JP2018154068A - 液体循環装置、液体を吐出する装置 - Google Patents

液体循環装置、液体を吐出する装置 Download PDF

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啓史 澤瀬
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Abstract

【課題】フロースルー型ヘッドを使用するときの循環液量の減少を抑制する。【解決手段】第1サブタンク220から、液体経路281、第1マニホールド230、ヘッド100、第2マニホールド240、第2サブタンク210を経て第1サブタンク220に戻る循環経路を有し、第1マニホールド230からヘッド100の供給口までの流体抵抗をRin、第2マニホールド240からヘッド100の排出口までの流体抵抗をRout、とするとき、Rin<Rout、の関係が成り立っている。【選択図】図8

Description

本発明は液体循環装置、液体を吐出する装置に関する。
液体吐出ヘッド(以下、単に「ヘッド」ともいう。)として、ノズルに連通する個別液室への供給流路と個別液室に通じる排出流路とを有し、供給流路に通じる液体の供給口と、排出流路に通じる液体の排出口を備えるフロースルー型ヘッド(循環型ヘッド)がある。
そして、従来、ヘッドを介して液体が循環する循環経路を有し、循環経路には、複数のヘッドの供給口側に通じる供給側マニホールドと、複数のヘッドの排出口側に通じる回収側マニホールドとを含むものが知られている(特許文献1)。
特開2012−006302号公報
ところで、フロースルー型ヘッドにおいては、個別液室は供給側と排出側との両方から接続されていることから、液体吐出を行ったときに、個別液室には自然と液体が供給流路と排出流路の2系統で流れ込もうとして、個別液室から排出流路に向う順方向の循環液量が低下するという課題がある。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、循環流量の低下を抑制することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明に係る液体循環装置は、
液体吐出ヘッドを介して液体が循環する循環経路を有し、
前記循環経路には、複数の液体吐出ヘッドの供給口に通じる第1マニホールドと、
前記複数の液体吐出ヘッドの排出口に通じる第2マニホールドと、を含み、
前記第1マニホールドから前記液体吐出ヘッドの供給口までの流体抵抗をRin、
前記第2マニホールドから前記液体吐出ヘッドの排出口までの流体抵抗をRout、とするとき、
Rin<Rout
の関係が成り立っている
構成とした。
本発明によれば、循環流量の低下を抑制することができる。
本発明に係る液体を吐出する装置の一例の概略説明図である。 同装置のヘッドユニットの一例の平面説明図である。 液体吐出ヘッドの一例の外観斜視説明図である。 同ヘッドのノズル配列方向と直交する方向(液室長手方向)の断面説明図である。 本発明に係る液体循環装置の第1例のブロック説明図である。 同第1例を等価回路としてモデル化した場合の模式図である。 本発明に係る液体循環装置の第2例のブロック説明図である。 本発明の第1実施形態における第1マニホールドから液体吐出ヘッドを経て第2マニホールドに至る経路の拡大説明図である。 ノズルのメニスカス圧力の範囲の説明図である。 図8の第1マニホールドから液体吐出ヘッドを経て第2マニホールドに至る経路を等価回路で表した説明図である。 図10のヘッド内を個別液室まで分解して等価回路で表した説明図である。 メニスカス圧力Pmを計算した例の説明図である。 本発明の第2実施形態における第1マニホールドから液体吐出ヘッドを経て第2マニホールドに至る経路の拡大説明図である。 本発明の第3実施形態における第1マニホールドから液体吐出ヘッドを経て第2マニホールドに至る経路の拡大説明図である。
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。まず、本発明に係る液体を吐出する装置の一例について図1及び図2を参照して説明する。図1は同装置の概略説明図、図2は同装置のヘッドユニットの一例の平面説明図である。
この液体を吐出する装置である印刷装置1000は、連続体10を搬入する搬入手段1と、搬入手段1から搬入された連続体10を印刷手段5に案内搬送する案内搬送手段3と、連続体10に対して液体を吐出して画像を形成する印刷を行う印刷手段5と、連続体10を乾燥する乾燥手段7と、連続体10を排出する排出手段9などを備えている。
連続体10は搬入手段1の元巻きローラ11から送り出され、搬入手段1、案内搬送手段3、乾燥手段7、排出手段9の各ローラによって案内、搬送されて、排出手段9の巻取りローラ91にて巻き取られる。
この連続体10は、印刷手段5において、搬送ガイド部材59上をヘッドユニット50及びヘッドユニット55に対向して搬送され、ヘッドユニット50から吐出される液体によって画像が形成され、ヘッドユニット55から吐出される処理液で後処理が行われる。
ここで、ヘッドユニット50には、例えば、媒体搬送方向上流側から、4色分のフルライン型ヘッドアレイ51K、51C、51M、51Y(以下、色の区別しないときは「ヘッドアレイ51」という。)が配置されている。
各ヘッドアレイ51は、液体吐出手段であり、それぞれ、搬送される連続体10に対してブラックK,シアンC、マゼンタM、イエローYの液体を吐出する。なお、色の種類及び数はこれに限るものではない。
ヘッドアレイ51は、例えば、図2に示すように、液体吐出ヘッド(これを、単に「ヘッド」ともいう。)100をベース部材52上に千鳥状に並べて配置したものであるが、これに限らない。
