JP2020023148A - 液体吐出ヘッド、液体吐出モジュール、液体吐出装置および液体吐出方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(液体吐出ヘッドの構成)
図1は、本発明で使用可能な液体吐出ヘッド1の斜視図である。本実施形態の液体吐出ヘッド1は、複数の液体吐出モジュール100がx方向に配列されて構成される。個々の液体吐出モジュール100は、複数の吐出素子が配列された素子基板10と、個々の吐出素子に電力と吐出信号を供給するためのフレキシブル配線基板40とを有している。フレキシブル配線基板40のそれぞれは、電力供給端子と吐出信号入力端子が配された電気配線基板90に共通して接続されている。液体吐出モジュール100は、液体吐出ヘッド1に対し簡易的に着脱することができる。よって、液体吐出ヘッド1には、これを分解することなく、任意の液体吐出モジュール100を外部から容易に取りつけたり取り外したりすることができる。
図2は、本発明に使用可能な液体吐出装置2の制御構成を示すブロック図である。CPU500は、ROM501に記憶されているプログラムに従いRAM502をワークエリアとして使用しながら、液体吐出装置2の全体を制御する。CPU500は、例えば、外部に接続されたホスト装置600より受信した吐出データに、ROM501に記憶されているプログラムおよびパラメータに従って所定のデータ処理を施し、液体吐出ヘッド1が吐出可能な吐出信号を生成する。そして、この吐出信号に従って液体吐出ヘッド1を駆動しながら、搬送モータ503を駆動して液体の付与対象媒体を所定の方向に搬送することにより、液体吐出ヘッド1から吐出された液体を付与対象媒体に付着させる。
図3は、個々の液体吐出モジュール100に備えられた素子基板10の断面斜視図である。素子基板10は、シリコン(Si)基板15上にオリフィスプレート14(吐出口形成部材)が積層されて構成されている。図3では、x方向に配列された吐出口11は、同種類の液体(例えば共通のサブタンクや供給口から供給される液体)を吐出する。ここではオリフィスプレート14が液流路13も形成した例を示しているが、液流路13は別の部材(流路壁部材)で形成し、その上に吐出口11が形成されたオリフィスプレート14が設けられた構成であってもよい。
図4(a)〜(d)は、素子基板10に形成された1つの液流路13及び圧力室18の構成を詳しく説明するための図である。図4(a)は吐出口11の側(+z方向側)から見た透視図、図4(b)は図4(a)に示すIVb−IVbの断面図である。また、図4(c)は図3で示した素子基板における1つの液流路13近傍の拡大図である。更に、図4(d)は、図4(b)における吐出口近傍の拡大図である。
まず、管内において液体が層流となる条件について説明する。一般に、流れを評価する指標として、粘性力と界面張力の比を表すレイノルズ数Reが知られている。
Re=ρud/η (式1)
次に、図4(d)を参照しながら、液流路13及び圧力室18の中で2種類の液体の界面が安定している平行流を形成する条件について説明する。まず、シリコン基板15からオリフィスプレート14の吐出口面までの距離をH[μm]、吐出口面から第1の液体31と第2の液体32の液液界面までの距離(第2の液体の相厚)をh2[μm]とする。また、液液界面からシリコン基板15までの距離(第1の液体の相厚)をh1[μm]とする。即ち、H=h1+h2となる。
状態A)粘度比ηr=1及び流量比Qr=1の場合で水相厚比hr=0.50
状態B)粘度比ηr=10及び流量比Qr=1の場合で水相厚比hr=0.39
状態C)粘度比ηr=10及び流量比Qr=10の場合で水相厚比hr=0.12
図6は、(式2)のもと、流量比Qrと水相厚比hrの関係を、粘度比がηr=1の場合とηr=10の場合について示す図である。横軸は流量比Qr=Q2/Q1を示し、縦軸は水相厚比hr=h1/(h1+h2)を示している。流量比Qr=0とはQ2=0の場合に相当し、液流路は第1の液体のみで満たされ第2の液体が存在せず、水相厚比はhr=1となる。図のP点がこの状態を示している。
次に、平行流が形成された液流路13及び圧力室18における吐出動作の過渡状態について説明する。図7(a)〜(e)は、流路(圧力室)高さがH[μm]=20μm、オリフィスプレートの厚みがT=6μmである液流路13に、粘度比がηr=4の第1の液体と第2の液体で平行流を形成した状態で吐出動作を行った場合の過渡状態を模式的に示す図である。
なお、液体が流動している状態で吐出動作を行う場合、液体の流動が吐出性能に影響を与えることが懸念される場合がある。しかし、一般的なインクジェット記録ヘッドにおいて、液滴の吐出速度は数m/s〜十数m/sのオーダーであり、数mm/s〜数m/sのオーダーである液流路内の流動速度に比べて遥かに大きい。よって、第1の液体と第2の液体が数mm/s〜数m/sで流動した状態で吐出動作が行われても、吐出性能が影響を受けるおそれは少ない。
