる。尚、変実施形態では、光学測定器としてカメラ１５を用いた例であったが、勿論ＬＤＶを用いても同様な効果を得ることができる。

次に、第３の実施形態における変形例について説明する。
前述した第３の実施形態では、液滴捕獲ユニットは平行平板であったが、この変形例では、図１０に示すように、例えば、先端部分に液滴２０を捕獲する孔を開けたガラス等の透明部材からなる細管６２でもよい。また細管６２はステンレス製であってもよい。

次に第４の実施形態について説明する。
第４の実施形態として、図１１には、液滴吐出ヘッドの検査装置の構成例を示す。尚、図１１は本実施形態の特徴部分のみを示しており、これ以外の部材は、図２に示した構成部材と同等に構成され、同じ参照符号を付してその説明及び図示は省略する。

本実施形態は、メニスカス３４の画像に加えて、動的な振動を測定可能にするために、カメラ１５の他にＬＤＶ５１及び光源１３を液滴２０の飛翔軌跡（垂直軸）の回りの円錐面内に配設した構成である。それぞれの光軸は、ノズル１８の中心に向かうように配設される。また必要であれば、スポットを集光して小径化するための対物レンズ５２を付加してもよい。尚、この構成は、カメラ１５及びＬＤＶ５１が液滴吐出ヘッド２から離れて配置できる場合に実施可能となる。また、本実施形態では、カメラとＬＤＶの２つの光学測定器を配置したが、３つ以上を同様にして配置してもよい。

以上説明したように第４の実施形態によれば、検出器としてカメラの他に、ＬＤＶを搭載することにより、メニスカスの振動周波数、振幅、減衰具合等を測定することができる。さらに、カメラとＬＤＶとにより、画像と振動の両方により同時に観察することができる。またプリズムの反射面を利用していないため、ＬＤＶとカメラをそれぞれの光量が低下しない。従って、メニスカスの異常振動や液滴の不吐出をＬＤＶで検知し、この時のメニスカスの状態やノズルの汚れなどを同時に観察することができる。

次に第５の実施形態について説明する。
第５の実施形態として、図１２には、液滴吐出ヘッドの検査装置の構成例を示す。尚、図１２は本実施形態の特徴部分のみを示しており、これ以外の部材は、図２に示した構成部材と同等に構成され、同じ参照符号を付してその説明及び図示は省略する。

本実施形態は、液滴捕獲ユニット７１は、ガラス部材等の透明部材からなる平行平板に前述した孔に代わって、図１３に示すような中央から端部に向かう溝７１ａが形成され、溝７１ａの端部を重力方向に向かうように斜めに配置する。

この液滴捕獲ユニット７１の後方には、対物レンズ１４、ハーフミラー７２及びカメラ１５が配設される。ハーフミラー７２の側方から照明光を照射する光伝送部７５と光源１３とが設けられている。光伝送部７５は、両端に集光レンズ７４ａ，７４ｂが装着された光ファイバー７５から構成されており、光源１３から出射された照明光をハーフミラー７２まで伝送し、その照明光は観察部にカメラ５１の光軸と同軸で投射される。

このような構成において、液滴吐出ヘッド２から吐出された液滴２０は、溝７１ａの中央側に着弾し、重力の働きにより溝７１ａを伝わって端部側に流れ出る。この溝７１ａは液滴捕獲ユニット７１（平行平板）の厚さが薄く、孔の形成が困難な場合であっても、容易に形成することができる。例えば、対物レンズ１４のＦＷＤが短い場合、液滴捕獲ユニット７１による収差の発生が大きく、カメラの像の劣化が大きい場合などに効果的である。尚、カメラ１５も液滴捕獲ユニット７１と同じ角度だけ傾けた方がアス収差の発生が無く良好な像を得ることができる。

次に、第５の実施形態における第１〜第４の変形例について説明する。
これらの変形例は、前述した第５の実施形態における液滴捕獲ユニット７１の形態を変更したものである。

第１の変形例として、図１４に示すような液滴捕獲ユニット８１は、ステンレス製の例えば外径０．５mm、内径０．３mmの細い管の一端を斜めにカットし、その先端の開口部８１ａにて液滴２０を捕獲するように構成される。開口部８１ａの他端側から吸引する。

液滴捕獲ユニット８１は、開口部８１ａを上方にして斜めθに配置することにより、液滴２０が捕獲部８１の下方から流れ出ることになる。この構成は、液滴捕獲ユニットを非常に安価に製造することができる。

第２の変形例としては、図１５に記すような液滴捕獲ユニット８２は、片側の表面に均一な複数列の溝８２ａが回折格子状即ち、等間隔で形成された透明なプレートを溝の長手方向が上下になるように斜めθに配置されて構成される。これらの溝８２ａの幅は、液滴２０の大きさの２倍程度とする。溝８２ａに着弾した液滴２０は、溝８２ａの側面に沿って流れ、溝端部から流れ出る。