次に、液体吐出ヘッドの一例について図3及び図4を参照して説明する。図3は同液体吐出ヘッドの外観斜視説明図、図4は同ヘッドのノズル配列方向と直交する方向(液室長手方向)の断面説明図である。
この液体吐出ヘッドは、ノズル板101と、流路板102と、壁面部材としての振動板部材103とを積層接合している。そして、振動板部材103の振動領域(振動板)130を変位させる圧電アクチュエータ111と、ヘッドのフレーム部材を兼ねている共通液室部材120と、カバー129を備えている。なお、流路板102と振動板部材103で構成される部分を流路部材140という。
ノズル板101は、液体を吐出する複数のノズル104を有している。
流路板102は、ノズル104にノズル連通路105を介して通じる個別液室106、個別液室106に通じる供給側流体抵抗部107、供給側流体抵抗部107に通じる液導入部108となる貫通穴や溝部を形成している。ノズル連通路105は、ノズル104と個別液室106にそれぞれ連なって通じる流路である。また、液導入部108は振動板部材103の開口109を介して供給側共通液室110に通じている。
振動板部材103は、流路板102の個別液室106の壁面を形成する変形可能な振動領域130を有する。ここでは、振動板部材103は2層構造(限定されない)とし、流路板102側から薄肉部を形成する第1層と、厚肉部を形成する第2層で形成され、第1層で個別液室106に対応する部分に変形可能な振動領域130を形成している。
そして、この振動板部材103の個別液室106とは反対側に、振動板部材103の振動領域130を変形させる駆動手段(アクチュエータ手段、圧力発生手段)としての電気機械変換素子を含む圧電アクチュエータ111を配置している。
この圧電アクチュエータ111は、ベース部材113上に接合した圧電部材をハーフカットダイシングによって溝加工して所要数の柱状の圧電素子112を所定の間隔で櫛歯状に形成している。
そして、圧電素子112を振動板部材103の振動領域130に形成した島状の厚肉部である凸部130aに接合している。また、圧電素子112にはフレキシブル配線部材115が接続されている。
共通液室部材120は、供給側共通液室110と排出側共通液室150を形成する。供給側共通液室110は供給ポート171に通じ、排出側共通液室150は排出ポート172に通じている。
なお、ここでは、共通液室部材120は、第1共通液室部材121及び第2共通液室部材122によって構成され、第1共通液室部材121を流路部材140の振動板部材103側に接合し、第1共通液室部材121に第2共通液室部材122を積層して接合している。
第1共通液室部材121は、液導入部108に通じる供給側共通液室110の一部である下流側共通液室110Aと、排出流路151に通じる排出側共通液室150とを形成している。また、第2共通液室部材122は、供給側共通液室110の残部である上流側共通液室110Bを形成している。
また、流路板102には、各個別液室106にノズル連通路105を介して通じる流路板102の面方向に沿う排出流路151を形成している。排出流路151が排出側共通液室150に通じている。
この液体吐出ヘッドにおいては、例えば圧電素子112に与える電圧を基準電位(中間電位)から下げることによって圧電素子112が収縮し、振動板部材103の振動領域130が引かれて個別液室106の容積が膨張することで、個別液室106内に液体が流入する。
その後、圧電素子112に印加する電圧を上げて圧電素子112を積層方向に伸長させ、振動板部材103の振動領域130をノズル104に向かう方向に変形させて個別液室106の容積を収縮させることにより、個別液室106内の液体が加圧され、ノズル104から液体が吐出される。
また、ノズル104から吐出されない液体はノズル104を通過して排出流路151から排出側共通液室150に排出され、排出側共通液室150から外部の循環経路を通じて供給側共通液室110に再度供給される。
なお、ヘッドの駆動方法については上記の例(引き−押し打ち)に限るものではなく、駆動波形の与えた方によって引き打ちや押し打ちなどを行なうこともできる。
次に、本発明に係る液体循環装置(液体供給装置)の第1例について図5を参照して説明する。図5は同説明に供するブロック説明図である。
液体供給装置でもある液体循環装置200は、ヘッド100から吐出する液体300を貯留する液体貯留手段であるメインタンク201と、第1サブタンク220と、第2サブタンク210と、第1送液ポンプ202と、第2送液ポンプ203とを備えている。
また、複数のヘッド100が通じる第1マニホールド230及び第2マニホールド240と、各ヘッド100毎の加圧ヘッドタンク251及び減圧ヘッドタンク252と、液体中の溶存気体を除去する脱気手段である脱気装置260を備えている。
ここでは、第2サブタンク210から液体経路284を介して第1サブタンク220に第1送液ポンプ202で液体を送液する。液体経路284に脱気装置260とフィルタ261が配置されている。また、第2サブタンク210に対してはメインタンク201から液体経路289を介して第2送液ポンプ203で液体を送液する。
第2サブタンク210は、気体室210aを有し、液体と気体が共存する構成である。第2サブタンク210には、液面を検知する液面検知手段211と、内部を大気開放する大気開放機構となる電磁弁212が設けられている。
第2サブタンク210には、第2サブタンク210内の圧力を調整する第2調整装置207が接続されている。第2調整装置207は、圧力調整機構(レギュレータ)213、減圧バッファタンク214、気体ポンプである真空ポンプ215を有している。また、レギュレータ213と減圧バッファタンク214との間には電磁弁216が設けられている。減圧バッファタンク214には電磁弁217が設けられている。
