JP2021126800A

JP2021126800A - 液体吐出装置

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Publication number: JP2021126800A
Application number: JP2020021756A
Authority: JP
Inventors: 章太郎神▲崎▼; Shotaro Kanzaki
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2020-02-12
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2021-09-02
Anticipated expiration: 2040-02-12
Also published as: JP7476554B2; US20210245502A1

Abstract

【課題】サテライトやミストを抑制する。【解決手段】ノズル１２ｎから吐出されるインクの粘度μ、密度ρ及び表面張力σと、ノズル１２ｎの直径（ノズル１２ｎ先端の開口の直径）Ｄとにより、下記式で表されるオーネゾルゲ数Ｏｈは、０．１７〜０．３４である。さらに、プリンタの制御部は、ノズル１２ｎから吐出されるインクの速度ｖが８ｍ／ｓ以下となるように、アクチュエータ１３ｘを駆動させる。【数１】［μ：インクの粘度(ｍＰａ・ｓ) ρ：インクの密度（ｇ／ｍ3)） σ：インクの表面張力（ｍＮ／ｍ）Ｄ：ノズル１２ｎの直径（μｍ）］【選択図】図３

Description

本発明は、アクチュエータの駆動によりノズルから液体を吐出させる液体吐出装置に関する。

特許文献１には、インクジェット記録装置において、着弾ドットの位置ずれのない安定した画像を形成するため、オーネゾルゲ数を所定の範囲（０．１０以上０．２５以下）とすることが開示されている。

特開２００８−２６５３２４号公報

しかしながら、オーネゾルゲ数を所定の範囲としても、ノズルから吐出される液体の速度によっては、サテライトやミストが発生し、安定した画像を形成することができない。

本発明の目的は、サテライトやミストを抑制できる液体吐出装置を提供することにある。

本発明に係る液体吐出装置は、ノズルと、前記ノズルから液体を吐出させるエネルギーを付与するアクチュエータと、制御部と、を備え、下記式で表されるオーネゾルゲ数Ｏｈが０．１７〜０．３４であり、前記制御部は、前記ノズルから吐出される液体の速度ｖが８ｍ／ｓ以下となるように前記アクチュエータを駆動させることを特徴とする。

［μ：前記液体の粘度(ｍＰａ・ｓ) ρ：前記液体の密度（ｇ／ｍ³)） σ：前記液体の表面張力（ｍＮ／ｍ）Ｄ：前記ノズルの直径（μｍ）］

本発明によれば、オーネゾルゲ数及び速度のそれぞれを所定の範囲とすることで、実施例に示されるとおり、サテライトやミストを抑制できる。

本発明の一実施形態に係るプリンタ１００の平面図である。プリンタ１００の電気的構成を示すブロック図である。プリンタ１００に含まれるヘッド１の断面図である。ヘッド１のドライバＩＣ１４がアクチュエータ１３ｘに供給する駆動信号を示す波形図である。本発明の実施例におけるオーネゾルゲ数及びレイノルズ数を示すグラフである。

先ず、本発明の一実施形態に係るプリンタ１００の全体構成について説明する。

プリンタ１００は、図１に示すように、ヘッド１と、プラテン３と、搬送機構４と、制御部５とを備えている。

ヘッド１は、紙幅方向（鉛直方向と直交する方向）に長尺であり、位置が固定された状態で用紙９に対してインクを吐出するライン式である。

プラテン３は、ヘッド１の下方に配置された板状の部材である。プラテン３の上面に、用紙Ｐが支持される。

搬送機構４は、搬送方向（紙幅方向及び鉛直方向と直交する方向）にヘッド１及びプラテン３を挟む２つのローラ対４１，４２と、ローラ対４１，４２を回転させる搬送モータ４３（図２参照）とを含む。制御部５の制御により搬送モータ４３が駆動されると、ローラ対４１，４２が用紙９を挟持した状態で回転し、用紙９が搬送方向に搬送される。