図8(a)〜(g)は、流路(圧力室)高さがH[μm]=20μmの液流路13(圧力室)において、水相厚比hrを段階的に変化させた場合の吐出液滴を比較する図である。図8(a)〜(f)は水相厚比hrを0.10ずつ増大させ、図8(f)から(g)においては水相厚比hrを0.50増大させている。なお、図8における吐出液滴は、第1の液体の粘度を1cP、第2の液体の粘度を8cP、液滴の吐出速度を11m/sとして、シミュレーションを行った際に得られた結果をもとに示したものである。
P2in≧P1in>P1out≧P2out (式6)
以上説明した本実施形態の構成では、第1の液体は膜沸騰を生じさせるための発泡媒体、第2の液体は吐出口から外部に吐出するための吐出媒体、というようにそれぞれに求められる機能が明確になる。本実施形態の構成によれば、第1の液体および第2の液体に含有させる成分の自由度を従来よりも高めることができる。以下、このような構成における発泡媒体(第1の液体)と吐出媒体(第2の液体)について、具体例を挙げて詳しく説明する。
吐出すべき液体が既に決まっている場合、液流路(圧力室)に2つの液体を平行流となるように流動させる必要があるか否かは、吐出すべき液体の臨界圧力に応じて決定してもよい。例えば、吐出すべき液体の臨界圧力が不十分である場合のみ、吐出すべき液体を第2の液体とし第1の液体としての発泡媒体を用意すればよい。
一例として、本実施形態の吐出媒体として使用可能な紫外線硬化型インクの好ましい成分構成について説明する。紫外線硬化型インクは100%ソリッド型である、溶剤を含まず重合性反応成分からなるインクと、溶剤型である水または溶剤を希釈剤として含むインクに分類することができる。近年多く用いられている紫外線硬化型インクは、溶剤を含まず非水系の光重合性反応成分(モノマーもしくはオリゴマー)からなる100%ソリッド型紫外線硬化型インクである。構成はモノマーを主要成分として含有し、これに光重合開始剤、色材、分散剤、界面活性剤などのその他添加剤を少量含む。その比率は概ねモノマーが80〜90wt%、光重合開始剤が5〜10wt%、色材が2〜5wt%、残りがその他添加剤という構成である。このように、従来のサーマルヘッドでは対応困難であった紫外線硬化型インクであっても、本実施形態の吐出媒体として用いれば、安定した吐出動作によって液体吐出ヘッドから吐出させることができる。これにより、従来よりも画像の堅牢性や耐擦過性に優れた画像を印刷することが可能となる。
次に、吐出液滴30に、第1の液体31と第2の液体32を所定の割合で混合した状態で吐出する場合について説明する。例えば、第1の液体31と第2の液体32を異なる色のインクとした場合、双方の液体の粘度及び流量に基づいて算出したレイノルズ数が所定の値より小さい関係を満たしていれば、これらインクは液流路13及び圧力室18の中で混色することなく層流となる。即ち、液流路及び圧力室の中における第1の液体31と第2の液体32の流量比Qrを制御することにより、水相厚比hrひいては吐出液滴における第1の液体31と第2の液体32の混合比を所望の割合に調整することができる。
本実施形態においても、図1〜図3に示した吐出ヘッド1および液体吐出装置を使用する。
第3の実施形態について、図14ないし図21を参照しながら説明する。なお、第1の実施形態と同様の箇所については同一の符号を付し、説明は省略する。本実施形態の特徴は、圧力室18内を第1の液体と第2の液体がx方向に並んで流動している状態で圧力発生素子12を駆動することである。本実施形態においても、図1〜図2に示した液体吐出ヘッド1および液体吐出装置を使用する。
図15は、シリコン基板15に形成された1つの液流路13の構成を詳しく説明するための図である。図15(a)は吐出口11の側(+z方向側)から液流路を見た透視図、図15(b)は同図(a)のXVb断面を示した斜視図である。更に、図15(c)は、同図(a)におけるXVc断面の拡大図である。
次に、第1の液体と第2の液体がx方向に並んで流動する平行流を実現するための条件について、図15(c)を参照しながら説明する。図15(c)において、液流路13のx方向の距離(流れの幅)をWとする。また、液流路13の壁面から第1の液体31と第2の液体32の液液界面までの距離(第2の液体の水相厚)をw2、液液界面から反対の液流路壁面までの距離(第1の液体の水相厚)をw1とする。即ち、W=w1+w2となる。ここで、第1の実施形態と同様に、液流路13及び圧力室18内の境界条件として、液流路13及び圧力室18の壁面における液体の速度はゼロとし、第1の液体31と第2の液体32の液液界面の速度とせん弾応力は、連続性を有するものと仮定する。この仮定において、第1の液体31と第2の液体32がx方向に並んで流動する平行な定常流を形成しているとすると、平行流区間では既に説明した(式2)に示す4次方程式が成立する。本実施形態では、(式2)に示すHがWに、h1がw1に、h2がw2にそれぞれ該当する。よって、第1の実施形態と同様に、第1の液体の粘度η1および流量Q1と第2の液体の粘度η2および流量Q2の比である粘度比ηr=η2/η1および流量比Qr=Q2/Q1によって水相厚比hr=w1/(w1+w2)を調整することができる。また、同様に、液流路13において第1の液体と第2の液体が界面を介して平行に流れる状態となるためには、Qr=Q1/Q1>0であること、つまり Q1>0 且つ Q2>0が成立していることが求められる。