第1サブタンク220は、気体室220aを有し、液体と気体が共存する構成である。第1サブタンク220には、液面を検知する液面検知手段221と、内部を大気開放する大気開放機構となる電磁弁222が設けられている。
第1サブタンク220には、第1サブタンク220内の圧力を調整する第1調整装置206が接続されている。第1調整装置206は、圧力調整機構(レギュレータ)223、加圧バッファタンク224、コンプレッサ225を有している。また、レギュレータ223と加圧バッファタンク224との間には電磁弁226が設けられている。加圧バッファタンク224には電磁弁227が設けられている。
第1サブタンク220は、液体経路281を通じて第1マニホールド230に接続されている。
第1マニホールド230は、ヘッド100の供給ポート171(供給口)側に供給経路231を介して通じている。供給経路231は、加圧ヘッドタンク251を介してヘッド100の供給ポート171に接続されている。供給経路231には加圧ヘッドタンク251より上流側に経路を開閉する電磁弁232が設けられている。また、第1マニホールド230には圧力センサ233が設けられている。
第2サブタンク210は、液体経路282を介して第2マニホールド240に接続されている。
第2マニホールド240は、ヘッド100の排出ポート172(排出口)に排出経路241介して通じている。排出経路241は、減圧ヘッドタンク252を介してヘッド100の排出ポート172に接続されている。排出経路241には減圧ヘッドタンク252より下流側に経路を開閉する電磁弁242が設けられている。また、第2マニホールド240には圧力センサ243が設けられている。
ここで、第2サブタンク210、液体経路284、脱気装置260、第1サブタンク220、液体経路281、第1マニホールド230、ヘッド100、第2マニホールド240、第2サブタンク210を経て第1サブタンク220に戻る経路で循環経路が構成される。循環液量が所定量より減少すると、メインタンク201から第2サブタンク210に液体が補充される。
また、第1サブタンク220と第2サブタンク210、第1送液ポンプ202、循環経路を液体が循環する圧力を生じさせる手段を構成している。
次に、この第1例の液体循環装置200における液体循環方法について説明する。
(1)メインタンク201−第2サブタンク210への液体フロー
液面検知手段211で第2サブタンク210の液体不足を検知すると、第2送液ポンプ203を駆動して、メインタンク201から液体経路289を介して、液面検知手段211の検知結果で液面が満タンとなるまで第2サブタンク210に液体供給を行う。
(2)第2サブタンク210−第1サブタンク220への液体フロー
第1送液ポンプ202を駆動して、第2サブタンク210から液体経路284を介して第1サブタンク220に液体を送液することができる。
(3)第1サブタンク220-循環可能なヘッド100-第2サブタンク210の液体フロー
第1調整装置206によって第1サブタンク220を目標圧力(例えば、加圧となる圧力)とする。一方、第2調整装置207によって第2サブタンク210を目標圧力(例えば負圧となる圧力)とする。
これにより、第1サブタンク220と第2サブタンク210との間に差圧が発生する。この差圧に応じて、第1サブタンク220から、液体経路281を介して、第1マニホールド230、複数の供給経路231、複数のヘッドタンク251、複数のヘッド100、複数のヘッドタンク252、複数の排出経路241、第2マニホールド240、液体経路282を介して、第2サブタンク210まで液体が循環可能となる。
なお、液面検知手段211、221には、フロート式による液体の検知、少なくとも2本以上の電極ピンを用いて検出した電圧の出力に応じて液体の有無を検知する方式、その他レーザーによる液面検知方式などを使用することができる。
また、電磁弁222、212を駆動することで第1サブタンク220、第2サブタンク210の内部を大気と連通させることもできる。
次に、ノズルメニスカスの負圧形成(第1サブタンク220と第2サブタンク210の圧力設定)について説明する。
一般的に、ヘッドから吐出を行う場合、ノズルメニスカスにかかる圧力は負圧に制御する。これは、ノズルから液体が溢れることを防止するためである。また、高速で吐出を行う場合に、吐出開始と終了時には、流体の慣性が作用し、ノズルメニスカスに圧力の脈動が発生する場合がある。このとき、正圧側の圧力が一時的に発生するので、このような場合でも、ノズルから液体が溢れることを防止するためである。
循環型液体吐出ヘッドを使用する場合には、第1サブタンク220内に正圧を設定し、第2サブタンク210内に負圧を設定する方法が一般的である。
より詳細には、予め、第1サブタンク220からヘッド100のノズル104までの流体抵抗Rinと、ノズル104から第2サブタンク210までの流体抵抗Routを、計算か測定により求めておく。そして、これらの流体抵抗Rin、Routに応じて、第1サブタンク220の圧力Pin、第2サブタンク210の圧力Poutを設定することで、直列抵抗の分圧と同様に、RinとRoutの比と、PinとPoutの値に応じて、メニスカスに目標とする圧力Pnを発生させることができる。
つまり、循環する流量をIとすると、
Pn-Pin=I×Rin
Pout-Pn=I×Rout
ここで、両辺からIを削除して、変形させると、(1)式が得られる。
Figure 2018154068
この(1)式において、仮に、Rin=Routの場合は、Pn=(Pout+Pin)/2となる。
したがって、設定する圧力と流体抵抗比に応じて、メニスカスの圧力が決まることが分かる。
ここで、等価回路としてモデル化した場合の模式図を図6に示している。