制御部５は、図２に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）５２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）５３とを含む。ＲＯＭ５２には、ＣＰＵ５１が各種制御を行うためのプログラムやデータが格納されている。ＲＡＭ５３は、ＣＰＵ５１がプログラムを実行する際に用いるデータを一時的に記憶する。ＣＰＵ５１は、外部装置（パーソナルコンピュータ等）や入力部（プリンタ１００の筐体の外面に設けられたスイッチやボタン）から入力されたデータに基づいて、ＲＯＭ５２やＲＡＭ５３に記憶されているプログラムやデータにしたがい、各種制御を実行する。

次いで、ヘッド１の構成について具体的に説明する。

ヘッド１は、図３に示すように、流路ユニット１２と、アクチュエータユニット１３とを含む。

流路ユニット１２には、共通流路１２ａと、複数の個別流路１２ｂとが形成されている。共通流路１２ａは、インクタンク（図示略）に連通し、かつ、複数の個別流路１２ｂに連通している。各個別流路１２ｂは、ノズル１２ｎと、ノズル１２ｎに連通する圧力室１２ｐとを含む。インクは、共通流路１２ａから各個別流路１２ｂに流入し、各個別流路において、圧力室１２ｐからノズル１２ｎに向かい、ノズル１２ｎから吐出される。流路ユニット１２の下面に複数のノズル１２ｎが開口し、流路ユニット１２の上面に複数の圧力室１２ｐが開口している。鉛直方向と直交する平面において、各ノズル１２ｎは略円形状であり、各圧力室１２ｐは略矩形状である。

アクチュエータユニット１３は、流路ユニット１２の上面に複数の圧力室１２ｐを覆うように配置された金属製の振動板１３ａと、振動板１３ａの上面に配置された圧電層１３ｂと、圧電層１３ｂの上面に複数の圧力室１２ｐのそれぞれと対向するように配置された複数の個別電極１３ｃとを含む。

振動板１３ａ及び複数の個別電極１３ｃは、ドライバＩＣ１４と電気的に接続されている。ドライバＩＣ１４は、振動板１３ａの電位をグランド電位に維持する一方、個別電極１３ｃの電位を変化させる。具体的には、ドライバＩＣ１４は、制御部５からの制御信号に基づいて駆動信号を生成し、当該駆動信号を個別電極１３ｃに供給する。これにより、個別電極１３ｃの電位が所定の駆動電位とグランド電位との間で変化する。このとき、振動板１３ａ及び圧電層１３ｂにおいて各個別電極１３ｃと各圧力室１２ｐとで挟まれた部分（アクチュエータ１３ｘ）が変形することにより、圧力室１２ｐの容積が変化し、圧力室１２ｐ内のインクに圧力（エネルギー）が付与され、ノズル１２ｎからインクが吐出される。アクチュエータ１３ｘは、個別電極１３ｃ毎（即ち、ノズル１２ｎ毎）に設けられており、当該個別電極１３ｃに供給される電位に応じて独立して変形可能である。

次いで、制御部５によるアクチュエータ１３ｘの駆動方式について説明する。

なお、本実施形態では、「インクタンクに貯留されたインク（即ち、ノズル１２ｎから吐出されるインク）の粘度μ、密度ρ及び表面張力σと、ノズル１２ｎの直径（ノズル１２ｎ先端の開口の直径）Ｄとにより、下記式で表されるオーネゾルゲ数Ｏｈは、０．１７〜０．３４である」という条件が満たされている。

［μ：インクの粘度(ｍＰａ・ｓ) ρ：インクの密度（ｇ／ｍ³)） σ：インクの表面張力（ｍＮ／ｍ）Ｄ：ノズル１２ｎの直径（μｍ）］

密度ρは０．９〜１．２ｇ／ｍ³であり、粘度μは４．０〜１０.０ｍＰａ・ｓであり、表面張力σは３０ｍＮ／ｍ以上であり、直径Ｄは１７〜２４μｍである。

さらに、下記式で表されるレイノルズ数Ｒｅが１９〜３５である。

また、下記式で表されるウェーバー数Ｗｅが３７〜５２である。

上記条件の下、制御部５は、ノズル１２ｎから吐出されるインクの速度ｖが８ｍ／ｓ以下となるように、アクチュエータ１３ｘを駆動させる。

具体的には、制御部５は、外部装置等から受信した記録指令（画像データを含む。）に基づいて搬送モータ４３及びドライバＩＣ１４を制御することで、用紙９の搬送動作と、用紙９に対するノズル１２ｎからのインクの吐出動作とを行わせ、用紙９上に画像を記録させる。この際、制御部５は、ドライバＩＣ１４に、制御信号を送信して駆動信号を生成させ、当該駆動信号を各個別電極１３ｃに供給させる。