次に、第3の実施形態における吐出動作の過渡状態について、図16を参照しながら説明する。図16は流路高さ(z方向の長さ)がH[μm]=20μm、オリフィスプレートの厚みがT=6μmである液流路13に、粘度比がηr=4の第1の液体と第2の液体を流動させた状態で、吐出動作を行った場合の過渡状態を模式的に示す図である。図16では、時間の経過に沿った吐出過程を、(a)から(h)に順番に示している。第1の液体31と第2の液体32の層厚を調整し、圧力発生素子12の有効領域には第1の液体31のみが接するようにした。また、吐出口11内は第2の液体32のみで満たされるようにした。この状態で吐出動作を行うと、圧力発生素子12と接する第1の液体31が発泡し気泡16が生じることによって吐出口11から液体を吐出させることができる。吐出液滴30は主に吐出口内を満たしていた第2の液体32が占めているが、気泡16によって押し出された第1の液体31もある程度含んでいる。この気泡16によって押し出される第1の液体31の量は水相厚比hrを変化させることで調整することができる。
第4の実施形態について、図18および図19を参照しながら説明する。なお、第1の実施形態と同様の箇所については同一の符号を付し、説明は省略する。本実施形態の特徴は、第1の液体31に第2の液体32が挟まれるように第1の液体31および第2の液体が流動していることである。本実施形態においても、図1〜図2に示した液体吐出ヘッド1および液体吐出装置を使用する。図18(a)は吐出口11の側(+z方向側)から本実施形態にかかる液流路を見た透視図、図18(b)は同図(a)のXVIIIb断面を示した斜視図である。更に、図18(c)は、同図(a)におけるXVIIIc断面の拡大図である。
第5の実施形態について、図20および図21を参照しながら説明する。なお、第1の実施形態と同様の箇所については同一の符号を付し、説明は省略する。本実施形態の特徴は、第1の液体31に第2の液体32が挟まれるように第1の液体31および第2の液体が流動していることである。この際、圧力発生素子12は、シリコン基板15の側の壁面ではなく吐出口11の側の壁面に2つ設けられている。図20(a)は吐出口11の側(+z方向側)から本実施形態にかかる液流路13を見た透視図、図20(b)は同図(a)のXXb断面を示した斜視図である。更に、図20(c)は、同図(a)におけるXXc断面の拡大図である。
11 吐出口
12 圧力発生素子
13 液流路
31 第1の液体
32 第2の液体
Claims (27)
- 第1の液体と第2の液体が流動する圧力室と、
前記第1の液体を加圧する圧力発生素子と、
前記第2の液体を吐出する吐出口と、
を備える液体吐出ヘッドにおいて、
前記圧力室において、前記第1の液体は、前記吐出口から前記第2の液体が吐出される方向と交差する方向に前記圧力発生素子に接して流動し、前記第2の液体が、前記交差する方向に前記第1の液体と沿って流動している状態で、前記圧力発生素子が前記第1の液体を加圧することによって、前記第2の液体は前記吐出口から吐出されることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記第1の液体および前記第2の液体の前記圧力室における流れは層流である請求項1に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記第1の液体および前記第2の液体の前記圧力室における流れは平行流である請求項1または請求項2に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記圧力室において、前記第1の液体と前記第2の液体は、前記第2の液体が吐出される方向に並んで流動している請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記圧力室において、前記第1の液体と前記第2の液体は、前記第2の液体が吐出される方向および前記流動する方向に交差する方向に並んで流動している請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記圧力室において、前記第2の液体の流量は前記第1の液体の流量よりも大きい請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記吐出口から吐出される液体に前記第1の液体は含まれない請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記第2の液体は、前記圧力発生素子が駆動されることにより、前記第1の液体との液液界面を介して受けた圧力によって前記吐出口より吐出される請求項1ないし8のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記圧力室において第3の液体がさらに流動し、