この模式図は、ラインヘッドを想定しており、モジュールAがヘッド100とその供給経路231と循環経路(排出経路)241が連通した状態を意味している。これが並列に所要数(Bの枠内)並ぶ構成である。
また、第1サブタンク220、第2サブタンク210、ノズルメニスカスは電圧が溜まるコンデンサ成分としてモデル化できる。液体の経路は電圧降下を生じる抵抗成分としてモデル化できる。
したがって、液体経路281(R1)、第1マニホールド230の一部(R3)、供給経路231(R4)、ヘッド100の供給口(供給ポート171)からノズル104まで(R5)によって、Rinを表すことができる。
一方、ヘッド100のノズル104から排出口(排出ポート172)まで(R6)、排出経路241(R7)、第2マニホールド240の一部(R8)、液体経路282(R2)によって、Routを表すことができる。
また、第1サブタンク220に図示しない電圧源(手段としてエアポンプなど)や電流源(手段として液体ポンプなど)を用いて発生させる電圧をPinと表すことができる。
一方、第2サブタンク210に図示しない電圧源(手段としてエアポンプなど)や電流源(手段として液体ポンプなど)を用いて発生させる電圧をPoutと表すことができる。
また、通常、第1マニホールド230の一部(R3・・・R3+6n)や第2マニホールド240の一部(R8・・・R8+6n)の抵抗成分は、各ヘッド100のノズルメニスカスの圧力を計算するために、取り付けられた位置応じて適宜考慮しないといけない。ただ、他の経路に比べて、抵抗の値が十分小さいために、計算上、無視して考えることもできる。
また、実際の配管の仕方や液体吐出ヘッド内の構造によっては、上記の式とまったく同じにはならないが、基本的には、上記の考えで対応することができる。
なお、上記の説明では、第1サブタンク220を正圧にする例で説明しているが、第1サブタンク220を負圧としつつ、第2サブタンク210は第1サブタンク220よりも負圧が大きくするように制御することで、差圧を発生させて液体を循環させる構成とすることもできる。
この構成の有利な点は、第1サブタンク220も負圧であるので、前述した構成に比べて、液体が垂れるおそれを低減したまま、液体循環させることができる点である。ただし、ヘッド内の流体抵抗が大きい場合は、ノズルメニスカスの初期負圧が負圧側に大きくなるので、吐出可能な圧力変動幅が狭くなる。
ここで、(1)式において、流体抵抗Routと流体抵抗Rinの比Rout/RinをRr(Rr=Rout/Rin)とし、変形すると、次の(2)式が得られる。
Figure 2018154068
ノズルメニスカス圧力Pnを一定の値とすれば、Poutは、(1+Rr)×Pnを切片として、−Rrが傾きとなる、Pinの1次関数で表すことができる。
この関係を満たすように、PinとPoutを設定すれば、ノズルメニスカスの圧力を一定のまま、液体を循環させる圧力である差圧(Pin―Pout)を大きくすることもできるし、小さくすることもできる。
一方、この関係式((2)式)を外れて、正の方向に大きくなると、ノズルから液体が溢れやすくなる。逆に、負の方向に大きくすると、ノズルから気泡を巻き込んでノズルダウンしやすくなる。
したがって、目標とするノズルメニスカス圧力を保ったまま、差圧を変更することが重要である。
次に、本発明に係る液体循環装置の第2例について図7を参照して説明する。図7は同説明に供するブロック説明図である。
液体供給装置200は、ヘッド100から吐出する液体300を貯留する液体貯留手段であるメインタンク201と、第1サブタンク220と、第2サブタンク210と、第3サブタンク290と、第1送液ポンプ202と、第2送液ポンプ203と、第3送液ポンプ209を備えている。
また、複数のヘッド100が通じる第1マニホールド230及び第2マニホールド240と、各ヘッド100毎の加圧ヘッドタンク251及び減圧ヘッドタンク252と、液体中の溶存気体を除去する脱気手段である脱気装置260を備えている。
ここで、第1サブタンク220と第2サブタンク210との間に第3サブタンク290が配置され、メインタンク201からフィルタ205を含む液体経路289を介して第3送液ポンプ209によって第3サブタンク290に送液(供給)する。
第3サブタンク290には、液面検知手段291と、内部を大気開放する大気開放機構を構成する電磁弁292を備えている。
第3サブタンク290と第2サブタンク210とは液体経路283を通じて接続し、液体経路283には第2送液ポンプ203を設けている。
第2サブタンク210は、気体室210aを有し、液体と気体が共存する構成である。第2サブタンク210には、液面を検知する液面検知手段211と、内部を大気開放する大気開放機構となる電磁弁212が設けられている。
第3サブタンク290と第1サブタンク220とは液体経路284を通じて接続し、液体経路284には第1送液ポンプ202を設けている。液体経路284には脱気装置260とフィルタ261が配置されている。
第1サブタンク220は、気体室220aを有し、液体と気体が共存する構成である。第1サブタンク220には、液面を検知する液面検知手段221と、内部を大気開放する大気開放機構となる電磁弁222が設けられている。
第1サブタンク220は、液体経路281を通じて第1マニホールド230に接続されている。
第1マニホールド230は、ヘッド100の供給ポート171(供給口)側に供給経路231を介して通じている。供給経路231は、加圧ヘッドタンク251を介してヘッド100の供給ポート171に接続されている。供給経路231には加圧ヘッドタンク251より上流側に経路を開閉する電磁弁232が設けられている。また、第1マニホールド230には圧力センサ233が設けられている。