駆動信号は、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、１吐出周期（時点ｔ０から時点ｔ１までの時間）内におけるノズル１２ｎからのインクの吐出量に応じて、４種類ある。各個別電極１３ｃに対し、吐出周期毎に、これら４種類の駆動信号のいずれかが供給される。

図４（ａ）の駆動信号Ｘ０は、上記吐出量が「ゼロ（吐出なし）」に対応するものであり、個別電極１３ｃの電位を一定の駆動電位（ＶＤＤ）に維持する。図４（ｂ）の駆動信号Ｘ１は、上記吐出量が「小」に対応するものであり、個別電極１３ｃの電位を駆動電位（ＶＤＤ）とグランド電位（０Ｖ）との間で変化させる２つのパルスを含み、２滴のインクを吐出させる。図４（ｃ）の駆動信号Ｘ２は、上記吐出量が「中」に対応するものであり、個別電極１３ｃの電位を駆動電位（ＶＤＤ）とグランド電位（０Ｖ）との間で変化させる３つのパルスを含み、３滴のインクを吐出させる。図４（ｄ）の駆動信号Ｘ３は、上記吐出量が「大」に対応するものであり、個別電極１３ｃの電位を駆動電位（ＶＤＤ）とグランド電位（０Ｖ）との間で変化させる４つのパルスを含み、４滴のインクを吐出させる。

このように、制御部５は、アクチュエータ１３ｘに対し、１吐出周期内に複数のパルスを含む駆動信号Ｘ１〜Ｘ３を供給する。

各駆動信号Ｘ１〜Ｘ３において、複数のパルスのうちの最後のパルスの幅Ｗは、ＡＬ（Acoustic Length：個別流路１２ｂにおける圧力波の片道伝搬時間）よりも短い。

また、各駆動信号Ｘ１〜Ｘ３において、複数のパルスのうちの最初のパルスの立ち上がり時点から最後のパルスの立下り時点までの時間Ｔは、下記式で表される分裂時間Ｔｏｐｔ（「微粒化 Vol.9 No25 (2000) 微粒化研究に用いられる無次元数について」参照）よりも短い。

［δ^*：初期攪乱の微小振幅］

個別電極１３ｃの電位が駆動電位（ＶＤＤ）にあるとき、アクチュエータ１３ｘ（図３参照）は圧力室１２ｐに向かって凸に変形した状態である。この状態を初期状態として、その後個別電極１３ｃの電位が駆動電位（ＶＤＤ）からグランド電位（０Ｖ）に変化すると、アクチュエータ１３ｘが平坦になり、圧力室１２ｐの容積が初期状態よりも増加する。このとき、共通流路１２ａから個別流路１２ｂにインクが吸い込まれる。さらにその後、個別電極１３ｃの電位がグランド電位（０Ｖ）から駆動電位（ＶＤＤ）に変化すると、アクチュエータ１３ｘが再び圧力室１２ｐに向かって凸に変形した状態となる。このとき、圧力室１２ｐの容積低下により圧力室１２ｐ内のインクの圧力が上昇し、ノズル１２ｎから１滴のインクが吐出される。