この変形例は、複数の列状の溝が形成された回折格子状であるため可干渉性の高いレーザ以外を観測光や照明光に用いる事が好ましい。本変形例によれば、液滴と捕獲部の位置合わせが不要で作業性が容易になる。

第３の変形例としては、図１６に示すような液滴捕獲ユニット８３として、溝と内部通路が上下２段構造に形成された構成である。

上部には、液滴吐出ヘッド２から吐出された液滴２０を着弾させるの溝８３ａが設けられる。さらに下部には内部通路８３ｄが形成されており、溝８３ａの底部には内部通路８３ｃと連通する複数の穴８３ｂが開口されている。この内部通路８３ｃの開口端から図示しない吸引システムにより吸引する。このような構成により、溝８３ａに着弾した液滴２０は、穴８３ｂから内部通路８３ｃ内に流れ込み、内部通路内８３ｃを伝わって開口端から流れ出る。

第４の変形例としては、図１７に示すような液滴捕獲ユニット８４として、不繊布８４ａをステンレスの細長いプレート８４ｂの上に貼り付けた捕獲プレートを用いる。不織布８４ａに着弾した液滴２０は、不織布８４ｂにしみ込み捕獲される。この捕獲プレートの幅Ｗとしては、例えば０．３mm〜１mm程度に細くし、影になる部分をなるべく少なくして光学測定器への影響を小さくしている。この場合には捕獲する液滴量に限界があるが吸引も不要で安価に簡単に使用できる。

以上説明した各実施形態において、記載された事項に限定されることはなく、例えば以下の様な要旨も含んでいる。

適用される液滴吐出ヘッドは、インクジェットプリンタに搭載されるものに限定されず、記録媒体に対して液滴を吐出させて記録を行う複写機、ファクシミリ等の印字装置や、接着剤の微量吐出装置、ＬＣＤのカラーフィルタの製造装置等における液滴の微量吐出に用いられる液滴吐出ヘッドであれば、簡易に適用することができる。

また、測定に用いる光学測定器は、カメラやＬＤＶに限定されず、例えばレーザ測長器、倒立形顕微鏡等、観測目的や液滴吐出ヘッドの仕様に応じて適宜選択することができる。特に、光学測定器は非接触な測定器であれば他の適当な測定器を用いることもできる。捕獲部の大きさは、使用する光学測定器の光束の大きさ、液滴の大きさ、光学測定器への影響度合い等を考慮して適宜定めればよい。

さらに、液滴吐出ヘッドの方式は、例えば特許文献４に開示する様なピエゾヘッド又は、特許文献５に開示される様な所謂、バブルジェットヘッド等の微少なノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドに対しても広く適用することができる。

本発明の液滴吐出ヘッドの検査装置に係る第１の実施形態のブロック構成例を示す図である。 第１の実施形態の検査装置の構成例を示す図である。 第１の実施形態における検査装置を撮像するための概念的な構成例を示す図である。 第１の実施形態における第１の変形例の構成を示す図である。 第１の実施形態における第２の変形例の構成を示す図である。 第１の実施形態における第２の変形例のプリズムについて説明するための図である。 第２の実施形態の液滴吐出ヘッドの検査装置の主要部の構成例を示す図である。 第３の実施形態の液滴吐出ヘッドの検査装置の主要部の構成例を示す図である。 第３の実施形態における液滴捕獲ユニットの構成例を示す図である。 第３の実施形態における変形例の構成を示す図である。 第４実施形態における液滴吐出ヘッドの検査装置の主要部の構成例を示す図である。 第５の実施形態における液滴吐出ヘッドの検査装置の主要部の構成例を示す図である。 第５の実施形態に係る液滴捕獲ユニットの外観構成を示す図である。 第５の実施形態における液滴捕獲ユニットの第１の変形例を示す図である。 第５の実施形態における液滴捕獲ユニットの第２の変形例を示す図である。 第５の実施形態における液滴捕獲ユニットの第３の変形例を示す図である。 第５の実施形態における液滴捕獲ユニットの第４の変形例を示す図である。

符号の説明

１…検査装置、２…液滴吐出ヘッド、３…インク供給部、４…ヘッド制御ユニット、５…液滴捕獲ユニット、６…光学測定器、７…画像処理部、８…モニタ、９…制御ユニット、１０…制御処理装置。

Claims (20)