第2サブタンク210は、液体経路282を介して第2マニホールド240に接続されている。
第2マニホールド240は、ヘッド100の排出ポート172(排出口)側に排出経路241介して通じている。排出経路241は、減圧ヘッドタンク252を介してヘッド100の排出ポート172に接続されている。排出経路241には減圧ヘッドタンク252より下流側に経路を開閉する電磁弁242が設けられている。また、第2マニホールド240には圧力センサ243が設けられている。
ここで、第3サブタンク290から、液体経路284、第1サブタンク220、液体経路281、脱気装置260、第1マニホールド230、ヘッド100、第2マニホールド240、第2サブタンク210を経て第3サブタンク290に戻る経路で循環経路が構成される。
また、第1サブタンク220と第2サブタンク210、第1送液ポンプ202、第2送液ポンプ203によって、循環経路を液体が循環する圧力を生じさせる手段を構成している。
次に、この第2例の液体循環装置における液体循環方法について説明する。
(1)メインタンク201−第3サブタンク290への液体フロー
液面検知手段291で第3サブタンク290の液体不足を検知すると、第3送液ポンプ209を駆動して、メインタンク201から液体経路289を介して、液面検知手段291の検知結果で液面が満タンとなるまで第3サブタンク290に液体供給を行う。
(2)第3サブタンク290−第1サブタンク220への液体フロー
第1送液ポンプ202を駆動して、第3サブタンク290から液体経路284を介して第1サブタンク220に液体を送液することができる。
(3)第2サブタンク210−第3サブタンク290への液体フロー
第2送液ポンプ203を駆動して、第2サブタンク210から液体経路283を介して第3サブタンク290にエネルギー液体を送液することができる。
(4)第1サブタンク220-循環可能なヘッド100-第2サブタンク210の液体フロー
圧力センサ233による検知圧力が目標圧力(例えば、加圧となる圧力)となるまで第1送液ポンプ202を駆動して第1サブタンク220に液体を供給する。また、圧力センサ243の検知圧力が目標圧力(例えば負圧となる圧力)となるまで第2送液ポンプ203を駆動して第3サブタンク290に液体を送液する。
これにより、第1サブタンク220と第2サブタンク210との間に差圧が発生する。この差圧に応じて、第1サブタンク220から、液体経路281を介し、フィルタ261、脱気装置260、第1マニホールド230、複数の供給経路231、複数のヘッドタンク251、複数のヘッド100、複数の排出経路241、複数のヘッドタンク252、第2マニホールド240、液体経路282を介して、第2サブタンク210まで液体が循環可能となる。
次に、本発明の第1実施形態について図8を参照して説明する。図8は第1マニホールドから液体吐出ヘッドを経て第2マニホールドに至る経路の拡大説明図である。
本実施形態においては、第1マニホールド230からヘッド100の供給口(供給ポート171)までの流体抵抗をRin、第2マニホールド240からヘッド100の排出口(排出ポート172)までの流体抵抗をRout、とするとき、Rin<Rout、の関係が成り立つ構成としている。
ヘッド100に対する供給側の流体抵抗Rinと排出側の流体抵抗Routとの関係をこのようにすることで、供給側からのリフィルの割合が多くなり、安定した吐出を行うことができるとともに、循環流量の低減を抑制できる。
また、供給側の流体抵抗Rinが排出側の流体抵抗Routよりも小さいことで、供給側の圧力損失が小さくなり、液体を補充し易くなるので、安定した供給を行って、安定した吐出を行うことができる。さらに、同じメニスカス圧を形成する場合、圧力目標値として設定する正圧を小さくすることができ、正圧を小さくできることで、供給系を構成する配管の継手部分や接続部などからの液体漏れのおそれが減少する。
次に、本実施形態の作用効果の詳細について図9ないし図11を参照して説明する。図9はノズルのメニスカス圧力の範囲の説明図である。図10は図8の第1マニホールドから液体吐出ヘッドを経て第2マニホールドに至る経路を等価回路で表した説明図である。なお、ヘッド内の流体抵抗や流量は、すべてのチャンネル(1ノズルの液体吐出に係わる部分:chで表す)で合成したモデルである。図11は図10のヘッド内を個別液室まで分解して等価回路で表した説明図である。
まず、図9を参照して、ノズル104のメニスカス圧力は、正圧に大きすぎると、液体が垂れやすくなる。一方、負圧に大きすぎると、メニスカスが破れて、ノズル104の大気側から気泡を巻き込み、吐出不良を起こすことになる。
また、一般的に、ヘッドから吐出していない場合にも、液垂れ防止のため、弱い負圧に設定するが、吐出を行うと負圧が強くなる。負圧が強くなるというのは、流体抵抗や吐出流量に相関して、負圧側に圧力が大きくなるという意味である。
そこで、ノズル104のメニスカス圧力は、ある範囲に収めることが重要である。液体の種類(粘度など)、ノズル径、環境条件など、種々の条件によって変化するが、概ね、図9に示すように、−100Pa〜−4000Pa程度に収めることが好ましい。
次に、図10及び図11の第1チャンネル(1ch目)に着目して、各パラメータを以下のように定義して、メニスカス圧力を計算する方法について説明する。
なお、ここでは、第2チャンネル(2ch目)以降は、各流体抵抗と流量の値が1ch目と同一であることを前提とするので、1chに着目すれば、他のチャンネルも同じ結果となる。ただ、チャンネル毎に流体抵抗や流量が異なる場合は、それぞれのチャンネルについて、計算が必要になる。
また、ここでは、第1マニホールド230を「マニホールド1」と表記し、第2マニホールド240を「マニホールド2」と表記する。
マニホールド1の圧力:Pin