つまり本実施形態では、アクチュエータ１３ｘの駆動方式として、圧力室１２ｐの容積を一旦増加させてから所定時間経過後に圧力室１２ｐの容積を元に戻すことでノズル１２ｎからインクを吐出させるエネルギーを付与する、「引き打ち方式」を採用している。「引き打ち方式」では、圧力室１２ｐの容積が増加する際に、圧力室１２ｐ内に負の圧力波が生じ、その後負の圧力波が反転して正の圧力波として圧力室１２ｐに戻ってきたタイミングで、圧力室１２ｐの容積を元に戻し、圧力室１２ｐ内に正の圧力波を生じさせ、これら圧力波を重畳させる。このような圧力波の重畳により、圧力室１２ｐ内のインクに大きな圧力を付与することができる。

以上に述べたように、本実施形態によれば、オーネゾルゲ数Ｏｈが０．１７〜０．３４であるという条件と、ノズル１２ｎから吐出されるインクの速度ｖが８ｍ／ｓ以下であるという条件と、の両方が満たされている。オーネゾルゲ数Ｏｈが低すぎると（０．１７未満の場合）、ノズル１２ｎから吐出されたインクが分裂し、サテライトが生じ易くなる。オーネゾルゲ数Ｏｈが高すぎると（０．３４を超える場合）、レイリー不安定性により、ミストが生じ易くなる。また、速度ｖが高すぎると（８ｍ／ｓを超える場合）、サテライトやミストが生じ易くなる。本実施形態では、オーネゾルゲ数Ｏｈ及び速度ｖのそれぞれを所定の範囲とすることで、後述の実施例に示されるとおり、サテライトやミストを抑制できる。換言すると、液体の特性（粘度μ、密度ρ、表面張力σ）に合わせて、ノズル１２ｎの直径Ｄ及び速度ｖを決定することで、サテライトやミストが生じ難く、高品質の画像形成が可能なプリンタ１００を提供できる。

密度ρは０．９〜１．２ｇ／ｍ³である。この構成によれば、後述の実施例に示される条件に合致し、上記効果（サテライトやミストを抑制できるという効果）を確実に得ることができる。

粘度μは４．０〜１０.０ｍＰａ・ｓである。この構成によれば、後述の実施例に示される条件に合致し、上記効果（サテライトやミストを抑制できるという効果）を確実に得ることができる。

表面張力σは３０ｍＮ／ｍ以上である。この構成によれば、後述の実施例に示される条件に合致し、上記効果（サテライトやミストを抑制できるという効果）を確実に得ることができる。

直径Ｄは１７〜２４μｍである。この構成によれば、後述の実施例に示される条件に合致し、上記効果（サテライトやミストを抑制できるという効果）を確実に得ることができる。

レイノルズ数Ｒｅが１９〜３５である。この構成によれば、後述の実施例に示される条件に合致し、上記効果（サテライトやミストを抑制できるという効果）を確実に得ることができる。

ウェーバー数Ｗｅが３７〜５２である。この構成によれば、後述の実施例に示される条件に合致し、上記効果（サテライトやミストを抑制できるという効果）を確実に得ることができる。

制御部５は、アクチュエータ１３ｘに対し、１吐出周期内に複数のパルスを含む駆動信号Ｘ１〜Ｘ３を供給する（図４参照）。仮に、駆動信号Ｘ１〜Ｘ３に含まれるパルスが１つのみの場合、当該１つのパルスの立下りのタイミングで、圧力室１２ｐ内のインクに圧力が付与され、ノズル１２ｎからインクが吐出されようとする際に、ノズル１２ｎからインクが突出するものの、当該突出したインクを引きちぎる外力を適切に働かせることができない（ひいては、サテライトやミストが生じる）可能性が高くなる。これに対し、本構成では、２つ目以降のパルスにより、インクを引きちぎる外力を適切に働かせることができ、サテライトやミストをより確実に抑制できる。

各駆動信号Ｘ１〜Ｘ３において、複数のパルスのうちの最後のパルスの幅Ｗは、ＡＬ（Acoustic Length：個別流路１２ｂにおける圧力波の片道伝搬時間）よりも短い（図４参照）。この場合、最後のパルスの幅ＷがＡＬよりも短いことで、レイリー不安定性によるミストが生じる前に、ノズル１２ｎから突出したインクを引きちぎり、ノズル１２ｎから吐出させることができる。したがって、ミストをより確実に抑制できる。