前記圧力室において、前記第1の液体と、前記第3の液体と、前記第2の液体とが、この順で並ぶように、前記第3の液体が前記第1の液体及び前記第2の液体に沿って流動している請求項4に記載の液体吐出ヘッド。 - 前記圧力発生素子は、電圧が印加されることによって発熱して前記第1の液体に膜沸騰を生じさせる請求項1ないし10のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記第1の液体は、水または2MPa以上の臨界圧力を有する水性の液体である請求項11に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記第2の液体は、顔料を含む水性インクまたはエマルジョンである請求項11または12に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記第2の液体は、ソリッド型紫外線硬化型インクである請求項11または12に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記圧力室に前記第1の液体を流入するための第1の流入口と、前記圧力室から前記第1の液体を流出するための第1の流出口と、前記圧力室に前記第2の液体を流入するための第2の流入口と、前記圧力室から前記第2の液体を流出するための第2の流出口と、を有する請求項1ないし請求項14のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記第2の流入口、前記第1の流入口、前記第1の流出口および前記第2の流出口は、前記圧力室において前記第1の液体および前記第2の液体が流動している方向にこの順に並んで形成されている請求項15に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記第2の流入口および前記第2の流出口は、前記第2の液体が吐出される方向および前記圧力室において前記第1の液体および前記第2の液体が流動している方向に交差する方向において、前記第1の流入口および前記第1の流出口とずれて形成されている請求項15に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記圧力発生素子および前記吐出口は、前記交差する方向にずれて形成されている請求項17に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記吐出口は、前記第2の液体で満たされた状態で駆動される請求項18に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記第1の液体と前記第2の液体との液液界面の位置は、前記吐出口と前記圧力発生素子との間に形成されている請求項17ないし請求項19のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記圧力室において、前記第2の液体が吐出される方向および前記流動する方向に交差する方向に、前記第1の液体、前記第2の液体、前記第1の液体の順に並んで流動している請求項17ないし請求項19のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記圧力発生素子は前記圧力室の内部に複数ある請求項17ないし請求項21のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記圧力発生素子は、前記第1の流入口、前記第1の流出口、前記第2の流入口および前記第2の流出口が設けられている素子基板に形成されている請求項17ないし請求項22のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記複数の圧力発生素子は、前記吐出口を形成する吐出口形成部材に設けられている請求項17ないし請求項22のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 請求項1ないし請求項24のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッドを有する液体吐出装置。
- 請求項1から24のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッドを構成するための液体吐出モジュールであって、
複数配列されることによって前記液体吐出ヘッドが構成されることを特徴とする液体吐出モジュール。 - 第1の液体と第2の液体が流動する圧力室と、
前記第1の液体を加圧する圧力発生素子と、
前記第2の液体を吐出する吐出口と、
を備える液体吐出ヘッドを用いた液体吐出方法であって、
前記圧力室において、前記第1の液体が、前記吐出口から前記第2の液体が吐出される方向と交差する方向に前記圧力発生素子に接して流動し、かつ、前記第2の液体が、前記交差する方向に前記第1の液体に沿って流動している状態で、前記圧力発生素子を駆動することを特徴とする液体吐出方法。
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