マニホールド2の圧力:Pout
メニスカス圧力:Pm
チャンネル総数:N
供給系の流体抵抗(供給側):Rin
排出系の流体抵抗(排出側):Rout
ヘッド内流体抵抗(供給側):Rhead_in1
ヘッド内流体抵抗(供給側)Rhead_in1は、ヘッド内の各個別の供給側流体抵抗部を含む供給流路及び個別液室の各流体抵抗の総和である。
ヘッド内流体抵抗(排出側):Rhead_out1
ヘッド内流体抵抗(排出側)Rhead_out1は、ヘッド内の各個別の排出側流体抵抗部を含む排出流路の各流体抵抗の総和である。
ヘッド合成流体抵抗(供給側):Rhead in=Rhead_in1/N
ヘッド合成流体抵抗(供給側)Rhead inは、ヘッド内流体抵抗(供給側)Rhead_in1の並列接続を合成した流体抵抗である。
ヘッド合成流体抵抗(排出側):Rhead_out=Rhead_out1/N
ヘッド合成流体抵抗(排出側)Rhead_outは、ヘッド内流体抵抗(排出側)Rhead_out1の並列接続を合成した流体抵抗である。
ヘッド内の抵抗比:Rr1
Rr1=Rhead_out1/Rhead_in1
ヘッド内の抵抗比Rr1は、各個別液室の供給側と排出側の流体抵抗比である。
ヘッド内の抵抗係数α=Rhead_out1/(Rhead_in1*Rhead_out1)
抵抗係数αは、後述するヘッド吐出量Qhead1で吐出を行った場合に、個別液室の供給側と排出側の流体抵抗の割合に応じて、流れる流量が決まるので、その係数をαとする。なお、「*」は乗算の意味である。
ヘッド内の抵抗係数β=Rhead_in1/(Rhead_in1*Rhead_out1)
抵抗係数βは、後述するヘッド吐出量Qhead1で吐出を行った場合に、個別液室の供給側と排出側の流体抵抗の割合に応じて、流れる流量が決まるので、その係数をβとする。
ヘッド合成抵抗係数α=Rhead_out/(Rhead_in*Rhead_out)
ヘッド合成抵抗係数β=Rhead_in/(Rhead_in*Rhead_out)
なお、ヘッド内の抵抗係数も、ヘッド合成抵抗係数も、各チャンネルの流体抵抗は同じなので、チャンネル数の総数Nが分母分子で約分されて、ここでは結果としては、同じ値になる。
フロースルー循環量Qft=N×Qft1
フロースルー循環量Qftは、全チャンネルに、常時、循環させるフロースルーとしての循環量である。各チャンネルに同一の循環量Qft1が流れるので、各チャンネルの総和の流量となる。
循環量(供給側)Qin=Qft+α×Qhead
循環量(供給側)Qinは、全チャンネル分の供給側の循環量である。
循環量(排出側)Qout=Qft−β×Qhead
循環量(排出側)Qoutは、全チャンネル分の排出側の循環量である。
フロースルー循環量Qft1
フロースルー循環量Qft1は、1チャンネル当たりに、常時、循環させるフロースルーとしての循環量である。
循環量(供給側)Qin1=Qft1+α×Qhead1
循環量(供給側)Qin1は、上記フロースルー循環量Qft1に追加して、後述するヘッド吐出量Qhead1で吐出を行った分を考慮した供給側の1チャンネル当たりの循環量である。
循環量(排出側):Qout1=Qft1-β×Qhead1
循環量(排出側)Qout1は、上記フロースルー循環量Qft1に追加して、後述するヘッド吐出量Qhead1で吐出を行った分を考慮したは排出側の1チャンネル当たりの循環量である。
循環量比Qr1=Qout1/Qin1
ヘッド吐出流量(1ch)Qhead1
ヘッド吐出流量(1ch)Qhead1は、1チャンネル当たりの吐出流量
ヘッド合成吐出流量Qhead=N×Qhead1
ヘッド合成吐出流量Qheadは、ヘッド全体の吐出流量である。
マニホールド1からヘッドの供給口とヘッドの排出口からマニホールド2までの圧力損失を考慮して、ヘッドの供給口(図8のA点)とヘッド排出口(図8のB点)の圧力(Pa、Pb)を求める式を立てると、次の(3)式、(4)式が得られる。
Pin−Pa=Rin×Qinから
Pa=Pin−Rin×Qin・・・(3)
Pb−Pout=Rout×Qoutから
Pb=Pout+Rout×Qout・・・(4)
なお、ヘッド吐出時のヘッド吐出流量と循環量(供給側、排出側)を式で表すと、次の(5)式、(6)式が得られる。
Qin1=Qfti+α×Qhead1・・・(5)
Qout1=Qfti−β×Qhead1・・・(6)
仮に、ヘッドから吐出していない場合(Qhead1=0のとき)には、
Qin1=Qout1=Qfti
となる。
マニホールド1からヘッドの供給口と、ヘッドの排出口からマニホールド2までの圧力損失を考慮して、ヘッドの供給口とヘッド排出口の圧力に対して、メニスカス圧力との間の関係式を立てると、次式が得られる。
Pm−Pa=Rhead_in1×Qin1
Pb―Pm=Rhead_out1×Qout1
これらの二つの式に、(3)式、(4)式を代入すると、次の(7)式、(8)式が得られる。
Pm−(Pin−Rin×Qin)=Rhead_in1×Qin1・・・(7)
Pout+Rout×Qout−Pm=Rhead_out1×Qout1・・・(8)
(8)式/(7)式より、メニスカス圧力Pmを求める式は、次の(9)式となる。
Pm={Pout+Rout×Qout+Rr1×Qr1×(Pin−Rin×Qin)}/(1+Rr1×Qr1)・・・(9)
次に、(9)式とパラメータを用いて、メニスカス圧力Pmを計算した例を図12に示している。
図12において、計算例No.1は比較基準とする例である。計算例No.2〜No.5の計算例は、計算例No.1の計算パラメータに対して、一部のパラメータを変更して計算した結果である。計算例No.1に対して変更したパラメータを、それぞれ太枠で表示している。