各駆動信号Ｘ１〜Ｘ３において、複数のパルスのうちの最初のパルスの立ち上がり時点から最後のパルスの立下り時点までの時間Ｔは、分裂時間Ｔｏｐｔよりも短い。この場合、時間Ｔが分裂時間Ｔｏｐｔよりも短いことで、インクの分裂前に、ノズル１２ｎから突出したインクを引きちぎり、ノズル１２ｎから吐出させることができる。したがって、インクの分裂によるサテライトをより確実に抑制できる。

制御部５によるアクチュエータ１３ｘの駆動方式は、圧力室１２ｐの容積を一旦増加させてから所定時間経過後に圧力室１２ｐの容積を元に戻すことでノズル１２ｎからインクを吐出させるエネルギーを付与する、「引き打ち方式」である。「引き打ち方式」の場合、圧力室１２ｐを伝播する圧力波を利用して効率よくエネルギーを付与できるため、「押し打ち方式（予めアクチュエータ１３ｘを平坦に保持しておき、所定のタイミングでアクチュエータ１３ｘを圧力室１２ｐに向かって凸に変形させ、圧力室１２ｐの容積を減少させることでノズル１２ｎからインクを吐出させるエネルギーを付与する方式）」に比べ、パルス変化に伴うインクの吐出を迅速に行うことができる。したがって、レイリー不安定性によるミストが発生する前に、インクを引きちぎってノズル１２ｎから吐出させることができ、ミストをより確実に抑制できる。

本発明者は、本発明の効果を検証するため、種々の条件で実験を行った。以下、実験の詳細及び結果について説明する。

上記表において、実施例１〜８は、ヘッド１において、内部のインクの性質（粘度μ及び表面張力σ）とノズル１２ｎの直径（ノズル１２ｎ先端の開口の直径）Ｄとを、互いに異ならせたものである。

各実施例１〜８のレイノルズ数Ｒｅ、ウェーバー数Ｗｅ、オーネゾルゲ数Ｏｈは、それぞれ、インクの性質（粘度μ、密度ρ及び表面張力σ）、ノズル１２ｎの直径Ｄ、吐出速度ｖ等から、上述した式により導き出した。

実施例１〜８では、いずれも汎用の水性インクを用い、密度ρを統一した。

また、実施例１〜８の吐出速度ｖを統一するため、駆動電位（ＶＤＤ）（図４参照）を調整した。

上記表における「サテライトやミストの有無」は、アクチュエータ１３ｘに対して様々な駆動信号を供給し、少なくとも１つの駆動信号においてサテライトやミストが検知されなかったものは『無し（〇）』、全ての駆動信号においてサテライトやミストが検知されたものは『有り（×）』とした。

アクチュエータ１３ｘに供給する駆動信号としては、図４（ｂ）に示す駆動信号Ｘ１を用いた。そして、駆動信号Ｘ１において、各パルスの幅、パルス同士の間隔を、様々に変化させたものを、アクチュエータ１３ｘに供給した。

図５は、各実施例１〜８におけるオーネゾルゲ数Ｏｈ及びレイノルズ数Ｒｅの数値をプロットしたものを示す。（１）〜（８）は、実施例１〜８に対応する。

図５より、「サテライトやミストの有無」が『有り（×）』とされた実施例３〜５、８は、オーネゾルゲ数Ｏｈが０．１７〜０．３４の範囲外にあることがわかる。オーネゾルゲ数Ｏｈが０．１７未満の実施例５ではサテライトが生じ、オーネゾルゲ数Ｏｈ０．３４を超える実施例３、４、８ではミストが生じた。

また、図５より、「サテライトやミストの有無」が『有り（×）』とされた実施例３〜５、８は、レイノルズ数Ｒｅが１９〜３５の範囲外にあることがわかる。

換言すると、「サテライトやミストの有無」が『無し（〇）』とされた実施例１、２、６、７は、オーネゾルゲ数Ｏｈが０．１７〜０．３４であり、レイノルズ数Ｒｅが１９〜３５である。