1. 検査対象として装着される、少なくとも液滴を吐出するノズルが設けられた液滴吐出ヘッドと、
   前記液滴及び／又はノズル周辺を観察する光学測定器と、
   前記ノズルと前記光学測定器の間に設けられ、前記液滴を捕獲する捕獲部と、
   を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの検査装置。
2. 前記液滴吐出ヘッドの検査装置において、
   前記捕獲部は、光学部材に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの検査装置。
3. 前記液滴吐出ヘッドの検査装置において、
   前記光学部材は光反射部材及び／又は光透過部材であることを特徴とする請求項２に記載の液滴吐出ヘッドの検査装置。
4. 前記液滴吐出ヘッドの検査装置において、
   前記光学測定器は、前記液滴及び／又は前記ノズル周辺を光学部材を介した像をとらえることを特徴とする請求項２に記載の液滴吐出ヘッドの検査装置。
5. 前記液滴吐出ヘッドの検査装置において、
   前記捕獲部は孔又はスリット又は溝であることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの検査装置。
6. 前記液滴吐出ヘッドの検査装置において、
   前記光学測定器は顕微鏡であることを有することを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの検査装置。
7. 前記液滴吐出ヘッドの検査装置において、
   前記光学測定器はレーザドップラー振動計であることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの検査装置。
8. 前記液滴吐出ヘッドの検査装置において、
   前記光学測定器は複数配置してあることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの検査装置。
9. 前記液滴吐出ヘッドの検査装置において、
   前記光学測定器の光軸は前記液滴に飛翔方向に対して平行であることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの検査装置。
10. 前記液滴吐出ヘッドの検査装置において、
    前記光学測定器の光軸は前記液滴に飛翔方向に対して斜めであることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの検査装置。
11. 前記液滴吐出ヘッドの検査装置において、
    前記液滴の飛翔方向は重力作用方向であることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの検査装置。
12. 前記液滴吐出ヘッドの検査装置において、
    前記光学測定器の照明は前記光学測定器の光軸と同軸であることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの検査装置。
13. 前記液滴吐出ヘッドの検査装置において、
    前記光学測定器の照明は前記光学測定器の光軸と略同軸で前記液滴及び／またはノズル周辺を照明することを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッドの検査装置。
14. 検査対象となる液滴を吐出するノズルを有する液滴吐出ヘッドを着脱自在に装着した取り付け部材と、［ステージはヘッド側では無く、光学測定器側に配置しても良いので削除］
    前記ノズル、ノズル周辺及び前記液滴の内少なくとも１つを被写体として観察するための光学測定器と、
    前記光学測定器を搭載し、前記対象物の何れかに該光学測定器の光軸を照準させる観察ステージと、
    前記ノズルに照明光を照射する光源と、
    前記ノズルから吐出された前記液滴を捕獲する捕獲部を含み、前記被写体へ前記光源から照明光を照射して該被写体の光像を前記光学測定器へ投射する光学部材と、
    具備することを特徴とする滴吐出ヘッドの検査装置。
15. 前記液滴吐出ヘッドの検査装置において、
    前記光学部材は、前記液滴を捕獲する孔又はスリットまたは溝からなる前記捕獲部が形成されたプリズムからなり、該プリズムは、前記光源から照射された照明光を前記ノズルに照射する第１の反射面と、前記照明光が照射された前記被写体の光像を前記光学測定器へ投影する第２の反射面と、を有することを特徴とする請求項１４に記載の滴吐出ヘッドの検査装置。
16. 前記液滴吐出ヘッドの検査装置において、
    前記捕獲部となる前記孔又は前記スリットまたは溝に連結し、液滴吐出ヘッドから吐出された液滴を受けて回収するタンクと、
    前記タンク内に負圧を与えて前記孔又は前記スリットを通過する前記液滴を吸引する吸引システムと、
    を更に具備することを特徴とするから請求項１４に記載の滴吐出ヘッドの検査装置。
17. 液滴吐出ヘッドのノズルより液滴を吐出させ、前記液滴及び／またはノズ周辺の検査方法であって、前記液滴及び／またはノズル周辺を検査する光学測定器と、前記ノズルと前記光学測定器の間に前記液滴の捕獲部を設け、前記ノズルより液滴を吐出させ、前記液滴を前記捕獲部にて捕獲し、前記液滴及び／またはノズル周辺の状態を前記光学測定器により検査することを特徴とする液滴吐出ヘッドの検査方法。
18. 前記液滴吐出ヘッドの検査方法において、
    前記捕獲部は光学部材であることを特徴とする請求項１７に記載の液滴吐出ヘッドの検査方法。
19. 前記液滴吐出ヘッドの検査方法において、
    前記光学部材は光反射部材及び／又は光透過部材であることを特徴とする請求項１７に記載の液滴吐出ヘッドの検査方法。
20. 前記液滴吐出ヘッドの検査方法において、
    前記捕獲部は孔又はスリットまたは溝であることを特徴とする請求項１７に記載の液滴吐出ヘッドの検査方法。

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