また、計算例No.1〜No.3は、ヘッドからは吐出せずに(Qhead1=0)、循環のみを行っている計算結果である。計算例No.4〜No.5は、ヘッドから吐出しつつ(Qhead1が非0の場合)、循環も行っている場合の計算結果である。
(1)計算例No.2と計算例No.1の比較(非吐出時)の説明
計算例No.1と計算例No.2の違いは、供給系の流体抵抗(供給側)Rinを、1.00E+10から1.00E+7まで小さくした点である。計算例No.1のメニスカス圧力Pmは「−2658(Pa)」となるのに対し、計算例No.2のメニスカス圧力Pmは「−993(Pa)」となり、供給系の流体抵抗(供給側)Rinを小さくすると、メニスカス負圧が小さくなることが分かる。
したがって、供給系の流体抵抗(供給側)Rinを小さく構成した方が、メニスカス圧力Pmが負圧側に大きくならない効果が得られる。
(2)計算例No.3と計算例No.1の比較(非吐出時)の説明
計算例No.3は、計算例No.1の供給系の流体抵抗(供給側)Rinと供給系の流体抵抗(排出側)Routの設定のままで、計算例No.2のメニスカス圧力Pmと同等になるように、マニホールド1の圧力Pinを変化させた計算結果である。
計算例No.2では圧力Pinは「1000(Pa)」であるが、計算例No.3では圧力Pinを「3498(Pa)」まで大きくしないと、計算例No.2のメニスカス圧力Pmと同等にならないことが分かる。
これは、例えば、メニスカス圧力Pmを計算例No.2と同程度に設定したい場合には、マニホールド1の圧力Pinを大きく設定しなければならなくなり、各種配管の継手や接続部から、液体が漏れ易くなるおそれが生じることを意味する。したがって、その対策を行うために装置の大型化やコストアップを招き易くなる。
(3)計算例No.4(吐出時)の説明
計算例No.4はヘッドからの吐出も考慮した計算結果である。ヘッド吐出量Qheadとヘッド合成吐出流量Qhead1に吐出流量を与えることで、循環量(供給側)Qin、循環量(排出側)Qout、循環量(供給側)Qin1、循環量(排出側)Qout1の流量が計算例No.1に比較して変化する。
また、吐出分の流量が増えた結果、圧力損失の増加を招き、メニスカス圧力Pmは「−4084(Pa)」まで低下し、大きな負圧が発生していることが分かる。この場合、前述した推奨範囲である「−4000(Pa)」を超える負圧が発生するため、ノズルから気泡を巻き込み、吐出不良が発生する。したがって、白抜けやスジに代表される画像の劣化に繋がる。
(4)計算例No.5と計算例No.4の比較(吐出時)の説明
計算例No.5は、計算例No.4の条件に追加して、供給系の流体抵抗(供給側)Rinを1.00E10から1.00E7まで小さくした場合に吐出を行ったときの計算結果である。
吐出分の流量が増えても、供給系の流体抵抗(供給側)Rinが計算例No.4に比べて小さいため、圧力損失が抑えられるので、メニスカス圧力Pmは「−2221(Pa)」程度である。計算例No.4と異なり、正常な範囲での吐出が可能である。したがって、正常な画像出力が見込まれる。
以上より、供給側の流体抵抗Rinを下げることで、供給側からの圧力損失が小さくなることで、液体補充しやすくなり、メニスカス圧力の負圧側への低下を抑えることができる。
また、供給側の流体抵抗Rinを小さくすると、同じメニスカス圧を形成する場合、圧力目標値として設定する正圧を小さくできる。
次に、本発明の第2実施形態について図13を参照して説明する。図13は同実施形態における第1マニホールドから液体吐出ヘッドを経て第2マニホールドに至る経路の拡大説明図である。
ここで、第1マニホールド230からヘッド100の供給口までの経路の長さをLin、ヘッド100の排出口から第2マニホールド240までの経路の長さをLoutとし、Lin<Lout、の関係が成り立つようにしている。
すなわち、円管の流体抵抗は、μ:粘度、l:長さ、d:直径、とするとき、次式で一般的に求めることができる。
Figure 2018154068
したがって、供給側の長さLinを排出側の長さLoutより短くした方が、供給系の流体抵抗(供給側)Rinを、排出系の流体抵抗(排出側)Routよりも、小さくできる(Rin<Rout)。
これにより、第1実施形態と同様の作用効果、循環流量の減少を低減し、メニスカス圧力の負圧側への低下を抑え、同じメニスカス圧を形成する場合であれば圧力目標値として設定する正圧を低くすることができる。
なお、流体の経路が、円管ではない場合でも、長さが長いほど、流体抵抗が大きくなることに変わりはない。
次に、本発明の第3実施形態について図14を参照して説明する。図14は同実施形態における第1マニホールドから液体吐出ヘッドを経て第2マニホールドに至る経路の拡大説明図である。
ここで、ヘッド100の供給口から第1マニホールド230までの高さをHin、ヘッド100の排出口から第2マニホールド240までの高さHoutとし、Hin<Hout、の関係が成り立つようにしている。
第1マニホールド230、第2マニホールド240の配置として、第2マニホールド240よりも第1マニホールド230をヘッド100により近い位置に配置した(Hin<Hout)とした方が、供給系の流体抵抗(供給側)Rinの中の長さを短くできるので、排出系の流体抵抗(排出側)Routよりも、流体抵抗を小さく(Rin<Rout)し易くなる。
これにより、第1実施形態と同様の作用効果、循環流量の減少を低減し、メニスカス圧力の負圧側への低下を抑え、同じメニスカス圧を形成する場合であれば圧力目標値として設定する正圧を低くすることができる。