また、上記表より、「サテライトやミストの有無」が『無し（〇）』とされた実施例１、２、６、７は、密度ρが０．９〜１．２ｇ／ｍ³であり、粘度μが４．０〜１０.０ｍＰａ・ｓであり、表面張力σが３０ｍＮ／ｍ以上であり、直径Ｄが１７〜２４μｍであり、ウェーバー数Ｗｅが３７〜５２である。

＜変形例＞
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。

上述の実施形態では、アクチュエータの駆動方式として「引き打ち方式」を採用しているが、これに限定されず、「押し打ち方式」を採用してもよい。

上述の実施形態では、制御部がアクチュエータに対して１吐出周期内に複数のパルスを含む駆動信号を供給するが、速度ｖが８ｍ／ｓ以下となる限り、駆動信号は特に限定されない。例えば、制御部がアクチュエータに対して１吐出周期内に１つのパルスを含む駆動信号を供給してもよい。

アクチュエータは、圧電素子を用いたピエゾ方式のものに限定されず、その他の方式（例えば、発熱素子を用いたサーマル方式、静電力を用いた静電方式等）のものであってもよい。

ノズルが形成された流路部材は、ライン式に限定されず、シリアル式（紙幅方向と平行な走査方向に移動しつつノズルから吐出対象に対して液体を吐出する方式）であってもよい。

吐出対象は、用紙に限定されず、例えば布、基板等であってもよい。

ノズルから吐出される液体は、インクに限定されず、任意の液体（例えば、インク中の成分を凝集又は析出させる処理液等）であってよい。

本発明は、プリンタに限定されず、ファクシミリ、コピー機、複合機等にも適用可能である。また、本発明は、画像の記録以外の用途で使用される液体吐出装置（例えば、基板に導電性の液体を吐出して導電パターンを形成する液体吐出装置）にも適用可能である。

５制御部
１２ｎノズル
１２ｐ圧力室
１３ｘアクチュエータ
１００プリンタ（液体吐出装置）
Ｘ０〜Ｘ３駆動信号

Claims

ノズルと、
前記ノズルから液体を吐出させるエネルギーを付与するアクチュエータと、
制御部と、を備え、
下記式で表されるオーネゾルゲ数Ｏｈが０．１７〜０．３４であり、
前記制御部は、前記ノズルから吐出される液体の速度ｖが８ｍ／ｓ以下となるように前記アクチュエータを駆動させることを特徴とする、液体吐出装置。

［μ：前記液体の粘度(ｍＰａ・ｓ) ρ：前記液体の密度（ｇ／ｍ³)） σ：前記液体の表面張力（ｍＮ／ｍ）Ｄ：前記ノズルの直径（μｍ）］
前記密度ρが０．９〜１．２ｇ／ｍ³であることを特徴とする、請求項１に記載の液体吐出装置。
前記粘度μが４．０〜１０.０ｍＰａ・ｓであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の液体吐出装置。
前記表面張力σが３０ｍＮ／ｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
前記直径Ｄが１７〜２４μｍであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
下記式で表されるレイノルズ数Ｒｅが１９〜３５であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
下記式で表されるウェーバー数Ｗｅが３７〜５２であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
前記制御部は、前記アクチュエータに対し、１吐出周期内に複数のパルスを含む駆動信号を供給することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の液体吐出装置。
前記複数のパルスのうちの最後のパルスの幅がＡＬ（Acoustic Length）よりも短いことを特徴とする、請求項８に記載の液体吐出装置。
前記複数のパルスのうちの最初のパルスの立ち上がり時点から最後のパルスの立下り時点までの時間が、下記式で表される分裂時間Ｔｏｐｔよりも短いことを特徴とする、請求項８又は９に記載の液体吐出装置。

［δ^*：初期攪乱の微小振幅］
前記ノズルに連通する圧力室を備え、
前記アクチュエータは、前記圧力室を覆い、
前記制御部による前記アクチュエータの駆動方式は、前記圧力室の容積を増加させてから所定時間経過後に前記圧力室の容積を元に戻すことで前記エネルギーを付与する、引き打ち方式であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の液体吐出装置。