本願において、吐出される「液体」は、ヘッドから吐出可能な粘度や表面張力を有するものであればよく、特に限定されないが、常温、常圧下において、または加熱、冷却により粘度が30mPa・s以下となるものであることが好ましい。より具体的には、水や有機溶媒等の溶媒、染料や顔料等の着色剤、重合性化合物、樹脂、界面活性剤等の機能性付与材料、DNA、アミノ酸やたんぱく質、カルシウム等の生体適合材料、天然色素等の可食材料、などを含む溶液、懸濁液、エマルジョンなどであり、これらは例えば、インクジェット用インク、表面処理液、電子素子や発光素子の構成要素や電子回路レジストパターンの形成用液、3次元造形用材料液等の用途で用いることができる。
「液体吐出ヘッド」には、液体を吐出するエネルギー発生源として、圧電アクチュエータ(積層型圧電素子及び薄膜型圧電素子)、発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いるサーマルアクチュエータ、振動板と対向電極からなる静電アクチュエータなどを使用するものが含まれる。
「液体を吐出する装置」には、液体吐出ヘッドを駆動させて液体を吐出させる装置が含まれる。液体を吐出する装置には、液体が付着可能なものに対して液体を吐出することが可能な装置だけでなく、液体を 気中や液中に向けて吐出する装置も含まれる。
この「液体を吐出する装置」は、液体が付着可能なものの給送、搬送、排紙に係わる手段、その他、前処理装置、後処理装置なども含むことができる。
例えば、「液体を吐出する装置」として、インクを吐出させて用紙に画像を形成する装置である画像形成装置、立体造形物(三次元造形物)を造形するために、粉体を層状に形成した粉体層に造形液を吐出させる立体造形装置(三次元造形装置)がある。
また、「液体を吐出する装置」は、吐出された液体によって文字、図形等の有意な画像が可視化されるものに限定されるものではない。例えば、それ自体意味を持たないパターン等を形成するもの、三次元像を造形するものも含まれる。
上記「液体が付着可能なもの」とは、液体が少なくとも一時的に付着可能なものであって、付着して固着するもの、付着して浸透するものなどを意味する。具体例としては、用紙、記録紙、記録用紙、フィルム、布などの被記録媒体、電子基板、圧電素子などの電子部品、粉体層(粉末層)、臓器モデル、検査用セルなどの媒体であり、特に限定しない限り、液体が付着するすべてのものが含まれる。
上記「液体が付着可能なもの」の材質は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど液体が一時的でも付着可能であればよい。
また、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッドと液体が付着可能なものとが相対的に移動する装置があるが、これに限定するものではない。具体例としては、液体吐出ヘッドを移動させるシリアル型装置、液体吐出ヘッドを移動させないライン型装置などが含まれる。
また、「液体を吐出する装置」としては、他にも、用紙の表面を改質するなどの目的で用紙の表面に処理液を塗布するために処理液を用紙に吐出する処理液塗布装置、原材料を溶液中に分散した組成液を、ノズルを介して噴射させて原材料の微粒子を造粒する噴射造粒装置などがある。
なお、本願の用語における、画像形成、記録、印字、印写、印刷、造形等はいずれも同義語とする。
5 印刷手段
10 連続体
50 ヘッドユニット
100 液体吐出ヘッド(ヘッド)
200 液体供給装置
201 メインタンク(液体貯留手段)
202 第1送液ポンプ
203 第2送液ポンプ
209 第3送液ポンプ
210 第2サブタンク
220 第1サブタンク
230 第1マニホールド
240 第2マニホールド
260 脱気装置
290 第3サブタンク
1000 印刷装置(液体を吐出する装置)

Claims (4)

  1. 液体吐出ヘッドを介して液体が循環する循環経路を有し、
    前記循環経路には、複数の液体吐出ヘッドの供給口に通じる第1マニホールドと、
    前記複数の液体吐出ヘッドの排出口に通じる第2マニホールドと、を含み、
    前記第1マニホールドから前記液体吐出ヘッドの供給口までの流体抵抗をRin、
    前記第2マニホールドから前記液体吐出ヘッドの排出口までの流体抵抗をRout、とするとき、
    Rin<Rout
    の関係が成り立っている
    ことを特徴とする液体循環装置。
  2. 液体吐出ヘッドを介して液体が循環する循環経路を有し、
    前記循環経路には、複数の液体吐出ヘッドの供給口に通じる第1マニホールドと、
    前記複数の液体吐出ヘッドの排出口に通じる第2マニホールドと、を含み、
    前記第1マニホールドから前記液体吐出ヘッドの供給口までの経路の長さをLin、
    前記第2マニホールドから前記液体吐出ヘッドの排出口までの経路の長さをLout、とするとき。
    Lin<Lout
    の関係が成り立っている
    ことを特徴とする液体循環装置。
  3. 液体吐出ヘッドを介して液体が循環する循環経路を有し、
    前記循環経路には、複数の液体吐出ヘッドの供給口に通じる第1マニホールドと、
    前記複数の液体吐出ヘッドの排出口に通じる第2マニホールドと、を含み、
    前記第2マニホールドは前記第1マニホールドより上方に配置され、
    前記液体吐出ヘッドの供給口から前記第1マニホールドまでの高さをHin、
    前記液体吐出ヘッドの排出口から前記第2マニホールドまでの高さをHout、とするとき、
    Hin<Hout
    の関係が成り立っている
    ことを特徴とする液体循環装置。
  4. 複数の液体吐出ヘッドと、
    請求項1ないし3のいずれかに記載の液体循環装置と、を備えている
    ことを特徴とする液体を吐出する装置。
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